JP2008173668A - 凝固方法 - Google Patents

Abstract

【課題】振動子の損耗を防止しつつ微細な凝固組織を得ることが可能な凝固方法を提供する。
【解決手段】非接触超音波振動工程において、凝固過程の溶湯１の液面から所定の距離Ｒを空けて配置した振動子２により溶湯１に超音波振動を付与し、溶湯１の液面の近傍領域において多数の結晶核１ａ・１ａ・・・を核生成するとともに結晶核１ａ・１ａ・・・を強制対流により溶湯１の底部に搬送し、次に、接触超音波振動工程において、凝固過程の溶湯１の液面に形成された凝固部に接触した振動子２により溶湯１に超音波振動を付与し、凝固部の近傍領域に微細な結晶粒からなる凝固組織を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、溶融状態の金属や樹脂等の液体の凝固方法に関する。より詳細には、凝固組織（液体を凝固することにより得られる結晶組織）の微細化技術に関する。

一般に、金属材料はその結晶組織が均一かつ微細であるほど靭性に優れることから、結晶組織を均一微細化するための種々の方法が検討されている。

従来、金属材料の凝固組織（凝固により得られる結晶組織）の微細化を図る最も簡便な方法としては、溶融金属の冷却速度を大きくすることにより結晶粒が粗大化する前に凝固させる方法が挙げられる。
しかし、この方法は、溶融金属を凝固して得られるインゴットの表面近傍にデンドライト組織が形成され、インゴットの表面から離れた内部では等軸状組織が形成されるため、インゴットの表面近傍から内部まで均一な凝固組織を得ることが困難である。

このような問題を解消する方法の一つとして、凝固過程の溶融金属に振動子を浸漬して超音波振動を付与することにより、溶融金属内の核生成を促進する方法が知られている。例えば、特許文献１に記載の如くである。

しかし、この方法は、以下の問題点を有する。

第一に、振動子を溶融金属に浸漬すると振動子が溶融金属に接触するため、溶融金属により侵食され、損耗する。また、振動子を構成する材料が溶融金属に混入して溶融金属を汚染する。
より詳細には、振動子の超音波振動により溶融金属内にキャビテーション（気泡）が発生し、当該キャビテーションにより溶融金属の液面に生成された酸化膜等が除去され、振動子と溶融金属とが酸化膜を介さずに接触する結果、溶融金属と振動子の間の反応（化学反応を含む）が促進され、振動子が損耗する。
また、鋳型の上型を振動子として用いる場合、上型の内周面（溶融金属との接触面）に塗布された離型剤がキャビテーションにより除去されてしまうため、凝固過程で溶融金属が振動子に強固に固着する。
このような問題を解消する方法としては、固着したインゴットを上型から剥がすための押し出しピン等の機構を設けることが考えられるが、上型を振動子として超音波振動させるための機構と干渉するため、設けるのが容易でない。

第二に、溶融金属に振動子を浸漬した場合、溶融金属の全体に超音波振動を付与するためには超音波振動の出力（振動エネルギー）を大きくする必要がある。例えば、溶融状態のアルミニウム合金に振動子を浸漬して２０ｋＨｚの超音波振動を付与する場合、その出力を２００ｋＷ程度に設定する必要がある。

第三に、溶融金属に振動子を浸漬して高出力で超音波振動を付与すると、振動子の近傍領域では振動が強過ぎるため、超音波振動により生成した結晶核が再び溶解する。よって、効率良く溶融金属中の結晶核を増やし、ひいては凝固組織の微細化を図ることが困難である。

また、振動子を溶融金属に浸漬することによる振動子の損耗を防止する方法として、溶融金属および振動子との間で化学的に反応しない材質からなる溶融塩等に振動子を浸漬し、当該溶融塩等を溶融金属に接触させることにより溶融金属に超音波振動を付与する方法も知られている。例えば、特許文献２に記載の如くである。
しかし、この方法は、溶融金属の凝固後に溶融塩等を除去する工程等が必要であり、生産性が良くないこと、および溶融塩が溶融金属に溶解しなくても溶融金属中に巻き込まれて凝固するおそれがあること、という問題がある。

また、上記問題を解消する別の方法として、振動子を用いずに高周波誘導により凝固過程の溶融金属に電流および磁場を印加して溶融金属に振動を付与する方法も知られている。例えば、特許文献３および特許文献４に記載の如くである。
特許第３５５５４８５号公報 特公平７−８４６２６号公報 特開２００４−９８１１１号公報 特許第３００７９４７号公報

本発明は以上の如き状況に鑑み、振動子の損耗を防止しつつ微細な凝固組織を得ることが可能な凝固方法を提供するものである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、
凝固過程の液体の液面から所定の距離を空けて配置した振動子により、前記液体に超音波振動を付与する非接触超音波振動工程と、
前記凝固過程の液体の液面に形成された凝固部に接触した振動子により、前記液体に超音波振動を付与する接触超音波振動工程と、
を具備するものである。

請求項２においては、
前記非接触超音波振動工程における所定の距離を、超音波振動の共振が生じる第二ピーク距離とするものである。

請求項３においては、
前記振動子の振動方向を液面に略垂直な方向とするものである。

請求項４においては、
前記接触超音波振動工程において、前記液体を加圧するものである。

本発明においては、振動子の損耗を防止しつつ微細な凝固組織を得ることができる。

以下では、図１から図６を用いて本発明に係る凝固方法の実施の一形態について説明する。
図１および図２に示す如く、本発明に係る凝固方法の実施の一形態は、溶融状態のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金（ＡＣ４ＣＨ）である溶湯１を凝固する方法であり、主として非接触超音波振動工程Ｓ１００、接触超音波振動工程Ｓ２００を具備する。
本実施例における溶湯１は、自動車用の車輪や航空機用エンジン等のいわゆる高級鋳物に用いられるアルミニウム合金であるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金（ＡＣ４ＣＨ）を溶融状態としたものからなるが、本発明はこれに限定されず、種々の液体状（溶融状態）の材料、例えば金属材料や樹脂材料を凝固する用途に適用可能である。

図１および図２に示す如く、非接触超音波振動工程Ｓ１００は凝固過程の溶湯１の液面から所定の距離Ｒを空けて配置した上型２により、非接触で溶湯１に超音波振動を付与する工程である。

上型２は本発明に係る凝固方法における振動子の実施の一形態であり、所定の周波数で超音波振動するものである。本実施例では、上型２は溶湯１を所定の形状に成型するための鋳型１０の上半部を成す可動型（鋳型の構成部材のうち、移動可能なもの）を兼ねている。

図２に示す如く、非接触超音波振動工程Ｓ１００において、まず溶湯１を鋳型１０の下半部を成す固定型である下型３に注ぎ入れ、凝固過程におく。
ここで、「凝固過程」とは、（α）液体の周囲の温度（本実施例の場合、下型３の温度）を液体の凝固点（または、初晶の晶出温度）以下の温度に保持する、または、（β）液体の周囲の温度を凝固点以下で経時的に下げる（冷却する）ことにより、所定の時間経過後には液体が凝固し得る状態（言い換えれば、液体が凝固するための駆動力が発生している状態）を指す。

次に、溶湯１の液面から上型２の下面までの距離がＲとなる位置に上型２を配置し、これを２０ｋＨｚの周波数で超音波振動させ、非接触で溶湯１に超音波振動を付与する。
このときの上型２の超音波振動の出力は２０ｋＷ程度であり、溶湯に振動子を浸漬する従来の凝固方法における超音波振動の出力（２００ｋＷ程度）の約１０分の１である。

図３に示す如く、溶湯１に超音波振動が付与されると、溶湯１の液面近傍領域が振動するとともに、溶湯１の液面と上型２の間で空気の対流が起こって溶湯１の液面が冷却される。そのため、上型２に対向する溶湯１の液面の近傍領域において多数の結晶核１ａ・１ａ・・・が核生成する。また、溶湯１に付与される超音波振動により、溶湯１の内部に液面から底部に向かう緩やかな強制対流が発生する。
その結果、溶湯１の液面近傍において核生成した多数の結晶核１ａ・１ａ・・・は再溶解することなく強制対流に乗って溶湯１の底部に搬送され、そこで沈降する。

なお、非接触で超音波振動を付与する場合、媒質による振動エネルギーの損失を考慮すると液体の液面から振動子までの距離を極力短くすることが望ましい。しかし、溶融金属の液面からの輻射熱による振動子の劣化や、溶融金属が跳ねて振動子に付着することを防止するという観点からは、液体の液面から振動子までの距離を長くすることが望ましい。
また、振動子は点ではなく、所定の面積を有し、液面に対向する面から振動を発することから、超音波振動の共振が起こり、液体の液面から振動子までの距離によっては超音波振動が増幅され、あるいは相殺される。
従って、非接触超音波振動工程における振動子と液体の液面との間の所定の距離は、（１）超音波振動の共振が起こり超音波振動が増幅される距離であって、かつ、（２）振動子の劣化等の影響が抑えられる範囲内で極力短いこと、が望ましい。

ここで、超音波振動の共振が起こり、超音波振動が増幅される距離を「第ｎピーク距離（ｎ：正の整数）」という。第ｎピーク距離Ｒｎは、超音波の波長λを用いて、Ｒｎ＝（ｎ／２）×λで表される。

本実施例の場合、上型２の超音波振動の周波数は２０ｋＨｚ、音速は約３２０ｍ／ｓｅｃであるから、波長λ＝（３２０×１０^３）／（２０×１０^３）＝１６［ｍｍ］である。
従って、本実施例における第一ピーク距離Ｒ１は８ｍｍ、第二ピーク距離Ｒ２は１６ｍｍである。

しかし、本実施例では、上型２（の下面）と溶湯１の液面との間の距離Ｒを第一ピーク距離である８ｍｍとした場合には溶湯１の液面近傍における核生成の促進効果があまり見られず、第二ピーク距離である１６ｍｍとした場合には溶湯１の液面近傍における核生成の促進効果が顕著に見られた。
従って、上型２（の下面）と溶湯１の液面との間の距離Ｒを第二ピーク距離（１６ｍｍ）とすることが凝固組織の微細化の観点から望ましい。
なお、第一ピーク距離で核生成の促進効果があまり見られなかった理由としては、超音波の直進性が高いために距離が短いと共振が起こりにくいことが考えられる。

図４に示す如く、溶湯１への超音波振動の付与を開始してから所定時間が経過すると、溶湯１の液面に凝固部１ｂが形成される。凝固部１ｂは溶湯１の内部に生成した結晶核１ａ・１ａ・・・が多数集合し、液面にて凝固して固体状態または半溶融状態となったものである。
凝固部１ｂが形成されたら非接触超音波振動工程Ｓ１００を終了し、接触超音波振動工程Ｓ２００に移行する。

本実施例では非接触超音波振動工程Ｓ１００における上型２の超音波振動の周波数を２０ｋＨｚとしたが、本発明に係る凝固方法はこれに限定されず、例えば液体の種類（組成）、液体の量、液体の温度、液体の粘度、液体を充填する容器の形状等の種々の条件に応じて振動子の周波数を適宜選択することが可能である。

上型２の振動方向は上下方向、すなわち溶湯１の液面に略垂直な方向である。
このように構成することにより、振動子が液面に略平行な方向に振動する場合に比べて効率良く液体に超音波振動を付与することが可能であり、ひいては液体中における結晶核の核生成を促進して凝固組織を微細化することが可能である。

図１および図５に示す如く、接触超音波振動工程Ｓ２００は凝固過程の溶湯１の液面に形成された凝固部１ｂに接触した上型２により、溶湯１に超音波振動を付与する工程である。

接触超音波振動工程Ｓ２００においては、まず、上型２を下降して凝固部１ｂに接触させる。
この際、（１）非接触超音波振動工程Ｓ１００が終了した時点で一度上型２の超音波振動を停止し、上型２を凝固部１ｂに接触させてから超音波振動を再開しても良く、（２）非接触超音波振動工程Ｓ１００から接触超音波振動工程Ｓ２００に移行する間、上型２の超音波振動を継続しても良い。

図５に示す如く、上型２が凝固部１ｂに接触した状態で上型２を液面に略垂直な方向に超音波振動させると、凝固部１ｂを介して溶湯１に超音波振動が付与される。
その結果、凝固部１ｂの近傍領域においてさらに多数の結晶核１ａ・１ａ・・・が生成され、凝固部１ｂの近傍領域において微細な結晶粒からなる凝固組織が形成され始める。
また、凝固部１ｂの近傍領域における多数の結晶核１ａ・１ａ・・・の核生成および液面から底部に向かう強制対流も維持され、引き続き凝固部１ｂの近傍領域において核生成した結晶核１ａ・１ａ・・・が強制対流に乗って溶湯１の底部に搬送され、そこで沈降する。そして、溶湯１の底部に沈降した結晶核１ａ・１ａ・・・が成長して下型３の底部でも微細な結晶粒からなる凝固組織が形成され始める。
このように、接触超音波振動工程Ｓ２００においては溶湯１の上部（液面近傍）からも下部（底部）からも微細な結晶粒からなる凝固組織が形成されるため、溶湯１の周囲温度がそれほど低くない（凝固の駆動力があまり大きくない）場合にはデンドライト組織が形成されないうちに溶湯１の全てが等軸状の微細な結晶粒からなる凝固組織で占められることとなる。

また、接触超音波振動工程Ｓ２００においては、上型２は固体状態または半溶融状態の凝固部１ｂに接触しているが溶湯１には接触していない。そのため、溶湯１との接触により上型２が侵食され、損耗することが防止（または大幅に抑制）される。

なお、仮に凝固部１ｂが生成した後も接触超音波振動工程Ｓ２００に移行せず、上型２を凝固部１ｂに接触させずに凝固部１ｂから所定の距離を空けて上型２を超音波振動させた場合、上型２の損耗は防止できるが、凝固部１ｂを介して溶湯１に効率良く付与することができず、それ以降の結晶核１ａ・１ａ・・・の核生成が抑制されることとなる。

本実施例の場合、接触超音波振動工程Ｓ２００において上型２を下型３の上面の開口部に下方に押し込むことにより、溶湯１に超音波振動が付与されるとともに溶湯１が加圧される。
そして、加圧されるとともに超音波振動が付与された状態を保持しつつ、溶湯１の周囲を冷却することにより、溶湯１が全て凝固する。

加圧することにより、鋳型１０の略中央部において凝固せずに残っている溶湯１にさらに効率良く超音波振動を付与し、結晶核１ａ・１ａ・・・の核生成を促進することが可能である。
その結果、図６に示す如く、鋳型１０に対応する所定の形状を有し、表面から内部に至るまで数１０μｍ程度の等軸状の微細な結晶粒からなる凝固組織を有するインゴット４が得られる。
インゴット４の凝固組織は表面から内部まで等軸晶からなり、そのビッカース硬度はＨＶ６８である。これに対して、従来の凝固方法により得られるインゴット（超音波振動を全く用いず、冷却のみで得られるインゴット）の凝固組織は表面近傍にデンドライト組織が発達し、全体的にも結晶粒が粗大である（１００μｍ程度）とともに、ビッカース硬度がＨＶ５７であり本実施例よりも硬度が低い。

なお、溶融金属の種類や容器（鋳型）の内部の形状（大きさ）等によっては、接触超音波振動工程において液体を加圧せずに常圧で凝固しても良い。

本実施例では上型２が溶湯１を充填する容器である鋳型１０の一部を兼ねる構成としたが、本発明はこれに限定されず、液体が充填される容器と振動子とが別体でも良い。

本実施例では接触超音波振動工程Ｓ２００において上型２（上型）のみを超音波振動させる構成としたが、本発明はこれに限定されず、接触超音波振動工程において下型も合わせて超音波振動させる構成としても良い。

本実施例では非接触超音波振動工程Ｓ１００、接触超音波振動工程Ｓ２００のいずれも同一の上型２により超音波振動を付与する構成としたが、本発明はこれに限定されず、工程毎にそれぞれ別の振動子を用いて超音波振動を付与する構成としても良い。

本実施例では非接触超音波振動工程Ｓ１００、接触超音波振動工程Ｓ２００のいずれも超音波振動の周波数を２０ｋＨｚとしたが、本発明はこれに限定されず、工程毎にそれぞれ異なる周波数の超音波振動を付与する構成としても良い。
なお、非接触超音波振動工程において溶融金属からの輻射熱により振動子が劣化することを防止するという観点からは、振動子の超音波振動の周波数を極力低くすることにより超音波振動の共振が起こり、超音波振動が増幅される距離（第ｎピークとなる距離）を長くすることが望ましいが、あまり周波数を低くすると人間の可聴域と重なり、周囲の作業環境が悪化するという問題がある。従って、振動子の超音波振動の周波数の下限は１５ｋＨｚ程度とすることが望ましい。

本実施例では非接触超音波振動工程Ｓ１００、接触超音波振動工程Ｓ２００のいずれも超音波振動の振幅（振動エネルギー）を同じとしたが、本発明はこれに限定されず、工程毎にそれぞれ異なる振幅の超音波振動を付与する構成としても良い。

また、本発明は凝固組織の全てを均一に微細化することをその主目的とするものであるが、非接触超音波振動工程および接触超音波振動工程における超音波振動の振幅や超音波振動を付与する時間、周囲温度等を適宜調整することにより、凝固組織の制御を行うことも可能である。例えば、インゴットの上部と下部で凝固組織の平均結晶粒径を変えたり、下部は等軸晶からなる凝固組織として上部はデンドライト組織とする等が挙げられる。

本発明に係る溶融金属の凝固方法の実施の一形態を示すフロー図。 本発明に係る溶融金属の凝固方法の実施の一形態の非接触超音波振動工程の初期段階を示す側面断面模式図。 本発明に係る溶融金属の凝固方法の実施の一形態の非接触超音波振動工程の中期段階を示す側面断面模式図。 本発明に係る溶融金属の凝固方法の実施の一形態の非接触超音波振動工程の終期段階を示す側面断面模式図。 本発明に係る溶融金属の凝固方法の実施の一形態の接触超音波振動工程の初期段階を示す側面断面模式図。 本発明に係る溶融金属の凝固方法の実施の一形態の接触超音波振動工程の終期段階を示す側面断面模式図。

符号の説明

１ 溶湯（液体）
１ａ 結晶核
１ｂ 凝固部
２ 上型（振動子）

Claims (4)

1. 凝固過程の液体の液面から所定の距離を空けて配置した振動子により、前記液体に超音波振動を付与する非接触超音波振動工程と、
   前記凝固過程の液体の液面に形成された凝固部に接触した振動子により、前記液体に超音波振動を付与する接触超音波振動工程と、
   を具備することを特徴とする凝固方法。
2. 前記非接触超音波振動工程における所定の距離を、超音波振動の共振が生じる第二ピーク距離とすることを特徴とする請求項１に記載の溶融金属の凝固方法。
3. 前記振動子の振動方向を液面に略垂直な方向とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の凝固方法。
4. 前記接触超音波振動工程において、前記液体を加圧することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の凝固方法。

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