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JP2014039958A - Coagulation microstructure of molding mold molded by aggregate-using casting mold - Google Patents

Coagulation microstructure of molding mold molded by aggregate-using casting mold Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a molding metal mold molded by an aggregate-using casting mold for indicating an area of a precise coagulation microstructure in a wide range of the mold.SOLUTION: The molding metal mold molded by the aggregate-using casting mold is a metal mold for indicating a molding microstructure composed of an alloy including aluminum by a quick chilling process in the casting mold including an aggregate, and the microstructure is composed of a first area where the microstructure is positioned in the vicinity of a surface of the metal mold, that is, the first area having a rough coagulation microstructure and a second area positioned inside the first area, that is, the second area having the precise coagulation microstructure, and the first area includes dendrite having a dendrite arm separated at an interval of 20-200 micrometers, and the second area includes the dendrite having the dendrite arm separated at an interval of 5-15 micrometers.

Description

本発明は、金属成型品(金属鋳造品)に関し、特に、骨材を含む鋳造法で成形される精細凝固ミクロ構造(fine solidification microstructure)を有する造形金属成型品(shaped metal casting:成形金属鋳造品)に関する。   The present invention relates to a metal molded article (metal cast article), and in particular, a shaped metal casting having a fine solidification microstructure formed by a casting method including an aggregate. )

従来の鋳造法においては、溶融金属を、鋳型に注入し、鋳型の熱損失により凝固又は固化させる。当該冷却に十分な熱量を放出した場合には、最終生成物、すなわち、成型品(鋳造品)は、自重を支えることが可能となる。当該成型品は、その後、鋳型から取り除く。   In the conventional casting method, molten metal is poured into a mold and solidified or solidified by heat loss of the mold. When a sufficient amount of heat is released for the cooling, the final product, that is, the molded product (cast product) can support its own weight. The molded product is then removed from the mold.

先行技術のいろいろなタイプの鋳型は、それぞれに一定の効果を有する。例えば、生砂型鋳型は、骨材及び砂から成り、これらは、粘土及び水の混合物のような結合材により接着して固められる。これらの鋳型は、迅速に作製することができ、例えば、自動鋳型生成プラントにおいては単純な鋳型を10秒で作製することができる。加えて、当該砂は、比較的容易にリサイクルすることができる。   Different types of molds of the prior art each have a certain effect. For example, green sand molds consist of aggregate and sand, which are bonded and hardened by a binder such as a mixture of clay and water. These molds can be made quickly, for example, simple molds can be made in 10 seconds in an automated mold production plant. In addition, the sand can be recycled relatively easily.

他の砂型鋳型としては、高次元の精密さ及び高硬度を有する樹脂系の化学結合剤が使用されることが多い。そのような樹脂接着による砂型鋳型は、生砂型鋳型に比べて多少作製が長くなる。なぜなら、硬化反応が必ず発生し、結合材が効果を発揮して鋳型の形成を促進するためである。粘度接着による鋳型においては、砂は、樹脂の除去処理が必要ではあるが、リサイクルされることが多い。   As other sand molds, resin-based chemical binders having high dimensional precision and high hardness are often used. Such a resin-molded sand mold is slightly longer than a fresh sand mold. This is because a curing reaction always occurs and the binder exhibits an effect to promote the formation of the mold. In a mold using viscosity adhesion, sand is often recycled although it requires resin removal treatment.

比較的迅速かつ経済的な作製に加えて、砂型鋳型はまた、高い生産性を有する。砂型鋳型は、鋳造金属が注入されて冷却及び凝固した後に取り外され、他の鋳型が注入される状態となる。   In addition to making relatively quick and economical, sand molds also have high productivity. The sand mold is removed after casting metal is poured and cooled and solidified, and another mold is poured.

砂型鋳型における砂の骨材として使用される砂は、最も一般的にはシリカである。しかしながら、セ氏約570度(℃)又はカ氏約1058(°F)でのアルファ石英からベータ石英への望ましくない転移を避けるために、他の鉱物が使用され、これには、橄欖石、クロム鉄鋼及びジルコンが含まれる。これらの砂は、一般的なシリカ砂とは熱伝導性に小さな違いを示し、場合によっては、鋳型又は中子断片にシリカ砂又は相互に混ぜられ、指向性凝固を達成することを試み、また促進する。これらの鉱物には、一定の欠点を有する。橄欖石は、化学的変化を受けやすいことが多く、化学的結合材による均一制御の問題を引き起こす。また、クロム鉄鉱は通常粉々に潰されており、成型品の不十分な表面仕上げ及び機械設備の急速な摩耗につながる尖った粒を生成してしまう。ジルコンは重く、鋳型を形成及び管理するのに用いられる装置における要求を増加させて、機械設備の急速な摩耗を引き起こす。単純な鋳型の異なる構成としてこれらの砂を混合することは、また、砂のリサイクルの成果が悪化する。   The sand used as sand aggregate in sand molds is most commonly silica. However, other minerals are used to avoid the undesirable transition from alpha quartz to beta quartz at about 570 degrees Celsius (° C.) or about 1058 degrees Fahrenheit (° F.), including meteorites, chromium steels And zircon. These sands show small differences in thermal conductivity from typical silica sands, and in some cases silica sands or mixed with each other in molds or core pieces attempt to achieve directional solidification, and Facilitate. These minerals have certain drawbacks. Meteorites are often susceptible to chemical changes and cause problems of uniform control by chemical binders. Also, chromite is usually crushed, producing sharp grains that lead to poor surface finish of molded parts and rapid wear of machinery. Zircon is heavy and increases the demands on equipment used to form and manage molds, causing rapid wear of machinery. Mixing these sands as a different configuration of a simple mold also exacerbates the results of sand recycling.

さらに、シリカ、その代替鉱物、粘土を用いた砂型鋳型及び化学的結合材の独自の観点により生じる欠点は、それらの比較的低い熱伝導率のために、通常、鋳造金属の急冷を行うことができないことである。鋳造金属の急冷は望ましいことが多く、そのような冷却が成型品の機械的特性を改善するという技術が知られている。さらに、急冷は、構成成分のさらなる混合を維持できるため、後続の溶解処理を省略できる可能性をもたらし、時間及び費用を節約することができる。溶解処理の省略は、通常、後続する焼き入れの必要性を回避し、焼き入れによってもたらされる成型品のひずみ及び残留応力の問題を取り除くことができる。機械的特性に関連して、鋳造ミクロ構造の精細度(微細度:fineness)は冷却及び凝固の度合いに関連する。一般に、冷却及び凝固の度合いが増加するに従い、成型品の凝固ミクロ構造は、より精細(微細)なものとなる。   In addition, the disadvantages arising from the unique aspects of silica, its alternative minerals, clay-based sand molds and chemical binders are usually due to their relatively low thermal conductivity, which usually causes quenching of the cast metal. It is impossible. Rapid cooling of the cast metal is often desirable and techniques are known in which such cooling improves the mechanical properties of the molded article. In addition, quenching can maintain further mixing of the components, resulting in the possibility of omitting subsequent dissolution processing, saving time and money. Omission of the melting process typically avoids the need for subsequent quenching and can eliminate the distortion and residual stress problems of the molded product caused by quenching. In relation to mechanical properties, the fineness of the cast microstructure is related to the degree of cooling and solidification. Generally, as the degree of cooling and solidification increases, the solidification microstructure of the molded product becomes finer (fine).

砂型鋳型を代替するものとしては、金属もしくは半永久的な鋳型又は冷やし金による鋳型から作製された鋳型が時折使用される。それらの比較的高い熱伝導率により、鋳造溶融金属を迅速に冷却して凝固させるために、これらの金属鋳型は特に利点があり、成型品の機械的特性に利点をもたらす。例えば、プレッシャーダイキャスト鋳造法として知られる特定の鋳造法は、金属鋳型に利用され、急速な凝固速度を有することが知られている。そのような急速な凝固速度は、成型品における微細なデンドライトアーム間隔(DAS)の存在により示される。当該技術分野において周知であるように、凝固速度が速くなるにつれて、DASは小さくなる。しかしながら、鋳型を充填する間に溶融金属に極端な表面乱流が発生するために、プレッシャーダイキャスト鋳造法は、鋳造部分に欠陥を形成してしまうことが多い。微細なデンドライトアーム間隔は、局所的な冷やし金又はフィンにより成型品を冷却することでもまた形成される。そのような技術は、固体の冷やし金の構成要素、例えば、金属塊の冷やし金もしくは鋳造可能な冷やし金の集合体、及び同様のものの局所的利用を含み、これらは鋳型の冷却部分の近傍に取り込まれる。しかしながら、これらの方法は、冷やし金が適用された領域の局所的効果を与えるのみである。当該局所的効果は、本発明が成型品に正確で広範囲に実施された場合には、精細ミクロ構造の利点が得られるという本発明の効果とは対照的である。これは、本発明の重要な側面である。なぜなら、最大の効果としては、成型品が、製品の至る箇所において一般的に高い品質を有するだけではなく、本質的に均一であるという特性を示すことであり、多大な効果を製品の設計者に与えるからである。かくして、本発明による製品は、本質的には鍛造物に通常見られるような一様性を享受する。   As an alternative to sand molds, molds made from metal or semi-permanent molds or chill metal molds are sometimes used. Due to their relatively high thermal conductivity, these metal molds are particularly advantageous in order to rapidly cool and solidify the cast molten metal, which in turn provides an advantage in the mechanical properties of the molded part. For example, a particular casting method known as pressure die casting is used for metal molds and is known to have a rapid solidification rate. Such rapid solidification rate is indicated by the presence of fine dendrite arm spacing (DAS) in the molded part. As is well known in the art, as the solidification rate increases, the DAS decreases. However, since extreme surface turbulence occurs in the molten metal while filling the mold, the pressure die casting method often forms defects in the cast part. Fine dendrite arm spacing can also be formed by cooling the molded article with local chillers or fins. Such techniques include the local use of solid chiller components, such as metal mass chillers or castable chiller assemblies, and the like, which are in the vicinity of the cooling part of the mold. It is captured. However, these methods only give a local effect in the area where the chill is applied. This local effect is in contrast to the effect of the present invention, where the advantages of a fine microstructure are obtained when the present invention is accurately and extensively implemented on molded articles. This is an important aspect of the present invention. Because the greatest effect is that the molded product not only has a high quality in general throughout the product, but also shows the characteristic that it is essentially uniform. Because it gives to. Thus, the product according to the invention essentially enjoys the uniformity normally found in forgings.

構造内の残留液相を急冷に供する公知の永久鋳型法の1つの種類としては、半固体鋳造が含まれる。当該法においては、金属スラリーは、鋳型の外部で形成され、残留液相に懸濁された樹枝状(デンドライト)の断片から成る。当該混合物の金属ダイへの移動は、残存する液体を急速に凝固させ、緻密な構造を与えるが、比較的粗く分離したデンドライト(樹枝状結晶)により囲まれ、退化したデンドライト(樹枝状結晶)、バラ結び、又は、団塊の形態となることが多い。   One type of known permanent mold method that provides for rapid cooling of the residual liquid phase in the structure includes semi-solid casting. In this method, the metal slurry consists of dendritic fragments formed outside the mold and suspended in the residual liquid phase. The transfer of the mixture to the metal die rapidly solidifies the remaining liquid, giving a dense structure, but surrounded by relatively coarsely separated dendrites (dendrites), degenerate dendrites (dendrites), Often in the form of a rose knot or baby boom.

しかしながら、金属から作製される全ての鋳型は、重大な経済的不利益をもつ。成型品は、鋳型から取り除く前に凝固する必要があるために、高い生産力を達成するために複数の金属鋳型を使用する必要がある。永久鋳型成型品における複数の鋳型の必要性は、機械設備の費用を増加させ、通常で機械設備の費用を砂型鋳型よりも少なくとも5倍増加させてしまう。   However, all molds made from metal have significant economic disadvantages. Since the molded product needs to solidify before being removed from the mold, it is necessary to use multiple metal molds to achieve high productivity. The need for multiple molds in permanent molds increases the cost of mechanical equipment and typically increases the cost of mechanical equipment at least five times over sand molds.

従来の造形成型品の内部構造のもう1つの共通点としては、鋳型産業にて広く知られており、また理解されていることではあるが、より大きい幾何学的係数を示す領域(すなわち、冷却領域のうちより大きい体積率を有する領域)が、一般的に、より粗い構造を有するということである。成型品におけるそのような領域は、通常、かなり低い機械的特性を有する。さらに、そのような領域は、一般的に、収縮を引き起こす空洞(キャビティ)又は細孔を呈する。なぜなら、それらは、凝固の後期で供給金属から一層容易に分離するためである。そのような領域は、例えば、比較的薄い板上で分離した突起により形成されたホットスポットにて見受けられることが多い。複雑な成型品は、そのような特徴に満ちていることが多く、各種特性の均一化を妨げる。当該問題は、製品設計者の仕事をかなり複雑なものとしている。例えば、強度を上げるために断面を太くすることは、各種特性を弱め、最悪の場合には、欠陥を引き起こし、このために不確定度が増して逆効果となることが多い。   Another common feature of the internal structure of conventional shaped articles is a region that exhibits a larger geometric factor (ie, cooling That is, the region having a larger volume fraction) generally has a coarser structure. Such areas in molded articles usually have much lower mechanical properties. In addition, such regions typically exhibit cavities or pores that cause shrinkage. Because they are more easily separated from the feed metal later in solidification. Such regions are often found, for example, in hot spots formed by protrusions separated on a relatively thin plate. Complex molded products are often full of such features, preventing the uniformization of various properties. The problem complicates the work of product designers. For example, thickening the cross section to increase the strength weakens various characteristics and, in the worst case, causes a defect, which increases the uncertainty and often has the opposite effect.

成型品における凝固が遅い箇所にでは、(i)粗い構造(粗いDASにより特徴付けられる)になるだけでなく、(ii)多孔性も示し、(iii)一般に鉄を不純物とするアルミニウム合金にとって有害であるが、鉄の豊富な相から成る大きい板状結晶が形成され得る。これらのすべての要素は、合金の延性にとって非常に不利である非常に精細な鋳造ミクロ構造が、実験室での興味深い研究対象として様々な科学研究にて生み出されてきた。(例えば, the research paper by G.S. Reddy and J.A. Sekhar inActa Metallurgica, 1989, vol. 37, Number 5, pp. 1509-1519 and the research paper by L. Snugovsky, J.F. Major, D. D. Perovic and J. W. Rutter; "Silicon segregation in aluminium casting alloy” Materials Science and Technology 2000 16 125-128.).
しかしながら、そのような実験室での研究とは対照的に、本発明に記載した発明は、独自の条件を提供するものであり、この条件に従えば、本明細書に既述する凝固ミクロ構造(solidification microstructure)が定常的に生成され、三次元形状の成型品(鋳造品)を単発生産または量産できるように製造工程を操作することができる。
In places where solidification of molded products is slow, (i) not only has a rough structure (characterized by a rough DAS), but also (ii) exhibits porosity and (iii) is generally harmful to aluminum alloys with iron as an impurity However, large plate crystals composed of iron-rich phases can be formed. All these elements have produced very fine cast microstructures, which are very detrimental to the ductility of the alloy, in various scientific studies as interesting research subjects in the laboratory. (For example, the research paper by GS Reddy and JA Sekhar inActa Metallurgica, 1989, vol. 37, Number 5, pp. 1509-1519 and the research paper by L. Snugovsky, JF Major, DD Perovic and JW Rutter; "Silicon segregation in aluminum casting alloy ”Materials Science and Technology 2000 16 125-128.).
However, in contrast to such laboratory studies, the invention described in the present invention provides unique conditions, and according to these conditions, the solidification microstructure described previously in this specification. (Solidification microstructure) is constantly generated, and the manufacturing process can be operated so that a three-dimensional molded product (cast product) can be produced in a single generation or mass production.

成型品の内部が、造形成型品(成形鋳造品)の幾何学的効果の結果として加速的に凍結されることが一般にはあまり知られていない。成型品の表層近傍における初期の凝固化は、実質的には一定方向であり、通常は時間の経過と共に放物線状に増加する速度で変化する;すなわち、凝固速度は、凝固層の厚さが増加するにつれて速度が低下する。対照的に、成型品の中心部における残存液体の体積は、時間の経過と共に徐々に小さくなり、新たな方向から放出された増加する熱量を受けるため、凝固速度は、かなり増加する。当該効果は、本発明者らのうちの1人により詳細に述べられている。Castings, John Campbell,pp. 125-126 (2nd Edition, 2003) に当該記載があり、これはイギリスのオックスフォードのバターワースハイネマンにて出版されたものであり、その全文を参考文献として引用する。当該挙動は、鋳造鉄成型品の所謂逆チル効果により説明され、成型品の中央部は、よく説明できないようであるが、色を示して外見上は凝固することがあり、灰色を示して冷却速度の遅い成型品の外部領域と対照的である。   It is generally not well known that the interior of a molded product is frozen at an accelerated rate as a result of the geometric effects of the shaped product (molded product). The initial solidification near the surface of the molded article is substantially constant and usually changes at a rate that increases parabolically over time; that is, the solidification rate increases with the thickness of the solidified layer. As you do, the speed decreases. In contrast, the volume of residual liquid in the center of the molded part gradually decreases with time and undergoes an increasing amount of heat released from a new direction, so that the solidification rate increases considerably. This effect has been described in detail by one of the inventors. Castings, John Campbell, pp. 125-126 (2nd Edition, 2003), which is published in Butterworth Heinemann, Oxford, England, and is incorporated by reference in its entirety. The behavior is explained by the so-called reverse chill effect of the cast iron molded product, and the central part of the molded product does not seem to be well explained, but it may show color and solidify in appearance, and gray to cool. Contrast with the outer area of the slower molded product.

結果として、金属鋳型のように急速に凝固化できるという利点を有する一方で、砂型鋳型のようにより低費用、高生産性及び再生利用可能な鋳造法及び関連装置を開発することが望まれている。   As a result, it is desirable to develop a casting method and related equipment that has the advantage of being able to solidify rapidly like a metal mold, while being less expensive, more productive and recyclable like a sand mold. .

また、鍛造物と同様の実質的に均一な特性を促進するために、成型品の広範領域にわたり精細(微細)な凝固ミクロ構造の領域を示す骨材使用鋳型で成形された造形成型品を提供することも望まれている。(本発明で使用する高い冷却速度においては冷却速度の変化に対して各種特性は比較的影響されないことから、後述する変化(例えば、図4に示す)は、各種特性に重大な影響を与えず、実質的に鋳造製品の各種特性を均一化する。)特に、従来の骨材鋳造方法にて製造された構造よりも精細で、可能であれば永久鋳型により製造されたものよりも精細な精細ミクロ構造を有する骨材使用鋳型で成形された造形成型品を提供することが望まれている。   In addition, in order to promote substantially uniform properties similar to forgings, we provide shaped molded products molded with aggregate molds that show areas of fine (fine) solidification microstructures over a wide range of molded products. It is also desirable to do. (Since the various characteristics are relatively unaffected by changes in the cooling rate at the high cooling rate used in the present invention, the changes described later (for example, shown in FIG. 4) do not significantly affect the various characteristics. Substantially uniform the various properties of the cast product.) Especially finer than the structure produced by the conventional aggregate casting method, if possible finer than that produced by permanent mold It is desired to provide a shaped molded article molded with an aggregate-use mold having a microstructure.

さらに、成型品の遠位側の末端端(distal end)からフィーダー又は押湯(近位端)に向かって実質的に連続的な精細ミクロ構造領域を有する骨材使用鋳型で成形された造形成型品を提供することが望まれている。   In addition, the molding formed by an aggregate-use mold having a fine microstructure region that is substantially continuous from the distal end of the molded article to the feeder or feeder (proximal end). It is desirable to provide goods.

本発明は、アブレーション鋳造法による骨材にて形成される造形金属成型品であって、従来の骨材を含む造形鋳造法により生成された同様な質量又は断面厚さを有する同様な金属よりも精細な精細凝固ミクロ構造を含み、当該凝固ミクロ構造が、1以上のグレーン、デンドライト、共晶相、又は、これらいずれかの組み合わせから成る造形金属成型品を開示するものである。   The present invention is a shaped metal molded product formed of aggregate by an ablation casting method, than a similar metal having a similar mass or cross-sectional thickness generated by a shaped casting method including a conventional aggregate. Disclosed is a shaped metal molded article that includes a finely solidified microstructure, wherein the solidified microstructure is composed of one or more grains, dendrites, eutectic phases, or any combination thereof.

さらに、本発明は、骨材を含む鋳型内で急冷工程により形成され成型ミクロ構造を示す金属成型品であって、当該ミクロ構造が、金属成型品の表面の近傍に位置する第1領域であって、粗い凝固ミクロ構造を有する第1領域と、第1領域の内部に位置する第2領域であって、精細な凝固ミクロ構造領域を有する第2領域とから成る金属成型品を開示する。   Furthermore, the present invention is a metal molded product formed by a rapid cooling process in a mold containing aggregate and showing a molded microstructure, and the microstructure is a first region located in the vicinity of the surface of the metal molded product. Thus, a metal molded article comprising a first region having a rough solidified microstructure and a second region located inside the first region and having a fine solidified microstructure region is disclosed.

本発明は、さらなる観点において、共晶混合物を含む合金により形成される金属成型品であって、二重の凝固ミクロ構造領域から成り、当該二重の凝固ミクロ構造領域が、(i)1以上の精細デンドライト部分と、(ii)1以上の精細共晶部分とを含む金属成型品を開示する。   In a further aspect, the present invention is a metal molded article formed of an alloy containing a eutectic mixture, comprising a double solidified microstructure region, wherein the double solidified microstructure region is (i) 1 or more. And (ii) one or more fine eutectic parts.

加えて、本発明は、少なくとも部分的に骨材鋳型により作成された造形金属成型品鋳造であって、当該成型品が二重の凝固ミクロ構造領域を含み、当該二重の凝固ミクロ構造領域が、従来の骨材又は金属鋳型にて通常予想される範囲にて粒径、及び/又は、デンドライト(樹枝状結晶)アーム、及び/又は、共晶幅を有する少なくとも1つの粗い凝固ミクロ構造部分と、成型品の一部に従来の幅の1/3未満の粒径、及び/又は、デンドライト(樹枝状結晶)アーム、及び/又は、共晶幅を有する少なくとも1つの精細な凝固ミクロ構造部分とを有する造形金属成型品鋳造を開示する。   In addition, the present invention is a shaped metal molded article casting that is at least partially made of an aggregate mold, the molded article including a double solidified microstructure region, wherein the double solidified microstructure region is At least one coarsely solidified microstructure part having a particle size and / or dendrite arm and / or a eutectic width in the range normally expected in a conventional aggregate or metal mold, At least one finely-solidified microstructure part having a particle size of less than 1/3 of the conventional width and / or a dendrite arm and / or a eutectic width in a part of the molding; Disclosed is a molded metal molding casting having:

さらなる別の観点において、本発明は、骨材を含み、鋳型により造形される造形金属成型品であって、二重の凝固ミクロ構造領域を含み、当該二重の凝固ミクロ構造領域が、約50マイクロメーターから約200マイクロメーターの間隔で隔てられたデンドライトアーム(dendrite arm)を有するデンドライトを有する少なくとも1つの粗い凝固ミクロ構造部分と、約15マイクロメーターより小さい間隔で隔てられたデンドライトアームを有するデンドライトを有する少なくとも1つの精細凝固ミクロ構造部分とを含む造形金属成型品を開示する。   In yet another aspect, the present invention is a shaped metal molded article comprising aggregate and shaped by a mold, comprising a double solidified microstructure region, wherein the double solidified microstructure region is about 50 At least one coarsely solidified microstructure portion having a dendrite arm having a dendrite arm spaced from the micrometer by about 200 micrometers; and a dendrite having a dendrite arm spaced by less than about 15 micrometers A shaped metal molded article comprising at least one finely solidified microstructured portion having

別の観点において、アブレーション鋳造法による骨材にて造形される造形金属成型品であって、従来の骨材造形鋳造法により生成された同様な質量又は断面厚さの同様な金属を有する成型品のデンドライトアーム間隔よりも精細なデンドライトアーム間隔を有する精細凝固ミクロ構造を含む造形金属成型品を開示する。   In another aspect, a molded metal molded article formed by an aggregate by an ablation casting method and having a similar metal having a similar mass or cross-sectional thickness generated by a conventional aggregate molding casting method A shaped metal molded article is disclosed that includes a finely solidified microstructure having a finer dendrite arm spacing than the dendrite arm spacing.

さらに、鍛造物に関連する特性にある程度類似する実質的に完全で高水準で実質的に均一な各種特性を有する造形金属成型品を開示する。   Further disclosed are shaped metal moldings having various characteristics that are substantially complete, high level, and substantially uniform that are somewhat similar to those associated with forgings.

本発明に従う成型品の他の特徴及び利点は、図面、詳細な説明、実施例及び請求項にてさらに理解されるものである。   Other features and advantages of the molded article according to the present invention will be further understood in the drawings, detailed description, examples and claims.

図面は、本発明を具体化した様々な実施形態を説明する目的のみで使用するものであり、当該具体化に関する実施形態を制限するものではない。   The drawings are only used to illustrate various embodiments of the invention and are not intended to limit the embodiments relating to the embodiments.

図1は、樹枝状(デンドライト)凝固を受ける固溶体合金の冷却曲線を示す。FIG. 1 shows the cooling curve of a solid solution alloy that undergoes dendritic solidification. 図1Aは、デンドライトアーム間隔及び凍結もしくは凝固速度との関係を示す図を示す。FIG. 1A shows a diagram illustrating the relationship between dendrite arm spacing and freezing or clotting rate. 図2は、従来の鋳造法により鋳造された固溶体合金のミクロ構造を示す顕微鏡写真(X200)を示す。FIG. 2 shows a photomicrograph (X200) showing the microstructure of a solid solution alloy cast by a conventional casting method. 図3は、アブレーションにより生産された精細凝固ミクロ構造領域(二重(dual)DAS構造)を含む固溶体合金の顕微鏡写真を示す。FIG. 3 shows a photomicrograph of a solid solution alloy containing a finely solidified microstructure region (dual DAS structure) produced by ablation. 図4A−4Eは、精細凝固ミクロ構造領域を含む金属成型品の概要図を示す。4A-4E show schematic views of a metal molded product that includes a finely solidified microstructure region. 図5は、デンドライト(樹枝状結晶)と共晶の混合した合金の冷却曲線を示す。FIG. 5 shows a cooling curve of a mixed alloy of dendrites (dendrites) and eutectic. 図6は、粒子が従来の方法で鋳造された粗い共晶シリコン断片を示す356合金のミクロ構造を示す顕微鏡写真(X200)を示す。FIG. 6 shows a photomicrograph (X200) showing the microstructure of 356 alloy showing coarse eutectic silicon fragments cast by conventional methods. 図7は、粗い領域に加えてに精細な樹枝状物質(二重DAS構造)及び精細な共晶材料の領域を有し、アブレーション凍結した(ablation-frozen)A356合金を示す顕微鏡写真(X200において)を示す。FIG. 7 is a micrograph (in X200) showing an ablation-frozen A356 alloy with fine dendritic material (double DAS structure) and fine eutectic material region in addition to the rough region. ). 図8は、均一な粗いDAS及び均一で精細な共晶相を示すアブレーション凍結したA356合金の一部を示す顕微鏡写真(X200)を示す。FIG. 8 shows a photomicrograph (X200) showing a portion of an ablation frozen A356 alloy exhibiting uniform coarse DAS and a uniform fine eutectic phase. 図9は、精細な共晶領域を有するが、溶体化熱処理の後に多少粗化したアブレーション凍結したA356合金を示す顕微鏡写真(X200)を示す。FIG. 9 shows a photomicrograph (X200) showing an ablation frozen A356 alloy with fine eutectic regions but somewhat roughened after solution heat treatment. 図10は、粗い樹枝状のミクロ構造及び主に精細な共晶ミクロ構造を示すが、粗い共晶相を少量含むアブレーション凍結したA356合金を示す顕微鏡写真(X200)を示す。FIG. 10 shows a photomicrograph (X200) showing an ablation frozen A356 alloy with a coarse dendritic microstructure and predominantly fine eutectic microstructures but containing a small amount of coarse eutectic phase. 図11は、より高い倍率における図10の顕微鏡写真(X1000)の詳細を示す。FIG. 11 shows details of the micrograph (X1000) of FIG. 10 at higher magnification. 図12は、典型的な実施形態に従って形成された樹枝状合金の様々な部分の凝固速度を示す。FIG. 12 shows the solidification rate of various portions of a dendritic alloy formed according to an exemplary embodiment. 図13は、典型的な実施形態の成型品における様々な断片の冷却速度を示す図を示す。FIG. 13 shows a diagram illustrating the cooling rate of various pieces in a molded article of an exemplary embodiment. 図14は、様々な典型的な実施形態の成型品における機械的特性を示す表を示す。FIG. 14 shows a table showing the mechanical properties of various exemplary embodiment molded articles. 図15は、様々な鋳造法により形成された金属成型品の機械特性を比較した棒グラフ及び表を示す。FIG. 15 shows a bar graph and a table comparing the mechanical properties of metal moldings formed by various casting methods. 図16は、アルミ合金のデンドライト(樹枝状結晶)のセルサイズ及び凝固速度との関係を示す図を示す。FIG. 16 is a graph showing the relationship between the cell size and solidification rate of an aluminum alloy dendrite (dendritic crystal). 図17aは、アルミ合金の2.75”(2.75インチ)直径塊の従来のキャスト永久鋳型ミクロ構造の顕微鏡写真(X1000)を示す。FIG. 17a shows a photomicrograph (X1000) of a conventional cast permanent mold microstructure of an aluminum alloy 2.75 ″ (2.75 inch) diameter block. 図17bは、合金のアブレーション法で生成された上記と同じ金属のミクロ構造の顕微鏡写真(X1000)であって、アブレーションされた部分の開始位置(最初の部分)の写真を示す。FIG. 17b is a photomicrograph (X1000) of the same metal microstructure produced by the ablation method of the alloy, showing the start position (first part) of the ablated part. 図17cは、アブレーションされた部分の最後の部分における顕微鏡写真(X1000)を示す。FIG. 17c shows a micrograph (X1000) in the last part of the ablated part. 図18は、熱処理の後に試験用テンシルバーが機械加工された位置(枠で示す)を示すアブレーション凍結したB206合金の自動制御アームの写真を示す。FIG. 18 shows a photograph of an ablation frozen B206 alloy automatic control arm showing the location (indicated by the frame) where the test Tensilver was machined after heat treatment. 図19は、所定の典型的な実施形態におけるB206アルミ合金成型品の非常に厚い断片から得られた機械的特性の表を示す。FIG. 19 shows a table of mechanical properties obtained from very thick pieces of B206 aluminum alloy moldings in certain exemplary embodiments. 図20は、A206に関する様々な鋳造法で生産された鋳造テンシルバーに関する文献データを示す表を示す。FIG. 20 shows a table showing literature data on cast ten silver produced by various casting methods for A206. 図21は、図18に示した厚形材の中心から得られ、粗い樹脂上物質と精細な樹枝状物質(二重DAS構造)の両方を有する鋳放し(F焼入れ)したB206成型品の顕微鏡写真を示す。FIG. 21 is a microscope of an as-cast (F-quenched) B206 molded article obtained from the center of the thick section shown in FIG. 18 and having both a coarse resinous substance and a fine dendritic substance (double DAS structure). Show photos.

(詳細な説明)
本発明は、少なくとも精細な凝固ミクロ構造領域を含み、骨材鋳造され、造形された成型品に関連する。本発明に従う骨材鋳造造形金属成型品は、従来の骨材鋳造方法による凝固ミクロ構造よりも精細な凝固ミクロ構造を含む。幾つかの実施形態では、本発明に従う骨材鋳造造形金属成型品は、実質的に多孔率がゼロである凝固ミクロ構造を有する。
(Detailed explanation)
The present invention relates to a molded article that has at least a finely solidified microstructure region and is aggregate cast and shaped. The aggregate cast shaped metal molded article according to the present invention includes a solidified microstructure that is finer than the solidified microstructure formed by the conventional aggregate casting method. In some embodiments, an aggregate cast shaped metal molded article according to the present invention has a solidified microstructure that has substantially zero porosity.

凝固ミクロ構造の型又は性質は、変化し、凝固化を受ける金属及び/又は合金に依存する。様々なミクロ構造は、デンドライト(樹枝状結晶)、共晶相、グレーン、及びこれらと同様のものを含む。1つの実施形態では、例えば、造形成型品は、1種類のみのミクロ構造を有する。さらに、さらに、合金は、1以上の異なるミクロ構造を含む凝固ミクロ構造を示す。 例えば、1つの実施形態では、造形成型品は、デンドライト(樹枝状結晶)及びグレーンの組み合わせを含むミクロ構造を示す。他の実施形態では、造形成型品は、デンドライト(樹枝状結晶)及び共晶相の組み合わせを示す。さらに他の実施形態では、造形成型品は、デンドライト(樹枝状結晶)、共晶相及び粒の組み合わせを示す。これらの実施形態は、実施形態を制限するものではなく、他の組み合わせ及び/又は他のミクロ構造も可能である。   The type or nature of the solidification microstructure varies and depends on the metal and / or alloy that undergoes solidification. Various microstructures include dendrites (dendrites), eutectic phases, grains, and the like. In one embodiment, for example, the shaped article has only one type of microstructure. Moreover, the alloy further exhibits a solidified microstructure that includes one or more different microstructures. For example, in one embodiment, the shaped article exhibits a microstructure that includes a combination of dendrites (dendrites) and grains. In other embodiments, the shaped article exhibits a combination of dendrites (dendrites) and eutectic phases. In yet another embodiment, the shaped article exhibits a combination of dendrites (dendritic crystals), eutectic phases and grains. These embodiments do not limit the embodiments, and other combinations and / or other microstructures are possible.

本発明において使用する共晶合金とは、亜共晶、近共晶、又は、超共晶合金を含む共晶相を形成する任意の合金を含む。   The eutectic alloy used in the present invention includes any alloy that forms a eutectic phase including a hypoeutectic, near-eutectic, or supereutectic alloy.

本発明に従う骨材鋳造された造形金属成型品は、2003年7月7日に出願された米国出願番号10/614,601で説明された方法により形成することができ、その公開された全内容が参照することにより本発明に含まれる。一般的に、米国出願番号10/614,601は、骨材含有鋳造造形成型品の急冷及び凝固の製法を公開している。 また、当該方法は、鋳型の除去も行う。 米国出願番号10/614,601にて説明された製法は、本発明では「アブレーション」として引用している。   An aggregate cast shaped metal molded article according to the present invention can be formed by the method described in US Application No. 10 / 614,601 filed on July 7, 2003, the entire contents of which are referred to This is included in the present invention. In general, US Application No. 10 / 614,601 discloses a method for quenching and solidifying aggregate-containing cast shaped articles. The method also removes the template. The process described in US application Ser. No. 10 / 614,601 is referred to herein as “ablation”.

アブレーション法で凝固されると、金属成型品は、従来の骨材使用鋳造法により生成された同様な質量又は断面厚さを有する同様な金属よりも精細な凝固ミクロ構造を示す。ミクロ構造の精細度は、特定のタイプのミクロ構造により示される大きさ又は間隔で定義される。例えば、グレーンは粒径を示し、デンドライト(樹枝状結晶)はデンドライトアーム間隔を示し、共晶相は共晶間隔を示す。   When solidified by the ablation method, the metal molding exhibits a finer solidification microstructure than a similar metal having a similar mass or cross-sectional thickness produced by a conventional aggregate casting method. Microstructure definition is defined by the size or spacing exhibited by a particular type of microstructure. For example, grain indicates particle size, dendrite (dendritic crystal) indicates dendrite arm spacing, and eutectic phase indicates eutectic spacing.

図1は、固溶体合金の冷却又は凝固曲線を示す。固溶型合金は、凝固する間に、グレーン及び/又はデンドライト(樹枝状結晶)を形成する。冷却曲線は、時間の経過に伴う固溶体合金の冷却を、液体温度(TL)を通過する注湯温度(Tp)から凝固化が完了する固体温度(Ts)まで示した。   FIG. 1 shows the cooling or solidification curve of a solid solution alloy. Solid solution alloys form grains and / or dendrites (dendrites) during solidification. The cooling curve showed the cooling of the solid solution alloy over time from the pouring temperature (Tp) passing through the liquid temperature (TL) to the solid temperature (Ts) at which solidification was completed.

従来の骨材含有鋳造における固溶型合金の冷却は、時間/温度分布である「abcdef」にて示した。従来方法を使用した冷却の総時間は、分単位から時間単位までの範囲があり、言うまでも無く、特に成型品の厚さ及び熱が成型品に移動する割合に依存した。冷却速度は、デンドライト(樹枝状結晶)を形成する間の潜熱発生の結果として、液体温度(TL)では遅かった。凝固化は、固体温度(Ts)で完了し、温度降下速度は、潜熱発生が一旦収まると減少した。   The cooling of the solid solution type alloy in the conventional aggregate-containing casting is indicated by “abcdef” which is a time / temperature distribution. The total cooling time using the conventional method ranges from minutes to hours, and of course depends on the thickness of the molded product and the rate at which heat is transferred to the molded product. The cooling rate was slow at the liquid temperature (TL) as a result of latent heat generation during the formation of dendrites (dendrites). Solidification was completed at the solid temperature (Ts) and the rate of temperature decrease decreased once the latent heat generation had subsided.

図1の地点「e」では、急冷させることが遅すぎたために、凝固ミクロ構造に何らかの効果を与えることができなかった。そして、例えば、冷却プロファイル「el」は、凝固ミクロ構造に何らかの効果を与えることができず、本発明の一部として含まれない。
しかしながら、「el」のような冷却プロファイルは、成型品が金属ダイから取り出されて水に入れて急冷する鋳造産業において一般的に利用されている。
At point “e” in FIG. 1, the rapid solidification was too late, so that no effect could be given to the solidified microstructure. And for example, the cooling profile “el” cannot have any effect on the solidification microstructure and is not included as part of the present invention.
However, a cooling profile such as “el” is commonly used in the casting industry where a molded product is removed from a metal die and placed in water for rapid cooling.

固溶体合金の凝固構造は、通常は、ほぼ全てが、残存する内部の樹枝状物質の無視できる厚さにより輪郭が描かれるデンドライト(樹枝状結晶)から成る。二次的なデンドライトアーム間隔(本発明でデンドライトアーム間隔又はDASと略称することが多い)は、凍結時間、すなわち、成型品の固定位置が合金の液体温度TL及び固体温度Tsの間の温度にある時間の凝固時間に依存している。図1aの時間を見れば、ts = te - tcであることが分かる。   The solid-state structure of a solid solution alloy usually consists of dendrites (dendrites) that are almost entirely delineated by a negligible thickness of the remaining internal dendritic material. The secondary dendrite arm spacing (often referred to as dendrite arm spacing or DAS in the present invention) is the freezing time, i.e. the temperature at which the molded part is fixed is between the liquid temperature TL and the solid temperature Ts of the alloy. It depends on the clotting time of a certain time. From the time of FIG. 1a, it can be seen that ts = te−tc.

図1aは、多くの一般的なアルミニウム合金における局所的DASと局所的tsとの対数関係を略示する。同図は、DASを10倍減少させるには、tsを約1000倍で減少させることが必要であることを示す。(残念ながら、そのような関係は、グレーン、共晶幅に関しては調べられておらず、そのため、いくつかの合金の凝固構造のこれらの他の特徴に関して明確で定量的な記述を容易に行うことができない。従って、本発明にて記載されたアブレーションによる構造に関する定量的予測は、DASに向けられる。しかしながら、非定量的であるが同様のことが粒径と共晶幅にあてはまるものと理解される。)このようにして、冷却速度を非常に大きく増加することが、実質的に凝固ミクロ構造の精細度に影響するために必要とされている。   FIG. 1a schematically illustrates the logarithmic relationship between local DAS and local ts in many common aluminum alloys. The figure shows that to reduce DAS by 10 times, it is necessary to reduce ts by approximately 1000 times. (Unfortunately, such a relationship has not been investigated with respect to grain, eutectic width, and therefore facilitates a clear and quantitative description of these other characteristics of the solidification structure of some alloys. Therefore, the quantitative predictions regarding the ablation structure described in the present invention are directed to DAS, however, it is understood that the same is true for grain size and eutectic width, although not quantitative. Thus, a very large increase in the cooling rate is required to substantially affect the fineness of the solidified microstructure.

図1で例示された定量的相関は、デンドライト(樹枝状結晶)及びデンドライトアーム間隔に関して説明されるものであるが、同様のことは、グレーン及び/又は共晶相を含む合金における粒径及び/又は共晶幅においてもあてはまるものと予想される。   The quantitative correlation illustrated in FIG. 1 is explained in terms of dendrites (dendrites) and dendritic arm spacing, but the same is true for grain size and / or in alloys containing grains and / or eutectic phases. Or it is expected that this applies to the eutectic width.

従来の骨材鋳造方法において、数ポンド又はキログラムの重さの小さいアルミ合金成型品に対しては、局所的な凝固時間は、通常、約1,000秒オーダーである。これらの従来の骨材鋳造方法では、約100マイクロメーターのDASで、時折、約50マイクロメーターから約200マイクロメーターまでの幅でDASを有する成型品を生産する。本文中では、50マイクロメーターより大きいDASを有する凝固ミクロ構造は、「粗い」ミクロ構造と言う。図2は、従来の方法により鋳造された固溶体鋳造合金A206(標準的なAl - 4.5wt%Cu合金)の粗いミクロ構造を示す顕微鏡写真である。   In conventional aggregate casting methods, the local solidification time is typically on the order of about 1,000 seconds for aluminum alloy molded articles weighing a few pounds or kilograms. These conventional aggregate casting methods produce DAS with a DAS of about 100 micrometers and occasionally with DAS in a width from about 50 micrometers to about 200 micrometers. In the text, solidified microstructures with DAS greater than 50 micrometers are referred to as “coarse” microstructures. FIG. 2 is a photomicrograph showing the coarse microstructure of solid solution cast alloy A206 (standard Al-4.5 wt% Cu alloy) cast by the conventional method.

本発明に従う成型品は、少なくとも成型品の一部において精細(微細)な凝固ミクロ構造を有する。すなわち、成型品は、0%から最大100%までの精細な凝固ミクロ構造を有する。1つの実施形態では、成型品は、実質的に、粗い凝固ミクロ構造が無く、成型品にて連続した最大100%の精細な凝固ミクロ構造を有する。 他の実施形態では、成型品は、成型品の表面の近傍に位置し、最大100%の粗い凝固ミクロ構造を有する第1領域と、第1領域の内部に位置し、最大100%の精細な凝固ミクロ構造を有する第2領域とを有する。 さらに他の実施形態では、本発明に従う成型品は、連続的であるか又は少なくとも実質的に連続的であり、遠位端(distal end)から近位端(proximal end)、即ち、フィーダー又は押湯に隣接した末端部に向かって拡がる領域を有する。   The molded product according to the present invention has a fine (fine) solidification microstructure in at least a part of the molded product. That is, the molded product has a fine solidification microstructure from 0% to a maximum of 100%. In one embodiment, the molded article is substantially free of coarse solidified microstructure and has a fine solidified microstructure of up to 100% continuous in the molded article. In other embodiments, the molded article is located near the surface of the molded article and has a first region having a coarse solidification microstructure of up to 100% and an interior of the first region and up to 100% fine. And a second region having a solidified microstructure. In yet another embodiment, the molded article according to the present invention is continuous or at least substantially continuous and has a distal end to a proximal end, i.e. a feeder or pusher. It has a region that extends toward the end adjacent to the hot water.

成型品は、成型品の表面の近傍に位置し、最大100%の粗い凝固ミクロ構造を有する第1領域と、第1領域の内部に位置し、最大100%の精細な凝固ミクロ構造を有する第2領域とを有する。 他の実施形態では、成型品は、粗い凝固ミクロ構造領域及び精細な凝固ミクロ構造領域の間に二重(dual)の凝固ミクロ構造領域を有する。本明細書で使用する二重(dual)のミクロ構造領域は、精細なミクロ構造の1以上の領域を点在させる粗いミクロ構造領域を含む領域である。さらに他の実施形態では、成型品の二元的な凝固ミクロ構造は、成型品の遠位端からフィーダーまで、実質的に連続する。   The molded article is located in the vicinity of the surface of the molded article and has a first region having a coarse solidification microstructure of up to 100% and a first region having a fine solidification microstructure of up to 100% located inside the first region. 2 regions. In other embodiments, the molded article has a dual solidified microstructure region between a coarse solidified microstructure region and a fine solidified microstructure region. As used herein, a dual microstructure region is a region that includes a coarse microstructure region interspersed with one or more regions of a fine microstructure. In yet other embodiments, the dual solidification microstructure of the molded article is substantially continuous from the distal end of the molded article to the feeder.

一般に、デンドライトアーム間隔は、凝固が発生している時間に依存する。 図1Aに示すように、凝結時間に対するデンドライトアーム間隔の対数/対数関係は、直線的であり、例えば、アルミニウム合金では、約1/3の勾配となる。グラフは、凝結時間がそれぞれ100倍になると当該間隔が約5倍減少することを示す。したがって、従来の鋳型の所定の鋳造断片は、1000秒の凝結を受けると100マイクロメーターの対応するDASを与える。米国出願番号10/614,601にて記載されたアブレーション鋳造技術において、同様の鋳造断片は、ほんの約10秒の局所的な凝固時間で生じ、約20マイクロメーターのデンドライトアーム間隔を与えると考えられる。間隔及び凝固時間の関係は、すべての実験時間にわたり一定を維持した。 図3は、精細な凝固ミクロ構造領域及び粗いミクロ構造領域の両領域を示す顕微鏡写真である。   In general, the dendrite arm spacing depends on the time at which solidification occurs. As shown in FIG. 1A, the logarithmic / logarithmic relationship of the dendrite arm interval to the setting time is linear, for example, an aluminum alloy has a gradient of about 1/3. The graph shows that the interval decreases about 5 times as the setting times each increase 100 times. Thus, a given cast piece of a conventional mold gives a corresponding DAS of 100 micrometers when subjected to 1000 seconds of setting. In the ablation casting technique described in US application Ser. No. 10 / 614,601, similar cast pieces would occur with a local solidification time of only about 10 seconds, giving a dendrite arm spacing of about 20 micrometers. The relationship between interval and clotting time remained constant over all experimental times. FIG. 3 is a photomicrograph showing both the fine solidified microstructure region and the coarse microstructure region.

図4A−4Eは、精細凝固ミクロ構造領域を含み、骨材鋳造され、造形された金属成型品の様々な典型的な実施形態を示す。   FIGS. 4A-4E illustrate various exemplary embodiments of a metal casting that has been finely cast and shaped, including a finely solidified microstructure region.

図4Aは、成型品がわずかな比率の精細な凝固ミクロ構造を有する実施形態を示す。図4Aの成型品は、アブレーションのような急冷過程が鋳造過程で適用された場合のものを示す。図4Aの成型品においては、凝固は、急冷(例えばアブレーション)より先立って発生することがあり、成型品は、部分的に、小さい幾何学係数(冷却面率に対する体積)を有して従来通りに凍結する。二重の凝固ミクロ構造領域は、アブレーションの発生前に凝固した部分に発生する場合もあれば、アブレーションの発生時に液体である部分に発生する場合もある。成型品の一部が急冷過程以前に凝固したために本発明の最適な適用からかけ離れた図4Aのような実施例においてさえ、精細な凝固ミクロ構造が少量でも存在することは効果がある。明らかに、従来の過程では、金属合金において少ない割合の残存溶液を維持させることは、収縮を起こす多孔性(shrinkage porosity)のように欠損を作成することなしに凍結させることは特に困難である。しかしながら、アブレーションのような急冷技術を適用することにより、これらの領域を欠損領域から精細構造領域へと変化させる。さらに小さい領域の精細構造が存在することは、従来通り凝固された成型品の欠損領域と比較して良好な機械的特性を与える。図4Aにて示された残存溶液の捕捉領域が、収縮を起こす多孔性を示すことが考えられるが、当該領域のアブレーション凍結は、当該収縮量を減少させ、当該捕捉領域を強く頑丈な対応領域に置換され得る。図4Aの凝固ミクロ構造のプロファイルでは、急冷段階は、かなり遅く、図1のグラフの点「e」より近いがこの点より以前であると考えられる。   FIG. 4A shows an embodiment in which the molded article has a small proportion of fine solidification microstructure. The molded product of FIG. 4A shows a case where a quenching process such as ablation is applied in the casting process. In the molded article of FIG. 4A, solidification may occur prior to rapid cooling (eg, ablation), and the molded article partially has a small geometric coefficient (volume relative to the cooling surface rate) and is conventional. Freeze on. The double solidified microstructure region may occur in a portion solidified before the occurrence of ablation, or may occur in a portion that is liquid when the ablation occurs. Even in embodiments such as FIG. 4A, which are far from optimal application of the present invention because some of the molded parts have solidified prior to the quenching process, it is beneficial to have a small amount of fine solidification microstructure. Obviously, in the conventional process, maintaining a small percentage of residual solution in the metal alloy is particularly difficult to freeze without creating defects, such as shrinkage porosity. However, by applying a rapid cooling technique such as ablation, these regions are changed from defect regions to fine structure regions. The presence of a finer structure in a smaller area gives better mechanical properties compared to the defect area of a molded product that has been solidified as before. Although it is conceivable that the trapping region of the remaining solution shown in FIG. 4A exhibits porosity that causes shrinkage, ablation freezing of the region reduces the amount of shrinkage and makes the trapping region strong and sturdy. Can be substituted. In the solidification microstructure profile of FIG. 4A, the quenching phase is considered to be much slower, closer than but prior to point “e” in the graph of FIG.

他の実施形態において、骨材鋳型形成成型品は、精細な凝固ミクロ構造領域及び二重の凝固ミクロ構造領域を有し、当該二重の凝固ミクロ構造領域が該成型品の遠位端から近位端まで実質的に連続する。図4Bの実施形態では、実質的に連続する二重の凝固ミクロ構造領域を有する成型品の実施形態の一例を示す。図4Bの凝固ミクロ構造のプロファイルは、図1の冷却プロファイル「abcdjk」に従うものとして予想することができる。図4Bにおいて、氷点(freezing point)は、収縮した断片の自然凍結が中央部に到達した点に至り且つその点を通過する。成型品は、アブレーションのような急冷工程により、当該成型品のより遠位端から当該中央部まで凍結する。急速凍結により生成される精細構造領域がモジュラス圧縮に達したところで終わる場合(図4Bの実施形態のように)、成型品は、当該地点まで頑丈に凍結する。図4Bの実施形態では収縮した局所領域に二重の凝固ミクロ構造が無いにも関わらず、成型品の残留部全体に対する急速な局所凝固時間により、実質的に精密で頑丈な合金から成り、成型品の残留部全体に対して収縮欠陥の無い連続的な領域を生成される。したがって、成型品の遠位領域から近位のフィーダーまで指向的に凝固を促進することにより、成型品のより遠位の領域は、従来の方法では達成することができない精細な凝固ミクロ構造及び機械的頑丈さを示す。   In other embodiments, the aggregate templated molded article has a fine solidified microstructure region and a double solidified microstructure region, wherein the double solidified microstructure region is proximate from the distal end of the molded product. Substantially continuous to the end. The embodiment of FIG. 4B shows an example of an embodiment of a molded article having a double continuous solidified microstructure region that is substantially continuous. The solidification microstructure profile of FIG. 4B can be expected to follow the cooling profile “abcdjk” of FIG. In FIG. 4B, the freezing point reaches and passes through the point where the natural freezing of the shrunken fragments has reached the center. The molded product is frozen from the distal end of the molded product to the central portion by a quenching process such as ablation. If the fine structure region produced by rapid freezing ends where the modulus compression is reached (as in the embodiment of FIG. 4B), the molded product freezes firmly to that point. In the embodiment of FIG. 4B, despite the absence of a double solidification microstructure in the shrunken local region, the rapid local solidification time for the entire remaining part of the molded article results in a substantially precise and robust alloy, A continuous region free of shrinkage defects is generated for the entire remaining part of the product. Thus, by promoting clotting in a directional manner from the distal region of the molded article to the proximal feeder, the more distal region of the molded article has a fine solidification microstructure and machine that cannot be achieved by conventional methods. Shows robustness.

図4Cの実施形態において、成型品は、精細な凝固ミクロ構造の割合が高く、二重の凝固ミクロ構造領域は、成型品の収縮領域を通過して連続する。そのような望ましい凝固ミクロ構造は、アブレーションのような急冷工程を適用することにより、図4Bで示すものよりも1時間速く到達することができる。他の実施形態において、図4Dに示すように、金属成型品は、成型品の遠位端からフィーダーまで、実質的に連続した望ましい精細な凝固ミクロ構造領域を含む。 そのような凝固ミクロ構造は、冷却プロファイルにて急冷工程を早く適用することにより達成することができる。また、当該実施形態において、成型品は、二重の凝固ミクロ構造領域及び粗い凝固ミクロ構造領域も含むことができる。 図4C及び4Dの凝固ミクロ構造プロファイルは、急冷工程を早期に適用することにより達成できると考えられ、これには、成型品の最も狭い部分が、図1の冷却プロファイルにおいて、c及びdの間の地点で開始する経路に従うようにする。   In the embodiment of FIG. 4C, the molded product has a high proportion of fine solidified microstructure, and the double solidified microstructure region continues through the shrinkage region of the molded product. Such desirable solidification microstructure can be reached 1 hour faster than that shown in FIG. 4B by applying a quenching process such as ablation. In other embodiments, as shown in FIG. 4D, the metal molding includes a desired finely-solidified microstructure region that is substantially continuous from the distal end of the molding to the feeder. Such a solidification microstructure can be achieved by applying a rapid quenching process early in the cooling profile. In this embodiment, the molded article can also include a double solidified microstructure region and a coarse solidified microstructure region. The solidification microstructure profile of FIGS. 4C and 4D is believed to be achievable by applying the quenching process early, in which the narrowest part of the molded part is between c and d in the cooling profile of FIG. Follow the route starting at.

さらに他の実施形態では、図4Eに示すように、凝固ミクロ構造全体が、精細な凝固ミクロ構造を有する。そのような望ましい構造は、図1の冷却曲線で地点「b」に急冷工程を適用し、プロファイル「abghi」に従うことにより達成できる。これは、凍結が鋳型の熱損失が原因ではなく、さらに凍結が全て一定方向で高率で起こるとすれば、起こり得ることと考えられる。しかしながら、そのような構造は、容易に達成されず、本発明者らによりまだ実験的に達成されてはいない。当該凝固ミクロ構造を達成する困難さは、冷却剤が液状の成型品の表面に直接衝突することから生じる。 100%の精細な凝固ミクロ構造
を有する成型品は、一定の条件下、例えば、高い絶縁性を有する鋳型を使用することや、高い指向性を有する凝固化工程を適用することにて達成できる可能性がある。
In yet another embodiment, as shown in FIG. 4E, the entire solidification microstructure has a fine solidification microstructure. Such a desirable structure can be achieved by applying a quench process to point “b” in the cooling curve of FIG. 1 and following the profile “abghi”. This is thought to be possible if freezing is not caused by heat loss of the mold, and if freezing occurs all at a high rate in a certain direction. However, such a structure is not easily achieved and has not yet been experimentally achieved by the inventors. The difficulty in achieving the solidification microstructure arises from the direct impact of the coolant on the surface of the liquid molding. A molded product with a 100% fine solidification microstructure can be achieved under certain conditions, for example, by using a highly insulating mold or by applying a solidification process with high directivity. There is sex.

骨材鋳型により成形された金属成型品は、約1%から約100%の精細な凝固ミクロ構造を含む。少量の凝固ミクロ組織であっても、成型品の機械的特性を高めることに対して望ましい。本発明で示されるように、少量の精細な凝固ミクロ構造の形成が、指向性を有する凝固及び最適な原料流入により、収縮を起こす多孔性のような欠陥を防止するからである。   Metal moldings formed from aggregate molds contain from about 1% to about 100% finely solidified microstructures. Even a small amount of solidified microstructure is desirable for enhancing the mechanical properties of the molded article. This is because, as shown in the present invention, the formation of a small amount of fine solidification microstructure prevents defects such as porosity that causes shrinkage due to directional solidification and optimal raw material inflow.

精細な凝固ミクロ構造領域を含む本発明に従う成型品は、樹枝状に凝固する任意の固溶体合金から形成することができる。これらは鉄製材料及び非鉄製材料の両方を含む。粗い凝固ミクロ組織領域及び精細な凝固ミクロ組織領域の両方のデンドライトアーム間隔は、使用した金属に応じて異なる。アルミ合金に関して、粗い凝固ミクロ構造領域は、通常、約50マイクロメーターより大きいデンドライトアーム間隔を有する。いくつかの実施形態では、粗い凝固ミクロ構造は約50から約200マイクロメーターのデンドライトアーム間隔を有する。 アルミ合金においても、精細な凝固ミクロ組織は、約15マイクロメーター未満のデンドライトアーム間隔を有し、実施形態によっては、約5から約15マイクロメーターのデンドライトアーム間隔を有する。   Molded articles according to the present invention containing finely solidified microstructure regions can be formed from any solid solution alloy that solidifies in a dendritic manner. These include both ferrous and non-ferrous materials. The dendrite arm spacing in both the coarse and fine solidified microstructure regions varies depending on the metal used. For aluminum alloys, the coarsely solidified microstructure region typically has a dendrite arm spacing greater than about 50 micrometers. In some embodiments, the coarse solidified microstructure has a dendrite arm spacing of about 50 to about 200 micrometers. Even in aluminum alloys, the finely solidified microstructure has a dendrite arm spacing of less than about 15 micrometers, and in some embodiments has a dendrite arm spacing of about 5 to about 15 micrometers.

凝固が、一部が樹枝状の凝固により生じ、一部が共融凝固により生じ、多くのAl-Si合金、好適にはAl-7Si-0.4Mg (A356) 合金として示される合金は、精細な樹枝状(dendritic)及び/又は精細な共晶(eutectic)ミクロ構造を示す。混合したデンドライト(樹枝状結晶)/共晶合金に対する従来の冷却曲線は、図5の「a-h」として示される。注湯温度(Tp)である地点「a」から開始し、液状合金は、液体温度(TL)である地点「c」(デンドライト(樹枝状結晶)が形成し始める地点)まで冷却される。デンドライト(樹枝状結晶)の成長は地点「e」にて完了し、当該地点は、共晶温度(TE)を示す。温度低下は止まり、地点「g」で共融固化が完成するまで安定期となる。この地点では、成型品は完全に凍結し、「gh」に従ってさらに室温にまで冷却される。本発明の応用から効果的に利益が得られるAl-Si合金である第2の実施例の合金は、広く使用されたA319合金である。当該合金は多少の銅を含む。当該合金は、等温線ではない共晶形成領域「eg」を有することがA356といくらか異なり、図5の水平プラトー領域「eg」は、、安定した下降傾斜を呈する。しかしながら、同じ原理が正確に適用される。 Solidification occurs partly by dendritic solidification, partly by eutectic solidification, and many Al-Si alloys, preferably those shown as Al-7Si-0.4Mg (A356) alloys, are fine It shows dendritic and / or fine eutectic microstructures. The conventional cooling curve for the mixed dendrite / eutectic alloy is shown as “a-h” in FIG. Starting from the point “a” at the pouring temperature (Tp), the liquid alloy is cooled to the point “c” (the point at which dendrites (dendrites) begin to form) at the liquid temperature (TL). Dendritic (dendritic) growth is completed at point “e”, which indicates the eutectic temperature (TE). The temperature drop ceases and the stable period is reached until eutectic solidification is completed at point “g”. At this point, the part is completely frozen and further cooled to room temperature according to “gh”. The alloy of the second embodiment, which is an Al-Si alloy that can effectively benefit from the application of the present invention, is the widely used A319 alloy. The alloy contains some copper. The alloy is somewhat different from A356 in having a eutectic formation region “eg” that is not an isotherm, and the horizontal plateau region “eg” in FIG. 5 exhibits a stable downward slope. However, the same principle applies exactly.

例えば、珪石砂型のような遅い従来の冷却は、200マイクロメーターから50マイクロメーターまでの領域のDASを有するデンドライト(樹枝状結晶)構造をもたらす。樹枝状結晶は共晶により囲まれ、当該共晶は、20マイクロメーターから2マイクロメーターの領域の間隔により特徴付けられる。 これは、本明細書では従来の共晶ミクロ構造又は「粗い」共晶ミクロ構造として示す(図6)。   For example, slow conventional cooling, such as silica sand molds, results in dendritic structures with DAS in the region of 200 to 50 micrometers. The dendrites are surrounded by eutectics, which are characterized by a spacing in the region of 20 micrometers to 2 micrometers. This is shown herein as a conventional eutectic microstructure or a “coarse” eutectic microstructure (FIG. 6).

合金がアブレーションにより全冷却されるとすれば、全凝固ミクロ構造が精細なデンドライト(樹枝状結晶)及び非常に精細な共晶から成るように、冷却プロファイルは、経路「bijkl」に従うと考えられる。しかしながら、上記で述べたように、当該構造は、容易に達成されず、また本発明者らによりまだ試験されていないが、それは特別な条件下のもとで達成できる可能性を有する。これらの条件としては、鋳型が非常に絶縁され、凍結が非常に指向性を有する状況を含む。それにもかかわらず、優れた機械的特性を有する成型品は、これらの特別な条件に依存することなく達成することができる。   If the alloy is totally cooled by ablation, the cooling profile is thought to follow the path “bijkl” so that the total solidified microstructure consists of fine dendrites (dendrites) and very fine eutectics. However, as noted above, the structure is not easily achieved and has not yet been tested by the inventors, but it has the potential to be achieved under special conditions. These conditions include situations where the mold is very insulated and freezing is very directional. Nevertheless, molded articles with excellent mechanical properties can be achieved without depending on these special conditions.

一般的に、より実際的な冷却プロファイルは、冷却曲線「abcdmno」によって示される。この状況では、「cd」から先の冷却は、粗いデンドライト(樹枝状結晶)を生成し、冷却剤の適用に先立って、熱く、部分的には凝固している弱い状態の成型品を強化する。次に、デンドライト(樹枝状結晶)及び共晶は、共に急冷され、精細な凝固ミクロ構造が、精細なデンドライト(樹枝状結晶)(30マイクロメーターから5のマイクロメーターの領域のDAS)及び精細な共晶(その幅が約1マイクロメーターであることから1000X倍率では分析できない)の両方を含むようになる。   In general, a more practical cooling profile is indicated by the cooling curve “abcdmno”. In this situation, cooling from “cd” produces a coarse dendrite and strengthens the weak, partially molded product that is hot and partially solidified prior to the application of the coolant. . Next, the dendrites (dendrites) and eutectic are both quenched, and the fine solidification microstructure is fine dendrites (DAS in the region of 30 to 5 micrometers) and fine It includes both eutectics (which cannot be analyzed at 1000X magnification because its width is about 1 micrometer).

結果的に二重の凝固ミクロ構造領域となる2つの領域は、顕微鏡からの分析により視覚的に非常に異なった領域を形成していた。図7は、アブレーションが適時に適用されて、多少の樹枝状物質を凍結し、その後に共晶の全てを急速凍結した場合の構造を示す。共晶は、非常に精細なため、この図では分析できないが、均一の明るい灰色相として現れる。(この場合、合金は、Na又はSrのような化学修飾剤の付加による精製はできない)。さらに、共晶のすべてが経路「mn」に沿って凍結するため、共晶相の全体は、粗いデンドライト(樹枝状結晶)及び精細なデンドライト(樹枝状結晶)の両方の間に存在し、図7において一様に精細であることが視認できる。   The two regions resulting in a double solidified microstructure region formed visually very different regions as analyzed from the microscope. FIG. 7 shows the structure when ablation is applied in a timely manner to freeze some dendritic material, followed by rapid freezing of all of the eutectic. The eutectic is so fine that it cannot be analyzed in this figure, but appears as a uniform light gray phase. (In this case, the alloy cannot be purified by the addition of chemical modifiers such as Na or Sr). Furthermore, because all of the eutectic freezes along the path “mn”, the entire eutectic phase exists between both coarse dendrites (dendrites) and fine dendrites (dendrites), In FIG. 7, it can be visually confirmed that the image is uniformly fine.

均一で非常に精細な共晶は、アブレーションされた凝固ミクロ構造に共通する特徴であり、ミクロ構造を精製するためのNa又はSrのような化学修飾剤の効果を受けないアブレーション冷却合金に特有のものである。この構造には、図8に示すように、いくつかの精細に分布した不純物及び関連する細孔も視認することができる。成型品の機械的特性は、この種類と大きさの多くの欠陥に対して驚くほど無感応である。図9は、溶体化熱処理後の同様に精細な共晶を示す。 図9において、共晶は、幾分か粗くなり、高温処理を受けた二相構造によく見られるように界面エネルギーが減少している。   Uniform and very fine eutectic is a feature common to ablated solidified microstructures, unique to ablation cooling alloys that are not affected by chemical modifiers such as Na or Sr to refine the microstructure Is. In this structure, some finely distributed impurities and associated pores can also be seen, as shown in FIG. The mechanical properties of the molded part are surprisingly insensitive to many defects of this type and size. FIG. 9 shows a similarly fine eutectic after solution heat treatment. In FIG. 9, the eutectic is somewhat coarser and the interfacial energy is reduced as is often seen in a two-phase structure that has been subjected to a high temperature treatment.

原則として、通常は望ましくないが、デンドライト(樹枝状結晶)のすべてを粗い構造を有するように凍結させ、アブレーション冷却の後期適用のみを実施する(例えば、それは図5の地点「f」において)ことは可能である。この場合、いくつかの共晶は、粗い共晶構造にて凍結する。そのような構造を図10に示す。アブレーション冷却の効果で凍結する共晶の最終領域は、非常に精細な構造を呈し、一般的に多孔性が無く、鉄の豊富な精細な相のみを示すが、この相は、一般に小さ過ぎるために図10では視認することができない。 より高い倍率では、多少の鉄の豊富な相は、図11に示すように、視認することができる。   As a general rule, although not usually desirable, freeze all dendrite (dendrites) to have a rough structure and perform only the late application of ablation cooling (eg at point “f” in FIG. 5) Is possible. In this case, some eutectics freeze in a coarse eutectic structure. Such a structure is shown in FIG. The final region of the eutectic that freezes due to the effect of ablation cooling has a very fine structure and is generally not porous, showing only a fine phase rich in iron, but this phase is generally too small In FIG. 10, it cannot be visually recognized. At higher magnification, some iron-rich phase can be seen as shown in FIG.

混合したデンドライト(樹枝状結晶)/共晶合金に対しては、アブレーションの多くの利点を享受することができ、図10及び11に見られる構造が得られるが、これは、残存液体漸次的に凝固することが成型品に指向性を与えることに効果的なためである。図10の合金は、例えば、熱処理がなされたものであり、このため、共晶相のシリコン粒子のすべてを、ある程度、粗雑化する。   For mixed dendrites / eutectic alloys, many of the benefits of ablation can be enjoyed, resulting in the structures seen in FIGS. 10 and 11, which gradually increase the residual liquid. This is because solidification is effective in giving directivity to the molded product. The alloy shown in FIG. 10 is, for example, heat-treated, and therefore, all of the eutectic phase silicon particles are roughened to some extent.

しかしながら、実際には、いくつかの粗い樹枝状構造が、アブレーション(図5における開始点「d」)の実施前に形成されることは、望ましいことであり、また容易に達成することができる。従って、通常の結果として生じる樹枝状ミクロ構造は、上記のように二重であり、比較的一様に精細な共晶を含む。   In practice, however, it is desirable and can be easily achieved that some coarse dendritic structures are formed prior to performing ablation (starting point “d” in FIG. 5). Thus, the usual resulting dendritic microstructure is double as described above and contains relatively uniformly fine eutectics.

従来と同様に、冷却剤の適用が非常に遅い場合、たとえば、図5における経路「gq」に後続する場合には、当然ながら、成型品が、冷却剤の適用前に完全に凝固するために、アブレーションの実施は、成型品の凝固ミクロ構造に影響を及ぼすことができない。成型品のそのような冷却は、本発明には含まれず、当業者には公知な鋳造生産方法の範囲に含まれる。   As before, if the application of the coolant is very slow, for example following the path “gq” in FIG. 5, of course, the molded part will solidify completely before the coolant is applied. The implementation of ablation cannot affect the solidification microstructure of the molded article. Such cooling of the molded article is not included in the present invention and is within the scope of casting production methods known to those skilled in the art.

従来の冷却された成型品(「h」又は「q」が冷却経路終了地点となるもの)においては、凝固した成型品の最終領域は、多孔性を有することが多い。 さらに、そのような成型品は、A356合金のような典型的なアルミ合金で作製された場合には、さらに特性を損なうベータ鉄析出物から成る薄い板状体を含むことが多い。   In conventional cooled molded articles (where “h” or “q” is the end point of the cooling path), the final region of the solidified molded article is often porous. In addition, such molded articles often include a thin plate of beta iron deposits that, when made of a typical aluminum alloy such as A356 alloy, further impairs properties.

精細な凝固ミクロ構造を有するアブレーション冷却された成型品(樹枝状成型品及び樹枝状成型品/共晶成型品の両方を含む)は、従来の鋳造法で成形された成型品で見られることが多い欠陥を一般的に持っていない。 1つの実施形態では、精細な凝固ミクロ構造部分を有する成型品は、実質的に多孔性を持っていない。アブレーションで得られる急速凍結及び指向性は、気体及び収縮を起こす多孔性の両方を低減させる。他の実施形態では、精細な凝固ミクロ構造部分を有する成型品は、実質的に鉄分を多く含む有害な板状体(damaging iron-rich platelet)を持っていない。 さらに他の実施形態では、成型品は実質的に多孔性及び鉄分を多く含む有害な板状体の両方を持っていない。特定の理論に縛られるものではないが、鉄分を多く含む板状体のサイズ縮小は、液状合金のより急速な冷却(クエンチ)の結果である。また、多孔性の低減もこの冷却速度によるものである。さらに、アブレーションを自然に漸進的に作用させることにより、水(又は他の流体)の冷却作用が成型品の長さに沿って安定的に推移し、供給金属の供給源に向かって高い指向性形態の凝固を引き起こす。さらに、このような高温勾配による比較的狭いペースト状領域を維持することは、成型品の原料供給を促進する効率を高める。   Ablation-cooled moldings (including both dendritic moldings and dendritic moldings / eutectic moldings) with fine solidification microstructures can be found in moldings molded by conventional casting methods Generally does not have many defects. In one embodiment, a molded article having a finely solidified microstructure portion is substantially non-porous. The rapid freezing and directivity obtained with ablation reduces both gas and shrinkage porosity. In other embodiments, a molded article having a finely solidified microstructure portion does not have a harmful iron-rich platelet that is substantially rich in iron. In yet another embodiment, the molded article is substantially free of both porosity and harmful plates that are rich in iron. Without being bound by any particular theory, the size reduction of the iron-rich plate is a result of more rapid cooling (quenching) of the liquid alloy. The reduction in porosity is also due to this cooling rate. In addition, by allowing the ablation to act gradually and gradually, the cooling action of the water (or other fluid) will be stable along the length of the molded part and will be highly directional toward the source of the supply metal. Causes form coagulation. Furthermore, maintaining such a relatively narrow paste-like region due to such a high temperature gradient increases the efficiency of promoting the raw material supply of the molded product.

収縮を起こす多孔性の実質的な減少又は除去は重要であり、以下で再度記載する。収縮を起こす多孔性は、通常、原料金属が供給されていないホットスポットのような成型品の領域に生じることが予想される。 しかしながら、原則として、凍結工程が指向的に行われる場合には、当該領域に原料金属を供給することができる。 水又は他の冷却流体を適用して鋳型をアブレーションし、冷却し、鋳造進行中に系統的に凝固を引き起こし、特有の強い指向性の温度勾配を生成する。このようにして、本発明の効果が正しく適用される場合には、従来の成型品で給送液体から隔離されたそれらの領域は、容易かつ自動的に強固になるまで原料金属を供給されるか、又は、大いに改善された強固さを得る。   The substantial reduction or removal of porosity that causes shrinkage is important and will be described again below. The porosity causing shrinkage is normally expected to occur in a region of a molded product such as a hot spot to which no raw metal is supplied. However, in principle, when the freezing process is directed, the source metal can be supplied to the region. Water or other cooling fluid is applied to ablate and cool the mold and systematically cause solidification during the casting process, creating a characteristic strong directional temperature gradient. In this way, if the effect of the present invention is applied correctly, the source metal is supplied until those areas isolated from the feed liquid in conventional molded products are easily and automatically strengthened. Or obtain greatly improved robustness.

この理由により、通常、造形成型品(成形鋳造品)として鋳造できない合金(例えば、錬合金6061、7075などのように高温脆性によるもの、又は合金7075と852のような凍結範囲の長い合金)は、合金アブレーション技術により容易かつ有益に所定形状に鋳造することができる。さらに、アブレーションされた成型品は、特有の直ちに識別可能な凝固ミクロ構造により特徴付けられる。   For this reason, alloys that cannot normally be cast as shaped moldings (molded castings) (for example, those due to high temperature brittleness such as wrought alloys 6061 and 7075, or alloys with a long freezing range such as alloys 7075 and 852) The alloy ablation technique can be easily and beneficially cast into a predetermined shape. In addition, the ablated molded article is characterized by a unique, immediately identifiable solidification microstructure.

精細な凝固ミクロ構造領域を有し、骨材鋳型により形成された本発明の金属成型品については、さらに以下の実施例にて詳細に記載する。実施例は、精細な凝固ミクロ構造領域を有する形成金属成型品の潜在的な実施形態を示すのみであり、本発明の実施形態を制限するものではない。
(実施例)
本発明の技術を応用する1つの実施例において、直径20mm及び長さ200mmであり、一端で充満されてフィーダーとして作用する小さい円錐状の溜まり部を備える鋳型を用いて単一試験片を鋳造した。鋳型材料は、同時出願中の米国特許出願番号10/614,601にて記載しているように、水溶性無機バインダーで接着したシリカ砂を使用した。
The metal molded product of the present invention having a fine solidified microstructure region and formed from an aggregate mold will be further described in detail in the following examples. The examples only illustrate potential embodiments of formed metal moldings with finely solidified microstructure regions, and do not limit embodiments of the present invention.
(Example)
In one example applying the technology of the present invention, a single specimen was cast using a mold having a diameter of 20 mm and a length of 200 mm and having a small conical reservoir filled at one end and acting as a feeder. . The mold material was silica sand bonded with a water soluble inorganic binder as described in co-pending US patent application Ser. No. 10 / 614,601.

熱電対を、鋳型の空洞(キャビティ)内に挿入し、フィーダーの基部および、空洞(キャビティ)の基部に配置した。2つの追加熱電対は、軸に沿って等間隔に配置した。これらの4個の熱電対は、TC1(押湯)、TC2(上中央部)、TC3(下中央部)及びTC4(底部)とラベリングした。   A thermocouple was inserted into the cavity of the mold and placed at the base of the feeder and the base of the cavity. Two additional thermocouples were equally spaced along the axis. These four thermocouples were labeled TC1 (presser), TC2 (upper center), TC3 (lower center) and TC4 (bottom).

730℃(1350°F)のアルミ合金6061を、軸を垂直方向にした空洞(キャビティ)に注入した。次に、約10秒以内に、20℃(68°F)の水を、鋳型の基部に向けられたノズルから注ぎ込み、基部から上向きに進むように鋳型のアブレーションを開始した。アブレーション面から上向きの進行速度は、約25mm/sであった。   Aluminum alloy 6061 at 730 ° C. (1350 ° F.) was injected into the cavity with the axis in the vertical direction. Next, within about 10 seconds, water at 20 ° C. (68 ° F.) was poured from a nozzle directed to the base of the mold and ablation of the mold was started to proceed upward from the base. The traveling speed upward from the ablation surface was about 25 mm / s.

4個の熱電対の冷却軌跡は、図12で示すように、記録された。 熱電対TC4は、急速に冷却されたことが見受けられ、わずか約2秒で水の沸点以下までの凍結及び冷却を示した。この時点で、すぐ上に位置する熱電対TC3は、金属が依然として溶融状態であり、冷却がちょうど始まったばかりであったことが記録された。当該パターンは、連続して鋳型に達するまで繰り返した。(TC2の温度急変は、本実験において冷却水の意図的でない瞬間的損失を記録した)。 熱軌跡は、アブレーションの適用により引き起こされた温度勾配が、熱電対間の間隔(50mm)より短い距離以内で、周囲温度の近傍まで溶融を凍結させて冷却させるまでに十分であったことを確認した。さらに、当該効果は、平均的な自動車の成型品の長さに対しては、容易かつ正確に持続することができた。   The cooling trajectories of the four thermocouples were recorded as shown in FIG. Thermocouple TC4 appeared to cool rapidly, showing freezing and cooling to below the boiling point of water in just about 2 seconds. At this point, the thermocouple TC3, located immediately above, was recorded that the metal was still molten and cooling had just begun. The pattern was repeated until reaching the mold continuously. (A sudden change in temperature of TC2 recorded an unintentional instantaneous loss of cooling water in this experiment). The thermal trajectory confirms that the temperature gradient caused by the application of ablation was sufficient to freeze and cool the melt to near ambient temperature within a distance shorter than the distance between thermocouples (50mm) did. Furthermore, the effect could be easily and accurately maintained for the average length of the molded article of an automobile.

2番目の実施例においては、自動車のナックル成型品は、合金A356で作製した。多くのナックル成型品は、複雑であり、また重い部分品がフィーダーを追加する位置から隔離されているために、鋳造が困難であると言われている。当該成型品も例外ではなかった。成型品は、傾斜状の送入位置で750℃(1385°F)の金属で充満したが、充満するのに8秒の時間をかけ、優れた表面仕上げが得られた。フィーダー(押湯)は、注入カップ及び下縦湯口から成型品の遠端に位置させた。縦湯口及びフィーダーの熱電対は、図13に示した。 凍結が縦湯口にて発生し、約20秒のうちに最初のアブレーションとなった。次に、凍結は、鋳型を横断して進行し、約90秒後にフィーダーに到着するように引き起こされたが、これは、フィーダーがわずか約20秒の同様な時点に凍結が引き起こされた位置であった。   In the second example, a knuckle molded article for an automobile was made of alloy A356. Many knuckle moldings are said to be difficult to cast because they are complex and the heavy parts are isolated from the location where the feeder is added. The molded product was no exception. The molded product was filled with metal at 750 ° C (1385 ° F) at an inclined feeding position, but it took 8 seconds to fill, and an excellent surface finish was obtained. The feeder (presser) was positioned at the far end of the molded product from the injection cup and the lower vertical gate. The vertical gate and feeder thermocouple are shown in FIG. Freezing occurred at the vertical gate and the first ablation was achieved in about 20 seconds. Next, freezing proceeded across the mold and was triggered to arrive at the feeder after about 90 seconds, which is where the feeder was frozen at a similar time of only about 20 seconds. there were.

当該成型品のアブレーションを達成するために、水圧約0.7bar(約10psi)及び温度約40℃(約100°F)にて、水のスプレーノズルの3つのバンクを用いた。
成型品は、完全に強固であり、仕様を超えた特性を有することが判明した。
Three banks of water spray nozzles were used at a water pressure of about 0.7 bar (about 10 psi) and a temperature of about 40 ° C. (about 100 ° F.) to achieve ablation of the molded article.
It was found that the molded product was completely strong and had properties that exceeded specifications.

3番目の実施例では、コントロールアーム成型品(自動車の操縦/サスペンションの部品)を実施例1にて記載した、鋳型材料中で鋳造した。鋳型に、約700℃(約1400°F)でおよその組成がAl-7Si-0.35Mg-0.2FeであるA356合金を送入した。溶体化熱処理は、0.5時間の間、538℃(1000°F)で行い、水の急冷(クエンチ)を26℃(78°F)で行い、熟成を2.5時間の間、182℃(360°F)で行った。 4つの試験片はそれぞれ、45、46、47と番号付けした3つの成型品から切断した。 この鋳型をアブレーション冷却して得られた成型品(鋳造品)を、切断し加工して、引張試験片を作製し、T6熱処理に供した。試験片を張力試験に供し、当該結果は、その平均値と共に図14に記載した。(伸びの値が9%と低いのが1つあるが、この場合は、溶融物の品質の制御が最適でなかったことが分かっており、酸化物が多量に混入したものと思われる)。結果を、競合する鋳造法と比較して図15に示す。本特性は、現在の競合するすべての最良の方法を超えており、明らかに魅力的である。   In the third example, a control arm molded article (automobile steering / suspension part) was cast in the mold material described in Example 1. An A356 alloy having an approximate composition of Al-7Si-0.35Mg-0.2Fe at about 700 ° C. (about 1400 ° F.) was fed into the mold. Solution heat treatment is performed at 538 ° C (1000 ° F) for 0.5 hours, water is quenched at 26 ° C (78 ° F), and ripening is performed at 182 ° C (360 ° F) for 2.5 hours. ) Four specimens were cut from three moldings numbered 45, 46 and 47, respectively. A molded product (cast product) obtained by ablation cooling of this mold was cut and processed to produce a tensile test piece, which was subjected to T6 heat treatment. The test piece was subjected to a tension test, and the result is shown in FIG. 14 together with the average value. (There is one elongation value as low as 9%, but in this case, it has been found that the quality control of the melt was not optimal and seems to have been mixed with a large amount of oxide). The results are shown in FIG. 15 in comparison with competing casting methods. This property exceeds all current competing best methods and is clearly attractive.

アブレーション鋳造法を使用する場合、ある工程条件が、アブレーションした鋳型からの従来のミクロ構造をもたらす場合が考えられる。一例としては、852アルミ合金(Al-6Sn-2Cu-1Ni-0.75Mg合金)は、長い範囲にわたり凍結する合金として知られ、その共晶は、ほぼスズ(232C、610F)の融点で凍結する。 当該合金は、アブレーション鋳造法を使用することによりアブレーションした。 当該鋳型は対称的であり、同一の鋳型を二分して片面パターンから生産して組み立てた。 当該金属は、700C(1275F)もしくはその近傍で注入した。成型品断片の厚さは、直径約75mm(3インチ)であった。鋳型の注入は、重力により10
秒にて達成した。そして、およそ180秒の間、放置し、大部分は凝固してアルファ相に達した。鋳型骨材(この場合、シリカ砂)により制御した標準凝固速度の後、当該鋳型は、アブレーションした。
When using the ablation casting method, it is possible that certain process conditions result in a conventional microstructure from the ablated mold. As an example, 852 aluminum alloy (Al-6Sn-2Cu-1Ni-0.75Mg alloy) is known as an alloy that freezes over a long range, and its eutectic freezes at a melting point of approximately tin (232C, 610F). The alloy was ablated by using an ablation casting process. The mold was symmetrical, and the same mold was divided into two and produced from a single-sided pattern. The metal was injected at or near 700C (1275F). The thickness of the molded piece was about 75 mm (3 inches) in diameter. The mold is injected by gravity 10
Achieved in seconds. It was allowed to stand for about 180 seconds, and most of it solidified and reached the alpha phase. After a standard solidification rate controlled by the mold aggregate (in this case, silica sand), the mold was ablated.

アブレーション条件は、以下に記載する。アブレーションに使用した水圧は、約1bar(15psi)である。 散布量はスプレーノズルにより制限した。しかしながら、当該水量は、その圧力が鋳型表面に対する水の影響を制御するため、ほとんど重要でない。当該手順は、従来と同様であるが一定の冷却速度を得て、金属鋳型により生産された場合と同様の特性が得られた。(すなわち、図16参照の永久鋳型)。これに関して、図16は様々な鋳造法の種類と、アルミ合金についてデンドライト(樹枝状結晶)のセルサイズ及び凝固速度との関係を示す。従来の永久鋳型ミクロ構造は、図17aに示す。図17b及びcは、同じ合金であるが、本アブレーション法を使用して作製したものである。図17a-cの全ての3図では、同倍率(100X)を使用した。最終的な共晶構造は、永久鋳型により作製されたものにかなり近いものとなった。 そのような従来のミクロ構造は、アブレーション法により達成できるが、いくつかの条件においては、それらのミクロ構造は、アブレーションに特有なものあり、非常に精細な相(恐らくはデンドライト(樹枝状結晶)によるものと考えられるが、より頻繁には非常に精細な共晶による)を含むミクロ構造も観測することができる。   Ablation conditions are described below. The water pressure used for ablation is about 1 bar (15 psi). The amount of application was limited by a spray nozzle. However, the amount of water is of little importance since the pressure controls the influence of water on the mold surface. The procedure was the same as before, but a constant cooling rate was obtained and the same characteristics as when produced with a metal mold were obtained. (That is, the permanent mold of FIG. 16). In this regard, FIG. 16 shows the relationship between the various casting methods and the cell size and solidification rate of dendrites (dendrites) for aluminum alloys. A conventional permanent mold microstructure is shown in FIG. 17a. FIGS. 17b and c are the same alloy but were made using this ablation method. The same magnification (100X) was used in all three figures of Figures 17a-c. The final eutectic structure was much closer to that produced by a permanent mold. Such conventional microstructures can be achieved by ablation methods, but in some conditions, the microstructures are unique to ablation and are due to a very fine phase (possibly due to dendrites). Microstructures, including but more often due to very fine eutectics, can be observed.

アブレーション法を使用して、従来のミクロ構造(永久鋳型から作製したもののように)を得るためには、いくつかの変数が、重要となる可能性を有する。重要なパラメタは、鋳型の骨材それ自体である。 さらに、鋳型を除去する一方で金属の凝固を同時に引き起こすために使用する冷却媒体の体積、圧力及び温度も言うまでも無く重要である。成型品の長さに沿って推進する間、体積比率(幾何学的係数)に対する局所表面を考慮しながら、鋳型に当たる冷却スプレーの滞留時間を有益に調整することができる。鋳型の接着剤の溶解速度を、低下させ、これにより、鋳型のアブレーション速度を遅くし、熱抽出速度を低下させることができる。これにより、従来のミクロ構造を生成するように速度を制限することができる。 さらに、水圧を変更することもできる。 当初は、鋳型の骨材を取り除くためにより高い圧力を使用することができる。 次いで、当該圧力を減少させて、従来の金属鋳造法によるものと同種の冷却速度が得られるようにすることができる。   In order to obtain conventional microstructures (such as those made from permanent molds) using the ablation method, several variables can be important. An important parameter is the mold aggregate itself. Furthermore, it goes without saying that the volume, pressure and temperature of the cooling medium used to remove the mold while simultaneously causing solidification of the metal. While propelling along the length of the molded article, the residence time of the cooling spray impinging on the mold can be beneficially adjusted while taking into account the local surface to volume ratio (geometric factor). The dissolution rate of the mold adhesive can be reduced, thereby slowing the ablation rate of the mold and decreasing the heat extraction rate. This can limit the speed to produce a conventional microstructure. Furthermore, the water pressure can be changed. Initially, higher pressures can be used to remove the mold aggregate. The pressure can then be reduced so that the same cooling rate as with conventional metal casting methods can be obtained.

従来のミクロ構造は、このように達成できるが、アブレーション法により著しく追加される利益があり、これにより、アブレーション法が独自に望ましいものとなる。まず、最終的な凝固が、熱緊張に対して完全に順応できる最終的な凝固先端の前にて十分な液体で起こるため、成型品における残留応力を制御することが容易となる。次に、成型品の多孔性は、優れた指向性の凝固のため、かなり(実際に、主な場合にはゼロにまで)減少する。これは、適用される温度勾配が高いことの結果として生じるものであり、唯一アブレーションにより実現できる   Conventional microstructures can be achieved in this way, but have the benefit of being added significantly by the ablation method, which makes the ablation method uniquely desirable. First, since the final solidification occurs with sufficient liquid in front of the final solidification tip that can fully adapt to thermal tension, it is easy to control the residual stress in the molded article. Secondly, the porosity of the molded product is considerably reduced (in fact, in most cases to zero) due to the excellent directional solidification. This occurs as a result of the high applied temperature gradient and can only be achieved by ablation.

4番目の実施例として、自動車のサスペンション制御アーム成型品は、実施例1に記載した材料で鋳造した。鋳型に、およその組成がAl-4.8Cu-0.4Mn-0.28Mg-0.07FeであるB206合金を、約1265Fにてプラスマイナス15Fの範囲で注入した。これらの鋳型のアブレーション冷却は、次に、T4及びT7の熱処理を受けた。 該当部分の写真は、図18の枠であり、その枠に張力サンプルが次に機械加工された位置が示される。 当該部分から得られた張力特性は、図19にて示され、図20に示すこのタイプの合金に関する公開文献からの個々の鋳造試験片データから得られた標準的な表値と比較した。 熱処理前に一部分の厚形材の中心から取られた顕微鏡写真は、図21に示す。 当該特性は再び同様な結果であった;明らかに魅力的であり、個々に鋳造された永久鋳型試験片から生産された特性とほぼ等しく、列挙した他のすべての鋳造媒体の特性を超えていた。 これらの値は、それらが2インチを超える断片厚さで領域から得られた点において、特に魅力的である。従来の砂及び永久鋳型法の下では、当業者であれば、図20の個々の鋳造試験片データ(鋳放しした表面を有する1/2インチ厚さゲージ直径片を基準とする)として列挙されたものよりも大きい断片から機械加工された断片からの延性がはるかに低い値に達すると考えるであろう。これらの比較も、図18に示すうちの1つの大きさ及び幾何学的配置の一部を製造することが、あらゆるAA 2XXシリーズ合金において、当該鋳造法/合金の組み合わせにおける熱処理の固有性に伴い増加する傾向のために永久鋳型を使用するという厳しい工学的挑戦であるという事実を考慮していないことに注意すべきである。そのようなことは、事実上、得られる部品を法外に高価にするような手段なしでは物理的に不可能であろう。   As a fourth example, an automobile suspension control arm molded product was cast with the material described in Example 1. A B206 alloy having an approximate composition of Al-4.8Cu-0.4Mn-0.28Mg-0.07Fe was injected into the mold at about 1265F in the range of plus or minus 15F. The ablation cooling of these molds was then subjected to T4 and T7 heat treatments. The picture of the relevant part is the frame of FIG. 18, in which the position where the tension sample was next machined is shown. The tensile properties obtained from this part are shown in FIG. 19 and compared with standard tabular values obtained from individual cast specimen data from the published literature on this type of alloy shown in FIG. A photomicrograph taken from the center of a portion of the thick profile prior to heat treatment is shown in FIG. The characteristics were again similar; apparently attractive, approximately equal to the characteristics produced from individually cast permanent mold specimens, exceeding the characteristics of all other casting media listed . These values are particularly attractive in that they were obtained from the region with a piece thickness of more than 2 inches. Under conventional sand and permanent mold methods, one of ordinary skill in the art would be listed as individual cast specimen data in FIG. 20 (based on a 1/2 inch thickness gauge diameter piece with an as-cast surface). One would think that the ductility from a piece machined from a larger piece would reach a much lower value. These comparisons also show that the manufacture of one of the sizes and geometries shown in Figure 18 can be achieved in all AA 2XX series alloys, due to the uniqueness of the heat treatment in the casting / alloy combination. It should be noted that it does not take into account the fact that it is a rigorous engineering challenge to use permanent molds due to the increasing tendency. Such would in fact be physically impossible without means that would make the resulting parts prohibitively expensive.

図21の顕微鏡写真は、アブレーションによる凝固で見られた前述の二重のミクロ構造を示す。平均値43umで最大値が85umの粗いDASがホスト(主要部分)となり、平均22umのオーダーのより精細なDASがパッチ状に存在している。図17に記載した機械的特性は、精細なDASから予想される特色を示す。図19で視認可能な金属間化合物は、主に、銅アルミナイド(Cu aluminide)であり、これは、その後のT4とT7の両方の焼き戻し部分として、適用された溶体化熱処理の間に溶解する。200シリーズのアルミ成型品を生産する当業者であれば、熱処理の経済性に関して、精細構造が有利であることを認識するであろう。厚い砂型成型品に対して前述の銅アルミナイド(Cu aluminide)を溶解するのに必要な3段階の溶体処理はなくなり、薄く及び/又は急速に凝固する成型品に適用されるのが一般的な2段階の処理が有利となるであろう。   The micrograph in FIG. 21 shows the double microstructure described above as seen by solidification by ablation. A coarse DAS with an average value of 43um and a maximum value of 85um is the host (major part), and finer DAS with an average order of 22um is present in a patch. The mechanical properties described in FIG. 17 show the characteristics expected from fine DAS. The intermetallic compound visible in FIG. 19 is primarily copper aluminide, which dissolves during the applied solution heat treatment as a subsequent tempered portion of both T4 and T7. . Those skilled in the art of producing 200 series aluminum moldings will recognize that the fine structure is advantageous with regard to the economics of heat treatment. The three-step solution treatment required to dissolve the copper aluminide mentioned above for thick sand molds is eliminated, and it is generally applied to thin and / or rapidly solidified molds. Stage processing would be advantageous.

骨材を用いて鋳造又は成形され凝固ミクロ構造を有する成型品は、本発明に関して記載し、さらに様々な典型的な実施形態を記載した。当業者であれば、変形や改造を想起することができ、本発明及び請求項は、そのような変形を包含していることが理解されるであろう。本発明の発展例は、それらが追加された請求項の範囲及びそれに類するものの範囲内である限り、そのような変更及び代替するものを全て含み構成されるものである。   Molded articles cast or molded using aggregates and having a solidified microstructure have been described with respect to the present invention and various exemplary embodiments have been described. Those skilled in the art will recognize variations and modifications, and it will be understood that the invention and the claims encompass such variations. The development of the invention is intended to cover all such modifications and alternatives as long as they fall within the scope of the appended claims and the like.

Claims (8)

骨材を含む鋳型内で急冷工程によりアルミニウムを含む合金から形成され成型ミクロ構造を示す金属成型品であって、当該ミクロ構造が、金属成型品の表面の近傍に位置する第1領域であって、粗い凝固ミクロ構造を有する第1領域と、第1領域の内部に位置する第2領域であって、精細な凝固ミクロ構造を有する第2領域とから成り、
第1領域が、20マイクロメーターから200マイクロメーターの間隔で隔てられたデンドライトアームを有するデンドライトを含み、
第2領域が、5マイクロメーターから15マイクロメーターの間隔で隔てられたデンドライトアームを有するデンドライトを含むことを特徴とする
造形金属成型品。
A metal molded product formed from an alloy containing aluminum by a rapid cooling process in a mold containing aggregate and showing a molded microstructure, wherein the microstructure is a first region located in the vicinity of the surface of the metal molded product, A first region having a coarse solidified microstructure and a second region located inside the first region, the second region having a fine solidified microstructure,
The first region includes dendrites having dendrite arms spaced at intervals of 20 to 200 micrometers;
The molded metal molded product , wherein the second region includes a dendrite having dendrite arms separated by an interval of 5 micrometers to 15 micrometers .
第1領域が、100%の粗い凝固ミクロ構造を有し、第2領域が、100%の精細凝固ミクロ構造を有する請求項1に記載の造形金属成型品。 The shaped metal molded article according to claim 1, wherein the first region has a 100% coarse solidification microstructure and the second region has a 100% fine solidification microstructure . 第1領域と第2領域の間に位置する第3領域をさらに有し、当該第3領域が、二重の凝固ミクロ構造領域を含み、当該二重の凝固ミクロ構造領域が、(i)1以上の粗い凝固ミクロ構造部分と、(ii)1以上の精細凝固ミクロ構造部分を含むことを特徴とする請求項2に記載の造形金属成型品。 A third region located between the first region and the second region, the third region including a double solidified microstructure region, wherein the double solidified microstructure region is (i) 1 The shaped metal molded article according to claim 2, comprising the coarse solidified microstructure part and (ii) one or more finely solidified microstructure parts . 二重の凝固ミクロ構造領域の1以上の粗い凝固ミクロ構造部分が、20マイクロメーターから200マイクロメーターの間隔で隔てられたデンドライトアームを有するデンドライトを含み、二重の凝固ミクロ構造領域の1以上の精細凝固ミクロ構造部分が、15マイクロメーター以下の間隔で隔てられたデンドライトアームを有するデンドライトを含むことを特徴とする請求項3に記載の造形金属成型品。 One or more coarsely solidified microstructure portions of the double solidified microstructure region include dendrites having dendrite arms spaced apart by 20 to 200 micrometers, wherein one or more of the double solidified microstructure region 4. The shaped metal molded article according to claim 3, wherein the finely solidified microstructure part includes a dendrite having dendrite arms separated by an interval of 15 micrometers or less . 第2領域が、該成型品の遠位端である底部から近位端であるフィーダー(押湯)まで連続していることを特徴とする請求項4に記載の造形金属成型品。 The shaped metal molded article according to claim 4, wherein the second region is continuous from a bottom portion, which is a distal end of the molded article, to a feeder, which is a proximal end . 第2領域の精細凝固ミクロ構造部分が、従来の骨材を含む鋳造法により生成された同様な質量又は断面厚さを有する同様な金属よりも精細であることを特徴とする請求項1に記載の造形金属成型品。 The finely solidified microstructured portion of the second region is finer than a similar metal having a similar mass or cross-sectional thickness produced by a casting method involving conventional aggregates. of shaped metal casting. 成型品が、(i)収縮を起こす多孔性、及び(ii)鉄分を多く含む有害な板状体のうち少なくとも1つが無いことを特徴とする請求項1に記載の造形金属成型品。 The shaped metal molded article according to claim 1, wherein the molded article is free of at least one of (i) porosity causing shrinkage and (ii) a harmful plate-like body containing a large amount of iron . 第1領域が、50マイクロメーターから200マイクロメーターのデンドライトアーム間隔を有することを特徴とする請求項1に記載の造形金属成型品。 The shaped metal molded article according to claim 1, wherein the first region has a dendrite arm interval of 50 micrometers to 200 micrometers .
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