JP5107942B2 - 鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法及び製造装置に関し、より詳しくは鋳鉄等の鉄系合金を溶融状態から冷却し、これによって融液の中に固相が生じた固液共存状態の半凝固スラリーを製造する製造方法と製造装置に関する。

半凝固状態は、金属材料が液体（融液）状態から冷却され固液共存状態となっている状態である。
金属材料を固液共存状態にする方法としては、半凝固法（レオメタル法）と半溶融法（チクソメタル法）がある。前記半凝固法を用いた成形（加工）法としては、例えばレオキャャスト法があり、また前記半溶融法を用いた成形（加工）法としては、例えばチクソチャスト法がある。
このように金属を半凝固状態或いは半溶融状態で加工することで、一般的には結晶粒の微細化や均質化が図れる利点がある。
半凝固成形法と半溶融成形法とを一般的に比較すると、大量生産を前提とした場合には半凝固成形法がエネルギーのロスが少なく有利である。しかし小規模ロットへの対応を考えた場合には、必要な時に必要な数量だけ処理できる半溶融成形法の方がエネルギー消費が少なくなる場合もあり、場合に応じて半凝固成形法と半溶融成形法とを使い分けるのが好ましいと言える。
半凝固成形法による金属の半凝固スラリーの製造方法としては、冷却中に機械攪拌を加えるようにした半凝固金属の製造法（特許文献１）、傾斜冷却板を用いるレオキャスト鋳造法及びレオキャスト鋳造装置（特許文献２）、電磁攪拌を加える固液共存状態金属スラリの製造装置（特許文献３）等が提供されている。
特開平６−２９７０９７号公報 特開平１０−３４３０７号公報 特開２００５−８８０８３号公報

ところが上記特許文献１による機械攪拌を加えるようにしたものでは、鋳鉄のような高融点材料では、本願の図７に示すように、攪拌子１がすぐに劣化したり、成分が溶け込んだりする等、実用的に使用できる攪拌子１が実質上ないという問題がある。
また上記特許文献２による傾斜冷却板を用いるようにしたものでは、同様に高融点材料の凝固に用いる場合には傾斜冷却板が劣化し易い問題がある。また傾斜冷却板に接触させる溶融金属が凝固付着をおこし易く、よって傾斜冷却板に対して微妙で繊細な温度管理や操業管理を必要とする問題がある。
また上記特許文献３による電磁攪拌加えるようにしたものでは、実質的な攪拌を得るには溶湯の粘性を低く抑える必要があるため、固相率が２０％程度以下の低固相率のスラリーしか得られない。従って、そのような低固相率のスラリーでは、例えダイカスト等の方法で成形しても、鋳巣等の欠陥が多くなる問題がある。

そこで本発明は上記従来の問題を解消し、鉄系合金、特に鋳鉄を対象として、攪拌子を必要とする機械攪拌を行うことなく、また電磁攪拌の如き特別な設備を用いることなく、また傾斜冷却板の如き特別の接触流下手段を用いることなく、ダイカスト等で成形しても鋳巣が生じない、良好な半凝固スラリーを得ることができる鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法及び製造装置の提供を課題とする。

上記課題を解決するため本発明者らは種々の実験と検討を重ねた結果、機械的攪拌手段や電磁攪拌手段を用いなくとも、溶湯から凝固に至る過程の温度をうまく制御することで、任意の固相率の半凝固スラリーを製造できることを見出し、本発明の完成に至ったものである。
本発明の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法は、鉄系合金の溶湯を半凝固スラリー生成容器内に注湯して冷却することで、晶出固相と残留液相とからなる半凝固スラリーを得る鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法であって、共晶組成未満の鉄系合金材料を用い、取鍋から溶湯を所定量ずつ中継ぎ緩衝容器に一旦取り受けて、該中継ぎ緩衝容器内で前記取り受けた溶湯を冷却、均質化しながら、底部に設けた流出孔から下方の半凝固スラリー生成容器内へ連続的に落下させて注湯すると共に、前記半凝固スラリー生成容器に注湯された際の溶湯の温度範囲を、その組成における晶出開始温度以上で且つ晶出開始温度よりも５０℃高い温度以下となるように制御し、且つ前記半凝固スラリー生成容器内に注湯された溶湯の冷却速度を、毎分２０℃以下の冷却速度になるように制御することを第１の特徴としている。
また本発明の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法は、上記第１の特徴に加えて、中継ぎ緩衝容器から半凝固スラリー生成容器内への落下途中の溶湯を風冷するようにしたことを第２の特徴としている。
また本発明の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法は、上記第１又は第２の特徴に加えて、中継ぎ緩衝容器から半凝固スラリー生成容器への溶湯落下のエネルギーを用いて半凝固スラリー生成容器内の溶湯の攪拌を行わせることを第３の特徴としている。
また本発明の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法は、上記第１〜第３の何れかの特徴に加えて、注湯された溶湯の半凝固スラリー生成容器内での冷却速度が毎分２０℃以下となるように、半凝固スラリー生成容器を予熱しておくことを第４の特徴としている。
また本発明の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法は、上記第４の特徴に加えて、半凝固スラリー生成容器の予熱は、半凝固スラリー生成容器そのものを高周波誘導加熱することにより行うことを第５の特徴としている。
また本発明の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法は、上記第１〜第５の何れかの特徴に加えて、生成された半凝固スラリーの取り出しは、半凝固スラリー生成容器を高周波誘導加熱することで、半凝固スラリー生成容器を介してそれに接している半凝固スラリー部分を加熱した状態で行うことを第６の特徴としている。
また本発明の鉄系合金の半凝固スラリーの製造装置は、共晶組成未満の鉄系合金材料の溶湯を保持して注湯することができる溶湯注湯手段と、注湯された溶湯を冷却して半凝固状態のスラリーを生成させる半凝固スラリー生成容器とを有し、前記溶湯注湯手段は、溶解炉から溶湯を受け取って運んでくる取鍋と、半凝固スラリー生成容器の上方に配置されて前記取鍋から必要な所定量だけの溶湯を一旦取り受けると共に、更にその取り受けた溶湯を冷却、均質化しながら、底部に設けた流出孔から下方の半凝固スラリー生成容器内へ連続的に落下させて注湯する中継ぎ緩衝容器とからなり、且つ前記溶湯注湯手段には、共晶組成未満の鉄系合金材料の溶湯をその晶出開始温度以上であって且つ晶出開始温度よりも５０℃高い温度以下にして半凝固スラリー生成容器に注湯する注湯温度調節手段を備え、前記半凝固スラリー生成容器は受け入れた溶湯を毎分２０℃以下の冷却速度で冷却する冷却速度調節手段を備えることを第７の特徴としている。
また本発明の鉄系合金の半凝固スラリーの製造装置は、上記第７の特徴に加えて、注湯温度調節手段は、中継ぎ緩衝容器に取り受けられる溶湯の取鍋出口での溶湯温度を所定温度範囲に調節する第１の温度調節手段と、中継ぎ緩衝容器で冷まされる溶湯の温度低下を調節して中継ぎ緩衝容器出口での溶湯温度を所定温度範囲に調節する第２の温度調節手段とを有することを第８の特徴としている。
また本発明の鉄系合金の半凝固スラリーの製造装置は、上記第８の特徴に加えて、注湯温度調節手段は、中継ぎ緩衝容器を出て半凝固スラリー生成容器に到達する間における溶湯の温度低下を調節する第３の温度調節手段を有することを第９の特徴としている。
また本発明の鉄系合金の半凝固スラリーの製造装置は、上記第７〜第９の何れかの特徴に加えて、冷却速度調節手段は、半凝固スラリー生成容器を予熱する予熱手段を有することを第１０の特徴としている。
また本発明の鉄系合金の半凝固スラリーの製造装置は、上記第１０の特徴に加えて、半凝固スラリー生成容器の予熱手段は高周波誘導加熱手段であることを第１１の特徴としている。

請求項１に記載の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法によれば、共晶組成未満の鉄系合金材料を用い、この組成の溶湯が、晶出開始温度以上で且つ晶出開始温度よりも５０℃高い温度以下で、半凝固スラリー生成容器内に注湯され、且つ２０℃以下の冷却速度で初晶の晶出開始温度以下の温度まで冷却される。これにより初晶が樹枝状晶化することなく、初晶が粒状化した半凝固スラリーを得ることができる。粒状化した初晶をもつ半凝固スラリーを用いることで、その後の鋳造やその他の加工において、欠陥の少ない、緻密で且つ組織に優れた良好な機械的性質を有する製品を得ることができる。この場合において、半凝固スラリーを、一旦凝固させることなく、そのまま用いて鋳造加工やその他の加工に良好に供することができるので、機械的性質に優れているだけでなく、省エネルギーにも優れた製品を得ることが可能となる。
また半凝固スラリー生成容器内での冷却は、たかだか晶出開始温度より５０℃高い温度の溶湯からの冷却であるので、冷却に要する時間を短くすることができ、効率よく半凝固スラリーを製造することできる。

溶湯は溶解炉等から取鍋で運ばれ、取鍋から所定量ずつ中継ぎ緩衝容器に取り受けられる。そして中継ぎ緩衝容器に取り受けられた溶湯は、そこで冷却、均質化されながら、半凝固スラリー生成容器内に注湯される。
取鍋から中継ぎ緩衝容器に流下する溶湯のうち、最初に流下する溶湯は比較的早期に半凝固スラリー生成容器に流下して該半凝固スラリー生成容器内で冷却され、後から流下する溶湯は中継ぎ緩衝容器内に多少とどまってその間に冷却され、半凝固スラリー生成容器に流下する。これにより全ての溶湯が半凝固スラリー生成容器に注湯されたときに温度差が小さくなるようにすることができる。溶湯の温度差を小さくすることで樹枝状晶の晶出が予防され、晶出粒状晶と溶湯とからなる良好な半凝固スラリーを得ることができる。
溶解炉等から取鍋に取得される溶湯量は、半凝固スラリーの所定量に比べてかなり多量であるので、取鍋から直接的に半凝固スラリー生成容器に注湯する場合には、注湯作業がスムーズに行い難く、安定した注湯が難しい。また取鍋内の溶湯の温度自体を晶出開始温度近くまで低下させた状態で、且つ凝固開始することなく保持しなければならないという問題もある。請求項１の発明では、取鍋からの溶湯を一旦中継ぎ緩衝容器に取り受けて中継ぎし、更に半凝固スラリー生成容器に注湯するようにすることで、容量の大きな取鍋から所定量の溶湯を小分けして注湯する注湯作業をスムーズに行うことができる。また取鍋からの溶湯が中継ぎ緩衝容器に一旦取り受けられることで、取り受けられた所定量の溶湯の均質化を行うことができ、半凝固スラリー生成容器へ注湯さる溶湯をより均質化されたものとすることができる。また取鍋からの溶湯は中継ぎ緩衝容器を経る間に冷却がなされるので、取鍋内での溶湯温度を多少高めに保持することが可能となり、その分温度管理が容易となる。

取鍋から中継ぎ緩衝容器に取り受けられた溶湯は、中継ぎ緩衝容器の底部に設けられた流出孔から下方の半凝固スラリー生成容器に向けて連続的に落下される。この場合、中継ぎ緩衝容器は一種の漏斗としての役割を果たし、溶湯を容易に、スムーズに、安定して半凝固スラリー生成容器に注湯することができる。
また取鍋から中継ぎ緩衝容器に入った溶湯は、底部の流出孔から流出するまでに多少の時間、容器内に保持されることになるので、その間容器内で冷却されると共に、容器内で混合されて均質化が進む。よってより均質で好ましい温度の溶湯を半凝固スラリー生成容器に注湯することができる。

請求項２に記載の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法によれば、請求項１に記載の構成による作用効果に加えて、中継ぎ緩衝容器から半凝固スラリー生成容器内への落下途中の溶湯を風冷するようにしたので、半凝固スラリー生成容器内への落下中の溶湯を強制冷却することができ、半凝固スラリー生成容器内に入った溶湯の温度をより晶出温度に近くして、その後の冷却時間を短縮することができる。また風冷する分だけ、取鍋から注ぐ溶湯の温度や中継ぎ緩衝容器内での溶湯温度が高くてもよくなり、温度制御がし易くなる。

請求項３に記載の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法によれば、上記請求項１又は２に記載の構成による作用効果に加えて、中継ぎ緩衝容器から半凝固スラリー生成容器への溶湯落下のエネルギーを用いて半凝固スラリー生成容器内の溶湯の攪拌を行わせるようにしているので、撹拌棒のような撹拌子を必要とすることなく、また電磁撹拌手段のような高価で複雑な装置を必要とすることなく、落下する溶湯自身の撹拌作用により半凝固スラリー生成容器内での溶湯の撹拌を行うことができ、これにより溶湯の均一温度化を十分に図って、核生成の促進と初晶の微細化、粒状化を図ることができる。
落下エネルギーを調整してどの程度の撹拌効果を得るようにするかは、予め実験により、溶湯の量や半凝固スラリー生成容器の容量に応じて、落下高さを定めることで行うことができる。

請求項４に記載の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法によれば、上記請求項１〜３の何れかに記載の構成による作用効果に加えて、注湯された溶湯の半凝固スラリー生成容器内での冷却速度が毎分２０℃以下となるように、半凝固スラリー生成容器を予熱しておくことにより、注湯された溶湯を毎分２０℃以下の冷却速度に確実に制御することができる。勿論、適当な予熱を採用することで、冷却速度が遅くなりすぎないようにして且つ毎分２０℃以下の冷却速度に調整することができる。これによって、粒状晶からなる半凝固スラリーを効率よく製造することができる。

請求項５に記載の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法によれば、上記請求項４に記載の構成による作用効果に加えて、半凝固スラリー生成容器の予熱は、半凝固スラリー生成容器そのものを高周波誘導加熱することで行うことにより、きめ細かい温度調整が可能となる。即ち、電気ヒータを用いる場合には、加熱、冷却の応答が悪い、保持温度が高いなどの理由により現実的ではない。高周波誘導加熱での温度調節の場合には、保温温度が高くてもきめ細かな温度調節が可能となるが、スラリーを直接加熱する方法ではスラリーを常時測温する必要があり、鋳鉄等の高温のスラリーでは測温方法に課題が残る。そこで本発明のように半凝固スラリー生成容器そのものを高周波誘導加熱し、この容器を放射温度計等で測温することにすれば、きめ細かな温度調節が可能となるのである。

請求項６に記載の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法によれば、上記請求項１〜５の何れかに記載の構成による作用効果に加えて、生成された半凝固スラリーの取り出しは、半凝固スラリー生成容器を高周波誘導加熱することで、半凝固スラリー生成容器を介してそれに接している半凝固スラリー部分を加熱した状態で行うことにより、半凝固スラリーに温度ムラを生じさせることなく、且つ容易に半凝固スラリー生成容器から取り出すことができる。即ち、生成された半凝固スラリーは半凝固スラリー生成容器から取り出して、金型等の成形手段に供されることになるが、この場合、スラリーを成形に適した温度に調整しても、容器に接する部分は温度が低く、取り出しが困難である。一方、スラリーの外周部を素早く加熱する方法としては高周波誘導加熱が適している。しかし、この高周波誘導加熱手段を鋳鉄の半凝固スラリーに適用した場合には、鋳鉄が効率よく加熱されるものの、熱伝導率が悪いため局所的に温度が上がり、スラリーの温度ムラが発生して、固相率が安定しなくなる。また測温が困難なため正確な温度制御も行えない。
この請求項６の方法では、半凝固スラリー生成容器そのものを高周波誘導加熱で素早く加熱するようにしたので、容器に接する部分の半凝固スラリーだけを速やかに昇温して半凝固スラリーを容器から容易に取り出すことができると共に半凝固スラリーに温度ムラを生じさせることなく、安定した固相率で成形加工に供することができる。なおアルミ合金の半凝固ダイカスト法において、高周波誘導加熱手段を用いたものがあるが、あくまで半凝固スラリーそのものの均熱を図るためのものであり、半凝固スラリーの容器からの取り出しのためのものではない。

請求項７に記載の鉄系合金の半凝固スラリーの製造装置によれば、溶湯注湯手段によって共晶組成未満の鉄系合金材料の溶湯が半凝固スラリー生成容器に注湯される。注湯は注湯温度調節手段により晶出開始温度以上であって且つ晶出開始温度よりも５０℃高い温度以下に調節されて行われる。半凝固スラリー生成容器に注湯された溶湯は、冷却速度調節手段により毎分２０℃以下の冷却速度で冷却され、半凝固スラリーとなる。半凝固スラリーは容器から取り出され、成形加工に供される。
請求項７に記載の半凝固スラリーの製造装置によれば、注湯温度調節手段によって半凝固スラリー生成容器への注湯温度が晶出開始温度を晶出開始温度以上であって且つ晶出開始温度よりも５０℃高い温度以下に調節されると共に、冷却速度調節手段により半凝固スラリー生成容器内の溶湯は毎分２０℃以下の冷却速度で冷却されるので、樹枝状晶を晶出することなく粒状晶を晶出して半凝固スラリーを得ることができる。よって、その後の鋳造やその他の成形加工において、欠陥の少ない、緻密で且つ優れた機械的性質を有する製品を得ることができる。
加えて、注湯温度調節手段により注湯温度を晶出開始温度よりも５０℃高い温度以下に調整されるので、溶湯の冷却に要する時間を短くすることができ、効率よく半凝固スラリーを製造することできる。

また前記溶湯注湯手段は、溶解炉からの溶湯を受け取って運んでくる取鍋と、半凝固スラリー生成容器の上方に配置されて前記取鍋から必要な所定量だけの溶湯を一旦取り受けると共に、更にその取り受けた溶湯を冷却、均質化しながら、底部に設けた流出孔から下方の半凝固スラリー生成容器内へ連続的に落下させて注湯する中継ぎ緩衝容器とからなるので、溶湯保持量の多い取鍋から半凝固スラリー生成容器に直接的に注湯する場合に比べて、注湯作業を容易に且つ安定した状態で行うことができる。即ち、取鍋から直接的に半凝固スラリー生成容器に注湯する場合、取鍋と半凝固スラリー生成容器との距離（落差）が大きいときには、半凝固スラリー生成容器への注湯そのものが容易には行えず、勿論、安定しては行えない。また落下エネルギーが過大となって空気等の巻き込みなど攪拌過多の問題が生じる。一方、取鍋と半凝固スラリー生成容器との距離が小さい場合には、取鍋から半凝固スラリー生成容器に注湯される間における溶湯温度の低下が小さくなるため、取鍋内の溶湯温度そのものを晶出開始温度に近い温度に低下させた状態で保持する必要があり、凝固しないように保持するのが制御上難しい問題がある。
以上より、溶湯注湯手段として、中間に中継ぎ緩衝容器を介在させることで、取鍋と半凝固スラリー生成容器との距離（落差）が大きい場合でも、中継ぎ緩衝容器が中継することで、半凝固スラリー生成容器への注湯が確実且つ容易に、安定して行える。また溶湯の落下エネルギーを二分することで、半凝固スラリー生成容器内での溶湯落下による過度の攪拌がなされないようにすることができる。
また中間に中継ぎ緩衝容器を介在させることで、取鍋から中継ぎ緩衝容器を介して半凝固スラリー生成容器内へ注湯するまでの温度低下を大きくすることができ、よって取鍋内での溶湯保持温度をその分だけ高くすることができ、取鍋内での凝固が起こらないようにするための温度制御が容易となる。

請求項８に記載の鉄系合金の半凝固スラリーの製造装置によれば、上記請求項７に記載の構成による作用効果に加えて、注湯温度調節手段は、取鍋出口での溶湯温度を所定温度範囲に調節する第１の温度調節手段により、取鍋から出湯される溶湯の温度を所定温度範囲に調節することができる。また中継ぎ緩衝容器で冷まされる溶湯の温度低下を調節して中継ぎ緩衝容器出口での溶湯温度を所定温度範囲に調節する第２の温度調節手段により、中継ぎ緩衝容器から出湯される溶湯の温度を所定温度範囲に調節することができる。よって半凝固スラリー生成容器に注湯された際の溶湯温度（注湯温度）を、晶出開始温度以上で晶出開始温度よりも５０℃高い温度以下に確実に調節することが可能できる。

請求項９に記載の鉄系合金の半凝固スラリー製造装置によれば、上記請求項８に記載の構成による作用効果に加えて、注湯温度調節手段は、中継ぎ緩衝容器を出て半凝固スラリー生成容器に到達する間における溶湯の温度低下を調節する第３の温度調節手段を有することにより、中継ぎ緩衝容器から半凝固スラリー生成容器への途中においても溶湯の温度低下を更に促進或いは遅延させることができる。よって半凝固スラリー生成容器への注湯温度をより確実な所定温度に調節することができる。また第３の温度調節手段の存在により、取鍋での溶湯温度をより高温な状態に安定して保持することが可能となる。

請求項１０に記載の鉄系合金の半凝固スラリー製造装置によれば、上記請求項７〜９の何れかに記載の構成による作用効果に加えて、冷却速度調節手段は、半凝固スラリー生成容器を予熱する予熱手段を有することで、該予熱手段を用いて半凝固スラリー生成容器を必要に応じて必要な温度に予熱することで、半凝固スラリー生成容器に注湯されてきた溶湯を、毎分２０℃以下の冷却速度に確実に調節することができる。
請求項１１に記載の鉄系合金の半凝固スラリー製造装置によれば、上記請求項１０に記載の構成による作用効果に加えて、半凝固スラリー生成容器の予熱手段は高周波誘導加熱手段であるので、この高周波誘導加熱手段を用いて、半凝固スラリー生成容器を素早く且つきめ細かく調整することができるので、溶湯の冷却速度を十分確実に所定の冷却速度に調節して、良好な粒状晶からなる半凝固スラリーを得ることができる。更に半凝固スラリーを半凝固スラリー生成容器から取り出す際には、素早く半凝固スラリー生成容器のみを加熱することができるので、半凝固スラリーの容器接触部分のみを加温することで、取り出しを容易にすることができると共に、半凝固スラリーに温度ムラが発生するのを予防して、固相率を安定化させることができる。

本発明の実施形態に係る鉄系合金の半凝固スラリーの製造装置の概略を説明する断面図である。 本発明の実施形態に係る製造方法及び製造装置で製造した半凝固スラリーの組織を示す写真である。 比較例として樹枝状晶を晶出した半凝固スラリーの組織を示す写真である。 本発明の実施例における半凝固スラリーの生成条件をまとめた図表である。 本発明の実施例における試験結果を示す図表である。 本発明の実施例における試験結果を示す図表である。 従来技術を説明する断面図である。

符号の説明

１０ 取鍋
１１ 保温手段
１２ 測温手段
２０ 中継ぎ緩衝容器
２１ 流出孔
２２ 容器予熱手段
２３ 測温手段
３０ 半凝固スラリー生成容器
３１ 保温容器
３２ 予熱手段
３３ 測温手段
４０ 送風ファン

以下の図面を参照しながら、本発明の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法及び製造装置についての実施形態を更に説明する。

図１を参照して、本発明の実施形態に係る半凝固スラリーの製造装置は、図示しない溶解炉から溶湯を受け取って運んでくる取鍋１０、中継ぎ緩衝容器２０、半凝固スラリー生成容器３０を少なくとも有する。また半凝固スラリー生成容器３０へ落下注湯される溶湯を、その途中で冷却する送風ファン４０を備えることができる。

前記取鍋１０と中継ぎ緩衝容器２０は、半凝固スラリー生成容器３０に溶湯を注湯する溶湯注湯手段Ｐを構成する。
前記溶湯注湯手段Ｐは、半凝固スラリー生成容器３０に対して、予め定めた所定量の溶湯を、その溶湯の晶出開始温度以上で且つ晶出開始温度よりも５０℃高い温度以下という注湯温度条件で、注湯する役割を果たす。前記注湯温度条件は、例えば注湯する溶湯の晶出開始温度（液相線温度）が１３００℃である場合に、半凝固スラリー生成容器に入った際の温度が１３００℃以上で且つ１３５０℃以下の温度であるという意味である。
前記取鍋１０は溶解炉の位置で溶湯を受け取り、半凝固スラリー生成容器３０の上方の位置まで移動する。取鍋１０の容量は半凝固スラリー生成容器３０で１回に生成する半凝固スラリーの量よりもかなり大きく、従って半凝固スラリー生成容器３０に対して複数回注湯し、或いは複数の半凝固スラリー生成容器３０に対して注湯することが可能である。
取鍋１０には、保温手段１１を設けることができる。この保温手段１１により溶解炉から受け取った溶湯を適当な温度に保持しながら、注湯作業を行うことができる。
また取鍋１０には溶湯の温度を測定する測温手段１２を設けることができる。測温手段１２は、例えば浸漬温度計を用い、取鍋１０内の溶湯温度を測定することができる。温度測定は、例えば取鍋１０からの溶湯の出湯に先駆けて行う。測定された溶湯温度が予め定めた所定の温度範囲にあれば、出湯を行う。
前記測温手段１２と前記保温手段１１とによって、取鍋１０から前記中継ぎ緩衝容器２０へ流下させる溶湯の温度を適当な温度に調整することができる。

前記中継ぎ緩衝容器２０は、前記半凝固スラリー生成容器３０の上方に配置され、取鍋１０からの溶湯を取り受けて中継ぎし、溶湯の落下の勢いを適当に緩衝して半凝固生成容器３０に注湯する。該中継ぎ緩衝容器２０の容量は少なくとも１回の注湯量を容器内に収容できる容量とするが、取鍋１０の容量に比較してかなり小さく構成されている。
中継ぎ緩衝容器２０は、例えば黒鉛ルツボを用いることができる。
中継ぎ緩衝容器２０の底部に流出孔２１を設けている。流出孔２１は、例えば底部の中央部に設けることができる。
流出孔２１の径は実験により決定するが、少なくとも取鍋１０から中継ぎ緩衝容器２０に注がれる溶湯の流量よりも中継ぎ緩衝容器２０から半凝固スラリー生成容器３０に注がれる溶湯の流量の方が少なくなるように構成する。流出孔２１の径は、実際には中継ぎ緩衝容器２０の容積、底面積、取鍋１０から流下してくる溶湯の流量、１回に注湯する溶湯量を考慮して、取鍋１０から流下してきた溶湯が中継ぎ緩衝容器２０内で適当に溜まって保持されながら、適当に冷却され、また取鍋１０から流下する溶湯によって適当に混合、均質化され、また底部の流出孔２１から、整流となって連続的に半凝固スラリー生成容器３０に流下されるように、予め実験によって最適な径が定められる。
上記のような流出孔２１付きの中継ぎ緩衝容器２０を用いることで、該中継ぎ緩衝容器２０が漏斗のような役割を果たして、取鍋１０からの溶湯を半凝固スラリー生成容器３０に確実、容易に且つ荒れることなく円滑に導き入れることができる。また取鍋１０から半凝固スラリー生成容器３０に至る間における溶湯の温度低下を適当に促進、調節しながら、且つ半凝固スラリー生成容器３０へ落下する溶湯の落下エネルギーが過大になるのを防止することができる。
なお前記流出孔２１には開閉蓋或いは開閉シャッターのごとき開閉手段を設け、取鍋１０からの溶湯の取り受けと流出孔２１からの溶湯の流出を一定のタイミングで行うようにする構成としてもよい。これにより中継ぎ緩衝容器２０内での溶湯の均質化や温度降下の程度をよりきめ細かく調節することが可能となる。
中継ぎ緩衝容器２０には、容器予熱手段２２を設けることができる。この容器予熱手段２２は、取鍋１０から最初に中継ぎ緩衝容器２０に流下される溶湯が、急激に温度低下されて凝固を開始してしまうことがないようにするために設けられ、また中継ぎ緩衝容器２０から半凝固スラリー生成容器３０に流下する溶湯の温度を、晶出開始温度よりも適当に高い一定の温度領域に安定させるために設けられる。
中継ぎ緩衝容器２０には、測温手段２３を設けることができる。この測温手段２３は、例えば熱電対からなる測温手段とし、中継ぎ緩衝容器２０の外壁面に接触した配置することで、中継ぎ緩衝容器２０の温度を測温する構成とすることができる。これにより容器２０の予熱温度を所定の温度に調節する。

前記半凝固スラリー生成容器３０は、保温容器３１内に出し入れ自在に配置することができる。そして本実施形態では、保温容器３１に予熱手段３２が設けられ、半凝固スラリー生成容器３０を予熱することができるようになされている。半凝固スラリー生成容器３０は、耐熱温度が少なくとも溶湯の晶出温度を超え、且つ高周波誘導加熱が可能な材料として、例えば導電性セラミックスを用いることができる。具体的には、カーボンと炭化珪素、炭化ホウ素等のセラミックスとの複合材を用いることができる。
この予熱手段３２は、本実施形態では高周波誘導加熱手段で構成されている。この高周波誘導加熱手段からなる予熱手段３２は、半凝固スラリー生成容器３０そのものを加熱する。
３３は測温手段である。この側温手段３３は、例えば放射測温計を用いて半凝固スラリー生成容器３０の温度を測温する構成とすることができる。しかし半凝固スラリー生成容器３０内のスラリーの溶湯温度を直接的に測温できるものであってもよく、その方がより正確にスラリーの温度を所定の温度に維持することが可能ではある。
半凝固スラリー生成容器３０内のスラリー温度の低下は、その溶湯の組成における液相線と固相線との中間の温度までとし、その中間温度に維持するように半凝固スラリー生成容器３０の温度が調節される。

前記送風ファン４０は、中継ぎ緩衝容器２０から落下する溶湯に対して風を送って、これを冷却するものである。

前記取鍋１０と中継ぎ緩衝容器２０を有する溶湯注湯手段Ｐは、半凝固スラリー生成容器３０に、溶湯を晶出開始温度以上で且つ晶出開始温度よりも５０℃高い温度以下という注湯温度条件で注湯するための注湯温度調節手段ＴＣを備えている。
前記注湯温度調節手段ＴＣは、具体的には、取鍋１０の保温手段１１と測温手段１２、中継ぎ緩衝容器２０、その流出孔２１、容器予熱手段２２、送風ファン４０、取鍋１０と中継ぎ緩衝容器２０と半凝固スラリー生成容器３０との高さ関係、の各要素の組み合わせからなる。
そして前記注湯温度調節手段ＴＣのうち、前記取鍋１０の保温手段１１と測温手段１２とが、第１の温度調節手段ＴＣ１を構成する。この第１の温度調節手段ＴＣ１である取鍋１０の保温手段１１と測温手段１２とで、取鍋１０に保持される溶湯温度を調節する。
また前記注湯温度調節手段ＴＣのうち、中継ぎ緩衝容器２０の材質、形状、厚み、容量、流出孔２１の大きさ、位置、容器予熱手段２２による予熱とで、第２の温度調節ＴＣ２を構成する。この第２の温度調節ＴＣ２によって、中継ぎ緩衝容器２０を経る溶湯の温度低下量を調節し、流出孔２１から流出する溶湯の温度を調節する。
更に前記注湯温度調節ＴＣのうち、前記送風ファン４０によって、第３の温度調節手段を構成する。この第３の温度調節手段ＴＣ３によって、中継ぎ緩衝容器２０から落下する溶湯の温度低下量を調節する。

前記半凝固スラリー生成容器３０は、半凝固スラリー生成容器３０に受け入れた溶湯を毎分２０℃以下の冷却速度で冷却するための冷却速度調節手段ＳＣを備えている。
前記冷却速度調節手段ＳＣは、具体的には、半凝固スラリー生成容器３０そのものの材質、形状、厚み、容量、保温容器３１、予熱手段３２とで構成される。即ち、半凝固スラリー生成容器３０の材質、形状、厚み、容量で溶湯の冷却速度の調節がなり、また保温容器３１の材質、形状、厚み、容量によっても冷却速度が調節される。特に予熱手段３２によって、半凝固スラリー生成容器３０をどのくらいの温度に予熱しておくかによって、溶湯の冷却速度をかなり自在に変更調節することができる。よって、この冷却速度調節手段ＳＣによって、半凝固スラリー生成容器３０内での溶湯の冷却速度を毎分２０℃以下に調節することができる。
なお、半凝固スラリー生成容器３０内での溶湯の温度は、固相と液相との割合が予め定めた所定の割合になるように、その溶湯の液相線と固相線との間の所定温度まで低下させて、保持されることになる。
そして半凝固スラリー生成容器３０からの半凝固スラリーの取り出しの際には、高周波誘導加熱手段からなる予熱手段３２を用いて、半凝固スラリー生成容器３０を素早く加熱し、半凝固スラリーの生成容器３０との接触部分のみを加温することで、取り出しを容易に行うと共に、半凝固スラリーに温度ムラが発生するのを防止して、所望の固相率での取り出しを確保する。

次に上記した製造装置を用いてなる鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法についての実施態様を説明する。
半凝固スラリーの製造原料は、共晶組成未満の鉄系合金材料として、亜共晶鋳鉄組成の材料を用いる。原料を溶解炉にて溶解し、所定の亜共晶鋳鉄組成となる溶湯を得る。
溶解炉で溶解された溶湯は、適当な量ずつ取鍋１０に受け取られ、中継ぎ緩衝容器２０の上方位置まで移動される。
取鍋１０では、溶湯を所定の温度範囲に保持しながら、予め定めた所定量（１回に生成させる半凝固スラリーの量）ずつを中継ぎ緩衝容器２０に流下させる。
前記取鍋１０から流下した溶湯は中継ぎ緩衝容器２０に一旦入り、更に底部の流出孔２１から下方に落下して半凝固スラリー生成容器３０に注湯される。半凝固スラリー生成容器３０に注湯された溶湯は、そこで冷却され、初晶固相と残留液相とからなる半凝固スラリーが生成される。半凝固スラリーは、その状態のまま半凝固スラリー生成容器３０から取り出され、レオキャスト等の成形加工に供される。

前記半凝固スラリー生成容器３０に注湯される亜共晶鋳鉄溶湯の温度は、その成分組成における晶出開始温度以上で且つ晶出開始温度よりも５０℃高い温度以下の温度範囲にある温度に調節される。
この注湯温度の制御は、取鍋１０から出湯される溶湯の温度を調節（第１の温度調節手段ＴＣ１による調節）し、また中継ぎ緩衝容器２０の形状、厚み、容量、流出孔２１の径、予熱の有無や温度による温度降下量を調節（第２の温度調節手段ＴＣ２による調節）し、また中継ぎ緩衝容器２０から落下する溶湯の送風ファン４０（第３の温度調節手段ＴＣ３による調節）による温度降下量を調節することで行うことができる。
勿論、取鍋２０から半凝固スラリー生成容器３０に至るまでの溶湯温度降下量は、取鍋１０と中継ぎ緩衝容器２０と半凝固スラリー生成容器３０との高さ関係、より単純に言えば、溶湯が取鍋１０から半凝固スラリー生成容器３０に落下する間に空気中に曝される時間（落差）を調節することによっても調節することができる。注湯温度調節手段ＣＴには、このような落差の調節も含まれるものとする。
以上のようにして、注湯温度の調節制御は、取鍋１０を出た溶湯が半凝固スラリー生成容器３０に到達するまでにどれだけの温度降下がなされるか、或いは取鍋１０を出た溶湯を半凝固スラリー生成容器３０に至るまでに如何ほどの温度降下をなさしめるか、を予め実験により明らかにしておくことで、後は取鍋１０から出湯する溶湯温度を所定の温度は範囲に制御するだけで、半凝固スラリー生成容器３０への注湯温度を所定の温度（晶出開始温度以上で且つ晶出開始温度よりも５０℃高い温度以下）に調節制御することができる。

前記において、取鍋１０から半凝固スラリー生成容器３０までの落差を大きくすることで温度降下量を大きくすることができるので、取鍋１０での溶湯保温温度をその分だけ高温にすることができ、都合がよい。しかしその一方で、落下エネルギーが過剰となって注湯が乱れる問題が生じる。そこで本発明では、途中に中継ぎ緩衝容器２０を設けることで、落差を大きくすることによる溶湯の落下エネルギーを適当に緩衝して、半凝固スラリー生成容３０への的の外れることのない注湯と、落下エネルギーが強すぎない（過剰攪拌や溶湯の跳ね飛びのない）注湯を可能としたのである。
前記中継ぎ緩衝容器２０の半凝固スラリー生成容器３０に対する高さ（落差）を調節することで、スムーズで跳ね飛びのない注湯を確保しつつ、且つ溶湯の適当な落下エネルギーによる適当な攪拌効果により、半凝固スラリー生成容器３０内での溶湯の均温化を図ることができる。即ち、半凝固スラリー生成容器３０に対する中継ぎ緩衝容器２０の高さが低い場合は、溶湯落下による攪拌効果が得られないので、半凝固スラリー生成容器３０に注湯された溶湯の均質化があまり図れない。そして中継ぎ緩衝容器２０の半凝固スラリー生成容器に対する高さを高くするにつれて、前記攪拌効果による均質化が図れるようになる。しかし高くなりすぎると、半凝固スラリー生成容器３０への注湯の際に溶湯の跳ね飛びがある等、過剰攪拌状態となる。よって中継ぎ緩衝容器２０の好ましい高さは、該中継ぎ緩衝容器２０の流出孔２１の大きさや、半凝固スラリー生成容器３０の形状や容積等を考慮して予め実験により定めることになる。

前記中継ぎ緩衝容器２０の役割は、取鍋１０からの溶湯を一旦取り受けて、容器２０に入れることで、溶湯の均質化を図り、また容器２０内での冷却を行うことである。
また中継ぎ緩衝容器２０の他の役割は、溶湯を底部の流出孔２１から連続的に半凝固スラリー生成容器３０に落下させることで、スムーズで安定した注湯を確保することである。

前記半凝固スラリー生成容器３０に注湯された溶湯は、毎分２０℃以下の冷却速度で冷却されるようにする。この冷却速度の制御は、主として半凝固スラリー生成容器３０を予熱することで行う。勿論、半凝固スラリー生成容器３０そのものの形状、厚み、容量等による固有の冷却特性によっても冷却速度が変更されるので、予め実験により、注湯される溶湯の温度に対してどの程度の予熱を半凝固スラリー生成容器３０にしておけば所定の冷却速度範囲内での良好な粒状初晶と残留液相からなる半凝固スラリーが得られるかを明らかにしておくことになる。
前記半凝固スラリー生成容器３０の予熱は、高周波誘導加熱により、電気ヒータを用いる場合に比較して容器３０を必要に応じて素早く予熱することができ、温度調節をきめ細かくできるので、確実に冷却速度を制御して、樹枝状晶を晶出させることなく良好な半凝固スラリーを得ることができる。

また前記高周波誘導加熱により半凝固スラリー生成容器３０を素早く、きめ細かく加熱することで、半凝固スラリーを容器３０から取り出す際には、容器３０に接する半凝固スラリー部分のみを素早く加熱することができる。よって容器３０を反転させるだけで半凝固スラリーを容器から取り出せる等、半凝固スラリーを容易に容器３０から取り出すことが可能となると共に、半凝固スラリーの固液割合を変更することなく且つ半凝固スラリーに温度ムラを生じさせることなく容器３０から取り出すことができる。

成分組成を、Ｃ（炭素）を２．６重量％、Ｓｉ（珪素）を１．５重量％含む亜共晶鋳鉄組成とした原料を溶解炉で溶解して溶湯とした。この組成の亜共晶鋳鉄は液相線温度が約１３００℃で、固相線温度が１１５０℃である。従って溶湯を１３００℃〜１１５０℃の間まで冷却して保持することで半凝固スラリーを得ることができる。
溶解炉の溶湯は取鍋１０で受け取り、注湯に供する。即ち、取鍋１０の溶湯の所定量ずつを、予熱した黒鉛ルツボからなる中継ぎ緩衝容器２０に流下させ、更に中継ぎ緩衝容器２０の底部に設けた流出孔２１から流下させて、予め予熱した半凝固スラリー生成容器３０に注湯し、半凝固スラリー生成容器３０内で溶湯を冷却して半凝固スラリーを生成した。
半凝固スラリーの生成の条件は図４に示す通りである。

半凝固スラリー生成容器３０は、高周波誘導加熱が可能な材料としてカーボンとセラミックス（炭化珪素と炭化ホウ素）の複合材を用いた。半凝固スラリー生成容器３０に溜まったスラリーは１２００℃まで冷却した後、容器３０を高周波誘導加熱し、容器３０が１３００℃になったところで、容器３０を反転させて半凝固スラリーを取り出し、水冷し、組織観察を行った。
試験結果を図５、図６に示す。

図５、６に示す試験結果によれば、今回の図４に示す条件では、取鍋１０からの出湯温度を１３５０℃以上、中継ぎ緩衝容器２０の予熱温度を６００℃以上、中継ぎ緩衝容器２０の流出孔２１の径を１０ｍｍ以上とすることで、取鍋１０から中継ぎ緩衝容器２０を経て半凝固スラリー生成容器３０内への流下、注湯が可能であった。
取鍋１０からの出湯温度が１３００℃の場合（試料１）の場合は、溶湯が中継ぎ緩衝容器２０内に残留して凝固した。
また取鍋１０からの出湯温度が１４００℃の場合であっても、中継ぎ緩衝容器２０の流出孔２１の径が５ｍｍの場合（試料２６）は、溶湯が中継ぎ緩衝容器２０内に残留して凝固した。
また取鍋１０からの出湯温度が１４００℃の場合であっても、中継ぎ緩衝容器２０の予熱が３００℃と低い場合（試料２７）は、溶湯が中継ぎ緩衝容器２０内に残留して凝固した。
また半凝固スラリー生成容器３０への注湯温度が１３５０℃を超える場合（試料２９、３１、３２、３３、３４、３５、４２）は、初晶が図３に示すような樹枝状晶になった。
また半凝固スラリー生成容器３０内での冷却速度が２０℃／分を超える場合（試料４０、４９）は、注湯温度が１３００℃以上で１３５０℃以下であっても、初晶が図３に示すような樹枝状晶になった。
一方、半凝固スラリー生成容器３０内での冷却速度が２０℃／分以下の場合は、初晶が図２に示すような粒状晶になった。
但し、半凝固スラリー生成容器３０内での冷却速度が２０℃／分以下であっても、半凝固スラリー生成容器３０に対する中継ぎ緩衝容器２０の高さが１００ｍｍ未満の場合（実施例は５０ｍｍの場合）（試料２〜９、２８、３０）には、内部は粒状晶であったが、半凝固スラリー生成容器３０との接触部付近が樹枝状晶になった。これは、この試験での測温位置（容器３０の中央付近）では２０℃／分以下の冷却速度であっても、外周部の前記接触部付近では２０℃／分を超える冷却速度になっていたためと考えられる。
半凝固スラリー生成容器３０内での冷却速度が２０℃／分以下で、半凝固スラリー生成容器３０に対する中継ぎ緩衝容器２０の高さが１００ｍｍ以上の場合（実施例では１００ｍｍ、２００ｍｍの場合）には、溶湯の落下エネルギーによる攪拌効果が作用して、得られる半凝固スラリーの内部も外周部（容器３０との接触部）も成形に適した粒状晶が得られた。

本発明の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法及び製造装置は、レオキャャスト法或いはレオキャスト装置として、また半凝固スラリーを用いたその他の成形加工及びその装置として、産業上の利用性が大きい。

Claims (11)

1. 鉄系合金の溶湯を半凝固スラリー生成容器内に注湯して冷却することで、晶出固相と残留液相とからなる半凝固スラリーを得る鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法であって、共晶組成未満の鉄系合金材料を用い、取鍋から溶湯を所定量ずつ中継ぎ緩衝容器に一旦取り受けて、該中継ぎ緩衝容器内で前記取り受けた溶湯を冷却、均質化しながら、底部に設けた流出孔から下方の半凝固スラリー生成容器内へ連続的に落下させて注湯すると共に、前記半凝固スラリー生成容器に注湯された際の溶湯の温度範囲を、その組成における晶出開始温度以上で且つ晶出開始温度よりも５０℃高い温度以下となるように制御し、且つ前記半凝固スラリー生成容器内に注湯された溶湯の冷却速度を、毎分２０℃以下の冷却速度になるように制御することを特徴とする鉄系合金の半凝固スラリーの製造装置。
2. 中継ぎ緩衝容器から半凝固スラリー生成容器内への落下途中の溶湯を風冷するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法。
3. 中継ぎ緩衝容器から半凝固スラリー生成容器への溶湯落下のエネルギーを用いて半凝固スラリー生成容器内の溶湯の攪拌を行わせることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法。
4. 注湯された溶湯の半凝固スラリー生成容器内での冷却速度が毎分２０℃以下となるように、半凝固スラリー生成容器を予熱しておくことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法。
5. 半凝固スラリー生成容器の予熱は、半凝固スラリー生成容器そのものを高周波誘導加熱することにより行うことを特徴とする請求項４に記載の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法。
6. 生成された半凝固スラリーの取り出しは、半凝固スラリー生成容器を高周波誘導加熱することで、半凝固スラリー生成容器を介してそれに接している半凝固スラリー部分を加熱した状態で行うことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の鉄系合金の半凝固スラリーの製造方法。
7. 共晶組成未満の鉄系合金材料の溶湯を保持して注湯することができる溶湯注湯手段と、注湯された溶湯を冷却して半凝固状態のスラリーを生成させる半凝固スラリー生成容器とを有し、前記溶湯注湯手段は、溶解炉から溶湯を受け取って運んでくる取鍋と、半凝固スラリー生成容器の上方に配置されて前記取鍋から必要な所定量だけの溶湯を一旦取り受けると共に、更にその取り受けた溶湯を冷却、均質化しながら、底部に設けた流出孔から下方の半凝固スラリー生成容器内へ連続的に落下させて注湯する中継ぎ緩衝容器とからなり、且つ前記溶湯注湯手段には、共晶組成未満の鉄系合金材料の溶湯をその晶出開始温度以上であって且つ晶出開始温度よりも５０℃高い温度以下にして半凝固スラリー生成容器に注湯する注湯温度調節手段を備え、前記半凝固スラリー生成容器は受け入れた溶湯を毎分２０℃以下の冷却速度で冷却する冷却速度調節手段を備えることを特徴とする鉄系合金の半凝固スラリーの製造装置。
8. 注湯温度調節手段は、中継ぎ緩衝容器に取り受けられる溶湯の取鍋出口での溶湯温度を所定温度範囲に調節する第１の温度調節手段と、中継ぎ緩衝容器で冷まされる溶湯の温度低下を調節して中継ぎ緩衝容器出口での溶湯温度を所定温度範囲に調節する第２の温度調節手段とを有することを特徴とする請求項７に記載の鉄系合金の半凝固スラリーの製造装置。
9. 注湯温度調節手段は、中継ぎ緩衝容器を出て半凝固スラリー生成容器に到達する間における溶湯の温度低下を調節する第３の温度調節手段を有することを特徴とする請求項８に記載の鉄系合金の半凝固スラリーの製造装置。
10. 冷却速度調節手段は、半凝固スラリー生成容器を予熱する予熱手段を有することを特徴とする請求項７〜９の何れかに記載の鉄系合金の半凝固スラリーの製造装置。
11. 半凝固スラリー生成容器の予熱手段は高周波誘導加熱手段であることを特徴とする請求項１０に記載の鉄系合金の半凝固スラリーの製造装置。

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