JPS6199539A - 非鉄クラツド鋳塊およびその製造方法 - 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】 産業上の利用分野 この発明は、融点の異なる異種金属材料からなるクラツ
ド材の素材としての鋳くるみ法によるクラッド鋳塊、特
に芯材として相対的に融点の低い非鉄金属材料を用いか
つ鋳くるみ材として相対的に融点の高い鉄系材料などを
用いた非鉄クラッド鋳塊、およびその非鉄クラッド鋳塊
を鋳くるみにより製造する方法に関するものである。

従来の技術 一般に炭素鋼、低合金鋼、高合金鋼などの鉄系材料の表
面に、その鉄系材料よりも融点の低い各種非鉄金戊材料
をＰｉ覆したクラツド材は、鉄系材料からは得られない
非鉄金属材料特有の優れた特性を発揮できると同時に、
全体を非鉄金属材料で形成した場合よりも格段と安価と
なり、また非鉄金属材料では不足し勝ちな強度面を鉄系
材料で補償できるなど、種々の長所を有し、最近では各
方面で使用されるようになっている。例えばキュプロニ
ッケルとして知られる９０％Ｃｕ−１０％Ｎ１合金で鋼
を被覆したクラツド材は、耐海水性が著しく優れ、しか
も比較的安価なため、海水淡水化装置などに実用化され
、またモネルメタルとして知られる７０％Ｎ＋　−３０
％Ｃｕ合金で鋼を被覆したクラツド材は、耐食性が著し
く優れるため、石油化学プラント等に使用されている。

このようなりラッド材の製造方法としては、従来からオ
ーバーレイ法、組立圧延法、爆着法、あす　　　　るい
は拡散法などが開発・実用化されてし゛る・またクラッ
ドするべき一方の金属材料を芯材として鋳型内に股！し
、他方の金属材料を注湯凝固させて前記芯材を鋳くるむ
、所謂鋳くるみ法（例えば特開昭５８−１１９４７９号
等）も実用化されている。

発明が解決すべき問題点 前述したクラツド材製造方法のうち、オーバーレイ法、
組立圧延法、爆着法あるいは拡散法などにおいては、製
造工程における工数が著しく多く、そのため製造コスト
が極めて高く、また製造工程を自動化するための設備費
が膨大なものとなるため人的作業に頼る工程が多く、し
たがって生産性が低くならざるを得ないなどの問題があ
った。

一方、鋳くるみ法によるクラツド材の製造方法は、量産
のための自動化が容易でまた工数も比較的少なくて済む
ため、工業的凹座規模での生産性が高いという長所は有
するものの、次のような問題があった。

すなわち鋳くるみ法によってクラツド材を製造する方法
は、鉄系材料などの相対的に１１融点の材料を芯材とし
てその芯材を低融点の非鉄金属材料で鋳くるむ方法と、
逆に低融点の非鉄金属材料を芯材としてその芯材を高融
点の鉄系材料で鋳くるむ方法とに大別されるが、前者の
高融点の芯材を用いる方法では、低融点の非鉄金属材か
らなる鋳くるみ材が高融点の芯材となじまずに、その境
界部分で融接不良が生じたり、また芯材表面にスラグが
付着してその部分に接合不良が生じたりすることが多く
、その結果芯材と鋳くるみ材との間の接合強度が不充分
となって製品段階で剥離が生じてしまうおそれがある。

一方後者の低融点の非鉄芯材を用いる方法では、鋳くる
み時において芯材に高融点の鋳くるみ材が充分になじみ
、したがって融接不良が生じるおそれは少ないが、従来
の−ｑ２的な方法では芯材が鋳くるみ時に表面から溶融
して芯材成分と鋳くるみ相成分とが混合し、その程度が
甚だしくなればクラツド材本来の特性を充分に発揮でき
なくなったり、また有害な金ＷＥＥ化合物相などが生成
されたりして、鋳くるみ鋳塊全体を廃棄せざるを得ない
ような’５１Ｒが生じることが多かった。

上述のように生産性、コストの点からは鋳くるみ法が優
れており、そして鋳くるみ法のうちでも特に芯材と鋳く
るみ材との接合強度の点からは低融点の非鉄金属材料を
芯材として高融点の鉄系材料などで鋳くるむ方法が優れ
ているが、鋳くるみ時の芯材の溶融の問題から芯材と鋳
くるみ材との融点の差があまり大きいものには適用でき
ず、そのためクラツド材に使用される素材の種類、特に
芯材としての非鉄金属材料の種類が制約される問題があ
った。

問題点を解決するための手段 前述のような問題を解決するべく、本発明者等は芯材と
して低融点の非鉄金属材料を用い、鋳くるみ材として高
融点の鉄系材料などを用いた場合の鋳くるみ法によるク
ラッド鋳塊の製造において、鋳くるみ時に芯材と鋳くる
み材との間の界面付近で生じる現象について実験・検討
を重ねた結果、次のような事実が判明した。

すなわち鋳型内に非鉄金属材料からなる芯材を配設して
高融点の鋳くるみ材溶瀉を下注ぎにより注入した際には
、先ず芯材表面に接する鋳くるみ材溶湯が急冷されてそ
の界面から詩くるみ材の凝固シェルが成長するとともに
、芯材に訪くるみ打倒からの熱が伝達されて芯材の温度
が上昇し、時間の経過とともに芯材が表面から溶融して
行くが、その溶融した芯材溶湯と未凝固の鋳くるみ材溶
瀾は既に凝固した鋳くるみ材凝固シェルによって離隔さ
れた状態となることを見出した。そしてその場合芯材が
溶融した時点における鋳くるみ材凝固シェルの厚みが未
だ薄ければ、溶融した芯材成分が譚固シェルを破って外
側の未凝固鋳くるみ材溶消中へ漏れ出し、芯材成分と鋳
くるみ材成分とが混合してクラツド材本来の性能を発揮
できなくなることを見出した。このような本発明者等が
新規に見出した事実に着目し、さらに実験を進めた結果
、芯材を設置した鋳型内へ芯材よりも融点の高い鋳くる
み材溶濶を下注ぎで鋳込む際に芯材の融点および鋳くる
み材の液相１１ｍ度に応じて鋳くる（　　　　み材溶湯
の鋳込み温度と鋳くるみ材溶澗のＶＩ型型内部面上昇速
度いわゆる泪上り速度）とをｖＪ御することによって、
芯材溶融開始時の鋳くるみ材凝固シェルの厚みを溶融し
た芯材の漏れが生じない程度に厚くして、芯材成分と鋳
くるみ材成分との混合を防止することができ、特に芯材
と鋳くるみ材との融点差が１５０℃以上と大きい場合で
も良好な品質のクラッド鋳塊が得られることを見出し、
この発明をなすに至ったのである。

具体的には、第１発明は非鉄金属材料を芯材とし、その
芯材と異なる金属材料からなる鋳くるみ材で芯材を鋳く
るんだ非鉄クラッド鋳塊において、芯材の融点が鋳くる
み材の融点よりも低く、かつそれらの融点差が１５０℃
以上あることを特徴とする非鉄クラッド鋳塊を提供する
。

また第２発明は、第１発明の非鉄クラッド鋳塊を製造す
る方法であって、非鉄金属材料からなる芯材を鋳型内に
設置し、その鋳型内に芯材よりも高融点の鋳くるみ材溶
湯を下注ぎにより鋳込むにあたり、芯材の融点および鋳
くるみ材の液相線温度に応じて鋳くるみ材溶凛の鋳込み
温度および鋳型内ｉ面上昇速度をｖＪ　ｌすることを特
徴とするものである。

こで第２発明の方法を実施するにあたってその具体的制
御手法としては、芯材の融点Ｔｏ　（”Ｃ）と、鋳くる
み材の鋳込み温度と液相線温度との差ΔＴ（℃）と、鋳
型内湯面上昇速度Ｖ（ａ／■〉との関係が、次の（ｉ）
式もしくは（ｉｉ）式を満足するように制御すれば良い
。

６１６４０℃のとき、　　　　■≧０．１５　　　　・
・・（＋）ΔＴ〉４０℃のとき。

■≧０．１５　＋　（０，０２３９５−１，６５ｘ１０
’　ｘＴｏ　）　（ΔＴ−４０）　　・（Ｂ）発明の詳
細な説明 この発明は、前述のように低融点の非鉄金属材料を下注
ぎ法で高融点の鉄系材料等の鋳くるみ材により鋳くるむ
際には先ず芯材と接する部分から鋳くるみ材溶渇が凝固
開始して凝固シェルが形成され、その後芯材表面の溶融
が開始される迄に成長した鋳くるみ材凝固シェルの厚み
が、芯材成分の鋳くるみ打倒への漏れの発生に影響を及
ぼすとの知見に基づき、その芯材成分の漏れが生じない
ような厚みの初期鋳くるみ材凝固シェルを生成するに必
要な条件を、次に記すような伝熱計算結果や実際の訪込
み実験により見出してなされたちのである。

すなわち第１図は芯材として融点１３４０℃のＮｒ−ｃ
ｕ金合金用い、鋳くるみ材として液相Ｉ’１１文１５２
０℃の炭素鋼を用いて芯材を鋳くるむ際に、芯材表面が
溶融開始するまでの時間内に成長する鋳くるみ材溶涌の
凝固シェル厚に及ぼす鋳造要因、特に鋳くるみ材ＷＪ濶
の鋳込み温度とその鋳くるみ材の液相Ｉ温度との差〈す
なわち所謂溶浦過熟度）ΔＴと、芯材表面の初期温度と
が鋳くるみ材の前記凝固シェル厚に及ぼす影響について
伝熱モデル計算した結果を示すものである。なおここで
芯材表面の初期温度とは、鋳くるみ材溶湯と接する際の
芯材表面温度に相当し、したがって後述するように芯材
の位置によって異なる温度となる。

第１図かられかるように、溶澹過熟度Δ丁が大きいほど
、すなわち鋳くるみ材の鋳込み温度がその鋳くるみ材の
液相線温度より品いはと凝固シェル厚は薄くなり、しか
も芯材表面の初期温度が高いほど凝固シェル厚は薄くな
る。ここで芯材表面のｉ度は鋳くるみ材注瀧間始前まで
は常温であるが、鋳くるみ材の鋳込み開始とともにその
鋳くるみ相溶ｉに未だ浸漬されていない部分にも溶湯か
らの輻射熱が加わり、かつ溶湯に浸漬された部分から芯
材高さ方向への熱伝導が開始され、鋳くるみ相溶瀉のＩ
面上昇に伴なって未浸漬部分の温度が上昇し、前記の芯
材表面初期温度が高くなる。

そして芯材表面初期温度の上昇は、上記輻射熱と熱伝導
の影響を最も長時間受ける芯材頭部で最も顕著となり、
その程度は湯面の上昇が遅いほど大きくなる。すなわち
鋳くるみ相溶瀾の鋳型内における表面上昇速度が芯材表
面初期濃度に大きな影響を与えるものと考えられる。

そこで本発明者等は、前記同様に鋳くるみ材として液相
線温度１５２０℃の炭素鋼を用いて融点１３４０℃のＮ
ｉ−Ｃｕ合金の芯材を下注ぎ法で鋳ｔ　　　＜　８　Ｇ
　ｍ　′）Ｘ　ｕ　Ｍ　Ｗ　’　”　’　”　”　’　
Ｋ　”　”　’　”　’度との関係を実際の鋳込み実験
で調べたところ、第２因に示す結果が得られた。またこ
の実験においては、鋳塊の１，７２幅で縦方向に破断し
、その断面のマクＯ組織を観察して、芯材表層部の鋳く
るみ材側への溶融漏れの有無を調べた。その溶融漏れが
認められなかった鋳塊を０印で示し、また溶ａｌｌれが
求められた鋳塊を・印で示す。

第２図から明らかなように、芯材頭部の表面初期温度は
湯面上界速度の増加に伴ない放物線状に低下することが
認められた。そして芯材表面初期温度が３００℃以上で
は芯材表層部の溶融部分が鋳くるみ材側へ漏れたことが
判明した。これらの結果から、芯材表面の初期濃度上昇
は湯面上界速度が大きい程、小さくすることができ、そ
れに伴なって芯材溶＠漏れが防止できることが明らかと
なった。

以上の結果に基づき、さらに本発明者等は液相線温度１
５２０℃の炭素鋼を鋳くるみ材として用い、芯材として
のＮｉ−Ｃｕ合金の成分比を種々変化させてその融点を
１０００〜１３００℃の範囲内で変化させ、実操業膚模
の５を鋳塊（高さ１．５１１１）ｌ込用下注ぎ鋳型を用
いて鋳込実験を行なった。そしてこの実験において鋳く
るみ相溶１の鋳込み温度および泪面上昇速度を種々変化
させ、得られた各クラッド鋳塊をＦ！！断して芯材表層
部の溶殖Ｒ生状況お上び溶融した芯材成分の鋳くるみ材
！１への門れの有無を調べた。その結果をｍ　ｉ３過熱
度Δ丁、すなわち鋳くるみ材の鋳込み温度と液相ηと度
との差へＴと、湯面上界速度と対応（）て第３図、第４
図に示す。ここで第３図は芯材の融点が１３４０℃の場
合、第４図は芯材の融点が１００５℃の４１合を示し、
またこれらの図においてＯ印ｔユ芯材表ｍ部の溶融は認
められたものの鋳くる７五寸閂へのｉれが認められなか
った場合を示し、う印は門れが認められた場合を示す。

第３図、男４図から、芯材成分の鋳くるみ材側への１机
を防止するためには、鋳込み溶湯過熱ヴ△丁と鋳型内−
面上昇速度＼ｌどの組合せに適切な１罰が存在すること
が明らかであり、その範囲は芯材のＩ！！！点によって
すなることがわかる。すなわｆ５鋳込み過！′！度ΔＴ
が４０℃以下の場合には湯面上界速度■が０．１５ｍ、
’甫以上であれば芯材の帛点（、二無関係に芯材成分の
肩れを防止できるが、鋳込み溶濶過熟度ΔＴが４０℃を
越える場合に芯材成分の漏れを防止するためには、鋳込
み溶湯過熱度ΔＴが大きくなるほど湯面上昇速度■を大
きくしなければならず、しかも芯材の融点が低いほど１
面上昇３１度■を大きくしなければならない。このよう
な関係を整理して、芯材成分の鋳くるみ材側への漏れを
防止するために必要な鋳込み溶湯過熱度Δ丁と湯面上昇
速度Ｖ（ｉ／ｍ）との関係式を芯材の融点Ｔｏ（℃）の
関数として求めれば、次の（ｉ）、（ｉｉ）式が得られ
る。

ΔＴ≦４０℃のとき、　　　　■≧０．１５　　　　・
・・（ｉ）ΔＴ〉４０℃のとき。

Ｖ≧０．１５　＋　（０，０２３９５−１，６５ｘｌＯ
’　ＸＴｏ　）　（ΔＴ−４０）　　−（ｉｉ）ここで
鋳込み溶溌過熟度ΔＴは既に述べたように誘くるみ相溶
湯の鋳込み温度と鋳くるみ材の液相線温度との差で与え
られる。したがって芯材の融点ＴＯおよび鋳くるみ材の
液相線温度に応じて鋳くるみ材１瀉の鋳込み温度および
湯面上昇速度Ｖヲｉ！１ＩＪｔｌＤｔルコトニＪ：ツＴ
　（ｉ　）　式、（ｉｔ）　式ヲ満足させることができ
、このように副葬することにより芯材成分の訪くるみ打
倒への漏れを防止し、良好な品質のクラッド鋳塊を得る
ことが可能となるっそして特に芯材の融点が鋳くるみ材
の液相線；」度より著しく低く、その融点差が１５０℃
以上ある場合でも芯材成分の鋳くるみ打倒への漏れを防
止し、クラツド材本来の特性を発揮することが可能とな
るのである。

ここで、鋳くるみ材よりも低融点の芯材を用いた梼くる
みクラッド鋳塊について、従来から提案されている方法
による鋳塊とこの発明の方法によるｎｉｌの例における
る材と鋳くるみ材の融点差を第１表に示す。

第１表に示すように従来法（１）、（２）は、ステンレ
ス圀からなる芯材ｌ二中炭素鏑を鋳くるんｊどクラツド
鋼、従来法（３）は高炭素鋼の芯材に低炭素４ｇを鋳く
るんだクラツド鋼であり、いずれも芯材と詩くるみ材と
の融点差は１５０℃より小さい。一方侵述する実施例１
．２に示す本光明法によるものは融点差が１５０℃と著
しく大きく、この発明はこのように融点差が１５０℃以
上の低ｌ！点非鉄芯材を高融点賃くるみ材で鋳くるむ方
法を確立したのである。

なお但忌点非鉄芯材としては上記のＮｉ−Ｃｕ合金に限
らず、最終的に要求される特性に応じて任意のものを通
訳でき、また鋳くるみ材は炭素項、：氏合金′、１、高
合金恨などの鉄系材料を使用するのが通常であるが、も
ちろんそれに限定されるものではない。

実施１カ 実乃例　１ 第１　ａ　Ｌ　示シタようニルＢ点１３　ｌｌ　Ｏ℃（
’）　７０％Ｎ＋−３０％ＣＩＪ合金を芯材とし、液相
０温度１５２０℃の０．１２％炭素鋼を鋳くるみ材とし
て次のようにクラッド鋳塊を製造した。

すなわち前記ｊ’Ｊｉ−ＣＬＩ合金からなる厚さ１１０
ｍ＋ｑ、幅１１０５０ｒ、長さ１５１０ａの芯拐仮を下
注ぎ鋳型の厚さ中心と鋳型内壁との間の中央に懸垂保持
し、前記鋳くるみ材の層温を、鋳込み溶２名過熱度ΔＴ
−６０’で１面上昇速度を０．１５１ｔｌ／ｃＪｌＯ，
３０ｍ／　−１０，４５ｍ／ｓの３段階に変化させて下
注ぎ法により鋳込み、各鋳塊を分塊圧延してスラブとし
た。祷塊高さ方向のトップ、ミドル、ボトムに相当する
スラブからサンプルを採取し、そのＣ断面を切削研摩後
、マクロ組織を検出させ、芯材と鋳くるみ材との界面性
状および芯材成分の鋳くるみ打倒への漏れ発生状況を調
べた。その結果を第２表に併せて示す。なおここで溶溌
過熱喧ΔＴ＝６０℃における湯面上昇速度０．１５ｍ／
　ｙ）の条件は、前記（ｉ；）式を満足しない比較倒、
肩面上昇速度０，３ｆ）ｅ／−の条件および０．４５４
＋／ｍｔｎの条件はそれぞれ前記（ｉｔ）式を満足する
本発明例である。

第２表 第２表から明らかなように、この発明の方法による場合
、芯材成分の坊くるみ打開への漏れは全く認められなか
った。

実施例　２ 第１表に示したように融点１０８５℃の１０％＼１−９
０％Ｃｕ合金を芯材とし、液相線温度１５２０℃の０．
１２％炭素鋼を芯くるみ材として次のようにクラッドｔ
ｉＢＡｔ製造した。すなわち実施例１の場合と同様に寸
法の芯材板を下注ぎ鋳型にす　　　おｉプる鋳型内厚さ
中心と鋳型内壁と０間の中央９恕垂保持し、坊くるみ相
溶渇を鋳込み溶あ過熱度ΔＴ＝５０℃で肩面上昇速度０
，１５ａ＋、’６．０．３００１り、０．０．４５ｍ／
論の３段重で変化させて下注ぎ法で鋳込み、各鋳塊を分
塊圧延法によりスラブとした。そして実施例１と同様に
鋳塊高ざのトップ、ミドル、ボトムに相当するスラグか
らサンプルを採取し、そのＣ断面のマクロ組識３観京し
て、芯材上くるみ材との界面は吠と芯材成分の鋳くるみ
打開への漏れ発生状況を調べた。その調査Ｆ８果も実施
例１とほぼ同様であり、この発明の方法では芯材成分の
鋳くるみ打開へのδれが認められないことが確認された
。

発明の効果 以上の説明で明らかなようにこの発明によれば、低融点
の非鉄金属０料からなる芯材を融点性が１５０℃以上の
高融点の鉄系材料などの訪くるみ材で鋳くるむにあたっ
て、低助点芯０戊分の鋳くるみ打開への割れが生じるこ
とが有効に防止され、したがって芯材成分と坊くるみ材
成分とがは合した不良鋳塊を生じることなく、融点差１
５０℃以上の低融点非鉄芯材−高ｆｄ　ｐ　ｇ９　＜る
み材を用いた非鉄クラッド鋳塊の良品を硼実かつ安定し
て１！ろことかできる。そしてまたこの発明によれば、
上述のように融点差の大きい非鉄クラッド鋳塊を実涼に
製造することか可能となるため、素材の成分、！）頴が
制÷りさ４することなく、用途に応じて種々のフラッド
１フ：鬼を；ワることが可能となる効果も得ら）しる、 ４、口面の口ルな説明 第１３１よ芯材表面から成長する詩くるみ材の凝固シェ
ルの芯ソ溶Ｑｎ袷時までの厚みに及ぼす鋳くるみオｉ５
込み石、ｕＹ度（ΔＴ）と芯材表面の？乃明、ａ度の彰
で；二ついて、伝熱モデル計算拮果（こニづいて示す検
図、′：ｆ４２図は芯材表面初朗１度に）：Ｊζ長込み
溶；りの：１面上４迷度の影響と芯材成ａの１４＜るみ
ｊ３　ｐＨｊ＼のＪれ状況の関係を示す相関図、第３図
は芯ソな膚が１３４０℃の場合におけご、詩込み７携ｙ
５スき度（ΔＴ）および場面上昇速度と芯材成分の１３
りるみ打開への濡れ発生状況との閃保を示す相関図、第
４図は芯材融点が１０８５６の）易合における鋳込み溶
滉過熟度（ΔＴ）およτブ、を面上昇速度と芯材成分の
鋳くるみ打開への漏れ発生状況との１ＳｒＩ係を示す相
関図である。

第１図 ＠Δ〃水）望給度ΔＴ（℃） 第２図 イ　　　００．２　０．４０．６　０．８　１．０渦市
Ｊ：昇左友”’／ｍ１ｎ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）非鉄金属材料を芯材とし、かつその芯材と異種の
   金属材料からなる鋳くるみ材で前記芯材を鋳くるんだ非
   鉄クラッド鋳塊において、前記芯材の融点が鋳くるみ材
   の融点よりも低く、かつその融点差が１５０℃以上であ
   ることを特徴とする非鉄クラッド鋳塊。
2. （２）非鉄金属材料からなる芯材を鋳型内に設置し、そ
   の鋳型内に、前記芯材よりも融点が高い異種金属材料か
   らなる鋳くるみ材の溶湯を下注ぎにより鋳込むにあたり
   、芯材の融点および鋳くるみ材の液相線温度に応じて鋳
   くるみ材溶湯の鋳込み温度および鋳型内湯面上昇速度を
   制御することを特徴とする非鉄クラッド鋳塊の製造方法
   。
3. （３）前記鋳くるみ材溶湯を鋳込むにあたり、芯材と鋳
   くるみ材との融点差を１５０℃以上とし、かつ芯材の融
   点Ｔ＿ｏ（℃）と、鋳くるみ材溶湯の鋳込み温度と液相
   線温度との差ΔＴ（℃）と、鋳型内湯面上昇速度Ｖ（ｍ
   ／ｍｍ）とが次の（ｉ）式もしくは（ｉｉ）式を満足す
   るように制御する特許請求の範囲第２項記載の非鉄クラ
   ッド鋳塊の製造方法。 ΔＴ≦４０℃のとき、　Ｖ≧０．１５・・・（ｉ）ΔＴ
   ＞４０℃のとき、 Ｖ≧０．１５＋（０．０２３９５−１．６５×１０＾−
   ＾５×Ｔ＿ｏ）（ΔＴ−４０）・・・（ｉｉ）