JPS62142065A - 金属製造方法及びその装置 - 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】 イ、産業上の利用分野 本発明は金属の製造方法及びその装置に係る（本文に用
いる用語「金属」はほぼ純粋な金属及び金属合金の両方
を意味する）。

口、従来技術と間湧点 従来、金属は伝統的に液体状頷から鋳造により作られて
いる。普通の金属鋳造物には２つの主要な欠陥即ち、偏
析と好ましからざる粗大結晶粒度とがともなっており、
これらにより金Ｆｆ４ｍ造物に対する比峻的劣等な機械
的特性ならびに熱間又は冷間加工の必要全ともなう場合
におけるその後の製造工程の困難性の両方がもたらされ
る。

急速な凝固が微細結晶粒度ならびに減少せる偏析をもた
らすことは長年知られているけれど、普通の方法により
大型鋳造物で急速凝固を達成する試みは良好な結果をあ
げていない。父、鋳造物内にきわめて多数の核生成個所
全形成すると微細な結晶粒度及び減少せる偏析が得られ
ることも長年知られている。この考えは、この特定目的
のための核物質の直接添加による核生成個所をともなっ
た接種鋳造物によって利用されている。

ハ０間４点を解決する之めの手段 片々は現在金属製作方法及びその装置を開発しており、
これにより大型及び小型金属絹造物の両方を特別の核生
成物質の添加をともなうことなく微細結晶粒度及び低偏
析をともない製造することが可能である。従って、本発
明は、微粉化溶融金属の流れを冷却面上に向は金属が部
分的に凝固し依然溶融状態の金属中に浮遊せる凝固金属
よりなるスラリーを形成するようにし、更にこのスラリ
ーを液流動状態の下で後処理のため受け容器に流し２込
む段階を有する金属製造方法を提供する。

本発明の他の特徴によれば、溶融金属の容器と、該容器
から取り出した溶融金属を微粉化するための装置と、こ
の微粉化装置により得られた微粉化溶融金属小滴の流１
しを冷却面上に向けるための装置と、この金属面を前記
溶融金属を急冷し核浴融金属の部分的凝固を引き起こす
ことができるよう冷却する念めの装置と、前記面から一
部凝固金属を液流動状態の下で流すための装置と、前記
一部凝固金属を受けるための受け容器を有する金属製造
装置が提供される。

本発明による方法においては、冷却面に対する微粉化小
滴の衝撃は強烈な剪断作用を起こし、この作用により飛
翔中の微粉化粒子中に既に存在する樹枝状結晶及び衝撃
時に以前のはねり付着に残っている液膜中に形成された
樹枝状結晶が破砕し分裂する。凝固金属の破砕されたア
ームは氷結量全体にわたり分布しｉ微細結晶粒度をもた
らす次の凝固のための核として作用し、他方分裂した樹
枝状結晶核が凝固量の全体にわたり分布され（溶質の流
入ができない大きな液のポケット形成を防止する）るの
で、偏析は制止される。

従来樹枝状結晶の破砕を利用して微細結晶粒度ならびに
低偏析の鋳造物を製造しているけれど、実施方法には機
械的攪拌又は磁気的攪拌がともなっている。機械的攪拌
は経済的に実施することが困難であり、しばしば製品の
汚染を引き起こし、他方磁気的攪拌によれば剪断が少な
く樹枝状結晶の破砕が少ない。本発明による方法では、
冷却面上の跳ねり平坦状付着の形成により冷却及び剪断
が同時に発生するよう高速噴霧状の溶融小滴を冷却面上
に向ける考えが利用されている。

本発明による方法によれば、最初の付着が冷し面上に恒
久の薄い皮状又は銅屑状の完全凝固せる金属を形成し次
いて形成される一部凝固の金属の付着が必して冷却面に
直接接触せずに冷却面に粘着しているそれ自体の成分の
金属により冷却されるようにする段階が含まれる。

本発明の方法においては、微細結晶粒度の偏析のない製
品を製造でき、浴融金属の流れを微粉化して噴霧状の溶
融小滴を形成しこれを冷却面上に向けその面上で小滴は
平らな付着層状化され一部凝固をともなう温度に冷却さ
れ同時に平坦付着作用自体に帰因する強烈な剪断を受け
る。既に一部凝固せる付Ｎ層上に対する微粉化小滴の衝
毫により更に剪断が起こされる。一部凝固せる金属は例
えば完全に凝固のできる型に送られるかもしくは加熱容
器に送られそれから一部凝固状態で次の処理に用いられ
るなどし回収される。

「一部凝固」なる用語は、上述の金属体が液状金属のマ
トリックス内の金属結晶よりなるような温度に冷却され
ていることを意味する。かかる金属体は平衡状態図で合
金の場合固相と液相との間の温度において、又純粋金属
の場合には溶融点で存在する。

溶融金属を用いる全部の微粉化工程中、微粉化粒子の若
干のものはその温度が液相以下に下がった場合でも完全
に液体として残る。此は「過冷」と呼ばれる周知の現象
である。かかる過冷は普通５０’Ｃから２００℃の範囲
内の時の小粒子の若干のものに適用される。樹枝状結晶
などの核が形成されたり一部凝固せる前の付着層上に粒
子が付着するや否や、核は結晶する。従って、過冷は本
発明の方法には殆ど影響を及はさない。

微粉化は種々の方法例えばガス微粉化や圧力シェツト、
機械的又は遠心力式微粉化などで達成できる。普通、微
粉化中の金属の酸化を防止するため微粉化室内に不活性
又は還元雰囲気全維持する必要が有り、このため炭化水
素と蒸気との混合物によるある特定の金属の微粉化は可
能なるも水微粉化は一般に除外される。下記説明におい
ては、ガス式微粉化をあげているが、その他上記の如き
（特に遠心力式微粉化）微粉化工程も使用できろく理解
されねばならぬ。

本発明の方法においてガス式微粉化を用いた場合、溶融
金属小滴の冷却の若干はガスにより引き起こされ、より
小さい小滴の若干は飛翔中一部又は完全に冷凍するも、
主な冷却効果は一般に小滴が冷却面を打つ時発生する。

方法の開始時にはかかる面は普通噴射金属と同じ又は異
なっ之組成金有する水冷の固体金属面である。かかる冷
却面上に形成される最初の数層の付着層は完全に凝固し
受け容器には送られないものである。事実、最初の数層
の付着層は断面で調べると明白な付着層境界を示し、前
の付着層が次の贋金形成する小滴の到着前に完全に凝固
していることを示している。

付着層の数が増加し沈積の厚みが増えるにつれ、冷却面
より放散する熱の割合いが減少する。単純な凝固理論よ
り、凝固率は下に横たわる沈漬物の厚さの根に逆比例す
るものと想定できる。

これらのすべては急速に行われ、短時間通常数秒以内で
最後の付着層が僅かに部分的凝固する安定状態に達する
。これら一部凝固金属を含有する付着層は破砕樹枝状結
晶を含有するスラリーの形態をとり、例えば重力の影響
を受け及び若しくはその後の小滴の衝撃及び微粉化ガス
の圧力により動かされ受け容器内に流し込められる。

安定状ｆ魚に達すると、噴射の小滴は一部凝固せる金属
模よりなる面に衝ｇＡを与える。この膜は液体金属のマ
トリックス中の小さい樹枝状結晶を含有している。新し
く到着する小滴が一部凝固状態に付着層形成する際、そ
の衝ボによ！７樹枝伏結晶の椀は破砕され分裂し膜内に
分布する。

微粉化ガスの冷却作用により飛翔中一部凝固する小滴は
すべて、一部凝固せる嘆を打ち付着層を形成する小滴内
の樹枝状結晶の腕の剪断及び分裂を引き起こす。

強烈な付着現象の剪断作用の結果として、一部凝固せる
笠属の膜は液マトリックス中のひとか之まりの樹枝状結
晶の破片より成り立・りことになる。

かかる混付物はスラリーの！１度をもっている。同じ組
成及び液の比率を有するも破砕され几樹枝状結晶の腕の
ない混合物（４ｉ通の鋳造物の凝固時発生するような）
に比べはるかに低い粘性を有しはるかに容易に流動する
。

粘性の差はかなりのものである。例えば、比較的静かな
状態及び普通の鋳造物の比較的低い冷却率の下で５０％
凝固せる金属のかたまりの粘性は非常に高いので、残り
の液の細＠を囲む又錯した大型樹枝状結晶のネットワー
クのため重力下で流動しない。これとは対照的に、付着
層形成で作った同じ組成の金属量ははるかに小さな樹枝
状結晶紫もち（冷却速度が大さいため）全部の樹枝状結
晶の腕は破砕される。樹枝状結晶のネットワークは無く
、５０％固体では金属量は低い粘性を有し簡単に流動す
る。

次に、本発明のより完全な理解のため添付図面参照の下
にその実施例につき下記の如く説明する。

二、実施例 第１図において、溶融状の真ちゅうのじょうご１から湯
の流れがガス微粉化装置３に垂直に送られ、この装置に
より浴融真ちゅう流上に集束状の高圧ジェットＮ２が向
けられる。この流れは微粉化され、噴霧状の溶＠真ちゅ
う小滴を形成し、この噴霧小滴はその軸線に対し６０°
の角度で傾斜した水冷の鋼面上に向けられる。この水冷
鋼面上に凝固付着の薄層６（銅屑）が迅速に形成され、
新しく到着する小滴から放散する熱がもはや完全凝固に
は十分ではなくなるまでその銅屑の層は厚みを増加する
。次いで、一部凝固せる真ちゅうの膜が沈積物とガスと
の界面に形成され溶融金属のマトリックス中における破
砕されに樹枝状結晶のスラリーより成り立っている。こ
の一部凝固の真ちゅうは粘性が低く下に横たわる固型の
銅屑から流れ去り型γ内に入りそこで凝固する。

この例示せる方法には下記の如く若干のＭ４Ｊな徴があ
る。

１）　　凝固真ちゅうの銅屑が衝突する液小滴から水冷
された銅面金切り離すので、真ちゅうの汚染や希薄が行
われず又銅の腐食は無い。

（１１）　　高価なもつ素の節約に高圧ガス（この場合
５ＭＰａ　）が低容量で使用される（例えば真ちゅうの
重量の１０％の割合で）。飛翔中の粒子のガスによる冷
却は水冷式の面による冷却に比較して僅かである。

（ｉｉｉ）　　銅屑は水冷面のトップ８において最も厚
く、底部９では薄く、そこではより烈しい微粉化部の流
れを受け一部凝固せる真ちゅうが連続的に面上を流れる
所である。銅屑の厚さはどこの点をとってもある程度自
動調整されるものである。と云うのは、噴霧率が僅か上
昇しその点における銅屑が不当に薄くなった場合、熱伝
導は増加しより多くの液体が氷清し層は僅かに減った厚
さで安定するからである。同様に、銅屑が例えば噴霧率
の低下などの結果なんらかの理由で任意の点で厚くなっ
た場合にも自動調整の状況が見られる。

（１φ　型に流入する一部凝固せる金属は破砕された樹
枝状結晶の形＃１４をし定多数の核を含有し完全に凝固
し九時微細結晶粒度の一部を作り出す。

（ｖ）凝固の潜熱の一部が面により既に除かれているの
で、金属はより急速に凝固し型冷却の必要に少なくて済
む。又、溶質の拒否されるような大型の液容器が無いた
め製品には偏析減少が見られる。

第１図の簡単な装置が本発明の原理を図示せるも、生産
スケールにもとづく連続運転及び良好な経済性を保証す
るより好適な実施例について次に述べる。第２図におい
て、溶ｍ１０はじょうご１１から垂直下方にガス微粉化
装置１２を介し流れ状轢で（普通直径１ｃｒｎの）落下
でき、微粉化装置１２により集束状の高圧Ｎ２のジェッ
ト１３が溶鋼流１４に向けられる。この流れは微粉化さ
れ水冷され友銅面上に向けられる溶鋼小滴の噴霧を形成
する。図示例の場合、装置は軸対称形で水冷の銅面１６
は室の底部を形成し１００°の挟角を有する倒立切頭円
錐形の形状をしている。

流出オリフィス１７が面１６の自由端に形成され一部凝
固金属とガスが連続−造型に流入できるよう構成されて
いる。室のトップには耐火ライニング１９が施され微粉
化装置１２に対しこれをシールしこの装置はじょうご１
１の底部をシールしている。

作動時、ガスは４　ＭＰａの圧力でかつ金属重量の７％
の割合で供給される。微粉化装置は円錐形の噴霧が微粉
化装置の軸線の周りに急速に回転するよう作動する（第
２図に示す如く）。この微粉化小滴の円錐形噴霧は傾い
た水冷鋼面１６上に向けられる。噴霧の９０％の挟角は
図示実施例では１０°であり、噴霧のごく僅かしか即ち
円錐形噴霧の外周部しか耐火ライニング１９の出口オリ
フィス１γに到着しないよう構成されている。面に衝突
せずに型に入る噴霧の小量分は重要ではなく、単に鋳造
物に組込まれるに過ぎない。事実、型内の一部凝固せる
金属上を直接叩く金属小滴により更に樹枝状結晶の破砕
が発生する。同様に、耐火ライニング１９上に沈積する
噴霧の小量部分は耐火ライニングによる付着層化された
小滴からの熱放散が低いので完全には凝固しない。液体
又は一部凝固せる金属が下方に流れ一部凝固せる金属の
流れに合し最終的に型に到着する。必要な場合、耐火壁
の一部又は全部を加熱して完全凝固及び高領域における
金属堆積の可能性を低減することができる。

第２図に示す如き装置軸線を中心とした微粉化噴霧円錐
体の回転は、最大小滴供給点即ち噴霧の中心が絶えず移
動するので好都合である。

このため銅屑の局部的肉薄化が継けられ、第２図の紙上
の面の上下にわたる厚みの増加が阻止される。必要な場
合、噴霧を静止状態に保ち他方面を動かしたり回転させ
ることもでき、この場合も同じ有利な効果が得られる。

しかしながら、面より噴霧体を動かす方がより有利であ
る。若し面と噴霧の両方を動かすと剪断作用は増加しこ
の両方の動きを反対方向にすると有利な効果は更に向上
する。

上述の両方の例の場合、微粉化は溶融金属体の分解に用
いられている。これらの場合、若干のガスガスラリーに
混入し、その結果多孔質の鋳物になる恐れがある。従っ
て、冷却面に対する衝撃点におけるガス速度を最小にし
、金属面上にわたる低速のガスの流出流を得るよう適宜
構成をすることを確保するよう予防策を講ぜねばならぬ
。有孔性を低下する方法の１つは次の水冷部分１６が型
１８のトップに、触れるまで装置を下げることである。

次に、ガスの出ロボート金耐火ライニング１９のトップ
の方に設ける。この方法により、ガスによる微粉化を使
用した場合多量の金属小粒子が流出し生産量が僅かに減
るというささいな欠陥があるも最小の有孔性が得られる
。

この困難性は又、溶融金属が垂直１曲線でもつとも好適
に配置せる遠心力型微粉化装置のディスクやインペラー
上に落下できるよう構成した本発明の別実施例において
大幅に解決することができる。

−例が第３図に示されている。溶融金属２０はじょうご
２１から環状の水冷ベアリング２３に保持され電動機（
図示省略）に接続せるブー１戸２４及び■ベルト２５に
より駆動される回転被駆動インペラー２２に流れること
ができ、水冷金属又はセラミック被覆金属もしくはセラ
ミックよりなるインペラーは例えば１０００　ｒｐｍか
ら４００Ｏｒｐｍの連関で回転する。

溶融金属はインペラー２２により微粉化され、水平面上
に噴霧を形成する。この微粉化した溶融金属は切頭円錐
形の形態で傾斜水冷冷却面２６上にはね付着せしめられ
同時に樹枝状結晶の椀の冷却と剪断及び破砕をもたらし
銅屑２１を形成しこの銅屑よりスラリー状の樹枝状結晶
及び溶融金属２８が耐火円錐体２９の側面を降下し出口
開口３１を介し塁３２内に流入し鋳造品３３を作る。

本装置の特別な利点としては、最小のガスの使用即ち装
置内の雰囲気を追出し保護雰囲気を維持ししかも強烈な
はね付着及び剪断作用を発生せしめ樹枝状結晶の破砕を
もたらし本発明の利点を達成するのに十分な使用が可能
である点があげられる。このガスの最小使用により鋳造
物には多孔質が発生し難い。

本発明の別実施例の場合、きわめて′ａ著な剪断作用が
噴霧金ｍを急速回転する冷却ドラム又はディスクの布上
に向けそこで金属は一部凝固し次いで遠Ｊ１７カ作用に
より投げ出されるようにして引き起こすことができる。

かかる装置は第３図の装置と同じような製品を生産しガ
ス使用の点で同じ経済性を有している。主要な反対点は
、このような装置では碓れ行く流れの一部凝固金属を正
確に型や容器内に向けるのが困難であり、金属の回収度
が落ちるという結果をともなう。

上述せる例のいずれにおいても、溶融マトリックス内の
スラリー状の樹枝状結晶よりなる剪断され一部凝固せる
金属の雌れ行く流れは単純なビＶットやインゴットもし
くは形状鋳物のいづれかを形成するのに適当な流動性を
示す。高い割合の凝固をもつ必要は必ずしもなく、単に
多数の樹板状結晶又は破砕された樹枝状結晶を型内に有
し多数の核生成個ＦｇＴ従って微細結晶粒度を確保しさ
えすれば良い。この金属流は凝固し偏析のきわめて少な
い微細結晶粒度の鋳物を形成する。かかる鋳物の室温に
おける機械的特性は同様な組成及び在来の鋳造技術を用
いて得られるものに比較して向上することができる。本
発明の方法で得られる製品もその低偏析及び微細結晶粒
度のため改善された熱間及び冷間加工特性を示す。

本発明の方法は＠融及び鋳造に用いられるすべての金属
又は合金に応用できる。ガスによる微粉化工程時に不活
性ガス又は還元ガスを使用するのは望ましいが必須なこ
とではなく、この場合雰囲気を形成し型内の凝固中の金
属を好適に保護でさるものである。

合金の場合には、面より流れ去り型又は容器内に入る合
金の温度を測定することにより製造方法をコントロール
することができる。系は平衡に近づき易いので、平衡図
との比較は固相と液相との間に存在する固体の概略割合
を示す。

より実際的で好都合なコントロール手段は、処理された
金属が第２図の出口開口１７及び第３図の出口３１から
流れ出る状態７に観察することである。若し、余りにも
多量の固体が処理金属流内に出之場合、それは［か友ま
りだらけ（ｌｕｍｌ）Ｙ　）　Ｊである。より正確なテ
ストは小量を流動性又はらせん型の車内に注入すること
である。これにより処理金属の粘性が直ちに示される。

艮好な微細結晶粒度の偏析のない鋳物を製造するのに最
小限に整合する度合いの流動性を用いるのが望ましい。

若し本発明による方法で用いられるスラリーが余りにも
流動性であった場合、即ち余りにも核が少なかった場合
、ガスによる微粉化工程の場合微粉化ガスの圧力及び若
しくは冷却面の冷却を増加することにより固体の粘性及
び割合いを増加することができる。

場合によっては、スラリーを僅か一部分凝固中に更にも
つと処理する必要がある。これは、固相と孜相聞の適宜
温度に保たれた加熱容器を使用することにより達成でき
る。製品は一定温度でしばらくの間使用可能な状態に保
たれるが、漸進的劣化が発生するので限度以上の長時間
にわたり後処理を遅延させないことが賢明である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるきわめて簡単な装置の側面図、 第２図は本発明の若干複雑な装置の側面図、第３図は本
発明装置の別の実施例の側面図で釡属が遠心的に微粉化
されている。 １・・・じょうご、２・・溶融金属流、３・・微粉化装
置、５・・・冷却面、６・・・付着／ｉ＃（鋼屑）、１
・・・型、容器、８・・・トップ、９・・・底部、１３
・−・高圧ジェット、１４・・・溶鋼流、１６・・・水
冷鋼面、１７・・・オリフィス、１９・・・耐火ライニ
ング、２２・・・インペラー、２７・・・鋼屑、２８・
・・スラリー浴融金属、２９・・耐火材

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属が一部凝固しいぜん溶融中の金属中に浮遊す
   る凝固金属を含むスラリーを形成するように微粉化され
   た溶融金属の流れを冷却表面上に向け、前記スラリーを
   引続いての処理のため液流動状態で受け容器に流入する
   段階よりなる金属製造方法。
2. （２）前記冷却表面は噴霧の中心線に対し傾斜している
   特許請求の範囲第１項による方法。
3. （３）微粉化された小滴の流れは前記冷却表面上の前記
   金属の完全に凝固せる層上に向けられる特許請求の範囲
   第１項又は第２項による方法。
4. （４）冷却表面は水冷された金属である特許請求の範囲
   第１項から第３項のいずれか一つの項による方法。
5. （５）流れが重力の作用を受けて冷却表面上に落下でき
   る特許請求の範囲第１項から第４項のいずれか一つの項
   による方法。
6. （６）溶融金属は不活性ガス又は還元ガスを用いガス式
   微粉化により微粉化される特許請求の範囲第１項から第
   ５項のいずれか一つの項による方法。
7. （７）溶融金属は遠心力により微粉化される特許請求の
   範囲第１項から第４項のいずれか一つの項による方法。
8. （８）スラリーは冷却表面より流れ去り直接前記受け容
   器内に入る特許請求の範囲第１項から第７項のいずれか
   一つの項による方法。
9. （９）冷却表面は倒立切頭円錐形の形態を有し、流れは
   切頭円錐形の軸線を中心として回転せしめられる特許請
   求の範囲第８項による方法。
10. （１０）溶融金属の貯蔵槽と、該貯蔵槽から取出した溶
    融金属を微粉化するための装置と、該微粉装置により作
    り出した微粉化された溶融金属の流れを金属表面上に向
    けるための装置と、前記金属表面が前記溶融金属を冷却
    し該溶融金属の部分的凝固を引き起こすための装置と、
    前記表面から部分的に凝固せる金属を液流動状態で流す
    ための装置と、前記部分的に凝固せる金属を受けるため
    の受領容器とを有する金属製造装置。
11. （１１）冷却装置は水冷式である特許請求の範囲第１０
    項による装置。
12. （１２）金属表面は水平面に対し傾斜しており、部分的
    に凝固せる金属を流すための装置は前記金属が重力の影
    響を受けて流れるように構成されている特許請求の範囲
    第１０項又は第１１項による方法。
13. （１３）金属表面は倒立切頭円錐形の形状をしている特
    許請求の範囲第１２項による方法。
14. （１４）前記微粉化された小滴の流れを前記切頭円錐形
    の軸線を中心として回転させるための装置を設けた特許
    請求の範囲第１３項による装置。
15. （１５）微粉化装置は不活性ガス又は還元ガスによる微
    粉化器を有する特許請求の範囲第１０項から第１４項の
    いずれか一つの項による装置。
16. （１６）微粉化装置は遠心力式微粉化器を有する特許請
    求の範囲第１０項から第１４項のいずれか一つの項によ
    る装置。
17. （１７）遠心力式微粉化器は水平配置の回転駆動インペ
    ラーを有する特許請求の範囲第１６項による装置。