JP2005296989A - アルミニウム合金異形ビレットのｄｃ鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 断面がＹ形，Ｘ形或いは放射かつ任意の方向に伸びる複数のアーム形状を有するアルミニウム合金異形ビレットを、鋳造時における抱きつきによるビレットの割れ、メタル漏れの発生を発生させることなくＤＣ鋳造する方法を提供する。
【解決手段】 断面がＹ形，Ｘ形或いは放射かつ任意の方向に伸びる複数のアーム形状を有するアルミニウム合金異形ビレットをＤＣ鋳造する際に、ビレット断面形状を複数のアーム部と中央部との分割し、各々について外周長さと断面積を求め、アーム部に二次冷却水が掛からない部分ｎを設け、アーム部の二次冷却水が掛かる部分の外周長さとアーム部断面積の比を中央部の二次冷却水が掛かる外周長さと中央部断面積の比の０．８〜１．２倍にして二次冷却水１３を噴出させ、断面積の小さいアーム部を弱冷に、断面積の大きい中心部を強冷にしてビレット全体を断面方向から見て全周均一な凝固を行わせる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、断面がＹ形，Ｘ形あるいは放射かつ任意の方向に伸びる複数のアーム形状を有する鍛造用のアルミニウム合金の異形ビレットをＤＣ鋳造する方法に関する。

航空機，車輌，産業機械，精密機械等には、アルミニウム合金の鋳造品や鍛造品が広く使用されている。鋳造品は鍛造品に比べ機械的特性、特に靭性に劣るため、近年の軽量化の要望に対して追従し難い状況になっている。これに対して、鍛造製品は靭性が高く、より一層望まれる軽量化には対応可能であるが、製造コストが上昇するという問題点もある。すなわち、円筒状のビレットで形状が複雑な製品を鍛造しようとすると、鍛造に際して多工程を要するばかりでなく、製品歩留まりが悪い。また、ＤＣ鋳造により得られたビレットを製品形状に近い形状に押出成形した押出材を最終製品に鍛造することも試みられているが、押出工程が必要になり、コストアップに繋がっている。

このような背景のもと、近年、鍛造用素材として製品形状に近い形状にＤＣ鋳造したビレットを、押出加工を施すことなく、必要に応じて均質化処理を施したのみで鍛造用素材として用いられることが提案されている（例えば特許文献１参照）。
断面形状が複数のアームを有するような複雑なビレットをＤＣ鋳造しようとするとき、アーム形状に曲がりがある場合には、冷却時における熱収縮によってアーム形状の曲がり部が鋳型に抱きつき、鋳造が停止し、最悪の場合、鋳型を破壊する場合がある。抱きつきが発生しない場合でも、鋳造材の側面に割れやメタル漏れ等が生じ、スムーズにＤＣ鋳造ができないことがある。このため、アームの形状を大きくし曲がりを小さい形状に鋳造したり、特許文献１で提案されているように、曲がり部のない放射線状に延びる複数のアームを有する形状のビレットにＤＣ鋳造し、このビレットの放射状アームを曲げた後に所定形状に鍛造成形したりされている。

特開平２−１７９３３６号公報

しかし、前者の場合、鍛造歩留まりが著しく悪くなり、後者の場合は余計に曲げ工程が入るためにコストが上昇してしまう。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、断面がＹ形，Ｘ形或いは放射かつ任意の方向に伸びる複数のアーム形状を有するアルミニウム合金異形ビレットを、鋳造時における抱きつきによる鋳造停止、ビレットの割れ、メタル漏れの発生を発生させることなくＤＣ鋳造する方法を提供することを目的とする。

本発明のアルミニウム合金異形ビレットのＤＣ鋳造方法は、その目的を達成するため、断面がＹ形，Ｘ形或いは放射かつ任意の方向に伸びる複数のアーム形状を有するアルミニウム合金異形ビレットをＤＣ鋳造する方法であって、少なくとも一つのアーム部を二次冷却する冷却水量を、中央部を二次冷却する冷却水量より少なくなるように調整して冷却することを特徴とする。

アーム部を二次冷却する冷却水量を、中央部を二次冷却する冷却水量より少なくなるように調整する手段としては、アーム部を二次冷却する冷却水の流速を中央部を二次冷却する冷却水の流速よりも遅くすること、アーム部を二次冷却する冷却水を断続的に噴出させること、或いはアーム部に二次冷却の冷却水が掛からない部分を設けることが好ましい。

アーム部に二次冷却の冷却水が掛からない部分を設ける際には、ビレット断面形状を複数のアーム部と中央部との分割し、各々について外周長さと断面積を求め、アーム部の二次冷却の冷却水が掛かる部分の外周長さとアーム部断面積の比を、中央部の二次冷却の冷却水が掛かる外周長さと中央部断面積の比の０．８〜１．２倍にすることが好ましい。
さらに、アーム部の先端に二次冷却の冷却水が掛かる部分ができるように冷却することが好ましい。

本発明により、断面がＹ形，Ｘ形或いは放射かつ任意の方向に伸びる複数のアーム形状を有する鍛造用のアルミニウム合金異形ビレットをＤＣ鋳造する際にあっても、異形ビレット全体にわたって均一な凝固が進行するために、凝固収縮により鋳型から離された後に鋳型と再び接触することはない。再び接触することがあったとしても、わずかな接触であるので、その接触により鋳型からビレットが受ける圧力は小さいものである。そのため、抱きつきが発生したり、凝固殻に割れが発生したり、メタル漏れが生じたりすることはない。このため、複数のアーム形状を有する複雑な形状の異形ビレットが抱きつきや割れを発生させることなく、鋳肌も良好な鋳造体を効率的にＤＣ鋳造を行うことができ、鍛造用の素材を低コストで供給することが可能になる。

本発明者等は、まず、断面が複数のアームを有し、かつアームが曲がった形状を持つ複雑形状のビレットをＤＣ鋳造しようとするとき、冷却時に抱きつきや、割れ、メタル漏れが生じたりする原因について検討した。
一般にＤＣ鋳造法と称せられる半連続鋳造法は、所望形状の断面を有し、上下が開放された筒状の水冷鋳型の上方に溶湯を供給し、鋳型によって冷却（一次冷却）され凝固したビレットを鋳型から下方に引き出しつつ、鋳型の直下において鋳型下部に設けたスリットから噴出する冷却水によりビレット表面を直接に冷却（二次冷却）してビレットを得ようとする方法である。
なお、ビレットを二次冷却した冷却水は、鋳造装置の下部に設けられた水槽等に貯水され、下降してきたビレットを常温近くまで冷却する。

鋳型に接触した溶湯は凝固し、ビレットの表層部が形成される。その際、凝固した部分は収縮して鋳型からわずかに離れる。その後鋳型の下部に設けられたスリットから噴出される冷却水によって二次冷却され、内部まで冷却・凝固される。凝固・収縮し、鋳型から離れた後のビレットは、通常鋳型に再び接触することはない。しかし、異形ビレットの場合、凝固・収縮により一度鋳型から離れたビレットのアーム部が、再び鋳型に接触し、ビレットと鋳型の摩擦により、鋳型と接触したビレット部分に割れやメタル漏れが生じることがある。この凝固・収縮によりビレットの下降が停止することがある。また停止しないまでも、接触の状況によって、一度鋳型から離れたビレットが鋳型に再度接触し、鋳造が不能になる現象を、本明細書では「抱きつき」と称することとする。

本発明者等は、「抱きつき」の発生原因について鋭意検討を重ねた。
その結果、鋳造時の異形ビレット各部の冷却強さが異なることが原因であることがわかった。異形ビレットの場合、中央部と比較して、アーム部の断面積は小さい。このため、中央部の冷却強さと同等の強さでアーム部を冷却すると、アーム部の冷却が強すぎ、アーム部が中央部方向に向かって大きく凝固・収縮する。その際、アーム部に曲がりがあると、アーム部が鋳型と接触し、抱きつきが起こって鋳造停止や、割れ、メタル漏れを引き起こすことに繋がる、と考えられる。

そこで、本発明では、アーム部を二次冷却する冷却水の供給量を、中央部を二次冷却する冷却水の供給量よりも少なくすることにより、アーム部の冷却強さを弱め、収縮を抑えて抱きつきの発生を抑制しようとするものである。
二次冷却水供給量を少なくする手段としては、アーム部に掛かる冷却水の流速を遅くしたり、冷却水を断続的に噴出させたりする手段が挙げられる。これらの手段は、中央部の冷却水供給回路と、アーム部の冷却水供給回路を別々の設け、それぞれ独自に制御できるように構成することで可能となる。

二次冷却水供給量を少なくする手段としては、また、アーム部に二次冷却水が掛からない部分を設けることでも可能である。二次冷却水が掛からない部分を設ける手段としては、一次冷却用の水冷鋳型下部から噴出させる二次冷却用冷却水噴出スリットを塞げば可能となる。
さらに、本発明者等は、鋳造過程における３次元凝固・熱変形解析のシミュレーションを行って、アーム部に掛ける二次冷却水の適切供給箇所と供給箇所の長さを解析した。

３次元凝固・熱変形解析対象としては、図１に示すような形状に仮設計した異形ビレットを用いた。そして、図１（ａ）に示すように、ビレット断面形状を複数のアーム部と中央部とに任意の分割線ｓで分割し、各々についての外周長さと断面積を求めた。分割した各部分の断面積と対応する外周長さの比を、下記（１）のようにＫとするとき、このＫの値が単位冷却長さに対応する単位冷却断面積となる。
分割した部分の断面積／対応する外周長さ＝Ｋ ・・・・（１）

図１（ａ）中、複数のアーム部Ａ，Ｂ，Ｃ及び中央部Ｄの単位冷却断面積値Ｋを、それぞれＫ_A，Ｋ_B，Ｋ_C，Ｋ_Dとするとき、異形ビレットの全部分において冷却速度を均一にして凝固速度を均一にしようとする場合、各部位の単位冷却断面積値Ｋを等しくする必要がある。すなわち、下記（２）式を満たすように各部位の断面積に応じて外周の二次冷却水供給部長さを設定する必要がある。
Ｋ_A＝Ｋ_B＝Ｋ_C＝Ｋ_D ・・・（２）

そして、アーム部であるＡ，Ｂ及びＣの各部の必要な二次冷却水供給部外周長さをＬ_A′，Ｌ_B′及びＬ_C′とするとき、Ａ部断面積／Ｌ_A′，Ｂ部断面積／Ｌ_B′及びＣ部断面積／Ｌ_C′の値をＫ_Dと等しくする必要がある。
この関係から、各アーム部Ａ，Ｂ及びＣの二次冷却水の供給を必要とする外周長さＬ_A′，Ｌ_B′及びＬ_C′は、各部の断面積を、Ｋ_D、すなわち中央部部分の断面積と中央部外周長さの比で割った値とすればよいことがわかる。例えば、アーム部Ａの場合、次の（３）式に示すような値に設定すれば良い。
Ｌ_A′＝Ａ部断面積／Ｋ_D ・・・・（３）
この数値から逆に二次冷却水が掛からない外周長さを算出し、図１（ｂ）に示すように、この長さ分だけビレットに二次冷却水が掛からない部分ｎを設ければよいことになる。

鋳造過程における３次元凝固・熱変形解析の、実際のシミュレーションには、鋳造温度６７０〜７３０℃，鋳造速度８０〜１４０ｍｍ／ｍｉｎ，冷却水供給量１５０〜２５０Ｌ／ｍｉｎの解析条件を採用した。そして、上記のような計算方法により求められた長さの冷却水が掛からない部分を設け、異形ビレット外周部に掛かる二次冷却水の分布を、単位冷却断面で均一になるようにした。
解析ソフトには、汎用３次元鋳造解析コードCAPFLOWと汎用構造解析コードANSYSを用いた。素材の高温熱物性値である、熱伝導率，比熱，潜熱等は測定値に基づき、また素材の高温機械的特性値である、ヤング率，線熱膨張係数等は温度依存性を考慮し、測定値を採用して解析を行った。
併せて、確認のための鋳造実験を行った。

その結果、アーム部に二次冷却水が掛からない部分を設定する場合、アーム部を二次冷却する冷却水が掛かる外周長さとアーム部断面積の比が、中央部の二次冷却水が掛かる部分の外周長さと中央部断面積の比の０．８〜１．２倍にすることが好ましいことがわかった。上記の比が０．８に満たないと、冷却が不十分で表面の凝固層が再溶融してメタル漏れを起こすおそれがある。また、１．２倍を超えると冷却が強すぎて抱きつきを起こしやすくなる。
なお、アームの先端部分はメタル漏れが発生しやすい部位であるため、先端部には二次冷却水を掛けて積極的に冷却することが好ましい。

また、比較のために、従来法である異形ビレットの全周を均一冷却する鋳造法に関しても、同様の解析と鋳造実験を行った。
図２に、（ａ）最適な二次冷却水分布を採用したものと、（ｂ）従来の均一冷却したものとの凝固解析結果の相違を示す。この図からもわかるように、二次冷却水を掛けない部分を設定して最適な二次冷却水分布とした場合、異形ビレット全体にわたって均一な凝固が進行している。一方、従来法では各アーム部が中心部と比べて凝固が早く進行し、全体として不均一な凝固となっている。

また、図３に抱きつき力の違いを示す。図３（ａ）に示すような断面形状の異形ビレットを鋳造する際には、同図中、○印で示した部位に最も抱きつきが発生しやすい。そこで、当該部位について熱変形解析してみると、図３（ｂ）に示すように、本発明で提案した最適二次冷却水分布の場合は、アームと鋳型間の接触圧力が従来法の均一冷却の場合と比べて約１／１０になっている。接触圧力が大きいほど、抱きつきや鋳造割れが起こりやすくなるので、本発明による最適二次冷却水分布の採用により、鋳造時に抱きつきや鋳造割れの発生が抑制されると推測される。
事実、従来法のＤＣ鋳造法と本発明で提案したＤＣ鋳造法で鋳造実験を行ってみると、従来法では、鋳型に抱きつきが発生して、割れやメタル漏れを生じさせることなく鋳造を進めることはできなかったのに対して、本発明で提案した方法では、割れも発生せずにスムーズな半連続鋳造が可能であることが確認できた。

本発明を実施するために、図４に示すような異形の鋳型を備え、かつ図５に示すようなＹ字型の３つのアームを有し、アームが任意の方向へ曲がった形状の断面の異形ビレットを得るための鋳造装置を準備した。この鋳造装置は、冷却水により強制的に冷却される鋳型１と、該鋳型１の上部に配置された耐火断熱材からなるホットトップ部２と、該ホットトップ上にあって鋳型へ供給する溶湯を分配する溶湯分配器９と、鋳型１の下部で昇降装置に接続された鋳塊受台７とを備えている。また、鋳型１に下部には、鋳塊を二次冷却するための冷却水８を噴出するスリットが設けられている。なお、同図中、３は樋，４は凝固殻，５は凝固界面，６は凝固鋳塊，１０は注湯口，１１は支柱である。
そして、本発明方法を実施する際には、図５に示すように、３つのアーム部は、先端以外に二次冷却水１３が掛からない部分ｎを設けるべく、鋳型１に設けたスリットを塞いでいる。

上記図４，５に示す鋳造装置を用い、表１に示す化学組成を有する高強度６０００系合金を鋳造した。また比較のために、同じ組成の合金を、上記鋳型のスリットを塞ぐことなく、従来の鋳造法である鋳型全周から二次冷却水を噴出させる方法でも鋳造を行った。
本発明方法を採用した実施例と従来法による比較例についての鋳造結果を纏めると、次に表２に見られるような結果となる。
比較例では、抱きつきが発生して割れやメタル漏れが認められるのに対して、本発明例では、割れやメタル漏れが認められずスムーズに鋳造できている。

異形ビレット鋳造時の二次冷却水の分配量を計算するための模式図 異形ビレットの凝固解析結果を対照するための図で（ａ）が本発明法、（ｂ）が従来法 接触圧力（抱きつき力）の解析位置（ａ）と解析結果（ｂ）を表す図 異形ビレットをＤＣ鋳造する装置の概略を説明する図 異形ビレットの断面形状と二次冷却水の供給部位を説明する図

Claims (6)

1. 断面がＹ形，Ｘ形或いは放射かつ任意の方向に伸びる複数のアーム形状を有するアルミニウム合金異形ビレットをＤＣ鋳造する方法であって、少なくとも一つのアーム部を二次冷却する冷却水量を、中央部を二次冷却する冷却水量より少なくなるように調整して冷却することを特徴とするアルミニウム合金異形ビレットのＤＣ鋳造方法。
2. アーム部を二次冷却する冷却水の流速を、中央部を二次冷却する冷却水の流速よりも遅くする請求項１に記載のアルミニウム合金異形ビレットのＤＣ鋳造方法。
3. アーム部を二次冷却する冷却水を断続的に噴出させる請求項１に記載のアルミニウム合金異形ビレットのＤＣ鋳造方法。
4. アーム部に二次冷却の冷却水が掛からない部分を設ける請求項１に記載のアルミニウム合金異形ビレットのＤＣ鋳造方法。
5. アーム部の二次冷却の冷却水が掛かる部分の外周長さとアーム部断面積の比を、中央部の二次冷却の冷却水が掛かる外周長さと中央部断面積の比の０．８〜１．２倍にする請求項４に記載のアルミニウム合金異形ビレットのＤＣ鋳造方法。
6. アーム部の先端に二次冷却の冷却水が掛かる部分を設ける請求項４又は５に記載のアルミニウム合金異形ビレットのＤＣ鋳造方法。

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