專利名稱：用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耐熱材料，該耐熱材料被使用在熔點(diǎn)相對(duì)較低的金屬(例如為鋁、鎂、鋅、錫、鉛或它們的合金)所用鑄造設(shè)備中的與這類低熔點(diǎn)金屬形成的金屬液接觸的位置處，其中所述低熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)通常為800℃或更低。
背景技術(shù)：
在鑄造設(shè)備中，人們使用各種耐熱材料的加工物作為用于輸送、供料和保持上述金屬液的澆鑄箱、流槽和保持爐的襯里材料，或者作為諸如浮子、流出槽、熱頂環(huán)和過渡板之類的附件。特別是，其中用碳纖維來增強(qiáng)硅酸鈣類物質(zhì)而得到的耐熱材料因其具有良好的耐熱性、較高的強(qiáng)度(但質(zhì)量輕)、以及更為優(yōu)異的加工性能(例如，參見專利文獻(xiàn)1和專利文獻(xiàn)2)而被廣泛地使用。
專利文獻(xiàn)1日本專利No.1577427專利文獻(xiàn)2日本專利No.1638119另一方面，為了減輕重量，便攜設(shè)備(例如數(shù)碼照相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、手機(jī)和個(gè)人筆記本電腦)或載重物體(例如汽車、框架和箱體)也趨向于由鎂合金制成。然而，鎂或含鎂合金的活性極高，并且對(duì)與其金屬液接觸的材料具有極強(qiáng)的腐蝕作用。因此，含有硅酸鈣類物質(zhì)或氧化鋁-二氧化硅系材料的常規(guī)部件存在著只能使用幾次、或者在某些情況下只能使用一次的問題，由此，使得人們要更換這些部件。
為了增強(qiáng)耐腐蝕性，人們嘗試過施加耐熱涂料的方法。然而，現(xiàn)有的耐熱涂料在改善對(duì)由鎂的金屬液或含鎂合金的金屬液所產(chǎn)生的腐蝕作用的耐受性方面收效甚微。此外，因?yàn)橛捎诮饘僖旱囊苿?dòng)以及涂敷部分與基材之間的熱膨脹系數(shù)的差異而使得涂敷部分受到應(yīng)力的作用，由此還存在著涂敷部分被分離而導(dǎo)致其效果完全喪失的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是在考慮了這些常規(guī)問題的條件下完成的，并且本發(fā)明的目的是改善在用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料中的硅酸鈣類物質(zhì)對(duì)具有強(qiáng)腐蝕性的金屬液(例如鎂的金屬液或含鎂合金的金屬液)的耐久性，同時(shí)保持所述硅酸鈣類物質(zhì)的優(yōu)異的絕熱性、比強(qiáng)度和加工性能。
通過以下說明，本發(fā)明的其它目的和效果將顯而易見。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供以下用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料(1)一種用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料，該耐熱材料含有硅酸鈣類物質(zhì)和氟化物；(2)上述(1)中所述的用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料，其中以氟計(jì)，所述氟化物的含量為0.05重量％到30重量％；(3)上述(1)或(2)中所述的用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料，其中所述的硅酸鈣類物質(zhì)是選自硅灰石(CaSiO3)、雪硅鈣石(5CaO·6SiO2·5H2O)和硬硅鈣(6CaO·6SiO2·H2O)中的至少一種；(4)上述(1)到(3)中任意一項(xiàng)所述的用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料，其中所述的氟化物是選自氟化鈣(CaF2)、氟化鎂(MgF2)和冰晶石(Na3AlF6)中的至少一種；(5)上述(1)到(4)中任意一項(xiàng)所述的用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料，其中所述耐熱材料的密度為200kg/m3到2,500kg/m3，彎曲強(qiáng)度為1MPa到20MPa；以及(6)上述(1)到(5)中任意一項(xiàng)所述的用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料，其中所述耐熱材料被用在與鎂的金屬液或含鎂合金的金屬液接觸的位置處。
本發(fā)明中的術(shù)語(yǔ)“含鎂合金”通常是指鎂與除鎂之外的其它低熔點(diǎn)金屬(例如鋁、鋅、錫或鉛)構(gòu)成的合金。盡管鎂可以為任意含量，但是，切合實(shí)際的是，鎂的含量占合金總量的0.1重量％到99.9重量％。
根據(jù)本發(fā)明的用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料具有得自于硅酸鈣類物質(zhì)的優(yōu)異的絕熱性、比強(qiáng)度和加工性能，并且與傳統(tǒng)材料相比，本發(fā)明的耐熱材料對(duì)由強(qiáng)腐蝕性金屬液(例如鎂的金屬液或含鎂合金的金屬液)產(chǎn)生的腐蝕作用還具有非常優(yōu)異的耐受性。因此，(例如)當(dāng)將本發(fā)明的耐熱材料用于鑄造設(shè)備的澆鑄箱時(shí)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，部件的更換頻率被大幅度降低，而該材料本身的成本還基本上等于傳統(tǒng)材料的成本。因此，從耐用時(shí)間和材料成本考慮，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，本發(fā)明可使鑄造操作的成本總體上變得很低。


圖1是用于說明各例子中腐蝕試驗(yàn)的試驗(yàn)方法的示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下詳細(xì)說明本發(fā)明。
本發(fā)明用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料包含作為母料的硅酸鈣類物質(zhì)，以保證該耐熱材料的絕熱性、比強(qiáng)度和加工性能，并向母料中摻入氟化物，以賦予耐腐蝕性。本發(fā)明耐熱材料中的氟含量?jī)?yōu)選為0.05重量％到30重量％，更優(yōu)選為0.05重量％到5重量％，進(jìn)一步優(yōu)選為0.1重量％到4.0重量％，特別優(yōu)選為0.5重量％到3.0重量％。
對(duì)硅酸鈣類物質(zhì)沒有特別限定，但是優(yōu)選為選自硅灰石(CaSiO3)、雪硅鈣石(5CaO·6SiO2·5H2O)和硬硅鈣石(6CaO·6SiO2·H2O)中的至少一種。此外，對(duì)用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料中的硅酸鈣類物質(zhì)的含量沒有特別限定，只要使耐熱材料中的氟含量落在上述范圍內(nèi)即可，但是所述的硅酸鈣類物質(zhì)的含量?jī)?yōu)選為70重量％到99.95重量％、更優(yōu)選為85重量％到99.9重量％，進(jìn)一步優(yōu)選為88重量％到99.5重量％，特別優(yōu)選為92重量％到99重量％。當(dāng)硅酸鈣類物質(zhì)的含量低于70重量％時(shí)，耐熱材料的絕熱性、比強(qiáng)度和加工性能會(huì)降低。另一方面，當(dāng)硅酸鈣類物質(zhì)的含量超過99.95重量％時(shí)，則氟含量太少以致于不能得到改善耐腐蝕性的效果。
對(duì)氟化物沒有特別限定，但是其包括無機(jī)氟化物，例如氟化鈣(CaF2)、氟化鎂(MgF2)、冰晶石(Na3AlF6)、氟化鋰(LiF)、氟化鋇(BaF2)、氟化鋁(AlF3)、氟化鍶(SrF2)、氟化鈰(CeF3)、氟化釔(YF3)、氟化鈉(NaF)、氟化鉀(KF)、氟硅酸鈉(Na2SiF6)和氟硅酸銨((NH4)2SiF6)。在本發(fā)明中，優(yōu)選使用選自氟化鈣(CaF2)、氟化鎂(MgF2)和冰晶石(Na3AlF6)中的至少一種，這是因?yàn)檫@幾種化合物的成本較低。此外，在本發(fā)明中，氟化物以顆粒形式分散在用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料中。與此相應(yīng)的是，氟化物顆粒的粒徑越小越好，但是沒有特別限定。氟化物顆粒的粒徑優(yōu)選為3到15μm、更優(yōu)選為5到10μm?？梢杂煞锖蜕鲜龉杷徕}類物質(zhì)這兩種組分來制成用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料，對(duì)氟化物的含量沒有特別限定，只要耐熱材料中的氟含量落在上述范圍內(nèi)即可，但是，該氟化物的含量?jī)?yōu)選為0.05重量％到30重量％、更優(yōu)選為0.1重量％到15重量％、進(jìn)一步優(yōu)選為0.5重量％到12重量％，特別優(yōu)選為1重量％到8重量％。如果氟化物的含量低于0.05重量％，則不能改善耐腐蝕性。而如果氟化物的含量超過30重量％，則會(huì)導(dǎo)致用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料的絕熱性、比強(qiáng)度和加工性能降低。
盡管使用如上所述的硅酸鈣類物質(zhì)和氟化物可形成本發(fā)明的用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料，但是還可以按需加入那些迄今為止曾被摻入耐熱材料中的已知材料。特別是，加入增強(qiáng)纖維是優(yōu)選的，并且可以以0.1重量％到3重量％的量加入玻璃纖維、碳纖維或陶瓷纖維等。優(yōu)選的是，這些增強(qiáng)纖維的纖維直徑為3到15μm、纖維長(zhǎng)度為3到10mm，因?yàn)檫@樣會(huì)產(chǎn)生優(yōu)異的增強(qiáng)效果。
為了制造本發(fā)明的用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料，可采用已知的制造方法?？墒褂?例如)制板法或脫水壓制法。具體而言，將含有用于形成硅酸鈣類物質(zhì)的原料和氟化物這兩者的含水漿料進(jìn)行脫水模制，從而形成(例如)片狀的脫水模制制品，然后對(duì)該脫水模制制品進(jìn)行水熱處理從而形成硅酸鈣類物質(zhì)。用于形成硅酸鈣類物質(zhì)的原料是石灰原料和硅酸原料這兩者的混合物，并由石灰、硬硅鈣石、硅灰石和石英巖等組成。此外，優(yōu)選的是，向含水漿料中加入消泡劑或絮凝劑，其加入量分別為固態(tài)物質(zhì)重量的0.01％到0.3％。優(yōu)選的是，消泡劑不殘留在所得到的用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料中。因此，優(yōu)選使用水溶性消泡劑，從而使其在脫水模制時(shí)與水一起被排出。
在脫水模制的過程中，調(diào)節(jié)模制條件使得所得到的用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料的密度為200kg/m3到2,500kg/m3、更優(yōu)選為700kg/m3到1,000kg/m3，而彎曲強(qiáng)度為1MPa到20MPa、更優(yōu)選為6MPa到12MPa。當(dāng)用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料具有上述的密度和彎曲強(qiáng)度時(shí)，則絕熱性、比強(qiáng)度、加工性能和耐腐蝕性都很優(yōu)異，并且這些性能之間達(dá)到良好的平衡。
水熱處理只需要將脫水模制制品置于高壓釜中、并且在蒸汽氣氛下對(duì)其加熱即可。這種水熱處理必須進(jìn)行到硅酸鈣類物質(zhì)合成反應(yīng)結(jié)束為止，并根據(jù)用于形成硅酸鈣類物質(zhì)的原料的組成、脫水模制制品的大小和待形成的硅酸鈣類物質(zhì)的種類來適當(dāng)?shù)卦O(shè)定水熱處理的條件。然而，合適的方式是在0.9MPa到1.8MPa的蒸汽壓力下處理2到20小時(shí)。
在進(jìn)行水熱處理之后，干燥所得產(chǎn)物從而得到用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料，該耐熱材料可原樣使用。然而，在這種狀態(tài)下，硅酸鈣類物質(zhì)的晶體形式是硅灰石和硬硅鈣石這兩者的混合形式。為了脫去硬硅鈣石的結(jié)晶水以便進(jìn)一步增強(qiáng)耐腐蝕性，優(yōu)選的是進(jìn)行煅燒。對(duì)煅燒操作沒有限定，只要結(jié)晶水可被脫出即可。例如，合適的是，在600℃到800℃的氮?dú)鈿夥障蚂褵?到5小時(shí)。關(guān)于煅燒后硅酸鈣類物質(zhì)的晶體形式，由于硬硅鈣石已經(jīng)被脫水，所以硅灰石成為主要成分。
本發(fā)明的用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料具有得自于硅酸鈣類物質(zhì)的優(yōu)異的加工性能，從而可通過切削等容易地被加工成所需的形狀。此外，氟化物賦予本發(fā)明的耐熱材料以優(yōu)異的耐腐蝕性，從而使得該耐熱材料最適合使用在特別是與鎂的金屬液或含鎂合金的金屬液接觸的位置處。因此，本發(fā)明的耐熱材料適于作為鑄造鎂或含鎂合金的設(shè)備中的澆鑄箱、流槽和保持爐所用的襯里材料；或者作為諸如浮子、流出槽、熱頂環(huán)和過渡板之類的附件。
例子參照以下實(shí)施例和對(duì)比例將更加詳細(xì)地說明本發(fā)明，但是本發(fā)明不應(yīng)被解釋成受限于這些例子。
實(shí)施例1到14及對(duì)比例1到6根據(jù)表1到3所示的配方，將下列用于形成硅酸鈣類物質(zhì)的原料、氟化物和其它材料混合并攪拌，以制備含水漿料。各成分的詳細(xì)情況如下

然后，通過加壓對(duì)含水漿料進(jìn)行脫水模制，從而形成片狀的脫水模制制品，之后，將該制品放置于高壓釜中，在1.7MPa的條件下水熱處理8小時(shí)。接著，將所得制品在105℃干燥24小時(shí)，然后，在750℃下在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)一步煅燒3小時(shí)，從而得到厚度為25mm的片狀試驗(yàn)樣品。
測(cè)量每個(gè)試驗(yàn)樣品的密度，此外，根據(jù)以下方法測(cè)量三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)、并進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。測(cè)量結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果示于表1到4中。
<測(cè)量三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度>
從試驗(yàn)樣品上切下300mm長(zhǎng)、75mm寬、25mm厚的試驗(yàn)片，使用由Shimadzu公司制造的Autograph“AG-50kNG”，在加載速率為10mm/分鐘、支點(diǎn)間距為200mm的條件下測(cè)量三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度。
<測(cè)量熱膨脹系數(shù)>
從試驗(yàn)樣品上切下20mm長(zhǎng)、5mm寬、5mm厚的試驗(yàn)片，使用由Rigaku Denki Kogyo株式會(huì)社制造的熱力學(xué)測(cè)量裝置“TMA8310”，在空氣中在以5℃/分鐘的速率由室溫升至800℃的條件下測(cè)量該試驗(yàn)片的熱膨脹系數(shù)。
<腐蝕試驗(yàn)>
從試驗(yàn)樣品上切下其中一條邊長(zhǎng)為約70mm、厚為25mm的長(zhǎng)方形試驗(yàn)片。如圖1示意性示出的那樣，將直徑為8mm、高為10mm的鎂合金(AZ31)圓柱體放置在基本為試驗(yàn)片中心部分的位置處，其中該試驗(yàn)片被布置在定位器上，然后將2MPa的負(fù)荷施加到所述圓柱體的上表面上。在該狀態(tài)下，在氬氣氣氛中經(jīng)2小時(shí)將溫度由室溫升至800℃，從而使鎂合金熔化。然后，在氬氣氣氛中，在相同的負(fù)荷被施加到鎂合金熔體的液面上的狀態(tài)下，將試驗(yàn)片于800℃保持1小時(shí)，由此維持試驗(yàn)片與鎂合金熔體接觸的狀態(tài)。經(jīng)過1小時(shí)之后，解除壓力，并從試驗(yàn)片表面上回收鎂合金熔體。在試驗(yàn)片被冷卻至室溫后，觀察該試驗(yàn)片的橫截面，并測(cè)量因與鎂合金熔體接觸而被腐蝕的那一部分的面積。沒有實(shí)際性地造成任何問題的區(qū)域被評(píng)為“A”，稍微造成一點(diǎn)問題、但沒有實(shí)際性地造成問題的區(qū)域被評(píng)為“B”，而實(shí)際性地造成問題的區(qū)域被評(píng)為“C”。試驗(yàn)結(jié)果示于表1到表4中。
表1


*1預(yù)先采用高壓釜制備的硬硅鈣石漿料表2


*1預(yù)先采用高壓釜制備的硬硅鈣石漿料表3


*1預(yù)先采用高壓釜制備的硬硅鈣石漿料表4


*1預(yù)先采用高壓釜制備的硬硅鈣石漿料與不含氟化物的對(duì)比例1的樣品相比較，實(shí)施例1到8的各個(gè)樣品的耐腐蝕性都得到顯著的改善。此外，與含有氮化硼或碳化硅(據(jù)說這兩種化合物對(duì)由金屬液產(chǎn)生的腐蝕作用具有優(yōu)異的耐受性)的對(duì)比例2到5的樣品相比較，實(shí)施例1到8的耐腐蝕性也得到明顯的改善。另外，對(duì)比例2到5的樣品的彎曲強(qiáng)度也發(fā)生了較大幅度的下降。與此形成對(duì)比的是，實(shí)施例1到8的各個(gè)樣品的彎曲強(qiáng)度的下降還得到抑制。
盡管參照本發(fā)明的具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)地說明，但是在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)和范圍的情況下對(duì)本發(fā)明做各種改變和修改對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。
本申請(qǐng)基于2006年3月27日提交的日本專利申請(qǐng)No.2006-086401，該專利申請(qǐng)的內(nèi)容以引用方式并入本文。
權(quán)利要求
1.一種用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料，該耐熱材料含有硅酸鈣類物質(zhì)和氟化物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料，其中以氟計(jì)，所述氟化物的含量為0.05重量％到30重量％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料，其中所述的硅酸鈣類物質(zhì)包括選自硅灰石(CaSiO3)、雪硅鈣石(5CaO·6SiO2·5H2O)和硬硅鈣石(6CaO·6SiO2·H2O)中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料，其中所述的氟化物是選自氟化鈣(CaF2)、氟化鎂(MgF2)和冰晶石(Na3AlF6)中的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料，其中所述耐熱材料的密度為200kg/m3到2,500kg/m3，彎曲強(qiáng)度為1MPa到20MPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料，其中所述耐熱材料被用在與鎂的金屬液或含鎂合金的金屬液接觸的位置處。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于低熔點(diǎn)金屬鑄造設(shè)備的耐熱材料，該耐熱材料含有硅酸鈣類物質(zhì)和氟化物。
文檔編號(hào)C04B35/14GK101054303SQ20071008952
公開日2007年10月17日 申請(qǐng)日期2007年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月27日
發(fā)明者坂本晃史 申請(qǐng)人:霓佳斯株式會(huì)社