明 細 書
アルミニウム铸塊の製造方法、アルミニウム铸塊、およびアルミニウム铸塊 の製造用保護ガス
技術分野
[0001] アルミニウム (A1)やアルミニウム合金でなるアルミニウム铸塊(以下、単に「アルミ- ゥム铸塊」という)は、地金を溶解して溶湯にする溶解工程、溶湯を保持する保持ェ 程、溶湯カゝら水素ガスを除去する脱水素ガス工程、溶湯カゝら介在物を除去するろ過 工程、および溶湯を水冷铸型で所定の形状の铸塊に成形して固化する铸造工程を 経て铸造される。
[0002] アルミニウム铸塊は、地金から铸塊に铸造する過程、例えば、溶解工程や铸造ェ 程などで、 700°C以上に加熱されて溶湯として取り扱われることになる力 アルミ-ゥ ムは活性に富む金属であるため、大気等と反応して酸化物が生成されやす 、。
[0003] 特に、アルミニウムよりも活性に富むマグネシウム(Mg)を添カ卩したアルミニウム合金 の溶湯では、 MgOや MgAl O等の酸ィ匕物が大量に生成されて、凝集して凝集体(
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ドロス)を形成することが知られている。ドロスは非常に硬ぐ岩状に形成されるので除 去するのに手間が力かるだけでなぐその一部が崩れて溶湯中に混入したアルミ-ゥ ム铸塊を用いて製造された最終製品(例えば、缶材、ディスク材などのアルミニウム薄 板)の表面に表面疵ゃ割れが発生する原因となる。
[0004] そこで、アルミニウム铸塊の製造においては、最終製品の表面疵ゃ割れを防止し、 所定の性能を確保するため、溶解から铸造までの間に、例えば、炉中精鍊ゃインライ ン精鍊、そして铸造直前に行われるフィルターろ過など、複数回の酸化物除去処理 を行っている。特に、フィルターろ過では、 10 /z m程度の非常に微細なサイズの酸ィ匕 物まで除去することができ、铸塊の品質、ひいては最終製品の品質を保証している。
[0005] このような処理を行った溶湯は、次に铸造工程に供せられ铸塊となる。
アルミニウム铸塊は、まず水冷铸型に溶湯を注湯し、水冷铸型と接触する溶湯を冷 却凝固させて凝固殻を形成し、この凝固殻および内部の溶湯を下方に引き出しなが ら铸型下方にて当該凝固殻にさらに冷却水を直接噴射することで、凝固殻内側の溶
湯を凝固させる半連続铸造などによって製造される。
なお、水冷铸型内での冷却を一次冷却、凝固殻に直接冷却水を噴射する工程を 二次冷却と呼んでいる。
[0006] このとき、水冷铸型はアルミニウム合金製または銅製であるため、溶湯と水冷铸型 の直接接触による焼きつきを防止する必要がある。焼きつきを防止するため、一般的 には、水冷铸型の内壁に潤滑油を塗布しながら铸造することが行われている。
[0007] しかし、従来は、フィルターろ過(ろ過工程)以降に生成される酸化物、特に水冷铸 型内などで溶湯表面に生じる酸ィ匕物については、十分な対策がなされていな力 た 例えば、铸造工程における処理を開始すると、まず、溶湯が樋力 水冷铸型に落 下することになるが、この溶湯落下時に大量の酸ィ匕物が生成することがあった。また、 铸造工程の処理を開始した後に定常状態で铸造を行っているときも、水冷铸型内で 溶湯表面に生じた酸ィ匕物が凝集し、铸塊表層に入り込むとともに、その部分で铸塊 の表面に凹みが生じることがあった。
そのため、铸造開始時に製造される部分、即ち、铸塊の最下部を切断除去したり、 定常部においても面削により铸塊表面を必要以上に削り取ったりしなければならなか つた o
[0008] これらの酸ィ匕物に起因する問題は、特に高い濃度の Mgを添加した合金では顕著 である。
そこで、参照文献(日本国特公昭 63— 48935号公報を参照。参照して説明に代え る。 )に記載されているように、塩素(C1)および六フッ化硫黄 (SF )などのガスを事前
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に溶湯に作用させ、溶湯表面の酸ィ匕を抑制する方法が検討されたが、この方法はィ ンライン精鍊等で行われるものであり、铸型内における溶湯表面の酸ィ匕を抑制する 効果が十分でない。
さらに、 C1は、毒物であるために環境面に問題があるば力りでなく周辺装置の劣化 を著しく促進すると ヽぅ問題がある。
[0009] 他方、 SFは、地球温暖ィ匕係数が 20000と非常に高いので地球温暖化防止の観
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点から使用は好ましくない。
また、 SFは、ス-フ(SNIF;Spining Nozzle Inert Floatation)やポーラスプラグを用
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Vヽた脱水素ガス工程で溶湯中の水素ガスと化学反応を起こしてフッ化水素 (HF)を 生成する。 HFは、激しい腐食性をもっているために炉が傷みやすぐまた、生体への 毒性も極めて強!、と!ヽぅ問題がある。
[0010] そこで、酸ィ匕を防止するためのガスとして、炭酸ガス (CO )を主として含む保護ガス
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を用いることも検討されている力 COを大量に用いると、 COの一部が溶湯に還元
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され、一酸化炭素、酸素、炭素を生じ、却って溶湯表面の酸化や炭化を促進して酸 化物や炭化物などの介在物を生成してしまうことがある。
[0011] その他にも、現在主に行われている製造方法でアルミニウム铸塊を铸造すると、铸 塊の表面に粗大セル層またはサブサーフェスバンドと呼ばれる粗い組織が形成され る場合がある。この粗い組織は、水冷铸型内で形成される凝固殻が凝固収縮した後 、铸型から若干離れ、結果として形成されたエアーギャップにより断熱されて冷却が 緩やかになるために生じる組織である。
この粗い組織が铸塊に存在すると、最終製品に表面疵ゃ割れが発生する原因にな るため、高品位を要求される場合には過大な面削を行い除去することが行われてい る。
[0012] この問題を解決するためにいくつかの手法が提案されている。
そのなかの一つの手法として、例えば、電磁場铸造法がある。電磁場铸造法は、電 磁気力により溶湯を所定形状に保持する方法であり、水冷铸型による一次冷却が無 いため粗い組織を形成することなく铸塊を铸造することができる。しかし、電気を必要 とするためにコストがかかるだけでなぐ制御が非常に難しいため、実用化に至ってい ない。
[0013] また、他の一つの手法として、水冷铸型の内壁の少なくとも溶湯と接触する部分を 黒鉛で形成する手法がある。黒鉛を内壁に用いた铸型では、一般的に用いられるァ ルミ-ゥム合金もしくは銅合金製の铸型に比較して、自己潤滑作用および自己消耗 により溶湯と焼きつきを起こし難いので、後述する铸型に塗布する潤滑油の量 (厚さ) を低減することができる。そのため、溶湯と铸型の接触状態が改善されるとともに冷却 効果が高くなり、アルミニウム铸塊の铸造時に粗い組織の形成を抑制することができ
るので、エアーギャップの形成を抑制する効果がある。
[0014] また、さらに他の一つの手法として、例えば、ホットトップ法がある。ホットトップ法は、 铸型上部に略铸型と同形状の耐火物容器を設置し、その耐火物容器内部に溶湯を 溜めておきながら铸造する方法であり、一般的に黒鉛の铸型が用いられている。この 方法では前記した耐火物容器内の溶湯によって铸型内に圧力がかかる。つまり、铸 型に溶湯が強制的に押し付けられることとなって、エアーギャップが形成され難くなる ために、小径の丸棒材を製造する場合において、粗い組織の形成を抑制する効果 に優れており、実用ィ匕もされている。
しかし、大型の铸塊を铸造する場合にこれを用いると、溶湯漏れする場合があるた め実用化には至っていない。そのため、大型の铸塊を铸造する場合は、前記したよう に水冷铸型の内壁の溶湯と接触する部位に黒鉛を適用する方法が用いられている。
[0015] し力しながら、黒鉛は酸ィ匕消耗が著 U、ために、例えば 1日使用しただけで交換が 必要になるなどの問題があった。
この問題を解決するために、黒鉛に潤滑油を染み込ませたり、常時供給したりする 方法が提案されている。
[0016] しかし、潤滑油を染み込ませる方法では、染み込ませた潤滑油が溶湯の熱で常に 燃焼し続ける状態であるため、黒鉛の酸ィ匕消耗の抑制効果が十分でな 、と 、う問題 がある。
[0017] また、潤滑油を常時供給する方法では、過剰な潤滑油が、凝固殻を形成するため の冷却水に混入するという問題がある。通常、冷却水は循環して使用しているため、 潤滑油が混入すると、混入した潤滑油を栄養源として大量のバクテリアや藻などが冷 却水回路や水槽内に発生してしまい、冷却水回路が目詰まりすることがある。また、 冷却水の廃棄時に潤滑油の分離に多大のコストがかかるという問題もある。
[0018] さらに、水冷铸型の内壁を黒鉛としたのみでは、溶湯表面に生じる酸ィ匕物を抑制す ることができないため、酸ィ匕物の生成に関する問題を解決することができない。その ため、面削する量を軽減したり、面削自体を完全になくしたりすることは困難である。
[0019] したがって、溶湯表面に生成する酸ィ匕物の生成量を抑制することができるとともに、 水冷铸型の内壁に用いられる黒鉛の酸ィ匕消耗を抑制することができるアルミニウム
铸塊の製造方法、アルミニウム铸塊、およびこのようなアルミニウム铸塊を得るのに好 適なアルミニウム铸塊の製造用保護ガスの提供が望まれている。
発明の開示
[0020] すなわち、本発明の諸側面として、次のようなアルミニウム铸塊の製造方法、アルミ ユウム铸塊、およびこのようなアルミニウム铸塊を得るのに好適なアルミニウム铸塊の 製造用保護ガスを提供する。
[0021] [1] アルミニウム铸塊の製造方法は、地金を溶解して溶湯にする溶解工程、溶湯を 保持する保持工程、溶湯カゝら水素ガスを除去する脱水素ガス工程、溶湯から介在物 を除去するろ過工程、および溶湯を水冷铸型で所定の形状の铸塊に成形して固化 する铸造工程を含む、純アルミニウムまたはアルミニウム合金のアルミニウム铸塊に おける製造方法において、前記した各工程のうち少なくとも一つの工程における処理 を、フッ化ガスを含んでなる保護ガス雰囲気中で行うことを特徴としている。
[0022] 本発明のアルミニウム铸塊の製造方法は、前記の各工程において、フッ化ガスを含 む溶湯酸ィ匕抑制用の保護ガス雰囲気中で地金または溶湯を溶解、保持、水素ガス の除去、介在物の除去、固化等の各処理を行うので、溶湯表面に生成する酸化物の 生成を抑制することができる。
[0023] [2] そして、このとき用いる保護ガスは、フッ化ガスを 0. 001〜1質量0 /0、炭酸ガス を 0. 01〜10質量%含有し、残部が窒素ガスおよびアルゴンガスのうち少なくとも 1 つを含んで構成するのが好ましぐ [3] そのフッ化ガスは、フルォロケトンとするのが より好まし 、。
[0024] このように、本発明のアルミニウム铸塊の製造方法は、保護ガスの主要な成分を窒 素ガスおよび Zまたはアルゴンガスとしているので溶湯表面の酸ィ匕を防止することが できる。なお、当該保護ガスは、従来用いられてきた炭酸ガスを主体とする保護ガス と比較して、含有する炭素ガスの含有量が相対的に少ないので、アルミニウムまたは アルミニウム合金の酸ィ匕を防止するだけでなく、炭化も低減させることができる。 特に、本発明のアルミニウム铸塊の製造方法では、フッ化ガスとしてフルォロケトン を用いることによって、溶湯の表面にフッ化アルミニウム (A1F )の被膜を形成すること
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ができるので、溶湯表面の酸ィ匕をさらに防止することが可能となる。
[0025] [4] 本発明のアルミニウム铸塊の製造方法は、水冷铸型内の溶湯の触れる少なくと も一部が、黒鉛または黒鉛を含む素材を用いて形成されて ヽるのが好まし 、。
[0026] このように、水冷铸型内の溶湯の触れる少なくとも一部を黒鉛または黒鉛を含む素 材を用いて形成しているので、溶湯の酸ィ匕を防止することができる。したがって、酸ィ匕 物の生成をさらに抑制することができる。
また、本発明のアルミニウム铸塊の製造方法では、前記した保護ガス雰囲気中で铸 造を行うので、当該黒鉛の酸ィ匕消耗を抑制し、良好な状態に保つことができる。その ため、铸造される铸塊は、酸ィ匕物の生成の防止を図ることができるとともに、粗い組織 の形成を抑制することができるので、エアーギャップの形成の防止を図ることが可能 である。
[0027] [5] 本発明のアルミニウム铸塊の製造方法における铸造工程では、溶湯を所定の 形状に成形する際に、铸造用の潤滑油を用いないで行うのが好ましい。
[0028] このように、潤滑剤を用いな!/、で铸造を行うと、循環する冷却水に潤滑油が混入す ることがないので、バクテリアや藻などの発生を防止することができる。そのため、冷 却水回路の目詰まりを防止することができるとともに、冷却水の廃棄時における潤滑 油の分離に多大のコストがかかるということもなくなる。
[0029] [6] 本発明のアルミニウム铸塊の製造方法では、地金にアルミニウム合金を用いた 場合には、当該アルミニウム合金は、 7〜40質量0 /0の Mgを含有したものであっても よい。
本発明のアルミニウム铸塊の製造方法によれば、フッ化ガスを含んでなる保護ガス 雰囲気中で铸造などの処理を行うので、活性に富む Mgを高含有量で含有するアル ミニゥム合金であっても、溶湯表面に酸ィ匕物を生成させることなくアルミニウム铸塊を 製造することができる。
[0030] [7] 本発明に係るアルミニウム铸塊は、純アルミニウムまたはアルミニウム合金のァ ルミ-ゥム铸塊であって、 Al Oおよび MgAl Oの含有率が lOppm以下、かつ、 A1
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Cおよび Al Cの含有率が 4ppm以下であることを特徴としている。 [8] このとき、本
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発明のアルミニウム铸塊は、 7〜40質量0 /0の Mgを含有するものであってもよい。
[0031] このように、本発明のアルミニウム铸塊は、 Al Oおよび MgAl Oといった酸化物
や Al Cおよび Al Cといった炭化物が少ないので、力かるアルミニウム铸塊を用い
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ると、例えば、缶材、ディスク材などのアルミニウム薄板を製造したときに、表面疵ゃ 割れなどを発生しに《することができる。
特に、活性に富む Mgを高含有量で含有するアルミニウム合金であっても、酸ィ匕物 および炭化物などをほとんど含まない铸塊を得ることができる。
[0032] [9] 本発明に係るアルミニウム铸塊の製造用保護ガスは、フッ化ガスを 0. 001〜1 質量%、炭酸ガスを 0. 01〜: LO質量%含有し、残部が窒素ガスおよびアルゴンガス の少なくとも一つを含んで構成するのがよい。
このようなアルミニウム铸塊の製造用保護ガスを用いれば、保護ガスの主要な成分 が窒素ガスおよび Zまたはアルゴンガスであるので、溶湯表面の酸ィ匕を防止すること ができる。また、このアルミニウム铸塊の製造用保護ガスは、従来用いられてきた炭酸 ガスを主体とする保護ガスと比較して、含有する炭素ガスの含有量が相対的に少な いので、アルミニウムまたはアルミニウム合金の酸ィ匕を防止するだけでなぐ炭化も低 減させることができる。
[0033] 本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
本発明のアルミニウム铸塊の製造方法によれば、溶湯表面の酸ィ匕を防止すること ができるので、酸化物の凝集体 (ドロス)や粗!、組織をほとんど含まな ヽアルミニウム 铸塊を製造することができる。
そして、本発明のアルミニウム铸塊の製造方法によって製造されたアルミニウム铸 塊はドロスをほとんど含まないので、アルミニウム铸塊を面削する場合において、面 削する量を軽減することができるだけでなぐ面削自体をなくすことも可能である。ま た、粗い組織をほとんど含まないので、最終製品を製造したときに表面疵ゃ割れが 発生するのを抑制することができる。
[0034] また、本発明のアルミニウム铸塊によれば、酸ィ匕物(ドロスを含む)や粗!ヽ組織をほ とんど含まないので、これを用いて最終製品を製造しても、当該最終製品に表面疵 や割れが発生するのを抑制することができる。
[0035] 前記した本発明の諸側面及び効果、並びに、他の効果および更なる特徴は、添付 の図面を参照して後述する本発明の例示的かつ非制限的な実施の形態の詳細な説
明により、一層明ら力となるであろう。
図面の簡単な説明
[0036] [図 1]地金を溶解してアルミニウム铸塊を製造するまでの工程の概要を説明する説明 図である。
[図 2] (a)〜 (c)は、いずれも保護ガスの供給手段を説明するための説明図である。
[図 3] (a)〜 (c)は、いずれも保護ガスの供給手段を説明するための説明図である。 発明を実施するための最良の形態
[0037] 以下、図 1を参照して本発明に係るアルミニウム铸塊の製造方法、これによつて製 造されたアルミニウム铸塊、および、アルミニウム铸塊を製造するのに好適な保護ガ スについて詳細に説明する。
なお、図 1は、地金を溶解してアルミニウム铸塊を製造するまでの工程の概要を説 明する説明図である。
[0038] 図 1に示すように、本発明のアルミニウム铸塊の製造方法は、アルミニウムまたはァ ルミ-ゥム合金の地金を溶解し、アルミニウム铸塊 10にするまでの!/、ずれかの工程に おいて適用できるものである。なお、地金については後に詳述する。
具体的には、溶解工程、保持工程、脱水素ガス工程、ろ過工程、および铸造工程 を含む各工程のうち少なくとも一つの工程において、フッ化ガスと、炭酸ガスと、窒素 ガスおよび Zまたはアルゴンガスとを混合した保護ガス雰囲気中で行うものである。 なお、本発明のアルミニウム铸塊の製造方法は、前記した各工程の全てに適用す るのが最も好適であるが、アルミニウム铸塊 10に形成する直前の工程である脱水素 ガス工程および Zまたはろ過工程に適用すると優れた酸ィ匕防止効果を発揮すること ができる。
[0039] 溶解工程は、図 1の溶解炉 1においてアルミニウムまたはアルミニウム合金の地金を 溶解して溶湯 9にする工程である。
このとき、溶解炉 1内の溶湯 9の温度は 750〜800°C程度となる。一般的に、溶湯 9 は、 750°Cを超えると表面が酸化して酸化物が生成されやすい状態となる。しかし、 後に詳述する本発明の保護ガスを用いて溶湯 9の表面を保護する (以下、保護ガス 雰囲気中という)ことによって、溶湯 9の表面が酸ィ匕するのを防止することができる。
[0040] 保持工程は、図 1の保持炉 2において一時的に溶湯 9を保持し、必要に応じてマグ ネシゥム (Mg)などの組成成分の添加、最終チェックやアルミニウム铸塊 10を製造す るのに最適な温度に調整する工程である。
このときの溶湯 9の温度は、溶解工程の溶湯 9とほぼ同じ温度に保たれている。そ のため、保持工程にお!ヽても溶湯 9の表面が酸ィ匕されやす 、状態になって 、ると ヽ える。したがって、本発明の保護ガスを用いて保護ガス雰囲気中で溶湯 9を保持する ことによって溶湯 9の表面の酸ィ匕を防止することができる。本工程では Mgなどを添カロ した際に大量に酸ィ匕物が生じることがあるが、既に原料が溶解して 、るためバーナー などによる過剰な加熱もなく大気の乱れが小さいために、効率的に保護ガスを適用 できる。
[0041] 脱水素ガス工程は、図 1の脱水素ガス装置 3において溶湯 9中の水素ガスを除去す る工程である。
水素ガスは、燃料中の水素や地金などに付着している水分、その他有機物などか ら発生する。水素ガスが多く含まれていると、アルミニウム铸塊 10を圧延した際にピン ホールの原因となったり、製品の強度が弱くなつたりする。また、圧延中に表面が膨 れるブリスターの原因ともなる。そのため、水素ガスは、溶湯 lOOg中 0. 15ml以下、 より好ましくは 0. 1ml以下とする必要がある。
脱水素ガス工程における水素ガスの除去は、前記した温度で溶湯 9をフラクシング 、塩素精鍊、またはインライン精鍊などを行うことによって好適に行うことができるが、 脱水素ガス装置 3にス-フ(図 2 (a)参照)やポーラスプラグ (特開 2002— 146447号 公報参照)を用いて行うと、より好適に除去することができる。
そして、この脱水素ガス工程も前記と同様、本発明の保護ガス雰囲気中で行うこと によって、溶湯 9の表面の酸ィ匕を防止することができる。
[0042] ろ過工程は、図 1のろ過装置 4において主として酸ィ匕物や非金属の介在物を除去 する工程である。
ろ過装置 4には、例えば lmm程度の粒子のアルミナが用いられたセラミックチュー ブ (不図示)が設けられており、これに溶湯 9を通すことによって前記の酸化物や介在 物を除去することができる。
[0043] そして、ろ過工程以降に保護ガスを用いれば、それ以降の工程における酸ィ匕物な どの混入が抑制でき、脱水素ガスやろ過により高度に品質を確保した溶湯をそのま まアルミニウム铸塊 10とすることができる。また酸化物の堆積物(ドロス)の堆積を抑 制できるので、ドロス除去の手間を低減することができる。
[0044] 铸造工程は、図 1に示される、水冷铸型 51を含んで構成されている铸造装置 5で、 溶湯 9を直方体形状などの所定の形状に形成して固化することでアルミニウム铸塊 1 0を製造するための工程である。
具体的には、水冷铸型 51に溶湯 9を注湯し、水冷铸型 51と接触する溶湯 9に向け て冷却水を噴射して当該溶湯 9を冷却凝固させて凝固殻を形成し、この凝固殻およ び内部の溶湯を保持台 52によって下方に引き出しながら水冷铸型 51の下方にて当 該凝固殻にさらに冷却水を直接噴射することで、凝固殻内側の溶湯を凝固させる半 連続铸造などによって製造することを一例として挙げることができる。
このように、本発明のアルミニウム铸塊の製造方法を用いることによって、従来は溶 湯 9の表面の酸ィ匕を防止することが困難であった铸造工程であっても、アルミニウム 铸塊 10中に酸ィ匕物が混入するのを防ぐことができる。なお、この水冷铸型 51内の溶 湯の触れる少なくとも一部、例えば、その内壁の一部を黒鉛または黒鉛を含む素材 を用いて形成してもよい。
[0045] そして、前記した全ての工程において、溶湯 9の表面の酸ィ匕を防止するために本発 明に係る保護ガスは、フッ化ガスと、炭酸ガスと、窒素ガスおよび Zまたはアルゴンガ スとを混合したものを用いて 、る。
[0046] 保護ガスの組成としては、フッ化ガスを 0. 001〜1質量0 /0、炭酸ガスを 0. 01〜: LO 質量%含有し、残部が窒素ガスおよびアルゴンガスのうち少なくとも 1つを含んで構 成されているのが好ましいが、本発明の効果を妨げない限りにおいて、その他のガス を含んでもよい。その他のガスとしては、任意に含有させた不活性ガスや不可避的に 混入し得るガスなどを挙げることができる。不活性ガスとしては、例えば、アルゴンガス やヘリウムガスを挙げることができ、不可避的に混入し得るガスとしては、酸素ガスを 挙げることができる。
[0047] 保護ガスにおけるフッ化ガスの含有率を前記の範囲とすることによって、溶湯 9表面
のアルミニウムと結合して A1Fの被膜を形成することができる結果、溶湯 9が酸ィ匕す
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るのを防止することが可能となる。
一方、フッ化ガスの含有率が前記の範囲未満であると、フッ化ガスと溶湯 9中のアル ミニゥムとの反応生成物 (A1F )からなる被膜の形成が不十分となるために、溶湯 9の
3
酸ィ匕を防止することが困難となる。また、フッ化ガスの含有率が前記の範囲を超えると 、 COFなどの有害物質が発生しやすくなる。
2
なお、炭酸ガスの含有率が前記の範囲となることについての理由は、後述する。
[0048] また、保護ガスの組成のうち窒素ガスを多く含んでいることによって酸ィ匕を防止する ことができるとともに、炭素源を少なくすることができるために溶湯 9の炭化を防止する ことが可能となる。
なお、窒素ガスと溶湯 9のアルミニウムが反応することによって窒化アルミニウムが 生成され得る。この窒化アルミニウムは、炭化アルミニウムを窒素ガス雰囲気中でカロ 熱すること〖こよって生成されるものである。したがって、保護ガス中の炭素ガスの含有 量を減らし、炭化アルミニウムの生成量を少なくしている本発明においては、このよう な窒化アルミニウムは生成されにくぐアルミニウム铸塊 10中にもほとんど含まれるこ とがない。
[0049] 本発明に用いるフッ化ガスとしては、フルォロケトン (fluorinated ketone)ガスを好適 に用いることができる。特に、パーフルォロケトンガス、水素化フルォロケトンガス、お よびこれらを混合したガスを好適に用いることができる。
[0050] ここで、フルォロケトンは、通常、常温で液体であるため、保護ガスとして用いるには 気化させる必要がある。
気化させた保護ガスを得るためには、まず、図 1に示すように、耐圧容器 6に所定量 (0. 01〜10質量
0 /
0、より好ましくは 0. 1〜2質量
0 /
0)の液体のフルォロケトンを入れ、 次 、で残部が炭素ガスとなるように液ィ匕炭酸ガスを入れて液ィ匕元ガスを調製する。こ れによって、フルォロケトンを液ィ匕炭酸ガス中で均一化させることができる。なお、炭 素ガスは耐圧容器内で超臨界液体となり、フルォロケトンを均一に溶解するものであ る。この超臨界作用を有する範囲で窒素、アルゴン等の他のガスを混合しても問題は 無い。
ばれた 1種以上が好ましい。すなわち、これらのうち 1種を用いてもよいし、 2種以上を 混合して用いてもよい。
[0055] なかでも特に、ペンタフルォロェチルーヘプタフルォロプロピルケトン、すなわち C
3
F (CO) C F (例えば CF CF C (0) CF (CF ) 、 CF CF C (0) CF CF CF )を用
7 2 5 3 2 3 2 3 2 2 2 3 いるのが好ましい。
[0056] 以上、説明した保護ガスによれば、溶湯表面の酸ィ匕を防止することができるだけで なぐ従来用いられてきた炭酸ガスを主体とする保護ガスと比較して、さらに溶湯表面 の炭化を防止することができる。
また、この保護ガスは、一酸ィ匕炭素の生成量も低ぐかつ地球温暖係数が低いので
、安全保安や環境保全に優れている。
[0057] このように、本発明に係る保護ガスを用いて行う本発明のアルミニウム铸塊の製造 方法によれば、特定の組成を有する保護ガス雰囲気中でアルミニウムまたはアルミ二 ゥム合金の溶湯 9を処理するので、組織中に酸ィ匕物などの介在物をほとんど含まな
V、アルミニウム铸塊 10を製造することができる。
また、前記した保護ガス雰囲気中で铸造を行う本発明のアルミニウム铸塊の铸造方 法では、黒鉛が消耗しないので潤滑剤を用いる必要がない。そのため、冷却水回路 の目詰まりや冷却水の廃棄を容易に行うことが可能となる。
[0058] なお、本発明の保護ガスは、前記した溶解工程、保持工程、脱水素ガス工程、ろ過 工程、および铸造工程で使用する各炉内または装置内において溶湯 9の表面を保 護するだけでなぐ溶湯 9を運搬するための桶 (不図示)についても同様に適用する のが好ましい。
つまり、溶湯 9を運搬する際に、予め桶内を本発明の保護ガスで満たしておき、しか る後に当該桶内に溶湯 9を注ぎ入れることによって溶湯 9の表面を保護することがで き、溶湯 9の表面の酸ィ匕を防止することができる。
[0059] 以上説明したように、本発明のアルミニウム铸塊の製造方法は、溶湯 9の表面の酸 化を防止し、酸ィ匕物をほとんど含まな 、アルミニウム铸塊 10を製造することができる。
[0060] より詳細には、本発明のアルミニウム铸塊の製造方法によって製造されたアルミ-ゥ ム铸塊 10は、 JISH4000に規定される 1000系の純アルミニウムを用 、て製造するこ
とができるほ力、、マグネシウム(Mg)を多く含む JISH4000に規定される 5000系(Mg 含有率:約 0. 5〜5. 5質量0 /0)などのアルミニウム合金を用いて製造することができ る。
また、本発明のアルミニウム铸塊の製造方法によって製造されたアルミニウム铸塊 1 0は、さらに多くの Mgを含有するアルミニウム合金であっても、好適に製造することが できる。
[0061] つまり、本発明のアルミニウム铸塊 10は、 6質量%を超える Mg、より好ましくは 7〜4 0質量%の Mgを含む高 Mg含有アルミニウム合金であっても、 Al Oや MgAl Oな
2 3 2 4 どの酸化物の含有率が lOppm以下、かつ、 Al Cや Al Cなどの炭化物の含有率
4 3 2 6
力 ppm以下という、酸ィ匕物および炭化物の少ないアルミニウム铸塊 10を製造するこ とがでさる。
[0062] なお、 Mgが 40質量%を超えると、アルミニウム合金の反応性が高すぎるために酸 化物ができやすく好ましくな!/、。
また、酸化物の含有率が lOppmを超えたり、炭化物の含有率が 4ppmを超えたり すると、酸ィ匕物や炭化物が多く含まれるために好ましくない。
[0063] 次に、図 2および図 3を参照して、保護ガスの供給手段について説明する。参照す る図面にぉ 、て、図 2 (a)〜 (c)および図 3 (a)〜 (c)は 、ずれも保護ガスの供給手段 を説明するための説明図である。
なお、図 2および図 3では、保護ガスの供給例として、脱水素ガス装置 3における保 護ガスの供給手段を表しているが、これに限定されることはなぐ溶解炉 1、保持炉 2
、ろ過装置 4、铸造装置 5および桶 (不図示)においても同様に行うことができることは いうまでもない。
[0064] 図 2 (a)に示すように、脱水素ガス装置 3は、容器 31の側面下方側に設けられた溶 湯 9の導入口 32からアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯 9を導入し、当該溶 湯 9をス-フなどの撹拌手段 33によって撹拌しながら溶湯 9中に存在する水素ガスを 除去する。そして、導入口 32と対向する側面下方側に設けられた溶湯 9の排出口 34 カゝら水素ガスを除去した溶湯 9を排出する。
[0065] このような構成の脱水素ガス装置 3における保護ガスの供給手段としては、図 2 (a)
に示すように、保護ガスを供給するための供給口 35を、容器 31に設けられた導入口 32と同じ側面に設ける構成を一例として挙げることができる。
このような構成の脱水素ガス装置 3は、供給口 35が導入口 32に設けられて ヽるた め早い段階で溶湯 9の表面の酸ィ匕を防止することが可能である。また、供給口 35が 容器 31の密閉側を向いているために、容器 31内に供給された保護ガスは、容器 31 外に排気されにくい。そのため、保護ガスの濃度を高く保つことができる。その結果、 溶湯 9表面を大気に触れにくくすることが可能となり、溶湯 9の表面の酸ィ匕を防止する 効果を高めることができる。
[0066] また、保護ガスの供給手段としては、図 2 (b)に示すように、溶湯 9の排出口 34側の 側面に供給口 35を設ける構成とすることや、図 2 (c)に示すように、容器 31の上方中 央部付近に供給口 35を設ける構成とすることも他の一例として挙げることができる。こ れらのような供給手段であっても溶湯 9の表面の酸ィ匕を有効に防止することができる
[0067] なお、図 3 (a)〜(c)に示すように、水素ガスを除去した溶湯 9の排出口 34が大気と 接触し得る構成の脱水素ガス装置 3であっても前記と全く同様に保護ガスの供給口 3 5を設けることができ、溶湯表面の酸ィ匕を防止することが可能である。
[0068] 図 2 (a)および図 3 (b)のように、溶湯 9の導入口 32側に保護ガスの供給口 35を設 けると、溶湯 9が導入された当初力 高い酸ィ匕防止作用を得ることができるので、酸 化物のドロスの発生防止に効果がある。
また、図 2 (b)および図 3 (a)のように、溶湯 9の排出口 34側に保護ガスの供給口 35 を設けると、溶湯品質の確保および向上を図ることができる。
さらに、図 3 (c)のように、容器 31の上方中央部付近に供給口 35を設ける構成とし てもよ 、。このようにしても溶湯 9の表面の酸ィ匕を有効に防止することができる。
実施例
[0069] 次に、本発明のアルミニウム铸塊の製造方法、これによつて製造されたアルミニウム 铸塊、およびアルミニウム铸塊の製造方法に用いるのに好適な保護ガスについて、 下記の《実施例 1 »〜《実施例 3 »で具体的な検討を行ったので、以下に説明する
[0070] 《実施例 1》
大気ガス (すなわち、保護ガス無し)、比較例ガス (すなわち、従来の保護ガス)およ び実施例ガスのうちのいずれかと、 2質量%Mg、 7質量%Mgおよび 10質量%Mg の!、ずれかを含有するアルミニウム合金(表 1にお 、てそれぞれ Al— 2%Mg, A1- 7 %Mg, Al— 10%Mgと表す。)と、保護ガスの供給位置および保護ガス等の換気口 の有無と、を適宜に組み合わせて表 1に示す試験 No. 1〜13とした。
[0071] なお、比較例ガスと実施例ガスは、元ガスとして約 1%のフルォロケトンと約 99%の 炭酸 (二酸化炭素)ガスを混合した大陽日酸 (株)社製ェムジ一シールド (登録商標) を用いて作製した。
すなわち、比較例ガスは、このェムジ一シールドを炭酸ガスと混合し、 0. 1質量% のフルォロケトンと約 100質量%の炭酸ガスで構成した。
また、実施例ガスは、窒素と混合し、 0. 1質量%のフルォロケトンと約 1質量%の炭 酸ガスと約 99質量%の窒素ガスで構成した。
[0072] まず、開口部が 0. 9m φ、長さ 1. 5m、溶湯上部の空間の高さが 0. 5mである容器 に、大気ガス、比較例ガスまたは実施例ガスのいずれかを満たした。
その後、力かる容器に試験 No. 1〜 13のいずれかに示すアルミニウム合金の溶湯 を 750°Cで通湯した。その際、大気ガス、比較例ガスおよび実施例ガスは、いずれも 10LZ分の流量で 10分間ごとに 2分間、間歇的に供給した。
[0073] かかる条件下、 800kgZ分の流量で 50tの溶湯を通湯した後、溶湯表面に生じた 介在物、すなわち酸ィ匕物および炭化物の生成の有無を確認した。
酸化物の生成の有無は、通湯後の溶湯表面を容器にサンプリングしそのまま固め 、垂直方向に切断し目視観察および EPMA (電子線プローブマイクロアナライザー; JEOL衡 SM— 6340F)による元素分析を行うことにより確認した。その結果、粗大な 塊状の酸ィ匕物が生成されたものを不良「 X」、一部に塊状の酸ィ匕物が確認される力、 厚 ヽ被膜状の酸ィ匕物が生成されたにとどまるものを良「△」、薄 ヽ被膜状の酸化物の みが生成されたものを優良「〇」と評価した。
また、炭化物の生成の有無は、通湯後の溶湯表面を容器にサンプリングしそのまま 固め、塩ィ匕第二水銀分解ガスクロマトグラフ法により分析して確認した。その結果、炭
化物が生成して 、たものを不良「 X」、炭化物が生成して 、な力つたものを優良「〇」 と評価した。
[0074] [表 1]
[0075] 試験 No. 1〜3は、保護ガスが無力つた (大気ガス)ために、酸ィ匕物が増えてしまい
( X )、良好な結果を得ることができな力つた ( 、ずれも比較例)。
[0076] また、試験 No. 4〜6は、保護ガスが比較例ガス(0. 1質量%のフルォロケトンと約 100質量%の炭酸ガス)であったために酸ィ匕物の生成も少なく(〇または△)、良好 な結果を得ることができた。
しかし、炭酸ガスの濃度が高 、ために溶湯表面に炭化物が生成してしま 、( X )、 良好な結果を得ることができな力つた ( 、ずれも比較例)。
[0077] これに対し、実施例ガス (0. 1質量%のフルォロケトンと約 1質量%の炭酸ガスと約 99質量%の窒素ガス)を用いた試験 No. 7〜13は、いずれも酸ィ匕物の生成が少なく (〇または△)、かつ、炭化物の生成もみられず (〇)、良好な結果を得ることができた (いずれも実施例)。
特に、試験 No. 7〜10に示すように、保護ガス等を排気するための換気口を設け ない方が、酸ィヒ物および炭化物の生成を防止する効果が高ぐより良好な結果を得 ることができることがわかった。
[0078] 《実施例 2》
試験用小型溶解炉でアルミニウムの地金 100kgを溶解し、その後、 Al— 7%Mgと
なるように Mgを添加して溶湯を作製した。そして、この溶湯を精鍊およびろ過するこ とによって当該溶湯中力 酸ィ匕物を除去した。ろ過には約 lmmメッシュのガラスクロ スを用いた。
[0079] 次に、この溶湯を厚さ 150 X幅 400の試験用小型水冷铸型を用いてアルミニウム 合金のアルミニウム铸塊を铸造した。
このとき、アルミニウム铸塊を铸造する際の保護ガスを表 2の試験 No. 14〜21〖こ示 す条件に種々変更し、溶湯表面の酸化物濃度および環境負荷について評価を行つ た。
[0080] なお、《実施例 2》における水冷铸型の内壁は、アルミニウム合金製とした。また、 アルミニウム铸塊を铸造する際に潤滑油 (菜種油)を適時供給した。
[0081] そして、試験 No. 14〜21に係るアルミニウム铸塊の表面の酸ィ匕物濃度および環 境負荷について評価を行った。
[0082] アルミニウム铸塊の表面の酸ィ匕物濃度は、ヨウ素メタノール法、すなわち酸化物抽 出法により測定した。測定の結果、アルミニウム铸塊の表面の酸ィ匕物濃度が 30ppm 以上だったものを好ましくな 、( X )、 10〜30ppmだったものをやや好ましくな ヽ(△) 、 lOppm以下だったものを好ま 、(〇)と評価した。
[0083] 環境負荷に関しては、地球温暖化ガスであるものを好ましくな 、( X )、地球温暖化 ガスでな!、ものを好ま ヽ(〇)と評価した。
試験 No. 14〜21の保護ガスの種類、およびこれらの評価結果を表 2に示す。
[0084] [表 2] 試験 アルミニウム錶塊の
保護ガス 境負何 備考
No. 表面の酸化物濃度
1 4 無し (大気ガス) 3 0 p p m以上 (X ) 〇
1 5 六フッ化硫黄ガス 1 0 p p m以下 (〇) X
1 6 塩茶ガス 1 0 p p m以下 (〇) X
1 7 アルゴンガス 1 0 ~ 3 0 p p m (厶) O 比較例
1 8 窒素ガス 3 0 p p m以上 (X ) O
フルォロケトン 100ppm
1 9 1 0 ~ 3 0 p p m (Δ) O
二酸化炭素 約 100%
フルォロケトン 100ppm
2 0 二酸化炭素 約 196 1 0 p p m以下 (〇) O
アルゴン 約 99%
実施例 フルォロケトン 50ppm
2 1 二酸化炭素約 0. 5% 1 0 p p m以下 (◦) O
窒素 約 99. 5%
[0085] 表 2に示すとおり、試験 No. 14〜19は、本発明の要件を満たしていないので、ァ ルミ-ゥム铸塊の表面の酸ィ匕物濃度の評価にぉ 、て好ましくな 、( X )またはやや好 ましくな ヽ(△) t 、う評価結果を得ることとなり、環境負荷の評価にぉ 、て好ましくな い( X )と 、う評価結果を得ることとなった (比較例 (備考参照) )。
一方、試験 No. 20, 21は、本発明の要件を満たしているので、アルミニウム铸塊の 表面の酸化物濃度および環境負荷の 、ずれにお!、ても好ま ヽ(〇)と!、う評価結 果を得ることができた (実施例 (備考参照) )。
[0086] 具体的に説明すると、試験 No. 14は、保護ガスが無力つた(大気ガスであった)た めに、環境負荷は好ましい(〇)という評価結果を得ることができたものの、アルミ-ゥ ム铸塊の表面の酸ィ匕物濃度が 30ppm以上となり、好ましくな 、( X )と 、う評価結果と なった。
[0087] また、試験 No. 15および試験 No. 16は、それぞれ六フッ化硫黄ガスおよび塩素 ガスを用いたため、アルミニウム铸塊の表面の酸ィ匕物濃度は lOppm以下となり、好ま L ヽ(〇)と 、う評価結果を得ることができたものの、環境負荷が好ましくな 、( X )とい う評価結果となった。
[0088] 試験 No. 17は、アルゴンガスを用いたために、環境負荷は好ま 、(〇) t 、う評価 を得ることができたものの、アルミニウム铸塊の表面の酸ィ匕物濃度が 10〜30ppmと なり、やや好ましくない(△)という評価結果となった。
[0089] 試験 No. 18は、窒素ガスを用いたために、環境負荷は好ましい(〇)という評価を 得ることができたものの、酸化防止の効果が十分でなぐアルミニウム铸塊の表面の 酸ィ匕物濃度が 30ppm以上となり、好ましくな 、( X )と 、う評価結果となった。
[0090] そして、試験 No. 19は、フルォロケトン 100ppm、二酸化炭素(炭酸ガス)約 100% であったので、環境負荷は好ましい(〇)という評価結果を得ることができたものの、ァ ルミ-ゥム铸塊の表面の酸ィ匕物濃度が 10〜30ppmとなり、やや好ましくない(△)と いう評価結果となった。これは、高濃度の二酸化炭素から還元されて生成した酸素ガ ス (活性酸素)〖こよるものと考えられる。
[0091] 以上、《実施例 2》の結果から、フルォロケトンを含有し、さら〖こ、不活性ガスとして 窒素ガスを多く含む保護ガスを用いる本発明のアルミニウム铸塊の製造方法とすれ
ば、環境に負荷をかけることなくアルミニウム铸塊の表面の酸ィ匕物濃度を低くすること ができる、つまり、アルミニウム溶湯の表面に形成される酸ィ匕物(ドロスを含む)の生成 を抑制することができることがわ力つた。
[0092] 《実施例 3》
《実施例 3》では、試験用小型炉によりアルミニウム地金 100kgを溶解し、その後
、 Al— 5%Mgとなるように Mgを添加して溶湯を作製した。そして、この溶湯を精練お よびろ過することによって当該溶湯中力 酸ィ匕物を除去した。ろ過には約 lmmメッシ ュのガラスクロスを用いた。
[0093] 次に、この溶湯を 150L X 400Wの試験用小型水冷铸型を用いてアルミニウム合金 のアルミニウム铸塊を铸造した。
このとき、アルミニウム铸塊を铸造する際の保護ガスを表 3の試験 No. 22〜28に示 す条件に種々変更し、溶湯表面の酸化物濃度および環境負荷について評価を行つ た。
[0094] なお、《実施例 3》における水冷铸型の内壁は、黒鉛製とした。また、アルミニウム 铸塊を铸造する際に、潤滑油は使用しな力つた。
[0095] そして、《実施例 2》と同様に、アルミニウム铸塊の表面の酸ィ匕物濃度と環境負荷 の評価を行うととも〖こ、黒鉛の消耗についての評価を行った。
アルミニウム铸塊の表面の酸ィ匕物濃度と環境負荷の評価は、 «実施例 2:»に準じ て行った。
黒鉛の消耗についての評価は、 10回以上铸造できたものを好ましい(〇)と評価し 、 10回未満のものを好ましくない(X )と評価した。
試験 No. 22〜28の保護ガスの種類、およびこれらの評価結果を表 3に示す。
[0096] [表 3]
試験 アルミニウム錶塊の
保護ガス 黒鉛の消耗 環境負荷 備考
No. 表面の酸化物濃度
2 2 六フッ化硫黄ガス 〇 〇 X
2 3 塩素ガス 〇 X X
2 4 アルゴンガス 厶 X o
2 5 窒素ガス X X O 比較例
2 6 無し (大気ガス) X X O
フルォロケトン 50pptn
2 7 Δ 〇 O
二酸化炭素 約 100%
フルォロケトン 100ppm
2 8 二酸化炭素 約 1 % 〇 〇 O 本発明 窒素 約 99%
[0097] 表 3に示すとおり、試験 No. 22〜27は、本発明の要件を満たしていないので、ァ ルミ-ゥム铸塊の表面の酸ィ匕物濃度の評価にぉ 、て好ましくな 、( X )またはやや好 ましくない(△)という評価結果を得ることとなり、環境負荷および黒鉛の消耗のいず れかの評価にぉ 、て好ましくな!/、( X )と!、う評価結果を得ることとなった (比較例 (備 考参照))。
一方、試験 No. 28は、本発明の要件を満たしているので、アルミニウム铸塊の表 面の酸化物濃度、環境負荷および黒鉛の消耗の 、ずれにぉ 、ても好ま ヽ(〇)と V、う評価結果を得ることができた (実施例 (備考参照) )。
[0098] 具体的に説明すると、試験 No. 22および試験 No. 23は、それぞれ六フッ化硫黄 ガスおよび塩素ガスを用いたため、アルミニウム铸塊の表面の酸ィ匕物濃度は lOppm 以下となり、好ましい(〇)という評価結果を得るとともに、黒鉛の消耗も好ましい(〇) という評価を得ることができた。しかし、環境負荷が好ましくない(X )という評価結果と なった。
[0099] 試験 No. 24は、アルゴンガスを用いたために、環境負荷は好ま 、(〇) t 、う評価 を得ることができたものの、アルミニウム铸塊の表面の酸ィ匕物濃度が 10〜30ppmと なり、やや好ましくない(△)という評価結果となった。また、黒鉛の消耗の評価につい ては、好ましくな 、( X )と 、う評価結果となった。
[0100] 試験 No. 25は、窒素ガスを用いたために、環境負荷は好ましい(〇)という評価を 得ることができたものの、酸化防止の効果が十分でなぐアルミニウム铸塊の表面の 酸ィ匕物濃度が 30ppm以上となり、好ましくない(X )という評価結果となるとともに、黒 鉛の消耗の評価にっ 、ては、好ましくな 、( X )と 、う評価結果となった。
[0101] 試験 No. 26は、保護ガスが無力つた (大気ガスであった)ために、環境負荷は好ま
L ヽ(〇)と 、う評価結果を得ることができたものの、アルミニウム铸塊の表面の酸ィ匕 物濃度が 30ppm以上となり、好ましくな 、( X )と 、う評価結果となった。
[0102] そして、試験 No. 27は、フルォロケトン 100ppm、二酸化炭素(炭酸ガス)約 100% であったので、環境負荷および黒鉛の消耗についての評価は、好ましい(〇)という 評価結果を得ることができたものの、アルミニウム铸塊の表面の酸ィ匕物濃度が 10〜3 Oppmとなり、やや好ましくない(△)という評価結果となった。これは、高濃度の二酸 化炭素から還元されて生成した酸素ガス (活性酸素)〖こよるものと考えられる。
[0103] 以上、《実施例 3》の結果から、フルォロケトンを含有し、さら〖こ、不活性ガスとして 窒素ガスを多く含む保護ガスを用いる本発明のアルミニウム铸塊の製造方法とすれ ば、環境に負荷をかけることなくアルミニウム铸塊の表面の酸ィ匕物濃度を低くすること ができる、つまり、アルミニウム溶湯の表面に形成される酸ィ匕物(ドロスを含む)の生成 を抑制することができることがわ力つた。また、力かる保護ガスを用いる本発明のアル ミニゥム铸塊の製造方法とすれば、水冷铸型に黒鉛を用いた場合であっても、その 消耗を抑制できることがわ力つた。