(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミ溶湯を扱う部材の表面にライニングされる複合セラミックス材料からなるアルミ溶湯用ライニング材であって、前記複合セラミックス材料が、ムライト成分を８０重量％以上含むアルミナシリカ長繊維でなるクロスと、アルミナシリカを主成分として調製したマトリックスとで構成されていることを特徴とするアルミ溶湯用ライニング材。
【請求項２】
複合セラミックス材料の表面にシリカ層が形成されている請求項１に記載のアルミ溶湯用ライニング材。
【請求項３】
マトリックス中においてムライト成分が４０重量％以上含まれている請求項１または２に記載のアルミ溶湯用ライニング材。
【請求項４】
アルミ溶湯を扱う部材が加熱される構造とされている請求項１乃至請求項３に記載のアルミ溶湯用ライニング材。
【請求項５】
アルミ溶湯を扱う部材の表面にライニングされる複合セラミックス材料からなるアルミ溶湯用ライニング材であって、前記複合セラミックス材料が、ムライト成分を８０重量％以上含むアルミナシリカ長繊維でなるクロスとアルミニウム塩を含むマトリックスとで構成されていることを特徴とするアルミ溶湯用ライニング材。
【請求項６】
アルミ溶湯を扱う部材がヒータで加熱される構造とされている請求項５に記載のアルミ溶湯用ライニング材。
【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（以下、単にアルミと言う）の鋳造設備に用いられるライニング部材に関する。より具体的には、ストーク、ラドル、樋、湯溜まり等のアルミ溶湯を扱う部材のアルミ溶湯が接する部分にライニングされる部材の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミ鋳造設備におけるストークやラドル等においては、アルミ溶湯に接触する部分を鋳鉄や一体成形した窒化珪素セラミックスで構成したものが知られている。また、これらの部材の溶損を抑制するために、それらの材質の表面に窒化ホウ素（ＢＮ）等のコーティング材を塗布することが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
鋳鉄は、溶損が激しく、部材を頻繁に交換しなければならないという問題がある。この問題に対処する手段として、鋳鉄のアルミ溶湯に接する表面に窒化ホウ素等をコーティングする技術がある。しかし、コーティング材は、基材（鋳鉄）との熱膨張係数の違いにより剥がれやすく、頻繁な保守作業（コーティングのやり直し作業）が必要とされ、メンテナンスの点で問題がある。
【０００４】
他方、窒化珪素セラミックス材料は、アルミ溶湯に対する耐久性に優れているが、複雑な形状を作製するのに適していない（高コストで作製も難しい）という問題がある。また、熱衝撃に弱く、頻繁にアルミニウム溶湯のくみ出し、流し出しが行われる部位に利用することには問題があった。
【０００５】
また、ストークを加熱することで内部を移動する溶湯の温度が低下しないようにする構造が採用される場合があるが、鋳鉄でストークを構成した場合、加熱によりさらにストーク自体を傷めてしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述したような問題を発生することがなく、アルミ溶湯に対する耐久性が高い新規なアルミ溶湯用ライニング材を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明はアルミ溶湯を扱う部材の表面にライニングする部材であって、該部材は、ムライト成分を８０重量％以上含むアルミナシリカ長繊維でなるクロスと、アルミナシリカを主成分として調製したマトリックスとで構成されていることを要旨としている。
【０００８】
アルミナシリカ繊維は、ムライト成分を８０重量％以上含むものであることが好ましい。これはマトリックス中で生成されるムライト成分との共通性を高めることで、複合材料としての一体性を高めるために必要とされる。
【０００９】
本発明におけるアルミナシリカ繊維は、アルミナ成分とシリカ成分でなるもの、あるいは両成分を主としたものとして定義される。
そして、ムライト成分を８０重量％以上含むというのは、耐熱材料として実際に使用している状態におけるもの、あるいは焼成または高温環境下で耐熱材料として利用されることで、ムライト成分が生成され、その割合が８０重量％以上となるようなアルミナシリカ繊維として定義される。
これは、本発明においては、実際に耐熱材料として使用する段階におけるアルミナシリカ繊維中のムライト成分の割合が重要であるからである。
【００１０】
焼成前の段階や高温にさらされていない状態では、アルミナ成分とシリカ成分が所定の配合で含まれていてもムライト質を示さない、あるいはアルミナ成分とシリカ成分の配合割合から算出される割合でムライト成分が観察されないアルミナシリカ繊維も存在する。
【００１１】
即ち、アルミナ成分とシリカ成分をムライト成分が生成される程度の配合で含んでいても、Ｘ線回折による結晶構造の観察において、ムライト成分のピークが観察されなかったり、ピークの強度が想定されるものより弱いアルミナシリカ繊維も存在する。
これは、繊維中において、アルミナ成分とシリカ成分がムライト成分と認められる結晶構造を構成しておらず、単に混在している状態（アルミナ成分とシリカ成分がムライト成分の生成に寄与していない状態）もあるからである。
【００１２】
このような繊維であってもアルミナ成分とシリカ成分とが所定の配合で含まれていれば、１０００℃以上の温度にさらされた状態でその配合割合に従ってムライト成分が生成される。即ち、焼成後、あるいは使用状態においてムライト成分が生成される。
このようなアルミナシリカ繊維もムライト成分が生成された状態において、その割合が８０重量％以上となるものであれば、本発明における「ムライト成分を８０重量％以上含むアルミナシリカ繊維」として使用することができる。
【００１３】
アルミナシリカを主成分として調製したマトリックスは、配合時において、
▲１▼アルミナゾルバインダー
▲２▼アルミナ粒子とシリカ粒子、またはアルミナ粒子とムライト粒子、またはアルミナ粒子とシリカ粒子とムライト粒子、またはシリカ粒子とムライト粒子、またはムライト粒子
を必須の構成材料とする。
【００１４】
この中で特に好ましいのは、アルミナ粒子とシリカ粒子の組み合わせである。この組み合わせの時に最もセラミックス複合体として最も高い耐熱性と強度が得られる。一般的な傾向として配合の段階でムライト粒子が含まれると強度が低下する。
【００１５】
これは、アルミナ粒子とシリカ粒子の組み合わせにおいては、焼成時にムライト成分が生成され、それによりマトリックス中に骨格構造となる繊維のムライト成分との共通性が発現して繊維をマトリックスがしっかりと捕獲した強固な構造が得られることによる。
【００１６】
他方で、予めムライト粒子が焼成の段階で配合されていると、焼成の段階でその分ムライト成分の生成が進行せず、上述した作用が損なわれて、セラミックス複合体としての強度が低下すると考えられる（ムライト粒子は安定でありそれ以上の反応が進みにくく、そのためマトリックスの緻密性が損なわれる）。
【００１７】
なお、マトリックス中に含ませる充填剤としては、粒子以外に繊維や短繊維を単独あるいは複合して用いても良い。ただし、マトリックス中において均一に分散し、またマトリックスが骨格構造を構成する繊維間に十分に滲透するようにその寸法や混合割合を設定することが必要である。
【００１８】
焼成後の使用状態において、マトリックス中におけるムライト成分は４０重量％以上であることが好ましい。これは、骨格構造であるアルミナシリカ繊維とマトリックス材料との材質の共通性を得るために必要とされる。
【００１９】
本発明の他の構成としては、アルミ溶湯を扱う部材の表面にライニングされる複合セラミックス材料であって、前記複合セラミックス材料が、耐熱性長繊維でなる骨格構造とアルミニウム塩を含むマトリックスとで構成されていることを要旨としている。
【００２０】
上記構成においても耐熱性長繊維でなる骨格構造が、ムライト成分を８０重量％以上含むアルミナシリカ長繊維でなるクロスであることが好ましい。
【００２１】
アルミニウム塩としては、燐酸アルミニウム、塩基性乳酸アルミニウム、塩基性塩化アルミニウム、塩基性酢酸アルミニウムから選ばれた一種または複数種類の材料が用いられる。
なお、マトリックスは、アルミナやシリカ等の耐熱性粒子（あるいは繊維や短繊維）とアルミニウム塩でもって構成される。
【００２２】
本発明のセラミックス複合体においては、骨格構造が６〜３０重量％を占め、マトリックスが７０〜９４重量％を占めるようにすることが好ましい。骨格構造が占める割合が６重量％以下だと強度が得られず、また３０重量％以上だとマトリックスの存在が部分的に疎になったりし、局部的に強度が低下したり、局部的な破壊を起こしやすくなるので好ましくない。
【００２３】
本発明の他の構成は、アルミ溶湯を扱う部材の表面にライニングされる複合セラミックス材料であって、該材料は金属酸化物でなる連続繊維、金属酸化物粉体でなるフィラーおよびバインダーが主材とされ、構成物質の９０重量％以上が金属酸化物または加熱により金属酸化物となる材料で占められていることを要旨とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態を図１に示す。図１に示す例では、アルミ溶湯用ストークにおいて、鋳造された金属構造体１０の内面に複合セラミックス材料１１のライニングを設けて構成している。金属構造体１０と複合セラミックス材料１１とのライニングとのあいだには、セラミックペーパー１２、金網１３が配設されている。
【００３１】
金属構造体１０は、安価な鋳鉄やステンレスが利用できる。また、セラミックス材料であってもよい。
本発明では、金属構造体１０で示されるようなストーク等のアルミ溶湯を扱う部材は直接アルミ溶湯に接触しないので、広い範囲から材料を選択することができる。
【００３２】
１４は抵抗加熱ヒータである。この加熱ヒータは、ストークを外部から加熱し、ストーク内においてアルミ溶湯の温度が低下しないようにするためのものである。
加熱の手段としては、抵抗加熱ヒータによるもの以外に、ストークに誘導電流を誘起させてなる誘導加熱によるものやストークを直接火炎で加熱するものがある。
【００３３】
ここで、金属構造体１０は、ストークの形状を形作るものである。複合セラミックス材料１１は、アルミ溶湯に対する耐性を発揮するライニング層として機能する。
【００３４】
セラミックペーパー１２と金網１３とは、金属構造体１０と複合セラミックス材料１１の間で緩衝材として機能する。
この緩衝材は、溶湯の熱によって生じる金属構造体１０の膨張を許容するための機能を有している。
【００３５】
アルミ溶湯に対するライニング層である複合セラミックス材料１１としては、以下の２通りのものが利用できる。
▲１▼第１のマトリックス材料
骨格構造としてムライト成分を８０重量％以上含むアルミナシリカ長繊維でなるクロスを採用し、マトリックスとしてアルミナシリカを主成分とした粒子を充填剤とし、無機バインダーとしてアルミナゾルを用いたもの。
▲２▼第２のマトリックス材料
耐熱性長繊維でなる骨格構造とアルミニウム塩を含むマトリックスでなるもの。
複合セラミックス材料でなるライニング層の作製方法の概略を以下に示す。まず、▲１▼の作製方法の一例を示す。この場合、充填剤としてアルミナ粒子とシリカ粒子を用い、無機バインダーとしてアルミナゾルを用いる。またその他、有機バインダーを用いる。
【００３６】
上記原材料を混合し、ペースト状であるマトリックスの出発材料を得る。このペースト状の出発材料をムライト成分が８０重量％以上、好ましくは９０重量％以上のアルミナシリカ繊維で編まれた連続繊維に塗布し、さらに乾燥と焼成を行って複合セラミックス材料を得る。ここで、アルミナシリカ繊維で編まれた連続繊維が骨格構造となる。
【００３７】
一般に上記基本構造を多層に構成することで、必要な厚さのライニング材を確保することができる。
なお、骨格構造となるクロスは織布以外に不織布を用いることができる。
次に▲２▼の場合の作製工程の一例を示す。この場合、骨格構造は▲１▼の場合と同じであり、マトリックスとして、アルミナ粒子とシリカ粒子を充填剤として用い、無機バインダーとして燐酸アルミニウムまたは乳酸アルミニウムを用いる。
なお、複合セラミックス材料の作製方法は、▲１▼の場合と同じである。
【００３８】
【実施例】
実施例１
図１に示すのは、アルミ溶湯用のライニングを内面に施したストークの断面の概略図である。図１において、ステンレスでなる鋳造して得た金属構造体１０によってストークの外観及び構造が形成されている。
そして、その内面にシリカとアルミナの成分をそれぞれ５０重量％含むセラミックス繊維をバインダーで結合させた厚さ１．５ｍｍの複合セラミックス材料１１がセラミックペーパー１２、金網１３を介して設けられている。また、ストークの外側には、抵抗加熱ヒータ１４が配置されている。
【００３９】
前記複合セラミックス材料１１の作製方法を以下に示す。まず、骨格構造として、アルミナが６８重量％、シリカが２７重量％、酸化ホウ素が５重量％の組成を有し、使用時においてはムライト成分がほぼ９４重量％以上である連続繊維でなるクロス（ニチアス社製ＣＰ−２０）を用意する。
【００４０】
次に、前記クロスに下記の配合でなるペースト状のマトリックスの出発材料を１５００ｇ／ｃｍ2の密度で塗布する。
アルミナ粒子（平均粒径５μｍ）（昭和電工A-42-2）      ５６重量％
アルミナ粒子（平均粒径１μｍ）（昭和電工AL160-SG-3）  １５重量％
シリカ粉末（平均粒径１μｍ）（ホウリュウ化学Ｈ）        ４重量％
アルミナゾル（日産化学）（AS520）                      ２５重量％
有機酸（９０％試薬）                            ０.５重量％（外掛け）
有機バインダー（５％水溶液）                    ４重量％（外掛け）
【００４１】
なお、予めクロスを構成しているアルミナシリカ繊維を収束させている収束剤を分離させる処理を行い、繊維をほぐしておく。こうすることで、繊維にマトリックスの出発材料が良く含浸し、最終的に得られる複合セラミックス材料の材質が緻密となり、高強度が得られる。
【００４２】
上記マトリックスの出発材料をクロスに１５００ｇ／ｃｍ2の密度で塗布する。この際、図１に示すストークの内面形状に合う型にクロスを押し付けながらマトリックスの出発材料を塗布する。そしてこれを３層に積層して厚さ１．５ｍｍの複合体を得る。
前記複合体を１００℃のオーブンで１時間乾燥させる。そしてその内表面（アルミ溶湯に接する面）にシリカゾルを塗布し、さらに乾燥させる。
【００４３】
次に、１４００℃で２時間の条件で焼成を行う。こうして図１の１１ａ，１１ｂで示される形状を有する複合セラミックス材料を得る。この複合セラミックス材料は、その内面にシリカゾルを塗布したことによるシリカ層が形成されており、気密性と強度が高められている。
【００４４】
前記構成の複合セラミックス材料は、それを３ｃｍ角に切断し、７００℃のアルミ溶湯に２ヶ月間浸漬しても何らの変質も観察されず、またアルミ溶湯に対する非濡れ性（アルミ溶湯を弾く性質）も失われないことが確認されている。なお、３ｃｍ角で厚さ２ｍｍの鉄とステンレスのサンプルに対して同様な試験を課したところどちらも１日で溶損が進み焼失してしまうことが確認されている。
【００４５】
前記複合セラミックス材料１１ａ，１１ｂをセラミックペーパー１２及びステンレス金網１３を介してステンレス構造体１０の内側にはめ込む。こうして図１に示す構造を得る。
【００４６】
本実施例で示すストークは、複合セラミックス材料１１がアルミ溶湯に対する優れた耐性を発揮するので、従来構造に比較して、使用時間を伸ばすことができ、メンテナンス費用を低減することができる。
【００４７】
また、前記複合セラミックス材料１１自体が薄く、またセラミックペーパー１２もその厚さが薄いので、ストーク内部での溶湯の温度低下を防止するための加熱をヒータ１４によって行った場合に加熱を効果的に行うことができる。さらに、前記複合セラミックス材料１１の耐熱性が高いので、外部からのストークの加熱による悪影響がほとんど現れないという優位性もある。
【００４８】
実施例２
本実施例では、実施例１に示したマトリックスとして、下記の配合の出発材料を用いた例を示す。
アルミナ粒子（平均粒径５μｍ）（昭和電工A-42-2）    ６７重量％
燐酸アルミニウム液（多木化学製アシドホス７５）      １３重量％
水                                                  ２０重量％
【００４９】
なお、燐酸アルミニウム液はAl2O3とP2O5とのモル比が１：４のものを用いた。他の作製工程は実施例１の場合と同じである。
この複合セラミックス材料も、７００℃のアルミ溶湯に２ヶ月間浸漬しても何らのも観察されず、またアルミ溶湯に対する非濡れ性（アルミ溶湯を弾く性質）も失われないことが確認されている。
【００５０】
実施例３
本実施例は、実施例２に示すマトリックスの配合において、下記の配合を採用した場合の例である。他は実施例２と同様である。
アルミナ粉末（昭和電工（株）A-42-2）        １００重量部
乳酸アルミニウム（多木化学（株）＃2500F）      １５重量部
増粘剤（昭和高分子（株）コーガムHW-62）          ５重量部
水                                              ２０重量部
【００５１】
実施例４
本実施例は、実施例１または実施例２に示す構成において、複合セラミックス材料の内面（アルミ溶湯に接触する面）に窒化ホウ素（ＢＮ）層をさらに設けた場合の例である。こうすることで、さらにアルミ溶湯に対する濡れ性を小さくでき、アルミ溶湯に対する耐性をさらに高めることができる。
なお、窒化ホウ素層が剥離しても基材となる複合セラミックス材料がアルミ溶湯に対する耐性を備えているので、特に問題とはならない。
また、ＢＮマトリックス中に添加することで、複合セラミックス材料のアルミ溶湯に対する耐性を高めてもよい。
【００５７】
上述した組成でなるサンプルの試験結果を下記表１に示す。なお、比較例は、厚さ１０ｍｍの窒化珪素平板（比較例１）と厚さ１．５ｍｍの鉄板に窒化珪素被膜を溶射によって形成したもの（比較例２）である。
【表１】
0004076309.tif 000002
【００５８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によって構成した複合セラミックス材料をアルミ溶湯に対するライニング材として使用した構造にあっては、
（イ）アルミ溶湯に対する高い耐圧、
（ロ）高い非濡れ性、
が得られ、メンテナンス費用を低減することができる。
また、薄手である程度の熱の伝導を許容するので、加熱が必要とされるストーク等に利用した場合に外部からの加熱を効率良く行うことができる。
また、薄くて軽く扱いやすいので、取り付けやメンテナンスが容易で、また成形や切断加工が容易なので複雑な形状のものを容易に得ることができるという優位性がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すストークの断面構造図である。
【符号の説明】
１１  １１ａ，１１ｂ  複合セラミックス材料
１０  ステンレス製のストーク構造
１２  セラミックペーパー
１３  ステンレス製金網
１４  加熱用ヒータ
【図１】
0004076309.tif 000003