(57)【要約】【課題】  ビレットの全域にわたって結晶粒を均一に微細化できるマグネシウム合金の連続鋳造装置の提供。【解決手段】  マグネシウム合金溶湯１を収納するタンディッシュ２と、タンディッシュの底部に設置した鋳型３と、鋳型内に流入したマグネシウム合金溶湯に上方より超音波振動４を印加する印加ホーン５とを備え、印加ホーンは、先端部６が下方に向かって膨出する曲面形状であり、印加ホーンの先端を鋳型内に位置させている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウム合金溶湯を収納するタンディッシュと、タンディッシュの底部に設置した鋳型と、鋳型内に流入したマグネシウム合金溶湯に上方より超音波振動を印加する印加ホーンとを備え、印加ホーンは、先端部が下方に向かって膨出する曲面形状であり、印加ホーンの先端を鋳型内に位置させていることを特徴とするマグネシウム合金の連続鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウム合金の連続鋳造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネシウム合金は、実用金属中で最も軽く、自動車部品や電気機器部品への利用が進められている。マグネシウム合金を鍛造用素材として適用する場合、素材の加工性を向上するために結晶粒を微細化することが必須である。これまで、結晶粒径が３００〜６００μｍと粗大な鋳造材（ビレット）を鍛造用素材として適用することは極めて困難であり、押出加工等の二次加工を行わなければ、鍛造による成形が可能な所望の結晶粒径（１００μｍ以下）を得ることは不可能であった。そのため、マグネシウム合金の鍛造用素材として、押出棒材が採用されることがほとんどであった。
他方、溶湯の過熱処理や微細化剤の添加等により、ビレットの結晶粒を微細化する試みがなされている。これらの手法により、鍛造加工に適用し得る結晶粒径が得られる可能性はあるものの、前者は鋳造作業時の安全性や設備負荷の増大、後者はビレット内部品質の低下や環境への負荷の増大といった面で問題があった。
【０００３】
特許文献１には、鋳造過程で溶融金属に超音波振動を印加することにより、結晶粒を微細化できることが記載されている。従来、溶融金属に超音波振動を印加するための印加ホーンは、先端が平坦面になっており、このような印加ホーンを用いて超音波振動を印加すると、ビレットの中心部ほど結晶粒が細かくなり、ビレットの全域にわたって均一に微細化できなかった。  
【特許文献１】特開平２−２４７３１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は以上に述べた実情に鑑み、ビレットの全域にわたって結晶粒を均一に微細化できるマグネシウム合金の連続鋳造装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を達成するために、請求項１記載の発明によるマグネシウム合金の連続鋳造装置は、マグネシウム合金溶湯を収納するタンディッシュと、タンディッシュの底部に設置した鋳型と、鋳型内に流入したマグネシウム合金溶湯に上方より超音波振動を印加する印加ホーンとを備え、印加ホーンは、先端部が下方に向かって膨出する曲面形状であり、印加ホーンの先端を鋳型内に位置させていることを特徴とする。ここで、「印加ホーンの先端を鋳型内に位置させている」には、印加ホーンの先端が鋳型の上端又は下端と同一高さである場合も含まれる。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１記載の発明によるマグネシウム合金の連続鋳造装置は、印加ホーンの先端部が下方に向かって膨出する曲面形状であることにより、印加ホーンの先端部全体から超音波振動が周囲に照射され、超音波振動が照射される領域が拡がり、しかも印加ホーンの先端を鋳型内に位置させているので、鋳型内のマグネシウム合金溶湯の凝固界面に対して超音波振動をより均一に照射することができ、その結果ビレットの全域にわたって結晶粒を均一に微細化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明のマグネシウム合金の連続鋳造装置の概要を示す縦断面図であり、図２はこの連続鋳造装置の鋳型近傍を拡大して示す縦断面図である。本連続鋳造装置は、図１に示すように、マグネシウム合金溶湯１を収納するタンディッシュ２と、タンディッシュ２の底部に設置した円筒状の鋳型３と、冷却水ジャケット７と、昇降する受台８とを備えており、受台８の下降によりマグネシウム合金溶湯１を鋳型３から下方に連続的に引き出しながら、冷却水ジャケット７から噴射する冷却水９により凝固させ、円形断面のビレット１０を連続鋳造するものである。鋳型３は、周囲を耐火材１１で保持されている。また鋳型３は、図２に示すように、内周面１５が入口側から出口側に向けて次第に拡径するテーパー面となっており、その内周面１５の下側に逃がし部１６を設けてある。図中の符号１２は、マグネシウム合金溶湯１の凝固界面を示している。
【０００８】
さらに本連続鋳造装置は、超音波振動発生器１３と、超音波振動発生器１３に取付けた印加ホーン５とを備え、印加ホーン５の先端部６から鋳型３内に流入したマグネシウム合金溶湯１に縦方向の超音波振動４を直接印加できるようにしている。印加ホーン５は、先端部６の形状が半球型の円柱形状となっており、材質は鉄鋼製である。印加ホーン５は、中心を鋳型３の中心に一致させて鉛直に設けてあり、昇降装置１４により上下方向に移動可能としてある。このように連続鋳造中における鋳型３内のマグネシウム合金溶湯１に超音波振動４を直接印加することで、鋳型３内のマグネシウム合金溶湯１の凝固核生成が促進され、さらには、おもに結晶粒界に晶出する強固な金属間化合物が破砕されるため、ビレット１０の結晶粒を微細化することができる。
【０００９】
以下に、超音波振動の印加による結晶粒微細化効果を検証するために行った実験の結果を示す。マグネシウム合金は、ＡＺ９１−１％Ｃａマグネシウム合金を用いた。ＡＺ９１−１％Ｃａマグネシウム合金の化学組成は、表１のとおりである。
【表１】
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実験手順は以下のとおりである。電気炉でマグネシウム合金を溶解し、予熱したタンディッシュ内に溶湯１を注ぐ。タンディッシュ２内の溶湯温度が７００℃になった時点で下方への引き出しを開始し、一定の速度で連続鋳造を行った。引出速度は８０ｍｍ／ｍｉｎ、冷却水量は１４．０リットル／ｍｉｎとした。鋳造するビレット１０は、直径Ｄが５５ｍｍ、長さ３００ｍｍとした。照射した超音波振動の共振周波数は１９．５ｋＨｚ、振幅は６．５μｍであった。ビレット１０の組織観察、平均粒径測定は、ビレット中央部付近から切り出した円筒形試料を研磨・エッチングして行った。結晶粒径の測定は、中心と端部を結んだ線分の中点で行った。
【００１０】
上記の鋳造条件で、印加ホーン５の直径ｄと先端部６の形状の違いによる影響を検証するために、直径４０ｍｍで先端部形状が半球型の印加ホーン５、直径３０ｍｍで先端部形状が半球型の印加ホーン５、直径４０ｍｍで先端部形状が平坦型の印加ホーン５、直径３０ｍｍで先端部形状が平坦型の印加ホーン５でそれぞれ超音波振動を印加しながら連続鋳造を行い、鋳造した各ビレット１０の組織観察、平均結晶粒径の測定を行った。印加ホーン５の先端は鋳型３の上端と同一高さとした。実験結果を表２に示す。また図３（ａ）に、直径４０ｍｍで先端部形状が半球型の印加ホーンで超音波振動を印加しながら連続鋳造したビレットのマクロ組織を示し、図３（ｂ）に超音波振動を印加せずに連続鋳造したビレットのマクロ組織を示す。
【表２】
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【００１１】
この実験の結果から、印加ホーン５の直径が大きいものの方が結晶粒がより微細化されること、印加ホーン５の先端部６が半球型のものの方が平坦型のものより結晶粒がより微細化され、尚且つビレットの全域にわたりほぼ均一に微細化されることが分かる。直径４０ｍｍ、先端部形状が半球型の印加ホーン５で超音波振動を印加した場合には、平均結晶粒径が７５μｍにまで微細化され、且つビレットの全域にわたり均一な粒度分布となり、そのまま鍛造用素材として適用可能なビレットが得られた。印加ホーン先端部形状が平坦型の場合に粒度分布がビレット中心部ほど細かくなるのに対して、先端部形状が半球型だと全域にわたって均一に微細化されるのは、超音波振動４は印加ホーン５の底面から垂直方向に照射されるため、印加ホーン先端部６が平坦型だと印加ホーン５の真下の領域にしか超音波振動４が照射されないのに対して、印加ホーン先端部６が半球型の場合は、図２に示すように、半球型の面全体から垂直に超音波振動４が照射され、超音波振動４が照射される領域が拡がり、且つ鋳型３内のマグネシウム合金溶湯１の凝固界面１２に超音波振動４をより均一に照射できるためと考えられる。
【００１２】
次に、印加ホーン５の浸漬深さの違いによるビレットの結晶粒の微細化への影響を検証するため、直径３０ｍｍで先端部形状が半球型の印加ホーン５を使用し、印加ホーン５の先端の位置をＸ＝−５，０，１０，４０ｍｍと変化させて連続鋳造し、鋳造した各ビレットの平均粒径の測定、組織観察を行った。ここで印加ホーン先端位置Ｘは、図２に示すように、鋳型３の内周面１５の下端から印加ホーン５の先端までの距離に相当し、Ｘ＝−５ｍｍのときは印加ホーン５の先端が鋳型３の内周面１５の下端よりも５ｍｍ低い位置にあり、Ｘ＝０ｍｍのときは印加ホーン５の先端が鋳型３の内周面１５の下端と同じ高さにあり、Ｘ＝４０ｍｍのときは印加ホーン５の先端が鋳型３の上端と同じ高さになる。表３に各ビレットの平均粒径の測定結果を示し、図４に各ビレットのミクロ組織を示す。
【表３】
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【００１３】
この実験結果から、印加ホーン５を最も深く浸漬したＸ＝−５ｍｍのときで平均結晶粒径が２４μｍと最も微細化され、印加ホーンを上昇させるにつれて微細化効果が小さくなることが分かる。すなわち、印加ホーン５の先端をマグネシウム合金溶湯１の凝固界面１２に近付けるほど、結晶粒がより微細化される。このように、印加ホーンの浸漬深さの違いにより結晶粒の微細化効果が大きく影響されるため、本連続鋳造装置のように印加ホーンを上下に移動可能とすることで、印加ホーンを上下に移動させて最適な状態で超音波振動を印加できる。
【００１４】
本発明は、以上に述べた実施形態に限定されない。印加ホーンは、鋳型内のマグネシウム合金溶湯に超音波振動を伝えられるものであればよく、材質等は適宜変更することもできる。印加ホーン５の先端部６の形状は、半球型に限らず、図５（ａ）に示すように、印加ホーン５の半径よりも大きい一定の曲率Ｒで湾曲する球面状としたり、図５（ｂ）に示すように、前後方向や左右方向から見て楕円を半分に切ったような形の湾曲面とすることもできる。また印加ホーンは、一定の高さに固定して設けることもできる。鋳型は、内周面がストレートのものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のマグネシウム合金の連続鋳造装置の概要を示す縦断面図である。
【図２】同連続鋳造装置の鋳型近傍を拡大して示す縦断面図である。
【図３】（ａ）は直径４０ｍｍで先端部形状が半球型の印加ホーンで超音波振動を印加しながら鋳造したビレットのマクロ組織を示し、（ｂ）は超音波振動を印加しないで鋳造したビレットのマクロ組織を示している。
【図４】印加ホーン先端位置Ｘを変化させて鋳造したビレットのミクロ組織の写真であって、（ａ）はＸ＝−５ｍｍのもの、（ｂ）はＸ＝０ｍｍのもの、（ｃ）はＸ＝１０ｍｍのもの、（ｄ）はＸ＝４０ｍｍのものである。
【図５】印加ホーン先端部の形状の他の例を示す印加ホーン先端部の正面図である。
【符号の説明】
【００１６】
１  マグネシウム合金溶湯
２  タンディッシュ
３  鋳型
４  超音波振動
５  印加ホーン
６  印加ホーンの先端部
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図３】
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【図４】
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