(57)【要約】【課題】微細で且つ均一な凝固組織を有するアルミニウム合金鋳塊を、微細化剤の添加なしに、大量に且つ安定的に製造し得る方法を提供する。【解決手段】超音波ホーン２８の先端部を、鋳型１０内の溶湯１２中に浸漬すると共に、超音波ホーン２８を、４５°以下の傾斜角度：θで凝固殻３６の中心側に向かって延びるように傾斜させた状態で、超音波ホーン２８の先端面の中心部：Ｏが、鋳型１０の内壁面３８から１５ｍｍ以上離間し、且つ湯面４０から１５ｍｍ以内の深さに位置するように配置する。そして、そのような状態下で、超音波ホーン２８により、溶湯１２に対して超音波振動を加えつつ、半連続鋳造を行うことによって、アルミニウム合金鋳塊３２を製造するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型内に注湯されたアルミニウム合金の溶湯中に超音波ホーンを浸漬して、該溶湯に対して超音波振動を加えつつ、半連続鋳造を行うことにより、アルミニウム合金鋳塊を製造する方法であって、
前記超音波ホーンの先端部を前記溶湯中に浸漬する一方、該超音波ホーンの中心軸の延長線と凝固殻の該溶湯に対する接触面とのなす角の大きさが４５°以下となり、且つ該凝固殻の中心側に向かって延びるように、該超音波ホーンを傾斜させた状態で、該超音波ホーンの該溶湯中への浸漬部分の先端面の中心部が、該浸漬部分の直近に位置する前記鋳型の内壁面から１５ｍｍ以上離間し、且つ該浸漬部分の先端面の中心部が、該鋳型内の該溶湯の湯面から１５ｍｍ以内の深さに位置するように、該超音波ホーンを配置した状態において、該超音波ホーンを発振させて、該溶湯に対して超音波振動を加えることを特徴とするアルミニウム合金鋳塊の製造方法。
【請求項２】
前記超音波ホーンの浸漬部分を±１０μｍ以上の振幅で発振させるようにした請求項１に記載のアルミニウム合金鋳塊の製造方法。
【請求項３】
半連続鋳造を実施している間、前記鋳型内の溶湯に対して、超音波振動を連続的に加えるようにした請求項１又は請求項２に記載のアルミニウム合金鋳塊の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のうちの何れか１項に記載のアルミニウム合金鋳塊の製造方法によって製造されていることを特徴とするアルミニウム合金鋳塊。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金鋳塊の製造方法とアルミニウム合金鋳塊とに係り、特に、鋳型内に注湯されたアルミニウム合金の溶湯に対して超音波振動を加えつつ半連続鋳造を行って、アルミニウム合金鋳塊を製造する方法と、そのような方法によって得られるアルミニウム合金鋳塊とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、アルミニウム合金製のスラブやビレット等の、所謂アルミニウム合金鋳塊は、その大部分が、静止鋳型を有する竪型半連続鋳造装置を用いた半連続鋳造法（ＤＣ鋳造法）によって製造されている。また、この半連続鋳造法の実施に際しては、一般に、鋳型への溶湯の注湯時にフロートが使用されるオープンモールド方式、或いはフロートを使用せずに、耐火物ヘッダーを介して、溶湯が鋳型内に水平注湯されるホットトップ方式等の鋳造方式が採用されている。
【０００３】
ところで、アルミニウム合金鋳塊を半連続鋳造により製造する場合には、鋳造時における鋳塊の割れを防止すると共に、製造されたアルミニウム合金鋳塊を用いて実施される圧延や押出等の加工性を高める上から、アルミニウム合金鋳塊の凝固組織を均一に微細化することが望ましい。そのため、従来では、アルミニウム合金鋳塊の製造に際して、アルミニウム合金に対して、例えば、Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ系合金等の微細化剤を添加することにより、凝固組織の微細化を図る手法が、一般に採用されている。ところが、そのような凝固組織の微細化手法を採用した場合、鋳塊に対して、微細化剤自体が、不純物として混入されることとなり、それによって、製造されたアルミニウム合金鋳塊の品質が低下する可能性がある。
【０００４】
そこで、アルミニウム合金に対して微細化剤を何等添加することなく、凝固組織の微細化を図る手法として、鋳型内に注湯された溶湯に対して超音波振動を加えつつ、半連続鋳造を行う手法が、例えば、下記特許文献１及び２等において提案されている。
【０００５】
そのような提案手法では、超音波ホーンが用いられ、それが、鋳型内に注湯された溶湯中に浸漬されて、発振せしめられることにより、鋳型内の溶湯に対して超音波振動が加えられるようになっている。鋳型内のアルミニウム合金の溶湯に対して超音波振動を加えると、超音波振動によって生成したキャビテーションが圧壊する際に生ずる衝撃力で、鋳型の内壁面付近や超音波ホーンの溶湯中への浸漬部分の近傍に生成するデンドライトが微細に分断され、また、それらが、超音波振動によって生ずる音響流によって周囲に分散される。そして、そのようにして分散された微細なデンドライトが、凝固殻の新たな核生成場所となり、それによって、核生成の場所が増大する。その結果、微細粒組織が形成されるようになるのである。
【０００６】
ところが、本発明者等の研究によれば、単に、鋳型内の溶湯に対して超音波振動を加えるだけの下記特許文献１及び２に開示の提案手法では、アルミニウム合金鋳塊の凝固組織の微細化を安定的に実現することが困難であることが判明した。
【０００７】
すなわち、超音波振動を利用した手法によって、凝固組織を均一に微細化するには、微細に分断されたデンドライトが鋳型内の溶湯中に均一に分散するような溶湯の流れを形成することが、極めて重要となる。しかしながら、下記特許文献１及び２には、坩堝内に注湯された溶湯中に超音波ホーンを浸漬して、かかる坩堝内の溶湯に対して超音波振動を加えるようにしたものが例示されているだけであった。つまり、それらの文献は、単に、実験室レベルでの小型鋳塊の製造手法に対して、超音波振動を利用した凝固組織の微細化手法を適用した例を開示するに過ぎないものであった。それ故、当然のことながら、そのような実験室レベルでの小型鋳塊の製造手法では、一般的な半連続鋳造によるアルミニウム合金鋳塊の工業レベルでの製造に際して、微細に分断されたデンドライトを如何にして鋳型内の溶湯中に均一に分散させるかが、全く不明であった。従って、そのような従来手法をそのまま採用しただけでは、凝固組織が均一に微細化されたアルミニウム合金鋳塊を、工業レベルで大量に且つ安定的に製造することが、到底不可能であったのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平７−８４６２６号公報
【特許文献２】特開２００４−２０９４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここにおいて、本発明は、上述せる如き事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、微細で且つ均一な凝固組織を有するアルミニウム合金鋳塊を、微細化剤の添加なしに、工業レベルで大量に且つ安定的に製造し得るようにしたアルミニウム合金鋳塊の製造方法を提供することにある。また、均一に微細化された凝固組織を有し、且つ安定的に大量生産可能なアルミニウム合金鋳塊を提供することをも、その解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者等は、上記の課題を解決するために、様々な実験や検討を行った。それにより、鋳型内に注湯された溶湯中に浸漬される超音波ホーンの浸漬部分の配置位置や姿勢等が、注湯時の溶湯流れに大きな影響を及ぼすことが、判明した。そして、この判明事実を基に、本発明者等が更に鋭意研究を重ねた結果、超音波ホーンを特定の角度で傾斜させた状態で、鋳型内の所定位置に配置することによって、微細に分断されたデンドライトが鋳型内の溶湯中に均一に分散するような溶湯流れを形成し得ることを、見出したのである。
【００１１】
本発明は、かくの如き知見に基づいて完成されたものであって、その要旨とするところは、鋳型内に注湯されたアルミニウム合金の溶湯中に超音波ホーンを浸漬して、該溶湯に対して超音波振動を加えつつ、半連続鋳造を行うことにより、アルミニウム合金鋳塊を製造する方法であって、前記超音波ホーンの先端部を前記溶湯中に浸漬する一方、該超音波ホーンの中心軸の延長線と凝固殻の該溶湯に対する接触面とのなす角の大きさが４５°以下となり、且つ該凝固殻の中心側に向かって延びるように、該超音波ホーンを傾斜させた状態で、該超音波ホーンの該溶湯中への浸漬部分の先端面の中心部（先端中心）が、該浸漬部分の直近に位置する前記鋳型の内壁面から１５ｍｍ以上離間し、且つ該浸漬部分の先端面の中心部が、該鋳型内の該溶湯の湯面から１５ｍｍ以内の深さに位置するように、該超音波ホーンを配置した状態において、該超音波ホーンを発振させて、該溶湯に対して超音波振動を加えることを特徴とするアルミニウム合金鋳塊の製造方法にある。なお、本明細書において、凝固殻とは、半連続鋳造にて製造されるアルミニウム合金鋳塊の溶湯との接触面（凝固界面）を含む表層部分の全体を言う。
【００１２】
また、本発明に従うアルミニウム合金鋳塊の製造方法においては、前記超音波ホーンの浸漬部分を±１０μｍ以上の振幅で発振させる構成が、好適に採用される。
【００１３】
さらに、本発明に従うアルミニウム合金鋳塊の製造方法では、半連続鋳造を実施している間、前記鋳型内の溶湯に対して、超音波振動を連続的に加える構成も、有利に採用される。
【００１４】
そして、本発明にあっては、上記せるアルミニウム合金鋳塊の製造方法によって製造されていることを特徴とするアルミニウム合金鋳塊をも、その要旨とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
すなわち、本発明に従うアルミニウム合金鋳塊の製造方法においては、鋳型内に注湯された溶湯中への超音波ホーンの浸漬部分が、鋳型の内壁面から十分な距離を隔てて離間し、且つ溶湯の比較的に浅い領域において配置されるようになる。それ故、超音波ホーンの浸漬部分と鋳型の内壁面との間の溶湯の流れが滞ったり、溶湯の湯面付近の浅い領域での流れと溶湯の深い領域での流れとが不均一となったりすることが有利に防止され得る。しかも、超音波ホーンの溶湯中への浸漬部分が、凝固殻の中心側に向かって延びるように、特定の範囲内の角度で傾斜せしめられているところから、鋳型内全体で略一定方向の溶湯流れを生ぜしめ得る。それ故、かかる本発明手法によれば、微細に分断されたデンドライトが鋳型内の溶湯中に均一に分散するような溶湯流れを形成することが出来、また、鋳型内全体での略一定方向の溶湯流れによって、鋳型内全体の溶湯の温度分布を可及的に均一化することも出来る。
【００１６】
従って、かくの如き本発明に従うアルミニウム合金鋳塊の製造方法によれば、アルミニウム合金に対して微細化剤を何等添加することなく、微細で且つ均一な凝固組織を有するアルミニウム合金鋳塊を、半連続鋳造により、工業レベルで大量に且つ安定的に製造することが出来るのである。そして、その結果として、工業レベルで製造されるアルミニウム合金鋳塊の品質の向上は勿論、そのようなアルミニウム合金鋳造を用いて実施される圧延や押出等の加工性の向上も、極めて有利に実現され得ることとなる。
【００１７】
また、本発明に従うアルミニウム合金鋳塊にあっては、上記せる如き特徴的な製造手法によって製造されているところから、均一に微細化された凝固組織を有し、しかも、安定的に大量生産可能となっている。そして、圧延や押出等の実施に際して、優れた加工性が発揮され得るのである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明手法に従って、アルミニウム合金鋳塊を、ホットトップ方式の半連続鋳造により製造する工程の一例を示す説明図である。
【図２】本発明手法とは異なる手法によって、アルミニウム合金鋳塊を、ホットトップ方式の半連続鋳造により製造する工程例を示す、図１に対応する図である。
【図３】本発明手法に従って、アルミニウム合金鋳塊を、オープンモールド方式の半連続鋳造により製造する工程の一例を示す、図１に対応する図である。
【図４】本発明手法に従って、ホットトップ方式の半連続鋳造により製造されたアルミニウム合金鋳塊の凝固組織の顕微鏡写真である。
【図５】従来手法に従って、アルミニウム合金に微細化剤を添加した上で、ホットトップ方式の半連続鋳造により製造されたアルミニウム合金鋳塊の凝固組織の顕微鏡写真である。
【図６】本発明手法に従って、オープンモールド方式の半連続鋳造により製造されたアルミニウム合金鋳塊の凝固組織の顕微鏡写真である。
【図７】従来手法に従って、アルミニウム合金に微細化剤を添加した上で、オープンモールド方式の半連続鋳造により製造されたアルミニウム合金鋳塊の凝固組織の顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。
【００２０】
先ず、図１には、本発明手法に従って、アルミニウム合金の鋳塊を、ホットトップ方式の半連続鋳造によって製造する工程の一例が、概略的に示されている。かかる図１から明らかなように、本実施形態では、目的とするアルミニウム合金の鋳塊を製造するに当たって、工業レベルで使用される、従来と同様な構造のホットトップ鋳造装置が用いられている。
【００２１】
すなわち、ここで用いられるホットトップ鋳造装置は、上下に開放された、黒鉛製の鋳型１０を有している。この鋳型１０の上方には、図示しないタンディッシュから延び出して、内部に、アルミニウム合金の溶湯１２が流動せしめられる溶湯流路１４が設置されている。この溶湯流路１４は、整流板１６からなる底壁部と側壁部と天板部と有し、溶湯１２が流動せしめられる内部が閉鎖空間とされている。また、かかる溶湯流路１４は、その底壁部を構成する整流板１６の一部にて、鋳型１０の上側開口部を覆蓋している。そして、かかる鋳型１０の上側開口部を覆蓋する整流板１６部分には、大径の流出口１８が形成されている。
【００２２】
かくして、タンディッシュから供給された溶湯１２が、溶湯流路１４内を流動し、流出口１８を通じて、鋳型１０内に注湯されるようになっている。また、かかる溶湯１２が、溶湯流路１４内の流動中も、鋳型１０内に注湯された後においても、周辺雰囲気に暴露されないようになっている。更に、鋳型１０の上側開口部が整流板１６にて覆蓋されていることによって、鋳型１０内の溶湯１２の温度の均一化が図られている。
【００２３】
一方、鋳型１０の下方には、鋳型１０の下側開口部を覆蓋可能なボトムブロック（図示せず）が上下動可能に配設されていると共に、冷却水を噴射する噴射口１９を備えたウォータージャケット２０が、位置固定に設けられている。
【００２４】
そして、かかるホットトップ鋳造装置は、鋳型１０の溶湯１２に対して超音波振動を加えるための超音波発振装置２２を有している。この超音波発振装置２２も、従来と同様な構造を有し、超音波発振器２４と増幅器２６と超音波ホーン２８とを含んで構成されている。かかる超音波発生装置２２は、超音波発振器２４の発振により、円柱形状を呈する超音波ホーン２８を、その先端部において、±１０μｍ以上の振幅で超音波振動させ得るように構成されている。そして、そのような超音波ホーン２８が、溶湯流路１４の前記流出口１８と対応位置する天板部部分に穿設された挿通孔３０内に挿通されて、鋳型１０内に突入せしめられ、また、この鋳型１０内に突入した超音波ホーン２８の先端部が、鋳型１０内に注湯された溶湯１２中に浸漬されるようになっている。
【００２５】
ところで、一般に、超音波発振装置の超音波ホーンは、先端部が最大振幅を示す波長の１／４程度の長さに設計される。そのため、利用する超音波の周波数が高い程、超音波ホーンが短くなり、得られる振幅が小さくなる。換言すれば、超音波ホーンの先端部での振幅を大きく設定することによって、超音波ホーンの長さを長くすることが出来る。そして、本実施形態で用いられる超音波ホーン２８は、上記の如く、±１０μｍ以上の振幅で超音波振動させられるようになっている。それ故、超音波ホーン２８の長さが比較的に長い長さ、具体的には２００ｍｍ以上の長さに設定されている。
【００２６】
これによって、かかる超音波ホーン２８を有する超音波発生装置２２にあっては、超音波ホーン２８の先端部が溶湯１２中に浸漬された状態において、増幅器２６や超音波発振器２４が、高温の溶湯１２から可及的に遠ざけられて、溶湯１２からの輻射熱や超音波ホーン２８を通じての熱伝達によるダメージを受け難くなっている。かくして、超音波発生装置２２においては、増幅器２６や超音波発振器２４に対して、断熱のための特別な処置を施すことなく、超音波ホーン２８により、長時間、安定した超音波振動を発生し得るようになっている。
【００２７】
また、現在、工業レベルでのアルミニウム合金の半連続鋳造は、通常、数十分から１時間以上の時間を掛けて実施されている。そして、アルミニウム合金の溶湯１２は、一般に６６０℃以上の高温に達する。このため、そのようなアルミニウム合金の溶湯１２に対して超音波振動を連続的に且つ安定的に加えるには、かかる溶湯１２中に浸漬される超音波ホーン２８が、高温でも破壊しない強度と耐熱衝撃性とを有すると共に、溶湯１２に浸食されない材料からなるものであることが望まれる。このような要求を満たす超音波ホーン２８の形成材料としては、Ｎｂ等の高融点金属材料や各種のセラミックス材料が例示され得る。本実施形態では、それらの材料の中でも、高温強度が高いだけでなく、軽量で且つ溶湯１２と反応しない窒化珪素系セラミックス材料が、超音波ホーン２８の形成材料として、用いられている。そして、この窒化珪素系セラミックス製の超音波ホーン２８では、かかる窒化珪素系セラミックス材料の有する特性から、１５〜２０ｋＨｚの周波数で１ｋＷ程度の出力が得られる超音波発振器２４によって、±１０μｍ以上の振幅の超音波振動が、比較的に容易に得られるようになっている。
【００２８】
かくの如き構造とされたホットトップ鋳造装置を用いて、アルミニウム合金鋳塊を製造する際には、図１に示されるように、従来と同様な手順に従って、溶湯１２を、溶湯流路１４を通じて鋳型１０内に注湯する一方、鋳型１０の下部において、ウォータージャケット２０の噴射口１９から噴射される冷却水により、図示しないボトムブロック上で、溶湯１２を冷却、凝固させて、アルミニウム合金の鋳塊３２を製造する。そして、ボトムブロックを下降させて、製造された鋳塊３２を下方に徐々に引き出す。なお、かかる鋳塊３２は、溶湯１２との接触面３４（凝固界面）を含む表層部分の全体が、凝固殻３６となっている。
【００２９】
また、そのような鋳塊３２の鋳造過程において、溶湯１２の鋳型１０内への注湯の開始から、アルミニウム合金鋳塊３２の鋳造の終了までの間、超音波発生装置２２を継続的に作動させて、鋳型１０内の溶湯１２中に浸漬された超音波ホーン２８により、溶湯１２に対して、±１０μｍ以上の振幅の超音波振動を連続的に加える。このように、アルミニウム合金鋳塊３２の半連続鋳造を実施している間、溶湯１２に対して超音波振動を連続的に加えることにより、超音波振動で生成したキャビテーションが圧壊する際に生ずる衝撃力にて、溶湯１２中に生成するデンドライトが、より確実に微細に分断され、また、それら微細に分断されたデンドライトが、超音波振動によって生ずる音響流にて分散されて、それが、新たな核生成場所となる。その結果、製造される鋳塊３２の内部に、微細な凝固組織が形成されるのである。
【００３０】
そして、ここでは、特に、鋳塊３２内部の凝固組織を、より微細に且つ均一化するために、超音波ホーン２８が、特定の向きで所定位置に配置される。即ち、超音波ホーン２８の先端部分が、鋳型１０の中心軸：Ｔよりも、前記溶湯流路１４内での溶湯１２の流通方向の前方側に配置された鋳型１０の内壁面部３８に近接する位置において、鋳型１０内に突入せしめられて、鋳型１０内の溶湯１２中に浸漬される。
【００３１】
このとき、超音波ホーン２８の溶湯１２中への浸漬部分の先端面の中心：Ｏと、鋳型１０内の溶湯１２の湯面４０（ホットトップ鋳造装置を用いる場合には、鋳型１０の上側開口部を覆蓋する前記整流板１６の下面に対する溶湯１２の接触面が相当する）との間の距離：Ｄが、１５ｍｍ以内とされていなければならない。つまり、超音波ホーン２８の浸漬部分の先端面の中心：Ｏが、鋳型１０内の溶湯１２の湯面４０から１５ｍｍ以内の比較的に浅い深さ位置に配置されている必要がある。何故なら、かかる距離：Ｄが１５ｍｍを越える場合には、超音波ホーン２８の先端部より浅い湯面４０付近での溶湯１２の音響流の流速が、超音波ホーン２８の先端部よりも深い領域での溶湯１２の音響流の流速よりも不可避的に小さくなって、超音波振動により微細に分断されたデンドライトが、溶湯１２の全体に十分に分散されなくなるだけでなく、溶湯１２の浅い領域と深い領域との間で温度差が生じて、凝固組織の成長速度にバラツキが発生するようになる。そして、それによって、鋳塊３２の内部に形成される凝固組織の微細化が不十分となり、また、微細化された凝固組織も不均一なものとなってしまうからである。
【００３２】
また、超音波ホーン２８の溶湯１２中への浸漬部分の先端面の中心：Ｏと、その直近に位置する鋳型１０の内壁面部３８との間の距離：Ｌが１５ｍｍ以上とされていなければならない。つまり、超音波ホーン２８の浸漬部分の先端面の中心：Ｏが、かかる浸漬部分の直近に位置する鋳型１０の内壁面部３８から１５ｍｍ以上離間して、配置されている必要がある。何故なら、かかる距離：Ｌが１５ｍｍを下回ると、超音波ホーン２８の浸漬部分と鋳型１０の内壁面部３８との間の溶湯１２の流れが滞るようになる。こうした場合にも、超音波振動により微細に分断されたデンドライトの溶湯１２全体への分散が不十分となると共に、溶湯１２内での温度分布が不均一となる。そして、それらの結果として、鋳塊３２の内部に形成される凝固組織の微細化が不十分となり、また、微細化された凝固組織も不均一なものとなってしまうからである。
【００３３】
さらに、超音波ホーン２８は、上記の位置において、鋳塊３２の凝固殻３６の中心部：ａ側に向かって延びるように傾斜し、且つ超音波ホーン２８の中心軸：Ｐの延長線：Ｑと鋳塊３２の凝固殻３６の溶湯１２との接触面３４との交点：Ｓが、凝固殻３６の中心部：ａと、超音波ホーン２８の溶湯１２中への浸漬部分の直近に配置された（ここでは、溶湯流路１４内での溶湯１２の流通方向前方側に配置された）鋳型１０の内壁面部３８に接触する凝固殻３６の接触部：ｂとの間に位置するように、配置される。このとき、超音波ホーン２８の傾斜角度：θ、詳細には、超音波ホーン２８の中心軸：Ｐの延長線：Ｑと凝固殻３６の溶湯１２との接触面３４とのなす角のうち、前記内壁面部３８に接触する凝固殻３６の接触部：ｂ側のなす角：θの大きさが、４５°以下とされている必要がある。
【００３４】
かかるなす角：θの大きさが４５°を越える大きさとなっている場合には、図２に実線の矢印で示されるように、鋳型１０内において、超音波振動によって生ずる音響流が、凝固殻３６の溶湯１２との接触面３４に対して、より直角に近い角度で衝突するようになり、そのために、そのような音響流が、溶湯１２の全体に行き渡るような流れとならず、鋳型１０内での部分的な流れとなる。そして、それに起因して、図２に破線の矢印に示されるように、溶湯１２中に、音響流とは別の、流速の小さな流れが生ぜしめられる。これによっても、超音波振動により微細に分断されたデンドライトの溶湯１２全体への分散が不十分となることに加えて、溶湯１２内で流速の異なる流れが生じている領域同士の間で、温度分布に明確な差異が生ずるようになる。そして、それらの結果として、鋳塊３２の内部に形成される凝固組織の微細化が不十分となり、また、微細化された凝固組織も不均一なものとなってしまう。
【００３５】
これに対して、上記のなす角：θの大きさが４５°以下とされている場合には、図１に実線の矢印で示されるように、超音波振動によって生ずる音響流が、凝固殻３６の溶湯１２との接触面３４に沿って流れるようになり、そのため、そのような音響流が、溶湯１２の略全体に行き渡るような一定の方向の流れとなる。これにより、超音波振動により微細に分断されたデンドライトが、かかる音響流にて押し流されるようにして、溶湯１２全体に行き渡るように十分に分散され、しかも、溶湯１２全体の温度の均一化が有利に図られる。従って、超音波ホーン２８の傾斜角度：θが４５°以下とされることによって、鋳塊３２の内部に形成される凝固組織の微細化と均一化とが、共に有利に図られ得るようになるのである。
【００３６】
このように、本実施形態手法にあっては、超音波ホーン２８を、４５°以下の傾斜角度で傾斜させて、溶湯１２の浸漬部分の先端面の中心部：Ｏを、鋳型１０の内壁面部３８から１５ｍｍ以上離間させると共に、湯面４０から１５ｍｍ以内の深さ位置に配置した状態で、超音波ホーン２８の先端部を溶湯１２内に浸漬させ、そして、そのような超音波ホーン２８にて、溶湯１２に対して、超音波振動を加えつつ、半連続鋳造を進行するようになっている。これによって、微細に分断されたデンドライトを鋳型１０内の溶湯１２中に均一に分散させると共に、かかる溶湯１２全体の温度を均一化させ得る溶湯１２の流れを、鋳型１０内に形成することが出来る。
【００３７】
従って、かくの如き本実施形態手法によれば、アルミニウム合金に対して微細化剤を何等添加することなしに、微細で且つ均一な凝固組織を有するアルミニウム合金の鋳塊３２を、半連続鋳造により、工業レベルで大量に且つ安定的に製造することが出来るのである。そして、その結果として、大量生産されるアルミニウム合金の鋳塊３２の品質の向上は勿論、そのようなアルミニウム合金の鋳塊３２を用いて実施される圧延や押出等の加工性の向上も、極めて有利に実現可能となるのである。
【００３８】
また、本実施形態手法においては、アルミニウム合金の鋳塊３２を半連続鋳造により製造している間中、超音波ホーン２８にて、超音波振動が、溶湯１２に対して連続的に加えられるようになっており、これによっても、鋳塊３２の凝固組織の均一な微細化が、更に一層十分に進行せしめられ得ることとなる。
【００３９】
さらに、本実施形態手法では、±１０μｍ以上の振幅の超音波振動を発生させ得るような、十分に長い長さを有する超音波ホーン２８が用いられていることにより、かかる超音波ホーン２８にて、鋳型１０内の溶湯１２に対して、長時間、安定した超音波振動を加え得る。これによっても、微細で且つ均一な凝固組織を有するアルミニウム合金の鋳塊３２の大量な安定生産が可能となる。
【００４０】
そして、そのような本実施形態手法によって製造されるアルミニウム合金の鋳塊３２が、微細で且つ均一な凝固組織を有する、優れた品質をもって、安定的に大量生産可能となっている。また、圧延や押出等の実施に際して、優れた加工性が発揮され得る。
【００４１】
次に、図３には、本発明手法に従って、アルミニウム合金の鋳塊３２を、オープンモールド方式の半連続鋳造によって製造する工程の一例が、概略的に示されている。かかる図３から明らかなように、本実施形態では、目的とするアルミニウム合金の鋳塊３２を製造するに当たって、工業レベルで使用される、従来と同様な構造のオープンモールド鋳造装置が用いられている。なお、図３に示されるオープンモールド鋳造装置に関しては、前記第一の実施形態において用いられる、図１に示されたホットトップ鋳造装置と同様な構造とされた部材及び部位について、図１と同一の符号を付すことにより、その詳細な説明を省略する。
【００４２】
すなわち、ここで用いられるオープンモールド鋳造装置は、上下に開放された水冷鋳型４２を有している。この水冷鋳型４２は、内部に冷却水が収容された水室４４が設けられると共に、下端部に、水室４４内の冷却水を噴射する噴射口４６が設けられている。また、かかる水冷鋳型４２内には、図示しないタンディッシュから延びる注湯ノズル４８が突入配置されており、この注湯ノズル４８を通じて、溶湯１２が、水冷鋳型４２内に注湯されるようになっている。更に、水冷鋳型４２内に注湯された溶湯１２の湯面４０上には、フロート５０が、注湯ノズル４８の下方に位置するように、浮かべられている。そして、このフロート５０が、湯面４０の上昇及び下降に伴って上下動せしめられて、注湯ノズル４８の下端開口部を開閉したり、或いは注湯ノズル４８の下端開口部とフロート５０の上面との間の隙間の大きさを増減させたりすることによって、水冷鋳型１０内での湯面４０のレベルを一定に保持させ得るようになっている。
【００４３】
そして、かかるオープンモールド鋳造装置は、水冷鋳型４２内の溶湯１２に対して超音波振動を加えるための超音波発振装置２２を有している。この超音波発振装置２２は、前記第一の実施形態において用いられるホットトップ鋳造装置に装備されるものと同一の構造を有しており、超音波発振器２４と増幅器２６と超音波ホーン２８とを含んで構成されている。
【００４４】
而して、このようなオープンモールド鋳造装置を用いて、アルミニウム合金の鋳塊３２を製造する際には、従来と同様な手順に従って、フロート５０により、湯面４０が一定のレベルに保持されるように、溶湯１２が、水冷鋳型４２内に注湯されつつ、半連続鋳造が実施される。また、かかる半連続鋳造の実施中には、超音波発生装置２２の超音波ホーン２８が溶湯１２中に浸漬されて、水冷鋳型４２内への溶湯１２の注湯開始から鋳造終了までの間、かかる超音波ホーン２８により、溶湯１２に対して、超音波振動が連続的に加えられる。
【００４５】
そして、本実施形態手法にあっても、前記実施形態手法と同様に、溶湯１２中に浸漬された超音波ホーン２８が、４５°以下の傾斜角度：θで傾斜せしめられた状態で、その浸漬部分の先端面の中心部：Ｏを、それに直近の水冷鋳型４２の内壁面部３８から１５ｍｍ以上離間させると共に、湯面４０から１５ｍｍ以内の深さ位置に配置される。
【００４６】
従って、かくの如き本実施形態手法によっても、微細に分断されたデンドライトを水冷鋳型４２内の溶湯１２中に均一に分散させ、且つ溶湯１２全体の温度を均一化させ得る溶湯１２の流れを、水冷鋳型４２内に形成することが出来る。そして、それによって、アルミニウム合金に対して微細化剤を何等添加することなしに、微細で且つ均一な凝固組織を有するアルミニウム合金の鋳塊３２を、半連続鋳造により、工業レベルで大量に且つ安定的に製造することが出来る。また、その結果として、大量生産されるアルミニウム合金の鋳塊３２の品質の向上は勿論、そのようなアルミニウム合金の鋳塊３２を用いて実施される圧延や押出等の加工性の向上も、極めて有利に実現可能となるのである。
【００４７】
そして、かかる本実施形態手法によって製造されるアルミニウム合金の鋳塊３２にあっても、前記第一の実施形態手法によって製造されるアルミニウム合金の鋳塊３２において発揮される優れた特徴が、十分に確保され得る。
【００４８】
以上、本発明の具体的な構成について詳述してきたが、これはあくまでも例示に過ぎないのであって、本発明は、上記の記載によって、何等の制約をも受けるものではない。
【００４９】
例えば、前記第一の実施形態では、超音波ホーン２８が、鋳型１０の中心軸：Ｔ よりも、溶湯流路１４内での溶湯１２の流通方向の前方側に配置された鋳型１０の内壁面部３８に近接する位置において、鋳型１０内に突入せしめられて、鋳型１０内の溶湯１２中に浸漬されていた。しかしながら、超音波ホーン２８は、その中心軸：Ｐの延長線：Ｑと凝固殻３６の溶湯１２に対する接触面３４とのなす角：θの大きさが４５°以下となるように、凝固殻３６の中心部：ａ側に向かって延びるように傾斜せしめられた状態で、溶湯１２中への浸漬部分の先端面の中心部：Ｏが、かかる浸漬部分の直近に位置する鋳型１０の内壁面部３８から１５ｍｍ以上離間し、且つ湯面４０から１５ｍｍ以内の深さに位置するように、配置されておれば良い。従って、鋳型１０の中心軸：Ｔ よりも、溶湯流路１４内での溶湯１２の流通方向の後方側や側方側に配置された鋳型１０の内壁面部に近接する位置において、超音波ホーン２８を、鋳型１０内に突入せしめて、鋳型１０内の溶湯１２中に浸漬するように為すことも可能である。
【００５０】
また、前記第二の実施形態に示されるように、オープンモールド鋳造装置を用いて、目的とするアルミニウム合金の鋳塊３２を製造する場合にあっても、超音波ホーン２８の水冷鋳型４２内への突入位置は、上記の如き溶湯１２中への浸漬位置と傾斜角度を満足しておれば、何等限定されるものではない。
【００５１】
さらに、前記第一の実施形態では、溶湯流路１４の底壁部を構成する整流板１６にて、鋳型１０の上側開口部が部分的に覆蓋されていたが、そのような鋳型１０の上側開口部を覆蓋する整流板１６部分を省略しても、何等差し支えない。
【００５２】
更にまた、目的とするアルミニウム合金の鋳塊３２の製造に際して使用される超音波発生装置２２の構造も、例示されたものに、特に限定されるものではなく、公知のものが何れも採用可能である。
【００５３】
また、超音波ホーン２８も、円柱形状のもの以外に、例えば円錐形状を呈する公知のものが、適宜に用いられ得る。
【００５４】
さらに、超音波ホーン２８の発振は、一般に、注湯開始と同時に開始されるが、超音波ホーン２８の発振を開始するタイミングが、何等それに限定されるものではない。例えば、超音波ホーン２８の発振開始のタイミングを、溶湯１２が、鋳型１０，４２内に最初に満たされる前としたり、鋳型１０，４２内に注湯された溶湯１２中に、超音波ホーン２８の先端が浸漬されるのと同時としたり、或いは溶湯１２が、鋳型１０，４２内に最初に満たされるのと同時としたりしても良い。
【００５５】
更にまた、超音波振動は、鋳塊３２の鋳造を実施している間中、溶湯１２に対して連続的に加えられるようになっていることが好ましいが、溶湯１２を超音波により間欠的に加振するように為すことも出来る。
【００５６】
加えて、本発明は、ビレットやスラブ等の種類や形態等を何等問うことなく、各種のアルミニウム合金鋳塊の製造手法の何れに対しても、有利に適用されるものであることは、勿論である。
【００５７】
その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもないところである。
【実施例】
【００５８】
以下に、本発明の実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにするが、本発明が、そのような実施形態の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。
【００５９】
＜実施例１＞
先ず、アルミニウム合金の溶湯として、Ａｌ−Ｚｎ−Ｃｕ系アルミニウム合金の溶湯を所定量準備した。また、図１に示される如き超音波発生装置を備えたホットトップ鋳造装置を準備した。なお。このホットトップ鋳造装置に装備される超音波発生装置として、直径が２０ｍｍで長さが２６０ｍｍの丸棒形状を呈する窒化珪素セラミックス製の超音波ホーンを有するものを使用した。
【００６０】
そして、準備されたホットトップ鋳造装置における超音波発生装置の超音波ホーンの先端部を鋳型内の溶湯中に浸漬し、且つかかる超音波ホーンを、図１にθにて示される傾斜角度（超音波ホーンの中心軸の延長線と凝固殻の溶湯に対する接触面とのなす角の大きさ）が４５°、図１にＬにて示される距離（超音波ホーンの先端面の中心部：Ｏから、その直近に位置する鋳型の内壁面部までの距離）が４０ｍｍ、図１にＤにて示される距離（湯面から超音波ホーンの先端面の中心部：Ｏまでの距離）が１５ｍｍとなるように配置した。そして、その状態で、かかる超音波ホーンにより、溶湯に対して、注湯の開始から鋳造終了までの間、連続的に超音波振動を加えつつ、半連続鋳造を公知の手法に従って実施した。これにより、アルミニウム合金に対して微細化剤を何等添加することなしに、直径が約２５０ｍｍのＡｌ−Ｚｎ−Ｃｕ系アルミニウム合金鋳塊を製造した。そして、かくして得られたアルミニウム合金鋳塊を試験例１とした。この試験例１のアルミニウム合金鋳塊を製造する半連続鋳造では、超音波ホーンから発する超音波の周波数を１９ｋＨｚ、振幅を±１７μｍに設定した。また、鋳造速度は４５ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００６１】
なお、試験例１のアルミニウム合金鋳塊を製造するのに用いられる鋳型と同一寸法のアクリル樹脂製の容器内に水を満たして、この水中に、超音波ホーンを、上記と同一の条件で配置した条件下で、水の流れを観察する水モデル試験を行った。その結果、図１に矢印で示されるように、容器内の全体に行き渡るような一定方向の水の流れが容器内に生ずることが確認された。また、超音波ホーンの中心軸の延長線と凝固殻の溶湯に対する接触面とのなす角：θの大きさは、試験例１のアルミニウム合金鋳塊の製造中（鋳造中）に、溶湯内に錫を混入させて、凝固殻の溶湯に対する接触面を明瞭にした上で、鋳塊製造後のマクロ観察によって確認した。
【００６２】
また、比較のために、超音波装置を有しない以外、試験例１のアルミニウム合金鋳塊を製造するのに使用したものと同一構造を有するホットトップ鋳造装置と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ系合金等の微細化剤が添加されたＡｌ−Ｚｎ−Ｃｕ系アルミニウム合金の溶湯とを用いて、従来より公知のホットトップ方式による半連続鋳造を実施して、直径が約２５０ｍｍのＡｌ−Ｚｎ−Ｃｕ系アルミニウム合金鋳塊を製造した。そして、かくして得られたアルミニウム合金鋳塊を比較例１とした。なお、この比較例１のアルミニウム合金鋳塊を製造に際しては、その鋳造速度を４５ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００６３】
そして、上記のようにして製造された試験例１のアルミニウム合金鋳塊と比較例１のアルミニウム合金鋳塊のそれぞれの中心軸付近の凝固組織を、光学電子顕微鏡を用いて観察した。その結果を図４及び図５に示した。それらの図から明らかなように、試験例１のアルミニウム合金鋳塊の凝固組織が、比較例１のアルミニウム合金鋳塊の凝固組織よりも、明らかに均一に微細化されていることが認められた。なお、図４及び図５と後述する図６及び図７は、全て同倍率の顕微鏡写真であって、同一のスケールで示されていることが理解されるべきである。
【００６４】
また、試験例１のアルミニウム合金鋳塊と比較例１のアルミニウム合金鋳塊のそれぞれの平均結晶粒径を、ＡＳＴＭで規定される求積法（ASTM Designation E 112-82）に基づいて評価した。その結果、比較例１のアルミニウム合金鋳塊の平均結晶粒径は約２００μｍであったのに対して、試験例１のアルミニウム合金鋳塊の平均結晶粒径は約５０μｍで、比較例１のアルミニウム合金鋳塊の平均結晶粒径の１／４程度の大きさとなっていた。
【００６５】
さらに、試験例１のアルミニウム合金鋳塊と比較例１のアルミニウム合金鋳塊のそれぞれを用いて、それら２種類のアルミニウム合金鋳塊に対して同一条件下で均質化処理を行った後、一般的な量産設備を使用して、各アルミニウム合金鋳塊から外径：６０ｍｍ、内径：４５ｍｍの管体を成形する押出成形を互いに同一の条件で実施した。その結果、試験例１のアルミニウム合金鋳塊を用いる場合においては、比較例１のアルミニウム合金鋳塊を用いる場合に比して、同等以上の押出速度で、割れ等を生ずることなく押出成形することが出来た。
【００６６】
これらの結果から、本発明手法に従うホットトップ方式の半連続鋳造を実施することにより、従来手法を実施する場合に比して、より均一に微細化された凝固組織を有するアルミニウム合金鋳塊が製造可能となることが、明確に認識され得る。そして、本発明手法によって製造されたアルミニウム合金鋳塊が、従来手法によって製造されたアルミニウム合金鋳塊と同等以上の機械加工性が確保され得ることも、確認出来る。
【００６７】
＜実施例２＞
先ず、アルミニウム合金の溶湯として、Ａｌ−Ｚｎ−Ｃｕ系アルミニウム合金の溶湯を所定量準備した。また、図３に示される如き超音波発生装置を備えたオープンモールド鋳造装置を準備した。なお。このオープンモールド鋳造装置に装備される超音波発生装置として、直径が２０ｍｍで長さが２６０ｍｍの丸棒形状を呈する窒化珪素セラミックス製の超音波ホーンを有するものを使用した。
【００６８】
そして、準備されたオープンモールド鋳造装置における超音波発生装置の超音波ホーンの先端部を鋳型内の溶湯中に浸漬し、且つかかる超音波ホーンを、図３にθにて示される傾斜角度（超音波ホーンの中心軸の延長線と凝固殻の溶湯に対する接触面とのなす角の大きさ）が３２°、図３にＬにて示される距離（超音波ホーンの先端面の中心部：Ｏから、その直近に位置する鋳型の内壁面部までの距離）が２０ｍｍ、図３にＤにて示される距離（湯面から超音波ホーンの先端面の中心部：Ｏまでの距離）が１５ｍｍとなるように配置した。そして、その状態で、かかる超音波ホーンにより、溶湯に対して、注湯の開始から鋳造終了までの間、連続的に超音波振動を加えつつ、半連続鋳造を公知の手法に従って実施した。これにより、アルミニウム合金に対して微細化剤を何等添加することなしに、直径が約２５０ｍｍのＡｌ−Ｚｎ−Ｃｕ系アルミニウム合金鋳塊を製造した。そして、かくして得られたアルミニウム合金鋳塊を試験例２とした。この試験例２のアルミニウム合金鋳塊を製造する半連続鋳造では、超音波ホーンから発する超音波の周波数を１９ｋＨｚ、振幅を±１７μｍに設定した。また、鋳造速度は５０ｍｍ／ｍｉｎとした。なお、超音波ホーンの中心軸の延長線と凝固殻の溶湯に対する接触面とのなす角：θの大きさは、試験例１のアルミニウム合金鋳塊を製造する際に確認した方法と同様な方法で確認した。
【００６９】
また、比較のために、超音波装置を有しない以外、試験例２のアルミニウム合金鋳塊を製造するのに使用したものと同一構造を有するオープンモールド鋳造装置と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｂ系合金等の微細化剤が添加されたＡｌ−Ｚｎ−Ｃｕ系アルミニウム合金の溶湯とを用いて、従来より公知のオープンモールド方式による半連続鋳造を実施し、直径が約２５０ｍｍのＡｌ−Ｚｎ−Ｃｕ系アルミニウム合金鋳塊を製造した。そして、かくして得られたアルミニウム合金鋳塊を比較例２とした。なお、この比較例２のアルミニウム合金鋳塊の製造に際しては、その鋳造速度を５０ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００７０】
そして、上記のようにして製造された試験例２のアルミニウム合金鋳塊と比較例２のアルミニウム合金鋳塊のそれぞれの中心軸付近の凝固組織を、光学電子顕微鏡を用いて観察した。その結果を図６及び図７に示した。それらの図から明らかなように、試験例２のアルミニウム合金鋳塊の凝固組織が、比較例２のアルミニウム合金鋳塊の凝固組織よりも、明らかに均一に微細化されていることが認められた。
【００７１】
また、試験例２のアルミニウム合金鋳塊と比較例２のアルミニウム合金鋳塊のそれぞれの平均結晶粒径を、ＡＳＴＭで規定される求積法（ASTM Designation E 112-82）に基づいて評価した。その結果、比較例２のアルミニウム合金鋳塊の平均結晶粒径は約２２０μｍであったのに対して、試験例２のアルミニウム合金鋳塊の平均結晶粒径は約４０μｍで、比較例２のアルミニウム合金鋳塊の平均結晶粒径の１／５以下の大きさとなっていた。
【００７２】
さらに、試験例２のアルミニウム合金鋳塊と比較例２のアルミニウム合金鋳塊のそれぞれを用いて、それら２種類のアルミニウム合金鋳塊に対して同一条件下で均質化処理を行った後、一般的な量産設備を使用して、各アルミニウム合金鋳塊から外径：６０ｍｍ、内径：４５ｍｍの管体を成形する押出成形を互いに同一の条件で実施した。その結果、試験例２のアルミニウム合金鋳塊と比較例２のアルミニウム合金鋳塊の何れを用いる場合にあっても、同等の押出速度で、割れ等を生ずることなく押出成形することが出来た。
【００７３】
これらの結果から、本発明手法に従うオープンモールド方式の半連続鋳造を実施することにより、従来手法を実施する場合に比して、より均一に微細化された凝固組織を有するアルミニウム合金鋳塊を製造出来ることが、明確に認識され得る。そして、本発明手法によって製造されたアルミニウム合金鋳塊が、従来手法によって製造されたアルミニウム合金鋳塊と同等の機械加工性が確保され得ることも、確認出来る。
【符号の説明】
【００７４】
１０  鋳型                              １２  溶湯
１４  溶湯流路                          ２２  超音波発生装置
２８  超音波ホーン                      ３２  鋳塊
３４  接触面                            ３６  凝固殻
４０  湯面                              ４２  水冷鋳型
４８  注湯ノズル                        ５０  フロート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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