(57)【要約】【課題】  自溶性合金を安価でかつ強固に銅板に被覆する方法および装置を提供すると共に、これによって得られた銅板を用いて耐摩耗性の高く長寿命である連続鋳造用鋳型を得る。【解決手段】  自溶性合金を被覆する銅販に向けてレーザーを照射し、その照射部分に自溶性合金粉末を連続的に供給する被覆装置および被覆方法。自溶性合金に波長が６３０〜９４０ｎｍ、エネルギー密度が少なくとも１０ｋＷ／ｃｍ2であり、被覆部に与える入熱量が５ｋＪ／ｃｍ以上１５ｋＪ／ｃｍ以下とするレーザー光を照射し、再溶融処理を行うことにより、被覆層を形成する。またこれによって自溶性合金を被覆された銅板を用いて作られた連続鋳造用鋳型を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自溶性合金を被覆する銅板を固定する定盤と、銅板に向けてレーザー光を照射する半導体レーザー装置と、該レーザー装置がレーザー光を照射する部分に自溶性合金粉末を連続的に供給する装置からなることを特徴とする、自溶性合金の被覆装置。
【請求項２】
銅板の表面に自溶性合金粒子を供給し、この自溶性合金に波長が６３０〜９４０ｎｍ、エネルギー密度が少なくとも１０ｋＷ／ｃｍ２のレーザ光を照射し、前記自溶性合金を溶融させた後、凝固させ、被覆層を形成させることを特徴とする自溶性合金の被覆方法。
【請求項３】
レーザー光が照射面被覆部に与える入熱量が、５ｋＪ／ｃｍ以上１５ｋＪ／ｃｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の自溶性合金の被覆方法。
【請求項４】
銅板の表面に、下地処理として脱酸剤を塗布又は積層し、その上に自溶性合金粒子を供給することを特徴とする請求項２又は３に記載の自溶性合金の被覆方法。
【請求項５】
銅板の表面にＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅメッキ層若しくはこれらを基材とする合金メッキ層、又はＮｉ若しくはＣｕ−Ｎｉ合金のろう材のいずれか１種又は２種以上の被覆層を形成したものを基材とすることを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載の自溶性合金の被覆方法。
【請求項６】
自溶性合金が、Ｎｉ、Ｃｏ若しくはＦｅ基の自溶性合金、又はこれらの自溶性合金にクロム炭化物、タングステン炭化物、バナジウム炭化物、ニオブ炭化物、ジルコニウム炭化物の１種若しくは２種以上を添加したものであることを特徴とする請求項２〜５の何れか１項に記載の自溶性合金の被覆方法。
【請求項７】
請求項２〜６のいずれか１項に記載の方法で銅製連続鋳造用鋳型を被覆することを特徴とする連続鋳造用鋳型への自溶性合金の被覆方法。
【請求項８】
請求項２〜６のいずれか１項に記載の方法で自溶性合金を被覆された銅板を用いて造られたことを特徴とする連続鋳造用鋳型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自溶性合金を銅板に被覆する装置および方法並びにこの被覆した銅板を用いた連続鋳造用鋳型及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼の連続鋳造用鋳型の基材は銅製であり、そのままでは鋳片やパウダーの摺動に対して摩耗が激しい。よって通常、摩耗対策としてＮｉ基やＣｏ基のメッキが施されているが、溶射皮膜と比べて硬度が低く耐摩耗性が不充分であり、寿命向上の要求があった。  特に鋳型の下部は摩耗が激しいため、摩耗対策としてＮｉ基の自溶性合金の適用が検討されてきたが、自溶性合金は一般に溶射後、再溶融処理（ヒュージング）を高温で行うため、鋳型の基材の熱変形が大きくなり、処理後の銅板を鋳型として組み立てることが出来なくなる問題があり、スラブ連鋳鋳型の場合、４００ｍｍ幅を越える長辺には出来ず短辺のみの適用に止まっている。
【０００３】
再溶融処理は、通常ガスバーナーの火炎で溶射皮膜を加熱することによって実施されるが、この方法では、上記の熱変形以外に被膜の酸化劣化も問題である。また、ガスバーナーでは広い面積を被覆する場合、加熱状態が不均一になりやすく、被膜の密着強度が不足する部位の発生、さらにはピンホールの発生も問題となる。更に、再溶融処理後の被膜厚みが不均一になりやすいため、要求膜厚以上に厚い溶射膜を形成してから研削する方法が一般に行われており、溶射材料の歩留まりが悪く施工コストが増大するという問題もあった。
【０００４】
上記課題の対策として、例えば特許文献１、特許文献２にて開示されているように、自溶性合金を超音速フレーム溶射（再溶融処理省略）、又はＷＣ・ＮｉＣｒ、ＷＣ・Ｃｏ、ＣｒＣ・ＮｉＣｒを超音速フレーム溶射にて施工する方法が提供されている。
【０００５】
また、再溶融処理時の溶射皮膜の酸化劣化を防止する手段としては、特許文献３に開示されているように、自溶性合金に酸化防止剤を塗布してヒュージングする方法、また特許文献４に開示されているように、自溶性合金に電子ビームを与えてヒュージングする方法が提案されている。これらはどちらもヒュージングを行うので連続鋳造用鋳型の長辺には適用できていない。
【０００６】
さらに、特許文献５では自溶性合金を溶射または積層してからレーザー光で再溶融させて被覆する方法が開示されている。この方法では表面が溶融することで滑らかとなるが、被覆界面近くまで十分な熱が伝わらない場合があり、この部分では自溶性合金が十分に溶融せず、被覆材に空孔ができて剥離する懸念があった。また、溶射と再溶融の２回の加熱があるのでコストが高くなる懸念もあった。
【特許文献１】特開平８−２２５９１７号公報
【特許文献２】特開平８−１８７５５４号公報
【特許文献３】特開平１０−１２１１２６号公報
【特許文献４】特開平１１−２２６７００号公報
【特許文献５】特開２００３−３２０４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は自溶性合金を安価でかつ強固に銅板に被覆する方法および装置を提供すると共に、これによって得られた銅板を用いて耐摩耗性の高く長寿命である連続鋳造用鋳型を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明者は半導体レーザー光による自溶性合金の被覆方法およびについて広く研究を行い、次のような知見を得た。
（１）半導体レーザーは被覆の母材となる銅に対する吸収率が低い一方、自溶性合金の主成分であるＮｉ、Ｃｒ、Ｆｅに対して高い。これにより同じ照射を受けても銅はあまり加熱されないが、自溶性合金は加熱される。
（２）粉末を供給しながらレーザー光で加熱被覆した場合、粉末が微視的に連続体でないので、深くまで光が届き、このことによって被覆界面まで十分に加熱される。
【０００９】
本発明者は上記の知見を基に以下のような発明をした。
（１）自溶性合金を被覆する銅板を固定する定盤と、銅板に向けてレーザー光を照射する半導体レーザー装置と、該レーザー装置がレーザー光を照射する部分に自溶性合金粉末を連続的に供給する装置からなることを特徴とする、自溶性合金の被覆装置。
【００１０】
（２）銅板の表面に自溶性合金粒子を供給し、この自溶性合金に波長が６３０〜９４０ｎｍ、エネルギー密度が少なくとも１０ｋＷ／ｃｍ２のレーザ光を照射し、前記自溶性合金を溶融させた後、凝固させ、被覆層を形成させることを特徴とする自溶性合金の被覆方法。
【００１１】
（３）レーザー光が照射面被覆部に与える入熱量が、５ｋＪ／ｃｍ以上１５ｋＪ／ｃｍ以下であることを特徴とする前記（２）に記載の自溶性合金の被覆方法。
【００１２】
（４）銅板の表面に、下地処理として脱酸剤を塗布又は積層し、その上に自溶性合金粒子を供給することを特徴とする前記（２）又は（３）に記載の自溶性合金の被覆方法。
【００１３】
（５）銅板の表面にＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅメッキ層若しくはこれらを基材とする合金メッキ層、又はＮｉ若しくはＣｕ−Ｎｉ合金のろう材のいずれか１種又は２種以上の被覆層を形成したものを基材とすることを特徴とする前記（２）〜（４）の何れか１項に記載の自溶性合金の被覆方法。
【００１４】
（６）自溶性合金が、Ｎｉ、Ｃｏ若しくはＦｅ基の自溶性合金、又はこれらの自溶性合金にクロム炭化物、タングステン炭化物、バナジウム炭化物、ニオブ炭化物、ジルコニウム炭化物の１種又２種以上を添加したものであることを特徴とする前記（２）〜（５）の何れか１項に記載の自溶性合金の被覆方法。
【００１５】
（７）前記（２）〜（６）のいずれかに記載の方法で銅製連続鋳造用鋳型を被覆することを特徴とする連続鋳造用鋳型への自溶性合金の被覆方法。
【００１６】
（８）前記（２）〜（６）のいずれかに記載の方法で自溶性合金を被覆された銅板を用いて造られたことを特徴とする連続鋳造用鋳型。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では溶射と再溶融といった２回の加熱ではないので、工程が短縮され、効率的に被覆を得ることができた。また、自溶性合金粉末が十分に溶融して被覆されるので、銅板の表面は滑らかで欠陥のない被覆がされるようになった。さらに、このように被覆された銅板は自溶性合金の特性が生かされて耐摩耗性が高く、連続鋳造用の鋳型としての寿命が大幅に向上した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明について最良の形態を用いて以下に詳細に説明する。
図１は、本発明の最良の形態を示した斜視図である。定盤に固定された銅板６の表面に半導体レーザー装置１から発射される照射光４を照射し、その照射部に自溶性合金粉末２を供給することにより、溶融処理を行い、自溶性合金皮膜５を形成する。
【００１９】
半導体レーザー装置１は送り装置に取り付けられ、一定速度で被覆材と一定の距離を保ちながら、被覆材の表面を走査するのが好ましい。また粉末供給装置３は、レーザーの照射光４の走査に追従して移動する。上記粉末供給装置３は、常に自溶性合金粉末２が定量供給される機構を有することが好ましい。
【００２０】
自溶性合金粉体の粒径は小さいと供給時にレーザー照射光の範囲よりも大きく散逸し歩留まりが低下する。また供給装置の詰まりなどの障害も発生しやすい。一方粒径が大きいと、粉末の重量に対する表面積の割合が小さいため、レーザー光への暴露面積が低下することにより溶融処理が効率的に行われない。したがって、ここで用いられる自溶性合金粉体の粒径は好ましくは１０μｍ以上、２００μｍ以下であることが望ましい。
【００２１】
図２は特許文献５で開示された被覆方法である。銅板６の表面に自溶性合金被覆を溶射により形成し、レーザ装置１から発射される照射光４を被覆表面に照射して再溶融処理を行う。この被覆方法に於いては溶射と再溶融という２回の加熱が必要であり工程が増加する。またあらかじめ成膜化した自溶性合金被覆の表面にレーザー光を照射するため、本法の粉末状態の自溶性合金への照射に比較して、自溶性合金にレーザー光が照射される表面積が小さく、被覆形成の効率が低い。
【００２２】
一般に実用的な半導体レーザーはレーザー波長が６３０〜９４０ｎｍであり、エネルギー密度が少なくとも１０ｋＷ／ｃｍ２の出力を出すことができる。銅と自溶性合金の吸収率の差を顕著とするためには、レーザー波長は好ましくは８００ｎｍ以上であることが望ましい。
【００２３】
レーザー光が照射面被覆部に与える入熱量は、レーザー出力とレーザー装置の送り速度によって与えられる。入熱量が小さいと自溶性合金が十分に溶融せず、被覆が形成されない。また入熱量が大きいと自溶性合金が蒸発して被覆形成不良、酸化による被覆層の性能低下、急熱急冷による被覆層の割れが発生する。したがって、レーザー光が照射面被覆部に与える入熱量は、５ｋＪ／ｃｍ以上１５ｋＪ／ｃｍ以下の範囲とすることが良好な被覆層を形成するために望ましい。
【００２４】
また、銅板は一般に表面の酸化や腐食が発生しやすく、自溶性合金を被覆する前に、あらかじめ銅板表面にショットブラストやグラインダー加工、ブラシかけ等の下地処理を施し、酸化膜等を除去しておくことが望ましい。さらに脱酸剤を塗布又は積層し、その上に自溶性合金粒子を供給しレーザー光を照射して被覆すれば、より効果的な被覆層を得ることができ、自溶性合金の銅板への密着力も向上する。
【００２５】
加えて、上記のように自溶性合金の銅板への密着力を向上する下地処理として、銅板の表面にＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅメッキ層若しくはこれらを基材とする合金メッキ層、又はＮｉ若しくはＣｕ−Ｎｉ合金のろう材のいずれか１種又は２種以上の被覆層を形成すれば、銅板表面の酸化を防止することができ、また上記メッキ材料は自溶性合金との密着性が優れ、より好ましい被覆層を得ることができる。
【００２６】
被覆層を形成する自溶性合金としては、Ｎｉ、Ｃｏ若しくはＦｅ基の自溶性合金が好ましい。これらは、溶融処理によって緻密化し、銅板表面との密着性も良好である。また、これらの自溶性合金にクロム炭化物、タングステン炭化物、バナジウム炭化物、ニオブ炭化物、ジルコニウム炭化物の１種又は２種以上を添加したものを用いれば、被覆層の硬度すなわち耐摩耗性が向上し、より好ましい被覆層を得ることが出来る。
【実施例】
【００２７】
図１の本発明装置を用いて、幅２５００ｍｍ、高さ９００ｍｍの連続鋳造用鋳型１の表面にショットブラストで下地処理を行い、Ｎｉ基自溶性合金４種、およびこれにクロム炭化物を配合した被覆層５を種々の条件で形成した。Ｎｉ基自溶性合金４種はＮｉ、Ｃｒ、Ｂ、Ｓｉ等から構成される、溶融処理後のビッカース硬度が６００〜８００の皮膜である。自溶性合金粉末２は、粒子径が、いずれも４０μｍ以上、１３０μｍ以下の範囲のガスアトマイズ製法による球状粒子を用いた。溶融処理に用いたレーザー装置１は、波長８０５ｎｍの半導体レーザーで、最大出力４ｋＷのものを用いた。また、レーザー照射光４のビーム形状は長方形で、長辺６ｍｍ×短辺０．２５ｍｍのものを用いた。レーザー装置１の先端と被覆表面との距離は、これに用いたレーザー装置の焦点距離に合わせて４０ｍｍとした。
【００２８】
表１に本発明の実施例と比較例を対比して示す。表１において、「ＳＦＡ」は自溶性合金の略である。
【表１】
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実施例における、条件１および２は本発明の被覆法にてレーザーの照射条件を与えてＮｉ基自溶性合金の被覆層を形成した例である。条件３はＮｉ基自溶性合金粉末の供給量を変化させて、被覆層を形成した例である。また、条件４および５は、銅板表面に下地処理として膜厚０．５〜１ｍｍのＮｉメッキおよびＣｏ−Ｎｉメッキを施した上で、Ｎｉ基自溶性合の被覆層を形成した例である。条件６は、クロム炭化物をＮｉ基自溶性合金４種に配合した材質の被覆層を、本発明の方法で形成した例である。
【００２９】
比較例における条件７は、実施例の条件１および２と異なるレーザーの照射条件でＮｉ基自溶性合金の被覆層を形成した例である。また、条件８は、銅板表面にＮｉ基自溶性合金粉末を約１ｍｍの層厚であらかじめ積層し、ガスバーナーによる溶融処理を実施した例である。条件９および１０は、銅板表面に高速フレーム溶射によって、Ｎｉ基自溶性合金、およびそれにクロム炭化物を配合した被覆層を溶射によって形成し、再溶融処理を実施しなかったものである。高速フレーム溶射は、酸素と石油を用い、秒速１ｋｍ以上に達する超音速で溶射粉末をガンから発射し基材に溶射する方法で、通常のガス溶射よりも緻密な皮膜が形成できるとされる。
【００３０】
上記実施例の条件による被覆層を作成し、実際の連続鋳造用鋳型に使用したところ、いずれの実施例の被覆層も、皮膜状態が良好であったものは従来のＮｉメッキに比べ、下部の摩耗により銅製の鋳型基材が露出するまでの寿命が２倍以上となることをを示した。特に条件６のクロム炭化物を配合したＮｉ基自溶性合金４種の被覆層は、Ｎｉメッキの３倍以上の寿命を示した。他方、比較例における条件９および１０の被覆層は、Ｎｉメッキの摩耗寿命と同じ期間の使用後に点検したところ、部分的に剥離が生じ、継続使用が不可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の最良の形態を示した斜視図である。
【図２】特許文献５に開示された被覆形態を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００３２】
１半導体レーザー装置
２自溶性合金粉末
３粉末供給装置
４照射光
５完成した自溶性合金被覆層
６定盤に固定された銅板
【図１】
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【図２】
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