JPH0693352A - マグネシウム炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高価な不燃性ガスの消費量を抑えるととも
に、完全自動化に適するようにする。 【構成】 坩堝２の上部開口は蓋４で覆われ、その蓋４
には上端に溶湯を汲み出すのに必要な大きさの開口を有
し、下端も開口して溶湯１０内に到達できる長さを有す
る筒状中空体６が着脱可能に設けられている。坩堝２に
溶湯１０が入っている状態では坩堝２内の空間は２つに
分けられ、筒状中空体６の外側空間は密閉状態となるの
で、その空間にＳＦ₆／ＣＯ₂ガスを満たしておくとその
空間では溶湯と空気との接触がなくなる。筒状中空体６
内の空気と接する開口部には常にＳＦ₆／ＣＯ₂ガスを流
出させ、開口部と液面の間をそのガスで充満させておけ
ば、筒状中空体６内でも溶湯燃焼の可能性がなくなる。

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
の溶湯を作成したり保持するマグネシウム炉に関するも
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又はＳＦ₆と
ＣＯ₂の混合ガス（ＳＦ₆／ＣＯ₂）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、Ｓ
Ｆ₆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。また、マグネシウムやマグネシウム合金のリタ
ーン材はそのまま坩堝に投入すると表面の付着物などに
より燃焼しやすく、一般にはフラックス剤で再生精錬が
行なわれるので、コスト高となるとともに、耐食性が低
下する問題もある。

【０００３】そこで、本発明者の一部である中村忠義ら
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】

【発明が解決しようとする課題】マグネシウム材の鋳造
においては、坩堝の上部開口に蓋を設け、その蓋には溶
湯を汲み出すために杓を入れる小さな開口部（例えば４
０ｃｍ×４０ｃｍ）が設けられており、そこから手酌で
溶湯を汲み出している。その溶湯を汲み出す小さな開口
部には開閉可能な蓋が設けられているが、鋳造作業の間
中はその小さい蓋は開放状態とするために、坩堝内には
常時ＳＦ₆／ＣＯ₂ガスを供給しているので、高価なＳＦ
₆／ＣＯ₂ガスの消費量が多くなる。しかも、それでも、
火災防止のために監視と溶湯汲出し作業を兼ねて鋳造器
１台当り一人の作業者を配置せざるを得ず、このことが
鋳造作業の無人化を困難にしているだけでなく、製造コ
ストを上昇させる要因にもなっている。

【０００５】一方、本発明者らは前述のように難燃性マ
グネシウム材の開発を進めてきたが、完全な自動化には
もう一歩の所にある。本発明は高価なＳＦ₆／ＣＯ₂ガス
のような不燃性ガスの消費量を抑えることを目的とする
ものである。本発明はまた、完全自動化に好都合なマグ
ネシウム炉を提供する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】本発明のマグネシウム炉
は、その坩堝の上部開口を覆う蓋が設けられ、その蓋に
は筒状中空体が取りつけられている。その筒状中空体
は、その上端に溶湯を汲み出すのに必要な大きさの開口
を有し、下端も開口して溶湯内に到達できる長さをもっ
ている。その筒状中空体は蓋に着脱可能に取りつけられ
るか、固定されており、固体材料を投入して溶湯を作成
する炉の場合は筒状中空体は蓋に着脱可能に取りつけら
れている方が好都合であるが、溶湯を供給して保持する
保持炉の場合は筒状中空体は蓋に着脱可能に取りつけら
れていても固定されていてもいずれでもよい。

【０００７】また、筒状中空体の上部開口は大気に開放
されていてもよく、開閉可能な蓋が設けられていてもよ
い。筒状中空体の上部開口には不燃性ガスが供給されて
いることが好ましい。筒状中空体外部の坩堝内の湯面上
に、湯面が低下したときにその低下分に相当する量の不
燃性ガスを供給する不燃性ガス供給機構が設けられてい
るのが好ましい。

【０００８】本発明の対象とするマグネシウム材は従来
から使用されているマグネシウム、マグネシウム合金又
はそれらに強化材などの異種材料を添加した複合材も含
み、好ましくは本発明者らが開発を進めている難燃性マ
グネシウム材である。難燃性マグネシウム材はマグネシ
ウムもしくはマグネシウム合金又はそれらに強化材など
の異種材料を添加した複合材に、溶湯の難燃化を図るた
めにＣａなどのアルカリ土類金属を添加したものであ
る。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
金属の含有量が難燃化のための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ＡＭ６
０がある。

【０００９】難燃化のために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。

【００１０】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。

【００１１】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
り差があるとともに、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、防錆力向上性元素
の含有率はほぼ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るこ
とができる。

【００１２】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、インゴット製造メーカーでなくても鋳造
メーカー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。ただし、
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、Ａ
ｌ−Ｃａなどの合金又は金属間化合物を用いてもよい。
例えばＡＺ２１ではＡｌ−Ｃａを用いてＣａ含有ＡＺ９
１合金とすることも可能である。

【００１３】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。

【００１４】マグネシウム又はマグネシウム合金に異種
材料の粒子や短繊維を添加して複合材とすることができ
る。添加する短繊維類としてはシリカ、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、又
はこれらのウィスカーを用いることができる。そのサイ
ズは長さ１ｃｍ以下、好ましくは０．５ｃｍ以下であ
り、短い方はサブミクロンまでなら問題はない。長さが
１ｃｍ以上になると分散は可能であるが絡みつきによる
粘度上昇が大きくなって、鋳造時に流動性が悪くなり、
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。粒状粉末としてはアルミナ、ＳｉＣ、アルミナシリ
カ、窒化アルミニウム、窒化硼素、炭化タングステン、
スピネルなどを用いることができる。粒子の大きさは
０.１μｍ〜３０００μｍの範囲のものが適当であり、
０.１μｍより微粉末になってくると一部浮上するおそ
れがあり、また、粘性が上昇して鋳造性が劣るようにな
る。３０００μｍより大きくなると複合材料の均一性に
問題が生じてくる。これらの異種材料の中にはマグネシ
ウムと反応するものがあるが、その場合には溶湯にカル
シウムを数％添加すればよい。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。

【００１５】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、溶湯にカルシウムを添加する他に、Ｂ
ｉ，Ｓｎ，Ｃｄ，Ｓｂ，Ｉｎ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｒａ，Ｔ
ｉ，Ｃｒ，Ｍｇ，Ｖ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｌｉ，Ｃｅ，
Ｂｅなどを添加してもよい（特開昭５７−１６９０３３
号公報、特開昭５７−１６９０３４号公報、特開昭６０
−１５９１３７号公報、特開昭６０−１９４０３９号公
報などを参照）。また、セラミックスなどの異種材料を
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。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。

【００１６】

【実施例】図１は一実施例を表わす。マグネシウム炉の
坩堝２の上部開口は蓋４で覆われ、その蓋４には上端に
溶湯を汲み出すのに必要な大きさの開口を有し、下端も
開口して溶湯１０内に到達できる長さを有する筒状中空
体６が着脱可能に設けられている。筒状中空体６を蓋４
に取りつけるために、蓋４には筒状中空体６の外寸と同
じ寸法の内寸を有する開口部が設けられ、筒状中空体６
の上端には蓋６のその開口部より大きく拡がった係止部
８が形成されており、筒状中空体６は蓋６のその開口部
に嵌め込まれ、係止部８で蓋４にすき間を有することな
く保持されている。蓋４の開口部の形状及び筒状中空体
６の水平方向の断面形状は矩形でも円形でもよいが、一
例としては正方形である。筒状中空体６はその脚が溶湯
１０の底部付近に到達するように十分な長さに形成され
ている。

【００１７】坩堝２に溶湯１０が入っている状態では坩
堝２内の空間は２つに分けられる。筒状中空体６の内側
空間と外側空間である。溶湯面の高さは筒状中空体６の
外部と内部とで等しい。溶湯１０が入っている状態で坩
堝２内で筒状中空体６の外側空間は密閉状態となるの
で、その空間にＳＦ₆／ＣＯ₂ガスを満たしておくとその
空間では溶湯と空気との接触がなくなるとともに、従来
のようにＳＦ₆／ＣＯ₂ガスを常時流すのに比べると、高
価なＳＦ₆／ＣＯ₂ガスの使用量が大幅に削減される。筒
状中空体６の内側空間でのみ溶湯が空気と接触すること
になる。そのため、坩堝２内での筒状中空体６の外側空
間を一度ＳＦ₆／ＣＯ₂ガスで満たせば、空気の混入はな
く溶湯１０の燃焼の可能性がなくなる。筒状中空体６内
の空気と接する開口部には常にＳＦ₆／ＣＯ₂ガスを流出
させ、開口部と液面の間をそのガスで充満させておけ
ば、筒状中空体６内でも溶湯燃焼の可能性がなくなる。

【００１８】鋳造に伴って溶湯面が下がってきたとき
に、坩堝２内での筒状中空体６の外側の密閉空間が減圧
状態となって空気の混入の恐れがあるので、その密閉空
間にＳＦ₆／ＣＯ₂ガスを供給するためにバッファタンク
１２を経てボンベ１４からＳＦ₆／ＣＯ₂ガスを供給する
不燃性ガス供給機構が設けられている。この不燃性ガス
供給機構は溶湯面の低下によって坩堝内の空間が増えた
ことにともなってその空間にＳＦ₆／ＣＯ₂ガスを供給す
る。バッファタンク１２を設けなくても、ボンベ１４か
ら直接坩堝２内の溶湯面の低下に見合った体積に相当す
る流量を適宜流入させてもよい。

【００１９】筒状中空体６の上部開口部にＳＦ₆／ＣＯ₂
ガスを常時流すときは、その上部開口部は蓋を設けずに
開放状態としてもよい。しかし、図に示されているよう
に、筒状中空体６の上部開口部に開閉可能な蓋１６を設
け、溶湯を汲み出すときにその蓋１６をあけ、それ以外
のときは閉じるようにすれば、筒状中空体６の上部開口
部に流すＳＦ₆／ＣＯ₂ガスの使用量がさらに少なくてす
む。この炉を用いて鋳造を自動化するときは、蓋１６は
自動化された溶湯汲出し動作と対応させ、溶湯の汲出し
の際にあき、それ以外は閉じるように開閉を自動化する
機構と組み合わせばよい。

【００２０】筒状中空体６を蓋４に対して着脱可能とす
れば、マグネシウム材の固体材料を坩堝２に仕込み、溶
解するまでは筒状中空体６を蓋４から取り外しておくこ
とができるので、この炉を溶解炉としても用いることが
できる。溶解炉では、固体材料を従来のように不燃性ガ
スで覆いながら溶解させた後に筒状中空体６を蓋４の開
口部から挿入して取りつければよい。筒状中空体６を蓋
４に対して着脱可能とした場合に、溶湯を保持する保持
炉としても用いることができるのは言うまでもない。

【００２１】マグネシウム炉を、もっぱら溶湯を供給し
て鋳造のために保持する保持炉として利用する場合は、
筒状中空体６は蓋４に固定されたものであってもよい。
その場合は坩堝２に筒状中空体６のついた蓋４を被せた
状態で、筒状中空体６の上部開口部から溶湯を流し込め
ばよい。坩堝２、蓋４、筒状中空体６は例えば鉄製であ
る。

【００２２】

【発明の効果】本発明では炉に溶湯が入った状態では、
筒状中空体６によって坩堝内部が２つの空間に分離さ
れ、筒状中空体６の外側の坩堝内空間に不燃性ガスを満
たすことによって溶湯の燃焼が阻止される。鋳造にとも
なって溶湯面が下がってくれば、その分だけ不燃性ガス
を補給すればすむので、従来のように不燃性ガスを常時
溶湯面に流す装置に比べると不燃性ガスの使用量が大幅
に削減される。不燃性ガスを流すとしても筒状中空体６
内の上部開口部の空間のみですむからである。また、鋳
造を自動化するのも可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例を示す概略断面図である。

【符号の説明】 ２ 坩堝 ４ 坩堝の蓋 ６ 筒状中空体 ８ 筒状中空体の係止部 １０ 溶湯 １２ バッファタンク １４ ＳＦ₆／ＣＯ₂ガスタンク １６ 筒状中空体の蓋

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マグネシウム、マグネシウム合金もしく
   はそれらに異種材料を添加した複合材、又はさらにそれ
   らに添加剤を添加したマグネシウム材を溶解し又は保持
   する炉において、炉の坩堝にはその上部開口を覆う蓋が
   設けられ、その蓋には上端に溶湯を汲み出すのに必要な
   大きさの開口を有し、下端も開口して溶湯内に到達でき
   る長さを有する筒状中空体が設けられていることを特徴
   とするマグネシウム炉。
2. 【請求項２】 前記筒状中空体は前記蓋に着脱可能に取
   りつけられる請求項１に記載のマグネシウム炉。
3. 【請求項３】 前記筒状中空体は前記蓋に固定されてい
   る請求項１に記載のマグネシウム炉。
4. 【請求項４】 前記筒状中空体の上部開口に開閉可能な
   蓋が設けられている請求項１に記載のマグネシウム炉。
5. 【請求項５】 前記筒状中空体の上部開口は大気に開放
   されている請求項１に記載のマグネシウム炉。
6. 【請求項６】 前記筒状中空体の上部開口には不燃性ガ
   スが供給されている請求項４又は５に記載のマグネシウ
   ム炉。
7. 【請求項７】 前記筒状中空体外部の坩堝内の湯面上
   に、湯面が低下したときにその低下分に相当する量の不
   燃性ガスを供給する不燃性ガス供給機構が設けられてい
   る請求項１に記載のマグネシウム炉。