JP5969573B2

JP5969573B2 - 鋳鉄製品のガラスライニング方法

Info

Publication number: JP5969573B2
Application number: JP2014225365A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　光男; 光男伊藤; 義雄増田
Original assignee: 伊藤鉄工株式会社
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2034-11-05
Also published as: JP2016089222A

Description

本発明は、鋳鉄製品を製造するための鋳鉄製品のガラスライニング方法に関するものである。なお、ガラスライニングはグラスライニングとも称される。

建物の排水配管系統では、配管同士を接合するために管継手が用いられている。管継手には直線状に接続するもののほかに、エルボなどと呼ばれる直角に曲がる継手やｙ字型の分岐継手等各種のタイプがある。しかし、排水の流れを変える部分に用いられるものは、直線部分に用いられる継手と比較して大きい抵抗がかかり易いことは自明である。また、排水配管系統といっても条件は様々で、特に、厨房用排水配管については継手本体に短期間で穴が開き、漏水事故が起こるという事例が多く報告され、この点特徴的である。

漏水事故の原因を分析すると、以下のような幾つかの問題点を指摘することができる。
１）グリーストラップの維持、管理が不適切のため、排水管に多くの油脂分が流出し、排水管の負荷となる。
２）排水管内面に汚れが固着し、それを落すために無理な洗浄手段が用いられ、その結果排水管を損傷する。
３）排水管内部清掃のための掃除口がなく、適切な清掃を行なえない。その結果、汚れが堆積し、無理な洗浄を行なうという悪循環に陥る。
４）例えば、次亜塩素酸ナトリウムによる消毒の後に、十分な水洗浄を行なわない場合、腐食進行の原因となる。
５）ディスポーザーシステムにおいて十分な水を流さないことにより、排水管内に有機物の堆積が起る。

上記のような原因により、有機物や油脂に硫酸塩還元細菌が作用することで硫化水素が発生し、さらに、硫黄酸化細菌により硫酸が発生すると、排水管内は深刻な腐食性の環境となる。排水管内面にはエポキシ樹脂等の保護被膜が形成されているが、腐食性環境に耐え得るものではないため鋳鉄製品である継手にはさびが生成し、さびは洗浄ホース等との接触により清掃の都度削られる。こうして配管清掃とさびの生成が繰り返されると、短期間で穴が開き漏水事故に至ると考えられている。

上記のような鋳鉄製品について施し得る対策として、以下のような方法が考えられる。
Ａ：例えば、現行の保護被膜がエポキシ樹脂塗装で膜厚が５０μｍ程度の場合、膜厚を数倍の３００μｍ余りに高める。
Ｂ：保護被膜をエポキシ樹脂以外の樹脂、例えば、ナイロンや塩化ビニル等の樹脂に変更するとともに、それらの粉体樹脂の焼き付けコーティングにより３００μｍ程度の膜厚に形成する。
Ｃ：鋳鉄製品の内面に任意の樹脂を用いて厚さ１０００μｍ程度の保護被膜を成型する。
Ｄ：鋳鉄製品の内面に亜鉛、アルミニウム、ニッケル等を用いて所要の厚さの保護被膜をめっきにより形成する。

しかしながら、上記の対策には以下のような問題がある。
Ａ：一般的な事項として、樹脂塗装は耐薬品性に優れているが、塗膜表面は柔らかく、耐摩耗性に問題がある。
Ｂ：上記の問題があるため、単なる腐食性環境に対する方策としては効果があるものの、洗浄器具との接触が起る特にエルボのような排水管には適さない。
Ｃ：成型は塗装と比較して耐久性が高いといえるが、樹脂と鋳鉄との線膨張率が大きく相違するため、加熱冷却の繰り返しによって接着面にて成形被膜が剥離する可能性が高い。また、射出成型によって成形可能な形状には限度があり、排水管の継手のような形状の変化に富んだ鋳鉄製品に対応するのが困難である。
Ｄ：金属めっきは樹脂の保護被膜と比較して硬く、密着性も良いが、耐薬品性に問題がある。厨房用排水配管には洗浄用に塩素系の薬品も流れるため、耐薬品性は重要である。

また、鋳鉄製品にガラスライニングを施す前例について先行技術を調査したが、類例を見出すことはできなかった。ただ、特開２００２−１６７６８０号のグラスライニングの施工方法と称する発明があり、それはステンレス系基材の表面に基材と同一ステンレス材料、Ｎｉ金属、Ｃｒ金属、Ｆｅ金属、Ｃｏ金属Ｎｉ−Ｃｒ合金及びＦｅ−Ｃｒ合金から選択される溶射材料を溶射処理して溶射処理層を形成し、この層上に下ぐすり及び上ぐすりによるグラスライニングの熱処理によりグラスライニング層を形成することからなる施工方法を開示している。この施工方法はステンレス系基材よりなる大型形状のグラスライニング機器類に安定かつ均一なグラスライニング層を施すことを可能にしたもので、鋳鉄製品表面に対する施釉技術と関連するものはない。
特開２００２−１６７６８０号

本発明は前記の点に鑑みなされたもので、その課題は、鋳鉄製品のガラスライニング方法を提供することである。また、本発明の他の課題は、排水配管系統に用いられる鋳鉄製品を内面の腐食から確実に保護し得るガラスライニング方法を提供することである。

前記の課題を解決するため、本発明は、前処理工程として鋳鉄製品を炉に投入し、それによって鋳鉄製品の表面の黒鉛を予め８７３〜１２２３Ｋの温度にて１０〜１２０分間脱炭処理し、その後鋳鉄製品の表面を釉薬で被覆し、上記鋳鉄製品を炉に投入し、鋳鉄製品表面を脱炭するとともに、脱炭によって生じた空隙に釉薬成分を充填するために、９７３〜１２２３Ｋの温度にて１０〜８０分間焼成するという構成を具えている。

本発明に係るによって製造されるガラスライニング鋳鉄製品は、例えば、腐食性環境ないしは高熱に曝されるもので、腐食性環境ないしは高熱に曝される面にガラスライニング層を有している鋳鉄製品であることが望ましい。

このようなガラスライニング鋳鉄製品は、例えば管継手に適用することができる。この場合、排水配管系統に用いられる管継手は、内面のガラスライニング層の厚さは前述したように３００μｍ又はそれ以上であることが望ましい。３００μｍ又はそれを超える程度の厚さのガラスライニング層は、例えば鋳鉄製品に施釉焼成工程を前記のように複数回繰り返すことによって形成される。

本発明に係るガラスライニング鋳鉄製品は、鋳鉄製品の表面を釉薬で被覆し、鋳鉄製品表面を脱炭するとともに、脱炭によって生じた空隙に釉薬成分を充填するために、上記鋳鉄製品を炉に投入し、９７３〜１２２３Ｋの温度にて１０〜８０分間焼成するという方法によって製造することができる。この方法は脱炭と釉薬の充填を同時並行的に実行するものである。

また、本発明の方法は、前処理工程として鋳鉄製品を炉に投入し、それによって鋳鉄製品の表面の黒鉛を予め８７３〜１２２３Ｋの温度にて１０〜１２０分間脱炭処理し、その後鋳鉄製品の表面を釉薬で被覆し、上記鋳鉄製品を炉に投入し、鋳鉄製品表面を脱炭するとともに、脱炭によって生じた空隙に釉薬成分を充填するために、９７３〜１２２３Ｋの温度にて１０〜８０分間焼成するという手段によって実施しても良い。この方法は脱炭処理のみを先行し、その後の焼成により釉薬の充填を実行するものである。従って、本発明は脱炭を釉薬の充填に先立って行なう方法と、脱炭と充填を同時に行なう方法のどちらによっても実施可能である。

上記脱炭処理における温度の下限を８７３Ｋとしたのは、脱炭の深度は時間に比例することによる。また、温度の上限を１２２３Ｋとしたのは、ねずみ鋳鉄の融点に近付き好ましくないからある。このように、前処理工程としての脱炭処理は、必要な脱炭の深度に適した温度及び時間の組み合わせにより行なうことができる。

本発明の目的は、鋳鉄製品の表面にガラスライニングを施し、それによって、厨房用排水配管の如く腐食性環境にあってもそれに耐え得る保護被膜を形成することにある。本発明において取り扱う鋳鉄製品及びガラスライニングはそれ自体が特別という訳ではない。しかしながら、鋳鉄製品の表面にガラスライニングを施す技術には前例がほとんどなく、このため、本発明の完成には幾多の試行錯誤を繰り返して一定の知見を得なければならなかった。その結果得られた本発明によれば、コストを抑制しつつ鋳鉄製品の長寿命化を図ることができる。

本発明において画期的であるのは、鋳鉄製品表面を脱炭するとともに、脱炭によって生じた空隙に置換されたケイ素化合物を主とする釉薬成分が充填され、あたかも炭素と置換されるようになることである。この結果、釉薬成分によって一種のアンカー効果を得ることができる。本発明の特徴は、このようにしてガラスライニング層を鋳鉄製品表面に強固に固着させることができることを発見し、ガラスライニング方法として完成させた点にある。従って、本発明に係るガラスライニング方法では、上記脱炭により一種のアンカー効果を得るために焼成工程が重要な要件になる。

本発明に係るガラスライニング方法において必要とされる焼成工程は、９７３〜１２２３Ｋの温度にて１０〜８０分間の条件で行なう。炉にはガラスライニング方法に一般的な電気炉が用いられる。処理対象の鋳鉄製品は、例えば、ねずみ鋳鉄（ＦＣ１５０）であり、また、釉薬成分も琺瑯製品等に用いられる成分組成から成る一般的なものである。しかしながら、上記以外の、例えばＪＩＳＧ５５０１ねずみ鋳鉄品に含まれる全鋼種、さらにはＪＩＳＧ５５０２球状黒鉛鋳鉄に含まれる全鋼種等の素材から成る鋳鉄製品、上記釉薬成分と主要成分を共通する釉薬等は問題なく本発明に適用することができる。上記焼成工程における９７３〜１２２３Ｋの温度にて１０〜８０分間という条件は、本発明に用いる釉薬が完全に溶融し、かつまた、発泡や焦げ付きを生じたりしないために必要である。

本発明のガラスライニング方法として、表面を釉薬で覆った鋳鉄製品を炉に投入して行なう焼成工程を、複数回繰り返すという構成は好ましいものである。表面を釉薬で覆った鋳鉄製品を炉に投入して行なう焼成工程は、温度が１０７３Ｋ、時間が４０分の条件にて、少なくとも２回以上繰り返すことが望ましい。焼成工程を複数回繰り返すということは、ガラスライニング層が複数層形成されるということであり、これにより厚さ約３００μｍを超えるライニング層を得ることができ、これは継手の内面処理層として十分な厚さである。

なお、鋳鉄（ＦＣ）の線膨張率は１１〜１３．５×１０^−６、ガラスライニング部の線膨張率は８〜１３×１０^−６と接近しており、広範囲の温度環境下で安心して使用することができる。また、ガラスライニング部の表面の硬度はＨｖ≧５００と測定され、これは洗浄機により加えられることが予測される外力に十分耐え得る機械的強度である。

本発明は以上のように構成され、かつ、作用するものであるから、鋳鉄製品に好適にガラスライニング方法を施すことができ、かつまた、本発明の方法によって耐食性及び耐摩耗性の良好なガラスライニング鋳鉄製品を製造することができるという効果を奏する。また、本発明によれば、特に、厨房用排水配管のように過酷な条件にさらされる排水配管系統に用いられる鋳鉄製品として、その内面を腐食から確実に保護し得るガラスライニング鋳鉄製品を提供することができる。

以下、図面等を参照して本発明をより詳細に説明する。
＜鋳鉄製品＞
初めに発明の対象である鋳鉄製品について説明する。図１、図２は本発明に係る鋳鉄製品の例としてエルボなどと呼ばれる継手１０を示したものである。このエルボ型の継手１０は開口した両端１１、１２の間に直角に流路を変える形態の曲がり部１３を持っている。本実施形態における鋳鉄製品はねずみ鋳鉄（ＦＣ１５０）である。上記継手１０の内外両面には、本発明によりガラスライニング層１４、１５が形成されており、厨房用排水配管を想定しているため腐食性環境等に曝され易い内面のライニング層１４は外面のライニング層１５よりも肉厚に形成されている（図２参照）。上記内面のガラスライニング層１４は、外面のガラスライニング層１５の約３倍の厚さに形成されている。

上記の継手１０を用いた排水管１６の接続構造の一例を具体的に示せば、図２のようになる。この構造は、排水管１６の端部外面に鋼球入りパッキング１７を配置し、接続リング１８と継手１０のフランジ部１９とをボルト、ナット２６を用いて緊締する離脱防止構造を有している。図では鋼球１７ａを用いて食い込み作用を得ているが、本発明を実施し得る継手はこの例に限られず、他の方法も取り得る。

本発明に係る鋳鉄製品の他の例として、両手鍋２０に実施した場合を図３、図４と共に説明する。鍋２０は容器２１と蓋２２とから成り、容器２１は本発明の実施品であるが、蓋２２に付いては実施品であっても、また、そうでなく例えばガラス製であってもどちらでも良い。鍋２０の素材にはダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ）が用いられており、精密鋳造により肉薄く形成されている。

容器２１はダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ）より成るから、球状黒鉛２３が独立的に存在しているが（図４参照）、球状黒鉛２３はダクタイル鋳鉄表面にも現れている。このため、表面に存在している球状黒鉛２３が脱炭されることによって、表面に空隙２４を生じることになるので、この空隙２４に釉薬成分２５が充填された状態になる。従って、ダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ）より成る容器２１についても、後述するねずみ鋳鉄（ＦＣ）を素材とする鋳鉄製品を用いた場合とほぼ同様に、釉薬成分が焼成されることによって、ガラスライニング層を鋳鉄製品表面に強固に固着させることができ、一種のアンカー効果を得ることができる。

次に、上記の鋳鉄製品に施すガラスライニングに関する本発明の手段及び方法を示す。
＜釉薬＞
釉薬の成分及び組成は以下の通りである。
Ａ成分：ＳｉＯ_２＋ＴｉＯ_２＋ＺｒＯ_２＝４０〜７５質量％
但し、Ａ成分中の各要素の割合は以下の通りである。
ＳｉＯ_２：４０〜７５質量％
ＴｉＯ_２：０〜１５質量％
ＺｒＯ_２：０〜１０質量％
Ａ成分が４０質量％未満ではフリット自体の強度が低下するため好ましくなく、また７５質量％を超えると、フリットの溶融粘性が高くなり、フリット組成物の溶融点が上昇するために好ましくない。

Ｂ成分：Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ＋Ｌｉ_２Ｏ＝０．５〜２０質量％
但し、Ｂ成分中の各要素の割合は以下の通りである。
Ｎａ_２Ｏ：０．５〜２０質量％
Ｋ_２Ｏ：０〜１５質量％
Ｌｉ_２Ｏ：０〜１０質量％
Ｂ成分は０．５質量％未満ではフリットの溶融性が悪くなるため好ましくなく、また２０質量％を超えると線膨張率が上昇し、物性バランスが崩れるために好ましくない。

Ｃ成分：ＣａＯ＋ＢａＯ＋ＺｎＯ＋ＭｇＯ＝１〜１５質量％
但し、Ｃ成分中の各要素の割合は以下の通りである。
ＣａＯ：１〜１５質量％
ＢａＯ：０〜１０質量％
ＺｎＯ：０〜６質量％
ＭｇＯ：０〜５質量％
Ｃ成分が１質量％未満ではフリットの耐アルカリ性を向上させるためには不十分であり、また、１５質量％を超えると、フリットの溶融粘性が高くなり、フリット組成物の溶融点が上昇するために好ましくない。

Ｄ成分：Ｂ_２Ｏ_３＋Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｃｒ_２Ｏ_３＋Ｆｅ_２Ｏ_３＝１〜２０質量％
但し、Ｄ成分中の各要素の割合は以下の通りである。
Ｂ_２Ｏ_３：１〜２０質量％
Ａｌ_２Ｏ_３：０〜１０質量％
Ｃｒ_２Ｏ_３：０〜１０質量％
Ｆｅ_２Ｏ_３：０〜１０質量％
Ｄ成分が１質量％未満では、フリットの溶融性を低下させるため、また、失透防止効果が著しく減少するため好ましくなく、２０質量％を超えると焼成中の発泡現象が著しくなるために好ましくない。

Ｅ成分：ＣｏＯ＋ＭｎＯ＋ＮｉＯ＋ＣｕＯ＝０〜５質量％
但し、Ｅ成分中の各要素の割合は以下の通りである。
ＣｏＯ：０〜５質量％
ＭｎＯ：０〜５質量％
ＮｉＯ：０〜５質量％
ＣｕＯ：０〜５質量％
Ｅ成分はフリットの密着性向上に寄与するが、５質量％を超えると焼成中の発泡現象が著しくなるため好ましくない。

なお、０〜と記載されている成分は、ガラス化に必須ではないけれども粘性、焼成温度の調整、密着性等の補助的な役割に関係を持つものである。

焼成工程
ガラスライニング方法
ガラスライニング方法では鋳鉄製品を炉に投入し、それによって鋳鉄製品の表面の黒鉛を予め脱炭処理する工程を行なうが、この工程は前処理工程として行なうことができ、その場合には、前処理工程の後で前記Ａ〜Ｅ成分から成る釉薬を用いた施釉工程を実施することができる。しかし、前処理工程を省略し、前記Ａ〜Ｅ成分から成る釉薬を用いて、鋳鉄製品である継手１０の表面に塗布して行なう直接的な被覆方法も実施し得る。釉薬を得るには水を分散媒として、釉薬製造の常法により処理することで、流動状のガラスライニング液として生成する。以下、本発明のガラスライニング方法について各別に説明する。
＜その１＞
鋳鉄製品である継手１０の表面を前記Ａ〜Ｅ成分から成る上記釉薬を用いて被覆し、上記鋳鉄製品を電気炉に投入し、鋳鉄製品表面を脱炭するとともに、脱炭によって生じた空隙に釉薬成分を充填するために、約１０７３Ｋの温度にて４０分間焼成する。上記施釉焼成工程を継手について３回繰り返し、ガラスライニング鋳鉄製品を製造する。
＜その２＞
前処理工程として鋳鉄製品である継手１０を炉に投入し、それによって継手１０の表面の黒鉛を予め８７３〜１２２３Ｋの温度にて１０〜１２０分間脱炭処理し、その後鋳鉄製品の表面を釉薬で被覆し、上記鋳鉄製品を炉に投入し、鋳鉄製品表面を脱炭するとともに、脱炭によって生じた空隙に釉薬成分を充填するために、９７３〜１２２３Ｋの温度にて１０〜８０分間焼成する。上記施釉、焼成工程を継手内部について少なくとも１回以上実行し、ガラスライニング鋳鉄製品を製造する。

その１の方法によって得られた、ガラスライニング鋳鉄製品である継手１０は滑らかなガラスライニング層を具備しており、表面硬度を測定したところヴッカース硬さでＨｖ≧５００の値が得られた。その２の方法による継手１０についても、その１と同等の表面硬度が得られた。本発明に係るガラスライニング鋳鉄製品について、硬さに関する性能試験１を行なったので、ここで、硬さ試験及びその結果について以下のとおり説明する。
・評価目的：本発明によって得られたガラスライニング層の硬さを評価する。
・評価方法：ＪＩＳＺ２２４４ビッカース硬さ試験―試験方法による。
・判定基準：硬度５００Ｈｖ以上であること。
試験結果を次表１に示す。表１によれば、平均値６０９ＨＶという結果が得られている。
表１

本発明に係るガラスライニング方法によって製造される鋳鉄製品は、ガラスライニング層が鋳鉄製品表面に非常に強固に固着していることが、性能試験２により判明した。性能試験は急冷、急加熱を試験体に対して熱ストレスを加え評価を行なったもので、方法は以下のとおりである。
・温度プロファイル：高温１００℃、低温−１０℃
・低温⇔高温変化に要する時間：３分以内
・移動のサイクル：３、５、１０、２０
判定基準
・ガラスライニング層に、鋳物素地に達する亀裂の生じないこと
・ガラスライニング層に、鋳物素地に達する剥離の生じないこと
試験結果を次表２に示す。
表２

＊一時間を二分して３０分間を冷却、３０分間を加熱する工程を１サイクルとし、低温・冷却と高温・加熱の変化に要する時間は３分以内とした。

このような性能試験１、２によって示される事実から、発明者はガラスライニング層が特別なメカニズムによって鋳鉄表面に固着しているのではないかと推測するに至った。そこで、ガラスライニング層と鋳鉄製品表面との界面に生じているであろう現象を明らかにするため、ＥＰＭＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｚｅｒ）による分析を試みた。分析の結果、本発明の斬新さを裏付ける事実を見出したので、次にその内容について言及する。

上記分析試験は埼玉県産業技術総合センターに依頼して行った。依頼品は上記その１の方法で得られたガラスライニング鋳鉄製品の継手１０であり、依頼事項はＸ線マイクロアナライザによる分析及びマッピングである。その試験結果の一つとして反射電子像を図５及び図６に示す。図５においてＬ１はガラスライニング層、Ｌ２は脱炭層、Ｌ３は鋳鉄層をそれぞれ示している。Ｌ２の層は鋳鉄層の表層であるが、スケールとして下欄に示されている１００μｍ程の厚さの層は、黒い筋状模様のある鋳鉄層Ｌ３とは異なっており、ガラスライニング層Ｌ１との関係から脱炭されていることを推測させる。

図６は、図５の倍率が×１００であるのに対して×２０００に拡大された反射電子像を示している。図６の拡大像を見ると明るく見える脱炭層Ｌ２に、表層から筋状ないしは点線状の暗く見える模様の入り込んでいるのが分かる。この暗く見える模様は、表層つまりガラスライニング層Ｌ１から伸びており、その末端は前記の通り１００μｍ程の深さに及んでいる。

さらに、図７にカラーマップを示す（原図はカラー描画であるのでカラーマップと呼ぶが、特許法の細則ではカラー描画が許容されていないので、トーン描画で示す。）。図７はＳｉに関するカラーマップであり、高濃度を示す原図の赤色は図６上部にあるガラスライニング層Ｌ１である。図７の過半を占めるのは原図で青色の脱炭層Ｌ２であり、脱炭層Ｌ２には表層から筋状ないしは点線状に入り込んでいる模様が見えるが、これがケイ素化合物であってガラスライニング層Ｌ１から伸びているものである。

上記の分析結果及びカラーマップに示された事実から、鋳鉄層Ｌ３の脱炭された表層にケイ素化合物が入り込んで鋳鉄層Ｌ３に絡み付き、前記したいわばアンカー効果のような状態を呈していることを十分な確実性を以って推認することができる。

本発明に係るガラスライニング方法によって製造された鋳鉄製品の一例を示す断面説明図である。同上の一部を拡大して示す断面説明図である。本発明に係る鋳鉄製品の他の例を示す断面説明図である。同上の一部を模式的に示す断面説明図である。本発明の方法によって製造されたガラスライニング鋳鉄製品を示す倍率１００倍の反射電子像である。同上要部における倍率２０００倍の反射電子像である。同じくＳｉ（ケイ素化合物）のカラーマップである。

１０継手
１１、１２継手の両方の端部
１３継手の曲がり部
１４内面のガラスライニング層
１５外面のガラスライニング層
１６排水管
１７パッキング
１８接続リング
１９フランジ部
２０鍋
２１容器
２２蓋
２３球状黒鉛
２４空隙
２５釉薬成分

Claims

前処理工程として鋳鉄製品を炉に投入し、それによって鋳鉄製品の表面の黒鉛を予め８７３〜１２２３Ｋの温度にて１０〜１２０分間脱炭処理し、その後鋳鉄製品の表面を釉薬で被覆し、上記鋳鉄製品を炉に投入し、鋳鉄製品表面を脱炭するとともに、脱炭によって生じた空隙に釉薬成分を充填するために、９７３〜１２２３Ｋの温度にて１０〜８０分間焼成することを特徴とする
鋳鉄製品のガラスライニング方法。
表面を釉薬で覆った鋳鉄製品を炉に投入して行なう焼成工程は、温度が１０７３Ｋ、時間が４０分の条件にて、少なくとも３回以上繰り返される
請求項１記載の鋳鉄製品のガラスライニング方法。