(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
六方晶窒化硼素２０〜８０重量％とＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネル８０〜２０重量％との複合焼結体の表面に、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネル質を主成分とする被膜が形成されてなり、上記複合焼結体を構成している粒子の平均の大きさが、六方晶窒化硼素については１０〜５０μｍ、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネルについては５〜４０μｍであり、鋳造設備における測温用保護管を製造するためのものであるか、又は鋳造設備におけるノズル、タンディッシュ、タンディッシュと鋳型の接続部材、堰材、ストッパー又はブレークリングのいずれかを製造するためのものであることを特徴とする溶融金属処理用部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は溶融金属処理用部材に関する。
【０００２】
本発明でいう溶融金属処理用部材とは、溶鋼等の溶融金属と直接接触して溶融金属を取り扱ったり、何らかの処理を行うのに使用される部材のことであり、鋳造設備における測温用保護管、ノズル、タンディッシュ、タンディッシュと鋳型の接続部材、堰材、ストッパー又はブレークリングのいずれかを製造するための部材、であると定義される。
【０００３】
【従来の技術】
溶融金属処理用部材は、半凝固状態を含んだ溶鋼等の溶融金属と直接接触するので、溶鋼、溶融スラグ、フラックスによって激しい浸食（溶損）を受け、頻繁に交換をしなければならない。そのため、この分野においては、溶融金属によって容易に浸食されない長寿命な溶融金属処理用部材、すなわち耐溶損性に優れた溶融金属処理用部材の出現が常に待たれている。
【０００４】
従来、溶融金属処理用部材としては、窒化硼素（ＢＮ）材、窒化硼素／窒化けい素（ＢＮ／Ｓｉ３Ｎ４）系複合材、窒化硼素／窒化アルミニウム／アルミナ（ＢＮ／ＡｌＮ／Ａｌ２Ｏ３）系複合材等が実用化されている。また、更なる耐溶損性に優れた部材の開発も進められており、窒化硼素／窒化けい素／窒化アルミニウム／アルミナ（ＢＮ／Ｓｉ３Ｎ４／ＡｌＮ／Ａｌ２Ｏ３）系複合焼結体（特開昭６０−９６５７５号公報）、窒化硼素／窒化アルミニウム／酸化マグネシウム（ＢＮ／ＡｌＮ／ＭｇＯ）系複合焼結体（特開平７−２７７８３０号公報）、更には窒化硼素／窒化けい素（ＢＮ／Ｓｉ３Ｎ４）系複合材料又は窒化硼素／サイアロン系複合材料を、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、マグネシア（ＭｇＯ）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ３）のうちから選ばれる１種以上で被覆した窒化硼素系複合材料（特開平４−２８０８８７号公報）、などの提案がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、溶融金属処理用部材の溶鋼による溶損は、溶鋼の対流によって部材が削り取られて進行する物理的要因と、溶鋼、溶融スラグ、フラックスと部材とが反応・浸食する化学的要因によって起こるものであるが、このような溶損は、上記提案によってかなり改善されたが、まだ十分とはいえない。また、上記提案による溶融金属処理用部材は、溶融金属と接触する際に生ずる急激な熱衝撃に対する配慮はなされておらず、クラックの発生しやすいものもあった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、更なる耐溶損性を改善し、しかも耐熱衝撃性を付与した溶融金属処理用部材を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、六方晶窒化硼素２０〜８０重量％とＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネル８０〜２０重量％との複合焼結体の表面に、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネル質を主成分とする被膜が形成されてなり、上記複合焼結体を構成している粒子の平均の大きさが、六方晶窒化硼素については１０〜５０μｍ、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネルについては５〜４０μｍであり、鋳造設備における測温用保護管を製造するためのものであるか、又は鋳造設備におけるノズル、タンディッシュ、タンディッシュと鋳型の接続部材、堰材、ストッパー又はブレークリングのいずれかを製造するためのものであることを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を更に詳しく説明する。
【０００９】
本発明の溶融金属処理用部材を構成する、六方晶窒化硼素とＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネルとの複合焼結体（以下、「ＢＮ／スピネル複合焼結体」という。）の組成は、六方晶窒化硼素が２０〜８０重量％、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネルが８０〜２０重量％である。六方晶窒化硼素が２０重量％未満では、耐熱衝撃性と機械加工性が低下し、また８０重量％を越えると耐溶損性が低下する。
【００１０】
本発明で使用されるＢＮ／スピネル複合焼結体には、その製造上、原料粉末から不可避的に混入する、ＳｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｒＢ２、ＺｒＯ２、ＳｉＣ等が含まれていても差し支えない。これらの割合は少ないほど好ましいが、合計で１０重量％まで許容できる。但し、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４の混入は、それらがスピネルのＡｌ２Ｏ３成分と反応してＡｌＯＮ、ＳＩＡｌＯＮ等の酸窒化物を生成し、耐溶損性を低下させるので注意が必要である。
【００１１】
本発明で使用されるＢＮ／スピネル複合焼結体を構成している粒子の平均の大きさは、六方晶窒化硼素（ＢＮ）については１０〜５０μｍ、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネルについては５〜４０μｍである。ＢＮ粒子の平均の大きさが５０μｍを越えると耐摩耗性が低下し、またスピネル粒子の平均の大きさが４０μｍを越えると耐溶損性が低下する。
【００１２】
本発明の溶融金属処理用部材は、六方晶窒化硼素粉末、ＭｇＯ粉末及びＡｌ２Ｏ３粉末からなる混合粉末、又は六方晶窒化硼素粉末とスピネル粉末の混合粉末を原料とし、常圧焼結法又は加圧焼結（ホットプレス、ＨＩＰ等）によってＢＮ／スピネル複合焼結体を製造し、それを所望形状に加工することによって作製することができる。
【００１３】
六方晶窒化硼素粉末原料の酸素量は１〜４重量％が好ましい。スピネル成分は、ＭｇＯ粉末とＡｌ２Ｏ３粉末を重量比２：３〜１：９の範囲で個別に添加しても良いし、スピネル粉末を用いてもよい。原料粉末の粒度は、９０μｍ以下、特に５０μｍ以下が好ましい。原料粉末の混合は、ボールミル、振動ミル、ミキサー等の混合機を用いて行われる。
【００１４】
常圧焼結は、金型若しくはＣＩＰを用い、成形圧０．１〜５ｔｏｎ／ｃｍ２で成形後、温度１５００〜２０００℃、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気中で行われる。ホットプレスでは、温度１５００〜２０００℃、圧力５０〜１５０ｋｇ／ｃｍ２の条件で行われる。
【００１５】
このようにして製造されたＢＮ／スピネル複合焼結体は、従来材と比較して、耐熱衝撃性を兼ね備え、耐溶損性に著しく優れたものとなる。ついで、ＢＮ／スピネル複合焼結体は、その表面にＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネル質を主成分とする被膜が形成されて本発明の溶融金属処理用部材となる。この被膜は、ＢＮ／スピネル複合焼結体を溶融金属中に浸漬させることによって形成させることができる。被膜の厚みは数〜数百μｍである。このような被覆構造によって、耐溶損性が一段と向上する。
【００１６】
削除
【００１７】
削除
【００１８】
削除
【００１９】
ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネル質被膜は、一般的に多孔質であること、スピネル同士が連続的に粒接合していること、ＢＮ／スピネル複合焼結体のスピネル粒子に比べて緻密化していること、ＢＮ／スピネル複合焼結体の界面では被膜とスピネル同士が粒接合していて密着性が大であること、などの理由から耐熱衝撃性が高く、著大な耐溶損性を示す。しかも、たとえＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネル質被膜が剥離したとしても、露出したＢＮ／スピネル複合焼結体を溶融金属に浸漬させることにより新たなＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネル質被膜が再生される特徴を有しており、上記特開平４−２８０８８７号公報の部材とは異なっているものである。
【００２０】
本発明の溶融金属処理用部材は、鋳造設備における測温用保護管を製造するための部材であるか、又は鋳造設備におけるノズル、タンディッシュ、タンディッシュと鋳型の接続部材、堰材、ストッパー又はブレークリングのいずれかを製造するための部材である。
【００２１】
測温用保護管は、溶融金属の測温を行う際に用いられる熱電対等の測温治具を収納する筒状治具である。ノズルは、取鍋に設置されタンディッシュに溶鋼を注ぎ込む器具であり、タンディッシュは、ノズルを通して取鍋から鋳型に溶鋼を注入する際の容器である。タンディッシュと鋳型との接続部材としては、例えば樋である。また、タンディッシュから鋳型への溶鋼流入の制御棒としてストッパーが使用される。更に、溶鋼の液面維持のための堰材及び水平連続鋳造プロセス等で使用されるブレークリングは溶融金属と絶えず接触している部材である。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明を実施例、比較例、参考例をあげて更に具体的に説明する。
【００２３】
参考例１〜４  比較例１、２
六方晶窒化硼素粉末（酸素量２％  平均粒径４μｍ）とＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネル粉末（平均粒子径５μｍ）を表１に示す割合とし、ボールミルで３時間、均一に混合した。それを黒鉛ダイス中に充填し、１７００℃、２時間ホットプレス焼結してＢＮ／スピネル複合焼結体を製造した。これらの複合焼結体から測温用保護管形状として直径２４ｍｍ×長さ１５０ｍｍの部材を加工した。
【００２４】
実施例１、２
参考例１で製造された保護管形状の溶融金属処理用部材を、１６００℃の溶鋼中に０．５時間又は１時間浸漬させ、厚さ５０μｍ（実施例１）又は１００μｍ（実施例２）のＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネル質被膜を形成させて本発明の溶融金属処理用部材を製造した。
【００２５】
比較例３〜５
比較例３としてＢＮ単一材を、比較例４としてＢＮ／窒化ケイ素複合焼結体を、比較例５としてＢＮ／窒化アルミニウム／アルミナ／窒化ケイ素複合焼結体を参考例１に準じて製造し、その焼結体から保護管形状の溶融金属処理用部材を作製した。なお、比較例４、５の複合焼結体のＢＮ含有量は約５０％とした。
【００２６】
これらの溶融金属処理用部材について、以下の方法に従い、耐溶損性・熱衝撃性と粒子の大きさの平均を測定した。それらの結果を表１に示す。
【００２７】
耐溶損性・耐熱衝撃性は、鋳鉄を１６００℃に加熱した溶鋼中に８時間連続浸漬させた後の直径の減少量を測定すると共に、割れ・クラックの有無を目視観察により評価した。
【００２８】
ＢＮ／スピネル複合焼結体を構成している粒子の大きさの平均は、ＳＥＭ／ＣＯＭＰＯ像（１００倍）の６０×６０ｍｍの領域について、最大のものから２０点の大きさのＢＮ及びスピネル粒子を測定し、それを平均して求めた。
【００２９】
実施例１、２と、参考例１〜４のＢＮ／スピネル複合焼結体について、Ｘ線回折により結晶相の同定を行ったところ、ＢＮ／スピネル相が検出され、それ以外の化合物は検出されなかった。更に、実施例１、２において表面に形成された被膜層のＸ線回折を行ったところ、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３スピネルが検出され、さらにＥＰＭＡ分析を行った結果、微量のＳｉ、Ｃａが検出された。
【００３０】
【表１】
0004020224.tif 000002
【００３1 】
【発明の効果】
本発明の溶融金属処理用部材は、耐溶損性に極めて優れ、しかも耐熱衝撃性をも兼ね備えたものとなる。