(57)【要約】【課題】電磁振動鋳造における温度制御方法及び電磁振動鋳造装置を提供する。【解決手段】溶融金属材料に電磁振動力を付与しながら冷却凝固させて、微細晶出物を生成させる電磁振動鋳造方法において、電磁振動鋳造時の温度制御パターンを、金属材料の融点以上５０℃〜５００℃の高温まで昇温し、その最高温度で電磁振動の印加を開始するように制御することを特徴とする温度制御方法、及びその電磁振動鋳造装置。【効果】材料の成分や種類に依存することなく、金属材料の晶出物の微細化を図ることができる電磁振動鋳造における温度制御技術を提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属材料に電磁振動力を付与しながら冷却凝固させて、微細晶出物を生成させる電磁振動鋳造方法において、電磁振動鋳造時の温度制御パターンを、金属材料の融点以上５０℃〜５００℃の高温まで昇温し、その最高温度で電磁振動の印加を開始するように制御することを特徴とする温度制御方法。
【請求項２】
電磁振動鋳造時の温度制御パターンにおいて、高温からの冷却時に、微細化の対象となる晶出物が晶出しないように、一旦晶出温度直上まで電磁振動を印加したまま冷却速度（Ｖｂ１）で冷却し、晶出開始後の温度域では、電磁振動を印加したまま冷却速度（Ｖｂ２）で冷却する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
電磁振動力として、直流磁場と交流電場の同時印加により発生する電磁振動力を印加する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
電磁振動力が、磁場強度２〜１０Ｔ、電磁振動電流３〜１０Ａ、電磁振動周波数１００〜５０００Ｈｚである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
金属材料が、金属、合金又は電気伝導性を有する材料である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項６】
晶出物が、金属材料の母相結晶粒、金属間化合物、準結晶、アモルファス相、又は金属ガラス相である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項７】
電磁振動鋳造に使用する鋳造装置であって、金属材料の保持容器、該金属材料の加熱溶融手段、電磁振動発生及び印加手段、溶融金属材料を冷却する冷却手段、温度計測及び制御手段を具備し、溶融金属に電磁振動力を付与しながら冷却凝固させて、微細晶出物が生成するようにしたことを特徴とする電磁振動鋳造装置。
【請求項８】
電磁振動発生手段が、超伝導マグネットである、請求項７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、電磁振動鋳造における温度制御方法に関するものであり、更に詳しくは、電磁振動鋳造における電磁力の効果を向上させることができる温度制御方法及び電磁振動鋳造装置に関するものである。本発明は、電磁振動鋳造における電磁振動力を利用した金属材料の組織微細化方法を改良して晶出物の微細化を更に向上させることを可能とする新しい電磁振動鋳造技術を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属材料の組織微細化は、機械的性質向上、耐食性向上、耐摩耗性向上などに対して有効な手段であり、これまでに、多くの研究及び開発が実施されている。従来の金属組織の微細化の手法としては、例えば、加工熱処理、液相からの急冷法、微細化剤の添加などがある。
【０００３】
これらのうち、加工熱処理では、圧延や押出しなどの強加工後に熱処理を施すことにより組織を微細化するが、強化加工後の熱処理によって、金属の再結晶と同時に粗大化する恐れがある。また、液相からの急冷法では、試料全体を均一に冷却することが困難であるので、得られる試料サイズの制約が大きい。更に、微細化剤の添加では、凝固時に生成する固体金属粒子の核の作用を微細化剤が担うが、微細化剤が有効に作用するためには、微細化剤と固体結晶粒子との間に結晶学的な近似関係が必要である。
【０００４】
晶出物を微細化する方法の具体的事例として、例えば、微細化剤の添加方法に関する先行技術では、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金の鋳造時に生じるＭｇ−Ｓｉ晶出物を微細化するために、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｂのいずれか一種の元素を添加し、鋳造性、靭性に優れた鋳造用アルミニウム合金が開発されている（特許文献１）。
【０００５】
また、電磁攪拌力を利用して化合物の微細化を図る試みもされており、針状金属間化合物の微細化を目的として、溶湯のＡｌ合金組成を特定することによって、硬質の１次晶出物を晶出させ、この１次晶出物と電磁攪拌力とを組み合わせることで、初晶αのみならず、高融点の針状金属間化合物をも微細化し得るようにした方法が開発されている（特許文献２）。
【０００６】
以上のように、従来の微細化の手法では種々の問題が挙げられるが、このような問題を回避する新しい手段として、電磁振動鋳造がある。該電磁振動鋳造は、直流磁場と交流磁場を同時に併用することにより、電磁振動力を発生させ、その下で溶融金属を凝固させることを特徴としている。
【０００７】
即ち、上述のような、合金系によらず、また、攪拌力を使用しない材料創製技術として、電磁振動力の利用が注目されている。本発明者らは、例えば、Ａｌ−１７％Ｓｉ合金に対して、凝固進行中の合金に電磁振動力を付与することで、初晶Ｓｉを微細化することに成功している（特許文献３）。また、冷却速度に依存しない金属ガラス作製方法として、溶融金属に電磁振動力を付与しながら凝固させることにより、単相の金属ガラス又はガラス層全体に微結晶が均一に分散した金属ガラス体の製造に成功している（特許文献４）。
【０００８】
しかし、微細化剤の添加による晶出物の微細化は、対象となる合金系に対して微細化剤が限定されており、金属の種類によっては適切な微細化剤が得られない場合がある。このため、金属の成分や種類に依ることなく金属組織の微細化を可能とする微細化の手法が必要である。また、電磁攪拌のように、攪拌力を利用した方式では、固相率が３０％を超えると、粘性が急速に増加し、固液共存体中に周囲の雰囲気が大量に巻き込まれ、使用に耐える金属素材が製造できなくなるという問題がある。
【０００９】
電磁振動力を利用することにより、従来法とは異なる手法で組織微細化、あるいは金属ガラスを形成することが可能になっているが、電磁振動力の効果を更に向上させる技術が求められている。即ち、上記のように、電磁振動力の利用は、材料創製技術に多大な可能性を与えるものであり、その効果をより向上させて晶出物の微細化を更に向上させることが求められている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−１４７４７０号公報
【特許文献２】特開平１１−２８５７９３号公報
【特許文献３】特開平１１−９０６１５号公報
【特許文献４】特開２００５−１２０４７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、電磁振動鋳造における温度制御技術に関して鋭意検討を重ねた結果、電磁振動力の効果を向上させて晶出物の微細化を更に向上させることのできる温度制御技術を開発することに成功し、本発明を完成するに至った。本発明は、電磁振動鋳造における温度制御方法における電磁振動力の効果を向上させて晶出物の微細化を更に向上させることのできる温度制御方法、該温度制御方法を用いた電磁振動鋳造方法及びその装置を提供することを目的とするものである
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）溶融金属材料に電磁振動力を付与しながら冷却凝固させて、微細晶出物を生成させる電磁振動鋳造方法において、電磁振動鋳造時の温度制御パターンを、金属材料の融点以上５０℃〜５００℃の高温まで昇温し、その最高温度で電磁振動の印加を開始するように制御することを特徴とする温度制御方法。
（２）電磁振動鋳造時の温度制御パターンにおいて、高温からの冷却時に、微細化の対象となる晶出物が晶出しないように、一旦晶出温度直上まで電磁振動を印加したまま冷却速度（Ｖｂ１）で冷却し、晶出開始後の温度域では、電磁振動を印加したまま冷却速度（Ｖｂ２）で冷却する、前記（１）に記載の方法。
（３）電磁振動力として、直流磁場と交流電場の同時印加により発生する電磁振動力を印加する、前記（１）又は（２）に記載の方法。
（４）電磁振動力が、磁場強度２〜１０Ｔ、電磁振動電流３〜１０Ａ、電磁振動周波数１００〜５０００Ｈｚである、前記（３）に記載の方法。
（５）金属材料が、金属、合金又は電気伝導性を有する材料である、前記（１）又は（２）に記載の方法。
（６）晶出物が、金属材料の母相結晶粒、金属間化合物、準結晶、アモルファス相、又は金属ガラス相である、前記（１）又は（２）に記載の方法。
（７）電磁振動鋳造に使用する鋳造装置であって、金属材料の保持容器、該金属材料の加熱溶融手段、電磁振動発生及び印加手段、溶融金属材料を冷却する冷却手段、温度計測及び制御手段を具備し、溶融金属に電磁振動力を付与しながら冷却凝固させて、微細晶出物が生成するようにしたことを特徴とする電磁振動鋳造装置。
（８）電磁振動発生手段が、超伝導マグネットである、前記（７）に記載の鋳造装置。
【００１３】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、溶融金属材料に電磁振動力を付与しながら冷却凝固させて、微細晶出物を生成させる電磁振動鋳造方法において、電磁振動鋳造時の温度制御パターンを、金属材料の融点以上５０℃〜５００℃の高温まで昇温し、その最高温度で電磁振動の印加を開始するように制御することを特徴とするものである。また、本発明は、該方法に使用する電磁振動鋳造装置の点に特徴を有するものである。
【００１４】
本発明の電磁振動鋳造における温度制御方法は、以下の技術的手段からなる。この温度制御方法に関して、図１を用いて詳述する。第一としては、本発明は、金属材料の昇温に関する方法として、電磁振動鋳造の加熱溶融時に、材料の融点以上５０℃〜５００℃の高温まで昇温し、最高温度で電磁振動の印加を開始する。これは、材料の融点のより高温で電磁振動を印加することにより、晶出物の核の生成・成長を抑制することを狙いとしている。
【００１５】
上記温度制御方法において、加熱時の最高温度は、より高温であることが好適であるが、材料の融点より５００℃以上の高温になると、材料の気化が顕著に起こり、融点から５０℃までの温度範囲では、核の生成・成長抑制に対する影響が小さくなる。図１中のＴｍは、融点であり、Ｔ１よりもＴ２で電磁振動を印加する方が、晶出物の核の生成・成長の抑制効果が大きいと考えられる。
【００１６】
第二としては、本発明は、昇温した材料の冷却に関する方法であり、装置の冷却能が同じである場合、例えば、図１中のＴ２まで昇温した場合に、冷却速度Ｖｃで冷却すると、Ｔ１からの冷却時の冷却速度Ｖａと比較して小さい冷却速度となることで晶出物が成長しやすくなり、高温で電磁振動を印加することの効果が軽減される。
【００１７】
そこで、本発明の方法では、Ｔ２で溶解した材料の凝固時に、微細化の対象となる晶出物が晶出しないように、一旦晶出温度直上まで電磁振動を印加したまま冷却速度Ｖｂ１で冷却し、晶出開始後の温度領域では、冷却速度Ｖｂ２で冷却する。このように、ステップ状の温度制御パターンにより温度制御を実施することにより、晶出開始後の温度域で、従来法ではＶｃという小さい冷却速度しか得られなかったものを、Ｖａと同等の冷却速度となるＶｂ２で冷却が可能となり、高温で電磁振動を印加することの効果を維持することが可能となる。
【００１８】
なお、本発明では、Ｖｂ２の温度制御を適切に実施することができれば、冷却速度Ｖｂ１の大きさは特に限定されるものではない。また、微細な晶出物を形成するためには、冷却速度Ｖｂ２が大きいことが好ましい。
【００１９】
本発明で使用する鋳造装置は、金属材料の保持容器、該金属材料の加熱溶融手段、電磁振動発生及び印加手段、溶融金属を冷却する冷却手段、温度計測及び制御手段を具備し、溶融金属に電磁振動力を付与しながら凝固させて、微細晶出物を生成するようにしたことを特徴とするものである。また、本装置は、電磁振動発生手段が、好適には、超伝導マグネットであることを好ましい実施の態様としている。
【００２０】
なお、材料の晶出温度に関しては、ＤＳＣ、ＴＧ／ＤＴＡ等の熱分析を実施した際に得られる、吸熱・発熱ピークより容易に求めることができる。また、本発明の電磁振動力としては、好適には、例えば、直流磁場と交流電場の同時印加により発生する電磁振動力が用いられるが、これに制限されるものではなく、これと同様の効果をもたらすものであれば、同様に適用可能である。
【００２１】
本発明では、例えば、保持容器に試料の金属材料を固定し、これを、例えば、加熱溶融手段の外部ヒーターで融点以上５０℃〜５００℃の高温まで加熱溶解した後、超伝導マグネット等により電磁振動を所定時間印加し、外部ヒーターの出力を調整することにより、晶出温度直上まで冷却し、その後、水を吹きかけること等により水冷を行う。この場合、電磁振動力として、好適には、例えば、磁場強度２〜１０Ｔ、電磁振動電流３〜１０Ａ、電磁振動周波数１００〜５０００Ｈｚが例示されるが、これらは、金属材料の種類等に応じて最適条件に任意に設定することが可能である。
【００２２】
本発明で対象とする金属材料とは、金属、合金及び電気伝導性を有する他の材料を含むものとして定義され、狭義の金属に限らず、金属と同等もしくは類似のあらゆる種類の電気伝導性を有する材料であれば、同様に適用対象とされる。その具体的例としては、金属間化合物、無機化合物（ホウ化物、炭化物、酸化物、ケイ化物、リン化物）などが例示される。本発明において、晶出物とは、例えば、金属材料の母相結晶粒、金属間化合物、準結晶、アモルファス相、金属ガラス相などであるが、液相からの晶出物に対しては全てが対象となる。
【００２３】
したがって、本発明では、合金の種類や組成を選択することにより、微細化の対象となる晶出物を自由に設計し、提供することが可能となる。本発明では、上記温度制御方法を用いて、電磁振動鋳造方法により、溶融金属材料に電磁振動を付与しながら冷却凝固させて、晶出物の組織微細化に伴い、金属材料の機械的性質等を向上させた金属材料の製造方法を提供できる。本発明によって得られる試料の断面形状は、保持容器の形状を変更する、凝固時に試験片を加圧する、又は、その後の塑性加工を施す、といった手段により、円柱状、直方体状、又はスラブ状などに適宜設定乃至変更することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明により、次のような作用効果が奏される。
（１）電磁振動鋳造における温度制御手段を提供することができる。
（２）本発明により、電磁振動力を利用した晶出物の微細化を更に向上させることができる。
（３）本発明による晶出物の組織微細化に伴い、金属材料の機械的性質、耐摩耗性、耐食性のみならず、電気伝導特性、熱電特性といった電磁気的性質、水素透過特性、水素吸蔵性、触媒作用といった化学的性質の向上が見込まれる。
（４）本発明は、例えば、高温強度が必要となるピストン、シリンダブロック、シリンダヘッド、耐摩耗性が必要となるバルブ系統部品、ギア、カムシャフト、耐食性が必要となる呼気系軸受、燃料噴出ポンプなどの自動車用部品に適用可能である。
（５）本発明は、上記自動車用部品に限らず、他の構造用機械部品、電気・電子機器部品、医療機器部品などに対しても、材料組織微細化に伴う機能が発現する場合、適用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００２６】
（１）実験方法
本実施例では、表１に示す条件で、（Ａ）改良前と（Ｂ）改良後（開発手法）の２種の温度制御方法の比較により、本発明の方法の有効性を確認するための実験を実施した。２種の方法の共通条件として、組成をＡｌ９４．９６Ｆｅ１．６８Ｃｒ２．２４Ｔｉ０．５６Ｃｏ０．５６、磁場強度を１０Ｔ、交流電流を５Ａ、交流電流周波数を５０ｋＨＺ、試料の最高温度での保持時間を１２０ｓｅｃとし、昇温完了の６０ｓ後より電磁振動印加を開始し、凝固完了時まで振動印加を続けた。
【００２７】
ただし、（Ａ）改良前の方法では、最高温度を１２００℃とし、１２０ｓｅｃ保持後、直ちに水を吹きかけることにより水冷を実施するのに対し、（Ｂ）改良後の本発明の方法では、最高温度を１３００℃として、本合金の晶出温度直上である１２００℃まで１５０℃／ｍｉｎで徐冷した後、改良前の方法と同じ水冷冷却速度となるように、水冷を実施した。以上の２種の方法の組織比較により、本発明の方法の有効性を確認した。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
（２）実験結果
図２に、２種の温度制御方法で電磁振動鋳造を実施した試料の電子顕微鏡組織写真を示す。本発明の方法を用いて作製した改良後の組織は、改良前の組織と比較して、晶出物が微細に形成されていることが分かる。このことより、融点以上のより高温で電磁振動を印加し、晶出物の晶出温度直上より冷却することにより、晶出物の生成・成長を抑制できることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
以上詳述したように、本発明は、材料の成分や種類に依存することなく、晶出物の微細化を図ることができる電磁振動鋳造における温度制御方法に係るものであり、本発明により、電磁振動鋳造における電磁振動力を利用した晶出物の微細化を更に向上させることができる。本発明による晶出物の組織微細化に伴い、金属材料の機械的性質向上、耐摩耗性向上、耐食性向上が見込まれ、本発明は、例えば、高温強度が必要となる自動車エンジン部品、モーター周囲部品、耐摩耗性が必要となる自動車ミッション部品などに好適に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】電磁振動鋳造における温度制御方法を示す。
【図２】温度制御方法の異なる電磁振動鋳造材の電子顕微鏡組織を示す。
【図１】
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【図２】
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