JP2023037481A - アルミニウム合金鋳塊、およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、高い冷却速度を与えて金属組織を微細かつ均一化し、かつ鋳塊内部での金属組織の不均一化を抑制したアルミニウム合金鋳塊、およびその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】Ｃｕ：０．１５質量％～１．０質量％、Ｍｇ：０．６質量％～１．２質量％、Ｓｉ：０．９５質量％～１．３５質量％、Ｍｎ：０．４質量％～０．６質量％、Ｆｅ：０．１５質量％～０．７０質量％、Ｃｒ：０．０９質量％～０．２５質量％、Ｔｉ：０．０１２質量％～０．０３５質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金鋳塊であって、前記アルミニウム合金鋳塊の鋳造方向に対する直交断面における２次デンドライトアームスペーシングの最大値と最小値の差とが５μｍ～２０μｍの範囲であることを特徴とする。【選択図】図１
Description
本発明は、アルミニウム合金鋳塊、および水平連続鋳造装置を用いて製造されるアルミニウム合金鋳塊の製造方法に関するものである。
強度や耐久性に優れた高品質なアルミニウム合金鋳塊を製造する際には、微細かつ均一な金属組織を形成することが、優れた機械的性質、および安定した品質を得るために重要である。金属組織が粗大または不均一になると、均一な金属組織である場合と比較して、機械的性質が低下するとともに、こうしたアルミニウム合金鋳塊を用いて製造した最終製品の信頼性低下をもたらす懸念がある。
こうしたアルミニウム合金鋳塊は、鋳造工程において金属組織の構成が決まり、その構成は最終製品に至るまで受け継がれる。つまり、金属組織を微細かつ均一に作り込むためには、鋳造工程での金属組織の制御が非常に重要である。
従来、アルミニウム合金鋳塊の鋳造工程において、微細かつ均一な鋳造組織を得るためには、溶融させたアルミニウム合金（以下、溶湯と称する）に対してより高い冷却速度を与え、短時間で溶湯を冷却、固化させることが有効であるとされている。例えば、展伸用合金の製造方法に多く採用される連続鋳造法においては、溶湯と接触する鋳型を冷却することで溶湯を冷却する方式をとるために、鋳型自体の蓄熱によって、冷却速度を高めることに制約があった。
溶湯の冷却速度を高めるためには、鋳造する鋳塊そのものを薄肉化して、全体をより早く冷却、固化させる必要がある。しかしながら、鋳塊自体が薄肉化されすぎると、製品としての中型、ないし大型部材への成型が困難となり、最終製品の形状の自由度に制約が生じてしまうという課題があった。
また、冷却速度を単純に高めるだけでは、鋳塊の一部、特に表層付近においては微細かつ均一な金属組織を形成できるものの、こうした鋳塊の表層付近と鋳塊の中心部分との間で、冷却速度の相違によって金属組織の不均一性が大きくなってしまう。具体的には、結晶粒径や第二相粒子の分布に偏りが生じ、最終製品の特性に悪影響を及ぼすという懸念があった。
従来、鋳造条件や、鋳造装置の構成を改良することによって、均一な金属組織を持つ鋳塊を得ることが可能とされた鋳造装置、鋳造方法が知られている（例えば、特許文献１～４を参照）。
また、高い冷却速度を与えながらも金属組織の不均一化を抑制した薄板材を鋳造する方法も知られている（例えば、非特許文献１を参照）。更に、鋳造した線材に対して引抜き加工を施すことにより、均一な金属組織を持つ線材を得る方法も知られている（例えば、特許文献５を参照）。
従来、鋳造条件や、鋳造装置の構成を改良することによって、均一な金属組織を持つ鋳塊を得ることが可能とされた鋳造装置、鋳造方法が知られている（例えば、特許文献１～４を参照）。
また、高い冷却速度を与えながらも金属組織の不均一化を抑制した薄板材を鋳造する方法も知られている（例えば、非特許文献１を参照）。更に、鋳造した線材に対して引抜き加工を施すことにより、均一な金属組織を持つ線材を得る方法も知られている（例えば、特許文献５を参照）。
羽賀俊雄：鋳造工学，86 (2014)，1 48－53．
しかしながら、上述した特許文献１～５や非特許文献１の方法によって鋳造したアルミニウム合金鋳塊は、大断面である場合、金属組織の微細化、均一化が十分に達成されておらず、金属組織の一部で不均一な部分が残るという課題があった。
本発明は、高い冷却速度を与えて金属組織を微細かつ均一化し、かつ鋳塊内部での金属組織の不均一化を抑制したアルミニウム合金鋳塊、およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明者らは、金属組織の特性のうち、デンドライトアームスペーシング（以下、ＤＡＳと称する）に着目した。即ち、アルミニウム合金鋳塊の鋳造時の凝固過程においては、凝固によって生じるα－Ａｌ初晶は樹枝状結晶（デンドライト）形態を呈し、α－Ａｌデンドライトの生成と成長によって金属組織が形成される。ＤＡＳは鋳塊の凝固時の冷却速度と比例関係にあり、なおかつ光学顕微鏡法などの方法で簡便に測定できることから、鋳造直後における金属組織の特性の指標として用いることができる。本発明ではこのＤＡＳを適切な範囲に制御することによって、良好な機械的特性および信頼性を有するアルミニウム合金鋳塊を実現できることを見出した。
本発明は、上述した知見に基づいてなされたものであって、本発明のアルミニウム合金鋳塊は、Ｃｕ：０．１５質量％～１．０質量％、Ｍｇ：０．６質量％～１．２質量％、Ｓｉ：０．９５質量％～１．３５質量％、Ｍｎ：０．４質量％～０．６質量％、Ｆｅ：０．１５質量％～０．７０質量％、Ｃｒ：０．０９質量％～０．２５質量％、Ｔｉ：０．０１２質量％～０．０３５質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金鋳塊であって、前記アルミニウム合金鋳塊の鋳造方向に対する直交断面における２次デンドライトアームスペーシングの最大値と最小値の差とが５μｍ～２０μｍの範囲であることを特徴とする。
本発明によれば、ＤＡＳの最大値と最小値の差とが５μｍ～２０μｍの範囲であることによって、良好な機械的特性が得られ、かつ鋳造方向に対する直交断面が大きい（例えば、直径が１０ｍｍ～１００ｍｍの範囲）アルミニウム合金棒とすることができる。
また、本発明では、Ｂ：０．０００１質量％～０．０３質量％を更に含有してもよい。
また、本発明では、前記２次デンドライトアームスペーシングの標準偏差が５μｍ以下であってもよい。
本発明のアルミニウム合金鋳塊の製造方法は、前記各項に記載のアルミニウム合金鋳塊の製造方法であって、溶湯受部内のアルミニウム合金の溶湯を、中空部の中心軸が水平方向に沿うように配置された中空の鋳型の一端側から該鋳型の中空部に供給してアルミニウム合金鋳塊を製造する水平連続鋳造装置を用いて、前記鋳型の一端側から前記中空部に前記溶湯を連続して供給するとともに、前記中空部の内周面よりも外側に形成されて該内周面を冷却する冷却水を収容する冷却水キャビティに冷却水を供給し、前記内周面と、前記内周面に対して平行面を成す前記冷却水キャビティの内底面との間の前記鋳型の冷却壁部における単位面積当たりの熱流束値が１０×１０５Ｗ／ｍ２以上の条件で前記溶湯を冷却、凝固させてアルミニウム合金鋳塊を製造することを特徴とする。
また、本発明では、前記鋳型の冷却壁部の厚みは、０．５ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下の範囲になるように形成されていてもよい。
本発明によれば、高い冷却速度を与えて金属組織を微細かつ均一化し、かつ鋳塊内部での金属組織の不均一化を抑制したアルミニウム合金鋳塊、およびその製造方法を提供することが可能になる。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態のアルミニウム合金鋳塊、およびその製造方法について説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
（アルミニウム合金鋳塊）
本実施形態のアルミニウム合金鋳塊は、後述するアルミニウム合金鋳塊の製造方法によって鋳造された、断面円形のアルミニウム合金棒であり、その組成として、Ｃｕ：０．１５質量％～１．０質量％、Ｍｇ：０．６質量％～１．２質量％、Ｓｉ：０．９５質量％～１．３５質量％、Ｍｎ：０．４質量％～０．６質量％、Ｆｅ：０．１５質量％～０．７０質量％、Ｃｒ：０．０９質量％～０．２５質量％、Ｔｉ：０．０１２質量％～０．０３５質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物から構成されている。なお、上述した成分に加えて、更にＢ：０．０００１質量％～０．０３質量％を含有していてもよい。
本実施形態のアルミニウム合金鋳塊は、後述するアルミニウム合金鋳塊の製造方法によって鋳造された、断面円形のアルミニウム合金棒であり、その組成として、Ｃｕ：０．１５質量％～１．０質量％、Ｍｇ：０．６質量％～１．２質量％、Ｓｉ：０．９５質量％～１．３５質量％、Ｍｎ：０．４質量％～０．６質量％、Ｆｅ：０．１５質量％～０．７０質量％、Ｃｒ：０．０９質量％～０．２５質量％、Ｔｉ：０．０１２質量％～０．０３５質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物から構成されている。なお、上述した成分に加えて、更にＢ：０．０００１質量％～０．０３質量％を含有していてもよい。
こうしたアルミニウム合金棒は、鋳造方向に対する直交断面におけるＤＡＳの最大値と最小値の差とが５μｍ～２０μｍの範囲である。また、このＤＡＳの標準偏差が５μｍ以下であることが好ましい。
ここで、ＤＡＳの測定は、例えば非特許文献２に記載されたデンドライドの２次枝間隔の測定方法によって行うことができる。
非特許文献２：軽金属学会 鋳造・凝固部会：軽金属，38 (1998)，54-60．
図１に示すように、ＤＡＳは互いに隣接するデンドライドの２次アームの中心間距離である。こうしたＤＡＳの測定は、デンドライトの２次アームが発達し, アームが整列しているデンドライトが比較的多くあり, アーム間隔の測定に支障がない金属組織に適用できる。測定にあたっては、任意の観察面において、デンドライドの２次アームもしくは２次アームと判断されるアームが整列している部分を選択して測定する。
非特許文献２：軽金属学会 鋳造・凝固部会：軽金属，38 (1998)，54-60．
図１に示すように、ＤＡＳは互いに隣接するデンドライドの２次アームの中心間距離である。こうしたＤＡＳの測定は、デンドライトの２次アームが発達し, アームが整列しているデンドライトが比較的多くあり, アーム間隔の測定に支障がない金属組織に適用できる。測定にあたっては、任意の観察面において、デンドライドの２次アームもしくは２次アームと判断されるアームが整列している部分を選択して測定する。
本実施形態のアルミニウム合金棒は、ＤＡＳの最大値と最小値の差とが５μｍ～２０μｍの範囲であることによって、良好な機械的特性が得られ、かつ鋳造方向に対する直交断面が大きい（例えば、直径が１０ｍｍ～１００ｍｍの範囲）アルミニウム合金棒とすることができる。
ＤＡＳの最大値と最小値の差とが５μｍ未満である場合には、鋳塊を薄肉状にする必要があるため、適用可能な用途が限られてしまう。一方、ＤＡＳの最大値と最小値の差とが２０μｍを超えると、鋳塊内部における金属組織の不均一度合いが大きくなりすぎてしまい、鋳塊の機械的性質が悪化してしまう。
また、本実施形態のアルミニウム合金棒は、ＤＡＳの標準偏差が５μｍ以下であることによって、良好な機械的特性が得られ、かつ鋳造方向に対する直交断面が大きい（例えば、直径が１０ｍｍ～１００ｍｍの範囲）アルミニウム合金棒とすることができる。ＤＡＳの標準偏差が５μｍを超えると、鋳塊内部における金属組織の不均一度合いが大きくなりすぎてしまい、鋳塊の機械的性質が悪化してしまう。
（アルミニウム合金鋳塊の製造方法）
次に、上述したような２次デンドライトアームスペーシングを有するアルミニウム合金棒（アルミニウム合金鋳塊）の製造方法を説明する。
上述したアルミニウム合金棒は、例えば、中心軸がほぼ水平（ほぼ水平とは、横方向のことである。）となるよう保持され、冷却手段を備えた中空の筒状鋳型を用いる水平連続鋳造法で製造され、直径が、例えば１０ｍｍ～１００ｍｍの範囲にすることができる。
次に、上述したような２次デンドライトアームスペーシングを有するアルミニウム合金棒（アルミニウム合金鋳塊）の製造方法を説明する。
上述したアルミニウム合金棒は、例えば、中心軸がほぼ水平（ほぼ水平とは、横方向のことである。）となるよう保持され、冷却手段を備えた中空の筒状鋳型を用いる水平連続鋳造法で製造され、直径が、例えば１０ｍｍ～１００ｍｍの範囲にすることができる。
アルミニウム合金棒は、こうした直径範囲以外でも対応は可能であるが、工業的に後工程の塑性加工、例えば、鍛造、ロールフォージング、引抜き加工、転動加工、インパクト加工等の設備を小規模、かつ、安価とするため、直径を１０ｍｍ～１００ｍｍの範囲にするのが好ましい。直径を変更して鋳造する場合は、直径に対応する内径を有する着脱可能な筒状鋳型に交換し、それに合わせて溶湯温度、鋳造速度を変更することで対応可能である。冷却水量、潤滑油量の設定も必要に応じて変更すればよい。
こうしたアルミニウム合金棒は、例えば、後工程の塑性加工、例えば、鍛造、ロールフォージング、引抜き加工、転動加工、インパクト加工等の素材として用いられる。あるいは、バーマシニングやドリリング加工などの機械加工等の素材として用いることもできる。
図２は本発明のアルミニウム合金鋳塊を製造するための水平連続鋳造装置の鋳型付近の一例を示す断面図である。
本実施形態の水平連続鋳造装置１０は、溶湯受部（タンディッシュ）１１と、中空筒状の鋳型１２と、この鋳型１２の一端側１２ａと溶湯受部１１との間に配される耐火物製板状体（断熱部材）１３と、を有している。
本実施形態の水平連続鋳造装置１０は、溶湯受部（タンディッシュ）１１と、中空筒状の鋳型１２と、この鋳型１２の一端側１２ａと溶湯受部１１との間に配される耐火物製板状体（断熱部材）１３と、を有している。
溶湯受部１１は、外部の溶解炉等によって規定の合金成分に調整されたアルミニウム合金の溶湯（以下、合金溶湯と称する）Ｍを受ける溶湯流入部１１ａ、溶湯保持部１１ｂ、鋳型１２の中空部２１への流出部１１ｃから構成されている。溶湯受部１１は、合金溶湯Ｍの上液面のレベルを鋳型１２の中空部２１の上面よりも高い位置に維持し、かつ、多連鋳造の場合には、それぞれの鋳型１２に合金溶湯Ｍを安定的に分配するものである。
溶湯受部１１内の溶湯保持部１１ｂに保持された合金溶湯Ｍは、耐火物製板状体１３に設けられた注湯用通路１３ａから鋳型１２の中空部２１内に注湯される。そして、中空部２１内に供給された合金溶湯Ｍは、後述する冷却装置２３によって冷却されて固化し、凝固鋳塊であるアルミニウム合金棒Ｂとして、鋳型１２の他端側１２ｂから引き出される。
鋳型１２の他端側１２ｂには、鋳造されたアルミニウム合金棒Ｂを一定速度で引き出す引出駆動装置（図示略）が設置されていればよい。また、連続して引き出されたアルミニウム合金棒Ｂを任意の長さに切断する同調切断機（図示略）が設置されていることも好ましい。
耐火物製板状体１３は、溶湯受部１１と鋳型１２との間の熱移動を遮断する部材であり、例えば、ケイ酸カルシウム、アルミナ、シリカ、アルミナとシリカの混合物、窒化珪素、炭化珪素、グラファイト等の材料で構成されていても良い。こうした耐火物製板状体１３は、互いに構成材料の異なる複数の層から構成することもできる。
鋳型１２は、本実施形態では中空円筒状の部材であり、例えば、アルミニウム、銅、もしくはそれらの合金から選ばれる１種または２種以上の組み合わせた材料から形成されている。こうした鋳型１２の材料は、熱伝導性、耐熱性、機械強度の点から最適な組み合わせを選択すればよい。
鋳型１２の中空部２１は、鋳造するアルミニウム合金棒Ｂを円筒棒状にするために断面円形に形成されており、この中空部２１の中心を通る鋳型中心軸（中心軸）Ｃがほぼ水平方向に沿うように鋳型１２が保持されている。
鋳型１２の中空部２１の内周面２１ａは、アルミニウム合金棒Ｂの鋳造方向（図５を参照）に向けて鋳型中心軸Ｃに対して０度～３度（より好ましくは０度～１度。）の仰角で形成されている。すなわち、内周面２１ａは鋳造方向に向かってコーン状に開いたテーパー状に構成されている。そしてそのテーパーのなす角度が仰角である。
仰角が０度未満ではアルミニウム合金棒Ｂが鋳型１２から引き出される際に鋳型出口である他端側１２ｂで抵抗を受けるために鋳造が困難になる。一方、仰角が３度を越えると、内周面２１ａの合金溶湯Ｍへの接触が不充分になり、合金溶湯Ｍやこれが冷却固化した凝固殻から鋳型１２への抜熱効果が低下することによって凝固が不十分になる懸念がある。その結果、アルミニウム合金棒Ｂの表面に再溶融肌が生じ、または、アルミニウム合金棒Ｂの端部から未凝固の合金溶湯Ｍが噴出するなどの鋳造トラブルにつながる可能性が高くなるので好ましくない。
なお、鋳型１２の中空部２１の断面形状（鋳型１２の中空部２１を他端側２１ｂから見たときの平面形状）は、本実施形態の円形以外にも、例えば、三角形や矩形断面形状、多角形、半円、楕円もしくは対称軸や対称面を持たない異形断面形状を有した形状など、鋳造するアルミニウム合金棒の形状に合わせて選択されればよい。
鋳型１２の一端側１２ａには、鋳型１２の中空部２１内に潤滑流体を供給する流体供給管２２が配置されている。流体供給管２２から供給される潤滑流体としては、気体潤滑材、液体潤滑材から選ばれるいずれか１種または２種以上の潤滑流体とすることができる。気体潤滑材と液体潤滑材を両方供給する場合には、それぞれ流体供給管を別々に設けることが好ましい。流体供給管２２から加圧供給された潤滑流体は、環状の潤滑材供給口２２ａを通って鋳型１２の中空部２１内に供給される。
本実施形態では、圧送された潤滑流体が潤滑材供給口２２ａから鋳型１２の内周面２１ａに供給される。なお、液体潤滑材は加熱されて分解気体となって、鋳型１２の内周面２１ａに供給される構成であってもよい。また、潤滑材供給口２２ａに多孔質材料を配して、この多孔質材料を介して潤滑流体を鋳型１２の内周面２１ａに滲出させる構成であってもよい。
鋳型１２の内部には、合金溶湯Ｍを冷却、固化させる冷却手段である冷却装置２３が形成されている。本実施形態の冷却装置２３は、鋳型１２の中空部２１の内周面２１ａを冷却するための冷却水Ｗを収容する冷却水キャビティ２４と、この冷却水キャビティ２４と鋳型１２の中空部２１とを連通させる冷却水噴射通路２５とを有している。
冷却水キャビティ２４は、鋳型１２の内部で中空部２１の内周面２１ａよりも外側に、中空部２１を取り巻くように環状に形成され、冷却水供給管２６を介して冷却水Ｗが供給される。
鋳型１２は、冷却水キャビティ２４に収容される冷却水Ｗによって内周面２１ａが冷却されることにより、鋳型１２の中空部２１内に充満した合金溶湯Ｍの熱を鋳型１２の内周面２１ａに接触する面から奪って、合金溶湯Ｍの表面に凝固殻を形成させる。
鋳型１２は、冷却水キャビティ２４に収容される冷却水Ｗによって内周面２１ａが冷却されることにより、鋳型１２の中空部２１内に充満した合金溶湯Ｍの熱を鋳型１２の内周面２１ａに接触する面から奪って、合金溶湯Ｍの表面に凝固殻を形成させる。
また、冷却水噴射通路２５は、中空部２１に臨むシャワー開口２５ａから、鋳型１２の他端側１２ｂにおいてアルミニウム合金棒Ｂに向けて直接、冷却水を当ててアルミニウム合金棒Ｂを冷却する。こうした冷却水噴射通路２５の縦断面形状は、本実施形態の円状以外にも、例えば、半円、洋ナシ形状、馬蹄形状であってもよい。
なお、本実施形態では、冷却水供給管２６を介して供給される冷却水Ｗをまず冷却水キャビティ２４に収容して鋳型１２の中空部２１の内周面２１ａの冷却を行い、さらに冷却水キャビティ２４の冷却水Ｗを冷却水噴射通路２５からアルミニウム合金棒Ｂに向けて噴射しているが、これらをそれぞれ別系統の冷却水供給管によって供給する構成にすることもできる。
冷却水噴射通路２５のシャワー開口２５ａの中心軸の延長線が、鋳造されたアルミニウム合金棒Ｂの表面に当たる位置から、鋳型１２と耐火物製板状体１３との接触面までの長さを有効モールド長Ｌと称し、この有効モールド長Ｌは、例えば、１０ｍｍ～４０ｍｍであるのが好ましい。この有効モールド長Ｌが、１０ｍｍ未満では、良好な皮膜が形成されない等から鋳造不可となり、４０ｍｍを超えると、強制冷却の効果が無く、鋳型壁による凝固が支配的になって、鋳型１２と合金溶湯Ｍもしくはアルミニウム合金棒Ｂとの接触抵抗が大きくなって、鋳肌に割れが生じたり、鋳型内部で千切れたりする等、鋳造が不安定になるので好ましくない。
これら冷却水キャビティ２４への冷却水の供給や、冷却水噴射通路２５のシャワー開口２５ａからの冷却水の噴射は、制御装置（図示略）からの制御信号によってそれぞれ動作を制御できることが好ましい。
冷却水キャビティ２４は、鋳型１２の中空部２１寄りの内底面２４ａが、鋳型１２の中空部２１の内周面２１ａに対して、互いに平行面になるように形成されている。なお、ここでいう平行とは、冷却水キャビティ２４の内底面２４ａに対して、鋳型１２の中空部２１の内周面２１ａが０度～３度の仰角で形成されている場合、すなわち、内底面２４ａが内周面２１ａに対して０度を超えて３度まで傾斜している場合も含む。
図３に示すように、こうした冷却水キャビティ２４の内底面２４ａと鋳型１２の中空部２１の内周面２１ａとが対向する部分である鋳型１２の冷却壁部２７は、中空部２１の合金溶湯Ｍから冷却水キャビティ２４の冷却水Ｗに向かう単位面積当たりの熱流束値が１０×１０５Ｗ／ｍ２以上、５０×１０５Ｗ／ｍ２以下の範囲になるように形成されている。
こうした鋳型１２の冷却壁部２７の厚みｔ、即ち冷却水キャビティ２４の内底面２４ａと鋳型１２の中空部２１の内周面２１ａとの間隔が、例えば、０．５ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下、好ましくは０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下の範囲になるように鋳型１２が形成されていればよい。また、鋳型１２の少なくとも冷却壁部２７の熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、４００Ｗ／ｍ・Ｋ以下の範囲なるように、鋳型１２の形成材料が選択されればよい。
図３において、溶湯受部１１中の合金溶湯Ｍは、耐火物製板状体１３を経て鋳型中心軸Ｃがほぼ水平になるように保持された鋳型１２の一端側１２ａから供給され、鋳型１２の他端側１２ｂで強制冷却されてアルミニウム合金棒Ｂとなる。アルミニウム合金棒Ｂは鋳型１２の他端側１２ｂ近くに設置された引出駆動装置（図示略）によって一定速度で引き出されるため、連続的に鋳造されて長尺のアルミニウム合金棒Ｂが形成される。引き出されたアルミニウム合金棒Ｂは、例えば、同調切断機（図示略）によって所望の長さに切断される。
溶湯受部１１内に貯留するアルミニウム合金の合金溶湯Ｍの組成は、上述したアルミニウム合金棒の組成と同じように、Ｃｕ：０．１５質量％～１．０質量％、Ｍｇ：０．６質量％～１．２質量％、Ｓｉ：０．９５質量％～１．３５質量％、Ｍｎ：０．４質量％～０．６質量％、Ｆｅ：０．１５質量％～０．７０質量％、Ｃｒ：０．０９質量％～０．２５質量％、Ｔｉ：０．０１２質量％～０．０３５質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるものであればよい。Ｂ：０．０００１質量％～０．０３質量％を更に含有していてもよい。
なお、鋳造されたアルミニウム合金棒Ｂの組成比は、例えば、ＪＩＳ Ｈ １３０５に記載されているような光電測光式発光分光分析装置（装置例：日本島津製作所製ＰＤＡ－５５００）による方法で確認できる。
溶湯受部１１内に貯留された合金溶湯Ｍの液面レベルの高さと、鋳型１２の上側の内周面２１ａとの高さの差は、０ｍｍ～２５０ｍｍ（より好ましくは５０ｍｍ～１７０ｍｍ。）とするのが好ましい。こうした範囲にすることで、鋳型１２内に供給される合金溶湯Ｍの圧力と潤滑油および潤滑油が気化したガスとが好適にバランスするために鋳造性が安定する。
液体潤滑材は、潤滑油である植物油を用いることができる。例えば、菜種油、ひまし油、サラダ油を挙げることができる。これらは環境への悪影響が小さいので好ましい。
潤滑油供給量は０．０５ｍＬ／分～５ｍＬ／分（より好ましくは０．１ｍＬ／分～１ｍＬ／分。）であるのが好ましい。供給量が過少だと、潤滑不足によってアルミニウム合金棒Ｂの合金溶湯が固まらずに鋳型から漏れる恐れがある。供給量が過多だと、余剰分がアルミニウム合金棒Ｂ中に混入して内部欠陥となる恐れがある。
鋳型１２からアルミニウム合金棒Ｂを引抜く速度である鋳造速度は２００ｍｍ／分～１５００ｍｍ／分（より好ましくは４００ｍｍ／分～１０００ｍｍ／分。）であるのが好ましい。それは、この範囲の鋳造速度であれば、鋳造で形成される晶出物のネットワーク組織が均一微細となり、高温下でのアルミニウム生地の変形に対する抵抗が増し、高温機械的強度が向上するためである。
冷却水噴射通路２５のシャワー開口２５ａから噴射される冷却水量は鋳型当り１０Ｌ／分～５０Ｌ／分（より好ましくは２５Ｌ／分～４０Ｌ／分。）であるのが好ましい。冷却水量がこれよりも少ないと、合金溶湯が固まらずに鋳型から漏れる恐れがある。また、鋳造したアルミニウム合金棒Ｂの表面が再溶融して不均一な組織が形成され、内部欠陥として残存する恐れがある。一方、冷却水量がこの範囲よりも多い場合、鋳型１２の抜熱が大き過ぎて途中で凝固してしまう恐れがある。
溶湯受部１１内から鋳型１２へ流入する合金溶湯Ｍの平均温度は、例えば、６５０℃～７５０℃（より好ましくは６８０℃～７２０℃。）であるのが好ましい。合金溶湯Ｍの温度が低すぎると、鋳型１２およびその手前で粗大な晶出物を形成してアルミニウム合金棒Ｂの内部に内部欠陥として取り込まれる。一方、合金溶湯Ｍの温度が高すぎると、合金溶湯２５５中に大量の水素ガスが取り込まれやすく、アルミニウム合金棒Ｂ中にポロシティーとして取り込まれ、内部の空洞となる恐れがある。
そして、本実施形態のように、鋳型１２の冷却壁部２７において、中空部２１の合金溶湯Ｍから冷却水キャビティ２４の冷却水Ｗに向かう単位面積当たりの熱流束値が１０×１０５Ｗ／ｍ２以上、５０×１０５Ｗ／ｍ２以下の範囲にすることによって、アルミニウム合金棒Ｂの焼き付きが発生することを防止できる。
鋳型１２の冷却壁部２７は、合金溶湯Ｍからの抜熱によって熱を受け、この熱を冷却水キャビティ２４に収容される冷却水Ｗで冷却することで熱交換を行っているが、この熱交換の状態について、図４に示す説明図のように、単位面積あたりの熱流束に着目した。
単位面積あたりの熱流束は、フーリエの法則にて以下の式（１）で表される。
Ｑ＝－ｋ×（（Ｔ１－Ｔ２／Ｌ）・・・（１）
Ｑ：熱流束
ｋ：熱を通過する箇所（本実施形態では鋳型１２の冷却壁部２７）の熱伝導率(W/m・K)
Ｔ１：熱が通過する箇所の低温側温度（本実施形態では冷却水キャビティ２４の内底面２４ａ）
Ｔ２：熱が通過する箇所の高温側温度（本実施形態では鋳型１２の中空部２１の内周面２１ａ）
Ｌ：熱が通過する箇所の区間長さ(mm) （本実施形態では鋳型１２の冷却壁部２７の厚みｔ）
単位面積あたりの熱流束は、フーリエの法則にて以下の式（１）で表される。
Ｑ＝－ｋ×（（Ｔ１－Ｔ２／Ｌ）・・・（１）
Ｑ：熱流束
ｋ：熱を通過する箇所（本実施形態では鋳型１２の冷却壁部２７）の熱伝導率(W/m・K)
Ｔ１：熱が通過する箇所の低温側温度（本実施形態では冷却水キャビティ２４の内底面２４ａ）
Ｔ２：熱が通過する箇所の高温側温度（本実施形態では鋳型１２の中空部２１の内周面２１ａ）
Ｌ：熱が通過する箇所の区間長さ(mm) （本実施形態では鋳型１２の冷却壁部２７の厚みｔ）
鋳造時に潤滑油量を減らしても良好な結果が得られた鋳型材質、厚み、測温データに基づいて、単位面積当たりの熱流束値が１０×１０５Ｗ／ｍ２以上になるように鋳型１２の冷却壁部２７を構成することで、鋳造したアルミニウム合金棒Ｂの焼き付きを防止することができる。また、単位面積当たりの熱流束値が５０×１０５Ｗ／ｍ２以下にすることが好ましい。
鋳型１２の冷却壁部２７をこうした熱流束値の範囲にするために、鋳型１２の冷却壁部２７の厚みｔを例えば、０．５ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下の範囲になるように鋳型１２を形成すればよい。また、鋳型１２の少なくとも冷却壁部２７の熱伝導率を１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、４００Ｗ／ｍ・Ｋ以下の範囲にすればよい。
本発明の一実施形態のアルミニウム合金棒を製造する際には、上述した水平連続鋳造装置を用いて、溶湯受部１１内に貯留された合金溶湯Ｍを、鋳型１２の一端側１２ａから中空部２１内に連続して供給する。また、冷却水キャビティ２４に冷却水Ｗを供給するとともに、流体供給管２２から潤滑流体、例えば潤滑油を供給する。
そして、中空部２１内に供給された合金溶湯Ｍを、冷却壁部２７における単位面積当たりの熱流束値が１０×１０５Ｗ／ｍ２以上の条件で冷却、凝固させてアルミニウム合金棒Ｂを鋳造する。また、アルミニウム合金棒Ｂを鋳造時において、冷却水Ｗによって冷却される鋳型１２の冷却壁部２７の壁面温度を１００℃以下にすることが好ましい。
こうして得られるアルミニウム合金棒Ｂは、冷却壁部２７における単位面積当たりの熱流束値が１０×１０５Ｗ／ｍ２以上の条件で冷却、凝固させることによって、潤滑油のガスと合金溶湯Ｍとの接触による反応生成物、例えば炭化物の固着が抑制される。これにより、アルミニウム合金棒Ｂの表面の炭化物等を切削除去する必要が無く、高収率でアルミニウム合金棒Ｂを製造することができる。
以上のように、本実施形態のアルミニウム合金鋳塊の製造方法によれば、冷却水キャビティ２４の内底面２４ａと鋳型１２の中空部２１の内周面２１ａとが対向する、鋳型１２の冷却壁部２７の単位面積当たりの熱流束値が１０×１０５Ｗ／ｍ２以上になるようにすることによって、鋳造方向に対する直交断面におけるＤＡＳの最大値と最小値の差とが５μｍ～２０μｍの範囲であり、また、このＤＡＳの標準偏差が５μｍ以下である、鋳塊内部における金属組織の不均一度合いが小さい、機械的な特性に優れたアルミニウム合金鋳塊を実現することができる。
なお、本発明のようなアルミニウム合金鋳塊の鋳造方向に対する直交断面における２次デンドライトアームスペーシングの最大値と最小値の差とが５μｍ～２０μｍの範囲であるアルミニウム合金鋳塊の製造方法は、上述したような水平連続鋳造法に限定されるものではなく、垂直連続鋳造法など公知の連続鋳造法を用いることもできる。また、最終製品の信頼性向上のために、溶湯に対して脱ガス処理やフイルター処理を適宜行うことも好ましい。
以上、本発明の実施形態を説明したが、こうした実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。こうした実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
本発明の効果を検証した。
検証にあたっては、図２に示す構造の水平連続鋳造装置１０を用いて、表１に示す組成の溶湯から、直径４９ｍｍの円形断面を有するアルミニウム合金鋳塊（アルミニウム合金棒）を鋳造した。なお、水平連続鋳造装置１０の鋳型の形成材料を純アルミニウムにしたものを実施例、ポーラスグラファイトにしたものを比較例とした。
検証にあたっては、図２に示す構造の水平連続鋳造装置１０を用いて、表１に示す組成の溶湯から、直径４９ｍｍの円形断面を有するアルミニウム合金鋳塊（アルミニウム合金棒）を鋳造した。なお、水平連続鋳造装置１０の鋳型の形成材料を純アルミニウムにしたものを実施例、ポーラスグラファイトにしたものを比較例とした。
実施例、比較例のアルミニウム合金棒は、図５に示すように、鉛直方向に沿って上端５ｍｍ、下端５ｍｍの範囲を取り除き、上部、中央部、下部の３つの領域のそれぞれについて、３視野でＤＡＳを測定し、標準偏差を算出した。
ＤＡＳの測定は、上述した非特許文献２に規定された２次枝法に準拠して行った。この２次枝法は、デンドライトの２次アームが発達し、アームが整列しているデンドライトが比較的多く見られる、アーム間隔の測定に支障がない組織に適用する。ＤＡＳの測定は、上述の方法で得られたアルミニウム合金棒を鋳造方向に対して直行する方向に切断した円形断面において行った。
こうした測定面に対する前処理として、エメリー紙研磨、ダイヤモンドペースト研磨、コロイダルシリカ懸濁液によるバフ研磨を順に行うことで鏡面仕上げを行い、さらにバーカーエッチングによって結晶粒界を現出させた。光学顕微鏡観察は１００倍に拡大して行い、デンドライトが明瞭に観察される箇所を測定対象とした。
ここで、水平連続鋳造装置１０で得られたアルミニウム合金棒の表層から１０ｍｍ程度の領域は、モールド内に流入した溶湯が急冷されることで凝固殻が形成されるために、中心の等軸晶領域とは異なる凝固組織が形成される。一般的な傾向として、鋳塊最表面から５ｍｍまでの位置においては、上述した２次枝法によるＤＡＳ測定に適した組織は得られないため、図５に示すように、上端および下端からそれぞれ５ｍｍの領域は除き、上端から５ｍｍ位置～１０ｍｍ位置までの上部、中心部、下端から５ｍｍ位置～１０ｍｍ位置までの下部の３つの領域に分割し、それぞれの領域においてＤＡＳの測定を行った。
ＤＡＳの測定対象とする視野は３本以上の２次アームが明瞭に観察される結晶粒が３つ含まれる視野とした。図１に示すように、整列したそれぞれのアームの中心を結ぶ線分を引き、式２に示すように、線分と各アームの中心との交点数ｎｉでその線分長さｌｉを除することでＤＡＳを算出した。
ＤＡＳ＝Σｉｌｉ／Σｉｎｉ・・・（２）
ＤＡＳ＝Σｉｌｉ／Σｉｎｉ・・・（２）
測定は、１つの領域ごとにランダムに選んだ３視野においてＤＡＳを測定し、１つの試料に対しては計９箇所のＤＡＳ測定を行った。これらの測定結果より、最大値と最小値の差異、そして標準偏差を算出した。
こうした結果を表２に示す。
こうした結果を表２に示す。
次に、鋳造した実施例および比較例のそれぞれのアルミニウム合金棒について、機械的性質を評価した。
機械的性質の評価は、それぞれのアルミニウム合金棒について、表３に示す条件で均質化処理、溶体化処理、人工時効処理をそれぞれ行った。
機械的性質の評価は、それぞれのアルミニウム合金棒について、表３に示す条件で均質化処理、溶体化処理、人工時効処理をそれぞれ行った。
この人工時効後における機械的特性については、以下に示す手順で評価した。すなわち、人工時効処理後のアルミニウム合金棒から、標点間距離２５．４ｍｍ、平行部直径６．４ｍｍの試験片を採取し、常温（２５ ℃）において２ｍｍ／ｍｉｎの速度で引張試験を行うことによって、引張強度、０．２％耐力、破線伸びを測定した。こうした結果を表４に示す。
表４に示す結果によれば、アルミニウム合金鋳塊の鋳造方向に対する直交断面における２次デンドライトアームスペーシングの最大値と最小値の差とが５μｍ～２０μｍの範囲になるように鋳造した実施例のアルミニウム合金棒は、常温での機械的な特性が比較例よりも優れていることが確認された。すなわち、本発明の製造方法によって、機械的特性に優れたアルミニウム合金鋳塊が得る事が可能になる。
１０…水平連続鋳造装置
１１…溶湯受部（タンディッシュ）
１２…鋳型
１３…耐火物製板状体（断熱部材）
２１…中空部
２１ａ…内周面
２３…冷却装置
２４…冷却水キャビティ
２４ａ…内底面
２５…冷却水噴射通路
２６…冷却水供給管
２７…冷却壁部
Ｂ…アルミニウム合金棒
Ｍ…合金溶湯
Ｗ…冷却水
１１…溶湯受部（タンディッシュ）
１２…鋳型
１３…耐火物製板状体（断熱部材）
２１…中空部
２１ａ…内周面
２３…冷却装置
２４…冷却水キャビティ
２４ａ…内底面
２５…冷却水噴射通路
２６…冷却水供給管
２７…冷却壁部
Ｂ…アルミニウム合金棒
Ｍ…合金溶湯
Ｗ…冷却水
Claims (5)
- Ｃｕ：０．１５質量％～１．０質量％、Ｍｇ：０．６質量％～１．２質量％、Ｓｉ：０．９５質量％～１．３５質量％、Ｍｎ：０．４質量％～０．６質量％、Ｆｅ：０．１５質量％～０．７０質量％、Ｃｒ：０．０９質量％～０．２５質量％、Ｔｉ：０．０１２質量％～０．０３５質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金鋳塊であって、
前記アルミニウム合金鋳塊の鋳造方向に対する直交断面における２次デンドライトアームスペーシングの最大値と最小値の差とが５μｍ～２０μｍの範囲であることを特徴とするアルミニウム合金鋳塊。 - Ｂ：０．０００１質量％～０．０３質量％を更に含有することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金鋳塊。
- 前記２次デンドライトアームスペーシングの標準偏差が５μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のアルミニウム合金鋳塊。
- 請求項１から３のいずれか一項に記載のアルミニウム合金鋳塊の製造方法であって、
溶湯受部内のアルミニウム合金の溶湯を、中空部の中心軸が水平方向に沿うように配置された中空の鋳型の一端側から該鋳型の中空部に供給してアルミニウム合金鋳塊を製造する水平連続鋳造装置を用いて、
前記鋳型の一端側から前記中空部に前記溶湯を連続して供給するとともに、前記中空部の内周面よりも外側に形成されて該内周面を冷却する冷却水を収容する冷却水キャビティに冷却水を供給し、
前記内周面と、前記内周面に対して平行面を成す前記冷却水キャビティの内底面との間の前記鋳型の冷却壁部における単位面積当たりの熱流束値が１０×１０５Ｗ／ｍ２以上の条件で前記溶湯を冷却、凝固させてアルミニウム合金鋳塊を製造することを特徴とするアルミニウム合金鋳塊の製造方法。 - 前記鋳型の冷却壁部の厚みは、０．５ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下の範囲になるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載のアルミニウム合金鋳塊の製造方法。
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