JP6132642B2 - 半凝固金属スラリーの作製方法 - Google Patents

Description

この発明は、ダイカスト（鋳造）のうち、半凝固鋳造に用いられる半凝固金属スラリーの作製方法に関する。

従来より、半凝固鋳造では、溶融金属を固液共存状態まで冷却して半凝固状態とした金属スラリーを、ダイカスト機の加圧スリーブに充填して鋳造することが行われている。半凝固鋳造は、固液共存状態にある金属を成形する方法であり、材料が高固相率であるため鋳造製品の収縮巣の発生を抑え、鋳造製品の機械的強度の信頼性を向上させることができる。一方で、半凝固鋳造は、液体状態に比べ粘性が高く流動性が劣るため、材料として用いられる金属スラリーとしては、初晶が液状マトリックスにより互いに分離した状態で維持され、その結晶した粒子が微細で均一な非樹枝状、すなわち球状であることが望まれ、この点に関し多くの研究がなされている。これにより、材料が高固相率で低粘度の半凝固金属となった状態で鋳造を行うことが可能となり、鋳造製品の収縮巣の発生を抑え、鋳造製品の機械的強度の信頼性を向上させることができる。

ここで、下記の特許文献１〜３には、この種の金属スラリーの作製方法に関する技術が記載されている。特許文献１に記載の技術は、アルミ合金などの半凝固金属を簡便容易に、かつ、低コストで加圧成形することを課題としている。この技術は、最大固溶限以上の組成を有する亜共晶アルミ合金の溶融金属につき、ビレット用金型への注入時の温度を、液相線以上で、かつ液相線より３０℃を超えない温度領域とし、かつ１℃／秒以上の凝固区間冷却速度によりビレット用金型内に注入し、冷却固化してビレットを鋳造する。その後、そのビレットを共晶温度以上に昇温させ、保持時間、保持温度の選択により液相率を２０〜８０％にして初晶を球状化する。その後、半溶融状態となったビレットを成形用金型に供給して加圧成形するようにしている。また、ビレット用金型を溶融金属の注入方向に対し略直角をなす方向へ微小振動させながら、同金型に溶融金属を注入するようにしている。

また、下記の特許文献２に記載の技術は、格別に複雑な工程を必要とせず簡単な装置・設備で、微細でほぼ均一な非樹枝状（球状）の粒子を有する金属スラリーを容易に作製することを課題としている。この技術は、溶融金属に、所定の温度範囲において運動を加え、その後に溶融金属を冷却することによって半凝固状態にするようにしている。詳しくは、液相線温度が約６１０℃のＡＣ４ＣＨ合金を溶融し、直径６３ｍｍ、高さ１００ｍｍの鉄製円筒形スラリー作製容器に６６０℃で注入する。そして、容器内の溶融金属の温度が６１０〜６２０℃に達した時点で、容器外側に超音波振動子を約１０秒間接触させ、容器内部の溶融金属に運動を与える。その後、３℃／秒以下、好ましくは０.４℃／秒以下の冷却速度で溶融金属を冷却し、樹枝性組織の存在しない粒状晶スラリーを得るようにしている。また、溶融金属に運動を与える方法として、超音波振動以外に、高周波誘導による撹拌や機械的撹拌などが記載されている。

下記の特許文献３に記載の技術は、短時間かつ簡単に、対象金属の種類・組成に限定されることなく半凝固スラリー、半凝固成形品を作製することを課題としている。この技術は、所定の熱容量と初期温度に設定された溶融金属を、単一のカップからなる容器に注ぎ込むことにより所望のある一定の固相率を有する半凝固状態の金属スラリーを作製するものである。溶融金属を容器に注いだときに、溶融金属が初期凝固層を発生することなく過冷却の状態になるとともに、容器内で自己撹拌が生じるように注湯するようにしている。詳しくは、溶融金属を所定の高さから容器に注いで容器に接触させることで、過冷却現象を生じさせ、初期凝固層を発生させないで核を発生させ、撹拌させることで、冷却の温度勾配をなくして半凝固状態の金属スラリーをつくるようにしている。

特開平８−１０３８５９号公報 特開平１１−３３６９２号公報 特開２００７−１５２４３５号公報

ところが、特許文献３に記載の技術では、溶融金属を容器に注いで容器の中で溶融金属に自己撹拌を生じさせるためには、所定の高さから溶融金属を容器に注ぐ必要があった。そのため、溶融金属を容器に注ぐときに、溶融金属に不純物が混入したり、空気が巻き込まれたりするおそれがあった。一方、特許文献１及び２の技術では、所定の温度域において溶融金属に振動を加える必要があるため、溶融金属の温度を管理しなければならなかった。また、特許文献１及び２に記載の技術では、微細な初晶を得るために超音波振動など高い周波数の振動を加える必要があることから、振動発生装置が高価なものとなる。更に、冷却速度が遅いことから、金属スラリーの作製に時間がかかるという欠点があった。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、微細で均一な非樹枝状（球状）の粒子を含む高品質な半凝固金属スラリーを、比較的簡易で安価な設備により比較的短時間で作製することを可能とした半凝固金属スラリーの作製方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、溶融金属を溶融金属よりも低い温度にある容器に注いで固液共存状態にまで冷却することにより半凝固金属スラリーを作製する半凝固金属スラリーの作製方法において、溶融金属を冷却するに際して、容器を機械的に振動させることにより、容器に注がれた溶融金属に運動を与えて容器の中にて溶融金属を対流させることと、容器の振動周波数が２０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下で、かつ、振動速度振幅が１５０ｍｍ／ｓ以上で、振動変位振幅が０.２５ｍｍ以上であることを趣旨とする。ここで、「振動周波数」は、容器が１秒間に振動する回数を意味する。「振動速度振幅」は、容器の最大速度を意味する。「振動変位振幅」は、容器の移動量を意味する。

上記発明の構成によれば、容器を機械的に振動させることで容器の内周面に生じる金属の固相が粒子状に遊離し、それら粒子が分散する。また、それら粒子が溶融金属の対流によって相互に干渉し合いながら流動するので、粒子がより微細な丸みを帯びた形状となる。更に、容器を機械的に振動させるので、電磁的な振動発生と比べ振動発生装置の構成を簡略化することが可能となる。また、容器の振動周波数を２０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下に、かつ、振動速度振幅を１５０ｍｍ／ｓ以上に、振動変位振幅を０.２５ｍｍ以上に特定することで、平均粒径が８０μｍ以下の微細な粒子を有する半凝固金属スラリーが得られる。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、容器に溶融金属を注ぐ前から容器を振動させることを趣旨とする。
を趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、容器に溶融金属を注ぐ前から容器が振動しているので、溶融金属を注ぐタイミングの自由度が増す。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、容器に溶融金属を注いで所定の時間が経過してから容器を振動させることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、溶融金属を注ぎ始めるときに容器が振動していないので、溶融金属を容器に注ぎ易くなる。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の発明において、容器の振動加速度が１００Ｇ以下で、かつ、振動変位振幅が３ｍｍ以下であることを趣旨とする。ここで、「振動加速度」は、容器の最大加速度を意味する。

上記発明の構成によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の作用に加え、容器の振動加速度が１００Ｇ以下に抑えられるので、通常の出力を有する振動発生装置を使用することが可能となる。また、振動変位振幅が３ｍｍを超えると溶融金属が容器から溢れ出るおそれがあるが、振動変位振幅が３ｍｍ以下となるので問題がない。

上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れかに記載の発明において、容器に注ぐ前の溶融金属の温度が溶融金属の液相線温度に対し３０℃以上高いことを趣旨とする。ここで、「液相線温度」は、これ以上の温度では完全に液体状態となる温度を意味する。

上記発明の構成によれば、請求項１乃至４の何れかに記載の発明の作用に加え、容器に注ぐ前の溶融金属の温度が液相線温度に対し３０℃以上高くなるので、直ちに凝固することのない半凝固金属スラリーが得られる。

上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５の何れかに記載の発明において、容器の温度が５０℃以下であることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１乃至５の何れかに記載の発明の作用に加え、容器の温度が５０℃以下となるので、容器の温度を室温と同じにすることが可能となり、容器の温度管理の必要がない。

上記目的を達成するために、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６の何れかに記載の発明において、容器が金属製であることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１乃至６の何れかに記載の発明の作用に加え、容器が金属製であることから、容器の熱伝導性が良好となり、溶融金属の冷却効率がよくなる。

上記目的を達成するために、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７の何れかに記載の発明において、溶融金属がアルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金又は鉄系合金であることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１乃至７の何れかに記載の発明の作用に加え、溶融金属がアルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金又は鉄系合金であることから、従前の材料の使用が可能となる。

請求項１に記載の発明によれば、微細で均一な非樹枝状（球状）の粒子を含む高品質な半凝固金属スラリーを、比較的簡易で安価な設備により比較的短時間に作製することができる。

請求項２に記載の発明によれば、微細で均一な非樹枝状（球状）の粒子を含む高品質な半凝固金属スラリーを、比較的簡易で安価な設備により比較的短時間に作製することができる。

請求項３に記載の発明によれば、微細で均一な非樹枝状（球状）の粒子を含む高品質な半凝固金属スラリーを、比較的簡易で安価な設備により比較的短時間に作製することができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の効果に加え、
比較的簡易で安価な設備により半凝固金属スラリーを歩留りよく作製することができる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項１乃至４の何れかに記載の発明の効果に加え、半凝固鋳造に最適な半凝固金属スラリーを作製することができる。

請求項６に記載の発明によれば、請求項１乃至５の何れかに記載の発明の効果に加え、比較的簡易で安価な振動発生装置を使用して半凝固金属スラリーを作製することができる。

請求項７に記載の発明によれば、請求項１乃至６の何れかに記載の発明の効果に加え、比較的短時間に半凝固金属スラリーを作製することができる。

請求項８に記載の発明によれば、請求項１乃至７の何れかに記載の発明の効果に加え、比較的簡易で安価に半凝固金属スラリーを作製することができる。

一実施形態に係り、半凝固金属スラリーの作製方法の概略を示す斜視図。 同実施形態に係り、半凝固金属スラリーの作製方法の概略を示す断面図。 同実施形態に係り、半凝固金属スラリーの作製方法の概略を示す断面図。 同実施形態に係り、半凝固金属スラリーの作製方法の概略を示す断面図。 同実施形態に係り、実験１により得られた半凝固金属スラリーの切断面を顕微鏡拡大して示す拡大図。 同実施形態に係り、実験２により得られた半凝固金属スラリーの切断面を顕微鏡拡大して示す拡大図。 同実施形態に係り、実験３により得られた半凝固金属スラリーの切断面を顕微鏡拡大して示す拡大図。 同実施形態に係り、実験４により得られた半凝固金属スラリーの切断面を顕微鏡拡大して示す拡大図。 同実施形態に係り、実験１により得られた半凝固金属スラリーの切断面を顕微鏡拡大して示す拡大図。 同実施形態に係り、実験５により得られた半凝固金属スラリーの切断面を顕微鏡拡大して示す拡大図。 同実施形態に係り、実験６により得られた半凝固金属スラリーの切断面を顕微鏡拡大して示す拡大図。 同実施形態に係り、実験７により得られた半凝固金属スラリーの切断面を顕微鏡拡大して示す拡大図。 同実施形態に係り、半凝固金属スラリーの切断面を顕微鏡拡大して示す拡大図。 同実施形態に係り、（ａ）〜（ｅ）は、粒子形状と円形度との関係を示す説明図。 同実施形態に係り、実験１〜実験５につき、各種振動条件（振動周波数、振動加速度、振動速度振幅、振動変位振幅）、平均粒径、平均円形度及び組織状態（非樹枝性）を対比して示す表。 同実施形態に係り、実験６及び実験７につき、各種振動条件（振動周波数、振動加速度、振動速度振幅、振動変位振幅）、平均粒径、平均円形度及び組織状態（非樹枝性）を対比して示す表。 同実施形態に係り、各種振動条件である振動周波数、振動加速度、振動速度振幅及び振動変位振幅の関係を示すグラフ。 同実施形態に係り、各種振動条件である振動周波数、振動加速度、振動速度振幅及び振動変位振幅の関係を示すグラフ。

以下、本発明における半凝固金属スラリーの作製方法を具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、半凝固金属スラリーの作製方法の概略を斜視図により示す。図２〜図４に、半凝固金属スラリーの作製方法の概略を断面図により示す。図１、図２に示すように、この作製方法は、溶融金属２１をその溶融金属２１よりも低い温度にある金属製の容器１１に注ぎ、溶融金属２１が固液共存状態まで冷却されることにより半凝固金属スラリーを作製するものである。ここで、溶融金属２１を冷却するに際して、図１〜図３に示すように、容器１１を水平方向における一方向（矢印ＡＲ１により示す。）へ機械的に振動させることにより、容器１１に注がれた溶融金属２１に運動を与えて、図４に示すように、容器１１の中で溶融金属２１を対流させるようにしている。

ここでは、容器１１は室温状態に保たれながら振動することになる。図１、図２に示すように、振動している容器１１に、高温の溶融金属２１を注ぐと、溶融金属２１は急速に冷却され、その冷却の際に容器１１の内周面１１ａに結晶としての金属の固相２２が生じる。そして、図３に示すように、これら固相２２が容器１１の振動によって粒子２３の形となって遊離することになる。これにより、容器１１の内周面１１ａにて固相２２が樹枝状に成長することを妨げるようにしている。

すなわち、室温状態の容器１１に高温の溶融金属２１を注ぐと、溶融金属２１は容器１１に熱を奪われて急速に温度が下がり、容器１１の内周面１１ａに急速に固相２２が生じる。このとき、容器１１を予め振動させておくことにより、容器１１の内周面１１ａに生じた固相２２が内周面１１ａから粒子２３の形となって遊離し、それら粒子２３が容器１１の中心部へ移動、分散する。一方、容器１１の内周面１１ａでは、新たな固相２２が生じ、遊離した粒子２３は振動によって容器１１の中心部へ移動、分散する。このとき、容器１１の中では、振動によって運動エネルギーが与えられた溶融金属２１に、図４に矢印ＡＲ２で示すような対流が生じる。この対流は、容器１１の内周面１１ａと容器１１の中心部との間を巡回する流れを形成する。ここで、容器１１は、溶融金属２１から熱を奪うことで温度が上昇するので、溶融金属２１が冷却される速度は次第に低下することになる。これにより、容器１１の内周面１１ａでの固相２２の発生量が減少し、数分間だけ固液共存状態が保たれる。この結果、微細な粒子２３が分散した固液共存状態の半凝固金属スラリーを得ることができる。

この実施形態では、溶融金属２１の材料として、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金又は鉄系合金などの金属を適用することができる。容器１１は、円筒形をなし、鉄等の金属により形成することができる。

この実施形態では、容器１１を水平方向における特定の一方向（矢印ＡＲ１の方向、以下同様。）へ機械的に振動させるために、振動発生装置が使用される。図１に示すように、この装置は、水平に支持された可動板１２と、可動板１２を水平方向における特定の一方向へ機械的に振動させる振動発生機１３とを備える。そして、可動板１２の上に容器１１を載せて固定し、可動板１２を容器１１と共に振動発生機１３により一方向へ機械的に振動させるように構成される。この種の振動発生装置は、超音波振動を発生させる装置や電磁的に振動を発生させる装置よりも構成が簡易である。特に、機械的な振動は、電磁的な振動よりも大きな変位、すなわち大きな運動エネルギーを溶融金属２１に与えることができる点で有利である。また、機械的な振動発生装置は、各種振動条件を容易にコントロールできることから、多様で安定した品質の半凝固金属スラリーを作製することができる。その他、電磁的な振動発生装置では、磁場発生装置や電流発生装置などの大きな付帯設備が必要になるところ、機械的な振動発生装置では、これらの付帯設備が不要となる。この実施形態の振動発生装置では、各種振動条件として、「振動周波数」、「振動加速度」、「振動速度振幅」及び「振動変位振幅」をコントロールするように構成される。

この実施形態では、容器１１に溶融金属２１を注ぐ前から容器１１を振動させるようにしている。また、図１、図２に示すように、容器１１への溶融金属２１の注入は、容器１１と干渉しない程度に容器１１から離れたノズル１４から行われるようになっている。

この実施形態では、容器１１の振動周波数を「２０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下」に、かつ、振動速度振幅を「１５０ｍｍ／ｓ以上４６００ｍｍ／ｓ以下」に、振動変位振幅を「０.２５ｍｍ以上」にコントロールするようになっている。また、容器１１の振動加速度を「３Ｇ以上１００Ｇ以下」に、かつ、振動変位振幅を「３ｍｍ以下」にコントロールするようになっている。容器１１に注ぐ前の溶融金属２１の温度は、溶融金属２１の液相線温度に対し「３０℃以上１５０℃以下」だけ高くなるように、望ましくは「３０℃以上１００℃以下」だけ高くなるようにコントロールするようになっている。更に、容器１１の温度は、「−３０℃以上５０℃以下」に、望ましくは「０℃以上５０℃以下」にコントロールするようになっている。

次に、各種振動条件と溶融金属２１の種類を変えて行った半凝固金属スラリーの作製実験について説明する。図５〜図１２に、実験１〜実験７により得られた半凝固金属スラリーの切断面を顕微鏡拡大した拡大図により示す。

図５は、実験１（Ｅ１）に関する拡大図である。図５において、白い部分は固相の粒子２３を示し、黒い部分は固相化していない液相部分２４を示す（図６〜図１２においても同じ。）。この実験１では、溶融金属２１の材料を「ＡＣ４ＣＨ合金」とし、各種振動条件として、振動周波数を「５０Ｈｚ」、振動加速度を「６Ｇ」、振動速度振幅を「１８７.２ｍｍ/ｓ」とした。この結果、粒子２３の平均粒径ｄｓは「７９.０μｍ」に、平均円形度Ｒｓは「２.５７」となった。ここでは、半凝固金属スラリーを用いた鋳造製品の機械的強度の信頼性を向上させるためには、粒子２３の平均粒径ｄｓを「８０μｍ以下」に、かつ、平均円形度Ｒｓを「３以下」にするのが望ましい。この実験１の結果は、上記した望ましい平均粒径ｄｓ及び平均円形度Ｒｓを満たす。

図６は、実験２（Ｅ２）に関する切断面の拡大図である。この実験２は、実験１と対比されるものであり、溶融金属の材料を「ＡＣ４ＣＨ合金」とし、各種振動条件として、振動周波数を「５０Ｈｚ」、振動加速度を「３Ｇ」、振動速度振幅を「９３.６ｍｍ/ｓ」とした。この結果、粒子２３の平均粒径ｄｓは「１００.５μｍ」に、平均円形度Ｒｓは「３.９８」となった。これは、上記した望ましい平均粒径ｄｓ及び平均円形度Ｒｓを満たさない。図５、図６の対比から、実験２では、実験１よりも粒子２３が大きく、丸みを帯びた形が少ないことがわかる。実験１と実験２の各種振動条件の対比から、振動速度振幅として、「９０ｍｍ／ｓ」前後よりも「１８０ｍｍ／ｓ」前後の方が有利なことがわかる。

ここで、固相の粒子２３の粒径ｄは次の式（１）で規定され、円形度Ｒは次の式（２）で規定される。
ｄ＝２√（Ａ／π） …式（１）
Ｒ＝Ｌ²／（４πＡ） …式（２）

図１３に、半凝固金属スラリーの切断面を顕微鏡拡大した拡大図により示す。図１３に示すように、「Ｌ（μｍ）」は粒子２３の周囲長を意味し、「Ａ（μｍ²）」は粒子２３の面積を意味する。式（１）は、同じ面積Ａを有する等価円の直径を求めることになる。式（２）は、同じ面積Ａを有する等価円の周囲長と実際の周囲長Ｌの比を求めることになる。図１４（ａ）〜（ｅ）は、粒子形状と円形度Ｒとの関係を説明図により示す。図１４（ａ）に示すように、粒子形状が真円では、円形度Ｒが「１」となる。また、図１４（ｂ）〜（ｅ）に示すように、粒子形状が真円から外れるほど円形度Ｒの値が大きくなる。

実際の計算では、半凝固金属スラリーの切断面の顕微鏡画像を処理することにより、複数の粒子について粒径ｄｉ、円形度Ｒｉ及び面積Ａｉをそれぞれ測定する。そして、各粒子の面積で重み付けをした平均粒径ｄｓと平均円形度Ｒｓを、次の式（３）及び式（４）により算出するようにしている。
ｄｓ＝Σ（ｄｉ×Ａｉ）／ΣＡｉ …（３）
Ｒｓ＝Σ（Ｒｉ×Ａｉ）／ΣＡｉ …（４）

図７は、実験３（Ｅ３）に関する切断面の拡大図である。この実験３では、溶融金属の材料を「ＡＣ４ＣＨ合金」とし、各種振動条件として、振動周波数を「１０Ｈｚ」、振動加速度を「１.８Ｇ」、振動速度振幅を「２８０.７ｍｍ/ｓ」とした。この結果、粒子２３の平均粒径ｄｓは「１１８.４μｍ」に、平均円形度Ｒｓは「５.７１」となった。この実験３の結果は、上記した望ましい平均粒径ｄｓ及び平均円形度Ｒｓを満たさない。

図８は、実験４（Ｅ４）に関する切断面の拡大図である。この実験４は、実験３と対比されるものであり、溶融金属の材料を「ＡＣ４ＣＨ合金」とし、各種振動条件として、振動周波数を「３００Ｈｚ」、振動加速度を「３９Ｇ」、振動速度振幅を「２０２.７ｍｍ/ｓ」とした。この結果、粒子２３の平均粒径ｄｓは「１０４.４μｍ」に、平均円形度Ｒｓは「４.３９」となった。この実験４の結果は、上記した望ましい平均粒径ｄｓ及び平均円形度Ｒｓを満たさない。図７、図８の対比から、実験３と実験４では、粒子２３が比較的大きく、丸みを帯びた形が少ないことがわかる。

図９は、実験１（Ｅ１）に関する切断面の拡大図である。この実験１では、溶融金属の材料を「ＡＣ４ＣＨ合金」とし、各種振動条件として、振動周波数を「５０Ｈｚ」、振動加速度を「６Ｇ」、振動変位振幅を「０.６ｍｍ」とした。この結果、粒子２３の平均粒径ｄｓは「７９.０μｍ」に、平均円形度Ｒｓは「２.５７」となった。この実験１の結果は、上記した望ましい平均粒径ｄｓ及び平均円形度Ｒｓを満たす。

図１０は、実験５（Ｅ５）に関する切断面の拡大図である。この実験５は、実験１と対比されるものであり、溶融金属の材料を「ＡＣ４ＣＨ合金」とし、各種振動条件として、振動周波数を「１５０Ｈｚ」、振動加速度を「１８Ｇ」、振動変位振幅を「０.２ｍｍ」とした。この結果、粒子２３の平均粒径ｄｓは「１３２μｍ」に、平均円形度Ｒｓは「５.３１」となった。この実験５の結果は、上記した望ましい平均粒径ｄｓ及び平均円形度Ｒｓを満たさない。図９、図１０の対比から、実験５では、実験１よりも粒子２３が大きく、丸みを帯びた形が少ないことがわかる。実験１と実験５の各種振動条件の対比から、振動変位振幅として、「０.２ｍｍ」よりも「０.６ｍｍ」の方が有利なことがわかる。

図１１は、実験６（Ｅ６）に関する切断面の拡大図である。この実験６では、溶融金属の材料を「ＡＤＣ１２合金」とし、各種振動条件として、振動周波数を「５０Ｈｚ」、振動加速度を「６Ｇ」、振動速度振幅を「１８７.２ｍｍ/ｓ」とした。この結果、粒子２３の平均粒径ｄｓは「６６.３μｍ」に、平均円形度Ｒｓは「２.８４」となった。この実験６の結果は、上記した望ましい平均粒径ｄｓ及び平均円形度Ｒｓを満たす。

図１２は、実験７（Ｅ７）に関する切断面の拡大図である。この実験７は、実験６と対比されるものであり、溶融金属の材料を「ＡＤＣ１２合金」とし、各種振動条件として、振動周波数を「５０Ｈｚ」、振動加速度を「３Ｇ」、振動速度振幅を「９３.６ｍｍ/ｓ」とした。この結果、粒子２３の平均粒径ｄｓは「１７１.２μｍ」に、平均円形度Ｒｓは「４.２９」となった。この実験７の結果は、上記した望ましい平均粒径ｄｓ及び平均円形度Ｒｓを満たさない。図１１、図１２の対比から、実験７では、実験６よりも粒子２３が大きく、丸みを帯びた形が少ないことがわかる。実験６と実験７の各種振動条件の対比から、振動速度振幅として、「９０ｍｍ／ｓ」前後よりも「１８０ｍｍ／ｓ」前後の方が有利なことがわかる。

図１５に、溶融金属の材料として「ＡＣ４ＣＨ合金」を使用した実験１〜実験５につき、各種振動条件（振動周波数、振動加速度、振動速度振幅、振動変位振幅）、平均粒径、平均円形度及び組織状態（非樹枝性）を対比して表に示す。この表から明らかなように、望ましい平均粒径「８０μｍ以下」及び平均円形度「３以下」を満たし、組織状態が良好な振動条件は、実験１（Ｅ１）のみであることがわかる。

図１６に、溶融金属の材料として「ＡＤＣ１２合金」を使用した実験６及び実験７につき、各種振動条件（振動周波数、振動加速度、振動速度振幅、振動変位振幅）、平均粒径、平均円形度及び組織状態（非樹枝性）を対比して表に示す。この表から明らかなように、望ましい平均粒径「８０μｍ以下」及び平均円形度「３以下」を満たし、組織状態が良好な振動条件は、実験６（Ｅ６）であることがわかる。

ここで、各種振動条件である振動周波数、振動加速度、振動速度振幅及び振動変位振幅を様々に変えて幾つかの実験（上記した実験１（Ｅ１）〜実験５（Ｅ５）を含む。）を行ったところ、半凝固金属スラリーを構成する固相の粒子の平均粒径ｄｓ及び平均円形度Ｒｓとして、望ましい値（ｄｓ：８０μｍ以下、Ｒｓ：３以下）を満たす範囲を特定することができた。図１７、図１８には、各種振動条件である振動周波数、振動加速度、振動速度振幅及び振動変位振幅の関係をグラフにより示す。これらグラフにおいて、ハッチングで示す領域ＲＡは、半凝固金属スラリーを構成する固相の粒子の平均粒径ｄｓ及び平均円形度Ｒｓが、望ましい値（ｄｓ：８０μｍ以下、Ｒｓ：３以下）を満たす範囲を示す。これらグラフから、組織状態（非樹枝性）として望ましい半凝固金属スラリーを作製するために必要な各種振動条件は、振動周波数で「２０Ｈｚ〜２５０Ｈｚ」、振動速度振幅で「１５０ｍｍ／ｓ以上」、振動変位振幅で「０.２５ｍｍ／ｓ以上」であることがわかる。ここで、振動変位振幅が「３ｍｍ」を超えると溶融金属２１が容器１１から溢れ出ることから、振動変位振幅の上限値を「３ｍｍ」にする必要がある。また、振幅加速度を上げた場合、振動発生装置の出力を上げる必要があることから、現状の市販装置の使用を前提とした場合に、振動加速度の上限値は「１００Ｇ」程度となる。

以上説明したこの実施形態における半凝固金属スラリーの作製方法によれば、容器１１を機械的に振動させることで容器１１の内周面１１ａに生じる金属の固相２２が粒子状に遊離し、それら粒子２３が分散することになる。また、それら粒子２３同士が溶融金属２１の対流によって相互に干渉し合いながら流動するので、粒子２３がより微細な丸みを帯びた形状となる。更に、容器１１を機械的に振動させるので、電磁的な振動発生と比べ振動発生装置の構成を簡略化することが可能となる。この結果、微細で均一な非樹枝状（球状）の粒子を含む高品質な半凝固金属スラリーを、比較的簡易で安価な設備により比較的短時間に作製することができる。すなわち、溶融金属に不純物や空気が混入することがなく、微細で均一な非樹枝状（球状）の粒子を含む高品質な半凝固金属スラリーを容易に作製することができる。また、溶融金属を温度管理する必要がなく、比較的簡易で安価な振動発生装置を使用して比較的短時間に半凝固金属スラリーを作製することができる。

この実施形態によれば、容器１１に溶融金属２１を注ぐ前から容器１１が振動しているので、溶融金属２１を注ぐタイミングの自由度が増す。この意味からも、比較的簡易で安価な設備で半凝固金属スラリーを容易に作製することができる。

この実施形態によれば、容器１１の振動周波数を２０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下に、かつ、振動速度振幅を１５０ｍｍ／ｓ以上４６００ｍｍ／ｓ以下に、振動変位振幅を０.２５ｍｍ以上に特定することで、平均粒径が８０μｍ以下の微細な粒子２３を有する半凝固金属スラリーが得られる。この結果、微細で均一な非樹枝状（球状）の粒子を含む高品質な半凝固金属スラリーを作製することができる。

この実施形態によれば、容器１１の振動加速度が３Ｇ以上１００Ｇ以下に抑えられるので、通常の出力を有する振動発生装置を使用することが可能となる。また、容器１１から溶融金属２１が溢れ出るおそれがない。この結果、比較的簡易で安価な設備により半凝固金属スラリーを歩留りよく作製することができる。

この実施形態によれば、容器１１に注ぐ前の溶融金属２１の温度が液相線温度に対し３０℃以上１５０℃以下だけ高く、望ましくは３０℃以上１００℃以下だけ高くなるので、直ちに凝固することのない半凝固金属スラリーが得られる。この結果、半凝固鋳造に最適な半凝固金属スラリーを作製することができる。

この実施形態によれば、容器１１の温度が−３０℃以上５０℃以下に、望ましくは０℃以上５０℃以下となるので、容器１１の温度を室温と同じにすることが可能となり、容器１１の温度管理の必要がない。この意味で、比較的簡易で安価な振動発生装置を使用して半凝固金属スラリーを作製することができる。

この実施形態によれば、容器１１が金属製であることから、容器１１の熱伝導性が良好となり、溶融金属２１の冷却効率がよくなる。この意味でも、比較的短時間に半凝固金属スラリーを作製することができる。

この実施形態によれば、溶融金属２１がアルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金又は鉄系合金であることから、従前の材料の使用が可能となる。この意味で、比較的簡易で安価に半凝固金属スラリーを作製することができる。

なお、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して実施することもできる。

例えば、前記実施形態では、容器１１に溶融金属２１を注ぐ前から容器１１を振動させるようにした。これに対し、容器１１の振動を開始するタイミングとして、容器１１に溶融金属２１を注いで所定の時間（例えば「１０秒以内の時間」）が経過してから容器１１の振動を開始することもできる。この場合は、容器１１に溶融金属２１を注ぎ始めるときに容器１１が振動していないので、溶融金属２１を容器１１に注ぎ易くなる。この意味で、半凝固金属スラリーを容易に作製することができる。

この発明は、半凝固鋳造に用いられる半凝固金属スラリーの作製に利用できる。

１１ 容器
１１ａ 内周面
１２ 可動板
１３ 振動発生機
２１ 溶融金属
２２ 固相
２３ 粒子

Claims (8)

1. 溶融金属を前記溶融金属よりも低い温度にある容器に注いで固液共存状態にまで冷却することにより半凝固金属スラリーを作製する半凝固金属スラリーの作製方法において、
   前記溶融金属を冷却するに際して、前記容器を機械的に振動させることにより、前記容器に注がれた前記溶融金属に運動を与えて前記容器の中にて前記溶融金属を対流させることと、
   前記容器の振動周波数が２０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下で、かつ、振動速度振幅が１５０ｍｍ／ｓ以上で、振動変位振幅が０.２５ｍｍ以上であること
   を特徴とする半凝固金属スラリーの作製方法。
2. 前記容器に前記溶融金属を注ぐ前から前記容器を振動させることを特徴とする請求項１に記載の半凝固金属スラリーの作製方法。
3. 前記容器に前記溶融金属を注いで所定の時間が経過してから前記容器を振動させることを特徴とする請求項１に記載の半凝固金属スラリーの作製方法。
4. 前記容器の振動加速度が１００Ｇ以下で、かつ、振動変位振幅が３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の半凝固金属スラリーの作製方法。
5. 前記容器に注ぐ前の前記溶融金属の温度が前記溶融金属の液相線温度に対し３０℃以上高いことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の半凝固金属スラリーの作製方法。
6. 前記容器の温度が５０℃以下であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の半凝固金属スラリーの作製方法。
7. 前記容器が金属製であることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の半凝固金属スラリーの作製方法。
8. 前記溶融金属がアルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金又は鉄系合金であることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の半凝固金属スラリーの作製方法。