JPH0127819B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、耐摩耗鋳物の遠心力鋳造法、特に、
鋳鉄または鋳鋼を基材金属とし、基材金属と炭化
タングステン粒子の混在する耐摩耗性にすぐれた
外層と、基材金属からなる靭性の良好な内層の２
層を有し、圧廷用ロールや搬送用ロールなどに適
した耐摩耗性と靭性を兼ね備えるロール用鋳物を
遠心力鋳造にて製造する方法に関する。

圧廷用ロールや搬送用ロールなどは、その胴部
表面が耐摩耗性にすぐれたものでなければなら
ず、またこれにくり返し加わる衝撃にも耐える十
分な靭性をもつことが必要である。このため、従
来、圧廷用ロールとして、遠心力鋳造にて耐摩耗
性に富む高合金からなる外層と、強靭性をもつ合
金からなる内層を形成した複合ロールが汎用さ
れ、また搬送用ロールとして、強靭性の炭素鋼々
管の外周面に耐摩耗合金を肉盛溶接したものが一
部用いられているが、これらは製造工程が煩瑣
で、コストも高い。

近時、上記に代わるものとして、遠心力鋳造に
より、金属と炭化物粒子の混在する外層を形成す
ることによつて表面のみに耐摩耗性をもたせるよ
うにしたロールの鋳造法が提案されている。その
基本原理は、遠心力鋳造用モールド内に、基材金
属溶湯と、該溶湯より比重の大きい炭化物粒を鋳
込んで両者を混在させ、遠心力の作用で比重の大
きい炭化物粒を外周領域に偏在させて第１図に示
すように、モールド１内で基材金属と炭化物粒の
混在する外層（以下、「混在層」とも言う）ａと
基材金属からなる内層（以下、「金属層」とも言
う）ｂを形成し、その状態で凝固させることによ
り、該２層を有する鋳物を製造するものである。

外層ａをミクロ的にみれば、第２図に示すよう
に、炭化物粒Ｐの間隙に基材金属Ｍが充填された
混在状態を呈しており、この炭化物粒Ｐの存在に
よつて外層ａに高い耐摩性が与えられる一方、内
層ｂは基材金属本来の靭性を保有する。つまり、
外層ａが耐摩耗材料として、内層ｂが靭性材料と
してそれぞれ機能するわけである。

上記鋳造は、第４図や第５図に示すように、軸
心Ｃを中心に回転する横型遠心鋳造用モールド１
と、その一端側に設置されたホツパー２を備え、
該ホツパーの先端を端板３の孔４にのぞませた遠
心鋳造装置を用いて行なわれるが、その鋳造によ
り所期の耐摩耗性をもつロールを製造するには、
金属溶湯とともに所要量の炭化物粉末がモールド
内に鋳込まれ、かつ外層（混在層）が所定の均一
な層厚に形成されることが必要である。

しかるに、その鋳造法として、炭化物粉末を予
め取鍋内の金属溶湯に添加・混合しておき、これ
をホツパーからモールド内に鋳込む方法を用いた
のでは、重い炭化物粒が取鍋の底部に沈降してし
まうので、所定の混合状態で鋳込むことは不可能
である。この対策として、第４図に示すように、
ホツパー２内に注がれる金属溶湯流Ｍ上に炭化物
粒Ｐを添加しながらモールド１内に鋳込む方法も
考えられるが、溶湯の流れが緩かであると、図示
のようにホツパー内の湯道上に炭化物粒Ｐの沈積
が生じ、所定量の鋳込みを行なうことはできな
い。溶湯の流れが強ければ、上記沈積を回避する
ことは可能であるが、その反面、モールド内で遠
心力により形成されつつある混在層の炭化物粒が
溶湯の強い落下で逸散するため、第５図に示すよ
うに、溶湯の落下点近傍Ｄの混在層ａの厚さが薄
くなつてしまう。

また、混在層ａは目的とするロールの胴部全長
に亘つて均一な層厚に形成されることが望まし
く、そのためには、モールド内に鋳込まれた炭化
物粒をモールドの長手方向に亘つてまんべんなく
分布させることが必要である。しかし、炭化物粒
は重く、しかもモールド内で遠心力が作用するた
め、鋳込み端側から他端に向かう炭化物粒の移動
は容易でなく、そのために前記第５図に示すよう
に、混在層ａの層厚が長手方向にそつて漸次減少
し、長尺体の場合には、他端側まで混在層ａを形
成することができない。

炭化物粒子として炭化タングステンを使用する
場合、該粒子は比重が極めて大きく（WCの比重
は15.7）、溶湯との比重差も大であるので、遠心
分離により炭化物粒子の濃度の高い混在層を形成
するのに有利であるが、その反面、上述のような
取鍋中やモールド内での粒子の沈積・分離とそれ
による鋳型内の粒子の不足（混在層層厚の不足）、
鋳型内の溶湯落下付近での粒子の散逸および鋳型
内の長手方向の粒子の拡散不足とそれによる混在
層厚の不均一化等が特に顕著に現れる。混在層の
層厚が不足したり、層厚が不均一であつたりする
と、耐摩耗性等所期の材料特性が得られず、構造
材料として信頼性・安定性が損なわれ、実用的価
値の欠けたものとなる。

本発明は、上記問題点を解決したものであり、
鋳鉄または鋳鋼を基材金属とし、基材金属と50〜
80％（体積）の炭化タングステン粒子からなる混
在層と、その内側の基材金属からなる金属層との
二層構造を有するロール用耐摩耗鋳物の製造方法
であつて、軸心を中心に回転する円形断面を有す
る横型遠心力鋳造用モールド内に基材金属溶湯を
鋳込み、遠心力にて形成される層厚10mm以上の溶
湯層に、炭化タングステン粉末を、該溶湯層の長
手方向に亘つて均一に添加し、溶湯層中を遠心移
行させることにより溶湯層の外周部に炭化タング
ステン粒子と基材金属とが混在する層を長手方向
の全長に亘つて所望の層厚に形成するようにした
耐摩耗性鋳物の鋳造法を提供する。

第３図に本発明による鋳造要領の具体例を示
す。図中、５は炭化タングステン粉末の添加装置
である。まず、ホツパー２にて端板３の孔４より
モールド１へ鋳鉄または鋳鋼の鉄系金属溶湯の鋳
込みを開始する。鋳込まれた溶湯は遠心力により
モールドの内周面に沿う溶湯層６を形成する。溶
湯層６が適当な層厚になつた時点で、ホツパーと
反対側の端板３′の孔４′よりモールド内に挿入さ
れた炭化タングステン粉末添加装置５にて、溶湯
層６の長手方向にそつてほゞ均等に粉末を落下さ
せる。溶湯層６の表面に落下した粉末は、遠心力
によつて溶湯層を通つて外周面側に到達し、混在
層ａを形成する。その状態でモールドの回転を続
行しつつ凝固させることにより混在層ａと金属層
ｂを有する鋳物を得る。

上記のように、本発明方法では、混在層ａを形
成するための炭化タングステン粉末が金属溶湯流
とは別の経路で、金属層の長手方向に亘つて添加
されるから、得られる鋳物の混在層は、前記のよ
うに不均一となることがなく、長手方向に亘つて
添加された量に応じた所望の層厚に形成される。
長手方向の添加量を均等にすれば、混在層の層厚
も均一になることは言うまでもない。むろん、前
記のようにホツパー２からの金属溶湯の流れを強
くする必要はないから、溶湯落下点近傍の混在
層々厚が局部的に薄くなることもない。

モールド内の溶湯層６への粉末の添加時期は任
意であるが、例えば、溶湯層の層厚が約10mm以上
になつた時点で添加するのが好ましい。搬送ロー
ルのような中空鋳物を目的とするときは、溶湯の
所定の全長が鋳込まれたのちに添加してもよい。
また、圧廷用ロールの鋳造においては、粉末の添
加後に、後工程として芯材を鋳込み中実体とすれ
ばよい。このように、溶湯の鋳込み途中、または
完了後に粉末を添加すれば、粉末と金属がよく混
り合い、前記第２図に示すように粉末粒子の間隙
に金属が十充填された良好な混在状態が得られ
る。

なお、粉末の添加により溶湯層が降温・粘稠化
して該粉末の遠心分離が妨げられるような場合に
は、予め粉末を、例えば400〜600℃に加熱して用
いるのも好ましい一法である。

本発明において基材金属として鋳鉄または鋳鋼
を用いるのは、ロール類等の構造材料として必要
な強度・靭性等の機械的性質を確保するためであ
る。これらの鉄系金属溶湯は、炭化タングステン
粒子との濡れ性も良いので、鋳型内における溶湯
への粒子の取り込み、混じり合いが容易に行われ
る点で有利である。

また、硬質炭化物として炭化タングステンを使
用するのは、極めて硬質で（WCの硬度Hv：約
2086）、ロール類の表面の耐摩耗性の向上に著効
を有すること、高融点（WCの融点：約2776℃）
で、鋳鉄や鋳鋼の溶湯中で溶解しにくいこと、溶
湯との比重差が大きく、遠心分離により粒子濃度
差が50℃（体積）以上と、粒子が緻密に混在する
混在層を形成するのに有利であること、等によ
る。

上記粉末は、あまり粒径が小さいと、混在層中
への集中が困難となるので、比較的粗粒のものが
好ましい。粉末粒子表面には、酸化防止のため
に、例えばニツケル系、銅系などのめつきが施こ
されることもあり、あるいは溶融フラツクスを浸
潤させておくことも有用である。

混在層ａの耐摩耗性は、炭化タングステン粒子
の濃度が高い程、向上する。混在層中の粒子濃度
は遠心力を強めることにより高くすることができ
る。しかし、粒子濃度が余り高くなると、強度・
靭性が低くなる。ロール類等の構造材料としての
耐摩耗性と強度・靭性の両面を考慮すると、混在
層中の炭化タングステン粒子濃度は50〜80％（体
積）が好ましい。

前記炭化タングステン粉末添加装置５は、例え
ば長尺の樋状体７が支持棒８にてモールド内に挿
入されるようになつており、該樋状体に粉末を充
填して、予めモールド１内に設置しておくか、も
しくは溶湯の鋳込み開始後に挿入し、所定の時期
に反転させて該粉末を溶湯層６の表面に落下させ
るか、あるいは樋状体をモールド内の軸方向に移
動させつつ、その先端から粉末を落下させるよう
にしてもよい。要するに添加装置の形態、添加要
領は、溶湯層の長手方向に亘つて所要量の粉末を
添加し得るならば、どのようなものであつてもよ
い。

次に本発明方法の実施例、および比較例につい
て説明する。

実施例１、２および比較例 第３図に示す遠心鋳造装置（モールドは、CO₂
型による砂型モールド使用）において、基材金属
としてニハード系鋳鉄を用い、その溶湯をホツパ
ー２にてモールド内に鋳込むとともに、炭化タン
グステン粉末を添加装置５にて溶湯層の長手方向
に亘つて添加することにより中空円筒状鋳物（管
体）を鋳造し、冷却後、その鋳造管を縦割りして
外周部の混在層形成状況を観察した（実施例１お
よび２）。また、比較例として、第６図に示す遠
心鋳造装置にて、炭化タングステン粉末をホツパ
ー２の溶湯流に連続添加する方法により鋳造管を
製造し、同様の観察を行なつた。なお、いづれの
場合も、炭化タングステン粉末は表面にニツケル
めつきを施しており、かつ予め500℃に加熱して
使用した。また、鋳造時の遠心力はモールド内周
面で65Gである。

モールド寸法： 内径（鋳物外径に相当）：220mm、長さ：400mm。

ニハード系鋳鉄 目標成分：C3.29％、Si0.75％、Mn0.65％、
Ni4.4％、Cr1.57％、Mo0.41％。

溶湯比重：7.0 鋳込み量：45.7Kg 炭化タングステン（WC）粉末 比重：15.7 中心粒度：200μ 添加量：7.7Kg 実施例 １ 〔〕 鋳込み条件 (i) 溶湯鋳込み温度：150℃ (ii) 溶湯の鋳込所要時間（鋳込み開始から終了
までの経過時間）：42秒 (iii) WC粉末添加開始時期：溶湯鋳込み終了
（溶湯重厚：約27mm）の１秒後 (iv) WC粉末添加所要時間（添加開始から終了
までの経過時間）：２秒 〔〕 鋳造管断面状況 上記条件で得られた鋳造管のWC粉末と鋳鉄
からなる外周部の混在層における炭化タングス
テン粒子濃度は60％（体積）であり、その層厚
は、長手方向全長にわたりほゞ３mm（最大層厚
3.2mm、最小層厚2.5mm）と、工業的に満足すべ
き均一性を有している。

実施例 ２ 〔〕 鋳込み条件 (i) 溶湯鋳込み温度：1550℃ (ii) 溶湯の鋳込み所要時間：40秒 (iii) WC粉末添加開始時期：溶湯鋳込み開始か
ら29秒後（この時点で、全溶湯量の約3/4が
鋳込まれており、モールド内での溶湯層厚は
約19mmである）。

(iv) WC粉末添加所要時間：２秒 〔〕 鋳造管断面状況 得られた鋳造管の外周部混在層の炭化タング
ステン濃度は60％（体積）であり、その層厚
は、長手方向全長にわたり、ほゞ３mm（最大層
厚3.2mm、最小層厚2.4mm）と、工業的に均一で
ある。

なお、混在層の組織を第７図に示す（倍率50
倍）。WC粒子が緻密、かつ均一に分散し、該
粒子間に十分基材金属が充填された良好な組織
を有することが判る。

比較例 〔〕 鋳込み条件 (i) 溶湯の鋳込み温度：1540℃ (ii) 溶湯鋳込み所要時間：40秒 (iii) WC粉末添加開始時期：溶湯の鋳込み開始
の１秒後 (iv) WC粉末添加所要時間：31秒 〔〕 鋳込み結果と鋳造管断面状況 鋳込終了後、ホツパー２の湯道上に、WC粉
末約0.6Kgが残留していた。また、鋳造管断面
の混在層ａは第６図に示すように不均一（図
中、イ：3.5mm、ロ：1.5mm、ハ：3.5mm）で、鋳
込み側の溶湯落下点の近傍の層厚が薄く、しか
もWC粉末は他端側まで到達せず、該他端付近
では混在層が存在しない。

以上のように、本発明方法によれば、外周部に
炭化タングステン粒子と鋳鉄または鋳鋼からなる
混在層が長手方向の全長に亘つて所望の層厚に形
成された鋳物を製造することができ、その混在層
によつて確実かつ安定した耐摩耗性を保証するこ
とができる。むろん、混在層の内側の金属層によ
つて良好な靭性をも具備する。従つて、圧廷用ロ
ールや搬送用ロールなどの各種ロール類として用
いれば、表面の摩耗、衝撃によく耐え、すぐれた
耐久性が得られる。また、ロール類に限らず、要
するに耐摩耗性と靭性の要求される各種装置、機
械の部材として用い同様の効果を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はモールド内の鋳物の２層構造を示す断
面説明図、第２図は鋳物の２層構造のミクロ的組
織を模式的に示す断面説明図、第３図〔〕は本
発明方法の実施要領の具体例を示す断面説明図、
〔〕はそのＡ−Ａ断面図、第４図および第５図
は従来の鋳造法による鋳込状況を示す断面説明
図、第６図は実施例関係の鋳物断面説明図、第７
図は本発明方法で得られた鋳物の組織を示す図面
代用写真（倍率50）である。 １：モールド、２：ホツパー、５：金属化合物
粉末添加装置、６：溶湯層、ａ：外層（混在層）、
ｂ：内層（金属層）、Ｍ：基材金属、Ｐ：硬質粒
子（炭化タングステン粒子）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 鋳鉄または鋳鋼を基材金属とし、基材金属と
   50〜80％（体積）の炭化タングステン粒子からな
   る混在層と、基材金属からなる金属層との二層構
   造を有するロール用耐摩耗鋳物の製造方法であつ
   て、軸心を中心に回転する円形断面を有する横型
   遠心力鋳造用モールド内に基材金属溶湯を鋳込
   み、遠心力にて形成される層厚10mm以上の溶湯層
   に、炭化タングステン粉末を、該溶湯層の長手方
   向に亘つて均一に添加し、溶湯層中を遠心移行さ
   せることにより溶湯層の外周部に炭化タングステ
   ン粒子と基材金属とが混在する層を長手方向に亘
   つて均一な層厚に形成し凝固させることを特徴と
   する耐摩耗鋳物の遠心力鋳造法。