JP2006239748A - マグネシウム合金の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】連続鋳造された薄鋳片をインライン圧下することにより工程を省略、簡素化し、製造コストを大幅に削減できるマグネシウム合金の薄板の製造方法を提供する。
【解決手段】連続鋳造された熱間状態の薄鋳片（厚み５〜５０ｍｍ）を、表面部を２５０〜４００℃に加熱した圧下ロール対３を用い、インラインで２回以上の多段圧下を行うとともに、１回当たりの圧下量Ａ₁（ｍｍ）を圧下前の薄鋳片の厚さＡ₀（ｍｍ）で除した百分比である圧下率「（Ａ₁／Ａ₀）×１００（％）」を１５％未満とし、厚み２５ｍｍ以下の薄板５とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、連続鋳造された薄鋳片を、その潜熱を利用し再加熱なしにインライン圧下することによって製造工程を大幅に省略して薄板とするマグネシウム合金の製造方法に関する。

マグネシウム合金は、実用合金中最も軽く、また剛性に優れているため、航空機、自動車または携帯電話等へ適用されている。特に、携帯電話等の急激な普及によりマグネシウム合金に対する市場ニーズが従来にも増して高まっており、安価で高品質なマグネシウム合金の提供が望まれている。

マグネシウム合金は高温での反応性が高く、酸化し易いと同時に、水素を吸収し易い。そのため、溶解、鋳造時にマグネシウム合金の溶湯を大気雰囲気下に存在させると、酸化が促進し酸化物を生成したり、溶解したマグネシウム合金中に酸素及び水素が吸収され、これらの濃度が上昇することになる。このようにマグネシウム合金中の酸素濃度及び水素濃度が上昇すると、鋳造鋳片に気孔が生成したり、製品として要求される機械的性質を確保できないことがある。

このため、マグネシウム合金は、大気と遮断した雰囲気で溶解した後、インゴット鋳造やダイカストによって製造するか、丸ビレット、または大断面（鋳片厚み１５０ｍｍ程度）の連続鋳造によって半製品である鋳片を製造した後、最終製品まで成型加工し、これを機械加工して仕上げる方法が採られてきた。

しかしながら、従来のインゴット鋳造や連続鋳造による製造では、粗圧延および熱間圧延という多くの工程を経て製品が製造されるため、製造コストが増大するという問題がある。

特に、マグネシウム合金の薄板を得ようとすると、マグネシウムは常温で加工性に劣るので、粗圧延から熱間圧延までの工程では、圧延および再加熱を数十回繰り返して行わなければならず、この工程数の多いことが製造コストの削減を困難にしている最大の要因であった。

このように、マグネシウム合金はインゴット鋳造やダイカストで製造する場合であっても、連続鋳造によって製造する場合であっても、最終製品となるまでに多くの工程を要し、製造工数が多大となって製造コストが増大するとともに、製品納期面でも不利になる。このため、マグネシウム合金の特に薄板の製造において、その抜本的な対策が望まれている。

例えば、特許文献１には、セラミックス粉末を母相合金に分散させたマグネシウム合金の製造方法が提案されている。提案された方法では、セラミックス粉末をマグネシウム合金からなる母相合金に分散させた粒子分散母合金を製造する工程と、この粒子分散母合金を１５０乃至５００℃の温度で予熱した後、７５０℃以下の温度に保持した母相合金組成の溶湯に添加して撹拌する工程と、撹拌後の前記溶湯を１０℃／秒以上の冷却速度で冷却して凝固させるとともに、８０〜２００ｍｍ／分の引抜速度で引抜いて連続鋳造する工程とを有することを特徴としている。

しかし、提案された製造方法では、鋳造速度８０〜２００ｍｍ／分と記載されているように生産性の著しい向上は望めず、比較的断面の大きい鋳造であるため、コスト合理化を目指すために製造工程（特に、圧延および再加熱工程）を省略しようとしても限界がある。さらにマグネシウム合金の棒材等の製造に限定されている。

一方、製造コストを大幅に削減するために、ニアネットシェープ化（ストリップキャスティングなど）が志向され、実用化を目指して開発が行われている。しかし、未だ実用化には至っていない。

これに関連する技術として、特許文献２では、鋳型内にマグネシウム合金溶湯を供給するに際し、鋳型に振動を付加しながらマグネシウム合金を凝固させた後、直ちに圧下ロール対を用いて所定厚みに熱間圧延し、コイラーに巻き取る、すなわちインラインで薄鋳片を熱間圧延する、マグネシウム合金薄板の製造方法が記載されている。

この製造方法によれば、溶融マグネシウム合金を連続鋳造し、直ちに薄板に熱間圧延することによって、高い生産性で、かつ低い製造コストでマグネシウム合金薄板を製造することができる。しかし、望ましいとされる圧下率が大きいため、例えば、鋳片表面のオシレーション・マークや引き抜きマークが顕著な場合等においては、圧下の際にそれを起点に割れが発生することもある。

特開平５−３０２１３７号公報 特開２００３−３４０５５２号公報

本発明は、前述したマグネシウム合金の特に薄板の製造において、工程数が多く、それにより製造コストが嵩むという問題に鑑みてなされたものであり、ニアネットシェープ化（薄鋳片鋳造＋インライン圧下）を志向し、インライン圧下での割れ発生を抑え、効率的に圧下することにより薄板を得るマグネシウム合金の製造方法を提供することを目的としている。

本発明が解決しようとするマグネシウム合金の薄板の製造方法における課題は、前記のように、連続的に鋳造される薄鋳片をインラインで圧下する際に発生し易い割れの抑制と、圧下効率の促進である。

鋳造中の鋳片をインラインで圧下するためには、鋳片表面の手入れを行わずに（すなわち、無手入れで）圧下することが先ず重要である。表面手入れを実施すれば、良好な圧延板を得ることは可能であるが、手入れコスト、さらには鋳片再加熱のためのコストなどが必要になり、製造コストが増大するからである。

その場合、圧下の対象が連続鋳造される鋼であれば、鋳片引き抜き時に形成される鋳片表面の引き抜きマーク等は圧下によって容易に延ばされ、通常は割れ等の問題は発生しない。しかし、本発明者らが検討した結果、圧下の対象がマグネシウム合金の場合は、常温での加工性が悪く、さらに延性が劣るため、高温下での加工が一般的である。しかし、鋳片温度が高温であっても、鋳片表面に形成される引き抜きマークのような凹凸によっても圧下時に割れが発生する場合があることを確認した。すなわち、鋳片の表面状況にもよるが、割れ発生の限界圧下率があることが判明した。

そして、鋳造後の圧下を多段圧下により行い、１パス当たりの圧下率を割れ発生の限界圧下率内に抑えることとすれば、圧下時に割れを発生させずに、しかもパス毎の圧下率の累積によりトータルで大きな圧下率を確保することが可能であることを確認した。すなわち、無手入れのインライン圧下において割れ発生を抑制することができる。

さらに、表面部の温度を高めた加熱圧下ロールの採用が有効であることを知見した。すなわち、連続多段圧下を実施する間に鋳片からの放熱と圧下ロールによる抜熱で、鋳片の表面温度は低下するが、加熱圧下ロールを採用することにより、圧下中における圧下ロールからの抜熱を抑制し、鋳片温度が低下した場合には、逆に圧下中に熱付与を行うことができる。これにより、鋳造中の鋳片の潜熱を利用し再加熱せずに圧下できるというインライン圧下の利点を生かし、より効率的に圧下することが可能となる。

本発明はこのような知見に基づきなされたものであり、その要旨は、下記のマグネシウム合金の薄板の製造方法にある。

すなわち、連続鋳造された熱間状態の薄鋳片を、圧下ロール対を用いてインライン圧下することにより薄板を得るマグネシウム合金の製造方法であって、前記鋳造後の薄鋳片の厚みを５〜５０ｍｍとし、表面部を２５０〜４００℃に加熱した前記圧下ロール対を用いて、２回以上の多段圧下を行うとともに、１回当たりの圧下量Ａ₁（ｍｍ）を圧下前の薄鋳片の厚さＡ₀（ｍｍ）で除した百分比である圧下率「（Ａ₁／Ａ₀）×１００（％）」を１５％未満とし、厚み２５ｍｍ以下の薄板を得るマグネシウム合金の製造方法である。なお、以下において、「本発明のマグネシウム合金の製造方法」、または単に「本発明の製造方法」といえば、この厚み２５ｍｍ以下の薄板を得るマグネシウム合金の製造方法を意味する。

本発明が対象とするマグネシウム合金は、マグネシウム純金属に合金元素を添加して溶製されたマグネシウム合金であるが、マグネシウム純金属も含むものである。

前記の「表面部を２５０〜４００℃に加熱」における「表面部」の温度とは、圧下の際に、少なくとも薄鋳片と接する圧下ロールの表面の温度をいう。

本発明のマグネシウム合金の製造方法によれば、連続的に鋳造される薄鋳片をインラインで圧下することにより製造工程を省略し簡素化するとともに、割れ発生を抑え、効率的に圧下して、マグネシウム合金の薄板を得ることができる。これにより、製造コストの大幅な削減が可能である。

以下に、本発明のマグネシウム合金の製造方法を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の製造方法を実施することができる装置の要部の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、連続鋳造鋳型２の上方には、マグネシウム合金溶湯の供給装置（図示せず）から該溶湯を鋳型２へ供給するための浸漬ノズル１が配置され、連続鋳造鋳型２の出側（下方）には、鋳型２内で表面部分が凝固したマグネシウム合金を圧延する多段の圧下ロール対３が配設されている。

浸漬ノズル１を介して連続鋳造鋳型２に供給されたマグネシウム合金溶湯４は、鋳型２内で表面部分が凝固した熱間状態の薄鋳片として鋳型２の下方から連続的に排出され、多段圧下ロール対３により圧下され、薄板５となる。なお、前述のように、マグネシウム合金は高温での反応性が高く、酸化し易いので、マグネシウム合金の溶解、保持、鋳型への注湯は、大気雰囲気と遮断された、例えばアルゴンガス雰囲気中で行われる。

本発明のマグネシウム合金の製造方法は、このような方法において、前記鋳造後の薄鋳片の厚みを５〜５０ｍｍとし、表面部を２５０〜４００℃に加熱した前記圧下ロール対を用いて、２回以上の多段圧下を行うとともに、１回当たりの圧下量Ａ₁（ｍｍ）を圧下前の薄鋳片の厚さＡ₀（ｍｍ）で除した百分比である圧下率「（Ａ₁／Ａ₀）×１００（％）」を１５％未満とし、厚み２５ｍｍ以下の薄板を得る方法である。

前記の薄鋳片の厚みを５〜５０ｍｍとするのは、厚みが５０ｍｍを超えると、インライン圧延で薄板を得ることは困難で、再加熱と熱間圧延を繰り返し行うことが必要となるからである。一方、厚みが５ｍｍ未満の薄鋳片を得るには技術的困難を伴い、不可能ではないにしても、実用的ではない。

前記圧下ロール対の表面部を２５０〜４００℃に加熱するのは、圧延中における圧下ロールを介しての抜熱による鋳片温度の低下を抑制し、鋳片温度の低下した場合には、逆に圧下中に鋳片に熱付与を行うためである。前記表面部の温度が２５０℃未満ではこのような効果が顕著ではなく、４００℃を超えて加熱するのは、その効果および加熱のための所要エネルギー等を勘案すると、必ずしも得策とは言えない。

圧下ロールの加熱には、誘導発熱方式や、ヒートパイプ方式等による加熱方法を利用すればよい。誘導発熱方式は、従来から多くの分野で用いられている加熱方式である。また、ヒートパイプ方式は、ロール表皮下に、エチレンを封入して循環させるためのパイプをロール軸方向に向けて多数配置して用いる加熱方式であり、ロールの幅方向および厚み方向に均一に加熱できるという特徴を有している。

「圧下ロール対の表面部」の温度とは、前記のように、少なくとも薄鋳片と接する圧下ロールの表面の温度である。上記ヒートパイプ方式で加熱する場合には、圧下ロールの表面温度とその内部の温度がほぼ同じになるので、たとえば、圧下ロールのロール幅中央で表面から深さ２０ｍｍの部位にまで達する細孔を軸方向に設けておき、その細孔内に熱電対を挿入することによって、その部位の温度を測定することにより、圧下ロールの表面部の温度を知ることができる。実際には、表面部の温度と採用する加熱方法での昇温のための諸条件（設定電圧、電流等）との関係をあらかじめ把握しておき、前記設定電圧等による間接的な温度管理を行ってもよい。

本発明のマグネシウム合金の製造方法においては、前記圧下ロール対を用いて、２回以上の多段圧下を行う。これは、１パス当たりの圧下率を小さくして割れの発生を抑制するとともに、圧下パス回数を増やしてトータルの大きな圧下率を確保し、インラインで薄板とするためである。

多段圧下における圧下パス数の上限は特に規定しない。次に述べるように、圧下率の上限が決められているので、薄鋳片の厚みと、製造しようとする薄板の厚みによってロール対の段数は自ずと定まるからである。例えば、厚みが３５ｍｍの薄鋳片を多段圧下して厚みが５ｍｍの薄板にする場合は、１２パスの圧下が必要となる。つまり、１２段のロール対を配置することになる。

本発明の製造方法においては、さらに、前記２回以上の多段圧下における１回当たりの圧下率、すなわち圧下量Ａ₁（ｍｍ）を圧下前の薄鋳片の厚さＡ₀（ｍｍ）で除した百分比「（Ａ₁／Ａ₀）×１００（％）」を１５％未満とする。前記圧下率を１５％未満とすることにより、後述する実施例に示すように、インラインでの圧下時における割れの発生を抑えることができる。

圧下率の下限は特に規定しない。割れ発生を防止するには上限を規定すればよいからで、圧下率は、薄鋳片および製造しようとする薄板の厚み、ロール対の設置数等を勘案して前記１５％未満の範囲内で適宜定めればよい。

本発明の製造方法において、得られる薄板の厚みを２５ｍｍ以下とするのは、インライン圧延での圧下パス数を１０数回以下にとどめ、前記圧延側での負荷（設備コスト増）を極力軽減するためである。

薄板の厚みの下限も規定しない。製品ニーズによるからである。実際には、最終製品として厚み１ｍｍ以下の薄板が製造の対象となる場合が多い。また、リロール用として、厚み５ｍｍ程度の薄板も対象となる。

表１に示す条件で鋳造した薄鋳片を用いて、多パス圧下試験を実施し、圧下時の割れ発生の有無および加熱ロールの有効性について調査した。

図２は、多パス圧下試験で用いた装置の要部構成を模式的に示す図である。この装置は、圧下ロール対を模擬した一対の加熱ロール９と、鋳片６を加熱するためのヒーター７と、鋳片６をその下端部を把持して上下動させるリフター８を備えている。

多パス圧下試験を行う際は、先ず、所定の厚みで鋳造された鋳片６をヒーター７で所定の温度（３５０℃目標）に加熱した後、リフター８を下降させ、鋳片６を加熱ロール９でクランプした後、１パス目の圧下を行う。２パス目の圧下は、鋳片６を加熱ロール９から開放し、１パス目の圧下スタート部まで上昇させ、再度鋳片６を加熱ロール９でクランプし、圧下を行う。このような方法で繰り返し圧下を加えることにより、一方向の多パス圧下を模擬した試験を行うことができる。

図３に圧下時の割れ発生の有無についての調査結果を示す。図３において、横軸の圧下パス回数で２（つまり、２パス目）以降の圧下率は、累積の圧下率ではなく、そのパス毎の圧下率である。また、黒く塗りつぶした印（ソリッドマーク、図３では●、■印）は圧下時に割れが発生したことを意味する。

図３には、圧下率、圧下パス回数を変えたＣＡＳＥ１〜ＣＡＳＥ７を示した。この図から、無手入れ鋳片を圧下率１５％超える程度まで１パスで圧下すると、割れが発生する場合があることがわかる。すなわち、圧下率が１５％を超える圧下を行ったＣＡＳＥ３の１パス目（●印）、およびＣＡＳＥ４の３パス目（■印）では割れが生じている。一方、ＣＡＳＥ１、２、５〜７（本発明例）は圧下率を１５％未満として多パス圧下を実施した場合であるが、この場合は割れの発生はなく、全圧下量を大きくすることが可能である。

図４に加熱ロールを用いた場合の圧下荷重と圧下率の関係を示す。図４において、○、◇、△および□印は、それぞれロール表面部の温度（Ｔｒ）が２５℃、２００℃、３００℃および４００℃の場合を示す。◆、▲、■印はそれぞれ前記◇、△および□印に対応し、圧下時に割れが発生したことを意味する。

図４に示すように、Ｔｒが２５℃（○印）の場合に比べて、加熱ロールを使用すると（△および□印）、同じ圧下率を得るための圧下荷重が大幅に減少する（図中に白抜き矢印で表示）。特に、圧下率が７．５％以上において顕著に認められる。これは、加熱ロールを使用することにより圧下ロールからの抜熱が抑制され、鋳片がより高温に保持されたことによるもので、圧下効率を促進する上で加熱ロールの使用が有効であることがわかる。なお、加熱ロールを使用した場合でも、圧下率が１５％を超えると圧下時に割れが発生した。

本発明のマグネシウム合金の製造方法は、連続鋳造された熱間状態の薄鋳片を、インラインで、所定の圧下率で多段圧下することにより薄板を得る方法で、割れ発生を抑え、加熱ロールの使用により効率的に圧下して、鋳片の圧延工程を省略、簡素化し、製造コストを大幅に削減することができる。したがって、この方法は、マグネシウム合金の薄板の製造方法として広く利用することができる。

本発明の製造方法を実施することができる装置の要部の構成を模式的に示す図である。 多パス圧下試験で用いた装置の要部構成を模式的に示す図である。 実施例の結果で、インライン圧下時の割れ発生についての調査結果を示す図である。 実施例の結果で、インライン圧下時の加熱ロールを用いた場合の圧下荷重と圧下率の関係を示す図である。

符号の説明

１：浸漬ノズル
２：鋳型
３：圧下ロール対
４：マグネシウム合金溶湯
５：薄板
６：鋳片
７：ヒーター
８：リフター
９：加熱ロール

Claims (1)

1. 連続鋳造された熱間状態の薄鋳片を、圧下ロール対を用いてインライン圧下することにより薄板を得るマグネシウム合金の製造方法であって、前記鋳造後の薄鋳片の厚みを５〜５０ｍｍとし、表面部を２５０〜４００℃に加熱した前記圧下ロール対を用いて、２回以上の多段圧下を行うとともに、１回当たりの圧下量Ａ₁（ｍｍ）を圧下前の薄鋳片の厚さＡ₀（ｍｍ）で除した百分比である圧下率「（Ａ₁／Ａ₀）×１００（％）」を１５％未満とし、厚み２５ｍｍ以下の薄板を得ることを特徴とするマグネシウム合金の製造方法。
   

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