JP2017001071A - 半凝固金属材料の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的長細い形状の半凝固金属材料を電磁攪拌により製造する場合であっても、良好に攪拌して均質な半凝固金属材料を製造することができる半凝固金属材料の製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、金属材料の溶湯１０をスラリー容器１に投入して半凝固金属材料を製造する半凝固金属材料の製造方法であって、電磁攪拌によりスラリー容器１内の溶湯１０に横方向回転流れＸを与えると共に、スラリー容器１上方から溶湯１０の横方向回転流れＸに交差するように溶湯１０中に挿入された状態の流動抑制手段２ｂにより、溶湯１０の横方向回転流れに乱れを与えて溶湯の流動を抑制しつつ、半凝固金属材料を製造することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、アルミニウム合金、マグネシウム合金などの軽金属やその他の金属を半凝固状態にして成形する半凝固金属材料のプレス成形に供される半凝固金属材料（半凝固金属スラリー、素材）の製造方法及び製造装置に関する。

従来から、アルミニウム合金等を成形する技術の１つとして、金型に溶融金属を加圧注入し、所定形状の製品を得る鋳造方法のダイカスト法が用いられてきた。溶湯を用いた場合、金型の寿命が短い、引け巣等が発生し製品の品質が十分でないなどの問題がある。

そこで近年は、このダイカスト法において、金型に注入する金属材料として、溶融金属の代わりに、固相成分と液相成分とを共存させた半溶融状態にある金属（半凝固金属又は半溶融金属）を用いて高圧鋳造する方法が使用されてきている。

この方法は、一般的なダイキャスト法と区別され、レオキャスティング法やチクソキャスティング法と呼ばれている。

レオキャスティング法は、凝固途中の金属を電磁的、機械的、あるいは超音波等の手段で強制撹拌することによって、細かい球状晶を液相内に均一に分散させた固液混合の半凝固金属を得て、この半凝固金属をダイカストマシンの鋳型内に圧入し、製品を鋳造成形するものである。

チクソキャスティング法は、溶湯を冷却中に強制撹拌して得られる半凝固金属を得た後、それを一旦急速に冷却して完全凝固させた棒状の鋳塊（ビレット）を成形しておき、製品製造時において、このビレットから必要量を切出した後、半溶融状態（半凝固状態）まで再加熱し、レオキャスティング法と同様にダイカストマシン等により製品を製造する方法である。

いずれの方法も、一長一短があるが、いずれも半凝固金属（以下半溶融金属も含めて表示する）を鋳型内で加圧成形するという点で共通している。

ところで、これらの方法で金属材料を金型内に圧入するには、半凝固金属を鋳込スリーブにセットしてプランジャー等の加圧手段によって鋳型内に押出す（射出する）ことが必要であるが、半凝固金属をスリーブに挿入した段階で、金属はスリーブに接触して熱を奪われるので凝固層が発生しやすい。そのため、凝固層が製品に含有するのを防ぐ工夫が必要となる。

また、半凝固金属の充填中にはスリーブ等にはプランジャーとスリーブ終端との挟まったビスケットと称する加圧部分と金型へのランナー（湯道）等がダイカストと同様必要であり、また、流入速度を制限する（流入速度を遅くしたい）ことから断面積の大きなランナーが必要である。これらの部分は製品とは成らない部分で無駄が多く、歩留りが低く、製造コスト上昇の一因になっている。

また、半凝固金属はスリーブや金型との摩擦が溶湯よりも大きいため、プランジャーの押圧力を溶湯よりも大きくする必要があり、溶湯に比べてプランジャーの押圧力を大きな設備が必要となり設備費が高くなる等の問題もあり製造コスト上昇の一因となっている。

このような状況に鑑み、成形用の金型の中に、直接、半凝固金属（又は半溶融金属）を挿入して成形する方法が開発されている。

例えば、特許文献１には、保持容器にて保持された半凝固金属下型の凹部内に反転して載置し、上金型を下降させ静かに圧縮変形させて基本形状を整え、次いで、最終形状の製品に成形する技術が開示されている。

また、特許文献２には、半溶融金属（半凝固金属）をプレスの金型（下型）のキャビティ内に投入し、上金型を下降させて、キャビティ内の金属の温度が凝固終了温度に達する温度まで圧力を加え続けて一次成形し、その後、第２の加圧手段によってキャビティの形状を変化させて製品を二次成形する方法が開示されている。

また、特許文献３には、金型内に半溶融金属又は半凝固金属を投入し、金型に第１の加圧（一次型締め）を行い、その後第２の加圧（最終製品とする二次型締め）を行う成形方法が開示されている。

また、特許文献４には半凝固金属の投入位置修正を可能とするために半凝固金属を適当な固相率として液相成分を減少させ液相成分のタレ落ちや半凝固金属の崩れを防ぐ方法が開示され、これにより良好な製品が得られるとしている。

これら４つの方法は、金型のキャビティ内に半凝固金属（半溶融金属）を投入し、その後加圧成形を行う点では同様の技術である。

特開２００３−１３６２２３公報 特開２００７−１１８０３０号公報 特開２０１１−６７８３８号公報 特開２０１４−１８８２３号公報

ここで、金型のキャビティ内に半凝固金属を投入し、その後加圧成形を行う成形方法に使用される半凝固金属材料（半凝固金属スラリー）の製造については、以下のような実情がある。

＜現状＞
現状、電磁撹拌法による半凝固金属スラリー（固相と液相が混じり合った状態）の作成は容器形状が軸対称ないし回転対象の形状（例えば、カップ形状など）である。
これは、半凝固金属スラリー（半凝固金属材料）は電磁攪拌により強制撹拌して全域に亘って均質化を図る必要があり、澱みなく撹拌可能な軸対称形状とすることが均質で安定した品質の良好な素材の作成に有利であることによる。
また、容器内の溶湯（半凝固金属スラリー）に関して略均一な温度分布を得やすいことや、容器製造の容易さ、容器ハンドリング装置の汎用性が高いこと（容器のハンドリングの容易さ）等によることにも起因している。

すなわち、従来は、投入した溶湯を均質に攪拌することができるように、カップ形状（バケツ形状）のような比較的縦横比（長さ／深さ、長さ／深さ）が小さい形状の半凝固金属スラリーを作成していたが、製品形状によっては縦横比が大きく、製品の長手方向にカップの長手方向を合せた状態で半凝固金属スラリーを排出する方法が成形上合理的である場合もある。

しかし、溶湯を投入して攪拌する容器を、比較的長細い（平面図において縦横比（長さ／幅）が大きい）製品の形状に合わせた形状とすると、図３に示すように、電磁攪拌により溶湯を攪拌する際に、端部の半径の小さい部分（小径部分１Ａ，１Ｂ）において、溶湯が容器の内壁に沿って流れ上がり（駆け上がり）が生じたり、容器外へ飛び出してしまうといったおそれが顕著になることを、本発明者等は実験により確認した。

なお、図３の流れ上がり部（駆け上がり部）Ａは、他の部位Ｂより肉厚が薄く体積も小さいため、接触している容器の壁によって熱を奪われ易く、早く冷却されて凝固し易いため、半凝固金属スラリー全体において凝固状態が不均一となり易く、均質な半凝固金属スラリーを製造（作成）することが難しくなるおそれがある。

本発明は、かかる従来の実情に鑑みなされたもので、比較的長細い（平面図において縦横比（長さ／幅）が大きい）形状の半凝固金属材料（半凝固金属スラリー）を電磁攪拌により製造する場合であっても、良好に攪拌して均質な半凝固金属材料（半凝固金属スラリー）を製造することができる半凝固金属材料（半凝固金属スラリー）の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係る半凝固金属材料の製造方法は、
金属材料の溶湯をスラリー容器に投入して半凝固金属材料を製造する半凝固金属材料の製造方法であって、
電磁攪拌によりスラリー容器内の溶湯に横方向回転流れを与えると共に、
スラリー容器上方から溶湯の横方向回転流れに交差するように溶湯中に挿入された状態の流動抑制手段により、溶湯の横方向回転流れに乱れを与えて溶湯の流動を抑制しつつ、
半凝固金属材料を製造することを特徴とする。

本発明に係る半凝固金属材料の製造方法において、前記流動抑制手段は、溶湯の横方向回転流れのスラリー容器の小径部への入口付近に配設されることを特徴とすることができる。

また、本発明に係る半凝固金属材料の製造装置は、
金属材料の溶湯をスラリー容器に投入して半凝固金属材料を製造する半凝固金属材料の製造装置であって、
電磁攪拌によりスラリー容器内の溶湯に横方向回転流れを与える電磁攪拌装置と、
スラリー容器上方から溶湯の横方向回転流れに交差するように溶湯中に挿入された状態において、溶湯の横方向回転流れに乱れを与えて溶湯の流動を抑制する流動抑制手段と、
を含んで構成したことを特徴とする。

本発明に係る半凝固金属材料の製造装置において、前記流動抑制手段は、溶湯の横方向回転流れのスラリー容器の小径部への入口付近に配設されることを特徴とすることができる。

本発明に係る半凝固金属材料の製造装置において、前記流動抑制手段は、溶湯中に挿入された状態とされる棒状部材を含んで構成されることを特徴とすることができる。

本発明に係る半凝固金属材料の製造装置において、前記棒状部材は、複数備えられることを特徴とすることができる。

本発明に係る半凝固金属材料の製造装置において、前記棒状部材は、内部に空間を有し、該空間に温度センサ或いは発熱手段の少なくとも一方が備えられることを特徴とすることができる。

本発明によれば、比較的長細い（平面図において縦横比（長さ／幅）が大きい）形状の半凝固金属材料（半凝固スラリー）を電磁攪拌により製造する場合であっても、良好に攪拌して均質な半凝固金属材料（半凝固スラリー）を製造することができる半凝固金属材料（半凝固スラリー）の製造方法及び製造装置を提供することができる。

（Ａ）は本発明に係る実施の形態の実施例１で用いた半凝固金属材料を製造するスラリー容器の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の断面図（長手方向中心線に沿って垂直に切断した断面図）であり、（Ｃ）は（Ａ）の右側面図である。 （Ａ）は同上実施例１で用いた半凝固金属材料の製造装置（電磁攪拌装置及び流動抑制装置）の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の正面図である。 同上実施例１で用いた溶湯（半凝固金属材料）を収容したスラリー容器の斜視図（、半凝固金属材料の過流動を説明する斜視図）である。 （Ａ）は本発明に係る実施の形態の実施例２で用いた半凝固金属材料を製造するスラリー容器の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の右側面図である。 （Ａ）は同上実施例２で用いた半凝固金属材料の製造装置（電磁攪拌装置及び流動抑制装置）の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の正面図である。 同上実施例２で用いた半凝固金属材料の製造装置（電磁攪拌装置及び流動抑制装置）のスラリー容器２０の小径部２０Ｂ付近を拡大して示す部分断面図（リニア電磁コイルの模式図）。

以下に、本発明の一実施の形態に係る半凝固金属材料（半凝固金属スラリー）の製造方法及び製造装置について、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

以下に、具体的な実施例を用いて説明する。

実施例１は、製品の長手方向にカップの長手方向を合せた状態で、半凝固金属スラリーを排出する方法が成形上合理的な製品を成形する場合に用いるスラリーを作ることを想定しており、従来の方法であれば縦横比の小さい略円錐台形状等のスラリーを用いる必要があるが、これを用いない方法として考案したものである。

（１）電磁撹拌を行うにあたり、平面図において縦横比の小さい円筒容器（軸対象形状）を使用せず、図１（Ａ）に示すような長小判型のスラリー容器１を使用した。容器の寸法は概略長さ１５５ｍｍ、幅４５ｍｍ、深さ６０ｍｍで、長さ方向の両端は、半径Ｒ２２．５ｍｍの半円弧状の平面形状である。

製品の平面図における縦横比としては、図１（Ａ）に示すように、約３〜４程度（長さ１５５ｍｍ／幅４５ｍｍ程度）である。なお、従来の半凝固金属スラリー用容器は、縦横比≒１（軸対象形状）〜１．５程度である。

また、プレス等にて雄、雌型一対の金型内で加圧成形する場合、金型内へのスラリー投入の際や成形時の液相の垂れ落ちを防ぐ必要があるため、従来の半凝固鋳造の固相率：約３０％〜４０％）の場合と比較して、半凝固金属スラリー（成形素材）の固相率を約４０％〜７０％（固相率）と大きくとっている。

スラリー容器１の材質は、ＳＵＳ３０４で、図１（Ａ）〜（Ｃ）に示したように、上面は開口し、深さ方向に抜き勾配（６度程度）があり、その他の面は塞がれ水漏れしない容器となっている。
なお、溶湯１０は、スラリー容器１の底面から４５ｍｍ程度の高さまで投入される(図１（Ｂ）、（Ｃ）参照)。

実施例１では、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、このスラリー容器１を、半凝固金属材料製造装置の一部を構成する電磁撹拌装置５０の中心に合せて置く。なお、スラリー容器１の板厚は熱量計算によって、均一な温度分布が得られるように、底板（１ａ）、底縦壁のコーナー部（１ｂ）、側壁部（充填深さより下部：１ｃ、側壁飛散防止部（充填深さより上部：１ｄ）に分けて設定している(図１（Ｂ）等参照)。

（２）電磁撹拌は、図１（Ａ）平面や図２（Ａ）平面（水平面）内において溶湯が回転する横回転撹拌方式（水平面内にて回転する攪拌方式；図１（Ａ）、図２（Ａ）の溶湯の回転方向Ｘ参照、図３の矢印Ｘ参照）で行った。

横回転撹拌の場合、スラリー容器内に投入された金属溶湯が回転流動し円筒状の容器でも容器から飛び出したり、飛沫を発生したり、飛び出さなくても内壁の高い位置まで流れ上がって（駆け上がって）冷却され、堅いスラリーや凝固片となったりする過流動問題があるが、実施例１では、長小判型のスラリー容器１を使用しているため、長辺側と短辺側で金属溶湯の速度（回転半径）が異なり、小径部１Ａ、１Ｂにおいて上記の問題が顕著に表れる（図３参照）。

このため、実施例１では、以下のようにして、上述したような溶湯の流れ上がり（駆け上がり）を抑制して、良好な攪拌を行なうことができ、以って高品質な半凝固金属材料（半凝固金属スラリー）を製造できるようにした。

すなわち、
（３）上記の過流動問題を防止するため、半凝固金属材料製造装置の一部を構成する流動抑制装置２を設置した。
この流動抑制装置２を設置した状態について、図２により説明する。
流動抑制装置２は溶湯が付着しないように予め塗型剤やＢＮ粉末を塗布したＳＵＳ３０４材の棒状部材の一例である底付管（図２（Ｂ）において下端が有底の鞘管（シース管））２ｂと、該底付管（有底鞘管）２ｂを支持すると共にスラリー容器１の上面に載置される蓋状部材２ａ１（２ａ２）と、を含んで構成されている。
ここで、実施例１に係る底付管（有底鞘管）２ｂが、本発明に係る流動抑制手段（流動抑制部材）の一例に相当する。

図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、蓋状部２ａ１（２ａ２）をスラリー容器１の両端付近（小径部１Ａ、１Ｂ）に設置すると、蓋状部２ａ１（２ａ２）に立設されている底付管２ｂは、図２（Ｂ）に示されるように、略垂直方向に延在するようになっている。

そして、この設置状態（図２の状態）のときに、底付管２ｂはその下端２ｂ１が、スラリー容器１内の溶湯１０内に所定深さまで侵入するように配設されている。すなわち、底付管２ｂの下端２ｂ１は、図２（Ｂ）に示すように、スラリー容器１の底面から上方に所定距離の位置となるように調整されている。

底付管２ｂの設置位置（図２（Ａ）平面（水平面）における位置：平面位置）と、その下端２ｂ１の先端位置（深さ位置、図２（Ｂ）平面（垂直面）における位置、高さ方向位置）については、予め予備試験などにより、溶湯１０が過流動しスラリー容器１から飛び出したり（図３参照）、飛沫の発生およびスラリー容器１の内壁の高い位置まで溶湯が流れ上がり（駆け上がり）過ぎたりすることを抑制できることが確認された所定位置に調整（選択）されている。

すなわち、実施例１では、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、底付管２ｂを、電磁攪拌により生じる溶湯１０の横方向回転流れＸの中であって、両端部（小径部）１Ａ、１Ｂへの入り口手前（横方向回転流れＸの上流側）に設置することで、溶湯１０の横方向回転流れに衝突させて小径部１Ａ、１Ｂに進入する溶湯１０の流れに乱れを生じさせて溶湯１０の流速を抑えることで、流れ上がり（駆け上がり）を効果的に抑制している。

言い換えると、底付管２ｂは、スラリー容器１の上方から溶湯１０の横方向回転流れに交差するように溶湯１０中に挿入され、溶湯の横方向回転流れＸに乱れを与えて溶湯１０の流動（流速）を抑制するように作用する。

流動抑制装置２の蓋状部材２ａ１、２ａ２及び底付管２ｂは、注湯機（ロートなど）１００と干渉しないように配設されている。

なお、実施例１に係る流動抑制装置２の底付管（有底鞘管）２ｂとしては、溶湯１０の横方向回転流れＸに略直交する方向に並べて立設される２本のＳＵＳ３０４の外径φ３．７ｍｍ、肉厚０．５ｍｍの底付管（有底鞘管）を使用した（図２（Ａ）参照）。

２本の底付管２ｂの設置位置（図２（Ａ）平面（水平面）における位置：平面位置）は、外側（スラリー容器内壁側）の底付管２ｂはスラリー容器１の内壁から１０ｍｍの位置に配設され、並列される内側の底付管２ｂとは１０ｍｍの間隔を取っている。

また、２本の底付管２ｂの下端２ｂ１の先端位置（深さ）は、スラリー容器１の底面から５ｍｍ程度の高さ位置となるように蓋状部材２ａ１（２ａ２）の裏面から突出するように配設されている。底付管２ｂの垂直方向に対する立設角度は、底付管２ｂと、スラリー容器１の内壁と、の隙間が高さ方向において略均一となるように、図１（Ｃ）に示したスラリー容器１の内壁と同じ角度（６度）に立てて設置することができるが、これに限定されるものではなく、例えば底付管２ｂを略垂直に設置しても良いものである。

実施例１では、外側（スラリー容器内壁側）の底付管２ｂの更に中央寄りに同じ立設角度で１０ｍｍ間隔のところにもう１本設置し、一つの小径部１Ａ（或いは１Ｂ）の溶湯１０の横方向回転流れの入り口手前毎に、計２本の底付管２ｂを蓋状部材２ａ１（２ａ２）に支持させるようにしたが、蓋状部材２ａ１、２ａ２を小径部１Ａ、１Ｂに対応させてそれぞれ独立して設ける構成とし、各蓋状部材２ａ１、２ａ２は相互に分離して個々にスラリー容器１から取り外せる構造とすることができる。但し、蓋状部材２ａ１、２ａ２を一体的に接続した構成とすることも可能である。

このように、実施例１に係る流動抑制装置２によれば、底付管２ｂにより、スラリー容器１内の溶湯１０の層流の流れ（主流）にカルマン渦を発生させ乱流として層流方向の流速を減速させることで、過流による弊害（スラリー容器小径部における内壁への溶湯の流れ上がり（駆け上がり）や外部への飛び出しなど）を抑制することができた。

また、実施例１に係る流動抑制装置２によれば、底付管２ｂによる乱流の発生により、スラリー容器１の中央部の溶湯と、スラリー容器１の内壁側の溶湯の入れ替わりも発生させることができるため、一層、半凝固スラリーの均質化に貢献可能である。

ところで、実施例１は、ＳＵＳ３０４の底付管（有底鞘管）２ｂを使用して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明に係る流動抑制手段としては、内部に空間を有する棒状部材や中実の棒状部材、底のない管状部材、板、網形状など何れの形状であっても良いもので、スラリー容器１内の溶湯１０中に挿入され、スラリー容器１内の溶湯１０の層流の流れ（主流）に作用して、その流速を低減できれば特に形状や材質が限定される良いものである。また、長手方向に直交する横断面形状も、円形状に限定されるものではなく、楕円形状、多角形形状、星形状など適宜の形状とすることができる。

ただし、底付管（有底鞘管）とすることで、例えば、内部に熱電対等の温度センサを配設することで溶湯（半凝固スラリー）の温度を計測して温度管理に役立てたり、或いは内部に発熱手段を備えて構成しカートリッジ式ヒータなどとして機能させることで半凝固スラリーの温度を制御する機能を備えさせることができる。

また、底付管（有底鞘管）２ｂの材質は、本実施例のように、溶湯が付着しないように塗型剤やＢＮ粉末が適用（塗布）されたＳＵＳ３０４材などの非磁性の金属材料とすることができるが、一般的にアルミ溶湯に対する濡れ性の少ない、窒化ケイ素やサイアロンその他のセラミックスなどの無垢材などとすることができると共に、金属であっても上述したＳＵＳ３０４材やタングステン系の金属等のような非磁性体であれば、表面処理や塗型剤、離型剤を適用することで採用することができる。

また、実施例１では、底付管（有底鞘管）２ｂを、図２（Ａ）の平面において、各小径部１Ａ、１Ｂへの入り口手前（横方向回転流れＸの上流側）に、溶湯１０の流れに略直交する方向に２本平行に並べて配設したが、これに限定されるものではなく、各小径部１Ａ、１Ｂへの入り口付近に底付管（有底鞘管）２ｂを設置すれば良いものであるし、１本、３本以上を配設することができるし、複数設ける場合でも溶湯１０の流れに略直交する方向に平行に並べなくても、所望に流れ上がり（駆け上がり）を抑制できれば適宜にその本数やレイアウトは変更できるものである。

ここで、実施例１に係る半凝固金属材料の製造方法について説明する。
ステップ１（Ｓ１）では、流動制御装置２をスラリー容器１に設置し、電磁攪拌装置５０による電磁撹拌を開始し、その後、所定の温度に調整された金属溶湯１０を注湯機（ロート等）１００を介して所定量注湯する。なお、スラリー容器１へ溶湯１０を投入開始する時点から、電磁攪拌装置５０をＯＮして電磁コイルによる電磁攪拌を行ない、ステップ２で電磁攪拌装置５０を停止するまで、電磁攪拌を継続する。

なお、流動制御装置２（底付管２ｂ（流動抑制部材））をスラリー容器１に設置した状態で、かつ、電磁攪拌装置５０を作動させた状態で、溶湯１０をスラリー容器１へ投入することで、溶湯１０が高温で流動し易い状態から攪拌を開始できるので、より均質な半凝固金属スラリーを得ることができるが、流動し易いがために、同時に過流動の問題が生じ易いので、攪拌開始初期から、底付管２ｂ（流動抑制部材）を溶湯１０内に挿入して、溶湯１０の過流動の問題が生じることを抑制することが好ましい。
但し、溶湯１０をスラリー容器１に投入した後や攪拌開始後に、底付管２ｂ（流動抑制部材）を溶湯１０に挿入するような構成を採用することも可能である。

ステップ２（Ｓ２）では、溶湯１０の温度延いては流動性が低下して所定の流動性になった時点（流動する液相が所定に残っている時点；所定の固相率の半凝固金属スラリーが得られた時点）で、電磁攪拌を停止する。

次に、ステップ３（Ｓ３）では、所定時間、半凝固金属スラリー（半凝固金属材料）１０を沈静させた後、専用の容器搬送装置（図示せず）でスラリー容器１を所定の位置まで移動し、転倒させて半凝固金属スラリー１０をスラリー容器１から排出する。半凝固スラリー１０を直接プレス機械の金型内に排出しても良いし、半凝固スラリー１０を一旦搬送アーム等に渡し、そのアームを金型内に移動させて、プレス機械の金型内に半凝固スラリー１０を供給するといったスラリー搬送装置を使用することもできる。

その後、ステップ４（Ｓ４）にて、半凝固金属スラリー１０は、下金型および上金型でプレス成形に供されて成形製品とされる。

使用済みのスラリー容器１は、スラリー容器清掃ステーションに送られ、必要に応じて冷却、清掃、離型剤塗布を経て再度利用する。

以上のように、実施例１に係る半凝固材料製造方法及び装置によれば、電磁攪拌により横回転方向流れを与えられているスラリー容器中の溶湯に対して、流動抑制装置２の一部を構成する流動抑制手段である底付管２ｂにより、スラリー容器１内の溶湯１０の層流の流れ（主流）にカルマン渦を発生させ乱流として層流方向の流速を減速させることで、過流による弊害（スラリー容器小径部における内壁への溶湯の流れ上がり（駆け上がり）や外部への飛び出しなど）を抑制することができる。

従って、実施例１によれば、比較的長細い（平面図（水平面）において縦横比が大きい）形状の半凝固スラリーを電磁攪拌により製造する場合であっても、良好に攪拌して均質な半凝固スラリーを製造することができる。

なお、実施例１では、金属溶湯１０の注湯器１００は中央に一箇所としたが、これに限定されるものはない。また、注湯器１００の形状は円形、楕円等、どのような形でも良い。

また、実施例１では、溶湯１０の注湯開始とともに、一定時間電磁撹拌を継続し、電磁撹拌の終了直後に流動制御装置２をスラリー容器１から取り外した後、半凝固スラリー（半凝固金属材料）を沈静させる構成とすることができるが、これに限らず、流動制御装置２の取り外しは、電磁撹拌終了後でも良いし、沈静後取り外しても良いものである。

実施例２は、比較的長細い（平面図（水平面）において縦横比が大きい）形状かつ複雑な形状の製品を得るための成形で用いる半凝固金属スラリーを製造することを想定しており、従来の方法であれば半凝固金属スラリーの流動性を高めて、流動距離を大きくする成形を行う必要があり、高品質の成形が困難であった製品であるが、これを半凝固金属スラリーの品質を高く維持しながら半凝固金属スラリーの形状を製品形状に近くすることで高品質な成形製品を得られるようにした例である。

実施例２では、比較的長細い（平面図（水平面）において縦横比が大きい）形状かつ複雑な形状の製品形状に近い半凝固金属スラリー（素材）を作るため、図４（Ａ）に示すように、イ字型（或いはＴ字型）のスラリー容器２０を使用した。

図４（Ａ）、（Ｂ）に示したように、スラリー容器２０のイ字型の斜め横方向に延在される長手方向部分２１の中心線は、両端が上方へ曲がる半径（Ｒ）３６０ｍｍの円の１／４周長に対応しており、かかる形状の長手方向部分２１は概略長さ５６０ｍｍ、幅４０ｍｍ、深さ約６０ｍｍで、両端部の小径部２０Ａ，２０ＢはＲ２０ｍｍの円弧形状として形成されている。

スラリー容器２０のイ字（Ｔ字）の縦線部分２２の中心線は、イ字の横線部分（長手方向部分２１）に対し４５度の傾きをもって交差し、縦線部分２２は、中心長さ１２５ｍｍ、幅４０ｍｍを持って、イ字の横線部分（長手方向部分２１）に接続されている。

接続部のコーナーは広角部２３がＲ２０ｍｍ、挟角部２４はＲ２５ｍｍの曲線とし、深さ６０ｍｍで最下端部の小径部２０ＣはＲ２０ｍｍの円弧形状とした。

スラリー容器２０の材質はＳＵＳ３０４で、図４（Ａ）、（Ｂ）に示したように、上面は開口し、深さ方向に抜き勾配（６度）があり、その他の面は塞がれ水漏れしない容器状となっている。

なお、スラリー容器２０の板厚は熱量計算によって底板、底縦壁のコーナー部、側壁部（充填深さより下部）、側壁飛散防止部（充填深さより上部）に分けて設定しても良いが、ここでは一定板厚として抜き勾配を６度としている。

実施例２では、電磁撹拌はリニア電磁撹拌装置６０を使用した。
そして、図５（Ａ）に示すように、イ字（Ｔ字）の横線部分（長手方向部分２１）の上側に沿って、左から右にＮ極とＳ極が移動する曲率半径Ｒ３２０ｍｍの凸曲線（スラリー容器２０に向かって凸）の周長２３０ｍｍと２１０ｍｍのリニア電磁コイル６１、６２を２か所設置した。

また、図５（Ａ）において、イ字（Ｔ字）の横線部分（長手方向部分２１）の下側に沿って、右から左にＮ極、Ｓ極が移動する曲率半径Ｒ４００ｍｍの凹曲線（スラリー容器２０に向かって凹）の２２０ｍｍ長のリニア電磁コイル６３を、右端部より中央方向に向けて（イ字（Ｔ字）の縦線部分２２に向けて）、１個設置した。

更に、図５（Ａ）において、イ字（Ｔ字）の横線部分（長手方向部分２１）の下側に沿って、左端部より中央方向に向けて（イ字（Ｔ字）の縦線部分２２に向けて）、同じ曲率半径Ｒ４００ｍｍの凹曲線（スラリー容器２０に向かって凹）の１８５ｍｍ長のリニア電磁コイル６４を、１個設置した。

更に、図５（Ａ）において、イ字（Ｔ字）の縦線部分２２の左側には直線の７５ｍｍ長のリニア電磁コイル６５を上から下方向にＮ極、Ｓ極が移動するように設置した。

これらリニア電磁コイル６１〜６５は、全てスラリー容器２０の外壁から１０ｍｍ程度の間隙をもって設置した。

また、実施例２においても、過流動問題（スラリー容器小径部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃにおける内壁への溶湯の流れ上がり（駆け上がり）や外部への飛び出しなど）を防止するため、流動制御装置３０、３１、３２を設置した。

実施例２に係る流動制御装置３０、３１、３２は、実施例１と同様の考えに基づくもので、それぞれ、スラリー容器２０の端部（小径部）２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ付近上方に載置される蓋状部材３０ａ、３１ａ、３２ａと、該蓋状部材３０ａ、３１ａ、３２ａにそれぞれ取り付けられている底付管（有底鞘管）３０ｂ、３１ｂ、３２ｂと、を含んで構成されている。具体的な設置位置について、図５（Ａ）、（Ｂ）に一例を示している。

図５（Ａ）、（Ｂ）に示したように、蓋状部材３０ａ、３１ａ、３２ａに取り付けられている底付管（有底鞘管）３０ｂ、３１ｂ、３２ｂを、電磁攪拌により生じる溶湯１０の横方向回転流れＸの中であって、端部（小径部）２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃへの入り口手前（横方向回転流れＸの上流側）に設置することで、溶湯１０の横方向回転流れＸに衝突させて端部（小径部）２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃに進入する溶湯１０の流れに乱れを生じさせて溶湯１０の流速を抑えることで、流れ上がり（駆け上がり）を効果的に抑制することができる。

底付管（有底鞘管）３０ｂ、３１ｂ、３２ｂの設置位置（図５（Ａ）平面（水平面）における位置：平面位置）と、その下端３０ｂ１、３１ｂ１（３２ｂ１）の先端位置（深さ位置、図５（Ｂ）平面（垂直面）における位置、高さ方向位置）については、予め予備試験などにより、溶湯１０が過流動しスラリー容器２０から飛び出したり、飛沫の発生およびスラリー容器２０の内壁の高い位置まで溶湯が流れ上がり（駆け上がり）過ぎたりすることを抑制できることが確認された所定位置に調整（選択）されている。

実施例２においても、実施例１と同様、蓋状部材３０ａ、３１ａ、３２ａにはそれぞれ２本の底付管（有底鞘管）３０ｂ、３１ｂ、３２ｂが設けられているが、２本の底付管（有底鞘管）３０ｂ、３１ｂ、３２ｂの設置位置（図５（Ａ）平面（水平面）における位置：平面位置）は、外側（スラリー容器内壁側）の底付管２ｂはスラリー容器２０の内壁から１０ｍｍの位置に配設され、並列される内側の底付管とは１０ｍｍの間隔を取っている。

なお、実施例２における、電磁撹拌、溶湯の給湯、沈静、取出し、流動制御装置３０の取り外し、スラリー排出、スラリー容器２０の移動清掃等の手順は、実施例１のステップ１〜ステップ４にて説明した内容と同じである。

実施例２に係る半凝固材料製造方法及び装置によれば、電磁攪拌により横回転方向流れを与えられているスラリー容器中の溶湯に対して、流動抑制手段である底付管（有底鞘管）３０ｂ、３１ｂ、３２ｂにより、スラリー容器２０内の溶湯１０の層流の流れ（主流）にカルマン渦を発生させ乱流として層流方向の流速を減速させることで、過流による弊害（スラリー容器小径部における内壁への溶湯の流れ上がり（駆け上がり）や外部への飛び出しなど）を抑制することができる。

従って、実施例２によれば、比較的長細い（平面図において縦横比（長さ／幅）が大きい）形状かつ複雑な形状の製品形状に近い半凝固スラリー（素材）を電磁攪拌により製造する場合であっても、良好に攪拌して均質な半凝固スラリーを製造することができる。

以上のように、実施例１、２において、長小判型形状のスラリー容器２、イ字型（Ｔ字型）形状のスラリー容器２０のように、比較的細長い（平面図において縦横比が大きい）形状や複雑な形状で端部に小径部を有するスラリー容器にて半凝固スラリー（半凝固金属材料）を、横回転撹拌およびリニア方式撹拌の電磁撹拌によって製造する場合であっても、流動抑制手段を使うことにより、過流による弊害（スラリー容器小径部における内壁への溶湯の流れ上がり（駆け上がり）や外部への飛び出しなど）を抑制することができ、以って高品質の半凝固スラリーを製造することができる。

このことから、各種のプレス型に適応した形状の半凝固金属スラリーの製造が可能で、比較的細長い（平面図において縦横比（長さ／幅）が大きい）形状や複雑な形状であっても、良好に攪拌して均質で高品質な半凝固スラリーを製造することができるため、以って半凝固金属材料を用いても比較的細長い形状や複雑な形状の成形品を高品質に成形することができる。

実施例２にて使用したリニア電磁コイルの模式図を、リニア電磁コイル６４を代表として、図６に示す。
図６に示すように、リニア電磁コイル６４は、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相のコイルを集中巻にて巻線してあり、隣り合わせた３相の同種のコイルは互いに時計回り、反時計回りと異なる方向にて巻線を行っている。

すなわち、隣接する、例えばＵ１、Ｕ２（Ｖ１，Ｖ２；Ｗ１，Ｗ２）のコイルは異なる方向にて巻線を行っているため、電圧を印加するとＵ１、Ｕ２（Ｖ１，Ｖ２；Ｗ１，Ｗ２）はそれぞれ、Ｓ、Ｎ極、又は、Ｎ、Ｓ極となり、Ｕ１、Ｕ２（Ｖ１，Ｖ２；Ｗ１，Ｗ２）間にて磁界が発生し、溶湯（半凝固スラリー）１０をＵ１（Ｖ１，Ｗ１）→Ｕ２（Ｖ２，Ｗ２）、もしくは、Ｕ２（Ｖ２，Ｗ２）→Ｕ１（Ｖ１，Ｗ１）の方向へ移動させる力が生じる。

このようなレイアウトで、３相コイル（Ｕ、Ｖ、Ｗ）を、溶湯（半凝固スラリー）１０の流れ方向（横方向回転流れ）Ｘに沿って複数個（図６では２個を表示）設置することで、スラリー容器２０内の溶湯（半凝固スラリー）１０を移動（流動）させる力を発生させることができる。

上記各実施例では、固相率が約４０％〜７０％の半凝固金属スラリーを一例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明は、半凝固金属スラリーの固相率にかかわらず、溶湯に横方向回転（水平方向回転）を与える電磁攪拌において、過流による弊害（スラリー容器小径部における内壁への溶湯の流れ上がり（駆け上がり）や外部への飛び出しなど）を、流動抑制手段により抑制するものに適用可能である。

また、上記各実施例では、スラリー容器の形状を、長小判型、イ字型（Ｔ字型）を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、従来同様のバケツ型などの軸対象形状（円筒状・円錐台形状）などであっても、溶湯に横方向回転（水平方向回転）を与える電磁攪拌において、過流による弊害（スラリー容器小径部における内壁への溶湯の流れ上がり（駆け上がり）や外部への飛び出しなど）を、流動抑制手段により抑制するものに適用可能である。

以上で説明した実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは勿論である。

１ スラリー容器
１Ａ、１Ｂ 小径部
２ 流動抑制装置
２ａ１ 蓋状部材
２ａ２ 蓋状部材
２ｂ 底付管（有底鞘管）（本発明に係る流動抑制手段）
２ｂ１ 下端
１０ 溶湯（半凝固金属材料、半凝固金属スラリー）
２０ スラリー容器
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ 小径部
３０、３１、３２ 流動制御装置
３０ａ、３１ａ、３２ 蓋状部材
３０ｂ、３１ｂ、３２ｂ 底付管（有底鞘管）（本発明に係る流動抑制手段）
５０ 電磁撹拌装置
６０ リニア電磁撹拌装置
６１〜６５ リニア電磁コイル

Claims (7)

1. 金属材料の溶湯をスラリー容器に投入して半凝固金属材料を製造する半凝固金属材料の製造方法であって、
   電磁攪拌によりスラリー容器内の溶湯に横方向回転流れを与えると共に、
   スラリー容器上方から溶湯の横方向回転流れに交差するように溶湯中に挿入された状態の流動抑制手段により、溶湯の横方向回転流れに乱れを与えて溶湯の流動を抑制しつつ、
   半凝固金属材料を製造することを特徴とする半凝固金属材料の製造方法。
2. 前記流動抑制手段は、溶湯の横方向回転流れのスラリー容器の小径部への入口付近に配設されることを特徴とする請求項１に記載の半凝固金属材料の製造方法。
3. 金属材料の溶湯をスラリー容器に投入して半凝固金属材料を製造する半凝固金属材料の製造装置であって、
   電磁攪拌によりスラリー容器内の溶湯に横方向回転流れを与える電磁攪拌装置と、
   スラリー容器上方から溶湯の横方向回転流れに交差するように溶湯中に挿入された状態において、溶湯の横方向回転流れに乱れを与えて溶湯の流動を抑制する流動抑制手段と、
   を含んで構成したことを特徴とする半凝固金属材料の製造装置。
4. 前記流動抑制手段は、溶湯の横方向回転流れのスラリー容器の小径部への入口付近に配設されることを特徴とする請求項３に記載の半凝固金属材料の製造装置。
5. 前記流動抑制手段は、溶湯中に挿入された状態とされる棒状部材を含んで構成されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の半凝固金属材料の製造装置。
6. 前記棒状部材は、複数備えられることを特徴とする請求項５に記載の半凝固金属材料の製造装置。
7. 前記棒状部材は、内部に空間を有し、該空間に温度センサ或いは発熱手段の少なくとも一方が備えられることを特徴とする請求項３〜請求項６の何れか１つに記載の半凝固金属材料の製造装置。

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