JPS62230459A - 鉛直方向連続電磁鋳造装置 - 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】 本発明は、鉛直方向鋳込み操作で金属の自由表面と鋳型
との間の接触線のレベルを＃Ｉ４整する装置に係わる。

軽金稿又は鉄系金属、例えばアルミニウム及びその合金
を鋳込むことによって金属半製品を製造する場合には、
これらの製品を後でシート、ワイヤ等々に加工する時に
欠陥が生じないように、最大限の物理的及び化学的均質
性を有するインゴット、ビレット、プレート等を製造す
る必蒙がある。

しかるに、現在当業界で使用されている鋳造法の大部分
では、金属が液体状態から固体状態に変化する時に、程
度の差はあれ何らかの均質性欠陥が生じる。これらの欠
陥は、鋳造製品の冷却条件が製品全体に亘って異なると
いう理由に主として起因する。例えば、金属を駒域内に
鉛直方向に釣込む一遺失では、金属が先ず鋳型により間
接的に冷却され、次いで水の層によって直接冷却される
ため、半製品Ｋ「−次皮質層（ｐｒｉｍａｒｙ　ｃｏｒ
ｔｉｃａム１ａｙｅｒｌＪ　　と称する外部層が存在す
ることになる。

この層の構造及び組成は当該半製品の内部部分とは異質
のものであって、鋳型との接触による金属の間接的冷却
に起因する。更に、それほど顕著ではないが同じように
厄介な別の不均質現象、例えば「あばた（ｐｏｃｋｓ）
Ｊ即ちピンホールも、特に大気と接する液体金属表面に
形成された酸化物層が当該金属材料中に分散する結果と
して生じ得る。

勿論、当業者はこれらの問題を１＆ＣＬ、て何もしなか
ったわけではなく、前述の不均質性を除去もしくは少な
くとも低減させるべく、装置の差はあれ満足のいく解決
法を幾つか開発してきた。

例えば仏画特許第１，５０９，９６２号では、既に広く
用いられている電磁鋳造法の使用が推奨された。

この方法では金属が電磁力の作用によって閉込められる
ため鋳型を省略する仁とができ、従って間接的冷却作用
が生じないことがら向記皮質層の形成が回避される。

この方法を用いれば半製品の均質性は向上する。

しかしながら、この＃ｉ法には下記の欠点がある一適切
な封じ込め電磁界を発生させるためには、非工業用周波
数（５００〜４０００Ｈｇ）の強い（約５００ＯＡ）電
流を供給しなければならないため、比較的複雑で高価な
電気設備を鋳造プラントに具備する必要がある。

一鋳型がないために欧化し得る漱体金Ｍ表面積が増加し
、且つ封じ込め電磁界によって生じる液体の攪拌現象が
酸化物フィルムの移動と金属中への分散とに大きく作用
するという理由から、ピンホールの形成による不均質性
の危険が増加する。

一電磁鋳造操作の開始時に迩切な封じ込めｙＪＪ朱を生
起させることは通常離しい。

一アルミニウム及びその合金を鋳込む場合には、電気設
備に故障が生じると封じ込め効果が消失することから、
液体金属が鋳型の外に飛散して直接冷却効果を発生させ
る流体と接触し、その結果爆発を誘起する可能性がある
ため、人員の安全に問題が生じ得る。

これ以外に前記皮質層の厚みを減少させるためのより簡
単な方法も娩つか提案された。−例として仏画特許第１
，３９８，５２６号には、鋳型と接触する金属の距離を
減少させ、それＫよって間接的冷却による作用を低下さ
せるべく、鋳型にファイノ々フラックス（ｆｉｂｅｒｆ
ｒａｘＪの帯を付着して使用する方法が開示されている
。しかしながら、前記距離の減少は特に鋳込み速度に依
存し、恒久に維持され得るものではない。そのため、前
記、ｅラメータが変われば、鋳型を換えるか又は少なく
とも前記帯の高さを変える必要がある。従って製法の７
レキシビリテイが失なわれ、Ｉｌｉ局は不均質現象を部
分的にしか削除できないことになる。

仏画特許ａＲ１，４９６，２４１号には、非冷却のグラ
ファイトｓｕｍを使用することｋよって間接冷却の欠点
を解消しようという方法が開示されているが、この場合
にはグラファイトの脆性に起因して鋳型の保守及び交換
を頻繁に行なわなければならないという問題が生じる。

その他、溝付きの即ち波形の内側表面を持つ鋳型の使用
も提案された。この方法では例えは、アルミニウム１０
５０を鋳込むと皮質層の厚みが３０％以上減少する。し
かしながら、この方法には鋳型の加工によってコストが
実質的に上昇するという問題の他に、鋳型、ここでは溝
を各鋳込み速度に適合させなければならないという欠点
がある。

別の公知方法として、リザーノ々を上方に配置して電力
負荷の下で鋳込みを行なう［ホット・トップ（）（ＯＴ
　　ＴＯＰ）Ｊ　　と称する方法もあるが、この方法も
メニスカスが周期的Ｋｍ固するという欠点を有する。こ
の現象は半製品の表面の細かいひだの原因となる。この
方法はｌだ、鋳込み操作の始動時にも問題を生じる。

その後、仏画特許！　２，４１７，３５７号によって、
鋳型の内側壁面上を滑動するスリーブを使用することに
より、液体金属と接する鋳型部分の軸方向長さを変える
という方法が開示された。このシステムは、金属が不適
時にａｌ！固した時に鋳型とスリーブとが互に付層し、
そのため滑動運動発生時にこれらの部材が破損するとい
う欠点を有する。

以上の理由から、本出願人等はこれら先行技術の問題を
念頭において、前記皮質層の厚みが実質的にゼロであり
、材料の粒子が細か（、表皮にピンホールがないような
均質半製品を製造すべく、先行技術の方法に比べて下記
の如き利点を有する方法を研究し開発するに至った。

一従来の電龜鋳造法によって必要とされる程複雑ではな
い電気装置の便用〇 一刈込み操作開始段階から釣込みが安定する段階への移
行が容易。

−この方法は鋳型交換の如き装置の変更を一切必要とし
ないため、μを込み速度等の・ゼラメータの変化に容易
に適合できる。

一従来のインプット＃ＩｊＷのいずれＫも使用できる。

−可動部材を使用する装置がない。

−従来の電ｉｓｓ造法に比べて、液体金属の漏洩に起因
する爆発の危険が少１１い。

本出願人等は下記の観察点をベースとしてｍ述の貼呆を
得るに致った。

一系１に、鋳込み開始操作は鋳型内の金属のレベルが高
ければ尚いほど容易である。実際、前記レベルが低いと
、このレベルと鋳型への全域供給とをｍ！１するガラス
布フィルタが金属凝固前線に近付ぎ、そのため大きさの
小さい半製品を形成する場合には金属の不適時凝固によ
って前記フィルタＫＩＩｉｆまりが生じ、その紹呆迩切
な機能が実施され得なくなる危険がある。

また、幅の大きい半製品の場合にｒ工反りが失じるため
、前記レベルを低くして操作を開始することはやはりで
きない。

−第２に、安定状態段階では鋳型内の金属の高さをでき
るだけ小さくして鋳込みを行なうのが好摩しい。このよ
うにすルば金跣と駒型堡面との間の接触！に！、離か制
限さｉ％　、使って既に指摘したように訣敲による飯風
のＩｙ１起に主として起因する皮質ゾーンの厚みが減少
するからである。

便って、唖々の偶発性を惨う従来の鋳型から出発して、
即らフロートの位置により規定されるために一定であり
且つフィルターの機能を妨害しないように十分に大きい
１！ρをもつべき＠＆、Ｉ内の金属の簡さを保持しなが
ら、金属が鋳型の浅凹と接する距離（扁さ］をできるだ
け制限できるようにすることが必要であった。こｎは、
液体監属の自由表面と鋳型葉間との間の接ｆ・典線のレ
ベルを調節する方法を兄出すことに旧ならなかった。

この調ｍ法は、強さがλ化し侍且つ鋳型の軸線とほぼ平
行な方向をもつ周期的磁界を凝固中の液体に作用させ且
つこの磁界の強さを所望の液体向レベルに応じて変化さ
せることからなる。

実際、鋳型の周りに１つ以上の巻線からなる醒気回路で
千４成された墳形コイルを少なくとも１つ配−し、且つ
このコイルに適切な工業用電圧の電流を供給すると、金
属メニスカスのプロフィルを変化させることができ、％
に前述の金属／鋳型間接触線のレベルを変えることかで
きることが判明した。この変化は共給戒圧の変化、便っ
て発生磁界の強さの変化が大きければ大きいはと大きか
った。

Ｋｕち、磁界の強さを増加すると、前記レベルを低下さ
せることができ、従って金Ｍ４接触ゾーンの長さく距１
１１ｉ）を短稲することができた。逆に磁界の強さを減
少させると、前記レベルが尚くなり従って前記距離を長
（することができた。

こり、／）工うに前述の方法は、全域−関型間接触距喘
従って皮質層の厚みン、５０又は６０Ｈｚの工業用周波
数の電流を受給するコイルを用いて簡単に望み遡りに減
らすことができるという利点を有する。何らかの゛ト気
的故障の唯一の影響は鋳型内の金属レベル変化であり、
従って液体金属が漏洩する危険は全くないことも分かっ
てｖｈる。これは電磁鋳造法では得られない利点である
。

更に、鋳型が存在するために、メニスカスレベルで液体
全域が酸１ヒする。Ｔ脆性が制限される他、２．４５１
と金属との接触により酸化映り測幅方向移動が阻止され
るため手製造品の表面にピンホールが形成される危険も
回避される。

ｉた、金属に作用する磁界は、冷却効果を均等化し且つ
鋳造製品の粒子を細かくしようとする力を液体内に発生
させる効果も及ぼす。

磁界を発生させるコイルは、鋳型の軸線とはｌχ平行な
方向に磁界が生じるように、鋳型に類似した形状を有す
るのが好°ましい。このコイルは磁界の最大の作用を働
かすゾーンが液体のメニスカスの頂点と鋳型に対する接
触点との間に位置する工うに前記軸線に沿って配置され
る。

鋳込み操作ではこのような方法を用いると最良の条件で
、即ち鋳型内の金属の高さを高くした状態で操作を正常
に開始することができる。そのためには側さの小さい、
場合によってはゼロの磁界を使用して金属の正常レベル
の変化を最小限に抑えるようにする。欠いて安定状態段
階に移行すべく、磁界の強さを前記高さが最小になるま
で増加させる。このようＫすれば皮質層の厚みが最小限
に抑えられる。磁界の最大許容値はこれを越えた時に見
られる鋳造製品表面の変形発生によって容易に検出でき
る。

従って婉込みテスト開始時に前記値を測定し、それを四
−タイプの鋳込み操作αてに通用すればよい。

前記値は通常、従来の鋳造法において間接的冷部による
金属の凝固前線とｉ区接的冷却による金属のＭ固前線と
の交点が生じるレベルに前記接触線のレベルが合致する
時点の値に対応する。

この時点では接触の距Ｉ＠（高さ）が実質的に１つの円
周線と同−祝し得る程小さくなり、皮質層は存在しなく
なる。

周知のように、−ｊ込み速度は注入される合金のタイプ
にＬＬじて変えなければならない。本発明の方法では磁
界の頚さを鋳込み速紋変化に合わせて変えることができ
、且つ磁界強さの最大訂容値を前述のように各速Ｅｃ毎
に決定することができる。

具体例 この方法は２つの鋳型半部材を断面図で示す第１図をβ
照すればより良く理解できる。左側の半部＃は先行技術
に従って使用され、右側の半部材Ｆｉ本兄明の方法に従
って使用されている。

この図には、液体金属供給ノズル１と、レベル調！を用
湯止ｎ２と、流体４により直接冷却される駒ｉＡ３とが
示されている。ｕＩＪ記ηＣ体は鋳型を冷却した仮、点
６で金属５を直接冷却する。右側の鋳型半部材にはコイ
ル７が具備されており、このコイルには磁界を符号９の
方向に発生させて、全域表面と鋳型との接触線のレベル
を先行技術の繭込み操作における点１０から本発明の方
法による点１１に低下させるべく、変流電圧８下で給電
が行なわれる。＠起点１１は間接的冷却による全域凝固
前線１３と、直接的冷却による凝固前、ｔ＄！１４との
交点１２０レベルに位置する。

従って、右側の鋳型半部材では金属が鋳型に接する距１
１１（＋ｊ４さ）は距離ｈ１から点１１と同一視できる
他めて小さい距Ｍｈｔに減少したことになる。

この方法は下記の５Ａ施例からも十分に理解されよう。

ｔ＃［１２ｏ龍、品さ１００龍のアルミニ’／ＡＮのイ
ンゴット用毅型を用いて、アルミニウム・アソシエーシ
ョンの規格によるタイプ２２１４のアルミニウム合金を
６０１１７分の速度で注入した。

金属のレベルは湯止棒によって′Ｊ５型の中間高さに１
［し、冷」用流体は曲型の底の下方約１備の地点で鋳造
ビレットの表皮と接触するようにした。

第ｌのテストでは先行技術の条件に基づいて鋳込みを行
なった。得られたビレットの植々の断面な顕＃鋭写真で
調べた結果、皮質層の厚みは平均１８龍であった。

久いで、直径３．３５ｍのスズメッキした鋼線を１２０
回巻いて形成した内径３７２ａｍ１外径４６５１、高さ
４８ｉｕの環状コイルでｉ！１′ＩＭを色囲し、このコ
イル［５０１（ｚの交流を流して一巡のテストを行なっ
た。

谷テストは互に異なる−圧の下で行ない、それに対応す
る皮質厚みの平均値と結晶粒径とをインクセクション法
傾工って６１１＋χビした。

結果を次表に示す。

電圧（ボルト）　　　　　０　５０　１００　１５０　
１８０皮ａの厚み（璽：ｚ）　　　　１８１６　　１３
　　９　　０粒　　径（μｍｌ　　　　５００　　　　
　　３００　１８０この表から明らかなように、本発明
の方法を使用すると皮質層の厚みがコイル端子電圧の増
加と共に、皮質厚みが１８０ゼルトの電圧で０になるよ
うな割合で漸減する。

゛まだ、粒径も本発明の方法では従来の鋳造法に２ける
粒径５００μＩｎの金属から出発して、平均１８０μｍ
の粒径が測定される。

加えて、ピンホールも全く見られない。

しかしなから本出願人はこれらのテストを通して、使用
した従来の装置がプレートの鋳込であれ又はビレットの
鋳造であれ、本発明の調優法に最適のものではないこと
を発見した。

即ち本山−人は、コイルの近傍に配置される部材、特に
鋳型自体の電気抵抗率を増力ａさせれば、皮質層及び粒
径に関して得られた結果を保持しなから調整作用に必要
な電圧を小さくし得る、Ｆ！１」ち’ＩＸ、力消費量を
低下させることができることを４Ｆ、児したのである。

この電気抵抗率の増加は、前記部材により大きい電気抵
抗率を与えるべく、これら部材を構成する材料の組成を
変えるか又はこれら部材の構造を変えることによって得
られる。

本発明ではそのために２つの方法を試みた。第１の方法
は５μΩ・副より大きい抵抗率を有する中央材料で形成
したｖａＩＪｌを使用することを特徴とし、隷、２の方
法は尚さ方向に沼って少なくとも２つの部分に分割され
、これらの部分が電気絶縁材によって互に分離されるよ
うな鋳型を用いることを％徴とする。來１の方法は、例
えばウォーターメツクス形式の場合には、ステンレス鋼
又は繊維強化便Ｔ脂の如き材料の使用によって抵抗率が
容易に増加するが、インゴット鋳型に関しては通常アル
ミニウム又はＷｓＪ、　Ｉ−ｘど抵抗率の極めて小さい
（〈３μΩ・ｃｒｎ）金属が使用されるため、余り実際
的な解決法とは百えない。

これらのテストヲ辿して不出願人は、セラミックス又は
、非磁性ステンレス鋼及びチタンの如き金属のような類
の材料を使用すると、適切な鋳込み条件を維持しながら
ａＸ贅作用に必要な電圧を小さくし得ることを発見した
。但し、最良の方法は、例工ばマンガン、クロム、チタ
ン及びノ々ナジウムの如き元素を含むアルミニウム合金
を使用することからなる。これらの元素は濃度を余シ高
くしなければ固溶体含量を比較的大きくする作用がある
ため、抵抗率を上昇させることができるからである。

このような合金としては例えば、嵐電憾で約１．８％の
Ｍｎ、約０．２５９１のＯｒ、約０．２　％のＴｉ及び
約０．１係のＶを含み、９．３μΩ・ｃｍに等しい抵抗
率を有する合金が挙けられる。但し、前記抵抗率はＭｇ
を最高５４１での範囲で〃Ωえることによって増加する
ことができ、その場合には１１〜１２μΩ・画の抵抗率
が得られる。Ｌｉを１％以下加えるか父は２「を０．１
５％加えても有利な結果が得られる。

その他、例えばステンレス鋼の内側をアルミニウムの薄
層でコーティングしたような複合材料からなる油型を使
用することもできる。

前述の第２の方法では、満量作用に必要な電圧を小さく
するために、電気抵抗を増加させ得るような構造をもつ
鋳型を使用する。この構造は鋳型を複数の部分に分割し
、これらの部分な電気絶縁材によって互に分離し、且つ
当業者に公知の方法で互に固定することによって得られ
る。

第２図にこの櫨の鋳型を斜視図で示した。この鋳型は直
径３２０ｍｍ、藺さ１２０酊であり、４つの部分からな
っていて、これらの部分が高さ全長に亘ってマイカシー
ト１６により互に分離されている。これらの部分は鋳型
１５のリムと絶縁材からなるペグ１８とを貫通するステ
ンレス鋼ピン１７によって互に固定されている。これら
の手段はいずれも鋳型構成材料の中に埋め込筐れる。但
し、適切な結果を得るためＫは、これら鋳型部分の幅を
余り大きくしてはならないことが判明した。

最良の結果はこの幅を１０〜３０ｃｌＲにした時に得ら
れた。

不発明に従って設計した＃型を周波数５０〜６０Ｈ！の
工業用電流によって発生した磁界の作用下におくと、皮
質層の厚みが極めて小さいか又はゼロであり且つ粒径も
小さい鋳造製品が得られる。

しかしながら不出願人は、前記２つの所望結果を夫々別
１１ｍに向上させ得るような、互に異なる周波数の複数
の磁界を前記鋳型に作用させると、これらの鋳型が最適
状態で機能することを健児した。

実際、高周波数の磁界は鋳造製品の表面近傍に作用Ｌ７
、一方低周波数の磁界は鋳造製品の６部１で広く作用し
得るのである。従って高周波数Ｎ１の磁界は、鋳型を貫
通すれば、皮質の厚みをゼロにする役割を果たすことＫ
なる。一方、粒子微細化幼来は製品の断面全体に係わっ
ているため、この効果を侍るためには当該製品の断面に
適したより低い周波数Ｎ２を使用しなければならない。

大きな厚みＣ′約６０　ｃｍ　）を持つ鋳造−品の場合
には、ＮＩを＃Ｉ？型の種類及び幾何学的条件に応じて
５０　Ｈｚ　Ｓ−Ｉ　ＫＨｚの範囲で遇択し、Ｎ、を最
低１ＨｚＯ）：Ａ−グーで通訳するのが好ましい。

以上の理由から、これら２種類の周波ＨＮＩ及びＮ２　
　を同時に使用すれは、２つの所望結果を同時に同上さ
せることができる。ここでＶｌｉｔすべきこととして、
周波数Ｎ１及びＮ１の２つの電流を単一巻線に流すよう
にする眠気設備が余シにも複雑であると思われる場合に
は、２つの同心巻線を使用して、周波数Ｎ！の電流が流
れる巻線を周波数Ｎ１のは流が流れる巻線の周囲に配置
することもできる。

これらの強い磁界はアルミニウム合金製鋳型を浮揚させ
得ることに留意されたい。この現象は鋳型を鋳造装置の
フレーム建しつか夛固定するか、又Ｖｉ鋳型の上方部分
をステンレス鋼からなる部分に代えることによって回避
できる。勿論これら２つの方法を組合わセ°てもよい。

本発明の利点は下記の実施例からも明らかであろう。

ここでは互に異なる抵抗率を有する１１００Ｘ３００Ｕ
、高さ１２０１ｍの鋳型を使用する。これらの鋳型は電
気的安全性のために単一巻線からなるコイルで包囲し、
このコイルに周波数５０Ｈｚの’ｋｉ　ｂｌｃを通した
。いずれの鋳型でも液体金属／鋳型間接触線のレベルを
皮質層の厚みがゼロになるように調整するのに必要なコ
イル端子電圧を測定した。

結果は次表の通りである。

抵抗率（μΩ１１６Ｒ）　　　２．８　　４　　８　１
１　７２成　圧（ボルト）　　も、３　　５．７　　４
．０　　　：ｉ、９　　３．２これらの結果から明らか
なように％鋳型の抵抗率が大きいと、コイル端子電圧が
、従って電力消ａｔが大幅に減少する。但し、抵抗率が
著しく高い場合には得られるゲインが比較的小さくなる
。

本発明は金属半製品、特にアルミニウム及びその合金、
列えはリチウム含有の合金からなる半製品の鋳造であっ
て、皮質ゾーンの厚みがほぼゼロであると共に、ＡＴ５
Ｂの如き粒子微細化剤を使用しなくても細かい粒子が得
られ且つピンホールも生じないようにすることが亘１れ
る副遺り笑地に使用し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来法と本発明法を示す２つの鋳型半部材の縦
断面図、第２図は４Ｉ数の部分からなる本発明の鋳型の
斜視図である。 １・・・液体金）ｆ４供給ノズル、３，１５・・・鋳型
、４・・・冷却用流体、５・・・金属、７・・・コイル
、１６・・・マイカシート。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉛直方向鋳込み操作において金属の自由表面と鋳
   型との接触線のレベルを、鋳型を包囲する少なくとも１
   つの環状コイルに周期的電流を通すことによつて調製す
   る装置であり、この調整作用に必要な電圧を小さくすべ
   く、５μΩ・ｃｍより大きい抵抗率を持つ中実材料で構
   成された鋳型を使用することを特徴とする装置。
2. （２）鉛直方向鋳込み操作において金属の自由表面と鋳
   型との接触線のレベルを、鋳型を包囲する環状コイルに
   周期的電流を通すことによつて調整する装置であり、こ
   の調整作用に必要な電圧を小さくすべく、高さ方向に沿
   つて少なくとも２つの部分に分割され、これらの部分が
   電気絶縁材によつて互いに分離されるような鋳型を使用
   することを特徴とする装置。
3. （３）鋳型構成材料が抵抗率の高いセラミックス、金属
   及び合金からなる群に属することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の装置。
4. （４）鋳型構成材料が抵抗率の高いアルミニウム合金で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装
   置。
5. （５）鋳型構成材料が、重量％で示してＭｎ１．８％、
   Ｃｒ０．２５％、Ｔｉ０．２％、Ｖ０．１及びＭｇ５％
   の組成をもつアルミニウム合金であることを特徴とする
   特許請求の範囲第４項に記載の装置。
6. （６）鋳型構成材料が複合製品であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の装置。
7. （７）鋳型構成材料が内側をアルミニウム薄層でコーテ
   ィングした非磁性ステンレス鋼であることを特徴とする
   特許請求の範囲第６項に記載の装置。
8. （８）前記鋳型部分の幅が１０〜３０ｃｍであることを
   特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の装置。
9. （９）環状コイルが互いに異なる周波数Ｎ＿１、Ｎ＿２
   をもつ２つの電流源に同時に接続されることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の装置。
10. （１０）前記電流源の一方が工業用周波数Ｎ＿１を有し
    、他方がより低い周波数Ｎ＿２を有することを特徴とす
    る特許請求の範囲第９項に記載の装置。
11. （１１）環状コイルを２つを備え、一方のコイルが工業
    用周波数Ｎ＿１の電流源から給電され、他方がより低い
    周波数Ｎ＿２の電流源から給電されることを特徴とする
    特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の装置。