JP2008540129A - なまこ銑を形成する方法およびなまこ銑 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の鋳造機械に変更をおこなう必要なしに、改良された特性を有する鋳造工作物をもたらす、なまこ銑を形成する方法を提供する。
【解決手段】金属合金からなまこ銑を形成する方法において、まず溶融物が形成され、前記溶融物内でベース材料と１つまたは複数の合金成分が液体の状態にあり、その溶融物からなまこ銑が成形される。なまこ銑を成形する前に、冷却中に、溶融物内に可変の物理的場を用いて、短時間、晶溶体の形成を促進させるエネルギが投入される。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属合金からなまこ銑を形成する方法に関するものであって、同方法において、溶融物が形成され、その溶融物内で基礎材料と１つまたは複数の合金成分とが液体の状態にあり、その溶融物からなまこ銑が成形される。

アルミニウムまたはアルミニウム鋳物合金から、通常、半製品として鋳造によってさらに処理するための、２つに分かれた、あるいは３つに分かれたなまこ銑が形成される。このなまこ銑を形成するために、該当する金属合金から溶融物が形成されて、その後、その溶融物がなまこ銑型に注入される。

この種のなまこ銑から形成される鋳造片の品質を改良するために、なまこ銑を炉内で溶融し、その後溶融物を処理チャンバ内で回転する電磁場にさらし、このように処理されたなまこ銑を鋳込むことが、従来技術（たとえば、特許文献１を参照）から知られている。この方法は、鋳造部品の著しい改良をもたらす。
ドイツ公開公報ＤＥ１０００２６７０Ａ１

本発明の課題は、さらに処理する場合に、従来の鋳造機械に変更をおこなう必要なしに、改良された特性を有する鋳造工作物をもたらす、なまこ銑を形成する方法を提供することである。

この課題は、なまこ銑を成形する前に、冷却中に短時間溶融物内へ可変の物理的場を用いて、晶溶体の形成を促進させるエネルギが投入されることによって、解決される。

発明の実施の形態

本発明によれば、晶溶体エレメンタルセルが生じ、それにおいてはベース材料の原子が１つまたは複数の付加成分の原子によって置換されている。富化された晶溶体の形成が所望に達成され、その場合に飽和限界および濃度−温度−インターバルの幅が、外部の可変の物理的場を用いてコントロールされるので、異原子で過飽和された晶溶体が生じる。飽和限界およびベース材料の空間格子内への異原子の拡散の促進は、温度に依存しない。さらに冷却する場合に、この晶溶体からなる、まさに微粒の組織が生じる。

本発明の１つの形態において、エネルギの供給は、この金属合金のほぼ液相線における温度で行われる。

エネルギ供給を実施する時間は、実験的に求められる。時間は、特殊な金属合金およびエネルギ供給を実施する手段に依存する。エネルギを供給するための期間を定めるために、第１の実施形態によれば、晶溶体形成は、処理チャンバ内にある溶融物の動的粘性の測定によって検出される。本発明では、晶溶体形成の最良の状態は、処理された溶融物が冷却にもかかわらず特に流動性の状態に達し、その状態はほぼ一定であって、その後、もはや本質的には変化しないことに基づいている。本発明の他の形態においては、晶溶体形成は、処理チャンバから取り出された試料の液相線温度の測定を用いて検出される。その場合に、本発明では、実際の液相線温度は、結晶化熱に基づいて生じる、冷却カーブの折曲箇所として示されることに基づいている。この実際の液相線温度は、成功裏に処理された場合には、この金属合金のための状態ダイアグラムに従って与えられる液相線の下にある。

本発明の他の形態において、短時間のエネルギ供給は、変化する、好ましくは脈動する電磁場を用いて行われる。

驚くべきことに、このようにして形成されたなまこ銑は、記憶効果の形式で、電磁場内の処理によって形成された、高められた流動性を、それが再び溶融されて、鋳造機械で処理される場合にも有していることが、明らかにされた。このように準備されたなまこ銑は、従来の方法に従って形成されたなまこ銑に比較して、高められた流動性を有しているので、複雑な形状と高められた密度を有する鋳造片を形成することができる。このようにして形成された鋳造部品は、高められた強度、改良された伸張挙動および改良された摩耗挙動を有する。それによってこの鋳造部品は、これまで鍛造しなければならなかった構成部品に、部分的にとって代わることができる。

特許文献１から知られた方法に比較して、各鋳造機械の前段に対応する処理チャンバを接続する必要がない、という本質的な利点が得られる。従来のなまこ銑を加工した、同じ機械を使用することができ、機械に変更を加える必要はない。鋳造温度は、特に、該当する合金の液相線温度の下へ、低下させることができる。鋳造可能な温度領域が拡大されるので、好ましくない鋳造温度に基づいて不良品が生じる危険性が著しく減少される。

本発明の他の特徴と利点は、本発明に基づくなまこ銑を本発明に基づいて形成するのに適した設備についての以下の説明から明らかにされる。

注入口１、溶融物溝２および電気ヒータ３を有する溶融炉内で、金属または金属合金の成分が、すべての成分が溶融されて、溶融物４を形成するまで加熱される。

この溶融物４が、充填開口部１９を通して処理チャンバ内へ投入される。この処理チャンバは、実質的に円筒状のハウジング部分１８、半球状の下部１０およびほぼ半球状の上部７からなる。処理チャンバには、好ましくは、発熱コイルの形状の電気ヒータ６が対応づけられており、その電気ヒータによって処理チャンバが、特殊な金属合金の液相線の領域およびたとえばその少し下の領域の温度に、たとえば金属合金のほぼ共融温度に、加熱される。付加的に、処理チャンバに、たとえば回転する電磁場を発生させることによって、エネルギを投入する装置５が対応づけられている。この電磁場は、たとえば、６から２０ｍＴの場強さを有し、訳６０Ｈｚから５００Ｈｚの周波数で回転する。それによって、１５０×１０^−４Ｎ／ｍ^２の大きさの流体力学的圧力が生じる。等方性の磁気的圧力と、その最適な領域が１５と８０ｍＴの間にある、磁気的応力との共通の作用の間、溶融物内に、金属溶融物の最高の流動性によって特徴づけられる、流動弾性的な通常のものより優れた効果が発生する。その場合に金属溶融物は、最低の動的粘性を有する。５８０℃の溶融物温度において、０．７４ｍＰａ／ｓの動的粘性が測定された。また、処理される溶融物の、液相線温度と固相線温度の間の領域が最小値に収縮することによって定められる、熱運動学的な通常のものより優れた作用が観察できる。複数の共に合金化される成分の完全な溶融可能性は、固相線温度においても、まだ存在する。２相の領域は、液相線温度が低下し、同時に固相線温度が上昇することに基づいて連続的に収縮するので、コノード（合金の相グラフにおける収縮線）が短くなる。意図された状態が達成された場合に、溶融物１１が取出しロボット１２によって処理チャンバから取り出されて、なまこ銑型１４内へ充填され、そのなまこ銑型がなまこ銑レーン１３上で移送される。取出し装置１５において、なまこ銑方１４が空にされるので、今度は空のなまこ銑型１７を再び取出しロボット１２へ供給することができる。

冷却相にある溶融物内へ短時間エネルギを投入することによって、晶溶体の形成が促進され、その場合にエレメンタル結晶内でベース材料の原子が、１つまたは複数の付加成分の原子によって置き換えられる。エネルギの供給は、晶溶体形成のプロセスが最高の状態に達し、それ以上のエネルギ供給がもはや晶溶体形成をとりたてて促進させなくなった時に、終了させることができる。溶融物の新しいエネルギ状態を特徴づける、この最高の状態が、本発明の実施形態において検出される。

促進する晶溶体形成のしるしとなる、最高の流動性と最低の粘性は、粘性メータ８を用いてオンラインで処理チャンバ内で測定されるので、いつでも、溶融物１１にとって所望の状態が達成されているか、を検出することができる。外的なエネルギ作用によって、液晶のベース結晶のエネルギ状態が変化される。その空間格子がほぐされるので、新しい原子のグループ化を構築するプロセスが容易になる。エネルギおよび、個々のコンポーネントの原子と金属合金の構造ユニットとの間に生じる結合力は、決定的なファクターに属する。粘性は、この特性の１つである。原子複合体の構築および改築は、むしろ複合体の内部に囲い込まれていた堅固な結合の解放をもたらす。この結合は、粘性の流動と、構造ユニットの移動にも関与する。従って、低下する粘性は、弱められた内部の結合と強化された外部の結合を有する、原子複合体に起因する。従って、液晶系内に統一的方位付けを有する集合的領域を構築する、技術的−物理的前提が形成される。新しい構造化とそのエネルギ的安定性は、可変の電磁場によって強化される。結果は、溶融物の空間格子ないしマイクロ構造ユニットのエネルギ状態を反映する、より小さい粘性である。流動性は、たとえば、モニタ１６上に表示することができる。最大の流動性は、流動性がそれ以上実質的に上昇しない場合、すなわちモニタ１６上に表示される、流動性Φのカーブが時間ｔにわたってほぼ水平のカーブに達した場合に、得られる。

代替的に、あるいは場合によっては付加的に、処理チャンバから溶融物１１の試料を取り出して、分析することが行われる。この分析を用いて、たとえば、他のモニタ９上に、どのように液相線温度Ｔ_Ｌが変化して、特殊な金属合金の液相線に比較して固相線温度ラインＴｓに接近したか、が表示される。その場合に、モニタ９上に、温度Ｔのイメージを時間ｔにわたって表示することができる。液晶系内で開始された、過飽和の晶溶体の構築プロセスは、合金の冷却中に完了するので、実際の状態図表の表示が可能である。この実際的な、熱力学的表示によって、本発明に基づく方法に従って形成される合金のための適切な技術的鋳造パラメータを定めることを可能にする、たとえば濃度データ、液相線−固相線配置、飽和限界（溶融性）などの、合金特性の大きなスペクトルがカバーされる。

驚くべきことに、上述した方法に従って形成された、なまこ銑が、さらに加工される場合に、好ましい状況が生じることが、明らかにされた。処理に基づいて得られた、高められた流動性は、晶溶体が安定であるので、可逆的ではない。さらに加工する場合に溶融されたなまこ銑から形成される溶融物は、改良された流動性と、より少ない酸化傾向を有している。なまこ銑を溶融する場合に、浴表面にはわずかな引掻き傷しか生じない。

ベース材料アルミニウムとメイン合金成分ケイ素とを有する金属合金においては、シリンダヘッドをさらに、６３７℃の鋳造温度で成功裏に鋳造することが可能であって、従ってその鋳造温度は、この機械とこの合金のために規定された鋳造温度よりも、約１００℃低い。鋳造温度が低いにもかかわらず、空洞、ガス多孔率または冷間亀裂による品質低下あるいは乱雑な構造形成は生じなかった。

本発明は、外的なエネルギ作用によって、すなわち外部の電磁場と内部の結晶の内部の電磁波との間の相互作用によって、拡散プロセスの強化と原子間結合が影響を受けることに、基づいている。この相互作用の結果が、その結晶が溶融された状態において遠くまで及ぶ秩序ないし遠隔秩序を有する、合金の構造である。この相互作用は、磁気的な感受性によってベース材料とは異なる、合金成分が付加されることによっても、制御することもできる。

本発明は、特にベース材料がアルミニウムでメイン付加成分がケイ素である金属合金に適している。しかし本発明は、原則的に、成分の磁気的感受性に関係なく、すべての金属合金のために適用することができる。外的なエネルギ作用は、本実施例においては、変化する、脈動する電磁場を用いて行われる。しかし、可変の物理的場を用いた、外部のエネルギ作用のための他の方法、たとえば超音波による作用も、容易に与えられる。その場合に場は、上述した電磁場が生じる条件が同様に得られるように、設計される。

本発明に基づくなまこ銑は、すべての鋳造プロセスに適している。その場合に、冷硬鋳物の場合には高い流動性が特に効果的であって、加圧鋳物の場合には、優れた変形性が特に効果的である。なお、なまこ銑を溶融する場合に、前処理によって拡散により得られる、空間格子内の新しい原子配置は、なまこ銑が溶融された場合でも維持され、合金成分の原子がアルミニウム区間格子内のその場所を失うことはない。

なまこ銑という表現は、本発明によれば、商取引で一般的な形状のなまこ銑のみに限らない。むしろ、準備された溶融物が、鋳造プロセスのために再溶融される前に鋳込まれる、各形状を指すものである。

本発明に基づく方法を示す説明図である。

Claims (6)

1. 金属合金からなまこ銑を形成する方法であって、まず溶融物が形成され、前記溶融物内でベース材料と１つまたは複数の合金成分が液体の状態にあり、その溶融物からなまこ銑が成形される方法において、
   なまこ銑を成形する前に、冷却中に、溶融物内に可変の物理的場を用いて、短時間、晶溶体の形成を促進させるエネルギが投入されることを特徴とする、金属合金からなまこ銑を形成する方法。
2. エネルギの供給が、この金属合金のほぼ液相線における温度で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 晶溶体形成が、処理チャンバ内にある溶融物の動的粘性の測定によって検出されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 晶溶体形成が、処理チャンバから取り出された試料の液相線温度の測定を用いて検出されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 短時間のエネルギ供給が、可変の、好ましくは脈動する電磁場を用いて行われることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. ベース材料と１つまたは複数の合金成分とからなる溶融物から成形された鋳造片である、金属合金からなるなまこ銑において、
   なまこ銑は溶融物から形成され、前記溶融物内に、晶溶体形成を促進させるために、冷却中に可変の物理的場を用いて、短時間、エネルギが投入されたことを特徴とするなまこ銑。

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