JP2005126802A

JP2005126802A - マグネシウム材の精製方法

Info

Publication number: JP2005126802A
Application number: JP2003366053A
Authority: JP
Inventors: Makoto Inoue; 誠井上
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【課題】切削粉、地金等のスクラップから、高純度の純マグネシウムを安価にかつ効率的に回収する精製方法を提供する。
【解決手段】純マグネシウムやマグネシウム合金からなるマグネシウム材２０ａを、金属マグネシウムの蒸気圧よりも低い蒸気圧を示す被覆金属３０ａによって被覆し、マグネシウム材２０ａ及び被覆金属３０ａを真空雰囲気下で加熱して、該加熱によってマグネシウム材２０ａから発生する蒸気を凝縮器２で凝縮させて金属マグネシウム２１１を回収する。溶解時にマグネシウム材をアルミニウム濃度の高い表面にすることができ、マグネシウム切粉、純マグネシウム地金などについて、真空蒸留精製の回収率、純化率が向上する。
【選択図】図１

Description

この発明は、量産型マグネシウム合金製品の製造プロセスで発生する清浄ではない切削粉、地金等のスクラップから、高純度の純マグネシウムを安価にかつ効率的に回収できるマグネシウム材の精製方法に関するものである。

マグネシウム材の成形時に発生したバリや、成形後の後工程でねじ穴などで生じる切削粉に関しては、圧縮成形によるブリケットを作製後、溶解原料、熱間押出用素材として、リサイクルする試みがなされている。また、長時間の保管により、表面が酸化したり、不純物が付着した金属射出成形用チップなども、上記と同様の方法によりブリケット化し、リサイクル原料に用いることが可能である。
上記したリサイクル材の活用に際しては、高純度のマグネシウムを回収して再利用する方法があり、その手段として真空蒸留方法が知られている。該方法に関しては、先に出願人よっても新規の装置および方法が提案されている（特許文献１参照）。

該文献１には、図５に示す真空蒸留装置１０が開示されている。該蒸留装置１０では、マグネシウム材を収容する坩堝１を有しており、該坩堝１の上端に中央に蒸気貫通孔２ａを有する凝縮器２が載置されている。前記坩堝１および凝縮器２の上部には、内側密閉筒５が積み重ねられ、さらに内側密閉筒５の外周壁側には、これらよりも背高とした外側密閉筒６が設置されている。坩堝１等を収容した外側密閉筒６は、加熱装置を構成する電気炉１１の凹部内に収容されている。また、上記凹部内には、外側密閉筒６に近接して温度測定手段として熱電対１４が配置されている。前記外側密閉筒６には、排気管７と外気導入管８が接続されている。
上記真空蒸留装置１０では、坩堝１にマグネシウム材を収容して電気炉１１で加熱すると、マグネシウム材が溶解し、その溶湯２００から蒸気が発生する。この際に、凝縮器２は、適宜の冷却手段によって所定の温度に冷却維持しておくことにより、前記蒸気が凝縮し、高純度の純マグネシウム２１０が得られる。
特開２００２−３４８６２１号

しかし、従来のマグネシウムの真空蒸留精製方法では、機械加工で発生した切粉を原料とし、押出加工、圧縮成形などを行うことなく精製に供すると、加熱時に切粉によって真空度が悪化し、清浄なマグネシウムを回収できないという問題がある。また、圧縮成形した材料を用いても、成形方法が悪いと同じように加熱時に真空度が悪化し、清浄なマグネシウムを回収できない。
また、純マグネシウムを真空中で加熱すると、固体から気体への昇華現象を起こすため、Ｍｇ合金（Ｍｇ−Ａｌ合金など）の蒸留法に比べると回収率および純化率が低いという問題もある。

この発明は上記のような従来のものの課題を解決するためになされたもので、原料のマグネシウム材表面をアルミニウム箔などで覆うことにより、清浄ではないマグネシウム切粉、純マグネシウム地金などの真空蒸留精製の回収率、純化率の向上を図ることを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明のマグネシウム材の精製方法のうち請求項１記載の発明は、精製対象となるマグネシウム材を、金属マグネシウムの蒸気圧よりも低い蒸気圧を示す被覆金属によって被覆し、前記マグネシウム材及び前記被覆金属を真空雰囲気下で加熱して、該加熱によって前記マグネシウム材から発生する蒸気を凝縮させて金属マグネシウムを回収することを特徴とする。

請求項２記載のマグネシウム材の精製方法の発明は、請求項１記載の発明において、前記被覆金属が、純アルミニウムまたはマグネシウムよりも高い蒸気圧の成分を実質的に含まないアルミニウム合金からなることを特徴とする。

請求項３記載のマグネシウム材の精製方法の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記被覆金属は、マグネシウム材に密着させて被覆することを特徴とする。

請求項４記載のマグネシウム材の精製方法の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記マグネシウム材が、粉体、屑体を固めたブリケットであることを特徴とする。

すなわち、この発明によれば、原料のマグネシウム材表面をアルミニウム箔などの被覆金属で覆うことにより、溶解時に該マグネシウム材をアルミニウム濃度の高い表面にすることができ、マグネシウム切粉、純マグネシウム地金などの真空蒸留精製の回収率、純化率の向上が可能となる。切粉による真空度の低下を防ぐためには、アルミニウムを被覆金属で覆う際に隙間なく覆うのが望ましく、密封した状態で覆うのが一層望ましい。

また、原料のマグネシウム表面にアルミニウム箔などの被覆金属で覆うことは、切粉をブリケット化した場合の成形体の補強効果があり、真空下で加熱しても、真空度の悪化が少なくなり、さらには、マグネシウムのままの表面よりの熱伝導率を高めることができ、原料の温度を高めやすくなって加熱効率が良くなる。これらの効果は、被覆金属をマグネシウム材に密着させるほど大きな効果が得られる。
さらに、純マグネシウムの場合、真空中で加熱すると、固体から気体への昇華現象を呈するが、溶解時に合金化によってアルミニウム濃度の高い表面にすることができ、表面全体から蒸発しやすくなり、蒸発量が増え回収率が向上する。また、昇華による不純物の巻き込みが減り、純化率も向上する。

なお、本発明では、精製対象のマグネシウム材としては純マグネシウムでもマグネシウム合金でもよく、これらのマグネシウム材を精製することで高純度の純マグネシウムが得られる。
また、上記マグネシウム材を被覆する被覆金属には、金属マグネシウムよりも蒸気圧が低くて蒸発しにくい材料を用いる。また、該被覆金属は、マグネシウム材を加熱溶解させる場合に、ほぼ同時期に溶融するように、融点がほぼ同じかマグネシウム材よりも融点が高いものが望ましい。これにより、マグネシウム材が溶解するまで被覆効果を得ることができる。被覆金属としては、純アルミニウムまたはアルミニウム合金が望ましい。アルミニウム合金の場合は、金属マグネシウムよりも蒸気圧が高い成分を実質的に含まないのが望ましい。実質的に含まないとは、意図的な成分として含有しない場合の他、回収される純マグネシウムの純度に悪影響を与えないごく微量の不純物としては含有が許容されることを意味している。ただし、分析不可なものとしてこのような成分を含まないのが望ましい。なお、被覆金属としては、その他に、銀、チタンなどの使用も可能である。

以上のように、この発明によれば、マグネシウム原料材の表面に、アルミニウム箔などの被覆金属を用い覆った状態で加熱して蒸気を凝縮、回収することにより、安価に、効率良く高純度マグネシウムを回収できる効果がある。

以下に本発明の一実施形態について説明する。
なお、この実施形態においても、真空蒸留装置としては、図５で説明した従来の真空蒸留装置を使用することができる（図１）。したがって、その構造の説明については省略し、図１では同一の符号を付している。

マグネシウム合金からなり、切粉を圧縮成形によりブリケットとしたマグネシウム材２０ａを、アルミニウム箔からなる被覆金属３０ａで隙間なく覆い、蒸留装置の坩堝１内に設置する。また、排気管７によって外側密閉筒６および内側密閉筒５内を真空引し、電気炉１１を動作させて坩堝を加熱する。上記加熱により坩堝１内のマグネシウム材２０ａが昇温し溶融によって一部の合金成分が蒸発する。この蒸発においては蒸気圧が低いマグネシウムが優先的に蒸発し、蒸気圧が高い成分は坩堝１内に残存する。電気炉１１内の温度は熱電対１４によって測定されており、測定結果に基づいて加熱温度を制御できる。

また、凝縮器２を適温（マグネシウムを選択的に凝縮させるのに適した温度）に冷却維持しておく。前記蒸気はマグネシウムに合わせて適温に調整された凝縮器２に接触し、金属マグネシウムが選択的に凝縮して凝縮器２の下面に固着し、次第に下方に成長する。一方、その他の蒸発合金成分は凝縮することなく、蒸気貫通孔２ａを通して上昇し、排気管７で外部に排出される。なお、蒸気の発生に際しては、マグネシウム材２０ａがアルミニウム箔３０ａで被覆されているので、切粉などが飛散して真空度が低下するのを防止する。また、マグネシウム材２０ａ全体が均等に加熱、昇温するので、低温時にマグネシウムが昇華して排気されるのを防止する。

上記凝縮器２の下方で得られる純マグネシウム２１１は、従来の方法によって得られる純マグネシウム２１０よりもさらに高純度であり、図２（ａ）に示すように原料であるマグネシウム材２０ａから効率的に高純度の純マグネシウム２１０を回収することができる。
なお、上記実施形態では、マグネシウム材としてマグネシウム合金切粉をブリケットとしたものを説明したが、本発明としては、マグネシウム材として地金を用いてもよく、また、図２（ｂ）に示すように市販などの純マグネシウムからなるマグネシウム材３０ａを用いて高純度の純マグネシウム２１１を回収することも可能である。なお、純マグネシウムの精製に際しては、昇華によって蒸気を得て、これを凝縮、回収するものであってもよい。

以下に、本発明の一実施例を比較例と比較しつつ説明する。
表１に示す成分の市販の純マグネシウム地金およびＡＺ３１Ｂマグネシウム合金に厚さ２５μｍのアルミニウム箔で包んだ材料を供試材として用意した。ＡＺ３１Ｂマグネシウム合金は、切削粉を室温で１５０ＭＰａで直径５０ｍｍに圧縮成形したもの（以下、圧粉材と記す）および直径２０ｍｍに熱間押出加工したもの（以下、押出材と記す）を用いた。ＡＺ３１Ｂマグネシウム合金のＡｌ、ＭｎおよびＺｎはＪＩＳ規格値を示す。

精製試験は図１に示した真空蒸留装置を用い、供試材をるつぼ内に挿入し、密閉後、油回転真空ポンプで１Ｐａ以下まで真空排気後、電気炉で所定の温度まで昇温し、所定の時間まで保持した。昇温後の保持温度を精製温度とし、保持時間を精製時間とした。
原料純マグネシウムでは、地金約３００ｇを用いて、精製温度５８０℃、６００℃、６２０℃（コンデンサ温度４００℃、４２０℃、４４０℃）、精製時間５ｈで精製試験を行った。
原料ＡＺ３１Ｂマグネシウム合金では、精製温度６００℃で精製試験を行った。精製時間は、原料圧粉材約３００ｇで５ｈ、約４００ｇおよび５００ｇで８ｈ行った。また、原料Ａｌ箔包み材および押出材約３００ｇは５ｈ行った。

試験終了後、るつぼ内の原料の重量減少量より精製量、及びコンデンサの凝縮物の重量より凝縮量（回収量）を調べた。精製量Ｐ（％）は（１）式より求めた。
Ｐ(％) ＝１００(Ｗ_Ｏ−Ｗ)／Ｗ_Ｏ・・・（１）
ここで、Ｗ_Ｏは試験前の原料の重量（ｇ）、Ｗは試験後の原料の重量（ｇ）である。

凝縮量Ｃ（％）は（２）式より求めた。
Ｃ(％) ＝１００Ｄ／Ｗ_Ｏ・・・（２）
ここで、Ｄはコンデンサの凝縮物の重量である。

コンデンサ凝縮物の組成分析は、分析用の試料を２ｇ以上精秤後、ＨＣｌで溶解し、脱イオン水で１００ｍｌまで薄め、ＩＣＰ発光分光分析により、Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＺｎの６種類の元素について行った。
上記蒸留の結果、原料純マグネシウム地金Ａｌ箔包み材、精製温度６００℃、精製時間５ｈでの真空精製試験後の原料残さでは、表面全体がほぼ均一に蒸発していた。また、試験後のコンデンサ凝縮物は、均一に凝縮しており、原料純マグネシウム地金の場合に比べ、きれいな金属光沢が観察された。

図３に原料純マグネシウム、精製温度６００℃、精製時間５ｈでの真空精製における原料の精製量及びコンデンサ凝縮物の凝縮量を示す。原料純マグネシウム地金のままの場合、原料の精製量及びコンデンサ凝縮物の凝縮量は、多少のばらつきがあったが、原料に地金Ａｌ箔包み材を用いた場合、原料地金と比較して精製量及び凝縮量は、ばらつきが少なく安定したものとなり、凝縮量は多くなった。これらの試験結果から、本発明によれば高いマグネシウム回収効率が得られることがわかる。

なお、圧粉材のまま原料に用いた場合、切削切粉が溶けなかった部分があったが、アルミニウム箔で包んだ場合、ほぼ全てが溶解し、蒸発した。また、コンデンサ凝縮物も圧粉材をアルミニウム箔で包んだものの方が、コンデンサ表面に均一に凝縮していた。

図４に、原料ＡＺ３１Ｂマグネシウム合金、真空蒸留精製試験における原料の精製量及びコンデンサ凝縮物の凝縮量を示す。原料圧粉Ａｌ箔包み材では、原料に圧粉材をそのまま用いた場合と比較して、原料の精製量には大きな差はなかったが、コンデンサ凝縮物の凝縮量は増加した。また、原料に押出材を用いると、圧粉材を原料に用いたときと比較して原料の精製量もコンデンサ凝縮物の凝縮量も増加した。

表２に原料純マグネシウムの真空精製試験におけるコンデンサ凝縮物の化学組成を示す。比較として、ＪＩＳＨ２１５０マグネシウム地金の化学組成を示す。原料温度６００℃、コンデンサ温度４４０℃の場合、他の条件に比べ、バラツキが少なく不純物量の混入も少なくなった。
同条件で、原料にアルミニウム箔を包んだ場合、さらに不純物量の混入が少なくなり、純度も９９．９９５％程度となった。これは、地金をアルミニウム箔で包み込むことによって、地金の表面全体をＡｌリッチな溶融状態にして、昇華ではなく蒸発させることによって、昇華による凝縮物中への不純物の混入が少なくなったと思われる。

表３に原料ＡＺ３１Ｂマグネシウム合金真空蒸留精製コンデンサ凝縮物の化学組成を示す。比較として、ＪＩＳＨ２１５０マグネシウム地金の化学組成を示す。ＡＺ３１Ｂマグネシウム合金を原料に用いているため、Ｍｇと蒸気圧の近いＺｎの混入は避けられない。原料に圧粉材を用いた場合、原料３００ｇ及び５００ｇの試験ではＡｌ、Ｍｎ及びＣｕ量が減少し、Ｚｎ量も若干減少した。しかし、原料４００ｇの試験においては、ほとんどの元素があまり減少しなかった。これは、原料４００ｇ圧粉材の圧縮状態が悪く、加熱昇温時の切粉粉の飛散による真空度の悪化が原因と思われ、圧粉材のままでは、こういった現象がしばしば起こる可能性がある。
原料にＡｌ箔包み材及び押出材を用いた場合、圧粉材をそのまま原料に用いた場合と比較してＡｌ及びＦｅ量が減少した。圧粉材を原料に用いる場合、アルミニウム箔などで包むことによって切削切粉の飛散を防ぎ、真空度の低下を防げるため、塑性加工を行った押出材と変わらない純化率にすることができ、Ｚｎ以外はＪＩＳＨ２１５０マグネシウム地金１種をほぼ満足する高純度マグネシウムが得られることがわかる。

本発明の一実施形態における蒸留装置を示す図である。同じく、蒸留状態を概略的に示す図である。同じく、実施例における精製量と凝縮量を示す図である。同じく、実施例における精製量と凝縮量を示す図である。従来の蒸留装置による蒸留方法を示す図である。同じく、従来の蒸留方法による蒸留状態を概略的に示す図である。

符号の説明

１坩堝
２凝縮器
７排気管
１０真空蒸留装置
１１電気炉
２０ａ、２０ｂマグネシウム材
２１０高純度の純マグネシウム
２１１高純度の純マグネシウム

Claims

精製対象となるマグネシウム材を、金属マグネシウムの蒸気圧よりも低い蒸気圧を示す被覆金属によって被覆し、前記マグネシウム材及び前記被覆金属を真空雰囲気下で加熱して、該加熱によって前記マグネシウム材から発生する蒸気を凝縮させて金属マグネシウムを回収することを特徴とするマグネシウム材の精製方法。
前記被覆金属が、純アルミニウムまたはマグネシウムよりも高い蒸気圧の成分を実質的に含まないアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１記載のマグネシウム材の精製方法。
前記被覆金属は、マグネシウム材に密着させて被覆することを特徴とする請求項１または２に記載のマグネシウム材の精製方法。
前記マグネシウム材が、粉体、屑体を固めたブリケットであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマグネシウム材の精製方法。