JP2006110558A - 連続鋳造用鋳型 - Google Patents

Abstract

【課題】 長時間連続で鋳造しても鋳造材に表面の荒れやちぎれが生じず、良好な表面性状を有する鋳造材を高い生産性で生産することができる連続鋳造用鋳型を提供する。
【解決手段】 連続鋳造用鋳型１は、内面１ａが、テーパ角度０．１度以上、１．３度以下で鋳造方向に向かって広がるテーパ状に形成され、熱伝導率が０．７ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上、かつ、降伏応力が２５０ＭＰａ以上の材料からなることを特徴とする。更に、連続鋳造用鋳型１は、材料が銅合金であることを特徴とする
【選択図】 図２

Description

本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金（以下、アルミニウム合金という）の連続鋳造用鋳型に関する。

従来、効率よく生産することができる鋳造方法として連続鋳造がある。この連続鋳造では、アルミニウム合金の溶湯を筒状の鋳型に導入し、アルミニウム合金を冷却しながら鋳型の内面を滑らせて外部に徐々に排出することで、所定の径の鋳造材を連続して製造することができる。連続鋳造としては、一般的に縦（垂直）型連続鋳造と横（水平）型連続鋳造とが行われている。

縦型連続鋳造では、上下が開放された鋳型の上部から溶湯を導入し、鋳造材を下部の開口から自重によって排出、あるいは、下方向に引き抜くことで、連続的に鋳造材が製造される。また、横型連続鋳造では、水平方向に開放された鋳型の一方の開口から溶湯を導入し、他方の開口側から鋳造材を支えながら引き抜くことで、連続的に鋳造材が製造される。横型連続鋳造は、縦型連続鋳造に比べて、鋳型内においてアルミニウム合金が自重で下がるために鋳型の内面に供給された潤滑油の潤滑皮膜の分布が不均一になりやすく、鋳造材を引き抜く際の制御を厳密に行う必要が生じる一方、鉛直方向に小さい設備となるため、設備にかかるコストが小さく、また、長い鋳造材を製造しやすいという特徴がある。

また、自動車用サスペンション等の鍛造部品を鍛造する前の鍛造素材として、従来、押出加工によって加工された押出材が一般的に使用されてきたが、近年、更にコストダウンを図るため、鍛造素材として押出材に替わり鋳造材が用いられるようになってきた。そのため、押出材のサイズである直径５０〜１００（ｍｍ）程度の従来よりも比較的小さい径の鋳造材を連続鋳造によって製造する必要が生じている。

そして、従来の連続鋳造では、鋳造材の直径が小さいと鋳造中に冷却の不均一等により鋳造材がちぎれやすくなり、生産性や品質を著しく損なうという問題があった。このような問題点を解決する技術として、鋳型の内径を鋳造材の鋳造時の収縮にあわせた冷却構造とすることや（特許文献１参照）、鋳型部において潤滑油を均一に分布させて鋳造材表面性状の低下を防止することが（特許文献２参照）開示されている。
特開昭５６−３９１５２号公報（第１頁右下欄第１２行目〜第２頁右下欄第１８行目、図面） 特開平１１−１７０００９号公報（段落番号０００６〜０００９）

しかしながら、鋳型に特許文献１に記載されるような冷却構造を設けても、アルミニウム合金は鋳造時の収縮が小さいため、鋳造材がアルミニウム合金の場合には鋳型と鋳造材との間に隙間ができず、鋳型内部において接触抵抗が大きくなることがあり、鋳造時に鋳造材がちぎれるという問題があった。

また、特許文献２に記載されるように潤滑油を供給しても、アルミニウム合金の引き抜き時の荷重や鋳型内における鋳造材の位置にバラつきが生じる場合があり、これによって潤滑油の分布が不均一になり、冷却・抜熱が不均一となることがあった。そしてこのとき、数時間連続で鋳造すると鋳造材の表面に荒れが生じ、やがてちぎれが生じるという問題があった。

本発明は前記の問題点に鑑みて創案されたものであり、長時間連続で鋳造しても鋳造材に表面の荒れやちぎれが生じず、良好な表面性状を有する鋳造材を高い生産性で生産することができる連続鋳造用鋳型を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、請求項１に記載の連続鋳造用鋳型は、内面が、テーパ角度０．１度以上、１．３度以下で鋳造方向に向かって広がるテーパ状に形成され、熱伝導率が０．７（ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃）以上、かつ、降伏応力が２５０（ＭＰａ）以上の材料からなる構成とした。

また、請求項２に記載の連続鋳造用鋳型は、請求項１に記載の連続鋳造用鋳型において、前記材料が銅合金である構成とした。

このように構成すれば、鋳造材の引き抜きの際の鋳型との接触抵抗を小さくできるとともに、抜熱・冷却が均一に行われ、良好な表面性状を有する鋳造材を長時間連続して生産できる連続鋳造用鋳型を提供することができる。

本発明に係る連続鋳造用鋳型では、テーパ角度及び鋳型の材質を適正に設定しているので、長時間鋳造しても表面性状の良い鋳造材を得ることができる。そのため、鋳造材を高い生産性で生産することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、ここでは、本発明に係る連続鋳造用鋳型を横型連続鋳造を行う連続鋳造装置に装着した場合について説明する。
［連続鋳造装置の構成］
まず、図１を参照して、本発明に係る連続鋳造用鋳型１を備える連続鋳造装置Ａの構成について説明する。図１は、本発明に係る連続鋳造用鋳型を備える連続鋳造装置の構成を模式的に示す側面断面図である。

連続鋳造装置Ａは、横型連続鋳造によって、アルミニウム合金の鋳造材Ｂを製造するものである。連続鋳造装置Ａは、連続鋳造用鋳型１と、セラミックノズル２と、溶湯溜槽３と、固定手段４と、引抜手段５とを備える。また、連続鋳造装置Ａは、図示しない冷却水輸送管と潤滑油輸送管とを介して、後記する連続鋳造用鋳型１の冷却水供給孔１２、１２、…（図２参照）と潤滑油供給孔１３、１３、…とに外部から冷却水と潤滑油とが導入されている。

連続鋳造用鋳型１は、セラミックノズル２から導入されたアルミニウム合金の溶湯Ｍを冷却し、所定の径の鋳造材Ｂを製造するものである。連続鋳造用鋳型１は、水平方向に開放された筒状の形状を有し、一方の開口にはセラミックノズル２が接続されている。

セラミックノズル２は、耐熱性を有するセラミックからなるノズルであり、溶湯溜槽３内のアルミニウム合金の溶湯Ｍを連続鋳造用鋳型１に供給するものである。セラミックノズル２は、溶湯溜槽３の側面を貫通して設けられている。

溶湯溜槽３は、アルミニウム合金の溶湯Ｍを貯留するものである。固定手段４は、溶湯溜槽３の外部側面に取り付けられ、連続鋳造用鋳型１とセラミックノズル２とを、溶湯溜槽３に固定するものである。

引抜手段５は、鋳造材Ｂを支持するとともに、連続鋳造用鋳型１から引き抜くものである。この引抜手段５は、連続鋳造用鋳型１内において冷却され所定の径に鋳造された鋳造材Ｂを一定の速度で水平方向に引き抜くため、鋳造材Ｂが連続鋳造される。

［連続鋳造用鋳型の構成］
次に、図２を参照（適宜図１参照）して、連続鋳造用鋳型１の構成について説明する。図２は、本発明に係る連続鋳造鋳型の構成を模式的に示す模式図、（ａ）は、連続鋳造用鋳型とセラミックノズルの一部とを模式的に示す側面断面図、（ｂ）は、（ａ）においてＣで示した連続鋳造用鋳型の内面の一部を拡大して示す模式図である。連続鋳造用鋳型１は、鋳造材Ｂ（図１参照）に冷却水を供給するための冷却水供給孔１２、１２、…と、当該連続鋳造用鋳型１の内面１ａと鋳造材Ｂとの間に潤滑油を供給するための潤滑油供給孔１３、１３、…とが形成されている。この冷却水供給孔１２、１２、…と潤滑油供給孔１３、１３、…は、連続鋳造用鋳型１を貫通して複数設けられている。

ここで、連続鋳造用鋳型１は、テーパ状の内面１ａを有する。この内面１ａは、図２（ｂ）に示すように、鋳造進行方向に向かって径が大きくなるテーパ状に形成され、そのテーパ角度（勾配）θは０．１度以上、１．３度以下に設定される。更に、連続鋳造用鋳型１は、熱伝導率が０．７（ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃）以上であり、降伏応力が２５０（ＭＰａ）以上の材料からなる。なお、ここでは、連続鋳造用鋳型１は、冷却水供給孔１２、１２、…の出口付近から鋳造方向に向かって、内面１ａより大きいテーパ角度で広がるようにテーパ状に形成された出口側開口部１ｂを更に有することとした。

次に、本発明に係る連続鋳造用鋳型１の内面１ａのテーパ角度θと、連続鋳造用鋳型１を構成する材料の熱伝導率及び降伏応力を数値限定した理由について説明する。

（テーパ角度θ：０．１〜１．３度）
連続鋳造用鋳型１のテーパ角度θが０．１度未満であると、鋳造材Ｂの引き抜き時における連続鋳造用鋳型１と鋳造材Ｂとの接触抵抗が大きくなるとともに、連続鋳造用鋳型１と鋳造材Ｂとの間の潤滑油の分布に偏りが生じる。そのため、鋳造材Ｂに不均一な潤滑皮膜が形成され、鋳造開始から数時間後にちぎれが生じる。一方、テーパ角度θが１．３度より大きいと、鋳造材Ｂの表面と連続鋳造用鋳型１の内面１ａとの隙間が広くなり、冷却水供給孔１２、１２、…から供給している冷却水が連続鋳造用鋳型１内に流れ込み、鋳造不能となる。従って、テーパ角度θは、０．１度以上、１．３度以下とする必要がある。なお、このテーパ角度θは、本発明の目的をよりよく達成するためには、０．１度以上、１．０度以下であることがより好ましく、０．３度以上、０．７度以下であることが更に好ましい。

（熱伝導率：０．７（ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃）以上）
連続鋳造用鋳型１を構成する材料の熱伝導率が０．７（ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃）より低いと、鋳造材Ｂの凝固時の抜熱が不充分となり、鋳造材Ｂの表面が荒れ、数時間鋳造すると鋳造材Ｂにちぎれが生じる。従って、連続鋳造用鋳型１の熱伝導率は０．７（ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃）以上とする必要がある。なお、連続鋳造用鋳型１の熱伝導率は、本発明の目的をよりよく達成するためには、０．８（ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃）以上とすることが更に好ましい。

（降伏応力：２５０（ＭＰａ）以上）
降伏応力が２５０（ＭＰａ）より低い材料を用いると、鋳造中に連続鋳造用鋳型１が変形し、鋳造時間が進むにつれて鋳造材Ｂの表面が荒れ、最終的にはちぎれが生じる。従って、連続鋳造用鋳型１の降伏応力２５０（ＭＰａ）以上とすることが必要である。なお、この降伏応力は、本発明の目的をよりよく達成するためには、３００（ＭＰａ）以上であることが更に好ましい。

以上のように、連続鋳造用鋳型１の内面１ａのテーパ角度θと、連続鋳造用鋳型１を構成する材料の熱伝導率及び降伏応力を規制することで、長時間鋳造しても鋳造材Ｂ（図１参照）にちぎれが生じず、表面性状の良い鋳造材Ｂを得ることができる連続鋳造用鋳型１とすることができる。

［連続鋳造装置の動作］
次に、図１及び図２を参照して、本発明に係る連続鋳造用鋳型１を備える連続鋳造装置Ａの動作について説明する。

図１に示すように、連続鋳造装置Ａにおいて、溶湯溜槽３に貯留されたアルミニウム合金の溶湯Ｍが、溶湯溜槽３からセラミックノズル２を通り、連続鋳造用鋳型１内に導入される。そして、連続鋳造用鋳型１内において内面１ａを介して抜熱され、アルミニウム合金は内面１ａと接触する面（表面）から凝固する。

ここで、アルミニウム合金の表面と連続鋳造用鋳型１の内面１ａとの間には、潤滑油供給孔１３、１３、…から供給された潤滑油によって、潤滑皮膜が形成されている。また、引抜手段５によって鋳造材Ｂが所定の速度で引かれているため、凝固したアルミニウム合金は、連続鋳造用鋳型１の内面１ａに沿って所定の速度で移動する。そして、内面１ａはテーパ状に形成されているので、アルミニウム合金が鋳造方向に進むにつれて接触抵抗が低くなるとともに、接触している連続鋳造用鋳型１の内面１ａから抜熱され、アルミニウム合金は内部に向かって徐々に凝固する。そして、冷却水供給孔１２、１２、…の出口付近において、アルミニウム合金は、冷却水供給孔１２、１２、…から供給された冷却水によって強制冷却される。

以上の動作により、連続鋳造装置Ａによって、連続的に鋳造材Ｂが鋳造される。なお、ここでは、本発明に係る連続鋳造用鋳型１を、横型連続鋳造を行う連続鋳造装置Ａに適用する場合について説明したが、縦型連続鋳造を行う連続鋳造装置（図示せず）に適用することとしてもよい。

以下、本発明に係る実施例について具体的に説明する。まず、表１に示すようなテーパ角度と材質の鋳型を作製した。また、各々の材料について、熱伝導率と、ＪＩＳ−Ｚ−２２４１に従って降伏応力を測定した。

実施例１〜４は、０．１重量％のクロム（実施例１）又は鉄（実施例２〜４）を含む銅合金を材料に用い、いずれも本発明で規制した条件を満足するものである。一方、比較例１は材料にＴ６５１の調質が施された６０６１アルミニウム合金（６０６１−Ｔ６５１、ＪＩＳ−Ｈ−４０００に規定）を使用し、熱伝導率及び降伏応力が本発明で数値限定した範囲の下限値未満のものであり、比較例２は、材料に純銅を使用し、降伏応力が本発明で数値限定した範囲の下限値未満のものである。また、比較例３は、テーパ角度が本発明で数値限定した範囲の下限値未満のものであり、比較例４は、テーパ角度が本発明で数値限定した範囲の上限値を超えたものである。

このようにして製造された本発明に係る実施例１〜４及び本発明で規制した条件を満足しない比較例１〜４の鋳型を水平型の連続鋳造装置に設置して、６ストランドで連続鋳造した。鋳造材の原料には、６０００系アルミニウム合金（合金番号６０６１）を使用し、直径７０（ｍｍ）の丸棒の鋳造材を作製した。鋳造速度は、３００〜４００（ｍｍ／分）とし、潤滑油量を５〜２０（ｍｌ／分／本）の範囲で行い、また、冷却水量は１００〜１２０（ｌ／分／本）の範囲で行った。以下、各々の鋳型及び鋳造材について行った評価方法について説明する。

（連続鋳造時間）
各々の鋳型について、ちぎれを生じることなく連続して鋳造できた連続鋳造時間を計測した。そして、連続鋳造時間を最長４８時間まで測定し、４８時間以上であれば実用上問題がないと判断した。

（鋳造材表面性状）
各々の鋳型によって作製された鋳造材の表面性状（鋳造材表面性状）の評価を目視で行い、表面に荒れが生じていない場合は「○（良好）」、荒れが生じているものにはその度合いに応じて「△（やや不良）」又は「×（不良）」とした。

表１に示すように、本発明で規制した条件を満足しない比較例（比較例１〜４）では、前記評価項目のすべてを満足するものは得られなかった。

すなわち、比較例１は、鋳造時の抜熱効率が悪く、また、鋳造中に鋳型が変形するため、連続鋳造時間が５時間と短く、また、鋳造材表面性状が「×（不良）」であった。また、比較例２は、鋳型の変形のため、鋳造時間が２０時間と短く、鋳造材表面性状が「△（やや不良）」であった。比較例３は、潤滑油の分布に偏りが生じるため、連続鋳造時間が５時間と短く、また、鋳造材表面性状が「×（不良）」であった。比較例４は、冷却水が鋳型内に流れ込み、鋳造不能となった。

一方、本発明に係る実施例（実施例１〜４）は、連続鋳造時間、鋳造材表面性状のいずれの評価項目においてなんら問題のないものであった。

本発明に係る連続鋳造用鋳型を備える連続鋳造装置の構成を模式的に示す側面断面図である。 本発明に係る連続鋳造鋳型の構成を模式的に示す模式図、（ａ）は、連続鋳造用鋳型とセラミックノズルの一部とを模式的に示す側面断面図、（ｂ）は、（ａ）においてＣで示した連続鋳造用鋳型の内面の一部を拡大して示す模式図である。

符号の説明

１ 連続鋳造用鋳型
１ａ 内面
１ｂ 出口側開口部
１２ 冷却水供給孔
１３ 潤滑油供給孔
２ セラミックノズル
３ 溶湯溜槽
４ 固定手段
５ 引抜手段
Ａ 連続鋳造装置
Ｂ 鋳造材
Ｍ 溶湯

Claims (2)

1. 鋳造材を連続して鋳造する連続鋳造装置に使用する連続鋳造用鋳型において、
   内面が、テーパ角度０．１度以上、１．３度以下で鋳造方向に向かって広がるテーパ状に形成され、
   熱伝導率が０．７ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上、かつ、降伏応力が２５０ＭＰａ以上の材料からなる連続鋳造用鋳型。
2. 前記材料が銅合金であることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造用鋳型。

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