JP2005131656A - アルミニウム溶湯用部材 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミ溶湯治具表面にアルミニウム系合金が付着することを防止するとともに、高温高応力下でもクラックや割れが生じないアルミニウム溶等治具を提供する。
【解決手段】窒化珪素を主成分とし、Ｌｕを酸化物換算量で０．１〜１０モル％の割合で含有する窒化珪素焼結体からなることを特徴とし、前記窒化珪素焼結体の粒界相に少なくともＬｕ_２Ｓｉ_２Ｏ_７結晶が析出していること、前記窒化珪素焼結体中のＬｕの酸化物（Ｌｕ_２Ｏ_３）と過剰酸素の酸化珪素換算量（ＳｉＯ_２）のＳｉＯ_２／Ｌｕ_２Ｏ_３で表されるモル比が２以上であることが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、アルミニウム系合金と反応性が低く、高強度窒化珪素からなるアルミニウム系合金中で使用するラドル、ストーク、ヒーターチューブ、熱電対保護管あるいはアルミニウムダイカスト用治具に好適に用いることができるアルミニウム溶湯用部材に関する。

アルミニウム系合金は低比重、高比強度等の特性から自動車の軽量化に大きな貢献を果たしている。このアルミ系合金部品を製造する際、通常鋳造やダイカスト等の方法で製造される。これら鋳造・ダイカスト用の治具としては、鋼鉄や鋼鉄を表面処理したものが用いられているが、溶融アルミニウム系合金が付着することを防止するためにＢＮ、カーボン等の離型剤を塗布して用いている。しかしながら、離型剤の定期的な塗布が必要で有ったり、アルミニウム系合金中に離型剤が混入したりするなどの問題があった。

そこで、高強度を有するとともに、耐熱性、耐熱衝撃性、耐酸化性、耐食性に優れた材料として窒化珪素質が注目され、アルミニウム溶湯用部材として応用が進められている。

ところが、アルミニウム系合金との反応性が低い窒化珪素であっても繰り返し使用するうちにアルミニウム系合金と反応し、治具表面にアルミニウム系合金が付着するという問題があった。

これらの問題を解決するために、焼結助剤にＭｇを含有する窒化珪素焼結体（例えば特許文献１参照）やＹとＡｌを含有し表面のＡｌ濃度を高くした窒化珪素焼結体（例えば特許文献２参照）、サイアロン焼結体（例えば特許文献３参照）が提案されている。
特開平６−３２２４５７号公報 特開平８−７３２８６号公報 特開平６−２３９６６７号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載の窒化珪素焼結体においても焼結助剤成分であるＭｇやＹなどがアルミニウム系合金と反応し、治具表面にアルミニウム系合金が付着する問題があった。

また、特許文献３に記載の多孔質サイアロン焼結体は、アルミダイカスト法などの高温で高い応力が発生する鋳造方法において、アルミニウム系合金治具にクラックや割れを生じる問題があった。

したがって、本発明は、アルミ溶湯治具表面にアルミニウム系合金が付着することを防止するとともに、高温高応力下でもクラックや割れが生じないアルミニウム溶等治具を提供することを目的とするものである。

す本発明のアルミニウム溶湯用部材は、窒化珪素を主成分とし、Ｌｕを酸化物換算量で０．１〜１０モル％の割合で含有する窒化珪素焼結体からなることを特徴とするものである。

また、前記窒化珪素焼結体の粒界相に少なくともＬｕ_２Ｓｉ_２Ｏ_７結晶が析出していることが好ましい。

また、前記窒化珪素焼結体中のＬｕの酸化物（Ｌｕ_２Ｏ_３）と過剰酸素の酸化珪素換算量（ＳｉＯ_２）のＳｉＯ_２／Ｌｕ_２Ｏ_３で表されるモル比が２以上であることが好ましい。

さらに、前記窒化珪素焼結体の室温から１２００℃までの強度が５００ＭＰａ以上であることが好ましい。

また、前記窒化珪素焼結体において６００℃以上の耐熱衝撃性であることが好ましい。

本発明は、窒化珪素焼結体とアルミニウム系合金の反応は、主に窒化珪素焼結体中に含まれる粒界相成分とアルミニウム系合金とによるものであり、窒化珪素焼結体中の粒界相成分を制御し、アルミニウム系合金との反応が小さいＬｕを用いることにより、アルミニウム系合金の付着を低減できるとの新規な知見に基づくものである。

即ち、本発明のアルミニウム溶湯用部材は、窒化珪素を主成分とし、Ｌｕを酸化物換算量で０．１〜１０モル％の割合で含有する窒化珪素焼結体からなるため、結合力が大きいＬｕ及びその化合物はアルミニウム系合金との反応性が低く、アルミ溶湯治具表面に金属の付着を防止し、且つ高応力下でもクラックや割れの発生を防止することができる。

特に、前記窒化珪素焼結体の粒界相に少なくともＬｕ_２Ｓｉ_２Ｏ_７結晶が析出しているため、粒界相のＬｕはさらに結合力が強くなり、窒化珪素焼結体中の粒界相成分とアルミニウム系合金との反応をさらに低減することができ、アルミニウム系合金の付着をさらに低減することができる。

また、前記窒化珪素焼結体中のＬｕの酸化物（Ｌｕ_２Ｏ_３）と過剰酸素の酸化珪素換算量（ＳｉＯ_２）のＳｉＯ_２／Ｌｕ_２Ｏ_３で表されるモル比が２以上であるため、粒界相にＬｕ_２Ｓｉ_２Ｏ_７結晶が析出し易くなりアルミニウム系合金の付着を効果的に低減できる。

さらに、前記窒化珪素焼結体の室温から１２００℃までの強度が５００ＭＰａ以上であるため、アルミニウム溶湯部材をアルミニウム溶湯に入れた際、発生する過大な熱応力が発生してもクラックの生成や破損を抑制することが容易になる。

また、前記窒化珪素焼結体において６００℃以上の耐熱衝撃性であるため、アルミニウム溶湯部材を高温の溶湯から取り出して急冷してもクラックの発生や破損の発生を抑制することが容易になる。

本発明のアルミニウム溶湯用部材は、窒化珪素を主成分とし、Ｌｕを酸化物（Ｌｕ_２Ｏ_３）換算量で０．１〜１０モル％の割合で含有する窒化珪素焼結体からなることが重要である。Ｌｕは焼結助剤として働き、その含有量が酸化物（Ｌｕ_２Ｏ_３）換算で０．１〜１０モル％であると、焼結性が十分となり、かつ得られた焼結体の強度が高くなる。

窒化珪素焼結体は難焼結性であるため、緻密化するためには高温で液相を生成する焼結助剤が不可欠である。この焼結助剤として、周期律表第３ａ族元素の酸化物を主体とすると緻密化を促進することが良く知られている。しかしながら、Ｌｕを除く周期律表第３ａ族元素はアルミニウムとの反応性が高く、Ｌｕを除く周期律表第３ａ族元素の酸化物を粒界相に含むと、この粒界相が溶融アルミニウム系合金と反応し、窒化珪素焼結体表面に付着物が形成される。

一方、Ｌｕは、周期律表第３ａ族元素の中でイオン半径が最も小さく、化学的に最も安定であり、特に溶融アルミニウム系合金との反応性が顕著に低いため、窒化珪素焼結体中にＬｕが存在していても付着物の形成を防止することが可能となる。

Ｌｕの含有量が酸化物（Ｌｕ_２Ｏ_３）換算で０．１モル％より少ないと、焼成過程で液相が不足して緻密体を得ることが難しく、また、１０モル％を越えると、焼結体中の粒界相の割合が大きくなり過ぎるため、僅かではあるが溶融アルミニウム系合金と反応する場合が生じる。

十分な焼結性と、溶融アルミニウム系合金との低い反応性とを同時に満足するため、Ｌｕの含有量が酸化物（Ｌｕ_２Ｏ_３）換算で、特に１〜７モル％、更には２〜６モル％、より好適には３〜５モル％であることが望ましい。

なお、Ｌｕ以外にも焼結助剤を加えて焼結性を高めるのは可能であるが、特にＬｕ以外の元素を、酸化物換算の含有量で、Ｌｕの酸化物換算量を超えない範囲で含有させることが可能である。例えば、ＹｂとＬｕとを組合せて焼結助剤とすることができるが、Ｙｂ_２Ｏ_３の含有量がＬｕ_２Ｏ_３の含有量以下、特にその１／２以下、更には１／４以下、より好適には１／８以下であることが好ましい。そして、アルミニウム系合金との反応性を最も低減するには、Ｌｕ以外の焼結助剤成分を不可避の含有量以下とするのが良い。

Ｌｕは、従来用いられていたＬｕ以外の周期律表第３ａ族元素の一部をＬｕで置換しても、その反応性は低下する。そして、Ｌｕへの置換量、即ちＬｕの含有量を１／２以上し、特に３／４以上、更には７／８以上とするのが好ましい。そして、アルミニウム系合金との反応性を最も低減するには、Ｌｕ以外の焼結助剤成分を実質的に含まないのが良い。

窒化珪素焼結体は、主結晶相の窒化珪素結晶と、その主結晶の周囲に存在する粒界相とからなり、粒界相はＬｕ_２Ｓｉ_２Ｏ_７結晶であることが好ましい。窒化珪素焼結体の粒界相にＬｕ_２Ｓｉ_２Ｏ_７結晶が存在することにより、ガラス成分と比べて結合力がより大きく、粒界相中の成分が溶融アルミニウム系合金との反応をより低減することができる。

窒化珪素焼結体に含まれるＬｕの酸化物（Ｌｕ_２Ｏ_３）と過剰酸素の酸化珪素換算量（ＳｉＯ_２）のＳｉＯ_２／Ｌｕ_２Ｏ_３で表されるモル比が２以上であることが好ましい。これにより、粒界相にＬｕ_２Ｓｉ_２Ｏ_７結晶が析出し易くなりアルミニウム系合金の付着を低減できる。

さらに、ＪＩＳＲ１６０１に基づく前記窒化珪素焼結体の室温から１２００℃までの曲げ強度が５００ＭＰａ以上であることが好ましい。これにより、アルミニウム溶湯部材をアルミニウム溶湯に入れた際、発生する過大な熱応力が発生してもクラックの生成や破損をより効果的に抑制することができる。特に５５０ＭＰａ以上、さらに好ましくは６００ＭＰａ以上であることが好ましい。

また、窒化珪素焼結体において６００℃以上の耐熱衝撃性であることが好ましい。これにより、アルミニウム溶湯部材を高温の溶湯に入れた後急激に冷却してもクラックの発生や破損を抑制できる。特に６５０℃以上、さらに好ましくは７００℃以上であることが好ましい。

ここで、耐熱衝撃性とはＪＩＳＲ１６１５に基づく熱衝撃試験における臨界温度差のことである。

出発原料として窒化珪素粉末（ＢＥＴ比表面積９ｍ^２／ｇ、α率９５％、酸素量１．０重量％）と、Ｌｕ酸化物（Ｌｕ_２Ｏ_３）、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）の粉末を用い、焼結体中における組成が表１に示す割合となるように調合し、溶媒とともに窒化珪素ボールにて混合粉砕した後、スプレードライヤーで乾燥造粒して顆粒を製作し、該顆粒を金型に充填して１００ＭＰａの圧力で金型プレス成形することにより成形体を作製した。

得られた成形体を炭化珪素質のこう鉢に入れて、カーボンヒータを用い、常圧窒素雰囲気中にて１７５０℃の温度まで昇温し、この温度にて５時間保持した後さらに１９００℃まで昇温して５時間保持した。その後炉冷し、窒化珪素焼結体を製作した。

そして、得られた窒化珪素焼結体を縦及び横が２０ｍｍ、厚みが５ｍｍの形状に加工して試験片を作製し、これらの試料を用いて、アルミニウム系合金の濡れ性測定を行った。濡れ性評価試験は窒化珪素焼結体上にアルミニウム系合金を置き、１０００℃、２７ｋＰａ減圧下で１０時間保持した後、冷却後の試料の形状から接触角を測定して行った。

さらに試験後の試料を切断し、界面の反応層厚みをＳＥＭにより測定した。また、得られた焼結体からＪＩＳＲ１６０１の形状に加工して試験片を作製し、これらの試料を用いて、ＪＩＳＲ１６０１に基づく室温及び１２００℃での４点曲げ強度の測定を行った。さらに、ＪＩＳＲ１６１５に基づく熱衝撃試験を実施して耐熱衝撃性を測定した。

本発明の試料Ｎｏ．２〜６、８〜１０は、溶融アルミニウム系合金による濡れ性評価で接触角が１２０°以上であり濡れ性が悪く、窒化珪素焼結体との接触面積が小さいため、反応性をより低減できる。さらに、断面のＳＥＭ観察から観察された反応層も１μｍ以下と薄く、溶融アルミニウム系合金との反応が抑制されている。

特に、Ｌｕのみを含む試料Ｎｏ．２〜６、８〜９は、反応層の厚さが１μｍ未満と小さく、反応性が低く、付着防止に効果を有する。また、Ｙｂの９０％をＬｕで置換した試料Ｎｏ．１０は、Ｙｂのみの試料Ｎｏ．１１に比べて反応性が顕著に向上した。

一方、窒化珪素焼結体がＬｕを含まず、ＹやＭｇを含む本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１２〜１６は溶融アルミニウム系合金による濡れ性評価で接触角が９０°以下であり、濡れ性が良く、反応性が高まる。さらに界面の反応層も５μｍ以上と厚く、溶融アルミニウム系合金との反応が抑制できていない。

また、Ｙｂを含む本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１１は溶融アルミニウム系合金による濡れ性評価で接触角が１０５°、界面の反応層が３μｍ以上と厚かった。

さらに、窒化珪素焼結体がＬｕを含むものの、その含有量が０．０５モル％と少ない本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１は、焼結性が悪く、ボイドが多いため、室温から１２００℃までの強度が低く、耐熱衝撃性も著しく低かった。

また、窒化珪素焼結体がＬｕを含むものの、その含有量が１２モル％と多い本発明の範囲外の試料Ｎｏ．７は、接触角が９０°、反応層厚みが３μｍであった。

Claims (5)

1. 窒化珪素を主成分とし、Ｌｕを酸化物換算量で０．１〜１０モル％の割合で含有する窒化珪素焼結体からなることを特徴とするアルミニウム溶湯用部材。
2. 前記窒化珪素焼結体の粒界相に少なくともＬｕ_２Ｓｉ_２Ｏ_７結晶が析出していることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム溶湯用部材。
3. 前記窒化珪素焼結体中のＬｕの酸化物（Ｌｕ_２Ｏ_３）と過剰酸素の酸化珪素換算量（ＳｉＯ_２）のＳｉＯ_２／Ｌｕ_２Ｏ_３で表されるモル比が２以上であることを特徴とする請求項１または２記載のアルミニウム溶湯用部材。
4. 前記窒化珪素焼結体の室温から１２００℃までの強度が５００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜３記載のアルミニウム溶湯用部材。
5. 前記窒化珪素焼結体において６００℃以上の耐熱衝撃性であることを特徴とする請求項１〜４記載のアルミニウム溶湯用部材。