JP2006247737A - アルミニウム溶湯用スクリーン - Google Patents

Abstract

【課題】 アルミニウム溶湯の鋳造に際して、アルミニウム溶湯のＭｇ濃度が高いものであっても、溶湯流れが均一で、介在物の除去に優れ、かつ、介在物によるスクリーンの目詰まりを発生させずに鋳造を行うことが可能なスクリーン寿命が長いアルミニウム溶湯用スクリーンを提供する。
【解決手段】 Ｍｇを含有するアルミニウム溶湯を鋳造する際に鋳型内に配置するスクリーン５であって、スクリーンがガラス繊維からなるメッシュシートで構成され、ガラス繊維の表面にＡ１₂Ｏ₃、ＺｎＯ、ＺｒＯ₂、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＢＮのいずれか1つまたはこれらの２つ以上の混合物からなる被覆層を有するアルミニウム溶湯用スクリーンとして構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウムの鋳造に際し、アルミニウム溶湯流れを均一にしたり、介在物を除去する目的で鋳型内に配置するアルミニウム溶湯用スクリーンに関する。

アルミニウム溶湯用スクリーン（以下、スクリーンと称することがある）は、特許文献１に示すように、水冷鋳型内に配置され、ノズルからのアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる溶湯（以下、アルミニウム溶湯と称する）の噴出流を緩和し、また、ノズル近傍の高温のアルミニウム溶湯と、鋳塊近傍の低温のアルミニウム溶湯との混合を防ぎ、加えてアルミニウム溶湯の表面に生成する酸化物等の介在物を除去するものである。

また、前記スクリーンとしては、全面がガラス繊維製のメッシュシートで構成されたものが一般的であり、特許文献１においては、水冷鋳型内において均一な溶湯流れを達成し、割れやブレイクアウト等の欠陥のない均質な鋳塊を得るために、メッシュサイズ（通湯穴径）を制御し、溶湯通過性の良好な（高い）部分と、溶湯通過性の低い部分を有したスクリーンが提案されている。
特開平１１−２５４１０２号公報（段落番号０００２〜０００５、００１７、００３７、図１、図３）

前記スクリーンにおいては、高いＭｇ濃度のアルミニウム溶湯を鋳造すると、短期間で、酸化物等の介在物によりスクリーンが目詰まりし、鋳造が困難になる。したがって、スクリーンの寿命が短いという問題があった。そのため、高いＭｇ濃度のアルミニウム溶湯を鋳造する際には、スクリーンの通湯穴径の大きい（例えば、約５ｍｍ）ものを用いることが広く行われていたが、この場合には溶湯流れを均一にしたり、介在物を除去する効果が必ずしも十分ではないという問題があった。

本来、介在物の寸法は数μｍであるのに対して、スクリーンの通湯穴径は通常約１ｍｍであり、スクリーンの通湯穴にこれらの微細な介在物が目詰まりすることは考え難い。この問題について調査した結果、前記スクリーンの目詰まりは、以下のような、スクリーンそのものが粗大な介在物を生成することが原因となっていることが分かった。すなわち、アルミニウム溶湯中のＭｇは、以下の式（１）に示すように、スクリーンを構成するガラス繊維のＳｉＯ₂と反応して、ＭｇＯとなる。
２Ｍｇ＋ＳｉＯ₂→２ＭｇＯ＋Ｓｉ （１）

そして、このＭｇＯの生成は、同じ結晶構造を有する、以下の式（２）に示すように、アルミニウム溶湯中の介在物であるＭｇＯまたはＭｇＡｌ₂Ｏ₄の表面で生じ易すい。
ＭｇＯ（介在物）＋２Ｍｇ＋ＳｉＯ₂→ＭｇＯ（介在物）十２ＭｇＯ＋Ｓｉ （２）
この新しく生成されたＭｇＯによって、ＭｇＯ（介在物）粒子が成長して、粒子径が数十〜数百μｍのＭｇＯ（介在物）が生成すると共に、隣接したＭｇＯ（介在物）同士が凝着して、粗大なＭｇＯ（介在物）が生成する。その結果、この粗大なＭｇＯ（介在物）によって、スクリーンの通湯穴に目詰まりが発生する。

本発明は前記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、アルミニウム溶湯の鋳造に際して、アルミニウム溶湯のＭｇ濃度が高いものであっても、溶湯流れが均一で、介在物の除去に優れ、かつ、介在物によるスクリーンの目詰まりを発生させずに鋳造を行うことが可能なスクリーン寿命が長いアルミニウム溶湯用スクリーンを提供することにある。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、Ｍｇを含有するアルミニウム溶湯を鋳造する際に鋳型内に配置するスクリーンであって、前記スクリーンがガラス繊維からなるメッシュシートで構成され、前記ガラス繊維の表面に、Ａ１₂Ｏ₃、ＺｎＯ、ＺｒＯ₂、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＢＮのいずれか1つまたはこれらの２つ以上の混合物からなる被覆層を有するアルミニウム溶湯用スクリーンとして構成したものである。

このように構成すれば、スクリーンが、所定の酸化物または窒化物等からなる被覆層を有するガラス繊維からなるメッシュシートで構成されているため、アルミニウム溶湯の噴出流が十分緩和されると共に、溶湯内の介在物がスクリーン表面に十分捕集される。加えて、スクリーンを構成するガラス繊維とアルミニウム溶湯が接触する可能性が低くなるため、アルミニウム溶湯内のＭｇと、ガラス繊維のＳｉＯ₂とが反応して生成するＭｇＯの量が減少する。その結果、この新しく生成されたＭｇＯによって、アルミニウム溶湯の介在物であるＭｇＯの粒径が成長したり、隣接するＭｇＯ同士が凝着する可能性が低くなり、粗大なＭｇＯの発生が防止される。また、スクリーンが、熱分解しにくい、または、アルミニウム溶湯内のＡｌ、Ｍｇ等によって還元されない酸化物、窒化物等からなる被覆層を有するガラス繊維からなるメッシュシートで構成されているため、分解物質または還元物質によってアルミニウム溶湯が汚染される可能性が低くなる。

また、請求項２に記載の発明は、前記被覆層の厚さが５〜１５０μｍであるアルミニウム溶湯用スクリーンとして構成したものである。このように構成すれば、スクリーンとアルミニウム溶湯が接触する可能性がより一層低くなり、粗大なＭｇＯの発生がより一層防止される。

また、請求項３に記載の発明は、前記メッシュシートの開口率が１〜６５％であるアルミニウム溶湯用スクリーンとして構成したものである。このように構成すれば、アルミニウム溶湯の噴出流がより一層緩和され、溶湯内の介在物がスクリーン表面に、より一層捕集される。

また、請求項４に記載の発明は、前記メッシュシートの通湯穴の寸法が０．５〜４ｍｍであるアルミニウム溶湯用スクリーンとして構成したものである。このように構成すれば、アルミニウム溶湯の噴出流がより一層緩和され、溶湯内の介在物がスクリーン表面に、より一層捕集される。

本発明によれば、スクリーンが所定の酸化物または窒化物等からなる被覆層を有するガラス繊維からなるメッシュシートで構成されているため、アルミニウム溶湯のＭｇ濃度が高いものであっても、溶湯流れが均一で、介在物の除去効果に優れ、かつ、介在物によるスクリーンの目詰まりを発生させずに鋳造を行うことが可能となり、スクリーンの寿命が長くなる。

また、被覆層が所定の厚さで構成されているため、介在物によるスクリーンの目詰まりをより一層防止でき、スクリーン寿命がより一層長くなる。また、メッシュシートが所定の開口率、または、所定径の通湯穴で構成されているため、溶湯流れがより一層均一となり、介在物がより一層除去される。

本発明のアルミニウム溶湯用スクリーンは、Ｍｇを含有するアルミニウム溶湯を鋳造する際に鋳型内に配置されるものである。ここで、アルミニウム溶湯は、ＪＩＳ規定の１０００系、２０００系、３０００系、４０００系、５０００系、６０００系または７０００系のＭｇを含有するアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる溶湯である。また、アルミニウムまたはアルミニウム合金は、Ｍｇを含有していれば前記ＪＩＳ規定のものに限定されない。さらに、本発明のスクリーンは、Ｍｇ量が２質量％以上のアルミニウム溶湯を鋳造する際に、好適に使用されるものである。

まず、本発明のスクリーンが使用される鋳造方法について、一般的な鋳造法であるＤＣ鋳造法を例にとって説明する。図１は、ＤＣ鋳造法に使用される鋳造装置の概略を示す模式図である。
ＤＣ鋳造では、図１に示すような鋳造装置１が用いられ、所望の組成に調整されたアルミニウム溶湯Ｍが、上部樋３からノズル４を介して、上下に開放した筒状の水冷鋳型２内に供給されている。水冷鋳型２内にはスクリーン５が配置され、ノズル４からのアルミニウム溶湯Ｍの噴出流を緩和し、また、ノズル４近傍の高温のアルミニウム溶湯Ｍと、鋳塊７近傍の低温のアルミニウム溶湯Ｍとの混合を防ぎ、加えてアルミニウム溶湯Ｍの表面に生成する酸化物等の介在物を除去している。そして、水冷鋳型２は、その内部を循環する冷却水Ｗによって常時冷やされており、その冷却された水冷鋳型２によってアルミニウム溶湯Ｍを冷却して、これを凝固させ、下方の底金８を降下させることにより、凝固した鋳塊７を水冷鋳型２の下方から引き出し、鋳塊７を半連続的に鋳造している。また、水冷鋳型２の下部からは、冷却水Ｗが放流され、鋳塊７をさらに冷却している。なお、図１における線Ａは凝固界面を表しており、線Ａよりも引き抜き側（下側）が鋳塊７で、溶湯注入側（上側）が溶湯プール６である。

また、本発明のスクリーン５は、ガラス繊維からなるメッシュシートで構成される。その形状は、一般的には、長方形全体がメッシュ状の平らなシート形状が好ましい。しかしながら、水冷鋳型２の断面形状によっては、長方形以外の形状であってもよい。また、スクリーン５は、シート形状に限定されず、例えば、メッシュシートからなる底面部および側面部を備え、上部が開放された箱型形状であってもよい。

スクリーン５は、その開口率が１〜６５％が好ましい。開口率が１％未満であると、アルミニウム溶湯Ｍが通湯しにくくなる。開口率が６５％を超えると、アルミニウム溶湯Ｍ内の介在物を除去しにくくなる。また、開口率が大きすぎると、ノズル４からのアルミニウム溶湯Ｍの噴出流が緩和されにくくなり、溶湯流れの均一性が低下する。その結果、水冷鋳型２内の溶湯流動に悪影響を与え、割れ等の鋳造欠陥が発生しやすくなる。さらに、スクリーン５がガラス繊維から構成されているため、アルミニウム溶湯Ｍの動圧に耐えるだけのスクリーン強度を発揮させる観点からも、開口率は６５％以下であることが好ましい。

スクリーン５は、そのメッシュサイズ、すなわち、通湯穴の寸法が０．５〜４ｍｍが好ましく、０．５ｍｍ未満であると、アルミニウム溶湯Ｍの通湯量が低下しやすく、４ｍｍを超えると、アルミニウム溶湯Ｍ内の介在物を除去しにくくなる。また、通湯穴の寸法が大きすぎると、ノズル４からのアルミニウム溶湯Ｍの噴出流が緩和されにくくなり、溶湯流れの均一性が低下する。なお、アルミニウム溶湯Ｍの溶湯流れの均一性をより一層向上させるために、スクリーン５のメッシュサイズが粗い部分と、密な細かい部分を設け、具体的には、スクリーン５の中央部を密メッシュシートで、両縁部を粗メッシュシートで構成してもよい。

また、本発明のスクリーン（メッシュシート）５を構成するガラス繊維は、その表面に、所定の酸化物または窒化物等からなる被覆層を有するものである。ここで、所定の酸化物または窒化物等、すなわち被覆材は、アルミニウム溶湯Ｍと濡れ難い化合物であると共に、アルミニウム溶湯Ｍ内のＡｌまたはＭｇによって還元されない化合物であり、加えて、鋳造の際にスクリーン５は例えば１時間程度アルミニウム溶湯Ｍに浸漬されるため、熱によって分解しない化合物である必要がある。そして、本発明において、被覆材は、Ａ１₂Ｏ₃、ＺｎＯ、ＺｒＯ₂、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＢＮのいずれか1つまたはこれらの２つ以上の混合物である。また、被覆材はＡ１₂Ｏ₃、ＺｎＯまたはこれらの混合物が好ましく、被覆材がＡ１₂Ｏ₃、ＺｎＯまたはこれらの混合物であれば、コスト的にも安価である。

被覆材が、アルミニウム溶湯Ｍと濡れ難い化合物であることによって、スクリーン（ガラス繊維）５にアルミニウム溶湯Ｍが接触する可能性が低くなり、アルミニウム溶湯Ｍ内のＭｇとスクリーン材質内のＳｉＯ₂との反応生成物であるＭｇＯの量が減少する。その結果、この新しく生成されたＭｇＯによって、アルミニウム溶湯Ｍの介在物であるＭｇＯの粒径が成長したり、隣接するＭｇＯ同士が凝着する可能性が低くなるため、粗大なＭｇＯの発生が防止でき、スクリーン５に目詰まりが生じない。その結果、スクリーン５の寿命が長くなる。また、粗大なＭｇＯがスクリーン５から脱落して鋳塊７内に混入し、割れ等の鋳造欠陥を発生させるようなこともない。

被覆材が、アルミニウム溶湯Ｍ内のＡｌまたはＭｇによって還元されない化合物であると共に、熱によって分解しない化合物であることによって、スクリーン５を通湯したアルミニウム溶湯Ｍ内に、被覆材の還元物質または分解物質が混入し、溶湯汚染が生じることがない。例えば、被覆材がＳｉＯ₂であると、このＳｉＯ₂は、前記の式（１）に示すように、アルミニウム溶湯Ｍ内のＭｇにより還元され、アルミニウム溶湯Ｍ内にＳｉが混入し溶湯汚染が生じる。そして、このような溶湯汚染が生じると、アルミニウム溶湯Ｍのアルミニウムまたはアルミニウム合金組成が変化し、所定の性能（例えば、強度等）を有した鋳塊７が得られなくなる。

被覆層を形成する方法としては、蒸着法、溶射法、スパッタリング等が挙げられ、その厚さは５〜１５０μｍが好ましい。厚さが５μｍ未満であると、アルミニウム溶湯Ｍがスクリーン５と接触しやすくなり、粗大なＭｇＯが生じやすくなる。また、厚さが１５０μｍを超えると、粗大なＭｇＯの防止効果に向上が見られず、かえって、コストが高くなりやすい。また、スクリーン（メッシュシート）５は、少なくともアルミニウム溶湯Ｍに浸漬される（アルミニウム溶湯と接触する）部分が、被覆層を有するガラス繊維で構成されていればよく、被覆層の形成のしやすさから、好ましくは全面である。

次に、本発明の実施例について説明する。
（実施例１〜７）
図１に示す鋳造装置にＪＩＳ規定の５０８３合金（Ｍｇ含有量４質量％）溶湯（溶湯温度は７５０℃）を通湯して２５０×１００×１５００ｍｍの鋳塊を作製した。なお、スクリーンは、ガラス繊維製メッシュシートからなるシート状スクリーンとし、表１に示す被覆材を、スクリーン全体のガラス繊維表面に、蒸着法で厚さ２０μｍに被覆した。また、スクリーンの通湯部（溶湯と接触する部分）の寸法は約８０×８０ｍｍ、開口率は２５％、通湯穴の寸法は約１ｍｍとした。

（比較例１〜４）
比較例１〜３として、本発明の請求の範囲を満足しない表１に示す被覆材をガラス繊維表面に被覆した以外は実施例と同様にして鋳塊を作製した。また、比較例４として、ガラス繊維表面の被覆を行わなかった以外は実施例と同様にして鋳塊を作製した。

前記の実施例１〜７、比較例１〜４において、溶湯を１００ｋｇ準備し、スクリーンが介在物により目詰まりするまでの通湯量を測定し、スクリーン寿命を確認した。また、溶湯が被覆材により汚染されるかどうかも定量化学分析法により確認した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１〜７では、スクリーンに介在物による目詰まりが発生せず、スクリーン寿命が長いものであった。また、溶湯が被覆材により汚染されることもなかった。比較例１〜４では、スクリーンに介在物による目詰まりが発生し、スクリーン寿命が実施例と比べて短いものであった。加えて、比較例１および比較例２では溶湯のＳｉ汚染も確認された。

ＤＣ鋳造法に使用される鋳造装置の概略を示す模式図である。

符号の説明

１ 鋳造装置
２ 水冷鋳型
３ 上部樋
４ ノズル
５ スクリーン（アルミニウム溶湯用スクリーン）
６ 溶湯プール
７ 鋳塊
８ 底金
Ｗ 冷却水

Claims (4)

1. Ｍｇを含有するアルミニウム溶湯を鋳造する際に鋳型内に配置するスクリーンであって、前記スクリーンがガラス繊維からなるメッシュシートで構成され、前記ガラス繊維の表面に、Ａ１₂Ｏ₃、ＺｎＯ、ＺｒＯ₂、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＢＮのいずれか1つまたはこれらの２つ以上の混合物からなる被覆層を有することを特徴とするアルミニウム溶湯用スクリーン。
2. 前記被覆層の厚さが５〜１５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム溶湯用スクリーン。
3. 前記メッシュシートの開口率が１〜６５％であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアルミニウム溶湯用スクリーン。
4. 前記メッシュシートの通湯穴の寸法が０．５〜４ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のアルミニウム溶湯用スクリーン。

Images