CN101132871B - 含有高蒸汽压金属的合金的熔化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含有高蒸汽压金属的合金的熔化方法，在该熔化方法中，通过熔化制造含有Mg、Ca、Li、Zn、Mn及Sr等低熔点、低沸点、且具有高蒸汽压的金属的合金时，采用含有氦的气体作为其熔化的保护气体。其结果，可以不会招致蒸发出的活性金属细粉引起起火等的危险及污染，并且以高精度、安全且廉价地制造大量含有上述金属的目标化学成分的合金。另外，通过采用含有氦的气体作为保护气体，由于氦气具有较高的热传导率，可以使熔化金属骤冷凝固，因此，即使用通常的熔化装置也可以制造特殊合金。

Description

含有高蒸汽压金属的合金的熔化方法 

相关申请的记载 

本申请以2005年3月2日申请的日本专利申请2005-56985号为基础申请，要求其优先权。 

技术领域

本发明涉及通过熔化法制造含有Mg、Ca、Li、Zn、Mn及Sr等熔点低、沸点低、具有高蒸汽压的金属的合金时的熔化方法。 

背景技术

因为以Mg、Ca、Zn及Li等为代表的金属及含有这些金属的合金比铁等过渡金属及它们的合金等重量轻、比强度高，在作为结构材料及功能性材料的应用上广受期待。其中，因为Mg与Ca在地壳及海水中储藏丰富，成本低，而且，不会给人体带来不良影响，因此，对扩大Mg与Ca应用的期待很大。 

但是，因为Mg、Ca、Zn及Li等金属及这些金属的合金的熔点低、沸点低，蒸汽压高，要通过熔化法制造含有这些金属的合金，就会存在由蒸发产生的金属细粉污染熔化炉内部这样的问题。特别是对于Mg，其活性非常高，如其附着在熔化炉内壁等上，在与大气接触时，引起起火与爆炸等危险性较高。 

另外，蒸发的金属细粉的烟会污染熔化炉的目视观察用窗口，或遮断视野，还存在对于合金是否完全熔化、及搅拌是否充分等不能用目视确认判断等问题。而且，由于难以推测正确的蒸发量，因此存在不能制造目标化学成分的合金这样的问题。 

另外，对于上述含有Mg、Ca、Zn及Li等金属的合金，除了熔化法之外，也可以通过球磨机等机械合金化法制造。因为该合金制造方法是不熔化原料金属的制造方法，不会产生由出现金属细粉而引起的上述那样的问题，但存在有由于铁等从磨机口混入而引起的污染及合金的均匀性降低等问题。另外，存在因为在制造上需要时间长、制造成本高的问题，不适于大批量生产。 

发明内容

如上所述，因为制造含有Mg、Ca、Zn及Li等的合金的以往的方法都存在各种各样的问题，因此，强烈期望开发一种没有这样问题的新的制造技术。在此，本发明的主要目的是提供一种有利于在用熔化法制造含有低熔点、低沸点、高蒸汽压的金属的合金的熔化方法。 

另外，本发明的另一个目的是提供一种制造目标化学成分合金的制造方法，减少蒸发出的活性金属细粉所引起的起火等危险及污染，并且以高精度、安全地制造大量目标化学成分的合金。 

发明人们为了实现上述目的，不断进行深入研究。其结果，发现使构成熔化气氛的气体成分合理化，特别是采用氦气是有效的，进而研发出本发明。 

即，本发明是一种含有高蒸汽压金属的合金的熔化方法，通过熔化而制造含有Mg、Ca、Li、Zn、Mn及Sr中的任一种以上的金属的合金，其特征在于，采用含有氦的气体作为其熔化的保护气体，上述保护气体中的氦浓度为10vol％以上，上述保护气体的压力优选是0.01MPa～1MPa。 

另外，在本发明中，上述保护气体优选是氦、氮和氩等与原料金属不发生反应的气体的混合气体。 

根据以上构成的本发明方法，在制造含有Mg、Ca、Li及Zn等低熔点、低沸点、高蒸汽压的金属的合金、例如上述金属与Al或Ni等的合金时，不会产生由蒸发出的活性金属细粉引起的起火等危险及污染，并且可以高精度、安全且廉价地制造大量目标化学成分的合金。 

另外，采用含有氦的气体作为保护气体的本发明的熔化方法，除了可以解决上述活性金属细粉引起的问题之外，由于含有氦的气体具有较高的热传导率，提高了熔化金属的凝固速度，即，兼有取得骤冷凝固的效果的特征。因此，根据本发明的方法，用通常的熔化装置也可以制造以往采用骤冷凝固专用的熔化装置所制造的特殊合金。 

由以上所述，期望通过采用本发明的熔化方法，使由在下一代所采用的轻金属与合金构成的结构材料与功能性材料的开发及实用化取得较大的进展。 

附图说明

图1是表示熔化合金CaMg₂时的保护气体中的氦气浓度对Mg的熔化出品率所产生的影响的图表。 

图2是表示比较采用氦气作为熔化合金CaMg₂时的保护气体时、与采用氩气作为熔化合金CaMg₂时的保护气体时所得到的合金的X射线衍射曲线的图。 

图3是表示比较在氦气气氛中熔化的La-Ni系吸附氢合金与在氩气气氛中熔化的La-Ni系吸附氢合金的压力组成等温线图。 

具体实施方式

以下，对本发明的熔化方法进行详细说明。 

本发明的熔化方法的特征在于，在熔化含有Mg、Ca、Li及Zn等低熔点、低沸点且高蒸汽压的金属中的1种以上的金属的合金时，采用含有氦的气体作为其熔化保护气体。在采用该含有氦的气体作为熔化保护气体时，可以防止在熔化时蒸发产生的金属细粉的凝聚，可以大幅降低由金属微粉的凝聚体引起起火等的危险性与污染，并且，能高精度、且安全地制造大量目标化学成分的合金。 

推测是由于氦与其它惰性气体相比，其热传导率较高(是氩的大约3倍)、密度较低(是氩的0.1倍)、而且平均自由行程较长(是氩的大约3倍)，从而得到利用该含有氦的气体而达到的上述效果。另外，虽然除了氦以外，氢具有同样的特性，但由于氢与原料金属发生反应而构成金属氢化物，不适合作为熔化保护气体。但是，若熔化与氢不发生反应之类的低熔点、低沸点且高蒸汽压的金属时，采用含有氢的气体作为其熔化保护气体的情况下，可以期待与氦相同的效果。 

但是，氦气价格非常高。因此，从降低成本方面考虑，优选是用与上述原料金属不反应、价格便宜的气体置换一部分的该氦气来使用。在此，发明人们用其它的各种各样的气体置换氦气而进行实验的结果可知，如采用将氮或氩等与原料金属不发生反应的气体替换一部分氦气而成的气体，可以相当地减少由蒸发产生的金属细粉凝聚所引起的起火等的危险性与污染。 

另外，最优选是采用氩气作为置换氦气的气体。其理由是因为氩气价格便宜，即使在高温状态下，也不会与Mg、Ca、Li及Zn等发生反应。 

但是，我们知道在氦与其它惰性气体的置换中存在限度。根据发明人们的见解，该混合气体中的氦含有量至少需要 10vol％，优选是25vol％以上，更为优选是50vol％以上。进一步优选是95vol％以上，当然也可以是90vol％～100vol％。之所以这样将氦气在保护气体中所占比例的下限设为10vol％，是因为若氦气所占比例不足10vol％，就不能取得氦的上述作用效果。 

另外，在本发明的熔化方法中，由含有氦的气体所构成的熔化气氛的压力优选是0.01MPa～1MPa。其理由是因为在压力不足0.01MPa的状态下，蒸发温度显著降低，从而促进蒸发而不能减少金属细粉的产生量；另一方面，若超过了1MPa，则虽然可以减少蒸发量，但熔点上升、熔化变得困难。 

另外，上述含有氦的气体的压力范围是在熔化前的室温状态下的压力，在熔化工序中熔炉内变为高温时，有时会超过上述范围。 

另外，用作上述保护气体的氦的浓度及压力的最佳范围主要是从成本方面考虑反复进行考察研发的结果而得到的范围。 

另外，在本发明的熔化方法中，虽然，在作为保护气体供给的含有上述氦的气体中，在不损害本发明作用的范围内也可以含有氧、二氧化碳、水蒸气等杂质气体，但是，该杂质气体的含有量优选是1mass％以下。其理由是因为若杂质气体的含有量超过1mass％，则在熔化中，这些杂质气体与Mg、Ca、Li及Zn等发生反应，生成氧化物、氢氧化物及碳化物等，不能制造目标化学成分的合金及化合物。 

实施例

以下，提出实施例详细说明本发明，当然，本发明并不限于这些实施例。 

实施例1

准备共计1kg的Mg与Ca金属，使他们的摩尔比为2∶1，作 为吸附氢合金CaMg₂的原料，将他们全部装入诱导熔融型熔化炉内，排出该炉内的气体至8×10^-3Torr，然后，导入作为保护气体的氦气(浓度100vol％)至600Torr。其后，一边用该保护气体充满炉内，一边将熔化炉内的温度加热至1100℃而熔化上述原料，并将上述合金的金属熔液温度维持在1050℃并保持30分钟。其后，将上述合金的金属熔液注入到水冷了的铸锭底盘上，以1000℃/秒的冷却速度进行冷却使上述合金的金属熔液凝固，制造出CaMg₂合金。对于这样得到的CaMg₂合金，用下述的(1)及(2)的方法测定熔化出品率及化学成分。 

(1)熔化出品率的测定 

通过分别测定熔化前的原料质量及熔化铸造后的合金质量，求得由于蒸发所减少的质量，计算出熔化出品率。 

(2)化学成分的测定 

通过ICP发光分光分析法，定量分析熔化铸造后的合金的化学成分。 

由表1表示上述测定的结果。由该结果可知，在采用氦气作为保护气体的本实施例1中，熔化出品率高达98.2％以上，而且，能以相对于目标合金组成为±1％以内的高精度制造合金。 

表1 

比较例1

除了采用氩气(浓度100vol％)作为保护气体以外，其余与实施例1同样地制造CaMg₂合金。用上述(1)及(2)的方法测定该CaMg₂合金的熔化出品率及化学成分，将结果一并记录在表1中。 

实施例2～4

除了将作为保护气体导入的氦气的浓度变更为75vol％、50vol％、25vol％(其余为氩气)之外，与上述实施例1同样地制造CaMg₂合金。用上述(1)及(2)的方法测定这些CaMg₂ 合金的熔化出品率及化学成分，将其结果一并记录在表1中。由这些结果可知，在氦气浓度超过50vol％的情况下(实施例2及3)，熔化出品率高达98％左右，且以较高精度得到目标合金组成。另一方面，虽然在氦气浓度为25vol％的情况下(实施例4)，熔化出品率及合金组成要比实施例1～3差，但与不含有氦气的情况(比较例1)相比，提高了熔化出品率及合金组成的精度，可以确认到导入氦气的效果。 

图1表示了由上述实施例1～4与比较例1的结果所得到的氦气浓度与熔化出品率的关系。由图1可知，氦气浓度越高则熔化出品率越高。 

另外，对在上述实施例1及比较例1中得到的CaMg₂合金进行X射线衍射强度的测定，确认合金与化合物是否具有与目标一致的单相结构，并在图2中表示其结果。由图2可知，实施例1的CaMg₂合金成为CaMg₂相的单相结构合金，而比较例1的CaMg₂合金成为混合了CaMg₂相与Ca相这两相的结构的合金。 

以上，如由表1、图1及图2可知道的那样，根据本发明的方法，可以实现无偏差地制造目标组成的单相合金。对此，用比较例的方法，不能控制原料的蒸发损失，较大地偏离了目标组成，且合金组成出现偏差。 

实施例5

除了采用Ca和Al作为合金原料之外，其余与上述实施例1同样地制造CaAl₂合金，用上述(1)及(2)的方法测定所得到的CaAl₂合金的熔化出品率及化学成分，将其结果一并记录在表1中。由其结果可知，在本实施例5中，可得到熔化出品率高达98％左右、且相对于目标的Al组成比为±1％以内的高精度的目标合金。 

实施例6

除了采用Mg和Ni作为合金原料之外，其余与上述实施例1同样地制造MgNi₂合金，用上述(1)及(2)的方法测定所得到的MgNi₂合金的熔化出品率及化学成分，将其结果一并记录在表1中。由其结果可知，在本实施例6中，可得到熔化出品率高达98％左右、且相对于目标的Ni组成比为±2％以内的高精度的目标合金。 

实施例7

除了采用Ca和Ni作为合金原料之外，其余与上述实施例1同样地制造CaNi₂合金，用上述(1)及(2)的方法测定所得到的CaNi₂合金的熔化出品率及化学成分，将其结果一并记录在表1中。由其结果可知，在本实施例7中，可以得到熔化出品率高达98％左右、且相对于目标的Ni组成比为±2％以内的高精度的目标合金。 

实施例8及比较例2

根据本发明，测量在氦气浓度为100vol％的气氛中熔化制 造出的La-Ni系吸附氢合金(实施例8)及在氩气浓度为100vol％的气氛中熔化制造出的同样化学组成的La-Ni系吸附氢合金(比较例2)的压力组成等温线图，在图3中表示其结果。由该图3可知，实施例8的合金与比较例2的合金相比，坪区域平坦且宽，通过氦气被骤冷凝固的实施例8的合金成为均匀性优良的合金。 

产业上的可利用性

本发明的技术不仅被用作含有以Mg、Ca、Zn及Li等为代表的低熔点、低沸点、且高蒸汽压的金属的合金的大批量生产技术，还可以适用于熔化这些金属的单体的情况，及可适用于熔化如砷化镓之类的半导体等所采用的化合物或其它化合物。另外，本发明的技术也可以适用于由在下一代所采用的轻金属与合金构成的结构材料、功能性材料、半导体化合物、其它化合物的熔化技术。 

Claims (3)

1.一种含有高蒸汽压金属的合金的熔化方法，通过熔化制造出含有Mg、Ca、Li、Zn、Mn及Sr中的任何一种以上的金属的合金，其特征在于，采用含有氦的气体作为其熔化的保护气体，上述保护气体中的氦浓度为10vol％以上，上述保护气体的压力为0.01MPa～1MPa。

2.根据权利要求1所述的含有高蒸汽压金属的合金的熔化方法，其特征在于，上述保护气体除了含有氦，还含有与原料金属不发生反应的气体。

3.根据权利要求2所述的含有高蒸汽压金属的合金的熔化方法，其特征在于，上述与原料金属不发生反应的气体是氮或氩。

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