(57)【要約】【課題】複雑、大型の設備に頼ることなく全体を微細化でき、しかも、適用範囲に制限がないばかりか、鋳造に適用しても離型が困難になることがない金属組織改質方法を提供する。【解決手段】鋳型１の上方に、該鋳型１内の溶融金属Ｍの湯面から所定距離Ｌだけ離間するように、超音波振動子３と一体のホーン２を配置し、鋳型１に溶融金属Ｍを注入した後、適当なタイミングで前記ホーン２から鋳型１内の溶融金属Ｍに超音波を照射し、超音波振動を付与する。この超音波振動の付与により、溶融金属中に凝固の微細な核が発生して分散すると共に、初晶のデンドライトが破壊されて微細な粒子となって分散し、これら核および粒子を中心に凝固が進行して、凝固組織が微細化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融した金属を冷却する冷却過程において、前記金属の湯面に向けて、離間した位置から超音波を直接照射し、前記金属に超音波振動を付与することを特徴とする金属組織改質方法。
【請求項２】
冷却過程が、鋳造過程であることを特徴とする請求項１に記載の金属組織改質方法。
【請求項３】
冷却過程が、溶接過程であることを特徴とする請求項１に記載の金属組織改質方法。
【請求項４】
冷却過程が、溶射過程であることを特徴とする請求項１に記載の金属組織改質方法。
【請求項５】
前記金属がはんだであり、冷却過程が、はんだ付け過程であることを特徴とする請求項１に記載の金属組織改質方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の凝固組織を微細化するための金属組織改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
凝固過程の溶融金属に超音波振動を付与することが、凝固組織の微細化に効果があることが従来より知られている。そして、溶融金属に超音波振動を付与するため、従来一般には、鋳型の側壁に超音波振動子を取付けて、側壁を通して溶融金属に超音波振動を付与する間接加振方式（例えば、特許文献１参照）と、保持容器内の溶融金属にホーンを浸漬して、直接溶融金属に超音波振動を付与する直接加振方式（例えば、特許文献２参照）との何れかが採用されていた。しかし、間接加振方式では、鋳型の側壁付近では微細化が進むが、内部まで微細化効果が及ばず、一方、直接加振方式では、浸漬したホーンの周辺では微細化が進むが、容器（鋳型）の側壁付近まで微細化の効果が及ばず、何れの方式とも、全体を微細化することが困難であるという問題がある。さらに、加振部近傍の濡れ性が向上することにより溶融した金属が容器等に密着するという問題も生じる。
【０００３】
ところで、特許文献３には、超音波加振と電磁振動加振とを併用することにより、溶融金属中にキャビテーションを生じさせ、その消滅時に発生する衝撃圧力で微細化を図ることが記載されており、この方法によれば、全体に微細化効果が及ぶものと期待される。
【特許文献１】特開平３−１６５５０６号公報
【特許文献２】特開平４−１５８９５２号公報
【特許文献３】特開平１１−９０６１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献３に記載の微細化方法によれば、超音波加振と電磁振動加振とを併用するため、設備が複雑、大型化してコスト負担が増大する、という問題があった。また、加振源の設置に制約があるため、製造すべき製品形状、適用する加工分野等の適用範囲に大きな制限を受ける、という問題があった。また、加振力が強力で、固液界面が激しく活性化するため、酸化膜が破壊されてしまい、鋳造品が鋳型の壁面に密着（焼付き）して離型が困難となり、特にアルミニウム系合金の鋳造に適用した場合は、前記密着の程度が激しくなって、鋳型からの鋳造品の離型がほとんど不可能になる、という問題があった。
【０００５】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、複雑、大型の設備に頼ることなく全体を微細化でき、しかも、適用範囲に制限がないばかりか、鋳造に適用しても離型が困難になることがない金属組織改質方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明は、溶融した金属を冷却する冷却過程において、前記金属の湯面に向けて、離間した位置から超音波を直接照射し、前記金属に超音波振動を付与することを特徴とする。
本発明において、「溶融した金属」とは、凝固開始前の完全液体状態の金属および凝固開始後の半凝固状態の金属を意味している。また、「冷却過程」とは、凝固開始前の過程と凝固開始後の過程との何れか一方、または両方を含んでいる。したがって、「冷却過程の溶融した金属に超音波振動を付与する」ことは、凝固開始前の完全液体状態の金属に超音波振動を付与すること、凝固開始後の半凝固状態の金属に超音波振動を付与すること、完全液体状態から半凝固状態にかけての金属に超音波振動を付与することを含んでいる。
【０００７】
上記のように行う金属組織微細化方法においては、冷却過程の溶融金属に対し、その湯面から適当に離間した位置から超音波を照射することで、溶融金属の全体に超音波振動が効率よく付与される。そして、この超音波振動の付与により、冷却過程の溶融金属中に凝固の微細な核が発生して分散すると共に、初晶のデンドライトが破壊されて微細な粒子となって分散し、これら微細な核および粒子を中心に凝固が進行して、凝固組織が微細化する。また、超音波振動を単独で付与し、しかも、溶融金属やこれを保持する鋳型等の容器と非接触で超音波振動を付与するので、装置が複雑、大型化することはなく、その上、製造すべき製品形状にほとんど制限を受けないばかりか、適用する加工分野にもほとんど制限がない。さらに、湯面から適当に離間した位置から超音波を照射することで、溶融金属に付与される超音波振動の加振力は適当な大きさとなり、固液界面が激しく活性化することがなくなって、鋳造時、特にアルミニウム系合金の鋳造に適用しても鋳造品が鋳型に密着することはなくなる。
【０００８】
本発明が適用される加工分野は任意であり、半凝固状態で成形する半凝固鋳造プロセス（チクソキャスティング）を含む鋳造はもとより、溶接、溶射、はんだ付け等の各種分野に適用できる。したがって、上記冷却過程は、これら適用分野に応じて鋳造過程、溶接過程、溶射過程、はんだ金属のはんだ付け過程となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る金属組織微細化方法によれば、複雑、大型の設備に頼ることなく全体を微細化できるので、設備にかかるコスト負担が低減する。また、製造すべき製品形状にほとんど制限を受けないばかりか、適用する加工分野にもほとんど制限がなく、適用範囲が著しく拡大する。さらに、鋳造に適用した場合は、鋳造品が鋳型に密着することがなくなるので、離型が容易となり、特にアルミニウム系合金の金型鋳造に向けて好適となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面も参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係る金属組織改質方法の１つの実施形態を示したものである。本実施形態は鋳造に適用したもので、溶融金属（溶湯）Ｍが注入される鋳型１の上方には、該鋳型１内の溶融金属Ｍの湯面から所定距離Ｌだけ離間して超音波照射用のホーン２が配置されている。このホーン２は、超音波振動子３に取付けられており、超音波振動子３には、別途設けた超音波発振器４から超音波が印加されるようになっている。本方法の実施に際しては、鋳型１に溶融金属Ｍを注入した後、超音波発振器４によって適当なタイミングで超音波振動子３を作動させ、ホーン２から鋳型１内の溶融金属Ｍに超音波を照射し、超音波振動を付与する。
【００１２】
鋳型１内の溶融金属Ｍに超音波振動を付与する（超音波加振する）タイミングは、凝固開始前の冷却過程であっても、凝固開始後の冷却過程（凝固過程）であっても、あるいは凝固開始前の冷却過程と凝固開始後の冷却過程とを含む範囲であってもよい。凝固開始前においては、溶融金属Ｍが完全液体状態となっているが、この完全液体状態の溶融金属Ｍを超音波加振した場合は、冷却に応じて溶融金属Ｍ中に凝固の微細な核が発生して分散し、この核を中心に凝固が進行して鋳造組織が微細化する。一方、凝固開始後においては、溶融金属Ｍが半凝固状態となっているが、この半凝固状態の溶融金属Ｍを超音波加振した場合は、初晶のデンドライトが破壊されて微細な粒子となって分散し、該微細な粒子を中心に凝固が進行して同様に鋳造組織が微細化する。また、凝固開始前の冷却過程と凝固開始後の冷却過程とを含む範囲で溶融金属Ｍを超音波加振した場合は、前記した凝固の微細な核の発生と初晶デンドライトの破壊による微細な粒子の生成との相乗効果で、鋳造組織が微細化する。したがって、微細化効果を最大限に発揮させるには、凝固開始点を跨いでその前後で超音波加振を行うのが望ましい。この場合、凝固開始点は、溶融金属Ｍの種類、鋳型１の大きさ（注入量）等によって異なるので、事前に冷却曲線を求めて凝固開始点を把握する。
【００１３】
図２は、鋳物用アルミニウム合金（ＡＤＣ１２）の溶湯を実験室規模（上部内径４８ｍｍ、下部内径２６ｍｍ、深さ５３ｍｍ）の鋳型１に注入した際の冷却曲線を示したもので、凝固開始点Ｐ１はほぼ５７０℃で、注入時点から凝固開始点Ｐ１までの時間は約７０秒（ｓｅｃ）、凝固開始点Ｐ１から凝固終了点Ｐ２までの時間は約１９０秒（注入時点からは約２６０秒）となっている。したがって、この場合は、注入後、約７０秒経過時点を中心にその前後で連続して所定時間超音波加振を行うのが望ましい。
【００１４】
図３は、上記実験室規模の鋳型１にＡＤＣ１２の溶湯を注入した後、６００℃付近から約１２０秒間、超音波加振して得た鋳塊（本発明材）のマクロ組織を、超音波加振を全く行わないで得た鋳塊（比較材）と対比して示したもので、本発明材は、比較材に比べて明らかに凝固組織が微細化している。また、図３から把握される特徴的な点は、比較材に大きな引け巣が認められるのに対し、本発明材には、そのような大きな引け巣が全く認められない点である。この相違は、設定する押湯の大きさと関係し、引け巣の小さい鋳塊が得られる本発明の方法では、押湯を小さく設定できることになり、その分、歩留りが向上してコスト的に有利となる。
【００１５】
ここで、本発明は、上記したように溶融金属Ｍから離間した位置から超音波を照射するので、上記した鋳造以外にも、溶接、溶射、はんだ付け等の種々の加工分野に適用可能となる。図４は、２枚の鋼板５Ａと５Ｂの突合せ溶接に本発明を適用した場合の１つの実施形態を示したもので、溶接部位の上方に、鋼板５Ａ、５Ｂの上面から所定距離Ｌだけ離間して前記超音波照射用のホーン２と超音波振動子３とを配置し、これらホーン２および超音波振動子３を、溶接棒６による溶接の進行に応じて溶接方向（ここでは、紙面に垂直方向）へ移動させる。このように溶接を行うことで、２枚の鋼板５Ａと５Ｂの間の溶接部（溶融金属）７に超音波振動が付与され、上記鋳造におけると同様に凝固組織が微細化する。
【実施例１】
【００１６】
図５に示すように、舟形の鋳型１０を用意し、この鋳型１０の上方に、該鋳型１０に注入した溶湯Ｍの湯面から６ｍｍ離間するようにホーン２と超音波振動子３とを配置した。なお、鋳型１０は、平均内幅３５ｍｍ、平均長さ２０ｍｍ、深さ３９ｍｍの大きさとなっている。そして、この鋳型１０を予め３００℃に予熱して、この中に鋳物用アルミニウム合金であるＡＤＣ１２の溶湯（溶融金属）Ｍを７１０℃で注入し、この注入直後から６０秒間、ホーン２から溶湯Ｍに向けて振幅４０μｍの超音波を照射し、凝固後、図示のように鋳塊の下部から切出して引張試験片１１を採取し、引張試験を行った。なお、引張試験片１１は、その平行部１１ａの直径が１２．３ｍｍ、平行部１１ａの長さが７１ｍｍとなっている。また、比較のため、超音波の照射を行わずに同様の鋳造を行い、得られた鋳塊から同様に引張試験片を採取して引張試験を行った。
【００１７】
図６は、上記のように行った引張試験の結果を示したものである。同図に示す結果より、超音波加振有りのものは、引張強さの平均が約１８５Ｎ／ｍｍ2となっているのに対し、超音波加振無しのものは、引張強さの平均が約１６６Ｎ／ｍｍ2となっており、超音波振動の付与が、強度の向上に大きく寄与することが明らかとなった。
【実施例２】
【００１８】
図１に示した実験室規模の鋳型１を用い、これにＡＤＣ１２の溶湯を７１０℃で注入した後、湯面から１４ｍｍ離間して設置した超音波発振用ホーンから湯面に向けて振幅４２μｍの超音波を、下記のごとき種々のタイミング（加振条件）で出射した。
【００１９】
１）６２０℃から１２０秒加振（完全溶融状態〜凝固過程の初期段階）
２）６２０℃から３０秒加振（完全溶融状態）
３）５７０℃から３０秒加振（凝固過程の初期段階）
４）５７０℃から９０秒後に３０秒加振（凝固過程の中期段階）
５）５７０℃から１８０秒後に３０秒加振（凝固過程の末期段階）
【００２０】
そして、上記した種々の加振条件で得られた鋳塊について、マクロ試験およびミクロ試験を行い、金属組織を観察した。この結果、各加振条件で微細化が認められたが、凝固の初期段階を含む１）、３）の加振条件で最も微細化が進んでいることが分かった。
【実施例３】
【００２１】
図４に示した２枚の鋼板５Ａ、５Ｂとして、板厚６ｍｍ×板幅４０ｍｍのＳＳ４００を選択するとともに、溶接棒６として、神戸製鋼社製ＬＢ−２６（低水素系溶接棒）を選択し、２枚の鋼板５Ａ、５Ｂの突合せ部を前記溶接棒６により溶接し、この間、鋼板５Ａ、５Ｂの上面から３０ｍｍ離間して配置したホーン２から溶接部７に向けて振幅４２μｍの超音波を照射し、溶接後、溶接部のマクロ組織を観察した。また、比較のため、超音波の照射を行わずに同様の溶接を行い、同様に溶接部のマクロ組織を観察した。この結果、超音波照射（超音波振動の付与）を行ったものは、細かい粒状組織となっているのに対し、超音波照射を行わなかったものは、比較的粗い針状組織となっており、溶接においても、超音波振動の付与が組織の微細化に大きく寄与することが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る金属組織微細化方法を鋳造に適用した場合の実施形態を示す模式図である。
【図２】冷却過程の溶融金属に対する超音波加振のタイミング設定の基礎となる冷却曲線の一例を示すグラフである。
【図３】実験室規模で得た鋳塊のマクロ組織を超音波加振を行った場合と超音波加振を行わなかった場合とで対比して示す写真である。
【図４】本発明に係る金属組織微細化方法を溶接に適用した場合の実施形態を示す模式図である。
【図５】引張試験片を採取するために行った本発明の実施例を示す模式図である。
【図６】本発明の実施例で得られた引張試験結果を、超音波加振を行ったものと超音波加振を行わなかったものとで対比して示すグラフである。
【符号の説明】
【００２３】
１    鋳型
２    ホーン
３    超音波振動子
４    超音波発振器
Ｍ    溶融金属
【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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