(57)【要約】【課題】アルミニウム溶湯との濡れ性が良くして超音波処理を好適に行うことができるとともに、破壊靱性を高めて耐久性を向上させた窒化珪素基焼結体製の超音波ホーン用いてアルミニウム鋳造組織を効率的に微細化する。【解決手段】通常の焼結助剤を含むＳｉ３Ｎ４原料複合粉中のＳｉ３Ｎ４粉末１００質量部に対して４Ａ族元素を金属換算で１.０〜１０質量部を含む複合粉の焼結体を焼結した窒化珪素基焼結体製の超音波ホーンによりアルミニウム溶湯に超音波を照射する。  窒化珪素基焼結体製造の際に、Ａｌ２Ｏ３やＹ２Ｏ３等の焼結助剤の他に４Ａ族元素或いはその化合物を添加した焼結体を用いることにより、アルミニウム溶湯との濡れ性が良くして超音波処理を好適に行うことができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム溶湯に超音波を照射する際に用いる超音波ホーンであって、Ｓｉ３Ｎ４粉末１００質量部に対して４Ａ族元素を金属換算で１.０〜１０質量部を含む原料複合粉を焼結した窒化珪素基焼結体からなることを特徴とする超音波ホーン。
【請求項２】
前記４Ａ族元素としてＴｉを用いたものである請求項１に記載の超音波ホーン。
【請求項３】
Ｓｉ３Ｎ４粉末１００質量部に対して４Ａ族元素を金属換算で１．０〜６質量部を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波ホーン。
【請求項４】
前記Ｓｉ３Ｎ４原料複合粉は、Ｓｉ３Ｎ４粉末および前記４Ａ族元素の他に、焼結助剤としてＳｉ３Ｎ４粉末１００質量部に対してＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳｉＯ２から選ばれた少なくとも一種の化合物を０.５〜１０質量部、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＣｅＯ等の希土類酸化物から選ばれた少なくとも一種の化合物を０.５〜１０質量部含むものである請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波ホーン。
【請求項５】
上記の窒化珪素基の焼結体からなり、ホーンの長さＬを、λ／２の超音波半波長を基本単位として、Ｌ＝ｎ×λ／及びｎ＝２，３，４の整数に設計されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波ホーン。
【請求項６】
ホーンがインサートネジを介して振動子に接続されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波ホーン。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波ホーンを用いてアルミニウム溶湯に超音波を照射することを特徴とするアルミニウム合金の製造方法。
【請求項８】
超音波を照射する際の振動振幅を、１６〜６０μｍ（ｐ−ｐ）の範囲とする請求項７に記載のアルミニウム合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミ溶湯中にキャビテーションを発生させるための超音波ホーン及びそれを用いてアルミニウム合金を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウムを鋳造する際、溶湯へ超音波を照射することにより溶湯中で音響キャビテーションを発生させ、これにより溶湯脱ガス、凝固組織制御等の効果が得られることが知られている。そして、溶湯への超音波照射は、移湯樋を流れる溶湯中（樋処理）或るいは鋳型内溶湯中（鋳型内・サンプ内処理）に超音波ホーンの先端部を挿入して振動を溶湯中に伝達することで行われている。
しかし、アルミニウム溶湯の超音波処理において、特に鉄合金、チタン合金などから構成される金属製ホーンを用いた場合は、アルミニウム溶湯への超音波照射時間とともにホーン先端がエロージョンされてしまう。そのため、アルミニウム溶湯中に超音波ホーンを用いて超音波照射させる際、ホーン材料の選択は重要な問題となる。
【０００３】
そこで、アルミニウム溶湯と反応せず、高温耐エロージョン性に優れる素材としてセラミックで形成された超音波ホーンや、表面をセラミックで被覆した超音波ホーンが用いられてきている。
例えば特許文献１，２には、セラミックの中でも特に、窒化珪素基セラミック（以下「窒化珪素基焼結体」と記す。）、を用いた超音波ホーンが報告されてきている。これらの窒化珪素基焼結体からなる超音波ホーンは、アルミニウム溶湯のように高温で腐食性の高い溶湯に超音波処理する際においても、化学反応を生じ難く腐食し難いためアルミニウム溶湯の照射に適応できることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２０９４８７号公報
【特許文献２】特表２００６−５２２５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、窒化珪素基焼結体を用いた場合、アルミニウム溶湯と化学反応を生じ難い一方、アルミニウム溶湯との濡れ性が良くないため、音響キャビテーションが溶湯と超音波ホーン先端の間の界面で発生する。このため、溶湯中への超音波振動エネルギー伝達効率が不十分であり、その結果溶湯中のキャビテーション強度が減少し、組織微細化効果が低くなってしまっていた。
また、一般的な窒化珪素基焼結体は破壊靱性が低いために耐久性に難点がある。
【０００６】
本発明は、このような課題を解決するために案出されたものであり、アルミニウム溶湯との濡れ性を良くして超音波処理を好適に行うことができるとともに、破壊靱性を高めて耐久性を向上させた窒化珪素焼結体製の超音波ホーン及びそれを用いてアルミニウム鋳造組織を効率的に微細化する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の超音波ホーンは、その目的を達成するため、アルミニウム溶湯に超音波を照射する際に用いる超音波ホーンであって、Ｓｉ３Ｎ４粉末１００質量部に対して４Ａ族元素を金属換算で１.０〜１０質量部を含む原料複合粉を焼結した窒化珪素基焼結体からなることを特徴とする。
前記４Ａ族元素としては、Ｔｉを用いたものが好ましい。
また、上記４Ａ族元素の含有量は金属換算で１．０〜６質量部であることがさらに好ましい。
【０００８】
なお、上記原料複合粉とは、Ｓｉ３Ｎ４粉末と上記４Ａ族元素、およびＳｉ３Ｎ４粉末を焼結する際に通常用いるＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳｉＯ２や、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＣｅＯ等の希土類酸化物から選ばれた焼結助剤の混合粉末を意味している。
焼結助剤としては、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳｉＯ２から選ばれた少なくとも一種の化合物を主原料であるＳｉ３Ｎ４粉末１００質量部に対して０.５〜１０質量部、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＣｅＯ等の希土類酸化物から選ばれた少なくとも一種の化合物を０.５〜１０質量部が好ましい。
【０００９】
本発明の超音波ホーンは、上記の窒化珪素基の焼結体からなり、ホーンの長さＬを、λ／２の超音波半波長を基本単位として、Ｌ＝ｎ×λ／及びｎ＝２，３，４の整数に設計されていることを特徴とする。
また、ホーンはインサートネジを介して振動子に接続されていることが好ましい。
そして、上記のような超音波ホーンを用いてアルミニウム溶湯に超音波を照射することによりアルミニウム合金の組織を微細化することができる。
超音波を照射する際の振動振幅は、１６〜６０μｍ（ｐ−ｐ）の範囲とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、超音波ホーンが、アルミニウム溶湯と化学反応を生じ難く、かつ強度や破壊靱性が高められた窒化珪素基の焼結体から構成されているため、アルミニウム溶湯中に超音波を照射する際にあっても、溶湯と超音波ホーン先端の間の界面での音響キャビテーションを発生することなく溶湯中のキャビテーション強度を高めて金属組織の微細化作用を効率的に高めることができる。さらに高寿命であるために、結果的にコスト削減にも寄与することになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】超音波ホーンを用いた超音波処理装置の概要を説明する図
【図２】アルミニウム溶湯を超音波処理する態様を説明する図
【図３】Ｓｉ３Ｎ４‐(ＴｉＮ)‐純Ａｌ溶湯系で進行する化学反応を示すグラフ
【図４】ＴｉＮ‐純Ａｌ溶湯系で進行する化学反応を示すグラフ
【図５】ＴｉＮ‐(Ａｌ‐Ｓｉ)溶湯系で進行する化学反応を示すグラフ
【図６】耐エロージョン性試験装置の概略を説明する図
【図７】窒化珪素基焼結体からなる超音波ホーンの形状を説明する断面図
【図８】振動子にホーンを接続する形態を図
【図９】振動子とホーンの接続部を説明する断面図
【図１０】本発明の実施例及び比較例で用いた窒化珪素基焼結体のミクロ組織の説明図
【符号の説明】
【００１２】
１：超音波ジェネレータ          ２：振動子                                
３：ホーン                      ４：ネジ方式接続                          
５：制御ユニット                ６：鋳型                                  
７：ヘッダー                    ８：樋                                    
９：溶湯                      １０：インサート接続                        
１１：坩堝                    １２：アルミニウム溶湯                      
１３：ホーン                  １４：耐火物製チューブ                      
１５：エロージョン試験片      １６：試料ホルダ                            
１７：切り込み                                                            
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明者等は、アルミニウム溶湯の組織微細化に用いる超音波ホーンの対濡れ性向上策と耐久性向上策にて鋭意検討を重ねてきた。
その過程で、窒化珪素基の焼結体を製造する際に、通常焼結助剤として用いられるＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳｉＯ２なる化合物や、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＣｅＯ等の希土類酸化物の他に、４Ａ族元素の金属或いはその酸化物、窒化物、炭化物等を用いることが有効であることを見出した。
以下にその詳細を説明する。
【００１４】
まず、アルミニウム溶湯の組織微細化に一般的に用いられる超音波処理用装置の一例について説明する。
図１に示すように超音波処理用装置は、超音波ジェネレータ１、振動子２、ホーン３と制御ユニット５から構成されている。但し、振動子２は磁歪または圧電素子から選択することができる。一例として、磁歪振動子を構成した超音波発生装置の操作原理を説明する。超音波ジェネレータ1により発生した交流強力電流を超音波振動子２に印加し、超音波振動子２によって発生した超音波振動はネジ方式接続４を介してホーン３によってホーン先端に伝達し，先端から図示していないアルミニウム溶湯中に導入する。共振条件を保つため、共振周波数自動制御ユニット５を備えている。
このユニットは、振動子に流れる電流値を周波数の関数として測定し、電流値が最大値を保持するように、周波数を自動調整する機能を有するものである。
【００１５】
超音波の照射位置として、ＤＣ鋳造装置の樋に流れる溶湯中において照射した例を図２に示す。
なお、超音波照射位置はこれに限られることはなく、図示はしないが保持炉や鋳型内などでも超音波振動を付与することができる。また、ＤＣ鋳造法に限らず、重力鋳造法、ダイカスト法やその他の鋳造法においても、所定の位置で超音波照射することによって、アルミニウム溶湯の微細化効果を得ることができる。
【００１６】
次に、本発明に係る超音波ホーンの材質について説明する。
従来、アルミニウム溶湯用の超音波ホーンとしては、高耐熱性を有するためアルミニウム溶湯中で超音波照射させてもエロージョンされにくいセラミック材料、特に窒化珪素基焼結体が用いられてきた。本発明に係る超音波ホーンは、アルミニウム溶湯と濡れ性を高くし、金属組織の微細化効果を向上させ、さらに高寿命化をはかるため、窒化珪素基の原料複合粉を焼結する際に、Ｓｉ３Ｎ４粉末１００質量部に対して、さらに４Ａ族元素を金属換算で１.０〜１０質量部添加した焼結体を用いることを特徴とする。
【００１７】
通常、窒化珪素基の焼結体を製造する際には、所要の材料強度と焼結度を発現させるために、焼結助剤としてＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳｉＯ２やＹ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＣｅＯ等の希土類酸化物を添加しているが、本発明品である超音波ホーン用の焼結体を製造する際にも同様に前記焼結助剤を用いる。
本発明では、通常の焼結助剤の他にさらに４Ａ族元素又はその化合物を用いている。
【００１８】
次に、超音波ホーン用として好ましい窒化珪素基焼結体の製造方法について説明する。
α‐Ｓｉ３Ｎ４含有率９０質量％以上、粒度２μｍ以下のＳｉ３Ｎ４粉末１００質量部に対して焼結助剤としてＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳｉＯ２から選ばれた少なくとも一種の化合物を０.５〜１０質量部、好ましくは２〜５質量部、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＣｅＯ等の希土類酸化物から選ばれた少なくとも一種の化合物を０.５〜１０質量部、好ましくは２〜５質量部を添加して窒化珪素基原料粉末を調製する。
この窒化珪素基原料粉末中のＳｉ３Ｎ４粉末１００質量部に対して４Ａ族元素を１.０〜１０質量部、好ましくは２〜５質量部（化合物の場合は金属換算）を添加して原料複合粉を調製する。
この複合粉に対し必要に応じて有機バインダーを加えてＣＩＰ成形等によりホーンを成形し、乾燥脱脂後焼結する。
【００１９】
焼結方法としては、本発明者らが提案している「窒化珪素焼結体の製造法」（特公平５−３９９０３号公報参照）を採用することが好ましいが、焼結方法はこれに限定されるものではない。
以下、前記窒化珪素焼結体の製造法に従った方法を説明する。
ＣＩＰなど通常の成形法により得られた成形体を、窒化珪素、酸窒化珪素及び炭素からなる埋粉に埋設した後焼結する。埋粉は粒度１００μｍ〜１０ｍｍのものを用い、組成配合としては下記式に規定されるものを用いることが好ましい。
Ｓｉ２ＯＮ２／（Ｓｉ２ＯＮ２＋Ｓｉ３Ｎ４）＝０.０５〜０.５
Ｃ／（Ｃ＋Ｓｉ２ＯＮ２）＝０.１〜０.３
【００２０】
これらの埋粉の効果は、焼結助剤の液相化温度の低下と靭性向上に有効である。
焼結の第一工程として、先ずＣＯ濃度が１〜５０ｖｏｌ％の常圧ないしそれ以上のＮ２ガス雰囲気中、１１００〜１３００℃で加熱処理する。これによって焼結助剤の液相化温度が下がり、より低温からの焼結が可能となる。
第二工程として、第一工程の最高温度〜１５００℃の温度範囲で、１×１０−３〜５００Ｔｏｒｒの減圧と５〜３０ｋｇ／ｃｍ２の加圧とを一回ないしそれ以上交互に繰り返しながら加熱処理する。これによってＳｉ３Ｎ４の分解・揮散の抑制及び結晶成長促進の効果が発現する。
【００２１】
第三工程として、５〜３０ｋｇ／ｃｍ２の加圧Ｎ２雰囲気中、１５００〜１８５０℃の範囲で加熱処理し、最高温度で６０〜１８０ｍｉｎ保持後冷却する。本焼結工程により、埋粉から発生するＳｉ、ＳｉＯ、Ｎ２等のガスが、成形体内の細孔に拡散して液相に溶解し、β―Ｓｉ３Ｎ４結晶の一方向成長が促進され、長い柱状結晶が三次元的に絡み合って破壊靭性が向上する。併せて、粒界に分布する４Ａ族元素がＡｌ溶湯との接触角を低下させ、濡れ性向上に寄与する。
【００２２】
４Ａ族元素添加により、アルミニウム溶湯との濡れ性向上による微細化効果と破壊靭性向上による高寿命化効果が発揮されるが、その添加量がＳｉ３Ｎ４粉末１００質量部に対して１質量部未満、１０質量部より多いと、破壊靭性発現の効果は少なくなってしまう。また特に１．０〜６質量部であれば、強度の低下やアルミニウム溶湯における耐エロージョン性が最小限に抑えられるため、高寿命化の観点からはより好ましい。Ａｌ溶湯への濡れ性はこの範囲内においては添加量の多いほど向上する。なお、４Ａ族元素は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｈなどの４Ａ族元素の金属、およびその酸化物、窒化物、炭化物等で添加する。
【００２３】
４Ａ族元素添加による濡れ性向上のメカニズムは下記の通りであると推定される。
セラミックスと溶融金属間の界面現象に関する従来研究より、溶融金属によるセラミックスの濡れ性はセラミックスと溶融金属の間の反応性が高いほうが良いことが明らかとなっている。セラミックスと溶融金属との反応性は、熱力学的には、それらの間の界面において予想可能な化学反応に関する自由エネルギーの変化量を比較することによって評価することが可能である。以下に、それぞれ４Ａ族元素非含有セラミックス（セラミックスＡ:Ｓｉ３Ｎ４-Ａｌ２Ｏ3-Ｙ２Ｏ３）又は４Ａ族（ＴｉＮ）含有セラミックス（セラミックスＢ:Ｓｉ３Ｎ４-Ａｌ２Ｏ３-Ｙ２Ｏ３-ＴｉＮ）と溶湯としての純アルミニウム又はＡｌ-Ｓｉ合金を用いた場合の進行可能な反応に関する自由エネルギーを温度の関数としてFACT-Sageというソフトウェアを用いて計算した。
【００２４】
図３にみられるように、純ＡｌとセラミックスＡの場合は(１)式の化学反応しか起こらず、その反応の生成物であるＡｌＮのＡｌ溶湯に対する濡れ性が極めて悪い。一方、ＴｉＮを含有したセラミックスＢの場合は反応(２)と(３)のとおりＴｉＳｉ２またはＴｉＳｉの金属間化合物が生成することによってセラミックスの濡れ性は著しく改良すると考えられる。さらに、反応(２)と(３)はギブス自由エネルギーが反応(１)と比べてかなり低いため熱力学的に進行しやすいものである。
さらに、図４に示すようにセラミックスＢの場合は反応(４)と(５)のとおりＴｉＮが直接にＡｌ溶湯と反応して、特にＡｌ溶湯に濡れやすいＡｌ-Ｔｉ系金属間化合物が生成するため、濡れ性が高くなる。
【００２５】
また、図５に示すようにＡｌ-Ｓｉ溶湯を用いたときは溶湯中のＳｉがセラミックス中のＴｉＮと反応するために反応式(６)〜(１１)のようにＴｉＳｉ２またはＴｉＳｉの金属間化合物が生成することによってセラミックスの濡れ性が改良する。
以上の結果より、４Ａ族（ＴｉＮ）含有セラミックスで作られたホーンのアルミニウム溶湯に対する濡れ性の改善の理由は、ＴｉＮ、Ａｌ溶融とＳｉ３Ｎ４又はＡｌ溶融中の溶解Ｓｉの間で起こる反応によりホーン先端表面上でＴｉ-Ｓｉ系金属間化合物やＡｌ-Ｔｉ系金属間化合物の層が生成されるためである。
【００２６】
従来の窒化珪素基焼結体製のホーンは、ホーン中を伝播する超音波により応力分布を生じ、窒化珪素基焼結体の破壊靭性値を超えた場合は、応力集中部にクラックが急激に成長するためにホーン寿命が短くなるという問題があった。
しかし、例えば４Ａ族元素であるＴiの酸化物であるＴｉＯ２を金属換算で１.０〜１０質量部添加することにより、従来の窒化珪素基焼結体製ホーンがＫＩＣ＝６.９ＭＮ／ｍ3/2程度であったのに対し、本発明の超音波ホーンは、破壊靭性ＫＩＣ＝９.０ＭＮ／ｍ3/2程度を達成しているため、振幅の大きい条件でも耐折損性を高めることができ、寿命の増大という効果が期待できる。
これは、４Ａ族元素の添加により、Ｓｉ３Ｎ４結晶のＣ軸方向の成長が促進され、長柱状の単結晶が３次元的に絡み合った微構造を形成するため、亀裂の進展エネルギーがこの構造によって低下される結果、破壊靭性が向上したためと考えられる。
【００２７】
さらに、本発明の超音波ホーンに用いる窒化珪素基焼結体の４Ａ族元素の添加量の相違による曲げ強度の変化を下記に示す。
Ｓｉ３Ｎ４粉末１００質量部に対してＴｉＯ２を金属換算でそれぞれ０、１．５、３、４．５、６、７．２質量部加えた原料複合粉を幅６０×長さ９５×厚さ７ｍｍの石膏型を使用して、スリップキャスト法により角板を成型し、該試料をMax１７７０℃の窒素雰囲気で焼成した。
【００２８】
得られた焼成体から、幅４×厚さ３×長さ４０ｍｍの試験片を各々３ヶ試料採取した。曲げ強度試験測定は、ＪＩＳ Ｒ １６０１に準じ３点曲げ強度で実施し、数値は３試料の平均値で示した。
各ＴｉＯ２添加量における曲げ強度の測定結果を表１に示す。
これらのデータよりＴｉＯ２添加量が６％を超えると曲げ強度は低下し始める。その結果、ホーンの使用にあたって、ホーン内部でひび割れが発生しやすくなり、超音波により繰返応力と熱衝撃に対する耐久性が低くなるため、高寿命化の観点からは４Ａ族元素の添加量金属換算で６質量部以下がより好ましいことがわかった。
【００２９】
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【００３０】
続いて、本発明の超音波ホーンに用いる窒化珪素基焼結体の４Ａ族元素の添加量の相違によるアルミニウム溶湯中での耐エロージョン性の変化についての試験を行った。
エロージョン試験に用いた装置は図６に示す。
高純度アルミナ製の坩堝１１中に、けい酸カルシウム製のサンドイッチタイプの試料ホルダ１６を設け、これに試料片１５を固定した。さらに、試料ホルダ１６の上には試料ホルダ１６を固定するために耐火物製のチューブ１４を設け、坩堝１１中にアルミニウム溶湯１２を入れて窒化珪素基焼結体からなる超音波ホーン１３により超音波振動付与し、試験片のエロージョンを確認した。
なお、耐火物製のチューブ１４には、図６(ｂ)に示すように、溶湯を循環し易くために切り込み１７を設けている。
【００３１】
試料片は曲げ強度試験に用いたもののうちＴｉＯ２の添加量が０、３、６質量部のものと同一の焼結体をそれぞれ用いた。各試験片をアルミニウム溶湯に浸漬させ超音波ホーンをそれぞれ３時間付与し、試験終了後の試験片の表面を観察した。エロージョン程度の基準として超音波キャビテーションによって形成された窪みの平均直径Ｄの大きさを測定した。
各試験片のエロージョン試験結果は下記の表２に示す通りである。
【００３２】
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【００３３】
上記に示すようにＴｉＯ２の添加量が増えるにつれて、エロージョンが高くなることがわかる。なお、同じ材質の窒化珪素焼結体を超音波ホーンに適用した時、ホーン先端で起こるキャビテーションは試験片でのキャビテーションと比べて激しいので、耐エロージョン性の絶対値は変わる可能性が大きいが、アルミニウム溶湯中における各試験片の耐エロージョン性と同様の傾向で再現されると考える。
試験結果より６質量部以上添加するとさらにエロージョンが進むと予測されることから、これ以上のＴｉＯ２添加を避け、耐エロージョン性による高寿命化の観点からは、４Ａ族元素添加量は金属換算で６質量部以下がより好ましい。
【００３４】
なお、超音波ホーンは、アルミニウム溶湯で超音波照射をする際に、微細化の観点からは一般的に直径が大きい方が効果的である。４Ａ族元素の添加のない従来の窒化珪素基焼結体製ホーンにおいては、破壊靭性値が充分高くなく、直径の大きなホーンを製造して用いようとすると折損しやすくなる。そのため、ホーンとして用いた際にも直径の大きなホーンを用いて超音波照射した際には、寿命が短くなってしまうと予想される。
しかし、本発明の窒化珪素基焼結体製ホーンでは、アルミニウム溶湯の微細化効果が高いとされる直径４０ｍｍ以上のホーンを容易に製造でき、また従来の窒化珪素基焼結体製ホーンと比べて安定した組織と高い靭性値のために使用中に折損する可能性も少ない。すなわち、本発明により、アルミニウム溶湯組織の微細化と自身の高寿命化の双方を満足する超音波ホーンを得ることができる。
【００３５】
ところで、超音波ホーンの直径が４０ｍｍ以上になれば、特にＤＣ鋳造などの溶湯流量の大きいプロセスでも、キャビテーション領域が広くなるため組織微細化効果を発揮することができるようになる。キャビテーション領域の長さは超音波ホーンの振動振幅、ホーンの材質、溶湯の化学組成、温度等諸条件によって変化するが、おおよそ、幅約１.５ｄ（ｄはホーン先端の直径）の範囲で発生する。
また、焼結体材料は熱伝導率が比較的低いため、加熱・冷却を繰り返すとホーン内部熱勾配によりホーン内亀裂が進展しホーンが折損する熱衝撃破壊が生じる。熱衝撃温度勾配はホーン直径が大きいほうが激しくなるため、ホーン直径が上限値を超えたら折損可能性が急激に増え、ホーン寿命が短くなる。この上限値は焼結体の性質、予熱・超音波処理・冷却の条件によって変化するがこの直径を超えない程度で製造することが好ましい。さらに、ホーン直径はλ／４以下にすることが好ましい。ここでλはホーン材質内波長のことである。
【００３６】
超音波ホーンは正常作動状態においてピストン式の縦振動を行い、ホーン先端の全面が同振幅、同位相で振動するが、ホーン直径がλ／４を超えるとホーン先端の中心と外の点の間の位相差が生じるために超音波処理効率が悪くなる。
つまり、ホーンは様々の振動があるが直径がλ／４以内場合、縦方向の振動モードは他のモードと比べて支配的であるため効率よく超音波を照射することができる。しかし、λ／４を超えると他の振動モードの影響が大きくなり、その結果、キャビテーションを引き起こす縦方向振動振幅は小さくなるため効率的ではなく、ホーンの性能が劣化しやすくなるため、好ましくない。なお、超音波周波数２０ｋＨｚにおいて本発明の材質の波長は０.４６ｍ程度である。
したがって、ホーン直径の上限値は熱衝撃破壊と音響的制限（λ／４）のいずれか小さい方までにすることが好ましい。
【００３７】
さらに、本発明の超音波ホーンにおいて、ホーンの形状は振動増幅率が１.６以上になるように設計することが好ましい。このように設計することによって、振動子からの振動を増幅させた振動をホーン先端部において得ることができる。
振動増幅率を求める手順は次の通りである。ホーンに通常使われる、可変断面積を有する回転体（円筒、円錐など）の細長い物体内で誘導される固有振動は次の式により算出される。
【００３８】
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【００３９】
この式は、縦方向振動以外の振動モードは無視する、物体内の超音波の減衰は無視するという仮定のもとに導かれている。（１）式を境界条件Ｚ＝０でe＝e０；Ｚ＝Ｌでe=eＬを用いて解くことにより、Ｍ＝eＬ／e０比である振動増幅率を求めることができる。しかしながら、上記のように求められた振動増幅率は超音波ホーンのみの固有振動条件に相当するため近似値である。実際の振動増幅率は実験的に測定される。
【００４０】
振動増幅率が１.６以上の超音波ホーンの形状は、図７に示すように、例えば（ａ）円錐型、（ｂ）ダンベル型、（ｃ）ステップ型などがある。これらの実測振動増幅率は、（ａ）が１.７、（ｂ）が２.７、（ｃ）が１.8である。このように振動増幅率を１.６以上にすることで、振動子とホーンとの接続部への負荷を低減することができる。
さらに、本発明の超音波ホーンの長さＬは、λ／２の超音波半波長を基本単位とするものである。例えば、丸棒の場合、Ｌを（２）式によって計算できる。
【００４１】
2011177787.tif 000006
【００４２】
ｎが整数でない場合には共振条件を満足できないため、ｎは整数であることが必要である。より複雑な形状をもつホーンにおいてもＬを（２）式で概算できる。
また、ホーン寿命は超音波発生装置の共振条件を満足する長さの許容差DＬによって支配される。DＬを求める一例を以下に示す。
【００４３】
2011177787.tif 000007
【００４４】
（５）式から分かるように、DＬ（＝ホーン寿命）はｎによって決まる。ホーンの初期長さとホーン材中音速が大きいほうが長くなるが、ｎ＝２、３、４が好ましい。ｎ＝１では、共振条件を満足する長さの許容差ΔＬが小さいため、ホーンの寿命が短くなり易い。ｎ＞４となるとホーン重量が増大して、振動子あるいはその接続部に負荷がかかるため、寿命が短くなってしまったり、ホーン長さを長くするにつれて、ホーン中の超音波振動の減衰率が大きくなって超音波照射の効率が低減してしまうためである。
【００４５】
なお、振動子とホーンの接続部は、例えば工具鋼などのような高強度合金製のインサートを介して振動子に接続されていることが好ましい。これにより、接続部の衝撃を和らげることができ、ホーンの耐久性が強化され、磨耗、振動などによる破損を防止することができる。
本発明の窒化珪素基焼結体製のホーンなどのように、窒化珪素基焼結体製等の硬い素材に、振動子に使用されるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｔｉ合金等の比較的柔らかい素材を直接接続させると、ネジが早く劣化し寿命が短くなってしまう。そこで、硬さが振動子と焼結体の間にある工具鋼製インサートを入れることで、接続部の衝撃を和らげ、雌ネジを強化し耐久性のあるネジ結合にすることができる。また、磨耗、振動などによるネジ山の破損防止にもなるため、安定したネジ結合を保ちながらホーンの高寿命化を図ることができる。
【００４６】
ところで、ホーンは振動子と接続したままにしておくと、焼結体のネジに圧力がかかったままになってしまい、クラック発生の確率が高くなってしまうため、超音波照射が終了したらホーンと振動子を取り外す必要がある。
インサートなしの直接接続の場合、焼結体が脆いため取り外したり接続したりを繰り返していると、ネジが崩れていくという問題もある。そこで、インサートを加えることによって、接続部分が金属同士になるためホーンと振動子の取り外しが容易になり、このような問題がなくなるという効果もある。
【００４７】
インサートと振動子との接続態様としては、例えば、図８（ａ）〜（ｃ）に示すような形態が挙げられる。
（ａ）はワッシャ付きタイプの交換容易なインサートである。特徴としては振動子とホーンの接続面が直接接触しない点が挙げられる。（ｂ）は振動子とホーンの間の直接接触を提供する交換不可能なインサート、（ｃ）は振動子とホーンの間の直接接触を提供するインサートの一種であるヘリサートである。
【００４８】
（ａ）のように振動子とホーンの直接接触面がなく、ホーンとインサートの接触面が多い場合、不可避的な隙間ができてしまったり、不純物が付着しやすくなってしまったりするため、振動エネルギーの一部が消滅し、超音波伝達効率が悪くなってしまう。そのため、一般的には（ｂ）、（ｃ）などのようにインサートを配置させて振動子とホーンを直接接触させた方が好ましい。
しかしながら、振動子がＦｅ合金などの比較的柔らかい金属の場合のように、振動子とホーンの直接接触面があると、両者間で熱膨張率、弾性率、硬度などの特性が大きく異なるため、振動子の接触部分が塑性変形してしまうことがあるため、（ａ）のように振動子とホーンを直接接触させない方がよい場合もある。
【００４９】
図７（a）の円錐ホーンにおいて、ホーンをインサート接続せずに、振動子と直接ねじ接続した場合の寿命が１.５時間となった。これに対し、ヘリサート図８(c)で接続した場合、７３時間まで確認できた。図７(ｂ)のダンベルホーンにおいて、インサート接続せずに直接ねじ接続した場合の寿命は数分間程度となった。これに対し、インサート図８（a）で接続した場合、１０５時間まで確認できた。
【００５０】
また、インサート内のネジはピッチ数を１０個以上にすることが好ましい。これにより、超音波振動の付加によるネジ戻しを防止することができる。また、インサートのホーン側の雌ネジは谷角部標準的な三角ネジであればよく、ホーン接続のネジの形に合わせた曲率半径の丸みをつけることが好ましい。これによりネジ戻しを防止し、超音波伝播によって谷角部に応力集中することによる亀裂の発生、破損を防止することができ、微細化効率の向上、ホーン寿命の向上を図ることができる。図９に一例を示す。この場合の曲率半径は１.０である。なお、振動子とインサート側の接続についてもホーンとインサート側の接続と同様にネジで接続している。
【００５１】
なお、本発明の超音波ホーンを用いて超音波照射する際は、１６〜６０μｍ（ｐ−ｐ）で超音波を照射し組織微細化されたアルミニウム合金を製造することが好ましい。ここで、ｐ−ｐはピーク‐ｔｏ‐ピークであり、例えばサイン波の場合は最大値と最低値との差のことをさす。１６μｍ〜６０μｍが微細化効果が進み、かつ接続部への負担が低減しホーン破損につながりにくい好適な値である。
【実施例】
【００５２】
実施例１：
溶解炉内に配置した坩堝内にＡｌ‐１７％Ｓｉ-０.０１％Ｐなる成分組成を有するアルミニウム溶湯を用意した。
次に、直径４０ｍｍ、振動増幅率１.７、長さ４２５ｍｍ（ｎ＝２）であって、Ｓｉ３Ｎ４粉末１００質量部に対してＹ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３を化合物換算でそれぞれ５質量部、ＴｉＯ２を金属換算で５質量部加えた原料複合粉の成形体を焼結した窒化珪素基焼結体製の超音波ホーンを予熱炉内で予熱した後、溶解炉からＤＣ鋳造鋳型へ溶湯移送樋に供給されるアルミニウム溶湯中に浸漬させたホーンにより、超音波を照射し、鋳造速度２７５ｍｍ／ｍｉｎでφ９７のビレットを鋳造した。
【００５３】
なお、この際に使用した超音波発生装置は、ＳＯＮＯＶＩＴＡ社（ロシア）製の超音波発生装置であり、周波数２１.７ｋＨｚ、音響出力０.６ｋＷに設定した。ホーン中の超音波の波長λは４３０ｍｍで、ホーンの振動振幅は３２μｍ（ｐ−ｐ）であった。
接続部は工具鋼製のインサートを介して振動子に接続した。インサートのピッチ数は１４個で、曲率半径は０.５ｍｍであった。
この実施例１で製造された鋳塊の表層部の組織を顕微鏡で観察した。その結果を図１０（ａ）に示す。
【００５４】
実施例２：
溶解炉内に配置した坩堝内にＡｌ-１７％Ｓｉ-０.０１％Ｐなる成分組成を有するアルミニウム溶湯を用意した。
次に、直径４２ｍｍ、振動増幅率２.７、長さ４６０ｍｍ（ｎ＝２）であって、Ｓｉ３Ｎ４１００質量部に対してＹ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３を化合物換算でそれぞれ５質量部、ＴｉＯ２を金属換算で５質量部加えた原料複合粉の成形体を焼結した窒化珪素基焼結体製の超音波ホーンを予熱炉内で予熱した後、溶解炉からＤＣ鋳造鋳型へ溶湯移送樋に供給されるアルミニウム溶湯中に浸漬させたホーンにより、超音波を照射し、鋳造速度３００ｍｍ／ｍｉｎでφ９７のビレットを鋳造した。
【００５５】
なお、この時使用した超音波発生装置は、ＴＥＬＳＯＮＩＣ社（スイス）製の超音波発生装置であり、周波数２０ｋＨｚ、音響出力０.５ｋＷに設定した。ホーン中の超音波の波長λは４６０ｍｍで、ホーンの振動振幅は４８μｍ（ｐ−ｐ）であった。
接続部は工具鋼製のインサートを介して振動子に接続した。インサートのピッチ数は１４個で、曲率半径は０.５ｍｍであった。
この実施例２で製造された鋳塊のＲ／２部の初晶珪素の平均粒径を表１に示す。
【００５６】
実施例３：
ホーンの先端直径を２４ｍｍ、振動増幅率１.７、長さ４６０ｍｍ、音響出力０.１５ｋＷとした以外は実施例２と同一の装置を用いて同一の方法で超音波を照射し、鋳造を行った。
この実施例３で製造された鋳塊のＲ／２部の初晶珪素の平均粒径を表３に示す。
【００５７】
実施例４：
溶解炉内に配置した坩堝内にＡｌ-１７％Ｓｉ-０.０１％Ｐなる成分組成を有するアルミニウム溶湯を用意した。
次に、直径４８ｍｍ、振動増幅率２.７、長さ４５０ｍｍであって、Ｓｉ３Ｎ４粉末１００質量部に対してＹ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３を化合物換算でそれぞれ５質量部、ＴｉＯ２を金属換算で５質量部加えた原料複合粉の成形体を焼結した窒化珪素基焼結体製の超音波ホーンを予熱炉内で予熱した後、溶解炉からＤＣ鋳造鋳型へ溶湯移送樋に供給されるアルミニウム溶湯中に浸漬させたホーンにより、超音波を照射し、鋳造速度２００ｍｍ／ｍｉｎでφ９７のビレットを鋳造した。
【００５８】
なお、この時使用した超音波発生装置は、ＴＥＬＳＯＮＩＣ社（スイス）製の超音波発生装置であり、周波数２０ｋＨｚ、音響出力０.７ｋＷに設定した。ホーン中の超音波の波長λは０.４６ｍで、ホーンの振動振幅は３２μｍ（ｐ−ｐ）であった。
接続部は工具鋼製のインサートを介して振動子に接続した。インサートのピッチ数は１４個で、曲率半径は０.５ｍｍであった。
実施例4で製造された鋳塊のＲ／２部の初晶珪素の平均粒径を表３に示す。
【００５９】
実施例５：
振動振幅２４μｍ（ｐ−ｐ）とした以外は、実施例1と同一の装置を用いて同一の方法で超音波を照射し、鋳造を行った。
実施例５で製造された鋳塊のＲ／２部の初晶珪素の平均粒径を表３に示す。
【００６０】
実施例６：
振動振幅１４μｍ（ｐ−ｐ）とした以外は、実施例１と同一の装置を用いて同一の方法で超音波を照射し、鋳造を行った。
実施例６で製造された鋳塊のＲ／２部の初晶珪素の平均粒径を表３に示す。
【００６１】
実施例７：
Ｓｉ３Ｎ４粉末１００質量部に対して加えたＴｉＯ２の添加量を金属換算で２.５質量部とした以外は、実施例１と同じ条件、同一の装置で超音波を照射し、鋳造を行った。
実施例７で製造された鋳塊のＲ／２部の初晶珪素の平均粒径を表３に示す。
【００６２】
実施例８：
Ｓｉ３Ｎ４粉末１００質量部に対して加えたＴｉＯ２の添加量を金属換算で７.５質量部とした以外は、実施例１と同じ条件、同一の装置で超音波を照射し、鋳造を行った。
実施例８で製造された鋳塊のＲ／２部の初晶珪素の平均粒径を表３に示す。
【００６３】
実施例９：
Ｓｉ３Ｎ４粉末１００質量部に対して加えたＴｉＯ２の添加量を金属換算で１０.０質量部とした以外は、実施例１と同じ条件、同一の装置で超音波を照射し、鋳造を行った。
実施例９で製造された鋳塊のＲ／２部の初晶珪素の平均粒径を表３に示す。
【００６４】
2011177787.tif 000008
【００６５】
表３からもわかるように、ホーンの先端が４０ｍｍ以上であるとより初晶Ｓｉが微細化している。また、振幅は大きい方が微細化しやすい。
なお表３中、ｄ０とｄＵＳはそれぞれの無処理した場合の初晶珪素平均粒径と超音波処理した場合の初晶珪素平均粒径を示している。
【００６６】
比較例１：
ＴｉＯ２を添加していない窒化珪素基焼結体製の超音波ホーンを用いた以外は、実施例１と同一の装置を用いて同一の方法で超音波を照射し、鋳造を行った。
比較例１で製造された鋳塊の表層部の組織を顕微鏡で観察した。その結果を図１０（ｂ）に示す。
【００６７】
比較例２：
さらに比較のため実施例１と同一の装置を用いて超音波照射を行っていない以外は同じ条件で鋳造を行った。
比較例２で製造された鋳塊の表層部の組織を顕微鏡で観察した。その結果を図１０（ｃ）に示す。
【００６８】
図１０（ａ），（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ実施例１、比較例１、比較例２で製造されたアルミニウム合金の金属組織を示す顕微鏡写真である。
黒色部分は初晶Ｓｉの結晶であるが、実施例１では比較例１、および比較例２と比べ初晶Ｓｉが微細化していることがわかる。
【図１】
2011177787.tif 000009
【図２】
2011177787.tif 000010
【図３】
2011177787.tif 000011
【図４】
2011177787.tif 000012
【図５】
2011177787.tif 000013
【図６】
2011177787.tif 000014
【図７】
2011177787.tif 000015
【図８】
2011177787.tif 000016
【図９】
2011177787.tif 000017
【図１０】
2011177787.tif 000018