專利名稱：：含有高蒸汽壓金屬的合金的熔化方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及通過熔化法制造含有Mg、Ca、Li、Zn、Mn及Sr等熔點低、沸點低、具有高蒸汽壓的金屬的合金時的熔化方法。
背景技術：
：因為以Mg、Ca、Zn及Li等為代表的金屬及含有這些金屬的合金比鐵等過渡金屬及它們的合金等重量輕、比強度高，在作為結構材料及功能性材料的應用上廣受期待。其中，因為Mg與Ca在地殼及海水中儲藏豐富，成本低，而且，不會給人體帶來不良影響，因此，對擴大Mg與Ca應用的期待很大。但是，因為Mg、Ca、Zn及Li等金屬及這些金屬的合金的熔點低、沸點低，蒸汽壓高，要通過熔化法制造含有這些金屬的合金，就會存在由蒸發(fā)產生的金屬細粉污染熔化爐內部這樣的問題。特別是對于Mg,其活性非常高，如其附著在熔化爐內壁等上，在與大氣接觸時，引起起火與爆炸等危險性較高。另外，蒸發(fā)的金屬細粉的煙會污染熔化爐的目視觀察用窗口，或遮斷視野，還存在對于合金是否完全熔化、及攪拌是否充分等不能用目^L確:〖人判斷等問題。而且，由于難以推測正確的蒸發(fā)量，因此存在不能制造目標化學成分的合金這樣的問題。另外，對于上述含有Mg、Ca、Zn及Li等金屬的合金，除了熔化法之外，也可以通過球磨機等機械合金化法制造。因為該合金制造方法是不熔化原料金屬的制造方法，不會產生由出現(xiàn)金屬細粉而引起的上述那樣的問題，但存在有由于鐵等從磨機口混入而引起的污染及合金的均勻性降低等問題。另外，存在因為在制造上需要時間長、制造成本高的問題，不適于大批量生產。
發(fā)明內容如上所述，因為制造含有Mg、Ca、Zn及Li等的合金的以往的方法都存在各種各樣的問題，因此，強烈期望開發(fā)一種沒有這樣問題的新的制造技術。在此，本發(fā)明的主要目的是提供一種有利于在用熔化法制造含有低熔點、低沸點、高蒸汽壓的金屬的合金的熔化方法。另外，本發(fā)明的另一個目的是提供一種制造目標化學成分合金的制造方法，減少蒸發(fā)出的活性金屬細粉所引起的起火等危險及污染，并且以高精度、安全地制造大量目標化學成分的合金。發(fā)明人們?yōu)榱藢崿F(xiàn)上述目的，不斷進行深入研究。其結果，發(fā)現(xiàn)使構成熔化氣氛的氣體成分合理化，特別是采用氦氣是有效的，進而研發(fā)出本發(fā)明。即，本發(fā)明是一種含有高蒸汽壓金屬的合金的熔化方法，通過熔化而制造含有Mg、Ca、Li、Zn、Mn及Sr中的任一種以上的金屬的合金，其特征在于，采用含有氦的氣體作為其熔化的保護氣體。另外，在本發(fā)明中，上述保護氣體中的氦濃度為1Ovol。/o以上，而且，上述保護氣體優(yōu)選是氦、氮和氬等與原料金屬不發(fā)生反應的氣體的混合氣體。另外，上述保護氣體的壓力優(yōu)選是根據(jù)以上構成的本發(fā)明方法，在制造含有Mg、Ca、Li及Zn等低熔點、低沸點、高蒸汽壓的金屬的合金、例如上述金屬與Al或Ni等的合金時，不會產生由蒸發(fā)出的活性金屬細粉引起的起火等危險及污染，并且可以高精度、安全且廉價地制造大量目標化學成分的合金。另外，采用含有氦的氣體作為保護氣體的本發(fā)明的熔化方法，除了可以解決上述活性金屬細粉引起的問題之外，由于含有氦的氣體具有較高的熱傳導率，提高了熔化金屬的凝固速度，即，兼有取得驟冷凝固的效果的特征。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法，用通常的熔化裝置也可以制造以往采用驟冷凝固專用的熔化裝置所制造的特殊合金。由以上所述，期望通過采用本發(fā)明的熔化方法，使由在下一代所采用的輕金屬與合金構成的結構材料與功能性材料的開發(fā)及實用化取得較大的進展。圖1是表示熔化合金CaMg2時的保護氣體中的氦氣濃度對Mg的熔化出品率所產生的影響的圖表。圖2是表示比較采用氦氣作為熔化合金CaMg2時的保護氣體時、與采用氬氣作為熔化合金CaMg2時的保護氣體時所得到的合金的X射線衍射曲線的圖。圖3是表示比較在氦氣氣氛中熔化的La—Ni系吸附氫合金與在氬氣氣氛中熔化的La—Ni系吸附氫合金的壓力組成等溫線圖。具體實施例方式以下，對本發(fā)明的熔化方法進行詳細說明。本發(fā)明的熔化方法的特征在于，在熔化含有Mg、Ca、Li及Zn等低熔點、低沸點且高蒸汽壓的金屬中的l種以上的金屬的合金時，采用含有氦的氣體作為其熔化保護氣體。在采用該含有氦的氣體作為熔化保護氣體時，可以防止在熔化時蒸發(fā)產生的金屬細粉的凝聚，可以大幅降低由金屬微粉的凝聚體引起起火等的危險性與污染，并且，能高精度、且安全地制造大量目標化學成分的合金。推測是由于氦與其它惰性氣體相比，其熱傳導率較高(是氬的大約3倍)、密度較低(是氬的0.1倍)、而且平均自由行程較長(是氬的大約3倍)，從而得到利用該含有氦的氣體而達到的上述效果。另外，雖然除了氦以外，氫具有同樣的特性，但由于氫與原料金屬發(fā)生反應而構成金屬氫化物，不適合作為熔化保護氣體。但是，若熔化與氫不發(fā)生反應之類的低熔點、低沸點且高蒸汽壓的金屬時，采用含有氫的氣體作為其熔化保護氣體的情況下，可以期待與氦相同的效果。但是，氦氣價格非常高。因此，從降低成本方面考慮，優(yōu)選是用與上述原料金屬不反應、價格便宜的氣體置換一部分的該氦氣來使用。在此，發(fā)明人們用其它的各種各樣的氣體置換氦氣而進行實驗的結果可知，如采用將氮或氬等與原料金屬不發(fā)生反應的氣體替換一部分氦氣而成的氣體，可以相當?shù)販p少由蒸發(fā)產生的金屬細粉凝聚所引起的起火等的危險性與污染。另外，最優(yōu)選是釆用氬氣作為置換氦氣的氣體。其理由是因為氬氣價格便宜，即使在高溫狀態(tài)下，也不會與Mg、Ca、Li及Zn等發(fā)生反應。但是，我們知道在氦與其它惰性氣體的置換中存在限度。根據(jù)發(fā)明人們的見解，該混合氣體中的氦含有量至少需要10vol%,優(yōu)選是25volo/。以上，更為優(yōu)選是50volQ/o以上。進一步優(yōu)選是95vol。/。以上，當然也可以是90vol。/o100voP/c)。之所以這樣將氦氣在保護氣體中所占比例的下限設為10vol%,是因為若氦氣所占比例不足10vo1。/。，就不能取得氦的上述作用效果。另外，在本發(fā)明的熔化方法中，由含有氦的氣體所構成的熔化氣氛的壓力優(yōu)選是0.01MPalMPa。其理由是因為在壓力不足0.01MPa的狀態(tài)下，蒸發(fā)溫度顯著降低，從而促進蒸發(fā)而不能減少金屬細粉的產生量；另一方面，若超過了lMPa，則雖然可以減少蒸發(fā)量，但熔點上升、熔化變得困難。另外，上述含有氦的氣體的壓力范圍是在熔化前的室溫狀態(tài)下的壓力，在熔化工序中熔爐內變?yōu)楦邷貢r，有時會超過上述范圍。另外，用作上述保護氣體的氦的濃度及壓力的最佳范圍主要是從成本方面考慮反復進行考察研發(fā)的結果而得到的范圍。另外，在本發(fā)明的熔化方法中，雖然，在作為保護氣體供給的含有上述氦的氣體中，在不損害本發(fā)明作用的范圍內也可以含有氧、二氧化碳、水蒸氣等雜質氣體，但是，該雜質氣體的含有量優(yōu)選是lmass。/。以下。其理由是因為若雜質氣體的含有量超過lmass。/。，則在熔化中，這些雜質氣體與Mg、Ca、Li及Zn等發(fā)生反應，生成氧化物、氫氧化物及碳化物等，不能制造目標化學成分的合金及化合物。實施例以下，才是出實施例詳細說明本發(fā)明，當然，本發(fā)明并不限于這些實施例。實施例1準備共計lkg的Mg與Ca金屬，使他們的摩爾比為2:1，作為吸附氫合金CaMg2的原料，將他們全部裝入誘導熔融型熔化爐內，排出該爐內的氣體至8x10_3Torr,然后，導入作為保護氣體的氦氣(濃度100vo1。/。)至600Torr。其后，一邊用該保護氣體充滿爐內，一邊將熔化爐內的溫度加熱至1100。C而熔化上述原料，并將上述合金的金屬熔液溫度維持在105(TC并保持30分鐘。其后，將上述合金的金屬熔液注入到水冷了的鑄錠底盤固，制造出CaMg2合金。對于這樣得到的CaMg2合金，用下述的(1)及(2)的方法測定熔化出品率及化學成分。(1)熔化出品率的測定通過分別測定熔化前的原料質量及熔化鑄造后的合金質量，求得由于蒸發(fā)所減少的質量，計算出熔化出品率。(2)化學成分的測定通過ICP發(fā)光分光分析法，定量分析熔化鑄造后的合金的化學成分。由表l表示上述測定的結果。由該結果可知，在采用氦氣作為保護氣體的本實施例l中，熔化出品率高達98.2%以上，而且，能以相對于目標合金組成為±1%以內的高精度制造合金。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>除了采用氬氣(濃度100vol。/Q)作為保護氣體以外，其余與實施例l同樣地制造CaMg2合金。用上述(1)及(2)的方法測定該CaMg2合金的熔化出品率及化學成分，將結果一并記錄在表1中。實施例2~4除了將作為保護氣體導入的氦氣的濃度變更為75vol%、50vol%、25vol%(其余為氬氣)之外，與上述實施例l同樣地制造CaMg2合金。用上述(1)及(2)的方法測定這些CaMg2合金的熔化出品率及化學成分，將其結果一并記錄在表l中。由這些結果可知，在氦氣濃度超過50vol。/。的情況下(實施例2及3),熔化出品率高達98%左右，且以較高精度得到目標合金組成。另一方面，雖然在氦氣濃度為25vol。/。的情況下(實施例4),熔化出品率及合金組成要比實施例13差，但與不含有氦氣的情況(比較例l)相比，提高了熔化出品率及合金組成的精度，可以確認到導入氦氣的效果。圖l表示了由上述實施例14與比較例l的結果所得到的氦氣濃度與熔化出品率的關系。由圖l可知，氦氣濃度越高則熔化出品率越高。另外，對在上述實施例l及比較例1中得到的CaMg2合金進行X射線衍射強度的測定，確認合金與化合物是否具有與目標一致的單相結構，并在圖2中表示其結果。由圖2可知，實施例1的CaMg2合金成為CaMg2相的單相結構合金，而比較例1的CaMg2合金成為混合了CaMg2相與Ca相這兩相的結構的合金。以上，如由表l、圖1及圖2可知道的那樣，才艮據(jù)本發(fā)明的方法，可以實現(xiàn)無偏差地制造目標組成的單相合金。對此，用比較例的方法，不能控制原料的蒸發(fā)損失，較大地偏離了目標組成，且合金組成出現(xiàn)偏差。實施例5除了采用Ca和Al作為合金原料之外，其余與上述實施例l同樣地制造CaAl2合金，用上述(1)及(2)的方法測定所得到的CaAh合金的熔化出品率及化學成分，將其結果一并記錄在表1中。由其結果可知，在本實施例5中，可得到熔化出品率高達98%左右、且相對于目標的A1組成比為±1%以內的高精度的目標合金。實施例6除了采用Mg和Ni作為合金原料之外，其余與上述實施例l同樣地制造MgNi2合金，用上述(1)及(2)的方法測定所得到的MgNi2合金的熔化出品率及化學成分，將其結果一并記錄在表1中。由其結果可知，在本實施例6中，可得到熔化出品率高達98%左右、且相對于目標的Ni組成比為±2%以內的高精度的目標合金。實施例7除了采用Ca和Ni作為合金原料之外，其余與上述實施例l同樣地制造CaNi2合金，用上述(1)及(2)的方法測定所得到的CaNi2合金的熔化出品率及化學成分，將其結果一并記錄在表1中。由其結果可知，在本實施例7中，可以得到熔化出品率高達98%左右、且相對于目標的Ni組成比為±2%以內的高精度的目標合金。實施例8及比較例2根據(jù)本發(fā)明，測量在氦氣濃度為100vol。/。的氣氛中熔化制造出的La_Ni系吸附氫合金(實施例8)及在氬氣濃度為100vol。/。的氣氛中熔化制造出的同樣化學組成的La—Ni系吸附氬合金(比較例2)的壓力組成等溫線圖，在圖3中表示其結果。由該圖3可知，實施例8的合金與比較例2的合金相比，呼區(qū)域平坦且寬，通過氦氣被驟冷凝固的實施例8的合金成為均勻性優(yōu)良的合金。產業(yè)上的可利用性本發(fā)明的技術不僅被用作含有以Mg、Ca、Zn及Li等為代表的低熔點、低沸點、且高蒸汽壓的金屬的合金的大批量生產技術，還可以適用于熔化這些金屬的單體的情況，及可適用于另外，本發(fā)明的技術也可以適用于由在下一代所采用的輕金屬與合金構成的結構材料、功能性材料、半導體化合物、其它化合物的熔化技術。權利要求1.一種含有高蒸汽壓金屬的合金的熔化方法，通過熔化制造出含有Mg、Ca、Li、Zn、Mn及Sr中的任何一種以上的金屬的合金，其特征在于，采用含有氦的氣體作為其熔化的保護氣體。2.根據(jù)權利要求l所述的含有高蒸汽壓金屬的合金的熔化方法，其特征在于，上述保護氣體中的氦濃度為10vol。/。以上。3.根據(jù)權利要求1或2所述的含有高蒸汽壓金屬的合金的熔化方法，其特征在于，上述保護氣體是氦、氮、氬等與原料金屬不發(fā)生反應的混合氣體。4.根據(jù)權利要求13中任一項所述的含有高蒸汽壓金屬的合金的熔化方法，其特征在于，上述保護氣體的壓力為O.OlMPa1MPa。全文摘要本發(fā)明提供一種含有高蒸汽壓金屬的合金的熔化方法，在該熔化方法中，通過熔化制造含有Mg、Ca、Li、Zn、Mn及Sr等低熔點、低沸點、且具有高蒸汽壓的金屬的合金時，采用含有氦的氣體作為其熔化的保護氣體。其結果，可以不會招致蒸發(fā)出的活性金屬細粉引起起火等的危險及污染，并且以高精度、安全且廉價地制造大量含有上述金屬的目標化學成分的合金。另外，通過采用含有氦的氣體作為保護氣體，由于氦氣具有較高的熱傳導率，可以使熔化金屬驟冷凝固，因此，即使用通常的熔化裝置也可以制造特殊合金。文檔編號B22D23/00GK101132871SQ20068000671公開日2008年2月27日申請日期2006年3月2日優(yōu)先權日2005年3月2日發(fā)明者寺下尚克,榎浩利,秋葉悅男,角掛繁申請人:日本重化學工業(yè)株式會社;獨立行政法人產業(yè)技術綜合研究所