(57)【要約】【課題】微細結晶粒組織からなるアルミニウム合金ビレットの製造方法を提供すること。【解決手段】アルミニウム合金ビレット１の製造方法は、鋳型３内のアルミニウム合金からなる溶湯１０を、鋳型３内の中心部に配置したスクリュー５の回転によって攪拌しながら、アルミニウム合金ビレット１を鋳造する。スクリュー５の外径Ｄは、鋳型３の内径Ａの１／２以上、かつ、鋳型３の上側に配置されたヘッダー４の内径Ｂ未満である。スクリュー５の外端部の下端位置Ｅは、上下方向における鋳型３の上端位置Ｅ１と鋳型３内の凝固界面１１０（Ｅ２）との中間位置よりも上側である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金ビレットの製造方法であって、
鋳型内のアルミニウム合金からなる溶湯を、前記鋳型内の中心部に配置したスクリューの回転によって攪拌しながら、前記アルミニウム合金ビレットを鋳造し、
前記スクリューの外径は、前記鋳型の内径の１／２以上、かつ、前記鋳型の上側に配置されたヘッダーの内径未満であり、
前記スクリューの外端部の下端位置は、上下方向における前記鋳型の上端位置と該鋳型内の凝固界面との中間位置又はそれよりも上側である、アルミニウム合金ビレットの製造方法。
【請求項２】
前記スクリューは、前記溶湯を攪拌するための羽根を有し、前記スクリューの中心軸に直交する面に対する前記スクリューの前記羽根の下面の傾斜角θは、４５°以上６０°未満であり、前記スクリューの高さは、ｔａｎθである、請求項１に記載のアルミニウム合金ビレットの製造方法。
【請求項３】
前記スクリューを1７０〜４００ｒｐｍの回転数で回転させ、前記溶湯を攪拌する、請求項１又は２に記載のアルミニウム合金ビレットの製造方法。
【請求項４】
前記スクリューは、黒鉛又はセラミックからなる耐火材により構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウム合金ビレットの製造方法。
【請求項５】
前記ヘッダー内の中心部であって、前記スクリューとの距離が１０ｍｍ以内の位置に、前記ヘッダーの内壁面との距離が１５ｍｍ以内となる外径を有すると共に、上下方向に貫通する貫通孔が設けられた円板を配置し、前記貫通孔の内径は、前記円板の外径の１／５以上であり、１／４以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルミニウム合金ビレットの製造方法。
【請求項６】
前記円板は、黒鉛又はセラミックからなる耐火材により構成されている、請求項５に記載のアルミニウム合金ビレットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金ビレットの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、アルミニウム合金の押出製品、鍛造製品等に用いられるビレットは、板製品等に用いられるスラブと同様に、縦型の半連続鋳造法によって製造されている。アルミニウム合金のビレットに発生する割れの抑制、熱間加工性の向上、最終製品の高強度化等のためには、鋳塊組織の結晶粒微細化が望ましい。
【０００３】
従来、アルミニウム合金鋳塊の結晶粒微細化方法としては、溶湯中にＡｌ−Ｔｉ−Ｂ系、Ａｌ−Ｔｉ−Ｃ系等の微細化剤を添加する方法（以下、従来法という）が一般的に行われている。従来法の場合、微細化剤に含まれるＴｉＢ２、Ａｌ３Ｔｉ、ＴｉＣ等の金属間化合物粒子が結晶粒の核となり、この結晶粒の核が多いほど微細粒組織となることが知られている。
【０００４】
ところが、従来法の場合、微細化剤が一定量以上添加されると、結晶粒はそれ以上微細化せずに一定となるだけではなく、金属間化合物粒子同士が凝集化して介在物となり、アルミニウム合金鋳塊及び最終製品の品質低下を招いてしまう等の問題がある。
【０００５】
そこで、アルミニウム合金鋳塊の結晶粒微細化方法として、従来法（微細化剤添加）以外の方法がいくつか提案されている。例えば、特許文献１、２では溶湯に超音波を印加する方法が、特許文献３では溶湯に電磁振動を付与する方法が、特許文献４では溶湯に連続反転振動を付与する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平２−２４７３１４号公報
【特許文献２】特開２００４−２０９４８７号公報
【特許文献３】特開２００４−３０６１１６号公報
【特許文献４】特開２００２−３６１４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１、２の超音波印加、上記特許文献３の電磁振動付与によるアルミニウム合金鋳塊の結晶粒微細化方法は、直径１００ｍｍ程度の比較的小さな鋳塊に対しては効果が認められるが、サイズが大きな鋳塊になるほど、表層から中心部まで均一な微細粒組織にすることが困難となる。
【０００８】
そのため、実際に生産されている工業製品に使用される鋳塊サイズでは、冷却速度が遅い中心部に粗大な結晶粒組織が形成されて割れが発生しやすくなり、適用が困難である。また、このような粗大な結晶粒組織が形成された鋳塊の場合、期待される熱間加工性、機械的性質等が十分に得られない。
【０００９】
また、上記特許文献４の連続反転振動付与によるアルミニウム合金鋳塊の結晶粒微細化方法は、鋳造中において鋳型内に溶湯を連続供給できないため、連続鋳造に適さない等の問題がある。
【００１０】
このように、上記特許文献１〜４の超音波印加、電磁振動付与、連続反転振動付与といった方法では、量産を目的としたアルミニウム合金鋳塊において、その鋳塊組織の結晶粒微細化をなし得ることが困難である。
【００１１】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、微細結晶粒組織からなるアルミニウム合金ビレットの製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一の態様は、アルミニウム合金ビレットの製造方法であって、鋳型内のアルミニウム合金からなる溶湯を、鋳型内の中心部に配置したスクリューの回転によって攪拌しながら、アルミニウム合金ビレットを鋳造し、スクリューの外径は、鋳型の内径の１／２以上、かつ、鋳型の上側に配置されたヘッダーの内径未満であり、スクリューの外端部の下端位置は、上下方向における前記鋳型の上端位置と該鋳型内の凝固界面との中間位置又はそれよりも上側である。
【００１３】
このアルミニウム合金ビレットの製造方法によれば、スクリューの外径及びスクリューの外端部の下端位置を上記特定の範囲としている。このスクリューを回転させ、鋳型内の溶湯を強制的に攪拌することにより、鋳型内に大きな湯流れ（溶湯の流れ）を発生させることができる。
【００１４】
そのため、凝固界面に生成している結晶は、攪拌による湯流れによって凝固殻から遊離して溶湯内を回流し、再び凝固殻に捕捉されて凝固するが、この間の時間が短いことから粒成長せず、微細なセル状組織が維持された状態で凝固する。これにより、従来よりも微細な結晶粒組織からなるアルミニウム合金ビレットを鋳造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態における、鋳造装置の構造を示す説明図である。
【図２】第１実施形態における、スクリューを示す斜視図である。
【図３】第１実施形態における、スクリューを示す平面図である。
【図４】第１実施形態における、スクリューを示す側面図である。
【図５】第２実施形態における、鋳造装置の構造を示す説明図である。
【図６】実施例における、実施例１１、１３及び比較例１４の結晶粒組織を示す光学顕微鏡写真である。
【図７】実施例における、実施例２１及び比較例２３の結晶粒組織を示す光学顕微鏡写真である。
【図８】実施例における、実施例３１及び比較例３２の結晶粒組織を示す光学顕微鏡写真である。
【図９】実施例における、実施例４１及び比較例５０の結晶粒組織を示す光学顕微鏡写真である。
【図１０】実施例における、実施例６１及び比較例６２の結晶粒組織を示す光学顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【００１７】
上記アルミニウム合金ビレットの製造方法は、例えば、ホットトップ鋳造法等に適用することができ、鋳型内に供給されたアルミニウム合金からなる溶湯を、鋳型内の中心部に配置したスクリューの回転によって攪拌しながら冷却凝固させ、アルミニウム合金ビレットを連続的に鋳造する。ここで、鋳型内の中心部とは、アルミニウム合金ビレットを鋳造する方向である鋳造方向に沿った方向、つまり上下方向に直交する方向（水平方向）において、鋳型内側の中心（中央）部分をいう。
【００１８】
また、スクリューの外径は、鋳型の内径の１／２以上、かつ、鋳型の上側に配置されたヘッダーの内径未満である。スクリューの外径が鋳型の内径の１／２未満の場合には、鋳型の内径に対してスクリューの外径が小さくなるため、鋳型内全体に均一な湯流れを発生させることが困難となる。また、スクリューの外径がヘッダーの内径以上の場合には、鋳造中の鋳型内にスクリューを出し入れすることが困難となる。
【００１９】
ここで、ヘッダーとは、鋳型の上側に配置され、溶湯を溜めておくと共に溶湯を鋳型内に供給するための部材である。例えば、ヘッダー内には、溶湯を溜めておく空間（湯溜部）が形成され、ヘッダー内と鋳型内とが連通するように構成される。
【００２０】
また、スクリューの外端部の下端位置は、上下方向における鋳型の上端位置と鋳型内の凝固界面との中間位置又はそれよりも上側である。すなわち、上下方向における鋳型の上端位置からスクリューの外端部の下端位置までの距離は、上下方向における鋳型の上端位置から鋳型内の凝固界面までの距離の１／２以下である。スクリューの外端部の下端位置が上記中間位置よりも下側（凝固殻側）にある場合には、スクリューが凝固殻に固着し、スクリューの回転が抑制される可能性がある。
【００２１】
また、スクリューの外端部の下端位置は、上下方向における鋳型の上端位置又はそれよりも下側であることが好ましい。すなわち、スクリューの外端部の下端位置は、鋳型内であることが好ましい。スクリューの外端部の下端位置が上下方向における鋳型の上端位置よりも上側である場合には、上述した結晶微細化効果が十分に得られないおそれがある。
【００２２】
ここで、スクリューの外端部とは、スクリューの径方向外側の端部のことをいう。スクリューの外端部の下端位置とは、スクリューの外端部の最下端の位置をいう。鋳型内の凝固界面とは、鋳型内の溶湯と凝固殻との境界面をいう。
【００２３】
また、スクリューは、溶湯を攪拌するための羽根を有し、スクリューの中心軸に直交する面に対するスクリューの羽根の下面の傾斜角θは、４５°以上６０°未満であり、スクリューの高さは、ｔａｎθであってもよい。この場合には、スクリューの回転によって、スクリューから凝固界面に向かって良好な湯流れを発生させ、凝固殻からの結晶の遊離をより促進させることができる。これにより、結晶粒微細化効果をさらに高めることができる。
【００２４】
スクリューの羽根の数は、溶湯を攪拌することができ、スクリューから凝固界面に向かって湯流れを発生させることができれば、何ら限定されるものではない。傾斜角θは、スクリューの中心軸に直交する面とスクリューの羽根の下面とが成す角度であり、羽根の下面が凝固殻側（下側）からその反対側（上側）に向かって立ち上がる傾斜角度である。羽根の下面とは、羽根における凝固殻側の面のことである。羽根の下面の傾斜角θを上記特定の範囲とすることにより、スクリューから凝固界面に向かって良好な湯流れを発生させることができる。
【００２５】
スクリューの羽根の下面の傾斜角θが４５°未満の場合には、羽根で捕らえられる溶湯量が少なく、凝固界面付近の湯流れが小さくなるため、凝固殻からの結晶の遊離が促進されず、結晶粒微細化が不十分となるおそれがある。一方、傾斜角θが６０°を超える場合には、鋳型の内壁面に向かう湯流れの割合が多くなり、凝固界面付近の湯流れが小さくなるため、凝固殻からの結晶の遊離が促進されず、結晶粒微細化が不十分となるおそれがある。
【００２６】
また、スクリューを1７０〜４００ｒｐｍの回転数で回転させ、溶湯を攪拌してもよい。この場合には、スクリューの回転によって、スクリューから凝固界面に向かって良好な湯流れを発生させ、凝固殻からの結晶の遊離をより促進させることができる。これにより、結晶粒微細化効果をさらに高めることができる。
【００２７】
スクリューの回転数が１７０ｒｐｍ未満の場合には、鋳型内の湯流れが小さくなるため、凝固殻からの結晶の遊離が促進されず、結晶粒微細化が不十分となるおそれがある。一方、回転数が４００ｒｐｍを超える場合には、湯面（溶湯の表面）がすり鉢状の渦状態となり、溶湯とヘッダーとの接触面積が増加することで溶湯温度が低下すると共に、酸化物が発生しやすい状態になり、この酸化物がアルミニウム合金ビレット内に巻き込まれるおそれがある。
【００２８】
また、スクリューの回転方向は、スクリューを回転させて溶湯を攪拌することにより、スクリューから凝固界面に向かって湯流れを発生させることができれば、何ら限定されるものではない。
【００２９】
また、スクリューは、黒鉛又はセラミックからなる耐火材により構成されていてもよい。この場合には、高温の溶湯中で使用しても、耐熱性、耐久性を十分に確保することができる。セラミックからなる耐火材としては、例えば、窒化珪素系材料等を用いることができる。なお、スクリューを構成する材料は、上記耐火材以外であっても、溶湯中で使用することができ、スクリューを所望の形状に成形することができれば、何ら限定されるものではない。
【００３０】
また、ヘッダー内の中心部であって、スクリューとの距離が１０ｍｍ以内の位置に、ヘッダーの内壁面との距離が１５ｍｍ以内となる外径を有すると共に、上下方向に貫通する貫通孔が設けられた円板を配置し、貫通孔の内径は、円板の外径の１／５以上であり、１／４以下であってもよい。この場合には、ヘッダー内の溶湯を円板の貫通孔から鋳型内に良好に流入させ、さらに鋳型内においてスクリューから凝固界面に向かって良好な湯流れを発生させることができる。これにより、凝固殻からの結晶の遊離を促進させ、結晶粒微細化効果を高めることができる。
【００３１】
ここで、ヘッダー内の中心部とは、鋳造方向に沿った方向、つまり上下方向に直交する方向（水平方向）において、ヘッダー内側の中心（中央）部分をいう。円板とスクリューとの距離とは、上下方向（水平方向の面に対して垂直な方向）における両者の間の距離をいう。円板とヘッダーの内壁面との距離とは、上下方向に直交する方向（水平方向）における両者の間の距離をいう。
【００３２】
円板とヘッダーの内壁面との距離が１５ｍｍを超える場合には、スクリューの回転によって、鋳型からヘッダーの内壁面に沿って湯面まで、溶湯の上昇流が発生する。その結果、湯面上に乱流が発生し、これが湯面上に生成した酸化物を破断し、新たに酸化物が生成することで酸化物量が増加し、これがアルミニウム合金ビレット内に混入するおそれがある。
【００３３】
円板の貫通孔の内径が円板の外径の１／５未満の場合には、円板の貫通孔の内径が小さくなることで、溶湯の大部分がヘッダーの内壁面と円板との間（円板の外側）から鋳型内に流入し、湯流れが鋳型の内壁面、さらには凝固殻に沿って鋳型内の中心部に向かって発生する。そのため、凝固殻から遊離した結晶が鋳型内の中心部に到達する前に凝固殻に捕捉され、鋳型内の中心部付近まで移動する結晶が少なくなったり、鋳型内の中心部に到達する前に粒成長したりすることにより、特に鋳型内の中心部において微細結晶粒組織とならないおそれがある。一方、貫通孔の内径が円板の外径の１／４を超える場合には、円板の貫通孔の内径が大きくなることで、溶湯の湯流れ範囲がヘッダー内にまで広がり、その結果、鋳型内での湯流れが小さくなり、凝固界面における結晶の遊離が起こりにくくなるおそれがある。
【００３４】
また、円板は、黒鉛又はセラミックからなる耐火材により構成されていてもよい。この場合には、高温の溶湯中で使用しても、耐熱性、耐久性を十分に確保することができる。セラミックからなる耐火材としては、例えば、窒化珪素系材料等を用いることができる。なお、円板を構成する材料は、上記耐火材以外であっても、溶湯中で使用することができ、円板を所望の形状に成形することができれば、何ら限定されるものではない。
【００３５】
上記アルミニウム合金ビレットの製造方法は、例えば、ＪＩＳ規格の１０００、２０００、３０００、５０００、６０００、７０００系等のアルミニウム合金からなるビレット（アルミニウム合金ビレット）の鋳造に適用することができる。特に、固液共存層の温度域が広い７０００系アルミニウム合金については、結晶粒微細化効果が大きい。
【００３６】
（第１実施形態）
本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
図１〜図４に示すように、本実施形態のアルミニウム合金ビレット１の製造方法は、鋳型３内のアルミニウム合金からなる溶湯１０を、鋳型３内の中心部に配置したスクリュー５の回転によって攪拌しながら、アルミニウム合金ビレット１を鋳造する。スクリュー５の外径Ｄは、鋳型３の内径Ａの１／２以上、かつ、鋳型３の上側に配置されたヘッダー４の内径Ｂ未満である。スクリュー５の外端部の下端位置Ｅは、上下方向における鋳型３の上端位置Ｅ１と鋳型３内の凝固界面１１０（Ｅ２）との中間位置よりも上側である。以下、このアルミニウム合金ビレット１の製造方法について、詳細に説明する。
【００３７】
本実施形態では、図１に示す鋳造装置２を用いて、ホットトップ鋳造法によりアルミニウム合金ビレット１を鋳造する。本実施形態において、図１に示す鋳造方向Ｚとは、上下方向における下方向（鋳造方向）を示す。鋳造装置２は、所定の形状のアルミニウム合金ビレット１を鋳造するための鋳型３と、その鋳型３の直上に配置されたヘッダー４とを備えている。
【００３８】
鋳型３は、筒状（環状）に形成されている。鋳型３は、軸方向（上下方向）に直交する断面において、鋳型３内側が円形状である。鋳型３の内壁面３１の下端部には、内径が徐々に大きくなる拡径面３１１が形成されている。鋳型３の内径Ａは、拡径面３１１が形成されている部分よりも上側部分（鋳型３内側が溶湯１０で満たされている部分）の内径である。鋳型３の内径Ａは、軸方向（上下方向）において一定である。
【００３９】
ヘッダー４は、筒状に形成されている。ヘッダー４は、珪酸カルシウム系耐火材により構成されている。ヘッダー４は、軸方向（上下方向）に直交する断面において、ヘッダー４内側が円形状である。ヘッダー４内には、溶湯１０を溜めておく湯溜部４０が形成されている。ヘッダー４の内径Ｂは、湯溜部４０が形成されている部分の内径である。ヘッダー４の内径Ｂは、軸方向（上下方向）において一定である。ヘッダー４の内径Ｂは、鋳型３の内径Ａよりも小さい。
【００４０】
ヘッダー４には、溶湯１０を湯溜部４０に供給するための溶湯供給部４９が連結されている。溶湯１０は、溶湯供給部４９からヘッダー４内の湯溜部４０に供給される。ヘッダー４の下端開口部４２と鋳型３の上端開口部３２とは、上下方向に連通している。溶湯１０は、ヘッダー４内の湯溜部４０からヘッダー４の下端開口部４２及び鋳型３の上端開口部３２を介して鋳型３内に供給される。
【００４１】
鋳型３内の中心部には、溶湯１０を攪拌するためのスクリュー５が配置されている。なお、鋳型３内の中心部とは、上下方向に直交する方向（水平方向）において、鋳型３内側の中心（中央）部分をいう。スクリュー５は、ヘッダー４内を介して鋳型３の上端開口部３２から鋳型３内に挿入して配置されている。
【００４２】
図２〜図４に示すように、スクリュー５は、黒鉛又はセラミックからなる耐火材により構成されており、本実施形態では黒鉛により構成されている。スクリュー５は、スクリュー５の中心軸に沿って形成された回転軸部５１と、その回転軸部５１から径方向外側に突出する４枚の羽根５２とを備えている。回転軸部５１の上端には、スクリュー５全体を支持する棒状の支持回転軸５９が接続されている。支持回転軸５９は、スクリュー５側の一部を溶湯１０内に挿入して配置されている。スクリュー５と支持回転軸５９とは、一体的に構成されている。
【００４３】
羽根５２は、板状に形成されている。羽根５２の上面５２１及び下面５２２は、スクリュー５の中心軸に直交する面（直交面５００）に対して傾斜している。なお、羽根５２の両主面のうち、上側（ヘッダー４側）を向いている面が上面５２１、下側（凝固殻１１側）を向いている面が下面５２２である。直交面５００に対するスクリュー５の羽根５２の下面５２２の傾斜角θは、４５°以上６０°未満である。スクリュー５の上下方向の高さＣは、ｔａｎθである。スクリュー５の外径Ｄは、鋳型３の内径Ａの１／２以上であり、ヘッダー４の内径Ｂ未満である。
【００４４】
図１に示すように、スクリュー５の外端部（羽根５２の外端部）の下端位置Ｅは、上下方向における鋳型３の上端位置Ｅ１と鋳型３内の凝固界面１１０（図１のＥ２）との中間位置よりも上側（ヘッダー４側）である。すなわち、上下方向における鋳型３内の上端位置Ｅ１からスクリュー５の外端部の下端位置Ｅまでの距離は、上下方向における鋳型３の上端位置Ｅ１から鋳型３内の凝固界面１１０（Ｅ２）までの距離の１／２以下である。なお、凝固界面１１０とは、鋳型３内の溶湯１０と凝固殻１１との境界面のことである。
【００４５】
ヘッダー４内の中心部には、円板６が配置されている。なお、ヘッダー４内の中心部とは、水平方向において、ヘッダー４内側の中心（中央）部分をいう。円板６は、黒鉛又はセラミックからなる耐火材により構成されており、本実施形態では黒鉛により構成されている。円板６は、ヘッダー４の下端開口部４２付近に配置されている。
【００４６】
円板６とスクリュー５との上下方向の距離Ｆは、１０ｍｍ以内である。なお、円板６とスクリュー５の羽根５２とは、互いに接触しない位置関係とする。円板６の外径Ｇは、円板６とヘッダー４の内壁面４１との水平方向の距離（隙間）Ｈが１５ｍｍ以内となるように設定されている。すなわち、円板６とヘッダー４の内壁面４１との水平方向の距離（隙間）Ｈは、１５ｍｍ以内である。
【００４７】
円板６には、上下方向に貫通して形成された貫通孔６１が設けられている。貫通孔６１の内径Ｉは、円板６の外径Ｇの１／５以上、１／４以下である。貫通孔６１には、スクリュー５を支持する支持回転軸５９が挿通されている。円板６の上面には、円板６を支持する複数の支持棒６９が取り付けられている。
【００４８】
上記構成の鋳造装置２を用いて、ホットトップ鋳造法により、アルミニウム合金ビレット１を製造（鋳造）するに当たっては、鋳型３内の中心部に配置したスクリュー５を回転させ、鋳型３内の溶湯１０を強制的に攪拌しながら、略円柱状のアルミニウム合金ビレット１を鋳造する。スクリュー５は、1７０〜４００ｒｐｍの範囲内の一定の回転数で連続回転させる。
【００４９】
鋳型３内の溶湯１０をスクリュー５の回転によって強制的に攪拌することにより、鋳型３内に大きな湯流れ（溶湯１０の流れ）を発生させる。この攪拌による湯流れによって、凝固界面１１０に生成する結晶は、凝固殻１１から遊離して溶湯１０内を回流し、粒成長する前に微細なセル状組織が維持された状態で周辺の凝固殻１１に捕捉され、凝固する。これにより、微細結晶粒組織からなるアルミニウム合金ビレット１が鋳造される。
【００５０】
また、図２〜図４に示す形状の羽根５２を有するスクリュー５を用い、そのスクリュー５の羽根５２の下面５２２の傾斜角θを上記特定の範囲としているため、スクリュー５を上方から見た場合において、スクリュー５を時計回り（正方向）に回転させる。これにより、鋳型３内の溶湯１０が鋳型３内の中心部から（スクリュー５から）凝固界面１１０に向かって流れ、凝固界面１１０に衝突した後、鋳型３の内壁面３１に沿って上昇し、円板６の下面に沿って流れ、再び鋳型３内の中心部から凝固界面１１０に向かって流れる。そして、溶湯１０が凝固界面１１０に衝突する際に、凝固界面１１０に生成している結晶の凝固殻１１からの遊離を促進させ、結晶粒微細化効果が生み出される。
【００５１】
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態のアルミニウム合金ビレット１の製造方法によれば、スクリュー５の外径Ｄを鋳型３の内径Ａの１／２以上、かつ、ヘッダー４の内径Ｂ未満としている。また、スクリュー５の外端部の下端位置Ｅを上下方向における鋳型３の上端位置Ｅ１と鋳型３内の凝固界面１１０（図１のＥ２）との中間位置よりも上側としている。このスクリュー５を回転させ、鋳型３内の溶湯１０を強制的に攪拌することにより、鋳型３内に大きな湯流れ（溶湯１０の流れ）を発生させることができる。
【００５２】
そのため、凝固界面１１０に生成している結晶は、攪拌による湯流れによって凝固殻１１から遊離して溶湯１０内を回流し、再び凝固殻１１に捕捉されて凝固するが、この間の時間が短いことから粒成長せず、微細なセル状組織が維持された状態で凝固する。これにより、従来よりも微細な結晶粒組織からなるアルミニウム合金ビレット１を鋳造することができる。
【００５３】
また、本実施形態において、スクリュー５は、溶湯１０を攪拌するための複数の羽根５２を有する。スクリュー５の中心軸に直交する面（直交面５００）に対するスクリュー５の羽根５２の下面５２２の傾斜角θは、４５°以上６０°未満であり、スクリュー５の高さＣは、ｔａｎθである。そのため、スクリュー５の回転によって、スクリュー５から凝固界面１１０に向かって良好な湯流れを発生させ、凝固殻１１からの結晶の遊離をより促進させることができる。これにより、結晶粒微細化効果をさらに高めることができる。
【００５４】
また、スクリュー５を1７０〜４００ｒｐｍの回転数で回転させ、溶湯１０を攪拌する。そのため、スクリュー５の回転によって、スクリュー５から凝固界面１１０に向かって良好な湯流れを発生させ、凝固殻１１からの結晶の遊離をより促進させることができる。これにより、結晶粒微細化効果をさらに高めることができる。
【００５５】
また、ヘッダー４内の中心部であって、スクリュー５との距離Ｆが１０ｍｍ以内の位置に、ヘッダー４の内壁面４１との距離Ｈが１５ｍｍ以内となる外径Ｇを有すると共に、上下方向に貫通する貫通孔６１が設けられた円板６を配置する。貫通孔６１の内径Ｉは、円板６の外径Ｇの１／５以上であり、１／４以下である。そのため、ヘッダー４内の溶湯１０を円板６の貫通孔６１から鋳型３内に良好に流入させ、さらに鋳型３内においてスクリュー５から凝固界面１１０に向かって良好な湯流れを発生させることができる。これにより、凝固殻１１からの結晶の遊離を促進させ、結晶粒微細化効果を高めることができる。
【００５６】
また、スクリュー５及び円板６は、黒鉛又はセラミックからなる耐火材により構成されている。そのため、高温の溶湯１０中で使用しても、耐熱性、耐久性を十分に確保することができる。
【００５７】
このように、本実施形態によれば、微細結晶粒組織からなるアルミニウム合金ビレット１を製造（鋳造）することができる。すなわち、結晶粒微細化に有効なアルミニウム合金ビレット１の製造方法を提供することができる。
【００５８】
（第２実施形態）
本実施形態は、図５に示すように、鋳造装置２の構成を変更した例である。なお、第１実施形態と同様の構成及び作用効果については説明を省略する。
【００５９】
同図に示すように、支持回転軸５９の外側には、円筒状のカバー部材５９１が配置されている。カバー部材５９１は、径方向に所定の間隔を設けた状態で支持回転軸５９の外周面を覆うように、また溶湯１０の湯面１００を貫通するように配置されている。支持回転軸５９は、カバー部材５９の内側を挿通するように配置されている。
【００６０】
本実施形態では、支持回転軸５９の湯面１００近傍部分がパイプ状のカバー部材５９によって覆われている。そのため、支持回転軸５９の回転による湯面１００の動きが抑制され、湯面１００上の酸化被膜が保持される。すなわち、支持回転軸５９の回転によって支持回転軸５９に接している湯面１００上の酸化被膜が割れて新生面が露出し、これが新たに酸化することで湯面１００上の酸化被膜量が増加し、このような酸化被膜がアルミニウム合金ビレット１に巻き込まれることを抑制できる。
【実施例】
【００６１】
以下、本発明の実施例を比較例と対比しながら説明し、本発明の効果を実証する。これらの実施例は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明は何らこれらに限定されるものではない。
【００６２】
まず、上述した鋳造装置（図１参照）を用いて、ホットトップ鋳造法により、下記の表１に示す複数のアルミニウム合金ビレットを製造した。具体的には、所定の合金組成を有するアルミニウム合金を溶解した溶湯を、鋳造装置のヘッダーから鋳型内に流下させ、アルミニウム合金ビレットを鋳造した。
【００６３】
このとき、ヘッダーの上方から鋳型内にスクリュー（図２〜図４参照）を挿入し、そのスクリューを所定の回転数で回転させて溶湯を攪拌しながら、アルミニウム合金ビレットを鋳造した。鋳造速度、冷却水量等については、従来実施されている条件の範囲に設定した。なお、比較例１４、２３、３２、５０、６２については、スクリューを用いた機械攪拌を行わず、円板も配置しなかった。
【００６４】
ここで、表１の「合金Ｎｏ．」は、アルミニウム合金の種類である。なお、実施例３１、比較例３２、実施例４１〜４９、比較例５０、５１の「Ａｌ８．８ＺｎＭｇＣｕ」とは、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系のアルミニウム合金であり、Ｚｎの含有量が８．８質量％であることを示す。「サイズ」は、鋳造するアルミニウム合金ビレットの外径である。「微細化剤添加」は、溶湯中へのＡｌ−Ｔｉ−Ｂ系、Ａｌ−Ｔｉ−Ｃ系等の微細化剤の連続添加のことである。
【００６５】
また、表１のスクリューの「位置」は、上下方向における鋳型の上端位置から鋳型内の凝固界面までの距離に対する、上下方向における鋳型内の上端位置からスクリューの外端部の下端位置までの距離の比である。「傾斜角」は、スクリューの中心軸に直交する面（直交面）に対するスクリューの羽根の下面の傾斜角θ（図１、図４参照）である。「回転数」は、スクリューの回転数である。「回転方向」は、スクリューを上方から見た場合の回転方向である。
【００６６】
また、表１の円板の「隙間」は、円板とヘッダーの内壁面との水平方向の距離（図１のＨ）である。「内径」は、円板の外径（図１のＧ）に対する円板の貫通孔の内径（図１のＩ）の比である。
【００６７】
次に、製造したアルミニウム合金ビレットについて、結晶粒組織を観察し、平均結晶粒径を測定した。具体的には、アルミニウム合金ビレットの中心部と、中心部と表層との中間部（以下、「Ｄ／４部」という）とについて結晶粒組織を観察し、平均結晶粒径を測定した。Ｄ／４部を観察するのは、アルミニウム合金ビレットの場合、平均的な特性を示す場所として一般的に知られており、本発明の効果を評価するためである。
【００６８】
また、平均結晶粒径は、対象となるアルミニウム合金ビレットに対して、鋳造方向に平行な断面を機械研磨し、偏光エッチングを施し、光学顕微鏡により５０倍で３視野観察した。そして、これらの写真に対して面積計量法を用いて、平均結晶粒径を測定した。なお、観察視野には、１００個以上の結晶粒が含まれていた。
【００６９】
【表１】
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【００７０】
表１に製造した各アルミニウム合金ビレットの平均結晶粒径の測定結果を示す。また、図６に実施例１１、１３及び比較例１４、図７に実施例２１及び比較例２３、図８に実施例３１及び比較例３２、図９に実施例４１及び比較例５０、図１０に実施例６１及び比較例６２の結晶粒組織を示す光学顕微鏡写真を示す。各写真の左上の数値は、平均結晶粒径の大きさである。
【００７１】
実施例１１〜１３は、スクリューによる機械攪拌を行わなかった比較例１４に比べて、平均結晶粒径が小さく、中心部とＤ／４部との平均結晶粒径の差も小さく、微細結晶粒組織となっていることがわかった。
【００７２】
また、実施例１１〜１３のうち、実施例１３は、スクリューの羽根の傾斜角θが６０°以上であるため、実施例１１、１２に比べて、中心部とＤ／４部との平均結晶粒径の差が若干大きくなった。
【００７３】
実施例２１、２２は、スクリューによる機械攪拌を行わなかった比較例２３に比べて、平均結晶粒径が小さく、中心部とＤ／４部との平均結晶粒径の差も小さく、微細結晶粒組織となっていることがわかった。
【００７４】
実施例３１は、スクリューによる機械攪拌を行わなかった比較例３２に比べて、平均結晶粒径が小さく、中心部とＤ／４部との平均結晶粒径の差も小さく、微細結晶粒組織となっていることがわかった。
【００７５】
実施例４１〜４９は、スクリューによる機械攪拌を行わなかった比較例５０に比べて、平均結晶粒径が小さく、中心部とＤ／４部との平均結晶粒径の差も小さく、微細結晶粒組織となっていることがわかった。なお、比較例５１は、スクリューの位置が１／２を超えているため、スクリューによる攪拌を行うことができなかった。
【００７６】
また、実施例４１〜４９のうち、実施例４５は、スクリューの回転数が1７０ｒｐｍ未満であるため、実施例４１〜４４に比べて、平均結晶粒径が若干大きくなった。また、実施例４６は、スクリューの回転数が４００ｒｐｍを超えているため、溶湯とヘッダーとの接触面積が増加することで溶湯温度が低下し、ヘッダー内で溶湯が半凝固状態となって、所定の回転数が維持できなくなった。また、湯面（溶湯の表面）上に酸化被膜が多く生成し、これらがアルミニウム合金ビレットに巻き込まれた。
【００７７】
また、実施例４７は、スクリューの羽根の傾斜角θが６０°以上であるため、実施例４１〜４４に比べて、平均結晶粒径が若干大きくなった。
また、実施例４８は、円板の隙間が１５ｍｍを超えているため、実施例４１〜４４に比べて、平均結晶粒径が若干大きくなった。また、実施例４９は、円板（貫通孔）の内径が１／４を超えているため、実施例４１〜４４に比べて、平均結晶粒径が若干大きくなった。
【００７８】
実施例６１は、スクリューによる機械攪拌を行わなかった比較例６２に比べて、平均結晶粒径が小さく、中心部とＤ／４部との平均結晶粒径の差も小さく、微細結晶粒組織となっていることがわかった。
【符号の説明】
【００７９】
１…アルミニウム合金ビレット、３…鋳型、４…ヘッダー、５…スクリュー、１０…溶湯、１１０…凝固界面
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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