JPH09201664A

JPH09201664A - 鋳造方法

Info

Publication number: JPH09201664A
Application number: JP1022796A
Authority: JP
Inventors: Shigemi Shiotani; 重美塩谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-01-24
Filing date: 1996-01-24
Publication date: 1997-08-05

Abstract

(57)【要約】【課題】鋳造品の全体又は一部を目的とする品質にする
ことができ、しかもそれが安価であり、確実かつ容易な
鋳造方法を提供する。【解決手段】砂型１、２のキャビティＣ内に溶湯を注入
後、溶湯の薄肉部を形成する部位と接触する電極３ａ、
３ｂへ通電することによりプラスの熱量の付与を行い、
溶湯の冷却速度を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋳造方法に係り、
詳しくは鋳造品の全体又は一部を目的とする品質に確実
かつ容易にすることのできる鋳造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ある形状の鋳造品を鋳造する場合、鋳造
直後の鋳造品が目的とする品質、つまり金属組織又は衝
撃値や伸び率等の機械的性質を有さない場合がある。こ
の場合、溶湯の合金成分や鋳型の形状を変更することも
なされ得るが、かかる変更は試行錯誤に近いものである
ため、一般的に、鋳造直後の鋳造品に焼鈍、焼ならし等
の熱処理を施すことがなされる。こうして得られる鋳造
品としては、例えば、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄品（Ｊ
ＩＳＧ５５０３）、耐熱鋼鋳鋼品（ＪＩＳＧ５１２２）
がある。

【０００３】また、アルミニウム鋳造の分野では、鋳型
全体を火炎トーチにより加熱可能としたアルミニウム鋳
物釜が知られている。このアルミニウム鋳物釜によりア
ルミニウム鋳造を行なう場合、鋳型のキャビティ内に溶
湯を注入前、火炎トーチにより鋳型全体を加熱し、これ
により溶湯全体の冷却速度を遅くし、所定のアルミニウ
ム鋳造品を得ることができる。

【０００４】さらに、鋳鉄の分野では、鋳型の所望部位
に熱伝導率の高い金属からなる冷やし金を設けた鋳造用
金型が知られている（例えば、特開昭６１−６０２５２
号公報、特開昭６１−７８５４８号公報）。この鋳造用
金型により鋳鉄鋳造を行なう場合、鋳型のキャビティ内
に溶湯を注入後、その所望部位における溶湯の冷却速度
を冷やし金で早まらせることにより、チル組織（セメン
タイト（Ｆｅ₃Ｃ））をもつ鋳鉄品を得ることができ
る。

【０００５】また、鋳型における鋳造品の薄肉部を形成
する部位にその薄肉部の冷却速度を遅らせる保温用入子
を設けるとともに、鋳型における鋳造品の厚肉部を形成
する部位にその厚肉部の冷却速度を早まらせる冷却用入
子を設けた鋳造用金型も知られている（実開平２−１３
８０５６号公報）。この鋳造用金型により鋳造を行なう
場合、鋳型のキャビティ内に溶湯を注入後、保温用入子
と冷却用入子とで溶湯の指向性凝固を可能にし、引け巣
のない鋳造品を得ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記一般的な
鋳造直後の熱処理による方法では、一旦常温程度まで冷
却された鋳造品を再加熱しなければならないため、エネ
ルギーの無駄な消費により、製造コストが高くなる。ま
た、この方法では、バッチ炉や連続炉により鋳造品全体
を再加熱することから、鋳造品の一部のみを目的とする
品質にすることができない。鋳型全体を火炎トーチによ
り加熱する上記アルミニウム鋳物釜においても、鋳造品
の一部のみを目的とする品質にすることができない。

【０００７】他方、鋳型の特定部位等の所望部位に冷や
し金、保温用入子又は冷却用入子を設けた上記鋳造用金
型では、鋳造品の一部のみを目的とする品質にすること
が一応は可能ではあるものの、冷やし金等自体の内部特
性により溶湯の冷却速度を早まらせたり、遅らせたりす
ることから、冷却速度がバラツキやすく、その品質の実
現が不確実又は困難なものである。

【０００８】本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされ
たものであって、鋳造品の全体又は一部を目的とする品
質にすることができ、しかもそれが安価であり、確実か
つ容易な鋳造方法を提供することを解決課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

（１）請求項１の鋳造方法は、鋳型のキャビティ内に溶
湯を注入後、該溶湯の所望部位に外部制御可能な熱量を
付与することにより、該所望部位における該溶湯の冷却
速度を制御することを特徴とする。請求項１の鋳造方法
では、鋳型のキャビティ内に溶湯を注入後、溶湯の所望
部位に熱量を付与する。ここで、熱量を付与しないこと
は消極的な自然冷却であるのに対し、請求項１の鋳造方
法のように、熱量を付与することは積極的なものであ
る。そして、プラスの熱量を付与することは加熱又は保
温であり、マイナスの熱量を付与することは冷却であ
る。

【００１０】こうして、請求項１の鋳造方法では、鋳造
品を常温程度まで自然冷却しつつ、積極的に加熱、保温
又は冷却を行なうため、常温程度まで冷却された鋳造品
を再加熱することはしない。このため、この方法では、
エネルギーの無駄な消費がなく、製造コストが低くな
る。また、鋳造品の薄肉部では大きな冷却速度で自然冷
却されるのに対し、鋳造品の厚肉部では小さな冷却速度
で自然冷却される。このため、この場合には、鋳造品の
全体を目的とする品質にしにくい。また、この場合、薄
肉部は厚肉部よりも先に凝固し、溶湯中の不純物や含有
ガスが厚肉部近傍に凝集することから、ガス抜きや押し
湯を有効に行い難く、鋳造品に引け巣を生じやすかっ
た。

【００１１】これに対し、請求項１の鋳造方法におい
て、所望部位をキャビティの形状に応じて設定すること
で、鋳造品の全体を目的とする品質にしたり、鋳造品の
一部を目的とする品質にすることができる。また、ガス
抜きや押し湯を有効に行なうこともでき、引け巣の発生
を防止できる。そして、これらの間、熱量として外部制
御可能なものを採用しているため、所望部位における溶
湯の冷却速度が安定制御され、鋳造品の品質の実現が確
実かつ容易なものとなる。

【００１２】外部制御可能なプラスの熱量の付与手段と
しては、請求項２に係る手段の他、溶湯や鋳型の所望部
位に溶湯とは異なる材質であって電気抵抗の大きな抵抗
体を埋設し、この抵抗体へ通電する手段等を採用するこ
とができる。溶湯に埋設する抵抗体として黒鉛塊を採用
すれば、同時に加炭材としての機能をも発揮し得る。ま
た、外部制御可能なマイナスの熱量の付与手段として
は、鋳型の所望部位に冷却管を埋設し、この冷却管へ吸
熱可能な冷媒を流す手段等を採用することができる。

【００１３】（２）請求項２の鋳造方法は、請求項１記
載の鋳造方法において、所望部位で対の電極を溶湯に接
触させ、両該電極へ通電することによりプラスの熱量の
付与を行うことを特徴とする。通電は外部制御しやすい
ものであるため、請求項２の鋳造方法によれば、鋳造品
の所望部位における溶湯の冷却速度を確実に安定制御す
ることができ、鋳造品の品質の実現がさらに確実かつ容
易なものとなる。通電の外部制御の仕方としては、請求
項３に係る手段の他、同一鋳型と同一溶湯とを用いた事
前テストによって予め求めた電力パターンで通電する手
段を採用することができる。

【００１４】また、溶湯とは異なる材質の抵抗体を溶湯
の所望部位に埋設することは、その抵抗体をインモール
ドすることになる鋳造品の所望の品質上、加炭材として
の機能をも発揮し得る黒鉛棒や黒鉛塊である場合を除
き、不可能な場合が多い。これに対し、請求項２の鋳造
方法では、溶湯自体に通電して得られる電気抵抗による
発熱をプラスの熱量として利用しているため、抵抗体を
鋳造品にインモールドすることはなく、鋳造品の所望の
品質を損なうこともない。埋設はさせないが、溶湯と接
触する電極として、溶湯と異なる材質のものを採用する
場合には、加炭材としての機能をも発揮し得る黒鉛棒で
ある場合を除き、鋳造品の所望の品質上、鋳造後にその
電極を切除する必要を生じる。これに対し、鋳鉄鋳造を
行なうのであれば鋳鉄用溶接棒、アルミニウム鋳造を行
なうのであればアルミニウム棒というように、溶湯と同
一又は同種材質の電極を採用すれば、鋳造後の切除を最
小限にし、メンテナンスフリーも実現され、製造コスト
が低くなる。また、溶湯に埋設され又は接触し、溶湯と
は異なる材質の抵抗体又は電極として採用され得る黒鉛
棒では、注湯の際のヒートショック等でクラックを生じ
やすく、これにより電気抵抗が変化し、発熱量の変化か
ら外部制御性を損なうことになる。これに対し、溶湯と
同一又は同種材質の電極を採用すれば、注湯の際のヒー
トショック等でクラックを生じにくく、外部制御性を損
なわない。但し、クラックを生じにくい黒鉛塊を抵抗体
として採用すれば、外部制御性の不具合は解消される。

【００１５】（３）請求項３の鋳造方法は、請求項２記
載の鋳造方法において、両電極への印加電圧と溶湯の所
望部位を流れる電流とから電気抵抗を求め、求めた電気
抵抗に基づいて該所望部位の温度を求め、求めた温度が
目標温度になるように両該電極への印加電圧をフィード
バック制御することを特徴とする。請求項３の鋳造方法
では、溶湯の所望部位の温度が目標温度になるように両
電極への印加電圧をフィードバック制御するため、鋳造
品の所望部位における溶湯の冷却速度がさらに確実に安
定制御され、鋳造品の品質の実現がさらに一層確実かつ
容易なものとなる。

【００１６】また、溶湯の所望部位の温度を検出するた
め、溶湯や鋳型の所望部位にＰｔ−ＰｔＲｈからなる熱
電対等の検出手段を設けることも考えられる。そして、
鋳型の所望部位に抵抗体等の発熱手段を設け、この発熱
手段を外部制御することも考えられる。しかし、鋳型に
検出手段を設ける場合には、直接に溶湯の温度を検出で
きない。また、鋳型に発熱手段を設ける場合には、直接
に溶湯の温度を制御できない。このため、これらの場合
には外部制御性が損なわれる。また、熱電対では、発熱
量が少なく、プラスの熱量としてほとんど利用すること
ができず、別に発熱手段を必要とし、非効率的である。
これに対し、請求項３の鋳造方法では、溶湯と接触する
電極に印加する電圧と、溶湯を流れる電流とから電気抵
抗を求め、求めた電気抵抗に基づいて所望部位の温度を
求めているため、直接に溶湯の温度を検出することとな
り、直接に溶湯の温度を制御して外部制御性が優れてい
る。また、請求項３の鋳造方法では、溶湯自体に通電し
て得られる電気抵抗による発熱をプラスの熱量として利
用し、別に発熱手段を必要としないため、効率的であ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、各請求項の発明を具体化し
た実施形態１、２を図面を参照しつつ説明する。実施形
態１、２では図１に示す鋳鉄製サスペンションアームを
鋳造する。かかるサスペンションアームを鋳造する場
合、薄肉部ｎでは大きな冷却速度で自然冷却される一
方、厚肉部ｋでは小さな冷却速度で自然冷却される。こ
のため、この場合には、サスペンションアームの全体を
目的とする品質にしにくい。また、この場合、薄肉部ｎ
は厚肉部ｋよりも先に凝固し、溶湯中の不純物や含有ガ
スが厚肉部ｋ近傍に凝集することから、ガス抜きや押し
湯を有効に行い難く、サスペンションアームに引け巣を
生じやすかった。

【００１８】（実施形態１）実施形態１では請求項１、
２を具体化している。まず、図２に示すように、サスペ
ンションアーム形状のキャビティＣをもつ鋳型としての
砂型１、２を用意する（図２は図１のＩＩ−ＩＩ矢視断
面図である。）。砂型１における薄肉部ｎを形成する部
位には、キャビティＣに注湯すべき溶湯と同一材質の電
極３ａ、３ｂを設けている。

【００１９】両電極３ａ、３ｂには電源４が接続され、
電源４には定電圧制御回路５が接続されている。定電圧
制御回路５は図３の下図に示す電力パターンＰで電源４
が両電極３ａ、３ｂに通電するようになっている。この
電力パターンＰは、同一砂型１、２と同一溶湯とを用い
た事前テストによって予め求めたものである。すなわ
ち、事前テストにおいて、両電極３ａ、３ｂに通電しな
い場合、ＦＣＤ４００からなる１４００（℃）の溶湯
は、薄肉部ｎでは図３の上図に実線で示す曲線Ａ₁によ
り自然冷却され、厚肉部ｋでは同図に破線で示す曲線Ａ
₂により自然冷却された。なお、同図において１１４７
（℃）は溶湯の凝固温度である。そして、事前テストで
得られたサスペンションアームは、薄肉部ｎではパーラ
イトがマトリックスであり、その中に球状黒鉛が散在し
た比較的硬くかつ脆い金属組織になっていたのに対し、
厚肉部ｋではパーライトとフェライトとが混在してマト
リックスをなし、その中に球状黒鉛が散在した比較的軟
らかくかつ柔軟性に富む金属組織になっていた。かかる
サスペンションアームでは薄肉部ｎにおいて脆性破壊を
生じやすいため、薄肉部ｎを厚肉部ｋと同様の金属組織
又はフェライトがマトリックスをなす金属組織にする必
要がある。このためには、溶湯が薄肉部ｎにおいて同図
に一点鎖線で示す曲線Ａ₃により冷却される必要があ
る。曲線Ａ₃は２５０〜４５０（℃）において等温変態
期間Ｔを有することに特徴がある。

【００２０】このため、曲線Ａ₁と曲線Ａ₃とで囲まれ
る部分の積分値を付与すべき熱量Ｗ（ｃａｌ）として算
出する。この熱量は、薄肉部ｎを流れる電流をＩ
（Ａ）、薄肉部ｎの電気抵抗をＲ（Ω）、時間をｔ
（秒）とすれば、Ｗ＝０．２４Ｉ²Ｒｔでおおよそ示される。かかる熱量Ｗを電力に換算し、図
３の下図に示す電力パターンＰを設定する。

【００２１】そして、図３の上図に示すように、砂型
１、２のキャビティＣ内に同一溶湯を注入する。両電極
３ａ、３ｂに溶湯が接触した後、電源４から図３の下図
に示す電力パターンＰで両電極３ａ、３ｂに通電するこ
とにより、溶湯の薄肉部ｎを形成する部位にプラスの熱
量Ｗの付与を行う。こうして、実施形態１の鋳造方法で
は、サスペンションアームを常温程度まで自然冷却しつ
つ、積極的に加熱及び保温を行なうため、常温程度まで
冷却されたサスペンションアームを再加熱することはし
ない。このため、この方法では、エネルギーの無駄な消
費がなく、製造コストが低くなる。

【００２２】また、この方法では、電極３ａ、３ｂを設
ける部位を薄肉部ｎに設定することでガス抜きや押し湯
を有効に行ない、引け巣の発生を防止しているととも
に、薄肉部ｎを厚肉部ｋと同様の金属組織又はフェライ
トがマトリックスをなす金属組織にしているため、サス
ペンションアームの全体を目的とする品質にすることが
できる。そして、これらの間、熱量Ｗを外部制御した電
力パターンＰで付与しているため、薄肉部ｎにおける溶
湯の冷却速度が確実に安定制御され、サスペンションア
ームの品質の実現が確実かつ容易なものとなる。

【００２３】さらに、この方法では、溶湯自体に通電し
て得られる電気抵抗による発熱をプラスの熱量Ｗとして
利用しているため、抵抗体をサスペンションアームにイ
ンモールドすることはなく、サスペンションアームの所
望の品質を損なうこともない。また、この方法では、溶
湯と接触する電極３ａ、３ｂが溶湯と同一材質である。
このため、鋳造後の切除が最小限であり、メンテナンス
フリーも実現され、製造コストが低くなる。また、注湯
の際のヒートショック等でクラックを生じにくく、外部
制御性を損なわない。

【００２４】したがって、この方法を採用すれば、サス
ペンションアームの全体を目的とする品質にすることが
でき、しかもそれが安価であり、確実かつ容易なものと
なる。（実施形態２）実施形態２では請求項１〜３を具体化し
ている。

【００２５】まず、図４に示すように、電極３ａ、３ｂ
をもつ砂型１、２を用意する。両電極３ａ、３ｂには電
流検出回路６が接続され、電流検出回路６には定電圧制
御回路内蔵の電源７が接続されている。電源７の定電圧
制御回路は直流・交流チョッパ制御を行なうものであ
る。電流検出回路６には比較回路８が接続され、電源７
の定電圧制御回路と比較回路８とにはプログラマブルコ
ントローラ９が接続されている。プログラマブルコント
ローラ９には、種々のプログラムの他、上記図３の曲線
Ａ₃がメモリーされている。他の構成は実施形態１と同
一である。

【００２６】そして、実施形態１と同様に砂型１、２の
キャビティＣ内に溶湯を注入し、両電極３ａ、３ｂに溶
湯が接触した注入完了後、電源７から両電極３ａ、３ｂ
に通電するとともに、電流検出回路６により薄肉部ｎを
流れる電流ｉを検出する。ここで、両電極３ａ、３ｂへ
印加した電圧をＥ、溶湯の電気抵抗をＲ₁、内部抵抗を
Ｒ₂とすれば、Ｒ₁＝Ｅ／ｉ−Ｒ₂ の関係があるため、溶湯の電気抵抗Ｒ₁がリアルタイム
に算出される。そして、キャビティＣの形状に応じ、算
出された電気抵抗Ｒ₁により電気比抵抗ρが算出され
る。これらは事前テストにより明らかにされている。

【００２７】この間、溶湯は温度降下に従って電気比抵
抗ρが低下することがわかっている。ここで、温度ｔと
電気比抵抗ρとの関係は、溶湯として融点が１５３６
（℃）の純鉄を採用する場合には図５の一点鎖線の曲線
Ｄとなる。曲線Ｄは、 ρ＝−２．４＋３．６５×１０^-2ｔ＋０．６５×１０^-6
ｔ³ で表される。そして、合金の溶湯の電気比抵抗ρは、純
金属の比抵抗をρ₀、百分率当たりの残留抵抗をα、不
純物の重量％をｃとすれば、 ρ＝ρ₀＋αｃで求められる。このため、用いた溶湯は、図５の実線で
示す曲線Ｂのように、温度降下に従って電気比抵抗ρが
低下することがわかる。なお、図５の破線で示す曲線Ｂ
₁、Ｂ₂は鋳鉄の組成範囲内における温度と電気比抵抗
ρとの関係を示す。また、溶湯として純アルミニウムを
採用する場合には図５の二点鎖線の曲線Ｅとなる。

【００２８】このため、算出された電気比抵抗ρに基づ
いて薄肉部ｎの温度が把握される。そして、把握された
温度が図３の曲線Ａ₃上の目標温度になるように両電極
３ａ、３ｂへの印加電圧Ｅをフィードバック制御する。
こうして、実施形態２の鋳造方法では、サスペンション
アームの薄肉部ｎにおける溶湯の冷却速度が確実に安定
制御され、鋳造品の品質の実現が確実かつ容易なものと
なる。

【００２９】また、この方法では、溶湯と接触する電極
３ａ、３ｂに印加する電圧Ｅと、溶湯を流れる電流ｉと
から電気抵抗Ｒ₁を求め、求めた電気抵抗Ｒ₁に基づい
て薄肉部ｎの温度を求めているため、直接に溶湯の温度
を検出することとなり、直接に溶湯の温度を制御して外
部制御性が優れている。さらに、この方法では、溶湯自
体に通電して得られる電気抵抗Ｒ₁による発熱をプラス
の熱量として利用し、別に発熱手段を必要としないた
め、効率的である。

【００３０】したがって、この方法を採用すれば、サス
ペンションアームの全体を目的とする品質にすることが
でき、しかもそれが実施形態１と比較してより安価であ
り、確実かつ容易なものとなる。なお、上記実施形態
１、２において、変態後の金属組織をベーナイトにする
ことも可能である。また、鋳造品の一部を目的とする品
質にする場合にも適用可能であることは上述の通りであ
る。この場合、電極３ａ、３ｂに流す電流として高周波
電流を採用すれば、高周波電流の表皮効果により、通電
する鋳造品の表面のみを加熱することができるため、鋳
造品の表面の機械的性質のみを改質することもできる。
そして、各請求項の発明はサスペンションアームの鋳造
方法に限られないことはいうまでもない。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述したように、各請求項記載の鋳
造方法を採用すれば、鋳造品の全体又は一部を目的とす
る品質にすることができ、しかもそれが安価であり、確
実かつ容易なものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１、２に係る鋳鉄製サスペンションア
ームの斜視図である。

【図２】実施形態１に係り、図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面
図及び装置の構成図である。

【図３】実施形態１に係り、時間と温度及び電力との関
係を示すグラフである。

【図４】実施形態２に係り、図１のＩＶ−ＩＶ矢視断面
図及び装置の構成図である。

【図５】実施形態２に係り、温度と電気比抵抗との関係
を示すグラフである。

【符号の説明】

１、２…砂型（鋳型）Ｃ…キャビティｎ…薄肉部３ａ、３ｂ…電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋳型のキャビティ内に溶湯を注入後、該溶
湯の所望部位に外部制御可能な熱量を付与することによ
り、該所望部位における該溶湯の冷却速度を制御するこ
とを特徴とする鋳造方法。
【請求項２】所望部位で対の電極を溶湯に接触させ、両
該電極へ通電することによりプラスの熱量の付与を行う
ことを特徴とする請求項１記載の鋳造方法。
【請求項３】両電極への印加電圧と溶湯の所望部位を流
れる電流とから電気抵抗を求め、求めた電気抵抗に基づ
いて該所望部位の温度を求め、求めた温度が目標温度に
なるように両該電極への印加電圧をフィードバック制御
することを特徴とする請求項２記載の鋳造方法。