JP3129675B2 - セラミックフィルター及びその製造方法 - Google Patents

セラミックフィルター及びその製造方法

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Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は金属溶湯、特にアル
ミニウム金属又はアルミニウム合金の溶湯（本明細書に
おいてはこの両者を総称して単にアルミニウム溶湯と記
載する）中に混在している非金属介在物等を濾過により
除去するために使用するセラミックフィルター及びその
製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】一般
に、金属溶湯中、例えばアルミニウム溶湯中には非金属
介在物等の異物が混在しており、これらの異物は、鋳造
時にハードスポット等の加工上のトラブルの原因とな
る。それで、鋳造に先立ってこれら異物を除去して、鋳
造品の品質を高め、後加工工程でのトラブルの発生を回
避するようにしている。この目的で、従来から溶湯の濾
過処理が実施されており、この溶湯の濾過に使用される
装置として種々のものが知られている。例えば、特公昭
５２−２２３２７号公報に記載されてるような、無機質
結合材を用いて焼結したチューブフィルターが知られて
いる。
【０００３】しかしながら、このような従来のフィルタ
ーの多くは、結合材中にＳｉＯ2 やＣａＯを多量に含ん
でおり、結合材中のＳｉやＣａがアルミニウム溶湯中に
溶出して溶湯を汚染する恐れがあった。また、このよう
なフィルターの熱間曲げ強さ（８００℃）は３ＭＰａ程
度と低く、温度が高い溶湯の濾過処理中にフィルターが
損傷する恐れがあった。
【０００４】結合材中にＳｉＯ2 を含まず、従ってアル
ミニウム溶湯中へのＳｉの溶出が生じないフィルター
が、例えば、特公平５−８６４５９号公報、特公平５−
８６４６０号公報、更には特開平２−３４７３２号公報
に開示されている。これらのフィルターにおいてはＳｉ
の溶出による溶湯汚染はないが、ＳｉＯ2 を結合材に含
まないフィルターはアルミニウム溶湯での濡れ性が悪い
ため、フィルターはアルミニウム溶湯の通湯性に劣り、
目詰まりを起こしやすく、濾過処理量がバラツク等の問
題があった。また、アルミニウム溶湯の初期ヘッドが高
くなるため、濾過装置の改造が必要な場合もあった。さ
らに結合材による骨材粒子の結合状態が悪いため、強度
が低く、使用中に損傷する恐れがあった。
【０００５】そこで、Ｓｉの溶出、目詰まり等の問題を
解決するために、所定量のＳｉＯ2を含有する結合材を
用いたフィルターが、例えば、特開平５−１３８３３９
号公報、特開平９−２９４２３号公報に開示されてい
る。しかしながら、該特開平５−１３８３３９号公報に
開示されているフィルターにおいては、使用している結
合材は結晶成分を多く含有しており、それで粘性が高く
て流動性が悪いため、骨材表面に偏在し、骨材表面に凹
凸ができてしまう。そのため、骨材粒子が小さい場合に
はこの凹凸によりフィルターの気孔が閉塞し、アルミニ
ウム溶湯の通過が困難になる場合があった。また、結合
材中にＳｉＯ2 が１５〜２５％含まれているため、熱間
強度の低下を防ぐためには１３００℃より高い温度での
焼成が必要となり、その場合に結合材中の結晶が粗大化
するため、アルミニウム溶湯に対する耐食性が低下する
という問題点があった。
【０００６】上記の特開平９−２９４２３号公報に開示
されているフィルターは、その結合材中のＳｉＯ2 量が
２５〜３５重量％と比較的多量であるため、使用中にア
ルミニウム溶湯を汚染する可能性があり、また熱間曲げ
強さ（８００℃）が低下し、温度が高い溶湯の濾過処理
中にフィルターが圧壊する恐れがあった。また、特開平
４−２３１４２５号公報には熱間曲げ強さの高いフィル
ターが開示されている。このセラミックフィルターにお
ける結合材は、ＳｉＯ2 ２〜６重量％、ＭｇＯ１〜１０
重量％、ＴｉＯ2 １〜８重量％を含み、残部がＡｌ2 Ｏ
3で構成されており、すなわち、ＳｉＯ2 含量が少な
く、アルミニウム溶湯での濡れ性が悪いため、フィルタ
ーはアルミニウム溶湯の通湯性が悪くなり、濾過量不足
となる可能性があり、アルミニウム溶湯の初期ヘッドも
上がるため、濾過装置の改造が必要な場合もあった。ま
た、結合材は粘性が高く、流動性に劣るため、均質なフ
ィルターが得ることが困難で、目詰まりを起こしやすい
ので、濾過処理量が安定しない等の問題があった。
【０００７】特公昭４７−３６３４７号公報にはＢ2 Ｏ
3 １５〜８０重量％、ＣａＯ５〜５０重量％、Ａｌ2 Ｏ
3 ２〜６０重量％、ＳｉＯ2 １０重量％以下から本質的
になる結合材を用いたフィルターが開示されている。こ
の結合材中のＣａＯはアルミニウムとの反応性はない
が、そのままの形でアルミニウム溶湯中に容易に混入さ
れ、この混入したＣａＯは鋳造品の圧延工程においてク
ラック（耳割れ）発生等の原因になるので、結合材中に
はＣａＯが含まれていないことが好ましい。
【０００８】本発明は、上記のような欠陥が生じること
のない、すなわち、結合材からの金属溶湯中、例えばア
ルミニウム溶湯中へのＳｉやＣａの溶出が少なく、室温
曲げ強さ及び熱間曲げ強さ（８００℃）に優れ、アルミ
ニウム溶湯での濡れ性、アルミニウム溶湯の通湯性が良
いので目詰まりを起こしにくく、濾過処理量がほぼ一定
である金属溶湯濾過用セラミックフィルターを提供する
ことを目的とする。本発明のその他の目的は上記のよう
なセラミックフィルターの製造方法を提供することにあ
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記の目
的を達成するために種々検討の結果、セラミックフィル
ターを構成する無機質結合材の原料として、ＣａＯを用
いずにＭｇＯを用い、またＡｌ2 Ｏ3 、Ｂ2 Ｏ3 、Ｓｉ
Ｏ2 及びＭｇＯをそれぞれ特定の量で用いることにより
上記の課題が解決されることを見いだし、本発明を完成
した。また、骨材粒子と結合材とを焼結させる際に１１
５０〜１３００℃で焼成することにより熱間曲げ強さに
優れ、結合材からのアルミニウム溶湯中へのＳｉの溶出
が少なく、しかも濾過性能に優れたセラミックフィルタ
ーが得られることを見いだし、本発明を完成した。
【００１０】すなわち、本発明の金属溶湯濾過用セラミ
ックフィルターは、溶融アルミナ及び焼結アルミナの一
方又は両方からなる骨材粒子と結合材とからなり、該結
合材は該骨材粒子１００重量部に対して１０〜２２重量
部となる量で存在しており、該結合材は１５〜３５重量
％のＡｌ2 Ｏ3 、４０〜５０重量％のＢ2 Ｏ3 、１０〜
１４重量％のＳｉＯ2 を含み、残部がＭｇＯであること
を特徴とする。
【００１１】また、本発明の金属溶湯濾過用セラミック
フィルターの製造方法は、溶融アルミナ及び焼結アルミ
ナの一方又は両方からなる骨材粒子１００重量部と、１
５〜３５重量％のＡｌ2 Ｏ3 、４０〜５０重量％のＢ2
Ｏ3 、１０〜１４重量％のＳｉＯ2 を含み、残部がＭｇ
Ｏである結合材１０〜２２重量部と、適量の有機バイン
ダーと、適量の水とを混練し、成形し、乾燥し、次いで
１１５０〜１３００℃で焼成することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】金属溶湯濾過用セラミックフィル
ターにおいては、骨材粒子として一般的に炭化珪素、窒
化珪素、溶融アルミナ、焼結アルミナ等からなる骨材粒
子が用いられるが、本発明の金属溶湯濾過用セラミック
フィルターにおいては骨材粒子として金属溶湯、特にア
ルミニウム溶湯に対して優れた耐食性を示す溶融アルミ
ナ及び焼結アルミナの一方又は両方からなる骨材粒子を
用いる。
【００１３】本発明の金属溶湯濾過用セラミックフィル
ターにおいて、無機質結合材は骨材粒子１００重量部に
対して１０〜２２重量部となる量で存在させる。無機質
結合材の量が１０重量部未満の場合には骨材粒子間の結
合が不十分となり、セラミックフィルターから骨材粒子
が脱落する可能性があるので好ましくない。また、無機
質結合材の量が２２重量部を越えると骨材粒子間の気孔
を狭め、目詰まりを起こしやすくなるので好ましくな
い。
【００１４】本発明の金属溶湯濾過用セラミックフィル
ターを構成する無機質結合材は１５〜３５重量％のＡｌ
2 Ｏ3 を含有する。Ａｌ2 Ｏ3 含有量が１５重量％未満
の場合には、そのような結合材の粘性が低いので、セラ
ミックフィルターを製造する際の焼成時に結合材が下方
へ流出してしまい、その結果、均質なセラミックフィル
ターを得ることが困難になる。また、Ａｌ2 Ｏ3 含有量
が３５重量％を超える場合には得られるセラミックフィ
ルターの曲げ強さが低くなり、その結果としてセラミッ
クフィルターがその使用時に圧壊する恐れがある。本発
明においては、無機質結合材中のＡｌ2 Ｏ3 含有量は好
ましくは２０〜３０重量％である。
【００１５】本発明の金属溶湯濾過用セラミックフィル
ターを構成する無機質結合材は３５〜５２重量％のＢ2
Ｏ3 を含有する。Ｂ2 Ｏ3 含有量が３５重量％未満の場
合には、そのような結合材は粘性が高くて流動性が悪い
ため、セラミックフィルターを製造する際に結合材が骨
材に対して偏在し、偏在部分の気孔を狭め、更にはセラ
ミックフィルター強度も不十分となる。また、Ｂ2 Ｏ3
含有量が５２重量％を超える場合には、そのような結合
材の粘性が低いので、セラミックフィルターを製造する
際の焼成時に結合材が下方へ流出してしまい、その結
果、均質なセラミックフィルターを得ることが困難にな
る。本発明においては、無機質結合材中のＢ2 Ｏ3 含有
量は好ましくは４０〜５０重量％である。
【００１６】本発明の金属溶湯濾過用セラミックフィル
ターを構成する無機質結合材中に含有されるＳｉＯ2 は
結合材の粘性を低下させ、ガラス化を促進し、またこれ
により溶湯アルミニウムでの濡れ性を高める作用をす
る。ＳｉＯ2 含有量が７重量％未満の場合には、そのよ
うな結合材を用いて得られるセラミックフィルターはア
ルミニウム溶湯での濡れ性が十分ではなく、また室温曲
げ強さも十分ではない。また、ＳｉＯ2 含有量が１５重
量％以上の場合には、そのような結合材を用いて得られ
るセラミックフィルターはアルミニウム溶湯での濡れ性
及び室温曲げ強さは高くなるが、熱間曲げ強さ（８００
℃）の低下が大きく、且つ結合材がアルミニウム溶湯で
置換されて溶湯を汚染しやすくなる可能性がある。本発
明においては、無機質結合材中のＳｉＯ2 含有量は好ま
しくは１０〜１４重量％であり、また、後記実施例の無
機質結合材原料組成から明らかなように、無機質結合材
中のＢ 2 Ｏ 3 とＳｉＯ 2 との合計量は好ましくは５４〜
６２重量％である。
【００１７】本発明の金属溶湯濾過用セラミックフィル
ターを構成する無機質結合材においては、ＭｇＯは結合
材の粘性を調整するために添加され、その添加量は全結
合材量から上記したＡｌ2 Ｏ3 、Ｂ2 Ｏ3 及びＳｉＯ2
を除いた残余量である。本発明においては、結合材はＭ
ｇＯを含有するが、アルミニウム溶湯の汚染物質となり
得るＣａＯを含有しない。
【００１８】本発明の金属溶湯濾過用セラミックフィル
ターの製造方法は、骨材粒子と、結合材と、有機バイン
ダーと、水とを混練し、成形し、乾燥し、次いで焼成す
る点では従来技術と同一であるが、特定組成の結合材を
用い、特定の温度範囲で焼成する点に特徴を有するもの
である。即ち、１５〜３５重量％のＡｌ2 Ｏ3 、４０〜
５０重量％のＢ2 Ｏ3 、１０〜１４７重量％のＳｉＯ2
を含み、残部がＭｇＯである結合材を用い、１１５０〜
１３００℃で焼成することを特徴とする。
【００１９】焼成温度が１１５０℃よりも低い場合に
は、上記の無機質結合材が十分には溶融しないため、結
合材の粘性が高くて流動性が悪く、その結果、骨材に対
して結合材が偏在し、偏在部分の気孔を狭め、更にはセ
ラミックフィルター強度も不十分となる。また、焼成温
度が１３００℃を超える場合には、結合材中のＢ2 Ｏ3
が揮発しやすくなるため、均質なセラミックフィルター
が得にくく、また、結合材中の結晶相が粗大化し、その
生成密度が低下し、その結果、無機質結合材のアルミニ
ウム溶湯に対する耐食性が低下する。本発明の製造方法
においては、焼成温度は好ましくは１２００〜１２５０
℃である。
【００２０】
【実施例】以下に、実施例及び比較例に基づいて本発明
を詳細に説明する。 実施例１〜９及び比較例１〜１０ 骨材粒子としてＪＩＳＲ６００１に規定されたＡ砥粒
（溶融アルミナ）＃２４を用い、無機質結合材として表
１又は表２に示す組成の結合材を用い、有機バインダー
としてデキストリン及びイソブチル−無水マレイン酸共
重合体を用いた。また、骨材粒子に対して結合材を表１
又は表２に示す添加量で配合し、有機バインダーとして
のデキストリンを１．３重量％、イソブチル−無水マレ
イン酸共重合体を１．３重量％配合し、水を３．２重量
％配合した。これらの配合物をそれぞれ混練し、成形
し、乾燥し、表１又は表２に示す温度で焼成してそれぞ
れ１００ｍｍ×２０ｍｍ×１８ｍｍの直方体状試験体及
び外径１００ｍｍ、内径６０ｍｍ、高さ６５ｃｍのパイ
プ状試験体を得た。実施例１〜９及び比較例１〜１０の
各試験体の特性を以下に示す試験方法で調べた。
【００２１】《曲げ強さ》各々の１００ｍｍ×２０ｍｍ
×１８ｍｍの直方体状試験体について、２点支持１点荷
重方式で支持スパン９０ｍｍで室温曲げ強さ試験を実施
した。熱間曲げ試験は各々の直方体状試験体を雰囲気温
度設定用電気炉中で８００℃に１５分間保持した後、該
雰囲気温度設定用電気炉中で、２点支持１点荷重方式で
支持スパン９０ｍｍで実施した。それらの試験結果は表
１及び表２に示す通りであった。
【００２２】《成分溶出量》７４０℃の高純度（９９．
９９％以上）アルミニウム溶湯１０重量部に対し上記の
各試験体１重量部を浸漬し、７４０℃に７２時間保持し
た後、アルミニウム溶湯をサンプリングし、アルミニウ
ム溶湯中のＳｉ、Ｂ及びＭｇ量を測定し、浸漬前のアル
ミニウム溶湯中のＳｉ、Ｂ及びＭｇ量と比較し、その差
（すなわち、増加分）をＳｉ、Ｂ及びＭｇについての成
分溶出量とした。それらの測定結果は表１及び表２に示
す通りであった。
【００２３】《アルミニウム浸透性》 実施例１〜９及び比較例１〜１０のセラミックフィルタ
ーに対するアルミニウム溶湯の浸透性を次のようにして
評価した。外径１００ｍｍ、内径６０ｍｍ、高さ６５ｃ
ｍの各々のパイプ状試験体をアルミニウム溶湯保持用炉
中に立てて予熱し、そこへ７４０℃の高純度（９９．９
９％以上）アルミニウム溶湯をほぼ７０ｃｍの高さまで
注湯し、７４０℃で２４時間保持した。その後、各々の
試験体を取り出し、冷却した後、縦方向（炉中に立てた
状態で垂直方向）に切断し、アルミニウムが浸透してい
る高さ（Ａ）を測定した。アルミニウム溶湯の湯面高さ
（Ｒ）とこのアルミニウム浸透高さ（Ａ）との差（Ｒ−
Ａ）をアルミニウム含浸所要高さ（Ｈ）とした。この評
価法の概要は図１に示す通りである。即ち、アルミニウ
ム含浸所要高さ（Ｈ）が低いほどアルミニウムの浸透性
に優れていることになる。それらの測定結果は表１及び
表２に示す通りであった。
【００２４】《総合評価》上記の曲げ強さの試験結果、
成分溶出量の測定結果、及びアルミニウム浸透性の測定
結果の全てが好ましい値を示す場合を◎とし、それらの
結果の何れかがボーダーラインの値を示し、他は好まし
い値を示す場合を○とし、それらの結果の１つでも好ま
しくない値を示す場合を×とした。しかし、比較例２の
場合のように、アルミニウム浸透性の測定結果が悪い
が、曲げ強さの試験結果が特に優れており、成分溶出量
の測定結果がボーダーラインの値を示している場合には
実用用途があるので△とした。
【００２５】
【表１】
【００２６】
【表２】
【００２７】表１及び表２のデータからも明かなよう
に、本発明に係る実施例１〜９においては、セラミック
フィルターの室温曲げ強さ、熱間曲げ強さ（８００
℃）、アルミニウム溶湯に対する耐食性（成分溶出
量）、及びアルミニウムの通湯性（アルミニウム浸透
性）の点で従来技術と同等又は従来技術よりも優れてお
り、実用性の高いものである。
【００２８】一方、骨材粒子に対する結合材の配合量が
本発明の範囲外である比較例１及び２、結合材中のＳｉ
Ｏ2 含有量が本発明の範囲外である比較例３及び４、結
合材中のＢ2 Ｏ3 含有量が本発明の範囲外である比較例
５及び６、並びに結合材中のＡｌ2 Ｏ3 含有量が本発明
の範囲外である比較例７及び８においては、セラミック
フィルターの室温曲げ強さ、熱間曲げ強さ（８００
℃）、アルミニウム溶湯に対する耐食性、及びアルミニ
ウムの通湯性の少なくとも１つで極端に悪く、比較例２
以外は実用性がない。比較例９においては、焼成温度が
１３５０℃と高いため、アルミニウム溶湯に対する耐食
性が低下しており、また比較例１０においては焼成温度
が１１００℃と低いため、セラミックフィルターの曲げ
強さが不十分な値となっている。
【００２９】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の金属溶
湯濾過用セラミックフィルターは、室温曲げ強さ、熱間
曲げ強さ（８００℃）、アルミニウム溶湯に対する耐食
性（成分溶出量）、及びアルミニウムの通湯性（アルミ
ニウム浸透性）に優れたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 アルミニウム浸透性の評価法を説明する概略
図である。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｂ 9/02 Ｃ２２Ｂ 21/06 21/06 Ｃ０４Ｂ 35/10 Ｚ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B01D 39/20 B22D 43/00 C04B 35/10 C22B 9/02

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】溶融アルミナ及び焼結アルミナの一方又は
    両方からなる骨材粒子と結合材とからなり、該結合材は
    該骨材粒子１００重量部に対して１０〜２２重量部とな
    る量で存在しており、該結合材は１５〜３５重量％のＡ
    ｌ2 Ｏ3 、４０〜５０重量％のＢ2 Ｏ3 、１０〜１４重
    量％のＳｉＯ2 を含み、残部がＭｇＯであることを特徴
    とする金属溶湯濾過用セラミックフィルター。
  2. 【請求項２】結合材が２０〜３０重量％のＡｌ2 Ｏ3 、
    ４０〜５０重量％のＢ2 Ｏ3 、１０〜１４重量％のＳｉ
    Ｏ2 を含み、残部がＭｇＯであることを特徴とする請求
    項１記載の金属溶湯濾過用セラミックフィルター。
  3. 【請求項３】 Ｂ 2 Ｏ 3 とＳｉＯ 2 との合計量が５４〜６
    ２重量％であることを特徴とする請求項２記載の金属溶
    湯濾過用セラミックフィルター。
  4. 【請求項４】溶融アルミナ及び焼結アルミナの一方又は
    両方からなる骨材粒子１００重量部と、１５〜３５重量
    ％のＡｌ2 Ｏ3 、４０〜５０重量％のＢ2 Ｏ3 、１０〜
    １４重量％のＳｉＯ2 を含み、残部がＭｇＯである結合
    材１０〜２２重量部と、適量の有機バインダーと、適量
    の水とを混練し、成形し、乾燥し、次いで１１５０〜１
    ３００℃で焼成することを特徴とする金属溶湯濾過用セ
    ラミックフィルターの製造方法。
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