JP2010036204A

JP2010036204A - 金属溶湯用濾材及びその製造方法

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Publication number: JP2010036204A
Application number: JP2008200351A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Komiyama; 常夫古宮山; Haruhito Higuchi; 陽人樋口; Hiroyuki Hotta; 啓之堀田
Original assignee: NGK Insulators Ltd; NGK Adrec Co Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd; NGK Adrec Co Ltd
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2010-02-18
Anticipated expiration: 2028-08-04
Also published as: JP4682232B2; CA2670723C; CN101653670A; CA2670723A1; RU2009129711A; RU2487778C2; US20100025324A1

Abstract

【課題】介在物除去性能及び耐久性に優れ、しかも十分な通過量を確保することができる金属溶湯用濾材及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の金属溶湯用濾材は、流入側の粗孔セラミックス層１と、流出側の細孔セラミックス層２との２層構造を有するものである。細孔セラミックス層２の平均気孔径が１００〜５００μｍであり、粗孔セラミックス層１の平均気孔径が細孔セラミックス層２の平均気孔径の１．１〜３．０倍であることが好ましい。各層が骨材を無機結合材で結合したものであり、無機結合材がアスペクト比２〜５０の針状結晶を構成するようにすれば、濾材の内部を濾過に寄与させることができ、介在物の捕集性能と寿命との両立が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、溶融アルミニウムに代表される金属溶湯を濾過するために用いられるセラミックス製の金属溶湯用濾材及びその製造方法に関するものである。

アルミニウムの薄板や箔はアルミニウム溶湯をインゴットに鋳造し、これを圧延して製造される。ところが、アルミニウム溶湯に含まれる金属酸化物等の介在物や耐火物の微小破片等の固形不純物がそのままインゴット中に混入すると、これを圧延して薄板や箔等を製造する過程でピンホールや表面欠陥が発生することがある。これを防ぐには、溶湯中から固形不純物を除去する必要がある。

そこで特許文献１、特許文献２に記載されているように、セラミックス製の金属溶湯用濾材を用いてアルミニウム溶湯を濾過し、介在物等の固形不純物を除去することが行われている。ところが濾過の過程において濾材の流入側にケーキ層が形成されると、このケーキ層においても介在物が捕捉されるために濾過の信頼性は向上する反面、圧損が大きくなって所望の通過量が得られなくなるという問題がある。

このため特許文献１には、セラミックス発泡体フィルターの厚み方向全体に亘って組織を粗から密へ漸次変化させることにより、濾過効率を高めることが記載されている。また特許文献２には、粗孔セラミックス層を介して少なくとも２層の細孔セラミックス層を積層一体化させた金属溶湯用濾材が記載されている。

しかし特許文献１に記載された金属溶湯用濾材は、もともと大気孔径を有するセラミックス発泡体をフィルターとして用いたものであるため、介在物除去性能が十分であるとはいえず、濾過後のアルミニウムインゴットを圧延して薄板や箔等を製造する際の品質を確保できない。またフィルター内部の流路内壁が平滑であるために、介在物を確実に捕捉しにくい。さらに気孔率が高く機械的強度が低いため、溶融アルミニウムのような金属溶湯の濾過に使用すると耐久性に乏しいなどの問題がある。

一方、特許文献２に記載された金属溶湯用濾材は、特許文献１に記載のものよりも介在物除去性能、機械的強度などに優れている。しかし金属溶湯中の介在物の大部分は濾材の流入側の外表面に形成されるケーキ層で濾過されるのであるが、特許文献２の金属溶湯用濾材は流入側が細孔セラミックス層であるので、急速にケーキ層が形成されてしまい、十分な通過量が得られないという問題があった。
特開昭６０−５８２８号公報実公平７−２３０９９号公報

本発明は上記した従来の問題点を解決し、介在物除去性能及び耐久性に優れ、しかも十分な通過量を確保することができる金属溶湯用濾材及びその製造方法を提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するためになされた本発明の金属溶湯用濾材は、流入側の粗孔セラミックス層と、流出側の細孔セラミックス層との２層構造を有することを特徴とするものである。請求項２のように、細孔セラミックス層の平均気孔径が１００〜５００μｍであり、粗孔セラミックス層の平均気孔径が細孔セラミックス層の平均気孔径の１．１〜３．０倍であることが好ましい。また請求項３のように、細孔セラミックス層の最大気孔径が２００〜６００μｍであり、粗孔セラミックス層の最大気孔径が細孔セラミックス層の最大気孔径の１．１〜３．０倍であることが好ましい。

さらに請求項４のように、粗孔セラミックス層と細孔セラミックス層がともに骨材を無機結合材で結合したものであり、無機結合材がアスペクト比２〜５０の針状結晶を構成していることが好ましく、請求項５のように、無機結合材がアルミニウムボレートであることが好ましい。

また請求項６のように、粗孔セラミックス層と細孔セラミックス層との合計肉厚が１０〜２５ｍｍであることが好ましく、請求項７のように粗孔セラミックス層と細孔セラミックス層との肉厚比が、１：７〜３：１であることが好ましい。

また本発明の金属溶湯用濾材の製造方法は、粗孔セラミックス層を構成する粗粒骨材と、細孔セラミックス層を構成する細粒骨材とをそれぞれ無機結合材と混練して成形・焼成し、流入側の粗孔セラミックス層と、流出側の細孔セラミックス層との２層構造体とするとともに、これらの骨材粒子間に針状結晶を析出させることを特徴とするものである。

本発明の金属溶湯用濾材は、流入側の粗孔セラミックス層と流出側の細孔セラミックス層との２層構造を有するので、流入側に緻密なケーキ層が形成されにくく、金属溶湯は濾材の内部においても濾過される。すなわち従来は機能していなかった濾材の内部を濾過に寄与させることによって、高い介在物除去性能を維持しつつ十分な通過量を確保することができる。またセラミックス層により構成されているので、十分な強度を備えている。

なお請求項２，３に記載のように本発明の金属溶湯用濾材は大きい気孔径を有するが、セラミック骨材を結合する無機結合材も金属溶湯中の介在物を捕捉する機能を有する。特に請求項４のように無機結合材がアスペクト比２〜５０の針状結晶を構成する構造とすれば、濾過後のインゴットを圧延して薄板や箔等を製造する際にピンホールや表面欠陥の原因となる３０μｍ以上の介在物をアルミニウム溶湯中から確実に除去することが可能となる。

なおこのような金属溶湯用濾材は、粗孔セラミックス層を構成する粗粒骨材と、細孔セラミックス層を構成する細粒骨材とをそれぞれ無機結合材と混練して成形・焼成し、流入側の粗孔セラミックス層と、流出側の細孔セラミックス層との２層構造体とするとともに、これらの骨材粒子間に針状結晶を析出させる方法によって製造することができる。

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図１は本発明の金属溶湯用濾材の概念図であり、ここでは円筒形の金属溶湯用濾材が示されているが、その形状は板状であっても差し支えない。１は外周に位置する流入側の粗孔セラミックス層であり、２は内周に位置する流出側の細孔セラミックス層である。本発明の金属溶湯用濾材はこのような２層構造体であり、例えば８００〜９００℃のアルミニウム溶湯の内部に浸漬して使用される。金属溶湯は外周面から内周面に向かって流入し、濾過された溶湯は中心孔３から取り出される。なお金属溶湯は必ずしもアルミニウム溶湯に限定されるものではなく、亜鉛溶湯のような比較的低融点の金属溶湯にも用いることができる。

図２は本発明の金属溶湯用濾材の概念的な断面図である。粗孔セラミックス層１は比較的大粒径のセラミック骨材４からなり、細孔セラミックス層２は比較的小粒径のセラミック骨材５からなる。セラミックの組成は特に限定されるものではないが、アルミニウム溶湯の濾過を目的とする場合にはアルミニウム溶湯により侵食されるおそれのない材質、例えばアルミナ製とすることができる。

細孔セラミックス層２の平均気孔径は１００〜５００μｍの範囲とし、粗孔セラミックス層１の平均気孔径は細孔セラミックス層２の平均気孔径の１．１〜３．０倍とすることが好ましい。これらの平均気孔径は、ラインインターセプト法によって求めた値である。今回用いた測定方法は電子顕微鏡用に研磨調整した試料を３５倍の視野にて観察し、肉厚方向に２００μｍ間隔で測定ラインを引き、ライン上にある気孔部分の長さを測定し、全測定長さの平均を平均気孔径とした。平均気孔径の測定方法として常用されている水銀圧入法は平均気孔径が３００μｍを超えると測定精度が低下するため、ここではラインインターセプト法を採用した。

細孔セラミックス層２の平均気孔径を１００〜５００μｍの範囲としたのは、これよりも小さいと閉塞し易く、これよりも大きいと介在物の捕捉能力が低下するためである。また粗孔セラミックス層１の平均気孔径を細孔セラミックス層２の平均気孔径の１．１〜３．０倍としたのは、この範囲を下回ると実質的に全体が細孔セラミックス層２のみによって構成された構造に近づき、濾材の内部を濾過に寄与させるという本発明の効果が不十分となり、逆にこの範囲を上回ると、金属溶湯が粗孔セラミックス層１を単に通過するだけとなり、２層構造とした意味が低下するためである。

また細孔セラミックス層２の最大気孔径は２００〜６００μｍとし、粗孔セラミックス層１の最大気孔径は細孔セラミックス層２の最大気孔径の１．１〜３．０倍とすることが好ましい。これらの最大気孔径は、ＪＩＳに規定されるバブルポイント法によって求めた値である。バブルポイント法は水中において試料の片側から空気圧を加え、反対側から気泡が発生したときの圧力差から気孔径を計算する方法である。

細孔セラミックス層２の最大気孔径を２００〜６００μｍとしたのは、平均気孔径を１００〜５００μｍの範囲とした場合には最大気孔径を２００μｍ未満とすることは困難であり、最大気孔径が６００μｍを超えると介在物が通過してしまう可能性が高まるためである。また粗孔セラミックス層１の最大気孔径を細孔セラミックス層２の最大気孔径の１．１〜３．０倍とした理由は、前記したと同様にこの範囲を下回ると濾材の内部を濾過に寄与させるという本発明の効果が不十分となり、逆にこの範囲を上回ると、２層構造とした意味が低下するためである。

上記した平均気孔径及び最大気孔径は、各層を形成するセラミック骨材４，５の粒子径によって制御することができる。なお骨材全体の平均粒子径は５００〜２０００μｍの範囲内である。

これらのセラミック骨材４，５はともに無機結合材で結合される。無機結合材としてはアスペクト比２〜５０の針状結晶を構成するものが好ましい。特にアルミニウム溶湯の濾過を目的とする場合には、アルミニウム溶湯に対する耐蝕性に優れたアルミニウムボレートを用いることが好ましい。このような針状結晶となる無機結合材を用いれば、セラミック骨材間の溶湯流路に針状結晶が突出し、金属溶湯中に含まれる微細な介在物を捕捉する能力が著しく向上する。しかも結晶質となるため各層の強度も３ＭＰａ以上となり、金属溶湯の濾過に使用しても破損のおそれがなくなる。なお強度が低い濾材は破損すると溶湯が破損部分を通じてそのまま通り抜け、介在物が流出してしまう危険性がある。

粗孔セラミックス層１と細孔セラミックス層２とを合わせた全体の厚みは、１０〜２５ｍｍとすることが好ましい。これよりも薄いと濾材の内部を濾過に寄与させるという本発明の特徴を十分に発揮させることができず、逆にこれよりも厚いと濾過抵抗が大きくなってしまうからである。また粗孔セラミックス層１と細孔セラミックス層２との肉厚比は、１：７〜３：１であることが好ましい。

このような２層構造の金属溶湯用濾材を製造する方法としては、粗孔セラミックス層１と細孔セラミックス層２とを同時または連続して成形する方法、それぞれの層を別々に成形し、乾燥後に重ね合わせて焼成して一体化する方法、それぞれの層を別々に成形し、乾燥、焼成したうえで重ね合わせて一体化する方法など様々な方法を取ることができる。また成形方法としては、ラミング法、プレス法、流し込み法、ゲルキャスト法、遠心付着法などの公知の成形方法を適宜用いることができる。なお、粗孔セラミックス層１と細孔セラミックス層２との境界面は必ずしもクリアである必要はなく、徐々に粒径を変化させて行っても差し支えない。

このような構造を備えた本発明の金属溶湯用濾材は、粗孔セラミックス層１側から金属溶湯を細孔セラミックス層２側に向けて通過させて介在物を除去するものであり、図２に示すように溶湯中の介在物粒子１０は粗孔セラミックス層１の表面にケーキ層１１を形成するが、流入側は粗孔セラミックス層１であるため緻密なケーキ層とはならず、介在物粒子１０の一部は粗孔セラミックス層１の内部にまで進入して捕捉される。このため急速に目詰まりすることがなく、大きい通過量を得ることができ、しかも介在物粒子１０を確実に捕捉することができる。

なお金属溶湯用濾材が粗孔セラミックス層１のみからなる単層構造であると介在物粒子１０が通過してしまう可能性がある。また細孔セラミックス層２のみからなる単層構造であると、流入側に緻密なケーキ層が形成されて目詰まりすることとなるので、いずれも好ましくない。

以下に本発明の実施例と比較例とを示す。
表１は全体の肉厚を２５ｍｍの一定とし、粗孔セラミックス層（粗孔層と表示）と細孔セラミックス層（細孔層と表示）の気孔径を変化させてアルミニウム溶湯中の介在物の捕集性能と、寿命とを評価した結果を示すものである。なおどの実施形態においても、無機結合材８〜２０質量％、成形バインダ１〜２％、水５〜７質量％、残部骨材となるように原料を混合し、各層を連続成形する方法で所定形状の成形体を製作した。そして、この成形体を乾燥させた後、１２００〜１４００℃まで加熱して結合材を溶融させ、その後、８００℃までを１時間あたり３０〜７０℃の冷却速度にて冷却することにより結合材を結晶化させる。これにより、骨材粒子が結合材により骨材粒子相互間に細孔を形成した状態で結合された基材が作製される。結合材としては、三酸化硼素を１５〜８０質量％、アルミナを２〜６０質量％、そして酸化マグネシウムを５〜５０質量％、含有するものであることが好ましい。シリカを２５質量％以下、酸化カルシウムを３０質量％以下の割合で含有させてもよい。結合材とアルミニウム溶湯とが濡れ易くなり、濾過初期の含浸性能が良くなるからである。また、三酸化硼素、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化カルシウムを上記組成とすることにより、結合材が１２００〜１４００℃の温度で溶融可能となり、その後の結晶化が適切に行われるため好ましい。

試料は外径１００ｍｍ，内径７５ｍｍ，長さ１００ｍｍのチューブ状とし、一本ずつ試験炉にセットしてアルミニウム溶湯を濾過した。ヘッド差が２００ｍｍとなったところを寿命とし、通過したアルミニウム溶湯量が従来品の１．５倍以上を◎、１．１〜１．５倍を○、それ未満を×とした。また濾過前後のアルミニウム試験片中の介在物として主要なアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、マグネシア（ＭｇＯ）の３つの酸化物量をＢｒ-メタノール法（試験片を臭素メタノール溶液に溶解し、溶解残渣中の酸化物量を定量分析する方法）により分析した。分析量が従来品の１．０倍以上のものを○、０．８〜１．０倍までを△、それより劣るものを×とした。

表２は、平均気孔径を一定としたままで肉厚及び形状を変化させて同様の評価を行った結果を示すものである。

表３は、無機結合材のアスペクト比を変化させて同様の評価を行った結果を示すものである。

以上の実施例にも示されるように、本発明の金属溶湯用濾材は介在物の捕集性能と寿命（金属溶湯の通過量）とを両立させることができる利点がある。

本発明の金属溶湯用濾材の概念的な斜視図である。本発明の金属溶湯用濾材の概念的な断面図である。

符号の説明

１粗孔セラミックス層
２細孔セラミックス層
３中心孔
４セラミック骨材
５セラミック骨材
１０介在物粒子
１１ケーキ層

Claims

流入側の粗孔セラミックス層と、流出側の細孔セラミックス層との２層構造を有することを特徴とする金属溶湯用濾材。
細孔セラミックス層の平均気孔径が１００〜５００μｍであり、粗孔セラミックス層の平均気孔径が細孔セラミックス層の平均気孔径の１．１〜３．０倍であることを特徴とする請求項１記載の金属溶湯用濾材。
細孔セラミックス層の最大気孔径が２００〜６００μｍであり、粗孔セラミックス層の最大気孔径が細孔セラミックス層の最大気孔径の１．１〜３．０倍であることを特徴とする請求項２記載の金属溶湯用濾材。
粗孔セラミックス層と細孔セラミックス層がともに骨材を無機結合材で結合したものであり、無機結合材がアスペクト比２〜５０の針状結晶を構成していることを特徴とする請求項１記載の金属溶湯用濾材。
無機結合材がアルミニウムボレートであることを特徴とする請求項４記載の金属溶湯用濾材。
粗孔セラミックス層と細孔セラミックス層との合計肉厚が１０〜２５ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の金属溶湯用濾材。
粗孔セラミックス層と細孔セラミックス層との肉厚比が、１：７〜３：１であることを特徴とする請求項１記載の金属溶湯用濾材。
粗孔セラミックス層を構成する粗粒骨材と、細孔セラミックス層を構成する細粒骨材とをそれぞれ無機結合材と混練して成形・焼成し、流入側の粗孔セラミックス層と、流出側の細孔セラミックス層との２層構造体とするとともに、これらの骨材粒子間に針状結晶を析出させることを特徴とする金属溶湯用濾材の製造方法。