JP2000343200A - セミソリッド素材の鋳造法及び鋳造機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダイキャスト等金型鋳造品の高品質化のため
に用いる金属のセミソリッド素材の鋳造法を課題とす
る。 【解決手段】下記の工程を備えたことを特徴とする金属
のセミソリッド素材の鋳造法で、金属素材を第１の保持
炉で溶湯にして液相線より１０から５０℃の範囲の高い
液相温度以上に保持する工程と、前記溶湯を固相線温度
以上の範囲において急冷して初晶等軸晶を発生させる工
程と、前記等軸晶を含む溶湯を第２の保持炉で液相線温
度以下固相線温度以上に保持して、所定の固相率とする
工程と、前記所定の固相率となった溶湯の部分を間欠的
に取り出す工程とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ダイキャスト等金型鋳
造品の高品質化のために用いるセミソリッド素材の鋳造
法及び鋳造機に関する。ここで、セミソリッドとは固液
共存状態にあること、即ち、液相線温度と固相線温度の
間にある状態をいう。

【０００２】

【従来の技術】金型鋳造、特にダイキャスト鋳造法はア
ルミニウム合金等を金型中に鋳込んで凝固させる鋳造法
または加工法であり、複雑な形状の鋳造品を容易に成形
することができ、製品は様々な分野に適用されている。
しかし、鋳造品の金属組織は主にデンドライトから成る
鋳造組織であり、また液相線温度より通常１００℃以上
高い温度からかなり高速の鋳込速度で鋳込むことから、
空気の巻き込みや凝固収縮による巣の発生が不可避であ
り、鍛造材に比較すると機械的性質、特に伸び、疲労強
度が低いという品質的欠点がある。

【０００３】そこで、鋳造品の凝固組織においてデンド
ライトの成長を防ぎ、等軸晶または粒状晶とすることが
できれば機械的特性特に伸びが向上することは知られて
いる。そこで、金型に溶湯を供給して凝固させる金属鋳
造法または成形法において、溶湯を粒状晶である固相成
分を含む状態で供給し，加えて高圧をかける、いわゆる
セミソリツド鋳造が望ましい。

【０００４】この鋳造法において、金型の急冷効果によ
る結晶粒の微細化と低速・低温材料供給による未充填、
収縮巣の発生防止により，製品は強度，伸びが向上する
だけでなく、疲労強度も大きく改善されることも最近知
られるようになった。

【０００５】しかるに、これまでセミソリッド鋳造で
は、溶解素材を電磁攪拌しながら凝固させてビレットを
固液共存域の温度に保ち、これを成型機に供給して製品
とするもので、ビレット価格が高いため、セミソリッド
加工の優位点ははっきりしていたにもかかわらず普及が
遅れた。

【０００６】最近セミソリッド加工と称して、凝固時に
溶湯を攪拌して初析結晶を粒状化する処理を施したビレ
ット（以下セミソリッドビレットと呼ぶ）を再加熱して
固液共存状態で成形する方法が実用化され、上記品質に
於いて著しい向上が得られることが報告されているが、
製造コストが高くなり、特殊な用途にしか適用できない
欠点がある。

【０００７】上述のとおり現在行われているセミソリッ
ド加工はセミソリッドビレットを作る工程が実際のセミ
ソリッド加工工程に独立して必要であり，通常電磁攪拌
後連続鋳造を行うので設備費も大がかりで高価であっ
て，したがってビレット価格は地金に比べて通常５０％
以上高くなる。

【０００８】これを加熱装置で徐々に過熱し，固液共存
状態となったところで成型機に供給するので、この加熱
装置も場所を取り、設備費が掛かる上に，成型機に供給
された材料は５０％近くが湯口，湯道など製品とならな
いものとなるので．上記材料費の高価格が二重に製品の
価格を押し上げ、また製品にならない部分は自工程にリ
サイクルができないという短所もある。

【０００９】いっぽう傾斜冷却板によって溶湯を急冷す
る方法は原理的には古くから知られているが、実用化に
至っていない。これは、これまでの実験が比較的小流量
で行われており，実用化するには生産性の面で現実的で
なかったためと見られる。

【００１０】またダイキャスト機に溶湯を供給する段階
で電磁攪拌、低温保持を行う方法も提案されているが、
実用化の程度は知られていない。この方法の欠点は電磁
攪拌と冷却と溶湯保持をほとんど同時に行うので、プロ
セスの安定性に問題があるのではないかと思われるが、
まだ本方法による実用化についての報告がなされていな
いので推測の域をでない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこれらの欠点
を解消し、セミソリッドビレットを用いず，ダイキャス
ト等の成形工程前に電磁攪拌等の複雑なプロセスを付加
せずに、処理量が現実的であり、生産性が高く、設備費
も安価な、セミソリッド成形工程への素材供給プロセス
を提供するものである。

【００１２】

【課題を解決する手段】発明の第１の態様は、下記の工
程を備えたことを特徴とする金属のセミソリッド素材の
鋳造法である。 （a）金属素材を第１の保持炉で溶湯にして液相線より
１０から５０℃の範囲の高い液相温度以上に保持する工
程と、（b）前記溶湯を固相線温度以上の範囲において
急冷して初晶等軸晶を発生させる工程と、（c）前記等
軸晶を含む溶湯を第２の保持炉で液相線温度以下固相線
温度以上に保持して、所定の固相率とする工程と、
（d）前記所定の固相率となった溶湯の部分を間欠的に
取り出す工程。

【００１３】発明の第２の態様は、前記セミソリッド素
材をダイキャスト鋳造の素材とすることを特徴とする請
求項1記載のセミソリッド素材の鋳造法である。

【００１４】発明の第３の態様は、下記の部材を備えた
ことを特徴とする金属のセミソリッド素材の鋳造機であ
る。 （a）金属素材を液相線より１０から５０℃の範囲の高
い液相温度以上に保持する加熱手段と、該溶湯を排出す
る注湯手段を備えた第１の保持炉と、（b）前記注湯手
段により排出された溶湯を急冷して初晶等軸晶が発生さ
せる急冷手段と、（c）前記初晶等軸晶を含む溶湯を液
相線温度以下固相線温度以上に保持し、所定の固相率と
する第２の保持炉であって、該所定の固相率となった溶
湯の部分を間欠的に取り出す手段。

【００１５】発明の第４の態様は、前記急冷手段として
は、複数の金属板を、溶湯の入口では狭い間隔で平行に
配置し、中間では中膨らみに配置し、出口では再び間隔
を小さく平行に配置し、かつ該複数の金属板の間に湯溜
りができるように配置し、溶湯の流れがとぎれず、か
つ、整流状態で流下されるように配置した急冷手段であ
ることを特徴とする金属のセミソリッド素材の鋳造機で
ある。

【００１６】発明の第５の態様は、前記急冷手段は、
（ａ）前記第１の保持炉から流下する溶湯を分散する水
平方向に配置した三角柱の分散手段と、（ｂ）前記分散
手段で分散された溶湯を受ける多層冷却板であって、複
数の板状冷却板を入口では広い間隔で，かつ流路出口近
傍では下方に行くほど狭くなるように並んで配置し、溶
湯を該冷却板の間または冷却板に沿わせて注湯すると、
該冷却手段出口付近においては少なくとも一部の間隙に
おいては溶湯が溜りを作るように、かつ溶湯の流れがと
ぎれず、かつ、整流で流下する多層冷却板とで構成され
たことを特徴とする金属のセミソリッド素材の鋳造機で
ある。

【００１７】発明の第６の態様は、前記急冷手段は、
（ａ）前記第１の保持炉から流下する溶湯を分散する三
角錐状の分散手段と、（ｂ）前記分散手段で分散された
溶湯を上部に溜める湯溜めがあり、これに続いて同心円
状の複数のスリットであって、上部ではその直径が大き
く、下方の出口に向かって暫時直径が小さくなり、溶湯
を該スリットの間に沿わせて注湯した際に、該出口付近
においては少なくとも一部の間隙においては溶湯が溜り
を作られ、溶湯の流れがとぎれず、かつ、整流で流下す
るブロック体とからなることを特徴とする金属のセミソ
リッド素材の鋳造機である。

【００１８】発明の第７の態様は、前記急冷手段は、温
度調整のためフィンを備えたことを特徴とする金属のセ
ミソリッド素材の鋳造機である。

【００１９】発明の第８の態様は、前記急冷手段は、溶
湯が接触する表面に離型剤を塗布したものであることを
特徴とする請求項３から６のいずれかに記載の金属のセ
ミソリッド素材の鋳造機である。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の基本的構成は、（１）対
象とする金属を可及的に液相線に近い低温の溶湯とし、
（２）液相線温度以下固相線温度以上の温度範囲で急冷
して微細粒状初晶を多数発生させ，（３）これを温度勾
配の小さい状態で更に徐冷して粒状晶を成長させ固液共
存範囲にあるセミソリッド素材を得るプロセスを提供す
るものである。得られたセミソリッド素材、即ちスラグ
から最終の製品を成形するのは金型成形法、例えばダイ
キャスト鋳造法である。

【００２１】実施の態様を図１から図３により説明す
る。図に示すように、対象とする金属を第１の保持炉
２、例えば高周波炉内で溶解し、その溶湯４の溶湯温度
をできるだけ液相線温度に近く保てるよう精密に温度制
御する。次に、この溶湯を第１の保持炉から、例えばス
トッパ２'を操作して排出し、急冷手段７、８、９によ
って急冷して，初晶核を多数発生させる。

【００２２】次にこの溶湯を第２の保持炉１３、例えば
高周波炉の中で徐冷して初晶核を成長させ，粒状晶の多
い固液共存状態１４、１６とする。これを上記炉の下部
のピストン室に誘導し、ピストン１８を間欠的に駆動
し、セミソリッド素材２２、として排出し、スラグ２６
を得る。この素材を成形工程、例えばダイキャスト等の
金型成形機へ供給する。成形法としては、ダイキャスト
鋳造法、溶湯鍛造法（スクイズ鋳造法）等がある。

【００２３】このプロセスで重要な要素は、上記急冷手
段である。図１に示す急冷手段を図４の（Ａ）に詳細に
示す。この手段７は、例えば複数の銅合金の金属板を、
溶湯の入口では狭い間隔で平行に配置し、中間では中膨
らみに配置し、出口では再び間隔を小さく平行に配置
し、かつ該複数の金属板の間に湯溜りができるように配
置し、溶湯の流れがとぎれず、かつ、整流状態で流下さ
れるように配置した急冷手段である。本明細書において
整流とは基本的に層流をいうが、一部乱流状態をも含む
流れ状態をいうものとする。金属板は湯溜まり７２と冷
却フィン７１を備え、湯溜まり７２は溶湯を保持する部
分であり、両側のフィン７１は溶湯の冷却に伴う発生熱
を放熱する。

【００２４】具体的寸法の例は、例えば銅板の高さH１
は１２０mm、全幅L１は４００mmとし、中間部が２００m
mで、長さ１００mmのフィンを備えている。このフィン
は必要によりその長さを変更できる。出口の板間隔は約
1mm、入り側（上側）板間隔は約3mm，対向する板間隔も
約３mmとし、中間の板間隔は中程の最大位置で約５mm、
対向する板間隔も約５mmである。従って、上端幅L２は
１５mm、下端の幅L３は５mmである。上記寸法は１実施
例であって、処理する金属溶湯の量により適宜変更でき
る。

【００２５】図２に示す冷却手段８の詳細を図４（Ｂ）
に示す。図２に示すように第１の保持炉の下側に配置し
て流下にする溶湯を分散する分湯手段５は水平方向に配
置した金属製または耐火物製の三角柱である。分散した
溶湯を受ける多層冷却板は中間の湯溜まり８２と両端の
フィン８１で構成され、入口では広い間隔で，かつ流路
出口近傍では下方に行くほど狭くなるように並んで配置
される。溶湯を該冷却板の間または冷却板に沿わせて注
湯すると、該冷却手段出口付近においては少なくとも一
部の間隙においては溶湯が溜りを作るように、かつ溶湯
の流れがとぎれず、かつ、整流で流下する。

【００２６】上記分湯手段の寸法は、例えば一辺１０mm
の正三角形である。急冷手段の寸法例は、例えば３枚の
板厚１mm巾の鉄板を上部入り側間隙を約５mm、出側間隙
を約１mmとして配置し、これを２組対向させた急冷手段
である。そこで全長L4は４００mm、高さH２は１２０m
m、上端の幅L5は２５mm,下端の幅は５mmである。

【００２７】図３に示す急冷手段を図４（Ｃ）に詳細を
示す。この手段は、第１の保持炉から流下する溶湯を分
散する金属製または耐火物製の三角錐状の分散手段５'
と、この三角錐状の分散手段５'で分散された溶湯を急
冷するブロック体からなる。このブロックは上部に湯溜
め９１があり、これに続いて同心円状の複数のスリット
９２であって、上部ではその直径が大きく、下方の出口
に向かって暫時直径が小さくなる。

【００２８】溶湯を該スリットの間に沿わせて注湯した
際に、該出口付近においては少なくとも一部の間隙にお
いては溶湯が溜りを作られ、溶湯の流れがとぎれず、か
つ、整流で流下させる手段である。この手段は、例えば
金属がアルミニウム合金である場合には黒鉛を使用する
ことができる。

【００２９】具体的寸法は、例えば長さL7は１００mm，
高さH3は１２０mm，上部に直径８０mm、深さ１０mmの溶
溜め部を設け、これに続いて，６本の貫通スリットを設
けてある。スリットは上部において幅８mm、下部出口に
おいて幅３mmである。

【００３０】第２の保持炉１３は出口に向かって温度が
下がる温度勾配をを持つようにし、所定の固相率の溶湯
１４、１６は、連通孔１７から下側のピストン室へ誘導
されセミソリッド素材２２となり、排出されてスラグと
なる。このスラグはドア２４を開き間欠的に排出する。
排出手段１８としてはピストンあるいはスクリューなど
が考えられ、外気に触れることが望ましくない場合、あ
るいは固相率が比較的低い場合には電磁ポンプを使用す
ることも可能である。

【００３１】

【実施例】実施例1 図１に示す装置を利用して、Al−6％Si合金を第１の保
持炉で630℃土５℃に保温し、ストッパロッドにより流
量を制御して、最高3L／分の流量で溶湯を静かに流出さ
せた。急冷手段は板厚約1mmの二次元的にわずかに曲げ
半径を変えて曲げた銅板を3枚ずつ間隔で対向させたも
のである。銅板表面は離型剤として、ボロンナイトライ
ドをスプレー塗布した。

【００３２】急冷手段は、銅板で構成し、高さは１２０
mm、幅は２００mmとし、両端部にさらに長さ１００mmの
フィンを備える。出口の板間隔は約１mm、入り側（上
側）板間隔は約３mm，対向する板間隔も約３mmとした。
板間隔は中程の最大位置で約５mm、対向する板間隔も約
５mmとした。

【００３３】上記急冷手段では、溶湯は膨らみの下側の
部分に高さの異なる溜りを作っている。溜りを作ること
はそのこと自体が必ずしも必要条件ではないが、溶湯の
流出が途切れず、層流に近い乱れの少ない流れとするこ
とが目的である。

【００３４】流出した溶湯中には初晶等軸晶が含まれて
おり，これを第２の保持炉で成長させ，所望の固相率、
例えば４０％として間欠的にスラグ２２を送り出す。本
図では下に向かって温度が下がる温度勾配としており、
図中のハッチングの違いによって固相率が下に行くにし
たがって高くなる状況を示す。セミソリッド素材２２を
送り出す手段は本図ではピストンである。

【００３５】図において溶湯は連通孔１７から流入し、
シリンダー内を満たしている。ここで蓋２４を矢印方向
に開け（２４'）、ピストン１８を矢印２０の方向に進
めるとシリンダ内の素材２２は送出される。送出量はピ
ストンストロークによって調節し，本例では1回当たり
約４kg、サイクルタイムは４０秒であった。このスラグ
２６を高圧ダイキャスト機に供給し、最高圧１２kg／mm
²で加圧凝固させ、極めて疲れ強さの高い製品を得た。

【００３６】実施例2 図2において、Mg−９％Al合金の処理の場合の実施例を
示す。第１保持炉、第２保持炉および途中の急冷手段
８、分流手段５、溶湯流等は全て図示しない不活性ガス
を充填したチャンバ内に配置して、空気との接触を絶ち
窒素で置換して、溶湯の酸化を最大限防止した。

【００３７】図2に示す通り、第１保持炉に流動可能な
低温に保持した溶湯を流出させる際に分流手段５によっ
て溶湯流を適切に分流した。３枚の板厚１mmの鉄板は上
部入り側間隙を約５mm、出側間隙を約１mmとして配置
し、これを対向させた。

【００３８】急冷手段８の上部間隙に均等に注湯した。
溶湯は急冷手段の中で初晶等軸晶を生成し、これが第２
の保持炉で成長し，所望の固相率となったところで排出
され、スラグ２２となる。冷却板は鉄板であり、離型性
高いボロンナイトライドのコーティングを施した。生産
性は前実施例とほぼ同等であり、アルミニウムに比較し
て軽い分だけ単位時間処理重量は小さい。得られた製品
は前実施例同様の優位性を示した。

【００３９】実施例3 図3は上記実施例が金属板を急冷手段として用いたのに
対し、多孔流路を備えた６面体のブロック体を急冷手段
とした例を示す。このブロック９は炭素製であり、上面
が正方形で、１辺L7が１００mm，高さH3が１２０mmであ
り，上部に直径８０mm、深さ１０mmの湯溜まりを設け、
これに接続して６本のスリット状の孔を明けてある。孔
は上部において直径８mm、下部出口において直径３mmと
した。

【００４０】本実施例においては、Al−6％Si合金を処
理した、第１の保持炉で該材料低温保持し、これを流出
させて、分流手段５'により溶湯流を放射状に分流配分
し，上記急冷手段の６本の孔に供給する。急冷手段内の
溶湯液面は図示のような状態が標準的に考えている状況
であり、流量が多くなると液面は上がり、少なくなると
下がるが、溶湯流に乱れがないばあいは、必ずしも湯面
を急冷手段内に維持する必要はない。

【００４１】急冷手段は必要により図示してないフィン
あるいは水冷配管により冷却し、溶湯の接触する孔の表
面温度が５０℃から４００℃の範囲内に納まるようにコ
ントロールすることができる。この方法は比較的処理量
の小さい場合に適し、本実施例のばあいは２kg／分とし
た。急冷手段から排出された溶湯の処理は前2例と同様
であり，製品の品質についても同等であった。

【００４２】

【発明の効果】本発明により、比較的簡単な装置によ
り、セミソリッド素材が製造でき、この素材を金型成
形、特に溶湯鍛造法（スクイズキャスト法）またはダイ
キャスト法の原料とすることにより機械的特性の優れた
製品を得ることができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の態様の概要を示す図である。

【図２】本発明の第２の態様の概要を示す図である。

【図３】本発明の第３の態様の概要を示す図である。

【図４】本発明における急冷手段を具体的に示す図であ
る。

【符号の説明】

２ 第１の保持炉 ２' ストッパ ４ 溶湯 ５ 分散手段 ５' 他の分散手段 ７、８、９ 急冷手段 １０ 急冷手段内の溶湯 １３ 第２の保持炉 １４ 第２の保持炉内溶湯 １８ ピストン ２２ セミソリッド素材（スラグ） ２６ スラグ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下記の工程を備えたことを特徴とする金
   属のセミソリッド素材の鋳造法。 （a）金属素材を第１の保持炉で溶湯にして液相線より
   １０から５０℃の範囲の高い液相温度以上に保持する工
   程と、（b）前記溶湯を固相線温度以上の範囲において
   急冷して初晶等軸晶を発生させる工程と、（c）前記等
   軸晶を含む溶湯を第２の保持炉で液相線温度以下固相線
   温度以上に保持して、所定の固相率とする工程と、
   （d）前記所定の固相率となった溶湯の部分を間欠的に
   取り出す工程。
2. 【請求項２】 前記セミソリッド素材をダイキャスト鋳
   造の素材とすることとを特徴とする請求項1記載の金属
   のセミソリッド素材の鋳造法。
3. 【請求項３】 下記の部材を備えたことを特徴とする金
   属のセミソリッド素材の鋳造機。 （a）金属素材を液相線より１０から５０℃の範囲の高
   い液相温度以上に保持する加熱手段と、該溶湯を排出す
   る注湯手段を備えた第１の保持炉と、（b）前記注湯手
   段により排出された溶湯を急冷して初晶等軸晶が発生さ
   せる急冷手段と、（c）前記初晶等軸晶を含む溶湯を液
   相線温度以下固相線温度以上に保持し、所定の固相率と
   する第２の保持炉であって、該所定の固相率となった溶
   湯の部分を間欠的に取り出す手段。
4. 【請求項４】 前記急冷手段は、複数の金属板を、溶湯
   の入口では狭い間隔で平行に配置し、中間では中膨らみ
   に配置し、出口では再び間隔を小さく平行に配置し、か
   つ該複数の金属板の間に湯溜りができるように配置し、
   溶湯の流れがとぎれず、かつ、整流状態で流下されるよ
   うに配置した急冷手段であることを特徴とする請求項３
   記載の金属のセミソリッド素材の鋳造機。
5. 【請求項５】 前記急冷手段は、（ａ）前記第１の保持
   炉から流下する溶湯を分散する水平方向に配置した三角
   柱の分散手段と、（ｂ）前記分散手段で分散された溶湯
   を受ける多層冷却板であって、複数の板状冷却板を入口
   では広い間隔で，かつ流路出口近傍では下方に行くほど
   狭くなるように並んで配置し、溶湯を該冷却板の間また
   は冷却板に沿わせて注湯すると、該冷却手段出口付近に
   おいては少なくとも一部の間隙においては溶湯が溜りを
   作るように、かつ溶湯の流れがとぎれず、かつ、整流で
   流下する多層冷却板と、で構成されたことを特徴とする
   請求項３記載の金属のセミソリッド素材の鋳造機。
6. 【請求項６】 前記急冷手段は、（ａ）前記第１の保持
   炉から流下する溶湯を分散する三角錐状の分散手段と、
   （ｂ）前記分散手段で分散された溶湯を上部に溜める湯
   溜めがあり、これに続いて同心円状の複数のスリットで
   あって、上部ではその直径が大きく、下方の出口に向か
   って暫時直径が小さくなり、溶湯を該スリットの間に沿
   わせて注湯した際に、該出口付近においては少なくとも
   一部の間隙においては溶湯が溜りを作られ、溶湯の流れ
   がとぎれず、かつ、整流で流下するブロック体とから構
   成されたことを特徴とする請求項３記載の金属のセミソ
   リッド素材の鋳造機。
7. 【請求項７】 前記急冷手段は、温度調整のためフィン
   を備えたことを特徴とする請求項４，５または６のいず
   れかに記載の金属のセミソリッド素材の鋳造機。
8. 【請求項８】 前記急冷手段は、溶湯が接触する表面に
   離型剤を塗布したものであることを特徴とする請求項３
   から６のいずれかに記載の金属のセミソリッド素材の鋳
   造機。