JP4531000B2 - ストークおよびこれを用いた差圧鋳造機 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウムやその合金等の金属溶湯の差圧鋳造に用いられるストークおよびこれを用いた差圧鋳造機に関する。

従来より、省エネルギーの観点から自動車部品の軽量化が推進され、自動車を構成するフード、フロントバンパービーム、リアバンパービーム、フロントサブフレーム、リアサブフレーム、リアサブフレーム、トランクリッド等の各種構成部品は、アルミニウムが採用されるようになっている。そのうえ、さらなる省エネルギーを目指してこのような部品の軽量化の要求は一層厳しくなり、これら部品を軽量化するために薄肉化の検討が必要になってきている。しかしながら、これら部品を単に薄肉化しただけでは機械的強度が不足するため、薄肉化するには材料そのものの機械的強度の向上が必須となる。このような部品の機械的強度を向上させるには、材質の変更、製造方法の変更など種々の方法が考えられる。そのなかで最も簡単な方法は部品中の不純物の量を減らすことにより、材料そのものが有する理論強度にできるだけ近づけることである。

部品中の不純物の量を減らすには、不純物の少ない材料を用いる、あるいは金属溶湯中の不純物を除去する方法が挙げられる。しかしながら、不純物の少ない材料を用いる場合、原料自体が非常に高価になり、得られた部品の価格も非常に高価になるという問題があった。

このような問題を解決するために、特許文献１では、金属溶湯中の不純物を除去するために、金属溶湯の流路を有するサイアロンからなる管状部の内面に気孔率が４０〜６０％、抗折強度が４．９〜１１．８ＭＰａ（５０〜１２０Kｇ／ｃｍ^２）である微細フィルターと、この微細フィルターの少なくとも一方の面に気孔率が７０〜９０％、抗折強度が４．９〜１４．７ＭＰａ（５〜１５Kｇ／ｃｍ^２）である粗フィルターとを密着させたフィルター部を管状部の内周面およびフィルター部の外周面間にパッキングを介在させることで装着し、このフィルター部によって金属溶湯中の不純物を除去した差圧鋳造用ストークが提案されており、このフィルター部は、アルミナ、炭化珪素、ムライト、コージェライトのいずれかよりなるフォームセラミックスで構成したことが記載されている。また、フィルター部は、管状部とフィルター部との間にパッキングを挿入することで管状部に装着することが記載されている。
特開平８−１３０３号公報

特許文献１で提案された差圧鋳造用ストークは、金属溶湯中の酸化物などを除去することにより、得られる自動車用部品の機械的強度を高くすることを目的にしているものの、フィルター部を成す材料は、アルミナ、炭化珪素、ムライトの何れかから選択した焼結体で形成するが、これらの耐熱衝撃温度はいずれも６００℃以下と低いものであった。しかし、アルミニウムを溶かすにはアルミニウムの融点６６０℃以上に温度を上げる必要があるが、これら焼結体はアルミニウムの融点の温度範囲に対し耐熱衝撃性が十分高いものではないため、室温と、アルミニウムやその合金等を溶融させる温度８００℃との間で加熱、冷却を繰り返すと、フィルター部にクラックが発生しやすいという問題を避けられなかった。

また、フィルター部をコージェライトにより形成した場合、その耐熱衝撃温度はアルミナ、炭化珪素およびムライトより高くなるものの、フィルター部がフォームセラミックで構成されるため、アルミニウム溶湯がフィルター部の気孔を通過するときに気孔内で捕集された不純物による目詰まりで圧力損失が発生し、しかも急激に増加するという問題を有していた。

また、管状部とフィルター部との間に挿入されたパッキングの材質によっては、溶融したアルミニウムがパッキングと反応して、冷却時にアルミニウム反応物を生成する。そして、このアルミニウム反応物はフィルター部を管状部に固着し、不純物の捕集効率が低下したフィルター部を容易に交換することができないという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑み、信頼性の高い管状部と、加熱、冷却を繰り返してもクラックが発生したり、圧力損失が急激に増加したりすることがなく、しかも容易に交換することができるフィルター部とからなるストークを提供するものである。

本発明は、金属溶湯を鋳型に形成されたキャビティ内に導入するための管状のストークであって、組成式Ｓｉ _６−Ｚ Ａｌ _Ｚ Ｏ _Ｚ Ｎ _８−Ｚ で表され、固溶量ｚが０．１〜１であるβ−サイアロンを主相とし、粒界相にＲＥ（周期律表第３族元素）−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏを含む窒化珪素質焼結体から成る管状部と、該管状部の一方端部に装着され、複数の隔壁で区画形成された貫通孔を備えたハニカム構造を有するチタン酸アルミニウム質焼結体から成るフィルター部と、を備えたことを特徴とする。

また、前記フィルター部は、隔壁の気孔率が２０〜３８％であることを特徴とするものである。

また、前記フィルター部は、貫通孔に対して垂直な断面における開口率が５０〜８０％であることを特徴とするものである。

また、前記管状部を成す窒化珪素質焼結体は、８００℃における四点曲げ強度が５００ＭＰａ以上、かつ、室温から８００℃における熱膨張係数が３．４×１０^−６／℃以下であることを特徴とするものである。

さらに、鋳型に形成されたキャビティ内に前記ストークを介して金属溶湯を導入し、キャビティ内の金属溶湯を凝固させることを特徴とするものである。

本発明は、金属溶湯を鋳型に形成されたキャビティ内に導入するストークであり、管状部が、組成式Ｓｉ _６−Ｚ Ａｌ _Ｚ Ｏ _Ｚ Ｎ _８−Ｚ で表され、固溶量ｚが０．１〜１であるβ−サイアロンを主相とし、粒界相にＲＥ（周期律表第３族元素）−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏを含む耐熱衝撃性の高い窒化珪素質焼結体、管状部の一方端部に装着されるフィルター部が、耐熱衝撃温度１５００℃のチタン酸アルミニウム質焼結体から形成されることにより、加熱、冷却を繰り返してもストークにクラックが発生することがなく、同時に、管状部、フィルター部間に溶滓（ノロ）が集積し、この溶滓（ノロ）により管状部にフィルター部が一時的に固着しても、フィルター部を形成するセラミック焼結体の熱膨張係数を窒化珪素質焼結体の熱膨張係数より小さくすることで、管状部はフィルター部より大きく伸縮するため、溶滓（ノロ）には亀裂が発生して、剥離、落下するため、フィルター部を容易に交換することができる。

また、フィルター部を複数の隔壁で区画形成された貫通孔を備えたハニカム構造にすることにより、フィルター部をフォームセラミックで形成した場合より、整流作用は高くなるため、不純物による目詰まりが発生しにくく、圧力損失が急激に増加することがない。

さらに、フィルター部を酸化物であるチタン酸アルミニウム質焼結体で形成することにより、溶融したアルミニウムが一部酸化して生成したアルミナ膜がフィルター部を被覆す
るようなことはないので、長期間安定して不純物の捕集効率を維持することができる。さらに、チタン酸アルミニウムの耐熱衝撃温度は１５００℃と高いので、信頼性を向上することができる。

またさらに、フィルター部は、隔壁の気孔率を２０〜３８％とすることで、不純物の捕集効率、機械的特性ともに高くすることができる。

さらにまた、フィルター部は、貫通孔に対して垂直な断面における開口率を５０〜８０％とすることで、機械的特性に優れるとともに、圧力損失をさらに低減することができる。

また、管状部を成す窒化珪素質焼結体は、８００℃における四点曲げ強度を５００ＭＰａ以上とすることで、この温度における強度が高くなるため、溶融したアルミニウムに浸積している部分の変形が小さくなり、かつ、室温から８００℃における熱膨張係数を３．４×１０^−６／℃以下とすることで、溶融したアルミニウムに浸積している部分と、浸積していない部分との熱膨張の差が小さくなり、管状部全体としての変形を抑制することができる。

本発明の差圧鋳造機は、鋳型に形成されたキャビティ内に上述のような特性を備えたストークを介して、金属溶湯の導入をしているので、キャビティ内の金属溶湯を効率的に凝固させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の差圧鋳造機を用いて鋳造する様子を示す断面図であり、図２（ａ）は本発明のストークを示す断面図であり、同図（ｂ）は本発明のストークに備えられるフィルター部を示す斜視図である。

図１において、１は鋳造品の形状に適合したキャビティであり、上型２ａと下型２ｂおよび横型２ｃからなる鋳型２によって形成されている。下型２ｂにはキャビティ１に連通する湯口３が開口している。ストーク４は、管状部５と、管状部５の下端に装着されるフィルター部６とを備えており、管状部５の上端は鋳型２の湯口３に接続され、下端は保持炉７内の金属溶湯８に浸漬し、フィルター部６の上方に湯面１０は保持される。

このようなストーク４を用いた差圧鋳造機では、次のようにして鋳造が行われる。即ち、保持炉７内の金属溶湯８は管状部５の外周側の湯面９上に圧力（図中矢印で示す）が印加されると湯面９は下降し、それに伴って管状部５内の湯面１０は上昇を始め、金属溶湯８はフィルター部６および湯口３を経由して鋳型２内のキャビティ１に導入される。導入した金属溶湯８は鋳型２の内部で冷却され凝固を始める。湯面９には一定時間圧力がかけられキャビティ１内では加圧下で凝固が進行する。金属溶湯８が湯口３の近傍で凝固しかけた状態で、湯面９の圧力は除去され、管状部５内の金属溶湯８は下降して１回のサイクルが終了する。

ここで、本発明のストーク４は、管状部５が窒化珪素質焼結体から成り、耐熱衝撃性が高いことから、繰り返しの使用においてもクラックが発生するのを有効に防止することができる。

また、管状部５を成す窒化珪素質焼結体の高温強度や熱膨張係数は、管状部５全体の変形に関与し、窒化珪素質焼結体の高温強度を高くし、熱膨張係数を小さくすることで管状部５の変形を抑制することができる。高温強度を高くすることで、溶融したアルミニウムに浸積している部分の変形が小さくなり、熱膨張係数を小さくすることで、溶融したアルミニウムに浸積している部分と、浸積していない部分との熱膨張の差が小さくなり、管状部５全体としての変形を抑制することができるからであり、管状部５を成す窒化珪素質焼結体は、８００℃における四点曲げ強度を５００ＭＰａ以上、かつ、室温から８００℃における熱膨張係数を３．４×１０^−６／℃以下とすることが好適である。

８００℃における四点曲げ強度および室温から８００℃における熱膨張係数は、それぞれＪＩＳ Ｒ １６０４−１９９５、ＪＩＳ Ｒ １６１８−２００２に準拠して測定すればよい。管状部５が小さく、各ＪＩＳ規格で定める試験片の寸法を切り出せない場合、可能な範囲で切り出せる試験片を作製するか、各ＪＩＳ規格で規定する試験片を別途作製し、前記各物性値を測定してもよい。

さらに、管状部５はβ−サイアロンとして組成式Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚで表され、固溶量ｚが０．１〜１であるβ−サイアロンを主相とし、粒界相にＲＥ（周期律表第３族元素）−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏを含み、例えばＡｌ、Ｓｉ、ＲＥの構成比率がＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＲＥ_２Ｏ_３換算でＡｌ_２Ｏ_３５〜５０質量％、ＳｉＯ_２５〜２０質量％、残部がＲＥ_２Ｏ_３からなる粒界相を焼結体に対して２０体積％以下の範囲で含み、Ｆｅ珪化物粒子をＦｅ換算で焼結体に対し０．０２〜３質量％含有し、８００℃における熱伝導率が１０Ｗ／ｍ／Ｋ以上である窒化珪素質焼結体からなることが好適である。この窒化珪素質焼結体に対しては、金属溶湯内のアルミニウムやその合金等が新たに固溶しにくいので、管状部５の内面に溶滓（ノロ）が付着しにくくなるからである。

また、管状部５の下端にはフィルター部６が備えられ、このフィルター部６は、前記管状部６を成す窒化珪素質焼結体の熱膨張係数より小さく、且つ耐熱衝撃温度が９００℃以上のセラミック焼結体からなり、複数の隔壁１１で区画形成された貫通孔１２を備えたハニカム構造を有するものである。

これにより、加熱、冷却を繰り返してもフィルター部６においてもクラックが発生するのを有効に防止できる。また、管状部５、フィルター部６間に溶滓（ノロ）が集積し、この溶滓（ノロ）が管状部５とフィルター部６を一時的に固着しても、フィルター部６を形成するセラミック焼結体の熱膨張係数を管状部５を成す窒化珪素質焼結体の熱膨張係数より小さくすることで、管状部５はフィルター部６より大きく伸縮するため、溶滓（ノロ）には亀裂が発生して、剥離、落下するため、フィルター部６を容易に交換することができる。

また、フィルター部６を形成するセラミック焼結体の熱膨張係数は、管状部５を成す窒化珪素質焼結体の熱膨張係数より、両者の熱膨張係数の差が０．２×１０^−６／℃以上あればよいが、好ましくは、２．２×１０^−６／℃以上、より好ましくは３．０×１０^−６／℃以上である。

このような材質として、フィルター部６は、チタン酸アルミニウム質焼結体で形成することが重要である。チタン酸アルミニウム質焼結体は、その熱膨張係数が１×１０^−６／℃程度であるため、上述の効果を得られやすい。また、チタン酸アルミニウム質焼結体は、酸化物であるため、アルミニウム溶湯が一部酸化して生成したアルミナ膜がフィルター部６を被覆するようなことがないため、長期間安定して不純物の捕集効率を維持することができる。さらに、チタン酸アルミニウムの耐熱衝撃温度は１５００℃と高いので、信頼性を向上することができる。

さらに、フィルター部６は、複数の隔壁１１で区画形成された貫通孔１２を備えたハニカム構造であることから、フィルター部６をフォームセラミックで形成した場合より、整流作用は高くなるため、溶湯中の不純物による目詰まりが発生しにくく、圧力損失が急激に増加することがない。

なお、フィルター部６の耐熱衝撃温度については、ＪＩＳ Ｃ ２１４１−１９９２に準拠して測定すればよく、試験片としてはＪＩＳ Ｃ ２１４１−１９９２で規定する試験片以外、フィルター部６をそのまま用いてもよい。また、室温から８００℃における熱膨張係数は、ＪＩＳ Ｒ １６１８−２００２に準拠して測定すればよい。

このようなストーク４は、例えば外径８０〜１５０ｍｍ、内径６０〜１３０ｍｍ、厚み１０〜１５ｍｍ、全長６００〜１２００ｍｍの管状部５と、外径５８〜１２８ｍｍ、隔壁１１の厚み０．５〜２ｍｍ、貫通孔１２のピッチ、即ち隔壁１１の厚みと貫通孔１２の一辺の長さの合計２〜６ｍｍ、全長１０〜２０ｍｍのフィルター部６とから成り、フィルター部６のハニカム構造は、金属溶湯８の導入方向に対して垂直な断面における貫通孔１２の形状が四角形状、円形状、楕円形状、Ｎ角形状（Ｎは５以上の整数）であっても何等差し支えないが、特に、貫通孔１２の形状によって貫通孔１２の容積が変わり、フィルター部６の捕集効率に影響を与えるため、貫通孔１２の形状は四角形状とすることが好ましく、円形状または楕円形状にした場合より、隔壁２の体積を減少できるため、各貫通孔１２の容積は増加し、捕集効率を高くすることができるからである。

前記貫通孔１２は、金属溶湯８の導入方向に対して垂直な断面が四角形状の中でも正方形状であることがより好ましい。垂直な断面が長方形、菱形、台形の場合に比べ、正方形のほうが、貫通孔１２の内部における金属溶湯の流速を一定に保ちやすいため、金属溶湯８中の不純物の捕集効率が高いからである。

また、フィルター部６を形成する隔壁１１は、その気孔率によって不純物の捕集効率や機械的特性が影響を受ける。気孔率を高くすると不純物の捕集効率を高くすることができるが、機械的特性は低くなる。気孔率を低くすると、機械的特性は高くすることができるが、不純物の捕集効率は低くなる。そこで、フィルター部６を形成する隔壁１１は、その気孔率を２０〜３８％とすることが好ましく、フィルター部６は不純物の捕集効率、機械的特性ともに高くすることができる。

なお、フィルター部６の気孔率は、水銀圧入法を用いて測定することができる。

また、フィルター部６は、貫通孔１２に対して垂直な断面における開口率を５０〜８０％とすることで、機械的特性を高くすることができるとともに、圧力損失をさらに低減することができる。これは、フィルター部６の開口率によって、フィルター部６の機械的特性や圧力損失の大きさに影響を受け、開口率を低くすると機械的特性を高くすることができるが、圧力損失も高くなる。一方、開口率を高くすると機械的特性は低くなるが、圧力損失も低くすることができるためである。

なお、この開口率とは、貫通孔１２に対して垂直な断面における、隔壁１１、貫通孔１２および隔壁の外周側で隔壁を支持する外周壁１３の合計面積に対する貫通孔１２の総面積の比率をいい、ゲージを備えた顕微鏡で測定、算出することができる。

また、図３は本発明の差圧鋳造機の他の実施形態を示す断面図である。

図３において、１は鋳造品の形状に適合したキャビティであり、上型２ａと下型２ｂおよび横型２ｃからなる鋳型２によって形成されている。下型２ｂにはキャビティ１に連通する湯口３が開口している。ストーク４は、管状部５と、管状部５の下端に装着されるフィルター部６とから成り、管状部５の上端は鋳型２の湯口３に接続され、下端は保持炉７内の金属溶湯８に浸漬し、フィルター部６の下方に湯面１０は保持される。

このようなストーク４を用いた差圧鋳造機では、次のようにして鋳造が行われる。即ち、保持炉７内の金属溶湯８は管状部５の外周側の湯面９上に圧力（図中矢印で示す）が印加されると湯面９は下降し、それに伴って管状部５内の湯面１０は上昇を始め、金属溶湯８はフィルター部６および湯口３を経由して鋳型２内のキャビティ１に導入される。導入した金属溶湯８は鋳型２の内部で冷却され凝固を始める。湯面９には一定時間圧力がかけられキャビティ１内では加圧下で凝固が進行する。金属溶湯８が湯口３の近傍で凝固しかけた状態で、湯面９の圧力は除去される。管状部５内の金属溶湯８は下降して１回のサイクルが終了する。

次に、本発明のストークの一部を構成する、窒化珪素質焼結体から成る管状部の製造方法について説明する。

この窒化珪素質焼結体から成る管状部５は、β−サイアロンとして組成式Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚで表され、固溶量ｚが０．１〜１であるβ−サイアロンを主相とし、粒界相にＲＥ（周期律表第３族元素）−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏを含み、例えばＡｌ、Ｓｉ、ＲＥの構成比率がＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＲＥ_２Ｏ_３換算でＡｌ_２Ｏ_３５〜５０質量％、ＳｉＯ_２５〜２０質量％、残部がＲＥ_２Ｏ_３からなる粒界相を焼結体に対して２０体積％以下の範囲で含み、Ｆｅ珪化物粒子をＦｅ換算で焼結体に対し０．０２〜３質量％含有し、８００℃における熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とするものである。

このような管状部を得るための第１の製造方法は、β化率４０％以下であって、固溶量ｚが０．５以下である窒化珪素質粉末と、添加物成分としてＲＥ_２Ｏ_３，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｆｅ_２Ｏ_３の各粉末と、必要に応じてＷＯ_３粉末とをバレルミル、回転ミル、振動ミル、ビーズミル等を用いて湿式混合、粉砕してスラリーとする。

ここで、β化率とは、Ｘ線回折法で得られたα（１０２）回折線とα（２１０）回折線の各ピーク強度の和をＩ_α、β（１０１）回折線とβ（２１０）回折線の各ピーク強度の和をＩ_βとしたときに、次の式によって算出される値である。

（β化率）＝１００×Ｉ_β／（Ｉ_α＋Ｉ_β） （％）
窒化珪素質粉末のβ化率は、窒化珪素質焼結体の強度、破壊靱性値に影響し、β化率４０％以下の窒化珪素質粉末を用いるのは、強度、破壊靱性値とも高くすることができるからであり、β化率が４０％を超える窒化珪素質粉末は焼成工程で粒成長の核となって粗大かつアスペクト比の小さい結晶となりやすく、強度、破壊靱性値とも低下するからである。

特に、β化率１０％以下の窒化珪素質粉末を用いるのが好適である。

また、固溶量ｚは、窒化珪素質焼結体の熱伝導率に影響し、含有するβ型窒化珪素質部の固溶量ｚが０．５以下である粉末を用いるのは、焼結後にアスペクト比５以上の針状結晶組織が得られ、窒化珪素質焼結体の強度、熱伝導率とも高くすることができるからであり、固溶量ｚが０．５を超える場合、窒化珪素質粉末が焼成工程で粒成長の核となり、焼結後の主相となるβ−サイアロンの固溶量ｚが１を超えやすく、熱伝導率が低下する。

粉砕で用いるメディアは、窒化珪素質、ジルコニア質、アルミナ質等の各種焼結体からなるメディアを用いることができるが、不純物が混入しにくい材質、あるいは同じ材料組成の窒化珪素質焼結体からなるメディアが好適である。

なお、粒度分布曲線の累積体積の総和を１００％としたときの累積体積が９０％となる粒径（Ｄ９０）が３μｍ以下となるまで粉砕することが焼結性の向上および結晶組織の針状化の点から好ましい。粉砕によって得られる粒度分布は、メディアの外径、メディアの量、スラリーの粘度、粉砕時間等で調整することができる。スラリーの粘度を下げるには分散剤を添加することが好ましく、短時間で粉砕するには、予め累積体積５０％となる粒径（Ｄ５０）が１μｍ以下の粉末を用いることが好ましい。

次に、得られたスラリーをＪＩＳ Ｒ ６００１−１９９８で定義された粒度２００メッシュより細かいメッシュを通した後に乾燥させて顆粒を得る。また、スラリーの段階でパラフィンワックスやＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）などの有機バインダーを粉体重量に対して１〜１０質量％外添、混合するほうが成形性のために好ましい。乾燥は、ビーカーなどで乾燥させても良いし、スプレードライヤーにて乾燥させても良く、他の方法であっても何ら問題ない。

次に、得られた顆粒を冷間等方圧加圧法（ＣＩＰ）を用い、相対密度４５〜６０％の所望の形状とする。成形圧力は５０〜３００ＭＰａの範囲であれば成形体の密度の向上、顆粒の潰れ性の観点より好適である。得られた成形体は、窒素雰囲気中、真空雰囲気中などで脱脂した方が良い。脱脂温度は添加した有機バインダーの種類によって異なるが、９００℃以下がよく、特に５００〜８００℃とすることが好適である。

次に、焼成による成分の揮発を抑制したり、外部からの異物の付着を防止したりするために、焼成サヤ内に成形体を配置する。焼成サヤの材質は、カーボン質、窒化珪素質、炭化珪素質、またはこれら複合物などの材質が良い。また、焼成サヤの気孔率が高い場合は、焼成サヤの表面に窒化珪素質の粉末を塗布しても良い。また、カーボン質からなる焼成さやの表面に窒化珪素質の粉末を塗布しても良い。焼成サヤ内には成形体の含有成分の揮発を抑制するためにＲＥ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２などの成分を含んだ共材を配置しても良い。焼成炉は一般的な窒化珪素質成形体の焼成に用いる黒鉛抵抗発熱体を使用した焼成炉を用いることができる。

また、成形体の配置方法として、カーボン粉末など大気中の酸素ガスを除去可能な粉末中に焼成サヤごと埋設する方法や、焼成サヤ内に窒化珪素質粉末、炭化珪素質粉末中を充填し、その中に成形体を埋設する方法を用いれば、電気炉を用い、大気中で焼成することも可能である。このような方法では、大気中の酸素ガスは除去され、実質的に焼成雰囲気は窒素雰囲気となる。室温から３００〜１０００℃までは真空雰囲気中にて昇温し、その後窒素ガスを導入して、窒素分圧を５０〜３００ｋＰａに維持する。このとき成形体の開気孔率は４０〜５５％程度であるため、成形体中には窒素ガスが十分充填される。１０００〜１４００℃付近では焼結助剤成分が固相反応を経て、液相成分を形成し、約１４００℃以上の温度域で、β−サイアロンを析出し、緻密化が開始する。β−サイアロンはβ−Ｓｉ_３Ｎ_４のＳｉ^４＋位置にＡｌ^３＋、Ｎ^３−の位置にＯ^２−が置換固溶したものであり、Ｓｉ_３Ｎ_４−ＡｌＮ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系の多くの状態図（例えば、Ｋ．Ｈ．Ｊａｃｋ，Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．、１１（１９７６）１１３５−１１５８、Ｆｉｇ．１１）にあるように、β（またはβ’とも言う）−サイアロン相の安定領域はＳｉ_３Ｎ_４−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系に対してＮ^３−が価数の安定には不足しており、外部からＮ^３−の供給が必要となる。本発明者は鋭意検討した結果、成形体中に充填された窒素ガスがＮ^３−となることを突き止めるとともに、窒素分圧を低く抑えることによってβ−サイアロンの固溶量ｚを低くすることが可能であることを見出した。すなわち、開気孔率が十分大きい段階（開気孔率が４０〜５５％から５％に達するまでの段階）はできるだけ窒素分圧を低く設定する必要があり、５０〜３００ｋＰａとすることが重要である。窒素分圧が３００ｋＰａを超えると、β−Ｓｉ_３Ｎ_４に対しＡｌ，Ｏ，Ｎの置換固溶が進み、固溶量ｚが１を超えやすくなり、熱伝導率が低下する。窒素分圧が５０ｋＰａより小さくなると、β−サイアロン（またはＳｉ_３Ｎ_４）の平衡窒素分圧より小さくなり、β−サイアロン（またはＳｉ_３Ｎ_４）の分解反応が進行して、シリコンが溶融するため、正常な窒化珪素質焼結体にならない。また、温度が１８００℃を超えるとＡｌ，Ｏ，Ｎの置換固溶が進行し、固溶量ｚが１を超えやすくなり、熱伝導率が低下する。焼結が進行し、開気孔率が５％未満となった場合、窒化質焼結体中への窒素ガスの供給量が少なくなるため、３００ｋＰａを超える窒素分圧であっても構わないし、１８００℃以上の温度で焼成しても構わず、最終的には相対密度９６％以上まで緻密化を進行させることで、高強度、高熱伝導の窒化珪素質焼結体が得られる。

なお微細な結晶組織を得るには焼成温度を１７００℃以上、１８００℃未満にすればよい。また、真空雰囲気中にて昇温後、窒素分圧は１５０ｋＰａ以下としたほうが経済的観点からも望ましい。より緻密化を促進するには、開気孔率が５％以下となった段階で２００ＭＰａ以下の高圧ガス圧処理または熱間等方加圧（ＨＩＰ）処理を施しても構わない。この場合、望ましくは開気孔率１％以下で、相対密度が９７％以上、さらには９９％以上まで焼結を促進させた後に高圧ガス圧処理または熱間等方加圧（ＨＩＰ）処理を施すほうが良い。

また、添加したＦｅ_２Ｏ_３粉末、ＷＯ_３粉末は焼成で主相であるβ−サイアロン（Ｓｉ_３Ｎ_４）と反応して、酸素成分を脱離し、それぞれＦｅ珪化物、Ｗ珪化物を生成する。

このような製造方法によって窒化珪素質焼結体から成る管状部５を得ることができるが、以下に示す第２の製造方法を用いてもよい。

先ず、シリコン粉末、上述と同様の窒化珪素質粉末および添加物粉末を、（シリコン粉末）／（窒化珪素質粉末）の重量比で１〜１０となるように混合する、シリコン粉末は、窒化珪素質粉末、添加物粉末とともにイソプロピルアルコールで湿式混合、粉砕することもできるし、別途シリコン粉末のみを粉砕した後に、湿式混合することもできる。但し、シリコン粉末は大き過ぎると、その後の窒化不足や、焼結不良の原因となりやすいので、シリコン粉末単独で粒度分布曲線の累積体積の総和を１００％としたときの累積体積が９０％となる粒径（Ｄ９０）が１０μｍ以下、好ましくは６μｍ以下に粉砕することが重要である。さらに、同時に湿式混合、粉砕する場合や、別途粉砕した後に、湿式混合する場合、混合粉末の粒径（Ｄ９０）を５μｍ以下にすることが重要である。混合、粉砕工程において粉砕するため、例えば、ＪＩＳ Ｒ ６００１−１９９８で定義された粒度４０メッシュ以下の粒径の大きい安価なシリコン粉末を使用することは経済的に有効である。混合方法、粉砕方法、乾燥方法および成形方法は第１の製造方法に従って、成形体を形成すればよい。

なお、シリコン粉末を含有した成形体は含有しない成形体より相対密度は高く、その値は５０〜６５％となる。

次に、シリコン粉末を含有した成形体を、窒素分圧５０ｋＰａ〜１．１ＭＰａ、温度１０００〜１４００℃の範囲でシリコン粉末を窒化珪素に変換して、β化率を４０％以下、固溶量ｚを０．５以下の窒化珪素質多孔体を得ることができる。シリコン粉末は窒素ガスと窒化反応することでＳｉ_３Ｎ_４成分となる。このとき生成したＳｉ_３Ｎ_４成分はシリコン粉末より大きな体積となるが、多孔体の空隙部を埋めるように体積膨張するため、窒化反応により相対密度は５５〜７０％まで上昇し、その後の焼成収縮率が小さくなり、焼成変形が小さくなる利点がある。

また、相対密度の上昇によって閉気孔が増加すると、多孔体中からＮ^３−の飛散を抑制することができるので、固溶量ｚが小さくなる利点もある。また、１０００〜１４００℃の温度範囲で窒化する際にＲＥ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２が固相反応しＡｌ_２Ｏ_３がＳｉ_３Ｎ_４中へ固溶しにくくなる利点もある。しかしながら、窒化反応は発熱反応であるため、急激な窒化反応は自己発熱による温度暴走を引き起こし、α−Ｓｉ_３Ｎ_４より焼結性の劣るβ−Ｓｉ_３Ｎ_４（サイアロン）への窒化、さらにはシリコンが溶融する危険性がある。また、（シリコン粉末）／（窒化珪素質粉末）の重量比が１０より大きい場合、急激な窒化反応を制御するのが困難であり、温度暴走を引き起こすことがあり、（シリコン粉末）／（窒化珪素質粉末）の重量比が１より小さい場合、上述の利点が十分生かせないことがある。従って、（シリコン粉末）／（窒化珪素質粉末）の重量比は１〜１０、望ましくは３〜８が良い。次に窒素分圧が５０ｋＰａより小さい場合、窒化反応が進まず、窒化不足となることもある。１．１ＭＰａを超えると急激な窒化反応が発生し、温度暴走が生じやすくなる。また、１０００℃より低い温度では窒化反応が進行しない。１４００℃を超えると未窒化のシリコンが溶融して割れたり、あるいはＲＥ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏを含む液相が生成し、固溶量ｚの大きいβ−サイアロンが析出したりして、熱伝導率の低い焼結体となりやすい。

より好ましくは次のように窒化反応を進行させることが良い。すなわち、シリコン粉末を含む成形体は、窒化工程において成形体の表面のシリコン粉末から窒化が始まり、時間の経過とともに成形体の内部に存在するシリコン粉末の窒化が進行するので、窒化工程の途中には成形体表面よりも成形体内部で、シリコンの量が多い状態が存在する。成形体をこの状態から完全に窒化させるには、低温での窒化（第１の窒化工程）の後、高温での窒化（第２の窒化工程）を行う必要がある。すなわち、１０００〜１２００℃で成形体中のシリコン粉末の１０〜７０質量％を窒化するとともに、全窒化珪素（サイアロン）のβ化率を３０％未満とする第１の窒化工程と、１１００〜１４００℃で成形体中のシリコン粉末の残部を窒化珪素（サイアロン）に変換して窒化珪素質多孔体を得るとともに、窒化珪素質多孔体の全窒化珪素（サイアロン）のβ化率を４０％未満とする第２の窒化工程とによって、窒化による発熱反応を制御し、その後の均一な焼結を進行することが好ましい。第２の窒化工程の温度は第１の窒化工程の温度よりも高くする。また、第１の窒化工程と第２の窒化工程は連続して実施したほうが経済的であるため好ましい。

以上のようにしてシリコン粉末を窒化すると、β化率が４０％以下、固溶量ｚが０．５以下の窒化珪素質多孔体となる。β化率１０％以下の窒化珪素質多孔体とするほうが、アスペクト比５以上の針状結晶組織が得られ高強度となり望ましい。また前述のように焼結前の固溶量ｚは極力小さいほうが好適であるが、特に固溶量ｚが０．５を超えるようなβ−サイアロン粉末に窒化された場合、この粉末が粒成長の核となり、焼結後の主相となるβ−サイアロンの固溶量ｚは１を超えやすく、熱伝導率が低下する。

なお、焼成方法は第１の製造方法で示した方法に従えばよいが、窒化工程と焼成工程は連続で行ったほうが工程を短縮することができ、経済的に好ましいが、別途分けて実施しても構わない。

次に、本発明のストークの一部であるハニカム構造を有するフィルター部の製造方法について説明する。

ＴｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との比率がモル比で４０〜６０：６０〜４０である成分１００質量部と、組成式が（Ｎａ_ｙＫ_１−ｙ）ＡｌＳｉ_３Ｏ_８（０≦ｙ≦１）で表わされるアルカリ長石、Ｍｇを含むスピネル型構造の酸化物、ＭｇＯおよび焼成によりＭｇＯに転化するＭｇ含有化合物の少なくともいずれか１種からなる成分を１〜１０質量部と、を調合して調合原料を得る。次に、成形体の外径を決定する内径が例えば、６５〜１４５ｍｍで、ハニカム構造体の隔壁を形成するためのスリットを有する成形型を用いて混練体を押出成形機に投入し、圧力を加えてハニカム状に成形した後、乾燥して所定の長さに切断加工する。その後、電気炉、ガス炉等の焼成炉を用い、成形体を温度１２５０℃〜１７００℃で焼
成して、チタン酸アルミニウム質焼結体からなるフィルター部を得ることができる。

上述のような方法で得られたフィルター部を管状部の一方端部に装着された固定用部材（不図示）上に配置することで、本発明のストークを形成することができる。

以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

（実施例１）
β−サイアロンとして組成式Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚで表され、固溶量ｚが０．６であるβ−サイアロンを主相とし、Ｙ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏを含むとともにＡｌ、Ｓｉ、ＲＥの構成比率がＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３換算でＡｌ_２Ｏ_３２８質量％、ＳｉＯ_２２３質量％、残部がＹ_２Ｏ_３からなる粒界相を焼結体に対して１０体積％含み、Ｆｅ珪化物粒子をＦｅ換算で焼結体に対し１．５質量％含有した管状部５を作製し、表１に示す材質、構造からなるフィルター部６とを組み合わせて、ストーク４とし、それぞれ試料Ｎｏ．１〜２４とした。

また、試料Ｎｏ．２５はＳｉ_３Ｎ_４を主相とし、残部が焼結体に対し、Ａｌ_２Ｏ_３０．７質量％およびＹ_２Ｏ_３３．２質量％からなる粒界相を含む管状部、試料Ｎｏ２６，２７はＳｉ_３Ｎ_４を主相とし、残部が焼結体に対し、Ａｌ_２Ｏ_３６質量％およびＹ_２Ｏ_３４質量％からなる粒界相を含む管状部、試料Ｎｏ．２８はＳｉ_３Ｎ_４を主相とし、残部が焼結体に対し、Ａｌ_２Ｏ_３０．４質量％およびＥｒ_２Ｏ_３１．４質量％からなる粒界相を含む管状部をそれぞれ作製し、表１に示す材質、構造からなるフィルター部６とを組み合わせて、ストーク４とした。

また、炭化珪素質焼結体からなる管状部５と、コージェライト質焼結体からなるフィルター部６とを組み合わせて、ストーク４とし、試料Ｎｏ．２９とした。

なお、これら試料Ｎｏ．１〜２９における管状部５の各寸法は外径１４０ｍｍ、厚み１０ｍｍ、全長９００ｍｍとし、フィルター部６の各寸法は外径１３８ｍｍ、隔壁１１の厚み１ｍｍ、貫通孔１２のピッチ４ｍｍ、全長１８ｍｍとした。また、貫通孔１２の形状は溶湯の導入方向に対して垂直な断面を正方形状とした。

これら試料Ｎｏ．１〜２９に対し、以下に述べる測定および評価を行った。

なお、表１でハニカムと記入したものはフィルター部６がハニカム構造を有し、二層積層と記入したものはフィルター部６がフォームセラミックスを二層積層した構造を有することを意味する。

管状部５の８００℃における四点曲げ強度および室温から８００℃における熱膨張係数については、それぞれＪＩＳ Ｒ １６０４−１９９５、ＪＩＳ Ｒ １６１８−２００２に準拠して、先ず試験片を作製した。そして、この試験片の８００℃における四点曲げ強度および室温から８００℃における熱膨張係数を上記ＪＩＳ規格に準拠して測定し、その測定値を管状部５の８００℃における四点曲げ強度および室温から８００℃における熱膨張係数として、表１に示した。

また、フィルター部６の耐熱衝撃温度および室温から８００℃における熱膨張係数については、それぞれＪＩＳ Ｃ ２１４１−１９９２、ＪＩＳ Ｒ １６１８−２００２に準拠して、先ず試験片を作製した。そして、この試験片の耐熱衝撃温度および室温から８００℃における熱膨張係数を上記ＪＩＳ規格に準拠して測定し、その測定値をフィルター部６の耐熱衝撃温度および室温から８００℃における熱膨張係数として、表１に示した。

フィルター部６の気孔率については水銀圧入法、開口率についてはゲージを備えた顕微鏡で測定、算出した。

フィルター部６の圧縮強度については、別途圧縮強度測定用のフィルター部６を作製し、互いに直交するいずれかの隔壁１１と平行な方向よりフィルター部６に荷重を加え、フィルター部６が破壊したときの強度を測定し、その測定値を圧縮強度として表２に示した。

そして、管状部５とフィルター部６とから成るストーク４が取り付けられた図１に示す差圧鋳造機を用いて、アルミニウム合金の鋳造を行った。

具体的には、保持炉７内のアルミニウム合金の溶湯８は管状部５の外周側の湯面９上に圧力（図中矢印で示す）が印加されると湯面９は下降し、それに伴って管状部５内の湯面１０は上昇を始め、アルミニウム合金の溶湯８はフィルター部６および湯口３を経由して鋳型２内のキャビティ１に導入される。導入したアルミニウム合金の溶湯８はキャビティ１内で冷却され凝固を始める。湯面９には一定時間圧力がかけられキャビティ１内では加圧下で凝固が進行する。金属溶湯８が湯口３の近傍で凝固しかけた状態で、湯面９の圧力は除去される。管状部５内のアルミニウム合金の溶湯８は下降する。このサイクルを１サイクルとして、１０００サイクル終了後、管状部６全体の変形量をレーザー測長器で測定し、その変形量を表１に示した。

１０００サイクルまでは１００サイクル終了毎に、また１０００サイクル終了後は１０００サイクル終了毎に、管状部５およびフィルター部６のクラックの有無を観察し、クラックが観察されたサイクル数を表２に示した。なお、表２に○が記入されているものについては、２００００サイクル終了してもクラックが観察されなかったものである。

また、１００サイクル終了後、管状部５とフィルター部６が固着せず、フィルター部６を取り外せたものを○、管状部５とフィルター部６が固着して、フィルター部６を取り外せなかったものを×として表２に示した。

不純物の捕集率については、鋳造開始前のフィルター部６の重量（Ｗ_０）および１０００サイクル終了後のフィルター部６の重量（Ｗ_１）を計り、以下の式で表される
ΔＷ＝（（Ｗ_１）−（Ｗ_０））／Ｗ_１×１００ （％）
を捕集率として、表２に示した。

圧力損失については、差圧計にて１０００サイクル終了後、アルミニウム合金の溶湯８の単位時間当たりの流量を Ｎｍ^３／分としたときのフィルター部６の入口側と出口側の差圧を測定し、この差圧を圧力損失とした。圧力損失の測定結果は試料Ｎｏ．１０の圧力損失を１とし、試料Ｎｏ．１０に対する各試料の圧力損失を相対値で表１に示した。この相対値が低いほど圧力損失が低く、相対値が高いほど圧力損失が高いことを意味する。

なお、表２で横線が施しているものは、管状部５やフィルター部６にクラックが観察されたり、フィルター部６が管状部５に固着したりしたために、その後の評価ができなかったり、評価項目自体がその試料の評価に相応しくなかったりしたものである。

表１からわかるように、フィルター部６を構成するセラミック焼結体の耐熱衝撃温度が９００℃未満の試料Ｎｏ．１，２，３は、いずれも５００サイクル以下でフィルター部６にクラックが観察された。

また、管状部５を成す窒化珪素質焼結体より、フィルター部６を構成するセラミック焼結体の熱膨張係数が大きい試料Ｎｏ．１，２、管状部５を成す窒化珪素質焼結体と、フィルター部６を構成するセラミック焼結体との熱膨張係数が等しい試料Ｎｏ．３およびフィルター部６が二層の積層構造である試料Ｎｏ．５は、１００サイクル終了後、いずれも管状部５とフィルター部６が固着して、フィルター部６を取り外すことができなかった。

フィルター部６が二層の積層構造である試料Ｎｏ．５は、１０００サイクル終了後の圧力損失が高かった。管状部５が炭化珪素質焼結体である試料Ｎｏ．２９は、この炭化珪素の耐熱衝撃温度が４００℃と低いので、１００サイクル終了後に管状部５にクラックが観察された。

一方、試料Ｎｏ．４，６〜２８は、窒化珪素質焼結体から成る管状部５と、この管状部５の一方端部に装着され、前記窒化珪素質焼結体の熱膨張係数より小さく、且つ耐熱衝撃温度が９００℃以上のセラミック焼結体からなるフィルター部６と、から構成されているので、少なくとも１００００サイクルまでは管状部５、フィルター部６のいずれにもクラックが観察されず、良好であることがわかる。

また、試料Ｎｏ．４，６〜２８のフィルター部６は、複数の隔壁１１で区画形成された貫通孔１２を備えたハニカム構造であるので、整流作用が損なわれず、その結果、圧力損失が低い。

特に、試料Ｎｏ．６〜２８のフィルター部６は、コージェライト質焼結体またはチタン酸アルミニウム質焼結体で形成されており、いずれの焼結体も酸化物であるため、アルミニウム溶湯が一部酸化して生成したアルミナ膜がフィルター部６を被覆することがなかったので、不純物の捕集率は１０％以上と高い。

そして、本発明の試料Ｎｏ．１５〜２３のフィルター部６は、チタン酸アルミニウム質焼結体で形成されており、このチタン酸アルミニウムの耐熱衝撃温度は１５００℃であるため、２００００サイクル終了後もフィルター部６にクラックが観察されず、信頼性が高いと言える。

また、隔壁の気孔率が２０〜３８％である試料Ｎｏ．７〜９，１６〜１８は不純物の捕集率を高い状態で維持しつつ、圧縮強度の高いフィルター部６を有するストーク４であることがわかる。

また、貫通孔１２に対して垂直な断面における開口率が５０〜８０％である試料Ｎｏ．１１〜１３および２０〜２２は、圧縮強度を維持しつつ、開口率が高くなるほど圧力損失が低いフィルター部６を有するストーク４であることがわかる。

また、管状部５を成す窒化珪素質焼結体の８００℃における四点曲げ強度が５００ＭＰａ以上、かつ、室温から８００℃における熱膨張係数が３．４×１０^−６／℃以下である試料Ｎｏ．４，６〜２４は、管状部５の変形が２．２ｍｍ以下と小さく、アルミニウム合金の溶湯８をキャビティ１内に導入しやすいストーク４であると言える。

（ａ）は本発明の差圧鋳造機を用いて鋳造する様子を示す断面図である。 （ａ）は本発明のストークを示す断面図であり、同図（ｂ）は本発明のストークに備えられるフィルター部を示す断面図である。 本発明の他の実施形態の差圧鋳造機を用いて鋳造する様子を示す断面図である。

符号の説明

１：キャビティ
２：鋳型
３：湯口
４：ストーク
５：管状部
６：フィルター部
７：保持炉
８：金属溶湯
９，１０：湯面
１１：隔壁
１２：貫通孔
１３：外周壁

Claims (4)

1. 金属溶湯を鋳型に形成されたキャビティ内に導入するための管状のストークであって、組成式Ｓｉ _６−Ｚ Ａｌ _Ｚ Ｏ _Ｚ Ｎ _８−Ｚ で表され、固溶量ｚが０．１〜１であるβ−サイアロンを主相とし、粒界相にＲＥ（周期律表第３族元素）−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏを含む窒化珪素質焼結体から成る管状部と、該管状部の一方端部に装着され、複数の隔壁で区画形成された貫通孔を備えたハニカム構造を有するチタン酸アルミニウム質焼結体から成るフィルター部と、を備えたことを特徴とするストーク。
2. 前記フィルター部は、隔壁の気孔率が２０〜３８％であることを特徴とする請求項１に記載のストーク。
3. 前記フィルター部は、貫通孔に対して垂直な断面における開口率が５０〜８０％であることを特徴とする請求項１に記載のストーク。
4. 鋳型に形成されたキャビティ内に請求項１〜３のいずれかに記載のストークを介して金属溶湯を導入し、キャビティ内の金属溶湯を凝固させることを特徴とする差圧鋳造機。

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