(57)【要約】【課題】マグネシウム合金鋳造棒における金属間化合物の分散性が高いと共に金属間化合物及び各金属の結晶粒径を細かくでき、且つ高温度における鍛造品の機械的性質の向上を図ることができるマグネシウム合金の連続鋳造方法を提供する。【解決手段】Ｚｎを０．１質量％以上１０質量％未満と、少なくとも一種類の希土類元素を０．１質量％以上１０質量％未満と、Ｚｒを０．０５質量％以上１．０質量％未満とを含有するマグネシウム合金溶湯を鋳型７に注入し、鋳型７の回りに配置した磁界発生部９に電流を流して、鋳型７の直径方向に生じたＮ極とＳ極との対向磁極を周方向に順次移動させ、鋳型７の内側周辺部の磁束密度が５ｍＴ以上２０ｍＴ以下で、鋳型７の直径方向中央部の磁束密度が５ｍＴ以上の回転磁界を発生させることにより、マグネシウム合金溶湯に円周方向の回転力を与えて撹拌すると共に、１０℃／秒以上５０℃／秒未満の冷却速度で連続鋳造する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎを０．１質量％以上１０質量％未満と、少なくとも一種類の希土類元素を０．１質量％以上１０質量％未満と、Ｚｒを０．０５質量％以上１．０質量％未満とを含有するマグネシウム合金溶湯を鋳型に注入し、鋳型の回りに配置した磁界発生部に電流を流して、鋳型の直径方向に生じたＮ極とＳ極との対向磁極を周方向に順次移動させ、鋳型の内側周辺部の磁束密度が５ｍＴ以上２０ｍＴ以下で、鋳型の直径方向中央部の磁束密度が５ｍＴ以上の回転磁界を発生させることにより、マグネシウム合金溶湯に円周方向の回転力を与えて撹拌すると共に、１０℃／秒以上５０℃／秒未満の冷却速度で連続鋳造することを特徴とするマグネシウム合金の連続鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウム合金の連続鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、合金の連続鋳造方法において、鋳型の回りに配置した磁界発生部（電磁誘導撹拌機）に三相交流を流して磁束を発生させ、合金溶湯に円周方向の回転力を与えて撹拌することにより結晶粒径を細かくすることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１５４０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、連続鋳造により鋳造したマグネシウム合金を鍛造する場合、鍛造品の品質を安定に得ると共に鍛造性を向上する為に、金属間化合物の分散性が高く且つ結晶粒径の細かいマグネシウム合金鋳造棒が要求されている。また、マグネシウム合金の鍛造品に高温度における強度及び耐熱性等の機械的性質の向上が望まれている。しかし、マグネシウム合金においては、鍛造品の品質や鍛造性を向上させることができる程金属間化合物の分散性が高いと共に金属間化合物及び各金属の結晶粒径が細かく、且つ高温度における鍛造品の機械的性質を向上させることができる連続鋳棒がなかった。また、Ｚｒは結晶粒の微細化材として公知であるが、マグネシウムには溶解せず、しかもマグネシウムとの比重差があるために、マグネシウム合金溶湯に添加した場合には偏析し、十分な微細化効果が得られないという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、マグネシウム合金鋳造棒における金属間化合物の分散性が高いと共に金属間化合物及び各金属の結晶粒径を細かくでき、且つ高温度における鍛造品の機械的性質の向上を図ることができるマグネシウム合金の連続鋳造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、Ｚｎを０．１質量％以上１０質量％未満と、少なくとも一種類の希土類元素を０．１質量％以上１０質量％未満と、Ｚｒを０．０５質量％以上１．０質量％未満とを含有するマグネシウム合金溶湯を鋳型に注入し、鋳型の回りに配置した磁界発生部に電流を流して、鋳型の直径方向に生じたＮ極とＳ極との対向磁極を周方向に順次移動させ、鋳型の内側周辺部の磁束密度が５ｍＴ以上２０ｍＴ以下で、鋳型の直径方向中央部の磁束密度が５ｍＴ以上の回転磁界を発生させることにより、マグネシウム合金溶湯に円周方向の回転力を与えて撹拌すると共に、１０℃／秒以上５０℃／秒未満の冷却速度で連続鋳造することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、マグネシウム合金溶湯が希土類元素を含有することにより、マグネシウムと希土類元素による金属間化合物を生成するので、高温度における鍛造品の強度及び耐熱性等の高温度における機械的性質を向上させることができる。磁界発生部により、鋳型の直径方向にＮ極とＳ極との対向磁極を周方向に順次移動する回転磁界（２極電磁誘導）を発生させて、鋳型の内側周辺部から中心に亘る全体に磁界を形成して鋳型内のマグネシウム合金溶湯全体を周方向の回転により万遍なく撹拌するので、金属間化合物の分散性が高いと共に金属間化合物及び各金属の結晶粒径を細かくでき、マグネシウム合金鋳造棒を用いて鍛造した場合に鍛造品の品質向上が図れると共に伸びが増して鍛造性の向上を図ることができる。Ｚｒを添加したマグネシウム合金溶湯を撹拌することにより、凝固時の核となるＺｒをマグネシウム合金中に均質に分散させることができ、微細化を促進できる。Ｚｎを０．１質量％以上とし、希土類元素を０．１質量％以上とし、Ｚｒを０．０５質量％以上としているのは、それぞれが各値よりも少ないと、鍛造品の強度及び耐熱性が得られないからである。Ｚｎを１０質量％未満とし、希土類元素を１０質量％未満とし、Ｚｒを１．０質量％未満としているのは、それぞれが各値より多くしても鍛造品の強度及び耐熱性が飽和し、コストのみが高くなるからである。鋳型の直径方向周辺部の磁束密度を５ｍＴ以上とし、中央部の磁束密度を５ｍＴ以上としているのは、これよりも少ないと撹拌が不十分となり、細かい結晶粒径の鋳造品が得られないと共に含有金属（元素）の分散性に劣るからである。鋳型の直径方向周辺部の磁束密度を２０ｍＴ以下としているのは、これよりも磁束密度が多くなると撹拌効果が強すぎて表皮の巻き込みにより鋳造品の品質が低下するからである。冷却速度を１０℃／秒以上５０℃／秒未満としているのは、冷却速度が１０℃／秒よりも少ないと冷却が不十分となり、５０℃／秒以上にすると冷却し過ぎて何れの場合も連続鋳造が困難となるからである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施の形態に係る連続鋳造装置の縦断面図である。
【図２】電磁誘導撹拌機の成層鉄心とコイルとを示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ―Ａ断面図である。
【図３】２極コイルによる電磁誘導撹拌の磁束を示す説明図である。
【図４】４極コイルによる電磁誘導撹拌の磁束を示す説明図である。
【図５】鋳型内における磁束密度の測定位置を示す図であり、（ａ）は鋳型の平面図、（ｂ）は鋳型の縦断面図である。
【図６】本実施の形態に係る２極電磁誘導撹拌による磁束分布を示す図であり、（ａ）は周波数が１２Ｈｚの場合、（ｂ）は周波数が１８Ｈｚの場合、（ｃ）は周波数が２０Ｈｚの場合である。
【図７】比較例１として４極電磁誘導撹拌による磁束分布を示す図であり、（ａ）は周波数が１２Ｈｚの場合であり、（ｂ）は周波数が１８Ｈｚの場合であり、（ｃ）は周波数が２０Ｈｚの場合である。
【図８】実施例１で得た連続鋳造棒の断面の電子顕微鏡写真である。
【図９】実施例２で得た連続鋳造棒の断面の電子顕微鏡写真である。
【図１０】比較例２で得た連続鋳造棒の断面の電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１に示すように、本実施の形態に係る連続鋳造装置１は、タンディッシュ３を配置したライニングテーブル５と、鋳型７と、電磁誘導撹拌機（磁界発生部）９と、冷却水ジャケット１１と、冷却水テーブル１３と、受台１５とを備えている。尚、鋳型７の外周に配置されているのは入れ子１７である。
タンディッシュ３にはマグネシウム合金溶湯が収納されており、溶湯をタンディッシュ３から鋳型７に注入し、鋳型７で電磁誘導撹拌した後、冷却水ジャケット１１から噴出する冷却水により冷却して溶湯を凝固させつつ受台１５で引き出して、マグネシウム合金を連続鋳造する。
図２に示すように、電磁誘導撹拌機９は、鋳型７の周囲に配置された略環状の成層鉄心２４と、１２個のコイル２５とを備えており、成層鉄心２４には等間隔に１２箇所で内周側に突設した突設部２７が設けてあり、コイル２５は隣合う２つの突設部２７に巻回してある。
本実施の形態では、電磁誘導撹拌機９のコイル２５には、三相交流電流（Ｕ、Ｖ、Ｗ）を流して２極電磁誘導するが、２極電磁誘導では、図３に示すように、直径方向に鋳型７の円の中心ｃを通る磁束ｅを形成する。
尚、下記する比較例１としての４極電磁誘電では、図４に示すように三相交流電流（Ｕ、Ｖ、Ｗ）を流して、４５度ずれたコイル２５同士の間に磁束ｅを形成する。即ち、この４極電磁誘電では、磁束ｅは鋳型の内周円の中心ｃからずれて形成される。
【００１０】
２極電磁誘導と４極電磁誘導との各場合について、表１に示す条件で、三相交流電流の周波数を変えて、鋳型内の各所における磁束密度分布を測定したので、その結果を説明する。
【００１１】
【表１】
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尚、運転時のコイル温度は２５℃であった。
【００１２】
磁束密度分布の測定は、図５（ａ）に示すように、鋳型７の内周円に対して直径を略７等分した位置（１）〜（７）について、図５（ｂ）に示すように、高さ方向に１０ｍｍ毎の１４位置で各々（１）〜（７）の位置について、合計９８箇所で測定した。測定方向は、図５（ａ）にＰで示すように、（１）〜（７）を通る直径に交差する方向とした。
図６に本実施の形態に係る２極電磁誘導による磁束密度の測定結果を示すように、鋳型７の下側部分（上から９０ｍｍの部分以下）は溶湯が半溶融状態となる領域であるが、この半溶融状態となる領域において、鋳型の直径方向周辺部である測定位置（４）（７）について、周波数１２Ｈｚでは６〜９．９ｍＴであり、周波数１８Ｈｚでは４〜１４ｍＴであり、周波数２０Ｈｚでは６〜１４ｍＴであった。周波数１８Ｈｚでは（７）の９０ｍｍ位置では４〜５．９ｍＴとなっているが、実測では５ｍＴ以上の値であった。即ち、図６に示す実施例では、鋳型の直径方向周辺部である測定位置（４）（７）及び直径方向中央部の測定位置（１）の磁束密度は、何れも５ｍＴ以上であった。
鋳型７の下側部分における直径方向中央部の測定位置（１）については、周波数１２Ｈｚでは６〜７．９であり、周波数１８Ｈｚでは６〜１１．９ｍＴであり、周波数２０Ｈｚでは６〜１４ｍＴであり、何れも、磁束密度が５ｍＴ以上であった。
また、１８Ｈｚ及び２０Ｈｚでは、鋳型７の上から１１０〜１２５ｍｍの領域の磁束密度が１２Ｈｚの場合よりも高く、２０Ｈｚでは、全体的に磁束密度が高い領域が多くなっていることが明らかである。
これに対して、図７に示すように、比較例１の４極電磁誘導の場合には、鋳型７の下側部分における鋳型の直径方向周辺部（４）（７）ついて、１８Ｈｚと２０Ｈｚで４〜１２ｍＴの磁束密度を得られるものの中央部の測定箇所（１）では何れも４ｍＴに満たない値であった。従って、本実施の形態に係る２極電磁誘導によれば鋳型の直径方向の周辺部と中央部とで磁束密度を高めることができ、周波数１２〜２０Ｈｚで直径方向の各部において５ｍＴ以上の磁束密度を得ることができる。
【００１３】
次に、連続鋳造実験を行ったのでその結果について説明する。
（実施例１）
上述した実施の形態に係る連続鋳造装置１を用いて、Ｚｎを７質量％、希土類元素としてＹ（イットリウム）を７質量％、Ｚｒを０．５質量％、残りをマグネシウムとしたマグネシウム合金（ＷＺＫ７７１）溶湯を鋳型３に流し、電磁誘導撹拌機９で上述の２極電磁誘導で周波数１２Ｈｚ―８Ａの撹拌をし、冷却速度は２０℃／秒として連続鋳造を行った。
鋳造温度は７５０℃、冷却水は２０Ｌ／ｍｉｎ、鋳造速度は１００〜１５０ｍｍ／ｍｉｎであった。電磁撹拌による溶湯の回転数Ｎ（ｒ.ｐ.ｍ）は、７２０ｒｐｍである。
尚、電磁撹拌による溶湯の回転数Ｎ（ｒ.ｐ.ｍ）は下記式１より求めた。
Ｎ＝１２０×Ｆ／Ｐ・・・（式１）
Ｆは周波数Ｈｚ、Ｐは極数である。
得られた連続鋳造棒の切片を電子顕微鏡で観察し結晶粒径を測定したところ、図８に示すように、金属間化合物及び各金属の結晶粒は一様に分散しており、結晶粒の平均粒子径は５１μｍであった。尚、電子顕微写真は、連続鋳造棒の横断面において、半径の１／２の箇所を撮影した。
【００１４】
（実施例２）
電磁誘導撹拌機９の撹拌周波数を２０Ｈｚ―１２Ａとし、その他は実施例１と同じ条件で連続鋳造を行った。実施例２の電磁撹拌による溶湯の回転数Ｎは１２００ｒｐｍである。
得られた連続鋳造棒の切片（実施例１と同じ箇所）を電子顕微鏡で観察し結晶粒径を測定したところ、図９に示すように、金属間化合物や各金属粒子は一様に分散しており、金属間化合物や各金属の平均粒子径は２５μｍであった。
【００１５】
（比較例２）
実施例１において、電磁誘導撹拌しないで連続鋳造したものを比較例２とした。この比較例２で得た連続鋳造棒の切片（実施例１と同じ箇所）を電子顕微鏡で観察し結晶粒径を測定したところ、図１０に示すように、金属間化合物や各金属粒子の平均粒子径は７０μｍであった。
【００１６】
実施例１及び２と比較例２の結果から、マグネシウム合金溶湯を撹拌した実施例１及び２では、撹拌しない比較例２よりも平均結晶粒子径が小さいことが明らかである。
比較例２の平均粒子径が実施例１及び２よりも大きくなってしまったのは、比較例２ではマグネシウム合金溶湯にＺｒを添加しているが、溶湯を撹拌をしていないのでＺｒの分散が不十分で偏析してしまい微細化効果が得られなかったためである。これに対して、実施例１及び２では、Ｚｒを添加したマグネシウム合金溶湯を撹拌しているので、凝固時の核となるＺｒをマグネシウム合金中に均質に分散させることができ、微細化できたのである。
更に、実施例１及び２で、結晶粒子を一様に分散し且つ平均粒子径を５１μｍ以下にできたのは、連続鋳造において鋳型の直径方向周辺部（４）（７）及び中央部（１）の磁束密度を５ｍＴ以上の磁束として、鋳型内の溶湯全体を十分に電磁誘導撹拌できたからである。
実施例２によれば、撹拌周波数を２０Ｈｚとすることにより、実施例１の１２Ｈｚの場合に比較して約１／２の平均粒子径にすることができた。
【００１７】
次に、本実施例１及び２の各連続鋳造棒を鍛造したところ、従来品よりも伸びが増して鍛造性に優れていたと共に、鍛造品は高温度における強度及び耐熱性等の機械的性質について比較品よりも優れていた。
【００１８】
比較例２において、実施例１及び２と同様に、連続鋳造棒を鍛造したところ、伸びに劣り鍛造し難かったと共に鍛造品は高温度における強度及び耐熱性等の機械的性質についても実施例品よりも劣っていた。
【００１９】
本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
電磁誘導撹拌機９におけるコイル２５に通電する電気の周波数、電流及び電圧は、上記の実施例に限らず、鋳型の直径方向周辺部の磁束密度が５ｍＴ以上２０ｍＴ以下で中央部の磁束密度が５ｍＴ以上の磁束を発生させるものであれば、例えば、周波数は２２Ｈｚや２４Ｈｚとして電流は１５Ａであっても良いし、電圧は３０Ｖや５０Ｖとしても良い。
電磁誘導撹拌機９は、周方向に配置したコイル２５に三相交流電流を流すことに限らず、各コイル２５に直流電流を流すタイミングを制御して２極電磁誘導を行うものであっても良い。
また、連続鋳造における冷却速度は、１０℃／秒以上５０℃／秒未満の範囲内であれば、連続鋳造棒の引き抜き速度によっては上記実施例よりも冷却速度を小さくしたり早くするものであっても良い。
マグネシウム合金が含有する希土類元素としては、Ｙ（イットリウム）に限らずＴｈ（トリウム）やＺｒ（ジルコニウム）等であっても良いし、これらの希土類元素を２種又は３種を含有するものであっても良い。
【符号の説明】
【００２０】
１      連続鋳造装置
７      鋳型
９      電磁誘導撹拌機
１１    冷却水ジャケット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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