JP2000064060A

JP2000064060A - 非鉄金属溶湯用部材

Info

Publication number: JP2000064060A
Application number: JP10263880A
Authority: JP
Inventors: Shigehiro Matsuno; 茂弘松野; Shoichi Takahashi; 昭一高橋
Original assignee: WAKAMATSU NETSUREN KK
Current assignee: WAKAMATSU NETSUREN KK
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1998-08-12
Publication date: 2000-02-29

Abstract

(57)【要約】【目的】鉄系材料を基材にして、非鉄金属溶湯に浸漬
又は繰返し接触しても耐溶損性があり、安全に使用でき
る非鉄金属溶湯用部材を提供する。【構成】鉄系材料基材の表面に、鉄系材料基材表面と
金属的に結合したＡｌ−Ｆｅ合金の中間層を形成し、さ
らにＡｌ−Ｆｅ合金の中間層の表面をセラミック層で被
覆した、二重被覆構造の非鉄金属溶湯用部材である。セ
ラミック層は扁平状セラミック粉末を含み、溶融ガラス
で結合するか、或いは珪酸塩又は燐酸塩が主成分のセラ
ミック結合材で結合して、下地のＡｌ−Ｆｅ合金層に融
着被覆する。扁平状セラミック粉末は、炭化珪素、扁平
状アルミナ、雲母のなかの１種又は２種以上の粉末から
なり、セラミック層のなかに２０〜７０重量％含まれ
る。非鉄金属溶湯としては、主にアルミニウム合金、亜
鉛合金、銅合金等の溶湯を対象とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は非鉄金属製品を製造
するための溶解又は鋳造設備の耐溶損性溶湯用部材に関
し、非鉄金属のなかでも、特にアルミニウム合金、亜鉛
合金、銅合金等の溶湯に対して好適な溶湯用部材に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】非鉄金属の溶湯用部材には、溶湯に浸漬
して接触する部材と、浸漬しないで溶湯に繰返し接触す
る部材とがある。例えば、溶湯に浸漬する部材として熱
電対保護管やストーク、溶湯と繰返し接触する部材とし
てラドルや樋等がある。従来、これらの部品には、表面
に塗型材を塗布した鋳鉄材料を用いるのが一般的であっ
た。近年はこれに代わって、サイアロンセラミックの適
用が拡がりつつある。

【０００３】また、表面に被覆層を形成した本発明と同
一用途の溶湯用部材の例として、特開昭４９−５４２２
９号公報には、ＣｒとＡｌを含む鉄系材料の表面に複合
酸化物被膜を形成した鋳造工具が記載されている。ま
た、用途を特定していないが、特公平７−５３９２号公
報には、鉄系材料の酸化被膜と珪酸塩が反応した結合層
を形成した上に、微粒子状金属酸化物又は有機金属結合
剤を焼固することにより、酸化鉄拡散防止層を形成し
た、高温の腐食性排気ガスに曝される用途等を示唆する
セラミック・鉄製部材接合体が記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の塗型材を塗布し
た鋳鉄材料を用いた溶湯用部材は、塗型材の剥離した部
分が溶湯と反応して、少しづつ侵食されて溶損するばか
りでなく、主成分であるＦｅが溶湯中に溶け込み、鋳造
製品の機械的性質を劣化させる等の欠点がある。近年適
用が拡がりつつあるサイアロンセラミックは、溶湯と反
応しないので、溶湯用部材に適している。そして、従来
のセラミックに比べて、ある程度の強靱性を有している
ので、用途によっては十分満足した結果が得られてい
る。しかし、本質的にセラミック材質の域を越えず、金
属材料よりも脆弱なため、破損しやすく、取扱が難しい
という欠点がある。また、高価なため、安易に適用でき
るものではない。

【０００５】上記問題点を解決するため、前記特開昭４
９−５４２２９号公報、特公平７−５３９２号公報以外
にも、鉄系材料の表面に被覆層を形成した種々の耐熱、
耐食、耐溶損部材が提供されている。本発明において
も、上記問題点を解決するため、同様に鉄系材料を用
い、非鉄金属溶湯に浸漬接触或いは繰返し接触しても耐
用性があり、安全に使用できる溶湯用部材の提供を目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の第１発明は、図
１の本発明溶湯用部材表層部の模式断面図にて示すよう
に、鉄系材料基材１の表面に、鉄系材料基材１と金属的
に結合したＡｌ−Ｆｅ合金層２を形成し、さらにＡｌ−
Ｆｅ合金層２の表面にセラミック層３を被覆した構造に
てなり、セラミック層３は扁平状セラミック粉末を含
み、溶融ガラスにより結合して、Ａｌ−Ｆｅ合金層２に
融着してなる非鉄金属溶湯用部材である。

【０００７】本発明を完成するための研究において、セ
ラミック層の密着性を確保するには、Ａｌ−Ｆｅ合金の
中間層を介在させることが有効であると判明した。Ａｌ
−Ｆｅ合金層を形成するためには、下地基材はＦｅ源と
なる鉄系材料を用いる必要がある。Ａｌ−Ｆｅ合金層自
体は、金属であると共に下地鉄系材料基材と金属的に結
合しているので、亀裂や剥離が発生し難い。そして、Ａ
ｌ−Ｆｅ合金層に含まれるＦｅ成分が、Ａｌ−Ｆｅ合金
層の表面に被覆するセラミック層の密着性を得るのに有
効のようである。さらに、セラミック層に含まれる扁平
状セラミック粉末は、層状に積層して、扁平面方向に広
がった形態をしているので、各粒子が自由方向を向いて
混在することにより結合性が向上する。

【０００８】一般に金属溶湯用部材が溶損するときは、
金属溶湯との浸漬接触又は繰返し接触による熱的負荷を
受けて、被覆層に微細な亀裂や剥離が発生し、この亀裂
部や剥離部に溶湯が浸入して下地を侵食し始め、最終的
に大きな溶損に至ると考えられる。本発明の非鉄金属溶
湯用部材は、このような事態に遭遇しても、上記諸作用
により亀裂や剥離が発生し難い。そして、溶湯の侵入に
よる鉄系材料基材の溶損が起こり難く、安全に使用でき
る非鉄金属溶湯用部材となる。

【０００９】第２及び第３発明は、第１発明のセラミッ
ク層に含まれる扁平状セラミック粉末を、炭化珪素、扁
平状アルミナ、雲母のなかの１種又は２種以上の粉末に
より構成し、この扁平状セラミック粉末をセラミック層
の２０〜７０重量％とする。そして、最表面層として被
覆するセラミック層のなかの扁平状セラミックを適切な
成分と量に規定することで、より一層効果的な溶湯用部
材となる。

【００１０】第４発明は、図１の模式断面図にて示す鉄
系材料基材１の表面に、鉄系材料基材１の表面と金属的
に結合したＡｌ−Ｆｅ合金層２を形成し、さらにＡｌ−
Ｆｅ合金層２の表面を、扁平状セラミック粉末を含むセ
ラミック層３で被覆した、第１発明と同様の構造であ
る。但し、セラミック層は珪酸塩又は燐酸塩を主成分と
するセラミック結合材により結合して、Ａｌ−Ｆｅ合金
層２に融着してなる非鉄金属溶湯用部材である。そし
て、扁平状セラミック粉末を含むセラミック層３を溶融
ガラスにより結合する第１発明と同等の効果を得る。

【００１１】第５及び第６発明は、第４発明のセラミッ
ク層のなかの扁平状セラミック粉末の成分と量を規定す
る。第２及び第３発明と同様の規定であり、第４発明を
より一層効果的にする。

【００１２】第７乃至第９発明は、第１乃至第６発明に
おける適用非鉄金属溶湯の材質を、アルミニウム合金、
亜鉛合金、銅合金に特定するものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明溶湯用部材の基材は、Ａｌ
−Ｆｅ合金層を形成するためのＦｅ源となる普通炭素
鋼、合金鋼、普通鋳鉄、合金鋳鉄等の鉄系材料に限ら
れ、その材質全般を用いることができるが、材質詳細は
特定しない。これら鉄系材料基材にＡｌ−Ｆｅ合金層を
形成するには、溶融アルミニウムめっき法、アルミニウ
ム浸透法等により行う。溶融アルミニウムめっき法の場
合は、アルミニウムめっき層をＡｌ−Ｆｅ合金にするた
め、例えば７６０〜８００℃に１〜３時間加熱して、鉄
系材料基材からＦｅ成分をアルミニウムめっき層へ拡散
させ、Ａｌ−Ｆｅ合金層にする。アルミニウム浸透法の
場合は、アルミニウムの浸透した領域自体がＡｌ−Ｆｅ
合金層になっているので、アルミニウムを拡散させる加
熱は不要である。以上により調製するＡｌ−Ｆｅ合金層
は、厚み５０〜２００μｍ、Ｆｅ３０〜７０重量％であ
る。

【００１４】扁平状セラミック粉末としては、炭化珪
素、扁平状アルミナ、雲母等の粉末を用いることができ
る。扁平状セラミック粉末の量はセラミック層のなかに
２０〜７０重量％含むのが好ましく、大きさは長軸が２
〜１００μｍ、長軸と厚みとの比が５以上が好ましい。
炭化珪素と雲母は粉末自体が本質的に扁平状で、殆んど
の粉末が上記大きさの範囲内にあり、そのまま使用でき
る。アルミナは上記大きさの範囲内の粉末に調製する必
要がある。

【００１５】セラミック層のなかの結合材は、高温溶融
ガラス形成材、或いは珪酸塩溶液又は燐酸塩溶液を用い
る。珪酸塩溶液には珪酸ナトリウム、珪酸カリウム、珪
酸リチウム水溶液の１種又は２種以上の混合溶液が、燐
酸塩溶液には燐酸アルミニウム水溶液が使用できる。珪
酸塩溶液又は燐酸塩溶液には、硬化剤としてＭｇＯ、Ｚ
ｎＯ等の酸化物を適宜添加してもよい。セラミック層の
なかの結合材は１０〜８０重量％［但し、水分は除く］
含むのが好ましい。セラミック層において、扁平状セラ
ミック粉末と結合材との合計量の残部は通常のアルミ
ナ、ジルコニア、シリカ等の酸化物、炭化珪素等の炭化
物、窒化珪素等の窒化物と、不可避的不純物である。

【００１６】セラミック層を被覆するときは、扁平状セ
ラミック粉末と結合材との混合スラリーを下地のＡｌ−
Ｆｅ合金層の表面に塗布して乾燥する。結合材に高温溶
融ガラス形成材を用いるときは、水等の溶媒に混合して
スラリー化する。塗布及び乾燥の後は、そのガラスの溶
融温度まで加熱して、下地に融着させる。結合材に珪酸
塩溶液又は燐酸塩溶液を用いるときは、塗布及び乾燥の
後、少なくとも結晶水が消滅する温度以上、即ち概略５
００℃以上に加熱して融着させる。このようにして形成
するセラミック層の厚みは１００〜５００μｍが好まし
い。厚みが１００μｍ未満では溶湯に対する耐溶損効果
が少なく、５００μｍを越えると熱衝撃等により剥離し
やすくなる。

【００１７】

【実施例】実施例１表１の各種の鉄系材料基材の試験片について、アルミニ
ウム合金溶湯に対する耐溶損性を調べた。先ず、直径２
０ｍｍ、長さ２００ｍｍの丸棒試験片素材に溶融アルミ
ニウムめっきを施し、厚み５０μｍのアルミニウム被覆
層を形成した。この被覆層を有する試験片素材を、７６
０℃にて３時間拡散処理の加熱をして、アルミニウム被
覆層をＡｌ−Ｆｅ合金層にした。別に、粒度１０μｍの
炭化珪素粉末３０重量％、粒度８０μｍの扁平状アルミ
ナ１０重量％、溶融ガラス形成材６０重量％を混合し
て、水によりスラリー化したセラミック層形成材を準備
した。溶融ガラス形成材の組成はＳｉＯ_２３０重量％、
Ｂ_２Ｏ_３２５重量％、ＣａＯ２０重量％、Ｎａ_２Ｏ１３
重量％、Ｋ_２Ｏ１２重量％である。このスラリーの中へ
Ａｌ−Ｆｅ合金層被覆した丸棒試験片素材を浸漬して、
全面にスラリーを塗布した。常温乾燥、さらに１１０℃
乾燥の後、６５０℃にて１時間加熱して溶融ガラス形成
材を溶融し、下地のＡｌ−Ｆｅ合金層へ融着させること
により、セラミック層を被覆形成した。この被覆セラミ
ック層はねずみ色をし、厚みは概略２００〜３００μｍ
であった。

【００１８】表１の４種類の鉄系基材材料の本発明被覆
の試験片、並びに被覆せずに比較のために作製した従来
の塗型のみ施した試験片の合計８個を、図２の溶損試験
装置を用いて試験した。各試験片４は、例示の１個のよ
うに、先端から８０ｍｍまでの部分がアルミニウム合金
溶湯５へ浸漬するようにして、直径２００ｍｍの円形の
試験片保持板６の周囲８箇所に取り付けた。７５０℃に
保持したアルミニウム合金［ＡＤＣ１２］溶湯５に１０
時間浸漬して各試験片の溶損状況を調べた。各試験片の
状況を表１に示す。表中の数値は溶損により試験片の直
径が減少した値である。この結果から、本発明の被覆は
アルミニウム合金溶湯に対する耐溶損性が優れているこ
と明らかである。

【００１９】

【表１】

【００２０】実施例２実施例１と同一鉄系材料基材の同一寸法の試験片につい
て、亜鉛合金溶湯に対する耐溶損性を調べた。先ず、ア
ルミニウム浸透法により各丸棒試験片素材の表面に厚み
１００μｍのＡｌ−Ｆｅ合金層を被覆形成した。別に、
粒度１０μｍの炭化珪素粉末３０重量％、雲母２０重量
％、濃度３０重量％の珪酸ナトリウム水溶液５０重量％
を混合し、スラリー化したセラミック層形成材を準備し
た。このスラリーの中へＡｌ−Ｆｅ合金層を被覆形成し
た丸棒試験片素材を浸漬して、全面にスラリーを塗布し
た。常温乾燥、さらに３５０℃乾燥の後、６５０℃に加
熱して、下地のＡｌ−Ｆｅ合金層へ融着させることによ
り、セラミック層を被覆形成した。この被覆セラミック
層の厚みは概略３００μｍであった。

【００２１】実施例１と同じ４種類の鉄系基材材料の本
発明被覆の試験片、並びに被覆せずに比較のために作製
した従来の塗型のみ施した試験片の合計８個を、実施例
１と同様に、図２の溶損試験装置に取り付けて試験し
た。６５０℃に保持した亜鉛合金［ＺＤＣ１］溶湯５に
２０時間浸漬して各試験片の溶損状況を調べた。各試験
片の状況を表２に示す。表中の数値は溶損により試験片
の直径が減少した値である。この結果から、本発明の被
覆は亜鉛合金溶湯に対して耐溶損効果のあることが明ら
かである。

【００２２】

【表２】

【００２３】実施例３表３に示すステンレス鋼基材の試験片について、銅合金
［黄銅］溶湯に対する耐溶損性を調べた。先ず、直径２
０ｍｍ、長さ２００ｍｍの丸棒試験片素材に溶融アルミ
ニウムめっきを施し、厚み５０μｍのアルミニウム被覆
層を形成した。この被覆層を有する試験片素材を、８０
０℃にて１時間拡散処理の加熱をして、アルミニウム被
覆層をＡｌ−Ｆｅ合金層にした。さらにこの表面に被覆
するセラミック層は、実施例１と同一組成で、同一処理
により形成した。この被覆セラミック層の厚みは概略３
００μｍであった。

【００２４】上記作製のステンレス鋼の本発明被覆試験
片、並びに被覆せずに比較のために作製した従来の塗型
のみ施した試験片について試験した。各試験片は、先端
から８０ｍｍまでの部分を、１１００℃に保持した黄銅
［ＹＢｓＣ３］溶湯に２時間浸漬して溶損状況を調べ
た。その状況を表３に示す。本発明の被覆は銅合金溶湯
に対しても耐溶損効果のあることが明らかである。

【００２５】

【表３】

【００２６】実施例４アルミニウム合金ダイカスト設備のラドルに本発明被覆
を試験適用した。容量２ｋｇ用の普通鋳鉄［ＦＣ２０
０］製のラドル素材に溶融アルミニウムめっきを施し、
厚み５０μｍのアルミニウム被覆層を形成し、さらに７
６０℃にて３時間加熱して、アルミニウム被覆層をＡｌ
−Ｆｅ合金層にした。別に、粒度１０μｍの炭化珪素粉
末２２重量％、粒度８０μｍの扁平状アルミナ３８重量
％、溶融ガラス形成材４０重量％を混合し、スラリー化
したセラミック層形成材を準備した。溶融ガラス形成材
の組成はＳｉＯ_２３０重量％、Ｂ_２Ｏ_３２５重量％、Ｃ
ａＯ２０重量％、Ｎａ_２Ｏ１３重量％、Ｋ_２Ｏ１２重量
％である。このスラリーの中へＡｌ−Ｆｅ合金層被覆し
たラドル素材を浸漬して、全面にスラリーを塗布した。
常温乾燥、さらに３５０℃乾燥の後、６５０℃に加熱し
て溶融ガラス形成材を溶融し、下地のＡｌ−Ｆｅ合金層
へ融着させることにより、セラミック層を被覆形成し
た。この被覆セラミック層の厚みは概略３００μｍであ
った。

【００２７】上記作製の本発明被覆のラドルを、概略７
５０℃のアルミニウム合金［ＡＤＣ１２］溶湯の汲み上
げ用に、連続して６０日間使用した。この使用により、
溶湯と延べ３５０００回繰返し接触して加熱冷却された
が、下地素材に溶損がないことは勿論、溶湯接触面にも
亀裂や剥離の発生がなく、健全であった。また、溶湯接
触面は比較的滑らかでノロの付着が少なく、付着したノ
ロも容易に取り除くことができた。一方、被覆処理をし
ていない従来から使用の塗型のみを施した普通鋳鉄製ラ
ドルは、手入れと塗型を毎日なされていたが、それでも
毎日少しづつ溶損があったと思われ、１週間も使用する
と、その注湯口付近の内面に片肉１ｍｍ程度の溶損が起
こっていた。このことから、本発明被覆のラドルは顕著
な耐溶損効果があり、且つ溶損がないので、Ｆｅ成分の
溶湯への溶け込みがなく、アルミニウム合金ダイカスト
製品の品質を向上させること明らかである。

【００２８】実施例５アルミニウム合金低圧鋳造設備のストークに本発明被覆
を試験適用した。外径１３５ｍｍ、内径１００ｍｍ、長
さ８００ｍｍの普通鋳鉄［ＦＣ２００］製ストーク素材
の表面に、アルミニウム浸透法により、厚み１００μｍ
のＡｌ−Ｆｅ合金層を被覆形成した。別に、粒度１０μ
ｍの炭化珪素粉末３０重量％、粒度８０μｍの扁平状ア
ルミナ２０重量％、濃度３０重量％の珪酸ナトリウム水
溶液５０重量％を混合し、スラリー化したセラミック層
形成材を準備した。このスラリーのなかへＡｌ−Ｆｅ合
金層を被覆したストーク素材を浸漬して、全面にスラリ
ーを塗布した。常温乾燥、さらに３５０℃乾燥の後、６
５０℃に加熱して、下地のＡｌ−Ｆｅ合金層へ融着させ
ることにより、セラミック層を被覆形成した。この被覆
セラミック層の厚みは概略４００μｍであった。

【００２９】上記作製の本発明被覆のストークを、低圧
鋳造設備の溶湯保持炉の概略７５０℃のアルミニウム合
金［ＡＣ４Ｂ］浴湯中に、３週間連続浸漬して使用し
た。ストークを取外して点検の結果、下地素材に溶損が
ないことは勿論、溶湯接触面にも亀裂や剥離の発生がな
く、健全であった。一方、従来から使用の被覆処理をし
ていない塗型のみ施した普通鋳鉄製ストークは、手入れ
と塗型を毎日なされていたが、２週間も使用すると、そ
の外面と内面は片肉１ｍｍ程度の溶損が起こっていた。
このことから、本発明被覆のストークは顕著な耐溶損効
果があり、且つ溶損がないのでＦｅ成分の溶湯への溶け
込みがなく、アルミニウム合金低圧鋳造製品の品質を向
上させる。

【発明の効果】本発明の非鉄金属溶湯用部材は、例えば
実施例により、アルミニウム合金、亜鉛合金、銅合金の
溶湯に用いて健全であり、優れた耐溶損性を有している
こと明らかである。また、耐溶損性が良いので基材材質
の成分が溶湯中に溶け込むことがなく、非鉄金属鋳造製
品の品質が向上する。さらに基材が鉄系材料のため、強
靱且つ安価である。これらにより、非鉄金属製品を製造
する溶解又は鋳造設備の保守作業能率の向上及び経費の
節減、並びに非鉄金属製品の品質向上に大きく寄与す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明溶湯用部材の表層部の模式断面図であ
る。

【図２】本発明実施例の溶損試験装置の正面説明図であ
る。

【符号の説明】

１；鉄系材料基材２；Ａｌ−Ｆｅ合金層
３；セラミック層４；試験片５；非鉄金属溶湯
６；試験片保持板６ａ；支持軸７；溶湯浴槽

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄系材料からなる基材表面に、基材表面
と金属的に結合したＡｌ−Ｆｅ合金層を形成し、さらに
Ａｌ−Ｆｅ合金層の表面をセラミック層で被覆した構造
にてなり、セラミック層は扁平状セラミック粉末を含
み、溶融ガラスにより結合して、Ａｌ−Ｆｅ合金層に融
着してなることを特徴とする非鉄金属溶湯用部材。
【請求項２】セラミック層に含まれる扁平状セラミッ
ク粉末は、炭化珪素、扁平状アルミナ、雲母のなかの１
種又は２種以上の粉末を含んでなることを特徴とする請
求項１に記載の非鉄金属溶湯用部材。
【請求項３】セラミック層は扁平状セラミック粉末を
２０〜７０重量％含んでなることを特徴とする請求項１
又は２の何れかに記載の非鉄金属溶湯用部材。
【請求項４】鉄系材料からなる基材表面に、基材表面
と金属的に結合したＡｌ−Ｆｅ合金層を形成し、さらに
Ａｌ−Ｆｅ合金層の表面をセラミック層で被覆した構造
にてなり、セラミック層は扁平状セラミック粉末を含
み、珪酸塩又は燐酸塩を主成分とするセラミック結合材
により結合して、Ａｌ−Ｆｅ合金層に融着してなること
を特徴とする非鉄金属溶湯用部材。
【請求項５】セラミック層に含まれる扁平状セラミッ
ク粉末は、炭化珪素、扁平状アルミナ、雲母のなかの１
種又は２種以上の粉末を含んでなることを特徴とする請
求項４に記載の非鉄金属溶湯用部材。
【請求項６】セラミック層は扁平状セラミック粉末を
２０〜７０重量％含んでなることを特徴とする請求項４
又は５の何れかに記載の非鉄金属溶湯用部材。
【請求項７】非鉄金属溶湯がアルミニウム合金溶湯で
あることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の
非鉄金属溶湯用部材。
【請求項８】非鉄金属溶湯が亜鉛合金溶湯であること
を特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の非鉄金属
溶湯用部材。
【請求項９】非鉄金属溶湯が銅合金溶湯であることを
特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の非鉄金属溶
湯用部材。