JP2017538043A - 管状ソノトロードの利用方法 - Google Patents
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Abstract
濡らされる管状ソノトロードの利用方法である。本方法は、ａ）液体アルミニウムに対して本質的に不活性な、セラミックスのような材料、例えば酸窒化ケイ素で形成される管状ソノトロード（１）を提供するステップであり、ソノトロードは、開放されている第一の端部（２）と、好ましくは閉塞されている第二の端部（３）とを有しており、ｂ）管状ソノトロード（１）の開放されている端部（２）を少なくとも部分的に液体アルミニウム合金に浸けるステップ、そしてｃ）管状ソノトロード（１）を介して液体アルミニウム合金に強力超音波を適用するステップを含む。【選択図】図１
Description
本発明は、超音波による液体アルミニウム合金の処理の分野に関するものである。より具体的には、ガス抜き（液体金属中に溶解した水素の除去）、合金中に存在する酸化物への力学的作用（濡れ、粉砕、焼結、音圧場における圧縮によるそれらの見かけの直径の減少など）、結晶粒微細化、比率調整、合金の組成の変更などの処理、または、冷却および凝固後のアルミニウム合金の力学的特性を改善することを可能にする他のあらゆる処理を目的とした、超音波の最適化された透過を可能にする耐熱性セラミックス製のソノトロードを少なくとも一つ利用する、改善された装置および方法に関している。
強力超音波が、液体軽合金、とりわけアルミニウム合金からガスを抜くことを可能にすることが知られている（Ｇ．Ｉ．Ｅｓｋｉｎ著、「溶融軽合金の超音波処理（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ａｌｌｏｙ Ｍｅｌｔｓ）」、Ｇｏｒｄｏｎ ａｎｄ Ｂｒｅａｃｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ出版，１９９８年）。液体アルミニウム合金中に溶解した水素は、超音波圧力場によって生成されるキャビテーションの気泡の方に拡散する。音圧場の影響を受けてこのように形成される気泡の振動は、成長拡散効果いわゆる整流拡散効果を生む。ガス抜きの効率を改善するためのパージガスの利用および／または金属浴の上の部分真空の利用が、研究開発されて特許を取得した。そのうえ、超音波は、パージガスの気泡を細かく分散させることに寄与する（米国特許出願公開第２００７／０２３５１５９号明細書、国際公開第２０１１／１２７４０２号）。
しかしながら、音圧場の作用を受ける部位は、ソノトロードの近傍に位置する。キャビテーションの気泡は、それ自体が、注入されるパワーの一部分を吸収するものであり、また、液体アルミニウム合金中に存在し、そのうえキャビテーション核となる介在物（とりわけ酸化物）についても同様である。液体アルミニウム合金が含む、水素が吸着する溶解ガスおよび酸化物の介在物の量が多いほど、これらの不純物が発生させるキャビテーションそのものによって吸収される超音波は増える。それゆえに、実際には、照射システムの有益な作用を受ける体積は、ソノトロードを中心にして数リットル、または約十ｃｍを超えない。そうなると、唯一の産業用途は、限られた体積がガス抜きされることができる鋳造所の領域内にある。あるいはまた、連続鋳造については、例えば車輪での鋳造（Ｓｏｕｔｈｗｉｒｅ Ｕｌｔｒａ−ＤTM ｐｒｏｃｅｓｓ）におけるような少流量の金属（概算１〜１０トン／時間）の領域内にある。ガス抜きおよび介在物清浄度という観点から非常に多くの条件を必要とする合金専用のおよそ１立方メートルのガス抜き用取鍋を有する、大流量の金属（５０〜１００トン／時間）の半連続鋳造については、スケールアップの問題は、従来技術では解決できない。
これらの方法の欠陥は、導波管と液体アルミニウム合金の境界面の安定性の欠如にとりわけ起因する。すなわち、液体アルミニウム合金の方へのエネルギーの透過を可能にするために、導波管が、液体アルミニウム合金によって濡らされなければならないことが知られている。この理由で、利用される導波管は、金属製、とりわけ鋼製またはチタン製である。
しかしながら、このことは、完全な濡れの獲得に十分ではなく、よってその改善のための方法が開発された。チタン製ソノトロードへのアルミニウム薄膜の気相堆積を特許請求した、「Ｒｅｙｎｏｌｄｓ Ｍｅｔａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ」社の１９７９年の優先権を有する欧州特許第００３５５４５号明細書からとりわけ明らかである。しかし、実際は、そのような構成においてでさえも、導波管の材料と液体アルミニウム合金との反応が原因で、濡れの質は、利用の間に変化する。
耐熱材料は、まさに該材料が液体アルミニウム合金によって濡らされないという理由で、アルミニウム合金において利用されない。ただし化学的堆積方法であれば、濡れを獲得することができるが、しかしそれは長くは持たず、これでは信頼度も高くないし実践的でもないし経済的でもない。
Ｇ．Ｉ．Ｅｓｋｉｎ著、「溶融軽合金の超音波処理（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ａｌｌｏｙ Ｍｅｌｔｓ）」、Ｇｏｒｄｏｎ ａｎｄ Ｂｒｅａｃｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ出版，１９９８年
つまり、目下のところ、鋳造アルミニウム合金の大部分において液体アルミニウム合金を信頼できる仕方で処理できる方法も器具も存在しない。
ところが、とりわけ、航空機製造技術のための合金の鋳造、原子力応用のための複合合金の鋳造、改善される加工特性を有する快削合金の鋳造、さらには改善される流動性を有する鋳造合金または連続鋳造合金の鋳造の分野において、多孔質巣の除去、または率の増加、または改善される結晶粒微細化、または粒子による強化という観点からの成果が役立つ、アルミニウム合金の処理および純化についての実質的な需要が存在する。
本発明の目的のうちの一つは、このように、大きな体積の液体アルミニウム合金の照射の困難を回避して、スケールアップを可能にすることである。このために、本発明は、液体アルミニウム合金によって濡らされるソノトロードの利用方法を提案し、該方法は以下のステップを含む：
ａ）液体アルミニウムに対して本質的に不活性な、すなわち液体アルミニウム中で有意に溶解しない、セラミックスのような材料、例えば酸窒化ケイ素で形成される管状ソノトロードを提供するステップであり、ソノトロードは、開放されている第一の端部（２）と、好ましくは閉塞されている第二の端部（３）とを有しており、
ｂ）管状ソノトロードの開放されている端部（２）を少なくとも部分的に液体アルミニウム合金に浸けるステップ、そして
ｃ）管状ソノトロードを介して液体アルミニウム合金に強力超音波を適用するステップ。
ａ）液体アルミニウムに対して本質的に不活性な、すなわち液体アルミニウム中で有意に溶解しない、セラミックスのような材料、例えば酸窒化ケイ素で形成される管状ソノトロードを提供するステップであり、ソノトロードは、開放されている第一の端部（２）と、好ましくは閉塞されている第二の端部（３）とを有しており、
ｂ）管状ソノトロードの開放されている端部（２）を少なくとも部分的に液体アルミニウム合金に浸けるステップ、そして
ｃ）管状ソノトロードを介して液体アルミニウム合金に強力超音波を適用するステップ。
一変形例によると、ステップａ）でのソノトロードは、少なくとも０．０５％のマグネシウム含有量を有する液体アルミニウム合金（Ｍ）中への部分的な浸漬、および強力超音波の適用によって予め濡らされている。
この方法により、液体アルミニウム合金によって濡らされるソノトロードは、強力超音波の最適化された透過を可能にする。長期間、とりわけ数日にわたってソノトロードの清掃や研磨の作業なく保持される濡れは、液体アルミニウム合金の効果的な処理を可能にする。また、ソノトロードの管状形は、液体アルミニウム合金中のキャビテーション現象を最適化することを可能にし、このことは、大きな体積での、またとりわけ工業規模での処理を保証する。
すなわち、管状ソノトロードの内側に含まれる液体アルミニウム合金は、キャビテーションが、管状ソノトロードの中心に集束する波動によって生まれることから、つまり、したがって、中実の棒の形のソノトロードの外側に生じるようなパワーの損失がないことから、非常に激しいキャビテーションの源である。液体アルミニウム合金中にこのように生成されるキャビテーションの気泡は、管状ソノトロード内に含まれるガスを非常に効果的に吸出す。
方法のステップａ）で提供される管状ソノトロードは、開放されている第一の端部と、好ましくは閉塞されている第二の端部とを有し、またステップｂ）は、開放されている第一の端部の、液体アルミニウム合金中への浸漬を含む。
すなわち、本発明者らは、第一の端部で開放されている管状ソノトロードが、液体アルミニウム合金のるつぼに浸けられ、また第二の端部で閉じられているとき、そして、該管状ソノトロードが、管状ソノトロードの上方部分の周りに締めつけられるか接着されるかビス留めされる金属製クランプに固定される、強力超音波発信用トランスデューサを用いて伝達される強力超音波によって励起されるとき、管状ソノトロード内での吸出し効果により、るつぼ内のアルミニウム合金の高さの低下が生じることを確認した。この吸出しは、管状ソノトロード内に部分真空を生み、それゆえ、管状ソノトロード内の液体アルミニウム合金の高さの上昇、および、管状ソノトロードの周りのるつぼ内での液体アルミニウム合金の高さの付随する低下を生む。このように、この管状ソノトロードの利用は、ソノトロードから離れている金属と、管状ソノトロード内に含まれまた激しいキャビテーションを受ける金属との間で、水素濃度の急勾配が生じることにより、液体アルミニウム合金から非常に速くガスを抜くことを可能にする、乱流の吸出しメカニズムを作り出す。
同様に、この方法は、液体アルミニウム合金中に存在する酸化物薄膜を粉砕し、濡らし、また粉々にすることも可能にする。そうなると、酸化物は、鋳造のまさにその時に減少した大きさであり、このことは、凝固時の多孔質巣の発生を阻止する。
同じ原理によると、この乱流の吸出しは、液体合金内への音響エネルギーの注入が引き起こす音響流または「アコースティック ストリーミング」によって誘導される樹枝状結晶の枝の部分的な粉砕および／または再溶解による、結晶粒微細化効果にもまた寄与する。合金の凝固の際、増加した量の結晶粒界が、このように得られる。それによって合金の流動性は改善され、また得られる未加工の凝固アルミニウムの力学的特性、とりわけ材料の延性およびその伸長能力は大きく改善されるが、これは酸化物および多孔質巣の除去の結果でもありまた結晶粒微細化が原因でもある。
有利には、方法のステップｃ）は、管状ソノトロードの外側および内側の液体アルミニウム合金の表面を、無水不活性雰囲気下に置くステップｉ）を含む。この配置は、ガス抜きの効率を改善するように、雰囲気の湿気と液体アルミニウム合金との間の接触を減少することを可能にする。
一可能性によると、ステップｉ）による、管状ソノトロードの内側の液体アルミニウム合金の表面の、無水不活性雰囲気下への配置は、管状ソノトロードの内側の無水不活性ガスの注入を含む。利用されるガスは、とりわけ、乾燥アルゴンまたは乾燥窒素、または適用条件において液体アルミニウム合金に反応しない他のあらゆる無水ガスであることができる。
好ましくは、無水不活性ガスは、キャビテーションの気泡によって金属から抽出される水素を排出するように、管状ソノトロードの第二の端部を介して、注入されて循環する。注入管および排出管は、例えば、第二部の頂部に準備される孔に密封される仕方で差込み接着される。
別の局面によると、管状ソノトロードの外側の液体アルミニウム合金の表面は、合金の自由表面によるガス再混入を回避するように、乾性および不活性のガスのカバーの下に保持される。
一補足的配置によると、水素と反応しまた水素を引き留めるように構成される水素トラップが、管状ソノトロードの内側に配置される。トラップは、管状ソノトロードの第二の端部の頂部に密封される仕方で差込み接着される、液体アルミニウム合金への無水不活性ガスの注入管を介して、管状ソノトロードの内側に有利には配置される。ソノトロードの内側に含まれる液体アルミニウム合金のガス抜きは、そうなると非常に速い。
有利には、方法は、管状ソノトロードの内側の液体アルミニウム合金の下降流を生成するように、管状ソノトロードの第一の端部の液体アルミニウム合金中に降下速度場を作り出すステップをさらに含む。管状ソノトロードの出入り口へのこの降下速度場の作成により、管状ソノトロードの内側の合金の取替えは、アルミニウム合金が下の方に吸い込まれることによって始動する。この速度場は、アングロサクソン語の呼称「ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｔｒｅａｍｉｎｇ」で知られている、音響流現象によって作り出されることができる。管状ソノトロードの内側のガス抜きされたアルミニウム合金と外側のアルミニウム合金との間で、交換は、そのとき増える。遠くの金属と管状ソノトロード内のキャビテーションを受ける金属との間の水素拡散の動力学に最初に結びついたガス抜きの動力学は、このように生成される対流によって改善される。その結果、大きな体積の液体アルミニウム合金が、この方法によって処理されることができる。
一可能性によると、液体アルミニウム合金は、管状ソノトロードの第一の端部の液体アルミニウム合金中に降下速度場を生成するように構成される、るつぼ形誘導炉内に配置される。液体金属の中に誘導される電磁力によって作り出される対流は、管状ソノトロード内の液体アルミニウム合金の取替えを加速することをこのように可能にする。
別の一可能性によると、方法のステップａ）は、管状ソノトロードの第一の端部に降下速度場を生成するように構成される口が広がった形を、第一の端部が呈する管状ソノトロードを提供することにある。ソノトロードは、第一の端部でソノトロードの外側の方に開口する「トランペット」または「チューリップ」の形をこのように呈する。この口が広がった形は、「アコースティック ストリーミング」によって、垂直の降下速度場を作り出す。生成される流れは、ソノトロードの上の方への吸込み効果に逆らうものであり、その結果、ソノトロードの外側の液体アルミニウム合金とソノトロードの内側のガス抜きされた液体アルミニウム合金との間の混合が速められ、ソノトロードの内側の合金の取替えにこのように有利に働く。
別の可能な一実施形態によると、ステップｃ）の強力超音波の適用は、断続的な仕方で実現され、また方法は、強力超音波の二つの適用の合間に、液体アルミニウム合金中への断続的な降下速度場を形成するように、管状ソノトロードの内側の液体アルミニウム合金の表面に適用される超過圧力の使用を含む。この超過圧力は、ガス抜きされた液体アルミニウム合金を管状ソノトロードの外側に追い払うように、また続く圧力低下の際に混合合金を再び吸い込むように、乾燥アルゴンの一定間隔での注入によって例えば得られる。この方法は、各送り出しサイクルでディバイダのように作用する。
別の一変形例によると、方法は、ステップｃ）の強力超音波の断続的な適用の間中の、管状ソノトロードの内側の液体アルミニウム合金の部分真空下への配置のステップｉｉ）を含む。およそ１００パスカルのこの部分真空は、キャビテーションゾーンより上の水素分圧を下げることを可能にして、ガス抜きを始動する。
さらに別の一変形例によると、方法は、平坦な端の棒の形を全体として呈する補足的なソノトロードの、管状ソノトロードの第一の端部の液体アルミニウム合金中への配置を含み、ステップｃ）の強力超音波の適用は、連続的な仕方で実現され、また方法は、液体アルミニウム合金中に断続的な音響流を作り出すように、長手方向方式で、補足的なソノトロードを励起することにあるステップｉｉｉ）を含む。補足的なソノトロードの位置づけは、アコースティック ストリーミングの速度場を増すことを可能にする。この変形例もまた、ポンプ効果によってソノトロードの下の方に液体アルミニウム合金を導くことを可能にし、このことは、管状ソノトロードの内側に含まれる合金を取り替えることを可能にする。
一可能性によると、補足的なソノトロードは、断続的に励起される。得られる改善を説明するために発明者らが立てる仮説は、この場合には、追払い効果が改善されるというものである。
一代替案によると、補足的なソノトロードは、連続して励起される。仮説は、この実施形態が、管状ソノトロード内のアルミニウムの取替えの連続性を改善することを可能にするというものである。
有利には、方法は、管状ソノトロード内に含まれる液体アルミニウム合金Ａの中への、セラミックス粒子の混和を有するステップｙ）を含む。この配置は、いったん冷却されると、改善される力学的強度特性を有する、強化されるアルミニウム合金を得るために、金属基複合材料を作り上げることを可能にする。
一可能性によると、方法は、管状ソノトロード内に含まれる液体アルミニウム合金Ａの中への、母合金ワイヤの少なくとも部分的な浸漬を有するステップを含む。この構成は、そのとき、キャビテーション場の中でのワイヤの加速される溶解により、合金のガス抜きおよび酸化物の粉砕に組み合わされる、液体アルミニウム合金の速い比率調整を可能にする。
有利には、方法は、Ａｌ−ＡｌＮの複合材料を形成するように、管状ソノトロード内に含まれる液体アルミニウム合金Ａの中への、ガス状のＮＨ３の適用を有するステップを含む。このように、例えば乾性不活性ガスの供給を、利用条件において反応する別のガスの供給に置き換えることによって、液体アルミニウム合金の中に最初にない要素をもたらすことが可能である。そのとき、キャビテーションは、液体アルミニウム合金と反応ガスとの間の反応の触媒としての役割を果たす。
第二の局面によると、本発明は、液体アルミニウム合金Ａの処理に適合した照射装置に関しており、照射装置は、液体アルミニウムに対して本質的に不活性な、セラミックスのような材料、例えば酸窒化ケイ素で形成される管状ソノトロードと、管状ソノトロードに固定される強力超音波発信用トランスデューサとを有する。この装置は、ガス抜き、酸化物の粉砕、および液体アルミニウム合金への他の要素、セラミック要素、金属要素またはガス要素の供給を可能にする、先に記述されるような、方法の様々な実施形態の実施を可能にする。
有利には、照射装置の管状ソノトロードは、開放されている第一の端部と、閉塞されている第二の端部とを有し、開放されている第一の端部は、液体アルミニウム合金の中で濡らされることを目的としている。
本発明の他の局面、目的および利点は、非限定例として与えられまた付属の図面を参照して成される、本発明の複数の実施形態の以下の説明を読むことにより、よりよく明らかになるであろう。図面は、それらの解読し易さを改善するように、表示される全ての構成要素の縮尺を必ずしも順守していない。本明細書の続きにおいて、単純化に対する配慮から、様々な実施形態の同一構成要素、類似構成要素または同等構成要素は、同じ参照番号を有する。
図１で示されるように、方法は、液体アルミニウム合金の浴に管状ソノトロード１を浸けること、また、ソノトロード１の中心に激しいキャビテーション１０を得るように、強力超音波を適用することにある。
利用される管状ソノトロード１はＳＩＡＬＯＮ製であり、直径６０ｍｍである。該管状ソノトロードは、アルミニウム合金に浸けられる、開放されている第一の端部２と、クランプ５を介して強力超音波発信用トランスデューサ４が固定される、閉塞されている第二の端部３とを含む。
非表示の一変形例によると、ソノトロード１は、液体アルミニウム合金Ｍによる濡れの形成によって予め準備された。そうするために、管状ソノトロード１は、少なくとも０．０５重量％のマグネシウム含有量を有する液体アルミニウム合金浴Ｍの中に部分的に浸漬された。次いで、該管状ソノトロードは、１０Ｗの電力を用いたおよそ２２ｋＨｚの周波数の強力超音波を、液体アルミニウム合金Ｍによる濡れを獲得するまで受けた。ソノトロード１は、いったん濡れると、マグネシウムを含まない液体アルミニウム合金に浸けられて、そして新たに強力超音波が適用されて、濡れを再生成することができた。濡れは、補足の清掃または研磨の介入を必要とすることなく、５日以上の間このように保存されることができる。アルミニウム合金中での管状ソノトロード１の濡れを保持するのに、強力超音波の断続的なまたは連続的な適用それだけで十分である。
図１に示される実施形態において、超音波は、およそ２２ｋＨｚの周波数を用いて適用され、すると液体アルミニウム合金の高さは、るつぼ内で非常に速く減少するが、これは、合金のガス抜きに至らせる、管状ソノトロード１の内側の非常に激しいキャビテーション１０のサインである。浴の最初の水素含有量は、０.２７ｍｌ／１００ｇであったが、１０分の処理の後、含有量は０．１７ｍｌ／１００ｇに減少し、さらなる１０分の処理の後には、含有量は、周囲湿度を考慮して、０．１４ｍｌ／１００ｇである、平衡含有率に近い値に達した。この照射装置６を用いて得られる最初のガス抜き速度は、したがって０．０１ｍｌ／１００ｇ／分であり、一方、自発性のガス抜き速度は、およそ１０倍遅い。また、チタン製の平坦な底部のソノトロード棒を用いたガス抜きの初めに得られる最大速度は、０．００３５ｍｌ／１００ｇ／分であり、すなわち三倍遅い。
ソノトロード１の内側で得られるキャビテーション１０の激しさを説明することができる仮説は、キャビテーション１０が、管状ソノトロード１の中心に集束する波動によって生まれること、そしてしたがって、ソノトロード１の外側に生じるようなパワーの損失がないことにある。液体アルミニウム合金中にこのように生成されるキャビテーション１０の気泡は、管状ソノトロード１内に含まれるガスを吸出す。管状ソノトロード１が、第二の端部３において閉じられているとき、この吸出しは、ソノトロード１内に部分真空を生み、それゆえソノトロード内のアルミニウム合金の高さは上昇し、またソノトロード１の周りのるつぼ内でのアルミニウム合金Ａの高さの付随する低下が観察される。非常に激しいキャビテーション１０を伴う、ソノトロード１内でのこの乱流の上昇は、液体アルミニウム合金とソノトロード１内に含まれるガスとの間の交換表面を大いに増加させる。このことは、ソノトロード１内に含まれる液体合金から非常に速くガスを抜くことを可能にする乱流の吸出しメカニズムを生成する。
このように、図１で示される照射装置６は、液体アルミニウム合金のための超音波式吸込みポンプのように機能する。
非表示の実施変形例によると、ソノトロード１の材料は、方法の実施条件において液体アルミニウム合金に不活性である窒化物または酸窒化物のような、セラミックスの中から選択される。利用可能な強力超音波の周波数は、１０ｋＨｚから１００ｋＨｚまでの帯域幅内であり、また電力は１０Ｗを超える。
図２で示される一可能性によると、液体アルミニウム合金の表面は、液体アルミニウム合金Ａの表面によるガス再混入を回避するように、管状ソノトロード１の内側でもまたソノトロード１の外側でも、無水不活性雰囲気下に配置される。管状ソノトロード１の頂部にある、第二の端部３のところに密封される仕方で差込み接着される管７は、ソノトロード１の内側への無水アルゴン注入を可能にする。管状ソノトロード１の外側の液体アルミニウム合金の表面もまた、閉塞手段１４によって保持される無水アルゴン（不活性ガス）のカバーの下に保持される。
照射装置６をさらに改善するために、発明者らは、無水アルゴンの注入管７および水素トラップを、サーモカップルに吊るされた状態で挿入した。サーモカップルは、ソノトロード１の中に行き渡る垂直方向の下り勾配に沿ってその起動を可能にする温度（３００℃と４００℃の間）で、トラップを正確に配置することに役立つ。管状ソノトロード１の内部雰囲気の液体合金による吸出し効果に付随するキャビテーション１０および乱流の激しさから、またこの雰囲気が、水素トラップ８によって非常に低いレベルの水素分圧に保たれることから、ソノトロード１の内側に含まれるアルミニウム合金のガス抜きは、そのとき非常に速い。
一変形例によると、方法は、Ａｌ−ＡｌＮの複合材料を形成するように、管状ソノトロード１内に含まれる液体アルミニウム合金の中への、図３で示されるような中性アルゴンガスの代わりの、ガス状のＮＨ３のような反応ガスの挿入を有するステップを含む。すなわち、強力超音波は、キャビテーション１０の気泡の爆縮のまさにその時に、非常に高いまた非常に局所的なピーク温度に達することを可能にする。このことは、従来非常に高い温度でしか生じないＡｌ＋ＮＨ3→ＡｌＮ＋１．５Ｈ2の反応を引き起こすことを可能にする。さらに、管状ソノトロード１の内側に位置する水素トラップ８は、ガス抜きされた水素を引き寄せて、反応が生じる際に金属合金にガスが再混入することを回避する。１０ｎｍから１００ｎｍの粒度を伴うＡｌ−ＡｌＮ複合材料を簡単に作り上げることが、このように可能である。
図３に示されるように、降下速度場９は、ソノトロード１の内側の合金と外側の合金との間の交換に有利に働くように、また工業制約と相いれる時間で大きな体積の合金を処理するためにガス抜きの動力学を改善するように、ソノトロード１の第一の端部２の開口部の近傍の液体アルミニウム合金Ａの中に作り出される。図３に示される解決案は、液体アルミニウム合金を含むるつぼ内にガス抜きされた液体合金を追い払うように、また続く圧力低下の際に混合アルミニウム合金を再び吸い込むように、乾燥アルゴンの超過圧力を管７の中に一定間隔で適用することにある。
図４は、管状ソノトロード１の開口部の横に長手方向方式で励起される、中実の棒の形の補足的なソノトロード１１を挿入して、強力超音波の二つの規則的な適用の合間に、断続的な強い音響流を局所的に作り出し、ポンプ効果によりソノトロード１の下の方に内部の合金を導くことにある解決案を説明している。このことは、したがって、管状ソノトロード１の内側に含まれる合金を取り替えることを可能にする。
図５は、「アコースティック ストリーミング」によって垂直の降下速度場を作り出すように、第一の端部２で口が広がった管状ソノトロード１を利用することにある解決案を説明している。
この降下速度場９を作り出すために、非表示の他の実施形態が存在する。一代替案は、内側のアルミニウム合金を導いてその加速される取替えを可能にする垂直の降下速度場が、管状ソノトロード１の周りに存在するように構想される、るつぼ形誘導炉を利用することにとりわけある。別の一代替案によると、強力超音波の適用は、断続的に実行され、それらの合間に、無水アルゴンの超過圧力が、第二の端部３で密封される仕方で差込み接着される管７を介してソノトロード１の内側に利用される。さらに別の一可能性によると、強力超音波の適用の間中、乾燥アルゴンの各超過圧力の合間に、ソノトロード１の内側が真空になる。
図６は、金属基複合材料を製造するように、方法のステップｙ）にしたがってＳｉＣ粒子を混和することにある、液体アルミニウム合金の処理を示す。複合材料のために望まれる最終的な力学的特性に応じて、アルミナのような、他の耐熱性セラミックス製材料が利用され得る。粒子の挿入は、差込み接着される管７による無水アルゴンの注入と同時に行われ、また二つの段階で実現される。第一の段階は、粒子を挿入することにあり、それは液体アルミニウム合金が、管７の中に存在するガスおよび管が運搬する粒子に混和しながら、管状ソノトロード１内で上昇している間に行われる。この段階は、管状ソノトロード１の内側に一種の液体複合母合金を準備することにある。第二の段階は、この濃い混合物を送り出し、また上記の手段のうちの一つによって残りのアルミニウム合金の中で該混合物を薄めることにある。次いで、記載の第一の段階が再開される。発明者らは、粒子と同時に混和されるガスにより粒子が気泡に取り込まれて表面に戻されることのないように、図４で説明されるような補足的なソノトロード棒１１の断続的な利用が、液体金属中に粒子を分配すること、また慣性によるキャビテーション１０の効果でガスの気泡を粉砕することを同時に可能にすることを確認した。
今度は図７に関して、液体アルミニウム合金Ａの比率調整が説明される。母合金ワイヤ１３は、管状ソノトロード１の内部に挿入され、またソノトロード１の内側のアルミニウム合金に少なくとも部分的に浸かるように、第二の端部３に密封して差込み接着される。液体アルミニウム合金の比率調整は、そのとき、強力超音波の適用の際の、ガス抜きおよび酸化物薄膜の粉砕に付随する。変形例において、ワイヤ１３は、ＡｌＴｉＢまたはＡｌＴｉＣの微細化ワイヤ、または、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｓｃなどのような、合金を過飽和にすることが望まれる再結晶防止要素入りのワイヤであり得る。細かい一次金属間化合物の極微細分布を得ることがそのとき可能であるが、一方、炉に同量を挿入すると、縦型鋳造で、致命的な欠陥となる粗い一次金属間化合物となる。縦型半連続鋳造において、挿入は、流し込みの直前の湯だまりのところで、あるいは鋳型それ自体のところで行われる。同様に、いわゆるハイパーシリコン合金の鋳造において、管状ソノトロード１を使ってのＡｌＣｕＰワイヤの挿入は、ＡｌＰ核を分散させること、そしてＡｌＣｕＰワイヤが標準の仕方で挿入されるときに得られるよりもずっと微細な一次シリコン結晶を得ることを可能にする。
このように本発明は、長い期間にわたって液体アルミニウム合金に強力超音波を単純に適用することを可能にし、また従来得ることが可能であった体積よりも明らかにずっと大きい体積について、また工業制約と相いれるサイクル時間を用いて、ガス抜き、微細化およびアルミニウム合金の組成の変更（比率の変更および新要素への変更）の、非常に多岐にわたる処理を行うことを可能にする。
本発明は、例として上に説明される実施形態に限定されるものではなく、技術的同等物および記載手段の変形例ならびにそれらの組合せの全てを当然含むものである。
１ 管状ソノトロード
２ 第一の端部
３ 第二の端部
４ 強力超音波発信用トランスデューサ
５ クランプ
７ 管
８ 水素トラップ
９ 降下速度場
１０ キャビテーション
１１ 補足的なソノトロード棒
１３ ワイヤ
１４ 閉塞手段
２ 第一の端部
３ 第二の端部
４ 強力超音波発信用トランスデューサ
５ クランプ
７ 管
８ 水素トラップ
９ 降下速度場
１０ キャビテーション
１１ 補足的なソノトロード棒
１３ ワイヤ
１４ 閉塞手段
Claims (14)
- 液体アルミニウム合金中でのソノトロード（１）の利用方法であって、以下のステップ：
ａ）液体アルミニウムに対して本質的に不活性な、セラミックスのような材料、例えば酸窒化ケイ素で形成される管状ソノトロード（１）を提供するステップであり、ソノトロードは、開放されている第一の端部（２）と、好ましくは閉塞されている第二の端部（３）とを有しており、
ｂ）管状ソノトロード（１）の開放されている端部（２）を少なくとも部分的に液体アルミニウム合金に浸けるステップ、そして
ｃ）管状ソノトロード（１）を介して液体アルミニウム合金に強力超音波を適用するステップ、
を含む方法。 - ステップａ）でのソノトロードが、少なくとも０．０５％のマグネシウム含有量を有する液体アルミニウム合金（Ｍ）中への部分的な浸漬および強力超音波の適用によって予め濡らされている、請求項１に記載の方法。
- ステップｃ）が、管状ソノトロード（１）の外側および内側の液体アルミニウム合金の表面を、無水不活性雰囲気下に置くステップｉ）を含む、請求項１または２に記載の方法。
- ステップｉ）による、管状ソノトロード（１）の内側の液体アルミニウム合金の表面の、無水不活性雰囲気下への配置が、管状ソノトロード（１）の内側への無水不活性ガスの注入を含む、請求項３に記載の方法。
- 方法が、管状ソノトロード（１）の内側の液体アルミニウム合金の下降流を生成するように、管状ソノトロード（１）の第一の端部（２）の液体アルミニウム合金中に降下速度場（９）を作り出すステップをさらに含む、請求項１から４のいずれか一つに記載の方法。
- 液体アルミニウム合金が、管状ソノトロード（１）の第一の端部（２）の液体アルミニウム合金中に降下速度場を生成するように構成される、るつぼ形誘導炉内に配置される、請求項５に記載の方法。
- ステップａ）が、管状ソノトロード（１）の第一の端部２に降下速度場を生成するように構成される口が広がった形を、第一の端部（２）が呈する管状ソノトロード（１）を提供することにある、請求項５に記載の方法。
- ステップｃ）の強力超音波の適用が、断続的な仕方で実現され、また方法が、強力超音波の二つの適用の合間に、液体アルミニウム合金中への断続的な降下速度場（９）を形成するように、管状ソノトロード（１）の内側の液体アルミニウム合金の表面に適用される超過圧力の使用を含む、請求項１から７のいずれか一つに記載の方法。
- 方法が、ステップｃ）の強力超音波の断続的な適用の間中の、管状ソノトロード（１）の内側の液体アルミニウム合金の真空下への配置のステップｉｉ）を含む、請求項８に記載の方法。
- 方法が、平坦な端の棒の形を全体として呈する補足的なソノトロード（１１）の、管状ソノトロード（１）の第一の端部（２）の液体アルミニウム合金（Ａ）中への配置を含み、ステップｃ）の強力超音波の適用が、連続的な仕方で実現され、また方法が、液体アルミニウム合金中に断続的な音響流を作り出すように、長手方向方式で、補足的なソノトロード（１１）を励起することにあるステップｉｉｉ）を含む、請求項１から５のいずれか一つに記載の方法。
- 方法が、ソノトロード（１）内に含まれる液体アルミニウム合金の中への、セラミックス粒子の混和を有するステップｙ）を含む、請求項１から１０のいずれか一つに記載の方法。
- 方法が、管状ソノトロード（１）内に含まれる液体アルミニウム合金の中への、母合金ワイヤ（１３）の少なくとも部分的な浸漬を有するステップを含む、請求項１から１０のいずれか一つに記載の方法。
- 方法が、Ａｌ−ＡｌＮの複合材料を形成するように、管状ソノトロード（１）内に含まれる液体アルミニウム合金の中への、ガス状のＮＨ３の適用を有するステップを含む、請求項１から１０のいずれか一つに記載の方法。
- 液体アルミニウム合金の処理に適合した照射装置（６）であって、照射装置（６）が、液体アルミニウムに対して本質的に不活性な、セラミックスのような材料、例えば酸窒化ケイ素で形成される管状ソノトロード（１）と、管状ソノトロード（１）に固定される強力超音波発信用トランスデューサ（４）とを含み、ソノトロードは開放されている第一の端部（２）と好ましくは閉塞されている第二の端部（３）とを有している、照射装置。
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