JPH0337454B2

JPH0337454B2 -

Info

Publication number: JPH0337454B2
Application number: JP59076573A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kasai; Kenichiro Ochiai; Hiroshi Oonishi; Mitsuhiro Yada
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1984-04-18
Filing date: 1984-04-18
Publication date: 1991-06-05
Also published as: JPS60221151A

Description

【発明の詳細な説明】

技術分野本発明で提案するところの技術内容は、注入溶
融金属に接する内面の少なくとも最上層の部分
に、耐焼付き性、耐熱性および耐摩耗性に優れた
溶射皮膜層を形成してなる連続鋳造用鋳型の分野
に属し特に本発明の目指す技術はそのような皮膜
付鋳型を、溶射技術および溶射材料の特定、なら
びに素地面性状の特定によつて得るところにあ
る。従来技術とその問題点従来、連続鋳造用鋳型の内面、特に鋳型下部の
摩耗を防止するために、そこに耐摩耗性の材料を
溶射被覆して保護するという先行技術が既にいく
つか開示提案されている。たとえば、特開昭52−43726号として開示の技
術は、Niめつきを施した鋳型内面上に更にNi基
合金を溶射する方法であり、また特開昭55−
70453号として開示の技術は、CoまたはNiめつき
を施したその上にWC−Co合金を溶射し、さらに
その上からMo−Ni−Cr合金を溶射する方法であ
り、さらにまた特開昭56−80356号として開示の
技術は、Ni及びCoの少なくとも１種と、Ｐ及び
Ｂの少なくとも１種との合金めつきの上に無機物
質を溶射した技術である。要するにこれの先行技
術は、いずれも溶射皮膜と銅基体の熱膨張係数差
による熱応力の発生を伴なうはく離等を緩和させ
るためのものであり、溶射皮膜と銅基体との中間
点熱膨張係数をもつめつき層を溶射皮膜と銅基体
との間に介在させただけである。確かにこの先行
技術は、めつき層を介在させない場合よりも熱衝
撃抵抗が向上するとは言つてもそれは僅かであ
る。何故なら溶射皮膜の接着機構は、機械的な投
錨効果によるものであるから、めつき層を介在さ
せても、溶射皮膜の接着力（以後付着強さとい
う）の大幅な向上にはつながらず、溶射皮膜の付
着強さは依然として低いままという問題点があつ
た。また特開昭54−28228号として開示されている
技術は、Ni基自溶性合金を溶射後1000〜1100℃
で皮膜の溶融処理を行なうことにより付着強さを
向上させる方法であるが、この技術の場合鋳型基
体（銅）の融点近くまで加熱するため、銅基体の
熱歪や材質劣化に対する処置が必要になるなど製
造上の問題点が多い。しかも、該自溶性合金は定融点（1000〜1100
℃）であるため溶綱のスプラツシユの付着や、高
温での硬度低下が問題となる。以上の従来技術の説明からわかるように、熱影
響を与えることなしに溶射皮膜と銅基体の付着強
さを大幅に向上させる方法は先行開示にみられな
い。発明の目的本発明の目的は、連続鋳造用鋳型内面表層部分
に、耐焼付き性や耐摩耗性等に優れた溶射皮膜層
を形成する従来技術の上述した問題点を克服する
ことにあり、焼付きやはく離が少なく長寿命の鋳
型を提供するのに有利な技術について示す。この
目的達成のための本発明の要旨とするところは、
この明細書の頭書に記載した特許請求の範囲に掲
記したとおりである。着想の基礎本発明者らは、溶射皮膜の付着強さおよび皮膜
強さに関する研究を重ねたところ、溶射粉末材料
の粒子飛行速度と溶射皮膜の付着強さおよび皮膜
硬さに密接な関係があることを知り、これを連続
鋳造用鋳型内面への溶射技術に応用し、望ましい
溶射皮膜を形成し長寿命の鋳型とすることとした
のである。第１図に、被溶射面に衝突する直前における高
速度カメラにて測定した粒子飛行速度と
JISH8666−1980の引張付着力試験方法に準ずる
方法で測定した付着強さとの関係を示す。なお、
溶射装置のノズルと被溶射物の距離は、近すぎる
と被溶射物が過熱され、遠すぎると粒子飛行速度
が低下するので、被溶射物の表面温度が150℃以
下で最も高い付着力が得られる最適距離を選ん
だ。各粒子飛行速度を得る溶射法で付着強さにある
幅があるのは溶射粉末材料の違いによるものであ
る。しかし、いずれの場合でも粒子飛行速度が
400ｍ／秒以上の溶射法によれば、従来連続鋳造
用鋳型の内面の被覆に用いられてきた粒子飛行速
度が300ｍ／秒以下の火炎溶射法あるいはプラズ
マ溶射法に比べ、高い付着強さが得られているこ
とが判る。さらに、粒子飛行速度が650ｍ／秒以上になる
と、付着強さは従来の一般的な粒子飛行速度が
300ｍ／秒以下である溶射法の２倍以上に向上し、
鋳型内面皮膜としての付着力は十分なものとな
る。なお、粒子飛行速度として400ｍ／秒以上のも
のが得られる溶射法としては、たとえば出力
80KW以上のハイパワープラズマ溶射法、また
650ｍ／秒以上の溶射法としてはたとえばアセチ
レンと酸素の混合ガスの爆発によつて生じる高速
燃焼エネルギーを利用する爆発的溶射法およびプ
ロパンと酸素の燃焼フレームをノズル内で加速さ
せる超音速溶射法があるが、本発明の場合、400
ｍ／秒以上の粒子飛行速度が得られる溶射法であ
ればいずれの方法でもよい。上述したように、粒子飛行速度が400ｍ／秒以
上、望ましくは650ｍ／秒以上になるような溶射
を行うと、その後熱処理を施すまでもなく連続鋳
造用鋳型の内面に付着した皮膜は、十分な付着力
をもつようになり、従来の飛行速度300ｍ／秒以
下の溶射法で被覆した溶射皮膜において見られる
銅基体もしくはめつきとの界面からの付着力不足
によるはくりの問題は大幅に緩和される。第２図に、同一成分組成（80％Cr₂O₃、20％
NiCr）の溶射材料を使つて溶射したときのその
溶射法の違いによる粒子飛行速度と溶射皮膜硬さ
の関係を示す。同一成分組成の溶射材料でも、粒
子飛行速度が400ｍ／秒以上の溶射を行うと、粒
子飛行速度が300ｍ／秒以下の従来溶射法に比べ
て溶射皮膜がち密（気孔率小）となり、皮膜硬さ
がアツプする。そして粒子飛行速度が650ｍ／秒
以上の溶射になると、従来法と比べて気孔率の方
は１％以下を示すようになり、２倍以上の皮膜硬
さとなる。この粒子飛行速度400ｍ／秒以上、望ましくは
650ｍ／秒以上となるような溶射を行うと、従来
用いられてきた溶射材料でも皮膜硬さを改善する
ことができ、摩耗による鋳型の耐用寿命を大幅に
向上させ得る。本発明者らの研究によると、粒子飛行速度が大
きくなつた場合に溶射皮膜がち密となり、皮膜硬
さが向上し、かつ付着強さが向上するのは、溶射
材料の被溶射面への接着機構が機械的な投錨効果
によるものであるところから、溶射粉末が被溶射
物に衝突した時に扁平化し、それが連続的に積層
したものになる。即ち粒子飛行速度が大きくなる
と、粒子の衝突時のエネルギーが大きくなつて、
その結果ち密で強固に結合した溶射皮膜が得られ
るものと考えている。発明の構成本発明は、上述したような知見にもとずく粒子
飛行速度で規制される溶射法採用のもとで、連続
鋳造用鋳型内面への溶射皮膜として好ましい形態
のもとにするために以下に説明するような溶射材
料の選択、ならびに溶射皮膜下の素地面処理を施
したものである。 (1) 溶射材料について；粒子飛行速度が400ｍ／秒以上になるような
溶射を施す本発明において採用する溶射材料と
しては、硬質のセラミツクス（複合セラミツク
スも含む）又は金属もしくは合金とセラミツク
スの複合材料を用いる。表１にその一例を示す。

【表】溶射厚みは0.05〜２mmが望ましい。0.05mm以
下では耐摩耗性の効果が十分でなく、２mm以下
では抜熱を阻害するおそれがある。特に焼付きによるブレークアウトの発生を回
避しなければならない連続鋳造設備の鋳型内面
の被覆においては、以下の理由により金属もし
くは合金を含有しないセラミツクス、又はセラ
ミツクスを60重量％以上、より望ましくは80重
量％以上含有し、残部が金属もしくは合金の複
合溶射材料を採用すること、および鋳型内表面
温度が高く焼付きの発生が起りやすい、少なく
とも鋳型の上半分に上記材料が被覆されている
ことが重要である。鋳型内面に被覆されている従来の一般的な耐
摩耗性溶射皮膜は、粒子飛行速度に起因する付
着強さ不足による耐久性の問題があることは上
述したとおりであるが、さらに耐焼付き性も充
分とは言えない。たとえば、先の特開昭56−
80356号として開示の方法では、Ni基自溶性合
金を50％含有するWC−Niサーメツトを溶射材
料として採用している。しかしながら、この例
のように低融点の自溶性合金を50％も含有する
と、メタル−メタルの接触部分が大きくなり、
焼付きが発生する。そのために、この先行技術では溶射皮膜の使
用は隅部および下端部のみとし、さらに溶射皮
膜のその上にCrメツキを施している。また特
開昭56−68555号として開示の方法では、溶射
材料としてグラフアイト25％、Ni75％のもの
を用いて耐焼付き性の向上を目指しているが、
この場合もニツケル金属を50％以上も含有する
ため、耐焼付き性ならびに耐摩耗性の点で充分
とは言えない。また、特開昭58−29547号として提案されて
いるのでは、特定比率のCo、Mo、Crからなる
合金を溶射材料として採用しているが、使用中
の環境においてコバルトモリブデン塩を生成
し、耐焼付性が向上することが述べられてい
る。しかしながらこの生成膜は薄く、連続鋳造
設備の鋳型内面のような厳しい使用条件のもの
においては充分とは言えない。そこで、本発明者らは、耐焼付き性ならびに
耐摩耗性をあわせもつ溶射材料として、耐焼付
性ならびに耐摩耗性に優れたセラミツクスを特
定比率以上含有させることが好ましいと考え
た。第３図は、本発明者らがセラミツクスの含有
量を限定するために溶射材料の耐焼付き性を調
べた実験装置である。図において１は、種々の溶射材料を被覆した
供試ロール、２は固定ロール、３は固定材であ
る。供試ロール１は減速機４を介してモーター
５により駆動されるとともに、油圧シリンダー
６により、ロードセル７，７′による試験荷重
の設定下に負荷がかけられている。固定材３は
通電ができ、連続鋳造における凝固シエルの表
面温度（1000℃）相当に加熱できるものであ
る。供試ロール３の表面は、外部ヒーター９に
より連続鋳造用鋳型の表面温度300℃に加熱で
きる。なお図中８はトルク計である。

【表】実験は、第３図に示すように供試ロール１を
固定角材（SS41鋼片）３、固定ロール２を介
して支持し、該供試ロール１のみを11ｍ／分の
周速にて無潤滑状態で駆動して、負荷を500Kg、
1000Kg、2000Kg、3000Kg、4000Kg、と順次大き
くし、120秒にわたる運転時間内に焼付き、又
ははくりが発生した時点で運転を中止した。な
おこの判断はトルク計８の急激な変動によつ
た。実験結果を表３に示し、この実験に使用した
ロール寸法はφ20mm×80mm長さであり、供試ロ
ール１の表面に各溶射材料をプラズマ溶射法、
ハイパワープラズマ溶射法及び爆発式溶射法を
用い被覆し、溶射厚みが何れも0.1mmに揃うよ
うに溶射後に研削仕上げを行なつた。また比較
のためCrメツキも含んだ。

【表】表３により、従来連続鋳造用鋳型内面の表層
に用いられてきたNo.１のCrメツキは、500Kgの
荷重で焼付いた。また従来のプラズマ溶射法に
よるNo.２の溶射材料は1000Kgの荷重ではくりし
たが、同じ材料を用いたNo.10、No.14の本発明例
のハイパワープラズマ溶射法および爆発式溶射
法による実施例ではいずれもはくりはみられな
かつた。ただ、供試材No.３、４、５、６、７、
８のセラミツクスの含有量が50重量％以下の溶
射材料は、1000Kgの荷重で焼付きNo.９、11のセ
ラミツクスが60重量％で残部が合金からなる複
合溶射材料は、2000Kgの荷重で焼付かず、No.
10、12、14、15、16、17のセラミツクスの含有
量が80重量％以上で残部が金属もしくは合金か
らなる複合溶射材料、およびNo.13、18、19のセ
ラミツクス溶射材料、さらにはNo.20の複合セラ
ミツクス溶射材料は、いずれも3000Kgの荷重で
も焼付きが観察されなかつた。従つて、耐焼付き性を重視する連続鋳造用鋳
型における内面皮覆の溶射材料は、セラミツク
ス（複合セラミツクスを含む）又はセラミツク
スを60重量％以上望ましくは80重量％以上含有
し、残部が金属もしくは合金の複合材料である
ことが望ましい。ここで用いる金属もしくは合金は特に限定し
ないが融点が1200℃以上のNi、Cr、Co、NiCr
合成、CoCr合金が良い。その理由は、融点が
1200℃以下のたとえばSi、Ｂを含有したいわゆ
る自溶性合金では高温での硬度低下が起こるか
らである。耐摩耗性の観点からも硬質のセラミツクスを
60重量％以上望ましくは80重量％以上含有する
ことが望ましい。 (2) 鋳型内面の下地処理について；上述したように本発明は、粒子飛行速度の限
定、ならびに溶射材料の特定により十分な皮膜
強度が得られるが、さらにその効果を高めるた
めには次のような下地処理を施すことが有効で
あることを知見した。 (イ) その第１は、予め鋳型内面にNiめつきを
施し、その上に上記セラミツクス溶射材料や
セラミツクスを少なくとも60重量％以上含有
し、残部が金属もしくは合金の複合溶射粉末
材料を、粒子飛行速度400ｍ／秒以上、望ま
しくは650ｍ／秒以上の溶射手段によつて被
覆すると、溶射皮膜の熱衝撃抵抗はさらに向
上するのである。 (ロ) その第２は、鋳型内面にまずNiめつきを
施し、その上の少なくとも下部から1/2の領
域にわたつてNi−Ｗ−Fe合金めつきを施し、
さらにその上に上述の主としてセラミツクス
基溶射材料を粒子飛行速度400ｍ／秒以上と
なるような溶射法によつて被覆することが、
鋳型内面特にその下部の摩耗を防止する上で
有効であることが判つた。溶射皮膜の下地として、Ni−Ｗ−Fe合金め
つきに限定した理由は、鋳型内表面にむかつて
Hv300〜700の範囲で次第に硬度が大きくなる
硬度勾配をもつ硬質厚メツキを容易に施すこと
ができ、従来のNi−Ｐのごとき合金めつきに
比べ、はるかに熱衝撃特性に優れるからであ
る。すなわちNiめつき側では硬度が小さく、一
方溶射皮膜側では硬度が大きくなるように３元
合金めつき層の硬度を厚み方向にわたつて連続
的に変化させてやることにより、熱衝撃特性が
向上する他、Niめつき側では良好な皮膜密着
性が得られ、一方溶射皮膜側では溶射皮膜のベ
ース強度が高くなつてかかる溶射皮膜が割れ難
くなるのである。また当該溶射皮膜の下地めつ
きが硬質厚めつきであることが望ましい理由
は、凝固シエルの熱変形により特に鋳型下部に
高い面圧が加わつて銅基体が変形し、著しい場
合には溶射皮膜内の粒子間結合力が低下して摩
耗しやすくなるのを防止するためである。該Ni−Ｗ−Fe合金めつきの厚みは、0.3mm〜
３mmの範囲で選べるが、より好ましくは0.5mm
〜１mmがよい。その理由は、厚さが0.3mm以下
であると銅基体の変形を防止するのに十分でな
く、また３mm以上であると硬度勾配をつけたと
してもめつき層内の内部応力によつて割れやす
くなるためである。なお、この硬質のNi−Ｗ
−Fe合金は鋳型底部の摩耗を防止するために
は、摩耗が問題となる少なくとも下部から1/2
の領域に施されていることが望ましい。また、Ni−Ｗ−Fe合金めつきの成分組成は、
１〜20重量％Ｗ、１〜20重量％Fe、残部Niの
範囲で広く選べるが、５〜７重量％Ｗ、１〜５
重量％Fe、残部NiでFeの含有量を次第に増加
させて、めつき層の硬度を硬度勾配をつけて
Hv300〜700にしたものが望ましい。実施例通過トン数が115トン／チヤージのスラブ用連
続鋳造機の鋳型内面に被覆し、実機使用した結果
を表４に示す。表４のNo.１〜７は比較例でNo.８〜13は本発明例
である。構成はNo.１が銅製鋳型の内面に下地Ni
めつきを施し、その上にCrめつきを施したもの、
No.２は銅製鋳型の内面に自溶性合金を溶射した後
溶射皮膜の溶融処理を施したもの、No.３はさらに
その上にCrめつきを施したものである。No.４〜
10は第４図に示すように、銅製鋳型１の内面に
Niめつき１２を施し、その上に溶射皮膜１０を
形成させたもの、No.11〜13は第５図に示すよう
に、銅製鋳型１の内面にNiめつき１２を施し、
その上の下部から1/2の領域にこの発明に従うNi
−Ｗ−Fe合金めつき１３を施し、さらにその上
の鋳型内面全面に溶射皮膜１０を形成させたもの
である。従来、銅製鋳型の内面被覆として用いられてき
たNo.１のNiめつきの上にCrめつきを施したもの
では、下部のCrめつきが短期間ではがれ、
Hv200程度の硬さのNiめつきでは耐摩耗性が十
分でなく、200チヤージで基体の銅が露出し取外
した。 No.２のNi基自溶性合金を溶射したものでは、
融点が低いため溶鋼付着や、焼付きによるブレー
クアウトが多発し、200チヤージで取外した。 No.３のさらにその上にCrめつきを施したもの
でも、耐焼付き性は十分でなく、400チヤージで
取外した。 No.４の粒子飛行速度が100〜200ｍ／秒の火炎溶
射法で被覆した溶射皮膜は付着強さが不十分で
200チヤージでNiめつきと溶射皮膜の界面からは
くりした。 No.５の粒子飛行速度が200〜300ｍ／秒のプラズ
マ溶射法で被覆した溶射皮膜は、若干向上したも
のの400チヤージでNiめつきと溶射皮膜の界面か
らはくりした。それに対し、粒子飛行速度が400〜650ｍ／秒の
ハイパワープラズマ溶射法および、650〜800ｍ／
秒の爆発式溶射法で被覆したNo.６〜13の溶射皮膜
は、いずれもはくりはみられなかつた。ただし、
No.６のセラミツクスの含有量が50重量％で残部が
合金からなる溶射皮膜およびNo.７のセラミツクス
を含有しない合金の溶射皮膜は、600チヤージで
焼付いた。本発明例のNo.８のセラミツクスの含有量が60重
量％で残部が合金からなる溶射皮膜は、800チヤ
ージまで焼付かず、No.９、11、13のセラミツクス
の含有量が80重量％以上で、残部が金属または合
金からなる溶射皮膜およびNo.10のセラミツクス溶
射皮膜およびNo.12の複合セラミツクス溶射皮膜に
は焼付きは発生しなかつた。また、下地層としてNiめつきを施した本発明
のNo.９およびNo.10の溶射皮膜は、それぞれ800チ
ヤージおよび1200チヤージで下部が摩耗し、基体
である銅が露出したため取外したが、溶射皮膜と
Niめつきの間にNi−Ｗ−Fe合金の硬質厚めつき
を施して下地の変形を防止させたNo.11〜13の溶射
皮膜は、1200チヤージ使用後も基体である銅の露
出はみられず、また使用に耐えうる状態であつ
た。なお、粒子飛行速度が650〜800ｍ／秒の爆発式
溶射法で被覆したNo.10の溶射皮膜の方が、粒子飛
行速度が400〜650ｍ／秒のハイパワープラズマ溶
射法で被覆したNo.９の溶射皮膜よりも下部の摩耗
が少なかつたのは、爆発式溶射法で被覆した溶射
皮膜の方がち密で硬質であるためと考える。

【表】発明の効果以上説明したように本発明によれば、粒子の飛
行速度によつて規制される特定の溶射法と溶射材
料、さらには下地処理を適当に選択することで、
従来の予測をはるかに超える耐焼付き性、耐熱性
および耐摩耗性に優れた溶射皮膜を鋳型内面に形
成することができ、鋳型の寿命を向上させ、安定
した連続鋳造の操業を確保するのに有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、粒子飛行速度と溶射皮膜の付着強さ
の関係を示すグラフ、第２図は、粒子飛行速度と
溶射皮膜の硬さの関係を示すグラフ、第３図は、
焼付き挙動の解明に用いた実験装置の正面図、第
４図、第５図は、いずれも連続鋳造用鋳型の縦断
面図である。１……めつき、２……固定ロール、３……固定
材、４……減速機、５……モーター、６……油圧
シリンダー、７……ロードセル、８……トルク
計、９……ヒーター、１０……溶射皮膜、１１…
…銅製鋳型、１２……下地Niめつき、１３……
下部中間Ni−Ｗ−Feめつき。

Claims

【特許請求の範囲】１連続鋳造用鋳型の銅基体の内面上に、ニツケ
ルめつきより成る下地第１層と、Ni−Ｗ−Feの
成分組成になり下地第１層から離れるほど高い硬
度となる厚み方向の硬度勾配を有した厚被膜を連
続鋳造用鋳型の少なくとも下半分で上記下地第１
層上に被成してなる下地第２層と、これら下地層
の上にセラミツクス溶射層もしくは少なくともセ
ラミツクスを60％含有する金属又は合金との複合
溶射層からなる表層とをそなえて成る連続鋳造用
鋳型。２連続鋳造用鋳型内面に、セラミツクス溶射材
料もしくはセラミツクスを少なくとも60％含有す
る金属または合金との複合溶射材料を、溶射材料
の粒子飛行速度が400ｍ／秒以上になる条件下に
溶射することを特徴とする連続鋳造用鋳型の溶射
皮膜形成方法。３ Niめつきを施した連続鋳造用鋳型内面に、
セラミツクス溶射材料もしくはセラミツクスを少
なくとも60％含有する金属または合金との複合溶
射材料を溶射材料の粒子飛行速度が400ｍ／秒以
上になる条件下に溶射することを特徴とする連続
鋳造用鋳型の溶射皮膜形成方法。４連続鋳造用鋳型内面に、まずNiめつきを施
し、そのNiめつき層上にNi−Ｗ−Fe3元合金め
つきを施し、さらにその上にセラミツクス溶射材
料もしくはセラミツクスを少なくとも60％含有す
る金属または合金との複合溶射材料を溶射材料の
粒子飛行速度が400ｍ／秒以上になる条件下に溶
射することを特徴とする連続鋳造用鋳型の溶射皮
膜形成方法。５上記Ni−Ｗ−Feの３元合金めつきを、鋳型
の下半分に施すことを特徴とする特許請求の範囲
４記載の方法。