JPH1143780A - 複合材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 母材上に非鉄金属部材を載置して、この非鉄
金属部材を母材上に接合するに当たって、電磁誘導電流
による加熱溶解の適用を可能にすること。 【解決手段】 母材上に母材より低融点の非鉄合金部材
を載置し、母材を電磁誘導電流によって発熱せしめ、こ
の母材の発熱により非鉄合金部材を加熱溶解し母材上に
溶着する。高周波誘導加熱コイルを鋼等の母材の加熱に
有効な位置と距離に配置し、母材に電磁誘導電流を効率
よく発生せしめて加熱し、母材上に載置した非鉄合金部
材を母材の発熱を利用して効率良く加熱溶解させる。母
材の発熱を利用するため、如何なる形状および寸法の非
鉄合金にも適用でき、加熱および冷却速度が大きいた
め、性能に優れた非鉄合金ライニング層をもった複合材
が、比較的安価に得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧延機のチョック
ライナーのように、鋼板母材上に非鉄合金のライニング
層を有する複合材の製造に関する。

【０００２】

【従来の技術】このような複合材の製造法として、ライ
ニング材をアーク溶接、プラズマ溶接などによって母材
上に接合する方法、あるいは母材上に連続して溶融した
ライニング材を鋳込み、または鋳掛けする溶融接合法、
熱間圧延による接合法、さらには、特殊雰囲気中で拡散
接合するなどの固相接合法が知られている。また、ライ
ニング材として所定の組成を有する粉粒体を母材上に載
置してこれを加熱焼結して母材上に接合する方法もあ
る。

【０００３】この加熱手段として、保護雰囲気中におけ
る電気炉加熱、電磁誘導電流加熱が適用されているが、
電気炉加熱による場合は施工に長時間を要するのに対し
て、電磁誘導電流の場合は、加熱のための時間を短縮で
きることから最も能率的であるとされている。

【０００４】ところが、この電磁誘導加熱を利用した複
合材の製造は、加熱溶解されるライニング材自体の透磁
率および比抵抗により電磁誘導電流の誘起される程度が
異なり、母材である鋼とライニング材として銅合金や錫
合金などの非鉄合金が共存する場合には、母材が優先的
に電磁誘導電流が誘起されて急速に発熱されるが、非鉄
合金であるライニング材は単体では加熱溶解されにく
く、母材との接合が困難であるという問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明が解決しよう
とする課題は、母材上に非鉄金属部材を載置して、この
非鉄金属部材を母材上に接合するに当たって、電磁誘導
電流の適用を可能にする手段を見いだすことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の複合材の製造方
法は、母材上に母材より低融点の非鉄合金部材を載置
し、母材を電磁誘導電流によって発熱せしめ、この母材
の発熱により非鉄合金部材を加熱溶解し母材上に溶着す
ることを特徴とする。

【０００７】電磁誘導による加熱および冷却によって、
通常の電気炉を用いた雰囲気加熱と比べると、加熱速度
および冷却速度を極めて大きくすることが可能であり、
加熱速度および冷却速度を大きくすることは施工時にお
ける生産効率を高くできることは勿論のことながら、加
熱溶解する非鉄合金の材質の面からも優位性が有る。つ
まり、通常の加熱方法では加熱溶解時に蒸気圧を高い低
融点の非鉄金属成分は損失が大きいが、電磁誘導による
加熱溶解の場合加熱冷却に要する時間が短いため、これ
らの成分の損失が少ないため、歩留が高く設定でき、組
成制御が容易となる。さらに、冷却速度が大きいため、
偏析しやすい成分を含む場合においても、凝固に要する
時間も短いため偏析が少なく、組織も通常の加熱溶解の
場合より微細になる傾向がある。

【０００８】この電磁誘導電流による母材の急速な加熱
によって、その上に載置されたライニング材への母材か
らの伝熱を有効に利用した早急な加熱溶解が可能とな
り、母材への接合を可能とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明において、電磁誘導電流を
励起させる加熱コイルは、被加熱体の形状および寸法に
合わせた形状および寸法のものを使用するが、加熱コイ
ルと被加熱体の距離は加熱効率に強く影響し、両者の距
離が小さいほど加熱効率は高くなる。円筒形状の貫通型
コイルや平板形状の面状型コイル等の適当な形状の加熱
コイルを、被加熱体となる複合体の形状に合わせて用い
れば良いが、加熱効率を良くするため、加熱コイルと被
加熱体との距離は勿論のこと、特に平板型の母材上に非
鉄金属部材を載置して複合体を施工する場合、加熱コイ
ルと母材との位置関係も重要である。

【００１０】つまり、母材片面にのみライニング層を形
成する場合、平板状の母材片面上に載置した非鉄金属部
材側に加熱コイルを配置させるより、非鉄金属部材が載
置されていない母材側に加熱コイルを配置させたほうが
距離を小さく設定でき、効率よく母材を加熱できる。

【００１１】さらに、本発明の場合、母材の発熱を利用
し載置した非鉄金属部材を加熱溶解させるため、母材に
より近い位置に加熱コイルを配置することによって、多
くの種類の非鉄金属部材の形状および寸法に対応でき、
その結果使用できる原料の自由度が大きくなることにな
る。

【００１２】また、複数の加熱コイルを用いて加熱を行
った場合のほうが加熱効率が良い場合もあり、非鉄合金
部材が載置されていない母材側片面に加熱コイルを配置
させる他に、非鉄金属部材が載置された側の片面に別の
加熱コイルを配置させても良く、非鉄金属部材が載置さ
れていない母材側片面に複数の加熱コイルを適切な位置
関係で配置しても良い。

【００１３】本発明を適用するために母材上に載置され
る非鉄金属としては、母材の種類に応じて、その融点が
母材の融点よりも低い融点を持つものであれば、いかな
る非鉄金属の適用も可能であるが、母材が鋼の場合のラ
イニング材としては、ホワイトメタル、銅合金が好適で
ある。

【００１４】母材上に載置される非鉄金属部材の形状
は、適当な形状および寸法に切断した、塊状、板状ある
いは粉粒状のものを単独あるいは混合して使用できる。

【００１５】載置の条件としては、母材表面が露出しな
い程度にできるだけ密に載置するのが均一なライニング
層を形成するためには好ましい。その中でも、粉粒状の
原料のみを使用する場合、事前に所定の組成となるよう
に混合し、できるだけ均一に母材上に散布すれば良い。
均一な散布の方法については従来から用いられている方
法および装置を適宜に用いれば良く、簡略的には適当な
見開きの篩いを用いても一定の効果は得られる。散布時
に振動または回転等の運動を付加するのも効果がある。

【００１６】つまり、粉粒体はどのような形状の母材表
面にも他の形状の原料より接触面積を大きく載置するこ
とができるため、非鉄金属の少なくとも一部に粉粒体を
含むほうが、母材の露出を小さくすることができ、さら
に母材との接触面積もより大きくでき、母材の発熱を有
効に利用できる。

【００１７】母材上に載置した非鉄金属の溶解を助ける
ために、その組成に与える影響が少ない程度の成分を添
加混合することもできる。例えば、融点を調整するため
の低融点非鉄金属および母材の表面酸化物を除去するた
めのフラックスや、溶解時に大気からの汚染を防止する
被覆材等であり、さらには、非鉄金属部材と母材との接
合界面のぬれ性を向上させるため添加する場合もある。
これらは、あらかじめ、載置原料と混合しておいても良
く、非鉄金属部材を母材上に載置した後に適当な方法
で、載置部材または母材上に載置しても良い。

【００１８】母材となる材料は電磁誘導により加熱がで
きるものであれば特に制限はなく、鉄を主成分とする、
一般に言われる鋼が用いられ、例えば炭素鋼、工具鋼、
合金鋼が挙げられる。

【００１９】

【実施例】

実施例１ この発明を、非鉄金属として代表組成が９重量％アンチ
モン、５重量％銅、残部が錫および不可避不純物からな
る錫合金系ホワイトメタル２種ＷＪ２を用いたライナー
の複合材の製造に適用した例について説明する。

【００２０】厚さ１０ｍｍ、幅１２０ｍｍ、長さ１２０
ｍｍの母材となる軟鋼ＳＳ４００の全周部に、同材質の
高さ２０ｍｍ，幅１０ｍｍの堰を設けた構造をもつ角箱
型容器内の母材上に、ＷＪ２インゴットの塊状切断片６
００ｇを配置し、塩化亜鉛粉末３ｇおよび粒度８０メッ
シュの黒鉛粉末を塊状切断片を覆うように散布した。容
器にはセラミックウール製の蓋をし、容器の下方に設置
した平面型、８０ｍｍ×８０ｍｍの高周波誘導加熱コイ
ルを容器底面から１５ｍｍの位置にコイル上表面が位置
するように距離を調整し、入力電力４ｋＷ、周波数３２
ｋＨｚの条件で通電を開始した。容器上部から蓋に設け
た穴を通して熱電対を装入して、接合界面の温度を測定
したところ、通電開始後５分で４５０℃に達し、すでに
ホワイトメタル溶湯が生成されているのが確認されたの
で、通電を終了し、容器内でホワイトメタルを空冷させ
て凝固させた。

【００２１】このようにして得られたホワイトメタルラ
イニング層は、厚さ約５ｍｍのホワイトメタル層がＳＳ
４００母材上に形成され、切断断面におけるホワイトメ
タルおよび接合界面付近には欠陥は観察されず、良好に
接合されているのが確認された。

【００２２】社内試験片によって接合界面における剪断
強さを求めると、４．４ｋｇｆ／ｍｍ²という値が得ら
れ、界面における接合は健全に行われていると判断され
た。 実施例２ 実施例１と同じ角箱型容器内の母材上に、ＷＪ２スクラ
ップである片状体および線状体約６００ｇを配置し、粒
度３２５メッシュの錫粉末６ｇ、塩化亜鉛粉末３ｇおよ
び粒度８０メッシュの黒鉛粉末を片状体および線状体を
覆うように散布した。容器には軟鋼製の蓋をし、容器の
下方に設置した高周波誘導加熱コイルを容器底面から１
５ｍｍの位置にコイル上表面が位置するように距離を調
整し、入力電力４ｋＷ、周波数３２ｋＨｚの条件で通電
を開始した。容器上部から蓋に設けた穴を通して熱電対
を装入して、接合界面の温度を測定したところ、通電開
始後５分で３３０℃に達し、錫合金の一部に液相が発生
しているのが確認された。通電開始後５分で通電を終了
し、容器内でホワイトメタルを空冷させて凝固させた。
このようにして得られたホワイトメタルライニング層
は、厚さ約５ｍｍのホワイトメタルがＳＳ４００母材上
に形成され、実施例１の場合と比べると浮上分離した異
物が多いが、切断断面における錫合金層および接合界面
付近には大きな欠陥は観察されず、ほぼ良好に接合され
ているのが確認された。

【００２３】実施例３ この発明を、非鉄金属とし青銅鋳物ＢＣ３相当品を用い
たライナーの複合材の製造に適用した例について説明す
る。

【００２４】厚さ１０ｍｍ、幅１２０ｍｍ、長さ１２０
ｍｍの母材となる軟鋼（ＳＳ４００）の全周部に、同材
質の高さ２０ｍｍ，幅１０ｍｍの堰を設けた構造をもつ
角箱型容器内に、代表組成：１０重量％錫、２重量％亜
鉛、残銅および不可避不純物となるように混合した粒度
８０メッシュ〜１２０メッシュの銅合金粉末１２００ｇ
に粒度８０メッシュの黒鉛粉末６ｇを添加した粉末状原
料を配置した。容器には軟鋼製の蓋をし、容器の下方に
設置した高周波誘導加熱コイル（平面型、面積：８０×
８０）を容器底面から５ｍｍの位置にコイル上表面が位
置するように距離を調整し、入力電力１７ｋＷ、周波数
３７ｋＨｚの条件で通電を開始した。容器上部から蓋に
設けた穴を通して熱電対を銅合金粉末中に装入して、接
合界面の温度を測定したところ、通電開始後３分で１１
５０℃に達し、すでに銅合金溶湯が生成されているのが
確認された。また加熱溶解中は容器との距離を保ったま
まで、加熱コイルを手動で揺動させて容器全体ができる
だけ均一に加熱されるように調整した。

【００２５】通電開始後９分で界面付近の溶湯温度が１
０５０℃となるように入力を調整し、通電後１２分で加
熱溶解を終了し、容器内で銅合金を空冷させて凝固させ
た。このようにして得られた銅合金ライニング層は、厚
さ約１０ｍｍの銅合金層がＳＳ４００母材上に形成さ
れ、切断断面における銅合金層および接合界面付近には
欠陥は観察されず、良好に接合されているのが確認され
た。

【００２６】凝固した銅合金層から分析試料を採取して
成分分析を行ったところ、錫１０．２重量％、亜鉛２．
７重量％となり、組成はほぼ設定通りであった。

【００２７】また、社内試験片によって接合界面におけ
る剪断強さを求めると、３０．５ｋｇｆ／ｍｍ²という
値が得られ、剪断破壊した位置も銅合金内であるところ
から、界面における接合は健全に行われていることも確
認された。

【００２８】実施例４ 厚さ１０ｍｍ、内径１００ｍｍの母材となる軟鋼（ＳＳ
４００）円材の全周部に、同材質の高さ２０ｍｍ，幅１
０ｍｍの堰を設けた構造をもつ円筒型容器内底面上に、
アルミ青銅Ｃ６１９１相当品（代表組成：１０重量％ア
ルミニウム、５％重量鉄、１％重量マンガン、１％重量
ニッケル、残銅および不可避不純物）の円板（φ５０）
２枚、約５００ｇを配置し、ホウ砂０．３ｇを円板上に
散布し、さらに粒度８０メッシュの黒鉛粉末を銅合金原
料を覆うように散布した。容器には軟鋼製の蓋をし、容
器の下方に設置した高周波誘導加熱コイルを容器底面か
ら１０ｍｍの位置にコイル上表面が位置するように距離
を調整し、入力電力１１ｋＷ、周波数３５ｋＨｚの条件
で通電を開始した。容器上部から蓋に設けた穴を通して
熱電対を銅合金付近に装入して、接合界面の温度を測定
したところ、通電開始後５分で１０５０℃に達した。ま
た加熱溶解中は容器との距離を保ったままで、加熱コイ
ルを手動で揺動させて容器全体ができるだけ均一に加熱
されるように調整した。

【００２９】通電開始後１０分で界面付近の溶湯温度が
１１２０℃となったことを確認し、通電を終了し、容器
内で銅合金を空冷させて凝固させた。このようにして得
られた銅合金ライニング層は、厚さ約１０ｍｍの銅合金
層がＳＳ４００母材上に形成され、切断断面における銅
合金層および接合界面付近には欠陥は観察されず、良好
に接合されているのが確認された。

【００３０】凝固した銅合金層から分析試料を採取して
成分分析を行ったところ、アルミ１０．０重量％、鉄
４．７重量％、マンガン１．０重量％、ニッケル１．１
重量％となり、組成はほぼ設定通りであった。

【００３１】

【発明の効果】

（１）高周波誘導加熱コイルによる母材上に載置された
銅合金の迅速な加熱溶解が可能となり、非鉄合金ライニ
ング層を高能率に形成できる。

【００３２】（２）鉄を主成分とする鋼等の母材であれ
ば、銅合金の形状および寸法に依らず、自由に原料が選
択でき、安価な製品が得られる。

【００３３】（３） 加熱炉による通常の処理に比べ
て、加熱および冷却速度が大きくなるためより優れた性
能をもつライニング層を得ることが容易になる。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 母材上に母材より低融点の非鉄合金部材
   を載置し、加熱コイルによって誘起される電磁誘導電流
   によって母材を発熱せしめ、この母材の発熱により非鉄
   合金部材を加熱溶解し母材上に溶着することを特徴とす
   る複合材の製造方法。
2. 【請求項２】 電磁誘導電流を誘起する加熱コイルの少
   なくとも１つが非鉄合金部材が載置されていない母材の
   側片面に位置せしめることを特徴とする請求項１に記載
   の複合材の製造方法。
3. 【請求項３】 非鉄合金部材が、塊状、板状あるいは線
   状、粉粒状であることを特徴とする請求項１あるいは請
   求項２に記載の複合材を製造する方法。
4. 【請求項４】 母材が、鋼であることを特徴とする請求
   項１から請求項３の何れかに記載の複合材の製造方法。