JPH0137224B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、鉛直方向鋳込み操作で金属の自由表
面と接触するレベルを調整できるような鋳型に係
わる。 軽金属又は鉄系金属、例えばアルミニウム及び
その合金を鋳込むことによつて金属半製品を製造
する場合には、これらの製品を後でシート、ワイ
ヤ等々に加工する時に欠陥が生じないように、最
大限の物理的及び化学的均質性を有するインゴツ
ト、ビレツト、プレート等を製造する必要があ
る。 しがるに、現在当業界で使用されている鋳造法
の大部分では、金属が液体状態から固体状態に変
化する時に、程度の差はあれ何らかの均質性穴陥
が生じる。これらの欠陥は、鋳造製品の冷却条件
が製品全体に亘つて異なるという理由に主として
起因する。例えば、金属を鋳型内に鉛直方向に鋳
込む鋳造法では、金属が先ず鋳型により間接的に
冷却され、次いで水の層によつて直接冷却される
ため、半製品に「一次皮質層（primary cortical
layer）」と称する外部層が存在することになる。
この層の構造及び組成は当該半製品の内部部分と
は異質のものであつて、鋳型との接触による金属
の間接的冷却に起因する。更に、それほど顕著で
はないが同じように厄介な別の不均質現象、例え
ば「あばた（pocks）」即ちピンホールも、特に
大気と接する液体金属表面に形成された酸化物層
が当該金属材料中に分散する結果として生じ得
る。 勿論、当業者はこれらの問題を前にして何もし
なかつたわけではなく、前述の不均質性の難問を
除去もしくは少なくとも低減させるべく、程度の
差はあれ満足のいく解決法を幾つか開発してき
た。 例えば仏国特許第1509962号では、既に広く用
いられている電磁鋳造法の使用が推奨された。こ
の方法では金属が電磁力の作用によつて閉込めら
れるため鋳型を省略することができ、従つて間接
的冷却作用が生じないことから前記皮質層の形成
が回避される。 この方法を用いれば半製品の均質性は向上する しかしながら、この製法には下記の欠点がある −適切な封じ込め電磁界を発生させるためには非
工業用周波数（500〜4000Hz）の電流を供給し
なければならないため、比較的複雑で高価な電
気設備を鋳造プラントに具備する必要がある。 −鋳型がないために酸化し得る液体金属表面積が
一方で増加し、且つ他方では封じ込め電磁界に
よつて生じる液体の攪拌現象が酸化物フイルム
の移動と金属中への分散とに大きく作用すると
いう理由から、ピンホールの形成による不均質
性の危険が増加する。 −電磁鋳造操作の開始時に適切な封じ込め効果を
生起させることは通常難しい。 −アルミニウム及びその合金を鋳込む場合には、
電気設備に故障が生じると封じ込め効果が消失
することから液体金属が鋳型の外に飛散して直
接冷却効果を発生させる流体と接触し、その結
果爆発を誘起する可能性があるため、人員の安
全に問題が生じ得る。 これ以外に前記皮質層の厚みを減少させるため
のより簡単な方法も幾つか提案された。一例とし
て仏国特許第1398526号には、鋳型と接触する金
属の距離を減少させ、それによつて間接的冷却に
よる作用を低下させるべく、鋳型にフアイバフラ
ツクス（fiberfrax）の帯を付着して使用する方
法が開示されている。しかしながら、前記距離の
減少は特に鋳込み速度に依存し、恒久に維持され
得るものではない。そのため、前記パラメータが
変われば、鋳型を換えるか又は少なくとも前記帯
の高さを変える必要がある。従つて製法のフレキ
シビリテイが失なわれ、結局は不均質現象を部分
的にしか削除できないことになる。 仏国特許第1496241号には、非冷却のグラフア
イト製鋳型を使用することによつて間接冷却の欠
点を解消しようという方法が開示されているが、
この場合にはグラフアイトの脆性に起因して鋳型
の保守及び交換を頻繁に行なわなければならない
という問題が生じる。 その他、溝付きの即ち波形の内側表面を持つ鋳
型の使用も提案された。この方法では例えばアル
ミニウム1050を鋳込むと皮質層の厚みが30％以上
減少する。しかしながら、この方法には鋳型の加
工によつてコストが実質的に上昇するという問題
の他に、鋳型、、ここでは溝を各鋳込み速度に適
合させなければならないという欠点がある。 別の公知方法として、リザーバを上方に配置し
て電力負荷の下で鋳込みを行なう「ホツト・トツ
プ（Hot Top）」と称する方法もあるが、この方
法もメニスカスが周期的に凝固するという欠点を
有する。この現象は半製品の表面の細かいひだの
原因となる。この方法はまた、鋳込み操作の始動
時にも問題を生じる。 その後、仏国特許第2417357号によつて、鋳型
の内側壁面上を滑動するスリーブを使用すること
により、液体金属と接する鋳型部分の軸方向長さ
を変えるという方法が開示された。このシステム
は、金属が不適時に凝固した時に鋳型とスリーブ
とが互に付着し、そのため滑動運動発生時にこれ
らの部材が破損するという欠点を有する。 以上の理由から、本出願人等はこれら先行技術
の問題を念頭において、前記皮質層の厚みが実質
的にゼロであり、材料の粒子が細かく、表皮にピ
ンホールがないような均質半製品を製造すべく、
先行技術の方法に比べて下記の如き利点を有する
方法を研究し開発するに至つた。 −従来の電磁鋳造法によつて必要とされる程複雑
ではない電気装置の使用。 −鋳込み操作開始段階から鋳込みが安定する段階
への移行が容易。 −この方法は鋳型交換の如き装置の変更を一切必
要としないため、鋳込み速度等のパラメータの
変化に容易に適合できる。 −従来のインゴツト鋳型のいずれにも使用でき
る。 −可動部材を使用する装置がない。 −従来の電磁鋳造法に比べて、液体金属の漏洩に
起因する爆発の危険が少ない。 本出願人等は下記の観察点をベースとして前述
の結果を得るに致つた。 −第１に、鋳込み開始操作は鋳型内の金属のレベ
ルが高ければ高いほど容易である。実際、前記
レベルが低いと、このレベルと鋳型への金属供
給とを調整するガラス布フイルタが金属凝固前
線に近付き、そのため大きさの小さい半製品を
形成する場合には金属の不適時凝固によつて前
記フイルタに詰まりが生じ、その結果適切な機
能が実施され得なくなる危険がある。また、幅
の大きい半製品の場合には反りが生じるため、
前記レベルを低くして操作を開始することはや
はりできない。 −第２に、安定状態段階では鋳型内の金属の高さ
をできるだけ小さくして鋳込みを行むうのが好
ましい。このようにすれば金属と鋳型壁面との
間の接触距離が制限され、従つて既に指摘した
ように、鋳型による金属の冷却に主として起因
する皮質ゾーンの厚みが減少するからである。 従つて、種々の偶発性を伴なう従来の鋳型から
出発して、即ちフロートの位置により規定される
ために一定であり、且つフイルタの機能を妨害し
ないように十分に大きい値をもつべき鋳型内の金
属の高さを保持しながら、金属が鋳型の表面と接
する距離（高さ）をできるだけ制御できるように
することが必要であつた。これは、液体金属の自
由表面と鋳型壁面との間の接触線のレベルを調節
する方法を見出すことに他ならなかつた。 この調節法は、強さが変化し得且つ鋳型の軸線
とほぼ平行な方向をもつ周期的磁界を凝固中の液
体に作用させ且つこの磁界の強さを所望の液体面
レベルに応じて変化させることからなる。 実際、鋳型の周りに１つ以上の巻線からなる電
気回路で構成された環形コイルを少なくとも１つ
配置し、且つこのコイルに適切な工業用電圧の交
流を供給すると、金属メンスカスのプロフイルを
変化させることができ、特に前述の金属／鋳型間
接触線のレベルを変えることができることが判明
した。この変化は供給電圧の変化、従つて発生磁
界の強さの変化が大きければ大きいほど大きかつ
た。 即ち、磁界の強さを増加すると、前記レベルを
低下させることができ、従つて金属接触ゾーンの
長さ（距離）を短縮することができた。逆に磁界
の強さを減少させると、前記レベルが高くなり、
従つて前記距離を長くすることができた。 このように前述の方法は、金属−鋳型間接触距
離、従つて皮質層の厚みを、50又は60Hzの工業用
周波数の電流を受給するコイルを用いて簡単に望
み通りに減らすことができるという利点を有す
る。何らかの電気的故障の唯一の影響は鋳型内の
金属レベル変化であり、従つて液体金属が漏洩す
る危険は全くないことも分かつている。これは電
磁鋳造法では得られない利点である。 更に、鋳型が存在するために、メニスカスレベ
ルで液体金属が酸化する可能性が制限される他、
鋳型と金属との接触により酸化膜の側壁方向移動
が阻止されるため半製造品の表面にピンホールが
形成される危険も回避される。 また、金属に作用する磁界は、冷却効果を均等
化し且つ鋳造製品の粒子を細かくしようとする力
を液体内に発生させる効果も及ぼす。 しかしながら、鋳型を環状コイルで包囲する前
述の方法は、鋳込み装置の従来の組立て法を全く
変える必要がないという大きな利点を有する一方
で、電力消費量がかなり高いという欠点を有す
る。実際、鋳型は全エネルギ消費量の約15〜30％
に相当する磁界の一部分を吸収する。加えて、鋳
型が存在するためにコイルは液体金属から離して
配置せざるを得ない。しかるに、磁界の強さは液
体金属とコイルとの間の距離が大きいほど小さく
なるため、エネルギが更に失なわれることにな
る。 このような理由から、エネルギ節減の他に、電
気設備のコストが必要出力の大きさに応じて急増
するという事実を考慮して、本出願人等は前述タ
イプの方法の実施に必要な電気的強さを減少させ
る方法を研究した。 本出願人等の努力の結果、次のような特徴をも
つ鋳型が開発された。この鋳型は少なくとも下方
部分が金属からなり、内側が電気絶縁物質の膜で
コーテイングされ、高さ及び厚みの全長に亘り少
なくとも１つの母線に沿つて電気絶縁物質からな
るインサートを有し、且つ外側に２つの端子を備
え、これらの端子が前記下方部分のレベルで前記
インサートの両側に１つずつ配置されて交流電源
に接続される。 本出願人等は、このような鋳型が前述のコイル
と全く同じ機能を果たすことを発見した。即ちこ
の鋳型は鋳込み金属のメニスカスのプロフイルを
変化させ且つ金属／鋳型間接触線のレベルを変え
るような効果を持つ磁界を発生させたのである。
本発明を使用すれば前述のコイルを省略すること
ができ、従つてその総ての欠点、特に電気エネル
ギ消費量が高いという欠点を回避することができ
る。 磁界の発生に必要な電流は比較的強いため、鋳
型は金属、好ましくは銅もしくはアルミニウム又
はそれらの合金のような電気抵抗率の低い金属で
形成しなければならないが、鋳型は通常この種の
金属で形成されるため、これに伴う問題は全くな
い。 但し、鋳型は全体を金属で形成する必要はな
く、このような金属の使用が下方部分だけに限定
され、ツバ部分を含む上方部分は電気絶縁材では
ないにしても少なくとも電気伝導性の小さい材
料、例えばステンレス鋼で形成されるような複合
鋳型を用いる方が好ましくさえある。実際、電流
が流れる鋳型部分の長さをこのようにして制限す
れば、後述の如くより良い結果が得られる。 このような複合鋳型は当業者に良く知られてい
るアセンブリング手段を用いて形成される。 本発明の鋳型は特に、電流が鋳型から鋳込み金
属方向に流れるのを阻止すべく、電気絶縁物質の
皮膜で内側がコーテイングされることを特徴とす
る。前記皮膜は鋳型の内側表面を上から下まで完
全に被覆しなければならない。この皮膜は断熱性
の高くないものが望ましい。断熱性が高いと鋳
型／金属間の熱交換が妨害され、得られる製品の
質に悪影響が及ぼされ得るからである。そこで、
本出願人等はこの問題をより詳細に検討し、多く
のテストを行なつた結果、特定の皮膜しか使用で
きないことを発見した。 特に鋳型がアルミニウム又はその合金の１つで
形成されている場合には、陽極酸化によつて生じ
る酸化アルミニウムの膜を用いる。実際この種の
被膜は、使用される陽極酸化のタイプに関係な
く、電流に対する抵抗が比較的高く且つ熱伝導性
の大きい連続的コーテイングを構成する。しかも
厚さがたつた1μｍ程度であつても、そのため約
100ボルトの電圧を印加することができるからで
ある。加えて、この種のコーテイングは耐摩耗性
が高く、鋳込み操作を容易にすべく潤滑剤（高温
グリース）を含浸させることもできる。更に前記
酸化物は着色が容易であり、従つて製造時に皮膜
の損傷を検出することが可能になる。 前記酸化物と同様の利点をもたらす別タイプの
コーテイングとしてはエナメル皮膜が挙げられ
る。この皮膜は当業者に公知の方法で製造され
る。 その他フルオロカーボン樹脂の皮膜を使用して
も好結果が得られる。この皮膜の脆性は、潤滑剤
の使用を不要にする優れたすべり摩擦特性によつ
て充分に相殺される。 別の有利な方法として、皮膜と鋳込み金属とを
厚さ数mmのグラフアイト層によつて分離すること
も提案されている。この場合にも潤滑剤の使用が
不要になる。 本発明はまた、鋳型が少なくとも１つの母線上
で高さ及び厚みの全長に亘つて電気絶縁物質から
なるインサートを備えるという特徴も有する。実
際、鋳型が前記コイルと同様の機能を果たすため
には、鋳型に流れる電流が鋳型の軸線と直交する
方向に流れるようにする必要がある。この状態は
鋳型の高さ全長に亘つてスリツトを設け、このス
リツトに電気絶縁材を挿入し、鋳型の金属製下方
部分で前記挿入材を挟むようにして鋳型の外側壁
面に配置された２つの端子から鋳型に交流を供給
することによつて得られる。前記絶縁材は当業者
に公知の任意の材料、例えばマイカであつてよ
く、皮膜構成材料、特にアルミニウム又はアルミ
ニウム合金製鋳型の場合には陽極酸化によつて得
られる酸化物も含まれる。給電システムに接続さ
れる前記２つの端子は任意の公知タイプの端子で
ある。 以下、添付図面に基づき非限定的具体例を挙げ
て本発明をより詳細に説明する。 具体例 第１図には液体金属供給ノズル１と、レベル調
整用湯止棒２と、液体４により直接冷却される鋳
型３とが示されている。前記流体は鋳型を冷却し
た後、点６で金属５を直接冷却する。右側の鋳型
半部材にはコイル７が具備されており、このコイ
ルには磁界を符号９の方向に発生させて、金属表
面と鋳型との接触線のレベルを先行技術の鋳込み
操作における点１０から本発明の方法による点１
１に低下させるべく、交流電圧８下で給電が行な
われる。前記点１１は間接的冷却による凝固前線
１３の如き金属凝固前線と、直接的冷却による凝
固前線１４の如き凝固前線との交点１２のレベル
に位置する。従つて右側の鋳型半部材では金属が
鋳型に接する距離（高さ）は、コイルの設備のな
い場合の距離h₁から点１１と同一視できる極めて
小さい距離h₂に減少したことになる。 第２図はアルミニウム製鋳型１５を示してい
る。この鋳型は陽極酸化によつて形成された酸化
物皮膜１６で内側がコーテイングされており、母
線の１つに沿つてスリツト１７を有する。このス
リツトの２つの対向し合う面も陽極酸化されてい
る。この鋳型は２つの端子１８も備え、これらの
端子が交流電源（図示せず）に接続される。 なお、スリツトの２つの対向し合う面が陽極酸
化されている関係で、絶縁材インサートを更に施
す必要はなかつた。 第３図は上方部分１９がステンレス鋼からな
り、下方部分２０がアルミニウムからなる複合鋳
型を示している。このアセンブリの内側はフルオ
ロカーボン樹脂の皮膜２１でコーテイングされて
いる。この鋳型の外側表面では下方部分に２つの
端子２２が配置され、これらの端子が交流電源
（図示せず）に接続される。スリツトの２つの面
の間にマイカのインサートを加えた。 本発明は、切断面が1100×300mmのアルミニウ
ム製鋳型で金属と鋳型との接触線のレベルを夫々
15、30及び40mm低下させるのに必要な強さを３つ
のタイプの鋳型に関して比較する下記の使用例に
よつても明らかにされよう。尚、これら３つの鋳
型の中央部の金属レベルは当該鋳型の底から60mm
の位置に固定した。 ここで使用した３つの鋳型タイプは下記の通り
である。 −タイプ１：内側が陽極酸化されたアルミニウム
からなる高さ104mmの本発明の鋳型。スリツト
の２つの面には、鋳型のその他の部分と同等の
陽極酸化が施された。 −タイプ２：下方部分が陽極酸化されたアルミニ
ウムからなり高さ60mmであり、上方部分が耐熱
性セラミツクからなり高さ44mmで、厚さ1/10mm
のマイカの棒からなるインサートが挿入されて
なる本発明の複合鋳型。 −タイプ３：前記と同じ全高を有するアルミニウ
ム鋳型であつて、先行技術に従がつて使用され
る、即ち内側コーテイングもインサートも備え
ず、環状コイルによつて磁界を発生させるよう
な鋳型。 結果を下記の表に示す。

【表】 この表から明らかなように、いずれのレベル低
下値に関しても最も小さい強さを必要とするのは
複合鋳型（タイプ２）である。即ちこのタイプの
鋳型を用いれば装置のコストを最大限に下げるこ
とができる。給電手段の電気損を考慮しても前記
タイプの鋳型は全体的に電気エネルギ消費量が最
も少ない。タイプ１の鋳型は性能がタイプ２より
劣るが、先行技術の鋳型と比べると電流強さがほ
ぼ1/2であり、極めて実質的な向上を示している。 本発明は金属半製品、特にアルミニウム及びそ
の合金、例えばリチウムを含む合金からなる半製
品の鋳造であつて、皮質ゾーンの厚みがほぼゼロ
であると共に、AT5Bの如き精製剤を使用しなく
ても細かい粒子が得られ且つピンホールも生じな
いことが望まれる鋳造の実施に使用し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は２つの鋳型半部材の縦断面であつて、
左方が金属レベル調整の行なわれない状態を示
し、右方がこの調整を行なうため環状コイルを備
えた状態を示す説明図、第２図は本発明の単一金
属製鋳型の斜視図、第３図は本発明の複合鋳型の
斜視図である。 １……液体金属供給ノズル、３，１５……鋳
型、４……冷却用流体、５……金属、７……コイ
ル、１６，２１……皮膜、１７……スリツト、１
８，２２……端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鉛直方向鋳込み操作において金属の自由表面
   と接するレベルを調整できる鋳型であり、少なく
   とも下方部分が金属からなり、内側が電気絶縁物
   質の皮膜でコーテイングされ、少なくとも１つの
   母線上で高さ及び厚み全長に亘つて電気絶縁物質
   からなるインサートを有し、外側では前記下方部
   分のレベルに２つの端子を備え、これらの端子が
   前記インサートの両側に１つずつ配置されて交流
   電源に接続されることを特徴とする鋳型。 ２ 鋳型構成金属が小さい電気抵抗率を有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の鋳
   型。 ３ 電気絶縁物質又は電気伝導性の小さい材料で
   構成された上方部分を有することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の鋳型。 ４ 鋳型構成金属が銅、アルミニウム及びそれら
   の合金からなる群に属することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の鋳型。 ５ 前記金属がアルミニウム又はその合金である
   場合には、内側コーテイングが陽極酸化によつて
   形成された酸化アルミニウムの皮膜からなること
   を特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の鋳
   型。 ６ 前記皮膜が着色されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第５項に記載の鋳型。 ７ 内側コーテイングがエナメル皮膜であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の鋳
   型。 ８ 内側コーテイングがフルオロカーボン樹脂の
   皮膜であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の鋳型。 ９ 内側コーテイングが潤滑剤で被覆されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   鋳型。 １０ 皮膜がグラフアイト層によつて鋳込み金属
   から分離されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の鋳型。 １１ 前記インサートが皮膜と同じ組成の材料か
   らなることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の鋳型。