JPH0649552A - 難燃性マグネシウムリターン材の溶解方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 フラックスを用いたリターン材の再生精錬工
程を不要にし、コスト低下、作業環境悪化の防止、マグ
ネシウム材の品質向上を図る。 【構成】 ＡＺ９１Ｄにカルシウムと亜鉛をそれぞれ約
１重量％に相当する量を添加して溶湯を作り、それにリ
ターン材を投入し、溶湯面下に沈めて溶解させる。この
ときＳＦ₆／ＣＯ₂などの不燃ガスの導入は行なわず、空
気に接触させた状態で溶解させるが、リターン材の溶解
の間、発火燃焼は起こらない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は輸送機械や家電製品など
の部品や各種ケース類などに使用されるマグネシウム材
のリターン材を溶解して溶湯を作成する方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】車両のオイルパンやミッションケースな
どのケース類にはアルミニウム合金が多く使用されてい
るが、アルミニウム合金より更に比重の小さいマグネシ
ウム又はマグネシウム合金は、より軽量化が可能である
ことから注目されている。一般にマグネシウムやマグネ
シウム合金の溶湯は空気に触れると燃焼しやすいため、
ダイキャストやスクイズキャストではＳＦ₆ガス又はＳ
Ｆ₆とＣＯ₂の混合ガスなどでシールし、またグラビティ
では硫黄粉末でシールするというように、安全性確保に
最大限の配慮がなされてきた。しかし、ＳＦ₆などのシ
ールガスは高価であるので製造コストが高くなる問題が
あり、グラビティでは硫黄粉末に起因するＳＯ₂ガスが
発生し、作業環境を劣悪なものとする問題がある。

【０００３】そこで、本発明者である秋山茂と中村忠義
は、マグネシウム又は既存のマグネシウム合金にカルシ
ウムなどのアルカリ土類金属を添加して溶湯に難燃性を
もたせること、及び難燃性の目的で添加したアルカリ土
類金属によって低下する耐食性を回復させるためにさら
に亜鉛などの防錆向上性金属を添加することを提案して
いる（特願平４−５４３９４号）。アルカリ土類金属を
添加し、又はさらに亜鉛などの防錆向上性金属を添加し
た難燃性マグネシウム材は、溶解する際に通常のマグネ
シウム合金で実施されているＳＦ₆／ＣＯ₂ガスシールや
硫黄粉末粉末を使用せずに溶湯を大気に接触させても燃
焼せず、仮りに燃焼しても燃焼の広がりが遅いという効
果を達成することができる。

【０００４】ダイキャスト法などの鋳造時にはバリ、ラ
ンナー、ビスケットなどのリターン材（返り材）が発生
する。リターン材はホイールなどの大型部品では約４０
％、小型部品ではそれ以上発生すると言われている。し
たがって、マグネシウム材のコストを下げるにはリター
ン材を効率よく再使用することが重要である。リターン
材は鋳造時の離型剤や潤滑材又はそれらが部分的に熱分
解して生成した物質が付着したり、リターン材自体が空
気中の水分や酸素などと化学反応したり、機械加工によ
る切削油が付着したり、運搬中に異材が付着することも
ある。そのため、リターン材を溶解用坩堝（以下、単に
坩堝という）又は坩堝兼用保持炉に直接投入すると、付
着物や化学反応物による爆発燃焼の危険性があることか
ら、通常はフラックスを用いて炉内で精製して再生イン
ゴットとなし、それを再溶解して鋳造に供している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】リターン材の再生精錬
に用いたフラックスを完全に除去することは難しく、フ
ラックスが製品のマグネシウム材に残って耐食性の低下
を招くなど、マグネシウム材の品質上の問題が生じる。
また、再生工程を経ることによってコストの大幅な上昇
を避けられない。更に、フラックスを用いると熱とフラ
ックスヒュームが発生して作業環境を悪化する問題もあ
る。マグネシウム材は軽量効果が高いにもかかわらず普
及が進まない原因の１つは、リターン材をフラックスを
用いた再生工程を経て再生しなければならない点にあ
る。そこで、本発明はフラックスを用いたリターン材の
再生工程を不要にし、リターン材を直接坩堝に投入して
鋳造に供することができるようにして、コスト低下や作
業環境悪化の防止を図るとともに、リターン材を用いた
マグネシウム材の品質低下も防ぐことを目的とするもの
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、マグネシウ
ムもしくはマグネシウム合金又はそれらに強化材を添加
したものに、アルカリ土類金属を少なくとも添加して難
燃化した溶湯を作成し、その溶湯にマグネシウムリター
ン材を直接投入し、溶湯面下に沈めた状態で溶解させ
る。リターン材とはダイキャスト鋳造の際に発生するバ
リ、ランナー、ビスケットのように所望の形状以外のも
の他、機械加工により発生する切り粉なども含んだ意味
で使用している。

【０００７】マグネシウムもしくはマグネシウム合金又
はそれらに強化材を添加したものの溶湯を難燃化するた
めに、本発明ではアルカリ土類金属を添加する。主成分
のマグネシウム又はマグネシウム合金は腐食促進元素で
ある鉄、ニッケル、銅の含有量のできるだけ低濃度なも
のが好ましく、例えばアルミニウムを９％（以下、特に
断わらない限り％は全て重量％である）、亜鉛を約１％
含むマグネシウム合金ＡＺ９１では不純物濃度の低いＡ
Ｚ９１ＤやＡＺ９１Ｅが好ましい。対象となるマグネシ
ウム又はマグネシウム合金の種類は、アルカリ土類金属
や後述の防錆向上性金属の含有量が多くない合金の全て
が対象となる。すなわちアルカリ土類金属や防錆向上性
金属の含有量が本発明の対象とする添加量以下のマグネ
シウム又はマグネシウム合金であればよい。他の成分に
ついては制約はない。代表的な合金としてＡＺ９１やＡ
Ｍ６０がある。

【０００８】添加するアルカリ土類金属はＣａ、Ｂａ又
はＳｒであるが、蒸気の毒性の低い点や入手のしやすさ
からＣａが最も望ましい。アルカリ土類金属の含有量
は、防食性の要求がそれほど強くない用途で、単に溶湯
の難燃性を期待する場合には、５％未満、好ましくは３
％以下である。耐食性の要求の強い用途の場合、溶湯の
難燃性を達成するためのアルカリ土類金属とともに防錆
向上性金属も添加する。防錆向上性金属を添加すればア
ルカリ土類金属の含有率が上昇しても耐食性低下の影響
が少なくなる。この場合にはアルカリ土類金属は１０％
未満、好ましくは８％以下、特に好ましくは５％以下で
ある。１０％以上にする必要はない。コストや元のマグ
ネシウムやマグネシウム合金から特性をできるだけ変化
させないためにも、アルカリ土類金属の添加量は少ない
方が望ましい。しかし、アルカリ土類金属の添加量が余
りにも少ない場合には難燃性が期待できないので、防錆
向上性金属を添加する場合も添加しない場合もアルカリ
土類金属の添加量の下限値は０.１％であり、好ましく
は０.５％以上である。

【０００９】防錆向上性金属は実験的に評価してＺｎ、
Ｃｄ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｚｒ及びＢｅを選定し
た。これらの金属の１種又は２種以上をアルカリ土類金
属とともにマグネシウム又はマグネシウム合金に添加す
る。このうち、人体に対する毒性の低い点でＺｎが最も
望ましい。防錆力向上性元素の添加量は用いる元素によ
り差はあるとともに、用いるマグネシウム又はマグネシ
ウム合金の腐食促進元素の含有率によっても差があるの
で一概に決定することはできないが、ほぼ１０％以下、
好ましくは８％以下である。防錆力向上性元素を添加し
過ぎると逆に耐食性が低下する場合もあり、また元のマ
グネシウム又はマグネシウム合金の特性と大幅に差を生
じることを避ける意味でも１０％以下が望ましい。防錆
力向上性元素の添加量は、例えば塩水噴霧テストの結果
により適宜決定すればよい。

【００１０】アルカリ土類金属材料や防錆向上性金属材
料は不純物としての鉄、ニッケル、銅の含有量ができる
だけ低いものが望ましい。アルカリ土類金属と防錆向上
性金属は単体、合金、金属間化合物の状態で所定量を添
加する。これらの添加元素は市販の純マグネシウム又は
市販のマグネシウム合金を溶解してそれに添加すること
もできるので、インゴット製造業者でなくても鋳造業者
でも目的とする難燃化が可能であるという大きな利点が
ある。特に添加元素の添加量が１〜２％の範囲であれば
特性に大きな変化がなくて好都合である。このような添
加元素はマグネシウム又はマグネシウム合金を溶解した
状態で添加するのが最も一般的であるが、固体のインゴ
ットと一緒に加熱し溶解してもよい。但し、気化しやす
いＺｎなどについては配慮が必要である。純マグネシウ
ム又は組成的に純マグネシウムに近い組成の場合、添加
元素は単体のほかに、例えばＭｇ−Ｃａ、Ａｌ−Ｃａな
どの合金又は金属間化合物を用いてもよい。例えばＡＺ
２１ではＡｌ−Ｃａを用いてＣａ含有ＡＺ９１合金とす
ることも可能である。

【００１１】マグネシウム又はマグネシウム合金の溶湯
に例えば必要量のＣａ、又はＣａとＺｎなどの防錆向上
性金属を添加した後、直ちに、又はしばらく放置して添
加物が溶解してから撹拌棒で撹拌し、均一に溶解させる
ことが望ましい。撹拌時間は坩堝の大きさと撹拌能力に
よって異なるが、５〜６０分でほぼ均一に溶解する。添
加物が均一に溶解するまでは、ＳＦ₆、ＣＯ₂、Ｎ₂、Ａ
ｒガスなどでシールすることが望ましい。均一に溶解す
る撹拌後期にはこのようなガスでシールしなくても、す
なわち大気に開放して撹拌しても溶湯は難燃化している
ので、発火しない。

【００１２】マグネシウム又はマグネシウム合金にセラ
ミックス粒子などを添加して強化複合材とすることがで
きる。セラミックスなどの強化材を添加するときは、強
化材を均一に分散させ又は部分的に偏在化した状態に添
加する。マグネシウム又はマグネシウム合金にアルカリ
土類金属、又はアルカリ土類金属と防錆力向上性金属を
添加して溶解した後、次いで溶湯を撹拌しながら強化材
を添加する。単位時間当りの添加量は撹拌翼の構造、回
転数、強化材の形態などにより変化するため、一概には
決定できないが、目安となる判断基準は添加した強化材
が次第に溶湯に溶け込んでいくことであり、その溶け込
んでいく様子を確認しながら、時間当りの添加量を決め
ればよい。強化材としては短繊維や粒状粉末を用いるこ
とができる。繊維類としてはアルミナ、アルミナシリ
カ、ＳｉＣ、カーボン繊維などの無機繊維を用いること
ができる。このほかウィスカーも用いることができる。
そのサイズは長さ１〜２ｍｍ以下であることが望まし
い。長くなれば分散は可能であるが絡みつきによる粘度
上昇が大きく、鋳造時に流動性が悪くなって実質的に強
化材を多く含有させることができなくなる。繊維状強化
材を多く含有させたいときは、プリホームを先に形成
し、スクイズで含浸させる方法が一般的である。長繊維
についても同様に含有させることができる。一方、粒状
粉末としてはアルミナ、ＳｉＣ、アルミナシリカ、スピ
ネルなどが用いられる。大きさは０.１μｍ〜２ｍｍで
あり、微粉末になってくると粘性が上昇し、鋳造性が劣
るようになる。これらの異種材料の含有率は３５体積％
が最大であり、これ以上は充填が困難である。

【００１３】また、セラミックス類を一度アルコールな
どの溶媒に浸漬させると、嵩高性が減少するとともに、
溶湯との濡れや分散性がよくなる傾向にある。これらの
異種材料と溶湯との濡れ性を改良する方法として、例え
ば特開昭５７−１６９０３３号公報、特開昭５７−１６
９０３４号公報、特開昭６０−１５９１３７号公報、特
開昭６０−１９４０３９号公報などに記載されている方
法を用いることができる。分散させる異種材料の種類や
大きさ、量、濡れ改良剤の種類などの選定や効果の程度
は、溶湯の状態を目で見て簡単に判断できるので、予備
評価が可能であり、その結果から適用範囲を決定すれば
よい。

【００１４】溶湯にアルカリ土類金属を０．１％以上含
有していても、極薄膜状のリターン材を加熱すると燃焼
の可能性が皆無であるとは言い切れないので、リターン
材を速やかに溶湯面下に沈めるのがより安全である。厚
物のリターン材ではゆっくりと溶湯面下に沈めてもよい
が、現実の鋳造品、とりわけダイキャスト品ではバリな
どの薄膜ないしは極薄膜状のものが一体となっているこ
とが多いので、リターン材は速やかに溶湯面下に沈める
のがより安全である。溶湯の保持及び溶湯へのリターン
材の投入は、溶湯を空気に接触させた状態で行なう。し
かし、より安全を期すならば、ＳＦ₆、ＣＯ₂、Ｎ₂、Ａ
ｒガスなど既知の不燃ガスでシールしてもよい。

【００１５】溶湯はアルカリ土類金属を含有して難燃化
されていることが必要であるが、リターン材は必ずしも
溶湯と同じ組成のマグネシウム材である必要はない。リ
ターン材は溶湯と同じ組成の場合、又は溶湯と同じ組成
ではないが難燃化のためにアルカリ土類金属を含有して
いる場合やさらに強化材を含有している場合は勿論のこ
と、アルカリ土類金属の含有率が０であるものでもよ
く、リターン材を投入して溶解した後の溶湯のアルカリ
土類金属含有率が０．１％以上となり、かつ均一に混合
されるものであればよい。

【００１６】

【作用】アルカリ土類金属を０．１％以上、好ましくは
０．５％以上含有したマグネシウムまたはマグネシウム
合金の溶湯は難燃性を示し、空気に接触させても燃焼し
ないことは本発明者らにより見出されている。リターン
材をそのような溶湯に投入して溶湯面下に沈めた状態に
すれば、仮りにリターン材自体を固体状態で加熱したと
きに燃焼するものであったとしても、溶湯中では酸素と
の接触がなく、燃焼は起こらない。

【００１７】

【発明の効果】本発明ではリターン材を難燃化された溶
湯に直接投入して溶解させるようにしたので、従来不可
欠であったリターン材のフラックスによる再生精錬工程
を経る必要がなくなり、再生費が不要となってコスト低
下を図ることができる。再生用フラックスを用いないの
で、マグネシウム材製品の耐食性の低下を防ぐことがで
き、リターン材を利用したマグネシウム材製品の品質が
向上する。本発明の溶湯は爆発又は燃焼の危険性もな
く、安全に実施することができる。従来は鋳造業者と再
生業者が異なる場合が多く、そのため再生のための物流
費がかかっていたが、本発明によれば再生工程が不要に
なるため、鋳造業者のみでリターン材を再利用すること
ができるようになり、物流費用が削減できるほか、再利
用が容易になる。

【００１８】

【実施例】

（実施例１）ＡＺ９１Ｄ（ダウケミカル社の製品）４０
０Ｋｇの溶湯を作成し、それにカルシウムと亜鉛をそれ
ぞれ１％に相当する量を添加して溶解させ、混合してイ
ンゴットを作った。このインゴットを雰囲気温度７７５
〜８７５℃で溶解して溶湯温度が７０５〜７１５℃にな
るように保持し、コールドチャンバのダイキャストマシ
ンで１ショット当たり０．７５Ｋｇの鋳造品を２７２個
鋳造した。この量は溶湯全重量の約５０％に相当する。
次に、残った溶湯に上記のダイキャスト鋳造品をバリ、
ランナー、ビスケットの付いたままの状態で、５０ショ
ット相当分を順次投入し、溶湯面下に沈めて溶解させ
た。このときはＳＦ₆／ＣＯ₂などの不燃ガスの導入は行
なわず、空気に接触させた状態で雰囲気温度７７５〜８
７５℃で溶解させた。この５０ショット分の溶解の間、
発火燃焼は起こらなかった。

【００１９】その後、残りの２２２ショット相当分を何
回かに分けて溶湯面下に沈めながら溶解させたが、その
場合も溶湯からの発火燃焼は全く起こらなかった。ダイ
キャスト鋳造品を溶湯に沈める際に、ビスケットについ
た僅かな離型剤が煤を上げて燃焼したが、溶湯への点火
源にはならなかった。この溶湯を同じダイキャストマシ
ンを用いて鋳造したが、鋳造性に問題はなかった。これ
に対し、実施例１とはカルシウムと亜鉛を添加する点を
除いて同様にＡＺ９１Ｄを用いて鋳造した鋳造品を、そ
のＡＺ９１Ｄの溶湯に投入して溶解させようとしたが、
鋳造品の溶解が始まると同時に発火燃焼が起こった。

【００２０】（実施例２）ＡＺ９１Ｄ（ダウケミカル社
の製品）２００Ｋｇの溶湯にカルシウムと亜鉛をそれぞ
れ０．６％に相当する量を添加して溶解させ、混合して
インゴットを作成し、これを実施例１と同様の方法で７
１個のダイキャスト鋳造品を作成した。残りの溶湯に５
１個の鋳造品（約３８Ｋｇに相当）を順次投入し、溶湯
面下に沈めた状態で溶解させた。この場合も、離型剤の
油は煤を上げて燃焼したが、溶湯やリターン材の燃焼は
起こらず、その溶湯を用いた鋳造にも問題はなかった。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マグネシウムもしくはマグネシウム合金
   又はそれらに強化材を添加したものに、アルカリ土類金
   属を少なくとも１種添加した溶湯を作成し、その溶湯に
   マグネシウムリターン材を直接投入し、溶湯面下に沈め
   た状態で溶解させる溶解方法。