(57)【要約】【課題】  異なる機械特性を有する外層と芯材を鋳掛け法にて冶金的に溶着させた連続鋳掛け製複合材料を提供する。【解決手段】  鉄系芯材の周囲に、下記式にて表わされる炭素当量が、前記芯材より小さい鉄系外層溶湯を注入し、前記芯材と外層溶湯とを溶着一体化せしめてなることを特徴とする連続鋳掛け製複合材料。    炭素当量＝Ｃ＋０．１５Ｓｉ＋０．０３（Ｃｒ＋Ｍｏ）＋０．０４（Ｍｎ＋Ｖ＋Ｃｏ）＋０．０５（Ｎｉ＋Ｗ）＋０．１３Ｎｂ【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系芯材の周囲に、下記式にて表わされる炭素当量が、前記芯材より小さい鉄系外層溶湯を注入し、前記芯材と外層溶湯とを溶着一体化せしめてなることを特徴とする連続鋳掛け製複合材料。
炭素当量＝Ｃ＋０．１５Ｓｉ＋０．０３（Ｃｒ＋Ｍｏ）＋０．０４（Ｍｎ＋Ｖ＋Ｃｏ）＋０．０５（Ｎｉ＋Ｗ）＋０．１３Ｎｂ
【請求項２】
外層材として、Ｃ含有量が質量％で１％以下の炭素鋼または合金鋼を、芯材として、合金耐摩耗鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、アダマイト材、ハイス材および耐食合金鋼から選ばれる１種を用いることを特徴とする請求項１記載の連続鋳掛け製複合材料。    
【請求項３】
請求項１または２記載の芯材が中実であることを特徴とする連続鋳掛け製複合材料。
【請求項４】
請求項１または２記載の芯材が中空であることを特徴とする連続鋳掛け製複合材料。
【請求項５】
鋳造後、圧延、熱間引抜き、熱間押出のいずれかより延伸された請求項１〜４記載の連続鋳掛け製複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる機械特性を有する外層と芯材を鋳掛け法にて冶金的に溶着させた連続鋳掛け製複合材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種の産業分野において、主として相反する機能を具備させた種々の複合材料が使用されている。例えば、内部（芯材）が中実の例として、製鉄分野における圧延用ロールがある。この圧延用複合ロールの製造方法としては、遠心鋳造法が最も一般的に用いられてきた。しかしながら、近年、外層に耐摩耗性を、芯材に強靱性を付与させ両者を鋳掛け法にて製造してなる、いわゆる、ハイス系ロールの製造が採用されている。
【０００３】
例えば、特許国際公開ＷＯ８８／７５９４号公報（特許文献１）および特許国際公開ＷＯ９１／１９８２４号公報（特許文献２）等が開示されており、強靱な円柱状内層（芯材という）の周囲にＶ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗを多量に含有したハイス系白鋳鉄の外層を鋳掛け、両材を冶金的に完全に溶着させて耐摩耗性と強靱性を兼備した複合中実ロールが開発され、耐摩耗性と強靱性を有する圧延用ロールとして広く使用されている。
【０００４】
一方、内部（芯材）が中空の例として、特開平６−３４６２１６号公報（特許文献３）に開示されている複合管がある。これは石油掘削用管や化学容器など、腐食や摩耗が激しい環境下で使用される管や容器の内面に、優れた耐食性、耐摩耗性を有する材料をプラズマにより溶射し内面に被覆層を形成するものである。さらに、遠心鋳造法によって、前記の複合管、すなわち、内部が耐摩耗性材料、外層が強靱性を具備する複合管を製造することは、後述の如く、高性能で健全な複合材料を提供することの実用化は困難であった。
【０００５】
【特許文献１】特許国際公開ＷＯ８８／７５９４号公報
【特許文献２】特許国際公開ＷＯ９１／１９８２４号公報
【特許文献３】特開平６−３４６２１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、鋳掛け法による圧延用ロールの製造法において、固体芯材の周囲に溶湯を鋳掛けて複合材料を作るものであるため、外層材が芯材より低融点の材料に限定されるとされている。すなわち、外層材が芯材より高融点である場合には、低融点の芯材の溶融量を制御できず、また、境界部の両材の希釈部分が最終凝固部となり、この部に凝固収縮巣が最終的に残存すると言われていた。この点、前記圧延ロールにおいては、外層には、一般的に耐摩耗性が最も要求されるため、高Ｃ材料、すなわち、低融点材料を採用し、逆に、芯材の方は強靱な低Ｃ材料、すなわち、高融点材料を採用して、耐摩耗性と強靱性の最も重要な具備特性を兼備した高性能ロールを製造する理想的な方法であった。
【０００７】
しかしながら、近年多様な具備特性を有する複合材料の製造が望まれるようになった。例えば、０．５〜１％Ｃの高張力鋼材では遅れ破壊の危険があり、これを抑制するためには表層部を低Ｃ材にすることが望ましいとされる。一方、特許文献３に開示されている石油掘削用管、ポンプ・シリンダーの製造法であるプラズマによる内面溶射方法においては、設備上および施工上の制約より製造できる大きさが限定され、かつ、生産性が低いとの問題があり、実用化するには多大な課題を有している。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述したような従来技術の問題に鑑み、本発明の目的は、産業界におけるニーズの多様化に対応し、高性能で健全な複合材料を提供するものである。その発明の要旨とするところは、
（１）鉄系芯材の周囲に、下記式にて表わされる炭素当量が、前記芯材より小さい鉄系外層溶湯を注入し、前記芯材と外層溶湯とを溶着一体化せしめてなることを特徴とする連続鋳掛け製複合材料。炭素当量＝Ｃ＋０．１５Ｓｉ＋０．０３（Ｃｒ＋Ｍｏ）＋０．０４（Ｍｎ＋Ｖ＋Ｃｏ）＋０．０５（Ｎｉ＋Ｗ）＋０．１３Ｎｂ
【０００９】
（２）外層材として、Ｃ含有量が質量％で１％以下の炭素鋼または合金鋼を、芯材として、合金耐摩耗鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、アダマイト材、ハイス材および耐食合金鋼から選ばれる１種を用いることを特徴とする前記（１）記載の連続鋳掛け製複合材料。
（３）前記（１）または（２）記載の芯材が中実であることを特徴とする連続鋳掛け製複合材料。
【００１０】
（４）前記（１）または（２）記載の芯材が中空であることを特徴とする連続鋳掛け製複合材料。
（５）鋳造後、圧延、熱間引抜き、熱間押出のいずれかより延伸された前記（１）〜（４）記載の連続鋳掛け製複合材料にある。
【発明の効果】
【００１１】
以上述べたように、本発明により、多様な機能を有する複合材料の製造が可能となり、工業的に大きな価値を有するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
先ず、本発明材料の鋳造を連続鋳掛け法に限定した理由を述べる。
本発明においては、均質な内層材料を得ることが重要であるため、単独で予め円柱状もしくは円筒状に製造し、これを芯材として用いる。前述した遠心鋳造法では外層を鋳造した後に、内層溶湯を注入し、外層に内面の一部を溶損し、これを内層溶湯と希釈して凝固させる。一般に、外層の内面は成分偏析や不純物が凝集しているため、これが内層溶湯の中に入って凝固する。従って、内層材の清浄性は著しく損なわれ、また、化学成分も希釈されるために変動しやすい。
【００１３】
さらに、溶湯は鋳型への脱熱により凝固するが、脱熱効果は主として外層の凝固で費やされ、内層の冷却は熱伝導によるため、その凝固速度は著しく小さくなり、結果として粗大で、かつ偏析を伴うものとなってしまい、本発明の目標品質を達成することは出来ない。また、外層についても、遠心鋳造法に比べ連続鋳掛け法は非常に大きな凝固速度が可能で、微細で均質な材料が得られる。
【００１４】
次に、本発明材料では鉄系芯材の周囲に、前記芯材より溶融点が高い鉄系外層溶湯を注入し、前記芯材と溶湯とを一体化せしめることに限定したことが最も特徴のある限定条件である。すなわち、連続鋳掛け法で従来製造されていた芯材の周囲に、前記圧延用ロールとは逆、すなわち、芯材より溶融点が低い外層溶湯を注入していたのと全く反対の材質組み合わせとすることにより、従来出来ないとされた多様な複合材料を提供することができる。ここで、溶融点は材料が凝固し始める、すなわち、完全に液体となる温度とした。
【００１５】
化学成分の限定理由について述べる。本発明の最大の特徴は、前記の通り、外層材の溶融点が芯材より高いことを特徴とする。鉄系材料における溶融点はそのＣ含有量に強く影響されるが、他の合金元素を考慮した炭素当量で示すのがより正確である。そこで、本発明においては、次の式による炭素当量を採用し、本発明は内層材に比べ外層材の炭素当量が小さい、すなわち、溶融点が高いことを必須条件とした。
炭素当量＝Ｃ＋０．１５Ｓｉ＋０．０３（Ｃｒ＋Ｍｏ）＋０．０４（Ｍｎ＋Ｖ＋Ｃｏ）＋０．０５（Ｎｉ＋Ｗ）＋０．１３Ｎｂ
【００１６】
次に、製造方法について述べる。
予め製造した円柱状もしくは円筒状の鉄系芯材と耐火枠との間に、本発明の炭素当量からなる溶湯を注入して誘導加熱を行ない、次いで、該耐火枠の下方に設けた冷却モールドで前記溶湯を凝固して外層部を形成し、しかる後、一体となった外周部と芯材を順次下方へ引抜いて複合材料を製造する。この時、外層に比べて溶融点の低い芯材表面は外層溶湯により溶損しやすいが適量になるように制御される。
【００１７】
本発明に用いられる連続鋳掛法は外層溶湯ならびに芯材表面に誘導加熱により熱を供給して、外層と芯材を冶金的に完全に溶着することができ、さらに、引抜き速度を自由に調整することにより凝固速度を決定することができる。特に本発明においては、前述の通り、外層に比べて溶融点の低い芯材表面は外層溶湯により溶損しやすいため凝固速度を自由に選択でき、かつ高速で引抜くことにより凝固速度を高めることの出来る連続鋳掛け法を本発明を達成するための重要な構成要件としている。従って、本発明材の理想的な鋳造組織となり、かつ他法に比べ極めて緻密な組織が得られるものである。
【００１８】
なお、本発明における引抜き速度としては、３０ｍｍ／ｍｉｎ以上にすることが好ましい。これにより製造時、高融点材料からなる外層により低融点材料からなる芯材が大きく溶損することがなく、両者の境界部は健全に溶着することが可能である。鋳造した複合材料は引続き熱処理を施して目標とする硬度や機械的性質を付与して使用に供される。一方、高強度鋼材等では棒鋼もしくは線材として一般に使用されているため、前記鋳造材は圧延、熱間引抜きもしくは熱間押出しにより延伸することで生産性良く製造することができる。
【００１９】
ここで、本発明における外層材と内層材の組合わせについての考え方を述べる。先ず、高強度材料については比較的高Ｃの鋼系材料、例えば０．５〜１．０％Ｃが用いられているが、遅れ破壊を防止するためには延性に富んだフェライト組織を主とした０．５％Ｃ以下程度の低炭素鋼を採用することが望ましく、Ｃおよびその他の合金元素の量は表面硬度、延性もしくは接合性の要求から決定すればよい。次に、内面に耐摩耗性もしくは耐食性が要求される円筒状中空材料については、一般的に強靱性に優れた２．０％Ｃ以下の鋼系材料が外層材として採用されるが、Ｃおよびその他の合金元素の量は、特に強度もしくは接合時の溶接の有無などの要求から決定すればよい。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
（実施例１）
本発明の実施例として、０．８％Ｃ−０．３％Ｓｉ−０．８％Ｍｎ（炭素当量０．８８％、溶融温度１４７０℃）の高強度鋼の直径２００ｍｍの円柱状芯材の周囲に、０．１％Ｃ−０．２２５％Ｓｉ−０．７５％Ｍｎ（炭素当量０．１６％、溶融温度１５２５℃）の溶湯を連続鋳掛け法にて複合材料の素材を鋳造した。溶湯は２６０ｋＷで加熱し、前記圧延用ロールで通常引抜いている速度２０ｍｍ／ｍｉｎより速い３５ｍｍ／ｍｉｎで引抜き、芯材表面の溶損を平均８ｍｍに制御した。直径２９０ｍｍ、平均外層厚み５３ｍｍの複合材料を製造した。さらに直径２２５ｍｍに機械加工を施した後、圧延にて直径１１ｍｍに延伸し複合材料を製造した。
【００２１】
鋳造後および圧延後の切断面および顕微鏡組織を図１および図２に示す。切断面においては、外表面側の白灰色部が延性に優れた外層材であり、内部の濃灰色部は高Ｃで強靱な芯材であるが、図１（ａ）に示す鋳造材が、図１（ｂ）に示すように、圧延により小さい直径に延伸されている。また、図２は、本発明に係る中実複合材料の顕微鏡組織写真を示す図であり、図２（ａ）は外層の組織を示し、その組織は白いフェライトを、また、図２（ｂ）は芯材の組織を示し、その組織は濃白色の微細パーライトを呈している。従って、複合材芯材は約１５００ＭＰａの引張強度を有する高強度であるが、外層は低Ｃで高い延性を有しているため、遅れ破壊試験での破断時間は従来材の５倍以上と長いことが確認された。高強度であり、かつ遅れ破壊の危険が少ないＰＣ鋼に適した材料であった。
【００２２】
（実施例２）
さらに、本発明の他の実施例として、２．０％Ｃ−０．５％Ｓｉ−０．５％Ｍｎ−５％Ｃｒ−５％Ｖ（炭素当量２．４５％、溶融温度１３５０℃）の耐摩耗材料の直径２００ｍｍ、肉厚５０ｍｍの円筒状芯材の周囲に、０．３％Ｃ−０．２５％Ｓｉ−０．７５％Ｍｎ（炭素当量０．３７％、溶融温度１５００℃）の溶湯を連続鋳掛け法にて複合材料の素材を鋳造した。溶湯は２６０ｋＷで加熱し、前記圧延用ロールで通常引抜いている速度２０ｍｍ／ｍｉｎより速い４０ｍｍ／ｍｉｎで引抜き、芯材表面の溶損は平均１０ｍｍであった。本材料は外内径を機械加工した後、焼入れ・焼戻しを施した。内面の硬度はショアー硬度ＨＳ８５の高硬度で耐摩耗性に優れ、外表面はＨＳ３５、引張強度８００ＭＰａ、伸び３％の強靱材の複合材料を製造した。従って、内面に耐摩耗性が要求される、例えば石油切削用各種パイプもしくはシリンダーに適した材料である。
【００２３】
さて、従来技術として述べた遠心鋳造法にて本発明実施例１および実施例２を製造することは、外層ならびに芯材の溶着の観点からは製造可能であることは既に述べた。しかしながら、本発明実施例１の場合には、鋼系の芯材は凝固時に大きな収縮を伴うために中心部に大きな収縮巣もしくは小さなキャビテイの集合の発生が避け得ず、高強度材としての目的を全く確保できない。また、本発明実施例２の場合には外層と内層の溶着のために外層の内面の一部を内層溶湯で洗い流す必要があり、このために、外層の低合金材が最も重要な内層のハイス材に希釈し、目標成分を変化および大きなバラツキが発生することとなり、また、結晶粒の粗大化ならびに偏析の発生は避け得ず、耐摩耗材としての目的を全く確保できない。従って、連続鋳掛け法を採用することは、本発明の効果に必須の条件であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る実施例１の中実複合材料の切断面写真を示す図である。
【図２】本発明に係る実施例２の中実複合材料の顕微鏡組織写真を示す図である。                                    特許出願人    新日本製鐵株式会社  他１名                                    代理人  弁理士    椎  名    彊  他１
【図１】
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【図２】
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