セミソリッド鋳造法

1.概要

2、プロセス原理

半凝固鋳造法の原理は、液体金属の凝固中に強い攪拌を加えることで、従来の鋳造で形成された樹枝状のネットワーク骨格が破壊され、液相中に浮遊する分散した粒状組織に変化することにある。固相率0.5～0.6の半凝固スラリーは、ある程度の流動性を維持することができ、このスラリーを使用することでダイカスト押し出しや型鍛造などの従来の成形工程は、鋳物の品質を最適化し、生産性を高めるために金属を加工する。

3.合金の準備

半固体合金を作製する方法は数多くあり、機械的攪拌法のほか、近年では電磁攪拌法、電磁パルス負荷法、超音波振動攪拌法、外力の作用下で合金液を湾曲流路に沿って強制流動させる方法、ひずみ誘起溶融活性化法（SIMA法）、スプレー析出法（Spray法）、合金鋳造温度制御法などが開発されている。中でも、電磁攪拌法、合金鋳造温度制御法、SIMA法は、工業的応用が最も期待できる方法である。

3.1 機械的混合法

機械的攪拌は、半固体合金の調製に使用された最も初期の方法であった。Flemings らは、歯の付いた同心円状の内筒と外筒からなる攪拌セット（外筒は回転し、内筒は静止している）を使用して、錫-鉛合金の半固体スラリーの調製に成功した。H. Lehuy らは、攪拌パドルを使用して、アルミニウム-銅合金、亜鉛-合金の調製に成功した。アルミニウムとアルミニウム-シリコン合金半固体スラリーを開発した。その後、攪拌機を改良し、スパイラル攪拌機を使用してZA-22合金の半固体スラリーを調製した。この改良により、スラリーの攪拌効果が向上し、鋳型内の金属液の全体的な流動強度が強化され、金属液に下向きの圧力が発生し、注湯が促進され、インゴットの機械的特性が向上した。

3.2 電磁攪拌法

電磁攪拌とは、金属液体に回転電磁界を利用して誘導電流を発生させ、金属液体を攪拌する目的を達成するために、金属液体が運動の作用下でローレンツ磁力を受けることである。現在、回転磁界を発生させる主な方法は二つある：一つは誘導コイル内に交流電流を流す伝統的な方法；もう一つは1993年にフランスのC.Vivesによって導入された永久磁石を回転させる方法であり、その利点は、電磁誘導器が高性能の永久磁石材料で構成され、内部に発生する磁界が高強度であり、永久磁石の配置を変えることによって、金属液体に明らかな三次元の流れを発生させることができ、攪拌効果を向上させる。攪拌効果が向上し、攪拌時のガス巻き込みが減少する。

3.3 ひずみ誘導溶融活性化法（SIMA）

ひずみ誘起溶解活性化（SIMA）とは、従来のインゴットをあらかじめ変形させ、例えば押出、圧延などの熱間加工により、強い伸長変形組織を持つ微細構造を持つ半製品棒にし、その後、一定時間固液二相領域まで等温加熱し、伸長粒を微細粒子にし、その後急冷して非晶質樹枝状組織を持つインゴットを得るプロセスである。 SIMAプロセスの効果は、主に熱間加工と再溶解の2つの段階の低温に依存するか、2つの間に冷間加工段階を追加し、プロセスがより制御可能である。SIMA技術は、特に非樹枝状合金の高融点の調製のための様々な高融点および低融点合金シリーズに適しており、ユニークな優位性を持っています。ステンレス鋼、工具鋼、銅合金、アルミニウム合金シリーズに正常に適用され、合金の約20um非デンドライト組織の粒径を得るために、半固体成形原料を調製するための競争力のある方法になってきている。しかし、その最大の欠点は、準備されたブランクのサイズが小さいことである。

3.4 近年開発された新しい手法

近年、東南大学や日本のAresty研究所で、合金の注湯温度を制御することにより、樹枝状組織が球状組織に変化することが発見された。V.Dobatkinらは、液体金属に精錬剤を添加して超音波処理することにより半固体インゴットを得る方法を提案し、超音波処理法と呼んでいる。

4.成形方法

半固体合金を形成する方法は数多くあるが、主なものは以下の通り：

(1) レオキャスティング(レオフォーミング、レオキャスト) 金属液が液相から固相に冷却される間に、ある固相率で激しく攪拌することにより、得られた半固体の金属スラリーを直接ダイカストまたは押出成形すること。 1 ダイカスト合金 2 合金液の連続供給 3 インダクションヒーター 4 冷却器 5 レオロジー的に鋳造されたインゴット 6 射出チャンバー 7 ダイカスト金型 例えば、柴田亮一らは、電磁攪拌法で調製した半凝固合金スラリーをダイカストマシンの射出チャンバーに直接供給して成形する方法を用いている。この方法で製造されたアルミニウム合金鋳物の機械的特性は、押出鋳造品よりも高く、半凝固チキソトロピー鋳物に匹敵する。問題は、半凝固金属スラリーの保存と配送の難しさである。

(2) チクソトロピック鋳造(チクソフォーミング、チクソキャスト）非樹枝状組織のインゴットビレットを固液ゾーンで適切な粘度まで再加熱した後、ダイカストまたは押出成形すること。 米国のEOPCO社、HPM社、Prince Machine社、THT Presses社、スイスのBuhler社、イタリアのIDRA USA社、Italpresse of America社、カナダのProducer USA社、日本の東芝機械株式会社、UBE社。マシナリーサービスなどは、半固体アルミ合金の触覚成形のための特別な装置を製造することができた。ビレット加熱の方法は、自動化を達成するために簡単に搬送するので、それは今日の主要なプロセス方法のセミソリッド鋳造である。

(3) 射出成形(射出成形）直接溶融金属液体に（むしろ半固体スラリーの処理後）適切な温度に冷却し、キャビティ射出成形に一定のプロセス条件によって補完される。このような米国、ウィスコンシン州、形状の開発センターに触れるように、マグネシウム合金の半固体鋳造の方法を使用していた。米国のコーネル大学、教授K.K.Wangおよび他はキャビティへの適切な冷却圧力注入の後で結合するために物質的な管からの同じようなマグネシウム合金の打撃鋳造の形成装置、半固体スラリーを開発した。

(4) 低温連続鋳造 いわゆる低温連続鋳造は、溶湯の過熱を0℃前後に制御し、鋳型の下で強制冷却を行う鋳造法である。連続鋳造では中心偏析が大きな問題となり、線材の連続圧延では破断が発生することがある。したがって、このプロセスは非常に重要である。

(5) ストリップ連続鋳造 Flemings氏は、Sn-15% Pb低融点金属を用いたストリップ連続鋳造の実験的研究を実施し、熱伝達、凝固、変形を分析した。その結果、板厚はロール圧、固相率、レオロジーせん断速度、連続鋳造速度に関係すると結論付けた。押し出し時の比圧が高いと、ミクロ偏析が促進される。表面・内部品質と寸法精度を確保するためには、固相率、初期結晶形の大きさ、排出金属量などの半凝固金属製造のプロセスパラメーターを厳密に制御する必要がある。 リン青銅Cu-Sn-P合金(Cu-8%Sn-0.1%P)のような高融点金属は、液相線温度が1030℃と熱間加工が困難であるが、この薄板半固体合金は明らかな成果を上げている。現在、半固体ステンレス鋼インゴット、高速度工具鋼インゴットの優れた組織を調製することが可能である。

5 技術的優位性

半凝固ダイカスト技術の利点には、製品とプロセスの両方の利点があります。

(1) プロセスの利点

(1) 柱状結晶や樹枝状粗大結晶の従来の鋳造を排除し、微細な粒組織を得るために粒状精錬剤を添加しない。

2）エネルギーを節約できる低い形成温度（例えばアルミ合金は120℃以上下げることができる）。

3）延長型の生命。従来の樹枝状のスラリーより剪断応力を、形作る半固体スラリーの低温のために三桁小さいです、従って滑らかな詰物小さい熱負荷は、熱疲労強さ減りました。

4）公害や安全でない要因を減らす。高温の液体金属環境から解放されます。

(5）小さい変形の抵抗は、小さい力の使用材料を処理すること困難形作ること容易な同質な処理を達成できる。

(6) より速い凝固、より高い生産性、より短いプロセスサイクル。

(7）コンピュータ支援設計と製造の使用に適しており、生産の自動化の程度を向上させる。

(2) 製品の優位性

1)鋳物の品質高い。結晶粒の微細化、組織の均一な分布により、ボディの収縮が減少し、熱亀裂の傾向が減少し、マトリックスの収縮傾向がなくなり、機械的性質が大幅に改善される。

(2）凝固収縮が小さいので、高い寸法精度を形成した後、小さな加工代、正味の形成に近い。

(3) 幅広い成形合金。非鉄合金はアルミニウム、マグネシウム、亜鉛、錫、銅、ニッケル基合金、鉄基合金はステンレス鋼、低合金鋼など。

(4）金属マトリックス複合材料の製造。半固体金属高粘度の使用は、密度差、合金で作られた金属の固体溶解度を作ることができますが、また、新しい複合材料で作られた混合された異なる材料の効果的な使用。

6、半固体鋳造技術の開発

6.1 半凝固状態のマグネシウム合金の鋳造時組織に及ぼす温度間隔摂動と注湯温度の影響

AZ91HPマグネシウム合金は、ステンレスるつぼ抵抗炉加熱720℃断熱10分精製処理、短期断熱処理付近の液相線では、樹枝状組織形成の傾向を減らすことができます;処理温度を下げる、溶融物が乱され、等軸形状、あるいは球状の発展に粒に加速される;溶融アルゴン（Ar）処理を吹くの半固体温度間隔では、溶融物は、樹枝状腕の融合と結晶粒の等軸化を加速するために、核生成の速度を向上させるために乱されるように。樹枝状腕の融合と結晶粒の等軸化を促進することで、非樹枝状組織の均一な分布を得ることができる。これにより、成形後のセミソリッド鋳造では、硬くて脆いβ相の含有量が減少し、初期のα相粒界のメッシュ分布が細かくなり、マグネシウム合金セミソリッド鋳造品の機械的特性が向上する（鋳造、2006年、55（2）：120-125）。

6.2 半固形合金の高度なパルプ化法

これまで提案された先進的なスラリー製造方法の中で、傾斜板技術は原理と設備が簡単で、工程管理が容易で、コストが低い。半固体の亜共晶の高いクロム白い鋳鉄の半固体のスラリー装置を準備するのに傾いた版方法を使用して冷却ボディの金属液体は冷却ボディの刺激の行為の下で、非一様な方法の核形成の成長の多数のオーステナイト、樹枝状の溶けること、破壊、押しつぶすことおよびこうして精密化、球形のオーステナイトの形成。

6.3 Al-6Si-2Mgアルミニウム合金半固体チクソトロピックダイカスト

Al-6Si-2Mgアルミ合金、液相線温度615℃、固相線温度557℃、優れたチキソトロピー加工特性を持つ。棒ビレットは、ホットトップ法、電磁攪拌垂直半連続鋳造、直径60〜70mmを使用し、ビレットは、中周波誘導装置コイル加熱、500℃に急速加熱の開始、その後、低速加熱、コアは560℃に達し、さらに加熱電力を低減し、コアは575℃に達し、2800KN水平コールドチャンバーダイカストマシンに移動し、ウォーターポンプカバーの使用上の自動車エンジンにダイカスト。半凝固ダイカスト、ダイカスト高速せん断接触に溶融α-Alの形状に、一次α-Alの成長の一部、凝固の一部が微細な球状の二次α-Alになりました。 連続鋳造組織よりもMg2Siの共晶組織は、より微細である;非多孔質の半凝固組織のため、540℃、8時間の固溶体処理、その後急冷し、170℃、6時間の人工的なエージングによって、次のようになります。機械的性質：引張強さ340MPa、降伏強さ310MPa、伸び3.5% (Casting, 2005, 54(5): 475-478)。