JPH0732095A - 半凝固金属製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 一定の良好な品質の半凝固金属を連続して製
造・排出できる半凝固金属製造装置を得る。 【構成】 横軸円筒胴よりなり抜熱能を有する攪拌用回
転子１と固定壁４との間に溶融金属を供給して半凝固金
属１８を製造し、攪拌用回転子の円筒胴周面上に付着成
長する凝固殻１７を、剥離治具１０により切削しながら
下方の排出口１２から半凝固金属を連続的に排出する半
凝固金属の製造装置の、剥離治具材質を超硬合金とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、非樹枝状初晶が金属
（一般には合金）液体中に分散した固体−液体金属混合
物（以下単に半凝固金属という）を連続して安定的に製
造・排出する装置を提案するものである。

【０００２】半凝固金属は、下流の加工工程における加
工装置の熱的負荷を低減させたり、そのまま棒状又は板
状などの半製品として凝固させることにより内部品質の
良好な加工用素材が得られるなど、その有用性から半凝
固金属の安定した工業的生産技術の開発が望まれてい
る。

【０００３】

【従来の技術】半凝固金属を連続的に製造・排出する手
段としては、例えば特公昭５６−２０９４４号公報の非
樹枝状初晶固体分を含む合金を連続的に形成するための
装置に開示されているように、一定温度の溶融金属を円
筒状の冷却攪拌槽内において高速回転する縦軸の攪拌子
と冷却攪拌槽周壁との隙間に導き、適当な冷却条件のも
とで溶融金属に強い攪拌作用を加えて半凝固状態とし、
底部のノズルから半凝固金属として連続的に排出させる
機械的攪拌方式のものが知られている。

【０００４】一般に、この半凝固金属は、溶融金属を冷
却しながら激しく攪拌することによって、融体中に生成
しつつある樹枝状晶の枝部が消失ないしは縮小して丸み
を帯びた形態に変換されて形成され、その特性は非樹枝
状初晶の粒径が小さなものほど優れている。そして初晶
粒径を小さくするためには、冷却速度を大きくする必要
があるが、強冷却されて得られる半凝固金属はその固相
率の増大とともに見かけ粘性が非常に大きくなり流動性
が低下する。そのため、重力のみの排出力による上記の
ような機械的攪拌方式の半凝固金属製造装置では半凝固
金属の連続排出が困難であり、現在も実用化されるには
至っていない。

【０００５】一方、上記とは別の機械的攪拌方式で、横
軸のまわりに回転する円筒胴よりなる攪拌子（攪拌用回
転子）とこの攪拌子の円筒胴の外周に沿う凹曲面からな
る固定壁との間に形成した隙間に溶融金属を連続的に供
給し、強制冷却による凝固を生起させながら攪拌子の回
転に基づくせん断力によって粒子の細かい非樹枝状初晶
が懸濁した半凝固金属を製造しこの半凝固金属を隙間の
下方から連続的に排出する手段が、特開平３−１４２０
４０号公報（連続的に半凝固金属を製造する方法とその
装置）及び特開平４−２３８６４５号公報（半凝固金属
の製造方法および装置）にそれぞれ開示されている。

【０００６】これらの手段は、攪拌子の直径と回転速度
の選択により、十分な冷却速度とせん断効果を与えるこ
とが可能であり、かつ半凝固金属の排出方向に攪拌子を
回転させるためその排出を促進し、粘性の高い高固相率
の半凝固金属の連続排出を可能にする優れた方式であ
る。

【０００７】しかしながら、特開平３−１４２０４０号
公報では、攪拌子の円筒胴周及び冷却能を有する固定壁
の抜熱面で溶融金属が凝固してその凝固殻が成長し、こ
のため半凝固金属が通過する隙間が狭くなって、排出速
度の低下ないしは隙間を閉塞してしまうおそれや、凝固
殻の成長に伴う伝熱抵抗の増加による攪拌子の抜熱速度
の低下などがあって、一定品質の半凝固金属を長時間に
わたって安定して排出させることに関してはなお難点を
残していた。

【０００８】そこで、上記改善策として、特開平４−２
３８６４５号公報には、固定壁を断熱性とし、攪拌子に
冷却能をもたせ、かつ剥離治具により攪拌子の胴周面上
で成長する凝固殻を切削除去する手段が提案されてい
る。しかし、この横軸円筒胴よりなる攪拌子を用いる半
凝固金属の製造方式を工業プロセスとして完成させるた
めには、この剥離治具は高温の凝固殻を長時間にわたっ
て安定して切削できることが必要であり、その材質はこ
れに耐え得ることが必須であるが、上記開示例において
は、この剥離治具材質について特段の配慮がなされてい
なかった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】したがって、この発明
は横軸円筒胴よりなる攪拌用回転子を用いる半凝固金属
の製造方式において、長時間にわたって安定して半凝固
金属が排出できる剥離治具をそなえた半凝固金属の製造
装置を提案することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明の要旨は以下の
通りである。横軸円筒胴よりなり抜熱能を有する攪拌用
回転子と、該攪拌用回転子の円筒胴周に沿う凹曲面から
なる固定壁との間に、溶融金属を連続的に供給し冷却し
て、凝固を生起させながら攪拌用回転子の回転に基づく
せん断力によって粒子の細かい非樹枝状晶が懸濁した半
凝固金属を製造し、攪拌用回転子の円筒胴周面上に付着
成長する凝固殻を、剥離治具で切削しながら攪拌用回転
子と固定壁との間の下方のすき間に連なる排出口から半
凝固金属を連続的に排出する半凝固金属の製造装置にお
いて、剥離治具材質が超硬合金であることを特徴とする
半凝固金属製造装置であり、さらに、上記超硬合金をＷ
Ｃ−Ｃｏ系サーメットとするものである。

【００１１】

【作用】この発明の作用を実験結果に基づいて以下に述
べる。まず、図１に横軸円筒胴よりなる攪拌用回転子と
固定壁とからなる半凝固金属製造装置の説明図を示す。
この製造装置において、半凝固金属１８は、溶融金属１
６を上方の取鍋１４から注入ノズル１５を介して攪拌用
回転子１と固定壁４との間に連続的に注入し、排出方向
に回転する攪拌用回転子１で冷却しながら激しく攪拌す
ることによって、融体中に生成しつつある樹枝状晶の枝
部が消失ないしは縮小して丸みを帯びた形態に変換され
て形成され、連続的に下方の排出口１２から排出され
る。このとき、攪拌用回転子１の円筒胴周面上で成長す
る凝固殻１７を剥離治具１０で連続的に切削除去し凝固
殻１７の成長を防止する。

【００１２】ここに図１に示す半凝固金属の製造装置
は、横軸回転円筒胴よりなり抜熱能を有する攪拌用回転
子１、攪拌用回転子１を水冷するための冷却水２、攪拌
用回転子１の回転駆動装置３、固定壁４、固定壁４を断
熱するためのヒーター５、ヒーターホルダー６、攪拌用
回転子１との間隔を調整するための固定壁４の移動用駆
動装置７、固定壁４の下方端に設けたせき板８、せき板
８のしゅう動用駆動装置９、攪拌用回転子１の円筒胴周
面上に付着成長する凝固殻１７を切削除去するための剥
離治具１０、攪拌用回転子１との間隔を調整するための
剥離治具１０のしゅう動用駆動装置１１、排出口１２及
び排出される半凝固金属１８の固相率センサー１３から
なる。

【００１３】この図１に示した半凝固金属製造装置を用
い、その剥離治具１０の材質を変えて半凝固金属の製造
実験を行い、剥離治具１０の耐久性、攪拌用回転子１と
剥離治具１０の間隔の初期設定値と半凝固金属１８を排
出後の攪拌用回転子１の円筒胴周面上に付着している凝
固殻１７の厚さとの関係、攪拌用回転子１の抜熱速度及
び排出された半凝固金属１８の初晶粒径などを調査し
た。剥離治具１０の材質としては、サイアロン、ＳＵＳ
３０４ステンレス鋼及び超硬合金（ＷＣ−Ｃｏサーメッ
ト）を用いた。

【００１４】その結果、サイアロン製の剥離治具１０を
使用した場合、操業中（半凝固金属製造中）には、攪拌
用回転子１の円筒胴周面上に付着成長する凝固殻１７を
切削することによって刃先が欠けたり割れたりすること
はなかったが、製造を終えた後の冷却時やメンテナンス
時に刃先が破損したりして、工業的に使用するには問題
があった。

【００１５】ＳＵＳ３０４ステンレス鋼はサイアロンよ
り耐熱衝撃性に優れるが、このＳＵＳ３０４ステンレス
鋼の剥離治具１０を使用した場合、長時間の操業で刃先
が摩耗してしまい、再使用するには研磨の必要があって
コストアップになるという問題があり、さらに、操業時
間が長くなるにしたがって、攪拌用回転子１の円筒胴周
面上に生成付着する凝固殻１７の厚さが厚くなり、これ
に伴って攪拌用回転子１の抜熱速度の低下、排出された
半凝固金属１８の初晶粒径の増大などがあって、均一な
性質の半凝固金属が得られなくなるという問題があっ
た。

【００１６】超硬合金（ＷＣ−Ｃｏサーメット）製の剥
離治具１０を使用した場合は、半凝固金属製造中の刃先
の磨耗は殆ど見られず長時間の操業においても排出口１
２を閉塞させることなく半凝固金属１８を排出できた。

【００１７】また、操業終了後の攪拌用回転子１の円筒
胴周面上に付着していた凝固殻１７の厚さは、攪拌用回
転子１と剥離治具１０との間隔の初期設定値と同等又は
それ以下であり、円筒胴周面上で成長する凝固殻１７を
的確に切削できたことを示すとともに、操業中の攪拌用
回転子１の抜熱速度は操業中ほぼ一定値を示し、排出さ
れた半凝固金属１８の初晶粒径の排出初期と後期との差
は認められなかった。

【００１８】したがって、超硬合金製の剥離治具１０を
そなえた横軸円筒胴よりなる攪拌用回転子と固定壁とか
らなる半凝固金属製造装置を用いることにより、高固相
率で均一かつ高品質の半凝固金属を長時間にわたって連
続的に安定排出させることが可能になる。

【００１９】

【実施例】図１に示した半凝固金属製造装置を用いてＣ
ｕ−８mass％Ｓｎ合金（液相線温度：１０３０℃、固相
線温度：８５１℃）の半凝固金属５００kgを連続して製
造した。

【００２０】上記において、攪拌用回転子１には、半
径：２００mm、幅：１００mmのＣｕ製円筒胴よりなるも
のを用い、固定壁４は耐火物製としてヒーター５によっ
て１１００℃に予熱して使用に供した。また、剥離治具
１０には、この発明に適合するＷＣ−Ｃｏサーメット超
硬合金製と、比較例としてＳＵＳ３０４ステンレス鋼製
の２種類をそれぞれ用いた。

【００２１】半凝固金属の製造は、温度：１０７０℃の
上記合金の溶融金属１６を取鍋１４からノズル１５を介
して攪拌用回転子１と固定壁４との間に注入し、攪拌用
回転子１の回転数：２００rpm と一定にし、攪拌用回転
子１と剥離治具１０との間隔の初期設定値を２〜３mmの
範囲で変化させ、さらに、攪拌回転子１とせき板８との
間隔を５〜１０mmの範囲で変化させて排出速度を制御
し、排出口１２から半凝固金属１８（固相率：０．５）
を連続して排出させた。

【００２２】そして、攪拌用回転子１と剥離治具１０の
間隔の初期設定値と半凝固金属製造後の攪拌用回転子１
の胴周面上に付着している凝固殻１７の厚さとの関係、
操業中の攪拌用回転子１の抜熱速度及び排出された半凝
固金属１８の初晶粒径などを調査した。

【００２３】ここに、攪拌用回転子１の抜熱速度は、攪
拌用回転子１の冷却水２の入側と出側の温度を測定し、
それらの測定値をもとに次式（１）で計算した。

【数１】

【００２４】これらの調査結果を以下に記す。図２に攪
拌用回転子１と剥離治具１０との間隔の初期設定値（回
転子と剥離治具との間隔）と半凝固金属排出後の攪拌用
回転子１の胴周面上に付着していた凝固殻１７の厚さ
（回転子付着凝固殻厚さ）との関係を示す。

【００２５】この図２から明らかなように、ＳＵＳ３０
４ステンレス鋼製の剥離治具１０を使用した比較例の場
合、半凝固金属１８を排出後の攪拌用回転子１の胴周面
上に付着していた凝固殻１７の厚さが、攪拌用回転子１
と剥離治具１０の間隔の初期設定値より大きくなってい
る。これは半凝固金属排出後の剥離治具１０の刃先が摩
耗していたことによるものであり、攪拌用回転子１の胴
周面上に成長する凝固殻１７を的確に切削することがで
きなかったことを示している。

【００２６】一方、ＷＣ−Ｃｏサーメット超硬合金製の
剥離治具１０を使用した適合例の場合、半凝固金属１８
を排出後の攪拌用回転子１の胴周面上に付着していた凝
固殻１７の厚さは、攪拌用回転子１と剥離治具１０の間
隔の初期設定値と同等又はそれ以下となっていて、剥離
治具１０の刃先の摩耗はなく攪拌用回転子１０の胴周面
上に付着成長する凝固殻１７を的確に切削することがで
きていることを示している。

【００２７】つぎに、図３に攪拌用回転子１と剥離治具
１０との間隔の初期設定値を２mmとした場合の、半凝固
金属１８排出開始からの経過時間と攪拌用回転子１の抜
熱速度との関係を示す。

【００２８】この図から明らかなように、ＳＵＳ３０４
ステンレス鋼製の剥離治具１０を使用した比較例の場合
は、攪拌用回転子１の抜熱速度が半凝固金属１８排出開
始からの経過時間の増加とともに徐々に低下している
（排出初期の非安定域を除く）。これは剥離治具１０の
摩耗が進行し、これに伴って攪拌用回転子１の胴周面上
に付着成長する凝固殻１７の厚さが増大したためであ
る。

【００２９】また、排出された半凝固金属１８の初晶粒
径は、排出初期よりも排出後期の方が大きくなっている
ことが確認され、一定品質の半凝固金属が得られていな
い。なお、これは上記した排出開始からの経過時間の増
加に伴う攪拌用回転子１の抜熱速度の低下すなわち冷却
速度の低下によるものである。

【００３０】一方、ＷＣ−Ｃｏサーメット超硬合金を使
用した適合例の場合は、半凝固金属１８排出開始から終
了に至るまでの間、排出初期の非安定域を除いて攪拌用
回転子１の抜熱速度は一定値を示している。これは剥離
治具１０の摩耗がなく攪拌用回転子１の胴周面上に付着
成長する凝固殻１７を一定厚さに切削できていることに
ほかならない。また、排出された半凝固金属１８の初晶
粒径は排出初期と後期とで差がないことが確認され、一
定の良好な品質の半凝固金属１８が排出できることを示
している。

【００３１】

【発明の効果】この発明は、横軸円筒胴よりなり抜熱能
を有する攪拌用回転子と固定壁との間に溶融金属を供給
して半凝固金属を製造し、攪拌用回転子の円筒胴周面上
に付着成長する凝固殻を、剥離治具により切削除去しな
がら下方の排出口から半凝固金属を連続的に排出する半
凝固金属の製造装置において、剥離治具材質を超硬合金
とするものであり、この発明によれば、一定の良好な品
質の半凝固金属を連続して製造することができるように
なり、次工程への安定供給ができ、半凝固金属の工業化
に大きく貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】横軸円筒胴よりなる攪拌用回転子と固定壁とか
らなる半凝固金属製造装置の説明図である。

【図２】攪拌用回転子と剥離治具との間隔の初期設定値
と半凝固金属排出後の攪拌用回転子の胴周面上に付着し
ている凝固殻の厚さとの関係を示すグラフである。

【図３】半凝固金属排出開始からの経過時間と攪拌用回
転子の抜熱温度との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 攪拌用回転子 ２ 冷却水 ３ 駆動装置（攪拌用回転子用） ４ 固定壁 ５ ヒーター ６ ヒーターホルダー ７ 駆動装置（固定壁移動用） ８ せき板 ９ 駆動装置（せき板しゅう動用） １０ 剥離治具 １１ 駆動装置（剥離治具しゅう動用） １２ 排出口 １３ 固相率センサー １４ 取鍋 １５ 注入ノズル １６ 溶融金属 １７ 凝固殻 １８ 半凝固金属

フロントページの続き (72)発明者 廣中 一聡 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 株式会 社レオテック内 (72)発明者 高橋 広芳 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 株式会 社レオテック内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 横軸円筒胴よりなり抜熱能を有する攪拌
   用回転子と、該攪拌用回転子の円筒胴周に沿う凹曲面か
   らなる固定壁との間に、溶融金属を連続的に供給し冷却
   して、凝固を生起させながら攪拌用回転子の回転に基づ
   くせん断力によって粒子の細かい非樹枝状晶が懸濁した
   半凝固金属を製造し、攪拌用回転子の円筒胴周面上に付
   着成長する凝固殻を、剥離治具で切削しながら攪拌用回
   転子と固定壁との間の下方のすき間に連なる排出口から
   半凝固金属を連続的に排出する半凝固金属の製造装置に
   おいて、 剥離治具材質が超硬合金であることを特徴とする半凝固
   金属製造装置。
2. 【請求項２】 超硬合金がＷＣ−Ｃｏ系サーメットであ
   ることを特徴とする請求項１に記載の半凝固金属製造装
   置。