(57)【要約】【課題】アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を半連続鋳造／連続鋳造する際に用いる鋳型であって、鋳込まれた溶湯の冷却速度を均等に遅くして品質が均等な鋳造品を得ることが可能な鋳型を提供する。【解決手段】超音波を発生する超音波ジェネレータ、当該超音波ジェネレータの振動を伝達する振動子、当該振動子に接続されたブスター、当該ブスター先端面の上に設置された処理チャンバー、および当該処理チャンバーを覆う円錐状コーンを具備するショットピーニング加工装置を用い、前記処理チャンバー内に処理する円筒状鋳型を設置した後、ブスター先端面に分散載置した硬質ショットを上記ブスターの振動により加速飛散させ、当該飛散硬質ショットと上記円錐状コーンから反射した飛散硬質ショットで、処理チャンバーに設置された円筒状鋳型内面にショットピーニング加工を行い、鋳型内面にランダムで凹凸を付ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を発生する超音波ジェネレータ、当該超音波ジェネレータの振動を伝達する振動子、当該振動子に接続されたブスター、当該ブスター先端面の上に設置された処理チャンバー、および当該処理チャンバーを覆う円錐状コーンを具備するショットピーニング加工装置を用い、前記処理チャンバー内に処理する円筒状鋳型を設置した後、ブスター先端面に分散載置した硬質ショットを上記ブスターの振動により加速飛散させ、飛散硬質ショットと上記円錐状コーンから反射した飛散硬質ショットで、処理チャンバーに設置された円筒状鋳型内面にショットピーニング加工を行い、鋳型内面にランダムな凹凸を付けることを特徴とするアルミニウム／アルミニウム合金の半連続鋳造／連続鋳造用鋳型の製造方法。
【請求項２】
前記円筒状鋳型は、銅または銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金、チタンまたはチタン合金、スチールのいずれかであることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム／アルミニウム合金の半連続鋳造／連続鋳造用鋳型の製造方法。
【請求項３】
前記硬質ショットの材質は、ジルコニア、タングステンカーバイト、窒化ケイ素、アルミナ、窒化硼素、クロム鋼、ステンレススチールのいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム／アルミニウム合金の半連続鋳造／連続鋳造用鋳型の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法で製造された鋳型を用いてアルミニウム／アルミニウム合金を半連続鋳造／連続鋳造することを特徴とするアルミニウムまたはアルミニウム合金鋳造品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主にアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を半連続鋳造／連続鋳造する際に用いる鋳型に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、アルミニウムまたはアルミニウム合金の半連続鋳造／連続鋳造品を製造する鋳型は、断熱性のある材料を用いたり、断熱効果を有する形状にしたりすることでアルミニウム溶湯の急冷を防ぐことが行われてきた。
断熱性の良くない鋳型を用いてアルミニウムまたはアルミニウム合金溶湯を半連続鋳造／連続鋳造すると、鋳型内に流れ込んだ溶湯は鋳型内面と接触して急速に熱が除去されて比較的短期間のうちに凝固シェルが形成される。このとき、凝固シェルが収縮の影響を受けて、鋳型内面から離れることによって凝固シェルと鋳型の間に隙間が発生してしまう。その結果、熱除去が急激に遅くなるために凝固シェルが再溶解して、鋳型と溶湯の間の接触はまたよくなる。このような現象が繰り返して起こることにより、ビレット表面ではガス起因の巣、ブルーホール、リップリング等の表面欠陥が発生しやすくなるのである。
【０００３】
そこで、鋳型を断熱効果の高い形状にするために、例えば特許文献１には、インゴットまたはストリップを連続鋳造するための鋳型であって、鋳型表面の粗面のピーク部とだけ溶湯が接触し、かつ前記溶湯と前記粗面の谷との間にエアギャップを形成するようにして溶湯と最初に接触する際の熱伝達が規制される金属鋳造用の粗面鋳型であり、粗面の谷が相互に連絡されていて溶湯が鋳型に接触するときに解放される気体が鋳型表面に平行に逃げることができる鋳型が提案されている。そして、粗面鋳型の製造方法として機械的に粗面化する方法として、例えばショットピーニングが示唆されている。
【０００４】
また、特許文献２にも鋳型表面にショットピーニング処理を施すことが記載されているが、圧縮応力を付加し鋳型の高寿命化を目的とするものであるため、鋳型内面に凹凸を形成して断熱効果を高めるという観点では、どの程度の効果があるか不明である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公昭６４−１２２７号公報
【特許文献２】特表２０００−５１７２４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前記特許文献のいずれにも、ショットピーニングの具体的な方法に関しては開示されていない。
ショットピーニングの方法としては、一般的には、ショットを圧空式、水圧式により加速して吹き出すことが行われている。圧空式、水圧式によりショットを加速して吹き出す方法では、ショットを一定方向にノズルから吹き飛ばすため、凹凸のランダム化は特に鋳型内径の小さい場合、不可能である。
そして、鋳型内面に形成された凹凸がランダムでなく、部分的に集中した部位があると、鋳造品の冷却速度が部位によって異なるために、品質が均一な鋳造品が得られなくなることがある。
【０００７】
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、主にアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を半連続鋳造／連続鋳造する際に用いる鋳型であって、当該鋳型内表面と鋳込まれた溶湯の間に均等なエアポケットとなる空隙を形成して鋳込まれた溶湯の冷却速度を均等に遅くして品質が均等な鋳造品を得るために内表面全域にランダムで均等な凹凸を形成した鋳型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】
【０００８】
本発明のアルミニウム／アルミニウム合金の半連続鋳造／連続鋳造用鋳型の製造方法は、その目的を達成するため、超音波を発生する超音波ジェネレータ、当該超音波ジェネレータの振動を伝達する振動子、当該振動子に接続されたブスター、当該ブスター先端面の上に設置された処理チャンバー、および当該処理チャンバーを覆う円錐状コーンを具備するショットピーニング加工装置を用い、前記処理チャンバー内に処理する円筒状鋳型を設置した後、ブスター先端面に分散載置した硬質ショットを上記ブスターの振動により加速飛散させ、当該飛散硬質ショットと上記円錐状コーンから反射した飛散硬質ショットで、処理チャンバーに設置された円筒状鋳型内面にショットピーニング加工を行い、鋳型内面にランダムな凹凸を付けることを特徴とする。
【０００９】
本発明のアルミニウム／アルミニウム合金の半連続鋳造／連続鋳造用鋳型の製造方法はアルミニウムまたはアルミニウム合金、チタンまたはチタン合金、スチールのいずれかで形作られた鋳型に適用できる。
また、前記硬質ショットの材質としては、ジルコニア、タングステンカーバイト、窒化ケイ素、アルミナ、窒化硼素、クロム鋼、ステンレススチールのいずれかであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、アルミニウム／アルミニウム合金溶湯を半連続鋳造／連続鋳造する際に用いられる内表面に凹凸を有する鋳型を製造する際、超音波振動を用いて硬質ショットをショットピーニングすることにより、鋳型内表面全域にランダムで均等に分散した凹凸を形成することができる。
このため、本発明で得られた鋳型をアルミニウム／アルミニウム合金溶湯を半連続鋳造／連続鋳造する際に用いることにより、鋳型内に鋳込まれた溶湯に対する冷却速度がおそくされ、また鋳型内面に対する凝固シェルの潤滑も円滑になって焼き付けをおこすことなく、表面性状に優れたビレットを安定して得ることができようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明方法で用いる鋳型ショットピーニング装置の構造を説明する概略図
【図２】本発明方法で処理された鋳型内面の外観を説明する図
【図３】溶湯−鋳型表面間の熱伝達係数を測定する装置の構造を説明する概略図
【図４】溶湯−鋳型表面間の熱伝達係数とショット径との関係を示す図
【図５】鋳型内面衝突速度とショット充填率との関係を示す図
【図６】鋳型内面衝突速度とコーン角度との関係を示す図
【図７】表層組織の層厚と鋳造組織との関係を示す図
【図８】得られたビレット表面の外観を説明する図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
金属溶湯を半連続鋳造或いは連続鋳造する際、滑らかな内面を持つ鋳型（通常鋳型）を利用すると、鋳型内に流れ込む溶湯は鋳型内面と完全に接触するために熱除去速度が速くなり、比較的短期間に凝固シェルが形成される。このとき、凝固シェルが収縮の影響を受けて、鋳型内面から離れることによって凝固シェルと鋳型の間に隙間が発生してしまう。その結果、熱除去が急激に遅くなるために凝固シェルが再溶解して、鋳型と溶湯の間の接触はまたよくなる。このような現象が繰り返して起こるとビレット表面ではガス起因の巣、ブルーホール、リップリング等の表面欠陥が発生しやすくなる。
【００１３】
これに対して、凸凹付きの内面を持つ鋳型（改善鋳型）を利用すると、溶湯と鋳型内面との完全接触は起こらない。その理由として２点挙げられる。１点目は、鋳型内面の凸凹の谷の部分と溶湯表面の間に存在するエアポケットに入っている空気が加熱の影響を受けて膨張することで溶湯が鋳型内面から押し出され、有効接触面積が減ることである。１点目は、溶湯表面が凸凹の山と接触して表面張力のため自由に変形できなくなることである。特に、へこみの表面の曲率が大きい場合には溶湯表面が凸凹の谷まで流動できず、鋳型と溶融の間にマイクロ隙間が発生することによって有効接触面積が減ってしまう。それらの結果、熱除去速度が遅くなり、凝固シェルの発達が遅く、かつ均一に進行しているため凝固シェルと鋳型の間に隙間は減少するか、または、完全に無くなることにより、ガス起因の巣、ブルーホール、リップリング等の表面欠陥の発生を抑制できるわけである。
【００１４】
このように、金属溶湯、特にアルミニウム／アルミニウム合金溶湯を半連続鋳造或いは連続鋳造する際には、鋳型として、内表面にランダム、かつ均等に分布した凹凸を有するものを用いることが好ましい。
ところで、前記したように、凹凸の形成方法としてはショットピーニング法が一般的であるが、従来の圧空式、水圧式によりショットを加速して吹き出す方法では、凹凸の形成にムラが出てしまう。ランダム、かつ均等に分布した凹凸を形成することは難しい。
そこで、本発明では、ショットを加速して飛散させる手段として超音波振動を用いることにしたものである。
以下にその詳細を説明する。
【００１５】
以下，本発明の内容を詳細に説明する。
まず、図１に、本発明で使用する鋳型表面衝突処理（ショットピーニング）用装置の概略を示す。装置の主な構成は次のとおり、図示していない超音波ジェネレータ、超音波振動子、ブスター、処理チャンバー、蓋となるコーンを備えたものである。
鋳型表面ショットピーニング処理では、処理チャンバーの底面であるブスター先端面の上に置かれた硬質ショットをブスターの振動により加速飛散させ、処理チャンバーの上部に設けられた弾性材質製の円錐状コーン（チタン合金、スチールなど）と衝突させる。ブスター先端面からの飛散ショットおよびコーン傾斜面から跳ね返る飛散ショットを鋳型内面に衝突させて、鋳型内面に凸凹（またはへこみ）を形成する。
凸凹（またはへこみ）を形成した鋳型内面の外観の一例を図２に示す。
【００１６】
鋳型の材質としては、塑性変形可能な金属材料が挙げられる。最も好ましいものは銅または銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金である。それ以外にもチタンまたはチタン合金、スチールなどの金属材料を挙げることができる。
ショット材質としてはボールミル装置に一般的に用いられるショットと同様なショットを用い、特にショット材質はモース硬度と密度が高いものであれば有効である。具体的には、ジルコニア（モース硬度８、密度＞６ｇ／ｃｍ３）、タングステンカーバイト（モース硬度８.５、密度＞１５ｇ／ｃｍ３）、窒化ケイ素（モース硬度９、密度３.２ｇ／ｃｍ３）、アルミナ（モース硬度８〜９、密度３.９ｇ／ｃｍ３）、窒化硼素（モース硬度９.５、密度３.５ｇ／ｃｍ３）のいずれかが好ましい。しかしながら、モース硬度低めのクロム鋼、ステンレススチールなども使用可能である。
【００１７】
なお、円筒状の処理チャンバーの形状は円筒状であり下記の通りで特定することが好ましい。
チャンバーの内径Ｄｃ:０.４ｄｓ＋Ｄｂ＜Ｄｃ＜Ｄｂ+１.６ｄｓ
ここでＤｂはブスター直径、ｄｓはショット直径である。
超音波ブスターと処理チャンバーの間の隙間は小さすぎる場合、振動において接触が発生するとブスターがチャンバーに溶接してしまう恐れがある。逆に隙間が大きくなるとショットがチャンバーから出てしまう。
【００１８】
鋳型内径の好適な範囲と処理可能な範囲を絶対値で規定することは難しい。その理由としては、基本的に、本発明で特徴とする処理可能な鋳型内径は超音波ブスター先端径によって決定されるが、ブスター先端径は超音波の半波長λ／２（＝ｃ／２ｆ）超えると振動効率が急激に低下する。（ここでｃはブスター材質中音速、ｆは周波数。）
例えばチタン合金製ブスターのｃ=５０８０ｍ／ｓとｆ＝２１７００Ｈｚの条件（実施例の条件）ではλ／２＝０.１１７ｍとなる。このように、ブスターの材質の変更によって半波長を大幅に変化させ、鋳型内径の好適な範囲、処理可能な範囲も変化することになる。
【００１９】
2015013299.tif 000003
(ａはショット半径より小さくなるとショットが鋳型下部表面に衝突できずブスター先端面から反射してしまう。一方、ブスター先端とコーン頂点の間の距離が１００ｍｍを超えるとショットが反射器まで飛ぶ間に運動エネルギーを失うために衝突効率が低下する)
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（aと同様に上下限定がある）
【００２０】
ショット直径は２ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。
ショット直径が２ｍｍ未満または５ｍｍを超えていると凸凹の効果がなくなることを、次のような実験を行って確認した。
実際の鋳型寸法を有するモデル鋳型を作製し、上記の装置を用いて、マスキングにより周方向で４等分されたモデル鋳型表面にそれぞれ０（無処理），１ｍｍ，２ｍｍ、３ｍｍのショットまたは０（無処理），４ｍｍ，５ｍｍ，６ｍｍのショットを用い、ショットピーニング処理を行った。モデル鋳型の外観を図３に示す。それぞれの表面部分において３個ずつの孔を開けて、直径３００μｍの３本ずつの熱電対を設置した。鋳型内面と熱電対先端の間の距離がそれぞれ２ｍｍ，５ｍｍと１０ｍｍとした。
【００２１】
鋳造モデル試験では図３に示すようなけい酸カルシウム製の耐火物の容器にアルミニウム溶湯を７５０℃で注入して、鋳型内温度増加の経時変化を測定した。そのデータに基づいて、鋳型−アルミニウム溶湯間の熱伝達係数に対するショット径の影響を明らかにした結果を図４に示す。
その結果から２〜５ｍｍショットでピーニングされた表面では熱伝達係数は無処理の場合と比べて、約１／３に遅くなり、２ｍｍ未満または５ｍｍを超えるショットの場合、無処理の熱伝達係数と同じぐらい大きいものであることを確認した。
【００２２】
その原因については以下の通りと考えられる。
ショット直径が２ｍｍ未満の場合、エアポケットの容量が小さいため、溶湯が空気の膨張によって押し出される効果は得られない。また、ショット直径が５ｍｍを超える場合、へこみが全体に大きくなり、かつその曲率が小さくなるため、溶湯がへこみの中に流れ込んで、凸凹の凹部においても接触が起こる。
【００２３】
さらに、ブスターの先端の振動振幅Ａは５０〜７０μｍ（ｐ-ｐ）の範囲であることが好ましい。
Ａ＜５０μｍの場合、ショット運動エネルギーが減少するため、凸凹の深さが浅くなる。
Ａ＞７０μｍの場合、振動によりブスター中に発生する内部応力が大きくなり、ブスターの耐久性が劣化する
【００２４】
処理チャンバー内の体積あたりのショット体積充填率αは０.０２≦α≦０.０７であることが好ましい。
図５に示す通り、α＜０.０２の場合、ショットの衝突頻度が低くなり、ショットピーニング加工の効率が全体的に下がる。α＞０.０７の場合、ショットの衝突がランダムではなくなり、鋳型内面ではパターン化された表面構造となる。
図５の縦軸には１秒間のボール衝突によって作られるへこみの合計面積と鋳型内面積との比をパーセントとした値を示しており、ショットが鋳型表面に衝突するとへこみ（ディンプル）が残り、１秒間に形成されたディンプルの総面積と鋳型内面積との比として定義した値を衝突速度としている。
ランダムな凹凸を得るために、ショットは表面に衝突する瞬間に相互作用してはならず、αが比較的に小さい場合にはこの条件を満足するが、ショットが多くなると表面に衝突するときにショット同士間の相互接触が起こるのでショット径の間隔ごとにショット衝突位置が配置されるためである。
【００２５】
振動周波数は、１８〜２８ｋＨｚとすることが好ましい。
振動周波数が１８ｋＨｚよりも小さいと、人体へのとって危険性が発生する可能性があることや、ショットを飛ばすために振幅を増やす必要が生じる。２８ｋＨｚを超えると５０〜７０μｍ（ｐ−ｐ）の振幅が得難くなることや、直径４〜５ｍｍのショットが飛ばなくなることがある。したがって、振動周波数は１８〜２８ｋＨｚとすることが好ましい。
【００２６】
チャンバーの上部またはブスターに設けられた円錐状のコーンは角度θを３０〜６０°とすることが好ましい。
これは、図６に示す通りコーンの角度をθ＜３０°或いはθ＞６０°とする場合、ショットの衝突頻度が低下する。図６は図５と同様に、１秒間に形成されたディンプルの総面積と鋳型内面積の比を示している。
【００２７】
なお、以上のようにショットピーニング処理を行うことで鋳型内面にランダムな凹凸を形成する。
パターン化された鋳型内面に対するランダムに均一的に凹凸化することの利点として以下のような点があげられる。
（１）ランダムな凸凹が均一的に付けられた表面では潤滑油の皮膜の分布・厚さが均一になる。
（２）ショットピーニング加工により付けられた凸凹表面では凹部（窪み）が連結されていないため、凹部と溶湯表面の間に存在するエアポケットに入っている空気が抜け出すことができない。鋳造において空気が加熱の影響を受けて膨張することで溶湯が鋳型内面から押し出され、有効接触面積が変化する。その効果は凹部の深さによって変化するので鋳型と溶湯の間の熱伝達を制御できる重要な要因である。
【００２８】
（３）パターン化された表面・ランダムな凸凹表面のいずれにしても凸部はアルミニウムによって合金化され、最初に溶解されることによって凸部の高さが減っていくために熱伝達制御の機能は段々低下する。その機能を復活させるためにはパターン化処理または凸凹処理を再度実施する必要性がある。パターン化された表面の場合、まず、表面に残っている凹部のピックを（例えば研磨で）なくして、滑状態になってから再度パターン化処理を行う。しかしながら、ランダムな凸凹が付けられた表面の場合は凸部がある程度で残っても再び凸凹化処理が問題なく実施できる。さらに、凸凹分布がランダムであるのでその前の凸凹状態の影響は全くない。
【００２９】
上記のようにショットピーニングされた鋳型をＤＣ鋳造に適用することにより、一次冷却速度と潤滑不良による凝固シェルの焼き付けを低下させて、以下の効果を得ることができる。
ガス起因の巣、ブルーホール、リップリング等のビレット表面欠陥をなくす。
鋳造品の表層部組織の層厚を薄くすることができ、その結果として面削量を減らすことができる。
【実施例】
【００３０】
実施例１；
上記の装置と直径８０ｍｍブスターを用い、円筒状の処理チャンバー内に直径３ｍｍのＺｒＯ２ショットを充填率（ショットの体積／チャンバー内の体積）＝０.０６で充填した。
ブスターの先端を振幅６４μｍ（p−p）と周波数２１.７ｋＨｚで振動させながらＤＣ鋳造鋳型（材質：無酸素銅、高さ７０ｍｍ、内径８２ｍｍ）の内面にショットピーニング処理を５分間行った。なお、このとき、ホーン先端は平らなものを用い、チャンバー上部のコーンの角度は４５°であった。
【００３１】
その後、鋳型をＤＣ鋳造装置に取り付けて、以下のとおり鋳造を実施した。
溶解炉内に配置した坩堝内に４Ｃ３２合金の溶湯を用意した。鋳型に潤滑剤の供給を開始した後、溶解炉から鋳型まで溶湯を樋により移送し、鋳造速度３00〜６００ｍｍ／ｍｉｎの条件下でφ８２ビレットを鋳造した。
図７に示されている通り実施例の鋳造回数は３５０ｍｍ／ｍｉｎを２回、４００ｍｍ/ｍｉｎを１回、４５０ｍｍ／ｍｉｎを１回、５００ｍｍ／ｍｉｎを２回とした。
【００３２】
比較例１
実施例１と同一のＤＣ鋳造装置を用いて、それに通常鋳型（高さ７０ｍｍ、内径８２ｍｍ）を取り付けた後、同一の合金のφ８２ビレットを同一の速度で鋳造した。
３５０ｍｍ／ｍｉｎ，４００ｍｍ／ｍｉｎ，４５０ｍｍ／ｍｉｎ，５００ｍｍ／ｍｉｎで、各鋳造速度で２回ずつの測定と平均値をプロットした。
次に各ビレットからサンプルを切り出して、そのマクロ組織とミクロ組織を光学顕微鏡により観察した。その結果に基づいて、表層部組織の層厚を求めた。その結果を鋳造速度の関数として図７に示す。
【００３３】
また、ビレット表面の外観を図８に比較する。
図８に示すように、ショットピーニング加工された鋳型で鋳造されたビレット外観（右）は通常鋳型で鋳造されたビレット外観（左）と比べて大きく異なる。
通常ビレットの表面において粗いリップルマークが残存して、表面外観不良となっている。一方、ショットピーニング加工された鋳型で鋳造されたビレットの表面にはリップルマークが存在しない。
【図１】
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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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【図７】
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【図２】
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【図８】
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