JP4010114B2

JP4010114B2 - 遠心鋳造方法

Info

Publication number: JP4010114B2
Application number: JP2000599536A
Authority: JP
Inventors: 健司市野; 智也小関; 高明豊岡
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2020-02-15
Also published as: KR100665767B1; WO2000048766A1; KR20010041200A

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心鋳造方法に関し、とくに、遠心鋳造製品にラミネーション偏析などの組織不均一を発生させない遠心鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば鉄鋼圧延用ロールでは、そのロール外殻層（被圧延材と接触する円筒状部分）は、製造コスト低減や省エネルギーの観点から、軸心を中心として回転する鋳型に溶融金属を鋳込む所謂遠心鋳造法により製造するのが有利である。
従来の遠心鋳造法では、なるべく静かに凝固させるほうがよいという基本思想から、外力がなるべく作用しないように、鋳型回転数を一定に精度よく保持しかつ鋳型振動を抑えて鋳込むことが通例であった。
【０００３】
なお、特許第2778896号公報には、ロール外殻層の組織を微細かつ均一にして耐肌荒れ性、耐クラック性を向上させるために、鋳型への溶融金属（溶湯）の供給温度（鋳込み温度）を初晶生成温度Tc（℃）からTc＋90（℃）にかけての温度域に保って平均積層速度（鋳込み速度）を２〜40mm/分に管理する遠心鋳造方法が開示されている。このようなロール外殻層の組織の均一化を狙った発明でも、鋳型回転数は、溶湯表面の遠心力の重力倍数が一例では140Ｇ、他例では120Ｇとなるよう、一定の値に設定されている。
【０００４】
遠心鋳造における凝固過程では、鋳型の半径方向に帯状あるいは斑状の層をなすバンド状偏析（ラミネーション偏析と称す）が生成する。例えば遠心鋳造された熱延用ロールでは、図３に示すように、ロール外殻層１内に、デンドライト（基地）の濃化部（基地濃化層２）と硬質な炭化物の濃化部（炭化物濃化層３）とが交互に積層された形態のラミネーション偏析が形成される。これらの濃化層は30〜100mm程度の肉厚内に２〜６本程度生じることが多い。
【０００５】
かかるラミネーション偏析は、圧延に使用中、磨耗に応じて幾度も研削されるロール外殻層の磨耗面あるいは研磨面に偏析模様となって現出し、ロールの耐肌荒れ性や耐クラック性などのロール特性を劣化させる。また仕上げミル最終スタンドにラミネーション偏析が存在するロールを使用するとその偏析模様が被圧延材の表面に転写して圧延製品の表面品質を低下させるため、最近の表面品質要求の厳しい鋼板の仕上げ圧延には使用できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このラミネーション偏析は、従来の遠心鋳造法では回避不可能と考えられていた。
なお、前記特許第2778896号公報には、鋳造組織を微細かつ均一化する方法が開示されているが、この方法では、鋳込み速度が著しく小さいためロール外殻層表面に２枚皮欠陥やスパッタ状の欠陥が生じやすい。また、鋳込み速度が非常に小さいことに加え、鋳込み温度が低く管理範囲もTc〜Tc＋90（℃）と狭いことから溶湯の流動性を確保することが困難であり、管理範囲を逸脱しやすく安定した操業を行うことも難しい。
【０００７】
しかしながら、ラミネーション偏析をなくすことができれば、極めて優れたロール特性が実現し、製造コスト削減、合金設計の自由度の増大、圧延製品品質の向上、圧延生産性の向上、圧延コスト低減など種々の効果が期待される。
そこで、本発明は、ラミネーション偏析を解消可能な遠心鋳造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一般に、金属材料を遠心鋳造で製造すると、凝固の過程で溶湯中に晶出したデンドライトあるいは炭化物が、溶湯との比重差によって遠心分離する（溶湯より重い相は外周側、軽い相は中心側に移動する）。一方、ラミネーション偏析はデンドライト濃化層と炭化物濃化層が交互に重なってバンド状に偏析した形態を呈している。バンド状偏析の形成原因は、遠心鋳造での凝固過程における固相‐液相界面（固液共存相）の剪断的流動にあると考えられ、大中ら（例えば、鋳造工学第69巻（1997）第３号第240〜246頁）は横型遠心鋳造でのバンド状偏析の発生には重力が影響していると報告している。この考え方によれば、重力が鋳型回転方向に作用する横型あるいは斜め型遠心鋳造を行う限りラミネーション偏析を回避することは困難であり、現に経験している通りである。なお、従来の遠心鋳造では、前記したように、溶湯に振動や剪断力がなるべくかからないようにするとの基本思想から、鋳造機と基礎の剛性を高め、鋳型回転数を極力一定に制御する操業がなされていたがラミネーション偏析の回避はできなかった。
【０００９】
本発明者らは、前記従来の基本思想ではラミネーション偏析を解消できないことに鑑み、重力の影響でラミネーション偏析が生成するのなら、従来とは逆に溶湯に積極的に回転方向の加速度を付与すれば、そこで生まれた剪断力によって任意の本数のバンド状偏析を生成させることができるのではないかと考えた。この逆転の発想に基づき、ラミネーション偏析の抑制法を鋭意検討した緒果、鋳型回転速度を連続的あるいは断続的に変更して鋳型回転方向に加速度を付与することにより、無数のバンド状偏析を生成させることも原理的に可能であり、しかるに無数のバンド状偏析が生成すれば、マクロ的には均一な組織が得られたことになり、実用上も全く問題がないという知見を得た。また、鋳造品の凝固過程で鋳型回転数を強制的に変動させれば固相共存相および未凝固領部が攪拌されるため、
成分偏析の軽減や組織の微細化がもたらされる。
【００１０】
本発明はこの知見に基づいて成されたものであり、その要旨は、軸心を中心として回転する鋳型に溶融金属を鋳込むにあたり、鋳込み開始から凝固完了までの間に、鋳型の回転数を強制的に変動させることを特徴とする遠心鋳造方法にある（鋳込み後から凝固途中に適用するものも含む）。
【００１１】
すなわち本発明は、遠心鋳造での鋳型回転数を強制的に変動させることにより鋳造材（鋳込み材）に負荷する遠心力を連続的あるいは断続的に変化させ、かつ鋳型回転方向に加速度を付加することで、凝固進行過程における固液界面から液相領域を連続的あるいは断続的に剪断的流動させて凝固偏析を制御する鋳型回転数変動式の遠心鋳造法であり、偏析の分散作用に加え、未凝固領域の攪拌作用により、ラミネーション偏析炭化物偏析、成分偏析等を抑制するものである。
【００１２】
本発明では、鋳型の回転数を、鋳込み材の外表面に負荷される遠心力の増減速度が重力倍数の変化率で0.5〜30Ｇ/ｓとなるように、制御する。ここで、遠心力の増減速度とは、単位時間あたりの遠心力の変化量をいう。
【００１３】
また、本発明では、鋳型の回転数の変動幅を、鋳型回転数が最大のときの前記遠心力と鋳型回転数が最小のときの前記遠心力の差で定義される「対応遠心力差」が３〜50Ｇとなるように、制御する（Ｇ：遠心力の重力倍数）。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、鋳込み管理規制を緩和したより安定的な操業条件下でラミネーション偏析のほとんどない遠心鋳造製品を生産できるようになるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
一定鋳型回転速度で遠心鋳造する従来の横型あるいは斜め型遠心鋳造法では、重力（IG）の影響で固液共存領域に剪断力が作用してラミネーション偏析等の粗大な組織偏析が不可避的に生成する。これに対し、本発明では、図１に示すように鋳込み中に軸心Ｏを中心として回転する鋳型４の回転数ｎを強制的に変動させるようにした。これにより、鋳込み材に負荷される遠心力Gnを変動させるとともに、鋳込み材に剪断力Gvを連続的あるいは断続的に付与する（Gv≠０）ことができ、したがって、任意に固液共存相の剪断作用と未凝固領域の攪拌作用を付与することができ、それゆえに組織偏析の分散と偏析成分の攪拌均一化を有効に促進できるのである。
【００１６】
鋳型の回転数の変動パターンは特に限定されるものではなく、例えば、振幅、周期とも一定として連続的に変動させるパターン（図２（Ａ））、振幅、周期のいずれか一方または両方を変化させながら連続的に変動させるパターン（図２（Ｂ））、断続的に変動させるパターン（図２（Ｃ））など、遠心力Gnの変動あるいは剪断力Gvを付与できるものであればいかなるパターンであってもよい。
【００１７】
本発明では、鋳型の回転数の増減速度（増加速度、減少速度のいずれか一方または両方。以下同じ）を、鋳込み材の外表面に負荷される遠心力（重力倍数で表す。以下同じ）の増減速度が0.5〜30Ｇ/ｓとなるように、制御する。前記遠心力の増減速度が0.5Ｇ/ｓ未満では、重力によるラミネーション偏析形成作用に打ち勝つ効果を得難く、一方、30Ｇ/ｓ超えにすると設備のパワーを相当大きなものにする必要があり、効果の割りには経済的でない。さらに十分な効果を得るには前記遠心力の増減速度は1G/ｓ以上とするのがより好ましい。
【００１８】
また、攪拌作用を十分なものとするには、鋳型の回転数の変動幅を、鋳型回転数が最大のときの前記遠心力と鋳型回転数が最小のときの前記遠心力の差で定義される対応遠心力差が３〜50Ｇとなるように、制御する。対応遠心力差が３Ｇ未満では攪拌力が不足気味となって不均一な組織が出現しやすくなり、一方50Ｇを超えても攪拌の効果が飽和する。
【００１９】
本発明では、凝固過程での固液共存領域に剪断力を付与することで攪拌均一化が叶って偏析防止および組織微細化を達成できるので、これらを目的とした鋳込み速度や鋳込み温度の厳密な管理は不要であり、操業をより安定化させることができる。
【００２０】
なお、本発明は、鋳込まれる金属材料の種類によって限定されるものではないが、なかでもとくにラミネーション偏析による悪影響が問題となる圧延用ロール外殻層の材料として使用されているハイス鋼、NiＧ鋳鉄、高Cr鋳鉄、高Cr鋳鋼、アダマイト鋼、および各種高合金鋼に適用すればその効果が一段と顕著であるので、これらの材料種に適用することが好ましい。また、遠心鋳造鋳鉄管の鋳造にも応用できる。
【実施例】
【００２１】
（実施例１）
表１に示す組成の材料Ａ〜Ｃ（Tc＝1250〜1350℃；材料Ｄも同じ）を溶解してなる溶湯を、鋳込み温度1520℃±30℃で横型遠心鋳造機の鋳型に供給し、外径250mm、内径150mmのスリーブロールを鋳造した。なお鋳込み速度は特に管理しなかった（実績では１〜10kg/ｓであった）。鋳込み中、材料Ａでは本発明に従い、図４に示すように鋳型の回転数ｎを変動範囲950〜900rpm、周期６ｓで連続的に変動させて実施例１とした。このとき、スリーブロール表面の遠心力はｎ＝950rpmのとき126Ｇ、ｎ＝900rpmのとき113Ｇであることから、遠心力の増減速度は平均約4.3Ｇ/ｓである。一方、材料Ｂ、Ｃでは従来通りｎ＝950rpm（一定）とし比較例とした。比較例では当然ながら遠心力の増減はない。
【００２２】
鋳造後、スリーブロール断面（ロール軸に直交する断面）を研磨後硝酸水溶液でエッチングして現出させたマクロ組織を観察し、実施例１では比較例に比べてラミネーション偏析が著しく抑制されていることを確認した。
【００２３】
（実施例２）
実施例２としては、ロール胴部の外径φ710mm、胴長2050mm、全長5800mmの圧延用複合ロールを以下のような工程で製造した。
斜め型遠心鋳造機の鋳型の回転数ｎを本発明に従い変動範囲600〜560rpmとして図２（Ｃ）のパターンで断続的に変動させながら、鋳型内に表１に示す組成の材料Ｄを溶解してなる溶湯を、鋳込み温度1500℃±20℃で遠心鋳造し、肉厚70mmのロール外殻層を製造した。回転数ｎの増減速度は最大３rpm/ｓとした。このときロール外殻層表面の遠心力は、ｎ=600rpmのとき143Ｇ、ｎ＝560rpmのとき125Ｇであり、遠心力の増減速度は最大1.35Ｇ/ｓである。また増減速の休止時間は６秒以下に設定した。なお、鋳込み速度は特に管理しなかった（実績ではおよそ140〜160kg/ｓであった）。
【００２４】
外殻層を鋳込んだ18分後に中間層として肉厚40mmに相当する量の黒鉛鋼を1490℃で鋳込んだ。その後、鋳型を垂直に立て、上方から内層材（軸材）として球状黒鉛鋳鉄を1400℃で鋳込んで最終製品とした。
【００２５】
製品の外殻層からサンプルを切り出し、ロール軸に直交する断面を研磨後硝酸水溶液でエッチングして現出させたマクロ組織を観察し、ラミネーション偏析がほとんどないことを確認した。
【００２６】
したがって、本発明により、ラミネーション偏析のほとんどない遠心鋳造製品、たとえば、鋳物、ロール、鋳鉄管などを生産可能である。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【表２】

【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の遠心鋳造方法の説明図である。
【図２】鋳型の回転数変更パターンの例を示す波形図である。
【図３】ラミネーション偏析の形態例を示す模式図である。
【図４】実施例１の鋳型回転数変更パターンを示す波形図である。
【符号の説明】
１ロール外殻層
２基地濃化層
３炭化物濃化層
４鋳型
遠心力Gn=ｒω²/ｇ（Ｇ）、せん断力Gv＝ｒ（dw/dt）/ｇ（Ｇ）、
回転数ｎ=（ω/2π）x60（rpm）
ｒ：半径（m）、ω：角速度（rad/ｓ）、ｇ：重力加速度（9.8ｍ/ｓ²）

Claims

軸心を中心として回転する鋳型に溶融金属を鋳込むにあたり、鋳込み開始から凝固完了までの間に、鋳型の回転数を強制的に、鋳込み材の外表面に負荷される遠心力の増減速度が重力倍数の変化率で0.5〜30Ｇ/ｓとなるように、連続的あるいは断続的に複数回増加および減少を繰り返して変動するように、かつ前記鋳型の回転数の変動幅を、対応遠心力差が３〜 50 Ｇとなるように、制御することを特徴とする遠心鋳造方法。
請求項１に記載の遠心鋳造方法を含む遠心鋳造製ロールの製造方法。