JP3709451B2 - アルミニウム溶湯用濾材 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は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アルミニウム溶湯用濾材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム溶湯中には、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ている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、このような従来の濾材を用いて、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に、或いは清涼飲料水缶、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、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中で還元されて遊離Ｓｉや遊離Ｃａを生じ、アルミニウム溶湯中に溶出してアルミニウム溶湯が汚染されるという問題が生じた。また、Ａｌ−Ｍｇ合金系溶湯は活性な性質であるため、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】
これらのことから、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、それらを満足するものとして、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を用い、また無機質結合材中に９Ａｌ2 Ｏ3 ・２Ｂ2 Ｏ3 の針状結晶を析出させ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可能な限り細かい非金属介在物までも除去し、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、従って、無機質結合材中に含有されるＳｉＯ2 及びＣａＯ成分をできる限り少なくし、且つ強度（特に熱間強度）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】
本発明の目的は、上記のような諸問題を克服した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、また骨材間の結合力が大きいので濾材の強度、特に熱間強度が高く、長期間に亘り安定して使用でき、また目詰まりを起こしにくいので通湯量がほぼ一定であり、しかも極めて安定な結晶組織を有し、熱間及び常温曲げ強度に優れているアルミニウム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】
本発明等は、上記の目的を達成するために鋭意検討の結果、アルミナ粒子及びＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粒子からなる群から選ばれた少なくとも１種の骨材粒子を用い、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末と、Ｂ2 Ｏ3 と、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ及びＴｉＯ2 からなる群から選ばれた少なくとも１種の酸化物と、所望によりＳｉＯ2 とからなる無機質結合材を用いることにより良好な結果が得られることを見いだし、本発明を完成した。
【００１０】
即ち、本発明のアルミニウム溶湯用濾材は、アルミナ粒子及びＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粒子からなる群から選ばれた少なくとも１種の骨材粒子１００重量部と、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末６０〜９０重量％、Ｂ2 Ｏ3 ５〜１２重量％、ＳｉＯ2 ０〜５重量％及びＡｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ及びＴｉＯ2 からなる群から選ばれた少なくとも１種の酸化物３０重量％以下からなる無機質結合材５〜２５重量部との焼結体からなることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のアルミニウム溶湯用濾材を製造するために骨材粒子として用いるアルミナ粒子としては電融アルミナ、焼結アルミナ等を挙げることができる。また、骨材粒子として用いるＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粒子は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。
【００１２】
本発明のアルミニウム溶湯用濾材を製造するために無機質結合材成分として用いるＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末は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。
【００１３】
しかしながら、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末の平均粒径が多くの市販品のように数十μｍ〜数ｍｍである場合には一般的に原料をチューブに成形する際の生強度が低く、保形性が悪くなる傾向があり、また焼結性も低下する。良好な焼結性を達成するための手段としては焼結助材（結合助材）を多量に添加することが考えられるが、このように助材を多量に添加した場合には濾材の熱間強度が低下し、アルミニウム溶湯に対する耐侵食性が劣化する。
【００１４】
これに対して、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末の平均粒径を小さくすればするほど焼結性がよくなり、好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下になるように粉砕すると、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一層好適なものとなる。なお、その粉砕方法はいかなる方法であってよく、例えば、ボールミルのような乾式粉砕であって、またビーズミルのような湿式粉砕であってもよく、何れの方法を用いても同様の効果が達成される。しかしながら、結晶粉末の平均粒径を小さくすれば小さくするほどコスト高になる。このコスト高を抑える手段としては適度に粉砕した結晶粉末を用い且つ結合助材粉末を併用することが考えられる。
【００１５】
本発明のアルミニウム溶湯用濾材を製造するために骨材粒子と無機質結合材とを混合し、焼成して濾材を形成する際には、その焼成中の無機質結合材の流動性や適当な粘性により通気孔を確保する必要があり、そのためには無機質結合材中に少量の非晶質ガラス成分を添加する必要がある。
本発明のアルミニウム溶湯用濾材の製造において、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末と共に無機質結合材として用いる非晶質ガラス成分はＢ2 Ｏ3 単独であっても、或いは、Ｂ2 Ｏ3 及びＳｉＯ2 の両方であってもよい。Ｂ2 Ｏ3 及びＳｉＯ2 の両方を含む場合には、無機質結合材と骨材粒子との混合物を焼成して得られる焼結体中のスピネル結晶粒子間を部分的に結合する非晶質ガラス相がＢ2 Ｏ3 及びＳｉＯ2 を含み、Ｂ2 Ｏ3 ／ＳｉＯ2 のモル比が０．３以上となるような配合比とすることが好ましい。この比が０．３以上の場合には、溶湯中のＡｌ原子とＳｉ原子との置換反応が抑制され、耐食性に優れた濾材となる。逆に、この比が０．３未満となると、即ちＢ2 Ｏ3 の量に比較してＳｉＯ2 の量が多くなると、アルミニウム溶湯に対する耐食性が低下し、ＳｉＯ2 の溶出も問題となる傾向がある。
【００１６】
Ｂ2 Ｏ3 源としてホウ酸（Ｈ3 ＢＯ3 ）、ホウ酸アルミニウム（９Ａｌ2 Ｏ3 ・２Ｂ2 Ｏ3 又は２Ａｌ2 Ｏ3 ・Ｂ2 Ｏ3 ）、ホウ酸マグネシウム（ＭｇＯ・Ｂ2 Ｏ3 、２ＭｇＯ・Ｂ2 Ｏ3 、３ＭｇＯ・Ｂ2 Ｏ3 等）等から選ばれた少なくとも１種を用いることができるが、ホウ酸よりも融点が高いホウ酸アルミニウムを用いることにより、Ｂ2 Ｏ3 の蒸発が抑制され、また、高温まで適度の流動性が確保されるので、骨材粒子間の無機質結合材が均一に分布し、強度が改善され、アルミニウム溶湯に対する耐食性が良好になる。
【００１７】
本発明のアルミニウム溶湯用濾材の製造において、無機質結合材としてＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末と共にＡｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ及びＴｉＯ2 からなる群から選ばれた少なくとも１種の酸化物を用いる。これらの酸化物は骨材粒子と無機質結合材との焼結の際にＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末の焼結を促進し、強度を向上させる作用を持っている。この酸化物の添加効果が達成されるためにはそれらの酸化物を合計で５重量％以上配合する必要がある。また、酸化物の添加量が多くなるとその増加に応じてＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末等の他の成分の量が減少することになるので、酸化物の添加量を合計で３０重量％以下とする。なお、これらの酸化物として、又は酸化物の一成分としてＭｇＯ又はＴｉＯ2 を用いる場合には、ＭｇＯ及びＴｉＯ2 はそれぞれ１０重量％以下の量で用いることが好ましい。
【００１８】
無機質結合材の各成分の配合比については、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末６０〜９０重量％、好ましくは７０〜８５重量％、Ｂ2 Ｏ3 ５〜１２重量％、好ましくは６〜１０重量％、ＳｉＯ2 ０〜５重量％及びＡｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ及びＴｉＯ2 からなる群から選ばれた少なくとも１種の酸化物（合計で）３０重量％以下、好ましくは５〜２７重量％となるようにする。非晶質ガラス成分（Ｂ2 Ｏ3 及びＳｉＯ2 ）をこの範囲内の配合比で用いることにより、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶の粒界にこれらの非晶質ガラス相が形成されることが抑制され、結合助材として有効に作用し、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末の焼結性を高めることができ、従って、濾材の熱間強度は向上し、また、アルミニウム溶湯に侵食され易い非晶質粒界相が少ないことにより耐食性が向上する。しかしながら、非晶質ガラス成分の配合量が１５重量％を越えると、添加したこれらの非晶質ガラス成分が局部的に大きくガラス化して偏在し、耐アルミニウム侵食性を劣化させてしまうことになる。
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、スピネル結晶を粉砕する際のＺｒＯ2 あるいは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。
【００１９】
本発明のアルミニウム溶湯用濾材は、上記の無機質結合材と骨材粒子との焼結体からなる。その製造法としては無機質結合材粉末原料と骨材粒子とを混合し、所定の形状に成形し、次いで焼成してもよいし、或いは無機質結合材粉末原料をスラリー状などにして骨材粒子表面にコーティングし、次いで成形し、焼成してもよい。上記の無機質結合材と骨材粒子との配合比については、上記の無機質結合材５〜２５重量部、好ましくは１０〜２０重量部と、アルミナ骨材粒子１００重量部とからなるようにする。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。
【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１〜１０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）又はＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粒子（モル比１：１、重量比７：３、平均粒径８５０μｍ）を表１に示す量（重量部）で用い、無機質結合材としてＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粒子（モル比１：１、重量比７：３、平均粒径４．５μｍ）、Ｂ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＴｉＯ2 をそれぞれ表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、次いで電気炉中で１４３０℃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。実施例１〜１０及び比較例１〜２の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。
【００２１】
《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。
【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、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量と比較した。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に示す通りであった。
【００２３】
《アルミニウム浸透性》
上記の各々のパイプ状成形体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。上記の各々のパイプ状成形体から外径１００ｍｍ、内径６０ｍｍ、高さ６５ｃｍのパイプ状試験体（両端は封止してある）を作製し、こ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（９９．９９％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、熱間曲げ強さの試験結果が優れており、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１のデータからも明かなように、本発明に係る実施例１〜１０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℃）、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）の点で優れており、実用性の高いものである。
【００２７】
【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℃）、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。
【発明の属する技術分野】
本発明は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アルミニウム溶湯用濾材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム溶湯中には、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ている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、このような従来の濾材を用いて、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に、或いは清涼飲料水缶、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、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中で還元されて遊離Ｓｉや遊離Ｃａを生じ、アルミニウム溶湯中に溶出してアルミニウム溶湯が汚染されるという問題が生じた。また、Ａｌ−Ｍｇ合金系溶湯は活性な性質であるため、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】
これらのことから、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、それらを満足するものとして、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を用い、また無機質結合材中に９Ａｌ2 Ｏ3 ・２Ｂ2 Ｏ3 の針状結晶を析出させ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可能な限り細かい非金属介在物までも除去し、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、従って、無機質結合材中に含有されるＳｉＯ2 及びＣａＯ成分をできる限り少なくし、且つ強度（特に熱間強度）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】
本発明の目的は、上記のような諸問題を克服した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、また骨材間の結合力が大きいので濾材の強度、特に熱間強度が高く、長期間に亘り安定して使用でき、また目詰まりを起こしにくいので通湯量がほぼ一定であり、しかも極めて安定な結晶組織を有し、熱間及び常温曲げ強度に優れているアルミニウム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】
本発明等は、上記の目的を達成するために鋭意検討の結果、アルミナ粒子及びＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粒子からなる群から選ばれた少なくとも１種の骨材粒子を用い、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末と、Ｂ2 Ｏ3 と、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ及びＴｉＯ2 からなる群から選ばれた少なくとも１種の酸化物と、所望によりＳｉＯ2 とからなる無機質結合材を用いることにより良好な結果が得られることを見いだし、本発明を完成した。
【００１０】
即ち、本発明のアルミニウム溶湯用濾材は、アルミナ粒子及びＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粒子からなる群から選ばれた少なくとも１種の骨材粒子１００重量部と、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末６０〜９０重量％、Ｂ2 Ｏ3 ５〜１２重量％、ＳｉＯ2 ０〜５重量％及びＡｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ及びＴｉＯ2 からなる群から選ばれた少なくとも１種の酸化物３０重量％以下からなる無機質結合材５〜２５重量部との焼結体からなることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のアルミニウム溶湯用濾材を製造するために骨材粒子として用いるアルミナ粒子としては電融アルミナ、焼結アルミナ等を挙げることができる。また、骨材粒子として用いるＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粒子は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。
【００１２】
本発明のアルミニウム溶湯用濾材を製造するために無機質結合材成分として用いるＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末は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。
【００１３】
しかしながら、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末の平均粒径が多くの市販品のように数十μｍ〜数ｍｍである場合には一般的に原料をチューブに成形する際の生強度が低く、保形性が悪くなる傾向があり、また焼結性も低下する。良好な焼結性を達成するための手段としては焼結助材（結合助材）を多量に添加することが考えられるが、このように助材を多量に添加した場合には濾材の熱間強度が低下し、アルミニウム溶湯に対する耐侵食性が劣化する。
【００１４】
これに対して、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末の平均粒径を小さくすればするほど焼結性がよくなり、好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下になるように粉砕すると、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一層好適なものとなる。なお、その粉砕方法はいかなる方法であってよく、例えば、ボールミルのような乾式粉砕であって、またビーズミルのような湿式粉砕であってもよく、何れの方法を用いても同様の効果が達成される。しかしながら、結晶粉末の平均粒径を小さくすれば小さくするほどコスト高になる。このコスト高を抑える手段としては適度に粉砕した結晶粉末を用い且つ結合助材粉末を併用することが考えられる。
【００１５】
本発明のアルミニウム溶湯用濾材を製造するために骨材粒子と無機質結合材とを混合し、焼成して濾材を形成する際には、その焼成中の無機質結合材の流動性や適当な粘性により通気孔を確保する必要があり、そのためには無機質結合材中に少量の非晶質ガラス成分を添加する必要がある。
本発明のアルミニウム溶湯用濾材の製造において、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末と共に無機質結合材として用いる非晶質ガラス成分はＢ2 Ｏ3 単独であっても、或いは、Ｂ2 Ｏ3 及びＳｉＯ2 の両方であってもよい。Ｂ2 Ｏ3 及びＳｉＯ2 の両方を含む場合には、無機質結合材と骨材粒子との混合物を焼成して得られる焼結体中のスピネル結晶粒子間を部分的に結合する非晶質ガラス相がＢ2 Ｏ3 及びＳｉＯ2 を含み、Ｂ2 Ｏ3 ／ＳｉＯ2 のモル比が０．３以上となるような配合比とすることが好ましい。この比が０．３以上の場合には、溶湯中のＡｌ原子とＳｉ原子との置換反応が抑制され、耐食性に優れた濾材となる。逆に、この比が０．３未満となると、即ちＢ2 Ｏ3 の量に比較してＳｉＯ2 の量が多くなると、アルミニウム溶湯に対する耐食性が低下し、ＳｉＯ2 の溶出も問題となる傾向がある。
【００１６】
Ｂ2 Ｏ3 源としてホウ酸（Ｈ3 ＢＯ3 ）、ホウ酸アルミニウム（９Ａｌ2 Ｏ3 ・２Ｂ2 Ｏ3 又は２Ａｌ2 Ｏ3 ・Ｂ2 Ｏ3 ）、ホウ酸マグネシウム（ＭｇＯ・Ｂ2 Ｏ3 、２ＭｇＯ・Ｂ2 Ｏ3 、３ＭｇＯ・Ｂ2 Ｏ3 等）等から選ばれた少なくとも１種を用いることができるが、ホウ酸よりも融点が高いホウ酸アルミニウムを用いることにより、Ｂ2 Ｏ3 の蒸発が抑制され、また、高温まで適度の流動性が確保されるので、骨材粒子間の無機質結合材が均一に分布し、強度が改善され、アルミニウム溶湯に対する耐食性が良好になる。
【００１７】
本発明のアルミニウム溶湯用濾材の製造において、無機質結合材としてＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末と共にＡｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ及びＴｉＯ2 からなる群から選ばれた少なくとも１種の酸化物を用いる。これらの酸化物は骨材粒子と無機質結合材との焼結の際にＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末の焼結を促進し、強度を向上させる作用を持っている。この酸化物の添加効果が達成されるためにはそれらの酸化物を合計で５重量％以上配合する必要がある。また、酸化物の添加量が多くなるとその増加に応じてＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末等の他の成分の量が減少することになるので、酸化物の添加量を合計で３０重量％以下とする。なお、これらの酸化物として、又は酸化物の一成分としてＭｇＯ又はＴｉＯ2 を用いる場合には、ＭｇＯ及びＴｉＯ2 はそれぞれ１０重量％以下の量で用いることが好ましい。
【００１８】
無機質結合材の各成分の配合比については、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末６０〜９０重量％、好ましくは７０〜８５重量％、Ｂ2 Ｏ3 ５〜１２重量％、好ましくは６〜１０重量％、ＳｉＯ2 ０〜５重量％及びＡｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ及びＴｉＯ2 からなる群から選ばれた少なくとも１種の酸化物（合計で）３０重量％以下、好ましくは５〜２７重量％となるようにする。非晶質ガラス成分（Ｂ2 Ｏ3 及びＳｉＯ2 ）をこの範囲内の配合比で用いることにより、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶の粒界にこれらの非晶質ガラス相が形成されることが抑制され、結合助材として有効に作用し、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末の焼結性を高めることができ、従って、濾材の熱間強度は向上し、また、アルミニウム溶湯に侵食され易い非晶質粒界相が少ないことにより耐食性が向上する。しかしながら、非晶質ガラス成分の配合量が１５重量％を越えると、添加したこれらの非晶質ガラス成分が局部的に大きくガラス化して偏在し、耐アルミニウム侵食性を劣化させてしまうことになる。
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、スピネル結晶を粉砕する際のＺｒＯ2 あるいは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。
【００１９】
本発明のアルミニウム溶湯用濾材は、上記の無機質結合材と骨材粒子との焼結体からなる。その製造法としては無機質結合材粉末原料と骨材粒子とを混合し、所定の形状に成形し、次いで焼成してもよいし、或いは無機質結合材粉末原料をスラリー状などにして骨材粒子表面にコーティングし、次いで成形し、焼成してもよい。上記の無機質結合材と骨材粒子との配合比については、上記の無機質結合材５〜２５重量部、好ましくは１０〜２０重量部と、アルミナ骨材粒子１００重量部とからなるようにする。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。
【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１〜１０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）又はＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粒子（モル比１：１、重量比７：３、平均粒径８５０μｍ）を表１に示す量（重量部）で用い、無機質結合材としてＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粒子（モル比１：１、重量比７：３、平均粒径４．５μｍ）、Ｂ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＴｉＯ2 をそれぞれ表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、次いで電気炉中で１４３０℃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。実施例１〜１０及び比較例１〜２の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。
【００２１】
《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。
【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、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量と比較した。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に示す通りであった。
【００２３】
《アルミニウム浸透性》
上記の各々のパイプ状成形体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。上記の各々のパイプ状成形体から外径１００ｍｍ、内径６０ｍｍ、高さ６５ｃｍのパイプ状試験体（両端は封止してある）を作製し、こ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（９９．９９％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、熱間曲げ強さの試験結果が優れており、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】
表１のデータからも明かなように、本発明に係る実施例１〜１０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℃）、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）の点で優れており、実用性の高いものである。
【００２７】
【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℃）、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。
Claims (4)
- アルミナ粒子及びＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粒子からなる群から選ばれた少なくとも１種の骨材粒子１００重量部と、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末６０〜９０重量％、Ｂ2 Ｏ3 ５〜１２重量％、及びＡｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ及びＴｉＯ2 からなる群から選ばれた少なくとも１種の酸化物３０重量％以下からなる無機質結合材５〜２５重量部との焼結体からなることを特徴とするアルミニウム溶湯用濾材。
- 無機質結合材が５重量％以下のＳｉＯ2 を追加含有するものであることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム溶湯用濾材。
- Ｂ2 Ｏ3 源としてホウ酸（Ｈ3 ＢＯ3 ）、ホウ酸アルミニウム（９Ａｌ2 Ｏ3 ・２Ｂ2 Ｏ3 又は２Ａｌ2 Ｏ3 ・Ｂ2 Ｏ3 ）及びホウ酸マグネシウム（ＭｇＯ・Ｂ2 Ｏ3 、２ＭｇＯ・Ｂ2 Ｏ3 、３ＭｇＯ・Ｂ2 Ｏ3 等）からなる群から選ばれた少なくとも１種を用いることを特徴とする請求項１又は２記載のアルミニウム溶湯用濾材。
- 無機質結合材中のＡｌ2 Ｏ3 ・ＭｇＯスピネル結晶粉末の平均粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１、２又は３記載のアルミニウム溶湯用濾材。
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