JP6390047B2 - 亜鉛合金の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄系金属部材とアルミニウム系金属部材とを接合する際のロウ材に用いられる亜鉛合金の製造方法に関する。

従来、鋼等の鉄系金属部材とアルミニウム合金等のアルミニウム系金属部材との間に亜鉛又は亜鉛合金を介在させて加熱することにより、両部材を接合する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、前記亜鉛合金として、Ｚｎ−Ｓｉ合金からなるロウ材を用いることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第４９６２９０７号公報 特開２０１０−９９７３９号公報

しかしながら、前記Ｚｎ−Ｓｉ合金を製造しようとするとき、Ｓｉの融点は１４１４℃であり、Ｚｎの沸点は９０７℃であるので、金属Ｓｉ粉末を加熱して溶融させると、その熱によりＺｎ溶湯が気化して、Ｚｎが失われてしまうという不都合がある。

一方、Ｚｎ溶湯に対する金属Ｓｉの添加量を調整すればＺｎ溶湯の気化を抑制しつつ金属Ｓｉ粉末を溶融させることが可能となる。しかし、この場合にも、ＳｉはＺｎより比重が小さく軽いため、Ｚｎ溶湯に金属Ｓｉ粉末を添加したときに金属Ｓｉ粉末がＺｎ溶湯の液面近くに浮上して偏在してしまい、均一に混合することが難しいという不都合がある。

本発明は、かかる不都合を解消して、均一な組成を備えるＺｎ−Ｓｉ合金を得ることができる亜鉛合金の製造方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、Ｚｎ中にＳｉを含有する亜鉛合金の製造方法であって、加熱炉に配設された坩堝内で金属Ｚｎを加熱して溶融してＺｎ溶湯を得る工程と、該Ｚｎ溶湯にＺｎの沸点以下の温度で溶融可能な量の金属Ｓｉ粉末を添加し、該坩堝内に配設自在とされた浮上抑制部材により該金属Ｓｉ粉末の浮上を抑制すると共に、該Ｚｎ溶湯の液面を炭素質材料により被覆した状態で加熱して該金属Ｓｉ粉末を溶融する工程と、該浮上抑制部材による該金属Ｓｉ粉末の浮上の抑制を解除し、溶融したＳｉを該Ｚｎ溶湯中に分散させてＺｎ−Ｓｉ合金の溶湯を得る工程と、該Ｚｎ−Ｓｉ合金の溶湯を鋳型に充填して急冷することによりビレットを得る工程とを備え、前記浮上抑制部材は、前記坩堝の内周面に沿って摺動自在の中蓋と、該中蓋を支持して上下動させるロッドとを備え、前記中蓋は、前記金属Ｓｉ粉末の径より小さい目開きを有するメッシュ状体又は前記金属Ｓｉ粉末の径より小径の複数の貫通孔を備えることを特徴とする。

本発明の製造方法では、まず、加熱炉に配設された坩堝内で金属Ｚｎを溶融する。このとき、前記坩堝内に存在する物質はＺｎと不可避的不純物とであり、実質的にＺｎのみと見なすことができるので、前記加熱炉により該坩堝内を加熱して、Ｚｎの融点である４２０℃以上の温度とすることにより金属Ｚｎを溶融することができ、Ｚｎ溶湯が得られる。

次に、前記Ｚｎ溶湯に金属Ｓｉ粉末を添加し、該金属Ｓｉ粉末を溶融させる。ここで、Ｓｉ単独であれば融点は１４１４℃であり、Ｚｎの沸点である９０７℃を超える温度となる。しかし、Ｚｎ−Ｓｉ合金とすることによりＳｉの融点をＺｎの沸点より低い温度とすることができる。

そこで、本発明の製造方法では、Ｚｎとの合金を形成することによりＺｎの沸点以下の温度で溶融可能な量のＳｉを前記Ｚｎ溶湯に添加する。

このとき、Ｓｉはその比重が２．３３であり、Ｚｎの比重７．１４に比べて小さい。従って、金属Ｓｉ粉末は、Ｚｎより軽く、前記Ｚｎ溶湯中で液面に浮上し、該金属Ｓｉ粉末がＺｎ溶湯の液面付近に偏在することが懸念される。しかし、本発明の製造方法では、前記坩堝内に浮上抑制部材を配設自在とし、該浮上抑制部材により前記金属Ｓｉ粉末の浮上を抑制する。従って、前記金属Ｓｉ粉末をＺｎ溶湯の液面付近に偏在させることなく溶融させることができる。

また、このとき、前記Ｚｎ溶湯が部分的に過熱されると、該Ｚｎ溶湯の温度がＺｎの沸点を超える。従って、前記Ｚｎ溶湯が気体となって揮散され、Ｚｎが失われることが懸念される。しかし、本発明の製造方法では、Ｚｎ溶湯の液面を炭素質材料により被覆した状態で加熱するので、該炭素質材料によりＺｎの揮散を防止することができる。

次に、前記金属Ｓｉ粉末が溶融したならば、前記浮上抑制部材による該金属Ｓｉ粉末の浮上の抑制を解除し、溶融したＳｉを前記Ｚｎ溶湯中に分散させる。この結果、Ｚｎ−Ｓｉ合金の溶湯を得ることができる。

次に、前記Ｚｎ−Ｓｉ合金の溶湯を鋳型に充填することによりビレットを得る。このとき、前述のようにＳｉはその比重が２．３３であり、Ｚｎの比重７．１４に比べて小さいので、Ｓｉが偏析する虞がある。そこで、本発明の製造方法では、鋳型に充填された前記Ｚｎ−Ｓｉ合金の溶湯を急冷することにより、Ｓｉの偏析を阻止して均一な組成を備えるＺｎ−Ｓｉ合金を得ることができる。

また、本発明の製造方法では、前記Ｚｎ−Ｓｉ合金の溶湯を銅製鋳型に投入し、該銅製鋳型の外周面を水冷することにより急冷することが好ましい。前記銅製鋳型は熱伝導性に優れているので前記Ｚｎ−Ｓｉ合金の溶湯が冷却され易く、その外周面を水冷することにより前記Ｚｎ−Ｓｉ合金の溶湯がさらに冷却され易くなるので、前記急冷を好適に行うことができる。

また、本発明の製造方法では、前記Ｚｎ溶湯に、得られるＺｎ−Ｓｉ合金の全量に対して０．１〜４．０質量％の範囲の前記金属Ｓｉ粉末を添加することが好ましい。前記Ｚｎ溶湯に、前記範囲の前記金属Ｓｉ粉末を添加することにより、ロウ材として好適な物性を備える前記Ｚｎ−Ｓｉ合金を得ることができる。

前記金属Ｓｉ粉末の添加量が得られるＺｎ−Ｓｉ合金の全量に対して０．１質量％未満では、ロウ材として好適な物性を備える前記Ｚｎ−Ｓｉ合金を得ることができないことがある。また、前記金属Ｓｉ粉末の添加量が得られるＺｎ−Ｓｉ合金の全量に対して４．０質量％を超えると、Ｚｎの沸点未満の温度で該金属Ｓｉ粉末を溶解させることができないことがある。

また、本発明の製造方法では、前記Ｚｎ溶湯に、得られるＺｎ−Ｓｉ合金の全量に対して、０．１質量％以上２．０質量％未満の範囲の前記金属Ｓｉ粉末を添加することがさらに好ましい。前記金属Ｓｉ粉末の添加量が得られるＺｎ−Ｓｉ合金の全量に対して、２．０質量％を超えると、Ｓｉの偏析が起きることがある。そこで、前記金属Ｓｉ粉末の添加量を得られるＺｎ−Ｓｉ合金の全量に対して、２．０質量％未満とすることにより、確実にＳｉの偏析を防止して、均一な組成を備える前記Ｚｎ−Ｓｉ合金を得ることができる。

また、本発明の製造方法では、前記浮上抑制部材は、前記Ｚｎ溶湯と反応しない素材により構成されることが好ましい。

また、本発明の製造方法では、前記炭素質材料として、例えば木炭を用いることができる。

本発明の製造方法に用いる加熱炉の構成を示す模式的断面図。 Ｚｎ−Ｓｉ合金の組成と相との関係を示すグラフ。 本発明の製造方法に用いる鋳型の構成を示す模式的断面図。 本発明の製造方法により得られたＺｎ−Ｓｉ合金からなるロウ材におけるＳｉ濃度分布を示すグラフ。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

本実施形態の製造方法では、まず、図１に示す加熱炉１に配設された坩堝２内で金属Ｚｎを溶融する。加熱炉１は、円筒状に配置された誘導加熱コイル３を備え、誘導加熱コイル３の内周側に所定の間隔を存して有底円筒状の坩堝２が配設されている。坩堝２としては、例えば黒鉛製のものを用いることができる。

金属Ｚｎとしては、例えば純度９９．９８％であり、残部が不可避的不純物からなるものを用いることができる。前記溶融は、誘導加熱コイル３により坩堝２内に投入された金属Ｚｎを、Ｚｎの融点（４２０℃）以上、沸点（９０７℃）未満の温度、例えば８４０℃の溶融温度に加熱することにより行う。この結果、坩堝２内の金属Ｚｎを溶融して、Ｚｎ溶湯４を得ることができる。

次に、Ｚｎ溶湯４に、金属Ｓｉ粉末を添加し、溶融する。金属Ｓｉとしては、例えば純度９９．９８％であり、残部が不可避的不純物からなるものを用いることができる。

ここで、Ｓｉは、単独であればその融点は１４１４℃であるが、図２に示すように、Ｚｎ−Ｓｉ合金とすることによりその融点を１４１４℃未満の温度にすることができる。また、金属Ｓｉ粉末の添加量を、得られるＺｎ−Ｓｉ合金の全量に対して４．０質量％未満とすることにより、得られるＺｎ−Ｓｉ合金の融点をＺｎの沸点の９０７℃未満の温度とすることができ、溶融温度をＺｎの沸点以下に低下させることができる。

そこで、本実施形態では、得られるＺｎ−Ｓｉ合金の全量に対して０．１〜４．０質量％の範囲の量となるように、金属Ｓｉ粉末を添加する。金属Ｓｉ粉末の添加量が得られるＺｎ−Ｓｉ合金の全量に対して４．０質量％を超えると、溶融温度がＺｎの沸点を超え、Ｚｎが気化して揮散することがある。また、金属Ｓｉ粉末の添加量が得られるＺｎ−Ｓｉ合金の全量に対して０．１質量％未満であると、得られたＺｎ−Ｓｉ合金をロウ材としたときに、ロウ材として好適な物性を得ることができないことがある。

尚、得られるＺｎ−Ｓｉ合金の全量に対する金属Ｓｉ粉末の添加量が０．１〜４．０質量％の範囲であっても、金属Ｓｉ粉末の添加量が２．０質量％を超えると、Ｓｉの偏析が起き、均一な組成を備えるＺｎ−Ｓｉ合金を得ることができないことがある。

Ｚｎ溶湯４に金属Ｓｉ粉末を添加するとき、Ｓｉはその比重が２．３３であり、Ｚｎの比重７．１４に比べて小さい。従って、前記金属Ｓｉ粉末がＺｎ溶湯４の液面に浮上し、Ｚｎ溶湯４の液面付近に偏在することが懸念される。そこで、図１に示すように、坩堝３内に浮上抑制部材５を配設し、Ｚｎ溶湯４に添加した金属Ｓｉ粉末６の浮上を防止する。

浮上抑制部材５は、坩堝２の内周面に沿って摺動自在の中蓋７と、中蓋７を支持して上下動させるロッド８とを備え、ロッド８は図示しない駆動手段に接続されている。中蓋７及びロッド８はＺｎ溶湯４と反応しない素材により構成されている。また、中蓋７は金属Ｓｉ粉末６は透過させず、Ｚｎ溶湯４のみを透過させる構成となっており、メッシュ状体又は金属Ｓｉ粉末６より小径の複数の貫通孔を備えるものを用いる。

浮上抑制部材５によれば、Ｚｎ溶湯４に金属Ｓｉ粉末６を添加した後、中蓋７を坩堝２内に浸漬してロッド８により押し下げることにより、金属Ｓｉ粉末６の浮上を防止して、Ｚｎ溶湯４の下方に位置させることができる。この結果、金属Ｓｉ粉末6をＺｎ溶湯４の液面付近に偏在させることなく溶融させることができる。

また、このとき、Ｚｎ溶湯４の液面は、木炭等の炭素質材料９により被覆されている。このようにすることにより、Ｚｎ溶湯４が部分的に過熱されて、Ｚｎ溶湯４の温度がＺｎの沸点を超えたときにも、Ｚｎ溶湯４が気体となってＺｎが揮散することを防止することができる。

次に、金属Ｓｉ粉末６が溶融したならば、中蓋７をロッド８により上昇させて、金属Ｓｉ粉末６の浮上の抑制を解除し、溶融したＳｉをＺｎ溶湯４中に分散させる。この結果、Ｚｎ−Ｓｉ合金溶湯を得ることができる。

次に、図３に示すように、例えば７５０℃の温度のＺｎ−Ｓｉ合金溶湯１１を、銅製鋳型１２に充填することによりビレットを作製する。銅製鋳型１２は有底円筒状であり、外周に沿って配設されたシャワリング装置１３から噴射される水により、その外周面を水冷することができる。

そこで、Ｚｎ−Ｓｉ合金溶湯１１を銅製鋳型１２に充填すると共に、シャワリング装置１３から噴射される水により銅製鋳型１２の外周面を水冷することにより、Ｚｎ−Ｓｉ合金溶湯１１を急冷する。このようにすることにより、Ｚｎ−Ｓｉ合金溶湯１１からＳｉが析出することを防止することができ、各部分のＳｉ濃度が均一となっているＺｎ−Ｓｉ合金製ビレットを得ることができる。前記Ｚｎ−Ｓｉ合金製ビレットは、所定の径のダイから熱間押出することによりロウ材とすることができる。

次に、本実施形態の製造方法において、Ｚｎ溶湯４に金属Ｓｉ粉末６を、得られるＺｎ−Ｓｉ合金の全量に対して１．０質量％となるように添加して、前記Ｚｎ−Ｓｉ合金製ビレットを作製した。次に、前記Ｚｎ−Ｓｉ合金製ビレットを直径３．２ｍｍのダイから、１００℃の温度下に熱間押出し、直径３．２ｍｍ、長さ２．０ｍの複数のロウ材を作製した。

前記のようにして作製した複数のロウ材から３本を無作為に抽出し、各ロウ材の先端部、中央、後端部の３か所について、Ｓｉ濃度を測定した。図４に、３本のロウ材のＳｉ濃度をそれぞれ△、○、●として示す。

図４から、前記各ロウ材は、先端部、中央、後端部の３か所のＳｉ濃度が、いずれも１．０±０．３質量％の範囲に分布していることが明らかである。従って、本実施形態の製造方法によれば、均一な組成を備え、ロウ材として好適な物性を備えるＺｎ−Ｓｉ合金を得ることができることが明らかである。

１…加熱炉、 ２…坩堝、 ４…Ｚｎ溶湯、 ５…浮上抑制部材、 ６…金属Ｓｉ粉末、 ９…炭素質材料、 １１…Ｚｎ−Ｓｉ合金溶湯、 １２…銅製鋳型、 １３…シャワリング装置。

Claims (6)

1. Ｚｎ中にＳｉを含有する亜鉛合金の製造方法であって、
   加熱炉に配設された坩堝内で金属Ｚｎを加熱して溶融してＺｎ溶湯を得る工程と、
   該Ｚｎ溶湯にＺｎの沸点以下の温度で溶融可能な量の金属Ｓｉ粉末を添加し、該坩堝内に配設自在とされた浮上抑制部材により該金属Ｓｉ粉末の浮上を抑制すると共に、該Ｚｎ溶湯の液面を炭素質材料により被覆した状態で加熱して該金属Ｓｉ粉末を溶融する工程と、
   該浮上抑制部材による該金属Ｓｉ粉末の浮上の抑制を解除し、溶融したＳｉを該Ｚｎ溶湯中に分散させてＺｎ−Ｓｉ合金の溶湯を得る工程と、
   該Ｚｎ−Ｓｉ合金の溶湯を鋳型に充填して急冷することによりビレットを得る工程とを備え、
   前記浮上抑制部材は、前記坩堝の内周面に沿って摺動自在の中蓋と、該中蓋を支持して上下動させるロッドとを備え、
   前記中蓋は、前記金属Ｓｉ粉末の径より小さい目開きを有するメッシュ状体又は前記金属Ｓｉ粉末の径より小径の複数の貫通孔を備えることを特徴とする亜鉛合金の製造方法。
2. 請求項１記載の亜鉛合金の製造方法において、前記Ｚｎ−Ｓｉ合金の溶湯を銅製鋳型に投入し、該銅製鋳型の外周面を水冷することにより急冷することを特徴とする亜鉛合金の製造方法。
3. 請求項１記載の亜鉛合金の製造方法において、前記Ｚｎ溶湯に、得られるＺｎ−Ｓｉ合金の全量に対して０．１〜４．０質量％の範囲の前記金属Ｓｉ粉末を添加することを特徴とする亜鉛合金の製造方法。
4. 請求項３記載の亜鉛合金の製造方法において、前記Ｚｎ溶湯に、得られるＺｎ−Ｓｉ合金の全量に対して０．１質量％以上２．０質量％未満の範囲の前記金属Ｓｉ粉末を添加することを特徴とする亜鉛合金の製造方法。
5. 請求項１記載の亜鉛合金の製造方法において、前記浮上抑制部材は、前記Ｚｎ溶湯と反応しない素材により構成されることを特徴とする亜鉛合金の製造方法。
6. 請求項１記載の亜鉛合金の製造方法において、前記炭素質材料は木炭であることを特徴とする亜鉛合金の製造方法。