JP4748688B2 - Method for preparing semi-solid metal slurry - Google Patents

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Description

この発明は半凝固金属スラリーの作製方法に係る。  The present invention relates to a method for producing a semi-solid metal slurry.

半凝固成形法(レオキャスト法)に用いる金属スラリーは、初晶が液状マトリックスにより互いに分離した状態に維持し、その初晶粒子ができるだけ微細で且つ均一な非樹枝状であること、好ましくは球状であることが望ましい。そうすれば、高い固相率で低粘度の半凝固状態で成形(鋳造)することが可能となり、成形された製品の収縮巣の発生を抑制し得ると共に成形製品の機械的強度を向上させることができる。  The metal slurry used in the semi-solid forming method (rheocast method) maintains primary crystals separated from each other by a liquid matrix, and the primary crystal particles are as fine and uniform non-dendritic as possible, preferably spherical It is desirable that By doing so, it becomes possible to mold (cast) in a semisolid state with a high solid phase ratio and a low viscosity, which can suppress the formation of shrinkage nests of the molded product and improve the mechanical strength of the molded product. Can do.

金属スラリーの作製技術として次のものが知られている。  The following are known as metal slurry production techniques.

特開平8−325652号公報  JP-A-8-325652 特開平11−138248号公報  JP-A-11-138248 特許第3520991号公報  Japanese Patent No. 3520991

特許文献1記載技術は、機械攪拌法や電磁攪拌法によらず、簡便容易に、かつ、低コストで微細かつ球状のチクソ組織を有する成形体が得られる半溶融金属の成形方法を提案するものであり、結晶核を有する液相線温度以上の液体状態の合金、または、結晶核を有する成形温度以上の固液共存状態の合金を、断熱効果を有する断熱容器の中において、所定の液相率を示す成形温度まで冷却しつつ5秒間〜60分間保持することにより、液中に微細な初晶を該合金液中に晶出させ、該合金を成形用金型に供給して加圧成形するものである。  The technique described in Patent Document 1 proposes a method for forming a semi-molten metal that can easily and easily produce a compact having a fine and spherical thixostructure at a low cost regardless of the mechanical stirring method or electromagnetic stirring method. A liquid state alloy having crystal nuclei above the liquidus temperature or a solid-liquid coexistence state having crystal nuclei above the forming temperature in a heat insulating container having a heat insulating effect in a predetermined liquid phase. By holding it for 5 seconds to 60 minutes while cooling to a forming temperature showing a rate, a fine primary crystal is crystallized in the alloy liquid, and the alloy is supplied to a molding die for pressure forming. To do.

しかし、特許文献1記載の技術を用いて実際にスラリーを作成し、次いで、成形を行ってみると、必ずしも微細かつ均一な組織を有する成形品が得られるわけではない。特に、JISAC4C系合金以外の合金系においてその傾向が顕著である。すなわち、固液共存の温度領域の広い合金系でないと微細で均一な組織を有する成形品は得られない。また、断熱容器に直接注湯する場合は、結晶粒微細化元素を必ず添加させなければならないという制約がある。  However, when a slurry is actually created using the technique described in Patent Document 1 and then molded, a molded product having a fine and uniform structure is not always obtained. In particular, the tendency is remarkable in alloy systems other than the JISAC4C alloy. In other words, a molded product having a fine and uniform structure cannot be obtained unless the alloy system has a wide solid-liquid temperature range. In addition, when pouring directly into the heat insulating container, there is a restriction that a crystal grain refining element must be added.

一方、特許文献2記載技術は、格別に複雑な工程を必要とせず簡単な装置・設備でもって、微細で且つほぼ均一な非樹枝状(球状)の初晶粒子を有する半凝固金属スラリーを容易に安定して半凝固金属スラリーを作製できると共に、上記作製した半凝固金属スラリーを成形機の加圧スリーブに簡便に装填して加圧成形することが可能な半凝固成形法であり、その構成は、溶融金属に、当該溶融金属が冷却されている過程であって当該溶融金属の少なくとも一部が液相線温度以下になる時に運動を加え、その後に当該溶融金属を冷却して半凝固させる半凝固金属スラリーの作製方法において、溶融金属を、スラリー作製容器中に注ぎ入れることにより、当該溶融金属の少なくとも一部を液相線温度以下にしつつ当該溶融金属に運動を加え、スラリー作製容器ごと成形機の加圧スリーブに装填するようにしたものである。  On the other hand, the technology described in Patent Document 2 does not require a particularly complicated process, and can easily produce a semi-solid metal slurry having fine and almost uniform non-dendritic (spherical) primary crystal particles with simple equipment and facilities. This is a semi-solid molding method that can stably produce a semi-solid metal slurry, and can simply load the produced semi-solid metal slurry into a pressure sleeve of a molding machine and perform pressure molding. Applies a motion to the molten metal when the molten metal is being cooled and at least a portion of the molten metal is below the liquidus temperature, and then the molten metal is cooled and semi-solidified In the method for producing a semi-solid metal slurry, by pouring the molten metal into a slurry preparation container, a motion is applied to the molten metal while keeping at least a part of the molten metal below the liquidus temperature. It is obtained so as to load the pressure sleeve of the over produced container each molding machine.

特許文献2記載の技術についても、実際にスラリーを作成し、次いで、成形を行ってみると、必ずしも微細かつ均一な組織を有する成形品が得られるわけではない。特に、JISAC4C系合金以外においてその傾向が顕著である。  Regarding the technique described in Patent Document 2, when a slurry is actually prepared and then molded, a molded product having a fine and uniform structure is not always obtained. In particular, the tendency is remarkable except for JISAC4C alloy.

特許文献3には、容器に注湯される溶融金属に初期凝固層を形成させない程度の電磁気場を、前記容器に前記溶融金属を注湯すると同時に前記容器に印加して、この電磁気場が印加されている状態で、この容器に溶融金属を注湯する注湯工程と、前記容器に注湯された前記溶融金属を冷却して固液共存状態の金属材料を形成する冷却工程とを具備した固液共存状態金属材料の製造方法が記載されている。
しかし、特許文献3に記載された技術においては、電磁気場を印加するための設備を必要とする。この設備が大型でありそのためのコスト、スペースを必要とする。また、電磁気場を印加するための時間が必要であり処理時間が長くなってしまう。
In Patent Document 3, an electromagnetic field that does not form an initial solidified layer on the molten metal poured into the container is applied to the container at the same time as the molten metal is poured into the container, and this electromagnetic field is applied. In a state where the molten metal is poured into the container, and a cooling step in which the molten metal poured into the container is cooled to form a solid-liquid coexisting metal material. A method for producing a solid-liquid coexisting metallic material is described.
However, the technique described in Patent Document 3 requires equipment for applying an electromagnetic field. This facility is large and requires cost and space. In addition, a time for applying the electromagnetic field is required, and the processing time becomes long.

本発明は、上記のような問題点をなくすためになされたものである。
本発明は、大型設備を必要とすることなく、かつ、短時間処理が可能であり、しかも、微細かつ均質な組織を有する成形品を形成することができる半凝固金属スラリーの作製方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made to eliminate the above problems.
The present invention provides a method for producing a semi-solid metal slurry capable of forming a molded product having a fine and homogeneous structure that can be processed in a short time without requiring a large facility. For the purpose.

前記溶湯状態の金属と前記冷却容器の底部との高さの差を容器直径の4倍以上とすることが好ましく、5倍以上とすることがさらに好ましい。3.5倍未満では条件によってはデンドライト状組織となってしまうことがある。4倍以上とすることにより、より一層微細かつ均一な組織が得られる。
上限としては10倍が好ましい。10倍を超えると、注湯条件によっては、湯があばれたり、空気を巻き込み、巻き込んだ空気が急に膨張して湯を踊らせたりすることがある。また、溶湯をこぼさず鋳込むことが難しくなる。
The difference in height between the molten metal and the bottom of the cooling vessel is preferably at least 4 times the vessel diameter, and more preferably at least 5 times. If it is less than 3.5 times, a dendrite-like structure may be formed depending on conditions. By setting it to 4 times or more, an even finer and more uniform structure can be obtained.
The upper limit is preferably 10 times. If it exceeds 10 times, depending on the pouring conditions, the hot water may be blown out or air may be entrained, and the entrained air may suddenly expand and cause the hot water to dance. Moreover, it becomes difficult to cast the molten metal without spilling it.

なお、容器等の形状は、熱平衡などを考慮して設定されるが、内径としては、10mm〜200mmが好ましく、40mm〜120mmがより好ましい。かかる寸法の場合、より微細かつ均質な組織を得ることができる。内径Dが大きくなると、注がれた湯は横方向へ移動しきれず熱攪拌が十分行われずらくなる。その結果、粒径の微細化乃至均一性が得られがたくなる。  In addition, although the shape of a container etc. is set in consideration of a thermal balance etc., as an internal diameter, 10 mm-200 mm are preferable and 40 mm-120 mm are more preferable. With such dimensions, a finer and more homogeneous structure can be obtained. When the inner diameter D increases, the poured hot water cannot move in the horizontal direction, and it becomes difficult to sufficiently perform the thermal stirring. As a result, it is difficult to obtain a finer or uniform particle size.

なお、容器等の底部から頭部までの高さ(内部高さ)をhとすると、例えば、h≒3Hin〜10Hinと設計してもよい。この場合、容器の頭部近傍から注湯を行うことができ、注湯時のこぼれを少なくすることができる。逆に、例えば、h<Hinと設計しておくと、h/Dを小さくすることができるため、注湯時におけるガスの巻き込みを少なくすることができる。Incidentally, from the bottom of the container or the like to the head height (internal height) When it is h, for example, be designed with h ≒ 3H in ~10H in. In this case, pouring can be performed from the vicinity of the head of the container, and spillage during pouring can be reduced. On the other hand, for example, if h <H in is designed, h / D can be reduced, so that gas entrainment during pouring can be reduced.

容器等は傾けることなく垂直に配置しておき、容器等の側内壁に沿わせることなく、中心から注湯することが好ましい。従来においては、容器等を傾け、側内壁に沿わせるようにして静かに注湯を行っていた。しかし、本発明では側内壁に沿わせること無く一気に注湯することが好ましい。これにより自己攪拌が生じやすくなる。
また、溶湯は、冷却部材などを介することなく、直接容器等内に注湯することが好ましい。
It is preferable to place the container or the like vertically without inclining and to pour hot water from the center without being along the side inner wall of the container or the like. In the past, pouring was performed gently by tilting the container or the like along the inner wall of the side. However, in the present invention, it is preferable to pour hot water at once without being along the side inner wall. This tends to cause self-stirring.
The molten metal is preferably poured directly into the container or the like without using a cooling member or the like.

注湯時間も重要な要素である。注湯時間としては、注湯量にもよるが、1〜10秒が好ましい。3〜8秒がより好ましい。3〜5秒がさらに好ましい。量産性を考えた場合には注湯時間は短いほうが好ましいが、1秒未満では容器内において湯が攪拌する時間が少ないため所望の組織が得られない場合が生じる。10秒を超えると作業性が悪くなる。また、時間をかけた場合には、全体が半凝固状態となったところに新たな湯が注ぎ込まれることになり自己攪拌が生じ難くなる。なお、注湯量は一般的には200cc〜3000cc(例えば、アルミニウム合金の場合540〜8100g)である。  The pouring time is also an important factor. The pouring time is preferably 1 to 10 seconds, although it depends on the amount of pouring. 3 to 8 seconds is more preferable. 3 to 5 seconds is more preferable. In consideration of mass productivity, it is preferable that the pouring time is short, but if it is less than 1 second, there is a case where the desired structure cannot be obtained because the hot water is not stirred in the container. If it exceeds 10 seconds, workability deteriorates. Moreover, when time is taken, new hot water will be poured into the place where the whole became a semi-solidified state, and it will become difficult to produce self-stirring. The amount of pouring is generally 200 cc to 3000 cc (for example, 540 to 8100 g in the case of an aluminum alloy).

前記容器等の底部は注湯側から見て凹の曲面形状であることを特徴とする。  The bottom of the container or the like has a concave curved surface shape when viewed from the pouring side.

前記冷却容器の底部は、溶湯が注湯される側から見て凹の曲面形状とすることが好ましい。かかる曲面形状とするを、冷却容器の底部に接触して生成した核を含む溶湯は曲面に沿って流れる。すなわち、溶湯を容器の底部の中心に注ぐと、底部に達した溶湯は、底部の曲面に治って容器の外側に流れる。外側に流れた溶湯は容器の壁にあたると、再度容器内部に流れる。これにより、溶湯の対流が容易に生じるため自己攪拌がよりよく行われる。その結果、上記核は内側にも多数存在することになり、より一層均一かつ微細な結晶組織が得られる。
曲面の曲率としては、容器の内径をDとすると、0.5D〜3Dが好ましく、0.6D〜1Dがより好ましい。この範囲内とすることにより対流がよりよく発生し、自己攪拌が激しく行われ、容器内全体にわたり温度の均一化がよりよく生じる。
It is preferable that the bottom portion of the cooling container has a concave curved shape when viewed from the side where the molten metal is poured. Although it is set as this curved surface shape, the molten metal containing the nucleus produced | generated by contacting the bottom part of a cooling vessel flows along a curved surface. That is, when the molten metal is poured into the center of the bottom of the container, the molten metal that has reached the bottom flows to the outside of the container over the curved surface of the bottom. When the molten metal that flows to the outside hits the wall of the container, it flows again into the container. Thereby, since the convection of a molten metal arises easily, self-stirring is performed better. As a result, a large number of the nuclei are also present inside, and a more uniform and fine crystal structure can be obtained.
The curvature of the curved surface is preferably 0.5D to 3D, and more preferably 0.6D to 1D, where D is the inner diameter of the container. By setting it within this range, convection is better generated, self-stirring is performed vigorously, and temperature uniformity is better caused throughout the container.

溶融状態の金属を加圧して注湯を行うことを特徴とする。
溶湯の注湯初期における温度をしては、T<(T+100)が好ましい。
:金属の液相線温度(℃)
:溶湯の初期温度(℃)
The molten metal is pressurized to perform pouring.
T c <(T L +100) is preferable for the initial temperature of the molten metal.
T L : Liquidus temperature of metal (° C)
T c : initial temperature of molten metal (° C.)

前記注湯後において、次式を満たすようにして注湯を行うことを特徴とする。
<Teq<T
:該金属の液相線温度
:該金属の固相線温度
eq:注湯後、容器等の温度と金属の温度とが同じとなったときの温度
After the pouring, the pouring is performed so as to satisfy the following formula.
T S <T eq <T I
T S : Liquidus temperature of the metal T L : Solidus temperature of the metal T eq : Temperature when the temperature of the container and the metal is the same after pouring

前記容器等を断熱状態に保持しておくことを特徴とする。
前記溶融状態の金属の有する熱量に対応させて前記容器等の熱容量を所定の値に設定して注湯を行うことを特徴とする。
前記容器等の内径、高さ、材質を一定とした場合、肉厚を所定の値に設定して注湯を行うことを特徴とする。
前記容器等は非磁性材料又は磁性材料からなることを特徴とする。本発明においては、電磁的な攪拌を行うものではない。従って、容器等の材料選択の自由度が広がる
前記容器等は、ステンレス又は銅からなることを特徴とする。特に、熱伝導率がステンレスよりも大きな材料が好ましい。
鋳込み時間は、容器等の形状、鋳込み量によっても変化するが、1〜10秒が好ましい。3〜5秒がより好ましい。鋳込み時間が短すぎると自己攪拌が生じにくくなる。一方、鋳込み時間が長すぎる連続流にならず均質になりにくい。
なお、前記容器等を断熱状態に保持しておいてもよい。
The container or the like is kept in a heat insulating state.
The pouring is performed by setting the heat capacity of the container or the like to a predetermined value in accordance with the amount of heat of the molten metal.
When the inner diameter, height, and material of the container or the like are constant, pouring is performed with the wall thickness set to a predetermined value.
The container is made of a nonmagnetic material or a magnetic material. In the present invention, electromagnetic stirring is not performed. Therefore, the degree of freedom in selecting materials such as containers is expanded .
The container or the like is made of stainless steel or copper. In particular, a material having a thermal conductivity larger than that of stainless steel is preferable.
The casting time varies depending on the shape of the container and the casting amount, but is preferably 1 to 10 seconds. 3 to 5 seconds is more preferable. If the casting time is too short, self-stirring is difficult to occur. On the other hand, the casting time is not too long and it is difficult to become homogeneous.
In addition, you may hold | maintain the said container etc. in the heat insulation state.

本発明の成形方法は、上記の半凝固金属スラリーの作製方法により作製した半凝固金属スラリーを成形することを特徴とする。 Molding method of the present invention is characterized by molding the semi-solid metal slurry prepared by the method for manufacturing a semi-solid metal slurry above follow.

本発明の成形品は、上記成形方法により成形されたことを特徴とする。 Molded article of the invention features that it has been molded by the molding method.

本発明の作用を、本発明をなすに際して得た知見とともに説明する。
本発明者は、特許文献1,2の技術において、微細かつ均一な組成が必ずしも得られない理由を探求した。
The action of the present invention will be described together with the knowledge obtained in making the present invention.
The inventor has sought the reason why a fine and uniform composition cannot always be obtained in the techniques of Patent Documents 1 and 2.

特許文献1、2では、過冷却現象により結晶核の発生は認められる。しかし、容器内に注湯後は、容器内で溶湯の攪拌が生ぜず、温度の勾配を有したままの状態となる。すなわち、溶湯が容器内に注湯されるとともに溶湯の動きは停止してしまう。その結果、容器側の温度は低く多数の核の発生が生じたとしても内側では温度が高く核の数が少ない状態のスラリーとなる。In Patent Documents 1 and 2, generation of crystal nuclei is recognized due to a supercooling phenomenon. However, after pouring into the container, the molten metal is not stirred in the container, and the temperature remains in a gradient. That is, the molten metal is poured into the container and the movement of the molten metal stops. As a result, the temperature on the container side is low, and even if many nuclei are generated, the slurry is in a state where the temperature is high on the inside and the number of nuclei is small.

特に、特許文献1においては、空気の巻き込みを防止(ひいては成形品におけるガス巣の発生の防止)を目的として注湯を静かに行っているためこの傾向が顕著である。In particular, in Patent Document 1, this tendency is remarkable because pouring is performed gently for the purpose of preventing air entrainment (and thus preventing the formation of a gas nest in a molded product).

それに対し、本発明では、落下開始高さを制御することにより、図4に示す通り、粒径が100μm以下(30〜50μm)の微細であり、かつ均一(粒径の大きさのばらつきがない)組織を得るものである。
そのため、溶湯金属に所定の運動エネルギーを与え、初期凝固層を発生することなく核を発生させるものである。注湯により容器底部で発生した多数の核は自己攪拌により容器全体にいきわたる。すなわち、多数の核を有する初期注湯金属は、容器内を移動するため核は全体に均一に分布する。
On the other hand, in the present invention, by controlling the drop start height, as shown in FIG. 4, the particle size is as fine as 100 μm or less (30 to 50 μm) and uniform (there is no variation in particle size). ) Get the organization.
Therefore, a predetermined kinetic energy is given to the molten metal to generate nuclei without generating an initial solidified layer. Numerous nuclei generated at the bottom of the container due to pouring are distributed throughout the container by self-stirring. That is, since the initial pouring metal having a large number of nuclei moves in the container, the nuclei are uniformly distributed throughout.

結局、溶湯金属を、冷却容器へ一定高さから注湯し、冷却容器の底部に接触させることで過冷却現象を使い初期凝固層を発生させないで核を発生させる。一定高さから落下させることにより、位置エネルギーは運動エネルギーに変換される。容器内においては、溶湯の持つ運動エネルギーが大きいと運動エネルギー消失までは溶湯は容器内を動き回る。そのため容器内において自己攪拌する。溶湯が自己攪拌すると容器内の溶湯の温度勾配が無くなり、全体にわたり半凝固状態となる。その結果多数の核が均一に分布するスラリーが得られる。  Eventually, the molten metal is poured into the cooling container from a certain height and brought into contact with the bottom of the cooling container to generate nuclei without generating an initial solidified layer using the supercooling phenomenon. By dropping from a certain height, potential energy is converted into kinetic energy. In the container, if the kinetic energy of the molten metal is large, the molten metal moves around in the container until the kinetic energy disappears. Therefore, self-stirring is performed in the container. When the molten metal self-stirs, the temperature gradient of the molten metal in the container disappears, and the entire molten metal is in a semi-solid state. As a result, a slurry in which a large number of nuclei are uniformly distributed is obtained.

ただ、位置エネルギーを与え、それを運動エネルギーに変換することにより自己攪拌を発生のためには、単に高い位置から注湯すればいいわけではない。本発明者は、高さ以外の因子があることを知見し、それを探求したところ、容器の直径との比が重要であることを見出した。すなわち、直径と高さの比を3以上とすることにより自己攪拌が良好に生じることを見出したのである。However, in order to generate self-stirring by giving potential energy and converting it into kinetic energy, it is not necessary to simply pour hot water from a high position. The present inventor found that there was a factor other than the height and searched for it, and found that the ratio with the diameter of the container was important. That is, it has been found that self-stirring occurs favorably when the ratio of diameter to height is 3 or more.

容器等の温度は、一般的には、室温から100℃が好ましいが、金属の種類・溶湯温度などによって変わる。注湯されたときに冷却現象が発生する温度とすればよい。実験などにより使用する金属に対応して予め調べておけばよい。  The temperature of the container or the like is generally preferably from room temperature to 100 ° C., but varies depending on the type of metal, the temperature of the molten metal, and the like. The temperature may be a temperature at which a cooling phenomenon occurs when poured. What is necessary is just to investigate beforehand according to the metal used by experiment etc.

本発明では、核を発生させるため、容器表面に例えばBNスプレーを塗布しておいてもよい。
従来、BNスプレーは離型性を高めるために容器に塗布されることがあるが、本発明では核を発生させるために塗布するものである。
In the present invention, for example, BN spray may be applied to the surface of the container in order to generate nuclei.
Conventionally, BN spray is sometimes applied to a container in order to enhance the releasability, but in the present invention, it is applied to generate nuclei.

溶湯を容器内に注湯した場合、容器内の湯の湯面においても核は発生する。その場合、湯面に降り注ぐように新たな湯を注湯すれば、湯面の核は、新たに注がれた湯の持つエネルギー(溶湯の運動エネルギー)により容器内全体に混入される。  When molten metal is poured into the container, nuclei are also generated on the surface of the hot water in the container. In that case, if new hot water is poured so as to pour onto the hot water surface, the core of the hot water surface is mixed into the entire container by the energy of the newly poured hot water (kinetic energy of the molten metal).

本発明では、充填時の強制対流により溶湯温度をほぼ均一に保つ。また、カップ内表面を絶えず溶湯で洗うため、多くの核が発生してしかも球状に成長することを利用している。上述した溶湯温度の均一化を図るために、注湯後における熱的平衡状態における温度の制御が重要である。以下この点につき図1に基づき詳細に説明する。  In the present invention, the molten metal temperature is kept substantially uniform by forced convection during filling. Further, since the inner surface of the cup is constantly washed with molten metal, it utilizes the fact that many nuclei are generated and grow into a spherical shape. In order to make the molten metal temperature uniform, it is important to control the temperature in a thermal equilibrium state after pouring. Hereinafter, this point will be described in detail with reference to FIG.

溶湯1をカップ(容器等)2に注湯すると)図1(a))、溶湯1の熱はカップ2に移動を開始する(図1(b))。それに伴い溶湯初期温度T低下し、カップ初期温度Tは上昇する。やがて溶湯とカップとの温度が同じになったとき熱の移動はなくなり、それ以上温度は変化しないと考える)図1(c))。
このときの温度Teq(以下,平衡温度と呼ぶ)は次式で与えられる。

Figure 0004748688
When the molten metal 1 is poured into the cup (container or the like) 2 (FIG. 1A), the heat of the molten metal 1 starts to move to the cup 2 (FIG. 1B). Accordingly, the molten metal initial temperature Tc is decreased, and the cup initial temperature Tm is increased. When the temperature of the molten metal and the cup eventually becomes the same, the heat transfer stops and the temperature does not change any more) (FIG. 1 (c)).
The temperature T eq at this time (hereinafter referred to as the equilibrium temperature) is given by the following equation.
Figure 0004748688

ここで,Tは溶湯初期温度、Tはカップ初期温度、H`は凝固潜熱を比熱で除したもの、fは固相率である。また、γは、カップの温度を1K上昇させるために必要な熱量を溶湯の温度を1K上昇させるために必要な熱量で除したもので、次式で与えられる。
γ=(ρ)/(ρ) −(2)
ここで、ρは密度、cは比熱、Vは体積であり、添字cは溶湯、添字mはカップのものであることを示す。
Here, T c is the melt initial temperature, T m is a cup initial temperature, those are H `f obtained by dividing the latent heat of solidification in the specific heat, f s is the solid fraction. Further, γ is obtained by dividing the amount of heat necessary for increasing the temperature of the cup by 1K by the amount of heat necessary for increasing the temperature of the molten metal by 1K, and is given by the following equation.
γ = (ρ m c m V m) / (ρ c c c V c) - (2)
Here, ρ is density, c is specific heat, V is volume, subscript c indicates the molten metal, and subscript m indicates that of the cup.

(1)、(2)式から明らかなように、平衡温度Teq(もしくは得られる固相率)は、カップおよび溶湯の初期温度とカップおよび溶湯の熱容量の比であるγの値で決まる。ただし、固相率と温度の関係は事前に調べておく必要がある。また、(2)式より、カップおよび溶湯の材質を特定すれば、γはカップおよび溶湯の体積のみで決まることがわかる。
さて、Teqが次式を満たすとき、
<Teq −(3)
カップ内の溶湯は半凝固状態に保たれる。
実際は、カップ表面や湯面から大気中に向かって熱が逃げてゆくため、(1)式で得られるTeqよりも低めの温度になるはずだが、カップ外表面を断熱することで(1)式で与えられるTeqに近い温度に到達する。
As is clear from the equations (1) and (2), the equilibrium temperature T eq (or the obtained solid phase ratio) is determined by the value of γ, which is the ratio of the initial temperature of the cup and molten metal to the heat capacity of the cup and molten metal. However, the relationship between the solid phase ratio and temperature needs to be examined in advance. Further, from the equation (2), it is understood that if the material of the cup and the molten metal is specified, γ is determined only by the volume of the cup and the molten metal.
Now, when T eq satisfies the following equation:
T s <T eq TL − (3)
The molten metal in the cup is kept in a semi-solid state.
Actually, the heat escapes from the cup surface and hot water surface to the atmosphere, so the temperature should be lower than T eq obtained by equation (1), but by insulating the outer surface of the cup (1) A temperature close to T eq given by the equation is reached.

断熱は、カップの外部を断熱材で覆うことにより行ってもよい。
実際の到達温度は次式であらわされる。
αTeq(0<α<1) −(4)
αは実験より求める補正係数であり、実際の実施条件に合わせて実験により予め求めておけばよい。
例えば,カップ形状として内径:D、内部高さ:H、肉厚:t(一定)の円筒とすれば
=π(D/2)h −(5)
=π(D/2+t)(h+t)−V
∴ V/V=(1+2t/D)(1+t/h)−1 −(6)
The heat insulation may be performed by covering the outside of the cup with a heat insulating material.
The actual reached temperature is expressed by the following equation.
αT eq (0 <α <1) − (4)
α is a correction coefficient obtained from an experiment, and may be obtained in advance by an experiment in accordance with an actual implementation condition.
For example, if the cup shape is a cylinder with an inner diameter: D, an inner height: H, and a wall thickness: t (constant)
V c = π (D / 2) 2 h − (5)
V m = π (D / 2 + t) 2 (h + t) −V c
∴ V m / V c = ( 1 + 2t / D) 2 (1 + t / h) -1 - (6)

式(1)、(6)より、カップの内径Dと内部高さhを一定とすれば、同一材質の溶湯、カップを考えた時、平衡温度Teqはカップ肉厚tと溶湯及びカップの初期温度だけで決まることになる。
以上より溶湯とカップの初期温度並びに作製したい半凝固体の材質、量、固相率及びそれに対応する温度Tを与えれば、(1)、(2)、(3)、(4),(6)式より必要なカップの肉厚を求めることができる。
From equations (1) and (6), if the inner diameter D and the internal height h of the cup are constant, the equilibrium temperature T eq can be calculated as follows: It is determined only by the initial temperature.
From the above, given the initial temperature of the molten metal and the cup, and the material, amount, solid phase ratio and temperature T corresponding to the semi-solid body to be produced, (1), (2), (3), (4), (6 The required cup thickness can be obtained from the formula (1).

以上により希望する固相率を有する半凝固体の作成が可能であるが、カップ内で固相率が均一で微細な初晶を晶出させるためには注湯高さを充分に取ることが重要である。
すなわち、溶湯がカップ内で充分に攪拌されることで、カップ壁面近くとカップ中央部での温度差がなく、カップ壁面及び溶湯表面での核生成が充分に起こり、かつその成長が抑えられる条件を実現することができる。
The semi-solid body having the desired solid fraction can be created by the above, but the pouring height must be sufficient to crystallize a fine crystal with a uniform solid fraction in the cup. is important.
That is, the molten metal is sufficiently stirred in the cup so that there is no temperature difference between the cup wall surface and the center of the cup, nucleation occurs sufficiently on the cup wall surface and the molten metal surface, and growth is suppressed. Can be realized.

なお、容器等の材質としては、ステンレスあるいは銅などの熱伝導率の良好なものを用いることが好ましい。
また、容器等の形状は、上述した通り、熱平衡などを考慮して設定されるが、内径としては、10mm〜200mmが好ましく、40mm〜120mmがより好ましい。かかる寸法の場合、より微細かつ均質な組織を得ることができる。
In addition, as a material of the container or the like, it is preferable to use a material having good thermal conductivity such as stainless steel or copper.
In addition, as described above, the shape of the container or the like is set in consideration of thermal equilibrium and the like, and the inner diameter is preferably 10 mm to 200 mm, more preferably 40 mm to 120 mm. With such dimensions, a finer and more homogeneous structure can be obtained.

なお、以下に、溶湯の過熱度を一定とした場合とカップの肉厚tを一定とした場合におけるfsの変化の具体例を示す。ただし、(4)式のαは1とした.
(条件)
溶湯:AC4C
ρ=2710kg/m
C=963J/kg・k
=612℃
=555℃
=398000J/kg
∴H’=H/C
=413/K
カップ:ステンレス材
肉厚t
円筒形状
カップ内径D
カップ高さh
ρ=7700kg/m
=500J・kg・k
=25℃
(ρ・C)/(ρ・C
=7700×500/2710×963
≒1.48

Figure 0004748688
ここで,温度と固相率の関係を次式で評価すると,
Figure 0004748688
In the following, specific examples of changes in fs when the superheat degree of the molten metal is constant and when the wall thickness t of the cup is constant will be shown. However, α in the formula (4) was set to 1.
(conditions)
Molten metal: AC4C
ρ = 2710 kg / m 3
C = 963J / kg · k
T L = 612 ° C
T s = 555 ° C
H f = 398000 J / kg
∴H f '= H f / C
= 413 / K
Cup: Stainless steel wall thickness t
Cylindrical cup inner diameter D
Cup height h
ρ m = 7700 kg / m 3
C m = 500 J · kg · k
T m = 25 ° C
m · C m ) / (ρ c · C c )
= 7700 × 500/2710 × 963
≒ 1.48
Figure 0004748688
Here, when the relationship between temperature and solid fraction is evaluated by the following equation:
Figure 0004748688

以上の結果を(1)式に代入すると,fは次式で与えられる。
=(587・γ−δT)/(413+(1+γ)・57) −(8)
ここに,δT=T−Tであり,過熱度である.
Substituting the above results into equation (1), f s is given by the following equation.
f s = (587 · γ−δT) / (413+ (1 + γ) · 57) − (8)
Here, a δT = T c -T L, a superheat.

D、t,hなどを特定の値とした計算例を以下に示す。
○過熱一定の場合
D = 60mm
h =150mm
δT= 50(K)
t(mm) fs(%)
1 3
2 17
3 31
4 45
5 60
6 74
An example of calculation with D, t, h, etc. as specific values is shown below.
○ When overheating is constant D = 60mm
h = 150mm
δT = 50 (K)
t (mm) fs (%)
1 3
2 17
3 31
4 45
5 60
6 74

○肉厚一定の場合
D=60mm
t=4mm
δT(k) fs(%)
0 56
10 54
20 52
50 45
100 35
○ D = 60mm when the wall thickness is constant
t = 4mm
δT (k) fs (%)
0 56
10 54
20 52
50 45
100 35

本発明によれば以下の数々の効果が達成される。
大型設備を必要としない。
半凝固スラリーを短時間で作成することが可能である。
微細かつ均質な組織を有する成形品を形成することができる。
対象金属の種類・組成に限定させることなく半凝固金属スラリーを作製することができる。
すなわち、材料選択性が広げることができる。鉄合金、アルミ合金、マグネ合金その他の合金について適用が可能となる。また、アルミ合金の場合、従来はAC4C系合金しか半凝固成形を行うことはできなかったが、本発明では、従来は実質上適用ができないとされたADC10系合金についても適用可能である。例えば、共晶点近傍の組成を有する合金であっても半凝固成形が可能となる。
According to the present invention, the following numerous effects are achieved.
Does not require large equipment.
It is possible to create a semi-solid slurry in a short time.
A molded article having a fine and homogeneous structure can be formed.
A semi-solid metal slurry can be produced without being limited to the type and composition of the target metal.
That is, the material selectivity can be expanded. It can be applied to iron alloys, aluminum alloys, magne alloys and other alloys. In the case of an aluminum alloy, conventionally, only an AC4C alloy can be semi-solidified, but in the present invention, it can also be applied to an ADC10 alloy that is conventionally considered to be substantially unapplicable. For example, even an alloy having a composition near the eutectic point can be semi-solidified.

溶湯の温度に制限されることなく半凝固成形が可能となる。従来は精密な温度が必要とされそのために複雑な制御系を必要としたが本発明はかかる複雑な制御系を設ける必要もなく、従って、システムとしても簡易なものとすることができる。  Semi-solid forming is possible without being limited by the temperature of the molten metal. Conventionally, a precise temperature is required, and thus a complicated control system is required. However, the present invention does not need to provide such a complicated control system, and therefore the system can be simplified.

また、従来は、結晶の微細化を図るために、微細化材(例えばTi、Bなど)の添加が行われたが、かかる微細化材を用いずとも結晶の微細化を図ることができる。もちろん本発明においても微細化材を添加してもよく、その場合は、より一層の微細化が達成される。さらに、熱バランスを行うことにより固相率の制御を容易に行うことが可能となる。  Conventionally, in order to refine the crystal, a refinement material (for example, Ti, B, etc.) has been added, but the crystal can be refined without using such a refinement material. Of course, in the present invention, a finer material may be added, and in that case, further miniaturization is achieved. Furthermore, the solid phase ratio can be easily controlled by performing heat balance.

熱的平衡状態を示すための概念図である。  It is a conceptual diagram for showing a thermal equilibrium state. 実施例1において用いた容器の斜視図である。  2 is a perspective view of a container used in Example 1. FIG. 実施例1における測温結果を示すグラフである。  3 is a graph showing a temperature measurement result in Example 1. 実施例1において作製した半凝固体を用いた成形品の顕微鏡写真である。  2 is a photomicrograph of a molded article using the semi-solid body produced in Example 1. FIG. 実施例2に係る注湯方法を示す側面図である。  6 is a side view showing a pouring method according to Embodiment 2. FIG. 実施例3における結晶の粒径とHin/Dとの関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between the particle diameter and H in / D of the crystal in Example 3. 実施例3における試験No.3の顕微鏡写真である。  Test No. 3 in Example 3 3 is a photomicrograph of 3. 実施例3における試験No.4の顕微鏡写真である。  Test No. 3 in Example 3 4 is a photomicrograph of 4.

符号の説明Explanation of symbols

1 溶湯
2 容器(カップ)
10 プランジャー
1 Molten metal 2 Container (cup)
10 Plunger

本発明の実施の形態においては、容器等に注湯される溶融金属に初期凝固層を形成させない程度の攪拌を、外部から電磁気場を与えることなく生じさせてこの容器等に溶湯を注湯するものである。前記容器に注湯された前記溶融金属を冷却して固液共存状態の金属材料を形成して半凝固金属スラリーを製造する。
以下この発明の一実施例を図に基づいて説明する。
In the embodiment of the present invention, the molten metal poured into a container or the like is stirred so as not to form an initial solidified layer without applying an electromagnetic field from the outside, and the molten metal is poured into the container or the like. Is. The molten metal poured into the container is cooled to form a solid-liquid coexisting metal material to produce a semi-solid metal slurry.
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図2に示す容器を用いて次の条件で注湯を行った。
溶湯材質 :AC4CH
=610〜612℃
=555℃
溶湯初期温度 :670℃
カップ肉厚t :3mm
カップ材質 :SUS304
カップ内径D :60mm
カップ高さh :150mm
カップ初期温度:5℃
注湯高さHin:550mm(カップ上部から400mm上の位置から注湯)
in/D=9.1
鋳込み時間:8秒
カップの断熱 :有(図示せず)
注湯時間 :5秒
Using the container shown in FIG. 2, pouring was performed under the following conditions.
Melt material: AC4CH
T L = 610-612 ° C
T S = 555 ° C
Molten metal initial temperature: 670 ° C
Cup thickness t: 3 mm
Cup material: SUS304
Cup inner diameter D: 60 mm
Cup height h: 150 mm
Initial cup temperature: 5 ° C
Pouring height H in : 550mm (pour from 400mm above the cup)
H in /D=9.1
Casting time: 8 seconds Cup insulation: Existence (not shown)
Pouring time: 5 seconds

注湯直度から、各部における温度変化を測定した。その結果を図3に示す。図3からわかるように、平衡到達温度は約590℃であり、TとTとの間に保たれている。
本例において得られた半凝固体を用いて成形した成形品の顕微鏡写真を図4に示す。図4からわかるように本例により得られた成形品の組織は微小な初晶が全体にわたり均一に存在していることがわかる。
The temperature change in each part was measured from the straightness of pouring. The result is shown in FIG. As can be seen from FIG. 3, the equilibrium temperature is about 590 ° C., which is kept between T s and T L.
FIG. 4 shows a photomicrograph of a molded product formed using the semi-solid body obtained in this example. As can be seen from FIG. 4, in the structure of the molded product obtained in this example, it can be seen that minute primary crystals exist uniformly throughout.

図5は容器2の底部プランジャーチップ10を配置し、プランジャーチップの先端に曲率をもつ曲面とした。曲面は、注湯側から見て凹形状をなしている。
曲面はR=70mmの曲率とした。
この容器に注湯を行った。
注湯条件は実施例1と同様とした。
本例で得た半凝固スラリーを用いて成形を行い、成形品の組織観察を行ったところ、実施例1よりもより微細かつ均一な組織が得られていた。
In FIG. 5, the bottom plunger tip 10 of the container 2 is arranged and a curved surface having a curvature at the tip of the plunger tip. The curved surface has a concave shape when viewed from the pouring side.
The curved surface had a curvature of R = 70 mm.
Hot water was poured into this container.
The pouring conditions were the same as in Example 1.
When molding was performed using the semi-solidified slurry obtained in this example and the structure of the molded product was observed, a finer and more uniform structure than that in Example 1 was obtained.

上記実施例では、アルミ合金の例を示したが、他の溶融金属であってもよく、上記実施例と同様の効果を奏した。  Although the example of the aluminum alloy is shown in the above embodiment, other molten metal may be used, and the same effect as the above embodiment is achieved.

本例では、Hin/Dを変化させて注湯を行った。
in:注湯高さ
D :容器の内径
他の点は実施例1と同様とした。
試験No. Hin/D 結晶の粒径
1 1 3
2 2 2.8
3 3 2.7
4 3.5 2.3
5 4 1.5
6 5 1.2
7 7 1.1
8 8 1
9 9 1
10 10 0.9
11 11 **
*:結晶の粒径(球状の初晶サイズ)は、試験No.9を基準(1)として結晶の粒径の相対値を示す。
*:空気の巻き込みが生じた。
上記結晶の粒径とHin/Dとの関係を図6に示す。また、試験No.4と試験No.5の顕微鏡写真をそれぞれ図7及び図8に示す。
それぞれのずからわかるように、Hin/Dが4以上の場合極めて優れた組織を示している。
In this example, pouring was performed by changing H in / D.
H in: pouring height D: the container having an inner diameter of the other points were the same as in Example 1.
Test No. H in / D crystal grain size *
1 1 3
2 2 2.8
3 3 2.7
4 3.5 2.3
5 4 1.5
6 5 1.2
7 7 1.1
8 8 1
9 9 1
10 10 0.9
11 11 **
*: The crystal grain size (spherical primary crystal size) The relative value of the crystal grain size is shown with 9 as the reference (1).
*: Air entrainment occurred.
FIG. 6 shows the relationship between the crystal grain size and H in / D. In addition, Test No. 4 and test no. The micrographs of 5 are shown in FIGS. 7 and 8, respectively.
As can be seen from each of them, when H in / D is 4 or more, an extremely excellent structure is shown.

本例では、溶湯の初期温度の影響を調べた。
本例でもAC4CHを用いた。ただ、本例の材料の液相温度は617℃である。
鋳込み温度を610(−7)、620(+3)、640(+23)、655(+38)、670(+53)、680(+63)、700(+83)、720(+103)、730(+113)℃と変化させて実験を行った。括弧内は液相温度との差である。
他の条件は実施例1と同様とした。
温度を上げていくほど結晶粒径は小さくなった。
ただ、700℃をピークとして、それ以上の温度では飽和乃至若干の低下傾向を示した。
In this example, the influence of the initial temperature of the molten metal was examined.
In this example, AC4CH was also used. However, the liquidus temperature of the material of this example is 617 ° C.
The casting temperature was 610 (−7), 620 (+3), 640 (+23), 655 (+38), 670 (+53), 680 (+63), 700 (+83), 720 (+103), 730 (+113) ° C. The experiment was conducted with various changes. The value in parentheses is the difference from the liquidus temperature.
Other conditions were the same as in Example 1.
The crystal grain size decreased with increasing temperature.
However, with a peak at 700 ° C., it showed a tendency of saturation or a slight decrease at higher temperatures.

本例では、注湯時間を変化させた。
他の点は実施例1と同様とした。
No. 注湯時間(秒) 結晶の粒径 組織の均一性**
4−1 0.5 2.0 △
4−2 1 1.3 ○
4−3 2 1 ○
4−4 3 1 ◎
4−5 4 1 ◎
4−6 5 1 ◎
4−7 6 1 ◎
4−8 7 1 ○
4−9 8 1 ○
4−10 9 1 ○
4−11 10 1.4 ○
4−12 11 1.5 △
4−13 12 1.6 △
*:結晶の粒径(球状の初晶サイズ)は、試料No.4−6を基準(1)として結晶の粒径の相対値を示す。
**:組織の均一性は、試料No.4−6を基準(◎)として、偏析を含む不均一性が大きい場合を○、かなり大きい場合を△で示す。
In this example, the pouring time was changed.
The other points were the same as in Example 1.
No. Pouring time (seconds) Crystal grain size * Structure uniformity **
4-1 0.5 2.0 △
4-2 1 1.3 ○
4-3 2 1 ○
4-4 3 1 ◎
4-5 4 1 ◎
4-6 5 1 ◎
4-7 6 1 ◎
4-8 7 1 ○
4-9 8 1 ○
4-10 9 1 ○
4-11 10 1.4 ○
4-12 11 1.5 △
4-13 12 1.6 △
*: The crystal grain size (spherical primary crystal size) The relative value of the crystal grain size is shown with 4-6 as the reference (1).
**: The homogeneity of the tissue is the sample No. With 4-6 as the reference (◎), the case where the non-uniformity including segregation is large is indicated by ◯, and the case where it is considerably large is indicated by △.

本例では、実施例1において、容器の肉厚と内径Dとの比(t/D)を変化させた。
t/Dが0.01〜0.08の場合がそれ以外の場合よりも微細かつ均一な結晶組織が得られた。
特に、容器の直径Dが40〜120mmの場合にその傾向が顕著であった。
In this example, in Example 1, the ratio (t / D) between the thickness of the container and the inner diameter D was changed.
When t / D was 0.01 to 0.08, a finer and more uniform crystal structure was obtained than in other cases.
In particular, the tendency was remarkable when the diameter D of the container was 40 to 120 mm.

Claims (10)

所定の熱容量と初期温度に設定された溶融金属を、単一のカップからなる容器に注ぎ込み、外部から冷却することなく、所望するある一定の固相率を有する半凝固状態のスラリーを作製する方法であって、
下記の式を満たし、前記所望するある一定の固相率が得られる温度eqとなるように、前記容器の熱容量と初期温度とを設定しておくことを特徴と半凝固金属スラリーの作製方法。
<Teq<T
:該金属の液相線温度
:該金属の固相線温度
eq:注湯後、容器の温度と金属の温度とが同じとなったときの一定の温度(「平衡温度」という。)
A method for producing a semi-solid slurry having a desired fixed solid fraction without pouring molten metal set to a predetermined heat capacity and initial temperature into a container made of a single cup and cooling from the outside Because
A method for producing a semi-solid metal slurry, characterized in that the heat capacity and initial temperature of the container are set so that the temperature T eq is obtained so as to satisfy the following formula and obtain the desired constant solid phase ratio: .
T S <T eq <T I
T L : Liquidus temperature of the metal T S : Solidus temperature of the metal T eq : A constant temperature (“equilibrium temperature”) when the temperature of the container and the temperature of the metal are equal after pouring Called.)
前記溶融金属を、自己攪拌が生ずるように前記容器に注ぎ込むことを特徴とする請求項1記載の半凝固金属スラリーの作製方法。The method for producing a semi-solid metal slurry according to claim 1, wherein the molten metal is poured into the container so that self-stirring occurs. <(T+100)とすることを特徴とする請求項1又は2記載の半凝固スラリーの作製方法。
:溶湯の初期温度(℃)
The method for producing a semi-solid slurry according to claim 1 or 2, wherein T C <(T L +100).
T C : Initial temperature of molten metal (° C.)
所定の熱容量と初期温度に設定された溶融金属を、初期温度に設定された単一のカップからなる容器に注ぎ込み、外部から冷却することなく、所望するある一定の固相率を有する半凝固状態のスラリーを作製するための容器であって、A molten metal set to a predetermined heat capacity and initial temperature is poured into a container consisting of a single cup set to the initial temperature, and a semi-solidified state having a certain solid phase ratio desired without external cooling. A container for producing a slurry of
下記の式を満たし、前記所望するある一定の固相率が得られる温度TThe temperature T that satisfies the following formula and obtains the desired constant solid phase ratio: eqeq となるように、前記容器の熱容量が設定されていることを特徴と半凝固金属スラリーの作製用容器。The container for preparing a semi-solid metal slurry is characterized in that the heat capacity of the container is set so that
T S <T<T eqeq <T<T I
T L :該金属の液相線温度: Liquidus temperature of the metal
T S :該金属の固相線温度: Solidus temperature of the metal
T eqeq :注湯後、容器の温度と金属の温度とが同じとなったときの一定の温度(「平衡温度」という。): After pouring, a constant temperature when the temperature of the container and the temperature of the metal are the same (referred to as "equilibrium temperature")
前記溶融金属を、自己攪拌が生ずるように前記容器に注ぎ込むことを特徴とする請求項4記載の半凝固金属スラリーの作製用容器。The container for producing a semi-solid metal slurry according to claim 4, wherein the molten metal is poured into the container so that self-stirring occurs. 溶融金属と容器の底部との高さの差(HDifference in height between molten metal and bottom of container (H inin )を容器の直径(D)の3.5倍以上11倍未満として前記溶融金属を注ぎ込むことを特徴とする請求項5記載の半凝固金属スラリーの作製用容器。6) The molten metal is poured into the container in the range of 3.5 times to less than 11 times the diameter (D) of the container. 前記容器の直径は10〜200mmであることを特徴とする請求項4乃至6のいずれか1項記載の半凝固スラリーの作製用容器。The diameter of the said container is 10-200 mm, The container for preparation of the semi-solidified slurry of any one of the Claims 4 thru | or 6 characterized by the above-mentioned. t/D=0.01〜0.08とすることを特徴とする請求項4乃至7のいずれか1項記載のの半凝固スラリーの作製用容器。The container for producing a semi-solid slurry according to any one of claims 4 to 7, wherein t / D = 0.01 to 0.08.
tは容器の肉厚、Dは容器の内径である。t is the thickness of the container, and D is the inner diameter of the container.
t>1(mm)であることを特徴とする請求項8記載の半凝固金属スラリーの作製用容器。The container for preparing a semi-solid metal slurry according to claim 8, wherein t> 1 (mm). 前記容器は、ステンレス又は銅からなることを特徴とする請求項4乃至9いずれか1項記載の半凝固スラリーの作製用容器。The container for producing a semi-solid slurry according to any one of claims 4 to 9, wherein the container is made of stainless steel or copper.
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