(57)【要約】【課題】アルミニウム溶湯を扱う際の鋳鉄部材に由来する鉄や珪素による高純度アルミニウム製品の汚染を容易に防ぐことができる鋳鉄部材、その簡便な製造方法、および当該部材を用いたアルミニウム溶湯から高純度アルミニウム製品を製造する方法を提供するものである。【解決手段】砂型鋳造した鋳鉄部材の自然酸化皮膜の表面をブラスト処理し、その後に熱処理を施して形成される熱処理酸化皮膜層を有する耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材、その製造方法、さらに溶湯保持容器中でＦｅの含有量が0.5ｐｐｍ以下であり、Ｓｉの含有量が0.5ｐｐｍ以下であるアルミニウム溶湯を調製する工程、生成したアルミニウム溶湯を前記耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材からなる湯口から鋳型に注加する工程を包含するＦｅの含有量が0.5ｐｐｍ以下であり、Ｓｉの含有量が0.5ｐｐｍ以下であるアルミニウム成形体の製造方法を提供する。【選択図】図１
2014136829.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
砂型鋳造した鋳鉄部材の自然酸化皮膜の表面をブラスト処理し、その後に熱処理を施して形成される熱処理酸化皮膜層を有する耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材。
【請求項２】
前記ブラスト処理が、鋳鉄又は鋳鋼の球形粒子又は非球形粒子を投射材として実施されるブラスト処理である請求項１に記載の耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材。
【請求項３】
ブラスト処理した鋳鉄部材の前記熱処理が、大気雰囲気の熱処理炉内において６００〜９００℃の温度範囲に２〜７時間保持した後に炉冷又は空冷して行われる請求項１または２に記載の耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材。
【請求項４】
形成される前記熱処理酸化皮膜層が、鋳鉄部材の母材表面に接して形成される第１の層および前記第１の層に接して母材の反対側に形成される第２の層からなる熱処理酸化皮膜層である請求項１〜３のいずれかに記載の耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材。
【請求項５】
自然酸化皮膜が砂型由来の珪素を含有する自然酸化皮膜である請求項１〜４のいずれかに記載の耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材。
【請求項６】
鋳鉄部材の母材表面に接して形成される前記第１層の厚さが２０〜６０μｍである請求項４に記載の耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材。
【請求項７】
前記第２層の厚さは、２０〜１２０μｍである請求項４または６に記載の耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材。
【請求項８】
砂型鋳造した鋳鉄部材の自然酸化皮膜の表面をブラスト処理する工程、ブラスト処理した前記鋳鉄部材を熱処理する工程を包含する熱処理酸化皮膜層を有する耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材の製造方法。
【請求項９】
前記ブラスト処理が、鋳鉄又は鋳鋼の球形粒子又は非球形粒子を投射材として実施されるブラスト処理である請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】
ブラスト処理した鋳鉄部材の前記熱処理が、大気雰囲気の熱処理炉内において６００〜９００℃の温度範囲に２〜７時間保持した後に炉冷又は空冷して行われる請求項８または９に記載の製造方法。
【請求項１１】
形成される前記熱処理酸化皮膜層が、鋳鉄部材の母材表面に接して形成される第１の層および前記第１の層に接して母材の反対側に形成される第２の層からなる熱処理酸化皮膜層である請求項８〜１０のいずれかに記載の製造方法。
【請求項１２】
自然酸化皮膜が砂型由来の珪素を含有する自然酸化皮膜である請求項８〜１１のいずれかに記載の製造方法。
【請求項１３】
鋳鉄部材の母材表面に接して形成される前記第１層の厚さが２０〜６０μｍである請求項１１に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記第２層の厚さは、２０〜１２０μｍである請求項１１または１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
アルミニウム溶湯を前記１〜７のいずれかに記載の耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材からなる湯口から鋳型に注加する工程を包含するアルミニウム成形体の製造方法。
【請求項１６】
溶湯保持容器中でＦｅの含有量が０．３ｐｐｍ以下であり、Ｓｉの含有量が０．５ｐｐｍ以下であるアルミニウム溶湯を調製する工程、生成したアルミニウム溶湯を前記１〜７のいずれかに記載の耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材からなる湯口から鋳型に注加する工程を包含するＦｅの含有量が０．５ｐｐｍ以下であり、Ｓｉの含有量が０．５ｐｐｍ以下であるアルミニウム成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウムの鋳造に使用される耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウムの鋳造製品を溶解製造する機器として、溶湯に接触する湯口、ストーク、ラドル、熱電対保護管、金型の部材として耐アルミニウム溶湯溶損性鋳鉄が知られており、溶損を少なくするため、特定組成の溶湯溶損性の鋳鉄の表面を切削し、酸化皮膜である黒皮を除去し、その後、熱処理する方法が知られている（特許文献１）。しかしながら、前記文献記載の方法では、黒鉛鋳鉄品の表面を500μｍ程度切除し、表面黒皮を除き、鋳鉄組織中の黒鉛の断面を幅広に露出させ、その後、熱処理をし、表面に所定深さの脱炭素層を形成している。こうして鋳鉄品の表層部に存在する黒鉛を消費し、空孔または間隙が生ずる。その後に熱処理により生成した表面スケールを除去して、鋳鉄品は仕上げられる。このように処理された鋳鉄品は、表面が脱炭素層で覆われているので、アルミニウム溶湯に接触させると、脱炭層の空孔において、酸化アルミニウム皮膜が優先的に生成し、低融点の鉄アルミニウム合金の生成が阻止される。前記酸化アルミニウム皮膜は、鋳鉄品をアルミニウム溶湯に浸漬して使用しているときは、鋳鉄の表面を保護するのに役立つが、鋳鉄品をアルミニウム溶湯中から引き上げた後では、凝固したアルミニウムとともに鋳鉄品の表面から容易に剥離するという過程を繰り返し鋳鉄品の表面を保護する方法が開示されている。特許文献２には、同様の用途の鋳鉄材に関して、鋳型を除いた後の鋳放し材を酸洗して、酸化皮膜を除去し、その後、熱処理して微細空孔含む脱炭層を形成する方法が開示されている。特許文献３には、Ｆｅ母材料に高温で酸窒化膜とセラミック塗膜を形成する溶射コーティングを施す方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】日本国特許第4796994号
【特許文献２】特開２０１０−２４８５７１
【特許文献３】特開平１０−７１６７５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、これらの方法では、表面の酸化膜層を切除したり、酸で洗って除去する工程が必要であったり、あるいは溶射といった煩雑な工程が必要であったり、鋳鉄部材の形状によっては、適用し難いなどの問題点があった。また、これらの方法により、溶損の問題の解決は、期待できたとしても、これらの方法で製造される鋳鉄部材は、高純度のアルミニウムの製造の際に、砂型鋳造されるため、鉄と砂成分であるシリカ（ＳｉＯ２）由来の珪素の２元素が主な汚染元素となるおそれがあった。本発明は、アルミニウム溶湯を扱う際の鋳鉄部材に由来する鉄や珪素による高純度アルミニウム製品の汚染を容易に防ぐことができる鋳鉄部材、その簡便な製造方法、および当該部材を用いたアルミニウム溶湯から高純度アルミニウム製品を製造する方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、砂型鋳造した鋳鉄部材の自然酸化皮膜の表面をブラスト処理し、その後に熱処理を施して形成される熱処理酸化皮膜層を有する耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材（本発明の耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材と称することもある）、その製造方法、さらに溶湯保持容器中でＦｅの含有量が0.5ｐｐｍ以下であり、Ｓｉの含有量が0.5ｐｐｍ以下であるアルミニウム溶湯を調製する工程、生成したアルミニウム溶湯を前記耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材からなる湯口から鋳型に注加する工程を包含するＦｅの含有量が0.5ｐｐｍ以下であり、Ｓｉの含有量が0.5ｐｐｍ以下であるアルミニウム成形体の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本願発明によれば、アルミニウム溶湯から高純度アルミニウム製品を製造する際に使用する鋳鉄部材に由来する鉄や珪素による汚染を容易に防ぐことができる。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本願発明は、以下の実施形態を含む。
１．砂型鋳造した鋳鉄部材の自然酸化皮膜の表面をブラスト処理し、その後に熱処理を施して形成される熱処理酸化皮膜層を有する耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材。
２．前記ブラスト処理が、鋳鉄又は鋳鋼の球形粒子又は非球形粒子を投射材として実施されるブラスト処理である前記１に記載の耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材。
３．ブラスト処理した鋳鉄部材の前記熱処理が、大気雰囲気の熱処理炉内において６００〜９００℃の温度範囲に２〜７時間保持した後に炉冷又は空冷して行われる前記１または２に記載の耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材。
４．形成される前記熱処理酸化皮膜層が、鋳鉄部材の母材表面に接して形成される第１の層および前記第１の層に接して母材の反対側に形成される第２の層からなる熱処理酸化皮膜層である前記１〜３のいずれかに記載の耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材。
５．自然酸化皮膜が砂型由来の珪素を含有する自然酸化皮膜である前記１〜４のいずれかに記載の耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材。
６．鋳鉄部材の母材表面に接して形成される前記第１層の厚さが２０〜６０μｍである前記４に記載の耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材。
７・前記第２層の厚さが、２０〜１２０μｍである前記４または６に記載の耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材。
８．砂型鋳造した鋳鉄部材の自然酸化皮膜の表面をブラスト処理する工程、ブラスト処理した前記鋳鉄部材を熱処理する工程を包含する熱処理酸化皮膜層を有する耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材の製造方法。
９．前記ブラスト処理が、鋳鉄又は鋳鋼の球形粒子又は非球形粒子を投射材として実施されるブラスト処理である前記８に記載の製造方法。
１０．ブラスト処理した鋳鉄部材の前記熱処理が、大気雰囲気の熱処理炉内において６００〜９００℃の温度範囲に２〜７時間保持した後に炉冷又は空冷して行われる前記８または９に記載の製造方法。
１１．形成される前記熱処理酸化皮膜層が、鋳鉄部材の母材表面に接して形成される第１の層および前記第１の層に接して母材の反対側に形成される第２の層からなる熱処理酸化皮膜層である前記８〜１０のいずれかに記載の製造方法。
１２．自然酸化皮膜が砂型由来の珪素を含有する自然酸化皮膜である前記８〜１１のいずれかに記載の製造方法。
１３．鋳鉄部材の母材表面に接して形成される前記第１層の厚さが２０〜６０μｍである前記１１に記載の製造方法。
１４．前記第２層の厚さは、２０〜１２０μｍである前記１１または１３に記載の製造方法。
１５．アルミニウム溶湯を前記１〜７のいずれかに記載の耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材からなる湯口から鋳型に注加する工程を包含するアルミニウム成形体の製造方法。
１６．溶湯保持容器中でＦｅの含有量が0.3ｐｐｍ以下であり、Ｓｉの含有量が0.5ｐｐｍ以下であるアルミニウム溶湯を調製する工程、生成したアルミニウム溶湯を前記１〜７のいずれかに記載の耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材からなる湯口から鋳型に注加する工程を包含するＦｅの含有量が0.5ｐｐｍ以下であり、Ｓｉの含有量が0.5ｐｐｍ以下であるアルミニウム成形体の製造方法。
【０００８】
前記耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材は、典型的には、砂型鋳造した鋳鉄部材の自然酸化皮膜の表面をブラスト処理する工程、ブラスト処理した前記鋳鉄部材を熱処理する工程を包含する製造方法によって製造される。
【０００９】
鋳鉄部材としては、典型的には、球状黒鉛鋳鉄などが例示される。典型的な不純物組成としては、炭素：3.6〜3.9%（質量％以下の組成の数値も質量％を表す。）、珪素：2.2〜3.0％、マンガン：0.35％以下、リン：0.08％以下、硫黄：0.020％以下の組成が例示される。
【００１０】
前記自然酸化皮膜は、通常、砂型の砂成分であるシリカ由来の珪素を含有する自然酸化皮膜である。自然酸化皮膜は、通常、約４０〜１７０μｍの範囲にあり、平均厚さは、約１００μｍである。前記ブラスト処理は、典型的には、鋳鉄又は鋳鋼の球形粒子又は非球形粒子を投射材として実施される。ブラスト処理の投射材としては、例えば、炭素：0.85〜1.2%（質量％以下の組成の数値も質量％を表す。）、珪素：0.40〜1.50％、マンガン：0.60〜1.20％、リン：0.05％以下、硫黄：0.05％以下のものが例示されるが、これらのものに限定されるものではない。
【００１１】
ブラスト処理としては、ブラスト後の自然酸化皮膜中にシリカが混在している表面状態までブラスト処理すればよく（かかるシリカの存在は、ＳＥＭ観察およびＥＰＭＡ分析で確認できる。）、ブラスト処理された鋳鉄を大気雰囲気で熱処理することで、鋳鉄母材の表面に接し、酸化皮膜中にシリカが混在していてもよい第１層と、前記第１層に接して母材の反対側に新たに形成された酸化皮膜の第２層からなる熱処理酸化皮膜層を有する鋳鉄部材が得られる。かかる熱処理酸化皮膜層は、その生成する酸化皮膜に欠損部が無く、皮膜の接着強度も向上し、耐Ｆｅ汚染性を有する。また、シリカは新たに形成された酸化皮膜の第２層で覆われるため、耐Ｓｉ汚染性も有する。ブラスト処理した鋳鉄部材の前記熱処理は、典型的には、大気雰囲気の熱処理炉内において６００〜９００℃の温度範囲で行われる。前記処理は通常、所定温度範囲に、通常、２〜７時間保持して行われる。次いで、熱処理された鋳鉄部材は、炉冷又は空冷される。前記ブラスト処理では、前記自然酸化皮膜を全て除く必要はなく、その表面の一部を除くだけでよい。
前記ブラスト処理後の鋳鉄部材を熱処理することにより、第２層の形成とともに、第１層の皮膜厚さも熱処理前に比べて厚くなり、酸化皮膜と鋳鉄母材の間に存在するかもしれない連続的な空洞が極めて小さくなり、皮膜の接着強度が向上する。また、ブラスト処理された鋳鉄部材の母材に接する酸化皮膜に欠損部が存在しても、熱処理後、欠損部への酸化皮膜形成が起こり、欠損部の無い緻密な第１層が形成される。
【００１２】
かくして、鋳鉄部材の母材表面に接して形成される前記第１の層、および前記第１の層に接して母材の反対側に形成される前記第２の層からなる熱処理酸化皮膜層を有する鋳鉄部材が得られる。得られる前記鋳鉄部材の母材表面に接して形成される前記第１層の厚さは、通常、２０〜６０μｍである。また前記第２の層の厚さは、通常、２０〜１２０μｍである。かかる工程により、本発明の耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材は、製造される。
【００１３】
このようにして製造された前記耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材は、典型的には、アルミニウム溶湯に接触する湯口として使用される。黒鉛や耐火レンガ等からなる溶湯保持容器中で調製したアルミニウム溶湯を、かかる簡便な方法により製造される湯口から鋳型に注加することにより、生成するアルミニウム成形体中の鋳鉄や砂型由来のＦｅおよびSiによる汚染が抑えられる。
【００１４】
例えば、Ｆｅの含有量が0.5ｐｐｍ以下であり、Ｓｉの含有量が0.5ｐｐｍ以下であるアルミニウム溶湯を調製し、生成したアルミニウム溶湯を前記湯口から鋳型に注加することにより、Ｆｅの含有量が0.5ｐｐｍ以下であり、Ｓｉの含有量が0.5ｐｐｍ以下であるアルミニウム成形体が得られる。高純度のアルミニウム、例えば、純度６Ｎより純度の高いアルミニウム成形体の製造に適している。
【実施例】
【００１５】
以下実施例により、本願発明を説明するが、本願発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【００１６】
実施例１
砂型で前記黒鉛鋳鉄を鋳造後、砂型を除いた鋳放し材をブラスト処理し、平均して、表面約70μｍを除去したのち、大気中、740℃で3.5時間熱処理した。得られた鋳鉄サンプルを用いて下記の条件下、浸漬試験を行った。
【００１７】
参考例１
実施例１と同様にブラスト処理し、平均して、表面約70μｍを除去し、熱処理を行わずに得られた鋳鉄サンプルを用いて下記の浸漬試験を行った。
【００１８】
参考例２
実施例１と同様にブラスト処理し、平均して、表面約90μｍを除去し、熱処理を行わずに得られた鋳鉄サンプルを用いて下記の浸漬試験を行った。
【００１９】
比較例１
実施例１と同様の方法で得られた鋳鉄の鋳放し材の表面約0.5ｍｍを切削し、表面の自然酸化膜を除去し、鋳鉄母材の新生面を出して、実施例１と同様に熱処理を行わずに得られた鋳鉄サンプルを用いて下記の浸漬試験を行った。
【００２０】
（１）浸漬試験用アルミニウム
浸漬試験用アルミニウムとして、下記の高純度アルミニウムを使用した。ＩＣＰ発光分析およびＧＤＭＳ分析により実施した浸漬試験用アルミニウム中の不純物の分析値を下記に示す。
＜浸漬試験用アルミニウムの分析値＞
三層電解法により精製して得た純度５Ｎ（99.999%）以上のアルミニウムを一方向凝固により精製して得られた純度６Ｎのアルミニウム。
・ 純度：99.9999%（不純物３５元素合計＜1ppm）
・ 主要不純物であるＳｉ、Ｆｅ、ＣｕおよびＭｇのＩＣＰ発光分析値：≦0.5ppm、≦0.3、≦0.1ppm、≦0.1ppm
・ 主要不純物であるＳｉ、Ｆｅ、ＣｕおよびＭｇのＧＤＭＳ分析値：0.16ppm、0.059ppm、0.077ppm、0.090ppm（４元素合計＜0.4ppm）
【００２１】
（２）浸漬試験用鋳鉄
浸漬試験用鋳鉄として、下記の鋳鉄を使用した。また、前記実施例および比較例で得られた鋳鉄の表面性状の測定・評価結果を表１に示す。
材質：球状黒鉛鋳鉄
・ 鋳鉄の化学成分：炭素：3.6〜3.9%、珪素：2.2〜3.0％、マンガン：0.35％以下、リン：0.08％以下、硫黄：0.020％以下（いずれも質量％を表す。）
・ 寸法：２５×２５×１７０ｍｍ
【００２２】
【表１】
2014136829.tif 000003
【００２３】
（３）浸漬試験
内径１４５×深さ１７５ｍｍの黒鉛坩堝内に王水で酸洗した浸漬試験用アルミニウム２８００ｇを仕込み、アルゴン雰囲気中、７２５℃で溶解・保持し、浸漬試験用鋳鉄の浸漬前のアルミニウム溶湯をサンプリングした。次に、窒素雰囲気中、６００℃で予熱した浸漬試験用鋳鉄を溶湯中に浸漬した。浸漬深さは約１３０ｍｍであった。次に、２時間浸漬保持後の溶湯をサンプリングした。サンプリングした溶湯中の不純物の分析をＩＣＰ発光分析により実施した。汚染が懸念されるＦｅおよびＳｉの２元素を分析元素に選定した。
【００２４】
（４）浸漬試験結果
前記サンプリングした溶湯中の不純物である鉄および珪素のＩＣＰ発光分析値および浸漬試験後の鋳鉄の表面性状の評価結果を表２に示す。
【００２５】
【表２】
2014136829.tif 000004
【００２６】
＜浸漬試験評価結果＞
実施例および比較例共に、分析の結果、鉄および珪素以外のその他元素の汚染がないことを分析により確認した。
比較例１対し、参考例２では大幅に鉄濃度が低減したが、２．４ｐｐｍの鉄汚染は（微量汚染の領域であるが）純度６Ｎ以上の高純度アルミニウムにとって、クリティカルな問題である。また、微量ではあるがSiも検出された。砂型起因のSiであると考えられる。
参考例１と２の比較から、ブラストでの表面除去量が多い参考例２では、浸漬試験後の皮膜の剥がれが見られ、このことから、鋳鉄部材の繰り返し使用による皮膜の剥がれ、長期使用での信頼性低下が懸念されるため、ブラストでの表面除去量はできるだけ少ない方が好ましい。すなわち、熱処理による第１層の成長もあると考えられるが、第１層の皮膜厚さは厚いほうが好ましく、その厚さは、例えば、２０〜６０μｍが好ましい。
参考例１では、微量ではあるがＳｉ汚染が検出された。ブラストでの表面除去量を少なくした為、Ｓｉ汚染に影響したと考えられる。０．６ｐｐｍのSiは（微量汚染の領域であるが）純度６Ｎ以上の高純度アルミニウムにとって、クリティカルな問題である。
実施例１では、鉄およびSiが発生せず、かつ、酸化皮膜の剥がれ欠損の無い耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
高純度のアルミニウム等の製造に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】耐汚染性アルミニウム溶湯用鋳鉄部材の断面模式図。
【符号の説明】
【００２９】
１：鋳鉄母材
２：第１層（砂由来のシリカ（ＳｉＯ２）が混在したFeの酸化皮膜、図中の白い点が砂のイメージを表す。）
３：第２層（熱処理により、新たに形成された砂の無いFeの酸化皮膜）
【図１】
2014136829.tif 000005