NIKKIN FLUX INC.
日本金属化学株式会社

フラックスによるアルミニウム溶湯処理について

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埼玉県ふじみ野市亀久保１６５１
TEL:049-262-1234 FAX:049-264-9554

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１．はじめに・・・・・フラックスの必要性
アルミニウム合金は軽量であること、耐食性・加工性に優れていること、スクラップ化された屑などのリサイクリング（再資源化）による省エネルギー効果が大きいことなど多くの特徴に恵まれており、使用分野は多方面にわたっています。
今日のように、省エネルギー化及びコスト低減が叫ばれる中で、原材料を大切に使用し、より高い製品歩留まりの向上を推し進め、リサイクリングの強化を図る事が、今後の重要課題の１つと言えます。また、製品歩留まりの向上と合わせ、より高品質の製品が要求される中でアルミニウム鋳物の第一工程である、溶解作業用のフラックス処理が重要な役割を担うと考えられます。
特にアルミニウム合金は合金成分だけでなく、溶解された溶湯の性質が鋳物の良否に重要な影響を及ぼします。
鋳物の良否は溶湯の良否と鋳型の良否によって大きく左右され、いかに鋳物方案が良く鋳型の設計製作が完全であっても、これに鋳込まれる溶湯に欠陥が有れば良質な鋳物は得られません。したがって、鋳物の良否は溶湯の良否によって決まると言っても過言ではありません。このため、良質なフラックスを選択する事が必要不可欠と言えます。
フラックスは、メーカーにより配合原料及び配合率が異なりますので、自社の熔解条件に合ったものを選ぶ必要があります。
フラックスの選択に際しては以下の点にご留意下さい。
１）使用目的（除さい・脱ガス・改良処理・組織微細化・不必要成分の除去等）
２）使用地金（Ｎａ系・非Ｎａ系）
３）使用温度（溶湯処理温度）
４）低公害・発煙・発生ガスの有無
ご使用に当たっては、処理時の温度及び使用量をご確認下さい。また、フラックスは化学薬品ですので、溶湯との化学反応を効率的に行わなくてはなりませんので、フラックスとの溶湯の接触面積をなるべく大きくさせる事が必要で、フラックスを溶湯中に添加後、撹拌を充分に行って下さい。
また、フラックスと同様に溶湯の品質管理という点で、現場作業において溶湯には、下記の事項にご留意下さい。
１）必要は合金成分が維持されていること。必要以外の成分で汚染されてないこと。
２）合金の性質を劣化させるような有害ガス（水素）や酸素が除去されていること。
３）溶湯作業の過程において、必要以上の高温（設定温度が正確に保たれているか）、あるいは長時間作業が行われ無いこと。
その他にも、経済的要因として、溶解作業中の地金の減耗が少ないこと、燃料消費量が少ないこともご確認下さい。
これらの諸事項をご認識の上、御社の作業標準に見合った製品をお選びいただき、良質な製品んお製造にお役立て下さい。

２．フラックスの原料とその性質
アルミ合金フラックスは、主としてアルカリ金属（ナトリウム・カリウム等）、アルカリ土類金属（カルシウム・バリウム・マグネシウム等）、及びアルミニウム、珪素等の塩素化合物・フッ素化合物等を主成分として、混合し製品とします。
主な原料の性質を次に示します。なお、既番とは、経済省が指定する既存化学物質番号を示します。

２－１フッ素化合物
物質名

化学式

分子量

比重

融点

沸点

既番

備考

フッ化アルミニウム

ＡｌＦ３

83.89

2.881040

フッ化ナトリウム

ＮａＦ

41.99

2.79992

1704

332

フッ化マグネシウム

ＭｇＦ

62.31

3.15

1260

2260

328

フッ化カルシウム

ＣａＦ

78.08

3.18

1360

2500

179

ケイフッ化カリウムＫ２ＳｉＦ６220.28

3.08

分解

324

ケイフッ化ナトリウム

Ｎａ２ＳｉＦ６

188.06

2.68

分解

334

ホウフッ化カリウム

ＫＢＦ４

125.91

2.5

分解

51

ボロン添加用チタン弗化カリウムＫ２ＴｉＦ６240.093.017801097

チタン添加用ジルコンフッ化カリウム

Ｋ２ＺｒＦ６283.41

3.48

分解

1098

ジルコン添加用

クリオライトＮａ３ＡｋＦ６209.94

2.90

1000

332.14

氷晶石

カリクリオライトＫ３ＡｌＦ６14

ホタル石

1096

２－２塩素化合物
物質名

化学式

分子量

比重

融点

沸点

既番

備考

塩化アルミニウム

ＡｌＣｌ３133.34

2.44190183

12

潮解,昇華,煙塩化ナトリウム

ＮａＣｌ

58.45

2.16

800

1413

236

食塩

塩化カリウム

ＫＣｌ

74.56

1.98

776

1500

228

塩化カルシウム

ＣａＣｌ２110.99

2.15772

1600

176

潮解性

塩化マグネシウム

ＭｇＣｌ２95.22

2.327121412233

潮解性

沸点

既番

備考

２－３炭素塩、硝酸塩、硫酸塩、その他
物質名

化学式

分子量

比重

融点

炭酸カリウムＫ２ＣＯ３

138.212.43891

炭酸ナトリウム

ＮａＣＯ３105.99

2.53851400

164

炭酸カルシウム

ＣａＣＯ３100.09

2.931339

825122

硝酸カリウムＫＮＯ３101.112.10330449

硝酸ナトリウム

ＮａＮＯ３84.99

2.26308484

硫酸カリウムＫ２ＳＯ４174.27

2.661069454

硫酸ナトリウム

Ｎａ２ＳＯ４142.05

2.69500501

ナトリウム

Ｎａ22.990.9797.5880

赤リン

Ｐ４123.90

2.20400752153

３．フラックスの分類と目的及び作用
３－１分類（１）除さい、酸化物除去、脱ガス用（２）共晶、亜共晶Ａｌ－Ｓｉ合金改良処理用（３）結晶粒微細化用（４）ヒドロナリウム合金用（５）高珪素アルミニウム合金微細化用（６）発熱性除さい用（アルミ分回収処理用）（７）アルミ用特殊フラックス

３－２目的及び作用（１） 除さい、酸化物除去用
アルミニウム合金の溶湯は酸素との結合力が多く、これと強力的に反応する為、アルミニウムの溶解炉や手許炉等の溶湯は常に酸化物の皮膜で覆われています。また、鋳物の溶解でリターン材等の原料を増やして溶解する場合は、インゴットに比べ表面積が大きいことと付着物などが影響して、溶解炉及び溶湯に多量の酸化物が発生します。これらの酸化物は、そのままの形でアルミ溶湯から製品に巻き込まれることがあり、加工の際に不良原因となる為、溶湯中から除去しなければなりません。酸化物は主にＡｌ２Ｏ３ですが、他に合金元素である、Ｍｇ・Ｓｉ・Ｆｅ・Ｃｕ・Ｔｉ等も酸素と結合して酸化物を生成します。
４Ａｌ ＋ ３Ｏ２ → ２Ａｌ２Ｏ３Ｓｉ＋ Ｏ２→ ＳｉＯ２Ｃｕ＋ Ｏ２→ ＣｕＯ２２Ｍｇ ＋ Ｏ２→ ２ＭｇＯ
４Ｆｅ ＋ ３Ｏ２ → ２Ｆｅ２Ｏ３Ｔｉ＋ Ｏ２→ ＴｉＯ２主な酸化物の比重は、およそＡｌ２Ｏ３－３.５～３.９、ＭｇＯ－３.６５，Ａｌ２Ｏ３・ＭｇＯ－３.５５、ＳｉＯ２－２.２～２.６５でＡｌ及びＡｌ合金は２.６５～２.９８でＳｉＯ２を除いて酸化物は全て重いのですが、酸化物は水素ガスの吸着などにより溶湯中に大部分、浮遊懸濁していると考えられます。
この浮遊している酸化物を物理的（吸着）或いは、化学反応させて取り除くフラックスが除さい、脱酸用のフラックスです。
＊フラックスによる溶湯中の酸化物分離機構について
フラックスの主成分は、ハロゲン化合物で塩素化合物（ＮａＣｌ・ＫＣｌ）、弗素化合物（ＮａＦ・Ｎａ２ＳｉＦ６）の混合塩である。ハロゲン化合物は化学的に非常に活性であるため、フラックスの主成分として使用されます。
塩素化合物は、アルミニウム溶湯中では、ぬれ性のよい溶融塩を形成し、この溶融塩が微細酸化物を吸着しながら拡大し、多孔質の酸化物として、比重差により溶湯表面に押し上げる働きを行います。（溶融塩の比重は２～２.２）それと同時に、溶湯表面に集合した酸化物の層を溶湯から分離させる事が必要であるため、固体の酸化物と溶湯との界面をぬらし、界面エネルギーを低下させ酸化物を溶湯から分離させやすくする作用があります。
弗素化合物は酸化物の凝集作用及び凝集された酸化物及びフラックス層（ドロス）から発熱反応を起こさせ、ドロス中より金属アルミニウムを分離させやすくし、乾いた（ドライ状）ドロスを形成させます。

２ＮａＦ
４ＮａＦ
６ＮａＦ
Ｎａ２ＳｉＦ６Ｎａ２ＳｉＦ６＋ Ａｌ２Ｏ３＋ ２Ａｌ２Ｏ３＋ Ａｌ２Ｏ３＋ ２Ａｌ→→→→→ＮａＡｌＯ２
３ＮａＡｌＯ２２ＡｌＦ３２Ｎａ
２ＮａＦ＋＋＋＋＋ＮａＡｌＯＦ３ （除さい）ＮａＡＬＦ４（除さい）
３Ｎａ２Ｏ
（発 熱）
Ｓｉ＋２ＡｌＦ３ （発 熱）ＳｉＦ４（分 離）（２）共晶・亜共晶 Ａｌ－Ｓｉ合金改良処理1)ナトリウム添加剤
Ｓｉを５～１２％程度含むアルミニウム合金は、ナトリウムを添加することにより組織が改良され機械的性質（引張り強さ・伸び）、鋳造性が向上します。また、凝固中の収縮が、改良しない合金では集中せず分散するので巣の生成は少ないです。
組織改良機構については諸説があり、いまだに定説はありませんが、その一説によると凝固組織に大きなＳｉの初晶結晶が現れたり、改良組織のようにＡｌ－Ｓｉ共晶の微細な組織となるのは、Ａｌ－Ｓｉ合金の融液からＡｌが先に核化して晶出し始めるか、Ｓｉが先に晶出し始めるかによって起こります。
そこで、ナトリウムの添加によって。このＳｉの晶出する温度が下がりＡｌが先に晶出して発達するためと言われています。
フラックスによるアルミニウム合金のＮａ（ナトリウム）導入反応
３ＮａＣｌ ＋ Ａｌ→
ＡｌＣｌ３ ＋ ３Ｎａ
３ＮａＦ＋ Ａｌ→
ＡｌＦ３＋ ３Ｎａ共晶、亜共晶Ａｌ－Ｓｉ合金の改良処理に必要なＮａ（ナトリウム）量はおよそ２０ppm以上とされています。
2)ストロンチウム添加剤
ストロンシウムは、ナトリウムと同様にＡｌ－Ｓｉ合金の合金組織（針状あるいは薄板状の形態をなす共晶Ｓｉ）を改良し、繊維状共晶組織に変化させ、機械的性質、特に伸びを改善します。
ナトリウムと比較しストロンチムは融体中で安定しており、改良効果時間は長いです。しかし、ナトリムとは凝固形態が異なるため、鋳物に生じる巣の分散効果はナトリウムの方が大きいと言えます。
（３）結晶微細化用
アルミニウム合金において結晶粒を微細化する事の利点a)製品中の巣の分散
厚肉部分は急冷されにくいため、微細化剤を添加することにより、均一凝固させ機械的性質が向上し巣が分散されます。
b)熱間割れの防止
結晶粒の粗合金では、その内部に局部的なひずみを持つ領域が多く発達しているため、凝固中に熱間割れを生じ易いですが、結晶粒が微細化されていると、これを防ぐ事が出来ます。
c)耐圧性の向上
結晶粒が粗大な場合、吸収ガスの放出による気孔などが粒界に大きく発生して、これが連続すると耐圧性を損なうようになりますが、結晶粒が微細化されていると気孔は平均的に分散して耐圧性が向上します。

＊フラックスによる微細化機構について
アルミニウム合金の結晶粒に及ぼす元素（Ｔｉ・Ｂ・Ｚｒ等）を添加することによる、結晶組織の微細化（微細化機構）については、諸説がありますが、いまだ詳しくは判明していません。その微細化機構の説の１つに結晶核生成説があり、最近では１番有力とされています。
これは、添加元素（Ｔｉ・Ｂ・Ｚｒ等）を添加すると、ＴｉＡｌ３・ＡｌＢ２・ＴｉＢ２・ＺｒＡｌ３が生成され、これが結晶核になりα晶を微細化すると言われています。
フラックスによるアルミニウム合金のＴｉ・Ｂ・Ｚｒの導入反応
３Ｋ３ＴｉＦ６ ＋ １３Ａｌ → ３ＴｉＡｌ３ ＋ ４ＡｌＦ３ ＋ ６ＫＦ
３Ｋ２ＴｉＦ６ ＋ ４Ａｌ→ ３Ｔｉ ＋ ４ＡｌＦ３ ＋ ６ＫＦ
３ＫＢＦ４＋ ３Ａｌ→ ＡｌＢ２ ＋ ２ＡｌＦ３ ＋ ２ＫＦ
３Ｋ２ＴｉＦ６ ＋ ６ＫＢＦ４ ＋ １０Ａｌ → ３ＴｉＢ２ ＋ １０ＡｌＦ３ ＋ １２ＫＦ
３Ｋ２ＺｒＦ６ ＋ １３Ａｌ → ３ＺｒＡｌ３ ＋ ４ＡｌＦ３ ＋ ６ＫＦ（４）ヒドロナリウム用Ａｌ－Ｍｇ合金の特徴は良好な機械的性質、機械加工性ならびに優れた耐食性を有することです。
しかし、この合金はＭｇが多量に含まれているので、溶湯の酸化が著しく、溶融状態において極めてドロスを生成しやすいので、溶解精錬は十分に行う必要があります。
溶解中の酸化防止には微量のＢｅが極めて効果があります。特にＭｇの多いヒドロナリウム合金には、欠かすことが出来ない成分です。
ＡＣ７Ａは非熱処理合金でＦ材を用いられていますがＡＣ７Ａは鋳造のままではＭｇ２Ａｌ３が析出し、機械的性質や耐食性を害するので必ずＴ４処理を施して用います。
ヒドロナリウム合金で特にＭｇ量が多い場合は、モールド・リアクションのために鋳造の表面層が酸化することがあるので、砂に硼沸素アンモンを１～２％添加するか、鋳型表面に硼沸素アンモン水溶液をスプレーします。
フラックス使用上の注意点としては、ヒドロナリウム合金（ＡＣ７Ａ・７Ｂ）等、５％以上マグネシウムを含む合金の処理には、ナトリウムを含んだフラックスは使用出来ません。
合金中にナトリウムは入るとマグネシムの酸化が進み、最終凝固の粒界にＡｌ２Ｏ３・ＭｇＯなどが析出し、粒界エネルギーを低下させるため、機械的強さや耐食性を要求される製品に影響を与えます。
フラックスの成分としては、ＫＣｌ・ＭｇＣｌ２・Ｋ２ＳｉＦ６などのナトリウムを含まないものを使用しています。
（５）高珪素アルミ合金微細化用
珪素を１５～２５％含む過共晶Ａｌ－Ｓｉ合金は初晶珪素の粗大な結晶が析出し切削が極めて困難になり機械的性質を劣化させるため、隣（Ｐ）を添加して結晶粒微細化処理を行います。
微細化機構は、Ｐを添加することによりＡｌＰを生成させ、結晶核として初晶Ｓｉを微細化させます。微細化処理する際に注意すべき点として、Ｎａの存在は禁物で絶対に避けなければなりません。溶湯中にＮａが入るとＡｌＰの発生を妨害し、Ｎａ３Ｐを生じ、微細化効果を生じなくさせてしまいます。

（６）発熱性除さい用（アルミ分回収処理用）
ドロス中の金属アルミ分を少なくし、溶解損失を減らします。
＊発熱反応によるアルミ分の回収機構
このフラックスの成分は熱分解により酸素を放出する化合物を含み、これがドロス中のアルミの細かい粒と反応し、燃焼・発熱・テルミット反応を起こして温度を上昇させ、さらに空気中の酸素が加わります。
この反応が繰り返され拡大し次第に高温となりアルミ粒が溶融して合体し、大きい粒から湯溜まりに溜まるまでに発展し、ドロス中の金属アルミを回収します。
（７）その他の特殊フラックス
二次合金製造の際、合金元素を調整するフラックス
１）脱Ｍｇ（マグネシウム）用２）脱Ｃａ（カルシウム）用
ドロス発煙防止用フラックス
押し湯保温剤

４．アルミ合金溶解・鋳造フローチャート

溶

湯準

備

材料挿入・溶解脱 ガ ス 処 理

除さ除さい・酸化物除去い脱 ガ ス 処 理

微 細 化 処 理静除い脱 ガ ス 処 理

定

鎮

静除

鋳 造 【 １ 】

改理

鎮

い炉

定鎮

炉前

判

さ

良除

炉

処

さ

前判

鋳 造 【 ２ 】

【１】改良処理・微細化処理を特に必要としない鋳造【２】改良処理を必要とする鋳造【３】微細化処理を必要とする鋳造【４】改良処理・微細化処理の両方を必要とする鋳造

さ

い

改静除定

鎮

鋳 造 【 ３ 】

炉前判良処

さ理い静前判定

鋳 造 【 ４ 】