JP4584682B2 - 鋳造用アルミニウム合金の酸化物除去方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造用アルミニウム合金の溶湯中から酸化物を浮上させて分離させる鋳造用アルミニウム合金の酸化物除去方法に関するものである。

従来、エンジンのシリンダヘッドなどの鋳造物を成形するためのＡｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金の溶湯は、鋳造物の機械的強度を増大させるために、鋳型に注入する以前に改良処理剤が加えられ共晶Ｓｉを微細にしている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１中にも示されているように、従来の改良処理剤は、フッ化ナトリウム（以下、単にＮａＦという）やストロンチウム（以下、単にＳｒという）などが用いられている。ＮａＦは、効果が持続する時間がＳｒに較べて短いため、近年においては、Ｓｒを用いて改良処理を行うようになってきている。

Ｓｒを改良処理剤として作られた溶湯は水素ガス（以下、Ｈ₂ ガスという）が多く含まれている。このＨ₂ ガスは、大気中の水蒸気から取り込まれたものである。このため、従来では、回転翼脱ガス処理と呼称される方法によって前記Ｈ₂ ガスを溶湯中から除去している。
回転翼脱ガス処理は、溶湯中に浸漬したノズルから窒素ガス（以下、Ｎ₂ ガス という）やアルゴンガス（以下、Ａｒガスという）などの不活性ガスを吹き出させ、この溶湯を回転翼で攪拌する方法である。

この回転翼脱ガス処理によれば、溶湯中のＨ₂ガスは、回転翼によって攪拌されて微細な気泡となった不活性ガスとともに浮上し、溶湯表面から大気中に放出される。エンジンのシリンダヘッドなどの鋳造物を製造する場合、前記回転翼脱ガス処理に使用する不活性ガスは、鋳造物のコストダウンを図るために、相対的に安価なＮ₂ ガスが用いられている。
なお、本出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に密接に関連する先行技術文献を出願時までに見付け出すことはできなかった。
特開平６−８８１５２号公報

しかしながら、Ｎ₂ ガスを使用した回転翼脱ガス処理を行うと、Ａｒガスを使用する場合に較べて溶湯中に酸化物が多く生成されるという問題があった。これは、Ａｒガスは密度が大気より大きく溶湯表面と大気を遮断するが、Ｎ₂ ガスは大気より密度が小さく、回転翼脱ガス処理時に溶湯表面から大気中に放出されたＮ₂ ガスはそのまま上昇して溶湯の表面が常に大気に晒されるようになるからである。すなわち、回転翼脱ガス処理時に溶湯の表面が激しく波立ち、溶湯の表面積が著しく増大することにより、溶湯と大気中の酸素とが反応して前記酸化物が生成される。

溶湯の表面が波立つのは、溶湯が回転翼によって攪拌されることと、Ｎ₂ ガスの気泡が溶湯の表面で破裂することとによる。前記酸化物としては、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）などである。これらの酸化物が溶湯中に懸濁している状態で鋳造を行うと鋳造物の機械的強度が低下してしまうから、この酸化物を溶湯中から除去することが要請されている。

本発明はこのような要請に応えるためになされたもので、Ｎ₂ ガスを使用した回転翼脱ガス処理を行うことにより溶湯中に生成された酸化物を容易に除去できるようにすることを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係る鋳造用アルミニウム合金の酸化物除去方法は、鋳造用アルミニウム合金溶湯に、ストロンチウムからなる改良処理剤と、フッ化ナトリウムと他の塩との混合塩とを添加する工程と、この溶湯に窒素ガスを使用した回転翼脱ガス処理を施すことによって、溶湯内のマグネシウム酸化物を溶湯の液面上に浮上させる工程とを有し、前記他の塩を塩化ナトリウムと塩化カリウムのいずれか一方または両方としたことを特徴とする鋳造用アルミニウム合金の酸化物除去方法である。

請求項２に記載した発明に係る鋳造用アルミニウム合金の酸化物除去方法は、請求項１に記載した発明に係る鋳造用アルミニウム合金の酸化物除去方法において、混合塩を重量比で７０％のＮａＦと３０％のＮａＣｌとによって形成し、この混合塩の溶湯への混入量を重量比で溶湯の０．３％とすることによって実施する。

本発明によれば、溶湯中に含まれるマグネシウム酸化物が浮上し溶湯とは分離される。このため、本発明に係る酸化物除去方法を採ることにより、コストダウンを図るために回転翼脱ガス処理に安価なＮ₂ ガスを使用することが原因で生じる酸化物を溶湯上に分離浮上させ、溶湯中から除去することができる。
したがって、本発明を実施することにより、酸化物を除去した後の溶湯（酸化物やＨ₂ ガスが混入していない溶湯）を鋳造に使用することができるから、強度が高い鋳造物を低い製造コストで製造することができる。このように溶湯中からマグネシウム酸化物を除去することができるのは以下の理由によるものと考えられる。

ＮａＦを含む混合塩が溶込んだ溶湯にＮ₂ ガスを使用した回転翼脱ガス処理を施すと、溶湯中のＮａＦが解離し、解離したＮａはアルミニウムに溶解せず、溶湯より密度が小さいことからＮ₂ ガスとともに溶湯上に浮上する。このナトリウムは、溶湯表面や溶湯中に生成されたマグネシウム酸化物に接触すると、その界面エネルギーはマグネシウム酸化物−溶湯間よりもマグネシウム酸化物−Ｎａ間の方が小さいことからＮａが溶湯とマグネシウム酸化物との間に侵入し、この酸化物を取り囲むようになる。

一方、前記ナトリウムの一部は、ＮａＦが解離するときのフッ素の発熱反応により酸化し、ナトリウム酸化物の微粉となる。このナトリウム酸化物の微粉の存在により、前記酸化物は溶湯に対して濡れることはなくなる。この結果、マグネシウム酸化物は、いわゆるドライドロスとなり、上述したように溶湯中から浮上し溶湯上から除去することができる。

以下、本発明に係る鋳造用アルミニウム合金の酸化物除去方法の一実施の形態を図１および図２によって詳細に説明する。
図１は本発明に係る鋳造用アルミニウム合金の酸化物除去方法を実施するときの工程図、図２は回転翼脱ガス処理を行う時間とＫモールド法による酸化物数との関係を示すグラフである。

この実施の形態では、本発明に係る酸化物除去方法によりシリンダヘッド用アルミニウム合金の溶湯中からマグネシウム酸化物を除去する場合の一例について説明する。
この実施の形態においては、鋳造用アルミニウム合金としてエンジンのシリンダヘッドを鋳造するために従来から広く使用されているＡｌ−Ｓｉ系のＡＣ４Ｃ合金（ＪＩＳ−Ｈ５２０３）を用いた。また、このＡＣ４Ｃ合金を溶融させて溶湯を作るに当たっては、一般的な鋳造工場を模した小規模な鋳造設備を使用した。

本発明に係る酸化物除去方法を実施するに当たっては、先ず、図１のステップＳ１に示すように、上述したアルミニウム合金を加熱炉で溶融させ溶湯を作る。この実施の形態による加熱炉は、１５０番黒鉛るつぼを備えたガス炉を使用した。この加熱炉は、約５０Ｋｇのアルミニウム合金の溶融に適したものであり、この実施の形態では、この加熱炉によって５０ＫｇのＡＣ４Ｃ合金を溶融させた。

前記溶湯は、溶融当初から酸化物が含まれていることがあるため、本発明でいう改良処理剤や混合塩を加える以前にこの酸化物を予め除去しておく（ステップＳ２）。この酸化物除去は、従来からよく知られているホスホライザを用いてＣ₂Ｃｌ₆を溶湯中に投入し攪拌することによって行う。Ｃ₂Ｃｌ₆の混合量は、溶湯質量の０．２mass％（以下、単に％とする）とした。この場合、酸化物は、攪拌の後に溶湯の表面に浮上するから、例えば柄杓で掬って除去する。

このように酸化物を除去した後、ステップＳ３で示すように、溶湯中に改良処理剤としてＳｒを添加する。
この実施の形態においては、前記Ｓｒは、市販されているＡｌ−１０％Ｓｒを使用した。このＳｒの混合量は、重量比で溶湯の約１００ｐｐｍとした。

このようにＳｒを加えた後、ステップＳ４に示すように、溶湯中に混合塩を加える。この混合塩は、ＮａＦとＮａＣｌとの混合塩である。この混合塩を溶湯中に加える量は、重量比で溶湯の０．３％とした。この実施の形態による混合塩は、重量比で７０％のＮａＦと３０％のＮａＣｌとの混合物を加熱し溶融させ、冷却・凝固させた後に粉砕したものであり、市販のＮａ添加用フラックスを利用した。この混合塩は、前記Ｓｒが溶融した後に溶湯の表面の中央部に散布し、溶湯中に溶解させた。なお、混合塩とするのは融点を下げるためであり、もし、単なる混合物を溶湯に添加してもＮａＦは融点がＡｌより高いので溶けない。ＮａＦは、一旦１０００℃位で溶かし、上記の冷却・凝固・粉砕を行って混合塩とすることにより溶湯に溶ける。

次に、ステップＳ５に示すように、Ｎ₂ ガスを使用した回転翼脱ガス処理（以下、単にＮ₂ ガス使用回転翼脱ガス処理という）を行う。このＮ₂ ガス使用回転翼脱ガス処理は、回転翼を溶湯中に浸漬した状態で回転させ、この回転翼の下方にＮ₂ ガスを吹き出させることによって行う。この実施の形態においては、回転翼として半径１１０ｍｍのものを使用し、回転翼の位置は溶湯の液面から約２５０ｍｍとし、回転翼の回転数は毎秒４回転とした。

このようにＮ₂ ガス使用回転翼脱ガス処理を行うことにより、溶湯中に混入しているＨ₂ ガスを除去することができるとともに、溶湯内に生成された酸化物を溶湯の液面上に浮上させ溶湯上から容易に除去することができる。
この実施の形態においては、Ｎ₂ ガス使用回転翼脱ガス処理後の溶湯中に存在する酸化物の量を従来からよく知られているＫモールド法によって測定した。この測定結果を図２に示す。

図２は、Ｎ₂ ガス使用回転翼脱ガス処理を実施した時間とＫモールド法により求めた酸化物数（Ｋ値）との関係を示すグラフである。同図においては、本発明を実施した溶湯中の酸化物数を白丸で示し、従来法（Ｓｒのみを溶湯に加えた場合）での溶湯中の酸化物数を黒丸で示している。

図２に示すように、従来法では、アルミニウム合金を溶解させた直後のＫ値は０であるが、１分後には１個、２分後には３個、３分後には８個、４分後には１１個、５分後には１９個と増加することが判る。本発明の方法によれば、処理開始から５分後までＫ値は全て０であることが判る。なお、図２には図示していないが、Ｎ₂ ガス使用回転翼脱ガス処理を１５分間実施した後であっても本発明による方法ではＫ値は０であった。

Ｎ₂ ガス使用回転翼脱ガス処理後に溶湯の液面上に浮上した酸化物は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）などのマグネシウム酸化物であり、略乾燥した状態のいわゆるドライドロスであった。なお、前記従来法により生成された酸化物は、泥状のいわゆるウェットドロスであった。

本発明に係る酸化物除去方法によれば、上述したようにＮ₂ ガス使用回転翼脱ガス処理を所定時間、例えば５分行った後に鋳造を行う（ステップＳ６）。この鋳造は、溶湯の液面上に浮かぶドライドロスを例えば柄杓によって移動させ、酸化物の含まれていない溶湯を柄杓によって掬い、鋳型に流し込むことによって行う。このように鋳造を行うことにより、酸化物や水素が混入していない溶湯によって鋳造物を成形することができるから、機械的強度に優れる鋳造物を得ることができた。

したがって、本発明に係る鋳造用アルミニウム合金の酸化物除去方法によれば、回転翼脱ガス処理に安価なＮ₂ ガスを使用して行うことができ、この処理を行うが故に生じる酸化物を殆ど除去することができるから、コストダウンを図りながら良質な鋳造物を鋳造することができる。

本発明による酸化物除去方法によって溶湯中の酸化物をドライドロスとして除去することができる理由は、以下のとおりであると考えられる。
ＮａＦを含む混合塩が溶け込んだ溶湯にＮ₂ ガス使用回転翼脱ガス処理を施すと、溶湯中のＮａＦが解離し、アルミニウム（Ａｌ）より密度が小さいナトリウム（Ｎａ）となってＮ₂ ガスとともに溶湯上に浮上する。このＮａは、溶湯中に生成されたマグネシウム酸化物に接触すると、その界面エネルギーの大きさに起因して溶湯とマグネシウム酸化物との間に侵入し、この酸化物を取り囲むようになる。

一方、前記Ｎａの一部は、ＮａＦが解離するときのフッ素（Ｆ）の発熱反応により酸化し、ナトリウム酸化物の微粉となる。このナトリウム酸化物の微粉の存在により、前記酸化物は溶湯に対して濡れることはなくなる。この結果、マグネシウム酸化物は、いわゆるドライドロスとなり、上述したように溶湯中から浮上させ溶湯上から除去できると考えられる。

この実施の形態ではアルミニウム合金を溶融させてなる溶湯にＳｒを添加し、さらにその後に混合塩を添加する方法を採ったが、本発明に係る酸化物除去方法は、溶湯に混合塩を溶解させた状態でＮ₂ ガス使用回転翼脱ガス処理を実施することが特徴であるから、Ｓｒおよび混合塩を溶湯に同時に溶解させることもできるし、アルミニウム合金とＳｒと混合塩とを同時に溶かして溶湯を作ることもできる。

上述した実施の形態では、混合塩としてＮａＦとＮａＣｌとからなる混合塩を使用する例を示したが、混合塩は、ＮａＦが含まれていればどのようなものでもよい。例えば、ＮａＦとＫＣｌやその他の塩とからなる２元混合塩や、ＮａＦとＮａＣｌとＫＣｌ等とからなる３元混合塩でもよい。

溶湯に加える混合塩の量は、この実施の形態で示したように重量比にして溶湯の０．３％に限定されることはなく、適宜変えることができる。例えば、混合塩の量は、重量比にして溶湯の０．００２％〜０．５％の範囲内とすることが考えられる。
上述した実施の形態では、溶湯を柄杓によって鋳型に流し込む重力鋳造を例示したが、本発明に係る酸化物除去方法によって酸化物が除去された溶湯は、低圧鋳造法やダイキャスト法などの他の鋳造方法にも用いることができる。

本発明に係る鋳造用アルミニウム合金の酸化物除去方法を実施するときの工程図である。 回転翼脱ガス処理を行う時間とＫモールド法による酸化物数との関係を示すグラフである。

符号の説明

Ｓ１…溶湯作製工程、Ｓ３…Ｓｒ溶解工程、Ｓ４…混合塩溶解工程、Ｓ５…Ｎ₂ ガス使用回転翼脱ガス処理工程。

Claims (2)

1. 鋳造用アルミニウム合金溶湯に、ストロンチウムからなる改良処理剤と、フッ化ナトリウムと他の塩との混合塩とを添加する工程と、この溶湯に窒素ガスを使用した回転翼脱ガス処理を施すことによって、溶湯内のマグネシウム酸化物を溶湯の液面上に浮上させる工程とを有し、
   前記他の塩を塩化ナトリウムと塩化カリウムのいずれか一方または両方としたことを特徴とする鋳造用アルミニウム合金の酸化物除去方法。
2. 請求項１記載の鋳造用アルミニウム合金の酸化物除去方法において、混合塩を重量比で７０％のフッ化ナトリウムと３０％の塩化ナトリウムとによって形成し、この混合塩の溶湯への混入量を重量比で溶湯の０．３％としたことを特徴とする鋳造用アルミニウム合金の酸化物除去方法。

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