JP2016117090A - アルミニウム合金の鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】既存の半連続鋳造の装置を大幅に改造することなく、凝固組織が安定して均一かつ微細なアルミニウム合金鋳塊の鋳造方法の提供。【解決手段】半連続鋳造のトラフ１内を流動する溶融アルミニウム合金３へ超音波ホーン２を浸漬し、超音波振動を印加し、トラフ１内部の溶融アルミニウム合金３の断面Ａ７の面積をＳＡとし、断面ａ８の面積をＳａとしたとき、ＳＡとＳａの比Ｓａ／ＳＡが０．５≦Ｓａ／ＳＡ＜１の範囲であり、超音波ホーン２の先端と中心軸の延長線上のトラフ１表面との距離をＬとしたとき、Ｌが１／４λ１≦Ｌ≦１／２λ１の範囲であり、断面ａ８を通過する溶融アルミニウム合金３の温度をＴとしたとき、液相線温度≦Ｔ≦液相線温度＋３℃の範囲であり、超音波ホーン１の先端の振幅をＤとしたとき、１０μｍ（ｐ−ｐ）≦Ｄ≦４０μｍ（ｐ−ｐ）の範囲アルミニウム合金鋳塊を鋳造する方法。【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム合金鋳塊の鋳造方法に関するものであり、さらに詳しくは、凝固組織が均一かつ微細であるアルミニウム合金鋳塊を提供するものである。

従来から、アルミニウム合金製のスラブやビレット等の、所謂アルミニウム合金鋳塊は、その大部分が、半連続鋳造法によって製造されている。アルミニウム合金鋳塊を半連続鋳造により製造する場合には、鋳造時における鋳塊の割れを防止すると共に、製造されたアルミニウム合金鋳塊を用いて実施される圧延や押出等の加工性を高める上から、アルミニウム合金鋳塊の凝固組織は均一かつ微細であることが望ましい。そのため、従来では、アルミニウム合金鋳塊の製造に際して、アルミニウム合金に対して、例えば、Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ系合金等の微細化剤を添加することにより、凝固組織の微細化を図る手法が、一般に採 用されている。ところが、そのような凝固組織の微細化手法を採用した場合、鋳塊に対して、微細化剤自体が、不純物として混入されることとなり、それによって、製造されたアルミニウム合金鋳塊の品質が低下する可能性があり、微細化剤の添加量の削減が望まれている。

アルミニウム合金を鋳造する際、溶融アルミニウム合金に対して超音波振動を印加することで、凝固組織が微細化することが知られており、アルミニウム合金鋳塊の凝固組織の微細化を図る手法として、保持炉から鋳型の間の流路内を流動する溶融アルミニウム合金に対して超音波振動を印加しつつ、半連続鋳造を行う手法が、例えば、下記特許文献１及び２等において提案されている。

特許文献１では、溶融アルミニウム合金保留部から鋳型までの間に、溶融アルミニウム合金の流動案内通路が設けられていて、流動案内通路が超音波ホーンにより形成されており、液相線温度近傍の温度である溶融アルミニウム合金に対して超音波振動を印加することで凝固組織を微細化する半連続鋳造を行う手法が提案されている。

ところが、流動案内通路を超音波ホーンにより構成する必要がある特許文献１の提案手法では、工業レベルの半連続鋳造に導入するには、既存の装置を大幅に改造する必要があるため導入費用が高くなり、かつ、安全性にも問題がある。

特許文献２では、トラフ内の溶融アルミニウム合金に超音波ホーンを浸漬させ、溶融アルミニウム合金温度が液相線温度から液相線温度＋１００℃の範囲にて、超音波振動を印加し、凝固組織を微細化する手法が提案されている。

しかし、本発明者等の研究によれば、溶融アルミニウム合金温度が液相線温度から液相線温度＋１００℃の範囲にて、超音波振動を印加しても、凝固組織が微細化しないことが判明した。

特開２００８−２７２８１９号公報 特開２００７−２１６２３９号公報

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、既存の半連続鋳造の装置を大幅に改造することなく、凝固組織が安定して均一かつ微細なアルミニウム合金鋳塊の鋳造方法を提供することを目的とするものである。

本発明では、半連続鋳造のトラフ内を流動する溶融アルミニウム合金へ超音波ホーンを浸漬して、超音波振動を印加することにより、アルミニウム合金鋳塊を鋳造する方法であって、トラフ内部の断面Ａの面積をＳＡとし、断面ａの面積をＳａとしたとき、ＳＡとＳａの比Ｓａ／ＳＡが０．５≦Ｓａ／ＳＡ＜１の範囲であり、超音波ホーンの先端と超音波ホーンの延長線上のトラフ表面との距離をＬとしたとき、Ｌが１／４λ１≦Ｌ≦１／２λ１の範囲であり、断面ａを通過する溶融アルミニウム合金の温度をＴとしたとき、液相線温度≦Ｔ≦液相線温度＋３℃の範囲であり、超音波ホーンの先端の振幅をＤとしたとき、１０μｍ（ｐ−ｐ）≦Ｄ≦４０μｍ（ｐ−ｐ）の範囲であることを特徴とする。

なお、λ１は超音波振動の溶融アルミニウム合金中における波長である。また、断面Ａは超音波ホーンの中心軸と、トラフの幅方向と平行である線とのなす面の中における、溶融アルミニウム合金の断面である。断面ａは、断面Ａの中のおける、超音波ホーンと同一の幅であり、かつ、超音波ホーンの先端から１／４λ１の距離までの面である。

本発明によれば、均一かつ微細な凝固組織を持つアルミニウム合金鋳塊を、半連続鋳造により得ることができる。

本発明手法に従って、トラフ内の溶融アルミニウム合金に超音波ホーンを浸漬させる鋳造方法を示す概略図である 本発明手法に従って、溶融アルミニウム合金に浸漬させた超音波ホーンの中心軸と、トラフの幅方向と平行である線とのなす面の概略図である。

1 トラフ
2 超音波ホーン
3 溶融アルミニウム合金
4 ヘッダ
5 鋳型
6 アルミニウム合金
7 断面Ａ
8 断面ａ

以下、本発明を詳細に説明する。

Ａ．ＳＡ及びＳａの比Ｓａ／ＳＡ
ＳＡ及びＳａの比Ｓａ／ＳＡとその限定理由について説明する。
本発明者等の鋭意検討の結果、ＳＡ及びＳａの比Ｓａ／ＳＡが０．５≦Ｓａ／ＳＡ＜１の範囲であるとき凝固組織が微細化することが判明した。Ｓａ／ＳＡが０．５より小さい場合、微細化しない。Ｓａ／ＳＡが１である場合、超音波ホーン２とトラフ1の表面が接触するため、超音波ホーン２の振動によりトラフ１を形成する耐火物が削れ、溶融アルミニウム合金３に混入する。また、Ｓａ／ＳＡが１より大きくなることはない。以上より、Ｓａ／ＳＡが０．５≦Ｓａ／ＳＡ＜１の範囲である必要がある。

Ｂ．距離Ｌ
距離Ｌとその限定理由について説明する。
本実施形態では、距離Ｌは１／４λ１≦Ｌ≦１／２λ１の範囲とする必要がある。この理由としては、Ｌが１／４λ１より小さい場合、トラフ１を形成する耐火物が削れ、溶融アルミニウム合金３に混入する。Ｌが１／２λ１より大きい場合、上記Ｓａ／ＳＡが０．５より小さくなる。以上より、Ｌは１／４λ１≦Ｌ≦１／２λ１の範囲である必要がある。

Ｃ．断面ａを通過する溶融アルミニウム合金温度Ｔ
断面ａ８を通過する溶融アルミニウム合金温度Ｔとその限定理由について説明する。
本実施形態では、断面ａ８を通過する溶融アルミニウム合金温度Ｔは液相線温度≦Ｔ≦液相線温度＋３℃の範囲とする必要がある。この理由としては、Ｔが液相線温度＋３℃よりも高い場合、凝固組織は微細化しない。断面ａ８を通過するＴが液相線温度よりも低い場合、凝固組織は微細化しない。以上より、Ｔは液相線温度≦Ｔ≦液相線温度＋３℃の範囲である必要がある。

Ｄ．超音波ホーンの先端の振幅Ｄ
超音波ホーン２の先端の振幅Ｄとその限定理由について説明する。
本実施形態では、超音波ホーン２の先端の振幅Ｄは１０μｍ（ｐ−ｐ）≦Ｄ≦４０μｍ（ｐ−ｐ）の範囲とする必要がある。この理由としては、Ｄが４０μm（ｐ−ｐ）より大きい場合は、超音波振動の強度が大きいため、トラフ１を形成する耐火物が削れ、溶融アルミニウム合金３に混入する。Ｄが１０μm（ｐ−ｐ）より小さい場合は、超音波振動の強度が小さいため、凝固組織は微細化しない。以上より、Ｄは１０μｍ（ｐ−ｐ）≦Ｄ≦４０μｍ（ｐ−ｐ）の範囲である必要がある。なお、（ｐ−ｐ）とは、超音波ホーン２の先端の振動の最大値と最小値との差を示している。

特に、超音波振動の超音波ホーン内部における波長をλ２としたとき、断面ａ８の幅Wがλ２／１６より小さい場合、超音波ホーン２を溶融アルミニウム合金３に浸漬させ、超音波振動を長時間印加すると、超音波ホーン２が折損する。Wがλ２／４より大きい場合、一般に超音波ホーン２の振動のモードが縦振動のモードではなくなり、超音波ホーン２の先端の振幅を縦振動のモードと同じ大きさにするには、発信器の出力が大きくなり、発信器の負荷が大きくなる。以上より、Wはλ２／１６≦Ｗ≦λ２／４の範囲であることが好ましい。

また、超音波ホーン２の中心軸と溶融アルミニウム合金３の流動方向とのなす角度をθとしたとき、θが３０°より小さい場合、又は、１５０°より大きい場合、超音波ホーン２を安全に溶融アルミニウム３に浸漬させることは困難である。以上より、θが３０°≦θ≦１５０°の範囲であることが好ましい。超音波ホーン２の中心軸とトラフ幅方向とのなす角度をψとしたとき、ψが６０°より小さい場合、又は、１２０°より大きい場合、超音波ホーン２を安全に溶融アルミニウム３に浸漬させることは困難である。また、超音波ホーン２がトラフ１に接触する。以上より、ψが６０°≦ψ≦１２０°の範囲であることが好ましい。

以下において、実施例により本発明のアルミニウム合金の鋳造方法を詳細に説明する。

実施例（本発明例１〜１２及び比較例１〜８）
Ａｌ−２．３ｍａｓｓ％Cu−１．５ｍａｓｓ％Ｍｇの組成となるよう、各必要添加元素を純金属、又は、Ａｌ母合金より配合した後に溶解炉内で溶解した。成分を調整した溶融アルミニウム合金を溶解炉からトラフ内を通過させ、半連続鋳造鋳型に供給して鋳造した。ψ１４５ｍｍのビレットを、鋳造速度９０ｍｍ／ｍｉｎで鋳造した。なお、Ａｌ−２．３ｍａｓｓ％Cu−１．５ｍａｓｓ％Ｍｇ合金の液相線温度は６４７℃であった。

表１のＳ_ａ／Ｓ_Ａ欄に示す比となるよう、トラフの流路の形状を変更した。

本発明例１〜１２及び比較例２〜８において、超音波ホーンを超音波発信器に取り付け、トラフ内を流動する溶融アルミニウム合金へ予熱した超音波ホーンの先端を浸漬させ、溶融アルミニウム合金に対して超音波振動を印加した。

比較例1において、上記超音波ホーンを超音波発信器に取り付け、トラフ内を流動する溶融アルミニウム合金へ予熱した超音波ホーンの先端を浸漬させ、溶融アルミニウム合金に対して超音波振動を印加しなかった。

表１の振幅Ｄとは、超音波振動を印加した際の超音波ホーンの先端の振幅である。

なお、この際に使用した超音波ホーンは窒化珪素セラミック製であり、形状は円柱状であり、その直径はWと等しい。表１のホーン幅欄にWを示す。超音波ホーンの振動周波数は２０．０ｋHzであり、超音波の溶融アルミニウム合金中における超音波振動の波長λ_１は２００ｍｍであり、超音波ホーン内部の超音波振動の波長λ_２は４７６ｍｍである。

断面ａを通過する溶融アルミニウム合金温度が、表１の溶融アルミニウム合金温度Ｔ欄に示す温度になるよう、鋳造温度を調整した。

表１の平均結晶粒径ｄとは、上記アルミニウム合金鋳塊の中心からの距離が０，２０，４０，６０ｍｍの位置の各部位の結晶粒径の平均である。結晶粒径とは、アルミニウム合金鋳塊の長手方向断面を光学顕微鏡によって偏光観察し、全観察視野面積と結晶粒の数で結晶粒の円相当径を算出した値となる。なお、観察視野は６ｍｍ×８ｍｍとした。

表１の微細化程度とは、鋳塊の凝固組織の微細化の程度を評価したものであり、溶融アルミニウム合金に対して超音波振動を印加していない比較例１の平均結晶粒径をｄ_０としたとき、ｄ_０とｄとの比ｄ／ｄ_０を示す。

表１の微細化の評価とは、上記の微細化程度を評価したものであり、微細化程度が０．６未満を「○」、微細化程度が０．６以上を「×」とした。

表１の標準偏差とは、鋳塊の凝固組織の結晶粒径の均一性を評価したものであり、上記の各部位の結晶粒径の標準偏差である。

表１の標準偏差の評価とは、標準偏差を評価したものであり、標準偏差が１０μm未満を「○」、標準偏差が１０μm以上を「×」とした。

表１の異物混入とは、超音波振動の印加による、溶融アルミニウム合金への異物の混入を評価したものであり、異物が混入した場合を「無し」、異物が混入しなかった場合を「有り」とした。

表１のその他問題点とは、微細化の評価、標準偏差、及び、異物混入の評価以外の問題点がある場合に記載している。

表１の総合評価とは、微細化の評価、標準偏差の評価、異物混入、及び、その他問題点を総合的に評価したものである。微細化の評価欄が「○」、かつ、標準偏差の評価欄が「○」、かつ、異物混入欄が「無し」、かつ、その他問題点が無い場合は総合評価を「○」とした。微細化の評価欄が「○」、かつ、標準偏差の評価欄が「○」、かつ、異物混入欄が「無し」、かつ、その他問題点が有る場合は総合評価を「△」とした。一方で、微細化の評価欄が「×」、標準偏差の評価欄が「×」、異物混入欄が「有り」の項目を、一つ以上を満たす場合は総合評価を「×」とした。

本発明例１〜１０では、Ｓ_Ａ及びＳ_ａの比Ｓ_ａ／Ｓ_Ａ、断面ａを通過する溶融アルミニウム合金温度、及び、超音波ホーンの先端の振幅が請求の範囲内であることにより、微細化程度は良好であり、標準偏差も良好であり、異物混入も無く、その他問題点もなかった。従って、良好な結果であり、総合評価は「○」となった。

本発明例１１では、Ｓ_Ａ及びＳ_ａの比Ｓ_ａ／Ｓ_Ａ、断面ａを通過する溶融アルミニウム合金温度、及び、超音波ホーンの先端の振幅が請求の範囲内であることにより、微細化程度は良好であり、標準偏差も良好であり、異物混入も無かったが、Wがλ_２／４より大きいため、超音波発信器の負荷が大きかった。従って、総合評価は「△」となった。

本発明例１２では、Ｓ_Ａ及びＳ_ａの比Ｓ_ａ／Ｓ_Ａ、断面ａを通過する溶融アルミニウム合金温度、及び、超音波ホーンの先端の振幅が請求の範囲内であることにより、微細化程度は良好であり、標準偏差も良好であり、異物混入も無かったが、Wがλ_２／１６より小さいため、超音波ホーンを溶融アルミニウム合金に浸漬させ、超音波振動を長時間印加すると、超音波ホーンが折損した。従って、総合評価は「△」となった。

比較例1では、超音波振動を印加していないため、凝固組織が微細化しなかった。従って、総合評価は「×」となった。

比較例２では、断面ａを通過する溶融アルミニウム合金温度が液相線温度＋３℃より大きいため、凝固組織が微細化しなかった。従って、総合評価は「×」となった。

比較例３では、断面ａを通過する溶融アルミニウム合金温度が液相線温度より小さいため、凝固組織が微細化しなかった。従って、総合評価は「×」となった。

比較例４では、微細化程度は良好であり、標準偏差も良好であり、その他問題点も無かったが、超音波ホーンの先端の振幅が４０μm（ｐ−ｐ）より大きいため、超音波振動の強度が大きく、トラフを形成する耐火物が削れ、溶融アルミニウム合金に異物が混入した。従って、総合評価は「×」となった。

比較例５では、超音波ホーンの先端の振幅が１０μm（ｐ−ｐ）より小さいため、超音波振動の強度が小さいため、凝固組織は微細化しなかった。従って、総合評価は「×」となった。

比較例６では、微細化程度は良好であり、標準偏差も良好であり、その他問題点も無かったが、Ｓ_Ａ及びＳ_ａの比Ｓ_ａ／Ｓ_Ａが１であるため、超音波ホーンとトラフ表面が接触して、トラフを形成する耐火物が削れ、溶融アルミニウム合金に異物が混入した。従って、総合評価は「×」となった。

比較例７では、Ｓ_Ａ及びＳ_ａの比Ｓ_ａ／Ｓ_Ａが０．５より小さいため、凝固組織は微細化しなかった。従って、総合評価は「×」となった。

比較例８は、距離Ｌが１／２λ_１より大きいため、Ｓ_ａ／Ｓが０．５より小さくなり、凝固組織は微細化しなかった。従って、総合評価は「×」となった。

比較例９は、微細化程度は良好であり、標準偏差も良好であり、その他問題点も無かったが、距離Ｌが１／４λ_１より小さいため、トラフを形成する耐火物が削れ、溶融アルミニウム合金に異物が混入した。従って、総合評価は「×」となった。

以上のように本発明の鋳造方法によるアルミニウム合金鋳塊は、凝固組織が均一かつ微細であり、工業的に顕著な効果を奏するものである。

Claims (1)

1. 半連続鋳造のトラフ内を流動する溶融アルミニウム合金へ超音波ホーンを浸漬して、超音波振動を印加し、トラフ内部の溶融アルミニウム合金の断面Ａの面積をＳＡとし、断面ａの面積をＳａとしたとき、ＳＡとＳａの比Ｓａ／ＳＡが０．５≦Ｓａ／ＳＡ＜１の範囲であり、超音波ホーンの先端と超音波ホーンの中心軸の延長線上のトラフ表面との距離をＬとしたとき、Ｌが１／４λ１≦Ｌ≦１／２λ１の範囲であり、断面ａを通過する溶融アルミニウム合金の温度をＴとしたとき、液相線温度≦Ｔ≦液相線温度＋３℃の範囲であり、超音波ホーンの先端の振幅をＤとしたとき、１０μｍ（ｐ−ｐ）≦Ｄ≦４０μｍ（ｐ−ｐ）の範囲であることを特徴とするアルミニウム合金鋳塊の鋳造方法。

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