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JP2008254039A - Casting method and casting apparatus - Google Patents

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JP2008254039A
JP2008254039A JP2007100349A JP2007100349A JP2008254039A JP 2008254039 A JP2008254039 A JP 2008254039A JP 2007100349 A JP2007100349 A JP 2007100349A JP 2007100349 A JP2007100349 A JP 2007100349A JP 2008254039 A JP2008254039 A JP 2008254039A
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JP
Japan
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mold
molten metal
solute element
solid
ingot
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Withdrawn
Application number
JP2007100349A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Taniguchi
兼一 谷口
Toshio Sakamoto
敏夫 坂本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
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Publication date
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
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Abstract

【課題】溶質元素を含有する金属の溶湯を一方向凝固させ、凝固方向における溶質元素濃度の分布を調整し、得られる鋳塊の凝固方向において一部に機械的強度等の性能が異なる部分を形成することが可能な鋳造方法及び鋳造装置を提供する。
【解決手段】溶質元素を含有する金属の溶湯を鋳型内に充填し、該鋳型中の前記溶湯を一方向凝固させて鋳塊を得る鋳造方法において、前記鋳型内における固液界面近傍の前記溶湯の流速を制御することにより、凝固方向における前記溶質元素の濃度分布を調整した前記鋳塊を得ることを特徴とする。
【選択図】なし
An object of the present invention is to unidirectionally solidify a molten metal containing a solute element, adjust the distribution of the concentration of the solute element in the solidification direction, and to obtain a portion with different performance such as mechanical strength in the solidification direction of the resulting ingot. A casting method and a casting apparatus that can be formed are provided.
In a casting method in which a molten metal containing a solute element is filled into a mold and the molten metal in the mold is solidified in one direction to obtain an ingot, the molten metal in the vicinity of a solid-liquid interface in the mold is obtained. By controlling the flow rate of the ingot, it is possible to obtain the ingot in which the concentration distribution of the solute element in the solidification direction is adjusted.
[Selection figure] None

Description

本発明は、溶質元素を含有する金属の溶湯を一方向凝固させて鋳塊を得る鋳造方法及び鋳造装置に関する。   The present invention relates to a casting method and a casting apparatus for obtaining an ingot by unidirectionally solidifying a molten metal containing a solute element.

従来、例えば特許文献1に開示されているように、鋳型の一方側から冷却するとともに鋳型の他方側を加熱して鋳型内の溶湯を一方向凝固させる鋳造方法及び鋳造装置が提案されている。
このようにして鋳造を行うと凝固が一方向に向けて進行することになり、得られる鋳塊において凝固収縮欠陥の発生を防止できる。これにより、一般的な鋳造方法により得られる鋳塊と比べて高温でのクリープ破断強度を格段に向上させることが可能となる。
Conventionally, as disclosed in Patent Document 1, for example, a casting method and a casting apparatus have been proposed in which cooling is performed from one side of a mold and the other side of the mold is heated to solidify the molten metal in the mold in one direction.
When casting is performed in this manner, solidification proceeds in one direction, and solidification shrinkage defects can be prevented from occurring in the resulting ingot. Thereby, it is possible to remarkably improve the creep rupture strength at a high temperature as compared with an ingot obtained by a general casting method.

また、一方向凝固により得られた鋳塊においては、結晶粒が粗大化する傾向にあるため、室温における引張強度及び疲労強度の向上は期待できない。そこで、特許文献2においては、一方向凝固において鋳型に振動又は揺動を加えることにより溶湯を攪拌しながら凝固させる鋳造方法及び鋳造装置が提案されている。これにより、固液界面で成長するデンドライトを分断することで鋳造組織を微細化できるとともに、凝固収縮欠陥のない鋳塊を得ることが可能となる。   In addition, in an ingot obtained by unidirectional solidification, the crystal grains tend to be coarsened, so that improvement in tensile strength and fatigue strength at room temperature cannot be expected. Therefore, Patent Document 2 proposes a casting method and a casting apparatus in which a molten metal is solidified while stirring by applying vibration or swing to a mold in unidirectional solidification. Thereby, it becomes possible to refine the cast structure by dividing the dendrite growing at the solid-liquid interface and obtain an ingot having no solidification shrinkage defect.

ところで、溶質元素を含有する金属が凝固する場合には、いわゆる梃子の原理により溶質元素が固相側から液相側へと移動していき、液相の溶質元素濃度が高くなることが知られている。ここで、上述のように一方向凝固を行った場合には、凝固が一方向に向けて進むために、例えば図5に示すように、凝固開始部分から溶質元素濃度が略一定とされ、最終凝固部の溶質元素濃度が高くなった鋳塊が得られることになる。特に、特許文献2のように溶湯を攪拌した場合には、デンドライトのアーム間にトラップされた液相が排出されることになり、最終凝固部の溶質元素濃度がさらに高くなる。
特開昭57−1564号公報 特許第3194354号公報
By the way, when a metal containing a solute element solidifies, it is known that the solute element moves from the solid phase side to the liquid phase side due to the so-called insulator principle, and the concentration of the solute element in the liquid phase increases. ing. Here, when unidirectional solidification is performed as described above, since the solidification proceeds in one direction, for example, as shown in FIG. 5, the solute element concentration is made substantially constant from the solidification start portion. An ingot having a high solute element concentration in the solidified portion is obtained. In particular, when the molten metal is stirred as in Patent Document 2, the liquid phase trapped between the dendrite arms is discharged, and the solute element concentration in the final solidified portion is further increased.
Japanese Unexamined Patent Publication No. 57-1564 Japanese Patent No. 3194354

従来の一方向凝固によると、前述のように、鋳塊のほとんどが溶質元素濃度が略一定とされ、鋳塊の端部(最終凝固部)に溶質元素が高い部分が形成されることになる。
ところで、例えばシリンダブロック等の部材においては、長手方向の一部分のみが他部材と摺動することになり、この摺動部分のみの耐磨耗性を向上させることで寿命の延長を図ることが可能となる。しかしながら、従来の鋳造方法においては、長手方向の一部分のみの機械的性質を異なるものとした鋳塊を得ることはできない。よって、従来は、部材全体の機械的性質を向上させたものを使用せざるを得なかった。このため、長手方向の一部の性質を変化させた鋳塊が要求されている。
According to conventional unidirectional solidification, as described above, most of the ingot has a substantially constant solute element concentration, and a portion having a high solute element is formed at the end (final solidified portion) of the ingot. .
By the way, in a member such as a cylinder block, only a part in the longitudinal direction slides with another member, and it is possible to extend the life by improving the wear resistance of only this sliding part. It becomes. However, in the conventional casting method, it is not possible to obtain an ingot in which only a part of the longitudinal direction has different mechanical properties. Therefore, in the past, it was necessary to use a material that improved the mechanical properties of the entire member. For this reason, an ingot in which some properties in the longitudinal direction are changed is required.

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、溶質元素を含有する金属の溶湯を一方向凝固させ、凝固方向における溶質元素濃度の分布を調整し、得られる鋳塊の凝固方向において一部に機械的強度等の性能が異なる部分を形成することが可能な鋳造方法及び鋳造装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and solidifies a molten metal containing a solute element in one direction, adjusts the distribution of the concentration of the solute element in the solidification direction, and solidifies the obtained ingot. An object of the present invention is to provide a casting method and a casting apparatus capable of forming a part having different performance such as mechanical strength in part.

この課題を解決するために、本発明に係る鋳造方法は、溶質元素を含有する金属の溶湯を鋳型内に充填し、該鋳型中の前記溶湯を一方向凝固させて鋳塊を得る鋳造方法において、前記鋳型内における固液界面近傍の前記溶湯の流速を制御することにより、凝固方向における前記溶質元素の濃度分布を調整した前記鋳塊を得ることを特徴としている。   In order to solve this problem, a casting method according to the present invention is a casting method in which a molten metal containing a solute element is filled in a mold, and the molten metal in the mold is unidirectionally solidified to obtain an ingot. The ingot in which the concentration distribution of the solute element in the solidification direction is adjusted is obtained by controlling the flow rate of the molten metal near the solid-liquid interface in the mold.

また、本発明に係る鋳造装置は、溶質元素を含有する金属の溶湯が充填される鋳型と、この鋳型内の溶湯を冷却する冷却手段と、前記鋳型を加熱する加熱手段と、を備え、前記鋳型内の溶湯を一方向凝固させる鋳造装置において、前記鋳型内における固液界面近傍の前記溶湯の流速を制御する流速制御手段を備えていることを特徴としている。   The casting apparatus according to the present invention includes a mold filled with a molten metal containing a solute element, a cooling means for cooling the molten metal in the mold, and a heating means for heating the mold, The casting apparatus for unidirectionally solidifying the molten metal in the mold is characterized by comprising flow rate control means for controlling the flow rate of the molten metal near the solid-liquid interface in the mold.

この構成の鋳造方法及び鋳造装置においては、一方向凝固が進行している鋳型内における固液界面近傍の溶湯の流速が調整されているので、固液界面に存在する溶質元素の拡散層の厚さを変化させることが可能となる。詳述すると、固液界面近傍の溶湯の流速を小さくすると拡散層の厚さが厚くなり、流速を大きくすると拡散層の厚さが薄くなるのである。ここで、拡散層の厚さが厚い場合には、溶質元素の固相から液相への拡散移動が妨げられ、固相と液相との溶質元素濃度の差が小さくなる。一方、拡散層の厚さが薄い場合には、溶質元素の固相から液相への拡散移動が容易となり、固相と液相との溶質元素濃度の差が大きくなる。
このように、鋳型内における固液界面近傍の溶湯の流速が調整することで、前記固液界面近傍における前記溶質元素の濃度を変化させることが可能となり、凝固方向における溶質元素濃度の分布を変化させた鋳塊を得ることができる。
In the casting method and casting apparatus having this configuration, the flow rate of the molten metal in the vicinity of the solid-liquid interface in the mold in which unidirectional solidification is progressing is adjusted, so the thickness of the diffusion layer of the solute element existing at the solid-liquid interface It is possible to change the height. More specifically, when the flow rate of the molten metal near the solid-liquid interface is decreased, the thickness of the diffusion layer is increased, and when the flow rate is increased, the thickness of the diffusion layer is decreased. Here, when the thickness of the diffusion layer is thick, the diffusion movement of the solute element from the solid phase to the liquid phase is hindered, and the difference in the solute element concentration between the solid phase and the liquid phase becomes small. On the other hand, when the thickness of the diffusion layer is small, the diffusion movement of the solute element from the solid phase to the liquid phase becomes easy, and the difference in the solute element concentration between the solid phase and the liquid phase becomes large.
Thus, by adjusting the flow rate of the molten metal near the solid-liquid interface in the mold, it becomes possible to change the concentration of the solute element near the solid-liquid interface, and change the distribution of the solute element concentration in the solidification direction. A cast ingot can be obtained.

ここで、前記流速制御手段を、前記鋳型を回転させるとともにその回転速度を調整可能な鋳型回転手段とし、前記鋳型に回転を与え、この回転速度を調整することにより、前記鋳型内における固液界面近傍の前記溶湯の流速を調整するように構成してもよい。
この場合、鋳型を回転させることで鋳型内における固液界面近傍の溶湯に流速を付与して前記流速を調整することが可能となる。
Here, the flow rate control means is a mold rotation means capable of rotating the mold and adjusting the rotation speed thereof, and applying rotation to the mold and adjusting the rotation speed, thereby the solid-liquid interface in the mold. You may comprise so that the flow rate of the said molten metal of the vicinity may be adjusted.
In this case, by rotating the mold, it is possible to adjust the flow rate by applying a flow rate to the molten metal near the solid-liquid interface in the mold.

また、前記流速制御手段を、前記鋳型内の溶湯を攪拌する電磁攪拌手段とし、鋳型内の溶湯を電磁攪拌することにより、前記鋳型内における固液界面近傍の前記溶湯の流速を調整するように構成してもよい。
この場合、鋳型内の溶湯を電磁攪拌することで鋳型内における固液界面近傍の溶湯の流速を調整することが可能となる。
The flow rate control means is an electromagnetic stirring means for stirring the molten metal in the mold, and the molten metal in the mold is electromagnetically stirred to adjust the flow rate of the molten metal near the solid-liquid interface in the mold. It may be configured.
In this case, it is possible to adjust the flow rate of the molten metal near the solid-liquid interface in the mold by electromagnetically stirring the molten metal in the mold.

本発明によれば、溶質元素を含有する金属の溶湯を一方向凝固させ、凝固方向における溶質元素濃度の分布を調整し、得られる鋳塊の凝固方向の一部に機械的強度等の性能が異なる部分を形成することが可能な鋳造方法及び鋳造装置を提供することができる。   According to the present invention, a molten metal containing a solute element is solidified in one direction, the distribution of the concentration of the solute element in the solidification direction is adjusted, and performance such as mechanical strength is partially present in the solidification direction of the ingot. It is possible to provide a casting method and a casting apparatus capable of forming different portions.

以下に、本発明の第1の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図1に、本発明の鋳造装置を示す。
本実施形態である鋳造装置10は、金属の溶湯が収容される鋳型11と、この鋳型11が載置されるチルプレート12と、鋳型11の周囲を包囲して鋳型11内の溶湯を加熱する加熱炉13と、鋳型11内の溶湯を冷却する冷却装置14とを備えている。
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows a casting apparatus of the present invention.
The casting apparatus 10 according to the present embodiment heats the molten metal in the mold 11 by surrounding the mold 11 in which the molten metal is accommodated, the chill plate 12 on which the mold 11 is placed, and the mold 11. A heating furnace 13 and a cooling device 14 for cooling the molten metal in the mold 11 are provided.

本実施形態では、鋳型11は概略円筒状をなしており、円柱状の鋳塊を得るものである。なお、鋳型11の材質は、鋳造する金属や溶湯温度等の鋳造条件を考慮して適宜選択することが好ましい。
鋳型11が載置されるチルプレート12は、図1において上下方向に進退可能、かつ、回転可能なシャフト15に接続されており、このシャフト15の上下動及び回転動作に伴ってチルプレート12及び鋳型11が上下動及び回転するように構成されている。なお、チルプレート12には、冷却水が流通される冷却配管(図示なし)が設けられている。
シャフト15には、接続された鋳型11及びチルプレート12をシャフト15の軸線を中心として回転させる回転駆動装置16と、その回転速度を制御する制御部17とが設けられている。
In this embodiment, the casting_mold | template 11 has comprised the substantially cylindrical shape and obtains the column-shaped ingot. The material of the mold 11 is preferably selected as appropriate in consideration of casting conditions such as the metal to be cast and the molten metal temperature.
The chill plate 12 on which the mold 11 is placed is connected to a shaft 15 that can be moved back and forth in the vertical direction and can be rotated in FIG. 1. The mold 11 is configured to move up and down and rotate. The chill plate 12 is provided with a cooling pipe (not shown) through which cooling water flows.
The shaft 15 is provided with a rotation drive device 16 for rotating the connected mold 11 and chill plate 12 about the axis of the shaft 15 and a control unit 17 for controlling the rotation speed.

これらチルプレート12及び鋳型11が上下動する移動空間の外周側に、加熱炉13と冷却装置14とが上下方向に連設されている。詳述すると、チルプレート12及び鋳型11の移動空間の上方部分に、概略円筒状をなす加熱炉13が配設され、その下方側に冷却装置14が設けられている。
加熱炉13には、その内周側に配置された鋳型11を加熱するための誘導コイル(図示なし)が配設されている。加熱炉13の下端部分にはフランジ部18が設けられており、加熱炉13の架台19の上面とフランジ部18の下面とが密着させられることで、加熱炉13内部の熱が下方へ伝達されないような構成とされている。
冷却装置14は、冷却水が流通する冷却配管がリング状に配置されており、内周側に位置する鋳型11を冷却することが可能な構成とされている。
A heating furnace 13 and a cooling device 14 are connected in the vertical direction on the outer peripheral side of the moving space in which the chill plate 12 and the mold 11 move up and down. More specifically, a heating furnace 13 having a substantially cylindrical shape is disposed in an upper part of the moving space of the chill plate 12 and the mold 11, and a cooling device 14 is provided below the heating furnace 13.
The heating furnace 13 is provided with an induction coil (not shown) for heating the mold 11 disposed on the inner peripheral side thereof. A flange portion 18 is provided at the lower end portion of the heating furnace 13, and the upper surface of the gantry 19 of the heating furnace 13 and the lower surface of the flange portion 18 are brought into close contact with each other, so that the heat inside the heating furnace 13 is not transmitted downward. It is set as such.
The cooling device 14 is configured such that cooling pipes through which cooling water flows are arranged in a ring shape and can cool the mold 11 located on the inner peripheral side.

このような構成とされた鋳造装置10においては、鋳型11内に溶質元素を含有する合金の溶湯が充填され、加熱炉13によって溶湯温度が例えば720℃に調整される。チルプレート12及び冷却装置14に冷却水が流通された状態で、シャフト15を下方へと移動し、チルプレート12及び鋳型11を下方へと移動する。すると、チルプレート12及び鋳型11が、加熱炉13から出て冷却装置14側へと移動し、鋳型11内の溶湯がチルプレート12と鋳型11との接触面から冷却されて凝固が開始される。この状態において、鋳型11のうち加熱炉13内部に配置されている部分では例えば700℃とされて、鋳型11内の合金は完全に液相L状態に保たれる。このようにして、図2に示すように、鋳型11内部には、固相Sと液相Lとこれらの界面部分に位置する拡散層Dとが存在することになる。   In the casting apparatus 10 having such a configuration, the molten metal of the alloy containing the solute element is filled in the mold 11, and the molten metal temperature is adjusted to, for example, 720 ° C. by the heating furnace 13. With the cooling water flowing through the chill plate 12 and the cooling device 14, the shaft 15 is moved downward, and the chill plate 12 and the mold 11 are moved downward. Then, the chill plate 12 and the mold 11 exit from the heating furnace 13 and move to the cooling device 14 side, and the molten metal in the mold 11 is cooled from the contact surface between the chill plate 12 and the mold 11 to start solidification. . In this state, the portion of the mold 11 disposed inside the heating furnace 13 is set to, for example, 700 ° C., and the alloy in the mold 11 is kept in the liquid phase L state completely. In this way, as shown in FIG. 2, the solid phase S, the liquid phase L, and the diffusion layer D located at the interface between them exist in the mold 11.

このようにチルプレート12及び鋳型11を下方へと移動して一方向凝固を行う際には、回転駆動装置16によってチルプレート12及び鋳型11が回転させられる。この回転速度は制御部17によって調整される。これにより、鋳型11内における固液界面近傍の溶湯の流速が調整されることになる。   In this way, when the chill plate 12 and the mold 11 are moved downward to perform unidirectional solidification, the chill plate 12 and the mold 11 are rotated by the rotation driving device 16. The rotation speed is adjusted by the control unit 17. Thereby, the flow velocity of the molten metal near the solid-liquid interface in the mold 11 is adjusted.

ここで、鋳型11の回転速度、つまり固液界面近傍の溶湯の流速を角速度ωとし、拡散係数をD、動粘性係数をνとすると、固液界面に存在する溶質元素の拡散層Dの厚さδは、以下の(1)式で表現されることが知られている。
δ = 22/3×D1/3×ν1/6×ω−1/2 …(1)
(1)式によれば、角速度ω(固液界面近傍の溶湯の流速)が大きいと拡散層Dの厚さδが薄くなり、角速度ω(固液界面近傍の溶湯の流速)が小さいと拡散層Dの厚さδが厚くなることが分かる。
Here, when the rotational speed of the mold 11, that is, the flow velocity of the molten metal near the solid-liquid interface is the angular velocity ω, the diffusion coefficient is D, and the kinematic viscosity coefficient is ν, the thickness of the diffusion layer D of the solute element existing at the solid-liquid interface. It is known that δ is expressed by the following equation (1).
δ = 2 2/3 × D 1/3 × ν 1/6 × ω −1/2 (1)
According to the equation (1), when the angular velocity ω (the flow velocity of the molten metal near the solid-liquid interface) is large, the thickness δ of the diffusion layer D decreases, and when the angular velocity ω (the flow velocity of the molten metal near the solid-liquid interface) is small, diffusion occurs. It can be seen that the thickness δ of the layer D increases.

拡散層Dの厚さδが厚いと溶質元素の固相Sから液相Lへの拡散移動が妨げられ、固相Sと液相Lとの溶質元素濃度の差が小さくなり、拡散層Dの厚さδが薄いと溶質元素の固相Sから液相Lへの拡散移動が容易となって、固相Sと液相Lとの溶質元素濃度の差が大きくなる。
よって、一方向凝固を行う間に、前記鋳型11の回転速度を調整することにより、凝固方向の一部に溶質元素濃度の高い部分を意図的に発生させることが可能となる。
When the thickness δ of the diffusion layer D is thick, the diffusion movement of the solute element from the solid phase S to the liquid phase L is hindered, and the difference in the solute element concentration between the solid phase S and the liquid phase L becomes small. When the thickness δ is small, diffusion movement of the solute element from the solid phase S to the liquid phase L becomes easy, and the difference in the solute element concentration between the solid phase S and the liquid phase L increases.
Therefore, by adjusting the rotational speed of the mold 11 during unidirectional solidification, it is possible to intentionally generate a portion having a high solute element concentration in a part of the solidification direction.

詳述すると、凝固開始から鋳型11の回転速度を例えば20rpm程度とし、拡散層Dの厚さδを薄くして溶質元素を液相L側へと排出し、溶質元素濃度の低い固相Sを成長させていく。所定の長さだけ鋳型11を下側へ移動させた時点で、鋳型11の回転速度を例えば0.2rpm以下に低下させ、拡散層Dの厚さδを厚くし、固相Sから液相Lへの溶質元素濃度の排出を抑制する。その後、鋳型11の回転速度を例えば20rpm程度に戻し、鋳型11の下降を行う。こうすることで、図3に示すように、凝固方向の一部に溶質元素濃度が高くされた部分を有する鋳塊を得ることができるのである。   Specifically, from the start of solidification, the rotation speed of the mold 11 is set to about 20 rpm, for example, the thickness δ of the diffusion layer D is reduced, the solute element is discharged to the liquid phase L side, and the solid phase S having a low solute element concentration is obtained. I will grow. When the mold 11 is moved downward by a predetermined length, the rotational speed of the mold 11 is reduced to, for example, 0.2 rpm or less, the thickness δ of the diffusion layer D is increased, and the liquid phase L to the liquid phase L are increased. Suppresses the discharge of solute element concentrations into Thereafter, the rotational speed of the mold 11 is returned to, for example, about 20 rpm, and the mold 11 is lowered. By doing so, as shown in FIG. 3, an ingot having a portion where the solute element concentration is increased in a part of the solidification direction can be obtained.

このように、本実施形態である鋳造装置10を用いた鋳造方法によれば、一方向凝固が進行している鋳型11内における固液界面近傍の溶湯の流速を調整することで、固液界面に存在する溶質元素の拡散層Dの厚さδを変化させ、固相S部分の溶質元素濃度を調整することが可能となり、凝固方向における溶質元素濃度の分布を調整した鋳塊を得ることができる。   As described above, according to the casting method using the casting apparatus 10 according to the present embodiment, the solid-liquid interface is adjusted by adjusting the flow rate of the molten metal in the vicinity of the solid-liquid interface in the mold 11 where the unidirectional solidification is progressing. It is possible to adjust the solute element concentration in the solid phase S portion by changing the thickness δ of the diffusion layer D of the solute element existing in the solid state, and to obtain an ingot in which the distribution of the solute element concentration in the solidification direction is adjusted. it can.

また、本実施形態では、鋳型11を回転させる回転駆動装置16が設けられているので、鋳型11の回転速度を制御することで固液界面に存在する溶質元素の拡散層Dの厚さδを調整することができ、凝固方向における溶質元素濃度の分布を調整した鋳塊を得ることができる。
さらに、本実施形態では、回転駆動装置16が上下動するシャフト15に設けられているので、シャフト15(鋳型11及びチルプレート12)の下降量、つまり鋳型11内での固相Sの成長量に応じて回転速度を制御することが可能となり、さらに精度良く溶質元素濃度の調整を行うことができる。
In the present embodiment, since the rotation driving device 16 for rotating the mold 11 is provided, the thickness δ of the diffusion layer D of the solute element existing at the solid-liquid interface is controlled by controlling the rotation speed of the mold 11. An ingot can be obtained in which the distribution of the solute element concentration in the solidification direction is adjusted.
Furthermore, in this embodiment, since the rotary drive device 16 is provided on the shaft 15 that moves up and down, the amount of lowering of the shaft 15 (the mold 11 and the chill plate 12), that is, the amount of growth of the solid phase S in the mold 11 is achieved. Accordingly, the rotational speed can be controlled in accordance with the above, and the solute element concentration can be adjusted with higher accuracy.

次に、本発明の第2の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図4に、本発明の第2の実施形態である鋳造装置を示す。
この鋳造装置20においては、加熱炉23の下側部分に電磁攪拌装置26が設けられており、鋳型21内部の溶湯を任意の速度で攪拌することが可能な構成とされている。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 4 shows a casting apparatus according to the second embodiment of the present invention.
In this casting apparatus 20, an electromagnetic stirring device 26 is provided at the lower portion of the heating furnace 23, and the molten metal inside the mold 21 can be stirred at an arbitrary speed.

この構成の鋳造装置20においては、鋳型21内に溶質元素を含有する合金の溶湯が充填され、加熱炉23によって溶湯温度が例えば720℃に保持され、チルプレート22及び冷却装置24に冷却水が流通された状態で、チルプレート22及び鋳型21が下方へと移動される。これにより、チルプレート22及び鋳型21が加熱炉23から出て冷却装置24側へと移動し、鋳型21内の溶湯がチルプレート22と鋳型21との接触面から冷却されて凝固が開始する。こうして、鋳型21内部には固相Sと液相Lとこれらの界面部分に位置する拡散層Dとが存在することになる。なお、本実施形態においては、固相Sと液相Lの凝固界面が電磁攪拌装置26近傍に位置するように、下降速度及び冷却条件が調整されている。   In the casting apparatus 20 having this configuration, a molten alloy containing a solute element is filled in the mold 21, the molten metal temperature is maintained at, for example, 720 ° C. by the heating furnace 23, and cooling water is supplied to the chill plate 22 and the cooling device 24. The chill plate 22 and the mold 21 are moved downward in a distributed state. As a result, the chill plate 22 and the mold 21 exit from the heating furnace 23 and move to the cooling device 24 side, and the molten metal in the mold 21 is cooled from the contact surface between the chill plate 22 and the mold 21 to start solidification. Thus, the solid phase S, the liquid phase L, and the diffusion layer D located at the interface between these exist in the mold 21. In the present embodiment, the lowering speed and the cooling conditions are adjusted so that the solidification interface between the solid phase S and the liquid phase L is located in the vicinity of the electromagnetic stirring device 26.

チルプレート22及び鋳型21を下方へと移動して一方向凝固が進行する際には、電磁攪拌装置26によって鋳型21内の溶湯が攪拌され、固液界面近傍の溶湯の速度が調整される。
本実施形態である鋳造装置20を用いた鋳造方法によれば、一方向凝固が進行している鋳型21内における固液界面近傍の溶湯の流速を調整することで、固液界面に存在する溶質元素の拡散層Dの厚さδを変化させ、固相S部分の溶質元素濃度を調整することが可能となり、凝固方向における溶質元素濃度の分布を調整した鋳塊を得ることができる。
When the chill plate 22 and the mold 21 are moved downward and unidirectional solidification proceeds, the molten metal in the mold 21 is stirred by the electromagnetic stirrer 26, and the speed of the molten metal near the solid-liquid interface is adjusted.
According to the casting method using the casting apparatus 20 according to the present embodiment, the solute existing at the solid-liquid interface is adjusted by adjusting the flow rate of the molten metal near the solid-liquid interface in the mold 21 in which the unidirectional solidification is proceeding. By changing the thickness δ of the element diffusion layer D, the solute element concentration in the solid phase S portion can be adjusted, and an ingot in which the distribution of the solute element concentration in the solidification direction is adjusted can be obtained.

また、本実施形態では、鋳型21内の溶湯を攪拌する電磁攪拌装置26が設けられているので、電磁攪拌の出力を制御することで固液界面に存在する溶質元素の拡散層Dの厚さδを調整することができ、凝固方向における溶質元素濃度の分布を調整した鋳塊を得ることができる。   In the present embodiment, since the electromagnetic stirring device 26 for stirring the molten metal in the mold 21 is provided, the thickness of the diffusion layer D of the solute element existing at the solid-liquid interface is controlled by controlling the output of the electromagnetic stirring. δ can be adjusted, and an ingot in which the distribution of the solute element concentration in the solidification direction is adjusted can be obtained.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、加熱炉を固定し、チルプレート及び鋳型を下方へと移動する構成のものとして説明したがこれに限定されることはなく、チルプレート及び鋳型を固定して加熱炉を上方へと移動させてもよい。つまり、加熱炉と鋳型とが相対的に離間するように構成され、一方向凝固を行うことが可能な構成とされていればよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, the heating furnace is fixed and the chill plate and the mold are moved downward. However, the present invention is not limited to this. The chill plate and the mold are fixed and the heating furnace is moved upward. May be. That is, it is sufficient that the heating furnace and the mold are configured to be relatively separated from each other so that the unidirectional solidification can be performed.

また、鋳型を概略円筒状をなすものとして説明したが、これに限定されることはなく、鋳型の形状は任意に設計することができる。
さらに、この鋳造装置の鋳型内に重点される金属としては、特に限定はなく、溶質元素を含有する金属であれば良い。なお、溶質元素が重元素である場合には、固液界面の溶湯の流速によって溶質元素濃度が変化しやすいため、特に効果的である。
また、加熱炉として誘導コイルを備えたものとして説明したが、これに限定されることはなく、抵抗加熱炉等であってもよい。
Further, although the mold has been described as having a substantially cylindrical shape, the present invention is not limited to this, and the shape of the mold can be arbitrarily designed.
Further, the metal to be emphasized in the casting mold of the casting apparatus is not particularly limited as long as it contains a solute element. When the solute element is a heavy element, it is particularly effective because the solute element concentration is likely to change depending on the flow rate of the molten metal at the solid-liquid interface.
Moreover, although demonstrated as what provided the induction coil as a heating furnace, it is not limited to this, A resistance heating furnace etc. may be sufficient.

以下に、第1の実施形態である鋳造装置による鋳造結果を、具体的な実施例として説明する。
溶質元素を含有する合金としてAl−10%Si合金を用いた。鋳型は、内径100m,外径120mm、高さ300mmのアルミナ坩堝とした。この鋳型をチルプレートの上に載置し、加熱炉内に配置した。加熱炉によって鋳型が720℃以上に加熱され、この加熱された鋳型内にAl−10%Si合金の溶湯を注ぎ入れ、チルプレート及び鋳型を徐々に下降させて一方向凝固を行った。
Below, the casting result by the casting apparatus which is 1st Embodiment is demonstrated as a specific Example.
An Al-10% Si alloy was used as an alloy containing a solute element. The mold was an alumina crucible having an inner diameter of 100 m, an outer diameter of 120 mm, and a height of 300 mm. This mold was placed on a chill plate and placed in a heating furnace. The mold was heated to 720 ° C. or higher by a heating furnace, and a molten Al-10% Si alloy was poured into the heated mold, and the chill plate and the mold were gradually lowered to perform unidirectional solidification.

このとき、凝固開始時点から回転速度20rpmで鋳型を回転しつつ下降させていき、約150mm下降した時点で鋳型の回転を中止したまま鋳型を20mmだけ下降させた。その後、再度、回転速度20rpmで鋳型を回転しつつ下降させた。
このようにして得られた鋳塊を分析した結果、鋳型の回転を中止した部分にのみSi濃度が高い部分が形成されており、凝固方向の一部にSi濃度が異なる部分を有する鋳塊を得ることが可能であることが分かった。このようにして、一部に機械的特性(引張強度、硬さ等)が異なる部分を有する鋳塊を得ることができることが確認された。
At this time, the mold was lowered while rotating at a rotational speed of 20 rpm from the start of solidification, and when the mold was lowered by about 150 mm, the mold was lowered by 20 mm while stopping the rotation of the mold. Thereafter, the mold was lowered again while rotating at a rotational speed of 20 rpm.
As a result of analyzing the ingot thus obtained, a portion having a high Si concentration is formed only in the portion where the rotation of the mold is stopped, and an ingot having a portion having a different Si concentration in a part of the solidification direction is formed. It turns out that it is possible to obtain. In this way, it was confirmed that an ingot having a part with different mechanical properties (tensile strength, hardness, etc.) can be obtained.

本発明の第1の実施形態である鋳造装置の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the casting apparatus which is the 1st Embodiment of this invention. 図1に示す鋳造装置における鋳型内の固相と液相との界面近傍の拡大説明図である。FIG. 2 is an enlarged explanatory view in the vicinity of an interface between a solid phase and a liquid phase in a mold in the casting apparatus shown in FIG. 1. 本発明の実施例である鋳造方法によって得られた鋳塊の溶質元素濃度分布図である。It is a solute element concentration distribution map of the ingot obtained by the casting method which is an Example of the present invention. 本発明の第2の実施形態である鋳造装置の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the casting apparatus which is the 2nd Embodiment of this invention. 従来の一方向凝固によって得られた鋳塊の溶質元素濃度分布図である。It is a solute element density | concentration distribution map of the ingot obtained by the conventional unidirectional solidification.

符号の説明Explanation of symbols

10、20 鋳造装置
11、21 鋳型
12、22 チルプレート(冷却手段)
13、23 加熱炉(加熱手段)
14、24 冷却装置(冷却手段)
16 回転駆動装置(鋳型回転手段)
26 電磁攪拌装置(電磁攪拌手段)
10, 20 Casting device 11, 21 Mold 12, 22 Chill plate (cooling means)
13, 23 Heating furnace (heating means)
14, 24 Cooling device (cooling means)
16 Rotation drive device (mold rotation means)
26 Electromagnetic stirring device (electromagnetic stirring means)

Claims (6)

溶質元素を含有する金属の溶湯を鋳型内に充填し、該鋳型中の前記溶湯を一方向凝固させて鋳塊を得る鋳造方法において、
前記鋳型内における固液界面近傍の前記溶湯の流速を制御することにより、凝固方向における前記溶質元素の濃度分布を調整した前記鋳塊を得ることを特徴とする鋳造方法。
In a casting method in which a molten metal containing a solute element is filled in a mold and the molten metal in the mold is solidified in one direction to obtain an ingot.
A casting method characterized by obtaining the ingot in which the concentration distribution of the solute element in the solidification direction is adjusted by controlling the flow rate of the molten metal in the vicinity of the solid-liquid interface in the mold.
前記鋳型に回転を与え、この回転速度を制御することにより、前記鋳型内における固液界面近傍の前記溶湯の流速を制御することを特徴とする請求項1に記載の鋳造方法。   The casting method according to claim 1, wherein the flow rate of the molten metal near the solid-liquid interface in the mold is controlled by applying rotation to the mold and controlling the rotation speed. 前記鋳型内の溶湯を電磁攪拌することにより、前記鋳型内における固液界面近傍の前記溶湯の流速を制御することを特徴とする請求項1に記載の鋳造方法。   The casting method according to claim 1, wherein the flow rate of the molten metal in the vicinity of the solid-liquid interface in the mold is controlled by electromagnetically stirring the molten metal in the mold. 溶質元素を含有する金属の溶湯が充填される鋳型と、この鋳型内の溶湯を冷却する冷却手段と、前記鋳型を加熱する加熱手段と、を備え、前記鋳型内の溶湯を一方向凝固させる鋳造装置において、
前記鋳型内における固液界面近傍の前記溶湯の流速を制御する流速制御手段を備えていることを特徴とする鋳造装置。
A casting that includes a mold filled with a molten metal containing a solute element, a cooling means for cooling the molten metal in the mold, and a heating means for heating the mold, and solidifies the molten metal in the mold in one direction. In the device
A casting apparatus comprising flow rate control means for controlling the flow rate of the molten metal near the solid-liquid interface in the mold.
前記流速制御手段は、前記鋳型を回転させるとともにその回転速度を調整可能な鋳型回転手段であることを特徴とする請求項4に記載の鋳造装置。   5. The casting apparatus according to claim 4, wherein the flow rate control means is a mold rotating means capable of rotating the mold and adjusting a rotation speed thereof. 前記流速制御手段は、前記鋳型内の溶湯を攪拌する電磁攪拌手段であることを特徴とする請求項4に記載の鋳造装置。   The casting apparatus according to claim 4, wherein the flow rate control means is an electromagnetic stirring means for stirring the molten metal in the mold.
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