JPH04120224A - 半凝固金属製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は非樹技状初晶か金属融体中に分散した固体−液
体金属混合物（簡単のため単に半凝固金属と呼ぶ）を安
定に製造する方法に関するものである。

（従来の技術） 半凝固金属を製造する方法には、例えば特公昭５６−２
０９４４号公報に開示されているように、溶融金属（一
般には合金）を円筒状の冷却攪拌槽内において攪拌子の
高速回転により冷却しながら激しく攪拌して、溶融金属
中に生成しつつある樹枝状晶を、その枝部が消失ないし
縮小して丸みを帯びた形態に変え、これを分散させて金
属融体中に混在するようにしたスラリー状半凝固金属と
し、冷却攪拌槽の底部ノズルから連続的に排出するか、
または連続的な排出はせずに上記スラリー状半凝固金属
の冷却攪拌過程を一回終える度毎に排出し再度の注入を
繰り返し行うことなども知られている。

この冷却中の攪拌方法としては攪拌子による上記のよう
な機械的攪拌の他にも、冷却攪拌槽内の溶融金属を電磁
気的に攪拌する電磁攪拌方法も知られている。

これらの方法によって半凝固金属の製造は可能であるが
、いずれの方法にあっても固相率と固液共存状態におけ
る単位時間当たりの固相率の増加速度（簡単のため単に
固化速度と呼ぶ。）およびその攪拌速度によって左右さ
れる流体の単位距離光たりの速度変化の平均値（簡単の
ために単に剪断歪速度と呼ぶ。）によって、できた半凝
固金属の流動性が異なり、同一固相率であっても槽内の
半凝固金属の流動停止を来して排出不能や凝固閉塞の問
題を生じるなどのため安定した半凝固金属の製造を困難
にすることが明らかになった。

（発明が解決しようとする課題） 半凝固金属の流動性は一般にスラリー状半凝固金属の全
体積中に占める固相金属の体積の全体積に対する比であ
られした固相率が高くなると悪くなり、ある固相率以上
、通常は０．６５程度以上では、半凝固金属の製造装置
から次工程の多段半凝固金属製造装置や鋳造装置、ない
し保持装置、あるいは加工装置への排出や移送ができな
くなって、該半凝固金属製造装置内での流動停止や閉塞
凝固等による排出不能の問題が発生する。

そればかりでなく固相率が０．６５以下であっても凝固
中の固化速度が大きいほど、また剪断歪速度が小さいほ
ど流動性が悪くなることがわかった。

すなわち半凝固金属の安定した製造ないしは次工程の多
段半凝固金属製造装置や鋳造装置、保持装置および加工
装置への安定した排出移送を行うためには、半凝固金属
の固相率、凝固中の固化速度のみならず剪断歪速度が流
動性（粘性）に及ぼす関係を明確にして、半凝固金属の
同相率および冷却速度に見合った剪断歪速度の攪拌、ま
たは剪断歪速度に見合った冷却速度の冷却を行い、流動
性の適正な管理を行う必要があるわけである。

（問題を解決するための手段） 種々の固化速度、攪拌条件でスラリー状半凝固金属の製
造実験を行い、該半凝固金属の流動性を確保することが
できる固相率と固化速度と剪断歪速度の関係について解
明し、次工程への安定な排出を可能ならしめるように該
半凝固金属の固化速度の如何によって攪拌速度の選択に
よる必要剪断歪速度の確保や固相率を変えること、また
は剪断歪速度の如何によって固化速度の設定値や固相率
を変えることによって上記問題が有利に解決できたもの
である。

すなわち本発明は溶融金属を冷却攪拌槽内に注入し、そ
の冷却凝固過程において攪拌を与え固液共存状態のスラ
リー状半凝固金属を製造する際、固相率とその固化速度
Ｒおよび攪拌速度によって決まる剪断歪速度テとの関係
が下記の（１）式を満足する範囲の攪拌冷却操業を行い
、該半凝固金属を冷却攪拌槽より排出することを特徴と
する半凝固金属の製造方法。

（記） η＝ａ／２（１／ｆｓ−１／ｆ　５ｃｒ）　≦１０　　
−−−−　（１）ａ　＝３５０００　・Ｒ”　・７−”
　（−：］ｆ　ｉｔ、＝０．６５−１．４・ＲＩ／ｌ・
ター”　〔−３ｆ　、ｅ、　　＞　　ｆ。

η；流動性指標値 ｆ、；スラリー状半凝固金属の固相率〔−〕Ｒ；溶融金
属の凝固開始温度（液相線温度）以下での凝固中の平均
固化速度〔％・ｓ−１〕γ；剪断歪速度［ｓ−’） である。

また本発明はスラリー状半凝固金属の攪拌冷却操業が多
段に設置した冷却攪拌槽内における順次的な繰返しによ
るものであること、ここに初段の冷却攪拌槽においては
比較的大きい固化速度で操業し、後段の冷却攪拌槽にお
いては順次に小さい固化速度で操業すること、さらに溶
融金属がアルミニウム合金であることが好適である。

（作　用） 発明者らは、種々の組成の合金の溶融金属を用いて種々
の固化速度、攪拌条件でスラリー状半凝固金属の製造実
験を行い、半凝固金属の流動性（粘性）の指標値ηと流
動性の限界を示す液性限界固相率ｆ　ｓｃｒおよび固化
速度Ｃ〔％・Ｓ−１〕、剪断歪速度γ　Ｃｓ　”ｌとの
関係について調査し、（１）式に示す関係を得た。また
図１にその結果の一例を示す。すなわち流動性指標値η
は固相率ｆ。

とスラリー状半凝固金属の流動性の限界を示す液性限界
固相率（簡単のため単に限界固相率ｆ　ｓｃｒと呼ぶ。

）および該半凝固金属中に懸濁する結晶の形状パラメー
ターａとの関数であり、ｆ　ｓｃｒおよびａは溶融金属
の凝固開始温度（液相線温度）以下での凝固中の固化速
度Ｒ〔％・ｓ−１〕および剪断歪速度γとの関数であり
、 ｒ）　＝ａ／２（１／ｆｓ−１／ｆ　５ｃｒ）ａ　＝３
５０００　・Ｒ”　・７　　”　Ｃ−）ｆ　、、、　＝
０．６５−１．４　・Ｒ”３・γ−”３［−］の関係が
あることを見いだし、η≦ＩＯの関係を満たすことによ
り流動性が安定に確保され得ることを発見した。

ここでｆ、は測温値をもとに平衡状態図から求めた固相
率であり、ｆ　ｓｅ、＞　ｆ、である。

この結果に従いスラリー状半凝固金属製造において冷却
攪拌を終了して次工程に排出する半凝固金属は、流動性
指標値ηが１０以下、望ましくは５以下にするを好適と
する。

すなわち、排出される半凝固金属の流動性を確保するた
めには固相率および固化速度の如何によって最低剪断歪
速度が決まることになる。

もっともスラリー状半凝固金属の結晶粒径を微細にする
ためには固化速度を太き（する必要があるが、固化速度
を大きくすると、上記のごとく流動性が低下するため、
必然的に剪断歪速度を大きくするか排出固相率を低くす
る必要がある。

そのため固化速度を大きくして結晶粒径を微細にした高
固相率の半凝固金属を製造する場合には、高剪断歪速度
が得られる装置または多段装置による製造法によって、
前段の装置では高固化速度で低固相率の半凝固金属を製
造し、それを次工程の後段の低固化速度の半凝固金属製
造装置に移送し、固相率を上げることによって、微細結
晶の高固相率の半凝固金属が製造できるわけである。

かくして、前記問題点が解決され、低固相率から高固相
率までの目標の半凝固金属を非連続的、または連続的に
安定して製造することが可能になった。

（実施例） 実施例１ 第２図に示した半凝固金属製造装置にＡｊ７−４．５％
Ｃｕ合金の溶湯を注入し、攪拌子を６００ｒｐｍ　（剪
断歪速度＝３００／ｓ）で攪拌しながら冷却槽での凝固
中の平均固化速度を３．０％・ｓ　＋で冷却し、装置の
底部ノズル出口で排出される半凝固金属の温度を連続測
定し、その温度から平衡状態図をもとに換算した固相率
が０．２５の半凝固金属を排出した結果、連続的に安定
して半凝固金属の製造ができ、流動の停滞を生じること
なく次工程の加工装置への排出ができた。

実施例２ 第３図に示した半凝固金属製造装置にＡｌ−１０％Ｃｕ
合金の溶湯を注入し、攪拌子を６００　ｒｐｍ　　（剪
断歪速度＝２８０／ｓ）で攪拌しながら冷却槽での凝固
中の平均固化速度を０．４５％・ｓ−１で冷却し、攪拌
槽内部の半凝固金属の温度換算の固相率が０．３５の半
凝固金属を製造した結果、流動性のある半凝固金属の製
造ができた。

実施例３ 第４図に示した半凝固金属製造装置の一段目の装置にｌ
’−４，５％Ｃｕ合金の溶湯を注入し、攪拌子を９００
　ｒｐｍ　　（剪断歪速度＝　４５０／ｓ　）で攪拌し
ながら、その冷却槽での凝固中の平均固化速度を２３．
０％・ｓ−１で冷却槽での凝固中の平均固化速度を２３
．０％・ｓ　＋で冷却し、装置の底部ノズル出口温度換
算の固相率が０．１１の半凝固金属を後段の装置に排出
移送し、後段の冷却槽での凝固中の平均固化速度を０．
２０％・ｓ　＋で冷却し、底部ノズル出口温度換算の固
相率が０．４７の半凝固金属を排出した結果、連続的に
安定して半凝固金属の製造および排出ができた。

なお第２〜４図においてｌは保温槽、２は冷却攪拌槽、
３は攪拌子、４は駆動軸、５は取鍋、６は供給溶融金属
、７は冷却水、８は水冷ジャケット、９はスラリー状の
半凝固金属、１０は測温用熱電対、１１は排出ノズル、
１２はスライドゲート、１３は誘導加熱ヒーターまた１
８はタンデイシュ、１９は加熱ヒーターコイルであり、
とくに第４図で１４は前段半凝固金属連続製造装置、１
５は移送管、１６は後段半凝固金属連続製造装置、１７
は双ロール鋳造機であり、さらに２０はセラミックスコ
ーティングである。

上に述べた各実施例での固化測度の制御は冷却槽内壁の
材質、冷却水量、冷却槽内壁と攪拌子の間の間隙を変え
ることによって行った。

上記の各実施例に加えそれら以外の実施例の結果も合わ
せて表１にまとめて示す。

また、第５図に本発明による実施例１の半凝固金属の製
造時における時間経過にともなう排出速度変化を比較例
とあわせて示す。本発明例では排出速度は安定している
が、比較例では途中で排出速度の変動および槽内閉塞に
よって排出が停止している。

（発明の効果） この発明に従って半凝固金属を製造する方法はつぎに列
記する効果を発揮する。

（１）半凝固金属の流動性が悪く装置内で閉塞しやすい
高固化速度での半凝固金属連続製造装置でも、安定して
連続的に製造でき排出が可能となる。

（２）固相率が０．６のような高固相率の半凝固金属を
安定して連続的に製造することが可能となる。

（３）非連続的半凝固金属製造装置でも、安定して流動
性のよい半凝固金属を製造することができる。

（４）シたがって、半凝固金属製造装置から半凝固金属
が排出され、後段の装置への移送や次工程の保持装置、
鋳造機および加工装置への排出移送に対して、装置内閉
塞などの事故′がなく、安定した操業が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はスラリー状半凝固金属の流動性が一定となる固
化速度と剪断歪速度と固相率の関係グラフ、 第２図はこの発明の実施例に使用した半凝固金属連続製
造装置を示す説明図、 第３図は同じ〈実施例に使用した半凝固金属の非連続的
製造装置を示す説明図であり、第４図は高固相率用の多
段式半凝固金属連続製造装置の説明図であり、 第５図は実施例１における排出経過時間に対する排出速
度及び排出固相率の比較グラフである。 ■・・・保温槽　　　　　　２・・・冷却攪拌槽３・・
・攪拌子　　　　　　４・・・駆動軸５・・・取鍋　　
　　　　　６・・・供給溶融金属７・・・冷却水　　　
　　　８・・・水冷ジャケット９・・・半凝固金属　　
　　１０・・・測温用熱電対１１・・・排出ノズル　　
　　１２・・・スライドゲート１３・・・誘導加熱ヒー
ター １４・・・前段半凝固金属連続製造装置１５・・・移送
管 １６・−・後段半凝固金属連続製造装置１７・・・双ロ
ール鋳造機　　１８・・・タンデイツシュ１９・・・加
熱ヒーターコイル ２０・・・セラミックスコーティング 第１図 固化速ＩＩ　（ｄｆｓ／ｄｔ）Ｃ’／−・Ｓ−リ１４１
出経過瞬間（弁）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶融金属を冷却攪拌槽内に注入し、その冷却凝固過
   程において攪拌を与え固液共存状態のスラリー状半凝固
   金属を製造する際、 固相率（ｆ＿ｓ）とその固化速度（Ｒ）および攪拌速度
   によって決まる剪断歪速度（■）との関係が下記の（１
   ）式を満足する範囲の攪拌冷却操業を行い、 該半凝固金属を冷却攪拌より排出すること を特徴とする半凝固金属の製造方法。 （記） η＝ａ／２（１／ｆ＿ｓ−１／ｆ＿ｓ＿ｃ＿ｒ）≦１０
   −−−−（１）ａ＝３５０００・Ｒ＾０＾．＾５・■＾
   −＾１＾．＾７〔−〕ｆ＿ｓ＿ｃ＿ｒ＝０．６５−１．
   ４・Ｒ＾１＾／＾３・■＾−＾１＾／＾３〔−〕ｆ＿ｓ
   ＿ｃ＿ｒ＞ｆ＿ｓ η；流動性指標値 ｆ＿ｓ：スラリー状半凝固金属の固相率〔−〕Ｒ；溶融
   金属の凝固開始温度（液相線温度）以下での凝固中の平
   均固化速度〔％・ｓ＾−＾１〕■；剪断歪速度〔ｓ＾−
   ＾１〕 ２、スラリー状半凝固金属の攪拌冷却操業が多段に設置
   した冷却撹拌槽内における順次的な繰返しによるもので
   ある請求項第１項に記載した半凝固金属の製造方法。 ３、初段の冷却攪拌槽においては比較的大きい固化速度
   で操業し、後段の冷却攪拌槽においては順次に小さい固
   化速度で操業する請求項第２項に記載した高固相率の半
   凝固金属の製造方法。 ４、溶融金属がアルミニウム合金である請求項第１項、
   第２項または第３項に記載した半凝固金属の製造方法。