JP4878887B2 - 低融点金属鋳造装置用部材 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、スズ、鉛、あるいはこれらの合金等のように融点が８００℃以下である比較的低融点の金属を鋳造する鋳造装置において、これら金属の溶湯と接触する低融点金属鋳造装置用部材に関する。

鋳造装置において、上述のような金属の溶湯の移送や給湯、保持等を行う注湯ボックスや樋、保持炉等の内張り材、あるいはフロートやスパウト、ホット・トップリング、トランジションプレート等の付属部材として、種々の耐熱材料を加工したものが使用されるが、中でも耐熱性が良好で、軽量でありながらも強度が高く、更に加工性に優れることなどから、けい酸カルシウム質を炭素繊維で補強した耐熱材料が広く利用されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

特公昭６３−５３１４５号公報 特公平３−３６３２号公報

一方で、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ、携帯電話、ノート型コンピュータ等のモバイル機器、あるいは自動車等の高重量物においても、軽量化のために、フレームや筐体をマグネシウム合金で形成する傾向にある。しかし、マグネシウムやマグネシウムを含む合金は活性が非常に高く、これらの溶湯と接触する材料を浸食する作用が極めて強い。そのため、従来のけい酸カルシウム質、またはアルミナ・シリカ系等からなる部品は数回使用しただけで、場合によっては１回の使用で交換しなけばならないという問題があった。

耐食性を高めるために、耐熱性コーティング材を塗布することも試みられているが、窒化ホウ素質をはじめとして既存の耐熱性コーティング材はマグネシウムやマグネシウム合金の溶湯に対して耐食性を改善する効果が少なく、改善が望まれている。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、マグネシウムやマグネシウムを含む合金のように浸食性の強い溶湯に対して優れた耐久性を示す低融点金属鋳造装置用部材を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は以下の低融点金属鋳造装置用部材を提供する。
（１）融点が８００℃以下である低融点金属を鋳造する鋳造装置において前記低融点金属の溶湯と接触する部材であって、
気孔率５０〜８０％の多孔質耐熱性成形体上に、全固形分においてフッ化物をフッ素分として０．１〜５０質量％、無機バインダーを１〜３０質量％、他の耐火物を５〜９０質量％含有する耐熱性コーティング材からなる被膜のみが形成されていることを特徴とする低融点金属鋳造装置用部材。
（２）フッ化物がフッ化カルシウム(ＣａＦ_２)、フッ化マグネシム（ＭｇＦ_２）及びクリオライト（Ｎａ_３ＡｌＦ_６）から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする上記（１）記載の低融点金属鋳造装置用部材。
（３）他の耐火物が窒化ホウ素(ＢＮ)であることを特徴とする上記（１）または（２）記載の低融点金属鋳造装置用部材。
（４）マグネシウムまたはマグネシウムを含む合金の溶湯と接触する部位に使用されることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の低融点金属鋳造装置用部材。
（５）多孔質耐熱性成形体が、ワラストナイト（ＣａＳｉＯ_３）、トバモライト（５ＣａＯ・６ＳｉＯ_２・５Ｈ_２Ｏ）及びゾノトライト(６ＣａＯ・６ＳｉＯ_２・Ｈ_２Ｏ)から選ばれる少なくとも１種を１０〜１００質量％含有することを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の低融点金属鋳造装置用部材。

本発明の低融点金属鋳造装置用部材を被覆する耐熱性コーティング材は、適用箇所に、マグネシウムやマグネシウムを含む合金のように浸食性が高い金属の溶湯に対して非常に優れた耐食性を付与できる。そのため、部材の交換頻度は従来と比較して大幅に少なくて済み、所要時間と材料コストで、従来と比較してトータル的に非常に安価で低融点金属の鋳造が可能になる。

以下、本発明に関して詳細に説明する。

本発明の低融点金属鋳造装置用部材は、多孔質耐熱性成形体上に、フッ化物と無機バインダーと他の耐火物とを含含有する耐熱性コーティング材からなる被膜のみが形成されたものである。

フッ化物は、特に制限はないが、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、クリオライト（Ｎａ_３ＡｌＦ_６）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化バリウム（ＢａＦ_２）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ_３）、フッ化ストロンチウム（ＳｒＦ_２）、フッ化セリウム（ＣｅＦ_３）、フッ化イットリウム（ＹＦ_３）、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）、フッ化カリウム（ＫＦ）、けいフッ化ナトリウム（Ｎａ_２ＳｉＦ_６）、けいフッ化アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＳｉＦ_６）等の無機フッ化物が挙げられるが、特に安価であることから、フッ化カルシウム(ＣａＦ_２)、フッ化マグネシム（ＭｇＦ_２）及びクリオライト（Ｎａ_３ＡｌＦ_６）から選ばれる少なくとも１種を用いることが好ましい。また、フッ化物は、特に制限されるものではないが、平均粒径は小さい方が好ましく、３〜１５μｍが好ましく、５〜１０μｍがより好ましい。

また、耐熱性コーティング材は、その他の耐火物を含有する。本発明では、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、スズ、鉛、あるいはこれらの合金等のように概ね融点が８００℃以下の低融点金属の溶湯と接触する部材を対象としており、使用可能な耐火物は融点が８００℃以上のものである。具体的には、アルミナやシリカ、ムライト、ジルコニア、マグネシア、ケイ酸ジルコニウム等の酸化物系耐火物、窒化ホウ素や窒化珪素、窒化アルミニウム、サイアロン等の窒化物系耐火物、炭化珪素等の炭化物系耐火物、グラファイトや黒鉛等のカーボン系耐火物が挙げられる。中でも、濡れ性を向上させる効果が高いことから、窒化ホウ素が好ましい。

無機バインダーとしては、アルミナゾル、コロイダルシリカ、リン酸アルミニウム、けい酸ナトリウム等が挙げられ、これらを単独で、あるいは適宜混合して使用できる。特に、アルミナゾルはクラックの発生を抑制できるという点で好ましい。

耐熱性コーティング材におけるフッ化物、無機バインダー及び他の耐火物のそれぞれの含有量は、十分な耐食性を確保するには、固形分全量において、フッ化物がフッ素分として０．１〜５０質量％、無機バインダーが１〜３０質量％、他の耐火物が５〜９０質量％であり、フッ化物がフッ素分として５〜２０質量％であることが好ましい。尚、フッ化物としては、０．１〜６５質量％を含有する。

耐熱性コーティング材からなる被膜は、上記のフッ化物、無機バインダー、他の耐火物を分散液に配合し、多孔質の耐熱性成形体に塗布、乾燥して得られる。分散液は、水の他に、エタノール、メタノール等のアルコールやトルエン等の有機溶媒が挙げられるが、扱いやすいといった観点からは水を用いることが好ましい。尚、耐熱性コーティング材における固形分と分散液との配合比率には制限がなく、塗布性を考慮して適宜設定できる。例えば、フッ化物、無機バインダー及び他の耐火物の合計量と同様の分散液を混合攪拌することで、耐熱性コーティング材が得られる。

また、耐熱性コーティング材はスラリーであることから、例えば、次のような添加剤を含有することで塗布性や安定性が高まり、好ましい。何れもスラリー全量に対する量で、メチルセルロースやカルボキシメチルセルロース、ポリエチレングリコール等の増粘剤を０．１〜８質量％、ポリビニルアルコール等の有機バインダーを０．１〜８質量％、窒素硫黄系の防腐剤を０．１〜２質量％、乳酸や酢酸等の安定化剤を０．１〜２質量％、イソプロピルアルコールやリン酸系の分散剤を０．１〜２質量％添加してもよい。

上記耐熱性コーティング材からなる被膜で被覆される基材には、耐熱性コーティング材からなる被膜の密着強度に優れ、更に耐熱性等にも優れることから、気孔率が５０〜８０％の多孔質の耐熱性成形体からなる部材を用いる。とりわけ、断熱性能や比強度、加工性等に優れることからけい酸カルシウムを含むものが好ましい。けい酸カルシウムは、特に制限はないが、ワラストナイト（ＣａＳｉＯ_３）、トバモライト（５ＣａＯ・６ＳｉＯ_２・５Ｈ_２Ｏ）及びゾノトライト(６ＣａＯ・６ＳｉＯ_２・Ｈ_２Ｏ)から選ばれる少なくとも１種であることが好ましく、これらを１０〜１００質量％の割合で含有することが好ましい。

また、けい酸カルシウム単体であってもよいが、必要に応じて、従来から耐熱材料に配合されている公知の材料を添加してもよい。中でも、補強繊維の添加は好ましく、ガラス繊維や炭素繊維、セラミックス繊維等を０．１〜３質量％の割合で添加させることができる。尚、これら補強繊維の繊維径や繊維長は、繊維径３〜１５μｍ、繊維長３〜１０ｍｍのものが補強効果に優れ、好ましい。

けい酸カルシウムを含む多孔質の成形体を得るには、公知の製造方法を用いることができ、例えば、抄造法や脱水プレス法が用いられればよい。具体的には、けい酸カルシウム原料や補強用繊維を含む水性スラリーを脱水成形して例えば板状の脱水成形物とし、脱水成形物を水熱処理すればよい。尚、けい酸カルシウム原料は、石灰原料とけい酸原料との混合物であり、石灰、ゾノトライト、ワラストナイト、けい石等で構成される。また、水性スラリーには消泡剤や凝集剤を添加することが好ましく、それぞれスラリー中に固形物換算で０．０１〜０．３質量％の割合で添加することができる。消泡剤は、得られる低融点金属鋳造装置用耐熱材料に残留しない方が好ましく、そのため水溶性のものを用いて脱水成形時に水とともに排出することが好ましい。

水熱処理は、脱水成形物をオートクレーブに入れ、水蒸気雰囲気下で加熱すればよい。この水熱処理はけい酸カルシウムの合成が完了するまで行う必要があり、けい酸カルシウム原料の組成、脱水成形物の大きさ、生成させるけい酸カルシウムの種類に応じて適宜設定されるが、水蒸気圧０．９〜１．８ＭＰａ、処理時間２〜２０時間が適当である。

水熱処理後に乾燥して、そのまま使用に供することができるが、この状態でのけい酸カルシウムの結晶形態はワラストナイトとゾノトライトの混合であり、より耐食性を高めるためにゾノトライトの結晶水を脱水させる目的で焼成することが好ましい。焼成は、結晶水を脱水できれば制限がなく、例えば窒素雰囲気中で６００〜８００℃、２〜５時間行うのが適当である。焼成後のけい酸カルシウムの結晶形態はゾノトライトが脱水しているため、ワラストナイトが主成分となっている。

尚、けい酸カルシウムを含む多孔質の成形体は、上記に限らず、市販品を使用することもできる。

耐熱性コーティング材からなる被膜の膜厚は、特に制限されるものではないが、十分な耐食性を得るためには、３０μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上がより好ましい。尚、必要以上に厚い被膜を形成しても耐食性の更なる向上は見込めず、膜厚の上限は１００μｍとするのが適当である。

被膜形成方法にも制限がなく、刷毛等による塗布、スプレーによる噴霧、浸漬等、適宜選択できる。

そして、耐熱性コーティング材を塗布した後、乾燥して水分を蒸発させて被膜を形成することで、本発明の低融点金属鋳造装置用耐熱材料が得られる。本発明の低融点金属鋳造装置用耐熱材料は、被膜中のフッ化物により優れた耐食性が付与されており、特にマグネシウムやマグネシウムを含む合金の溶湯と接触する部位に最適である。また、多孔質耐熱性成形体としてけい酸カルシウムを用いた場合には、加工性に優れ、切削加工等により容易に所望形状に加工することができるようになる。そのため、マグネシウムやマグネシウム合金を鋳造する装置の注湯ボックスや樋、保持炉等の内張り材、あるいはフロートやスパウト、ホット・トップリング、トランジションプレート等の付属部材として好適である。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明について更に説明するが、本発明はこれにより制限されるものではない。

（実施例１〜１０、比較例１〜２）
表１〜３に示す配合物を２０分間混合攪拌し、コーティング材を調製した。尚、配合物の詳細は以下のとおりである。

このコーティング材をニチアス株式会社製「ルミボード ＬＨ−２００Ｓ」（気孔率７１％）に坪量２００ｇ／ｍ^３となるように塗布した後、１０５℃で２４時間乾燥して試験体を作製した。尚、前記気孔率はＪＩＳ Ｒ ２６１４に準じて測定した。そして、試験体について下記に示す浸食試験を行った。

＜浸食試験＞
試験体から一辺が約７０ｍｍの正方形で、厚さが２５ｍｍの試験片を切り出し、図２に模式的に示すように、セッターの上に配置した試験片のほぼ中心部にマグネシウム合金（ＡＺ３１）からなる直径８ｍｍで高さ１０ｍｍの円柱を置き、円柱の上面に０．２ＭＰａの荷重を加えた状態で、アルゴン雰囲気中で室温から２時間かけて８００℃まで昇温してマグネシウム合金を溶融させ、その後、マグネシウム合金融液の液面上に同荷重を負荷した状態で、アルゴン雰囲気中、８００℃にて１時間保持し、マグネシウム合金融液と試験片との接触状態を保った。１時間後、開圧してマグネシウム合金融液を試験片の表面から回収し、室温まで冷却した後、試験片の断面を観察してマグネシウム合金融液との接触により浸食された部分の面積を測定した。結果を同表に示すが、実用上特に問題なしに「○」、実用上問題ありに「×」を記した。

実施例１〜１０のようにフッ化物と無機バインダーと他の耐火物とを含むコーティング材からなる被膜を形成することで、耐食性が格段に向上することがわかる。また、無機バインダーとしてコロイダルシリカを用いた実施例５及び実施例６では被膜に微小クラックが見られたが、被膜の表面性状も良好である。

実施例における浸食試験の試験方法を説明するための模式図である。

Claims (5)

1. 融点が８００℃以下である低融点金属を鋳造する鋳造装置において前記低融点金属の溶湯と接触する部材であって、
   気孔率５０〜８０％の多孔質耐熱性成形体上に、全固形分においてフッ化物をフッ素分として０．１〜５０質量％、無機バインダーを１〜３０質量％、他の耐火物を５〜９０質量％含有する耐熱性コーティング材からなる被膜のみが形成されていることを特徴とする低融点金属鋳造装置用部材。
2. フッ化物がフッ化カルシウム(ＣａＦ_２)、フッ化マグネシム（ＭｇＦ_２）及びクリオライト（Ｎａ_３ＡｌＦ_６）から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１記載の低融点金属鋳造装置用部材。
3. 他の耐火物が窒化ホウ素(ＢＮ)であることを特徴とする請求項１または２記載の低融点金属鋳造装置用部材。
4. マグネシウムまたはマグネシウムを含む合金の溶湯と接触する部位に使用されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の低融点金属鋳造装置用部材。
5. 多孔質耐熱性成形体が、ワラストナイト（ＣａＳｉＯ_３）、トバモライト（５ＣａＯ・６ＳｉＯ_２・５Ｈ_２Ｏ）及びゾノトライト(６ＣａＯ・６ＳｉＯ_２・Ｈ_２Ｏ)から選ばれる少なくとも１種を１０〜１００質量％含有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の低融点金属鋳造装置用部材。