JPS63281759A

JPS63281759A - 鋳包み方法

Info

Publication number: JPS63281759A
Application number: JP11708287A
Authority: JP
Inventors: Takanobu Nishimura; 隆宣西村; Akira Kondo; 明近藤; Hiromi Nakamura; 中村　弘洋
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: 1988-11-18
Anticipated expiration: 2009-11-02
Also published as: JPH0685993B2

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】（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
、はとんどの金属はアルミニウム溶澹と長時間接触する
と反応して溶融するが、Ｓｉ　　Ｎ　　系や５ｉＣ−８
ｉ３Ｎ４系あるいはＡＪ　　ＯＴｉＯ２系等のセラミッ
クスはアルミニラム溶場に浸食され難い。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
題となる物質を輸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りＩＪ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ｉａ温の金属溶湯を
Ｕ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
パイプに締め付は応力が加わり、破損（スポーリング）
してしまう。

これらの問題点を実験結束に基づいて考察する。

第７図は円管状の窒化ケイ素（Ｓ　ｉ　Ｎ４）パイプ２
１ａを鋳鉄２２ａ　（Ｆｅ１２）ｒ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２５０ｍ、外径は７
０１１ＩＩ１１内径は５０履である。また、鋳鉄２２ａ
の外径は１７０ｍ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、Ｓ　ｉ　３Ｎ　ａバイブ１の圧縮強さは１５
０ｋｇ／−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＜Ｓ　
１３Ｎ４−８　ｉｃ）パイプ２１ｂ＠鋳鉄２２ｂ　（Ｆ
ｅ１２）で鋳包みした製品（鋳造湿度１３５０〜１４０
０℃）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Ｓ＋　３Ｎ４−８　ｉ　Ｃパイ
プ２ｉｂ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、５ｉ３Ｎ４−８ｉＣバイブ２１ｂ
の気孔率は１３％もあり、熱衝撃には耐えるが、圧縮強
さが１５〜２０υ／−程度しかないためと考えられる。

外径１７０ａｍ＋、内径７０鵬のＦＣ２０材相当の鋳鉄
管のａ温からの冷却による収縮応力は約４５Ｋｇ／−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ｎ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）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Ｖｉ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は応力が加わりスポーリングす
る場合がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、気孔
率が低く、熱衝撃に弱い神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ボ−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）セラミック部品の外周をそのセラミック部品よりも気孔
率の大きいセラミック補助材を使用した緩衝材で被覆す
ることにより、鋳包み用金属の凝固時の収縮による圧縮
荷重がその緩衝材によって緩和され、直接セラミック部
品に作用しない。

したがって、セラミック部品に過大な圧縮応力が発生せ
ず、スポーリングが避けられる。

また、鋳包み時の金属溶湯の熱も緩衝材によって吸収さ
れ直接セラミック部材に作用しない。これにより、セラ
ミック部材の熱衝撃も緩和され、亀裂の発生が防止され
る。

なお、気孔率の大ぎいセラミック補助材のみを緩衝材と
した場合には鋳包み用金属が浸透して気孔率が保持でき
ず、また鋳包みの際にｇｌｉｉ材被覆が破損あるいは分
散する可能性があるが、本発明では緩衝材としてセラミ
ック補助材のみでなく、これに耐熱性の無機質バインダ
を加えたものを使用することにより、気孔率の保持およ
び機械的強度の向上が図れ、緩衝材としての機能が十分
に発揮される。

（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５ｉ３Ｎ４−３
ｉＣ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！ｌｌｊ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、ＳｉＯ２０
３−８ｉＯ２またはＳｉＣの短繊維（以下、これをセラ
ミック！１ｌｆｆ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８１０２微粉末（３２５〜４００メツシユ）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ｉｌｌ雑と水と
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１〜２厘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ｌ還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ＷＡ８、濃口９および塩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を仲人しである。

このようにして、ｍ部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
しての含浸べ本パー４を約２ｔｍ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〜ｂ和でき、上界温度も１３５０℃から１２０
０℃に低下することができる。これにより、気孔率が殆
ど無い５１３Ｎ４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ｓ；３Ｎ４−ｓｔｃ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η“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ｖＩ造湿温度１０００〜１５００℃耐える耐熱性を
有している。

コロイダルシリカと５ｉｎ２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！ＩＩＩ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鑓囲による金
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、ＳｉＯ２
０３−ＴｉＯ系、ＭｇＯ系、ＭＱＯ−Ａｉ２０３系、Ｃ
系、ＺｒＯ系、ＳｉＯ□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
〜５ｍのＣ４１維、また無機バインダとしては、Ｎａ　
　ＣＯ３ゾル、エチルシリケート等も適出できる。即ち
、緩衝材としては以下の特性を有するものであれば秒々
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
。

なお、前記実施例では、緩衝材としてペーパー状のもの
を用い、これをセラミック部材に巻付けたが、粒子状の
セラミック補助材を無機バインダとともにプラズマ溶射
し、あるいはセラミック部材をゾル状バインダに直接浸
漬して所定厚さの被覆を形成するようにしてもよい。

（発明の効果〕本発明によれば、セラミック部材の外周をそのセラミッ
ク部材よりも気孔率の大きいセラミック補助材を使用し
たｌ！ｉ材で被覆することにより、鋳包み用金属の凝固
時の収縮による圧縮荷重がその緩衝材によって緩和され
、直接セラミック部材に作用しない。したがって、セラ
ミック部材に過大な圧縮応力が発生せず、スポーリング
が避けられる。

したがって、気孔率が低く、熱ＷＪ撃に弱い種類のセラ
ミックス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ス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、！ＩＩＩ材形成状態を示す図、第２図
は同じく緩衝材巻付は状態を示す図、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
ｒＶ−ＩＶ線断面図、第５図は鋳包牛製品を示す図、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詩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。出願人代理人　　　波　多　野　　　久第３図第４図薯７　図第８図

Claims

【特許請求の範囲】１、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鋳包み方法。２、セラミック補助材としてセラミック短繊維の集合体
からなるペーパを使用し、これにゾル状の無機質バイン
ダを含浸させてセラミック部材に巻付け、乾燥後鋳包み
を行なう特許請求の範囲第１項記載の鋳包み方法。３、セラミック補助材としてＳｉＣ、Ａｌ＿２Ｏ＿３、
ＳｉＯ＿２−Ａｌ＿２Ｏ＿３混合物またはＣの短繊維を
使用する特許請求の範囲第２項記載の鋳包み方法。４、無機質バインダとしてＳｉＯ＿２ゾル、Ｎａ＿２Ｃ
Ｏ＿３ゾル、Ａｌ＿２Ｏ＿３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２項記載の鋳包み方
法。５、セラミック補助材として粒子状のものを使用し、こ
れを無機質バインダとともにセラミック部材に溶射また
は塗布させる特許請求の範囲第１項記載の鋳包み方法。