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【発明の名称】 量産成形用アルミニウム合金と同じ材質の切削加工用アルミニウム合金のインゴットの鋳造方法及びその鋳造装置
【発明者】 【氏名】薄井 直人
【課題】切削加工による試作品や少量部品の製作に使用できる鋳巣の発生を極限に抑えた切削加工用材料を簡易に製造できる切削加工用材料精錬装置、切削加工用材料精錬方法及びその方法を用いた切削加工用材料の鋳造方法を提供する。

【解決手段】切削加工用材料精錬装置１０は、量産成形用アルミニウム材料１２を溶融する電気溶解炉１６と、電気溶解炉１６内のアルミニウム材料１２の溶融金属にアルゴンガス２４を継続して吹き込むアルゴンガス挿入装置１８とを備えるものである。このアルゴンガス２４の吹き込みによりアルミニウム材料１２の溶融金属中の水素ガス１４を除去できる。アルゴンガス２４を所定時間吹き込んだ後、アルミニウム材料１２の溶融金属を鉄枠に流し込み、重力鋳造によって、鋳巣の発生を極限に抑えた試作品製作用の切削加工用材料を得ることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量産成形用アルミニウム材料を溶融する電気溶解炉と、その材料の溶融金属中にアルゴンガスを所定時間継続して吹き込むアルゴンガス挿入装置とを備えることを特徴とする切削加工用材料精錬装置。
【請求項２】
量産成形用アルミニウム材料を溶融し、その材料の溶融金属中にアルゴンガスを所定時間継続して吹き込むことを特徴とする切削加工用材料精錬方法。
【請求項３】
量産成形用アルミニウム材料を溶融し、その材料の溶融金属中にアルゴンガスを所定時間継続して吹き込み、その溶融金属を鉄枠に流し込み、重力鋳造により切削加工用材料を製造することを特徴とする切削加工用材料の鋳造方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、部品の試作品等の製作に用いる切断加工用材料を製造するための切削加工用材料精錬装置、切削加工用材料精錬方法及びその方法を用いた切削加工用材料の鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電機・自動車メーカー等では、アルミニウム製部品の汎用合金としてアルミニウム合金ＡＤＣ１２が使用されていた。部品が開発された場合、ＡＤＣ１２を材料（又は材質）とする部品を量産する前に、その部品が開発者・設計者の要求を満足するものかどうかを評価するため、その試作品を製作し、その試作品に基づいて評価する必要があった。また、その評価は、強度試験・熱伝導試験・防爆試験・環境試験など多種の適応試験等により行われていた。
【０００３】
上記適応試験を行うには、精度が高く、量産に使用される材料ＡＤＣ１２と同じ材料で製作された試作品で行うことが望ましい。精度の高い試作品を製作する工法として、マシニングセンターを用いた切削加工が知られている。
しかし、ＡＤＣ１２の量産成形用アルミニウム材料（ダイカスト用アルミニウム合金のインゴット）を精錬して、上記切削加工用材料（切削加工用アルミニウム合金のインゴット）を鋳造しても、精錬中にその材料に含まれる水素ガスが活発に活動し、鋳巣が発生するため、その切削加工用材料は試作品製作に使用できる品質ではなかった。
【０００４】
そのため、従来、試作品製作に使用される切削加工用材料には、ＡＤＣ１２を材質とする切削加工用材料に代えて、鋳巣がない切削加工用材料、例えば一般に市販されているＡＬ５０５２やＡＬ６０６３などを材質とする圧延材料が使用されていた。
しかし、ＡＬ５０５２やＡＬ６０６３を材質とする試作品はＡＤＣ１２を材質とする量産品と様々な性質が異なるため、上記適応試験はその部品の金型品（ＡＤＣ１２を材質とするもの）が完成するまで待たざるを得ず、開発期間が延びてしまうという問題があった。また、場合によっては、上記適応試験について十分な評価ができないまま量産に着手せざるを得ないという問題があった。
【０００５】
ＡＤＣ１２を材質とする試作品製作の工法としては、アルミニウム合金を含むすべての材質に適用できるロストワックス法がある。しかし、ロストワックス法は、金属金型を製作する必要があるため、製作期間がかかり、極少量製作する場合コスト高となり、試作品製作に適した工法とはいえなかった。
【０００６】
現在、上記ロストワックス法の問題を解決する金属部品の製作方法が提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００１−２１９２４５号
【０００７】
特許文献１の金属部品の製作方法は、金属部品の型を光造形により形成し、この型を原型としてロストワックス法によって鋳型を製作するものである。光造形によって形成された樹脂を鋳型の原型に用いる、金属金型を必要としない製作方法である。これにより、試作品の製作期間の短縮及びコストの軽減を図ることができる。
【０００８】
しかし、ＡＤＣ１２の溶融金属は、他の溶融金属に比べ、硬化時間が短い。そのため、鋳型に溶融したＡＤＣ１２の溶融金属を注湯しても、鋳型に流れ切る前に固まってしまい、ロストワックス法によっては、ＡＤＣ１２からなる試作品は鋳造できないおそれがあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述の問題を解決するために、切削加工による試作品や少量部品の製作に使用できる鋳巣の発生を極限に抑えた切削加工用材料を簡易に製造できる切削加工用材料精錬装置、切削加工用材料精錬方法及びその方法を用いた切削加工用材料の鋳造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の切削加工用材料精錬装置は、量産成形用アルミニウム材料を溶融する電気溶解炉と、その材料の溶融金属中にアルゴンガスを所定時間継続して吹き込むアルゴンガス挿入装置とを備えるようにしたものである。
【００１１】
本発明の切削加工用材料精錬方法は、量産成形用アルミニウム材料を溶融し、その材料の溶融金属中にアルゴンガスを所定時間継続して吹き込むようにしたものである。
【００１２】
本発明の切削加工用材料の鋳造方法は、量産成形用アルミニウム材料を溶融し、その材料の溶融金属中にアルゴンガスを所定時間継続して吹き込み、その溶融金属を鉄枠に流し込み、重力鋳造により切削加工用材料を製造するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、鋳巣発生の原因となる精錬時に活発に活動する水素ガスを除去するものである。これにより、鋳巣の発生を極限に抑えた切削加工用材料を製造することができるため、精度の高い切削加工を用いて、量産成形用材料と同じ材料で試作品を製作できる。従来金型品が完成するまでできなかった適応試験も試作品完成時に行うことができることから、その部品の開発期間を短縮することが可能となる。
特許文献１には、本発明と同様、量産品と同じ材料で精度の高い試作品を製作する金属部品の製作方法が開示されているが、ロストワックス法による鋳造を用いて試作品を製作する工法であり、切削加工を用いて試作品を製作することを目的とする本発明とは異なるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、鋳巣の発生を極限に抑えた切削加工用材料を製造することにより、量産成形用材料と同じ材料で試作品を製作できることを実現するものである。
【実施例１】
【００１５】
本発明の切削加工用材料精錬装置、切削加工用材料精錬方法及びその方法を用いた切削加工用材料の鋳造方法を図に基づいて説明する。図１は、本発明の切削加工用材料精錬装置の構成図である。
本発明の切削加工用材料精錬装置１０は、厚材精錬時に鋳巣が発生する一般に市販されている量産成形用アルミニウム材料（アルミニウムインゴット）、例えばＡＤＣ１２のアルミニウム材料（以下、単に「ＡＤＣ１２材料」という。）１２の溶融金属中から鋳巣発生の原因となる水素ガス１４を除去するＡＤＣ１２材料１２の精錬装置である。
【００１６】
切削加工用材料精錬装置１０は、ＡＤＣ１２材料１２を溶融する電気溶解炉１６と、アルゴンガス挿入装置１８とを備えるものである。電気溶解炉１６は、ＡＤＣ１２材料１２を溶融するための坩堝１６ａを有するものである。なお、図１の電気溶解炉１６は従来既知の直流アーク炉であるが、量産成形用アルミニウム材料の溶融が可能な他の溶解炉を用いてもよい。
【００１７】
アルゴンガス挿入装置１８は、坩堝１６ａのＡＤＣ１２材料１２の溶融金属内にアルゴンガス２４を挿入（又は供給）するためのアルゴンガス導入路１８ｃを有する筒部材で構成されるもので、坩堝１６ａのＡＤＣ１２材料１２の溶融金属内にその一端のアルゴンガス挿入口１８ａを挿入した状態で使用されるものである。なお、ＡＤＣ１２材料１２の溶融金属中へアルゴンガス２４を挿入（又は供給）する際は、電気溶解炉１６の蓋１６ｂを取り除いて行う。また、他端のアルゴンガス注入口１８ｂは、アルゴンガス供給管２０を介して電気溶解炉１６の外部に設けられるアルゴンガス供給調整装置２２に接続されている。
【００１８】
本発明の切削加工用材料精錬方法は、一般に市販される量産成形用アルミニウム材料の溶融金属中にアルゴンガスを所定時間継続して吹き込むものである。以下、上記切削加工用材料精錬方法及びその方法を用いた切削加工用材料の鋳造方法を図１に基づいて説明する。
電気溶解炉１６にＡＤＣ１２材料１２を所定量投入し、所定の温度で溶融する。次に、上記ＡＤＣ１２材料１２が溶融した後、アルゴンガス挿入装置１８の挿入口１８ａを坩堝１６ａ内のＡＤＣ１２材料１２の溶融金属中に設け、所定量のアルゴンガス２４をＡＤＣ１２材料１２の溶融金属中に所定時間継続して吹き込む。このとき、ＡＤＣ１２材料１２の溶融金属中に存在する水素ガス１４の水素と吹き込まれたアルゴンガス２４のアルゴンとが結合し、その結合物（気体）２６はＡＤＣ１２材料１２の溶融金属中からその溶湯面上に移動し、大気中で消滅する。これにより、ＡＤＣ１２材料１２の溶融金属中の水素ガス１４を除去できる。また、アルゴンガス２４を所定の時間継続して吹き込むことによって、水素ガス１４の含有量を微量にすることができる。
アルゴンガス２４の挿入量（供給量）及び挿入時間（供給時間）は、アルゴンガス供給調整装置２２を用いて、電気溶解炉１６内の溶融金属の溶湯量に応じて調整する。
【００１９】
ＡＤＣ１２材料１２の溶融金属中にアルゴンガス２４を所定時間吹き込んだ後、坩堝１６ａ内のＡＤＣ１２材料１２の溶融金属を図示しない鉄枠（切削加工用材料のインゴットを鋳造するための鋳型）に柄杓で流し込み、重力鋳造によって、ＡＤＣ１２からなる鋳巣を極限に抑えた切削加工用材料を鋳造することができる。
なお、上記重力鋳造によって製造された切削加工用材料は、その中心付近に「ひけ」と言われるくぼみが発生するが、鉄枠中の切削加工用材料をバーナーなどの燃焼装置によって暖めながら数回くぼみに流すことにより無くすことができる。また、上記工程で鋳造された切削加工用材料は、図示しない面削機（フライス・マシニングセンター等）で面削加工され、試作品製作のための所定の形状又は大きさに形成される。
【００２０】
（実験例）
電気溶解炉１６にＡＤＣ１２材料１２（ＡＤＣ１２のインゴット）５０Ｋｇを投入し、約７００℃で溶融した。ＡＤＣ１２材料１２が溶融された後、ＡＤＣ１２材料１２の溶融金属中にアルゴンガス供給調整装置２２からアルゴンガス供給管２０を通じて５Ｋｇ／ｃｍ２のアルゴンガス２４を３０分間継続して供給した。
【００２１】
アルゴンガス２４の供給終了後、鉄枠にＡＤＣ１２材料１２の溶融金属を鉄枠に流し込み、重力鋳造によって厚さ３００ｍｍの厚材の切削加工用材料を得た。その切削加工用材料を面削機で切断したところ、当該切削加工用材料のどこを面削しても、鋳巣の発生はミクロポリシィ程度の極微量のものであった。
【００２２】
また、本発明により精錬・鋳造された切削加工用材料の圧力実験を行った。図２は、上記圧力実験の概略図である。
本圧力実験では、上記実験例で鋳造された切削加工用材料で製作した密閉された箱２６を水２８で満たされた容器３０の中に入れ、その箱２６にエア（酸素ガス）３２を挿入するエアホース３４を取り付け、箱２６の内部にコンプレッサー３６を用いて５Ｋｇ／ｃｍ２のエア２８を供給して、箱２６の外に出る気泡の発生の有無を確認した（図２）。本圧力試験において、気泡の発生は認められなかった。
切削加工用材料に鋳巣が発生している場合は、圧力のある気体の漏れを抑えることはできない。しかし、上記圧力試験により気体の漏れは認められないため、本発明により精錬・鋳造される切削加工用材料は、試作品製作に使用できる品質であることが明らかになった。また、含浸処理を必要としないものであることが分かった。
これにより、開発を急ぐ研究者に早期に試作品（研究部品）を提供でき、その開発期間の遅延を防止することができる。
【００２３】
（他の工法との比較）
試作品製作に使用される本発明により鋳造された切削加工用材料に関し、試作品製作コスト、製作日程（製作期間）、精度、多種の適応試験への適用度の面から、従来の切削用材料による試作品製作、各種鋳造による試作品製作との対比により、説明する。表１は、通常の切削用材料による試作品製作、各種鋳造による試作品製作との対比を表わすものである。
【００２４】
【表１】


（評価） 最優：５、優：４、良：３、可：２、不可：１
【００２５】
ａ．通常の切削用材料を使用する試作品製作の工法
上記工法は、市販されているＡＬ５０５２やＡＬ６０６３の圧延切削用材料（通常の切削用材料）をマシニングセンター加工により試作品を製作するものである。精度及び製作期間については、後述の既知のｂないしｄの工法より優れ（いずれも評価５）、少量（１０個程度）を生産するのであればコスト的に有利な工法である（評価５）。
しかし、通常の切削加工用材料は、量産に使用するＡＤＣ１２材料と熱伝導・強度・靭性などの点で全く異質のものであるため、当該試作品では部品の形状確認しかできず、強度試験・熱伝導試験・防爆試験・環境試験など多種の適応試験について確認することはできない（適用度評価１）。
【００２６】
ｂ．砂型・精密砂型による試作品製作の工法
上記工法では、熱伝導率がＡＤＣ１２材料に近いＡＣ４Ｂ材料を使用する。しかし、上記ａと同様、ＡＤＣ１２材料と異質の材料であるため、当該試作品では部品の形状確認及び熱伝導試験しかできない（適用度評価２）。
また、ＡＤＣ１２材料を使用する場合、一般に砂型で使用する材料と比較すると、ＡＤＣ１２材料は硬化時間が短く、型に流れ切る前に固まってしまうため、形状を再現することは困難である。さらに、鋳肌が汚いため、外装部品の試作には適さない。
コスト面では、極少量の試作品を製作する場合、初期イニシャルが発生するためコスト高となる（評価３）。
精度については上記ａの工法より劣る（評価３）。
【００２７】
ｃ．石膏鋳造による試作品製作の工法
上記工法は、鋳肌が綺麗なため外装部品に使用する工法として利用されるものである。上記ｂの工法と同様、熱伝導がＡＤＣ１２材料に近いＡＣ４ＢやＡＣ２Ａのアルミニウム材料を使用するが、当該試作品では部品の形状確認及び熱伝導試験しかできない（適用度評価２）。
また、ＡＤＣ１２材料を使用する場合、ＡＤＣ１２材料が流れ難いこと及び極少量製作する場合の初期イニシャルの発生によるコスト高の問題がある（評価２）。
【００２８】
ｄ．ロストワックスによる試作品製作の工法
上記工法では、金型を製作するため、製作期間がかかり、極少量製作する場合コスト高となるため試作品製作に適した工法とはいえない（いずれも評価１）。
特許文献１には、ロストワックス法の製作期間を短縮し、試作品製作のコスト軽減ができる金属部品の製作方法が開示されており、当該製作方法によれば本発明と同様に短期間・低コストで量産成形用材料と同じ材料で試作品を製作できる。しかし、ＡＤＣ１２材料は鋳型に流れ切るまでに固まってしまうおそれがあり、本工法によっては、ＡＤＣ１２材料からなる試作品を製造できない場合がある（適用度評価２）。また、含浸処理が要求される場合は、研究部品の開発期間に遅れが生じるおそれがある。
【００２９】
ｅ．本発明により鋳造された切削加工用材料を使用する試作品製作の工法
本発明により、試作品製作に適した品質を有するＡＤＣ１２の切削加工用材料を製造することができる。これにより、切削加工により精度の優れた試作品を確実に製造できる。
本工法では、試作品を大量に製作する場合、金属くず（切りくず）が大量に出るためコスト高となるが（評価３）、極少量製作する場合は低コストとなる（評価５）。また、マシニングセンター加工により試作品を製作するため、精度は優れており（評価５）、量産品に非常に近い試作品を製作できるため、強度・熱伝導・防爆・環境等の多種の適応試験すべてについて確認が可能となる（適用度評価５）。
以上のように、本発明により鋳造された切削加工用材料を使用する試作品製作の工法によると、他の工法より優れた効果を得ることができる（総合評価２３）。
【００３０】
なお、上記実施例では、ＡＤＣ１２材料を例示したが、他のアルミニウム材料、例えばＡＤＣ３材料の精錬・鋳造にも適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の切削加工用材料精錬装置の構成図である。
【図２】本発明により精錬・鋳造された切削加工用材料の圧力実験の概略図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０ 切削加工用材料精錬装置
１２ 切削加工用材料
１４ 水素
１６ 電気溶解炉
１８ アルゴンガス挿入装置
２４ アルゴンガス


特許の図
【出願人】 【識別番号】５０６４２９５９２
【氏名又は名称】株式会社アルト精工
【出願日】 平成１９年９月１８日（２００７．９．１８）
【代理人】 【識別番号】１００１３０８２３
【弁理士】
【氏名又は名称】三浦 誠一
【公開番号】 特開２００８−１７８９０７（Ｐ２００８−１７８９０７Ａ）
【公開日】 平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願番号】 特願２００７−２４１０３２（Ｐ２００７−２４１０３２）