JP4138012B2 - 非鉄合金を合金化するための鉄添加剤 - Google Patents

Description

鉄は一般にアルミニュームにおける望ましくない不純物であると考えられている。しかしながら、アルミニュームにおける少量の鉄分（質量比で０．１５〜１．８％）はアルミニュームの機械的性質に影響を与え、薄いアルミニュームのシートを圧延し易くする。アルミニュームの鉄含有分を増量すると、鉄が押し出し性を向上させるので形材に使用可能である。
電解法で製造されたアルミニュームは電解槽の陽極から発生した少量の鉄を含有している。この鉄含有量だけではフォイルや形材に適したアルミニュームを製造するには十分ではなく、従って鉄を添加する必要がある。
鉄を含有したアルミニュームの製造において、鉄の添加は質量比で約５〜３０％の鉄を含有する鉄スクラップあるいはＡｌ−Ｆｅ母合金塊の形態で行なうことが出来る。鉄粉あるいは鉄粉ベースのペレットも溶解時間が短いという利点を提供するため使用されている。
粒状化した材料の添加はランスを通して搬送ガスと共に噴射することにより行なうことが出来る。粉末はレードル、保熱炉あるいは鋳造炉中のいずれかへ噴射される。アルミニュームの温度は、適用される方法とは関係なく、通常の合金化温度である７２０〜７６０℃の範囲に保たれる。より高い温度を使用出来るものの、これは鉄粉の溶解時間を短縮することにはならない。
噴射方法において使用すべき鉄粉の重要な性質は粒径である。粒体が小さすぎるとガスの気泡を溶解面の浮きかすに付着させ、本方法の各種の段階でダスト形成の問題を起因させる。粒体が大きすぎると溶解が十分速くなくなる。
粒体の表面は酸化層が介在すると溶解アルミニュームによって粒体を湿潤劣化させ、そのため溶解を阻害したり、あるいは遅らせる可能性があるため、酸化層が概ね無いことが重要である。更に、前述のように、噴射方法は特殊な装置を必要とする。
鉄粉のペレットが使用される場合、それらは単に溶解したアルミニューム中へ投入され、該アルミニュームを通して沈下し、溶解される。あるユーザはペレット自体を製造するが、ペレットはまた市販されてもいる。所謂合金ペレットはＦｅ以外にＭｎ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｐｂ，Ｎｉ，またはＺｎでありうる合金金属を７５〜８０％含有している。残りは純粋のアルミニュームと、溶解を促進したり、合金金属が溶解するにつれてそれを保護する適当なフラックスである。ペレットは正確な投与を保証するために使用前に計量する必要が無い程度まで正確な質量と成分に調整される。
鉄ベースの粉末あるいはペレットを添加することに基づく以前の方法は、もしも鉄が溶解した金属に基本的に鉄から構成される固めた鉄粒体の固形の形で添加されるとすれば、可成り改良可能なことが判明した。この点に関連して、「非鉄金属」という用語はアルミニューム、銅および銅ベース即ち銅基の合金からなる群から選定された金属を含む。本発明による固めた鉄粒体の塊即ち体部から構成される添加剤を使用することにより、溶解した非鉄金属における鉄の溶解速度をより速くすることが出来る。このことから、溶解温度における時間が短縮することにより生産性が向上しうることが認められる。このように、固めた鉄の塊即ち成形された体部を使用することはエネルギ消費が減少することも意味する。更に、固めた鉄の塊の純度によって、混在物の形成が少なくなり、従ってその後の精製処理が必要でなくなり、合金金属の製造を簡単にする。
本発明による固めた塊即ち成形された体部を使用することによって得られる利点は予期されなかったことであって、溶解したアルミニュームへの添加について試験した合金化剤の固めた塊が効果的でなかったと記載している米国特許第３９３５００４号の教示に照らすと極めて驚くべきことである。詳しくは、本特許はアルミニュームに金属を合金化するための固めた合金化添加物は重要な成分としてフラックス剤を含有すべきであると述べている。この既知の添加剤はまた、結合剤を含有することが好ましい。本発明によって使用される固めた塊は上記特許と相いいれないものであって、何らフラックスあるいは結合剤を含有する必要が無い。
新規の固めた鉄の塊は例えばスエーデンのヘーガネース社（Ｈｏｇａｎａｓ ＡＢ）から市販されているＡＨＣ１００．２９またはＭ４０、Ｍ８０，Ｍ１００，Ｍ１２０，Ｗ１００．２５、Ｗ４０．２４またはＡ４０Ｓのような、細分鉄粉末あるいは海綿鉄粉末から製造することが出来る。ＷＯ９４／１７２１７号に記載の合金化添加剤とは対照的に、本発明による固めた塊が固形の細分化した粉末あるいは海綿鉄粉末から調製される場合、溶解段階は何ら含まれない。
固めた塊の密度は該塊が処理および搬送の間分解しないよう、かつ該塊が溶解槽の表面に浮遊しないよう十分高くあるべきである。このように、密度は少なくとも４グラム／立方cm、好ましくは５グラム／立方cmである。好ましい密度の範囲は５．１から６．７グラム／立方cmである。このために、粉末は少なくとも２００ＭＰａ、最大５００ＭＰａの圧力、好ましくは２５０から４００ＭＰａの範囲の圧力で、例えば従来の粉砕機で固められる。固められた塊の生強度（グリーン強度）は少なくとも５ＭＰａ、最大少なくとも１０ＭＰａであることが好ましい。固め圧力の溶解性即ち回収速度に対する影響は図１から判る。
粉砕作業から得られる固められた塊の適当な厚さは０．５から４ミリの間で変動しうる。塊はその後、適当なサイズに粉砕される。粉砕は従来の粉砕機において少なくとも５０ｍｍ²、好ましくは少なくとも１００ｍｍ²のサイズまで実行可能である。より大きな片、あるいは帯片、あるいはその他のいずれかの形態で固められた塊を添加しうることは勿論である。
重要な要素はまた、固められた鉄の塊の酸素および炭素の含有量である。現在使用されている鉄粉末のペレットの代わりに使用するのに特に適した本発明の一実施例によれば、酸素含有量は固められた鉄の塊の質量比で０．３から２％であるべきで、好ましくは０．５から１．５％で変動する。炭素含有量は固められた鉄の塊の質量比で０．０２から０．７５％であるべきで、好ましくは０．０５から０．５％で変動する。この場合、鉄の粉末は非焼鈍の海綿鉄粉末が適当である。
混在物の量が低く抑えられることが重要である本発明の代替実施例において、酸素と炭素の含有量は更に低くあるべきである。この代替実施例において海綿鉄が使用されると、酸素の量は質量比で０．１から１．５％、好ましくは０．１５から１．０％で変動する。炭素含有量は質量比で０．０００１から０．２０％で、好ましくは０．００２から０．１５％で変動する。低量の混在物とするに最も好ましい材料は酸素含有量を質量比で０．００３および１．５％好ましくは０．１から１．０％の噴霧化した鉄の粉末（アトマイズ鉄粉）である。炭素含有量は質量比で０．０００１から０．０２％、好ましくは０．００２から０．１５％で変動すべきである。このような低酸素、低炭素の固められた塊は特に高品質の製品を作る上で重要である。
非鉄金属がアルミニュームである場合、溶解金属の温度は６８０℃から７８０℃まで、最も好ましくは７００℃から７５０℃である。図２は１９トンで固めた塊の種々の温度における溶解速度を示している。
固めた鉄の塊、すなわちフレークの実用的な適用における第１の段階はＡｌ−Ｆｅ材料における特定のＦe含有量に到達するに必要な量を計算することである。この計算において、Ｆｅの収率は添加鉄１００％にセットされる。次いで、Ｆｅ材料はほぐした形で溶解炉に添加され、その場合、溶解アルミニュームの全面に亘って広げられる。代替的に、所定量のフレークを入れた袋詰めで添加される。添加の後、攪拌作業が開始され、鉄が完全に溶解するまで継続する。
鉄の粉末の性質と溶解アルミニューム内での溶解速度との相関に関する調査を実行した。この調査から、以下のことが報告出来る。
以下の表１による６種類の鉄粉末製品がこの調査に含まれた。サンプル１−３は本発明の範囲に入らないほぐされた未固めの粉末から構成され、サンプル４−６は本発明による固められた塊の例である。

各タイプの鉄粉末は直径が４ミリで、高さが７ミリである小さい円筒体に固められた。使用した圧力は固めたものが分離しないようにするの丁度十分な程度であった。円筒状体の質量は４００〜４５０ミリグラムであり、各試験におけるアルミニュームの量は７０グラムで、そのため鉄の円筒状体が完全に溶解した後の最終の鉄含有量は概ね０．７％であった。
本発明による鉄の添加剤は適当なサイズの単一のフレーク状粒体として使用された。
直径が５０ミリで、炉で加熱した反応室において試験を実行した。直径が４０ミリで、高さが６０ミリの寸法のアルミナるつぼを固形の純粋のアルミニューム（９９．７％Ａｌ）の片で充填した。るつぼを反応室内で垂直方向に運動可能なホルダに位置させた。固めた鉄をアルミナホルダに位置させ、反応室に導入し、電気天秤からの細いワイヤの懸垂ワイヤによってアルミニュームの上方に懸垂させ、電気天秤によって質量の変化を極めて高度の感度（検出限度１ミクロングラム）で記録した。
試験を極めて純粋の高いアルゴン雰囲気中で実行し、加熱手順の間は鉄のサンプルあるいはアルミニュームの酸化は何ら検出することが出来なかった。反応室での温度は熱伝対によって制御した。
所望の反応温度（殆どの試験において７２０℃）に達すると、溶解したアルミニュームを入れたアルミナるつぼが鉄のサンプルが溶解アルミニュームに浸漬するよう上方へ押し上げられた。試験サンプルの質量変化は溶解について研究している間５秒間隔で記録した。
溶解試験の結果は、時間の関数としての初期質量のパーセントとして鉄サンプルの質量喪失を示す下記の表２に記録した。このパーセントは「回収」と指示されている。

溶解したアルミニュームの温度を通常適用される７２０から７００℃まで下げることにより溶解時間を延ばし、回収を著しく減少させる。一方、７５０℃まであげると限界的な効果があるのみである。
前述した固められた鉄の塊は概ね１５×１５ミリのサイズで約２ミリ厚さのフレークから構成されている。
下記の表３は混在物の量を示す。

本発明によるサンプル５および６において混雑物の量が少ないということは、本発明による固めた塊がこれら製品がそれより製造がもっと複雑である２５ＦｅＡｌワッフル（Waffle）の興味ある代替となりうることを示している。
液状アルミニュームに鉄のフレークを添加することに特に関して説明したが、本発明による鉄のフレークはまた、例えば銅や銅合金のようなその他の非鉄溶解金属にも添加可能である。

Claims (17)

1. 非鉄の液状金属への添加剤において、前記添加剤が、
   アトマイズ鉄粉あるいは
   海綿鉄
   の粒体を固めた塊から構成されており、
   前記添加剤が、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｕ基合金からなる群から選定された液状金属に添加されることを特徴とする添加剤。
2. 前記固めた塊が少なくとも４グラム／立方ｃｍの密度を有していることを特徴とする請求項１に記載の添加剤。
3. 前記固めた塊が少なくとも５グラム／立方ｃｍの密度を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の添加剤。
4. 前記固めた塊が、補助剤を何ら含有していないことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の添加剤。
5. 前記粒体が、酸素を質量比で０．３〜２．０％、炭素を質量比で０．０２〜０．７５％含有する海綿鉄の粒体であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の添加剤。
6. 前記粒体が、酸素を質量比で０．５〜１．５％、炭素を質量比で０．０５〜０．５％含有する海綿鉄の粒体であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の添加剤。
7. 前記粒体が、酸素を質量比で０．１〜１．５％、炭素を質量比で０．０００１〜０．２％含有する海綿鉄の粒体であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の添加剤。
8. 前記粒体が、酸素を質量比で０．１５〜１．０％、炭素を質量比で０．０２〜０．１５％含有する海綿鉄の粒体であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の添加剤。
9. 前記鉄粒体が、酸素を質量比で０．０３〜１．５％、炭素を質量比で０．０００１〜０．２０％含有したアトマイズ鉄粉の粒体であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の添加剤。
10. 前記鉄粒体が、酸素を質量比で０．１〜１．０％、炭素を質量比で０．００２〜０．１５％含有したアトマイズ鉄粉の粒体であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の添加剤。
11. 前記固めた塊がフレークの形態であることを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の添加剤。
12. 前記添加剤が、アルミニュームに添加されることを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の添加剤。
13. 前記固めた塊が、厚さ０．５〜４ミリで、サイズが少なくとも５０ｍｍ ² であることを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の添加剤。
14. 前記固めた塊のサイズが少なくとも１００ｍｍ ² であることを特徴とする請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の添加剤。
15. 前記固めた塊が少なくとも５ＭＰａのグリーン強度を有している、請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載の添加剤。
16. 非鉄の液状金属の添加剤として請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載の固められた塊の使用。
17. 鉄をアルミニュームと合金化する方法であって、請求項１から請求項１５項までのいずれか１項に記載のアトマイズ鉄粉あるいは海綿鉄の粒体を固めて塊にしたものをアルミニュームの溶解槽に添加する段階と、得られた混合物を前記塊を完全に分解するに十分な時間混合する段階とを含む、鉄をアルミニューム中に合金化する方法。

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