アルミニウム溶湯用濾材 - 特開平１１－５７３５４

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	【発明の名称】	アルミニウム溶湯用濾材
	【発明者】	【氏名】星野和友【氏名】国崎敏哉【氏名】瀬戸英昭【氏名】甲斐由紀夫【氏名】菊地淳【氏名】白石幸久【氏名】柿本和伸
	【課題】アルミニウム溶湯と接触しても不純物が溶出しないのでアルミニウム溶湯を二次汚染することがなく、骨材間の結合力が大きいので濾材の強度が高く、長期間に亘り安定して使用でき、目詰まりを起こしにくいので通湯量がほぼ一定であり、安定な結晶組織を有するアルミニウム溶湯用濾材を提供すること。【解決手段】Ａｌ₂Ｏ₃及びＭｇＯからなるスピネル型結晶構造を有する結晶粉末８５～９８重量％と非晶質ガラス成分１５～２重量％とからなる無機質結合材５～２５重量部と、アルミナ骨材粒子１００重量部との混合物の焼結体からなり、焼結体中のスピネル結晶の結晶度が１０％以上であり、且つ／又は焼結体中のスピネル結晶粒子間を部分的に結合する非晶質ガラス相がＢ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂を含み、Ｂ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂のモル比が０．３以上である、アルミニウム溶湯用濾材。

【特許請求の範囲】
【請求項１】Ａｌ₂Ｏ₃及びＭｇＯからなるスピネル型結晶構造を有する結晶粉末８５～９８重量％と非晶質ガラス成分１５～２重量％とからなる無機質結合材５～２５重量部と、アルミナ骨材粒子１００重量部との混合物の焼結体からなり、該焼結体中のスピネル結晶の結晶度が１０％以上であることを特徴とするアルミニウム溶湯用濾材。
【請求項２】Ａｌ₂Ｏ₃及びＭｇＯからなるスピネル型結晶構造を有する結晶粉末８５～９８重量％と非晶質ガラス成分１５～２重量％とからなる無機質結合材５～２５重量部と、アルミナ骨材粒子１００重量部との混合物の焼結体からなり、該焼結体中のスピネル結晶粒子間を部分的に結合する非晶質ガラス相がＢ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂を含み、Ｂ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂のモル比が０．３以上であることを特徴とするアルミニウム溶湯用濾材。
【請求項３】Ａｌ₂Ｏ₃及びＭｇＯからなるスピネル型結晶構造を有する結晶粉末８５～９８重量％と非晶質ガラス成分１５～２重量％とからなる無機質結合材５～２５重量部と、アルミナ骨材粒子１００重量部との混合物の焼結体からなり、該焼結体中のスピネル結晶の結晶度が１０％以上であり、該焼結体中のスピネル結晶粒子間を部分的に結合する非晶質ガラス相がＢ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂を含み、Ｂ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂のモル比が０．３以上であることを特徴とするアルミニウム溶湯用濾材。
【請求項４】平均粒径が５０μｍ以下の結晶粉末を用いて得られる請求項１、２又は３記載のアルミニウム溶湯用濾材。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はアルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯（本明細書においては、これらを総称して、単にアルミニウム溶湯と称する）中に混入している固形不純物（非金属介在物等）を濾別するために使用されるアルミニウム溶湯用濾材に関する。
【０００２】
【従来の技術】アルミニウム溶湯中には、通常、固形不純物、特に非金属介在物が混入しているので、これらの介在物を含有している溶湯をそのまま鋳造し、圧延し、例えばディスク材等として製品化すると、その混入した非金属介在物がピンホール等の不良発生の原因となる。このような不良発生を防止するために、鋳造に先立ってアルミニウム溶湯を濾過処理して非金属介在物を除去することが一般に行なわれている。この溶湯の濾過に使用される装置として種々のものが知られており、例えば特公昭５２－２２３２７号公報に記載されているように、電融アルミナ等の骨材をＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃等の無機質結合材により結合させたチューブタイプの濾材が用いられている。
【０００３】しかしながら、このような従来の濾材を用いて、コンピュータのハードディスク材等の製造に用いる高純度アルミニウム溶湯の濾過を行う場合に、或いは清涼飲料水缶、ビール缶等の缶材の製造に用いるＡｌ－Ｍｇ合金系溶湯の濾過を行う場合に、無機質結合材中に含まれているＳｉＯ₂やＣａＯがアルミニウム溶湯中で還元されて遊離Ｓｉや遊離Ｃａを生じ、アルミニウム溶湯中に溶出してアルミニウム溶湯が汚染されるという問題が生じた。また、Ａｌ－Ｍｇ合金系溶湯は活性な性質であるため、無機質結合材を侵食し、骨材間の結合力を低下させ、濾材の耐久性を低下させる場合もあり、甚だしい場合には使用中にそのような濾材が崩壊することになる。
【０００４】これらのことから、ＳｉＯ₂を含まない無機質結合材を用いて製造される濾材が、例えば特公平５－８６４５９号、特公平５－８６４６０号及び特開平２－３４７３２号の各公報に開示されている。これらの濾材を用いる場合には遊離Ｓｉの溶出によるアルミニウム溶湯の二次汚染の問題は発生しない。しかしながら、そのような無機質結合材を用いた濾材においては、骨材粒子間の結合状態が悪いため、濾材の強度が低く、また目詰まりを起こしやすいので通湯量がばらつく等の問題を有していた。
【０００５】それで、遊離Ｓｉの溶出の問題と曲げ強度等の問題とを解決した濾材が要望されるに至り、それらを満足するものとして、アルミニウム溶湯との濡れ性を良くするためにＳｉＯ₂を所定量含有させた無機質結合材を用い、また無機質結合材中に９Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｂ₂Ｏ₃の針状結晶を析出させて得た濾材が特開平５－１３８３３９号公報に開示されている。
【０００６】しかしながら、上記の特開平５－１３８３３９号公報に記載された発明の実施においては、９Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｂ₂Ｏ₃の針状結晶を得るために無機質結合材を一旦溶融させた後、特別な冷却手段を付加して結晶長さを特定範囲に抑える必要があるのみならず、無機質結合材中にＳｉＯ₂を１５～２５重量％含有させ、かつＣａＯ等を含有させるものであるため、上記した遊離Ｓｉあるいは遊離Ｃａの溶出を防止する点に関しては必ずしも満足できるものではない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】近時におけるディスク材等のように、僅かな表面欠陥があってもその影響が大きい各種用途に使用されるアルミニウム溶湯を得るためには、アルミニウム溶湯から可能な限り細かい非金属介在物までも除去し、しかも濾過後のアルミニウム溶湯中に溶出する不純物を可能な限り少なくすることが要求され、従って、無機質結合材中に含有されるＳｉＯ₂及びＣａＯ成分をできる限り少なくし、且つ強度等の面からも十分に満足し得る濾材を提供することが要望されている。
【０００８】本発明の目的は、上記のような諸問題を克服したアルミニウム溶湯用濾材を提供すること、即ち、アルミニウム溶湯と接触させて使用しても、或いはアルミニウム溶湯中に浸漬して使用しても不純物が溶出しないのでアルミニウム溶湯を二次汚染することがなく、また骨材間の結合力が大きいので濾材の強度が高く、長期間に亘り安定して使用でき、また目詰まりを起こしにくいので通湯量がほぼ一定であり、しかも極めて安定な結晶組織を有し、熱間及び常温曲げ強度に優れているアルミニウム溶湯用濾材を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明等は、上記の目的を達成するために鋭意検討の結果、Ａｌ₂Ｏ₃及びＭｇＯからなるスピネル型結晶構造を有する結晶粉末と比較的少量の非晶質ガラス成分とを無機質結合材として用い、この無機質結合材とアルミナ骨材粒子との混合物を焼成して得られる焼結体中のスピネル結晶の結晶度を特定値に限定し、該焼結体中のスピネル結晶粒子間を部分的に結合する非晶質ガラス相の組成、成分モル比を限定することにより良好な結果が得られることを見いだし、本発明を完成した。
【００１０】即ち、本発明のアルミニウム溶湯用濾材は、Ａｌ₂Ｏ₃及びＭｇＯからなるスピネル型結晶構造を有する結晶粉末８５～９８重量％と非晶質ガラス成分１５～２重量％とからなる無機質結合材５～２５重量部と、アルミナ骨材粒子１００重量部との混合物の焼結体からなり、該焼結体中のスピネル結晶の結晶度が１０％以上であり、且つ／又は該焼結体中のスピネル結晶粒子間を部分的に結合する非晶質ガラス相がＢ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂を含み、Ｂ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂のモル比が０．３以上であることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明のアルミニウム溶湯用濾材を製造するために用いるＡｌ₂Ｏ₃及びＭｇＯからなるスピネル型結晶構造を有する結晶粉末はＡｌ₂Ｏ₃及びＭｇＯからなり、Ａｌ₂Ｏ₃：ＭｇＯのモル比が１：１であり、Ａｌ₂Ｏ₃：ＭｇＯの重量比が７：３であり、スピネル型結晶構造を形成しているものである。このような結晶粉末は極めて安定しており、アルミニウム溶湯による濡れ性が優れており、また、耐アルミニウム侵食性等にも優れているので、アルミニウム溶湯用濾材の製造に用いる無機質結合材として好適である。
【００１２】しかしながら、Ａｌ₂Ｏ₃及びＭｇＯからなるスピネル型結晶構造を有する結晶粉末の平均粒径が多くの市販品のように数十μｍ～数ｍｍである場合には一般的に焼結性が悪い。良好な焼結性を達成するための手段としては焼結助材（結合助材）を多量に添加することが考えられるが、このように助材を多量に添加した場合にはアルミニウム溶湯に対する耐侵食性が劣化する。
【００１３】これに対して、Ａｌ₂Ｏ₃及びＭｇＯからなるスピネル型結晶構造を有する結晶粉末の平均粒径を小さくすればするほど焼結性がよくなり、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下になるように粉砕すると、アルミニウム溶湯用濾材の製造に用いる無機質結合材として一層好適なものとなる。なお、その粉砕方法はいかなる方法であってよく、例えば、ボールミルのような乾式粉砕であって、またビーズミルのような湿式粉砕であってもよく、何れの方法を用いても同様の効果が達成される。しかしながら、結晶粉末の平均粒径を小さくすれば小さくするほどコスト高になる。このコスト高を抑える手段としては適度に粉砕した結晶粉末を用い且つ結合助材粉末を併用することが考えられる。
【００１４】本発明のアルミニウム溶湯用濾材の製造においては、アルミナ骨材粒子と無機質結合材とを混合し、焼成して濾材を形成する場合、その焼成中の無機質結合材の流動性や適当な粘性により通気孔を確保する必要があり、そのためには無機質結合材中に少量の非晶質ガラス成分を添加する必要がある。本発明のアルミニウム溶湯用濾材の製造に、Ａｌ₂Ｏ₃及びＭｇＯからなるスピネル型結晶構造を有する結晶粉末と共に無機質結合材として用いる非晶質ガラス成分はＢ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂を含む。このＢ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂の配合比については、無機質結合材とアルミナ骨材粒子との混合物を焼成して得られる焼結体中のスピネル結晶粒子間を部分的に結合する非晶質ガラス相がＢ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂を含み、Ｂ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂のモル比が０．３以上となるようにする必要がある。この比が０．３以上の場合には、溶湯中のＡｌ原子とＳｉ原子との置換反応が抑制され、耐食性に優れた濾材となる。逆に、この比が０．３未満となると、即ちＢ₂Ｏ₃の量に比較してＳｉＯ₂の量が多くなると、アルミニウム溶湯に対する耐食性が低下し、ＳｉＯ₂の溶出も問題となる傾向がある。
【００１５】該結晶粉末と非晶質ガラス成分との配合比については、結晶粉末８５～９８重量％、好ましくは９０～９７重量％と非晶質ガラス成分１５～２重量％、好ましくは１０～３重量％とからなるようにする。この範囲内の配合比で非晶質ガラス成分は結合助材として有効に作用し、スピネル型結晶構造を有する結晶粉末の焼結性を高めることができる。しかしながら、結合助材粉末の配合量が１５重量％を越えると、添加したこれら結合助材が局部的に大きくガラス化して偏在し、耐アルミニウム侵食性を劣化させてしまう。本発明においては、無機質結合材がその他の種々の物質、例えば、スピネル結晶を粉砕する際のＺｒＯ₂あるいは焼結に際しての焼結助材、有機溶剤であるデキストリン等を含有していてもよいことは勿論である。
【００１６】本発明のアルミニウム溶湯用濾材を製造するために用いるアルミナ骨材粒子としては電融アルミナ、焼結アルミナ等を用いることができる。本発明のアルミニウム溶湯用濾材は、上記の無機質結合材とアルミナ骨材粒子との混合物を焼成して得られる焼結体からなる。その製造法としては無機質結合材粉末と骨材粒子とを混合し、所定の形状に成形し、次いで焼成してもよいし、或いは無機質結合材粉末をスラリー状などにして骨材粒子表面にコーティングし、次いで成形し、焼成してもよい。上記の無機質結合材とアルミナ骨材粒子との配合比については、上記の無機質結合材５～２５重量部、好ましくは１０～２０重量部と、アルミナ骨材粒子１００重量部とからなるようにする。無機質結合材の量が５重量部未満の場合には骨材粒子の結合が不十分になり、骨材粒子が濾材から脱離する可能性があり、また２５重量部を超えると濾材の気孔が狭くなり、目詰まりを起こし易くなる傾向がある。
【００１７】本発明のアルミニウム溶湯用濾材においては、焼結体中のスピネル結晶の結晶度が１０％以上である。本明細書中において、用語「焼結体中のスピネル結晶の結晶度」は、該焼結体の粉末Ｘ線回折で得られる、２θ＝３６．８°に現れるＡｌ₂Ｏ₃・ＭｇＯスピネル結晶のピーク高さ（分子とする）を、２θ＝４３．４°に現れるα－Ａｌ₂Ｏ₃のピーク高さ（分母とする）と比較して百分率で表した値である。
【００１８】上記のようなアルミニウム溶湯用濾材においては、焼結体中のスピネル結晶の結晶度が１０％未満になることは、結合材中の非晶質ガラス成分の量が相対的に多くなることを意味し、また、これらの非晶質ガラス成分はスピネル結晶粒子間に存在し、高温で軟化するものであるため、濾材の熱間強度が低下することになる。また、非晶質ガラス成分はスピネル結晶よりもアルミニウム溶湯に対して耐食性が劣るため、結合材中に多量に存在することは避けなければならない。従って、前記したように、結晶粉末８５～９８重量％、好ましくは９０～９７重量％と非晶質ガラス成分１５～２重量％、好ましくは１０～３重量％とからなるようにする。
【００１９】本発明のアルミニウム溶湯用濾材においては、焼結体中のスピネル結晶の結晶度が１０％以上であるので、スピネル結晶粒子同士が非晶質ガラス相を介さずに結合している割合が極めて高くなり、アルミニウム溶湯に対して強い耐食性を示す。即ち、アルミニウム溶湯に対する耐食性の悪い非晶質ガラス相が焼結体中のスピネル結晶粒子間に存在する割合が低くなり、アルミニウム溶湯に侵食され難くなる。
【００２０】
【実施例】以下に、実施例及び比較例に基づいて本発明を詳細に説明する。
実施例１～５及び比較例１～２骨材粒子として電融アルミナ（平均粒径８５０μｍ）を表１に示す量（重量部）で用い、無機質結合材としてＡｌ₂Ｏ₃及びＭｇＯからなるスピネル型結晶構造を有する結晶粉末（モル比１：１、重量比７：３、平均粒径４．５μｍ）、Ｂ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂をそれぞれ表１に示す量（重量部）で用い、これらの配合物をそれぞれ混練し、加圧成形し、乾燥し、電気炉中で１４３０℃で１２時間焼成してそれぞれ外径１００ｍｍ、内径６０ｍｍ、高さ８５０ｍｍのパイプ状成形体を得た。実施例１～５及び比較例１～２の各パイプ状成形体について、粉末Ｘ線回折により２θ＝３６．８°に現れるＡｌ₂Ｏ₃・ＭｇＯスピネル結晶のピーク高さ及び２θ＝４３．４°に現れるα－Ａｌ₂Ｏ₃のピーク高さを求め、結晶度を計算したところ、表１に示す通りであった。また、Ｂ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂のモル比を測定したところ、表１に示す通りであった。更に、各パイプ状成形体の特性を以下に示す試験方法で調べた。
【００２１】《曲げ強さ》上記の各々のパイプ状成形体から１００ｍｍ×２０ｍｍ×１８ｍｍの直方体状試験体を切り出した。この直方体状試験体について、２点支持１点荷重方式で支持スパン８０ｍｍで室温曲げ強さ試験を実施した。熱間曲げ試験は各々の直方体状試験体を雰囲気温度設定用電気炉中で８００℃に２０分間保持した後、該雰囲気温度設定用電気炉中で、２点支持１点荷重方式で支持スパン８０ｍｍで実施した。それらの試験結果は表１に示す通りであった。
【００２２】《成分溶出量》７４０℃の高純度（９９．９９％以上）アルミニウム溶湯１０重量部中に上記の各々のパイプ状成形体１重量部を浸漬し、溶湯の温度を７４０℃に維持しながら７２時間の間、パイプ状成形体内部の減圧と加圧とを繰り返しながら、アルミニウム溶湯をパイプ状成形体の外部から内部へ、及び内部から外部へ交互に通過させ、その後、アルミニウム溶湯をサンプリングし、アルミニウム溶湯中のＳｉ、Ｂ及びＭｇ量を測定し、浸漬前のアルミニウム溶湯中のＳｉ、Ｂ及びＭｇ量と比較した。その差（すなわち、増加分）をＳｉ、Ｂ及びＭｇについての成分溶出量とした。それらの測定結果は表１に示す通りであった。
【００２３】《アルミニウム浸透性》上記の各々のパイプ状成形体に対するアルミニウム溶湯の浸透性を次のようにして評価した。上記の各々のパイプ状成形体から外径１００ｍｍ、内径６０ｍｍ、高さ６５ｍｍのパイプ状試験体（両端は封止してある）を作製し、このパイプ状試験体をアルミニウム溶湯保持用炉中に立てて予熱し、そこへ７４０℃の高純度（９９．９９％以上）アルミニウム溶湯をほぼ７０ｃｍの高さまで注湯し、７４０℃で２４時間保持した。その後、各々の試験体を取り出し、冷却した後、縦方向（炉中に立てた状態で垂直方向）に切断し、アルミニウムが浸透している高さ（Ａ）を測定した。アルミニウム溶湯の湯面高さ（Ｒ）とこのアルミニウム浸透高さ（Ａ）との差（Ｒ－Ａ）をアルミニウム含浸所要高さ（Ｈ）とした。この評価法の概要は図１に示す通りである。即ち、アルミニウム含浸所要高さ（Ｈ）が低いほどアルミニウムの浸透性に優れていることになる。それらの測定結果は表１に示す通りであった。
【００２４】《総合評価》上記の曲げ強さの試験結果、成分溶出量の測定結果、及びアルミニウム浸透性の測定結果の全てが好ましい値を示す場合を◎とし、それらの結果の何れかがボーダーラインの値を示し、他は好ましい値を示す場合を○とし、それらの結果の１つでも好ましくない値を示す場合を×とした。
【００２５】
【表１】

【００２６】表１のデータからも明かなように、本発明に係る実施例１～５においては、アルミニウム溶湯用濾材の室温曲げ強さ、熱間曲げ強さ（８００℃）、アルミニウム溶湯に対する耐食性（成分溶出量）、及びアルミニウムの通湯性（アルミニウム浸透性）の点で優れており、実用性の高いものである。
【００２７】
【発明の効果】本発明のアルミニウム溶湯用濾材は、アルミニウム溶湯中に浸漬して使用しても不純物が溶出しないのでアルミニウム溶湯を二次汚染することがなく、極めて安定な結晶組織を有しており、室温曲げ強さ、熱間曲げ強さ（８００℃）、アルミニウム溶湯に対する耐食性（成分溶出量）、及びアルミニウムの通湯性（アルミニウム浸透性）に優れたものである。

【出願人】	【識別番号】０００００６１８３【氏名又は名称】三井金属鉱業株式会社
【出願日】	平成９年（１９９７）８月１８日
【代理人】	【弁理士】【氏名又は名称】渡辺望稔（外１名）
【公開番号】	特開平１１－５７３５４
【公開日】	平成１１年（１９９９）３月２日
【出願番号】	特願平９－２２１５４４