JPS637867B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は鋳造或は鍛造に使用される半固体金
属スラリーを製造する装置に関する。

従来知られている半固体チクソトロピツク金属
の製造方法には機械的撹拌法および電磁撹拌法が
ある。なお以下の説明において金属とは合金を含
むものとする。適切な構造のそのようなスラリー
を製造するプロセスは撹拌によつて生じる剪断速
度と鋳造されつつある材料の固化速度との間のバ
ランスを必要とする。

機械的撹拌法による製造法はFlemings氏等に
よる米国特許第3902544号、同第3954455号、同第
3948650号明細書およびMehrabian氏等の米国特
許第3936298号明細書に記載されている。機械的
撹拌法による製造法はまたFlemings氏等による
論文AFS International Cast Metals Journal、
1976年９月号第11乃至22頁、およびFascetta氏等
の論文AFS Cast Metals Resarch Journal、
1973年12月号第161乃至171頁にも記載されてい
る。Feurer氏等の西ドイツ公開特許公報OLS
2707774号（1977年９月１日発行）には機械的撹
拌による方法が若干異なつた装置で示されてい
る。

機械的撹拌法では溶融金属は冷却および混合容
器中で環状空間中へ下方に流れる。ここで金属は
部分的に固化され、一方では中央の混合用ロータ
ーの回転により撹拌されて鋳造のための所望のチ
クソトロピツク金属スラリーを形成する。機械的
撹拌法は幾つかの解決できない問題を有してい
る。ローターと混合容器壁との間に形成された環
状空間はチクソトロピツクスラリーの流量を低い
値に制限する。ローターの腐蝕に対する材料の問
題も存在する。連続鋳造システムに機械的撹拌を
結合させることは困難である。

従来技術による連続鋳造プロセスでは混合容器
は直冷式鋳型の上に配置されている。混合容器か
ら鋳型への金属の移送は酸化を生じさせる可能性
がある。これは酸化を受け易いアルミニウムのよ
うな反応性の合金を処理する場合には特に重大な
問題である。

スラリーはチクソトロピツクであり、したがつ
て連続鋳造鋳型中へ流入させるためには高い剪断
速度が必要である。機械的撹拌法を使用して中断
された流れおよび／または不連続の固化によるフ
ローラインを同様に得ることができる。機械的撹
拌法はまた約30〜60％の固体を含む半固体金属ス
ラリーを生じる範囲に制限される。固体の比率を
少なくすれば流動性は改善されるが固化の完成す
る間に不所望な粗大な樹状晶の成長が増加する。
撹拌器がスラリー中に浸漬されるために固体の比
率を著しく増加させることは不可能である。

上述の問題を打破するために誘導電磁撹拌法が
Winter氏等により米国特許第4229210号（特開昭
54−95924号公報）として提案された。この特許
においては機械的撹拌法の欠点を克服するために
２つの電磁撹拌技術が示されている。Winter氏
等は交流誘導或はパルス化した直流磁界の何れか
を使用して固化中の金属溶融体の間接撹拌を行な
つている。この電磁撹拌による間接的な性質は機
械的方法の欠点を改善するものであるが、依然と
して撹拌技術の特性により生じた限界を有してい
る。

交流誘導撹拌によると、最大電磁力および関係
する剪断は誘起された電流の侵入の深さによつて
制限される。したがつて効果的に撹拌できる断面
の寸法は溶融体の周辺から内部に向つての誘起し
た力の減衰によつて制限される。これは特に固化
シエル（shell）が存在する時に悪化する。誘導
電磁撹拌プロセスはまた大きな電力消費を生じ、
撹拌された金属の抵抗加熱も著しい。抵抗加熱は
固化のための放熱量を増加させる必要を生じる。

パルス化された直流磁界技術もまた効果的なも
のである。しかしながら、その力のフイールドは
直流電極からの距離が増加すると急激に発散する
ために所望するほど効果的なものではない。した
がつて適切な構造のスラリーを確実に製造するた
めの所望の高い剪断速度と流体のフローパターン
を生じるためには複雑な幾何学的構造が要求され
る。このプロセスでは大きな磁界が必要であり、
それ故装置は高価になり容積も大型となる。

前述のFlemings氏等の米国特許明細書ではチ
クソトロピツクスラリーを製造するために使用す
ることのできる多くの代替撹拌技術の１つとして
電磁撹拌の使用についても簡単に言及している。
しかしながらスラリーを製造するために実際に電
磁撹拌をどのようにして行なうか何等示唆してい
ない。Feurer氏等に対する西ドイツ公開特許公
報においては電磁界によつて溶融体を撹拌するよ
うに電磁界を発生させるために混合容器の周辺に
誘導コイルを配置することが可能であることを示
唆している。しかしながら電磁撹拌を機械的撹拌
に付加しようとするのかそれに置換しようとする
のか明らかにされていない。何れにしても
Feurer氏等は誘導電磁撹拌技術について示唆し
ているに過ぎない。

溶融した金属の鋳造中に電磁撹拌技術を適用す
る処理を行なう技術は従来から多くのものが発表
されている。米国特許第3268963号、第3995678
号、第4030534号、第4040467号、第4042007号、
第4042008号、および第4150712号各明細書および
Journal of Metals1976年９月号のSzekely氏等
の論文Electromagnetically Driven Flows in
Metal Processingには囲んで設けられた誘導コ
イルによつて発生された誘導電磁撹拌を使用した
金属鋳造技術が示されている。

誘導電磁撹拌の欠点を克服するために回転磁界
のような鋳型或は鋳造体の軸に垂直な方向に移動
する磁界を使用することによつて実質上生産性を
増大させ、連続鋳造技術に適用してもあまり複雑
にならないで電磁撹拌をより効果的に行なうこと
ができることが発見された。

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2963758号、同第2861302
号および英国特許第1525036号ならびに第1525545
号各明細書に記載されている。米国特許第
2963758号では静止鋳造と連続鋳造の両者が示さ
れており、溶融金属は回転磁界によつて電磁的に
撹拌されている。１個以上の多極モータステータ
が溶融金属を撹拌して微細な粒状組織の金属鋳造
体を得るために鋳型或は鋳造体の周囲に配置され
る。この明細書に記載された連続鋳造の実施例で
は６極のステータが鋳型の軸を中心に配置され、
２個の２極ステータがそれに続く固化しつつある
鋳造体の周囲に配置されている。

従来の技術においては電磁撹拌プロセスにおけ
る鋳型の逆の影響が認められている。金属鋳型は
磁気誘導損失を生じることにより磁界の撹拌力を
弱める傾向がある。従来の技術では充分の撹拌効
果が得られるように鋳型の厚さを制御し、およ
び／または低い周波数で動作させるような解決策
が示唆されている。Dussart氏の米国特許第
4150712号明細書では薄くされた銅板に取り付け
られた前面壁に形成された溝を有する冷却ボツク
スから成る鋳型を使用することによつて撹拌効率
を改善している。

機械的撹拌或は誘導電磁撹拌の何れかを利用し
てチクソトロピツクスラリーを製造する従来の技
術の欠点の幾つかは２極多相モータステータによ
り発生する回転磁界によつて溶融金属を撹拌する
ことによつて克服することができる。このような
回転磁界によれば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望の高い剪断力を得る
ことが可能となる。

この発明は半固体金属スラリーを形成するため
の方法および装置に使用する改善された鋳型に関
するものである。この発明の鋳型は溶融材料を撹
拌するのに使用される磁界によつて鋳型材料中に
誘起される電流の少なくとも一部のものの電流路
の長さを最小にするために誘起される渦電流の方
向に対してほぼ垂直に延在して渦電流の流通を阻
止する電気的絶縁手段を備えている。このように
して鋳型により生じる磁気誘導損失は減少され、
電磁撹拌処理の効率は改善される。この発明の鋳
型は多数の型式の金属鋳造システムで使用するこ
とができる。

この発明の第１の実施例によれば完全に積層さ
れた鋳型が電気絶縁材料によつて分離された金属
の積層体によつて形成される。別の構造では積層
された鋳型は熱伝導性材料のシートより成る芯体
を備えている。別の代りの実施例では鋳型は金属
の管で構成され、その管は誘起した電流の路長を
最小のものとするための手段として作用するよう
にそれに切込まれた多数のスリツトを有してい
る。

したがつて、この発明の目的は、半固体チクソ
トロピツク金属スラリー鋳造用の効率の改善され
た製造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溶融材料の撹拌が強化さ
れた上述の製造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、磁気誘導損失を減少さ
せるための改善された鋳型構造を有する上述の製
造方法および装置を提供することである。

この発明のさらに別の目的は、鋳型材料自体内
に生じるうず電流の少なくとも一部の電流路長を
最小にするための改善された鋳型構造を有する上
述の製造方法および装置を提供することである。

これ等およびその他のこの発明の目的は添附図
面を参照にした以下の説明によりさらに明瞭にな
るであろう。

この発明の技術的背景としてスラリー鋳造に使
用するため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される多くの技術が発表さ
れている。ここで使用されるスラリー鋳造という
語は後で処理されるためのピ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直接所望の
構造に半固体チクソトロピツク金属スラリーを形
成することをいうものとする。

この発明は主としてそのような材料を直接使用
するか或は鋳造および鍛造のような種々の応用に
後に使用するためにスラリー鋳造材料を提供しよ
うとするものである。スラリー鋳造の利点につい
ては従来の文献に充分に記載されている。それ等
の利点には通常のダイキヤストに比較して鋳造の
欠陥が改善されることが含まれている。これは金
属が鋳型に流入するとき部分的に固体であり、し
たがつて収縮による空孔が発生することが少いこ
とによるものである。スラリー鋳造に関連して鋳
型の腐蝕や熱衝撃も減少するため機械部品の寿命
も改善される。

チクソトロピツクスラリーの金属組成はばらば
らの１次固体粒子とそれ等を囲むマトリツクスか
ら成つている。囲んでいるマトリツクスは金属組
成が完全に固体である時には固体であり、金属組
成が部分的に固体で部分的に液体スラリーである
時には液体である。１次固体粒子は一般に球状の
縮退した樹状晶或は団塊から成る。１次固体粒子
は完全に固化した状態の合金中のそれ等を囲むマ
トリツクスの平均組成と異なる平均組成を有する
単相或は複数の相より成る。マトリツクス自体は
さらに固化することによつて１以上の相を構成す
る。

通常の固化した合金は温度が減少し固体の重量
比率が増加するに従つてからみ合つた網状に成長
する分岐した樹状晶を有している。それに反し
て、チクソトロピツク金属スラリーは固体の重量
比率が80％までの液体金属によつて相互に分離さ
れたばらばらの１次縮退樹状晶粒子から成つてい
る。１次固体粒子は縮退した樹状晶であり、それ
等は平滑な表面を有し、通常の樹状晶より分岐構
造が少く球形に近い形状を有する点に特徴があ
る。それ等を囲む固体マトリツクスは１次固体粒
子の形成に続く液体マトリツクスの固化中に形成
され、より普通に行なわれている処理中に液体合
金の固化中に得られる型式の１以上の相を含んで
いる。固化したマトリツクスは樹状晶、１相或は
多相の化合物、固溶体、或は樹状晶および／また
は化合物および／または固溶体の混合物で構成さ
れている。

第１図を参照するとチクソトロピツク金属スラ
リーを連続的或は半連続的にスラリー鋳造する水
平連続鋳造装置１０が示されている。円筒状の鋳
型１２はそのような連続的または半連続的スラリ
ー鋳造に適している。鋳型１２は後述するように
任意所望の非磁性金属例えばオースチナイトステ
ンレス鋼、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニ
ウム合金等で形成することができる。

第７図を参照すると鋳型壁１４が本質的に円筒
状であることが判る。この発明による方法ならび
に装置１０は撹拌に通常の２相多相インダクシヨ
ンモータを使用して円柱状インゴツトを製造する
のに特に適したものである。しかしながら図示し
ない非円形断面の鋳型を使用しその横断方向或は
周辺に沿つて移動する磁界により撹拌することも
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。

鋳型１２内に溶融材料が供給装置１６によつて
供給される。溶融材料供給装置１６は部分的に図
示した炉１８、樋２０、溶融材料流量制御装置ま
たは弁２２、吐出管２４および容器２６を備えて
いる。制御装置２２は樋２０から吐出管２４を通
つて容器２６に流入する溶融材料の流量を制御す
る。制御装置２２はまた容器２６内の溶融材料の
高さを制御する。その代りに溶融材料が直接容器
２６に炉１８から供給されてもよい。溶融材料は
容器２６から導管２８を経て水平に移送され導管
２８は鋳型１２の入口に連通している。

固化した鋳造物すなわちインゴツト３０は引出
機構３２によつて鋳型１２から引き出される。引
出機構３２は鋳造物すなわちインゴツトに対して
それを鋳型部分から引き出すための駆動装置を構
成する。鋳型１２中への溶融材料の流入速度は鋳
造物すなわちインゴツト３０の引き出しによつて
制御される。引出機構３２として任意の適当な通
常の装置が使用できる。

冷却マニホールド３４が鋳型壁１４の周辺に配
置されている。図示のマニホールド３４は第１の
入力室３８およびそれと狭い溝４２によつて連通
している第２の室４０を備えている。冷媒ジヤケ
ツトスリーブ４４は非導電材料で作られマニホー
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と鋳型１２の外面４８
との間の間隙によつて画定される。一様な冷媒
（好ましくは水）のカーテンが鋳型１２の外面４
８の周囲に形成される。冷媒は鋳型１２の内壁３
６を通つて溶融材料から熱を取り去すように作用
する。冷媒は放出口４６から出て固化しつつある
インゴツト３０に直接放出される。適当な弁装置
５０が設けられてスラリーＳの固化する速度を制
御するために水その他の冷媒の放出の流量を制御
する。装置１０では手動の弁装置５０が示されて
いるが所望ならば電動式の弁装置その他適当な弁
装置を使用することができる。

鋳型１２中に注がれる溶融材料は鋳型１２の外
面４８にそれを囲むマニホールド３４から注がれ
る流水によつて制御された条件に従つて冷却され
る。鋳型外面４８に沿つて流れる水の割合を制御
することにより鋳型内の溶融材料からの熱の放出
速度は部分的に制御される。

所望のチクソトロピツクスラリーを形成するた
めに鋳型１２内の溶融金属材料を撹拌する手段を
設けるために２極多相誘導電動機ステータ５２が
鋳型１２を囲んで配置されている。ステータ５２
は積層鉄心５４を具備し、それに通常の方法で所
望の巻線５６が巻回されており、３相誘導電動機
ステータとなるように構成されることが好まし
い。ステータ５２は電動機室Ｍ内に設置されてい
る。異なる周波数および振幅の電流および電力を
与えるために任意の適当な手段が使用できるが、
電力および電流は可変周波数電源装置５８によつ
てステータ５２に供給されることが好ましい。マ
ニホールド３４およびステータ５２は鋳型１２お
よびその内部に形成される鋳造体インゴツト３０
の軸６０と同軸に配置されている。

２極３相インダクシヨンモータステータ５２を
使用することが好ましい。２極モーターステータ
５２の利点の１つは鋳型の全断面に互つて磁界の
ゼロの部分がないことである。それ故この発明に
よりその全断面に互つて所望のスラリー鋳造構造
を有する鋳造物を固化させることが可能である。

再び第７図を参照すると、回転磁界撹拌法によ
り発生した剪断効果が示されている。フレミング
の右手の法則により図の平面に垂直な方向の所定
の電流密度Ｊおよび鋳型１２の半径方向内方に向
う磁束ベクトルＢに対して、磁気撹拌力ベクトル
Ｆは一般に鋳型壁１４の接線方向を向いている。
これは鋳型空洞内に矢印Ｒの方向の溶融金属材料
の回転を設定し、それはチクソトロピツクスラリ
ーＳの生成に対して所望の剪断力を発生させる。
力ベクトルＦはまた熱の流出方向に垂直であり、
それ故樹状晶の成長方向に垂直である。固化範囲
に互る、すなわちスラリーの中心から鋳型壁の内
側までの所望の平均剪断速度を得ることによつて
樹状晶が成長する時の改善された剪断が得られる
ことになる。

溶融材料の撹拌および剪断速度は溶融材料の周
縁における磁気誘導の関数である。鋳型は有効な
固化に必要とされる高い熱伝導特性を有するため
に高熱伝導度を有する材料で作られることが好ま
しい。従来の技術においては典型的に熱伝導性の
材料で作られており、それは誘起された磁界の可
成の部分を吸収する傾向がある。この鋳型による
吸収効果は誘起された電流の周波数の増加に従つ
て増加することが知られている。その結果従来技
術による鋳造装置では効率よく動作させるために
使用される周波数に限界があつた。

この発明による鋳型は鋳型自身中に誘起される
電流の効果を減少させることによつて磁気誘導損
失を減少させるものである。これは鋳型の実質上
全部ではなくても少なくとも一部分においては誘
起した電流またはうず電流の電流路の長さを最小
のものにすることによつて行なわれる。うず電流
は第７図に示された電流Ｊと方向と同様に磁束Ｂ
の方向および溶融金属に作用する力Ｆの方向の両
者に対して垂直な、紙面に垂直な方向に流れる。
したがつて、この方向に対して垂直な平面に電気
絶縁層を間隔を置いて配置すればうず電流路は分
断される。このようにして効果的にうず電流路を
消去することによつて磁気誘導は実質上阻止され
ないで鋳型を貫通することができるようになる。
それ故溶融材料に対する撹拌効果は増強され、そ
のプロセスの効率は改善され、その一方では誘起
電流周波数の広い範囲に互つて動作させることが
できる。さらに所要の鋳型の放熱特性は実質上影
響されない。

第２図を参照するとこの発明の鋳型の第１の実
施例が示されている。完全に積層された鋳型は金
属または金属合金の層体６２の積層によつて構成
されている。層体６２は任意の所望な形状のもの
でよい。第２図の実施例では層体１２はリング状
に構成されている。各層体６２は相互に電気絶縁
材料によつて分離されていることが好ましい。電
気絶縁材料は各層体の上面６４および／または下
面６６に通常の種々のワニスを被覆して構成する
ことができる。ワニスの代りに図示していない酸
化物層を各層体の表面に使用することもできる。
酸化物層は酸化アルミニウムその他の適当な酸化
物被覆のような耐熱性酸化物被覆で構成すること
ができる。酸化物層は表面にスプレーする等の適
当な方法で層体に適用することができる。その代
りに各層体を図示していない絶縁性のシートまた
は層で分離することもできる。１枚以上の絶縁性
シートが隣接する層体の間に挿入されてもよい。
絶縁性シートは任意の適当な材料、すなわちアス
ベスト、マイカ、フロロカーボン、フエノール樹
脂、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート等のよう
なプラスチツク等で作ることができる。

ステータ５２は鋳造軸６０を中心に回転する磁
界を生成する。誘起された電流は誘起電流と反対
方向に流れることは周知である。誘起電流が方向
Ａに流れる時、鋳型中に誘起される電流は反対の
方向Ｂに流れる。電気絶縁材料は誘起された電流
の通路を遮断するように設けられている。第２図
の実施例では電気絶縁材料は誘起された電流の方
向に実質上垂直な平面にある。このようにして電
気絶縁材料は誘起された電流に対する障壁として
作用し、それによつて誘起された電流の通路長を
最小にし、実効的に鋳型中における磁気誘導損失
を消滅させる。第２図の完全に積層された鋳型に
おいては誘起された電流の実質上全てが最小の通
路長を持つようにされる。

各層体６２は侵入の深さδに対して厚さΛを有
する。侵入の深さは誘起磁界が１／ｅに減衰する
位置までの鋳型外壁からの距離である。厚さΛは
使用される範囲内の周波数に対して侵入の深さよ
り小さくなければならない。厚さΛはそのような
周波数に対して侵入の深さの約３分の１より小さ
いことが好ましい。侵入の深さδは次式により与
えられる。

ここで ω＝角周波数 σ＝鋳型材料の電気伝導度 μ₀＝鋳型材料の導磁率 積層体の厚さの選択は鋳型により示される必要
な電気特性によつて影響される。使用される大部
分の周波数に対してΛは約2.54cm（１インチ）ま
での値を持つことができる。しかしΛは約0.08cm
（約1/32インチ）乃至約0.95cm（約3/8インチ）の
範囲が好ましい。

鋳型はまた溶融金属材料の固化を行なわせるの
に充分の熱伝導特性を持たなければならない。こ
れ等の熱伝導特性は電気絶縁材料層または被覆の
厚さの決定に影響する。鋳型の熱伝導能力は鋳型
の熱コンダクタンスにより特徴づけられる。一般
に電気絶縁材料は熱の良伝導体ではないから電気
絶縁材料を具備する鋳型はそのような電気絶縁材
料を有しない鋳型よりも熱コンダクタンスが小さ
い。鋳型中の非導電性材料の量が増加するに従つ
て鋳型の熱コンダクタンスは減少する傾向があ
る。所望の鋳型の熱伝導特性を得るために電気絶
縁材料の層または被覆は積層体の厚さと略々同じ
厚さを持つことができる。これ等の層または被覆
の厚さは約0.0025cm（約１ミル）から約0.95cmの
間であることが好ましい。

管状鋳型は層体を１個づつ積み重ねてそれ等を
互に結合することによつて形成される。層体６２
は数個所に微細粒子を置いて相互に融着させても
よい。しかしながら絶縁ワツシヤーを介在させた
ボルトとナツトによる結合のような任意の適当な
結合手段が層体の結合に使用できる。鋳型は所望
の長さを有する。鋳型の全体の壁の厚さは鋳型の
所望の電気および熱伝導特性の関数である。全体
の鋳型壁の厚さは約2.54cm（１インチ）までのも
のが使用できるが約0.32cm（1/8インチ）から約
1.91cm（3/4インチ）の範囲であることが好まし
い。

鋳型１２の別の実施例が第３図に示されてい
る。この実施例は芯体スリーブ６８を除けば第２
図と実質上同一の積層された鋳型より成る。間に
電気絶縁材料を有する層体の積層体７０は第２図
の実施例と同じ方法で構成されている。積層体は
適当な方法で互に結合することができ、適当な厚
さを有している。電気絶縁材料も適当な厚さを有
している。積層体および電気絶縁材料の厚さは前
述のように鋳型に必要とされる電気および熱伝導
特性によつて影響され、第２図の実施例に関連し
て説明した範囲内であることが好ましい。

芯体スリーブ６８は熱伝導性材料の薄いシート
またはシエルより成ることが好ましい。シートは
熱収縮適応、熱伝導性接着剤のような任意の適当
な機構によつて積層体に固着させることができ
る。その代りに芯体スリーブ６８は積層体７０の
内面に鍍金した銅、クローム等の材料で構成され
てもよい。芯体スリーブ６８は鋳型の鋳造能力を
阻害しない清浄な接触面を与えるようにするもの
である。芯体スリーブ６８は任意の所望の厚さの
ものでよい。しかしながら、その厚さは使用され
る周波数に対して侵入の深さδの約2/3よりも小
でなければならず、約1/3より小さいことが望ま
しい。侵入の深さδは式(1)により決定される。こ
の範囲の厚さを有することにより芯体スリーブ６
８による磁界の吸収は実質上無くなり、磁界は実
質上妨げられることなく鋳型を通過する。芯体ス
リーブは約1.91cm（3/4インチ）までの厚さにす
るとよく、１ミルから約0.64cm（1/4インチ）の
範囲であることが望ましい。

第３図の鋳型においては電気絶縁材料だけが誘
起した電流の或程度の部分のものの電流路を遮ぎ
り、その長さを最少のものとする。芯体スリーブ
６８中で誘起した電流は実質上鋳型の全長に亘つ
て流れる。しかしながらそのような誘起電流の磁
界に及ぼす影響は減少される。磁界に対する影響
が何故減少するのか充分明らかではないけれど
も、芯体スリーブ６８の厚さが薄いため大きな断
面を有する鋳型に比較して高い抵抗を持ち、その
ため電流が減少するものと考えられる。

第３図の鋳型は任意所望の長さを有するもので
よい。第３図に示されたような型式の鋳型によつ
て全体としての鋳型の磁気誘導による吸収効果は
標準型式の鋳型のそれに比較して減少される。そ
れ故溶融金属の電磁撹拌は通常の電磁撹拌処理に
較べて強化される。

第４図は積層鋳型１２の別の実施例を示してい
る。この実施例では鋳型は任意所望の長さを有す
るアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合
金、オーステナイトステンレス鋼等のような材料
の固体の管７６で構成されている。管７６は外壁
８０から始まり内壁８２から小距離の位置まで延
在するスリツト７８の配列を設けられている。こ
の実施例ではスリツト７８は誘起された電流路を
最小のものとする空隙型の電気絶縁体として作用
している。もし所望ならばスリツト７８はエポキ
シのような適当な非導電性材料で充填されてもよ
い。スリツト７８は鋳型が有する必要のある熱伝
導特性によつて影響されるような幅を有してい
る。スリツト７８の幅は積層体の層体と同じ厚さ
にすることができる。スリツトの幅は約１ミルか
ら約0.95cmの範囲であることが好ましい。

第４図の実施例ではスリツト間の鋳型材料の部
分７７が積層体の層体を形成している。部分７７
は鋳型に対して機械的な強度を附加している。こ
れ等の部分は厚さΛを有し、それは使用される周
波数に対する侵入の深さδよりも小さい。この侵
入の深さδは前述の(1)式により与えられるもので
ある。部分７７の厚さΛは使用周波数に対する侵
入の深さの約３分の１以下であることが好まし
い。厚さΛは約2.54cm（１インチ）までのものが
使用できるが略々0.08cm（1/32インチ）乃至0.95
cm（3/8インチ）の範囲であることが好ましい。

前述のようにスリツト７８は外壁８０から内壁
８２に近い位置まで切込まれている。この点は内
壁から侵入の深さの略々３分の２以下の距離にあ
り、使用される周波数における侵入の深さの約３
分の１より小であることが好ましい。このように
して管７６は一体の連続した部分８３を有し、そ
れは侵入の深さの約３分の２以下の厚さであり、
使用される周波数における侵入の深さの約３分の
１以下であることが好ましい。この厚さは略々
1.91cm（3/4インチ）までよいが、略々１ミルか
ら略々0.64cm（1/4インチ）の範囲であることが
好ましい。

第３図の実施例と同様に部分７７に誘起した電
流はスリツト７８によつて遮られ、電流路は最小
にされる。部分８３に誘起した電流は実質上鋳型
の全長を流れる。しかしながら部分８３に誘起さ
れた電流の磁界に及ぼす効果は減少される。充分
解明されているわけではないが、内側の部分８３
の厚さが薄いため大きな断面の厚さを有する鋳型
に較べてずつと大きな抵抗が生じるものと考えら
れる。これはその結果として電流を減少させ磁界
に対する電流の影響を減少させる。これに関して
全体としての磁気誘導吸収効果は標準型式の鋳型
のそれに比較して減少される。それ故溶融金属の
電磁撹拌は通常の電磁撹拌に較べて強化される。

第５図は磁界が鋳造体の軸６０に平行である装
置中で使用される鋳型を示している。そのような
磁界を生成するために撹拌コイル７５は一般に周
縁に沿つて移動する誘起電流を有する。鋳型は第
２図乃至第４図の実施例に示されたような電気絶
縁材料の阻止層によつて分離された実質上垂直に
積層された積層体で構成されている。電気絶縁材
料は誘起した電流の電流路に実質上垂直に配置さ
れている。この装置において誘起した電流の少な
くとも相当の部分の電流路長は最小にされ、磁気
誘導吸収は実質上消滅する。もしも所望ならば内
壁は芯体スリーブ７４を有していてもよい。芯体
スリーブ７４は導電材料の薄いシートまたはシエ
ル或は薄い鍍金層で構成することができる。積層
された層体、絶縁材料および芯体スリーブの厚さ
は前述のようにして決定される。

ステータ５２により発生された撹拌力のフイー
ルドは溶融金属およびチクソトロピツク金属スラ
リーＳの固化領域全体に拡がつている。他方鋳造
体の構造はスラリー鋳造構造を有するステータ５
２の磁界内の領域とスラリー鋳造構造でない傾向
を有するステータ磁界の外側の領域とより構成さ
れている。第１図の実施例では固化領域は鋳型の
入口からスラリーＳと固化した鋳造体３０とを分
けている固化前面８４まで延在している鋳型内の
溶融金属とスラリーＳとの溜め部分から構成され
ている。固化領域は少なくとも鋳型空洞８６中の
固化およびスラリー形成の最初に始まる領域から
固化前面８４まで延在する。

通常の固化状態下ではインゴツト３０の周縁は
柱状樹状晶の粒状構造を有している。そのような
構造は望ましいものではなく、インゴツト断面の
大部分を占めているスラリー鋳造構造の全体とし
ての利点を害するものである。この外側の樹状晶
層の厚さを実質上消滅或は減少させるために鋳型
の入口領域の熱伝導度はセラミツクのような熱絶
縁体で形成された第６図に示されたような部分的
鋳型ライナー８８によつて減少させられる。セラ
ミツクの鋳型ライナー８８は鋳型カバー９２の絶
縁ライナー９０から下方の鋳型空洞８６中に延在
し、２極モーターステータ５２の磁気撹拌力フイ
ールドが少なくとも部分的にセラミツク鋳型ライ
ナー８８と交叉するような長さで延在している。
セラミツク鋳型ライナー８８は鋳型１２の内側の
形状と一致したシエルであり鋳型壁１４に取り付
けられている。鋳型１２はセラミツクライナー８
８によつて画定された低熱伝導性の入口側の部分
と鋳型壁１４の露出された部分によつて画定され
た高熱伝導性の部分とを有する構造である。

ライナー８８は、溶融金属が強い磁気撹拌力の
領域に置かれるまで固化を遅らせる。ライナー８
８に基づく低い熱抽出速度は一般に鋳型１２のそ
の部分における固化を阻止する。一般に固化はラ
イナー８８の下流端附近或はその直後を除いては
生じない。この低熱伝導性の領域８８はそれによ
つて生成される鋳造体インゴツト３０がその断面
全体に亘りその外面まで縮退した樹状晶構造を有
するようにすることを助長する。

所望ならば鋳型の熱特性を熱絶縁バンドによつ
て改善することもできる。すなわち第６図に示す
ように鋳型１２の冷却水側の外壁４８に熱絶縁材
料の層またはバンド９４を選択的に設けることに
よつて行なわれる。熱絶縁材料層またはバンド９
４は鋳型１２を通つて転送される熱を減少させ、
それによつて固化速度を低下させて固化の内方へ
の成長を減少させる。

熱伝導性を減少させた領域の下方に水冷式金属
鋳造鋳型壁１４が存在する。鋳型１２のこの部分
に関連した高い熱転送速度はインゴツトシエルの
形成を促進する。しかしながら低熱抽出速度の領
域のために鋳造体インゴツト３０の周縁のシエル
部分でさえもマトリツクスで囲まれた縮退した樹
状晶で構成されている。

鋳造体の表面において所望のスラリー鋳造構造
を形成するために最初に固化成長したものを鋳型
ライナー８８から実効的に剪断することが好まし
い。これはモーターステータ５２による磁界が少
なくとも固化が最初に開始される部分まで拡がつ
ていることが確保されることによつて達成され
る。

鋳型１２の周縁に垂直に最初に形成される樹状
晶はインダクシヨンモーターステータ５２の回転
磁界によつて生じる金属の流によつて容易に剪断
することができる。剪断された樹状晶は固化前面
によつて捕捉されるまで撹拌され続け、縮退した
樹状晶が形成される。縮退した樹状晶はまた直接
スラリー内で形成されることもできる。それは溶
融体の回転撹拌作用は樹状晶の選択的な成長を許
容しないからである。これを確実にするためにス
テータ長５２は固化領域の全長を越えて延在する
ことが好ましい。特にステータ５２による撹拌力
磁界は固化領域の全長および全断面に亘つて所望
の剪断速度を生じるような充分の大きさを与える
ものであることが好ましい。

第１図の装置を使用してスラリー鋳造体インゴ
ツト３０を形成するために溶融金属が鋳型空洞８
６に注がれ、一方モーターステータ５２は所望の
振幅および周波数の３相交流電流で付勢される。
溶融金属が鋳型空洞に導入された後、ステータ５
２によつて生じた回転磁界により連続的に撹拌さ
れる。固化は鋳型壁１４に接する部分から開始す
る。静止している鋳型壁１４の部分或は固化前面
の部分で最も高い剪断速度が生じる。従来知られ
ている任意所望の手段によつて固化の速度を適当
に制御することによつて所望のチクソトロピツク
スラリーＳが鋳型空洞８６内に形成される。固化
シエルが鋳造体インゴツト３０上に形成されるに
従つて引出し機構３２が動作し、鋳造体インゴツ
ト３０を所望の鋳造速度で引き出す。

この発明の実施例に示した各種の積層鋳型はま
た垂直型のチクソトロピツクスラリー鋳造システ
ムで使用することもできる。

説明した撹拌プロセスにおいて２つの競合する
プロセスすなわち剪断と固化が制御される。この
発明の電磁的方法および装置により生じた剪断作
用は機械的撹拌によつて得られるものと等しいか
或はそれよりも大きい。磁気誘導回転磁界の周波
数と溶融金属の物理的性質が組合されてその結果
運動を決定するようなプロセスを支配するパラメ
ータが発見された。プロセスと溶融体の両者の上
記性質の寄与は次のような２つのデイメンシヨン
群、すなわちβとＮの式によつて要約することが
できる。

β＝√₀ ² (2) Ｎ＝σR²＜B_r＞₀ ²／η₀ (3) ここで ｊ＝√−１ ω＝角周波数 σ＝溶融体の電気伝導度 μ₀＝溶融体の透磁率 Ｒ＝溶融体の半径 ＜B_r＞₀＝鋳型壁における半径方向の磁気誘導 η₀＝溶融体の粘度 第１の群βは磁界の幾何学的効果の尺度であ
る。一方、第２の群Ｎは磁気駆動力と関連する速
度フイールドとの間の結合係数として示される。
パラメータＮの関数としてβの単一の値に対して
計算された速度と剪断フイールドが決定できる。

これ等の決定から剪断速度は鋳型の外側附近で
最大であることが発見された。この最大の剪断速
度はＮの増加に従つて増加する。さらにこの発明
の鋳型を使用することにより鋳型の磁気誘導吸収
効果は減少し、溶融金属周縁の半径方向磁気誘導
B_rnsは増加する。結論として最大剪断速度は増加
する。

剪断は溶融体中でも発生することが認められ
た。何故ならば周辺の境界すなわち鋳型壁は剛体
であるからである。それ故固化シエルが存在する
と溶融体中の剪断応力は液相固相境界面で最大で
ある。さらに剪断応力が常に前進する境界面に存
在するため適切な縮退した樹状晶のスラリー鋳造
構造を全断面に亘つて有するインゴツト３０を製
造することが可能である。

この発明の鋳型の有効性を試験するために、鋳
型はこの発明の幾つかの実施例に従つて構成され
た。各鋳型は３相モータのステータ内に同軸に配
置され、ステータの中心における磁界が測定され
た。同様の測定が空のステータすなわち鋳型の存
在しない状態のステータおよび長さ約15.24cm
（６インチ）、厚さ約0.635cm（1/4インチ）の標準
の固体アルミニウム管型の鋳型ならびに実質上同
じ内径の積層体鋳型を配置したステータについて
行なわれ比較された。

第２図のような完全に積層された鋳型は厚さ約
0.16cm（1/16インチ）、内側の半径約4.76cm（１
−7/8インチ）、外側の半径約5.72cm（２−1/4イ
ンチ）のアルミニウムリングを積層して形成され
た。各リングは約３ミルの厚さの絶縁ワニスを塗
布されて積層された。リングは一体に結合され、
約15.24cmの長さの円筒管状鋳型が形成された。

アルミニウム積層鋳型（第４図参照）は長さ約
15.24cm、内側半径約4.76cm、外側半径約5.72cmの
アルミニウム管から形成された。幅約0.081cm
（0.032インチ）のスリツトが多数切り込まれた。
スリツトは外側から管の内壁の約0.16cm（1/16イ
ンチ）手前まで切り込まれた。スリツトの間の管
の部分の厚さは約0.16cmであつた。

銅の積層鋳型がアルミニウム積層鋳型と同様に
して製作された。銅積層鋳型は１％のCrを含む
残りは本質的にCuから成る銅合金で作られた。

約60、150、250および350Hzの電源周波数およ
び約25アンペアまでのステータ電流に対して鋳型
の内壁或は溶融金属の周縁部における磁界が各形
式の鋳型および鋳型の存在しないすなわち空のス
ラータの状態について測定された。第８図は溶融
体の外縁部或は鋳型内壁における磁気誘導とステ
ータ電流との関係を標準のアルミニウム鋳型の場
合、60、150、250および350Hzの周波数について
示したものである。第９図乃至第１１図は同じ周
波数についてアルミニウム積層鋳型、銅積層鋳型
および完全に積層された鋳型の場合の磁気誘導と
ステータ電流との関係を示している。第１１図の
完全に積層した鋳型に対する磁気誘導対ステータ
電流曲線は空のステータの状態に対する測定結果
（図の鎖線の曲線）と同一である。

第１２図は各型式の鋳型についてデイメンシヨ
ンのない数Bmold／Bnomoldと周波数との関係
を示す曲線により磁気誘導を比較したものであ
る。この図から各積層鋳型に対して測定された磁
界はあらゆる周波数において標準のアルミニウム
鋳型に対して測定された磁界より大きいことが認
められる。

この発明のプロセスを行なうために適当な剪断
速度は少なくとも約400／秒から約1500／秒であ
り、少なくとも約500／秒から約1200／秒である
ことが好ましい。アルミニウムおよびその合金に
対しては約700／秒から約1100／秒の剪断速度が
望ましいことが認められた。

鋳型内の溶融金属の固化温度範囲を通じての平
均冷却速度は毎分約0.1℃から毎分約1000℃の範
囲でなければならず、毎分約10℃から毎分約500
℃の範囲が好ましい。アルミニウムおよびその合
金に対しては毎分約40℃から毎分約500℃の範囲
の平均冷却速度が適当である。

この発明のプロセスを遂行するためのパラメー
タ｜β²｜（βは(2)式で定義されている）は約１乃
至10でなければならず、約３乃至７が適当であ
る。

この発明のプロセスを遂行するためのパラメー
タＮ（Ｎは(3)式で定義されている）は約１乃至
1000でなければならず、約５乃至200であること
が好ましい。

約2.54cm（１インチ）乃至25.4cm（10インチ）
の半径を有するアルミニウムの鋳造の場合の周波
数は約３乃至3000Hzでなければならず、約９乃至
2000Hzであることが好ましい。

必要な磁界強度は電源周波数および溶融体の半
径の関数であり、約50乃至1500ガウスでなければ
ならず、アルミニウムの鋳造については約100乃
至600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チクソトロピツ
クスラリーを生じるために所望される剪断速度を
得るために金属システムによつて変化する。

この明細書中で使用されている固化領域とは固
化が行なわれる鋳型中の溶融金属またはスラリー
の領域を云うものである。

ここで使用される磁気流体力学とは移動または
回転磁界を使用して溶融金属或はスラリーを撹拌
するプロセスを表わすものである。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
磁気的に駆動される撹拌力を表わすのにさらに適
切なものと云えよう。

この発明によるプロセスならびに装置は、アル
ミニウムおよびその合金、銅およびその合金、鋼
およびその合金を含む従来の鋳造技術で用いられ
る全ての材料に適用することが可能であるが、そ
れだけに限定されるものではない。

以上この発明は特定の連続または半連続鋳造シ
ステムに関して説明したが、実施例の積層した鋳
型は固化中に溶融体の或る程度の部分の電磁的撹
拌を利用するものであれば静止型鋳造システムの
ような他の形式の鋳造システムにも使用すること
ができる。

この発明によつてチクソトロピツク金属スラリ
ーを作るための鋳造システムに使用される改善さ
れた鋳型が提供され、それは前述の目的、手段お
よび効果を達成するものであることは明白であ
る。この発明は特定の実施例に関連して説明した
が多くの変更、変形が可能であることは前述の説
明により当業者には明白であろう。したがつてそ
のような変形、変更も全て特許請求の範囲に記載
された発明の技術的範囲に含まれるべきものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はチクソトロピツク半固体金属の水平連
続鋳造装置の部分的に断面図で示す概略図であ
り、第２図、第３図および第４図は第１図の装置
中で使用されるこの発明による鋳型の第１、第２
および第３の実施例の概略図である。第５図は鋳
造体軸と平行な磁界を使用する鋳造装置中で使用
される鋳型の上面図であり、第６図は鋳造体の固
化を遅らせる絶縁バンドと熱絶縁ライナーを示す
第１図の鋳型の断面図である。第７図は溶融金属
に回転を生じる瞬間磁界と力の関係の説明図であ
る。第８図は標準のアルミニウム鋳型におけるス
テータ電流および電源周波数に対する鋳型内壁に
おける磁気誘導を示すグラフであり、第９図、第
１０図および第１１図はこの発明の異なる実施例
の鋳型に対する第８図と同様のグラフである。第
１２図は標準の鋳型とこの発明の実施例による鋳
型の磁気誘導と周波数の曲線を比較したグラフで
ある。 １０……鋳造装置、１２……鋳型、１４……鋳
型壁、１６……供給装置、１８……炉、３０……
インゴツト、３２……引出機構、３４……冷却マ
ニホールド、５２……モーターステータ、６２…
…積層体の各層体、６８……芯体スリーブ、７０
……積層体、７８……スリツト、８４……固化前
面、８８……鋳型ライナー、９４……熱絶縁体バ
ンド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱および電気伝導性材料より成る鋳型と、こ
   の鋳型内の溶融金属を混合する電磁的手段とを具
   備し、この電磁的手段により前記鋳型材料中に電
   流が生成する鋳造装置において、 前記鋳造装置は前記溶融金属のマトリツクスで
   囲まれた変質した樹状晶１次固体粒子を含む半固
   体スラリーを生成する装置であり、 前記鋳型はそれに誘起された渦電流の電流路長
   を最小にするために、鋳型壁に垂直な磁束の方向
   および鋳型内で電磁的に移動する溶融金属の運動
   方向の両者に対して垂直な渦電流の流通方向に対
   してほぼ垂直に延在して渦電流の流通を阻止する
   電気絶縁性部分を具備し、それによつて前記鋳型
   により生じる磁気誘導損失が実質上減少され溶融
   金属混合率が増加されることを特徴とする鋳造装
   置。 ２ 前記鋳型の熱および電気伝導性材料が複数の
   金属の積層体で構成され、前記電気的絶縁手段が
   それら積層体の各層を相互に電気的に絶縁する手
   段より成つている特許請求の範囲第１項記載の装
   置。 ３ 前記積層体に固定され溶融金属と熱的に接触
   する芯体スリーブを具備している特許請求の範囲
   第２項記載の装置。 ４ 前記電磁的手段は或る角周波数の電源から電
   流を供給され、或る進入の深さを有する磁界を発
   生し、前記芯体スリーブは前記進入の深さのほぼ
   ３分の２より小さい厚さを有している特許請求の
   範囲第３項記載の装置。 ５ 前記芯体スリーブが積層体に固着された導電
   性材料の管より成る特許請求の範囲第４項記載の
   装置。 ６ 前記芯体スリーブが積層体に鍍金された導電
   性材料のシートより成る特許請求の範囲第４項記
   載の装置。 ７ 前記鋳型が内壁と外壁とを有する管状容器か
   ら成り、前記電気絶縁性部分が前記外壁から前記
   内壁のすぐ近くまで延在する複数のスリツトから
   成り、前記積層体はこれらスリツトにより分離さ
   れた前記鋳型の複数の部分によつて構成されてい
   る特許請求の範囲第２項記載の装置。 ８ 前記スリツトに非導電性材料が充填されてい
   る特許請求の範囲第７項記載の装置。 ９ 前記電磁的手段が或る角周波数の電源から電
   流を供給され、或る進入の深さを有する磁界を生
   成し、前記スリツトは前記内壁から前記進入の深
   さの約３分の２より短い距離の位置まで延在して
   いる特許請求の範囲第７項記載の装置。 １０ 前記電磁的手段が第１の方向に流れる誘起
   渦電流を生じ、前記電気絶縁性部分が前記第１の
   方向を横切るように配置され、それにより前記誘
   起された渦電流の少なくとも或程度のものの流れ
   を阻止する阻止体が形成されて誘起された電流の
   電流路長の少なくとも一部の長さが最小にされて
   いる特許請求の範囲第１項記載の装置。 １１ 前記電磁的手段が或る角周波数の電流を供
   給され、或る進入の深さを有する磁界を発生さ
   せ、前記積層体の各層の厚さは前記進入の深さよ
   り小さい特許請求の範囲第７項記載の装置。 １２ 前記積層体の各層の厚さは前記進入の深さ
   の３分の１より小さい特許請求の範囲第１１項記
   載の装置。 １３ 前記電気絶縁性部分は積層体の各層体の少
   なくとも一方の表面に設けられた酸化物層より成
   り、それにより電流路長の実質上全部が最小にさ
   れている特許請求の範囲第２項記載の装置。 １４ 熱および電気伝導性材料より成る鋳型と、
   この鋳型内の溶融金属を混合する電磁的手段とを
   具備し、この電磁的手段により前記鋳型材料中に
   電流が生成する鋳造装置の製造方法において、 前記鋳造装置は前記溶融金属のマトリツクスで
   囲まれた変質した樹状晶１次固体粒子を含む半固
   体スラリーを生成する装置であり、 前記鋳型は、 鋳型壁に垂直な磁束の方向および鋳型内で電磁
   的に移動する金属の運動方向の両者に対して垂直
   なそれに誘起された渦電流の流通方向に対してほ
   ぼ垂直に延在する金属の層体より成る金属の積層
   体を形成する工程と、これらの積層体の各層体を
   互いに絶縁する工程とによつて形成されることを
   特徴とする溶融金属のマトリツクスで囲まれた変
   質した樹状晶１次固体粒子を含む半固体スラリー
   を生成する鋳造装置の製造方法。 １５ 積層体に溶融金属と熱的に接触する芯体ス
   リーブを固着させる特許請求の範囲第１４項記載
   の方法。 １６ 積層体に導電性材料の管を固着させる特許
   請求の範囲第１５項記載の方法。 １７ 積層体に導電性材料のシートを鍍金する特
   許請求の範囲第１５項記載の方法。 １８ 内面と外面を有する管状容器に外面から内
   面のすぐ近くに達するスリツトを複数切込み、そ
   れによつてスリツトにより分離された前記管状容
   器の部分により積層体を構成させる特許請求の範
   囲第１４項記載の方法。 １９ 各スリツトに非導電性の絶縁材料を充填す
   る特許請求の範囲第１８項記載の方法。 ２０ 前記層体を電気的に絶縁する工程におい
   て、積層体の各層体の少なくとも一方の表面に酸
   化物層を被覆する特許請求の範囲第１４項記載の
   方法。