JP3062339B2 - 半凝固金属の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、非樹枝状晶が金属
（一般には合金）液体中に分散した固体−液体金属混合
物（以下単に半凝固金属という）を連続して安定的に排
出製造する方法を提案するものである。

【０００２】半凝固金属を工業的に利用する方法として
は、半凝固金属製造装置で製造した半凝固金属を、直接
加工工程に導き、溶融金属の持つ凝固潜熱を奪った状態
で加工して加工装置の熱負荷を低減させたり、半凝固金
属をそのまま棒状又は板状の半成品として凝固させ内部
品質の良好な加工用素材とするなどの方法があり、その
有用性から半凝固金属の安定した工業的生産技術の開発
が望まれている。

【０００３】

【従来の技術】これまで、半凝固金属を連続的に製造す
る手段としては、その製造装置として、たとえば特公昭
５６−２０９４４号公報の非樹枝状初晶固体分を含む合
金を連続的に形成するための装置に開示されているよう
に、一定温度の溶融金属を円筒状の冷却攪拌槽内におい
て、適当な冷却条件のもとで縦軸回転攪拌子で強い攪拌
作用を加えて半凝固状態とし、底部のノズルから半凝固
金属として連続的に排出させる機械的攪拌方式のものが
知られている。

【０００４】半凝固金属は溶融金属を冷却しながら激し
く攪拌することによって、融体中に生成しつつある樹枝
状晶の枝部が消失ないしは縮小して丸みを帯びた非樹枝
状晶の状態に変換されて形成される。この半凝固金属は
非樹枝状晶の粒径の小さなものほど特性が優れ、そのた
めには溶融金属の冷却速度を大きくする必要がある。一
方、半凝固金属はその固相率の増大とともに粘性が非常
に大きくなり、流動性が低下する。そのため、上記の連
続的な機械攪拌方式の半凝固金属製造装置では排出力が
不足し、固相率が大きくなると連続排出が困難になるこ
とから、現在も実用化されるにはいたっていない。

【０００５】また、他の例として同じ機械的な攪拌方式
で、横軸円筒胴よりなる攪拌用回転子と、該攪拌用回転
子の胴周に沿う凹曲面からなる冷却壁（固定壁）との間
に溶融金属を連続的に供給して冷却凝固させ、回転子の
回転に基づくせん断力によって粒子の細かい非樹枝状晶
が懸濁した半凝固金属を製造する手段が、特開平３−１
４２０４０号公報（連続的に半凝固金属を製造する方法
と装置）に開示されている。この手段によれば、攪拌用
回転子の直径と回転速度の選択により、十分な冷却速度
とせん断効果を与えることが可能であり、かつ半凝固金
属の排出方向に攪拌用回転子を回転させるため、固相率
の大きい、すなわち粘性の高い半凝固金属の排出を促進
して連続排出を可能にしている。

【０００６】しかしながら、半凝固金属を工業的に製造
する場合、最終製品品質の均一化をはかるために排出さ
れる半凝固金属の固相率を一定化すること、次工程の製
造能力とのマッチングをはかることなどから半凝固金属
の排出速度を制御することが肝要であるが、半凝固金属
の場合、固相率の変化によって粘性が大きく変化し、ま
た、同じ固相率でも冷却速度の違いによって粘性が異な
り、この粘性の変化が排出速度を変動させる大きな原因
となるため、上記手段によっても半凝固金属の排出速度
を制御することは困難であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、前記した
問題点を有利に解決しようとするものであり、抜熱能を
有する横軸円筒胴よりなる攪拌用回転子と該攪拌用回転
子の胴周に沿う凹曲面からなる固定壁との間に溶融金属
を供給して半凝固金属を製造し、上記両者の下方のすき
間から連続的に半凝固金属を排出する方法を用いて、そ
の排出速度を一定に制御できる製造方法を提案すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、前記した横
軸円筒胴よりなる攪拌用回転子を用いる半凝固金属の製
造方法によって、半凝固金属の排出速度を安定させるた
め研究を重ねた結果、排出速度を一定に制御できるとの
結論に達したことによるものである。

【０００９】すなわち、この発明の要旨は、抜熱能を有
し横軸円筒胴よりなる攪拌用回転子と、該攪拌用回転子
の円筒胴周に沿う凹曲面からなる固定壁との間に、溶融
金属を連続的に供給して凝固を生起させながら攪拌用回
転子の回転に基づくせん断力によって粒子の細かい非樹
枝状晶が懸濁した半凝固金属を製造し、攪拌用回転子と
固定壁との間の下方のすき間から上記半凝固金属を連続
的に排出する半凝固金属の製造方法において、該攪拌用
回転子の回転数を調整することによって、半凝固金属の
排出速度を制御することを特徴とする連続式半凝固金属
の製造方法（第１発明）であり、

【００１０】

【００１１】下方のすき間に設置したせき板により攪拌
用回転子とせき板とのすき間間隔を調整することによっ
て、半凝固金属の排出速度を制御する連続式半凝固金属
の製造方法（第２発明）であり、

【００１２】さらに、第１発明又は第２発明における連
続式半凝固金属の製造方法において、排出速度の制御に
先立って、排出した半凝固金属の固相率を測定し、この
測定値にもとづいて攪拌用回転子の冷却条件を調整する
もの（第３発明）である。

【００１３】ここに、固相率は、温度、比抵抗、超音波
及び熱伝達係数などから求めることができるが、これら
のいかなる方法を用いてもよい。

【００１４】

【作用】つの発明を、実験例をもとにさらに詳しく以下
に述べる。図１はこの発明における実験及び実施例に用
いた、抜熱能を有する横軸円筒胴よりなる攪拌用回転子
と固定壁から構成される連続式半凝固金属の製造装置の
模式図である。

【００１５】この半凝固金属の製造装置において、半凝
固金属16は、溶融金属17を上方の取鍋13から注入ノズル
14を介して攪拌用回転子１と固定壁４との間に連続的に
注入し、攪拌用回転子１で冷却しながら激しく攪拌する
ことによって、融体中に生成しつつある樹枝状晶の枝部
が消失ないしは縮小して丸みを帯びた形態に変換されて
半凝固金属16を形成し、連続的に下方の排出口11より排
出される。

【００１６】図１に示す装置は、攪拌用回転子１、攪拌
用回転子１を水冷するための冷却水２、攪拌用回転子１
の駆動装置３、固定壁４、固定壁４の断熱効果を上げる
ための加熱ヒーター５、ヒーターホルダー６、攪拌用回
転子１と固定壁４との下方のすき間間隔を調整するため
に固定壁４をしゅう動する駆動装置７、下方のすき間間
隔を調整するために固定壁４の下方に設けたせき板８、
せき板８をしゅう動して攪拌回転子１とせき板８とのす
き間間隔を調整するための駆動装置９、攪拌用回転子１
の胴周面に付着した凝固殻15を切削剥離するための剥離
治具10、排出口11、排出された半凝固金属16の固相率を
測定するための固相率センサー12から構成される。

【００１７】つぎに、上記した図１に示す連続式半凝固
金属の製造装置を用いて行った実験例について以下に述
べる。Al−10wt％Cu合金を素材としてその溶湯を用い、
攪拌用回転子１の回転数と半凝固金属16の排出速度の関
係及び固定壁４をしゅう動することによる攪拌用回転子
１と固定壁４との下方のすき間間隔を変更した場合（1.
5 mmと2.0 mm) の半凝固金属16の排出速度について調査
した。ここで、上記実験においては、銅製の半径：200
mm幅：100 mmの攪拌用回転子１及び鉄製の固定壁４を用
い、固定壁４はヒーター５で予熱した。

【００１８】これらの調査結果を図２にまとめて示す。
図２は攪拌用回転子１と固定壁４との下方のすき間間隔
をパラメーターとして攪拌用回転子１の回転数と半凝固
金属16の排出速度の関係を示したものである。

【００１９】この図２は、攪拌用回転子１の回転数と半
凝固金属16の排出速度が正の相関を示していて、攪拌用
回転子１の回転数によって半凝固金属16の排出速度を制
御できることを示している。

【００２０】なお、排出速度をさらに低下させた場合で
も、注入した溶融金属が攪拌用回転子１と固定壁４との
間に滞留する時間が長くなり、排出半凝固金属16の固相
率は増大するが、その場合にも排出速度は回転数によっ
て制御可能であった。

【００２１】また、図２は、攪拌用回転子１と固定壁４
との下方のすき間間隔を変えた場合も明らかに排出速度
が変化していて、このすき間間隔を調整することにより
半凝固金属16の排出速度が制御できることを示してい
る。

【００２２】さらに、せき板８を用い攪拌用回転子１と
せき板８とのすき間間隔を変え、他は上記と同様の条件
で半凝固金属16の排出速度を調査した。これらの調査結
果を図３に示す。図３は攪拌用回転子１とせき板８との
すき間間隔と半凝固金属16の排出速度の関係を示すもの
であるが、すき間間隔と排出速度には相関があり、せき
板８をしゅう動して攪拌用回転子１とせき板８とのすき
間間隔を調整することでも半凝固金属16の排出速度を制
御できることを示している。

【００２３】以上の実験により、攪拌用回転子１の回転
数、固定壁４をしゅ動することによる攪拌用回転子１と
の下方のすき間間隔及びせき板８をしゅう動することに
よる攪拌用回転子とせき板８とのすき間間隔などを調整
することにより半凝固金属16の排出速度を制御できるこ
とが明らかになった。なお、これらを重複して調整して
も半凝固金属の排出速度を制御できることは当然のこと
である。

【００２４】これらのうち、特に攪拌用回転子１の回転
数の影響については、粘性の小さい液体金属の場合には
液体金属と攪拌用回転子１との界面ですべりを生じて攪
拌用回転子１の回転力が有効に液体金属に働かなかった
ものが、半凝固金属16では固相率が大きくなれば大きく
なるほど粘性も大きくなり、見かけ上攪拌回転子１と半
凝固金属16の摩擦抵抗が大きくなるかたちで、あたかも
薄い板を攪拌用回転子１で搬送するように半凝固金属16
が攪拌用回転子１の回転方向に引きずられることによつ
て生じるものである。

【００２５】むろん、注入した溶融金属17が冷却され、
半凝固金属16になるまでに攪拌用回転子１によるせん断
力で、融体中に生成しつつある樹枝状晶の枝部が消失な
いしは縮小して丸みを帯びた形態に変換され、細かい非
樹枝状晶が懸濁した半凝固金属16が生成されるのはいう
までもない。一方、供給素材、半凝固金属の製造装置及
びその操業条件特に冷却条件などによって半凝固金属の
固相率と排出速度の関係が異なってくる。したがって、
上記方法による排出速度の制御に先立って、排出される
半凝固金属の固相率を測定し、この測定値にもとづいて
攪拌用回転子の冷却水温度及び冷却水量などを変えるこ
とによる冷却条件を調整することにより、所定の固相率
の半凝固金属を一定速度で排出することができる。

【００２６】

【実施例】実施例１ 温度：670 ℃のAl−10wt％Cu合金の溶湯500 kgを、前掲
図１に示した連続式半凝固金属の製造装置に連続的に供
給し、攪拌用回転子の回転数を変更して半凝固金属の製
造を行った。

【００２７】この半凝固金属の製造にあたっては、銅製
の半径：200 mm、幅：100 mmの攪拌用回転子及び鉄製の
固定壁を使用し、固定壁はヒーターで650 ℃に予熱し、
攪拌用回転子と固定壁との下方のすき間間隔を1.5 mmと
する（せき板は用いない）条件で行った。

【００２８】また、上記と同条件で行った前記実験例の
図２から、半凝固金属の排出速度を15 l／min とするた
めには攪拌用回転子の回転数を80rpm 、30 l／min とす
るためには180 rpm とすればよいことから、500 kgのう
ち、初めの250 kgを15 l／min、残りの250 kgを30 l／m
in の排出速度に制御するため、攪拌用回転子の回転数
を途中で変えて操業した。

【００２９】これらの結果として、図４に半凝固金属の
排出開始からの経過時間にともなう攪拌用回転子の回転
数及び半凝固金属の排出速度の関係を示す。この図から
明らかなように、操業途中で排出速度を変えるために攪
拌用回転子の回転数を80rpm から180 rpm に変更した
が、この操作によつて半凝固金属の排出速度も15 l／mi
n から30 l／min となり、望み通りの排出速度で操業す
ることができた。

【００３０】

【００３１】

【００３２】実施例２ 攪拌用回転子と固定壁との下方のすき間間隔を５mmと
し、せき板をしゅう動させることによって攪拌用回転子
とせき板とのすき間間隔を変化させた以外は実施例２と
同様の条件で半凝固金属の製造を行った。これらの結果
として、図５に攪拌用回転子とせき板とのすき間間隔と
半凝固金属の排出速度の関係を示す。この図から、排出
速度は、せき板をしゅう動させ攪拌用回転子とせき板と
のすき間間隔を調整することによって制御できることが
明らかであり、たとえば、排出速度を40 l／min とする
ためには攪拌用回転子の回転数が100 rpm において、上
記すき間間隔を1.8 mmにすればよいことがわかる。

【００３３】

【００３４】実施例３ 半凝固金属が排出される部分にＫシース熱電対をセット
し、Al−10wt％Cuの平衡状態図より求めた温度と固相率
の関係から固相率を算出し、この値にもとづいて攪拌用
回転子の冷却水量を変えた以外は実施例１と同様の条件
で半凝固金属の製造を行った。なお、排出速度は攪拌用
回転子の回転数で制御し、排出半凝固金属の固相率は攪
拌用回転子の冷却水量を変えることにより調整した。こ
れらの結果として、図６に攪拌用回転子の回転数、攪拌
用回転子の冷却水量、固相率、排出速度の経時変化を示
す。図６において、排出初期は攪拌用回転子の温度が低
いため、攪拌用回転子の冷却能が大きく、固相率を0.3
（所定の固相率）、排出速度を20 l／min にするために
は、攪拌用回転子の冷却水量を80 l／min としなければ
ならなく、その回転数も130 rpm となる。その後攪拌用
回転子の温度が上昇するのにともない冷却水量を徐々に
増加し、冷却水量が 135 l／min で熱的定常状態に達す
るが、排出速度は常に20 l／min 、排出半凝固金属の固
相率は所定の値0.3 に一定に維持できる。さらに排出速
度を30 l／min に増大するため、攪拌用回転子の回転数
を180rpm としたが、この場合でも攪拌用回転子の冷却
水量を 220 l／min に増加することによって、排出半凝
固金属の固相率を所定の値0.3 に一定に維持できる。以
上のように排出される半凝固金属の固相率を測定しなが
らその固相率に応じて攪拌用回転子の冷却を調整し、か
つ排出速度を制御すれば、所定の固相率の半凝固金属を
一定排出速度で安定して製造することができる。

【００３５】

【発明の効果】この発明は、抜熱能を有する横軸円筒胴
よりなる攪拌用回転子と固定壁との間に溶融金属を供給
し、上記両者の下方のすき間から半凝固金属を連続的に
排出するにあたり、攪拌用回転子の回転数の調整、ある
いは撹拌用回転子とせき板とのすき間間隔の調整により
半凝固金属の排出速度を一定に制御するようにしたもの
で、次工程への安定供給を可能とし、さらに排出速度の
制御に先立って排出される半凝固金属の固相率により攪
拌用回転子の冷却条件を調整することにより、所定の固
相率の半凝固金属を一定排出速度で製造することを容易
にしたもので、半凝固金属の工業化に大きく貢献するも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明における実験及び実施例に用いた連続
式半凝固金属の製造装置の模式図である。

【図２】攪拌用回転子と固定壁との下方のすき間間隔を
バラメーターとして、攪拌用回転子の回転数と半凝固金
属の排出速度の関係を示すグラフである。

【図３】攪拌用回転子とせき板とのすき間間隔と半凝固
金属の排出速度の関係を示すグラフである。

【図４】半凝固金属の排出開始からの経過時間にともな
う攪拌用回転子の回転数及び半凝固金属の排出速度の変
化を示すグラフである。

【図５】攪拌用回転子とせき板とのすき間間隔と半凝固
金属の排出速度の関係を示すグラフである。

【図６】半凝固金属の排出開始からの経過時間にともな
う攪拌用回転子の回転数、攪拌用回転子の冷却水量、排
出半凝固金属の固相率及び半凝固金属の排出速度の変化
を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 攪拌用回転子 ２ 冷却水 ３ 駆動装置 ４ 固定壁 ５ ヒーター ６ ヒーターホルダー ７ 駆動装置 ８ せき板 ９ 駆動装置 10 凝固殻剥離治具 11 排出口 12 固相率センサー 13 取鍋 14 注入ノズル 15 凝固殻 16 半凝固金属 17 溶融金属

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−142040（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−192745（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−274850（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−238645（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−15947（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22D 11/00 B22D 1/00 B22D 11/06 310 B22D 27/20

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 抜熱能を有し横軸円筒胴よりなる攪拌用
   回転子と、該攪拌用回転子の円筒胴周に沿う凹曲面から
   なる固定壁との間に、溶融金属を連続的に供給して凝固
   を生起させながら攪拌用回転子の回転に基づくせん断力
   によって粒子の細かい非樹枝状晶が懸濁した半凝固金属
   を製造し、攪拌用回転子と固定壁との間の下方のすき間
   から上記半凝固金属を連続的に排出する半凝固金属の製
   造方法において、 該攪拌用回転子の回転数を調整することによって、半凝
   固金属の排出速度を制御することを特徴とする連続式半
   凝固金属の製造方法。
2. 【請求項２】 抜熱能を有し横軸円筒胴よりなる攪拌用
   回転子と、該攪拌用回転子の円筒胴周に沿う凹曲面から
   なる固定壁との間に、溶融金属を連続的に供給して凝固
   を生起させながら攪拌用回転子の回転に基づくせん断力
   によって粒子の細かい非樹枝状晶が懸濁した半凝固金属
   を製造し、攪拌用回転子と固定壁との間の下方のすき間
   から上記半凝固金属を連続的に排出する半凝固金属の製
   造方法において、 下方のすき間に設置したせき板により攪拌用回転子とせ
   き板とのすき間間隔を調整することによって、半凝固金
   属の排出速度を制御することを特徴とする連続式半凝固
   金属の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の連続式半凝固金属
   の製造方法において、 排出速度の制御に先立って、排出した半凝固金属の固相
   率を測定し、この測定値にもとづいて攪拌用回転子の冷
   却条件を調整することを特徴とする連続式半凝固金属の
   製造方法。