JPS60124458A - 耐摩耗複合鋳物の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、鉄系金属とタングステン炭化物粒子からなる
耐摩耗性にすぐれた複合鋳物の製造法に関する。

耐摩耗材料として、各種金属材料やセラミック材料が知
られているが、金属材料の場合、合金成分組成や熱処理
等の工夫のみでは耐摩耗性の向上に限度があり、一方セ
ラミック材料は、金属材料に−比しはるかに高い摩耗抵
抗を有する反面、強度、靭性等に問題があり、鉄鋼関連
設備における圧延ロールや搬送ロール等のような高荷重
と静的・動的応力の作用下に使用される構造材料として
の実用化は困難である。

これに対し、金属とセラミックとを複合一体化して両者
の特性を補完せしめれば、ロール類などの用途に適した
、耐摩耗性、強靭性などの緒特性を期待することができ
る。そのような複合材料の製造法としては、粉末冶金の
手法を利用し、金属−粉末とセラミック粉末との混合物
を圧粉成形し、加熱焼成する方法が考えられるが、その
方法は工程が煩瑣で、製品の品質を確保するには、圧粉
・焼成などの条件の厳密な管理と特別の設備が必要であ
り、コストが高く、しかも製造可能な製品の形状・サイ
ズに制限があり、複雑な形状のものや、ロール類などの
大型製品の製造は実際上不可能である。

本発明は、上記にかんがみｒなされたものであり、鋳造
法を利用して金属とタングステン炭化物粒子とからなる
複合組織を有する耐摩耗製品を鋳−物として製造する方
法を提供する。

本発明の製造法は、鉄系金属溶湯とタングステン炭化物
粉末とを鋳型内に鋳込み、比重差によりタングステン炭
化物粒子を沈降・凝集させて溶湯を凝固させることによ
り、鉄系金属マトリックスと該マトリックス中に緻密で
均一に分散するタングステン炭化物粒子とからなる複合
組織を形成せしめる点に特徴を有する。

本発明は、鋳造法を利用するので、特別の設備を必要と
せず、かつ製造可能な製品の形状・サイズ等に本質的な
制限はなく、ロール類などの大型製品の製造も容易であ
る。

本発明方法により、鋳型内に鉄系金属溶湯とタングステ
ン炭化物粉末とを鋳込み、溶湯の十分な流動性が保たれ
ている間に、該炭化物粒子を沈降させれば、第１図のよ
うに鋳型（１）内の下部に、沈降凝集した炭化物粒子（
Ｐ）とその粒子間隙を満たす金属栖）とからなる複合組
織領域（Ａ）が形成され、その上部には炭化物粒子が比
重分離された実質的に金属（Ｍ）のみからなる金属相領
域（Ｂ）が形成される。

溶湯の凝固完了後、その鋳造体を鋳型から取出し金属相
部分（Ｂ）を切断除去すれば、複合組織部分（Ａ）が目
的とする製品として採取される。上記金属相部分（Ｂ）
は、鋳物の凝固過程において、複合組織部分（Ａ）の収
縮に対する給湯（粒子間隙への溶湯補給）のための押湯
の役目を果す。また、このように余剰の金属溶湯を鋳込
むことは、溶湯が粒子に熱を奪われることによる不都合
、ことに溶湯への粒子混合時の溶湯の降温・粘稠化に伴
う粒子の、沈降・凝集の不完全化、凝集の不均一化など
を回避し、健全な複合組織の形成を促すのに役立つ。な
お、以下の説明では、鋳型内の複合組織を形成させる下
部空間領域を「製品形成部」、その上部空間領域を「押
湯形成部」とも称する。

本発明により鋳造される鋳物の形状は、目的、用途によ
るが、ロール類の場合に（１、耐摩耗性は外側表面の問
題であるから、中実円柱体を鋳造する代りに、第２図の
ような中空円筒の鋳物に）を鋳造し、中空九には安価な
金属をコアーとして鋳造などにより充填させればよい。

こうすれば、高価なタングステン炭化物の無駄な消費が
節約され、かつコア一部の金属材料によってロールとし
ての強度・靭性などが高められる利点がある。かがる中
空円筒状鋳物の鋳造は、例えば第３図のように、同心円
状の外側円筒壁体（１１）と内側円筒壁体（１２）とを
有する鋳型、あるいは第４図のように外側円筒壁体（１
１）の内部の中心部に円柱状中子（１３）を有する鋳型
を使用し、これに金属溶湯と炭化物粒子とを鋳込み、下
部の製品形成部（ａ）内に金属と粒子の複合組織を形成
せしめ、凝固後、上部の押湯形成部（ｂ）に形成された
金属相部分から切離すことにより、中空円筒状の複合鋳
物を得ることができる。

本発明に使用されるタングステン炭化物は、ｗｃ（比重
１５．７、融点２８００６Ｃ）、Ｗ２Ｃ（比重１７．２
、融点２８００°Ｃ）、タングステンチタン複炭化物等
である。な七、タングステンチタン複炭化物の比重は、
成分組成により４９〜１７．２の範囲にわたるが、鉄系
金属溶湯中での沈降のために該溶湯より比重の大きいも
のを選らぶべきは言うまでもなく、沈降促進のために好
ましくは比重１０以上のものが使用される。

一方、複合組織におけるマドｌ）ンクスを形成する鉄系
金属は、各種鋳鉄、あるいはニッケルグレン鋳鉄をはじ
めとする各種の低合金・高合金鋳鉄が望ましい。一般に
鉄系金属はタングステン炭化物粒子に対する濡れ性が良
好であるので、相互に洩合し易く、から金属−粒子界面
での強固な結合関係を形成するのに有利である。また、
鋳鉄系は、凝固温度が低いので、炭化物粒子が混合され
た際の該粒子の吸熱による溶湯の降温を補償するための
過熱度（溶湯温度とその凝固温度との差）を大きくとる
ことができる点でも有利である。

本発明により得られる鋳物の複合組織における炭化物粒
子の分散形態は鋳物の品質を決定する大きな因子であり
、ことに圧延用ロールなどを目的として表面の耐摩耗性
および耐肌荒性を確保するためには、マトリックス中の
粒子の粒径および粒子の占める体積比率（粒子充填率）
が適正な範囲内にあることが望まれる。粒径について述
べれ舐粒径が大きい程、耐摩耗性の向上をみるが、反面
粒子間隙のマトリックスにミクロポロシティが発生し易
く、それに伴って強度・靭性等が低下し、また耐肌荒性
も悪くなる。粒径が小さければミクロポロシティの発生
とそれに伴う不具合は回避されるが、耐摩耗性が不足す
ることになり、かつ鋳造時の粒子沈降が困難となり、粒
子凝集の不完全さによる品質の低下をも招く。一方、粒
子充填率については、充填率が高い程、耐摩耗性にすぐ
れるもの・、高過ぎると、強度・靭性の低下が著しくな
る。逆に充填率が低いと、金属マトリックスの特性が強
く反映され、強度・靭性にまさる反面、所要の耐摩耗性
を得ることができない。これらの点から、耐摩耗性、強
度、靭性等を確保し、特に圧延ロールなどに最適な材料
特性を具備させるための好ましい粒径は、粒子総数の８
０％以上が５３〜８８μｍの範囲にあり、好ましい充填
率は５０〜７５％の範囲にめられる。

本発明方法による中空円筒状複合鋳物の鋳造要領の具体
例について説明すると、第５図において、＋１）は鋳型
、（２）は鋳型上方に配置された鋳込みホッパー、（３
）は取鍋、（４）は炭化物粉末投与装置である。

静（５）は水平回転駆動台であり、図示しない回転駆動
装置により支軸（６）を中心に回転する。鋳型（１）は
バックサンド（７）にて鋳枠（８）内にセントされ、水
平回転台（５）上にその回転軸心と同軸上に設置されて
いる。鋳込みホッパー（２）のスリーブ（２１）は、鋳
型の外側円筒壁体（１１）と内側の円筒壁体（１２）と
で画成される空間に指向する。取鍋（３）から流下する
金属溶湯（Ｍ）および炭化物粉末投与装置（４）から供
給される炭、化物粉末（Ｐ）は鋳込みホッパー（２）内
で混合され、スリーブ（２１）を通って鋳型内に鋳込ま
れる。炭化物粉末と溶湯は、鋳込みホッパー（２）で混
合して鋳造する方法に代えて、同図中、鎖線で示すよう
に、粉末投与装置（４）を直接鋳型（１）に指向させ、
溶湯と粉末とを別々に鋳込むようにしてもよい。溶湯の
鋳込速度（単位時間当りの鋳型内への鋳込量）は取鍋の
傾動速度により、また炭化物粉末の鋳込速度（単位時間
当りの鋳型内への供給量）は粉末投与装置に取付けられ
た粉末流量調節器（４１）によりそれぞれ適当に制御さ
れる。

」１記溶湯と炭化物粉末の鋳込みは、水平回転台（５）
による鋳型＋１］の回転駆動下に行なわれる。鋳型を回
転させながら鋳造を行うのは、炭化物粒子を。

鋳型内の円周方同に均等に分散させるためである。

炭化物粒子は比重が大であるので、鋳型［＋＋が固定さ
れていると、該粒子は、鋳型内への落下点（鋳込みホッ
パーのスリーブ（２１）の直下、または粉末投与装置の
樋（４２）の先端直下）に堆積し、鋳型内の円周方向へ
の分散が不可能であるが、鋳型を回転させることにより
そのような粒子の局所偏在を回避、　″ し、鋳型内の円周方向全領域に粒子を均一に分布させる
ことができる。また、鋳型の回転にともなって、鋳込み
ホッパーから流下する溶湯の鋳型内落下点が順次円周方
向に移動していくので、鋳込まれた鋳型内溶湯の円周方
向の温度分布の偏りが緩和される。

第６図は、中空円筒状複合鋳物の他の鋳造例である。鋳
型（１）は中心部に円柱状中子（１３）を有する。

鋳込みホッパー（２）は円柱状中子の鉛直上方に設置さ
れ、溶湯（Ｍ）と炭化物粒子（Ｐ）は鋳込みホッパーを
介して混合流体として鋳込まれる。溶湯と炭化物粒子を
混合流体として、円柱状中子（１３）の半円球状頂部の
中心に指向するように流下させれば、該頂部に衝突する
とともに、中子を中心に放射状に分散し、円周方向の各
部分にまんべんなく溶湯と粒子とを供給することができ
る。この鋳造法は前記第５図の鋳造例と異なり、鋳型内
の円周方向の各部に対し連続的に溶湯の補給が行なわれ
るので、円周方向の温度分布がより均一化し、局部的降
温をさけることができ、従って、薄肉、あるいは小径（
は＼゛２００　ｍｍ９５以下）の鋳物の鋳造に適してい
る。なお、この場合にも、鋳型（１）を水平回転台（５
）に設置し、回転させながら鋳造を行えば、中子を中心
とする溶湯および粒子の分散に若干の偏りがあっても、
回転によりその偏りが周方向ｌこ平均化されるので、溶
湯・粒子の確実な均一分散化が可能である。

本発明により得られる複合鋳物の品質の健全性を確保す
るには、溶湯の適切な温度と均一な温度分布を与えるた
めの熱的条件の制御が必要である。

その制御要因を大別すると、炭化物粉末、溶湯、鋳型、
および鋳込み条件等が挙げられる。これらの要因ｌこつ
いて次に詳述する。

炭化物粉末 溶湯への炭化物粉末の混合により溶湯が過度に降温・粘
稠化すると、粒子の沈降が妨げられ、鋳型内の製品形成
部への凝集不十分、粒子分布の粗密化を生じるほか、凝
固過程での収縮に対する粒子間隙への押湯補給が不十分
となって、ピンホールや引は巣などの鋳造欠陥が発生す
る。これらゐ対策としては、炭化物粉末を予熱して使用
するのが有効である。その加熱温度は好ましくは１００
〜５００°Ｃである。１００°Ｃ以上とするのは、それ
より低いと予熱効果が不足するからであり、一方５００
°Ｃを上限とするのは、それを越えると、鋳造時に大気
との接触により炭化物粒子の表面酸化が生じ、炭化物粒
子としての所期の性能（耐摩耗性の向上）が損なわれる
からである。

炭化物粒子の予熱は不活性雰囲気（例えばＡｒガス中）
で行うのがよい。もし、大気中で予熱を行うと、５００
°Ｃ付近から急激な表面酸化が生じるからであり、また
５００°Ｃ以下の予熱においても予熱時間が長くなると
酸化が進行するからである。

金属溶湯： 溶湯の鋳込温度は１５００℃以上であるのが好ましい。

１５００°Ｃ未満であると、炭化物混合時の降温に伴う
粘稠化による不都合、とくに粒子分布の不均一化、湯廻
り不良などが生じ易くなるからである。しかし、溶湯温
度をあまり高くすると、炭化物粒子の受ける熱エネルギ
ーが過大となるために粒子の崩壊を引起し、１６５０℃
をこえるとその熱的崩壊の比率が著しくなる。そのほか
、溶湯中のガス吸蔵量の増加とそれに起因するビシホー
ル等の鋳造欠陥の発生、あるいは溶鴇中の蒸気圧の高い
元素（例えば、Ｍｎ　など）の成分組成変動などが生起
する。これらの不都合を回避するために、溶湯の鋳込温
度は１６５０°Ｃを上限とするのがよい。

鋳型： 鋳型内の溶湯の降温（例えば混合粒子の吸熱による降温
や鋳型壁面からの熱伝導による降温等）を補償しもしく
は軽減するために鋳型を予熱することも有効である。こ
のための予熱温度は少くとも５００°Ｃであることが望
ましい。予熱温度は高い程効果が増すことは言うまでも
ないが、約９００°Ｃをこえる予熱は不要である。また
、その温度は一般の工業炉の温度範囲の限界に近い。

鋳型はセフミック型が望ましい。セラミック型は５００
°Ｃ以上の高温予熱が可能であるほか、鋳肌が良好であ
るため、鋳物の加工代が少くてすむ等の利点がある。

鋳込条件 ｍ　鋳型の回転 前記第３図や第４図に示す鋳型を用いた中空円筒状鋳物
の鋳造においては、鋳型内溶湯の円周方向の温度分布の
偏りを緩和しもしくは解消するために前述のように鋳型
の回転駆動により溶湯の分散を図ることが望ましい。そ
の回転は高速である必要はなく、約１００　ｒｐｍ以下
の低速回転であってよい。

（１１）鋳型の振動 鋳型を振動台に設置し、あるいは鋳型に振動端子を取付
けて鋳型を介して溶湯に振動を付加することは、鋳型自
溶渦中の炭化物粒子の分布の均一化を促すのに有効であ
る。また、溶湯の振動により、粒子間隙への溶湯の補給
が促進されるので、凝固収縮過程でマトリックス中に生
じ易いミクロ８°ごティを未然に防止することができる
。

（ｔｒ＋）　鋳込速度 溶湯および粒子の鋳込速度が高過ぎると温度ムラが生じ
易く、逆に低過ぎると温度降下が著しくなる。溶湯の鋳
込速度は１〜２　ｋｇ　／　ｓｅｃ、炭化物粒子の鋳込
速度は０．３〜１　ｋｇ　／　ｓｅｃ、　の範囲がそれ
ぞれ適当である。

ｊＶ）　溶湯・粒子鋳込速度比 溶湯中に混合された炭化物粒子が溶湯から過大な熱エネ
ルギーをうけるような場合には、前記のように炭化物粒
子の熱的崩壊を起すことがあり、熱エネルギーの分布に
ムラがあると、粒子の崩壊領域と健全な領域とが混在し
た複合組織となる。

圧延ロール等の使用において、崩壊領域の存在は耐摩耗
性の低下や健全領域との間の偏摩耗の原因となる。炭化
物粒子に対する過大な熱エネルギーを防ぐためには、溶
湯温度や炭化物粒子予熱温度を適切に調節する方法のほ
か、溶湯鋳込速度（ａｋｇ／ｓｅｃ、）と粒子鋳込速度
（ｂｋｇ／ｓｅｃ、）の比（ｂ／ａ　）の制御が有効で
ある。すなわち、溶湯鋳込速度を下げ相対的に炭化物粒
子鋳込速度を上げれば、混合時の溶湯熱エネルギーを低
下させることができる。このための鋳込速度比は好まし
くは０．３以上である。しかし、鋳込速度比をあまり高
＜子ると、熱エネルギーの不足や温度ムラとなって、か
えって粒子崩壊領域の偏在現象を引起すことになるので
、鋳込速度比の上限は０．５とするのがよい。

（Ｖ）　粒子鋳込時期 鋳造中、鋳型内溶湯面にはスラグが生成するのが常であ
る。このスラグは取鍋から溶湯に付随して流入したもの
や鋳込中の大気との接触による酸化に起因するものなど
である。溶湯のみ鋳込まれる通常の鋳造では、スラグは
比較的容易に浮上分離されるが、炭化物粒子が混合され
る本発明の鋳造では、溶湯の流動性の低下により浮上分
離が妨げられることがある。浮上分離し得なかったスラ
グは、異物噛みとして鋳物製品の重大な材質的欠陥とな
る。これを防ぐには、溶湯と粒子の鋳造において、まず
溶湯のみを鋳込み、溶湯が鋳型内の製品形成部（ａ）を
満たしたのち、粒子の鋳造を開始するとよい。こうすれ
ば、粒子の溶湯への混合に起因する溶湯の降温・粘稠化
にょリスラグの浮上分離が妨げられるとしても、異物噛
みとなって出現する位置は押湯部分であって、目的とす
る製品部（複合組織領域）は何ら実害をうけることがな
い。

（ｖｉ）　不活性雰囲気での鋳造 前記のように鋳造中、溶湯、粒子は大気との接触による
酸化をうける。この酸化を防止するために、不活性雰囲
気（例えば、Ａｒガス）中で鋳造を実施することは、−
鋳物の清浄度、複合組織の健全性の改善に有効である。

本発明の実施例について説明すすると、第６図に示す鋳
造方案により、ニッケルグレン鋳鉄溶湯とタングステン
炭化物（Ｗ２Ｃ）粉末とを鋳込み中空円筒状複合鋳物の
鋳造を行った。鋳造条件の詳細は次のとおりである。

［ａ］　鋳型（精密鋳造用セラミック焼成モールド）（
１）バックサンド（７）にて鋳枠（８）内にセットＶ、
加熱炉にて予熱。鋳造開始直前の鋳型壁温度二８５０°
ｃ。

（１１）形状（第４図参照）、外径（Ｄｌ）　１６０　
ｍｍ、中子径（Ｄ２　）　８５　ｆｆｆｆ１ｏ製品形成
部高さくＨｌ）７０ｍｍ　ｏ押湯形成部高さくＨ２）　
３１０　ｖｖｎ。

［ｂ］　ニッケルグレン鋳鉄 （１）化学成分組成：Ｃ３，２３％、Ｓｉ０．７５％、
Ｍｎ０．６８％、Ｎｉ４．３８％、Ｃｒ１．６４％、Ｍ
Ｏ０３５％、残部Ｆｅ。

（ｉｉ）　鋳込温度：１５５０°Ｃ６ ＧｉＤ　鋳込量：４５ｋｇ。

［ｃ］　タングステン炭化物粉末 （１）粒径、６３〜８８μｍ （１１）予熱温度＝３５０℃（不活性雰囲気）Ｏｉ＋）
　鋳込量：１４Ｊ４ ［ｄ］　鋳造 鋳型を回転台（５）上、６０　ｒｐｍで回転させながら
、不活性雰囲気（アルゴンガス）中、まず溶湯だけの鋳
込みを開始し、溶湯面が製品形成部（ａ）の上端縁に達
した時点（鋳込開始後４秒）で、炭化物粉末の鋳込みを
開始し、溶湯との混合流体として鋳型内に鋳込む。溶湯
の鋳込速度（ａ）は１．７　ｋｇ／　ｓｅｃ。

炭化物粉末の鋳込速度（ｂ）は０．６　ｋｇ　／　ｓｅ
ｃ、鋳込速度比（ｂ／ａ　）は０．３５とした。

凝固完了後、鋳型から鋳造体を取出し、上部の金属相（
押湯）部分を切断して第２図のような中空円筒状鋳物を
得た。得られた鋳物は全長全周にわたり均一な複合組織
を呈し、粒子径は約３５〜９０μｍ１粒子充填率は約６
２％である。第７図にその組織を示す（試料採取位置は
、鋳物の底面から３０ｍｍ高さ）。なお、この複合組織
の硬度はＨＲｃ６２である。

以上のように、本発明は鋳造法を利用し、鋳型内に金属
溶湯と炭化物粒子との混合流体を与え、比重差により凝
集した粒子と金属とからなる複合組織を形成せしめるも
のであり、鋳造条件の適宜の制御により、緻密かつ均質
な複合組織を有する耐摩耗性、強度、靭性などにすぐれ
た、圧延用ロールなどに好適な鋳物を製造することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋳型自溶湯中の粒子沈降凝集状態を示す模式的
縦断面図、第２図は中空筒状鋳物の斜視図、第３図およ
び第４図は鋳型の例を示す図（各図ともＥｌｌは縦断面
図、［旧は平面図）、第５図および第６図は本発明の鋳
造方案の具体例を模式的に示す縦断面図、第７図は本発
明による複合鋳物の複合組織の例を示す図面代用顕微鏡
写真（倍率４４倍）である。 １；鋳型、２：鋳込みホンパー、４コ炭化物粉末投与装
置、５：回転台、Ｍ：金属、Ｐ：炭化物粒子。 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉄系金属溶湯とタングステン炭化物粉末とを鋳型
   内に鋳込み、比重差によりタングステン炭化物粒子を沈
   降させて凝固させることにより、鉄系金属マトリックス
   と該マトリックス中に緻密かつ均一に分散したタングス
   テン炭化物粒子とからなる複合組織を形成することを特
   徴とする耐摩耗複合鋳物の製造方法。