JP2632824B2

JP2632824B2 - 熔融物から直接金属板を鋳造する方法

Info

Publication number: JP2632824B2
Application number: JP61505718A
Authority: JP
Inventors: バートレット，エドウィン・エス; マリンガー，ロバート・イー; レイメント，ジュディス・ジェイ
Original assignee: BATSUTERU MEMORIARU INST
Current assignee: BATSUTERU MEMORIARU INST
Priority date: 1985-10-11
Filing date: 1986-10-06
Publication date: 1997-07-23
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: EP0243453B1; JPS63501062A; CA1290547C; DE3672827D1; EP0243453A1; WO1987002284A1

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景本発明は金属の熔融塊から直接に金属の板（ストリッ
プまたはシート）をつくる新規の方法に関するものであ
る。キング（米国特許第3,522,836;3,605,863）および
その他に対して公告された従来法特許から、この方式で
板をいかにしてつくるかが知られる。キングは、液状金
属層がいわゆるメルト・ドラグ法によって冷却用ローラ
ーの滑らかな外側円筒表面の上へ沈積される方法を開示
している。メルト・ドラグ法においては、移動する支持
体がオリフィスによって供給される液状金属のメニスカ
スを貫通し、金属をオリフィスから引く。層は冷表面上
で固化し、板として取外される。

上記メルト・ドラグ法により、あるいは我々が知るか
ぎり、供給用オリフィスを用いない他の方法によると、
滑らかな表面上で熔融金属層を迅速に冷やすことによっ
て形成される金属板の表面は各種の鋳造欠陥を含むかも
しれない。これらの欠陥は一般的には、液状金属と支持
体との不良（熱的）接触領域が存在する形跡があること
である。この不良接触は隣接する良好接触の場合よりも
おそい金属固化をもたらす。

バクスマンらの特許（米国特許4,250,950）は金属固
化速度を調節するための突起部をもつ金属鋳型を開示し
ているが、しかし明らかにここで提示される改善された
表面仕上は得られない。

フランス特許1,364,717はエンドレス鋳型における厚
い金属素材板の連続鋳造方法を教示している。その開示
からは多少不明瞭ではあるが、しかし、型の鋳造表面の
少くとも一つまたは恐らくは両方は粗面であり、例え
ば、溝が切られている。その開示と連続鋳造技術から、
潤滑剤と離型剤が型の上に使用され、かつ、厚い板のみ
がこの方式で形成され得ることは明らかである。このよ
うに、この開示連続鋳込方法は、薄い板（10mm以下）が
つくられ、かつそれが適切な熱伝達用の自由鋳造用表面
へ一時的に結合されねばならないという本発明の方法と
は実質的に異なっている。

ドラム表面を複製している板を製造するその他の方法
が存在している（例えば米国特許2,561,636および4,21
2,343を見よ）。これらの方法は本発明とは関連がな
く、なぜならば、本発明は滑らかな金属板をつくるもの
であり、板は好ましくはドラム面を複製するものではな
い。板が鋳造されたままで成形および使用される（例え
ば屋根樋用のような）か、あるいはその後に最小の冷間
圧延だけで以て有用な形状物に成形されるよう、どちら
かといえば滑らかな仕上げが望まれる。

発明の要約本発明の一つの目的は熔融体から直接に冷表面上で形
成される金属板において表面品質を改善する（表面欠陥
を減らす）ことである。

その改善された方法は、山領域によって分離されてい
る一般的には周囲状の溝をもつ冷ロールまたは冷ドラム
の円筒状外側表面の上に熔融金属層を鋳造し、かつその
際、その溝の頻度が少くとも約８溝/cmであることから
成る。代表的には、熔融物は溝を完全には充満すること
がなく、またその下面も上面も溝の形状を複製すること
がない。大部分の板の下面中には周期的うねりが一般的
に存在し、そしてまた、広い間隔の溝の上に鋳造される
薄い板の上面には、周期的うねりが存在するかもしれな
い。金属は冷ロール外面へ一時的に結合して適切な熱伝
達を行ない、次に収縮しゆるく離れる。板は好ましくは
10mm以下の厚さであり、さらに好ましくは1mm以下であ
る。

好ましくは、約30度と60度の間の夾角と約0.025〜0.2
5mmの深さで以て切りこまれる。溝の間の山領域は幅は
約0.025〜1.00mmで変えることができ、山幅対溝幅の比
は好ましくは0.15より大きく、さらに好ましくは約0.5
と1.5との間にある。

鋳造と鋳造の間で冷ロールにブラシ掛けを行なうこと
は鋳造表面を清潔にするのに望ましい。

図面の説明図１および２は金属板鋳造用の一つのタンディッシュ
・ドラム集成装置の模型的立面図と平面図をそれぞれ示
す。

図３は本発明によって改善された板を鋳造するのに使
用できる山と溝の幾何形の二つの断面図を示す。

図４は有溝ドラムと接触状態にある表面における液状
金属挙動の表現である。

好ましい具体化の説明図１および２は本発明の実施するための一つのタンデ
ィッシュおよび冷ロールまたは冷ドラムの集成装置の模
型図を示す。円筒状ドラム２はタンディッシュ１と相対
的回転をするようにとりつけられていて、水冷するのが
便利である（図示せず）。タンディッシュ１は一端にお
いてローラー表面と嵌合せの輪郭をもち、ドラム２か
ら、液状金属10がドラム回転中にこぼれないような間隔
にある。堰４はホイールと反対の端においてタンディッ
シュの中へ注入することによって形成される液状金属の
流れをしずめる。堰堤３はタンディッシュ後壁と一緒に
注入室を形成する。堰堤３と堰４はまたそれぞれ熔融体
水準６および７を調節する。堰５は熔融体水準８（静的
な金属落差）を調節しかつまた金属とドラムとの接触の
長さ９を調節するために使用してもよい。この接触長さ
は板11の厚さを調節するのに重要である。堰５はまた、
ドラム表面から近い距離に置かれて液状金属を表面へ一
定量を供給することができ、すなわち、オリフイスとし
ての役割をもつ。液状金属10は冷却されたドラムと接触
し、固体板として固化し、その後ドラムから取外され
る。

代表的には、タンディッシュの底は水平から約30度の
点においてドラムと近接するが、しかし、この近接点は
ドラム直径、鋳造速度、および望ましい板の厚さに実質
的に対応して変動する。ドラムとタンディッシュとの間
のギャップは0.15〜1.00mmの程度であり、ドラムとの熔
融体接触長は４〜120mmの程度であってよい。これらの
変数は10mm以下、さらに好ましくは1mm以下の厚さに板
を鋳造するよう調節するのが好ましい。

図１に示すものを含む装置は滑らかで円筒状のドラム
表面（例えば、600番粒度のサンドペーパーによって磨
いた加工表面）の上で金属を鋳造するために過去におい
て使用されてきた。不幸にして、アルミニウム、銅また
はスチール合金のような金属が滑らかなホイール上で鋳
造されるときには、表面欠陥がおこる。これらの欠陥は
ひどさに応じて変色の点、線、または網目のいずれか、
表面組織、浮上り、および／または亀裂として板表面内
で肉眼的に認められる。これらの欠陥は液状金属とドラ
ム表面との不良接触領域と関係があり、そのような領域
が隣接領域と相対的におそく固化するのが原因である。
この差異のある固化が不良接触の名残である固化板中の
欠陥領域を永久的に規定するように思われる。

用語「くぼみ（dimple）」は板表面の反射性外観と比
較してつや消し表面をもつ直径１〜2mmの浅い欠陥領域
を意味するのに用いられる。この「くぼみ」は共通的欠
陥であり、これを本発明は減らすことができる。線状欠
陥は代表的には、亀裂部位であり得る不規則モザイク状
のへこみ模様を形成する。速度のおそい固化の結果、底
面のくぼみは上面クレーターをもたらし、底面の線状の
くぼみは上面の谷間をもたらす。ともにそれらの領域中
での各形成と粒成長において変動をもたらす。

鋳型表面内に周囲状の溝をもつドラムの上で鋳造する
ことによって、これらの欠陥を実質上減らすことがで
き、かつ、板上面および下面の両方をより滑らかにする
ことが発見されたのである。螺旋状（ねぢ切り状）ある
いは直線状に機械加工した溝は、実質上周囲状にかつ近
接した間隔にあるかぎり、等しく許容できる。ホイール
速度が速い場合には、液状金属中の乱れをおこすため、
実質上円周状でない表面溝は適切なものではない。溝付
けは山−谷状態の表面、として知られるものをもたら
し、持ち上がっている山領域によって分離されている溝
を交互にもつことになる。

図３には、２つの溝切りの例が示されている。図３
（ａ）に示されたものは本発明の範囲外の参考例であ
り、図３（ｂ）に示されたものは本発明の範囲に含まれ
る実施例である。図３（ａ）においては、単純なＶ字型
溝32がドラム31（一部切り取りで示されている）の表面
の中で均一に機械加工されている。上端部は幅のない、
尖端または鋭い突出部33aとして示されている。一方、
図３（ｂ）においては、その尖端が除去されて山領域33
bが溝32を分離する幅（ｗ）をもつようになされてい
る。本明細書では、「山領域」という表現は山が鋭い突
出物である本質上口の山幅は含めない意味で使用され
ず、すなわち、本発明の範囲には、図３（ａ）の態様は
含まれない。好ましくは、平均山幅対平均溝幅の比は約
0.5〜1.5であるが、この範囲の外にある組合わせも有用
である。ただし、山幅対溝幅の比が高くなると、ドラム
表面が従来法の連続式（溝切りなしの）状態に近づくの
で、板品質に著しい改善をもたらすのに特に有用とは言
えない。溝切りは均一である必要はないが、しかし、そ
れが好ましい。山領域は好ましくは約0.025〜1.00mmの
平均幅をもつ。

機械加工に供すると、変形し易い尖端と山領域のパタ
ーンがしばしばできるが、それは有用ではあるが、好ま
しいものではない。ドラムを長期間にわたって使用し清
浄化することによって尖端が丸くなり山が平らになるの
であろう。

ドラム表面は、ドラムの表面に沿い軸方向で図３
（ｂ）中の縁34から縁35へ測定して約８溝/cm以上であ
って、好ましくは35溝/cm以下の、溝頻度をもつべきで
ある。溝はＶ字形にする必要はないが、約0.025〜0.25m
mの平均の深さをもつことが好ましい。それらがＶ字形
である場合には、壁によって形成される夾角は好ましく
は約30〜60度である。

高頻度溝切り面へ合理的圧力で熔融金属を供給するこ
とにより、液状金属が溝を完全に充満することのないパ
ターンが得られる。図４は沈積直後の液状金属の状態を
示す。その金属の下面はドラム40中の溝41の中へ押し下
げられる（46において）。液体の表面張力は垂れ下がり
の間の山領域42の上で液状金属を持上げさせるが、しか
し、他の圧力は液状を溝の中で押下げる。固化する際、
下降部46は、板の厚さに応じて、収縮のためにドラム表
面の上方で上昇し、うねりのある下面をもたらす。きわ
めて薄い金属板の場合および溝の間隔が大きい場合を除
いて、溝によってひきおこされる下面中のうねりは板の
上面内で複製されることがない。溝切りの実質的形状は
下面または上面のいずれにおいても複製されない。しか
し、上面は、固化前線が各々の型表面からはじまる型鋳
込法とちがって固化が下面から上面へ伝播するので、下
面によって影響を受ける。

供給後、金属は外側鋳型表面へ実際に接着する。これ
は金属と冷表面との間の原子結合であり、本発明を実施
するのに必要であると我々は信じている。この接着は、
所望微構造をもつ板を固化させるのに必要な急速熱伝達
をもたらし、かつ、その結果の収縮をもたらして、板を
冷表面から遊離させて捕集を可能にする。これは100〜1
000cm/秒のホイール速度においてきわめて短時間でおこ
らねばならない。ドラム表面のブラシ掛けはドラム表面
を酸化物および必要な結合を妨げる他の不純物から清潔
に保つために極度に望ましいものである。

フランス特許1,364,177に開示されているような連続
鋳造技術にはそのようなことはない。連続鋳造において
その目的は自由表面上へではなく型の中へ鋳込むことで
ある。この必要性は生成物をかなり厚い素材板（例え
ば、20mmより大きい）とおそい鋳込速度へ制限する。潤
滑剤と剥離剤を使用して鋳型への金属の結合を避けねば
ならない。固化はまた型の両側からおこり、層状化微構
造と内部収縮空洞の可能性との原因となる。熱伝達速度
は本発明の迅速固化法よりも少くとも低い程度の大きさ
のものである。

鋳造用ドラムは好ましくは水冷される。それは、条
件、特に、熔融金属温度、に耐える便宜的金属のどれで
つくってもよい。例えば、銅、銅−クロム、スチールあ
るいはアルミニウム合金のドラムをアルミニウム、銅、
およびスチールを鋳造するのに選択的に用いてよい。溝
は、例えば、機械工作により、あるいは金属が十分に軟
かいときにはロール筋付けまたはロール型付けにより、
導入してよい。好ましくは、布またはワイヤー・ワイパ
ーをドラムと一緒に使って溝を使用中に清浄に保つ。

溝が荒れている場合には、くっつき（必要な一時的結
合ではない）が滑らかなホイールの場合よりもより頻繁
であるかもしれない。これはドラム表面の過度にすぎる
矯正または払拭によってひきおこされ、山の縁の上にけ
ずり目をつけることになる。このような粗面上での鋳型
中の液状金属上の高すぎる圧力は金属をあまりにも深く
溝の中へ押込み、そこで金属が固化し、板の固化および
収縮後にそのけずり目の上でくっつく。

鋳造操作中のドラム速度は100〜1000cm/秒の程度のも
のである。おそい方の速度はより厚い板をつくるのに用
いることができるが、しかし、どの鋳造方法の場合と同
様、このことは一般的に低生産性をもたらす。上述の範
囲の上限とそれ以上においては、鋳造された板は金属接
触時間が短かくなるにつれて薄くなる傾向がある。溝の
寸法に応じて、このことは板上面中に、溝で誘起される
うねりの複数をもたらすことができる。ある用途には、
これは有害でない。ドラム寸法（幅と直径）は、効果的
冷却が達成されかつタンディッシュから金属が適切な速
度で供給されるかぎり、臨界的とは思われない。

好ましい具体化の実施例我が知るかぎり、他の装置と方法によって冷却ドラム
上で直接鋳造される板が本発明によるドラムの溝切りか
ら恩恵を受けるかもしれない。しかし、我々の実験的試
みは図１と２に示すとおりの装置を主としてつかって、
滑らかドラムと溝切りドラムとの上で行なった。ドラム
は銅、銅−１％クロム合金、スチールあるいはアルミニ
ウム合金のいずれかで以てつくった。鋳造される金属は
アルミニウム合金3105（公称的には、Al−0.5％Mg−0.3
5％Mn）、OFHC銅および低炭素鋼（公称的にはFe−0.35
％Mn−0.05％Ｃ）であった。鋳造板は好ましくは結晶性
で0.25mm以上の厚さをもっている。

Ｖ字型溝は一山ねぢ切り工作または転造によって導入
される。試験後に採取したホイール表面のアセテート・
レプリカと鋳造されたままの板の試料をプロフアィロメ
ーター（profilometer）で以て検査し、比較した。

実施例１−厚さ変動定性的には、滑らかホイールと有溝ホイールを使う板
品質の差を見ることは容易である。定量的には、板品質
の決定的尺度は、欠陥に基因する鋳造製品の小面積、例
えば１平方インチ、の上の厚さ変動である。フラット
（flat）・マイクロメーターおよびポイント（point）
・マイクロメーターによる測定を滑らかホイール上で鋳
造された試料と本発明に従う有溝ホイール上で鋳造され
た試料について行なった。フラット・マイクロメーター
で以て得た厚さ測定値とポイント・マイクロメーターに
よる測定値との間の統計的な差に物質の公称厚みを加重
したもの（例えばパーセント差）は近接距離領域にわた
る厚さ変動の表示を与える。フラット・マイクロメータ
ー測定値と物質の重さ、長さ、幅および密度から計算し
た厚さとの間の類似の加重をつけた差は類似の表示を与
えるが、しかし、ポイント・マイクロメーターを読み取
るのに主観的技能を必要としない。清浄な直径71cmのド
ラム上で連続的に鋳造された25.4cm幅の板についての表
１における結果は、厚さが、滑らかホイールで鋳造され
た板の小さい領域上で、有溝ホイールで鋳造されたアル
ミニウム板と比べて２倍だけ多く変動することを示して
いる。また、データの散乱（例えば“S"値）は有溝ドラ
ム上で鋳造した製品についてはるかに小さい。

フラット・マイクロメーターとポイント・マイクロメ
ーターによる厚さについての多数（代表的には10から2
0）の試料による厚み測定をよせ集めて、各種の鋳造速
度、プール（pool）、厚さ、などを代表する、滑らかな
ホイール上での21回の別々の板鋳造試験の各々からの板
について、平均のパーセント差を決定した。

２回の別々の有溝ホイール・板鋳造実験を上記方式
で、かつまた、フラット・マイクロメーター読取りと
「計算厚み」値とを用いる類似の（ただしより容易であ
る）比較法によって、評価した。

表１は次のことを示している。

a.滑らかホイールと有溝ホイールについての、Δ_ｍと
S_mの間の直接的比較、および b.有溝ホイール上で鋳造した同じ物質についての、Δ
_ｍとΔ_ｃの間、およびS_mとS_cの間、の関係。

追加の６回の有溝ホイール上での実験はより容易なΔ
_ｃ法のみによって評価した。「２の群」と「６の群」
の間の結果は統計的には同等である。推論の結果、我々
は、「２の群」と「６の群」とは、「６の群」について
Δ_ｍ値が測定されたとしたら、統計的には同等のΔ
_ｍ値を示したであろうと結論する。このことは「有溝」
ホイール上で鋳造した製品の厚みの相対的変動性は滑ら
かなホイール上で鋳造した物質についての約半分にすぎ
ないという結論に通ずる。同じ結論は表１と第１行と第
２行についてのΔ_ｍからも出るが、しかし、第３行の
追加Δ_ｃ値ははこの結論をはかるかによりたしかなも
のとしている。

実施例２数個の試みを、「滑らか」ホイール（すなわち、600
番粒度Al₂O₃サンドペーパーで磨き次に回転ステンレス
・ブラシで以てたたくことによって艶消し表面へ仕上げ
た加工表面）をもつ図１に示すような装置を使って実施
した。ドラム表面は約4m/秒と6m/秒の間で動いていた。
回転ワイパーを使ってドラム表面を清浄に保った。約４
インチの静的金属落差が多少連続式の方式で板を製造す
るのに必要とされた。板品質は変動したが、「くぼみ」
およびその他の表面欠陥は事実上すべての板において明
瞭に目で見える。

銅およびスチールでの滑らかドラム上での試みは鋳造
板中で類似欠陥をつくり出した。

実施例３有溝ドラム鋳造追加の試みを有溝ドラムを使って実施した。潤滑剤ま
たはその他の添加剤を含めた不純物をすべて除くために
ドラムを清浄にした。表２は各実験についての条件を示
している。ブラシは固定して、板剥離後の各回転時にホ
イールを清浄にした。

なお、実験番号102は、特別な、山の幅がゼロの参考
例であり、本発明の範囲に含まれるものではない。

溝は固化開始用の好ましい部位（山の部分の上の）を
提供しかつ随伴ガス逸散用の通路を与えているように見
える。有溝ドラムを使用した鋳造板は滑らかドラム上で
鋳造した板よりも、上面および下面上で実質的により少
ない欠陥を示し、かつ、厚み変動性が実質的により小さ
い。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者マリンガー，ロバート・イーアメリカ合衆国オハイオ州43085，ワージントン，グリーンリッジ・ロード 815 (72)発明者レイメント，ジュディス・ジェイアメリカ合衆国オハイオ州43201，コロンブス，ウエスト・シックスス・アベニュー 433 (56)参考文献仏国特許1364717（ＦＲ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】熔融物から直接厚さが約10mm未満の市販用
品質を有する金属板を鋳造する方法であって、冷ドラムの外側の円筒状表面に軸方向に間隔をあけなが
ら実質的に円周状に広がる溝を付けて、鋳造表面に少な
くとも約８溝/cmの溝密度と、隣接する溝の間に実質的
に円筒状の平坦な山領域と、それぞれの山領域と隣接す
る溝との交わり部分における概して円周状の縁とを形成
し、冷ドラムを回転させて、溝付けした外側の円筒状表面を
熔融物プールを通過させ、熔融物層を溝付けした外表面
上に取り出し、このとき、該熔融物層の下面は山領域と
直接接触し且つ山領域間の溝に実質的にまたがり、更
に、熔融物層の上面は開放されて雰囲気に直接暴露され
ており、そして、該熔融物層から溝付けした表面を介して熱を取り除い
て、溝付けした表面から該熔融物層上面まで熔融物層を
順次凝固することを含むことを特徴とする金属板の鋳造方法。
【請求項２】該熔融物プールを該冷ドラムの外側の円筒
状表面が一方の壁となる開口タンディッシュ中に保持
し、且つ、該冷ドラムを該外側表面が上方に向かって該
熔融物中を通過して出るような方向で回転させることを
更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】約0.25mm以上の厚さの結晶性金属板を形成
するような速度で鋳造しかつそのような割合で熔融金属
を供給することを更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】平均溝幅に対する平均山幅の比が0.5〜1.5
である上記外側表面上へ金属熔融物を導入することを更
に含む請求項３に記載の方法。
【請求項５】溝の深さが約0.025〜0.25mmである請求項
４に記載の方法。
【請求項６】約100〜1000cm/秒で回転するドラムの周辺
表面上へ金属熔融物を導入し、その際溝がその周辺表面
中で一般的には円筒状であって約0.025〜0.25mmの深さ
をもち、かつ、溝が約0.635mmより小さい幅をもつ山領
域によって分離されていることを更に含む請求項３に記
載の方法。