JP2000288374A - 撹拌翼、および同撹拌翼を装着した撹拌装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属溶湯中で１年以上使用しても、撹拌力に
影響する水準である、撹拌翼の先端部分における撹拌翼
の面積の摩耗量が３％を超える摩耗性を示すことがな
く、かつ、高温下で、かつ、貧酸素条件下での重量減少
量が、実質的に零である撹拌翼、および、同撹拌翼を装
着した撹拌装置の提供。 【解決手段】 比重が約２ｇ／ｃｃ、室温および高温時
に於ける摩耗量が実質的に零であり、少なくとも貧酸素
条件下、好ましくは大気中において、１０００℃を超え
る高温に長期間暴露されるような使用環境下でも、５％
を超える重量減を示さない炭素繊維と炭素繊維以外の炭
素に、金属珪素を含浸して得られる、炭素と炭化珪素と
金属珪素、または炭素と炭化珪素とから構成される複合
材料、または、耐酸化性皮膜を有する複合材料からなる
撹拌翼、および同撹拌翼を装着した撹拌装置により達
成。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、アルミニウム等
の各種金属の溶湯の撹拌に使用する撹拌装置に取り付け
る撹拌翼、および同撹拌翼を取り付けた撹拌装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】 各種鋼板等の表面処理に、アルミニウ
ム、銅、鉄、錫、亜鉛、銅ベリリウム合金等を溶融させ
たいわゆる金属溶湯が使用されている。溶湯中に含まれ
る各種不純物の除去や溶存する気体等の除去には、撹拌
が必須とされている。現在は、これらの用途の撹拌に
は、炭素繊維製のものが使用されているが、材質が炭素
のために、溶融した金属流体との摩擦に起因する摩耗が
激しく、金属溶湯の種類等により若干の変動があるが、
その寿命は、１週間〜１ヶ月程度と短く、頻繁に交換を
余儀なくされているのが現状である。なお、通常は、こ
れらの溶湯は、貧酸素雰囲気下に保持されている。しか
し、その量は微量とはいえ、水分が含まれているため
に、撹拌翼を構成する炭素と反応して、炭酸ガスとして
一部が失われるなど、翼の機械的強度に影響するという
問題も無視できない。従って、貧酸素条件下でも、実質
的に重量の減少を示さない、材料の出現が望まれてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】 金属溶湯中で１年以
上使用しても、撹拌力に影響する水準である、撹拌翼の
先端部分における撹拌翼の面積の摩耗量が３％を超える
摩耗性を示すことがなく、かつ、高温下で、かつ、貧酸
素条件下での重量減少量が、実質的に零である撹拌翼、
および、同撹拌翼を使用した撹拌装置の提供することを
目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】 本発明者等は、上記の
様な現状に鑑みて種々検討した結果、本発明を完成させ
たものである。すなわち、本発明によれば、比重が約２
ｇ／ｃｃ、室温および高温時に於ける摩耗量が実質的に
零であり、少なくとも貧酸素条件下、より好ましくは大
気中において、１０００℃を超える高温に長期間暴露さ
れるような使用環境下でも、５％を超える重量減を示さ
ない炭素繊維と炭素繊維以外の炭素に、金属珪素を含浸
して得られる、炭素と炭化珪素と金属珪素、または炭素
と炭化珪素とから構成される複合材料、または、耐酸化
性皮膜を有する複合材料からなる撹拌翼、および同撹拌
翼を使用した撹拌装置により上記目的が達成されること
を見出して、本発明を完成させたものである。

【０００５】 本発明に係る撹拌翼の場合には、比重が
約２ｇ／ｃｃと軽く、従来使用されている炭素繊維製の
ものと実質的に差異はないので、撹拌装置全体に及ぼす
影響は実質的にないといえる。すなわち、翼を本発明に
係る翼と交換しても装置そのものの設計を変更する必要
は全くない。また、室温および高温時に於ける摩耗量が
実質的に零であり、長時間、例えば、１年を超えて使用
しても、撹拌力に影響するような摩耗が生じない。さら
に、少なくとも貧酸素条件下では、実質的に酸化され
て、重量減少を示すことがないので、連続使用しても、
強度の低下を引き起こすことがない。従って、交換する
ことなく１年以上連続して使用することも可能である。

【０００６】

【発明の実施の形態】 本発明に係る、比重が約２ｇ／
ｃｃ、室温および高温時に於ける摩耗量が実質的に零で
あり、少なくとも貧酸素条件下、好ましくは、大気中に
おいて、１０００℃を超える高温に長期間暴露されるよ
うな使用環境下でも、５％を超える重量減を示さない、
炭素繊維と炭素繊維以外の炭素に、金属珪素を含浸して
得られる、炭素と炭化珪素と金属珪素、または炭素と炭
化珪素とから構成される複合材料、または、耐酸化性皮
膜を有する複合部材からなる撹拌翼は、以下に詳述する
複合材料から製造する。なお、ここで、少なくとも貧酸
素条件下において、１０００℃を超える高温に長期間暴
露されるような使用環境下でも、５％を超える重量減を
示さないとは、少なくとも９０日以上１０００℃を超え
る高温の金属溶湯中で使用しても、撹拌翼の表面が僅か
に存在する酸素と反応して炭酸ガスを生成し、撹拌翼部
分の重量が減少しないことをことをいう。大気中におい
て、１０００℃を超える高温に長期間暴露されるような
使用環境下でも、５％を超える重量減を示さないとは、
少なくとも一定時間定期的に、大気中で１０００℃を超
える高温に曝されるような条件下で使用されても、撹拌
翼部分の重量が減少しないことをことをいう。また、室
温および高温時に於ける摩耗性が実質的に零であると
は、室温、および７００℃で摩耗量を試験するとき、測
定しうる重量の増減を示さないことをいう。

【０００７】 本発明に係る撹拌翼を製造するための原
材料のうち、炭素繊維と炭素繊維以外の炭素に、金属珪
素を含浸して得られる、炭素と炭化珪素と金属珪素、ま
たは炭素と炭化珪素とから構成される複合材料として
は、Ｃ／Ｃコンポジットを基本骨格とし、その基本骨格
を取り巻く状態で、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料からなるマトリ
ックスが形成されているＳｉ−ＳｉＣ系複合材料と、Ｓ
ｉＣ系材料からなるマトリックスが形成されているＳｉ
Ｃ系複合材料が挙げられる。また、耐酸化性皮膜を有す
る複合部材としては、Ｃ／Ｃコンポジットそのもの、あ
るいは、Ｃ／Ｃコンポジットを基本骨格とし、その基本
骨格を取り巻く状態で、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料からなるマ
トリックスが形成されているＳｉ−ＳｉＣ系複合材料
と、ＳｉＣ系材料からなるマトリックスが形成されてい
るＳｉＣ系複合材料の表面に耐酸化性皮膜が形成された
複合材料が挙げられる。以下にこれらの材料について詳
述することとする。

【０００８】 炭素繊維と炭素繊維以外の炭素に、金属
珪素を含浸して得られる、炭素と炭化珪素と金属珪素か
ら構成される複合材料としては、より具体的には、５５
重量％〜７５重量％の炭素と、１重量％〜１０重量％の
珪素と、１０重量％〜５０重量％の炭化珪素とから構成
され、少なくとも炭素繊維の束と炭素繊維以外の炭素成
分とを含有するヤーンが層方向に配向しつつ三次元的に
組み合わされ、互いに分離しないように一体化されてい
るヤーン集合体と、このヤーン集合体中で隣り合う前記
ヤーンの間に充填されているＳｉ−ＳｉＣ系材料からな
るマトリックスとを備え、０．０５〜０．６の動摩擦係
数と、０．５％〜１０％に制御された気孔率とを有する
複合材料が挙げられる。

【０００９】 また、炭素繊維と炭素繊維以外の炭素
に、金属珪素を含浸して得られる、炭化珪素と炭素から
構成される複合材料としては、骨格部と骨格部の周囲に
形成されマトリックスとからなる構造を有するＳｉＣ−
Ｃ／Ｃコンポジット複合材料であって、炭化珪素の少な
くとも５０％はβ型で、骨格部は、炭素繊維と炭素繊維
以外の炭素成分により形成されており、その骨格部の一
部分には炭化珪素が存在していてもよく、マトリックス
は、炭化珪素により形成され、前記マトリックスと前記
骨格部とは一体的に形成されており、かつ、前記複合材
料は０．５％〜５％の気孔率と二山型の平均気孔径の分
布を有する複合材料が挙げられる。

【００１０】 実質的に酸化されることがない耐酸化性
被膜を有する複合材料とは、Ｃ／Ｃコンポジット、炭素
繊維と炭素繊維以外の炭素に、金属珪素を含浸して得ら
れる、炭素と炭化珪素と金属珪素、または、炭素と炭化
珪素とから構成される複合材料の表面に、耐酸性被膜と
して炭化ホウ素層と、耐熱・耐アルカリ性ガラス、釉
薬、およびスポンジ様酸化物から選らればれた少なくと
も１層からなる層が形成されているものをいう。なお、
複数層からなる耐酸性被膜としては、これを例挙すれ
ば、炭化ホウ素層と耐熱・耐アルカリ性ガラス、炭化ホ
ウ素層と釉薬、炭化ホウ素層とスポンジ様酸化物、炭化
ホウ素層とスポンジ様酸化物と耐熱・耐アルカリ性ガラ
ス、炭化ホウ素層とスポンジ様酸化物と釉薬との組み合
わせが挙げられる。

【００１１】 本明細書において、炭素繊維と炭素繊維
以外の炭素に、金属珪素を含浸して得られる、炭素と炭
化珪素と金属珪素、または炭素と炭化珪素とから構成さ
れる複合材料、または、耐酸化性皮膜を有する複合材料
の製造用の主要素材であるＣ／Ｃコンポジットとは、炭
素繊維の束のマトリックスとして作用する粉末状のバイ
ンダーであって、焼成後には炭素繊維の束に対して遊離
炭素となるピッチ、コークス類を包含させ、さらに必要
に応じてフェノール樹脂粉末等を含有させることによっ
て、炭素繊維束を調製し、この炭素繊維束の周囲に、熱
可塑性樹脂等のプラスチックからなる柔軟な被膜を形成
し、柔軟性中間材としてのプレフォームドヤーンを得
る。このプレフォームドヤーンを、特開平２−８０６３
９号公報に記載されている方法によりシート状または織
布状にし、必要量を積層した後、ホットプレスで成形し
得られた成形体、または、この成形体を焼成して得られ
る焼成体をいう。

【００１２】 基本素材として使用するＣ／Ｃコンポジ
ットとしては、直径が１０μｍ前後の炭素繊維を、通
常、数百本〜数万本束ねて繊維束（ヤーン）を形成し、
この繊維束を熱可塑性樹脂で被覆して調製した柔軟性糸
状中間材を得、これを特開平２−８０６３９号公報に記
載されている方法によりシート状にし、このシート状と
したものを二次元または三次元方向に配列して一方向シ
ート（ＵＤシート）や各種クロスとしたり、また上記シ
ートやクロスを積層したりすることにより、所定形状の
予備成形体（繊維プリフォーム）を形成し、該予備成形
体の繊維束の外周に形成されている有機物からなる熱可
塑性樹脂等の被膜を焼成し、上記の同皮膜を炭化除去し
たものを使用すればよい。なお、本明細書に於いて、参
考のために特開平２−８０６３９号公報の記載を引用す
る。本発明に於いて使用するＣ／Ｃコンポジットは、上
記のヤーン中の炭素繊維以外の炭素成分は、好ましくは
炭素粉末であり、特に好ましくは黒鉛化した炭素粉末で
ある。

【００１３】 本発明において、炭素と炭化珪素と金属
珪素とから構成される複合材料とは、Ｓｉ−ＳｉＣ系複
合材料の名称で呼ばれることもある、５５重量％〜７５
重量％の炭素と、１重量％〜１０重量％の珪素と、１０
重量％〜５０重量％の炭化珪素とから構成され、少なく
とも炭素繊維の束と炭素繊維以外の炭素成分とを含有す
るヤーンが層方向に配向しつつ三次元的に組み合わさ
れ、互いに分離しないように一体化されているヤーン集
合体と、このヤーン集合体中で隣り合う前記ヤーンの間
に充填されているＳｉ−ＳｉＣ系材料からなるマトリッ
クスとを備え、０．０５〜０．６の動摩擦係数と、０．
５％〜１０％に制御された気孔率とを有する複合材料を
いう。この材料は、平成１０年９月４日付の出願に係る
特願平１０−２６７４０２号に開示された方法により製
造することができる。従って、特願平１０−２６７４０
２号の内容をここに引用する。

【００１４】 なお、ここで、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料と
は、未反応の状態で残存する珪素からなる珪素相からほ
ぼ純粋な炭化珪素に至るまでの、いくつかの相異なる相
を含む、典型的には珪素相と炭化珪素相からなるが、炭
化珪素相には、珪素の含有量が傾斜的に変化しているＳ
ｉＣ共存相を含みうるものをいう。従って、Ｓｉ−Ｓｉ
Ｃ系材料とは、このようにＳｉ−ＳｉＣ系列において、
炭素の濃度として、０ｍｏｌ％から５０ｍｏｌ％までの
範囲以内で含まれてる材料の総称である。本発明に係る
Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料においては、マトリックス部が
Ｓｉ−ＳｉＣ系材料により形成されていることとなる。

【００１５】 また、このＳｉ−ＳｉＣ系複合材料は、
好ましくは、ヤーンの表面から離れるのに従って珪素の
含有比率が上昇する傾斜組成を有するマトリックスを有
している。また、このＳｉ−ＳｉＣ系複合材料において
は、好ましくは、炭素繊維からなるヤーン集合体は、複
数のヤーン配列体から構成されており、各ヤーン配列体
はそれぞれ特定本数の炭素繊維を束ねて構成したヤーン
をほぼ平行に二次元的に配列することによって形成され
ており、各ヤーン配列体が積層されることによってヤー
ン集合体が構成されている。これによって、Ｓｉ−Ｓｉ
Ｃ系複合材料は、複数層のヤーン配列体を特定方向に積
層した積層構造を有することになる。

【００１６】 図１は、ヤーン集合体の概念を説明する
ための概略斜視図であり、図２（ａ）は図１のＩＩａ−
ＩＩａ線断面図であり、図２（ｂ）は図１のＩＩｂ−Ｉ
Ｉｂ線断面図である。Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料７の骨格
は、ヤーン集合体６によって構成されている。ヤーン集
合体６は、ヤーン配列体１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１
Ｅ、１Ｆを上下方向に積層してなる。各ヤーン配列体に
おいては、各ヤーン３が二次元的に配列されており、各
ヤーンの長手方向がほぼ平行である。上下方向に隣り合
う各ヤーン配列体における各ヤーンの長手方向は、直交
している。すなわち、各ヤーン配列体１Ａ、１Ｃ、１Ｅ
の各ヤーン２Ａの長手方向は、互いに平行であり、かつ
各ヤーン配列体１Ｂ、１Ｄ、１Ｆの各ヤーン２Ｂの長手
方向に対して直交している。各ヤーンは、炭素繊維と、
炭素繊維以外の炭素成分とからなる繊維束３からなる。
ヤーン配列体が積層されることによって、三次元格子形
状のヤーン集合体６が構成される。各ヤーンは、後述す
るような加圧成形工程の間に押しつぶされ、略楕円形に
なっている。

【００１７】 各ヤーン配列体１Ａ、１Ｃ、１Ｅにおい
ては、隣り合う各ヤーンの間隙には、マトリックス８Ａ
が充填されており、各マトリックス８Ａはヤーン２Ａの
表面に沿ってそれと平行に延びている。各ヤーン配列体
１Ｂ、１Ｄ、１Ｆにおいては、隣り合う各ヤーンの間隙
には、マトリックス８Ｂが充填されており、各マトリッ
クス８Ｂは、ヤーン２Ｂの表面に沿ってそれと平行に延
びている。本例では、マトリックス８Ａ、８Ｂは、それ
ぞれ、各ヤーンの表面を被覆する炭化珪素相４Ａ、４Ｂ
と、炭化珪素相４Ａ、４Ｂよりも炭素の含有割合が少な
いＳｉ−ＳｉＣ系材料相５Ａ、５Ｂからなっている。炭
化珪素相中にも珪素を一部含有していてよい。また、本
例では、上下方向に隣接するヤーン２Ａと２Ｂとの間に
も、炭化珪素相４Ａ、４Ｂが生成している。

【００１８】 各マトリックス８Ａと８Ｂとは、それぞ
れヤーンの表面に沿って細長く、好ましくは直線状に延
びており、各マトリックス８Ａと８Ｂとは互いに直交し
ている。そして、ヤーン配列体１Ａ、１Ｃ、１Ｅにおけ
るマトリックス８Ａと、これに直交するヤーン配列体１
Ｂ、１Ｄ、１Ｆにおけるマトリックス８Ｂとは、それぞ
れヤーン２Ａと２Ｂとの間隙部分で連続している。この
結果、マトリックス８Ａ、８Ｂは、全体として、三次元
格子を形成している。

【００１９】 本発明において、炭素と炭化珪素とから
構成される複合材料とは、ＳｉＣ系複合材料の名称で呼
ばれることもある、炭化珪素と炭素繊維と炭素繊維以外
の炭素成分とから構成され、骨格部と骨格部の周囲に形
成されマトリックスとからなる構造を有するＳｉＣ−Ｃ
／Ｃコンポジット複合材料であって、炭化珪素の少なく
とも５０％はβ型で、骨格部は、炭素繊維と炭素繊維以
外の炭素成分により形成されており、その骨格部の一部
分には炭化珪素が存在していてもよく、マトリックス
は、炭化珪素により形成され、前記マトリックスと前記
骨格部とは一体的に形成されており、かつ、前記複合材
料は０．５％〜５％の気孔率と二山型の平均気孔径の分
布を有する複合材料をいう。

【００２０】 従って、このＳｉＣ系複合材料は、骨格
部として、各炭素繊維が炭素繊維束から構成されている
Ｃ／Ｃコンポジットを用いており、そのため、その一部
にＳｉＣが形成されていても、各炭素繊維としては炭素
繊維としての構造が、破壊されることなく保持されてい
るために炭素繊維が炭化珪素化により短繊維化すること
がないので、原料であるＣ／Ｃコンポジットの有する機
械的強度がほぼ保持されるか、炭化珪素化により増大す
るという大きな特徴を有している。しかも、ヤーン集合
体中で隣り合うヤーンの間に、ＳｉＣ系材料からなるマ
トリックスが形成された複合構造を有している。この点
で、上記のＳｉ−ＳｉＣ系複合材料とは異なる。なお、
この材料は、平成１１年２月９日付の出願に係る特願平
１１−３１９７９号に開示された方法により製造するこ
とができる。従って、特願平１１−３１９７９号の内容
をここに引用する。

【００２１】 本発明において、ＳｉＣ系材料とは、炭
素との結合度を異にする炭化珪素を含有する材料をい
い、このＳｉＣ系材料は以下のようにして製造されるも
のをいう。本発明では、Ｃ／Ｃコンポジットに対して、
金属珪素を含浸させるが、その際、金属珪素はコンポジ
ット内の炭素繊維を構成する炭素原子および／または炭
素繊維の表面に残存している遊離炭素原子と反応し、一
部が炭化されるために、Ｃ／Ｃコンポジットの最表面や
炭素繊維からなるヤーンとヤーンとの間には、一部炭化
された珪素が生成し、かくして上記のヤーンとヤーンと
の間には炭化珪素からなるマトリックスが形成される。

【００２２】 このマトリックスにおいては、極微量の
珪素と炭素とが結合したが炭化珪素質の相から、純粋な
炭化珪素結晶相に至るまで、いくつかの相異なる相を含
みうる。しかし、このマトリックスには、Ｘ線による検
出限界（０．３重量％）以下の金属珪素しか含まれな
い。つまり、このマトリックスは、典型的には炭化珪素
相からなるが、炭化珪素相には、珪素の含有量が傾斜的
に変化しているＳｉＣ質相を含みうる。従って、ＳｉＣ
系材料とは、このようなＳｉＣ系列において、炭素の濃
度として、少なくとも０．０１ｍｏｌ％以上から５０ｍ
ｏｌ％までの範囲以内で含まれてる材料の総称である。
なお、炭素濃度が、０．０１ｍｏｌ％未満に制御するに
は、Ｃ／Ｃコンポジット中の遊離炭素の量とに関係で、
添加する金属珪素の量の厳密な計量が要求されること
と、最終工程での温度管理が複雑になるので実質的でな
い。従って、理論的には、炭素濃度を０．００１ｍｏｌ
％程度まで制御することは可能である。

【００２３】 このＳｉ系複合材料について、図面を使
用してさらに説明することとする。このＳｉＣ系複合材
料の骨格部も、基本的には図１に示したものと同じであ
る。本発明に係るＳｉＣ系複合材料を、図１においての
ＩＩａ−ＩＩａ線で切断した場合の断面図は、図３
（ａ）、同じく図１においてのＩＩｂ−ＩＩｂ線で切断
した場合の断面図は、図３（ｂ）として示す。ＳｉＣ系
複合材料１７の骨格は、Ｓｉ−ＳｉＣ系複合材料７の骨
格と同様に、ヤーン集合体１６によって構成されてい
る。ヤーン集合体１６は、ヤーン配列体１１Ａ、１１
Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆを上下方向に積層
してなる。各ヤーン配列体においては、各ヤーン１３が
二次元的に配列されており、各ヤーンの長手方向がほぼ
平行である。上下方向に隣り合う各ヤーン配列体におけ
る各ヤーンの長手方向は、直交している。すなわち、各
ヤーン配列体１１Ａ、１１Ｃ、１１Ｅの各ヤーン１２Ａ
の長手方向は、互いに平行であり、かつ各ヤーン配列体
１１Ｂ、１１Ｄ、１１Ｆの各ヤーン１２Ｂの長手方向に
対して直交している。各ヤーンは、炭素繊維と、炭素繊
維以外の炭素成分とからなる繊維束１３からなる。ヤー
ン配列体が積層されることによって、三次元格子形状の
ヤーン集合体１６が構成される。各ヤーンは、後述する
ような加圧成形工程の間に押しつぶされ、やや楕円形に
なっている。

【００２４】 各ヤーン配列体１１Ａ、１１Ｃ、１１Ｅ
においては、隣り合う各ヤーンの間隙には、マトリック
ス１８Ａが充填されており、各マトリックス１８Ａはヤ
ーン１２Ａの表面に沿ってそれと平行に延びている。各
ヤーン配列体１１Ｂ、１１Ｄ、１１Ｆにおいては、隣り
合う各ヤーンの間隙には、マトリックス１８Ｂが充填さ
れており、各マトリックス１８Ｂは、ヤーン１２Ｂの表
面に沿ってそれと平行に延びている。図３（ａ）および
図３（ｂ）に示したように、マトリックス１８Ａ、１８
Ｂは、それぞれ、各ヤーンの表面を被覆する炭化珪素相
１４からなっている。炭化珪素相の一部は、小突起部１
９として表面に突出するか、あるいは、複合部材の内部
においては、炭素繊維層に突出していてもよい。この様
な小突起部の内部には、中央値が約１００μｍの孔径を
有する気孔（空隙：１５）が形成されている。なお、こ
の小突起部１９は、殆どが原料のＣ／Ｃコンポジットの
炭素繊維以外の炭素成分からなるマトリックスの跡に沿
って形成されるので、ヤーンとヤーンとの間隔および／
またはヤーン配列体とヤーン配列体との間隔を適宜選択
することにより、単位面積当たりの小突起部１９の密度
を調整することが可能である。隣接するヤーン１２Ａと
１２Ｂとの間にも、炭化珪素相１４が形成されていても
よい。

【００２５】 各マトリックス１８Ａと１８Ｂとは、そ
れぞれヤーンの表面に沿って細長く、好ましくは直線状
に延びており、各マトリックス１８Ａと１８Ｂとは互い
に直交している。そして、ヤーン配列体１１Ａ、１１
Ｃ、１１Ｅにおけるマトリックス１８Ａと、これに直交
するヤーン配列体１１Ｂ、１１Ｄ、１１Ｆにおけるマト
リックス１８Ｂとは、それぞれヤーン１２Ａと１２Ｂと
の間隙部分で連続している。この結果、マトリックス１
８Ａ、１８Ｂは、全体として、三次元格子を形成してい
る。

【００２６】 次に、本発明に係るも一つの複合材料で
ある耐酸化性皮膜が形成されている複合材料について説
明する。この複合材料は、所定の形状を有するＣ／Ｃコ
ンポジット、または、炭素繊維と炭素繊維以外の炭素
に、金属珪素を含浸して得られる、炭素と炭化珪素と金
属珪素、または炭素と炭化珪素とから構成される複合材
料（以下、簡便に表記するために、この炭化珪素を含む
２種類の複合材料を炭素繊維系複合材料と称する）に、
大気中でも８００℃を超える高温下でも、実質的に酸化
されることがない耐酸化性保護膜が形成されている材料
をいう。ここで、実質的に酸化されないとは、大気中
で、所定の高温、例えば、８００℃の条件下で、試料を
少なくとも５分間、好ましくは、２４時間保持したとき
に、重量の増減が０．０１％以下のことをいう。

【００２７】 実質的に酸化されることがない耐酸化性
保護層としては、炭化ホウ素層と、耐熱・耐アルカリ性
ガラス、釉薬、およびスポンジ様酸化物から選らればれ
た少なくとも１層からなる層をいう。組み合わせとして
は、炭化ホウ素層と耐熱・耐アルカリ性ガラス、炭化ホ
ウ素層と釉薬、炭化ホウ素層とスポンジ様酸化物、炭化
ホウ素層とスポンジ様酸化物と耐熱・耐アルカリ性ガラ
ス、炭化ホウ素層とスポンジ様酸化物と釉薬との組み合
わせが挙げられる。

【００２８】 炭化ホウ素層は、耐酸化保護膜として
は、最内層、すなわち、所定の形状をした炭素繊維から
構成された基体の表面に最も近い層として、形成されて
いることが好ましい。このように構成することにより、
最表面に形成された耐酸化性保護層が何かの原因で、剥
離しても、炭化ホウ素の有する耐酸化特性により炭素繊
維が保護されることとなるからである。炭化ホウ素層の
層の厚さは、１０μｍ〜５００μｍである。１０μｍ未
満では、均一に層を形成することが困難であることと、
最表層層の一部が機械的衝撃などにより剥離したとき、
直ちに、所定の形状保持原料として使用されている炭素
繊維が高温に曝されることとなり、充分な耐酸化性を示
さない恐れがあるので好ましくない。５００μｍを超え
て炭化ホウ素層を形成させても、耐酸化性の向上は期待
できず、炭化ホウ素そのものが高価であることから経済
的でない。炭化ホウ素層は、アルゴンなどの不活性ガス
と共に炭化ホウ素を炭素繊維上に溶射することにより形
成することができる。

【００２９】 スポンジ様酸化物層とは、アルミナ、お
よび／またはジルコニアからなる層をいう。スポンジ様
酸化物層は、炭化ホウ素が酸化条件下に曝されとき、酸
化ホウ素が生成し、生成した酸化ホウ素は、炭素に吸着
されないので、系外に流出してしまい、保護層としての
用をなさなくなるのを防止する作用を示す。アルミナ、
および／またはジルコニアからなる層は、炭素繊維と炭
素繊維との間隙に”無数の微細な孔が形成されたスポン
ジ”様構造体を形成しており、この構造体に酸化により
生成した酸化ホウ素が吸着されて、酸化ホウ素とアルミ
ナ、および／またはジルコニアからなる、いわゆる耐酸
化性のガラス層が形成されて、炭素繊維からなる原料を
保護することができるという作用を示すものである。ス
ポンジ様の酸化物層の上に、耐熱・耐アルカリ性ガラ
ス、または釉薬、耐酸化保護層をさらに形成してもよ
い。これにより、一層の耐酸化性が発揮させることとな
る。なお、炭化ホウ素層の熱膨張係数とスポンジ様酸化
物の熱膨張係数の比は、剥離防止の観点から、１：２ま
たはそれ以下であることが好ましい。

【００３０】 耐熱・耐アルカリ性ガラスからなる耐酸
化性保護層は、高温での耐酸化性を高めるので好まし
い。耐熱・耐アルカリ性ガラスとしては、高融点ガラ
ス、例えば、コーニング社製のパイレックスガラス（登
録商標）が挙げられる。このものも、炭化ホウ素同様に
溶射により、層形成を行えばよい。この層の厚さは、炭
化ホウ素の層の厚さと同じ、１０μｍ〜５００μｍであ
る。１０μｍ未満では、８００℃を超す高温、例えば、
１０００℃を超す高温に曝されたときに、充分な耐酸化
性を示さないことがあるので好ましくない。５００μｍ
を超えてこのガラス層を形成させても、特に、耐酸化性
の向上は認められず、折角の所定形状保持材として使用
されている炭素繊維の有する軽量性を損なうことにもな
りかねないので好ましくない。

【００３１】 釉薬層も耐熱・耐アルカリ性ガラスから
なる耐酸化性保護層と比較して若干低いものの、８００
℃を超す高温での耐酸化性をより確実にすることができ
るので好ましい。釉薬としては、ガラス製の釉薬、およ
び琺瑯製の釉薬が好適に使用される。ガラス製の釉薬と
しては、例えば、池袋琺瑯社製の琺瑯である、ＧＬ−４
００およびＧＬ−７００系のものが好適に使用される。
琺瑯製の釉薬としては、通常、鉄板などの琺瑯処理に使
用される、琺瑯が好適に使用される。すなわち、酸化珪
素が４５ないし５５％、酸化ホウ素が１０ないし２０
％、酸化アルミが５ないし１０％、酸化アルカリが１５
ないし３０％、酸化アルカリ土類が０ないし１０％、そ
の他の酸化物が５ないし１５％からなる釉薬が好適に使
用される。このものは、常法に従い、フリットコート
し、そのコートを大気中で、約１０分程度１０００℃程
度に加熱し、いわゆるセルフグレージングを行い、釉薬
からなる耐酸化保護層を形成すればよい。この層の厚さ
も、炭化ホウ素の層の厚さと同じ、１０μｍ〜５００μ
ｍ程度でよい。１０μｍ未満では、ほぼ８００℃の高温
に長時間曝されたときに、充分な耐酸化性を示さないこ
とがあるので好ましくない。５００μｍを超えてこの琺
瑯層を形成させても、特に、耐酸化性の向上は期待でき
ず、折角の所定形状保持材として使用されている炭素繊
維が有する軽量性を損なうことにもなりかねないので好
ましくない。

【００３２】 以下に本発明に係る撹拌翼を製造する際
に使用する、耐酸性皮膜を有する複合材料の製造方法に
ついて詳述することとする。所定形状保持材であるＣ／
Ｃコンポジット、あるいは炭素繊維系複合材料を最終用
途に応じた所望の形状に加工し、このものの表面に炭化
ホウ素を不活性ガス、例えば、アルゴンと共に溶射す
る。溶射は、所定形状保持材の各表面ごとに行ってもよ
く、また、全表面を同時に行ってもよいが、均一性の確
保や溶射用器具の制約上、各表面ごとに行うか、あるい
は所定形状保持材を一定の速度で回転させながら行うこ
とが好ましい。溶射炭化ホウ素の厚さは、上述したよう
に、通常は１０μｍ〜５００μｍ程度である。

【００３３】 かくして、所定形状保持材であるＣ／Ｃ
コンポジットあるいは炭素繊維系複合材料の表面に炭化
ホウ素の保護層を形成した後、その炭化ホウ素層の上に
耐熱・耐アルカリ性ガラスからなる耐酸化性保護層を形
成するか、あるいは琺瑯層を形成する。耐熱・耐アルカ
リ性ガラス層は、パイレックスガラス等の微粉末を炭化
ホウ素と同様に溶射して、形成する。この層の厚さは、
炭化ホウ素の層の厚さと同じ、１０μｍ〜５００μｍで
ある。琺瑯層は、常法に従い、上述した琺瑯材をフリッ
トコートし、そのコートを大気中で、約１０分程度１０
００℃程度に加熱し、いわゆるセルフグレージングを行
い、琺瑯層を形成すればよい。

【００３４】 上記の耐熱・耐アルカリ性ガラス層ある
いは琺瑯層と炭化ホウ素層との間に、アルミナ、および
／またはジルコニアからなるスポンジ様酸化物層を設け
てもよい。スポンジ様酸化物層の場合も、溶射により行
えばよい。このスポンジ様酸化物層とは、上述したよう
に、炭化ホウ素が酸化条件下に曝されとき、酸化ホウ素
が生成し、生成した酸化ホウ素は、炭素に吸着されない
ので、系外に流出してしまい、保護層としての用をなさ
なくなるのを防止する作用を示す。

【００３５】 かくして製造される耐酸化性被膜を有す
る複合材料は、所定形状保持材として使用する、Ｃ／Ｃ
コンポジット、あるいは、炭素繊維系複合材料が、耐衝
撃性が強く、熱伝導度も高く、軽量であることから、そ
の性質をそのまま保持しつつ、堅牢な耐酸化保護層がそ
の表面に形成されているので、大気中でも高い耐酸化性
を示すと共に、摩耗などの機械的作用に起因する微粉末
の発生も極めて少なく、さらに、耐熱衝撃性の強い炭化
ホウ素層が該保護層の一部として形成されているので、
極めて高い耐熱衝撃性を合わせ示す。なお、本発明にお
いて使用される複合材料は、いずれもＣ／Ｃコンポジッ
トをその構成材料の主要部として使用しているので、比
重も約２ｇ／ｃｃと軽く、従来の撹拌装置の要求性能を
変更することなく使用することが可能である。さらに、
炭化珪素と金属珪素、または、炭化珪素、あるいは、耐
酸化性被膜がその表面部に形成されているので、耐摩耗
性に優れ、また、耐酸化性にも優れている。すなわち、
室温および高温時、例えば、７００℃に於ける摩耗量は
ともに実質的に零であり、少なくとも貧酸素条件下、好
ましくは大気中において、１０００℃を超える高温に長
期間暴露されるような使用環境下でも、５％を超える重
量減を示さない。特に、耐酸化性被膜が形成された複合
部材の場合には、大気中で、１０００℃を超える高温に
長期間暴露されるような使用環境下でも、実質的に、重
量の減少を示さない。

【００３６】 本発明に係る撹拌翼は、図４として示し
た様にいわゆる翼部（２１）と、その翼部を固定し、撹
拌用の軸を挿入するための挿入穴（２３）を有する中心
部材（２２）とから構成されている。各撹拌翼は、図５
に模式的に示した様に、中心部材にネジ、例えば、皿ネ
ジ止め（２５）等で固定する。中心部材と撹拌翼とは、
必ずしも、同一の材料でなくともよい。すなわち、撹拌
翼の翼部（２１）は、炭素繊維と炭素繊維以外の炭素
に、金属珪素を含浸して得られる、炭素と炭化珪素と金
属珪素、または炭素と炭化珪素とから構成される複合材
料、または、耐酸化性皮膜を有する複合材料から製造さ
れることが必須であるが、中心部材（２２）は、炭素繊
維と炭素繊維以外の炭素に、金属珪素を含浸して得られ
る、炭素と炭化珪素と金属珪素、または炭素と炭化珪素
とから構成される複合材料、または、耐酸化性皮膜を有
する複合材料から構成してもよいが、必ずしも必須では
なく、場合によっては、炭素繊維から構成してもよい。
これは、優れた摩耗性が要求されるのが、主として翼部
であることによる。

【００３７】 翼部（２１）は、その表面に、Ｓｉ−Ｓ
ｉＣ系材料層、ＳｉＣ系材料層、あるいは、耐酸化性皮
膜層が形成されていることが必要である。従って、翼部
の製造の際には、充分注意する必要がある。これらの層
を表面に形成するように、製造条件を設定するか、ある
いは、仕上げ加工の際に、表面に露出してくるようにす
ればよい。通常は、翼部をＣ／Ｃコンポジットを用いて
成形し、この表面にＳｉ−ＳｉＣ系材料層、ＳｉＣ系材
料層、あるいは、耐酸化性皮膜層を形成させればよい。
すなわち、Ｓｉ−ＳｉＣ系材料層、または、ＳｉＣ系材
料層の場合には、焼成体または成形体の表面に、金属珪
素を含浸させ、このものを上述した条件で加熱処理する
ことにより生成させればよい。また、耐酸化性皮膜層を
形成させるには、上述の方法によればよい。かくして、
製造された撹拌翼には、図６に模式的に示すように、撹
拌棒（２４）を嵌合させ、撹拌装置に装着し、使用すれ
ばよい。

【００３８】

【実施例】 以下、実施例を挙げて本発明をさらに説明
するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるも
のではない。なお、得られた複合材料は、以下に示す方
法よりその特性を評価した。

【００３９】（磨耗量の測定方法）室温（２２℃）にお
ける摩耗量の測定は、テストピースをジグにセットして
１００ｒｐｍで１０分間回転させ、相手材（ＳＵＪ、１
０ｍｍ球）を２ｋｇの荷重Ｐでテストピースに押し付
け、試験前の重量Ｗａ（ｍｇ）と試験後の重量Ｗｂ（ｍ
ｇ）を測定した。テストピースの密度ρ（ｇ／ｃｍ³）
より、磨耗量Ｖ（ｍｍ³）を下式により算出した。ま
た、７００℃における摩耗量の測定は、７００℃に保持
されたアルミ溶湯中に浸漬したジグにテストピースをセ
ットして２００ｒｐｍで５０時間回転させ、相手材（Ｓ
ＵＪ、１０ｍｍ球）を５０ｋｇの荷重Ｐでテストピース
に押し付け、試験前の重量Ｗａ（ｍｇ）と試験後の重量
Ｗｂ（ｍｇ）を測定した。この場合にも、テストピース
の密度ρ（ｇ／ｃｍ³）より、磨耗量Ｖ（ｍｍ³）を下式
により算出した。 Ｖ＝（Ｗａ−Ｗｂ）／ρ

【００４０】（耐酸化性の測定試験）試験試料を１００
０℃に昇温した貧酸素条件下（２％水蒸気含有アルゴン
雰囲気下）に１００時間試料を保持した後、重量を測定
し、試験前の重量と比較して、その重量の増減率Ｗ_2'を
下記式により求めた。 Ｗ_2'＝（Ｗ₀−Ｗ₁）／Ｗ₀×１００ 但し、式中Ｗ₀は、耐酸化性試験前の重量を、Ｗ₁は耐酸
化性試験後の重量を、Ｗ_2'は重量の増減率を表す（減少
は、数字の前に−記号を付け区別した）。

【００４１】（プレートの製造例）炭素繊維を一方向に
引き揃えたものにフェノール樹脂を含浸させ、直径１０
μｍの炭素長繊維を約１万本束ね、繊維束（ヤーン）を
得、このヤーンを簾状にしたヤーン配列体（プレプリグ
シート）を作り、これを図１のように配列し、プリプレ
グシート積層体を得た。かくして得たプリプレグシート
積層体を積層して、この上から炭素系接着剤を塗布し、
ヤーン同士を固着した。固着後、型から固着体を離型
し、離型したプリプレグシート積層体をオーブン中に入
れ、含浸させたフェノール樹脂を１８０℃、常圧で硬化
させた後、窒素雰囲気中で２０００℃で焼成した。得ら
れた焼成体を切断、外周加工して、外周部の丸味の半径
が２５０ｍｍで、最長の長さが３０ｍｍ、中心部材との
連結箇所の長さが１０ｍｍ、厚さが４ｍｍの撹拌翼の翼
部を４個製造した。このものの表面に、純度９９．９
％、平均粒径１ｍｍのＳｉ粉末を添加し、このものを炉
内温度１３００℃、炉内圧１ｈＰａの焼成炉内に入れ、
炉内に毎分アルゴンガスを２０ＮＬの割合で流しなが
ら、４時間保持した。次いで、炉内圧はそのままとし、
炉内温度を１６００℃に昇温させて、Ｓｉを含浸させ
た。かくして、Ｓｉ、Ｓｉ−Ｃ、炭素繊維からなるＳｉ
−ＳｉＣ系複合材料製の翼部（２１）を得た。このもの
を、図５に示した様に炭素繊維製の中心部材（２２）に
取り付けて、図４に示すような撹拌翼を製造した。

【００４２】 この撹拌翼を使用して、アルミ溶湯の撹
拌に使用したが、９０日後にも、全く歪み摩耗は認めら
れなかった。また、同一の材料から切り出した試験片を
使用して、摩耗量と耐酸化性の試験を行ったが、摩耗量
は、室温、７００℃ともに、実質的に零であり、また、
耐酸化試験後の、試験片の重量変動は、僅かに０．２％
減であった。

【００４３】

【発明の効果】 本発明に係る撹拌翼は、比重が従来か
ら使用されている炭素繊維製のものにほぼ等しく、約２
ｇ／ｃｃと軽いので、撹拌装置そのものの設計変更を必
要としない。また、室温および高温時に於ける摩耗量は
実質的に零であり、また、少なくとも貧酸素条件下にお
いて、１０００℃を超える高温に長期間暴露されるよう
な使用環境下でも、５％を超える重量減を示さないの
で、７００℃を超える高温環境である金属溶湯中で使用
しても、摩耗量が少なく、かつ、高温に於ける耐酸化性
に優れているので、金属溶湯用の撹拌翼として、極めて
優れている。特に、表面に耐酸化性被膜が形成された複
合材料の場合には、大気中でも１０００℃を超える高温
条件下でも実質的に、酸化されることなく使用できると
いう優れた特性を有するものである。従って、長期間、
例えば、１年以上の連続使用も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の撹拌翼に使用する複合材料の基本構
造をなすヤーン集合体の構造を模式的に示す斜視図であ
る。

【図２】 （ａ）は、撹拌翼に使用するＳｉ−ＳｉＣ系
複合材料を図１のＩＩａ−ＩＩａ線で切断した場合の断
面図であり、（ｂ）は、同材料を図１のＩＩｂ−ＩＩｂ
線で切断した場合の断面図である。

【図３】 （ａ）は、撹拌翼に使用するＳｉＣ系複合材
料を図１のＩＩａ−ＩＩａ線で切断した場合の断面図で
あり、（ｂ）は、同材料を図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線で切
断した場合の断面図である。

【図４】 本発明に係る撹拌翼の平面図である。

【図５】 本発明に係る撹拌翼の翼部の中心部材への取
付状態を示す模式図である。

【図６】 本発明に係る撹拌翼の使用時に於ける撹拌翼
との装着状態を模式的に示す斜視図である。

【符号の説明】

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅおよび１Ｆ…ヤーン配列
体、２Ａ…ヤーン、２Ｂ…ヤーン、３…繊維束（ヤー
ン）、４Ａ…炭化珪素相、４Ｂ…炭化珪素相、４Ｃ…炭
化珪素相、５Ａ…Ｓｉ−ＳｉＣ系材料相、５Ｂ…Ｓｉ−
ＳｉＣ系材料相、５Ｃ…Ｓｉ−ＳｉＣ系材料相、６…ヤ
ーン集合体、７…繊維複合材料、８Ａ…マトリックス、
８Ｂ…マトリックス、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１
Ｄ、１１Ｅおよび１１Ｆ…ヤーン配列体、１２Ａ…ヤー
ン、１２Ｂ…ヤーン、１３…繊維束（ヤーン）、１４…
炭化珪素相、１５…空隙、１６…ヤーン集合体、１７…
繊維複合材料、１８Ａ…マトリックス、１８Ｂ…マトリ
ックス、１９…小突起部、２１…翼部、２２…中心部
材、２３…穴、２４…撹拌棒、２５…皿ネジ止め。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 比重が約２ｇ／ｃｃ、室温および高温時
   に於ける摩耗量が実質的に零であり、少なくとも貧酸素
   条件下において、１０００℃を超える高温に長期間暴露
   されるような使用環境下でも、５％を超える重量減を示
   さない、炭素繊維と炭素繊維以外の炭素に、金属珪素を
   含浸して得られる、炭素と炭化珪素と金属珪素、または
   炭素と炭化珪素とから構成される複合材料、または、耐
   酸化性皮膜を有する複合材料からなる撹拌翼。
2. 【請求項２】 該複合材料が、５５重量％〜７５重量％
   の炭素と、１重量％〜１０重量％の珪素と、１０重量％
   〜５０重量％の炭化珪素とから構成され、少なくとも炭
   素繊維の束と炭素繊維以外の炭素成分とを含有するヤー
   ンが層方向に配向しつつ三次元的に組み合わされ、互い
   に分離しないように一体化されているヤーン集合体と、
   このヤーン集合体中で隣り合う前記ヤーンの間に充填さ
   れているＳｉ−ＳｉＣ系材料からなるマトリックスとを
   備え、０．０５〜０．６の動摩擦係数と、０．５％〜１
   ０％に制御された気孔率とを有する複合材料、または炭
   化珪素と炭素繊維と炭素繊維以外の炭素成分とから構成
   され、骨格部と骨格部の周囲に形成されマトリックスと
   からなる構造を有するＳｉＣ−Ｃ／Ｃコンポジット複合
   材料であって、炭化珪素の少なくとも５０％はβ型で、
   骨格部は、炭素繊維と炭素繊維以外の炭素成分により形
   成されており、その骨格部の一部分には炭化珪素が存在
   していてもよく、マトリックスは、炭化珪素により形成
   され、前記マトリックスと前記骨格部とは一体的に形成
   されており、かつ、前記複合材料は０．５％〜５％の気
   孔率と二山型の平均気孔径の分布を有する複合材料であ
   ることを特徴とする請求項１に記載の撹拌翼。
3. 【請求項３】 耐酸化性皮膜を有する複合材料が、複数
   層から形成されており、最内層が炭化ホウ素層であり、
   該最内層の上に耐熱・耐アルカリ性ガラス、釉薬、およ
   びスポンジ様酸化物から選らればれた少なくとも１層が
   形成されている耐酸化皮膜を有する複合部材であること
   を特徴とする請求項１に記載の撹拌翼。
4. 【請求項４】 耐酸化性皮膜が、耐熱・耐アルカリ性ガ
   ラスが高融点ガラスであることを特徴とする請求項１ま
   たは３に記載の撹拌翼。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項に記載の撹
   拌翼を装着したことを特徴とする撹拌装置。