JP2804361B2 - 半凝固金属製造方法 - Google Patents

半凝固金属製造方法

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JP2804361B2 JP2238871A JP23887190A JP2804361B2 JP 2804361 B2 JP2804361 B2 JP 2804361B2 JP 2238871 A JP2238871 A JP 2238871A JP 23887190 A JP23887190 A JP 23887190A JP 2804361 B2 JP2804361 B2 JP 2804361B2
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克浩 竹林
隆二 山口
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は非樹枝状初晶が金属融体中に分散した固体−
液体金属混合物(簡単のため単に半凝固金属と呼ぶ)を
安定に製造する方法に関するものである。
(従来の技術) 半凝固金属を製造する方法には、例えば特公昭56−20
944号公報に開示されているように、溶融金属(一般に
は合金)を円筒状の冷却撹拌槽内において撹拌子の高速
回転により冷却しながら激しく撹拌して、溶融金属中に
生成しつつある樹枝状晶を、その枝部が消失ないし縮小
して丸みを帯びた形態に変え、これを分散させて金属融
体中に混在するようにしたスラリー状半凝固金属とし、
冷却撹拌槽の底部ノズルから連続的に排出するか、また
は連続的な排出はせずに上記スラリー状半凝固金属の冷
却撹拌過程を一回終える度毎に排出し再度の注入を繰り
返し行うことなども知られている。
この冷却中の撹拌方法としては撹拌子による上記のよ
うな機械的撹拌の他にも、冷却撹拌槽内の溶融金属を電
磁気的に撹拌する電磁撹拌方法も知られている。
これらの方法によって半凝固金属の製造は可能である
が、いずれの方法にあっても目標とする固相率(fs)と
固液共存状態における単位時間当たりの固相率の増加速
度(簡単のため単に固化速度に呼ぶ。)およびその撹拌
速度によって左右される流体の単位距離当たりの速度変
化の平均値(簡単のために単に剪断歪速度と呼ぶ。)に
よって、できた半凝固金属の流動性が異なり、同一の固
相率(fs)であっても槽内の半凝固金属の流動停止を来
して排出不能や凝固閉塞の問題を生じるなどの安定した
半凝固金属の製造を困難にすることが明らかになった。
(発明が解決しようとする課題) 半凝固金属の流動性は一般にスラリー状半凝固金属の
全体積中に占める固相金属の体積の全体積に対する比で
あらわした固相率が高くなると悪くなり、ある固相率以
上、通常は0.65程度以上では、半凝固金属の製造装置か
ら次工程の多段半凝固金属製造装置や鋳造装置、ないし
保持装置、あるいは加工装置への排出や移送ができなく
なって、該半凝固金属製造装置内での流動停止や閉塞凝
固等による排出不能や問題が発生する。
そればかりでなく連続的に冷却しながら半凝固金属を
製造するに当たって、固相率(fs)が0.65以下であって
も凝固中の固化速度が大きいほど、また剪断歪速度が小
さいほど流動性が悪くなることがわかった。すなわち半
凝固金属の安定した製造ないしは次工程の多段半凝固金
属製造装置や鋳造装置、保持装置および加工装置への安
定した排出移送を行うためには、半凝固金属の固相率、
凝固中の固化速度のみならず断歪速度が流動性(粘性)
に及ぼす関係を明確にして、冷却下における半凝固金属
の固相率および冷却速度に見合った剪断歪速度の撹拌、
または剪断歪速度に見合った冷却速度を行い、流動性の
適正な管理を行う必要があるわけである。
(問題が解決するための手段) 種々の固化速度、撹拌条件でスラリー状半凝固金属の
製造実験を行い、該半凝固金属の流動性を確保すること
ができる固相率(fs)と固化速度と剪断歪速度の関係に
ついて解明し、次工程への安定な排出を可能ならしめる
ように該半凝固金属の固化速度の如何によって撹拌速度
の選択による必要剪断歪速度の確保や固相率(fs)を変
えること、または剪断歪速度の如何によって固化速度の
設定値や固相率(fs)を変えることによって上記問題が
有利に解決できるものである。
すなわち本発明は溶融金属を冷却撹拌層内に注入し、
その冷却凝固過程において撹拌を与え固液共存状態のス
ラリー状半凝固金属を製造する際、操業条件として固相
率(fs)と平均の固化速度Rおよび剪断歪速度に従う
流動性指数ηの値が下記の(1)式を満足する範囲の撹
拌冷却操業を行い、該操業を経たスラリー状半凝固金属
を冷却撹拌槽より排出することを特徴とする半凝固金属
の製造方法。
(記) η=a/2(1/fs−1/fscr)≦10 …(1) a=35000・R0.5−1.7〔−〕 fscr=0.65−1.4・R1/3−1/3〔−〕 fscr>fs η;流動性指標値〔−〕 fs;スラリー状半凝固金属の固相率(目標とする固
相率)〔−〕 R;原料溶融金属の凝固中における平均の固化速度
〔%・s-1〕 ;撹拌速度によって決まる剪断歪速度〔s-1〕 である。
ここで、上記平均の固化速度R〔%・s-1〕とは前述
した如く、固液共存状態における単位時間当たりの固相
率の増加速度と定義され、この平均の固化速度Rは例え
ば原料溶融金属を液相線温度から固相線温度に至るまで
の間で冷却を行い固相率(fs)になる半凝固金属を造る
場合を例にとると、液相線温度から固相線温度に至るま
での固化速度は必ずしも同一にはならない(冷却開始時
のほうが固化速度は大きく固相線温度に近づくに従い小
さくなる)。このため固化速度Rは液相線温度から固相
線温度に至るまでの間の冷却において、目標とする固相
率(fs)になるまでの固相率の増加量をfs(ここに示し
たfsは実際には目標とする固相率(fs)と同じ)とし、
この間の時間をΔtとしてR=fs/Δt〔%・s-1〕で求
める。
また本発明はスラリー状半凝固金属の撹拌冷却操業が
多段に設置した冷却撹拌槽内における順次的な繰返しに
よるものであること、ここに初段の冷却撹拌槽において
は比較的大きい固化速度で操業し、後段の冷却撹拌槽に
おいて順次に小さい固化速度で操業すること、さらに溶
融金属がアルミニウム合金であることが好適である。
(作 用) 発明者らは、種々の組成の合金の溶融金属を用いて種
々の固化速度、撹拌条件でスラリー状半凝固金属の製造
実験を行い、半凝固金属の流動性(粘性)の指標値ηと
流動性の限界を示す液性限界固相率fscrおよび固化速度
R〔%・s-1〕、剪断歪速度〔s-1〕との関係について
調査し、(1)式に示す関係を得た。また図1にその結
果の一例を示す。すなわち流動性指標値ηは固相率
(fs)とスラリー状半凝固金属の流動性の限界を示す液
性限界固相率(簡単のため単に限界固相率fscrと呼
ぶ。)および該半凝固金属中に懸濁する結晶の形状パラ
メーターaとの関数であり、fscrおよびaは溶融金属の
凝固中における平均の固化速度R〔%・s-1〕および剪
断歪速度との関数であり、 η=a/2(1/fs−1/fscr) a=35000・R0.5−0.7〔−〕 fscr=0.65−1.4・R1/31/3〔−〕 の関係があることを見いだし、η≦10の関係を満たすこ
とにより流動性が安定に確保され得ることを発見した。
ここで(fs)は冷却撹拌槽の出側における測温値をも
とに平衡状態図から求めた固相率であり、fscr>fsであ
る。
この結果に従いスラリー状半凝固金属製造において冷
却撹拌を終了して次工程に排出する半凝固金属は、流動
性指標値ηが10以下、望ましくは5以下にするを好適と
する。
すなわち、排出される半凝固金属の流動性を確保する
ためには固相率(fs)および固化速度の如何によって最
低剪断歪速度が決まることになる。
もっともスラリー状半凝固金属の結晶粒径を微細にす
るためには固化速度を大きくする必要があるが、固化速
度を大きくすると、上記のごとく流動性が低下するた
め、必然的に剪断歪速度を大きくするか冷却撹拌槽の出
側より排出されるスラリー状半凝固金属の固相率(fs
を低くする必要がある。
そのため固化速度を大きくして結晶粒径を微細にした
高固相率の半凝固金属を製造する場合には、高剪断歪速
度が得られる装置または多段装置による製造法によっ
て、前段の装置では高固化速度で低固相率の半凝固金属
を製造し、それを次工程の後段の低固化速度の半凝固金
属製造装置に移送し、固相率を上げることによって、微
細結晶の高固相率の半凝固金属が製造できるわけであ
る。
かくして、前記問題点が解決され、低固相率から高固
相率までの目標とする固相率(fs)を有する半凝固金属
を非連続的、または連続的に安定して製造することが可
能になった。
(実施例) 実施例1 第2図に示した半凝固金属製造装置にAl−4.5%Cu合
金の溶湯を注入し、撹拌子を600rpm(剪断歪速度=300/
s)で撹拌しながら冷却槽での凝固中の平均固化速度を
3.0%・s-1で冷却し、装置の底部ノズル出口で排出され
る半凝固金属の温度を連続測定し、その温度から平衡状
態図をもとに換算した固相率(fs)が0.25の半凝固金属
を排出した結果、連続的に安定して半凝固金属の製造が
でき、流動の停滞を生じることなく次工程の加工装置へ
の排出ができた。
実施例2 第3図に示した半凝固金属製造装置にAl−10%Cu合金
の溶湯を注入し、撹拌子を600rpm(剪断歪速度=280/
s)で撹拌しながら冷却槽での凝固中の平均固化速度を
0.45%・s-1で冷却し、撹拌槽内部の半凝固金属の温度
換算の固相率(fs)が0.35の半凝固金属を製造した結
果、流動性のある半凝固金属の製造ができた。
実施例3 第4図に示した半凝固金属製造装置の一段目の装置に
Al−4.5%Cu合金の溶湯を注入し、撹拌子を900rpm(剪
断歪速度=450/s)で撹拌しながら、その冷却槽での凝
固中の平均固化速度を23.0%・s-1で冷却し、装置の底
部ノズル出口温度換算の固相率(fs)が0.11の半凝固金
属を後段の装置に排出移送し、後段の冷却槽での凝固中
の平均固化速度を0.20%・s-1で冷却し、底部ノズル出
口温度換算の固相率(fs)が0.47の半凝固金属を排出し
た結果、連続的に安定して半凝固金属の製造および排出
ができた。
なお第2〜4図において1は保温槽、2は冷却撹拌
槽、3は撹拌子、4は駆動軸、5は取鍋、6は供給溶融
金属、7は冷却水、8は水冷ジャケット、9はスラリー
状の半凝固金属、10は測温用熱電対、11は排出ノズル、
12はスライドゲート、13は誘導加熱ヒーターまたは18は
タンディシュ、19は加熱ヒーターコイルであり、とくに
第4図で14は前段半凝固金属連続製造装置、15は移送
管、16は後段半凝固金属連続製造装置、17は双ロール鋳
造機であり、さらに20はセラミックスコーティングであ
る。
上に述べた各実施例での固化速度の制御は冷却槽内壁
の材質、冷却水量、冷却槽内壁と撹拌子の間の間隙を変
えることによって行った。
上記の各実施例に加えそれら以外の実施例の結果も合
わせて表1にまとめて示す。
また、第5図に本発明による実施例1の半凝固金属の
製造時における時間経過にともなう排出速度変化を比較
例とあわせて示す。本発明例では排出速度は安定してい
るが、比較例では途中で排出速度の変動および槽内閉塞
によって排出が停止している。
(発明の効果) この発明に従って半凝固金属を製造する方法はつぎに
列記する効果を発揮する。
(1) 半凝固金属の流動性が悪く装置内で閉塞しやす
い高固化速度での半凝固金属連続製造装置でも、安定し
て連続的に製造でき排出が可能となる。
(2) 固相率(fs)が0.6のような高固相率の半凝固
金属を安定して連続的に製造することが可能となる。
(3) 非連続的半凝固金属製造装置でも、安定して流
動性のよい半凝固金属を製造することができる。
(4) したがって、半凝固金属製造装置から半凝固金
属が排出され、後段の装置への移送や次工程の保持装
置、鋳造機および加工装置への排出移送に対して、装置
内閉塞などの事故がなく、安定した操業が可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図はスラリー状半凝固金属の流動性が一定となる固
化速度と剪断歪速度と固相率の関係グラフ、 第2図はこの発明の実施例に使用した半凝固金属連続製
造装置を示す説明図、 第3図は同じく実施例に使用した半凝固金属の非連続的
製造装置を示す説明図であり、 第4図は高固相率用の多段式半凝固金属連続製造装置の
説明図であり、 第5図は実施例1における排出経過時間に対する排出速
度及び排出固相率の比較グラフである。 1……保温槽、2……冷却撹拌槽 3……撹拌子、4……駆動軸 5……取鍋、6……供給溶融金属 7……冷却水、8……水冷ジャケット 9……半凝固金属、10……測温用熱電対 11……排出ノズル、12……スライドゲート 13……誘導加熱ヒーター、14……前段半凝固金属連続製
造装置 15……移送管、16……後段半凝固金属連続製造装置 17……双ロール鋳造機、18……タンディッシュ 19……加熱ヒーターコイル、20……セラミックスコーテ
ィング
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山口 隆二 千葉県千葉市川崎町1番地 株式会社レ オテック内 (56)参考文献 特開 昭55−114455(JP,A) 特開 昭59−42172(JP,A)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】溶融金属を冷却撹拌槽内に注入し、その冷
    却凝固過程において撹拌を与え固液共存状態のスラリー
    状半凝固金属を製造する際、 操業条件として固相率(fs)と平均の固化速度(R)お
    よび剪断歪速度()とに従う流動性指数(η)の値が
    下記の(1)式を満足する範囲の撹拌冷却操業を行い、 該操業を経たスラリー状半凝固金属を冷却撹拌槽より排
    出することを特徴とする半凝固金属の製造方法。 (記) η=a/2(1/fs−1/fscr)≦10 …(1) a=35000・R0.5−1.7〔−〕 fscr=0.65−1.4・R1/3−1/3〔−〕 fscr<fs η;流動性指標値〔−〕 fs;スラリー状半凝固金属の固相率(目標とする固相
    率)〔−〕 R;原料溶融金属の凝固中における平均の固化速度〔%・
    s-1〕 ;撹拌速度によって決まる剪断歪速度〔s-1
  2. 【請求項2】スラリー状半凝固金属の撹拌冷却操業が多
    段に設置した冷却撹拌槽内における順次的な繰返しによ
    るものである請求項第1項に記載した半凝固金属の製造
    方法。
  3. 【請求項3】初段の冷却撹拌槽においては比較的大きい
    固化速度で操業し、後段の冷却撹拌槽においては順次に
    小さい固化速度で操業する請求項第2項に記載した高固
    相率の半凝固金属の製造方法。
  4. 【請求項4】溶融金属がアルミニウム合金である請求項
    第1項、第2項または第3項に記載した半凝固金属の製
    造方法。
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