JPH06297097A - 半凝固金属の製造法 - Google Patents
半凝固金属の製造法Info
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- JPH06297097A JPH06297097A JP9136693A JP9136693A JPH06297097A JP H06297097 A JPH06297097 A JP H06297097A JP 9136693 A JP9136693 A JP 9136693A JP 9136693 A JP9136693 A JP 9136693A JP H06297097 A JPH06297097 A JP H06297097A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 攪拌子回転法により高固相率、微細初晶粒の
半凝固金属を連続的に安定して製造する。 【構成】 冷却槽冷却板の抜熱熱流束と固液界面のせん
断歪速度とにより冷却板内面に生成する凝固シェルの過
剰生長を防止し、攪拌子トルクの上昇を防止する。
半凝固金属を連続的に安定して製造する。 【構成】 冷却槽冷却板の抜熱熱流束と固液界面のせん
断歪速度とにより冷却板内面に生成する凝固シェルの過
剰生長を防止し、攪拌子トルクの上昇を防止する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、非樹枝状初晶が金属
（一般には合金）液体中に分散したスラリ状の固体−液
体金属混合物（以下単に半凝固金属という）を連続的に
安定して製造する半凝固金属の製造法を提案するもので
ある。
（一般には合金）液体中に分散したスラリ状の固体−液
体金属混合物（以下単に半凝固金属という）を連続的に
安定して製造する半凝固金属の製造法を提案するもので
ある。
【０００２】半凝固金属は、内部品質の良好な加工用素
材が得られること、下流の加工工程すなわち直接製品に
加工するレオフォームや、一度凝固させたのち、半融状
態に再加熱して加工するチクソキャスト、鋳造等でのニ
アネットシェイプの実現により加工エネルギーの大幅な
削減を可能にすること、新材料開発の可能性を有するこ
となど、その有用性から半凝固金属の安定した工業的生
産技術の開発が望まれている。
材が得られること、下流の加工工程すなわち直接製品に
加工するレオフォームや、一度凝固させたのち、半融状
態に再加熱して加工するチクソキャスト、鋳造等でのニ
アネットシェイプの実現により加工エネルギーの大幅な
削減を可能にすること、新材料開発の可能性を有するこ
となど、その有用性から半凝固金属の安定した工業的生
産技術の開発が望まれている。
【０００３】
【従来の技術】半凝固金属を連続的に製造する手段とし
ては、たとえば、特公昭５６−２０９４４号公報（非樹
枝状初晶固体分を含む合金を連続的に形成する為の装
置）に開示されているように、一定温度の溶融金属を円
筒状の冷却槽の内面と高速回転する攪拌子との隙間に導
き、強い攪拌作用を加えつつ冷却し、得られた半凝固金
属をその底部から連続的に排出させる機械攪拌方式（以
下攪拌子回転法という）のものが知られている。また、
攪拌方式として、電磁力を用いる方法（以下電磁攪拌法
という）も良く知られている。
ては、たとえば、特公昭５６−２０９４４号公報（非樹
枝状初晶固体分を含む合金を連続的に形成する為の装
置）に開示されているように、一定温度の溶融金属を円
筒状の冷却槽の内面と高速回転する攪拌子との隙間に導
き、強い攪拌作用を加えつつ冷却し、得られた半凝固金
属をその底部から連続的に排出させる機械攪拌方式（以
下攪拌子回転法という）のものが知られている。また、
攪拌方式として、電磁力を用いる方法（以下電磁攪拌法
という）も良く知られている。
【０００４】さらに他の手段として、抜熱能を有し横軸
のまわりに回転する単ロールと該ロールの外周に沿う凹
曲面からなる固定壁との隙間に溶湯を供給して、ロール
の回転により発生する固液界面のせん断歪により半凝固
金属を製造する手段（以下単ロール法という）が、特開
平３−１４２０４０号公報（連続的に半凝固金属を製造
する方法とその装置）や特開平４−２３８６４５号公報
（半凝固金属の製造方法および装置）などに開示されて
いる。
のまわりに回転する単ロールと該ロールの外周に沿う凹
曲面からなる固定壁との隙間に溶湯を供給して、ロール
の回転により発生する固液界面のせん断歪により半凝固
金属を製造する手段（以下単ロール法という）が、特開
平３−１４２０４０号公報（連続的に半凝固金属を製造
する方法とその装置）や特開平４−２３８６４５号公報
（半凝固金属の製造方法および装置）などに開示されて
いる。
【０００５】これらいずれの手段も、半凝固金属中の固
相粒は、溶湯金属を冷却しながら激しく攪拌することに
よって、融体中に生成しつつある樹枝状初晶の枝部が消
失ないしは縮小して丸みを帯びた形態に変換されて形成
される。この半凝固金属は、非樹枝状初晶粒子が細かい
ほど、また固相率が高いほどその半凝固金属から得られ
る製品の品質特性が優れていると云われ、その初晶粒の
大きさは冷却速度が大きいほど細かくなる。
相粒は、溶湯金属を冷却しながら激しく攪拌することに
よって、融体中に生成しつつある樹枝状初晶の枝部が消
失ないしは縮小して丸みを帯びた形態に変換されて形成
される。この半凝固金属は、非樹枝状初晶粒子が細かい
ほど、また固相率が高いほどその半凝固金属から得られ
る製品の品質特性が優れていると云われ、その初晶粒の
大きさは冷却速度が大きいほど細かくなる。
【０００６】このようなことから、半凝固金属の製造装
置としては、強冷却が可能な装置が必要であるが、強冷
却して微細初晶粒、高固相率の半凝固金属を製造する場
合、見かけ粘性が大きくなるため流動性が非常に悪くな
り、特に高固相率の半凝固金属の連続的な安定した排出
は困難になる。
置としては、強冷却が可能な装置が必要であるが、強冷
却して微細初晶粒、高固相率の半凝固金属を製造する場
合、見かけ粘性が大きくなるため流動性が非常に悪くな
り、特に高固相率の半凝固金属の連続的な安定した排出
は困難になる。
【０００７】上記した各手段をこの半凝固金属の排出能
の観点から検討すると、単ロール法は、生成した半凝固
金属の排出がロールの回転により促進され、ロール表面
に付着する凝固シェルはスクレーパーで削り取られるの
で、排出する半凝固金属の固相率が大きくても排出のた
めの妨害要因は少なく、排出能が非常に優れた方法であ
る。しかし、攪拌子回転法や電磁攪拌法では冷却槽中
で、供給された溶湯を冷却槽の中心を回転軸とする回転
攪拌を行うために、遠心力による冷却槽壁面への圧力が
増大し、排出能を逆に低下させることになる。したがっ
て、攪拌子回転法や電磁攪拌法では、半凝固金属の排出
能増大技術の確立が特に重要な課題になる。
の観点から検討すると、単ロール法は、生成した半凝固
金属の排出がロールの回転により促進され、ロール表面
に付着する凝固シェルはスクレーパーで削り取られるの
で、排出する半凝固金属の固相率が大きくても排出のた
めの妨害要因は少なく、排出能が非常に優れた方法であ
る。しかし、攪拌子回転法や電磁攪拌法では冷却槽中
で、供給された溶湯を冷却槽の中心を回転軸とする回転
攪拌を行うために、遠心力による冷却槽壁面への圧力が
増大し、排出能を逆に低下させることになる。したがっ
て、攪拌子回転法や電磁攪拌法では、半凝固金属の排出
能増大技術の確立が特に重要な課題になる。
【０００８】一方、これらの攪拌子回転法や電磁攪拌法
は、排出能の増大が実現できれば、製造した半凝固金属
をノズルを通過させるか、あるいは直接丸断面あるいは
角断面等の形状に押し出すことを可能にして、高固相率
の半凝固金属を直接加工する（レオフォーム）ことや、
ビレット化して加工することなど、半凝固金属を形状化
するには非常に優れた手段である。
は、排出能の増大が実現できれば、製造した半凝固金属
をノズルを通過させるか、あるいは直接丸断面あるいは
角断面等の形状に押し出すことを可能にして、高固相率
の半凝固金属を直接加工する（レオフォーム）ことや、
ビレット化して加工することなど、半凝固金属を形状化
するには非常に優れた手段である。
【０００９】このような観点から攪拌子回転法について
は半凝固金属の排出能改善手段として、この発明会社は
先に特開平４−１２４２３１号公報（半凝固金属製造装
置）に開示したように、ら旋スクリュー形状の攪拌子を
用い、冷却槽で生成した半凝固金属を下方へ強制的に送
給する手段を取り入れた装置を提案したが、工業化する
にはいたらずいまだ改善の余地が残されている。
は半凝固金属の排出能改善手段として、この発明会社は
先に特開平４−１２４２３１号公報（半凝固金属製造装
置）に開示したように、ら旋スクリュー形状の攪拌子を
用い、冷却槽で生成した半凝固金属を下方へ強制的に送
給する手段を取り入れた装置を提案したが、工業化する
にはいたらずいまだ改善の余地が残されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】前記したような状況の
もとで発明者らは攪拌子回転法についてさらに実験を進
めた結果、従来の手段では攪拌子としてパドルを採用し
てもら旋スクリューを採用しても半凝固金属排出開始後
の時間経過とともに冷却槽内面に生成する凝固シェルの
生長に起因して攪拌子のトルクが上昇し、このトルクの
上昇が半凝固金属の連続排出の妨害要因になることを知
見するに至った。
もとで発明者らは攪拌子回転法についてさらに実験を進
めた結果、従来の手段では攪拌子としてパドルを採用し
てもら旋スクリューを採用しても半凝固金属排出開始後
の時間経過とともに冷却槽内面に生成する凝固シェルの
生長に起因して攪拌子のトルクが上昇し、このトルクの
上昇が半凝固金属の連続排出の妨害要因になることを知
見するに至った。
【００１１】したがって、攪拌子回転法の優れた特徴を
生かすためには、凝固シェルの過剰生長を防止し攪拌子
に発生するトルクの上昇を防止して半凝固金属を連続的
に排出する技術の確立が解決すべき重要な課題になる。
このようなことから、この発明はかかる課題を有利に解
決し半凝固金属を連続的に安定して排出できる攪拌子回
転法による半凝固金属の製造法を提案することを目的と
する。
生かすためには、凝固シェルの過剰生長を防止し攪拌子
に発生するトルクの上昇を防止して半凝固金属を連続的
に排出する技術の確立が解決すべき重要な課題になる。
このようなことから、この発明はかかる課題を有利に解
決し半凝固金属を連続的に安定して排出できる攪拌子回
転法による半凝固金属の製造法を提案することを目的と
する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】発明者らは前記した課題
を解決するために、攪拌子のトルク上昇機構を研究しこ
の発明を達成したものである。すなわちこの発明の要旨
とするところは以下の通りである。
を解決するために、攪拌子のトルク上昇機構を研究しこ
の発明を達成したものである。すなわちこの発明の要旨
とするところは以下の通りである。
【００１３】 冷却板を有する筒状の冷却槽の上部よ
り注入した溶湯を、攪拌子の回転下に冷却する半凝固金
属の製造方法において、該冷却板の抜熱熱流束と固液界
面のせん断歪速度により、凝固シェルの過剰生長を防止
し、攪拌子のトルク上昇を防止することを特徴とする半
凝固金属の製造法。
り注入した溶湯を、攪拌子の回転下に冷却する半凝固金
属の製造方法において、該冷却板の抜熱熱流束と固液界
面のせん断歪速度により、凝固シェルの過剰生長を防止
し、攪拌子のトルク上昇を防止することを特徴とする半
凝固金属の製造法。
【００１４】 冷却板の抜熱熱流束と固液界面のせん
断歪速度との関係が下記式（１）を満たす項に記載の
半凝固金属の製造法。 〔記〕 γ＞１２．９（ｍ2 ／Ｋｃａｌ）・ｑ −−−（１） ここで γ：固液界面のせん断歪速度（ｓ-1） ｑ：冷却板の抜熱熱流束（Ｋｃａｌ／ｍ2 ・ｓ）
断歪速度との関係が下記式（１）を満たす項に記載の
半凝固金属の製造法。 〔記〕 γ＞１２．９（ｍ2 ／Ｋｃａｌ）・ｑ −−−（１） ここで γ：固液界面のせん断歪速度（ｓ-1） ｑ：冷却板の抜熱熱流束（Ｋｃａｌ／ｍ2 ・ｓ）
【００１５】 冷却板と攪拌子との間の設定クリアラ
ンスの値に応じて冷却板内面に生長する凝固シェルの厚
みを制限する又は項に記載の半凝固金属の製造法。
ンスの値に応じて冷却板内面に生長する凝固シェルの厚
みを制限する又は項に記載の半凝固金属の製造法。
【００１６】 先端にスパイラル状のスクリュー溝を
設けた攪拌子を採用して、トルクの上昇を防止しつつ半
凝固金属の排出を促進することを特徴とする１，２又は
３項に記載の半凝固金属の製造法。
設けた攪拌子を採用して、トルクの上昇を防止しつつ半
凝固金属の排出を促進することを特徴とする１，２又は
３項に記載の半凝固金属の製造法。
【００１７】
【作用】この発明を実験結果をもとに以下に詳述する。
図１に示す半凝固金属製造装置、すなわち受湯槽５、冷
却槽６、保持槽７、排出量制御用ノズル１２及び冷却槽
６の冷却板８の中心において回転する攪拌子１０とその
トルクメータ３から主として構成される実験装置によ
り、攪拌子１０のトルク上昇におよぼす冷却槽６の冷却
板８の抜熱熱流束（抜熱速度）、固液界面のせん断歪速
度の影響を、溶湯１の注入前に設定する冷却板８と攪拌
子１０との隙間間隔（設定クリアランス）を変更するこ
とにより実験検討を行った。
図１に示す半凝固金属製造装置、すなわち受湯槽５、冷
却槽６、保持槽７、排出量制御用ノズル１２及び冷却槽
６の冷却板８の中心において回転する攪拌子１０とその
トルクメータ３から主として構成される実験装置によ
り、攪拌子１０のトルク上昇におよぼす冷却槽６の冷却
板８の抜熱熱流束（抜熱速度）、固液界面のせん断歪速
度の影響を、溶湯１の注入前に設定する冷却板８と攪拌
子１０との隙間間隔（設定クリアランス）を変更するこ
とにより実験検討を行った。
【００１８】まず、排出される半凝固金属の固相率を
０．１５とし、設定クリアランスを７、１０及び１５ｍ
ｍと変えた場合の攪拌子１０に発生するトルクの経時変
化を図２に示す。なお、上記において排出される半凝固
金属の固相率の制御は注入した溶湯１の冷却槽６内での
滞留時間を排出量制御用ノズル１２により調整すること
で行った。また攪拌子１０には図３（ａ）に示すパドル
型のものを採用した。
０．１５とし、設定クリアランスを７、１０及び１５ｍ
ｍと変えた場合の攪拌子１０に発生するトルクの経時変
化を図２に示す。なお、上記において排出される半凝固
金属の固相率の制御は注入した溶湯１の冷却槽６内での
滞留時間を排出量制御用ノズル１２により調整すること
で行った。また攪拌子１０には図３（ａ）に示すパドル
型のものを採用した。
【００１９】ここに、図３は攪拌子の形状を示す説明図
で、図３の（ａ）はパドル型攪拌子、（ｂ）はパドルの
先端にら旋スクリューを装着したパドル・スクリュー複
合型攪拌子である。
で、図３の（ａ）はパドル型攪拌子、（ｂ）はパドルの
先端にら旋スクリューを装着したパドル・スクリュー複
合型攪拌子である。
【００２０】図２に示すように、設定クリアランスが１
０ｍｍ以下の場合は攪拌子１０のトルクは時間が経過す
るにつれ上昇するのに対し、設定クリアランスを１５ｍ
ｍにした場合には攪拌子１０のトルク上昇はなく、半凝
固金属を連続的に排出できることが明らかになった。な
お、上記において設定クリアランスが大きければ、冷却
板８内面のクリアランス内で生長可能なシェル厚が厚く
なり、このことは凝固シェルが攪拌子に接近した時の抜
熱速度が小さくなることを意味する。
０ｍｍ以下の場合は攪拌子１０のトルクは時間が経過す
るにつれ上昇するのに対し、設定クリアランスを１５ｍ
ｍにした場合には攪拌子１０のトルク上昇はなく、半凝
固金属を連続的に排出できることが明らかになった。な
お、上記において設定クリアランスが大きければ、冷却
板８内面のクリアランス内で生長可能なシェル厚が厚く
なり、このことは凝固シェルが攪拌子に接近した時の抜
熱速度が小さくなることを意味する。
【００２１】つぎに、図４は、排出される半凝固金属の
固相率を０．４５とし、設定クリアランスを１５及び２
３ｍｍと変えた場合の攪拌子１０に発生するトルクの経
時変化を示すグラフである。
固相率を０．４５とし、設定クリアランスを１５及び２
３ｍｍと変えた場合の攪拌子１０に発生するトルクの経
時変化を示すグラフである。
【００２２】なお、排出される半凝固金属の固相率を増
大した場合排出能は低下するが、この実験では図３
（ｂ）に示したパドル・スクリュー複合型攪拌子１０を
用いて固相率０．４５の半凝固金属を排出したもので、
このように固相率の大きい半凝固金属の排出に際して
は、攪拌子１０により半凝固金属の排出能を向上させる
ことは極めて有効である。
大した場合排出能は低下するが、この実験では図３
（ｂ）に示したパドル・スクリュー複合型攪拌子１０を
用いて固相率０．４５の半凝固金属を排出したもので、
このように固相率の大きい半凝固金属の排出に際して
は、攪拌子１０により半凝固金属の排出能を向上させる
ことは極めて有効である。
【００２３】この図４から明らかなように、設定クリア
ランスが１５ｍｍでは攪拌子１０のトルクは時間経過と
共に上昇しているのに対し、設定クリアランスを２３ｍ
ｍにすることにより攪拌子１０のトルク上昇はなく、半
凝固金属を連続的に排出できた。以上のように固相率を
増大した場合においても、設定クリアランスを大きくす
ることによりトルクの増大は防止できることが明らかと
なった。
ランスが１５ｍｍでは攪拌子１０のトルクは時間経過と
共に上昇しているのに対し、設定クリアランスを２３ｍ
ｍにすることにより攪拌子１０のトルク上昇はなく、半
凝固金属を連続的に排出できた。以上のように固相率を
増大した場合においても、設定クリアランスを大きくす
ることによりトルクの増大は防止できることが明らかと
なった。
【００２４】上記において、設定クリアランスを大きく
すること（攪拌子１０のトルク上昇のない冷却槽６の周
壁８内面に生長する凝固シェル厚を厚くできる）によ
り、攪拌子１０のトルク上昇が防止できる理由は、攪拌
子１０の高速回転により発生する固液界面の激しいせん
断歪が、下記式（２）に示すように冷却板８内面に生成
する凝固シェルの生長にともないしだいに大きくなり
（凝固シェルと攪拌子１０との隙間間隙すなわちクリア
ランスＳが小さくなることによる）、その結果攪拌子１
０の回転による凝固シェルの分断速度がしだいに増大
し、一方凝固シェルの成長速度は、凝固シェルの生長と
ともに小さくなることから、攪拌子１０の回転による凝
固シェルの分断速度と凝固シェルの生長速度が等しくな
る条件が存在するためではないかと考えられる。
すること（攪拌子１０のトルク上昇のない冷却槽６の周
壁８内面に生長する凝固シェル厚を厚くできる）によ
り、攪拌子１０のトルク上昇が防止できる理由は、攪拌
子１０の高速回転により発生する固液界面の激しいせん
断歪が、下記式（２）に示すように冷却板８内面に生成
する凝固シェルの生長にともないしだいに大きくなり
（凝固シェルと攪拌子１０との隙間間隙すなわちクリア
ランスＳが小さくなることによる）、その結果攪拌子１
０の回転による凝固シェルの分断速度がしだいに増大
し、一方凝固シェルの成長速度は、凝固シェルの生長と
ともに小さくなることから、攪拌子１０の回転による凝
固シェルの分断速度と凝固シェルの生長速度が等しくな
る条件が存在するためではないかと考えられる。
【００２５】 〔記〕 γ＝２・ｒ1 ・ｒ2 ・Ω／（ｒ2 2 −ｒ1 2 ） −−−（２） ｒ2 ＝Ｓ＋ｒ1 ここで γ：固液界面せん断歪速度（ｓ-1） ｒ1 ：攪拌子半径（ｍ） ｒ2 ：冷却槽（冷却板）内径（ｍ） Ω ：攪拌子の角速度（ｒａｄ／ｓ） Ｓ ：クリアランス（ｍ）
【００２６】したがって、設定クリアランスの増大によ
り攪拌子に発生するトルクの上昇を防止できたのは冷却
板８の抜熱速度と固液界面のせん断歪速度が適正化さ
れ、凝固シェルの過剰生長が防止されたためと考えられ
る。このことは攪拌子１０に発生するトルクの上昇が、
冷却槽６の冷却板８の材質や厚さ、凝固シェル厚などの
溶湯冷却条件と固液界面のせん断歪速度の適正化によっ
て防止できることを意味する。
り攪拌子に発生するトルクの上昇を防止できたのは冷却
板８の抜熱速度と固液界面のせん断歪速度が適正化さ
れ、凝固シェルの過剰生長が防止されたためと考えられ
る。このことは攪拌子１０に発生するトルクの上昇が、
冷却槽６の冷却板８の材質や厚さ、凝固シェル厚などの
溶湯冷却条件と固液界面のせん断歪速度の適正化によっ
て防止できることを意味する。
【００２７】そこで、さらに実験検討を重ねた結果とし
て、冷却板８の抜熱速度と固液界面のせん断歪速度とを
算出し、これらの計算結果をもとにトルク上昇を防止で
きる冷却板８の抜熱速度と固液界面のせん断歪速度の関
係をまとめて図５に示す。
て、冷却板８の抜熱速度と固液界面のせん断歪速度とを
算出し、これらの計算結果をもとにトルク上昇を防止で
きる冷却板８の抜熱速度と固液界面のせん断歪速度の関
係をまとめて図５に示す。
【００２８】上記において、冷却板８の抜熱速度は、冷
却板８中に埋め込んだ熱電対により測定した温度勾配
と、冷却板８の材質の伝熱係数とから算出するととも
に、注入した溶湯１の冷却槽６内での温度降下と凝固シ
ェルの生長挙動及び冷却板８の冷却面面積とからも計算
し確認した。また、固液界面のせん断歪速度は、装置形
状、攪拌子１０の回転数及びクリアランスＳを用いて上
記（２）式より計算した。なお、ここでトルクが上昇し
始めるクリアランスＳは、トレーサー添加試験によると
約０．８ｍｍであった。
却板８中に埋め込んだ熱電対により測定した温度勾配
と、冷却板８の材質の伝熱係数とから算出するととも
に、注入した溶湯１の冷却槽６内での温度降下と凝固シ
ェルの生長挙動及び冷却板８の冷却面面積とからも計算
し確認した。また、固液界面のせん断歪速度は、装置形
状、攪拌子１０の回転数及びクリアランスＳを用いて上
記（２）式より計算した。なお、ここでトルクが上昇し
始めるクリアランスＳは、トレーサー添加試験によると
約０．８ｍｍであった。
【００２９】このようにして得られた図５の直線は攪拌
子１０のトルクの上昇を防止できる境界線で各々の抜熱
速度に応じた凝固シェルの生長停止に必要な固液界面の
せん断歪速度の下限を示し、その直線は下記式（３）で
あらわされる。 〔記〕 γ＝１．２９（ｍ2 ／Ｋｃａｌ）・ｑ −−−（３） ここで γ：固液界面のせん断歪速度（ｓ-1） ｑ：冷却板８の抜熱速度（抜熱熱流束）（Ｋｃａｌ／ｍ
2 ・ｓ）
子１０のトルクの上昇を防止できる境界線で各々の抜熱
速度に応じた凝固シェルの生長停止に必要な固液界面の
せん断歪速度の下限を示し、その直線は下記式（３）で
あらわされる。 〔記〕 γ＝１．２９（ｍ2 ／Ｋｃａｌ）・ｑ −−−（３） ここで γ：固液界面のせん断歪速度（ｓ-1） ｑ：冷却板８の抜熱速度（抜熱熱流束）（Ｋｃａｌ／ｍ
2 ・ｓ）
【００３０】したがって、図５に示す攪拌子１０のトル
ク上昇がない高せん断歪速度領域で操業した場合の凝固
シェルの生長は、凝固シェルの生長にともなう凝固シェ
ル生長速度の低減とせん断歪速度の増大によって上記境
界線に達する前に停止することになり、その際のクリア
ランスは０．８ｍｍより大きい値になる。なお上記は、
設定クリアランスによって冷却板８内面に生成生長する
凝固シェル厚を制限し、クリアランスが０．８ｍｍ以上
になるようにすれば、攪拌子１０のトルク上昇は防止で
きることを意味する。
ク上昇がない高せん断歪速度領域で操業した場合の凝固
シェルの生長は、凝固シェルの生長にともなう凝固シェ
ル生長速度の低減とせん断歪速度の増大によって上記境
界線に達する前に停止することになり、その際のクリア
ランスは０．８ｍｍより大きい値になる。なお上記は、
設定クリアランスによって冷却板８内面に生成生長する
凝固シェル厚を制限し、クリアランスが０．８ｍｍ以上
になるようにすれば、攪拌子１０のトルク上昇は防止で
きることを意味する。
【００３１】以上述べたように、攪拌子回転法による半
凝固金属の製造にあたって、冷却板８の抜熱速度に応じ
た固液界面のせん断歪速度を採用すること、図５に示し
た攪拌子１０のトルク上昇のない領域すなわち前記式
（１）を満足させること、さらには設定クリアランスの
値に応じて冷却板８内面に生成する凝固シェル厚を制限
することなどにより、冷却板８内面に生成する凝固シェ
ルの過剰生長を防止して攪拌子１０のトルク上昇を防止
でき、抜熱速度を大きくして微細初晶粒、高固相率の半
凝固金属を連続して製造する場合にも容易に対応でき
る。
凝固金属の製造にあたって、冷却板８の抜熱速度に応じ
た固液界面のせん断歪速度を採用すること、図５に示し
た攪拌子１０のトルク上昇のない領域すなわち前記式
（１）を満足させること、さらには設定クリアランスの
値に応じて冷却板８内面に生成する凝固シェル厚を制限
することなどにより、冷却板８内面に生成する凝固シェ
ルの過剰生長を防止して攪拌子１０のトルク上昇を防止
でき、抜熱速度を大きくして微細初晶粒、高固相率の半
凝固金属を連続して製造する場合にも容易に対応でき
る。
【００３２】
実施例１ 実験を実施した半凝固金属製造装置の説明図を図１に示
す。この装置の主な構成は、受湯槽５、冷却板８を有す
る冷却槽６、保持槽７、攪拌子１０、排出量制御用ノズ
ル１２（スライデングノズル）及びトルクメータ３から
なる。その他図１において、１は溶湯、２は攪拌モー
タ、４はタンディッシュ、９は冷却板８の冷却スプレ
ー、１１は受湯槽５及び保持槽７の各ヒータである。
す。この装置の主な構成は、受湯槽５、冷却板８を有す
る冷却槽６、保持槽７、攪拌子１０、排出量制御用ノズ
ル１２（スライデングノズル）及びトルクメータ３から
なる。その他図１において、１は溶湯、２は攪拌モー
タ、４はタンディッシュ、９は冷却板８の冷却スプレ
ー、１１は受湯槽５及び保持槽７の各ヒータである。
【００３３】攪拌子１０に前記図３（ａ）に示したパド
ル型を用い、上記装置での半凝固金属の製造を、受湯槽
５及び保持槽７をそれぞれのヒータ１１で、また排出量
制御用ノズル１２をバーナ（図示省略）で十分予熱した
のち、装置の上方よりタンディッシュ４を介して適正温
度に調整した溶湯１を注入して、冷却槽６の冷却板８か
らの抜熱と攪拌子１０の回転による攪拌により半凝固金
属を生成させ、排出される半凝固金属の固相率を排出量
制御用ノズル１２により冷却槽６内での滞留時間を制御
することで調整して、排出量制御用ノズル１２から所望
の固相率の半凝固金属を排出することで行った。
ル型を用い、上記装置での半凝固金属の製造を、受湯槽
５及び保持槽７をそれぞれのヒータ１１で、また排出量
制御用ノズル１２をバーナ（図示省略）で十分予熱した
のち、装置の上方よりタンディッシュ４を介して適正温
度に調整した溶湯１を注入して、冷却槽６の冷却板８か
らの抜熱と攪拌子１０の回転による攪拌により半凝固金
属を生成させ、排出される半凝固金属の固相率を排出量
制御用ノズル１２により冷却槽６内での滞留時間を制御
することで調整して、排出量制御用ノズル１２から所望
の固相率の半凝固金属を排出することで行った。
【００３４】実験は、Ａｌ−１０ｍａｓｓ％Ｃｕ合金を
用い、排出される半凝固金属の固相率を０．１５とし、
設定クリアランスすなわち冷却槽６の冷却板８と攪拌子
１０との隙間間隙を７、１０及び１５ｍｍと変えてトル
クメータ３により攪拌子１０に発生するトルクの経時変
化を測定した。これらの結果をまとめて図２に示す。
用い、排出される半凝固金属の固相率を０．１５とし、
設定クリアランスすなわち冷却槽６の冷却板８と攪拌子
１０との隙間間隙を７、１０及び１５ｍｍと変えてトル
クメータ３により攪拌子１０に発生するトルクの経時変
化を測定した。これらの結果をまとめて図２に示す。
【００３５】図２は、排出される半凝固金属の固相率を
０．１５とし設定クリアランスを変えた場合の攪拌子１
０に発生するトルクの排出開始からの経時変化を示すグ
ラフである。なお、図２において攪拌子１０に発生する
トルクは、機械的損失などによる初期に発生するトルク
を排除したものである。
０．１５とし設定クリアランスを変えた場合の攪拌子１
０に発生するトルクの排出開始からの経時変化を示すグ
ラフである。なお、図２において攪拌子１０に発生する
トルクは、機械的損失などによる初期に発生するトルク
を排除したものである。
【００３６】図２から明らかなように、攪拌子１０に発
生するトルク上昇の経時変化は設定クリアランスにより
差があり、設定クリアランスを１５ｍｍにすることによ
り攪拌子１０に発生するトルクの上昇はなく、固相率
０．１５の半凝固金属を連続して排出できた。
生するトルク上昇の経時変化は設定クリアランスにより
差があり、設定クリアランスを１５ｍｍにすることによ
り攪拌子１０に発生するトルクの上昇はなく、固相率
０．１５の半凝固金属を連続して排出できた。
【００３７】実施例２ 攪拌子１０に図３（ｂ）に示したパドル・スクリュー複
合型を用いた以外は実施例１と同様に図１に示した半凝
固金属製造装置を用い半凝固金属を製造した。この実験
は、実施例１と同様の合金を用いて排出される半凝固金
属の固相率を０．４５とし、設定クリアランスを１５及
び２３ｍｍと変えて攪拌子１０に発生するトルクの経時
変化を測定した。これらの結果を図４にまとめて示す。
合型を用いた以外は実施例１と同様に図１に示した半凝
固金属製造装置を用い半凝固金属を製造した。この実験
は、実施例１と同様の合金を用いて排出される半凝固金
属の固相率を０．４５とし、設定クリアランスを１５及
び２３ｍｍと変えて攪拌子１０に発生するトルクの経時
変化を測定した。これらの結果を図４にまとめて示す。
【００３８】図４は、排出される半凝固金属の固相率を
０．４５とし設定クリアランスを変えた場合の攪拌子１
０に発生するトルクの排出開始からの経時変化を示すグ
ラフである。なお、図２と同様に攪拌子１０に発生する
トルクは、機械的損失などによる初期に発生するトルク
を排除したものである。
０．４５とし設定クリアランスを変えた場合の攪拌子１
０に発生するトルクの排出開始からの経時変化を示すグ
ラフである。なお、図２と同様に攪拌子１０に発生する
トルクは、機械的損失などによる初期に発生するトルク
を排除したものである。
【００３９】図４に示すように、排出される半凝固金属
の固相率が０．４５の場合も固相率０．１５の場合と同
様に設定クリアランスを大きくする（２３ｍｍ）ことに
より攪拌子１０に発生するトルクの上昇を防止でき、固
相率０．４５の半凝固金属を連続して排出できた。
の固相率が０．４５の場合も固相率０．１５の場合と同
様に設定クリアランスを大きくする（２３ｍｍ）ことに
より攪拌子１０に発生するトルクの上昇を防止でき、固
相率０．４５の半凝固金属を連続して排出できた。
【００４０】しかし固相率０．４５の場合のトルクの上
昇を防止できる設定クリアランスは固相率０．１５の場
合よりも大きくなる。この理由は固相率の増大により冷
却板８に生成する凝固シェルの生長速度が速くなるため
と考えられる。
昇を防止できる設定クリアランスは固相率０．１５の場
合よりも大きくなる。この理由は固相率の増大により冷
却板８に生成する凝固シェルの生長速度が速くなるため
と考えられる。
【００４１】実施例３ 攪拌子１０に図３（ａ）及び（ｂ）に示したパドル型及
びパドル・スクリュー複合型を用い、実施例１及び２と
同様に図１に示した半凝固金属製造装置を用いて実験を
行った。
びパドル・スクリュー複合型を用い、実施例１及び２と
同様に図１に示した半凝固金属製造装置を用いて実験を
行った。
【００４２】この実験は、ＪＩＳ Ｈ−５２０２のＡＣ
４Ｃ、ＪＩＳ Ｈ−５３０２のＡＤＣ１２及びＪＩＳ
Ｈ−４０００の２０２４など３種類のＡｌ合金を用いて
行った。
４Ｃ、ＪＩＳ Ｈ−５３０２のＡＤＣ１２及びＪＩＳ
Ｈ−４０００の２０２４など３種類のＡｌ合金を用いて
行った。
【００４３】そして、冷却槽６の冷却板８の抜熱速度を
設定クリアランス、冷却水量及び冷却板８の材質を変え
ることにより調整し、かつ、抜熱速度は冷却板８中に埋
め込んだ熱電対により測定した温度勾配と伝熱係数から
算出した。また、固液界面のせん断歪速度は攪拌子１０
の回転数により調整し前記式（２）により計算した。上
記計算結果に基づいて、攪拌子１０に発生するトルクの
上昇を防止できる冷却板８の抜熱速度と固液界面のせん
断歪速度の関係を図５に示す。
設定クリアランス、冷却水量及び冷却板８の材質を変え
ることにより調整し、かつ、抜熱速度は冷却板８中に埋
め込んだ熱電対により測定した温度勾配と伝熱係数から
算出した。また、固液界面のせん断歪速度は攪拌子１０
の回転数により調整し前記式（２）により計算した。上
記計算結果に基づいて、攪拌子１０に発生するトルクの
上昇を防止できる冷却板８の抜熱速度と固液界面のせん
断歪速度の関係を図５に示す。
【００４４】この図より明らかなように、攪拌子１０に
発生するトルクの上昇は、冷却板８の抜熱速度に応じて
固液界面のせん断歪速度を、図５に示したトルクの上昇
を防止できる範囲すなわち前記式（１）の関係を満たす
範囲に選択すれば防止できる。したがって、上記のよう
な条件で操業すれば攪拌子１０のトルクの上昇はなく、
連続的に安定して半凝固金属の製造ができることにな
る。
発生するトルクの上昇は、冷却板８の抜熱速度に応じて
固液界面のせん断歪速度を、図５に示したトルクの上昇
を防止できる範囲すなわち前記式（１）の関係を満たす
範囲に選択すれば防止できる。したがって、上記のよう
な条件で操業すれば攪拌子１０のトルクの上昇はなく、
連続的に安定して半凝固金属の製造ができることにな
る。
【００４５】
【発明の効果】この発明は、攪拌子回転法により半凝固
金属を製造するにあたり、冷却槽冷却板の単位面積当た
りの抜熱速度（抜熱熱流束）に応じ固液界面のせん断歪
速度を適正化することにより攪拌子に発生するトルクの
上昇を防止し、微細初晶粒、高固相率の半凝固金属を連
続的に安定して製造できるようにしたものであり、
金属を製造するにあたり、冷却槽冷却板の単位面積当た
りの抜熱速度（抜熱熱流束）に応じ固液界面のせん断歪
速度を適正化することにより攪拌子に発生するトルクの
上昇を防止し、微細初晶粒、高固相率の半凝固金属を連
続的に安定して製造できるようにしたものであり、
【００４６】この発明によれば、半凝固金属を直接製品
に加工するレオフォーム、半凝固金属を凝固させたの
ち、半融状態に再加熱して加工するチクソキャスト、鋳
造等でのニアネットシェイプの実現により加工エネルギ
ーの大幅な削減を可能にすること、半凝固金属の特徴を
生かした新材料の開発を可能にすることなど、その効果
は多大である。
に加工するレオフォーム、半凝固金属を凝固させたの
ち、半融状態に再加熱して加工するチクソキャスト、鋳
造等でのニアネットシェイプの実現により加工エネルギ
ーの大幅な削減を可能にすること、半凝固金属の特徴を
生かした新材料の開発を可能にすることなど、その効果
は多大である。
【図１】実験に用いた半凝固金属製造装置の説明図であ
る。
る。
【図２】排出される半凝固金属の固相率を０．１５と
し、設定クリアランスを変えた場合の攪拌子に発生する
トルクの排出開始からの経時変化を示すグラフである。
し、設定クリアランスを変えた場合の攪拌子に発生する
トルクの排出開始からの経時変化を示すグラフである。
【図３】実験に用いた攪拌子の形状を示す説明図であ
る。 （ａ）はパドル型攪拌子の説明図である。（ｂ）はパド
ルの先端にら旋スクリューを装着したパドル・スクリュ
ー複合型攪拌子の説明図である。
る。 （ａ）はパドル型攪拌子の説明図である。（ｂ）はパド
ルの先端にら旋スクリューを装着したパドル・スクリュ
ー複合型攪拌子の説明図である。
【図４】排出される半凝固金属の固相率を０．４５とし
設定クリアランスを変えた場合の攪拌子に発生するトル
クの排出開始からの経時変化を示すグラフである。
設定クリアランスを変えた場合の攪拌子に発生するトル
クの排出開始からの経時変化を示すグラフである。
【図５】攪拌子のトルク上昇を防止できる冷却板の抜熱
速度とせん断歪速度の関係を示すグラフである。
速度とせん断歪速度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】 １ 溶湯 ２ 攪拌用モータ ３ トルクメータ ４ タンディッシュ ５ 受湯槽 ６ 冷却槽 ７ 保持槽 ８ 冷却板 ９ 冷却スプレ １０ 攪拌子 １１ ヒータ １２ 排出量制御用ノズル
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成５年６月１４日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２５】 〔記〕 γ＝２・ｒ1 ・ｒ3 ・Ω／（ｒ2 2 −ｒ1 2 ） −−−（２） ｒ3 ＝ｒ2 −ｄ＝Ｓ＋ｒ1 ここで γ：固液界面せん断歪速度（ｓ-1） ｒ1 ：攪拌子半径（ｍ） ｒ2 ：冷却槽半径（ｍ） Ω ：攪拌子の角速度（ｒａｄ／ｓ） Ｓ ：クリアランス（ｍ） ｒ3 ：冷却槽内溶湯半径（ｍ） ｄ ：凝固シェル厚（ｍ） ─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成５年６月２４日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２５】 〔記〕 γ＝２・ｒ1 ・ｒ3 ・Ω／（ｒ3 2 −ｒ1 2 ） −−−（２） ｒ3 ＝ｒ2 −ｄ＝Ｓ＋ｒ1 ここで γ：固液界面せん断歪速度（ｓ-1） ｒ1 ：攪拌子半径（ｍ） ｒ2 ：冷却槽半径（ｍ） Ω ：攪拌子の角速度（ｒａｄ／ｓ） Ｓ ：クリアランス（ｍ） ｒ3 ：冷却槽内溶湯半径（ｍ） ｄ ：凝固シェル厚（ｍ）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 広芳 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 株式会 社レオテック内 (72)発明者 難波 明彦 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 株式会 社レオテック内
Claims (4)
- 【請求項１】 冷却板を有する筒状の冷却槽の上部より
注入した溶湯を、攪拌子の回転下に冷却する半凝固金属
の製造方法において、 該冷却板の抜熱熱流束と固液界面のせん断歪速度によ
り、凝固シェルの過剰生長を防止し、攪拌子のトルク上
昇を防止することを特徴とする半凝固金属の製造法。 - 【請求項２】 冷却板の抜熱熱流束と固液界面のせん断
歪速度との関係が下記式（１）を満たす請求項１に記載
の半凝固金属の製造法。 〔記〕 γ＞１２．９（ｍ2 ／Ｋｃａｌ）・ｑ −−−（１） ここで γ：固液界面のせん断歪速度（ｓ-1） ｑ：冷却板の抜熱熱流束（Ｋｃａｌ／ｍ2 ・ｓ） - 【請求項３】 冷却板と攪拌子との間の設定クリアラン
スの値に応じて冷却板内面に生長する凝固シェルの厚み
を制限する請求項１又は２に記載の半凝固金属の製造
法。 - 【請求項４】 先端にスパイラル状のスクリュー溝を設
けた攪拌子を採用して、トルクの上昇を防止しつつ半凝
固金属の排出を促進することを特徴とする請求項１，２
又は３の半凝固金属の製造法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9136693A JPH06297097A (ja) | 1993-04-19 | 1993-04-19 | 半凝固金属の製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9136693A JPH06297097A (ja) | 1993-04-19 | 1993-04-19 | 半凝固金属の製造法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06297097A true JPH06297097A (ja) | 1994-10-25 |
Family
ID=14024388
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9136693A Pending JPH06297097A (ja) | 1993-04-19 | 1993-04-19 | 半凝固金属の製造法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06297097A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5849115A (en) * | 1994-05-17 | 1998-12-15 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Alloy material for thixocasting, process for preparing semi-molten alloy material for thixocasting and thixocasting process |
| WO2010103641A1 (ja) | 2009-03-12 | 2010-09-16 | 虹技株式会社 | 鉄系合金の半凝固スラリー製造方法、その半凝固スラリー製造方法を用いた鋳鉄鋳物製造方法及び鋳鉄鋳物 |
-
1993
- 1993-04-19 JP JP9136693A patent/JPH06297097A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5849115A (en) * | 1994-05-17 | 1998-12-15 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Alloy material for thixocasting, process for preparing semi-molten alloy material for thixocasting and thixocasting process |
| WO2010103641A1 (ja) | 2009-03-12 | 2010-09-16 | 虹技株式会社 | 鉄系合金の半凝固スラリー製造方法、その半凝固スラリー製造方法を用いた鋳鉄鋳物製造方法及び鋳鉄鋳物 |
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