JP7285667B2

JP7285667B2 - 鋳鉄管の製造方法および鋳鉄管の表面防食方法

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Publication number: JP7285667B2
Application number: JP2019054938A
Authority: JP
Inventors: 仁志柳谷; 親平堤; 光二中本
Original assignee: Kurimoto Ltd
Current assignee: Kurimoto Ltd
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2023-06-02
Anticipated expiration: 2039-03-22
Also published as: JP2020152991A

Description

本発明は、鋳鉄管の製造方法および鋳鉄管の表面防食方法に関し、とりわけ、生産性の向上された外面耐食性を有する鋳鉄管の製造方法および鋳鉄管の外面防食方法に関する。

従来から上下水道管などに用いられる鋳鉄管は、一般的には、金型遠心力鋳造などの方法で鋳造され、その後、組織改善のために約８００～１０００℃の焼鈍炉に入れられて１～２時間程度焼鈍処理が施される。焼鈍処理は酸素雰囲気下で行われるため、外周面が酸化されて空隙を有する厚い酸化皮膜（酸化スケールとも呼ばれる）が生成される。その後、生成した酸化鉄皮膜をショットブラスト処理などによりすべて除去し、耐食用の塗装が施されている。

例えば、一般的なダクタイル鋳鉄管の焼鈍は、一般的には連続焼鈍炉で行われる。この連続焼鈍炉において、ダクタイル鋳鉄管は、オーステナイト化温度域以上（８７０℃以上）に加熱される。これによりセメンタイトを完全に分解し、基地組織のオーステナイト化を行う。このセメンタイトの分解は、処理温度と処理時間に依存し、処理温度が高いほど処理時間を短くすることができる一方で、処理温度が低いほど長い処理時間を要する。この連続焼鈍炉は、炉内の均一な温度コントロールが困難であることが多い。このため、セメンタイトを確実にオーステナイト化するために、処理温度および処理時間を決定する必要がある。

基地組織のオーステナイト化を完了したら、このオーステナイトからフェライトを析出させるため、共析変態点付近（６８０～７５０℃程度）の温度域を一定時間保持するか、この共析変態点付近を徐冷する熱処理を行う。この際の保冷時間や冷却速度により、フェライト析出量が決定される。すなわち、保持時間が長いほど、または冷却速度が小さいほどフェライト析出量は増大する一方で、保持時間が短いほど、または冷却速度が大きいほどフェライト析出量は減少し、マトリックスの主体はパーライトとなる。

この熱処理において連続焼鈍炉を用いる場合、厳密に温度コントロールを行ってフェライトとパーライトの量を細かくコントロールすることが困難なため、基本的にはフェライトが主体となる条件で焼鈍を実施して靱性の確保を図っている。

また、特許文献１には、ショットブラスト処理後に、亜鉛系金属を溶融して鋳鉄管の表面に吹き付け、続いて、ジンクリッチペイントを上塗りして鋳鉄管の表面に亜鉛系の防食層を形成する鋳鉄管の防食方法も開示されている。

一方、特許文献２には、鋳造した金属鋳塊、具体的には銅の鋳塊を、連続圧延する前に、鋳塊の酸化皮膜を高圧水を噴射して除去することにより、圧延により酸化皮膜が鋳塊内部に押し込まれるのを防ぐことが記載されている。

特開２０１５－７８３９３号公報特開平４－１８７３０２号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、酸化皮膜が全て除去されてしまうため、亜鉛系金属溶射膜や塗装膜などさらなる防食層が必要となりコスト高となるためさらに改善の余地がある。

また、特許文献２の方法は、鋳鉄やその該表面に生じる酸化皮膜の性状などは一切記載されておらず、一部の酸化皮膜を利用するという発想や具体例も全く記載されていない。

そこで、本発明は、一部の酸化皮膜を除去することなく耐食層として用いることによる、生産性の向上された外面耐食性を有する鋳鉄管の製造方法、ならびに鋳鉄管の外面防食方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、焼鈍処理後の鋳鉄管外面に高圧水を適用することにより、鉄地により近い緻密な酸化皮膜層を残したまま、表層の空隙率の高い酸化皮膜層を除去し、その後、緻密な酸化皮膜層上に亜鉛系金属溶射または塗装を行うことにより、生産性の向上された、外面耐食性を有する鋳鉄管を得ることができることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、
［１］焼鈍処理後の鋳鉄管に高圧水処理を行い、高圧水処理を終えた鋳鉄管表面にそのまま亜鉛系金属を溶射し、亜鉛系金属溶射皮膜を形成する鋳鉄管の製造方法、
［２］鋳造後の鋳鉄管に焼鈍処理を行う工程、
焼鈍処理後の鋳鉄管外面に高圧水を噴射し、鋳鉄管外面表層の空隙率の高い酸化皮膜層を除去する工程、ならびに
残存した緻密な酸化皮膜層上に、亜鉛系金属を溶射する、または塗料を塗装する工程
を含む鋳鉄管の製造方法、
［３］高圧水の噴射開始時の鋳鉄管の管温度が４００～６００℃である上記［２］記載の鋳鉄管の製造方法、
［４］鋳造後の鋳鉄管を焼鈍処理することにより鋳鉄管外面に形成された酸化皮膜の空隙率の高い表層を、高圧水を噴射することにより除去する工程、ならびに
残存した緻密な酸化皮膜層上に、亜鉛系金属を溶射する、または塗料を塗装する工程
を含む鋳鉄管外面の防食方法、ならびに
［５］高圧水の噴射開始時の鋳鉄管の管温度が４００～６００℃である上記［４］記載の鋳鉄管外面の防食方法
に関する。

本発明は、焼鈍処理後の鋳鉄管外面に高圧水を適用することにより、鉄地により近い緻密な酸化皮膜層を残したまま、表層の空隙率の高い酸化皮膜層を除去することができるため、これまで利用されていなかった緻密な酸化皮膜層を防食層の一部として利用することができ、生産性を向上させることができる。またそれにより、亜鉛系金属溶射皮膜や塗料による塗膜の厚さを削減することもできる。

高圧水処理の一実施態様を示す模式図である。高圧水処理の一実施態様を示す模式図である。鋳鉄管の焼鈍処理により生じる酸化皮膜の構造を説明するための模式図である。鋳鉄管の焼鈍処理により生じる酸化皮膜の構造を説明するための参考用ＳＥＭ画像である。鋳鉄管の焼鈍処理により生じる酸化皮膜の組成を説明するための参考用のＥＰＭＡの元素マッピング画像である。

＜鋳鉄管の製造方法＞
本発明の一実施態様としては、鋳造後の鋳鉄管に焼鈍処理を行う工程、焼鈍処理後の鋳鉄管外面に高圧水を噴射し、鋳鉄管外面表層の空隙率の高い酸化皮膜層を除去する工程、ならびに、残存した緻密な酸化皮膜層上に、亜鉛系金属を溶射する、または塗料を塗装する工程を含む鋳鉄管の製造方法が提供される。

（焼鈍処理工程）
鋳造後の鋳鉄管の焼鈍処理は、基地組織のフェライト化のために行われ、加熱処理のため鋳鉄管表面に酸化皮膜が形成される。焼鈍処理の方法は、特に限定されるものではないが、電気炉、ガスバーナー炉などにより熱処理して行われ、連続焼鈍炉により行われるのが一般的である。焼鈍処理の条件は、８７０℃以上の温度でセメンタイトを完全に分解し、基地組織のオーステナイト化を行う。このセメンタイトの分解は、処理温度が高いほど処理時間を短縮できる。その後、基地組織のオーステナイト化が完了したら、フェライト化のために共析変態点付近（６８０～７５０℃程度）の温度域を一定時間保持させるかまたは共析変態点付近にかけて徐冷する。その際、管温度が４００℃を下回らない間に、次工程の高圧水処理に付す必要がある。

一般に、焼鈍により生成される酸化皮膜は、図３～５に示すように、大きく分けて、酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄、Ｆｅ₂Ｏ₃など）を主成分とする表層の空隙率の高い酸化皮膜層１０３と、ケイ酸化鉄（Ｆｅ₂ＳｉＯ₄など）を主成分とする鋳鉄素地１０１により近いケイ素を含む緻密な酸化皮膜層１０２との二層構造を有する。ここで、表層の空隙率の高い酸化皮膜層１０３は、その空隙率の高さから、鋳鉄管外面から剥離しやすく、その上に形成され得る塗膜や金属溶射膜との密着性が低い。このため、この表層の空隙率の高い酸化皮膜層１０３を残したままであれば、金属溶射や塗料などの外面防食層との密着性が低下するため、本発明においては、この表層が次の高圧水処理により選択的に除去される。また残る鋳鉄素地１０１により近い緻密な酸化皮膜層１０２は、防食層として活用される。なお、図４および５は、それぞれ本発明とは異なり、空隙率の高い酸化皮膜層１０３の表層に溶射皮膜層が形成された鋳鉄管外面の断面のＳＥＭ画像およびＥＰＭＡの元素マッピングの画像であるが、酸化皮膜の二層構造を説明するために参考に示すものである。図４から酸化皮膜が、確かに表層の空隙率の高い酸化皮膜層１０３と、鋳鉄素地１０１により近い緻密な酸化皮膜層１０２との二層構造を有していることが分かり、また図５より、鋳鉄素地１０１により近い緻密な酸化皮膜層１０２がケイ酸化鉄（Ｆｅ₂ＳｉＯ₄など）を主成分とするケイ素を含む層であることが分かる。

緻密な酸化皮膜層１０２の厚さは、約２５μｍ以上にすることにより、十分な防食層としての効果が得られる傾向がある。

（高圧水処理工程）
高圧水処理の一例を図１～３を用いて説明する。鋳鉄管の焼鈍処理後、管温度があまり低下しないうちに、例えば管温度が好ましくは４００～６００℃、より好ましくは５００～６００℃である鋳鉄管Ｐを回転ローラ４上に載せ、回転させながら高圧水供給配管１に備えられた高圧水スプレーノズル２より高圧水３を噴射し、水冷を行う。これにより鋳鉄管の急激な収縮が起こり、多くの空隙１０４を有する表層の空隙率の高い酸化皮膜層１０３の剥離が促進され、鋳鉄素地１０１により近い緻密な酸化皮膜層１０２を残したまま、表層の空隙率の高い酸化皮膜層１０３を除去する。一般的に酸化皮膜は、緻密な状態で生成された場合、腐食の進行を抑制する効果があるため、本発明においては、緻密な酸化皮膜層１０２を耐食層として利用することが可能となる。

高圧水処理の条件としては、表層の空隙率の高い酸化皮膜層１０３を選択的に除去できる条件であれば特に限定されるものではないが、例えば、１０～６０ＭＰａの水圧であれば、ケイ酸化鉄を主成分とする緻密な層を損傷させずに表層の空隙率の高い酸化皮膜層を選択的に除去できる傾向がある。

（亜鉛系金属溶射工程）
本発明の一実施態様としては、高圧水処理後に残存した緻密な酸化皮膜層上に、亜鉛系金属を溶射し、亜鉛系金属溶射皮膜を形成する。すなわち、焼鈍処理後の鋳鉄管に高圧水処理を行い、高圧水処理を終えた鋳鉄管表面にそのまま亜鉛系金属を溶射し、亜鉛系金属溶射皮膜を形成する。

亜鉛系金属溶射皮膜としては、亜鉛溶射皮膜、亜鉛－アルミ合金溶射皮膜、亜鉛－アルミ擬合金溶射皮膜、亜鉛－ケイ素含有アルミ擬合金溶射皮膜、亜鉛－ケイ素マンガン含有アルミ擬合金溶射皮膜、亜鉛－スズ合金溶射皮膜などが挙げられる。なお、亜鉛－アルミニウム擬合金とは、溶射された亜鉛とアルミニウムとが不規則に重なり合い、外見的に亜鉛－アルミニウム合金を形成しているものをいう。

溶射皮膜の膜厚は、溶射材料の種類、得られる鋳鉄管の用途によって適宜設定することができるが、水道管用の鋳鉄管の場合、例えば、亜鉛溶射皮膜では、日本ダクタイル鉄管協会規格のＪＤＰＡＺ２０１０－２００９「ダクタイル鋳鉄管合成樹脂塗装」に規定されている、１３０ｇ／ｍ²以上の溶射量で十分な効果を得ることができる。また、鋳鉄素地との密着性を考慮すれば、３００ｇ／ｍ²以下が好ましく、２６０ｇ／ｍ²以下がより好ましい。もちろん他の溶射材を用いた場合には、その防食性の観点から溶射量の好ましい上限は変動するものである。

溶射方法は特に限定されるものではないが、たとえばガス溶射法やアーク溶射法、プラズマ溶射法があげられる。より具体的には、回転しながら管軸方向に移送される鋳鉄管に、固定した溶射ガンにより亜鉛、亜鉛－アルミニウム擬合金または亜鉛－アルミニウム合金、亜鉛－ケイ素マンガン含有アルミ擬合金を溶射する方法、回転させた鋳鉄管に、溶射ガンを移動させながら亜鉛を溶射する方法があげられる。

（塗料の塗装工程）
本発明の一実施態様としては、高圧水処理後に残存した緻密な酸化皮膜層上に、塗料を塗装し、塗膜を形成した鋳鉄管とすることができる。塗料としては、特に限定されるものではなく、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂などを使用することができる。これらのアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂は、鋳鉄管の上塗り塗料として流通しているものを用いればよく、特に限定されるものではない。水道管に使用する場合には、例えば、日本水道協会規格ＪＷＷＡＫ１３９「水道用ダクタイル鋳鉄管合成樹脂塗料」に規定されている合成樹脂塗料を好適に用いることができる。

具体的には、塗料として用いるアクリル系樹脂としては、例えば、大日本塗料（株）製のクリモトコートＷＲ、日本ペイント・インダストリアルコーティングス（株）製のクリモトコートＡＣ－１－ＳＲ、日本ペイント・インダストリアルコーティングス（株）製のクリモトコートＡＣ－１などを使用することができる。

また、塗料として用いるエポキシ系樹脂としては、例えば、大日本塗料（株）製のクリモトコートＮＴ＃１００新Ｈ、関西ペイント（株）製のクリモトコートＮＴ＃１００新などを使用することができる。

塗料を塗装する方法としては、管体を回転させながら、スプレーガンなどを用いてミスト状にした塗料を噴射して塗装する方法や、ローラーバケなどのハケを用いて塗装する方法などを使用することができる。

塗料を塗装して得られる塗膜の膜厚は、鋳鉄管の用途や塗料の種類によって適宜設定することができるが、水道管用の鋳鉄管の場合、日本ダクタイル鉄管協会規格のＪＤＰＡＺ２０１０－２００９「ダクタイル鋳鉄管合成樹脂塗装」において、所定の耐腐食性と耐久性を得るために目標塗膜厚さ１００μｍ以上行うことが定められている。

また、高圧水処理後に残存した緻密な酸化皮膜上に、亜鉛系金属を溶射し、亜鉛系金属溶射皮膜を形成した場合、さらに亜鉛系金属溶射皮膜上に塗料を塗装することもできる。この場合の塗料やその塗装方法については、上述の高圧水処理後に残存した緻密な酸化皮膜層上への塗料の塗装について記載した内容が全て適用される。また、得られる塗膜の膜厚は、鋳鉄管の用途や塗料の種類によって適宜設定することができる。上述したように、水道管用の鋳鉄管の場合、外面塗膜層の厚さは、日本ダクタイル鉄管協会規格のＪＤＰＡＺ２０１０－２００９「ダクタイル鋳鉄管合成樹脂塗装」において規定される、目標塗膜厚さを１００μｍ以上とする基準を満たすものであれば特に限定されず、たとえば溶射皮膜層の厚さが２０μｍ（溶射量としては１３０ｇ／ｍ²）の場合、塗料の塗膜層の厚さは８０μｍ以上であり、防食性と付着性を考慮して好ましくは１００μｍ～２００μｍである。

＜鋳鉄管の外面防食方法＞
本発明の別の一実施態様としては、鋳造後の鋳鉄管を焼鈍処理することにより鋳鉄管外面に形成された酸化皮膜の空隙率の高い表層を、高圧水を噴射することにより除去する工程、ならびに、残存した緻密な酸化皮膜層上に、亜鉛系金属を溶射する、または塗料を塗装する工程を含む鋳鉄管外面の防食方法が提供される。

本発明の鋳鉄管外面の防食方法については、上述の鋳鉄管の製造方法について説明した内容がすべて適用される。

Ｐ鋳鉄管
１高圧水供給配管
２高圧水スプレーノズル
３水
４回転ローラ
１０１鋳鉄素地
１０２緻密な酸化皮膜層
１０３表層の空隙率の高い酸化皮膜層
１０４空隙
１０５溶射皮膜層

Claims

鋳造後の鋳鉄管に焼鈍処理を行う工程、
焼鈍処理後の鋳鉄管外面に高圧水を噴射し、鋳鉄管外面表層の空隙率の高い酸化皮膜層を除去する工程、ならびに
鋳鉄素地の上に残存した緻密な酸化皮膜層上に、亜鉛系金属を溶射する、または塗料としてアクリル系樹脂塗料またはエポキシ系樹脂塗料を塗装する工程
を含む鋳鉄管の製造方法。
高圧水の噴射開始時の鋳鉄管の管温度が４００～６００℃である請求項１記載の鋳鉄管の製造方法。
鋳造後の鋳鉄管を焼鈍処理することにより鋳鉄管外面に形成された酸化皮膜の空隙率の高い表層を、高圧水を噴射することにより除去する工程、ならびに
鋳鉄素地の上に残存した緻密な酸化皮膜層上に、亜鉛系金属を溶射する、または塗料としてアクリル系樹脂塗料またはエポキシ系樹脂塗料を塗装する工程
を含む鋳鉄管外面の防食方法。
高圧水の噴射開始時の鋳鉄管の管温度が４００～６００℃である請求項３記載の鋳鉄管外面の防食方法。