JPH0215127A - 溶融金属流から固体微粒子を除去する方法およびフィルター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は溶融金属を濾過する方法および装置、特に改良
されたセラミック　ハニカム構造を含む溶融金属流を濾
過する方法および装置に関するものである。

種々の鋳物製品および彫物（ｓｈａｐｅｓ）を造る多く
の金属鋳造プロセスは知られている。一般に生砂型は鋳
造ずべき製品の形および寸法を有するキャビティを形成
している。次いで、溶融金属をとりべまたはるつぼから
金属キャビティに導くスプル−およびゲートに往く。鋳
込み金型が凝固した後、砂を砕き除き、鋳物部分をダン
プリング、エヤープラスチング、チンピング、研磨また
は機械加工のような二次加工操作によって確定された寸
法に仕上げる。通常、鋳込み溶融金属の品質は溶融段階
において保持されるければも、鋳込み中、任意の金属酸
化物微粒子、固体凝集物または他の介在物が溶融金属内
に閉じ込められる場合には、実際上、これらが鋳物製品
の１部になる。

多くの鋳物製品の場合には、小さい凝集物および介在物
は臨界的でない。しかしながら、高価な石膏型または精
密許容差鋳込みプロセスを用いて密着表面（ｃｌｏｓｅ
　５ｕｒｆａｃｅ）および寸法許容差並びに最小仕上げ
要件を有する高品位の鋳物を造る場合には、鋳物に存在
する介在物の数および大きさを最小に保つ必要がある。

一般に、これらの精密許容差鋳物に用いるスプルーおよ
びゲートは他のタイプの型より断面を小さくする。この
ため、溶融体中に存在する任意の介在物がスプルーおよ
びゲートを通る溶融金属流に入らないようにし、および
乱流を生じ、並びに型の均一充填を妨げる。

また、介在物は鋳物製品の全品質を悪くする。更に、ま
た鋳造プロセスにおける特定合金、たとえばマグネシウ
ム、ニッケル、銅またはアルミニウム基合金は鋳込み中
、厳格に制御する必要がある。

製品をこれらの合金より鋳造する場合には、鋳込み中に
生ずる任意の乱流を、速やかな流速を維持しながら最小
にして型キャビティを速やかに充填し、不均一な冷却に
より生ずる任意のゆがみおよび冶金学的変化を最小にす
る。乱流は型の均一充填を妨げるばかりか、不純物を鋳
物製品に添加するスプルーにおいて砂または他の型材料
を腐食する。

溶融金属の流れに存在する介在物を除去する試みにおい
ては、セラミック　ハニカム　フィルターの改良を鋳込
み中に溶融金属を濾過することによって達成させている
。セラミック　ハニカムフィルターは溶融金属の濾過に
おいて遭遇する高熱に耐えることができ、および経済的
なコストで大量生産することができる。多くの文献、例
えば米国特許第３，９０５，７４３号明細書にはフィル
ター、ラジェータ、熱交換器などに用いる種々の形およ
び大きさのセラミック　ハニカム構造が記載されており
、一般に溶融金属を濾過する場合に正方形セルを有する
セラミック　ハニカム　フィルターが用いられている。

この正方形セルは、熱溶融金属を濾過する場合に必要な
構造安定性が得られると共に、正方形セル配置は溶融金
属鋳込みに介在物を濾過するのに幾分効果的である。

しかしながら、セラミック　ハニカム　フィルターにお
ける正方形セル配置には制限が存在している。特に、正
方形セルのセラミック　ハニカムフィルターを通して流
れる溶融金属は、しばしば乱流の区域を生ずる僅かな渦
巻状または非層状に流れる。この乱流は型キャビティの
均一充填を妨げ、かつスプルーに腐食を生ずる。また、
渦流または非層流はフィルターにおいて高い抵抗を生じ
、ハニカム　セラミックにより濾過された任意の介在物
または凝集金属酸化物が溶融金属に引き戻される。それ
故、有効な濾過が制限される。

更に、正方形セルのハニカム　セラミック　フィルター
は、壁の必要とされる厚さが比較的に大きい区域を占め
るこおから、その有効な開口区域（ｏｐｅｎ　ｆａｃｅ
　ａｒｅａ）の割合が実質的に制限を受ける。

十分に高い開口区域が維持されないために、型への流速
は減少し、それ故鋳造時間が増大する。この鋳造時間の
増加は型内の冷却を不均一にし、必要とされる鋳込み製
品の冶金学的特性を変化させる。この結果として、従来
のセラミック　フィルターは大きさを大きくして所望の
鋳造時間を達成させている。勿論、このことはそのコス
トを高めることになる。

本発明の目的は、上述する従来技術における構造の欠点
および制限を除去したセラミック　ハニカム　フィルタ
ーを含む溶融金属流から固体微粒子（ｓｏｌｉｄ　ｐａ
ｒｔｉｃｕｌａｔｅｓ）を濾過する方法および装置を提
供することである。

本発明の他の目的は、開口区域の比較的に高い割合を設
けた壁のマトリックスを有するセラミック　フィルター
を含み、かつフィルターの全大きさを最小にしてそのコ
ストを最小にした溶融金属流から固体微粒子を濾過する
方法および装置を提供する１七である。

また、本発明の他の目的は、フィルターの内壁をフィル
ターの構造一体性を犠牲にすることなく溶融金属流から
小さい微粒子を濾過するような寸法にし、同時に溶融金
属の流を変えてフィルターが溶融金属流における層流特
性を実質的に促進するようにした上述するタイプのセラ
ミック　フィルターを提供することである。

また、本発明の他の目的は普通のフィルターに比べて全
体的に大きさが小さく、このために溶融金属流からの熱
損失を小さくした上記タイプのフィルターを提供するこ
とである。

本発明は溶融金属流から固体微粒子を濾過すると共に、
溶融金属流に層流特性を達成する方法および装置を含ん
でいる。特に、本発明の方法および装置は互いに直角に
交差してフィルターを通過する多数の流体を規定する縦
および横方向の壁のマトリックスからなるセラミック　
フィルターを含んでいる。縦方向の壁相互間の間隔を均
一にし、および横方向の壁相互間の間隔を均一にしかつ
縦方向の壁相互間の間隔より大きくして通路が各通路の
縦方向の壁を横方向の壁より長くする矩形断面を有する
ようにする。

使用において、溶融金属をフィルターの通路に通ず。縦
方向の壁相互間の比較的に小さい間隔は、かかる間隔よ
り大きい寸法を有する溶融金属中の任意の固体微粒子を
かかる壁で関与させ、かつ溶融金属流から分離させる。

横方向の壁相互間の比較的に大きい間隔は、適切な速い
鋳造時間およびフィルターを通過する実質的な層流を達
成する断面の比較的に大きい開口を形成する。

好適な例においては、フィルター壁は約０．５１０ｍｍ
（０，０２インチ）以下の厚さを有し、および縦方向の
壁相互間の間隔を約２．５４ｍｍ　（０，１インチ）以
下にする。横方向の壁相互間の間隔を縦方向の壁相互間
の間隔の少なくとも２倍にする。壁の適当な間隔および
寸法によって、フィルターは約７５％以上の断面におけ
る開口を有するのが好ましい。

■ 本発明における例では、縦および横方向の壁を連続にし
、配列する通路の平行列を縦および横方向において形成
する。

本発明における他の例では、縦および横方向の壁の一方
を連続にし、および縦および横方向の壁の他方を不連続
にして配列通路の平行列を一方向に形成し、通路を他の
方向において互い違いに（千鳥に）配列にする。

次に本発明を添付図面について説明する。

第１図にはセラミック　フィルター１０の好適な例を示
しており、このフィルター１０を鋳込みカップ２０内に
配置し、溶融金属Ｍをるつぼまたはとりべ３０の鋳込み
放出口Ｓから鋳込みカップ２０に流し込む。溶融金属Ｍ
は鋳込みカップ２０の底部に設けているフィルター１０
を通して流れる。金属酸化物の微粒子、固体凝集物また
は他の介在物を溶融金属Ｍから濾過し、次いで溶融金属
を型４０にそのスプルー　ホール４１を介して流し精密
な寸法および表面許容差を有する高品位鋳物製品（図に
示していない）、例えば高価な鋳物製品を鋳造する。溶
融金属Ｍがるつぼ３０からフィルター１０を通り、スプ
ルー　ホール４１に流れる間に、溶融金属流は変化し、
溶融金属Ｍがフィルター１０を出る際に極めてゆるやか
な層流を生ずる。

第２および３図は本発明において好適な例のセラミック
　フィルター１０の構造を示している。セラミック　フ
ィルター１０は構造においてディスク形状で、円形をし
ており、環状の外壁１１および頂面１２および底面１３
を含んでいる。フィルターの直径および高さは、どのよ
うに型設計および溶融金属合金を選定するかによって、
変えることができる。しかしながら、代表的な１例とし
て、フィルターは直径的１０１．６　ｍｍ　（４インチ
）および高さ約１２．７０　ｍｍ　（０，５インチ）に
することができる。

種々の普通のセラミック材料を用いてフィルター１０を
形成することができるけれども、好適な１例ではフィル
ターを商品名ｒ　ＥＰＫ　Ｊパイオニアクレー（Ｐｉｏ
ｎｅｅｒ　Ｃ１ａｙ）、オールド　マイン（ＯｌｄＭｉ
ｎｅ）　＃　４および焼成ムライトの混合物から作るこ
とができる。この材料から作られたフィルター１０は航
空宇宙において遭遇する高熱および他の高温特殊合金に
耐えることができる。なぜならば、これらの材料は焼成
中に多量の割合で形成するムライトのために、優れた耐
熱衝撃性および耐火性を有しているためである。また、
フィルター１０は上述する米国特許筒３．．９０５，７
４３号明細書に記載されているような普通のプロセスで
作ることができる。

第３図に示す１例の構造においては、セラミック　フィ
ルター１０は互いに直角に交差する縦方向の壁１４およ
び横方向の壁１５のマトリックスからなる。これらの壁
１４および１５の交差は多くの流体通路またはセル１６
を画成し、これらの通路またはセル１６はフィルター１
０の頂面１２から底面１３に延びている。縦方向の壁１
４相互間の間隔は均一にし、および横方向の壁１５相互
間の間隔は均一にするが、しかし縦方向の壁１４相互間
の間隔より大きくして、各通路１６の縦方向の壁１４が
横方向の壁１５より長い矩形断面を有する通路１６を形
成するようにする。

第２および３図に示す例においては、縦方向の壁１４お
よび横方向の壁１５を連続にして配列通路１６の平行例
が縦方向および横方向に形成するようにする。第４図に
示す例においては、横方向の壁１５ａを連続させ、およ
び縦方向の壁１４ａを不連続に中断しているフィルター
１０ａを示している。それ故、配列通路１６ａの平行例
は一方向に（すなわち、水平方向に）形成し、通路１６
ａは他の方向に（すなわち、垂直方向に）互い違いに形
成される。第５図に示す他の例では、縦方向の壁１４ｂ
を連続させおよび横方向の壁１５ｂを中断させたフィル
ター１０ｂを示している。この第５図のフィルター１０
ｂでは、通路１６ｂの水平列を連続にし、および垂直列
を中断している。

好適な例におで、フィルター壁は約０．６３５　ｍｍ（
０，０２５インチ）以下、好ましくは約０．１７８〜０
．５０８　ｍｍ（０，００７〜０．０２インチ）の範囲
の厚さを有する。また、フィルターの開口の大きさ、す
なわち縦方向の壁１４相互間の間隔は好ましくは２．５
４ｍｍ（０，１インチ）以下、一般に約０．６３５〜２
．１５９　ｍｍ（０，０２５〜０．０８５インチ）の範
囲にし、および横方向の壁１６相互間の間隔は縦方向の
壁１４相互間の間隔の少なくとも２倍、好ましくは４〜
６倍にする。横方向の壁１５相互間の間隔は十分な間隔
にして、フィルター１０が約５５％以上、好ましくは約
７５％以上、特に好ましくは約８０％以上の断面開口を
有するようにする。横方向の壁１５相互間の間隔を縦方
向の壁１４相互間の間隔の約４倍以上にする場合には、
比較的長い縦方向の壁１４は濾過プロセスの負荷の下で
強さが不十分になる。この場合、縦方向の壁は横方向の
壁より幾分厚く設計して縦方向の壁の強さを高めること
ができる。

第１図において耐高温耐火材からなる鋳込みカップ２０
は円錐形状を有している。このカップ２０の内面２１は
その下端に隣接する環状ノツチ２３を有しており、この
環状ノツチ２３はフィルター１０を固定および支持する
肩部を形成する。また、カップ２０は底面開口２５を有
し、この底開口２５は一般に肩４０のスプレー　ホール
４１の大さと同じ寸法を有する。

使用において、鋳込みカップ２０を型４０の上に配置し
、この場合底開口２５がスプルー　ホール４１と垂直に
整列するようにする。底開口２５およびスプルー　ホー
ル４１を同じ寸法にするから、スプルーポール４１は側
方にこぼれることなく溶融金属Ｍの流れを受けることが
できる。スプルー　ホール４１を底開口２５より太き（
して流れのこぼれる可能性を全くなくすことができるけ
れども、大きいスプルー　ホール４１は掻取る必要のあ
る金属に対して不必要な容積が加わり、鋳物製品に対す
るコストを高めることになる。

ノツチ２３は、フィルター１０を接着の必要なく鋳込み
カップ２０に固定することができ、または他の手段でフ
ィルター１０を鋳込みカップ２０に固定することができ
る。また、ノツチ２３は、フィルター１０の環状外壁１
１がノツチ２３の内側壁にいかなる間隙も設けることな
く掛合できるような大きさにし、このために鋳込みカッ
プ２０を流れるすべての溶融金属Ｍがフィルター２０を
流れるようにする。上述する例は幾分円錐形状の鋳込み
カップ２０の内面２１の環状ノツチ２３に掛合するディ
スク形状の円形フィルター１０を示しているけれども、
鋳込みカップ２０およびフィルター１０をフィルター側
壁１１が鋳込みカップ２０の内面に掛合する限り、任意
の形状にすることができる。しかしながら、スプルー　
ホール４１は通常、円形であるから、円錐形状の鋳込み
カップ２０内に配置する円形フィルター１０が好ましく
、および実質的に円錐形状の鋳込みカップ２０内の円形
度開口２５は漏れを最少にして正確に鋳造できるように
する。

本発明においては、十分に速い鋳造時間を大きい断面開
口区域で維持でき、また大きい開口区域がフィルターの
全大きさを比較的に小さくでき、これによりフィルター
のコストを最小にすることができる。縦方向の壁１４相
互間の間隔か小さく、好ましくは約０．２５４　ｍｍ（
０，１インチ）以下であるから、高い濾過性を維持する
ことができる。例えば、６４．５１６ｍｍ２（１平方イ
ンチ）当り１００個のセル、および１．２７０Ｘ５．０
８ｍｍ　（０，０５Ｘ０．０２インチ）の大きさおよび
約０．２５４ｍｍ　（０，０１インチ）の壁厚の通路１
６を有するセラミック　フィルター１０は７６％の開口
表面積を与え、１０．１６　ｍｍ　（０，０４インチ）
直径の介在物の通過を抑制する。この事は１．０１６　
ｘｌ、０１６ｍｍ　（０，０４Ｘ０．０４インチ）のセ
ルおよび０．２５４　ｍｍ（０，０１インチ）の壁厚を
有する平方ミリメートル（平方インチ）当り４００個の
セルを有し、および１．０１６　ｍｍ（０，０４インチ
）直径の介在物を物理的に濾過する６４％のみの開口表
面積を有する低効率の普通の正方形セル　フィルター（
ｓｑｕａｒｅ　ｃｅｌｌｃｌ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｆｉｌ
ｔｅｒ）より極めて有利である。更に、本発明のフィル
ターは普通の正方形セル　フィルターに比べてセラミッ
ク材料が少なく、このために全体（ｍａｓｓ）が小さい
。本発明におけるこの小さいフィルターは溶融体の温度
に熱せられ、この結果としてフィルターは溶融体からの
熱の移動が少ない。

本発明のフィルター１０において、開口区域の割合を高
めると共に、溶融金属の金塊れをフィルター１０から送
出する際に一層ゆるやかな層流を形成するように変える
ことができる。また、各通路１６における大きい長さ対
幅比は、溶融金属Ｍが通路１６を流れる際に溶融金属Ｍ
内に層流の層を形成することかできる。この−層ゆるや
かな層流は他のセル構造で生ずる乱流より有利である。

層流は型キャビティの均一充填を達成でき、かつ練り砂
（ｒａｍｍｅｄ　５ａｎｄ）を金型の代わりに用いる場
合にはスプルー　ホール４１のまわりの腐食を最小にで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は溶融金属をとりべの鋳込み口からフィルターを
通り、型のスプルー開口に流す鋳造状態を示す本発明の
詳細な説明用線図、 第２図は第１図に示す本発明のフィルターの構造を一部
、切欠にして示した斜視図、 第３図は縦方向および横方向に形成した配列流体通路を
示す本発明のフィルターの１例構造を拡大して示した一
部平面図、 第４図は一方向に連続して形成し、他の方向において中
断して不連続に形成した配列通路の平行列を示すフィル
ターの他の変形構造を拡大して示した一部平面図、およ
び 第５図は本発明の他の変形構造のフィルターを拡大して
示した一部平面図である。 １０、１０ａ、　１０ｂ・・・フィルター１１・・・フ
ィルターの外壁（側壁） １２・・・フィルターの頂面 １３・・・フィルターの底面 １４、１４ａ、　１４ｂ・・・縦方向の壁１５、１５ａ
、　１５ｂ・・・横方向の壁１６、１６ａ、　１６ｂ・
・・流体通路またはセル２０・・・鋳込みカップ　　　
２１・・・カップ２０の内面２３・・・環状ノツチ　　
　　２５・・・底開口３０・・・るつぼまたはとりべ ４０・・・型４１・・・スプルー　ホール特許出願人　
　インターナショナル・セラミック・プロダクツ・イン
コーポレ ーテッド 代理人弁理士　　杉　　　村　　　暁　　　査問　　弁
理士　　杉　　　村　　　真 作 ■

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶融金属流に層流特性を実質的に促進しながら、溶
   融金属流から固体微粒子を濾過する方法において、互い
   に直角に交差してフィルターを通る複数の流体通路を画
   成する縦方向の壁および横方向の壁のマトリックスから
   なり、縦方向の壁相互間の間隔を均一にし、および横方
   向の壁相互間の間隔を均一にし、かつ縦方向の壁相互間
   の間隔より大きくして各通路の縦方向の壁を横方向の壁
   より長くした矩形断面を有する通路を有するセラミック
   材料からなるフィルターを設け；および溶融金属をフィ
   ルターの通路に通し、縦方向の壁相互間の間隔がこれら
   の間隔より大きい寸法の溶融金属中の任意の固体微粒子
   をこれらの壁に関与させおよび溶融金属流から分離し、
   同時に横方向の壁相互間の比較的に大きい間隔が比較的
   に大きい断面開口区域を与えてフィルターを通過する適
   切な流速を達成する各工程からなることを特徴とする溶
   融金属流から固体微粒子を除去する方法。 ２、フィルター壁は約０．６３５ｍｍ（０．０２５イン
   チ）以下の厚さを有する請求項１記載の方法。 ３、縦方向の壁相互間の間隔を約２．５４ｍｍ（０．１
   インチ）以下にし、横方向の壁相互間の間隔を縦方向の
   壁相互間の間隔の少なくとも２倍にする請求項２記載の
   方法。 ４、前記縦方向の壁を前記横方向の壁より幾分厚くして
   前記縦方向の壁の強さを高める請求項３記載の方法。 ５、フィルターは約７５％以上の断面開口区域を有する
   請求項２記載の方法。 ６、縦方向の壁および横方向の壁を連続にし、配列通路
   の平行列を縦方向および横方向に形成する請求項１記載
   の方法。 ７、縦方向および横方向の壁の一方を連続にし、縦方向
   および横方向の壁の他方を中断して、配列通路の平行列
   を一方向に形成し、および通路を他の方向において互い
   違いにする請求項１記載の方法。 ８、溶融金属に層流特性を実質的に促進しながら、溶融
   金属流から固体微粒子を濾過するセラミック材料からな
   るフィルターにおいて、互いに直角に交差して平行頂面
   および底面並びにフィルターを通して頂面から底面に延
   びる多数の流体通路を形成する縦方向および横方向の壁
   のマトリックスからなり、および縦方向の壁相互間の間
   隔を均一にし、および横方向の壁相互間の間隔を均一に
   し、かつ縦方向の壁相互間の間隔より大きくし、通路は
   各通路の縦方向の壁を横方向の壁より長くした矩形断面
   にし、これにより溶融金属が前記フィルターを流れる場
   合に縦方向の壁相互間の間隔より大きい寸法の溶融金属
   中の任意の固体微粒子をこれらの壁に関与させおよび溶
   融金属流から分離し、同時に横方向の壁相互間の比較的
   に大きい間隔が比較的に大きい断面開口区域を与えてフ
   ィルターを通過する適切な流速を達成するように構成し
   たことを特徴とする溶融金属流から固体微粒子を除去す
   るフィルター。 ９、フィルター壁は約０．６３５ｍｍ（０．０２５イン
   チ）以下の厚さを有する請求項８記載のフィルター。 １０、縦方向の壁相互間の間隔を約２．５４ｍｍ（０．
   １インチ）以下にし、横方向の壁相互間の間隔を縦方向
   の壁相互間の間隔の少なくとも２倍にした請求項９記載
   のフィルター。 １１、前記縦方向の壁を前記横方向の壁より幾分厚くし
   て前記縦方向の壁の強さを高めた請求項８記載のフィル
   ター。 １２、フィルターは約７５％以上の断面開口区域を有す
   る請求項８記載のフィルター。 １３、縦方向の壁および横方向の壁を連続にし、配列通
   路の平行列を縦方向および横方向に形成した請求項８記
   載のフィルター。 １４、縦方向および横方向の壁の一方を連続にし、縦方
   向および横方向の壁の他方を中断して、配列通路の平行
   列を一方向に形成し、および通路を他の方向において互
   い違いにする請求項８記載のフィルター。 １５、前記フィルターは、更にその外周を画成する環状
   外壁を含む請求項８記載のフィルター。 １６、前記頂面と前記底面との間の間隔を約１２．７ｍ
   ｍ（二分の一インチ）にし、および前記フィルターの直
   径を約１０１ｍｍ（４インチ）にした請求項９記載のフ
   ィルター。