(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウム合金帯のコイルを展開して連続的に加熱する方法であって、展開した状態のマグネシウム合金帯を３５０℃を超えることなく急速加熱装置を用いて急速加熱し、急速加熱後の目標温度への加熱は、均一加熱装置で加熱することを特徴とするマグネシウム合金帯の連続加熱方法。
【請求項２】
マグネシウム合金帯のコイルを展開して連続的に加熱するための加熱装置であって、展開した状態のマグネシウム合金帯を急速加熱するための急速加熱装置と、その急速加熱装置から出てきたマグネシウム合金帯を引き続き均一に加熱するための均一加熱装置とが連続的に設置されており、少なくとも急速加熱装置の入り側と均一加熱装置の出側に金属帯の切断装置が設置されていることを特徴とするマグネシウム合金帯の連続加熱装置。
【請求項３】
マグネシウム合金帯のコイルを展開し、展開した状態のマグネシウム合金帯を３５０℃を超えることなく急速加熱装置を用いて急速加熱し、急速加熱後の目標温度への加熱は、均一加熱装置で加熱し、目標温度に加熱されたマグネシウム合金帯をそのまま連続的に圧延機で圧延することを特徴とするマグネシウム合金板の製造方法。
【請求項４】
マグネシウム合金帯のコイルを展開した状態で加熱と圧延を連続的におこないマグネシウム合金板を製造する装置であって、急速加熱装置と、均一加熱装置と、圧延機とが順次連続的に設置されており、少なくとも急速加熱装置の入り側と均一加熱装置の出側にマグネシウム合金帯の切断装置が設置されていることを特徴とするマグネシウム合金板の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱した際に発火する危険性を有したマグネシウム合金帯のコイルを展開して連続的に加熱する方法、加熱と圧延とを連続的におこなってマグネシウム合金板を製造する方法およびそれらに用いる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、金属板を連続的に製造するには、圧延ロール間に金属板を通して圧下することにより板厚を小さくする圧延方法が採用されている。金属材料では、塑性加工に伴い硬化する性質があるので、一般にある程度の塑性加工をおこなった後、焼鈍を施す。
【０００３】
また、金属材料の変形抵抗は、加工温度の上昇に伴って低下する傾向があるので、加工性に劣る材料については、加熱炉等の加熱装置を用いて、材料の温度を高めた状態で圧延する熱間圧延や温間圧延が実施される。このように、金属帯を加熱装置を用いて加熱し、歪み取りなどの焼鈍を施したり、加工温度を高めることは、古くから一般的におこなわれている。
【０００４】
一方、金属の種類によっては、酸素やその他の元素との親和力が高く、高温に加熱した際に燃焼する危険性がある。その代表的な例として、マグネシウム合金がある。
【０００５】
通常使用されるマグネシウム合金の結晶構造は最密六方晶であり、常温での塑性変形では底面すべりしか期待できず、変形抵抗は小さいものの、加工割れが発生しやすく、常温での塑性加工性に劣っている。したがって、マグネシウム合金の圧延加工では、３５０〜４５０℃で加熱して圧延する熱間圧延方法、あるいは２００℃程度まで加熱して圧延する温間圧延方法が採用されている。
【０００６】
マグネシウムは、その融点が６５１℃と低いばかりでなく、極めて酸素との親和力が高いので、大気中にて不用意に高温（３５０℃以上) に加熱したときには、板の端部や微細なバリ部などが局部的に過加熱されて、発火、燃焼する危険性がある。
【０００７】
マグネシウム合金の熱間加工では、一般に４００℃前後にまで加熱されるが、このような高温に加熱されたときには、常に発火、燃焼の危険性を伴っている。
【０００８】
したがって、マグネシウム合金を４００℃以上に加熱する際には、通常は密閉式の加熱炉が使用され、保護性の雰囲気ガスを使用したり、複数の熱電対を使用して部分的な温度上昇を早期に感知して、急激な温度上昇が感知された際には直ちに加熱を中断するなどの方法が採用されている。
【０００９】
マグネシウム合金が一度発火したときには、紫外線と共に目の眩む凄まじい閃光を放ち、燃焼熱を発し、場合によっては気化したマグネシウム蒸気を含んだ白煙をあげながら燃え続けるので、容易には近づき難く、消火作業は困難を極める。しかも、水はもちろんのことハロン消火器、ＡＢＣ消火器および強化液消火器などは逆効果であり、炭酸ガス消火器や窒素ガスも全く無力であるなど、有効な消火方法が殆どないので、延焼を防ぎつつ全てが燃え尽きるのを待つしかないのがマグネシウム火災の実状である。したがって、マグネシウム合金を加熱する際には、火災の発生を防ぐべく、最大限の注意が要求される。
【００１０】
金属材料を高速に加熱する手段としては、高周波誘導加熱，直接通電加熱あるいは赤外線などを使用する方法などが知られている。このような、急速加熱が可能な加熱方法は、帯状金属板の連続的な加熱には極めて有効である反面、温度の変動が生じやすく、僅かな過加熱で発火する危険性を有した材料を高温に加熱する手段としては、危険である。
【００１１】
マグネシウム合金についても、押し出し加工前の急速予備加熱方法として、比較的低周波数を用いる高周波誘導加熱炉が使用されているが、これは対象物の形状が一定かつ厚みを有している場合である。この誘導加熱炉は、板厚が薄く、板厚および板幅が共に均一でない金属帯を比較的高温にまで、効率よく加熱するのには不適切である。
【００１２】
前述のように、火災の危険性を有したマグネシウム合金の加熱装置としては、循環式の熱風加熱炉や堅牢なマッフルが用いられた抵抗加熱式の電気炉などの密閉炉が一般的に使用されている。このような加熱装置は、温度制御が比較的容易で安定しているだけでなく、万一炉内においてマグネシウム合金が発火した際にも、密閉されていることから空気が遮断されて消火できるので、急速加熱性には劣るものの、安全性には優れている。
【００１３】
しかしながら、マグネシウム合金を帯板の状態で連続的に加熱するためには、密閉式の加熱装置を使用することは極めて困難である。以下にその理由を記述する。
【００１４】
帯状の金属板では、一般にコイル状に巻き取られる。コイル状に巻き取られたときに、コイルの内側の板表面に僅かな圧縮応力が付与される。マグネシウム合金では、このような軽度の歪みが加わったコイルの状態で再結晶温度以上に昇温されると粗大結晶粒が成長し、その後の圧延性に大きな悪影響を及ぼすことが知られている。
【００１５】
すなわち、マグネシウム合金のコイルを加熱する際には、展開した状態で加熱し、加熱後にコイル状に巻き取るときには、再結晶温度以下に冷却されていなければならない。したがって、マグネシウム合金のコイルを連続的に加熱するときには、コイルを展開してその展開された部位だけを選択的に加熱する方法が必要となる。
【００１６】
このような加熱装置には、金属帯が連続的に出入りする開口部が必要となる。このような開口部を設けることにより、当然のことながら密閉式の加熱装置は使用できなくなる。また、保護性のガスを使用するにしても、開口部より大量のガスが漏洩し続けるので著しく不経済である。仮に、このような不経済を許容し、複数の熱電対を設置して材料の温度に注意を払いつつ加熱したとしても、万が一に火災が発生した際には、圧延材料は言うまでもなく、装置全体を含めて消失する危険性が高いことは否めず、そのような加熱装置を用いて、危険性を伴う金属帯を連続的に高温加熱した例はないのが現状である。
【００１７】
【本発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、高温に加熱した際に発火、燃焼する危険性の高いマグネシウム合金帯を、連続的に高速かつ安全に加熱する方法、加熱と圧延を連続的に効率よくおこなってマグネシウム合金板を製造する方法およびそれらに用いる装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、高温に加熱した際に発火する危険性を有したマグネシウム合金帯の安全な高速加熱方法について鋭意検討した結果、下記のような知見を得るに至った。
【００１９】
ａ）発火する恐れのない温度域があり、その温度までは均一加熱性に劣るが急速加熱性に優れた加熱方式を用いて加熱し、それ以上の温度には急速加熱性に劣るが金属帯を均一に加熱することができる加熱方式を用いて加熱すれば、発火のおそれがなく、短時間で高温に加熱できる。
【００２０】
ｂ）万一発火した場合は、加熱装置の出入り側で金属帯を切断し、炉外に出火するのを防止すればよい。
【００２１】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下の通りである。
【００２２】
（１）マグネシウム合金帯のコイルを展開して連続的に加熱する方法であって、展開した状態のマグネシウム合金帯を３５０℃を超えることなく急速加熱装置を用いて急速加熱し、急速加熱後の目標温度への加熱は、均一加熱装置で加熱するマグネシウム合金帯の連続加熱方法。
【００２３】
（２）マグネシウム合金帯のコイルを展開して連続的に加熱するための加熱装置であって、展開した状態のマグネシウム合金帯を急速加熱するための急速加熱装置と、その急速加熱装置から出てきたマグネシウム合金帯を引き続き均一に加熱するための均一加熱装置とが連続的に設置されており、少なくとも急速加熱装置の入り側と均一加熱装置の出側に金属帯の切断装置が設置されているマグネシウム合金帯の連続加熱装置。
【００２４】
（３）マグネシウム合金帯のコイルを展開し、展開した状態のマグネシウム合金帯を３５０℃を超えることなく急速加熱装置を用いて急速加熱し、急速加熱後の目標温度への加熱は均一加熱装置で加熱し、目標温度に加熱されたマグネシウム合金帯をそのまま連続的に圧延機で圧延するマグネシウム合金板の製造方法。
【００２５】
（４）マグネシウム合金帯のコイルを展開した状態で加熱と圧延を連続的に実施してマグネシウム合金板を製造する装置であって、急速加熱装置と、均一加熱装置と、圧延機とが順次連続的に設置されており、少なくとも急速加熱装置の入り側と均一加熱装置の出側にマグネシウム合金帯の切断装置が設置されているマグネシウム合金板の製造装置。
【００２６】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明の加熱方法およびマグネシウム合金板の製造方法において規定した条件について説明する。
【００２７】
加熱方法：
加熱するマグネシウム合金の化学組成は特に限定されなく、Ｍｇを５０％以上と多量に含有し、３５０℃を超える温度に不用意に加熱すると発火する恐れのあるＭｇ合金を全て対象とする。
【００２８】
急速加熱装置で急速加熱を３５０℃を超えることなくおこなうのは、加熱中の発火を防止するためである。この温度以下での急速加熱は、温度分布に不均一が生じたとしても発火に至る危険性は極めて少ない。
【００２９】
加熱温度が３５０℃を超えると、マグネシウム合金帯に引張り応力が作用した状態では部分融解さらには発火の危険性が高くなる。３５０℃を超えると金属帯板に引張張力が作用した状態で部分融解および破断する危険性がとみに高まる理由は定かではないが、金属帯板の不可避的な成分偏析に起因した低融点の化合物の存在や、温度上昇による材料強度の急激な低下が原因であると推定される。
【００３０】
急速加熱装置を用いた加熱温度の上限は、３５０℃以下の温度域であれば何度まで急速加熱してもよいが、急速加熱するのは加熱時間を短縮することが目的であり、３２０℃近傍の温度まで加熱するのが加熱時間をより短縮することができるので好ましい。また、急速加熱温度の下限については特に限定しないが、同様の理由により、２００℃以上が好ましい。
【００３１】
急速加熱に用いる急速加熱装置とは、高周波誘導加熱装置（磁束の方向が板厚圧下率方向となる）、直接通電加熱装置および赤外線加熱装置をいう。
【００３２】
急速加熱装置による加熱では合金板の温度が均一にならないため、急速加熱に引き続き、加熱速度は遅いが均一加熱性に優れた均一加熱装置により目標温度に加熱部が均一な温度になるように加熱する。最終的な加熱温度の上限については特に限定しないが、火災の危険性の高い金属材料であることから、溶解開始温度の9/10程度が限界であると考えられ、一般的には４５０℃以下である。
【００３３】
また、均一加熱装置とは、熱風循環式加熱炉、マッフル炉、ソレノイド型の高周波誘導加熱装置および合金帯を加熱ロールに接触させて加熱する加熱ロール装置をいう。
【００３４】
製造方法：
本発明のマグネシウム合金板の製造方法は、上記の加熱方法で急速加熱と均一加熱した後、直ちに圧延する方法であり、これらを連続的に実施することにより製造効率が極めてよくなる。効率が上がるのは、急速加熱と均一加熱とを組み合わせることにより、安全に３８０℃以上と高温に短時間で加熱できるうえ、圧延時の圧下率も、１パス当たり５〜２５％と大きくすることができるからである。
【００３５】
マグネシウム合金帯のコイルを展開しながら加熱と圧延を連続的に実施するためには、圧延速度と同じ速度でマグネシウム合金帯を連続的に短時間で目標温度にまで加熱しなければならないが、本発明の加熱方法により短時間加熱が可能となったので、加熱−圧延を連続的におこなうことが可能となった。
【００３６】
次に装置について説明する。
【００３７】
加熱装置：
図１は、本発明の加熱方法を実施するための加熱装置の１例を示す側面図である。この加熱装置は、コイル１を展開したマグネシウム合金帯を連続的に急速加熱するための急速加熱装置３と、急速加熱装置３の出側の直近に設置された均一加熱装置４とを備えており、さらに少なくとも急速加熱装置３の入り側と均一加熱装置の出側に金属帯の切断装置５ａ、５ｃを備えている。この例では、急速加熱装置３と均一加熱装置との間に切断装置５ｂをも設けられている。万が一に火災が発生した場合、切断装置５ｂを設けておくと、後述するように火災を最小限にすることができる。図中２は巻き取られたコイルである。
【００３８】
急速加熱装置は、急速に加熱し加熱時間を短縮することを第一目的としたものである。このような観点から、前段の加熱装置の具体例としては、磁束方向が板厚と垂直な高周波誘導加熱装置や材料の狙い加熱温度よりも遥かに高温に設定されたマッフル炉あるいは赤外線式の加熱装置で、一般の急速加熱装置が使用可能である。この中では、投入電気量に対する加熱効率に優れた高周波誘導加熱装置が推奨される。
【００３９】
後段の均一加熱装置は、マグネシウム合金帯を均一に加熱することを第一目的としたものである。具体的な装置は前述の装置であり、安定性では熱風循環式の加熱炉やマッフル炉が優れており、制御性ではソレノイド型の高周波誘導加熱炉が優れている。ロール加熱装置は、均一加熱性には優れている。
【００４０】
切断装置：
マグネシウム合金は活性な金属であり大量に発火した際には、前述したように効果的な消火方法はないと言っても過言ではない。したがって、マグネシウム合金の加熱では最大限に火災を予防することと同時に、延焼を防止する効果的な対策が極めて重要かつ必須である。
【００４１】
万が一火災が発生したときや火災が発生しそうになったときには、前記切断装置を作動させて直ちに金属帯を切断することにより、金属帯による延焼を防止することができる。
【００４２】
切断装置は、一般に使用されている金属切断装置が使用可能である。切断装置の具体例として、ガスやプラズマアーク等を用いる溶断装置の他、金属刃を使用したせん断装置などがある。これらの内で好ましいのは金属刃を用いるせん断装置である。その理由として、せん断による切断方法では、動作すると殆ど同時に金属帯板が切断されること、切断の際に熱を発しないことおよび単純な構成のため安価であり動作信頼性が高いことなどがあげられ、延焼を防止する安全装置として適切であると判断される。
【００４３】
せん断のための動力源としては、電気，油圧などの機械的な手段も利用可能であるが、不測の事態を想定した安全装置なので、単純かつ確実に動作させる手法として、金属刃の自重により切断する方法が好ましい。このとき、金属刃が目的とする金属帯板を切断するのに十分な自重を有しているように設計することは言うまでもない。
【００４４】
切断装置の設置数については、特に限定しないが、金属材料火災が発生したときに、出来るだけ燃焼部位の近傍にて切断することが有効なので、各加熱装置の出口側と入口側の両方に設置することが好ましいが、装置が複雑かつ高価になることは否めない。このような制約のために、切断装置の設置数が限られる場合であっても、火災が発生したときには、少なくとも急速加熱装置３の入り側と均一加熱装置の出側に設けておけば、コイルまで延焼するのを防止することができる。
【００４５】
切断装置を作動させる手法については、例えば、火災を検出する装置は何ら付与することなく、装置の作業者等が、金属帯板の発火に気付いたときに、何らかの操作をすることにより切断装置を作動させて、金属帯板を切断するという方法でも使用可能である。しかしながら、より高い安全性のためには、金属帯板の温度を各種部位、特に加熱装置近傍にて計測し、危険な温度域(例えば融解温度の9/10)まで上昇したときには、自動的に作動するような装置を予め組み込んでおくことが好ましい。また、このときには加熱装置の加熱手法に依存するが、加熱を直ちに停止することも有効である。
上記のような切断装置を備えた加熱装置は、安全で効率よく加熱でき、焼鈍等の熱処理を連続的に実施するのに好適である。
熱処理後に巻き取ってコイル化された際には、内側の板表面に僅かな圧縮応力が付与される。このような軽度の歪みが加わった状態で再結晶温度以上に昇温されると粗大な結晶粒が形成される場合がある。このような粗大粒は、その後の圧延性，加工性に対して悪影響を及ぼしかねない。必ずしも全てのマグネシウム合金について、このような粗大粒が形成されるわけではなく、また形成された粗大粒が必ずしもその後の加工性に悪影響を与える訳ではないが、このような可能性は予め排除しておくことが望ましい。したがって、このような粗大結晶粒が形成される可能性を完全に排除するためには、展開した状態で加熱し、コイル状に巻き取るときには、再結晶開始温度以下に冷却してから巻き取ればよい。そのため、図１に示すように、必要によりコイルの巻き取る前に冷却用のロール８やエアブロー装置６によりマグネシウム合金帯を再結晶開始温度以下になるように冷却するのが好ましい。
【００４６】
製造装置：
本発明の製造方法は、マグネシウム合金帯を展開して連続的に加熱、圧延することによりマグネシウム合金板を安全にかつ効率よく製造する方法である。
【００４７】
図２は、本発明の製造装置の１例を示す側面図である。急速加熱装置、均一加熱装置および切断装置は、図１で示した加熱装置と同じである。本発明の製造装置は、均一加熱装置４の出側の直近に圧延装置７が設置されており、コイルを展開してから加熱、圧延を連続的に実施できる。この製造装置では、圧延後にコイル状に巻き取るので、圧延後に冷却する装置６、８は圧延機の出側に設置されている。
【００４８】
【実施例】
ASTM;AZ31相当のマグネシウム合金帯(板厚；２．２ｍｍ，板幅；６８０ｍｍ)のコイルを展開し、図１に示した加熱装置を用いてマグネシウム合金帯を７．０ｍ／分の速度で走行させながら４２０℃に均一加熱した。加熱条件は下記の通りであった。
【００４９】
急速加熱
加熱装置：高周波誘導加熱装置（炉長：２．１ｍ）
加熱速度：１６．４℃／Ｓ
加熱温度：３２０℃
均一加熱
加熱装置：ロール加熱装置
加熱速度：４．４℃／Ｓ
加熱温度：４２０℃
加熱に際し、マグネシウム合金帯が４２０℃に均一に加熱されるまでの時間を測定した結果４１秒であった。また、接触式の温度測定装置により急速加熱装置と均一加熱装置の出側でそれぞれマグネシウム合金帯の幅方向の温度分布を測定した。測定結果は下記の通りであった。
【００５０】
0003685032.tif 000002
上記方法にて、マグネシウム合金板は４２０℃まで急速に加熱されたが、加熱中に発火することはなかった。また、均一加熱後に、４段圧延機を使用して、圧延率２０％で圧延して巻き取ったが、圧延後の板の端部において割れが発生することなく、板厚１．７６ｍｍのマグネシウム合金板が製造できた。
【００５１】
比較例として上記と同様のコイルを用いて、図１に示す加熱装置で急速加熱装置を使用しないで、均一加熱装置のみを用いて４２０℃に均一に加熱した。
【００５２】
均一加熱装置の加熱速度は小さいので、マグネシウム合金帯の走行速度を１．７ｍ／分とすることにより、目的温度である４２０℃まで加熱した。均一加熱後の幅方向の温度分布を測定した結果、中央とエッジの温度差はなく大変優れていたが、４２０℃に均一に加熱されるまでには７５秒間要し、加熱時間が比較的長時間となった。
【００５３】
このように、均一加熱装置だけを用いても４２０℃まで加熱することは可能ではあるが、合金板の走行速度を小さくする必要があり、生産性が著しく低下してしまう。さらには、走行速度を小さくすることにより、加熱装置から圧延機までの移動に要する時間が長くなるので、圧延時の合金温度は低下してしまうことも確認された。
【００５４】
以上の結果から、本発明の加熱方法によれば、短時間で比較的幅方向に均一に加熱ができ、また効率よく圧延が実施できることが分かる。
【００５５】
【本発明の効果】
本発明によれば、温度上昇により発火する危険性の高いマグネシウム合金のコイルを展開して連続的に空気中で、安全に加熱することが可能となり、また加熱と圧延を連続におこなうことができ、効率よく熱処理ができ、さらにはマグネシウム合金板を効率よく製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加熱装置の１例を示す側面図である。
【図２】本発明の製造装置の１例を示す側面図だある。
【符号の説明】
１：コイル
２：巻き取りコイル
３：急速加熱装置
４：均一加熱装置
５ａ、５ｂ、５ｃ：切断装置
６：冷却用エアブロー装置
７：圧延機
８：冷却用ロール
【図１】
0003685032.tif 000003
【図２】
0003685032.tif 000004