JPS5919786B2 - 母材の外周に鋳かけ肉盛リクラツド材を形成する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は円柱あるいは円筒形母材の外周に肉盛りしてク
ラツド材を形成する方法に関し、詳しくは円柱あるいは
円筒形金属母材の外周に高速度で鋳かけ肉盛りしてクラ
ツド材を形成し、ロールローラや圧延用のクラッド素材
を製造する方法に関する。

従来、母材の周囲に高速度で鋳かけ肉盛溶接する方法と
しては、許公昭４４−４９０３号公報や特公昭５３−４
７７６７号公報に示す如く、高周波誘導加熱を利用して
母材表面に所望材質からなる溶湯を連続鋳かけ肉盛溶接
する方法がある。

しかしながら、このような方法においては溶湯中に浮遊
する非金属介在物や金属酸化物などが溶湯の電磁攪拌に
よって母材の周辺まで運ばれてきて、母材表面に付着し
たり、母材表面の酸化物がそのまＮ肉盛層の中にまきこ
まれたりして、母材と肉盛層の間に溶着不良を起こすか
、肉盛層中に内部欠陥を生ずることが多い。

また、溶湯の保有する熱量の不均一や母材表面の清浄化
状態によっては完全に溶着したとしても溶湯による母材
の溶は込み量に可成りのばらつきがあり、肉盛層に偏肉
を生ずるという欠点があった。

元来、金属母材に異種金属を肉盛してクラツド材を形成
した素材、特にその素材を圧延して二次製品を製造する
場合は、上記のような溶着不良や内部欠陥が皆無である
ことは勿論のこと、母材の溶は込み量を極力均一にして
且つ最少限にすることが必要である。

本発明者らはこのような点に鑑み、鋭意検討を重ねた結
果上記のような欠点をなくし、クラッド圧延素材として
も充分使用に適する鋳かけ肉盛溶接する方法を見出し、
本発明に到達した。

即ち、本発明の一つは「主電磁誘導加熱コイルで外包さ
れた耐火性加熱型の下部に該加熱型と同軸の内孔を有す
る黒鉛系緩衝型をおき、さらにその下部に同軸の中空式
冷却型をおき、これらを一体に重ねた組合せモールドの
中に円柱あるいは円筒形母材を垂直に挿入し、別に準備
した所望材質の溶湯を母材と組合せモールドとの間の空
隙に注入すると同時に母材を断続的に降下せしめ、溶湯
を母材表面に溶着させながら前記黒鉛系緩衝型および前
記冷却型により順次冷却凝固せしめて肉盛層を形成する
円柱あるいは円筒形母材の外周に鋳かけ肉盛りしてクラ
ツド材を形成する方法において、前記母材の外周にはう
けい酸系ガラスからなる粉末で被膜を形成しておき、前
記耐火性加熱型上部に前記母材を外包するように配置し
た予熱用電磁誘導加熱コイルによって予め前記母材を予
熱すると同時に前記ガラス粉末を溶融焼成して前記母材
表面を清浄化したのち、溶湯中にて該ガラス溶融被膜を
浮上せしめ、清浄化した母材表面と溶湯とを接触させる
ことにより肉盛り金属を母材に完全に溶着するようにし
たことを特徴とする円柱あるいは円筒形母材の外周に鋳
かけ肉盛りしてクラツド材を形成する方法」であり、今
一つの発明は「主電磁誘導加熱コイルで外包された耐火
性加熱型の下部に該加熱型と同軸の内孔を有する黒鉛系
緩衝型をおき、さらにその下部に同軸の中空式冷却型を
おき、これらを一体に重ねた組合せモールドの中に円柱
あるいは円筒形母材を垂直に挿入し、別に準備した所望
材質の溶湯を母材と組合せモールドとの間の空隙に注入
すると同時に母材を断続的に降下せしめ、溶湯を母材表
面に溶着させながら前記黒鉛系緩衝型および前記冷却型
により順次冷却凝固せしめて肉盛層を形成する円柱ある
いは円筒形母材の外周に鋳かけ肉盛りしてクラツド材を
形成する方法において、前記母材の外周にはうけい酸系
ガラスからなる粉末で被膜を形成しておき、前記耐火性
加熱型上部に前記母材を外包するように配置した予熱用
電磁誘導加熱コイルによって予め前記母材を予熱すると
同時に前記ガラス粉末を溶融焼成して前記母材表面を清
浄化する一方、前記耐火性加熱型内の溶湯表面は低融点
フ゛ラックスにより被覆しておき、溶湯中にて該ガラス
溶融被膜を浮上せしめ、清浄化した母材表面と該フラッ
クスにより清浄化した溶湯とを接触させることにより肉
盛金属を母材に完全に溶着するようにしたことを特徴と
する円柱あるいは円筒形母材の外周に鋳かけ肉盛りして
クラツド材を形成する方法」である。

以下本発明の一実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明を実施するための概略装置図であって、
テーパ部および平行部の周壁を有するほぼロート状の耐
火性加熱型３を有し、それを外包するように環状の主電
磁誘導加熱コイル４が配置され、その下部に加熱型３と
同軸にしてしかも加熱型３の下部と同径の内孔を有する
環状の黒鉛系緩衝型２が置かれ、さらにその下部には同
軸にしてしかも黒鉛系緩衝型２の内径より若干大きめの
内径を有する環状の中空式冷却型１が配置され、冷却水
を循環させるための入口配管および出口配管が設けられ
ており、加熱型３、緩衝型２および冷却型１が一体に重
ねられた組立てモールドを構成し定位置に固定されてい
る。

また耐火性加熱型３の上方には、後述する母材１０が外
周面を外包するように環状の予熱用電磁誘導加熱コイル
５が配置されている。

主電磁誘導加熱コイル４および予熱用電磁誘導加熱コイ
ル５には、それぞれ図示してない電源から高周波あるい
は低周波の電流が供給されるようになっている。

１０は鋳かけ肉盛りするための円柱あるいは円筒形母材
であり、その下端は母材１０に対する所定の肉盛層の外
径とほぼ同径の外径を有する閉止部材１２によって固定
され、さらにその下面に一部図示した接近離隔機構１３
が取付けられて、母材１０は組合せモールドの中に垂直
に挿入され、接近離隔機構１３によって上昇下降させる
ようになっている。

母材１０は長尺の円柱状あるいは円筒状をした鉄基合金
例えば鋳鉄、鋼、特殊鋼などを使用することができる。

次に母材１０の外周に異種金属を鋳かけ肉盛りする場合
、まず母材１０の外周面にはうけい酸系のガラスからな
る粉末のガラスコーテイング材６で被膜を形成しておき
、組合せモールド内にモールドと同軸になるように垂直
に挿入し、その下端は上記閉止部材１２に固定される。

次いで主電磁誘導加熱コイル４および予熱用電磁誘導加
熱コイル５を作動させるとともに冷却型１に冷却水を供
給する。

次いで上記組合せモールドと母材１０の下端部との間の
環状空隙の中に図示していない溶湯供給機構から所望の
肉盛り用金属からなる溶湯８を注入する。

この注入された溶湯８が冷却型１により冷却されて固化
し、母材１０の下端部に所定量の固化域を形成すると接
近離隔機構１３を作動させ閉止部材１２を断続的に降下
させながら通常の肉盛り作業にはいる。

すなわち、注入された溶湯は緩衝型２によって徐々に冷
却された後冷却型１によって急速冷却されて固化するの
であるが、溶湯８は一度に少量宛注入するようにし、一
方母材１０は注入された溶湯の中で所定時間保持したの
ち所定距離だけ降下させ、それと同時に次の少量の溶湯
を注入し、このような工程を繰り返し行う。

その間母材１０は母材を外包するように配置された予熱
用電磁誘導加熱コイル５によって予熱され、同時にガラ
スコーテイング材６が溶融焼成されて母材１０の外周面
が完全に清浄化される。

このように清浄化された母材が加熱型３内部の溶湯中に
降下してくるのであるが、加熱型３の部分においては溶
湯は主電磁誘導加熱コイル４によって加熱されると同時
に電磁誘導攪拌が行はれており、母材表面のガラス溶融
被膜は溶湯によって洗われ、その他の不純物と共に溶湯
表面に浮上し清浄活性化した母材１０の表面が溶湯と接
触して完全な溶着層を形成する。

次いで緩衝型２の部分においては加熱型３を通過してき
た溶湯８は、この緩衝型が比較的熱伝導率の高い黒鉛系
材質であるため、溶湯の熱を吸収して型との接触部分の
温度を低下させて半凝固層９となり、次いで冷却型１の
部分においては緩衝型２を通過してきた半凝固状態の溶
湯が急激に冷却吸熱されて凝固層１１となって連続的に
鋳かけ肉盛り層が形成されるのである。

溶湯８として用いられる鋳かけ肉盛り容溶融金属は、鋳
かけ肉盛りして得られるクラツド材の用途に応じて、例
えば鋳鉄特殊鋳鉄、普通鋼、特殊鋼さらにインコネル、
ハステロイ、ステライトなどの鋳造合金を使用すること
ができる。

なお、溶湯が鋳鉄系の場合は、加熱型３内の溶湯上にス
ラグを構成する必要はないが、鋼糸の場合は後述する低
融点のフランクスフを溶湯上に散布して溶湯表面を被覆
しておき、ガラスコーテイング材によって清浄化した母
材表面と該フラックスによって清浄化した溶湯とを接触
させることにより肉盛金属を母材に完全に溶着させるこ
とができる。

次に本発明の要部を占めるガラスコーテイング材６の作
用について説明する。

母材の外周に溶湯を鋳かけ肉盛層を形成する場合、母材
と肉盛層を溶着させるためには、予め予熱用電磁誘導加
熱コイル５によって母材表面を充分に予熱しておく必要
があるが、母材がそのままでは酸化されて肉盛層に溶着
不良や内部欠陥を生する。

したがって、母材表面には予めガラスコーテイング材６
で被膜を形成してこの酸化を防止するのである。

このガラスコーテイング材６による母材表面の清浄化メ
カニズムは次のとおりである。

１）予熱コイル５で母材１０を加熱すると、初期におい
ては空気中の０２は半融解したガラス層を通過してＦｅ
Ｏを主成分とする酸化鉄層をつくる。

２）次いでガラスコーテイング材６が完全に溶けて母材
表面を被覆すると０２と母材素地はガラス層によって遮
断され、前時期に生じた酸化鉄層はガラス中に溶は始め
る。

３）ガラスがこの酸化鉄層を完全に溶解してしまうと、
ガラス表面と鉄素地との間の０２濃度勾配が急になり、
０□は溶けたガラス層を拡散して再び鉄面にＦｅＯをつ
くる。

しかしこの時期ではＦｅＯの生成とＦｅＯのガラス中へ
の溶解が同時に進み、鉄面にＦｅＯは存在しない。

４）さらに焼成を続けると、ガラス層は溶解したＦｅＯ
で過飽和になり、鉄カンラン石（ＦｅＯ・２ Ｓ ｉＯ
２）やその他の酸化鉄結晶を析出し始める。

ＦｅＯの残存するｌ）の時期は焼き不足であり、４）の
時期は焼き過ぎであり溶着を阻害する。

つまり、３）の状態で母材が溶湯中に入り、溶湯の中で
浮上し母材表面から取り去られて、肉盛金属は母材と冶
金的に接着するのである。

したがって、母材表面を清浄化するためには、予熱コイ
ル５による焼成条件とこれに適したガラスコーテイング
材６を選定する必要があるが、要求されるガラスコーテ
イング材６の特性としては次のものが挙げられる。

■）母材表面の酸化物を溶解し易いこと、２）軟化点が
低く、熱間で化学組成の変化が小さいこと、 ３）溶湯中で充分な流動性をもち、浮上し易いこと、 ４）比重が溶湯に比して充分小さく浮上し易いこと、 ５）酸化物を溶解した後も物性の変化が少ないこと、 しかしながら、予熱コイル５による母材表面の予熱温度
は母材に鋳かけ肉盛りする鋳造条件によって約５００℃
から約１，０００°Ｃに変化させることがあるので、こ
れらの温度範囲で上記特性を満足するガラスコーテイン
グ材としては例えばはうけい酸系ガラスがある。

その一例を示すと のものがあるが、勿論成分組成の増減、さらに他の成分
添加によって適正な物性を得ることができる０ 次にこのコーテイング材の母材表面への塗布方法につい
て述べると、まず上記成分組成に配合したものをよく混
合し、加熱してガラス状に融解し完全にあわや未融解物
がなくなった状態で水中に落して急冷し、ガラス粉をつ
くる。

これを２００メツシュ程度に微粉砕して、これに水を加
えて泥漿をつくるが、ガラス粉末が水に充分懸濁せず、
均一な塗布ができないため、これに少量の粘土やＣ，Ｍ
、Ｃ（カルボキシメチルセルローズ）などの分散剤を添
加してスラリー状のコーテイング材懸濁液をつくり、こ
れをスプレーにより母材表面に塗布する。

塗布量は塗膜厚さ１ ｍｍ程度で充分である。

次に、加熱型３の部分において溶湯表面に添加される低
融点フラックス７について説明する。

母材に溶湯を鋳かけ肉盛りする場合、肉盛金属の溶湯表
面は常に大気に接するので金属酸化物を生成する。

例えば軟鋼母材に８０８３０４相当の溶湯を鋳かけ肉盛
するような場合、溶湯中には酸化によって高融点のＦｅ
２Ｏ３やＣｒ２Ｏ３が生成し、また溶湯に接する耐火物
からはＡｌ２Ｏ３などが溶出する。

これらが肉盛金属中に混入して内部欠陥を生ずる原因と
なる。

したがって、これらの酸化不純物を溶湯から除去するた
めにフラックスを使用することが有効であって、フラッ
クスはこれらの酸化不純物をスラグ化し、溶湯表面に浮
上してスラグ層を形成するので、溶湯を空気から遮断し
て酸化を防ぐことができる。

かくして、清浄化された溶湯と一方ガラスコーテイング
材によって清浄化された母材表面とが接触して完全な溶
着が行はれるのである。

このようなフラックスを選定するにあたり、フラックス
に要求される特性は、酸化物の吸収し易さは勿論のこと
、比較的低融点で、高温で充分な流動性をもち、また流
動性が時間と共に低下しないことが必要であり、種々の
フラックスについて実験の結果、Ｔ ｉ ０２２２係ｒ
Ｓ ｔ ０２１６係。

Ｎａ２０２１％、に２０３２％、Ｂ２０３９％からなる
フラックス（軟化点約５９０℃）およびＳｉ０□３４％
、Ｎａ２Ｏ３％、に２０２８％、ＮａＦ１６％。

ＣａＦ２１４ ％からなるフラックス（軟化点約７００
°Ｃ）が良好であることがわかった。

以上の如く、本発明の方法について詳述したが、さらに
前述の方法によって実施した２〜３の具体例について説
明する。

具体例 ｌ 内径３３０ｍｍ高さ８１ｍｍの黒鉛系緩衝型と内径３３
２＋１！７ｍの銅製の中空式冷却型からなる組合せモー
ルドの中で８４５Ｃからなる円柱形の中実母材（径２６
０ ｍｍ、長さ３，０００ｍｍ）の外周面に５ＵＳ３０
４相当の溶融金属と鋳かけ肉盛層を形成した。

母材表面を予めＳ ｉ０２３６係、Ａ１２０３５ ％
、Ｃａｏ ６ ％ 、Ｎａ ２０２５ ％ 、に２０３
％ 。

Ｂ２０３２５係からなるはうけい酸系ガラスコーテイン
グ材で塗膜を形成し、予熱用電磁誘導加熱コイルによっ
て母材表面温度８００°Ｃ〜８５０℃で焼成してガラス
化被膜とした母材を、注湯炉から浸漬ノズルを通して加
熱型耐火枠内に注湯し、１５００℃に保持された溶湯中
に降下さ゛せた。

母材の降下は降下、停止の１サイクル時間１１秒、１回
の降下巾１５ｍｍの断続降下速度で行った。

なお、加熱型耐火枠内の溶湯表面にはＴｉＯ□２２係。

ｓ １０２１６％ ＋ Ｎａ ２０２ ｔ ％ Ｉ Ｋ
２０３２ ％ 。

Ｂ２０３９係からなる軟化点約５９０℃の低融点フラッ
クスを添加し、溶湯表面を被覆した。

添加量は全部かけ肉盛量に対し約１２Ｋｐ使用した。

このように母材全長を鋳かけ肉盛して得たクラッド素材
について長手方向中心部２，０００ｍｍを２００ ｍｍ
ピッチで横方向に切断した各横断面と、さらに各切断片
を縦方向に切断した縦断面について溶着状況、内部欠陥
の有無につき検査を行なった。

その結果、各切断面について第２図写真にその一例を示
す如く、溶着不良個所および、ノロや金属酸化物のかみ
こみ、ブローホールなどの内部欠陥は全く認められなか
った。

また各横断面につき円周方向の母材への溶は込み量を測
定した結果、すべて２羽以内の溶は込みでおさまってい
た。

一方比較のために上記具体例と全く同じ材質で同一形状
の母材と同−鋳かけ肉盛り金属を使用しながら、本発明
の方法によらない即ち、母材表面にガラスコーティング
を施さず、しかも溶湯表面にフラックスを使用しない従
来法によって鋳かけ肉盛りを行なった。

このようにして得たクラッド素材について前回と同様に
切断して各横断面、縦断面につき内部欠陥の発生状況、
並びに母材の溶は込み状況を調べた結果、第３図写真に
その一例を示す如く内部欠陥が多発しており、母材の溶
は込み状況も円周方向で極めて不均一であった。

具体例 ２ 鋳かけ肉盛り用母材として円筒形の中空母材を使用し、
材質はＳＴＫＭ−１３Ａ普通鋼管で、その外径は具体例
１において使用した中実母材とはゾ同径で長さ３，００
０ｍｍのものを使用した。

鋳かけ肉盛り用溶融金属は°１．８Ｃ−１３Ｃｒ −５
，５Ｖ系の高クロム−バナジン鋳鉄で具体例１と全く同
様に鋳かけ肉盛層を形成した。

このようにして得られたクラッド素材を同様に切断して
、内部欠陥および母材の溶は込み状況を調べた結果、全
長に亘って内部欠陥は全く認められず、完全に溶着して
いた。

また、母材の溶は込み量も１〜２ｒＩＬｒＬ８度で、母
材の円周方向および長手方向にはゾ均一であった。

また、肉盛層の外表面にも割れや湯切れなどの外部欠陥
は全くなく、クラツド材として満足すべき結果が得られ
た。

このようにして得たクラッド素材はロールローラのスリ
ーブ材として使用できる。

具体例 ３ 具体例１と同一の母材に、具体例２と同一の鋳かけ肉盛
金属を使用し、加熱型耐火枠内の溶湯表面には低融点の
フラックスを添加することなく、母材表面のみに具体例
１と同一のはうけい酸系ガラスコーティングを施し、具
体例１と同様に母材外周面に鋳かけ肉盛層を形成した。

但し、母材の降下は降下、停止の１サイクル時間１３秒
、１回の降下巾１５ｍｍの断続降下で行なった。

このようにして得られたクラッド素材について、同様に
内部欠陥および母材への溶は込み量を調べた結果、内部
欠陥は全く認められなかった。

母材への溶は込み量は２〜３ｍｍと若干多く、不均性が
見られたが、実用的にはほぼ満足できる状態であった。

以上の如く、本発明によるクラツド材を形成する方法に
よれば、鋳かけ肉盛り用金属の溶湯と、溶融焼成したガ
ラス被膜とにより表面が清浄化され且つ活性化された母
材表面を接触させて瞬間的に溶着せしめることができ、
また溶湯表面に低融点のフラックスを添加することによ
って主電磁誘導加熱コイルによる攪拌と相俟ってスカム
状の金属酸化物や非金属介在物などの不純物を吸収し浮
上せしめることができ、清浄化された溶湯と清浄活性化
された母材表面とを接触させることにより常に溶着不良
や内部欠陥の全く生じないクラツド材を製造することが
できる。

また、母材の降下速度を早くして鋳かけ肉盛速度を高速
化することにより母材への溶は込み量を最小限に留め、
なお且つ完全に溶着したクラツド材の製造が可能になり
、本発明の奏する技術的産業的価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による円柱あるいは円筒形母材の外周に
鋳かけ肉盛りしてクラツド材を形成する方法を行なう場
合の縦断面説明図である。 第２図ａ〜Ｃは本発明の方法により形成した円柱形クラ
ツド材の一部断面マクロ金属組織の写真であり、ａは横
断面、ｂは縦断面、Ｃは縦断面のマクロ金属組織の写真
の一例を示す。 第３図ａ −ｄは従来法により形成した円柱形クラツド
材の一部断面マクロ金属組織の写真であり、ａは横断面
、ｂ−ｄは縦断面のマクロ金属組織の写真の数例を示す
。 １：中空式冷却型、２：黒鉛系緩衝型、３：耐火性加熱
型、４−主電磁誘導加熱コイル、５二予熱用電磁誘導加
熱コイル、６ニガラスコーテイング材、７：フラックス
、８：溶湯、９：半凝固層、１０：母材、１１−：凝固
肉盛層、１２：閉止部材、１３：接近離隔機構、１４：
１口かみこみ、１５ニスカム状金属酸化物かみこみ、１
６：スケール状金属酸化物かみこみ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 主電磁誘導加熱コイルで外包された耐火性加熱型の
   下部に該加熱型と同軸の内孔を有する黒鉛系緩衝型をお
   き、さらにその下部に同軸の中空式冷却型をおき、これ
   らを一体に重ねた組合せモールドの中に円柱あるいは円
   筒形母材を垂直に挿入し、別に準備した所望材質の溶湯
   を母材と組合せモールドとの間の空隙に注入すると同時
   に母材を断続的に降下せしめ、溶湯を母材表向に溶着さ
   せながら前記黒鉛系緩衝型および前記冷却型により順次
   冷却凝固せしめて肉盛層を形成する諸工程を含む円柱あ
   るいは円筒形母材の外周に鋳かけ肉盛りしてクラツド材
   を形成する方法において：前記母材の外周にはうけい酸
   系ガラスからなる粉末であらかじめ被膜を形成し；前記
   耐火性加熱型上部に前記母材を外包するように配置した
   予熱用電磁誘導加熱コイルによって前記母材を予熱する
   と同時に、前記ガラス粉末を溶融焼成して前記母材表面
   を清浄化し；溶湯中にて該ガラス溶融被膜を浮上させ、
   前記清浄化した母材表面と溶湯とを接触させることによ
   り肉盛り金属を母材に完全に溶着するようにしたことを
   特徴とする円柱あるいは円筒形母材の外周に鋳かけ肉盛
   りしてクラツド材を形成する方法。 ２ 主電磁誘導加熱コイルで外包された耐火性加熱型の
   下部に該加熱型と同軸の内孔を有する黒鉛系緩衝型をお
   き、さらにその下部に同軸の中空式冷却型をおき、これ
   らを一体に重ねた組合せモールドの中に円柱あるいは円
   筒形母材を垂直に挿入し、別に準備した所望材質の溶湯
   を母材と組合せモールドとの間の空隙に注入すると同時
   に母材を断続的に降下させ、溶湯を母材表向に溶着させ
   ながら前記黒鉛系緩衝型および前記冷却型により順次冷
   却凝固せしめて肉盛層を形成する円柱あるい。 は円筒形母材の外周に鋳かけ・肉盛りしてクラツド材を
   形成する方法において： 前記母材の外周にはうけい酸系ガラスからなる粉末であ
   らかじめ被膜を形成し；前記耐火性加熱型上部に前記母
   材を外包するように配置した予熱用電磁誘導加熱コイル
   によって前記母材を予熱すると同時に前記ガラス粉末を
   溶融焼成して前記母材表面を清浄化する一方、前記耐火
   性加熱型内の溶湯表面は低融点フラックスにより被覆し
   ておき、溶湯中にて該ガラス溶融被膜を浮上させ；清浄
   化した母材表面と該フラックスにより清浄化した溶湯と
   を接触させることにより肉盛り金属を母材に完全に溶着
   するようにしたことを特徴とする特許あるいは円筒形母
   材の外周に鋳かけ肉盛りしてクラツド材を形成する方法
   。