JPH0255650A - 連続鋳造によるチキソトロピー性の金属製品の製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は連続鋳造によってチキソトロピー性のある金属
製品を製造する方法に係る。

ここで言う「全１ｉＪＳ％１品」とは、アルミニウムま
たＩ、！その合金のような金属から作られた引き伸ばさ
れた形状のものであって、円形または多角形断面を有す
る製品を指すものとする。「チキソト「１ビー性の金属
製品」とは固相初期非樹枝相（ｓｏｌｉｄｐｒｕｎａｒ
ｙ　ｎｏｎ−ｄｅｎｄｒｉｔｉｃ　ｐｈａｓｅ）を有す
るもの、より詳細には樹枝状結晶（ｄｅｎｄｒｉｊｅ）
が実質的に球状粒子形になるまで縮退した樹枝相を有す
る任意の金属組成物と理解するものとする。

このようなチキソト［］ピー性製品は、成形段階で従来
の製品を大きく上回る利点を有する。すなわち、操作に
必要なエネルギーがはるかに小さくヱ済み、冷却時間も
短縮される上、形成される収縮空洞が縮小され、金属で
できているダイス、または金型の腐食もはるかに低減さ
れる。

多くの特許がこのような製品の製造方法を開示している
。例えば米国特許第３９４８６５０号およびその関連特
許であるフランス特許第２１４１９７９号が開示してい
る鋳造方法は、金属組成物を液状になるまでテ？温し、
それを冷却して液体をある程度固化した後、固体と液体
の混合物の約６５％が個々に縮退した樹枝状結晶または
枝（ｎｏｄｕｌｅ）を有する固体状になるまで該混合物
を激しく攪拌するというものである。

この方法はその後改良されて、その方法は米国特許第３
９０２５４４号に開示されている。

米国特許第４４３４８３７号は上記の方法を用いて、こ
の方法に適する二極固定子を持った攪拌装置を提供して
いる。固定子が金型の軸に対して垂直に作用づる回転磁
界を生成し、この磁界が電磁気力を生成する。電磁気力
は金型に対して接線方向に作用し、剪断速度は少なくと
も５００秒−１になる。

これに対して米国特許第４４５７３５５号は熱伝導性の
異／Ｃる２つの部分から成る金型を提供し、欧州特ｚ１
第７１８２２号は断熱性シートと伝熱性シートを積層し
て形成した金型を提供している。

さらに最近の特許出願の中で、ＵＳ　４４８２０１２が
非伝導性ジヨイントによって連接１．た２つの至で形成
される金型を使用し、第１室を熱交換器として作用させ
る改良を開示する一方、ＵＳ　４５６５２４１は攪拌条
件を剪断速度対固化速度の比が２．１０３〜８、１０”
になるようにすることを推奨している。

このように攪拌による鋳造法によってチキソトロピー性
製品を獲得する方法は確かに適当な製品を得ることがで
きる。ところが先行技術では回転磁界を有する電気イン
ダクタを使用した装置であるので、そこでは、インダク
タは固化しつつある金属に対して金型軸に垂直な平面に
おいて高い回転速度を与えることにより金属を攪拌し、
樹枝状結晶を破壊して結晶に球状粒子の形状を与える機
能をもっている。すなわち機械的効果によってヂギソト
ロビー性構造が附与されるのである。

さらに、ｔＪｓ　４４８２０１２に示されているように
、固化中の物質からの熱の除去について相当の注意力を
払うことが必要である。従って設置される熱交換器は熱
伝導性部分と断熱部分をうまく組合せて成るアセンブリ
で構成し、これによって金属の温度をできるだけ液相線
に近付けると共に金型壁部での固化を防止するように熱
バランスをコントロールするため熱交換器を時に分離し
たり、時に組合せたりしていたのである。

出願人らはチキソトロピー性製品の製造に興味をもら、
先行技術のもっているいくつかの欠点を克服することを
試みた。そこで完成した鋳造法が本発明であるが、本発
明によると、２つの隣接する同軸部分から成り、一端に
可動端部を取付けた金型の中に液体金属を注入し、前記
２つの隣接部分が、鋳造成形の方向から見て少なくとも
その内側表面に断熱性材料が取り巻かれた壁部をもった
、高温区域として表示されている上流部分と、少なくと
も部分的に熱伝導性材料から成る壁部をもった、低温区
域として表示される下流部分から成り立っている。しか
も、外表面は冷却用媒体で冷却することによって、その
部分にある液体の内部に固化によって結晶を生成させる
と共に、こうして形成された製品を可動端部を利用して
漸次取出しできるようにするだけの硬さを有する固体ク
ラストを内側表面に接して形成する方法であって、同化
中の液体に運動を与え、該液体を少なくとも低温区域か
らＮ温区域へ、あるいはその逆に高温区域から低温区域
へ１秒以内で移動させることにより、液体に含まれる結
晶を表面で再溶融させて樹枝状結晶を縮退させることを
特徴とする。

従って本発明は、少なくとも金属と接触する壁部を断熱
性を有する材料で形成されている上流部分から構成され
る金型の中に液体金属を導入することを含んでいる。こ
の断熱性材料は、例えば現在蛇口やノズルの製造用の金
属鋳造物に使用されている種類のもので良い。その部分
の熱交換を少なくするため、使用状況が通常であること
、すなわち外的異常がなければ当該金属は結晶化を防止
できる程度に高い温度に維持される。従ってこの部分は
「高温区域」と称されるのである。

上流部分は下流部分と適当なジ」インドによって連結さ
れる。下流部分は上流部分と異なり、少なくともその最
も下流部分は熱の良伝熱体である。

その中に含まれる金属から外部へと熱を除去するのが容
易なため、この部分は「低６ａ区域」どげぶ。

この部分は従来の連続鋳造法におけるインゴット部分と
類似しており、ここで結晶化ブ［］ｔ７スが開始され、
冷却媒体によって外部から冷却される壁部から結晶質被
膜が成長する。結晶Ｔ（被膜１よ硬く丈夫／、’Ｅため
、可動端部を利用して鋳造製品を徐々に外部に取出しす
ることができる。この被膜は「固化面」、すなわち頂点
を下に向りたメニスカスの輪郭線を有する表面を境界と
する。液体と概ね樹枝状の固体粒子との混合物から成る
「スヮンプ」が結晶質被膜の内部を形成する。固体粒子
が次第に固化面の中に取込まれて、固体部分の成長Ｊ３
よび鋳造プロセスの進展を可能にする。

このようにそれぞれ液体と樹枝状粒子を含んだ液体を含
有する高温区域と低温区域が１つになっており、低温区
域に運動を与えることで粒子を高温区域に向かって引き
つける。このような条件下では、粒子がその枝分れの少
なくとも一部分を喪失して球状になろうとすることが分
かっている。

しかし明確な変化を生じさせたい場合、一方の区域から
他の区域へとにかく１秒以上かがらないように急速に移
行させねばならない。その時間が短かいほど樹枝状結晶
の縮退率が良くなる。この低温区域から高温区域への運
動に逆向きの運動が伴うことは明らかであり、それによ
って粒子が元の区域に戻って新たなサイクルを繰返すこ
とがある。

このようなサイクルの間に、粒子が固化面と再び接触す
るようになり、別の固化面がそこにかさなることがある
。従ってその時に得られる製品は少なくとも部分的に樹
枝状粒子で被覆されており、それが部分的には、チキソ
ト［１ビー性を与える。

粒子の運動は少なくともループ状に行ない、それらのル
ープが集まって金型軸と実質的に同じ軸を有する円環体
を成すようにするのが望ましい。

ループは金型の子牛面、すなわち金型の軸を通る平面に
配置し、それぞれが楯を境とげる平面の片側の中に完全
に含まれる。低温区域から高温区域へと液体が通る道筋
になるループ部分を軸に近接させ、戻り運動に相当する
部分を金へり壁部に近接させるのが望ましい。

以上の説明から明らかなように、先行技術の１）法と本
発明の方法の間には基本的な相違点が２つある。先行技
術では液体の循環が金型軸を中心とする、すなわち軸に
対して直交する平面上の回転によって行なわれ、縮退は
実質的に定常温度に維持されている結晶を破壊して生成
される。それに対して本発明では、液体の主循環が金型
の軸と平行に行なわれ、縮退は機械的作用の結果として
ではなく熱作用の結果として生成される。このため、制
御の困難なこみいった熱交換器を用いて結晶を恒常的に
液相線付近の温度に保持する必要がなくなる。運動を与
えるために本発明で使用する手段は、回転！ｉ界生成装
δに比べてはるかに簡単なものである。

２種類の構成が好／ｕで使用される。一方の構成では、
工業用周波数以下の周波数の単相電流を、少なくとも部
分的に導電性材料を含んで成る金型の下流部分に通ず。

但し、下流部分の壁部には電気絶縁性の材料から成るイ
ンサートを少なくと６１本の母線に沿わせて壁部を口過
して設け、その両側に電源線を固定しておく必要がある
。こうすることぐこの部分が巻線として作用し、そこを
通る電流が磁界をη成し、それによって所要の運動を生
成ザる電磁気力が生まれる。また、下流部分の内壁を電
気絶縁膜で被覆することにより、金属部分と鋳造金属と
の間に電気的接続関係が無いようにする必要がある。両
者の間に接続関係があると、短絡の１６Ｌ囚となり、運
動を生じる磁界の発生が阻止されるためて゛ある。

電磁気力は巻線を通る電流の強度に依存するため、下流
部分（、Ｌ電気抵抗率は低いが機械的強度は鋳造中の金
属と匹敵する金属で形成するのが望ましい。例えば、ア
ルミニウムを鋳造りる場合は銅またはアルミニウム、お
よびそれらの合金を使用することができる。

また、異なる材料で形成したアセンブリを使用でさるこ
とも判明した。その場合は、上流部分に最寄りの部分を
、絶縁性材料でなければ少なくともステンレス鋼など良
導電体でない材料で形成する。このような条件Ｆで液体
の運動を強めることができる。

絶縁膜については、アルミニウムの場合は陽極酸化によ
って得られる酸化層又はエナメル層、あるいはフッ素樹
脂層とすることができする。膜厚は壁部が鋳造金属に関
連する電ｊ−［によって決まる。

１００ボルトの電圧に対して酸化物の厚さを１ミクロン
にすることを枯木にすることができる。

１・流部分の内面に厚さ２〜３履のグラファイトリング
を取付けても良い。その場合リングが鋳造金属の潤滑剤
としＣ作用する。ある種の金属の鋳造を容易にするため
に下流部分の内壁を潤滑剤で被覆しなければならないが
、リングを設けることによつ′Ｃ潤滑剤の作用を強化づ
′ることができる。

リングを母線に沿って少なくとも２つのセクターに分割
すると、冷却したい区域でのジュール効果を防止できる
だけでなく、金属の運動を制限づ゛るＪネルギーも低減
びることができる。

特殊な溝底では、リングにも下流部分と反対側にインサ
ートを設（〕ることができる。この場合もジ」−ル効宋
を防止り゛ることができる上、中間絶縁膜を要すること
なくリングを直接前記部分の内壁上に収縮装るすること
が＋ｑ能になる。

金型内の液体を移動さＵるもう１つの方法は、金型のド
流部分の外側にその軸と金型の軸が実質的に平行になる
ように少なくとも１つの金属巻線を配置し、工業用周波
数以下の周波数の甲相電流を巻線に通すことがら成る。

巻線はト流部分の壁部から電気的に絶縁されており、金
型の軸と平行に磁界を１成する。これによって所要の運
動を生じる電磁気力が生まれる。運動の強度が巻線に供
給される電流の強度に応じて変化するのも確がであるが
、低温区域の中部を形成する材料の組成、その壁８ＩＳ
の構造と言った他の要因によっても左右される。

材料組成については、抵抗率５μΩ・１以上の材料を使
用するのが望ましい。例えば磁気ステンレス鋼やチタン
、あるいは適当な熱伝導率を有することを条件としてセ
ラミック等を使用することができる。アルミニウムを鋳
造する場合、業界の慣行を破らずにりませる駁良の方法
は、アルミニ・クムその物を使用することであるが、こ
れを約１８重量％の１ｙｌｎと０．２５ｉ’ｆ２ｆｉ’
ｔ％のｃｒと０．２重量％のＴｉと０．１ｆ４４１１％
のＶとを含むアルミニウムの合金で代替することもでき
る。この合金の抵抗率は９．３μΩ・αであり、従来の
合金の３μΩ・ｃｍと比較して高くなっている。抵抗率
は５％までのＭａを添加することによって高くすること
ができ、その場合、１１〜１２μΩ・ｃｍの数値が得ら
れる。

１％までの［ｉまたは０．１５％までのｚｒを添加して
も有効である。

その他の方法として、内側にアルミニウムの薄ＩＩ！Ｊ
層で被覆したステンレス鋼４等の複合材料を用いる方法
がある。

壁部の構造に関しては、低温区域の壁部を母線に沿って
少なくとも２つのセクターに分割し、セクター間を雲母
のような電気絶縁体で分１１！Ｉｔ７１−ることによっ
で、運動に要する電流強度を低減りることができる。各
はフタ−はステンレス鋼のピンまたは絶縁性材料から成
る合くぎによって保持することができる。

以上に）！べたような下流部分はどの構成のものでしそ
の内壁高温区域に隣接したグシファイト製同軸リングを
取付けることができる。リングはそのＳｌｌ線に沿って
少＜ｒ　くとも２つの部分に分割するのが望ましい。こ
のような特殊な構成にすることによって、より効果的に
電流を運動生成用の電磁気力に変換することができる。

金型の下流部分を取囲む巻線は全て、どのような形状の
Ｆ流部分にでも適合づるように段目、装着される。また
、液体を金型の断面全体、縦方向全体に亘って運動させ
ることにより、できるだけ多数の結晶に最大限の樹枝状
結晶ｗＩ退を生じるような般通電流運動力の変換収率と
金属内の運動力の均一な分布との両方を実現させる上で
最も効率のよい機能を発揮するように設計、装Ｆｊされ
る。

従って巻線を金型の軸又は、着脱式機能要素の構成から
なる軸に平行に設定することができる。

この時、各要素は任意の断面の金型の周囲に同じ高さに
または高さを違えて付設させることができる。断面矩形
の製品を製造する場合にはこのようなアセンブリが理想
的である。

その他にも、高温区域の周囲に少なくとも１つの金属巻
線をさらに設けるなど特殊な構成を含ませることにＪ、
って金属の運動をさらに効果的にηることができる１、
その場合、巻線に電流を通し、該巻線を低温区域の巻線
または発電器に接続することになる。発電器からの電流
は、低温区域の巻線に供給される゛電流と強度、周波数
および／　ｊ：　ｊζは位相において異なるものである
。

巻線によって作り出される磁界をチャンネリングする手
段として、低温区域を取囲んで磁気ヨーク素子が設けら
れる。磁気ヨーク索−Ｊ″−（よ、相Ｎに電気的に絶縁
され金型軸を通る平面に配置されている金属シートで形
成される。

低温区域の外壁と一体に形成された流体容器を用いるか
、あるいは周辺の流体を直接低温区域外壁に接触すると
いう、周知の方法で低温区域を冷却する。

所要の冷却の程度およびその位置に応じて一定領域内に
所要速度で結晶を形成させ、所要の成長段階で結晶を高
温区域に送ることによって液体の流速および／または温
度が調節されるのである。

直接冷ｒＪｌ法の場合、流体の流れと衝突する表面の調
整も行なう。

高温区域または少なくとも高温区域の中で低温区域に最
寄りの部分を外装または内部を循環する鋳造金属と化学
的に不活性の加圧ガスで取囲むと良い。このような条件
１；で、μ造製品の表面外観が良くなることが判明した
ためである。

本発明の実施に適する金型の軸に沿う半環断面図を示し
た第１図を参照することによって、本発明がより良く理
解できよう。第１図に示すように、断熱性材料から成る
上流部分１が液体金属２を中に入れて高温区域を形成し
でいる。熱伝導性材料から成る下流部分３が内部にグラ
フフィトリング４を備えでおり、供給容器６から発せら
れる水の膜５によって外から冷却され、低温区域を形成
する。水による冷却効果によって金属が表面７に沿って
固化し、鋳造製品８どなる。

交流を供給される」イル９が低温区域を取囲んでＪ３す
、磁界を生成づる。これによって電磁力が誘発され、液
体金属は矢印１ｏで示すように、金型軸と平行に高温区
域に向かって移動した後、矢［４］１１のように金型の
壁部に沿って低温区域へと戻る。

この時粒子１２も伴って移動づる。

次に本発明の応用方法を示す実施例を挙げて、本発明の
説明とする。

宋］Ｌｆ九−」− 下記の方法により、ＡＳ／Ｇｏ、３型アルミニウム合金
（′ｒＪなわら７重量％のＳｉと０．３屯Ｍ％のＭＯを
含有）から成る直径７０．のビレットを製造した。

○上流部分を高さ５ｏｍｍのＭＯＮＡＬ−ＩＴＥのリン
グで形成した。

０　アルミニウムから成る下流部分の内側を陽極酸化し
た薄膜層（５ミクロン）と１２のレフターに分割したグ
ラファイトリングとで被覆し、その高さ方向全体に亘っ
て２つに分離した。２本の電源線を分離部分の両方に１
木ずつ固定してト流部分に直接通電させた。電源線端子
の電圧を１．０５ポルＩ・にした。鋳造速度をこの直径
のビレットの＆１造に従来から使用される速度である２
００ｍｍ／分とした。

こうして製造されたビレッ［−内部の構造をミクロ組織
検査で調べるとく第２図の５０倍拡大図参照）、この方
法が縮退樹枝状結晶を右Ｊる構造を（りるのに効果的で
あることが証明された。

丸１五−１ Δ２１２４合金（アルミニウム協会規格による）を上記
の方法により直径４００ｍのビレットの形で鋳造した。

全体的な装置の構成は電流の軒路を除いて実施例１に記
載のものと同様とした。この場合は電流を下流部分から
独存して設（）た巻線に通した。鋳造速度はこの直径の
ビレットの鋳造に従来から使用されている４０ｍｍ１分
とした。

ミクロ組織検査の結果、約１５ｓの周辺区域を除いて事
実上全く樹枝状突起の無い丸形の粒子構造を有し、しか
も約７０ミクロンと非常に小型の粒子であることが証明
された。

実施例　３ 合金７０７５　（アルミニウム協会規格による）から成
る８００ｘ　３００　ｍｍのプレートを上記の方法で鋳
造した。直径４００　ｍｒｎのビレットの場合と同様に
、下流部分の外表面を取囲むように、機表面から少し距
離をあｔＪた所（１０ｍｒＲ）に巻線を設りた。巻線は
４木の銅製棒状の要素で構成し、これらを内部か・ら水
で冷ＴＪＩ　ｕだ。各要素は３つの角で相互に接続する
と共に、４つめの角を電ａ線と接続した。鋳造速度は６
０．７分とした。

こうして得られた製品のマクロ組織検査を行なった結果
、さらに微細な構造を有する角を除いて均質な微細１造
であることが分かった。ミク【コ組織検査では、粒子の
形態の変化が顕著であり、従来の「カリフラワーＪ形で
はなく「ポテト」形の形態をとることが証明された。樹
枝状結晶の枝を顕現するように構成した所定の操作によ
り、樹枝状結晶の枝が完全に消滅していることが証明さ
れた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法の実施に適する金型の軸に沿って
取った縦断面図である。 第２図は本発明の方法により獲得された結晶構造の５０
倍拡大図である。 １・・・・・・金型上流部分、２・・・・・・液体金属
、３・・・・・・金型上流部分、４・・・・・・グラフ
ァイトリング、５・・・・・・熱交換用流体、８・・・
・・・製品、９・・・・・・コイル。 図面の浄書ど内窩に変更なし） ＦＩＧ　、１

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. （１）連続鋳造によりチキソトロピー性の金属製品、特
   にその構造の少なくとも一部分において樹枝状結晶が縮
   退しているアルミニウム合金から成る製品を製造する方
   法であって、一端に可動端部を備え、２つの隣接する同
   軸部分から成る金型の中に液体金属を注入し、前記部分
   が、少なくともその内側表面に断熱性材料から成る壁部
   を備え高温区域として表示される鋳造方向における上流
   部分と、少なくとも部分的に熱伝導性材料から成る壁部
   を備え低温区域として表示される下流部分とを形成して
   おり、外表面を熱交換用流体により冷却することによつ
   て該部分に含まれる液体内部に固化による結晶を発現せ
   しめると共に、こうして形成された製品を可動端部を利
   用して漸次押し出しできるようにするだけの硬さを有す
   る固体クラストを内側表面との接触により形成せしめる
   方法において、固化中の液体に運動を与えて少なくとも
   低温区域から高温区域およびその逆に高温区域から低温
   区域へ１秒以内で移動させることにより液体に含まれる
   結晶を表面で再溶融させて樹枝状結晶を縮退せしめるこ
   とを特徴とする方法。
2. （２）前記運動が、金型の軸と実質的に同じ軸を有する
   円環体を構成する子午面において前記運動が行なわれる
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. （３）低温区域の内壁を潤滑剤で被覆することを特徴と
   する請求項１に記載の方法。
4. （４）前記金型の下流部分内部に工業用周波数以下の周
   波数の単相電流を通すことによって前記運動を獲得し、
   前記下流部分がその壁部を貫通し少なくとも１本の母線
   に沿って設けられている電気絶縁材料から成りその両側
   に電源線を固定されているインサートを備え、前記部分
   の内側を電気絶縁膜で被覆することを特徴とする請求項
   １に記載の方法。
5. （５）前記低温区域の内壁を、高温区域および低温区域
   と同軸のグラファイトリングによりその周囲全体および
   少なくとも高温区域近辺において被覆することを特徴と
   する請求項４に記載の方法。
6. （６）前記グラファイトリングを母線に沿って少なくと
   も２つのセクターに分割することを特徴とする請求項５
   に記載の方法。
7. （７）金型の低温区域の外側に、その軸が金型の軸と実
   質的に平行になるように配設した少なくとも１つの金属
   巻線を介して前記運動を獲得し、前記巻線に工業用周波
   数以下の周波数の単相電流を通すことを特徴とする請求
   項１に記載の方法。
8. （８）前記低温区域を抵抗率５μΩ・ｃｍ以上の固体材
   料で形成することを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. （９）前記低温区域をその母線に沿って少なくとも２つ
   のセクターに分割し、前記セクターを電気絶縁体によっ
   て分離することを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. （１０）前記低温区域を異なる材料を組合せて形成する
    ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
11. （１１）前記低温区域の内壁を、低温区域および高温区
    域と同軸のグラファイトリングによりその全周および少
    なくとも高温区域近辺において被覆することを特徴とす
    る請求項７に記載の方法。
12. （１２）前記グラファイトリングをその母線に沿って少
    なくとも２つのセクターに分割することを特徴とする請
    求項１１に記載の方法。
13. （１３）前記１つまたはそれ以上の巻線を金型の軸と平
    行に配設することを特徴とする請求項７に記載の方法。
14. （１４）前記１つまたはそれ以上の巻線と低温区域外壁
    との間の距離を調整することを特徴とする請求項７に記
    載の方法。
15. （１５）前記高温区域が電流を供給される少なくとも１
    つの金属巻線を含むことを特徴とする請求項１に記載の
    方法。
16. （１６）前記巻線を低温区域に接続することを特徴とす
    る請求項４および１５に記載の方法。
17. （１７）前記低温区域を、両区域の軸を通る平面に個々
    のシートを配置した積層形磁気ヨーク素子によって取囲
    むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
18. （１８）可変流速を有する冷却流体を用いて前記低温区
    域を冷却することを特徴とする請求項１に記載の方法。
19. （１９）可変温度を有する冷却流体を用いて前記低温区
    域を冷却することを特徴とする請求項１に記載の方法。
20. （２０）前記低温区域の特定個所を冷却する冷却流体を
    用いて前記冷却区域を冷却することを特徴とする請求項
    １に記載の方法。
21. （２１）前記低温区域のレベルに加圧ガスを注入するこ
    とを特徴とする請求項１に記載の方法。