JP2008207238A - 鋳造鋳型 - Google Patents

Abstract

【課題】従来提案されている鋳造鋳型よりも溶鋼浸透深さを浅くすることができる鋳造鋳型を提供することができる。
【解決手段】ムライト系人工砂からなり、５０％平均粒径が１０〜１５０μｍの第１骨材と、５０％平均粒径が１５０〜２５０μｍの第２骨材とが混合された骨材と、有機樹脂からなる粘結材と、ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子の１種または２種と、を備える鋳造鋳型。粘結材は、骨材に対して０．５〜５重量％添加され、ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子の１種または２種は、粘結材に対して１〜１０重量％添加されていることが好ましい。ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子の１種または２種の５０％平均粒径は、５〜１００μｍであることが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、鋳造鋳型に関し、特に溶鋼の鋳型内部へ浸透を低減することのできる鋳造鋳型に関するものである。

砂を固めて鋳型を作り、その鋳型にできた空間に溶けた金属を流し込んで鋳造品を製造する際、鋳型内部に溶鋼が浸透する（焼着き）のを防止するため、より小さな粒径の骨材よりなる塗型を溶鋼と接する鋳型の表面に塗布することが行われている。例えば、特許文献１は、平均粒径８〜１２μｍの第１骨材２０〜６０重量％、平均粒径２〜４μｍの第２骨材３０〜５０重量％、平均粒径０．５〜４μｍの第３骨材１０〜３０重量％から塗型材を構成することを提案している。この塗型材を用いることにより、焼着きを低減できることが記載されている。特許文献１は、骨材を最密充填することにより、塗型、さらには鋳型本体への溶鋼の浸透を防止しようというものである。

また、溶鋼の浸透低減については、特許文献２も提案を行っている。特許文献２は、人造ムライトを主成分とする人造ムライト砂型で構成し、該人造ムライト砂型に、アルミナ成分が９９％以上である高純度アルミを主成分とし且つＳｉＯ_２成分を含まない塗型を塗布することを提案している。この提案は、通常のアルミナ塗型を用いる場合は、天然アルミナを使用しているため、成分中にＳｉＯ_２成分が含まれており、それが溶鋼と反応して、低融点の化合物を形成し、砂の焼着が生じることに着目し、塗型にＳｉＯ_２成分を含有させないという手段を採用している。

以上のように、特許文献１、特許文献２は、塗型を改良することによって焼着き防止効果を向上することを提案しており、所定の効果を得ることができる。ところが、鋳型自体の耐溶鋼浸透性を向上させることが、好ましいことは言うまでもない。塗型による溶鋼の浸透防止機能が十分に発揮されない不慮の事態も想定されるからである。

ところで、産業機械、特にタービン、コンプレッサーといった風力機械は安全性・気密性の点から炭素含有量の低い鋳鋼が使用される。そのため、約１６００℃にもなる溶鋼を注湯する鋳型の表面に、溶鋼の浸透を防ぐために耐火度が高いクロマイト鋳型砂を使用することが行われている。このクロマイト鋳型砂は、再利用されるものの、劣化後には廃棄される。ところが、廃却されるクロマイト鋳型砂から六価クロム酸化物が生成されるおそれがある。したがって、廃棄後にこの六価クロム酸化物が水中に溶け込んで、環境、特に人体に影響を与えないように、廃棄後の管理が必要であった。この問題を解決するべく、非特許文献１は、アルミナ−シリカの複合セラミックスであるムライト系人工砂を骨材とし、この骨材を２つの異なる平均粒径を有するように粒度構成を制御することを提案している。非特許文献１には、鋳型への溶鋼の浸透深さを、クロマイト砂を用いた場合と同等にできることが記載されている。

特開平１１−１７０００２号公報 特許第３５８９６０１号公報 三菱重工技報 Vol.42 No.4（2005-11） 第190〜193頁

本発明は、非特許文献１に開示されたムライト系人工砂を骨材として用いた鋳型よりも、溶鋼の浸透深さを浅くすることのできる鋳造鋳型を提供することを目的とする。

鋳造鋳型は、骨材と、骨材を結合させる粘結材としての樹脂とを混合し、鋳物形状に応じた形状に成形される。この樹脂としては、アルカリフェノール樹脂、フラン樹脂が用いられている。ムライト系人工砂を骨材とする場合には、専らアルカリフェノール樹脂が用いられる。ところが、これら粘結材は樹脂であるため、溶鋼を注湯して相当の温度に上昇することにより、消失してしまう。つまり、この粘結材による骨材の結合は、溶鋼温度が１６００℃にもおよぶ鋼の鋳造においては、比較的低温域のみで機能するものである。そこで、本発明者等は、１６００℃近傍の高温度において骨材を結合させることにより鋳型強度を向上させ、鋳型への溶鋼の浸透深さをより低減させる検討を行った。その結果、本発明者等は、骨材、従来の樹脂製の粘結材の他に、ＦｅＯおよびＬｉＯ_２の１種または２種を加えることによって、本発明の目的を達成できることを知見した。

本発明はかかる知見に基づくものであり、ムライト系人工砂からなり、５０％平均粒径が１０〜１５０μｍの第１骨材と、５０％平均粒径が１５０〜２５０μｍの第２骨材とが混合された骨材と、有機樹脂からなる粘結材と、ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子の１種または２種と、を備えることを特徴とする鋳造鋳型である。
本発明の鋳造鋳型において、粘結材は、骨材に対して０．５〜５重量％添加され、ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子の１種または２種は、粘結材に対して１〜１０重量％添加されていることが好ましい。
また、本発明の鋳造鋳型において、ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子の１種または２種の５０％平均粒径は、５〜１００μｍであることが好ましい。
さらに、本発明の鋳造鋳型において、第１骨材と第２骨材とからなる骨材の５０％平均粒径が、１００〜２５０μｍであることが好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、従来提案されている鋳造鋳型よりも溶鋼の浸透を低減することができる鋳造鋳型を提供することができる。

本発明の鋳造鋳型は、ムライト系人工砂からなる骨材と、有機樹脂からなる粘結材と、ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子の１種または２種とを備える。この鋳造鋳型は、溶鋼との接触面に塗型を塗布することができる。以下、要素毎により具体的に説明する。
本発明に用いる骨材は、ムライト系人工砂からなる。ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）と酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を３：２の割合で焼結した耐火材料である。ムライトは天然にはほとんど産出されない。したがって、市場に流通されるムライトは、ほとんどが酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）と酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）とを焼結した人工のものである。ムライト系人工砂は、化学的に最も安定な比率として、高温にて焼成して製造するため、その組織は緻密である。そのため、耐火性が高く、耐破砕性、耐熱衝撃性にも優れる。また、製造時には表面張力により粒子が真球状に近くなり、流動性もよい。したがって、充填率を高くすることができるため、溶鋼の浸透低減に有効である。

本発明は、ムライト系人工砂を骨材とするが、この骨材の粒度を規定することが好ましい。そして、この骨材は、Ｄ_５０が１０〜１５０μｍの範囲にある第１骨材と、Ｄ_５０が１５０〜２５０μｍの範囲にある第２骨材とを混合して得られたものであることが好ましい。このように、粒径が相対的に大きい第１骨材と、粒径が相対的に小さい第２骨材とを混合することにより、鋳型への溶鋼の浸透を低減することができる。そして、この骨材全体の５０％平均粒径（Ｄ_５０）は、１００〜２５０μｍの範囲にあることが好ましい。なお、本発明におけるＤ_５０とは、粉体の粒径分布において、ある粒子径より大きい個数が、全粉体のそれの５０％を占めるときの粒子径をいう。

第１骨材のＤ_５０は第２骨材のＤ_５０に対応して適宜定めることが好ましい。つまり、第１の骨材は、第２の骨材間に存在することにより、鋳型における骨材の充填密度を向上して、溶鋼の浸透を低減することを目的とするものであり、この目的を達成できるようにそのＤ_５０が定められるべきである。ただし、第１骨材のＤ_５０が１０μｍ未満であると、ガス透過性が低下し、ガス欠陥が発生しやすくなる。また、第１骨材のＤ_５０が１５０μｍを超えると、溶湯の浸透防止が困難となる。したがって、本発明において第１骨材は、Ｄ_５０を１０〜１５０μｍの範囲にすることが好ましい。より好ましい第１骨材のＤ_５０は５０〜１２０μｍ、さらに好ましい第１骨材のＤ_５０は８０〜１２０μｍである。
第２骨材のＤ_５０が１５０μｍ未満であると、ガス透過性が低下し、ガス欠陥が発生しやすくなる。また、第２骨材のＤ_５０が２５０μｍを超えると、溶湯の浸透防止が困難となる。したがって、本発明において第２骨材は、Ｄ_５０を１５０〜２５０μｍの範囲にすることが好ましい。より好ましい第２骨材のＤ_５０は１７０〜２３０μｍ、さらに好ましい第２骨材のＤ_５０は１８０〜２２０μｍである。

第１の骨材および第２の骨材の混合した骨材全体としてのＤ_５０は、１００〜２５０μｍの範囲とすることが好ましい。骨材全体としてのＤ_５０が小さいと、鋳物にガス欠陥が発生する可能性が高くなる。このガス欠陥は、溶鋼中に存在するガス成分が骨材を通じて鋳型外に放出されずに溶鋼内に留まることにより発生する。また、鋳型内に存在していた有機樹脂からなる粘結材が高温に晒されてガス化し、これが上記と同様に溶鋼内に浸入することにより、発生する。このガス欠陥を防止するために、骨材全体としてのＤ_５０を１００μｍ以上とする。ただし、骨材全体としてのＤ_５０が大きすぎると、溶鋼の浸透を抑制することが困難になる。そこで、本発明においては骨材全体としてのＤ_５０は、１００〜２５０μｍの範囲とすることが好ましい。骨材全体としてのＤ_５０は、より好ましくは１２０〜１８０μｍ、さらに好ましくは１４０〜１６０μｍとする。
第１の骨材と第２の骨材との混合比率（重量比）は、第１の骨材：第２の骨材＝１：２〜２：１とすることが好ましい。

本発明の鋳造鋳型は、粘結材として有機樹脂を含む。この有機樹脂としては、フラン樹脂またはアルカリフェノール樹脂を用いることが好ましい。本発明は、従来公知のフラン樹脂またはアルカリフェノール樹脂を適用することができる。粘結材は、骨材に対して好ましくは０．５〜５重量％、より好ましくは１〜３重量％の範囲で添加される。これら粘結材は、骨材と混合し、所定形状に成形された後に、硬化されて骨材同士を結合する。

本発明の鋳造鋳型は、上述した骨材および粘結材の他にＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子の１種または２種を含む。これら粒子を含むことにより、溶鋼の浸透を低減することができる。すなわち、鋳型内に分散されたＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子の１種または２種は、注湯されることにより鋳型が高温となったときに、鋳型の強度を向上することにより、溶鋼の浸透を低減するものと解される。例えば、ＦｅＯ（酸化鉄（II））の場合、融点が１３６０℃であるため、鋳造時にＦｅＯ粒子が溶融する。そうすると、以下の反応式により、融点のより高いＦｅ_３Ｏ_４（酸化鉄（II，III）、融点：１５６５℃）またはＦｅ_２Ｏ_３（酸化鉄（III）、融点：１５３８℃）が生成し、骨材を構成するムライト系人工砂同士を結合することにより、鋳型の強度が向上するものと解される。ＬｉＯ_２（酸化リチウム）も融点が１１００℃と低く、鋳造の過程で溶融し、何らかの作用により、鋳型の強度を向上しているものと解される。
ＦｅＯ＋１／２Ｏ_２→Ｆｅ_３Ｏ_４
Ｆｅ_３Ｏ_４＋１／２Ｏ_２→３／２Ｆｅ_２Ｏ_３

ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子の１種または２種は、有機樹脂からなる結合材に分散させた状態で、骨材に添加することができる。この結合材は、骨材と混合した際に、混合物中に均一に分散されることが好ましい。したがって、ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子の１種または２種は、混合物中への粘結材の均一な分散を阻害しないことが要求される。具体的には、添加量、粒径を特定することが必要となる。
以上の観点をも考慮して、ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子の１種または２種の添加量は、粘結材に対して１〜１０重量％の範囲とすることが好ましい。１重量％以下では、溶鋼の浸透を低減する効果が十分でない場合がある。また、１０重量％を超えると、粘結材の流動性を阻害してしまう。ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子の１種または２種の添加量は、好ましくは３〜１０重量％、より好ましくは５〜１０重量％である。また、ＦｅＯ粒子、ＬｉＯ_２粒子の粒径は、Ｄ_５０を２０〜１００μｍの範囲とすることが好ましい。Ｄ_５０が１００μｍを超えて大きすぎると粘結材の流動性を阻害してしまう。また、２０μｍ未満では、粘結材中に混合するのが容易でなくなる。ＦｅＯ粒子、ＬｉＯ_２粒子の粒径は、好ましくは３０〜８０μｍ、より好ましくは４０〜６０μｍとする。

以上の、骨材、粘結材およびＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子の１種または２種から構成される鋳造鋳型の溶鋼接触面には、塗型が塗布される。塗型の骨材としては、従来公知の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いることができる。この酸化アルミニウムとしては、焼結アルミナ、電融アルミナ、焼成アルミナの何れをも用いることができる。
骨材の粒度は特に限定されない。例えば、特許文献１に提案されているように、平均粒径８〜１２μｍの第１骨材、平均粒径２〜４μｍの第２骨材および平均粒径０．５〜４μｍの第３骨材というように、平均粒径が異なる複数種の骨材を混合して用いることが、溶鋼の浸透防止に効果的である。塗型を塗布する場合には、骨材に対して粘結材、表面安定化剤および溶剤を従来公知の手段に従って添加すればよい。

骨材として、ムライト系人工砂からなる以下の第１骨材および第２骨材を用意し、これを重量比で１対１の比率で混合した。
第１骨材：Ｄ_５０＝１２０μｍ
第２骨材：Ｄ_５０＝２００μｍ
粘結材として、アルカリフェノールを用意した。アルカリフェノールの添加量は、骨材に対して１．５重量％とした。
また、ＦｅＯ粒子（Ｄ_５０＝３０μｍ）およびＬｉＯ_２粒子（Ｄ_５０＝３０μｍ）を用意して、アルカリフェノール樹脂に対して表１に示す量をアルカリフェノール樹脂に添加した。

以上の骨材（第１骨材、第２骨材）、粘結材、ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子を用いて矩形状の成形体を作製した。成形体のサイズは、４０ｍｍ（幅）×１００ｍｍ（高さ）×２００（長さ）ｍｍである。この成形体の表面に、骨材をアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、粘結材をアルカリフェノールとする塗型を０．２ｍｍ塗布して試験片とした。なお、ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子の添加量を１５重量％にしたところ、これら粒子をアルカリフェノール樹脂に均一に分散することが容易でなかったため、成形体の作製を断念した。
この試験片を、別途作製された鋳型のキャビティ内に高さが１００ｍｍとなるように８枚、平行に配設した。このキャビティ内に注湯した。注湯した鋼は低炭素鋼である。
溶鋼が凝固した後に型ばらしを行い、上記試験片に対する溶鋼の浸透深さを測定した。その結果を表１に示す。なお、表１に示す溶鋼の浸透深さは、ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子のいずれをも添加しない場合を１００とする指数で表している。また、この指数を求めるに際して、各試験片の最大浸透深さを求め、８つの試験片の平均値を求めてＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子のいずれをも添加しない場合と比較した。

表１に示すように、ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子を添加することにより、溶鋼の浸透を低減することができる。ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子では、ＦｅＯ粒子の方が溶鋼の浸透低減の効果が大きい。

ＦｅＯ粒子の平均粒径（Ｄ_５０）、ＬｉＯ_２粒子の平均粒径（Ｄ_５０）を表２に示すように変えた以外は実施例１と同様にして、溶鋼の浸透深さを測定した。その結果を表２に示す。なお、ＦｅＯ粒子の平均粒径Ｄ_５０が３０μｍの試験片の溶鋼の浸透深さを１００とする指数で表している。
表２に示すように、ＦｅＯ粒子またはＬｉＯ_２粒子の粒径は、溶鋼の浸透深さに対する影響が小さいことがわかる。したがって、粘結材への混合が容易となるような粒径を選択することを優先させればよい。

第１骨材および第２骨材の混合比率を表３の値とし、ＦｅＯ粒子（Ｄ_５０＝３０μｍ）の添加量を５重量％とした以外は、実施例1と同様にして成形体を作製した。この成形体の強度を常温下で測定した。その結果を表３に示す。なお、強度は、８００℃における圧縮強度を測定し、第１骨材と第２骨材の混合比率（重量比）が０：１、つまり第２骨材のみを用いた場合の強度を１００とする指数で表した。
表３に示すように、第１骨材のみ、または第２骨材のみの場合に比べて、第１骨材および第２骨材を混合したほうが、成形体、換言すれば鋳型の強度が向上する。

次に、第１骨材、第２骨材のＤ_５０を変え、混合比率を１：１とした以外は上記と同様にして成形体強度を測定した。その結果を表４に示す。

骨材として、表５に示す平均粒径（Ｄ_５０）のムライト系人工砂を用意し、ＦｅＯ粒子（Ｄ_５０＝３０μｍ）の添加量を５重量％とした以外は、実施例１と同様にして鋳造を行った。得られた鋳物についてガス欠陥の発生頻度を求めた。ガス欠陥の発生頻度は、鋳型表面の単位面積当たりのガス欠陥数により求めた。表５にその結果を示す。なお、表５のガス欠陥の発生頻度は、Ｄ_５０が１５０μｍのムライト系人工砂を用いた場合のガス欠陥の発生頻度を１００とする指数で示している。
骨材の平均粒径が小さくなると、一般的には鋳型の強度は高くなるが、表５に示すように、ガス欠陥の発生頻度が高くなる。一方、骨材の平均粒径が大きくなると、ガス欠陥の発生頻度は低くなるものの、鋳型の強度は低くなる。したがって、ピークが単一の粒度分布を有する骨材を用いる場合には、その平均粒径（Ｄ_５０）は、１００〜２５０μｍの範囲とすることが好ましい。

Claims (4)

1. ムライト系人工砂からなり、５０％平均粒径が１０〜１５０μｍの第１骨材と、５０％平均粒径が１５０〜２５０μｍの第２骨材とが混合された骨材と、
   有機樹脂からなる粘結材と、
   ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子の１種または２種と、を備えることを特徴とする鋳造鋳型。
2. 前記粘結材は、前記骨材に対して０．５〜５重量％添加され、
   ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子の１種または２種は、前記粘結材に対して１〜１０重量％添加されていることを特徴とする請求項１に記載の鋳造鋳型。
3. ＦｅＯ粒子およびＬｉＯ_２粒子の１種または２種の５０％平均粒径は、５〜１００μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の鋳造鋳型。
4. 前記骨材の５０％平均粒径が、１００〜２５０μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鋳造鋳型。