JP6015321B2

JP6015321B2 - 溶融金属攪拌用回転体

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Publication number: JP6015321B2
Application number: JP2012222008A
Authority: JP
Inventors: 矢城　敏則; 敏則矢城; 英史久鍋
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2032-10-04
Also published as: JP2014073513A

Description

本発明は、アルミニウムやアルミニウム合金等が溶融した溶融金属に浸漬されて使用される溶融金属攪拌用回転体に関する。

上記技術分野に関連する先行技術の一例が、下記特許文献１および２に開示されている。すなわち、本願出願人の出願に係る特許文献１には、「気体供給用の中空部を有する垂直な回転軸と、この回転軸の下端部に固着したローターとからなる溶融金属攪拌用回転体において、回転軸およびローターを窒化物系、ほう化物系若しくは炭化物系のセラミックス材料によって形成すると共に、回転軸内に断熱材料により中空筒状に形成した気体供給用の吹込管を同軸的に挿通固着したことを特徴とする溶融金属攪拌用回転体」、が開示されている。かかる特許文献１に開示された溶融金属攪拌用回転体よれば、セラミックスで構成され、高温の溶融金属に浸漬される回転軸に、断熱材料で構成した気体供給用の吹込管を軸部に挿着し、溶融金属に供給される低温のガスを、当該吹込管を通じ溶湯金属に供給することにより、当該回転軸が、低温のガスに触れて急激に冷却され、熱衝撃により破損することを防止することができると記載されている。

また、特許文献２には、「シャフトの一方の端部に溶湯金属を攪拌するローターが、他方の端部に回転駆動機構に接続する連結具が取り付けられた溶湯金属攪拌用回転体であって、前記シャフトの内面に外面が接触した、処理ガスを前記溶湯金属に供給する金属製のガス供給管を備えており、該ガス供給管の外面に前記シャフトの内面との非接触部である凹部が設けられていることを特徴とする溶湯金属攪拌用回転体」、が開示されている。かかる特許文献２に開示された溶湯金属攪拌用回転体よれば、低温の処理ガスが放出されることによって溶湯金属が冷却されて粘度が著しく上昇し、シャフトのローター側の近傍部分に多大な負荷が掛かることにより亀裂や破損を生じないように、低温の処理ガスを加熱した状態で溶湯金属中に放出することができる溶湯金属攪拌用回転体を構成できる、と記載されている。

実開平４−４５２号公報特開２００９−２２６４４４号公報

上記特許文献１および２に開示された溶融金属攪拌用回転体は、いずれも、上記した効果を奏することができるものの、以下説明するように別の問題があった。

従来の溶融金属攪拌用回転体９２（以下、単に回転体という場合がある。）が組み込まれた溶融金属攪拌装置９０の概略構成図を図９（ａ）に示す。図９（ａ）に示すように、加熱しつつ溶融状態を保持する保持炉９４に収納された溶融金属９５に浸漬された回転体９２は、その上端に接続されたモーター９１で矢印Ｂ方向に回転しつつ溶融金属９５を攪拌する。なお、符号９３は、溶融金属９５の表層に存在する溶融金属９５から生じた不純物を含むスラグである。

ここで、溶融金属攪拌装置９０は、窒素やアルゴン等のガス（不活性ガス）を溶融金属９５中で気泡化し、当該気泡化したガスにより溶融金属９５に含まれる製品欠陥の起因となる水素ガスなどの不純物を浮遊させて除去し、溶融金属９５を清浄化する装置である。したがって、回転体９２は、その下端部分の正断面図である図１０に示すように、不図示の窒素やアルゴン等のガス（不活性ガス）を所定の圧力および流量で供給する供給部から供給されたガスが下方に向かい流通する貫通孔部９２ｄを有しており、貫通孔部９２ｄを流通するガスは、攪拌部９２ａの中央に設けられた小径孔部９２ｅを通じて溶融金属９５中に放出される。なお、図１０において、符号９２ｃは、上記貫通孔部９２ｄを有する円筒形状の筒体であり、符号９２ｂは、筒体９２ｃが挿着され固定される中空孔部を有する円筒形状の軸部である。なお、小径孔部９２ｅは、溶融金属９５の清浄化のため細かいガスを溶融金属に供給するため設けられている。

図９（ａ）に示すように、上記のように攪拌部の小径孔部から放出されたガスは、当該攪拌部の回転に伴い気泡化され細かい気泡９６となり溶融金属９５中に分散された状態で供給される。そして、溶融金属９５中に分散した細かな気泡９６は、溶融金属９５の表面に達するまでに溶融金属中に含まれる水素を除去する。

図９（ｂ）に、溶融金属９５の清浄化が終了し、回転体９２の回転を停止した溶融金属攪拌装置９０の状態を示す。図９（ｂ）に示すように、回転体９２の回転を停止してもガスの供給を停止しない場合には、攪拌部が回転していないためガスが細かい気泡とならず、大きな気泡９７が溶融金属９５中に供給される。この大きな気泡９７が、溶融金属９５の表層部まで達し表層部で破裂すると、表層部に存在するスラグ９３が清浄化された溶融金属９５に巻き込まれる場合がある。この巻き込まれたスラグを含む例えば溶融アルミニウムを使用し、例えば低圧鋳造等でアルミホイールやシリンダーヘッド等を製造すると、スラグが欠陥の起因となるため、回転体の回転を停止すると同時にガスの供給を停止する制御が検討されている。

しかしながら、上記のように回転体９２の回転を停止すると同時に溶融金属９５に浸漬したままガスの供給を停止すると、図１０に示すように、貫通孔部９２ｄの開口端まで溶融金属９８が侵入するという問題があった。

すなわち、回転体９２の小径孔部９２ｅには、当該小径孔部９２ｅの保持炉における配置高さに相当する溶融金属９５の圧力が作用しているが、回転体９２を溶融金属９５に浸漬したままガスの供給を停止すると、小径孔部９２ｅに作用している溶融金属９５の圧力により溶融金属９５が小径孔部９２ｅに押し込まれ、小径孔部９２ｅより大径の貫通孔部９２ｄに侵入する。そして、貫通孔部９２ｄに溶融金属９８が存在したまま回転体９２を引き上げると、当該溶融金属９８が固化して小径孔部９２ｅおよび貫通孔部９２ｄが閉ざされる。このように小径孔部９２ｅおよび貫通孔部９２ｄの中で溶融金属９８が固化した場合、回転体９２を次に使用する前に、回転体９２を酸洗し、工具等を用いて固化した溶融金属９８を除去する補修作業が必要であり、その補修作業に多大な工数を要したり、補修作業中に回転体９２が破損し再使用できなくなるという問題があった。

本発明は、上記従来技術の回転体の問題を本発明者らが鋭意検討してなされたものであり、溶融金属に浸漬した状態においてガスの供給を停止した場合にも、軸部の貫通孔部にまで溶融金属が侵入することを抑制可能な溶融金属攪拌用回転体を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様は、溶融金属攪拌用回転体であって、両端が開口した中空部を有する筒状の軸部と、前記軸部の一方端に固定された攪拌部と、を有する溶融金属攪拌用回転体であって、前記中空部には、一方端側に配置された大径孔部と、前記大径孔部に連通するように前記大径孔部の他方側に配置されたガス供給用の小径孔部とが形成され、前記大径孔部の断面積は、前記小径孔部の断面積の１０倍以上であることを特徴とする。

上記溶融金属攪拌用回転体は、小径孔部が前記軸部の全長から前記大径孔部の長さを除いた長さに渡って形成されているのが好適である。

また、上記大径孔部の容積／前記小径孔部の容積の値は０．４以上であるのが好適である。

また、上記小径孔部の一方端側の端面と軸部の一方端との距離は、大径孔部の直径の０．８倍以上であるのが好適である。

また、上記大径孔部の内面にＭｇＯまたはＢＮを主体とする層が形成されているのが好適である。

また、上記小径孔部を有する筒体は、前記軸部に形成された中空部に装着されているのが好適である。

本発明によれば、溶融金属に浸漬した状態においてガスの供給を停止した場合にも、軸部の貫通孔部にまで溶融金属が侵入することを抑制できる。

本発明に係る実施形態１の溶融金属攪拌用回転体の正断面図である。図１の左側面図である。図１のＤ部の拡大図、及び実施形態１の変形例を示す図である。実施形態１の他の変形例を示す図である。本発明に係る実施形態２の溶融金属攪拌用回転体の正断面図である。実施形態２の変形例を示す図である。実施形態２の他の変形例を示す図である。比較例に係る溶融金属攪拌用回転体の正断面図である。従来の回転体が組み込まれた溶融金属攪拌装置の概略構成図である。図９の溶融金属攪拌装置に組み込まれた従来の回転体の先端部分の正断面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

［実施形態１］
本発明に係る実施形態１の溶融金属攪拌用回転体（以下、回転体と言う場合がある。）について、図１〜３を参照して説明する。ここで、図１は、本発明に係る第１実施形態の回転体の正断面図、図２は、図１の左側面図、図３は、図１のＤ部の拡大図である。

図１に示すように、回転体１は、軸芯Ｉと、軸芯Ｉに沿い軸芯Ｉと同軸に形成された両端が開口した中空部１ｇとを有し、軸芯Ｉ回りに回転されるセラミックスを主体として構成された軸部１ｆと、軸芯Ｉに沿う方向において軸部１ｆの一方端に固定された攪拌部１ａとを有しており、溶融金属に浸漬されて攪拌部１ａから気泡を放出しつつ溶融金属を攪拌する。

［軸部］
本実施形態１においては、中空部１ｇの一方端には、当該一方端側に開口した開口部を有する大径孔部２ｉが配置され、大径孔部２ｉの他方側には、大径孔部２ｉに連通するようにガス供給用の小径孔部１ｉが配置されている。また、小径孔部１ｉのさらに右方（他方）側は、大径孔部２ｉと同じ内径のガス供給側大径孔部１ｊが形成されている。なお、大径孔部２ｉとガス供給側大径孔部１ｊとは、必ずしも同じ内径とする必要はない。

図１において、符号１ｋは、不図示のモーターと連結される継手部である。図示するように略椀形状をなす継手部１ｋは、その底面がＯリング１ｍを介し軸部１ｆの右端面に当接するように配置され、不図示の螺子で固定されており、半径方向において中央部に、配管１ｎを介してガス供給装置Ｐに接続されたガス供給用の孔部１Ｌが形成されている。ガス供給用の孔部１Ｌから供給されたガスは、上記ガス供給側大径孔部１ｊを介して小径孔部１ｉに供給され、小径孔部１ｉから大径孔部２ｉに供給される。

図１に示すように、回転体１の回転中心となる軸芯Ｉを有する本実施形態１の軸部１ｆは、好ましい実施形態であって、軸芯Ｉに沿う方向（以下、この方向を軸芯方向と言い、軸芯と直交する方向を半径方向と言う。）の肉厚がほぼ一定であり、略円筒形状の中空部１ｇを有している。この略円筒形状の中空部１ｇの内面により、上記大径孔部２ｉとガス供給側大径孔部１ｊとが形成されている。また、上記軸部１ｆの左方側（一方側）であって、大径孔部２ｉの他方側には、上記略円筒形状の中空部１ｇの内面に、中空部１ｇの内径とほぼ同一の外径を有する略円筒形状の筒体１ｈが挿着され固定されている。この筒体１ｈには、軸芯方向に延設された上記小径孔部１ｉが形成されている。なお、筒体１ｈは、好ましくは軸部１ｆと同一の熱膨張係数を有するセラミックス、より好ましくは軸部１ｆと同一のセラミックスで構成される。

上記中空部１ｇの内面に対する筒体１ｈの固定方法は特段限定されることはなく、例えば耐熱性の接着剤で中空部１ｇの内面に固定してもよい。さらに、セラミックスで筒体１ｈを構成する場合には、下記で詳細に説明するように焼き嵌めや冷し嵌めによる締り嵌めで中空部１ｇの内面に固定することが好ましい。

なお、上記中空部１ｇの内面を略円筒形状とし、その左方側の内面に筒体１ｈを配置する構成は必須ではない。例えば軸部１ｆ（中空部１ｇ）および筒体１ｈの半径方向における断面形状は略矩形枠形状としてもよい。しかしながら、軸部１ｆを肉厚がほぼ一定で角部の無い略円筒形状とすることで、溶融金属への浸漬時および溶融金属からの引き上げ時に、肉厚の急変部に生じる過大な熱応力による軸部１ｆの破損を抑制できる。

［攪拌部］
好ましくは軸部１ｆと同一の熱膨張係数を有するセラミックス、より好ましくは軸部１ｆと同一のセラミックスで構成され、半径方向において中央部に貫通孔１ｔを有する大略円盤形状をなす攪拌部１ａは、図１および２に示すように、軸部１ｆの左端（一方側端部）に挿着され固定されている。攪拌部１ａは、軸芯Ｉの周りに４５°の等角度で形成され、放射状に延びた８本の攪拌脚１ｄを有し、攪拌部１ａの回転に伴い攪拌脚１ｄは溶融金属を攪拌する。

本実施形態１の攪拌脚１ｄの軸部１ｆと反対側の一面には、当該攪拌脚１ｄの延びる方向に沿い各々ガス分散溝１ｃが形成されている。各ガス分散溝１ｃは、大径孔部２ｉと接続されている。この構成により、小径孔部１ｉを通じ大径孔部２ｉから供給されたガスは、回転体１の回転に伴い各ガス分散溝１ｃで細かな気泡に分断され、溶融金属中に供給される。

なお、攪拌部１ａと軸部１ｆとの固定方法は特段限定されず、例えば上記した耐熱性の接着剤や機械的な螺子固定などで固定してもよい。しかしながら、特に上記したセラミックスで攪拌部１ａを構成した場合には、軸部１ｆと筒体１ｈとの固定と同様に焼き嵌めや冷し嵌めによる締り嵌めで軸部１ｆに攪拌部１ａを固定することが好ましい。締り嵌めで固定する場合、例えば中空部１ｇの内面の内径または攪拌部１ａの貫通孔の内径で締め代を除した値である嵌合率は０．０１／１０００〜０．５／１０００の範囲内であるのが好ましい。嵌合率が０．０１／１０００未満であると、締付け力が不十分であり攪拌部１ａまたは筒体１ｈが脱落するおそれがある。また、嵌合率が０．５／１０００を超えると、締付け力が大きくなりすぎ、攪拌部１ａまたは軸部１ｆが破損するおそれがある。より好ましい嵌合率は０．２／１０００〜０．３／１０００である。

［機能］
以上に述べた大径孔部２ｉの半径方向の断面積は、小径孔部１ｉの断面積の１０倍以上とするのが好適である。また、大径孔部２ｉの軸芯方向の長さＥ、すなわち図３に示すように、小径孔部１ｉの一方端側の端面と軸部１ｆの一方端との距離が、大径孔部２ｉの直径の０．８倍以上であるのが好適である。

本実施形態１にかかる回転体１は、このような構成を有しているので、次のような作用効果を奏することができる。すなわち、溶融金属に浸漬した状態においてガスの供給を停止し、大径孔部２ｉに溶融金属が侵入した場合でも、系内の残圧により小径孔部１ｉからガスの放出が維持され、溶融金属から回転体１を引き上げている間に、溶融金属を大径孔部２ｉから排出する。そして、大径孔部２ｉはその断面積が大きく加えてその一方端側が開口しているので、侵入した溶融金属は容易に当該開口から排出される。その結果、大径孔部２ｉに侵入した溶融金属が、小径孔部１ｉまで到達することが抑制され、小径孔部１ｉにおける溶融金属の固化が防止される。さらに、細かいガスを溶融金属に供給する小径孔部１ｉを設けることにより、処理された溶融金属の所定の清浄度を確保することができる。

［軸部等の材料構成］
軸部１ｆおよび好ましくは筒体１ｈおよび攪拌部１ａを構成するセラミックスとしては、溶融金属中における強度を満足すれば酸化物・窒化物・炭化物・硼化物その他各種のセラミックスを使用することができるが、優れた高温強度を有する窒化珪素質セラミックス（窒化珪素セラミックスまたはサイアロンセラミックス）を使用することが好ましい。

軸部１ｆ・攪拌部１ａ・筒体１ｈを窒化珪素セラミックスで構成する場合には、例えば次のようにして形成することができる。原料粉末として、窒化珪素粉末９３〜９９質量％と、Ｍｇを酸化物換算して１〜５質量％を含むＭｇ源粉末、希土類元素を酸化物換算して１〜５質量％含む希土類源粉末を、エチルアルコールを溶媒とし、窒化珪素質のボールを用いボールミル中で混合し、スラリーを形成する。得られたスラリーに有機バインダを添加した後、スプレードライヤーで乾燥して、造粒粉を作製する。得られた造粒粉を篩いわけした後、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）で造粒粉を成形し、成形体を得る。得られた成形体を大気雰囲気中において脱脂し、次いで、常圧の窒素雰囲気中で１６００〜１９００℃の範囲で焼結して焼結体を形成し、必要な部位には適宜機械加工を焼結体に施すことにより軸部１ｆ・攪拌部１ａ・筒体１ｈを得ることができる。なお、上記窒化珪素粉末としては、α化率９０％以上、平均粒子径（Ｄ５０）：０.３〜０.８μｍ、酸素量：０．１〜２．０質量％、Ａｌ：０．０１質量％以下、Ｆｅ：０．０１％質量以下のものが好ましい。また、希土類元素としてはＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの何れの元素でも好適に用いることができるが、これらの中でもＹ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕ、とりわけＹ、Ｅｒが特性およびコストの面で望ましい。また、上記希土類源粉末およびＭｇ源粉末は、いずれも平均粒径が１μｍ以下、純度９９％以上であることが好ましい。

軸部１ｆ・攪拌部１ａ・筒体１ｈをサイアロンセラミックスで構成する場合には、例えば次のようにして形成することができる。原料粉末として、窒化珪素粉末８４〜９０質量％と、ＡｌＮ固溶体粉末を１〜５質量％と、希土類元素を酸化物換算して５〜９質量％含む希土類源粉末と、Ａｌを酸化物換算して１〜５質量％を含むＡｌ源粉末を、エチルアルコールを溶媒とし、窒化珪素質のボールを用いボールミル中で混合し、スラリーを形成する。得られたスラリーに有機バインダを添加した後、スプレードライヤーで乾燥して造粒粉を作製する。得られた造粒粉を篩いわけした後、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）で造粒粉を成形し、成形体を得る。得られた成形体を大気雰囲気中で脱脂し、次いで、常圧の窒素雰囲気中で１６００〜１９００℃の範囲で焼結して焼結体を形成し、必要な部位には適宜機械加工を焼結体に施すことにより軸部１ｆ・攪拌部１ａ・筒体１ｈを得ることができる。

［変形例］
図３に示されるように、大径孔部２ｉの内面に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）または窒化ホウ素（ＢＮ）を主体とする層を形成してもよい。好ましくは０．０５〜０．５ｍｍの厚みのＭｇＯまたはＢＮの層を例えばスプレー塗布などで形成することにより、大径孔部２ｉの内面は溶融金属が濡れにくい状態となる。その結果、溶融金属に浸漬した状態においてガスの供給を停止したときに、上記した小径孔部１ｉからのガスの放出による大径孔部２ｉからの溶融金属の排出がより円滑となる。その結果、溶融金属は小径孔部１ｉに到達することが抑制され、小径孔部１ｉにおける溶融金属の固化が防止でき、かつ大径孔部２ｉの内面に溶融金属が付着し、固化することを防止できる。このように大径孔部２ｉの内面に付着し、固化した溶融金属は、回転体の繰り返しの使用により堆積し、大径孔部２ｉを閉塞させる可能性があるため、大径孔部２ｉの内面にＭｇＯまたはＢＮの層を形成し、溶融金属の濡れ性を低くすることは有効である。

また、図４には、実施形態１の他の変形例が示され、図１と同一要素には同一符号を付している。図４の例では、筒体１ｈが軸部１ｆと一体成形されている。この場合、使用される材料は上述した軸部１ｆと同じである。

［実施形態２］
図５には、実施形態２の回転体の正断面図が示され、図１と同一要素には同一符号を付している。図５において、ガス供給側大径孔部１ｊには、筒体１ｈと同じ外形で、上記小径孔部１ｉと同じ内径の小径孔部３ｉが軸芯方向に延設された筒体３ｈが配置されている。この小径孔部３ｉは、小径孔部１ｉとその中心軸を共通にし、小径孔部１ｉに連通するように配置されている。本例では、継手部１ｋが、その底面がＯリング１ｍを介し筒体３ｈの右端面に当接するように配置されている。また、小径孔部１ｉ、３ｉにより、上記軸部１ｆの全長から上記大径孔部２ｉの長さを除いた長さに渡って小径孔部１ｉと同じ径のガス通路が形成されている。本実施形態２では、大径孔部２ｉの容積を小径孔部１ｉと３ｉの容積の和で除した値（大径孔部２ｉの容積／小径孔部１ｉと３ｉの容積の和）が０．４以上となるように大径孔部２ｉ、小径孔部１ｉ、３ｉの各サイズを決定するのが好適である。

以上の構成によれば、中空部１ｇの容積が小径孔部３ｉの容積まで絞られているので、溶融金属に浸漬した状態においてガスの供給を停止したときに、大径孔部２ｉの容積に対して小径孔部３ｉの容積が小さいために小径孔部３ｉ中の圧力がより上昇し、大径孔部２ｉに侵入した溶融金属がより効果的に排出される。その結果、上記した小径孔部１ｉからのガスの放出による大径孔部２ｉからの溶融金属の排出がより円滑となる。その結果、溶融金属は小径孔部１ｉに到達することが抑制され、小径孔部１ｉにおける溶融金属の固化が防止でき、かつ大径孔部２ｉの内面に溶融金属が付着し、固化することを防止できる。

上記筒体３ｈの材料は、筒体１ｈと同じであってもよいし、カーボンを使用してもよい。カーボンを使用することにより、筒体３ｈの材料コストを低減することができる。

［変形例］
図６には、実施形態２の変形例が示され、図１と同一要素には同一符号を付している。図６においては、上記筒体１ｈと筒体３ｈとが一体成形されている。この場合、筒体１ｈと筒体３ｈとを、上述した筒体１ｈと同じ材料で形成する。これにより、工業生産上安価に回転体を製造することができる。

また、図７には、実施形態２の他の変形例が示され、図１と同一要素には同一符号を付している。図７においては、上記筒体１ｈと筒体３ｈとが軸部１ｆと一体成形されている。この場合、使用される材料は上述した軸部１ｆと同じである。

以下、本発明の実施例を具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

形状が複雑でかつ貫通孔１ｔから放出される低温のガスの接触状態が変化するため耐熱衝撃性が求められる攪拌部１ａは、窒化珪素セラミックスで構成した。具体的には、平均粒径０．６μｍ、酸素量０．９％、α化率９５％の窒化珪素質粉末９５質量％と、平均粒径１μｍのＹ_２Ｏ_３粉末３質量％、平均粒径０．１μｍのＭｇＯ粉末２質量％を、溶媒としてエチルアルコールを用い窒化珪素質のボールを用いたボールミル中で混合した。得られたスラリーにバインダとしてポリビニルブチラールを１％添加して混合を加えてスラリーとした後、スプレードライヤーで乾燥して、造粒粉を作成した。得られた造粒粉を平均粒径６０μｍになるように篩いわけした後、１０００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）により成形体を形成した。得られた成形体を大気雰囲気中、５００℃、２０時間の条件で、大気中で脱脂し、窒素、常圧雰囲気中において１７５０℃で５時間の条件で焼結し、外径２４０ｍｍ、総厚み６０ｍｍ、攪拌脚１ｄの厚み３５ｍｍの図１、２で示す攪拌部１ａを得た。なお、攪拌部１ａにおけるガス分散溝１ｃの幅は１５ｍｍおよび深さは２０ｍｍとした。

断面形状の変化が少なくかつ溶融金属との接触状態がほぼ一定であるため要求される耐熱衝撃性のレベルの低い軸部１ｆおよび筒体１ｈは、サイアロンセラミックスで構成した。具体的には、原料粉末として、ＢＥＴ比表面積が７ｍ^２／ｇ、α化率が９０％のＳｉ_３Ｎ_４粉末８７．０質量％と、平均粒径が２．５μｍのＡｌＮ固溶体粉末（組成６ＡｌＮ・ＳｉＯ_２）を３．０質量％と、平均粒経が１．２μｍのＹ_２Ｏ_３粉末を７．０質量％と、平均粒経が０．６μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末を３．０質量％と、エチルアルコールを溶媒とし、窒化珪素質のボールを用いボールミル中で混合した。得られたスラリーにバインダとしてポリビニルブチラールを１％添加した後、スプレードライヤーで乾燥して、造粒粉を作製した。得られた造粒粉を平均粒径６０μｍになるように篩いわけした後、１００ＭＰａの圧力で冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）により成形し、扇形状の成形体を得た。ＣＩＰ法により得られた成形体を大気雰囲気中、５００℃、２０時間の条件で脱脂し、次いで、常圧の窒素雰囲気中で１７５０℃、５時間の条件で焼結し、軸部１ｆおよび筒体１ｈを形成した。なお、軸部１ｆの全長は１０００ｍｍ、外径は６０ｍｍ、内径は４０ｍｍとし、筒体１ｈの外径は４０ｍｍ、その小径孔部（貫通孔部）１ｉの内径は１２．７ｍｍとした。

以上の手順により、図１に示される回転体を製造し、実施例１とした。本実施例１では、大径孔部２ｉの断面積を小径孔部１ｉの断面積の１０倍とし、大径孔部２ｉの軸芯方向の長さＥは、３２ｍｍとした（大径孔部２ｉの直径の０．８倍）。

実施例１と同様の手順により回転体を製造し、図３に示されるように、大径孔部２ｉの内面にＭｇＯおよびＢＮを主体とする層をスプレー塗布で形成して実施例２、３とした。

また、実施例１と同様の手順により図５に示される用回転体を製造し、実施例４とした。なお、筒体３ｈは、カーボンを材料として製造した。また、本実施例４では、大径孔部２ｉの容積／小径孔部１ｉの容積の値を０．４とした。

なお、比較例として、図８に示されるように、筒体１ｈが軸部１ｆの左方側（一方側）端部に配置された回転体９を準備した。図８の例では、図１と同一要素に同一符号を付している。本比較例では、上記筒体１ｈの配置により、図１等に示された大径孔部２ｉが設けられていない点を除いて、実施例１と同様の手順により、実施例１と同じサイズで溶回転体９を製造した。

上記各実施例・比較例の回転体１、９を溶融金属攪拌装置に組み込み、１０００ｋｇの容量を持つ保持炉に７５０℃で加熱保持された溶融アルミニウムの中に浸漬してアルゴンガスを供給しつつ６００ｒｐｍの回転数で１００時間、溶融アルミニウムを攪拌した。そして、攪拌作業が完了した後、溶融アルミニウムに浸漬した状態のままで攪拌部１ａの回転を停止するとともにガスの供給を停止し、停止後５〜１０秒で回転体１を溶融アルミニウムから引き上げた。引き上げに掛った時間は５〜１０秒である。

各実施例・比較例における、溶融アルミニウムから引き上げた後に確認した大径孔部２ｉおよび小径孔部１ｉへの溶融金属の侵入状況および溶融アルミニウムの清浄化の程度を示す溶融アルミニウムの水素含有量を表１に示す。なお、表１に示す溶融アルミニウムの侵入状況の欄において、大径孔部２ｉの内面に固化した溶融アルミニウムが付着しておらずかつ小径孔部１ｉに固化した溶融アルミニウムが存在していない場合には「○」と、大径孔部２ｉの内面に固化した溶融アルミニウムが付着しているが、小径孔部１ｉに固化した溶融アルミニウムが存在しないしていない場合には「△」と、小径孔部１ｉに固化した溶融アルミニウムが存在していた場合には「×」と表示してある。

表１に示す溶融アルミニウム中の水素含有量は、アルゴンガスが十分に溶融アルミニウムに供給できていたかを意味する値であり、イニシャルバブル方式で溶融アルミニウムの水素含有量を測定するガス量分析装置（エイコーエンジニアリング株式会社製型式：ＡＬＦＡＩＴＨＭ−ＤＰＭＫ２）を使用し、溶融アルミニウムを１５０ｇ坩堝に採取し、この坩堝を減圧室に配置し、減圧室を１００ｍｍＨｇまで序々に減圧し、最初に気泡が目視される時点を入力し、その時の溶融アルミニウムの温度と圧力から、溶融アルミニウム中の水素含有量を求めた。いずれの実施例および比較例でも、残存水素量は、規定値である０．１８ｃｃ／１００ｇ未満であった。

表１に示すように、実施例１である図１の構成の回転体では、大径孔部２ｉの内面に固化した溶融アルミニウムが付着していたが、小径孔部１ｉに固化した溶融アルミニウムが存在していなかったため、評価が△となった。また、実施例２および実施例３である大径孔部２ｉの内面にＭｇＯおよびＢＮを主体とする層を形成した回転体では、大径孔部２ｉの内面に固化した溶融アルミニウムが付着しておらずかつ小径孔部１ｉに固化した溶融アルミニウムが存在しなかったため、評価が○となった。これは、ＭｇＯまたはＢＮを主体とする層を形成することにより、大径孔部２ｉの内面に溶融アルミニウムの付着を抑制できるためと推定される。さらに、実施例４である図５の構成の回転体では、大径孔部２ｉおよび小径孔部１ｉに全く溶融アルミニウムが侵入しておらず、評価が○となった。これは、ガスの供給を停止したときに、貫通孔１ｔから溶融金属が進入しようとしたときに、大径孔部２ｉの容積に対して、小径孔部３ｉの容積が小さいために小径孔部３ｉ中の内圧が上昇し、上記溶融アルミニウムの進入を抑制できるためと推定される。

一方、比較例である図８の構成の回転体の場合は、小径孔部１ｉに固化した溶融アルミニウムが存在していたため、評価が×となった。

１、９溶融金属攪拌用回転体、１ａ攪拌部、１ｃガス分散溝、１ｄ攪拌脚、１ｆ軸部、１ｇ中空部、１ｈ筒体、１ｉ小径孔部、１ｊガス供給側大径孔部、１ｋ継手部、１Ｌ孔部、１ｍＯリング、１ｎ配管、２ｉ大径孔部、３ｈ筒体、３ｉ小径孔部。

Claims

両端が開口した中空部を有する筒状の軸部と、前記軸部の一方端に固定された攪拌部と、を有する溶融金属攪拌用回転体であって、前記中空部には、一方端側に配置された大径孔部と、前記大径孔部に連通するように前記大径孔部の他方側に配置されたガス供給用の小径孔部とが形成され、前記大径孔部の断面積は、前記小径孔部の断面積の１０倍以上である溶融金属攪拌用回転体。
前記小径孔部が前記軸部の全長から前記大径孔部の長さを除いた長さに渡って形成されている請求項１に記載の溶融金属攪拌用回転体。
前記大径孔部の容積／前記小径孔部の容積の値が０．４以上である請求項２に記載の溶融金属攪拌用回転体。
前記小径孔部の一方端側の端面と軸部の一方端との距離が、大径孔部の直径の０．８倍以上である請求項１または請求項２に記載の溶融金属攪拌用回転体。
前記大径孔部の内面にＭｇＯまたはＢＮを主体とする層が形成されている請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の溶融金属攪拌用回転体。
前記小径孔部を有する筒体が、前記軸部に形成された中空部に装着されている請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の溶融金属攪拌用回転体。