JP6514237B2 - 低過熱温度からゼロ過熱温度における鋳込みのための溶融金属を調製するプロセス - Google Patents

Description

本発明は、低過熱温度からゼロ過熱温度における鋳込みのための溶融金属を調製するプロセスに関する。

自動車、電気、農業、又は玩具産業における幾つかの構成部品、例えば、合金ホイール、電子機器ケース、ハンドル、又はコンプレッサ部品などは、高圧金型鋳込み、低圧鋳込み、又は重力鋳込みプロセスによって、大量に製造される。これらの大量生産鋳込みプロセスにおいては、液相線温度よりも十分に高い温度の溶融金属合金が流し込まれて鋳造される。次に操作は、鋳込み物が十分に凝固した後で鋳型又は金型から取り出すことができるようになるまで、待つ必要がある。凝固プロセスを速めるために、空気又は水による内部冷却が金型に適用されることが多い。幾つかの場合、部品が金型の表面から取り出された後、離型剤を含む冷却流体が吹き付けられる。プロセスのサイクル時間を最小限にするために、金型の内部及び外部冷却プロセスが用いられ、これが生産性を高めるのに役立つ。

鋳込み温度と液相線又は凍結温度との間の差は、「過熱温度」と呼ばれる。工業的実施においては、過熱温度はかなり高く、鋳込み部品の複雑さ、サイズ、及び断面厚さに応じて、一般的には８０℃から２００℃ほどの高さまでの範囲になる。大量生産鋳込みプロセスにおいて高い過熱温度を保持する理由は、例えば、（１）金型空洞の完全充填を確実にするため、（２）金型充填の問題、及び収縮孔をもたらす幾つかの領域の早過ぎる凝固を引き起す、坩堝又は取鍋内の不均一な熱損失に起因する坩堝又は取鍋内の金属蓄積を防止するため、（３）収縮孔が殆ど又は全くない部品をもたらす完全な方向性凝固のための時間を取るため、及び（４）溶融物が流れる間に取込まれた気泡が、凝固によって捕捉される前に逃げるのを可能にするため、などである。

この高過熱鋳込みプロセスは広く受入れられており、大量生産において一般的に実施されている。しかしこのプロセスは幾つかの費用上の不利点をもたらし、これには、（１）長いサイクル時間、（２）溶融し溶融金属を保持するための高いエネルギー費、（３）冷却水のための高いエネルギー費、（４）金型吹き付けによる高い水処理費、（５）高い冷媒及び金型剥離剤費、及び（６）収縮孔による高い棄却率が含まれる。これらの不利点は、プロセスの非効率性及び高い生産費をもたらす。

これらの問題を解決するために、半固体状態における鋳込みに関連する、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、及び特許文献４に開示されたような幾つかの発明が提案されている。半固体金属鋳込みは、液相線又は凍結温度より低い温度におけるある少量の凝固固体核を有する金属の鋳込みを含む。事前凝固される固体核は、乱流の問題及び収縮孔を減らすのに役立ち、高品質の鋳込み部品をもたらす。しかし、低い鋳込み温度及び半固体金属の高粘度のために、鋳込みプロセス及び金型設計は、プロセスを首尾よく適用することができるように、事前に修正する必要がある。半固体金属鋳込みにおいては、半固体金属をショット・スリーブ及び次に金型の中に送込むための、特別な金属移送ユニットが必要となり得る。金型設計はまた、金型空洞内の半固体金属の完全な充填を可能にするように修正される必要がある。通常、より短い流れ距離を伴うより太いゲートが必要となる。従って、大量生産プロセスにおける半固体金属の適用は、ある程度の時間及び投資を必要とする。これらの半固体鋳込みプロセスは十分には費用効率が高くなく、そのため鋳込み工業においては未だ広く利用されていない。従って、本発明の目的は、高過熱温度による従来の鋳込み及び半固体金属鋳込みの不利点を解決し、低過熱からゼロ過熱において溶融金属を鋳込むことによる、高生産量を伴う金属鋳込み工業における費用節約を提供することである。低過熱温度からゼロ過熱温度による鋳込みが幾つかの利点をもたらし得ることは明白であるが、現在の鋳込みプロセスは、この技術を簡単に大量生産に適用することができない。低過熱温度からゼロ過熱温度の溶融物を、鋳込みプロセスに対する何らかの特別な修正なしに、流し込み鋳造することは、溶融物の温度を鋳込み用坩堝又は取鍋の中の至る所で均一になるように制御することが困難であるため、簡単ではない。実際に、鋳込み用坩堝又は取鍋の壁、中央、上部及び底部における溶融物の温度は同じではない。それゆえに、低過熱温度によると、最初に、最低温度の場所で金属の凝固シート又は皮膜を形成する高い危険性がある。これらの大きい皮膜は、次いで、溶融物と共に金型空洞内に流れることになり、低流動性及び収縮を与えるという問題を生じる。その結果、この鋳込みプロセスは欠陥及び部品の棄却を引き起す。坩堝又は取鍋の壁からの凝固皮膜はさらに、生産プロセスに他の問題をもたらす。適切に除去されない場合、これらの凝固皮膜は坩堝の壁に蓄積することになる。それゆえに、それらを除去するための手段又はプロセスが必要になり、これが生産費を増すことになる。これらの問題があるので、低過熱温度で金属を鋳込むことは、プロセスが適切に修正されず制御されない場合には、実際的ではない。従って、低過熱からゼロ過熱による鋳込みの前に溶融金属を調製するプロセスを有することが望ましいであろう。本発明の特定の態様において、これらの状態を実現するプロセスが提供される。

米国特許第６６４０８７９号明細書 米国特許第６６４５３２３号明細書 米国特許第６６８１８３６号明細書 欧州特許第１９８１６６８号明細書

本発明は、低過熱からゼロ過熱における鋳込みのための溶融金属を調製するプロセスを提供する。低過熱温度からゼロ過熱温度の溶融物の望ましい状態は、溶融物容器内の熱除去プローブで溶融物を撹拌することによって実現される。坩堝又は取鍋などの溶融物容器は、熱除去プローブよりも低い熱損失速度を与えるように構築される。プロセスは、制御された量の熱を除去するために、初めに液相線温度より高い温度にある溶融物の中に熱除去プローブを配置するステップを含む。次に、液相線温度まで又はそれに非常に近い温度までの溶融物のほぼ均一な冷却を確実にするために、活発な対流が溶融物に加えられる。その対流を得る手段は、不活性ガスをバブリングすることによってとすることができる。ガスを熱除去プローブから直接溶融物に注入することは、溶融物の均一な冷却を確実にするのに、及びプローブ上の固体蓄積を防止するのに、特に有利である。他の形式のかき混ぜ、例えば、回転、撹拌、又は振動などもまた用いることができる。これらの対流方法の組合せもまた用いることができる。次に、所望の溶融物温度に達すると、熱除去プローブが溶融物から迅速に取り出される。最後に、溶融物は、鋳込んで部品にするための鋳型に、又は金型空洞への注入のためのショット・スリーブに迅速に移される。

本発明において、溶融物の一部分の温度が液相線より下げられる場合に、少量の微細固体核が溶融物内に生じ得る。これらの固体核が小さいままであるならば、溶融物は金型空洞内に依然として良好に流れ込むことができる。存在すれば、微細固体核は、他の利点を本特許の教示により生産される部品にもたらす。即ち、それらは、（１）不均一な核形成位置を提供して細粒構造体を生じる助けとなり、（２）収縮孔を減らして鋳込み棄却率を小さくし、（３）溶融物の粘度の増加が僅かとなり、流動に関連する欠陥を少なくする。金属溶融物中の小さい固体金属粒子は、「熟成」と呼ばれる現象によってサイズが急速に大きくなる。従って、本特許の重要な教示は、存在するあらゆる粒子を非常に小さいサイズに保つために、本明細書に記載されるプロセスが迅速に行われなければならないということである。例えば、広範囲の金属合金溶融物に関して、溶融物の非常に小さい固体粒子（直径が１０ミクロン又はそれ以下の粒子）が２０秒以内で約４０ミクロンに、６０秒以内で約７０ミクロンに成長することが良く分かっている。従って、例えば、本明細書に記載されるプロセスにおいて、約７０ミクロンの最大粒径を確保するためには、溶融物中へのプローブの挿入から、溶融物の鋳型又はショット・スリーブ内への移送のステップまでの諸ステップを６０秒未満のうちに実行することが必要である。

金属鋳込み工業における本発明の利点は、より低い温度にさらされることによる金型寿命の延長、溶融エネルギーの節約、金型冷却プロセスのエネルギー節約、冷媒及び離型剤の節約、より少量の金型吹き付けの使用による水処理節約、生産性を向上させるサイクル時間短縮、収縮低減及び粘度増加による欠陥低減を含む。

本発明の一実施形態による装置の略図である。 急速に冷却されたほぼゼロの過熱温度を有する溶融物の光学顕微鏡写真であり、急速に凝固した溶融物の母材内に微細に分散した少量の固体核を示す。

本発明は、低過熱温度からゼロ過熱温度における鋳込みのための溶融金属を調製するプロセスを提供する。

本明細書で用いる場合、語句「低過熱温度からゼロ過熱温度」により、溶融物の少なくとも一部分が凡そ摂氏５〜１０度未満、好ましくは摂氏５度未満の過熱温度を有することを意味する。幾つかの金属及び合金においては、過熱温度は基本的にゼロにすることができるので、溶融物の温度は、少なくとも一部分において、液相線又はその僅かに下にある。

本発明のプロセスは、図１に示す４つのステップを含む。

ステップ１は、熱除去が小さい容器３の内部に保持された溶融物２の中に、熱除去プローブ１を配置することによって開始する。初め、溶融物は液相線温度より高い、好ましくは液相線温度を、摂氏８０度を超えて上回らない温度にある。

ステップ２において、溶融物の低過熱温度までのほぼ均一な冷却を確実にするために、溶融物に活発な対流が加えられる。この対流は、様々な技術、例えば、熱除去プローブを通して吐出された不活性ガスを注入して溶融物内にガス・バブルを生成する、振動による、撹拌による、回転による、又はそれらの組合せによる、などによって行うことができる。溶融物内に固体核４が次第に形成される。

ステップ３において、所望の溶融物温度に達すると、さらに冷却されるのを実質的に停止するために、急速に冷却された溶融物５から熱除去プローブが迅速に取り出される。プローブ浸漬中の溶融物の冷却速度は毎分摂氏１０度より大きくする必要がある。

ステップ４において、幾つかの部分が低過熱温度からゼロ過熱温度を有する、急速に冷却された溶融物５が、次に第２の容器６、例えば、金型鋳込みプロセス７において急速に冷却された溶融物を金型に注入するように設計されたショット・スリーブに、又は重力鋳込み（図示せず）においては鋳型に、迅速に移される。第２の容器６又は鋳込みのための金型若しくは鋳型は、生じる固体核の成長を安定且つ可能にするために、溶融物の温度より低い温度にする必要がある。

溶融物中への熱除去プローブの挿入から鋳型中への金属の流入までの時間は、固体核のサイズが金型空洞内への所望の流動挙動のために微細であることを確実にするために、約６０秒未満にすることが必要である。各プロセス・サイクルの後、熱除去プローブ上になにも固体が付いていないことを確実にするために洗浄プロセスを加えることができる。

図２に示すのは、急速に冷却されたアルミニウム溶融物の低過熱温度における微細構造である。この光学顕微鏡写真は、母材内に均一に分散した少量の輝く粒子を示す。これらの輝く粒子は熱除去プローブ浸漬（図１のステップ２）中に生じた固体核４である。これらの固体核４はサイズが非常に小さく、直径が１００ミクロン未満のオーダーである。多数のこれらの微細固体核を生成するためには、それを短時間のうちに生成する必要がある。従って、熱除去プローブ浸漬時間は、３０秒未満、好ましくは１５秒未満にする必要がある。

以下の２つの実施例が本発明の２つの実施形態を説明する。本発明の他の実施形態は、本明細書で開示する本発明の明細又は実施の考察から、当業者には明白となるであろう。

実施例１
アルミニウム合金の高圧金型鋳込み
以下は、Ａｌ−Ｍｇ合金部品の高圧金型鋳込みプロセスにおいて、溶融物中に少量の微細固体核を含む溶融金属を低過熱温度において鋳込むことの説明及び利点である。

この実施例において、Ａｌ−Ｍｇ合金は約６４０℃の液相線温度を有する。現在の工業用液体鋳込みプロセスにおいて、高圧金型鋳込み機械のショット・スリーブ内への合金の流し込み温度は約７４０℃（約１００℃の過熱温度）である。

現在の工業用製造プロセスに本発明を適用する際の重要な動機は、生産性を向上させ、製造費を減らし、及び金型寿命を延ばすことである。この実施例においては、Ａｌ−Ｍｇ合金を、熱除去プローブと共に取鍋中で約６６０℃の温度で２秒間処理する。活発な対流を、微細な不活性ガス・バブルを、多孔性プローブなどの熱除去プローブを通して、２〜１０リットル／分の流量で流すことによって実現する。溶融金属内へのプローブ浸漬のサイクル毎に、プローブの温度を、５０℃〜１５０℃の範囲内で、ほぼ同じになるように制御する。処理後、溶融物の温度は約６４５℃に下がり、これは液相線温度の約５℃上にあり（約５℃の過熱温度）、固体の割合は、重量で約３〜５％未満であると推定される。次に、溶融物を１０秒未満のうちに迅速にショット・スリーブ内に移し、次いで、３秒未満のうちに鋳型内に注入する。溶融物中へのプローブの挿入から、鋳型中への金属の流入までの全時間は約１５秒である。本発明による大量生産プロセスの結果は、アルミニウムを溶融するための天然ガスの使用量の約２５％の削減、金型保持時間の４０％の短縮、金型吹き付け時間の４０％の短縮、及び金型寿命の２倍を超える延長、並びに鋳込み棄却の３０％から５％への減少、を含む幾つかの期待された利点を示している。

実施例２
アルミニウム合金の重力金型鋳込み
以下は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金部品の重力金型鋳込みプロセスにおいて、溶融物中に少量の微細固体核を含む溶融金属を低過熱温度において鋳込むことの説明及び利点である。

この実施例においては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金を金属金型の中に鋳込む。この合金は、約６１３℃の液相線温度を有する。各鋳込みサイクルの前に金型を約４００℃に予備加熱する。従来の液体鋳込みプロセスでは、約６８０℃（約６７℃の過熱温度）で溶融金属合金を流し込む。本発明により、鋳込み温度は約６１４℃、即ち、液相線温度の約１℃上（約１℃の過熱温度）、に低下する。この実施例においては、溶融物を、取鍋の中で熱除去プローブを用いて約６３０℃の温度で約５秒間処理する。活発な対流を、微細な不活性ガス・バブルを多孔性プローブなどの熱除去プローブを通して、２〜１０リットル／分の流量で流すことによって実現する。溶融金属内へのプローブ浸漬のサイクル毎に、プローブの温度を、５０℃〜１５０℃の範囲内で、ほぼ同じになるように制御する。次に、溶融物を１２秒未満のうちに迅速に鋳型内に移し流し込む。溶融物中へのプローブの挿入から、鋳型中への金属の流入までの全時間は約１７秒である。結果は、本発明がより良好な機械的特性を生じることを示している。６７℃の過熱温度による液体鋳込みプロセスは、２８７ＭＰａの最終的な引張強度及び１０．５％の伸びを与える。本発明による鋳込みプロセスは、２８９ＭＰａの最終的な引張強度及び１１．２％の伸びを与える。本発明を用いる鋳込みプロセスの生産性もまたより高い。これは、鋳型中の溶融物の凍結時間が、６７℃の高過熱温度による従来の液体鋳込みの１３３秒から、ほぼゼロの過熱温度による本発明の４６秒まで短縮するためである。これは、製造プロセス中の金型が開いている時間を約６５％短縮できることを示す。

本発明の別の重要な利点は、溶融エネルギーの節約である。本発明により、炉の保持温度を約１００℃低下させることができる。この低下は、有意にエネルギーを節約し、且つ、炉の寿命を延ばすことができる。

上記の説明は、好ましい実施形態だけのものであると考えられる。本発明の修正物が、当業者及び本発明を行うか又は使用する者には明白となるであろう。従って、当然のことではあるが、上述の実施形態は単に説明のためのものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではなく、本発明の範囲は、均等論を含む特許法の原則に従って解釈される添付の特許請求の範囲によって定められる。

Claims (15)

1. （ａ）初めに液相線温度より高い金属又は合金の溶融物を、熱除去が低からゼロの容器内に保持するステップと、
   （ｂ）制御された量の熱を除去するために、前記溶融物の中に少なくとも１つの熱除去プローブを配置し、前記溶融物の低過熱温度へのほぼ均一な冷却を確実にするために前記溶融物に活発な対流を加えるステップと、
   （ｃ）所望の温度に達すると、さらなる冷却を実質的に停止するために、冷却された溶融物から前記熱除去プローブを迅速に取り出すステップと、
   （ｄ）前記冷却された溶融物を、鋳込み用の第２の容器内に迅速に移すステップと、
   を含む、
   摂氏１０度未満の範囲で液相線温度より高い過熱温度において鋳込むための溶融金属を調製する方法。
2. 前記熱除去が低からゼロの容器は、坩堝又は取鍋の形態であり、前記熱除去プローブが熱を除去するよりも有意に低い速度で前記溶融物から熱を除去するような材料で作られる、請求項１記載の方法。
3. 前記（ｂ）のステップにおいて、前記液相線温度又はそれより低い温度に前記溶融物の一部分を冷却して固体核を生じさせる、請求項１記載の方法。
4. 前記溶融物の中への前記熱除去プローブの挿入から、前記第２の容器の中への前記冷却された溶融物の流入までの時間は６０秒未満である、請求項１記載の方法。
5. 前記冷却された溶融物に占める固体核の割合は、重量で０．０５未満である、請求項３記載の方法。
6. 前記溶融物中の前記活発な対流は、熱除去プローブを通して不活性ガスを毎分２〜１０リットルの流量でバブリングさせることによってガス流により実現される、請求項１記載の方法。
7. 前記溶融物中の前記活発な対流は、熱除去プローブの回転又は熱除去プローブによる前記溶融物の撹拌によって実現される、請求項１記載の方法。
8. 前記溶融物中の前記活発な対流は、前記熱除去プローブの振動によって実現される、請求項１記載の方法。
9. 前記溶融物中の前記活発な対流は、請求項６〜８のいずれか一項に記載の解決策の任意の組合せによって実現される、請求項１記載の方法。
10. 前記熱除去プローブは多孔性であり、前記溶融物中に不活性ガスを吐出するように設計された多数のガス出口を与える、請求項６記載の方法。
11. 前記溶融物は、前記溶融物中での前記熱除去プローブの浸漬の間に、毎分摂氏１０度を超える速度で冷却される、請求項１記載の方法。
12. 前記プローブを取り出した後の、前記溶融物の前記過熱温度は摂氏１０度未満である、請求項１記載の方法。
13. 前記熱除去プローブは、グラファイト、セラミックス、金属、又はこれらの材料の複合物で作られる、請求項１記載の方法。
14. 前記容器は、グラファイト、セラミックス、金属、又はこれらの材料の複合物で作られる、請求項１記載の方法。
15. 前記金属又は合金は、アルミニウム、マグネシウム、銅、鉄、亜鉛、鉛、錫、ニッケル、銀、金、チタン、又はこれらの組合せから成る群から選択される、請求項１記載の方法。