JP2008272819A - 鋳造方法とそれに用いる鋳造装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】連続して核生成が生じ、凝固結晶組織を微細化するのに、従来に比較し超音波振動の付加時間を極短時間で処理ができるようにした鋳造方法とそれに用いる鋳造装置を提供する。
【解決手段】流動中の溶湯に連続して超音波振動を付加することを特徴とする。
【選択図】図１６

Description

本発明は、溶湯に液相線温度を挟んだ温度で超音波振動を付加して凝固結晶組織を微細化する鋳造方法とそれに用いる鋳造装置に関する。

鋳造方法で製造される金属の凝固組織は一般に冷却速度で決定される。鋳造品などのように製品の肉厚が異なる場合凝固組織が大きく異なり、薄肉急冷部は微細チル組織になる。厚肉部は最終凝固部となり凝固組織が粗大になると共にひけ欠陥が生じる。
凝固時に特に液相線温度を挟んだ温度で超音波振動を付加することにより凝固結晶組織を微細化することができることが、以下に示す特許文献１及び非特許文献１に示されるとおり、従来より公知である。
当該公知の方法では、超音波振動はセラミックや鋼製のホーンを振動させて鋳型やるつぼ内の溶湯に付加するものであった。
その振動付与の時間は、溶湯量にもよるが１分以上必要としていた。（この発明とは方向性が違うので背景にはならない）
特許公開２００４−２０９４８７ 鋳造工学７８（２００６）２，６５−７０

本発明は、このような実情に鑑み、連続して核生成が生じ、凝固結晶組織を微細化するのに、従来に比較し超音波振動の付加時間を極短時間で処理ができるようにすることを目的とする。

発明１の鋳造方法は、流動中の溶湯に連続して超音波振動を付加することを特徴とする。

発明２は、発明１の鋳造方法において、溶湯はアルミニウム合金，マグネシウム合金やチタン合金などであり、溶湯をアルミニウム合金とした場合は初晶にアルミニウムのデンドライト、ＳｉやＡｌＳｉＦｅ金属間化合物が晶出することを特徴とする。

発明３は、発明１又は２の何れかの鋳造方法に用いられる鋳造装置であって、溶湯保留部から鋳型までの間に、溶湯の流動案内通路が設けられていて、当該案内通路中に振動発生器による振動を付与するように構成してあることを特徴とする。

発明４は、発明３の鋳造装置において、前記案内通路が超音波付加ホーンにより形成されてなることを特徴とする。

発明５は、発明３又は４の鋳造装置において、超音波付加ホーンによる付加振動の方向が、流動する溶湯の厚さ方向又は溶湯の流れ方向であることを特徴とする。

発明１により、わずかな時間（２〜５秒間）の超音波振動の付加により、微細化を達成でき、上記課題を大きく解決することができた。
その結果、非付加状態での過冷却域が短い合金や溶湯の冷却速度が速い場合にも凝固結晶組織の微細化を達成することが可能になった。 例えばアルミニウム合金の凝固時に過冷状態であれば液相線温度より低い状態で初晶が晶出しない。このアルミニウム合金の過冷時に超音波振動を付加すると初晶のアルミニウムのデンドライト、ＳｉやＡｌＳｉＦｅ金属間化合物が一気に微細に晶出する。ＡｌＳｉＦｅ金属間化合物は砂型凝固や急冷になる金型凝固では、形状が板状となり、それが細かいか粗大に晶出し脆いため嫌われている。これは電磁攪拌でも微細化できず、超音波振動付加で微細化できる。そして、晶出時の過冷が大きいためこの過冷時に超音波振動を付加することで短時間付加することにより一気に微細にすることができることによる。

発明３の鋳造装置により、前記鋳造方法を実施するに当たり、溶湯の流動を停滞させることなく所要時間超音波振動を連続して付加することができるようになった。

発明５の鋳造装置では、超音波の付加振動の方向を限定することで、以下のような効果をえることができた。
溶湯の厚さ方向又は溶湯の流れ方向のいずれも、流動する溶湯の全体に均等に超音波を付与できるのにならず、厚さ方向では、流れ方向に対し倍近くの厚さであっても、超音波を付与することが出来る。
具体的には、超音波の均等付与の限界が、流れ方向では溶湯の幅が１５ｍｍ程度であり、厚さ方向では１０ｍｍ程度まで可能であった。

以下に本願発明の鋳造装置とそれを用いた鋳造方法の実施例を示す。
図１６から図１８は、本願発明の鋳造装置の実施例を示す。
図１から図１５は本実施例の装置を利用して本発明の鋳造方法を実施した例をの結果を示す写真である。

本実施例は溶湯の超音波振動傾斜連続鋳造装置を示し、図１６を参照して説明する。
高温の溶湯（１２）を取鍋（１１）内で温度を下げ融点直上に達したら傾湯し、溶湯保留部であるタンディシュ（１９）を通し、超音波振動ホーン（１５）の傾斜した振動面（ステンレス鋼製）上を溶湯流動通路として、ここを通過させて鋳型に投入して、鋳物（１８）を鋳造するように構成してある。
前記溶湯流動通路である超音波振動ホーン（１５）は、振動発生器（１０）により図中矢印の方向で振動させられている。
この結果、前記溶湯（１２）は、流動して超音波振動ホーン（１５）を通過する間の非常に短時間、超音波振動が与えられることになる。
なお、前記タンディシュ（１９）の下部にある（１７）の位置決め台を移動させて投下位置を調整するか、前記ホーン（１５）の上面（溶湯流動通路）の（２１）の角度調整装置を作動して傾斜角度を調整することで、超音波の付与時間を調整することができる。

本実施例は、溶湯（１２）の超音波振動傾斜連続鋳造装置の別の例を示し、図１７を参照して説明する。
超音波振動ホーン（１５）の傾斜した振動面（ステンレス鋼製）上を通過させて砂型（２２）に投入して、鋳物（１８）を鋳造する。
その他の点は、前記実施例１と同様なので説明を省略する。

本実施例は、溶湯の超音波振動傾斜連続鋳造装置を長いロッド状素形材を製造する連続鋳造機と組み合わせた例を示し、図１８を参照して説明する。
超音波振動ホーン（１５）の傾斜した振動面（ステンレス鋼製）上を通過させて湯口（１３）に投入して、水冷鋳型（１４）を通して連続鋳塊（１６）を鋳造する。
その他の点は、前記実施例１と同様なので説明を省略する。
なお、本実施例では、湯口（１３）に取鍋（１１）の溶湯（１２）が冷却し液相線温度直下の過冷状態にあるときに鋳造する。この時、超音波振動ホーン（１５）は、振動状態にしておき注湯と同時に核生成を生じさせ、水冷鋳型（１４）内で結晶粒が微細粒状化に凝固した連続鋳塊（１６）を得ることができる。

前記実施例１から３は、流れる溶湯（１２）の厚さ方向の振動を与えるものであったが、本実施例は、流れ方向へ振動を与える構造を例示する。
図１９に示すように、振動発生器（１０）を前記超音波振動ホーン（１５）の一側面に取り付け、この超音波ホーン（１５）はステー（２３）により、所望の傾斜角度で保持するように支えられている。
その他は前記実施例１と同様なので説明を省略する。

上記各実施例において、超音波振動ホーン（１５）の上面を流動通路としたが、溶湯の材質によっては、その溶湯を流動させるのに相応しい材質で通路を形成し、当該通路に超音波振動ホーンにより振動を付与する様に構成することも容易である。

本実施例は、前記実施例１の装置を用いた鋳造方法を例示し、得られた鋳造物の組織構造を示す。
なお、振動付加なしは、使用装置の振動発生器（１０）を停止して溶湯（１２）に振動を与えなかった比較例である。
前記実施例２〜４による鋳造も、以下の実施例と同様な結果を得ることができるものである。
本実施例（比較例）で用いた、アルミニウム合金の過冷度と超音波振動の付加温度と負荷時間および組織の変化をまとめた。図４のＡｌ−１２％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金の振動付加無しでは灰色の粗大な板状の金属間化合物でこの写真内の大きさを等価円直径で表した。

図１は、Ａｌ−６％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金を溶解してそのままるつぼ中で凝固させたものの組織写真である。実施例２の装置における、砂型鋳造くらいの除冷に相当する。灰色の粗大な板状の金属間化合物があるのが明らかである。

図２は、実施例１の装置を用いてＡｌ−６％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金を溶解して注湯時に傾斜させたステンレス鋼製のホーン（１５）上を通過させて連続してるつぼに鋳造を行ったものである。溶湯は液相線温度が６９０℃で融点直上の７００℃の温度であり，この温度からステンレス鋼製のホーンにより急冷されたため初晶の金属間化合物がある程度微細化している。

図３は、実施例１の装置を用いてＡｌ−６％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金を溶解して注湯時に傾斜した超音波振動しているステンレス鋼製のホーン（１５）上を通過して連続して注湯してるつぼに鋳造を行ったものである。溶湯は液相線温度が６９０℃で融点直上の７００℃の温度であり，この温度から超音波振動しているステンレス鋼製のホーンにより動的に刺激されるとともに急冷されたため金属間化合物が多く核生成されて非常に微細粒状化している。

図４は、Ａｌ−１２％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金を溶解してそのままるつぼ中で凝固させたものの組織写真である。これは砂型鋳造くらいの除冷に相当する。灰色の粗大な板状の金属間化合物があるのが明らかである。灰色の粗大な板状の金属間化合物はこの写真内の大きさを等価円直径で表した。

図５は、実施例１の装置を用いてＡｌ−１２％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金を溶解して注湯時に傾斜させたステンレス鋼製のホーン上を通過させて連続してるつぼに鋳造を行ったものである。溶湯は液相線温度が６８１．７℃で融点直上の６９０℃の温度であり，この温度からステンレス鋼製のホーンにより急冷されたため初晶の金属間化合物がある程度微細化している。

図６は、実施例１の装置を用いてＡｌ−１２％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金を溶解して注湯時に傾斜した超音波振動しているステンレス鋼製のホーン上を通過して連続して注湯してるつぼに鋳造を行ったものである。溶湯は液相線温度が６８１．７℃で融点直上の６９０℃の温度であり，この温度から超音波振動しているステンレス鋼製のホーンにより動的に刺激されるとともに急冷されたため金属間化合物が多く核生成されて非常に微細粒状化している。
初晶のＡｌＳｉＦｅ金属間化合物が微細粒状になっていることを示している。

図７は、Ａｌ−１８％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金を溶解してそのままるつぼ中で凝固させたものの組織写真である。これは砂型鋳造くらいの除冷に相当する。灰色の粗大な塊状の金属間化合物と濃いグレーの塊状のＳｉがあるのが明らかである。Ｓｉ粒はＡｌ−Ｓｉの溶湯と初晶の金属間化合物があるところに、あとから晶出してきたものである。

図８は、実施例１の装置を用いてＡｌ−１８％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金を溶解して注湯時に傾斜させたステンレス鋼製のホーン上を通過させて連続してるつぼに鋳造を行ったものである。溶湯は液相線温度が７０２．４℃で融点直上の７０５℃の温度であり，この温度からステンレス鋼製のホーンにより急冷されたためある程度微細化している。初晶のＡｌＳｉＦｅ金属間化合物は、わずかに微細粒状になっていることがわかる。

図９は、実施例１の装置を用いてＡｌ−１８％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金を溶解して注湯時に傾斜した超音波振動しているステンレス鋼製のホーン上を通過して連続して注湯してるつぼに鋳造を行ったものである。溶湯は液相線温度が７０２．４℃で融点直上の７０５℃の温度であり，この温度から超音波振動しているステンレス鋼製のホーンにより動的に刺激されるとともに急冷されたため金属間化合物が多く核生成されて非常に微細粒状化している。
初晶のＡｌＳｉＦｅ金属間化合物が微細粒状になっていることを示している。

図１０は、Ａｌ−６％Ｓｉ合金をるつぼ中冷却の組織写真である。これは、代表的なＡｌ−Ｓｉ鋳造合金で不純物の鉄は入っていない。組織は大きなデンドライト組織でこの画面からはみ出しており、サイズは参考値である。

図１１は、実施例１の装置を用いてＡｌ−６％Ｓｉ合金を溶解して注湯時に傾斜させたステンレス鋼製のホーン上を通過させて連続してるつぼに鋳造を行ったものである。溶湯は液相線温度が６２２℃で融点直上の６２３℃の温度であり，この温度からステンレス鋼製のホーンにより急冷されたためある程度微細化している。初晶のα−Ａｌは、デンドライト状ではなく粒状になることを示している。

図１２は、実施例１の装置を用いてＡｌ−６％Ｓｉ合金を溶解して注湯時に傾斜した超音波振動しているステンレス鋼製のホーン上を通過して連続して注湯してるつぼに鋳造を行ったものである。溶湯は液相線温度が６２２℃で融点直上の６２３℃の温度であり，この温度から超音波振動しているステンレス鋼製のホーンにより動的に刺激されるとともに急冷されたため初晶のα−Ａｌは、デンドライト状ではなく多く核生成されて非常に微細粒状化している。

図１３は、Ａｌ−１８％Ｓｉ合金をるつぼ中冷却の組織写真である。超音波振動を付加せずになされたもので、濃い灰色が初晶の過共晶Ｓｉである。粗大な塊状を呈していることを示している。

図１４は、実施例１の装置を用いてＡｌ−１８％Ｓｉ合金を溶解して注湯時に傾斜させたステンレス鋼製のホーン上を通過させて連続してるつぼに鋳造を行ったものである。溶湯は液相線温度が６６０℃で融点直上の６２３℃の温度であり，この温度からステンレス鋼製のホーンにより急冷されたためある程度微細化している。初晶のＳｉは、粗大塊状ではなく微細粒状になることを示している。

図１５は、実施例１の装置を用いてＡｌ−１８％Ｓｉ合金を溶解して注湯時に傾斜した超音波振動しているステンレス鋼製のホーン上を通過して連続して注湯してるつぼに鋳造を行ったものである。溶湯は液相線温度が６６０℃で融点直上の６２３℃の温度であり，この温度から超音波振動しているステンレス鋼製のホーンにより動的に刺激されるとともに急冷されたため初晶のＳｉは、粗大粒状ではなく多く核生成されて非常に微細粒状化している。初晶のＳｉは、粗大塊状ではなく微細粒状になることを示している。

超音波振動は、溶湯を動的に刺激して液相線通過時に効果的に核生成を促進して多くの初晶を晶出させて、凝固時の結晶組織を微細粒状化できる。これは、液相線直上の核生成時に非常に短時間処理で連続して振動を付加できる。通常の静かに冷却した場合などで、水などでは、−２℃位で氷へ凝固する。超音波振動下では凝固時に核生成が促進し、ほとんど過冷が生じることなく凝固する。また、過冷が生じている場合には、超音波振動の付加で一気に凝固が起きる。また、この場合は微細化の効果も高く、高い生産性に結びつくことが予想できる。
このような観点から、アルミニウム合金の凝固時の過冷状態での短時間超音波振動処理を行うことで効率よく連続的に微細組織材料を創製できることが予測できる。過冷状態では少しの衝撃で凝固が生じるが、その時の核生成に効率よく振動が伝達できることで、微細加工が向上することから過冷状態はほんの少しで良く、液相線直下が振動付加制御にふさわしい。

金属では、結晶粒が微細になるほど強度が高くなることが知られている。また、結晶粒が微細になるほど靱性も向上する。近年、地球の温暖化や石油資源の枯渇問題から輸送機器の軽量化による省エネルギーが求められている。軽量化に効果が高いのはアルミニウム合金やマグネシウム合金などの軽量材料を用いることである。しかし、自動車などのフレームや足回り部品などでは、高張力鋼板や鉄鋼材料の鍛造品などの靱性や強度が高い材料が使われてきた。アルミニウム合金やマグネシウム合金などでは、そのような部品への適応には靱性や強度の一段の向上が求められている。そのため、この特許で示した凝固時の溶湯に傾斜させたホーン上で連続して超音波振動を短時間付加するだけで、非常に簡単に微細組織材料を創製する技術を用いることで、安価に生産性が良く高靱性で高強度アルミニウム合金を生産できる可能性がある。これでは、自動車などの複雑形状の足回り鋳造部品。自動車のフレームなど押出し成型品を製造するための微細凝固組織のビレットの製造が予想される。
Ａｌ−６％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金、Ａｌ−１２％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金、Ａｌ−１８％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金、Ａｌ−１８％Ｓｉ合金では、初晶にＡｌＳｉＦｅ金属間化合物やＳｉが晶出する。これらは硬度も高く耐摩耗性が高く、高温強度も高くなる。そのため微細粒状化させて、均一分散させれば自動車のエンジンなどのシリンダーの内面やピストンなどの耐熱、耐摩耗材料に用いることなどが想定される。

従来の鋳造法によるＡｌ−６％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金をるつぼ中冷却の組織写真 実施例５のＡｌ−６％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金を溶解して注湯時に傾斜させたステンレス鋼製のホーン上を通過させて連続してるつぼに鋳造を行った場合の効果を示す組織写真 実施例５のＡｌ−６％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金を溶解して注湯時に傾斜した超音波振動しているステンレス鋼製のホーン上を通過して連続して注湯してるつぼに鋳造を行った場合の効果を示す組織写真 実施例５のＡｌ−１２％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金をるつぼ中冷却の組織写真 実施例５のＡｌ−１２％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金を溶解して注湯時に傾斜させたステンレス鋼製のホーン上を通過させて連続してるつぼに鋳造を行った場合の効果を示す組織写真 実施例５のＡｌ−１２％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金を溶解して注湯時に傾斜した超音波振動しているステンレス鋼製のホーン上を通過して連続して注湯してるつぼに鋳造を行った場合の効果を示す組織写真 実施例５のＡｌ−１８％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金をるつぼ中冷却の組織写真 実施例５のＡｌ−１８％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金を溶解して注湯時に傾斜させたステンレス鋼製のホーン上を通過させて連続してるつぼに鋳造を行った場合の効果を示す組織写真 実施例５のＡｌ−１８％Ｓｉ−４％Ｆｅ合金を溶解して注湯時に傾斜した超音波振動しているステンレス鋼製のホーン上を通過して連続して注湯してるつぼに鋳造を行った場合の効果を示す組織写真 実施例５のＡｌ−６％Ｓｉ合金をるつぼ中冷却の組織写真 Ａｌ−６％Ｓｉ合金を溶解して注湯時に傾斜させたステンレス鋼製のホーン上を通過させて連続してるつぼに鋳造を行った場合の効果を示す組織写真 実施例５のＡｌ−６％Ｓｉ合金を溶解して注湯時に傾斜した超音波振動しているステンレス鋼製のホーン上を通過して連続して注湯してるつぼに鋳造を行った場合の効果を示す組織写真 実施例５のＡｌ−１８％Ｓｉ合金をるつぼ中冷却の組織写真 実施例５のＡｌ−１８％Ｓｉ合金を溶解して注湯時に傾斜させたステンレス鋼製のホーン上を通過させて連続してるつぼに鋳造を行った場合の効果を示す組織写真 実施例５のＡｌ−１８％Ｓｉ合金を溶解して注湯時に傾斜した超音波振動しているステンレス鋼製のホーン上を通過して連続して注湯してるつぼに鋳造を行った場合の効果を示す組織写真 実施例１の液相線近傍の過冷状態溶湯の鋳型鋳造時の超音波振動鋳造装置過冷溶湯のバッチ処理の超音波振動鋳造装置 実施例２の液相線近傍の過冷状態溶湯への連続鋳造時の超音波振動鋳造装置 実施例３のタンディッシュ内の液相線近傍の過冷状態溶湯への連続鋳造時の超音波振動鋳造装置 実施例４の液相線近傍の過冷状態溶湯の鋳型鋳造時の超音波振動鋳造装置過冷溶湯のバッチ処理の超音波振動鋳造装置

符号の説明

１０ 振動発生器
１１ 取鍋
１２ 溶湯
１３ 湯口
１４ 水冷鋳型
１５ 超音波振動ホーン
１６ 連続鋳塊
１７ 位置決め台
１８ 鋳物
１９ タンディッシュ
２０ 冷却水噴霧
２１ 角度調整装置
２２ 砂型
２３ ステー

Claims (5)

1. 溶湯に液相線温度を挟んだ温度領域で超音波振動を付加して凝固結晶組織を微細化する鋳造方法であって、流動中の溶湯に連続して超音波振動を付加することを特徴とする鋳造方法。
2. 請求項１に記載の鋳造方法において、溶湯はアルミニウム合金，マグネシウム合金やチタン合金などであり、溶湯をアルミニウム合金とした場合は初晶にアルミニウムのデンドライト、ＳｉやＡｌＳｉＦｅ金属間化合物が晶出することを特徴とする鋳造方法。
3. 請求項１又は２の何れかの鋳造方法に用いられる鋳造装置であって、溶湯保留部から鋳型までの間に、溶湯の流動案内通路が設けられていて、当該案内通路中に振動発生器による振動を付与するように構成してあることを特徴とする鋳造装置。
4. 請求項３に記載の鋳造装置において、前記案内通路が超音波付加ホーンにより形成されてなることを特徴とする鋳造装置。
5. 請求項３又は４に記載の鋳造装置において、超音波付加ホーンによる付加振動の方向が、流動する溶湯の厚さ方向又は溶湯の流れ方向であることを特徴とする鋳造装置。