JP3018809B2 - 電磁力による薄板鋳塊の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、板厚が１０〜６０mm程
度で長さが板厚の５倍以上の寸法（例えば表面形状５０
mmφ若しくは３００×１０００mm程度）の薄板鋳塊を製
造する方法に関し、特にスパッタリングターゲット材の
様に少量生産の為に製造コストが高くなる薄板鋳塊製造
において、晶出物の重量偏析を電磁力によって効果的に
防止しつつ前記鋳塊を製造する為の方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】上記のような薄板鋳塊（以下、単に鋳塊
と言うことがある）を製造するに当たっては、薄板鋳塊
用のキャビティが形成された鋳型に金属溶湯を直接注入
して薄板鋳塊を製造するような、バッチ式のいわゆる重
力鋳造法が最も一般的に採用されている。

【０００３】上記重力鋳造法としては、２種類のタイプ
があり、その一つは、図３に示すように、薄板鋳造用の
キャビティ５を形成する鋳型１において、該鋳型１を構
成する上型２および下型３を水平に配置し、湯口６およ
び湯道７等通してキャビティ５内に横方向から金属溶湯
Ｍを水平鋳型１内に注入する横注入方式である。また他
の一つは雨堰方式と呼ばれるものであり、これは図４
（図４(b) は図４(a) のＺ−Ｚ線矢視断面図）に示すよ
うに、多数の孔１２を有するタンディッシュ１３によっ
て、雨堰を構成し、該雨堰を通して鋳型１ａ内の薄板鋳
塊用のキャビティ５内に金属溶湯Ｍを直接注入する方式
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら横注入方
式では、金属溶湯Ｍの凝固過程で発生した晶出物が比重
差のため、著しい重力偏折を起こしたり、特に長尺薄板
鋳塊の場合キャビティ５内に金属溶湯Ｍの未到達部位１
４が生じたり、押湯効果がキャビティ５内に充分行きわ
たらず、凝固収縮による引巣欠陥が発生するなどの問題
が多発している。

【０００５】一方、雨堰方式では、金属溶湯Ｍにおける
流れの乱れを比較的抑制しやすい利点はあるものの、注
湯時に多数のスプラッシュが発生し、鋳型として金型を
用いる場合は鋳塊の表面性状が問題となる。また最終凝
固部に当たる板厚中心部に中心線収縮と称する内部欠陥
が生じ易く、これらを防止するためには、凝固収縮部に
十分な溶融金属を供給する必要があるが、雨堰を介して
は押湯効果が不十分な場合が多く、健全な長尺薄板鋳塊
を製造することが難しい。

【０００６】従って、上記横注入方式および雨堰方式の
共通の問題点としては、歩留まりの低さが挙げられる。
即ち、上記各方式では凝固収縮により発生する引け巣欠
陥を防止するために、比較的大きな押湯部分が余計に必
要になるのである。

【０００７】本発明はこうした技術的課題と解決する為
になされたものであって、その目的は、従来技術で述べ
た様な問題を発生させることなく、歩留り良く薄板鋳塊
を製造する為の方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明とは、薄板鋳塊用のキャビティが形成された鋳型に
おいて該鋳型を構成する上型もしくは下型の一方を絶縁
・断熱性耐火物とすると共に、他方の下型もしくは上型
を電気伝導性を有し且つ抜熱速度の高い材料とし、前記
絶縁・断熱性耐火物からなる型の側にリニアモータを設
置し、リニアモータの移動磁界により発生する電磁力の
作用下で鋳造する点に要旨を有する電磁力による薄板鋳
塊の製造方法である。

【０００９】

【作用】以下、本発明の構成および作用を図面に基づき
更に詳細に説明する。図１は、本発明を実施する為の鋳
造設備の一構成例を示す概略断面図であって、特に晶出
物の比重が金属溶湯より大きく、沈降によって重力偏析
をおこし易い合金の鋳塊を製造する場合を想定したもの
である。

【００１０】尚図１における基本的構成は、前記図３に
類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して重複
説明を回避する。また図１(a) は設備の縦断面図、図１
(b)は図１(a) のＸ−Ｘ線矢視断面図を夫々示す。

【００１１】図１に示した設備においては、鋳型１の上
方に移動磁界を発生するリニアモータ１０が設置される
と共に、上型２が絶線・断熱性耐火物、下型が電気伝導
性を有し且つ抜熱速度の高い材料とされる。またキャビ
ティ５を形成する鋳型１の側面部分は、金属や黒鉛等の
様に電気伝導性を有する材料４で構成するのが好ましい
（この点については後述する）。

【００１２】溶解保持炉などに準備された金属溶湯Ｍ
は、湯口６に注入され、湯道７を通ってキャビティ５内
に流入する。このとき、リニアモータ１０を作動させて
おくと、キャビティ５内の金属溶湯Ｍには、矢印Ａ方向
の電磁推進力と矢印Ｂ方向の電磁反発力が作用する。上
記電磁推進力は、キャビティ５内への金属溶湯Ｍの充填
性を高め、従来の重力鋳造によっては未到達部位１４が
発生する様な長尺薄板鋳塊の場合であっても完全充填が
可能となる。また凝固収縮に対する溶湯補給も電磁推進
力により行われるため、押湯が殆ど不要であり歩留まり
の著しい向上が図れる。

【００１３】一方、電磁反発力は、キャビティ５内の金
属溶湯Ｍを下型面に押しつけるように作用し、特に電磁
推進力によって増大する金属溶湯Ｍの流入時の乱れを抑
制することができ、乱れによって生じるガス巻き込み欠
陥等を防止できる。また、電磁反発力は金属溶湯Ｍの見
かけの比重を増大させ、ブローホールやピンホール等の
欠陥の原因となるガスの上型面への浮上を促進する。従
って、製品の上面におけるガス欠陥のための面削量を低
減でき、歩留まりを向上させることができる。

【００１４】更に、電磁反発力は、凝固シェルに対して
も下型面に押しつけるように作用し、凝固初期に起こる
凝固シェルの剥離・再溶解を防止することができ、内部
組織を均一化できるばかりでなく、電磁推進力による凝
固シェルの移動によって生じる表面欠陥（湯皺など）の
防止に対しても有効に働く。上記の作用の他、電磁反発
力は、通常の鋳造凝固の際に必ず生じる様な凝固シェル
と下型面との間のエアーギャップを低減し、下型面から
の抜熱冷却を強化し、急冷された均一組織を得ることが
できる。

【００１５】前記電磁推進力及び反発力は、キャビティ
５内において不均一な分布をしているので、金属溶湯Ｍ
を攪拌するように作用し、凝固過程で発生する晶出物が
比重差によって沈降するのを防止すると共に、適当な攪
拌速度を選択することにより、凝固過程の全般を通じ
て、凝固進行面での晶出物の捕捉割合を均一化すること
もでき、これによって重力偏析を解消して厚み方向に均
一組成を持つ鋳塊の製造が可能である。

【００１６】前記上型２は、鋳型上方に設置されたリニ
アモータ１０の発生する移動磁場のキャビティ５内への
浸透を妨げないために、その材料は絶縁・断熱性耐火物
で構成する必要がある。またこの上型２は、抜熱性の高
い下型３との組み合わせによって、下型面からの指向性
凝固を助け、上述のごとくブローホール等のガス欠陥の
上型面への浮上を促進する効果も発揮する。尚上型を構
成する絶縁・断熱性耐火物については、特に限定するも
のではないが、例えば砂型やセラミック型等が挙げられ
る。

【００１７】一方、下型３は電気伝導性を有する材料で
構成する必要があり、下型をこの様な材料で構成するこ
とによって、キャビティ５内の金属溶湯Ｍに作用する電
磁推進力及び反発力を均一化することができ、その結
果、特にキャビティ５内への金属溶湯Ｍの流入時に、電
磁推進力および反発力の付近一によって生じる金属溶湯
の乱れを低減することができる。即ち、図１に示した設
備では、下型３を電気伝導性を有し且つ抜熱速度の高い
材料で構成する必要があり、その様な材料としては金型
や黒鉛等が挙げられる。またこの下型３を電気伝導性を
有する材料で構成することによる作用を更に高める為
に、鋳型１の側面部分の材料４も電気伝導性を有する材
料で構成するのが好ましい。

【００１８】図２は、本発明を実施する為の鋳造設備の
他の構成例を示す概略断面図（図２(a) は断面図、図２
(b) は図２(a) のＹ−Ｙ線矢視断面図）であり、特に、
その晶出物の比重が金属溶湯より小さく、浮上によって
重力偏析をおこし易い合金の鋳塊を製造する場合を想定
したものである。

【００１９】図２に示した設備においては、上型２ａが
電気伝導性を有し且つ−抜熱速度の高い材料で構成され
ると共に、下型３ａが絶縁・断熱性耐火物で構成され、
且つ下型３ａ側にリニアモータ１０が設置される。尚こ
の実施例においても、鋳型１の側面部分を電気伝導性を
有する材料４で構成するのが好ましいのは、前記図１に
示した設備の場合と同様である。

【００２０】この構成においても、キャビティ５内に流
入する金属溶湯Ｍには電磁推進力と反発力が作用する
が、図２に示した構成では、電磁反発力は重力に抗して
金属溶湯Ｍを上方へ持ち上げるように働く（図中、矢印
Ｃの方向）。したがって、金属溶湯Ｍと上型面の接触圧
が向上し、金属溶湯Ｍの凝固は上型面からの指向性凝固
となる。この際電磁力の撹拌作用は、凝固過程で発生す
る晶出物が比重差によって浮上するのを防止する方向に
作用する。そして適当な攪拌速度を選択することによ
り、凝固過程を全般を通して、凝固進行面での晶出物の
捕捉割合を均一化することができ、重力偏析を解消して
厚み方向に均一組成を持つ鋳塊の製造が可能となる。

【００２１】リニアモータ１０によって発生する電磁力
の大きさ、電磁推進力と電磁反発力の比およびキャビテ
ィ５内における電磁力の分布は、コイル電流値、発生す
る磁場の大きさ、磁場の移動速度すなわち周波数とポー
ルピッチ、金属溶湯の電気伝導度、キャビティ５の厚み
等によって変化するが、本発明において好適に使用し得
る条件としては、コイル電流値１０〜６０Ａ、発生磁場
２０〜１００Ｇ、周波数２０〜５００Ｈｚ、ポールピッ
チ２０〜６０cmであり、金属溶湯Ｍの物性値、晶出物の
物性値・形状・大きさ等によって最適値を適宜設定すれ
ば良い。

【００２２】尚本方法で対象とする金属（合金を含む）
は、特に限定するものではないが、実用的には、Ｓｎ，
Ａｌ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｔｉ，ｚｒ，Ｃｒなど
を主成分とする金属に適用される。このうち前記図１の
設備に適用されるには、Ａｌ−Ｔａ系合金であり、図２
の設備に適用されるのはＮｄ−Ａｌ系合金である。

【００２３】上記各実施例において、側面部分を電気伝
導性を有する材料４で構成するのが好ましいことは既に
述べた通りであるが、この様な材料４としては、金型や
黒鉛等が挙げられる。但し、材料４は、電気伝導性を有
し且つ抜熱速度の高い材料からなる下型３または上型２
ａと別個に構成しなければならないということを意味す
るのではなく、両者を一体的に形成することも可能であ
る。また上記のことは、例えば図１（ａ）の右方部分に
見られる様な上型と下型を半割り状として両者を組合せ
て鋳型１とする様な構成を排除するものでもない。

【００２４】以下本発明を実施例によって更に詳細に説
明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもので
はなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはい
ずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

【００２５】

【実施例】図１に示す設備を用い、Ａｌ−０．９重量％
Ｔｉ合金（融点８７０℃）を金属溶湯保持炉に準備し、
表１に示す各条件にて鋳造を行い、幅３００mm×長さ５
００mm×厚さ３０mmの薄板鋳塊を合計５個製造した。こ
の製造に際し、鋳型は、下型３を厚さ５０mmの黒鉛、上
型２を厚さ５０mmで通気性を有するアルミナシリカ系絶
縁・断熱耐火ボード（気孔率８０〜９５％）、側面部分
の材料４を黒鉛もしくはアルミナシリカ絶縁・断熱耐火
物とし、湯口６および湯道７は、アルミナ系耐火物で構
成した。また、注湯温度は１０００℃、注湯時間は約１
０秒で一定とし、リニアモータ１０は、各コイル電流値
を注湯開始時から凝固完了時まで通電し続けた。リニア
モータ１０の諸元を表２に示す。得られた薄板鋳塊の製
品評価を表３に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】

【表３】

【００２９】表１，３から明らかな様に、リニアモータ
１０のコイル電流が４０Ａである鋳塊No. ３の製品が、
重量偏析、内部欠陥、表面品質および歩留まり、いずれ
も良好な結果が得られている。これに対し、コイル電流
が８０Ａと大き過ぎる場合、晶出物（Ａｌ₃ Ｔｉ）は、
攪拌流のため沈降せず、さらに攪拌流速が大きすぎるた
め晶出物の凝固進行面への捕捉割合が減少し、晶出物が
最終凝固位置であるキャビティ上面側に集中して逆偏析
を起こす。また、金属溶湯Ｍがキャビティ５内へ流入す
るときの金属溶湯流の乱れが大きくなり、ガス巻き込み
などの欠陥が多く発生する。

【００３０】このように、リニアモータのコイル電流値
には最適値が存在し、この値は、晶出物の形状、晶出物
と金属溶湯の比重差、金属溶湯の粘度および電気伝導
度、キャビティ厚みなどの要因によって決定づけられる
ことは前述した通りである。

【００３１】尚鋳塊No. ３と５では、キャビティ５の側
面部分の材料４がそれぞれ黒鉛、アルミナシリカ系絶縁
・断熱耐火物となっている以外は同条件であるが、結果
は、No. ５の鋳塊は、ブローホールが多く発生してお
り、下面の表面品質も湯皺が多く確認された。これは側
面部分の材料４を絶縁・断熱耐火物とすると、キャビテ
ィ５内への金属溶湯流入時、金属溶湯Ｍに作用する電磁
推進力および反発力が、横方向端効果のため、キャビテ
ィ５の中央部に比較してキャビティ側面側で減衰し、電
磁推進力および反発力が金属溶湯Ｍ内で著しく不均一と
なり、流入する金属溶湯の乱れが大きくなり、ガス巻き
込みによるブローホール、不均一流による湯皺が発生し
たためである。このように、側面部分の材料４を電気伝
導性を有する材料で構成することにより、金属溶湯流の
乱れを抑制することが可能であり、内部欠陥が少なく表
面品質の優れた薄板鋳塊の製造が可能である。

【００３２】また、内部組織を比較すると、表３に示さ
れるように、コイル電流が大きいほど急冷および攪拌作
用のため微細組織が得られるが、コイル電流が大きすぎ
ると金属溶湯流の乱れが大きくなり、不均一な組織とな
るため、最適なコイル電流値が存在することが分かる。

【００３３】

【発明の効果】以上述べた如く、本発明方法によれば、
重力偏析が無く、ブローホールなどの内部欠陥が少な
く、下面もしくは上面の表面品質が良好で、微細均一組
織を有する薄板鋳塊が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施する為の鋳造設備の一構成例を示
す概略断面図である。

【図２】本発明を実施する為の鋳造設備の他の構成例を
示す概略断面図である。

【図３】従来の横注入方式を説明するための鋳造設備の
概略断面図である。

【図４】従来の雨堰方式を説明するための鋳造設備の概
略断面図である。

【符号の説明】 １，１ａ 鋳型 ２，２ａ 上型 ３，３ａ 下型 ５ キャビティ １０ リニアモータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−52332（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−152409（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−130868（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22D 27/02 B22C 9/06 C04B 38/00 303 B22C 1/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄板鋳塊用のキャビティが形成された水
   平鋳型において該鋳型を構成する上型もしくは下型の一
   方を絶縁・断熱性耐火物とすると共に、他方の下型もし
   くは上型を電気伝導性を有し且つ抜熱速度の高い材料と
   し、前記絶縁・断熱性耐火物からなる型の側にリニアモ
   ータを設置し、リニアモータの移動磁界により発生する
   電磁力の作用下で鋳造することを特徴とする電磁力によ
   る薄板鋳塊の製造方法。