(57)【要約】      （修正有）【課題】ＤＣ鋳造法によるアルミニウム合金鋳塊の鋳造方法において、成分が均一で内部品質の優れた大型アルミニウム合金鋳塊を安定して製造できる方法を提供する。【解決手段】鋳型内の溶湯上に位置するように配置された溶湯分配器から溶湯を吐出し、前記鋳型に溶湯を供給しつつアルミニウム合金鋳塊を鋳造するＤＣ鋳造法によるアルミニウム合金の鋳造方法に関する。本発明では、前記鋳型から引き出されるアルミニウム合金鋳塊内部のサンプに上向きの電磁力が発生するように、前記溶湯分配器からの溶湯の吐出方向と略平行になる前記アルミニウム合金鋳塊の外面に移動磁場を印加する。このように上向きの電磁力を発生させることで、マクロ負偏析の発生要因となる差込流と旋回流が抑制される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型内の溶湯上に位置するように配置された溶湯分配器から溶湯を吐出し、前記鋳型に溶湯を供給しつつアルミニウム合金鋳塊を鋳造するＤＣ鋳造法によるアルミニウム合金の鋳造方法において、
前記鋳型から引き出されるアルミニウム合金鋳塊内部のサンプに上向きの電磁力が発生するように、前記溶湯分配器からの溶湯の吐出方向と略平行になる前記アルミニウム合金鋳塊の外面に移動磁場を印加することを特徴とするアルミニウム合金の鋳造方法。
【請求項２】
アルミニウム合金鋳塊は、水平断面の形状が矩形であり、
溶湯の吐出方向と交差する前記アルミニウム合金鋳塊の辺の中心線に対し、磁場分布が略対称となるように移動磁場を印加する請求項１記載のアルミニウム合金の鋳造方法。
【請求項３】
アルミニウム合金鋳塊は、水平断面の形状が矩形であり、
前記アルミニウム合金鋳塊の水平断面における中心点を対称軸として対称になるように、一対の移動磁場発生装置を配置し、
前記アルミニウム合金鋳塊の対向する２つの外面に、前記一対の移動磁場発生装置により移動磁場を印加する請求項１又は請求項２記載のアルミニウム合金の鋳造方法。
【請求項４】
アルミニウム合金鋳塊に印加される磁場の幅を、磁場の幅方向に平行となる鋳型の辺の長さに対し、０．５倍以上とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のアルミニウム合金の鋳造方法。
【請求項５】
アルミニウム合金鋳塊に印加される磁場の幅を、磁場の幅方向に平行となる溶湯分配器の幅に対し、１．０倍以下とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアルミニウム合金の鋳造方法。
【請求項６】
アルミニウム合金鋳塊の鋳肌における磁束密度が０．００１〜０．５Ｔとなるように、移動磁場を印加する請求項１〜請求項５のいずれかに記載のアルミニウム合金の鋳造方法。
【請求項７】
移動磁場の変化周波数を１〜２０Ｈｚとする請求項１〜請求項６のいずれかに記載のアルミニウム合金の鋳造方法。
【請求項８】
永久磁石を備える移動磁場発生装置により、アルミニウム合金鋳塊に移動磁場を印加する請求項１〜請求項７のいずれかに記載のアルミニウム合金の鋳造方法。
【請求項９】
電磁石を備える移動磁場発生装置により、アルミニウム合金鋳塊に移動磁場を印加する請求項１〜請求項７のいずれかに記載のアルミニウム合金の鋳造方法。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のいずれかに記載の方法により製造されるアルミニウム合金鋳塊であって、
底面をなす鋳造開始面から前記アルミニウム合金鋳塊の厚み分の距離だけ離隔した位置と、頂面をなす鋳造終了面から前記アルミニウム合金鋳塊の厚み分の距離だけ離隔した位置との間の領域であって、且つ、前記アルミニウム合金鋳塊の鋳肌より２０ｍｍ以上内部側の領域における主要成分の濃度分布が、前記領域における前記主要成分の平均濃度の±１０％以内であるアルミニウム合金鋳塊。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、竪型半連続鋳造法（ＤＣ鋳造法）によるアルミニウム合金の鋳造方法に関する。詳しくは、ＤＣ鋳造法による鋳造方法であって、アルミニウム合金に含まれる共晶元素等の主要成分のマクロ負偏析の発生を抑制できる方法、及び、この鋳造法により製造されるアルミニウム合金鋳塊に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金は、軽量性、美観、熱伝導性、成形性、リサイクル性等の多くの特性に関して優れた特徴を有しており、自動車用素材、ＬＮＧ船舶用部材、航空機用素材を始めとして様々な分野で利用されている。
【０００３】
上記の各種用途で用いられるアルミニウム合金の鋳塊は、通常、竪型半連続鋳造法により製造されている（以下、竪型半連続鋳造法について、ＤＣ鋳造法（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｈｉｌｌ鋳造法）と称する）。ＤＣ鋳造法によるアルミニウム合金鋳塊の鋳造では、組成調整されたアルミニウム合金の溶湯を上下開放鋳型に供給し、鋳型による冷却（１次冷却）で凝固殻を形成する。溶湯の鋳型への供給に際しては、まず、鋳型上方のスパウトから鋳型内の溶湯上に配置された溶湯分配器に供給される。溶湯分配器は分配方向を制御しつつ溶湯を吐出して鋳型内に供給する。そして、１次冷却により凝固殻が形成されたアルミニウム合金鋳塊は、鋳型から引き出され、同時に鋳型下部からの冷却水による冷却（２次冷却）を受けて完全に凝固する。
【０００４】
ＤＣ鋳造法で製造されるアルミニウム合金鋳塊に対する課題事項として、合金成分の中央逆偏析（マクロ負偏析）の発生が挙げられる。上記した用途で用いられるアルミニウム合金材には、強度向上のためマグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）等の元素が添加されている。これらの元素は、共晶元素と呼ばれることもある。そして、これらの共晶元素は、アルミニウム合金に添加される他の元素と共に、主要成分と称されることもある
【０００５】
アルミニウム合金鋳塊のマクロ負偏析とは、鋳塊中央部におけるこれらの共晶元素の濃度が、鋳塊の平均濃度よりも低くなる現象である。そして、このアルミニウム合金鋳塊のマクロ負偏析は、圧延後の製品において、機械的特性や表面品質の低下を引き起こすため、改善が求められている。
【０００６】
ＤＣ鋳造法によるアルミニウム合金鋳塊のマクロ負偏析は、初期段階で凝固した結晶が、何らかの要因で鋳塊中央部に移動したことによるものと考えられている。上述したＭｇ等の共晶元素は、凝固過程で液相側に濃縮される傾向があるので、溶湯から初期段階で凝固した結晶の共晶元素濃度は低い。この共晶元素濃度の低い結晶が、鋳造過程で鋳塊中央部に移動し蓄積することで偏析が生じると考えられている。そして、初期に形成した共晶元素濃度の低い結晶が移動する要因として、鋳型内の溶湯の流動が挙げられている。
【０００７】
そこで、マクロ負偏析を解消するために、従来から鋳型内の溶湯の流動を制御して成分を均一化する手法が提案されている。この溶湯の流動制御の手法としては、機械的攪拌や分配器等の鋳造装置による攪拌・制御が知られているが、特に有用なものとして、磁気（電磁気）による流動制御が挙げられる。
【０００８】
例えば、特許文献１は、鋳型周囲に電磁コイルを設置し、そのコイルに交流電流を印加して鋳型内の溶湯に回転電磁力を作用させることで強攪拌し成分の均一化を図っている。
【０００９】
また、鋳型内溶湯の流動を抑制することにより、成分を均一化する方法も提案されている。例えば、特許文献２では鋳型周囲に電磁石を設置し、その電磁石から鋳型内部へ強磁場を発生させることで電磁ブレーキ効果により溶湯流動を抑制し、後述の旋回流を無くすことで成分負偏析の解消を狙っている。
【００１０】
上記の先行技術は、鋳型周辺に固定された磁場発生器を用いている。これらに対して、移動磁場によって鋳型内溶湯の流動制御を図る方法も提案されている。例えば、特許文献３では、鋳型出口近傍に回転磁場発生装置を設置している。この技術では、鋳造方向を軸線とした回転方向にて移動磁場を発生させることで、鋳型内溶湯プールの形状を変化させ、組織、及び、温度の均一化による省エネルギーと酸化物生成低減を達成している。また、特許文献４では、鋳型上部の湯面近傍に回転磁場発生装置を設置することで、鋳型内溶湯流動を制御し、酸化物の除去、金属組織の均一化を達成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開昭５６−１３６２６２号公報
【特許文献２】特開平０５−２０８２４５号公報
【特許文献３】特開２０１３−１１９０９６号公報
【特許文献４】米国特許出願公開２０１５／０３３６１６８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
アルミニウム合金鋳塊のマクロ負偏析の問題に関しては、溶湯流動と初期結晶の移動との関係が十分に解明されていないこともあり、上記の各種手法では完全に解決することはできない。即ち、特許文献１のように溶湯を強攪拌するのみでは、マクロ負偏析の解消に繋がらない。また、特許文献２の方法については、鋳型内溶湯の全体に電磁ブレーキが作用するため、マクロ負偏析を抑制すべく溶湯の流動を最大限に抑制するための制御因子は複雑となるという問題がある。更に、特許文献３、４においては、移動磁場による溶湯の流動制御は、マクロ負偏析以外の課題にしてなされており、マクロ負偏析の解消を主目的とした制御方法の検討はなされていない。
【００１３】
本発明は以上の事情を鑑みてなされたものであり、ＤＣ鋳造法によるアルミニウム合金鋳塊の鋳造方法において、成分が均一で内部品質の優れた大型アルミニウム合金鋳塊を安定して製造でき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】
【００１４】
上記目的を達成すべく、本発明者等は、従来のＤＣ鋳造法における、アルミニウム合金鋳塊の鋳造プロセスについて、鋳型内溶湯の流動状態の詳細を解明することとした。上述のとおり、アルミニウム合金鋳塊のマクロ負偏析の要因は、共晶元素濃度の低い結晶の鋳塊中央部への移動が要因と考えられている。そして、共晶元素濃度の低い結晶の移動は、鋳型内溶湯の流動状態によるところが大きいと考えるべきであり、その解明が課題解決に寄与すると考えたからである。そして、本発明者等は、従来のＤＣ鋳造法における鋳型内溶湯の流動状態として、以下のように考察した。
【００１５】
図１（ａ）、（ｂ）は、一般的なＤＣ鋳造法における鋳型等の主要な装置構成と、鋳造中のアルミニウム合金鋳塊の内部状態を示す図である。このＤＣ鋳造装置は、上下開放された鋳型を備え、スパウトから受けた溶湯を溶湯分配器が鋳型内に吐出して供給するようになっている。この図の例では、水平方向（鋳造方向に対して垂直方向）の断面形状は、短辺（鋳塊厚み方向側）と長辺（鋳塊幅方向側）を有する長方形となっている。また、この例では、図１（ｂ）で示しているように、溶湯分配器からの溶湯の吐出方向は、鋳型の長辺と平行方向となっている。
【００１６】
鋳型内に供給された溶湯は、鋳型による冷却を受けることでてアルミニウム合金鋳塊の凝固殻を形成する。そして、アルミニウム合金鋳塊の鋳肌を、鋳型下方からの冷却水で冷却をしつつ、鋳塊を鋳造方向に引き出すことで鋳造が進行する。このとき、アルミニウム合金鋳塊の内部には、凝固完了した固相領域と、固相線温度領域と液相線温度領域との間の固液共存領域と、未凝固の液相領域が形成されている。固液共存領域は、凝固初期の共晶元素濃度が低い固相と、固相周囲に分布し共晶元素が濃化された液相とからなる。尚、本発明では、上記したアルミニウム合金鋳塊内部の液相領域をサンプと称する。
【００１７】
本発明者等の検討によれば、従来のＤＣ鋳造法における鋳型内の溶湯流動を以下のように考察した。即ち、図１（ｂ）のように、溶湯分配器からの吐出方向の沿いつつ、湯面近傍で伝播する流れは、鋳塊の鋳肌近傍でサンプ内を伝播する下降流に転じる。この下降流は、固相線温度領域と液相線温度領域との間の固液共存領域に差し込み、鋳塊中央部付近で湧きあがり旋回流となる。この旋回流は、固液共存領域の固相及び液相を鋳塊中央部に押し戻す。このとき固相周囲の液相は共晶元素が濃化された状態にあるが、鋳塊中央部に押し戻されることで洗い流されてしまう。そして、共晶元素濃度が低い固相が鋳塊中央部に密集する。これにより鋳塊中央部における共晶元素の逆偏析が生じる。
【００１８】
本発明者等は、ＤＣ鋳造法におけるサンプ内の溶湯の流動状態について、上記のとおり考察し、鋳塊中央部における共晶元素の逆偏析を抑制するには、固相線温度領域と液相線温度領域との間に差し込む流れの制御と、その後の旋回流の制御が必要であると考えた。そして、本発明者等は、種々の実験と検討を重ねた結果、鋳型内溶湯の流動状態として、凝固界面全体に下降流が到達するようにすると共に、それにより旋回流の発生を抑制する手法を見出した。本発明の要旨は、上記溶湯の流動状態を達成させるために必要となる、移動磁場発生装置の適正な配置と磁場強度を提供するものである。
【００１９】
即ち、本発明は、鋳型内の溶湯上に位置するように配置された溶湯分配器から溶湯を吐出し、前記鋳型に溶湯を供給しつつアルミニウム合金鋳塊を鋳造するＤＣ鋳造法によるアルミニウム合金の鋳造方法において、前記鋳型から引き出されるアルミニウム合金鋳塊内部のサンプに上向きの電磁力が発生するように、前記溶湯分配器からの溶湯の吐出方向と略平行になる前記アルミニウム合金鋳塊の外面に移動磁場を印加することを特徴とするアルミニウム合金の鋳造方法である。
【００２０】
また、アルミニウム合金鋳塊は、水平断面の形状が矩形であり、溶湯の吐出方向と交差する前記アルミニウム合金鋳塊の辺の中心線に対し、磁場分布が略対称となるように移動磁場を印加するアルミニウム合金の鋳造方法とするものである。
【００２１】
更に、アルミニウム合金鋳塊は、水平断面の形状が矩形であり、前記アルミニウム合金鋳塊の水平断面における中心点を対称軸として対称になるように、一対の移動磁場発生装置を配置し、前記アルミニウム合金鋳塊の対向する２つの外面に、前記一対の移動磁場発生装置により移動磁場を印加する請求項１又は請求項２記載のアルミニウム合金の鋳造方法とするものである。
【００２２】
そして、アルミニウム合金鋳塊に印加される磁場の幅を、磁場の幅方向に平行となる鋳型の辺の長さに対し、０．５倍以上とすることができる。また、アルミニウム合金鋳塊に印加される磁場の幅は、磁場の幅方向に平行となる溶湯分配器の幅に対し、１．０倍以下とすることが好ましい。
【００２３】
また、アルミニウム合金鋳塊の鋳肌における磁束密度が０．００１〜０．５Ｔとなるように、移動磁場を印加することができる。移動磁場の変化周波数については１〜２０Ｈｚとすることができる。
【００２４】
ここで、アルミニウム合金鋳塊に移動磁場を印加する移動磁場発生装置は、永久磁石を備える移動磁場発生装置、又は、電磁石を備える移動磁場発生装置のいずれも使用とすることができる。
【００２５】
本発明は、上記の方法により製造されるアルミニウム合金鋳塊も提供する。このアルミニウム合金鋳塊は、底面をなす鋳造開始面から前記アルミニウム合金鋳塊の厚み分の距離だけ離隔した位置と、頂面をなす鋳造終了面から前記アルミニウム合金鋳塊の厚み分の距離だけ離隔した位置との間の領域であって、且つ、前記アルミニウム合金鋳塊の鋳肌より２０ｍｍ以上内部側の領域における主要成分の濃度分布が、前記領域における前記主要成分の平均濃度の±１０％以内であるアルミニウム合金鋳塊である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、ＤＣ鋳造法によりアルミニウム合金鋳塊を製造する際、鋳塊中央部におけるマクロ負偏析の発生を抑制することができる。本発明によるアルミニウム合金鋳塊は、全域において成分偏析の少ない鋳塊であり、その後の圧延等の加工によっても機械的特性や表面品質が低下することなく、良好な製品を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】通常のＤＣ鋳造法における主要な装置構成と鋳造中のアルミニウム合金鋳塊の内部状態を示す図。
【図２】本発明を適用したＤＣ鋳造法における主要な装置構成と、鋳造中のアルミニウム合金鋳塊の内部状態を示す図。
【図３】鋳型の四辺及び溶湯吐出方向に基づく移動磁場発生装置の設置位置を説明する図。
【図４】磁場の幅と溶湯分配器の幅との関係に基づくサンプ内の溶湯流動を説明する図。
【図５】本発明のアルミニウム合金鋳塊を概略説明する図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の態様について、具体的条件及び好適条件を開示しつつ説明する。上記したとおり、本発明に係るＤＣ鋳造方法では、移動磁場の発生装置を適宜に配置して、アルミニウム合金鋳塊内のサンプ内に上向きの電磁力が発生するようにしている。このような磁場の印加により、サンプ内の溶湯の流動状態を制御し、マクロ負偏析が発生する要因となる差込流と旋回流を抑制している。
【００２９】
本発明の説明として、本発明における鋳型内溶湯の流動状態を制御に関する詳細説明をする。説明のための例として、図１と同様のＤＣ鋳造法に対して本発明を適用した鋳造方法を図２（ａ）、（ｂ）に示す。この図において、鋳型や溶湯分配器等の装置構成は、図１と同様である。このＤＣ鋳造装置の例では、水平断面が長方形の鋳型を適用してアルミニウム合金鋳塊を鋳造する。溶湯分配器からの溶湯の吐出方向は、鋳型の長辺と平行とする。そして、図２（ａ）で示すように、溶湯の吐出方向に略平行な方向（鋳型の長辺方向）で幅を有する移動磁場発生装置が配置されている。移動磁場発生装置は、アルミニウム合金鋳塊内部において上向き（鋳造方向と逆方向）の電磁力が発生するように駆動される。
【００３０】
図２（ａ）のように、溶湯の吐出方向に平行なアルミニウム合金鋳塊の外面（鋳型長辺側の外面）に磁場を印加し、サンプ内に上向きの電磁力を発生させると、サンプ内に上向き成分を有する溶湯の流れが発生する。この溶湯の流れは、液相温度領域に沿ってサンプ内で上方に流動し、湯面近傍及び溶湯分配器近傍で順次向きを変え、中央付近で下向きの下降流に転じる。この下降流は、図２（ｂ）で示すように、上述した溶湯の旋回流による巻き上げ流を相殺することとなり、固相線温度領域と液相線温度領域との間に差し込む流れを制御することとなる。これにより、固液共存領域から鋳塊中央部への共晶元素濃度の低い固相と共晶元素が濃化した液相の移動が抑制され、マクロ負偏析を解消することが可能となる。
【００３１】
本発明において、移動磁場の印加により発生する電磁力の向きを上向きにしたのは、アルミニウム合金鋳塊のサンプ内の中央付近で下降流を発生させて、従来の鋳型内流動で生じる固相線温度領域と液相線温度領域との間に差し込む流れを制御するためである。これに対して、電磁力の向きを本発明の逆方向、即ち、下向きの電磁力を発生させた場合、サンプ内の液相温度領域に沿って下方の流れが生じて、アルミニウム合金鋳塊の中央付近で衝突して巻き上げ流を発生させることなる。従って、従来の鋳型内流動を制御することはできず、マクロ負偏析の解消は達成できない。
【００３２】
また、磁場を印加するアルミニウム合金鋳塊の外面について、溶湯の吐出方向と平行になる面（鋳型長辺側）を対象とするのも、従来の鋳型内流動を有効に制御するためである。本発明と逆に、溶湯の吐出方向と直行するアルミニウム合金鋳塊の外面（鋳型短辺側）に上向きの電磁力を印加すると、従来の鋳型内流動による干渉の可能性があり、サンプ内の旋回流抑制効果が弱まり、結果としてマクロ負偏析の解消が達成しない。
【００３３】
以上のとおり、本発明では、溶湯分配器からの溶湯吐出方向を考慮しつつ、アルミニウム合金鋳塊に対して磁場を印加する面と発生する電磁力の向きを制御する。更に、湯面と溶湯分配器の影響も考慮して、サンプ内に生じた溶湯の流れを制御し、マクロ負偏析の解消に好適な鋳塊中央付近の下降流を発生させている。ここで、移動磁場発生装置の設置位置について、鋳型の四辺及び溶湯吐出方向との関連を図３（ａ）、（ｂ）を用いつつ説明する。上述の図２による説明では、溶湯吐出方向が鋳型の長辺方向に平行である場合に基づいており、この場合、図３（ａ）のように、移動磁場発生装置を鋳型の長辺側に設置し、アルミニウム合金鋳塊の長辺側外面に磁場を印加する。そして、溶湯吐出方向は、鋳型の短辺方向に平行であってもよい。そのような場合は、図３（ｂ）のように、移動磁場発生装置を鋳型の短辺側に設置し、アルミニウム合金鋳塊の短辺側外面に磁場を印加することとなる。尚、本発明に係る方法は、アルミニウム合金鋳塊及び鋳型の水平断面の形状が矩形であるものを対象にすることが好ましい。特に、水平断面が長方形の鋳型（鋳塊）においては、溶湯分配器からの溶湯吐出方向は鋳型長辺方向とし、移動磁場発生装置は鋳型長辺の外側に設置することが好ましい。
【００３４】
そして、アルミニウム合金鋳塊に印加する移動磁場の磁場分布には、対称性を具備させることが好ましい。つまり、水平断面の形状が矩形のアルミニウム合金鋳塊の鋳造に際しては、溶湯の吐出方向が交差する鋳塊の辺の中心線に対して、磁場分布が略対称となるような移動磁場を印加することが好ましい。例えば、図２のように、溶湯の吐出方向が鋳型長辺に平行であるときは、鋳型短辺の中心線に対して、磁場分布が対象となるようにすることが好ましい。磁場分布に対称性がない場合、サンプ内の流れに偏りが生じてマクロ負偏析の解消が不十分となる場合がある。
【００３５】
磁場分布の対称性を確保するための具体的態様としては、磁場発生装置の配置について対称性を確保することが好ましい。即ち、アルミニウム合金鋳塊の水平断面における中心点を対称軸とし、この対称軸に対して対称になるように一対の移動磁場発生装置を配置することが好ましい。そして、アルミニウム合金鋳塊の対向する２つの外面に対して、一対の移動磁場発生装置のそれぞれから移動磁場を印加することで、対称性良好な磁場分布を得ることができる。
【００３６】
次に、アルミニウム合金鋳塊に印加される磁場の幅に関して説明する。磁場の幅は、磁場の幅方向に平行となる鋳型の辺の長さに対し、０．５倍以上とすることが好ましい。磁場の幅が鋳型の辺の長さの０．５倍未満の場合、サンプ内に発生する上向き成分を持つ磁場発生領域が少なくなり、従来の溶湯流動による旋回流の抑制効果が弱まり、結果としてマクロ負偏析が解消されない可能性があるからである。
【００３７】
また、アルミニウム合金鋳塊に印加される磁場の幅は、磁場の幅方向に平行となる溶湯分配器の幅に対し、１．０倍以下とすることが好ましい。この磁場の幅の上限に関して、図４（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図４（ａ）は、磁場の幅と溶湯分配器の幅が等しい（１．０倍）ときのサンプ内の流れを示す。この場合、磁場による下降流は、全体的にサンプ内旋回流による巻き上げ流を相殺することとなる。その結果、液相線温度領域と固相線温度領域の間に差し込む流れを制御し、マクロ負偏析を解消できる。一方、図４（ｂ）は、磁場の幅が溶湯分配器の幅に対して１．０倍を超えるときのサンプ内の流れを示す。この場合には、溶湯分配器から吐出された溶湯が、磁場により生じる下降流の影響を受けて、強い下降流となる。このため、液相線温度領域と固相線温度領域の間に差し込む流れがむしろ強まってしまうため、マクロ負偏析の解消が困難となる場合がある。
【００３８】
以上の説明のように、従来の鋳型内流動における旋回流を有効に抑制するためには磁場の幅の適性化を図ることが好ましい。磁場の幅は、基本的に移動磁場発生装置の幅（磁力線発生箇所の幅）と実質的に同じである。
【００３９】
本発明において、移動磁場発生装置は公知のものが適用できる。移動磁場発生装置の磁場発生源としては、永久磁石及び電磁石のいずれかを備えたものが好適に使用できる。永久磁石を備える移動磁場発生装置としては、例えば、上記した特許文献３又は特許文献４記載の回転ドラム型の磁場発生装置が挙げられる。但し、これらに限定されることはない。
【００４０】
印加する磁場の条件としては、アルミニウム合金鋳塊の鋳肌における磁束密度が０．００１〜０．５Ｔとすることが好ましい。鋳塊鋳肌における磁束密度が０．００１Ｔ未満の場合、サンプ内に発生する電磁力が弱くなり、サンプ内旋回流の抑制が不十分となり、マクロ負偏析の解消が達成しない場合がある。一方、鋳塊鋳肌における磁束密度が０．５Ｔを超えると、磁場による流れが強くなり過ぎ、サンプ内旋回流を助長することがある。
【００４１】
また、移動磁場の変化周波数は、１〜２０Ｈｚとするのが好ましい。変化周波数が１Ｈｚ未満の場合、鋳型内の湯面振動が大きくなり、安全上、操業上の不具合が発生する場合がある。一方、移動磁場の変化周波数が２０Ｈｚを超えると、サンプ内に発生する磁場が弱くなり、サンプ内旋回流の抑制効果を得ることができなくなるおそれがある。
【００４２】
以上説明したとおり、本発明に係るＤＣ鋳造法によるアルミニウム合金鋳塊の鋳造法は、溶湯分配器からの溶湯の吐出方向に基づき、アルミニウム合金鋳塊に移動磁場を印加し、サンプ内に所定の溶湯流れを形成する。本発明は、溶湯分配器や移動磁場の印加手段（移動磁場発生装置）は必須の構成であるが、それ以外の装置構成は公知のＤＣ鋳造法と同様である。また、鋳型の寸法、溶湯の供給量、冷却条件等の鋳造条件は特に限定されることはない。
【００４３】
そして、本発明によって製造されたアルミニウム合金鋳塊は、マクロ負偏析が解消されたものとなる。具体的には、鋳造開始面から鋳塊の厚み分の距離だけ離隔した位置と、鋳造終了面から鋳塊の厚み分の距離だけ離隔した位置との間の領域であって、且つ、鋳塊の鋳肌より２０ｍｍ以上内部側の領域における主要成分の濃度分布が、前記領域における前記主要成分の平均濃度の±１０％以内である主要成分の濃度が、前記領域における主要成分の平均濃度に対して±１０％となっている。
【００４４】
図５は、本発明のアルミニウム合金鋳塊を概略説明するものである。図５で示すように、アルミニウム合金鋳塊は、底面をなす鋳造開始面と頂面をなす鋳造終了面を有する。そして、鋳塊長手方向について、鋳造開始面及び鋳造終了面の双方から鋳塊の厚み分の距離だけ離隔した位置の間における主要成分の濃度分布が規定される。また、鋳塊厚さ方向については、鋳塊鋳肌から２０ｍｍ以上鋳塊の内部側の領域の主要成分の濃度分布が規定される。そして、本発明のアルミニウム合金鋳塊は、上記の長手方向及び厚さ方向について定めた領域において、主要成分の濃度分布（ばらつき）が平均濃度に対して±１０％の範囲に収まる。主要成分の平均濃度とは、当該領域内における各主要成分の平均濃度である。尚、鋳塊の厚みとは、鋳塊の短辺の長さである。
【００４５】
本発明のアルミニウム合金鋳塊の主要成分の濃度の測定対象について、鋳造開始面及び鋳造終了面から鋳塊厚み分の距離までの部位を除外するのは、鋳造初期及び鋳造終了期における非定常状態の影響によって、サンプ形状、サンプ内流動が変化している可能性があるからである。また、鋳肌より２０ｍｍ未満の部位を除外したのは、鋳肌近傍における不健全部を避けるためである。
【００４６】
尚、主要成分とは、一般的なＪＩＳアルミニウム合金である１０００系合金から７０００系合金において、アルミニウムに添加される元素であって主要な元素を示す。つまり、主要成分とは、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔｉを示す。但し、これらに限られることはなく、これらの元素よりも添加量の多い元素があれば、当該元素も主要成分とすることができる。この主要成分とは、ＪＩＳにおいて成分値の上下限が設定されている元素である。好ましくは、各種のアルミニウム合金において、添加量の多い３元素乃至４元素を主要成分とすることが好ましい。そして、アルミニウム合金鋳塊の上記領域において、主要成分の全ての濃度が平均濃度の±１０％の範囲内にあることが好ましい。この主要成分の濃度分布に関しては、平均濃度に対して±５％以内の範囲内にあることが特に好ましい。
【実施例】
【００４７】
以下、実施例により、比較例と対比しつつ本発明を説明する。本実施例では、ＤＣ鋳造法により、ＪＩＳ  ５０８３合金（Ｓｉ：０．１ｍａｓｓ％、Ｆｅ：０．２ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．６５ｍａｓｓ％、Ｍｇ：４．６５ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．１２ｍａｓｓ％、残部Ａｌを目標組成とする）を鋳造し、製造したアルミニウム合金鋳塊の内部の成分分布を調査した。鋳塊サイズは厚４００ｍｍ×幅８００ｍｍ幅×長さ１５００ｍｍとした。
【００４８】
ＤＣ鋳造装置の装置構成は、図２で示したものと同様であり、移動磁場発生装置の存在を除き、一般的な装置構成である。本実施例では、水平断面が矩形（長方形）の鋳型を適用し、鋳型中央付近に溶湯分配器は配置される。溶湯分配器は、溶湯の吐出方向が制御可能となっており、鋳型の長辺又は短辺のいずれかに対して水平に吐出する。そして、鋳型の長辺又は短辺に対して水平に幅を有する移動磁場発生装置を備える。移動磁場発生装置は、鋳型から引き出されたアルミニウム合金鋳塊内部のサンプの底部付近から上方又は下方に移動可能とする。移動磁場発生装置は、永久磁石を備える回転ドラム型磁場発生装置、又は、電磁石式磁場発生装置のいずれかを用いた。移動磁場発生装置は、磁石の幅を選択可能である。また、磁場の対称性に関する検討のため、各磁場発生装置を３次元的に独立に設置可能としている。
【００４９】
本実施例のＤＣ鋳造法は、上記組成に調整された溶湯を溶湯分配器から鋳型に供給し、鋳造速度５０ｍｍ／分として鋳造を行った。各種の実施例及び比較例で、表１に示す移動磁場印加条件にて鋳造を行った。鋳塊サイズは厚４００ｍｍ×幅８００ｍｍ幅×長さ１５００ｍｍとした。
【００５０】
製造したアルミニウム合金鋳塊について、マクロ負偏析発生の有無を評価した。本実施例の評価方法としては、鋳造開始面より長手方向に７５０ｍｍの位置にて幅厚面の鋳塊スライスを採取し、鋳肌から２０ｍｍ以上の内部領域について主要成分の濃度分析を行った。本実施例では、ＪＩＳ  ５０８３合金において上下限が規定されている元素である、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃｒを主要成分とした。濃度分析は、鋳塊スライスの前記内部領域にて、幅方向及び厚み方向の双方向３０ｍｍピッチ間隔で測定点を設定し、各測定点で発光分光分析を行った。
【００５１】
そして、スライス面内の各分析値の分布から偏析の有無を評価した。この評価では、各測定点で得られた各主要成分の成分量について、平均値を算出して各主要成分における基準値とした。次に、鋳塊スライスの分析値の最大の成分量及び最小の成分量について、前期基準値とのの偏差を求めた。評価では、全ての主要成分について、偏差±５％以下を優良（◎）とし、±５％超１０％以下を良（○）としてこれらをマクロ負偏析なしとして合格と判定した。一方、偏差が±１０％を超えたとき不合格（×）と判定した。
【００５２】
また、本実施例では、操業における安全性の評価も行った。評価は、安全性に問題がなかった場合を「○」と評価し、問題が生じた場合は「×」と評価した。表１に、各実施例及び比較例で製造したアルミニウム合金鋳塊の評価結果を示す。
【００５３】
【表１】
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【００５４】
表１から、実施例１〜実施例２０で製造したアルミニウム合金鋳塊は、マクロ負偏析が解消されており、優良（◎）又は良（○）の評価を得ることができた。更に、これらの実施例１〜２０においては、鋳造工程における安全性に関しても問題がないことが明らかとなった。
【００５５】
各実施例に対して、比較例１、比較例２においては、移動磁場の印加条件により、以下のとおり、アルミニウム合金鋳塊の偏析程度或いは操業安全性に関して問題が発生した。
即ち、比較例１では、サンプ内に発生させた電磁力の向きが鉛直下向き成分となっていたため、マクロ負偏析の解消はできなかった。これは、磁場による流れがサンプ内で液相温度界面に沿うように発生し、これらがサンプ中心近傍でぶつかり、旋回流を発生させたためと推定される。
また、比較例２では、溶湯分配器から溶湯吐出方向に対して直行する鋳塊辺外面に移動磁場発生装置を設置した。このため、サンプ内に発生する電磁力によるサンプ内旋回流抑制効果が弱まり、結果としてマクロ負偏析を解消できなかった。
【００５６】
尚、各実施例の結果から、溶湯分配器からの溶湯の吐出方向は、マクロ負偏析の解消の可否に影響しないことが確認された。溶湯の吐出方向を鋳型長辺又は短辺のいずれと平行にしても、移動磁場の条件を適切にすることで、マクロ負偏析の解消は可能である。また、磁場発生装置の種類（磁石の種類）を永久磁石として電磁石としても、マクロ負偏析を解消できることも確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上説明したように、本発明は、ＤＣ鋳造法によるアルミニウム合金鋳塊の鋳造方法であって、鋳塊中央部におけるマクロ負偏析の発生を抑制可能なものである。本発明により製造されるアルミニウム合金鋳塊は、主要成分の偏析の少ない鋳塊である。本発明は、自動車、船舶、航空機等の部材用途を始めとした様々な分野で使用されるアルミニウム合金材料の製造に好適である。
【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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