JPS5923898B2 - 高ケイ素アルミニウム合金の連続鋳造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般に連続鋳造が困難とされる高ケイ素アル
ミニウム合金を安定した状態で連続鋳造し、健全な連続
鋳造鋳塊を製造する方法に関するものである。

本発明において、高ケイ素アルミニウム合金とはケイ素
を１５重量％以上含有するアルミニウム基合金であって
、ケイ素だけを添加したものはもちろんの・こと、合金
の用途および／または要求される性質によってケイ素と
ともに種々の元素を添加したもの、さらには任意の不純
物を含むものを総称している。

ケイ素以外の添加元素の具体的な例をあげれば、強度や
時効硬化性、切削加工性を改善するために添加される銅
やマグネシウム、高温特注を改善するために添加される
ニッケル、鋳造組織を微細化するために添加されるチタ
ンやホウ素、初晶ケイ素を微細化するために添加される
リン等がある。

このような高ケイ素アルミニウム合金は各種のアルミニ
ウム合金の中で熱膨張係数が最も小さく、耐摩耗性が特
に優れ、かなりの高温強度を有することが知られている
。

したがって、例えば内燃機関のピストン用材料としての
実用化がなされ、さらにはシリンダーブロック、シリン
ダーライナー、ブレーキドラム、ベアリングキャップ、
その他の耐摩耗性を要求されるハウジング類、硬さの要
求される部品などに広くその用途が見出されている。

高ケイ素アルミニウム合金を用いて製品をつくる場合、
従来は主に金型鋳造法が採用されており、リン処理によ
る初晶ケイ素の微細化によって切削性や靭性の問題はあ
る程度の解決がなされている。

しかしながら、金型鋳造の本質としての内部欠陥（主に
鋳巣）の存在は製品の特性を劣化させる要因となる。

したがってこれらの問題の根本的な解決策として高ケイ
素アルミニウム合金の連続鋳造材、あるいはそれを用い
た押出材や押出鍛造材が考えられるが、この合金を通常
の方法で連続鋳造しようとするとスタート時のトラブル
が極めて頻繁に起こり、またたとえスタートがうまくい
っても鋳塊に縦割れが発生しやすく、さらには鋳肌が極
めて不良になるためこの合金は連続鋳造材としてほとん
ど利用されていないのが現状である。

従来より一般に用いられているアルミニウム合金の連続
鋳造法は第１図に示すように水冷鋳型１内へ受台２を上
昇させて鋳型１と受台２に囲まれた部分を構成し、この
部分に分配鍋４、ノズル５およびフロート６を通った溶
湯を注湯し、鋳型１との接触部が溶湯の圧力に耐える程
度に凝固した後に受台２の降下を開始し、フロート６の
作用によって湯面を一定レベルに保つよう注湯を続けな
がら受台２の降下を続けて、受台２上に連続的に長尺鋳
塊を生成させるとともに鋳型下端から冷却水７を噴出し
て鋳塊を冷却しながら降下させていくものであった。

しかるに、このような方法で高ケイ素アルミニウム合金
を連続鋳造する場合に、通常用いられるような鋳造速度
（受台降下速度）あるいはそれ以下の速度で行なうと、
この合金の凝固収縮率が他のアルミニウム合金に比べて
小さいために生ずる鋳型１への焼付きや、フロート６付
近で溶湯から初晶ケイ素が晶出してマツシイ状凝固する
ことによって生ずる分配鍋ノズル５やフロート６の穴詰
りか起こって連続鋳造が不可能になることが多い。

さらに、たとえ連続鋳造できても初晶ケイ素が粗大化し
たり、鋳塊表面が大きな凹凸になるいわゆる大型のコー
ルドシャット状態を呈したりして、その後の加工上問題
になることが多い。

逆に通常用いられる以上の高速度の連続鋳造を行なえば
初晶ケイ素の粗大化や大型のコールドシャット状態の発
生等の問題はある程度解決されるが、連続鋳造スタート
時のトラブルの解決にはつながらないし、溶湯漏れ発生
の危険性も増すことになる。

またさらに重要な点は鋳造時の内部応力の蓄積のために
連続鋳造途中ないしは終了時に、破壊音を伴って鋳塊全
体に割れ（主に縦割れ）を発生し利用不可能となること
が多い。

このように、従来から用いられている鋳造方法では鋳造
条件のみの変更を行なっても高ケイ素アルミニウム合金
の連続鋳造を健全にかつ安定的に行なうことはできなか
った。

本発明者らは高ケイ素アルミニウム合金の連続鋳造法と
して従来法の欠点を補い、安定したスタートを行ない、
健全な鋳塊を得るための方法を見出すべく研究を重ねた
結果、本発明に到達した。

すなわち本発明では受台を底深形状とし、その底深受台
内に高ケイ素アルミニウム合金溶湯を注湯し、湯面が底
深受台内の一定レベルに達したときにその受台の降下を
開始することによって、鋳型への焼付きや、分配鍋ノズ
ルおよびフロートの穴詰りといったスタート時のトラブ
ルをなくして安定したスタートを行なうとともに、鋳型
下端から噴出された冷却水の鋳塊に沿った流れをその鋳
塊の下降途中で排除し、それ以降の鋳塊の冷却を緩和す
ることによって、鋳塊内部への応力の蓄積を避は鋳塊の
割れを防止したものである。

以下本発明を第２図を参照しながらさらに詳細に説明す
る。

第２図では水冷鋳型１、分配鍋４、ノズル５、フロート
６、および冷却水７は第１図、すなわち従来法と同様で
あるが、受台３を底深形状とし、かつワイパー８を設け
て冷却水７を途中で排除している点に大きな特徴がある
。

すなわち、連続鋳造のスタートに当たってはまず底深受
台３を水冷鋳型１内へ上昇させ、第２図のように受台側
壁が鋳型向上部に位置するようにする。

そして、分配鍋４、ノズル５およびフロート６を通過し
た溶湯を、この底深受台３内に注湯し、この底深受台３
内で溶湯が一定レベルに達した後に受台３の降下を開始
する。

すなわち、溶湯が鋳型１と接する前に受台３の降下を開
始することが肝要であって、これによって鋳型１への焼
付きを防止できる。

この時冷却水７は受台３の側面を冷却する状態にある。

受台３の下降に伴なって鋳型壁と溶湯との接触が開始さ
れるが、この状態ではすてに溶湯が順次凝固しながら降
下し、フロート６から順次給湯されるので、鋳型１へ焼
付くことがない。

さらに受台３を底深形状としているため連続鋳造スター
ト時でも溶湯の凝固状態が連続鋳造途中の定常時とほぼ
同等の熱流方向をとり、未凝固帯が深く、その中心上部
が高温状態を保つことになるので、フロート６の付近で
溶湯が凝固して穴詰りを生ずるというようなことがなく
、安定して連続鋳造をスタートさせることができる。

このように受台３を底深形状とすることの利点は、連続
鋳造スタート時の溶湯の凝固状態が連続鋳造途中の定常
時とほぼ同一となり、連続鋳造スタート時から凝固進行
方向が一定化し、フロート６付近でのマツシイ状凝固が
なくなるので鋳型１への焼付きおよび分配鍋ノズル５や
フロート６の穴詰りといったトラブルを防止できること
にある。

なお、このためには底深受台３の深さ、すなわち受台の
最深部から受台側壁最上部までの距離を５０〜２００７
ｎ７ｒＬとするのが好ましい。

またこの深さは鋳型寸法すなわち得られる鋳塊の寸法（
径）によっても異なるので、予め最適の深さを決定して
おくべきであろう。

さらに連続鋳造スタート時の受台降下速度は定常速度の
６０〜８０％程度が好ましい。

次に本発明のもう一つの改良点である鋳型下端から噴出
される冷却水の鋳塊に沿った流れをその鋳塊の下降途中
で排除することについて述べると、これは鋳型下方にワ
イパー８を取付けることによって容易に実施することが
できる。

これにより鋳塊凝固時の内部応力を緩和し、鋳塊の割れ
（主に縦割れ）発生を防止できる。

ワイパー８は鋳型１の直下に位置し、好ましくは鋳型下
端（冷却水噴出部）から５〜５０（１１７７２下方、よ
り好ましくは２０〜３０ＣｒｒＬ下方に設置する。

この位置は鋳塊の形状、鋳塊上部に存在する未凝固帯の
形状、鋳造速度（受台降下速度）および溶湯温度によっ
て変更する必要が生じる場合もあるが、未凝固帯の最深
部の上下約５ｃＩｎ、以内に位置させるのが最も好まし
い。

またこのワイパー８はゴムリングで鋳塊周囲を囲んで冷
却水７を排除する方式が、構造も簡単でかつ冷却水７を
ほぼ完全に排除できるので最も好ましいが、その他例え
は中空管リングから鋳塊に向けて空気などの気体を吹き
付ける方式等も採用できる。

ワイパー８によって排除された冷却水は再び下方鋳塊に
接触して再冷却しないように配慮する必要がある。

冷却水の鋳型下端からの噴出は一般に鋳塊降下方向に対
して１５〜４０°中心軸方向へ傾斜させたスリットを通
して行ない、鋳塊を直接冷却しているが、高ケイ素アル
ミニウム合金の場合には通常のアルミニウム合金はどの
良好な鋳肌が得られないこともあり、そのため冷却水が
鋳型壁を通って逆流し、高温溶湯と接触して水蒸気爆発
を起こす危険はがあり、また冷却水フィルムが鋳塊表面
に均一に施され難い。

そこでこのような点を考慮すると、前記した中心軸方向
へスリットを傾斜させた状態でさらに鋳型円周の接線に
対して５０°以上９０°未満、より好ましくは７０〜８
５°の角度で噴出し、冷却水を回転させなから鋳塊にあ
てるようにしておくのが好ましい。

これによって鋳型向上部への冷却水の逆流を防止すると
ともに、冷却水フィルムの均一化をはかることができる
。

本発明では高ケイ素アルミニウム合金を対象としている
ため溶湯の高温化は避けられないが、過熱は溶解炉の損
傷や溶湯の水蒸気爆発といった危険性を増大するので、
液相線温度の上方約１５０°Ｃ以内、より好ましくは液
相線温度の上方約５０〜８０℃程度の温度で鋳造するの
がよい。

以上のようにして連続鋳造し、受台３が所定の位置まで
降下したときに連続鋳造を終了するわけであるが、この
とき鋳造終端部すなわち鋳塊最上部に残っている未凝固
帯の上面に直接冷却水があたると、凝固方向が終端部に
おいて逆になって、鋳造応力の解放を防げることになる
ため、鋳塊に縦割れが発生しやすくなる。

そこで、連続鋳造終了時には、鋳造終端部に直接冷却水
がかからないように配慮しておくのが好ましい。

例えば終端部を鋳型内に保って冷却凝固させるとか、冷
却水の放出を止めるとかの手段がとられる。

以上詳述したごとく本発明によれば従来連続鋳造が困難
とされていた高ケイ素アルミニウム合金を安定した状態
で連続鋳造し、健全な連続鋳造塊を得ることができる。

なお本発明では１５重量％以上のケイ素を含有するアル
ミニウム合金を対象としているが、ケイ素量が多くなる
につれて液相線は高温となり、溶湯の取扱上程々の危険
を生じてくるので、ケイ素量は３０重量％程度までとす
るのが好ましい。

特に本発明によれば、従来連続鋳造が実際上はとんど不
可能とされていた２０重量％以上のケイ素を含むアルミ
ニウム合金でも容易に連続鋳造できるようになった。

このような従来法の困難さを考慮し、さらに溶湯取扱い
上のより高い安全性を考慮すれば、ケイ素約２０〜２５
重量％の範囲において最も効果的である。

次に本発明の実施例を示すが、本発明はこれらの実施例
によって限定されるものではない。

実施例 １ 重量でケイ素２１．１％、鉄０．３％、銅１．２％、チ
タン０．１５％、マグネシウム０．９％、ニッケル０．
８％、残部アルミニウムからなる合金を、１トン反射炉
中８２０℃で溶解し、分配鍋通過温度を７６０°Ｃとし
て第２図に示したような装置を用いて、直径フインチ（
１７６ｍｍ）のビレットに連続鋳造した。

この場合、受台の深さは約８０間とし、スタート時の受
台最深部の上方約７０ｍｍの高さに湯面が達したときに
フロートが作動するようにし、ワイパー（まゴムリング
で受台周囲を囲むようにし、鋳型下端から約２５ｃｆｎ
、下方に取付けた。

冷却水量は２２．５ ｍ／１−ＡＡとし、受台の降下速
度は定常時で９０ｍｍ／分とした。

また連続鋳造終了時には終端部を鋳型内に保って凝固さ
せた。

このようにして得られた連続鋳造鋳塊は鋳肌状態が良好
で割れもまったく発生していなかった。

なおこの例ではリンによる微細化処理を施しておらず、
初晶ケイ素粒度は平均的５０μであった。

比較例 実施例１と同じ合金を実施例１と同様に溶解し、受台を
深さ約２０ｍｍの浅いものとし、スタート時の受台最深
部の上方約５０籠の高さに湯面が達したときにフロート
が作動するようにし、冷却水は鋳塊および受台を伝って
下まで流れるようにし、すなわち第１図に示したような
装置を用いて、他は実施例１と同じ条件で連続鋳造した
。

しかしながら、スタート時に鋳型への焼付きや、分配鍋
ノズルおよびフロートの穴詰りか起こって、受台降下不
能となり連続鋳造鋳塊は得られなかった。

一方、受台およびフロート作動位置を実施例１と同様に
し、唯ワイパーを使用せず上記と同じ連続鋳造を行なっ
た。

その結果、鋳塊は得られたが、縦割れが発生し、使用で
きないものであった。

実施例 ２ 重量でケイ素２４．１％、鉄０．３％、残部アルミニウ
ムからなる合金を１トン反射炉中８８０°Ｃで溶解し、
分配鍋通過温度を８００°Ｃとして第２図に示したよう
な装置を用いて、直径フインチ（１，７６ｍｍ）のビル
ットに連続鋳造した。

この場合、受台、フロートの作動位置、およびワイパー
は実施例１と同様とした。

冷却水量は２４７７＋”／ ｔ−Ａｌとし、鋳型円周の
接線に対して８０°の角度で噴出した。

受台降下速度は定常時で９５ｍｍ／分とした。

また連続鋳造終了時には終端部を鋳型内に保って凝固さ
せた。

このようにして得られた連続鋳造鋳塊は鋳肌状態が良好
で、割れも皆無であった。

なおこの例でもリンによる微細化処理を施しておらず、
初晶ケイ素の平均粒度は約６０μであった。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来使用されていた連続鋳造装置の一例を示す
断面図、第２図は本発明に使用される連続鋳造装置の一
例を示す断面図である。 １・・・・・・水冷鋳型、２，３・・・・・・受台、４
・・・・・・分配鍋、５・・・・・・ノズル、６・・・
・・・フロート、７・・・・・・冷却水、８・・・・・
・ワイパー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ケイ素を１５重量％以上含有する高ケイ素アルミニ
   ウム合金溶湯を、その下端が最初は受台によって閉塞さ
   れている水冷鋳型内に注湯し、該鋳型内の湯面を一定レ
   ベルに保ちながら該受台を降下して、該受台上に連続的
   に長尺鋳塊を生成させるとともに、該鋳型下端から引き
   出されてくる該長尺鋳塊に向けて冷却水を噴出して、該
   長尺鋳塊を冷却しながら降下させていく連続鋳造法にお
   いて、該受台を底深形状とし、該底深受台内に前記合金
   溶湯を注湯し、湯面が該受台内の一定レベルに達したと
   きに該受台の降下を開始し、引き続き該湯面を一定レベ
   ルに保つよう注湯しながら該受台を降下するとともに、
   前記冷却水の該長尺鋳塊に沿った下方への流れを途中で
   排除して、それ以降の該長尺鋳塊の冷却を緩和すること
   を特徴とする高ケイ素アルミニウム合金の連続鋳造法。 ２ 底深受台の深さを５０〜２００ｍｍとする特許請求
   の範囲第１項記載の方法。 ３ 鋳型下端から５〜５０ＣｒｒＬ下方で冷却水を排除
   する特許請求の範囲第１項または第２項記載の方法。 ４ 長尺鋳塊上部に存在する未凝固帯の最深部の上下５
   ｃｆｒＬ以内の位置で冷却水を排除する特許請求の範囲
   第３項記載の方法。 ５ ゴムリングで長尺鋳塊周囲を囲むことによって、冷
   却水の該長尺鋳塊に沿った下方への流れを途中で排除す
   る特許請求の範囲第１〜４項のいずれかに記載の方法。 ６ 冷却水を噴出する際、鋳型円周の接線に対して５０
   °以上９０°未満の角度で噴出する特許請求の範囲第１
   〜５項のいずれかに記載の方法。 ７ 高ケイ素アルミニウム合金中のケイ素量を２０〜２
   ５重量％とする特許請求の範囲第１〜６項のいずれかに
   記載の方法。