JP6743034B2 - 超音波結晶粒微細化 - Google Patents

Description

合衆国政府の助成を受けた研究開発に関する記載
この発明は、アメリカ国立科学財団（National Science Foundation）による授与番号第ＩＩＰ１０５８４９４下の政府支援により行われた。政府は、本発明における特定の権利を保有する。

本発明は、制御された結晶粒径を有する金属鋳造品を製造する方法、金属鋳造品を製造するシステム、および金属鋳造品により得られる製品に関係する。

金属工学分野において、溶融金属を連続的な金属ロッドまたは鋳造製品として鋳造するための技法を開発するために、かなりな努力がなされてきた。バッチ鋳造と連続鋳造の両方が十分に発展している。両方とも産業界において顕著に使用されているが、連続鋳造には、バッチ鋳造に対していくつかの利点がある。

金属鋳造の連続製造においては、溶融金属が、保持炉から、一連の樋（launder）中に、さらにそれが金属バーとして鋳造される、鋳造ホイールの鋳型中に進む。凝固した金属バーは、鋳造ホイールから取り外されて、圧延機中に導かれ、そこで連続ロッドとして圧延される。金属ロッド製品および合金の目的とする最終用途に応じて、ロッドは、圧延中に冷却されるか、またはロッドは圧延機から出ると直ちに冷却または焼入れされて、それに対して所望の機械的および物理的な性質を付与してもよい。Ｃｏｆｅｒらへの米国特許第３３９５５６０号（この全内容は参照により本明細書に組み入れられる）に記載されたような技法は、金属ロッド製品または金属バー製品を連続処理するのに使用されてきた。

Ｊａｃｋｓｏｎらへの米国特許第３９３８９９１号（この全内容は参照により本明細書に組み入れられる）は、鋳造製品において、「純」金属製品の鋳造について長期にわたり認識された問題があることを示している。「純」金属鋳造品によって、この用語は、結晶粒制御の目的で添加された別個の不純物の包含なしに、特定の導電性または引張強度もしくは延性に対して設計された、１次金属元素で形成された、金属または金属合金を指す。

結晶粒微細化とは、それによって、新規に形成された相の結晶サイズが、化学的または物理的／機械的な手段のいずれかによって低減されるプロセスである。結晶粒微細化剤が、通常、溶融金属中に添加されて、凝固過程または液相から固相への遷移過程中に、凝固構造の結晶粒径を大幅に低減する。

実際に、ＢｏｉｌｙらへのＷＩＰＯ特許出願第ＷＯ／２００３／０３３７５０（この全内容は参照により本明細書に組み入れられる）は、「結晶粒微細化剤」の特有の使用について記載している。’７５０出願は、その背景セクションにおいて、アルミニウム産業においては、マスター合金を形成するために、異なる結晶粒微細化剤が、一般的に、アルミニウムに組み入れられることを記載している。アルミニウム鋳造において使用するための、典型的なマスター合金は、１から１０％のチタン、および０．１から５％のボロンまたは炭素を含み、残部は、主としてアルミニウムまたはマグネシウムからなり、ＴｉＢ₂またはＴｉＣの粒子が、アルミニウムのマトリックス全体に分散されている。’７５０出願によれば、チタンおよびボロンを含有するマスター合金は、所要量のチタンとボロンを、アルミニウム溶融体に溶解させることによって製造され得る。これは、８００℃を超える温度において、溶融アルミニウムをＫＢＦ₄およびＫ₂ＴｉＦ₆と反応させることによって達成される。これらの複合ハロゲン化塩は、溶融アルミニウムと迅速に反応して、溶融体にチタンおよびボロンを供給する。

’７５０出願はまた、２００２年時点において、この技法は、ほとんどすべての結晶粒微細化剤製造会社によって市販マスター合金を製造するのに使用されていたことを記載している。結晶粒微細化剤は、核生成剤と呼ばれることが多く、今日でも使用されている。例えば、Ｔｉｂｏｒマスター合金の一市販品供給業者は、鋳造構造の精密制御が、高品質アルミニウム合金製品の製造における主要要件であると記載している。

本発明の前に、結晶粒微細化剤は、微細で均一な鋳造状態結晶粒構造を提供する、最も有効な方法として認識されていた。以下の参考文献（これらの全内容は参照により本明細書に組み入れられる）は、背景研究の詳細を提供する：
Ａｂｒａｍｏｖ，Ｏ．Ｖ．、（１９９８年）、「Ｈｉｇｈ−Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ」、Ｇｏｒｄｏｎ ａｎｄ Ｂｒｅａｃｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、Ａｍｓｔｅｒｄａｍ、Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ、ｐｐ．５２３〜５５２．
Ａｌｃｏａ、（２０００年）、「Ｎｅｗ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｇｒａｉｎ Ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎｕｍ」、ＤＯＥ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｆｉｎａｌ Ｒｅｐｏｒｔ， Ｃｏｎｔｒａｃｔ Ｎｏ． ＤＥ−ＦＣ０７−９８ＩＤ１３６６５、２０００年９月２２日．
Ｃｕｉ，Ｙ．、Ｘｕ，Ｃ．Ｌ．およびＨａｎ，Ｑ．、（２００７年）、「Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｗｅｌｄ Ｍｅｔａｌ Ｕｓｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ， Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、ｖ．９、Ｎｏ．３、ｐｐ．１６１〜１６３．
Ｅｓｋｉｎ，Ｇ．Ｉ．、（１９９８年）、「Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ａｌｌｏｙ Ｍｅｌｔｓ」、Ｇｏｒｄｏｎ ａｎｄ Ｂｒｅａｃｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ， Ａｍｓｔｅｒｄａｍ， Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ．
Ｅｓｋｉｎ，Ｇ．Ｉ．、（２００２年）、「Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｕｌｔｒａｓｏｎｕｃ Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｅｌｔ ｏｎ ｔｈｅ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙ Ｉｎｇｏｔｓ」、Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ Ｆｕｒ Ｍｅｔａｌｌｋｕｎｄｅ／Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ、ｖ．９３、ｎ．６、６月、２００２年、ｐｐ．５０２〜５０７．
Ｇｒｅｅｒ，Ａ．Ｌ．、（２００４年）、「Ｇｒａｉｎ Ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙｓ」、Ｃｈｕ，Ｍ．Ｇ．、Ｇｒａｎｇｅｒ，Ｄ．Ａ．およびＨａｎ，Ｑ．、（編集）、「Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ａ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｓｐｏｎｓｏｒｅｄ ｂｙ ＴＭＳ （Ｔｈｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ， Ｍｅｔａｌｓ ＆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ）， ＴＭＳ， Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ， ＰＡ、１５０８６〜７５２８、ｐｐ．１３１−１４５．
Ｈａｎ，Ｑ．、（２００７年）、「Ｔｈｅ Ｕｓｅ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｆｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」、Ｈａｎ，Ｑ．，Ｌｕｄｔｋａ，Ｇ．、およびＺｈａｉ，Ｑ．，（編集）、（２００７年）、「Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｆｉｅｌｄｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ａ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｓｐｏｎｓｏｒｅｄ ｂｙ ＴＭＳ （Ｔｈｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ， Ｍｅｔａｌｓ ＆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ）， ＴＭＳ， Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ， ＰＡ、１５０８６〜７５２８、ｐｐ．９７〜１０６．
Ｊａｃｋｓｏｎ，Ｋ．Ａ．、Ｈｕｎｔ，Ｊ．Ｄ．およびＵｈｌｍａｎｎ，Ｄ．Ｒ．およびＳｅｗａｒｄ，Ｔ．Ｐ．、（１９６６年）、「Ｏｎ Ｏｒｉｇｉｎ ｏｆ Ｅｑｕｉａｘｅｄ Ｚｏｎｅ ｉｎ Ｃａｓｔｉｎｇｓ」、Ｔｒａｎｓ． Ｍｅｔａｌｌ． Ｓｏｃ． ＡＩＭＥ、ｖ．２３６、ｐｐ．１４９〜１５８．
Ｊｉａｎ，Ｘ．、Ｘｕ，Ｈ．、Ｍｅｅｋ，Ｔ．Ｔ．およびＨａｎ，Ｑ．、（２００５年）、「Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｕｌｔｒａｓｏｕｄ ｏｎ Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａ３５６ Ａｌｌｏｙ」、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖ．５９、ｎｏ．２〜３、ｐｐ．１９０〜１９３．
Ｋｅｌｅｓ，Ｏ．およびＤｕｎｄａｒ，Ｍ．、（２００７年）、「Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｆｏｉｌ： Ｉｔｓ Ｔｙｐｉｃａｌ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ｃａｕｓｅｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖ．１８６、ｐｐ．１２５〜１３７．
Ｌｉｕ，Ｃ．、Ｐａｎ，Ｙ．およびＡｏｙａｍａ，Ｓ．、（１９９８年）、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ５ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｅｍｉ−Ｓｏｌｉｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，編集：Ｂｈａｓｉｎ，Ａ．Ｋ．、Ｍｏｏｒｅ，Ｊ．Ｊ．、Ｙｏｕｎｇ，Ｋ．Ｐ．およびＭａｄｉｓｏｎ，Ｓ．、Ｃｏｌｏｒａｄｏ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｉｎｅｓ， Ｇｏｌｄｅｎ， ＣＯ、ｐｐ．４３９〜４４７．
Ｍｅｇｙ，Ｊ．、（１９９９年）、「Ｍｏｌｔｅｎ Ｍｅｔａｌ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ」、ＵＳ Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ． ５，９３５，２９５， Ａｕｇｕｓｔ、１９９９年．
Ｍｅｇｙ，Ｊ．、Ｇｒａｎｇｅｒ，Ｄ．Ａ．、Ｓｉｇｗｏｒｔｈ，Ｇ．Ｋ．およびＤｕｒｓｔ，Ｃ．Ｒ．、（２０００年）、「Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ Ｉｎ−Ｓｉｔｕ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇｒａｉｎ Ｒｅｆｉｎｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ」、Ｌｉｇｈｔ Ｍｅｔａｌｓ、ｐｐ．１〜６．
Ｃｕｉら、「Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｗｅｌｄ Ｍｅｔａｌ Ｕｓｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ」、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、２００７年、ｖｏｌ．９、ｎｏ．３、ｐｐ．１６１〜１６３．
Ｈａｎら、「Ｇｒａｉｎ Ｒｅｆｉｎｉｎｇ ｏｆ Ｐｕｒｅ Ａｌｕｍｉｎｕｍ」、Ｌｉｇｈｔ Ｍｅｔａｌｓ、２０１２年、ｐｐ．９６７〜９７１．

本発明の一実施形態においては、その縦方向の長さに沿って溶融金属を受け入れて移送するための、溶融金属収納構造を含む、溶融金属処理デバイスが提供される。このデバイスは、その中に液体媒体を通過させるための冷却チャネルを含む、収納構造用の冷却ユニットと、超音波が冷却チャネル内の液体媒体を介し、および溶融金属収納構造を介して、溶融金属中に加えられるように、冷却チャネルに対して配置されたウルトラソニックプローブとをさらに含む。

本発明の一実施形態においては、金属製品を形成する方法が提供される。この方法は、溶融金属収納構造の縦方向の長さに沿って溶融金属を移送する。この方法は、溶融金属収納構造に熱的に結合された冷却チャネルを通り媒体を通過させることによって、溶融金属収納構造を冷却するとともに、超音波を、冷却チャネル内の媒体を介し、および溶融金属収納構造を介して、溶融金属中に加えられる。

本発明の一実施形態においては、金属製品を形成するシステムが提供される。このシステムは、１）上記の溶融金属処理デバイスと、２）データ入力および制御出力を含むとともに、上記の方法ステップの動作を可能にする制御がプログラムされた、コントローラとを備える。

本発明の一実施形態においては、サブミリメートル結晶粒径を有し、その中に０．５％未満の結晶粒微細化剤を含む、鋳造金属組成物を含む、金属製品が提供される。

本発明についての前述の全体的な説明およびそれに続く詳細な説明はともに、例示的であるが、本発明に対して制限的ではないことを理解すべきである。

本発明およびそれに付随する利点の多くについてのより完全な理解は、添付の図面と合わせて考慮されるときに、以下の詳細な説明を参照して本発明がより良く理解されるようになるにつれて、容易に得られるであろう。

本発明の一実施形態による鋳造チャネルの概略図。 本発明の一実施形態による鋳造チャネルの基部の写真のような図。 本発明の一実施形態による鋳造チャネルの基部の複数の写真のような図。 鋳造チャネルの一実施形態に対する、例証的な寸法の概略図。 本発明の一実施形態による鋳型の写真のような図。 本発明の一実施形態による連続鋳造機の概略図。 本発明の一実施形態による別の連続鋳造機の概略図。 アルミニウムインゴットに存在するマクロ構造を示す顕微鏡写真。 アルミニウムインゴットに存在するマクロ構造を示す別の顕微鏡写真。 アルミニウムインゴットに存在するマクロ構造を示す別の顕微鏡写真。 アルミニウムインゴットに存在するマクロ構造を示す別の顕微鏡写真。 鋳造温度の関数としての結晶粒径を示すグラフ。 本明細書に記載された条件下で調製された、アルミニウムインゴットに存在するマクロ構造を示す顕微鏡写真。 本明細書に記載された条件下で調製された、アルミニウムインゴットに存在するマクロ構造を示す、別の顕微鏡写真。 本明細書に記載された条件下で調製された、アルミニウムインゴットに存在するマクロ構造を示す、別の顕微鏡写真。 鋳造温度の関数としての結晶粒径を示す、別のグラフ。 鋳造温度の関数としての結晶粒径を示す、別のグラフ。 鋳造温度の関数としての結晶粒径を示す、別のグラフ。 鋳造温度の関数としての結晶粒径を示す、別のグラフ。 本明細書において記載された条件下で調製された、アルミニウムインゴットに存在するマクロ構造を示す、顕微鏡写真。 本明細書において記載された条件下で調製された、アルミニウムインゴットに存在するマクロ構造を示す、別の顕微鏡写真。 鋳造チャネルの一実施形態に対する例証的な寸法の概略図。 鋳造チャネルの一実施形態に対する例証的な寸法の概略図。 鋳造温度の関数としての結晶粒径を示す別のグラフ。 鋳造チャネルの一実施形態に対する例証的な寸法の別の概略図。 鋳造温度の関数としての結晶粒径を示す別のグラフ。 本発明の一実施形態による、連続鋳造機の概略図。 垂直鋳造機の一構成要素の側面概略図。 垂直鋳造機の構成要素の断面概略図。 垂直鋳造機の構成要素の断面概略図。 垂直鋳造機の構成要素の断面概略図。 本明細書において記載された制御およびコントローラのための、例証的なコンピュータシステムの概略図。 本発明の一実施形態による方法について記述する、フローチャート。

金属および合金の結晶粒微細化は、インゴット鋳造速度の最大化、熱間割れに対する耐性の改善、元素偏析の最少化、機械的性質、特に延性の強化、展伸製品の仕上げ特性の改善、および鋳型充填特性の向上、ならびに鋳造合金の空隙率の低減を含む、多くの理由から重要である。通常、結晶粒微細化は、金属および合金製品、特に、航空、防衛、自動車、建設、および包装業界において使用が増大している軽量材料の２つである、アルミニウム合金およびマグネシウム合金の製造に対する第１の処理ステップの１つである。また、結晶粒微細化は、柱状結晶粒を除去して、等軸結晶粒を形成することによって金属および合金を鋳造可能にするための、重要な処理ステップである。それでも、本発明の以前は、不純物または化学的「結晶粒微細化剤」の使用が、金属鋳造における柱状結晶粒形成という、金属鋳造業界において長期にわたり認識されていた問題に対処する唯一の方法であった。

米国において製造されるアルミニウムの約６８％が、シート、プレート、押出し品、または箔としてさらに処理される前に、最初にインゴットとして鋳造される。直接チル（ＤＣ：direct chill）半連続鋳造プロセスおよび連続鋳造（ＣＣ）プロセスは、多分に、その頑強な特質および相対的な簡便さゆえに、アルミニウム産業の主流となっている。ＤＣプロセスおよびＣＣプロセスについての１つの問題は、インゴット凝固中の熱間割れの形成またはクラック形成である。基本的に、結晶粒微細化を使用しなければ、すべてのインゴットは、クラックを生じる（または鋳造可能ではなくなる）ことになる。

それでもなお、これらの現代的プロセスの製造速度は、クラック形成を回避するための条件によって限定される。結晶粒微細化は、合金の熱間割れ傾向を低減して、それによって製造速度を向上させる有効な方法である。結果として、かなりな量の努力が、可能な限り小さい結晶粒径を生成することのできる、強力な結晶粒微細化剤の開発に集中されてきた。結晶粒径が、サブミクロンレベルまで低減され得る場合には、超塑性が達成可能であり、これによって、合金は、はるかに高速度で鋳造され得るだけでなく、今日、インゴットが処理されるよりも、より速い速度、およびより低い温度で圧延／押出しされ得ることになり、大幅なコスト節減とエネルギー節減をもたらす。

現在では、世界において１次スクラップ（約２００億ｋｇ）または２次および内部スクラップ（２５０億ｋｇ）のいずれかから鋳造される、ほぼすべてのアルミニウム鋳造が、アルミニウムにおいて微細結晶粒構造を核生成する、直径で約数ミクロンの、不溶性ＴｉＢ₂核の不均質核によって結晶粒微細化される。化学的結晶粒微細化剤の使用に関係する１つの問題は、限定された結晶粒微細化能力である。さらに、化学的結晶粒微細化剤を使用すると、２５００μｍをいくぶん超える直線結晶粒寸法を有する柱状構造から、２００μｍ未満の等軸結晶粒までの、アルミニウム結晶粒径の限定された減少を生じる。アルミニウム合金における１００μｍの等軸結晶粒は、市販の化学的結晶粒微細化剤を使用して得られ得る、限界と思われる。

結晶粒径がさらに低減され得る場合には、生産性が大幅に増大され得ることが広く認識されている。サブミクロンレベルの結晶粒径は、室温におけるアルミニウム合金の形成をずっと容易にする、超塑性に至る。

化学的結晶粒微細化剤の使用に関係する別の問題は、結晶粒微細化剤の使用に関連する欠陥形成である。従来技術において、結晶粒微細化に必要であると考えられてはいたが、不溶性の異物粒子は、アルミニウムにおいて、特に粒子凝集物（「クラスタ」）の形態において、望ましくない。アルミニウム基マスター合金において、化合物の形態で存在する、現行の結晶粒微細化剤は、複雑な、一連の採鉱、選鉱および製造のプロセスによって製造される。現在、使用されるマスター合金は、アルミニウム結晶粒微細化剤の従来式製造プロセスから生じる、フッ化カリウムアルミニウム（ＫＡＩＦ）塩および酸化アルミニウム不純物（ドロス）を含有することが多い。これらは、アルミニウムにおける局所的欠陥（例えば、飲料缶内の「漏れ口（leakers）」および薄箔における「ピンホール」）、工作機摩耗、およびアルミニウムにおける表面仕上げ問題、を生じさせる。アルミニウムケーブル会社の１つからのデータは、製造欠陥の２５％は、ＴｉＢ₂粒子凝集物によるものであり、欠陥の別の２５％は、鋳造プロセス中にアルミニウム中に捕捉されるドロスによるものであることを示した。ＴｉＢ₂粒子凝集物は、押出し中に、特にワイヤの直径が８ｍｍ未満であるときに、ワイヤを破壊することが多い。

化学的結晶粒微細化剤の使用に関する別の問題は、結晶粒微細化剤のコストである。このことは、Ｚｒ結晶粒微細化剤を使用するマグネシウムインゴットの製造に対して、特にあてはまる。Ｚｒ結晶粒微細化剤を使用する結晶粒微細化は、製造されるＭｇ鋳造品のキログラム当たり約１ドル余分の費用がかかる。アルミニウム合金用の結晶粒微細化剤は、キログラム当たり約１．５０ドルの費用がかかる。

化学的結晶粒微細化剤の使用に関する別の問題は、電気伝導率の低下である。化学的結晶粒微細化剤の使用は、アルミニウムに過剰量のＴｉを導入して、ケーブル用途用の純アルミニウムの電気伝導率における実質的な減少を生じさせる。特定の伝導率を維持するために、会社は、ケーブルおよびワイヤを製作するために、より純粋なアルミニウムを使用するために、余分の金額を支払わなければならない。

化学的方法に加えて、いくつかの他の結晶粒微細化方法が、前世紀において探求されている。これらの方法は、磁場および電磁場などの物理場を使用すること、および機械的振動を使用することを含む。高強度の、低振幅超音波振動は、異物粒子を使用することなく、金属および合金の結晶粒微細化に対して実証されている物理的／機械的機構の１つである。しかしながら、上記のＣｕｉら、（２００７年）などからの実験結果は、短い時間期間の超音波振動に供された、数ポンドまでの金属の小型インゴットとして得られたものである。高強度超音波振動を使用する、ＣＣ鋳造またはＤＣ鋳造のインゴット／ビレットの結晶粒微細化に対する努力は、まだほとんど行われていない。

結晶粒微細化に対して、本発明において取り組まれた技術的課題は、（１）長い時間にわたって、超音波エネルギーを溶融金属に加えること、（２）高温におけるシステムの固有振動周波数を維持すること、および（３）超音波導波路の温度が高いときに、超音波結晶粒微細化の結晶粒微細化効率を向上させることである。超音波導波路およびインゴット（下記のような）の両方に対する増強された冷却は、これらの課題に取り組むために本明細書において提示される解決策の１つである。

さらに、本発明において取り組まれた別の技術的課題は、アルミニウムが純粋であるほど、凝固プロセス中に等軸結晶粒を得るのがより困難になるという事実に関係する。１０００、１１００および１３００系列のアルミニウムなどの、純アルミニウムにおいてＴｉＢ（ホウ化チタン）などの外部結晶粒微細化剤を使用しても、等軸結晶粒構造を得ることは困難なままである。しかしながら、本明細書に記載される、新規の結晶粒微細化技法を使用すると、等軸結晶粒構造が得られた。

本発明は、結晶粒微細化剤を導入することを必要とすることなく、柱状結晶粒形成の問題を抑制する。本発明者らは、意外にも、溶融金属が鋳造品中に鋳込まれるときに、溶融金属に対する超音波振動の制御された適用を使用することは、ＴｉＢｏｒマスター合金などの先端技術結晶粒微細化剤を用いて得られたものと同等の、またはそれよりも小さい結晶粒径を実現することを可能にすることを発見した。

本発明の一態様において、鋳造製品内部の等軸結晶粒は、結晶粒の数を増大させて、均一な不均質凝固を改善するために、ホウ化チタンなどの不純物粒子を、金属または金属合金中に添加する必要性なしに、得られる。核生成部位を生成するために、核生成剤を使用する代わりに、超音波振動が、使用され得る。具体的に、以下により詳細に説明されるように、超音波振動は、液体媒体に加えられて、金属および金属合金における結晶粒を微細化して、等軸結晶粒を生成する。

等軸結晶粒の形態を理解するために、デンドライトが一次元的に成長して、細長い結晶粒が形成される、従来型の金属結晶粒成長を考える。これらの細長い結晶粒は、柱状結晶粒と呼ばれる。結晶粒が、全方向に自由に成長すれば、等軸結晶粒が形成される。各等軸結晶粒は、垂直に成長する６つの主デンドライトを包含する。これらのデンドライトは、同一速度で成長することがある。そのような場合には、結晶粒は、結晶粒内部の詳細なデンドライト的な特徴を無視すれば、より球形を呈する。

本発明の一実施形態において、図１Ａに示されるような、チャネル構造２（すなわち、収納構造）は、溶融金属を、例えば以下に詳細に示される鋳造ホイールなどの鋳造鋳型（図１Ａには図示せず）へと移送する。チャネル構造２は、溶融金属を収納する側壁２ａと、底プレート２ｂとを含む。側壁２ａおよび底プレート２ｂは、図示のように別個の実在とするか、または一体化ユニットとされ得る。底プレート２ｂの下には、動作において液体媒体で充填される、液体媒体通路２ｃがある。さらに、これらの２つの要素は、鋳造物体におけるように、一体であってもよい。

液体媒体通路２ｃには、超音波振動（ＵＶ）を、液体媒体を介するとともに底プレート２ｂを介して、液体金属中にもたらす、超音波変換器の超音波プローブ２ｄ（またはソノトロード（sonotrode）、または超音波発生器）が結合されて配置されている。本発明の一実施形態においては、超音波プローブ２ｄは、液体媒体通路２ｃ中に挿入されている。本発明の一実施形態においては、２つ以上の超音波プローブ、または超音波プローブの配列が、液体媒体通路２ｃ中に挿入され得る。本発明の一実施形態においては、超音波プローブ２ｄは、液体媒体通路２ｃの壁に取り付けられる。いかなる特定の理論に拘束されるものではないが、チャネルの底部における相対的に少量の過冷却（例えば、１０℃未満）の結果として、純アルミニウムの小さい核の層が形成し始める。チャネルの底部からの超音波振動は、これらの純アルミニウム核を生成し、次いでこれらは凝固中に核生成剤として使用され、その結果として均一な結晶粒構造が得られる。したがって、本発明の一実施形態においては、冷却方法は、チャネルの底部における少量の過冷却の結果として、アルミニウムの小さい核の層が生じることを確実にする。チャネルの底部からの超音波振動は、これらの核を分散させて、過冷却層内に形成するデンドライトを分割する。次いで、これらのアルミニウム核およびデンドライトの断片が、凝固中に鋳型の中で等軸結晶粒を形成するのに使用されて、その結果として、均一な結晶粒構造が得られる。

言い換えると、底プレート２ｂを介して、液体金属中に伝達された超音波振動は、金属または金属合金内に核生成部位を生成して結晶粒径を微細化する。底プレートは、銅、鉄や鋼、ニオブ、ニオブおよびモリブデン、タンタル、タングステン、ならびにレニウムなどの、耐熱金属またはその他の高温材料、ならびにこれらの材料の融点を延長することのできるケイ素、酸素、または窒素などの１つまたは複数の元素を含む、それらの合金とすることができる。さらに、底プレートは、例えば、低炭素鋼またはＨ１３鋼などの、ある数の鋼合金の１種とすることができる。

本発明の一実施形態においては、溶融金属と冷却ユニットの間に壁が設けられ、この場合に、壁の厚さは、定常製造において、この壁に隣接する溶融金属が、鋳造される特定の金属に対する臨界温度より低く冷却されるように、（以下の例において詳述されるように）十分に薄い。

本発明の一実施形態においては、超音波振動システムは、冷却チャネルと溶融金属の間の薄い壁を通過する熱伝達を強化し、核生成を誘発するか、または冷却チャネルの薄い壁に隣接する溶融金属内に形成するデンドライトを分割するのに使用される。

下記の実証において、超音波振動の源は、２０ｋＨｚの音響周波数において１．５ｋＷの電力を供給した。この発明は、それらの電力および周波数に制限はされない。むしろ、以下が関心の範囲であるが、広範囲の電力および周波数が使用可能である。

電力：一般に、ソノトロードまたはプローブの寸法に応じて、各ソノトロードに対して５０から５０００Ｗの間の電力。これらの電力は、通常、ソノトロードの端部における電力密度が、溶融金属内にキャビテーションを発生させるための閾値である、１００Ｗ／ｃｍ²より高くなることを確実にするために、ソノトロードに印加される。この領域の電力は、５０から５０００Ｗ、１００から３０００Ｗ、５００から２０００Ｗ、１０００から１５００Ｗの範囲、あるいは任意の中間の範囲または重畳する範囲であり得る。より大きいプローブ／ソノトロードに対するより高い電力、およびより小さいプローブに対するより低い電力が可能である。

周波数：一般に、５から４００ｋＨｚ（または任意の中間範囲）が使用され得る。代替的に、１０および３０ｋＨｚ（または任意の中間範囲）が使用され得る。代替的に、１５および２５ｋＨｚ（または任意の中間範囲）が使用され得る。適用される周波数は、５から４００ｋＨｚ、１０から３０ｋＨｚ、１５から２５ｋＨｚ、１０から２００ｋＨｚ、または５０から１００ｋＨｚの範囲であるか、あるいは任意の中間範囲または重畳範囲であり得る。

さらに、ウルトラソニックプローブ／ソノトロード２ｄは、米国特許第８５７４３３６号（その全内容が参照により本明細書に組み入れられる）に記載の溶融金属脱ガス用に使用されるウルトラソニックプローブと同様に構築され得る。

図１Ａにおいて、チャネル構造２の寸法は、鋳造しようとする材料の体積流量に応じて選択される。液体媒体通路２ｃの寸法は、冷却媒体が実質的に液相に留まることを確実にするために、チャネルを通過する冷却媒体の流量に応じて選択される。液体媒体は水でもよい。液体媒体はまた、油、イオン性液体、液体金属、液体ポリマー、またはその他の鉱物質（無機質）液体であってもよい。例えば、冷却通路における流れの発展は、処理されている溶融金属中への超音波の印加を悪化させることがある。底プレート２ｂの厚さおよび材料構築は、溶融金属の温度、底プレートの厚さにわたる温度勾配、および液体媒体通路２ｃの下にある壁の性質に応じて選択される。熱的な考察に関するさらなる詳細は以下に与えられる。

図１Ｂおよび１Ｃは、底プレート２ｂ、液体媒体通路入口２ｃ−１、液体媒体通路出口２ｃ−２、および超音波プローブ２ｄを示す、（側壁２ａ無しの）チャネル構造２の斜視図である。図１Ｄは、図１Ｂおよび１Ｃに示されたチャネル構造２に関連する寸法を示す。

動作中に、合金の液相線温度よりも実質的に高い温度における、溶融金属は、底プレート２ｂの頂部に沿って重力によって流れ、チャネル構造２を通過するときに、超音波振動に晒される。底プレートは、底プレートに隣接する溶融金属が下位液相線（sub-liquidus）温度に近くなる（例えば、合金の液相線温度の上、５から１０℃未満、または、液相線温度よりも低い、ではあるが、我々の実験結果において、鋳込み温度は１０℃よりもずっと高くなり得る）ことを確実にするように、冷却される。底プレートの温度は、必要な場合には、チャネル内の液体を使用するか、または補助ヒータを使用するかのいずれかによって、制御され得る。動作中に、溶融金属まわりの雰囲気は、例えば、Ａｒ、Ｈｅ、または窒素などの不活性ガスで充填またはパージされた、シュラウド（shroud）（図示せず）を用いて制御されてもよい。チャネル構造２を流下する溶融金属は、通常は、溶融金属が液体から固体に転化しているサーマルアレスト（thermal arrest）の状態にある。チャネル構造２を流下する溶融金属は、チャネル構造２の一端から出て、図２に示される鋳型３のような鋳型中へと流出する。鋳型３は、キャビティ領域３ｂを部分的に包囲する、銅または鋼などの比較的高温材料で製作されて、溶融金属収納３を有する。鋳型３は、蓋３ｃを有することができる。図２に示された鋳型は、約５ｋｇのアルミニウム溶融体を保持することができる。本発明は、この重量容量に制限されるものではない。鋳型は、図２に示される形状に制限されるものではない。代替的な例においては、直径が約７．５ｃｍで、高さが６．３５ｃｍの円錐形インゴットを製造するために寸法決めされた銅鋳型が使用された。その他のサイズ、形状、および材料が、この鋳型に使用され得る。この鋳型は、固定式または移動式であり得る。

鋳型３は、ホイールバンド型連続金属鋳造機に使用される、米国特許第４２１１２７１号（この全内容は参照により本明細書に組み入れられる）に記載された鋳型の属性を有することができる。特に、その中に記載され、この発明の実施形態として応用可能なように、鋭い縁端または角張った縁端を有する、その他の鋳型形状に存在する、凝固応力によるコーナークラックを防止するように、鋳型幾何学形状を修正するために、コーナー充填デバイスまたは材料が、ホイールおよびバンドなどの鋳型部材と組み合わせて使用される。凝固パターンにおける所望の変化に応じて選択される、削摩材料（ablative material）、導電材料、または絶縁材料が、エンドレスバンドまたは鋳造ホイールなどの移動式鋳型部材とは独立に、またはそれに取り付けられて、鋳型中にのいずれかで導入されてもよい。

一動作モードにおいて、水ポンプ（図示せず）は、水をチャネル構造２中に圧送し、チャネル構造２から出る水は、溶融金属収納３の外側に吹き付ける。その他の動作モードにおいて、別個の冷却供給品が、チャネル構造２と溶融金属収納３とを冷却するのに使用される。その他の動作モードにおいては、水以外の流体が、冷却媒体に使用可能である。鋳型内で、金属が冷却して凝固体を形成し、通常、体積において収縮して、鋳型の側壁から放れる。

図２には示されていないが、連続鋳造プロセスにおいて、鋳型３は、回転ホイールの一部であり、溶融金属は、露出された端部を介して進入することによって鋳型３を充填することになる。そのような連続鋳造プロセスは、Ｃｈｉｓらへの米国特許第４０６６４７５号（この全内容は参照により本明細書に組み入れられる）に記載されている。例えば、本発明の一態様において、および図３Ａを参照すると、連続鋳造するステップは、その中に示された装置において実施可能である。その装置は、定常の不純物を含有する溶融銅金属を受け入れて、その金属を鋳込み口（pouring spout）１１へ送出する、送出デバイス１０を含む。鋳込み口は、溶融金属に超音波処理を与えて核生成部位を誘発するために、図１Ａ〜１Ｂに示されたチャネル構造２（またはこの明細書の別の場所に記載された他のチャネル構造）を、別個のアタッチメントとして含む（または、その構成要素をそれに一体化している）。

鋳込み口１１は、溶融金属を、回転鋳型リング１３（例えば、蓋３ｃ無しで図２に示された鋳型３）上に収納された、周辺溝へ誘導する。エンドレスで可撓性の金属バンド１４は、連続鋳造鋳型が、鋳型リング１３内の溝と、ポイントＡとポイントＢの間の金属バンド１４とによって画定されるように、鋳型リング１３の部分、ならびにバンド位置決めローラ１５の組の部分の両方を取り囲む。冷却システムは、装置を冷却して、回転鋳型リング１３上の溶融金属の移送中に、溶融金属の制御された凝固を促進するために設けられる。冷却システムは、鋳型リング１３の側部上に配置された複数のサイドヘッダ（side header）１７、１８、および１９と、それが鋳型リングを取り囲む場所において、金属バンド１４の内側および外側上にそれぞれ配置された、内側および外側のバンドヘッダ２１および２２とを含む。適当なバルブ装置を有する導管ネットワーク２４が、装置の冷却と、溶融金属の凝固速度とを制御するように、様々なヘッダに冷却剤を供給、排出するように接続されている。この種の装置のより詳細な表示と説明には、Ｗａｒｄらへの米国特許第３５９６７０２号（この全内容は参照により本明細書に組み入れられる）を参照することができる。

図３Ａは、また、その中に示された連続アルミニウム鋳造システムの様々な部分を制御する、コントローラ５００も示している。以下に詳細に考察されるように、コントローラ５００は、図３Ａに示された連続鋳造システムの動作を制御するためのプログラムされた命令を備える、１つまたは複数のプロセッサを含む。

そのような構築によって、溶融金属が、ポイントＡにおいて鋳込み口１１から、鋳造鋳型中に送給され、冷却システムを介する冷却剤の循環によって、ポイントＡとＢの間でのそれが移送される間に、凝固して、部分的に冷却される。すなわち、鋳造バーがポイントＢに到達する時間までに、それは、固体の鋳造バー２５の形態である。固体の鋳造バー２５は、鋳造ホイールから引き出されて、鋳造バーを圧延機２８へ運ぶコンベヤ２７へ送給される。ここで、ポイントＢにおいて、鋳造バー２５は、バーを凝固させるのに十分な量だけ冷却されて、バーは高温に留まり、それに対して即座の圧延動作を実行することを可能にする。圧延機２８は、バーを、実質的に均一で円形の横断面を有する、連続した長さのワイヤロッド３０に連続して圧延する、圧延スタンドの縦列配列を含むことができる。

図３Ｂは、本発明の一実施形態による、別の連続鋳造機の概略図である。図３Ｂは、連続ロッド（ＣＲ）システムの全体図を提示し、鋳込み口についての拡大図を示す挿入図を有する。図３Ｂに示されるＣＲシステムは、ホイールアンドベルト鋳造システムとして特徴づけられ、このシステムは、水冷銅鋳造ホイール５０と可撓性鋼バンド５２とを有する。本発明の一実施形態おいては、鋳造ホイール５０は、鋳造ホイールの外周内に溝（提示された図からは明白ではない）を有し、可撓性の鋼バンド５２は、鋳造ホイール５０まわりに約半分まで達して、鋳造溝を囲う。本発明の一実施形態おいては、鋳造溝と、鋳造溝を囲う可撓性鋼バンドが、鋳型キャビティ６０を形成する。本発明の一実施形態おいては、タンディッシュ（tundish）６２、鋳込み口６４、および計量デバイス６６が、ホイール５０が回転するときに、溶融アルミニウムを鋳造溝中に送出する。本発明の一実施形態おいては、離型剤および／または鋳型コーティングが、鋳込み点の直前に、ホイールおよび鋼バンドに塗布される。溶融金属は、通常、鋼バンド５２によって、凝固プロセスの完了まで、定位置に保持される。ホイールが回転するにつれて、アルミニウム（または鋳込まれた金属）は凝固する。凝固されたアルミニウムは、ストリッパシュー（stripper shoe）７０の助けで、ホイール５０から出る。次いで、ホイール５０が拭われて、新鮮な溶融アルミニウムの導入の前に、離型剤が再塗布される。

図３ＢのＣＲシステにおいて、鋳込み口は、溶融金属に超音波処理を与えて核生成部位を誘発するために、図１Ａ〜１Ｂに示されたチャネル構造２（またはこの明細書の別の場所に記載された他のチャネル構造）を、別個のアタッチメントとして含む（または、その構成要素をそれに一体化している）。

図３Ｂはまた、そこに示された、連続アルミニウム鋳造システムの様々な部分を（上記のように）制御する、コントローラ５００を示す。コントローラ５００は、図３Ｂに示された連続鋳造システムの動作を制御するプログラム化された命令を備える、１つまたは複数のプロセッサを含む。

上記のように、鋳型は、砂型鋳造、石膏型鋳造、シェルモールディング、インベスメント鋳造、永久型鋳造、金型鋳造、その他において使用されるように、固定式であり得る。以下では、アルミニウムについて記述されるが、本発明は、そのように限定はされず、銅、銀、金、マグネシウム、青銅、黄銅、スズ、鋼、鉄、およびそれらの合金などの、その他金属は、本発明の原理を利用することができる。さらに、金属マトリックス複合材は、鋳造物体における結果として得られる結晶粒径を制御するために、本発明の原理を利用することができる。
実証：
以下の実証は、本発明の有用性を示すものであり、そのような仕様が特許請求の範囲において使用されない限り、本発明を、以下に記載される特定の寸法、冷却条件、製造速度、および温度のいずれにも限定するものではない。

図１Ａ〜１Ｄに示されたチャネル構造と、図２における鋳型を使用して、本発明の結果が記録された。以下に注記されることを除き、チャネル構造は、約５２ｃｍ（すなわち、ほぼ液体冷却チャネル２ｃの長さ）の振動経路を構成するための、約５ｃｍ幅と５４ｃｍ長さの底プレート２ｂを有した。底プレートの厚さは、以下に注記されるように変動したが、鋼の底プレートに対しては、厚さは６．３５ｍｍであった。ここで使用された鋼合金は１０１０鋼であった。液体冷却チャネル２ｃの高さおよび幅は、それぞれ、約２ｃｍおよび４．５ｃｍであった。冷却流体は、室温近くで供給され、約２２〜２５リットル／分で流れる水であった。
１）結晶粒微細化剤無し、および超音波振動無し
図４Ａおよび４Ｂは、結晶粒微細化剤無し、および本発明の超音波振動無しで鋳込まれた、純アルミニウムインゴットのマクロ構造の描写である。鋳造されたサンプルは、それぞれ、１２３８°Ｆすなわち６７０℃（図４Ａ）および１２９２°Ｆすなわち７００℃（図４Ｂ）の鋳込み温度において形成された。鋳型は、凝固プロセス中にその上に水を吹き付けることによって冷却された。厚さ６．３５ｍｍの鋼チャネルが、図４Ａ〜４Ｄにおけるチャネル構造に使用された。図４Ｃおよび４Ｄは、結晶粒微細化剤無し、および本発明の超音波振動無しで鋳込まれた、純アルミニウムインゴットのマクロ構造の描写である。鋳造されたサンプルは、それぞれ、１３４６°Ｆすなわち７３０℃（図４Ｃ）および１４００°Ｆすなわち７６０℃（図４Ｄ）の鋳込み温度において形成された。鋳型は、凝固プロセス中に、その上に水を吹き付けることによって、再び冷却された。図４Ａ〜４Ｄにおいて、鋳込み速度は、約４０ｋｇ／ｍｉｎであった。

図５は、鋳込み温度（鋳造温度）の関数としての、測定された結晶粒径のプロットである。結晶粒は、柱状であって、中央結晶粒径が、鋳造温度に応じて、中央結晶粒径が１２ｍｍ超から１８ｍｍ超までの状態で、ｍｍから数十ｍｍの範囲の結晶粒径を有する、結晶を示す。
２）結晶粒微細化剤無し、および超音波振動有り
図６Ａ〜６Ｃは、結晶粒微細化剤無し、および本発明の超音波振動有りで鋳込まれた純アルミニウムインゴットのマクロ構造の描写である。鋳造されたサンプルは、それぞれ、１２５６°Ｆすなわち６８０℃（図６Ａ）、１２９２°Ｆすなわち７００℃（図６Ｂ）、および１３２８°Ｆすなわち７２０℃（図６Ｃ）の鋳込み温度において形成された。この鋳型は、凝固プロセス中に、その上に水を吹き付けることによって冷却された。６．３５ｍｍの厚さの鋼チャネルが、図６Ａ〜６Ｃに示されるサンプルを形成するために使用されたチャネル構造のために使用された。これらの例において、溶融アルミニウムは、上部表面上で約３５ｃｍの流動距離の間、鋼チャネル（５ｃｍ幅の底プレート）上を流れた。超音波振動プローブが、鋼チャネル構造の上側の下に設置され、溶融アルミニウムがそこから鋳込まれた、チャネル構造の端部から約７．５ｃｍに位置していた。図６Ａ〜６Ｃにおいて、鋳込み速度は、約４０ｋｇ／ｍｉｎであった。ウルトラソニックプローブ／ソノトロードは、Ｔｉ合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）製であった。周波数は２０ｋＨｚであり、超音波振動の強度は、最大振幅の５０％、約４０μｍであった。

図７は、鋳込み温度（または鋳造温度）の関数としての測定された結晶粒径のプロットである。結晶粒は、柱状であって、０．５ミクロン未満の結晶粒径を有する、結晶を示している。これらの結果は、本発明の超音波処理が、純金属の等軸結晶粒を生成することにおいて、Ｔｉｂｏｒ（チタンおよびボロン含有化合物）結晶粒微細化剤と、同等に有効であることを示す。Ｔｉｂｏｒ結晶粒微細化剤を有するサンプルについてのデータは、例えば、図１３を参照のこと。

さらに、本発明の効果は、さらに高い鋳込み速度に対しても実現された。上部表面上で約５２ｃｍの流動距離の間に、鋼チャネル（７．５ｃｍ幅底プレート）を横切って、７５ｋｇ／ｍｉｎの鋳込み速度を用いると、本発明の超音波処理は、純金属の等軸結晶粒を生成することにおいて、Ｔｉｂｏｒ結晶粒微細化剤と、やはり同等に有効であった。図８は、７５ｋｇ／ｍｉｎ鋳込み速度での、鋳込み温度（または鋳造温度）の関数としての、測定された結晶粒径のプロットである。

類似の実証が、６．３５ｍｍの厚さと、上記されたのと同じ横方向寸法を有する、銅底プレートを使用して行われた。図９は、７５ｋｇ／ｍｉｎ鋳込み速度下で、上述の銅チャネルを使用する場合の、鋳込み温度（または鋳造温度）の関数としての、測定された結晶粒径のプロットである。この結果は、結晶粒微細化効果は、鋳造温度が１２３８°Ｆすなわち６７０℃のときに、銅に対してより良好であることを示している。

類似の実証が、１．４ｍｍの厚さと、上記されたのと同じ横方向寸法を有する、ニオブ底プレートを使用して行われている。図１０は、７５ｋｇ／ｍｉｎ鋳込み速度下で、上述のニオブチャネルを使用する場合の、鋳込み温度（または鋳造温度）の関数としての、測定された結晶粒径のプロットである。この結果は、結晶粒微細化効果は、鋳造温度が１２３８°Ｆすなわち６７０℃のときに、ニオブに対してより良好であることを示している。

本発明の別の実証において、チャネル３の鋳込み端からのウルトラソニックプローブの変位を変化させると、結晶粒微細化剤の添加無しで、結晶粒径を変化させる方法が得られることがわかった。１３４６°Ｆすなわち７３０℃（図１１Ａ）および１４００°Ｆすなわち７６０℃（図１１Ｂ）の、それぞれの鋳込み温度において、上述のニオブプレートに対して、図１１Ａおよび１１Ｂは、鋳込み端からのウルトラソニックプローブの距離が７．５ｃｍから２２ｃｍの合計変位まで拡張されるときに、はるかに粗い結晶粒構造を示す。図１１Ｃおよび１１Ｄは、ウルトラソニックプローブ変位の影響に関するデータがそこから収集された、ウルトラソニックプローブの実験的位置決めおよび変位の概略図である。２３ｃｍ未満、またはさらに長い変位は、結晶粒径を低減するのに有効である。しかしながら、鋳込み温度に対するウィンドウ（すなわち、範囲）は、プローブ／ソノトロードの場所と金属鋳型の間の距離が増大するにつれて、減少する。本発明は、この範囲に限定されない。

図１２は、７５ｋｇ／ｍｉｎ鋳込み速度下で、上述のニオブチャネルを使用するが、鋳込み端からのウルトラソニックプローブの距離を、２２ｃｍの合計変位に拡張した場合の、鋳込み温度（または鋳造温度）の関数としての、測定された結晶粒径のプロットである。このプロットは、結晶粒径は、鋳込み温度によって大幅に影響されることを示している。結晶粒径は、鋳込み温度が約１３００°Ｆすなわち７０４℃より高いときに、はるかに大きく、部分的に柱状結晶を伴うのに対して、１２９２°Ｆすなわち７００℃未満の鋳込み温度によっては、結晶粒径は、他の条件とほぼ等価である。

さらに、より高い温度において、結晶粒微細化剤を使用すると、通常、より低い温度におけるよりも、より小さい結晶粒径を生じる。結晶粒径の標準偏差を、それぞれ、約１６９μｍおよび９５μｍとして、７６０℃において結晶粒微細化されたインゴットの平均結晶粒径は、３９７．７６μｍであり、これに対して、超音波処理されたインゴットの平均結晶粒径は４７５．８２μｍであり、超音波振動は、Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ結晶粒微細化剤よりも、より均一な結晶粒を生成したことを示している。

本発明の１つの特に魅力的な態様において、より低温度においては、超音波振動処理は、結晶粒微細化剤の添加よりも、より効果的である。

本発明の別の態様において、鋳込み温度は、超音波振動に供されたインゴットにおける結晶粒径の変化を制御するのに使用され得る。本発明者らは、結晶粒径は、鋳込み温度の低下とともに、低下することを観察した。本発明者らはまた、超音波振動を使用するとき、および溶融体が、鋳込まれている合金の液相線温度より上、１０℃以内の温度において鋳型に鋳込まれるときに、等軸結晶粒が発生することを観察した。

図１３Ａは、延長された走行端構成（running end configuration）の概略図である。図１３Ａの延長された走行端構成において、ニオブチャネルの走行端は、１．２５ｃｍから約１２．５ｃｍへ延長されており、ウルトラソニックプローブ位置は、チューブ端に対して７．５ｃｍから位置している。延長された走行端は、元の走行端にニオブプレートを追加することによって実現される。図１３Ｂは、ニオブチャネルを使用するときに、結果として生ずる結晶粒径に対する、鋳込み温度の影響を示すグラフである。実現された結晶粒径は、鋳込み温度が１２９２°Ｆすなわち７００℃未満のときには、より短い走行端と実質上、等価であった。

本発明は、超音波振動の使用を、単に上述のチャネル構造へ応用することに限定されるものではない。一般に、超音波振動は、溶融金属が溶融状態から冷却し始めて固体状態に入る（すなわち、サーマルアレスト状態に入る）、鋳造プロセスにおける点における核生成を誘発することができる。異なる視野で見ると、本発明は、様々な実施形態において、冷却表面に隣接する溶融金属が、合金の液相線温度に近くなるように、超音波振動と、熱管理とを組み合わせる。これらの実施形態において、超音波振動が核を生成して、冷却プレートの表面上に形成するデンドライトを分割する間に、冷却プレートの表面温度は、核生成および結晶成長（デンドライト形成）を誘発するのに十分に低い。
代替構成
したがって、本発明において、（上記のチャネル構造内に導入されたものの他にも）超音波振動は、液体冷却剤によって好ましくは鋳型入口に結合された超音波振動器によって、溶融金属の鋳型中への進入点において核生成を誘発するのに使用され得る。この選択肢は、固定式鋳型においてより魅力的である。鋳造構成（例えば、垂直鋳造による）によっては、この選択肢は、唯一の実際的な実現形態となることもある。

代替的に、または組合せで、超音波振動は、溶融金属をチャネル構造に供給するか、または溶融金属を鋳型に直接的に供給する樋において、核生成を誘発できる。前記のように、超音波振動器は、好ましくは、樋に結合され、したがって液体冷却剤を経由して溶融金属に加えられる。

さらに、固定式鋳型中、および上述の連続ロッド型鋳型中への鋳造における、本発明の超音波振動処理の使用の他に、本発明はまた、米国特許第４７３３７１７号（この全内容は参照により本明細書に組み入れられる）に記載された鋳造機においても有用性がある。（その特許から再生成された）図１４に示されるように、連続鋳造−熱間形成システム１１０は、鋳造機１１２を含み、この鋳造機１１２は、周辺溝をその中に有する、鋳造ホイール１１４と、複数の案内ホイール１１７によって担持される可撓性バンド１１６とをさらに含み、案内ホイール１１７は、鋳造ホイール１１４の周囲の周辺溝を覆うとともに、バンド１１６と鋳造ホイール１１４の間に鋳型を形成するように、鋳造ホイール１１４に対向して可撓性バンド１１６を偏奇させる。溶融金属が、鋳込み口１１９を通り鋳型中に鋳込まれるときに、鋳造ホイール１１４が回転され、バンド１１６が鋳造ホイール１１４とともに移動して、移動鋳型を形成する。鋳込み口１１９は、溶融金属に超音波処理を与えて核生成部位を誘発するために、図１Ａ〜１Ｂに示されたチャネル構造２（またはこの明細書の他の場所に記載された他のチャネル構造）を、別個のアタッチメントとして含む（または、その構成要素をそれに一体化している）。

鋳造機１１２の冷却システム１１５は、溶融金属を、鋳型内で均一に凝固させて、鋳造ホイール１１４から鋳造バー１２０として出させる。

鋳造機１１２から、鋳造バー１２０が加熱手段１２１を通過する。加熱手段１２１は、バー１２０温度を、正常な鋳造温度から、約１７００°Ｆすなわち９２７℃から約１７５０°Ｆすなわち９５４℃までの熱間形成温度まで上げるための予熱機として機能する。予熱の直後に、バー１２０は、従来型圧延機１２４に通され、この圧延機は、圧延スタンド１２５、１２６、１２７および１２８を含む。圧延機１２４の圧延スタンドは、バーが所望の横断面サイズと形状まで低減されるまで、予熱されたバーを順番に圧縮することによって、鋳造バーの１次熱間形成を行う。

図１４はまた、そこに示された連続鋳造システムの様々な部分を制御する、コントローラ５００を示す。以下で詳細に考察されるように、コントローラ５００は、図１４に示された連続銅鋳造システムの動作を制御するための、プログラム化された命令を備える、１つまたは複数のプロセッサを含む。

さらに、固定式鋳型中、および上述の連続ホイール型鋳造システム中への鋳造における、本発明の超音波振動処理の使用に加えて、本発明はまた、垂直鋳造機においても有用性がある。

図１５は、垂直鋳造機の選択された構成要素を示す。これらの構成要素のさらなる詳細および垂直鋳造機のその他の態様は、米国特許第３５２０３５２号（この全内容は参照により本明細書に組み入れられる）に見られる。図１５に示されるように、垂直鋳造機は、図示された実施形態において概して四角形であるが、丸形、楕円、多角形またはその他任意の好適な形状であってもよく、垂直の相互に交差する第１の壁部２１５と、鋳型の頂部に位置する第２の壁部またはコーナー壁部２１７によって画定される、溶融金属鋳造キャビティ２１３を含む。流体保持外囲体（fluid retentive envelope）２１９が、鋳造キャビティの壁２１５とコーナー壁部２１７を、それらに対して間隔を空けて包囲する。外囲体２１９は、入口導管２２１を介して、水などの冷却流体を受け入れるとともに、出口導管２２３を介して、冷却流体を排出するように適合されている。

第１の壁部２１５が、好ましくは、銅などの高度な熱伝導性材料で製作されるのに対して、第２の壁部またはコーナー壁部２１７は、例えば、セラミック材料などの、より低い熱伝導性材料で構築される。図１５に示されるように、コーナー壁部２１７は、概してＬ形または角形の横断面を有し、各コーナーの垂直縁辺は、下方に、互いに収束するように傾斜している。すなわち、コーナー部材２１７は、横断断面間にある鋳型の排出端の上方の鋳型における、ある便宜なレベルにおいて終端する。

動作に際して、溶融金属は、タンディッシュから、垂直方向に往復運動する鋳造鋳型に流入し、鋳造された金属のストランド（strand）が、鋳型から連続的に引き抜かれる。溶融金属は、第１の冷却ゾーンとも考えられるものの中で、より低温の鋳型壁と接触すると、鋳型内で最初に冷やされる。熱は、このゾーン内で溶融金属から急速に除去されて、材料の皮膜が、溶融金属の中央プールのまわりに完全に形成すると考えられる。

本発明において、溶融金属を溶融金属鋳造キャビティ２１３へ移送するために、チャネル構造２（または図１に示されるものと類似の構造）が、鋳込みデバイスの一部として設けられ得る。この構成において、そのウルトラソニックプローブを備えるチャネル構造２は、核生成部位を誘発するために、溶融金属に超音波処理を与えることになる。

代替的な構成において、ウルトラソニックプローブは、流体保持外囲体２１９に関係して、好ましくは流体保持外囲体２１９内で循環する冷却媒体中に配置される。前記のように。超音波振動は、鋳造された金属のストランドが金属鋳造キャビティ２１３から連続的に引き抜かれるときに、例えば、溶融金属が液体から固体に転化している、それのサーマルアレスト状態において、溶融金属内に核生成を誘発できる。
熱管理
上記のように、本発明の一態様においては、金属および金属合金における結晶粒を良好に微細化するとともに、より均一な凝固を生成するために、ウルトラソニックプローブからの超音波振動が液体媒体に加えられる。超音波振動は、好ましくは、仲介する液体冷却媒体を介して、液体金属へ伝達される。

いかなる特定の動作理論にも限定はされないが、以下の考察は、超音波結合に影響を与える因子のいくつかについて説明する。

冷却液体流は、冷却プレートに隣接する金属を過冷却するのに（合金の液相線温度の上、５〜１０℃未満、または液相線温度よりわずかに下）、十分な速度で供給されるのが好ましい。すなわち、本発明の１つの特性は、これらの冷却プレート条件と超音波振動とを使用して、大量の金属の結晶粒径を低減する。結晶粒微細化のために超音波振動を使用する従来の技法は、短い鋳造時間において、少量の金属に対してのみ機能した。冷却システムの使用は、この発明が、長時間にわたり大量の金属に対して、またはさもなければ連続鋳造に対して、使用され得ることを確実にする。

一実施形態において、冷却媒体の流量は、好ましくは、必須ではないが、底プレートを通過して、冷却チャネルの壁に入る熱流量（heat rate）が、超音波の印加を破壊する可能性のある水蒸気ポケットを生成するのを防止するのに十分である。

溶融金属から冷却チャネル中への温度フラックスの一考察において、底プレートは、（その厚さおよび構築の材料の設計を介して）、溶融金属温度から冷却水温度までの温度低下の大部分をサポートするように設計されてもよい。例えば、底プレートの厚さを横切る温度低下は、数１００℃に過ぎない場合には、残りの温度低下は、水／水蒸気界面を横切って存在し、超音波の印加を悪化させる可能性がある。

さらに、上記のように、チャネル構造の底プレート２ｂは、液体媒体通路２ｃの壁に取り付け可能であって、これらの２つの要素に異なる材料が使用されることを可能にする。この設計考慮において、温度低下を好適に分布させるのに、異なる熱伝導率の材料が使用され得る。さらに、液体媒体通路２ｃの横断面形状および／または液体媒体通路２ｃの内部壁の表面仕上げは、気相界面の成長なしに、冷却媒体中への熱交換を促進するように、調節され得る。例えば、意図的な表面突起は、その温度が液体温度のわずかだけ上である、表面上の離散点から生じる、加熱表面上の泡の成長によって特徴づけられる、核沸騰を促進するために、液体媒体通路２ｃの内部壁上に設けられ得る。
金属製品
本発明の一態様において、鋳造金属組成物を含む、製品は、結晶粒微細化剤を必要とすることなく、なおサブミリメートル結晶粒径を有して、製作され得る。したがって、鋳造金属組成物は、結晶粒微細化剤を含む組成物を５％未満によって製作可能であって、なおサブミリメートル結晶粒径を得ることができる。鋳造金属組成物は、結晶粒微細化剤を含む、２％未満の組成物によって製作可能であって、なおサブミリメートル結晶粒径を得ることができる。鋳造金属組成物は、結晶粒微細化剤を含む１％未満の組成物によって製作可能であって、なおサブミリメートル結晶粒径を得ることができる。好ましい組成物において、結晶粒微細化剤は、０．５％未満、または０．２％未満、または０．１％未満である。鋳造金属組成物は、結晶粒微細化剤を含まない組成物で製作可能であって、なおサブミリメートル結晶粒径を得ることができる。

鋳造金属組成物は、純金属または合金金属の構成成分、鋳込み速度、鋳込み温度、冷却速度を含む、ある数の因子に応じて、様々なサブミリメートル結晶粒径を有することができる。本発明に利用可能な結晶粒径のリストは、以下を含む。アルミニウムおよびアルミニウム合金に対して、結晶粒径は、２００から９００ミクロン、または３００から８００ミクロン、または４００から７００ミクロン、または５００から６００ミクロンの範囲である。銅または銅合金に対して、結晶粒径は、２００から９００ミクロン、または３００から８００ミクロン、または４００から７００ミクロン、または５００から６００ミクロンの範囲である。金、銀、またはスズ、あるいはそれらの合金に対して、結晶粒径は、２００から９００ミクロン、または３００から８００ミクロン、または４００から７００ミクロン、または５００から６００ミクロンの範囲である。マグネシウムまたはマグネシウム合金に対して、結晶粒径は、２００から９００ミクロン、または３００から８００ミクロン、または４００から７００ミクロン、または５００から６００ミクロンの範囲である。範囲で与えられたが、本発明は中間値も可能である。本発明の一態様において、少ない濃度（５％未満）の結晶粒微細化剤を添加して、結晶粒径を１００から５００ミクロンの間の値までさらに低減してもよい。鋳造金属組成物としては、アルミニウム、銅、マグネシウム、亜鉛、鉛、金、銀、スズ、青銅、黄銅、およびそれらの合金を挙げることができる。

鋳造金属組成物は、バー材、ロッド材、シート材、ワイヤ、ビレット、およびペレットとして引き抜きまたは、その他の方法で形成され得る。
コンピュータ化制御
図３Ａ、３Ｂおよび１４におけるコントローラ５００は、図１６に示されたコンピュータシステム１２０１によって実現され得る。コンピュータシステム１２０１は、上記された鋳造システム、またはその他の任意の鋳造システムまたは本発明の超音波処理を利用する装置、を制御するコントローラ５００として使用され得る。図３Ａ、３Ｂ、および１４において１つのコントローラとして単数で示されているが、コントローラ５００は、互いに通信する、および／または特定の制御機能に専用化された、個々で別々のプロセッサを含んでもよい。

特に、コントローラ５００は、図１７におけるフローチャートで示された機能を実行する制御アルゴリズムで特有にプログラムされ得る。

図１７は、その要素が、コンピュータ可読媒体、あるいは以下で考察されるデータ記憶デバイスの１つにプログラムされ得るか、または記憶され得る、フローチャートを示す。図１７のフローチャートは、金属製品内に核生成部位を誘発するための本発明の方法を示す。ステップ要素１７０２において、プログラムされた要素は、溶融金属収納構造の縦方向の長さにそって、金属が液体から固体に転化している、サーマルアレストの状態で、溶融金属を移送する動作を命令する。ステップ要素１７０４において、プログラムされた要素は、冷却チャネルを通り液体媒体を通過させることによって、溶融金属収納構造を冷却する動作を命令する。ステップ要素１７０６において、プログラムされた要素は、超音波を、冷却チャネル内の体媒体を介してに、および溶融金属収納構造を介して溶融金属中に加える動作を命令する。この要素においては、超音波は、上記で考察されたように、溶融金属内に核生成部位を誘発させる、周波数および電力を有することになる。

溶融金属温度、鋳込み速度、冷却チャネル通路を通る冷却流、および鋳型冷却などの要素、およびミルを通す鋳造製品の制御と引き抜きに関する要素は、標準ソフトウェア言語（以下で考察される）でプログラムされて、金属製品に核生成部位を誘発するための本発明の方法を適用する命令を収納する、専用プロセッサを製造する。

より具体的には、図１６に示されるコンピュータシステム１２０１は、バス１２０２または情報を伝えるためのその他の通信機構と、情報を処理するためにバス１２０２と結合されたプロセッサ１２０３とを含む。コンピュータシステム１２０１はまた、情報と、プロセッサ１２０３によって実行しようとする命令とを記憶するために、バス１２０２に結合された、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）またはその他のダイヤミック記憶デバイス（例えば、ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）、スタティックＲＡＭ（ＳＲＡＭ）、および同期ＤＲＡＭ（ＳＤＲＡＭ））、などのメインメモリ１２０４を含む。さらに、メインメモリ１２０４は、プロセッサ１２０３による命令の実行中に、一時的な変数またはその他の中間情報を記憶するために使用されてもよい。コンピュータシステム１２０１は、プロセッサ１２０３に対する静的情報および命令を記憶するために、バス１２０２に結合された、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）１２０５またはその他のスタティック記憶デバイス（例えば、プログラマブル読取り専用メモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能ＰＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、および電気的に消去可能ＰＲＯＭ（（ＲＯＭ））をさらに含む。

コンピュータシステム１２０１はまた、磁気ハードディスク１２０７、およびリムーバブルメディアドライブ１２０８（例えば、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ、読取り専用コンパクトディスクドライブ、読取り／書込みコンパクトディスクドライブ、コンパクトディスクジュークボックス、テープドライブ、およびリムーバブル光磁気ドライブ）などの、情報および命令を記憶するための１つまたは複数の記憶デバイスを制御するための、バス１２０２に結合された、ディスクコントローラ１２０６も含む。記憶デバイスは、適当なデバイスインターフェース（例えば、スモールコンピュータシステムインターフェース（ＳＣＳＩ）、インテグレイテッドデバイスエレクトロニクス（ＩＤＥ：integrated device electronics）、エンハンストＩＤＥ（Ｅ−ＩＤＥ）、ダイレクトメモリアクセス（ＤＭＡ）、またはウルトラＤＭＡ）を使用して、コンピュータシステム１２０１に追加されてもよい。

コンピュータシステム１２０１はまた、専用ロジックデバイス（例えば、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ））または構成可能ロジックデバイス（例えば、シンプルプログラマブルロジックデバイス（ＳＰＬＤ）、コンプレックスプログラマブルロジックデバイス（ＣＰＬＤ）、およびフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ））を含んでもよい。

コンピュータシステム１２０１は、コンピュータユーザに情報を表示するための、カソードレイチューブ（ＣＲＴ）などの、ディスプレイを制御するためにバス１２０２に結合された、ディスプレイコントローラ１２０９も含んでもよい。コンピュータシステムは、コンピュータユーザ（例えば、コントローラ５００とインターフェースするユーザ）と対話して、プロセッサ１２０３に情報を提供するための、キーボードおよびポインティングデバイスなどの入力デバイスを含む。

コンピュータシステム１２０１は、プロセッサ１２０３がメインメモリ１２０４などのメモリに収納された１つまたは複数の列の１つまたは複数の命令を実行するのに応答して、（例えば、サーマルアレストの状態で液体金属に振動エネルギーを供給することに関して記載されたものなどの、）本発明の処理ステップの部分または全部を実行する。そのような命令は、ハードディスク１２０７またはリムーバブルメディアドライブ１２０８などの、別のコンピュータ可読媒体からメインメモリ１２０４中に読み込まれてもよい。マルチプロセッシング配設における１つまたは複数のプロセッサも、メインメモリ１２０４に収納された命令の列を実行するのに使用されてもよい。代替的な実施形態においては、ハードワイヤ回路が、ソフトウェア命令の代わりに、またはそれと組み合わせて使用されてもよい。すなわち、実施形態は、ハードウェア回路とソフトウェアのいかなる特定の組合せにも限定されない。

上述のように、コンピュータシステム１２０１は、本発明の教示に従ってプログラムされた命令を保持するため、および本明細書に記載されたデータ構造、テーブル、記録、またはその他のデータを収納するための、少なくとも１つのコンピュータ可読媒体またはメモリを含む。コンピュータ可読媒体の例としては、コンパクトディスク、ハードディスク、フロッピーディスク、テープ、光磁気ディスク、ＰＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）、フラッシュＥＰＲＯＭ）、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、またはその他の任意の磁気媒体、コンパクトディスク（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ）、またはその他の任意の光学媒体、またはその他の物理的媒体、搬送波（後述）、またはコンピュータがそれから読み取ることのできる、その他任意の媒体がある。

コンピュータ可読媒体のいずれか１つ、またはその組合せに記憶されて、本発明は、コンピュータシステム１２０１を制御し、本発明を実現するためのデバイスを駆動し、コンピュータシステム１２０１が人間ユーザと対話することを可能にするための、ソフトウェアを含む。そのようなソフトウェアとしては、それに限定はされないが、デバイスドライバ、オペレ−ティングシステム、開発ツール、およびアプリケーションソフトウェアが挙げられる。そのようなコンピュータ可読媒体としては、本発明を実現する際に実行される処理の全部または（処理が分散されている場合には）その一部分を実行するための、本発明のコンピュータプログラムプロダクトがさらに挙げられる。

本発明のコンピュータコードデバイスは、それには限定されないが、スクリプト、解釈可能プログラム、ダイナミックリンクライブラリ（ＤＬＬ）、Ｊａｖａ（登録商標）クラス、および完全実行可能プログラムを含む、任意の解釈可能または実行可能なコードメカニズムであってもよい。さらに、本発明の処理の部分は、性能、信頼性、および／またはコストを向上させるために分散されてもよい。

本明細書において使用されるときには、用語「コンピュータ可読媒体」は、実行のためにプロセッサ１２０３に命令を与えることに参加する、任意の媒体を指す。コンピュータ可読媒体は、それに限定はされないが、不揮発性媒体、揮発性媒体、および伝送媒体を含む、多数の形態をとることができる。不揮発媒体としては、例えば、光学式、磁気式ディスク、およびハードディスク１２０７などの光磁気ディスク、またはリムーバブルメディアドライブ１２０８が挙げられる。揮発性媒体としては、メインメモリ１２０４のような、ダイナミックメモリが挙げられる。伝送媒体としては、バス１２０２を構成するワイヤを含む、同軸ケーブル、銅線および光ファイバが挙げられる。伝送媒体はまた、電波通信および赤外線データ通信中に発生されるものなどの、音響波または光波の形態をとることもできる。

コンピュータシステム１２０１はまた、バス１２０２に結合された通信インターフェース１２１３を含むことができる。通信インターフェース１２１３は、例えばローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）１２１５、またはインターネットなどの別の通信ネットワーク１２１６に接続された、ネットワークリンク１２１４に結合する、双方向データ通信を提供する。例えば、通信インターフェース１２１３は、任意のパケット交換ＬＡＮに取り付けるためのネットワークインターフェースカードであってもよい。別の例として、通信インターフェース１２１３は、非対称デジタル加入者回線（ＡＤＳＬ）カード、統合サービスデジタルネットワーク（ＩＳＤＮ）カード、または対応するタイプの通信回線へのデータ通信接続を提供するモデムであってもよい。ワイヤレスリンクも実装され得る。任意のそのような実装では、通信インターフェース１２１３は、様々なタイプの情報を表すデジタルデータストリームを搬送する電気信号、電磁信号、または光信号を送受信する。

ネットワークリンク１２１４は、通常、１つまたは複数のネットワークを介して他のデータデバイスへのデータ通信を提供する。例えば、ネットワークリンク１２１４は、ローカルネットワーク１２１５（例えば、ＬＡＮ）を介して、または通信ネットワーク１２１６を介して通信サービスを提供するサービスプロバイダによって運用される機器を介して、別のコンピュータへの接続を提供できる。一実施形態においては、この機能によって、本発明は、工場全体の自動化または品質管理などの目的で、上述した複数のコントローラ５００をネットワーク接続することが可能になる。ローカルネットワーク１２１４および通信ネットワーク１２１６は、例えば、デジタルデータストリームを搬送する電気信号、電磁信号または光信号、および関連する物理層（例えば、ＣＡＴ５ケーブル、同軸ケーブル、光ファイバなど）を使用する。コンピュータシステム１２０１との間でデジタルデータを搬送する、様々なネットワークを介する信号、およびネットワークリンク１２１４上で、通信インターフェース１２１３を介する信号は、ベースバンド信号または搬送波ベース信号で実現されてもよい。ベースバンド信号は、デジタルデータビットのストリームを記述する変調されていない電気パルスとしてデジタルデータを伝え、この場合に、用語「ビット」は、シンボルを意味すると広義に解釈され、各シンボルは少なくとも１つまたは複数の情報ビットを伝える。デジタルデータは、伝導性媒体上を伝播されるか、または伝播媒体を介して電磁波として伝達される、振幅、位相および／または周波数でシフトキーイングされた信号によるなどで、搬送波を変調するために使用されてもよい。したがって、デジタルデータは、「有線」通信チャネルを介して変調されていないベースバンドデータとして送られるとともに／または搬送波を変調することによって、ベースバンドとは異なる、所定の周波数帯域内で送られる。コンピュータシステム１２０１は、ネットワーク１２１５および１２１６、ネットワークリンク１２１４、および通信インターフェース１２１３を介して、プログラムコードを含むデータを送信および受信することができる。さらに、ネットワークリンク１２１４は、ＬＡＮ１２１５を介して、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）ラップトップコンピュータまたは携帯電話などの、モバイルデバイス１２１７への接続を行ってもよい。
本発明の一般化されたステートメント
本発明の以下のステートメントは、本発明の１つまたは複数の特徴づけを行う、本発明の範囲を限定するものではない。

ステートメント１．その縦方向の長さに沿って溶融金属を受け入れて移送するための、溶融金属収納構造と、その中に液体媒体を通過させるための冷却チャネルを含む、収納構造用の冷却ユニットと、超音波が冷却チャネル内の液体媒体を介し、および溶融金属収納構造を介して、溶融金属中に加えられるように、冷却チャネルに対して配置されたウルトラソニックプローブと、を備える溶融金属処理デバイス。

ステートメント２．冷却チャネルが、冷却チャネルに隣接する溶融金属を、下位液相線温度（合金の液相線温度より上であって、５〜１０℃より低いか、またはそれ未満のいずれか、あるいは液相線温度より低い温度）まで冷却する、ステートメント１のデバイス。溶融金属と接触する冷却チャネルの壁厚は、冷却チャネルがチャネルに隣接する溶融金属をその温度範囲に実際に冷却できることを確実にするのに、十分に薄くなければならない。
ステートメント３．冷却チャネルが、水、ガス、液体金属、およびエンジン油の少なくとも１種を含む、ステートメント１のデバイス。

ステートメント４．収納構造が、溶融金属を収納する側壁と、溶融金属を支持する底プレートとを備えるステートメント１のデバイス。
ステートメント５．底プレートが、銅、鉄もしくは鋼、ニオブ、またはニオブの合金の少なくとも１種を含む、ステートメント４のデバイス。
ステートメント６．底プレートがセラミックを含む、ステートメント４のデバイス。
ステートメント７．セラミックが窒化ケイ素セラミックを含む、ステートメント６のデバイス。
ステートメント８．窒化ケイ素セラミックがサイアロン（sialon）を含む、ステートメント７のデバイス。
ステートメント９．側壁および底プレートが一体化ユニットを形成する、ステートメント４のデバイス。
ステートメント１０．側壁および底プレートが、異なる材料の異なるプレートを含む、ステートメント４のデバイス。
ステートメント１１．側壁および底プレートが、同じ材料の異なるプレートを含む、ステートメント４のデバイス。

ステートメント１２．ウルトラソニックプローブが、冷却チャネル内で、接触構造の上流端よりも接触構造の下流端に近く配置されている、ステートメント１のデイバス。

ステートメント１３．収納構造がニオブ構造を含む、ステートメント１に記載のデバイス。
ステートメント１４．収納構造が銅構造を含む、ステートメント１に記載のデバイス。
ステートメント１５．収納構造が鋼構造を含む、ステートメント１に記載のデバイス。
ステートメント１６．収納構造がセラミックを含む、ステートメント１に記載のデバイス。

ステートメント１７．セラミックが窒化ケイ素セラミックを含む、ステートメント１６のデバイス。
ステートメント１８．窒化ケイ素セラミックが、サイアロンを含む、ステートメント１７のデバイス。
ステートメント１９．収納構造が、溶融金属の融点よりも高い融点を有する材料を含む、ステートメント１のデバイス。
ステートメント２０．収納構造が、支持体の材料と異なる材料を含む、ステートメント１のデバイス。
ステートメント２１．収納構造が、前記核生成部位を有する前記溶融金属を鋳型中に送出する構成を有する、下流端を含む、ステートメント１のデバイス。

ステートメント２２．鋳型が鋳造ホイール鋳型を含む、ステートメント２１のデバイス。
ステートメント２３．鋳型が垂直鋳造鋳型を含む、ステートメント２１のデバイス。
ステートメント２４．鋳型が固定式鋳型を含む、ステートメント２１のデバイス。

ステートメント２５．収納構造が金属材料または耐熱材料を含む、ステートメント１のデバイス。
ステートメント２６．金属材料が、銅、ニオブ、ニオブおよびモリブデン、タンタル、タングステン、およびレニウム、ならびにそれらの合金の少なくとも１種を含む、ステートメント２５のデバイス。
ステートメント２７．耐熱材料が、ケイ素、酸素、または窒素の１種または複数種を含む、ステートメント２６のデバイス。
ステートメント２８．金属材料が鋼合金を含む、ステートメント２５のデバイス。

ステートメント２９．ウルトラソニックプローブが、５から４０ｋＨｚの間の動作周波数を有する、ステートメント１のデバイス。

ステートメント３０．溶融金属収納構造の縦方向の長さに沿って溶融金属を移送することと、溶融金属収納構造に熱的に結合された冷却チャネルを通り媒体を通過させることによって、溶融金属収納構造を冷却することと、超音波を、冷却チャネル内の媒体を介して、および溶融金属収納構造を介して、溶融金属中に加えることとを含む、金属製品を形成する方法。

ステートメント３１．溶融金属を移送することが、溶融金属を収納する側壁と、溶融金属を支持する底プレートとを有する前記収納構造内の溶融金属を移送することを含む、ステートメント３０の方法。

ステートメント３２．側壁および底プレートが、一体化ユニットを形成する、ステートメント３１の方法。
ステートメント３３．側壁および底プレートが、異なる材料の異なるプレートを含む、ステートメント３１の方法。
ステートメント３４．側壁および底プレートが、同じ材料の異なるプレートを含む、ステートメント３１の方法。

ステートメント３５．超音波を加えることが、冷却チャネルにおいて接触構造の上流端よりも接触構造の下流端に近く配置されている、ウルトラソニックプローブからの前記超音波を加えることを含む、ステートメント３０の方法。

ステートメント３６．溶融金属を移送することが、ニオブ収納構造内の溶融金属を移送することを含む、ステートメント３０の方法。
ステートメント３７．溶融金属を移送することが、銅接触構造内の溶融金属を移送することを含む、ステートメント３０の方法。ステートメント３８．溶融金属を移送することが、銅収納構造内の溶融金属を移送することを含む、ステートメント３０の方法。
ステートメント３９．溶融金属を移送することが、溶融金属の融点よりも高い融点を有する材料を含む構造内の溶融金属を移送することを含む、ステートメント３０の方法。

ステートメント４０．溶融金属を移送することが、前記溶融金属を鋳型中に送出することを含む、ステートメント３０の方法。
ステートメント４１．溶融金属を移送することが、前記核生成部位を有する前記溶融金属を鋳型中に送出することを含む、ステートメント４０の方法。
ステートメント４２．溶融金属を移送することが、前記核生成部位を有する前記溶融金属を、鋳造ホイール鋳型中に送出することを含む、ステートメント４１の方法。
ステートメント４３．溶融金属を移送することが、前記核生成部位を有する前記溶融金属を、固定式鋳型中に送出することを含む、ステートメント４１の方法。
ステートメント４４．溶融金属を移送することが、前記核生成部位を有する前記溶融金属を、垂直鋳造鋳型中に送出することを含む、ステートメント４１の方法。

ステートメント４５．超音波を加えることが、前記５から４０ｋＨｚの間の周波数を有する前記超音波を加えることを含む、ステートメント３０の方法。
ステートメント４６．超音波を加えることが、前記１０から３０ｋＨｚの間の周波数を有する前記超音波を加えることを含む、ステートメント３０の方法。
ステートメント４７．超音波を加えることが、前記１５から２５ｋＨｚの間の周波数を有する前記超音波を加えることを含む、ステートメント３０の方法。
ステートメント４８．結晶粒微細化剤を含む組成物を５％未満で、サブミリメートル結集粒径を有する、鋳造金属組成物を製造するために、溶融金属を凝固させることをさらに含む、ステートメント３０の方法。
ステートメント４９．凝固させることが、前記結晶粒微細化剤を含む組成物を１％未満で、前記鋳造金属組成物を製造することを含む、ステートメント４８の方法。

ステートメント５０．ステートメント１〜２９のいずれか１つの溶融金属処理デバイスと、データ入力および制御出力を含むとともに、ステートメント３０から４９に記載されたステップ要素のいずれか１つの動作を可能にする、制御アルゴリズムでプログラムされている、コントローラとを備える、金属製品を形成するためのシステム。

ステートメント５１．サブミリメートル結晶粒径を有し、その中に０．５％未満の結集粒微細化剤を含む、鋳造金属組成物を含む、（またはそれで形成された）金属製品。
ステートメント５２．組成物が、その中に０．２％未満の結晶粒微細化剤を含む、ステートメント５１の製品。
ステートメント５３．組成物が、その中に０．１％未満の結晶粒微細化剤を含む、ステートメント５１の製品。
ステートメント５４．組成物が、その中に結晶粒微細化剤を含まない、ステートメント５１の製品。
ステートメント５５．組成物が、アルミニウム、銅、マグネシウム、亜鉛、鉛、金、銀、スズ、青銅、黄銅、およびそれらの合金のうちの少なくとも１種を含む、ステートメント５１の製品。
ステートメント５６．製品が、本明細書において鋳造材料から形成されて、５％未満の結晶粒微細化剤を含む、製品であると定義された鋳造後製品となるように、組成物が、バー材、ロッド材、シート材、ワイヤ、ビレット、およびペレットの少なくとも１種として形成される、ステートメント５１の製品。好ましい実施形態において、鋳造後製品は、等軸結晶粒を有することになる。好ましい実施形態においては、鋳造後製品は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金鋳物において、１００から５００ミクロン、２００から９００ミクロン、または３００から８００ミクロン、または４００から７００ミクロン、または５００から６００ミクロンの間の結晶粒径を有することになる。銅および銅合金に対して、結晶粒径は、１００から５００ミクロン、２００から９００ミクロン、または３００から８００ミクロン、または４００から７００ミクロン、または５００から６００ミクロンの範囲である。金、銀、またはスズあるいはそれらの合金に対して、結晶粒径は、１００から５００ミクロン、２００から９００ミクロン、または３００から８００ミクロン、または４００から７００ミクロン、または５００から６００ミクロンの範囲である。マグネシウムまたはおよびマグネシウム合金に対して、結晶粒径は、１００から５００ミクロン、２００から９００ミクロン、または３００から８００ミクロン、または４００から７００ミクロン、または５００から６００ミクロンの範囲である。

ステートメント５７．サブミリメートル結晶粒径を有し、その中に５％未満の結晶粒微細化剤を含む、アルミニウム鋳造金属組成物を含む（またはそれから形成された）、アルミニウム製品。
ステートメント５８．組成物が、その中に２％未満の結晶粒微細化剤を含む、ステートメント５７の製品。
ステートメント５９．組成物が、その中に１％未満の結晶粒微細化剤を含む、ステートメント５７の製品。
ステートメント６０．組成物が、その中に結晶粒微細化剤を含まない、ステートメント５７の製品。製品が本明細書において鋳造材料から形成されて、５％未満の結晶粒微細化剤を含む、製品であると定義された鋳造後製品となるように、ステートメント５７の製品は、バー材、ロッド材、シート材、ワイヤ、ビレット、およびペレットの少なくとも１種としても形成され得る。好ましい実施形態においては、鋳造後アルミニウム製品は、等軸結晶粒を有することになる。好ましい実施形態においては、 鋳造後製品は、１００から５００ミクロン、２００から９００ミクロン、または３００から８００ミクロン、または４００から７００ミクロン、または５００から６００ミクロンの間の結晶粒径を有することになる。

ステートメント６１．１）溶融金属収納構造の縦方向の長さに沿って溶融金属を移送するための手段と、２）溶融金属収納構造に熱的に結合された冷却チャネルを通り媒体を通過させることによって、溶融金属収納構造を冷却するための手段と、３）超音波を、冷却チャネル内の媒体を介して、および溶融金属収納構造を介して、溶融金属中に加えるための手段と、４）データ入力および制御出力を含むとともに、ステートメント３０〜４９の記載のステップ要素のいずれか１つの動作を可能にする、制御アルゴリズムでプログラムされている、コントローラとを備える、金属製品を形成するためのシステム。

上記の教示に照らせば、本発明の多数の修正形態および変形形態が可能である。したがって、添付の特許請求項の範囲内において、本発明は、本明細書において具体的に記載されたのと異なる方法で実施されてもよいことが理解されるべきである。

ここに、出願当初の特許請求の範囲の記載事項を付記する。
［１］ その縦方向の長さに沿って溶融金属を受け入れて移送するための、溶融金属収納構造と、
その中に液体媒体を通過させるための冷却チャネルを含む、前記収納構造用の冷却ユニットと、
超音波が前記冷却チャネル内の前記液体媒体を介し、および前記溶融金属収納構造を介して、前記溶融金属中に加えられるように、前記冷却チャネルに対して配置されたウルトラソニックプローブと、
を備える、溶融金属処理デバイス。
［２］ 前記冷却チャネルが、前記冷却チャネルに隣接する前記溶融金属が下位液相線温度に到達するように、前記溶融金属を冷却する、［１］に記載のデバイス。
［３］ 前記収納構造が、前記溶融金属を収納する側壁と、前記溶融金属に接触する底プレートとを備える、［１］に記載のデバイス。
［４］ 前記底プレートが、ニオブ、またはニオブの合金の少なくとも一方を含む、［３］に記載のデバイス。
［５］ 前記底プレートがセラミックを含む、［３］に記載のデバイス。
［６］ 前記セラミックが、窒化ケイ素セラミックを含む、［５］に記載のデバイス。
［７］ 前記窒化ケイ素セラミックが、サイアロンを含む、［６］に記載のデバイス。
［８］ 前記側壁および前記底プレートが、異なる材料の異なるプレートを含む、［３］に記載のデバイス。
［９］ 前記ウルトラソニックプローブが、前記冷却チャネル内で、接触構造の上流端よりも前記接触構造の下流端に近く配置されている、［１］に記載のデバイス。
［１０］ 前記収納構造がニオブ構造を含む、［１］に記載のデバイス。
［１１］ 前記収納構造が銅構造を含む、［１］に記載のデバイス。
［１２］ 前記収納構造が鋼構造を含む、［１］に記載のデバイス。
［１３］ 前記収納構造がセラミックを含む、［１］に記載のデバイス。
［１４］ 前記セラミックが、窒化ケイ素セラミックを含む、［１３］に記載のデバイス。
［１５］ 前記窒化ケイ素セラミックがサイアロンを含む、［１４］に記載のデバイス。
［１６］ 前記収納構造が、前記溶融金属の融点よりも高い融点を有する材料を含む、［１］に記載のデバイス。
［１７］ 前記収納構造が、支持体の材料と異なる材料を含む、［１］に記載のデバイス。
［１８］ 前記収納構造が、核生成部位を有する前記溶融金属を鋳型の中に送出する構成を有する、下流端を有する、［１］に記載のデバイス。
［１９］ 前記鋳型が、鋳造ホイール鋳型を含む、［１８］に記載のデバイス。
［２０］ 前記鋳型が、垂直鋳造鋳型を含む、［１８］に記載のデバイス。
［２１］ 前記鋳型が、固定式鋳型を含む、［１８］に記載のデバイス。
［２２］ 前記収納構造が耐熱材料を含む、［１］に記載のデバイス。
［２３］ 前記耐熱材料が、銅、ニオブ、ニオブおよびモリブデン、タンタル、タングステン、およびレニウム、ならびにそれらの合金の少なくとも１種を含む、［２２］に記載のデバイス。
［２４］ 前記耐熱材料が、ケイ素、酸素、または窒素の１種または複数種を含む、［２３］に記載のデバイス。
［２５］ 前記耐熱材料が鋼合金を含む、［２４］に記載のデバイス。
［２６］ 前記ウルトラソニックプローブが、５から４０ｋＨｚの間の動作周波数を有する、［１］に記載のデバイス。
［２７］ 溶融金属収納構造の縦方向の長さに沿って溶融金属を移送することと、
前記溶融金属収納構造に熱的に結合された冷却チャネルを通り媒体を通過させることによって、前記溶融金属収納構造を冷却することと、
超音波を、前記冷却チャネル内の前記媒体を介して、および前記溶融金属収納構造を介して、前記溶融金属中に加えることと
を含む、金属製品を形成する方法。
［２８］ ［１］の溶融金属処理デバイスと、
データ入力および制御出力を含むとともに、前記溶融金属を移送すること、前記溶融金属を冷却すること、および前記超音波を前記溶融金属中に加えること、の内の少なくとも１つを制御する、１つまたは複数の制御アルゴリズムでプログラムされている、コントローラと
を備える、金属製品を形成するシステム。
［２９］ サブミリメートル結晶粒径を有し、その中に０．５％未満の結晶粒微細化剤を含む、アルミニウム鋳造金属組成物を含む、アルミニウム製品。
［３０］ 溶融金属収納構造の縦方向の長さに沿って溶融金属を移送するための手段と、
前記溶融金属収納構造に熱的に結合された冷却チャネルを通り媒体を通過させることによって、前記溶融金属収納構造を冷却するための手段と、
超音波を、前記冷却チャネル内の前記媒体を介して、および前記溶融金属収納構造を介して、前記溶融金属中に加えるための手段と、
データ入力および制御出力を含むとともに、前記溶融金属を移送すること、前記溶融金属を冷却すること、および前記超音波を前記溶融金属中に加えること、の内の少なくとも１つを制御する、１つまたは複数の制御アルゴリズムでプログラムされている、コントローラとを備える、金属製品を形成するためのシステム。

Claims (18)

1. その縦方向の長さに沿って溶融金属を受け入れて移送するための、溶融金属収納構造と、
   その中に液体媒体を通過させるための冷却チャネルを含む、前記収納構造用の冷却ユニットと、
   超音波が前記冷却チャネル内の前記液体媒体を介し、および前記溶融金属収納構造を介して、前記溶融金属中に加えられるように、前記冷却チャネル内に配置されたウルトラソニックプローブと、
   を備える、溶融金属処理デバイス。
2. 前記収納構造が、前記溶融金属を収納する側壁と、前記溶融金属に接触する底プレートとを備え、
   （ａ）前記底プレートが、ニオブ、またはニオブの合金の少なくとも一方を含み、または（ｂ）前記底プレートがセラミックを含み、または
   （ｃ）前記側壁および前記底プレートが、異なる材料のプレートを含む、
   請求項１に記載のデバイス。
3. 前記ウルトラソニックプローブが、前記冷却チャネル内で、収納構造の上流端よりも前記収納構造の下流端に近く配置されている、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記収納構造がニオブを含む、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記収納構造が銅を含む、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記収納構造が鋼合金を含む、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記収納構造がセラミックを含む、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記セラミックが、窒化ケイ素セラミックを含む、請求項２または７に記載のデバイス。
9. 前記窒化ケイ素セラミックが、サイアロンを含む、請求項８に記載のデバイス。
10. 前記収納構造が、前記溶融金属の融点よりも高い融点を有する材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
11. 前記収納構造が、前記底プレートの材料と異なる材料を含む、請求項２に記載のデバイス。
12. 前記収納構造が、前記溶融金属を鋳型の中に送出する構成を有する、下流端を有し、（ａ）前記鋳型が、鋳造ホイール鋳型を含み、または
    （ｂ）前記鋳型が、垂直鋳造鋳型を含み、または
    （ｃ）前記鋳型が、固定式鋳型を含む、
    請求項１に記載のデバイス。
13. 前記収納構造が耐熱材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
14. 前記耐熱材料が、銅、ニオブ、ニオブおよびモリブデン、タンタル、タングステン、およびレニウム、ならびにそれらの合金の少なくとも１種を含む、請求項１３に記載のデバイス。
15. 前記耐熱材料が鋼合金を含む、請求項１３に記載のデバイス。
16. 溶融金属収納構造の縦方向の長さに沿って溶融金属を移送することと、
    前記溶融金属収納構造に熱的に結合された冷却チャネルを通り媒体を通過させることによって、前記溶融金属収納構造を冷却することと、このことにより、前記冷却チャネルの底の過冷却が達成され、
    超音波を、前記冷却チャネル内の前記媒体を介して、および前記溶融金属収納構造を介して、前記溶融金属中に加えることと
    を含む、金属製品を形成する方法。
17. 前記冷却チャネルが、前記冷却チャネルに隣接する前記溶融金属が下位液相線温度に到達するように、前記溶融金属を冷却する、請求項１に記載のデバイス。
18. 溶融金属収納構造の縦方向の長さに沿って溶融金属を移送するための手段と、
    前記溶融金属収納構造に熱的に結合された冷却チャネルを通り媒体を通過させることによって、前記溶融金属収納構造を冷却するための手段と、
    超音波を、前記冷却チャネル内の前記媒体を介して、および前記溶融金属収納構造を介して、前記溶融金属中に加えるための手段と、
    データ入力および制御出力を含むとともに、前記溶融金属を移送すること、前記溶融金属を冷却すること、および前記超音波を前記溶融金属中に加えること、の内の少なくとも１つを制御する、１つまたは複数の制御アルゴリズムでプログラムされている、コントローラとを備える、金属製品を形成するためのシステム。

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