JP6189184B2 - 金属溶融炉用保護管材料、金属溶融炉用保護管及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム、鉛、銅、亜鉛等の低融点の非鉄金属の溶融や保持に用いる炉（以下、単に、金属溶融炉と言う。）において、溶融金属内に浸漬して用いられる浸漬ヒータや温度計等の保護管に関する。

アルミニウム等の金属溶融炉においては、金属を加熱溶融するためのヒータや、溶融金属の温度を測定するための熱電対等が必要であり、これらは溶融金属に浸漬した状態で使用されるため、これらを保護するために、溶融金属に対する耐食性に優れたセラミックス製の保護管が用いられている。

例えば、特許文献１には、炭化珪素及びアルミナからなる自焼結炭化珪素体による保護管が開示されている。
また、特許文献２には、アルミニウム溶湯に対して良好な耐濡れ性、高い強度及び耐衝撃性を有する部材として、窒化珪素質焼結体を用いた部材が開示されている。

特開昭６２−２４１８７３号公報 特開２０１１−７３９４２号公報

しかしながら、上記特許文献２に記載されているような窒化珪素質焼結体は、熱伝導率が低いため、溶湯と部材である保護管内での温度差が生じやすく、また、ヒータ保護管とした場合には、保護管内に熱がこもり、拡散されにくく、ヒータの寿命を短くするおそれがある。

一方、上記特許文献１に記載されているような炭化珪素質の保護管は、耐熱性や耐食性には優れているものの、強度の点で窒化珪素質のものよりも劣り、保護管として必ずしも十分な強度を有しているとは言えないものであった。

したがって、金属溶融炉用保護管の材質としては、優れた耐食性を有し、高熱伝導率であり、かつ、高強度で耐衝撃性に優れていることが求められる。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、耐食性に優れ、高熱伝導率であるという炭化珪素質の特長を損なうことなく、窒化珪素質並みの高い強度及び耐衝撃性を有する金属溶融炉用保護管及びその材料並びに保護管の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る金属溶融炉用保護管は、炭化珪素粉末９２〜９６重量％を主原料とする炭化珪素質焼結体原料に、窒化アルミニウム粉末１〜３重量％及び前記焼結体中での炭素含有率が３〜５重量％となる量のレジンが添加された混合物と、前記混合物の合計量に対して外掛けで８〜１３重量％のアルミナ粉末とが混合されている金属溶融炉用保護管材料の焼結体からなる保護管であって、前記保護管は、曲げ強さが６００ＭＰａ以上、かつ、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする。
このような原料配合組成とすることにより、強度特性に優れた炭化珪素質の保護管を提供することができる。

前記金属溶融炉用保護管材料においては、前記炭化珪素粉末、前記窒化アルミニウム粉末及び前記アルミナ粉末は、いずれも、平均粒子径が１μｍ以下であることが好ましい。
このような微粒子の粉末原料を用いることにより、緻密で高強度の焼結体を構成することができる。

このように高強度かつ高熱伝導率であれば、溶融金属に浸漬させた状態で使用される保護管に好適である。

また、本発明によれば、上記の金属溶融炉用保護管を製造する方法において、前記焼結体を、前記保護管材料を成形した後、１８００〜２０００℃で焼成して得ることを特徴とする金属溶融炉用保護管の製造方法が提供される。
このような製造方法によれば、上記のような本発明に係る金属溶融炉用保護管を好適に得ることができる。

本発明によれば、耐食性に優れ、高熱伝導率であり、かつ、高強度で耐衝撃性に優れた炭化珪素質の金属溶融炉用保護管及びその材料を提供することができる。
また、本発明に係る製造方法によれば、上記のような保護管を好適に得ることができる。

以下、本発明を、より詳細に説明する。
本発明に係る金属溶融炉用保護管材料は、炭化珪素粉末を主原料とする炭化珪素質焼結体原料に、窒化アルミニウム粉末、レジン及びアルミナ粉末が混合されているものである。この混合原料の配合組成は、炭化珪素粉末９２〜９６重量％、窒化アルミニウム粉末１〜３重量％及び前記焼結体中での炭素含有率が３〜５重量％となる量のレジンとの混合物と、前記混合物の合計量に対して外掛けで８〜１３重量％のアルミナ粉末とが混合されたものとする。
このような配合組成によれば、耐食性に優れ、高熱伝導率であるとともに、高強度で耐衝撃性に優れた炭化珪素質の焼結体が得られ、良好な金属溶融炉用保護管を構成することができる。

前記保護管材料における炭化珪素粉末の配合量は９２〜９６重量％とする。
炭化珪素粉末は、炭化珪素質の保護管の主原料であり、上記範囲内の配合量であれば、他の添加物の配合によっても、炭化珪素の特長である優れた耐食性及び高熱伝導率との特性が十分に活かされる。

窒化アルミニウム粉末の配合量は１〜３重量％とする。
窒化アルミニウムは、熱伝導率が高く、耐熱衝撃性にも優れており、炭化珪素質焼結体に少量添加することにより、強度の向上が図られる。
前記配合量が１重量％未満の場合、十分な強度の焼結体が得られない。一方、３重量％超の場合は、空気中の水分との反応によりアンモニアガスが発生するため、取り扱い上好ましくなく、また、所望の強度が得られない。

また、レジンの配合量は、使用するレジンの種類によって異なるが、焼結体中での炭素含有率が３〜５重量％となる量とする。
レジンは、バインダとしての役割を果たすものであり、その種類は特に限定されるものではなく、炭化珪素質の焼結体においては、通常、フェノール系樹脂が用いられる。
前記配合量が、焼結体中での炭素含有率が３重量％未満となる量の場合は、十分な強度の焼結体が得られない。一方、５重量％超の場合は、炭素残留部分においてクラックが発生するおそれがある。

また、アルミナ粉末の添加量は、炭化珪素粉末、窒化アルミニウム粉末及びレジンの混合物の合計量に対して外掛けで８〜１３重量％とする。
前記添加量が８重量％未満の場合、焼結が不十分となり、保護管としての十分な強度が得られない。一方、１３重量％超の場合は、十分な熱伝導率が得られない。

前記保護管材料における粉末原料である炭化珪素粉末、窒化アルミニウム粉末及びアルミナ粉末は、いずれも、平均粒子径が１μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、０．１〜１μｍである。
このような範囲の平均粒径を有する微粒子の粉末原料を用いれば、緻密で高強度の炭化珪素質焼結体を構成することができる。

前記粉末原料のうち、炭化珪素粉末は、前記平均粒子径の±５０％の範囲内に粒子全体の９０％以上の粒子が存在することが好ましい。
主原料である炭化珪素粉末は、このように粒径のばらつきが小さく、粒度が揃っている方が、より緻密な焼結体を構成することができる。

本発明に係る金属溶融炉用保護管は、上記のような保護管材料の焼結体からなるものである。
前記保護管においては、前記焼結体は、曲げ強さが６００ＭＰａ以上、かつ、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。
このように曲げ強さが大きく、かつ、高い熱伝導率を有する炭化珪素質焼結体であれば、溶融金属に浸漬させた状態で使用される保護管として好適である。

なお、前記焼結体中には、原料である窒化アルミニウム及びアルミナ由来の金属アルミニウムが含まれるが、該金属アルミニウム量は、５〜８重量％であることが好ましく、６〜７％であることがより好ましい。
上記範囲内の量であれば、金属アルミニウムによる耐食性の低下を生じることなく、高熱伝導率の焼結体を構成することができる。
前記アルミニウム量が５重量％未満の場合は、焼結体強度の顕著な向上は見られない。一方、８重量％超の場合は、焼結体の熱伝導率の顕著な向上は見られず、焼結体の耐食性も低下する。

上記のような本発明に係る保護管を構成する焼結体は、前記保護管材料を成形した後、１８００〜２０００℃で焼成することにより得ることができる。
上記範囲内の温度で焼成することにより、緻密で高強度の焼結体を得ることができる。
焼成温度が１８００℃未満の場合は、焼結が不十分となる。一方、２０００℃超の場合は、焼結粒子が異常成長し、緻密な焼結体が得られず、また、焼結体にクラックが生じるおそれがある。

なお、前記焼結体の製造における成形方法及び焼成方法は、特に限定されるものではなく、炭化珪素質焼結体を製造する際に通常適用される公知の方法を適用することができる。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例により制限されるものではない。

［実施例１］
平均粒子径１．０μｍの炭化珪素粉末９２重量％と、平均粒子径１．０μｍの窒化アルミニウム粉末３重量％と、残炭率５０％のフェノールレジン１０重量％の混合物に、前記混合物の合計量に対して外掛けで８重量％の平均粒子径１．０μｍのアルミナ粉末を添加した保護管材料を混練した。
そして、この保護管材料を型に充填してＣＩＰ成形し、不活性ガス雰囲気下、１９００℃で常圧焼成し、炭化珪素質焼結体を作製した。

［実施例２、比較例１〜３］
実施例１において、保護管材料における炭化珪素粉末、窒化アルミニウム粉末、レジン、アルミナ粉末の配合量を、それぞれ下記表１の実施例２、比較例１〜３に示す量とし、それ以外については、実施例１と同様にして、炭化珪素質焼結体を作製した。

［比較例４］
平均粒子径１．０μｍの窒化珪素粉末に有機バインダを添加し、スプレードライにて造粒粉を作製した。この造粒粉を型に充填してＣＩＰ成形し、脱脂した後、窒素雰囲気下、１７５０℃で焼成し、窒化珪素焼結体を作製した。

上記実施例及び比較例で得られた各焼結体について、曲げ強さを３点曲げ強さ（ＪＩＳ Ｒ １６０１に準拠）により測定し、また、熱伝導率をレーザーフラッシュ法（ＪＩＳ Ｒ １６１１に準拠）により測定した。
これらの結果を表１にまとめて示す。

表１に示した結果から、本発明に係る原料配合組成の保護管材料からなる炭化珪素質焼結体（実施例１，２）は、曲げ強さが大きく、かつ、熱伝導率も高いことから、金属溶融炉用保護管として好適に用いることができると言える。

Claims (3)

1. 炭化珪素粉末９２〜９６重量％を主原料とする炭化珪素質焼結体原料に、窒化アルミニウム粉末１〜３重量％及び前記焼結体中での炭素含有率が３〜５重量％となる量のレジンが添加された混合物と、前記混合物の合計量に対して外掛けで８〜１３重量％のアルミナ粉末とが混合されている金属溶融炉用保護管材料の焼結体からなる保護管であって、
   前記保護管は、曲げ強さが６００ＭＰａ以上、かつ、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする金属溶融炉用保護管。
2. 前記炭化珪素粉末、前記窒化アルミニウム粉末及び前記アルミナ粉末は、いずれも、平均粒子径が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の金属溶融炉用保護管。
3. 請求項１又は２に記載の金属溶融炉用保護管を製造する方法において、前記焼結体は、前記保護管材料を成形した後、１８００〜２０００℃で焼成して得ることを特徴とする金属溶融炉用保護管の製造方法。