JPS63268553A - 微細結晶粒を有する金属又は合金の鋳造装置 - 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］ この発明は、微細結晶粒を有する金属又は合金を溶湯か
ら直接得ることができる鋳造装置に関する。

［従来の技術］ 金属製品の中間素材である鋳塊又は鋳片等の鋳造物は、
通常、造塊用鋳型又は連続鋳造鋳型に注入されて凝固さ
れることにより製造されている。

しかしながら、この技術においては、完全に溶融した金
属を鋳込むので、製造される鋳造物は、その凝固組織の
結晶粒が比較的大きい。

ところで、金属素材を製造する際には、鋳造に引続いて
所望の強度及び物性を付与するために、一般的に、鋳造
物に鍛造等の熱間加工処理を施すが、上述のように通常
の鋳造物は凝固組織の結晶粒が大きいので機械的強度が
低く、鋳造物に大圧下を加えると割れが発生する虞があ
る。このため、鍛造工程等において多数回の圧下を施さ
ざるを得ず、多大な時間とエネルギを消費するという欠
点　。

がある。

このような欠点は、鋳造段階において微細な結晶粒を有
する鋳造物を得ることができれば解消することができる
。

このため、微細結晶粒を有する鋳造物を得るために、従
来種々の鋳造方法が試みられている。

例えば、レオキャスティング法が知られている。

この技術は、第３図に示すように、溶湯容器１内の溶湯
２をコイル３で誘導加熱しながら、容器１の底部に設け
られたノズル４を介してその下方に設置された鋳型７に
ＷＪ湯２を注入する際に、ノズル４周囲に設けられた冷
却バイブ５に冷却水を通流させてノズル４内の溶湯２を
冷却すると共に、攪拌棒６によりノズル４内の溶湯を攪
拌すると共に溶１１１２の流量を調節し、ノズル４の出
口付近で溶湯を半凝固状態のスラリ８にする。そして、
このスラリ８が鋳型７に注入され、鋳型７により凝固さ
れて鋳塊９となる（この技術を第１の技術とする）。

また、ＶＡＤＥＲ（Ｖａｃｕｕｍ　　Ａｒｃ　　Ｄｏｕ
ｂｌｕ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　　Ｒｅｍｅｌｔｉｎａ
）法と称される滴下式鋳造技術が提案されている（特開
昭５５−１６５２７１号ン。このＶＡＤＥＲ法において
は、第４図に示すように、鋳造しようとする鋳塊の組成
を有する一対の電極１１間にアーク１２を形成し、Ｎ極
１１の対向端部を溶融させて溶湯を生成させ、この溶湯
液滴１３を鋳型１４内に落下させる。この液滴１３は、
落下する途中で冷却され半凝固状態の、又は、過冷度が
極めて少ない状態のスラリ１５となり、このスラリ１５
が鋳型１４により冷却されて鋳塊１６となる（この技術
を第２の技術する）。

更に、第５図に示すような装置により鋳造する技術も提
案されている（特開昭６１−２３５０４７号）。この技
術においては、溶湯容器２１内の溶′ａ２２をストッパ
２４により流量を調節しなから溶湯容器２１の底部に設
けられたノズル２３から流出させ、ノズル２３の下方に
設けられた冷却板２５を介して更にその下方に設けられ
た鋳型２７に溶１２２を注入する。この場合に、冷却板
２５は傾斜して設けられ、その内部に埋設されたヒータ
２８により温度を制御すことができるようになっており
、溶湯２２は冷却板２５の傾斜面に沿って流れる間に冷
却板２５により適切な温度に冷却され、半凝固状態の、
又は、過冷度が極めて少ない状態のスラリ２９となる。

このスラリ２９゛＼を鋳型２７内に注入し、鋳型２７で
スラリ２９が凝固されて鋳片３０となり、連続的に下方
に引抜かれる（この技術を第３の技術とする）。

以上の第１乃至第３の技術はいずれも、ＦＩＪｆｉが半
凝固状態又は過冷度が極めて少ない状態で鋳型に注入さ
れるので、固液共存相が均一に存在する状態で凝固する
。このため、鋳造物の凝固組織の結晶粒は小さい。

［発明が解決しようとする問題点］ ・しかしながら、上述の技術には、以下に示すような欠
点がある。　　　　　− 第１の技術においては、ノズル４内で溶湯２を半凝固状
態に維持しつつ溶ｓ２を鋳型７に注入しなければならな
いので、溶ｓ温度を一定に保つように注意深い温度制御
をが必要であり、必然的に装置及び鋳造作業が複雑にな
てしまう。また、ノズル４内で溶湯２を半ば凝固させる
ので、溶湯２によりノズル４出口が閉塞されて鋳造作業
を中断せざるを得なくなる自体が発生してしまう虞があ
る。

第２の技術においては、一旦金属を溶解して電極を製造
し、次いで、この電極をアークで溶解するというような
複雑な工程を必要とし、エネルギ経済上極めて不利であ
るという問題点がある。

第３の技術においては、冷却板２５に落下する溶湯の員
、即ち注湯速度が大きい場合には、溶湯が半凝固状態に
ならないので微細結晶粒組織は得られない。このため、
ノズル４の径を例えば１０１以下の小径にして溶湯を注
入せざるを得ないが、この場合には、鋳造中に溶湯がノ
ズル４内で凝固してノズル４が閉塞してしまう虞があり
、長時間安定して鋳造することができないという欠点が
ある。

この発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって
、複雑な工程を必要とせず、エネルギ経済性に優れ且つ
簡易な設備により、溶融状態から直接微細結晶粒を有す
る鋳造物を得ることができ、ノズル詰まり等のトラブル
が発生し難い微細結晶粒を有する金属又は合金の鋳造装
置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る微細結晶粒を有する金属又は合金の鋳造
装置は、溶湯を収容する溶湯容器と、この溶湯容器の底
部に設けられ溶湯が通流するノズルと、溶湯容器の下方
に設けられ溶湯容器内の溶湯が注入される鋳型と、前記
ノズルと鋳型との間に設けられ溶湯を通過させて溶湯を
冷却する冷却部材と、この冷加部材を通過する溶湯をそ
の凝固湿度近傍の所定温度に調節する温ｆｉ１１節手段
と、前記ノズルと鋳型との間を溶湯容器内に対して相対
的に低圧力状態にする圧力調節手段とを有し、溶湯容器
内の溶湯を冷却部材を介して鋳型に注入することを特徴
とする。

【作用］ この発明においては、ノズルと鋳型との間を溶湯容器内
に対して相対的に低圧力状態にして溶湯容器内の溶湯を
ノズル及び冷却部材を介して鋳型に注入する。この場合
に、溶湯は冷却部材で冷却することができると共に、温
度調節手段により凝固温度近傍の所定温度に調節するこ
とができるので、溶湯を鋳型に至るまでに過冷度が極め
て少ない状態にすることができ、確実に微細結晶粒の凝
固組織にすることができる。このように、溶湯を溶湯容
器から鋳型に落下させるだけで、微細結晶粒の金属又は
合金を得ることができるので、工程及び設備を極めて簡
素化することができる。また、ノズルと鋳型との間を溶
湯容器内に対して相対的に低圧力状態にするので、溶湯
のノズル通過を容易にすることができ、たとえノズルの
内径を小さくしたとしても、ノズル詰りを回避すること
ができる。このように、ノズル径を小さくすることがで
きるので、溶湯の供給璋度を遅くすることができ、溶湯
を容易に過冷度が低い状態にすることができる。このた
め、凝固組織の結晶粒を微細にすることが一層容易とな
る。

［実施例１ 以下、添付図面を参照してこの発明の実施例について具
体的に説明する。

第１図はこの実施例に係る鋳造装置の概略を示す断面図
である。溶湯容器３１は鉄皮の内側に耐火物が内張すさ
れて構成されており、その内部に金属又は合金の溶湯３
２が貯留されている。この溶湯容器３１の底部には溶湯
流出ノズル３３が設けられている。溶湯容器３１の下方
には、減圧槽３４が設置されており、この減圧槽３４は
図示しない適宜の排気手段により排気口３５から排気さ
れ減圧下に保持されるようになっている。減圧槽３４の
上端には前記ノズル３３の下端が嵌め込まれており、ノ
ズル３３を介して？ＩＦｌ容器３１と減圧槽３４とが連
結されている。

減圧槽３４の内部には鋳型３６が設置されており、この
鋳型３６内に溶湯３２が注入され、鋳型３６内で半凝固
物５１を経て鋳塊５２が形成されるようになっている。

ノズル３３と鋳型３６との間には、例えばその上面が溶
湯３２と同様の材質で形成された冷却板３７が傾斜して
設置されており、溶湯容器３１からノズル３３を介して
減圧槽３４に供給された溶湯３２が、この冷却板３７の
表面に沿って流れ、鋳型３６内に注入されるようになっ
ている。なお、冷却板３７上面にはＩＷＡが冷却される
ことにより凝固殻５３が形成される。この冷却板３７に
は、その上面の溶１温度を調節する温度調節装置３８が
設けられている。この温度調節装ｆｆｌ＋３８は、冷却
板３７に埋設されたヒータ３９と、冷却板３７の下面に
設けられ冷却水が通流される冷却水通流パイプ４０とか
ら構成されている。ヒータ３９は電源４１に接続されて
おり、この電源から通電されることにより冷却板３７を
加熱すると共に、通電層を調節することによりその加熱
量が調節されるようになっている。そして、これらヒー
タ３９及び冷却水通流パイプ４０により、冷却板３７の
上面を流れる溶湯３２の鋳型３６近傍での温度を過冷度
が極めて少ない温度に調節することができるようになっ
ている。

前述した鋳型３６の底部には下方に延長する軸４２が取
付けられており、この軸４２は伝達装置４３を介してモ
ータ４４に連結されている。そして、モータ４４が駆動
されることにより鋳型３６が回転して鋳型３６内に均一
に溶湯が鋳込まれるようになっている。この伝達装置４
３及びモータ４４は移動板４５上に固定されており、こ
の移動板４５はシリンダ４６に連結されている。そして
、シリンダ４６のピストン４７が進出退入されることに
より、移動板４５と共に鋳型３６が減圧槽３４の底部を
矢印４８で示す水平方向に移動され、幅が広い鋳型に鋳
込む場合にも溶湯が鋳型３６内に均一に鋳込まれるよう
になっている。

前述した溶湯容器３１内には、その長手方向を鉛直にし
て耐火物製のストッパ４９が上下動可能に設置されてい
る。このストッパ４９は、上下動されることによりノズ
ル３３の開口面積を調節して溶湯３２の流量を調節する
ようになっている。

このように、構成された鋳造装置においては、先ず、排
気装置にて減圧槽３４内から排気し、減圧槽３４を所定
の減圧状態に保持すると共に、ストッパ４９にてノズル
３３の入口の開口面積を調節して所定の速度で溶湯３２
を減圧４１３４内に供給する。減圧槽３４に供給された
溶湯３２は、冷却板３７上に落下し、その表面を流れた
後、鋳型３６に注入される。この場合に、冷却板３６を
流れる溶湯３２は冷却板３７により冷却される。冷却板
３７の温度が高過ぎると溶湯３２は溶融状態のままで鋳
型３６内に鋳込まれ、低過ぎると溶湯３２は冷却板３７
上で凝固してしまうが、前述のように、温度調節装置３
８のヒータ３９による加熱度、及び、冷却水通流パイプ
４０を通流させる冷却水量を、溶湯３２の注湯速度に応
じて調節することにより、鋳型３６内に落下する段階の
溶湯３２を過冷度が極めて少なく、部分的に凝固したよ
うな状態にすることができるので、鋳塊５２を微細結晶
粒の凝固組織にすることができる。

この際に、微細結晶粒の凝固組織を得るための条件は、
予め、各品種毎に種々の実験によ、り把握されているの
で、これらのデータに基いて冷却板３７の温度及び溶湯
３２の注湯速度を調節する。

また、減圧槽３４内を減圧にすることにより、溶湯容器
３１内の溶湯３２をノズル３３を記して減圧槽３４内に
吸引することができるので、ノズル３３の径が例えば１
０１１Ｉａ以下と小さい場合でも、＼ノズル詰り等を発
生させずに容易に溶湯３２をノズル３３から流出させる
ことができる。このように、ノズル３３の径を小さくす
ることができるので、溶湯の供給速度を溶湯の過冷度が
極めて少なく状態になる程度の比較的遅い速度にするこ
とができる。

次に、この鋳造装置の変形例について説明する。

この変形例においては、溶湯容器３１、ノズル３３、ス
トッパ４９、冷却板３７及び温度調節装！！３８等は実
施例と同様であるから説明を省略する。ノズル３３に連
続する減圧槽６４は下部に開放部を有し、この開放部に
連続して底を有さない鋳型６６を設置する。この鋳型６
６に実施例と同様に冷却板３７を介して連続的に溶湯を
注入することにより、連続鋳造することができる。

なお、この発明は上述の実施例に限定されることなく種
々の変形が可能である。例えば、この実施例では減圧槽
を使用してＷＪ湯を吸引したが、これに限らず、適宜の
加圧手段にて溶湯容器内の溶湯に圧力を作用させ、溶湯
をノズルから押出すようにしてもよい。

次に、第１因の装置にてステンレス（ＳＵＳ３０４）を
鋳造して試験した結果について説明する。

ノズル３３の直径を約ｉＱｍｍとし、冷却板３７の上面
を鋳造に使用する材質と同様なＳＵＳ３０４で形成し、
冷却板３７の傾斜角度を約１５度に設置した。また、鋳
型３６として鋳鉄で形成され直径が１８０ｍｍのものを
使用した。溶湯容器３１内に真空溶解によって溶製した
２　００　ｋｃｌの５ＵＳ３０４の溶湯を貯留させ、そ
の温度を約１４８０℃に保持した。また、減圧槽３４内
を約２０　Ｔ　ｏ　ｒｒに保持した。このような状態で
、溶湯容器３１から４０　ｋＭ分の注湯速度で冷却板３
７に向けて溶湯を注入した。この際に、冷却板３７の温
度を温度調節装置３８により約１２００℃になるように
調節した。このようにして連続的に溶湯を注入して高さ
が約１ｍのインゴットを得た。この場合の鋳型内湯面の
上昇速度は約２０ｃｍ／分であった。

このようにして得られた鋳造物の結晶粒をＡＳＴＭ法に
よって測定した結果、その結晶粒度指数は、通常の造塊
法による同一形状、同一サイズのインゴットの結晶度指
数の約１／４０であり、ＶＡ［）ＥＲ法にて製造したイ
ンゴットと同等であった。

次に、同じ５ＵＳ３０４を第２図の装置にて連続鋳造し
た結果について説明する。この際に鋳型６６として水冷
構造の銅鋳型を使用した。ノズル径を８ＩＩｌｌとし、
溶湯容器の温血高さを２００ｍ１ｌｌとして鋳造した。

この際のノズル通過速度は６．２ｍ／秒であり、これに
より２００　ｋｇ／分の注湯速度で微細結晶粒の凝固組
織を得ることができた。

これに対し、従来の第３の技術により２００　ｋｏ／分
の注湯速度で連続鋳造する′場合には、ノズル径を２０
１１と大きくせざるを得ず、その際に溶湯容器の肩面高
さを５０１１１Ｊ溶湯のノズル通過速度を１ｍ／秒にし
なければならないが、この条件を保持することが極めて
困難であった。

［発明の効果コ この発明によれば、濃度調節手段により溶製をその凝固
温度近傍の所定温度に調節することができるので、溶湯
を鋳型に至るまでに過冷度が極めて低い状態にすること
ができ、確実に微細結晶粒の凝固組織にすることができ
る。溶湯容器と鋳型との間を溶湯容器内に対して相対的
に減圧状態にするので、溶湯容器内の溶湯のノズルの通
過を極めて容易にすることができ、ノズル詰りの発生を
抑＠１１することができる。このようにノズル粘りの発
生が抑制されるので、溶湯の通湯速度を容易に遅くする
ことができ、結晶粒を微細にすることを一層容易にする
ことができる。

また、溶湯を溶）易容器から鋳型に落下させるだけで鋳
造することができるので、工程及び設備を極めて簡素化
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例に係る鋳造装置を示す模式図
、第２図はこの鋳造装置の変形例を示す模式図、第３図
乃至第５図は従来の微細結晶粒の鋳造物を得るための鋳
造装置を示す模式図である。 ３１：溶湯容器、３４．６４；減圧槽（圧力調節手段）
、３６，６６；鋳型、３７：冷却板。 ３８；温度調節装置 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第２図 第３図 第４図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）溶湯を収容する溶湯容器と、この溶湯容器の底部
   に設けられ溶湯が通流するノズルと、溶湯容器の下方に
   設けられ溶湯容器内の溶湯が注入される鋳型と、前記ノ
   ズルと鋳型との間に設けられ溶湯を通過させて溶湯を冷
   却する冷却部材と、この冷却部材を通過する溶湯をその
   凝固温度近傍の所定温度に調節する温度調節手段と、前
   記ノズルと鋳型との間を溶湯容器内に対して相対的に低
   圧力状態にする圧力調節手段とを有し、溶湯容器内の溶
   湯を冷却部材を介して鋳型に注入することを特徴とする
   微細結晶粒を有する金属又は合金の鋳造装置。
2. （２）前記圧力調節手段は、前記ノズルと鋳型との間を
   減圧する減圧装置であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の微細結晶粒を有する金属又は合金の鋳
   造装置。
3. （３）前記圧力調節手段は、前記溶湯容器内の溶湯を加
   圧する加圧装置であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載の微細結晶粒を有する金属又は合金の鋳造
   装置。
4. （４）前記鋳型は、その底部が開放された形状を有して
   おり、この鋳型内に連続的にに溶湯を注入して連続鋳造
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項
   のいずれか１項に記載の微細結晶粒を有する金属又は合
   金の鋳造装置。