JP5335767B2 - アルミニウム合金の鋳造方法 - Google Patents

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Description

＜関連出願の説明＞
本願は、2007年4月11日に出願された米国仮出願第11/734,113号、発明の名称「不混和金属のストリップ鋳造」の優先権を主張し、その内容は、本願に組み込まれるものとする。
＜発明の分野＞
本発明の一実施例は、金属の鋳造、特に不混和金属のストリップ鋳造方法に関する。
＜発明の背景＞
Ｓｎ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｃｄを含有したアルミニウム基合金は、内燃エンジンのベアリングに広く用いられている。これら合金のベアリング機能は合金化元素の軟質第二相粒子によって果たされ、前記粒子は潤滑油が切れた場合に溶解して、合金中のアルミニウムとベアリングに保護されたスチールとの接触を防ぐ。
先行技術では、これら合金中の軟質第二相は凝固中に分離し、しばしば不均一な分布形態で現れる。多くの場合、第二相は粒界で連続層を生成するか、又はより重い元素(Ｓｎ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｃｄ)が重力偏析によって底に沈む。一般的に、鋳造されたシートを冷間圧延した後、軟質相を再分配するために熱処理が必要である。例えばＡｌ−Ｓｎ合金の場合、６６２#Ｆ(３５０℃)のアニーリング処理が施され、この処理により軟質相は溶解し、その後凝固して、繋がっていない粒子は所望の均一分布がもたらされる。最終の処理工程において、ストリップはスチールのバッキングに接合され、エンジン内のベアリングとして用いられる。
アルミニウム基合金の双ロール式鋳造は、従来のインゴット鋳造に比べて第二相粒子のより良好な分配をもたらす。しかしながら、双ロール式鋳造法の欠点として、速度が遅いこと、生産性が低いことであり、また、生じる軟質相の分布が好ましくない(均一でない)ことである。粉末冶金プロセスを用いると、適切な結果を得られるが、この方法は高コストである。それゆえ、生産性がより高く、アルミニウムマトリックス中に軟質相の微細粒子を一様に分布させることのできる方法が要請される。
＜発明の要旨＞
本発明は、不混和(immiscible)液体からアルミニウム合金をストリップ鋳造する方法であって、微細な第２相粒子が高度に一様に分布した組織を有する薄ストリップを生成する方法を開示する。本発明は、既知の鋳造プロセスを用いて達成されることができ、合金は高速度で薄ストリップに鋳造される。本発明の一実施例の方法では、鋳造速度は約15.24〜91.44ｍ／分(約50〜約300フィート／分)であり、ストリップの厚さは約2.032〜6.35ｍｍ(約0.08〜約0.25インチ)の範囲内である。これらの条件では、鋳造プロセスで凝固フロント(solidification front)が生じる前に、不混和液相のドロップレット(droplets)が液中で核生成するときに、好ましい結果が達成される。不混和相のドロップレットは、凝固フロントが急速移動することにより、二次デンドライトアーム(Secondary Dendrite Arms;ＳＤＡ)間のスペースに取り込まれる。
ＳＤＡは急速凝固条件の下では小さいため(2〜10μｍの範囲)、不混和相のドロップレットは鋳造ストリップ中で一様に分配され、非常に微細である。
図１は、本発明の方法を説明するフローチャートである。
図２は、本発明の方法を実施する装置の一例を示す略図である。
図３は、本発明に基づいて操作される装置を詳細に示す斜視図である。
図４は、図２及び図３で示された装置に溶融金属が入るところを示す断面図である。
図５は、本発明に基づいて作られたストリップの横断面の顕微鏡写真である。
＜発明の詳細な説明＞
添付図面及び下記の説明は、本発明の好適な実施例に関するものである。なお、鋳造プロセスに広く精通している者であれば、構造の新規な特徴並びにここに図示及び説明した方法を、特定の細部を変更することで他の態様にも適用できるであろう。従って、図面及び説明は本発明の範囲を制限するものと解すべきでなく、広義かつ一般的な教唆であると理解されるべきである。どの数値範囲に言及する場合も、その範囲は規定した最小値と最大値との間における各々の数及び／又は分数並びにあらゆる数及び／又は分数を含むものと理解されるべきである。
最後に、以下の説明に当たり、「上側」、「下側」、「右側」、「左側」、「垂直」、「水平」、「上面」、「下面」の語及びこれらの関連語について、この発明に関するものは、図面に示された図を基準にした方向である。
「アルミニウム合金」という語は、少なくとも50重量％以上のアルミニウム元素と、少なくとも一種の調整元素(modifier element)とを含む合金を意味する。適当なアルミニウム合金として、アルミニウム協会(Aluminum Association)の合金がある。
本発明の方法を、図１のフローチャートに概略的に示している。図１に示されている通り、ステップ100では、アルミニウム及び少なくとも１以上の非混和相を含む溶融金属が、適当な鋳造装置の中へ導入される。ステップ102では、鋳造装置は15.24〜91.44ｍ／分(50〜300フィート／分)より速い鋳造速度で稼働される。ステップ104では、鋳造ストリップの厚さは2.032〜6.35ｍｍ(0.08〜0.25インチ)に維持される。
本発明の方法は、例えば米国特許第5515908号及び第6672368号に開示された鋳造方法に好適に用いられ、前記米国特許は引用を以て本願に組み込まれるものとする。これらの方法は薄肉ストリップを高速で生産し、25.4ｍｍ(１インチ)幅鋳造当たり、272.16〜907.2kg/hr(600〜2000lb/hr)の生産性が達成される。
本発明の実施に用いることができる装置の一例を、図２、図３及び図４に示している。図示の装置は、本出願による米国特許第5515908号に開示された装置であり、本発明の方法の結果を達成するために用いられる装置の一例として示される。
以下では、図２に示した装置に関してプロセスを説明するが、図３及び図４に示す装置にも適用可能である。図２に示されるように、この装置は一対のエンドレスベルト(10)(12)を有しており、該エンドレスベルトは一対の上プーリー(14)(16)と、対応する一対の下プーリー(18)(20)とによって担持される鋳造モールドとして機能する。各プーリーは図３に示す軸(21)(22)(24)(26)の周りをそれぞれ回転可能に設けられている。プーリーは適当な耐熱材料からなり、上プーリー(14)(16)のいずれか又は両方が、適当なモーター手段(図示されていない)によって駆動する。下プーリー(18)(20)についても同様である。ベルト(10)(12)はそれぞれがエンドレスベルトであり、鋳造される金属との反応性が低い金属又は非反応性の金属から形成することができる。非常に多くの適当な金属合金のあることは当業者に知られており、これら合金を用いることができる。スチール及び銅合金のベルトを用いることで、良好な結果が得られた。アルミニウムなどの他の金属ベルトも使用可能である。本発明のこの実施例において、鋳造モールドの手段として鋳造ベルト(10)(12)が用いられることは留意されるべきである。しかし、鋳造モールドは例えば単一のモールド、１又は複数のロール、又は一組のブロックから構成することもできる。
上プーリー(14)(16)と下プーリー(18)(20)の間には、図２及び図３に示されるように、モールディングギャップ(G1)が設けられている。このギャップ(G1)は、鋳造される金属ストリップ(50)の所望厚さ(T1)に対応する寸法に作られている。従って、鋳造される金属ストリップ(50)の厚さ(T1)は、プーリー(14)の上を通るベルト(10)とプーリー(18)の上を通るベルト(12)の間のニップ(n)の寸法によって決定され、該ニップは、プーリー(14)(18)の軸を通るラインに沿っており、鋳造ベルト(10)(12)と直交している。鋳造される溶融金属は、タンディッシュのような金属供給手段(28)を通ってモールディングゾーンに供給される。タンディッシュ(28)の内部の幅は鋳造される製品の幅に対応しており、その幅の最大は、鋳造ベルト(10)(12)の狭部の幅とすることができる。タンディッシュ(28)は、溶融金属の水平方向の流れをベルト(10)(12)の間のモールディングゾーンに送出する金属供給用鋳造チップ(30)を含んでいる。
図４に示されるように、チップ(30)は、そのすぐ隣りにあるベルト(10)(12)に沿って鋳造ゾーン又はモールディングゾーン(46)を画定し、該ゾーンに溶融金属の水平方向の流れが流入する。このように、溶融金属の流れ(Ｍ)はチップから略水平方向に流れて、ベルト(10)(12)のそれぞれの湾曲部間から、プーリー(14)(18)のニップまでのモールディングゾーン(46)を満たす。この流れは、凝固が始まり、プーリー(14)(18)のニップ(n)位置の近くでほぼ凝固して、ストリップ(50)が鋳造される。水平方向に流れる溶融金属の流れ(Ｍ)を、モールディングゾーン(46)に供給すると、溶融金属はプーリー(14)(18)の周りを通るベルト(10)(12)の湾曲部と接触して歪みが制限される結果、溶融金属(Ｍ)とベルト(10)(12)の各々とのより良好な熱接触が維持され、また鋳造ストリップ(50)の上面及び下面の品質が改善される。
図２及び図３に示されている鋳造装置は一対の冷却手段(32)(34)を有しており、該冷却手段は、エンドレスベルト(10)(12)の間のモールディングギャップ(G1)で鋳造される溶融金属(Ｍ)と接触するベルト(10)(12)の接触部分と対向して配置されている。冷却手段(32)(34)はこのようにして、ベルト(10)(12)がそれぞれプーリー(16)(20)を通り過ぎた後、溶融金属(Ｍ)と接触する前にベルト(10)(12)を冷却する。図２及び図３に示されている通り、冷却器(32)(34)はそれぞれ、ベルト(10)(12)の戻り経路上に配置される。冷却手段(32)(34)は、例えば、ベルトの厚さ方向を冷却するために冷却流体をベルト(10)(12)の内側及び／又は外側に直接スプレーするよう配置された流体冷却チップのような、公知の冷却手段であってよい。
このように、溶融金属(Ｍ)はタンディッシュから鋳造チップ(30)を通り、ベルト(10)(12)の間に形成された鋳造ゾーン又はモールディングゾーン(46)の中へ水平方向に流れ、前記ゾーンではベルト(10)(12)は熱伝達により、鋳造ストリップ(50)からベルト(10)(12)へ加熱される。鋳造金属ストリップ(50)は、鋳造ベルト(10)(12)の間にあって、ベルト(10)(12)がそれぞれプーリー(16)(20)の中心線を通り過ぎて向きを変えるまで該ベルトによって運ばれる。その後、戻りループにおいて、冷却手段(32)(34)はそれぞれ、ベルト(10)(12)を冷却し、モールディングゾーン(46)にてベルトで伝達された熱のほぼ全部をベルトから除去する。図４に詳細に示されるように、溶融金属(Ｍ)はタンディッシュから鋳造チップ(30)を通って供給される。この図に示されるように、鋳造チップ(30)は、上壁(40)及び下壁(42)で形成され、前記上壁及び前記下壁とで中央開口(44)が画定され、その幅はベルト(10)(12)の幅にほぼ及んでいる。
鋳造チップ(30)の壁(40)(42)の遠位側端部はそれぞれ鋳造ベルト(10)(12)の表面(Ｓ)にほぼ接近しており、該ベルト(10)(12)と共に鋳造キャビティ又はモールディングゾーン(46)を画定する。溶融金属(Ｍ)は中央開口部(44)を通り、前記キャビティ又はゾーンの中に流れ込む。鋳造キャビティ(46)の中の溶融金属(Ｍ)がベルト(10)(12)の間を流れるとき、溶融金属(Ｍ)はその熱をベルト(10)(12)に伝達し、それと同時に、溶融金属(Ｍ)は冷却され、生成された固体ストリップ(50)は鋳造ベルト(10)(12)の間で維持される。十分なセットバック(溶融金属(Ｍ)の最初の接触部(47)と、エントリプーリー(14)(18)の最接近距離であるニップ(n)の間の距離を表す)を設けることで、ニップ(n)より前の位置でほぼ完全に凝固することができる。
本発明の方法がもたらす結果を得るために、図２〜図４に示された装置を使用し、液体状態で不混和の相を有する溶融アルミニウム基合金を、図３のタンディッシュ(28)から鋳造チップ(30)を通過させて、ベルト(10)(12)で画定された鋳造ゾーン又はモールディングゾーン(46)へ導入した。好ましくは、プーリー(14)上を通るベルト(10)とプーリー(18)を通るベルト(12)との間のニップ(n)の寸法は約2.032〜6.35ｍｍ(約0.08〜約0.25インチ)であり、鋳造速度は約15.24〜約91.44ｍ／分(約50〜約300フィート／分)である。これらの条件下で、不混和液相のドロップレットが凝固フロントより前に核を生成し、急速移動する凝固フロントにより、ＳＤＡスペース間のスペースに取り込まれる。この結果、得られた鋳造ストリップには不混和液相のドロップレットが一様に分配されている。
本発明の一実施例の溶融メルト混合物は、少なくとも0.1％のＳｎを含有することができる。
本発明の一実施例の溶融メルト混合物は、少なくとも0.1％のＰｂを含有することができる。
本発明の一実施例の溶融メルト混合物は、少なくとも0.1％のＢｉを含有することができる。
本発明の一実施例の溶融メルト混合物は、少なくとも0.1％のＣｄを含有することができる。
次に図５を参照すると、本発明に基づいて作られたＡｌ−６Ｓｎストリップ400の切断面の顕微鏡写真が示されている。ストリップ中、明るく示されているものがＳｎ粒子401で、該Ｓｎ粒子は3μｍ以下の微細な粒子で、非常に一様に分布している。インゴット又はロール鋳造で作られた材料の粒子は一般的に40〜400μｍの大きさであるから、本発明の結果はそれよりも数倍小さい。さらに、本発明で作られたストリップは軟質相を再分配するための熱処理が不要であり、例えばベアリングで用いるのに必要な潤滑特性をもたらすのに理想的である。なおストリップは、例えば圧延などの追加の工程を行うことなく、鋳放し状態で用いることもできる。
本発明について、具体的な実施例を参照して詳細に説明したが、様々な変更及び改良を、実施例の精神及び範囲から逸脱することなく成し得ることは、当業者には明白であろう。それゆえ、本発明は添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲に含まれる変形及び変更を包含するものである。

Claims (6)

  1. アルミニウム合金を鋳造する方法であって、
    溶融アルミニウム合金を鋳造装置に供給するステップであって、前記溶融アルミニウム合金は、少なくとも０.１重量％以上の調整元素を含み、該調整元素は溶融アルミニウムと実質的に不混和性であり、前記鋳造装置は、移動可能な第１鋳造面と、移動可能な第２鋳造面と、第１及び第２鋳造面の間に形成された厚さ２.０３２ｍｍ〜６.３５ｍｍ（０.０８インチ〜０.２５インチ）のニップとを具えている、溶融アルミニウム合金供給ステップと、
    前記溶融アルミニウム合金を１５.２４〜９１.４４ｍ（５０〜３００フィート）／分の速度で移動させるステップであって、溶融アルミニウム合金が第１鋳造面と第２鋳造面と接触することにより凝固フロントを形成して前記ニップを通過させる、アルミニウム合金移動ステップとを有しており、
    前記鋳造装置は、溶融アルミニウム合金が第１鋳造面及び第２鋳造面と最初に接触する接触部からニップまでの距離を、溶融アルミニウム合金がニップ位置の近くでほぼ完全に凝固してニップを通過できるように設定しており、
    溶融アルミニウム合金は、前記凝固フロントが形成される前に、不混和性調整元素のドロップレットが核を生成し、不混和性調整元素のドロップレットは、凝固フロントの移動によって二次デンドライトアーム間のスペースに取り込まれて、３μｍ以下の微細なドロップレットが形成され、
    溶融アルミニウム合金は、ニップを通過するとき、ほぼ完全に凝固しており、
    凝固したアルミニウム合金には、調整元素の３μｍ以下の微細なドロップレットが一様に分配されている、方法。
  2. 調整元素は、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｂｉ及びＣｄのうち少なくとも一種を含んでいる、請求項１の方法。
  3. 調整元素はＳｎを少なくとも０.１重量％以上含んでいる、請求項１の方法。
  4. 調整元素はＰｂを少なくとも０.１重量％以上含んでいる、請求項１の方法。
  5. 調整元素はＢｉを少なくとも０.１重量％以上含んでいる、請求項１の方法。
  6. 調整元素はＣｄを少なくとも０.１重量％以上含んでいる、請求項１の方法。
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