JPH03230859A - 軽量アルミニウム鋳物の製造方法 - 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〕 本発明は吸音材、建材などに有利に適応することができ
る軽量で多孔質なアルミニウム鋳物の製造方法に関し、
特に中心部に引は巣を生じない均一気泡性のアルミニウ
ム鋳物の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

軽量アルミニウム合金鋳物は発泡剤による直接発泡方式
、ポリウレタンフォームをパターンとした精密鋳造方式
、気泡注入方式、焼結方式など多くの方式で昭和３０年
頃からアメリカ、日本などで製作が試みられたが工業製
品として実用化までには到らなかった。

近年は直接発泡方式を改良して工業製品が製作されるよ
うになり、商品名として発泡アルミニウムと称されてい
る。

発泡アルミニウムの製造はアルミニウムの溶湯に適当な
粘性を付与する増粘工程、ガスを発生させる発泡剤を添
加し、気泡を均一に分散させる攪拌混合工程、気泡が発
生し凝固する発泡冷却工程、発泡鋳塊を切断加工する加
工工程からなっている。

溶湯の増粘法としては空気吹込み法、チタン、シラスバ
ルーン、カルシウムなどの増粘剤を添加して攪拌する方
法などがあり、又、発泡剤にはチタン水素化物、ジルコ
ニウム水素化合物のような金属水素化合物粒子が使用さ
れ、発泡冷却工程は所要な鋳型中で大気放冷され、また
、切断加工は通常の切断機で切断されている。

これらの方法で得られた発泡アルミニウムは多数の独立
気泡よりなり軽量で音響特性、機械的、熱的特性の優れ
た機能を有する新素材として開発が進められている。

しかし、最大の難点は工業的規模における大型材料を製
作すると、鋳物中心部に引は巣を生じる問題と気泡の大
きさが不均一であることである。

現在の発泡アルミニウムは周辺部と中心部の気泡径が異
なり、中心部が粗大で吸音特性などの緒特性に不均一性
が生じている。そのため製作された発泡アルミニウム鋳
塊の中で、良質な気泡径の部分だけを使用するため、製
品が高価となり実用性を阻害している。

従って、大型鋳塊になっても中心部に引は巣が生じない
発泡アルミニウム鋳物の製造方法の確立が望まれていた
。

又、以上の問題は溶湯の水素量を増加させる方法として
、発泡剤による水素発生とは異なる溶湯中への直接水素
吹込み方式でも同様であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は上記技術水準に鑑み、大型材になっても鋳物中
心部に引は巣を生ぜず、かつ大きさに関係なく鋳塊各部
の気泡径が、均一で吸音特性などの安定した軽量アルミ
ニウム鋳物の製造方法を提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はアルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯に、
アルミニウム又はアルミニウム合金固態の水素溶解量以
上に水素を吸収させた後、アルミニウム又はアルミニウ
ム合金の融点以上の鋳込み温度から融点以下までを冷却
速度１℃／ｍｉｎ〜５℃／ｍｉｎで鋳物下部から上部へ
一方向性凝固させながら鋳造することを特徴とする軽量
アルミニウム鋳物の製造方法である。

本発明でいう一方向性凝固とは鋳物底部から上部（鋳型
上面）へ凝固が進むように鋳型底部の冷却管水量を調節
して冷却能力を可変させ、底部がち上部に向って凝固さ
せることを云う。

後述する実施例で触れる第１図によって更に詳しく説明
すると、底部Ａの冷却水量を増加させ、凝固相がＡ部か
ら始まり、Ｂ部、６部、Ｄ部と順次に移動し、最後に大
気に接したＥ層で凝固させたものである。

本発明の軽量アルミニウム鋳物は気泡を多量に含む物質
で見掛は比重１以下であり、多数の気泡は水素ガスによ
るものである。

〔作　用〕

本発明方法により多孔性アルミニウム鋳物が製造できる
原理はアルミニウムおよびアルミニウム合金の水素溶解
量が融点以上では約１　ｃｃ／１００ｇであるのに対し
、固相となる融点以下では約０．０５ｃｃ／　１００　
ｇであり、回想状態での水素溶解度が他の金属に比較し
て小さい上に融態と回想との間に溶解度に大幅な差があ
ることである。参考までに第２図にアルミニウムの水素
溶解度を示す。すなわち、融態において溶解していた水
素量は凝固により回想になると溶解しきれず放出して気
泡を形成する。このように気泡は凝固時、発生する水素
ガスであり、大型軽量アルミニウム（発泡アルミニウム
を含む）鋳塊で生ずる大きい内面引は巣は凝固の最も遅
い部分に発生した水素ガス気泡である。したがって、原
理的に大きい内面引は巣を防止するにはアルミニウムお
よびアルミニウム合金の融態、回想間の凝固を調節する
ことが必要となる。

本発明はアルミニウムおよびアルミニウム合金溶湯に、
これらの回想での水素溶解量的０．０５ｃｃ／　１００
　ｇ以上の水素を水素化合物（水素化チタンなど）また
は水素吹込み法で吸収させた後、溶解度以上の水素量で
気泡が発生する融態・回想間の冷却速度を適正に調節し
ようとするものである。具体的にはインゴット下面から
方向性凝固が上面へ進むように冷却条件を調節して上面
に最終凝固位置を移動させて引は巣位置を切除してもよ
い押湯部にするとともに最終凝固部の冷却速度を適正に
して引は巣形状を少くするようにするものである。

融点以下の冷却速度を調節するためには、従来の発泡ア
ルミニウム鋳物の製造に使用されていた鋳型、例えば第
３図、第４図に示すような冷却装置なしの黒鉛、鉄鋼、
ステンレス鋼製鋳型では困難である。なお、第３図、第
４図において１は黒鉛、鉄鋼またはステンレス鋼容器、
２は加熱ヒーターである。

本発明方法に使用される特殊鋳型の一態様を第１図に示
す。第１図において、２はヒータ、３は空気槽、４はス
テンレス鋼製容器（鋳型）、５は冷却管（空気用）、６
は冷却管（水用）、７は空気流入管、８は空気排出管、
９は熱電対である。この特殊鋳型により、本発明方法の
特徴である融点以下の冷却速度を１〜ｂ に調節でき、中心部に引は巣がなく、かつ気泡径の均一
な軽量アルミニウム鋳物が製造できる。

この態様において、特殊鋳型にステンレス鋼を使用した
のは耐熱性、耐酸化性を考慮した結果であるが鋳型の材
質をこれに限定するものではない。

冷却速度が大きいと、第２図のアルミニウムー水素状態
から分るように水素は気泡とならず固溶化されたままと
なり密度の小さな軽量アルミニウム鋳物は得られない。

又、冷却速度が小さいと小さな気泡が連結して大きな気
泡となり、さらに引は巣に拡大する。

第１図の特殊鋳型の容器４はステンレス鋼であり、最初
これに水素吸収処理を行った溶湯を注湯する。注湯後、
予熱されているとは云え容器４の熱吸収により最初は冷
却が速いので空気槽３に圧縮空気を通して冷却する。

凝固が進み容器３周辺からの凝固層（発泡アルミニウム
）が厚くなると、発泡アルミニウムは純アルミニウムに
比較して著しく熱伝導率が低下（約１／４００）するの
で鋳物内部の冷却速度は純アルミニウムに比べ遅くなり
、中心部に引は巣を生じ易くなる。

本発明方法では容器（鋳型）底部に接置しＩこコイル状
冷却管（水用）６、冷却管（空気用）５を通して水又は
空気を通して冷却するので冷却調節が可能である。すな
わち、鋳型に水素吸収処理後の溶湯を注湯後、鋳型底部
の冷却管に水又は空気を通して鋳型底部から凝固が始ま
り、中央、上部へ凝固が進行するように溶湯内谷部の温
度を測定しながら、水量および空気量を調節し、鋳型底
部から上部へ一方向性凝固をさせるものである。

冷却調節は容器内の試験溶湯に熱電対を設置し、目標と
する冷却速度となるように水および空気量を調節するこ
とによって行われる。冷却速度が遅い場合は水を多く流
し、早い場合は空気を多く流すなど水と空気の流量比を
変化させて冷却調節を行なえばよい。そのため、鋳型底
部に設ける冷却管は水用と空気用が交互になるように配
置するのが好ましい。

融点以下で最も大事なのは水素吸収が決定する融液−面
相関で、凝固相が重力のため崩壊しない強度をもつこと
を考慮しても固相点以下５０℃まで冷却速度を調節すれ
ばよい。

〔実施例〕

本発明の詳細を実施例に基いて説明する。

アルミニウム合金溶湯を７００〜７２０℃に保持してマ
グネシウム１％、カルシウム１％を添加して粘性を与え
た後、水素吹込み、水素化チタン、水素化ジルコニウム
添加などの方法により水素を溶湯に吸収させて溶湯中の
水素量を１　ｃｃ／　１００　ｇ以上にする。その後、
攪拌し、第１図に示した鋳型内で冷却した。その際、融
点以下を１〜ｂ よう鋳型に設置した冷却管内の空気及び／又は水の流量
を調節した。空気及び／又は水量の調節は冷却速度を規
制するとともに、鋳型内の凝固相が鋳型底部から始まり
、鋳型中央部、鋳型上面へと順次に進行していくように
するのが目的である。すなわち、鋳型底部から上部へ一
方向性凝固を行わせ、引は巣を鋳型上部に移動させて健
全な大型形状の発泡アルミニウム鋳物を得られるように
、底部冷却管の水、空気量を溶湯内の各部温度と対応さ
せて調節した。一方向０ 性凝固をさせるために、さらに鋳型側壁に加熱装置、例
えば電熱ヒータを設け、溶湯各部の温度を制御するよう
にこれに自動温度調節機能をもたせるのが好ましい。

凝固後、発泡高さおよび重量を測定し、見かけ密度を測
定するとともに、断面を切断し、引は巣発生の有無を調
査した。溶解は電気炉で１６ｋｇ溶解した。

その結果を表１に示す。

Ｎｏｌ材、Ｎｏ２材、Ｎ０３材は本発明方法によって製
造した鋳物、Ｎｏ４材、Ｎｏ５材、Ｎ０６材は本発明方
法と同じ鋳型を用いたが、本発明の規定外の冷却速度で
冷却したもの。ＮｏＴ材は従来の鋳型で冷却し冷却調節
ができなかったものである。

表１より融点から６００℃までの冷却速度を本発明規定
内の１〜ｂ Ｎｏ２．　Ｎａ３材は見かけ密度１ｇ／ｃｍ３以下の０
、５　ｇ　／ｃｍ’であり、軽量化鋳物であると同時に
吸音性など音響特性も良好であった。これは１ 断面調査結果からも分るように鋳物中心に引は巣がなく
、上部に移動しているため押湯として除去可能である。

冷却調節、鋳型を使用しても冷却速度が本発明規定外で
は、（１）冷却速度が本発明外の１℃／ｍｉｎ以下の０
．５℃／ｍｉｎのＮｏ４．　Ｎｏ５合金は凝固が遅いた
め発生した微細な水素気泡が連結して大きな引は巣を生
じた。（２）冷却速度が本発明外の５℃／ｍｉｎ以上の
１０℃／ｍｉｎのＮｏ６合金は冷却速度が大きいため気
泡発生が十分でなく、密度が１以上となり良好な軽量ア
ルミニウムは得られなかった。

又、従来鋳型で鋳物の冷却速度から調節できなかったＮ
ｏ７．　Ｎｏ８合金では、ＮＯ７合金のように中心部に
大きな引は巣が発生するとともに凝固初期は気泡径が小
さく、凝固後期は気泡径が大きく不均一で音響特性上好
ましくないものであった。又鋳型材や予熱にも敏感に左
右され、Ｎｏ８合金のように発泡不良の密度の大きい鋳
物が生じた。

２ 発明の効果〕 以上説明したように本発明は軽量アルミニウム鋳物の生
成原因である水素気泡を冷却速度を規定内の範囲に調節
して一方向性凝固を行なわせ、引は巣を中心部から切除
可能な上部に移動させるとともに、大気圧の下で一定冷
却速度で冷却させるので、大きさ、形状の均質な気泡か
らなる軽量アルミニウム鋳物を製造できる。このため従
来困難であった工業的規模の大寸法軽量アルミニウム鋳
物が生産可能となる。

そして、この軽量アルミニウム鋳物は軽量で吸音性が高
いので住宅建材、道路壁用材料として、断熱効果、電磁
波シールド性衝撃特性などが優れているので新素材とし
て有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するための一態様の説明図、
第２図は純アルミニウムの水素溶解度を示すグラフ、第
３図、第４図は従来の軽量アルミニウム鋳物を製造する
鋳型の説明図、第５図（ａ）〜（ｆ）は実施例において
製造した本発明材、４ 比較材、 従来材の軽量アルミニウム鋳物の断面 調査結果の模式図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯に、アルミニ
   ウム又はアルミニウム合金固態の水素溶解量以上に水素
   を吸収させた後、アルミニウム又はアルミニウム合金の
   融点以上の鋳込み温度から融点以下までを冷却速度１℃
   ／ｍｉｎ〜５℃／ｍｉｎで鋳物下部から上部へ一方向性
   凝固させながら鋳造することを特徴とする軽量アルミニ
   ウム鋳物の製造方法。