JP5673157B2 - Ultrasonic horn and method for producing aluminum alloy using the same - Google Patents

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Description

本発明は、アルミ溶湯中にキャビテーションを発生させるための超音波ホーン及びそれを用いてアルミニウム合金を製造する方法に関する。   The present invention relates to an ultrasonic horn for generating cavitation in molten aluminum and a method for producing an aluminum alloy using the same.

アルミニウムを鋳造する際、溶湯へ超音波を照射することにより溶湯中で音響キャビテーションを発生させ、これにより溶湯脱ガス、凝固組織制御等の効果が得られることが知られている。そして、溶湯への超音波照射は、移湯樋を流れる溶湯中(樋処理)或るいは鋳型内溶湯中(鋳型内・サンプ内処理)に超音波ホーンの先端部を挿入して振動を溶湯中に伝達することで行われている。
しかし、アルミニウム溶湯の超音波処理において、特に鉄合金、チタン合金などから構成される金属製ホーンを用いた場合は、アルミニウム溶湯への超音波照射時間とともにホーン先端がエロージョンされてしまう。そのため、アルミニウム溶湯中に超音波ホーンを用いて超音波照射させる際、ホーン材料の選択は重要な問題となる。
It is known that, when casting aluminum, acoustic cavitation is generated in the molten metal by irradiating the molten metal with ultrasonic waves, thereby obtaining effects such as molten metal degassing and solidification structure control. The ultrasonic irradiation of the molten metal is performed by inserting the tip of an ultrasonic horn into the molten metal flowing through the transfer tub (slagging process) or in the molten metal in the mold (in-mold / sampling process). It is done by communicating inside.
However, in the ultrasonic treatment of molten aluminum, especially when a metal horn composed of an iron alloy, a titanium alloy or the like is used, the horn tip is eroded with the time of ultrasonic irradiation to the molten aluminum. Therefore, the selection of the horn material becomes an important problem when ultrasonic irradiation is performed in the molten aluminum using an ultrasonic horn.

そこで、アルミニウム溶湯と反応せず、高温耐エロージョン性に優れる素材としてセラミックで形成された超音波ホーンや、表面をセラミックで被覆した超音波ホーンが用いられてきている。
例えば特許文献1,2には、セラミックの中でも特に、窒化珪素基セラミック(以下「窒化珪素基焼結体」と記す。)、を用いた超音波ホーンが報告されてきている。これらの窒化珪素基焼結体からなる超音波ホーンは、アルミニウム溶湯のように高温で腐食性の高い溶湯に超音波処理する際においても、化学反応を生じ難く腐食し難いためアルミニウム溶湯の照射に適応できることが知られている。
Therefore, an ultrasonic horn formed of ceramic as a material that does not react with molten aluminum and has excellent high-temperature erosion resistance, and an ultrasonic horn whose surface is coated with ceramic have been used.
For example, Patent Documents 1 and 2 report an ultrasonic horn using a silicon nitride-based ceramic (hereinafter referred to as “silicon nitride-based sintered body”) among ceramics. Ultrasonic horns made of these silicon nitride-based sintered bodies are not susceptible to chemical reactions and are difficult to corrode even when ultrasonically treating high temperature and highly corrosive melts such as aluminum melts. It is known to be adaptable.

特開2004−209487号公報JP 2004-209487 A 特表2006−522562号公報JP-T-2006-522562

しかし、窒化珪素基焼結体を用いた場合、アルミニウム溶湯と化学反応を生じ難い一方、アルミニウム溶湯との濡れ性が良くないため、音響キャビテーションが溶湯と超音波ホーン先端の間の界面で発生する。このため、溶湯中への超音波振動エネルギー伝達効率が不十分であり、その結果溶湯中のキャビテーション強度が減少し、組織微細化効果が低くなってしまっていた。
また、一般的な窒化珪素基焼結体は破壊靱性が低いために耐久性に難点がある。
However, when a silicon nitride-based sintered body is used, chemical reaction with the molten aluminum is difficult to occur, but wettability with the molten aluminum is not good, so acoustic cavitation occurs at the interface between the molten metal and the tip of the ultrasonic horn. . For this reason, the ultrasonic vibration energy transmission efficiency into the molten metal is insufficient, and as a result, the cavitation strength in the molten metal is reduced and the effect of refining the structure is lowered.
Further, a general silicon nitride-based sintered body has a drawback in durability because of low fracture toughness.

本発明は、このような課題を解決するために案出されたものであり、アルミニウム溶湯との濡れ性を良くして超音波処理を好適に行うことができるとともに、破壊靱性を高めて耐久性を向上させた窒化珪素焼結体製の超音波ホーン及びそれを用いてアルミニウム鋳造組織を効率的に微細化する方法を提供することを目的とする。   The present invention has been devised in order to solve such problems, and can improve ultrasonic wave treatment by improving wettability with molten aluminum, and enhance fracture toughness and durability. An object of the present invention is to provide an ultrasonic horn made of a silicon nitride sintered body with improved quality and a method for efficiently miniaturizing an aluminum cast structure using the same.

本発明の超音波ホーンは、その目的を達成するため、アルミニウム溶湯に超音波を照射する際に用いる超音波ホーンであって、Si粉末100質量部に対してTiを金属換算で1.0〜10質量部を含む原料複合粉を焼結した窒化珪素基焼結体からなることを特徴とする。
また、上記Tiの含有量は金属換算で1.0〜6質量部であることが好ましい。
In order to achieve the object, the ultrasonic horn of the present invention is an ultrasonic horn used when irradiating molten aluminum with ultrasonic waves, and Ti is converted to 1 in terms of metal with respect to 100 parts by mass of Si 3 N 4 powder. It consists of a silicon nitride-based sintered body obtained by sintering a raw material composite powder containing 0.0 to 10 parts by mass.
Moreover, it is preferable that content of the said Ti is 1.0-6 mass parts in metal conversion.

なお、上記原料複合粉とは、Si粉末と上記Ti、およびSi粉末を焼結する際に通常用いるAl、MgO、SiOや、Y、La、CeOの希土類酸化物から選ばれた焼結助剤の混合粉末を意味している。
焼結助剤としては、Al、MgO、SiOから選ばれた少なくとも一種の化合物を主原料であるSi粉末100質量部に対して0.5〜10質量部、Y、La、CeOの希土類酸化物から選ばれた少なくとも一種の化合物を0.5〜10質量部が好ましい。
Note that the above-mentioned starting composite powder, Si 3 N 4 powder and the Ti, and Si 3 N 4 is used usually powder during sintering Al 2 O 3, MgO, and SiO 2, Y 2 O 3, La 2 It means a mixed powder of a sintering aid selected from rare earth oxides of O 3 and CeO.
As a sintering auxiliary agent, 0.5 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of Si 3 N 4 powder as a main raw material, at least one compound selected from Al 2 O 3 , MgO, and SiO 2 , Y 2 0.5 to 10 parts by mass of at least one compound selected from rare earth oxides of O 3 , La 2 O 3 and CeO is preferable.

本発明の超音波ホーンは、上記の窒化珪素基の焼結体からなり、ホーンの長さLを、λ/2の超音波半波長を基本単位として、L=n×λ/2及びn=2,3,4の整数に設計されていることを特徴とする。
また、ホーンはインサートネジを介して振動子に接続されていることが好ましい。
そして、上記のような超音波ホーンを用いてアルミニウム溶湯に超音波を照射することによりアルミニウム合金の組織を微細化することができる。
超音波を照射する際の振動振幅は、16〜60μm(p−p)の範囲とすることが好ましい。
The ultrasonic horn of the present invention is made of the above-mentioned silicon nitride-based sintered body, and the length L of the horn is set to L = n × λ / 2 and n = It is designed to be an integer of 2, 3 and 4.
The horn is preferably connected to the vibrator via an insert screw.
And the structure | tissue of an aluminum alloy can be refined | miniaturized by irradiating a molten aluminum with an ultrasonic wave using the above ultrasonic horns.
The vibration amplitude when irradiating with ultrasonic waves is preferably in the range of 16 to 60 μm (pp).

本発明によれば、超音波ホーンが、アルミニウム溶湯と化学反応を生じ難く、かつ強度や破壊靱性が高められた窒化珪素基の焼結体から構成されているため、アルミニウム溶湯中に超音波を照射する際にあっても、溶湯と超音波ホーン先端の間の界面での音響キャビテーションを発生することなく溶湯中のキャビテーション強度を高めて金属組織の微細化作用を効率的に高めることができる。さらに高寿命であるために、結果的にコスト削減にも寄与することになる。   According to the present invention, the ultrasonic horn is composed of a silicon nitride-based sintered body that hardly causes a chemical reaction with the molten aluminum and has improved strength and fracture toughness. Even when irradiating, the cavitation strength in the molten metal can be increased and the refinement of the metal structure can be efficiently enhanced without generating acoustic cavitation at the interface between the molten metal and the tip of the ultrasonic horn. Furthermore, since it has a long life, it will contribute to cost reduction as a result.

超音波ホーンを用いた超音波処理装置の概要を説明する図The figure explaining the outline of the ultrasonic treatment equipment using the ultrasonic horn アルミニウム溶湯を超音波処理する態様を説明する図The figure explaining the aspect which ultrasonically processes molten aluminum Si‐(TiN)‐純Al溶湯系で進行する化学反応を示すグラフ Si 3 N 4 - (TiN) - graph showing the chemical reactions that proceed in pure Al melt system TiN‐純Al溶湯系で進行する化学反応を示すグラフGraph showing the chemical reaction proceeding in the TiN-pure Al molten metal system TiN‐(Al‐Si)溶湯系で進行する化学反応を示すグラフGraph showing the chemical reaction proceeding in the TiN- (Al-Si) melt system 耐エロージョン性試験装置の概略を説明する図Diagram explaining the outline of the erosion resistance test equipment 窒化珪素基焼結体からなる超音波ホーンの形状を説明する断面図Sectional drawing explaining the shape of the ultrasonic horn which consists of a silicon nitride base sintered compact 振動子にホーンを接続する形態を図Figure showing a form of connecting a horn to a vibrator 振動子とホーンの接続部を説明する断面図Sectional drawing explaining connection part of vibrator and horn 本発明の実施例及び比較例で用いた窒化珪素基焼結体のミクロ組織の説明図Explanatory drawing of the microstructure of the silicon nitride-based sintered body used in the examples and comparative examples of the present invention

1:超音波ジェネレータ 2:振動子
3:ホーン 4:ネジ方式接続
5:制御ユニット 6:鋳型
7:ヘッダー 8:樋
9:溶湯 10:インサート接続
11:坩堝 12:アルミニウム溶湯
13:ホーン 14:耐火物製チューブ
15:エロージョン試験片 16:試料ホルダ
17:切り込み
1: Ultrasonic generator 2: Vibrator
3: Horn 4: Screw connection
5: Control unit 6: Mold
7: Header 8: Samurai
9: Molten metal 10: Insert connection
11: Crucible 12: Molten aluminum
13: Horn 14: Refractory tube
15: Erosion test piece 16: Sample holder
17: Cut

本発明者等は、アルミニウム溶湯の組織微細化に用いる超音波ホーンの対濡れ性向上策と耐久性向上策にて鋭意検討を重ねてきた。
その過程で、窒化珪素基の焼結体を製造する際に、通常焼結助剤として用いられるAl、MgO、SiOなる化合物や、Y、La、CeO等の希土類酸化物の他に、4A族元素の金属或いはその酸化物、窒化物、炭化物等を用いることが有効であることを見出した。
以下にその詳細を説明する。
The inventors of the present invention have made extensive studies on measures for improving wettability and durability of an ultrasonic horn used for refining the structure of molten aluminum.
In the process, when producing a silicon nitride-based sintered body, compounds such as Al 2 O 3 , MgO, and SiO 2 that are usually used as sintering aids, Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO, etc. In addition to the rare earth oxides, it has been found effective to use metals of group 4A elements or oxides, nitrides and carbides thereof.
Details will be described below.

まず、アルミニウム溶湯の組織微細化に一般的に用いられる超音波処理用装置の一例について説明する。
図1に示すように超音波処理用装置は、超音波ジェネレータ1、振動子2、ホーン3と制御ユニット5から構成されている。但し、振動子2は磁歪または圧電素子から選択することができる。一例として、磁歪振動子を構成した超音波発生装置の操作原理を説明する。超音波ジェネレータ1により発生した交流強力電流を超音波振動子2に印加し、超音波振動子2によって発生した超音波振動はネジ方式接続4を介してホーン3によってホーン先端に伝達し,先端から図示していないアルミニウム溶湯中に導入する。共振条件を保つため、共振周波数自動制御ユニット5を備えている。
このユニットは、振動子に流れる電流値を周波数の関数として測定し、電流値が最大値を保持するように、周波数を自動調整する機能を有するものである。
First, an example of an ultrasonic processing apparatus generally used for refining the structure of molten aluminum will be described.
As shown in FIG. 1, the ultrasonic processing apparatus includes an ultrasonic generator 1, a vibrator 2, a horn 3 and a control unit 5. However, the vibrator 2 can be selected from magnetostriction or a piezoelectric element. As an example, the operation principle of an ultrasonic generator that constitutes a magnetostrictive vibrator will be described. The AC strong current generated by the ultrasonic generator 1 is applied to the ultrasonic vibrator 2, and the ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator 2 is transmitted to the horn tip by the horn 3 via the screw connection 4 and from the tip. It introduce | transduces in the aluminum molten metal which is not shown in figure. In order to maintain the resonance condition, a resonance frequency automatic control unit 5 is provided.
This unit has a function of measuring the current value flowing through the vibrator as a function of frequency and automatically adjusting the frequency so that the current value maintains the maximum value.

超音波の照射位置として、DC鋳造装置の樋に流れる溶湯中において照射した例を図2に示す。
なお、超音波照射位置はこれに限られることはなく、図示はしないが保持炉や鋳型内などでも超音波振動を付与することができる。また、DC鋳造法に限らず、重力鋳造法、ダイカスト法やその他の鋳造法においても、所定の位置で超音波照射することによって、アルミニウム溶湯の微細化効果を得ることができる。
As an irradiation position of the ultrasonic wave, an example of irradiation in the molten metal flowing in the cage of the DC casting apparatus is shown in FIG.
The ultrasonic irradiation position is not limited to this, and although not shown, ultrasonic vibration can be applied even in a holding furnace or a mold. Further, not only the DC casting method but also the gravity casting method, the die casting method and other casting methods can obtain the effect of refining the molten aluminum by irradiating ultrasonic waves at a predetermined position.

次に、本発明に係る超音波ホーンの材質について説明する。
従来、アルミニウム溶湯用の超音波ホーンとしては、高耐熱性を有するためアルミニウム溶湯中で超音波照射させてもエロージョンされにくいセラミック材料、特に窒化珪素基焼結体が用いられてきた。本発明に係る超音波ホーンは、アルミニウム溶湯と濡れ性を高くし、金属組織の微細化効果を向上させ、さらに高寿命化をはかるため、窒化珪素基の原料複合粉を焼結する際に、Si粉末100質量部に対して、さらに4A族元素を金属換算で1.0〜10質量部添加した焼結体を用いることを特徴とする。
Next, the material of the ultrasonic horn according to the present invention will be described.
Conventionally, as an ultrasonic horn for molten aluminum, a ceramic material, particularly a silicon nitride-based sintered body, which has high heat resistance and is not easily eroded even when irradiated with ultrasonic waves in the molten aluminum has been used. The ultrasonic horn according to the present invention increases the wettability with the molten aluminum, improves the refinement effect of the metal structure, and further extends the life, in order to sinter the silicon nitride-based raw material composite powder, A sintered body obtained by adding 1.0 to 10 parts by mass of a 4A group element in terms of metal to 100 parts by mass of Si 3 N 4 powder is used.

通常、窒化珪素基の焼結体を製造する際には、所要の材料強度と焼結度を発現させるために、焼結助剤としてAl、MgO、SiOやY、La、CeO等の希土類酸化物を添加しているが、本発明品である超音波ホーン用の焼結体を製造する際にも同様に前記焼結助剤を用いる。
本発明では、通常の焼結助剤の他にさらに4A族元素又はその化合物を用いている。
Usually, when producing a silicon nitride-based sintered body, Al 2 O 3 , MgO, SiO 2 , Y 2 O 3 , Although rare earth oxides such as La 2 O 3 and CeO are added, the above-mentioned sintering aid is similarly used when producing a sintered body for an ultrasonic horn which is the product of the present invention.
In the present invention, a group 4A element or a compound thereof is further used in addition to the usual sintering aid.

次に、超音波ホーン用として好ましい窒化珪素基焼結体の製造方法について説明する。
α‐Si含有率90質量%以上、粒度2μm以下のSi粉末100質量部に対して焼結助剤としてAl、MgO、SiOから選ばれた少なくとも一種の化合物を0.5〜10質量部、好ましくは2〜5質量部、Y、La、CeO等の希土類酸化物から選ばれた少なくとも一種の化合物を0.5〜10質量部、好ましくは2〜5質量部を添加して窒化珪素基原料粉末を調製する。
この窒化珪素基原料粉末中のSi粉末100質量部に対して4A族元素を1.0〜10質量部、好ましくは2〜5質量部(化合物の場合は金属換算)を添加して原料複合粉を調製する。
この複合粉に対し必要に応じて有機バインダーを加えてCIP成形等によりホーンを成形し、乾燥脱脂後焼結する。
Next, a preferable method for producing a silicon nitride-based sintered body for an ultrasonic horn will be described.
At least one compound selected from Al 2 O 3 , MgO, and SiO 2 as a sintering aid for 100 parts by mass of Si 3 N 4 powder having an α-Si 3 N 4 content of 90% by mass or more and a particle size of 2 μm or less. 0.5-10 parts by mass, preferably 2-5 parts by mass, 0.5-10 parts by mass of at least one compound selected from rare earth oxides such as Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO, Preferably, 2 to 5 parts by mass are added to prepare a silicon nitride-based raw material powder.
1.0 to 10 parts by mass, preferably 2 to 5 parts by mass (in terms of a metal in the case of a compound) of 4A group element is added to 100 parts by mass of the Si 3 N 4 powder in the silicon nitride-based raw material powder. Prepare raw composite powder.
If necessary, an organic binder is added to the composite powder to form a horn by CIP molding or the like, followed by drying and degreasing and sintering.

焼結方法としては、本発明者らが提案している「窒化珪素焼結体の製造法」(特公平5−39903号公報参照)を採用することが好ましいが、焼結方法はこれに限定されるものではない。
以下、前記窒化珪素焼結体の製造法に従った方法を説明する。
CIPなど通常の成形法により得られた成形体を、窒化珪素、酸窒化珪素及び炭素からなる埋粉に埋設した後焼結する。埋粉は粒度100μm〜10mmのものを用い、組成配合としては下記式に規定されるものを用いることが好ましい。
SiON/(SiON+Si)=0.05〜0.5
C/(C+SiON)=0.1〜0.3
As the sintering method, it is preferable to employ the “manufacturing method of silicon nitride sintered body” proposed by the present inventors (see Japanese Patent Publication No. 5-39903), but the sintering method is limited to this. Is not to be done.
Hereinafter, the method according to the manufacturing method of the said silicon nitride sintered compact is demonstrated.
A molded body obtained by a normal molding method such as CIP is embedded in a powder made of silicon nitride, silicon oxynitride and carbon and then sintered. It is preferable to use the embedding powder having a particle size of 100 μm to 10 mm and the composition defined by the following formula.
Si 2 ON 2 / (Si 2 ON 2 + Si 3 N 4 ) = 0.05 to 0.5
C / (C + Si 2 ON 2 ) = 0.1 to 0.3

これらの埋粉の効果は、焼結助剤の液相化温度の低下と靭性向上に有効である。
焼結の第一工程として、先ずCO濃度が1〜50vol%の常圧ないしそれ以上のNガス雰囲気中、1100〜1300℃で加熱処理する。これによって焼結助剤の液相化温度が下がり、より低温からの焼結が可能となる。
第二工程として、第一工程の最高温度〜1500℃の温度範囲で、1×10−3〜500Torrの減圧と5〜30kg/cmの加圧とを一回ないしそれ以上交互に繰り返しながら加熱処理する。これによってSiの分解・揮散の抑制及び結晶成長促進の効果が発現する。
The effect of these embedding powders is effective for lowering the liquidus temperature of the sintering aid and improving toughness.
As the first step of sintering, first, heat treatment is performed at 1100 to 1300 ° C. in an N 2 gas atmosphere having a CO concentration of 1 to 50 vol% or higher under normal pressure. This lowers the liquidus temperature of the sintering aid and enables sintering from a lower temperature.
As the second step, heating is performed while alternately repeating a reduced pressure of 1 × 10 −3 to 500 Torr and a pressurized pressure of 5 to 30 kg / cm 2 once or more in the temperature range of the maximum temperature of the first step to 1500 ° C. To process. As a result, the effect of suppressing decomposition and volatilization of Si 3 N 4 and promoting crystal growth is exhibited.

第三工程として、5〜30kg/cmの加圧N雰囲気中、1500〜1850℃の範囲で加熱処理し、最高温度で60〜180min保持後冷却する。本焼結工程により、埋粉から発生するSi、SiO、N等のガスが、成形体内の細孔に拡散して液相に溶解し、β―Si結晶の一方向成長が促進され、長い柱状結晶が三次元的に絡み合って破壊靭性が向上する。併せて、粒界に分布する4A族元素がAl溶湯との接触角を低下させ、濡れ性向上に寄与する。 As a third step, in a pressurized N 2 atmosphere 5~30kg / cm 2, and heat treatment in the range of 1500 to 1850 ° C., cooled after 60~180min held at the maximum temperature. During the main sintering process, gases such as Si, SiO, and N 2 generated from the embedding powder diffuse into the pores in the molded body and dissolve in the liquid phase, promoting unidirectional growth of β-Si 3 N 4 crystals. As a result, long columnar crystals are entangled three-dimensionally to improve fracture toughness. In addition, the 4A group element distributed at the grain boundary reduces the contact angle with the molten Al and contributes to the improvement of wettability.

4A族元素添加により、アルミニウム溶湯との濡れ性向上による微細化効果と破壊靭性向上による高寿命化効果が発揮されるが、その添加量がSi粉末100質量部に対して1質量部未満、10質量部より多いと、破壊靭性発現の効果は少なくなってしまう。また特に1.0〜6質量部であれば、強度の低下やアルミニウム溶湯における耐エロージョン性が最小限に抑えられるため、高寿命化の観点からはより好ましい。Al溶湯への濡れ性はこの範囲内においては添加量の多いほど向上する。なお、4A族元素は、Ti、Zr、Hf、Thなどの4A族元素の金属、およびその酸化物、窒化物、炭化物等で添加する。 The 4A group element addition, although long-life effect of fracture toughness improvement with refining effect by improving wettability with molten aluminum is exhibited, 1 part by weight relative to the amount of addition is Si 3 N 4 powder 100 parts by weight If it is less than 10 parts by mass, the effect of fracture toughness will be reduced. Moreover, if it is 1.0-6 mass parts especially, since the fall of intensity | strength and the erosion resistance in aluminum molten metal can be suppressed to the minimum, it is more preferable from a viewpoint of lifetime improvement. Within this range, the wettability to the molten Al increases as the amount added increases. The group 4A element is added as a metal of group 4A elements such as Ti, Zr, Hf, and Th, and oxides, nitrides, and carbides thereof.

4A族元素添加による濡れ性向上のメカニズムは下記の通りであると推定される。
セラミックスと溶融金属間の界面現象に関する従来研究より、溶融金属によるセラミックスの濡れ性はセラミックスと溶融金属の間の反応性が高いほうが良いことが明らかとなっている。セラミックスと溶融金属との反応性は、熱力学的には、それらの間の界面において予想可能な化学反応に関する自由エネルギーの変化量を比較することによって評価することが可能である。以下に、それぞれ4A族元素非含有セラミックス(セラミックスA:Si-Al3-Y)又は4A族(TiN)含有セラミックス(セラミックスB:Si-Al-Y-TiN)と溶湯としての純アルミニウム又はAl-Si合金を用いた場合の進行可能な反応に関する自由エネルギーを温度の関数としてFACT-Sageというソフトウェアを用いて計算した。
It is presumed that the mechanism of wettability improvement by adding the 4A group element is as follows.
From previous studies on the interfacial phenomenon between ceramics and molten metal, it is clear that the wettability of ceramics by molten metal is better when the reactivity between the ceramics and molten metal is higher. The reactivity between ceramics and molten metal can be evaluated thermodynamically by comparing the amount of change in free energy with respect to a chemical reaction that can be predicted at the interface between them. Hereinafter, 4A group element-free ceramics (ceramics A: Si 3 N 4 —Al 2 O 3 —Y 2 O 3 ) or 4A group (TiN) -containing ceramics (ceramics B: Si 3 N 4 —Al 2 O 3), respectively. -Y 2 O 3 -TiN) and the free energy for a proceedable reaction when using pure aluminum or an Al-Si alloy as a melt was calculated using FACT-Sage software as a function of temperature.

図3にみられるように、純AlとセラミックスAの場合は(1)式の化学反応しか起こらず、その反応の生成物であるAlNのAl溶湯に対する濡れ性が極めて悪い。一方、TiNを含有したセラミックスBの場合は反応(2)と(3)のとおりTiSiまたはTiSiの金属間化合物が生成することによってセラミックスの濡れ性は著しく改良すると考えられる。さらに、反応(2)と(3)はギブス自由エネルギーが反応(1)と比べてかなり低いため熱力学的に進行しやすいものである。
さらに、図4に示すようにセラミックスBの場合は反応(4)と(5)のとおりTiNが直接にAl溶湯と反応して、特にAl溶湯に濡れやすいAl-Ti系金属間化合物が生成するため、濡れ性が高くなる。
As seen in FIG. 3, in the case of pure Al and ceramics A, only the chemical reaction of the formula (1) occurs, and the wettability of AlN, which is a product of the reaction, with respect to the Al melt is extremely poor. On the other hand, in the case of the ceramic B containing TiN, it is considered that the wettability of the ceramic is remarkably improved by forming TiSi 2 or an intermetallic compound of TiSi as in reactions (2) and (3). Furthermore, reactions (2) and (3) tend to proceed thermodynamically because the Gibbs free energy is much lower than in reaction (1).
Further, as shown in FIG. 4, in the case of ceramics B, TiN directly reacts with the molten Al as shown in reactions (4) and (5) to produce an Al—Ti intermetallic compound that is particularly easily wetted with the molten Al. Therefore, wettability becomes high.

また、図5に示すようにAl-Si溶湯を用いたときは溶湯中のSiがセラミックス中のTiNと反応するために反応式(6)〜(11)のようにTiSiまたはTiSiの金属間化合物が生成することによってセラミックスの濡れ性が改良する。
以上の結果より、4A族(TiN)含有セラミックスで作られたホーンのアルミニウム溶湯に対する濡れ性の改善の理由は、TiN、Al溶融とSi又はAl溶融中の溶解Siの間で起こる反応によりホーン先端表面上でTi-Si系金属間化合物やAl-Ti系金属間化合物の層が生成されるためである。
Also, as shown in FIG. 5, when Al—Si molten metal is used, Si in the molten metal reacts with TiN in the ceramics, so that TiSi 2 or TiSi metal between the reaction equations (6) to (11). The formation of the compound improves the wettability of the ceramic.
From the above results, the reason for improving the wettability of the horn made of Group 4A (TiN) -containing ceramics to the molten aluminum is the reaction that occurs between TiN, Al melting and Si 3 N 4 or dissolved Si in the Al melting. This is because a layer of Ti—Si intermetallic compound or Al—Ti intermetallic compound is generated on the surface of the horn tip.

従来の窒化珪素基焼結体製のホーンは、ホーン中を伝播する超音波により応力分布を生じ、窒化珪素基焼結体の破壊靭性値を超えた場合は、応力集中部にクラックが急激に成長するためにホーン寿命が短くなるという問題があった。
しかし、例えば4A族元素であるTiの酸化物であるTiOを金属換算で1.0〜10質量部添加することにより、従来の窒化珪素基焼結体製ホーンがKIC=6.9MN/m3/2程度であったのに対し、本発明の超音波ホーンは、破壊靭性KIC=9.0MN/m3/2程度を達成しているため、振幅の大きい条件でも耐折損性を高めることができ、寿命の増大という効果が期待できる。
これは、4A族元素の添加により、Si結晶のC軸方向の成長が促進され、長柱状の単結晶が3次元的に絡み合った微構造を形成するため、亀裂の進展エネルギーがこの構造によって低下される結果、破壊靭性が向上したためと考えられる。
A conventional horn made of a silicon nitride-based sintered body generates stress distribution due to the ultrasonic wave propagating through the horn, and if the fracture toughness value of the silicon nitride-based sintered body is exceeded, cracks in the stress concentration part suddenly There is a problem that the horn life is shortened due to growth.
However, for example, by adding 1.0 to 10 parts by mass of TiO 2 which is an oxide of Ti, which is a group 4A element, in terms of metal, a conventional silicon nitride-based sintered horn has a K IC = 6.9 MN / Whereas the ultrasonic horn of the present invention achieves fracture toughness K IC = 9.0 MN / m 3/2 , while it was about m 3/2 , it has a fracture resistance even under large amplitude conditions. It can be increased, and the effect of increasing the life can be expected.
This is because the addition of the 4A group element promotes the growth of the Si 3 N 4 crystal in the C-axis direction and forms a microstructure in which long columnar single crystals are entangled three-dimensionally. This is thought to be because fracture toughness was improved as a result of the decrease in structure.

さらに、本発明の超音波ホーンに用いる窒化珪素基焼結体の4A族元素の添加量の相違による曲げ強度の変化を下記に示す。
Si粉末100質量部に対してTiOを金属換算でそれぞれ0、1.5、3、4.5、6、7.2質量部加えた原料複合粉を幅60×長さ95×厚さ7mmの石膏型を使用して、スリップキャスト法により角板を成型し、該試料をMax1770℃の窒素雰囲気で焼成した。
Furthermore, the change of the bending strength by the difference in the addition amount of the 4A group element of the silicon nitride group sintered compact used for the ultrasonic horn of this invention is shown below.
Raw material composite powder in which 0, 1.5, 3, 4.5, 6, and 7.2 parts by mass of TiO 2 in terms of metal is added to 100 parts by mass of Si 3 N 4 powder, respectively, width 60 × length 95 × A square plate was molded by a slip casting method using a gypsum mold having a thickness of 7 mm, and the sample was fired in a nitrogen atmosphere at Max 1770 ° C.

得られた焼成体から、幅4×厚さ3×長さ40mmの試験片を各々3ヶ試料採取した。曲げ強度試験測定は、JIS R 1601に準じ3点曲げ強度で実施し、数値は3試料の平均値で示した。
各TiO添加量における曲げ強度の測定結果を表1に示す。
これらのデータよりTiO添加量が6%を超えると曲げ強度は低下し始める。その結果、ホーンの使用にあたって、ホーン内部でひび割れが発生しやすくなり、超音波により繰返応力と熱衝撃に対する耐久性が低くなるため、高寿命化の観点からは4A族元素の添加量金属換算で6質量部以下がより好ましいことがわかった。
Three specimens each having a width of 4 × thickness of 3 × length of 40 mm were collected from the obtained fired body. The bending strength test measurement was carried out with a three-point bending strength according to JIS R 1601, and the numerical value was shown as an average value of three samples.
Table 1 shows the measurement results of the bending strength at each TiO 2 addition amount.
From these data, when the TiO 2 addition amount exceeds 6%, the bending strength starts to decrease. As a result, when using the horn, cracks are likely to occur inside the horn, and the durability against repeated stress and thermal shock is reduced by ultrasonic waves. It was found that 6 parts by mass or less is more preferable.

続いて、本発明の超音波ホーンに用いる窒化珪素基焼結体の4A族元素の添加量の相違によるアルミニウム溶湯中での耐エロージョン性の変化についての試験を行った。
エロージョン試験に用いた装置は図6に示す。
高純度アルミナ製の坩堝11中に、けい酸カルシウム製のサンドイッチタイプの試料ホルダ16を設け、これに試料片15を固定した。さらに、試料ホルダ16の上には試料ホルダ16を固定するために耐火物製のチューブ14を設け、坩堝11中にアルミニウム溶湯12を入れて窒化珪素基焼結体からなる超音波ホーン13により超音波振動付与し、試験片のエロージョンを確認した。
なお、耐火物製のチューブ14には、図6(b)に示すように、溶湯を循環し易くために切り込み17を設けている。
Then, the test about the change of the erosion resistance in the molten aluminum by the difference in the addition amount of the 4A group element of the silicon nitride base sintered compact used for the ultrasonic horn of this invention was done.
The apparatus used for the erosion test is shown in FIG.
A sandwich type sample holder 16 made of calcium silicate was provided in a crucible 11 made of high-purity alumina, and a sample piece 15 was fixed thereto. Further, a tube 14 made of a refractory is provided on the sample holder 16 to fix the sample holder 16, and the molten aluminum 12 is put into the crucible 11 and is supersonic by an ultrasonic horn 13 made of a silicon nitride-based sintered body. Sonic vibration was applied to confirm erosion of the test piece.
In addition, as shown in FIG.6 (b), the tube 14 made from a refractory is provided with the notch | incision 17 in order to circulate a molten metal easily.

試料片は曲げ強度試験に用いたもののうちTiOの添加量が0、3、6質量部のものと同一の焼結体をそれぞれ用いた。各試験片をアルミニウム溶湯に浸漬させ超音波ホーンをそれぞれ3時間付与し、試験終了後の試験片の表面を観察した。エロージョン程度の基準として超音波キャビテーションによって形成された窪みの平均直径Dの大きさを測定した。
各試験片のエロージョン試験結果は下記の表2に示す通りである。
As the sample pieces, the same sintered bodies as those having 0, 3, and 6 parts by mass of TiO 2 added in the bending strength test were used. Each test piece was immersed in molten aluminum, and an ultrasonic horn was applied for 3 hours, and the surface of the test piece after the test was observed. The size of the average diameter D of the recess formed by ultrasonic cavitation was measured as a standard for the degree of erosion.
The erosion test results of each test piece are as shown in Table 2 below.

上記に示すようにTiOの添加量が増えるにつれて、エロージョンが高くなることがわかる。なお、同じ材質の窒化珪素焼結体を超音波ホーンに適用した時、ホーン先端で起こるキャビテーションは試験片でのキャビテーションと比べて激しいので、耐エロージョン性の絶対値は変わる可能性が大きいが、アルミニウム溶湯中における各試験片の耐エロージョン性と同様の傾向で再現されると考える。
試験結果より6質量部以上添加するとさらにエロージョンが進むと予測されることから、これ以上のTiO添加を避け、耐エロージョン性による高寿命化の観点からは、4A族元素添加量は金属換算で6質量部以下がより好ましい。
As shown above, it can be seen that erosion increases as the amount of TiO 2 added increases. In addition, when applying the silicon nitride sintered body of the same material to the ultrasonic horn, the cavitation occurring at the tip of the horn is more intense than the cavitation in the test piece, so the absolute value of erosion resistance is likely to change, It is considered that the same tendency as the erosion resistance of each test piece in the molten aluminum is reproduced.
From being predicted is added the test results from 6 parts by mass or more further erosion progresses, more of avoiding TiO 2 addition, from the viewpoint of long-life due to erosion resistance, 4A group element addition amount in terms of metal 6 parts by mass or less is more preferable.

なお、超音波ホーンは、アルミニウム溶湯で超音波照射をする際に、微細化の観点からは一般的に直径が大きい方が効果的である。4A族元素の添加のない従来の窒化珪素基焼結体製ホーンにおいては、破壊靭性値が充分高くなく、直径の大きなホーンを製造して用いようとすると折損しやすくなる。そのため、ホーンとして用いた際にも直径の大きなホーンを用いて超音波照射した際には、寿命が短くなってしまうと予想される。
しかし、本発明の窒化珪素基焼結体製ホーンでは、アルミニウム溶湯の微細化効果が高いとされる直径40mm以上のホーンを容易に製造でき、また従来の窒化珪素基焼結体製ホーンと比べて安定した組織と高い靭性値のために使用中に折損する可能性も少ない。すなわち、本発明により、アルミニウム溶湯組織の微細化と自身の高寿命化の双方を満足する超音波ホーンを得ることができる。
Note that the ultrasonic horn is generally more effective in diameter from the viewpoint of miniaturization when ultrasonic irradiation is performed with molten aluminum. A conventional horn made of a silicon nitride-based sintered body without addition of a 4A group element does not have a sufficiently high fracture toughness value, and is easily broken when a horn having a large diameter is manufactured and used. For this reason, even when used as a horn, it is expected that the lifetime will be shortened when ultrasonic waves are irradiated using a horn having a large diameter.
However, the silicon nitride-based sintered horn of the present invention can easily produce a horn having a diameter of 40 mm or more, which is considered to have a high effect of refinement of molten aluminum, and compared with a conventional silicon nitride-based sintered horn. Because of its stable structure and high toughness value, it is less likely to break during use. That is, according to the present invention, it is possible to obtain an ultrasonic horn that satisfies both the refinement of the molten aluminum structure and the extension of its own life.

ところで、超音波ホーンの直径が40mm以上になれば、特にDC鋳造などの溶湯流量の大きいプロセスでも、キャビテーション領域が広くなるため組織微細化効果を発揮することができるようになる。キャビテーション領域の長さは超音波ホーンの振動振幅、ホーンの材質、溶湯の化学組成、温度等諸条件によって変化するが、おおよそ、幅約1.5d(dはホーン先端の直径)の範囲で発生する。
また、焼結体材料は熱伝導率が比較的低いため、加熱・冷却を繰り返すとホーン内部熱勾配によりホーン内亀裂が進展しホーンが折損する熱衝撃破壊が生じる。熱衝撃温度勾配はホーン直径が大きいほうが激しくなるため、ホーン直径が上限値を超えたら折損可能性が急激に増え、ホーン寿命が短くなる。この上限値は焼結体の性質、予熱・超音波処理・冷却の条件によって変化するがこの直径を超えない程度で製造することが好ましい。さらに、ホーン直径はλ/4以下にすることが好ましい。ここでλはホーン材質内波長のことである。
By the way, if the diameter of the ultrasonic horn is 40 mm or more, even in a process with a large molten metal flow rate such as DC casting, the cavitation region is widened, so that the effect of refining the structure can be exhibited. The length of the cavitation region varies depending on various conditions such as the vibration amplitude of the ultrasonic horn, the material of the horn, the chemical composition of the molten metal, the temperature, etc., but is approximately in the range of about 1.5d in width (d is the diameter of the horn tip). To do.
In addition, since the sintered body material has a relatively low thermal conductivity, repeated heating and cooling causes cracks in the horn due to the thermal gradient inside the horn, resulting in thermal shock failure in which the horn breaks. Since the thermal shock temperature gradient becomes more severe as the horn diameter becomes larger, if the horn diameter exceeds the upper limit, the possibility of breakage increases rapidly and the horn life is shortened. The upper limit varies depending on the properties of the sintered body and the conditions of preheating, ultrasonic treatment, and cooling, but it is preferable to produce the upper limit so as not to exceed this diameter. Furthermore, the horn diameter is preferably λ / 4 or less. Here, λ is the wavelength within the horn material.

超音波ホーンは正常作動状態においてピストン式の縦振動を行い、ホーン先端の全面が同振幅、同位相で振動するが、ホーン直径がλ/4を超えるとホーン先端の中心と外の点の間の位相差が生じるために超音波処理効率が悪くなる。
つまり、ホーンは様々の振動があるが直径がλ/4以内場合、縦方向の振動モードは他のモードと比べて支配的であるため効率よく超音波を照射することができる。しかし、λ/4を超えると他の振動モードの影響が大きくなり、その結果、キャビテーションを引き起こす縦方向振動振幅は小さくなるため効率的ではなく、ホーンの性能が劣化しやすくなるため、好ましくない。なお、超音波周波数20kHzにおいて本発明の材質の波長は0.46m程度である。
したがって、ホーン直径の上限値は熱衝撃破壊と音響的制限(λ/4)のいずれか小さい方までにすることが好ましい。
An ultrasonic horn vibrates in a piston-type manner under normal operating conditions, and the entire surface of the horn tip vibrates with the same amplitude and phase. Therefore, the ultrasonic processing efficiency is deteriorated.
That is, the horn has various vibrations, but when the diameter is within λ / 4, the longitudinal vibration mode is dominant as compared with the other modes, so that the ultrasonic wave can be efficiently irradiated. However, if λ / 4 is exceeded, the influence of other vibration modes increases, and as a result, the longitudinal vibration amplitude that causes cavitation decreases, which is not efficient, and the performance of the horn tends to deteriorate. Note that the wavelength of the material of the present invention is about 0.46 m at an ultrasonic frequency of 20 kHz.
Therefore, it is preferable that the upper limit value of the horn diameter is set to a smaller one of thermal shock destruction and acoustic limitation (λ / 4).

さらに、本発明の超音波ホーンにおいて、ホーンの形状は振動増幅率が1.6以上になるように設計することが好ましい。このように設計することによって、振動子からの振動を増幅させた振動をホーン先端部において得ることができる。
振動増幅率を求める手順は次の通りである。ホーンに通常使われる、可変断面積を有する回転体(円筒、円錐など)の細長い物体内で誘導される固有振動は次の式により算出される。
Furthermore, in the ultrasonic horn of the present invention, the shape of the horn is preferably designed so that the vibration amplification factor is 1.6 or more. By designing in this way, vibration obtained by amplifying vibration from the vibrator can be obtained at the tip of the horn.
The procedure for obtaining the vibration amplification factor is as follows. The natural vibration induced in a slender body of a rotating body (cylinder, cone, etc.) that is usually used for a horn and has a variable cross-sectional area is calculated by the following equation.

この式は、縦方向振動以外の振動モードは無視する、物体内の超音波の減衰は無視するという仮定のもとに導かれている。(1)式を境界条件Z=0でe=e;Z=Lでe=eを用いて解くことにより、M=e/e比である振動増幅率を求めることができる。しかしながら、上記のように求められた振動増幅率は超音波ホーンのみの固有振動条件に相当するため近似値である。実際の振動増幅率は実験的に測定される。 This equation is derived on the assumption that vibration modes other than longitudinal vibration are ignored, and attenuation of ultrasonic waves in the object is ignored. By solving the equation (1) using the boundary condition Z = 0 and e = e 0 ; Z = L and e = e L , the vibration amplification factor of M = e L / e 0 ratio can be obtained. However, the vibration amplification factor obtained as described above is an approximate value because it corresponds to the natural vibration condition of only the ultrasonic horn. The actual vibration gain is measured experimentally.

振動増幅率が1.6以上の超音波ホーンの形状は、図7に示すように、例えば(a)円錐型、(b)ダンベル型、(c)ステップ型などがある。これらの実測振動増幅率は、(a)が1.7、(b)が2.7、(c)が1.8である。このように振動増幅率を1.6以上にすることで、振動子とホーンとの接続部への負荷を低減することができる。
さらに、本発明の超音波ホーンの長さLは、λ/2の超音波半波長を基本単位とするものである。例えば、丸棒の場合、Lを(2)式によって計算できる。
As shown in FIG. 7, there are, for example, (a) a cone type, (b) a dumbbell type, and (c) a step type, as shown in FIG. These measured vibration amplification factors are 1.7 for (a), 2.7 for (b), and 1.8 for (c). Thus, by setting the vibration amplification factor to 1.6 or more, it is possible to reduce the load on the connection portion between the vibrator and the horn.
Furthermore, the length L of the ultrasonic horn of the present invention is based on an ultrasonic half wavelength of λ / 2. For example, in the case of a round bar, L can be calculated by equation (2).

nが整数でない場合には共振条件を満足できないため、nは整数であることが必要である。より複雑な形状をもつホーンにおいてもLを(2)式で概算できる。
また、ホーン寿命は超音波発生装置の共振条件を満足する長さの許容差DLによって支配される。DLを求める一例を以下に示す。
If n is not an integer, the resonance condition cannot be satisfied, and therefore n must be an integer. Even in a horn having a more complicated shape, L can be approximated by equation (2).
In addition, the horn life is governed by the length tolerance DL that satisfies the resonance condition of the ultrasonic generator. An example of obtaining the DL is shown below.

(5)式から分かるように、DL(=ホーン寿命)はnによって決まる。ホーンの初期長さとホーン材中音速が大きいほうが長くなるが、n=2、3、4が好ましい。n=1では、共振条件を満足する長さの許容差ΔLが小さいため、ホーンの寿命が短くなり易い。n>4となるとホーン重量が増大して、振動子あるいはその接続部に負荷がかかるため、寿命が短くなってしまったり、ホーン長さを長くするにつれて、ホーン中の超音波振動の減衰率が大きくなって超音波照射の効率が低減してしまうためである。   As can be seen from the equation (5), DL (= horn life) is determined by n. The larger the initial length of the horn and the sound speed in the horn material, the longer. However, n = 2, 3, and 4 are preferable. When n = 1, since the tolerance ΔL of the length that satisfies the resonance condition is small, the life of the horn tends to be shortened. When n> 4, the weight of the horn increases and a load is applied to the vibrator or its connecting portion. Therefore, as the life is shortened or the horn length is increased, the attenuation rate of the ultrasonic vibration in the horn is decreased. This is because the efficiency of ultrasonic wave irradiation is reduced.

なお、振動子とホーンの接続部は、例えば工具鋼などのような高強度合金製のインサートを介して振動子に接続されていることが好ましい。これにより、接続部の衝撃を和らげることができ、ホーンの耐久性が強化され、磨耗、振動などによる破損を防止することができる。
本発明の窒化珪素基焼結体製のホーンなどのように、窒化珪素基焼結体製等の硬い素材に、振動子に使用されるFe−Ni−Co合金、Ti合金等の比較的柔らかい素材を直接接続させると、ネジが早く劣化し寿命が短くなってしまう。そこで、硬さが振動子と焼結体の間にある工具鋼製インサートを入れることで、接続部の衝撃を和らげ、雌ネジを強化し耐久性のあるネジ結合にすることができる。また、磨耗、振動などによるネジ山の破損防止にもなるため、安定したネジ結合を保ちながらホーンの高寿命化を図ることができる。
The connecting portion between the vibrator and the horn is preferably connected to the vibrator via an insert made of a high strength alloy such as tool steel. Thereby, the impact of a connection part can be relieved, durability of a horn can be strengthened, and damage by abrasion, vibration, etc. can be prevented.
Relatively soft materials such as Fe-Ni-Co alloys and Ti alloys used for vibrators on hard materials such as silicon nitride-based sintered bodies such as horns made of silicon nitride-based sintered bodies of the present invention If the materials are connected directly, the screws will deteriorate quickly and their life will be shortened. Therefore, by inserting a tool steel insert having a hardness between the vibrator and the sintered body, the impact of the connecting portion can be reduced, and the female screw can be strengthened to achieve a durable screw connection. In addition, since the thread is prevented from being damaged due to wear, vibration or the like, the life of the horn can be extended while maintaining a stable screw connection.

ところで、ホーンは振動子と接続したままにしておくと、焼結体のネジに圧力がかかったままになってしまい、クラック発生の確率が高くなってしまうため、超音波照射が終了したらホーンと振動子を取り外す必要がある。
インサートなしの直接接続の場合、焼結体が脆いため取り外したり接続したりを繰り返していると、ネジが崩れていくという問題もある。そこで、インサートを加えることによって、接続部分が金属同士になるためホーンと振動子の取り外しが容易になり、このような問題がなくなるという効果もある。
By the way, if the horn is left connected to the vibrator, pressure is applied to the screw of the sintered body and the probability of occurrence of cracks is increased. It is necessary to remove the vibrator.
In the case of direct connection without an insert, there is also a problem that the screw collapses when the sintered body is brittle and is repeatedly removed and connected. Therefore, by adding an insert, since the connecting portion is made of metal, it is easy to remove the horn and the vibrator, and there is an effect that such a problem is eliminated.

インサートと振動子との接続態様としては、例えば、図8(a)〜(c)に示すような形態が挙げられる。
(a)はワッシャ付きタイプの交換容易なインサートである。特徴としては振動子とホーンの接続面が直接接触しない点が挙げられる。(b)は振動子とホーンの間の直接接触を提供する交換不可能なインサート、(c)は振動子とホーンの間の直接接触を提供するインサートの一種であるヘリサートである。
As a connection aspect of an insert and a vibrator | oscillator, the form as shown to Fig.8 (a)-(c) is mentioned, for example.
(A) is an easily replaceable insert of a type with a washer. The feature is that the connection surface between the vibrator and the horn is not in direct contact. (B) is a non-replaceable insert that provides direct contact between the transducer and the horn, and (c) is a helicate that is a type of insert that provides direct contact between the transducer and the horn.

(a)のように振動子とホーンの直接接触面がなく、ホーンとインサートの接触面が多い場合、不可避的な隙間ができてしまったり、不純物が付着しやすくなってしまったりするため、振動エネルギーの一部が消滅し、超音波伝達効率が悪くなってしまう。そのため、一般的には(b)、(c)などのようにインサートを配置させて振動子とホーンを直接接触させた方が好ましい。
しかしながら、振動子がFe合金などの比較的柔らかい金属の場合のように、振動子とホーンの直接接触面があると、両者間で熱膨張率、弾性率、硬度などの特性が大きく異なるため、振動子の接触部分が塑性変形してしまうことがあるため、(a)のように振動子とホーンを直接接触させない方がよい場合もある。
If there is no direct contact surface between the vibrator and the horn as shown in (a) and there are many contact surfaces between the horn and the insert, an inevitable gap will be created or impurities will easily adhere. A part of the energy disappears and the ultrasonic transmission efficiency deteriorates. Therefore, in general, it is preferable to place the insert as shown in (b), (c) and the like so that the vibrator and the horn are in direct contact with each other.
However, if the vibrator has a direct contact surface between the vibrator and the horn, as in the case of a relatively soft metal such as an Fe alloy, the characteristics such as thermal expansion coefficient, elastic modulus, and hardness are greatly different between the two. Since the contact portion of the vibrator may be plastically deformed, it may be better not to directly contact the vibrator and the horn as shown in (a).

図7(a)の円錐ホーンにおいて、ホーンをインサート接続せずに、振動子と直接ねじ接続した場合の寿命が1.5時間となった。これに対し、ヘリサート図8(c)で接続した場合、73時間まで確認できた。図7(b)のダンベルホーンにおいて、インサート接続せずに直接ねじ接続した場合の寿命は数分間程度となった。これに対し、インサート図8(a)で接続した場合、105時間まで確認できた。   In the conical horn of FIG. 7 (a), the life when the horn was directly screw connected to the vibrator without the insert connection was 1.5 hours. On the other hand, when connecting with Helisart Fig. 8 (c), it was confirmed up to 73 hours. In the dumbbell horn shown in FIG. 7 (b), the service life was about several minutes when directly screw-connected without insert connection. On the other hand, when it connected by insert figure 8 (a), it was able to confirm to 105 hours.

また、インサート内のネジはピッチ数を10個以上にすることが好ましい。これにより、超音波振動の付加によるネジ戻しを防止することができる。また、インサートのホーン側の雌ネジは谷角部標準的な三角ネジであればよく、ホーン接続のネジの形に合わせた曲率半径の丸みをつけることが好ましい。これによりネジ戻しを防止し、超音波伝播によって谷角部に応力集中することによる亀裂の発生、破損を防止することができ、微細化効率の向上、ホーン寿命の向上を図ることができる。図9に一例を示す。この場合の曲率半径は1.0である。なお、振動子とインサート側の接続についてもホーンとインサート側の接続と同様にネジで接続している。   Further, it is preferable that the screw in the insert has a pitch number of 10 or more. Thereby, the screw return by the addition of ultrasonic vibration can be prevented. Further, the female screw on the horn side of the insert may be a standard triangular screw at the valley corner, and it is preferable to round the curvature radius in accordance with the shape of the horn connection screw. As a result, unscrewing can be prevented, cracking and breakage due to stress concentration at the valley corners by ultrasonic wave propagation can be prevented, and refinement efficiency can be improved and horn life can be improved. An example is shown in FIG. In this case, the radius of curvature is 1.0. In addition, the connection between the vibrator and the insert side is also connected with a screw in the same manner as the connection between the horn and the insert side.

なお、本発明の超音波ホーンを用いて超音波照射する際は、16〜60μm(p−p)で超音波を照射し組織微細化されたアルミニウム合金を製造することが好ましい。ここで、p−pはピーク‐to‐ピークであり、例えばサイン波の場合は最大値と最低値との差のことをさす。16μm〜60μmが微細化効果が進み、かつ接続部への負担が低減しホーン破損につながりにくい好適な値である。   In addition, when ultrasonically irradiating using the ultrasonic horn of this invention, it is preferable to manufacture the aluminum alloy which irradiated the ultrasonic wave by 16-60 micrometers (pp), and refine | miniaturized the structure | tissue. Here, pp is a peak-to-peak, and refers to a difference between the maximum value and the minimum value in the case of a sine wave, for example. 16 μm to 60 μm is a suitable value in which the effect of miniaturization proceeds, the burden on the connection portion is reduced, and the horn is not easily damaged.

実施例1:
溶解炉内に配置した坩堝内にAl‐17%Si-0.01%Pなる成分組成を有するアルミニウム溶湯を用意した。
次に、直径40mm、振動増幅率1.7、長さ425mm(n=2)であって、Si粉末100質量部に対してYとAlを化合物換算でそれぞれ5質量部、TiOを金属換算で5質量部加えた原料複合粉の成形体を焼結した窒化珪素基焼結体製の超音波ホーンを予熱炉内で予熱した後、溶解炉からDC鋳造鋳型へ溶湯移送樋に供給されるアルミニウム溶湯中に浸漬させたホーンにより、超音波を照射し、鋳造速度275mm/minでφ97のビレットを鋳造した。
Example 1:
An aluminum melt having a component composition of Al-17% Si-0.01% P was prepared in a crucible placed in the melting furnace.
Next, the diameter is 40 mm, the vibration amplification factor is 1.7, the length is 425 mm (n = 2), and Y 2 O 3 and Al 2 O 3 are converted into compounds with respect to 100 parts by mass of the Si 3 N 4 powder, respectively. An ultrasonic horn made of a silicon nitride-based sintered body obtained by sintering a compact of a raw material composite powder obtained by adding 5 parts by mass and 5 parts by mass of TiO 2 in metal conversion is preheated in a preheating furnace, and then DC casting is performed from a melting furnace. A billet of φ97 was cast at a casting speed of 275 mm / min by irradiating ultrasonic waves with a horn immersed in the molten aluminum supplied to the molten metal transfer rod to the mold.

なお、この際に使用した超音波発生装置は、SONOVITA社(ロシア)製の超音波発生装置であり、周波数21.7kHz、音響出力0.6kWに設定した。ホーン中の超音波の波長λは430mmで、ホーンの振動振幅は32μm(p−p)であった。
接続部は工具鋼製のインサートを介して振動子に接続した。インサートのピッチ数は14個で、曲率半径は0.5mmであった。
この実施例1で製造された鋳塊の表層部の組織を顕微鏡で観察した。その結果を図10(a)に示す。
The ultrasonic generator used at this time was an ultrasonic generator manufactured by SONOVITA (Russia), and was set to a frequency of 21.7 kHz and an acoustic output of 0.6 kW. The wavelength λ of the ultrasonic wave in the horn was 430 mm, and the vibration amplitude of the horn was 32 μm (pp).
The connecting portion was connected to the vibrator through an insert made of tool steel. The number of pitches of the insert was 14, and the radius of curvature was 0.5 mm.
The structure of the surface layer portion of the ingot produced in Example 1 was observed with a microscope. The result is shown in FIG.

実施例2:
溶解炉内に配置した坩堝内にAl-17%Si-0.01%Pなる成分組成を有するアルミニウム溶湯を用意した。
次に、直径42mm、振動増幅率2.7、長さ460mm(n=2)であって、Si100質量部に対してYとAlを化合物換算でそれぞれ5質量部、TiOを金属換算で5質量部加えた原料複合粉の成形体を焼結した窒化珪素基焼結体製の超音波ホーンを予熱炉内で予熱した後、溶解炉からDC鋳造鋳型へ溶湯移送樋に供給されるアルミニウム溶湯中に浸漬させたホーンにより、超音波を照射し、鋳造速度300mm/minでφ97のビレットを鋳造した。
Example 2:
A molten aluminum having a component composition of Al-17% Si-0.01% P was prepared in a crucible placed in the melting furnace.
Next, the diameter is 42 mm, the vibration amplification factor is 2.7, the length is 460 mm (n = 2), and Y 2 O 3 and Al 2 O 3 are each 5 in terms of compounds with respect to 100 parts by mass of Si 3 N 4. An ultrasonic horn made of a silicon nitride-based sintered body obtained by sintering a compact of a raw material composite powder obtained by adding 5 parts by mass of TiO 2 in terms of metal is preheated in a preheating furnace, and then a DC casting mold from a melting furnace A billet of φ97 was cast at a casting speed of 300 mm / min by irradiating ultrasonic waves with a horn immersed in the molten aluminum supplied to the molten metal transfer bowl.

なお、この時使用した超音波発生装置は、TELSONIC社(スイス)製の超音波発生装置であり、周波数20kHz、音響出力0.5kWに設定した。ホーン中の超音波の波長λは460mmで、ホーンの振動振幅は48μm(p−p)であった。
接続部は工具鋼製のインサートを介して振動子に接続した。インサートのピッチ数は14個で、曲率半径は0.5mmであった。
この実施例2で製造された鋳塊のR/2部の初晶珪素の平均粒径を表1に示す。
The ultrasonic generator used at this time was an ultrasonic generator manufactured by TELSONIC (Switzerland), and was set to a frequency of 20 kHz and an acoustic output of 0.5 kW. The wavelength λ of the ultrasonic wave in the horn was 460 mm, and the vibration amplitude of the horn was 48 μm (pp).
The connecting portion was connected to the vibrator through an insert made of tool steel. The number of pitches of the insert was 14, and the radius of curvature was 0.5 mm.
Table 1 shows the average particle diameter of R / 2 part primary silicon of the ingot produced in Example 2.

実施例3:
ホーンの先端直径を24mm、振動増幅率1.7、長さ460mm、音響出力0.15kWとした以外は実施例2と同一の装置を用いて同一の方法で超音波を照射し、鋳造を行った。
この実施例3で製造された鋳塊のR/2部の初晶珪素の平均粒径を表3に示す。
Example 3:
Except for the horn tip diameter of 24 mm, vibration amplification factor of 1.7, length of 460 mm, and acoustic output of 0.15 kW, casting was performed by irradiating ultrasonic waves in the same manner using the same apparatus as in Example 2. It was.
Table 3 shows the average particle diameter of R / 2 part primary silicon of the ingot produced in Example 3.

実施例4:
溶解炉内に配置した坩堝内にAl-17%Si-0.01%Pなる成分組成を有するアルミニウム溶湯を用意した。
次に、直径48mm、振動増幅率2.7、長さ450mmであって、Si粉末100質量部に対してYとAlを化合物換算でそれぞれ5質量部、TiOを金属換算で5質量部加えた原料複合粉の成形体を焼結した窒化珪素基焼結体製の超音波ホーンを予熱炉内で予熱した後、溶解炉からDC鋳造鋳型へ溶湯移送樋に供給されるアルミニウム溶湯中に浸漬させたホーンにより、超音波を照射し、鋳造速度200mm/minでφ97のビレットを鋳造した。
Example 4:
A molten aluminum having a component composition of Al-17% Si-0.01% P was prepared in a crucible placed in the melting furnace.
Next, the diameter is 48 mm, the vibration amplification factor is 2.7, and the length is 450 mm. Y 2 O 3 and Al 2 O 3 are each 5 parts by mass in terms of compounds with respect to 100 parts by mass of the Si 3 N 4 powder, TiO 2 An ultrasonic horn made of a silicon nitride-based sintered body obtained by sintering a compact of a raw material composite powder to which 5 parts by mass of 2 is added in terms of metal is preheated in a preheating furnace, and then the molten metal is transferred from the melting furnace to a DC casting mold. A billet of φ97 was cast at a casting speed of 200 mm / min by irradiating ultrasonic waves with a horn immersed in the molten aluminum supplied to.

なお、この時使用した超音波発生装置は、TELSONIC社(スイス)製の超音波発生装置であり、周波数20kHz、音響出力0.7kWに設定した。ホーン中の超音波の波長λは0.46mで、ホーンの振動振幅は32μm(p−p)であった。
接続部は工具鋼製のインサートを介して振動子に接続した。インサートのピッチ数は14個で、曲率半径は0.5mmであった。
実施例4で製造された鋳塊のR/2部の初晶珪素の平均粒径を表3に示す。
The ultrasonic generator used at this time was an ultrasonic generator manufactured by TELSONIC (Switzerland), and was set to a frequency of 20 kHz and an acoustic output of 0.7 kW. The wavelength λ of the ultrasonic wave in the horn was 0.46 m, and the vibration amplitude of the horn was 32 μm (pp).
The connecting portion was connected to the vibrator through an insert made of tool steel. The number of pitches of the insert was 14, and the radius of curvature was 0.5 mm.
Table 3 shows the average particle diameter of R / 2 part primary silicon of the ingot produced in Example 4.

実施例5:
振動振幅24μm(p−p)とした以外は、実施例1と同一の装置を用いて同一の方法で超音波を照射し、鋳造を行った。
実施例5で製造された鋳塊のR/2部の初晶珪素の平均粒径を表3に示す。
Example 5:
Except that the vibration amplitude was 24 μm (pp), casting was performed by irradiating ultrasonic waves by the same method using the same apparatus as in Example 1.
Table 3 shows the average particle diameter of R / 2 part primary silicon of the ingot produced in Example 5.

実施例6:
振動振幅14μm(p−p)とした以外は、実施例1と同一の装置を用いて同一の方法で超音波を照射し、鋳造を行った。
実施例6で製造された鋳塊のR/2部の初晶珪素の平均粒径を表3に示す。
Example 6:
Except that the vibration amplitude was 14 μm (pp), casting was performed by irradiating ultrasonic waves by the same method using the same apparatus as in Example 1.
Table 3 shows the average particle diameter of R / 2 part primary silicon of the ingot produced in Example 6.

実施例7:
Si粉末100質量部に対して加えたTiOの添加量を金属換算で2.5質量部とした以外は、実施例1と同じ条件、同一の装置で超音波を照射し、鋳造を行った。
実施例7で製造された鋳塊のR/2部の初晶珪素の平均粒径を表3に示す。
Example 7:
Except that the amount of TiO 2 added to 100 parts by mass of the Si 3 N 4 powder is 2.5 parts by mass in terms of metal, the same apparatus and the same apparatus as in Example 1 were irradiated with ultrasonic waves, Went.
Table 3 shows the average particle diameter of R / 2 part primary silicon of the ingot produced in Example 7.

実施例8:
Si粉末100質量部に対して加えたTiOの添加量を金属換算で7.5質量部とした以外は、実施例1と同じ条件、同一の装置で超音波を照射し、鋳造を行った。
実施例8で製造された鋳塊のR/2部の初晶珪素の平均粒径を表3に示す。
Example 8:
Except that the amount of TiO 2 added to 100 parts by mass of Si 3 N 4 powder was 7.5 parts by mass in terms of metal, ultrasonic irradiation was performed under the same conditions and the same apparatus as in Example 1, and casting Went.
Table 3 shows the average grain size of R / 2 part primary silicon of the ingot produced in Example 8.

実施例9:
Si粉末100質量部に対して加えたTiOの添加量を金属換算で10.0質量部とした以外は、実施例1と同じ条件、同一の装置で超音波を照射し、鋳造を行った。
実施例9で製造された鋳塊のR/2部の初晶珪素の平均粒径を表3に示す。
Example 9:
Except that the amount of TiO 2 added to 100 parts by mass of the Si 3 N 4 powder was 10.0 parts by mass in terms of metal, the same conditions and the same apparatus as in Example 1 were used to irradiate ultrasonic waves and cast Went.
Table 3 shows the average particle diameter of R / 2 part primary silicon of the ingot produced in Example 9.

表3からもわかるように、ホーンの先端が40mm以上であるとより初晶Siが微細化している。また、振幅は大きい方が微細化しやすい。
なお表3中、dとdUSはそれぞれの無処理した場合の初晶珪素平均粒径と超音波処理した場合の初晶珪素平均粒径を示している。
As can be seen from Table 3, when the tip of the horn is 40 mm or more, the primary crystal Si is further refined. Also, the larger the amplitude, the easier it is to make it finer.
In Table 3, d 0 and d US represent the primary silicon average particle diameter when not treated and the primary silicon average particle diameter when subjected to ultrasonic treatment, respectively.

比較例1:
TiOを添加していない窒化珪素基焼結体製の超音波ホーンを用いた以外は、実施例1と同一の装置を用いて同一の方法で超音波を照射し、鋳造を行った。
比較例1で製造された鋳塊の表層部の組織を顕微鏡で観察した。その結果を図10(b)に示す。
Comparative Example 1:
Casting was performed by irradiating ultrasonic waves in the same manner using the same apparatus as in Example 1 except that an ultrasonic horn made of a silicon nitride-based sintered body to which TiO 2 was not added was used.
The structure of the surface layer portion of the ingot produced in Comparative Example 1 was observed with a microscope. The result is shown in FIG.

比較例2:
さらに比較のため実施例1と同一の装置を用いて超音波照射を行っていない以外は同じ条件で鋳造を行った。
比較例2で製造された鋳塊の表層部の組織を顕微鏡で観察した。その結果を図10(c)に示す。
Comparative Example 2:
For comparison, casting was performed under the same conditions except that ultrasonic irradiation was not performed using the same apparatus as in Example 1.
The structure of the surface layer portion of the ingot produced in Comparative Example 2 was observed with a microscope. The result is shown in FIG.

図10(a),(b)、(c)は、それぞれ実施例1、比較例1、比較例2で製造されたアルミニウム合金の金属組織を示す顕微鏡写真である。
黒色部分は初晶Siの結晶であるが、実施例1では比較例1、および比較例2と比べ初晶Siが微細化していることがわかる。
10A, 10B, and 10C are photomicrographs showing the metal structures of the aluminum alloys produced in Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, respectively.
The black portion is a crystal of primary crystal Si, but it can be seen that the primary crystal Si is finer in Example 1 than in Comparative Example 1 and Comparative Example 2.

Claims (7)

アルミニウム溶湯に超音波を照射する際に用いる超音波ホーンであって、Si粉末100質量部に対してTiを金属換算で1.0〜10質量部を含む原料複合粉を焼結した窒化珪素基焼結体からなることを特徴とする超音波ホーン。 An ultrasonic horn used for irradiating molten aluminum with ultrasonic waves, and sintering raw material composite powder containing 1.0 to 10 parts by mass of Ti in terms of metal with respect to 100 parts by mass of Si 3 N 4 powder An ultrasonic horn comprising a silicon nitride-based sintered body. Si粉末100質量部に対してTiを金属換算で1.0〜6質量部を含むことを特徴とする請求項1に記載の超音波ホーン。 The ultrasonic horn according to claim 1, wherein 1.0 to 6 parts by mass of Ti in terms of metal is included with respect to 100 parts by mass of the Si 3 N 4 powder. 前記Si原料複合粉は、Si粉末および前記Tiの他に、焼結助剤としてSi粉末100質量部に対してAl、MgO、SiOから選ばれた少なくとも一種の化合物を0.5〜10質量部、Y、LaCeOの希土類酸化物から選ばれた少なくとも一種の化合物を0.5〜10質量部含むものである請求項1又は2に記載の超音波ホーン。 In addition to the Si 3 N 4 powder and the Ti , the Si 3 N 4 raw material composite powder is selected from Al 2 O 3 , MgO, and SiO 2 with respect to 100 parts by mass of the Si 3 N 4 powder as a sintering aid. And at least one compound selected from 0.5 to 10 parts by mass and at least one compound selected from rare earth oxides of Y 2 O 3 , La 2 O 3 , and CeO. Or the ultrasonic horn of 2. 上記の窒化珪素基の焼結体からなり、ホーンの長さLを、λ/2の超音波半波長を基本単位として、L=n×λ/2及びn=2,3,4の整数に設計されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の超音波ホーン。 A sintered body of the silicon nitride based, the length L of the horn, the ultrasonic half-wavelength of lambda / 2 as the basic unit, an integer of L = n × λ / 2及 beauty n = 2, 3, 4 The ultrasonic horn according to claim 1, wherein the ultrasonic horn is designed as follows. ホーンがインサートネジを介して振動子に接続されている請求項1〜4のいずれか1項に記載の超音波ホーン。 The ultrasonic horn according to any one of claims 1 to 4, wherein the horn is connected to the vibrator via an insert screw. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の超音波ホーンを用いてアルミニウム溶湯に超音波を照射することを特徴とするアルミニウム合金の製造方法。 The manufacturing method of the aluminum alloy characterized by irradiating a molten aluminum with an ultrasonic wave using the ultrasonic horn of any one of Claims 1-5 . 超音波を照射する際の振動振幅を、16〜60μm(p−p)の範囲とする請求項6に記載のアルミニウム合金の製造方法。 The manufacturing method of the aluminum alloy of Claim 6 which makes the vibration amplitude at the time of irradiating an ultrasonic wave the range of 16-60 micrometers (pp).
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