KR100319484B1

KR100319484B1 - 알루미늄용탕여과용필터

Info

Publication number: KR100319484B1
Application number: KR1019960028673A
Authority: KR
Inventors: 다다히로 요시다; 다로 고바야시; 노부히로 오쿠조노; 유키오 가이
Original assignee: 미츠이 긴조쿠 고교 가부시키가이샤
Priority date: 1995-07-19
Filing date: 1996-07-16
Publication date: 2002-11-18
Also published as: KR970005352A; JPH0929423A; US5667685A; JP2796565B2

Abstract

용융 알루미나와 소결 알루미나로 된 군으로부터 선택된 1 종 이상의 알루미나로 된 골재 입자 100 중량부를 SiO₂25 wt.%~35 wt.%, B₂O₃30~40 wt.%, Al₂O₃20~35 wt.% 및 나머지가 MgO로 된 원료조성을 가진 무기질 결합재로 결합시켜 수득되는 알루미늄 용탕 여과용 필터를 제공한다.

본 발명의 필터는 2θ= 43.4°에서 나타나는 α-Al₂O₃의 피이크 높이에 대한 2θ= 16.5°에서 나타나는 9Al₂O₃·2B₂O₃의 피이크 높이의 백분율로써 결정도를 나타낼 경우, 그 결정도가 10 %~25 % 이다. 무기질 결합재중에서 생성되는 9Al₂O₃·2B₂O₃의 침상결정의 길이가 10㎛ 이하이며, 필터를 1200℃~1300℃에서 소성하여 얻게 된다.

Description

알루미늄 용탕 여과용 필터{FILTER FOR THE FILTRATION OF MOLTEN ALUMINUM}

본 발명은 금속 용탕(molten metal), 특히 알루미늄 또는 알루미늄 합금 용탕(이하, 간단히 "알루미늄 용탕" 이라 함) 속에 혼입(混入)된 개재물(inclusion)의 여과용 필터에 관한 것이다.

일반적으로 알루미늄 용탕중에는 개재물, 특히 비금속 개재물이 혼입되어 있다.

금속 용탕으로부터 개재물을 제거하지 않고 이러한 금속 용탕을 주조후에 압연하여 디스크제 등으로 제품화할 경우 그 속에 혼입된 비금속 개재물에 의해 핀홀등의 결함이 생긴다. 이러한 결함을 피할 목적으로 알루미늄 용탕을 여과하여 개재물을 제거하는 것이 보편적으로 실시되고 있다. 위와 같은 목적으로 사용되는 필터의 예로서는 일본국 특허공고 소 52-22327호 공보 (미합중국 특허 제 3939079 호)에 개시된 필터를 들 수 있다. 이 공보에 개시된 필터는 용융 알루미나 등의 골재 입자를 무기질 결합재로 결합시켜 제조된 것인데, 이 필터에 있어서 기공 (pore) 크기는 안정한 여과를 할 수 있도록 적절히 조절되어 있다.

위의 공보에 기재된 바와 같은 종래의 필터는 일반적으로 결합재중에 다량의 SiO₂를 함유하므로 종래의 필터로 알루미늄 용탕을 여과할 경우에는 결합재로부터 실리콘이 용출하여 알루미늄 용탕중에 혼입될 위험이 많아져서 알루미늄 용탕을 오염시키게 된다. 실리콘이 알루미늄 용탕속으로 용출하지 않도록 하기위해 SiO₂무함유의 무기질 결합재로 된 필터가 예컨대 일본국 특허공고 평 5-86459 호, 일본국 특허공고 평 5-86460 호 일본국 특허공개 평 2-34732 호 등에 개시되어 있다.

이들 필터는 실리콘 용출에 의한 알루미늄 용탕의 오염문제는 없으나, 이러한 결합재에 의한 골재입자와의 결합 상태가 불량해져서 최종 필터제품은 불가피하게 강도가 불충분하고 쉽사리 폐색 (clogging) 을 일으키므로, 결국에는 금속 용탕의 여과량이 불균일해진다는 문제점을 수반하고 있다. 따라서 실리콘 용출 폐색 등의 문제를 해결할 수 있는 필터가 강력히 요망되고 있다. 일본국 특허공개 평 5-138339 호 공보에는 이러한 문제들을 해결하고자 개발된 필터로서 일정량의 SiO₂를 무기질 결합재에 첨가하여 알루미늄 용탕과의 습윤성을 개선하고, 결합재중에 9Al₂O₃·2B₂O₃의 침상결정을 석출시켜서 된 필터가 개시되어 있다.

그러나 근래에는 알루미늄 제품의 품질에 대한 요구가 가혹해지고 있다. 예컨대 디스크재 등으로 사용되는 알루미늄 합금재의 경우에 있어서 표면에 약간 정도의 표면결함이 있어도 큰 영향을 주게 되므로 될 수 있는한 알루미늄 용탕으로부터 미세한 개재물까지 제거할 필요가 있다. 이러한 제거를 위해서는 미세한 골재 입자를 사용하여 기공크기를 작게한 필터가 사용된다. 그러나 위에 나온 일본국 특허공개 평 5-138339 호 공보에 개시된 필터는 결합재중에 결정성분이 많고 점성이 높으며 유동성이 불량하므로 골재표면에 결합재가 불균일하게 분포되어 있어 골재표면이 불균일하게 된다. 골재입자가 미세한 경우에는 이러한 표면 불균일로 인해 필터의 기공이 막히게 되므로 알루미늄 용탕의 통과가 어렵게 될 때도 있다.

본 발명의 목적은 위에 나온 실리콘의 용출을 억제할 수 있고, 골재입자가 미세하더라도 기공폐색이 없이 금속용탕의 여과가 양호한 효율로 용이하게 할 수 있는 필터를 제공함에 있다.

따라서 본 발명에서는 용융 알루미나 및 소결 알루미나로 된 군으로 부터 선택되는 알루미나 1 종 이상으로 된 골재입자 100 중량부를, 원료로서 SiO₂를 25 wt.%~35 wt.%, B₂O₃30 wt.%~40 wt.%, Al₂O₃20 wt.%~35 wt.%, 나머지가 마그네슘으로 된 무기질 결합재 10~20 중량부로 결합시켜 수득한 필터를 제공한다. X선 회절 분석에 있어서 2θ = 43.4°에서 나타나는 α-Al₂O₃의 피이크 높이에 대한 2θ = 16.5°에서 나타내는 9Al₂O₃·2B₂O₃의 피이크 높이의 백분율을 결정도(crystallinity) 로 나타낼 경우, 본 발명에 의한 필터의 결정도는 10~25 %이다. 또한 본 발명에서는 무기질 결합재중에서 나타나는 9Al₂O₃·2B₂O₃의 침상결정의 길이가 10 ㎛ 이하인 필터를 제공한다. 무기질 결합재중에서 나타나는 9Al₂O₃·2B₂O₃의 침상결정은 필터의 소성온도를 1200~1300℃ 로 조절함으로써 얻을 수 있다.

본 발명에서 골재 입자용 원료를 용융 알루미나와 소결 알루미나중의 1 종 이상으로 한정한 이유는 이들이 금속 용탕, 특히 알루미늄 용탕에 대해 우수한 내식성(corrosion resistance) 을 나타내기 때문이다. 본 발명에 있어서 무기질 결합재를 골재입자 100 중량부에 대해 10~20 중량부 첨가한다. 첨가량이 10중량부 미만이면 골재입자가 충분히 결합되지 않아 필터로 부터 탈락하게 될 수도 있다. 한편, 20 중량부를 초과하는 양이면 필터의 기공 크기가 좁아져서 쉽사리 폐색을 일으키게 된다. 따라서 위에 나온 범위 밖의 양은 바람직하지 못하다. 무기질 결합재중에 함유된 SiO₂는 결합재의 점성을 저하시키고 유리화를 촉진함으로써 필터 강도를 높여주는 작용을 가지고 있다. SiO₂의 양이 25 wt.% 이하이면 필터의 강도가 불충분해지고, 그 양이 35 wt.% 를 초과하면 필터 강도는 높아지기는 하지만 결합재가 알루미늄 용탕으로 치환되어 알루미늄 용탕을 오염시킬 가능성이 있다.

더욱이 B₂O₃의 양이 30 wt.% 미만이면 결합재의 점성이 저하하여 유동성이 불량해지므로 결합재가 골재표면에 불균일하게 분포하게 되고 기공크기가 작아지며 더욱이 필터 강도도 불충분해진다. B₂O₃의 양이 40 wt.% 를 초과하면 결합재의 점성이 너무 저하하여 결합재가 아래쪽으로 유출하므로 균일한 필터를 얻을 수 없게 된다.

본 발명에서 결합재에는 비교적 다량의 SiO₂가 함유하지만, 본 발명의 필터의 결합재 표면이 Al₂O₃와 B₂O₃간의 반응 즉, 결합재 성분간의 반응에서 생기는 붕산 알루미늄(Al₂O₃·B₂O₃)의 침상결정으로 피복되어 있기 때문에 알루미늄 용탕은 본 발명의 필터에 의해 오염되는 일이 거의 없다. 붕산 알루미늄은 알루미늄 용탕에 대해 우수한 내식성을 나타낸다. 따라서 필터의 결합재 표면과 알루미늄 용탕이 접촉을 하더라도 금속 용탕은 오염되지 않는다. Al₂O₃의 양은 20~35 wt.% 필요하다. Al₂O₃양이 20 wt.% 미만이면 표면에서의 붕산 알루미늄 결정의 석출량이 감소하여 금속 용탕을 쉽사리 오염시키게 된다. Al₂O₃의 양이 35 wt.% 를 초과하면 결합재중에서 결정성분이 과도하게 증가하여 골재 표면에 결합재가 불균일하게 분포하여 쉽사리 폐색된다. MgO 를 첨가하여 결합재의 점성을 조정한다.

필터를 분말 X 선 회절분석할 때 2θ =43.4°에서 나타나는 α-Al₂O₃의 피이크 높이에 대한 2θ = 16.5°에서 나타나는 9Al₂O₃·2B₂O₃의 피이크 높이의 백분율을 붕산 알루미늄의 결정도로 나타낼 경우, 본 발명의 필터의 결합재에서 생성한 붕산 알루미늄의 결정도가 10~25 %인 것이 바람직하다. 위에 나온 결정도를 붕산 알루미늄 결정 생성도의 기준으로 사용한다. 그 이유는 다음과 같다. 즉, 본 발명의 필터는 알루미나(α-Al₂O₃)로 된 골재 입자를 소량의 무기질 결합재로 결합시켜 제조한 것이기 때문에 이 필터의 주성분은 α-Al₂O₃이다. 무기질 결합재는 결정 성분과 유리 성분으로 되어 있으므로 α-Al₂O₃이외의 한가지 성분의 피이크가 검출되면 결합재의 결정성분으로 생각할 수 있다. 본 발명의 필터의 경우에 있어서 붕산 알루미늄이 결정으로 검출된다. 붕산 알루미늄의 결정도는 골재에서의 α-Al₂O₃의 피이크 높이에 대한 붕산 알루미늄의 피이크 높이의 백분율에 근거하여 정의된다. 결정도가 25 % 를 초과하면 결합재중의 결정성분은 증가하여 알루미늄 용탕에 대한 내식성을 증가시키지만, 결합재의 점성이 높고 유동성이 불량하기 때문에 골재표면에 결합재가 불균일하게 분포됨으로써 필터의 기공크기를 좁게한다. 결정도가 10 % 이하인 경우에는 결정성분의 양이 감소함에 따라 유리성분의 양이 많아져서 알루미늄 용탕에 대한 내식성이 불량해지므로 금속 용탕을 오염시킬 우려가 많아진다.

더욱이 본 발명에 있어서 결합재중의 붕산 알루미늄의 침상결정이 짧고 치밀한것이 바람직하다. 더욱 상세하게는 알루미늄 용탕이 결합재와 접촉히게 되면 결합재중의 붕산 알루미늄의 결정만이 접촉하게 된다. 붕산 알루미늄의 침상 결정은 그 길이가 10 ㎛ 이하인 것이 바람직한데, 이러한 길이에서는 우수한 내식성을 나타낸다. 결정이 성장함에 따라 결정의 길이가 10 ㎛ 이상으로 되면 결합재에서 결정의 밀도가 감소하므로 알루미늄 용탕은 결합재의 유리 성분과 접촉하게 된다. 따라서 이 경우에 있어서 유리 성분과 알루미늄 용탕의 치환이 일어나서 성분의 용출이 발생할 우려가 많아진다.

위에 나온 붕산 알루미늄의 침상결정은 필터 소성시에 소성온도를 1200℃~1300℃ 로 조정하면 얻을 수 있다. 소성온도가 1200℃ 미만이면 붕산 알루미늄의 결정이 충분히 생성되지 않아 내식성이 불량해진다. 더욱이 무기질 결합재가 이 온도에서 충분히 용융되지 못하므로 무기질 결합재의 점성이 높아지고 그 유동성은 불량해져서 골재입자 표면에 결합재가 불균일하게 분포되고 기공 폐색이 일어난다. 소성온도가 1300℃ 를 초과하면 붕산 알루미늄의 침상결정이 성장하여 조대화(粗大化)하므로 금속 용탕에 대한 내식성이 불량해진다.

더욱이 이 온도에서는 결합재중에서 B₂O₃가 쉽사리 증발해 버려 균일한 조성의 필터를 얻을 수 없다는 또 다른 문제가 생긴다.

SiO₂의 양을 낮게 조절하여 일정량 첨가하는 위에 나온 일본국 특허공개 제 평 5-138339호에 개시된 필터와 비교하면 본 발명의 필터는 강도와 관련된 문제는 없고 알루미늄 용탕과의 습윤성이 우수하다. 더욱이 본 발명의 필터는 SiO₂함량이25 wt.% 을 초과하므로 여과성능이 양호하고, 그 표면에 결정의 결정도를 조절하여 석출시킨 치밀하고 내식성이 우수한 붕산 알루미늄의 침상 결정을 가지고 있어 실리콘 용출에 의한 금속용탕의 오염을 억제할 수 있을뿐만 아니라 그 강도와 여과성능이 모두 우수하다.

이하, 본 발명을 아래의 실시예에 따라 설명한다.

[실시예]

용융 알루미나 #24 를 골재로 사용하고, 이 골재 100 중량부에 표 1 에 나온 여러 가지 조성으로 무기질 결합재를 첨가하였다. 수득한 혼합물에 덱스트린 등의 유기질 결합제와 물을 적당량 가한 다음 혼련하였다. 혼련된 혼합물을 외경 100 mm, 내경 60 mm, 길이 850 mm 의 파이프 형상으로 성형한 후 건조하여 소정의 온도에서 소성함으로써 시험용 파이프를 제조하였다. 각 시험용 파이프의 물성을 아래의 시험방법으로 각각 조사하였다.

(휨 강도)

시험용 파이프로 부터 100 ×20 ×18 mm의 시험편을 잘라내어 분위기 온도 설정 전기로내에서 800℃에서 20 분간 유지한 다음 2 점 지지 및 1 점 하중 조건하에서 지지 간격 90 mm 에서 휨 시험을 하였다.

(성분 용출량)

시험용 파이프 1 중량부를 740℃ 의 고순도 (99.9 % 이상) 알루미늄 용탕 10중량부에 침지하고 55 시간 유지한후 금속 용탕을 여과하는 과정을 반복하였다. 샘플링한 후 알루미늄 성분을 분석하여 얻은 값을 시험전의 성분과 비교하여 그 차이를 성분 용출량으로 하였다.

(Al의 여광성능)

알루미늄 용탕의 여과성능을 필터의 Al 함침 높이로 평가하였다. 시험용 파이프를 알루미늄 리테이너(retainer) 중에 세우고 예열하였다. 이 시험용 파이프에 730℃의 알루미늄 용탕을 주입하고 소정의 헤드압 (head pressure) 에서 24시간 유지한 다음 시험용 파이프를 리테이너에사 꺼내었다. 냉각후 시험용 파이프를 세로 방향으로 절단하여 시험용 파이프내에서의 알루미늄의 침투 높이를 측정하였다. 알루미늄 용탕의 헤드와 측정 높이의 차이를 Al 함침 높이로 하였다.

(결정도)

시험용 파이프를 분쇄하여 분말 X 선 회절 분석 하였다. 결정도를 위에 나온 정의에 따라 측정하였다. 구체적으로 2θ = 16.5°에서 나타나는 9Al₂O₃·2B₂O₃의 피이크 높이를 2θ = 43.4°에서 나타나는 α-Al₂O₃의 피이크 높이로 나누어 그 백분율을 결정도로 하였다.

(결정길이)

시험용 파이프의 표면을 SEM으로 관찰하여 결합재 표면의 결정의 길이를 측정 하였다. 이들 결과는 표 1 에 나와 있다.

[표 1]

표 1로부터 무기질 결합재 첨가량과 무기질 결합재 원료의 조성에 따라 실시예 1~9 에서 제조한 시험용 파이프는 필터강도, 알루미늄 용탕에 대한 내식성 및 알루미늄 용탕의 여과성능이 우수함을 알 수 있었다. 또한 비교예 1 및 2에 있어서 필터의 소성온도가 1200℃~1300℃ 의 범위내에 있지 않으므로 제조된 시험용 파이프의 평가결과는 불량함을 알 수 있었다.

비교예 3~9 에서 제조한 시험용 파이프는 무기질 결합재의 첨가량과 무기질 결합재 원료의 조성에 있어서 본 발명에 의해 제조한 것들과는 상이하였다. 비교예 3~9 에서 제조한 시험용 파이프의 여러가지 물성에 대하 조사하였으나 그 평가 결과는 양호하지 않았다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 있어서 무기질 결합재의 첨가량과 원료의 조성을 적절히 조정함으로써 강도, 내식성 및 알루미늄 용탕의 여과성능이 우수한 필터를 제조할 수 있다.

Claims

용융 알루미나와 소결 알루미나로 된 군으로 부터 선택된 1 종 이상의 알루미나로된 골재입자 100 중량부를 SiO₂25 wt.%~35 wt.%, B₂O₃30~40 wt.%, Al₂O₃20~35 wt.% 및 나머지가 MgO 인 원료조성을 가진 무기질 결합재 10~20 중량부로 결합시켜 수득되는 알루미늄 용탕 여과용 필터.
제 1 항에 있어서, 분말 X 선 회절에 있어서 2θ = 43.4°에서 나타나는 α-Al₂O₃의 피이크 높이에 대한 2θ = 16.5°에서 나타나는 9Al₂O₃·2B₂O₃의 피이크 높이의 백분율로써 결정도를 나타낼 경우 결정도가 10 %~25 % 인 필터.
제 2항에 있어서, 무기질 결합재중에서 생성한 9Al₂O₃·2B₂O₃의 침상결정의 길이가 10 ㎛ 이하인 필터.
제 2항 또는 제 3항에 있어서, 필터의 소성온도가 1200℃~1300℃ 인 필터.