JP2001212658A - 遠心力鋳造方法及び溶湯供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ハイス系鋳鉄材等の遠心力鋳造において、酸
化物や凝固殻の巻き込みによる鋳造欠陥や年輪状偏析が
生じないようにする。 【解決手段】 堰鉢11に収容された鋳鉄材の溶湯16の表
面全体をフラックス材18で覆って、溶湯を大気から遮断
するようになし、溶湯を、堰鉢の底面に設けた溶湯吐出
孔12より取り出し、堰20に形成された中空状の溶湯通路
部22を通過させることにより、堰鉢内の溶湯を、大気か
ら実質的に遮断された状態で金型内へ供給して遠心力鋳
造を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ハイス系鋳鉄材の
ように炭化物形成元素を多く含む鋳鉄材の遠心力鋳造法
の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱間又は冷間用圧延ロールは、外面側に
耐摩耗性、内部側に強靱性が要求されることから、耐摩
耗性にすぐれるハイス系鋳鉄材を遠心力鋳造により形成
した外層と、強靱性にすぐれる鋳鉄又は鋳鋼の内層(又
はコア)を、冶金的又は機械的に一体化した複合構造の
ロールが従来より使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このハイス系鋳鉄材
は、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ等の炭化物形成元素を多く含ん
でおり、溶湯の凝固過程で炭化物を晶出する。この晶出
炭化物が耐摩耗性の向上に大きく寄与する。ところで、
このハイス系鋳鉄材を遠心力鋳造した場合、炭化物量の
多い層と少ない層とが交互に同心円状に形成されること
が知られている。この炭化物の濃淡模様は、一般的に、
年輪状偏析(又はバンド状偏析)と称されている。

【０００４】ロールの外層に生ずる年輪状偏析は、完全
な同心円ではないため、研削を繰り返しながら使用され
るロールの外層表面には炭化物の多い高硬度領域と炭化
物の少ない低硬度領域が存在することになる。このた
め、実際の圧延作業において、炭化物の多い領域では摩
耗を生じ難く、一方炭化物の少ない領域では摩耗を生じ
易くなるから、ロールの表面に摩耗差が生じ、それが圧
延製品に転写されて、品質に悪影響を及ぼす。圧延製品
の転写模様を回避するには、圧延に供されるロール表面
の研磨をより頻繁に行わねばならず、また、凹凸が大き
いほど研磨１回当たりの研磨量も多くなる。その結果、
ロールの表面研磨１回当たりの圧延量が低下し、またロ
ールの低寿命化を招く。

【０００５】遠心力鋳造で年輪状偏析が発生する理由と
して、鋳造時の結晶核の消失、内面からの結晶核の発生
の時間的影響によるものと考えられる。発明者らは鋭意
研究の結果、金型へ投入された溶湯温度が低くなれば、
鋳造時の結晶核の消失が少なくなり、内面からの結晶核
の生成時期が早くなり、年輪状偏析の発生を抑えられる
ことを見いだした。

【０００６】しかしながら、遠心力鋳造は、一般的には
大気雰囲気下で行われるため、取鍋に収容された溶湯の
表面は、大気との接触により酸化物が生成される。ま
た、その表層部分は大気の放射冷却作用を受けて温度が
局部的に低くなるため、凝固殻が生成される。湯面上に
生成したこれら酸化物や凝固殻は、溶湯温度が十分高い
ときには、溶湯熱によって直ちに再溶融するが、溶湯温
度が低くなると(一般的には、鋳鉄材の液相線温度＋約
８５℃よりも低い温度)、酸化物や凝固殻は再溶融し難
くなる。それら酸化物等が溶湯中で再溶融することなく
鋳造されると鋳造欠陥になる不都合がある。

【０００７】従って、温度の低い溶湯を金型へ供給して
遠心力鋳造を行なうには、溶湯が凝固を開始するまでの
間、溶湯表面における酸化物や凝固殻の生成を極力抑制
する必要がある。ところで、溶湯が金型へ投入された後
は、金型内は溶湯の蒸気が充満し、空気が少なくなるた
め、酸化反応は起こりにくい。また、金型内の限られた
空間内では放射冷却作用が小さく溶湯の表層部分の局部
的温度低下は小さいこと、また、溶湯の投入及び金型の
回転により、金型内の溶湯は絶えず流動状態にあること
から、金型内では凝固殻が生成されにくい。それゆえ、
溶湯が取鍋内に収容されている間と、溶湯が取鍋から取
り出された後金型へ移されるまでの間について、溶湯を
大気から遮断した状態にすれば、大気との酸化反応も起
こらず、また、放射冷却作用による溶湯表面の局部的温
度低下もなく、酸化物や凝固殻の生成を回避することが
でき、低温溶湯を使用した遠心力鋳造が可能となること
がわかった。

【０００８】取鍋内の溶湯を大気から遮断するために、
溶湯表面をフラックス材で覆うことは知られている。従
来の方式では、図１に示すように、取鍋(10)内の溶湯(1
6)は、三角形開口部を有する堰(20)の溶湯通路部(22)を
経て、金型(30)へ供給される。しかし、溶湯(16)が取鍋
(10)から堰(20)は移動する際にフラックス材(18)は分断
され、溶湯表面が露出して大気と接触するため、溶湯が
金型へ投入されるまでの過程で酸化物や凝固殻の生成を
回避することができなかった。それゆえ従来の方式で
は、鋳造欠陥を防止するために、金型内で酸化物や凝固
殻を再溶融させる必要があり、注湯時の溶湯温度は、液
相線温度＋約８５℃よりも高い温度に設定せざるを得な
かった。このため、年輪状偏析の発生を抑えることは困
難であった。

【０００９】本発明の目的は、鋳造欠陥及び年輪状偏析
を生ずることなく遠心力鋳造を行なうことである。本発
明の他の目的は、鋳造欠陥及び年輪状偏析を生ずること
なく遠心力鋳造を行なうための溶湯供給装置を提供する
ことである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の遠心力鋳造法
は、鋳鉄材の溶湯を取鍋から堰鉢に移した後、堰鉢内の
溶湯の表面全体をフラックス材で覆って、溶湯を大気か
ら遮断するようになし、溶湯を、堰鉢の底面に開設され
た溶湯吐出孔より取り出し、溶湯吐出孔の下方に配備さ
れた堰の中空状溶湯通路部を通過させることにより、堰
鉢内の溶湯が、大気から実質的に遮断された状態で金型
内へ供給されるようにしたものである。堰鉢内の溶湯の
出湯開始時の温度は、鋳鉄材の液相線温度＋約８５℃よ
りも低い温度、好ましくは、液相線温度＋３０℃〜＋８
０℃の範囲に調節される。

【００１１】本発明の遠心力鋳造用溶湯供給装置は、取
鍋内の溶湯を堰の溶湯通路部を経て遠心力鋳造金型内へ
供給するものにおいて、取鍋内の溶湯を収容する堰鉢を
具えており、該堰鉢は底面に溶湯吐出孔が開設されると
共に、該吐出孔に嵌まる栓体を含んでおり、堰鉢の溶湯
吐出孔の下方には、中空状の溶湯通路部を有する堰が配
備されており、栓体を外して溶湯吐出孔から吐出した溶
湯が大気から実質的に遮断された状態で金型内へ供給さ
れるようにしたものである。

【００１２】

【作用】鋳鉄材の溶湯が取鍋に収容されているときは、
溶湯温度は高いから(例えば、鋳鉄材の液相線温度＋約
１５０℃)、溶湯表面が大気と接触して酸化物や凝固殻
が生成しても、溶湯が堰鉢へ移されたとき、酸化物や凝
固殻は溶湯熱によって直ちに再溶融する。溶湯が堰鉢へ
収容されると、直ちにフラックス材が投入され、これに
よって溶湯表面は大気から遮断される。溶湯は、堰鉢の
底面に開設された溶湯吐出孔から取り出され、溶湯吐出
孔の下方に配備された堰の中空状溶湯通路部を通して、
金型へ供給される。このように、堰鉢内の溶湯は、大気
と殆んど接触することなく金型へ供給されるので、その
間で酸化物や凝固殻が生成することはない。溶湯が金型
へ達した後は、前述したように酸化物や凝固殻は生成し
にくく、また金型内の溶湯表面は堰鉢から送られてくる
フラックス材で覆われるため、遠心力鋳造中、酸化物や
凝固殻を生ずることはなく、鋳造欠陥のない製品を作る
ことができる。

【００１３】また、堰鉢内の溶湯温度が鋳鉄材の液相線
温度＋約８５℃よりも低い温度に達してから、出湯を開
始することにより、鋳造時の結晶核の消失が低減され、
また内面からの結晶核の生成が早められるため、炭化物
形成元素を多く含むハイス系鋳鉄材の遠心力鋳造に特有
な年輪状偏析の発生を防止することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】まず、本発明の遠心力鋳造用溶湯
供給装置について説明する。図２を参照すると、溶湯供
給装置は符号(1)で示されており、取鍋(図示せず)から
移された溶湯を収容する堰鉢(11)と、該堰鉢から吐き出
された溶湯が金型(30)まで移動する湯道となる堰(20)と
から構成される。堰鉢(11)は、底面に溶湯吐出孔(12)が
開設されており、該吐出孔(12)は栓体(14)で閉じられて
いる。栓体(14)は、黒鉛から作られた棒状の部材であ
り、上端部が溶湯(16)の湯面から露出する長さに形成さ
れる。堰(20)は、堰鉢(11)の溶湯吐出孔(12)の直ぐ下方
に配備される。堰(20)には、中空の溶湯通路部(22)が形
成されており、円形開口部を有する円筒堰が好適に使用
される。堰鉢(11)と堰(20)との間は、必ずしも密着させ
る必要はなく、多少の間隔があけられていても差し支え
ない。この間では、溶湯の移動速度が速いため、溶湯表
面の酸化反応、放射冷却による局部的温度低下は起こり
にくいからである。

【００１５】而して、鋳鉄材の溶湯が収容された取鍋
は、クレーン等により遠心鋳造金型(30)の近傍に設置さ
れた堰鉢(11)まで運ばれる。溶湯を取鍋から堰鉢(11)へ
移し終えると、溶湯(16)の湯面をフラックス材(18)で覆
う。フラックス材として、珪砂、ソーダ灰、ホウ砂の１
種、又はこれら２種以上を混合した混合物を用いること
ができる。フラックス材の使用量は、金型への注湯完了
後、溶湯内面が約０.３〜３.０mmの厚さで覆われる量と
することが好ましい。溶湯の金型への注湯中は、既に説
明した理由により、酸化物や凝固殻が生成しにくいが、
注湯完了後は、金型内の空気量が増加して、再び酸化物
が生成する虞れが生ずるからである。すなわち、被覆厚
さが０.３mmよりも少ないと、大気との遮断効果が小さ
く、一方、３.０mmを越える必要性はなく、鋳造作業の
効率低下が著しくなるためである。

【００１６】堰鉢(11)内の溶湯温度が、鋳鉄材の液相線
温度＋３０℃〜＋８０℃になってから、栓体(14)を外し
て溶湯吐出孔(12)を開放する。溶湯は、吐出孔(12)から
堰(20)の溶湯通路部(22)を通って、金型(30)の内部へ投
入される。

【００１７】堰鉢(11)の底面積は、注湯速度との関係
で、約０.３〜１.５m²とすることが望ましい。溶湯吐出
孔(12)の孔径は、約４０〜１２０mmが望ましい。孔径が
約４０mmよりも小さいと、注湯速度が遅く、金型内に投
入された溶湯温度が低くなりすぎる虞れがあるからであ
る。一方、孔径が約１２０mmよりも大きいと、一度に大
量の溶湯が金型内へ供給され、溶湯の飛散等により作業
性に不都合が生じるためである。

【００１８】本発明の遠心力鋳造法は、炭化物形成元素
を多く含有するハイス系鋳鉄材等の鋳鉄材に対して好適
に適用される。ハイス系鋳鉄材の一例として、Ｃ：１.
３〜２.５％(重量％、以下同じ)、Ｓｉ：０.１〜１.５
％、Ｍｎ：０.１〜１.５％、Ｐ：０.１％以下、Ｓ：０.
１％以下、Ｎｉ：２.０％以下、Ｃｒ：２.０〜１０.０
％、Ｍｏ：１.０〜６.０％、Ｗ：０.１〜６.０％、Ｖ：
２.０〜６.０％を含有し、必要に応じて、Ｃｏ、Ｔｉ、
Ａｌ、Ｎｂの１種又は２種以上を合計量で０.１〜１０.
０％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなるも
のを示すことができる。なお、Ｖは特に酸化し易い性質
を有しているが、本発明の方法を用いることにより、酸
化物の生成を確実に防止できる利点がある。

【００１９】

〔溶湯供給装置〕

・堰鉢の底面積： ０.８m² ・溶湯吐出孔径： ７０mm ・金型内の溶湯内面被覆厚さ(フラックス材の使用量)：
１.０mm ・溶湯量： ３２００kg 〔鋳造条件〕 ・注湯開始温度： １３６０℃（液相線温度＋４９℃に
相当） ・注湯時間： ４０秒 ・金型回転数： ７２０rpm

【００２０】比較例１ 図２に示す溶湯供給装置を用いて遠心力鋳造(金型寸
法：内径７８０mm×長さ２３００mm)を行なった。鋳鉄
材の組成、溶湯供給装置の仕様、鋳造条件は次の通りで
ある。 〔鋳鉄材の組成：重量％〕Ｃ：１.９７、Ｓｉ：０.７
２、Ｍｎ：０.７０、Ｐ：０.０１３、Ｓ：０.００９、
Ｎｉ：０.９８、Ｃｒ：８.６２、Ｍｏ：１.３０、Ｗ：
５.１９、Ｖ：４.４７、Ｃｏ：４.０３、Ｔｉ：０.１
３、残部：実質的にＦｅ。 〔溶湯供給装置〕 ・金型内の溶湯内面被覆厚さ(フラックス材の使用量)：
１.０mm ・溶湯量： ３２００kg 〔鋳造条件〕 ・注湯開始温度： １４０１℃（液相線温度＋９０℃に
相当） ・注湯時間： ４３秒 ・金型回転数： ７２０rpm

【００２１】比較例２ 注湯開始温度を１３８５℃（液相線温度＋７４℃に相
当）にした以外は、比較例１とほぼ同じ条件にて遠心力
鋳造を行なった。

【００２２】鋳造結果は次の通りであった。発明例は、
酸化物、凝固殻の巻き込みによる鋳造欠陥がなく、ま
た、年輪状偏析の発生も認められなかった。鋳造品の横
断面の金属マクロ組織(×２)を図３に示しており、年輪
状偏析は認められない。比較例１は、注湯開始温度が高
いため、酸化物等の巻き込みによる鋳造欠陥は生じなか
ったが、年輪状偏析の発生が認められた。図４は、鋳造
品の横断面の金属マクロ組織(×１.５)を示しており、
層状の組織が観察される。これは、炭化物の偏析によ
り、基地層との間に腐食による濃淡が生じたためであ
る。図５は年輪状偏析の境界部分の金属ミクロ組織(×
５０)を示しており、図５中、紙面上部側が微細組織を
呈している領域、紙面下部側が粗大組織となっており、
炭化物量も多い領域である。比較例２は、発明例と同じ
ように注湯開始温度が低いため、年輪状偏析の発生は認
められなかったが、注湯過程で生成した酸化物や凝固殻
が再溶融することなく鋳造されてしまったため、鋳造欠
陥を生じた。

【００２３】

【発明の効果】本発明の溶湯供給装置を用いて遠心力鋳
造を行なうことにより、酸化物、凝固殻の巻き込みに起
因する鋳造欠陥を防止できる。また、注湯時の溶湯温度
を鋳鉄材の液相線温度＋約８５℃よりも低い温度にする
ことができるから、炭化物形成元素を多く含むハイス系
鋳鉄材等の遠心力鋳造に特有な年輪状偏析の発生を防止
することができる。本発明の遠心力鋳造法により作製さ
れたハイス系鋳鉄材ロールは、年輪状偏析を有しないた
め、実際の圧延作業において、ロール表面の摩耗がほぼ
一定であり、ロール表面の再研磨の頻度及びその研磨量
を少なくすることができる。その結果、表面研磨１回当
たりの圧延量を多くすることができ、生産効率の向上を
達成することができる。本発明の溶湯供給装置は、全て
の遠心力鋳造装置に適用できるが、その中でも、年輪状
偏析の発生し易い横型又は傾斜型(特に金型の回転軸の
傾斜が３５度以下のもの)の遠心力鋳造装置に対して、
より好適に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の溶湯供給装置を用いて注湯するときの遠
心力鋳造を説明する図である。

【図２】本発明の溶湯供給装置を用いて注湯するときの
遠心力鋳造を説明する図である。

【図３】発明例の遠心力鋳造品の金属マクロ組織の図面
代用写真である。

【図４】比較例１の遠心力鋳造品の金属マクロ組織の図
面代用写真である。

【図５】比較例１の遠心力鋳造品の金属ミクロ組織の図
面代用写真である。

【符号の説明】 (1) 溶湯供給装置 (10) 取鍋 (11) 堰鉢 (12) 溶湯吐出孔 (14) 栓体 (18) フラックス材 (20) 堰 (22) 溶湯通路部 (30) 金型

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化物形成元素を含む鋳鉄材の遠心力鋳
   造法において、鋳鉄材の溶湯を取鍋から堰鉢に移した
   後、堰鉢内の溶湯の表面全体をフラックス材で覆って、
   溶湯を大気から遮断するようになし、溶湯を、堰鉢の底
   面に開設された溶湯吐出孔より取り出し、溶湯吐出孔の
   下方に配備された堰の中空状溶湯通路部を通過させるこ
   とにより、堰鉢内の溶湯が、大気から実質的に遮断され
   た状態で金型内へ供給されるようにしたことを特徴とす
   る遠心力鋳造法。
2. 【請求項２】 金型内へ供給される溶湯の温度は、鋳鉄
   材の液相線温度＋３０℃〜＋８０℃である請求項１の遠
   心力鋳造法。
3. 【請求項３】 取鍋内の溶湯を堰の溶湯通路部を経て遠
   心力鋳造金型内へ供給する溶湯供給装置において、取鍋
   内の溶湯を収容する堰鉢を具えており、該堰鉢は底面に
   溶湯吐出孔が開設されると共に、該吐出孔に嵌まる栓体
   を含んでおり、堰鉢の溶湯吐出孔の下方には、中空状の
   溶湯通路部を有する堰が配備されており、栓体を外して
   溶湯吐出孔から吐出した溶湯が大気から実質的に遮断さ
   れた状態で金型内へ供給されるようにしたことを特徴と
   する遠心力鋳造用溶湯供給装置。
4. 【請求項４】 栓体は、黒鉛から作られ、上端部が溶湯
   の湯面から露出する長さの棒状部材である請求項３の遠
   心力鋳造用溶湯供給装置。