(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チル組織を有するＦｅ系合金材料を常温から固相と液相とが共存する半溶融状態まで加熱するチクソキャスティング用材料の加熱方法において、
Ｆｅ−Ｃ系平衡状態図のＡ１点までの平均加熱速度を０．５〜６．０℃／秒にするとともに、材料内部の単位距離当たりの温度勾配を７℃／ｍｍ以下にして加熱することを特徴とするチクソキャスティング用材料の加熱方法。
【請求項２】
前記Ｆｅ系合金材料の超音波音速測定における音速が５６００ｍ／秒以上であることを特徴とする請求項１に記載のチクソキャスティング用材料の加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チクソキャスティング用Ｆｅ系合金材料を固相（略固相となっている相、以下同じ）と液相とが共存する半溶融状態まで加熱する加熱方法に係り、特に、連続鋳造等で製造されたチル組織を有する材料の加熱割れを防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チクソキャスティング法では、鋳造材料を加熱して固相と液相とが共存する半溶融状態にし、次いでその半溶融材料を加圧下で鋳型のキャビティに充填し、加圧状態を保持したまま半溶融材料を凝固させるようにしている。このようなチクソキャスティング法では、材料を半溶融状態とすることで搬送を容易かつ迅速にし、しかも、溶湯を用いた通常のダイキャストと同様にキャビティ内に充填することができるという利点があるため、近年では広く普及している。
【０００３】
上記のようなチクソキャスティング法での鋳造材料の加熱方法としては、従来、特開平５−２３８１５号に開示されているように、加熱速度を特定することにより材料を均一に加熱し、固相粒界の粗大化や表面酸化を抑制する技術が提案されている。また、特開平１０−７６３５６号に開示されているように、材料中の２次デンドライトのアームどうしの間隔から加熱速度を規定することにより、デンドライトの球状化を促進する技術も提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、チクソキャスティング法に用いられる鋳造材料としては、成分、組織等の品質の安定性と生産性を考慮すると、連続鋳造法による材料が最も適している。ところが、連続鋳造法では材料の冷却速度が速いため、材料にチル組織が生成される場合がある。この場合の加熱条件によっては材料中の温度勾配が大きくなって、材料に割れが発生することがある。そして、材料に割れが発生すると、誘導加熱時に目標温度まで加熱することが不可能となる場合が生じるという問題があった。一方、温度分布の差を小さくするためには加熱速度を遅くすることが考えられるが、その場合には以下のような問題が生じる。
▲１▼鋳造工程の生産性が低下して製造コストが割高となる。
▲２▼材料表面の酸化膜が厚くなる。
▲３▼加熱ムラが生じ、デンドライトの球状化が促進されなくなる。
その結果、低廉な連続鋳造材料を用いる意味がなくなるとともに、キャビティへの完全な充填が難しくなり、製品の組織が不均一となって品質上の問題が発生する。
【０００５】
一方、上記した従来技術による加熱方法は、いずれも鋳造材料の加熱速度を規定したものであるが、チル組織を有する材料に対する認識は勿論のこと、そのような材料の加熱割れという問題に対する考慮も一切なされていない。このため、上記従来技術のような加熱方法では、本発明が問題とするチル組織を有するＦｅ系合金材料の加熱割れの問題に対しては、有効な対策にはなり得ていないのが実情である。
よって、本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、チル組織を有する材料であっても、割れを発生することなく半溶融状態までの加熱を行うことができるチクソキャスティング用材料の加熱方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、連続鋳造法により製造されたチル組織を有するＦｅ系合金材料の加熱方法について種々検討を加えた結果、材料の加熱割れの発生を防止するには、加熱速度に加えて材料中の温度勾配も厳密に規定する必要があることを見出した。本発明のチクソキャスティング用材料の加熱方法は、そのような知見に基づいて加熱速度と材料中の温度勾配とを定量的に解析してなされたもので、チル組織を有するＦｅ系合金材料を常温から固相と液相とが共存する半溶融状態まで加熱するチクソキャスティング用材料の加熱方法において、Ｆｅ−Ｃ系平衡状態図のＡ１点までの平均加熱速度を０．５〜６．０℃／秒にするとともに、材料内部の単位距離当たりの温度勾配を７℃／ｍｍ以下にして加熱することを特徴としている。
【０００７】
平均加熱速度の上限値である６．０℃／秒と温度勾配の上限値である７℃／ｍｍは、いずれも加熱割れの発生を防止するための限界値である。また、加熱速度が０．５℃／秒を下回ると、鋳造工程の生産性の低下、固相粒界の粗大化および材料表面の酸化といった前記と同様の問題が生じる。
【０００８】
ここで、本発明が対象とする材料は連続鋳造法で製造された材料に限るものではなく、鋳込みによる鋳造で製造された材料であってもチル組織を有する材料であれば良い。チル組織は、一般に鋳型による急冷で発生する等軸晶であり、連続鋳造法以外の金型鋳造や、チルプレート（冷し金）砂型鋳造方法等によっても生じる。チル組織を有するか否かを判別するには、金属顕微鏡で観察するのが一般的であるが、金属の非破壊検査方法の一つである超音波音速測定法を用いるのが簡便である。
【０００９】
すなわち、超音波音速測定法による音速は、鋼では５８００〜６０００ｍ／秒である。一方、本発明者等の検討によれば、チクソキャスティング法に従来用いられていた黒鉛晶出チクソ成形材では、組織中に晶出した片状黒鉛が欠陥として音速測定値に反映するため、５１００〜５４５０ｍ／秒という低い値となる。
また、本発明者等の検討によれば、チル組織を有する材料では、黒鉛の晶出が無いことから鋼に近い音速を示すことが判明している。したがって、このような音速の相異から、Ｆｅ系合金材料の超音波音速測定における音速が５６００ｍ／秒であれば、チル組織を有する材料であることを判別することができる。
【００１０】
【実施例】
Ａ．加熱試験
以下、本発明の具体的な実施例を図１〜図１３を参照して説明する。図１は本実施例で使用するＦｅ−Ｃ合金の平衡状態図であり、この合金のＡ１点は７４０℃である。なお、本発明は、Ｆｅ系合金であれば全て対象であり、たとえば図２〜図４に示すようなＦｅ−Ｃ−Ｓｉ合金であっても良い。
【００１１】
まず、チクソ形成材を金型で鋳造した材料と、図１に示すＦｅ−Ｃ合金から連続鋳造法で製造した材料を得た。それら材料の研磨面の顕微鏡写真を図５および図６の（ａ）に、また、研磨面を３％ナイタール溶液で腐食した面の顕微鏡写真を同図（ｂ）に示す。連続鋳造法で製造した材料の組織は、図５（ｂ）に示すように、デンドライトとチル晶（白い部分）の混合組織となっている。また、金型で鋳造した材料の組織は、デンドライト中に黒鉛が晶出した組織となっている。
【００１２】
次に、上記材料から図７に示すビレットを製造し、このビレットの２カ所に熱電対を埋め込んだ。熱電対の位置は、図７に示すように、ビレット端面の中心Ｏから奥へ５ｍｍ入った点Ｐと、ビレットの側面の軸線方向中心から軸線側へ５ｍｍ入った点Ｑとした。ビレットを加熱する際には、前者の測温点Ｐの温度が最も低く、この温度が成形の際の基準となるので、以下、この測温点Ｐを形成基準測温点と称する。また、後者の測温点Ｑは、誘導加熱に際して最も高温になる部位であるので、以下、この測温点Ｑを最高温度点と称する。
【００１３】
図９に上記ビレットを誘導加熱したときの昇温曲線の一例を示す。誘導加熱では、オン・オフ制御により加熱速度を制御するため、オン・オフの影響を強く受ける最高温度点Ｑでは、図９に示すように、オフのときに温度が若干下がる。一方、成形基準測温点Ｐでは、オン・オフの影響が少ないため、温度はほぼ直線的に上昇してゆく。そして本発明では、常温からＡ１点（本実施例では７４０℃）までの平均加熱速度、つまり、常温とＡ１点との温度差を加熱時間で除した値（成形基準測温点Ｐと最高温度点Ｑとにおける平均値）と、成形基準測温点Ｐと最高温度点Ｑでの温度差ΔＴをＰＱ間の距離で除して得られる温度勾配とを問題としている。
【００１４】
本実施例では、連続鋳造法から得たチル組織を有するビレットについて４種類の加熱速度で加熱試験を行った。そのときのビレットの温度（平均）と成形基準測温点Ｐおよび最高温度点Ｑにおける温度差ΔＴとの関係を図１０に示す。この加熱試験では、加熱速度が６．４℃／秒以上のときにビレットに割れが発生した。
【００１５】
また、上記加熱試験での温度差ΔＴの最高値をＰＱ間の距離（３４ｍｍ）で除算して温度勾配を算出し、この温度勾配と加熱速度との関係を図１２に示した。図１２に示すように、加熱速度が６．４℃／秒でビレットに割れが発生し、加熱速度が４．７℃／秒で割れが発生しなかったことから、両者の平均である５．５５℃／秒付近に割れが生じるか否かの境界が存在することが判る。また、ビレットの温度勾配が７．３℃／ｍｍでビレットに割れが発生し、温度勾配が６．１℃／ｍｍで割れが発生しなかったことから、両者の平均である６．７℃／ｍｍ付近に割れが生じるか否かの境界が存在することも判る。以上のように、Ａ１点までの平均加熱速度を６．０℃／秒以下にするとともに、材料内部の単位距離当たりの温度勾配を７℃／ｍｍ以下にした本発明の数値限定の根拠を確認する結果が得られた。
【００１６】
次に、比較のために金型鋳造から得たビレットについても加熱試験を行った。この加熱試験での平均加熱温度は１１．７４℃／秒であったが、ビレットに割れは生じなかった。また、ビレットの温度（平均）と成形基準測温点Ｐおよび最高温度点Ｑにおける温度差ΔＴとの関係を図１１に示した。このビレットの加熱速度と最高温度差ΔＴは、前記加熱試験でビレットに割れが生じなかった最高加熱速度（４．７℃／秒）および最高温度差ΔＴ（約２０５℃）の２倍以上である。以上の結果から、チル組織を有する材料がいかに割れ易いか、そして、本発明の課題がいかに重要であるかが判る。
【００１７】
Ｂ．超音波音速測定試験
次に、表１に示すチル組織組織を有する材料と黒鉛晶出チクソ成形材から直径５０ｍｍ、厚さ３０ｍｍの円板状試料を製造し、各試料に対して超音波音速測定を行った。超音波測定器として日下レアメタル社製ＥＧＴ１Ｋを使用し、そのプローブを試料の外周に当てた場合、試料の端面の中心に当てた場合、端面の中心と外周との中央に当てた場合の音速を２回づつ測定した。各試料の音速を表１に示した。また、上記試料に対して種々の温度勾配となるように加熱試験を行い、割れが発生するか否かを観察した。その結果を音速とともに図１３に示した。なお、比較のために文献に記載されたＦＣＤ材と鋼の音速を図１３に併記した。また、図１３のプロットの上に付した符号は表１の試料番号である。
【００１８】
図１３から明らかなように、チル組織を有する材料の音速は、チクソ形成材およびＦＣＤ材と比較してかなり高いことから、超音波音速測定はチル組織を有するか否かを判別する有効な手段であることが判る。また、音速が５６００ｍ／秒以上の材料では、温度勾配が７℃／ｍｍを上回る場合に加熱割れが生じることも確認された。
【００１９】
【表１】
0003643487.tif 000002
【００２０】
Ｃ．成形試験
次に、図８はＦｅ系鋳物を鋳造するために用いられる加圧鋳造装置１を示す断面図である。この加圧鋳造装置１は、鉛直な合せ面２ａ、３ａを有する固定金型２および可動金型３を備え、両合せ面２ａ、３ａ間に鋳物形成用キャビティ４が形成される。固定金型２には、半溶融Ｆｅ系鋳造材料５を収容するチャンバ６が形成され、チャンバ６はゲート７を介してキャビティ４に連通している。また、固定金型２には、チャンバ６に連通するスリーブ８が水平に取り付けられ、スリーブ８には、チャンバ６に挿入されるプランジャ９が摺動自在に嵌合されている。そして、スリーブ８の周壁上部に形成された材料挿入口１０から半溶融Ｆｅ系鋳造材料５を落下させ、プランジャ９を前進させることで材料５をキャビティ４内に充填するようになっている。
【００２１】
上記加圧鋳造装置１によりチル組織を有する材料を用いて成形試験を行った。まず、表１のＮｏ．１，２に示す材料を平均加熱速度および最大温度勾配がそれぞれ２．９℃／秒、４．５℃／ｍｍ、あるいは４．７℃／秒、６．１℃／ｍｍとなるようにＡ１点まで加熱し、さらに１２００℃程度まで加熱して半溶融状態とした。次いで、材料を図８に示す加圧鋳造装置１に挿入して鋳造し、所望の製品を得た。得られた製品を調査したところ、製品表面の酸化や組織の結晶粒の粗大化は見られず、充分な品質を備えていた。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、加熱速度および温度勾配を上記のように規定しているので、チル組織を有する材料であっても、割れを発生することなく半溶融状態までの加熱を行うことができ、しかも、材料の酸化や結晶粒の粗大化といった不具合も生じないという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  Ｆｅ−Ｃ合金の平衡状態図である。
【図２】  Ｆｅ−Ｃ−１重量％Ｓｉ合金の平衡状態図である。
【図３】  Ｆｅ−Ｃ−２重量％Ｓｉ合金の平衡状態図である。
【図４】  Ｆｅ−Ｃ−３重量％Ｓｉ合金の平衡状態図である。
【図５】  チル組織を有する材料の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図６】  金型鋳造されたチクソ形成材の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図７】  ビレットを示す斜視図である。
【図８】  加圧鋳造装置の断面図である。
【図９】  加熱時間と温度との関係を示す線図である。
【図１０】  チル組織を有する材料の温度と温度差との関係を示す線図である。
【図１１】  チクソ成形材の温度と温度差との関係を示す線図である。
【図１２】  チル組織を有する材料の加熱温度と温度勾配との関係を示す線図である。
【図１３】  材料の超音波音速測定における音速と温度勾配との関係を示す線図である。
【符号の説明】
５…半溶融Ｆｅ−Ｃ材料
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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