JP3589614B2

JP3589614B2 - Mold for reduction casting

Info

Publication number: JP3589614B2
Application number: JP2000137790A
Authority: JP
Inventors: 恵介伴; 晃一荻原
Original assignee: Nissin Kogyo Co Ltd
Current assignee: Astemo Ltd
Priority date: 2000-05-10
Filing date: 2000-05-10
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2020-05-10
Also published as: JP2001321919A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は還元鋳造方法及び還元鋳造用成形型に関し、更に詳細には溶湯表面の酸化被膜を還元性化合物によって還元しつつ鋳造する還元鋳造方法及び還元鋳造用成形型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋳造方法のうち、アルミニウムの鋳造方法には、重力鋳造法（ＧＤＣ）、低圧鋳造法（ＬＰＤＣ）、ダイキャスト（ＤＣ）、スクイズ（ＳＣ）、チクソモールド等がある。これらの鋳造方法は、いずれも成形型のキャビティ内にアルミニウム溶湯を注湯して鋳造するものである。
一般に、アルミニウム又はその合金は、酸化被膜をつくり易い性質があるため、アルミニウム鋳造過程では、アルミニウムの溶湯表面に簡単に酸化被膜が生成される。その結果、アルミニウム溶湯の表面張力が大きくなって、アルミニウム溶湯の流動性、溶融、溶着性が低下し、種々の鋳物欠陥が生じる。このため、成形型塗型剤の使用、成形型への溶湯の注入方法、溶湯を注入する注入速度や圧力等について様々な改良及び手法が検討されてきた。
【０００３】
例えば、溶湯表面に生成された酸化被膜の生長に起因する湯周り不良、湯ジワ、湯境等に対応する対応策として、ＧＤＣやＬＰＤＣの領域では、断熱離型剤の塗布、ゲートの配置方法やオーバーフローの取り方等の手法によって、アルミニウム溶湯の温度低下を遅延させたり、ＤＣの領域では、アルミニウム溶湯の充填速度、圧力、ゲートの配置やオーバーフローの取り方等による高圧短時間充填が行われている。また、ＳＣ等の領域では、ＧＤＣの領域で高圧に加圧することによって、アルミニウムの溶湯表面の酸化皮膜を強制的に破壊、融合させることが行われている。
【０００４】
しかし、従来のアルミニウムの鋳造方法は一長一短があり、特に、アルミニウムの溶湯表面の酸化被膜に起因して鋳造品に発生する湯ジワ、湯境や微少な未充填を解消することは至難のことであった。このため、アルミニウム鋳造物のうち、表面応力、切欠等が問題となるアルミニウム製品、特に、航空機、自動車等に使用されるアルミニウム製の構造物については、その信頼性にバラツキが存在するため、蛍光探傷等による全数検査、或いは鋳造して得られたアルミニウム鋳造品に表面加工を施して最終製品とすることが行われており、アルミニウム製品のコストアップを招いていた。
かかる従来のアルミニウム鋳造方法では解消することが至難であった、アルミニウムの溶湯表面の酸化被膜に起因して発生する鋳造品の湯ジワ等を解消すべく、本発明者は、先に特願平１１−９１４４５号明細書において、成形型のキャビティ内に注入したアルミニウムの溶湯表面の酸化被膜を、金属ガスと反応性ガスとが反応して生成された還元性化合物によって還元しつつ鋳造する還元鋳造方法を提案した。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者が先に提案した還元鋳造方法によれば、成形型のキャビティ内に存在する還元性化合物が、アルミニウムの溶湯表面の酸化皮膜から酸素を奪いとって純粋なアルミニウムとする結果、アルミニウム溶湯の表面張力を低減させて、その流動性、湯周り性、キャビティの内壁面との濡れ性の向上を図ることができ、酸化皮膜に起因して発生する湯ジワ等の解消を図ることができる。
唯、先に提案した還元鋳造方法では、金属ガスと反応性ガスとを成形型外に設けた反応槽で予め反応させて生成した還元性化合物を、キャビティ内に注入していた。このため、反応槽で生成した還元性化合物のキャビティへの注入時間が長くなり、還元性化合物をキャビティ内に分散し難いことがある。更に、反応槽からキャビティ内に還元性化合物を供給する供給配管が還元性化合物によって閉塞され易く、閉塞した供給配管の掃除のために鋳造効率が低下し易いことが判明した。
そこで、本発明の課題は、金属の溶湯表面の酸化皮膜を還元性化合物によって還元しつつ鋳造する際に、キャビティ内に還元性化合物を容易に存在させることができ、鋳造効率を向上し得る還元鋳造方法及び還元鋳造用成形型を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は前記課題を解決すべく、先ず、金属ガスと反応性ガスとを別々に成形型のキャビティ内に供給し、キャビティ内で両者を反応させて還元性化合物を生成することによって、キャビティ内への供給配管の閉塞を防止できることを見出した。
更に、この際に、予め減圧状態としたキャビティ内に金属ガス及び反応性ガスを注入すると、金属ガス及び反応性ガスをスムーズに且つ短時間でキャビティ内に注入できることも見出し、本発明に到達した。
【０００８】
すなわち、本発明は、キャビティ内に注入した金属ガスと反応性ガスとが反応して生成された還元性化合物によって、前記キャビティ内に注入した金属の溶湯表面の酸化皮膜を還元して鋳造する還元鋳造用成形型であって、該キャビティ内に溶湯を注入する溶湯注入孔、前記金属ガスを注入する金属ガス注入孔、及び前記反応性ガスを注入するガス注入孔が前記成形型に個別に形成され、且つ前記還元性化合物が実質的に非酸素雰囲気のキャビティ内に生成されるように、前記キャビティ内を減圧状態とする減圧孔が前記成形型に形成されていることを特徴とする還元鋳造用成形型にある。
【０００９】
かかる本発明において、金属ガスと反応性ガスとの各々を、別々の経路でキャビティ内に注入することによって、金属ガスと反応性ガスとの反応生成物である還元性化合物がキャビティ内への経路の途中で生成することがなく、還元性化合物に因る供給配管の閉塞を防止できる。
また、一般に成形型を形成する金属は、本発明においてキャビティ内で生成される還元性化合物とは反応しないため、キャビティの内壁面に成形型を形成する金属材を露出させることによって、キャビティの内壁面を容易に還元性化合物と非反応性とすることができる。
更に、金属ガス及び反応性ガスとしては、マグネシウムガス及び窒素ガスを用い、還元性化合物としてマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ_３Ｎ_２）を生成することによって、取扱が容易のマグネシウム及び窒素ガスを原料として還元化合物であるマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ_３Ｎ_２）を容易に生成できる。
尚、本発明において「アルミニウム」と言う場合は、純粋なアルミニウムは勿論のこと、アルミニウムを基材に、例えば、シリコン、マグネシウム、銅、ニッケル、錫等を含有するアルミニウム合金も含む。
【００１０】
本発明において採用する、金属ガスと反応性ガスとの反応生成物である還元性化合物は、通常、大気中ではそのままの形態で存在し難いため、還元性化合物を供給する供給配管の閉塞対策は充分に明らかになっていない。
この点、本発明では、大気中でもそのままの形態で存在し得る金属ガスと反応性ガスとを成形型のキャビティ内に供給し、キャビティ内で反応させて還元性化合物を生成させている。このため、供給配管の閉塞対策が知られ又は閉塞対策を不要とし得る金属ガスと反応性ガスとを用い、成形型のキャビティ内で供給配管を閉塞させ易い還元性化合物を生成させることができる。
しかも、予め減圧状態としたキャビティ内に金属ガス及び反応性ガスを注入することによって、金属ガス及び反応性ガスをキャビティ内にスムーズに且つ短時間で注入できる。
その結果、成形型のキャビティ内に還元性化合物を容易に存在させることができ、還元鋳造方法による鋳造効率の向上を図ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る還元鋳造方法について、アルミニウム鋳造方法に適用した例について説明する。かかるアルミニウム鋳造方法を実施するための鋳造装置の一例を図１に示す。図１に示す鋳造装置１０に設けられた成形型１２には、アルミニウム溶湯１８が貯められた注湯槽１４に接続され、アルミニウム溶湯１８がキャビティ１２ａ内に注湯される溶湯注入孔１１が形成されている。
この溶湯注入孔１１内には、ほぞ１６が上下方向に移動可能に挿入されており、ほぞ１６を引き上げることによって、注湯槽１４から所要量のアルミニウム溶湯１８がキャビティ１２ａ内に注湯される。
図１に示す成形型１２は、キャビティ１２ａの内壁面が、成形型１２を形成する金属の金属面が露出して形成されたものである。
【００１２】
かかる成形型１２には、配管２２によって窒素ガスボンベ２０と接続され、バルブ２４を開放することにより、キャビティ１２ａ内に反応性ガスとしての窒素ガスを注入できる。
また、アルゴンガスボンベ２５は、配管２６によって金属ガスを発生する発生器としての加熱炉２８に接続されており、バルブ３０を開放することによって加熱炉２８内にアルゴンガスを注入できる。この加熱炉２８内は、ヒータ３２によって加熱可能に形成されており、炉内温度は、後述する金属ガスとして気体状のマグネシウム（以下、マグネシウムガスと称することがある）を発生させるべく、マグネシウム粉末が昇華する８００℃以上にされている。
【００１３】
かかるアルゴンガスボンベ２５は、バルブ３３が介装された配管３４によって、マグネシウム粉末が収容されているタンク３６に接続され、タンク３６は配管３８によって、バルブ３０よりも下流側の配管２６に接続されている。この配管３８にもバルブ４０が介装されている。加熱炉２８は、配管４２及びほぞ１６を貫通して成形型１２のキャビティ内に通じるパイプ４４を介して成形型１２のキャビティ１２ａに接続されている。配管４２にはバルブ４５が介装されている。
更に、成形型１２のキャビティ１２ａには、キャビティ１２ａ内を減圧状態とすべく、真空ポンプ等の真空発生装置（図示せず）に接続された減圧配管１７が接続されている。この減圧配管１７にも、バルブ１９が設けられている。
【００１４】
図１に示す様に、成形型１２には、アルミニウム溶湯１８が注湯される溶湯注入孔１１の他に、マグネシウムガスをキャビティ１２ａ内に注入する金属ガス注入孔４４ａ、窒素ガスをキャビティ１２ａ内に注入する窒素ガス注入孔２２ａ及びキャビティ１２ａ内を減圧する減圧孔１７ａが形成されている。かかる孔のうちの一孔を、アルミニウム溶湯１８をキャビティ１２ａ内に注湯する際に、キャビティ１２内の気体を排気する排気孔とすることによって、アルミニウム溶湯１８の注湯をスムーズに行うことができる。この排気孔としての役割を兼務させる孔としては、金属ガス注入孔４４ａと窒素ガス注入孔２２ａとの一方とすることが好ましく、特に窒素ガス注入孔２２ａに排気孔の役割を兼務させることが好ましい。
この窒素ガス注入孔２２ａと減圧孔１７ａの構造を図２（ａ）（ｂ）に示す。これらの孔の接続口１３は、図２（ａ）に示すように、成形型１２の外壁に外側に向けて広がるテーパ孔に形成され、このテーパ孔に配管２２先端に取り付けられた接続プラグ（図示せず）が着脱自在に当接される。接続口１３は、図２（ｂ）に示す通路１５，１５・・を通じてキャビティ１２ａ内に通じている。
【００１５】
本発明においては、図１に示す成形型１２に代えて図３（ａ）に示す成形型１２を用いることができる。図３（ａ）に示す成形型１２は、アルミニウム溶湯１８がキャビティ１２ａ内に注湯される溶湯注入孔１１を構成する湯注入口１１ａ内に、ほぞ１６が上下方向に移動可能に挿入される。この湯注入口１１ａとキャビティ１２ａとは湯注入路１１ｂによって連通されており、ほぞ（栓）１６を引き上げることによって、溶湯槽１４中のアルミニウム溶湯１８は、湯注入口１１ａから湯注入路１１ｂを通過してキャビティ１２ａ内に注入される。かかる湯注入路１１ｂの途中には、金属ガス注入孔４４ａが接続されている。
更に、成形型１２には、キャビティ１２ａを挟んでヘッダ２３ａ，２３ｂが形成されており、窒素ガスをキャビティ１２ａに注入する窒素ガス注入孔２２ａ及び／又は減圧孔１７ａがヘッダ２３ａ，２３ｂに接続されている。かかるヘッダ２３ａ，２３ｂとキャビティ１２ａとは、図３（ｂ）に示す通路１５，１５・・によって連結されている。
この様な、図３（ａ）に示す成形型１２においても、金属ガス注入孔４４ａ、窒素ガス注入孔２２ａ及び減圧孔１７ａの一孔を、アルミニウム溶湯１８をキャビティ１２ａ内に注湯する際に、キャビティ１２内の気体を排気する排気孔の役割を兼務させることが好ましく、特に、窒素ガス注入孔２２ａに排気孔の役割を兼務させることが好ましい。
尚、アルミニウム溶湯１８をキャビティ１２ａ内に注湯する際に、キャビティ１２内の気体を排気する排気孔を、成形型１２に新たに形成してもよい。
【００１６】
図１に示す鋳造装置１０によってアルミニウム鋳造を行う際には、先ず、真空ポンプ等の真空発生装置を駆動した後、バルブ１９を開放してキャビティ１２ａ内の空気を吸引して減圧状態とし、キャビティ１２ａ内を実質的に非酸素雰囲気とする。キャビティ１２ａ内が所定の減圧状態となったとき、バルブ１９を閉じて真空発生装置を停止する。
この様に、成形型１２のキャビティ１２ａ内を減圧状態としている際に、バルブ３０を開放して加熱炉２８内に、アルゴンガスボンベ２０からアルゴンガスを注入し、加熱炉２８内を無酸素状態とする。
次いで、バルブ３０を閉じ、バルブ４０を開放し、アルゴンガス圧によりタンク３６内のマグネシウム粉末をアルゴンガスと共に加熱炉２８内に送り込む。加熱炉２８は、ヒータ３２によりマグネシウム粉末が昇華する８００℃以上の炉内温度になるように加熱されている。このため、加熱炉２８に送り込まれたマグネシウム粉末は昇華してマグネシウムガスとなる。
【００１７】
次に、バルブ４０を閉じてバルブ３０及びバルブ４５を開放し、アルゴンガス圧力、流量を調節しつつ配管４２及びパイプ４４を経てマグネシウムガスをキャビティ１２ａ内に注入する。
キャビティ１２ａ内にマグネシウムガスを注入した後、バルブ４５を閉じ且つバルブ２４を開放して成形型内に窒素ガスを注入する。この様に、成形型１２内に窒素ガスを注入することによって、マグネシウムガスと窒素ガスとがキャビティ１２ａ内で反応してマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ_３Ｎ_２）が生成される。このマグネシウム窒素化合物は、キャビティ１２ａ内壁面に粉体として析出する。
窒素ガスをキャビティ１２ａ内に注入する際には、窒素ガスの圧力及び流量を適宜調節して行う。窒素ガスとマグネシウムガスとが反応し易いように窒素ガスを予熱して成形型１２の温度が低下しないようにして注入することも好ましい。反応時間は５秒〜９０秒程度（好ましくは１５秒〜６０秒程度）でよい。反応時間を９０秒よりも長くしても、成形型１２の型温が低下し反応性が低下する傾向にある。
【００１８】
キャビティ１２ａ内で生成したマグネシウム窒素化合物は、微粒子状でキャビティ１２ａ内に浮遊しているものも多い。このため、再度、真空発生装置を駆動しバルブ１９を開放して減圧配管１７を介してキャビティ１２ａ内を減圧とすることによって、マグネシウム窒素化合物をキャビティ１２ａの内壁面に積極的に付着させることも好ましい。
尚、マグネシウム窒素化合物を生成させた後のキャビティ１２ａ内の減圧程度は、マグネシウムガスをキャビティ１２ａに注入する際の減圧程度よりも軽いものである。
【００１９】
キャビティ１２ａの内壁面にマグネシウム窒素化合物が付着した状態で、ほぞ１６を引き上げ、注湯槽１４中のアルミニウム溶湯１８をキャビティ１２ａ内に注入する。
キャビティ１２ａ内に注湯されたアルミニウム溶湯は、キャビティ１２ａの内壁面に付着しているマグネシウム窒素化合物と接触し、マグネシウム窒素化合物がアルミニウムの溶湯表面の酸化被膜から酸素を奪うことによって、アルミニウムの溶湯表面が純粋なアルミニウムに還元される。
また、キャビティ１２ａ内に残存する酸素は、マグネシウム窒素化合物と反応し酸化マグネシウム又は水酸化マグネシウムとなって溶湯中に取り込まれる。この様にして生成される酸化マグネシウム等は少量であり、且つ安定な化合物であるため、得られるアルミニウム鋳造品の品質に悪影響は与えない。
【００２０】
この様に、マグネシウム窒素化合物がアルミニウムの溶湯表面の酸化皮膜から酸素を奪いとって純粋なアルミニウムを形成するため、溶湯表面に酸化皮膜を形成することなく鋳造できる。このため、鋳造工程中にアルミニウム溶湯の表面張力が酸化皮膜によって増大することを防止でき、アルミニウム溶湯の濡れ性、流動性、湯周り性を良好にできる。その結果、キャビティ１２ａの内壁面との決めの転写性（平滑性）に優れ、且つ湯ジワ等が生じない良好なアルミニウム鋳造品を得ることができる。
【００２１】
本発明においては、成形型１２のキャビティ１２ａの表面に付着したマグネシウム窒素化合物が還元性を有していることが必要である。このため、図１及び図２に示す成形型１２のキャビティ１２ａの内壁面には、成形型１２を形成する金属材が露出している。通常、成形型１２を形成する金属材は、キャビティ１２ａ内で生成されるマグネシウム窒素化合物に対し、アルミニウム鋳造工程の温度範囲では非反応性である。
ここで、キャビティ１２ａの内壁面に、アルミニウム鋳造の際に、キャビティの内壁面の処理として一般に用いられている酸化物系の断熱剤又は離型剤を、キャビティ１２ａの内壁面に塗布すると、マグネシウム窒素化合物は断熱剤等の酸素基と反応して還元機能を喪失する。このため、キャビティ１２ａの内壁面を、マグネシウム窒素化合物等の還元性化合物に対して非反応性の材料で形成する。
したがって、成形型１２のキャビティ１２ａの内壁面を被覆する場合には、黒鉛等の非酸化物系の材料によって被覆することが好ましい。また、キャビティ１２の内壁面に熱処理（四酸化鉄の形成処理）又は窒化処理等の処理を施したものであっても使用できる。
【００２２】
図１及び図２に示す鋳造装置は、重力鋳造法によってアルミニウム鋳造をおこなっているが、本発明は従来から実施されているアルミニウム鋳造方法に適用できる。例えば、図４に示す鋳造装置は、加圧鋳造方法によってアルミウム鋳造を行っているいるものである。図４に示す鋳造装置では、成形型１２を上成形型５０と押圧成形型５１とによって構成している。図４に示す成形型１２は、図１及び図２に示した重力鋳造法に用いる成形型とくらべて気密性が高いものとなっている。
この図４に示す鋳造装置１０では、窒素ガスボンベ２０と成形型１２のキャビティ１２ａとを接続する配管２２の中途に配管５３を分岐して真空ポンプ５２を接続している。この配管２２の中途には、バルブ５４を設けている。更に、成形型１２の内外を配管５５によって接続し、配管５５にバルブ５６を設けている。
【００２３】
図４に示す鋳造装置１０を使用して鋳造する場合は、先ず、バルブ２４、５６を閉じてバルブ５４を開放して真空ポンプ５２を駆動し、成形型１２のキャビティ１２ａ内を減圧する。かかる減圧によって、キャビティ１２ａ内を実質的に非酸素雰囲気とすることができる。
更に、アルゴンガスボンベ２５から加熱炉２８にアルゴンガスを注入した後、バルブ３３を開放してタンク３６にアルゴンガスを注入し、タンク３６からマグネシウム粉末を加熱炉２８に送り込んでマグネシウム粉末を昇華させてマグネシウムガスを発生させる。発生したマグネシウムガスは、バルブ５４、５６を閉じた状態で、バルブ４５を開放してアルゴンガスによって成形型１２のキャビティ１２ａ内に注入する。
次いで、バルブ４５を閉じ、バルブ２４、５４を開放して窒素ガスボンベ２０からキャビティ１２ａ内に窒素ガスを注入する。キャビティ１２ａ内では、注入されたマグネシウムガスと窒素ガスとが反応し、キャビティ１２ａの内壁面にマグネシウム窒素化合物の粉体が生成する。
【００２４】
この様に、キャビティ１２ａの内壁面にマグネシウム窒素化合物の粉体が付着した状態で、押圧成形型５１を押し上げることによってアルミニウム溶湯がキャビティ１２ａに注入される。
この際、キャビティ１２ａの内壁面にはマグネシウム窒素化合物が付着しているため、前述したと同様の作用によってアルミニウムの溶湯表面に酸化被膜が形成されることを防止して鋳造できる。その結果、良好な品質のアルミニウム鋳造品を得ることができる。
図４に示す成形型１２では、キャビティ１２ａの内壁面を熱処理して四酸化鉄から成る処理膜１２ｂを形成している。四酸化鉄は、マグネシウム窒素化合物との反応性を有しないため、処理膜１２ｂによってマグネシウム窒素化合物の還元機能は損なわれない。
かかるキャビティ１２ａの内壁面の処理としては、窒化処理も挙げることができる。
また、図４に示す鋳造装置１０では、アルミニウム溶湯の注入の際或いは加圧鋳造の際には、バルブ５６を開放することによって、アルミニウム溶湯の注入を容易とすることができる。
尚、上述した説明では、アルミニウム及び／又はその合金の鋳造方法を例示したが、本発明はマグネシウムや鉄及び／又はそれらの合金等の鋳造方法にも適用可能である。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、大気中でもそのままの形態で存在し得る金属ガスと反応性ガスとを、予め減圧状態とした成形型のキャビティ内にスムーズに且つ短時間で注入した後、キャビティ内で還元性化合物を生成する結果、成形型外からキャビティ内に還元性化合物を供給する場合の如く、その供給配管の閉塞を防止でき、鋳造を長時間連続して実施できるため、工業的に鋳造を行うことを可能とすることができる。
しかも、得られる鋳造品には、湯ジワ、湯境や微少な未充填等の欠陥が極めて少ないため、鋳造品の信頼性を高めることができ、航空機、自動車等に使用される鋳造品を用いた構造物についても、その検査等を解消乃至簡単なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る還元鋳造方法で採用する鋳造装置の一例を示す概略図である。
【図２】図１に示す成形型に設けられた接続口の構造を示す部分断面図である。
【図３】図１に示す成形型についての他の例を示す断面図及び部分断面図である。
【図４】本発明に係る還元鋳造方法で採用する鋳造装置の他の例を示す概略図である。
【符号の説明】
１０鋳造装置
１２成形型
１２ａキャビティ
１２ｂ処理膜
１４注湯槽
１７ａ減圧孔
１８アルミニウム溶湯
２０窒素ガスボンベ
２２ａ窒素ガス注入孔
２５アルゴンガスボンベ
２８加熱炉
３２、３２ａヒータ
３６タンク
４４パイプ
４４ａ金属ガス注入孔
５０上成形型
５１押圧成形型
５２真空ポンプ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a reduction casting method and a reduction casting mold, and more particularly to a reduction casting method and a reduction casting mold for casting while reducing an oxide film on a molten metal surface with a reducing compound.
[0002]
[Prior art]
Among the casting methods, aluminum casting methods include gravity casting (GDC), low pressure casting (LPDC), die casting (DC), squeeze (SC), and thixomold. In each of these casting methods, a molten aluminum is poured into a cavity of a mold to perform casting.
In general, aluminum or an alloy thereof has a property of easily forming an oxide film. Therefore, in the aluminum casting process, an oxide film is easily formed on the surface of a molten aluminum. As a result, the surface tension of the molten aluminum increases, and the fluidity, melting and welding properties of the molten aluminum decrease, and various casting defects occur. For this reason, various improvements and techniques have been studied regarding the use of a mold coating agent, a method for injecting a molten metal into a mold, and an injection speed and pressure for injecting the molten metal.
[0003]
For example, in the area of GDC or LPDC, a method of applying an adiabatic release agent, a method of arranging a gate, and the like in a GDC or LPDC region as a countermeasure against a molten metal run-out due to the growth of an oxide film formed on a molten metal surface, a hot water wrinkle, a hot water boundary, and the like. In addition, in the DC region, high-pressure short-time filling is performed by the filling speed, pressure, gate arrangement, overflow taking, etc. of the aluminum melt in the DC area. ing. In the area of SC or the like, the oxide film on the surface of the molten aluminum is forcibly destroyed and fused by applying high pressure in the area of GDC.
[0004]
However, the conventional aluminum casting method has advantages and disadvantages, and in particular, it is extremely difficult to eliminate hot water wrinkles, hot water boundaries and minute unfilling that occur in cast products due to the oxide film on the surface of the molten aluminum. there were. For this reason, among aluminum castings, aluminum products that are problematic in surface stress, notch, etc., especially aluminum structures used in aircraft, automobiles, etc., have variations in reliability, and therefore, fluorescent A 100% inspection by flaw detection or the like, or an aluminum cast product obtained by casting is subjected to surface processing to be a final product, which has led to an increase in cost of the aluminum product.
In order to eliminate wrinkles and the like of a cast product caused by an oxide film on the surface of a molten aluminum, which has been extremely difficult to solve by such a conventional aluminum casting method, the present inventor has previously disclosed a Japanese Patent Application No. In the specification of Japanese Patent Application No. 11-91445, reduction casting in which an oxide film on the surface of a molten aluminum injected into a cavity of a mold is reduced and cast by a reducing compound generated by a reaction between a metal gas and a reactive gas. A method was proposed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
According to the reduction casting method proposed earlier by the present inventors, the reducing compound present in the cavity of the mold deprives the oxide film on the surface of the molten aluminum of oxygen of pure aluminum, resulting in pure aluminum. The surface tension can be reduced to improve the fluidity, the hot-dipability, and the wettability with the inner wall surface of the cavity, and the wrinkles and the like generated due to the oxide film can be eliminated. .
However, in the reduction casting method proposed earlier, a reducing compound generated by previously reacting a metal gas and a reactive gas in a reaction tank provided outside the mold is injected into the cavity. For this reason, the injection time of the reducing compound generated in the reaction tank into the cavity is lengthened, and the reducing compound may not be easily dispersed in the cavity. Further, it was found that the supply pipe for supplying the reducing compound from the reaction vessel into the cavity was easily blocked by the reducing compound, and that the casting efficiency was easily reduced due to cleaning of the blocked supply pipe.
Therefore, an object of the present invention is to provide a reduction method that can easily make a reducing compound exist in a cavity and reduce casting efficiency when casting while reducing an oxide film on the surface of a molten metal with a reducing compound. An object of the present invention is to provide a casting method and a mold for reduction casting.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present inventors first supply a metal gas and a reactive gas separately into a cavity of a mold, and react the two in the cavity to generate a reducing compound. It has been found that the blockage of the supply pipe into the cavity can be prevented.
Further, at this time, it has been found that when a metal gas and a reactive gas are injected into the cavity which has been previously depressurized, the metal gas and the reactive gas can be injected into the cavity smoothly and in a short time, and the present invention has been achieved. .
[0008]
That is , the present invention provides a reduction method in which an oxide film on the surface of a molten metal of a metal injected into the cavity is reduced and cast by a reducing compound generated by a reaction between the metal gas injected into the cavity and the reactive gas. In a casting mold, a molten metal injection hole for injecting molten metal into the cavity, a metal gas injection hole for injecting the metal gas, and a gas injection hole for injecting the reactive gas are individually formed in the molding die. And a pressure reducing hole for reducing the pressure inside the cavity is formed in the mold so that the reducing compound is generated in the cavity substantially in a non-oxygen atmosphere. In the forming mold.
[0009]
In the present invention, the reducing compound, which is a reaction product of the metal gas and the reactive gas, is injected into the cavity by separate injection of the metal gas and the reactive gas into the cavity. And clogging of the supply pipe due to the reducing compound can be prevented.
Further, since the metal forming the mold generally does not react with the reducing compound generated in the cavity in the present invention, by exposing the metal material forming the mold on the inner wall surface of the cavity, the inside of the cavity is exposed. The walls can easily be made non-reactive with the reducing compound.
Furthermore, magnesium gas and nitrogen gas are used as the metal gas and the reactive gas, and a magnesium nitrogen compound (Mg ₃ N ₂ ) is generated as a reducing compound, so that magnesium and nitrogen gas, which can be easily handled, are reduced as raw materials. A magnesium nitrogen compound (Mg ₃ N ₂ ) as a compound can be easily produced.
In the present invention, the term “aluminum” includes not only pure aluminum but also an aluminum alloy containing aluminum as a base material, for example, silicon, magnesium, copper, nickel, tin, or the like.
[0010]
The reducing compound employed in the present invention, which is a reaction product of a metal gas and a reactive gas, is usually difficult to exist in the form as it is in the atmosphere. Not fully clarified.
In this regard, in the present invention, a metal gas and a reactive gas, which can exist in the form as they are even in the air, are supplied into the cavity of the mold and reacted in the cavity to generate a reducing compound. Therefore, it is possible to generate a reducing compound that easily blocks the supply pipe in the cavity of the molding die by using a metal gas and a reactive gas for which a measure for blocking the supply pipe is known or the countermeasure against the blockage is unnecessary.
In addition, by injecting the metal gas and the reactive gas into the pre-depressurized cavity, the metal gas and the reactive gas can be smoothly and quickly injected into the cavity.
As a result, the reducing compound can be easily present in the cavity of the mold, and the casting efficiency can be improved by the reduction casting method.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An example in which the reduction casting method according to the present invention is applied to an aluminum casting method will be described. FIG. 1 shows an example of a casting apparatus for carrying out such an aluminum casting method. A molding die 12 provided in the casting apparatus 10 shown in FIG. 1 is connected to a pouring tank 14 in which a molten aluminum 18 is stored, and has a molten metal injection hole 11 in which the molten aluminum 18 is poured into a cavity 12a. ing.
A tenon 16 is inserted into the molten metal injection hole 11 so as to be movable in the vertical direction. By pulling up the tenon 16, a required amount of aluminum molten metal 18 is poured from the pouring tank 14 into the cavity 12 a.
In the molding die 12 shown in FIG. 1, an inner wall surface of the cavity 12a is formed by exposing a metal surface of a metal forming the molding die 12.
[0012]
The molding die 12 is connected to the nitrogen gas cylinder 20 by a pipe 22, and by opening a valve 24, nitrogen gas as a reactive gas can be injected into the cavity 12 a.
The argon gas cylinder 25 is connected to a heating furnace 28 as a generator for generating a metal gas through a pipe 26, and the argon gas can be injected into the heating furnace 28 by opening a valve 30. The inside of the heating furnace 28 is formed so as to be heatable by a heater 32, and the temperature in the furnace is set to a value such that magnesium powder (hereinafter sometimes referred to as magnesium gas) is generated as a metal gas described later. Is sublimed to 800 ° C. or higher.
[0013]
The argon gas cylinder 25 is connected to a tank 36 containing magnesium powder by a pipe 34 in which a valve 33 is interposed, and the tank 36 is connected to a pipe 26 downstream of the valve 30 by a pipe 38. I have. This pipe 38 is also provided with a valve 40. The heating furnace 28 is connected to the cavity 12 a of the mold 12 through a pipe 44 that penetrates the pipe 42 and the tenon 16 and communicates with the cavity of the mold 12. The pipe 42 is provided with a valve 45.
Further, a pressure reducing pipe 17 connected to a vacuum generator (not shown) such as a vacuum pump is connected to the cavity 12a of the mold 12 so as to reduce the pressure inside the cavity 12a. The pressure reducing pipe 17 is also provided with a valve 19.
[0014]
As shown in FIG. 1, the mold 12 has a metal gas injection hole 44a for injecting a magnesium gas into the cavity 12a, a nitrogen gas in the cavity 12a, in addition to the molten metal injection hole 11 into which the molten aluminum 18 is poured. And a pressure reducing hole 17a for reducing the pressure inside the cavity 12a. By using one of the holes as an exhaust hole for exhausting the gas in the cavity 12 when the molten aluminum 18 is poured into the cavity 12a, the molten aluminum 18 can be smoothly poured. it can. The hole that also serves as the exhaust hole is preferably one of the metal gas injection hole 44a and the nitrogen gas injection hole 22a, and it is particularly preferable that the nitrogen gas injection hole 22a also serves as the exhaust hole. .
FIGS. 2A and 2B show the structure of the nitrogen gas injection hole 22a and the decompression hole 17a. As shown in FIG. 2 (a), the connection ports 13 of these holes are formed as tapered holes that extend outward on the outer wall of the molding die 12, and a connection plug ( (Not shown) is detachably contacted. The connection port 13 communicates with the cavity 12a through the passages 15, 15,... Shown in FIG.
[0015]
In the present invention, the molding die 12 shown in FIG. 3A can be used instead of the molding die 12 shown in FIG. In the mold 12 shown in FIG. 3A, a tenon 16 is inserted movably in a vertical direction into a molten metal inlet 11a constituting a molten metal injection hole 11 into which a molten aluminum 18 is poured into a cavity 12a. . The The water inlet 11a and the cavity 12a is communicated with the water injection passage 11b, by raising the tenon (plug) 16, molten aluminum 18 in the molten metal bath 14, hot water inlet 11a or et water injection path 11b And is injected into the cavity 12a. A metal gas injection hole 44a is connected in the middle of the hot water injection path 11b.
Further, headers 23a and 23b are formed in the molding die 12 with the cavity 12a interposed therebetween, and a nitrogen gas injection hole 22a for injecting nitrogen gas into the cavity 12a and / or a decompression hole 17a are connected to the headers 23a and 23b. ing. The headers 23a, 23b and the cavity 12a are connected by passages 15, 15,... Shown in FIG.
In the mold 12 shown in FIG. 3A, the metal gas injection hole 44a, the nitrogen gas injection hole 22a, and one of the pressure reducing holes 17a are used for pouring the molten aluminum 18 into the cavity 12a. It is preferable that the function of an exhaust hole for exhausting gas in the cavity 12 is also used, and it is particularly preferable that the nitrogen gas injection hole 22a also serves as an exhaust hole.
When the molten aluminum 18 is poured into the cavity 12a, an exhaust hole for exhausting the gas in the cavity 12 may be newly formed in the molding die 12.
[0016]
When performing aluminum casting by the casting apparatus 10 shown in FIG. 1, first, after driving a vacuum generating device such as a vacuum pump, the valve 19 is opened to suck air in the cavity 12a to reduce the pressure. The inside of 12a is substantially a non-oxygen atmosphere. When the inside of the cavity 12a has a predetermined reduced pressure, the valve 19 is closed and the vacuum generator is stopped.
As described above, when the inside of the cavity 12a of the molding die 12 is in a reduced pressure state, the valve 30 is opened and the argon gas is injected from the argon gas cylinder 20 into the heating furnace 28, and the inside of the heating furnace 28 is brought into an oxygen-free state. I do.
Next, the valve 30 is closed, the valve 40 is opened, and the magnesium powder in the tank 36 is fed into the heating furnace 28 together with the argon gas by the argon gas pressure. The heating furnace 28 is heated by the heater 32 to a furnace temperature of 800 ° C. or higher at which the magnesium powder sublimes. For this reason, the magnesium powder sent into the heating furnace 28 is sublimated into magnesium gas.
[0017]
Next, the valve 40 is closed, the valve 30 and the valve 45 are opened, and magnesium gas is injected into the cavity 12a through the pipes 42 and 44 while adjusting the argon gas pressure and the flow rate.
After injecting the magnesium gas into the cavity 12a, the valve 45 is closed and the valve 24 is opened to inject the nitrogen gas into the mold. As described above, by injecting the nitrogen gas into the molding die 12, the magnesium gas and the nitrogen gas react in the cavity 12a to generate a magnesium nitrogen compound (Mg ₃ N ₂ ). This magnesium nitrogen compound precipitates as a powder on the inner wall surface of the cavity 12a.
When the nitrogen gas is injected into the cavity 12a, the pressure and the flow rate of the nitrogen gas are appropriately adjusted. It is also preferable to inject nitrogen gas by preheating so that the nitrogen gas and the magnesium gas react easily so that the temperature of the mold 12 does not decrease. The reaction time may be about 5 to 90 seconds (preferably about 15 to 60 seconds). Even if the reaction time is longer than 90 seconds, the mold temperature of the mold 12 decreases, and the reactivity tends to decrease.
[0018]
Many of the magnesium nitrogen compounds generated in the cavity 12a are suspended in the cavity 12a in the form of fine particles. Therefore, by again driving the vacuum generator to open the valve 19 to reduce the pressure in the cavity 12a through the pressure reducing pipe 17, the magnesium nitrogen compound may be positively adhered to the inner wall surface of the cavity 12a. preferable.
The degree of pressure reduction in the cavity 12a after the generation of the magnesium-nitrogen compound is lighter than the degree of pressure reduction when the magnesium gas is injected into the cavity 12a.
[0019]
With the magnesium nitrogen compound attached to the inner wall surface of the cavity 12a, the tenon 16 is pulled up, and the molten aluminum 18 in the pouring tank 14 is injected into the cavity 12a.
The molten aluminum poured into the cavity 12a comes into contact with the magnesium-nitrogen compound attached to the inner wall surface of the cavity 12a, and the magnesium-nitrogen compound deprives the oxide film on the surface of the molten aluminum of oxygen of the molten aluminum. The surface is reduced to pure aluminum.
Oxygen remaining in the cavity 12a reacts with the magnesium nitrogen compound to become magnesium oxide or magnesium hydroxide and is taken into the molten metal. Magnesium oxide and the like produced in this manner are small and stable compounds and do not adversely affect the quality of the resulting aluminum casting.
[0020]
As described above, since the magnesium nitrogen compound removes oxygen from the oxide film on the surface of the molten aluminum to form pure aluminum, casting can be performed without forming an oxide film on the surface of the molten metal. For this reason, it is possible to prevent the surface tension of the molten aluminum from increasing due to the oxide film during the casting process, and it is possible to improve the wettability, fluidity, and flowability of the molten aluminum. As a result, it is possible to obtain a good aluminum cast product which is excellent in the transferability (smoothness) determined with the inner wall surface of the cavity 12a and does not cause hot water wrinkles or the like.
[0021]
In the present invention, it is necessary that the magnesium nitrogen compound attached to the surface of the cavity 12a of the mold 12 has a reducing property. Therefore, the metal material forming the mold 12 is exposed on the inner wall surface of the cavity 12a of the mold 12 shown in FIGS. Usually, the metal material forming the mold 12 is non-reactive with the magnesium nitrogen compound generated in the cavity 12a in the temperature range of the aluminum casting process.
Here, when an oxide-based heat-insulating agent or mold release agent, which is generally used as a treatment of the inner wall surface of the cavity, is applied to the inner wall surface of the cavity 12a during aluminum casting, magnesium The nitrogen compound reacts with an oxygen group such as a heat insulating agent and loses a reducing function. For this reason, the inner wall surface of the cavity 12a is formed of a material that is non-reactive with a reducing compound such as a magnesium nitrogen compound.
Therefore, when coating the inner wall surface of the cavity 12a of the molding die 12, it is preferable to coat with a non-oxide material such as graphite. Further, the inner wall surface of the cavity 12 which has been subjected to a heat treatment (forming process of iron tetroxide) or a nitriding treatment may be used.
[0022]
Although the casting apparatus shown in FIGS. 1 and 2 performs aluminum casting by gravity casting, the present invention can be applied to a conventional aluminum casting method. For example, the casting apparatus shown in FIG. 4 performs aluminum casting by a pressure casting method. In the casting apparatus shown in FIG. 4, the forming die 12 includes an upper forming die 50 and a pressing die 51. The molding die 12 shown in FIG. 4 has higher airtightness than the molding die used in the gravity casting method shown in FIGS.
In the casting apparatus 10 shown in FIG. 4, a pipe 53 is branched in the middle of a pipe 22 connecting the nitrogen gas cylinder 20 and the cavity 12a of the molding die 12, and a vacuum pump 52 is connected. A valve 54 is provided in the middle of the pipe 22. Further, the inside and outside of the molding die 12 are connected by a pipe 55, and the pipe 55 is provided with a valve 56.
[0023]
When casting using the casting apparatus 10 shown in FIG. 4, first, the valves 24 and 56 are closed, the valve 54 is opened, and the vacuum pump 52 is driven to reduce the pressure inside the cavity 12a of the mold 12. Due to such reduced pressure, the inside of the cavity 12a can be made substantially non-oxygen.
Further, after injecting argon gas from the argon gas cylinder 25 into the heating furnace 28, the valve 33 is opened to inject argon gas into the tank 36, and the magnesium powder is sent from the tank 36 to the heating furnace 28 to sublime the magnesium powder. Generates magnesium gas. The generated magnesium gas is injected into the cavity 12a of the mold 12 with argon gas by opening the valve 45 with the valves 54 and 56 closed.
Next, the valve 45 is closed, the valves 24 and 54 are opened, and nitrogen gas is injected from the nitrogen gas cylinder 20 into the cavity 12a. In the cavity 12a, the injected magnesium gas reacts with the nitrogen gas, and powder of a magnesium nitrogen compound is generated on the inner wall surface of the cavity 12a.
[0024]
In this manner, the molten aluminum is injected into the cavity 12a by pushing up the pressing mold 51 with the powder of the magnesium nitrogen compound adhered to the inner wall surface of the cavity 12a.
At this time, since the magnesium nitrogen compound adheres to the inner wall surface of the cavity 12a, casting can be performed while preventing an oxide film from being formed on the surface of the molten aluminum by the same action as described above. As a result, a good quality aluminum casting can be obtained.
In the mold 12 shown in FIG. 4, the inner wall surface of the cavity 12a is heat-treated to form a treated film 12b made of iron tetroxide. Since iron tetroxide has no reactivity with the magnesium nitrogen compound, the treatment film 12b does not impair the function of reducing the magnesium nitrogen compound.
As the treatment of the inner wall surface of the cavity 12a, a nitriding treatment can also be mentioned.
Further, in the casting apparatus 10 shown in FIG. 4, at the time of pouring the molten aluminum or at the time of pressure casting, the valve 56 is opened to facilitate the pouring of the molten aluminum.
In the above description, a method of casting aluminum and / or an alloy thereof has been exemplified. However, the present invention is also applicable to a method of casting magnesium, iron, and / or an alloy thereof.
[0025]
【The invention's effect】
According to the present invention, the metal gas and the reactive gas, which can exist in the form as they are even in the air, are smoothly and quickly injected into the cavity of the mold that has been previously depressurized, and then the reducing gas is injected into the cavity. As a result of producing a compound, it is possible to prevent blockage of the supply pipe, as in the case of supplying a reducing compound into the cavity from outside the mold, and to perform casting continuously for a long time. Can be made possible.
Moreover, since the resulting cast product has very few defects such as hot water wrinkles, hot water borders and minute unfilled portions, the reliability of the cast product can be improved, and the cast product used in aircraft, automobiles, etc. can be used. Inspection and the like of the existing structure can be eliminated or simplified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a casting apparatus used in a reduction casting method according to the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a structure of a connection port provided in the molding die shown in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view and a partial cross-sectional view showing another example of the mold shown in FIG.
FIG. 4 is a schematic view showing another example of a casting apparatus employed in the reduction casting method according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Casting apparatus 12 Mold 12a Cavity 12b Treatment film 14 Pouring tank 17a Decompression hole 18 Aluminum melt 20 Nitrogen gas cylinder 22a Nitrogen gas injection hole 25 Argon gas cylinder 28 Heating furnace 32, 32a Heater 36 Tank 44 Pipe 44a Metal gas injection hole 50 Forming Mold 51 Press molding mold 52 Vacuum pump

Claims

A reduction casting mold for reducing and casting an oxide film on the surface of the molten metal of the metal injected into the cavity with a reducing compound generated by a reaction between the metal gas injected into the cavity and the reactive gas. hand,
A molten metal injection hole for injecting the molten metal into the cavity, a metal gas injection hole for injecting the metal gas, and a gas injection hole for injecting the reactive gas are individually formed in the mold.
And the like reducing compound is substantially generated in the non-oxygen atmosphere cavity, molding reduction casting depressurization hole for the inside of the cavity and a vacuum is characterized in that it is formed in the mold Type.

The mold for reduction casting according to claim 1 , wherein the metal gas injection hole for injecting the metal gas is connected to a metal gas generator for generating a metal gas .

The mold for reduction casting according to claim 1 or 2, wherein a metal material forming the mold is exposed on an inner wall surface of the cavity .

The molten metal injection hole for injecting the molten metal into the cavity is a molten metal injection hole for injecting the molten aluminum into the cavity, and the metal gas injection hole for injecting the metal gas is magnesium gas for injecting the metal gaseous magnesium. The mold for reduction casting according to any one of claims 1 to 3, wherein the injection hole and the gas injection hole for injecting the reactive gas are nitrogen gas injection holes for injecting nitrogen gas .