JP2009074135A - ブリケット及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネシウム材料の切削屑を再利用して資源の有効利用を図りつつ、マグネシウムの特性を有効に利用でき、しかもそれ自体は十分な強度を有するブリケット及びその製造方法を提供する。
【解決手段】切削屑からなるマグネシウム材料と切削屑からなるアルミニウム材料を混合し圧縮する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ブリケット及びその製造方法に関する。

マグネシウム合金は軽量・耐熱性・比強度・リサイクル等に優れた特性を有することから、自動車部品や電気・電子機器の軽量化や環境対策を向上するため、全世界的にその使用量が毎年大幅な伸びを示している。
マグネシウム製品は、その製造において鋳造、フライス盤・旋盤等の機械加工、表面研削、化成処理、塗装等の工程を経て出荷されており、機械加工の切削工程から発生する切削屑を有効利用する方法が従来から検討されている。

例えば、特許文献１には、マグネシウム切削屑を真空中で加熱して切削屑に含まれる油分及び水分を除去し、次いで油分及び水分を除去したマグネシウム切削屑を不活性ガス中で加熱して溶解させ、マグネシウム金属を再生する技術が開示されている。
また非特許文献１には、マグネシウム切削屑のブリケットを作製した後、そのブリケットを再溶解させて良好なインゴットを作製する技術が開示されている。

特開平６−２９９２６０号公報 「マグネシウム合金切削粉くずのリサイクル技術の確立報告書（素形材センター調査報告書５６４）」、日本マグネシウム協会・（財）素形材センター編集・発行、（２００２）、ｐｐ．１−３９

しかし、特許文献１の方法では、真空中での加熱・乾燥は熱伝導による熱の移動が主であるため相当時間がかかり、経済的ではない。
また、マグネシウム材料は結晶構造が六方最密構造であるため硬くてもろく、常温では塑性変形しにくいという性質を有するため、ブリケット化するには不利な材料である。したがって非特許文献１のブリケットのように、単にマグネシウム切削屑を圧縮固化するだけでは十分な強度を得ることができず、例えば、成形時の歩留まりが低下するのみならず、これを輸送した時の振動によって崩壊してしまう割合が高い等の問題がある。

一方、マグネシウムは非常に酸化されやすい金属であるため、その性質を利用してこれを金属材料製造時の脱酸材として利用しようとする試みもなされている。しかしマグネシウムは、蒸気圧が高いために金属材料製造時の溶鋼温度ではすぐに蒸発して急激に反応してしまい、脱酸材としての効果が十分に得られないという問題がある。したがって、マグネシウムの脱酸材としての有効な利用方法は未だ確立していないというのが現状である。

本発明は上述したような問題点を解決するためのものであって、マグネシウム材料の切削屑を再利用して資源の有効利用を図りつつ、マグネシウムの特性を有効に利用でき、しかもそれ自体は十分な強度を有するブリケット及びその製造方法を提供することを目的とする。

このような状況下において本発明者は、マグネシウムの特性としてその燃焼反応の際の大きな発熱量に着目した。そして、マグネシウム材料を金属材料製造（例えば製鋼）のための助燃材として有効に利用する方法を見出すべく研究を進めた結果、本発明に至った。

この目的を達成するための本発明に係る金属材料製造用のブリケットの第一の特徴構成は、切削屑からなるマグネシウム材料と切削屑からなるアルミニウム材料を混合し圧縮した点にある。

上記の構成によれば、加工性に優れた面心立方格子の結晶構造を有するアルミニウム材料を混合することにより、圧縮成形したときにアルミニウム材料が塑性変形して、混合物中のマグネシウム材料及びアルミニウム材料の間の密着性が高まるため、これらの混合物を常温でブリケット化することができる。しかも、マグネシウム材料のみをブリケット化した場合に比べて強固に固化することができ、それにより成形時の歩留まりを上げることができる。
さらに、ブリケット化することによってマグネシウム材料の比表面積が小さくなっているので、金属材料製造時に添加したときでも反応が穏やかに進むため発熱反応を長く持続させることができ、マグネシウムの反応により発生した熱量を長時間利用することができる。したがって、マグネシウム材料及びアルミニウム材料として切削屑を再利用して資源の有効活用を図りつつ、金属材料製造時における助燃材として有効に利用することができる。

本発明に係るブリケットの第二の特徴構成は、マグネシウム材料とアルミニウム材料の重量比が、アルミニウム：マグネシウム＝２０：８０〜５０：５０である点にある。

アルミニウム材料の添加率が増大するに従ってブリケットの空隙率は減少し、それによってブリケット成形時の歩留まりは向上する。アルミニウム材料の添加率を２０重量％以上にした場合、マグネシウム材料のみの場合に比べて空隙率は大きく減少することから、より強固に固化させるためにはアルミニウム材料の添加率を２０重量％以上とすることが好ましい。ただし、ブリケット中に含まれるマグネシウム材料を金属材料製造のための助燃材として利用するという観点からは、アルミニウム材料の添加率は５０重量％以下であることが好ましい。

本発明に係るブリケットの製造方法の第一の特徴構成は、切削屑からなるマグネシウム材料と切削屑からなるアルミニウム材料とを混合した後２０〜４０ＭＰａで圧縮成形する点にある。

この構成によれば、マグネシウム材料及びアルミニウム材料どうしの接触面積が大きくなること、及び、各接触面において十分な圧力が加わることによって、圧縮成形時に両者が十分に密着されるため、強固なブリケットを作製することができる。また、自動車部品や電気・電子機器等の製造においてフライス盤・旋盤等の工作機械による切削工程から発生するマグネシウム及びアルミニウムの切削屑を再利用して、資源の有効活用を図ることができる。

本発明に係るブリケットの製造方法の第二の特徴構成は、前記圧縮成形前に水分及び油分を低減する前処理工程を有する点にある。

この構成によれば、そのような前処理を行っておくことにより、成形性に優れたブリケットを作製することができるだけでなく、成形後のブリケット中に含まれる油分量及び水分量をより低減することができる。

本発明に係るブリケットは、マグネシウム材料とアルミニウム材料を圧縮して成形したものである。

このとき、マグネシウム材料としては、マグネシウム単体を用いても良いし、マグネシウムを主成分とするマグネシウム合金を用いても良い。ただしマグネシウム合金を用いる場合は、マグネシウム含有量が重量基準で８５％以上のものが適している。
形状は特に限定されず、粒状、円柱状、棒状、板状、直方体状等、様々な形状をとることができる。

同様に、アルミニウム材料としては、アルミニウム単体を用いても良いし、アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金を用いても良い。ただしアルミニウム合金を用いる場合は、アルミニウム含有量が重量基準で８０％以上のものが適している。
形状は特に限定されず、粒状、円柱状、棒状、板状、直方体状等、様々な形状をとることができる。

マグネシウム材料とアルミニウム材料の混合比については特に限定されない。ただし、アルミニウム材料の添加率が増大するに従って空隙率は減少し成形時の歩留まりは向上することから、アルミニウム材料の添加率をマグネシウム材料に対して２０重量％以上にすることが好ましい。一方、ブリケット中に含まれるマグネシウム材料を金属材料製造のための助燃材として利用するという観点からは、アルミニウム材料の添加率は５０重量％以下であることが好ましい。
さらにより強固に固化するブリケットを得るためには、アルミニウム：マグネシウム＝３０：７０〜５０：５０であるであることが好ましく、アルミニウム：マグネシウム＝４０：６０〜５０：５０であればなお好ましい。

なお、マグネシウム材料及びアルミニウム材料として、フライス盤・旋盤等の工作機械による切削工程から発生する切削屑を再利用することが、資源の有効活用を図ることができる点で好ましい。ここで本発明において切削屑とは、マグネシウム材料部材又はアルミニウム材料部材に旋盤加工、フライス加工、ドリル加工、カッター加工、鋸切断等、刃物による切削加工を施して発生する切粉を意味する。

次に、本発明に係るブリケットの製造方法について説明する。図１に示すように、本発明に係るブリケットは、マグネシウム材料とアルミニウム材料とを原料とし、前処理工程、混合工程、圧縮成形工程を経ることによって作製することができる。

前処理工程は、マグネシウム材料及びアルミニウム材料の表面に付着している油分及び水分を低減させる工程である。例えば、加熱処理を行うもの、加熱処理に加えて真空引きを行うもの、エアスプレーを噴射するもののほか、遠心分離するもの等が挙げられる。中でも、簡易に効率良く油水分を低減させることができる点で、遠心分離するものが好ましい。
マグネシウム材料及びアルミニウム材料として、その表面に油分・水分がほとんど付着していないものを用いる場合には、この前処理工程は省略可能である。

混合工程は、マグネシウム材料とアルミニウム材料とをかき混ぜて均質化する工程である。例えば攪拌等の、公知の方法を用いて行うことができる。
前処理工程が必要な場合であっても、混合工程は必ずしも前処理工程の後に行わなければならないという訳ではない。つまり、まず混合工程を行い、その後前処理工程を行っても良い。ただし、より均質なブリケットを作製することができる点では、前処理工程の後に混合工程を行うことが好ましい。

圧縮成形工程は、マグネシウム材料とアルミニウム材料との混合物を圧縮して成形する工程である。例えば、コンテナに充填した混合物に圧縮荷重を負荷する等の、公知の方法を用いて行うことができる。圧縮荷重の大きさは、より強固なブリケットを作製することができる点で、２０〜４０ＭＰａであることが好ましい。また、圧縮時の温度は特に限定されないが、簡易かつ経済的にブリケットを作製することができる点からは、常温で行うことが好ましい。

このようにして作製された本発明に係るブリケットは、マグネシウムの大きな発熱量及びアルミニウムの非常に酸化されやすい性質の両者を利用して、金属材料製造、例えば製鋼のための助燃・脱酸材として使用することができる。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

本実施例では、水溶性切削油を用いて切削加工したマグネシウム合金ＡＺ９１Ｄ（Ａｌ：９％、Ｚｎ：１％、Ｍｇ：残部）とアルミニウム合金ＡＤＣ１２（Ｃｕ：３％、Ｓｉ１１％、Ａｌ：残部）の切削屑を回収し、これらを供試材として用いた。切削屑の長さ、幅、厚みはそれぞれＡＺ９１Ｄが５０ｍｍ以下、５ｍｍ以下、０．３ｍｍ以下、ＡＤＣ１２が５０ｍｍ以下、５ｍｍ以下、０．３ｍｍ以下であった。これらの切削屑を、回転数１４００ｒｐｍ、遠心分離時間１分間の条件で遠心分離機にかけて、切削屑表面に付着している油分及び水分を低減する前処理工程を行った。前処理工程後ＡＺ９１Ｄ及びＡＤＣ１２の切削屑をそれぞれ５０ｇ（多少の誤差はあるものとする、以下同じ）ずつ採取して混合し、ブリケッティング・マシン（ＲＵＦ社製、ＲＢ４／３７００／６０×４０）を使用して圧縮成形を行った。このとき、圧縮荷重は面圧３０ＭＰａとした。このようにして、６０ｍｍ×４０ｍｍ×５０ｍｍの大きさのブリケットを作製した。
同様に、混合するＡＺ９１Ｄ及びＡＤＣ１２の切削屑の量を変化させてブリケットを作製した。このとき、ＡＺ９１Ｄ及びＡＤＣ１２の切削屑の全量は１００ｇで一定とし、混合比率については、ブリケット化するチャージごとにＡＤＣ１２の添加率を１０〜４０重量％まで１０重量％刻みで変化させた。また比較例として、ＡＺ９１Ｄ切削屑１００％のブリケットを同じ条件で作製した。

こうして得られたブリケットについて、圧縮成形時の歩留まり、空隙率、油分量、水分量を評価した。

歩留まりは、ブリケット成形数のうち成形後においても崩壊せずに形をとどめたブリケット数の割合を算出することにより求めた。ブリケット成形数はそれぞれ２００個である。
図２は、ＡＤＣ１２切削屑の添加率とブリケット成形時の歩留まりとの関係を示すグラフである。これによれば、ＡＤＣ１２切削屑の添加率が増大するにしたがって歩留まりが向上することが分かる。特にＡＤＣ１２切削屑の添加率が３０〜５０重量％の範囲では成形時の歩留まりが９６％以上となり、非常に良好な結果を示した。
また、ＡＤＣ１２切削屑の添加率が３０重量％のブリケットのうち形をとどめたブリケットについて、１ｍの高さからアスファルトの地面に落下させることにより崩壊試験を実施した。その結果、実に９７％以上がそれでもなお崩壊せずに原形をとどめ、強固にブリケット化されたことが確認された。

また空隙率を、空隙率＝{（原料材料の比重）−（ブリケットの比重）}÷（原料材料の比重）の式により求めた。ここで、原料材料の比重としては、原料として用いたＡＺ９１Ｄ及びＡＤＣ１２の比重を重量比により比例按分したものを用い、ブリケットの比重は実測により求めた。
図３は、ＡＤＣ１２切削屑の添加率と空隙率との関係を示すグラフである。これによれば、ＡＤＣ１２切削屑の添加率が増大するにしたがって空隙率が減少していることが分かる。特にＡＤＣ１２切削屑の添加率が２０重量％以上のブリケットの空隙率は比較例の１／２以下であり、ＡＤＣ１２を混合させたことによりブリケット中の空隙が大きく減少したことが確認された。
空隙率が低いということはブリケットの内部がＡＺ９１Ｄ及びＡＤＣ１２の切削屑でしっかりと詰まっていることを示しており、この点からも、ＡＺ９１Ｄ及びＡＤＣ１２の切削屑が互いに密着して、より強固なブリケットができていることが裏付けられた。

さらに、油分量をノルマルヘキサン抽出分離法により、水分量をカールフィッシャー法により求めた。
図４は、前処理工程前とブリケット後におけるＡＤＣ１２切削屑の添加率と油分量との関係を示すグラフであり、図５は、前処理工程前とブリケット後におけるＡＤＣ１２切削屑の添加率と水分量との関係を示すグラフである。これによれば、前処理工程後に圧縮成形したブリケットの油分量・水分量は、いずれも前処理工程前に比べて大きく低減していることが分かる。一般に、金属材料製造時に添加する場合には、油分量が９％以下、水分量が６％以下であることが好ましいとされているが、前処理工程を経た後混合して圧縮成形したブリケットは、すべてこの条件に合致するものであった。こうして、このブリケットは金属材料製造時の添加材として十分に使用し得ることが確認できた。
また、ブリケットどうしを比較した場合でも、ＡＤＣ１２切削屑を添加することによって油分量・水分量が低減していることが分かる。そしてその低減の度合いは、ＡＤＣ１２切削屑の添加率が増大するにしたがって大きかった。特にＡＤＣ１２切削屑の添加率が２０〜５０重量％の範囲では、比較例に対して油分量が有意に減少していることが確認された。

実施例１で作製したブリケットのうち、ＡＺ９１Ｄ及びＡＤＣ１２の切削屑を重量比５０：５０で混合して作製したものを、製鋼のための添加材として用いた。通常、マグネシウムは活性な金属であるため酸素と発熱反応を起こし、一方、アルミニウムは非常に酸化されやすく製鋼中における強脱酸材として使用されている。ここで用いたブリケットはマグネシウム合金とアルミニウム合金の両者を含むため、これら両者の効果が期待できる。つまり、製鋼のための助燃・脱酸材として利用するのである。

まず、ブリケットを作製した工場から約３０ｋｍ離れた場所にある製鋼所まで、ブリケットをトラックで搬送した。搬送の際振動が発生したが、全てのブリケットが製鋼所に到着するまで崩壊せずに原形をとどめていた。
製鋼所では、ドラム缶にブリケットを約１５０ｋｇ封入し、このブリケット入りドラム缶に通気孔をあけて原料とともに電気炉に初装して操業を行った。ここで、鋼材原料と共にブリケットを装入しておくのは、予熱中にブリケット中の油水分が揮発するので安全性が高まるからである。また、ブリケットを封入したドラム缶に通気孔を設けておくのは、揮発した油水分が容器中に充満することを回避できるので安全性がいっそう高くなるからである。実際、操業中は特に水蒸気爆発を起こすこと等もなく、安全に操業することができた。
さらに、ブリケット化することによってＡＺ９１Ｄ切削屑の比表面積が小さくなっているので、操業中、急激な発熱反応を抑制して反応を長く持続させることができた。そのため、マグネシウムの反応により発生した熱量を長い時間鋼材原料の溶解に利用することができた。また、このようにして製造された製品鋼材中にはほとんど酸素が残留しておらず、得られた製品鋼材は、市場において製品として流通しているものと同程度の純度のものであった。なお、マグネシウムの発熱反応により生成する酸化マグネシウム及びアルミニウムの酸化反応により生成する酸化アルミニウムは、いずれも製鋼時に発生するスラグ成分の一つであるから、製品鋼材に影響を及ぼすことはない。
こうして、ＡＺ９１Ｄ及びＡＤＣ１２の切削屑を圧縮したブリケットを製鋼のための添加材として使用すれば、マグネシウム合金を助燃材として利用すると同時にアルミニウム合金を脱酸材として有効利用することができ、製鋼分野における操業中のエネルギー費削減及び溶鋼中の酸素含有率低減による製品品質の向上に寄与することが確認された。

本発明に係るブリケットの製造工程を示すフロー図である。 アルミニウム材料添加率と成形時の歩留まりとの関係を示すグラフである。 アルミニウム材料添加率とブリケットの空隙率との関係を示すグラフである。 アルミニウム材料添加率とブリケット内に含有する油分量との関係を示すグラフである。 アルミニウム材料添加率とブリケット内に含有する水分量との関係を示すグラフである。

Claims (4)

1. 切削屑からなるマグネシウム材料と切削屑からなるアルミニウム材料を混合し圧縮した金属材料製造用のブリケット。
2. 前記マグネシウム材料と前記アルミニウム材料の重量比が、アルミニウム：マグネシウム＝２０：８０〜５０：５０である請求項１に記載のブリケット。
3. 切削屑からなるマグネシウム材料と切削屑からなるアルミニウム材料とを混合した後２０〜４０ＭＰａで圧縮成形するブリケットの製造方法。
4. 前記圧縮成形前に水分及び油分を低減する前処理工程を有する請求項３に記載のブリケットの製造方法。

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