(57)【要約】多層金属インゴットの鋳造方法であって、金属製の仕切部材(14)をダイレクトチル金型(4)の中へ配備する工程と、第１溶融金属を金型内の仕切部材の一方の側に注入する工程と、第２溶融金属を金型内の仕切部材の他方の側に注入する工程と、第１溶融金属及び第２溶融金属を凝固させて、仕切部材と共に金属インゴットを形成する工程を含んでいる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の層を有する金属インゴットを鋳造する方法であって、
(a) 金属製の仕切部材をダイレクトチル金型の中へ配備する工程、
(b) 第１溶融金属を金型内の仕切部材の一方の側に注入する工程、
(c) 第１溶融金属を凝固させて、第１金属の層に隣接して仕切部材の層を具える金属インゴットを作成する工程、
(d) 複数の層を有する金属インゴットを、金型から引き出す工程、
を含んでいる方法。
【請求項２】
工程(b)は、第２溶融金属を金型内の仕切部材の他方の側に注入することを含んでおり、工程(c)で作成されたインゴットには、第１金属の層と第２金属の層の間に、仕切部材の層が介在している請求項１の方法。
【請求項３】
仕切部材は、厚さ約０.０７〜０.２５インチのシートである請求項１の方法。
【請求項４】
仕切部材は、厚さ約０.２５〜約６インチのプレートである請求項１の方法。
【請求項５】
仕切部材は、複数の貫通孔を有している請求項２の方法。
【請求項６】
仕切部材は、スクリーンである請求項２の方法。
【請求項７】
スクリーンは、鉄、チタン、モリブデン又はそれらの合金を含んでいる請求項６の方法。
【請求項８】
仕切部材は筒状であり、第１溶融金属及び第２溶融金属のうちの一方の溶融金属は筒状仕切部材の中に注入され、他方の溶融金属は、筒状仕切部材と金型との間に注入される請求項２の方法。
【請求項９】
筒状仕切部材は、軸方向にスロットを有している請求項８の方法。
【請求項１０】
第１金属と第２金属の各々は、アルミニウム合金を含んでいる請求項２の方法。
【請求項１１】
第１金属と第２金属は、異なる成分組成である請求項１０の方法。
【請求項１２】
第１金属と第２金属の各々は、アルミニウム・アソシエーション規格の１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００、７０００及び８０００シリーズの合金からなる群の中から選択された合金である請求項１０の方法。
【請求項１３】
仕切部材の融点は６１０℃以上である請求項１２の方法。
【請求項１４】
仕切部材は、アルミニウム・アソシエーション規格の１０００シリーズの合金を含んでいる請求項１２の方法。
【請求項１５】
仕切部材は、アルミニウム合金、鋼、チタン合金、銅合金、マグネシウム合金及びニッケル合金からなる群から選択された材料の複数の層からなる複合体である請求項１２の方法。
【請求項１６】
工程(a)は、別の金属製仕切部材を金型の中へ配備することを含んでおり、工程(b)は、前記の別の金属製仕切部材の一方の側に第３溶融金属を注入し、第１金属、第２金属及び第３金属の間に夫々、仕切部材の層を具えるインゴットを作成することを含んでいる請求項２の方法。
【請求項１７】
第１金属、第２金属及び第３金属の各々は、アルミニウム・アソシエーション規格の１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００、７０００及び８０００シリーズの合金からなる群の中から選択された合金である請求項１０の方法。
【請求項１８】
インゴットは、約１〜６インチ／分の速度で、金型から引き出される請求項１の方法。
【請求項１９】
インゴットは、約２〜３インチ／分の速度で、金型から引き出される請求項１の方法。
【請求項２０】
仕切部材の表面から、インゴットの最も近い端部までの距離は約０.５インチ以上である請求項２の方法。
【請求項２１】
仕切部材は平面的形状であり、工程(a)は、仕切部材の各端部を、金型から約０.１〜３インチ離れた位置に配置することを含んでいる請求項２の方法。
【請求項２２】
第１溶融金属の温度は、第２溶融金属の温度に略等しい請求項２の方法。
【請求項２３】
第１溶融金属と第２溶融金属の温度差は１５０℃以下である請求項２の方法。
【請求項２４】
仕切部材の金属の固相温度は、第１金属及び第２金属の液相温度よりも高い請求項２の方法。
【請求項２５】
仕切部材の一方の面には、フラックスがコートされている請求項２の方法。
【請求項２６】
第１溶融金属と第２溶融金属は、金型の中に溶融金属の溶湯を構成し、フラックスを溶融金属の溶湯の表面に施すことを含んでいる請求項２の方法。
【請求項２７】
複数の層を有する金属製品であって、仕切部材の金属の層と、前記層の一方の面にダイレクトチル鋳造された第１金属層と、を具えている金属製品。
【請求項２８】
仕切部材の金属の層の他方の面にダイレクトチル鋳造された第２金属層を具えている請求項２７の金属製品。
【請求項２９】
仕切部材の金属は、約９７％以上のアルミニウムを含んでいる請求項２７の金属製品。
【請求項３０】
第１金属層と第２金属層の各々は、アルミニウム・アソシエーション規格の１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００、７０００及び８０００シリーズの合金からなる群の中から選択された合金である請求項１０の方法。
【請求項３１】
仕切部材の金属の層の厚さは、金属製品の厚さの約０.５〜６％である請求項２７の金属製品。
【請求項３２】
仕切部材の金属の層の厚さは、金属製品の厚さの約１〜３％である請求項２７の金属製品。
【請求項３３】
金属製品は、インゴット又はビレットである請求項２７の金属製品。
【請求項３４】
仕切部材の層の厚さは、約０.０７〜０.２５インチである請求項３３の金属製品。
【請求項３５】
仕切部材の層の厚さは、約０.２５〜約６インチである請求項３３の金属製品。
【請求項３６】
金属製品は、プレート、シート又はフォイルである請求項２８の金属製品。
【請求項３７】
第１金属の層又は第２金属の層の一方に圧延接合された外側金属層を具えている請求項３６の金属製品。
【請求項３８】
一対の外側金属層を具えており、各金属層は、第１金属の層及び第２金属の層に圧延接合されている請求項３６の金属製品。
【請求項３９】
一対の外側金属層は、仕切部材の金属の層の両面にダイレクトチル鋳造された金属層である請求項３７の金属製品。
【請求項４０】
少なくとも１つの他の仕切部材の金属の層をさらに具えており、少なくとも１つの他の金属層は、他の仕切部材の金属の層の一方の側にダイレクトチル鋳造され、第１金属又は第２金属の一方は、他の仕切部材の金属の層の他方の側にダイレクトチル鋳造される請求項２８の金属製品。
【請求項４１】
仕切部材の金属の融点は、第１金属及び第２金属の各々の融点よりも約５℃以上高い請求項２８の金属製品。
【請求項４２】
複数の層を有する金属インゴットであって、仕切部材の金属の層と、仕切部材の金属の層の一方の面に接合された第１金属層と、仕切部材の金属の層の他方の面に接合された第２金属層とを具えており、仕切部材の金属の層の厚さは、インゴットの厚さの約３％以下であるインゴット。
【請求項４３】
第１金属層と第２金属層は、夫々が、仕切部材の金属の層にダイレクトチル鋳造される請求項４２のインゴット。
【請求項４４】
仕切部材の金属は、約９７％以上のアルミニウムを含む合金である請求項４２のインゴット。
【請求項４５】
第１金属層と第２金属層の各々は、アルミニウム・アソシエーション規格の１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００、７０００及び８０００シリーズの合金からなる群の中から選択された合金である請求項４２のインゴット。
【請求項４６】
仕切部材の層の厚さは、約０.０７〜０.２５インチである請求項４２のインゴット。
【請求項４７】
仕切部材の層の厚さは、約０.２５〜約６インチである請求項４２のインゴット。
【請求項４８】
第１金属の層又は第２金属の層の一方に圧延接合された外側金属層を具えている請求項４２のインゴット。
【請求項４９】
一対の外側金属層を具えており、各金属層は、第１金属の層及び第２金属の層に圧延接合されている請求項４８のインゴット。
【請求項５０】
一対の外側金属層は、仕切部材の金属の層の両面にダイレクトチル鋳造された金属層である請求項４２のインゴット。
【請求項５１】
少なくとも１つの他の仕切部材の金属の層をさらに具えており、少なくとも１つの他の金属層は、他の仕切部材の金属の層の一方の側にダイレクトチル鋳造され、第１金属又は第２金属の一方は、他の仕切部材の金属の層の他方の側にダイレクトチル鋳造される請求項４２のインゴット。
【請求項５２】
第１金属層、第２金属層及び少なくとも１つの他の金属層の各々は、アルミニウム・アソシエーション規格の１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００、７０００及び８０００シリーズの合金からなる群の中から選択された合金である請求項５１のインゴット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数種類の合金(multi-alloy)の同時鋳造に関し、具体的には、複数のアルミニウム合金のダイレクトチル鋳造であって、複数種類の合金成分の鋳造品を製造するた際に、合金間に金属部材を使用し、及び／又は、鋳造インゴットの外側層に金属部材を使用する鋳造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のＤＣ(Direct Chill)鋳造法によるアルミニウム合金インゴットの製造では、溶融アルミニウムは、端部が開口した金型の中に注がれる。金型の下端は、最初は、底部ブロックと呼ばれるプラットホームによって閉じており、溶融金属は金型の中に溜められる。底部ブロックは、溶融金属の注入と共に段階的に下降する。ＤＣ金型の壁部は、連続的に冷却されるため、金型内の溶融金属表面では、金型の壁と接触して、金属の固体膜(solid skin)を形成する。ＤＣ鋳造法の一例は、米国特許第４０７１０７２号に記載されており、その開示は引用を以て本願への記載加入とする。この従来法では、単一種類の溶融アルミニウム合金がインゴットの中へ直接鋳造される。
【０００３】
アルミニウムインゴットは、しばしば他の合金と一体化させて、複合製品が形成される。例えば、熱交換器のヘッダ又は補強構造体用のブレージングシートは、アルミニウムアソシエーション(Aluminum Assiciation)(ＡＡ)の３０００シリーズのアルミニウム合金にＡＡ４０００シリーズのクラッド層を形成することによって製造される。蒸発器のシート製品又はプレート型熱交換器の場合、一般的には、３０００シリーズの合金の両面に４０００シリーズ合金のクラッド層が形成されている。同様に、ラジエータは、３０００シリーズの合金に、４０００シリーズのクラッド層と、水側に、ＡＡ１０００、５０００、６０００又は７０００シリーズ合金のライナが形成されている。従来のクラッド層は、コア合金(例えば３０００シリーズ合金)のインゴット上に、圧延接合(roll bonding)によってプレート状に形成される。圧延接合の場合、クラッド合金をシート状に作るために、複数回の圧延パス、スカルピング、リヒーティング及びシーリング工程を必要とする。このため、最終クラッド製品のコストは増大する。また、圧延接合によって作られるクラッド層の厚さは、最大でも、シート厚さ全体の約３５％程度に制限される。また、圧延接合される合金の機械特性の圧延温度による相違が大きすぎる場合、圧延接合は極めて難しいものとなる。例えば、一方の合金が極めて容易に変形するのに対し、他方の合金の変形が容易でないと、合金のシールが適切に行われなかったり、目標とするクラッド比(cladding ratio)に達しない。
【０００４】
最近、複合金属製品の鋳造が試みられている。その例の１つがＤＥ第４４２０６９７号に記載されており、それによると、固定したバリアの一方の側に、ビレットの第１の合金がＤＣ鋳造され、バリアの他方の側に、別の合金がＤＣ鋳造される。この方法では、２種類の溶融金属が溶融状態で互いに接触するように制御され、２種類の溶湯が制御混合される。この方法では、複合ビレットの組成は、２種類の金属材料の接触面と垂直方向に連続的に変化する。個々の合金元素の濃度は、一方の合金の数値から他方の合金の数値へ連続的に変化する。
固定バリアは、金型内で２種類の合金材料の分離状態を維持する役割を果たす。バリアは、中心からずれた位置に配備されるため、一方の合金材料は、他方の合金材料よりも少なくなる。このため、金型に最も近い合金(少ない方の成分)は、例えば、底部ブロックから高い位置にある他方の合金と比べて、速く冷却されて、凝固する。底部ブロックは一定の速度で引き出され(withdrawn)るので、金型内の溶湯レベルは略等しく維持される。一方の合金は他方の合金よりも先に凝固するけれども、両合金の溶湯間に、溶湯が互いに流入して混合される小さな領域があり、この領域では、両合金の接合が促進される。この方法は、鋳造品の２種類の成分どうしをある程度接合するものであるが、鋳造中の成分の混合が、最終製品に有害となる。溶融金属の混合を回避するには、固定バリアの位置及び形状も重要である。このように同時鋳造された合金の特性は、合金成分の混合による影響を受ける。この方法では、液圧差による混合を避けるために、溶融金属の流れを注意深く制御せねばならない。また、バリアの直ぐ下の領域で行われる合金の混合は、極く簡単にのみ行われるように、量が少ない方の合金の凝固速度を注意深く制御する必要がある。
【０００５】
複合インゴットの他のＤＣ鋳造方法が米国特許第４５６７９３６号に開示されており、外層は、内側材料の中で同時に鋳造される。この方法では、外層は、内側の溶融合金の中で接触する前に凝固する。このため、内側材料と外層材料の成分混合は回避される。しかしながら、この方法の欠点は、内側合金材料が外層内で鋳造される前に、外層は完全に凝固しなければならないことである。また、内側の合金材料の熱は外層を通って鋳造製品の外表面へ出て行かなければならないため、外層の厚さが制限される。それゆえ、複数の合金材料から構成する最終製品の構造も制限される。
【０００６】
従って、同時鋳造により複数種類の合金(マルチアロイ)の金属製品を製造する方法において、製品の合金成分どうしの混合が最少となるようにすると共に、様々な形状の金属鋳造品を製造できる方法が依然として要請されている。
【発明の開示】
【０００７】
本発明の多層構造の金属インゴットの鋳造方法は上記要請に応えるものであり、金属製の仕切部材(metallic divider member)をダイレクトチル金型(direct chill mold)の中へ配備する工程と、第１溶融金属を金型内の仕切部材の一方の側に注入する工程と、第２溶融金属を金型内の仕切部材の他方の側に注入する工程と、第１溶融金属及び第２溶融金属を凝固させて、仕切部材と共に金属インゴットを形成する工程を含んでいる。金型から取り出された多層金属インゴットは、仕切部材の層によって分離された第１金属と第２金属を含む少なくとも２層以上の鋳造層を含んでいる。
或いはまた、仕切部材を、金型の壁に接するように配置することもできる。ここでは、溶融金属を金型に注入して、仕切部材に接合された単一の鋳造層を形成するもので、これによって、インゴットに外側シェル又はクラッド層が形成される。仕切部材は、最大約０.２５インチ程の厚さのシート又は最大約６インチ程の厚さのプレートであってよい。金型内の仕切部材の位置を移動させることにより、様々な厚さの鋳造金属を製造することができる。２以上の仕切部材を金型の中に配置し、各仕切部材の間に溶融金属を注入することにより、仕切部材によって分離された少なくとも３層以上の鋳造層を有する金属製品を製造することができる。仕切部材と溶融金属が強固に接合されるための基本原理は、仕切部材のインゴット内での位置とは関係が無く、同一である。仕切部材は、筒状であってもよい。第１の金属を筒状仕切部材の中に注入し、第２の金属を、筒状仕切部材と金型の間に注入することができる。
【０００８】
溶融金属として、ＡＡ規格の１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００、７０００又は８０００シリーズの合金を挙げることができる。仕切部材には、鋳造工程で溶融アルミニウムに曝されてもそれに耐え得る固体金属を用いる。いわゆるクリーンスクラップループを維持するために、仕切部材は、固相温度が該仕切部材の両側に鋳造された合金の液相温度よりも高い材料で、アルミニウム又はアルミニウム合金又はクラッドアルミニウム品であることが望ましい。仕切部材の固相温度は、６１０℃以上であることが望ましい。仕切部材に特に適した金属は、ＡＡ１０００シリーズの合金である。なお、仕切部材は、鉄、チタン、マグネシウム、銅又はニッケル等の合金から作られたスクリーン形態であってよい。
【０００９】
本発明の完全な理解は、図面に基づく以下の説明によって得られるであろう。なお、図面の全体を通して、同じ部分については、同じ符号を付している。
以下の説明において、“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“頂部”、“底部”という用語は、本明細書中において、図面中での向きを表している。しかしながら、特に指定しない限り、本発明は、様々な他の変形例及び工程シーケンスを想定していることは理解されるべきである。さらにまた、添付図面に図示し、以下に記載する特定の装置及び工程は、本発明の単なる例示に過ぎないことも理解すべきである。それ故、ここに開示した実施例における具体的寸法及びその他の物理的特徴は、それらに限定するものと解すべきではない。
【００１０】
本発明は、多層金属インゴットの鋳造方法及び該方法によって製造された鋳造品に関するものである。本発明の方法は、図１に示す装置(2)を使用するもので、該装置は、従来のダイレクトチル金型(4)を具えている。ダイレクトチル金型(4)は、水チャンバー(6)とスリット(8)を有しており、水はスリット(8)を通り、金型(4)から出てくるインゴット(10)の表面にかけられる。インゴット(10)は、底部ブロック(12)上で凝固する。
【００１１】
金属製仕切部材(14)は、金型(4)の中へ吊され、底部ブロック(12)の上に載っている。仕切部材(14)はバリアの役割を果たし、第１トラフ(18)を経て金型(4)へ送られる第１溶融金属(16)と、第２トラフ(22)を経て金型(4)へ送られる第２溶融金属(20)が分離される。クーラント(水)をインゴット(10)の表面に施しながら、底部ブロック(12)を矢印Ａの方向に移動させる。底部ブロックの適切な移動速度は、毎分約１インチ〜約６インチであり、毎分約２インチ〜約３インチが望ましい。なお、この範囲には、全ての中間値を含んでいる。仕切部材(14)は、底部ブロック(12)と接触したままであるから、底部ブロック(12)が移動する速度と同じ速度で下方へ移動する。可動グリップ(例えばホイール)を具えたクレーン(図示せず)を使用して、仕切部材(14)を装置(2)の上に吊して、該仕切部材(14)を金型(4)へ移動させることができる。仕切部材(14)を吊したり金型(4)へ運んだりするのに、他の機構を使用することもできる。
【００１２】
第１溶融金属(16)と第２溶融金属(20)は、一般的には、図１に示される要領にて凝固する。金型(4)に最も近い位置(24)の溶融金属(16)は、極めて迅速(例えば約１０秒以内)に凝固する。溶融金属(20)はまた、金型(4)に隣接する位置(26)でも凝固する。第１凝固領域(24)(26)よりも下の位置では、半固体(semi-solid)ゾーン(28)(30)が夫々形成される。溶融金属(16)(20)はまた、仕切部材(14)に隣接する位置(32)(34)でも凝固を開始する。位置(24)(26)(32)(34)は、互いに同じ高さの場合と、底部ブロック(12)からの高さが相違する場合がある。多くの場合、仕切部材(14)の金属材料の融点は、溶融金属(16)(20)の融点よりも低い。それにも拘わらず、仕切部材(14)は完全には溶融しないため、ヒートシンクとして、又、溶融金属(16)と(20)の境界部として作用することにより、金属(16)と金属(20)の混合を防止する作用を有する。溶融金属(16)及び(20)の熱の一部は、仕切部材(14)へ伝達され、その後、金型(4)から上方及び外へ延びる部分(36)から外へ移動する。同様に、仕切部材(14)へ伝達された熱の一部は、次に、溶融金属(16)(20)の下の凝固インゴット(10)へ移動する。仕切部材(14)には、最少限度の溶融(エロージョン)は起こるが、この程度の溶融では、仕切部材(14)の両側で鋳造される金属(16)(20)の冶金学的特性に影響を及ぼすことはない。
【００１３】
僅かではあるが、仕切部材(14)は溶融するため、仕切部材(14)の構成成分は、一方の側の金属(16)の構成成分及び他方の側の金属(20)の構成成分と一部混合する。少量の混合金属は凝固し、成分(38)と成分(40)は仕切部材(14)に接合する。仕切部材(14)と構成成分(38)(40)の接合状態は、仕切部材(14)の温度が、構成成分(38)(40)の液相温度よりも高いとき、より良好なものとなる。仕切部材(14)が最初に溶融金属(16)(20)と接触した時に、溶融金属の一部は、仕切部材(14)の表面に迅速に凝固すると考えられている。この一時的凝固については、図１に示されていない。通常の場合、仕切部材(14)の表面の固有酸化物(inherent oxides)は、仕切部材(14)と凝固金属との間に存在し閉じ込められる。溶融金属の温度が十分高い場合、仕切部材(14)の一部は、金属(16)(20)の液相温度よりも高い温度に達するので、仕切部材(14)が矢印Ａの方向へ移動したとき、初期凝固金属は再び融解する。仕切部材(14)は次に、溶融金属(16)(20)に直接曝されるので、仕切部材(14)の一部は溶融して、酸化物は不安定になる。仕切部材(14)が下方へ移動し続けると、溶融金属(16)(20)の温度は、局部的に、夫々の液相温度まで低下して、凝固が始まる。局部的な温度低下は、固相温度に到達して合金が完全に凝固するまで続くので、構成成分(38)(40)と仕切部材(14)の両面との接合は強固なものとなる。
【００１４】
また、所望により、仕切部材(14)の一方の面又は両方の面にフラックスを塗布することもできる。フラックスは、例えば、仕切部材(14)の表面にコートすることにより、仕切部材(14)に直接設けてもよいし、金型(4)の中の溶融金属(16)(20)の上表面に配備することもできる。仕切部材(14)と溶融金属(16)(20)が接触する直前に、フラックスは融解し、仕切部材(14)上の酸化物を化学的に減少させる。酸化物は、溶融金属(16)(20)と仕切部材(14)との接着を妨げる。適当なフラックスとして、カリウムアルミニウムのフッ化物をベースとするフラックス(例えば、Nocolok(商標名))の他、セシウム−カリウムアルミニウムのフッ化物をベースとするフラックスを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。フラックスとして用いられる物質は、溶融金属(16)(20)と仕切部材(14)が接触する前に、化学反応によって酸化層を除去することができるものであればどんなものでもよい。フラックスを用いる場合、仕切部材(14)の溶融危険性を少なくすると共に、構成成分(38)(40)と仕切部材(14)との強固な接合を達成するために、鋳造時の溶融金属の温度は低い方が望ましい。
【００１５】
装置(2)で製造されたインゴット(10)の横断面図を図２に示している。図示のインゴット(10)は矩形であり、その中央部には、構成成分層(38)と(40)の間に、仕切部材(14)が存在している。しかしながら仕切部材(14)は、中央部からずれた位置に配置することもできる。例えば、インゴット(10)の側面(42)(44)に接近した位置(例えば、約０.５インチほどしか離れていない位置)でもよい。仕切部材(14)の幅は、端部(46)と端部(48)の間の距離であるが、インゴット(10)の端部(49a)と端部(49b)の距離よりも若干短い。端部(46)と端部(48)は、金型(4)から約０.１〜３インチ程離れた位置が望ましい。なお、図２及び図６〜図８では、縮尺とおり示されていない。冷却速度は、インゴット(10)の表面近傍が最も速いから、溶融金属(16)(20)は、インゴット(10)の表面近傍では速やかに凝固する。溶融金属(16)(20)が端部(46)(48)の周囲で迅速に凝固すると、溶融金属(16)(20)の混合は非常に少なくなる。それでも、僅かな量の混合はあるため、固体成分(38)と(40)の接合が向上する。何れにしても、インゴット(10)の端部(49a)(49b)は、通常は、端部のクラックを取り除くために、圧延工程でトリミングされるので、仕切部材(14)の端部(46)(48)近傍での混合領域は、廃棄される。
【００１６】
仕切部材(14)の厚さは、例えば、約０.０７〜０.２５インチ(シートと称される)であり、また、約０.２５〜６インチ(厚さ１インチ以下のときは、しばしばシュレート(shlate)と称され、６インチ以下のときはプレートと称される)である。仕切部材(14)の厚さは、インゴット(10)の厚さの約０.５％〜約６％が望ましく、インゴット(10)の厚さの約１％〜約３％がより望ましい。仕切部材(14)の溶融可能性が低く、及び／又は、インゴット(10)の冶金学的又は構造的特性の点で、層(14)の厚さをできるだけ小さくすることが所望される場合、より薄い仕切部材(14)を使用することができる。一方、より厚い仕切部材(14)を用いると、溶融金属(16)(20)の混合を防止するためのバリアとしてより有効であり、多層インゴットにおける１つの層として機能することができる。
【００１７】
仕切部材(14)を設けたことにより、凝固中の金属(16)(20)の熱移動速度が速くなりすぎると、成分(38)(40)は、クラックを生じ易くなる。それゆえ、仕切部材(14)の厚さが約０.２５インチを越える場合、仕切部材(14)を、溶融金属(16)(20)の温度の約４００℃範囲内まで予熱することにより、仕切部材(14)への熱移動速度を低下させることが望ましい。
【００１８】
一般的に、仕切部材(14)の融点は、６１０℃以上である。仕切部材(14)は、例えば、アルミニウム合金が用いられるが、この場合、少なくとも９７％以上のアルミニウムを含有し、ＡＡ１０００シリーズ合金の様に高い固相温度を有するものが望ましい。また、仕切部材(14)は、これに適した他の材料として、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金、マグネシウム合金及びそれらを組み合わせた材料を、クラッディング、メッキ、コーティングにより層状化したものを用いることもできる。仕切部材(14)の化学的特性を選択することにより、鋳造される最終製品の耐食性を向上させることができる。例えば、Ｚｎを仕切部材(14)に加えると、仕切部材(14)は、成分(38)(40)の少なくとも一方とは電気化学的に陰性となる。この結果、ガルバニック作用によって保護されるので、Ｚｎリッチ領域(仕切部材(14)と構成成分(38)(40)にＺｎが拡散した部分)は犠牲になって、成分(38)(40)の中でより陰性の大きい合金を保護する。仕切部材(14)に小さな複数の孔を形成することにより、混合が実質的に行われることなく、溶融金属(16)と(20)の間をかなりウエット状態にすることができる。或はまた、仕切部材(14)は、鉄、チタン、モリブデン又はそれらの合金から製造されたスクリーンでもよい。適当なスクリーンとして、約０.０１インチ厚の１４×１８メッシュ、約０.００６インチ厚の３２×３２メッシュを挙げることができる。
【００１９】
溶融金属(16)(20)は、同一であっても、異種であってもよいが、アルミニウム合金であることが望ましく、ＡＡ規格の１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００、７０００又は８０００シリーズの合金を用いることができる。他の適当な金属として、マグネシウム合金を挙げることができる。溶融金属の一方に特殊合金を必要とする製品については、スクラップ合金の含有量が多い他の溶融金属を用いることができる。低価値のスクラップ金属を薄層の特殊合金と同時に鋳造することにより、反射体シート、陽極酸化製品、建築用製品等のように特殊表面を有する高付加価値製品を製造することができる。
【００２０】
第１溶融金属(16)の温度は、第２溶融金属(20)の温度と略等しくてもよいし、第１溶融金属(16)と第２溶融金属(20)の温度は、最大約１５０℃程異なっていてもよい。鋳造時における溶融金属(16)(20)の温度の選択と制御は、フラックスを使用しない場合は特に重要である。仕切部材(14)上の酸化物を取り除くのにフラックスを使用しない場合、仕切部材(14)の温度が溶融金属(16)(20)の液相温度よりも高くなるように溶融金属の温度を選択する必要がある。
【００２１】
フラックスを使用する場合、又は溶融金属(16)(20)の接触前に酸化物の影響を受けない材料を仕切部材(14)に選択する場合、又は仕切部材(14)上に酸化物が存在しても強固な接合を得るのに有害とならない場合、溶融金属の温度を低くすることができるので、仕切部材(14)は、溶融金属(16)(20)の液相温度に必ずしも達する必要はない。実際のところ、仕切部材(14)は、最初に凝固する金属によって溶融金属(16)(20)から保護されるので、仕切部材(14)は液相温度に達しないことが望ましい。何れの場合も、金属溶湯の温度は、仕切部材(14)が完全に溶融するような高い温度であってはならない。仕切部材(14)の一部溶融は許容されるが、仕切部材(14)が完全に溶融することは、たとえ局部的なもの(即ち“溶け落ち(burn through)”)でも望ましくない。ここでの温度は、溶融金属(16)(20)と仕切部材(14)の化学的特性に依存する。
【００２２】
図３及び図４に示されるように、本発明はまた、仕切部材の層を有する単一鋳造層の複合インゴットを製造するために用いることができる。装置(2')では、仕切部材(14)は、金型(4)内の壁に隣接した位置に配備され、溶融金属(16)は、トラフ(18)を通って金型(4)の中へ供給される。金属(16)は、半固体ゾーン(28)で凝固を開始する。そして、前記の金属(16)の凝固の際に、構成成分(38)が仕切部材(14)に接合されたのと同じように、金属(16)は最終的に凝固し、インゴット(10')が生成される。
本発明のこの実施例では、鋳造層(38)に接合された固体層(14)を有するインゴット(10')を製造することができ、従来の圧延接合工程は不要である。フラックスは、仕切部材(14)の表面に施して、装置(2')の溶融金属(16)に接触するようにしてもよいし、前述したように、金型内の溶融金属(16)の表面に施すこともできる。インゴット(10')の仕切部材(14)と構成成分(38)は、インゴット(10)について記載したのと同じ材料から選択することができる。
【００２３】
本発明の方法は、３種類以上の金属を鋳造する場合にも用いることができる。例えば、図５に示す装置(50)の場合、２つの仕切部材(14)(52)をダイレクトチル金型(40)に配置し、溶融金属(16)(20)(53)を、夫々のトラフ(18)(22)(54)を通じて金型へ供給する。３種類の溶融金属(16)(20)(53)からなるインゴット(60)は、前述の方法と同じ要領にて鋳造される。溶融金属(16)は、最初に、位置(24)(金型(4)の隣接部)と位置(32)(仕切部材(14)の隣接部)で凝固する。溶融金属(20)は、最初に、位置(34)(仕切部材(14)の隣接部)と位置(55)(仕切部材(52)の隣接部)で最初に凝固する。溶融金属(53)は、最初に、位置(56)(仕切部材(52)の隣接部)と位置(57)(金型(4)の隣接部)で凝固する。凝固金属(16)(20)(53)は、夫々、半固体ゾーン(28)(30)(58)を形成する。位置(24)(32)(34)(55)(56)(57)は、互いに同じ高さでもよいし、底部ブロック(12)からの高さが異なっていてもよい。得られた製品は、３つの鋳造層(38)(40)(62)を有し、それらは、図６に示されるように、仕切部材(14)(52)によって互いに分離されている。仕切部材(14)(52)は、図１の仕切部材(14)と同様、図５の実施例の金型内に配置されている。仕切部材(14)と(52)の距離は、インゴット(60)の構成成分(38)(40)(62)の所望厚さ及び金型(4)のサイズに基づいて選択される。図５及び図６に示す実施例は、仕切層を介在させた３種類の合金の同時鋳造に関するもので、５層構造の製品が作られる。なお、この構造は限定するためのものではない。本発明に基づいて、４種類以上の合金を同時鋳造することもできるし、その形状は、矩形だけでなく、他の形状の金型(例えば正方形又は楕円形)や非平面形状の仕切部材を用いることにより、他の形状も可能である。
【００２４】
金属の追加層を多層構造の鋳造インゴット(10)(60)に接合することにより、図７及び図８に示す製品(70)(80)を製造することができる。製品(70)は、インゴット(10)と、インゴット(10)に圧延接合された一対の金属層(72)(72)を含んでいる。製品(80)は、金属層(82)が圧延接合されたインゴット(60)を含んでいる。製品(70)(80)は、１つ又は２つの層(72)(82)を有してる。図７に示されるように、２つの層(72)(72)を含んでいる場合、それらの層の金属材料は、同じでもよいし、異なっていてもよい。層(72)(82)は、本発明に基づいて製造された複数成分の製品でもよいし、従来の圧延接合法によって製造されるた複数成分の製品であってよい。
【００２５】
本発明に基づいて製造された多層金属インゴットを、次に、例えばプレート又はシート製品へ圧延するときに、本発明の利点の１つがもたらされる。従来の圧延接合されたインゴットの場合、インゴットの端部のクラッド層の厚さは、圧延工程中、許容できないほど薄くなることがある。複合構造のインゴットから作製されるコイルの端部は、クラッド層がコイルの幅の方向に均一な厚さとなるようにトリミングし、廃棄せねばならない。従来の圧延接合されたブレージングシートの場合、約４インチ(約３％〜５％のクラッディングの場合)から約８インチ(約１０％〜１５％のクラッディングの場合)の端部トリミングを行なうことが一般的である。
これに対し、本発明では、図９に示すように、弓形形状の仕切部材(92)の両側に金属(94)(96)が鋳造されたインゴット(90)を製造することにより、スクラップ損失を最少にすることができる。鋳造金属(96)(従来のクラッド層に対応)は、インゴット(90)の端部が最も厚い。インゴット(90)をプレート(90')に圧延すると、仕切部材(92')は平らになり、図１０に示されるとおり、鋳造金属(94')(96')は均一な厚さとなる。仕切部材(92)をテーパ状にしたり、屈曲して他の形状にすることにより、対向する鋳造金属の厚さを局部的に変えることができる。
【００２６】
本発明は、複数合金の円筒製品(例えばビレット)を製造するのに使用することもできる。図１１及び図１２に示す本発明の実施例は、円筒金型(104)を有する装置(100)を含んでいる。円筒金型(104)は、水チャンバー(106)とスリット(108)を有しており、金型(104)から出てくるインゴット(110)の表面に対し、スリット(108)を通して水が直接かけられる。鋳造インゴット(110)は、矢印Ｂの方向に移動する円形形状の底部ブロック(112)の上にある。管状仕切部材(114)は、金型(104)の中に配備され、管状仕切部材(114)の外側トラフ(118)から供給される溶融金属(116)と、管状仕切部材(114)の内側の他のトラフ(図示せず)から供給される溶融金属(120)とのバリアとして作用する。
仕切部材(114)の配備と底部ブロック(112)の移動は、装置(2)についての説明と同じように制御される。鋳造中、溶融金属(120)が仕切部材(114)の中へ接近し易くするために、管状仕切部材(114)の軸方向にスロット(122)を設けることができる。特に、最初の間は、溶融金属(120)を管状仕切部材(114)の中に注入すると、溶融金属(120)は乱流を引き起こすので、溶融金属(120)は、底部ブロック(112)近傍のスロット(122)を介して管状仕切部材(114)に供給することが望ましい。
溶融金属(116)(120)がスロット(122)の近傍で過剰に混合しないように、スロット(122)は、十分に狭くし(例えば、鋳造されるビレットのサイズに応じて、約１インチ〜約２０インチ幅)、溶融金属(116)(120)の溶湯の中まで延びるように形成することもできる。溶融金属(116)は、最初に、金型(104)の領域(124)の近傍で凝固し、溶融金属(120)は、最初に、仕切部材(114)の領域(126)の近傍で凝固する。環状の半固体ゾーン(128)は、第１凝固領域(124)の高さよりも下に形成され、円筒形の半固体ゾーン(130)は、領域(126)の高さよりも下に形成される。完全に凝固すると、溶融金属(116)(120)は、管状仕切部材(114)によって分離された固体部(138)(140)が夫々形成される。装置(100)で製造されたビレット(110)の横断面形状を図１３に示している。
【００２７】
本発明は、従来のクラッド製品に比べて、著しい改良がもたらされる。圧延接合された製品のクラッド比は、一般的に最大３５％である。即ち、圧延接合された層の境界面は、一般的に、インゴットの一方の面からの距離の約３５％を越えることはない。本発明において、鋳造層の位置に関する唯一の制約は、鋳造層の厚さが１インチ以上ということだけである。これは、溶融金属がインゴットの幅方向に分配されるようにするためである。本発明を用いて互いに接合される合金は、圧延接合されたものと比べて、信頼性及び経済性にはるかにすぐれている。製品の品質は、圧延接合のものと比べてブリスターがない点においてすぐれている。本発明に基づいて製造されたインゴットを初期破壊又は圧延するためにホットミルが用いられるが、圧延接合のように何回もシーリングパス(sealing pass)を行なう必要はないから、ホットミルの生産性は著しく向上する。
本発明の概要を説明したが、本発明の製品及び工程の代表例を具体的に挙げて以下に説明する。
【００２８】
実施例１〜実施例３
実施例１〜実施例３は、仕切部材として、ＡＡ１３５０のシート(幅２０インチ、厚さ０.３７５インチ、長さ２４インチ)を、１２インチ×２２インチの金型の中央に配置した。なお、シートは、シートの端部と金型の壁との間に、約１インチのギャップが形成されるように配置した。各実施例では、表１に記載された合金の溶湯Ａを、金型内のシートの一方の側に注入し、表１に記載された合金Ｂの溶湯Ｂを、金型内のシートの他方の側に注入した。実施例３では、溶湯Ａと接触する側のシートの面にフラックスを塗布した。溶融金属は、シートの両側で鋳造される。底部ブロックの上にはシートが配置されており、底部ブロックは、毎分２.７５インチの速度で降下させた。合金Ａの層と合金Ｂの層の間にＡＡ１３５０の材料のシートが接合されたインゴット(１２インチ×１２インチ×約４２インチ)を作製した。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
実施例１のインゴットからブロックを切断し、ＡＡ１３５０のシートと、ＡＡ３００３及び７０５１の鋳造層との境界面に沿って圧延(熱間及び冷間)したが、層間剥離は起こらなかった。インゴットを水平方向に切断したときの写真を図１４に示している。ＡＡ合金３０００の層と改質ＡＡ合金７０５１の層の境界部の拡大写真を図１５に示しており、シートの腐食は極く僅かであることを示している。インゴットの一部を、０.２５０インチまで熱間圧延し(図１６参照)、その後、０.００５インチまで冷間圧延した(図１７参照)。
【００３１】
実施例２で製造したインゴットを水平方向に切断したときの写真を、図１８に示している。ＡＡ３００３とＡＡ３００５の間に仕切部材プレート(divider plate)がある。
実施例３で製造したインゴットを水平方向に切断したときの写真を、図１９に示している。ＡＡ３００３とアア４３４３の間にＡＡ１３５０の仕切部材(Divider)がある。実施例３は、フラックス無しで繰り返したもので、図２０は、ＡＡ３００３、ＡＡ１３５０仕切部材(Divider)及びＡＡ４３４３の境界面をエッチングした後のミクロ組織を、偏光顕微鏡法により示している。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係るもので、２つの鋳造層を有する複合金属製品を同時製造する装置の部分断面図である。
【図２】図１に示す装置で製造された金属製品の横断面図である。
【図３】本発明の他の実施例に係るもので、１つの鋳造層を有する複合金属製品を製造する装置の部分断面図である。
【図４】図３に示す装置で製造された金属製品の横断面図である。
【図５】３つの鋳造層を有する複合金属製品を同時鋳造する本発明装置の部分断面図である。
【図６】図５に示す装置を使用して製造された金属製品の横断面図である。
【図７】図１に示す装置で製造した後、複数の追加層を圧延接合した金属製品の横断面図である。
【図８】図５に示す装置で製造した後、１つの層を圧延接合した金属製品の横断面図である。
【図９】本発明に基づいて製造された複合金属製品で、層の厚さが幅全体に一定でない製品の横断面図である。
【図１０】図９の金属製品をさらに圧延した後の状態を示す横断面図である。
【図１１】複数種類の合金を同時鋳造によってビレットを製造する装置の他の実施例であって、筒状仕切部材を用いた装置の部分断面図である。
【図１２】図１１に示す装置の１２−１２線に沿う断面図である。
【図１３】図１１に示す装置で製造されたビレットの横断面図である。
【図１４】本発明に基づいて製造されたインゴットの横断面の写真である。
【図１５】図１４に示すインゴットの一部の顕微鏡写真である。
【図１６】図１４に示すインゴットの熱間圧延後の顕微鏡写真である。
【図１７】図１６に示すインゴットの冷間圧延後の顕微鏡写真である。
【図１８】本発明に基づいて製造された別のインゴットの横断面の写真である。
【図１９】本発明に基づいて製造された更に別のインゴットの横断面の写真である。
【図２０】本発明に基づいて製造された別のインゴットの層の境界面の顕微鏡写真である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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