TWI617375B - 連續鑄造鑄模 - Google Patents

Abstract

鑄模本體由銅或銅合金形成，且在與熔鋼或熔鋼凝固而成之外殼相接的鑄模構件內側，隔著硬質保護層而具有類鑽碳層。該情形下之鑄模構件包括具有分別成對之短邊及長邊的類型或筒狀的類型。因為在與熔鋼或鑄片相接之鑄模構件內側隔著硬質保護層而形成有類鑽碳層，可提供使與熔鋼及鑄片之摩擦極低的連續鑄造鑄模。

Description

連續鑄造鑄模 技術領域

本發明係有關於在與熔鋼或鑄片(具體而言係外殼)相接之鑄模構件內側形成有類鑽碳層(DLC)的連續鑄造鑄模。

背景技術

如專利文獻1中所記載，在現有之連續鑄造方法中，鑄模與鑄片表面間存在摩擦，因此為減少該摩擦在鑄造時使用模製粉末(潤滑材)，且在鑄造設備中裝設有振盪機構。

此外，專利文獻2之第1實施形態提出在鑄模表面形成有被膜之連續鑄造鑄模，而該被膜由具耐劣化性之鑽石等材料製成，且第2實施形態提出鑄模全體由鑽石等非金屬材料形成者。

另外，非專利文獻1中記載DLC膜之特性及其應用，且揭示在使用銅系燒結合金用模具之耐久性試驗中，實施了DLC處理之模具與未處理者相比，壽命大幅延長。

先前技術文獻 專利文獻

專利文獻1：日本特開2001-246449號公報

專利文獻2：日本特表2002-522225號公報

非專利文獻

非專利文獻1：大平晃也(要素技術研究所)，「DLC膜之特性及其應用」，NTN TECHNICAL REVIEW No.77(2009)，p.87-93

發明概要

但是，專利文獻1中，鑄模表面與鑄片表面間之摩擦力成為鑄模表面磨耗之原因，且模製粉末成為鑄模表面腐蝕之原因。

此外，在專利文獻2中記載之藉鑽石被膜直接覆蓋鑄模表面的技術中，由於鑄模本體由銅或銅合金形成且柔軟，即使其上形成鑽石塗層亦無法充分確保表面之硬度，進一步有被覆之鑽石塗層容易剝離而無法發揮充分效果的問題。

非專利文獻1中記載將DLC膜應用於銅系燒結合金成形模具，但是因為使用超硬合金作為材料，故導熱率不佳，而有無法作為連續鑄造鑄模使用之問題。

本發明係鑑於該情形而作成，且目的在於提供至少在與熔鋼或鑄片相接之鑄模構件內側形成類鑽碳層，以使與熔鋼之摩擦極低的連續鑄造鑄模。

依循前述目的之本發明連續鑄造鑄模在由銅或銅合金形成之鑄模本體內側，隔著硬質保護層而被覆類鑽碳層，以構成與熔鋼或該熔鋼凝固而成之外殼(鑄片)相接的鑄模構件。此外，類鑽碳層宜使用例如密度ρ在2.0至3.5(以2.6至3.5更佳)之範圍內之具優異耐磨耗性的類型。

本發明之連續鑄造鑄模中，前述鑄模構件包括具有分別成對之短邊及長邊，且前述短邊及前述長邊內側之全部或一部份形成有前述類鑽碳層的類型。

此外，本發明之連續鑄造鑄模中，前述鑄模構件亦包括呈管型，且在與前述熔鋼或前述熔鋼凝固而成之外殼相接之內表面之全部或一部份形成有前述類鑽碳層的類型。

另外，本發明之連續鑄造鑄模中，前述硬質保護層亦可藉對前述鑄模本體進行氮化處理及/或珠擊處理而形成。

本發明之連續鑄造鑄模中，前述硬質保護層宜由形成在前述鑄模本體上之硬質鍍敷層所構成。該情形下之硬質鍍敷層可為Cr、Ni、Co、Ni-B、Ni-W、Co-Ni-W、高硬度Cu或其等之合金鍍敷層。

此外，本發明之連續鑄造鑄模中，前述硬質保護層亦可藉熱噴塗(例如，金屬陶瓷熱噴塗、自熔性白金熱噴塗)形成。

本發明之連續鑄造鑄模中，前述硬質保護層以在 前述鑄模本體上進行噴砂或蝕刻之凹凸處理後形成更佳。

此外，本發明之連續鑄造鑄模中，前述類鑽碳層宜藉PVD法或CVD法形成。

另外，本發明之連續鑄造鑄模中，位於前述鑄模上部之彎液面部宜形成有上下長之多數縱溝或多數凹坑，以便緩冷卻。在此，彎液面部係所謂，例如，相對於平均彎液面高度+80mm至-100mm(以+50mm至-60mm更佳)之範圍。此外，縱溝之寬度及間隔(即，非溝部之水平寬度)宜在0.4至15mm(以0.5至2.2mm更佳)之範圍內。再者，若為凹坑，則宜形成直徑0.5至3mm(以0.7至1.5mm更佳)之半球狀、圓錐狀、圓筒狀、不規則形狀，且按各凹坑之間隙為0.5至3mm左右呈格子狀配置或等間隔配置。

此外，本發明之連續鑄造鑄模中，硬質保護層之形成可就1)氮化處理、珠擊處理，2)硬質鍍敷，3)噴砂處理、蝕刻處理，4)熱噴塗處理中採行其一或組合2種以上處理來進行。

本發明之連續鑄造鑄模之鑄模本體由銅或銅合金形成，且在與熔鋼或熔鋼凝固而成之外殼相接的鑄模構件內側，隔著硬質保護層而以被覆狀態具有類鑽碳層，因此使鑄模構件之內表面對溶鋼及鑄片之摩擦係數極低，而可順利地製造鑄片。

藉使鑄模構件與鑄片之摩擦極小，可進行無粉末鑄造或減少粉末量之鑄造，因此鑄模構件之磨耗或腐蝕劇 減。

此外，藉在類鑽碳層之下層形成硬質保護層，可藉硬質保護層補強類鑽碳層，使類鑽碳層不會剝離。再者，由於強度可藉硬質保護層保持，可進一步薄化類鑽碳層。

另外，藉使用本發明之連續鑄造鑄模，可期待以下者。

1)本發明之連續鑄造鑄模除了藉單純減少粉末而降低製鋼成本以外，亦可製造無振盪記號之超高品質的扁胚等，因此，不需要拖磨處理。

2)依情況而定，可省略設置振盪裝置本身至連續鑄造鑄模之設備。

此外，本發明之連續鑄造鑄模中，雖然如果藉由氮化處理、珠擊處理鑄模本體而形成硬質保護層，處理會更簡單，但是若進一步在上層進行鍍敷或熱噴塗等，可形成更堅固之被膜。

另外，本發明之連續鑄造鑄模中，在進行噴砂或蝕刻之凹凸處理後形成硬質保護層的情形下，由於可藉此增加接合面積，故可作成具有更長期壽命之連續鑄造鑄模。

再者，本發明之連續鑄造鑄模中，在位於鑄模構件上部之彎液面部形成上下長之多數縱溝(極細狹縫)或凹坑以便緩冷卻的情形下，可控制鑄片之初期凝固時的緩冷卻。

10‧‧‧連續鑄造鑄模

11,12‧‧‧短邊

13,14‧‧‧長邊

11a,12a,13a,14a‧‧‧鑄模本體

15,16,17,18‧‧‧背板

20‧‧‧硬質保護層

21‧‧‧類鑽碳層(DLC)

22‧‧‧縱溝

23‧‧‧彎液面部

圖式之簡單說明

圖1(A)係本發明一實施例之連續鑄造鑄模的分解平面圖，(B)至(D)係同一連續鑄造鑄模之部份放大圖。

圖2(A)、(B)、(C)分別是鑽石構造圖、石墨構造圖、DLC膜之構造圖，(D)係非晶碳膜之說明圖(出處：非專利文獻1)。

圖3所示者係在鑄模本體上形成各種保護膜之情形的磨耗特性。

圖4所示者係在鑄模本體上形成各種保護膜之情形的摩擦係數。

用以實施發明之形態

接著，說明使本發明具體化之實施例，以供理解本發明。

如圖1(A)、(B)所示，本發明一實施例之連續鑄造鑄模10具有構成鑄模構件之對向短邊11、12，及以夾住對向短邊11、12之方式配置之長邊13、14，且具有水冷構造之背板15至18，而該等背板15至18固定配置在短邊11、12及長邊13、14之外側。

短邊11、12及長邊13、14具有由導熱性佳之銅或銅合金形成的板狀鑄模本體11a至14a，分別形成在鑄模本體11a至14a之內側表面上的之硬質保護層20，及形成在各硬質保護層20上之類鑽碳層(DLC)21。

形成硬質保護層20之方法包括：1)氮化處理及/ 或珠擊處理鑄模本體11a至14a之內側面；2)在鑄模本體11a至14a之內側面進行硬質鍍敷而由鉻(Cr)、鎳(Ni)、鈷(Co)、高硬度銅(Cu)、或其等之合金(NiCo合金)作成硬質鍍敷層；3)在鑄模本體11a至14a之內側面熱噴塗硬質材料(例如，金屬與硬質陶瓷粉之混合物)；及4)合併其等中之2種以上方法。熱噴塗之材料可使用金屬陶瓷材(或自熔性合金)。

此外，具體而言，硬質鍍敷包括Ni系合金鍍敷(例如，Ni-B、Ni-W)，Co-Ni系合金鍍敷(例如，Co-Ni-W)，硬質(高硬度)Cu鍍敷(包含合金鍍敷)等。另外，熱噴塗材料包括在1)以Ni或Co為基底之Cr-Si-B系之合金，2)Co、Ni或Co-Ni系之合金中，添加碳化物、氮化物、硼化物者等。

在此，藉鍍敷形成硬質保護層20時之厚度為，例如，0.01至3mm左右(以0.1至1mm更佳)，而藉熱噴塗形成時為，例如，0.01至3mm左右(以0.05至1mm更佳)。

此外，硬質保護層20之厚度過厚時連續鑄造鑄模10之散熱變差，且在硬質保護層20與鑄模本體11a至14a之熱膨脹係數不同的情形下容易剝離。另外，若硬質保護層20之厚度過薄，硬質保護層20之強度會喪失，故容易產生缺陷。

硬質保護層20之表面(內側面)形成有類鑽碳層21。該類鑽碳層21同時具有圖2(A)、(B)所示之鑽石構造(sp³)及石墨構造(sp²)，且具有圖2(C)所示之構造。在圖2(D)所示之狀態圖中，使用a-C(非晶碳)、ta-C(四面體非晶碳)。

雖然硬質保護層20及類鑽碳層21在鑄模本體11a 至14a之內側全面進行施工容易，但是亦可在鑄模本體11a至14a之內側表面，只在可能直接接觸熔鋼及鑄片之部份形成硬質保護層20及類鑽碳層21。

此外，形成硬質保護層20前，可在鑄模本體11a至14a之內面進行氮化及/或珠擊之硬化處理，亦可在鑄模本體11a至14a之內面進行噴砂或蝕刻之凹凸(形成)處理以增加表面粗度，接著在其表面附著進一步形成之鍍敷層或熱噴塗層。

雖然類鑽碳層21之形成係，如圖2(D)所示，藉使用碳氫化合物系氣體作為原料之CVD(Chemical Vapor Deposition，化學蒸氣沈積)法製造，但是亦可使用使用以固體碳作為原料之PVD(Physical Vapor Deposition，物理蒸氣沈積)法。不論何種情形，該方法本身都是眾所周知的，因此省略詳細之說明。

雖然類鑽碳層21之厚度極薄而為0.001至5μm(以1至5μm更佳)左右，但是本發明亦適用更厚之情形。此外，若使類鑽碳層21過厚，則對母材(鑄模本體11a至14a、硬質保護層20)之密接力降低。該類鑽碳層21由於具有非晶構造，故原子構造均一且安定，並具有高耐蝕性。

另外，如此形成之短邊11、12及長邊13、14的內側在表面上具有類鑽碳層21，因此如圖4所示，對鑄片之摩擦係數小至0.1以下(但是，在Ni為硬質保護層之情形中係0.3左右)。再者，雖然表1中顯示碳系材料之特性比較，但可了解的是DLC具有極高硬度。

此外，該實施例之連續鑄造鑄模10中，藉由使用CVD法或PVD法，1)材料(碳氫化合物系氣體)費極低，2)製造所需之電費低，因此可減少類鑽碳層21之成膜襯層成本，此外，亦具有3)成膜時間為2μm/h左右且製造成本低之優點。

此外，若類鑽碳層21直接形成在銅或銅合金製之鑄模本體11a至14a，雖然由於鑄模本體11a至14a本身柔軟，故密接性及耐磨耗性不能說是優異，但是藉在類鑽碳層21與鑄模本體11a至14a之間形成硬質保護層20，可作成更堅固之高耐磨耗性及高耐蝕性的連續鑄造鑄模10。

另外，如圖1(C)、(D)所示，亦可在鑄模本體11a至14a之彎液面部23以預定間距(a+b)形成緩冷卻用之上下長縱溝22。此時若縱溝22之截面為半圓，縱溝之寬度b及間隔(即，非溝部之水平寬度)a宜分別在0.4至15mm(以0.5至2.2mm更佳)之範圍內。此外，如圖1(D)所示，縱溝22宜相對於平均彎液面高度(位置)在+80mm至-100mm(以+50mm 至-60mm更佳)之範圍。即宜c=20至80mm，d=40至100mm左右。

如此，藉在彎液面部23朝向水平方向形成多數並排縱溝22，可進行連續鑄造鑄模10之緩冷卻，且該連續鑄造鑄模10係藉與熔鋼及熔鋼凝固而成之外殼(鑄片之一部份)相接之鑄模構件(短邊11、12及長邊13、14)構成。在該情形下，硬質保護層20及類鑽碳層21沿凹凸形狀形成。此外，縱溝之截面不僅可採用半圓形，亦可採用三角形、四角形、圓弧狀等各種情形。另外，亦可在彎液面部形成緩冷卻用之多數凹坑。

實驗例

接著，實際地求出上述連續鑄造鑄模10及習知連續鑄造鑄模之磨耗指數(磨耗量)及摩擦係數的數據顯示在圖3、圖4中。在圖3、圖4中，1表示在鑄模本體11a至14a(基材)上進行Ni鍍敷且形成類鑽碳層之例，2表示在基材上進行Co鍍敷且形成類鑽碳層之例，3表示在基材上進行耐磨耗性材料之熱噴塗且形成類鑽碳層之例。此外，4表示在基材之表面上只進行Ni鍍敷之例，5表示在基材之表面上只進行Co鍍敷之例，6表示在基材之表面上只進行熱噴塗之例。

在此，以上之鍍敷及熱噴塗被膜的厚度係0.1至0.2mm，且使用包含硬質材料(例如，WC)之金屬陶瓷作為熱噴塗材料。

此外，圖3之「磨耗指數」與藉下式表示之磨耗量相同。

磨耗量=μ．P．L/Hv

在此，μ：摩擦係數(請參照圖4)，P：面壓，L：滑動距離，Hv：被膜之強度

由以上之實驗可知，雖然在基材上進行Ni鍍敷且在其上形成類鑽碳層之情形，與在基材上形成Co鍍敷層或熱噴塗層且形成類鑽碳層之情形相比，摩擦係數變大，且磨耗指數變大，但是與習知形成未形成類鑽碳層之Ni鍍敷層、Co鍍敷層、熱噴塗層的情形相比，可產生特別之效果(摩擦係數減少，磨耗指數減少)。此外，「無磨耗」表示摩擦係數μ為0.001以下。

接著，說明進行形成有DLC膜之鑄模構件之熱循環試驗的試驗例。熱循環試驗係藉重覆進行400℃之加熱及水冷來實施。在以下試驗例中，類鑽碳層之厚度為0.5至2μm左右(實際上，亦可能在0.001至5μm之範圍內)，且鍍敷層之厚度為0.5至1mm。

如表2所示，對1)銅板(CCM-BS)+類鑽碳層，2)銅板+Ni鍍敷(硬質保護層)+類鑽碳層，3)銅板+CoNi鍍敷(硬質保護層)+類鑽碳層，4)銅板+自熔性合金熱噴塗(硬質保護層)+類鑽碳層，5)銅板+Ni鍍敷+金屬陶瓷熱噴塗+類鑽碳層，6)銅板+金屬陶瓷熱噴塗(WC、Ni等合金)+類鑽碳層進行試驗。此外，熱噴塗皮膜之厚度為0.5mm左右。另外，在表2之試驗例2至6中省略「銅板+」。

在以上之試驗例2)至4)中，即使熱循環100次亦未發生破裂。試驗例5)中在第100次仍無損傷，6)中在第20次產生剝離。該6)之原因是非自溶性合金金屬陶瓷材與母材(銅)之接合不足。另一方面，在自溶性合金熱噴塗中，考慮由於熱噴塗後加熱，熱噴塗膜與母材擴散接合之情形。

接著，對在表面分別形成類鑽碳層之試驗例1)至4)，進行鑄模構件之耐酸性試驗。

1)銅板(CCM-BS)+類鑽碳層產生腐蝕，且2)Ni鍍敷(硬質保護層)+類鑽碳層、3)CoNi鍍敷(硬質保護層)+類鑽碳層、4)熱噴塗(硬質保護層)+類鑽碳層在經過數小時後也沒看到腐蝕反應。因此，可了解藉形成硬質保護層+類鑽碳層，具有優異耐蝕性。

本發明不限於前述實施例、實驗例，且在不變更本發明要旨之範圍內進行材料變更、厚度變更、數值變更的情形亦適用本發明。

此外，組合鑄模本體之粗面化處理(凹凸處理)、鑄模本 體之表面硬化處理、鍍敷層之形成、熱噴塗層之形成而形成硬質保護層，最後形成類鑽碳層的情形亦適用本發明。

另外，前述實施例中，雖然連續鑄造鑄模具有長邊及短邊，但是即使是筒狀(截面大略角形、截面圓形、管類)之鑄模，如果在其內面形成硬質保護層及類鑽碳層，亦可適用。

產業上之可利用性

本發明之連續鑄造鑄模由於在鑄模本體之內側隔著硬質保護層而被覆類鑽碳層，故可提供鑄模內面與鑄片之摩擦顯著減少，進一步具有長期壽命之連續鑄造鑄模。

10‧‧‧連續鑄造鑄模

11,12‧‧‧短邊

13,14‧‧‧長邊

11a,12a,13a,14a‧‧‧鑄模本體

15,16,17,18‧‧‧背板

20‧‧‧硬質保護層

21‧‧‧類鑽碳層(DLC)

22‧‧‧縱溝

23‧‧‧彎液面部

Claims (10)

1. 一種連續鑄造鑄模，特徵在於：在由銅或銅合金形成之鑄模本體內側，隔著硬質保護層而被覆類鑽碳層，以構成與熔鋼或該熔鋼凝固而成之外殼相接的鑄模構件，並且，前述硬質保護層係在前述鑄模本體上進行噴砂或蝕刻之凹凸處理後形成。
2. 如請求項1之連續鑄造鑄模，其中前述鑄模構件具有分別成對之短邊及長邊，且在前述短邊及前述長邊內側之全部或一部份形成有前述類鑽碳層。
3. 如請求項1之連續鑄造鑄模，其中前述鑄模構件呈管型，且在與前述熔鋼或前述熔鋼凝固而成之外殼相接之內表面之全部或一部份形成有前述類鑽碳層。
4. 如請求項1之連續鑄造鑄模，其中前述硬質保護層係藉由對前述鑄模本體進行氮化處理及/或珠擊處理而形成。
5. 如請求項1之連續鑄造鑄模，其中前述硬質保護層係由形成在前述鑄模本體上之硬質鍍敷層所構成。
6. 如請求項5之連續鑄造鑄模，其中前述硬質鍍敷層係由Cr、Ni、Co、Ni-B、Ni-W、Co-Ni-W、高硬度Cu或其等之合金鍍敷所構成。
7. 如請求項1之連續鑄造鑄模，其中前述硬質保護層係藉由熱噴塗形成。
8. 如請求項1之連續鑄造鑄模，其中前述類鑽碳層係藉由 PVD法或CVD法形成。
9. 如請求項1至8中任一項之連續鑄造鑄模，其中位於前述鑄模構件上部之彎液面部形成有緩冷卻用之上下長的多數縱溝。
10. 如請求項1至8中任一項之連續鑄造鑄模，其中位於前述鑄模構件上部之彎液面部形成有緩冷卻用之多數凹坑。