JPWO2011158477A1 - アルミニウム合金鋳造棒の製造方法および連続鋳造装置ならびに連続鋳造装置用電磁攪拌コイル - Google Patents

アルミニウム合金鋳造棒の製造方法および連続鋳造装置ならびに連続鋳造装置用電磁攪拌コイル Download PDF

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Abstract

アルミニウム合金溶湯Ｍを電磁攪拌コイル（５）により電磁攪拌しながら連続鋳造して半溶融成形加工用のアルミニウム合金鋳造棒Ｒを製造するに際して、アルミニウム合金鋳造棒の素材として、３．０〜１０．０質量％のＳｉを含み、かつ残部がＡｌと、１．０質量％以下のＦｅと、微量添加物および不可避不純物とからなる亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を用いるとともに、電磁攪拌コイル（５）として、複数のコイル要素Ｃに三相交流電力を通電したときに発生する回転磁界の磁極が電磁攪拌コイル全体で２極の電磁攪拌コイルを用いてアルミニウム合金鋳造棒を製造する。

Description

本発明は、半溶融成形加工用のアルミニウム合金鋳造棒を製造する方法および該方法に用いられる連続鋳造装置ならびに該連続鋳造装置に用いられる電磁攪拌コイルに関する。
アルミニウム合金鋳造棒を所要の形状に成形加工する方法の一つとして、半溶融成形加工法と呼ばれる方法が知られている。この半溶融成形加工法は、成形加工される素材を固相と液相が共存する半溶融状態となる温度まで加熱し、その後、金型内に移送して加圧することにより所要の形状に成形加工する方法であって、固相と液相が共存する半溶融状態のほうが固相のみの単相状態よりも流動性が高いので、小さな加圧力でも容易に複雑な形状に成形することができ、しかも相状態が液相単相の場合ほどには流動性が高くないので、成形時に気泡などの異物の巻き込みを抑制することができるなどの利点を有している。
このような半溶融成形加工法により成形加工されるアルミニウム合金鋳造棒は、合金成分を溶融してアルミニウム合金溶湯を得た後、得られたアルミニウム合金溶湯の化学成分を調整したうえで棒状に鋳造して製造されるのが一般的であり、アルミニウム合金溶湯を棒状に鋳造する方法としては、アルミニウムなどの合金溶湯を連続鋳造装置のホットトップから当該ホットトップの下部に配置された鋳型に供給し、鋳型に供給された合金溶湯を冷却して凝固させ、凝固した合金溶湯を鋳型から下方に引き出して連続鋳造する連続鋳造法が用いられる。
連続鋳造法を用いて半溶融成形加工用のアルミニウム合金鋳造棒を製造する場合、アルミニウム合金溶湯の凝固は共晶系の合金成分を液相内に拡散させ、包晶系の合金成分を固相内に拡散させながら進行するため、成長中の固相結晶周囲では、共晶系の合金成分含有量が高く、包晶系の合金成分含有量が低くなって液相の凝固開始温度が低下する。これに対し、成長中の固相結晶周囲以外の箇所では、液相の凝固開始温度が低下することはなく、固相結晶周囲以外の液相は固相結晶周囲の液相よりも相対的に凝固しやすいことから、アルミニウム合金溶湯を連続鋳造して半溶融成形加工用のアルミニウム合金鋳造棒を製造する際に樹枝状結晶が生成される。
樹枝状結晶は樹枝間の部分よりも融点が高いため、連続鋳造法にて製造されたアルミニウム合金鋳造棒を固相と液相が共存する半溶融状態になる温度まで加熱しても樹枝状結晶は溶融せず、樹枝部同士が絡み合った状態で固相として残存する。従って、アルミニウム合金溶湯を連続鋳造して半溶融成形加工用のアルミニウム合金鋳造棒を製造する際に樹枝状結晶が生成されると、アルミニウム合金鋳造棒を半溶融成形加工法により成形加工する際にアルミニウム合金溶湯の流動性が著しく低下し、成形加工に対して高い加圧力が必要となる。
また、アルミニウム合金鋳造棒の製造時に樹枝状結晶が生成されて成長すると、アルミニウム合金鋳造棒の金属組織がアルミニウム合金鋳造棒の全体にわたり微細で均一な粒状の金属組織でなくなるため、粗大な結晶が多く分布する箇所ほど流動性が低くなり、成形加工に際して大きな加圧力が必要となる。このため、結晶粒径の分布の不均一性に依存して、成形に必要な加圧力が変化することになり、成形加工条件を安定させることができなくなる。従って、アルミニウム合金鋳造棒の成形加工条件を安定させるためには、アルミニウム合金溶湯の鋳造時に樹枝状結晶の生成を抑制し、アルミニウム合金鋳造棒の金属組織をアルミニウム合金鋳造棒の全体にわたり微細で均一な粒状の金属組織とすることが重要である。
そこで、アルミニウム合金溶湯の鋳造時に樹枝状結晶の生成を抑制する方法として、アルミニウム合金溶湯に対して機械攪拌、電磁攪拌などを実施しながらアルミニウム合金溶湯を連続鋳造する方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
特開平０７−０６８３４５号公報 特許第２９６７４１５号公報 特開平０７−０５１８２０号公報
しかしながら、特許文献１に開示された方法では、アルミニウム合金溶湯を向心磁界の態様で電磁攪拌しながら連続鋳造しているため、特許文献３の段落００１１に記載されているように、アルミニウム合金溶湯を回転磁界の態様で電磁攪拌する場合と比較して、アルミニウム合金溶湯の流動性が低下し、微細で均一な結晶粒を得られない可能性がある。
一方、特許文献２に開示された発明では、アルミニウム合金溶湯を回転磁界の態様で電磁攪拌しているものの、回転磁界を発生させるための磁極が４極の電磁攪拌コイルを使用しているため、鋳型およびホットトップの内径側に発生する回転磁界の磁束密度が鋳型およびホットトップの中心部で低くなり、樹枝状結晶の生成を有効に抑制できない可能性がある。
特許文献３に開示された発明では、凝固温度範囲が狭く、鋳塊の径に対するサンプの比が０．２〜０．５程度の値となるため、電磁攪拌の態様が回転磁界の場合には、アルミニウム合金鋳造棒中心部と外周部の間での対流が少なくなることに起因して、樹枝状結晶の生成を有効に抑制できない可能性がある。
本発明は、このような問題を解消すべくなされたものであり、半溶融成形加工用として好適なアルミニウム合金鋳造棒を製造することのできるアルミニウム合金鋳造棒の製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、半溶融成形加工用として好適なアルミニウム合金鋳造棒を得ることのできる連続鋳造装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、アルミニウム合金溶湯を連続鋳造してアルミニウム合金鋳造棒を製造する際に樹枝状結晶の生成を有効に抑制することのできる連続鋳造装置用電磁攪拌コイルを提供することを目的とする。
本発明者らは、商用電源を利用した回転磁界の態様でアルミニウム合金溶湯を電磁攪拌しながら棒状に連続鋳造するに際して、アルミニウム合金鋳造棒の金属組織が微細で均一な粒状の金属組織となり、かつ半溶融成形加工法への適用が好適な方法について検討を重ねてきた。その過程で、アルミニウム合金鋳造棒の素材として、３．０〜１０．０質量％のＳｉを含み、かつ残部がＡｌと、１．０質量％以下のＦｅと、微量添加物および不可避不純物とからなる亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を用いる場合、アルミニウム合金溶湯の電磁攪拌が５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの商用三相交流電源を利用した回転磁界の態様であっても電磁攪拌コイル全体の磁極が２極であるならば、樹枝状結晶の樹枝部を分断することができ、その結果、アルミニウム合金鋳造棒の金属組織がアルミニウム合金鋳造棒の全体にわたり微細で均一な粒状の金属組織になるという知見を得て本発明を完成するに至った。
上記課題を解決するために、本発明のある態様に係るアルミニウム合金鋳造棒の製造方法は、アルミニウム合金溶湯を連続鋳造して半溶融成形加工用のアルミニウム合金鋳造棒を製造する方法であって、前記アルミニウム合金溶湯を連続鋳造する連続鋳造装置として、前記アルミニウム合金溶湯を棒状に鋳造する円筒状の鋳型と、該鋳型と中心を一致させて前記鋳型の上に配置され、前記アルミニウム合金溶湯を前記鋳型に供給する円筒状のホットトップと、前記鋳型と前記ホットトップの内側で前記アルミニウム合金溶湯を電磁攪拌する電磁攪拌コイルとを具備し、かつ前記電磁攪拌コイルが前記アルミニウム合金溶湯を前記鋳型と前記ホットトップの円周方向に電磁誘導する複数のコイル要素と、該コイル要素を前記鋳型と前記ホットトップの外周に保持する鉄心とを有する連続鋳造装置を用いるとともに、前記アルミニウム合金鋳造棒の素材として、３．０〜１０．０質量％のＳｉを含み、かつ残部がＡｌと、１．０質量％以下のＦｅと、微量添加物および不可避不純物とからなる亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を用い、かつ前記電磁攪拌コイルとして、前記コイル要素に三相交流電力を通電したときに発生する回転磁界の磁極が電磁攪拌コイル全体で２極の電磁攪拌コイルを用いて、前記アルミニウム合金鋳造棒を製造することを特徴とする。
Ｆｅは、Ａｌ地金中の主要な不可避不純物である一方、鋳造性および／または半溶融成形加工性の向上を目的として、１．０質量％以下の範囲で添加される場合もある。本発明のある態様に係るアルミニウム合金鋳造棒の製造方法は、Ａｌ−Ｆｅ系の金属間化合物が生成しないことを特徴とするものであるので、Ｆｅは１．０質量％以下で含有されても、含有されていなくてもよい。
本発明の他の態様は、前記アルミニウム合金鋳造棒の素材として、５．０〜７．５質量％のＳｉを含み、かつ残部がＡｌと、０．５０質量％以下のＦｅと、微量添加物として０．７０質量％以下のＭｇ、０．５０質量％以下のＭｎ、０．５０質量％以下のＣｕ、０．２０質量％以下のＴｉ、０．０７質量％のＢｅ、および不可避不純物とからなる亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を用いるアルミニウム合金鋳造棒の製造方法である。
本発明の他の態様は、前記アルミニウム合金鋳造棒の素材として、６．５〜７．５質量％のＳｉを含み、かつ残部がＡｌと、０．２０質量％以下のＦｅ、０．２０〜０．４５質量％のＭｇ、０．２０質量％以下のＣｕ、０．１０質量％以下のＺｎ、０．１０質量％以下のＭｎ、０．０２質量％以下のＴｉおよび不可避不純物とからなる亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金、または６．５〜７．５質量％のＳｉを含み、かつ残部がＡｌと、０．２０質量％以下のＦｅ、０．４０〜０．７０質量％のＭｇ、０．２０質量％以下のＣｕ、０．１０質量％以下のＺｎ、０．１０質量％以下のＭｎ、０．０４〜０．２０質量％以下のＴｉ、０．０４〜０．０７質量％以下のＢｅおよび不可避不純物とからなる亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を用いるアルミニウム合金鋳造棒の製造方法である。
本発明の他の態様は、前記三相交流電力の電流値を５Ａ〜２０Ａに設定して前記アルミニウム合金溶湯を電磁攪拌するアルミニウム合金鋳造棒の製造方法である。
本発明の他の態様は、前記回転磁界の磁束密度を７ｍＴ〜２８ｍＴに設定して前記アルミニウム合金溶湯を電磁攪拌するアルミニウム合金鋳造棒の製造方法である。
本発明の他の態様は、前記連続鋳造装置により連続鋳造される前記アルミニウム合金溶湯の初晶Ａｌ結晶が前記アルミニウム合金鋳造棒の全体にわたり粒状であり、かつ平均粒径が３０μｍ〜１００μｍ、標準偏差が平均粒径の１／３以下となるように、前記アルミニウム合金溶湯を前記電磁攪拌コイルにより電磁攪拌しながら前記アルミニウム合金鋳造棒を製造するアルミニウム合金鋳造棒の製造方法である。
本発明の他の態様は、前記アルミニウム合金溶湯を前記鋳型により７０ｍｍ〜１２０ｍｍの直径で棒状に鋳造して前記アルミニウム合金鋳造棒を製造するアルミニウム合金鋳造棒の製造方法である。
本発明の他の態様に係る連続鋳造装置は、半溶融成形加工用のアルミニウム合金鋳造棒を製造するときに用いられ、３．０〜１０．０質量％のＳｉを含み、かつ残部がＡｌと、１．０質量％以下のＦｅと、微量添加物および不可避不純物とからなる亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金溶湯を棒状に鋳造する円筒状の鋳型と、該鋳型と中心を一致させて前記鋳型の上に配置され、前記アルミニウム合金溶湯を前記鋳型に供給する円筒状のホットトップと、前記鋳型と前記ホットトップの内側で前記Ａｌ−Ｓｉ系合金溶湯を電磁攪拌する電磁攪拌コイルとを具備し、前記Ａｌ−Ｓｉ系合金溶湯を前記鋳型と前記ホットトップの円周方向に電磁誘導する複数のコイル要素と、該コイル要素を前記鋳型と前記ホットトップの外周に保持する鉄心とを前記電磁攪拌コイルが有する連続鋳造装置であって、前記電磁攪拌コイルが、前記コイル要素に三相交流電力を通電したときに発生する回転磁界の磁極が電磁攪拌コイル全体で２極の電磁攪拌コイルであることを特徴とする。
本発明の他の態様は、前記鉄心が、前記鋳型および前記ホットトップの外径より大きい内径で円筒状に形成されていると共に、前記鋳型と中心を一致させて前記鋳型と前記ホットトップの外周に配置されている連続鋳造装置である。
本発明の他の態様は、前記コイル要素の個数が６の倍数である連続鋳造装置である。
本発明の他の態様は、前記鉄心が、前記コイル要素に対応して前記鉄心の内周面に一定間隔で形成された複数のスロットを有する連続鋳造装置である。
本発明の他の態様は、前記コイル要素が、前記複数のスロットのうち前記鉄心の円周方向に１２０°ずれて前記鉄心の内周面に形成された２つのスロットの間で銅線をコイル状に巻回して形成されている連続鋳造装置である。
本発明の他の態様は、前記スロットの幅が６．０ｍｍ〜１２．０ｍｍ、前記スロットの深さが１５．０ｍｍ〜３５．０ｍｍである連続鋳造装置である。
本発明の他の態様は、前記銅線の表面が絶縁被覆されている連続鋳造装置である。
本発明の他の態様は、前記銅線の線径が０．６ｍｍ〜１．７ｍｍ、前記銅線の巻き数が３３〜６７である連続鋳造装置である。
本発明の他の態様は、前記鋳型の高さが３０ｍｍ〜６０ｍｍ、前記ホットトップの高さが１００ｍｍ〜３００ｍｍ、前記鉄心の高さが２０ｍｍ〜５０ｍｍである連続鋳造装置である。
本発明の他の態様は、前記鉄心が０．３ｍｍ〜０．７ｍｍｍｍの厚さを有する複数の電磁鋼板を積層して形成されている連続鋳造装置である。
本発明の他の態様は、前記鋳型の高さが３０ｍｍ〜６０ｍｍ、前記ホットトップの高さが１００ｍｍ〜３００ｍｍ、前記鉄心の高さが２０ｍｍ〜５０ｍｍである連続鋳造装置である。
本発明の他の態様は、前記コイル要素の個数が３６個であり、前記３６個のコイル要素のうち第１〜第６、第７〜第１２、第１３〜第１８、第１９〜第２４、第２５〜第３０、第３１〜第３６のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第１８、第２４、第３１のコイル要素は三相交流電源のＵ相端子に、第６、第１２、第１９、第２５のコイル要素は三相交流電源のＶ相端子に、第７、第１３、第３０、第３６のコイル要素は三相交流電源のＷ相端子に接続されている連続鋳造装置である。
本発明の他の態様は、前記コイル要素の個数が４２個であり、前記４２個のコイル要素のうち第１〜第７、第８〜第１４、第１５〜第２１、第２２〜第２８、第２９〜第３５、第３６〜第４２のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第２１、第２８、第３６のコイル要素は三相交流電源のＵ相電源端子に、第７、第１４、第２２、第２９のコイル要素は三相交流電源のＶ相電源端子に、第８、第１５、第３５、第４２のコイル要素は三相交流電源のＷ相電源端子に接続されている連続鋳造装置である。
本発明の他の態様は、前記コイル要素の個数が４８個であり、前記４８個のコイル要素のうち第１〜第８、第９〜第１６、第１７〜第２４、第２５〜第３２、第３３〜第４０、第４１〜第４８のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第２４、第３２、第４１のコイル要素は三相交流電源のＵ相電源端子に、第８、第１６、第２５、第３３のコイル要素は三相交流電源のＶ相電源端子に、第９、第１７、第４０、第４８のコイル要素は三相交流電源のＷ相電源端子に接続されている連続鋳造装置である。
本発明の他の態様は、前記コイル要素の個数が５４個であり、前記５４個のコイル要素のうち第１〜第９、第１０〜第１８、第１９〜第２７、第２８〜第３６、第３７〜第４５、第４６〜第５４のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第２７、第３６、第４６のコイル要素は三相交流電源のＵ相電源端子に、第９、第１８、第２８、第３７のコイル要素は三相交流電源のＶ相電源端子に、第１０、第１９、第４５、第５４のコイル要素は三相交流電源のＷ相電源端子に接続されている連続鋳造装置である。
本発明の他の態様は、前記コイル要素の個数が６０個であり、前記６０個のコイル要素のうち第１〜第１０、第１１〜第２０、第２１〜第３０、第３１〜第４０、第４１〜第５０、第５１〜第６０のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第３０、第４０、第５１のコイル要素は三相交流電源のＵ相電源端子に、第１０、第２０、第３１、第４１のコイル要素は三相交流電源のＶ相電源端子に、第１１、第２１、第５０、第６０のコイル要素は三相交流電源のＷ相電源端子に接続されている連続鋳造装置である。
本発明の他の態様に係る連続鋳造装置用電磁攪拌コイルは、アルミニウム合金溶湯を棒状に鋳造する円筒状の鋳型と、該鋳型と中心を一致させて前記鋳型の上に配置され、前記アルミニウム合金溶湯を前記鋳型に供給する円筒状のホットトップとを備えた連続鋳造装置に用いられ、前記アルミニウム合金溶湯を前記鋳型と前記ホットトップの円周方向に電磁誘導する複数のコイル要素と、該コイル要素を前記鋳型と前記ホットトップの外周に保持する鉄心とを有する連続鋳造装置用電磁攪拌コイルであって、前記コイル要素に三相交流電力を通電したときに発生する回転磁界の磁極が電磁攪拌コイル全体で２極であることを特徴とする。
本発明の他の態様は、前記コイル要素の個数が６の倍数である連続鋳造装置用電磁攪拌コイルである。
本発明の他の態様は、前記鉄心が、前記コイル要素に対応して前記鉄心の内周面に一定間隔で形成された複数のスロットを有している連続鋳造装置用電磁攪拌コイルである。
本発明の他の態様は、前記コイル要素が、前記複数のスロットのうち前記鉄心の円周方向に１２０度ずれて前記鉄心の内周面に形成された２つのスロットの間で銅線をコイル状に巻回して形成されている連続鋳造装置用電磁攪拌コイルである。
本発明の他の態様は、前記銅線の表面が絶縁被覆されている連続鋳造装置用電磁攪拌コイルである。
本発明の他の態様は、前記銅線の線径が０．６ｍｍ〜１．７ｍｍ、前記銅線の巻き数が３３〜６７である連続鋳造装置用電磁攪拌コイルである。
本発明の他の態様は、前記コイル要素の個数が３６個であり、前記３６個のコイル要素のうち第１〜第６、第７〜第１２、第１３〜第１８、第１９〜第２４、第２５〜第３０、第３１〜第３６のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第１８、第２４、第３１のコイル要素は三相交流電源のＵ相端子に、第６、第１２、第１９、第２５のコイル要素は三相交流電源のＶ相端子に、第７、第１３、第３０、第３６のコイル要素は三相交流電源のＷ相端子に接続されている連続鋳造装置用電磁攪拌コイルである。
本発明の他の態様は、前記コイル要素の個数が４２個であり、前記４２個のコイル要素のうち第１〜第７、第８〜第１４、第１５〜第２１、第２２〜第２８、第２９〜第３５、第３６〜第４２のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第２１、第２８、第３６のコイル要素は三相交流電源のＵ相電源端子に、第７、第１４、第２２、第２９のコイル要素は三相交流電源のＶ相電源端子に、第８、第１５、第３５、第４２のコイル要素は三相交流電源のＷ相電源端子に接続されている連続鋳造装置用電磁攪拌コイルである。
本発明の他の態様は、前記コイル要素の個数が４８個であり、前記４８個のコイル要素のうち第１〜第８、第９〜第１６、第１７〜第２４、第２５〜第３２、第３３〜第４０、第４１〜第４８のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第２４、第３２、第４１のコイル要素は三相交流電源のＵ相電源端子に、第８、第１６、第２５、第３３のコイル要素は三相交流電源のＶ相電源端子に、第９、第１７、第４０、第４８のコイル要素は三相交流電源のＷ相電源端子に接続されている連続鋳造装置用電磁攪拌コイルである。
本発明の他の態様は、前記コイル要素の個数が５４個であり、前記５４個のコイル要素のうち第１〜第９、第１０〜第１８、第１９〜第２７、第２８〜第３６、第３７〜第４５、第４６〜第５４のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第２７、第３６、第４６のコイル要素は三相交流電源のＵ相電源端子に、第９、第１８、第２８、第３７のコイル要素は三相交流電源のＶ相電源端子に、第１０、第１９、第４５、第５４のコイル要素は三相交流電源のＷ相電源端子に接続されている連続鋳造装置用電磁攪拌コイルである。
本発明の他の態様は、前記コイル要素の個数が６０個であり、前記６０個のコイル要素のうち第１〜第１０、第１１〜第２０、第２１〜第３０、第３１〜第４０、第４１〜第５０、第５１〜第６０のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第３０、第４０、第５１のコイル要素は三相交流電源のＵ相電源端子に、第１０、第２０、第３１、第４１のコイル要素は三相交流電源のＶ相電源端子に、第１１、第２１、第５０、第６０のコイル要素は三相交流電源のＷ相電源端子に接続されている連続鋳造装置用電磁攪拌コイルである。
本発明によれば、アルミニウム合金溶湯の鋳造時に発生する樹枝状結晶が円周方向の電磁攪拌によって分断されるので、半溶融成形加工される際に樹枝状結晶の樹枝部が絡み合った状態で固相として残存することを抑制することができる。また、電磁攪拌コイルの２つの磁極間に発生する磁束が鋳型とホットトップの中心部を通過するようになり、鉄心の内径側に発生するＮ極とＳ極の磁極数が４極の電磁撹拌コイルを用いた場合のように、電磁撹拌コイルの電磁撹拌力が鋳型およびホットトップの中心部で弱まることがない。従って、アルミニウム合金溶湯の凝固時に樹枝状結晶が発生しても樹枝状結晶の樹枝部を確実に分断でき、アルミニウム合金鋳造棒の金属組織がアルミニウム合金鋳造棒の全体にわたり微細で均一な粒状の金属組織となるので、半溶融成形加工用として好適なアルミニウム合金鋳造棒を製造することができる。また、電源回路や制御機構が簡便なものとなるので、半溶融成形加工用として好適なアルミニウム合金鋳造棒を大量かつ安定的に製造することができる。
半溶融成形加工用のアルミニウム合金鋳造棒を製造するときに用いられる連続鋳造装置の一例を示す図である。 アルミニウム合金溶湯を電磁攪拌する電磁攪拌コイルの一例を示す図である。 電磁攪拌コイルのコイル要素の形状を模式的に示す図である。 コイル要素の個数が４８個である場合の電磁攪拌コイルの鉄心を示す平面図である。 コイル要素の個数が３６個である場合の電磁攪拌コイルの鉄心を示す平面図である。 コイル要素の個数が４２個である場合の電磁攪拌コイルの鉄心を示す平面図である。 コイル要素の個数が５４個である場合の電磁攪拌コイルの鉄心を示す平面図である。 コイル要素の個数が６０個である場合の電磁攪拌コイルの鉄心を示す平面図である。 コイル要素の個数が３６個である場合の電磁攪拌コイルの電気的構成を示す図である。 コイル要素の個数が４２個である場合の電磁攪拌コイルの電気的構成を示す図である。 コイル要素の個数が４８個である場合の電磁攪拌コイルの電気的構成を示す図である。 コイル要素の個数が５４個である場合の電磁攪拌コイルの電気的構成を示す図である。 コイル要素の個数が６０個である場合の電磁攪拌コイルの電気的構成を示す図である。 本発明の実施例と比較例で得られたアルミニウム合金鋳造棒の金属組織写真を示す図である。 本発明の実施例と比較例で得られたアルミニウム合金鋳造棒の金属組織をＳＥＭ−ＥＢＳＤにて解析したときの解析範囲を模式的に示す図である。
以下、図１〜図１５を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は半溶融成形加工用のアルミニウム合金鋳造棒を製造するときに用いられる連続鋳造装置の一例を示す図であり、図１に示される連続鋳造装置１は鋳型２、ホットトップ３、電磁攪拌コイル５および電力調整器６を具備している。
鋳型２はアルミニウム合金溶湯Ｍを棒状に鋳造するものであって、例えば外径が１３０ｍｍ〜１７０ｍｍ、内径が７０ｍｍ〜１２０ｍｍ、高さが３０ｍｍ〜６０ｍｍの寸法で円筒状に形成されているとともに、銅合金等の熱伝導性の良好な金属材料から形成されている。
また、鋳型２はアルミニウム合金溶湯Ｍを冷却水により冷却するための水冷空間２１を有し、この水冷空間２１は鋳型２の内側周壁部と外側周壁部との間に鋳型２の全周にわたって形成されている。さらに、鋳型２は水冷空間２１に供給された冷却水を鋳型２から出た凝固シェルの表面に噴射する冷却水噴射口２２を有し、この冷却水噴射口２２は鋳型２の内側周壁部と底板部との接合部に鋳型２の全周にわたって形成されている。
ホットトップ３は溶湯供給樋４から供給されたアルミニウム合金溶湯Ｍを鋳型２に供給するものであって、例えば外径が１３０ｍｍ〜１７０ｍｍ、内径が６０ｍｍ〜１１０ｍｍ、高さが１００ｍｍ〜３００ｍｍの寸法で円筒状に形成されているとともに、鋳型２と中心を一致させて鋳型２の上に設置されている。また、ホットトップ３は溶湯供給樋４からアルミニウム合金溶湯Ｍを受け入れる溶湯受入口３１を有し、この溶湯受入口３１はホットトップ３の外周面上部に形成されている。
電磁攪拌コイル５はアルミニウム合金溶湯Ｍを鋳型２とホットトップ３の内側で電磁攪拌するものであって、商用電源からの三相交流電力によりアルミニウム合金溶湯Ｍを電磁攪拌するように構成されている。また、電磁攪拌コイル５は鋳型２の外周面上部とホットトップ３の外周面下部を囲繞するように円筒状に形成され、かつ鋳型２およびホットトップ３と同軸に設けられている。
電力調整器６は電磁攪拌コイル５のコイル要素Ｃに通電される三相交流電力を調整するものであり、この電力調整器６は商用三相交流電源の三相交流電力を、例えば電流値が５Ａ〜２０Ａとなるように調整するように構成されている。
電磁攪拌コイル５は、アルミニウム合金溶湯Ｍを鋳型２とホットトップ３の円周方向に電磁誘導する複数個（例えば６の倍数）のコイル要素Ｃと、これらのコイル要素Ｃを鋳型２とホットトップ３の外周に保持する鉄心５１とを含んでいる。
電磁攪拌コイル５の鉄心５１は、鋳型２とホットトップ３の外径より１０ｍｍ〜３０ｍｍの範囲内で大きい内径（例えば１４０ｍｍ〜１９０ｍｍ）で且つ該内径より５０ｍｍ以上大きい外径（例えば２２０ｍｍ〜３００ｍｍ）で円筒状に形成され、鋳型２と中心を一致させて鋳型２とホットトップ３の外周に配置されている。
また、鋳型２の高さが３０ｍｍ〜６０ｍｍ、ホットトップ３の高さが１００ｍｍ〜３００ｍｍである場合、鉄心５１は２０ｍｍ〜３０ｍｍの高さで円筒状に形成されているとともに、０．３ｍｍ〜０．７ｍｍ程度の厚さを有する多数枚の無方向性電磁鋼板を積層して形成されている。
鉄心５１を形成する電磁鋼板の厚さを０．３ｍｍ〜０．７ｍｍとした理由は、電磁鋼板の厚さが０．３ｍｍ未満であると電磁鋼板の剛性が低下して鉄心５１の機械的強度を所要の強度に確保できなくなり、また、電磁鋼板の厚さが０．７ｍｍを超えると電磁鋼板内の渦電流が大きくなり、発熱量が増大して過熱の要因となるためである。なお、鉄心５１の材質は無方向性電磁鋼板であれば使用可能であるが、鉄損値がなるべく小さいものが好ましい。
電磁攪拌コイル５の鉄心５１は、コイル要素Ｃと同数のスロットＳ（図４〜図８参照）を有している。これらのスロットＳは、例えば６．０ｍｍ〜１２．０ｍｍの幅と１５．０ｍｍ〜３５．０ｍｍの深さで鉄心５１の内周面に一定間隔で櫛歯状に形成されている。
ここで、スロットＳの数が３６未満の場合には、隣り合う２つのスロット間に形成された鉄心櫛歯部５２を磁化させるのに必要なエネルギーが大きくなり、電磁攪拌コイル５の電磁攪拌効果が低下すると共に過熱の要因となる。また、スロットＳの数が６０を超えると鉄心櫛歯部５２の幅が小さくなって磁束が集中しなくなるため、鉄心５１の内周面に形成されるスロットＳの数としては、６×６、６×７、６×８、６×９、６×１０の何れかであることが好ましい。
電磁攪拌コイル５のコイル要素Ｃは、表面をエナメル塗料等により絶縁被覆された銅線からなり、銅線の線径としては、コイル要素の電流密度を６．０ＭＡ（megaampere）／ｍ2以下、望ましくは５．０ＭＡ（megaampere）／ｍ2以下とするために、０．６ｍｍ〜１．７ｍｍとすることが好ましい。
また、コイル要素Ｃを形成する各銅線は、コイル要素Ｃに三相交流電力を通電したときに発生する回転磁界の磁極を電磁誘導コイル全体で２極とするため、図３に示すように、鋳型２とホットトップ３の円周方向に１２０度ずれて鉄心５１の内周面に形成された２つのスロットＳの間でコイル状に巻回されている。ここで、銅線の巻き数は、コイル要素Ｃに電流値が５Ａ〜２０Ａの三相交流電力を通電したときに発生する回転磁界の磁束密度を７ｍＴ〜２８ｍＴとするために、３３回〜６７回とすることが好ましい。
また、スロット内で２つのコイル要素同士がショートするのを防止するため、各コイル要素Ｃをコイル絶縁紙により絶縁被覆することが好ましく、コイル絶縁紙としては、例えば、日東シンコー株式会社（NITTO SHINKO CORPORATION，日本国福井県坂井市）から、NTN222（商品名）として販売される、アラミド紙とポリエステル樹脂をウレタン系接着剤でラミネートしたもののような、耐熱性の高い絶縁紙を用いることができる。さらに、コイル要素Ｃを形成する各銅線が鉄心５１の上下面と接触しないように、各コイル要素Ｃをエナメル塗料などにより塗り固めることも好ましい。
コイル要素ＣとスロットＳの個数が４８個である場合、図４に示すように、コイル要素Ｃ１，Ｃ２，‥‥，Ｃ１６，Ｃ１７，Ｃ１８，‥‥，Ｃ３２，Ｃ３３，Ｃ３４，‥‥，Ｃ４８を形成する各銅線は、スロットＳ１，Ｓ２，‥‥，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ１８，‥‥，Ｓ３２，Ｓ３３，Ｓ３４，‥‥，Ｓ４８とスロットＳ１７，Ｓ１８，‥‥，Ｓ３２，Ｓ３３，Ｓ３４，‥‥，Ｓ４８，Ｓ１，Ｓ２，‥‥，Ｓ１６との間でコイル状に巻回されている。
コイル要素ＣとスロットＳの個数が３６個である場合、図５に示すように、コイル要素Ｃ１，Ｃ２，‥‥，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４，‥‥，Ｃ２４，Ｃ２５，Ｃ２６，‥‥，Ｃ３６を形成する各銅線は、スロットＳ１，Ｓ２，‥‥，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４，‥‥，Ｓ２４，Ｓ２５，Ｓ２６，‥‥，Ｓ３６とスロットＳ１３，Ｓ１４，‥‥，Ｓ２４，Ｓ２５，Ｓ２６，‥‥，Ｓ３６，Ｓ１，Ｓ２，‥‥，Ｓ１２との間でコイル状に巻回されている。
コイル要素ＣとスロットＳの個数が４２個である場合、図６に示すように、コイル要素Ｃ１，Ｃ２，‥‥，Ｃ１４，Ｃ１５，Ｃ１６，‥‥，Ｃ２８，Ｃ２９，Ｃ３０，‥‥，Ｃ４２を形成する各銅線は、スロットＳ１，Ｓ２，‥‥，Ｓ１４，Ｓ１５，Ｓ１６，‥‥，Ｓ２８，Ｓ２９，Ｓ３０，‥‥，Ｓ４２とスロットＳ１５，Ｓ１６，‥‥，Ｓ２８，Ｓ２９，Ｓ３０，‥‥，Ｓ４２，Ｓ１，Ｓ２，‥‥，Ｓ１４との間でコイル状に巻回されている。
コイル要素ＣとスロットＳの個数が５４個である場合、図７に示すように、コイル要素Ｃ１，Ｃ２，‥‥，Ｃ１８，Ｃ１９，Ｃ２０，‥‥，Ｃ３６，Ｃ３７，Ｃ３８，‥‥，Ｃ５４を形成する各銅線は、スロットＳ１，Ｓ２，‥‥，Ｓ１８，Ｓ１９，Ｓ２０，‥‥，Ｓ３６，Ｓ３７，Ｓ３８，‥‥，Ｓ５４とスロットＳ１９，Ｓ２０，‥‥，Ｓ３６，Ｓ３７，Ｓ３８，‥‥，Ｓ５４，Ｓ１，Ｓ２，‥‥，Ｓ１８との間でコイル状に巻回されている。
コイル要素ＣとスロットＳの個数が６０個である場合、図８に示すように、コイル要素Ｃ１，Ｃ２，‥‥，Ｃ２０，Ｃ２１，Ｃ２２，‥‥，Ｃ４０，Ｃ４１，Ｃ４２，‥‥，Ｃ６０を形成する各銅線は、スロットＳ１，Ｓ２，‥‥，Ｓ２０，Ｓ２１，Ｓ２２，‥‥，Ｓ４０，Ｓ４１，Ｓ４２，‥‥，Ｓ６０とスロットＳ２１，Ｓ２２，‥‥，Ｓ４０，Ｓ４１，Ｓ４２，‥‥，Ｓ６０，Ｓ１，Ｓ２，‥‥，Ｓ２０との間でコイル状に巻回されている。
図９〜図１３はコイル要素の個数が３６個、４２個、４８個、５４個、６０個の何れかである場合の電磁攪拌コイルの電気的構成を示す図であり、コイル要素の個数が３６個である場合、図９に示すように、電磁攪拌コイル５のコイル要素Ｃ１〜Ｃ３６のうちコイル要素Ｃ１〜Ｃ６、コイル要素Ｃ７〜Ｃ１２、コイル要素Ｃ１３〜Ｃ１８、コイル要素Ｃ１９〜Ｃ２４、コイル要素Ｃ２５〜Ｃ３０、コイル要素Ｃ３１〜Ｃ３６は、それぞれ直列に接続されている。また、コイル要素Ｃ１，Ｃ１８，Ｃ２４，Ｃ３１は三相交流電源のＵ相端子Ｔ１に、コイル要素Ｃ６，Ｃ１２，Ｃ１９，Ｃ２５は三相交流電源のＶ相端子Ｔ２に、コイル要素Ｃ７，Ｃ１３，Ｃ３０，Ｃ３６は三相交流電源のＷ相端子Ｔ３に接続されている。
コイル要素の個数が４２個である場合、図１０に示すように、電磁攪拌コイル５のコイル要素Ｃ１〜Ｃ４２のうちコイル要素Ｃ１〜Ｃ７、コイル要素Ｃ８〜Ｃ１４、コイル要素Ｃ１５〜Ｃ２１、コイル要素Ｃ２２〜Ｃ２８、コイル要素Ｃ２９〜Ｃ３５、コイル要素Ｃ３６〜Ｃ４３は、それぞれ直列に接続されている。また、コイル要素Ｃ１，Ｃ２１，Ｃ２８，Ｃ３６は三相交流電源のＵ相端子Ｔ１に、コイル要素Ｃ７，Ｃ１４，Ｃ２２，Ｃ２９は三相交流電源のＶ相端子Ｔ２に、コイル要素Ｃ８，Ｃ１５，Ｃ３５，Ｃ４２は三相交流電源のＷ相端子Ｔ３に接続されている。
コイル要素の個数が４８個である場合、図１１に示すように、電磁攪拌コイル５のコイル要素Ｃ１〜Ｃ４８のうちコイル要素Ｃ１〜Ｃ８、コイル要素Ｃ９〜Ｃ１６、コイル要素Ｃ１７〜Ｃ２４、コイル要素Ｃ２５〜Ｃ３２、コイル要素Ｃ３３〜Ｃ４０、コイル要素Ｃ４１〜Ｃ４８は、それぞれ直列に接続されている。また、コイル要素Ｃ１，Ｃ２４，Ｃ３２，Ｃ４１は三相交流電源のＵ相端子Ｔ１に、コイル要素Ｃ８，Ｃ１６，Ｃ２５，Ｃ３３は三相交流電源のＶ相端子Ｔ２に、コイル要素Ｃ９，Ｃ１７，Ｃ４０，Ｃ４８は三相交流電源のＷ相端子Ｔ３に接続されている。
コイル要素の個数が５４個である場合、図１２に示すように、電磁攪拌コイル５のコイル要素Ｃ１〜Ｃ５４のうちコイル要素Ｃ１〜Ｃ９、コイル要素Ｃ１０〜Ｃ１８、コイル要素Ｃ１９〜Ｃ２７、コイル要素Ｃ２８〜Ｃ３６、コイル要素Ｃ３７〜Ｃ４５、コイル要素Ｃ４６〜Ｃ５４は、それぞれ直列に接続されている。また、コイル要素Ｃ１，Ｃ２７，Ｃ３６，Ｃ４６は三相交流電源のＵ相端子Ｔ１に、コイル要素Ｃ９，Ｃ１８，Ｃ２８，Ｃ３７は三相交流電源のＶ相端子Ｔ２に、コイル要素Ｃ１０，Ｃ１９，Ｃ４５，Ｃ５４は三相交流電源のＷ相端子Ｔ３に接続されている。
コイル要素の個数が６０個である場合、図１３に示すように、電磁攪拌コイル５のコイル要素Ｃ１〜Ｃ６０のうちコイル要素Ｃ１〜Ｃ１０、コイル要素Ｃ１１〜Ｃ２０、コイル要素Ｃ２１〜Ｃ３０、コイル要素Ｃ３１〜Ｃ４０、コイル要素Ｃ４１〜Ｃ５０、コイル要素Ｃ５１〜Ｃ６０は、それぞれ直列に接続されている。また、コイル要素Ｃ１，Ｃ３０，Ｃ４０，Ｃ５１は三相交流電源のＵ相端子Ｔ１に、コイル要素Ｃ１０，Ｃ２０，Ｃ３１，Ｃ４１は三相交流電源のＶ相端子Ｔ２に、コイル要素Ｃ１１，Ｃ２１，Ｃ５０，Ｃ６０は三相交流電源のＷ相端子Ｔ３に接続されている。
図１に示した連続鋳造装置を用いて半溶融成形加工用のアルミニウム合金鋳造棒を製造する場合は、アルミニウム合金鋳造棒の素材として、３．０〜１０．０質量％以下のＳｉを含み、かつ残部がＡｌと、１．０質量％以下のＦｅと、微量添加物および不可避不純物とからなる亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金、好ましくは５．０〜７．５質量％以下のＳｉを含み、かつ残部がＡｌと、０．２０質量％以下のＦｅと、微量添加物および不可避不純物とからなる亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金、より好ましくは表１にＡ３５６．０合金またはＡ３５７．０合金として示される亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を用い、この亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を溶解炉で溶解してアルミニウム合金溶湯Ｍを得る。そして、溶解炉で得られたアルミニウム合金溶湯Ｍを溶湯供給樋４からホットトップ３に供給する。
Figure 2011158477
ホットトップ３に供給されたアルミニウム合金溶湯Ｍは、ホットトップ３の内径側を流下して鋳型２に流入する。そして、鋳型２に流入したアルミニウム合金溶湯Ｍは鋳型２の水冷空間２１に供給された冷却水により冷却され、図１に示すように、アルミニウム合金鋳造棒Ｒとなって鋳型２の下面から棒状に引き出される。
このとき、電磁攪拌コイル５には交番周波数５０Ｈｚ〜６０Ｈｚ、電流値５Ａ〜２０Ａの三相交流電力が電力調整器６から供給され、電力調整器６から電磁攪拌コイル５に供給された三相交流電力によって鋳型２およびホットトップ３の内径側に磁束密度が７ｍＴ〜２８ｍＴの回転磁界が発生する。そして、鋳型２およびホットトップ３の内径側に発生した回転磁界によってアルミニウム合金溶湯Ｍが鋳型２およびホットトップ３の円周方向に電磁攪拌されながら棒状に連続鋳造されるとともに、アルミニウム合金溶湯Ｍの冷却に伴って発生する樹枝状結晶の樹枝部が電磁攪拌によって分断される。
上述した本発明の一実施形態のように、アルミニウム合金鋳造棒の素材として、３．０〜１０．０質量％のＳｉを含み、かつ残部がＡｌと、１．０質量％以下のＦｅと、微量添加物および不可避不純物とからなる、鋳造性に優れた亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を用いているが、アルミニウム合金溶湯の鋳造時に発生する樹枝状結晶は、円周方向の電磁攪拌によって分断されるので、樹枝状結晶の樹枝部が絡み合った状態で固相として残存することを抑制することができる。
また、アルミニウム合金鋳造棒の素材として、５．０〜７．５質量％のＳｉを含み、かつ残部がＡｌと、０．５０質量％以下のＦｅと、微量添加物として０．７０質量％以下のＭｇ、０．５０質量％以下のＭｎ、０．５０質量％以下のＣｕ、０．２０質量％以下のＴｉ、０．０７質量％のＢｅ、および不可避不純物とからなる亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を用いたことで、特許文献２の段落番号００３１に記載されたＡｌ合金のように、Ｓｉを７質量％、Ｆｅを０．８６質量％、Ｍｎを０．６７質量％含むことによってＡｌ−Ｆｅ系の金属間化合物が生成、偏析することもない。
また、アルミニウム合金溶湯を電磁撹拌する電磁撹拌コイルとして、回転磁界を発生させるための磁極が電磁撹拌コイル全体で２極の電磁撹拌コイル５を用いたことで、２つの磁極間に発生する磁束が鋳型２とホットトップ３の中心部を通過するようになり、回転磁界を発生させるための磁極が４極の電磁撹拌コイルを用いた場合のように、電磁撹拌コイルの電磁撹拌力が鋳型およびホットトップの中心部で弱まることがない。従って、アルミニウム合金溶湯の凝固時に樹枝状結晶が発生しても樹枝状結晶の樹枝部を確実に分断でき、アルミニウム合金鋳造棒の金属組織がアルミニウム合金鋳造棒の全体にわたり微細で均一な粒状の金属組織となるので、半溶融成形加工用として好適なアルミニウム合金鋳造棒を製造することができる。
また、アルミニウム合金溶湯を電磁撹拌する電磁撹拌コイルとして、鋳型２およびホットトップ３の内径側に回転磁界を商用電源からの三相交流電力により発生させてアルミニウム合金溶湯を鋳型２およびホットトップ３の円周方向に電磁撹拌する電磁撹拌コイル５を用いたことで、電力調整器６の電源回路や制御機構が簡便なものとなるので、半溶融成形加工用として好適なアルミニウム合金鋳造棒を大量かつ安定的に製造することができる。
図９〜図１３に示した電磁攪拌コイルでは、コイル要素Ｃが三相交流電源にデルタ結線されたものを示したが、コイル要素Ｃに三相交流電力を通電したときに発生する回転磁界の磁極が電磁攪拌コイル全体で２極となるようになっていれば、コイル要素と三相交流電源との接続関係はデルタ結線に限られるものではなく、例えばスター結線であってもよい。
次に、本発明の実施例と比較例について説明する。
Figure 2011158477
（実施例）
アルミニウム合金鋳造棒の素材として、表２に示す化学成分の亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を用い、電磁攪拌コイル５のコイル要素Ｃに、商用電源を電力調整器６で調整して得た１０Ａの三相交流電流を通電して鋳型２およびホットトップ３の内径側に磁束密度が１３ｍＴの回転磁界を発生させ、アルミニウム合金溶湯を鋳型２およびホットトップ３の円周方向に電磁攪拌しながら棒状に鋳造して外径が７５ｍｍの円柱形のアルミニウム合金鋳造棒を得た。そして、得られたアルミニウム合金鋳造棒の金属組織を光学顕微鏡で観察、写真撮影した。
なお、鋳型２としては外径１６０ｍｍ、内径７５ｍｍ、高さ４５ｍｍのものを用い、ホットトップ３としては外径１６０ｍｍ、内径６０ｍｍ、高さ２２５ｍｍのものを用いた。また、電磁攪拌コイル５としては鉄心外径２６０ｍｍ、鉄心内径１６５ｍｍ、鉄心高さ５０ｍｍ、スロット数４８、銅線径０．９ｍｍ、銅線巻き数４５回、コイル要素電流密度４．５ＭＡ／ｍ2のものを用いた。
（比較例）
アルミニウム合金鋳造棒の素材、鋳型およびホットトップとして、上述した実施例と同じものを用い、電磁攪拌を行わずにアルミニウム合金溶湯を棒状に鋳造して外径が７５ｍｍの円柱形のアルミニウム合金鋳造棒を得た。そして、得られたアルミニウム合金鋳造棒の金属組織を光学顕微鏡で観察、写真撮影した。
実施例で得られたアルミニウム合金鋳造棒の金属組織写真を図１４（ａ）に、また比較例で得られたアルミニウム合金鋳造棒の金属組織写真を図１４（ｂ）に示す。図１４に示すように、実施例で得られたアルミニウム合金鋳造棒は金属組織が微細かつ均一な粒状組織の初晶Ａｌと共晶組織とからなっているのに対し、比較例で得られたアルミニウム合金鋳造棒は金属組織が樹枝状結晶の初晶Ａｌと共晶組織とからなっていることがわかる。
本発明者らは、実施例で得られたアルミニウム合金鋳造棒の金属組織を、図１５中「ａ」、「ｂ」、「ｃ」で示す３つの位置を中心として０．５ｍｍ×０．５ｍｍの範囲でＳＥＭ−ＥＢＳＤにて解析し、１５°未満の小傾角の境界を結晶粒内の亜結晶粒界とみなす一方、１５°以上の傾角の境界で囲まれる領域をひとつの結晶粒とし、その結晶粒の円相当径により測定した。そして、結晶粒の平均粒径と標準偏差を算出した結果、実施例で得られたアルミニウム合金鋳造棒の初晶Ａｌの平均粒径は９０μｍ、標準偏差は２５μｍであることを確認できた。なお、図１５は円柱形のアルミニウム合金鋳造棒の断面を示すものであり、当該断面において、「ｃ」はアルミニウム合金鋳造棒の中心、「ａ」はアルミニウム合金鋳造棒の表面から５ｍｍの位置であり、「ｂ」は「ａ」と「ｃ」の中間点である。
また、本発明者らは実施例と比較例で得られたアルミニウム合金鋳造棒を長さ３５ｍｍに切断した後、電気炉で半溶融状態となる温度まで加熱し、アルミニウム合金鋳造棒が半溶融状態となったところで電気炉から取り出した。そして、半溶融状態のアルミニウム合金鋳造棒をプランジャーにより毎分１６ｍｍの速度で軸方向に加圧成形し、アルミニウム合金鋳造棒の直径が８０ｍｍになった時点でのプランジャーの最大加圧力を測定した。そして、これを７本のアルミニウム合金鋳造棒について行い、最大加圧力の平均値と標準偏差を算出した。その結果を表３に示す。
Figure 2011158477
表３に示す最大加圧力の平均値と標準偏差の算出結果から明らかなように、実施例で得られたアルミニウム合金鋳造棒は最大加圧力の平均値が６１９．１ｋＮ、標準偏差が６．２ｋＮであるのに対し、比較例で得られたアルミニウム合金鋳造棒は最大加圧力の平均値が１２２２．１ｋＮ、標準偏差が４０６．４ｋＮであることがわかる。従って、比較例で得られたアルミニウム合金鋳造棒よりも実施例で得られたアルミニウム合金鋳造棒のほうが半溶融成形加工に適していることがわかる。
１…連続鋳造装置
２…鋳型
３…ホットトップ
４…溶湯供給樋
５…電磁攪拌コイル
５１…鉄心
Ｓ…スロット
Ｃ…コイル要素
６…電力調整器
Ｔ１…三相交流電源のＵ相端子
Ｔ２…三相交流電源のＶ相端子
Ｔ３…三相交流電源のＷ相端子

Claims (35)

  1. アルミニウム合金溶湯を連続鋳造して半溶融成形加工用のアルミニウム合金鋳造棒を製造する方法であって、
    前記アルミニウム合金溶湯を連続鋳造する連続鋳造装置として、前記アルミニウム合金溶湯を棒状に鋳造する円筒状の鋳型と、該鋳型と中心を一致させて前記鋳型の上に配置され、前記アルミニウム合金溶湯を前記鋳型に供給する円筒状のホットトップと、前記鋳型と前記ホットトップの内側で前記アルミニウム合金溶湯を電磁攪拌する電磁攪拌コイルとを具備し、かつ前記電磁攪拌コイルが前記アルミニウム合金溶湯を前記鋳型と前記ホットトップの円周方向に電磁誘導する複数のコイル要素と、該コイル要素を前記鋳型と前記ホットトップの外周に保持する鉄心とを有する連続鋳造装置を用いるとともに、
    前記アルミニウム合金鋳造棒の素材として、３．０〜１０．０質量％のＳｉを含み、かつ残部がＡｌと、１．０質量％以下のＦｅと、微量添加物および不可避不純物とからなる亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を用い、
    かつ前記電磁攪拌コイルとして、前記コイル要素に三相交流電力を通電したときに発生する回転磁界の磁極が電磁攪拌コイル全体で２極の電磁攪拌コイルを用いて、
    前記アルミニウム合金鋳造棒を製造することを特徴とするアルミニウム合金鋳造棒の製造方法。
  2. 前記アルミニウム合金鋳造棒の素材として、５．０〜７．５質量％のＳｉを含み、かつ残部がＡｌと、０．５０質量％以下のＦｅと、微量添加物として０．７０質量％以下のＭｇ、０．５０質量％以下のＭｎ、０．５０質量％以下のＣｕ、０．２０質量％以下のＴｉ、０．０７質量％のＢｅ、および不可避不純物とからなる亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を用いて前記アルミニウム合金鋳造棒を製造することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金鋳造棒の製造方法。
  3. 前記アルミニウム合金鋳造棒の素材として、６．５〜７．５質量％のＳｉを含み、かつ残部がＡｌと、０．２０質量％以下のＦｅ、０．２０〜０．４５質量％のＭｇ、０．２０質量％以下のＣｕ、０．１０質量％以下のＺｎ、０．１０質量％以下のＭｎ、０．０２質量％以下のＴｉおよび不可避不純物とからなる亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を用いて前記アルミニウム合金鋳造棒を製造することを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム合金鋳造棒の製造方法。
  4. 前記アルミニウム合金鋳造棒の素材として、６．５〜７．５質量％のＳｉを含み、かつ残部がＡｌと、０．２０質量％以下のＦｅ、０．４０〜０．７０質量％のＭｇ、０．２０質量％以下のＣｕ、０．１０質量％以下のＺｎ、０．１０質量％以下のＭｎ、０．０４〜０．２０質量％以下のＴｉ、０．０４〜０．０７質量％以下のＢｅおよび不可避不純物とからなる亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金を用いて前記アルミニウム合金鋳造棒を製造することを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム合金鋳造棒の製造方法。
  5. 前記三相交流電力の電流値を５Ａ〜２０Ａに設定して前記アルミニウム合金溶湯を電磁攪拌することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のアルミニウム合金鋳造棒の製造方法。
  6. 前記回転磁界の磁束密度を７ｍＴ〜２８ｍＴに設定して前記アルミニウム合金溶湯を電磁攪拌することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のアルミニウム合金鋳造棒の製造方法。
  7. 前記連続鋳造装置により連続鋳造される前記アルミニウム合金溶湯の初晶Ａｌ結晶が前記アルミニウム合金鋳造棒の全体にわたり粒状であり、かつ平均粒径が３０μｍ〜１００μｍ、標準偏差が平均粒径の１／３以下となるように、前記アルミニウム合金溶湯を前記電磁攪拌コイルにより電磁攪拌しながら前記アルミニウム合金鋳造棒を製造することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のアルミニウム合金鋳造棒の製造方法。
  8. 前記アルミニウム合金溶湯を前記鋳型により７０ｍｍ〜１２０ｍｍの直径で棒状に鋳造して前記アルミニウム合金鋳造棒を製造することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のアルミニウム合金鋳造棒の製造方法。
  9. 半溶融成形加工用のアルミニウム合金鋳造棒を製造するときに用いられ、３．０〜１０．０質量％のＳｉを含み、かつ残部がＡｌと、１．０質量％以下のＦｅと、微量添加物および不可避不純物とからなる亜共晶Ａｌ−Ｓｉ系合金溶湯を棒状に鋳造する円筒状の鋳型と、該鋳型と中心を一致させて前記鋳型の上に配置され、前記アルミニウム合金溶湯を前記鋳型に供給する円筒状のホットトップと、前記鋳型と前記ホットトップの内側で前記Ａｌ−Ｓｉ系合金溶湯を電磁攪拌する電磁攪拌コイルとを具備し、前記Ａｌ−Ｓｉ系合金溶湯を前記鋳型と前記ホットトップの円周方向に電磁誘導する複数のコイル要素と、該コイル要素を前記鋳型と前記ホットトップの外周に保持する鉄心とを前記電磁攪拌コイルが有する連続鋳造装置であって、
    前記電磁攪拌コイルが、前記コイル要素に三相交流電力を通電したときに発生する回転磁界の磁極が電磁攪拌コイル全体で２極の電磁攪拌コイルであることを特徴とする連続鋳造装置。
  10. 前記鉄心は、前記鋳型および前記ホットトップの外径より大きい内径で円筒状に形成されていると共に、前記鋳型と中心を一致させて前記鋳型と前記ホットトップの外周に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の連続鋳造装置。
  11. 前記コイル要素の個数が６の倍数であることを特徴とする請求項９または１０に記載の連続鋳造装置。
  12. 前記コイル要素は、前記コイル要素に対応して前記鉄心の内周面に一定間隔で形成された複数のスロットを有することを特徴とする請求項１１に記載の連続鋳造装置。
  13. 前記コイル要素は、前記複数のスロットのうち前記鉄心の円周方向に１２０°ずれて前記鉄心の内周面に形成された２つのスロットの間で銅線をコイル状に巻回して形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の連続鋳造装置。
  14. 前記スロットの幅が６．０ｍｍ〜１２．０ｍｍ、前記スロットの深さが１５．０ｍｍ〜３５．０ｍｍであることを特徴とする請求項１３に記載の連続鋳造装置。
  15. 前記銅線の表面が絶縁被覆されていることを特徴とする請求項１４に記載の連続鋳造装置。
  16. 前記銅線の線径が０．６ｍｍ〜１．７ｍｍ、前記銅線の巻き数が３３〜６７であることを特徴とする請求項１５に記載の連続鋳造装置。
  17. 前記鋳型の高さが３０ｍｍ〜６０ｍｍ、前記ホットトップの高さが１００ｍｍ〜３００ｍｍ、前記鉄心の高さが２０ｍｍ〜５０ｍｍであることを特徴とする請求項９〜１６のいずれか一項に記載の連続鋳造装置。
  18. 前記鉄心が０．３ｍｍ〜０．７ｍｍｍｍの厚さを有する複数の電磁鋼板を積層して形成されていることを特徴とする請求項１７に記載の連続鋳造装置。
  19. 前記鋳型と前記ホットトップの外径より１０ｍｍ〜３０ｍｍの範囲内で大きい内径と、該内径より５０ｍｍ以上大きい外径とを、前記鉄心が有することを特徴とする請求項１８に記載の連続鋳造装置。
  20. 前記コイル要素の個数が３６個であり、前記３６個のコイル要素のうち第１〜第６、第７〜第１２、第１３〜第１８、第１９〜第２４、第２５〜第３０、第３１〜第３６のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第１８、第２４、第３１のコイル要素は三相交流電源のＵ相端子に、第６、第１２、第１９、第２５のコイル要素は三相交流電源のＶ相端子に、第７、第１３、第３０、第３６のコイル要素は三相交流電源のＷ相端子に接続されていることを特徴とする請求項１９に記載の連続鋳造装置。
  21. 前記コイル要素の個数が４２個であり、前記４２個のコイル要素のうち第１〜第７、第８〜第１４、第１５〜第２１、第２２〜第２８、第２９〜第３５、第３６〜第４２のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第２１、第２８、第３６のコイル要素は三相交流電源のＵ相電源端子に、第７、第１４、第２２、第２９のコイル要素は三相交流電源のＶ相電源端子に、第８、第１５、第３５、第４２のコイル要素は三相交流電源のＷ相電源端子に接続されていることを特徴とする請求項１９に記載の連続鋳造装置。
  22. 前記コイル要素の個数が４８個であり、前記４８個のコイル要素のうち第１〜第８、第９〜第１６、第１７〜第２４、第２５〜第３２、第３３〜第４０、第４１〜第４８のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第２４、第３２、第４１のコイル要素は三相交流電源のＵ相電源端子に、第８、第１６、第２５、第３３のコイル要素は三相交流電源のＶ相電源端子に、第９、第１７、第４０、第４８のコイル要素は三相交流電源のＷ相電源端子に接続されていることを特徴とする請求項１９に記載の連続鋳造装置。
  23. 前記コイル要素の個数が５４個であり、前記５４個のコイル要素のうち第１〜第９、第１０〜第１８、第１９〜第２７、第２８〜第３６、第３７〜第４５、第４６〜第５４のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第２７、第３６、第４６のコイル要素は三相交流電源のＵ相電源端子に、第９、第１８、第２８、第３７のコイル要素は三相交流電源のＶ相電源端子に、第１０、第１９、第４５、第５４のコイル要素は三相交流電源のＷ相電源端子に接続されていることを特徴とする請求項１９に記載の連続鋳造装置。
  24. 前記コイル要素の個数が６０個であり、前記６０個のコイル要素のうち第１〜第１０、第１１〜第２０、第２１〜第３０、第３１〜第４０、第４１〜第５０、第５１〜第６０のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第３０、第４０、第５１のコイル要素は三相交流電源のＵ相電源端子に、第１０、第２０、第３１、第４１のコイル要素は三相交流電源のＶ相電源端子に、第１１、第２１、第５０、第６０のコイル要素は三相交流電源のＷ相電源端子に接続されていることを特徴とする請求項１９に記載の連続鋳造装置。
  25. アルミニウム合金溶湯を棒状に鋳造する円筒状の鋳型と、該鋳型と中心を一致させて前記鋳型の上に配置され、前記アルミニウム合金溶湯を前記鋳型に供給する円筒状のホットトップとを備えた連続鋳造装置に用いられ、前記アルミニウム合金溶湯を前記鋳型と前記ホットトップの円周方向に電磁誘導する複数のコイル要素と、該コイル要素を前記鋳型と前記ホットトップの外周に保持する鉄心とを有する連続鋳造装置用電磁攪拌コイルであって、
    前記コイル要素に三相交流電力を通電したときに発生する回転磁界の磁極が電磁攪拌コイル全体で２極であることを特徴とする連続鋳造装置用電磁攪拌コイル。
  26. 前記コイル要素の個数が６の倍数であることを特徴とする請求項２５に記載の連続鋳造装置用電磁攪拌コイル。
  27. 前記鉄心は、前記コイル要素に対応して前記鉄心の内周面に一定間隔で形成された複数のスロットを有することを特徴とする請求項２６に記載の連続鋳造装置用電磁攪拌コイル。
  28. 前記コイル要素は、前記複数のスロットのうち前記鉄心の円周方向に１２０度ずれて前記鉄心の内周面に形成された２つのスロットの間で銅線をコイル状に巻回して形成されていることを特徴とする請求項２７に記載の連続鋳造装置用電磁攪拌コイル。
  29. 前記銅線の表面が絶縁被覆されていることを特徴とする請求項２８に記載の連続鋳造装置用電磁攪拌コイル。
  30. 前記銅線の線径が０．６ｍｍ〜１．７ｍｍ、前記銅線の巻き数が３３〜６７であることを特徴とする請求項２９に記載の連続鋳造装置用電磁攪拌コイル。
  31. 前記コイル要素の個数が３６個であり、前記３６個のコイル要素のうち第１〜第６、第７〜第１２、第１３〜第１８、第１９〜第２４、第２５〜第３０、第３１〜第３６のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第１８、第２４、第３１のコイル要素は三相交流電源のＵ相端子に、第６、第１２、第１９、第２５のコイル要素は三相交流電源のＶ相端子に、第７、第１３、第３０、第３６のコイル要素は三相交流電源のＷ相端子に接続されていることを特徴とする請求項３０に記載の連続鋳造装置用電磁攪拌コイル。
  32. 前記コイル要素の個数が４２個であり、前記４２個のコイル要素のうち第１〜第７、第８〜第１４、第１５〜第２１、第２２〜第２８、第２９〜第３５、第３６〜第４２のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第２１、第２８、第３６のコイル要素は三相交流電源のＵ相電源端子に、第７、第１４、第２２、第２９のコイル要素は三相交流電源のＶ相電源端子に、第８、第１５、第３５、第４２のコイル要素は三相交流電源のＷ相電源端子に接続されていることを特徴とする請求項３０に記載の連続鋳造装置用電磁攪拌コイル。
  33. 前記コイル要素の個数が４８個であり、前記４８個のコイル要素のうち第１〜第８、第９〜第１６、第１７〜第２４、第２５〜第３２、第３３〜第４０、第４１〜第４８のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第２４、第３２、第４１のコイル要素は三相交流電源のＵ相電源端子に、第８、第１６、第２５、第３３のコイル要素は三相交流電源のＶ相電源端子に、第９、第１７、第４０、第４８のコイル要素は三相交流電源のＷ相電源端子に接続されていることを特徴とする請求項３０に記載の連続鋳造装置用電磁攪拌コイル。
  34. 前記コイル要素の個数が５４個であり、前記５４個のコイル要素のうち第１〜第９、第１０〜第１８、第１９〜第２７、第２８〜第３６、第３７〜第４５、第４６〜第５４のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第２７、第３６、第４６のコイル要素は三相交流電源のＵ相電源端子に、第９、第１８、第２８、第３７のコイル要素は三相交流電源のＶ相電源端子に、第１０、第１９、第４５、第５４のコイル要素は三相交流電源のＷ相電源端子に接続されていることを特徴とする請求項３０に記載の連続鋳造装置用電磁攪拌コイル。
  35. 前記コイル要素の個数が６０個であり、前記６０個のコイル要素のうち第１〜第１０、第１１〜第２０、第２１〜第３０、第３１〜第４０、第４１〜第５０、第５１〜第６０のコイル要素は直列に接続され、かつ第１、第３０、第４０、第５１のコイル要素は三相交流電源のＵ相電源端子に、第１０、第２０、第３１、第４１のコイル要素は三相交流電源のＶ相電源端子に、第１１、第２１、第５０、第６０のコイル要素は三相交流電源のＷ相電源端子に接続されていることを特徴とする請求項３０に記載の連続鋳造装置用電磁攪拌コイル。
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