JPH0488134A - 半凝固金属の製造方法および装置 - 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） 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（簡単のため以下半凝固金属と呼ぶ）を安定して連
続的に製造するための方法と装置に関連して、特に高固
相率でしかもガス含有の少ない高品質の半凝固金属の製
造を可能にすることについての開発研究の成果を提案し
ようとするものである。

（従来の技術） 半凝固金属を製造する従来の方法としては、例えば特公
昭５６−２０９４４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から激しく攪拌して
、溶融金属中に生成しつつある樹枝状晶を、その枝部か
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スラリー状とし、冷却攪
拌槽の底部ノズルからこれを連続的に排出すること、ま
たは連続的な排出はせずに上記スラリー状をなす半凝固
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か知られている。

このようにして得られる半凝固金属はそのまま、または
これを攪拌しながら一時的に保持した後に、次工程の加
工設備などへ移送される。

この冷却中や保持の間の攪拌も含めて攪拌子による上記
のような機械的攪拌の他に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とその後の排出
・移送は可能であるか、いずれの方法においても一般に
固液共存状態における半凝固金属の流動性か悪く、特に
高固相率の場合によりひとくなる。

半凝固金属の製造においては上記のような冷却攪拌を終
了して排出される半凝固金属の固相率ｆ８を、流動性か
確保てきる範囲に制御すべきであるが、半凝固金属の利
点を最大限にするためにはできるだけ固相率を高くする
ことも必要で流動性の確保とは相客れないところである
。

加えて半凝固金属中の結晶粒子は微細なものほど特性か
優れ、そのためには半凝固金属の製造中、強冷却して固
化速度を速くし、かつ強烈な攪拌が必須の条件となるが
、固化速度を速くすると、同一固相率の下でもその流動
性が悪化する傾向がある。

このように流動性の悪い半凝固金属は冷却攪拌槽内や保
持槽内で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て目的の半凝固金属の製造や搬
出を困難にしている。

一方、上記のように激しく攪拌しながら半凝固金属を製
造する方法は、攪拌中の液面に渦へこみが発生して、雰
囲気ガスの巻き込みが多く、特に固相率の高い半凝固金
属ではその粘度が高くなるため、巻き込まれたガスの浮
上分離性が悪（なり、排出される該半凝固金属中に残留
する気泡やガス含有量が多く、できた半凝固金属の品質
が悪くなる問題があった。

（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（なると悪くなり、ある固相率以上
では半凝固金属の製造装置ないし保持装置からの排出や
移送ができなくなって、該半凝固金属製造装置内や保持
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。

そればかりでなく同一固相率であっても凝固中の固化速
度が速いほど、流動性が悪くなり、上記問題がより発生
しやすくなる。

そこで半凝固金属の製造装置ないしは保持装置から、次
工程の鋳造装置、保持装置および加工装置などへの安定
した排出移送を行うためには、半凝固金属の固相率の制
御のみならず、排出や移送速度の適正な制御を必要とす
る。

一方、有害なガス成分が少なくポロシティのない高品質
の半凝固金属を製造するためには、半凝固金属の製造過
程での雰囲気ガスの巻き込み防止または該半凝固金属中
に巻き込まれたガスを除去する必要も加わるわけである
。

（課題を解決するための手段） 溶融金属をスラリー化するための冷却攪拌槽またはそこ
で得られた半凝固金属の中継保持槽からの、安定な排出
を可能ならしめるには、該槽の排出口下部に減圧槽を設
けて、半凝固金属の同相率および排出速度の如何に応じ
て、減圧槽の圧力を適切に調整することによって排出速
度が適正に制御され、かつ同時にこの減圧下の排出によ
って、該半凝固金属中に含有されるガスも低減されて、
上記問題が有利に解決できる。

すなわち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ることによって得られる固液
共存状態のスラリー状半凝固金属を冷却攪拌槽から直接
または半凝固金属の中継保持槽を介して排出する際、該
槽の底部排出口下部に配置した減圧槽の圧力を制御して
、スラリー状半凝固金属の排出速度を制御すると同時に
該半凝固金属中に含有されるガス成分を除去すること、
を特徴とする半凝固金属の製造方法。（第１発明）並び
に溶融金属を冷却下に攪拌してスラリー状半凝固金属に
変成させる冷却攪拌槽またはこの冷却攪拌槽から排出さ
れるスラリー状半凝固金属の中継保持槽の底部取出口と
気密接続のもとでこれに連通ずる減圧槽を有し、この減
圧槽はその圧力制御手段をそなえることを特徴とする半
凝固金属の製造装置。（第２発明） が上記課題解決手段である。

ここで減圧槽内に向う半凝固金属の排出の間に、半凝固
金属中に混入しようとする複合成分材料を添加混合する
ことができ、また、減圧下に排出した半凝固金属を減圧
下のまままたは大気圧に戻して攪拌混合を継続すること
もでき、このために減圧槽が該槽内にて半凝固金属に混
入しようとする複合成分材料の添加シュートを有するも
のとすることや、該槽内に排出される半凝固金属を受入
れる収容容器を内蔵して、この収容容器は攪拌混合手段
をそなえるものとすることも望ましい。

（作　用） スラリー状の半凝固金属の製造過程において冷却攪拌を
終了して排出される半凝固金属は、半凝固金属の利点を
最大限にするために、できるだけ固相率を高く、またス
ラリー状をなす半凝固金属の結晶粒径を微細にするため
同化速度を速くする必要があるが、高固相率でかつ固化
速度が大きい場合、その流動性が悪くなることについて
はすでに述べたとおりである。

発明者は、種々の固化速度、攪拌条件で種々の面相率の
スラリー状半凝固金属の製造実験を行ない、検討を深め
た結果、該半凝固金属の排出に対して排出口下部に減圧
槽を設けその圧力を制御することにより大気圧下では排
出できないような高固相率ないしは高冷却速度下の半凝
固金属についても安定して排出、移送され得ること、加
えてこうして排出された半凝固金属中のガス成分が低減
し、かくして気泡ポロシティの少ない高品質の半凝固金
属の製造が可能となることを見出した。

流動性の悪い半凝固金属の排出を促進するためには一般
的には機械的に押し出す方法、上部から圧力をかけて押
し出す方法などが考えられるが、これらの方法は設備的
、操業的に大変複雑になり実用上現実的な方法でない。

本発明は排出側を減圧し、入口上部の大気圧と出口下部
の減圧との圧力差を利用した簡易な排出を促進する方法
である。

すなわち、排出口下部に排気機能を持った減圧槽を連設
し、排出口と減圧槽の間は耐熱Ｏリングなどによって十
分なシール機能を持つ方法で連結する。減圧槽内は、１
０　ｔｏｒｒ以下望ましくは２〜０．２　ｔｏｒｒまで
排気、減圧する。

減圧を最大にして、真空にすれば大気圧に比べ１気圧の
圧力差となり、上部から１気圧の圧力で押し出すことに
相当し、これはＦｅの場合のヘッドで約１．４ｍに相当
する静圧、ＡＩでそのヘット約４ｍの静圧に当たる。す
なわち排出速度に対する減圧の効果は大きい。

大気圧下に排出する場合には連続排出ができない粘度の
固相率でも、減圧下では排出可能となった。

また、半凝固金属製造の終了時に装置内に残留する半凝
固金属が少なくなっても、減圧下で排出する場合には殆
ど全部排出されるため、高い製造歩留りが得られた。

また金属の脱ガス法として真空脱ガス法はよく知られた
方法であるが、本発明法では半凝固金属か減圧槽内への
排出時に、該半凝固金属中に含有されたガスが発散放出
され、該排出流はそのガスによって微細に分散粒滴化す
るため、さらに脱ガスが促進されて、ガス含有量の少な
い半凝固金属が製造できた。

かくして、前記問題点が解決され、目標の高固相率また
は高冷却速度、かつガス含有量、ポロシティの少ない高
品質の半凝固金属を連続的に安定して製造または歩留り
良く排出することが可能になった。

さらに、前述したように、減圧槽への半凝固金属の排出
流が微細に分散し粒滴化されて落下するため、該落下流
への微細な粉末または繊維状のセラミックス、または金
属などの１種または２種以上の複合材を吹き付けなどに
より添加することによって分散添加が可能となり、かつ
、粘度の高い半凝固金属のため添加した該複合材の浮上
分離は少なく、複合材が均一に混合された複合材添加金
属素材が容易に製造できることが判った。

また、得られた複合材添加金属素材は、その後半凝固状
態のまま、または目的の温度制御がされた状態で機械攪
拌または電磁攪拌によって攪拌混合が付加され得る。

次に、この発明による半凝固金属製造装置の具体的構成
およびその製造方法を第１図、第２図および第３図によ
り説明する。

まず第１図の装置は半凝固金属製造装置の下部に減圧槽
が設置され、該減圧槽内に半凝固金属の鋳造用鋳型が設
置された場合の例であり、受湯槽１、冷却攪拌槽２、攪
拌子３から構成される通常の半凝固金属製造装置の排出
口１１の下に真空排気装置に連結された減圧槽１４が該
製造装置との連結部がＯリングなどによってシールされ
連接されている。減圧槽１４は真空状態に耐える耐圧構
造となっており、アルゴンガスによる圧力調整制御弁１
７がついている。溶融金属６が取鍋５からタンデイツシ
ュ１０を通して連続的に注入され半凝固金属製造装置の
冷却攪拌槽２で半凝固金属９となり排出口１１から減圧
槽１４内に設置された鋳型２０に排出される。

減圧槽１４内に排出される半凝固金属９は溶融金属６の
含有するガス成分および半凝固金属９の製造中に装置内
で巻き込まれた雰囲気ガスを含有しているため、減圧槽
１４内で発散、脱ガスされそれに伴って該半凝固金属９
は微細に分散した粒滴となる。

複合材添加金属素材を製造するときはこの粒滴流に複合
材添加槽１６から粉末または繊維状のセラミックスまた
は金属などの複合材をガス吹き付けなどによって均一添
加を行う。

半凝固金属９の排出速度制御は装置内の半凝固金属９の
固相率や流動性（粘度）に応じて、減圧槽内の圧力と排
出口１１に設けたスライドゲート１２の開度調整によっ
て行ない、目標の排出速度にする。排出速度は鋳型２０
の下に設置されたロードセル２１によって検出される。

減圧槽内の圧力調整や大気圧への復圧はアルゴンガスに
よる圧力調整弁１７で行うことができる。

また、第２図の装置は第１図と同じ型の半凝固金属製造
装置の排出口１１の下部に複数の鋳型が乗った移動可能
な鋳型台車２２を内蔵した減圧タンク２３が設置された
場合の例である。減圧タンクの一端は蝶番２４が設置さ
れた完全シールが可能な開閉蓋２５になっており、槽内
を減圧する時は閉めて減圧し、鋳型２０を出し入れする
時は開ける構造となっている。減圧状態で連続的に半凝
固金属を複数の鋳型２０に排出していき、排出終了後に
槽内を大気圧に戻して、タンクの蓋を開は台車を移動し
鋳型２０を取り出す方式になっている。

第３図は同じく半凝固金属製造装置の排出口１１の下部
に半凝固金属９の収受容器を置き直接連結して容器内を
減圧して排出する場合の例である。

すなわち、半凝固金属９の収受容器２６の上面に０リン
グのようなシール用のバッキング２７を取り付け、真空
排気装置と連結された蛇腹式カバー２８が設けられた半
凝固金属製造装置の下部に連接設置されている。また、
半凝固金属９の収受容器２６には機械攪拌または電磁攪
拌装置２９が設置されており、攪拌混合または保持など
の操作ができるようになっている。

半凝固金属の製造と排出中は半凝固金属９の収受容器内
は減圧にし、排出終了後は大気圧に復圧されて、半凝固
金属製造装置から外し、′必要に応じて攪拌混合または
保持などの操作をした後に次工程の装置へ必要量の半凝
固金属を該収受容器２６の下部ノズル１２’を開閉する
ことによって排出供給される。

（実施例） 実施例１ 第１図に示した半凝固金属製造装置にＡｌ−４，５％Ｃ
ｕ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
中の平均冷却速度を０．１３°Ｃ／ｓで冷却し、排出ノ
ズル下部減圧槽内の圧力を１．２　ｔｏｒｒにして、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０．４２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
ことなく排出ができた。

またできた半凝固金属中の水素含有量は０．　Ｏ５ｐｐ
ｍのポロシティ、気泡の少ないものであった。

実施例２ 第１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
中の平均冷却速度を０．５４°Ｃ／ｓで冷却し、排出ノ
ズル下部減圧槽内の圧力を０．５　ｔｏｒｒにして、攪
拌槽内部の半凝固金属の温度換算の固相率が０．４０の
半凝固金属を製造した結果、連続的に安定して半凝固金
属の製造、排出ができた。またできた半凝固金属中の水
素含有量は０．０３　ｐｐｍのポロシティ、気泡の殆ど
ないものあった。

実施例３ 第２図に示した半凝固金属製造装置にＡｌ−４，５％Ｃ
ｕ合金の溶湯を注入し、攪拌子を９００ｒｐｍ　　（剪
断歪速度・４５０／ｓ　）で攪拌しながら、その冷却槽
での凝固中の平均冷却速度を０．９６／ｓで冷却し、排
出ノズル下部減圧槽内圧力を０．２　ｔｏｒｒにして、
装置の底部ノズル出口温度換算の固相率か０．４２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、できた半凝固金属中の水素含
有量は０．Ｏ２ｐｐｍであった。

上記の各実施例と比較例の成績をまとめて表１に示す。

また、第４図に本発明による実施例２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。本発明例では高固相率まで排出速度は
安定しているか、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か停止している。

（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
高固相率または高固化速度での半凝固金属連続製造にお
いても、安定して連続的に製造でき排出か可能となる。

（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、排出することが可能となる
。

（３）シたがって、半凝固金属製造装置から半凝固金属
か排出され、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。

（４）同時に減圧下での排出によって該半凝固金属中に
含有される窒素、水素などのガス成分の低減かでき、ポ
ロシティや気泡のない高品質の半凝固金属の製造が可能
となる。

（５）また減圧槽への半凝固金属の排出時のガス放出に
伴って、微細な粒滴となるため複合材の添加か容易とな
る。

（６）半凝固金属製造の終了時に装置内に残留する半凝
固金属が少なくなって排出圧が小さくなっても、減圧下
で排出する場合には殆ど全部排出されるため、高い製造
歩留りか得られる。

【図面の簡単な説明】

第１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２図は同じ〈実施例に使用した半凝固金属の連続的製
造装置を示す説明図であり、 第３図は同じく本発明の半凝固金属連続製造装置の説明
図であり、 第４図は実施例１における排出経過時間に対する排出速
度および排出固相率の比較グラフである。 ■・・・受湯槽　　　　　　２・・・冷却攪拌槽３・・
・攪拌子　　　　　　４・・・駆動軸５・・・取鍋　　
　　　　　６・・・原料溶湯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・・・排出口　　　　　　
１２・・・スライドゲート１３・・・誘導加熱ヒーター
　１４・・・減圧槽１５・・・真空排気ダクト１６・・
・複合材添加槽１７・・・圧力調整制御弁　　１８・・
・タンデイツシュ１９・・・加熱ヒーターコイル ２０・・・鋳型 ２２・・・移動台車 ２５・・・開閉蓋 ２７・・・シール用バッキング ２８・・・蛇腹式カバー　　　２９・・・電磁攪拌装置
２１・・・ロードセル ２４・・・タンク開閉蓋用蝶番 ２６・・・半凝固金属受湯容器 第１図

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ることによって得られる固液共存
   状態のスラリー状半凝固金属を冷却攪拌槽から直接また
   は半凝固金属の中継保持槽を介して排出する際、該槽の
   底部排出口下部に配置した減圧槽の圧力を調整して、ス
   ラリー状半凝固金属の排出速度を制御すると同時に該半
   凝固金属中に含有されるガス成分を除去することを特徴
   とする半凝固金属の製造方法。 ２、減圧槽内に向う半凝固金属の排出の間に、半凝固金
   属中に混入しようとする複合成分材料を添加混合するこ
   とを特徴とする、請求項１に記載した半凝固金属の製造
   方法。 ３、減圧槽内に排出した半凝固金属を、減圧下のままま
   たは大気圧に戻して、電磁的攪拌または機械的攪拌によ
   る攪拌混合を継続することを特徴とする、請求項１また
   は２に記載した半凝固金属の製造方法。 ４、溶融金属を冷却下に攪拌してスラリー状半凝固金属
   に変成させる冷却攪拌槽またはこの冷却攪拌槽から排出
   されるスラリー状半凝固金属の中継保持槽の底部取出口
   と気密接続のもとでこれに連通する減圧槽を有し、 この減圧槽はその圧力制御手段をそなえる ことを特徴とする半凝固金属の製造装置。 ５、減圧槽が、該槽内にて半凝固金属中に混入しようと
   する複合成分材料の添加シュートを有するものとした請
   求項４に記載した半凝固金属の製造装置。 ６、減圧槽が、該槽内に減圧下に排出される半凝固金属
   を受入れる収容容器を内蔵し、この収容容器は、半凝固
   金属の電磁的攪拌または機械的攪拌による攪拌混合手段
   をそなえるものとした、請求項５に記載した半凝固金属
   の製造装置。