JP3555485B2

JP3555485B2 - レオキャスト法及びその装置

Info

Publication number: JP3555485B2
Application number: JP05764599A
Authority: JP
Inventors: 政広郡市
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2019-03-04
Also published as: JP2000246415A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
溶湯を半凝固状態にして鋳造するレオキャスト法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レオキャスト法は、溶湯を冷却する過程で初晶（最初に固まる晶）を球状化し、固相と液相とが共存する半凝固状態で鋳造する方法である。ここで、溶湯を冷却する過程で初晶を球状化するためには、溶湯が固まり初める温度（液相線温度）付近でその溶湯を等温保持する方法と、溶湯が半凝固する温度領域でその溶湯を攪拌して初晶を剪断して丸くする方法とがある。しかし、いずれの方法も容器内で溶湯の温度差が生じないように溶湯をゆっくり冷却させる必要があるため、初晶の粒径が大きくなり、鋳造品の引張り強さが低下するという問題がある。
【０００３】
上記した問題をある程度解決する技術が特開平８−２４３７０７号公報に記載されている。このレオキャスト法は、図８に示されるように、溶湯を貯留する容器２の側壁にウォータジャケット２ｗを設けて溶湯を急冷できるようにし、さらに超音波ホーン４によって容器内の溶湯を攪拌可能にしたものである。これによって、初晶を比較的小さくすることが可能になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のレオキャスト法によると、超音波ホーン４によって容器内の溶湯を攪拌する方法のため、溶湯が液体の状態では攪拌が比較的良好に行われるが、凝固が進んで溶湯の粘性が高くなると、攪拌の効果は超音波ホーン４の近傍にしか及ばなくなる。このため、超音波ホーン４から離れた位置にある溶湯、即ち容器の壁面付近の溶湯はほとんど攪拌されないため、その部分の溶湯は自然に近い状態で樹枝状に凝固し、初晶を球状化することは難しい。さらに、容器の壁面付近は冷却水によって急冷されるのに対し、壁面から離れた容器の中央部は比較的ゆっくり冷却される。このため、容器の壁面付近と中央部とで溶湯の温度差が大きくなり初晶の粒径が不安定になる。
この結果、従来のレオキャスト法では半溶融金属が均一なスラリー状にならないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、本発明の技術的課題は、容器内で溶湯を効率的に攪拌するとともに、溶湯の初晶を効率的に剪断して微細球状化させることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、各請求項の発明によって解決される。
請求項１の発明は、溶湯を半凝固状態にして鋳造するレオキャスト法であって、上部開放型の容器に貯留された溶湯に対して上方から柱形の超音波ホーンの先端部を浸漬する工程と、溶湯に対して前記超音波ホーンにより振動を付与するとともに、溶湯が前記超音波ホーンのほぼ軸方向に流動するようにその溶湯を攪拌しながら、前記超音波ホーンで溶湯の初晶を剪断して球状化させる工程とを有することを特徴とする。
本発明によると、溶湯に対して超音波振動を加えるため、その振動が加えられた溶湯の初晶を効率的に剪断して微細に球状化することができる。さらに、超音波ホーンに対してほぼ軸方向に流動するようにその溶湯を攪拌するため、容器内の溶湯に均等に超音波振動を加えることができる。また、攪拌により容器内で溶湯の温度差が生じ難いため、半溶融金属が均一なスラリー状になる。
【０００７】
請求項２の発明は、溶湯が超音波ホーンのほぼ軸方向に流動するように、電磁力を利用してその溶湯を攪拌することを特徴とする。
請求項３の発明は、溶湯が前記超音波ホーンのほぼ軸方向に流動するように、超音波ホーンを軸方向に往復動させて、その溶湯を攪拌することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（第一の実施の形態）
以下、図１から図６に基づいて本発明の第一の実施の形態に係るレオキャスト法及びその装置について説明する。本実施の形態は自動車の足回り部品を製造する際に本発明に係るレオキャスト法を利用したものであり、図１にそのレオキャスト法を実施するための装置（レオキャスト装置）の要部縦断面図が示されている。
【０００９】
前記レオキャスト装置１０は、約３ｋｇのアルミ溶湯（以下、溶湯という）を貯留する耐熱容器１２を備えている。耐熱容器１２は有底円筒形をした上部開放型の容器であり、その周囲に耐熱容器１２内の溶湯を攪拌するための電磁攪拌装置１４の電磁コイル１４ｃが装着されている。なお、耐熱容器１２の内径は約１２０ｍｍに設定されている。即ち、電磁攪拌装置１４が本発明の攪拌手段に相当する。
【００１０】
また、耐熱容器１２の上方には耐熱容器１２内の溶湯に対して１８ｋＨｚ、０．６ｋｗの超音波振動を加える超音波発振装置（図示されていない）が設置されており、その超音波発振装置のホーン１６の先端部１６ｆが前記溶湯に約２０ｍｍ浸漬される。なお、前記ホーン１６はセラミックによって円柱形に成形されており、その外径は約４０ｍｍに設定されている。即ち、前記超音波発振装置のホーン１６が本発明の振動付与手段に相当する。
また、前記耐熱容器１２に貯留される溶湯の成分は、Ｓｉ７．３４％、Ｃｕ０．０１％以下、Ｍｇ０．３３％、Ｆｅ０．１８％、Ｔｉ０．１９％、残り全部がＡｌである。
【００１１】
次に、本実施の形態に係るレオキャスト法について説明する。
先ず、前記耐熱容器１２に前述の成分の溶湯が約３ｋｇ供給される。ここで、耐熱容器１２に供給される際の溶湯の温度は約６２０℃である。耐熱容器１２に溶湯が供給されると、電磁攪拌装置１４が駆動されて溶湯が攪拌されるとともに、その溶湯に超音波発振装置のホーン１６が浸漬されて１８ｋＨｚ、０．６ｋｗの超音波振動が加えられる。
この状態で、溶湯の温度が５８２℃になるまでその溶湯を約０．６℃／秒の速さで冷却させる。これによって、溶湯が半凝固して均一なスラリー状になる。
【００１２】
スラリー状の半凝固金属は高圧鋳造機（図示されていない）に移され、０．２ｍ／秒の射出速度で金型のキャビティに充填される。
このようにして、鋳造された製品は金型から取出された後、Ｔ６処理が行われる。なお、Ｔ６処理とはアルミニウムの熱処理のことであり、溶体化処理を行った後、加熱によって室温以上の温度で時効処理を行うことをいう。
本実施の形態に係るＴ６処理の条件は、溶体化処理における加熱温度及び加熱時間は５３０℃・約五時間で、冷却は水による急冷方式であり、時効処理における加熱温度及び加熱時間は１４０℃・約四時間である。
【００１３】
図２は、本実施の形態に係るレオキャスト法によって鋳造された後、Ｔ６処理された製品Ｉの顕微鏡写真を表している。また、図３は超音波振動を加えずに、その他は本実施の形態に係るレオキャスト法と同じ条件で鋳造され、さらにＴ６処理された製品ＩＩの顕微鏡写真である。
図４は、製品Ｉと製品ＩＩとの初晶をの大きさを表す棒グラフであり、着色された棒が製品Ｉ、非着色の棒が製品ＩＩを表している。
このように、図２から図４において明らかなように、超音波振動により初晶が効果的に微細化されることが分かる。
【００１４】
図５は、試験片に加える引張り強さとその試験片の伸びを表すグラフであり、●は製品Ｉを試験片とした場合のデータで、○は製品ＩＩを試験片とした場合のデータである。製品Ｉは製品ＩＩよりも初晶が小さいため、その分だけ引張り強さが向上していると考えられる。
【００１５】
次に、初晶に対する溶湯の攪拌の影響を調査するために、本実施の形態に係る方法により溶湯を半凝固状態にした後（５８２℃まで冷却後）、その半溶融金属をそのまま凝固させた試料Ｉと、溶湯を攪拌せずに超音波振動を加えただけで溶湯を半凝固状態にした後、その半溶融金属をそのまま凝固させた試料ＩＩとを顕微鏡で組織調査した。図６は、その顕微鏡組織調査の結果であり、試料Ｉ，ＩＩの各部位（位置ａ，位置ｂ，位置ｃ，位置ｄ）における初晶の粒径を表している。ここで、●は試料Ｉのデータであり、○は試料ＩＩのデータである。
【００１６】
即ち、両試料Ｉ，ＩＩとも超音波発振装置のホーン１６の近傍（位置ａ）では初晶が微細化されているが、試料ＩＩの方はホーン１６から離れた部位（位置ｂ，位置ｃ，位置ｄ）では初晶の粒径が大きくなっている。これに対して、試料Ｉはホーン１６から離れた部位（位置ｂ，位置ｃ，位置ｄ）でも初晶が微細化されている。したがって、溶湯を攪拌することにより超音波振動が耐熱容器１２内の溶湯に均等に加えられるのに対し、溶湯を攪拌しなければ超音波振動がホーン１６の近傍の溶湯にしか加えられないことが分かる。
【００１７】
このように、本実施の形態に係るレオキャスト法によると、溶湯に対して超音波振動を加えるため、その振動が加えられた溶湯の初晶を効率的に剪断して微細に球状化することができる。さらに、電磁攪拌装置１４によりホーン１６に対して常に新たな溶湯が接触するように溶湯を攪拌するため、容器１２内の溶湯に均等に超音波振動を加えることができる。また、攪拌により容器内で溶湯の温度差が生じ難いため、半溶融金属が均一なスラリー状になる。即ち、溶湯の初晶が微細に球状化するとともに半溶融金属が均一なスラリー状になるため、その半溶融金属を鋳造して成形された鋳造品の引張り強さ（伸び）が向上する。
【００１８】
（第二の実施の形態）
以下、図７に基づいて本発明の第二の実施の形態に係るレオキャスト法及びその装置の説明を行う。
本実施の形態に係るレオキャスト装置２０は、第一の実施の形態に係るレオキャスト装置１０が電磁攪拌装置１４によって耐熱容器１２内の溶湯を攪拌するのに対し、超音波発振装置のホーン２６を上下に移動させて耐熱容器２２内の溶湯を攪拌するものである。
これによって、溶湯を攪拌する機構が簡易なものになり、設備コストを低減させることができる。
【００１９】
なお、第一の実施の形態及び第二の実施の形態では、耐熱容器に溶湯を供給した後、速やかにその溶湯に対し超音波振動を加えるようにしたが、溶湯が固まり始める温度（液相線温度）より約１０℃高い温度まで溶湯が冷えた後に超音波振動を加えても良い。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明の実施の形態には請求の範囲に記載した技術的事項以外に次のような技術的事項を有するものであることを付記しておく。
（１）請求項２に記載されたレオキャスト装置において、
攪拌手段は、電磁力を利用して溶湯を攪拌することを特徴とするレオキャスト装置。
（２）請求項２に記載されたレオキャスト装置において、
攪拌手段は、振動付与手段を溶湯の内部で移動させることにより、溶湯を攪拌することを特徴とするレオキャスト装置。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によると、溶湯の初晶が微細に球状化するとともに半溶融金属が均一なスラリー状になるため、その半溶融金属を鋳造して成形された鋳造品の引張り強さが向上し、鋳造品の品質向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施の形態に係るレオキャスト装置の要部縦断面図である。
【図２】本発明の第一実施の形態に係るレオキャスト法により鋳造した製品の顕微鏡写真である。
【図３】超音波振動を加えないで溶湯を半溶融状態まで冷却してレオキャスト法により鋳造した製品の顕微鏡写真である。
【図４】本発明の第一実施の形態に係るレオキャスト法により鋳造した製品と、超音波振動を加えないで溶湯を半溶融状態まで冷却してレオキャスト法により鋳造した製品との初晶の大きさを比較したグラフである。
【図５】本発明の第一実施の形態に係るレオキャスト法により鋳造した製品と、超音波振動を加えないで溶湯を半溶融状態まで冷却してレオキャスト法により鋳造した製品との引張り強さを比較したグラフである。
【図６】試料の各部位における初晶の大きさを表すグラフである（Ａ図）。初晶の大きさを測定した各部位を表す図面である（Ｂ図）。
【図７】本発明の第二の実施の形態に係るレオキャスト装置の要部縦断面図である。
【図８】従来のレオキャスト装置の要部縦断面図である。
【符号の説明】
１２耐熱容器
１４電磁攪拌装置（攪拌手段）
１６超音波発振装置のホーン（振動付与手段）

Claims

溶湯を半凝固状態にして鋳造するレオキャスト法であって、
上部開放型の容器に貯留された溶湯に対して上方から柱形の超音波ホーンの先端部を浸漬する工程と、
溶湯に対して前記超音波ホーンにより振動を付与するとともに、溶湯が前記超音波ホーンのほぼ軸方向に流動するようにその溶湯を攪拌しながら、前記超音波ホーンで溶湯の初晶を剪断して球状化させる工程と、
を有することを特徴とするレオキャスト法。
請求項１に記載されたレオキャスト法であって、
溶湯が超音波ホーンのほぼ軸方向に流動するように、電磁力を利用してその溶湯を攪拌することを特徴とするレオキャスト法。
請求項１に記載されたレオキャスト法であって、
溶湯が超音波ホーンのほぼ軸方向に流動するように、超音波ホーンを軸方向に往復動させて、その溶湯を攪拌することを特徴とするレオキャスト法。