JP3635896B2 - 金属溶湯用濾材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属溶湯、特にアルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯（本明細書においては、これらを総称して、単にアルミニウム溶湯と称する）中に混入している固形不純物（非金属介在物等）を濾別するために使用される金属溶湯用濾材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属溶湯、例えばアルミニウム溶湯（以下、金属溶湯の代表例としてアルミニウム溶湯の場合について説明する）中には、通常、固形不純物、特に非金属介在物が混入しているので、これらの介在物を含有した溶湯をそのまま鋳造し、圧延し、例えばディスク材等として製品化すると、その混入していた非金属介在物がピンホール等の不良発生の原因となる。このような不良発生を防止するために、鋳造に先立ってアルミニウム溶湯を濾過処理して非金属介在物を除去することが一般に行なわれている。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おり、例えば特公昭５２−２２３２７号公報に記載されているように、電融アルミナ等の骨材をＳｉＯ₂ 、Ｂ₂ Ｏ₃ 等の無機質結合材により結合させたチューブタイプの濾材が用いられている。
【０００３】
しかしながら、上記のような従来技術の濾材を用いてコンピュータのハードディスク材等の製造に用いる高純度アルミニウム溶湯の濾過を行う場合や、清涼飲料水缶、ビール缶等の缶材の製造に用いるＡｌ−Ｍｇ合金系溶湯の濾過を行う場合には、無機質結合材中に含まれているＳｉＯ₂ やＣａＯがアルミニウム溶湯で還元されて遊離Ｓｉや遊離Ｃａとなり、これらがアルミニウム溶湯中に溶出してアルミニウム溶湯を汚染するという問題が生じていた。また、Ａｌ−Ｍｇ合金系溶湯は活性であるため、無機質結合材を侵食し、骨材間の結合力を低下させ、濾材の耐久性を低下させる場合もあり、甚だしい場合には使用中にそのような濾材が崩壊することになる。
【０００４】
これらの問題に対処するために、ＳｉＯ₂ を含まない無機質結合材を用いて製造される濾材が、例えば特公平５−８６４５９号、特公平５−８６４６０号及び特開平２−３４７３２号の各公報に開示されている。これらの濾材を用いる場合には遊離Ｓｉの溶出によるアルミニウム溶湯の二次汚染の問題は発生しない。しかしながら、そのような無機質結合材を用いた濾材においては、骨材粒子間の結合状態が悪いため、濾材の強度が低く、また目詰まりを起こしやすいので通湯量がばらつく等の問題を有していた。
【０００５】
それで、遊離Ｓｉや遊離Ｃａの溶出の問題と曲げ強度等の問題とを解決した濾材が要望されるに至り、それらを満足する濾材として、アルミニウム溶湯との濡れ性を良くするためにＳｉＯ₂ を所定量含有させた無機質結合材であって、無機質結合材中に９Ａｌ₂ Ｏ₃ ・２Ｂ₂ Ｏ₃ の針状結晶を析出させた無機質結合材を用いて得た濾材が特開平５−１３８３３９号公報に開示されている。
【０００６】
しかしながら、上記の特開平５−１３８３３９号公報に記載された発明の実施においては、９Ａｌ₂ Ｏ₃ ・２Ｂ₂ Ｏ₃ の針状結晶を得るために無機質結合材を一旦溶融させた後、特別な冷却手段を付加して結晶長さを特定範囲に抑える必要があるのみならず、無機質結合材中にＳｉＯ₂ を１５〜２５重量％含有させ、かつＣａＯ等を含有させるものであるため、上記した遊離Ｓｉあるいは遊離Ｃａの溶出を防止する点に関しては必ずしも満足できるものではない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近時におけるディスク材等のように、僅かな表面欠陥があってもその影響が大きい各種用途に使用されるアルミニウム溶湯を得るためには、アルミニウム溶湯から細かい非金属介在物までも可能な限り除去し、しかも濾過後のアルミニウム溶湯中に溶出する不純物を可能な限り少なくすることが要求され、即ち、無機質結合材中に含有されるＳｉＯ₂ 及びＣａＯ成分の溶出ができる限り少なく、且つ強度等の面からも十分に満足し得る濾材を提供することが要望されている。
【０００８】
本発明の課題は、上記のような諸問題を克服した金属溶湯用濾材、特にアルミニウム溶湯用濾材を提供すること、即ち、アルミニウム溶湯と接触させて使用しても、或いはアルミニウム溶湯中に浸漬して使用しても、不純物がほとんど溶出しないのでアルミニウム溶湯を二次汚染することが少なく、また耐食性に優れ、骨材間の結合力が大きいので濾材の熱間強度が高く、長期間に亘り安定して使用できる金属溶湯用濾材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、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、骨材粒子と無機質結合材との混合物を焼結処理して得られる金属溶湯用濾材の無機質結合材からなる架橋部は微細構造の非ガラス質（結晶質）相と微細構造の非晶質ガラス相とで構成されており、この架橋部を構成する微細構造の非晶質ガラス相の組成を最適化することにより、濾材から金属溶湯中へのＳｉＯ₂ やＣａＯの溶出が抑制され、金属溶湯に対する架橋部の耐食性、従って濾材の耐食性が向上し、熱間強度が向上することを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
即ち、本発明の金属溶湯用濾材は、骨材粒子と無機質結合材との混合物を焼結処理して得られる金属溶湯用濾材において、無機質結合材からなる架橋部が微細構造の非ガラス質（結晶質）相と微細構造の非晶質ガラス相とで構成されており、その非晶質ガラス相の組成が
５モル％≦Ａｌ₂ Ｏ₃ ≦３０モル％、
２０モル％≦（ＭｇＯ＋ＣａＯ）≦５０モル％、
３０モル％≦（Ｂ₂ Ｏ₃ ＋ＳｉＯ₂ ）≦７０モル％
であり、且つ
Ｂ₂ Ｏ₃ ／ＳｉＯ₂ のモル比が０．３以上、
ＭｇＯ／ＣａＯのモル比が０．８以上
であることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
骨材粒子と無機質結合材との混合物を焼結処理して得られる金属溶湯用濾材においては、無機質結合材が骨材粒子間に架橋を形成して多孔質濾材を構成しており、この架橋部は微細構造の非ガラス質（結晶質）相と微細構造の非晶質ガラス相とで構成されており、この非晶質ガラス相はＢ₂ Ｏ₃ 及びＳｉＯ₂ のガラス形成成分と、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＯ及びＣａＯのガラス修飾成分とからなる。本発明者等は種々の実験の結果、この非晶質ガラス相の成分の組成範囲を特定範囲内に限定し、且つＢ₂ Ｏ₃ ／ＳｉＯ₂ のモル比及びＭｇＯ／ＣａＯのモル比を特定の範囲内に限定した金属溶湯用濾材においては、金属溶湯に対する耐食性が優れ、濾材から金属溶湯中へのＳｉＯ₂ やＣａＯの溶出が抑制され、且つ必要な熱間強度が維持されることを見出した。
【００１２】
本発明者等は、上記の各成分の組成範囲及び上記の各モル比について種々の実験検討の結果、無機質結合材からなる架橋部が微細構造の非ガラス質（結晶質）相と微細構造の非晶質ガラス相とで構成されており、その非晶質ガラス相の組成が
５モル％≦Ａｌ₂ Ｏ₃ ≦３０モル％、
２０モル％≦（ＭｇＯ＋ＣａＯ）≦５０モル％、
３０モル％≦（Ｂ₂ Ｏ₃ ＋ＳｉＯ₂ ）≦７０モル％
であることにより、非晶質ガラス相の流動性が、骨材間に架橋を作るのに適した値となり、この場合に得られる架橋結合により、溶湯が流れる均一な隙間が確保される。更に上記の組成条件に加えて
Ｂ₂ Ｏ₃ ／ＳｉＯ₂ のモル比が０．３以上、
ＭｇＯ／ＣａＯのモル比が０．８以上
であることにより、溶湯のＡｌ原子と濾材中のＳｉ原子との置換反応が抑制され、濾材からアルミニウム溶湯中へのＳｉＯ₂ やＣａＯの溶出が抑制され、その結果としてそのような架橋部を有する濾材はアルミニウム溶湯に対する耐食性に優れており、且つ必要な熱間強度が維持されていることが確認された。
【００１３】
上記のいずれかの成分の量が上記の範囲から外れる場合、又はＢ₂ Ｏ₃ ／ＳｉＯ₂ のモル比が０．３未満となるか又はＭｇＯ／ＣａＯのモル比が０．８未満となる場合、即ちＢ₂ Ｏ₃ の量に比較してＳｉＯ₂ の量が多くなるか、又はＭｇＯの量に比較してＣａＯの量が多くなると、ＳｉＯ₂ 又はＣａＯの溶出も問題となり、アルミニウム溶湯に対する耐食性が低下し、熱間強度も低下する傾向があるので望ましくない。
【００１４】
上記無機質結合材からなる架橋部を構成する微細構造の非ガラス質（結晶質）相と微細構造の非晶質ガラス相とを形成するためには、無機質結合材として、Ａｌ₂ Ｏ₃ ３０〜６０重量％、ＳｉＯ₂ １５重量％以下、Ｂ₂ Ｏ₃ ５〜１５重量％、ＭｇＯ１０〜４０重量％及びＣａＯ５重量％以下からなる無機質結合材や、スピネル型結晶構造を有する結晶粉末６０〜９２重量％、Ｂ₂ Ｏ₃ ５〜１０重量％、ＳｉＯ₂ ５重量％以下を含有し、残部がＡｌ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＯ及びＣａＯからなる無機質結合材等を用い、１３５０〜１４５０℃で焼成することが好ましい。
【００１５】
上記したスピネル型結晶構造を有する結晶粉末はＡｌ₂ Ｏ₃ 及びＭｇＯからなり、Ａｌ₂ Ｏ₃ ：ＭｇＯのモル比が１：１であり、Ａｌ₂ Ｏ₃ ：ＭｇＯの重量比が７：３であり、スピネル型結晶構造を形成しているものである。このような結晶粉末は極めて安定しており、アルミニウム溶湯による濡れ性が優れており、また、耐アルミニウム侵食性等にも優れているので、アルミニウム溶湯用濾材の製造に用いる無機質結合材として好適である。
本発明においては、無機質結合材がその他の種々の物質、例えば、焼結に際しての焼結助材、有機溶剤であるデキストリン等を含有していてもよいことは勿論である。
【００１６】
本発明においては、骨材として周知のアルミナ骨材やスピネル骨材を用いることができる。アルミナ骨材は金属溶湯用濾材の製造に普通に用いられているものであり、またスピネル骨材はＡｌ₂ Ｏ₃ 及びＭｇＯからなり、Ａｌ₂ Ｏ₃ ：ＭｇＯのモル比が１：１であり、Ａｌ₂ Ｏ₃ ：ＭｇＯの重量比が７：３であり、スピネル型結晶構造を有する結晶粒子である。このような結晶粒子は極めて安定しており、金属溶湯による濡れ性が優れており、また、耐アルミニウム侵食性等にも優れているので、金属溶湯用濾材の製造に用いる骨材として好適である。
【００１７】
本発明の金属溶湯用濾材の製造においては、骨材粒子と無機質結合材とを混合し、所定の形状に成形し、焼成して濾材を形成する。
骨材粒子と無機質結合材との混合比については、製造される濾材の強度及び濾材の濾過性能の点から、骨材粒子１００重量部に対して無機質結合材を好ましくは５〜２５重量部、より好ましくは１０〜２０重量部用いる。無機質結合材の量が５重量部未満の場合には骨材粒子の結合が不十分になり、骨材粒子が濾材から脱離する可能性があり、また２５重量部を超えると濾材の気孔が狭くなり、目詰まりを起こし易くなる傾向がある。
【００１８】
【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１〜３及び比較例１〜２
骨材粒子として電融アルミナ（平均粒径８５０μｍ）を１００重量部用い、無機質結合材として表１に示す組成（重量％）の結合材を表１に示す量（重量部）で用い、これらの配合物をそれぞれ混練し、加圧成形し、乾燥し、電気炉中で１４００℃で１２時間焼成してそれぞれ外径１００ｍｍ、内径６０ｍｍ、高さ８５０ｍｍのパイプ状成形体を得た。焼結後の微細構造の非晶質ガラス相のＡｌ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＯ＋ＣａＯ、及びＢ₂ Ｏ₃ ＋ＳｉＯ₂ の各々のモル％、並びにＢ₂ Ｏ₃ ／ＳｉＯ₂ のモル比及びＭｇＯ／ＣａＯのモル比は表１に示す通りであった。更に、各パイプ状成形体の特性を以下に示す試験方法で調べた。
【００１９】
《曲げ強さ》
上記の各々のパイプ状成形体から１００ｍｍ×２０ｍｍ×１８ｍｍの直方体状試験体を切り出した。こ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８０ｍｍ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２０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８０ｍｍで実施した。それらの試験結果は表１に示す通りであった。
【００２０】
《成分溶出量》
７４０℃の高純度（９９．９９％以上）アルミニウム溶湯１０重量部中に上記の各々のパイプ状成形体１重量部を浸漬し、溶湯の温度を７４０℃に維持しながら７２時間の間、パイプ状成形体内部の減圧と加圧とを繰り返しながら、アルミニウム溶湯をパイプ状成形体の外部から内部へ、及び内部から外部へ交互に通過させ、その後、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及びＣａ量を測定し、浸漬前のアルミニウム溶湯中のＳｉ及びＣａ量と比較した。その差（すなわち、増加分）をＳｉ及びＣａについての成分溶出量とした。それらの測定結果は表１に示す通りであった。
【００２１】

【００２２】
表１のデータからも明かなように、本発明に係る実施例１〜３の濾材においては、アルミニウム溶湯用濾材の室温曲げ強さ、熱間曲げ強さ（８００℃）及びアルミニウム溶湯に対する耐食性（成分溶出量）の点で優れており、実用性の高いものである。
【００２３】
【発明の効果】
本発明のアルミニウム溶湯用濾材は、アルミニウム溶湯中に浸漬して使用しても不純物が溶出しないのでアルミニウム溶湯を二次汚染することがなく、極めて安定な結晶組織を有しており、室温曲げ強さ、熱間曲げ強さ（８００℃）及びアルミニウム溶湯に対する耐食性（成分溶出量）に優れたものである。

Claims (1)

1. 骨材粒子と無機質結合材との混合物を焼結処理して得られる金属溶湯用濾材において、無機質結合材からなる架橋部が微細構造の非ガラス質（結晶質）相と微細構造の非晶質ガラス相とで構成されており、その非晶質ガラス相の組成が
   ５モル％≦Ａｌ₂ Ｏ₃ ≦３０モル％、
   ２０モル％≦（ＭｇＯ＋ＣａＯ）≦５０モル％、
   ３０モル％≦（Ｂ₂ Ｏ₃ ＋ＳｉＯ₂ ）≦７０モル％
   であり、且つ
   Ｂ₂ Ｏ₃ ／ＳｉＯ₂ のモル比が０．３以上、
   ＭｇＯ／ＣａＯのモル比が０．８以上
   であることを特徴とする金属溶湯用濾材。