JPS6122018B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、非樹枝状初晶を含む固液相共存基地
金属にこの基地金属とは組成が異なる固体粒子す
なわち第３相固体粒子を添加し、基地中に非樹枝
状初晶と第３相固体粒子とを含む複合金属溶湯を
溶製するための装置に関するものである。

近年、所要の強度、耐摩耗性または潤滑性を与
えるために、基地となる金属または合金（基地金
属と称する）の組成とは異なつた特殊な性質を有
する固体粒子を添加した複合金属材料の開発が盛
んに行なわれている。

従来、かかる複合金属材料を得るための方法と
して、基地金属が溶融状態にある時に固体粒子を
添加する方法および基地金属粉末と固体粒子とを
混合したものを焼結する方法が一般に既知であ
る。しかし、前者の方法で単に固体粒子を溶融金
属に添加する場合には、極く少量の固体粒子（一
般に重量で約３％）が添加できるに過ぎず、この
理由は固体粒子が金属に濡らされないため、固体
粒子が溶融金属の表面に浮遊するるか、または底
に沈澱してしまうためである。後者の粉末冶金に
よる方法では、基地金属内に固体粒子が比較的高
濃度に分散した複合金属材料を得ることが可能で
あるが、製造費が高く、後の加工性があまり良く
ないばかりでなく、多孔性その他の理由から得ら
れる金属材料の強度が比較的低くなる等の欠点が
ある。

上述した欠点を除去して一様な強度と密度の高
い複合金属材料を得る方法として、特開昭49−
53503号公報には、第３相固体粒子を均一にかつ
約65重量％迄の含有率で含有する複合金属材料を
製造する方法が記載されており、この方法によれ
ば、基地金属が固液相共存状態にあるときに激し
い撹拌を加え、本来樹枝状晶として発達すべき初
晶が分断されて樹枝状晶の先端が球状化された非
樹枝状初晶になつて残存の溶融金属中に存在する
状態で第３相固体粒子を添加し、得られた組成物
を引続いて連続的に撹拌し、固液相共存状態の基
地金属溶湯中に第３相固体粒子を均一に分散さ
せ、所望の複合金属溶湯を溶製している。

上述した第３相固体粒子が均一に分散した複合
金属溶湯を溶製する装置として従来知られている
装置はいずれも実験装置として使用し得る程度の
バツチ式のもので、実際の工業的生産に適用し得
るものではなく問題があつた。

本発明はかかる問題を解決し、第３相固体粒子
を基地金属溶湯中に均一に分散した複合金属溶湯
を工業的規模で多量に能率良く溶製し得るよう適
切に構成配置した装置を提供しようとするもので
ある。

かかる目的を達成するため、本発明によれば、
基地金属溶解槽と、溶融基地金属を固液相共存温
度に保持して撹拌し得るよう構成した基地金属撹
拌槽と、撹拌された固液相共存金属溶湯に第３相
固体粒子を添加する添加槽と、第３相固体粒子を
添加した固液相共存金属溶湯を撹拌する複合金属
撹拌槽とを順次に連通させて具えることを特徴と
する。

本発明によれば、上述した構成としたことによ
つて、溶融基地金属中に第３相固体粒子を均一に
分散して含む複合金属溶湯を基地金属のインゴツ
トから一貫して連続的に溶製することができ、所
望の組成を有する複合金属溶湯を所望量で、また
は大量に能率良く、経済的に得ることができる。

本発明装置によれば、基地金属として、鉄、
銅、アルミニウム等の純金属および鉛合金、マグ
ネシウム合金、亜鉛合金、アルミニウム合金、銅
合金、鉄合金、ニツケル合金、およびコバルト合
金等、例えば、鉛−錫合金、亜鉛アルミニウム合
金、亜鉛−銅合金、マグネシウム−アルミニウム
合金、マグネシウム−アルミニウム−亜鉛合金、
マグネシウム−亜鉛合金、アルミニウム−銅合
金、アルミニウム−硅素合金、アルミニウム−銅
−亜鉛−マグネシウム合金、銅−錫青銅、真鍮、
アルミニウム青銅、鋼、鋳鉄工具鋼、ステンレス
鋼、超合金およびコバルト−クロム合金を、ま
た、第３相を形成する固体粒子としては黒鉛、金
属炭化物、砂、ガラス、セラミツクス、酸化トリ
ウムその他純金属、合金および金属酸化物を適宜
に用いることができる。

本発明を図示の実施例につき説明する。

図面は本発明装置を構成する基地金属溶解槽１
と、基地金属撹拌槽２と、第３相固体粒子添加槽
３と、複合金属撹拌槽４とを垂直方向に直列に順
次に配置した例を示し、後に詳細に説明するよう
に、基地金属溶解槽１は基地となる金属のインゴ
ツト等を溶解し、基地金属撹拌槽２は溶解槽１内
で溶解した溶融金属を溶解槽内の温度より低い温
度に保持しながら激しく撹拌して非樹枝初晶を含
む固液相共存状態の金属溶湯とし、第３相固体粒
子添加槽３は適当な粘度を有する固液相共存金属
溶湯に粒状異種金属を添加し、複合金属撹拌槽４
は固液相共存金属溶湯中に第３相の固体粒子を均
一に分散混合させる機能をそれぞれ有するよう構
成される。

図示の例では、最上段の基地金属溶解槽１とこ
れと同一軸線上でその下端に連通する基地金属撹
拌槽２とを、それぞれ耐火物で形成し、これら両
槽１，２を耐火物５，６，７によつて内張りした
鋼板製外匣８，９内に支持し、外匣８の上端を頂
板１０によつて閉止する。両外匣８，９および頂
板１０をフランジ１１，１２，１３，１４におい
て適当な連結ボルト（図示せず）によつてそれぞ
れ取外し可能に連結する。頂板１０には基地金属
のインゴツトその他の材料を装入するための装入
口１５を設け、この装入口１５を蓋板１６により
閉止する。１７は蓋板開閉用具、１８，１９は開
閉軸を示す。

基地金属撹拌槽２の下端に連通して設けられる
耐火物製の皿状の第３相固体粒子添加槽３と、複
合金属撹拌槽４とを耐火物２０で内張りした１個
の外匣２１内に設け、この外匣の上端フランジ２
２を基地金属撹拌槽２の外匣９の下端フランジ２
３に適当な連結ボルト（図示せず）その他により
取外し可能に連結する。撹拌槽４の下端には耐火
物製ノーズ２４を耐火物２５により内張りした支
持ケーシング２６により支持して設け、このケー
シング２６をもまた外匣２１の下端にフランジお
よびボルト連結等により取外し可能に連結し、ノ
ーズ２４の出口端をノーズストツパー２７により
常時閉止し、これにより複合金属撹拌槽４から第
３相固体粒子を均一に分散混合した固液相共存金
属溶湯を取鍋または鋳型に取出し得るようにす
る。

また、図示の例では、基地金属溶解槽１内に装
入された金属材料が完全に溶解する前に基地金属
撹拌槽２を経て下方の粒状金属添加槽３内に流れ
込むのを防止するため、撹拌槽２の下端流出口２
８に下方にテーパを付け、この流出口２８に逆円
錐台形のストツパー２９を取付け、これを後述す
るように撹拌羽根回転軸上取付けて軸受として作
用させるとともに回転軸を上昇させることによつ
て流出口２８を開放し得るようにする。

上述した撹拌槽２および４には撹拌羽根３１，
３２をそれぞれ回転可能に設け、これらの撹拌羽
根３１，３２をそれぞれの回転軸３３，３４上の
所定位置にキー（図示せず）によつて固定し、前
記ストツパ２９の下方に位置する回転軸３３の下
端３５にインロー部を設け、このインロー部に回
転軸３４の上端部を挿入し、止めねじ等により緊
密に連結する。かように一体に連結して一本にし
た回転軸３３，３４を槽１，２，３および４を経
て装置に垂直方向に貫通し、外匣８の頂板１０上
に設けた軸受３６と、回転軸３３上に固着したス
トツパー２９を受ける流出口２８と、後述する装
置下端に設けた軸受３７とによつて回転自在に支
承し、軸受３６から上方に延長する軸端部を電動
モータ（図示せず）に連結して回転軸３３，３４
を一体に回転し得るように構成する。

上述したように、回転軸３３の下端部に取付け
たストツパー２９を基地金属撹拌槽２の下端流出
口２８に着座する閉止位置から上昇させて流出口
２８を開放して撹拌槽２内の溶湯を添加槽３内に
流下させ得るようにするため、適当な油圧または
空圧シリンダ装置によつて制御して予め設定した
量だけ垂直方向に上下動させ得る架台（図示せ
ず）上に上述した電動モータを固定し、回転軸３
３を軸受３６内に軸線方向にも移動し得るように
支承するとともに回転軸３４の下端を支承する下
方軸受３７を高密度黒鉛製円筒形カラーで構成
し、この軸受３７をノーズ支持ケーシング２６の
下面に連結した軸受箱３８内のスリーブ３９内に
上下に摺動可能に支持する。４０はノーズ２４か
ら軸受箱３８内に溶湯が漏洩するのを防止するた
めに設けた高密度黒鉛その他の適当なシールリン
グ、４１は軸受箱３８の蓋を示す。

図示の例では撹拌羽根３１および３２をスクリ
ユー形式とするも、必要に応じ種々の形式のもの
を用いることができ、基地金属撹拌槽２内の撹拌
羽根３１形状は溶融金属に激しい撹拌を与えるの
に最適な形状とし、他方、複合金属撹拌槽４内の
撹拌羽根３２の形状はある程度の粘性を有する固
液相共存金属溶湯中に第３相固体粒子を均一に分
散混合させるとともに第３相固体粒子を含む固液
相共存金属溶湯を下端ノーズ２４に向けて順次下
方へ送り出すに最適な形状にするのが良く、ま
た、溶融金属の種類に応じて適当な形状のものと
容易に交換して用いることができる。撹拌羽根３
１をスクリユー形式とする場合、ストツパー２９
を閉じた状態でスクリユー形撹拌羽根を回転する
際に、湯が下方に送られ、撹拌槽下端における湯
の圧力が高まり、この結果として撹拌羽根が上方
に押し上げられ、これによりストツパー２９が上
昇して流出口２８が開く惧れがあり、かかる撹拌
羽根の望ましくない上昇を防止するため軸受の上
部に適当な押し上がり防止機構を設けるのが良
い。

図面に示すように、基地金属溶解槽１、基地金
属撹拌槽２、第３相固体粒子添加槽３および複合
金属撹拌槽４内の金属を所望の温度にそれぞれ制
御して加熱し、基地金属を溶解するとともに撹拌
時に所要の固液相共存状態に維持するため熱抵抗
線、電熱抵抗体、誘導体コイルその他の適当な加
熱装置４５，４６．４７および４８を各槽の周り
に取付けるとともに熱電対５０，５１，５２，５
３，５４等を適当に配置して設け、また、撹拌槽
２および４とこれらを囲む耐火物７および２０と
の間に冷却気を流し得るよう冷却気流入口５５，
５６および流出口５７，５８を設け、熱電対によ
つて測定した温度により既知の適当な自動制御装
置を用いて電熱抵抗線４５〜４８への入力電力お
よび冷却気流入口５５，５６から流入される冷却
用空気の流入量を制御することによつて適当な加
熱温度に保持し得るようにする。

６０は基地金属溶解槽１の内部を所要の雰囲気
に維持するための雰囲気ガス流入口、６１は第３
相固体粒子添加槽３の内部を所要の雰囲気に維持
するための雰囲気ガス流入口、６２は添加すべき
第３相固体粒子材料の送入管で一般に粉体の添加
に用いられるようなホツパに連結して第３相固体
粒子を添加し得るよう構成する。上述した雰囲気
ガス流入口６０，６１からそれぞれ導入したガス
は図示せざる適当な流出口を経て外部に導出され
る。

上述の構成になる装置により第３相固体粒子を
均一に分散した複合金属溶湯を溶製するに際して
は、まず、蓋１６を開け、基地金属溶解槽１内に
所望の基地金属のインゴツトを装入し、次で、蓋
１６を閉じた後、ストツパー２９が閉止位置にあ
る状態で、雰囲気ガス流入口６０よりN₂などの
不活性ガスを導入し、溶解槽１および基地金属撹
拌槽２内の雰囲気を置換し、加熱装置４５，４６
に電気を通し、溶解槽１内のインゴツトを溶解す
る。インゴツトが完全に溶解した後、電動モータ
により回転軸３３，３４を回転し、上部の基地金
属撹拌槽２内の溶融基地金属を撹拌する。この
際、撹拌槽２の冷却気流入口５５より冷却気を撹
拌槽２の周りに流して撹拌槽２内の溶融金属の温
度を所望の固液相共存温度に保持する。

かようにして撹拌槽２内の溶融基地金属を固液
相共存温度下で激しく撹拌して非樹枝状初晶を含
む固液相共存状態にした後、回転軸３３，３４を
その電動モータの架台ごと油圧または空圧シリン
ダ装置により適当量上昇させ、これによりストツ
パー３９を流出口２８より上昇してこの流出口を
開放し、非樹枝状初晶を含み適当な粘度を有する
固液相共存金属を第３相固体粒子添加量３を経て
複合金属撹拌槽４に流入させる。この際、これら
の槽３，４を加熱装置４７，４８によつて適当な
温度に予熱して固液相共存金属溶湯がこれらの槽
３，４および撹拌羽根３２上に付着凝固すること
がないようにする。

上述したようにして固液相共存金属が第３固体
粒子添加槽３を経て複合金属撹拌槽４に流入する
際、所要の性質を有する第３相固体粒子を送入管
６２を経て添加するとともにノーズストツパー２
７を取外ずす。このようにして、固液相が共存す
る基地金属溶湯中、第３相固体が均一に分散混合
された複合金属溶湯がノーズ２４を通して得ら
れ、これを図示せざるレードルまたは鋳型に注入
する。

複合金属撹拌槽４内に流入した固液相共存金属
溶湯を適当な固液相共存温度に保つため、前述し
た基地金属撹拌槽２に対する温度制御と同様に熱
電対５４により測定される温度によつて既知の適
当な自動制御装置を用いて加熱装置４８の電熱抵
抗線への入力電力および冷却気流入口５６より流
入される冷却用空気流の流入量を制御することに
よつて温度制御を行なう。

本発明の装置は上記のように構成したので非樹
枝状初晶を含む固液相共存金属に該金属の組成と
は異なる固体粒子を添加し溶融基地金属中に非樹
枝状初晶と第３相固体粒子とを均一にかつ多量に
分散させたものを連続的に溶製することができ
る。

また、炉体を構成する基地金属溶解槽、基地金
属撹拌槽、第３固体粒子添加槽および複合金属撹
拌槽等の外匣をフランジおよびボルトにより取外
し可能に連結し、またノーズ、軸受箱、撹拌羽
根、回転軸等をも容易に取外し得る構造としたか
ら、これらの修理または交換を容易に行なうこと
ができる。さらに、第３固体粒子添加槽および複
合金属撹拌槽ならびにその撹拌羽根、回転軸等を
装置から取外ずして基地金属溶解槽、基地金属撹
拌槽およびその撹拌羽根、回転軸等だけで組立て
ることによつて非樹枝状初晶を含む固液相共存金
属溶湯だけを得るための溶製装置として利用する
ことができる。

ストツパーを用いて未溶解金属材料が下方の添
加槽に流入しないよう構成したことによつて、固
液相共存金属の供給を半連続的にして各バツチ毎
に性質の異なる第３相固体粒子を添加することが
できる。

また、基地金属撹拌槽と複合金属撹拌槽とを別
個に設け、これらに撹拌羽根をそれれぞれ設ける
構成としたから、これらの撹拌羽根の形状それぞ
れの目的に合して別個に最適形状に設計すること
ができる。

上述したところは本発明の実施例を示すに過ぎ
ず、本発明を実施するに当つては、上述した例に
限られることなく、本発明の範囲内で種々の変更
をえることができ、例えば上記実施例では基地金
属溶解槽、基地金属撹拌槽、第３固体粒子添加
槽、複合金属撹拌槽を垂直に配置したが、横方向
に配置してもよい。また、基地金属溶解槽から未
溶解金属材料が下方に流下するのを防止するため
のストツパーを溶解槽と基地金属撹拌槽との間に
設けることもできる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明による装置の１例を示す縦断面図
である。 １……基地金属溶解槽、２……基地金属撹拌
槽、３……第３相固体粒子添加槽、４……複合金
属撹拌槽、５，６，７，２０，２５……耐火物内
張、８，９，２１……外匣、１０……頂板、１
１，１２，１３，１４，２２，２３……フラン
ジ、１５……材料装入口、１６……蓋板、１７…
…蓋板開閉用具、１８，１９……開閉軸、２４…
…ノーズ、２６……支持ケーシング、２７……ノ
ーズストツパー、２８……流出口、２９……スト
ツパー、３１，３２……撹拌羽根、３３，３４…
…回転軸、３５……下端、３６，３７……軸受、
３８……軸受箱、３９……スリーブ、４０……シ
ールリング、４１……蓋、４５，４６，４７，４
８……加熱装置、５５，５６……冷却気流入口、
５７，５８……冷却気流出口、６０，６１……雰
囲気ガス流入口、６２……第３相固体粒子送入
管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基地金属溶解槽と、溶融基地金属を固液相共
   存温度に保持して撹拌する基地金属撹拌槽と、撹
   拌された固液相共存金属溶湯に第３相固体粒子を
   添加する添加槽と、第３相固体粒子を添加した固
   液相共存金属溶湯を撹拌する複合金属撹拌層とを
   順次に連通させて具えることを特徴とする固体粒
   子を分散して含む複合金属溶湯の溶製装置。 ２ 前記基地金属溶解槽および前記基地金属撹拌
   槽から前記第３相固体粒子添加槽および前記複合
   金属撹拌槽を分離着脱可能としたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ３ 前記槽を垂直方向に直列に配置したことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記
   載の装置。 ４ 前記基地金属撹拌層および前記複合金属撹拌
   槽とに撹拌羽根をそれぞれ設け、これらの撹拌羽
   根を一体の回転駆動軸に着脱可能に取付けてなる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１〜３項のい
   ずれか１項に記載の装置。 ５ 前記各槽が加熱装置および温度測定装置を具
   えるとともに前記撹拌槽が冷却装置をも具え、こ
   れにより前記撹拌槽内の金属溶湯を固液相共存温
   度に保持するよう制御する構成としたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１〜４項のいずれか１項
   に記載の装置。