JPS6046857A - 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が均一に混在し、強固に
結合した複合組織を有する複合鋳物の製造方法に関する
。

金属溶湯とそれより比重の大きい炭化物粒子、例えば鉄
系金属溶湯とタングステン炭化物粒子とを鋳型内に鋳造
し、比重差で粒子を下方に沈積させることにより、第７
図に示すように鋳型（１）内に炭化物粒子が比重分離さ
れた実質的に金属溶湯のみからなる金属相部分（Ｂｌの
下層に、凝集した炭化物粒子（Ｐ）群と、その粒子間隙
を満たす金属（財）とから成る複合相部分ｃＡ）が形成
される。凝固の後、その鋳造体を鋳型から取出し、金属
相部分（Ｂｌを切断除去すれば、複合相部分（Ａ）を複
合鋳物（製品）として得ることができる。この複合鋳物
の製造法について本発明者等はすでにいくつかの提案を
行った（特願昭５７−１４３１２０号、同５７−１４３
１２２号、同５８−１９５７号など）。

こうして得られる複合鋳物は、緻密に凝集した炭化物粒
子と金属との強固な結合関係によって、炭化物粒子と金
属の各特性を兼備し、ことに耐摩耗性と靭性とにすぐれ
る。

しかし、その複合組織を詳しく観察すると、製品の部位
により粒子の形態に次のような差異がある。すなわち、
第７図において複合相部分（５）の下部付近（ｍ＋では
、第９図に示すように、各粒子［Ｐｌは健全な粒形態を
有しているのに対し、上部（η）における粒子ｆＰｌは
第８図のように粒径が不均一であり、部分的に崩壊して
いるように見える。この粒子の崩壊率（崩壊した粒子の
占める割合）は、鋳造条件にもよるが、約４０〜５０％
に及ぶ。従って、複合鋳物（製品）の健全性・均質性を
保証するには、炭化物粒子の部分的崩壊により組織的均
一性を欠く上部を余分に切断除去することが必要になる
。しかし、それでは製品歩留りが低下し、コストの増大
をまねく。

本発明は、炭化物粒子の粒形態の健全性を保持させて複
合相部分の全体にわたって均質な複合組織を形成させよ
うとするものである。

前記炭化物粒子の崩壊の原因を種々検討するに、それは
金属溶湯中に添加された炭化物粒子が、溶湯との結合を
なすに必要な量をこえる過大な熱エネルギーを溶湯から
受けたことによると考えられる。これを実際の鋳造過程
で考察すると、前記第７図において、金属溶湯が（ロ）
面まで鋳込まれた時点から炭ｆヒ物粒子の鋳込みを開始
すると仮定すれば、最初に鋳込まれた粒子は溶湯中を（
ロ）面から底部ば）まで沈降し、最後に鋳込まれる粒子
は溶湯中を（／Ｘ）面から（ロ）面まで沈降することに
なる。このときの鋳型内の溶湯温度は下方にあるほど低
く、上方にいくにつれ高い。それは、当初鋳込まれる溶
湯が、鋳込み経路であるホッパーや鋳込樋、あるいは鋳
型内壁と接触して少なからぬ熱量が奪われるのに対し、
後続する溶湯が鋳込まれる際には、鋳込み経路や鋳型は
先の溶湯で加熱されており奪われる熱量が少いからであ
る。実専の鋳造において初期の溶湯の降温を補償しよう
とすれば、溶湯の鋳造温度を高目に設定しなければなら
ないため、奪われる熱量の少い上方の溶湯はやや過熱気
味となる。

このため、初期に鋳込まれた溶湯中の炭化物粒子は特に
異変を生じることなく健全な粒形態を保持したまま沈積
・凝集するのに対し、遅れて投与される粒子は比較的高
温の溶湯中を沈降し、ことに最後に投与される粒子は、
（ハ）から（ロ）まで（この距離は通常、４〜口よりも
長い）の高温溶湯中を通過する間に過大の熱エネルギー
が与えられる結果、前記のような分解を生じるものと考
えられる。

従って、炭化物粒子の分解防止策としては、前記第７図
における金属溶湯の（口１−ｒ）１間距離を短くするか
、溶湯温度を鋳込初期で高く、終期に低くなるように調
節するか、あるいは鋳型の予熱温度、　を下部で高く、
」一部で低くする、等の方法が考えられるが、（口１−
（／１１間距離の短縮は、押湯量の確保、鋳型内溶湯全
体の熱量確保の点で制限があり、溶湯温度の調節は実際
上困難であり、また鋳型の上・下部の予熱温度に差異を
もたせるにしても実質的な効果を生じるほどの温度差を
与えることは容易でない。本発明は、炭化物粒子の鋳込
温度（予熱温度）の調節により、溶湯中における炭化物
粒子の期壕を実質的に完全に防止することを可能にした
ものである。

本発明の鋳造方法は、炭化物粒子の鋳込温度を、その鋳
込初期には高＜シ、後記に低くなるように温度勾配をも
たせて鋳造することを特徴とする。

すなわち、鋳型内の溶湯温度が比較的低く、かつ溶湯量
が少い（従って、保有熱量も比較的少い）鋳造初期の段
階では、粒子の鋳込温度を高くすることにより、粒子の
吸熱に伴う溶湯の急激な降温・粘稠化を防止する一方に
おいて、鋳造後期では粒子の鋳込温度を低くすることに
より、粒子に対−する高温溶湯からの過大な熱影響を緩
和してその崩壊を防止するのである。

本発明における炭化物粒子の鋳造開始から終了に到る間
の鋳込温度の経時変化は連続的であってもよく、また断
続的であってもよい。第１図および第２図にその例を示
す。第１図は鋳込温度を連続的に低くした例、第２図は
断続的に低くした例である。

炭化物粒子の適正な鋳込温度は、溶湯の比熱、凝固温度
、粒子の比熱、溶湯と粒子の鋳造量の比、粒子と溶湯の
単位時間当りの鋳造量（鋳造速度）の比等の鋳造条件に
より一様ではないが、例えば溶湯が鋳鉄などの鉄系合金
、炭化物粒子がタングステン炭化物粒子であって、複合
相部における粒子と金属の占める容積比が６５：３５〜
７５：２５（粒子：金属）であるような複合鋳物の鋳造
において、溶湯の鋳込温度が鋳造開始から終期まで約１
５５０〜１６５０℃内でほぼ一定とする場合、粒子鋳造
初期における鋳込温度を約４００〜５００℃、鋳造終期
では約２５０〜３５０℃とし、初期と終期の温度差が約
１５０℃前後となるように調節することにより好結果を
得ることができる。

炭化物粒）の鋳造は、溶湯の鋳造開始と同時に始めても
よいが、適量の溶湯が鋳込まれたのち、とくに鋳型内の
複合相部分が形成される領域（製品形成部）が溶湯で満
たされたのちに開始することは、製品の清浄度を高める
ために好ましいことである。それは、溶湯の鋳造開始当
初から炭化物粒子を鋳込むと、炭化物粒子の吸熱による
溶湯の降温・粘稠化（溶湯量の少い鋳造初期に著しい）
のため、鋳型内のスカム（溶湯に付随して取鍋から流入
したものや、鋳造時の溶湯の酸化により生成したもの）
の浮上分離が妨げられ、製品内部に残留することがある
が、溶湯面が製品形成部の頂部（前記第７図の（ロ）面
）まで鋳込まれたのちに、粒子の鋳造を開始すれば、た
とえスカムの浮上分離が妨げられるにしても、スカムが
残留するのは金属相部分（Ｂｌ内であって、製品部（３
）への実害は回避されるからである。粒子の鋳込終了時
期は、溶湯の鋳込終了とほぼ同時であるのが好ましい。

溶湯と粒子の鋳造速度の比（粒子の鋳造速度／溶湯の鋳
造速度）は、一般に約０．４〜１．２程度であってよい
。

本発明の鋳造に使用される金属および炭化物粒子の種類
は、目的とする複合鋳物の用途・要求性能に応じて適宜
選択される。金属としては、代表的には鉄系合金、例え
ばニハード鋳鉄が挙げられるが、そのほかコバルト（Ｃ
ｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、あるいはＣｏ系
合金、Ｎｉ系合金などが使用される。炭化物粒子の代表
例を挙げれば、タングステン炭化物（ＷＣ，Ｗ２Ｃ）粒
子、あるいはタングステンチタン複炭化物粒子などであ
る。

これらは単独または任意の組合せの混合物として使用し
てよい。

炭化物粒子の鋳造温度を調節するための粒子の予熱は適
宜の方法で行えばよい。加熱の際に粒子表面の酸化が開
蓋になる場合には、不活性ガス雰囲気下で加熱処理して
もよく、更に好ましくは予め粒子表面に、例えばＮ１−
Ｂ無電解めっきなどによる酸化防止皮膜を施したものが
使用される。

炭化物粒子は、溶湯中での沈降・凝集促進の点からは粒
径の大きいもの程有利であるが、形成される複合組織の
材質を考慮すると、約４４〜３５０μｍの範囲のものが
好ましい。

本発明における炭化物粒子の鋳造量は、目的とする複合
相部（製品部）を形成するに足る量であればよく、その
複合相部における炭化物粒子の占める割合は、粒子の種
類・粒径、溶湯との比重差にもよるが、容積比で表わせ
ば、おおむね粒子：金属−６５：３５〜７５：２５であ
る。一方、金属溶湯は前記図示のように、製品部の形成
に足る量をこえて余剰に鋳込まれる。これは主として製
品部の凝固収縮に対する溶湯補給を目的とするものであ
るが、更にそれよりも多口に鋳造すれば、それに伴う鋳
型内溶湯の保有熱量の増加により、炭化物粒子の沈積完
了まで溶湯の粘稠ｆヒが遅延し、粒子の完全な凝集と組
織の緻密化が促進される点で有利である。

本発明における炭化物粒子と金属溶湯の鋳造は、例えば
、第３図に示すように、鋳型（１）の上部開口端に鋳込
みホッパー（２）の鋳込樋１２１）をのぞませ、取鍋（
３）からの溶湯（Ｍ′）と炭化物粒子投与治具（４）か
らの炭化物粒子（Ｐｌとを各々その流量（鋳造速度）の
適宜制御下に、該ホッパー内で混合させながら、あるい
は、粒子投与治具（４）を直接鋳型（１）の開口部にの
ぞませて、溶湯と粒子とを各別に鋳型内に鋳込むことに
より行われる。また溶湯中での粒子の沈降・凝集の促進
と複合組織の緻密性を改善するために、鋳型に適当な加
振装置を連結し、鋳造過程で適時、連続的もしくは断続
的に振動を付加することも効果的である。

むろん、鋳造体の形状は中実体に限られるわけではなく
、例えば中空筒状体の鋳造も可能である。

第４図はその例を示す。その鋳造要領は前記のそれと特
に異なる必要はないが、鋳型内円周方向にわたる炭化物
粒子の均等な分布と溶湯温度の均等化に注意すべきであ
り、このためには、図示のように、鋳型（１）を回転台
（５）に設置し、図示しない回転駆動装置にて支軸（５
１）のまわりに適当な回転速度で回転させながら鋳造を
行うとよい。こうすれば、炭化物粒子（Ｐｉは鋳型内の
円周方向にまんべんなく分散投与され、また周方向にお
ける溶？！　温度分布のかたよりを回避することができ
る。

中空筒状鋳物を目的とする鋳造の別法として、第５図の
ように、半球形状頂部Ｏ２を有する中子αＢが設けられ
た鋳型（１）を使用し、ホッパー（２）から流下する溶
湯および粒子を、中子の半球形状頂部の中心に指向させ
ながら鋳造を行うこともできる。

中子の頂部中心に衝突した溶湯と粒子は、頂部中心から
放射状に鋳型内円周方向の各部に連続的に分散投与され
るので、円周方向における炭化物粒子や溶湯温度の均一
な分布状態のもとに鋳造を完了することができる。もし
、中子頂部中心からの放射状分散に若干のかたよりがあ
る場合には、前記第４図のような鋳型の回転操作を併用
して分散のかたよりを周方向に均等化すればよい。

」二記各鋳造態様において、炭化物粒子の予熱は、例え
ば粒子投与冶具（４）に付設された図示しない加熱源に
て加熱温度を経時的に変化させ、あるいは粒子投与治具
の外部で所定温度に加熱された粒子を順次治具内に補給
しながら鋳造に供することにより粒子の鋳込温度を前記
のように調節すればよい。また、粒子の鋳造速度は、投
与治具に設けられた流量調節機（４１）により、溶湯の
鋳造速度は取鍋（３）の傾動角度の調節により、各々所
望の値に設定することができる。

なお、鋳型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（１）を前記図示のようにバック
サンド（６）とともにケース（７）内に設置し、これを
加熱炉内で加熱して例えば、５００〜９００℃に予熱さ
れた保温モールドとして使用することもできる。

次に、本発明の実施例について説明する。

実施例 第５図の鋳造装置において、ニハード鋳鉄溶湯とタング
ステン炭ｆＬ物（Ｗ２Ｃ）粒子とを下記の鋳造条件で鋳
込み、第６図に示す形状の鋳造体を得、これを鋳型（１
）から取出し、金属相部分（Ｂｌを切断除去して複合相
部分（Ａｌを中空筒状鋳物製品として採取した。

〔１〕　鋳型（焼成モールド） （１）バックサンド（６）にてケース（７）内にセット
し加熱炉にて予熱。鋳造直前の温度６００°ｃ。

（ＩＩ）形状（第６図参照）：外径（Ｄｌ）１８０ｍｍ
、。

中子径（Ｄ　２　）　１００　ｍ　ｍｏ〔２〕　ニハー
ド鋳鉄溶湯 （１）化学成分組成：Ｃ３，１０％、ＳｉＯ，７３％、
Ｍｎ０．６８％、　Ｃｒ　１．５２％、Ｎｉ４．４６％
、Ｍ。

０．３８％、残部Ｆｅ （１１）溶湯温度：１６００°Ｃ Ｃ３］　Ｗ２Ｃ粒子 （１）粒径：平均２８０メツシユ （１１）鋳造Ｒ＝鋳型内の（イ）−（ロ）間の製品形成
部（Ｈ１＝　８０ｍｍ）に複合相（粒子：金属−７０＝
３０（容積比）が形成される量。

〔４〕　鋳造手順 溶湯の鋳造を先に開始し、湯面が製品形成部頂面（ロ）
に達した時点から粒子の鋳造を開始し、湯面がβ）（Ｈ
２＝３５０ｍｍ）に到達したときに、溶湯・粒子の鋳造
を停止した。粒子の鋳込温度は鋳造開始時：４５０℃、
１／４経過時：４００℃、２／４経過時＝３５０℃、終
了時：３００℃である。なお、粒子・溶湯鋳造速度比は
ほぼ０，９の一定値である。

得られた複合鋳物製品は、底部（イ面）から頂部（口面
）まで全体にわたり健全な粒径層を有する均質な複合組
織が認められる。その頂部から１０ｍｍ下方の肉厚中心
における炭化物粒子の崩壊率はわずか５９６である。

対照として、炭化物粒子の鋳込温度を常時４５０℃の一
定値に設定し、それ以外は前記と同一の鋳造条件で複合
鋳物製品を得た。この鋳物の上記と同じ部位における粒
子の崩壊率は４５％と、多量の粒子の崩壊による組織的
な不均一性が観察された。

以上のように、本発明によれば、炭化物粒子の崩壊とそ
れに伴う組織の不均一化を実質的に解消し、健全性にす
ぐれた複合鋳物を高歩留りで製造することができる。本
発明により得られる複合鋳物はロール類、その他耐摩耗
性や靭性等が要求される用途に好適であり、そのすぐれ
た均質性により耐久性・安定性の向上に寄与する。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はそれぞれ本発明における炭化物粒子の
鋳込温度の制御例を模式的に示すグラフ、第３図は鋳造
要領の例を示す縦断面図、第４図ＣＩＩＩ、９ 第５図〔■〕は鋳造要領の他の例の縦断面図、第４図Ｃ
ｒＤ、第５図ＣｒＩ］は鋳型部分の平面図、第６図、第
７図は鋳型と鋳造体の縦断面説明図、第８図、第９図は
複合組織の模式的拡大図である。 １：鋳型、２：鋳込ホッパー、４：粒子投与治具、Ｍ：
金属、Ｐ：炭化物粒子、Ａ；複合相部分（複合鋳物製品
）、Ｂ：金属相部分。 代理人　弁理士　宮崎新式部 （１６１ 第６図　第７図 第８図 第９図 −３３８＝

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属溶出と該溶湯より比重の大きい炭化物粒子と
   を鋳型内に鋳込み、比重差により炭化物粒子を沈降させ
   て、炭化物粒子が比重分離された実質的に金属溶湯のみ
   の金属相の下部に、沈降凝集した炭化物粒子と金属溶湯
   からなる複合相を形成せしめ、凝固後、金属相部分を切
   断除去して下部の複合相部分を複合鋳物製品として得る
   鋳造法において、 炭化物粒子の鋳込温度を、その鋳込初期から終期にわた
   り連続的もしくは断続的に降下させながら鋳造すること
   を特徴とする複合鋳物の製造法。
2. （２）鋳型内の複合相が形成される部分に溶湯が充填さ
   れたのち、炭化物粒子の鋳込みを開始することを特徴と
   する」二記第（１）項に記載の複合鋳物の製造法。
3. （３）金属が鉄系金属、炭化物粒子がタングステン炭化
   物および／またはタングステンチタン複炭化物であるこ
   とを特徴とする」二記第（１）項または第（２）項に記
   載の複合鋳物の製造法。