Review

直接圧延とひずみ付加を利用した半凝固鍛造用素材の開発
羽賀 俊雄＊
T. Haga

1．はじめにセミソリッド加工は，チクソキャスティング １ ） が初めに実用化され，次いでレオキャスティングが実用化された．現在は，レオキャスティング １ ) が中心になりつつあると思われる．それはレオキャスティングが以下のような利点を有するためと考えられる．レオキャスティング
は，チクソキャスティングのように特別な素材の購入を必要としない，チクソキャスティングと比較して結晶粒や共晶 Si の微細化が期待できる，成形時の固相率を低くすることが容易である，などが挙げられる．一方，チクソキャスティングにも利点があり，溶解設備が必要ない，リサイクル材に適用できる可能性がある，などである．
それぞれのプロセスに一長一短がある．本研究では，縦型高速双ロールキャスター（溶湯直接圧延機）を用いてこれにより作製した薄板を積層して安価なチクソキャスティング用の素材を作製する方法を検討した．
一枚の板が厚い方が，積層枚数が少なくなり低コスト化が期待できる．また，小物であれば，一枚の板を適当な寸法に切断したものを素材として使用できる可能性がある．そこで 10ｍｍ以上の厚さの板を半凝固注湯により作製することも試みた．半凝固スラリーの作製には傾斜冷却板を使用した．この場合は，異径双ロールキャスターを使用した．
リサクル材の使用を想定して１％の Fe を添加したものについても薄板を作製し，Fe を含む金属間化合物の微細化，つまり無害化の可能性について調査した．縦型高速双ロールキャスターでは急冷効果により Fe を含む金属間化合物は微細化する．薄板の T６処理までは急冷効果があること，つまり延性の改善を確認している．しかし，半溶融温度まで加熱した場合については Fe を含む金属間化合物の形態等については確認をしていない．
as-cast 材 と 20％ の ひ ず み を 付 加 し た 薄 板 を 半 溶 融温 度まで加熱し，組織観察を行った．

2．プロセスの概要と実験方法
2.1

積層材の作製方積層材は，双ロールキャスターによりにより鋳造した薄板から作製した．薄板は溶湯または半凝固スラリーから鋳造する ２ ）．図１に縦型高速双ロールキャスターを示す．積層材は，鋳造したままの板と圧延によりひずみを付加 ３ ） した板から作製した．図２に積層方法を示す．薄

＊ 大阪工業大学機械工学科

教授

-8-

板を所定の寸法に切断し，各板を溶接により接合して積層材とした．薄板の作製には，冷却速度と生産性の視点から縦型高速双ロールキャスターを用いた．従来のアルミニウム合金用の双ロールキャスターのロール周速は５ｍ/min 以下である．これに対して，本研究の高速双ロールキャスターは，60m/min 以上の高速で薄板の作製が可能である．製産性は従来のアルミニウム用双ロールキャスターの５倍以上に達する．従来のアルミニウム合金用双ロールキャスターのロールシェルは鋼製で薄板の固着を防ぐために表面に離型剤を噴霧している．これに対して本研究の双ロールキャスターではシェルを銅で作製しており，離型剤は使用していない．このため従来のアルミニウム合金用双ロールキャスターで作製した薄板より，本研究で作製した薄板の冷却速度は高い．冷却速度が高いことは，初晶の微細球状化には有利である．
半溶融鍛造用の素材として使用できる，つまり半溶融状態において初晶が球状化する積層材の薄板の作製方法として，本研究では，①半凝固鋳造，②半凝固鋳造とひずみ付加，③低温鋳造，④低温鋳造とひずみ付加，⑤ひずみ付加の方法を検討した．ひずみは冷間圧延で付加した．素材には，半溶融凝固素材として広く使用されている AC４C 合金を用いた．
半凝固スラリーの作製方法としては，電磁攪拌，機械式攪拌，傾斜冷却板があるがこの中で傾斜冷却板 ４ ） が構
造的に最もシンプルでありランニングコストも低い．また，双ロールキャスターに取り付けるのも容易である．
装着のために双ロールキャスターに特別な改造を施す必要は無い．双ロールキャスターでは連続的に薄板を作製するためには注湯量を適切にコントロールする必要がある．このコントロールが傾斜冷却板では容易である．注
湯方法は，傾斜冷却板を組み込まない場合と相違がない．
半凝固加工では，成形時の固相率は 50％の場合が多い．
ダイカストなどにおいて空気の巻き込みを防ぐには適切な固相率であると考えられる．しかし，ロールキャステ
ィングの場合は，ロール間隙への材料の供給や凝固による ロ ー ル の 停 止 な ど を 考 慮 す る と 固 相 率 は 20％ 未 満 が良いと考えられる．本研究では 5％未満とした．低固相率の半凝固スラリーを作製するのに傾斜冷却板は適当である．固相率は，注湯温度，傾斜冷却板の長さ，傾斜角度で調節可能である．
縦形の高速双ロールキャスターは，従来のアルミニウム合金用双ロールキャスターと比較して，半凝固鋳造に適している．それは，ロール間隙において固相率が変化し難く，素材が詰まりにくいからである．

半凝固鍛造のプロセスの模式図を図３に示す．縦型のチクソフォーミング用プレスを使用した．試料を誘導加熱後に黒鉛型を使用して鍛造を行った．半凝固鍛造の条件を表１に示す．

察した．薄板鋳造時に Fe を含む金属間化合物を微細に晶出させるためには低温鋳造が有効であると考えた．低温鋳造したロールキャスト板に冷間圧延でひずみを加えた．

2.3

図１

縦型高速双ロールキャスター

図２

図３
表１

薄板の積層方法

半凝固鍛造プロセス

半凝固成形条件（AC4C）

積層材寸法

40×40×40mm

成形温度

580℃

成形荷重

100ｋN

ラム速度

500mm／s型

80×70×8mm
材質 黒鉛

加熱方法

高周波加熱

2.2

素材用鋳造板の厚化

薄板を積層することは，生産コストの視点からは適切ではない．そこで 10ｍｍ以上の厚さの薄板を半凝固ロールキャスティングにより鋳造した．この場合は，傾斜冷却板を装着した異形双ロールキャスターを使用した．板を厚くするためには，注湯温度を下げることと鋳造時間を長くすることが有効である．注湯温度を下げるためには傾斜冷却板を用いて半凝固注湯を行った．鋳造時間を長くするためには，ロール周速を遅くすることと凝固距離を長くすることが有効である．ロール周速は 5ｍ／minとした．このようなロール周速においてもロール間隙で試料が詰まりロールが停止するのを防ぐために図４に示す異径双ロールキャスターを使用した．鋳造は主に下ロールで行い，上ロールは板の表面状態の成形を行う．
溶湯溜まりを形成するために縦型双ロールキャスターではサイドダムプレートを使用したが，異径双ロールキャスターではロールと共に回転するつばを使用した．つばは下ロールに装着した．サイドダムプレートを使用すると板が厚いため摩擦が大きくなり，板がロールと共に移動できない場合があったため，つばを使用した．
厚さが 10ｍｍ以上の板は，熱間鍛造用の素材としても利用可能である．ここでは，半溶融鍛造と熱間鍛造の素材の共通化を考慮し，A4045 合金を使用した．

図4

異形双ロールキャスター（板厚 10mm 以上）

４．実験結果４．１

縦型高速ロールキャスター

縦型高速双ロールキャスターにより鋳造した薄板を図５に示す．AC4C 板は，一般的な鋳造においては鋳造性が良いとされている．高速ロールキャスティングにおいても薄板を作製し易い合金であった．90m/min の高速でもすべての条件で薄板の作製が可能であった．板厚は，通常の注湯，低温鋳造，半凝固鋳造の順で厚くなった．

リサイクル材への適用

リサイクル材を想定し 5 ），AC４C 合金に１％の Fe を添加した薄板を鋳造し，ひずみを付加したのち，半溶融状態まで加熱・水冷を行い半溶融状態における組織を観-9-合した．

1.8mm から 3mm 程度の範囲の板厚であった．溶湯から作製した板と半凝固スラリーから作製した板の表面状態には差異は見られなかった．

(a)

鋳造板（as-cast 板）の表面状態

図７

薄板から作製した積層材．１辺が 40ｍｍの立方体(a) スーパーヒート 50℃で鋳造(b) スーパーヒート 50℃で鋳造した板に冷間圧延(b) 鋳造板（as-cast 板）のコイル
図５ 縦型高速双ロールキャスターで鋳造した
AC4C 板の一例
図５のロールキャスト AC4C 板の一例に示すように，鋳造したままの状態の板をコイル状にすることが可能であり，板幅は一定であった．表面には積層時に害を及ぼすと考えられる表面欠陥は存在しなかった．ロールキャ
ストしたままの状態の板に対して，冷間圧延によりひずみを付加した板を半凝固状態まで加熱して初晶の状態を調査した．AC4C には Si が６mass％以上含まれているが，鋳造したままの状態で冷間圧延が可能であった．本研究のロールキャスト板は，冷却速度が高く結晶粒が微細化したため，延性が得られたと考えられる．図６にロールキャスト板の共晶 Si を示す．共晶 Si は２μm 以下と大変微細であり，かつ粒状かしていた．これが延性の向上に大きく影響していると考えられる．

図６

ロールキャスト AC4C 板の共晶 Si

図７に薄板から作製した積層材を示す．形状は１辺が40ｍｍの立方体であり，２面を溶接することで各板を結- 10 -(c) 半凝固鋳造図８(d) 半凝固鋳造した板に冷間圧延薄板の作製方法と半凝固状態の組織各方法で作製した薄板を半凝固状態に加熱して水冷し，半凝固状態における組織を調査した．薄板の組織と半凝固状態まで加熱後に水冷した場合の組織を図８に示す．
スーパーヒートが 50℃の通常の注湯で作製した薄板は，
図 ８ (a)に 示 す よ う に 半 凝 固 状 態 ま で 加 熱 し て も 初 晶 は球状化しなかった．しかし，冷間圧延でひずみを付加すると図８(b)に示すように初晶は球状化した．低温鋳造と半凝固鋳造で作製した薄板は，図８(c)に示すように半凝固状態で初晶が球状化した．また，低温鋳造と半凝固鋳造で作製した薄板にさらにひずみを付加しても，図８(d)に示すように初晶が小さくなるまたは球状化の度合いが増すなどの効果は見られなかった．ひずみを付加すると球状化する温度が若干高くなる現象が見られた．通常の注湯で作製した薄板と半凝固鋳造で作製した薄板の両方

作とコストの点から判断すると，傾斜冷却板を使用して低温鋳造した板で積層材を作製するのが適当である．
表２に半凝固鋳造板で作製した積層材をチクソキャスティングしたものの機械的性質を示す．電磁攪拌で作製した連鋳棒の素材とほぼ同等の機械的性質を示した．とも中心部と表面近傍では組織は異なり，板厚方向で組織は均一ではなかった．通常の注湯で作製した薄板の表面近傍は小さく短い柱状組織であるのに対し中心部は等軸組織に近かった．半凝固鋳造で作製した薄板の表面近傍は，通常の注湯で作製した薄板より細かな柱状組織でその中に球状組織が点在した．また，内部は微細な球状組織であった．低温鋳造で作製した薄板の組織は，半凝固鋳造で作製した薄板の組織に似ていた．半凝固状態まで加熱したとき，通常の注湯で作製した薄板の初晶は球状化しなかった．しかし，他の条件で作製した薄板の初晶は球状化し，チクソキャスティング用の素材として使用できる可能性があることが明らかになった．鋳造したままの状態の板の組織は板厚方向で均一ではない．しかし，半凝固状態まで加熱したときは，板厚方向でほとんど均一な組織になった．

図９表２

半凝固成形材の機械的性質（T6）

引張り強さ

0.2% 耐力

伸び315 MPa

253 MPa8%４．２

リサイクル材を想定して Fe を添加した場合リサイクルを想定して１％の Fe を AC4C に添加して薄板の鋳造を試みた．Fe を添加しても薄板の連続的な鋳造は可能であった．ロールキャスト板の断面組織を図 10 に示す．板の表面近傍は板厚中央部より冷却速度が高く組織は微細であった．図 11 にロールキャスト板の中央部の共晶組織と金型鋳造材の共晶部の組織を示す．金型鋳造材では，Fe を含む金属間化合物が針状に晶出していた．しかし，ロールキャスト板ではこのような針状の金属間化合物は観察されなかった．Fe を含む金属間化合物は，急冷効果により微細に分散して晶出したものと推測される．

図 10

Fe を１％添加した AC4C 合金のロールキャスト板の断面組織

図 11

Fe を１％添加した AC4C 合金のロールキャスト板と金型鋳造材の共晶組織．
(a)ロールキャスト板，(b)金型鋳造材．

半凝固鍛造の状態に対する半凝固状態における初晶の形態の影響

半凝固状態まで加熱したときに初晶が球状化しなかった板，つまり通常の注湯で鋳造した板で作製した積層材をチクソキャスティングした場合は，図 ９(a)に示すように材料は型に充満しなかった．これは初晶が球状化していないため，良好な流動性が得られなかったためと考えられる．これに対し，図８で半凝固状態において初晶が球状化する条件の板で作製した積層材をチクソキャスティングした場合は，図９(b)に示すように材料は型に充満した．この結果より，薄板から作製した積層材はチクソキャスティング用の素材として使用可能であると判断できる．
低温鋳造と半凝固鋳造で作製した板は，ひずみを付加しなくても初晶は球状化した．これらの方法で板を作製すれば，圧延工程が必要ではなく通常の注湯で作製した板からチクソキャスティング用素材の積層材を作製するより低コストになる．実際の生産においてスーパーヒー
トを 5℃程度に保持して溶湯をハンドリングするのは容易ではない．傾斜冷却板を使用すれば，低温鋳造の場合であればスーパーヒートは 30℃程度まで高くできる．操Fe を１％添加した AC4C 合金のロールキャスト板とこの板に冷間圧延により 20％ひずみを加えた薄板を 580℃の半凝固状態まで加熱後に水冷して半凝固状態の組織を観察した．図 12 にこれらの組織を示す．ロールキャス
ト板を半凝固状態まで加熱した場合は，図 12(a)に示すように共晶 Si は微細ではあるが針状であった．図 11(b)に示すような粗大な針状の Fe を含む金属間化合物は観察されなかった．ひずみを付加したものは，図 11(b)に示す
ように共晶 Si は微細で粒状であった．粗大で針状の Feを含む金属間化合物は観察されなかった．これらの結果
より，ロールキャスト板から作製した半凝固鍛造用の素- 11 -

材は，リサイクル材に含まれる Fe の影響を無害化できる可能性がある．現在，積層材をロールキャスティングで直接作製する技術を検討している．リサイクル材の半凝固鍛造については継続して研究を行う予定である．

図 14
図 12
Fe を１％添加した AC4C 合金のロールキャスト板と 20％ひずみを加えた板の 580℃の半凝固状態における組織．(a)ロールキャスト板，(b)ロールキャスト板にひずみを加えた場合４．３

A4045 合金のロールキャスト板と半凝固状態の組織．(a)as-cast 材，(b)半凝固状態

図 14 に A4045 合金のロールキャスト板(as-cast 材)と半凝固状態まで加熱後に水冷した場合の組織を示す．傾斜
冷却板を使用して半凝固注湯を行ったため，ロールキャスト板の初晶は粒状化していた．初晶は，粗大化はしたが半凝固状態においても粒状化していた．異径双ロール
キャスターにより鋳造した厚さが 18mm の板は，そのままの状態で半凝固鍛造用の素材として使用できる可能性があると考えられる．今後，さらに厚い板の鋳造条件を探索する必要がある．

異形双ロールキャスターによる厚板の鋳造

図４に示す異形双ロールキャスターにより厚さが約18ｍｍの A4045 の板を鋳造することができた．AC4C 合
金においても同様の厚さの板の鋳造は可能であると考えられる．図 13 に鋳造した板の表面と断面を示す．異形
双ロールキャスターで半凝固鋳造を行い，厚さ 18ｍｍの板を５ｍ／min の速度で作製することができた．

５．結言
ひずみを加えたロールキャスト板から作製した積層材をチクソキャスティング用の素材として使用することを検討した．その結果，積層材は，チクソキャスティングのとき良好な流動性を有し，積層材が半凝固鍛造用の素材として使用できる可能性を示した．
Fe を １ ％ 加 え た 場 合 で も ロ ー ル キ ャ ス ト 板 の 半 凝 固状態の組織には針状の金属間化合物は観察されなかった．
つまり，リサイクル材に含まれる Fe を無害化した半凝固鍛造用素材を作製できる可能性を示すことができた．
異径双ロールキャスターにより半凝固鋳造した厚さが18mm 程度の板は，そのままの状態で半凝固鍛造用の素材として使用できる可能性を有すること示した．

参考文献
図 13

たとえば岡野忍：塑性と加工,41-479 (2000),1162．
羽賀俊雄：塑性と加工,41-479 (2000),1231．
羽賀俊雄：塑性と加工,41-479 (2000),1226．
劉馳・青山俊三・坂本勝美・茂木徹一：第 175 回組成加工シンポジウム,(1997),17．
5） 伊藤隆文，手塚裕康，里達雄：軽金 117 回春期講演
概要，(2009)，267．

1）
2）
3）
4）

A4045 合金板の表面と断面- 12 -