JP2007046071A - Ｍｇ合金及びその鋳造又は鍛造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｆｅ含有量を0.002wt％よりも低い値まで低下させたＭｇ合金鋳造品又は鍛造品を得る。
【解決手段】 溶解炉３内に投入したＭｇ合金原料を溶解させて調整した後に約６３０℃まで降温した後に少なくとも３０分間静置した後に出湯される。溶湯炉３から出た溶湯は傾斜冷却体８を伝って流下しながら冷やされて結晶の核（初晶）が生成されると共に結晶を成長させながら流下し、タンディシュ９の中で粒状に成長してセミソリッドスラリーになる。タンディシュ９内のセミソリッドスラリーは水冷鋳型１１に供給され、この水冷鋳型１１によってＭｇ合金ビレット１３が連続的に製造される。
【選択図】 図１

Description

本発明はＭｇ合金及びその鋳造又は鍛造方法に関するものである。

軽量で比強度が大きいＭｇ合金は各種の構造体の材料として注目されている。現在、Ｍｇ合金の鋳造品は、完全に溶解したＭｇ合金を鋳造するダイキャスト法、砂型鋳造法、低圧鋳造法などを用いて生産されている。

Ｍｇ合金鋳造又は鍛造方法に関し、特許文献１は、溶融Ｍｇ合金を流動させながら冷却体に接触させることにより固液共存状態（セミソリッド状態）にし、このセミソリッドスラリーを鋳造することを提案している。この提案によれば、溶融Ｍｇ合金を冷却体に接触させてセミソリッド状態にすることで非樹枝状（粒状）の初晶を安定的に作ることができ、これによりセミソリッドスラリーに含まれる固相を粒状結晶化することができる。これによる利点は、溶融Ｍｇ合金を鋳造するのに比べて低温で鋳造できる。また固相率が高くても固相が粒状結晶であるため流動性に優れていることから、鋳造品の凝固組織が均一に分散した粒状結晶で構成されるため機械的性質が向上するなどの利点がある。

特許文献２は、上記特許文献１と同様に溶融Ｍｇ合金を流動させながら冷却体に接触させることによりセミソリッド状態にし、更にこのセミソリッドスラリーからビレットを連続的に鋳造することを提案している。このビレットは鋳造用Ｍｇ合金として利用され、所定長さに切断したビレットがチクソキャスティング法に従って半溶融状態のスラリーとなるまで再加熱され、このスラリーを金型に充填することで成型品が作られる。

ところで、現在、成型品を生産するのに最も多く使われているＭｇ合金はＡＺ系であり、この系への添加元素はアルミニウム、亜鉛、マンガン（Ｍｎ）である。マンガン（Ｍｎ）を添加する目的は、不純物である鉄（Ｆｅ）による耐食性の低下を防止することにある。すなわち、アルミニウムを添加すると、アルミニウムはＦｅと親和力が強く、ＦｅＡｌ_３化合物になる。そして、マンガンが添加されるとＭｎＡｌ_６が生成され、このＭｎＡｌ_６とＦｅＡｌ_３とが結合して、（ＦｅＭｎ）Ａｌ_６化合物となり、ＭｎＡｌ_６中にＦｅが固溶した状態となる。したがって、マンガン（Ｍｎ）を添加することでＭｇ合金中に析出するＦｅの量を低下させることができる。このことから、鋳造用Ｍｇ合金を生産しているメーカーは添加剤としてＭｎを添加してＭｇ合金を作っている。ＡＺ系のＭｇ合金として、ＪＩＳ規格によればＭＤ１Ｄの成分は次のように規定されている。

ＭＤ１ＤのＪＩＳ規格: Ａｌ： 8.5〜9.5wt％ ；Ｚｎ： 0.45〜0.9wt％ ；Ｍｎ： 0.17〜0.40wt％ ；Ｓｉ：0.05wt％以下 ；Ｃｕ： 0.025wt％以下 ；Ｎｉ：0.001wt％以下 ；Ｆｅ：0.004wt％以下 ；その他不純物：0.01wt％以下 ；Ｍｇ：残部
特開平１０−３４３０７号公報 特開２００１−２５２７５９号公報

上述したＭＤ１ＤのＪＩＳ規格にＦｅの含有量として0.004wt％以下と規定されているように、Ｍｇ合金の耐食性を低下させる主要な要因となるＦｅの含有量はできるだけ少ないのが好ましい。このことから、鋳造用Ｍｇ合金を鋳造するメーカーではマンガンを添加してＦｅの含有量を低下させる努力を払っているが0.002wt％が限界と認識されており、化成処理及び塗装またはメッキ等に多大なコストがかかっている。

従来のＭｇ合金のインゴッド（ビレット）を製造するプロセスは、６８０〜７００℃で精錬及び成分調整を行った後に放冷して約６５０℃まで降温し、その後静置して沈静させる工程を経て出湯してインゴッドを作る工程からなる。

また、特許文献１などに開示の冷却体を使ってセミソリッドスラリーから鋳造する手法では、その後の研究により「結晶粒の微細化」には液相線温度（約５９５℃）に近い温度が有効であることが分かっており、このため６１０℃を基準に各種の試験が行われているのが実状である。なお、特許文献１には、冷却体に接触する際の溶融金属の温度として液相線温度〜プラス６０℃の間の温度を設定するのが好ましい旨の開示があるが、その意図は、冷却体での流動性の確保及び固液共存状態の確保にある。

本発明の目的は、耐食性に優れたＭｇ合金を提供することにある。

本発明の他の目的は、不純物の少ないＭｇ合金鋳造品又は鍛造品を得ることのできるＭｇ合金鋳造又は鍛造方法を提供することにある。

本発明の更なる目的は、耐食性を劣化させるＦｅの含有量を0.002wt％よりも低い値まで低下させたＭｇ合金鋳造品又は鍛造品を得ることのできるＭｇ合金鋳造又は鍛造方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、Ｆｅ成分の含有量を低下させるために添加するマンガンの量を低減することのできるＭｇ合金鋳造又は鍛造方法を提供することにある。

上記の技術的課題は、本発明の第１の発明によれば、
Ｆｅ、Ｍｎを含むＭｇ合金であって、
発光分析したときにＦｅの含有量が0.001wt％以下であることを特徴とするＭｇ合金を提供することにある。

このＦe含有量が0.001wt％以下という値は、これまで難しいとされていた数値であり、これによりＭｇ合金の耐食性を大幅に改善することができる。

上記の技術的課題は、本発明の第２の発明によれば、
溶解炉でＭｇ合金原料を溶解させて溶湯を作り、前記溶解炉から出湯した溶湯を使ってＭｇ合金を鋳造又は鍛造することによりＭｇ合金の製品を作るＭｇ合金鋳造又は鍛造方法であって、
前記溶解炉でＭｇ合金原料を完全に溶解させた後、約６３０℃まで降温し、次いで一定時間以上約６３０℃で静置した後に前記溶解炉内の溶湯の上澄み湯を出湯させることを特徴とするＭｇ合金鋳造又は鍛造方法を提供することにより達成される。

耐食性を劣化させるＦｅの含有量を0.002wt％よりも少なくすることが難しいと考えられていたが、上記の構成を採用することにより実現可能であることが実証された。実験によれば、溶湯を降温して静置させるときの温度を従来の６５０℃よりも低い温度である約６３０℃に設定して、一定時間以上静置した後に上澄み湯を使うことで不純物の少ない成型品を得ることができることが分かった。具体的には、例えばＦｅ含有量を0.0002wt％よりも低い値にすることができることが分かった。したがって、本発明によれば、不純物の少ない、特にＦｅ含有量を0.002wt％よりも低い値まで低下させたＭｇ合金鋳造品又は鍛造品を得ることができ、また、Ｆｅを除去するために添加しているマンガンの量を低減することができる。

上記の技術的課題は、本発明の第３の発明によれば、
溶解炉でＭｇ合金原料を溶解させて溶湯を作り、前記溶解炉から出湯した溶湯を冷却体の上で流動させながら接触させて結晶の核を生成すると共に結晶を成長させてセミソリッドスラリーを作り、該セミソリッドスラリーを鋳造又は鍛造することによりＭｇ合金の製品を作るＭｇ合金鋳造又は鍛造方法であって、
前記溶解炉でＭｇ合金原料を完全に溶解させた後、約６３０℃まで降温し、次いで一定時間以上約６３０℃で静置した後に前記溶解炉内の溶湯の上澄み湯を出湯させることを特徴とするＭｇ合金鋳造又は鍛造方法を提供することにより達成される。

この第３の発明にあっては、上記第２発明で説明したように不純物の低減した溶融Ｍｇ合金からセミソリッドスラリーを作って鋳造するため、溶融Ｍｇ合金を直接成形するのに比べて低温で鋳造できるだけでなく、このセミソリッドスラリーは固相率が高くても固相が粒状結晶であるため流動性に優れていることから、凝固組織が均一に分散した粒状結晶で構成されるＭｇ合金の鋳造品又は鍛造品を生産することができる。この第２、３の発明は、最終製品である鋳造品又は鍛造品を生産するのに用いられるＭｇ合金ビレットを作るのに好適に適用される。

以下に、添付の図面に基づいて本発明の好ましい実施例を説明する。

図１は、連続的にＭｇ合金ビレットを生産するのに好都合なＭｇ合金鋳造システムの概要を示す。Ｍｇ合金鋳造システム１は、ヒータ２を備えた溶解炉３を有し、この溶解炉３内に投入したＭｇ合金原料が溶解した後に静置した状態が維持され、また、マンガンなどの添加剤が投入される。溶解炉３の上部には横方向又は水平方向に延びる出湯管４が設けられ、出湯管４の周囲にヒータ５が配設されている。溶解炉３は、その底部から下方に延びるドロス抜き管６を有し、バルブ７を開くことにより溶解炉３の底部に沈降した不純物、つまりドロスをドロス抜き管６を通じて取り出すことができる。

溶解炉３内で完全に溶融されたＭｇ合金は、溶解炉３内の上澄み湯が出湯管４を通じて排出され、傾斜した板、樋又はパイプを含む冷却体８を介してタンディシュ９に貯留される。冷却体８は水冷パイプ１０を有し、この水冷パイプ１０に水を通すことにより冷却体８は一定温度に維持される。

溶解炉３の溶湯は出湯管４から出た後、傾斜冷却体８を伝って流下しながら傾斜冷却体８と接触することにより冷やされて結晶核（初晶）が生成されると共に結晶を成長させながら流下する。微細結晶は、溶湯と一緒にタンディシュ９に流入し、断熱容器であるタンディシュ９の中で数十ミクロン径の粒状に成長してセミソリッドスラリーになる。

タンディシュ９は水冷鋳型１１に連結されている。水冷鋳型１１にはポート１１ａを通じて冷却水が供給される。タンディシュ９から水冷鋳型１１に供給されたスラリーは水冷鋳型１１で凝固し、水平方向にダミーバー１２を引き出すことにより連続的にＭｇ合金ビレット１３が製造される。

溶解炉３から出湯する溶湯は、溶解炉３の内部に進入可能な出湯制御棒１４によって制御される。すなわち、出湯制御棒１４は炉外の駆動機構１５によって下降駆動され、制御棒１４の下降を制御することにより溶解炉３から排出される溶湯の量が制御される。Ｍｇ合金鋳造システム１は、好ましくは、傾斜冷却体８を振動させる加振源１６を備えているのがよい。加振源１６は、例えば偏心軸とモータなどで構成することができ、この加振源１６を設けて傾斜冷却体８を振動させることで、傾斜冷却体８に沿って流下する過程で溶湯の一部が傾斜冷却体８の上で凝固するのを防止することができる。すなわち、傾斜冷却体８を振動させることで、溶湯が傾斜冷却体８と接触することで生成される結晶の核を傾斜冷却体８から強制的に遊離させることができる。

上述したＭｇ合金ビレット１３は次のプロセスで製造した。
（１）溶解炉３で６８０℃〜７００℃で精錬及び成分調整を行い；（２）次に、６３０℃±５℃まで降温し；（３）６３０℃±５℃で少なくとも約３０分静置して出湯した。また、Ｆｅを除去するために添加するＭｎの量を従来よりも若干少な目に設定した。

上記第１実施例は、例えば自動車用部品やコンピュータの筐体を鋳造又は鋳造する業者に手渡すための、不純物の少ない中間素材としてのＭｇ合金ビレット１３を生産するのに好都合のＭｇ合金鋳造システムを例示したが、本発明は、Ｍｇ合金ビレットを介在することなく直接的に最終製品を生産する場合にも好適に適用することができる。下記の第２、第３実施例（図２、図３）はその一例を示すものであり、上述した第１実施例と同一の要素には同一の参照符号を付すことにより、その説明を省略し、第２、第３実施例の特徴部分を中心に説明する。

図２を参照して、第２実施例のＭｇ合金鋳造システム２０は、溶解炉３や傾斜冷却体８等を含むが、溶解炉３から溶湯を取り出す出湯管４は溶解炉３の中で垂直に延びて、出湯管４の上端が溶解炉３の上部に位置するように設計されており、出湯管４の上端から上澄み湯を取り込んで出湯管４の下端から排出させるようになっている。勿論のことであるが、第１実施例と同様に出湯管４を横方向又は水平方向に延びる状態で配置してもよい。したがって、出湯制御棒１４を管理した状態で下降動作させることで溶解炉３の溶湯の液面を上昇させることで出湯管４を通じて溶湯を取り出すことができる。すなわち、出湯管４から排出される溶融Ｍｇ合金の量は出湯制御棒１４の下降量によって制御することができる。出湯管４の下端は傾斜冷却板８の上端部に臨んで配置され、出湯管４から出た溶湯は傾斜冷却板８と接触しながら流下することで上述した結晶の核が生成及び結晶の成長を伴いながら傾斜冷却板８の下端に至る。なお、図２では傾斜冷却板８を振動させる加振源１６の図示を省いてあるが、傾斜冷却板８に加振源１６を設置するのが好ましい。

第２実施例のＭｇ合金鋳造システム２０はコールドチャンバーダイキャスト２１を有し、傾斜冷却板８の下端は、コールドチャンバーダイキャスト２１の湯口２２に臨んで配置されている。傾斜冷却板８の下端から流下するセミソリッドスラリーはコールドチャンバーダイキャスト２１の湯口２２に供給され、このセミソリッドスラリーは、ピストン２３で駆動されるプランジャー２４によって金型２５のキャビティ２５ａに充填される。

この第２実施例のＭｇ合金鋳造システム２０にあっても、上記第１実施例と同じプロセスでＭｇ成形品を得れば、直接的に且つ連続的に、不純物の少ない最終製品、特に、耐食性を低下させるＦｅが従来に比べて大幅に少ない製品を生産することがことができる。

図３は第３実施例のＭｇ合金鍛造システム３０の概要を示す。このＭｇ合金鍛造システム３０は、上記第２実施例と同様に、溶解炉３から溶湯を取り出す出湯管４は溶解炉３の中で垂直に延びて、出湯管４の上端が溶解炉３の上部に位置するように設計されており、出湯管４の上端から上澄み湯を取り込んで出湯管４の下端から排出させるようになっている。この第３実施例にあっても、第１実施例と同様に出湯管４を横方向又は水平方向に延びる状態で配置してもよいことは言うまでもない。

傾斜冷却体８の下端は保持炉３１に臨んで配置されている。保持炉３１は、周囲にヒータ３２を備えて一定温度に維持されると共に、取り鍋３３を収容するための空間３１ａを有している。

溶解炉３の溶湯は、出湯管４から出た後、直ちに傾斜冷却体８を伝って流下しながら傾斜冷却体８と接触することにより冷やされて結晶の核が生成されると共に結晶を成長させながら保持炉３１内の取り鍋３３に収容され、この保持炉３１（取り鍋３３）内で微細結晶が粒状に成長したセミソリッドスラリーの状態で保持される。

第３実施例のＭｇ合金鍛造システム３０は鍛造プレス３４を含み、取り鍋３３を介してセミソリッドスラリーを鍛造プレス３４の金型に充填した後、図外の駆動機構によって上型を上下動することで鍛造品を作ることができる。

この第３実施例にあっても、上記第１実施例と同じプロセスでＭｇ鍛造品を得れば、直接的に且つ連続的に、不純物の少ない最終製品、特に、耐食性を低下させるＦｅが従来に比べて大幅に少ない鍛造品を生産することがことができる。

図４は第４実施例のＭｇ合金鋳造システム４０を示し、このＭｇ合金鋳造システム４０は第１実施例と同様にＭｇ合金ビレット１３を製造するのに好適であり、上述した第１〜第３実施例の要素と同一の要素には同一の参照符号を付すことにより、その説明を省略する。

図４を参照して、Ｍｇ合金鋳造システム４０では所定長さのＭｇ合金ビレット１３が成形される。図４を参照して、溶解炉３で調整した溶融Ｍｇ合金は取り鍋３３を使って上澄み湯が取り出され、取り鍋３３から傾斜冷却体８に移される。傾斜冷却体８の下端には水冷鋳型４１が用意されており、水冷鋳型型４１は円筒状の成形型４２を備えている。なお、図４では傾斜冷却板８を振動させる加振源１６の図示を省いてあるが、傾斜冷却板８に加振源１６を設置してもよい。

上記のＭｇ合金鋳造システム４０により所定長さのＭｇ合金ビレット１３が成形されるが、そのプロセスは、第１実施例と同様に、（１）溶解炉３で６８０℃〜７００℃で精錬及び成分調整を行い；（２）次に、６３０℃±５℃まで降温し；（３）６３０℃±５℃で少なくとも約３０分静置して出湯した。また、Ｆｅを除去するために添加するＭｎの量を従来よりも若干少な目に設定した。

ＭＤ１ＤのＪＩＳ規格に適合するように、上記Ｍｇ合金鋳造システム４０を使ってＭｇ合金ビレット１３を鋳造したところ、次の組成のビレットを得ることができた。

ビレット１３の組成（発光分析器による。）: Ａｌ： 8.96wt％ ；Ｚｎ： 0.72wt％ ；Ｍｎ： 0.16wt％以下 ；Ｓｉ：0.02wt％ ；Ｃｕ： 0.004wt％ ；Ｎｉ：0.0006wt％ ；Ｆｅ：0.001wt％以下 ；Ｍｇ：残部

如上の結果から、溶解炉３内でＭｇ合金が完全に溶解した後、約６３０℃まで降温した後に少なくとも３０分間静置して不純物を沈降させることで、Ｆｅ含有量を0.001wt％の数値まで低下でき、また、投入するＭｎの量を低下できることが分かった。このことは、溶解炉３内の溶湯を約６３０℃まで降温し且つその後少なくとも３０分間静置させることで（ＦｅＭｎ）Ａｌ₆化合物などの不純物を沈降を促進し、その上澄み湯を使って鋳造することで、従来難しいとされたＦｅを大幅に低減できることが分かる。

更に、前述したように冷却体を使ってセミソリッドスラリーから鋳造する手法で「結晶粒の微細化」に液相線温度（約５９５℃）に近い温度が有効であり、このことから６１０℃を基準に各種の試験が行われていたが、この試験の結果、得られた成形品は気泡によって表面に凹凸ができるという問題を有していたが、これを約６３０℃に設定することで解消することができただけでなく、上述したように不純物を大幅に低減した成形品を得ることができた。

なお、Ｍｇ合金ビレット１３はチクソキャスティング法に従って半溶融状態のスラリーとなるまで再加熱され、そして、スラリーを金型に充填することで所望の鋳造品を作ることができ、また、鍛造機で所望の鍛造品を作ることができる。この鋳造品や鋳造品は、言うまでもないことであるが、Ｆｅなどの不純物が少ない製品となる。

以上、セミソリッドスラリーを使ってＦｅ含有量やＭｎ含有量の少ない鋳造品又は鍛造品を作る例を説明したが、傾斜冷却体８を省いて溶融Ｍｇ合金を使って鋳造品又は鍛造品を作ってもよいことは言うまでもない。

第１実施例のＭｇ合金鋳造システムの概略構成図である。 第２実施例のＭｇ合金鋳造システムの概略構成図である。 第３実施例のＭｇ合金鍛造システムの概略構成図である。 第４実施例のＭｇ合金鋳造システムの概略構成図である。

符号の説明

１ 第１実施例のＭｇ合金鋳造システム
２ 溶解炉用ヒータ
３ 溶解炉
４ 出湯管
８ 冷却体
９ タンディシュ
１０ 冷却体の水冷パイプ
１１ 水冷鋳型
１３ Ｍｇ合金ビレット
１４ 出湯制御棒
１６ 加振源

Claims (7)

1. Ｆｅ、Ｍｎを含むＭｇ合金であって、
   発光分析したときにＦｅの含有量が0.001wt％以下であることを特徴とするＭｇ合金。
2. 前記Ｍｇ合金がＡＺ系のＭｇ合金である、請求項１に記載のＭｇ合金。
3. 溶解炉でＭｇ合金原料を溶解させて溶湯を作り、前記溶解炉から出湯した溶湯を使ってＭｇ合金を鋳造又は鍛造することによりＭｇ合金の製品を作るＭｇ合金鋳造又は鍛造方法であって、
   前記溶解炉でＭｇ合金原料を完全に溶解させた後、約６３０℃まで降温し、次いで一定時間以上約６３０℃で静置した後に前記溶解炉内の溶湯の上澄み湯を出湯させることを特徴とするＭｇ合金鋳造又は鍛造方法。
4. 溶解炉でＭｇ合金原料を溶解させて溶湯を作り、前記溶解炉から出湯した溶湯を冷却体の上で流動させながら接触させて結晶の核を生成すると共に結晶を成長させてセミソリッドスラリーを作り、該セミソリッドスラリーを鋳造又は鍛造することによりＭｇ合金の製品を作るＭｇ合金鋳造又は鍛造方法であって、
   前記溶解炉でＭｇ合金原料を完全に溶解させた後、約６３０℃まで降温し、次いで一定時間以上約６３０℃で静置した後に前記溶解炉内の溶湯の上澄み湯を出湯させることを特徴とするＭｇ合金鋳造又は鍛造方法。
5. 前記上澄み湯を水冷鋳型に注湯してＭｇ合金ビレットを作る、請求項４に記載のＭｇ合金鋳造又は鍛造方法。
6. 前記冷却体が傾斜して配置され、該傾斜冷却体を振動させながら前記溶解炉から受け取った溶湯を流下させる、請求項３〜５のいずれか一項に記載のＭｇ合金鋳造又は鍛造方法。
7. 前記Ｍｇ合金がＡＺ系のＭｇ合金である、請求項３〜６のいずれか一項に記載のＭｇ合金鋳造又は鍛造方法。

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