JPH0755365A

JPH0755365A - 溶融金属攪拌用回転体

Info

Publication number: JPH0755365A
Application number: JP5197576A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Suwabe; 博久諏訪部; Kazuji Furusho; 一二古荘; Shigeyuki Hamayoshi; 繁幸濱吉
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1993-08-09
Filing date: 1993-08-09
Publication date: 1995-03-03

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】アルミニウム溶湯に対する耐付着性に優れる
と共に熱応力による割れをなくしたセラミックス製溶融
金属攪拌用回転体を提供する。【構成】中空管状シャフト２にセラミックス製の攪拌
ディスク４を固定し、不活性ガス吹込み用開口部３を攪
拌ディスクよりも下側に管状に突出させる。攪拌ディス
クは窒化珪素又はサイアロン製である。また、その表面
にＭｇＯ処理を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウム等の溶融
金属中に窒素やアルゴンガスのような不活性ガスを気泡
状態に放出して、溶融金属中の水素などのガスや酸化物
などの介在物を除去する溶融金属攪拌用回転体に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウムやアルミニウム合金などの
溶湯では、該溶湯内の水素ガスなどの不純物を浮遊させ
て除去するために、溶湯を攪拌しつつ、窒素やアルゴン
ガスなどの不活性ガスを溶湯中でバブリングさせ、気泡
を微細化させると共に溶液中に均一に分散させる気液接
触方法があり、この方法を適用した装置が開示されてい
る。特公昭５９−１６８０４号公報に記載の装置は、図
３のように、槽６内に気体供給用中空部１０を有する垂
直回転軸７が配置されて、同軸７の下端に中空部１０に
通じる垂直貫通孔１５と平坦底面１３とを有する気泡微
細化分散用回転体８が取付けられ、回転体８の周縁１６
に垂直溝１７が形成されている気泡の微細化分散装置で
ある。回転体８の底面１３には底部放射溝（図３では
図示されていないが、図２の４ｄに相当）が形成されて
いる。そして同溝の中心部に気体供給用中空部１０が貫
通孔１５を介して開口している。

【０００３】この場合、回転体８の底面１３に形成され
た気体層は、底部放射溝によって砕かれて、細分化さら
に微細化される。また底部放射溝によっても溶湯がよく
攪拌されるため、気泡の均一分散効果もさらに向上す
る。回転速度は大きい方が好ましく、通常７００〜３０
００ｒ．ｐ．ｍが良好である旨記載されている。ここ
で、回転体８の材質については記載されていないが、通
常、黒鉛粉末を成形、焼結して製作したものが使用され
ている。回転体が焼結黒鉛により形成されている場合、
溶湯中での消耗が激しく、肉厚を厚くしておいてもすぐ
に薄くなってしまい、寿命が短い。例えば、２０時間位
で肉厚がうすくなってしまい、使用不能となってしまう
場合があるといわれている。

【０００４】また、回転体の肉厚を変えずに、材質を炭
化珪素、窒化珪素、サイアロン等とした場合、溶湯に浸
漬する際、回転体の表面部と内部に大きな温度差を生
じ、熱応力により割れ、クラック等が発生するという問
題点があった。この問題点を解決するために、特開昭６
３−１０４７７３号公報においては、金属溶湯用回転体
を炭化珪素、窒化珪素、サイアロン等の非酸化物系セラ
ミックで形成すると共に、ヒートショックによるクラッ
クを防止するために、最大肉厚を３０ｍｍ以下にするた
めの肉抜き加工等をおこなった金属溶湯用回転体を開示
している。これは、耐摩耗性回転体の肉厚を変えること
によって割れ、クラック等への改良を提案したものであ
る。

【０００５】さらに公技番号８９−１９７２６号におい
ては、図４に示す如く、溶融金属攪拌用回転体として、
回転体内部に気体供給路１０を有する垂直回転軸７とこ
の垂直回転軸７の下端に取り付けられたポーラスプラグ
１８とポーラスプラグ１８の上方の垂直回転軸７に取付
けられた攪拌棒１９とによって構成することにより、ポ
ーラスプラグ１８から溶湯中に放出された気泡を、高速
で回転する攪拌棒１９により微細化する提案もなされて
いる。攪拌棒１９の曲面が溶湯、気泡と衝突して攪拌す
ることにより気泡の細分化をねらっつたものである。な
お、この提案では、回転体を構成する材質についての記
載はない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】溶融金属攪拌用回転体
として、前述の焼結黒鉛製のものは、溶損が激しく寿命
が短いため、長寿命の回転体が要望されていた。そこ
で、この要望に答えるために、前述の特開昭６３−１０
４７７３号公報の提案のように、回転体を非酸化物系セ
ラミックスで形成し、熱応力による割れ等を防止するた
めに回転体の肉抜き加工を施したものである。しかし、
セラミックスが本来、脆性材料であるため、急熱急冷に
より発生する熱応力に対しては弱く、回転体の形状につ
いては種々制約があり、特に、鋭角な角部を有する形状
を設けることは、割れを誘発する原因となっている。本
発明の目的は、これら従来の問題点を解決すべく、熱応
力による割れが発生せず、かつ，アルミニウム溶湯がほ
とんど付着しない長寿命のセラミックス製溶融金属攪拌
用回転体を提供するものである。

【０００７】

【問題を解決するための手段】本発明者は、セラミック
ス製攪拌ディスクをアルミニウム等の溶融金属攪拌用回
転体に利用する技術について鋭意検討した結果、本発明
に到達した。すなわち、本発明は、アルゴンガス等の不
活性ガスを溶融金属中に吹込む中空の管状シャフトにセ
ラミックス製攪拌ディスクを固定し、不活性ガス吹込み
用開口部を前記セラミックス製攪拌ディスクよりも下側
に管状に突出させて形成したことを特徴としている。な
お、セラミックス製攪拌ディスクは窒化珪素又はサイア
ロンの窒化珪素質焼結体よりなる。上述のように不活性
ガス吹込み用開口部をセラミックス製攪拌ディスクより
も下側に管状に突出させて形成したことにより、開口部
から吹込まれたガスが６５０〜８００℃のアルミニウム
溶湯中を気泡となって上昇する間に加熱され、セラミッ
クス製攪拌ディスクの下面に到達したときは、もはやセ
ラミックス製攪拌ディスクの下面を急冷することもな
い。従って、セラミックス製攪拌ディスクの上面側と下
面側との温度差による大きな熱応力が生じることもな
く、割れやクラックの発生を防止することができる。

【０００８】ところで、窒化珪素又はサイアロンのよう
な耐熱性窒化珪素質焼結体を攪拌ディスクとして用いる
場合、確かにアルミニウム溶湯中への不純物の溶解が殆
どないので、溶湯の品質は改善される。しかし、窒化珪
素又はサイアロン等の耐熱性窒化珪素質焼結体をアルミ
ニウム溶湯中で用いると、窒化珪素質焼結体の表面に形
成されている酸性酸化物であるＳｉＯ₂膜とＮａＦ，Ｎ
ａＣｌ等を主成分とするフラックスにより生成されるＮ
ａＯ，ＮａＡｌＯ₂等の塩基性酸化物との間で反応生成
物が形成され、この反応生成物を媒体としてアルミニウ
ムやノロが付着する。このため、セラミックス製攪拌デ
ィスクの表面に０．１μｍ以上３００μｍ未満の酸化マ
グネシウムを主成分とする表面層を形成することができ
る。表面に塩基性酸化物である酸化マグネシウムを主成
分とする層が形成されていると、フラックスにより生成
されるＮａＯ，ＮａＡｌＯ₂等の塩基性酸化物と殆ど反
応しないので、フラックス処理されたアルミニウム等の
金属溶湯中に長時間浸漬されても、浸食や付着物の形成
が軽減できる。

【０００９】酸化マグネシウムを主成分とする表面層
は、大部分がＭｇＯからなり、他の成分として下地の窒
化珪素質焼結体に含まれる元素の酸化物、例えばＳｉＯ
₂，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｙ₂Ｏ₃等が少量混入している。そし
て、下地の窒化珪素質焼結体の酸化を防止するため、少
なくとも０．１μｍの厚さを必要とする。しかし、３０
０μｍ以上の厚さになると、下地の窒化珪素質焼結体と
の熱膨張係数の差により亀裂や剥離が生じる恐れがあ
る。

【００１０】下地の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素粒子
又はサイアロン粒子を６０重量％以上、下地の窒化珪素
質焼結体を構成する元素、例えばＳｉ，Ａｌ，Ｙ，Ｏ，
Ｎ等からなる粒界相を４０重量％未満にする必要があ
る。窒化珪素粒子又はサイアロン粒子が６０重量％未満
であると、窒化珪素質焼結体が本来有する耐熱性、耐熱
衝撃性を低下し、アルミニウム等の溶融金属攪拌用回転
体としての使用には好ましくなくなる。

【００１１】酸化マグネシウムを主成分とする表面層と
下地の窒化珪素質焼結体とは強固に接着する構造になっ
ている。これは、下地の窒化珪素質焼結体の表面に、粒
界相成分と酸化マグネシウムとが混合した層が８００℃
〜１４００℃の加熱処理により形成されることによる。
このように、単なる機械的な付着でないので、溶融金属
攪拌用回転体として用いても容易に剥離することがな
く、十分使用に耐えるものとなる。

【００１２】更に、金属溶湯と窒化珪素質焼結体の反応
阻止効果を高めるため、金属溶湯と窒化珪素質焼結体と
の濡れ性を低減する目的で窒化硼素（ＢＮ）を酸化マグ
ネシウムを主成分とする表面層の上にスプレー塗布する
こともできる。

【００１３】以上はアルミニウムを例として述べたが、
他の金属及び合金の溶湯においても、その金属酸化物と
窒化珪素質焼結体の表面に形成されるＳｉＯ₂との間に
同様の反応が起る。しかし、アルミニウムの場合と同様
に、酸化マグネシウムを主成分とする表面層によりこの
反応が阻止できる。

【００１４】

【実施例及び作用】

実施例１図１は、本発明の溶融金属攪拌用回転体の実施例を示す
正面図である。図２は、図１のＩ−Ｉ矢視図である。本
発明の溶融金属攪拌用回転体１は、中空管状シャフト２
にセラミックス製攪拌ディスク４を図１の如く固定し、
不活性ガス吹込み用開口部３をセラミックス製攪拌ディ
スク４よりも下側に管状に突出させた構成としている。
５は、ガス供給路であり、Ｇは吹込みガス放出方向を示
す。Ｒは中空管状シャフト２の回転方向を示す。溶融金
属中に吹込まれたガスは、セラミックス製攪拌ディスク
４の回転による影響を受けた溶融金属の流れＦとともに
セラミックス製攪拌ディスク４の下面に向って上昇して
いく。この間に溶融金属（６５０℃〜８００℃）により
加熱されており、セラミックス製攪拌ディスク４の下面
に到達する時は、もはやディスク４を急冷することはな
い。

【００１５】したがって、セラミックス製攪拌ディスク
４は、急冷を受けることがなく、大きな熱応力が生じな
い。このため、割れやクラックの発生もなく、長期にわ
たって連続的使用が可能となる。図１において、中空管
状シャフト２はセラミックス製攪拌ディスク４と同じ材
質にて形成されており、中空管状シャフト２にはその上
部にはモーターとガス供給装置（共に図示せず）とが取
付けられ、下部にはおねじが刻設されており、このおね
じにセラミックス製攪拌ディスク４の中央部に刻設した
めねじが螺着している。セラミックス製攪拌ディスク４
の下側に管状に突出した不活性ガス吹込み用開口部３は
中空管状シャフト２の延長上に同じ材質にて一体に形成
されており、その外径は、セラミックス製攪拌ディスク
４を上記螺着するに際して通過できるよう、小さくされ
ている。セラミックス製攪拌ディスク４は、下面を平面
状に形成し上面は截頭円錐状に形成して、外周側に向っ
て肉厚を減じるようにしており、こうして中空管状シャ
フト２との取付け部位に必要な強度を確保すると共に、
可能な限り薄肉に形成して偶発的に発生する熱応力に対
して配慮している。なお、不活性ガス吹込み用開口部３
の突出長さ（セラミックス製攪拌ディスク４の底面から
下方への突出長さ）は、実施例においては３０ｍｍであ
るが、短かすぎると吹き込まれた不活性ガスが加熱され
ないままセラミックス製攪拌ディスク４の底面に到達
し、長すぎると吹き込まれた不活性ガスがセラミックス
製攪拌ディスク４の直径をＤ（図２参照）とする円面積
の範囲外に逃げて不純物の除去効率が低下するので、状
況に応じて適宜に設定する。

【００１６】セラミックス製攪拌ディスク４の周縁部に
は図２に示すように半径方向に突出する８個の突出部４
ａが等角度間隔に、すなわち４５°間隔に設けられてお
り、各突出部４ａの回転方向Ｒに関する前面４ｂは斜め
上方を向くように傾斜して形成され（図示せず）、後面
４ｃは斜め下方を向くように傾斜して形成されており
（図示せず）、両傾斜角はともに３０°に形成されてい
る。各突出部４ａの下面には半径方向に伸びる放射溝４
ｄが形成されている。したがって、中空管状シャフト２
の周囲の流れは上昇流となって、溶湯表面に渦が生ぜ
ず、不活性ガスの供給を受けて浮上しようとするアルミ
ニウム溶湯中のガス成分や不純物の浮上を妨げることが
なく、また既に浮上した不純物や溶湯表面上の空気を巻
き込むことがない。このため、溶湯内のガス成分や不純
物の除去効率を向上することができる。なお、前面４ｂ
は斜め上方を向き、後面４ｃは斜め下方を向くように形
成している旨述べたが、本発明においては、これら面の
向き拘わるものではない。また、ディスクの基本形が他
の形状であっても一向にさしつかえない。

【００１７】実施例２原料粉末としてＳｉ₃Ｎ₄粉末８５重量％、ＡｌＮ固溶
体粉末３重量％、Ｙ₂Ｏ₃粉末７重量％、Ａｌ₂Ｏ₃粉
末５重量％よりなる粉末を混合した後、冷間静水圧プレ
スにより１トン／ｃｍ²の圧力で成形し、さらにグリー
ン加工を行い、攪拌ディスクの成形体を得た。この成形
体をＳｉ₃Ｎ₄製のるつぼに入れ、カーボンヒーターを
用い、常圧Ｎ₂ガスの気流中で１７５０℃、５時間の条
件で焼結し、サイアロン製の攪拌ディスク４を製作し
た。表面には、１０００℃の加熱処理により酸化マグネ
シウムを主成分とする表面層を形成した。この攪拌ディ
スク４を、攪拌ディスク４と同じ材質のサイアロン焼結
体にて製作した中空管状シャフト２に螺着し、溶融金属
攪拌用回転体１を製作した。この回転体１を７５０℃の
アルミニウム溶湯中に浸漬し、回転数６００ｒｐｍ、１
チャージ当りの処理時間を８分として、１分間当り３０
リットルのアルゴンガスを吹込んだ。この結果、水素ガ
スの量はアルミニウム溶湯１００ｇ当り０．０６〜０．
０８ｃｍ³（従来品を用いた作業では、通常、同量の溶
湯に対して水素ガス０．０８〜０．１４ｃｍ³であ
る。）であった。上記作業を１日当り２０回の頻度で１
年以上連続的に行っているが、従来発生していた割れ等
は何等発生していない。

【００１８】比較例１実施例１と同様にしてサイアロン製攪拌ディスク４を製
作し、不活性ガス吹込み用開口部３が攪拌ディスクより
も下側に突出しないようにして、溶融金属攪拌用回転体
を製作した。この回転体を用い、実施例１と同じ条件で
脱ガス処理作業を行なった結果、２週間でサイアロン製
攪拌ディスクが破損した。

【００１９】比較例２黒鉛粉末を成形、焼結して作った黒鉛製攪拌ディスクの
回転体を用い、実施例２と同じ条件で脱ガス処理作業を
行なった。１週間で黒鉛製攪拌ディスクが消耗してしま
い、処理後のアルミニウム溶湯中の水素ガス量が溶湯１
００ｇ当り０．３０ｃｍ³となり、脱ガス作用がなくな
り、溶融金属攪拌用回転体としての機能が得られなくな
った。

【００２０】

【発明の効果】以上説明した如く、本発明の効果を列記
すると次の如くである。１）本発明の溶融金属攪拌用回転体は、耐割れ性、耐ク
ラック性に優れているため、長寿命化が達成できる。２）脱ガス効率に効果大である。３）アルミニウム溶湯に対する耐付着性に優れているた
め、長期にわたって修理の必要がない。このため、作業
効率が著しく向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の溶融金属攪拌用回転体の正面図であ
る。

【図２】図１のＩ−Ｉ矢視図である。

【図３】従来の気泡微細化分散装置の縦断面図である。

【図４】従来のガス吹込み管の斜視図（一部断面図含
む）である。

【符号の説明】

１溶融金属攪拌用回転体２中空管状シャフト３不活性ガス吹込み用開口部４セラミックス製攪拌ディスク４ａ突出部４ｂ回転方向前面４ｃ回転方向後面４ｄ放射溝Ｆ溶湯の流れＲ中空管状シャフトの回転方向Ｇ吹込みガス放出方向６槽７垂直回転軸８気泡微細化分散用回転体９アルミニウム溶湯１０気体供給用中空部（気体供給路）１１雄ねじ部１２雌ねじ部１３平坦底面１４頂部１５垂直貫通孔１６周縁１７垂直溝１８ポーラスプラグ１９攪拌棒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｂ３２Ｂ 18/00 7148−4ＦＣ０４Ｂ 35/584 35/599 41/87 Ｐ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中空管状シャフトにセラミックス製攪拌
ディスクを固定し、不活性ガス吹込み用開口部を前記セ
ラミックス製攪拌ディスクよりも下側に管状に突出させ
て形成したことを特徴とする溶融金属攪拌用回転体。
【請求項２】セラミックス製攪拌ディスクが窒化珪素
又はサイアロンの窒化珪素質焼結体であることを特徴と
する請求項１に記載の溶融金属攪拌用回転体。
【請求項３】セラミックス製攪拌ディスクの表面に厚
さ０．１μｍ以上３００μｍ未満の酸化マグネシウムを
主成分とする表面層を形成してなることを特徴とする請
求項１又は２に記載の溶融金属攪拌用回転体。
【請求項４】酸化マグネシウムを主成分とする表面層
と下地の窒化珪素質焼結体とが、下地の窒化珪素質焼結
体の表面に形成された粒界相成分と酸化マグネシウムと
の混合層により、接着されてなることを特徴とする請求
項１乃至３に記載の溶融金属攪拌用回転体。