JP4253549B2 - 成形素材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造（半連続鋳造も含む）により成形素材を得る技術に係り、より詳しくは結晶粒の微細化対策を施した成形素材の製造方法に関する。

連続鋳造法は、鋳型内に上方から溶湯を注入し、前記鋳型の底部から鋳塊を連続に引出す鋳造法であり、生産性に優れかつ材料歩留りが良好であることから、鍛造、圧延、押出、伸線等の成形素材の製造に多く用いられている。
一方、最近、成形素材を半溶融状態として成形を行う、いわゆる半溶融成形が注目を集めている。この半溶融成形によれば、汎用のダイカスト鋳造に比べて、結晶粒が細かく機械的性質に優れた成形品が得られ、例えばアルミニウム系材料、マグネシウム系材料等の自動車部品の製造に有用となる。しかるに、この半溶融成形によれば、成形素材における結晶組織が成形後の機械的性質に大きく影響することが確認されており、したがって、上記した連続鋳造で得られる成形素材を半溶融成形に用いる場合には、当然に結晶粒の細かいことが要求される。
なお、上記鍛造、圧延、押出、伸線等の一般的な成形に用いられる成形材料においても、結晶粒の細かいことが要求されることは、もちろんである。

ところで、溶融金属を耐熱容器内で半凝固状態のスラリーとして成形機へ直接供給する、いわゆる半凝固鋳造プロセスの分野では、例えば特許文献１に記載されるように、溶湯を電磁攪拌しながらこれに超音波振動を加えることで、結晶粒を微細化することを行っている。したがって、この技術を上記した連続鋳造に適用することで、結晶粒の微細化を図ることができるものと期待される。

特開２０００−２４６４１５号公報

しかしながら、上記特許文献１記載される技術を単に連続鋳造に適用した場合は、耐熱容器内でバッチ式に処理する半凝固鋳造プロセスと異なって、水冷鋳型との接触で凝固が短時間で進むため、超音波振動と電磁攪拌とを組合せただけでは、十分なる結晶粒の微細化効果が得られない虞れがある。
本発明は、上記した技術的背景に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、連続鋳造においても、十分なる結晶粒の微細化効果をあげることができる成形素材の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、水冷鋳型内に上方からアルミニウム系材料の溶湯を注入し、前記鋳型の底部から鋳塊を連続に引出す連続鋳造により微細な球状結晶が集合する組織からなる成形素材を得る方法において、前記連続鋳造に際し、前記鋳塊よりも上側の液相領域に鉄系材料またはセラミックス製の冷却棒を挿入し、溶湯を電磁攪拌しながら前記冷却棒をその軸方向へ縦振動させかつ回転させて常に新鮮な溶湯を前記冷却棒に接触させ、該冷却棒の周囲に微細な初晶を多量に発生させ、次いでこの多量に発生した初晶を電磁攪拌される溶湯の流れに乗せて固・液共存領域内に分散させ、該初晶を核として凝固を進めることにより、結晶粒の成長および粗大化を抑制することを特徴とする。
このように行う成形素材の製造方法においては、その軸方向へ縦振動しかつ回転する鉄系材料またはセラミックス製の冷却棒に常に新鮮な溶湯が接触することで、溶湯内に多量の微細な初晶が発生し、この発生した初晶は、溶湯に対する冷却棒による機械的攪拌と溶湯の電磁攪拌とにより、溶湯下方の固・液共存相領域内に分散し、固・液共存相領域内では、この微細な初晶を核として凝固が進み、結晶粒の成長、粗大化が効果的に抑えられる。
本発明において、上記冷却棒は、回転に加えて、その軸方向へ縦振動させることにより初晶の発生および分散がより促進される。
また、この冷却棒は、上記回転および縦振動に加えて公転運動させるようにしても、さらに、公転運動の軌跡を中心に該軌跡に交差する方向へ振動させるようにしてもよく、冷却棒のこれらの動きにより初晶の発生および分散がより一層促進される。
本発明において、上記成形素材の種類（使用目的）は任意のアルミニウム系材料であるが、半溶融成形用ビレットとすることでき、かかるビレットを用いることで、半溶融成形で得られる成形品の機械的性質が向上する。

本発明に係る成形素材の製造方法によれば、結晶粒の細かい成形素材を連続鋳造により安定して得ることができるので、各種成形特に半溶融成形で得られる成形品の機械的性質の向上に大きく寄与する。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る成形材料の製造方法を実施するための連続鋳造装置と該装置を用いて行う連続鋳造の実施状況を示したものである。同図において、１は、上部および下部を開放した円筒状の水冷鋳型であり、断熱材からなる上部型体２と金属製の下部型体３との二段構造となっている。下部型体３の内部にはウォータジャケット４が設けられており、このウォータジャケット４には、図示を略す給水手段から冷却水Ｗが給送されるようになっている。また、下部型体３の下端内周縁部には、前記ウォータジャケット４内の冷却水Ｗを斜め下方へ向けて逆円錐状に噴射するスリット５が設けられている。なお、このスリット５は、複数の噴射口に替えてもよい。

上記水冷鋳型１の下方には、昇降可能に可動盤６が配設されている。この可動盤６は、水冷鋳型１内に注入された溶湯Ｍを受け、かつ凝固後の鋳塊７を下方へ引出す役割をなすもので、昇降駆動手段８の昇降ロッド８ａの上端に支持されている。
また、水冷鋳型１の周りには、該水冷鋳型１内の溶湯Ｍを電磁攪拌するための電磁攪拌装置９の電磁コイル９ａが配設されている。

一方、水冷鋳型１の上方には、冷却棒１０とこの冷却棒１０を支持し回転させる回転ユニット（回転駆動手段）１１とが配設されている。この回転ユニット１１には冷却棒１０が吊下支持されている。回転ユニット１１は、図示を略す昇降手動に支持されて任意昇降するようになっており、この回転ユニット１１の昇降に応じて、冷却棒１０の下端部が水冷鋳型１内に挿入されるようになる。冷却棒１０はまた、その上端部が前記回転ユニット１１を挿通して延ばされており、その上端には加振手段１２が設置されている。加振手段１２は、冷却棒１０に縦振動を付与するためのもので、これにより冷却棒１０は、水冷鋳型１内で縦振動しながら回転するようになる。

本実施形態において、上記冷却棒１０の設置位置は任意であり、図２（１）に示すように水冷鋳型１と同心に設置しても、あるいは同図（２）に示すように水冷鋳型１の偏心位置に設置してもよい。また、この冷却棒１０の材種は、アルミニウム系材料を鋳造する場合は、鉄系材料はもとより、セラミックス等を選択することができる。

連続鋳造に際しては、予め昇降駆動手段８の昇降ロッド８ａと一体に可動盤６を上昇させて、該可動盤６を水冷鋳型１の下部型体３の開口端部内に位置決めしておく。また、回転ユニット１１と一体に冷却棒１０を下降させ、その下端部を水冷鋳型１内の、後述する適当深さまで挿入する。
上記準備完了後、図示を略す注湯管を通して水冷鋳型１内に溶湯Ｍを注入する。すると、溶湯Ｍは、前記可動盤６上に滞留し、次第にその液面を上昇させ、この間、可動盤６および内部冷却されている下部型体３に接触する部分から凝固が始まる。そして、この凝固開始にタイミングを合せて昇降駆動手段８が作動し、昇降ロッド８ａと一体に可動盤６が一定速度で下降する。すると、この可動盤６の下降に追従して鋳塊７が水冷鋳型１の下方へ次第に引出される。この時、下部型体３のスリット５から冷却水Ｗが内方へ向けて噴射されているので、鋳塊７は、その外周面から急速に冷却され、これにより固相線Ｓは、図１に示すように下部型体３の開口端よりわずか上側に寄った位置を維持する。

一方、水冷鋳型１内の上部側に溜まった溶湯Ｍは、断熱材製の上部型体２との接触で溶融状態を維持しており、液相領域Ａを確定する液相線Ｌは、上部型体２と下部型体３との境界付近に存在する。しかして、この液相線Ｌと上記固相線Ｓとの間は、液相と固相とが共存する固・液共存相領域Ｂとなっており、鋳塊７は、この固・液共存相領域Ｂ内で成長し、上記可動盤６の下降に応じて次第にその長さを増加させる。

本実施形態においては、図１に示すように冷却棒１０の先端部を上記液相領域Ａに浸漬させている。また、水冷鋳型１内への溶湯の充填完了と前後して上記電磁攪拌装置９が起動される。冷却棒１０は、加振手段１２と回転ユニット１１とによりその軸方向に縦振動を起こしながら回転しており、これにより冷却棒１０には常に新鮮な溶湯Ｍの液層領域Ａが接触し、この結果、冷却棒１０の周りには微細な初晶が多量に発生する。一方、この多量に発生した初晶は、電磁攪拌装置９により電磁攪拌される溶湯Ｍの流れに乗って、下方の固・液共存相領域Ｂ内に分散する。これにより固・液共存相領域Ｂ内では、前記微細な初晶が核となって凝固が進み、この結果、樹枝状晶（デンドライト）の生成が抑制され、結晶粒の成長および粗大化が効果的に抑えられる。
すなわち、得られた鋳塊７は、微細な球状結晶が集合する組織となっており、したがって、この鋳塊７を半溶融成形用ビレットとして用いた場合は、強度および靭性（機械的性質）に著しく優れた半溶融成形品が得られるようになる。

ここで、上記実施形態においては、冷却棒１０を液相領域Ａに浸漬させるようにしたが、この冷却棒１０は、固・液共存相領域Ｂに浸漬させるようにしてもよい。このように冷却棒１０を固・液共存相領域Ｂに浸漬させた場合は、初晶の発生に加え、冷却棒１０の機械的攪拌による初晶の破壊が起こるので、結晶粒はより一層微細化する。

また、上記冷却棒１０は、例えば図３に示すように、回転しながら公転運動させるようにしても、図４に示すように、公転運動の軌跡を中心にこれに交差する方向へ振動（ここでは、螺旋運動）させるようにしても、あるいは水冷鋳型１の半径方向へ横振動させるようにしてもよい。このような冷却棒１０の動きにより、初晶の発生および破壊がより一層促進され、結晶粒はより一層微細化する。なお、このような冷却棒１０の運動は、これを支持する回転ユニット１１を介して容易に実施することができる。
なお、本発明は、半連続鋳造を行ってもよいもので、この場合は、水冷鋳型１内に所定量の溶湯Ｍを注入することで、所定長の鋳塊が得られるようになる。

本発明に係る成形材料の製造方法を実施するための連続鋳造装置と該装置を用いて行う連続鋳造の実施状況を示す断面図である。 本連続鋳造の実施に用いる冷却棒の設置態様と動きとを示す模式図である。 本連続鋳造の実施に用いる冷却棒の、他の設置態様と動きとを示す模式図である。 本連続鋳造の実施に用いる冷却棒の、さらに他の設置態様と動きとを示す模式図である。

符号の説明

１ 水冷鋳型
６ 可動盤
７ 鋳塊
９ 電磁攪拌装置
１０ 冷却棒
１１ 回転ユニット
１２ 加振手段
Ｍ 溶湯
Ａ 液相領域
Ｂ 固・液共存相領域
Ｗ 冷却水

Claims (4)

1. 水冷鋳型内に上方からアルミニウム系材料の溶湯を注入し、前記鋳型の底部から鋳塊を連続に引出す連続鋳造により微細な球状結晶が集合する組織からなる成形素材を得る方法において、前記連続鋳造に際し、前記鋳塊よりも上側の液相領域に鉄系材料またはセラミックス製の冷却棒を挿入し、溶湯を電磁攪拌しながら前記冷却棒をその軸方向へ縦振動させかつ回転させて常に新鮮な溶湯を前記冷却棒に接触させ、該冷却棒の周囲に微細な初晶を多量に発生させ、次いでこの多量に発生した初晶を電磁攪拌される溶湯の流れに乗せて固・液共存領域内に分散させ、該初晶を核として凝固を進めることにより、結晶粒の成長および粗大化を抑制することを特徴とする成形素材の製造方法。
2. 冷却棒を、公転運動させることを特徴とする請求項１記載の成形素材の製造方法。
3. 冷却棒を、公転運動の軌跡を中心に該軌跡に交差する方向へ振動させることを特徴とする請求項２に記載の成形素材の製造方法。
4. 成形素材が、半溶融成形用ビレットであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の成形素材の製造方法。

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