(57)【要約】【解決手段】非樹枝状半凝固金属合金スラリーから金属部品を製造するための装置及び方法であって、従来の金属製ロッド撹拌子と同等に機能し、且つ表面濡れ性が非常に低いという更なる利点を有するグラファイト撹拌子を用いることを含み、それによって、金属スラリーから撹拌子を抜き去った後に形成される金属合金の被膜を除去することに伴う労力及び費用をなくす、又は少なくとも実質的に低減させる装置及び方法。更に本発明は、非樹枝状半凝固金属スラリーから金属部品を製造するための改良された装置及び方法であって、第１槽で撹拌することによってスラリーを生成した後、このスラリーを撹拌せずに引き続き冷却して固形分量を増加させるための冷却槽に移送し、それによって、スラリーのより急速な冷却及び生産率の向上を達成することを可能とする装置及び方法を提供する。
2006519704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体金属合金組成物から金属部品を製造するための方法であって、
固体物質を含まない液体金属合金組成物を生成することと、
ある量の前記液体金属合金組成物を保持槽内に配置することと、
グラファイト撹拌子を前記保持槽内の前記液体金属合金組成物中に挿入することと、
前記金属合金組成物を冷却しながら前記液体金属合金組成物を前記グラファイト撹拌子で撹拌することによって、凝固を開始させ非樹枝状半凝固スラリーを形成することと、
前記スラリーの固形分量が約１重量％〜約２０重量％の値まで上昇した後に、撹拌を停止して前記グラファイト撹拌子を前記非樹枝状半凝固スラリーから取り出すことと、
前記非樹枝状半凝固スラリーを、固形分量が約１０％〜約６５％の値に上昇するまで撹拌せずに冷却することと、
固形分量が約１０％〜約６５％の前記非樹枝状半凝固スラリーを部品成形装置に移送して、移送された前記材料を所望の金属部品に成形することと、
を含む方法。
【請求項２】
前記非樹枝状半凝固スラリーの冷却が、固形分量が約１重量％〜約２０重量％の前記非樹枝状半凝固スラリーを冷却槽に移送することと、前記冷却槽内で前記スラリーを冷却することとによって達成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記冷却槽の壁が、鋼及びステンレス鋼から選択される材料から作製されている、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記冷却槽の壁がグラファイトで作製されている、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記冷却槽の壁に沿って空気が吹き込まれる、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記冷却槽の内壁に非濡れ性又は低濡れ性の被覆が施されている、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記被覆が窒化ホウ素被覆である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記液体金属合金組成物が、前記金属合金組成物の初期温度及び前記撹拌子の抜熱速度に基づき所定の時間だけ撹拌される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
後段で金属部品に成形するための非樹枝状半凝固金属合金スラリーを液体状態から直接製造するための装置であって、
金属合金組成物を収容するための槽と、
前記金属組成物を急速に冷却しながら対流を誘起することによって、凝固及び前記金属合金組成物中において非樹枝状固体粒子の形成を開始させるためのグラファイト撹拌子と、
を備える装置。
【請求項１０】
更に別の冷却槽を備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記冷却槽の壁が、鋼及びステンレス鋼から選択される材料から作製されている、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記冷却槽の壁がグラファイトで作製されている、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記冷却槽の内壁に非濡れ性又は低濡れ性の被覆が施されている、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記被覆が窒化ホウ素被覆である、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
液体金属合金組成物から金属部品を製造するための方法であって、
固体物質を含まない液体金属合金組成物を生成することと、
ある量の前記液体金属合金組成物を保持槽に移送することと、
撹拌子を前記保持槽内の前記液体金属合金組成物中に挿入することと、
前記保持槽内の前記液体金属合金組成物を冷却しながら前記保持槽内の前記液体金属合金組成物を撹拌子で撹拌することによって、凝固を開始させ非樹枝状半凝固スラリーを形成することと、
固形分量が約１重量％〜約２０重量％の値まで上昇した後に、撹拌を停止して前記撹拌子を前記非樹枝状半凝固スラリーから取り出すことと、
固形分量が約１重量％〜約２０重量％の前記スラリーを冷却槽に移送して、固形分量が約１０重量％〜約６５重量％の値に上昇するまで前記スラリーを撹拌せずに冷却することと、
固形分量が約１０％〜約６５％の前記非樹枝状半凝固スラリーを部品成形装置に移送して、移送された前記材料を所望の金属部品に成形することと、
を含む方法。
【請求項１６】
前記冷却槽の壁が、鋼及びステンレス鋼から選択される材料から作製されている、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記冷却槽の壁がグラファイトで作製されている、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記冷却槽の壁に沿って空気が吹き込まれる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記冷却槽の内壁に非濡れ性又は低濡れ性の被覆が施されている、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記被覆が窒化ホウ素被覆である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記液体金属合金組成物が、前記金属合金組成物の初期温度及び前記撹拌子の抜熱速度に基づき所定の時間だけ撹拌される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
後段で金属部品に成形するための非樹枝状半凝固金属合金スラリーを液体状態から製造するための装置であって、
金属合金組成物を収容するための槽と、
前記金属組成物を急速に冷却しながら対流を誘起することによって、前記金属合金組成物中において、凝固及び非樹枝状固体粒子の形成を開始させるための撹拌子と、
前記スラリーを更に冷却して、スラリーの固形分量を増加させるための冷却槽と、
を備える装置。
【請求項２３】
前記冷却槽の壁が、鋼及びステンレス鋼から選択される材料から作製されている、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記冷却槽の壁がグラファイトから作製されている、請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記冷却槽の内壁に非濡れ性又は低濡れ性の被覆が施されている、請求項２３に記載の装置。
【請求項２６】
前記被覆が窒化ホウ素被覆である、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
液体金属合金組成物から金属部品を製造するための方法であって、
固体物質を含まない液体金属合金組成物を生成することと、
ある量の前記液体金属合金組成物を保持槽内に配置することと、
撹拌子を前記保持槽内の前記液体金属合金組成物中に挿入することと、
前記金属合金組成物を冷却しながら前記液体金属合金組成物を前記撹拌子で撹拌することによって、凝固及び非樹枝状半凝固スラリーの形成を開始させることと、
前記スラリーの固形分量が約１重量％〜約２０重量％の値まで上昇した後に、撹拌を停止して、前記撹拌子を前記非樹枝状半凝固スラリーから取り出すことと、
固形分量が約１０％〜約６５％の値に上昇するまで前記非樹枝状半凝固スラリーを撹拌せずに冷却することと、
固形分量が約１０％〜約６５％の前記非樹枝状半凝固スラリーを部品成形装置に移送して、移送された前記材料を所望の金属部品に成形することと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２００３年３月４日にジェームス・エー・ユーコ（Ｊａｍｅｓ  Ａ  Ｙｕｒｋｏ）らによって出願された仮出願第６０／４５１，７４８号（標題「金属合金を調製するための方法及び装置（ＰＲＯＣＥＳＳ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＰＲＥＰＡＲＩＮＧ  Ａ  ＭＥＴＡＬ  ＡＬＬＯＹ）」）の優先権を主張するものであり、その開示内容全体を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。また本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２００３年６月６日にジェームス・エー・ユーコらによって出願された仮出願第６０／４７６，４３８号（標題「金属合金を調製するための方法及び装置（ＰＲＯＣＥＳＳ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＰＲＥＰＡＲＩＮＧ  Ａ  ＭＥＴＡＬ  ＡＬＬＯＹ）」）の優先権を主張するものであり、その開示内容全体を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
【０００２】
発明の分野
本発明は、工業的な金属成形に関し、より詳細には、非樹枝状半凝固金属スラリーから金属部品を成形するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
金属合金組成物の多くが樹枝状に凝固することは広く認識されている。これは、合金組成物が液相線温度未満に冷却されるに従いその核が樹枝状又は樹木状の粒子に成長したものである。樹枝状粒子を破砕するか又は凝固時に樹枝の成長を阻止して略球形又は略楕円形を有する非樹枝状又は縮退した樹枝状の粒子を形成させることによって特定の利点が得られることもよく知られている。より具体的には、非樹枝状半凝固金属スラリーを用いて金属部品の鋳造又はそれ以外の成形を行うと、加工性及び物理的性質に関し様々な利点が得られることが見出されている。非樹枝状金属粒子を含む半凝固スラリーは、所与の固相率間で比較すると、樹枝状粒子を含む半凝固金属合金組成物に比べ粘度が大幅に低い。この粘度の差は数桁になる場合も多い。
【０００４】
成形に非樹枝状半凝固金属を用いることによって得られる利点としては、部品成形速度の向上、高速連続鋳造、金型腐食の低減、エネルギー消費量の低減、金型充填性の改善、酸化物の低減による最終金属部品の機械加工性の改善、及びガス巻き込みの低減によるポロシティの低減が挙げられる。半凝固スラリーを用いて鋳造又はそれ以外の金属部品成形を行うことの他の利点としては、金属部品成形時の収縮の低減、成形された金属部品における空洞の低減及びポロシティの低減、マクロ偏析の低減、及び機械（例えば強度）特性の均一性の向上が挙げられる。非樹枝状半凝固合金組成物を用いれば、鋳造又はそれ以外の成形時により複雑な部品を成形することも可能である。例えば、部品の壁を薄肉化しながら強度を向上させることが可能である。
【０００５】
工業的な鋳造及び他の金属成形プロセスに用いられる非樹枝状半凝固スラリーの調製は、液体の金属合金組成物をこの合金組成物の液相線温度未満に冷却する際に機械的な混合を用いることによって行われてきた。これまで利用されてきた他の方法としては、冷却時の電磁撹拌（通常は連続鋳造プロセス用）、曲がりくねった（ｔｏｒｔｕｒｏｕｓ）経路を通過させながら液体金属組成物を冷却させる方法、半凝固温度領域で長時間かけて熱処理する方法などが挙げられる。このような方法はよく知られており、商業的に重要な各種用途に有利に用いられてきた。
【０００６】
より最近では、過熱度の小さい溶融合金を比較的低温の容器（例えば坩堝やダイカスト機のコールドチャンバ）に注入する方法によって非樹枝状半凝固スラリーが生成されるようになった。このような方法は、注入作業を行う間に合金が容器壁に接触する時に、液相線温度を超えていた合金組成物が液相線温度未満に冷却されることを利用している。この方法は非樹枝状半凝固スラリーを生成させるのに有効であるが、プロセス上の限界がある。まず第１に、この方法は容器壁からの抜熱を利用している。壁温が変動することや、シリンダ表面が不連続であることから、この方法を用いて除熱制御を行うことは難しい。第２に、注入によって対流が生じる。従って、導入された合金の温度が高すぎた場合、合金が液相線を通過して冷える前に対流によって強制的に放散が行われてしまい、非樹枝状スラリーの生成が阻害されてしまう。
【０００７】
市販の製品としては、マスタブレーキシリンダ等の自動車用途に用いる各種アルミニウム・マグネシウム合金部品や、ステアリング・サスペンジョンシステムに用いる各種部品が挙げられる。それ以外の実用されている用途又は潜在的な用途としては、ロッカ・アーム、エンジンピストン、車輪、変速装置用部品、燃料系部品、及び空調用部品が挙げられる。
【０００８】
機械撹拌によって非樹枝状半凝固金属スラリーを生成する公知の方法の問題点は、スラリー中の液体金属で撹拌子表面が濡れることにある。その結果、撹拌子をスラリーから取り出すと、スラリーの液体金属の一部が撹拌子表面に付着してしまう。撹拌子及び／又は槽表面を濡らす或いは該表面に付着した液体金属は、即座に凝固して金属被膜を形成する。更なる非樹枝状半凝固金属スラリーを調製するために撹拌子及び／又は容器を再使用する可能性がある場合は、前もってこれを除去しておく必要がある。通常、撹拌子表面から金属付着物を除去するのは困難であるうえに時間と費用がかかり、生産速度の低下をもたらす。濡れ性の低い材料は、普通、液体金属合金組成物の処理用としては適しておらず（例えば、非樹枝状半凝固金属スラリーの製造に付随する高温下では十分な機械特性に欠けるという理由から）、及び／又は非樹枝状半凝固金属スラリーを急速に抜熱するのに適した十分に高い熱伝導性を有していない。これまでは、金属製撹拌子表面に低濡れ性の被覆を適用することによって濡れ性を低減させてきた。窒化ホウ素被覆を撹拌子及び／又は槽表面に用いることにより、熱伝導性を低下させるという悪影響を及ぼすことなく濡れ性を低下できた。しかし、窒化ホウ素被覆は構造強度に欠け、しかも定期的な交換が必要となる。
【０００９】
固形分量が比較的多い（例えば約１０％を超える）非樹枝状半凝固金属合金組成物を調製するための従来法の別の問題点は、通常、スラリーを冷却して所望の固形分量にするまでに相当な時間を要することである。通常は、撹拌を行う容器又は槽の壁面で核生成や固体形成が起こらないように、合金組成物はセラミック槽又は予熱された槽内で撹拌される。そのため、冷却が比較的ゆっくりと起こることによって処理時間が長くなり、生産性が低下する。十分な質量、熱伝導性、及び熱容量を有する低温の槽を用いれば急速な冷却を達成することができる。しかし、こうすることによって、非樹枝状半凝固スラリーの生成につながらない許容し難い大きな温度勾配が生じ、及び／又は合金組成物を所望の部品に形成するのに適さない温度に合金組成物が冷却されてしまう可能性がある。
【００１０】
米国特許第６，６４５，３２３号には、ガスの巻き込みがなく、第２相内に均質に分散された不連続な縮退樹枝状初晶を含む、外殻のない金属合金組成物が開示されている。ここに開示されている合金は、合金を槽内で加熱して液状にする方法によって生成される。その後、ガスの巻き込みを回避すると共に固体核が液体中に均質に分布するように生成される条件下で、この液体を激しく撹拌しながら急冷する。冷却及び撹拌は、液体中に延在する低温の回転プローブを利用することによって達成される。液体中の固相率が低いうちに撹拌を止めるか、又は液体の第２相中に不連続な縮退樹枝状初晶が生成されるように冷却を継続しながら撹拌源から液−固合金を取り出す。次いでこの液−固混合物を鋳造等によって成形する。米国特許第６，６４５，３２３号に開示されている方法の問題点は、冷却及び撹拌に利用される低温の回転プローブに液体金属の被膜が生じやすく、これが撹拌子表面に付着してしまうことにある。その結果、この特許に記載されている撹拌子は清掃及び／又は交換を頻繁に行うことが必要となる。更に、アルミニウム合金組成物からの抜熱量の制御を改善することも依然として必要である。本発明の特定の様相においては、このような欠点を解消する方法及び装置が提供される。
【特許文献１】米国特許第６，６４５，３２３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、金属部品成形に使用される非樹枝状半凝固合金スラリーを製造するための改良された方法を提供する。より詳細には、本発明は、非樹枝状半凝固金属スラリーの急速な冷却を一層容易にし、及び／又はこのスラリーが接触する装置表面における金属の堆積及び除去に付随する問題を解消するか或いは低減する装置及び方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一様相によれば、グラファイト製撹拌子を利用した、非樹枝状半凝固金属合金スラリーを調製するための方法及び装置が提供される。このグラファイト撹拌子は、好適な高温強度特性と、液体合金組成物の急速な冷却を促進する熱伝導性とを有すると共に、濡れ性も比較的低く、それによって、撹拌子をスラリーから取り出した後に撹拌子表面から金属を除去する必要がなくなるか又は大幅に減り、撹拌子上に堆積した金属は容易に除去することができる。従って、グラファイト撹拌子は、合金組成物から抜熱を行うと同時に非樹枝状半凝固合金組成物の生成を促進する対流も誘起し、更には撹拌子上にスラリー中の金属が凝固又は堆積することを回避するために用いることができる。
【００１３】
本発明の別の様相によれば、撹拌子に接触する前のアルミニウム合金組成物の初期温度及び撹拌子の抜熱速度に基づき所定の時間、撹拌子をアルミニウム合金組成物に接触させることによって、アルミニウム合金組成物からの抜熱量を制御する。
【００１４】
別の様相においては、非樹枝状半凝固金属合金スラリーを、スラリーの固形分量が比較的低い（例えば約１重量％〜約１０重量％）温度から、スラリーの固形分量が比較的高くなる温度（例えば約１０重量％〜約６５重量％）まで、より急速に冷却する方法及び装置を提供する。この方法及び装置には、スラリーの急冷を促進する高い熱伝導率を有する材料の壁を有する容器を使用することが含まれる。容器壁の周囲に冷風を導くことを目的として扇風機又は送風機を用いてもよい。
【００１５】
本発明の上述の及びその他の特徴、利点及び目的は、以下、明細書、特許請求の範囲及び添付の図面を参照することによって当業者によりよく理解、認識されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の実施態様による非樹枝状半凝固金属合金組成物を調製するための装置１０を示す。非樹枝状半凝固
【００１７】
金属合金組成物は、液体金属と、この液体金属中に分散した不連続な非樹枝状合金固体粒子とを含む組成物である。非樹枝状粒子は、略球形又は略楕円形を有する粒子であり、合金組成物の液相線温度より低い温度における液冷却や核生成の際に、液相中に対流が生じた結果として生成されるものである。一般に認められている一理論によれば、成長途中の樹枝の枝部が対流によって折れ、次いでこの粒子の平滑化を促す熟成が起こって特徴的な球形及び／又は楕円形状になった結果として非樹枝状粒子が形成される。このため、非樹枝状粒子は縮退樹枝状粒子と称される場合がある。
【００１８】
当該装置は第１保持槽１２を含む。第１保持槽１２は液体合金組成物を収容し、液体合金組成物中に挿入された撹拌子１４が液体合金組成物に対流を誘起するべく回転している間、これを保持する。更にこの撹拌子は合金組成物の熱を伝導し、核生成も誘起する。液体合金組成物を撹拌しながらこの組成物を液相線温度直上の温度から液相線温度未満の温度まで冷却すると、その結果として、液体中から非樹枝状固体粒子１６が生成して半凝固スラリー１８が生成される。望ましくは、この撹拌子を作製する材料及びその質量は、合金組成物の温度を液相線温度よりもわずかに高い温度から液相線温度よりも２〜３℃低い温度に降下させる際に合金組成物の急速な除熱を達成するものである。即ち、撹拌子１４は、望ましくは、非樹枝状半凝固金属合金組成物（通常は固形分量が約１重量％〜約２０重量％）に到達させるために必要な熱量を急速に奪うように設計されている。アルミニウム合金組成物からの抜熱量は、撹拌子で撹拌する時間の長さによって調整する。従って、金属の初期温度が異なる場合、撹拌時間を調整することによって一定温度の生成物が得られるようにする。金属の温度は、光高温計、熱電対等の各種器具のいずれかを用いて測定できる。
【００１９】
撹拌子１４は、例えば円筒形とすることができる。従って撹拌子１４は、樹枝状晶の生成につれこれを物理的に破砕する従来の撹拌子とは著しく異なるであろう。急速冷却を達成する円筒形の撹拌子は、破砕とは逆に、核や縮退樹枝状晶を生成させ、これらは撹拌動作によって生じる対流によって分散される。従って、樹枝の枝部を物理的に破砕する従来の機械撹拌を利用して非樹枝状スラリーを生成することは必要でない。
【００２０】
本発明の好ましい実施態様においては、撹拌子は、好ましくは銅の熱伝導率と同等の比較的高い熱伝導率を有し、且つアルミニウムの存在下で好ましくは窒化ホウ素と同等の比較的低い濡れ性を示す材料で作製されている。窒化ホウ素で被覆された銅製撹拌子が許容されるであろう。しかしながら、撹拌子表面が合金組成物の液相線温度に接近するのを防ぐために重要な、速やかな除熱を達成する所望の熱拡散率を有し、且つ撹拌子を金属スラリーから取り出す際に金属が撹拌子表面に堆積又は凝集するのを防ぐ所望の低い濡れ性を有する、被覆が施されていない撹拌子を提供することができればより望ましいであろう。撹拌子１４の作製に特に有用な材料はグラファイトであることが見出された。グラファイトは、熱拡散率が比較的高く（例えば銅と同程度）、しかも濡れ性が比較的低い（例えば窒化ホウ素被覆と同程度）。グラファイト撹拌子は、強度及び熱的性質に関しては、非樹枝状半凝固金属合金スラリーの生成に通常使用されている撹拌子と機能的に等価で、しかも液体合金に基本的に濡れないという更なる利点を有することが見出された。その結果として、グラファイト撹拌子表面から合金を除去する必要なく、この撹拌子を数回の別々のサイクルに繰り返し使用できるであろう。ただし、溶融合金を急速に除熱できるようにロッド表面の温度を合金の液相線温度未満とする必要がある。更に、金属が堆積した場合は、グラファイト撹拌子表面をブッシングに擦り付けながら通過させることなどによって容易に除去することができるであろう。
【００２１】
本発明の方法は、液体金属合金組成物を生成する第１ステップを含む。この液体金属合金組成物は、槽１２内に配置されて激しく撹拌しながら冷却する。この撹拌は、撹拌された合金組成物内部にガスを巻き込まないようにしながら固体核粒子を生成させるような条件下などで行う。固体核を液体金属合金組成物中に実質的に均質に分布させる方法で合金を激しく撹拌しながら冷却する。撹拌は、急速冷却速度範囲を利用して、例えば約１秒間〜約１分間、好ましくは約１〜約３０秒間といった短い時間、合金の固相率が約１〜約２０重量％、好ましくは固相率が約３〜約７重量％となる凝固率に相当する温度範囲内で実施してもよい。撹拌は、低温の撹拌子を利用し、液体表面に過度のキャビテーションが起こるのを防ぐことで液体中にガスを巻き込むのを回避する任意の方法で実施してもよい。撹拌子の冷却は、その中に水等の熱交換流体を通過させることによって行ってもよい。代表的な好適な撹拌手段としては、好ましくは液体の深さに亘って延在する、内部冷却手段を備えた一個又は複数の円筒形ロッドや螺旋形撹拌子などが挙げられる。撹拌子は、結晶核の均質な分散を促すように、液深の一部から実質的に液深の１００％までの深さに亘って延在する。次いで、回分式プロセスの場合は撹拌を終了し、連続プロセスの場合は、撹拌源から液−固合金を抜き取る。次いで、結果として得られた液−固金属合金組成物を槽内で冷却することによって固体核粒子の周囲に球状固体粒子を形成させてもよく、その際の粒子濃度は、球状及び／又は楕円形状の非樹枝状固体粒子によって全体の粘度が上昇した液−固組成物が鋳造工程等の成形工程に移動可能な濃度を上限とする。通常、非樹枝状初晶の重量百分率の上限は約４０〜約６５％であり、好ましくは、液−固組成物の総重量を基準として１０〜５０％含まれる。球状及び／又は楕円形状の固体粒子の生成は、撹拌を行わずに、互いに連結した樹枝状結晶網を生成させることなく粗大化させることによって実施される。撹拌は短時間しか行わないため、合金組成物内部へのガスの巻き込みが回避される。更に、この方法で運転を行うことによって、生成した金属合金生成物の体積全体にわたる元素のマクロ偏析が最小限になるか又は解消されることがわかった。結果として得られた液−固組成物は、次いで鋳造等によって成形される。
【００２２】
非樹枝状固体金属合金粒子と液相とを含む金属合金組成物は、液体状態から撹拌せずに凝固させると樹枝状網構造を形成する幅広い種類の金属又は合金から生成することができる。この非樹枝状粒子は、平均組成が周囲の第２相（温度によって液体又は固体である）の平均組成とは異なる、単一の初晶相から構成され、その第２相自体は、更なる凝固によって初晶相及び第２相を含んでもよい。
【００２３】
非樹枝状固体（縮退樹枝状晶）は、標準的な樹枝状晶よりも表面が滑らかで枝部が少なく、球形により近い構造を有しており、初晶粒子が互いに連結して樹枝状網構造を生成した樹枝状結晶構造を有していないことを特徴とする。更に、この初晶は実質的に共晶を含まない。本明細書において使用される「第２固体」という用語は、非樹枝状固体粒子が形成される温度未満でスラリー中に存在する液体から凝固する１相又は複数の相を意味する。通常、凝固した合金は凝固の早い段階、即ち固形分が１５〜２０重量％までの段階においては枝部を有する互いに分離した樹枝状晶を有しており、温度が低下して固相の重量分率が増加するに従い相互連結網に成長する。本組成物は、本発明の非樹枝状初晶を含む一方で、たとえ固相率が最大で約６５重量％となっても、液相によって互いに分離した不連続な非樹枝状粒子を維持し、それによって相互連結網の形成が阻止される。
【００２４】
凝固時に非樹枝状固体の生成に続いて液相から生成される第２固体には、従来の成形方法による凝固の際に得られるであろう種類の相が一以上含まれる。即ち第２相は、固溶体、或いは樹枝状結晶、化合物、及び／又は固溶体の混合物を含む。
【００２５】
非樹枝状粒子の大きさは、用いた合金又は金属組成物、固−液混合物の温度、及び合金がその固−液温度範囲内で経過した時間に依存する。一般に、初晶粒子の大きさは、組成、スラリーの熱機械履歴、形成された結晶核の数、冷却速度に依存するが、約１〜約１００００μｍの範囲内であってもよく、その大きさは金属合金組成物全体に亘って均一である。組成物は初晶を１０〜５０重量％含むことが好ましい。なぜならば、そのような組成物は鋳造又は成形が容易な粘度を有するからである。
【００２６】
本発明の組成物は、液体状態から凝固させると樹枝状構造を形成する任意の金属合金系から生成することができる。例え純金属や共晶が単一の温度で溶融するとしても、これらを本発明の組成物を生成するために用いることができる。それは、融液への総入熱量又は総出熱量を制御し、それによって、融点において純金属や共晶が液体の金属又は共晶の一部のみを溶融するのに十分な熱を含ませるようにすることによって、これらが融点において液−固平衡状態で存在することが可能となるためである。このようなことが起こるのは、供給される熱エネルギーとより低温の周囲環境によって除去される熱エネルギーとを等しくすれば、本発明の鋳造法で用いるスラリーから融解熱を完全に奪うことができないためである。代表的な好適な合金としては、鉛合金、マグネシウム合金、亜鉛合金、アルミニウム合金、銅合金、鉄合金、コバルト合金が挙げられるが、これらに限定されるものではない。このような合金には、例えば、鉛−スズ合金、亜鉛−アルミニウム合金、亜鉛−銅合金、マグネシウム−アルミニウム合金、マグネシウム−アルミニウム−亜鉛合金、マグネシウム−亜鉛合金、アルミニウム−珪素合金、アルミニウム−銅−亜鉛−マグネシウム合金、銅−スズブロンズ、真鍮、アルミニウムブロンズ、鋼、鋳鉄、特殊鋼、ステンレス鋼、超合金、或いはコバルト−クロム合金、或いは鉄、銅、アルミニウム等の純金属がある。
【００２７】
図２に、装置１０を含む本発明の別の実施態様を示す。装置１０は、図１に示す実施態様のそれとほぼ類似しているが、保持槽１２内での撹拌が完了し、固形分が約１％〜約２０％の値まで上昇した後のスラリー１８が移送される冷却槽２０を含む。冷却槽２０は熱伝導率の高い材料で作製された壁２２を有する。槽壁２２は、槽壁２２をスラリーに接触させる前に、所定のそうたいてきに低い温度に維持した場合に、壁２２と所与の量のスラリー１８とが速やかに温度平衡に達してスラリーが所望の固形分量となるような急速な冷却を達成することができる総熱容量（壁の比熱容量と壁の質量との積）を有するように設計してもよい。扇風機又は送風機２４を用いることによって、スラリーから壁２２中へ、そして壁２２から周囲空気への伝熱速度を高め、それによってスラリー１８を急速に冷却してもよい。こうすることによって生産速度を高めることができる。
【００２８】
槽２０の壁の作製に用いてもよい熱伝導率の高い好適な材料としては、鋼やステンレス鋼、グラファイトが挙げられる。グラファイトは、金属に比肩しうる熱伝導率がかなり高く、また、対象とする様々な金属合金（例えばアルミニウム及びマグネシウム合金）に対する表面濡れ性が低いため、低コストで高い生産性を得るのに特によく適している。その結果、固形分量がより低い（例えば約１％〜約２０％）合金スラリーから、固形分量がそれよりも相対的に高い（例えば約１０％〜約６５％）合金スラリーまで比較的速やかに冷却することが可能となる一方、金属付着物を除去するための後工程としての清掃を行うことなく槽２０の表面を再使用できる、及び／又は金属付着物除去のための清掃がより簡単になるため、より低コストでより高い生産速度を得ることが可能となる。表面がスラリーに濡れる金属又は他の材料から槽２０を作製する場合は、合金スラリーと接触する槽の内面を好ましくは窒化ホウ素被膜等の低濡れ性被膜で被覆する。
【００２９】
冷却槽２０は、冷却槽壁の内部に形成されるか又は他の方法で備えられた冷却経路に熱伝導流体を通過させることによって冷却してもよい。また、固形分量が比較的少ないスラリーからより固形分量の多い所望のスラリーへの急速冷却を所望の金属部品の成形に好適な温度未満にスラリーを冷却することなく静止状態で実施するために、冷却槽を適切な表面積、質量、及び熱容量で構成してもよい。
【００３０】
スラリー１８は、撹拌なしで（即ち静止状態で）所望の高固形分量となるまで冷却した後、鋳造等によってこのスラリーを所望の金属部品に成形する。
【実施例１】
【００３１】
グラファイト撹拌子の第１実施例
アルミニウム合金の溶融バッチを容器内に保持する。アルミニウム合金の性状を以下に示す。
【数１】
2006519704.tif 000003
【００３２】
一部凝固したアルミニウム合金を、温度６１０℃、固相率０．１０に冷却する。次の熱量を除去する必要がある。
【数２】
2006519704.tif 000004
【００３３】
２８００００ジュールのエネルギーを除去するためには、ロッドがこれだけの量のエネルギーを吸収するのに十分な質量及び熱容量を有することが必要である。またロッドは、ロッドの熱を表面から内部に移動させ、表面温度を合金の液体温度未満に維持するのに十分に高い熱拡散率αを有することも必要である。
【００３４】
グラファイト製円筒形撹拌子：
【数３】
2006519704.tif 000005
【００３５】
ロッドの初期温度が１００℃であり、これが５００℃に上昇する場合、ロッドは次の熱量を除去することができる。
【数４】
2006519704.tif 000006
【００３６】
このロッドは、合金を液相線温度を超える温度から液相線温度未満に冷却するだけのエネルギー量をアルミニウムから吸収するために十分な質量及び熱容量を有している。
【００３７】
熱拡散率
このロッドは、下の熱伝達式に従い、その表面を通じて溶融アルミニウム合金を抜熱する。
【数５】
2006519704.tif 000007
【００３８】
ロッドは２８００００Ｊを除去する必要があり、その伝熱量は１５０００Ｗである。従って、除熱に必要な時間は約１９秒間である。この時間は、合金の熱物理特性、合金の初期温度、ならびにロッドの質量及び熱物理特性に応じて変化するであろう。
【００３９】
熱拡散率（α）は、熱伝導率（κ）を材料の密度（ρ）と熱容量（Ｃｐ）との積で徐した値と定義される。
【数６】
2006519704.tif 000008
【００４０】
セラミック材料のような比較的熱伝導率が低く高密度な材料の場合は、熱拡散率が低くなる。この材料は熱を表面から内部へ移動させることができず、従って表面温度が合金と平衡化するため、合金の温度を更に低下させることができない。
【００４１】
ロッド材料は、合金からエネルギーを吸収するのに十分に大きい質量を有することに加えて、ロッド表面の熱を内部へと取り去るのに好適な熱拡散率を有することも必要である。
【００４２】
撹拌及び抜熱と同時に熱伝達流体を使用してロッドから除熱を行う場合、ロッドの熱拡散率が高ければ、合金の凝固を開始させるのに十分なエネルギーを吸収するために通常必要とされるよりも小さい質量でよい可能性がある。
【００４３】
グラファイト撹拌子の第２実施例
連続したアルミニウム合金の溶融バッチを容器内に保持する。アルミニウム合金は下の手順を有する。
【数７】
2006519704.tif 000009
【００４４】
一部凝固したアルミニウム合金を、温度６１０℃、固相率０．１０となるように冷却するためには、下の量の熱を除去する必要がある。
【数８】
2006519704.tif 000010
【００４５】
本実施例のロッドは、１５０００Ｗを除去することができる。バッチ１の場合、ロッドは２８００００Ｊを除去する必要があり、バッチ２の場合、ロードは３４８０００Ｊを除去する必要がある。バッチ１及びバッチ２を除熱するのに必要な時間はそれぞれ１９及び２３秒間である。 
【００４６】
撹拌子で冷却及び撹拌を行う前の溶融浴の温度を測定すれば、半凝固スラリーの温度変動をなくすことができる。撹拌時間は、金属の注入温度、ロッドの温度、遅延時間（周辺へのエネルギーの損失）等に基づいてアルゴリズムによって決定することができる。
【００４７】
円筒形容器（冷却カップ）の実施例
一部凝固したアルミニウム合金のバッチを容器内に保持する。アルミニウム合金は下の性状を有する。
【数９】
2006519704.tif 000011
【００４８】
一部凝固したアルミニウム合金を、温度５９０℃、固相率０．３０となるように冷却するためには、下の熱量を除去する必要がある。
【数１０】
2006519704.tif 000012
【００４９】
４０００００ジュールのエネルギーを除去するために、これだけの熱量を吸収するような容器を設計する。下の特性を有する薄肉壁のグラファイト製容器であればこの熱を除去することができる。
【００５０】
グラファイト製円筒形容器：
【数１１】
2006519704.tif 000013
【００５１】
グラファイトの初期温度が９０℃であり、５９０℃でアルミニウムと平衡化する場合、下の熱量を除去することができる。
【数１２】
2006519704.tif 000014
【００５２】
グラファイト容器が５９０℃の温度に達するためにはこれと同量の熱が必要である。このように、所定の量の熱を速やかに除去して固形分を約１重量％〜約１０重量％の範囲にある第１の値から１０重量％〜６５重量％の範囲にある第２の値に速やかに増大させるようにグラファイト容器を設計する。
【００５３】
上の説明は単に好ましい実施態様に関するものである。本発明の各種修正は、当業者や、本発明を実施、利用する者に想到されるであろう。従って、上述の実施態様は単に本発明を説明する目的のためのものであって、本発明の範囲を制限することを意図するものではないこと、及び、本発明の範囲は特許請求の範囲によって定義されておりこれは均等の法理を含む特許法の原理に従って解釈されるべきであることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１は、本発明の一実施態様による装置の略図である。
【図２】図２は、本発明の別の実施態様による装置の略図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０  装置
１２  保持槽
１４  撹拌子
１６  非樹枝状固体粒子
１８  半凝固スラリー
２０  冷却槽
２２  壁
２４  扇風機又は送風機
【図１】
2006519704.tif 000015
【図２】
2006519704.tif 000016
【国際調査報告】
2006519704.tif 000017