(57)【要約】【課題】溶質元素を含有する金属の溶湯を一方向凝固させ、凝固方向における溶質元素濃度の分布を調整し、得られる鋳塊の凝固方向において一部に機械的強度等の性能が異なる部分を形成することが可能な鋳造方法及び鋳造装置を提供する。【解決手段】溶質元素を含有する金属の溶湯を鋳型内に充填し、該鋳型中の前記溶湯を一方向凝固させて鋳塊を得る鋳造方法において、前記鋳型内における固液界面近傍の前記溶湯の流速を制御することにより、凝固方向における前記溶質元素の濃度分布を調整した前記鋳塊を得ることを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶質元素を含有する金属の溶湯を鋳型内に充填し、該鋳型中の前記溶湯を一方向凝固させて鋳塊を得る鋳造方法において、
前記鋳型内における固液界面近傍の前記溶湯の流速を制御することにより、凝固方向における前記溶質元素の濃度分布を調整した前記鋳塊を得ることを特徴とする鋳造方法。
【請求項２】
前記鋳型に回転を与え、この回転速度を制御することにより、前記鋳型内における固液界面近傍の前記溶湯の流速を制御することを特徴とする請求項１に記載の鋳造方法。
【請求項３】
前記鋳型内の溶湯を電磁攪拌することにより、前記鋳型内における固液界面近傍の前記溶湯の流速を制御することを特徴とする請求項１に記載の鋳造方法。
【請求項４】
溶質元素を含有する金属の溶湯が充填される鋳型と、この鋳型内の溶湯を冷却する冷却手段と、前記鋳型を加熱する加熱手段と、を備え、前記鋳型内の溶湯を一方向凝固させる鋳造装置において、
前記鋳型内における固液界面近傍の前記溶湯の流速を制御する流速制御手段を備えていることを特徴とする鋳造装置。
【請求項５】
前記流速制御手段は、前記鋳型を回転させるとともにその回転速度を調整可能な鋳型回転手段であることを特徴とする請求項４に記載の鋳造装置。
【請求項６】
前記流速制御手段は、前記鋳型内の溶湯を攪拌する電磁攪拌手段であることを特徴とする請求項４に記載の鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶質元素を含有する金属の溶湯を一方向凝固させて鋳塊を得る鋳造方法及び鋳造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に開示されているように、鋳型の一方側から冷却するとともに鋳型の他方側を加熱して鋳型内の溶湯を一方向凝固させる鋳造方法及び鋳造装置が提案されている。
このようにして鋳造を行うと凝固が一方向に向けて進行することになり、得られる鋳塊において凝固収縮欠陥の発生を防止できる。これにより、一般的な鋳造方法により得られる鋳塊と比べて高温でのクリープ破断強度を格段に向上させることが可能となる。
【０００３】
また、一方向凝固により得られた鋳塊においては、結晶粒が粗大化する傾向にあるため、室温における引張強度及び疲労強度の向上は期待できない。そこで、特許文献２においては、一方向凝固において鋳型に振動又は揺動を加えることにより溶湯を攪拌しながら凝固させる鋳造方法及び鋳造装置が提案されている。これにより、固液界面で成長するデンドライトを分断することで鋳造組織を微細化できるとともに、凝固収縮欠陥のない鋳塊を得ることが可能となる。
【０００４】
ところで、溶質元素を含有する金属が凝固する場合には、いわゆる梃子の原理により溶質元素が固相側から液相側へと移動していき、液相の溶質元素濃度が高くなることが知られている。ここで、上述のように一方向凝固を行った場合には、凝固が一方向に向けて進むために、例えば図５に示すように、凝固開始部分から溶質元素濃度が略一定とされ、最終凝固部の溶質元素濃度が高くなった鋳塊が得られることになる。特に、特許文献２のように溶湯を攪拌した場合には、デンドライトのアーム間にトラップされた液相が排出されることになり、最終凝固部の溶質元素濃度がさらに高くなる。
【特許文献１】特開昭５７−１５６４号公報
【特許文献２】特許第３１９４３５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の一方向凝固によると、前述のように、鋳塊のほとんどが溶質元素濃度が略一定とされ、鋳塊の端部（最終凝固部）に溶質元素が高い部分が形成されることになる。
ところで、例えばシリンダブロック等の部材においては、長手方向の一部分のみが他部材と摺動することになり、この摺動部分のみの耐磨耗性を向上させることで寿命の延長を図ることが可能となる。しかしながら、従来の鋳造方法においては、長手方向の一部分のみの機械的性質を異なるものとした鋳塊を得ることはできない。よって、従来は、部材全体の機械的性質を向上させたものを使用せざるを得なかった。このため、長手方向の一部の性質を変化させた鋳塊が要求されている。
【０００６】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、溶質元素を含有する金属の溶湯を一方向凝固させ、凝固方向における溶質元素濃度の分布を調整し、得られる鋳塊の凝固方向において一部に機械的強度等の性能が異なる部分を形成することが可能な鋳造方法及び鋳造装置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】
この課題を解決するために、本発明に係る鋳造方法は、溶質元素を含有する金属の溶湯を鋳型内に充填し、該鋳型中の前記溶湯を一方向凝固させて鋳塊を得る鋳造方法において、前記鋳型内における固液界面近傍の前記溶湯の流速を制御することにより、凝固方向における前記溶質元素の濃度分布を調整した前記鋳塊を得ることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明に係る鋳造装置は、溶質元素を含有する金属の溶湯が充填される鋳型と、この鋳型内の溶湯を冷却する冷却手段と、前記鋳型を加熱する加熱手段と、を備え、前記鋳型内の溶湯を一方向凝固させる鋳造装置において、前記鋳型内における固液界面近傍の前記溶湯の流速を制御する流速制御手段を備えていることを特徴としている。
【０００９】
この構成の鋳造方法及び鋳造装置においては、一方向凝固が進行している鋳型内における固液界面近傍の溶湯の流速が調整されているので、固液界面に存在する溶質元素の拡散層の厚さを変化させることが可能となる。詳述すると、固液界面近傍の溶湯の流速を小さくすると拡散層の厚さが厚くなり、流速を大きくすると拡散層の厚さが薄くなるのである。ここで、拡散層の厚さが厚い場合には、溶質元素の固相から液相への拡散移動が妨げられ、固相と液相との溶質元素濃度の差が小さくなる。一方、拡散層の厚さが薄い場合には、溶質元素の固相から液相への拡散移動が容易となり、固相と液相との溶質元素濃度の差が大きくなる。
このように、鋳型内における固液界面近傍の溶湯の流速が調整することで、前記固液界面近傍における前記溶質元素の濃度を変化させることが可能となり、凝固方向における溶質元素濃度の分布を変化させた鋳塊を得ることができる。
【００１０】
ここで、前記流速制御手段を、前記鋳型を回転させるとともにその回転速度を調整可能な鋳型回転手段とし、前記鋳型に回転を与え、この回転速度を調整することにより、前記鋳型内における固液界面近傍の前記溶湯の流速を調整するように構成してもよい。
この場合、鋳型を回転させることで鋳型内における固液界面近傍の溶湯に流速を付与して前記流速を調整することが可能となる。
【００１１】
また、前記流速制御手段を、前記鋳型内の溶湯を攪拌する電磁攪拌手段とし、鋳型内の溶湯を電磁攪拌することにより、前記鋳型内における固液界面近傍の前記溶湯の流速を調整するように構成してもよい。
この場合、鋳型内の溶湯を電磁攪拌することで鋳型内における固液界面近傍の溶湯の流速を調整することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、溶質元素を含有する金属の溶湯を一方向凝固させ、凝固方向における溶質元素濃度の分布を調整し、得られる鋳塊の凝固方向の一部に機械的強度等の性能が異なる部分を形成することが可能な鋳造方法及び鋳造装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の第１の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１に、本発明の鋳造装置を示す。
本実施形態である鋳造装置１０は、金属の溶湯が収容される鋳型１１と、この鋳型１１が載置されるチルプレート１２と、鋳型１１の周囲を包囲して鋳型１１内の溶湯を加熱する加熱炉１３と、鋳型１１内の溶湯を冷却する冷却装置１４とを備えている。
【００１４】
本実施形態では、鋳型１１は概略円筒状をなしており、円柱状の鋳塊を得るものである。なお、鋳型１１の材質は、鋳造する金属や溶湯温度等の鋳造条件を考慮して適宜選択することが好ましい。
鋳型１１が載置されるチルプレート１２は、図１において上下方向に進退可能、かつ、回転可能なシャフト１５に接続されており、このシャフト１５の上下動及び回転動作に伴ってチルプレート１２及び鋳型１１が上下動及び回転するように構成されている。なお、チルプレート１２には、冷却水が流通される冷却配管（図示なし）が設けられている。
シャフト１５には、接続された鋳型１１及びチルプレート１２をシャフト１５の軸線を中心として回転させる回転駆動装置１６と、その回転速度を制御する制御部１７とが設けられている。
【００１５】
これらチルプレート１２及び鋳型１１が上下動する移動空間の外周側に、加熱炉１３と冷却装置１４とが上下方向に連設されている。詳述すると、チルプレート１２及び鋳型１１の移動空間の上方部分に、概略円筒状をなす加熱炉１３が配設され、その下方側に冷却装置１４が設けられている。
加熱炉１３には、その内周側に配置された鋳型１１を加熱するための誘導コイル（図示なし）が配設されている。加熱炉１３の下端部分にはフランジ部１８が設けられており、加熱炉１３の架台１９の上面とフランジ部１８の下面とが密着させられることで、加熱炉１３内部の熱が下方へ伝達されないような構成とされている。
冷却装置１４は、冷却水が流通する冷却配管がリング状に配置されており、内周側に位置する鋳型１１を冷却することが可能な構成とされている。
【００１６】
このような構成とされた鋳造装置１０においては、鋳型１１内に溶質元素を含有する合金の溶湯が充填され、加熱炉１３によって溶湯温度が例えば７２０℃に調整される。チルプレート１２及び冷却装置１４に冷却水が流通された状態で、シャフト１５を下方へと移動し、チルプレート１２及び鋳型１１を下方へと移動する。すると、チルプレート１２及び鋳型１１が、加熱炉１３から出て冷却装置１４側へと移動し、鋳型１１内の溶湯がチルプレート１２と鋳型１１との接触面から冷却されて凝固が開始される。この状態において、鋳型１１のうち加熱炉１３内部に配置されている部分では例えば７００℃とされて、鋳型１１内の合金は完全に液相Ｌ状態に保たれる。このようにして、図２に示すように、鋳型１１内部には、固相Ｓと液相Ｌとこれらの界面部分に位置する拡散層Ｄとが存在することになる。
【００１７】
このようにチルプレート１２及び鋳型１１を下方へと移動して一方向凝固を行う際には、回転駆動装置１６によってチルプレート１２及び鋳型１１が回転させられる。この回転速度は制御部１７によって調整される。これにより、鋳型１１内における固液界面近傍の溶湯の流速が調整されることになる。
【００１８】
ここで、鋳型１１の回転速度、つまり固液界面近傍の溶湯の流速を角速度ωとし、拡散係数をＤ、動粘性係数をνとすると、固液界面に存在する溶質元素の拡散層Ｄの厚さδは、以下の（１）式で表現されることが知られている。
δ  ＝  ２２／３×Ｄ１／３×ν１／６×ω−１／２    …（１）
（１）式によれば、角速度ω（固液界面近傍の溶湯の流速）が大きいと拡散層Ｄの厚さδが薄くなり、角速度ω（固液界面近傍の溶湯の流速）が小さいと拡散層Ｄの厚さδが厚くなることが分かる。
【００１９】
拡散層Ｄの厚さδが厚いと溶質元素の固相Ｓから液相Ｌへの拡散移動が妨げられ、固相Ｓと液相Ｌとの溶質元素濃度の差が小さくなり、拡散層Ｄの厚さδが薄いと溶質元素の固相Ｓから液相Ｌへの拡散移動が容易となって、固相Ｓと液相Ｌとの溶質元素濃度の差が大きくなる。
よって、一方向凝固を行う間に、前記鋳型１１の回転速度を調整することにより、凝固方向の一部に溶質元素濃度の高い部分を意図的に発生させることが可能となる。
【００２０】
詳述すると、凝固開始から鋳型１１の回転速度を例えば２０ｒｐｍ程度とし、拡散層Ｄの厚さδを薄くして溶質元素を液相Ｌ側へと排出し、溶質元素濃度の低い固相Ｓを成長させていく。所定の長さだけ鋳型１１を下側へ移動させた時点で、鋳型１１の回転速度を例えば０．２ｒｐｍ以下に低下させ、拡散層Ｄの厚さδを厚くし、固相Ｓから液相Ｌへの溶質元素濃度の排出を抑制する。その後、鋳型１１の回転速度を例えば２０ｒｐｍ程度に戻し、鋳型１１の下降を行う。こうすることで、図３に示すように、凝固方向の一部に溶質元素濃度が高くされた部分を有する鋳塊を得ることができるのである。
【００２１】
このように、本実施形態である鋳造装置１０を用いた鋳造方法によれば、一方向凝固が進行している鋳型１１内における固液界面近傍の溶湯の流速を調整することで、固液界面に存在する溶質元素の拡散層Ｄの厚さδを変化させ、固相Ｓ部分の溶質元素濃度を調整することが可能となり、凝固方向における溶質元素濃度の分布を調整した鋳塊を得ることができる。
【００２２】
また、本実施形態では、鋳型１１を回転させる回転駆動装置１６が設けられているので、鋳型１１の回転速度を制御することで固液界面に存在する溶質元素の拡散層Ｄの厚さδを調整することができ、凝固方向における溶質元素濃度の分布を調整した鋳塊を得ることができる。
さらに、本実施形態では、回転駆動装置１６が上下動するシャフト１５に設けられているので、シャフト１５（鋳型１１及びチルプレート１２）の下降量、つまり鋳型１１内での固相Ｓの成長量に応じて回転速度を制御することが可能となり、さらに精度良く溶質元素濃度の調整を行うことができる。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図４に、本発明の第２の実施形態である鋳造装置を示す。
この鋳造装置２０においては、加熱炉２３の下側部分に電磁攪拌装置２６が設けられており、鋳型２１内部の溶湯を任意の速度で攪拌することが可能な構成とされている。
【００２４】
この構成の鋳造装置２０においては、鋳型２１内に溶質元素を含有する合金の溶湯が充填され、加熱炉２３によって溶湯温度が例えば７２０℃に保持され、チルプレート２２及び冷却装置２４に冷却水が流通された状態で、チルプレート２２及び鋳型２１が下方へと移動される。これにより、チルプレート２２及び鋳型２１が加熱炉２３から出て冷却装置２４側へと移動し、鋳型２１内の溶湯がチルプレート２２と鋳型２１との接触面から冷却されて凝固が開始する。こうして、鋳型２１内部には固相Ｓと液相Ｌとこれらの界面部分に位置する拡散層Ｄとが存在することになる。なお、本実施形態においては、固相Ｓと液相Ｌの凝固界面が電磁攪拌装置２６近傍に位置するように、下降速度及び冷却条件が調整されている。
【００２５】
チルプレート２２及び鋳型２１を下方へと移動して一方向凝固が進行する際には、電磁攪拌装置２６によって鋳型２１内の溶湯が攪拌され、固液界面近傍の溶湯の速度が調整される。
本実施形態である鋳造装置２０を用いた鋳造方法によれば、一方向凝固が進行している鋳型２１内における固液界面近傍の溶湯の流速を調整することで、固液界面に存在する溶質元素の拡散層Ｄの厚さδを変化させ、固相Ｓ部分の溶質元素濃度を調整することが可能となり、凝固方向における溶質元素濃度の分布を調整した鋳塊を得ることができる。
【００２６】
また、本実施形態では、鋳型２１内の溶湯を攪拌する電磁攪拌装置２６が設けられているので、電磁攪拌の出力を制御することで固液界面に存在する溶質元素の拡散層Ｄの厚さδを調整することができ、凝固方向における溶質元素濃度の分布を調整した鋳塊を得ることができる。
【００２７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、加熱炉を固定し、チルプレート及び鋳型を下方へと移動する構成のものとして説明したがこれに限定されることはなく、チルプレート及び鋳型を固定して加熱炉を上方へと移動させてもよい。つまり、加熱炉と鋳型とが相対的に離間するように構成され、一方向凝固を行うことが可能な構成とされていればよい。
【００２８】
また、鋳型を概略円筒状をなすものとして説明したが、これに限定されることはなく、鋳型の形状は任意に設計することができる。
さらに、この鋳造装置の鋳型内に重点される金属としては、特に限定はなく、溶質元素を含有する金属であれば良い。なお、溶質元素が重元素である場合には、固液界面の溶湯の流速によって溶質元素濃度が変化しやすいため、特に効果的である。
また、加熱炉として誘導コイルを備えたものとして説明したが、これに限定されることはなく、抵抗加熱炉等であってもよい。
【実施例】
【００２９】
以下に、第１の実施形態である鋳造装置による鋳造結果を、具体的な実施例として説明する。
溶質元素を含有する合金としてＡｌ−１０％Ｓｉ合金を用いた。鋳型は、内径１００ｍ，外径１２０ｍｍ、高さ３００ｍｍのアルミナ坩堝とした。この鋳型をチルプレートの上に載置し、加熱炉内に配置した。加熱炉によって鋳型が７２０℃以上に加熱され、この加熱された鋳型内にＡｌ−１０％Ｓｉ合金の溶湯を注ぎ入れ、チルプレート及び鋳型を徐々に下降させて一方向凝固を行った。
【００３０】
このとき、凝固開始時点から回転速度２０ｒｐｍで鋳型を回転しつつ下降させていき、約１５０ｍｍ下降した時点で鋳型の回転を中止したまま鋳型を２０ｍｍだけ下降させた。その後、再度、回転速度２０ｒｐｍで鋳型を回転しつつ下降させた。
このようにして得られた鋳塊を分析した結果、鋳型の回転を中止した部分にのみＳｉ濃度が高い部分が形成されており、凝固方向の一部にＳｉ濃度が異なる部分を有する鋳塊を得ることが可能であることが分かった。このようにして、一部に機械的特性（引張強度、硬さ等）が異なる部分を有する鋳塊を得ることができることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施形態である鋳造装置の概略説明図である。
【図２】図１に示す鋳造装置における鋳型内の固相と液相との界面近傍の拡大説明図である。
【図３】本発明の実施例である鋳造方法によって得られた鋳塊の溶質元素濃度分布図である。
【図４】本発明の第２の実施形態である鋳造装置の概略説明図である。
【図５】従来の一方向凝固によって得られた鋳塊の溶質元素濃度分布図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０、２０  鋳造装置
１１、２１  鋳型
１２、２２  チルプレート（冷却手段）
１３、２３  加熱炉（加熱手段）
１４、２４  冷却装置（冷却手段）
１６  回転駆動装置（鋳型回転手段）
２６  電磁攪拌装置（電磁攪拌手段）
【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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