JP2008254040A

JP2008254040A - 共晶系合金の鋳造方法

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Publication number: JP2008254040A
Application number: JP2007100350A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Taniguchi; 兼一谷口; Toshio Sakamoto; 敏夫坂本
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2007-04-06
Filing date: 2007-04-06
Publication date: 2008-10-23

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

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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用いられる鋳造装置の概略説明図である。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より得られた鋳塊の模式図である。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用いられる鋳造装置の概略説明図である。実施例においてＳｉ濃度と共晶部の発生位置の関係を示すグラフである。共晶系合金の平衡状態図の一例である。

符号の説明

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

Claims

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。