(57)【要約】【課題】  中央領域に偏析のない非鉄金属合金の鋳造【解決手段】非鉄合金溶湯(Ｍ)を鋳造装置に供給し、鋳造装置では非鉄合金の少なくとも一部分を毎分１００℃の割合で冷却し、非鉄合金の外層(6,8)を固化させ、溶湯とデンドライト(14)の固体成分からなる内層(16)を包囲する。デンドライト(14)は、加工を受けて良好な抗クラック性の鋳造製品を形成する。
2005536354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非鉄金属の溶湯を、離れた位置から近づく一対の鋳造表面へ供給する工程と、
鋳造表面間の金属を進行させながら溶湯を鋳造表面上で固化させ、鋳造表面に接する固体金属外層と、固体金属間に金属デンドライを含む半固体内層とを形成する工程と、
内層中のデンドライトを壊す工程と、
半固体内層を固化させて内層と外層とを有する固体金属製品を形成する工程と、
鋳造表面間から固体金属製品を引き出す工程、
とを含む、溶湯を連続鋳造して金属製品を形成する方法。
【請求項２】
鋳造表面は、ロールまたはベルト表面である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
鋳造表面は互いに接近し、半固体内層を固化させる工程は、鋳造表面間の距離が最小の位置で完成する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
鋳造表面は、その間にニップを有する回転ロールの表面であり、固化を完成する工程はニップで起こる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
鋳造表面は、回転ロール上を移行するベルトの表面であって、ロールは、その間にニップを形成し、固化工程の完成は、ニップで起こる、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
製品は、毎分約２５から約４００フィートの速度でニップを出る、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
製品は、少なくとも毎分約１００フィートの速度でニップを出る、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
ロールによって、ロール間を進行している金属に加えられる力は、製品幅１インチあたり最大約３００ポンドである、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
製品は、厚さが約０.０６から約０.２５インチの金属ストリップである、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
金属は、アルミニウム合金である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
金属は、マグネシウム合金である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
金属は、チタン合金である、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
固化した内層金属成分は、外層金属の成分とは相違している、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
引き出された固体金属製品を、ライン中でロール加工する工程をさらに含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
引き出された固体金属製品を、ライン外でロール加工する工程をさらに含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
金属製品は、自動車用シート製品を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
金属製品は、航空宇宙用製品を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
金属製品は、清涼飲料缶本体ストックを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
金属製品は、清涼飲料缶端板又は清涼飲料缶タブのストックを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
非鉄合金の一対の外層と、前記外層の間に位置し、球状デンドライトを含む中央層とを含み、前記外層及び前記中央層は、溶融した前記非鉄合金成分の連続鋳造によってストリップに形成されている、非鉄合金のストリップ。
【請求項２１】
前記ストリップの厚さは、約０.０６から約０.２５インチである、請求項２０のストリップ。
【請求項２２】
前記中央層の厚さは、前記ストリップの厚さの約２０から約３０％である、請求項２０のストリップ。
【請求項２３】
前記ストリップは、溶融した前記非鉄成分を一対の回転ロールの間へ供給することによって製造される、請求項２０のストリップ。
【請求項２４】
前記球状デンドライトは未加工である、請求項２１のストリップ。
【請求項２５】
前記非鉄合金は、アルミニウム合金である、請求項２０のストリップ。
【請求項２６】
前記非鉄合金は、マグネシウム合金である、請求項２０のストリップ。
【請求項２７】
前記非鉄合金は、チタン合金である、請求項２０のストリップ。
【請求項２８】
前記ストリップは、自動車用シート製品を含む、請求項２０のストリップ。
【請求項２９】
ストリップは、航空宇宙用製品を含んでいる、請求項２０に記載のストリップ。
【請求項３０】
ストリップは、清涼飲料缶本体ストックを含んでいる、請求項２０に記載のストリップ。
【請求項３１】
ストリップは、清涼飲料缶端板又は清涼飲料缶タブのストックを含んでいる、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非鉄金属合金の鋳造に関するものである。特に、非鉄金属合金の鋳造であって、急速に固化したシェルと、壊れたデンドライトを含み、偏析のない（segregation-free）中央領域を形成するものである。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金などの金属の連続鋳造は、２ロール鋳造機、ブロック鋳造機、ベルト鋳造機が従来使用されている。アルミニウム合金の２ロール鋳造機は、生産性が比較的低いにも拘わらず良好な結果を納め、商業的に使われて、今日に到っている。従来の２ロール鋳造方式は、反対方向に回転する一対の冷却ロールの噛合い点へ、溶湯を供給することを含み、固化と変形加工の組み合せ技術であって、溶湯がロールに接触したときから固化は始まる。固化金属は、ロール噛み合い点内に溶湯の「凝固先端」（freeze-front）を形成し、固体金属は、ロール間の最小クリアランス点であるニップに向けて進む。固体金属は、固体シートとなって、ニップを通過する。固体シートは、ロール（熱間ロール加工）によって変形加工され、ロールを出る。
【０００３】
アルミニウム合金は、毎分約４乃至６フィートの速さで、１／４インチ厚さのシートへの鋳造、即ち鋳造幅１インチ当たり毎時約５０乃至７０ポンド（ポンド／時／インチ）のロール鋳造に成功を収めてきた。ロール鋳造の速度を上げる試みがなされてきたが、それらは、中心部の偏析によって失敗している。ロール鋳造方式において、寸法を下げたシート（例えば約１／４インチ厚さ以下）のものは、大きな寸法のシートよりも、より早く生産できるであろうことは認められているが、約７０ポンド／時／インチを越える速さでのアルミニウムロール鋳造方式の可能性は明らかではなかった。
【０００４】
薄い寸法での２ロール鋳造方式の操作については、米国特許第５５１８０６４号に記載されており（引用をもって本願の一部とする）、図１及び図２に説明している。溶湯収容室Ｈは、矢印Ａ1、Ａ2で示される反対方向に夫々回転する水冷された２ロールＲ1、Ｒ2間へ溶湯Ｍを送る、注入口金Ｔへ接続されている。ロールＲ1、Ｒ2は、夫々平滑表面Ｕ1、Ｕ2を具えている；ロール平滑表面の任意の表面粗さが、製造の際に手作業のロール研磨技術によって行われる。ロールＲ1、Ｒ2の中心線は、垂直或いはほぼ垂直な面Ｌ（例えば垂直に対し、約１５度以内）の面内にあって、鋳造ストリップＳは、ほぼ水平位置を形成する。本発明方法の他の実施例では、ストリップは上方向に垂直に移行する。鋳造ストリップＳの幅は、口金Ｔの幅によって決まる。平面Ｌは、ロールＲ1、Ｒ2間の最小クリアランス領域を通過し、この点をロールニップＮと呼ぶ。固体の鋳造ストリップＳと溶湯Ｍとの間に凝固領域があり、液相、固相、混合領域Ｘを含んでいる。領域Ｘと鋳造ストリップＳとの間に完全凝固線として、凝固先端Ｆが形成される。
【０００５】
アルミニウム合金の従来のロール鋳造方式では、溶湯Ｍの熱がロールＲ1、Ｒ2に伝達され、そのため凝固先端Ｆの位置はニップＮの上流に維持されていた。このようにして、溶湯Ｍは、ニップＮの寸法よりも大きな厚さで凝固している。固体鋳造ストリップＳは、ロールＲ1、Ｒ2によって加工されて、最終ストリップ厚さに加工される。従来のロール鋳造方式では、ロールＲ1、Ｒ2の間で、固化したストリップを熱間ローリングすることによって、ロール鋳造アルミニウム合金ストリップのストリップ特性に特異な性質が生じた。特に、ストリップ厚さの中央領域では、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｚｎなどの合金の共晶形成成分（共晶形成材）が豊富となり、包晶形成成分（Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ）が不足する。中央領域で、共晶形成材（即ち、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ以外の合金成分）が豊富となるのは、ストリップＳのその部分が凝固先端領域に該当しており、凝固が最後に生じ、「中央分離」（centerline segregation）として知られているからである。鋳造直後のストリップ中で、中央分離が拡がることは、従来のロール鋳造装置の速度を制限する要因である。鋳造直後のストリップもまた、ロールによる加工の痕跡を示している。ニップ上流での凝固の際に形成される結晶粒は、ロールによって平たくなる。従って、ロール鋳造されたアルミニウムには、ロール加工方向の角度に引き延ばされた結晶粒を含んでいる。
【０００６】
ニップＮのロールギャップを下げて、より薄い寸法のストリップＳを形成できる。しかしながら、ロールギャップが小さくなればなるほど、ロールＲ1、Ｒ2間の固体金属によって引き起こされるロール分離力は増大する。ロール分離力の大きさは、ロールニップＮに対する凝固先端Ｆの位置によって影響を受ける。ロールギャップが減少すると、金属シートの厚さ減少割合が増え、ロール分離力は増大する。所望のロールギャップを作るためのロールＲ1、Ｒ2の相対位置は、ある時点でロール分離力に対抗出来なくなり、凝固先端Ｆの位置で、最小厚さ寸法に達した。
【０００７】
ロール分離力は、ロール速度を上げて凝固先端ＦをニップＮに向かって下流へ移動させることにより減少できる。凝固先端が（ニップＮに向かって）下流へ移動したとき、ロールギャップを下げることができる。凝固先端Ｆのこの移動は、凝固開始点でのストリップ厚さと、ニップＮにおけるロールギャップの比率を小さくする。従って、比例的に凝固金属はより少なくなり、圧延及び熱間ロール加工が減るから、ロール分離力は低下する。このようにして、凝固先端Ｆの位置がニップＮに向かって移動するにつれて、比例的により多量の金属が凝固し、より薄い寸法に熱間ロールされる。従来の方法によれば薄い寸法のストリップのロール鋳造は次のように行われている。まず最初に比較的厚い寸法のストリップをロール鋳造し、ロール分離力が最大になるまで寸法を下げ（ロール速度を増加させることによって）、凝固先端を前進移動させて、ロール分離力を低下させる。そして、寸法をさらに減少させ、ロール分離力が再び最大となるまで行なう。凝固先端を前進移動させ、所望の薄い寸法に達するまで寸法を減少させ、これを繰り返す。例えば１０ｍｍのストリップＳをロール加工して、ロール分離力が過大となるまで厚さを低下させ（例えば６ｍｍ）、必然的にロール速度は増加する。
【０００８】
ロール速度を増加させるこの方式は、凝固先端Ｆが下流側の所定位置に到達するまで、実行可能であるに過ぎない。従来の方式では、凝固先端Ｆは、前進移動してロールニップＮに入り込まないように設定し、固体ストリップが、ニップＮで必ずロールされるようにしている。熱間加工中の鋳造金属ストリップＳが壊れることを防止し、そして送出ストリップＳに十分な引張強度を与えて、下流の巻取機、ピンチロール等の引張り力に耐えるために、ニップＮでは固体ストリップをロール加工することが必要と従来は考えていた。従って、アルミニウム合金の固体ストリップを、ニップＮで熱間加工する従来の２ロール鋳造方式では、ロール分離力は、幅１インチあたり数トンのオーダーである。厚さ寸法をある程度小さくすることは可能であるけれども、その様に高いロール分離力で操作し、ニップＮでストリップの変形を確実に起こさせることは、ストリップ寸法をさらに減少させることを非常に困難にしている。ロール鋳造機の運転速度は、凝固先端ＦをニップＮの上流側に維持し、中央分離を防止する必要から、制約されている。それ故、アルミニウム合金のロール鋳造速度は、比較的低速であった。
【０００９】
ロール分離力をある程度低下させて、合金成分含有量が高いアルミニウム合金中に、許容しうる微小構造を得ることが、米国特許第６１９３８１８号に開示されており、これの引用をもって本願の一部とする。０.５乃至１３重量％Ｓｉを含む合金が、ロール鋳造され、０.０５乃至０.２インチ厚さであって、ロール分離力は、毎分約５乃至９フィートの速度で約５０００乃至４０,０００ポンド／インチであるとき、約０.０５乃至０.２インチ厚さのストリップが、ロール鋳造される。この方式はロール分離力を低下した、進歩したものであるが、これらの力はなお大幅な工程の改良を課している。そのうえ、生産性は妥協したままであり、米国特許第６１９３８１８号によって得られたストリップは、明らかにある程度の中央分離と、結晶粒の引き延ばしが図３に示されるように認められる。
【００１０】
高速ロール鋳造に対する、主な問題点は、溶湯から平滑表面Ｕ1，Ｕ2への均一な熱伝達、即ち溶湯の冷却を達成することの困難さである。実際には、表面Ｕ1，Ｕ2には、ロールの熱伝達特性を変える様々な欠陥がある。高いロール速度の場合、熱伝達のその様な非均一性が、問題となってくる。例えば、適切な表面Ｕ1，Ｕ2の領域では、ニップＮの上流の所望位置で溶湯Ｍは冷却されるが、熱伝達特性が不十分な領域では溶湯は所望位置を越えて進むことが許され、非均一な鋳造ストリップができあがる。
【００１１】
薄寸法の鋼ストリップのロール鋳造が垂直ロール鋳造機において、高速度(毎分約４００フィートまで)、低いロール分離力で成功してきた。垂直鋳造機のロールは、横に並べて配置されており、従って、ストリップは下向きの方向に形成される。この垂直な向きにおいて、溶湯はロール間の噛合い点に供給され、溶湯のプールを形成する。溶湯のプール上面は、たいていの場合不活性ガスによって周囲雰囲気から保護されている。
【００１２】
溶湯プールから垂直２ロール鋳造する方式は、鋼に付いては成功しているが、酸化に対し敏感な合金(例えば、アルミニウム)の垂直鋳造には、更なる制御が必要となる。垂直ロール鋳造に於けるアルミニウム酸化のこの問題について、実験室規模での解決が次の文献に示唆されている。ハガ氏らの「アルミニウム合金の高速ロール鋳造」ＩＣＡＡ−６前刷り「アルミニウム合金」第１巻、３２７乃至３３２頁(１９９８年)。その方法によれば、溶融アルミニウム合金の流れが、ガス加圧されたノズルから垂直ロール鋳造機の２ロールの一方または両方へ直接に噴出される。アルミニウム合金ストリップの高速鋳造が報告されているが、この方法の主な欠点は、鋳造ストリップが確実に均一厚さとなるためには、溶融アルミニウム合金の供給率を、注意深く制御せねばならないことである。一本の流れがロール上へ噴出されると、その流れはストリップとなって凝固する。流れが各ロール上へ噴出されると、各流れは、鋳造ストリップの厚さの半分となる。何れの場合でも、ガス圧力または溶融アルミニウム合金の供給率が僅かでも変動すると、それは鋳造ストリップの非均一性となって現れる。アルミニウム合金ロール鋳造のこの方式において、パラメーターの制御は商業的規模では、実際的ではない。
【００１３】
アルミニウム合金の連続鋳造は、ベルト鋳造機で毎分約２０乃至２５フィートの送りで、約３／４インチ(１９ｍｍ)厚さで、１インチ幅当たり、毎時約１４００ポンドの生産性を達成した。米国特許第４００２１９７号に記載の従来のベルト鋳造機は、引用を以て本願の内容とするが、一対の回転している可撓性金属ベルトの間の鋳造領域へ溶湯が供給される。２つの可撓性鋳造ベルトの各々は、鋳造領域の一端に配置された上流側ローラーと、鋳造領域の他端に配置された下流側ローラーとを以て構成される通路中で回転する。この様にして、鋳造ベルトは、上流ローラーの周りで互いに直接対向して集束し、上流ローラー間のニップ中で、鋳造領域への入口を形成する。溶湯はニップへ直接に供給される。溶湯は、移動ベルトの間に挟まれて運ばれている間に、凝固する。凝固金属から解放された熱は、鋳造されている金属に接した２つのベルト部分を通じて取り出される。この熱は、ベルトの反対側の表面をベルトに逆らって流れ急速に移動している、ほぼ連続した水フィルムによって、ベルトの反対側表面を冷却することにより、除去される。
【００１４】
ベルト鋳造の運転パラメーターは、ロール鋳造のそれよりも、著しく相異している。とりわけ意図的なストリップの熱間ロール加工はない。金属凝固は、ニップから下流へ約１２乃至１５インチ(３０乃至３８ｃｍ)離れた位置で完了し、厚さ３／４インチとなる。ベルトは、一方の表面が溶湯に接触したとき、高温に晒され、内側表面が水によって冷却される。これはベルトに歪みを起こす。ベルト張力は、ストリップが均一な表面状態を得る為に、温度変動による膨張又は収縮を考慮して調節されねばならない。ベルト鋳造機によるアルミニウム合金の鋳造は、今日までは、表面状態についての要求が最小の製品又は、その後に塗装される製品に対するのが主であった。
【００１５】
ベルトの熱不安定性の問題は、ブロック鋳造方式において回避される。ブロック鋳造装置では、複数の冷却ブロックを、一対の向かい合った通路上で互いに接して配置されている。冷却ブロックは反対方向に回転し、その間へ溶湯が供給される鋳造領域を形成する。冷却ブロックは、そこへ溶湯の熱が伝達される時、ヒートシンクとして働く。金属の凝固は、鋳造領域の入口から下流へ約１２乃至１５インチの位置で完成し、厚さ３／４インチとなる。冷却ブロックに伝達された熱は、帰りループの間で除去される。ベルトと異なり、冷却ブロックは伝達熱によって歪みを起こすことはない。しかしながら、ブロック鋳造では、不均一と、鋳造ストリップ中の欠陥の原因となるブロック間の隙間を防止するために、厳密な寸法制御が必要である。
【００１６】
溶湯の熱を鋳造面に伝達するという着想は、米国特許第５５１５９０８号と第５５６４４９１号に記載の如く、ある程度改造されたベルト鋳造機に採用されている。これら特許は引用をもって本願の一部とする。ヒートシンク型ベルト鋳造機では、溶湯はベルト(鋳造表面)のニップの上流に供給され、ニップに達するまでに凝固が始まり、下流のニップに達するまでの間、熱伝達が継続する。この方式では、溶湯は上流側ローラーの曲面に沿ってベルトに供給されるから、金属は上流ローラー間のニップに到達するまでにほとんど凝固している。溶湯と鋳造ストリップの熱は、鋳造領域のベルトに伝達される(下流ニップも含む)。そして熱は、ベルトが溶湯又は鋳造ストリップのいずれとも接触していない時期にベルトから除去される。このようにして、鋳造領域(溶湯と鋳造ストリップに接触している)のベルト部分は、従来のベルト鋳造機に生じるような大きな温度変動にさらされることはない。ストリップの厚さは、その間で鋳造が行なわれているベルトの熱容量によって制約される。２４００ポンド/時/インチの生産率で０.０８から０.１インチ(２乃至２.５mm)のストリップの製造が達成された。
【００１７】
従来のベルト鋳造に使われるベルトに関連した問題は残っている。特に鋳造ストリップの均一性は、ベルトの安定性(即ち張力)に影響される。どのようなベルト鋳造機であれ、通常の、あるいはヒートシンク型の物は、高温の溶湯がベルトに接触して凝固した金属からベルトに熱伝達があると、ベルトに不安定性が生じる。更に、ベルトは定期的に交換される必要性があり、これは生産性を低下させる。
【００１８】
非鉄合金のストリップ材は、自動車産業と航空宇宙産業でシート製品として使用するために、そして缶本体の製造のために要望されている。従来缶本体ストックの製造はバッチ方式で行なわれ、個別の工程を数多く配列している。更なる加工のためにインゴットが必要とされる場合、まずスケールを削り、合金を均質化するために熱処理し、冷却し、まだ熱い間に多数回のロール圧延し、熱間仕上げロール加工、最終的に巻取り、空気冷却、貯蔵が行なわれる。コイルはバッチ方式で焼きなましされる。巻き取られたシートストックは、巻戻し機、巻取り機、単一又はタンデム式ロール圧延機によって最終寸法に仕上げられる。アルミニウム産業で典型的に使われているバッチ工程は、多種類の異なった材料の取扱い操作が必要であり、個々の加工工程の間でインゴットやコイルを移動させる。
【００１９】
缶本体ストックを連続生産するために、直接冷却鋳造することが米国特許第４２６０４１９号に記載されており、第４２８２０４４号には連続ストリップ鋳造する小規模機械が記載されている。両方式はインゴットとコイルを移動させるための、多くの材料取扱い操作が必要である。そのような操作は労力がかさみエネルギーを消費し、しばしば製品を損傷させる。
【００２０】
米国特許第５７７２８０２号と第５７７２７９９号を引用することによって本願の内容とするが、これらはベルト鋳造方法を開示しており、そこには缶又は蓋のストックとそれの製造方法であって、合金含有量の低いアルミニウム合金がストリップ鋳造されて、ホットストリップの鋳造フィードストックに形成され、熱いフィードストックは、実質的な析出が生じることを防止するために、直ちに焼入れされ、焼きなましされ、合金成分が実質的に析出することを防止するため直ちに焼入れされ、そして冷間ロール圧延される。この方法は今日では達成される生産率は比較的低いにもかかわらず成功していた。
【００２１】
更に、アルミニウム以外の合金、例えばマグネシウム合金は、商業規模では連続鋳造はされていない。マグネシウム金属は六角形の結晶構造を有しており、特に低温では、加えられた場合の歪み量を厳しく制約する。鍛造マグネシウム合金製品は従って、通常は３００乃至５００℃の範囲の熱間加工で実施される。たとえこのような条件下でも複数回のロールパスと中間焼きなましは必要である。従来のインゴット方では合計２５回までのロールパスと中間焼きなましが行なわれ、最終製品が０.５mm厚さの製造に使われる。その結果、マグネシウム鍛造製品は高価となりがちである。
【００２２】
それ故、非鉄合金の経済的な鋳造方法であって、均一な鋳造表面を達成するものへの必要性が続いている。
【発明の開示】
【００２３】
この要求は、非鉄金属を鋳造する本発明の方法によって解決された。それは一対の間隔をあけて離れた鋳造表面へ非鉄金属溶湯を供給し、非鉄金属の少なくとも一部分を、少なくとも毎分約１００℃の速さで急速冷却し、それによって非鉄合金の外層を固化させて、溶融成分の内層とデンドライト（dendrites）の固化成分を包囲する。適当な合金とは、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金を含む。合金が鋳造されるとき、固化外層は厚さを増す。内層が固化するにつれて、内層のデンドライトは、デンドライトを壊したり、分離などによって一層小さな構造へ変化させられる。鋳造装置を出ていく製品は、合金の固化した外層によって包囲された変化したデンドライト（中央分離をほぼ回避し、又は最小である）を含む固化した内層を包んでいる。鋳造装置の種類によって製品は、シート、板、スラブ、箔、針金、ロッド、バー、その他の押出し構造の形状である。適当な最終製品には、自動車用シート製品、宇宙用シート製品、飲料用缶本体ストック、飲料缶端板とタブのストックがある。
【００２４】
鋳造表面とは、ロール鋳造機のロール表面、又はベルト鋳造機のベルト表面、又は互いに接近する、その他の従来の互いに離れた鋳造表面がある。半固化層を固化させる工程は、鋳造表面間の最小間隔の位置で完成する。ある実施例では、鋳造表面は、回転しているロール表面であって、その間にニップを形成し、ニップで固化工程を起こして完成する。ロール間を進む金属に対して、ロールによって加えられる力は製品の幅１インチ当たり最大で約３００ポンドである。別の実施例では、鋳造表面は、回転ローラの上を移行するベルト表面であって、ロールはその間にニップを形成し、固化工程の完成はニップで起こる。内層を含む固化製品が、鋳造表面の最小間隔の位置で、毎分約２５〜４００フィートの速度で、或いは、毎分少なくとも約１００フィートの速度で送り出される。
【００２５】
本発明は、本発明の方法によって製造された製品を含んでいる。製品は、厚さ約０.０６〜約０.２５インチの金属ストリップの形状である。内層の厚さは、ストリップ厚さの約２０〜約３０％を占める。本発明工程の結果の一つは、金属の固化内層の成分は、金属の外層の成分とは相違していることである。さらに、内層金属の壊れたデンドライトは、球（未加工）の形状である。
【００２６】
全体を通じて、同様な引用記号は、同様な部分を示す添付の図面各図を参考にすることにより、以下の説明から、本発明の完全な理解が得られるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下は説明のためであって、特に積極的に断らない限り、様々な別な変更と工程を想定していると理解されるべきである。添付図面に示した所定装置と工程、そして明細書の記載は、単に発明の一例としての実施例であると理解されるべきである。従って、ここに記載した特定の寸法とその他の物理的特性は、発明を限定するものと理解するべきではない。何らかの数値範囲を述べている場合、その範囲はそこに述べられた最小と最大の間の全ての数値と端数部分を含むと理解されるべきである。
【００２８】
本発明は、非鉄合金の鋳造方法を含んでおり、それは非鉄合金を鋳造装置へ供給することを含んでいる。非鉄合金は、アルミニウム、マグネシウム、チタン、銅、ニッケル、亜鉛、又は錫などの合金成分を意味している。特に本発明において用いられる適当な非鉄合金は、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金である。
【００２９】
「アルミニウム合金」、「マグネシウム合金」、「チタン合金」の語は、表示した成分を少なくとも５０重量％含有し、少なくとも１つの調節材成分を含有する合金を意味する。アルミニウム、マグネシウム、チタンの合金は、航空宇宙産業、自動車産業の構造材として魅力的な候補である。何故なら、それらは軽量であり、重量当たりの強度が高比率であり、室温と高温の両方で比剛性（specific stiffness）が高いからである。適当なアルミニウム合金は、アルミニウム協会の３ｘｘｘと５ｘｘｘシリーズの合金が含まれる。マグネシウム基合金の系列例を挙げると、Ｍｇ−Ａl系列、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ系列、Ｍｇ−Ａｌ−Ｓｉ系列、Ｍｇ−Ａｌ−希土類（ＲＥ）系列、Ｍｇ−Ｔｈ−Ｚｒ系列、Ｍｇ−Ｔｈ−Ｚｎ−Ｚｒ系列、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｚｒ系列、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｚｒ−ＲＥ系列がある。
【００３０】
発明の最も基本的な形式が、第３図にフローチャートで説明されている。工程(100)では、非鉄溶湯が鋳造装置へ供給される。鋳造装置は、以下に記載するような、一対の離れて前進する鋳造表面を含んでいる。工程(102)では、鋳造装置は、少なくとも非鉄合金の一部分を速やかに冷却し、内層は半固体の状態を保ちながら、非鉄合金の外層は固化する。内層は溶融金属成分と金属のデンドライトの固化成分を含んでいる。合金が鋳造されるにつれて、固化外層は厚さを増していく。内層のデンドライトは、工程(104)でデンドライトを壊して、より小さな構造にするなどの変化させられる。工程(106)で内層は固化する。鋳造装置中に存在する製品は、合金の外層内に壊されたデンドライトをサンドイッチにして含む固化内層を含んでいる。製品は様々な形態であって、例えば限定はされないが、シート、板、スラブ、箔がある。押出型鋳造した製品は、ワイヤー、ロッド、バー、又はその他の押出製品の形態とする。別の例では、製品は工程(108)でさらに加工され、処理される。工程(100)−(108)の順序は、本発明の方法において固定されたものではなく、順番に起こることもあれば、いくつかの工程は同時に起こることもある。
【００３１】
本発明は、溶湯の固化と固化金属中のデンドライトの形成とデンドライトの変化割合をバランスさせ、最終製品に所望の特性を得る。冷却速度は、外層金属の速やかな固化が完成するように選ばれる。アルミニウム合金と他の非鉄合金については、金属外層の冷却は毎分少なくとも約１００℃の割合で起こる。例えば、２ロール式鋳造機、ベルト式鋳造機、スラブ式鋳造機、ブロック式鋳造機の如き、適当な鋳造装置は冷却鋳造表面を具えている。垂直式ロール鋳造機も本発明に使用される。連続鋳造機では、鋳造表面は通常は離れており、ロール間の間隔が最小となる領域がある。ロール鋳造機では、鋳造表面間の最小間隔の領域はニップである。ベルト鋳造機では、ベルトの鋳造表面間の最小間隔の領域は、鋳造機の進入側プーリ間のニップである。以下にさらに詳細に説明するとおり、本発明のタイプの鋳造装置の操作には、鋳造装置の最小間隔の位置で金属の固化がある。以下には、２ロール鋳造機を用いて実施した本発明の方法を説明しているが、これは限定的であることを意味しない。本発明の実施のため、その他の連続鋳造表面を用いることができる。
【００３２】
例示として、本発明の実施のため、図４に詳細に示す如く、ロール式鋳造機（図１）が使用できる。図１において（これは従来例及び本発明においては一般的に水平連続鋳造である）、本発明は矢印Ａ1、Ａ2方向に逆方向に回転する一対の冷却ローラＲ1、Ｒ2が使われる。ここで使われる水平の語は、鋳造ストリップは水平の向きで又は、水平からプラスマイナス約３０度の角度を意味する。図３に一層詳細に説明するように、供給口金Ｔは、耐熱又は他のセラミック材料で形成されていて、互いに矢印Ａ1、Ａ2で示す逆方向に回転しているロールＲ1、Ｒ2上へ直接に矢印Ｂの方向に溶湯Ｍを供給する。供給口金Ｔと夫々のロールＲ1、Ｒ2との間のギャップＧ1、Ｇ2は、できるだけ小さく保たれており、溶湯が漏れ出ることを防止し、溶湯がロールＲ1、Ｒ2に沿って外気にさらされることを最小にする。口金ＴとロールＲ1、Ｒ2との接触は避けつつ、ギャップＧ１、Ｇ２の適当な寸法は、約０．０１インチ（０．２５ミリメートル）である。ロールＲ1、Ｒ2の中央線を通る平面はロールＲ1、Ｒ2の最小間隔の領域を通過し、それはロールニップＮとする。
【００３３】
溶湯Ｍが、冷却されたロールＲ1、Ｒ2であるロール鋳造機の鋳造表面へ供給される。溶湯Ｍは、ロールＲ1、Ｒ2の領域(2)及び(4)で夫々接触する。ロールＲ1、Ｒ2に接触すると溶湯Ｍは冷えて固化を始める。冷えた金属は、ロールＲ1に隣り合って上シェル(6)となり、ロールＲ2に隣り合って下シェル(8)となる。固化金属の下シェル(8)と上シェル(6)の厚さは金属がニップＮに向かって進むにつれて増える。固化金属の大形デンドライト(10)（実際寸法ではない）が、上下シェル(6)、(8)と溶融金属Ｍとの間の接触部で形成される。大形デンドライト(10)は壊され、溶融金属Ｍの、より遅い動きの中央部分へ引き込まれる。そして、矢印Ｃ1、Ｃ2の方向へ運ばれる。流れの引き込み動作が大形デンドライト(10)を壊して、より小さなデンドライト(14)にする（実際寸法ではない）。中央部分(12)において、ニップＮの上流は領域(16)とし、金属Ｍは半固体状態であって、固体成分（固化した小さなデンドライト(14)）と溶融金属成分を含んでいる。範囲(16)にある金属Ｍは、小さなデンドライト(14)がその中に分散していることも一つの理由となって粥状の粘度である。ニップＮの位置では、溶湯のある部分は矢印Ｃ1、Ｃ2とは逆の方向へ絞り戻される。ロールＲ1、Ｒ2がニップで前方回転することにより、金属の実質的には固体部分のみ（上下のシェル(6)、(8)及び中央部分(12)中にある小さなデンドライト(14)）を前進させながら、中央部分(12)の溶融金属をニップＮから上流側へ押し戻し、それによって金属はニップＮの点を過ぎるとき、完全に固体化する。ニップＮの下流では、中央部分(12)は、上シェル(6)と下シェル(8)にサンドイッチされた小さなデンドライト(14)を含む中央固体層である。中央層(18)では、小さなデンドライト(14)は約２０〜約５０ミクロンの寸法であって、一般的には球形状である。ストリップ製品では、固体中央部分はストリップの全厚さの約２０〜約３０％である。図４の鋳造装置では、ストリップＳをほぼ水平の向きに製造している状況を示すが、ストリップＳは斜め又は垂直方向に出ていくこともあるので、限定はしていない。
【００３４】
図４について記載した鋳造工程は、上記した方法工程に従っている。工程(100)において、ロール鋳造機へ供給された溶湯は、冷却を始め、工程(102)で固化する。冷えつつある金属は、冷却鋳造表面（Ｒ1、Ｒ2）の近く又は隣接する凝固金属(6)(8)の外層を拡大させる。凝固層(6)(8)の厚さは、金属が鋳造装置中を進むにつれて増す。工程(102)に関しては、デンドライト(10)が、少なくとも部分的に凝固外層(6)(8)によって囲まれている内層(12)の金属中に形成される。図４では、外層(6)(8)は、２つの外層(6)(8)の間に内層(12)があるサンドイッチのように、内層(12)をほとんど包囲する。他の鋳造装置では、外層は内層を完全に包囲している。工程(104)では、デンドライト(10)は変化させられる。即ち、より小さな構造(14)へと壊される。内層(12)において、金属が完全に固化する前は、金属は固体成分（凝固した小さなデンドライト(14)）と溶融金属成分とを含む半固体である。この段階での金属は、その中へ小さなデンドライト(14)を部分的に分散しているせいで、かゆ状の柔らかさである。鋳造装置内にて、金属の完全凝固する位置での工程(106)では、凝固製品には、外部分によって少なくとも部分的に囲まれた、小さなデンドライト(14)を含む内部分(18)がある。内部分の厚さは製品厚さの約２０〜約３０％である。内部分では、小さなデンドライトは、約２０〜約５０ミクロンの寸法であって、鋳造装置の加工はほとんど受けておらず、従って通常は球形状である。
【００３５】
本発明では、内層(12)中の溶融金属は（ロール間の鋳造に関して説明したとおり）、鋳造装置中の流れ方向に対し逆向きに絞られ、そして／又は外層(6)(8)へ押し込まれ、外層(6)(8)の外表面に達する。内層中の溶融金属を絞り、そして／又は押し込む作業は、ここに記載したどの鋳造装置にも起こる。
【００３６】
工程(104)で、内層中のデンドライトの壊れは、溶融金属の内層と外層との間の速度差から生じる剪断力によってロール間で鋳造する際に起こる。毎分１０フィートより低い従来の速度で、ロール鋳造機を操作すると、その様なデンドライトを壊すのに必要な剪断力は発生しない。従来のロール鋳造機を上記したように、凝固を制御しながら高速運転（毎分２５フィート以上）すると、本発明の規定する鋳造ができるが、その他の鋳造装置であっても、本発明の工程を達成するやり方で操作してもよい。本発明の重要な特徴は、内層中のデンドライトを壊すことである。デンドライトの壊れによって、中央分離を最小にし、又は回避し、その結果最終製品の成形容易性と伸び特性を改善する。これは、従来のロール鋳造又はベルト鋳造による製品が鋳造偏析を示して粗大成分を含んでいたが、本発明では、その様な粗大成分は減少し、又は存在しないからである。内層中のデンドライトを壊すその他の適当な機構として、機械的攪拌（例えばプロペラ）の液中へ投入し、回転ステータ式攪拌、及び直線ステータ攪拌を含む電気式攪拌及び高周波超音速振動を含む。
【００３７】
鋳造表面は、溶湯の熱に対しヒートシンクの役割をする。本発明では熱は溶融金属から、一様なやり方で冷却鋳造表面へ熱伝達され、鋳造製品の表面を確実に均一化する。鋳造表面は、鋼又は銅で形成され、織り目模様が施されて、溶融金属と接触する表面に非均一さを具えている。表面の非均一さは、冷やされた鋳造表面からの熱伝達を増やすのに役立つ。冷却鋳造表面の表面中に調節された所定度の非均一さを具えることによって、その表面からの熱伝達を均一化することができる。表面の非均一さは、溝、くぼみ、こぶ、その他の構造の形状とすることができ、互いに離れていて、規則的なパターンであって、１インチ当たり約２０〜約１２０の表面非均一さ、又は１インチ当たり約６０の非均一さで規則的パターンを形成する。表面非均一さは、約５〜約５０ミクロンの高さ、又は約３０ミクロンの高さである。冷却鋳造表面は、クローム又はニッケルの材料で被覆され、鋳造製品がそこからの離れを容易にする。
【００３８】
鋳造表面は、鋳造中は通常は熱せられており、高温のもとでは酸化しやすい。鋳造中に鋳造表面の酸化が不均一に起こると、そこでの熱伝達特性が変わることがある。従って鋳造表面は使用前に予め酸化させ、鋳造中のそこでの変化を最小とする。鋳造表面を時々又は連続的にブラシ掛けすることは、非鉄合金の鋳造の際に溜まる夾雑物を除去するためには望ましいことである。鋳造製品の小さなかけらが壊れて、製品から離れ鋳造表面に付着する。非鉄合金製品のこれら小さなかけらは酸化しやすく、鋳造表面の熱伝達特性を非均一にする。鋳造表面をブラシがけすることは、鋳造表面に夾雑物が集まることによって起こる非均一さの問題を回避する。
【００３９】
本発明の方式によって操作されるロール鋳造機においては、ロールＲ1、Ｒ2の制御・保守・適当な速度を選択することは、本発明の操作性に影響を与える。ロール速度は、溶湯ＭがニップＮに進む速さを決定する。速度が遅すぎると、大形デンドライト(10)は中央部(12)へ引込まれ十分な力を受けず、小形デンドライトに壊れない。それゆえ本発明は、例えば毎分約２５から約４００フィート、又は毎分約１００から約４００フィート、又は毎分約１５０から約３００フィートの高速で操作することが適当である。溶融アルミニウムがロールＲ1、Ｒ2へ供給される単位面積あたりの直線速度は、ロールＲ1、Ｒ2の速度よりも低い、又はロール速度の約４分の１であろう。本発明による高速連続鋳造は、織り目表面Ｄ1、Ｄ2が溶湯Ｍからの熱伝達を確実にするから、部分的には達成可能であろう。
【００４０】
ロール分離力は、本発明を実施するうえで重要なパラメータである。本発明の主要な利点は、金属がニップＮに到達するまでは固体ストリップは形成しない点にある。厚さはロールＲ1、Ｒ2間のニップＮの寸法で決まる。ロール分離力は、溶融金属を搾ってニップＮから離れて上流へ送るのに十分な大きさである。ニップＮを通過する溶湯が過剰であると、上下シェル(6)(8)と固体中央部(18)が互いに外れて、真直にそろわない。ニップＮに達する溶湯が不十分であると、従来のロール鋳造工程で起こっているような、時期的に早すぎるストリップを形成してしまう。時期的に早すぎるストリップ(20)は、ロールＲ1、Ｒ2によって変形加工され中央分離を起す。適当なロール分離力は鋳造幅１インチ当り約２５から約３００ポンド、又は鋳造幅１インチ当り約１００ポンドである。厚い寸法の非鉄合金を鋳造するときは、厚い合金から熱を除くために、鋳造速度はより遅くする必要がある。従来のロール鋳造とは異なり、ニップの上流では完全固化した非鉄ストリップは形成されないから、本発明では、このような低鋳造速度であっても、過大なロール分離力は生じない。
【００４１】
厚さ約０.１インチ以下（例えば、０.０６インチ）の非鉄合金ストリップは、鋳造速度毎分約２５から約４００フィートで製造されるであろう。厚さがより大きな非鉄合金ストリップも本発明の方法によって製造できる。例えば約０.２５インチの厚さである。本発明において予定されている直線速度での鋳造（例えば毎分約２５から約４００フィート)では、インゴット状態の非鉄合金よりも約１０００倍の速さで非鉄合金製品を固化させ、インゴットの非鉄合金鋳造に優って、製品特性を改善する。
【００４２】
本発明は更に、本発明によって鋳造された非鉄合金製品を更に含んでいる。非鉄合金製品は外部分によってほぼ囲まれた内部分を含んでいる。合金成分濃度は内部と外部では異なっている。溶融合金は、包晶形成合金成分と共晶形成合金成分を含む合金成分の初期濃度を有する。合金成分の濃度は外部と内部では相違する。各金属及び外部分での共晶形成材及び包晶形成材の濃度と比べて、製品の内部では所定成分（例えば、共晶形成材）が激減し、他の成分（例えば包晶形成材）が豊富となる。本発明の非鉄合金製品の結晶粒は実質的に変形されていない。即ち、球体のごとく等軸構造である。製品の内部に硬質の粒子は存在しないから、多くの非鉄合金の鋳造に典型的に生じる中央分離やクラックは最小となり又は回避される。
【００４３】
本発明の実施に際し、鋳造装置を出た製品を支持し、製品は十分に冷えて自立することが望ましい。図５に示す支持機構の一例は、ロールＲ1、Ｒ2を出るストリップＳの下方に連続コンベアベルトＢを配置したものである。ベルトＢはプーリＰの周りを移行し、約１０フィートの距離でストリップＳを支持する。プーリＰ間のベルトＢの長さは鋳造工程、ストリップＳの出口温度、ストリップＳの合金によって決まる。ベルトＢに用いられる適当な材料には、ファイバーグラスと金属（例えばスチール）を剛体形式で、又はメッシュ形式で用いるものがある。或いは、図６に示す如く、メタルシューなどの固定支持表面Ｊを含む支持機構があり、その上をストリップＳが冷えながら移行する。シューＪはホットストリップＳが簡単に付着することのない材料で作られる。ストリップがロールＲ1、Ｒ2を出ると直ちに壊れるような場合には、ストリップＳは位置Ｅで空気又は水などの流体によって冷やされる。アルミニウム合金の場合、通常はロールＲ1、Ｒ2を出るストリップは約１１００°Ｆであり、それはニップＮから約８から１０インチの内側で約１０００°Ｆまで、アルミニウム合金ストリップの温度を下げることが望ましい。位置Ｅでストリップを冷却し、上記冷却量を達成した適当な冷却機構の一つが米国特許第４８２３８６０号に記載されており、これの引用をもって本願の一部とする。
【００４４】
〈実施例〉
重量比で０.７５Ｓｉ、０.２０Ｆｅ、０.８０Ｃｕ、０.２５Ｍｎ、２.０Ｍｇを含有するアルミニウム合金が、本発明に従って鋳造された。そして、熱間及び冷間で、ライン中でのロール加工によって０.０１５インチの寸法にした。２種類の製品について、その特性を第１表に示す。実施例１は、巻取り冷却した後、ロール加工直後に得られた特性を示す。高強度と加工容易性（伸び）の組合せには注目される。実施例１及び２で達成されている高抗張力と伸びの組合せは、これまでアルミニウム−マンガン合金の５ｘｘｘ系列では達成されていなかった。比較のためであるが、アルミニウム合金５１８２は、せいぜい抗張力は５４ｋｓｉであり、伸びは７％である。実施例２は、シートを溶体化熱処理し、実験室で２７５°Ｆに焼きならしして得られた特性を示している。良好な抗張力と優れた曲げ特性が達成された。
【表１】
2005536354.tif 000003
【００４５】
本発明方法を実施することによって、非鉄鋳造合金の製品は従来の鋳造製品と比べて、抗張力と伸びが改善されている。このように改善された特性によって、より薄い製品の製造が可能となり、これは市場では望まれていることである。
【００４６】
鋳造装置を出る製品は、例えば引き続いてロール加工によって他の形態に成形されるか、そうでなければ、缶用シート材、タブストック、自動車用シート材及び製版シートと光沢シートを含むその他の最終製品を製造するために処理される。鋳造装置を出た製品の引き続いた加工は、ラインローリング装置によってなされ、鋳造直後のシートの熱を活用する（以下の米国特許に関係し、これらの引用を持って本願の一部とする。第５７７２７９９号、第５７７２８０２号、第５３５６４９５号、第５４９６４２３号、第５５１４２２８号、第５４７０４０５号、第６３４４０９６号、第６２８０５４３号）。又は鋳造直後のシートは冷却され、その後オフラインでロール加工される。シートのその他の加工は、上記特許の一つ又はそれ以上を用いて実施できる。
【００４７】
本発明の望ましい実施例を、これが特に有効である自動車及び航空宇宙産業用、清涼飲料缶産業用について、以上記載したが、当業者であれば本発明は次のようなパーツの製造にも有用であることは明らかであろう。ボート、カヌー、スキー、ピアノ、ハープ、配送トラック車体、トラックタクシー（truck cabs）、ゴミ収集貯蔵槽、競艇覆い、民間用飛行機部品、消防車ホース格納庫、材料取扱い装置、埠頭舷側（dock boards）、携帯式ランプ、宇宙設備用部品、ロケット及び衛星を含む、レーダ追跡システム、電子設備キャビネット、振動ふるい（vibratory screens）、輸送用貯蔵槽（tote bins）、トランク枠と側板、はしご、水加熱用アノード、タイプライター、ロケット発射機と発射台（mortar bases）、織機部品、コンクリートバケツと手仕上げ工具、ジグと固定具と振動試験機。
【００４８】
本発明の実施例は、特に有効な非鉄基合金の水平鋳造について記載したが、当業者であれば、本発明は垂直鋳造についても、垂直と水平鋳造の中間の任意の角度での鋳造と同じく有用であることは明らかであろう。
【００４９】
本発明の望ましい実施例を、鋳造装置から出るアルミニウム金属ストリップ製品について以上記載し、該鋳造装置には変化が加えられたデンドライト構造を含み、実質的に合金の固体外層によって囲まれた固体内層を含んでいるが、製品はシート、プレート、スラブ、箔、針金、ロッド、バー又は押出し成形の形状である。
【００５０】
本発明の望ましい実施例を２ロールのニップを使って金属が固化する際に形成されるデンドライトを壊すことを以上に記載したが、それはアルミニウム金属であって、当業者であれば本発明はチタン、マグネシウム、ニッケル、亜鉛、すず、銅を含む、その他の非鉄金属についても有用であることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】溶湯供給口金と一対のロールを具えた鋳造機の一部概略図
【図２】図１に示す溶湯供給口金とロールの拡大断面図であって、従来方法によって作動している状況の説明図
【図３】本発明における鋳造工程の流れ図
【図４】本発明によって作動している溶湯鋳造の説明図
【図５】ストリップ支持機構と必要に応じて設ける冷却手段を有し、本発明に沿って作られた鋳造機の概略図
【図６】他のストリップ支持機構と必要に応じて設ける冷却手段を有し、本発明に沿って作られた鋳造機の概略図
【符号の説明】
【００５２】
Ｍ  溶湯
Ｒ1,Ｒ2  ロール
Ｔ  溶湯供給口金
Ｓ  凝固した鋳造ストリップ
Ｎ  ニップ
6,8  外層
18  内層
10  大形デンドライト
14  壊れたデンドライト
【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】
2005536354.tif 000008
【図６】
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【国際調査報告】
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