JPH0347949B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、耐摩耗鋳物の遠心鋳造法、特にタン
グステン炭化物粒子等の硬質炭化物粒子を表層に
混在させた鋳鉄もしくは鋳鋼等の鋳物の鋳造にお
いて、該表層を均一な層厚に形成し得るようにし
た耐摩耗鋳物の遠心鋳造法に関する。

金属中に硬質粒子、例えばタングステン炭化物
（WC、W₂C）粒子などを混在させることにより
金属のみでは得られない高度の耐摩耗性を付与す
ることができる。この知見にもとづいて本発明者
等は、先に、遠心力鋳造を利用し、第１図に示す
ような、金属Ｍと硬質粒子Ｐとが混在してなる外
周領域（以下、「外層」または「混在層」という）
Ａと、実質的に金属Ｍのみからなる内側領域（以
下、「内層」または「金属層」という）Ｂの二層
構造を有する鋳物の製造法に提案した（特願昭56
−213860号、同56−213861号等）。このように、
耐摩耗性が要求される表層部のみに混在層を形成
すれば、高価な硬質粒子の使用量が少なくてすみ
経済的であるのみならず、混在層による高耐摩耗
性とともに、金属層による基材金属本来の材料特
性、例えば靱性などを兼備させることができる。

上記鋳物の鋳造は、例えば第８図に示すよう
に、軸心を中心に回転する鋳型１内に、その端部
の端板２の注湯孔３から、ホツパー４の鋳込み樋
５にて金属溶湯M′を鋳造し、溶湯の鋳込み終了
後、端板２′の孔３′から挿入された硬質粒子添加
治具６にて、溶湯より比重の大きい硬質粒子Ｐを
溶湯面上に散布することにより行なわれる。溶湯
面に投与された硬質粒子Ｐは、遠心力の作用下、
溶湯との比重差にり溶湯層内を鋳型１の内壁面に
向つて遠心移行（沈降）し、その外周領域に集中
濃化することにより混在層を形成するので、その
まゝ鋳型の回転を続行して溶湯を凝固させれば、
前記のごとき鋳物が得られるわけである。

上記の遠心鋳造において、鋳物の全長・全周に
わたつて均一な層厚を有する混在層を形成するに
は、鋳型内の溶湯層M′に対して硬質粒子Ｐを均
等に分散投与することが必要である。

しかしながら、実際の鋳造においては、硬質粒
子を溶湯層の軸方向にそつて均等に分散投与する
にもかかわらず、得られる混在層Ａの厚さは、第
７図に示すように軸方向の中央領域で薄く、両端
部付近で厚くなる傾向がみられる。とりわけ、層
厚の厚い混在層（特に、約５mmをこえる層厚）を
形成する場合、鋳造時の遠心力を高くすると、上
記の傾向が顕著に現われる。この層厚の不均一化
の原因は次のように考えられる。すなわち、炭化
物等の硬質粒子は、溶湯に対する吸着性に乏しく
溶湯になじみにくいため、溶湯面上に散布して
も、直ちに溶湯層中に吸着されず、湯面上を浮遊
する。しかも、鋳型内には、溶湯とともに混入し
た少量の溶融スラグが湯面上に浮遊しており、該
スラグは硬質粒子との濡れ性が良いので、投与さ
れた硬質粒子を容易に吸着・捕獲する。このスラ
グは、遠心力の作用下に、湯面上を移動し鋳型の
両端部に集中し易い。このため、硬質粒子は軸方
向に均等に投与しても、スラグによつて両端部に
運ばれ、その場所で溶湯に吸着されて沈降する。
その結果、得られる混在層は前記のように両端部
の層厚が厚い不均一なものとなつてしまう。

本発明は、上述の硬質粒子の局所的な集中偏在
化を防止し、軸方向の全長にわたつて均一な層厚
を有する混在層を形成し得るようにした鋳造方法
を提供する。

本発明は、遠心鋳造用鋳型内に鋳込まれた鋳鉄
ないし鋳鋼溶湯に、溶湯より比重の大きい硬質炭
化物粒子を添加して溶湯中を遠心移行させ、外周
領域に硬質炭化物粒子を集中濃化させることによ
り、金属と硬質炭化物粒子とが混在する外層と、
実質的に金属からなる内層との二層構造を有する
鋳物を構造する方法において、 鋳型内の溶湯面に、溶湯および硬質炭化物粒子
との濡れ性を有する溶融フラツクス層を形成し、 硬質炭化物粒子を、溶湯および硬質炭化物粒子
との濡れ性を有するフラツクスで被覆したフラツ
クス被覆粉末、もしくはフラツクスとの混合粉末
として上記溶融フラツクス層の上に、軸方向の全
長に亘つて均等に分散投与することにより、溶融
フラツクス層を通して硬質炭化物粒子を溶湯に吸
着させることを特徴としている。

以下、本発明について詳しく説明する。

本発明方法によれば、硬質粒子を鋳型内の溶湯
に投与するに先立つて、溶湯面を溶融フラツクス
層にて被覆する。また、硬質粒子は、フラツクス
粉との混合粉末、もしくはフラツクスで被覆され
たものとして投与される。これらのフラツクス
は、いづれも金属溶湯および硬質粒子に対して濡
れ性を有するものであることを要する。

硬質粒子とフラツクスとの混合粉末は、粒子と
フラツクス粉とを単に機械的に混合したものでも
よく、あるいは適当な無機質もしくは有機質粘着
剤（例えばベントナイトなど）にて、第２図に示
すように粒子Ｐとフラツクス粉F′とを接着させた
ものであつてもよい。一方、硬質粒子をフラツク
スで被覆したもの（被覆粉末）は、第３図のよう
に、粒子Ｐの表面全体がフラツクスF′で被覆され
たものであるが、その被覆は完全でなくともよ
く、第４図のように粒子表面が部分的に露出して
いてもよい。これら被覆粉末は、例えば、溶融し
たフラツクス中に硬質粒子を浸漬し引上げること
により得られる。

硬質粒子をフラツクスとの混合粉末として溶湯
に投与すると、第５図〜に示されるように、
まず硬質粒子とともに投与されたフラツクス粉
F′が溶湯M′の熱をうけて溶融して、予め溶湯面
を被覆している溶融フラツクスＦと合体し、この
溶融フラツク層に硬質粒子Ｐが吸着され、該粒子
Ｐはついで溶湯M′に吸着される。硬質粒子Ｐが
フラツクスによる被覆粉末として投与されたとき
も同様のプロセスにて溶湯に吸着されるが、粒子
表面がフラツクスで被覆されているため、溶湯へ
の吸着がよりスムースに行なわれる。以下の説明
では、硬質粒子のフラツクスとの混合粉末および
被覆粉末を、「粒子−フラツクス混合粉末（また
は単に複合粉末）」とも言う。

このように、本発明によれば、硬質粒子は溶湯
面上に形成された溶融フラツクス層に吸着される
ので、溶湯面上で軸方向に大きく移動することは
なく、ほゞその位置で揺動するだけである。従つ
て、ほゞ投与された落下位置で溶湯に吸着され
る。溶湯に吸着されたのちは、溶湯の動きに多少
左右されるものゝ、ほゞその位置で溶湯中を遠心
分離により外周方向へ向つて沈降する。むろん、
沈降するのは粒子のみで、フラツクスは比重差に
より溶湯面上にとどまる。かくして、硬質粒子
は、鋳型の両端部への移動・偏在が実質的に完全
に防止され、軸方向にそつて均等に分散投与すれ
ば、第６図に示すように鋳物の全長・全周にわた
り均一な層厚を有する混在層が形成される。な
お、硬質粒子−フラツクスの複合粉末が投与され
る溶湯面が前もつて溶融フラツクス層Ｆで被覆さ
れていない場合、すなわち、裸の溶湯面に直接上
記複合体を投与する場合にも、硬質粒子に付随す
るフラツクスが溶湯熱で溶融して溶融フラツクス
層を形成するので、この溶融フラツクスによる粒
子の吸着捕捉作用が生ずる。しかし、投与開始初
期は、生成する溶融フラツクス量が少なく、従つ
て硬質粒子の吸着効果もやゝ乏しい。本発明にお
いて、予め溶湯面を溶融フラツクス層で被覆して
おくのは、投与初期の吸着効果の不足を補償する
ためであり、これによつて確実に硬質粒子を吸着
捕捉し、より均一で良好な混在層の形成が保証さ
れる。

本発明に用いられるフラツクスとしては、例え
ば金属溶湯の精錬の際に形成される溶融スラグ、
あるいは遠心鋳造において溶湯の酸化防止のため
に使用されるフラツクスなどが挙げられるが、要
するに金属溶湯と硬質粒子のいずれに対しても濡
れ性を有するならば、酸化物、塩化物、弗化物な
ど、あるいはこれらの２種以上の混合物（固溶体
または混合体）等任意の成分系のものを使用して
よい。もちろん、金属溶湯と接触して溶湯の成分
組成の変動をきたすものであつてはならず、ま
た、融点が低く、溶湯の凝固点付近の低温域でも
流動性の良いものが好ましい。

鋳鉄、鋳鋼等の鉄系合金溶湯より比重の大きい
硬質粒子（炭化物）とは、例えばタングステン炭
化物粒子（WC、W₂C等）（比重：約16〜17）や
タングステンチタン複炭化物（（Ｗ，Ti）Ｃ）
（比重：約10〜16）等である。これらの粒子は極
めて高い硬度（タングステン炭化物：Hv約2400、
タングステンチタン複炭化物：Hv約2000〜2300）
を有し、かつ高融点であるので溶湯中で容易に溶
解消失することがなく好適である。溶湯より比重
が大で、溶湯中で溶解消失しない高融点を有し、
耐摩耗性向上に寄与する硬度を有するものであれ
ば、これ以外のものでもよい。なお、粒径は耐摩
耗性改善効果の点から、約50〜300μｍ程度のも
のが適当である。

なお、フラツクスと硬質粒子との複合粉末にお
ける両者の割合は、重量比で１：0.01〜１：0.3
（粒子：フラツクス）とすることができる。この
複合体のフラツクスと予め溶湯面を被覆するフラ
ツクスとは同一成分組成のものであつてもよいこ
とは言うまでもない。

基材金属である鋳鉄または鋳鋼の材質は、目的
とする鋳物の用途・使用条件などに応じて選らば
れるが、例えば耐熱性や強度等が要求される場合
には、クロム系鋳鉄または鋳鋼、クロム−ニツケ
ル系鋳鉄または鋳鋼などの鉄系金属が好ましく用
いられる。

本発明鋳造法において、硬質粒子投与前に溶湯
面を被覆する溶融フラツクス層の形成は、所望の
成分組成に調合されたフラツクス粉末を鋳型内に
投与して溶湯の熱で溶融される方法によつてもよ
く、あるいは高温状態の溶融フラツクスとして投
与してもよい。鋳型内の溶湯の降温、粘稠化を抑
制するのは、後者の方法が有利なことは言うまで
もない。溶湯の粘稠化が著しくなると、その後に
添加される硬質粒子の遠心分離による溶湯層内の
沈降が困難となるので、細径あるいは薄肉鋳物な
どのように溶湯の鋳造量の少ない鋳物の構造では
溶融フラツクスとして投与するのが望ましい。溶
融フラツクスの層厚は粒子吸着効果の点から、少
なくとも0.5mmを要し、好ましくは約１mm以上で
ある。

上記フラツクスの鋳型内への投与および硬質粒
子−フラツクス複合粉末の投与は、金属溶湯の鋳
造終了後に行うことができる。すなわち、所定量
の溶湯を全量鋳造したのち、フラツクスを投与
し、これに硬質粒子をフラツクスとの複合粉末と
して分散投与すればよい。この場合、硬質粒子を
遠心分離によりスムースに混在層へ集中させるた
めには、溶融温度が高く流動性の良い間に迅速に
投与すべきである。たゞし、多量の粒子を短時間
に一度に投与すると、溶湯面が急冷され部分的に
凝固する結果、粒子の遠心分離が妨げられたい、
混在層の層厚が円周方向に不均一化するなどの不
具合を生じる。従つて、硬質粒子の投与は、溶湯
の凝固が始まるまでの間に、長時間をかけて徐々
に投与することが望ましい。

別法として、溶湯の鋳造開始直前、もしくは開
始と同時に、または開始後の適当な時期に、フラ
ツクスを投与して溶湯面を溶融フラツクス層で被
覆し、溶湯の鋳造と併行して硬質粒子−フラツク
ス複合粉末の分散投与を行うこともできる。その
投与開始時期は、投与に要する時間と溶湯の鋳造
所要時間とを勘案して適宜決めればよい。むろ
ん、硬質粒子の投与量が多い程、投与の開始を早
めればよい。たゞし、鋳型内の溶湯量が少ない鋳
造初期に、硬質粒子が投与されると溶湯が凝固し
良好な存在状態の形成が困難となるので、鋳型内
溶湯の層厚が約10mmに達した時点あるいはそれ以
降に、硬質粒子の投与を開始することが望まし
い。投与の終了時期は、投与量により一様ではな
く、溶湯の鋳造完了前もしくは完了と同時の場合
もあり、あるいはその後に及ぶこともあるが、い
づれの場合も、溶湯の鋳造と併行して投与される
ので、投与量が多い場合にも、溶湯が凝固をはじ
めるまでの間に所定の全量を無理なく投与するこ
とができる。

上記鋳造においては、硬質粒子とフラツクスの
複合粉末の投与とともに溶湯面上に形成される溶
融フラツクスの層厚も増大する。このフラツクス
は前記のように、硬質粒子の吸着捕捉を目的とす
るのであるから、その効果が得られる層厚によれ
ば、それ以上増加させる必要はなく、通常は約
0.5〜２mm程度あれば十分である。必要以上の増
加は、フラツクスの溶融のために溶融が奪われる
熱量が増大する結果、溶湯の降温・粘稠化が進
み、硬質粒子の遠心分離が阻害されるだけ不利で
ある。従つて、かかる不具合を避けるには、所定
量の硬質粒子のうち一部をフラツクスとの複合物
として投与し、溶湯面上の溶湯フラツクスの層が
適当な層厚になつたのち、残余の硬質粒子は粒子
単体のまゝ投与するとよい。

なお、硬質粒子をフアツクスとの複合粉末とし
て、または粒子単体として投与するいづれの場合
にも、溶湯からフラツクスや粒子に奪われる熱量
を補償するために、フラツクスおよび粒子を加熱
し、例えば300℃以上の温度で投与するとよい。
特に、細径鋳物や薄肉鋳物などのように、溶湯の
鋳造量が少ない場合や、溶湯量に対し硬質粒子の
投与量が多い場合に、溶湯の流動性を保持し、硬
質粒子の溶湯内での遠心分離を円滑に行なわせる
のに有利である。加熱により酸化し易い粒子であ
つても、フラツクスで被覆されていれば、酸化を
防ぐことができ、また粒子単体の場合では、例え
ば無電解ニツケルめつきなどで粒子表面を被覆し
ておけばよい。

本発明の遠心鋳造におけるその他の鋳造条件に
特別の制限はなく、鋳型の回転速度は、例えば鋳
型内壁面での遠心力が50〜100G程度になるよう
に制御され、溶湯の鋳造温度は通常のそれと異な
らず、要すれば硬質粒子に奪われる熱量を補償す
るために、若干高目の温度に調節すればよい。硬
質粒子の投与量は、もちろん所望の混在層の厚さ
に応じて適当に決められる。

かくして得られる鋳物の混在層は、各硬質粒子
が緻密に分散し、粒子間隙が基材金属で充填され
てなる混在状態を呈する。この混在層における硬
質粒子の占める割合（体積率）は好ましくは約70
％前後である。

次に本発明方法を実施例により具体的に説明す
る。

実施例 １ 第８図に示すごとき遠心鋳造装置において、金
属溶湯M′を取鍋（図示せず）からホツパー４を
介して鋳型１内に鋳造するとともに、鋳型内溶湯
面を全周・全長にわたり溶融フラツクス層Ｆにて
被覆し、溶湯鋳造終了後、硬質粒子Ｐをフラツク
スとの複合粉末として、全長にわたつてほゞ均等
に分散投与し、鋳型の回転下にそのまゝ凝固させ
た。

硬質粒子−フラツクスの複合粉末、添加治具６
の樋状体７（ほゞ鋳型内の全長にわたる長さを有
する）内に充填し、樋状体を支持する回転軸体８
により樋状体７を矢印ａのように反転させて溶融
フラツクス面上に落下させることにより投与し
た。鋳造条件は次のとおりである。

〔〕 鋳型 (1) 内径：250mm、長さ：100mm、 (2) 回速速度：760rpm（鋳型内壁面での遠心力
80G）。

〔〕 金属溶湯 (1) 成分：C3.42％、Si0.81％、Mn0.64％、
Ni4.38％、Cr1.61％、Mo0.46％、残部Feお
よび不純物。

(2) 鋳造温度：1600℃ (3) 鋳造量：鋳型内溶湯層厚約35mm。

〔〕 フラツクス (1) 成分：SiO₂19％、Al₂O₃6％、CaO38％、
Na₂O16％、B₂O₃8％、螢石9.00％、その他
４％。

(2) 溶解フラツクス層の形成：溶湯鋳造終了
後、直ちにフラツクス粉を投与して溶湯熱で
溶融させる。

(3) 投与量：当初（硬質粒子−フラツクス複合
粉末投与前）の溶湯面上の層厚１mm。

〔〕 硬質粒子−フラツクスの複合粉末 (1) 硬質粒子（粒径150〜250μｍのタングステ
ン炭化物（W₂G））とフラツクス粉（粒度−350
メツシユ。成分組成は上記〔〕のものと同一）
との混合物を300℃に予熱して投与。硬質粒子：
フラツクス粉の混合比は１：0.08（重量比）。

(2) 投与量：5.8Kg。

(3) 投与時期：上記〔〕のフラツクス粉投与
１秒後に開始し、３秒を要して全量投与。

上記鋳造により、外径250mm×長さ100mm×肉厚
35mmの中空円筒状鋳物を得た。比較として、ラテ
ツクスを使用しない点以外は上記と同一の鋳造条
件で同じサイズの中空円筒状鋳物を鋳造した。

各方法で得られた鋳物の軸方向断面を調査した
結果、比較法の鋳物の混在層の層厚は前記第７図
に示すごとくで、中央部位では約４mm、両端部付
近は約15mmと不均一であるのに対し、本発明法に
よる鋳物では、第６図に示すように硬質粒子の偏
在は殆んどなく、混在層Ａの層厚は全長・全周に
わたり約８〜10mmとほゞ均一である。

実施例 ２ 溶湯と鋳造開始と同時にフラツクス粉を投与
し、層厚0.8mmの溶融フラツクス層を形成せしめ
るとともに、溶湯層厚が10mmに達した時点（溶湯
鋳造開始５秒後）で、硬質粒子−フラツクスの複
合粉末の投与を開始し、溶湯の鋳造と併行してそ
の投与を継続した。溶湯鋳造所要時間は16秒であ
り、硬質粒子−フラツクスの投与所要時間は13秒
である。すなわち、投与終了時間は、溶湯鋳造終
了の２秒後である。なお、硬質粒子−フラツクス
の複合粉末としては、硬質粒子を溶融したフラツ
クス中に浸漬し引上げ固化したのち、破砕すて得
られた被覆粉末を使用した。その他の鋳造条件は
前記実施例と同じである。また、比較として、フ
ラツクを全く使用しない点以外は上記と同じ条件
で鋳造を行なつた。

得られた各鋳物（外径250mm×長さ100mm×肉厚
35mmの中空円筒体）の軸方向の断面を調べた結
果、比較法による鋳物の混在層厚は前記第７図に
示すように不均一で、中央部位で約５mm、両端部
付近で約14mmであるのに対し、本発明により得ら
れた鋳物における混在層Ａは全長全周にわたり約
8.5〜10mmとほゞ均一である。

なお、各実施例とも、本発明により得られた鋳
物の混在層における硬質粒子は金属Ｍで被覆さ
れ、粒子間隙が金属で充填された緻密な混在状態
を呈しており、混在層中の硬質粒子が占める割合
は65〜75％（体積率）である。

以上のように、本発明によれば、表層領域に硬
質粒子と金属からなる混在層が全長・全周にわた
つて均一な所望の層厚に形成された鋳物を得るこ
とができ、その混在層によつて確実かつ安定した
高耐摩耗性が保証される。また混在層の内側の金
属層によつて高靱性をも具備する。従つて、例え
ば、圧延用・搬送用ロール類などの用途におい
て、摩耗、衝撃によく耐え、従来材では得られな
い耐久性を発揮する。その他、要するに耐摩耗性
が要求される各種装置・機器用部材として同様の
効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は中空円筒状鋳物の断面説明図、同図
はその部分拡大説明図、第２図〜第４図はそれ
ぞれ硬質粒子とフラツクスの複合粉末の例を示す
断面説明図、第５図〜は硬質粒子とフラツク
スの複合粉末の溶湯面上での状況説明図、第６図
および第７図は中空円筒状鋳物の軸方向断面説明
図、第８図は遠心鋳造法を例示する断面説明図で
ある。 １：遠心鋳造鋳型、４：溶湯鋳込みホツパー、
６：硬質粒子添加治具、Ｍ：金属、Ｐ：硬質粒
子、Ｆ：フラツクス、Ａ：混在層、Ｂ：金属層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 遠心鋳造用鋳型内に鋳込まれた鋳鉄ないし鋳
   鋼溶湯に、溶湯より比重の大きい硬質炭化物粒子
   を添加して溶湯中を遠心移行させ、外周領域に硬
   質炭化物粒子を集中濃化させることにより、金属
   と硬質炭化物粒子とが混在する外層と、実質的に
   金属からなる内層との二層構造を有する鋳物を鋳
   造する方法において、 鋳型内の溶湯面に、溶湯および硬質炭化物粒子
   との濡れ性を有する溶融フラツクス層を形成し、 硬質炭化物粒子を、溶湯および硬質炭化物粒子
   との濡れ性を有するフラツクスで被覆したフラツ
   クス被覆粉末、もしくはフラツクスとの混合粉末
   として上記溶融フラツクス層の上に、軸方向の全
   長に亘つて均等に分散投与することにより、溶融
   フラツクス層を通して硬質炭化物粒子を溶湯に吸
   着させることを特徴とする耐摩耗鋳物の遠心鋳造
   法。 ２ フラツクス被覆粉末およびフラツクス混合粉
   末の硬質炭化物粒子：フラツクスの割合が、１：
   0.01〜１：0.3（重量比）であることを特徴とする
   上記第１項に記載の耐摩耗鋳物の遠心鋳造法。 ３ フラツクス被覆粉末またはフラツクス混合粉
   末を加熱して投与することを特徴とする上記第１
   項または第２項に記載の耐摩耗鋳物の遠心鋳造
   法。 ４ 溶湯面上に形成される溶融フラツクスの層厚
   が0.5mm以上に達した後は、フラツクス被覆粉末
   またはフラツクス混合粉末に代え、硬質炭化物粒
   子のみを軸方向の全長に亘つて均等に分散投与す
   る上記第１項ないし第３項のいずれか１つに記載
   の耐摩耗鋳物の遠心鋳造法。 ５ 硬質炭化物粒子を加熱して投与することを特
   徴とする上記第４項に記載の耐摩耗鋳物の遠心鋳
   造法。 ６ 硬質炭化物粒子がタングステン炭化物または
   タングステンチタン炭化物であることを特徴とす
   る上記第１項ないしは第５項のいずれか１つに記
   載の耐摩耗鋳物の遠心鋳造法。