アル ミニ ウ ム合金溶 製 の際 の横 枠 の効 果 につ い て 中 尾

アル ミニ ウ ム合金溶 製 の際 の横 枠 の効 果 につ い て

中 尾 善 信

On me c hani c alagi t at i on ofme l ti n pr oduc t i on ofa一 umi ni um al l oys . Yo s 7 u ' T u ) b u NAKAO

Sy no ps i s･ ･Thedi f f us i o n c o ns t a nt sofmag ne s i um andc o ppe ri nt ot hemol t e nal umi ni um we r eme as ur e dbyas i mpl e me t hod. Whe n t heAトMgo rAトCual l oywasme l t e di n agr aphi t ec r uc i bl e ,ame c ha ni c ala g it at i o n f ort heme l twasne c e s s ar yt oge tahomo‑

ge ne o usme t l ,ands uc h c o ul dbege te as i l ybya ve r t i c almo t i o n of an agi t at i ngr od f i xe das mal ldi s c . I twasve r yhar dt oge tahomo ge ne o usme l tf o rt heAトPb al l o y t houg h as t r o ng ag it i o nwast r i e d,andal ar gepar toft head de dl e ad ac c umul at e di n t hebo t t om oft hemo ul d.

概 要

簡単 な方法で溶融 アル ミニウム中の マグネシウ ム,銅の拡散係数 を測定 した ｡ ル ツボ中で

Al ‑ Mg AトCu

合金を潜製す る時横枠 によ り合金濃度が早

く均一 にな ることがわか った｡特 に撹押棒の先 に 小 さな円板 を と りつ けこれ を上下す ることが ,均 一化 に有効で ある｡

AトPb

合金 は強 く撹押 して も 均一 とな らず 大部分の鉛 は,鋳型の底 に沈積 し易

い｡

1. 緒 言

アル ミニ ウム合金を潜製す る時溶融 アル ミニ ウ ムの中に添加 すべ き金属叉は中間合金を単 に投入 しただ けでは潜湯の組成 は均一 にな らないO即 ち アル ミニ ウムよ り軽 い マグネシウム等は潜湯上部 に浮 き上 り,反対に重 い銅等 (銅は普通は

AトCu

の中間合金 として添加す る)は下部に沈 む｡ これ を このま ゝの状態で放置すれば拡散や対流のため に次第 に均一 となってはゆ くけれ ど も,普通 は増

枠棒 によ り機械的に埠拝 して早 く均一 としてい る しか し機械的 に潜湯を樽拝す る ことは新 しい潜場 面 を露 出す る ことにな り酸化 を促進 し, ガスの吸

収 を大 とし,又酸化物, ス ラッグ, フラックス, 容器 耐火物 の小片粉末等 を潜湯中に多 く混入 す る ので不必要 な樽杵 は避 けねばな らない｡

本報告 はアル ミニ ウムよ り軽 い マグネ シウム, これ よ り重 い銅,溶融 アル ミニ ウムに対 して溶解 度が小 さ く,且比重差が大 きい鉛 の三金属 をアル ミニ ウムに添加す る時の樽杵の効果 を知 るために 行 った実験 の結果で ある｡先ず溶融 アル ミニ ウム に対す るマグネシウム,銅 の拡散係数 を簡単 な方 法で測定 し次 に これ らをル ツポ中で潜解 して増枠 の効果 をたしか めた｡鉛 については強 く樽拝 して 鎮静後 の不均一性 を し らべ た｡

実験試料 のマクロ, ミクロ組織 に関 しては別に 発表 の予定で ある｡

2.拡散係数 を求め る基礎式()1

異 った濃度 の二つの半無限の合金 (濃度 ,

C , l

C

^{2 )}

が一 つの面 を境界 として接触すれば成分原子 は拡散 して濃度 は時間 とと もに均一 となってゆ く が この場合 に拡散係数 (拡散恒数 と も言 う)

D

を 濃度 に依存 しない常数 とすれば

Fi ck

の第

2

方程 式(か ら解)1

( 2 )

を得 る

｡

4 4

堅 ∂t ‑ D 雷

‑ 中 尾

C

^{‑ 響 一} 撃

￠( 読 ) ‑‑‑ ･ ･ ( 2 )

Q(β)‑ 7 %.,

I . B e ‑ β2

dβ

( 2 )

式 中 に て

C

は時間tこ於 て境界 よ りxな る距 離E の濃度 で あ る

0

‑ 万 が純金属 で あれ ば

C

2‑0よ り

C ‑

老 妻 ￠(蒜 )

モ ‑1‑♂( 読 ) ‑･ ‑‑‑･ ‑‑‑‑‑ ‑･ ( 3 ) ( 3 )

式 中 にてCは境界濃 度で. C｡‑与 で あ るO この 場 合濃 度 の あ らわ し万 は巌密 には体 積濃度 を用 い

るべ きで あ り,又濃度 変化 に よ る密度 の変化 が 起 らない場合 に しか適 用 出来 ない｡ 又拡散係数 β も 濃度 に依存 して変化 す るので常 数 で はないが本 実 験 で は拡 散係 数 を測定す るの は主 目的で は ない の で濃度 としては従来行 われ てい るよ うに モル濃 度 を採 用 し又拡 散係 数 は濃度 に依存 しない常 数 とし た

｡

3. Al ‑ Mg

合金 につい ての実 験

3.

1

.

溶融 アル ミニ ウム中 の マグネ シ ウムの 拡 散係 数 の測定

下端 を封 じた磁製管 の中 に直 径

2. 5cm

高 さ

3cm

重 量約

40 g

の純 アル ミニ ウム

( 9 9. 9 9%)

の試料 を 入 れ, この上 に略 々同体積 で重量 約

25 g

の純 マグ ネ シ ウム

( 99. 99%)

の試料 を入 れ る｡両者 の接 触面 は平 滑 に仕上 げて接触 を よ くし試料 の周辺 と

善 信‑

磁製管 の内側 とのす き間 は な るべ く小 さ くした｡

又 マグネ シ ウム試料 の上 に

KC1 40% + MgC1 2 60%

の フ ラックス を撒布 して マグ ネ シ ウムの酸化 を防 止 した｡ この磁製管 を垂直 に電気 炉 中 に挿入 し急 速 に加熱 して所 定 の温度 に達 してか らその温度 に 一 定 時間保持 して溶融状態 に於 て拡 散 させ た. 温 度 は

690c c〜8 40o C

とし保持 時間 は2時間 を規準

とした｡拡 散終 って炉 外 に取 出 し速か に冷却 し凝 固 させ磁 製管 を割 って試料 を取 出 し,中心軸 を含 む平面 で縦 断 しその組織 を検 した

｡

又 アル ミニ ウ ム側 (下方 ) について

AトMg

の境界面 よ り種 々 の位置 か ら分析試料 を採 取 し

J I

SH

1 311

の方 法で アル ミニ ウム中 の マグネ シ ウムを分析 した｡

この よ うに して求 めた アル ミニ ウム中の マグネ シ ウムの分析 値 お よび この値か ら3)( 式 に よ り計算 して求 めた溶融 アル ミニ ウム中 の マグネ シ ウムの 拡 散係 数 を第1表 に示 す｡

3. 2.

横 枠 の 効 果

マグネ シ ア ライニ ング した黒鉛 ル ツボ (2 番) を電気 炉 中 に置 き

9 9. 9%

の純 アル ミニ ウム約

20 0 g

を溶解 し この上 に

99. 9%

の純 マグネ シ ウム約

40g

を静か に浮 かす｡ この マグ ネ シ ウムの試料 は直径

6cm

厚 さ

0. 8c m

の円板状 で試料 の周辺 とル ツボ 内側 とのす き間 をな るべ く小 さ くした｡ マグ ネ シ

ウムの上 に は フラックスを撒 布 してその酸化 を防 止 した｡ これ を急速 に加熱 して マグネシ ウムを溶 か し所定 の温度 に遷 して次 の よ うな方 法で概拝 し

1 5

分保持 してル ツボを炉外 に取 り出 し急冷 した｡

洩拝 の方 法 は

7 0 0o C

に於 て単 に マグネシアライニ ング した鉄棒 で

1 0

秒か きまわす方 法 と鉄棒 の先 に (

第

1

表) 溶融 アル ミニウムに対するマグネシゥムの拡散係数 実 験 番 号 L

仙 1帆 ー

L

I

E

3

4

温 度

( O C) 6 9 0 7 4 0 7 8 8

8 3 7

時 間

( mi l l ) 1 2 0

J

1 2 0 1

2 0 1 2 0

境界よ

り

の

距 離

( cm

)

0 . 5 ‑‑ 1 . 0

1

0. 7 5

】

1 . 2 5 0 . 5 l

l . 0 0 . 8 4 1 . 3 4 Mg ( wt %) 2 3 . 7 4 1 1 . 5 0 1 7 . 3 9 7 . 6 5 2 6 . 7 9 ‑ 一 一 ‑ , ‑

1 3 . 3 422 1 . 4 8 1 2 . l l Mg ( ^{mol 薙)} 2 5 .

66

空竺 1 L

I8

: 9 3

1

8 . 4 1E2

8 . 8 6 ≦1 4 . 5 8r2 】 〜 3 . 2 8 1 ｣ 3 . 5 2

D ( 諾 ｢ E 3 i . 5 1 4 . 5 7 L i 二

言 j

亘 4 . 8 3 5 . 3 9⊇ 芦 7 . 9 5】 F 8 .

垣 径

4. 9c

m,厚 さ

0. 08cm

のス テン レスの小 円板 を取付 けマグネシア ライニ ングし, これ をル ツボ 車 で上下 す る方法で ある

｡ 75 0 cc ,80 0 cc

に於 て

もこの方 法で撹拝 した｡

試料が凝 固 して後縦 断 してその組織 を し らベ ア ル ミニ ウム側 (下方 ) について AトMg の境界 の 位置 よ り

1cm

,

2cm

,

3cm

の位置か ら分析試 料 を採 取 して アル ミニ ウム中の マグネ シウムを分 析 した｡ その結果 を第

2

表 に示す｡

(

第

2

表)

Al ‑ Mg

合金に対する撹杵の効果 実 験 番 号

1

】 2 ｢言 T 言

｢ 1

凍 配 合

拝 配 合

2

∴ iJ

0 0 . 4㌢ 2 0 0 . 1

i≧0100.2

2 0 0 . 0加0 . 0

2 42

撹

屠後

豊

%

i Z 5

拝

TdZ!W

方法j回転

1rl

監摘｡

)m C( 1 . 0 2 . 0 3.0

4 2 ･ 0∃4

^{2 ･ 3}

4 2･ 0】4 2･ 0

1 7 ; : ̲ :

,1: 7 . .･.i̲ 1

, , i : … 7 . : i ( i

700 7 0 0 750 800 円板上j円板上 円板上 円板上

下3回｢ 下1

回｢下1回

1 E i ^. . i l 7 ^. ｡1i ( I ) . : i :

t

i i

Or

● ･I

:

1回 1 9. 7 71 6 . 5 1

7

. 1 41 7 . 0 91 7 . 6

一 一 一 一‑ ‑ ‑ ‑ ‑ー

2 .

2

91 7 . 叫 1 7 . 8

rr

4. Al ‑ Cu

合金 について の実験

4.

I

.

溶融 アル ミニ ウム中の鋼 の拡散係 数 の 測定｡

マグネ シウムの場合 と同 じ方法で溶融 アル ミニ ウム中の銅 の拡 散係数 を測定 した｡ 銅 は融 点が高 くアル ミニ ウムの融 点附近 で実験 は出来 ないので

AトCu

の中間合金

( Cu5 3%)

を予 め潜製 した｡

これ は アル ミニ ウムよ り比重が大 きいか らマグネ シ ウムの場合 と逆 にアル ミニ ウムを上 ,

AトCu

中 間 合金 を下 に した

｡70 0o C

にてL

1

時間 ,

2

時間拡 散 させ凝 固後縦断 して恕織 を検 し

,Al ‑ Cu

の境界 面 よ り

1c

m上 (アル ミニ ウム側 )

,1c

m下 (銅側 ) か ら試料 を と りアル ミニ ウム中の銅 を分析 した,

この よ うに して求 めた アル ミニ ウム中の銅 の分 析 値お よび この値か ら

( 3 )

式 によ り計算 して求 めた 溶融 アル ミニ ウム中の銅 の拡散係数 を第

3

表 に示 す｡

4. 2.

撹拝 の効果

(

第

3

表)溶融アル ミニウムに対する銅の拡敬係数

実 験 番 号

. 1

温 度

( o C LL j

時 間

( mi n)g 6 0

痩 舜 す f 面

距 離 ^{( c}

^m

⁾

Cu ( w

%)t

上1 .

0

【

下

1 . 0

Cu ( mol

a)/e

3 ･ 9 0 D ( 諾 ) 弓8 ･ 7 4 D

平均(

)

上1O. ^下

^{1 . 0}

4 . 2. 5 3t

l

l . 6 2】4 1 . 1 4 竺

上

空 空

6. 2 5L/

7 . 5 0

マグネシウムの場 合 と同 じ く黒鉛 ル ツボ中で

AトCu

中間合金 を溶解 し この上 に純 アル ミニ ウム

( 99. 9%)

の円板状 の試料 を浮 かす｡ これ を急速 に加熱 して

7 0 0o C

に保 った｡ この温度 で棒 によ る 撹拝 ,円板付 の棒 を上 下す る ことに よる撹拝 を行 い小時間保持 して冷却 凝 固 させ た｡ これ を縦 断 し その組織 を し らべ ,境界面 よ り上方

1cm

(アル ミニ ウム側 ),下方

1cm

銅側 ) の位置 よ り分析( 試料 を採 取 して アル ミニ ウム中の銅 を分析 した｡

その結果 を第

4

表 に示 す｡

(

第 4表)

AトCu

合金に対する洩拝の効果 '

J

i ･:h ‑rfT

号

1 2 3

i

配合

A

l(

g) 1

61 0 1 111 01 配合AlC‑

u

合金(早) Cu(wt%

)

温 度 C)(o 接 拝 方 法

‑‑‑‑:‑‑i:::‑:‑‑I: : :

上1cm 下1cm

ー

｢ 7 1 ｢ 右 ｢ 這6

1 4

9 1 ‑ ‑i

二

卓 二.= .=‑̲ ⊥.,:̲

7 0

0 700 弓 70 ∃ 70 00 板上下 円板上下

回転1秒j0回転6秒0 l 3.

. 5 5 23.7.8

5.考 察

溶融 アル ミニ ウム中 の マグネ シウムの拡散係数 の測定結果 は第 1 表 に示 す通 りで あ るが この値 は 上村氏 の結果

( 2): 2. 37 ( 7 0 0o ^C ),3. 39 ( 75 0o ^C )

,

5･ 5 2 ( 8 00o

C

)

,

Bel os evs ky

の結果

( 3): 6. 5 ( 7 0 0

oC)と大差 が ない｡ 元来拡散係 数 は濃度 に依存 す る量 で あ り正確 な測 定 は極 めて困難 で あるか ら, 本実験 の よ うな簡単 な方法で この程度 の一致 で あ

4 6

^{‑ 中 尾}

(

第

5

表) アル ミニウム中のマグネシゥムの 濃度変化 (計算)

温 度

( o C)

D(蛋

⁾

ー亮雰ます面面巨顧 一

一｣ 旦聖̲ ) ̲

時

間 ( mi n)

Mg (w

t%)

1 . 0

二 二 二

れば満足 と考 え られ る｡

測定 された溶融 アル ミニウムに対す るマグネシ ウムの拡 散係数か ら

7 0 0o C,8 00o Cに於 て1 5

分 ,

30

分拡散 させ た場合の境界か ら1cm 下 (アル ミ

ニウム側)の マグネシウムの濃度 を計算 すれば第

5

表 のよ うになる

｡

これに対 し撹拝 した場合の濃 度 は既 に述べ たよ うに第2 表 に示す通 りで坦押 し なければ均一 にな らない ことがわか る｡撹拝 の方 法は第 2 表 の実験 1 に示 され るよ うに単に棒で溶 湯 をか きまわ し回転機拝 を行 っただ けでは不充分 で あるが ,棒 の先 に小円板 を取付 け これ を上下す れば,ただ 1 回の上下で大体均一 になることがわ か る｡

測定 され た溶融 アル ミニウムに対す る銅の拡散 係数か ら

7 0 0o Cに於 ける境界か ら1cm上 (アル

ミニウム側)の鋼の濃度の時間に対す る変化 を計 算 すれば第

6

表 のよ うになる

｡

これに対 し撹拝 し た場合の濃度 は第4表 に示す通 りで マグネシウム の場合 と同 じ く墳拝 しなければ均一 とな り難

い｡

この場合回転撹拝では1

0

秒では不充分,60秒で大 体均一 となってい る

｡

又上下撹拝では1 回では不 充分で2 回で均一 となってい る｡ アル ミニウムと

マグネシウムとの比重差 よ りアル ミニウムと

Al ‑ Cu

中間合金 の比重差が大である ことと,アル ミ

(

第

6

表) アル ミニウム中の銅の濃度変化 (計算) 温 度

( o C)

D L 諾)

亮雰ます確 面一

( cm)

時 間

( m

ni

)

Cu ( wt %)

7 . 5】1 5 L3 0 】6 0 1 2 0 o ･ 0 1 3 io 3 4 ･ 4 ∃2･ 7 6 77 ･ 4 8I1 3 ･ 0 9

善 信‑

ニウムとマグネシウムの場合 は アル ミニウムが下 アル ミニウムと

A1 ‑ C

u中間合金 の場合はアル ミニ ウムが上で あることな どによ り撹拝 の効果 もらが うので あろ うがいずれにして も円板 を上下す るこ とが均一化 に きわめて有効で あ る

｡

6. AトP

b合金 についての実験

約3

00 g

の純 アル ミニウムをマグネシアライニン グした黒鉛 ル ツボ中で とか し これに

99. 99%の純

鉛 を

1‑1 0%添加 し7 5 0o Cにて小 円板付 の撹押棒

によ り1 分間充分 に撹拝 し静置 す ることな く直 に 一方向凝固装置 の鋳型 に注入 す る｡ この装置

( 4)

は 既 に発表 したよ うに周辺 を加熱 した高 さ

1 2 cm,

直径

4cm

の円筒型 アスベス ト製鋳型で この下

方

に冷却装置が あ り潜湯注入 の1 分後 に冷却水噴出

と同時に鋳型周辺 の加熱源が遮断 され浴場 は下か ら上 に向 って一方向に凝固 して ゆ く｡凝固の進行 速度 は探針法によ り測定 され る｡

(

第

7

表)凝固後のアル ミニウム中o鉛の濃度) 実 験 番 号

L 1 r 2 3 ⁴ 5

Pb 添加量

( wt %) 1 2 . 5 2 . 5

弓 1

0

肌

部"郡

上︻下

0 . 1 4 】

0

.

58

10

0. 75

0. 85

この装置 内で一方向に凝固 した試料 (高 さ

1 0cm

直径

4cm)

を中心､軸 を含 む平面で縦断 しその組 織 をし らべ ,底部の鉛の沈積 を検 し試料 の上下の 鉛 を分析 した｡分析結果 を第 7表 に示す,表 中上

部 とは試料頭 部 よ り

1cm

下 ,下部 とは試料底部 よ り

1cm上 の位置である｡鉛 1%

重量約(

3g)

を添加 した場合 は底部に沈積す る鉛 はないが,

5 0 /

a(重量約

1 5g)

を添加 した場合 は添加量 の約

1 0 / a( 0. 15 g)が沈積 し,又鉛 1 00 /

a(重量約

30g)

杏 添加 した場合 は添加量 の約35‑5

0%が沈積す る｡

【考 察】

A1 ‑ P

bの平 衡状態図

( 5)

によれば溶融 アル ミニウ ム中の鉛 の溶解度 は7

00o Cにて約 2%で あ り偏晶

温度

( 658. 5c c)

にて約0.

2%,これ よ り低温では

殆ん ど固潜 しない.

l AトMg,ALCu

合金の実験 結果か らわか るよ うに小 円板 を取付 けた磯押棒 を

上下す る ことは均一化 に きわめて有効で あるか ら

AトPb

の場合 も

1

分間 も撹拝 すれば (上下 回数約

200

回)

2%の鉛 はアル ミニウム中に とけ込 む と

考 え られ る｡ しか るに分析結果か らわか るよ うに 凝固後 の アル ミニウム中の鉛 は1% 以下で あるか ら鉛 の大部分は添加 の際に酸化損失 とな り又 アス ベス ト円筒に注入後冷却 開始迄の1 分間に鋳型底 部 に沈積す る もの と思 われ る｡

撹拝直後 は鉛 はアル ミニウム中に液滴 となって 存在す る もの とし, これが

St okes

の法則 によ り鋳 型下方 に沈降 してゆ くもの と仮定すれば

St okes

の式

( 4)

よ り鉛液滴の宙径 と沈降速度 との関係 を知 ることが 出釆 る

｡

u t ‑

去 d

g

‑

l 牡

〝

=p ‑

4

1

‑‑

1

･･･‑･･･ ‑‑･･･

‑( 4 , ( 4)

式 に於て uL:沈降速度

cm/ s ee

,d: 鉛液滴 の直径

cm,〟 :

溶融 アル ミニウムの粘性 係数

( 700o C

にて

0. 0 29C. G. S. ( 6 ) ), ppb

:溶融鉛 の 密度 (7

00o C

にて

1 0. 15g/ cm3 ( 6 ) ),

pAl:溶融 ア ル ミニ ウムの密度

( 700c

cにて

2. 369g/ cm

3

( 6 ) )

,

ど:

重力加速度

980cm/ s e c2

( 4 )

式 に数値を入れて計算 すれば

( 5 )

式が得 られ る｡

d‑0･ 0 0 8 28 I ‑ u

^了

アスベス ト円筒内に注入 された潜湯の深 さは約

1 0cm

で あるか らこの距離 を沈降す るのに60s

ec

(

潜湯注入 よ り冷却 開始迄 の時間)を要 した鉛液 滴の直径 は

( 5 )

式 よ り

33. 8F

Lとなる｡ これ よ り大 き な直径 の鉛液滴は全部冷却開始迄 に円筒底 に沈積 す ることになる｡直径が これ よ り小 さい鉛液帝 と 溶融 アル ミニウム中に溶 け込んでいて凝 固の際偏 晶反応 によ り分離 された鉛 との合計が分析 の結果

となってあ らわれ た ことになる

｡

顕微鏡検査 によ って観察 され る鉛 の粒子 は最大20FL位 で あった｡

このよ うに強 く撹押 して も鉛 を細か く分散 させ又 溶融 アル ミニウム中 に飽和迄溶か し込 む ことは困 難で ある

｡

7.

総 括

溶融 アル ミニウム中に於 けるマグネシウム,鍋 の拡散係数 を簡単 な方法で測定 した｡

合金潜製 の際拡散 のみによって潜湯 の組成 を均 一 にす る ことは困難で あるか ら機械 的に撹拝 しな ければな らない｡撹拝 の方法 としては単 に棒でか きまわ して回転運動 を与 えるだ けで は効果が小 さ いが ,撹坪棒 の先 に小 円板を取 り付 けて これを上 下すれば有効で ある｡

溶融 アル ミニウム中の鉛 は強 く授押 して も均一 に分散 させ ることは困難で大部分は鋳型 の底 に沈 積 してしま う｡

【後 記】

本実験 はアル ミニウム合金の微細化 の研究 の基 礎実験 の‑ として行 った もので軽金属奨学会 の奨 学金の一部 を使用 した. 同学会 に厚 く感謝す る｡

参 考 文 献 (

1

) ザイツ著,橋口訳 も金属に於ける拡散や

( 1 9 4 3 1 P. 6

( 2 )

上村:鉄 と鋼

Vo12 5( 1 9 3 9 )P. 2 4

(3) も金属に於ける拡散や (前出)

P.1 8 3

(

4

) 中尾 :軽金属

No. 2 0( 1 9 5 6 )P.1 8

( 5 ) Me t al sHandbook ( 1 9 4 8 )P.1 1 6 5

( 6 ) Li qui d‑ Me t al sHandbookP.4 0