JPS63286246A - アルミニウム合金の鋳造方法 - 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】 東東上立遥月遣亘 本発明は、ツイン・ローラキャスタによりアルミニウム
・リチウム合金を鋳造する方法に関す従来の　術および
その問題点 様々な条片鋳造の技術が公知であるが、その１つに、ハ
ンター・エンジニアリング株式会社（カリジオルニア州
、リバーサイド）により生産されている連続条片鋳造の
ような、ツイン・ローラ形式のキャスタがある。ツイン
・ローラ・キャスタ内で、そのローラが、溶融金属をロ
ーラに近接した断熱インジェクタノズルから引き出し、
溶融金属が一対の強く冷却された前記鋼鉄ローラの隘路
内で固化される。鋳造素材はスラブ、つまり、２５ｍ１
ｌｌまでの厚さの範囲の形状であり、通常は６０〜２０
０　ｃｍ／分の速度で鋳造される。該金属は、キャスタ
・ローラの中央線を通過する時にほぼ固化されている。

これには強い圧力がかかり、ローラとローラの空隙を通
過する時に可塑変形を生ずる。

その結果、その表面は、強烈に水により冷却されたキャ
スタ・ローラと十分に熱交換接触を行う。

ツイン・ローラ・キャスタの利点は、冷却率の高いこと
、金属が水と接触しないこと、薄い寸法の金属を直接鋳
造できること、である。ｃ　Ｊ。

モーゼルによる説明が「軽金属Ｊ　１９８２年８３７−
８４９頁に記載されている。

ベルギー特許第４２７２７０号明細書には、不活性大気
の中でのツイン・ローラ鋳造の方法が記載されている。

特開昭５８．５８！１６３号公報には、酸化を防止する
ための不活性大気を使用して、４．１５％までのマグネ
シウムを含むアルミニウム・リチウム合金を鋳造するた
めのツイン・ローラキャスタについて説明している。

ジン、モリスおよびハントの報告（金属゛ジャーナル、
１９８２年６月、７０−７５頁）にあるように、ツイン
・ローラ・鋳造工程は、凝固レンジの短いアルミニウム
合金の商業生産用に、２０年以上も使用されている。こ
の工程は軟合金シートおよびフォイル生産には十分であ
った。生産生を向上させ、制約された合金のレンジを拡
大する試みにおいて、筆者は新しい構造的欠陥に遭遇し
た。これはつまりスラブの中央平面における合金元素の
偏析である。アルミニウム・マグネシウム合金およびア
ルミニウム・鉄合金にづいて調査がなされ、ツイン・ロ
ーラ鋳造条片における中心偏析は、所定の鋳造速度にお
いて溶質含有量（つまり凝固レンジ）が増加するにつれ
て増加すること、そして所定の合金に対しては鋳造速度
が増加するにつれて増加することが判明した。その結果
、ＡＡ　５００５（凝固レンジがおよそ１５℃で０．８
−１．０％のマグネシウムを含む）が、ツイン・ローラ
鋳造により機織的に生産可能な合金としては、マグネシ
ウムを最高に含んだアルミニウム合金である。

リボン鋳造として公知のもう１つの連続鋳造技術は、容
器から加圧されて噴射される溶融金属を冷却された回転
ローラの間の隘路に向ける方法である。この工程は、ロ
ーラに対する溶融金属の噴射速度と噴射物質の流出量と
の比率により制御される。この方法は厚さ１０−５００
μｍ、幅１−２５ｍｍのフォイルを製造するのに適当で
ある。これと対照的に上述のツイン・ローラ鋳造におい
ては、ローラの回転は加圧されていない容器からの溶融
金属を引包出すために使用される。ツイン・ローラ鋳造
の技術はローラの速度と融解温度とにより制御される。

この方法は、厚さ２−２５ｍｍ、通常は４−１５ｍｍ、
幅１．５ｍの条片を製造するのに適している。

リボン鋳造はＥ、ペイビック等ｒ物理ジャーナル」３号
（１９７０）、およびｖ、ｖ、ｖ−ｆ−ｔとＲ，Ｐ、１
．７ドラー、「素材科学ジャーナルＪ　３（１９７０）
、１０１４−５により説明されている。不活性ガス内で
アルミニウム・リチウムの合金を鋳造する技術の使用は
、特開昭５７．１１７５２号公報および同６０．２２７
９５０公報に説明されている。アルミニウム・リチウム
合金は、通常のアルミニウム合金に比較して、密度を１
０％減少させ、剛性を１０％増加させることができるの
で、この点に関して航空機および宇宙産業においては大
きな関心を寄せている。リボン鋳造アルミニウム・リチ
ウム合金はそのような使用に対しては適当でない。その
ため、アルミニウム・リチウム合金は通常は直接冷却工
程によりインゴットの形状に鋳造される。この工程にお
いては、溶融金属が開端モウルド内に注がれ、モウルド
の冷却された表面に溶融金属が接触する点で固化された
表皮が形成される。インゴットがモウルドの底端から排
出される時に、冷却剤が固化した表皮に使用される。し
かしながら、そのような方法は以下のような大きな欠点
がある。

ａ）直冷（ＯＣ）鋳造では通常は水を冷却剤に使用し、
鋳造インゴットを水を満たしたピットに引き込む。アル
ミニウム・リチウム合金はその溶融金属が水に接触した
場合に爆発しやすいので、直冷鋳造工程では、大量の水
に溶融金属が接触する可能生を制限するように修正しな
ければならない。

ｂ）直冷鋳造においては、アルミニウム・リチウム合金
は高温亀裂およびモウルド固着に影響されやすい。これ
らの問題は多くの場合、大量かつ不規則な酸化物の混入
により生ずる。この問題を回避するために、普通は不活
性ガスのブランケット内でアルミニウム・リチウム合金
の直冷鋳造をすることが好ましい。

Ｃ）アルミニウム・リチウム合金のインゴットな冷間ロ
ーリングして薄板を生産することは困難であり、これに
は大規模な中間熱処理を必要とする。

最終薄板寸法は、薄板内に発生する異方性のため制約を
受ける。ツイン・ローラ鋳造においては、システム内で
水に露出されることがないので、ａ）の問題が回避可能
であり、より薄い合金が生産されるため、Ｃ）に関連す
る問題は減少する。しかしながら、ツイン・ローラ鋳造
が今までアルミニウム・リチウム合金の鋳造に使用され
なかった理由は３つある。第１は、空中でツイン・ロー
ラ鋳造アルミニウム・リチウム合金を生産することは全
く不可能であることが発見されたことである。溶融金属
から冷却されたローラに熱を安定して伝達させることは
不可能であった。第２は、長い凝固レンジを有する合金
のツイン・ローラ鋳造は、上述した中心偏析の問題のせ
いで不十分である、と信じられていたことである。第３
は、重量パーセントで表示された合金添加物が同一の場
合はアルミニウム・リチウム合金はアルミニウム・マグ
ネシウム合金よりも鋳造が困難であり、ツイン・ローラ
キャスタでアルミニウム・マグネシウム合金を商業的に
採算の合うように生産することは困難であると一般に認
められていたことである。

本発明は、適切な鋳造条件が維持される限り、長い融解
レンジを有するアルミニウム・リチウム合金はツイン・
ローラキャスタにより十分に鋳造可能である、という発
明に基づいている。

問題１１、を角決するための手段 本発明は、ツイン・ローラキャスタによるアルミニウム
合金の鋳造の方法を提供する。これによれば、溶融金属
は、それがローラに隣接するノズルから引き出され、−
芦の冷却されたローラの間の隘路を通って固化されるノ
ズルとローラとの間にある溶融金属を、大気から遮断す
る不活性ガスが使用されて、金属は２−７　ｍｍの厚さ
のスラブとして鋳造される。このアルミニウム合金はア
ルミニウム・リチウム合金として特徴づけられる。

好ましいアルミニウム・リチウム合金は１．５−４．０
９６のリチウムを含み、同時に、３．０！６までの銅、
２．０＊までのマグネシウム、０．２零までのジルコニ
ウムのうち１つ以上を含む。通常の市販されているアル
ミニウム・リチウム合金の仕様は、ＡＡ２０９０；ＡＡ
２０９１．　ＡＡ８０９０およびＡＡ８０９１である。

本発明は、アルミニウム・リチウム合金の鋳造方法の改
良とみなすことが可能であり、あるいは、ツイン・ロー
ラ鋳造を可能とするような、合金内にリチウムを含む、
アルミニウムーマグネシウム合金あるいはアルミニウム
ー銅合金の鋳造方法の改良であるとすることが可能であ
る。

上述のように、ツイン・ローラキャスタによるアルミニ
ウム・リチウム合金を鋳造しようとする今までの試みに
生ずる重要な問題は、溶融物が空気中で高い酸化傾向を
有すること、そのため、溶融物の表面が酸化物でおおわ
れてしまうことである。この現象がツイン・ローラ鋳造
の間の溶融金属表面で発生すると、ローラ／スラブ間の
境界面は酸化物の粉末で遮断され、安定した熱伝達がロ
ーラとのかみ合い面で作用しなくなる。ノズルとローラ
との間で大気による酸化から溶融金属を遮蔽するため、
不活性ガスを供給する準備をすることにより、この問題
は解決される。ノズルの上流にある供給容器あるいはチ
ャシネルにある溶融金属も又、大気による酸化から不活
性ガスで遮蔽することが好ましい。適切な不活性ガスは
アルゴンである。

鋳造に使用されるツイン・ローラの直径はこの方法に重
大な影響を及ぼす。直径３０ｃｍ０ローラを使用して最
初に実験的にキャスタを使用した時、これが２−７１！
１Ｉ１１の厚さのスラブを鋳造するのに特に適している
ことが判明した。ハンター社の商業用キャスターは直径
６０ｃｍあるいは９０Ｃｍのツイン・ローラを使用する
が１、これらは５−２５ｍｎ＋の厚さのスラブを鋳造す
るのに適当で□ある。アルミニウム・リチウム合金鋳造
に対しては、２０ｃｍから５０ｃｍの小さい直径のロー
ラを使用す乏ことが利益である。３−４ｍｍのスラブが
容易におよそ１ｍｍの厚さに鋳造されるすこれは航空機
産業により要求されているものである。同様に、金属給
送チップのローラに対する相対的位置の精密さも要求さ
れる。これは小さいローラを使用する方が大きい０−ラ
を使用するよりも容易に達成される。

スラブの厚さと最大可能な鋳造速度との間の関係は、鋳
造速度とスラブの厚さとの積が一定である、という点に
関心が集まっている。そのため、より厚いスラブの鋳造
の場合は生産束の利得が殆どなくなる。

一定速度以上では、金属からローラへの安定した熱伝達
が達成不可能なため、ツイン・ローラ鋳造が不可能とな
る。この最大速度は、鋳造スラブの厚さによるが、合金
の組成にも依存する。例えば、３Ｉｌ１ｍ厚さのアルミ
ニウム２．５訃すチウム合金のスラブを鋳造する場合、
２００　ｃｍ／分までの速度が達成可能である。アルミ
ニウム２．５＊・マグネシウム合金に対しては、達成可
能な最大速度は１２０　ｃｍ／分であり、類似の関係が
アルミニウム・銅合金にもあてはまる。アルミニウム２
．鵠・リチウムおよびアルミニウム２：５ｔ７グネシウ
ム合金の両方ともおよそ３０℃の凝固レンジを有する。

最大可能な鋳造速度は、上述の中心偏析問題により更に
減速されそうである。中心偏析が許容筒能な範囲は、一
部は最終的にローラがかけらねる金属の薄板の厚さによ
る。所定の鋳造速度とスラブの厚さに対して、中心偏析
は類似の組成および凝固レンジを有するアルミニウム・
マグネシウム合金よりもアルミニウム・リチウム合金の
方が発生が少ないということが発見されたことは驚異で
ある。

要約すれば、長い凝固レンジの合金から７二１５ｍｍの
厚さの通常のツイン・ロニ→鋳造条片を生産することは
困難である。これは一部には作動ウィンドが狭い結果で
あり（なぜなら最大鋳造速度が低い）、一部には中心偏
析問題のためである。本発明は、より薄い一合金条片、
つまり厚さ２−７ｍｍ寸法、好ましくは２−４ｍｍ寸法
の合金条片を鋳造することにより、アルミニウム・リチ
ウム合金に対してこの問題を解決する。２０〜５０ｃｍ
の、より小さい直径のローラが作業上の便宜のために使
用可能である。単位時間内に鋳造される金属の重量は、
より厚い条片が鋳造される場合でもほぼ同一である。よ
り薄い条片の方が次の工程に対してより良い状態にある
。

高速鋳造においては、熱の流れはほぼ１方向、つまりロ
ーラに向かっている。低速鋳造においては、熱は条片の
方向にも流れ、金属が給′送チップにおいて凝固する原
因となる。これは、速度が５０ｃｍ／分以下に減速され
ると発生する。かくて、鋳造速度は５０ｃｍ／分以上で
あることが好ましい。

速度が５０ｃｍ／分以下であ葛湯台は、ツイン・ローラ
技術による鋳造は不可能である。アルミニウム・マグネ
シウム合金に関する従来の作業にかんがみれば、アルミ
ニウム・リチウム合金の鋳造はツイン・ローラ技術によ
り可能であることは明白ではない。

この方法は、ツイン・ローラ鋳造の凝固レンジの長いア
ルミニウム・リチウム合金に効果的ではあるけれども、
不活性ガスが使用されているとしても、その他の凝固レ
ンジの長いアルミニウム合金に効果的であるとは限らな
い。現在では、このシステムは過冷却できるため、アル
ミニウム・リチウム合金について効果があると信じられ
てぃる。つまり、合金は液化温度以下に冷却可能であり
、そこで融解熱が除去される間、液体の状態に保持され
る、ということである。アルミニウム・マグネシウム合
金では充分過冷却することができない。本発明の方法は
従来の直冷鋳造工程を超える以下に述べる利点を有する
。

一工程に関連して自由水がない。そのため爆発の観点か
ら安全である。

一３ｍ＋ｎの条片に対する２０００−３０００℃／秒の
冷却速度は、直冷鋳造あるいはその他の、ツイン・ベル
ト鋳造のような連続技術あるいはブロック鋳造のような
技術よりも高く、条片の表面全体にわたり精密かつ均質
なセル構造を形成する。

−この方法は非常な高速固化により、条片の短いサンプ
長さの固化に関するので、従来の高温亀裂は問題となら
ない。

一ノーズチップに酸化物フィルムが形成されない限り、
酸化物フィルムの作用は鋳造工程に影響を及ぼさない。

一ツイン・ローラ鋳造スラブは通常開始寸法が１０ｍｍ
以下である。その結果、必要とされる冷却回転の量は直
冷鋳造インゴットに要するよりも少なく、ローラがけさ
れた薄板の異方性は少なくなる。

第１図を参照すれば、機械は２つの強度に冷却されたロ
ーラ１０．１２と、それらに対し精密に配置された金属
給送チップ１４とからなる。安定した溶融金属の流れが
給送チップから生じ、領域１６を占める。熱は金属から
ローラへ移動し、その結果、金属は凝固し、条片１８に
戻る。給送チップとローラの隘路との間の領域は２つの
領域、つまり金属が固化する鋳造領域２Ｇと、固化した
金属が変形する回転領域２２とに分かれると考えられる
。

第２図においては、領域２４は溶融金属を表し、領域２
６は固化したアルミニウムを表し、領域２８は両方の混
合を表す。垂直線３０はアルミニウム３％・リチウムの
組成を表す。領域２４と２８との間は液相線の状態を表
し、領域２６と２８との間の線３４は同相線を表す。線
３０は６５０℃および６２０℃で線３２および３４と交
差し、平衡状態におけるこの金属に対する３０℃の凝固
レンジを表示する。しかしながら、この組成の溶融金属
が急速に冷却されると、それは過冷却される、つまり　
６５０℃以下の温度に到達するまで凝固を開始しない。

これは、急速冷却の状態の下で液相線を表す任意の線３
６により表示される。

衷旌彊 表１に示されている４つのアルミニウム・リチウム合金
は直径３０５ｍｍのローラキャスタ上で鋳造された。鋳
造されたスラブは厚ざ３ＩＩ１ｍ１幅１００ＩＩＩＩ１
１であった。

１　合金の　　（％ （残りはアルミニウム） ４　　　２．４５　　０．１５　１．２４　０．６０　
０．１３合金はリチウムなしで黒鉛坩堝で溶解される。

７６０℃の融解温度で、溶融物は柄杓に移され、計量さ
れたリチウム金属がホスホライザを使用して溶融物内へ
導入される。合金溶融物はおよそ１０分間９０％のアル
ゴン＋１０％の塩素の混合ガスにより融剤処理された。

金属給送チップ（ノズル）は通常の剛性の高陵石ウール
から製造された。ローラは乾燥したファインゲラファイ
トパウダが塗布された。

鋳造実験が以下の工程パラメータ値に基づき実行された
。

冷却水流量：１６０リットル／分 アルゴンガス流量ニア０リツトル（ＳＴＰ）　／分チッ
プ・セットバック：　２４ｍｍ 融解温度＝７３０℃ 合金は０１．９−１．５ｍ／分の範囲の安定した速度で
鋳造された。スラブの表面は厚い酸化物粉層が全くなか
った。合金１および２の鋳造構造はその厚さ全体にわた
り非常に精密かつ均質であった（セル寸法２−５μｍ）
。合金４の構造も同様に非常に精密であったが、一定の
場所に中心偏析が見られた。合金３の構造はわずかに粗
く（セル寸法５−１０μｍ）、いくつかの中心偏析が見
られた。

【図面の簡単な説明】

第１図はツイン・ローラ鋳造機械のローラ空隙を通る図
式的断面図、第２図は過冷却の効果を示すように修正さ
れたアルミニウム・リチウムシステムの相ダイヤグラム
。 １０・・・ローラ、１２・・・ローラ、１４・・・給送
チップ、１８・・・条片、２０・・・鋳造領域、２２・
・・ローラ領域、３０・・・垂直線。 Ｆｌｏ、７

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）一対の冷却されたローラが該ローラに隣接したノ
   ズルから溶融金属を引き出し、ローラの間にある隘路内
   で金属を固化し、前記ノズルとローラとの間にある金属
   が大気により酸化されないように不活性ガスを使用して
   大気を遮断し、金属が厚さ２−７ｍｍのスラブの形状に
   鋳造されるツイン・ローラキャスタを使用してアルミニ
   ウム合金を鋳造する方法において、アルミニウム合金が
   アルミニウム・リチウム合金であることを特徴とする方
   法。
2. （２）鋳造速度が５０−２００ｃｍ／分である特許請求
   の範囲第１項に記載の方法。
3. （３）ローラが直径２０−５０ｃｍである特許請求の範
   囲第１項あるいは第２項に記載の方法。
4. （４）鋳造スラブが厚さ２−４ｍｍである特許請求の範
   囲第１項から第３項までのいずれかの項に記載の方法。
5. （５）合金が１．５％から４．０％までのリチウムを含
   む特許請求の範囲第１項から第４項までのいずれかの項
   に記載の方法。
6. （６）合金が少なくとも、３．０％までの銅、２．０％
   までのマグネシウム、０．２％までのジルコニウムをも
   含む特許請求の範囲第１項から第５項までのいずれかの
   項に記載の方法。
7. （７）合金にリチウムを添加し、一対の冷却されたロー
   ラに隣接したノズルから溶融金属を引き出し、前記ロー
   ラの間にある隘路内で金属を固化させ、前記ノズルとロ
   ーラとの間にある金属が大気により酸化されないように
   不活性ガスを使用して大気を遮断する方法を含む、アル
   ミニウム・マグネシウム合金あるいはアルミニウム・銅
   合金を鋳造する方法。