JP4414950B2 - 半溶融鋳造用金属ビレット、及び半溶融鋳造用金属ビレットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半溶融鋳造法に用いる金属ビレットを誘導加熱する際に均一に加熱して破損を防ぐための、半溶融鋳造用金属ビレット、及び半溶融鋳造用金属ビレットの製造方法に関する。

鋳造材料に加熱処理を施して、固相成分と液相成分とが共存する半溶融・半凝固鋳造材料を調製し、次いで、その半溶融・半凝固鋳造材料を攪拌しつつ容器のノズルを介して鋳型に鋳込んだり、鋳型のキャビティに加圧充填する半溶融・半凝固鋳造法が知られている。この鋳造法はチクソキャスティング法(Ｔｈｉｘｏｃａｓｔｉｎｇ)又はレオキャスト法(Ｒｈｅｏｃａｓｔｉｎｇ)とも言われている。半溶融・半凝固状態にある合金金属は、ある程度流動性があり、成形中にガスの巻き込みが少なく、結晶粒が均一となるため、鋳造品の機械的性質を向上させることができる。

半溶融鋳造法では、円柱状の金属ビレットをソレノイドコイル内に収容して通電し、金属ビレットを誘導加熱する。所定の温度に加熱して半凝固金属ビレットを得た後、半凝固金属ビレットをダイカスト装置の射出スリーブに供給して成形品を成形する。

半溶融鋳造ではビレットの加熱を高周波あるいは低周波による誘導加熱で行っているものが多いが、その加熱時間は数分から十数分であった。

加熱時間を短縮し、生産性を向上することは生産コストの低減に有効であるが、従来の誘導コイルの中に単にビレットを置いただけの状態で誘導加熱出力を増加させると、電磁誘導により被加熱物であるビレット内に発生する電流が大きくなり、それにともない誘導コイルとビレットとの間にはたらく力も大きくなる。

加熱されたビレットの一部が溶けかけた状態でこの力がかかると、溶けかけた結晶粒界で分断され加熱途中のビレットの一部が破砕し飛散する現象がおこる。従来のようにゆっくり加熱する場合はこの力も小さいため、このような現象はおこらない。またこの破砕、飛散現象は磁束が集まりやすく外力により破砕しやすいコーナー部分で発生しやすい。この現象を抑えることは、加熱時間短縮には不可欠である。このように、誘導加熱の際、金属ビレットの端面コーナー部はエッジ効果で過熱しやすいのに対して、端面中央部は加熱不足となりやすく、均一加熱を妨げている。

また、鋳造製品の品質を高める目的から、一般的にビレットは急速冷却によって製造されるため、内部と表面の組成の差は少ない。そのため、ビレット内部と表面の融点の差は少なく、表面が先行して溶融し易くなる。

上述のエッジ効果による好ましくないビレット端面の縁部分の過剰な加熱は、ビレットを数十秒というような短時間で加熱する場合に特に顕著になる。昇温速度が緩慢である場合は、基本的に熱平衡状態で全体が昇温してゆくので、ビレット端面の縁部分における過剰な加熱は余り目立たず、それ程問題にはならない。

そこで、金属加熱ビレットを誘導加熱コイルを用いて加熱するに際し、ビレット両端面近傍に磁性体のコイルあるいは板を配置し、金属ビレット端面コーナー部の過熱を防止することが行われている。また、下記特許文献１には、金属加熱ビレットを誘導加熱コイルを用いて加熱するに際し、ビレット長さ方向の前後に磁束の均一化を図るガイド(鉄芯等)を配置し、ビレット長さ方向の均熱性を実現することが開示されている。

他方、下記特許文献２には、収縮巣のほとんどない、高温強度に優れた鋳物製品を製造することができる半凝固金属成形用アルミニウム合金を得ることを目的として、質量比で、Ｓｉ：４．０〜７．９％、Ｃｕ：２．０〜７．０％、Ｍｇ：１．５〜３．５％、Ｔｉ：０．０３〜０．３０％、適宜、Ｂ：０．００１〜０．０１％を、および／または、Ｆｅ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｎｉ：０．５〜２．５％のうち１種以上を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物よりなる半凝固成形用アルミニウム合金が開示されている。この半凝固金属成形用アルミニウム合金は、結晶核を有する液相線温度以上の液体状態、または、結晶核を有する液相線温度より低く成形温度以上の固液共存状態を、保持容器内で成形温度まで冷却（平均冷却速度０．０１〜１℃／ｓ）して得ている。

特開平１１−２５１０４５号公報 特開２００３−１８３７５６号公報

従来技術では、アルミニウム合金等の金属を半溶融状態にするための設備、システムの研究が主であり、過熱時間の短縮のために、アルミニウム合金等の金属の組成を変更させると言う発想はなかった。

むしろ、半溶融鋳造用のアルミニウム合金ビレットは、材料特性の向上のために、Ｆｅ、Ｃｕ等の成分値を如何に下げるかと言うことに着目されていた。このため、アルミニウム合金の融点が上昇していく傾向があった。又、アルミニウム合金ビレット内の組成のバラツキ、いわゆる偏析を無くすことが重要であると考えられていた。

しかしながら、アルミニウム合金を半溶融状態とするためには、ビレットの加熱を行なう際に、どのような加熱プロセスを使用しても、ビレット内部と外周部の温度差が生じてしまい、ビレット内部まで半溶融状態とするまでに多くの時間を要するのが現状であった。この結果、総加熱時間が長くなり、半溶融鋳造プロセスでの製品コストが高くなった。また、総加熱時間が長くなることにより、ミクロ組織が粗大化して製品の機械的特性が低下すると言う問題もあった。

そこで、本発明は、金属ビレットを誘導加熱する際に、特に短時間で誘導加熱を行う場合の加熱サイクル性を向上させることを目的とし、そのための、半溶融鋳造用金属ビレット、及び半溶融鋳造用金属ビレットの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、誘導加熱時に温度上昇が大きいビレット外周部の偏析を少なくし、融点を意図的に上げ、半溶融鋳造プロセスに必要な固相率のビレット内部と外周部との差異を最小化することで、上記課題が解決されることを見出し、本発明に到達した。

即ち、第１に、本発明は、半溶融鋳造用金属ビレットの発明であり、ビレット中心部に、Ｓｉとその他の微量元素が偏析した低融点ゾーンを有することを特徴とする。ここで、前記微量元素としては、Ｓｉと相まってビレット中心部に偏析し、基材となる金属の融点を低下させるものであれば限定されない。具体的には、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｇから選択される１種以上が好ましく例示される。

本発明が適用される金属ビレットの材質は半溶融鋳造法に用いられる鋳造材料であれば特に限定されず、アルミニウムやその合金、又はマグネシウム合金、亜鉛合金、銅又はその合金、鉄系の合金、等の金属を例示することができる。これらの中で、アルミニウム合金又はマグネシウム合金が好ましく例示される。

アルミニウムやその合金に、これら、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｇを添加するときには、その添加量は、アルミニウムやその合金中に、重量比で、Ｓｉ：３．０〜１０．０％と、Ｆｅ：０．０５〜０．５％、Ｃｕ：０．１〜３．０％、Ｍｇ：０．１〜１．０％であることが好ましい。

第２に、本発明は、半溶融鋳造用金属ビレットの製造方法の発明であり、基材となる金属中に、Ｓｉとその他の微量元素を添加した金属ビレットを、ビレット外周面を直接外冷することにより、ビレット中心部に、Ｓｉとその他の微量元素が偏析した低融点ゾーンを生じさせることを特徴とする。ビレット外周面を直接外冷することにより、ビレット外周部からアルミニウムなどの基材が凝固を始め、他の成分はまだ溶解しているビレット中心部に集中する。最終的に、ビレット中心部も冷却されると、ビレット中心部に偏析部が生じる。ビレット外周面を直接外冷する際の具体的な冷却速度としては、ビレット中央部が１〜１５℃／秒、ビレット外周部は中央部に比べて＋１０〜＋５０℃／秒とすることがビレット中心部に所望の偏析部分を生じさせる上で好ましい。

本発明の半溶融鋳造用金属ビレットの製造方法において、基材となる金属、微量元素の種類、その添加量は上述の通りである。

本発明では、ビレット中心部に、Ｓｉとその他の微量元素が偏析した低融点ゾーンを有することで、誘導加熱時に温度上昇が遅いビレット内部の共晶部の融点を意図的に下げ、半溶融鋳造プロセスに必要な固相率のビレット内部と外周部での差異を最小化する。この結果、半溶融鋳造用金属ビレット全体を２分以下の超短時間で加熱出来る。本発明により、金属ビレットの加熱サイクルタイムの短縮が確実に遂行されるとともに、金属ビレット全体を目標加熱状態に確実に加熱することが可能になる。

図１に、本発明のビレット加熱の原理を示す。金属ビレットを加熱すると、ビレット外周部Ｂより受けた熱量がアルミニウム合金などの基材となるビレット金属の伝熱により、ビレット中心部Ａの温度を上昇させる。この際、ビレット外周部Ｂとビレット中心部Ａとでは温度差が生じる。基材となるビレット金属が通常の均一組成であれば、ビレット外周部Ｂの融点ａ’とビレット中心部Ａの融点ａは同一であるため、ビレット外周部Ｂから溶け出す。従来法では、これを抑制するために、加熱温度や加熱パターンの工夫を行い、ゆっくりと加熱することになる。

本発明では、ビレット中心部を偏析させて偏析部Ｄを設けたことにより、ビレット中心部Ａの融点ｂを低くしたことで、ビレット外周部Ｂとビレット中心部Ａの溶融開始時間の差異を無くすことができた。即ち、実温度勾配ｃは図１に示される傾斜を保ったまま上昇し、同時にビレット外周部Ｂの融点ａ’とビレット中心部Ａの融点ｂに達する。この結果、ビレットの総加熱時間を短縮することができる。

（実施例）
アルミニウム合金（成分は、Ｓｉ：７％、Ｆｅ：０．１％、Ｍｇ：０．５５％、残Ａｌ）基材中に、重量比で、Ｓｉ：８．０％、Ｆｅ：０．２％、Ｃｕ：１．０％、Ｍｇ：０．６％となるように、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｇを添加して、径５０ｍｍ、長さ４００ｍｍの円筒状のアルミニウム合金金属ビレットを作製した。

該ビレットを加熱後、ビレット外周面を、ビレット中央部が１〜１５℃／秒、ビレット外周部は中央部に比べて＋１０〜＋５０℃／秒となるように外から水を用いて冷却した。これにより、該ビレット中心部に、Ｓｉとその他の微量元素が偏析した低融点ゾーンを生じさせることができた。

該金属ビレットの両端面の中央部位に渦巻状コイルを対向配置して、誘導加熱した。金属ビレットの加熱温度目標を５８５℃とした。加熱は、５ｋＨｚ、８００ｋＷで６０秒間誘導加熱した。６０秒間の短時間で目標温度：５８５±２℃に金属ビレット全体を加熱した。６０秒間という短時間の急速加熱にもかかわらず、金属ビレットの端部に破損や飛散は一切なかった。

図２に、従来の加熱における、加熱時間とビレット外周部Ｂとビレット中心部Ａの液相率の増加の関係を示す。図２より、ビレット外周部Ｂが急速に昇温して液相化するのに対して、ビレット中心部Ａの液相率の増加はそれより遅れて始まり、ビレット外周部Ｂと同一液相率に要する時間も長いことが分かる。図２には、本発明による加熱と液相率の増加の関係が記入されている。本発明の加熱によると、ビレット外周部Ｂとビレット中心部Ａが同一液相率で増加しており、所定の目標液相率に到達する時間も短縮されることが分かる。

ビレット中心部に、Ｓｉとその他の微量元素が偏析した低融点ゾーンを有することで、半溶融鋳造用金属ビレット全体を２分以下の超短時間で加熱出来た。本発明により、半溶融鋳造法のより実用化に貢献する。

本発明のビレット加熱の原理を示す。 従来と本発明のビレット加熱における、加熱時間とビレット外周部Ｂとビレット中心部Ａの液相率の増加の関係を示す。

符号の説明

Ａ：ビレット中心部、Ｂ：ビレット外周部、Ｄ：偏析部、ａ：ビレット中心部Ａの融点、ａ’：ビレット外周部Ｂの融点、ｂ：ビレット中心部Ａの融点、ｃ：ビレット外周部Ｂとビレット中心部Ａの実温度勾配。

Claims (9)

1. ビレット中心部に、Ｓｉとその他の微量元素が偏析した低融点ゾーンを有することを特徴とする半溶融鋳造用金属ビレット。
2. 前記微量元素が、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｇから選択される１種以上であることを特徴とする請求項１に記載の半溶融鋳造用金属ビレット。
3. 前記半溶融鋳造用金属がアルミニウムであることを特徴とする請求項１または２に記載の半溶融鋳造用金属ビレット。
4. アルミニウム基材中に、重量比で、Ｓｉ：３．０〜１０．０％と、Ｆｅ：０．０５〜０．５％、Ｃｕ：０．１〜３．０％、Ｍｇ：０．１〜１．０％から選択される１種以上が添加されていることを特徴とする請求項３に記載の半溶融鋳造用金属ビレット。
5. 半溶融鋳造用金属中に、Ｓｉとその他の微量元素を添加した半溶融鋳造用金属ビレットを、該ビレット外周面を直接外冷することにより、該ビレット中心部に、Ｓｉとその他の微量元素が偏析した低融点ゾーンを生じさせることを特徴とする半溶融鋳造用金属ビレットの製造方法。
6. ビレット外周面を直接外冷する際、その冷却速度をビレット中央部が１〜１５℃／秒、ビレット外周部は中央部に比べて＋１０〜＋５０℃／秒とすることを特徴とする請求項５に記載の半溶融鋳造用金属ビレットの製造方法。
7. 前記微量元素が、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｇから選択される１種以上であることを特徴とする請求項５または６に記載の半溶融鋳造用金属ビレットの製造方法。
8. 前記半溶融鋳造用金属がアルミニウムであることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の半溶融鋳造用金属ビレットの製造方法。
9. アルミニウム基材中に、重量比で、Ｓｉ：３．０〜１０．０％、Ｆｅ：０．０５〜０．５％、Ｃｕ：０．１〜３．０％、Ｍｇ：０．１〜１．０％が添加されていることを特徴とする請求項８に記載の半溶融鋳造用金属ビレットの製造方法。

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