JP3283003B2 - 複合遠心鋳造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】金属の鋳造法において、特定
の性質を発揮するような金属又は合金を全面又は部分的
に付加して機能性を高める、金属の鋳造法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】鋳造品の一部特定の箇所に、耐食性を付
与する方法として鋳造品自体に溶射や、部分焼入れ浸炭
窒化など、鋳造後に表面処理を加える方法もあるが、作
業工数が確実に増加する問題が有る。そのため、鋳造前
の金型の空隙表面の所望の部位に特定の物質を含む硬化
材層を設け、溶融金属を注湯し、その熱で該硬化材層を
溶着させ、凝固後に所望の部署に硬化層を形成しようと
する、鋳造方法が種々提案されてきた。

【０００３】例えば特公平５−２０１８４号公報による
従来技術では、Ｎｉ含有量８０重量％またはそれ以上の
Ｎｉ合金から成る充填剤を、粉末のままで金型内へ鋳込
直前に装入し、注湯して外周面に防食性層を形成するこ
とを要旨とし、合金元素としてホウ素、硅素、クロム、
銅より選び出し、融点１３００℃以下の充填剤とした。
あるいは溶融鋳鉄の溶融点１１５０℃以下となるように
選択する実施態様をも示している。

【０００４】特開平５−７７０１９号公報に係る従来技
術ではほぼ同じ目的で金型内へ凝固促進用の粉末層をＮ
ｉ、Ｃｒ、又はその合金とＣａ、Ｓｉとの混合粉末によ
って形成することを呈示した。この粉末層による注湯時
の断熱作用によって、欠陥の防止と金型の保護と鋳込ま
れた溶湯の急速凝固によって、ピンホールの発生を防止
すると謳っている。すなわちこの場合のＣａ、Ｓｉは一
種の脱酸接種効果と、混合粉末層の溶融点の低下作用を
意としたものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】金型遠心力鋳造におい
て、製品の外周面に耐食性に優れる層を形成するため、
金型内へ耐食性金属の粉末を塗布又は散布すること自体
は既に公知であり、先に引用した二件の従来技術もその
範畴に属する。しかし、その主旨はあくまで耐食性を付
与する金属の溶融点を低温側へ移すように、成分コント
ロールする点に焦点が絞られ、被覆する外周面保護層自
体の強化レベルについては、なお万全とは云えないので
はないか。

【０００６】粉末層の溶融点を低温化することを第一義
的に求めれば、一種の金属鑞の態様を踏襲することに外
ならず、もし溶融点が低すぎれば、注湯された溶融金属
内へ拡散して、表面の成分濃度が大巾に失われることを
意味し、又、溶融点が高すぎれば母剤金属との一体溶着
に疑問が残る。

【０００７】先に本願発明の出願人は特公平５−２０１
８７号公報において、主として耐摩耗鋼の局部的強化を
目指した、まったく新しい液相焼結による複合一体化を
開示した。即ち、金型空隙部に溶融金属を注入して、凝
固後所望の形状をなす鋳造法で、Ａに特定の物性を付与
する特定の金属又は合金、Ｂに前記Ａを構成する金属よ
り明確に低融点を有する金属の粉末を使用し、Ｃは適当
量の有機系結合材とし、３者を練りあわせて所望の位置
に取り付け、該空隙部にＢを構成する金属よりは融解点
が高い溶融金属を注入する鋳造法。この様な構成による
ことによりまず注入した溶融金属の保有熱により低融点
のＢの金属を融解しＡ、Ｂ及び注入金属の３者を液相焼
結により一体化し、続いて注入した金属と層表面を通じ
て拡散溶着する。

【０００８】耐摩耗材は強固であると共に時間の経過に
伴って外面から消耗していくからある程度の強化層の厚
さを必要とし又具体的にはＡとしてＦｅ−Ｃｒ粉末、Ｂ
としてＮｉ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｆｅ粉末、Ｃとしてポリビニ
ルアセテート等で形成して、母材となる鋳鉄溶湯を注湯
して、耐摩耗鋳鉄部品のうち、特に摩耗面を局部的に強
化した実績を示した。

【０００９】これに反し耐食性材に関しては外表面の強
化層の厚み自体が主題ではなく、母材と一体的に溶着し
た保護層が、如何に緻密で堅牢な複合層を形成出来るか
の一点に尽きる。たとえば母材金属の表面上へ溶着した
別種の金属皮膜の結晶粒度にバラツキがあったり、組織
的に異なる部分や粗密の差があるとき、粒界と粒内、格
子欠陥と正常な格子構造など、腐食電池を形成して電位
差を生じる場合には、保護層の厚さに拘らず分極、点
食、孔食、粒界腐食など金属独自の腐食の進行が甚だし
く、局部的な腐食が集中して母材の一部が早々に機能を
喪失することは周知の事実である。本発明は以上の耐食
性部材、特に遠心力鋳造法による鋳鉄管の外周面を、最
も効果的に耐食性を向上させる方法を、目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる複合遠心
鋳造法は特定の物性を向上するために、金型内へ特定の
金属類などを添加し、高速回転しつつ溶融金属を注湯し
て、外周面を複合強化する複合遠心鋳造法において、Ｎ
ｉまたはＮｉ系合金、Ｎｉ及び／又はＣｒを含むステン
レス鋼もしくはＣｒを少くとも１０重量％以上含む鉄系
合金の中から選ばれた１又は複数の金属粉末Ａと、Ｐを
５〜１２重量％を含むことにより該金属粉末Ａより明確
に低温の溶融点に調整したＣｕ−Ｐよりなる金属粉末Ｂ
とを混合割合がＡ／Ｂ＝４０／６０〜９０／１０の範囲
内で均一に混合した粉末を作成し、金型を高速に回転し
つつ、金属粉末Ｂの溶融点よりは高い溶融点よりなる溶
融金属を注湯する直前、又は同時に前記粉末を金型内に
散布することにより、溶融金属より比重の高いＡ、Ｂが
遠心力の差によって金型内面に分離添着した粉末層を形
成し、溶融金属から受熱して前記３溶融点の相互関係に
よって発現する液相焼結と遠心作用を受けて、製品の外
周面に強固で緻密な焼結層を一体的に形成することによ
って前記の課題を解決した。

【００１１】前記の構成において金型内面への混合粉末
の散布に替えて、前記金属粉末Ａ，金属粉末Ｂと有機系
結合材Ｃの三者を混合して、金型の内面上に塗布し、高
速に回転しつつ、金属粉末Ｂの溶融点よりは高い溶融点
よりなる溶融金属を注湯して、前記３溶融点の相互関係
によって発現する液相焼結と遠心作用を受けて、該粉末
層または添着層を製品の外周面に強固で緻密に形成する
焼結層に変換する方法であってもよい。

【００１２】高速回転する金型内に目的の溶着金属を注
入する直前、または同時に金属粉末Ａ，Ｂの混合粉末を
散布すると、この溶湯の熱の為に混合粉末を構成するＢ
粉末がその溶融点に達して溶けはじめる。この時粉末金
属Ａは、配合された材質により溶解する場合と、一部表
面近くのみ溶解する場合と、全く溶解しない場合と三態
様が生じる。これは、粉末金属Ａの成分と注入する溶解
金属の湯温とのかね合いで幾通りにも条件が異なるが、
これらは事前に計算し策定することの出来る要素であ
る。最も重要な作用の特徴は、散布または塗布された金
属粉末が比重差に基づく遠心力の差によって溶湯と分離
し、金型の内周面へ移行して添着して形成した環状の粉
末層の全てがそのまま溶湯に溶解拡散して反応層をスト
レートに形成するのではなく、低融点の粉末金属Ｂがま
ず溶湯の熱を受けて溶解し、粉末金属Ａを強固に抱込ん
で、溶解金属と協力して溶着する、いわゆる液相焼結を
起こす点である。したがって後の実施例で示されるよう
に、反応層は物性を支配する粉末金属Ａを抱込んで粉末
金属Ｂと溶解金属母材と結合し、粉末金属Ａ成分はあら
かじめ計画した鋳造方案通り、所定の深度にわたり母材
に拡散接合している。

【００１３】したがって金属粉末Ａ，Ｂの溶融点の差、
および配合する比率が良好な液相焼結を進行させる上で
大事なポイントとなる。図６はＣｕ−Ｐの二元状態図で
あり、横軸上欄の重量％と縦軸の温度℃との相関から読
み取れるように、Ｐは約８重量％付近に共晶点があり共
晶温度は約７２０℃付近にある。Ｃｕ−Ｐ合金はこの共
晶点で最低の溶融温度を形成し、この前後へ離れると共
に急カーブで高温側へ移行する。したがって実用的にＰ
がＣｕにどの範囲まで溶け込むことができるかというこ
とが重要な要件を定めるが、状態図の読み取りと実地テ
ストの結果を衝き合せると、Ｐを５〜１２重量％に限定
し、溶融温度を９００℃以下に設定することによって実
用上、最も優れた液相焼結を得るという臨界的意義を確
定することができた。また、単なる耐食性だけでなくア
グレッシーブな摩耗作用にも直面する場合には、脆性を
避けるために比較的低いＰ側、たとえばＰ：５〜１０重
量％に制限することが望ましい結果に繋がることがあ
る。配合については、溶融点の高いＡだけでは溶解金属
の溶融熱による焼結は困難であり、さらにＡが４０％以
下では耐食性が不十分であるので、Ａ／Ｂが４０／６０
より大きいことが焼結進行の下限の配合条件となる。一
方、低溶融点のＢだけでは溶解金属の注湯と共にその溶
解熱のために完全に溶融して溶解金属中に拡散してしま
い表面に耐食性の優れた層を形成するという目的が達成
できないし、Ｂの配合比率が１０％より少ないとＡの焼
結作用を補完する働きが不十分であって堅牢緻密な液相
焼結層の形成という本来の目的を果たせないので、Ａ／
Ｂが９０／１０より小さいことが焼結進行の上限の配合
条件となる。

【００１４】Ｃ成分に関しては、金型内面に塗布するこ
とによって塗膜を形成する形態の場合にのみ使用し、金
型面との結合を保持し、注湯時には、その流勢に押され
て層が剥離しないで、凝固が表面から始まるまで把持す
る役割を果たす。

【００１５】本発明の対象は後述の実施形態でも明示す
るように、ダクタイル鋳鉄管の外面の耐食性向上を主た
る目的とする。具体的にこの場合の作用を説明すると、
金型内へダクタイル鋳鉄の溶湯（溶融点約１１５０℃）
を注湯すると、比重の差による遠心力の差によって散布
された混合金属粉末は金型内周面へ移行して層状に分離
添着し、さらに溶湯の保有熱を受けて、まず粉末Ｂ（Ｃ
ｕ−Ｐ、溶融点は約９００〜約７２０℃の範囲に限定）
が溶解すると共に、遠心力によって鋳鉄溶湯が粉末層内
へ押し込まれて含浸をはじめ、粉末金属Ｂより溶融点の
高い粉末金属Ａ（例えばニッケル、溶融点約１４５０
℃）を包み込む状態でミクロ的な液相焼結がはじまる。
遠心力によって、この状態で相互に包持しあったまま強
力に金型内面に押し付けられ、急速冷却されて一体的に
堅牢な複合層を形成する。凝固後の組織は例えば鋳鉄溶
湯の熱容量が大きい場合、鋳鉄溶湯からのＦｅ，Ｃ等の
浸入が多く、共にオーステナイト化促進成分であるＮｉ
とＣｕの合計濃度の高い基地がオ−ステナイト化したニ
−レジストに類似する組織が得られ、また鋳鉄溶湯の溶
け込みが少ない場合表層部ではＦｅ、Ｃ等の拡散が少な
く、Ｎｉ、Ｃｕ濃度のさらに高い（具体的にはＮｉ＋Ｃ
ｕが２０重量％以上）オ−ステナイト組織が得られ耐食
性外層部を形成する。あらかじめ金属粉末Ａ，Ｂを混合
調整して金型内に塗布する形態の場合も、基本的な液相
焼結の進行の経過は同様であり、凝固後の製品外周面に
はＡ成分がリッチで堅牢緻密な耐食性の複合層が得られ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の耐食性を立証する為に次
の要領で確認テストを行った。図３は遠心鋳造用金型の
一部断面図であり、遠心鋳造金型１を回転支承２で水平
に支持し低速で回転しつつ供給管４より混合粉末を散布
して全長にわたり均等な厚さの粉末層３を形成した。図
３に示す金型を使用して、遠心力鋳鉄管（外径１６９ｍ
ｍ、長さ１０８０ｍｍ、厚さ７．５ｍｍ）を鋳造した。
溶湯は１３５０℃のダクタイル鋳鉄を使用した。鋳造
後、焼純を施し（９８０℃×１ｈｒ＋７３０℃×１ｈ
ｒ）、その後テストピースを切出した。金属粉末Ａ、Ｂ
として粒径１５０ミクロン以下のものを使用し、混合し
て溶湯の注湯直前、または同時に平均厚さが約５００ミ
クロンになるように金型内面へ散布した。表１は実施例
（１）〜（５）におけるそれぞれの金属粉末Ａ、および
Ｂの成分と配合比を示す。

【００１７】

【表１】 注）散布の場合はバインダーＣは使用しないが、塗布す
る場合は、Ａ＋Ｂ＝１００に対して約５の割合で使用
し、ポリビニールアセテート（ＰＶＡｃ）が好適であ
る。なお表２は前記表１の粉末層を形成する為に使用し
た、各種材料の化学組成の一覧表である。粉末の粒径は
２００ミクロン以下、好ましくは１５０ミクロン以下、
さらには５０ミクロン以下が最も好ましい。

【００１８】

【表２】

【００１９】鋳造したテストピースは適当な大きさに加
工し、次に述べる試験を行なった。 Ａ、ＥＰＭＡによる定量分析、表面近傍に含まれる元素
の化学組成比を測定。すなわち、Ｎｉ，Ｃｕを主体とし
た添加成分の濃度の変動を知って表面からの耐食性の有
効深度を見極める点に意義がある。 Ｂ、耐食性試験 ＪＩＳ Ｋ ５４００に記載された方法により、ＪＩＳ
Ｚ ２３７１に規定された装置を使用し、３５℃の雰
囲気で５．０％ＮａＣｌａｑの塩水噴霧試験と３．０％
ＮａＣｌａｑの塩水浸漬試験を行なった。浸漬試験の場
合、試験溶液は２週間毎に新しく交換し、所定時間毎に
重量測定を行なって減量分を記録すると共に図表化し、
時間経過との関係をプロットした。テストピースは４５
ｍｍ×４５ｍｍ×厚さ７．５ｍｍの大きさで、被覆層が
形成された面を暴露し、その他の面はシールを施した。

【００２０】試験の結果について図表とともに簡単な説
明を加えると、図４、図５は鋳造品の表面からの距離
（μｍ）を横軸にとり、縦軸にＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロ
アラナイザー）によって得られたＦｅ、Ｎｉ、Ｃｕ各成
分の定量分析値をプロットし相互の関係を示したもので
ある。両図ではそれぞれＮｉおよびＣｕが表面から５０
０〜６００μｍの深さまで認められ、Ｎｉと同様に鉄の
オーステナイト化促進成分であるＣｕが共存することに
よって高耐食性の緻密な複合相を形成していることを示
唆している。

【００２１】表３は前記各試料を塩水（５．０％ＮａＣ
ｌａｑ）噴霧試験によって、その腐食減量（ｍｇ／ｃｍ
2 ）と浸漬期間（ｄａｙ）との関係を示したものであ
り、この表に基づいて時間の経過と腐食の進行をプロッ
トしたものが図１である。また、表４は３．０％ＮａＣ
ｌａｑの塩水試験液内へテストピースを浸漬した場合の
減量と時間の関係を示し、図２はこのデータを図に表現
し直したものである。

【００２２】

【表３】

【表４】

【００２３】この表、図からうかがえることは、従来技
術として比較例のダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ）に対し、時
間の経過と共に何れのテストピースについても腐食減量
の差が比例的に広がり、試験条件が苛酷な噴霧継続の場
合には、特にＮｉ／Ｃｕ−Ｐの実施例（１）は約８倍以
上、Ｎｉ−Ｓｎ／Ｃｕ−Ｐの実施例（４）でも６倍以上
の耐食性が認められ、最も経済的なＳＵＳ３０４Ｌの粉
末を適用した実施例（５）ですら４倍を超える耐食性を
記録している。この差は期間の経過と共にほぼ比例的に
拡大し、実地の使用に当っては格段の耐用期間の差とし
て顕われることは、この図からも容易に推定できること
である。

【００２４】

【発明の効果】本発明にかかる複合遠心鋳造法は、ほぼ
同じ目的で計画され実施された従来技術の耐食被覆層
が、単一な被膜を主体とし背後の母材金属の溶着性や、
層自体の物性に対する配慮に若干の懸念を否定せざるを
得なかったのに対し、本発明の複合層は、液相焼結とい
う独創的な発想を原点として抜群の耐食性を具えた、緻
密で堅牢な複合層を一体的に溶着させ形成したものであ
るから、使用後の耐久性でははるかに優越する効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の効果のうち、塩水噴霧試験によ
る耐食性を比較表示した図である。

【図２】本発明の実施の効果のうち、塩水浸漬試験によ
る耐食性を比較表示した図である。

【図３】本発明の実施に使用した、遠心鋳造金型の一部
断面正面図である。

【図４】実施例（１）の表面からの深度と成分の関係を
示す図表である。

【図５】実施例（３）の表面からの深度と成分の関係を
示す図表である。

【図６】Ｃｕ−Ｐ二元状態図である。

【符号の説明】

１ 遠心鋳造金型 ２ 回転支承 ３ 粉末層 ４ 供給管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田辺 重則 大阪府大阪狭山市西山台２丁目15番３号 (56)参考文献 特開 平10−272547（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22D 13/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 特定の物性を向上するために、金型内へ
   特定の金属類などを添加し、高速回転しつつ溶融金属を
   注湯して、外周面を複合強化する複合遠心鋳造法におい
   て、ＮｉまたはＮｉ系合金、Ｎｉ及び／又はＣｒを含む
   ステンレス鋼もしくはＣｒを少くとも１０重量％以上含
   む鉄系合金の中から選ばれた１又は複数の金属粉末Ａ
   と、Ｐを５〜１２重量％を含むことにより該金属粉末Ａ
   より明確に低温の溶融点に調整したＣｕ−Ｐよりなる金
   属粉末Ｂとを混合割合がＡ／Ｂ＝４０／６０〜９０／１
   ０の範囲内で均一に混合した粉末を作成し、金型を高速
   に回転しつつ、金属粉末Ｂの溶融点よりは高い溶融点よ
   りなる溶融金属を注湯する直前、又は同時に前記粉末を
   金型内に散布することにより、溶融金属より比重の高い
   Ａ、Ｂが遠心力の差によって金型内面に分離添着した粉
   末層を形成し、溶融金属から受熱して前記３溶融点の相
   互関係によって発現する液相焼結と遠心作用を受けて、
   製品の外周面に強固で緻密な焼結層を一体的に形成する
   ことを特徴とする複合遠心鋳造法。
2. 【請求項２】 請求項１において、金型内面への混合粉
   末の散布に替えて、前記金属粉末Ａ，金属粉末Ｂと有機
   系結合材Ｃの三者を混合して金型の内面上に塗布して粉
   末層または添着層を形成し、高速に回転しつつ、金属粉
   末Ｂの溶融点よりは高い溶融点よりなる溶融金属を注湯
   して、前記３溶融点の相互関係によって発現する液相焼
   結と遠心作用を受けて、該粉末層または添着層を製品の
   外周面に強固で緻密に形成する焼結層に変換することを
   特徴とする複合遠心鋳造法。