JP4637580B2

JP4637580B2 - マグネシウム合金ストリップおよびその製造方法

Info

Publication number: JP4637580B2
Application number: JP2004531289A
Authority: JP
Inventors: ドンリアンダニエル; ボービッジウェンディー; レイモンドイーストダニエル; ヴィクターアレンロス
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: US20050236135A1; ES2295680T3; AU2002951075A0; CN1684784A; HRP20050286A2; ZA200501762B; US7028749B2; TWI300729B; WO2004020126A1; BR0313843A; UA79005C2; CN1321763C; TW200404629A; RU2319576C2; NO20051050L; DE60317527D1; AU2003254397A1; KR20050059111A; AU2003254397B2; CA2497046A1

Description

本発明はマグネシウム及びマグネシウム合金の双ロール鋳造に関するものである（本文中では一般的にマグネシウム合金と纏めて称する）。

（背景技術）
金属の双ロール鋳造という概念は古いものであり、少なくとも1900年代半ばのヘンリー・ベッセマー氏による発明にまで遡る。しかし、双ロール鋳造の商業上可能な使用に対する利益は、約数百年後に初めて研究され始めたのである。ベッセマー氏により提案された概念は、溶融金属が横方向に間隔をおいて平行に配置された２本のロール間で画定された噛み込み部を通って上方へ送られるようになっていた金属送りシステムを使用するストリップの製造に基づいていた。より最近の提案は、溶融金属を前記ロールに対し下方への送給に基づいていた。しかし、ロールを従来の提案の如く水平に離間させて配置するよりはむしろ垂直に離間させて配置して、実質上水平な合金送りとすることが好適な配置であるとして認められるようになってきた。ロールは垂直に間隔をおいて配置される一方、これらのロールの軸線は、好適には、垂直に対して約15°までの小角度をなして傾斜した平面内にあるものとされる。この傾斜により、下側ロールは上側ロールに対して、噛み込み部の方へかつそれを越えて行く合金送り方向に関して、下流側に変位させられる。

双ロール鋳造は商業上若干は使用されてきたが、その範囲が限定されていた。それは適用される合金の範囲も限定されていた。というのは、使用するものは実質上適当なアルミニウム合金に限定されていたからである。この段階まで、マグネシウム合金の双ロール鋳造に適したプロセスの確立に成功した例は、限定的な成功の例のみであった。

例えば実質上連続ベースで又は半連続ベースで、マグネシウム合金の双ロール鋳造を成功させる実用プロセスを達成するには、克服する必要のある幾つかの問題点がある。第１の問題点は、マグネシウム合金融体は酸化して燃え出す傾向がある一方、何らかの発生源から出る水分が爆発の潜在的危険性を与えることである。酸化と燃焼の危険性を防止するために、適当なフラックス又は適当な雰囲気の使用に基づく処置が確立されている一方、水分を排除することができる。また、マグネシウムと、AZ31の如きベリリウムを含有しないか又はそれをほんの僅か添加しているマグネシウム合金の中には、溶融状態で酸化する傾向が高くなることがあり、通常のフラックス又は雰囲気の制御は双ロール鋳造作業の間には適切でないということになっている。しかし、これらの問題点を克服するには、双ロール鋳造プロセスは複雑さを増し、この複雑さが１つの問題点でもある。

他の問題点は、マグネシウム合金は、アルミニウム合金に比して、迅速に凍結する傾向をもつような熱容量をもつことである。また再度、アルミニウム合金と比すれば、AM60とAZ91の如き或るマグネシウム合金はかなり大きい凍結範囲又は、固相温度と液相温度間の温度ギャップをもっている。上記範囲又はギャップは、多くのアルミニウム合金についての約10乃至20°Cと比べて、マグネシウム合金では約70乃至100°C又はそれより高い値となることがある。凍結範囲又はギャップが大きいことにより、鋳放し状態の双ロール鋳造シート内に表面欠陥と内部偏析欠陥が生じる。

重要なこととして、消費可能の鋳造準備用のコストを含む作業コストを減らし、それによって双ロール鋳造を別の技術と競争することをより可能となし、短い作業期間（例えば１日）と長い作業期間（例えば数週間）の両方について融通性をより大きくなし、かつその応用範囲をより広げることを可能となすための連続要件の問題がある。これは双ロール鋳造技術にとっては一般的な問題であるが、上述の他の問題を考慮すれば、マグネシウム合金の鋳造にとってはより過酷なものである。また、製造されたストリップ材料の物理的性質を高めるために、双ロール鋳造技術を拡張する問題がある。これはまた、該技術にとっての一般的問題であるが、それは、良好な表面品質をもちかつ内部偏析の欠陥が実質上無い実質上クラック無しのストリップを製造する問題に起因して、マグネシウム合金の場合には特に深刻である。

（発明の開示）
本発明は、少なくとも好適な形態で上記問題点の１つ又はそれ以上を改善することができるマグネシウム又はマグネシウム合金の双ロール鋳造プロセスを提供することを目的とする。

本発明は、必要な厚さと幅をもつマグネシウム合金を製造するために、マグネシウム合金の双ロール鋳造の改良プロセスを提供することを目的とする。本発明の該プロセスは必要に応じて、例えばストリップの幅を、約３００ｍｍまで、また、必要に応じて３００ｍｍを超えて、例えば約1800ｍｍまでとすることができる。一般に、ストリップの厚さは約１ｍｍ又はそれより小さい値から、約15ｍｍまでの範囲とすることができ、好適には、厚さは、約３ｍｍ乃至約８ｍｍとすることができる。

本発明のプロセスは、溶融合金をノズルと、反対方向に回転する実質上平行な１対のロールの間に形成されたチャンバに供給することによってマグネシウム合金の鋳造を提供するものであり、上記１対のロールは、内部を流体冷却されかつこれらのロール間に噛み込み部を画定するためにほぼ一方が他方の上にある関係で離間して配置される。該プロセスは、溶融マグネシウム合金をノズルを通して導入し、マグネシウム合金をそれからの熱エネルギー抽出によって冷却し、それによってマグネシウム合金がロール間に画定された噛み込み部を通過するのに先立って、マグネシウム合金の実質上完全な凝固がチャンバ内で達成されることを含む。

本発明のプロセスの一般的特徴はアルミニウム合金の双ロール鋳造に要求されるものと同じである。しかし、このことは実質的にマグネシウム合金用とアルミニウム合金用の夫々のプロセス間の類似性の範囲である。示された類似性にもかかわらず、アルミニウム合金鋳造用のプロセスは、マグネシウム合金に適するプロセスに関するガイダンスにはあまりならない。また、双ロール鋳造が他の合金で試みてきた範囲では、これらは、アルミニウム合金に要求されるものと同様なプロセスを必要とすることであり、マグネシウム合金に適したプロセスに関するガイダンスにはあまりならないこともまた見出されている。

従って、本発明によれば、双ロール鋳造によるマグネシウム合金ストリップの製造プロセスであって、双ロール鋳造によってマグネシウム合金ストリップを製造する方法において、該方法が、
溶融合金を供給源から送り装置に供給する工程（工程(a)）と、
溶融合金を、送り装置からノズルを通じて、細長い出口と、実質上平行な１対のロールと間に形成されたチャンバに送る工程（工程(b)）と、
上記1対のロールを互いに反対方向に回転させて、合金を、チャンバから噛み込み部を通じて、工程(b)の送りと同時に引き出す工程（工程(c)）と、
前記1対のロールの内部冷却を行うため、前記工程(c）の間にわたって、各ロールを通して冷却流体を流し、それによって冷却されたロールによる熱エネルギー抽出によってチャンバ内に受け入れた合金を冷却する工程（工程(ｄ)）と
を含み、
上記一対のロールは、それらの間に噛み込み部を画定するため上下に間隔をおいて位置し、
前記工程(d)によって、合金がロール間に画定された噛み込み部を通過し、そして、熱間圧延された合金ストリップとして前記噛み込み部から出る前に、マグネシウム合金の実質上完全な凝固がチャンバ内で達成され、
前記方法は更に、
前記送り装置と前記ノズルを予備加熱して、送り装置を少なくとも５００℃の温度、ノズルを少なくとも２００℃の温度にし、
送り装置内の合金が該合金の液相温度よりも少なくとも１５℃だけ高い過熱温度に維持されるように、前記供給源で保持された合金の温度を維持し、
送り装置内における溶融合金の表面を、前記1対のロールの２本の軸線を含む平面内で噛み込み部の中心線よりも少なくとも５ｍｍだけ上方であって、実質上一定高さに維持し、
工程(c)における冷却された前記１対のロールによる熱エネルギー抽出を、噛み込み部から出る合金ストリップの表面温度が４００℃未満の温度となるレベルで維持し、
それによって熱間圧延された合金ストリップは、クラックが実質上存在せず、かつ良好な表面品質を有することになる。

本発明のプロセスでは、マグネシウム合金は、適当な溶融合金供給源から合金が供給されるタンディッシユを含む送り装置から、ノズルの入口端にこのノズルを通って流れるために供給されて、ノズルの出口端を通ってチャンバに入る。しかし、フロートボックス又は他の代替型式の送り装置をタンディッシユの代わりに使用することができる。送り装置は、溶融マグネシウム合金のために、制御された実質上一定の融体ヘッドを提供することが要求される。すなわち、フロートボックスなどのタンディッシユ内の溶融合金は、その中の溶融合金の表面が、ノズルの水平に延びる中心平面と、１対のロールの２本の軸線を含む平面の間の交差部より上方で制御された実質上一定の高さ（又は融体ヘッド）となるようなタンディッシユ内の深さに維持されることが要求される。上記平面内でロールの噛み込み部の中心線に実質上一致する上記交差部に関して、本発明により提供された上述のストリップ厚さのマグネシウム合金を鋳造するための融体ヘッドは、好適には５ｍｍ乃至２２ｍｍとなる。この融体ヘッドは、マグネシウム及び市場純度のマグネシウムとAZ31 の如き低レベルの合金元素添加物をもつマグネシウム合金では５ｍｍ乃至１０ｍｍ、そしてAM60とAZ91 の如き、高レベルの合金元素添加物をもつマグネシウム合金では７ｍｍ乃至２２ｍｍとすることができる。

本発明によって要求される５乃至２２ｍｍの融体ヘッドは、アルミニウム合金の双ロール鋳造の要件と著しい対照をなしている。後者の場合、融体ヘッドは一般に、約０乃至１ｍｍの最低値に保たれる。この差異は、それ自体重大なことであって、以下の説明から明らかになる如く、幾つかの他の重要な差異と相互関連している。

本発明のプロセスでは、タンディッシユ又は他の送り装置へ供給されたマグネシウム合金はその液相温度より上に過熱されている。過熱の程度は液相温度より上に約１５℃乃至６０℃の温度までとすることができる。一般に、１５℃乃至約３５℃、好適には約２０℃乃至２５℃の如きこの範囲の下端は、マグネシウム合金及び低レベルの合金元素添加物を有する合金にとってはより適切となる。高レベルの合金元素添加物を有する合金にとっては、約３５℃乃至約５０℃乃至６０℃のこの範囲の上端が一般的に適切となる。

マグネシウム合金の双ロール鋳造に必要な過熱の程度は、アルミニウム合金に必要なものと同様である。アルミニウム合金の双ロール鋳造では、過熱は合金液相より上に、約２０℃乃至６０℃のレベルまで、普通は約４０℃のレベルまでとするが、これに比して、本発明で要求される低レベルの添加物を有するマグネシウム合金では、１５℃乃至３５℃まで、又は高レベルの添加物を有するマグネシウム合金では、３５℃から５０〜６０℃までとなる。この類似性にもかかわらず、アルミニウムとマグネシウムの２つの異なった合金形態間には重要な機能的相違点がある。アルミニウム合金とマグネシウム合金、特に、高レベルの合金元素添加物を有するマグネシウム合金との間の重要な相違点は、液相と固相温度間の夫々の温度ギャップによって表される。かくして、アルミニウム合金は一般に、約１０℃乃至２０℃の液相／固相温度ギャップをもつのに対して、少なくとも高ベレルの合金元素添加物を有するマグネシウム合金についてのこのギャップはより大きく、普通は約７０℃乃至１００℃であるが、この範囲を実質上超過することができる。アルミニウム合金とマグネシウム合金の凍結範囲が類似している場合でも、例えば低レベルの合金元素添加物を有するマグネシウム合金では、マグネシウム合金はアルミニウム合金よりずっと良い可鋳性をもつ。

高レベルの合金元素添加物を有するマグネシウム合金の双ロール鋳造では、溶融合金の完全凝固は、ノズルの出口とロールの噛み込み部間の比較的狭い範囲内で起こるように制御されなければならない。この点を考慮すれば、合金液相より上への有意な過熱が適切であることは意外なことである。かかる過熱は、合金の完全な凝固を達成するために、溶融合金から抽出される必要のある熱エネルギー量をかなり増すことが認められる。また、例えば高レベルの合金元素添加物を有するマグネシウム合金の比較的広い液相／固相温度ギャップは完全な凝固の制御を達成するのを困難にする。しかし、一般に、要求される制御は、ロールから出る合金ストリップが要求される範囲内の表面温度をもつという条件下で鋳造が行われる場合には、達成することができる。特に、合金ストリップは約４００℃よりも低い表面温度をもつロールから出る必要がある。

マグネシウム合金の双ロール鋳造では、溶融合金の完全凝固は、ノズル出口とロール噛み込み部との間の比較狭い領域内で起こるよう制御されなければならない。その区域は低レベルの合金元素添加物を有する合金では、高レベルの合金元素添加物を有する合金の場合程狭くない。このことと、低レベルの合金元素添加物を有する合金にとって適切である低レベルの過熱とにもかかわらず、これらの合金を過熱するレベルは更に意外なものであり、たとえ容認できるとしても、適用可能なより狭い凍結範囲を与えられる。更に、要求される制御は、鋳造が行われる場合、ロールから出るストリップが約４００℃よりも低い表面温度をもつという条件下で行われる場合に達成することができる。しかし、その温度は、低レベルの合金元素添加物を有する合金では、好適には、実質上４００℃より下、例えば、約１８０℃乃至約３００℃である。

上述の如く、約４００℃よりも低いストリップ表面温度が必要である。しかし、温度がそのレベルより下となることが望まれる程度は、合金元素添加のレベルと共に変化する。高レベルの合金元素添加物を有するマグネシウム合金では、ロールから出る約３００℃乃至４００℃の合金ストリップの表面温度は良好に表面仕上げされたクラック無しのストリップの製造を可能にするのに必要である。低レベルの合金元素添加物を有する合金では、３００℃から約１８０℃までの範囲にわたる低表面温度は良好な表面仕上げされたクラック無しのストリップを製造するのに必要である。

温度が次第に高くなるにつれて、クラック、表面きず、及び最終的にはホットスポットが生じる可能性が増す。しかし、ロールから出るストリップがかかる温度に到達するには、特に低レベルの合金元素添加物を有する合金では、極めて高レベルの熱エネルギー抽出を必要とする。明らかな如く、熱エネルギー抽出は、例えば過熱による熱エネルギー、合金の液相と固相間の温度ギャップを乗り越えるのに必要な熱エネルギーレベル、及び固相より実質的に下の表面温度に到達する必要性を考慮に入れる必要がある。しかし、１８０℃乃至４００℃の全範囲で達成される表面温度は、所定合金の固相温度に依存する。それはまた、ストリップ厚さが増すにつれて、減少することがある。というのは、表面温度は、ストリップの中心に固相より下の適当な温度を生じさせるようなものであるからである。

ストリップ表面温度に関し、前述した上限値の４００℃は、マグネシウム鋳造合金の固相温度よりも約４０℃乃至１９０℃だけ低いレベルである。ストリップの中心での温度を適当なレベルとすることを保証するために、表面温度は好適には、所定合金の固相温度よりも８５℃だけ低い温度以上であるものとする。このために必要なことは、ストリップが全体的に凝固してしまうことを単に保証することではない。むしろ、特定負荷をロールに必然的に加えた状態の下で、クラック又は表面欠陥を生じることなく、その厚さ全体を通じて合金ストリップが、その製造を可能とするのに十分な強度をもつことである。

マグネシウム合金ストリップの製造において、上述した４００℃よりも低い温度範囲内の表面温度を達成する必要性は、本発明のプロセスをアルミニウム合金ストリップを製造するプロセスと区別する１つの特徴となる。アルミニウム合金では、ストリップの中心が固相温度の直下であることができるように、ストリップを、その厚さ全体にわたって凝固させることのみが必要である。かかる条件下では、アルミニウム合金ストリップは熱間圧延できるのに十分な強度をもつ。しかし、マグネシウム合金ストリップでは、ストリップが熱間圧延を受けることができるためには、全厚さが、実質上固相温度より十分に低い温度にあることが必要である。

特定負荷(specific load)のレベルは、本発明をアルミニウム合金のストリップの製造プロセスとはかなり異なるものとする別の特徴となる。マグネシウム合金についての本発明のプロセスにおいてロールに加えられる特定負荷は、ロール長さ１ｍｍ当たり約２ｋｇ乃至約５００ｋｇである。この範囲は好適には、１００乃至５００ｋｇ／ｍｍである。しかし、その範囲は約２乃至約２０ｋｇ／ｍｍと低負荷とすることができ、それ故、本発明のプロセスにおける特定負荷は、双ロール鋳造によりアルミニウム合金ストリップを製造するのに使用される特定負荷よりも１オーダー以上の低くすることができる。アルミニウム合金については、特定負荷は、通常、約３００乃至約１２００ｋｇ／ｍｍである。各場合において、１対のロールの噛み込み部へ移動し、その噛み込み部を通過する合金の熱間圧延が結果として行われることになる。アルミニウム合金に使用される特定負荷のレベルは、約２０％乃至約２５％の厚さ減少が生じる熱間圧延をもたらす。これに対して、本発明に要求される特定負荷は、製造されるマグネシウム合金ストリップに約４％乃至約９％の厚さの減少をもたらす。

例えば、約１８０℃乃至約４００℃の合金ストリップの表面温度範囲では、適用された負荷レベルと、結果として生じた厚さ減少は、実質上クラックのない、良好な表面特性をもつマグネシウム合金ストリップの製造を容易ならしめる。高レベルの適用負荷と厚さ減少では、実質上クラックなしのストリップ製造は達成するのがより困難である一方、表面瑕もまた、ずっと生じ易くなる。

液相/固相ギャップを考慮しかつ偏析を回避するために、溶融しかつ凝固しているマグネシウム合金からの熱エネルギーの抽出が比較的速やかに進むことが必要である。各ロールの表面に接触する合金の温度は液相より下に急速に低下するが、形成されているストリップの中心の方へ凝固が進むにつれて、冷却は速さがより小さくなる。形成されるストリップがロール間の噛み込み部に向かって進むにつれて、液相温度にある合金を示すストリップの厚さを通る長手方向断面内の線は、ストリップ前進方向を指しかつ合金が各ロールに接触する箇所から延びるＶ形形状をもつ。固相温度にある合金を示すこれらの断面内の線はまた、ストリップ前進方向を指しかつこれらの接触箇所から延びるＶ形形状をもつが、より大きい囲い角度をもつＶ形アームをもつ。かくして、液相と固相での合金のこれらの線間の温度ギャップは、各ロールから形成しているストリップの中心までの距離と共に進行方向に増す。このギャップの増加は最小限度に保たれる。一般に、このことは、もしロールの噛み込み部から現れるストリップが約４００℃よりも下の、例えば３００℃乃至４００℃の範囲内の表面温度をもつならば、達成されることが見出された。

ノズルと１対のロール間に形成されるチャンバ内においては、１対のロールの２本の軸線を通る平面に平行な横断面は、ロールの湾曲面に起因して、面積がロール間の噛み込み部で最小値になるまで減少する。ノズル出口から上記平面までの距離は、「セットバック」と称される。セットバックの距離に亘るその流れ内において、上記出口から出る溶融マグネシウム合金はロールと接触する前に、セットバック距離の短い最初の部分だけ進む。各ロールとの接触はその表面上の長手方向の線に沿っている。出口から各ロールの夫々の接触線までの距離は、出口を画定するノズルのリップ部の幅と、ロール間のノズルの取り付けの正確さと、ロール直径とに依存している。本発明のプロセスでは、ロールの直径とともに変化するセットバックは、約１８５ｍｍの直径をもつロールでは、約１２ｍｍ乃至約１７ｍｍの範囲内とすることができる。セットバックはロール直径の増加又は減少につれて、増加するか又は減少する。例えば、約２５５ｍｍの直径をもつロールでは、セットバックは最も好適には、約28乃至約33mm、例えば約30mmとする。

ノズルの出口から合金が各ロールの表面と接触する上述の線までの、セットバックの最初の部分はロールの直径とセットバックに依存する。しかし、セットバックの最初の部分は最も好適には、マグネシウム合金の表面張力と融体ヘッドを含むファクターが、上記最初の部分の長さにわたって溶融金属の上下の表面の各々に凸状メニスカスを維持するとができるようなものである。製造されるべきストリップの厚さに依存して、上記最初の部分はセットバックの35％までとなし、例えば約10％乃至30％となすことができ、その際合金の凝固は上記長さの残部内でかつロールの噛み込み部の前で、達成される。合金の凸状メニスカスがロールとなす接触線から、上下面間の合金の完全な凝固は、好適には、セットバックの最終の5％乃至15％に先立って進む。かくして、形成されているストリップの厚さ全体を通じての合金の完全凝固はセットバック距離の約50％以下で達成される必要がある。しかし、過熱温度からの若干の冷却は、ノズル内においてセットバックの最初の部分において起こるだろう。

マグネシウム合金の双ロール鋳造についての本発明の特徴は、アルミニウム合金に関する標準的実施法に比して、実際的利益を与えることである。このことは鋳造サイクル開始の始動に関している。本発明によって可能とされる処置法は、アルミニウム合金については標準実施のために50分までに始動を可能とすることができるのと比較して、本発明では、数分以下で、例えば0.5から3乃至10分までに、始動を可能にすることができる。

アルミニウム合金の双ロール鋳造の標準の実施法では、レイオフ(lay-off)又はハードシート始動の何れかが使用されている。レイオフ始動では、鋳造サイクルが始まるとき、ロールは実質上、例えば40％だけ製造速度を超えて回される。溶融合金はノズルと高いロール速度のロール間に限定されたチャンバを満たすことはできない。従って、幅は漸進的に増すけれども、要求されたより薄くかつ狭い破れたシートしか造れない。完全な幅が得られたとき、ロール速度は次第に減少して、シートの厚さを漸進的に増すようになす。結局は、チャンバは充満しておりそして製造速度での安定作業が確立される。

ハードシート始動では、ロール速度は最初は、例えば製造速度より40％だけ実質上低い。この低い速度はノズルとロールによって限定されたチャンバの充填と、完全な厚さと幅のハードシートの製造の迅速な開始を可能にする。ロール速度は製造ロール速度での安定した作業を達成するために次第に増される。

アルミニウム合金の双ロール鋳造の、これらの形式の標準実施法の各々で製造ロール速度を得るのに必要な実質的な時間的期間は、有効なかつ効率的な温度安定化の必要性を除去する。従って、製造の始動は、タンディッシユからノズルへ流すために、過熱された溶融合金がタンディッシユに供給されることによっている。入来する合金によるタンディッシユとノズルの加熱は、除々であり、それは鋳造装置全体にわたって平衡作業温度に達するには必然的にかなりの期間がかかる。

本発明では、平衡作業温度は、タンディッシユ又は他の送り装置及びノズルを予熱することによって、短い時間的期間で効率的に得ることができることが見出される。このために、熱風（熱空気）が好適には、タンディッシユ内にそしてこのタンディッシユを通り次いでノズルを通るよう吹き込まれて、ノズル出口から出るようにされる。熱空気はタンディッシユをその要求される作業温度に接近するよう迅速に加熱するのに十分な温度にあり、そして約500°C乃至655°C、例えば550°C乃至600°Ｃとすることができる。これを短時間で達成するには、ノズルはノズル出口に沿って約２００°C乃至約400°Cの範囲の十分な温度に加熱される。例えば、出口の長さに沿って合金を均等に流すために合金を出口の各端に差し向けるための内部案内部材をノズルがもつ場合、ノズル温度は出口の各端では約400°Cとし、そして熱空気が案内部材によって妨げられることに起因して、出口の中心領域では約200°Cとすることができる。

本発明のプロセスに使用される過熱は、数分間以下の時間内、例えば約3乃至5分間内に平衡作業温度を確立することを可能にする。従って、レイオフの処置は、ロールの噛み込み部を通過する前に、溶融合金が凝固しないという実質的な危険性を生じ、そのためマグネシウム合金では、実質的な火災の危険性があるということになる。また、ハードシート処置は,ロールを通過する前にすべての合金が凝固することをより容易に保証するが、溶融合金がノズルとロール間のチャンバからあふれ出る可能性が増すことから生じる火災の危険性がある。本発明はアルミニウム合金の双ロール鋳造に使用される始動処置これらの長引いた始動処置の各々の必要性を除去する。というのは、得られる温度平衡に要求される短時間が完全操作のロール速度に近い始動を可能にするからである。従って、完全厚さの、完全幅のシート又はストリップの産出高を迅速に確立することができる。

双ロール鋳造の過程では、本発明によれば、ロールの噛み込み部又はギャップから出るストリップ又はシートの幅を横切る方向にかなりの温度ばらつきがあることが分かる。このばらつきはストリップの中心領域が縁領域より熱いというようなものである。温度変化は約70°Cまでとすることができ、一般的には、約20°Cを超える。この温度ばらつきは、ホットラインと称する表面欠陥を導入することがあり及び/又は、熱応力に起因するストリップ捻れをもたらすことがある。同様の温度変化と結果は、マグネシウム合金以外の他の合金に生じることがある。

温度ばらつきは、変更された形式のノズルを使用することによって少なくとも減らすことができることが分かった。変更されたノズルは頂部プレートと底部プレートをもち、ノズルの出口の側面範囲が各プレートの夫々の縁によって限定されている。少なくとも１つのプレートの中心領域にわたって、その縁は縁の端領域に関してセットバックさせられている。縁の中心領域は鋳造すべきストリップ又はシートの中心領域に相当する長さと場所をもつ。各プレートの中心領域は引っ込められることができる一方、頭部プレートのみがかかる引っ込められた中心領域をもつのが好適である。

上記セットバックは凹面弓状形とすることができるが、上記セットバックは好適には、中心領域を横切る方向で実質上均等である。上記セットバックは好適には、約7mmより小さく、例えば約2乃至4ｍｍである。かかるセットバックが、比較的高い温度がセットバックのためにのみ優勢であるストリップの領域と整列しておれば、ストリップの幅を横切る方向の温度差は実質上減るか、又は排除することができる。従って、ストリップの捻れは減少し又は防止される一方、ホットラインも減少又は防止される。

上述の如く、マグネシウム合金の双ロール鋳造では、克服する必要のある数種の問題がある。その第１のものは、酸化と火災の危険性である。本発明は、適当なフラックスと雰囲気の使用に基づいて設定された処置を使用する必要性を排除しない。それはこの危険性を更に減らすことを可能にする。従って、本発明によって可能にされる効率的な始動処置は、ロールを通過する前に完全に凝固していない溶融合金から生じるか又はノズルとロール間のチャンバから溢れ出る溶融合金から生じる火災の危険性を実質上回避する。また、ロール間の噛み込み部の前における限定された過熱および迅速凝固と組み合わされた、約2乃至500kg/mmのかつ低レベルの圧下率に相当する低ロール負荷は、溶融合金が噛み込み部を通過しそしてクラック又は表面欠陥によって雰囲気に露出される危険性を更に減らす。

上述の如く、本発明は、火災の危険性を制御するのに適した雰囲気を使用する必要性を排除しない。しかし、本発明の重要な好適な形態は設定された処置に改良を加える。火災の危険性制御に関して、乾燥空気中で六弗化硫黄の混合物を使用することは通常の実施法である。SF₆/乾燥空気混合物はアルミニウムの高いマグネシウム合金には適さないし、一方、それは鋳造作業の始動時又は終了時においては必ずしも信頼できるとは限らない。各場合において、実質的な改良は、ヒドロフルオロカーボンを数％、例えば約2乃至6容量％だけ上記混合物に添加することによって、可能であることを見出した。HFC-134aという名称の化合物、1,1,1,2-テトラフルオロエタンが特に好適である。しかし、他のガスもSF₆/HFC-134aを一緒に用いて又は用いずに、使用することができる。

鋳造作業中、保護雰囲気のSF₆/乾燥空気又は他の適当な雰囲気が火災の危険性から保護するために維持される。鋳造されている合金が上記混合物によって限定された保護しか与えられないものである場合、供給される混合物はまた、ヒドロフルオロカーボン、好適にはHFC-134aを含む。これは火災の危険性に対する保護をかなり改良する。しかし、SF₆/乾燥空気混合物が一般的に有効である合金については、鋳造作業の始動時と終了時の短期間にわたってヒドロフルオロカーボンを添加する必要がある。

時期尚早の凍結の問題は、マグネシウム合金の良好な可鋳性によって援助される平衡作業温度の迅速な確立と高速によって実質上克服される。このことを可能ならしめる重大なファクターは、上述の如き予熱と、ロール速度の迅速な達成、及びその他の作業条件である。

高レベルの添加物をもつマグネシウム合金の広い凍結範囲から生じる困難性は、本発明によって製造されたマグネシウム合金ストリップの物理的特性の増強を容易ならしめる本発明の特徴によって処理される。これらの事項に関する相互関連する特徴は多数存在する。

アルミニウム合金では、迅速な凝固は、約20％乃至25％の大きな圧下率に起因して、溶融合金とロール表面間の良好な接触特性によって達成することができる。しかし、マグネシウム合金では、かかるレベルの圧下率は、表面欠陥を生ぜしめるので適切でない。しかし、凸状メニスカスを達成することにより、溶融マグネシウム合金と各ロールとの最も効果的な接触を維持し、十分に迅速な凝固を可能にする均等な凝固前線(front)を確立する。凸状メニスカスは本発明によって要求される実質的な融体ヘッドによって達成される一方、合金とロール間の接触は、クラックの如き表面欠陥を回避するのに必要な低レベルの圧下率によって増強される。アルミニウム合金では、高レベルの圧下率と、あるにしても小さな融体ヘッドが凸状メニスカスを実質上排除し、そして凹面の又は凸面と凹面間で変化するメニスカスを造る。

マグネシウム合金ストリップの製造について本発明によって可能にされた迅速凝固では、幾つかの実際的利益を達成し得ることが見出された。従って、ストリップは、通常の鋳造技法からもたらされるマグネシウム合金微細組織の25乃至100μmと比べて、約5乃至15μmに調質された一次マグネシウムの二次デンドライトアーム間隔をもつ微細組織をもつことができる。この調質は、金属間二次相の均一な分布をもたらし、それによってストリップの冷間加工による機械的特性の改良を容易ならしめる。

また、迅速凝固は、通常の鋳造技法から、マグネシウム合金の微細組織の25乃至50μmまでと比べて、金属間二次相の粒子寸法を約1μmへ調質する。この調質はこれらの粒子周辺のクラックの開始を最小限度となし、更にストリップの冷間加工による機械的特性の改良を容易ならしめる。

更に、迅速凝固は、ストリップ厚さの中央に至るまで最初の凝固から最後の凝固まで冷却速度を変化させることによって、形成されているストリップの厚さを横切る方向においてアルファマグネシウムデンドライトの等軸晶系の成長を達成することによって制御することができる。このことは、鋳放しのマグネシウム合金ストリップの完全性を維持する一方で、結晶粒調質の如き融体処理と協力して、有害な中心線偏析を最少限度となす。このことは、アルファマグネシウムデンドライトは常に円柱状であり、これらの合金の偏析問題はないので、アルミニウム合金の双ロール鋳造の問題ではない。

更に、本発明によって製造されたマグネシウム合金ストリップはその微細組織と特性を制御する処置に良く適する。従って、熱間圧延と最終熱処理は、微細組織を調質しそして出来た最終ゲージの機械的特性を高めるために、鋳放しのストリップに実施することができる。適用の範囲についての典型的な要件は、一次マグネシウム結晶粒度の調質と、長手方向と横方向に両方において実質的に一様な特性とを必要とすることである。本発明者等は、１つ又は２つの長手方向の冷間圧延パスとその後に続く適当な熱処理は再結晶によって一次マグネシウム結晶粒を調質することができることを確立した。また、１つ又は２つの長手方向の冷間圧延パスの後に、制御された横歪みと適当な熱処理を加えることは、実質的に均等な横方向と長手方向の機械的特性ばかりでなく、一次マグネシウム結晶粒の調質を可能にする。

作業コストについては、安定した凝固と、数分間以内の製造の確立を達成する能力が特に重要であることは認められるだろう。これに関して、安定した熱分布を確立することは重要なことである。ストリップの製造中における十分なマグネシウム融体の保護は、作業間の準備時間を減らし、かつ費用効率の良い、小型及び中型の作業を可能にする。
以下、本発明をより容易に理解できるよう添付図面を参照して本発明を詳述する。

実施例の説明

図１の概略図では、設備１０は溶融マグネシウム合金の供給を維持するための炉１２と、タンディッシユ包囲体１４をもつ。合金は、包囲体１４中に実質上一定の合金ヘッドを維持する操作が可能な配置下で、移送供給チューブ１６を経て、炉１２からタンディッシユ包囲体１４へ必要に応じて流入させることができる。溢流合金は、チューブ１８を経て包囲体１４から容器２０内へ収集するために流入させることができる。炉１０、包囲体１４、コンテナ２０及びチューブ１６の各々には、夫々入口コネクタがあり、このコネクタによって、詳細に上述した如く、保護雰囲気を維持するためのガスが適当な供給源（図示せず）から供給されることができる。各炉１２とコンテナ２０は出口コネクタ２４をもち、ガスはこの出口コネクタによって回収容器（図示せず）へ流入するために排出されるとができる。

包囲体１４用のタンディッシユ２６の１形態は、図２，３に示されている。タンディッシユ２６は正面壁２６aと後部壁２６b、側壁２６c及び基底部２６dをもち、これらがチャンバ２８を画定している。タンディッシユ２６はまた、カバー（図示せず）と横断邪魔板３０をもち、この横断邪魔板は壁２６c間に延びるが、その下縁は基底部から離間している。従って、邪魔板３０はチャンバ２８を後部分２８aと、前部分２８bに区分する。

設備１０はまた、ノズル３０と、ロール配置３２を含む。ノズル３０はタンディッシユ２６の壁２６aから前方に、かつ配置３２の上側ロール３２aと下側ロール３２b間のギャップ内へ延びる。ロール３２a、３２bは水平に延び、そしてそれらの間に噛み込み部又はニップ３４を限定するために、垂直に間隔をおいて配置されている。配置３２はまた、ロール３２a、３２bの、ノズル３０から遠い側に、出口テーブル又はコンベヤ３５を含む。

図２と３の配置及び図４と５の配置は、ノズル３０の別の形態を示す。これらの対応する部分は同じ参照数字を付されている。各場合に、ノズル３０は水平に配列された、垂直に離間した上側プレート３６と下側プレート３７及び対向する側部プレート３８をもつ。合金流れキャビティ３９はノズル３０を通って延び、そして前記プレート３６，３７と側部プレート３８によって画定されている。タンディッシユ２６内の合金は、タンディッシユ２６の正面壁２６a中の開口を通ってノズル３０に流入することができ、同時に、合金はタンディッシユ２６から遠い側のプレート３６，３７の縁に沿って、細長い出口４２からロール３２a、３２b間へ放出することができる。図２，４に最も明瞭に示される如く、プレート３６，３７と側部プレート３８は、ロール３２a、３２bの各々の近くまで延びることができるよう、先細になっている。しかし、出口４２はロール３２a、３２bの軸を含む平面Pからセットバックさせられていて、チャンバ４４がノズル３０とロール３２a、３２b間で画定されるようになっている。

設備１０を使用すると、タンディッシユ２６とノズル３０は詳細に前述した温度レベルまで最初に予熱される。この目的で、熱空気ガン４６（図２，３に示されている）がタンディッシユ２６の後壁２６b中の開口４８に挿入されることができる。これらの温度レベルが達成されたとき、ガン４６は引っ込められ、開口４８は閉ざされる。次いで溶融合金は炉１２からチャンバ６に沿ってタンディッシユ２６内へ流される。タンディッシユ２６内の合金は、ノズル出口４２の中心と、ロール３２a、３２bの噛み込み部又はニップ３４を通る線Ｍによって表される水平面より上の、図１，２中の破線Ｌで示される必要なレベルに維持される。溶融合金は詳細に前述した適当な雰囲気を維持することによって保護され、そのためのガスはコネクタ２へ供給される。雰囲気は大気圧力より僅かに上の圧力に維持され、溢流ガスはコネクタ２４から収集される。

タンディッシユ２６から合金は、開口４０を通って制御された速度でノズル３０のキャビティ３９へ流れる。キャビティ３９から合金は出口４２の全長を通ってチャンバ44内へ、次いでロール３２a、３２b間の噛み込み部又はニップ３４を通って排出する。ロール３２a、３２bは内部を水冷され、矢印Ｘで示される夫々の方向へ同時に回される。溶融合金は、テーブル３５に沿って通過するマグネシウム合金ストリップ５０（図９に示す如きもの）を形成するために、夫々チャンバ４４内でロール３２a、３２bの冷却効果によって凝固する。図４，５に示す如く、テーブル３５はロール３２a、３２bにより近いその縁に隣接して開口３５aをもつことができ、その開口を通して加圧ガスをストリップ５０の下面に対して供給して、ストリップを更に冷却しかつテーブル３５上へのストリップの移動を助けるようになすことができる。

図６，７はノズル３０のプレート３６，３７が２つの同様のモジュール３０a,３０ｂによって提供される別の配置を示す。各モジュールは夫々のタンディッシユ２６から溶融合金を受け入れることができ、各タンディッシユは共通のチューブ１６（図６）又は夫々のチューブ１６（図７）を経て炉１２から合金を受け入れる。

図８は図６と同様である。しかし、１対のモジュールが共通のチューブ１６を経て合金を受け入れるというよりはむしろ、２対のモジュールがあり、その各対がそれらのモジュールに共通な夫々のチューブ１６をもっている。

図９を参照すれば、平面ＰとＭが示されている。平面Ｐと平面Ｐに平行な平面Ｎとの間の、ノズル３０の出口４２を越えて延びている間隔Ｓは、チャンバ４４の水平の範囲を画定する。この間隔はセットバックと称される一方、平面Ｍより上の線Ｌ（図１，２を参照）の高さは融体ヘッドと称される。詳細に前述した如く、セットバック、融体ヘッド、ロール３２a、３２bの回転速度、及びロール３２a、３２bによって合金に加えられる負荷は所定のロール直径について要求される合金流速を達成するために制御される。これらのパラメータと合金からの熱エネルギー抽出速度は制御され、出口４２とロール３２a、３２bの各々に沿った夫々の接触箇所５２a、５２bの間(セットバック距離の最初の部分)に溶融合金は５４で示す如く凸状メニスカスを確立するようになす。各ロール３２a、３２bとの接触箇所全体を通じて、接触箇所５２a、５２bの線から合金はその表面で完全に凝固される。しかし、線５６a、５６bの上流側では、合金は実質上完全に溶融しているが、一方、線５８a,５８ｂの下流側では、合金は実質上完全に凝固し、そしてこれらの２組の線の間では、部分的にのみ凝固する。各組の線が合金/ストリップの移動方向Ｄに収斂する相対速度は、合金がロール３２a、３２bの各々に接するその表面から平面Ｍまで凝固する速度を決定する。平面Ｍ付近の線５８a,５８ｂの収斂点は、実質上完全な凝固を表し、このことは詳細に前述した如く、噛み込み部又はニップ３４（すなわち平面Ｐ）に合金が到達する前に達成されるものである。

図１０、１１は天板１３６、底板１３７および両側板１３８をもつノズル１３０を示す。それらの前縁に、上記板は細長いノズル出口１４２を画定する。底板１３７は、両側板１３８間に直線状に延びる前縁１３７aをもつ。通常の配置では、天板１３６は対応する縁をもつが、かかる通常の配置をもつストリップ鋳物は縁領域より熱い中心領域をもつ。このことを回避するために、天板１３６は中心領域２３６aをもつ縁をもち、この中心領域はその夫々の縁領域１３６bから後方へ引っ込んでいる。この配置は、詳細に前述した如く、鋳造ストリップの幅を横切る方向における温度ばらつきを減らすことを可能になし、上記ばらつきの不利な結果を減少させ又は回避させる。

図１２の配置は、図１０，１１の説明から理解されるだろう。この場合、天板１３６の前縁は縁領域１３６b間の２つの中心領域１３６aでセットバックさせられており、中央領域１３６cが２つの領域１３６a間にある。この配置は、より複雑な温度ばらつきが板１３６、１３７間の内部スペーサから結果として生じる場合に適している。図１１の場合、２つの中心スペーサがあり、これらは熱い区域とより冷たい縁区域間に中間温度の中央区域によって分離された２つの中心の熱い区域を生じる傾向がある。

最後に、種々の変形、変更、及び/又は追加を、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、上述の部品の構造及び配置に導入することができることは勿論である。

本発明に使用する双ロール鋳造設備の概略図である。図１の設備のタンディッシユ/ノズル配置を示す側断面図である。図１の設備のタンディッシユ/ノズル配置を示す平面図である。図１の設備のノズル/ロール配置の側立面図である。図１の設備のノズル/ロール配置の部分平面図である。図１の設備に適したモジュール形式の１つのノズル配置を示す図である。図１の設備に適したモジュール形式の他のノズル配置を示す図である。図１の設備に適したモジュール形式の更に他のノズル配置を示す図である。図１の設備に使用するマグネシウム合金の凝固に関する細部の拡大図である。本発明に使用するのに適したノズルの改良形式を示す図である。図１０の線XI-XI上で取った断面図である。図１０に対応する、ノズルの別形式を示す図である。

Claims

双ロール鋳造によってマグネシウム合金ストリップを製造する方法において、該方法が、
溶融合金を供給源から送り装置に供給する工程（工程(a)）と、
溶融合金を、送り装置からノズルを通じて、細長い出口と、実質上平行な１対のロールとの間に形成されたチャンバに送る工程（工程(b)）と、
上記1対のロールを互いに反対方向に回転させて、合金を、チャンバから噛み込み部を通じて、工程(b)の送りと同時に引き出す工程（工程(c)）と、
前記1対のロールの内部冷却を行うため、前記工程(c）の間にわたって、各ロールを通して冷却流体を流し、それによって冷却されたロールによる熱エネルギー抽出によってチャンバ内に受け入れた合金を冷却する工程（工程(ｄ)）とを含み、
上記一対のロールは、それらの間に噛み込み部を画定するため上下に間隔をおいて位置し、
前記工程(d)によって、合金がロール間に画定された噛み込み部を通過し、そして、熱間圧延された合金ストリップとして前記噛み込み部から出る前に、マグネシウム合金の実質上完全な凝固がチャンバ内で達成され、
前記方法は更に、
前記送り装置と前記ノズルを予備加熱して、送り装置を少なくとも５００℃の温度、ノズルを少なくとも２００℃の温度にし、送り装置内の合金が該合金の液相温度よりも少なくとも１５℃だけ高い過熱温度に維持されるように、前記供給源で保持された合金の温度を維持し、
送り装置内における溶融合金の表面を、前記1対のロールの２本の軸線を含む平面内で噛み込み部の中心線よりも少なくとも５ｍｍだけ上方であって、実質上一定高さに維持し、工程(c)における冷却された前記１対のロールによる熱エネルギー抽出を、噛み込み部から出る合金ストリップの表面温度が４００℃未満の温度となるレベルで維持し、
それによって熱間圧延された合金ストリップは、クラックが実質上存在せず、かつ良好な表面品質を有する、マグネシウム合金ストリップの製造方法。
前記供給源に保持された合金の温度は、該合金の液相温度よりも１５℃乃至６０℃だけ高い温度で前記送り装置内における合金を維持するのに十分な温度である請求項１に記載の方法。
前記工程(c)における熱エネルギー抽出のレベルは、前記合金ストリップの表面温度を１８０℃乃至３００℃に維持するのに十分である請求項１又は２に記載の方法。
前記合金ストリップの表面温度は、合金の固相温度よりも８５℃だけ低い温度以上である請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法。
前記１対のロールは、前記噛み込み部を通過する凝固した合金に、ロール長さｍｍ当たり２乃至５００ｋｇの特定の負荷を与える請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法。
前記特定負荷は、ロール長さｍｍ当たり１００乃至５００ｋｇである請求項５に記載の方法。
加えられる前記特定負荷は、熱間圧延されたストリップに４％乃至９％の厚さ減少をもたらす請求項５又は６に記載の方法。
ノズル出口から、前記１対のロールの２本の軸線を含む平面までのセットバック距離の最初の部分にわたって、前記合金はノズル出口と各ロールの表面との間に、それぞれの凸状メニスカスを維持する請求項１乃至７の何れか１項に記載の方法。
前記予熱は、熱風を空気送り装置とノズルを通して吹き込むことによって達成される請求項１乃至８の何れか１項に記載の方法。
前記送り装置は、５００℃乃至６５５℃の温度に予熱され、ノズルは２００℃乃至４００℃の温度に予熱される請求項１乃至９の何れか１項に記載の方法。
酸化及び火災の危険性から保護するため、溶融合金の全体を覆って保護雰囲気が維持され、該保護雰囲気は、２乃至６体積％のヒドロフルオロカーボンを含む請求項１乃至１０の何れか１項に記載の方法。
前記ヒドロフルオロカーボンは、1,1,1,2-テトラフルオロエタンである請求項１１に記載の方法。
ヒドロフルオロカーボンを含有する前記雰囲気は、ＳＦ６と乾燥空気の混合物を含む請求項１１又は１２に記載の方法。
前記送り装置内における溶融合金の表面位置を維持する工程は、噛み込み部の中心線よりも５ｍｍ乃至２２ｍｍだけ上方に溶融合金の実質上一定高さを提供する請求項１乃至１３の何れか１項に記載の方法。
前記合金は、ＡＺ３１合金であり、前記実質上一定高さは５ｍｍ乃至１０ｍｍである請求項１４に記載の方法。
前記合金は、ＡＭ６０またはＡＺ９１合金であり、前記実質上一定高さは７ｍｍ乃至２２ｍｍである請求項１４に記載の方法。