JPS61115662A - 金属−セラミツクス複合円筒およびその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 製鉄用マッドガンとかスラリーポンプ等のように固形粒
子が高圧で内部で摺動するシリンダーに用いられる耐摩
耗性、耐圧強度を向上させた内層セラミックと外層金属
の複合円筒に関する。

高炉用のマッドガンのシリンダーはアルミナやシリカ炭
化珪素などが含まれた耐火材料を２００Ｋｇ／／−以上
の圧力で押出すため、シリンダー内面は耐火材料（マッ
ド）の摺動によってはげしく摩耗を受ける。従来は通常
半年位で取替えていたもので、この寿命を延ばすことが
望まれていた。

〔従来の技術〕

一般に外筒が金属、内筒がセラミックスから成る複合円
筒において、内筒を構成しているセラミックスは、耐摩
耗性には強いが、シリンダー内圧によって発生する円周
方向の引張応力には弱い欠点を有する。よって該応力の
発生を抑制するために、シリンダの外周から高面圧を加
えて、あらかじめセラミックスの円周方向に圧縮のフー
プ（だが）応力を付与しなければならない。

このような圧縮応力を与える方法として次のことが知ら
れている。

■　セラミックスの外周に加熱した鋼材を焼ばめする方
法がある。（特開昭５７−２４４５号）このとき焼ばめ
されるためにはセラミックスの内筒の外周と鋼製外筒の
内周を焼ばめ代（’／１０００−３／’１０００）に見
合った精度で切削加工されなければならない。

ここでセラミックス内筒の外周加工の問題があり、直径
が大きくなると加工が困難になるばかりでなく硬さの面
でダイヤモンド砥石での精密研削加工が必要となり、加
工費も高くなる欠点があった。

また直径に対して長さの長いものとか、セラミックスの
スポーリング性（砕は性）の大きいものとかでは焼ばめ
代を大きくとることが困難で、セラミックスに大きな圧
縮応力を与えることができない欠点があった。

■　セラミックス内筒のまわりに金属溶湯を鋳包んだも
の（特公昭５８−５８３１１号）がある。このとき金属
を鋳包みその冷却による金属の収縮でセラミックスの内
筒に圧縮応力を付与するものである。セラミックスへの
熱衝撃を防止するため、セラミックスの表面にモルタル
などの耐火物の中間層を設けることが示されている。し
かし、外筒と内筒の中間に介在するモルタル層の強度が
弱いため、内筒の把握力が弱いこと、外筒の金属には鋳
鉄を用いているため筒内にかかる内圧が大きい場合の強
度が不足すること、その上内部のセラミックスは可縮性
をもった気孔率２０係以上の多孔質の材質を用いている
ので鋳包みによる把握力を高めてセラミックス内筒に高
い圧縮応力を与えることができないで内圧力が１００Ｋ
ＩＦ／／ａＩ１以上の使用に際して強度不足による割れ
を生じるのでその使用に耐えることができない等の欠点
があった。

〔発明の解決しようとする問題点〕

すなわち、従来の金属とセラミックスの複合円筒は、セ
ラミックスの耐熱性を利用した高温用円筒にのみ使われ
得るもので、本発明のようにマッドガンやスラリーポン
プのように１００Ｋｇｆ／ｃ−以上の圧力用円筒には使
用できなかった。また組立時の溶接使用にも耐えなかっ
た。

それで、前記のような欠点のある焼ばめ方式によらない
で、セラミックスの外面から金属を鋳包んで、その収縮
力によってセラミックスの円周方向に圧縮応力を付与し
て強化を計るのみならず、金属潤色み時の熱衝撃を断熱
材の中間層によって緩和し、その内面の緻密質セラミッ
クスが破壊することがなく、しかも溶接使用に耐える必
要があった。

本発明は管内部を通過する粉体等の内面摩耗にも耐え、
かつ１００ＫＦ／／＜−以上の内圧力にも耐え得る内面
強度をもち、かつ溶接施工にも耐え得るが如き鋳包み複
合円筒を得ることを目的とした。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、緻密質セラミックスからなる内筒と、金属か
らなる鋳包み外筒と、前記内筒と外筒との間に介在する
断熱性と圧縮強度を有するモルタル層からなることを特
徴とする金属−セラミックス複合円筒をその要旨とする
。

本発明者は、粉体の内面摩耗に耐えかつ高内圧力に打勝
つためにはポーラスなセラミックスは耐摩耗性、強度が
不足するのに対し、緻密質のアルミナセラミックスとか
窒化珪素質セラミックスが適正であることを実験によっ
て確認した。そしてこのような緻密質セラミックスを内
筒に使うことによって鋳包み後の外筒からの締付力によ
る収縮変形が少く、より大きな圧縮力をセラミックス内
筒に発生させ得ることを明らかにした。

また、鋳包みによってセラミックスに所定の圧縮応力を
与え得るように圧縮強度をもたせる必要があった。この
圧縮応力を発生させるためにはこの中間層としては溶湯
の注入によってガス発生がなくしかも焼結する性質を有
する／ヤモット質モルタルとかりん酸塩ボンド系の耐火
モルタルカ適正であることを見出した。

また外筒としては、鋳放しのままで強度と靭性および疲
労強度のある材料であることすなわち弾性率２００００
ＫＩｉｆｋｒ＆以上の金属（鉄鋼等）が内筒に圧縮応力
を発生させ得るものとして必要であった。

鋳包み複合円筒の製造方法としては、緻密質セラミック
スを内筒として、前記円筒の外周面に断熱性と高圧縮強
度を示すモルタルを施工し、乾燥後その周囲に金属溶湯
を鋳込み凝固させることを特徴とした。

このようなセラミック内筒を鋳包みするときこの内筒に
溶湯がその外面より接触することによる熱衝撃が緻密質
セラミックスよりなる内筒を破壊することを防止するた
め高圧縮強度を有するモルタル層が断熱性を有すること
がセラミックスの破壊を防止する機能をもつことを幾多
の試験、実験によって明らかにした。

また、上記製造方法において、鋳込み金属の凝固後型抜
きされた円筒を熱処理する場合を本発明の実施態様とし
た。

すなわち、断熱性と高圧縮強度を有するモルタルを施工
したあと金属溶湯を鋳込み凝固後に８５０°Ｃに加熱冷
却する熱処理が金属組織の均質化及びセラミックスの外
筒に対する密着効果を改善し、セラミックスの内面の強
度を改善することを明らかにした。この鋳込み後の熱処
理は、組織を均質にして、残留ひずみを一定化し、疲労
強度を上げ、又把握力の均等化につながり、圧縮応力の
偏りによるセラミックスの損傷を防止する効果がある。

熱処理条件は鋼種により、はぼ決まる。

外筒の金属が鋳鋼のときは複合円筒になったときの熱処
理に耐えかつ溶接施工を可能にした。

〔実施例、作用〕

以上の本発明の構成について次の実施例によって具体的
に説明する。

複合円筒の形状を第１図ｊと示す。内筒（１）の外側に
中間層（３）を介して外筒（２）が鋳包みする。

第２図に複合円筒の鋳込製作する鋳型の構造を示す。中
子（４）の外面にセラミックス製内筒（１）を嵌合せた
。

第１表にセラミックスの性状を示す。セラミックスの種
類ム１は比較品としての緻密でない多孔質アルミナであ
る。セラミックスの種類ＪＦＬ２．３．４．５．６は本
発明品（数字に○印をかぶせた）であり、緻密質セラミ
ックスである。これらのセラミックスからなる内筒（１
）を装着し、さらに内筒の外面に断熱性中間層（３）を
取付けた。

第２表に示す通り、断熱性中間層の種類Ａ１．２は比較
品として圧縮強度を有しない中間層である。断熱性中間
層の種類Ａ３．４．５．６．７．８．９は本発明品（数
字に○印をかぶせた）であり圧縮強度を有している。

上記のセラミックス製内筒（１）と中間層（３）とで施
工した組立中子を所定の鋳型内に挿入し、鋳型を予熱せ
ずに湯口（５）より水平上注方式により１５２０〜１５
６０℃の鋳鋼（第３表に外筒用の金属成分を示す。材質
Ａ１のＪＩＳ　　５Ｃ４６による）からなる溶鋼を注入
し外筒（２）とした。

従来例として製作した焼ばめ複合円筒は次の通りであっ
た。

内筒として使用したセラミックスは第１表の組成のセラ
ミックス種類ム２．４を使い、この内筒の外周をダイヤ
モンド砥石で研削加工しニッケルクロムモリブデン鋼（
第３表の材質Ａ２のＪＩＳＳＮＣＭ４３９）の金属外筒
２内面を焼ばめ代２・５／１ｏｏｏ　でセラミックス外
径を基準に切削加工した。ついで外筒を焼ばめの最高温
度であるセラミックスがスポーリング割れをおこさない
上限温度４００℃にて加熱してセラミックス内筒に挿入
して製作した。

すなわち焼ばめのときの接触圧力増加による外筒内径の
しめ代は２．５／１ｏｏｏが限度であるが、鋳包みのと
きは内筒の肉厚が２０ｍｍ以上とじ内筒と外筒の肉厚比
を１：３以上にすることによって接触圧力による把握力
を増加することができた。

第４表のように焼ばめと鋳包みの場合の接触圧力による
把握力の比較が行なわれた。表では、焼ばめ複合円筒で
は内、外筒間の面圧を４５１１ＱＦ／／ｃｙ／にしたと
きのセラミック内筒の内面の応力は圧縮応力−５０，６
ＫＩｆＡｎｔｉ　（計算値）、金属外筒の外面の応力は
引張応力２０．７　Ｋｆｆ／ｍｒｉｌ　（計算値）であ
った。これに対して鋳包み複合円筒ではセラミック内筒
の内面応力は圧縮応力−ｓ　６　Ｑｆ／ｒａｔ　（実測
値）、金属外筒の引張芯カフ、０９ルー（実測値）であ
った。そしてセラミックス内筒の内面に一５６Ｑｆ／ｄ
ｔの応力を生じるようなセラミックス内筒の外圧の計算
値は１０５９　Ｋｐｆ／ｃｙｌとなり、金属外筒の外面
に７．０　Ｋ１１ｆＡｎａの応力を生じるような金属外
筒の内圧の計算値は５８５　ＫＩｉｆＡ−となった。

それ故、鋳包み複合円筒のとき、もし使用内圧５００１
’ｆ／〜以上の使用に耐える必要があるときには、セラ
ミックス内筒に５０　ＫｆｆＡｔ！以上の圧縮残留応力
が必要となる。そしてセラミック内筒に５０　Ｋ９ｆ／
ｍ！Ｉの圧縮残留応力値を発生させるためには内筒セラ
ミックスは内径１６５＋ｍｎ外径１７９ｍｍ、外筒は鋳
＊ＳＣＭｎ５Ａ（第３表の材質憲３）で内径１８７ａ＋
ｍ外径２３０ｍｍのときに得られるものと考えられた。

また、複合円筒のせん断接合力（接合圧力に比例する）
の測定結果を第３図に示す。セラミックス製内筒（１）
の外面に焼ばめと鋳込まれた外筒（２）の収縮作用に基
づくセラミックス内筒（１）の拘束力を測定した。、す
なわち垂直に立てた複合円筒の上端部においては内筒（
１）の端面に負荷し、逆に下端部においては外筒（２）
の端面に負荷して、セラミックスの部分を押抜いた。そ
の結果、セラミックス内筒上端面と外筒下端面との相対
変位をせん断変位ｖ−（ｍｍ）として横軸にとり、セラ
ミックス内筒と外筒との単位接触面積当りの押抜き力を
せん断抵抗Ｐ（Ｋｇルー）として縦軸にとり、鋳包みの
本発明品と焼ばめ品と比較して示した。鋳包みの本発明
品の方が焼ばめより高いせん断抵抗Ｐを得た。

第５表に前記試験品の各々についての評価を示した。

従来例試験点１．２．３は緻密質セラミックス円筒につ
いての焼ばめ複合円筒の場合である。Ａ１、ｘ３は良い
○、◎評価であるが、焼ばめ工数に手がかかりすぎる欠
点があった。

比較例ム４は緻密でない多孔質アルミナのセラミックで
あるので悪いＸ評価であり、Ａ５，６．７は緻密質セラ
ミックスであるが中間層が欠除しているので各々悪い×
学会評価であった。

比較例のム８は緻密質でない多孔質セラミックスであり
、中間層も圧縮強度のないカオウールペーパーのためＸ
評価であり、ｘ９は緻密質セラミックスであったが中間
層がやはり圧縮強度のないカオウールペーパーのためＸ
評価であった。比較例ム１０は中間層が断熱効果のない
金属線であるのでム１１も中間層が圧縮強度のない断熱
ボード材であるので各々みなＸ評価であった。

本発明品嵐１２．１４．１５はみな緻密質セラミックス
であり中間層は断熱性と圧縮強度をもつモルタル（旧）
であり可へ評価であった。本発明品ム１３．１６．１７
．１８はみな緻密質セラミックスであり中間層は圧縮強
度をもちかつ断熱性の大きいモルタル（改り断熱モルタ
ルであるので良好◎、良○評価とのよい結果であった。

〔効　果〕

内面耐摩耗性でしかも高内圧に耐えかつ鋳込製作の容易
な内筒セラミックス外筒金属の鋳包み複合管の生産に対
する効果はきわめて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は複合円筒の形状を示す構成図、第２図は複合円
筒の鋳込製作鋳型の構成図、第３図は鋳包み複合円筒と
焼ばめ円筒とのせん断変位とせん断抵抗の関係を示す線
図である。 １：円筒、２：外筒、３：中間層、４：中子、５：湯口

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）緻密質セラミックスからなる内筒と、金属からな
   る鋳包み外筒と、前記内筒と外筒との間に介在する断熱
   性と圧縮強度を有するモルタル層とからなることを特徴
   とする金属−セラミックス複合円筒。
2. （２）緻密質セラミックスを内筒とし、前記内筒の外周
   面に断熱性と高圧縮強度を示すモルタルを施工し、乾燥
   後その周囲に金属溶湯を鋳込み凝固させることを特徴と
   する金属−セラミックス複合円筒の製造方法。
3. （３）鋳込み金属の凝固後型抜きされた円筒を熱処理す
   ることを特徴とする特許請求範囲第２項記載の金属−セ
   ラミックス複合円筒の製造方法。