JPS626898B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はアルミニウム鋳塊の連続的な鋳造装置
に関するものであり、更に詳しくはアルミニウム
またはその合金溶湯からダイレクトチル方式に
て、連続的に鋳造される鋳塊の表面の改善、鋳塊
表層部の組織改善を効果的に為し得る、寿命の長
い鋳型に関するものである。 従来から、ダイレクトチル方式にて、アルミニ
ウムまたはその合金からなる丸形或は角形の鋳塊
（ビレツト、スラブ）を連続的に得る鋳造装置
（所謂半連続鋳造装置と称されているものをも含
む）として多数の提案が為されており、その代表
的な例は第１図に示すような構造を有するもので
ある。即ち、可動の鋳型底（底板）８を水冷筒状
鋳型１の底部に位置せしめ、該鋳型１内に金属溶
湯（アルミニウム若しくはその合金溶湯）４をノ
ズル２、フロート３を通じて供給する一方、漸次
鋳型底８を降下させるこにより、鋳型内部の流路
５を流通する冷却剤（通常は水）による鋳型内壁
の冷却と、鋳型１下端のスリツト６より流出する
冷却剤による直接の冷却に基づいて鋳型１内に形
成される溶湯柱を凝固せしめ、以て凝固させた鋳
塊７を鋳型下端から連続的に取出している。 従つて、鋳型１に供給された金属溶湯４は鋳型
内壁に接触するため、鋳型内壁を冷却する冷却剤
流通路（水室）５による一次冷却によつて薄い凝
固殻Ｓを形成することとなるが、この凝固殻Ｓが
形成されると、その中の金属が（アルミニウム若
しくはその合金）が凝固収縮して鋳型内壁との間
に空隙を生ぜしめ、以て放熱を妨げるようになる
ので、一時的に該凝固殻Ｓは局部的に再溶融して
低融点化合物を浸出せしめたり、溶湯を溶出せし
めたりする、所謂発汗現象が惹起され、またコー
ルド・シヤツト（cold shut；冷接現象）が生じ
る等、鋳塊の後の加工において問題となる表面欠
陥を発生せしめる。加えて、この一次冷却が強い
と、形成される鋳塊の表面層への合金成分の逆偏
析が大きくなり、厚い粗大結晶領域を生成せし
め、そのため塑性加工に際してはそれの表面削り
を多く行なつて逆偏析層を除去する必要も生じさ
せるのである。 また、この連続鋳造手法を採用して角型鋳塊を
鋳造しようとする場合には、丸型鋳塊の場合より
も更に困難を伴なうこととなる。これは、一つに
は、角型では鋳塊周囲で凝固進行が異なり、鋳肌
程度に差を生じ、特にコーナー部で劣化が著しく
なることが基因しており、また角型は一般に鋳造
速度が低く（断面積が大なるため）、従来の鋳造
法では横ジワが生じ易いのであり、一方鋳造速度
を増加させると、鋳肌は良くなるが、鋳塊の収縮
が大きくなり、鋳塊形状の点で問題を生ずる等、
多くの問題点を内在している。 このため、これらの問題の解消を図ることを目
的として、従来より各種の対策が提案されてきて
いるが、いずれの対策にあつても、末だ充分に鋳
塊表面や鋳塊表層部の組織の改善などを図り得な
かつたり、また鋳造作業や鋳型構造が複雑となつ
たり、更に良好な鋳塊表面を得るための鋳造条件
が限られ、フレキシビリテイに乏しくなる等、実
用的に末だ充分に満足し得るものではなかつたの
である。 ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景に
して為されたものであつて、その要旨とするとこ
ろは、アルミニウム若しくはその合金溶湯を鋳型
に供給して連続的に冷却、凝固せしめることによ
り、ダイレクトチル方式にて所定の鋳塊を連続的
に鋳造せしめる装置において、鋳型内壁面に潤滑
油を供給するための手段を設ける一方、少なくと
も該鋳型の前記溶湯に接触する凝固殻から上方の
内壁面に、１〜５mmの溝ピツチ、0.3〜３mmの溝
深さにいおて多数の溝を鋳込方向に設けて、前記
潤滑油供給手段から供給される潤滑油を該多数の
溝を介して分配し、前記凝固殻の下方部分の鋳型
内壁面にまで導くようにすると共に、該溝の設け
られた鋳型内壁面に硬化表面層を形成せしめたこ
とにあり、これによつて該鋳型と該溶湯との間の
熱伝達を抑制しつつ、該溶湯の冷却、凝固を進行
せしめて、該鋳型内に供給された溶湯の急激な熱
変化を緩和し、以て鋳型部で形成される鋳塊表面
直下の粗大結晶領域（sub surface band）の厚
さを薄くせしめ且つ鋳塊表面層に片寄らせ、また
発汗やコールド・シヤツト等の表面欠陥の発生を
も効果的に減少せしめ得る一方、硬化表面層の存
在によつてそれらの効果の耐久化（永続化）が達
成され得たのである。 かくの如く、本発明に従えば、硬化表面層を有
する内壁面に多数の溝を有する鋳型が用いられる
こととなるが、このようにアルミニウム若しくは
その合金溶湯（以下、溶湯と略称する。）と接触
する鋳型内壁面に溝を付けておくと、供給される
溶湯の表面張力のために、かかる溝内に溶湯は入
り込まず、該溝部分に空間（エア・ギヤツプ）が
出来るようになるのであり、そしてこのエア・ギ
ヤツプが出来るとその部分の熱伝達が低下するの
で、本発明では、これを利用して鋳型内壁面全体
としての熱伝達を抑制せしめるようにしたのであ
つて、これにより鋳型内壁面による溶湯の冷却
（一次冷却）を効果的に抑制して生成する凝固殻
Ｓの高さや厚さを最小限に抑え得て、鋳塊表面や
鋳塊表層部の有効な改善が達成され得たのであ
る。そして、また、かかる効果的な作用を為す溝
付内壁面は、硬化表面層によつて覆われ、保護さ
れるため、鋭角な溝先端に半溶融あるいは凝固金
属が接触することによる溝形状の摩耗変形も生ず
ることがなく、それ故鋳型寿命が著しく向上され
得たのである。 なお、かくの如き本発明に用いられるダイレク
トチル方式の鋳型の具体的な一例が第２図ａ，
ｂ，ｃに示されている。即ち、第２図ａは鋳型内
壁面を示す斜視図（部分）であり、第２図ｂはそ
の部分拡大図であり、更に第２図ｃは断面拡大図
であるが、これらの図において、鋳型１０の溶湯
と接触する内壁面には、その全周に亘つて、鋳込
方向に、換言すれば鋳塊の進行方向（第１図にお
いて上下方向）に、多数の溝１１が内壁縦溝とし
て所定ピツチで設けられており、そしてかかる溝
１１の設けられた鋳型１０内壁面には、第２図ｃ
に示される如く、所定の硬化表面層９が設けられ
ているのである。また、鋳型１０の上面には潤滑
油溝１２が該内壁縦溝１１に接続するように［第
２図ｂ参照］設けられており、潤滑油溜１３より
内壁縦溝１１（凹所）内に潤滑油を供給するよう
になつている。 従つて、このような溝付鋳型１０に溶湯が供給
されると、該溶湯は鋳型内壁面の溝１１の山部１
１ａに接触する一方、谷部（凹所）１１ｂには入
り込まず、そこにエア・ギヤツプを形成するの
で、鋳型全体としての熱伝達が効果的に抑制され
るのであり、また供給される潤滑油が潤滑油溝１
２を通じて内壁縦溝１１に確実に導かれるので、
その供給の均一な分配が行なわれ得る他、エア・
ギヤツプの形成によつてその部分を通つて潤滑油
が凝固殻の下方部分にまで導かれるので、該潤滑
油による潤滑効果を有効に利用し得て鋳塊表面の
更なる改善が達成され得るのである。すなわち、
これによつて次の如き利点が生じることとなる。 (a) 鋳塊表面のコールド・シヤツトの防止 (b) 鋳塊表面層の粗大結晶領域の厚さを薄くし且
つ鋳塊表面層に寄らせる (c) 鋳塊表面層での合金成分の逆偏析層を少なく
すること (d) 鋳塊表面層での冷却速度を低く押えることに
より、所謂樅の木組織（Fe，Al化合物の生成
速度の違いによる冶金学的組織のムラ）の生成
を制御すること、 しかしながら、かかる特徴を有する溝付鋳型１
０は、その構造上、鋭角な溝１１の端部が半溶融
金属または凝固金属と部分的に接触した場合に、
従来の平滑鋳型に比べて摩耗変形し易く、そして
その摩耗変形が生じた場合には、本来の効果乃至
は利点が少なくなつたり、更には異常に変形した
場合に鋳肌表面をかえつて悪化せしめる（所謂ひ
きつり現象の発生）恐れも生じるのである。 このため、本発明にあつては、溝付鋳型１０の
内壁面に所定の硬化表面層９を形成し、上記の如
き摩耗変形を抑制するようにしたものである。と
ころで、かかる硬化表面層９を鋳型１０内壁面に
形成するには公知の各種の手法が適宜に採用され
ることとなるが、本発明では好適にはメツキ方式
によつて硬質の表面層（メツキ層）を形成する手
法が採用される。また、かかるメツキ方式の如く
特別の硬化層を鋳型表面に形成せしめる場合の
他、シヨツトピーニングなどによつて鋳型表面そ
のものを加工硬化せしめて硬化表面層を形成せし
める手法も採用することが出来る。 因みに、本発明に従う鋳型と硬化表面層のない
鋳型について、それらの表面硬度の一例を示す下
表からも明らかなように、本発明に従つて硬化表
面層９が形成されたものは格段に表面硬度が向上
されているのである。

【表】 そして、このようにして得られた硬化表面層
（Ni＋NiBメツキ層）を有する溝付鋳型の平均寿
命は、現在なおテスト中であるが、５年以上とな
る結果が得られており、従来の平滑鋳型の平均３
年（但し、適時歪修正実施）、硬化表面層のない
溝付鋳型の平均１年程度（テスト中）に比べ、著
しく向上せしめられることとなつたのである。そ
して、このような鋳型寿命は、特に、取扱い中に
不用意に付けた傷による損傷をも考慮すると、表
面硬化の効果は更に増大せしめられるものであ
る。また、このような硬化表面層の形成による表
面硬化の効果は摩耗変形や傷が発生し易いアルミ
ニウムまたはその合金からなる材料を母材として
製造される鋳型において特に顕著であり、本発明
は特にそのような鋳型に対して好適に適用される
ものである。 なお、かかる硬化表面層９の厚さは非常に薄い
ものであるので、鋳型部での熱伝達に何等影響は
なく、溝付鋳型本来の目的に支障はない。また、
特に、かかる硬化表面層９をミクロ的にポーラス
なものとすることにより、そのポーラス穴に潤滑
油を効果的に保持することが出来るため、鋳肌が
より一層改善される効果も生じる。 また、第３図には、本発明の他の装置に用いら
れる鋳型の内壁面が部分的な斜視図として示され
ているが、そこではシート状の断熱材（例えば、
Fiber Fraxという商品名で市販されているもの
等）１５が、多数の溝１１の設けられている鋳型
内壁面上部を全周に亘つて所定幅で覆つている。
この断熱材１５は、上方から供給される溶湯に対
して、該鋳型内壁面を所定長さで被覆して、供給
された溶湯が該鋳型内壁面に直接に接触すること
により急激に冷却されるのを抑制するものである
が、本発明に従つて該鋳型１の内壁面には多数の
内壁縦溝１１が設けられているので、該断熱材１
５とその下方の鋳型内壁面との間での急激な熱変
化が溝１１部分に生じるエア・ギヤツプにより緩
和され、これによつて広い範囲の鋳造条件で良好
な鋳塊が得られるのである。特に、従来の断熱材
のみを使用した鋳造手法ではよく観察された、断
熱材下端で形成される横ジワは、溝付鋳型を用い
る本発明によつて悉く消失せしめられ得ることと
なつたのである。勿論、かかる溝付鋳型において
も、図示はされていないが、溝部が設けられてい
る内壁面に適当な硬化表面層が形成されて、鋳型
寿命の向上が図られている。なお、図において、
１３は潤滑油の供給溜であり、潤滑油はかかる供
給溜１３より供給路１４を通じて各内壁縦溝１１
に均一に分散せしめられる。また、１６は断熱材
１５を鋳型内壁面上部に取り付けるための固定金
具であるが、その他接着剤などにて鋳型１０に貼
付するようにしても何等差支えない。 なお、このように溶湯に接触する鋳型内壁面に
形成される多数条の溝１１は、所定の硬化表面層
が形成されている場合において、その溶湯と接触
する部分が平面あるいは曲面となるならばどのよ
うな形状でも良いが、好ましくは突出部の形状が
第４図に示す如き台形あるいはＳ字形で、鋳型の
内面に対する溝１１への進入角；θが鋭角となる
ようにされ、これは加工の面からも容易で望まし
いものである。また、溝の大きさは溶湯の種類、
鋳型の大きさ、形状などによつて適宜決定される
こととなるが、一般に溝ピツチＰが１〜５mm、溝
の深さｈが0.3〜３mmの範囲内のものを採用する
必要がある。けだし、溝ピツチＰが５mmを越えた
り、溝深さｈが0.3mmよりも小さくなつたりする
と、本発明で意図する冷却緩和の効果を充分に期
待し得なくなるからであり、また溝ピツチが１mm
よりも小さくなると、充分な溝深さの溝を形成す
ることが困難となる切削加工上の問題を生じ、更
には溝深さが３mmを越えるようになると、熱伝達
の抑制効果が大きくなり過ぎる問題を生じるから
である。また、溝幅としては、上記溝ピツチＰの
範囲で上記溝深さｈの溝が形成されるように、目
的とする冷却緩和効果やアルミニウム溶湯の表面
張力などを勘案して、適宜に決定されることとな
る。けだし、溝幅が余りにも広くなり過ぎると、
溝内に溶湯が侵入して、充分な冷却緩和効果を奏
し得なくなるばかりか、溝部への食込みによつて
鋳造不能となる等の問題を生ずるからである。更
に、溝１１は、ここでは鋳込方向（上下方向）の
鋳型内壁面全長に設けられているが、溶湯と接触
する部分にだけ設けるようにして鋳型内壁面の下
部には溝１１が存在しないようにしても良く、ま
た溝１１の大きさを鋳込方向に向つて（上から下
へ）漸次小さくしたり、溝部を設けた部材の嵌込
み式にして鋳型内壁面を構成するようにしても、
何等差支えない。 また、第５図ａ，ｂには、本発明装置が有利に
適用され得る更なる実施例が示されている。即
ち、特公昭52―50011号公報、特開昭51―67226号
公報などに開示された、鋳型長辺部の曲率を変化
させ、得られる角型鋳塊（スラブ）の底部形状の
改良を目的とした鋳型に対して本発明が適用され
ている。図において、１７は断熱材シート、１８
は溝付鋳型、１９は断熱材固定金具であつて、上
下方向の縦溝１８ａを有する長辺１８は、鋳込初
期、適当な手段によつて矢印で示す外側へそれぞ
れ引張られることとなるが、このような操作の必
要な鋳型において、本発明に従う溝１８ａは断熱
材１７から溝１８ａ付鋳型面への溶湯柱の接触に
対して緩和な熱変化と為して、鋳塊形状、鋳塊表
面が良好で、組織的にも優れた角型鋳塊を与える
と共に、その内壁面に形成された硬化表面層（図
示せず）によつて、鋳型寿命の向上が図られてい
るのである。 更に、特に、かかる角型鋳塊製造用の矩形鋳型
としては、本願出願人の出願に係る特願昭54―
39028号や実願昭54―80787号などに明らかにした
幅可変鋳型を用いることが推奨される。この幅可
変鋳型は、第６図に示される如く、長辺部２１と
短辺部２２とがそれぞれ別体とされ、該長辺部２
１及び／又は短辺部２２の移動によつて矩形形状
が変化せしめられるようにされたものである。こ
のような構成にすれば、長辺部２１及び短辺部２
２がそれぞれ分割管理され得て、コスト低減が可
能である。 なお、本発明には、以上例示した具体的構成の
ほか、当業者の知識に基づいて種々なる変更、改
良などを加え得るものである。例えば、上例にあ
つては、鋳型内壁面に潤滑油を供給する方式が示
されているが、潤滑油の供給は本発明の目的を達
成する上において有効なものであり、特に本発明
にあつては、潤滑油を使用した方がより良好な鋳
塊が得られるのである。けだし、本発明に従う
溝、更には硬化表面層の存在によつて、潤滑油に
よるより有効な潤滑作用を発揮せしめ得るからで
ある。また、溶湯の鋳型内壁面による一次冷却に
続いて加えられる二次冷却は、従来と同様に第１
図の如き鋳型内に流通せしめられる冷却剤の鋳型
下部からの噴出方式の他、鋳型下部開口部周囲に
配された冷却剤噴出パイプから冷却剤を噴出せし
めて冷却を行なう方式であつても何等差支えな
い。更に、本発明は、その他ホツトトツプ鋳造装
置など、公知の連続鋳造装置に適用することが可
能である。 このように、本発明は、内壁面に硬化表面層を
形成してなる溝付鋳型を用いてアルミニウム若し
くはその合金溶湯をダイレクトチル方式にて連続
的に鋳造するようにしたものであり、これによつ
て鋳型内壁面に存在する溝部にエア・ギヤツプを
形成せしめ、以て鋳型内壁面の熱伝達を抑制せし
める一方、内壁面の溝部の摩耗変形を阻止するこ
とにより、鋳型部で形成される鋳塊表面直下の粗
大結晶領域の幅を低減する他、発汗、コールド・
シヤツト等の表面欠陥の発生を低下せしめて、鋳
塊表面の面削量の低減などを達成し、その歩留向
上を図り且つ鋳型寿命の向上を図つたのであり、
また横ジワのない良好な鋳塊表面が得られる他、
潤滑油を使用する場合にあつては、潤滑油の均一
分配、浸透による効率的な最大限の潤滑効果を発
揮せしめ、更には特に鋳型長辺部の曲率が変化さ
せられる鋳型より鋳塊形状、鋳塊表面の良好な、
組織的にも優れた鋳塊（スラブ）が好適に得られ
ることとなつたのである。このようにアルミニウ
ムまたはその合金において従来から認められてい
た鋳塊表面並びに鋳塊表層部の組織の問題が悉く
解消され得ると共に、その効果の永続化が図られ
得たところに、本発明の大きな工業的意義が存す
るのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は連続鋳造装置の代表的な例を示す縦断
面図、第２図ａ，ｂ，ｃはそれぞれ本発明にて用
いられる溝付鋳型の斜視説明図、その丸印部の拡
大平面図及び断面拡大図、第３図は本発明が適用
された別の例に用いられる溝付鋳型の斜視説明
図、第４図は鋳型内壁面に形成される溝の二，三
の例を示す断面図、第５図ａは本発明が適用され
た更に別の例に係る鋳型の平面図、第５図ｂはそ
こで用いられる溝付鋳型の斜視説明図、第６図は
本発明が適用される幅可変矩形鋳型の一例を示す
平面図である。 １：鋳型、４：溶湯、５：冷却剤流路、７：鋳
塊、１０，１８：溝付鋳型、９：硬化表面層、１
１，１８ａ：内壁縦溝、１２：潤滑油溝、１３：
潤滑油溜、１５，１７：断熱材シート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アルミニウム若しくはその合金溶湯を鋳型に
   供給して連続的に冷却、凝固せしめることによ
   り、ダイレクトチル方式にて所定の鋳塊を連続的
   に鋳造せしめる装置にして、鋳型内壁面に潤滑油
   を供給するための手段を設ける一方、少なくとも
   該鋳型の前記溶湯に接触する凝固殻から上方の内
   壁面に、１〜５mmの溝ピツチ、0.3〜３mmの溝深
   さにおいて多数の溝を鋳込方向に設けて、前記潤
   滑油供給手段から供給される潤滑油を該多数の溝
   を介して分配し、前記凝固殻の下方部分の鋳型内
   壁面にまで導くようにすると共に、該溝の設けら
   れた鋳型内壁面に硬化表面層を形成せしめたこと
   を特徴とするアルミニウム鋳塊の鋳造装置。 ２ 前記硬化表面層が、硬質メツキ層である特許
   請求の範囲第１項記載の装置。 ３ 前記鋳型が、アルミニウムまたはその合金か
   らなる材料を母材としている特許請求の範囲第２
   項記載の装置。 ４ 前記鋳型が、長辺部の曲率が変化せしめられ
   る矩形鋳型である特許請求の範囲第１項記載の装
   置。 ５ 前記鋳型が、長辺部と短辺部とがそれぞれ別
   体とされ、該長辺部及び／又は短辺部の移動によ
   つて矩形形状が変化せしめられる矩形鋳型である
   特許請求の範囲第１項記載の装置。 ６ アルミニウム若しくはその合金溶湯を鋳型に
   供給して連続的に冷却、凝固せしめることによ
   り、ダイレクトチル方式にて所定の鋳塊を連続的
   に鋳造せしめる装置にして、鋳型内壁面に潤滑油
   を供給するための手段を設ける一方、少なくとも
   該鋳型の前記溶湯に接触する凝固殻から上方の内
   壁面に、１〜５mmの溝ピツチ、0.3〜３mmの溝深
   さにおいて、多数の溝を鋳込方向に設けて、前記
   潤滑油供給手段から供給される潤滑油を該多数の
   溝を介して分配し、前記凝固殻の下方部分の鋳型
   内壁面にまで導くようにすると共に、該溝の設け
   られた鋳型内壁面に硬化表面層を形成せしめ、且
   つ該溝の設けられた鋳型内壁面を、前記溶湯の供
   給側の所定の長さ部分において断熱材にて覆い、
   該鋳型内壁面に該溶湯が直接に接触せしめられる
   に先立つて、該断熱材を介して両者が間接的に接
   触するようにしたことを特徴とするアルミニウム
   鋳塊の鋳造装置。 ７ 前記硬化表面層が、硬質メツキ層である特許
   請求の範囲第６項記載の装置。 ８ 前記鋳型が、アルミニウムまたはその合金か
   らなる材料を母材としている特許請求の範囲第７
   項記載の装置。 ９ 前記鋳型が、長辺部の曲率が変化せしめられ
   る矩形鋳型である特許請求の範囲第６項記載の装
   置。 １０ 前記鋳型が、長辺部と短辺部とがそれぞれ
   別体とされ、該長辺部及び／又は短辺部の移動に
   よつて矩形形状が変化せしめられる矩形鋳型であ
   る特許請求の範囲第６項記載の装置。