JP7215698B2 - 付加製造及び急速凝固で等軸晶アルミニウム合金インゴットを製造する方法及び装置 - Google Patents

付加製造及び急速凝固で等軸晶アルミニウム合金インゴットを製造する方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、冶金分野に関し、具体的には、溶融液を急速凝固する等軸晶アルミニウム合金インゴットの付加製造方法及び装置に関する。
通常の鋳造方法によって純アルミニウムインゴットまたはアルミニウム合金インゴットを製造する場合、凝固が順に行われるため、全体として等軸晶組織となることが非常に難しい。合金組織において一定の割合の柱状晶の存在を免れないので、後続の変形で比較的に優れた合金性能を得ることに不利である。また、大型の金属インゴットは、その主な合金元素が固液界面で偏析が生成し、具体的に、エッジ部から中心部にわたって比較的に大きなマクロ偏析が生成しやすいので、インゴットの品質に大きな影響を与える。したがって、従来の方法で等軸晶からなり且つ無マクロ偏析のインゴットを製造することが極めて困難である。スプレーフォーミングで無マクロ偏析のインゴットを製造することができるが、製造されたアルミニウムインゴットの気孔率が高く、組織が緻密でなく、酸化が顕著である。
従来の技術において、ワイヤ材を溶融して金属液滴を形成し、帯電金属液滴を磁気的制御して直接に堆積して成形する金属微小液滴付加製造方法があるが、金属液滴成形の効率が低く、大型インゴットの生産に適用することが不可能である。現在、負圧により大きな体積の溶融液を噴射し、安定且つ連続的に金属液柱を形成し、急冷凝固して、無偏析等軸晶組織を生成させる方法が開示されていない。
本発明は、従来技術の装置及びプロセスが比較的に複雑であり、エネルギー消費が比較的に高く、局部の偏析を免れられなく、無マクロ偏析及び無ミクロ偏析の完璧なインゴットを製造することが困難である課題を鑑みてなされたものであり、付加製造及び急速凝固で等軸晶アルミニウム合金インゴットを製造する方法及び装置を提供する。スプレーフォーミングの代わりに、液体を注入する手段を利用することにより、合金インゴットの緻密性を向上させ、酸化を軽減するとともにインゴットの生産効率を向上させ、より微細且つ均一な等軸晶組織からなるマクロ偏析を完全になくすアルミニウム及びその合金インゴットを急速に製造することができる。
本発明は、以下の技術方案で実現される。
本発明に係る付加製造及び急速凝固で等軸晶アルミニウム合金インゴットを製造する装置は、金属加熱機構と、負圧冷却機構とを備え、金属加熱機構は、負圧冷却機構の上方に位置し、ノズルを介して負圧冷却機構と接続される。
前記金属加熱機構は、上から下へ順に配置されている坩堝、ろ過装置及びノズル遮断板を備える。
前記坩堝の外側に順にヒーター及び保温層が設置される。
前記ノズルの出口端に予め加熱するためのノズルヒーターが設置される。
前記ノズルの口径は０.２～１０ｍｍである。
前記負圧冷却機構は、ガス進入孔及び排気孔を備える真空チャンバと、真空チャンバの内部に設置されている三次元移動インゴット機構とを有し、該三次元移動インゴット機構は、移動インゴットと、移動インゴットと垂直方向において接続されている二次元移動テーブルとを有し、移動インゴットの外側に水冷機構が設置され、精密モーターにより、移動インゴットを上下に正確に変位するように駆動する。
本発明に係る付加製造及び急速凝固で等軸晶アルミニウム合金インゴットを製造する方法は、鉛直ノズルを介して加熱後の金属溶融液を負圧雰囲気における三次元移動可能な移動インゴットの表面に噴射し、金属溶融液を移動インゴットの表面に接触させて急冷させ、移動インゴットの水平運動によって厚さがδである結晶層を生成させ、そして、移動インゴットを下方へδの距離を移動させ、前記平面運動で新たな結晶層を形成し、さらに付加製造を複数回繰り返してインゴットを得る。
前記金属溶融液は、坩堝で金属が加熱されて完全に溶融されてなるものである。
前記加熱は、金属溶融液を融点温度まで加熱した後、０．５～１．５時間保温する。
前記金属溶融液は、ろ過された後、保温樋に入れて０．５～１．５時間放置し、その温度を金属の融点以上に調節することが好ましい。
前記負圧は、標準気圧より小さく、差圧を制御することで、金属溶融液の噴射速度及び流量を制御することができる。
前記負圧は、真空チャンバー内に対して真空排気を行い、さらに真空チャンバ内の気圧が標準気圧より小さくなるようにアルゴンガスを導入することが好ましい。
前記鉛直ノズルは、金属の融点より高い温度まで予め加熱されることが好ましい。
前記移動インゴットとノズル出口の距離すなわち噴射距離Ｄ１は、５０ｃｍ以下である。
前記移動インゴットと冷却面との垂直方向における距離Ｄ２は、１０ｃｍ以下である。
前記移動インゴットの水平運動の移動速度ｖ１は、１０００ｍｍ／ｓ以下であり、パスの間隔ｄは、２０ｍｍ／パス以下である。
前記移動インゴットは、アルミニウムインゴットを使用するが、これに限定されない。
本発明による装置の構成模式図である。 接触面と冷却面の平面図である。 インゴットの平面図である。 実施例１で得られた結晶粒組織である 従来の鋳造法で得られた純アルミニウム結晶粒組織である。 実施例２で得られた結晶粒組織である 従来の鋳造法で得られたケイ素アルミニウム合金の組織である。
実施例１
図１及び図２に示すように、本実施例の付加製造及び急速凝固で等軸晶アルミニウム合金インゴットを製造する装置は、坩堝１、ヒーター２、保温カバー３、ろ過装置４、ノズル５、ノズル遮断板６、ノズルヒーター７、真空チャンバ８、ダミーバー装置９、二次元移動テーブル１０、モータ１１、ガス進入孔１２、排気孔１３、真空ポンプ１４、接続ロッド１５、鋳造型１６、冷媒１７、移動インゴット１８及び引き下げ装置１９を備える。
本実施例は、上記の装置を使用し、溶融された純アルミニウム溶融液を坩堝に入れた後、０．５～１．５時間放置し、温度を７１５℃に調節する。さらに、真空チャンバに対して真空排気を行い、真空チャンバ内の気圧が０．５標準気圧になるように適量のアルゴンガスを導入し、ノズルを７２０℃に予め加熱する。そして、噴射距離が１８ｃｍに、接触面と冷却面との垂直方向における距離が２．５ｃｍに、二次元移動テーブルの移動速度が５ｍｍ／ｓに、パスの間隔が１．２ｍｍに設定され、図３に示すように移動する。
二次元移動テーブルの３つの方向の合計変位がそれぞれＸ＝１００ｍｍ、Ｙ＝１００ｍｍ、Ｚ＝１００ｍｍに設定される。ノズル遮断板を引き上げ、保温坩堝内のアルミニウム溶湯を差圧によってノズルから噴射させるとともに、二次元移動テーブルを起動して平行に移動させる。アルミニウム溶湯は、移動している移動インゴットの上面に噴射され、急冷凝固される。二次元移動テーブルの左右及び前後の平行移動を制御することによって、長方形の平面において結晶を生成させ、厚さが１.２ｍｍである薄層を形成する。完成した後、ダミーバーヘッドを下方へ１.２ｍｍ移動させ、さらに二次元移動テーブルの左右及び前後の平行移動を制御することで新たな結晶層を形成する。このような動作を繰り返して行うと、等軸晶組織からなる無偏析の四角柱状のインゴットを製造することができ、最後にサイズが１００×１００×１００ｍｍである四角柱状のインゴットを得る。図４は、その結晶粒組織を示し、図５は、従来の鋳造法で得られた純アルミニウムの結晶粒組織を示す。
実施例２
本実施例は、上記の装置を使用し、ケイ素の含有量が７％ｗ.ｔ.であるケイ素アルミニウム合金溶融液を坩堝に入れた後、０．５～１．５時間放置し、温度を６８０℃に調節する。さらに、真空チャンバに対して真空排気を行い、真空チャンバ内の気圧が０．６標準気圧になるように適量のアルゴンガスを導入し、ノズルを７００℃に予め加熱する。そして、噴射距離が１５ｃｍに、移動インゴットの接触面と冷却面との垂直方向における距離が２．５ｃｍに、二次元移動テーブルの移動速度が３.５ｍｍ／ｓに、パスの間隔が０.８ｍｍに設定され、図３に示すように移動する。
二次元移動テーブルの３つの方向の合計変位がそれぞれＸ＝１２０ｍｍ、Ｙ＝２０ｍｍ、Ｚ＝８０ｍｍに設定される。ノズル遮断板を引き上げ、保温坩堝内のアルミニウム溶湯を差圧によってノズルから噴射させるとともに、二次元移動テーブルを起動して平行に移動させる。アルミニウム溶湯は、移動している移動インゴットの上面に噴射され、急冷凝固される。二次元移動テーブルの左右及び前後の平行移動を制御することによって、長方形の平面において結晶を生成させ、厚さが０.８ｍｍである薄層を形成する。完成した後、ダミーバーヘッドを下方へ０.８ｍｍ移動させ、さらに二次元移動テーブルの左右及び前後の平行移動を制御することで新たな結晶層を形成する。このような動作を繰り返して行うと、等軸晶組織からなる無偏析の四角柱状の偏平インゴットを製造することができ、最後にサイズが１２０×２０×８０ｍｍである四角柱状の偏平インゴットを得る。図６は、その結晶粒組織を示し、図７は、従来の鋳造法で得られたケイ素アルミニウム合金の組織を示す。
当業者は、本発明の原理と主旨から逸脱しない範囲内で、上記の具体的な実施例に対して、異なる方法でその一部を調整することができる。本発明の保護範囲は、上記の具体的な実施例に限定されず、特許請求の範囲に準ずる。その範囲内の各実施形態は、すべて本発明に属する。
１ 坩堝
２ ヒーター
３ 保温カバー
４ ろ過装置
５ ノズル
６ ノズル遮断板
７ ノズルヒーター
８ 真空チャンバー
９ ダミーバー装置
１０ 二次元移動テーブル
１１ 精密モーター
１２ ガス進入孔
１３ 排気孔
１４ 真空ポンプ
１５ 接続ロッド
１６ 鋳造型
１７ 冷媒
１８ 移動インゴット
１９ 引き下げ装置

Claims (5)

  1. 金属加熱機構と、負圧冷却機構とを備え、
    金属加熱機構は、負圧冷却機構の上方に位置し、ノズルを介して負圧冷却機構と接続され、
    負圧冷却機構は、ガス進入孔及び排気孔を備える真空チャンバと、真空チャンバの内部に設置されている三次元移動インゴット機構とを有し、
    該三次元移動インゴット機構は、移動インゴットと、移動インゴットと垂直方向において接続される二次元移動テーブルとを有し、
    移動インゴットの外側に水冷機構が設置され、精密モーターにより、移動インゴットを上下に変位するように駆動し、
    前記金属加熱機構は、上から下へ順に配置されている坩堝、ろ過装置及びノズル遮断板を備え、
    前記ガス進入孔は、ガスを導入するためのものであり、
    前記坩堝の外側に順にヒーター及び前記坩堝にいれた金属溶融液を保温する保温層が設置される
    ことを特徴とする等軸晶アルミニウム合金インゴットを製造する装置を利用して付加製造及び急速凝固で等軸晶アルミニウム合金インゴットを製造する方法であって、
    加熱した後の金属溶融液を、鉛直ノズルを介して負圧雰囲気における三次元移動可能な移動インゴットの表面に噴射し、金属溶融液を移動インゴットの表面に接触させて急冷させ、移動インゴットの水平運動によって厚さがδである結晶層を生成させ、そして、移動インゴットを下方へδの距離を移動させ、平面運動で新たな結晶層を形成し、さらに複数回繰り返してインゴットを得、
    前記加熱は、金属溶融液を融点温度まで加熱した後、０．５～１．５時間保温することであり、
    真空チャンバに対して真空排気を行い、さらに真空チャンバ内の気圧が標準気圧より小さくなるようにアルゴンガスを導入することにより負圧を形成する
    ことを特徴とする付加製造及び急速凝固で等軸晶アルミニウム合金インゴットを製造する方法。
  2. 前記ノズルの口径の範囲は、０.２～１０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載
    の方法。
  3. 差圧を制御することで、金属溶融液の噴射速度及び流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 前記鉛直ノズルは、金属の融点より高い温度まで予め加熱されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 前記移動インゴットの水平移動速度（ｖ１）は、１０００ｍｍ／ｓ以下であり、パスの間隔（ｄ）は、２０ｍｍ／パス以下であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
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