JP6083521B2 - Ａｌ−Ｌｉ系合金の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ａｌ−Ｌｉ系合金の溶湯の調整及び鋳造方法に関する。

アルミニウム（Ａｌ）は、比重約２．７ｇ／ｃｍ^３であり、リチウム（Ｌｉ）の比重はそれよりも軽い約０．５３ｇ／ｃｍ^３と金属の中では最も軽い。
したがって、Ａｌ−Ｌｉ系合金は軽量で比強度及び比剛性が高いことから、航空機，鉄道車両，自動車等の軽量化に寄与でき、省エネルギー，地球環境保全の観点からもその実用化が期待されている。
しかし、金属リチウムは非常に活性で大気中で酸化されやすく、また従来の鉄や黒鉛坩堝では所定の目標成分の溶湯を溶製する際に、この溶湯に含有されるリチウムが坩堝表面と反応し、生成した化合物が異物として混入する問題があった。
大気中でリチウムが酸化すると、Ａｌ−Ｌｉ系合金中のリチウム濃度が減少し、所定のＡｌ−Ｌｉ系合金を得るのが難しくなる。
また、溶湯への異物混入量が多くなると、この異物成分が不純物として材料特性を悪化させ、その後に安定した圧延，引抜き，押出加工等ができなくなる。

特許文献１は、溶解炉内面及び溶湯と接触する部分のＡｌ_２Ｏ_３含有量が９５重量％以上の高アルミナ質耐火物で構成された容器を用いるＡｌ−Ｌｉ系合金の溶製方法を開示するが、このような高アルミナ質耐火物は非常に高価であり、また大型の坩堝を製作するのが困難である。
特許文献２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、その溶湯の表面を塩化リチウム，ふっ化リチウム等の溶剤で被覆し、さらに添加するリチウムはアルミニウムで被覆した金属リチウムを用いることが開示されているが、溶剤の管理が大変でありリチウムをアルミニウムで被覆する際にリチウムが酸化する問題もある。

特公平６−１１８８９号公報 特公平６−４７６９７号公報

本発明は、不純物の混入が少なく、優れた金属組織を得るのに効果的でリチウム成分量が安定したＡｌ−Ｌｉ系合金の製造方法の提供を目的とする。

本発明に係るＡｌ−Ｌｉ系合金の製造方法は、クロム系鋳鋼からなる鋳造坩堝であって、少なくとも溶湯が接触する部位が鋳肌のままの坩堝に、リチウム以外の、アルミニウム又はアルミニウム合金を溶解するステップと、リチウムに対して不活性である不活性ガス雰囲気下で、リチウム又はアルミニウム−リチウム母合金を添加溶解するステップとを有する溶湯を用いて鋳造したことを特徴とする。

本発明で鋳肌のままとは、いわゆる鋳造時に表面に形成される黒皮のままであることをいう。
また、リチウム，アルミニウム等は特に説明しない限り金属を示す。
リチウム以外のアルミニウム又はアルミニウム合金を溶解するとは、純アルミニウムのみならず、他の成分を含むアルミニウム合金及び所定のアルミニウム合金を得るべく添加される他の成分やその母合金を含む。

本発明でクロム系鋳鋼とは、クロム成分を含有する鋳鋼品を得るために用いるＦｅ系合金をいう。
この種のＦｅ系合金には以下質量％で、Ｃｒ：０．４０〜１．２０％，Ｃ：０．２０〜０．４５％，Ｓｉ：０．３０〜０．６０％，Ｍｎ：０．５０〜１．６０％が含まれ、Ｐ：０．０４０％以下，Ｓ：０．０４０％以下となっている。
本発明は、上記クロム系鋳鋼の中でもＪＩＳ Ｇ ５１１１に規定するクロムモリブデン鋼を用いた鋳鋼品が好ましい。
これに規定する鋳鋼品には１種（ＳＣＣｒＭ １）及び３種（ＳＣＣｒＭ ３）があり、１種はＣ：０．２０〜０．３０％，３種はＣ：０．３０〜０．４０％となっており、他の成分は１種，３種ともにＳｉ：０．３０〜０．６０％，Ｍｎ：０．５０〜０．８０％，Ｃｒ：０．８０〜１．２０％，Ｍｏ：０．１５〜０．３５％，Ｐ：０．０４０％以下，Ｓ：０．０４０％以下となっている。
また、これらの鋳鋼品の鋳型に特に制限はないが、砂型を用いた砂型鋳造品が好ましい。

本発明でリチウムに対して不活性である不活性ガスとしては、アルゴン（Ａｒ），ヘリウム（Ｈｅ）が例として挙げられ、実用的にはアルゴンである。
また、リチウム以外のアルミニウム等、他の成分を溶解した段階又は／及びリチウムを添加後にアルゴン雰囲気内でアルゴンガスを溶湯内にバブリングするのが好ましい。

上記のようにＡｌ−Ｌｉ系合金の溶湯を調整すると、リチウムの酸化を防止するとともに、坩堝からの不純物の混入を抑えることができる。
次にこの溶湯を用いて、Ａｌ−Ｌｉ系合金素材を鋳造することになるが、その場合にこの溶湯を用いた鋳造は、溶湯と接触する部位がＬｉ_２Ｏ生成の標準自由エネルギーよりも低い金属酸化物である鋳型を用いるのが好ましい。
鋳造時に鋳型の表面と反応し、その化合物が不純物として混入するのを防止する必要があるからである。
ここで、Ｌｉ_２Ｏ生成の標準自由エネルギーよりも低い金属酸化物には、ＭｇＯ，ＣａＯ等の金属酸化物が例として挙げられる。
なお、上記金属酸化物の塗布鋳型や被覆鋳型を用いてもよく、また鋳型そのものを上記金属酸化物で製作してもよい。

本発明に係る製造方法を用いて製造されたＡｌ−Ｌｉ系合金は、内部欠陥が少なく、強度等の機械的性質に優れ、耐食性にも優れることから、圧延加工用，引抜き加工用，押出加工用の素材として優れる。
また、これにより得られた圧延品，引抜き品，押出品の品質も優れる。

本発明に係るプロセスにて得られた鋳造品の切断面の写真を示す。 鋳造品の組織写真を示し、（ａ）は本発明に係る鋳造方法を用いたもの、（ｂ）は従来の黒鉛坩堝を用いたものを示す。 本発明に係る鋳造品を用いて熱間圧延した表面写真を示す。 １９０℃の温度における時効時間と硬さの関係を示す。

本発明に係るＡｌ−Ｌｉ系合金の製造例を以下具体的に説明するが、本発明はこれに限定されない。
ＪＩＳ Ｇ ５１１１，３種（ＳＣＣｒＭ ３）のクロムモリブデン鋳鋼を用いて、砂型鋳造により得られた坩堝を溶解炉として用いた。
坩堝の内面は鋳肌のままである。
この坩堝にリチウム以外の原材料として、Ａｌ−２％Ｃｕ−１．５％Ｍｇ−０．１％Ｚｒの化学成分からなる溶湯を溶解保持した。
なお、Ｌｉ以外の合金組成は目的に応じて各種成分割合に調整される。
次に雰囲気を９９．７％以上の純度を有するアルゴンガスで置換した。
その状態で９９．０％以上の純度を有する純リチウムを添加した。
Ａｌ−Ｌｉ系合金においては、一般にリチウムが０．５〜４％以下の範囲で添加されるが、本実施例では２％になるように添加した。
Ａｌ−Ｌｉ系母合金（一般にＬｉが５〜５０％程度含有した合金）を使用する場合は、本製法で製造したものを使用する。
添加終了後、前述のアルゴン雰囲気内で同じ純度のアルゴンガスを用いて、ランス式脱ガスパイプを用いて溶湯内にアルゴンガスでバブリングを行った。
このランス式脱ガスパイプは内径５〜１０ｍｍの黒鉛、カルシア又はマグネシア製である。
これらはＬｉによって還元されない。
また、黒鉛はアルゴンガスを流しているため坩堝の場合とは異なり、冷却されるので黒鉛の崩壊は起きない。
適切なアルゴンガス流量は、溶湯１０ｋｇあたり０．２ｌ／ｍｉｎで３０秒〜３０分吹き込む。
３０秒以下では効果がない。
脱ガスする際の溶湯温度は合金の濃度で異なるが、液相線温度から５０〜１００℃高い温度で行うのが最も効果的である。

次に鋳型を用いて上記の溶湯を注入し、鋳物を鋳造した。
鋳型のキャビティ面は、Ｌｉ_２Ｏ生成の標準自由エネルギーよりも低い金属酸化物で覆われていることが望ましい。
または、これらの金属酸化物で製造された鋳型を使用する、あるいは離型剤，塗型として塗布することもよい。
鋳型内のキャビティを上記と同じアルゴンガスで置換又は同ガスを充填した後に鋳造する。
鋳造時の溶湯温度は注湯する合金の液相線よりも７０〜１２０℃高温で、砂型の場合は０℃から８０℃に予熱し、金型，石膏あるいはロストワックス鋳型の場合は、１５０〜４００℃に予熱して使用する。
凝固後の鋳物の離型は、鋳物温度が３５０℃程度あるいはこれより低温になってから行うと鋳物製品が変形せず、ひずみを導入することなく取り出せるので、後の過程で行われる熱処理後の製品の機械的性質に影響しない。
図１は、鋳造された鋳物を切断した際の断面写真である。
鋳物としては押湯部を含めて、高さ１００ｍｍ，幅２００ｍｍ，厚さ２５〜５０ｍｍである。
上部の押湯部から下部にかけて、肉眼で確認できる引け巣は全くない。
図２に鋳物の組織写真を示す。
上記にて鋳造した（ａ）の組織には、欠陥が見られない。
これに対して、従来の黒鉛坩堝で溶湯を調整した後に鋳物にした（ｂ）は多く欠陥（矢印）が認められた。
この欠陥を元素分析装置（ＥＤＳ）を装備した走査型電子顕微鏡で観察して解析したところ、これらの欠陥（矢印の黒色のフィルム状のもの）から酸素が多く検出されたことから、酸素を主体とした非金属介在物であることが判った。
上記の鋳物を圧延機で圧下率２〜５％／パスで圧延した。
圧延のインターバルにはアルゴンガスで満たしたアルミパック又はステンレスパックに入れて均質化処理と同じ温度で約５〜２０分の焼鈍を施す。
圧延と焼鈍を繰り返した。
図３は、図１に示した合金を熱間圧延によって厚さ２０ｍｍから２ｍｍの板材に圧延した外観写真である。
割れは全くない。
さらに板材を均質化処理温度と同じ温度で溶体化処理をて、その後に１９０℃で時効処理した時の硬さ変化を測定した結果を図４に示した。
熱処理前は８０ＨＶであった硬さが、１４０ＨＶを超える硬さを示すことが確認された。
なお、比較のために従来の黒鉛坩堝を用いて溶湯の調整をしたものは、上記圧延時に割れが生じた。
この割れを詳細に組織観察したところ、前述の酸素を主体とした非金属介在物［図２（ｂ）の矢印部］が起点となり割れが生じていることが明らかとなった。

本発明に係る製造方法で製造されたＡｌ−Ｌｉ系合金は、比強度及び比剛性に優れ、これらが要求される航空機，宇宙関連産業，車両の分野で広く適用できる。

Claims (3)

1. クロム系鋳鋼からなる鋳造坩堝であって、少なくとも溶湯が接触する部位が鋳肌のままの坩堝に、
   リチウム以外の、アルミニウム又はアルミニウム合金を溶解するステップと、
   リチウムに対して不活性である不活性ガス雰囲気下で、リチウム又はアルミニウム−リチウム母合金を添加溶解するステップとを有する溶湯を用いて鋳造したことを特徴とするＡｌ−Ｌｉ系合金の製造方法。
2. 前記クロム系鋳鋼はクロムモリブデン系鋳鋼であって、
   前記鋳造坩堝は砂型鋳造されたものであることを特徴とする請求項１記載のＡｌ−Ｌｉ系合金の製造方法。
3. 前記溶湯を用いた鋳造は、溶湯と接触する部位がＬｉ_２Ｏ生成の標準自由エネルギーよりも低い金属酸化物である鋳型を用いたことを特徴とする請求項１又は２記載のＡｌ−Ｌｉ系合金の製造方法。