JPH0647697B2 - 大気溶解に依るアルミニウム−リチウム合金の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大気溶解に依るアルミ
ニウム−リチウム合金の製造方法に関するもので、特
に、合金原料の溶解時大気との遮断の為の別途の密閉装
置を使用することなく、一般的な大気溶解方法下で脱ガ
ス方式の改善を通じリチウムの酸化を効果的に抑制させ
る事で内部欠陥の無い良好なインゴットを経済的に製造
する事の出来るアルミニウム−リチウム合金の製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属リチウム(Li)はその比重が0.53ｇ/c
m³で金属中で最も軽く延性が非常に優秀である反面、化
学的に活性が非常に大きくリチウム金属単独では利用価
値が高くないが、アルミニウムに添加されアルミニウム
−リチウム合金と成る場合にはアルミニウムの強度を大
きく向上させるのは勿論、アルミニウム合金自体の重量
を相当に減少させる役割をする。

【０００３】特に、アルミニウム−リチウム合金は密度
が低い一方強度が高く弾性率の高い特性を持つため、航
空、宇宙産業分野を始めとする超軽量構造体材料として
の利用だけでなく上記特性を要する各種の産業分野への
利用が期待されている。これをより具体的に説明すれ
ば、現在一般的に使用されている航空機構造用高力アル
ミニウム合金をアルミニウム−リチウム合金で代替する
場合、７〜９％程度の重量減少が可能で、航空機の速
度、航続距離の増加は勿論、輸送能力の向上を図る事が
でき、また、高強度及び高硬度の要求される既存のアル
ミニウム装甲材と同等水準の防護力を持たせる場合に、
10％程度軽量の構造物製作が可能で装甲材とかミサイル
分野に適合した素材としての有用性が期待されている。

【０００４】しかし、アルミニウム−リチウム合金は、
大気溶解方法で得られる通常の常用アルミニウム合金と
は違い、リチウムが大気中で酸化力が非常に大きい為に
合金原料の溶解工程を大気とは遮断された不活性雰囲気
中で遂行しなければならない。これに加え、アルミニウ
ム−リチウム合金系は、既存の常用アルミニウム合金系
に比べ水素ガス含有率が非常に高い為に、合金の溶解過
程で充分な脱ガス処理をしない場合、インゴット中にピ
ンホール（pin hole）及び気孔（pore）が発生して材質
の特性を害するため、健全なインゴットの製造が容易で
ない問題点が有る。

【０００５】従って、従来のアルミニウム−リチウム合
金は、溶解及び鋳造工程全体を不活性雰囲気の維持され
た密閉容器内部で実施する形態で製造されており、この
様な密閉雰囲気下の合金製造技術の一例として米国特許
第4,556,535 号では、外部からアルゴン(Ar)と塩素(C
l₂) の混合ガスが供給される密閉された混合槽内部に、
溶融アルミニウムと溶融リチウムを連続的に供給し混合
した後に、このアルミニウム−リチウム混合溶湯をフィ
ルターを経てインゴット鋳造装置に流入させ、アルミニ
ウム−リチウム合金のインゴットを製造する方法が開示
されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この様な密閉
式合金製造方法は、溶融合金の原料及び混合槽を始めと
してインゴット鋳造装置に至る溶解及び鋳造工程全体が
大気と遮断された状態の不活性雰囲気に維持されなけれ
ばならず、また、リチウムの添加量制御の為の別途の制
御装置を必要とするため、莫大な設備費を所要し、操作
が複雑である等の問題点がある。

【０００７】そこで、本発明は上記の事情に鑑みなされ
たもので、アルミニウム−リチウム合金を製造するに際
し、従来必要であった密閉装置等が不要で製造工程の簡
素化及び設備費の低減が図れ、且つ、内部欠陥の少ない
健全なインゴットが製造できる大気溶解に依るアルミニ
ウム−リチウム合金の製造方法を提供することを目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段及び作用】このため本発明
に係る大気溶解に依るアルミニウム−リチウム合金の製
造方法においては、金属リチウムを除外したアルミニウ
ム及びその他の合金元素を大気中で溶解しその溶湯の表
面を溶剤で被覆した状態で脱ガス剤を使用し１次脱ガス
処理をした後、アルミニウムで被覆した金属リチウムを
添加しアルミニウム−リチウム合金の溶湯を製造し、続
いて溶湯内にガスバブラーを沈漬させ不活性ガスを吹き
入れ溶湯の２次脱ガス処理を遂行した後、溶湯を不活性
雰囲気で維持されている鋳型に注入する過程で密閉され
た注入流路内に不活性ガスを流入させ３次脱ガス処理し
アルミニウム−リチウム合金のインゴットを製造するよ
うにした。

【０００９】ここで、アルミニウム−リチウム合金の大
気溶解時最も大きな問題点である金属リチウムの大気と
の接触を通じた酸化に因るリチウムの回収率が低下する
のを防止する為の方法として、アルミニウム合金溶湯に
添加する金属リチウムとして純粋なアルミニウムで被覆
したリチウム塊が使用される。尚、前記リチウムの回収
率とは、溶解時に生じるリチウムの酸化損失量を予測し
得る尺度であって、インゴットの成分分析によるインゴ
ット中のリチウム含有量と溶解の時の坩堝に挿入するリ
チウム量との比に対する百分率として表示されるもので
ある。

【００１０】即ち、 回収率＝（インゴット中リチウム量(wt%) ／リチウムの
坩堝挿入量(wt%))×100 で計算される。上記アルミニウム被覆リチウム塊は、本
願人に依り先に出願した特願平２−１９８０５１号に記
載の“アルミニウム−リチウム合金の製造方法”により
製造するもので、この方法は大気中で押出機を利用し固
状のリチウムを押出し、その押出しされて出るリチウム
を直接アルミニウム容器に充填及び密閉させる形態で、
この様な押出法に依るリチウムの被覆方法は設備費が少
なく被覆時リチウムの酸化が少ない長所がある。

【００１１】また、アルミニウム−リチウム合金は、既
存の常用アルミニウム合金に比べ水素含有率が数倍以上
高い為に、溶解過程で適切な溶湯管理が随伴されない場
合、鋳造時気孔が多く発生し材質特性の低下を招来する
ため、健全なインゴットの製造が難しくなる。従って、
本発明では、合金元素の溶解時、溶湯の表面を、塩化リ
チウム(LiCl)又はふっ化リチウム(LiF) 等の溶剤で覆い
大気との接触を防止する一方、溶湯状態での脱ガス工程
後、鋳造工程に於いても脱ガス処理を行うと共に、溶湯
と大気との接触を防止する様にした状態でインゴットを
製造する。

【００１２】これにより、大気溶解方法によっても、リ
チウムの酸化を効果的に抑制でき、内部欠陥の少ない良
好なアルミニウム−リチウム合金のインゴットが得られ
るようになる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明のアルミニウム−リチウム合金
の製造方法の一実施例を説明する。図１(A),(B) は、本
発明の実施に使用する溶解装置及び鋳造装置の一例を示
したもので、図１(A),(B) を参照して説明する。

【００１４】先ず、黒鉛坩堝１を使用し金属リチウムを
除外したアルミニウム及びその他の合金元素を大気中で
溶解した後、溶湯２の表面をLiCl又はLiF 等の溶剤３で
覆い溶湯表面と大気との接触を遮断し溶湯２の酸化及び
水素吸収を防止する。この時、アルミニウム合金溶湯中
には装入原料から吸収されるか大気中から微量吸収され
た水素ガスが含有されていて、以後の工程で金属リチウ
ムの添加時にこれら水素ガスが水化物（hydride)を形成
しリチウムの回収率低下及び材質特性を悪化させる可能
性が大きいので、アルミニウム溶湯に金属リチウムを添
加する前に通常使用する脱ガス剤を使用し溶湯の１次脱
ガス処理を行う。

【００１５】次に、１次脱ガス処理後、黒鉛フランジャ
ーを利用してアルミニウム被覆リチウム塊を溶湯内に瞬
間的に挿入し溶融させる。溶融アルミニウム−リチウム
合金の溶湯中には、金属リチウムの投入時水素ガスが混
入する可能性があるので、溶湯中にガスバブラー４を沈
漬させ高純度の不活性ガスを溶湯中に吹き入れる事で２
次脱ガス処理を行う。

【００１６】２次脱ガス処理作業の完了した溶湯は、直
ちに溶湯出口５を通じ鋳造装置としてのターンディシュ
６内に注入するが、この時ターンディシュ６は図１(B)
に図示されたように、その中央上部と下部に各々上部及
び下部セラミックフィルター７，８が設置され、上部セ
ラミックフィルター７の下流側には、上部フィルター７
を通過したアルミニウム−リチウム溶湯を適切に分散さ
せてターンディシュ６内を通過させるために、多数個の
流通孔９を具備した黒鉛パネル10が設置される。

【００１７】そして、ターンディシュ６の一側壁には不
活性ガス流入孔11が形成され、ターンディシュ６の内壁
と上部及び下部セラミックフィルター７，８で囲まれた
空間部内に、アルゴンガスの様な不活性ガスを流入させ
不活性雰囲気に維持する事で、上部セラミックフィルタ
ー７及び黒鉛パネル10を通過し下部に至る溶湯は３次脱
ガス処理が行われるようになる。ここで、多数の流通孔
９を設けた黒鉛パネル10でアルミニウム−リチウム溶湯
を適切に分散させることにより、脱ガスの効果を高める
ことができる。

【００１８】一方、３次脱ガス処理が行われた溶湯は、
下部セラミックフィルター８を経てその下方に設置され
た鋳型12に注入されるが、この時、鋳型12は酸化物発生
及び水素ガスの吸収を防止する為に、大気と遮断された
密閉した状態に維持されその内部は不活性ガス雰囲気が
形成される。図中、13はガス流出孔であり、14及び15は
各々ガス流入孔とガス流出孔である。

【００１９】以上の様な一連の大気溶解及び鋳造工程を
通じ本発明方法に依るアルミニウム−リチウム合金のイ
ンゴットが得られるようになる。尚、上述の製造方法に
おいて、黒鉛坩堝１の溶湯上方にアルゴンのような不活
性ガスを流入させて不活性雰囲気にしておくようにすれ
ば、溶湯の酸化をより減少させリチウムの回収率をより
向上させることができる。

【００２０】そして、かかるアルミニウム−リチウム合
金の製造工程において、黒鉛坩堝１中の溶解温度は 750
〜830 ℃の範囲が望ましく、２次脱ガス時に使用する不
活性ガス（アルゴン）の流入速度及び流入時間は各々１
〜５リットル/min及び４〜10分程度に維持させるのが良
い。尚、ターンディシュ６内の黒鉛パネル10を除去して
溶湯の注入を行ってもインゴットの材質には別に大きな
影響を及ぼすものではない。

【００２１】次に、本発明の製造方法により製造したア
ルミニウム−リチウム合金の一例を示す。 実施例 2090アルミニウム−リチウム合金組成（Al-2.2Li-2.9Cu
-0.15Zn-0.13Zr）を目標とし、石油バーナーを利用した
傾動式灯油炉で低純度黒鉛坩堝を使用し約20kgのアルミ
ニウム−リチウム合金を溶解した。この時、アルミニウ
ム地金は純度99.7％の常用アルミニウム塊を使用し、リ
チウムは99.9％の高純度を使用した。そして、他の合金
元素等はAl-50Cu ，Al-30Zn 及びAl-5Zrのように母合金
の形態で装入した。

【００２２】溶解は先ず金属リチウムを除外したアルミ
ニウムとその他の合金元素を大気中で溶解した後、LiCl
溶剤で溶湯表面を被覆し常用脱ガス剤を利用し１次脱ガ
ス処理を行った。次に、押出法に依りアルミニウムで被
覆した直径50mm，長さ100mm のリチウム塊を黒鉛フラン
ジャーを利用し溶湯に挿入、溶融させた後、アルゴンを
２リットル/minの流入速度で６分間溶湯中に吹き入れる
事で２次脱ガス処理をした。

【００２３】次に、２次脱ガス処理を終えた溶湯を鋳造
装置に注入すると同時に３次脱ガス処理を遂行した所、
この時溶湯の注入温度は820 ℃であって、鋳型は150 ℃
程度に予熱し使用した。この様にして直径163mm,長さ30
5mm のインゴットを製造し、このインゴットを均質化処
理した後、巾100mm,厚さ12mmの板材形態に押出し、成分
分析をした結果、金属リチウムの回収率が93−95％で非
常に高い値を示した。

【００２４】上記の本発明方法を通じ得られた押出板材
を時効処理（Ｔ85）した後、引張試験を行った結果を、
米国のアルコア（Alcoa)社で全工程を不活性雰囲気に維
持し製造した従来の合金と比較し、その結果を下の表１
に示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】以上の様に、本発明はリチウム原料として
アルミニウムで被覆されたリチウムを使用する事でリチ
ウムの酸化を効果的に抑制する一方、溶剤に依る溶湯の
被覆及び数回に亘る脱ガス過程を通じ溶湯中の含有水素
を除去するのと併せて酸化物の生成を抑制する事で、内
部欠陥の無い健全なアルミニウム−リチウム合金を経済
的に製造する事の出来る効果がある。そして、リチウム
酸化防止のための密閉装置が不要であるので、製造工程
が簡素化でき、設備費用も安くできる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、リ
チウムをアルミニウムで被覆すると共に、アルミニウム
−リチウム溶湯を溶剤により被覆し、且つ数回の脱ガス
処理を行って製造するようにしたので、水素含有率を低
下でき内部欠陥の少ない良好なインゴットを製造でき
る。しかも、大気中で製造できるので、製造工程が簡素
化でき設備費用も安くできる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施に使用される溶解装置及び鋳造装
置の一例を示した概略断面図

【符号の説明】

１ 黒鉛坩堝 ２ 溶湯 ３ 溶剤 ４ ガスバブラー ６ ターンディシュ 12 鋳型

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属リチウムを除外したアルミニウム及び
   その他の合金元素を大気中で溶解しその溶湯の表面を溶
   剤で被覆した状態で脱ガス剤を使用し１次脱ガス処理を
   した後、アルミニウムで被覆した金属リチウムを添加し
   アルミニウム−リチウム合金の溶湯を製造し、続いて溶
   湯内にガスバブラーを沈漬させ不活性ガスを吹き入れ溶
   湯の２次脱ガス処理を遂行した後、溶湯を不活性雰囲気
   で維持されている鋳型に注入する過程で密閉された注入
   流路内に不活性ガスを流入させ３次脱ガス処理しアルミ
   ニウム−リチウム合金のインゴットを製造することを特
   徴とする大気溶解に依るアルミニウム−リチウム合金の
   製造方法。
2. 【請求項２】前記溶剤は塩化リチウム(LiCl)であること
   を特徴とする請求項１記載の大気溶解に依るアルミニウ
   ム−リチウム合金の製造方法。
3. 【請求項３】前記溶剤はふっ化リチウム(LiF) であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の大気溶解に依るアルミニ
   ウム−リチウム合金の製造方法。
4. 【請求項４】前記２次脱ガス処理はガスバブラーを用い
   てアルゴンガスを１〜５リットル/minの流入速度で４〜
   10分間流入させることを特徴とする請求項１記載の大気
   溶解に依るアルミニウム−リチウム合金の製造方法。