(57)【要約】【課題】合金成分の均一なＭｇ合金を効率良く製造するためのＭｇ合金の製造方法およびこれに用いるＭｇ合金の製造装置を提供する。【解決手段】加熱途中のＭｇ原料またはＭｇの溶湯Ｍに対して、Ｍｇ合金用元素の溶湯ｍを液滴ｄとして添加する、Ｍｇ合金の製造方法。また、Ｍｇ原料(インゴット)Ｇを溶解する主溶解炉２と、Ｍｇ合金用元素の原料を溶解する補助溶解炉６と、係る補助溶解炉６と上記主溶解炉２との間を連通し且つ上記Ｍｇ合金用元素の溶湯ｍを主溶解炉２に滴下(ｄ)可能な液滴用パイプ９と、を備えている、Ｍｇ合金の製造装置１も含まれる。【選択図】  図１
2005179735.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱直後または加熱途中のＭｇ原料、あるいはＭｇの溶湯に対して、Ｍｇ合金用元素の溶湯を液滴として添加する、
ことを特徴とするＭｇ合金の製造方法。
【請求項２】
前記合金用元素は、Ｍｇの比重よりも大きな比重を有することおよびＭｇの融点よりも高い融点を有することの少なくとも一方を満たすものである、
ことを特徴とする請求項１に記載のＭｇ合金の製造方法。
【請求項３】
前記Ｍｇの溶湯は、前記Ｍｇ原料の全てが溶解する直前または直後のものである、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のＭｇ合金の製造方法。
【請求項４】
Ｍｇ原料を溶解する主溶解炉と、
Ｍｇ合金用元素の原料を溶解する補助溶解炉と、
上記補助溶解炉と主溶解炉との間を連通し且つ上記Ｍｇ合金用元素の溶湯を主溶解炉に滴下可能な液滴用パイプと、を備えている、
ことを特徴とするＭｇ合金の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合金成分の均一なＭｇ合金を効率良く製造するためのＭｇ合金の製造方法およびこれに用いるＭｇ合金の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａｌ(アルミニウム)よりも軽量なＭｇ(マグネシウム)合金は、２輪車のホイール、ヘルメット、デジタルカメラやノートパソコンなどの筺体、各種の自動車部品などに広く活用されている。
ところで、所望の合金組成を有するＭｇ合金を得るには、図６に示すように、鉄(鋼)製の炉体２１からなる溶解炉２０にＭｇの原料(インゴットまたはスクラップ)を装入し、炉底２２や炉体２１の側面から図示しないバーナーで加熱し且つ溶解すると共に、合金元素である例えばＡｌのインゴット(固体)を１０wt％以下の範囲で添加している。尚、上記Ａｌのインゴットに替えて、粒状で且つ２wt％以下のＺｎや、１wt％以下のＭｎを添加する場合もある。
【０００３】
図６に示すように、溶解炉２０の開口部は、蓋２３で密閉され、排気管２４から溶解炉２０内の空気を脱気すると共に、給気管２５からＡｒなどの不活性ガスを吹き込んで、Ｍｇの溶湯Ｍの酸化を防止している。
しかしながら、合金成分であるＡｌ、Ｍｎ、Ｚｎなどを固体状態でＭｇの溶湯Ｍに添加すると、図６に示すように、上記ＡｌなどはＭｇよりも比重が大きいため、炉底２２寄りに沈降してしまう。このため、係る合金成分のＡｌなどが溶湯Ｍ中に均一に分散されず、且つ所要のＭｇ合金を得るための溶解に長時間が必要となる。しかも、合金成分を均一化するため、加熱後における融点付近で保持する工程を設けると更に長時間を要することになる。
【０００４】
そこで、図７に示すように、溶解炉２０内で溶解されたＭｇの溶湯Ｍ中に攪拌羽根２８を挿入し且つ機械的に攪拌する方法も考えられる。係る攪拌羽根２８は、その回転軸２７が蓋２３の通し孔２６を貫通すると共に、図示しないモータなどにより回転される。係る攪拌羽根２８を回転させることで、合金成分は溶湯Ｍ中に均一に分散され易くなるため、Ｍｇ合金の製造時間を短縮することができる。
しかし、上記の方法では、攪拌による流速が溶湯Ｍに付加されるため、攪拌羽根２８や炉体２１の溶損により、Ｆｅなどの不純物元素が混入するおそれがある。係る不純物元素を除去するには、溶湯Ｍを非常に長時間にわたり沈静保持する必要がある。しかも、回転軸２７と蓋２３とのシール性が十分でないと、Ｍｇの溶湯Ｍが酸化してＭｇＯ(非金属介在物)が生成し、これが混入するおそれもある。
【０００５】
因みに、以上において説明したＭｇ合金の製造方法について、図８のグラフにより説明する。Ｍｇ−３wt％ＡｌのＭｇ合金を得るため、前記溶解炉２０を用いて４種類の溶解を行った。１つ目は、Ｍｇのインゴットを加熱した直後からＡｌのインゴットを装入したケース、２つ目は、Ｍｇの溶解が終了直前の時点でＡｌのインゴットを装入したケース、３つ目と４つ目とは、１つ目または２つ目で溶解完了に続き５分間にわたり前記攪拌羽根２８を用いて攪拌したケースである。
図８のグラフ中の実線で示すように、攪拌のない１つ目および２つ目のケースは、上記狙いとする合金組成に至らず且つ長時間を要した。
一方、攪拌を行った一点鎖線または破線で示す３つ目および４つ目のケースでは、Ｍｇの溶解完了直後にほぼＭｇ−３wt％Ａｌの合金組成となった。しかし、これらのケースでは、前述したように、ＦｅやＭｇＯなどが混入するおそれがあり、それらを除去するために非常に長時間の沈静保持を必要としていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上にて説明した背景技術の問題点を解決し、合金成分の均一なＭｇ合金を効率良く製造するためのＭｇ合金の製造方法およびこれに用いるＭｇ合金の製造装置を提供する、ことを課題とする。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するため、発明者による鋭意研究および調査の結果に基づき、Ｍｇの原料または溶湯に対して、狙いとする合金成分の元素を液滴として添加する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明のＭｇ合金の製造方法(請求項１)は、加熱直後または加熱途中のＭｇ原料、あるいはＭｇの溶湯に対して、Ｍｇ合金用元素の溶湯を液滴として添加する、ことを特徴とする。
【０００８】
これによれば、Ｍｇ合金用の元素は、溶滴として加熱中のＭｇ原料またはＭｇの溶湯に滴下されるため、例えばＡｌのようにＭｇよりも比重の大きな元素であっても沈降することなく、比較的短時間に均一にＭｇ溶湯中に分散される。従って、合金成分の均一なＭｇ合金を効率良く製造することが可能となる。
尚、上記Ｍｇ原料には、Ｍｇのインゴットや任意形状のＭｇ合金のスクラップが含まれる。また、加熱直後のＭｇ原料とは、係るＭｇ原料を加熱しているが、その一部が未だに溶けていない当該原料を指し、通常は後述する主溶解炉内に最初から装入される。更に、加熱中のＭｇ原料とは、係るＭｇ原料の一部が溶け始めたものから、当該原料が全て溶けて溶湯状態に保持されているものまでを指す。
【０００９】
また、本発明には、前記合金用元素は、Ｍｇの比重よりも大きな比重を有することおよびＭｇの融点よりも高い融点を有することの少なくとも一方を満たすものである、Ｍｇ合金の製造方法(請求項２)も含まれる。
これによれば、Ｍｇ合金用元素は、予め所定の温度で溶解され且つ液滴としてＭｇの溶湯中に滴下されるため、Ｍｇよりも比重が大きい元素や融点が高い元素であっても、確実にＭｇの溶湯中に均一に分散することができる。
尚、Ｍｇの比重よりも大きな比重を有する合金用元素には、例えばＡｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅなどが含まれ、Ｍｇの融点よりも高い融点を有する合金用元素には、例えばＡｌ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅなどが含まれる。
【００１０】
更に、本発明には、前記Ｍｇの溶湯は、前記Ｍｇ原料の全てが溶解する直前または直後のものである、Ｍｇ合金の製造方法(請求項３)も含まれる。
これによれば、Ｍｇ合金用元素は、液滴としてＭｇ溶湯中に滴下されるため、当該溶湯中に短時間で且つ一層均一に分散することができる。
【００１１】
一方、本発明のＭｇ合金の製造装置(請求項４)は、Ｍｇ原料を溶解する主溶解炉と、Ｍｇ合金用元素の原料を溶解する補助溶解炉と、係る補助溶解炉と上記主溶解炉との間を連通し且つ上記Ｍｇ合金用元素の溶湯を主溶解炉に滴下可能な液滴用パイプと、を備えている、ことを特徴とする。
これによれば、予め補助溶解炉でＭｇ合金用元素の原料を溶解し、液滴溶パイプを介して主溶解炉中のＭｇ原料またはＭｇの溶湯に滴下することができる。従って、合金成分の均一なＭｇ合金を効率良く製造することが可能となる。
尚、上記主溶解炉や補助溶解炉には、例えばバーナ加熱、電気抵抗加熱、または誘導加熱方式の溶解炉などが用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明における１形態のＭｇ合金の製造方法およびこれに用いる製造装置１の概略を示す。Ｍｇ合金の製造装置１は、図１に示すように、Ｍｇのインゴット(原料)Ｇを溶解する主溶解炉２と、Ｍｇ合金用元素の原料を溶解する補助溶解炉６と、これらの間を連通し且つＭｇ合金用元素の溶湯ｍを主溶解炉２に滴下する液滴用パイプ９とを備えている。
主溶解炉２は、図１に示すように、鉄(鋼)からなるほぼ円筒形の炉体３と、その開口部を閉鎖する蓋４と、炉体３の下方に位置するバーナ５とを含み、上記蓋４には図示しない排気管およびシールドガス(例えば、乾燥空気とＳＦ６との混合ガス、ＣＯ２とＳＦ６との混合ガス、またはＡｒとＳＦ６との混合ガス)供給用の給気管が貫通し、主溶解炉２内をシールドガス雰囲気に保持可能としている。
【００１３】
また、補助溶解炉６は、鉄(鋼)からなる円筒形の炉体８と、その外側に螺旋形状に巻き付けた図示しない誘導コイルとを備えている。更に、液滴用パイプ９は、図１に示すように、補助溶解炉６の炉体８の底面に上端が開口し且つ下端が主溶解炉２の炉体３の上方に開口する細径の透孔１０を軸方向に沿って内設した耐熱性の金属管である。
尚、透孔１０の内径は、Ｍｇ合金用元素の溶湯ｍを液滴ｄとして滴下可能な範囲(例えば、５〜５０ｍｍ)とされている。また、補助溶解炉６と主溶解炉２との間に位置する液滴用パイプ９の中間には、透孔１０を開閉する耐熱性のスライディングゲートを配置することも可能である。
【００１４】
ここで、本発明におけるＭｇ合金の製造方法の１形態を図１により説明する。
図１に示すように、予め、補助溶解炉６の炉体８内にＭｇ合金用元素の原料、例えばＡｌのインゴット、またはＺｒ粒やＭｎ粒を装入し且つこれを誘導加熱してＡｌなどの溶湯ｍとしておく。尚、炉体８内は、予め不活性ガス雰囲気としてある。
上記と平行してまたはその後で、主溶解炉２の炉体３内にＭｇのインゴット(原料)Ｇを装入し、蓋４で炉体３内を密閉し且つ炉体３内を前記シールドガス雰囲気とした後、バーナ５で炉体３を加熱して、図１に示すように、上記インゴットＧを溶湯Ｍに徐々に溶解する。
【００１５】
係る加熱直後または加熱途中のＭｇのインゴットＧおよびＭｇの溶湯Ｍに対して、補助溶解炉６内のＡｌなどの溶湯ｍを液滴用パイプ９を介して液滴ｄとして滴下する。すると、Ａｌなどの溶湯ｍは、炉体３の底部に滞留するＭｇの溶湯Ｍに混入するが、直ちに沈降することなく、当該溶湯Ｍ中に均一に分散される。この結果、所要量のＡｌなどの溶湯ｍを滴下し且つＭｇのインゴットＧが全て溶解して溶湯Ｍになった時点付近において、合金成分の均一なＭｇ合金を得ることが可能となる。係るＭｇ合金は、主溶解炉２を傾動し、後述するインゴットケースに注湯することにより、合金成分の均一なＭｇ合金のインゴットとなる。
【００１６】
図２は、前記製造装置１を用いる異なる形態のＭｇ合金の製造方法を示す概略図である。前記と同様に、補助溶解炉６においてＡｌの溶湯ｍを用意する。これと平行して、あるいは事前に、主溶解炉２の炉体３内にＭｇのインゴット(原料)Ｇを装入し、前記と同様にして、係るインゴットＧのほぼ全量を溶解し、図２に示すように、Ｍｇの溶湯Ｍとする。係る時点で、補助溶解炉６内のＡｌの溶湯ｍを液滴溶パイプ９を介して液滴ｄとして、主溶解炉２内のＭｇの溶湯Ｍに滴下する。この場合、Ａｌの溶湯ｍは、直ちに当該溶湯Ｍ中に均一に分散されるため、最も短時間で所定のＭｇ合金を得ることが可能となる。
【実施例１】
【００１７】
ここで、本発明の具体的な実施例について説明する。
Ｍｇ−３wt％ＡｌのＭｇ合金を１０ｋｇ製造するため、前記製造装置１の主溶解炉２において、３組のＭｇのインゴットＧを個別に装入して加熱した。
一方、補助溶解炉６で３組の所要量のＡｌのインゴットを個別に溶解し、上記ＭｇのインゴットＧの加熱直後(加熱開始〜１５分間：添加時期１)、加熱途中(加熱３０分経過後から１５分間：添加時期２)、あるいは溶解完了直後(加熱４５分経過後から１５分間：添加時期３)の時点において、Ａｌの溶湯ｍを液滴用パイプ９を介して、Ｍｇの溶湯Ｍ中に実施例の各組ごとに滴下した。
実施例の各組(添加時期１，同２，同３)ごとの加熱時間と溶湯状態のＭｇ合金中におけるＡｌの含有量とを、サンプリングにより測定した。その結果を図３のグラフに実線、一点鎖線、破線にて個別に示した。
【００１８】
図３のグラフによれば、実線で示す添加時期１の組は、Ｍｇインゴットの加熱開始から約４５分経過した時点(Ｍｇ溶解完了)以降では、Ｍｇ−２．８wt％Ａｌの合金組成で推移し、一点鎖線で示す添加時期２の組は、加熱開始から約５０分経過した時点以降では、Ｍｇ−３wt％Ａｌの合金組成で推移した。更に、破線で示す添加時期３の組は、Ａｌの溶湯ｍを全量滴下し終えた時点、即ち加熱開始から約６０分経過した時点でＭｇ−３wt％Ａｌの合金組成となった。
因みに、前記図８のグラフで示した従来の方法を用い且つ攪拌なしの組では、Ｍｇインゴットの加熱開始から約８０分経過した時点でも、Ｍｇ−２．５wt％Ａｌの合金組成レベルに達していなかった。また、攪拌した組では、加熱開始から約５０分経過した時点で、ほぼＭｇ−３wt％Ａｌの合金組成となったが、前述したＦｅやＭｇＯなどの混入が懸念されるため、長時間の沈静処理が必要であった。
以上のような３組の実施例の結果から、本発明のＭｇ合金の製造方法の効果が裏付けられ、その優位性を容易に理解することができる。尚、添加時期１と添加時期２との間の時間帯においてＡｌの溶湯ｍを滴下した場合も、上記各実施例と同等の効果を得ることが可能である。
【実施例２】
【００１９】
前記製造装置１を用いてＭｇ−３wt％ＡｌのＭｇ合金を１０ｋｇ製造すべく、ＭｇのインゴットＧの溶解完了直後(加熱４５分経過後から１５分間：添加時期３)に、前記補助溶解炉６で溶解したＡｌの溶湯ｍを、液滴用パイプ９を介してＭｇの溶湯Ｍ中に液滴として滴下した。加熱開始から６０分間経過した後、得られた実施例のＭｇ合金の溶湯Ｍ１(１０ｋｇ)を、図４に示すように、主溶解炉２の炉体３を９０度まで傾動し、その全量をインゴットケース(鋳型)１２内に注湯した。
一方、前記溶解炉２０にＭｇのインゴットＧを装入し、これにＡｌのインゴットを装入して(添加時期１)これらを加熱し且つ溶解し、加熱開始から６０分経過後に比較例のＭｇ合金の溶湯(１０ｋｇ)を得た。係る溶湯も図４に示したと同様にして、その全量をインゴットケース１２内に注湯した。
【００２０】
得られた実施例のＭｇ合金のインゴット１４と、比較例のＭｇ合金のインゴットとについて、図４中で示す高さ方向におけるトップ、ミドル、ボトムの各位置でサンプルをそれぞれ切り出し、サンプルごとにＡｌの含有量を測定した。その結果を図５のグラフに示した。
図５のグラフによれば、実施例のインゴット１４では、トップ、ミドル、およびボトムの各位置において、Ａｌの含有量は約３wt％と均一であった。これは、実施例では、Ｍｇの溶湯ＭにＡｌの溶湯ｍを滴下したため、Ａｌが前記インゴット１４の全体に均一に分散したことによる。
【００２１】
一方、比較例のＭｇ合金のインゴットは、そのトップでＡｌ：４．２wt％、ミドルでＡｌ：２．１wt％、ボトムでＡｌ：１．３wt％というように、Ａｌの含有量が偏析していた。これは、前記溶解炉２０の炉底２２付近にＭｇよりも比重の大きなＡｌが沈降したため、インゴットケース１２に注湯した際、係る部位がＭｇ合金のインゴットのトップ付近の金属組織となり、且つＡｌ分が少ない溶湯の液面付近がボトム付近の金属組織となったためである。
以上のような実施例のＭｇ合金のインゴット１４によっても、本発明のＭｇ合金の製造方法の効果が裏付けられ、その優位性が容易に理解されよう。
【００２２】
本発明は、以上に説明した各形態や実施例１，２に限定されるものではない。
例えば、Ｍｇ合金用元素には、前述したもののほか、Ｓｎ、Ｚｒ、Ａｇ、Ｃｅ、Ｔｈを用いたり、Ｍｇと同等の比重で且つ融点の高いＢｅや、Ｍｇよりも比重が小さく融点が低いＫ、Ｎａ、Ｌｉを用いても良い。
また、Ｍｇ合金用元素は、溶滴として滴下すると共に、一部を粒状または粉末の形態としてＭｇの溶湯に添加することも可能である。
更に、前記製造装置１において、主溶解炉２と補助溶解炉６とを、共通する密閉容器の内側にセットし、係る容器内を不活性ガス雰囲気に置換可能とした形態としても良い。
本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のＭｇ合金の製造方法の１形態とこれに用いる製造装置を示す概略図。
【図２】異なる形態のＭｇ合金の製造方法を示す概略図。
【図３】本発明の製造方法における実施例のＭｇの加熱時間とＭｇ合金の溶湯中におけるＡｌの溶解量との関係を示すグラフ。
【図４】実施例のＭｇ合金の溶湯をインゴットにする状態を示す概略図。
【図５】実施例および比較例のＭｇ合金のインゴットにおける各部位でのＡｌの含有量を示すグラフ。
【図６】従来のＭｇ合金の製造方法および製造装置を示す概略図。
【図７】異なる形態の従来のＭｇ合金の製造方法と製造装置を示す概略図。
【図８】従来の製造方法における実施例のＭｇの加熱時間とＡｌの溶解量との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２４】
１…Ｍｇ合金の製造装置
２…主溶解炉
６…補助溶解炉
９…液滴用パイプ
Ｇ…Ｍｇのインゴット(Ｍｇ原料)
Ｍ…Ｍｇの溶湯
ｍ…Ａｌの溶湯(Ｍｇ合金用元素の溶湯)
ｄ…液滴
【図１】
2005179735.tif 000003
【図２】
2005179735.tif 000004
【図３】
2005179735.tif 000005
【図４】
2005179735.tif 000006
【図５】
2005179735.tif 000007
【図６】
2005179735.tif 000008
【図７】
2005179735.tif 000009
【図８】
2005179735.tif 000010