TOPICS TOPICS 新たな高真空吸引加圧鋳造システムの可能性に関する調査の概要㈶素形材センター高真空吸引加圧鋳造システム研究開発委員会事務局笹谷純子清浄な溶湯のみを鋳型空隙部に供給し、ガス欠陥等が最小限の高強度鋳物を製造する高真空吸引加圧鋳造システムの開発可能性について、委員会（委員長小西邦彦氏）を設置してフィージビリティスタディを実施したので、その成果の概要を報告する。 1．はじめに高道博太洋マシナリー㈱薄肉鋳造品を生産性良く製造するにはダイカスト法小林繁堺エンジニアリング㈱が適しているが、通常のダイカストではガスの巻き込本鋳造システムは、清浄な溶湯のみを供給し、鋳造み量が多いため、熱処理による高強度化が困難である。欠陥が最小限の高強度鋳物を製造する鋳造法である。鋳造欠陥の少ない高品質鋳物の製造に使用されている従来のダイカスト品や他の鋳造品より機械的性質のば高真空・超高速ダイカスト法や低圧鋳造法等でも、完らつきが少なく、設計強度を格段に大きく設定できる全にガス、酸化皮膜の巻き込みをなくすことは難しい。鋳造品を、ダイカストと同等以上の生産性で、かつよまた、装置コスト、設備設置場所、生産性、薄肉鋳造り低コスト、低エネルギで製造でき、多品種少量生産品や多品種少量生産への適用等で問題があり、これらにも対応可能な画期的鋳造法として期待される。を解決した優れた鋳造法の開発が望まれている。そこで、㈶素形材センターでは 20 年度に、㈶機械システム振興協会が㈶ JKA の競輪補助金の交付を受 2．高真空吸引加圧鋳造装置の概念け実施した機械システムに関する調査研究等補助事業開発した高真空吸引加圧鋳造装置（以後「試作装置」の一環として「軽量高強度薄肉鋳造品製造のための高という）の原理を図 1 に、試作装置の外観を写真 1 に真空吸引加圧鋳造システムに関するフィージビリティ示す。試作装置の最大の特徴はシール板を利用した高スタディ｣を受託して実施したので、その概要を紹介真空吸引注湯方式である。駆動は電動サーボモータをする。なお、本システムは、大中逸雄・大阪大学名誉使用し、溶解・保持炉（電気炉）は、Al 合金で 10 kg 教授を中心とするグループが、開発研究を進めてきたの溶解保持が可能な炉とした。ダイカスト湯流れ直接観察システム等の成果に立脚し加圧て提案されたものであるが、今回の調査に加わった開発メンバーは次のとおりである。金型鋳型空隙部小西邦彦小西技術事務所中林正興日本ルツボ㈱シール板ストーク減圧谷義紀㈱クボタ桑名紀文㈱双立大中逸雄アイ・イー・ソリューション㈱ストーク保持炉又は溶解炉杉山明アイ・イー・ソリューション㈱柏井茂雄兵庫県立工業技術センター米北洋一太洋マシナリー㈱ 48 高真空吸引鋳造法の原理図 1 鋳造システムの概念図 TOPICS TOPICS 3．試作装置による鋳造実験と鋳造品の評価高真空吸引加圧鋳造装置に金型を取り付け、鋳造実験を行うと共に、機械的特性、欠陥観察等を行った。金型は矩形平板、引張試験片、湯流れ試験形状の金型のほか実部品モデル金型の 4 種を使用した。さらに、写真 1 試作鋳造装置の外観多品種少量生産や複雑形状品への適用可能性を検討するため、セラミック型を製作した。鋳造材料としては、鋳造条件の検討については入試作装置の動作は以下のとおりである。なお、試作手しやすいダイカスト用合金 ADC 12 を主に使用した装置のポイントとなるシール板の動作について図 2 にが、試作品の評価に関しては、機械的性質等に優れる示す。 AC 4 CH を主に使用した。この AC 4 CH は、一般的な ① アルミニウム合金を坩堝炉で溶解ダイカストではあまり使用されていないが、自動車用 ② 坩堝炉を装置本体位置まで移動後、上昇させ、スホイール、航空機用エンジン部品及び油圧部品など高トークを溶湯内に挿入 ③ ストーク内を減圧して溶湯を吸引し、トラップに溶湯表面の不純物を集める（図 2（a）参照）級鋳物に用いられている。なお、より高純度の方が引張強さ、伸びがともに優れるという知見に基づき、より高純度のものを使用した。 ④ この間に金型内真空配管により、金型内を減圧まず、平板試験片で、ADC 12 を使用して、シール ⑤ シール板を移動して金型とストークを連絡し、板によるストークと鋳型空隙部の溶湯遮断解除のタイ金型内に溶湯を吸引（図 2（b）参照） ⑥ 更にシール板を移動して、金型とストークを遮断して注湯を完了（図 2（c）参照）ミング、鋳型空隙部への溶湯吸引後のシール板によるストークとの遮断タイミング、遮断後の溶湯加圧圧力とそのタイミング、鋳型空隙部の真空度、ストークの ⑦ 必要に応じて金型内を加圧して、製品を加圧減圧速度等を変化させた鋳造実験を実施した。 ⑧ 金型締め付け油圧シリンダーを移動して、製品写真 2 に示す試作品例のように、実験当初は、気密性不足等で鋳型中に溶湯があまり流入しない状況でを取り出し ⑨ ③から⑧まで繰り返しあった。また、試作品の X 線透過観察では、写真 3 に示すように比較的粗大な欠陥が多数観察された。その（a）初期形状は丸みを帯びていることから、湯流れ中に巻き込んだガスによるガスホール欠陥であると推測された。ストーク取付部の気密不足、真空シール用オイルの分解、摺動部、合わせ面からの空気もれなどによりガス（b）遮蔽仮移動が金型内に存在し、あるいはガスを吸引し、欠陥が発生したと考えられた。（c）遮蔽仮移動完了図 2 シール板の動作写真 2 平板試作品例写真 3 試作品の直接観察結果 49 TOPICS このため、当初は、試作品の引張強さや伸びは十分にあるトラップの中に溶湯を十分流入させるためではなかったが、気密性の改善、鋳造条件の最適化にである。トラップ中に溶湯が少なく、上部にガス 2 が残存するとそれが、鋳型中に巻き込まれる危険より、AC 4 CH 合金の場合、最高引張強さ 158 N/mm 2 （JIS 参考値 150 N/mm ）、伸び 2 %（ JIS 参考値 3 %）という測定結果が得られた。性がある。 ④ 鋳型空隙部の充満時間は短く、本実験の場合、シー実験と装置改善を繰り返し、鋳造した種々の試作品ル板の移動速度が遅いので、開口部をストーク上の外観の例を写真 4 に示す。に停止させる必要はない。 ⑤ 真空シール用のグリースの使用は極力少なくする。 4．鋳造時の湯流れ直接観察本鋳造システムでは、鋳型空隙部での溶湯挙動（ガスの巻き込み）がポイントの一つであることから、透過 X 線直接観察装置を使用して、湯流れの直接観察を左：実部品モデル右：セラミック型による試作品行った。金型は X 線を透過しないので、黒鉛製の鋳型写真 4 試作品例を使用したが、黒鉛は気密性に問題がある。そこで、黒鉛鋳型を真空チャンバー内ところで、通常のダイカスト品は T 6 熱処理をするに設置し、チャンバーを減圧とふくれが発生する。そこで、試作装置で鋳造した試することで黒鉛鋳型内のキャ料（AC 4 CH）を、550℃、1 時間大気雰囲気で加熱後、ビティを減圧した。水中急冷し、表面を観察した。写真 5 に示すように、湯流れ試験で作製した鋳物ふくれはほんどなく、鋳造条件が良ければ T 6 熱処理の外観を写真 6 に示す。溶湯ができる可能性は高いことがわかった。充填過程をX線透過装置で観察した結果を写真 7 に示すが、溶湯は、4 本ある試験片キャビティにほぼ同時に流入した。溶湯は勢いよく上面に写真 6 湯流れ試験試作品写真 5 熱処理（T 6 処理）後の表面今回の実験では、鋳造システムの完成度を高めるまでには至らず、したがって、試作鋳造品も欠陥の多いものとなったが、高真空吸引加圧鋳造システムによる鋳造の可能性に見通しをつけることができるとともに、次の事項が重要であることが明らかになった。 ① 鋳型空隙部を高真空とするためのシール板と金型間、金型の分割面のみならず、ストークの取付け部とストーク自体の気密性も重要である。 ② シール板の移動速度が速いほどガス流入量が少なくなるため、シール板の移動速度を早くすることが重要である。 ③ ストークの減圧速度はある程度大きい方が良い。これは、溶湯の慣性により、減圧溝位置より上部 50 写真 7 湯流れ直接観察結果 TOPICS 到達し、キャビティ上部から充填が進行し、キャビと考えられた。今回のモデルではシミュレーション結ティ内部では激しく気泡を巻き込む様子が観察され果と直接観察結果から、充満時間は 1 秒以下の短時間た。キャビティ内への溶湯の充填が完了した後、巻きであることがわかったが、金型温度を高めにして気泡込まれた気泡は急速に上昇し、鋳型外に排出され、気排出時間を長くし、オーバー・フローなどの方案を最泡欠陥の少ない鋳物を作成することができた。適化し、気泡の流出経路を確保することが、健全な鋳なお、この結果から、金型内部を吸引する方法では物を製造するために必要であることがわかった。なく、真空ボックスで鋳型全体を吸引する方法が容易でより健全な試片が得られる可能性があることが示唆 6．今後の課題と可能性された。高真空吸引加圧鋳造システムは、ガスの巻き込みが 5．鋳造システムに係る鋳造シミュレーションない鋳造法を目指したにもかかわらず、今回の実験では、ガス巻き込み欠陥が最大の問題となった。ガス巻本鋳造システムの開発に資するために、JSCAST をき込みの最大の原因は気密性不足と構造上の問題にあ用いて、真空吸引鋳造の条件設定をして、4 種のモデ溶湯開閉板の移動速度、金型分割方法、ストークの材ルについて、シミュレーションを行った。このうち、質及び寸法の検討等により機密性を向上させるととも平板モデルのシミュレーション結果を例として図 3 にに、粉末塗型の採用、鋳造法案の最適化等によりガス示すが、いずれのモデルにおいても、溶湯はキャビティ発生の抑制と排出を促進することがあげられる。中央部の壁面に沿って流入し、上部で反転した。そのこのように、今後解決すべき課題は少なくないが、ため、キャビティ内に気体が残存していると、気泡と高真空吸引加圧鋳造システムについて、次のような利なって巻き込む可能性がある。キャビティ上部に湯溜点がある可能性が考えられた。まりがない形状のシミュレーションでは、キャビティ ① 汚れた湯面の溶湯をトラップにより除去し、清上辺に衝突した溶湯がすぐに反転し、速度の大きな下降流となって、上昇流と下降流の衝突部分では激しい乱れが生じる結果、より多くのガス巻き込みが生じるると考えられた。このため、今後の研究課題として、浄な溶湯を供給 ② コンパクトな装置。騒音源は真空ポンプ程度で、作業環境は良好 ③ 溶湯搬送等の熱損失が小さく、また、ダイカストのような大きな射出速度、圧力が不要で省エネルギ ④ 常温程度の金型でも、AC 4 CH の鋳造品を製造可能 ⑤ T 6 熱処理できる可能性あり通常のダイカスト法より良い製品をより低コスト、省エネルギで得られる可能性があると考えられるが、高強度・高信頼性鋳造品の製造法として実用化するためには、気密性の向上や、鋳造条件の最適化など、研究開発を継続する必要がある。なお、当センターホームページに「軽量高強度薄肉鋳造品製造のための高真空吸引加圧鋳造システムに関するフィージビリティスタディ報告書（要旨）」（PDF ファイル形式）を掲載しているのでご参照ください。 http://sokeizai. jp/japanese/publish/report. html 図 3 鋳造シミュレーション結果 51