JPS6030568A - 耐摩耗複合鋳物の製造法 - Google Patents

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】 本発明は、炭化物粒子と金属との混在層と、金属単体層
とがその境界面で完全に溶着一体化してなる耐摩耗複合
鋳物の製造法に関する。

炭化物粒子と金属、例えばタングステン炭化物粒子と鉄
系金属との均一な混在相（複合組織）を有する複合材料
は、金属のみでは得られない特性、ことに高度の耐摩耗
性を有する。

かかる複合材料の製造法として、鋳造法を適用し、鋳型
内に金属溶湯と炭化物粒子とを鋳造して比重差により粒
子を沈降させれば、第７図に示すように、鋳型（１）内
において、金属相部分（イ）の下部に凝集した炭化物粒
子伊）群と、その粒子間隙を満たす金属（財）との混在
相部分（ロ）が形成される。上部の金属相部分（イ）は
押湯の役目を兼ねるもので、凝固完了をまって、鋳造体
を鋳型から取出し、金属相部分（イ）を切断除去すれば
、混在相部分（ロ）を複合鋳物（製品）として得ること
ができる。また、中空筒形状の複合鋳物を目的とする場
合には、例えば第８図のような、中子（ｌ］）を有する
鋳型（１）を使用し、鋳型外壁（６）と中子が形成する
内壁との間に溶湯（財）と炭化物粒子Φ）とを鋳造すれ
ば、前記と同じ手順により、混在相部分（ロ）を中空筒
形状の複合鋳物として採取することができる。

しかるに、複合鋳物の用途・使用条件によっては、前記
図示のように内外層全体が混在相である必要はない。こ
とに、部材の耐摩耗性能は、表層面に関する問題である
から、その内側部をも混在相とすることは、タングステ
ン炭化物粒子などの高価な炭化物を無駄に使用すること
になる。更に、例えば中空円筒形状の複合鋳物を圧延機
の駆動軸に圧入して使用する場合のように、内側表面に
引張応力が働く使用条件では、強度・靭性の点から、内
側表層部は、混在相であるよりも、むしろ鋼などの金属
単体相であることが望ましい。

本発明は、上記にかんがみ、表層部を粒子・金属の混在
相として所要の耐摩耗性をもたせるとともに、残余の部
分は金属単体相として強度・靭性を兼備させ、併せて炭
化物粒子の節減によるコスト低減を図ったものである。

本発明方法は、炭化物粒子と金属との均一な混在相を有
する所要形状の粒子・金属混合体を波防ぐるみ体として
鋳型内に装着し、これに鉄系金属溶場を鋳造して該混合
体を鋳ぐるむことにより、粒子・金属混在層と金属単体
層とを有し、かつ両層が溶着一体化した複合鋳物を製造
するものである。

以下、本発明方法について詳しく説明する。−第１図は
、中空円筒形状の複合鋳物の鋳造要領の具体例を示す。

（１）は軸心部に中子（１υを有する鋳型、（ａ）は波
防ぐるみ体として鋳型（１）内に装着された粒子・金属
混合体である。波防ぐるみ体（ａ）は、鋳型の外側壁（
２）の内径に一致した外径を有する比較的薄肉の円筒形
状を有し、鋳型外側壁の内周面にそって固定されている
。これに金属溶ｉ（Ｍ’）を取鍋（２）から、鋳型上方
に設置された鋳込ホッパー（３）を介して鋳造すること
により鋳ぐるみを行う。

鋳込まれる溶＠（ｍ’）流は、図示のように中子（ｌυ
の半球形状頂部の中心に指向させることにより、その頂
部中心から放射状に分流し、鋳型内の円周方向の各部位
に均等に供給される。

鋳造終了後、凝固完了を待って鋳造体を鋳型から取出し
、上部の余剰金属相部分（押湯部）を切断除去すれば、
第２図に示すように、外側の表層部の炭化物粒子と金属
とからなる混在層（５）とその内側の金属単体層（Ｉ３
）とが溶着一体化した複合鋳物が得られる。

上記鋳造例では、複合鋳物製品の外側表層部に混在層を
形成する場合を挙げたが、内側面に耐摩耗性が要求され
るときには、第３図のように、中子０］）の局面にそっ
て筒形状の波防ぐるみ体（ａ）を装着すればよく、また
、内・外画表面の耐摩耗性を望むときは、第４図のよう
に２つの波防ぐるみ体をそれぞれ装着して鋳ぐるみを行
えばよい。

なお、本発明における波防ぐるみ体（粒子・金属混合体
）と鋳ぐるみ材（鋳造される金属）との関係を逆にし、
波防ぐるみ体として金属単体の円筒体を鋳型内に装着し
、これに炭化物粒子と金属溶湯との混合溶湯を鋳込んで
鋳ぐるみを行うことも考えられるが、この場合、金属単
体層（波防ぐるみ体）と鋳造により形成される混在層と
の境界面での完全な溶着一体化を得ることは容易でなく
、また混在層中の粒子の分布が不均一になり易い。

というのは、溶湯は粒子と混合されて鋳込まれるのであ
るから、鋳型内の溶湯鋳造量は、混在する粒子の占める
分だけ少く（従って、溶湯の保有熱量が少く）なり、し
かも粒子の吸熱によりかなりの熱量が奪われる結果、溶
湯の熱量不足によって波防ぐるみ体表面での溶着が不完
全となり、また短時間のうちに溶湯の流動性が失なわれ
ることにより、粒子の均一な凝集が妨げられるからであ
る。

この傾向は溶湯量が少い程、従って層厚の薄い混在層の
形成を望む鋳造においてより顕著に現われる。このよう
な不具合を回避するには、極めて厳密な温度条件の制御
が必要になる。これに対し、本発明方法では、溶湯単体
鋳造により鋳ぐるみを行うので、粒子の混在による溶湯
の熱量不足の問題は全くない。また、層厚のうすい混在
層を望む場合には、所望の薄い層厚に形成された波防ぐ
るみ体を使用すればよく、製品鋳物の全肉厚（混在層層
厚＋金属層層厚）が同じならば、波防ぐるみ体の層厚が
薄い程、相対的に溶湯鋳造量が増加するので、それだけ
溶湯熱量も増大する。従って、波防ぐるみ体と鋳込まれ
る金属とを完全溶着させるだめの特別の製造条件や厳密
な温度制御の必要はなく、比較的容易に、組織的連続性
を有する健全な溶着一体化を完成させることができる。

本発明において波防ぐるみ体として使用される混合体（
ａ）を構成する炭化物粒子および金属の種類は、目的と
する複合鋳物の要求性能に応じて適宜選らばれる。炭化
物粒子の代表例を挙げれば、タングステン炭化物（ＷＯ
、Ｗ２Ｃ）粒子、あるいはタングステンチタン複炭化物
である。これらは各々単独、または任意の組合せで混合
使用してよい。

また、金属の好ましい例としては、コバルト（ＣＯ）、
鉄（Ｆｅ）もしくはニッケル（Ｎ１）、またはこれらの
各金属の任意の２種の組合せもしくは３種からなる合金
が挙げられる。その他適宜の成分組成を有する（支）基
合金、Ｎｉ基合金、Ｆｅ基合金等を使用することができ
、例えば波防ぐるみ体を鋳ぐるむための金属溶湯と同種
の金属（合金）であってもよい。

波防ぐるみ体（ａ）は種々の方法により製造できるが、
例えば、焼結法（常圧焼結、加圧焼結など）を利用し、
炭化物粉末と金属粉末との均一な混合物（必要に応じて
、適量の成形助剤、焼結助剤が配合される）を圧粉・焼
成することにより、均一な混在相を有する所望の形状の
波防ぐるみ体を比較的容易に製造することができる。こ
とに、前記Ｃｏ、ＦｅもしくはＮｉなどの金属またはこ
れらの任意の２種または３種からなる合金粉末と、タン
グステン炭化物もしくはタングステンチタン複炭化物粉
末との混合粉末を原料として成形・焼成された超硬焼結
体は卓抜した耐摩耗性を保証する。また、別法として、
鋳造法を適用し、精密鋳造用焼成モールドなどの保温モ
ールドに、炭化物粒子と金属溶湯を鋳込み、鋳造体とし
て製造することも可能である。

波防ぐるみ体の粒子：金属の混在比率は所望に応じて決
められるが、一般的に７５：２５〜５゜：５０（容積比
）とすることができる。炭化物の粒径は、約４０〜３５
０　ｔｔｍが適当である。

一方、波防ぐるみ体（ａ）を鋳ぐるむための金属は一般
的に鋳鉄、鋼などの鉄系金属である。−例としてＮｉグ
レン鋳鉄が挙げられる。

鋳型（１）の材質に制限はないが、例えば精密鋳造に使
用される焼成モールドを前記図示のようにバックサンド
（４）にてケース（５）内にセットし加熱炉内で、例え
ば５００〜９００°Ｃに予熱された保温モールドとして
鋳造に供すれば、鋳込まれる金属溶湯の鋳型内での熱損
失が低減し、波防ぐるみ体（ａ）との完全な溶着が促進
される点で好ましい。もし、予熱処理において、波防ぐ
るみ体の表面酸化とそれによる溶湯との完全な溶着一体
化が阻害されるような場合には、その表面に例えば銅め
っき等の酸化防止皮膜を施しておけばよい。

鋳型の形状や鋳造要領は前記図示の例に限らない。例え
ば中空筒状の複合鋳物を目的として第５図に示すような
外側壁（イ）と内側壁ａ３とを有する鋳型（１）を使用
する場合には、これを回転台（６）に設置固定し、図示
しない駆動装置にて適当な回転速度（例えば１００〜１
５０　ｒｐｍ　）で支軸（７）のまわりに回転させなが
ら、溶湯の鋳造を行うとよい。ホッパー（３）から流下
する溶湯の鋳型自流下点は、鋳型の回転に伴って順次周
方向に移行するので、鋳型自溶湯温度の部分的な高低が
緩和され、円周方向全体にわたって波防ぐるみ体（ａ）
と金属と十分に溶着した複合鋳物を得ることができる。

次に、本発明の実施例について説明する。

実施例 第１図に示すように、鋳型（１）に波防ぐるみ体位）と
して、ｗ２ｃ粒子とＮｉグレン鋳鉄との均一な混在相を
有する円筒体を装着し、金属溶湯としてＮｉグレン鋳鉄
を鋳造して鋳ぐるみを行い、第２図に示すような形状の
中空円筒状複合鋳物を得た。鋳造条件は次のとおりであ
る。

〔１〕被鋳ぐるみ体 （ｆ）　Ｗ２Ｃ粒子（平均粒径２８ｏメツシユ）とＮｉ
グレン鋳鉄の溶湯を焼成モールドに鋳込み、中空円筒鋳
造体として製造し、表面スケールを除去したのち、酸化
防止のため銅めっきを施して使用。

（１１）粒子：金属−６０：４０（容積比）（ｉｉＤ　
形状（第６図参照）：外径（ＤＩ）　１６０　’ｍｍ、
内径（珈）１３０闘、高さα（）８ｏ朋、体積５４７α
３゜〔２〕溶湯 （１）鋳込温度：１６５０°Ｃ１ （１１）鋳造量：１０＃（押湯量込み）〔３〕鋳型 （１）バックサンド（４）にてケース（５）内に設置し
、波防ぐるみ体製着後、加熱炉内で予熱。鋳造直前の鋳
型温度８５０℃。

（１１）形状（第６図参照）：外径（Ｄｉ）　１６０　
ａｍ、内径（中子径）（珈）８５朋。鋳型肉製品形成部
（高さＨ＝８０ｆｌ）内の空間（Ｓ）容積は６０８０ｆ
ｆ３゜得られた中空円筒状複合鋳物の外側層をなす混在
層（波防ぐるみ体部分）と内側層をなす金属単体層（金
属溶湯鋳造部）との境界面は、全周全長にわたり完全に
溶着一体化していることが確認されｔこ。

比較例として、上記実施例の波防ぐるみ体と鋳造金属と
を逆転させ、上記の金属溶湯が鋳込まれた空間部（Ｓ）
に相当する円筒形状の波防ぐるみ体をＮｉグレン鋳鉄で
製作しく外径Ｄ２１３０ｊ！Ｉ、内径Ｄ３８５朋、高さ
Ｈ８０ｊｆｆ）、これに銅めっきを施して鋳型内に装着
したのち、その外側に混在相を形成するためにＷ２０粒
子とＮｉグレン鋳鉄溶湯（粒子：溶湯の容積比＝６０二
４０）の混合溶湯を鋳込み、その他の鋳造条件は前記と
同一にして第２図のような中空円筒状複合鋳物を得た。

この場合の混在相部分を占める溶湯の容積は、粒子充填
率が６０％（容積比）であるから、２１９Ｃ１ｎ３Ｃ＝
５４７ｃＩｎ３Ｘ０．４）であり、溶湯の鋳造量は７．
５　ｋｇ　（押湯量込み）とした。得られた複合鋳物製
品を切断し断面を観察したところ、外側の混在層（鋳造
部分）と内側の金属単体層（波防ぐるみ体部分）とは殆
んど溶着しておらず、簡単に剥離した。

上記の実施例と比較例とにおける金属溶湯の鋳造量は前
者が６０８ＣＩｎ３であるのに対し、後者は２１９α８
である。従って、同じ形状・サイズの複合鋳物を製造す
るのに、比較例のような方法によったのでは、波防ぐる
み体を鋳ぐるむべき溶拐量が制限され、溶湯保有熱量が
少ないうえに、混合される炭化物粒子に少なからぬ熱量
が奪われるために、完全溶着に必要な熱量の不足をきた
し易く、一方、本発明方法によれば、比較的多量の溶湯
にて鋳ぐるみが行なわれ、かつ鋳造溶湯中に炭化物粒子
を混在させないので、完全溶着を達成するための十分な
熱量を容易に確保することができる。

以１のように、本発明方法によれば、炭化物粒子と金属
１との混在層と金属単体層が境界面で完全に一体化した
複合鋳物が得られる。高価な炭化物は耐摩耗性の必要な
表層部のみに使用されるのでコスト的に有利であり、か
つ金属単体層の特性、とくに強度、靭性をも兼備するの
で、ロール類、その他、耐摩耗性と強度靭性を要する部
材として好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図（１）は本発明の鋳造要領の具体例を示す縦断面
図、同図（１）はその鋳型部の平面図、第２（ＩＩ 図は本発明による複合鋳物の例を示す平面図、同図（１
）はＸ−Ｘ断面図、第３図、第４図は本発明における波
防ぐるみ体の鋳型内装着態様の例を示す縦断面図、第５
図〔１〕は本発明の鋳造要領の他の例を示す縦断面図、
同図（１）はその鋳型部の平面図、第６図は実施例関係
の鋳型部の縦断面説明図、第７図、第８図は従来例の鋳
型内複合鋳物鋳造状況を示す縦断面図である。 １：鋳型、２：取鍋、３：鋳込ホッパー、Ａ：混在層、
Ｂ：金属単体層、ａ：波防ぐるみ体。 代理人　弁理士　宮　崎　新八部 第　１　図 フ 第２図　第３図　第４図 第５（１− 第６図　第７図　第８図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉄系金属単体層と、炭化物粒子と金属との混在層
   を有する耐摩耗円筒状複合鋳物の製造法であって、 炭化物粒子と金属との混在相を有する円筒体を波防ぐる
   み体として鋳型内に装着し、これに鉄系金属溶場を鋳込
   み、該円筒体を鋳ぐるむことを特徴とする耐摩耗複合鋳
   物の製造法。
2. （２）波防ぐるみ体が、タングステン炭化物粉末と、コ
   バルト、鉄もしくはニッケル、またはそれらの任意の２
   種もしくは３種の組合せになる合金の粉末とからなる超
   硬焼結体であることを特徴とする上記第（１）項に記載
   の耐摩耗複合鋳物の製造法。