(57)【要約】【課題】  より確実に、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おり、且つ印加ホーンが鋳型の中心軸１７回りに円運動する。【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おり、且つ印加ホーンが鋳型の中心軸回りに円運動す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。
【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、印加ホーンの直下の領域にしか超音波振動が照射されないため、ビレットの中心部は結晶粒を微細化できるが、ビレットの外周側まで均一に微細化することはできなかった。
【０００４】
本出願人は、ビレットの全域に亘って結晶粒を均一に微細化できるようにするため、印加ホーンの先端部を下方に向かって膨出する曲面形状とし、この印加ホーン先端部を鋳型内に位置させることを考え、特許出願している（特願２００６−２８８１０８号）。これによれば、曲面形状とした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るため、印加ホーンの先端が平坦なものと比較して、結晶粒が微細化される領域を印加ホーンの外周側まで広げる効果が期待できる。しかしそれでも、図７に示すように、印加ホーン５からマグネシウム溶湯の凝固界面１２までの距離は中心部から外周側にいくほど長くなるため、印加ホーン５の径ｄが鋳型３の内径に対して小さすぎたり、印加ホーン５の鋳型３内への浸漬深さｙが浅かったりすると、ビレットの外周側まで均一に微細化できない場合があった。
【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】
【０００５】
本発明は以上に述べた実情に鑑み、より確実に、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】
【０００６】
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おり、且つ印加ホーンが鋳型の中心軸回りに円運動す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】
【０００７】
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、下方に膨出する曲面形状に形成した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、さらにこの印加ホーン先端部が鋳型内で鋳型の中心軸回りに円運動することで超音波振動が照射される領域が広がるため、鋳型内のマグネシウム溶湯の凝固界面全体に超音波振動を均一に照射することができるので、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】
【０００８】
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。
【０００９】
さらに本連続鋳造装置は、図１に示すように、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。超音波発生装置１３と印加ホーン５は、鋳型３の中心軸１７回りに回転自在に支持した円板状の回転板１８に取付けてある。印加ホーン５の中心軸１９は、鋳型３の中心軸１７に対して距離ｘだけ偏心させている。回転板１８は、モーター２０により駆動されて鋳型３の中心軸１７回りに回転し、これに伴って印加ホーン５は、図３に示すように、半径ｘで円運動する。図３中の二点鎖線２１は、印加ホーン５の移動領域を示している。回転板１８を支持しているベース板２２は、昇降装置１４により上下方向に移動可能としてあり、これにより印加ホーン５は上下方向に移動可能となっている。
【００１０】
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２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。鋳型３は、内径Ｄ１が４８ｍｍのものを使用した。印加ホーン５は、直径ｄが３０ｍｍ、先端部６のアールが１８ｍｍ（Ｒ１８）のものを使用し、印加ホーンの中心軸１９の鋳型の中心軸１７に対する偏心量ｘ（印加ホーンの回転半径）を７ｍｍ、印加ホーン５の円運動速度を６８ｒｐｍ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。
【００１１】
図４（ａ）は、印加ホーン５を円運動させながら鋳造したビレットの断面を示しており、図４（ｂ）は、印加ホーン５を円運動させないで鋳造したビレットの断面を示している。各ビレットの断面中に実線で表された円は、結晶粒が１００μｍ以下に均一に微細化された範囲を示している。また、図５（ａ）は、印加ホーン５を円運動させながら鋳造したビレットの中心と、中心から１５ｍｍ離れた位置のミクロ組織を示しており、図５（ｂ）は、印加ホーン５を円運動させないで鋳造したビレットの中心と、中心から１５ｍｍ離れた位置のミクロ組織を示している。印加ホーン５の鋳型３内への浸漬深さｙ（図２参照）は、連続鋳造可能な最大深さとしたため、印加ホーンの円運動有りの場合で４０ｍｍ、印加ホーンの円運動無しの場合で４５ｍｍとなった。なお、印加ホーン５を円運動させない場合は、図７に示すように、印加ホーン５を鋳型３の中心に配置した。
【００１２】
図４（ａ）から分かるように、印加ホーン５を円運動させた場合には、ビレットのほぼ全域にわたって均一に結晶粒を微細化することができた。図５（ａ）のミクロ組織より平均結晶粒径を計測したところ、ビレットの中心では４３μｍ、中心から１５ｍｍ離れた位置でも５０μｍ程度に微細化されており、ビレットの中心も中心から離れたところも同じように結晶粒が微細化されることが確認できた。このビレットであれば、押出加工等の二次加工を行わずとも、そのまま鍛造用素材として用いることが可能と考える。
一方、印加ホーン５を円運動させずに鋳造したビレットは、図４（ｂ）に示すように、ビレットの中心部だけしか結晶粒が微細化されなかった。図５（ｂ）のミクロ組織より平均結晶粒径を計測したところ、ビレットの中心ではホーン浸漬深さｙが円運動有りの場合よりも深いために、２２μｍと非常に微細な組織が得られるものの、中心から１５ｍｍ離れた位置では１００μｍオーバーレベルとなり、中心と中心から離れた位置とで微細化効果に大きな差が生じる結果となった。
【００１３】
超音波による結晶粒微細化のメカニズムとしては、鋳型３内のマグネシウム合金溶湯１に超音波振動４を直接印加すると、鋳型３内のマグネシウム合金溶湯１中にキャビテーション、音響流が発生し、キャビテーションにより結晶核の生成・遊離が促進され、音響流により結晶核が運搬されることにより、結晶粒が微細化されると考えられる。印加ホーン５の先端部が半球型に形成してあると、図２に示すように、印加ホーンの先端部６全体から超音波振動４が周囲に広がるように照射され、さらにこの印加ホーン先端部６が鋳型３内で鋳型３の中心軸１７回りに円運動することで超音波振動４が照射される領域がさらに広がり、鋳型３内のマグネシウム溶湯１の凝固界面１２全体に超音波振動４を均一に照射できる。その結果、超音波による結晶核生成領域及び運搬領域が拡大され、鋳型３内のマグネシウム合金溶湯１全体に結晶核がまんべんなく供給されることとなるため、ビレットの全域にわたって結晶粒が微細化されるものと考えられる。
一方、印加ホーン５を円運動させない場合には、図７に示すように、中心から離れるにつれて印加ホーン５から凝固界面１２までの距離が遠くなるため、凝固界面１２の外周側では超音波振動４が届きにくくなり、そのために微細化効果が現れなくなるものと考えられる。
【００１４】
また、印加ホーンの浸漬深さｙの違いによる微細化効果に及ぼす影響を検証するため、数種類の同じホーン浸漬深さｙで、印加ホーン５を円運動させた場合と円運動させない場合でそれぞれビレットを鋳造し、各ビレットの中心の平均結晶粒径を測定した。実験結果を表２に示す。
【表２】
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【００１５】
表２の実験結果から、印加ホーン浸漬深さｙが大きいほど結晶粒が微細化されること、印加ホーン浸漬深さｙが同じ場合には、印加ホーン５を円運動させた方が、円運動させない場合よりもはるかに微細化効果が高いことが分かる。結晶粒を１００μｍ以下に微細化するために、印加ホーン５を円運動させない場合には、印加ホーン浸漬深さｙを４５ｍｍにしなければならないが、印加ホーン５を円運動させる場合は、印加ホーン浸漬深さｙを３５ｍｍと小さくしても１００μｍ以下（９１μｍ）に微細化できる。これは、図２に示すように、凝固界面１２はビレットが外周側から冷却水９で冷やされる関係で鋳型３の中心より外周側にいくほど上に上がるが、印加ホーン５を鋳型の中心軸１７に対して偏心させ且つ鋳型の中心軸１７回りに円運動させると、その凝固界面１２の高い位置に超音波振動４が効率良く印加されることになり、結晶核の生成・遊離効果がより促進されるためと考えられる。
【００１６】
以上に述べたように、印加ホーン５を円運動させることにより、ビレット１０の中心から外周側までの全域にわたって結晶粒を１００μｍ以下に均一に微細化することが可能となる。また、印加ホーン５を円運動させない場合は、印加ホーン５先端が凝固界面１２に達する程度まで印加ホーン５を鋳型３内に深く浸漬しなければ１００μｍ以下に微細化できないが、印加ホーン５を円運動させる場合は、それより１０ｍｍ程度印加ホーン浸漬深さｙを浅くしても、１００μｍ以下に微細化する効果を維持できる。さらに、印加ホーン５の中心軸１９の鋳型３の中心軸１７からの偏心量ｘを調整することで、同一の印加ホーン５を使用しながら複数種類の径のビレット１０の鋳造に対応することも考えられ、より大径のビレット１０の鋳造にも本発明が適用できる。
【００１７】
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６（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６（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】
【００１８】
【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】印加ホーンが鋳型内で円運動する様子を示す平面図である。
【図４】（ａ）は印加ホーンを円運動させながら鋳造したビレットの断面の写真であり、（ｂ）は印加ホーンを円運動させずに鋳造したビレットの断面の写真である。
【図５】（ａ）は印加ホーンを円運動させながら鋳造したビレットの中心部と中心から１５ｍｍ離れた位置のミクロ組織を示し、（ｂ）は印加ホーンを円運動させずに鋳造したビレットの中心部と中心から１５ｍｍ離れた位置のミクロ組織を示している。
【図６】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。
【図７】印加ホーンを円運動させない場合の鋳型周辺部の縦断面図である。
【符号の説明】
【００１９】
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  印加ホーン先端部
１２  凝固界面
１７  鋳型の中心軸
【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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