JP2008254040A - 共晶系合金の鋳造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】共晶組織のみからなる共晶部を備えた鋳塊を得ることが可能であるとともに、凝固方向における非共晶部と共晶部との境界位置を制御可能な共晶系合金の鋳造方法を提供する。
【解決手段】共晶系合金の溶湯を鋳型内に充填し、該鋳型中の前記溶湯を一方向凝固させて鋳塊を得る共晶系合金の鋳造方法において、得られる鋳塊のうち凝固方向の一端側が共晶組織以外の組織を含む非共晶部とされ、他端側が共晶組織からなる共晶部とされており、前記鋳型内の溶湯を攪拌又は揺動させることにより、前記非共晶部と前記共晶部との境界位置を調整することを特徴とする。
【選択図】なし
【解決手段】共晶系合金の溶湯を鋳型内に充填し、該鋳型中の前記溶湯を一方向凝固させて鋳塊を得る共晶系合金の鋳造方法において、得られる鋳塊のうち凝固方向の一端側が共晶組織以外の組織を含む非共晶部とされ、他端側が共晶組織からなる共晶部とされており、前記鋳型内の溶湯を攪拌又は揺動させることにより、前記非共晶部と前記共晶部との境界位置を調整することを特徴とする。
【選択図】なし
Description
本発明は、共晶反応する共晶系合金の溶湯を一方向凝固させて鋳塊を得る鋳造方法に関する。
例えば、図5に示す共晶系合金において共晶組織のみからなる共晶部を有する鋳塊を得るためには、通常、溶湯を共晶点の組成となるように調整して比較的緩やかに(平衡状態で)冷却する必要がある。例えば、図5において共晶点の組成よりも第2元素の濃度が低い(亜共晶)の場合には、まず、第1元素の初晶が成長して液相の第2元素濃度が徐々に高くなり、共晶点組成となった液相が共晶組織となる。一方、共晶点の組成よりも第2元素の濃度が高い(過共晶)の場合には、まず、第2元素の初晶が成長して液相の第2元素濃度が徐々に低くなり、共晶点組成となった液相が共晶組織となる。また、実際に鋳造を行う場合には、過冷却現象により非平衡な相も晶出することになる。このような現象は、共晶点の組成が第1元素または第2元素の一方に偏っている場合に特に生じやすい。
このように、通常の鋳造方法においては、共晶組織のみからなる共晶部を有する鋳塊を得ることは非常に困難であった。
このように、通常の鋳造方法においては、共晶組織のみからなる共晶部を有する鋳塊を得ることは非常に困難であった。
そこで、例えば特許文献1及び特許文献2に開示されているように、鋳型の一方側から冷却するとともに鋳型の他方側部分を加熱して金属の溶湯を一方向凝固させる鋳造方法によって共晶系合金を鋳造することが考えられる。
このような一方向凝固においては、冷却が一方向からなされることになり、過冷却現象が生じにくく、比較的緩やかに(平衡状態で)冷却することが可能となる。また、溶湯の組成が共晶点から僅かにずれている場合でも、凝固が進行するにつれて液相の組成が共晶点組成に近づいていき、鋳塊の最終凝固部側に共晶組織のみからなる共晶部を得ることができる。
特開昭57−1564号公報
特許第3194354号公報
このような一方向凝固においては、冷却が一方向からなされることになり、過冷却現象が生じにくく、比較的緩やかに(平衡状態で)冷却することが可能となる。また、溶湯の組成が共晶点から僅かにずれている場合でも、凝固が進行するにつれて液相の組成が共晶点組成に近づいていき、鋳塊の最終凝固部側に共晶組織のみからなる共晶部を得ることができる。
しかしながら、前述のような一方向凝固においては、固液界面近傍で初晶相がデンドライト成長することになり、このデンドライトのアーム間に液相がトラップされてしまうので、液相の第2元素濃度が共晶点近傍にまで変化した場合でも共晶組織のみからなる共晶部が形成されず、初晶相と共晶組織とが混在してしまうことになる。
また、一方向凝固においては、凝固開始点側に初晶相を含む非共晶部が形成され、凝固終了点側に共晶組織のみからなる共晶部が形成されることになるが、非共晶部と共晶部との境界位置を制御することは困難であった。
また、一方向凝固においては、凝固開始点側に初晶相を含む非共晶部が形成され、凝固終了点側に共晶組織のみからなる共晶部が形成されることになるが、非共晶部と共晶部との境界位置を制御することは困難であった。
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、共晶組織のみからなる共晶部を有する鋳塊を得ることが可能であるとともに、凝固方向における非共晶部と共晶部との境界位置を制御可能な共晶系合金の鋳造方法を提供することを目的とする。
この課題を解決するために、本発明は、共晶系合金の溶湯を鋳型内に充填し、該鋳型中の前記溶湯を一方向凝固させて鋳塊を得る共晶系合金の鋳造方法において、得られる鋳塊のうち凝固方向の一端側が共晶組織以外の組織を含む非共晶部とされ、他端側が共晶組織のみからなる共晶部とされており、前記鋳型内の溶湯を攪拌又は揺動させることにより、前記非共晶部と前記共晶部との境界位置を調整することを特徴としている。
この構成の共晶系合金の鋳造方法においては、一方向凝固が進行している鋳型内の溶湯
が攪拌又は揺動させているので、固相と液相との界面で成長するデンドライトのアーム間にトラップされた液相が固相から排出され、初晶相と共晶組織との混在を防止することができる。
また、溶湯の組成が共晶点からずれていた場合でも、鋳型内の溶湯を攪拌又は揺動させることで液相の組成を早期に共晶点組成となるように調整でき、共晶組織のみからなる共晶部を形成することができる。さらに、鋳型内の溶湯の攪拌状態又は揺動状態を調整することで、液相の組成が共晶点組成となる位置を調整することが可能となり、共晶組織以外の組織を含む非共晶部と共晶組織のみからなる共晶部との境界位置を調整することができる。
が攪拌又は揺動させているので、固相と液相との界面で成長するデンドライトのアーム間にトラップされた液相が固相から排出され、初晶相と共晶組織との混在を防止することができる。
また、溶湯の組成が共晶点からずれていた場合でも、鋳型内の溶湯を攪拌又は揺動させることで液相の組成を早期に共晶点組成となるように調整でき、共晶組織のみからなる共晶部を形成することができる。さらに、鋳型内の溶湯の攪拌状態又は揺動状態を調整することで、液相の組成が共晶点組成となる位置を調整することが可能となり、共晶組織以外の組織を含む非共晶部と共晶組織のみからなる共晶部との境界位置を調整することができる。
ここで、前記鋳型に回転を与えることにより、前記非共晶部と前記共晶部との境界位置を調整するように構成してもよい。
この場合、鋳型を回転させることで鋳型内の溶湯に流速を付与して前記流速を調整することが可能となり、一方向凝固において液相の組成が共晶点組成となる位置を調整することができる。
この場合、鋳型を回転させることで鋳型内の溶湯に流速を付与して前記流速を調整することが可能となり、一方向凝固において液相の組成が共晶点組成となる位置を調整することができる。
また、前記鋳型内の溶湯を電磁攪拌することにより、前記非共晶部と前記共晶部との境界位置を調整するように構成してもよい。
この場合、鋳型内の溶湯を電磁攪拌することで鋳型内の溶湯の流速を調整することが可能となり、一方向凝固において液相の組成が共晶点組成となる位置を調整することができる。
この場合、鋳型内の溶湯を電磁攪拌することで鋳型内の溶湯の流速を調整することが可能となり、一方向凝固において液相の組成が共晶点組成となる位置を調整することができる。
本発明によれば、共晶組織のみからなる共晶部を有する鋳塊を得ることが可能であるとともに、凝固方向における非共晶部と共晶部との境界位置を制御可能な共晶系合金の鋳造方法を提供することができる。
以下に、本発明の第1の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図1に、本発明の第1の実施形態である共晶系合金の鋳造方法に使用される鋳造装置を示す。
本実施形態である鋳造装置10は、金属の溶湯が収容される鋳型11と、この鋳型11が載置されるチルプレート12と、鋳型11の周囲を包囲して鋳型11内の溶湯を加熱する加熱炉13と、鋳型11内の溶湯を冷却する冷却装置14とを備えている。
本実施形態である鋳造装置10は、金属の溶湯が収容される鋳型11と、この鋳型11が載置されるチルプレート12と、鋳型11の周囲を包囲して鋳型11内の溶湯を加熱する加熱炉13と、鋳型11内の溶湯を冷却する冷却装置14とを備えている。
本実施形態では、鋳型11は概略円筒状をなしており、円柱状の鋳塊を得るものである。なお、鋳型11の材質は、鋳造する金属や溶湯温度等の鋳造条件を考慮して適宜選択することが好ましい。
鋳型11が載置されるチルプレート12は、図1において上下方向に進退可能、かつ、軸線を中心として回転可能なシャフト15に接続されており、このシャフト15の上下動及び回転動作に伴ってチルプレート12及び鋳型11が上下動及び回転するように構成されている。なお、チルプレート12には、冷却水が流通される冷却配管(図示なし)が設けられている。
また、シャフト15には、鋳型11及びチルプレート12をシャフト15の軸線を中心として回転させる回転駆動装置16と、その回転速度を制御する制御部17とが設けられている。
鋳型11が載置されるチルプレート12は、図1において上下方向に進退可能、かつ、軸線を中心として回転可能なシャフト15に接続されており、このシャフト15の上下動及び回転動作に伴ってチルプレート12及び鋳型11が上下動及び回転するように構成されている。なお、チルプレート12には、冷却水が流通される冷却配管(図示なし)が設けられている。
また、シャフト15には、鋳型11及びチルプレート12をシャフト15の軸線を中心として回転させる回転駆動装置16と、その回転速度を制御する制御部17とが設けられている。
これらチルプレート12及び鋳型11が上下動する移動空間の外周側には、加熱炉13と冷却装置14とが上下方向に連設されている。詳述すると、チルプレート12及び鋳型11の移動空間の上方部分に、概略円筒状をなす加熱炉13が配設され、その下方側に冷却装置14が設けられている。
加熱炉13には、その内周側に配置された鋳型11を加熱するための誘導コイル(図示なし)が配設されている。加熱炉13の下端部分にはフランジ部18が設けられており、加熱炉13の架台19の上面とフランジ部18の下面とが密着させられることで、加熱炉13内部の熱が下方へ伝達されないように構成されている。
冷却装置14は、冷却水が流通する冷却配管がリング状に配置されており、内周側に位置する鋳型を冷却可能な構成とされている。
加熱炉13には、その内周側に配置された鋳型11を加熱するための誘導コイル(図示なし)が配設されている。加熱炉13の下端部分にはフランジ部18が設けられており、加熱炉13の架台19の上面とフランジ部18の下面とが密着させられることで、加熱炉13内部の熱が下方へ伝達されないように構成されている。
冷却装置14は、冷却水が流通する冷却配管がリング状に配置されており、内周側に位置する鋳型を冷却可能な構成とされている。
このような構成とされた鋳造装置10においては、鋳型11内に共晶系合金の溶湯が充填され、加熱炉13によって溶湯温度が例えば720℃に調整される。チルプレート12及び冷却装置14に冷却水が流通された状態で、シャフト15が下方へと移動され、チルプレート12及び鋳型11が下方へと移動される。すると、チルプレート12及び鋳型11が、加熱炉13から出て冷却装置14側へと移動し、鋳型11内の溶湯がチルプレート12と鋳型11との接触面から冷却されて凝固が開始される。この状態において、鋳型11のうち加熱炉13内部に配置されている部分では700℃に保持され、加熱炉13の内部に位置する鋳型11内の合金は完全に液相状態に保たれる。
このようにチルプレート12及び鋳型11を下方へと移動して一方向凝固を行う際に、回転駆動装置16によってチルプレート12及び鋳型11が回転させられる。この回転速度は制御部17によって調整される。これにより、鋳型11内の溶湯が攪拌されることになる。
本実施形態である鋳造装置10を用いた鋳造方法において、共晶点組成よりも溶質元素濃度が低い、いわゆる亜共晶合金の溶湯をこの鋳造装置10で凝固させる場合には、凝固開始から鋳型11を回転速度20rpm程度で回転させることで固液界面で成長するデンドライトを分断して溶質元素を液相側へと排出し、溶質元素濃度の低い固相を成長させていき、液相中の溶質元素濃度を上昇させて共晶点組成とし、共晶組織のみからなる共晶部Eを得ることが可能となる。
また、共晶点組成よりも溶質元素濃度が高い、いわゆる過共晶合金の溶湯をこの鋳造装置10で凝固させる場合には、凝固開始から鋳型11を回転速度20rpm程度で回転させることで初晶相のデンドライトを溶湯の流れによって分断し、液相の溶質元素濃度を低下させて共晶点組成とし、共晶組織のみからなる共晶部Eを得ることが可能となる。
このように、鋳型11の回転速度を調整することで、液相の溶質元素濃度を調整することが可能となり、鋳塊の凝固方向において初晶相と共晶組織とが混在した非共晶部Nと共晶組織のみからなる共晶部Eとの境界位置を調整することが可能となる。
また、本実施形態では、回転駆動装置16が上下動するシャフト15に設けられているので、シャフト15(鋳型11及びチルプレート12)の下降量、つまり鋳型11内での固相の成長量に応じて回転速度を制御することが可能となり、精度良く非共晶部Nと共晶部Eとの境界位置を調整することができる
また、本実施形態では、回転駆動装置16が上下動するシャフト15に設けられているので、シャフト15(鋳型11及びチルプレート12)の下降量、つまり鋳型11内での固相の成長量に応じて回転速度を制御することが可能となり、精度良く非共晶部Nと共晶部Eとの境界位置を調整することができる
次に、本発明の第2の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図2に、本発明の第2の実施形態である共晶系合金の鋳造方法に使用される鋳造装置を示す。
この鋳造装置20においては、加熱炉23の下側部分に電磁攪拌装置26が設けられており、鋳型21内部の溶湯を任意の速度で攪拌することが可能な構成とされている。
この鋳造装置20においては、加熱炉23の下側部分に電磁攪拌装置26が設けられており、鋳型21内部の溶湯を任意の速度で攪拌することが可能な構成とされている。
この構成の鋳造装置20においては、鋳型21内に共晶系合金の溶湯が充填され、加熱炉23によって溶湯温度が例えば700℃に保持され、チルプレート22及び冷却装置24に冷却水が流通された状態で、チルプレート22及び鋳型21が下方へと移動される。これにより、チルプレート22及び鋳型21が加熱炉23から出て冷却装置24側へと移動し、鋳型21内の溶湯がチルプレート22と鋳型21との接触面から冷却されて凝固が開始される。
チルプレート22及び鋳型21を下方へと移動させる際には、電磁攪拌装置26によって鋳型21内の溶湯が攪拌され、鋳型21内の溶湯の速度が調整される。
本実施形態である共晶系合金の鋳造方法によれば、一方向凝固が進行している鋳型21内の溶湯を電磁攪拌することで、固相と液相との界面で成長するデンドライトを分断し、液相の溶質元素濃度を確実に共晶点組成として、共晶組織のみからなる共晶部Eを有する鋳塊を得ることができる。
本実施形態である共晶系合金の鋳造方法によれば、一方向凝固が進行している鋳型21内の溶湯を電磁攪拌することで、固相と液相との界面で成長するデンドライトを分断し、液相の溶質元素濃度を確実に共晶点組成として、共晶組織のみからなる共晶部Eを有する鋳塊を得ることができる。
また、鋳造装置20には、鋳型21内の溶湯を攪拌する電磁攪拌装置26が設けられているので、電磁攪拌の出力を制御することで固液界面に存在するデンドライトの分断状況を調整することができ、鋳塊の凝固方向において初晶相と共晶組織とが混在した非共晶部Nと共晶組織のみからなる共晶部Eとの境界位置を調整することが可能となる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、加熱炉を固定し、チルプレート及び鋳型を下方へと移動する構成のものとして説明したがこれに限定されることはなく、チルプレート及び鋳型を固定して加熱炉を上方へと移動させてもよい。つまり、加熱炉と鋳型とが相対的に離間するように構成されており、一方向凝固を行うことが可能な構成とされていればよい。
例えば、加熱炉を固定し、チルプレート及び鋳型を下方へと移動する構成のものとして説明したがこれに限定されることはなく、チルプレート及び鋳型を固定して加熱炉を上方へと移動させてもよい。つまり、加熱炉と鋳型とが相対的に離間するように構成されており、一方向凝固を行うことが可能な構成とされていればよい。
また、鋳型を概略円筒状をなすものとして説明したが、これに限定されることはなく、鋳型の形状は任意に設計することができる。
また、加熱炉として誘導コイルを備えたものとして説明したが、これに限定されることはなく、抵抗加熱炉等であってもよい。
また、加熱炉として誘導コイルを備えたものとして説明したが、これに限定されることはなく、抵抗加熱炉等であってもよい。
以下に、第1の実施形態である鋳造装置による鋳造結果を、具体的な実施例として説明する。
合金としてAl−15%Si合金(過共晶合金)を用いた。鋳型は、内径100m,外径120mm、高さ300mmのアルミナ坩堝とした。この鋳型をチルプレートの上に載置し、加熱炉内に配置した。加熱炉によって鋳型を720℃以上に加熱し、この加熱された鋳型内にAl−15%Si合金の溶湯を注ぎ入れ、チルプレート及び鋳型を徐々に下降させて一方向凝固を行った。
合金としてAl−15%Si合金(過共晶合金)を用いた。鋳型は、内径100m,外径120mm、高さ300mmのアルミナ坩堝とした。この鋳型をチルプレートの上に載置し、加熱炉内に配置した。加熱炉によって鋳型を720℃以上に加熱し、この加熱された鋳型内にAl−15%Si合金の溶湯を注ぎ入れ、チルプレート及び鋳型を徐々に下降させて一方向凝固を行った。
このとき、凝固開始時点から回転速度20rpmで鋳型を回転しつつ下降させて一方向凝固を行った。このようにして得られた鋳塊のSi濃度の分布状態を図4に示す。また、比較例として、Al−15%Si合金の溶湯を鋳型を回転させずに一方向凝固させた場合の鋳塊のSi濃度の分布状態を併せて示す。
図4に示すように、鋳型を回転させて鋳造した実施例においては、凝固が進行するにつれてSi濃度が徐々に低下していき、共晶点組成となったところからは共晶反応によって共晶組織のみからなる共晶部が形成された。一方、回転を実施しなかった比較例においては、凝固が進行してもSi濃度が変化せず、共晶組織のみからなる共晶部を得ることができなかった。
図4に示すように、鋳型を回転させて鋳造した実施例においては、凝固が進行するにつれてSi濃度が徐々に低下していき、共晶点組成となったところからは共晶反応によって共晶組織のみからなる共晶部が形成された。一方、回転を実施しなかった比較例においては、凝固が進行してもSi濃度が変化せず、共晶組織のみからなる共晶部を得ることができなかった。
10、20 鋳造装置
11、21 鋳型
12、22 チルプレート
13、23 加熱炉
14、24 冷却装置
16 回転駆動装置
26 電磁攪拌装置
11、21 鋳型
12、22 チルプレート
13、23 加熱炉
14、24 冷却装置
16 回転駆動装置
26 電磁攪拌装置
Claims (3)
- 共晶系合金の溶湯を鋳型内に充填し、該鋳型中の前記溶湯を一方向凝固させて鋳塊を得る共晶系合金の鋳造方法において、
得られる鋳塊のうち凝固方向の一端側が共晶組織以外の組織を含む非共晶部とされ、他端側が共晶組織のみからなる共晶部とされており、
前記鋳型内の溶湯を攪拌又は揺動させて前記溶湯の流速を制御することにより、前記非共晶部と前記共晶部との境界位置を調整することを特徴とする共晶系合金の鋳造方法。 - 前記鋳型を回転させ、その回転速度を制御することにより、前記非共晶部と前記共晶部との境界位置を調整することを特徴とする請求項1に記載の共晶系合金の鋳造方法。
- 前記鋳型内の溶湯を電磁攪拌することにより、前記非共晶部と前記共晶部との境界位置を調整することを特徴とする請求項1に記載の共晶系合金の鋳造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007100350A JP2008254040A (ja) | 2007-04-06 | 2007-04-06 | 共晶系合金の鋳造方法 |
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JP2007100350A JP2008254040A (ja) | 2007-04-06 | 2007-04-06 | 共晶系合金の鋳造方法 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103736980A (zh) * | 2013-12-30 | 2014-04-23 | 西安交通大学 | 一种确定定向凝固铸造中铸型摆放角度的方法 |
CN103736979A (zh) * | 2013-12-30 | 2014-04-23 | 西安交通大学 | 一种确定定向凝固铸造中铸型摆放位置的方法 |
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2007
- 2007-04-06 JP JP2007100350A patent/JP2008254040A/ja not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN103736980A (zh) * | 2013-12-30 | 2014-04-23 | 西安交通大学 | 一种确定定向凝固铸造中铸型摆放角度的方法 |
CN103736979A (zh) * | 2013-12-30 | 2014-04-23 | 西安交通大学 | 一种确定定向凝固铸造中铸型摆放位置的方法 |
CN103736980B (zh) * | 2013-12-30 | 2015-10-28 | 西安交通大学 | 一种确定定向凝固铸造中铸型摆放角度的方法 |
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