JPS6225464B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はレオキヤスト、チクソキヤスト又は
チクソフオージング等の応用に使用する半固体状
チクソトロピツク（擬液性）金属（合金を含む）
スラリーを製造するための方法および装置に関す
るものである。

半固体状チクソトロピツク合金スラリーを生成
するために従来より知られている方法には機械的
撹拌法および電磁誘導的撹拌法がある。適当な構
造のスラリーを生成するプロセスにおいては、撹
拌により生じる剪断速度と鋳造されている材料の
固化速度との間のバランスを必要としている。

機械的撹拌の最良の例示はフレミング氏等の米
国特許第3902544号、3954455号、3948650号及び
メラビアン氏等の米国特許第3936298号明細書に
記載されている。機械的撹拌法はまたフレミング
氏等によるAFSインターナシヨナルキヤストメ
タルズジヤーナル1976年９月号第11〜22頁及びフ
アセツタ氏等によるAFSキヤストメタルズリサ
ーチジヤーナル1973年12月号第167〜171頁に記載
されている。ホイラー氏等による1977年９月１日
発行の西ドイツ公開公報OLS第2707774号におい
ては機械的撹拌法は若干異なつた装置で示されて
いる。

機械的撹拌プロセスにおいては溶融金属は冷却
及び混合室内の環状空間中を下方へ流れる。ここ
で金属は部分的に固化される一方、中央の混合ロ
ーターの回転により動揺されレオキヤストのため
の所望のチクソトロピツクな金属スラリーを形成
する。機械的撹拌方法は幾つかの固有の難点を有
している。ローターと混合室壁との間に形成され
た環状体はチクソトロピツクスラリーの体積流量
速度を低下させる。ローターの腐蝕による材料の
問題もある。連続鋳造システムに機械的撹拌を結
合させることは困難である。

上記従来技術に記載された連続レオキヤストプ
ロセスにおいては混合室は冷却鋳造型の直上に設
けられている。混合室から鋳型への金属の移送は
酸化物を生成する。これはアルミニウムのように
酸化され易い活性合金を処理する場合には特に重
要な問題である。この方法により得られる体積流
量速度は商業的応用には不適当である。

スラリーのチクソトロピツクであり、したがつ
て連続鋳造の鋳型中へ流入させるために高い剪断
速度が要求される。機械的方法を使用した場合に
は流れを遮断しおよび（または）不連続固化によ
り流れラインを得ることができる。機械的方法は
また約30乃至60％の固体を含む半固体状スラリー
を製造するのが限度である。固体の割合を低くす
れば流動性は改善されるが固化が完了する間に不
所望に粗くなりデンドライト成長が増加する。撹
拌機をスラリー中に浸漬するために固体比率を充
分大きくすることは不可能である。

上記欠点を克服するため誘導電磁撹拌法が米国
特許出願第859132号においてウインター氏等によ
つて（1977年12月12日出願）提案された。この出
願中には２つの電磁撹拌技術が機械的撹拌の欠点
を打破するために提案されている。ウインター氏
等は交流誘導またはパルス状直流磁界の何れかを
使用して固化合金溶融物の間接撹拌を行わせてい
る。この電磁撹拌の間接特性は機械的撹拌にまさ
る改良であるが、依然とし撹拌技術の性質上生じ
る限界がある。

交流誘導撹拌によると最大の電磁力とそれに伴
う剪断は誘導電流の浸入する深さにより制限され
る。したがつて、効果的に撹拌することのできる
断面の大きさは溶融体の周辺から内方へ向うにつ
れ誘起力が減少することにより制限される。これ
は固化シエルが存在する時に特に悪い状態とな
る。誘導電磁撹拌プロセスはまた電力消費量が多
く、撹拌金属の抵抗加熱も顕著である。抵抗加熱
は固化のために抽出する必要のある熱量をその分
だけ増加させることになる。

パルス直流磁界技術もまた有効であるが、直流
電極からの距離が増加するにつれて力の範囲が急
速に発散するため要求を満足するほどに効果的な
ものではない。したがつて所望の高い剪断速度と
流体の流れのパターンを発生させてスラリーの生
成を確実に行わせるための適切な構造は幾何学的
に複雑なものとなる。このプロセスでは大きな磁
界が必要でありそれ故装置は高価かつ大型化す
る。

上記フレミング氏等の特許においては電磁撹拌
法の使用についてチクソトロピツクスラリー製造
に使用できる多くの代替撹拌技術の１つとして簡
単に言及している。しかし、彼等はスラリー製造
のためにそのような電磁撹拌法を実際にどのよう
に使用するかを何も示していない。ホイラー氏等
のドイツ特許は混合室の周囲に誘導コイルを配置
して電磁界を発生させ、電磁界の力で溶融体を撹
拌することが可能であることを示している。しか
しながらホイラー氏等は電磁撹拌が機械的撹拌に
付加しようとするのか置換しようとするのか明ら
かにしていない。何れにせよホイラー氏等は誘導
型電磁撹拌法について単に示唆しているに過ぎな
いことは明白である。

溶融金属または合金の鋳造中に電磁撹拌技術を
用いる従来技術は幾つかある。マン氏の米国特許
第3268963号、ザバラス氏等の米国特許第3995678
号、イソー氏等の米国特許第4030534号、アルヘ
ーニ氏等の米国特許第4040467号、ザバラス氏等
の米国特許第4042007号、アルヘーニ氏等の米国
特許第4042008号などである。またツエケリー氏
等のジヤーナルオブメタルズ1976年９月号の「金
属処理における電磁駆動の流れ」には誘導コイル
により設定された電磁撹拌を使用した金属鋳造技
術が示されている。

誘導電磁撹拌の欠点を除くために、本発明の如
く回転磁界のような鋳造軸と直角に移動する磁界
を使用することにより生産性を向上させ連続鋳造
技術に適用しても装置が複雑にならないで電磁撹
拌が効果的に行いうることが発見された。

鋳造中溶融金属の撹拌に回転磁界を使用するこ
とは例えばペスタル氏等の米国特許第2963758
号、マン氏等の米国特許第2861302号、ペスタル
氏等の英国特許第1525036号および第1525545号等
により知られており、回転磁界により溶融金属が
電磁的に撹拌される静止的又は連続的鋳造法が示
されている。微細粒子金属鋳造物を生成すべく溶
融金属を撹拌するために１又はそれ以上の多極電
動機ステータが鋳型又は固化しつつある鋳造物の
周囲に配置されている。ペスタル氏等の特許明細
書中に示された連続鋳造の実施例においては６極
のステータが鋳型の周囲に配置され２個の２極ス
テータが実質上それに続いて固化しつつある鋳造
物の周囲に配置されている。

本発明は、機械的撹拌法又は誘導電磁撹拌法の
何れかを使用した従来のチクソトロピツクスラリ
ー製造法の有する欠点を改良するものである。本
発明においては２極多相電動機ステータにより発
生された回転磁界に伴う磁気水力学的運動を利用
してチクソトロピツクな半固体合金スラリーを製
造するための所要の高い剪断速度を達成してい
る。２極誘導電動機のステータは磁界が常に電動
機の対向する極間に存在する如く構成されてい
る。本発明によれば２極電動機のステータはチク
ソトロピツク金属スラリーの撹拌に適した所要の
特性のものであることが認められた。２極電動機
ステータは撹拌されるべき溶融体の全断面にわた
つて雰でない磁界を提供する。力のフイールドは
鋳型壁の接線方向でありそれはデンドライトの成
長方向と一般に直交する方向であつて、成長する
デンドライトを剪断除去する効率を最大にする。

本発明の回転磁界を使用すると前述のウインタ
ー氏等の出願により誘導磁界と比較して使用周波
数を低くすることにより固化金属の存在による磁
界強度の損失が小さくなる。本発明の装置は電力
消費量が少なく撹拌されている溶融体の抵抗加熱
は非常に少ない。本発明の方法および装置により
得られる剪断速度は機械的撹拌法で記録されたも
のと比較してはるかに高く、より大きな断面にわ
たつて得ることができる。これ等の高い剪断速度
は固化シエルが存在する時でさえも断面の中心ま
で拡がつている。従来技術に比較して本発明の方
法および装置においては高い体積流量速度を容易
に得ることができる。

本発明の１実施態様によれば静止鋳造システム
が提供され、それにおいて鋳型の周囲に２極多相
誘導電動機ステータが配置されている。電動機ス
テータは鋳型の周囲を取囲んで配置されている。
スラリーを確実に適当な混合状態とするためにス
テータの長さは固化領域の全長を超えて充分の磁
界が設定されるように選択されることが望まし
い。所望の半固体スラリーを形成するために溶融
金属は鋳型中に注がれ、ステータにより生じた回
転磁界が全鋳造期間存在する状態で制御された条
件下に冷却される。鋳型の表面あるいは固化先端
面で形成される全てのデンドライトは回転磁界に
より生じた溶融金属およびスラリーの流れにより
容易に剪断除去される。

撹拌される時にスラリーや溶融金属がこぼれ落
ちることを防止するために部分的に閉塞したカバ
ー手段を設けることが望ましい。

本発明の別の実施態様によれば、チクソトロピ
ツクスラリーは連続的又は半連続的に鋳造され
る。この実施例においては溶融金属は前の例と同
様に２極多相電動機ステータに囲まれた連続鋳造
型中に注がれる。溶融金属は鋳型の頂部から注が
れる。所望のチクソトロピツクスラリーを生成す
る制御された条件の下で冷却されながら回転磁界
により撹拌される。固化したスラリーは次いで連
続的又は半連続的に鋳型の底部から引き出され
る。連続鋳造型もまた撹拌された時に溶融金属や
スラリーがこぼれないようにカバーを有すること
が望ましい。更に連続鋳造型は低い熱抽出度を有
する上部部分又は熱い頂部を備えており、そこで
は溶融金属は溶融状態に置かれており、何等かの
固化が生じるとしても非常に少なく、それに続い
て熱抽出度の高い第２の部分を具備し、そこでは
回転磁界の影響下に固化が生じ所望の半固体チク
ソトロピツクスラリーを生成する。

したがつて、本発明の目的はレオキヤスト又は
チクソキヤスト型の応用に使用する半固体状チク
ソトロピツク金属スラリーを形成するための改良
された方法および装置を提供することである。

本発明の別の目的はチクソトロピツク金属スラ
リーが上述の如く連続的又は半連続的に鋳造され
るプロセスおよび装置を提供することである。

これ等およびその他の目的は以下の図面を参照
とする説明により一層明瞭になるであろう。

本発明の背景となつている技術としてレオキヤ
スチング、チクソキヤスチング、チクソフオージ
ング等に使用する半固体状のチクソトロピツクな
金属スラリーを形成させる幾つかの技術について
説明した。レオキヤスチングとはここでは半固体
状チクソトロピツク金属スラリーを直接所望の構
造例えば後の工程で使用するためのビレツトに形
成することあるいはスラリーから形成されたダイ
キヤスチングを云うものである。チクソキヤスチ
ングおよびチクソフオージングとはそれぞれレオ
キヤスト材料を使用しそれを再加熱して更にダイ
キヤスチングまたはフオージングの如き処理をす
ることを云うものである。

本発明は主としてレオキヤスト材料を直接の処
理として、或はチクソキヤスチングおよびチクソ
フオージングの如き種々の応用に後で使用できる
材料として提供するものである。レオキヤスチン
グ等の利点については従来技術において充分に説
明されている。それらの利点の一つは通常のダイ
キヤスト法と比較して得られた鋳造物の強度が改
善されることである。それは金属が鋳造段階に入
つた時に部分的に固体であるため収縮多孔性が少
ないのである。機械部品の寿命も鋳型の腐蝕が減
少し、レオキヤスチングに伴う熱衝撃が減少する
ため改善される。

チクソトロピツクスラリーの金属組成は１次的
な固体の分離した粒子とそれを囲むマトリツクス
から構成されている。囲んでいるマトリツクスは
金属組成が充分に固化された時には固体であり、
金属組成が部分的に固体であり部分的に液体であ
るスラリーである時には液体である。１次固体粒
子は通常は球状の縮退したデンドライト（剪断さ
れ、丸味を帯びた短い、或は球状にされたデンド
ライトを以下縮退したデンドライトと呼ぶ）或は
団塊より構成されている。１次粒子は完全に固化
した合金においてそれを囲んでいるマトリツクス
の平均の組成とは異なつた平均組成を有する単相
または複数の相より成つている。マトリツクス自
体は更に固化すると１又はそれ以上の相を構成す
る。

通常固化した合金は温度が減少し、固体の重量
比率が増加するにつれて相互に結合した網状組織
が発達し、分岐したデンドライト構造を有する。
これに対してチクソトロピツク金属スラリーは潜
在的に固体成分が80％までの液体金属マトリツク
スにより相互に分離された１次縮退デンドライト
粒子から成つている。１次固体粒子は縮退したデ
ンドライトであり、そこにおいてはそれらは滑ら
かな表面を有し分岐構造が少なく球状に近い形状
である。１次粒子を囲む固体マトリツクスは１次
固体の形成に続く液体マトリツクスの固化中に形
成され、通常のプロセスで液体合金が固化すると
得られるような型式の１またはそれ以上の相を含
んでいる。この固体マトリツクスはデンドライ
ト、単相または多相化合物、固溶体、またはデン
ドライトおよび（又は）化合物および（又は）固
溶体の混合物より構成されている。

第１図には本発明の１実施例の装置１０が示さ
れている。第１図の装置１０は上述の如く静止即
ち非連続式にチクソトロピツク金属スラリーをレ
オキヤスト鋳造するための円筒状鋳型１１を備え
ている。鋳型１１は、銅、銅合金、ステンレス鋼
又はそれと類似する合金等の如き所望の非磁性材
料で作られている。鋳型１１の底部１２はテーパ
ーを有する円筒壁１３に機械的に密着して封着さ
れた板状体で構成されている。鋳型１１の頂部端
には部分的に閉じたカバー板１４が備えられ、同
様に鋳型壁１３に固着されている。カバー板１４
は鋳型１１の内面にセラミツクのライナー１５を
有し、また鋳型１１内へ溶融金属を注入するカバ
ー板１４の開口１７に連通したセラミツクフアン
ネル１６を有している。カバー板１４およびライ
ナー１５は撹拌動作中に鋳型から溶融金属がこぼ
れるのを阻止する。フアンネル１６は溶融金属を
鋳型１１中へ導くためのものである。

第２図を参照すると鋳型壁１３が円筒状のもの
として示されている。装置１０および本発明の方
法は特に撹拌に通常の２極多相誘導電動機ステー
タを使用して円柱状インゴツトを製作するのに適
している。しかし、第３図に示すように非円筒状
の鋳型１１と横断的に或は周辺に沿つて移動する
磁界を使用することも可能であるから本発明は断
面円形のインゴツトに限定されるものではない。
第３図の実施例においては鋳型１１は方形断面を
有しており、多相方形誘導電動機ステータ１８に
より囲まれている。磁界は製造される鋳造物の縦
軸と垂直の方向に鋳型１１の周囲を移動又は回転
する。以下第１図の実施例では円筒状鋳型１１を
使用したものとして説明する。

再び第１および第２図を参照すると開口１７よ
り鋳型１１内へ注がれる溶融金属は鋳型を取囲む
マニホールド２０から鋳型１１の外面１９に散布
される水により鋳型内で制御された条件下に冷却
される。鋳型表面１９に対する水の流量を制御す
ることにより鋳型１１内の溶融金属から抽出され
る熱量が制御できる。冷却液を供給するマニホー
ルド２０は通常の設計のものであつて、入力室２
１と比較的狭い溝２２でそれと連結された出力室
２３から成り、出力室は放出溝２４から水又は他
の所望の冷却体を放出する。放出溝２４は水を鋳
型１１の外面１９へ指向させるように傾斜してい
る。マニホールド２０の入力室２１に連結された
入力連結部２６の弁２５はマニホールドから流出
する水の割合を制御するために使用されそれによ
り熱の抽出量が制御される。装置１０においては
手動弁２５が示されている。しかし所望により電
気動作弁を使用することも可能である。

鋳型１１内で溶融金属を撹拌して所望のチクソ
トロピツクスラリーを形成するための手段とし
て、２極多相誘導電動機ステータ２７が鋳型１１
の周囲に配置されている。ステータ２７は積層鉄
心２８とそれに巻回された巻線２９より成る通常
の方法で作られた３相誘導電動機ステータであ
る。ステータ２７は電動機容器３０内に収容され
ている。マニホールド２０およびステータ２７は
鋳型１１およびその中で製造される鋳造物３２の
軸と同軸に配置されている。

本発明においては２極３相誘導電動機ステータ
２７を使用することが望ましい。２極電動機ステ
ータ２７の利点の１つは鋳型の全断面に亘つて零
磁界の部分を生じないことである。それ故本発明
によれば全断面に亘つて所望のレオキヤスト構造
を有する鋳造物を固化させることが可能である。

第４図は或る瞬間における４極誘導電動機の磁
力線を示したものである。図から明らかなように
鋳型の中心部は所望の磁界を有していない。それ
故撹拌作用は鋳型１１の壁１３の付近に集中して
いる。それに比較して第５図に示す２極誘導電動
機ステータにおいては発生される磁力線は与えら
れた瞬間において鋳型の全断面に及び、磁界零の
区域は存在しない。２極誘導電動機ステータ２７
はまた第４図に示す４極のものに比較して供給さ
れた電流の周波数に対してスラリーＳの回転又は
撹拌周波数が高い。

第２図は本発明の回転磁界撹拌法の別の特徴を
示している。フレミングの右手の法則により図の
面に垂直方向の電流Ｊに対して磁束ベクトルＢは
鋳型１１の半径方向の内方を向いており、磁気撹
拌力ベクトルＦは一般に鋳型壁１３の接線方向を
向く。これは鋳型空洞内に矢印Ｒの方向に溶融金
属の回転を生じさせ、チクソトロピツクスラリー
Ｓの生成のための所望の剪断力を発生させる。力
ベクトルは熱抽出面に対して接線方向でありデン
ドライトの成長方向に対して垂直である。これは
成長するデンドライトの剪断を最大のものとして
いる。

本発明においてステータ２７の発生した撹拌磁
界は溶融金属およびチクソトロピツク金属スラリ
ーＳの全固化領域３３に亘つて延在していること
が望ましい。換言すれば鋳造物の構造はステータ
２７の磁界中の部分ではレオキヤスト構造を有
し、ステータ磁界の外部部分ではレオキヤストで
ない構造を有している。第１図の実施例において
は固化領域３３は鋳型１１内の溶融金属とスラリ
ーＳの溜部分で構成されることが望ましく、それ
は頂面３４から固化した鋳造物をスラリーＳと分
離している固化先端面３５まで拡がつている。固
化領域３３は少なくとも溜部分中の固化およびス
ラリー形成の最初の開始領域から固化先端面３５
まで拡がつている。

第１図の装置１０を使用してレオキヤスト鋳造
物３２を製造するために溶融金属は鋳型空洞中へ
注がれ、一方電動機ステータ２７が所望の電流値
および周波数の適当な３相電源により付勢され
る。溶融金属が鋳型空洞内へ注がれた後、ステー
タ２７により発生された回転磁界により連続的に
撹拌される。固化は鋳型壁１３から開始する。最
高の剪断速度が静止した鋳型壁１３又は前進する
固化先端面３５において発生される。従来の技術
により既知である任意所望の手段により適当に固
化速度を制御することにより所望のチクソトロピ
ツクスラリーが生成される。

本発明の方法および装置１０により得られる剪
断速度は機械的撹拌法について報告されている値
よりもはるかに高く、はるかに大きな断面につい
て得ることができる。前述の如くこの高い剪断速
度は固化スラリーＳの固化シエルがすでに存在し
ている時でさえも鋳造物の断面の中心まで延在さ
せることができる。

縮退したデンドライトレオキヤスト構造の生成
に必要な撹拌力を与える誘導電動機ステータ２７
は所望に応じて１次冷却マニホールド２０の上
方、下方の何れにも配置することができる。しか
し、本発明においてはステータ２７と鋳型１１は
冷却マニホールド２０の下方に位置させることが
望ましい。

所望の縮退したデンドライトチクソトロピツク
スラリーＳを得るために必要なステータ電流と剪
断速度は本発明の背景技術として前述した従来技
術による微細なデンドライト粒子を得るために必
要とされる速度より非常に高い。本発明の方法お
よび装置は従来技術と比較して幾つかのすぐれた
特徴を有している。例えば固化した金属の存在に
よる磁界強度の損失は使用される周波数が低いこ
とにより小さなものとなる。本発明の装置１０中
で使用する装置は２極誘導電動機ステータ２７が
従来技術で周知であるため製作が容易である。本
発明の装置１０は比較的電力消費量が少ない。交
流誘導法と比較して低電流であるために撹拌され
る溶融体の抵抗加熱は少ない。本発明の回転磁界
撹拌法は間接的であり、そのため腐蝕の問題は無
視できる。本発明の方法および装置の他の特徴は
得られる体積流量速度が高いことである。これは
レオキヤストプロセスを連続的若しくは半連続的
に行うためには特に重要である。

第６および第７図には連続的又は半連続的レオ
キヤスト法によるチクソトロピツクスラリーの製
造装置が示されている。一見すると本実施例にお
ける鋳型３６は第１図の鋳型１１と類似している
ように見えるが、幾つかの特徴的な相違点を有し
ている。鋳型３６は連続的又は半連続的レオキヤ
スト鋳造に適している。鋳型３６はステンレス
鋼、銅、銅合金の如き前の例と同様に任意所望の
非磁性材料で作られている。しかし鋳型３６の底
部ブロツク３７は鋳造物が固化シエルを形成する
に従つて鋳型３６から離れて移動する如く構成さ
れている。可動底部ブロツク３７は標準の直冷式
鋳造型底部ブロツクから成つている。

底部ブロツク３７は金属で作られ、第６図に示
された鋳型壁３８の範囲内に設置された位置と第
７図に示された鋳型３６から離れた位置との間で
移動する如く構成されている。この移動は底部ブ
ロツク３７を適当な移動具３９上に支持させるこ
とによつて行つている。案内ねじ４０と４１又は
水圧手段が通常実用されているような所望の鋳造
速度で底部ブロツク３７を上下させるために使用
される。底部ブロツク３７は鋳型軸４２に沿つて
軸方向に移動する如く構成されている。底部ブロ
ツク３７は空洞部４３を有し、その中へ最初に溶
融金属が注ぎ込まれ、鋳型３６から引き離される
時に生成した鋳造物上の影響を安定化させる。

冷却マニホールド４４が鋳型壁３８の周囲に配
置されている。図示されたマニホールドは第１の
入力室４５と、第２室４６とを有し、両室は狭い
溝４７によつて連通している。放出溝４８はマニ
ホールド４４と鋳型３６の間の間隙によつて形成
されている。均一な水のカーテンが鋳型３６の外
面に形成される。適当な弁手段５０が設けられて
スラリーＳが固化する速度を制御するために放出
される水の割合を制御する。

本実施例においては、２極３相誘導電動機ステ
ータ５１が鋳型３６の周囲に同軸で配置されそれ
によつてステータにより発生された磁気力がその
全固化領域に亘つてスラリーＳに作用する。ステ
ータは積層鉄心５２および３相巻線５３より成つ
ている。

部分的に密閉するカバー５４が使用されて電動
機ステータ５１の磁界による行われる撹拌作用に
より溶融金属とスラリーＳがこぼれ出ることを防
止する。カバー５４はマニホールド４４の上に設
けられた金属板より成り、適当なセラミツクライ
ナー５５によつてマニホールドと分離されてい
る。カバー５４は開口５６を有しており、それを
通して溶融金属は鋳型空洞内へ流入する。カバー
５４中の開口５６に連通してフアンネル５７が設
けられ、溶融金属を開口５６へ導いている。セラ
ミツクライナー５８が金属フアンネル５７と開口
５６を保護するために使用されている。チクソト
ロピツク金属スラリーＳが鋳型３６内で回転する
ので空洞内で遠心力が金属を鋳型壁３８の上へ押
し上げようとする。セラミツクライナー５５を有
するカバー５４は金属スラリーが押し上げられ、
鋳型３６からこぼれ出て装置１０が損傷されるこ
とを阻止する。

フアンネル５７のすぐ上に放出口５９が設けら
れ、それを通つて適当な炉６０から溶融金属が流
入する。放出口と同軸に配置された弁部材６１が
使用され、通常実用されているように鋳型３６中
への溶融金属の流れを調節する。

炉６０は任意の通常の設計のものでよく、炉が
鋳型３６の直上に位置させることは本質的なこと
ではない。通常の直冷鋳造プロセスの技術によつ
て炉が横方向にずれた位置に置かれ、一連の樋等
により鋳型３６に連結されてもよい。

通常の固化条件下においてはインゴツト３２′
の周辺部は柱状デンドライト粒子構造を有する。
そのような構造は望ましくなく、インゴツト断面
の主要部を占めるレオキヤスト構造の全体の特徴
を減殺するものである。この外側のデンドライト
層を消滅させるか実質上その厚さを支障のない程
度に減少させるために鋳型３６の上部領域の熱伝
導率はセラミツクの如き絶縁体で作られた部分的
な鋳型ライナー６２によつて減少されている。セ
ラミツク鋳型ライナー６２は鋳型カバー５４のセ
ラミツクライナー５５から下方へ延在し、ステー
タ５１の磁気撹拌力フイールドが少なくとも部分
的セラミツク鋳型ライナー６２に部分的に交叉す
るような充分な距離まで鋳型３６の空洞中に延在
している。セラミツクライナー６２は鋳型３６の
内形に一致したシエルであつて鋳型壁３８により
保持されている。鋳型３６はセラミツクライナー
６２を設けた低熱伝導率部分と鋳型壁３８の露出
部分である高熱伝導率部分とより成る二重構造で
ある。

ライナー６２は溶融金属が強い磁気撹拌力の領
域中に位置するまで固化を遅延させる。一般にラ
イナー６２に伴う低い熱抽出速度は鋳型内のその
部分における固化を阻止する。一般に固化はライ
ナー６２の下流端又はその直後の部分に向つて以
外には生じない。供給された回転磁界により生じ
る剪断プロセスはライナー６２の領域における固
体シエルの形成を破壊する傾向がある。低熱伝導
率のこの領域６２はそれによつて最終的レオキヤ
スト鋳造物３２′がその断面を通じてその外表面
までも縮退したデンドライト構造を有するように
することを助長する。

ライナー６２により定められた制御された熱伝
導率の領域の下方の通常の形式の水冷式金属鋳型
壁３８が存在する。鋳型３６のこの部分の高い熱
伝導率はインゴツトシエルの形成を促進する。し
かし、低熱伝導率の領域６２のために鋳造物３
２′の周辺シエルさえもマトリツクスで囲まれた
縮退したデンドライトから構成されている。

鋳造物の表面において所望のレオキヤスト構造
を形成するために鋳型ライナー６２からの最初の
固化成長は全て実質上剪断することが望ましい。
これはステータ５１による磁界が少なくとも固化
が最初に開始されるライナー６２の部分まで確実
に延在させるようにすることによつて達成され
る。

鋳型３６の内面に垂直に最初に形成されるデン
ドライトはステータ５１の回転磁界によつて生じ
る金属流により容易に剪断除去される。剪断除去
されたデンドライトは固化先端面６３によつて捕
捉されるまで撹拌され続けて縮退したデンドライ
トを形成する。縮退したデンドライトはまた直接
スラリー中で形成されることができる。それは溶
融体の回転撹拌作用はデンドライトの方向性を持
つた成長を許さないためである。これを確実に行
うためステータ５１の長さは固化領域の全長を越
えて大きくされていることが望ましい。特にステ
ータ５１による撹拌力のフイールドは所望の剪断
速度を発生するに充分の大きさで固化領域の全
長、全断面に亘つて延在することが望ましい。

本発明の連続鋳造装置１０および製造方法は前
述の従来の技術による方法および装置と比較して
特に利点がある。従来の方法においては撹拌室は
連続鋳造鋳型の上に位置し、チクソトロピツクス
ラリーＳが鋳型中に放出されていた。これは鋳型
を満たすことが困難で酸化物の生成が増加する欠
点を有している。本発明によれば撹拌室は連続鋳
造鋳型３６それ自身によつて構成されている。こ
の方法は従来の連続鋳造技術の如く転送による汚
染の欠点を受けることがない。

本発明の方法および装置において全断面に亘つ
て適当なレオキヤスト構造の鋳造物を製造するた
めにステータ５１の磁界中で全鋳造固化を行うこ
とが望ましい。それ故本発明による鋳造装置１０
又は１０′は全固化領域又は溜部分がステータ５
１の磁界内に確実に位置される如く設計されるこ
とが望ましい。これは或る種の鋳造物を処理する
場合には非常に長いステータ５１を設けることを
必要とすることになるであろう。

本発明の方法および装置１０′は第３図で説明
した如く非円形の誘導電動機ステータにより撹拌
磁界を生成することにより非円形断面の鋳型３６
に拡張することができる。

本発明により２つの競合プロセスで剪断および
固化が制御された。本発明の電磁プロセスおよび
装置で生じた剪断は機械的撹拌により得られたも
のと等価もしくはそれ以上にすることが可能であ
る。剪断速度と冷却速度の相互作用は静止鋳造に
対して必要とされるよりも連続型の鋳造に必要な
ステータ電流値を大きなものとしている。

本発明によるプロセスにおける実験変数の効果
が２個のデイメンシヨンのない群の考察から予想
できることが見出された。

即ち、βおよびＮは次のとおりである。

β＝√₀ ² Ｎ＝σＲ^２Ｂ^２θω／η_０ ここにｊ＝√−１ ω＝角周波数 σ＝溶融物の電気伝導率 μ_０＝導磁率 Ｒ＝溶融物の半径 Ｂ〓〓＝鋳型壁における磁気誘導 η_０＝溶融物の粘度 第１の群、β、は磁界の幾何学的効果の測定で
あり、一方第２の群、Ｎ、は磁気力と共働する速
度フイールドの結合係数としてあらわされる。パ
ラメータＮの関数としてβの１つの値に対して計
算された速度と剪断力が決定される。

これらの決定から剪断速度は鋳型の外方へ向つ
て鋭く増加し、外側でその最大値に達する。この
最大剪断速度はＮの増加と共に増加する。周辺の
境界あるいは鋳型壁は剛体であるから剪断は溶融
体中で生じていることが結論づけられた。それ故
固化シエルが生成されている時でさえ依然として
溶融体中に剪断応力が存在しなければならず、液
体固体界面３５又は６３において最大でなければ
ならない。更に先端界面３５又は６３において常
に剪断応力が存在するために全断面に亘つて適当
な縮退デンドライトレオキヤスト構造を有するイ
ンゴツト３２又は３２′を製作することが可能で
ある。

例 第１及び第２図に示したものと類似の装置１０
を使用して半固体状チクソトロピツク合金スラリ
ーが２個の分離したアルミニウム合金6061及び
A356のそれぞれから作られた。鋳型はステンレ
ス鋼るつぼで構成された。鋳型にそれぞれの合金
に対応する溶融金属で満たされた。溶融金属は平
均冷却速度毎分50℃で冷却され、回転磁界が発生
され、60Hz、15アンペアの電流を２極３相誘導電
動機ステータ２７に流した。るつぼ壁１３におけ
る磁気誘導は300ガウスであつた。得られた合金
は典型的なレオキヤスト構造を有し、一般の球状
の１次固体が別の組成の固体マトリツクスに囲ま
れて構成されていた。

例 直径2.5インチの6061合金のインゴツトが第６
図および第７図に示したものと同様の装置１０′
を使用して鋳造された。毎分約８乃至14インチの
速度で底部ブロツク３７が降下され、鋳造物が鋳
型３６から降下された。２極３相誘導電動機ステ
ータ５１の電流は５乃至35アンペアの範囲で変化
された。この範囲の最低電流値では微細なデンド
ライト粒子構造が発生するがレオキヤストチクソ
トロピツクスラリーの特徴的構造は認められなか
つた。この範囲の特に最高電流値および15アンペ
ア前後においては一般に球状の１次固体が別の組
成の固体マトリツクスに囲まれて構成されている
典型的なレオキヤスト構造を有する充分な非デン
ドライト構造が生成された。

中央に位置する小さな開口１７又は５６を除い
て鋳型空洞を鋳型カバー１４および５４により密
閉することによつて溶融金属のこぼれ出るのを阻
止できるだけでなく、レオキヤスト構造物の端部
にＵ字物空洞が形成されることを防止することも
できる。少なくともフアンネル１６又は５７の一
部まで付加的に充分溶融金属を満たすことにより
鋳型空洞内を確実に溶融金属およびスラリーによ
つて完全に満たすことができる。カバー１４又は
５４は遠心力を相殺し、固化物上にＵ字状空洞が
形成されることを阻止する。鋳型を完全に満たす
ことによつて完成した鋳造物の酸化物も実質上減
少させることができる。

本発明において磁界による撹拌力は全固化領域
に拡がつていることが望ましいが、デンドライト
の剪断作用は溶融体の回転運動から生じることが
認められた。この金属撹拌運動はもし運動する溶
融金属のプールが磁界の外側まで拡がつているな
らば磁界の外側においてもデンドライトの剪断を
可能とする。

デンドライトは最初鋳型の壁から成長しはじめ
る。鋳型の底部で固化した金属はより等軸性の粒
子の形成を助長する比較的低い熱抽出速度のため
にデンドライトにはならない。

本発明の遂行に必要な適当なステータ電流は使
用されるステータにより変化する。電流は所望の
剪断速度を発生させるために所望される磁界を発
生させるのに充分な値でなければならない。

本発明のプロセスを行うに適当な剪断速度は少
なくとも毎秒約100乃至1500であり、毎秒約500乃
至1200が望ましい。アルミニウムおよびその合金
に対しては毎秒約700乃至1100の剪断速度が望ま
しいことが認められた。

鋳型中の溶融金属の固化温度範囲を通じての平
均冷却速度は毎分約0.1℃乃至1000℃である必要
があり、毎分約10℃乃至500℃の範囲が望まし
い。アルミニウムおよびその合金では毎分約40℃
乃至500℃の平均冷却速度が望ましいことが判つ
た。磁気水力学的撹拌の効率は従来技術による撹
拌プロセスよりも高い冷却速度を採用することを
可能とする。高い冷却速度はレオキヤスト鋳造物
中に望ましい微細な粒子構造をもたらすことにな
る。更に連続レオキヤストにおいて冷却速度を高
くすれば材料処理量が増加する。

本発明を行うためのパラメータ｜β^２｜（βは
(1)式で与えられる）は略々１から10の間であり約
３乃至７が望ましい。

本発明を行うためのパラメータＮ（Ｎは(2)式で
与えられる）は略々１から1000の間であり、約５
乃至200が望ましい。

電源角周波数ωは約１乃至10インチの半径の鋳
造物に対して約３乃至3000ヘルツでなければなら
ず、約９乃至2000ヘルツであることが望ましい。

電源周波数および溶融体の半径の関数である磁
界強度は略々50乃至1500ガウスであり略々100乃
至600ガウスであることが望ましい。

使用される特定のパラメータはチクソトロピツ
クスラリーを生じる所望の剪断速度を得るために
金属系に応じて変化させることができる。アルミ
ニウム以外の合金系に対する適当なパラメータは
本発明の原理に基づく所定の実験により決定する
ことができる。

本明細書中で使用している固化領域とは固化が
行われている鋳型内の溶融金属またはスラリーの
領域を意味する。ここに使用する磁気水力学とは
移動または回転磁界を使用して溶融金属またはス
ラリーを撹拌するプロセスについて云うものであ
る。磁気撹拌力は磁気駆動（magnet motive）撹
拌力と呼ぶのがより適切であるかも知れない。そ
れは本発明の移動または回転磁界によつて生成さ
れる。

本発明のプロセスおよび装置は前述の従来技術
に述べられた全ての材料例えばアルミニウムおよ
びその合金、銅およびその合金、鉄およびその合
金に適用可能であるがそれに限定されるものでは
ない。

本明細書中に記載した特許や特許出願等は参考
文献であることを強調しておく。

本発明による方法および装置が前述した目的を
達成し所期の効果を奏するチクソトロピツク金属
スラリーを製造できることは明白である。本発明
は特定の実施例に基いて説明されたが、多くの変
形、代替手段は前記の記載から当業者には明白で
あろう。したがつて、そのような変形あるいは代
替手段も特許請求の範囲に記載された本発明の技
術範囲に属すものであることを強調して置く。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の静止型鋳造装置の
断面図であり、第２図は第１図の線２−２に沿つ
た部分的断面図である。第３図は非円形断面の鋳
型と線形誘導電動機ステータを有する本発明の他
の実施例の底面略図である。第４図は４極誘導電
動機ステータによる或る瞬間の磁力線を示す略図
であり、第５図は２極電動機ステータによる磁力
線を示す略図である。第６図は本発明の１実施例
の連続又は半連続鋳造装置の一部断面で示す概略
図であり、第７図は動作状態における第６図の装
置の一部断面で示す概略図である。 １０……静止型鋳造装置、１１……鋳型、１２
……底部、１３……鋳型壁、１４……カバー板、
１５……ライナー、１６……フアンネル、２０…
…マニホールド、１８，２７……ステータ、２８
……鉄心、２９……巻線、３２，３２′……鋳造
物、３６……鋳型、３７……底部ブロツク、３８
……鋳型壁、３９……移動具、４０，４１……案
内ねじ、４２……ライナー、４４……マニホール
ド、５１……ステータ、５２……鉄心、５３……
巻線、５４……カバー、５５……ライナー、５７
……フアンネル、５８……ライナー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 所望の断面を有する溶融金属収容手段と、該
   収容手段中において溶融金属を制御して冷却する
   手段と、溶融金属が冷却されてスラリーを形成す
   る固化領域において形成されるデンドライトを剪
   断するために溶融金属を撹拌する手段とを具備し
   ている全断面に亘つて縮退したデンドライトの１
   次固体粒子が溶融金属のマトリツクスで囲まれて
   いる半固体状チクソトロピツク金属スラリーの連
   続的または半連続的製造装置において、 前記撹拌手段は前記収容手段の全断面を横切つ
   て全固化領域に亘り前記収容手段の縦軸を横切つ
   て移動する零磁界部分のない回転磁界を発生させ
   る単一の２極電動機ステータを具備しており、こ
   の磁界により前記溶融金属およびスラリーに前記
   収容手段中で回転を生じさせるために前記収容手
   段の壁面の接触方向を向いた磁気駆動撹拌力を生
   成し、この磁気駆動撹拌力は前記デンドライトの
   剪断を行うに充分な500秒^-1以上の剪断速度を与
   える如く設定されていることを特徴とするチクソ
   トロピツク金属スラリーの製造装置。 ２ 前記磁気駆動撹拌力がデンドライトの主成長
   方向に垂直な方向に向いている特許請求の範囲第
   １項記載の装置。 ３ 前記電動機ステータが多相誘導電動機ステー
   タを備えている特許請求の範囲第１項記載の装
   置。 ４ 電動機ステータが３相電動機ステータを備え
   ている特許請求の範囲第３項記載の装置。 ５ 前記収容手段がスラリーからレオキヤスト鋳
   造物を製造するための鋳型から成り、前記電動機
   ステータが鋳型の周囲に配置され、前記鋳型が鋳
   造物の所望の縦軸を決定している特許請求の範囲
   第３項記載の装置。 ６ 鋳型の断面が円形で、前記ステータが鋳型お
   よび鋳造物の軸と同軸に配置されている特許請求
   の範囲第５項記載の装置。 ７ 鋳型が非円形断面である特許請求の範囲第５
   項記載の装置。 ８ 鋳型の断面が方形であり、前記ステータが方
   形の誘導電動機ステータである特許請求の範囲第
   ７項記載の装置。 ９ 鋳型が金属で作られ、鋳型壁を有し、該鋳型
   壁に対して冷却水を指向させる如く鋳型の周囲に
   マニホールドから成る冷却手段が設けられている
   特許請求の範囲第５項記載の装置。 １０ 冷却手段が溶融金属の固化温度範囲を通じ
   て毎分略々0.1℃乃至1000℃の平均冷却速度を有
   する如く構成されている特許請求の範囲第５項記
   載の装置。 １１ 磁気駆動撹拌力が毎秒略々500乃至1500の
   剪断速度を生じる如く構成されている特許請求請
   求の範囲第５項記載の製造装置。 １２ 溶融金属またはスラリーが鋳型からこぼれ
   ることを阻止し、かつ生成されたレオキヤスト鋳
   造物中に固化に伴う空洞が形成されることを阻止
   するための手段が設けられている特許請求の範囲
   第５項記載の装置。 １３ 前記溶融金属またはスラリーがこぼれるこ
   とを阻止しかつ空洞の形成を阻止する手段が鋳型
   内に溶融金属を導入するための中央の開口を除い
   て鋳型を実質上密閉している鋳型カバー部材を備
   えている特許請求の範囲第１２項記載の装置。 １４ 全断面に亘つて縮退したデンドライトの１
   次固体粒子が溶融金属のマトリツクスで囲まれて
   いる半固体状チクソトロピツク金属スラリーの連
   続的または半連続的製造方法であつて、 所望の断面を有する溶融金属を収容する手段を
   設け、溶融金属を前記収容手段中で制御しながら
   冷却し、前記収容された溶融金属を撹拌して前記
   溶融金属が冷却されて前記スラリーが形成される
   固化領域において形成されるデンドライトを剪断
   する方法において、 前記撹拌過程において前記収容手段の全断面を
   横切つて全固化領域に亘つて前記収容手段の縦軸
   を横切つて移動する零磁界部分のない回転磁界を
   ２極電動機ステータのみにより発生させ、この磁
   界が前記溶融金属およびスラリーに前記溶融金属
   およびスラリーに前記収容手段中で回転を生じさ
   せるために前記収容手段の壁面の接線方向を向い
   た磁気駆動撹拌力を生成し、前記磁気駆動撹拌力
   が前記デンドライトの剪断を行うに充分な、500
   秒^-1以上の剪断速度を与える如く設定されている
   ことを特徴とするチクソトロピツク金属スラリー
   の製造方法。 １５ 磁気駆動撹拌力がデンドライトの成長方向
   と直交する如く指向されている特許請求の範囲第
   １４項記載の製造方法。 １６ 多相誘導電動機ステータにより磁界が発生
   される特許請求の範囲第１４項記載の製造方法。 １７ 収容手段が鋳型でありスラリーからレオキ
   ヤスト鋳造物が形成される過程が含まれている特
   許請求の範囲第１４項記載の製造方法。 １８ レオキヤスト鋳造物が円形断面である特許
   請求の範囲第１７項記載の製造方法。 １９ レオキヤスト鋳造物が非円形断面である特
   許請求の範囲第１７項記載の製造方法。 ２０ レオキヤスト鋳造物が方形断面である特許
   請求の範囲第１９項記載の製造方法。 ２１ 溶融金属の固化温度範囲を通して平均冷却
   速度が毎分約0.1℃乃至1000℃である特許請求の
   範囲第１４項記載の製造方法。 ２２ 磁気駆動撹拌力が毎秒約500乃至1500の剪
   断速度を生じる特許請求の範囲第１４項記載の製
   造方法。 ２３ 鋳型から溶融金属又はスラリーがこぼれ出
   ることを阻止し、かつレオキヤスト鋳造物中に固
   化空洞を生じることを阻止する手段を有している
   特許請求の範囲第１７項記載の製造方法。