(57)【要約】    【課題】  窒化ケイ素系セラミックスの耐熱衝撃性を向上させ、使用時に熱衝撃により破壊することを防止できるアルミニウムの連続鋳造用鋳型を提供する。    【解決手段】  アルミニウムの連続鋳造に際し、鋳型の内面に沿って溶湯を凝固させる中空円筒状の鋳型であって、アルミニウム溶湯と接触する部分が、窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなり、該焼結体の常温における熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。また前記窒化ケイ素を主成分とする焼結体は、アルミニウムの含有量が０．２重量％以下、酸素の含有量が５．０重量％以下であることを特徴とする。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムの連続鋳造に際し、鋳型の内面に沿って溶湯を凝固させる中空円筒状の鋳型であって、アルミニウム溶湯と接触する部分が、窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなり、該焼結体の常温における熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする連続鋳造用鋳型。
【請求項２】
前記窒化ケイ素を主成分とする焼結体は、アルミニウムの含有量が０．２重量％以下、酸素の含有量が５．０重量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造用鋳型。
【請求項３】
前記窒化ケイ素を主成分とする焼結体は、相対密度が９８％以上であり、常温における４点曲げ強度が７００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の連続鋳造用鋳型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウムやアルミニウム合金の連続鋳造に用いられ、鋳型の内面に沿ってアルミニウム溶湯を凝固させる中空円筒状の鋳型に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からアルミニウムを連続鋳造するのに際し、中空円筒状の鋳型の内面にアルミニウム溶湯を導入して、鋳型の内面で溶湯が移動するに従い冷却されて凝固を開始し、連続的に凝固した鋳塊を得ることが行なわれている。アルミニウム連続鋳造に用いられる中空円筒状の部材として鋳型をはじめ各種の提案がなされている。
【０００３】
特許文献１には、溶融した金属を受ける中空形状の溶湯受けと、溶湯受けの下方に連接され、内部に溶湯を冷却するための冷媒が貫流される中空形状の冷却鋳型と、溶湯受けおよび冷却鋳型の内側に挿通される中空形状のスリーブとから構成される連続鋳造用鋳型が記載されている。また、前記スリーブの材質には鋳塊に対して滑り性を有する黒鉛、セラミックス等が使用可能であることが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、アルミニウムの連続鋳造に際し、上下に開放した鋳型の上部から鋳型内にアルミニウム溶湯を供給する円環状のスパウトであって、断熱材料からなる内層と高強度材料からなる外層の二層から構成されるアルミニウムの連続鋳造用スパウトが記載されている。また、その比較例１には、内層を曲げ強度５．９〜７．６ＭＰａ、熱伝導率１８．４２Ｗ／（ｍ・Ｋ）の窒化ケイ素とし、外層を鋳鉄とした例が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１０８７８２号公報
【特許文献２】特開平９−２７１９１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のアルミニウム連続鋳造用鋳型材料である黒鉛は、高温条件下で安定で強度があり、耐熱衝撃性も良好なことから多く用いられているが、溶湯に対して溶損しやすいという問題がある。そこで、鋳塊に対して滑り性に優れ、黒鉛に比べ溶湯に対し侵食され難く耐溶損性が向上した材料として、窒化ケイ素系セラミックスが挙げられる。しかしながら、従来の窒化ケイ素系セラミックスは、耐熱衝撃性が未だ十分といえず、昇温、冷却を繰り返す使用時に熱衝撃により破壊するおそれがあった。
【０００７】
したがって、本発明は、窒化ケイ素系セラミックスの耐熱衝撃性を向上させ、使用時に熱衝撃により破壊することを防止できるアルミニウムの連続鋳造用鋳型を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明の連続鋳造用鋳型は、アルミニウムの連続鋳造に際し、鋳型の内面に沿って溶湯を凝固させる中空円筒状の鋳型であって、アルミニウム溶湯と接触する部分が、窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなり、該焼結体の常温における熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明において窒化ケイ素を主成分とする焼結体は、アルミニウムの含有量が０．２重量％以下、酸素の含有量が５．０重量％以下であることを特徴とする。さらに、窒化ケイ素を主成分とする焼結体は、相対密度が９８％以上であり、常温における４点曲げ強度が７００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、鋳型を形成する材料自体の熱伝導率を高めることにより、鋳型の内面を通るアルミニウム溶湯による昇温、アルミニウム溶湯を凝固させるために鋳型の外面を冷却させることを繰り返しても、それらの熱が鋳型の表面を経て内部まで速く到達して耐熱衝撃性が高まる。
【００１１】
従来の窒化ケイ素系セラミックス焼結体は、常温における熱伝導率が高々３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であるが、本発明における窒化ケイ素系セラミックス焼結体は、焼結体中に不純物として存在するアルミニウムおよび酸素の含有量を低減することにより、好ましくは焼結体中のアルミニウムの含有量を０．２重量％以下、酸素の含有量を５．０重量％以下とすることにより、常温における熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上にすることができる。常温における熱伝導率が６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるのがより好ましい。
【００１２】
窒化ケイ素系焼結体中に不純物として存在する異種イオン、特にアルミニウム、酸素はフォノン散乱源となり熱伝導率を低減させる。窒化ケイ素系焼結体は、窒化ケイ素粒子相とその周囲の粒界相とから構成され、アルミニウムおよび酸素はこれら二相にそれぞれ含有される。アルミニウムは、窒化ケイ素の構成元素であるケイ素のイオン半径に近いため窒化ケイ素粒子内に容易に固溶する。アルミニウムの固溶により窒化ケイ素粒子自身の熱伝導率が低下し、結果として焼結体の熱伝導率が著しく低下する。
【００１３】
また、焼結助剤として主に酸化物を添加するため、酸素の多くは粒界相成分として存在する。焼結体の高熱伝導化を達成するには、主相の窒化ケイ素粒子に比べて熱伝導率が低い粒界相の量を低減することが重要である。そこで、窒化ケイ素系セラミックス焼結体の表面において、窒化ケイ素系セラミックス焼結体を構成する窒化ケイ素粒子と粒界相の合計の面積率を１００％としたとき、窒化ケイ素粒子が面積率で７０〜９９．９％を占有することが望ましい。
【００１４】
さらに、機械的応力および衝撃に十分に耐えられるように、窒化ケイ素系セラミックス焼結体は、相対密度が９８％以上であり、常温における４点曲げ強度が７００ＭＰａ以上であることが望ましい。
【００１５】
また、窒化ケイ素系セラミックス焼結体中のβ型窒化ケイ素粒子のうち、短軸径５μｍ以上のβ型窒化ケイ素粒子の割合が、１０体積％以上では焼結体の熱伝導率は向上するが、組織中に導入された粗大粒子が破壊の起点として作用するため破壊強度が低下する。したがって、窒化ケイ素系セラミックス焼結体中のβ型窒化ケイ素粒子のうち、短軸径５μｍ以上のβ型窒化ケイ素粒子の割合が１０体積％未満であるのが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１に本発明のアルミニウム連続鋳造用鋳型の一例の概略断面図を示す。図１において、アルミニウムの連続鋳造用鋳型１は、窒化ケイ素系焼結体からなるスリーブ本体２とスリーブ本体２の中央部に開口された溶湯導入部３とから構成される。溶湯導入部３の上部からアルミニウム溶湯を供給して、鋳型１の内面で溶湯が移動するに従い冷却されて凝固を開始し、連続的に凝固した鋳塊を得て、溶湯導入部３の下部から鋳塊を引き抜く。
【００１７】
本発明のアルミニウムの連続鋳造用鋳型は次のように作製した。まず、平均粒径０．５μｍの窒化ケイ素粉末に、焼結助剤として、平均粒径０．２μｍの酸化マグネシウム粉末を３．０重量％、平均粒径２．０μｍの酸化イットリウム粉末を３．０重量％添加し、適量の分散剤を加えエタノール中で粉砕、混合した。次いで、噴霧乾燥後、篩を通して造粒した後、ゴム型に充填し、静水圧により冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）を行うことにより成形体を作製した。この成形体を１７００〜１９００℃の不活性ガス雰囲気中で所定時間焼成し、窒化ケイ素系セラミックス焼結体からなる連続鋳造用鋳型を得た。
【００１８】
また、前記本発明の窒化ケイ素系セラミックス焼結体から、直径１０ｍｍ×厚さ３ｍｍの熱伝導率および密度測定用の試験片、縦３ｍｍ×横４ｍｍ×長さ４０ｍｍの４点曲げ試験片を採取した。密度はＪＩＳ  Ｒ２２０５に基づいてアルキメデス法から求めた。相対密度はＪＩＳ  Ｒ２２０５に準拠したアルキメデス法により実測密度を求めこれを計算により算出した理論密度で除した値とした。熱伝導率はレーザーフラッシュ法ＪＩＳ  Ｒ１６１１に準拠して常温での比熱および熱拡散率を測定し熱伝導率を算出した。４点曲げ強度は常温にてＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠して測定を行った。
【００１９】
また、窒化ケイ素粒子の面積％は、焼結体をフッ化水素酸にて粒界ガラス相を溶出することにより、窒化ケイ素粒子を個々に取り出しＳＥＭ観察して求めた。窒化ケイ素系焼結体中のアルミニウム含有量は誘導プラズマ発光分析法（略称ＩＣＰ法）により、酸素含有量は赤外線吸収法により測定した。
【００２０】
本発明の連続鋳造用鋳型を形成する窒化ケイ素系焼結体は、相対密度が９９％、常温における熱伝導率が６８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、常温における４点曲げ強度が９００ＭＰａであった。また、窒化ケイ素系セラミックス焼結体を構成する窒化ケイ素粒子と粒界相の合計の面積率を１００％としたとき、窒化ケイ素粒子が面積率で９５％であった。さらに、窒化ケイ素系焼結体中のアルミニウムの含有量は０．０２重量％、酸素の含有量は０．５重量％であった。
【００２１】
本発明の連続鋳造用鋳型を用いて、溶湯導入部３にアルミニウムの溶湯（約８３０℃）を供給し、鋳型のスリーブ本体２の外面を冷却水（約２０℃）で冷却して連続鋳造を行ったところ、約１ヶ月の連続使用後、鋳型は侵食が殆ど見られず、熱伝導率が５０W／（ｍ・Ｋ）以上であるため鋳型の表面に亀裂は見られず耐熱衝撃性に優れることを確認できた。また、侵食によって溶湯の汚染がないので高品質なアルミニウム鋳塊が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明のアルミニウムの連続鋳造用鋳型によれば、高い熱伝導率を有する窒化ケイ素系材料で鋳型を構成することにより、鋳型が破壊し難く耐用寿命の長く、高品質なアルミニウム鋳塊を安定して生産できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のアルミニウム連続鋳造用鋳型の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  鋳型、  ２  スリーブ本体、  ３  溶湯導入部
【図１】
2005059084.tif 000002