JP5827589B2

JP5827589B2 - 複合鋳造体鋳造用フラックス

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Publication number: JP5827589B2
Application number: JP2012078850A
Authority: JP
Inventors: 剛大段; 豊辻本; 木村　広之; 広之木村
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP2013208625A

Description

本発明は、鋳造時の溶湯の酸化防止を主たる目的とする鋳造用フラックスに関するものであり、より具体的には、流動性が高く、異なる組成を有する合金を冶金的に一体化した複合鋳造体の鋳造に好適な鋳造用フラックスに関するものである。

鋼板などの熱間圧延又は冷間圧延に用いられる圧延用ロールは、圧延面となる外層と、ロール軸部となる内層を冶金学的に一体化させることにより作製される。外層と内層との間に、中間層を設けたものもある。なお、本明細書では、中間層は適宜外層という概念に含むものとする。

この種の複合鋳造体である圧延用ロールの製造方法として、連続肉盛鋳造法と呼ばれる軸芯材の周りに外層を鋳込む方法と、遠心力鋳造法が知られている。遠心力鋳造法では、高速回転する遠心鋳造用鋳型に外層溶湯が鋳込まれる。外層の凝固後直ちにロール軸部となる内層溶湯を静置鋳造により鋳込む。これにより、外層と内層が冶金学的に一体化された圧延用ロールが作製される。

圧延用ロールの製造において、外層を作製する際に、外層溶湯表面の酸化を防止し、また、外層溶湯中のスラグや鋳型の砂などの不純物の滓化の目的でフラックスが投入される。

例えば特許文献１では、質量％にて、ＳｉＯ_２：４０〜６５％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．５〜６％、ＣａＯ：４〜２０％、Ｆｅ_２Ｏ_３：０．１〜３％、Ｎａ_２Ｏ：１０〜３０％、ＭｇＯ：０．５〜６％、ＭｎＯ：０．５〜７％、及び、Ｌｉ_２Ｏ：６〜１６％、残部不可避的不純物からなる遠心鋳造用フラックスを開示している。

特開２０１０−２３０４３号公報

従来、鋳造時に発生する不純物のスラグ化を促し、溶湯の動きに追随して表面を覆うことができる粘性を具備するためにフラックス中のＳｉＯ_２量を４０％以上と多く含有している。
しかしながら、複合鋳造体の製造において、ＳｉＯ_２量が多くフラックスの粘性が高い、即ち、流動性が低いと、一方の合金表面に不純物を含んだフラックスが残存してしまい易く、他方の合金を鋳込んだときに合金の外層材と内層材との間に不純物が残留してしまい、健全な界面を損なって、複合化を阻害する場合がある。

本発明の目的は、鋳造、特に複合鋳造体の製造に好適な流動性の高い鋳造用フラックスを提供することである。

本発明に係る複合鋳造体鋳造用フラックスは、
質量％にて、ＳｉＯ_２：１０〜２５％、残部Ｎａ_２Ｏ及び不可避的不純物からなる。

また、本発明に係る複合鋳造体鋳造用フラックスは、
質量％にて、ＳｉＯ_２：１０〜２０％未満、残部Ｎａ_２Ｏ及び不可避的不純物からなる。

本発明の複合鋳造体鋳造用フラックスは、
Ｂ_２Ｏ_３：０を越えて２５％以下をさらに含むことができる。

本発明の複合鋳造体鋳造用フラックスは、
Ｌｉ_２Ｏ：０を越えて１５％以下をさらに含むことができる。

本発明の複合鋳造体鋳造用フラックスは、流動性を高めるために、フラックス中のＳｉＯ_２の量を可及的に少なくし、不純物の流出を促すという、従来とは逆の発想により達成されたものである。
これにより、本発明の複合鋳造体鋳造用フラックスの本来の機能としての酸化防止能と滓化能に加えて、不純物排出能を具備している。流動性が高いことで、本発明の複合鋳造体鋳造用フラックスは、鋳造時に溶湯の内面に素早く広がり、溶湯表面を効果的に覆うことができるため、酸化防止能にすぐれる。また、流動性を高くしたことで、本発明の複合鋳造体鋳造用フラックスは、溶湯中のスラグや鋳型の砂などの不純物を効果的に取り込んで、溶湯表面に浮き上がるから、滓化能にもすぐれ、複合鋳造体の製造時において合金間に不純物が残留しにくいという優れた効果を備える。

特に、遠心力鋳造法においては、流動性が高い故、本発明の複合鋳造体鋳造用フラックスは、回転する溶湯の内面に素早く広がり、溶湯の表面に張り付いて酸化の防止を図ることができ、さらに、遠心鋳造用鋳型内の外層内表面に残存するフラックスは内層鋳込み後、内層溶湯上に浮上し易く、複合化には好的である。

また、融点を低下させる効果のあるＢ_２Ｏ_３やＬｉ_２Ｏを添加することで低い温度でフラックスを構成することができ、さらにＬｉ_２Ｏは流動性において感度のよいため、砂等の不純物の滓化能を高めることができる。

図１は、本発明の一実施例を示す圧延用ロールの外層鋳込み工程を示す遠心鋳造用金型の断面図である。図２は、遠心鋳造用金型を傾斜させ、複合鋳造体鋳造用フラックスを排出する工程を示す断面図である。図３は、遠心鋳造用金型に上型と下型を取り付けて内層を鋳込む工程を示す断面図である。図４は、鋳造用フラックスの流動性試験の概略図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明は、鋳造用フラックスに関するものであり、複合鋳造体の製造に好適な流動性の高い鋳造用フラックスに関するものである。

より具体的には、本発明の複合鋳造体鋳造用フラックスは、従来とは異なり、ＳｉＯ_２量を低減することで流動性を高め、不純物の流出効果を高めるという発想に基づきなされたものである。

本発明の複合鋳造体鋳造用フラックスは、流動性を高めたことで、鋳鉄や鋳鋼材料の鋳造、遠心鋳造等による複合鋳造体の製造に好適である。特に、圧延用ロールのように、遠心力鋳造により外層(中間層を含む)を鋳込んだ後、静置鋳造により内層を鋳込む遠心力鋳造法、又は、軸芯のまわりに鋳型を設けて軸芯と鋳型の間に外層を鋳込む連続肉盛鋳造法のような手法で複合鋳造体の作製に好適である。

本発明の複合鋳造体鋳造用フラックスの成分限定理由について詳述する。以下で説明する複合鋳造体鋳造用フラックスの成分は、溶融により液化した直後の成分である。なお、本明細書において、特に規定のない限り、％は質量％である。

＜ＳｉＯ_２：１０〜２５％＞
ＳｉＯ_２は、鋳物中の酸化物を取り込み、複合鋳造体鋳造用フラックス中でスラグ化や、非金属介在物、鋳型の砂などの不純物の滓化に効果を有する。この作用を十分に発揮するために、１０％以上含有する。但し、ＳｉＯ_２が多いと、フラックスの粘性が高まる、即ち、流動性が低くなるため、２５％を上限とする。
望ましくは、複合鋳造体鋳造用フラックスの流動性を高めるために、上限を２０％未満とする。

＜Ｎａ_２Ｏ：残部＞
Ｎａ_２Ｏは、本発明の複合鋳造体鋳造用フラックスのベース成分となる。Ｎａ_２Ｏも、フラックスの流動性を向上させる効果を有する。従来はフラックス内の濃度が高すぎると粘性が過剰に低下して、流れ落ちやすくなるとされていた。

＜Ｂ_２Ｏ_３：２５％以下＞
Ｂ_２Ｏ_３は、複合鋳造体鋳造用フラックスの融点を降下させて溶解性を向上させる効果を有するから、選択的に含有させることが望ましい。ただし、Ｂ_２Ｏ_３は、高温の溶湯中で揮発し、これにより、複合鋳造体鋳造用フラックス中のＳｉＯ_２の濃度が時間と共に高まり、流動性が低くなる。また、複合鋳造体鋳造用フラックス中で気泡を形成するため、溶湯表面の酸化を防止する効果が損なわれる虞がある。従って、Ｂ_２Ｏ_３を含む場合は、その上限を２５％とする。

＜Ｌｉ_２Ｏ：１５％以下＞
Ｌｉ_２Ｏは、複合鋳造体鋳造用フラックスの流動性を高める成分であり、不純物をガラス化する作用を有する。しかしながら、鋳造用の金型や砂型、るつぼなどの耐火物に悪影響を与えることがあり、注湯条件に制限を加える必要があるため、上限を１５％以下とし、また、必須構成とはしない。

＜不可避的不純物＞
不可避的不純物として、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＭｎＯ、ＣａＦ_２等を例示できる。これらは、その合計量が１０％以下であれば本発明の複合鋳造体鋳造用フラックスの効果を損なうことはないため、１０％を上限として混在が許容される。

本発明の複合鋳造体鋳造用フラックスは、溶湯へ粉末状態で添加する場合、上記成分組成となるように秤量された粉末状のＳｉＯ_２、Ｎａ_２ＣＯ_３、必要に応じて、Ｎａ_２Ｏ(Ｂ_２Ｏ_３)_２、Ｌｉ_２ＣＯ_３を混合すればよい。

本発明の複合鋳造体鋳造用フラックスは、上記成分組成としたことで、溶湯に容易に溶解し、溶湯内のスラグや鋳型の砂などの不純物の滓化能にすぐれ、さらに、高い流動性により速やかに溶湯の内表面を覆うことができる。また、流動性を高めた効果として、例えば圧延用ロール製造時、連続肉盛鋳造法では外層鋳込み時にフラックスが軸芯材と外層の間に残留しにくくなり、遠心力鋳造法でフラックスを除去する場合、遠心鋳造用鋳型を傾斜させること等によって、フラックスが鋳造品の表面にほとんど残存することなく速やかに流出させることができる。

なお、Ｂ_２Ｏ_３は、高温の溶湯との接触により一部が揮発してガス化する。しかしながら、本発明では、揮発しやすいＢ_２Ｏ_３を含有させた場合でもＢ_２Ｏ_３の量を低減させているから、ガス発生を低減できる。

また、本発明は、複合鋳造体鋳造用フラックスの初期の成分組成において流動性を低くするＳｉＯ_２量を可及的に低減させているから、時間と共にＢ_２Ｏ_３やＮａ_２Ｏの一部が揮発したとしても、従来に比して高い流動性を維持できる。

上記構成の複合鋳造体鋳造用フラックスを用いて、遠心力鋳造法によって圧延用ロールを作製する場合の工程について、図面を用いて説明を行なう。

図１は、外層の鋳込み工程を示す説明図である。遠心鋳造用金型(10)は、軸芯を中心として高速回転可能に配備され、外層溶湯(20)は、取鍋（図示せず）から三角堰(14)を通って注湯され、遠心力鋳造用金型(10)内で鋳込まれる。

本発明の複合鋳造体鋳造用フラックス(30)は、取鍋(図示せず)、三角堰(14)に投入することができ、また、遠心鋳造用金型(10)に直接投入することができる。複合鋳造体鋳造用フラックス(30)は、遠心力鋳造用金型(10)の内面に予め塗型しておき、遠心鋳造用金型(10)内に注ぎ込まれた外層溶湯(20)に溶け出すようにしてもよい。

複合鋳造体鋳造用フラックス(30)は、外層溶湯(20)に速やかに溶解し、スラグ等を滓化して、外層溶湯(20)を浄化させる。また、複合鋳造体鋳造用フラックス(30)は、流動性が高いから、速やかに外層溶湯(20)の表面を覆い、外層溶湯(20)の酸化を防止する。

遠心鋳造用金型(10)内では、溶湯(20)中の複合鋳造体鋳造用フラックス(30)は、図１に示すように、外層溶湯(20)との比重差により分離して、外層(21)の内表面に浮き出る。本発明の複合鋳造体鋳造用フラックス(30)は、流動性を高めたことで、酸化物、スラグ、不純物等を取り込んでも、良好な流動性を維持できるから、滓化能及び酸化防止能にすぐれる。

なお、本発明の複合鋳造体鋳造用フラックス(30)は、流動性が高く、外層(21)の表面に薄く広がることができるため、鋳物の表面、即ち本例では外層の表面において厚さが０．５〜５．０ｍｍとなるように投入することが好適である。特に、遠心鋳造においては、Ｇｎｏ．にもよるが、一定の厚さが必要となるため、その上限を５．０ｍｍとする。より好適には、厚さは１．０〜３．０ｍｍとする。

外層(21)の凝固後、直ちに遠心鋳造用金型(10)の回転を停止して、図２に示すように遠心鋳造用金型(10)を傾斜する。これにより、外層(21)の内面のフラックス(30)は、下方から流出する。本発明の複合鋳造体鋳造用フラックス(30)は、高い流動性を具備しているから、素早く遠心鋳造用金型(10)から流出させることができる。なお、フラックス(30)は完全に流出せずに、その一部は外層(21)の内面に残留する(図示せず)。

次に、図３に示すように砂型等からなる上型(40)と下型(41)を遠心鋳造用金型(10)に取り付けて、内層溶湯(50)を鋳込む。外層(21)の内面に残留している複合鋳造体鋳造用フラックス(30)は、内層溶湯(50)を鋳込むことで、その比重差によって上型(40)の上部まで浮き上がる。内層溶湯(50)は、外層(21)と冶金学的に一体化しつつ凝固し、圧延用ロールを得る。

なお、上記では、外層と内層からなる圧延用ロールの製法について説明しているが、必要に応じて外層と内層との間に中間層を鋳込んでもよい。

鋳造用フラックス(30)について、流動性試験を実施した。
流動性試験は、図４に示すように、溶融した鋳造用フラックス(30)がスロープ(60)上を流れる長さ(流動長Ｌ)を測定することにより行なった。

より詳細には、黒鉛るつぼ(61)内に鋳造用フラックス５０ｇを投入し、黒鉛るつぼ(61)を１２００℃の熱処理炉内で２時間保持し、耐熱合金からなる常温のスロープ(60)に流し込み、鋳造用フラックス(30)の流動長Ｌを測定した。なお、スロープ(60)の傾斜角θは５°としている。

表１は、流動性試験に用いた鋳造用フラックスの溶融初期状態の成分組成を示している。表１中、供試Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７は発明例、供試Ｎｏ．１１〜１４は比較例である。
比較例に関し、供試Ｎｏ．１１及びＮｏ．１２はＳｉＯ_２の成分組成を高くし、供試Ｎｏ．１３及びＮｏ．１４はＢ_２Ｏ_３の成分組成を高くしている。

表１に各鋳造用フラックスの流動長Ｌ(ｍｍ)を記している。
表１を参照すると、本発明の複合鋳造体鋳造用フラックスは、比較例に比して流動長が長い。これは、ＳｉＯ_２の成分組成を低減したことで、比較例である供試Ｎｏ．１１及びＮｏ．１２に比して高い流動性を具備できたためである。また、比較例供試Ｎｏ．１３及びＮｏ．１４に比して高い流動性を具備できたのは、揮発し易いＢ_２Ｏ_３の成分組成を低くしたためである。即ち、比較例の供試Ｎｏ．１３及びＮｏ．１４の流動性が低いのは、Ｂ_２Ｏ_３の一部が揮発した結果、鋳造用フラックス中におけるＳｉＯ_２の割合が高くなったためである。

発明例の複合鋳造体鋳造用フラックスは、流動長が３００ｍｍ以上の高い流動性を示しており、上記にて説明したとおり、鋳造用、特に、遠心鋳造用のフラックスとして好適であることがわかる。なお、好適な流動長の範囲は３００ｍｍ以上６００ｍｍ以下である。流動長が６００ｍｍを越えると、粘性が低すぎて、遠心鋳造の際に、遠心力により外層に張り付かない虞がある。

上記表１に示す各鋳造用フラックスについて、図１乃至図３に示した遠心鋳造用金型(10)を用いて外層(ハイス系材料)と内層(ダクタイル系材料)からなる２層構造の圧延用ロールを複数本作製し、外層表面を研削して、外層と内層との境界部の健全性を超音波探傷により検査した。外層の遠心鋳造時のＧｎｏ．は１６０である。

本発明例の複合鋳造体鋳造用フラックスを用いて作製した圧延用ロールは、溶着不良率が１％以下であった。一方、従来の鋳造用フラックスを用いて作製した圧延用ロールは、溶着不良率が高く、３％近い場合も認められた。溶着不良は、複合化鋳造時に不純物を含み流動性が低下したフラックスが界面に残留することによって、内層鋳込み時に不純物が浮上せず外層と内層の境界に残留したものと考えられる。

本発明の成分組成の複合鋳造体鋳造用フラックス（ＳｉＯ_２：１８．５％、Ｂ_２Ｏ_３：２０．３％、Ｎａ_２Ｏ：５８．４％、Ｌｉ_２Ｏ：２．８％）と、ＳｉＯ_２とＢ_２Ｏ_３が高い従来フラックス（ＳｉＯ_２：３６．０％、Ｂ_２Ｏ_３：４０．５％、Ｎａ_２Ｏ：２３．５％、Ｌｉ_２Ｏ：０％）について、鋳造使用前後の成分組成の変化を確認した。

その結果、鋳造で用いた後に排出された上記発明例の複合鋳造体鋳造用フラックスは、ＳｉＯ_２：３０．３％、Ｂ_２Ｏ_３：１１．１％、Ｎａ_２Ｏ：４７．８％、Ｌｉ_２Ｏ：２．３％、不純物：８．５％、従来フラックスは、ＳｉＯ_２：５３．１％、Ｂ_２Ｏ_３：２２．３％、Ｎａ_２Ｏ：１５．４％、Ｌｉ_２Ｏ：０％、不純物：９．２％となった。いずれの場合もＳｉＯ_２の割合が増え、Ｂ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏ、発明例についてはＬｉ_２Ｏの割合が減っている。これは、Ｂ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏ、Ｌｉ_２Ｏの一部が揮発したためである。しかしながら、発明例においては、溶融直後のＳｉＯ_２量の割合が低くなるように調製しており、さらに、揮発し易いＢ_２Ｏ_３量も低くしているから、流出時におけるＳｉＯ_２量の割合も低く抑えることができている。即ち、流動性に悪影響を与えるＳｉＯ_２量は低いままであるから、本発明の複合鋳造体鋳造用フラックスは高い流動性を具備していることがわかる。

本発明は、鋳造用フラックス、特に流動性の高い複合鋳造体鋳造用フラックスとして有用である。

Claims

質量％にて、ＳｉＯ_２：１０〜２５％、残部Ｎａ_２Ｏと１０％以下の不可避的不純物からなる複合鋳造体鋳造用フラックス。
質量％にて、ＳｉＯ_２：１０〜２０％未満、残部Ｎａ_２Ｏと１０％以下の不可避的不純物からなる複合鋳造体鋳造用フラックス。
Ｂ_２Ｏ_３：０％を越えて２５％以下をさらに含んでいる請求項１又は請求項２に記載の複合鋳造体鋳造用フラックス。
Ｌｉ_２Ｏ：０％を越えて１５％以下をさらに含んでいる請求項１乃至請求項３の何れかに記載の複合鋳造体鋳造用フラックス。
流動性試験として１２００℃にて２時間溶融状態とし、傾斜角５°の常温のスロープに流したときに、３００〜６００ｍｍの流動長を有する請求項１乃至請求項４の何れかに記載の複合鋳造体鋳造用フラックス。
遠心力鋳造用である請求項１乃至請求項５の何れかに記載の複合鋳造体鋳造用フラックス。
鋳物表面において０．５〜５．０ｍｍの厚さで使用される請求項６に記載の複合鋳造体鋳造用フラックス。
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の複合鋳造体鋳造用フラックスを用いて、圧延用複合ロールを製造する方法。