JP2942695B2 - 連続鋳造用鋳型及びその製造方法 - Google Patents

連続鋳造用鋳型及びその製造方法

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JP2942695B2 JP5320494A JP32049493A JP2942695B2 JP 2942695 B2 JP2942695 B2 JP 2942695B2 JP 5320494 A JP5320494 A JP 5320494A JP 32049493 A JP32049493 A JP 32049493A JP 2942695 B2 JP2942695 B2 JP 2942695B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は耐熱衝撃性、耐Zn侵入
性、耐高温摩耗性に優れた溶射皮膜を設けた連続鋳造用
鋳型とその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の鋼の連続鋳造用鋳型は一般に熱伝
導性が良好な銅または銅合金を使用して形成されている
が、この銅または銅合金からなる鋳型の内面は高温の溶
鋼に接触するため寿命が短いという問題点を有してい
る。この主な原因は、溶鋼注入時の熱衝撃、鋳片と
鋳型との高温摩耗、また亜鉛が多い溶鋼の場合は銅モ
ールド表面から内部に亜鉛が侵入し、熱応力によって銅
表面に割れが入ることである。
【0003】この問題点を改善するために銅モールド表
面にメッキを行う方法が提案され、例えば銅表面にN
i,Coをメッキしたもの(特公平4−2337号公
報)がある。さらに、硬さを増すためにNiメッキ表面
にCrメッキをさらにメッキした多層メッキ法(特公昭
52−50374号公報)がある。
【0004】しかしながら、近年は鋳造の高速化が指向
され、使用条件は従来以上に過酷となってきたため、上
述の被覆法ではモールドに必要な熱衝撃特性、高温摩
耗、亜鉛の侵入による割れ防止をそれぞれ満足すること
ができないようになってきた。すなわち、メッキ法では
ほとんどの場合、微細な析出組織は400℃付近以上で
再結晶するため、これより高温では急速に硬さが低下
し、耐摩耗性が著しく悪くなること、メッキ組織は膜厚
方向に垂直に成長するため亜鉛がその間(結晶粒界)に
高速拡散して銅基材に容易に到達することが理由として
挙げられる。これらの理由の他に膜厚を厚くすることが
できない(最大200μm程度)ために反復使用によっ
て摩耗、消滅し、煩雑に摩耗面を補修する必要があるこ
と、また局部補修ができないためすべてのメッキを除去
して再度メッキ層を形成しなければならないこと等の施
工面での問題もあった。
【0005】メッキ法以外としては、溶射法によるMo
合金、最近ではクロムカーバイトとNiのサーメット
(特開平2−75447号、特開平1−233047号
公報)、タングステンカーバイトとNiのサーメット
(特開平1−186245号公報)が開発されている。
しかしながらMo系の材料は高温使用時の酸化が著し
く、適用が制約される。またサーメットの場合は高温硬
さが高く、摩耗特性には優れているが、皮膜が脆いため
熱応力による割れ、皮膜剥離の発生があり、加えて皮膜
内の割れ発生箇所からのZnの侵入による銅基材の脆化
の問題もあり、必ずしも満足する結果が得られていな
い。
【0006】一方、高温下で使用される耐熱用の超合金
としてC,Ni,Cr,W,Taを含有するCo基超合
金の中でX−40合金、Mar−M509合金が公知で
あるが、これらは高温クリープ破断強度、耐酸化性を向
上させるのみで、耐熱衝撃性、亜鉛の侵入による割れ
性、耐高温摩耗性を必要とする連続鋳造用鋳型の被覆材
料としては従来用いられていなかった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した問
題点を解決するためになされたものであり、その目的と
するところは耐熱衝撃性、亜鉛の侵入による割れ性、耐
高温摩耗性それぞれに対して優れた特性を持つ緻密な皮
膜を表面に形成した連続鋳造用鋳型とその製造方法を提
供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは種々検討を
重ねた結果、C,Ni,Cr,W,Taを含むCo基超
耐熱合金を鋳型表面に被覆することが耐熱衝撃性、亜鉛
の侵入による割れ性、耐高温摩耗性それぞれの問題点を
解決するために有効であることを見いだし、ここに本発
明をなしたものである。
【0009】すなわち、本発明は、(1)銅または銅合
金の鋳型表面に重量%で、C:0.4〜0.7%、N
i:5〜10%、Cr:10〜25%、W:3〜8%、
Ta:2〜4%以下を含有し、残部がCo及び不純物か
らなる合金が厚さ50〜900μmに被覆されているこ
とを特徴とする連続鋳造用鋳型、(2)前記(1)に記
載の合金からなる粉末をチャンバー圧力10〜100To
rr、溶射時の基材温度を600〜900℃で銅または銅
合金の鋳型表面にプラズマ溶射することを特徴とする連
続鋳造用鋳型の製造方法に関するものである。
【0010】
【作用】C,Ni,Cr,W,Taを含むCo基超耐熱
合金としてはMar−M509合金があるが、この材料
は高温強度とともに高温腐食特性に優れた合金としてジ
ェットエンジンの静翼等、主に高温腐食雰囲気下で用い
られている。その優れた高温腐食特性は表面に緻密なC
rの不動態酸化皮膜が形成されることによって得られる
ことが知られている。
【0011】本発明者らは先ず、表1に化学成分を示す
材料を溶射粉末化し、減圧プラズマ溶射によって表2に
示す条件で皮膜を形成し、皮膜の緻密性、ミクロ組織に
ついて調べた。この際、減圧プラズマ溶射法において皮
膜特性に影響の大きい、チャンバー圧力に着目した。
【0012】
【表1】
【0013】
【表2】
【0014】図1は皮膜の気孔体積率(%)とチャンバ
ー圧力の関係であるが、100Torr以下にすることでプ
ラズマフレームの拡大による加熱溶融効率の促進によっ
て皮膜内の気孔が減り、緻密性が増大する。
【0015】次に、この良好な条件内(チャンバー圧
力:20Torr)で皮膜を詳細に調べた結果、そのミクロ
組織はCr236 ,TaCを主とする微細な炭化物(直
径0.1〜3μm)がλ−Co基地相の中に均一に析出
したものであり、後述の実施例に示すように、この皮膜
は高温硬さとともに熱衝撃特性にも優れていることを見
いだした。この理由は、高融点である炭化物が極めて微
細に分散する結果、高温での強度(耐摩耗性に関連)が
高いとともに、高温の鋳片との接触に伴う熱衝撃抵抗、
靭性も併せ持つものと考えている。
【0016】溶射法で用いられる合金には他にNi基超
合金、MCrAlY系合金があるが、これらの合金では
高温強度は確保できるものの、耐熱衝撃特性に劣り、総
合的には満足する特性は得られないことも併せて判明し
たが、これはNi系の超合金では皮膜内に脆い金属間化
合物であるNi3 Al,NiAlが析出するためと考え
られる。
【0017】さらに、本発明における溶射皮膜は溶鋼中
の亜鉛成分の侵入に伴う割れの防止性についても優れた
特性を持つことも知見した。この理由は、本発明のC
r,W,Taを含むCo基超合金皮膜ではコバルトによ
る亜鉛の拡散侵入遅延効果と亜鉛を皮膜内の微細な炭化
物周辺にトラップさせることによる亜鉛侵入抑止効果に
よるものである。この亜鉛の侵入抑止に対しては従来、
コバルトのメッキ処理を行った例(特公平4−2337
号公報)があるが、メッキの場合は、上述した如く析出
組織が皮膜表面に垂直に成長するため亜鉛がその高速に
粒界拡散し、あまり効果は得られない。
【0018】本発明は鋳造時における溶鋼、高温鋳片と
の凝着性に対しても効果を発揮する。これはクロムが溶
鋼となじみにくいという効果を利用したものであり、溶
射皮膜表面層に成分元素であるクロムの酸化物が生成さ
れることによる。なお、Ni−Cr系の超合金でもCr
の効果はあるが、Niそれ自体が鋼とのなじみが良いた
めに耐凝着性に劣る。
【0019】以下に本発明での被覆材料の成分の効果と
含有量の限定理由、本発明を実施するに当たっての好ま
しい条件について述べる。
【0020】基材:本発明の溶射粉末はCoを基材とす
る。Coは溶射金属の強度を高めるとともにZnの侵入
拡散の速度遅延をもたらす。
【0021】Ni:Niは良く知られるようにCoとと
もに強度を高める成分であり、その効果を得るためには
5%以上必要である。しかし、10%を超えると溶鋼と
の凝着が生じるため5〜10%とする。
【0022】Cr:Crは炭化物の分散による高温強度
と熱衝撃特性の向上に効果をもたらす。10%未満では
強度が不十分であり、また25%超では炭化物の凝集粗
大化によって熱衝撃特性が低下し始める。従って10〜
25%とする。
【0023】W:Wはλ−Coマトリックスに固溶して
強化に寄与する。3%未満では強度への影響は小さく、
また8%超含有すると一部に粗大な炭化物(WC)が生
成するようになり、熱衝撃特性を低下させるため3〜8
%とする。
【0024】C:CはCrの炭化物の生成に必要である
ため、所定量を含有させる。0.4%未満では炭化物の
生成量が少ないため強度が不十分であり、これ以上が必
要であるが、0.7%超では炭化物の粗大化を招くため
0.4〜0.7%とする。
【0025】Ta:Crと同様に炭化物の分散による効
果を持ち、Crを補完する役割を持つため含有させても
良いが、4%超含有するとWと同様に粗大なTaCが析
出するためこれ以下が望ましい。ただし、2%未満では
効果が小さい。
【0026】不純物:被覆材料の不純物として混入する
O,S等は皮膜の粒子間結合力を阻害するため0.2%
以下であることが望ましい。
【0027】本発明における溶射方法としては大気プラ
ズマ溶射法、高速フレーム溶射法等があるが、その中で
も減圧プラズマ溶射法が皮膜の緻密性を図ることができ
るため最も適する。その場合、チャンバー圧力は上述の
如く100Torr以下が粉末の溶融に対して良好であり、
緻密化が図れる。また10Torr未満ではプラズマのフレ
ームが広がり過ぎ、電極の損傷が著しくなるため10〜
100Torrが望ましい。溶射粉末の粒度は望ましくは1
0〜45μmである。10μm未満の場合は粉末がプラ
ズマ中で蒸発し、粒子の堆積効果が著しく低下する。4
5μm超では粒子の溶融が不十分となってくるため皮膜
内に未溶融の粒子が混在し、強度が低下する。さらに、
溶射皮膜と銅モールド基材の界面の密着性を確保するた
めに溶射時の基材温度は600〜900℃とする。密着
性に必要な反応層の形成のためには基材温度は600℃
以上必要であり、またモールドの熱変形量を基準値以下
に抑えるために900℃以下とすることが望ましい。
【0028】溶射皮膜層の厚さは50〜900μmが好
ましく、50μm未満では溶射皮膜形成後の表面研削加
工をするための余裕度が小さく、また900μm超では
溶射後の皮膜内残留応力による表面割れ発生の危険性が
生じてくる。
【0029】
【実施例】以下、本発明に至った結果を実施例で例示す
るとともに他の被覆法と比較する。
【0030】表3に示す化学成分の被覆材を表4に示す
条件で施工し、その後所定の評価試験片寸法に切断し、
耐熱衝撃性、耐Zn侵食性、耐摩耗性に重要な高
温硬さについて調べた。比較材としてはNiメッキ、N
iとCrの2層メッキ、NiとNi−PとCrの3層メ
ッキの3種類のメッキ法、及びNi基自溶性合金、クロ
ムカーバイト/NiCrのサーメット、NiCoAlY
合金の3種類の溶射法である。
【0031】耐熱衝撃性の試験は溶射皮膜に800℃加
熱−水冷却を繰り返し、皮膜に割れの発生するサイクル
数で評価している。また、耐Zn侵食性の試験は純亜鉛
粉末を銅基材上に乗せ、600℃×2時間保持した後に
銅側へ侵入したZnの深さを測定している。高温硬さは
400℃でビッカース硬さ(500gf)の値で評価し
た。
【0032】結果を表5に示す。なお、耐熱衝撃性、耐
Zn侵食性、高温硬さの評価基準を表6のように設定し
た。総合評価として各試験における評価基準のうち、◎
を3点、○を2点、×を1点として点数を加算したもの
であり、点数が多いほど連鋳鋳型として良好なものであ
る。表5から明らかなように本発明例はいずれの特性に
も優れており、鋳型表面への被覆として総合的に最も良
好である。
【0033】
【表3】
【0034】
【表4】
【0035】
【表5】
【0036】
【表6】
【0037】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、C,Ni,Cr,W,Taを含むCo基超耐熱
合金を鋳型内面に被覆することにより、耐熱衝撃性、耐
Zn侵食性、高温硬さに優れた鋳型を得ることができ、
従来の鋳型の寿命を延長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】チャンバー圧力と皮膜内の気孔体積率との関係
を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 麻生 寿郎 千葉県富津市新富20−1 新日本製鐵株 式会社 技術開発本部内 (72)発明者 丹野 仁 千葉県富津市新富20−1 新日本製鐵株 式会社 技術開発本部内 (72)発明者 河合 浩之 山口県光市大字島田3434番地 新日本製 鐵株式会社 光製鐵所内 (72)発明者 松村 省吾 山口県光市大字島田3434番地 新日本製 鐵株式会社 光製鐵所内 (56)参考文献 特開 昭59−133942(JP,A) 特開 平2−11292(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B22D 11/04

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 銅または銅合金の鋳型表面に重量%で
    C:0.4〜0.7%、Ni:5〜10%、Cr:10
    〜25%、W:3〜8%、Ta:2〜4%を含有し、残
    部がCo及び不純物からなる合金が厚さ50〜900μ
    mに被覆されていることを特徴とする連続鋳造用鋳型。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の合金からなる粉末をチ
    ャンバー圧力10〜100Torr、溶射時の基材温度を6
    00〜900℃で銅または銅合金の鋳型表面にプラズマ
    溶射することを特徴とする連続鋳造用鋳型の製造方法。
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