JP2972852B2

JP2972852B2 - 連続的撹拌凝固による超微細結晶粒金属材料の製造方法

Info

Publication number: JP2972852B2
Application number: JP8137674A
Authority: JP
Inventors: 川洌市; 藤正仁加
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1996-05-07
Filing date: 1996-05-07
Publication date: 1999-11-08
Anticipated expiration: 2016-05-07
Also published as: JPH09296232A; US5901778A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、連続的撹拌凝固に
よる超微細結晶粒金属材料の製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】これまでの金属材料の開発は、熱処理、
機械加工、合金成分添加等により、結晶粒１μｍ以上の
マクロ組織を制御することによって進歩してきたが、半
導体材料、化学材料分野における１μｍ以下のミクロ組
織制御に触発され、各種研究機関においてミクロ組織制
御の方法論や材料設計手法の基礎的知見が得られてい
る。それを更に発展させ、金属材料のミクロ組織を極限
までメゾスコピック制御できる基礎技術を開発すること
によって、資源制約のある合金元素への依存度を極力低
減すると共に、リサイクル性の向上を確保したうえで、
金属材料の機能性や強度等の諸特性を飛躍的に向上させ
ることができる。

【０００３】これを更に具体的に説明すると、金属材料
の代表的な特性の１つである強度は、結晶粒の微細化に
よって向上することがホールペッチの法則として知られ
ている。また、組織構造の違いによって発揮される特性
（耐食性、磁性等）が異なることも知られている。一
方、現状の金属材料の性能向上は、現用技術（合金元素
添加、加工・熱処理等）を改善することで達成できる特
性の限界に近づいている。更に、現状の技術では、金属
材料の１μｍ以下の結晶粒を得ることは困難であり、そ
のため特性向上は合金化・複合材料化に大きく依存し、
結果的に、金属材料は合金成分によってリサイクル性が
損なわれる状況となり、しかも、資源制約のある合金元
素への依存度が高くなっている。

【０００４】そこで、結晶粒径１μｍの壁を突破し、あ
るいはそれに近づけて、ホールペッチ領域で組織微細化
と特性向上を図るアプローチ（メゾスコピック組織制
御）から、強度や機能性等の限界性能を引き出す材料開
発、即ち、金属材料の組織・構造を極限まで制御できる
基礎技術を確立することが期待されている。そして、こ
のような基礎技術の開発により、ミクロ組織を極微細に
制御できれば、金属材料の強度や機能性等の諸特性を理
論的に予測される限界性能に近い水準まで飛躍的に向上
させることができるばかりでなく、資源制約のある合金
元素への依存度を極力低減し、希少資源（ニッケル、ク
ロム、コバルト、銅、錫、亜鉛等の金属）の代替化・節
約を図ることができ、しかも、金属材料のリサイクル性
の向上を確保することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の基本的な技術
的課題は、従来技術とは異なる結晶粒微細化プロセスを
追求するため一つの手法として、ホールペッチの法則に
従って結晶粒の微細化により材料特性を向上させるメゾ
スコピック組織制御を実現することにある。本発明の更
に具体的な技術的課題は、今後の金属材料が、強度や機
能性の改善による耐久性・信頼性・安全性等の一層の向
上を要求されることに鑑み、結晶粒の微細化により材料
特性を向上させるメゾスコピック組織制御を簡単な手段
で実現可能にした超微細結晶粒金属材料の製造方法を提
供することにある。

【０００６】また、本発明者は、上述した結晶粒の微細
化による材料特性・性能の改善を達成するために、各種
の手法を試みたが、以下に詳述する高速回転の撹拌棒に
よる短時間の撹拌が、その結晶粒微細化に有効であるこ
とを確かめている。本発明は、かかる知見に基づくもの
であり、従って、その技術的課題は、上記撹拌凝固方法
を利用して簡単に超微細結晶粒金属材料を製造できるよ
うにした方法を提供することにある。

【０００７】なお、本発明は、究極的には、合金化等の
従来技術を排除し、資源量の豊富な鉄、アルミニウム等
の結晶粒の微細化や組織構造の改善によって、金属材料
のリサイクル性に優れ、希少資源（銅、錫、亜鉛等の金
属）の代替化・節約をも図れるようにするものである
が、現段階では、その前提となる超微細結晶粒金属材料
を製造する方法を提供するものであり、また、結晶粒径
が１μｍの壁を突破することを究極的な目標にするもの
ではあるが、現段階ではそれに近づけことを技術的課題
とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の連続的撹拌凝固による超微細結晶粒金属材料
の製造方法は、溶解室において加熱溶融された溶融金属
材料を、上記溶解室から撹拌室に導入し、この撹拌室へ
の導入の際に、撹拌室内において高速で回転駆動される
スクリュー状の撹拌棒における当該スクリューとの接触
により噴霧状の液滴とし、撹拌室内においては、その金
属材料の固体と液体が共存する温度範囲で、固相率が０
〜５０％までの範囲において、上記撹拌棒により短時間
撹拌し、一定温度まで過冷却状態にしてその温度で同時
多発的に結晶生成させ、その金属材料を固液共存状態で
出口側の押出ノズルから押し出し、上記ノズルから押し
出された固液共存状態の金属材料を、それが微細結晶粒
を有する状態で直ちに急冷凝固させながら連続的な板ま
たは棒状に成形し、結晶粒が１０μｍ以下の金属材料を
得ることを特徴とするものである。上記超微細結晶粒金
属材料の製造方法においては、撹拌室内においてスクリ
ュー状の撹拌棒を少なくとも５００ｒｐｍ以上で回転さ
せ、撹拌室内における固液共存状態での金属材料の滞留
時間を６０秒以内とするのが、撹拌凝固による結晶粒の
微細化のために有効である。

【０００９】このような本発明の方法によれば、溶解室
において加熱溶融されて撹拌室に導入された溶融金属材
料が、撹拌室内において一般の射出成形（金属の射出成
形では回転速度が１００ｒｐｍ以下）とは異なる十分に
高速で回転駆動される撹拌棒により、上記一般の射出成
形とは異なる非常に短い時間の間に強力に撹拌され、超
微細な結晶粒が存在するがそれが成長していない固液共
存状態のままで押出ノズルから押し出され、そのままの
状態で直ちに急冷凝固しながら連続的な板または棒状に
成形され、これによって、後述の実施例からわかるよう
に、簡単に超微細結晶粒の金属材料を製造することがで
きる。この方法は、今後の金属材料が、強度や機能性の
改善による耐久性・信頼性・安全性等の一層の向上を要
求されることに鑑み、結晶粒の微細化により材料特性を
向上させるメゾスコピック組織制御を、撹拌凝固方法を
利用した簡単な手段で実現可能にするものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の超微細結晶粒金属材料の
製造方法は、基本的には、溶解室において加熱溶融され
た溶融金属材料を、その溶解室から撹拌室に導入し、こ
の撹拌室内において、少なくとも５００ｒｐｍ以上の高
速で回転駆動されるスクリュー状の撹拌棒により、６０
秒以内の短時間撹拌したうえで、その金属材料を固液共
存状態で出口側の押出ノズルから押し出し、このノズル
から押し出された固液共存状態の金属材料を、それが微
細結晶粒を有する状態で、直ちに急冷凝固させながらロ
ールにより連続的な板状等に成形するものである。上記
撹拌室内におけるスクリュー状の撹拌棒の回転速度は、
８００〜１０００ｒｐｍとするのがより望ましい。ま
た、撹拌室内における固液共存状態での金属材料の滞留
時間は、５〜６０秒、好ましくは５〜１０秒程度とする
のが、撹拌凝固による結晶粒の微細化のためにより有効
である。

【００１１】図１は、このような本発明の方法に基づい
て超微細結晶粒を有する高機能金属材料の薄板を製造す
る装置の構成を示している。この装置における溶解装置
１は、底部に閉止栓３を設けた金属材料の溶解室を形成
する黒鉛製の円筒状るつぼ２の周囲に、加熱ヒータをも
つ外熱炉４を配設してなる縦型円筒状のものである。こ
の溶解装置１の開閉蓋５には、図示しない開閉制御装置
により制御されて、規定の温度において上記閉止栓３の
開閉を行う閉止栓３の開閉シャフト６を保持させ、ま
た、るつぼ２内の溶解室をアルゴン等の不活性ガス雰囲
気にするためのガス図示しない送給管を接続している。
なお、溶解室に金属材料を連続的に供給できるようにす
ることもでき、また、溶解装置１及び次段の撹拌装置１
０を気密に保持できるようであれば、溶解室に不活性気
体を送給することなく、同室内を真空に保持することも
できる。

【００１２】更に、上記撹拌室から閉止栓３を通して溶
融金属材料が排出される黒鉛製の排出管７の下端には、
撹拌装置１０を構成するシリンダ１１を接続している。
このシリンダ１１は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製
の外筒内に、内部に撹拌室を形成する黒鉛製の内筒を備
え、出口側が斜め下方に向くように傾斜させたものであ
り、そのシリンダ１１の内筒内には、モータ１２により
トルク検出器１３及びユニバーサルジョイント１４を介
して回転駆動されるところの、黒鉛製のスクリュー状撹
拌翼をもつ撹拌棒１５を回転自在に支持させている。上
記モータ１２は、スクリュー状の撹拌棒１５を、それに
より溶融金属材料が吐出側に押し出される向きに回転駆
動するものである。

【００１３】上記シリンダ１１は、その周囲を断熱材１
６で被覆すると共に、その吐出側部及びその吐出側端に
設けた吐出口フランジ１７を恒温加熱装置１８により被
包したもので、上記吐出口フランジ１７には、閉止スト
ッパ１９を設けた押出ノズル２０を取付けている。そし
て、この押出ノズル２０の押出端部には、ロータリーキ
ャスター装置、即ち、押し出された固液共存状態の金属
材料を連続的な薄板状に圧延する一対のロール２２を架
台２１上に設置して対向配置している。上記一対のロー
ル２２は、その内部に冷却水を流通させることによっ
て、ノズル２０から押し出された金属材料を急冷可能に
したものである。

【００１４】上記溶解装置１及び撹拌装置１０は、それ
らを枠体２４上に設置し、その枠体２４に転輪２５を設
けて、各部の駆動を制御する制御盤２８を備えた架台２
７上のレール２６に載置し、その枠体２４をレール２６
に沿ってノズル２０がロール２２に接離する方向に移動
調節できるようにしている。

【００１５】上記るつぼ２内の溶解室において加熱溶解
させた金属材料が所定の温度に達したときに、閉止栓３
の開閉シャフト６を駆動して閉止栓３を開放させ、溶湯
を撹拌室に流下させるため、上記外熱炉４には、加熱温
度を検出する温度検出器（図示省略）を設けている。ま
た、閉止栓３内にも溶解室内の溶融金属材料自体の温度
を直接検出する温度検出器（図示省略）を設けている。
更に、撹拌装置を構成するシリンダ１１にも、その内部
の固液共存状態にある金属材料の温度を検出するための
温度検出器（図示省略）を設けている。これらの温度検
出器は、それぞれ上記制御盤２８に接続され、微細結晶
粒金属材料の製造のための適切な制御のために用いられ
るものである。

【００１６】なお、上記のロール２２に代えて、上記押
出ノズル２０に、押し出された固液共存状態の金属材料
を急冷凝固させながら連続的な線状に成形するダイス等
を対向配置することもできる。また、上記装置は、バッ
チ式で処理する場合を示しているが、溶解装置１の溶解
室に対する金属材料の供給を連続的に行って、撹拌等に
より一定温度で撹拌室に流下させ、連続的に処理できる
ように構成することもできる。

【００１７】上記装置における超微細結晶粒金属材料の
製造に際しては、るつぼ２内の溶解室で原料となる金属
材料を加熱溶融し、一定温度で、撹拌棒１５が５００ｒ
ｐｍ以上の高速で回転駆動されているシリンダ１１内の
撹拌室に導入する。撹拌室においては、導入された溶融
金属材料が半凝固状態で上記撹拌棒１５により６０秒に
満たない短時間の間に強力に撹拌され、微細な結晶粒が
成長していない固液共存状態のままで押出ノズル２０か
ら半凝固スラリーとして押し出される。ロータリーキャ
スター装置における一対のロール２２間においては、均
質微細な結晶粒をもつ半凝固スラリーがそのままの状態
で直ちに急冷凝固しながら連続的な板状に圧延され、こ
れによって、後述の実施例からわかるように、簡単に超
微細結晶粒の金属材料を製造することができる。

【００１８】次に、上述した本発明の方法と、従来の撹
拌凝固法（レオキャスト法）及び本発明者らが先に提案
しているバッチ式高速撹拌凝固法を対比して、それらの
特性及びそれらにより製造される材料の性能等を対比す
る。

【００１９】これらの各方法は、いずれも撹拌凝固によ
るもので、レオキャスト法では、固体−液体共存状態で
十分に撹拌するか、連続冷却過程の徐冷凝固中に十分に
撹拌して、より均一なミクロ組織を得ることを目標にし
ているが、撹拌時間が長い（１０分のオーダー）ので、
その撹拌時間の間に、形成された結晶に活発な固体内拡
散で不純物元素が多く固溶し、レオリファイン（半溶融
精練）法により高品位な材料を再生できず、結晶粒も粗
大化してしまうという問題があり、また、本発明者らの
既提案の撹拌凝固法では、撹拌速度と冷却速度を高速化
しているが、撹拌時間も比較的長く（数分程度）、十分
撹拌しているので、レオキャスト法ほどではないにせ
よ、同様に、固体内拡散が進行して不純物が固体内に固
溶してしまうという問題がある。

【００２０】これに対し、本発明の方法では、溶融金属
がスクリュー状の撹拌棒により撹拌されると同時に、非
常に早く撹拌室を通り抜け、撹拌時間が非常に短い（数
秒程度）ものとなるので、多数の微細な結晶が同時多発
的に生成し、それらの結晶が殆ど粗大化せずにそのまま
の状態で送出され、活発な固体内拡散が行われないま
ま、一対のロール２２間において送出された半凝固スラ
リーが加圧・圧縮され、結晶が粗大化せずにそのままの
状態で凝固が完了してしまう、という新しい撹拌凝固を
実現するものである。その結果、結晶粒界に不純物元素
が濃縮し、レオリファイン法により、新生材料に匹敵す
る高品位な材料再生を高効率で実現することもできる。

【００２１】また、結晶粒の大きさについては、上記レ
オキャスト法では１００μｍが限度であり、本発明者ら
の既提案の撹拌凝固法では５０μｍ以上であったもの
が、本発明の方法により１０μｍ以下までは十分に微細
化することができる。

【００２２】上述した本発明の方法を実現するために
は、撹拌室の供試合金の温度は、同合金の固体と液体が
共存する温度範囲（凝固区間）の上端付近、即ち凝固の
初期段階に設定することが必要である。そのためには、
撹拌室の加熱温度は、供試合金の平衡凝固開始温度（液
相線温度）からほぼ１００℃上の温度範囲に設定する必
要がある。なぜなら撹拌を行うスクリューの回転軸は冷
却されており、供試合金はスクリューで冷却され、容器
内壁で加熱されるからである。付け加えて、溶湯の温度
を均一にすることにより、多数の微細結晶粒の生成を容
易にすることができる。

【００２３】したがって、「超微細結晶粒を生成させる
ための条件」としては、次の事項が重要である。（１）撹拌室の供試合金の温度は、同合金の平衡状態
図の固体と液体が共存する温度範囲で、固相率０から５
０％まで、好ましくは２０〜４０％の範囲が適切である
と考えられる。（２）供試溶融合金は、（１）の温度範囲である一定
温度まで核生成せずに過冷却状態にし、その温度になっ
た途端に同時多発的な結晶生成をさせるために、流動状
態下で溶融合金の温度は、できる限り均一になるように
する。スクリューによる撹拌は、この温度の均一化のた
めに有効である。（３）（２）の条件を得るために、供試溶融合金は、
溶解室から撹拌室に導入する際、高速回転するスクリュ
ーとの接触により噴霧状の液滴として冷却速度を速くす
る。（４）（３）の同一冷却条件で、均質微細な結晶の増
殖を可能にする。

【００２４】

【実施例】次に、本発明の実施例を説明する。実験に使
用した装置は、実質的に上記図１に示すような構成を有
するもので、装置性能は、加熱温度が溶解室で最大１０
００℃、通常８００℃、撹拌室では最大７５０℃であ
り、撹拌棒１５の回転速度は、試料無挿入で１０００ｒ
ｐｍである。溶解室の内容積は、約φ４^B ×Ｈ２５０ｍ
ｍであり、撹拌室の内容積は、約φ４^B ×Ｌ５００ｍｍ
である。また、ロータリーキャスター装置における２本
のロール２２は、３０μｍバフ仕上げし、クロムメッキ
したもので、ロール内部を水冷する構造とし、ロール寸
法は、φ３０ｍｍ×１００ｍｍ、有効幅４０ｍｍであ
り、ロール間隔は、０〜１０ｍｍに調整可能なものであ
る。ロール速度は、最大２２ｒｐｍ、トルクは、最大９
００ｋｇ・ｍで、モータ１２は２２ｋｗのインバーター
駆動である。

【００２５】実験操作は、まず純度９９．９９９％の粒
状アルミニウムと、純度９９．９９％の約１０ｍｍ角の
薄板の銅片を、目標のＡｌ−１０％Ｃｕ合金になるよう
に配合して、総重量５００ｇを溶解室に収容し、この溶
解室にアルゴンガスを還流させた状態で試料を加熱する
という手順で開始した。その際、外熱炉４の最高加熱温
度は９１２℃に設定し、閉止栓３内において検出される
撹拌室内の試料の温度は７５０℃に設定した。

【００２６】溶解室における試料の溶解後、試料は３０
分間そのままに保持し、溶融合金の温度を８０１℃に均
一化した。その後、溶解室を形成するるつぼ２の底部の
閉止栓３を開放して、予め回転速度１０００ｒｐｍで撹
拌棒１４が回転している撹拌室に溶融合金を流入させ
た。撹拌室に溶融合金が流入してから５秒後に、撹拌室
の吐出側を塞いだ閉止ストッパ１９を開放して、十分に
撹拌した半凝固合金スラリーを一対のロール２２間に吐
出させ、回転しているロール２２間で直接的に高機能な
薄板を製造した。上記ロールの回転速度は１１ｒｐｍ
で、薄板の製造速度は１７ｃｍ／ｓｅｃであった。

【００２７】このような薄板製造実験により、光沢のあ
る薄板製造に成功した。撹拌鋳造したＡｌ−１０％Ｃｕ
合金薄板のミクロ組織を光学顕微鏡で観察し、倍率５０
倍で写真撮影した組織を図２に示す。これによると、結
晶粒径が１０μｍ以下の同時多発的に生成した極めて微
細な多数の結晶粒組織（白い粒状部分）が観察される。
なお、それらの結晶粒の粒間に存在する共晶中の白い微
小部分はＡｌ（α）であり、黒い部分はＣｕＡｌ₂ であ
る。この共晶部分が多いのは、同時多発的に生成した多
数の微細な結晶が粗大化していないことを示している。

【００２８】また、結晶粒が１０μｍ以下のミクロ組織
をもつＡｌ−１０％Ｃｕ合金から試験片を切り出して、
室温と５００℃で引張試験を行ったところ、表１に示す
ような結果を得た。この結果によれば、５００℃で大き
な伸びが得られることから、本発明の方法によれば、撹
拌凝固という簡単な手段で超塑性を付与した金属材料を
得ることも可能になると考えられる。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【発明の効果】以上に詳述した本発明の連続的撹拌凝固
による超微細結晶粒金属材料の製造方法によれば、今後
の金属材料が、強度や機能性の改善による耐久性・信頼
性・安全性等の一層の向上を要求されることに鑑み、結
晶粒の微細化により材料特性を向上させるメゾスコピッ
ク組織制御を簡単な手段で実現可能にした超微細結晶粒
金属材料の製造方法を得ることができる。特に、本発明
者が確かめているところの、高速回転のスクリュー状の
撹拌棒による短時間の撹拌、押出しが、結晶粒微細化に
有効であるという知見に基づく撹拌凝固方法の利用は、
簡単に超微細結晶粒金属材料を製造するために極めて有
効なものである。

【００３１】また、金属材料の代表であって資源量が豊
富な鉄、アルミ等において、合金化等に頼ることなく、
その材料自体の高性能・高機能化を可能にすることは、
例えば、車両の低燃費化、低排ガス化、あるいは、超高
層ビル用構造材・外装材への適用、長大橋用構造部材へ
の適用、さらに、スペースプレン、超高音速輸送機や極
超音速輸送機など、厳しい環境で稼働する先端構造物へ
の適用等、各種分野における貢献度が極めて大きいもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超微細結晶粒金属材料の製造方法
を実施する装置の構成例を示す正面図である。

【図２】本発明の方法に基づいて得られた金属材料の組
織を示す図面代用顕微鏡写真である。

【符号の説明】

１溶解装置１０撹拌装置１５撹拌棒２０押出しノズル２２ロール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−124231（ＪＰ，Ａ) 特開平７−80604（ＪＰ，Ａ) 特開平７−18348（ＪＰ，Ａ) 特開平６−134551（ＪＰ，Ａ) 特開平５−123834（ＪＰ，Ａ) 実開平２−118749（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B22D 11/00 B22D 1/00 B22D 11/01 B22D 11/06 360

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】溶解室において加熱溶融された溶融金属材
料を、上記溶解室から撹拌室に導入し、この撹拌室への
導入の際に、撹拌室内において高速で回転駆動されるス
クリュー状の撹拌棒における当該スクリューとの接触に
より噴霧状の液滴とし、撹拌室内においては、その金属
材料の固体と液体が共存する温度範囲で、固相率が０〜
５０％までの範囲において、上記撹拌棒により短時間撹
拌し、一定温度まで過冷却状態にしてその温度で同時多
発的に結晶生成させ、その金属材料を固液共存状態で出
口側の押出ノズルから押し出し、上記ノズルから押し出
された固液共存状態の金属材料を、それが微細結晶粒を
有する状態で直ちに急冷凝固させながら連続的な板また
は棒状に成形し、結晶粒が１０μｍ以下の金属材料を得
ることを特徴とする連続的撹拌凝固による超微細結晶粒
金属材料の製造方法。
【請求項２】請求項１に記載の方法において、撹拌室内
においてスクリュー状の撹拌棒を少なくとも５００ｒｐ
ｍ以上で回転させ、撹拌室内における固液共存状態での
金属材料の滞留時間を６０秒以内としたことを特徴とす
る連続的撹拌凝固による超微細結晶粒金属材料の製造方
法。