JPH0685993B2

JPH0685993B2 - 鋳包み方法

Info

Publication number: JPH0685993B2
Application number: JP62117082A
Authority: JP
Inventors: 隆宣西村; 明近藤; 弘洋中村
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1987-05-15
Filing date: 1987-05-15
Publication date: 1994-11-02
Anticipated expiration: 2009-11-02
Also published as: JPS63281759A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明はセラミックパイプ等を金属で鋳包むための鋳包
み方法に関する。

（従来の技術）セラミックスは金属や有機材料に比べて耐食性、耐熱
性、耐摩耗性等の種々の特性に優れたものが多い。例え
ば、ほとんどの金属はアルミニウム溶湯と長時間接触す
ると反応して溶融するが、Si₃N₄系やSiC-Si₃N₄系あるい
はAl₂O₃-TiO₂系等のセラミックスはアルミニウム溶湯に
浸食され難い。そこで、セラミックパイプを用いて耐食
性や耐熱性、耐摩耗性等が問題となる物質を諭送するこ
とができれば大いに有用である。

しかしながら、一般にセラミックスは耐衝撃性が低い脆
性材料であるため、単独では輸送管のような構造材料と
しての実用化が困難である。

このため従来、上記問題の解決策として、セラミックパ
イプの外周側を金属で鋳包み、補強することが考えられ
ている。

しかし、セラミックパイプの外側に高温の金属溶湯を鋳
造する場合は次のような点が問題となる。

（１）金属溶湯を鋳込んだ際に、セラミックパイプは急
激な温度上昇となるため、熱衝撃に弱いセラミックスが
割れてしまう。

（２）外側の金属部分は冷却に伴い、セラミックパイプ
の数倍以上の収縮率で収縮する。このため、セラミック
パイプに締め付け応力が加わり、破損（スポーリング）
してしまう。

これらの問題点を実験結果に基づいて考察する。

第７図は円管状の窒化ケイ素（SiN₄）パイプ21aを鋳鉄2
2a（FC20）で鋳包みした製品（鋳造温度1350〜1400℃）
を例示したものである。

Si₃N₄パイプ21a部の長さは250mm、外径は70mm、内径は5
0mmである。また、鋳鉄22aの外径は170mmである。

以上の形状、寸法を有する鋳包み製品は、鋳造時の熱衝
撃によりSi₃N₄パイプ21aに亀裂23を生じた。

このような亀裂23が生じた理由は、下記の第１表に示す
ように、Si₃N₄パイプ１の圧縮強さは150kg/mm²以上であ
るが、気孔率が１％以下で熱衝撃性が低いためと考えら
れる。

また、第８図は円管状の窒化ケイ素−炭化ケイ素（Si₃N
₄-SiC）パイプ21bを鋳鉄22b（FC20）で鋳包みした製品
（鋳造温度1350〜1400℃）を例示したものである。寸法
は第７図のものと同様である。このものではSi₃N₄−SiC
パイプ21b部に鋳鉄22b部の収縮応力によりパイプ内側が
剥離するスポーリング部24が生じた。

このようなスポーリング部24が生じた理由は、下記の第
２表に示すように、Si₃N₄−SiCパイプ21bの気孔率は13
％もあり、熱衝撃には耐えるが、圧縮強さが15〜20kg/m
m²程度しかないためと考えられる。

外径170mm、内径70mmのFC20材相当の鋳鉄管の高温から
の冷却による収縮応力は約45kg/mm²程度になるため、ス
ポーリングに耐えるセラミックパイプの圧縮応力はそれ
を超えるものでなければならない。しかしながら、熱衝
撃抵抗を高めるために気孔率を確保（約10％以上）する
ことと圧縮応力を高く維持することとは相反する要素で
あり、これが鋳包み技術の難点となっている。

（発明が解決しようとする問題点）上述のように、セラミックパイプの外側に高温の金属溶
湯を鋳造する場合、金属溶湯を鋳込んだ際に、セラミッ
クパイプが急激な温度上昇となるため、熱衝撃に弱いセ
ラミックスが割れたり、また、外側の金属部分が冷却す
るに伴い、セラミックパイプの数倍以上の収縮率で収縮
するため、セラミックパイプに締め付け応力が加わりス
ポーリングする場合がある。

そこで近年、鋳包みされたセラミックパイプ等の耐熱衝
撃性の向上およびスポーリングの防止等の対策が種々考
えられ、その一つにセラミックパイプと鋳包み金属との
間に緩衝材を介在させる技術が開発されている（例えば
特開昭60-180658号、同60-166156号、同60-21173号
等）。

本発明はこのような事情の基になされたもので、気孔率
が低く、熱衝撃に弱い種類のセラミックパイプでも亀裂
発生を防止することができ、また強度が低い種類のセラ
ミックパイプでもスポーリングを防止することができ、
かつ金属とセラミックスとを十分に固定することが可能
な鋳包み方法を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）本発明は、中空状のセラミック部材を鋳型内に設置し、
そのセラミック部材をその外周側に鋳込んだ金属によっ
て鋳包む鋳包み方法において、前記セラミック部材の外
周側を、そのセラミック部材よりも気孔率が大きいセラ
ミック補助材と耐熱性の無機質バインダとを加えてなる
緩衝材で被覆し、この被覆が形成されたセラミック部材
を用いて前記の鋳包みを行なうことを特徴とする。

（作用）本発明によれば、セラミック部材に対して鋳包みの際に
生じる熱衝撃および圧縮荷重が、含浸ペーパからなる緩
衝材によって大幅に緩和され、亀裂やスポーリングがな
い良質な鋳包み製品が製造できるとともに、その鋳包み
製品は熱サイクルに対する強度面等でも高信頼性を有す
るものとして利用に供することができる。

（ａ）すなわち、本発明で使用する緩衝材は、セラミッ
ク繊維の集合体を骨子とするセラミックペーパによって
構成される。セラミック繊維としてはウィスカを含む短
繊維から長繊維まで種々知られており、特に短繊維の集
合体には重合繊維間に形成される多数の隙間により大き
い気孔率を保持させることができるとともに、各繊維同
士の滑りによってペーパの厚さ方向および幅方向に多大
な変形範囲を設定することができる。

このような構成の緩衝材を使用して鋳包みを行った場
合、セラミック部材に生じる鋳包み時の熱衝撃が、気孔
を利用した断熱効果によって大幅に緩和されるととも
に、鋳包み金属の凝固時の収縮による圧縮荷重も、繊維
間滑りを利用した圧縮変形機能によって大幅に緩和され
るものである。

（ｂ）また、本発明で使用する緩衝材としての含浸ペー
パは、前記のセラミックペーパにゾル状の無機質バイン
ダを含浸させたものとし、この無機質バインダを乾燥さ
せた後に鋳包みを行うものである。

もし、多気孔のセラミックペーパをそのままの状態で緩
衝材として使用したとすると、鋳包み金属がペーパ内の
気孔部分に浸入し、これにより気孔率が低下して熱衝撃
の緩和能力が減少するとともに、ペーパを構成する繊維
の滑りが阻害される。

しかし、本発明では上記のように、ゾル状の無機質バイ
ンダをセラミックペーパに含浸させるので、無機質バイ
ンダが特にペーパ表面側で多量に浸透する一方、ペーパ
内部では比較的少量の浸透が行われて多くの気孔部分が
残存する。これにより、表面側が閉塞状態でありながら
所定の気孔率が保持できると同時に、繊維同士の接触に
よる多くの滑り可能部分が保持される。

そして、この状態で鋳包みを行うことにより、鋳包み時
の熱で無機質バインダが硬化し、ペーパ内への金属の浸
入量が抑制される。この結果、緩衝材には高気孔率およ
び繊維滑り機能が保持されるので、鋳包みの際に高熱の
金属溶湯が緩衝材の外側面に作用してもセラミック部材
には急激な熱伝達が行われず、したがって熱衝撃が大幅
に緩和されるので亀裂の発生が防止できる。また、鋳包
み金属の凝固時の収縮により、セラミック部材に作用す
る圧縮荷重も大幅に緩和されるので、スポーリングも確
実に防止でき、良質な鋳包み製品が製造できるものであ
る。

（ｃ）さらに、鋳包み時の金属の収縮により、緩衝材内
にはある程度の圧縮応力が残留する。この残留応力は、
後に鋳包み製品の内側に高温流体が流通する等の加熱時
に、熱膨張差によってセラミック部材より金属部分が大
きく膨脹しても、緩衝材部分の膨らみよって両者の固定
を確実に保持することができる。

また、高温流体の流通停止等による冷却時のように金属
部分が収縮する場合にも、セラミック部材への圧縮荷重
は繊維間滑りにより良好な緩衝材収縮によって吸収さ
れ、セラミック部材への多大な圧縮応力の発生を防止で
きる。

したがって、鋳包み製品の使用状態における熱サイクル
に対する強度特性も優れたものとなる。

以上のように、本発明によれば、鋳包み製品の製造時お
よび使用時それぞれにおいて、多大な効果が奏される。

（実施例）以下、本発明の一実施例を第１図〜第６図を参照して説
明する。

なお、この実施例はSi₃N₄系またはSi₃N₄-SiC系のセラミ
ックパイプを鋳鉄（FC20相当）で鋳包む場合の鋳包み方
法について適用したものである。

まず、第１図および第２図によって緩衝材の成形および
セラミックパイプへの被覆方法を説明する。

緩衝材としては、Al₂O₃、Al₂O₃-SiO₂またはSiCの短繊維
（以下、これをセラミック繊維という）を素材とする連
続紙状のセラミック補助材（以下、これをセラミックペ
ーパーという）に、耐熱性の無機質バインダ例えばコロ
イダルシリカとSiO₂微粉末（325〜400メッシュ）とを混
合したコロイダルシリカスラリを含浸させたもの（以
下、これを含浸ペーパーという）を用いる。

セラミックペーパーは、最初セラミック繊維と水との混
合液をつくり、これをフィルタ上に一定厚さで延在さ
せ、プレスとともにフィルタを介しての水抜きを行な
い、その後乾燥して例えば１〜2mm厚の巻紙状に形成す
ることにより得られる。

このようにして形成したセラミックペーパー１を第１図
に示すように、コロイダルシリカスラリ２の収容槽３に
連続的に浸漬状態で挿通し、含浸ペーパー４とする。

含浸ペーパー４は第２図に示すように、セラミックパイ
プ５の外周面に所定厚さに巻付け、その後自然乾燥等に
よって乾燥させる。

第３図および第４図は鋳包み時の鋳型状態を示してい
る。

セラミックパイプ５は鋳鉄が鋳造される円筒形空洞部６
の中央位置になるように砂鋳型７の中に装着される。砂
鋳型７には押湯８、湯口９および堰10等鋳造に必要な鋳
型の各部分が形成されている。また、セラミックパイプ
５の両端には幅木部11と鋳物砂製の接合部の隙間から溶
湯金属が侵入し、セラミックパイプ５の内側に流れ込ま
ないように砂鋳型７の蓋12を挿入してある。

このようにして、緩衝材としての含浸ペーパー４を巻い
たセラミックパイプ５を第３図および第４図に示す方法
で鋳包めば、鋳造時の熱によりコロイダルシリカが硬化
し、第５図に示すように、含浸ペーパー４が50〜70％の
気孔率を有する複合セラミック層としてセラミックパイ
プ５と鋳包み金属13との間に形成される。

以上の実施例によれば、第６図に示すように、緩衝材と
しての含浸ペーパー４を約2mm厚程度で用いた場合、含
浸ペーパー４とセラミックパイプ５との間の温度上昇速
度は、用いない場合の約500〜700℃/secに比べ50〜70℃
/secに緩和でき、上昇温度も1350℃から1200℃に低下す
ることができる。これにより、気孔率が殆ど無いSi₃N₄
パイプのように耐熱衝撃性が低いセラミックパイプにお
いても、亀裂の発生を防止することができる。

また、一般に、セラミックスは気孔率を高めることによ
り応力吸収性を高めることができ、気孔率10〜13％を有
するSi₃N₄−SiCパイプの場合は熱衝撃に対しては耐える
ことができるが、従来の如く、単独のセラミックパイプ
を鋳包む方法では、気孔率を高めた場合、圧縮強さが低
下し、スポーリングを生じていたのに対し、前記実施例
の方法では気孔率が50〜70％と高い一定厚の含浸ペーパ
ー４で被覆することにより、この部分で応力吸収が行な
われ、セラミックパイプ５に許容以上の圧縮応力が掛る
ことを防止する。即ち、金属の冷却に伴い圧縮応力が含
浸ペーパー４に作用しても、含浸ペーパー４は圧縮さ
れ、金属13とセラミックパイプ５との間のずれに対する
抵抗材として機能する。

また、セラミックペーパーはそれらの素材が鋳鉄や銅合
金の鋳造温度1000〜1500℃に耐える耐熱性を有してい
る。

コロイダルシリカとSiO₂粉末の混合スラリーを含浸させ
た含浸ペーパー４は数十％の気孔率を保持しており、耐
熱性と応力吸収能を有することができる。また、上記ス
ラリーは金属溶湯を鋳造する時の熱により硬化する。こ
れにより、本発明の緩衝材はある程度の残留応力を保持
でき、鋳包み製品を使用する温度範囲による金属部の膨
張収縮に対してもセラミックパイプとの固定を実現する
ことができる。

なお、コロイダルシリカ等のバインダを含有しないセラ
ミックペーパー１だけでは鋳包み時の保形力が弱く、ま
た気孔に金属が入り込むなどにより、十分な抵抗材とな
り得ない。前記実施例の含浸ペーパー４によると、抵抗
材としての効果は約850℃まで昇温しても残存している
ことが確認された。

なお、本発明は前記実施例に限らず、中空状のセラミッ
ク部材であれば、種々断面のものに適用することがで
き、またセラミック部材、鋳包み用金属および緩衝材の
材料として種々の材料が適用できることは勿論である。

例えばセラミック部材としては、Al₂O₃-TiO₂系、MgO
系、MgO−Al₂O₃系、Ｃ系、ZrO₂系、SiO₂系などが適用で
きる。

また、鋳包み用金属としては鋳鋼、銅または銅合金、そ
の他各種金属が適用できる。

さらに緩衝材構成用のセラミック繊維としては、長さ１
〜5mmのＣ繊維、また無機バインダとしては、Na₂CO₃ゾ
ル、エチルシリケート等も適用できる。即ち、緩衝材と
しては以下の特性を有するものであれば種々の材質のも
のが適用できる。

（１）鋳包み時の熱に耐える耐熱性。

（２）熱衝撃を緩和するために必要な耐熱性。

（３）金属の収縮応力を緩和するための圧縮応力吸収
能。

（４）金属とセラミックパイプを固定するための堅固
性。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、セラミック部材に対して
鋳包みの際に生じる熱衝撃および圧縮荷重が、含浸ペー
パからなる緩衝材によって大幅に緩和され、亀裂やスポ
ーリングがない良質な鋳包み製品が製造できるととも
に、その鋳包み製品は熱サイクルに対する強度面等でも
高信頼性を有するものとして利用に供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る鋳包み方法の一実施例を説明する
ためのもので、緩衝材形成状態を示す図、第２図は同じ
く緩衝材巻付け状態を示す図、第３図は同じく鋳包みに
使用する鋳型を示す縦断面図、第４図は第３図のIV-IV
線断面図、第５図は鋳包み製品を示す図、第６図は作用
を説明するためのグラフ、第７図および第８図は従来法
により成形した鋳包み製品を示す図である。１……セラミックペーパー、２……コロイダルシリカス
ラリ、４……含浸ペーパー、５……セラミックパイプ、
７……砂鋳型、13……鋳包み用金属。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中村弘洋神奈川県座間市ひばりが丘４丁目5676番地東芝機械株式会社相模事業所内 (56)参考文献特開昭60−180658（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−166156（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−21173（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中空状のセラミック部材の外周側を金属に
よって鋳包む鋳包み方法において、セラミック繊維の集
合体からなるセラミックペーパにゾル状の無機質バイン
ダを含浸させた含浸ペーパを製作しておき、この含浸ペ
ーパを鋳包み前に予め前記セラミック部材に巻付けると
ともに前記無機質バインダを乾燥させ、その後、前記セ
ラミック部材に前記含浸ペーパの外周側から金属の鋳込
みを行うことにより、前記含浸ペーパが緩衝材として前
記セラミック部材と金属との間に介在する鋳包みを行う
ことを特徴とする鋳包み方法。
【請求項２】セラミック繊維としてSiC、Al₂O₃、SiO₂-A
l₂O₃混合物またはＣの繊維を使用する特許請求の範囲第
１項記載の鋳包み方法。
【請求項３】無機質バインダとしてSiO₂ゾル、Na₂CO₃ゾ
ル、Al₂O₃ゾルまたはエチルシリケートゾルを使用する
特許請求の範囲第１項記載の鋳包み方法。