JPS6143146B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、金属（合金を含む）の連続的、ま
たは半連続的スラリー鋳造を行なう方法および装
置に関するものであり、特に実質上断面の全面に
亘つて非デンドライト状或は粒子状構造を含むイ
ンゴツトを製造するための鋳型に関するものであ
る。

後で成形して使用するための材料を提供する場
合に半固体チクソトロピツク合金スラリーから形
成された材料は或る利点を有することが知られて
いる。これらは通常のダイキヤストに比較して部
品の健全性が改善される利点がある。これは金属
が鋳型に入る時に部分的に固体であり、したがつ
て収縮を生じる多孔性になることが少ないことに
よる。機械部品の寿命も鋳型の腐蝕の減少および
熱衝撃の減少によつて改善される。

従来知られている半固体チクソトロピツク合金
スラリーを製造する方法は機械的撹拌および誘導
電磁撹拌を含んでいる。適当な構造を持つそのよ
うなスラリーを製造する方法は撹拌によつて生成
された剪断速度と鋳造される材料の固化速度との
バランスが必要である。

機械的撹拌技術については例えば米国特許第
3902544号、同第3954455号、同第3948650号、同
第4089680号、同第4108643号、および同第
3936298号各明細書に記載されている。機械的撹
拌についてはまた「AFSインターナシヨナル・
キヤスト・メタル・ジヤーナル」1976年９月号第
11頁乃至第22頁のFlemings氏等の論文、および
「AFSキヤスト・メタルズ・リサーチ・ジヤーナ
ル」1973年12月号第167頁乃至第171頁のFascetta
氏等の論文にも記載されている。1977年９月１日
発行のFeurer氏等のドイツ特許公報OLS2707774
号公報には機械的撹拌が若干異なつた構成として
示されている。

機械的撹拌処理においては溶融金属は冷却およ
び混合容器内の環状の空間を下方に流れる。ここ
で金属は部分的に固化され、一方中央のミキサー
のローターの回転によつて撹拌されて鋳造体用の
所望するチクソトロピツク合金スラリーを形成す
る。

誘導電磁撹拌はWinter氏等の米国特許第
4229210号明細書に記載されている。Winter氏等
は交流誘導磁界またはパルス直流磁界を使用して
固化しつつある合金溶融体の間接撹拌を行なつて
いる。

溶融金属の鋳造中に適用される電磁撹拌技術に
ついては多くの従来技術がある。例えば、米国特
許第3268963号、同第3995678号、同第4030534
号、同第4040467号、同第4042007号、同第
4042008号、同第4150712号各明細書、および「ジ
ヤーナル・オブ・メタルズ」1976年９月号の
SzekeIy氏等の論文「エレクトロマグネチカリ・
ドリブン・フロウズ・イン・メタル・プロセシン
グ」には誘導コイルによつて与えられた誘導電磁
撹拌を使用する金属鋳造技術が示されている。

鋳造中の溶融金属の撹拌に回転磁界を使用する
ことは例えば米国特許第2861302号、同第2963758
号、英国特許第1525036号、同第1525545号各明細
書に記載されている。米国特許第2963758号明細
書には溶融金属が回転磁界により電磁的に撹拌さ
れる静止鋳造および連続鋳造の両者が示されてい
る。微細粒状金属鋳造物を生じるように溶融金属
を撹拌するために鋳型或は固化しつつある鋳造物
の周囲に１以上の多極電動機ステータが配置され
る。鋳型はオーステナイト鋳鉄、オーステナイト
ステンレス剛、セラミツク等、或はそれらの材料
の組合せによつて構成することができる。

Winter氏等の1979年２月26日出願の米国特許
出願第15250号明細書（特開昭55−117556号公
報）では、２極多相電動機ステータにより発生さ
れた回転磁界がスラリー鋳造に使用されるチクソ
トロピツク半固体金属スラリーを製造するための
所要の高い剪断速度を得るために使用されてい
る。従来技術においてスラリーが回転磁界内に入
るまで固化を遅らせることが知られている。その
結果従来技術の鋳型は絶縁ライナーおよび、或は
絶縁バンドを固化を遅らせるために設けられてい
る。Winter氏等の1980年９月４日出願の米国特
許出願第184089号および1981年４月27日出願の米
国特許出願第258232号明細書（特開昭57−184555
号公報）にはそのような絶縁ライナーおよび、或
は絶縁バンドを有する鋳型が示されている。
Dantzig氏等の1981年８月３日出願の米国特許出
願第289572号明細書（特開昭58−25853号公報）
には半固体チクソトロピツクスラリー鋳造のため
および磁気誘導損失を最小にするための鋳型形状
が明らかにされている。

従来また、比較的低い熱伝導率を有する材料か
らなり、高い熱伝導率の材料で形成された挿入体
を有する直冷式（direct chill以下DCという）鋳
造鋳型を設けることによつて溶融金属からの熱の
抽出を制御することが知られている。そのような
鋳型は米国特許第3612158号明細書に記載されて
いる。

DC鋳造中の固化しつつある溶融体の撹拌は実
質上粒子状で本質的に非デンドライトの鋳造構造
を生じる。DC鋳造プロセスは他の静止型すなわ
ちバツチ式の鋳造プロセスに比較して速い冷却速
度である点が特徴である。DC鋳造中に形成され
た材料は回転磁界によつて剪断力を受ける時であ
つてもその断面の一部、一般にはインゴツトの周
縁部にデンドライト質の部分を含むことが時々あ
る。この材料は半固体状態においてチクソトロピ
ツクな性質を示さない。したがつてDC鋳造物が
プレス鋳造のような次の成形作業に使用される前
に除かれなければならない。これは非常に好まし
くない、費用のかかる工程である。さらに、好ま
しくない偏析帯がそのようなスラリー鋳造材料中
に認められた。

この発明は、実質上全断面に亘つて非デンドラ
イト構造を有するインゴツトの連続、または半連
続鋳造を行なうことのできる装置および方法を提
供するものである。

この発明の装置および方法は、熱交換部分を形
成する第１の室と、この第１の室と物理的に分離
され鋳造部分を形成する第２の室と、熱交換部分
の出口端と鋳造部分の入口端との間の耐熱遮断転
移領域とを有する鋳型を使用する。この発明の鋳
型は熱交換部分において入つて来た溶融材料を粒
子状のスラリーに連続的に交換することによつて
周縁部のデンドライト構造の形成を回壁し、次い
で粒子状のスラリーを鋳造部分に転送する。鋳造
部分へ送るスラリーの固体率を制御することによ
つて鋳造されるインゴツトの構造中のデンドライ
トの形成は実質上避けることができる。この発明
の鋳型はまた実質上偏析帯を阻止す粒子状の実質
上約一な分布を得ることを可能にする。

この発明によれば、鋳型の熱交換部分は、溶融
材料からの熱の抽出を制御し、粒子の成長を開始
させ電磁界撹拌の作用下に所望の固体比率を有す
るスラリーを生成するために冷却速度を調整する
手段を具備している。熱抽出制御手段はまた熱交
換部分内でデンドライト殻の成長の形成されるこ
とを制御し、制限して半固体スラリーの生成およ
び転送が阻害されないようにする手段を形成して
いる。

熱交換部分は所望の熱伝導率を有する、例えば
ステンレス鋼やグラフアイト等の材料で作られる
ことが好ましい。熱交換部分の内壁は鋳型空洞を
画定する。絶縁リングによつて分離された複数の
円筒面中の鋳型空洞の周囲に位置する分離された
複数の絶縁部材が熱抽出制御手段を構成する。各
円筒面は複数の互に分離された絶縁部材を有する
ことが好ましい。各円筒面の絶縁部材間の部分が
円筒面の実効熱転送区域を画定する。溶融材料が
熱抽出部分を通過するとき寸法が次第に減少した
実効熱伝送区域を設けることによつて、入つて来
る溶融材料を所望の固体比率を有する所望のスラ
リーに変換するように溶融材料からの熱の抽出が
制御される。

上流の円筒面と下流の円筒面との間では実効熱
伝達面積が減少するようにすることが好ましい。

この発明によれば耐熱遮断部が熱交換部分と鋳
型の鋳造部分とを分離している。耐熱遮断部は熱
交換部分中で形成された殻が鋳造部分へ伸びて鋳
造物インゴツトの部分となることを阻止する。耐
熱遮断部はまた鋳造部分中で形成された殻が下流
から上流の熱交換部分の方へ伸びることも阻止す
る。殻が熱交換部分中へ成長することを阻止する
ことによつてホツトスポツトやテイア
（tearing）のような問題は回避される。耐熱遮断
部は比較的熱伝導率の低い材料のリングによつて
形成されることが好ましい。

鋳型の鋳造部分は、銅およびその合金、アルミ
ニウムおよびその合金のような殻の形成および追
加的な固化を行なわせるように充分な熱伝導率を
有する材料で構成される。鋳造部分を構成する材
料は熱交換部分の材料よりも高い熱伝導率を持つ
ものであることが好ましい。熱の抽出を容易に
し、実質上磁気誘導損失を避けるために鋳造部分
の厚さを最小のものとし、かつ、或は外壁に複数
のスリツトを形成することが好ましい。

したがつて、この発明の目的は、半固体チクソ
トロピツクスラリーを形成するための効率の改善
された方法および装置を提供することである。

この発明の別の目的は実質上全断面に亘つて非
デンドライト構造を有するインゴツトに半固体チ
クソトロピツクスラリーを形成するための上述の
ような方法および装置を提供することである。

この発明の別の目的は、半固体チクソトロピツ
クスラリーを形成し、鋳造するための改善された
鋳型構造を有する上述のような方法および装置を
提供することである。

これらおよびその他の目的は添付図面を参照に
した以下の説明によりさらに明らかになるであろ
う。

この発明の背景技術としてスラリー鋳造に使用
するための半固体チクソトロピツク金属スラリー
を形成するために使用できる多数の技術が発表さ
れている。ここで使用するスラリー鋳造とは後で
処理するためのビレツト或はスラリーから形成さ
れたダイキヤストのような所望の構造に直接半固
体チクソトロピツク金属スラリーを形成すること
を云うものである。

チクソトロピツクスラリーの金属組成物は溶質
に富んだマトリツクスで包まれたばらばらの１次
固体粒子の島からなる。マトリツクスは金属組成
物が完全に固化した時には固体であり、金属組成
物が部分的には固体で、部分的には液体のスラリ
ーである時には外見上液体である。１次固体粒子
は一般に球状の形状である変形した
（degenerate）デンドライト或は団魂からなる。
１次固体粒子は完全に固化された合金において周
囲を囲むマトリツクスの平均組成とは異なつた平
均組成を有する単相或は複数相からなる。マトリ
ツクス自身はさらに固化されると１相或はそれ以
上の相を構成する。

通常の固化された合金は温度が低下し、固体の
重量割合が増加するに従つて相互連結された網状
組織が発達する分技を有するデンドライトを有し
ている。これに対して、チクソトロピツク金属ス
ラリーは固体の重量割合が95重量％までの外見上
液体の金属マトリツクスで互に分離されたばらば
らの変形したデンドライトの１次粒子からなつて
いる。１次固体粒子は変形したデンドライトであ
り、それらは平滑な表面を持ち通常のデンドライ
トより分枝が少い構造で球状に近い形状であるこ
とが特徴である。１次固体粒子の形成に続いての
液体マトリツクスの固化中に形成された１次粒子
を囲む固体マトリツクスはもつと普通の方法で液
体合金から固化するときに得られる形式の１以上
の相を含んでいる。囲んでいる固体マトリツクス
はデンドライト、単相または多相化合物、固溶
体、或はデンドライトおよび、或は化合物、およ
び、或は固溶体の混合物からなる。

この発明の方法および装置は、アルミニウムお
よびその合金、銅およびその合金、鉄およびその
合金を含む広範囲の材料に容易に適用可能であ
り、もちろんこれら金属に限定されるものではな
い。

第１図を参照するとチクソトロピツク金属スラ
リーの連続或は半連続スラリー鋳造用装置１０が
示されている。円筒状の鋳型１２はそのような連
続或は半連続スラリー鋳造に適応されている。鋳
型１２は以下説明するような構成とすることが好
ましい。

鋳型１２は円筒状であることが好ましい。装置
１０は特に撹拌用に通常の２極多相誘導電動機ス
テータを使用して円柱状インゴツトを製造するよ
うに適応されている。しかしながら図示されてい
ない非円形管状鋳型装置を使用し、横断方向或は
周辺方向に移動する磁界を得ることも可能である
から、円柱状のインゴツトの形成に限定されるも
のではない。

溶融材料は供給システム１６を経て鋳型１２に
供給される。溶融材料供給システムは部分的に示
した炉１８、桶２０、溶融材料流制御系例えば弁
２２、供給口２４、および容器２６からなる。制
御系２２は桶２０から供給口２４を通つて容器２
６へ流れる溶融材料の流れを制御する。制御系２
２はまた容器２６中の溶融材料液面の高さを制御
する。その代りに溶融金属は炉１８から容器２６
に直接供給されてもよい。溶融材料は導管２８を
通つて水平に容器２６から出て行く。導管２８は
鋳型１２の入口に直接連通している。

固化されつつある鋳造物またはインゴツト３０
は引き出し機構３２によつて鋳型１２から引き出
される。引き出し機構３２はインゴツト３０に対
して鋳型部分からそれを引き出すための駆動を与
える。鋳型１２中への溶融材料の流入率はインゴ
ツト３０の引き出しによつて制御される。引き出
し機構３２として任意の適当な通常の装置が利用
できる。

所望のチクソトロピツクスラリーを形成するた
め鋳型１２内の溶融金属を撹拌する手段を設ける
ために、２極多相誘導電動機ステータ５２が鋳型
１２を囲んで配置される。ステータ５２は積層鉄
心５４を備え、それに所望の巻線５６が３相誘導
電動機ステータとなるように普通の方法で巻回さ
れることが好ましい。ステータ５２は電動機容器
Ｍ内に配置されている。異なつた周波数および振
幅の電力および電流を与えるための任意の適当な
手段が使用できるが電力および電流を可変周波数
発生装置５８によつてステータ５２に供給するこ
とが好ましい。ステータ５２は鋳型１２およびそ
の内部に形成されたインゴツト３０の軸６０と同
軸に配置される。

２極３相誘導電動機ステータ５２を利用するこ
とは好ましいことである。２極モータのステータ
５２を使用する利点の１つは鋳型の全断面に亘つ
てゼロ磁界が存在しないことである。ステータ５
２によつて生成された磁界により発生された磁気
流体力学的撹拌力は一般に鋳型内壁の接線方向で
ある。これはチクソトロピツクスラリーを生成す
るための所望の剪断力を発生させる溶融金属の回
転を鋳型空洞内に設定する。磁気流体力学的撹拌
力ベクトルは熱の抽出方向に垂直であり、それ故
デンドライトの成長方向に垂直である。固化範囲
全体の、すなわちスラリーの中心から鋳型内壁ま
での平均剪断速度を所望の値に維持することによ
つて成長するデンドライトの改善された剪断が達
成できる。

回転磁界から剪断力を受ける時ですらもDC
（直冷式）鋳造を使用して形成された材料はその
断面の一部、一般にインゴツトの周辺に本質的に
デンドライトである部分を含んでいる可能性があ
る。この発明による鋳型１２はこの問題を実質上
消去し、実質上その全断面に亘つて非デンドライ
ト構造の実質上均一の分布を有するインゴツト３
０を生成する。構造全体に亘つた実質上均一な微
粒子分布は偏析帯をサ阻止する。

鋳型１２は第２図に示すように熱交換部分６
２、鋳造部分６４および耐熱遮断部６６を備え
る。熱交換部分６２は溶融金属からの熱の抽出お
よびその結果の溶融金属の温度の低下が電磁的撹
拌の作用下に半固体スラリーを生成するように制
御されるように設計されている。粒子の成長を開
始させるように溶融材料の冷却速度を調整するこ
とによつて高溶質液体中の固体の１次相材料から
なるスラリーは所望の鋳造構造を生じるように鋳
造部分へ供給される。熱交換部分６２はまたスラ
リーの発達および転送を妨げる殻構造がそこに形
成されることを阻止するように設計されている。

与えられた金属系に対する所定の直径を有する
熱交換器の長手方向の溶融材料中の温度低下は主
として鋳型の熱的特性と鋳造速度とによつて決定
される。これら２つのパラメータの適切なバラン
スは溶融材料の与えられた入口温度に対して鋳造
部分６４の入口７０に転送されるスラリーの１次
相材料の固体比率によつて決定される。

その長手方向に沿つた一定の高い熱特性を有す
る熱交換器は非均質なデンドライト殻を生成し、
それは熱交換器の出口端に向つて順次厚くなる。
殻の厚さが増加するに従つて磁界損失が対応して
増加し、溶融体中の剪断速度を低下させ、したが
つてスラリーを効果的に撹拌する能力を低下させ
るから、このような状態は非常に好ましくないこ
とである。過度に殻が成長すると熱交換器を通し
ての所要速度が増加し、したがつて得られる熱転
送時間をスラリー温度の制御が維持できないよう
に減少させる。さらに、過度に殻が厚くなるとブ
リツジが形成され、流れを阻止し、したがつて鋳
造も停止してしまう。この発明の鋳型の熱交換部
分６２はこれらの問題を避けることに成功した。

熱交換部分６２は内壁７４、外壁７６を有する
部材７２によつて形成され、内壁７４は鋳型空洞
の熱交換部分を画定している。内壁７４によつて
形成された鋳型空洞の断面形状は円形、正方形、
長方形、アレイ（dog−bone）状、その他任意所
望の形状でよい。部材７２は管状であることが望
ましい。

部材７２はステンレス鋼、グラフアイトのよう
な適当な熱特性を有する任意の材料で形成するこ
とができる。例えば比較的低い熱伝導率の材料で
形成することもできる。熱は部材７２の壁を通し
て溶融材料から抽出される。

所望の固体比率を有するスラリーが形成される
ように溶融材料からの熱の抽出を制御するため
に、複数の熱の絶縁部材７８が使用され、熱交換
部分の全体の実効熱転送区域を定める。絶縁部材
７８は複数の円筒面（円筒の内側の面）８０〜８
４に配置されることが好ましい。各円筒面は１以
上の絶縁部材７８を含んでいる。各円筒面の部材
７８に覆われない露出された区域８６は各円筒面
の実効熱転送面積を決定する（第３図乃至第５図
参照）。

部材７８は実質上熱伝導性のない材料で作られ
ることが好ましい。セラミツク或はガラスのよう
な任意の適当な低熱伝導率材料が部材７８に使用
できる。部材７８を通つて実質上熱の転送は行な
われないから、溶融材料から抽出される熱は露出
された区域８６で部材７２を通つて１次的に移動
する。円筒面中の区域８６の寸法を調整すること
によつて溶融材料から抽出された熱、したがつて
結果的には平均冷却速度は固体粒子の成長が開始
され、入つて来る溶融材料を所望の固体化率を有
する半固体スラリーに変換するように制御され
る。

部材７８を備えた円筒面は複数の熱絶縁性のリ
ング８８によつて分離されている。リング８８は
部材７８と同じ材料で形成することができる。リ
ング８８は溶融材料から抽出される熱量の制御を
助ける。

好ましい実施例では部材７８は内壁７４に設置
されている。部材７８を内壁７４に固定するため
に任意の適当な通常の手段が使用できる。内壁７
４に部材７８を取り付ける代りに、部材７８は第
８図に示すように管状の部材７２中に埋め込んで
内壁７４および外壁７６と連続した表面になるよ
うにしてもよい。

代りに、第９図に示されるように部材７８を外
壁７６に取り付けてもよい。円筒面の部材７８の
間の部分が実効熱転送面積を決定する。外壁７６
に取り付けられた時に、部材７８は冷却マニホル
ド３４′によつて密閉された冷媒と接触させるこ
とが好ましい。

実効熱転送区域８６は複数の軸方向の面に位置
させてもよく、或は熱交換部分の周囲にずらせて
位置させてもよい。区域８６は絶縁性の部材７８
を面から面へずらすことによつてずらされてもよ
い。

溶融材料から抽出された熱は部材７８の間隔を
変更し、および、或はそれらの形状を区域８６の
寸法を変えるように変更することによつて制御し
てもよいことも注意しなければならない。各部材
７８によつて画定された円筒のセグメントの寸法
は鋳造されるシステムの性質、溶融材料の入口温
度に依存する。異なる材料は実質的に異なつた円
筒面中の熱転送面積を必要とする。

溶融材料は熱交換部分６２の入口に近い部分で
は出口に近い部分よりは多くの熱量を有している
から、上流の円筒面は下流の円筒面よりも大きい
実効熱転送面積を持たせることが好ましい。第３
図乃至第５図はこれを示している。所望ならば上
流の複数の円筒面８０，８１，８２は同じ実効熱
転送面積を有してもよい。その代りに実効熱転送
面積が最も上流の円筒面８０から最も下流の円筒
面８４まで順次減少するようにしてもよい。

上述の方法で溶融材料から抽出される熱を制御
することにより、液体の代りに半固体スラリーが
鋳造部分６４に送出されるように溶融材料の温度
を制御することが可能である。

溶融材料から抽出される熱を制御すると共に、
部材７８およびリング８８は冷却により形成され
る殻の寸法を制御する働きを助ける。部材７８お
よびリング８８を通つて導かれる熱が実質上存在
しないために、区域８６の隣接した区域で形成さ
れたデンドライト殻の成長は部材７８或はリング
８８の１つと接触することによつて妨げられる。
各部材７８および各リング８８は隣接した区域８
６中に形成された殻が厚くなり橋絡されることが
阻止できるように充分な厚さと長さを有していな
ければならない。殻の成長を制限することによつ
て磁界損失の増加、撹拌効率の低下、流体の流通
の阻害などの問題は回避される。溶融材料のスル
ープツトを適当に制御することにより熱交換部分
における隣接するデンドライト殻の形成は完全に
避けることができる。

所望ならば熱交換部分６２に供給ノズル９０を
設けてもよい。供給ノズル９０はセラミツクのよ
うな絶縁材料で形成することが好ましい。

導電材料で作られた鋳型が誘導磁界の可成りの
部分を吸収する傾向があることは従来から知られ
ている。この鋳型の吸収作用は誘起電流の周波数
が増加すると共に増加する。そのような磁気誘導
損失を最小にするために部材７２の厚さは最小の
ものとしなければならない。さらに外壁７６は複
数のスリツト９２を設けられてもよい。スリツト
９２は部材７２中に誘起した電流路を最小にし、
磁気誘導損失を最小にする。

耐熱遮断部６６は熱交換部分６２と鋳造部分６
４との間の転移領域として作用する。耐熱遮断部
６６は実質上熱伝導性のないリング状の材料で形
成することが好ましい。パイロサーム
（Pyrotherm）の名称で市販されている耐熱材料
のような低熱伝導率の適当な材料を使用すること
ができる。

耐熱遮断部６６の機能は２つある。まず、鋳造
部分６４中の殻の成長から熱交換部分６２中の殻
の成長を分離する作用をする。第２に、それは半
固体の粒子状のスラリーがそれを通つて鋳型の２
つの部分間で転送される導管として作用する。

耐熱遮断部６６は実質上熱の転送（抽出）の行
なわれない領域を与える。それ故熱の転送がない
と殻の成長は抑制されるから熱交換部分６２中で
形成された殻が成長して鋳造部分６４中まで伸び
ることが阻止される。同様に鋳造部分６４中で形
成された殻も熱交換部分６２中へ戻るように成長
して伸びることが阻止される。このようにして鋳
造部分中で形成された殻の成長を制限して限られ
た長さを持つ殻しか形成されないようにすること
によつて、殻破砕に関連する問題を回避すること
ができる。耐熱遮断部は殻が橋絡しないような充
分な長さおよび厚さを有するものでなければなら
ない。

そのスラリー転送機能に関して耐熱遮断部６６
の幾何学的構造はシステムの応用流体力学に影響
を与える。耐熱遮断部６６の熱交換部分側の端部
９６は転移領域に隣接したデツドゾーンを避ける
ために熱交換部分の断面と同様でなければならな
い。耐熱遮断部の鋳造部分側の端部９８は鋳造部
分６６中へのスラリーの流れを制御するような適
当な形状にされなければならない。生成される鋳
造インゴツト中の収縮を最小にする有孔率にする
ように固化空洞１００を満たすようにスラリーの
運動を制御することが望ましい。耐熱遮断部６６
の長さおよび転送通路９４の直径はスラリー転送
プロセスを最良にするように選択されなければな
らない。もしも直径が大き過ぎると鋳造部分６４
中への乱流が活発になる。直径が小さ過ぎたり、
長さが長過ぎると鋳造部分６４中への比較的静か
な転送により熱交換部分６２に付加的な撹拌が与
えられる。理想的には耐熱遮断部６６を通るスラ
リー流は所望の鋳造速度を維持するに充分なもの
でなければならない。

鋳造部分６４は固化を行なうに充分な熱転送特
性を有する任意の適当な材料で形成された室１０
２を備えている。例えば、銅およびその合金、ア
ルミニウムおよびその合金のような適当な高熱伝
導率の材料が鋳造部分を形成するために使用され
る。室１０２の材料は部材７２の材料よりも高い
熱伝導率を持つている。室１０２は鋳型空洞の鋳
造部分を形成する内壁１０４と外壁１０６とを有
する。内壁１０４により形成された鋳型空洞の断
面形状は円形、正方形、直方形、アレイ状その他
製造されるべき鋳造物に所望される断面形状によ
つて決定される任意所望の形状でよい。室１０２
は本来管状であることが好ましい。外壁１０６は
磁気誘導損失を最小にするために切込まれた複数
のスリツト１０８を有している。磁気誘電損失を
さらに小さくするために、室１０２の全体の壁の
厚さは最小にされなければならない。所望なら
ば、鋳造部分６４は熱交換部分６２と物理的に分
離されねじ１１０のような適当な手段によつてそ
れに取り付けられてもよい。

冷却マニホルド３４は外壁１０６を囲んで配置
されている。図示の特定のマニホルドは第１の入
力室３８と、狭い溝４２によつて第１の入力室３
８に連結された第２の室４０とを備えている。適
当な材料で作られた冷媒ジヤケツトスリーブ４４
がマニホルド３４に取り付けられている。放出口
４６は冷媒ジヤケツトスリーブ４４と外壁１０６
との間の間隙により画定されている。冷媒、好ま
しくは水の一様なカーテン鋳型外壁１０６の周囲
に形成される。冷媒は内壁１０４を介して溶融材
料から熱を運び去る作用をする。冷媒は放出口４
６を通つて固化中のインゴツトに対して直接放出
される。適当な弁装置４８が設けられて金属が固
化される速度を制御するために水その他の放出さ
れる冷媒の流量を制御する。装置１０においては
手動弁４８が示されているが、所望ならばこれは
電気的に作動される弁その他の適当な弁装置であ
つてもよい。

鋳型１２は内壁１０４に潤滑剤を供給するため
の系１１１を備えることが好ましい。潤滑剤は金
属が鋳型の内壁１０４に粘着することを阻子する
作用を助け、熱転送プロセスにおいて固化に際し
ての収縮の結果内壁１０４とインゴツトとの間に
形成される間隙を満たす。

潤滑系１１１は熱交換部分の外壁７６と鋳造部
分の内壁１０４′との間の通路１１４に潤滑剤を
供給するための入口１１２を備えている。通路１
１４中の潤滑剤はねじ１１０中の図示していない
溝のような適当な連結通路を経て室１１６に送ら
れる。この室１１６から潤滑剤は内壁１０４に流
下することができる。熱交換部分６２中へ潤滑剤
が流れることを阻止するために、内壁７４と耐熱
遮断部６６との間に溝内にシーリング・リング１
１８が設けられている。ガスケツトのような任意
の通常のシーリング手段がシーリング・リング１
１８のために使用できる。

潤滑剤は適当な材料からなるものでよく、適当
な形態が与えられる。好ましい実施例においては
潤滑剤は流体状のナタネ油である。代りに、潤滑
剤は粉末状のグラフアイト、高温シリコーン樹
脂、ヒマシ油、その他の植物油または動物油、エ
ステル、パラフイン、その他の合成樹脂液、その
他鋳造技術に使用される適当な潤滑剤でもよい。
さらに所望ならば潤滑剤は溶融材料と接触すると
直に溶融する粉末として注入されてもよい。

潤滑系は熱交換部分６２から熱を除去する作用
を促進することに注意しなければならない。熱転
送区域８６において熱交換部分６２を通つて転送
される熱は通路１１４中の潤滑剤を通り、壁１０
４′および１０６を通つて冷却マニホルド３４中
の冷媒に転送される。

鋳型１２中に導入された溶融材料もまたマニホ
ルド３４から鋳型１２の外壁１０６上に流れる水
によつて制御された状態で冷却される。外壁１０
６に沿つた水流の速度を制御することによつて鋳
型１２内の溶融材料からの熱の抽出速度は部分的
に制御される。

もしも第９図に示すような熱交換部分６２の外
壁７６に取り付けられ冷却マニホルド３４′に囲
まれた絶縁部材７８を有する熱交換装置を使用す
ることが望まれるならば、潤滑系１１１の代りに
適当な潤滑系を使用することができる。

絶縁部材７８を備えた最も上流の円周面の周囲
からチクソトロピツク金属スラリーの固化領域の
一番下流の点までに亘つてステータ５２によつて
発生される撹拌力磁界が延在する撹拌力磁界を有
することによつて、所望の半固体粒子状スラリー
が形成され、鋳造部分６４に転送され、鋳造物３
０は実質上その全断面がスラリー鋳造構造からな
る構造を有する。鋳型の周辺に垂直に最初に形成
されるデンドライトは誘導電動機ステータ５２の
回転磁界によつて生じた金属の流れによつて容易
に剪断されて除去される。剪断除去されたデンド
ライトは撹拌され続けられて変形したデンドライ
トを形成する。変形したデンドライトはまたスラ
リー内にも直接形成される。何故ならば溶融体の
回転撹拌作用はデンドライトの自由な成長を許さ
ないからである。

ステータ５２は固化領域の全長を越える長さで
あることが好ましい。特にステータ５２に関連し
た撹拌力磁界は所望の剪断速度を発生させるため
に充分の大きさで固化領域の全長および全断面に
延在していることが好ましい。第２図に示すよう
に固化領域は鋳造部分６４内の溶融金属スラリー
の溜まつた部分１００を含み、それは鋳造部分の
入口の付近からスラリーと固化された鋳造物３０
を分離している固化前面１２２まで延在してい
る。固化領域は少なくとも鋳型空洞中の固化およ
びスラリー形成の最初に開始される領域から固化
前面まで延在している。

第１図に示す装置１０を使用してスラリー鋳造
物３０を形成するために、溶融金属が鋳型空洞中
に注入され、一方ステータ５２は所望の大きさお
よび周波数の適当な３相交流電流により付勢され
る。溶融金属が鋳型空洞に注入された後、ステー
タ５２によつて生成された回転磁界により連続的
に撹拌される。熱交換部分６２中の溶融金属から
抽出される熱および鋳造速度を制御することによ
つて鋳造物３０中にデンドライト表面の生成が実
質上消失する充分に高い固体比率を有する半固体
スラリーが生成され、鋳造部分６４に転送され
る。鋳造部分６４においては固化殻がチクソトロ
ピツクスラリーの周辺に形成される。固化殻が鋳
造物３０の上に形成される時、引き出し装置３２
が作動されて鋳造物は所望の鋳造速度で引き出さ
れる。

装置１０は、棒、線等の任意所望の直径、長
さ、形状の連続部材を鋳造することができる。

この発明をさらに完全に理解するために次の実
施例を例示する。

直径5.08cm（２インチ）のアルミニウム合金Ａ
３５７のインゴツトが第１図乃至第７図に示した
装置を使用して鋳造された。熱交換部分は５個の
0.64cm（0.25インチ）の長さの円筒面を有し、或
はそれぞれ0.64cmのパイロサーム絶縁リングによ
つて分離された熱転送スロツトを有していた。各
円筒面すなわち熱転送スロツトは特定の転送区域
を露出させる交互のパイロサーム絶縁部材を有し
ていた。熱交換器の材料はステンレス鋼であり、
実効熱転送区域は鋳造部分の方向に行くに従つて
減少された。耐熱遮断部は約2.4cm（0.94イン
チ）の長さのパイロサームリングより構成され
た。鋳造部分は0.6％のCrを含み残りは実質上銅
よりなる銅合金で作られた。

上流側の３個の円筒面は実効熱転送区域が240
゜（第３図等で８６の部分の中心角の和が240゜
であるという意味である）であつた。第４すなわ
ち終りから２番目の円筒面の実効熱転送区域は
160゜であつた。最下流の円筒面は実効熱転送区
域が120゜であつた。

鋳造は電源電流約24アンペア、周波数約250Hz
で行なわれた。毎分約50.8cm（約20インチ）の鋳
造速度において熱交換部分の中心線に沿つた温度
降下は放出温度において25℃の温度低下を生じ
た。耐熱遮断部に入るスラリーの温度は650℃
で、それは合金Ａ３５７の液化温度より約10℃低
かつた。

液体の代りにスラリーを転送することによつて
得られた鋳造物の微細構造は非デンドライトの周
辺部からなるものであつた。さらに通常のDC
（直冷）撹拌鋳造のＡ３５７において時に観察さ
れた偏析帯が実質上阻止された粒子状体の均一の
分布が得られた。

上述の例は、この発明は所望の固体比率を有す
る半固体スラリーを形成するための所望の温度低
下を得るために熱交換部分の熱転送条件を広範囲
で選択できることを示している。電磁撹拌による
剪断と熱転送の適切なバランスが、実質上全断面
に亘つて非デンドライト構造を形成できるように
鋳造部分にスラリーを供給することができるよう
にする。

この発明の方法を行なうために適当な剪断速度
は少なくとも約400sec^-1から約1500sec^-1の範囲
であり約500sec^-1以上約1200sec^-1までの範囲が
好ましい。アルミニウムおよびその合金に対して
は約700sec^-1から約1100sec^-1の範囲の剪断速度
が好ましいことが認められた。

約2.54cm（約１インチ）から約25.4cm（約10イ
ンチ）の半径のアルミニウムを鋳造する際の電源
周波数は約３乃至約3000Hzであり、約９乃至約
2000Hzであることが好ましい。

所要の磁界強度は電源周波数と溶融体半径との
関数でありアルミニウムの鋳造では約50乃至約
1500ガウスであり、約100乃至約800ガウスである
ことが好ましい。

使用された特定のパラメータは所望のチクソト
ロピツクスラリーを生成するために金属系によつ
て変えることができる。

この明細書で使用される磁気流体力学的という
語は移動または回転磁界を使用して溶融金属或は
スラリーを撹拌する方法を云うものである。磁気
撹拌力はこの発明の移動または回転磁界により与
えられる磁気駆動力撹拌力と云う用語の方がさら
に適切かも知れない。

この発明はこれまで特定の連続または半連続鋳
造システムについて説明して来たが、この発明の
鋳型は固化中に溶融体の部分の磁気流体力学的撹
拌を利用する他の型式の鋳造システムに使用する
ことができる。

またこの発明は水平鋳造システムを例にして説
明したが、この発明の鋳型は垂直鋳造システム或
は任意の所望の方向の鋳造システムに使用でき
る。

この発明の熱抽出制御手段は絶縁リングで分離
された絶縁部材を含む複数の円筒面のものについ
て説明したが、熱抽出手段は厚さの変化した連続
したライナーでもよい。ライナーは比較的熱伝導
率の低い材料によつて形成されることが好まし
い。

この発明によつて前述した目的、効果を充分に
満足させることのできるスラリー鋳造の方法およ
び装置が提供されることは明白である。この発明
は特定の実施例に関連して説明したが、当業者に
は多くの変形、変更、代替手段が存在することは
明らかである。したがつてこれらの代替手段、変
形、変更もこの発明の技術的範囲に含まれること
を強調しておく。

【図面の簡単な説明】

第１図は水平方向にチクソトロピツク半固体ス
ラリーを鋳造する装置を部分的に断面で示した概
略図、第２図は第１図の装置中で使用される鋳型
の概略図、第３図、第４図、第５図、第６図、第
７図はそれぞれ第２図の線３−３，４−４，５−
５，６−６，７−７に沿つた断面図、第８図およ
び第９図はそれぞれ第２図の鋳型の熱交換部分の
変形実施例の部分的断面図である。 １０……鋳造装置、１２……鋳型、１８……
炉、２０……桶、２２……弁（制御系）、２４…
…供給口、２６……容器、２８……導管、３０…
…鋳造物（インゴツト）、３２……引き出し機
構、３４……冷却マニホルド、４８……弁装置、
５２……ステータ、５４……積層鉄心、５６……
巻線、５８……可変周波数発生装置、６２……熱
交換部分、６４……鋳造部分、６６……耐熱遮断
部、７８……絶縁部材、８６……熱転送区域、８
８……絶縁リング、９２……スリツト、１０２…
…鋳造室、１０８……スリツト、１１０……ね
じ、１１１……潤滑系。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶融材料を収容するための第１室部分と、こ
   の溶融材料をインゴツトに鋳造するための第２室
   部分とを有する鋳型を設け、 これら第１室部分および第２室部分内で溶融材
   料を電磁撹拌手段によつて撹拌し、 第１室部分において前記溶融材料から熱を抽出
   し、 前記溶融材料の１次相粒子の成長を開始させ、
   実質上全断面に亘つて非デンドライト構造を有す
   る鋳造物を形成するのに充分な粒子からなる固体
   比率を有する半固体スラリーを前記第１室部分内
   に形成するように前記溶融材料からの熱の抽出量
   および溶融材料の冷却速度を制御し、 前記半固体スラリーを前記第２室部分に転送
   し、 前記第２室部分において前記半固体スラリーを
   前記鋳造構造および殻を有するインゴツトに固化
   し、 前記第２室部分において形成された前記殻が前
   記第１室部分に戻るように伸びることを阻止する
   ことを特徴とする溶融材料の鋳造方法。 ２ 前記第１室部分で形成されたデンドライト殻
   構造が前記第２室部分中に伸びることが阻止され
   る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記半固体スラリーを前記第２室部分に転送
   するための転移部分が設けられ、この転移部分は
   比較的低い熱伝導率の材料で構成されており、こ
   の転移部分を通つて熱の抽出が実質上行なわれな
   いことにより前記デンドライト殻の成長がこの転
   移部分と接触することによつて制限され、またイ
   ンゴツトの殻が前記第１室部分に戻るように伸び
   ることが阻止される特許請求の範囲第２項記載の
   方法。 ４ 前記溶融材料からの熱を抽出し制御する工程
   において、比較的低い熱伝導率を有する材料で作
   られた１個以上の部材を備えた複数の円筒面を設
   け、これら円筒面はそれぞれ前記１個以上の部材
   が設けられていない円筒面部分によつて熱転送区
   域の実効熱転送面積が決定されており、最上流の
   前記円筒面は第１の実効熱転送面積を与えられ、
   最下流の前記円筒面は第１の実効熱転送面積より
   少ない第２の実効熱転送面積を与えられ、この熱
   転送区域を通して前記溶融金属からの熱の抽出が
   行なわれる特許請求の範囲第１項記載の方法。 ５ 前記複数の円筒面を隣接するものとの間に比
   較的低い熱伝導率の材料で作られた絶縁手段が設
   けられている特許請求の範囲第４項記載の方法。 ６ 前記電磁撹拌手段によつて前記第１室部分お
   よび第２室部分に誘起する電流が最小のものと
   し、鋳型中の磁気誘導損失が最小にされている特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 ７ 前記第２室部分と接触させて冷媒を供給して
   第２室部分を冷却する特許請求の範囲第１項記載
   の方法。 ８ 潤滑剤の供給手段を設け、前記第２室部分の
   内壁を前記潤滑剤で潤滑させ、前記熱抽出工程に
   おいて熱を前記溶融材料から前記第１室部分およ
   び潤滑剤を通して前記冷媒に転送する特許請求の
   範囲第７項記載の方法。 ９ 溶融材料から熱を抽出する第１室部分と半固
   体スラリーを鋳造するための第２室部分と、転移
   部分とを具備している鋳型と、前記第１室部分お
   よび第２室部分内の溶融材料およびスラリーを電
   磁的に撹拌する手段とを具備し、 第１室部分は、溶融材料の１次相粒子の成長が
   開始し、実質上全断面に亘つて非デンドライト構
   造を有する鋳造構造を形成するに充分な粒子から
   なる固体比率を有する半固体スラリーを形成する
   ように溶融材料から抽出される熱の量および溶融
   材料の冷却速度を制御する手段を備えており、 第２室部分は殻と前記鋳造構造を有するインゴ
   ツトに半固体スラリーを鋳造し、 転移部分は前記半固体スラリーを鋳造部分であ
   る前記第２室部分に転送し、前記第１室部分へ前
   記殻が戻るように伸びることを阻止する如く構成
   されていることを特徴とする溶融材料の鋳造装
   置。 １０ 前記第１室部分と第２室部分とが離れた位
   置にある特許請求の範囲第９項記載の装置。 １１ 前記第１室部分が１個の出口部分を有し、
   前記第２室部分が１個の入口部分を有し、前記転
   移部分が前記入口部分および出口部分に隣接して
   いる特許請求の範囲第１０項記載の装置。 １２ 前記転移部分が比較的熱伝導率の低い材料
   で形成され、前記第１室部分で形成されたデンド
   ライト殻構造の成長を制限し、かつ前記インゴツ
   ト殻が前記第１室部分へ戻るように伸びて成長す
   ることを阻止するに充分な厚さおよび長さを有し
   ている特許請求の範囲第１１項記載の装置。 １３ 第１室部分は内壁および外壁を有し、所望
   の熱伝導率を有する材料で構成され、前記制御す
   る手段は１個以上の円筒面中に位置する複数の分
   離された実質上熱伝導性のない材料で作られた部
   材を備え、各円筒面中のこれら部材の間の区域が
   壁を通して前記溶融材料から熱を取り除くための
   実効熱転送区域を形成している特許請求の範囲第
   ９項記載の装置。 １４ 前記制御する手段は前記実効熱転送区域を
   画定する前記複数の分離された部材を備えた前記
   複数の円筒面を具備し、これらの円筒面の最上流
   のものは第１の実効熱転送面積を有し、円筒面の
   うち最下流に位置するものは第２の実効熱転送面
   積を有し、第１の実効熱転送面積は第２の実効熱
   転送面積より大きくされている特許請求の範囲第
   １３項記載の装置。 １５ ３個以上の円筒面を有し、実効熱転送面積
   が円筒面の最上流のものから最下流のものに向つ
   て減少している特許請求の範囲第１３項記載の装
   置。 １６ 前記分離された部材が前記内壁に隣接して
   位置している特許請求の範囲第１３項記載の装
   置。 １７ 前記分離された部材が前記外壁に隣接して
   位置している特許請求の範囲第１３項記載の装
   置。 １８ 前記分離された部材が前記第１室部分に埋
   め込まれている特許請求の範囲第１３項記載の装
   置。 １９ 前記円筒面の隣接するものの間に位置する
   絶縁手段を備え、この絶縁手段は比較的熱伝導率
   の低い材料で構成されている特許請求の範囲第１
   ３項記載の装置。 ２０ 鋳造する部分は前記半固体スラリーの固化
   を行なわせるのに充分な熱伝導率を有する材料で
   構成されている特許請求の範囲第９項記載の装
   置。 ２１ 第１室部分が第１の所望の導電率の材料で
   構成され、第２室部分が第２の所望の導電率の材
   料で構成され、前記撹拌手段により前記第１室部
   分および第２室部分を構成する材料内に電流が誘
   起され、前記第１室部分および第２室部分は前記
   誘起した電流によつて生じる磁気誘導損失を最小
   にする手段を備えている特許請求の範囲第９項記
   載の装置。 ２２ 前記鋳造する部分を囲み鋳造する部分を冷
   却する手段を備えている特許請求の範囲第９項記
   載の装置。 ２３ 第１室部分が本質的に鉄からなる非磁性材
   料で構成され、第２室部分が本質的に銅からなる
   材料で構成されている特許請求の範囲第９項記載
   の装置。 ２４ 前記鋳造する部分は内壁を有し、その内壁
   が前記スラリーと接触してスラリーをインゴツト
   に固化させるためにスラリーから熱を除去する作
   用を促進しており、この内壁の潤滑手段が設けら
   れ、その潤滑手段は前記第１室部分中の溶融材料
   から熱を抽出し、その熱を前記冷却手段に転送す
   る手段を備えている特許請求の範囲第２２項記載
   の装置。