特開 2017-164756 攪拌用ロータ及びそれを用いたアルミニウム合金ビレットの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-164756(P2017-164756A)

(43)【公開日】2017年9月21日

(54)【発明の名称】攪拌用ロータ及びそれを用いたアルミニウム合金ビレットの製造方法

(51)【国際特許分類】

   B22D 11/114 20060101AFI20170825BHJP

   B22D 11/00 20060101ALI20170825BHJP

   B22D 27/20 20060101ALI20170825BHJP

【ＦＩ】

   B22D11/114

   B22D11/00 E

   B22D27/20 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-49694(P2016-49694)

(22)【出願日】2016年3月14日

(71)【出願人】

【識別番号】000107538

【氏名又は名称】株式会社ＵＡＣＪ

(74)【代理人】

【識別番号】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】常川 雅功

(72)【発明者】

【氏名】江崎 宏樹

【テーマコード（参考）】

4E004

【Ｆターム（参考）】

4E004MB20

4E004NC08

(57)【要約】

【課題】微細結晶粒組織からなるアルミニウム合金ビレットを容易に得るための攪拌用ロータ及びそれを用いたアルミニウム合金ビレットの製造方法を提供すること。
【解決手段】アルミニウム合金ビレット１の連続鋳造に用いられる鋳型３内において、アルミニウム合金からなる溶湯１０中に浸漬し、溶湯１０を攪拌するための攪拌用ロータ５は、回転軸部５１と、回転軸部５１に設けられたスクリュー部５０と、を備えている。スクリュー部５０は、回転軸部５１から径方向外側に突出して螺旋状に形成された複数の本体羽根部５２と、各本体羽根部５２の下端５２３から下方に突出して形成された複数の下端羽根部５３と、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルミニウム合金ビレットの連続鋳造に用いられる鋳型内において、アルミニウム合金からなる溶湯中に浸漬し、該溶湯を攪拌するための攪拌用ロータであって、
回転軸部と、
該回転軸部に設けられたスクリュー部と、を備え、
該スクリュー部は、前記回転軸部から径方向外側に突出して螺旋状に形成された複数の本体羽根部と、該各本体羽根部の下端から下方に突出して形成された複数の下端羽根部と、を有する、攪拌用ロータ。

【請求項2】

前記各下端羽根部は、前記各本体羽根部の前記下端全体から下方に突出して形成されている、請求項１に記載の攪拌用ロータ。

【請求項3】

前記各下端羽根部は、前記各本体羽根部の前記下端から前記回転軸部の中心軸に対して平行な方向に突出して形成され、前記各下端羽根部の厚さは、前記各本体羽根部の下端の厚さと同じであり、前記各下端羽根部の高さは、１０〜３０ｍｍである、請求項１又は２に記載の攪拌用ロータ。

【請求項4】

前記回転軸部の中心軸に直交する平面に対する前記各本体羽根部の下面の傾斜角θは、４５°以上６０°未満であり、前記各本体羽根部の高さは、前記スクリュー部の半径Ｄ／２とｔａｎθとの積である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の攪拌用ロータ。

【請求項5】

前記スクリュー部は、黒鉛又はセラミックからなる耐火材により構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の攪拌用ロータ。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれか１項に記載の攪拌用ロータを用いたアルミニウム合金ビレットの製造方法であって、
前記鋳型内の前記溶湯中に前記攪拌用ロータを浸漬し、前記鋳型内の中心部に配置した前記攪拌用ロータを回転させて前記溶湯を攪拌しながら、前記アルミニウム合金ビレットを鋳造する、アルミニウム合金ビレットの製造方法。

【請求項7】

前記スクリュー部の外径は、前記鋳型の内径の１／２以上、かつ、前記鋳型の上側に配置されたヘッダーの内径未満であり、前記各下端羽根部の外端部の下端位置は、上下方向における前記鋳型の上端位置と該鋳型内の凝固界面との中間位置又はそれよりも上側である、請求項６に記載のアルミニウム合金ビレットの製造方法。

【請求項8】

前記攪拌用ロータを1７０〜４００ｒｐｍの回転数で回転させて前記溶湯を攪拌する、請求項６又は７に記載のアルミニウム合金ビレットの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、攪拌用ロータ及びそれを用いたアルミニウム合金ビレットの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、アルミニウム合金の押出製品、鍛造製品等に用いられるビレットは、板製品等に用いられるスラブと同様に、縦型の半連続鋳造法によって製造されている。アルミニウム合金のビレットに発生する割れの抑制、熱間加工性の向上、最終製品の高強度化等のためには、鋳造組織の結晶粒微細化が望ましい。

【0003】

従来、アルミニウム合金鋳塊の結晶粒微細化方法としては、溶湯中にＡｌ−Ｔｉ−Ｂ系、Ａｌ−Ｔｉ−Ｃ系等の微細化剤を添加する方法（以下、従来法という）が一般的に行われている。従来法の場合、微細化剤に含まれるＴｉＢ_２、Ａｌ_３Ｔｉ、ＴｉＣ等の金属間化合物粒子が結晶粒の核となり、この結晶粒の核が多いほど微細粒組織となることが知られている。

【0004】

ところが、従来法の場合、微細化剤が一定量以上添加されると、結晶粒はそれ以上微細化せずに一定となるだけではなく、金属間化合物粒子同士が凝集化して介在物となり、アルミニウム合金鋳塊及び最終製品の品質低下を招いてしまう等の問題がある。

【0005】

そこで、アルミニウム合金鋳塊の結晶粒微細化方法として、従来法（微細化剤添加）以外の方法がいくつか提案されている。例えば、特許文献１、２では溶湯に超音波を印加する方法が、特許文献３では溶湯に電磁振動を付与する方法が、特許文献４では溶湯に連続反転振動を付与する方法が提案されている。また、特許文献５では攪拌装置を用いて溶湯を攪拌することが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平２−２４７３１４号公報

【特許文献2】特開２００４−２０９４８７号公報

【特許文献3】特開２００４−３０６１１６号公報

【特許文献4】特開２００２−３６１４００号公報

【特許文献5】特開２０１２−１６７８６８公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上記特許文献１、２の超音波印加、上記特許文献３の電磁振動付与によるアルミニウム合金鋳塊の結晶粒微細化方法は、直径１００ｍｍ程度の比較的小さな鋳塊に対しては効果が認められるが、サイズが大きな鋳塊になるほど、表層から中心部まで均一な微細粒組織にすることが困難となる。つまり、鋳塊中心部の組織の微細化は困難となる。

【0008】

そのため、実際に生産されている工業製品に使用される鋳塊サイズでは、冷却速度が遅い中心部に粗大な結晶粒組織が形成されて割れが発生しやすくなり、適用が困難である。また、このような粗大な結晶粒組織が形成された鋳塊の場合、期待される熱間加工性、機械的性質等が十分に得られない。

【0009】

また、上記特許文献４の連続反転振動付与によるアルミニウム合金鋳塊の結晶粒微細化方法は、鋳造中において鋳型内に溶湯を連続供給できないため、連続鋳造に適さない等の問題がある。

【0010】

このように、上記特許文献１〜４の超音波印加、電磁振動付与、連続反転振動付与といった方法では、量産を目的としたアルミニウム合金鋳塊において、その鋳塊組織の結晶粒微細化をなし得ることが困難である。

【0011】

また、上記特許文献５の攪拌装置は、溶湯の攪拌ムラを抑制するための装置であり、溶湯に添加する添加剤を均一に分散することを目的としている。また、攪拌による溶湯の均一化は、必ずしもアルミニウム合金鋳塊の結晶粒微細化に寄与するものではない。

【0012】

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、微細かつ均一な結晶粒組織からなるアルミニウム合金ビレットを容易に得るための攪拌用ロータ及びそれを用いたアルミニウム合金ビレットの製造方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の一の態様である攪拌用ロータは、アルミニウム合金ビレットの連続鋳造に用いられる鋳型内において、アルミニウム合金からなる溶湯中に浸漬し、溶湯を攪拌するための攪拌用ロータであって、回転軸部と、回転軸部に設けられたスクリュー部と、を備え、スクリュー部は、回転軸部から径方向外側に突出して螺旋状に形成された複数の本体羽根部と、各本体羽根部の下端から下方に突出して形成された複数の下端羽根部と、を有する。

【0014】

上記攪拌用ロータは、回転軸部と、複数の本体羽根部及び複数の下端羽根部を有するスクリュー部とを備えている。そのため、上記攪拌用ロータを回転させ、鋳型内の溶湯を強制的に攪拌することによって、鋳型内に大きな湯流れ（溶湯の流れ）を発生させることができる。特に、スクリュー部に、複数の本体羽根部に加えて複数の下端羽根部を設けたことにより、鋳型内において鋳造方向、つまり下方への湯流れを発生させることができる。

【0015】

これにより、凝固界面全体、特に凝固殻の中心部付近の凝固界面（凝固界面のうち最も鋳造方向側、つまり下方側に位置する部分）に向かって湯流れが発生し、凝固界面全体に溶湯が衝突する。凝固界面に生成している結晶は、凝固界面に発生する湯流れによって凝固殻から遊離して溶湯内を回流し、再び凝固殻に捕捉されて凝固するが、この間の時間が短いことから粒成長せず、微細なセル状組織が維持された状態で凝固する。よって、従来よりも微細かつ均一な結晶粒組織からなるアルミニウム合金ビレットを鋳造することができる。

【0016】

本発明の他の態様であるアルミニウム合金ビレットの製造方法は、上記攪拌用ロータを用いたアルミニウム合金ビレットの製造方法であって、鋳型内の溶湯中に攪拌用ロータを浸漬し、鋳型内の中心部に配置した攪拌用ロータを回転させて溶湯を攪拌しながら、アルミニウム合金ビレットを鋳造する。

【0017】

上記アルミニウム合金ビレットの製造方法は、上記攪拌用ロータを用いて、鋳型内の溶湯を強制的に攪拌するため、鋳型内に大きな湯流れを発生させることができる。特に、上記攪拌用ロータのスクリュー部に、複数の本体羽根部に加えて複数の下端羽根部を設けたことにより、鋳型内において鋳造方向、つまり下方への湯流れを発生させることができる。これにより、凝固界面全体、特に凝固殻の中心部付近の凝固界面（凝固界面のうち最も鋳造方向側、つまり下方側に位置する部分）に向かって湯流れを発生させることができる。その結果、上述したとおり、従来よりも微細かつ均一な結晶粒組織からなるアルミニウム合金ビレットを鋳造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】実施形態における、攪拌用ロータ及びそれを用いたアルミニウム合金ビレットの製造方法を示す一部断面説明図である。

【図2】実施形態における、攪拌用ロータを示す斜視図である。

【図3】実施形態における、攪拌用ロータを示す側面図である。

【図4】実施形態における、攪拌用ロータを示す底面図である。

【図5】実施形態における、攪拌用ロータを示す底面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

【0020】

上記攪拌用ロータは、例えば、ホットトップ鋳造法等を用いたアルミニウム合金ビレットの連続鋳造に適用することができ、具体的には、鋳型内に供給されたアルミニウム合金からなる溶湯中に浸漬し、回転させることによって溶湯を攪拌する際に用いることができる。

【0021】

また、本体羽根部及び下端羽根部の数は、溶湯を攪拌することができ、スクリュー部から凝固界面に向かって湯流れ（特に下方への湯流れ）を発生させることができれば、何ら限定されるものではない。

【0022】

また、各下端羽根部は、各本体羽根部の下端全体から下方に突出して形成されていてもよい。この場合には、スクリュー部から凝固界面に向かって良好な湯流れを発生させることができる。

【0023】

また、各下端羽根部は、さらに、回転軸部の下端まで径方向内側に延設されていてもよい。例えば、回転軸部の直下には、攪拌用の羽根が設けられていないことがある。この場合、回転軸部の直下には、溶湯流動が形成されない無流動領域（いわゆるデッドゾーン）が形成される。そこで、各下端羽根部を上記の位置に形成することにより、回転軸部の直下においても、スクリュー部から凝固界面（特に凝固殻の中心部付近の凝固界面）に向かって良好な下方への湯流れを発生させることができる。

【0024】

また、各下端羽根部は、各本体羽根部の下端から回転軸部の中心軸に対して平行な方向に突出して形成され、各下端羽根部の厚さは、各本体羽根部の下端の厚さと同じであり、各下端羽根部の高さは、１０〜３０ｍｍであってもよい。この場合には、スクリュー部から凝固界面に向かって良好な下方への湯流れを発生させることができる。

【0025】

各下端羽根部が各本体羽根部の下端から回転軸部の中心軸に対して平行な方向に突出して形成されていない場合には、スクリュー部から凝固界面に向かって下方への湯流れを十分に発生させることができず、例えば、アルミニウム合金ビレットの中心部の結晶粒組織の微細化・均一化がされにくくなり、中心部以外の結晶粒組織と比べて大きめの結晶粒組織となるおそれがある。

【0026】

下端羽根部の高さが１０ｍｍ未満の場合には、スクリュー部から凝固界面に向かって下方への湯流れを十分に発生させることができないおそれがある。一方、下端羽根部の高さが３０ｍｍを超える場合には、攪拌用ロータの回転トルクが増加して安定した回転が行われず、湯流れが悪くなり、結果としてアルミニウム合金ビレットの結晶粒組織、特に中心部の結晶粒組織が微細化・均一化されないおそれがある。

【0027】

各下端羽根部の高さは、スクリュー部から凝固界面に向かう下方への湯流れの流速向上に大きく作用する。このような作用効果を十分に得るための各下端羽根部の最適な高さは、アルミニウム合金ビレットの径（ビレット径）に依存する。例えば、各下端羽根部の高さは、ビレット径がφ３５０ｍｍの場合に１０ｍｍ、ビレット径がφ５００ｍｍの場合に２０ｍｍとすればよい。これにより、スクリュー部から凝固界面に向かう最適な下方への湯流れを発生させることができる。

【0028】

なお、各下端羽根部の厚さは、各本体羽根部の下端の厚さと同じであれば、スクリュー部の作製が容易となるが、溶湯の攪拌に耐え得る厚さであれば、各本体羽根部の下端の厚さと同じ厚さでなくてもよい。また、各下端羽根部の厚さは、湯流れ性、つまりスクリュー部から凝固界面に向かう下方への湯流れに対して影響は少ない。

【0029】

また、回転軸部の中心軸に直交する平面に対する各本体羽根部の下面の傾斜角θは、４５°以上６０°未満であり、各本体羽根部の高さは、ｔａｎθであってもよい。この場合には、スクリュー部から凝固界面に向かって良好な湯流れを発生させることができる。

【0030】

なお、上記傾斜角θは、回転軸部の中心軸に直交する平面と各本体羽根部の下面とが成す角度であり、本体羽根部の下面が凝固殻側（下側）からその反対側（上側）に向かって立ち上がる傾斜角度である。本体羽根部の下面とは、本体羽根部における凝固殻側の面のことである。上記傾斜角θを上記特定の範囲とすることにより、スクリュー部から凝固界面に向かって良好な湯流れを発生させることができる。

【0031】

上記傾斜角θが４５°未満の場合には、本体羽根部で捕らえられる溶湯量が少なく、凝固界面付近の湯流れが小さくなるため、凝固殻からの結晶の遊離が促進されず、結晶粒の微細化・均一化が不十分となるおそれがある。一方、上記傾斜角θが６０°を超える場合には、鋳型の内壁面に向かう湯流れの割合が多くなり、凝固界面付近の湯流れが小さくなるため、凝固界面からの結晶の遊離が促進されず、結晶粒の微細化・均一化が不十分となるおそれがある。

【0032】

また、スクリュー部は、黒鉛又はセラミックからなる耐火材により構成されていてもよい。この場合には、高温の溶湯中で使用しても、耐熱性、耐久性を十分に確保することができる。セラミックからなる耐火材としては、例えば、窒化珪素系材料等を用いることができる。なお、スクリュー部を構成する材料は、上記耐火材以外であっても、溶湯中で使用することができ、スクリュー部を所望の形状に成形することができれば、何ら限定されるものではない。

【0033】

上記アルミニウム合金ビレットの製造方法は、例えば、ホットトップ鋳造法等に適用することができ、鋳型内に供給されたアルミニウム合金からなる溶湯を、鋳型内の中心部に配置した攪拌用ロータ（具体的にはスクリュー部）の回転によって攪拌しながら冷却凝固させ、アルミニウム合金ビレットを連続的に鋳造する。ここで、鋳型内の中心部とは、鋳込み方向、つまり上下方向に直交する方向（水平方向）において、鋳型内側の中心（中央）部分をいう。

【0034】

また、スクリュー部の外径は、鋳型の内径の１／２以上、かつ、鋳型の上側に配置されたヘッダーの内径未満であり、各下端羽根部の外端部の下端位置は、上下方向における鋳型の上端位置と鋳型内の凝固界面との中間位置又はそれよりも上側であってもよい。この場合には、攪拌用ロータ（具体的にはスクリュー部）の回転によって、スクリュー部から凝固界面に向かって良好な湯流れを発生させ、凝固殻からの結晶の遊離をより促進させることができる。これにより、結晶粒の微細化・均一化効果をさらに高めることができる。

【0035】

ここで、ヘッダーとは、鋳型の上側に配置され、溶湯を溜めておくと共に溶湯を鋳型内に供給するための部材である。例えば、ヘッダー内には、溶湯を溜めておく空間（湯溜部）が形成され、ヘッダー内と鋳型内とが連通するように構成する。また、各下端羽根部の外端部とは、各下端羽根部の径方向外側の端部のことをいう。各下端羽根部の外端部の下端位置とは、各下端羽根部の外端部の最下端の位置をいう。鋳型内の凝固界面とは、鋳型内の溶湯（液体）と凝固殻（固体）との境界面をいう。

【0036】

スクリュー部の外径が鋳型の内径の１／２未満の場合には、鋳型の内径に対してスクリュー部の外径が小さくなるため、鋳型内全体に均一な湯流れを発生させることが困難となる。また、スクリュー部の外径がヘッダーの内径以上の場合には、鋳造中の鋳型内に攪拌用ロータ（具体的にはスクリュー部）を出し入れすることが困難となる。

【0037】

各下端羽根部の外端部の下端位置が上下方向における鋳型の上端位置と鋳型内の凝固界面との中間位置よりも下側（凝固殻側）にある場合には、スクリュー部が凝固殻に固着し、攪拌用ロータ（具体的にはスクリュー部）の回転が抑制される可能性がある。

【0038】

また、スクリュー部は、その全体が鋳型内に配置されていることが好ましい。この場合には、攪拌用ロータ（具体的にはスクリュー部）の回転によって、上述した結晶粒の微細化・均一化効果を十分に得ることができる。

【0039】

また、攪拌用ロータを1７０〜４００ｒｐｍの回転数で回転させて溶湯を攪拌してもよい。この場合には、攪拌用ロータ（具体的にはスクリュー部）の回転によって、スクリュー部から凝固界面に向かって良好な湯流れを発生させ、凝固殻からの結晶の遊離をより促進させることができる。これにより、結晶粒の微細化・均一化効果をさらに高めることができる。

【0040】

攪拌用ロータの回転数が１７０ｒｐｍ未満の場合には、鋳型内の湯流れが小さくなるため、凝固殻からの結晶の遊離が促進されず、結晶粒の微細化・均一化が不十分となるおそれがある。一方、攪拌用ロータの回転数が４００ｒｐｍを超える場合には、湯面（溶湯の表面）がすり鉢状の渦状態となり、溶湯と大気との接触面積が増加することで溶湯温度が低下すると共に、酸化物が発生しやすい状態になり、この酸化物がアルミニウム合金ビレット内に巻き込まれるおそれがある。

【0041】

また、攪拌用ロータの回転方向は、攪拌用ロータを回転させて溶湯を攪拌することにより、スクリュー部から凝固界面に向かって湯流れ（特に下方への湯流れ）を発生させることができれば、何ら限定されるものではない。

【0042】

上記アルミニウム合金ビレットの製造方法は、例えば、ＪＩＳ規格の１０００、２０００、３０００、５０００、６０００、７０００系等のアルミニウム合金からなるビレット（アルミニウム合金ビレット）の鋳造に適用することができる。特に、固液共存相の温度域が広い７０００系アルミニウム合金については、結晶粒の微細化・均一化効果が大きい。

【0043】

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
具体的には、図１〜図４に示すように、攪拌用ロータ５及びそれを用いたアルミニウム合金ビレット１の製造方法について、以下詳細に説明する。

【0044】

本実施形態では、図１に示す鋳造装置２を用いて、ホットトップ鋳造法により、アルミニウム合金ビレット１を鋳造する。本実施形態において、図１に示す鋳造方向Ｚとは、上下方向における鋳造方向を示す。なお、図１に付された方向を示す矢印は、各図相互の関係を理解しやすくするために記載したものである。本発明は、図１に付された方向に限定されるものではない。

【0045】

鋳造装置２は、所定の形状のアルミニウム合金ビレットを鋳造するための鋳型３と、その鋳型３の直上に配置されたヘッダー４と、アルミニウム合金からなる溶湯１０を攪拌するための攪拌用ロータ５を備えている。

【0046】

鋳型３は、筒状（環状）に形成されている。鋳型３は、軸方向（上下方向）に直交する断面において、鋳型３内側が円形状である。鋳型３の内壁面３１の下端部には、内径が徐々に大きくなる拡径面３１１が形成されている。鋳型３の内径Ａは、拡径面３１１が形成されている部分よりも上側部分（鋳型３内側が溶湯１０で満たされている部分）の内径である。鋳型３の内径Ａは、軸方向（上下方向）において一定である。

【0047】

ヘッダー４は、筒状に形成されている。ヘッダー４は、珪酸カルシウム系耐火材により構成されている。ヘッダー４は、軸方向（上下方向）に直交する断面において、ヘッダー４内側が円形状である。ヘッダー４内には、溶湯１０を溜めておく湯溜部４０が形成されている。ヘッダー４の内径Ｂは、湯溜部４０が形成されている部分の内径である。ヘッダー４の内径Ｂは、軸方向（上下方向）において一定である。ヘッダー４の内径Ｂは、鋳型３の内径Ａよりも小さい。

【0048】

ヘッダー４には、溶湯１０を湯溜部４０に供給するための溶湯供給部４９が連結されている。溶湯１０は、溶湯供給部４９からヘッダー４内の湯溜部４０に供給される。ヘッダー４の下端開口部４２と鋳型３の上端開口部３２とは、上下方向に連通している。溶湯１０は、ヘッダー４内の湯溜部４０からヘッダー４の下端開口部４２及び鋳型３の上端開口部３２を介して鋳型３内に供給される。

【0049】

図２〜図４に示すように、攪拌用ロータ５は、棒状の回転軸部５１と、回転軸部５１に設けられ、溶湯１０を攪拌するためのスクリュー部５０とを備えている。スクリュー部５０は、４つの本体羽根部５２と４つの下端羽根部５３とを有する。スクリュー部５０の外径Ｄ（図４）は、鋳型３の内径Ａ（図１）の１／２以上であり、かつ、ヘッダー４の内径Ｂ（図１）未満である。回転軸部５１及びスクリュー部５０（本体羽根部５２、下端羽根部５３）は、黒鉛により構成されている。

【0050】

各本体羽根部５２は、板状に形成されている。各本体羽根部５２は、回転軸部５１から径方向外側に突出して螺旋状に形成されている。４枚の本体羽根部５２は、周方向において等間隔に配置されている。各本体羽根部５２の上面５２１及び下面５２２は、回転軸部５１の中心軸５１０に直交する平面（直交平面５１１）に対して傾斜している。なお、本体羽根部５２の両主面のうち、上側（ヘッダー４側）を向いている面が上面５２１、下側（凝固殻１１側）を向いている面が下面５２２である。直交平面５１１に対する各本体羽根部５２の下面５２２の傾斜角θは、４５°以上６０°未満である。各本体羽根部５２の上下方向の高さＣ（図３）は、スクリュー部５０の半径Ｄ／２とｔａｎθとの積である。

【0051】

各下端羽根部５３は、各本体羽根部５２の下端５２３全体から下方に突出して形成されている。各下端羽根部５３は、各本体羽根部５２の下端５２３から回転軸部５１の中心軸５１０に対して平行な方向に突出して形成されている。各下端羽根部５３は、回転軸部５１から各本体羽根部５２の下端５２３の外端位置まで径方向外側に連続して形成されている。各下端羽根部５３の厚さＦ（図４）は、各本体羽根部５２の下端５２３の厚さと同じである。ここで、各本体羽根部５２の下端５２３の厚さとは、各本体羽根部５２の下端５２３における上下方向に直交する方向の厚さをいう。各下端羽根部５３の上下方向の高さは、１０〜３０ｍｍである。

【0052】

図１に示すように、鋳型３内の中心部には、攪拌用ロータ５のスクリュー部５０が配置されている。なお、鋳型３内の中心部とは、上下方向に直交する方向（水平方向）において、鋳型３内側の中心（中央）部分をいう。攪拌用ロータ５のスクリュー部５０は、ヘッダー４内を介して鋳型３の上端開口部３２から鋳型３内に挿入して配置されている。スクリュー部５０は、その全体が鋳型３内に配置されている。

【0053】

各下端羽根部５３の外端部の下端位置Ｅは、上下方向における鋳型３の上端位置Ｅ１と鋳型３内の凝固界面１１０（図１のＥ２）との中間位置又はそれよりも上側（ヘッダー４側）である。すなわち、上下方向における鋳型３内の上端位置Ｅ１から各下端羽根部５３の外端部の下端位置Ｅまでの距離は、上下方向における鋳型３の上端位置Ｅ１から鋳型３内の凝固界面１１０（図１のＥ２）までの距離の１／２以下である。なお、凝固界面１１０とは、鋳型３内の溶湯１０（液体）と凝固殻１１（固体）との境界面のことである。凝固界面１１０は、凝固殻１１の外周部から中心部に向かうほど下方に位置している（深くなっている）。

【0054】

上記構成の鋳造装置２を用いて、ホットトップ鋳造法により、アルミニウム合金ビレット１を製造（鋳造）するに当たっては、図１に示すように、攪拌用ロータ５を回転させ、鋳型３内の中心部に配置したスクリュー部５０によって鋳型３内の溶湯１０を強制的に攪拌しながら、円柱状のアルミニウム合金ビレット１を鋳造する。攪拌用ロータ５は、1７０〜４００ｒｐｍの範囲内の一定の回転数で連続回転させる。

【0055】

鋳型３内の溶湯１０を攪拌用ロータ５（具体的にはスクリュー部５０）の回転によって強制的に攪拌することにより、鋳型３内に大きな湯流れ（溶湯１０の流れ）を発生させる。この攪拌による湯流れによって、凝固界面１１０に生成する結晶は、凝固殻１１から遊離して溶湯１０内を回流し、粒成長する前に微細なセル状組織が維持された状態で周辺の凝固殻１１に捕捉され、凝固する。これにより、微細結晶粒組織からなるアルミニウム合金ビレット１が鋳造される。

【0056】

また、図２〜図４に示す形状のスクリュー部５０を有する攪拌用ロータ５を用い、スクリュー部５０の本体羽根部５２の下面５２２の傾斜角θを上記特定の範囲としているため、攪拌用ロータ５を上方から見た場合において、攪拌用ロータ５を時計回り（正方向）に回転させる。

【0057】

これにより、鋳型３内の溶湯１０が鋳型３内の中心部から（スクリュー部５０から）凝固界面１１０に向かって流れ、凝固界面１１０に衝突した後、鋳型３の内壁面３１に沿って上昇し、再び鋳型３内の中心部から凝固界面１１０に向かって流れる。そして、溶湯１０が凝固界面１１０に衝突する際に、凝固界面１１０に生成している結晶の凝固殻１１からの遊離を促進させ、結晶粒微細化効果が生み出される。特に、スクリュー部５０に下端羽根部５３を設け、この湯流れを凝固界面１１０、特に凝固殻１１の中心部付近の凝固界面１１０へと導くことにより、微細、かつ均一な組織のアルミニウム合金ビレットを得ることができる。

【0058】

次に、本実施形態の攪拌用ロータ５及びそれを用いたアルミニウム合金ビレット１の製造方法における作用効果について説明する。
本実施形態の攪拌用ロータ５は、回転軸部５１と、複数の本体羽根部５２及び複数の下端羽根部５３を有するスクリュー部５０とを備えている。そのため、攪拌用ロータ５を回転させ、鋳型３内の溶湯１０を強制的に攪拌することによって、鋳型３内に大きな湯流れ（溶湯１０の流れ）を発生させることができる。特に、スクリュー部５０に、複数の本体羽根部５２に加えて複数の下端羽根部５３を設けたことにより、鋳型内において鋳造方向Ｚ、つまり下方への湯流れを発生させることができる。

【0059】

これにより、凝固界面１１０全体、特に凝固殻１１の中心部付近の凝固界面１１０（凝固界面１１０のうち最も鋳造方向Ｚ側、つまり下方側に位置する部分（凝固界面１１０の最深位置Ｇ付近））に向かって湯流れが発生し、凝固界面１１０全体に溶湯１０が衝突する。凝固界面１１０に生成している結晶は、凝固界面１１０に発生する湯流れによって凝固殻１１から遊離して溶湯１０内を回流し、再び凝固殻１１に捕捉されて凝固するが、この間の時間が短いことから粒成長せず、微細なセル状組織が維持された状態で凝固する。よって、従来よりも微細かつ均一な結晶粒組織からなるアルミニウム合金ビレット１を鋳造することができる。

【0060】

また、各下端羽根部５３は、各本体羽根部５２の下端５２３全体から下方に突出して形成されている。そのため、スクリュー部５０から凝固界面１１０に向かって良好な湯流れを発生させることができる。

【0061】

また、各下端羽根部５３は、各本体羽根部５２の下端５２３から回転軸部５１の中心軸５１０に対して平行な方向に突出して形成され、各下端羽根部５３の厚さは、各本体羽根部５２の下端５２３の厚さと同じであり、各下端羽根部５３の高さは、１０〜３０ｍｍである。そのため、スクリュー部５０から凝固界面１１０に向かって良好な下方への湯流れを発生させることができる。

【0062】

また、回転軸部５１の中心軸５１０に直交する平面（直交平面５１１）に対する各本体羽根部５２の下面５２２の傾斜角θは、４５°以上６０°未満であり、各本体羽根部５２の高さは、ｔａｎθである。そのため、スクリュー部５０から凝固界面１１０に向かって良好な湯流れを発生させることができる。

【0063】

また、スクリュー部５０は、黒鉛からなる耐火材により構成されている。そのため、高温の溶湯１０中で使用しても、耐熱性、耐久性を十分に確保することができる。なお、スクリュー部５０は、セラミック（例えば、窒化珪素系材料等）からなる耐火材により構成されていてもよい。この場合も上記と同様の効果が得られる。

【0064】

本実施形態のアルミニウム合金ビレット１の製造方法は、攪拌用ロータ５を用いて、鋳型３内の溶湯１０を強制的に攪拌するため、鋳型３内に大きな湯流れを発生させることができる。特に、攪拌用ロータ５のスクリュー部５０に、複数の本体羽根部に加えて複数の下端羽根部５３を設けたことにより、鋳型内において鋳造方向Ｚ、つまり下方への湯流れを発生させることができる。これにより、凝固界面１１０全体、特に凝固殻１１の中心部付近の凝固界面１１０（凝固界面１１０のうち最も鋳造方向Ｚ側、つまり下方側に位置する部分（凝固界面１１０の最深位置Ｇ付近））に向かって湯流れを発生させることができる。その結果、上述したとおり、従来よりも微細かつ均一な結晶粒組織からなるアルミニウム合金ビレット１を鋳造することができる。

【0065】

また、スクリュー部５０の外径Ｄは、鋳型３の内径Ａの１／２以上、かつ、鋳型３の上側に配置されたヘッダー４の内径Ｂ未満である。また、各下端羽根部５３の外端部の下端位置Ｅは、上下方向における鋳型３の上端位置Ｅ１と鋳型３内の凝固界面１１０（図１のＥ２）との中間位置よりも上側である。そのため、攪拌用ロータ５（具体的にはスクリュー部５０）の回転によって、スクリュー部５０から凝固界面１１０に向かって良好な湯流れを発生させ、凝固殻１１からの結晶の遊離をより促進させることができる。これにより、結晶粒の微細化・均一化効果をさらに高めることができる。

【0066】

また、攪拌用ロータ５を1７０〜４００ｒｐｍの回転数で回転させて溶湯１０を攪拌する。そのため、攪拌用ロータ５（具体的にはスクリュー部５０）の回転によって、スクリュー部５０から凝固界面１１０に向かって良好な湯流れを発生させ、凝固殻１１からの結晶の遊離をより促進させることができる。これにより、結晶粒の微細化・均一化効果をさらに高めることができる。

【0067】

なお、本実施形態では、図４に示すように、スクリュー部５０の各下端羽根部５３が回転軸部５１から径方向外側に向かって突出するように形成されているが、例えば、図５に示すように、各下端羽根部５３が回転軸部５１の下端まで径方向内側に延設されていてもよい。すなわち、各下端羽根部５３が回転軸部５１の直下にも設けられている構成としてもよい。図５の例では、４つの下端羽根部５３が回転軸部５１の直下で合流するように構成されている。

【0068】

このような構成とすることにより、回転軸部５１の直下において、溶湯流動が生じない無流動領域（いわゆるデッドゾーン）が形成されることを抑制できる。よって、回転軸部５１の直下においても、スクリュー部５０から凝固界面１１０（特に凝固殻１１の中心部付近の凝固界面１１０）に向かって良好な下方への湯流れを発生させることができる。

【実施例】

【0069】

以下、本発明の実施例を比較例と対比しながら説明し、本発明の効果を実証する。これらの実施例は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明は何らこれらに限定されるものではない。

【0070】

まず、上述した鋳造装置（図１参照）を用いて、ホットトップ鋳造法により、下記の表１に示す複数のアルミニウム合金ビレット（試料１〜２０）を製造した。具体的には、所定の合金組成を有するアルミニウム合金を溶解した溶湯を、鋳造装置のヘッダーから鋳型内に流下させ、アルミニウム合金ビレットを鋳造した。

【0071】

このとき、ヘッダーの上方から鋳型内に攪拌用ロータ（図２〜図５参照）を挿入し、そのロータを所定の回転数で回転させて溶湯を攪拌しながら、アルミニウム合金ビレットを鋳造した。鋳造速度、冷却水量等については、従来実施されている条件の範囲に設定した。なお、試料１７については、攪拌用ロータを用いた機械攪拌を行わなかった。

【0072】

ここで、表１の「合金Ｎｏ．」は、アルミニウム合金の種類である。「サイズ」は、鋳造するアルミニウム合金ビレットの外径をインチ単位で表記する。「微細化剤添加」は、溶湯中へのＡｌ−Ｔｉ−Ｂ系、Ａｌ−Ｔｉ−Ｃ系等の微細化剤の連続添加のことである。

【0073】

また、表１の攪拌ロータの「材質」は、攪拌ロータの材質のことである。「位置」は、上下方向における鋳型の上端位置から鋳型内の凝固殻界面までの距離に対する、上下方向における鋳型内の上端位置から下端羽根部の外端部の下端位置までの距離の比である。「外径比」は、鋳型の内径に対する攪拌ロータの外径の比である。「傾斜角」は、攪拌ロータの中心軸に直交する平面（直交平面）に対する本体羽根部の下面の傾斜角θ（図１、図３参照）である。「回転数」は、攪拌ロータの回転数である。「回転方向」は、攪拌ロータを上方から見た場合の回転方向である。

【0074】

また、表１の攪拌ロータの下端羽根部の「高さ」は、下端羽根部の上下方向の高さのことである。下端羽根部の「長さ比」は、本体羽根部の下端の径方向長さに対する、下端羽根部の径方向長さの比である。なお、下端羽根部の径方向長さの基点は、下端羽根部の径方向外端である。

【0075】

なお、表１に示す各試料において使用したヘッダーの内径は、外径９インチのアルミニウム合金ビレットで２２３ｍｍ、外径１４インチのアルミニウム合金ビレットで３４９ｍｍ、外径２０インチのアルミニウム合金ビレットで５０１ｍｍである。

【0076】

次に、製造したアルミニウム合金ビレットについて、結晶粒組織を観察し、平均結晶粒径を測定した。具体的には、アルミニウム合金ビレットの中心部と、中心部と表層との中間部（以下、「Ｄ／４部」という）とについて結晶粒組織を観察し、平均結晶粒径を測定した。Ｄ／４部を観察するのは、アルミニウム合金ビレットの場合、平均的な特性を示す位置として一般的に知られており、本発明の効果を評価するためである。

【0077】

また、平均結晶粒径は、対象となるアルミニウム合金ビレットに対して、鋳造方向に平行な断面を機械研磨し、偏光エッチングを施し、光学顕微鏡により５０倍で３視野観察した。そして、これらの写真に対して面積計量法を用いて、平均結晶粒径を測定した。なお、観察視野には、１００個以上の結晶粒が含まれていた。

【0078】

【表1】

【0079】

表１に、製造した各アルミニウム合金ビレットの平均結晶粒径の測定結果を示す。
試料１〜９は、攪拌用ロータによる機械攪拌を行わなかった試料１７に比べて、アルミニウム合金ビレットの平均結晶粒径が小さく、中心部とＤ／４部との平均結晶粒径の差も小さく、微細結晶粒組織となっていることがわかった。また、試料１０のように、下端羽根部を有しない攪拌用ロータを使用した場合には、アルミニウム合金ビレットの中心部の平均結晶粒径が粗大となり、十分な微細化効果が得られなかった。

【0080】

試料１〜９は、攪拌用ロータの下端羽根部の「高さ」及び「長さ比」が良好な範囲内にあるため、機械攪拌により平均結晶粒径が小さく、中心部とＤ／４部との平均結晶粒径の差も小さく、微細結晶粒組織となっていた。一方、試料１１のように下端羽根部の「長さ比」が小さい（下端羽根部の径方向長さが短い）場合、試料１２のように下端羽根部の「高さ」が低い場合、試料１３のように下端羽根部の「高さ」が高い場合には、平均結晶粒径が粗大となり、微細結晶粒組織が得られないことがわかった。

【0081】

試料１〜９は、攪拌用ロータの本体羽根部の「傾斜角」が良好な範囲内にあるため、機械攪拌により平均結晶粒径が小さく、中心部とＤ／４部との平均結晶粒径の差も小さく、微細結晶粒組織となっていた。一方、試料１４、１５のように本体羽根部の「傾斜角」が好適範囲外の場合には、平均結晶粒径が粗大となり、微細結晶粒組織が得られないことがわかった。

【0082】

試料１〜９は、攪拌用ロータの「材質」として黒鉛を用いているため、攪拌用ロータによる溶湯の攪拌が連続的に安定して行え、微細結晶粒組織を有するアルミニウム合金ビレットが得られた。一方、試料１６のように、攪拌用ロータの「材質」として鋳鉄を用いた場合には、攪拌用ロータの本体羽根部や下端羽根部が溶湯熱により溶損して、十分な機械攪拌を行えなかった。

【0083】

試料１８のように攪拌用ロータの「外径比」が小さい場合や、試料１９のように攪拌用ロータの「回転数」が低い場合には、平均結晶粒径が粗大となり、微細結晶粒組織が得られないことがわかった。また、試料２０のように、攪拌用ロータの「回転数」が高い場合には、溶湯が湯面で飛散することや、鋳型下部の凝固殻が破損して溶湯が漏えいするトラブルが発生して、安定した鋳造が行えなかった。

【符号の説明】

【0084】

１…アルミニウム合金ビレット、３…鋳型、５…攪拌用ロータ、１０…溶湯、５０…スクリュー部、５１…回転軸部、５２…本体羽根部、５３…下端羽根部、５２３…下端（本体羽根部の下端）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】