JP5612881B2 - マグネシウム合金の連続鋳造方法と連続鋳造装置、及びマグネシウム合金ビレット - Google Patents
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Description
本発明は、マグネシウム合金の連続鋳造方法と連続鋳造装置、及びマグネシウム合金ビレットに関する。
鍛造用素材としてマグネシウム合金を供する場合、鍛造時の割れ等の欠陥を抑制するため、組織（結晶粒やＤＡＳ）の微細化が必須条件とされている。通常、結晶粒径が５００μｍ前後と粗大な鋳造材（ビレット）を鍛造用素材として適用することは極めて困難であり、これまで二次加工を施すことによって組織を微細化した押出材が採用されることがほとんどであった。マグネシウム合金の小型鍛造品は、押出材を素材として使用しているのでコストが高く、実用化、市場拡大に至っていない。
従来の連続鋳造法には、図８に示すように、フロート式ＤＣ鋳造法と断熱鋳型連続鋳造法とがある。フロート式ＤＣ鋳造法は、スパウト出口に取付けた耐火物製フロートの浮力を利用して、鋳型内に供給される溶湯量を一定に制御し、水冷された金属鋳型と鋳型下端から噴出する冷却水で鋳塊を製造する。この方式によれば、水冷鋳型による一次冷却により比較的厚みのある凝固殻が形成されるため、殻のブレークアウトが発生しにくいが、水冷鋳型による一次冷却と鋳型下部から噴射される冷却水による二次冷却との冷却幅が広いため、組織の微細化の実現が困難で、鋳塊表面の凹凸も激しくなる。従来、マグネシウム合金の連続鋳造は、この方式により行っている。
断熱鋳型連続鋳造法は、近年アルミニウム合金用に確立された鋳造法であって、鋳型を断熱構造として鋳型内における溶湯の凝固を極力抑制し、冷却水のみで急冷して鋳塊を製造する方法で、鋳型による一次冷却を排除していることで、微細且つ均一な内部組織と平滑な鋳塊表面が得やすい特徴がある。しかし、マグネシウム合金は活性な金属で極めて酸化しやすいため、断熱鋳型連続鋳造法により鋳造しようとすると、鋳造機降下と同時にビレット表面が冷却水（水蒸気）と反応してビレット表面が酸化・ドロス化し、ビレット表面が割けて湯漏れが発生し、満足に連続鋳造が行えなかった（図９（ａ），（ｂ）参照）。Ｃａ等を添加した防燃特性を有するマグネシウム合金であれば、断熱鋳型連続鋳造法によるビレット鋳造が可能であるが、Ｃａ等を添加すると鍛造加工性に悪影響を及ぼすため好ましくない。
本発明は以上に述べた実情に鑑み、組織を微細化できるマグネシウム合金の連続鋳造方法と連続鋳造装置、及びマグネシウム合金ビレットの提供を目的とする。
上記の課題を達成するために請求項１記載の発明によるマグネシウム合金の連続鋳造方法は、マグネシウム合金溶湯を筒状の断熱鋳型に供給し、鋳型から出るビレットの表面に冷却液を噴射し、ビレットの周囲と冷却液との間に空間を形成し、その空間にフッ素を含む防燃ガスを供給し、ビレットを順次引き出すことを特徴とする。
請求項２記載の発明によるマグネシウム合金の連続鋳造装置は、マグネシウム合金溶湯が供給される筒状の断熱鋳型と、鋳型から出るビレットの表面に防燃ガスを供給する防燃ガス供給手段と、鋳型から出るビレットの表面に冷却液を噴射する冷却液供給手段とを備え、防燃ガス供給手段は、ビレットの周囲と冷却液供給手段から噴射される冷却液との間に形成される空間にフッ素を含む防燃ガスを供給することを特徴とする。
請求項３記載の発明によるマグネシウム合金ビレットは、請求項１記載の連続鋳造方法により製造したことを特徴とする。
請求項１記載の発明によるマグネシウム合金の連続鋳造方法は、断熱鋳型を用いることで鋳型内におけるマグネシウム合金溶湯の凝固が防がれ、鋳型から出るビレットの表面に冷却液を噴射し、ビレットの周囲と冷却液との間に空間を形成し、その空間にフッ素を含む防燃ガスを供給し、ビレットを順次引き出すことで、ビレット表面の酸化を防止しつつビレットを急冷できるため、ビレットの組織が微細化されると共に、水冷鋳型のように鋳型とビレットとの摩擦が無いため平滑な表面が得られ、鍛造用素材としてそのまま用いることのできるマグネシウム合金ビレットを製造できる。ビレットの周囲と冷却液との間に形成される空間にフッ素を含む防燃ガスを供給することで、冷却液と接触する前にビレット表面に酸化を防止する保護膜が形成されるため、ビレット表面の酸化を確実に防止することができ、安定してマグネシウム合金ビレットを連続鋳造できる。また、鋳型内部に防燃ガスを供給するよりは鋳型などの設備の製造コストを低くできる。
請求項２記載の発明によるマグネシウム合金の連続鋳造装置は、マグネシウム合金溶湯が供給される筒状の断熱鋳型と、鋳型から出るビレットの表面に防燃ガスを供給する防燃ガス供給手段と、鋳型から出るビレットの表面に冷却液を噴射する冷却液供給手段とを備え、断熱鋳型を用いることで鋳型内におけるマグネシウム合金の凝固が防がれ、防燃ガス供給手段がビレットの周囲と冷却液供給手段から噴射される冷却液との間に形成される空間にフッ素を含む防燃ガスを供給することで、ビレット表面の酸化を防止しつつビレットを急冷できるため、ビレットの組織が微細化されると共に、水冷鋳型のように鋳型とビレットとの摩擦が無いため平滑な表面が得られ、鍛造用素材としてそのまま用いることのできるマグネシウム合金ビレットを製造できる。また、ビレットの周囲と冷却液との間に形成される空間にフッ素を含む防燃ガスを供給することで、冷却液と接触する前にビレット表面に酸化を防止する保護膜が形成されるため、ビレット表面の酸化を確実に防止して安定してマグネシウム合金ビレットを連続鋳造できると共に、鋳型内部に防燃ガスを供給するよりは鋳型などの設備の製造コストを低くできる。
請求項３記載の発明によるマグネシウム合金ビレットは、請求項１記載の連続鋳造方法により製造したので、組織が微細化されると共に表面が平滑になり、そのまま鍛造用素材として適用可能であり、押出等の二次加工を省いて素材コストを低減できる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図２は、本発明のマグネシウム合金の連続鋳造装置（縦型）の全体構成を示しており、図１はその鋳型周辺部を拡大したものである。本連続鋳造装置は、図２に示すように、マグネシウム合金溶湯１を収納するタンディッシュ１０と、タンディッシュ１０の底部に設置した円筒状の鋳型２と、鋳型２の直下に設けた冷却水ジャケット７と、昇降する受台１１とを備えており、受台１１の下降によりマグネシウム合金溶湯１を鋳型２から下方に連続的に引き出しながら、冷却水ジャケット７から噴射する冷却水５により凝固させ、円形断面のビレット３を連続鋳造するものである。
鋳型２は黒鉛製で、図１に示すように、周囲を耐火材１２で保持してあり、これにより鋳型２は断熱され、鋳型２内でのマグネシウム合金溶湯１の凝固を防いでいる。図中の符号１３は、マグネシウム合金溶湯１の凝固界面を示している。
鋳型２は黒鉛製で、図１に示すように、周囲を耐火材１２で保持してあり、これにより鋳型２は断熱され、鋳型２内でのマグネシウム合金溶湯１の凝固を防いでいる。図中の符号１３は、マグネシウム合金溶湯１の凝固界面を示している。
さらに本連続鋳造装置は、図１に示すように、鋳型２から出るビレット３の表面に防燃ガス４を供給する防燃ガス供給手段６を備え、防燃ガス供給手段６は、ビレット３の周囲と冷却水ジャケット７から噴射される冷却液５との間に形成される空間（閉空間）８に防燃ガス４を供給している。図３は、防燃ガス供給手段６の具体的な構造の一例を示しており、冷却水ジャケット７の上部の内周側を溝状に削りこんでガスヘッダー１４がリング状に形成され、ガスヘッダー１４に連通して鋳型２の下端部外周面と冷却水ジャケット７の内周面との間に隙間１５が、円周方向に連続して形成されている。ガスヘッダー１４には、配管１６ａ，１６ｂと横孔１７を通じて防燃ガスが供給され、前記隙間１５を通じて鋳型２から出た直後のビレット３の周囲に防燃ガス４が円周方向に均一に供給されるようにしている。図３中の符号１９は、冷却水の噴出口である。防燃ガス４は、マグネシウム合金溶湯１の酸化、燃焼を防止できるものであれば何でもよく、例えば六フッ化硫黄（ＳＦ６）や代替フロン（ＨＦＣ−１３４ａ等）、ＳＯ２をＣＯ２で希釈したものなどを用いることができる。なお、タンディッシュ１０中のマグネシウム合金溶湯１の表面にも防燃ガス１８を供給し（図２参照）、マグネシウム合金溶湯１の燃焼を防止している。
本連続鋳造装置は、上述のように鋳型２を断熱することで鋳型２内におけるマグネシウム合金溶湯１の凝固が防がれ、鋳型２から出た直後のビレット３表面に防燃ガス４が供給されることでビレット３表面に酸化を防止する保護膜（六フッ化硫黄を用いた場合には、ＭｇＦ２）が形成され、その後に冷却水ジャケット７から噴射した冷却水５で急冷されてビレット３が製造される。このように、冷却水５と接触する前にビレット３表面に酸化を防止する保護膜が形成されるため、ビレット３表面が冷却水５と反応して酸化・ドロス化することがなく、安定して連続鋳造ができ、しかも鋳型２内でマグネシウム合金溶湯１を凝固させずに、鋳型２から出てから冷却水５のみで急冷することで、ビレット３の凝固組織が微細且つ均一になり、且つビレット３表面が平滑になる。
上述の連続鋳造装置を用いて実際にマグネシウム合金ビレットを製造し、ビレットの表面と内部組織の観察を行った。マグネシウム合金は、ＡＺ９１（Ｍｇ−９ｍａｓｓ％Ａｌ−１ｍａｓｓ％Ｚｎ）を用いた。ビレット径は７６ｍｍで、鋳造速度は６０（スタート）→１３０ｍｍ／ｍｉｎ、冷却水量は２０リットル／ｍｉｎとした。防燃ガスは六フッ化硫黄を用い、防燃ガスの吹き込み量は２リットル／ｍｉｎとした。
図４（ａ），（ｂ）は、鋳造したマグネシウム合金ビレットの外観の写真であり、表面の酸化が完全に抑制され、平滑な表面になっていることが分かる。また図４（ｃ）に示すように、ビレット断面の組織は全体にわたり微細且つ均一な結晶組織が得られており、粗大粒等の異常組織は確認されず、表皮部に偏析層が形成されることもなかった。図５（ａ）はこのビレットのマクロ組織の写真であり、結晶粒が微細且つ均一になっており、平均結晶粒径を測定したところ約８０μｍと、図５（ｂ）に示す従来法によるビレット（平均結晶粒径：約１３０μｍ）と比較して、結晶粒が大幅に微細化・均一化されていることが分かる。また、ビレットのミクロ組織を観察したところ、図６（ａ）に示すように析出物が微細且つ均一に分散し、ＤＡＳ(dendrite arm spacing)を測定したところ約１３μｍと、図６（ｂ）に示す従来法によるビレット（ＤＡＳ：約３０μｍ）と比較して、大幅に微細化されていることが確認できた。
以上に述べたように本発明によれば、マグネシウム合金ビレットの組織（結晶粒、ＤＡＳ）を従来法によるものと比べて大幅に微細化することができ、組織が微細化されることで滑りや伸びが向上することから、鍛造加工性が良好となり、押出等の二次加工をせずにビレットを鍛造用素材としてそのまま用いることができる。本発明の連続鋳造方法は、直径５０〜１５０ｍｍの比較的小径のビレットの鋳造に適しており、本発明によりマグネシウム合金の鍛造用素材のコストを大幅に低減できるため、自動車部品等にマグネシウム合金の小型鍛造品の実用化が進むものと期待される。
本発明は、横型の連続鋳造にも適用可能である。図７は、横型の連続鋳造装置の概要を示している。基本的な構成は図１に示す縦型のものと同様であるが、横型の場合には、タンディッシュ１０の側面に鋳型（断熱鋳型）２が設けられ、その横に冷却水ジャケット７を設け、ビレット３表面に防燃ガス４及び冷却水５を吹きつけながらビレット３を側方に引き出す。
本発明は以上に述べた実施形態に限定されない。マグネシウム合金の合金種は任意であり、鋳造条件は適宜変更することができる。防燃ガスは、マグネシウム合金溶湯の酸化を防止できるものであれば、何を用いてもよい。また防燃ガスの供給量は、ビレット表面に保護膜を形成できる量であればよい。冷却液は、マグネシウム合金溶湯を冷却して凝固させられるものであればよく、必ずしも水でなくてもよい。また冷却液のビレットへの当て方は、スリット状の噴射口から面状に冷却液を噴射してもよいが、円周方向に間隔をおいて設けた多数の噴射口から噴射する態様でもよく、その場合に冷却水に隙間があり防燃ガスを供給する空間が完全に閉じてなくてもよい。鋳型は、断面が四角形や多角形、異形断面のものでもよい。
１ マグネシウム合金溶湯
２ 鋳型（断熱鋳型）
３ ビレット
４ 防燃ガス
５ 冷却水（冷却液）
６ 防燃ガス供給手段
７ 冷却水ジャケット（冷却液供給手段）
８ 空間
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Claims (3)
- マグネシウム合金溶湯を筒状の断熱鋳型に供給し、鋳型から出るビレットの表面に冷却液を噴射し、ビレットの周囲と冷却液との間に空間を形成し、その空間にフッ素を含む防燃ガスを供給し、ビレットを順次引き出すことを特徴とするマグネシウム合金の連続鋳造方法。
- マグネシウム合金溶湯が供給される筒状の断熱鋳型と、鋳型から出るビレットの表面に防燃ガスを供給する防燃ガス供給手段と、鋳型から出るビレットの表面に冷却液を噴射する冷却液供給手段とを備え、防燃ガス供給手段は、ビレットの周囲と冷却液供給手段から噴射される冷却液との間に形成される空間にフッ素を含む防燃ガスを供給することを特徴とするマグネシウム合金の連続鋳造装置。
- 請求項１記載の連続鋳造方法により製造したマグネシウム合金ビレット。
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