(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心力鋳造法による鉄系形状記憶合金製管継手の製造方法において、高速回転する金型の一端に架設した鋳込み点より所定成分の鉄系形状記憶合金の注湯を開始し、該鋳込み点を金型の回転軸方向へ定速で移動しつつ注湯を続け、注湯された溶湯の表面に発熱・保温フラックスを散布し、金型の他端に至ることにより、管のほぼ全長に亘って何れの横断面においても柱状晶率が肉厚の少なくとも７０％以上の長さを越えることを特徴とする均質な鉄系形状記憶合金製管継手の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、注湯を開始した後、発熱・保温フラックスが前記鋳込み点の近傍に設けた供給口から所定の秒数だけ遅れて散布を開始するとともに、注湯される溶湯と同速で追随することを特徴とする製造方法。
【請求項３】
請求項１または２において、発熱・保温フラックスがＣａ−Ｓｉ系フラックスであることを特徴とする均質な鉄系形状記憶合金製管継手の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鉄系形状記憶合金による管継手の製造方法、とくに遠心力鋳造法による管の全長に亘ってほぼ均質な管継手の製造方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
形状記憶合金による管継手は、形状回復力を利用した特徴ある応用分野であり、開発当初は液体窒素中に貯蔵しなければならなかったが、その後の合金組成や熱処理技術の開発が進み、常温貯蔵が可能となって急速に用途を拡張しつつある。材質的にはＮｉ−Ｔｉ系やＣｕ−Ａｌ系が先行したが、コスト的に有利で加工性のよい鉄系の形状記憶合金（Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系）が開発され、たとえば新トンネル工法（ＷＢＲ）などに提供されている。さらにこの系統の合金について研究が深化し、従来までは所望成分の鋼塊を熱間圧延して板材とし、これを円筒形に曲げ加工した後溶接するか、熱間圧延して棒材とし、機械加工によって円筒形に穿削して成形していたものを、遠心力鋳造法によって直接、円筒形の鋳造管を得る技術が提案されるに至った。
【０００３】
特開２００１−８２６４２号公報による従来技術は、鉄系形状記憶合金製の管継手として求められる機能と、そのマクロ組織との相関性に着目した提案である。本来、形状記憶合金による管継手は、締結すべき相手管の外径より僅かに小さい内径の円筒を成形し、押し拡げてから継合すべき管を差し込んで所望温度に加熱することによって、元の径に戻ろうとする形状記憶機能を利用したものである。したがって継合後の高い締結強度を得るためには、加熱時における円筒の形状回復率、すなわち内径の収縮率が高いほど良好なことは当然想定できる。
【０００４】
該従来技術では高い内径収縮率が安定して得られる条件を検討した結果、内径収縮率の違いがそれぞれのマクロ組織と対応していることを見出し、柱状晶率の高い円筒が全体に内径収縮率の高い部分にあることを知見し、結局、管継手横断面のマクロ組織の中で柱状晶率が５０％を越える面積を占めることを要件に定めた。この要件を満たす限り、管継手として実用上望ましい内径収縮率２．５％以上というレベルの確保が得られる効果を謳っており、実施例では柱状晶率が９２％の場合には内径収縮率が３．４％という高いレベルにあるが、ほぼ同成分の形状記憶合金の熱延板を曲げ加工、溶接で製作した同サイズの円筒に係る比較例では、柱状晶が熱間加工時に失われて０であるため内径収縮率も２．７％に留まったことと比べ、明らかに凌駕したと例示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
管継手はその使用目的に照らせば、円筒の両端から継合すべき管を挿入し、堅固に固着することを要件とするから、この固着力が発揮できる程度の接触面積さえ得られればよい。したがって短管形状で足りるから、遠心力鋳造法で製造した管を、所望の寸法ごとに切断して使用に供するのが普通である。したがって定尺管のどの位置でもほぼ均等な組織、この場合はほぼ均等な柱状晶率を維持し、ほぼ均等な内径収縮率、すなわち形状回復率を保証することが最も望ましい。
【０００６】
ところがそのような意味での均等性については、遠心力鋳造法による管継手には、砂型やロストワックス法による静置鋳造法で管継手を単品毎に製造する場合は言うに及ばず、鋼塊を熱間加工して板、または棒状に一次加工した後、円筒形に曲げ加工したり、機械的に穿削加工して定尺管を成形した後、単品サイズに切断する場合と比べても課題が残る。
【０００７】
前記従来技術の実施例によれば、２，６５０ｍｍの定尺管を８０ｍｍづつに分割した短管のうち、鋳込み時のノズルに最も近い位置にある短管Ａと、逆に最も遠い位置にある短管Ｂを比較したところ、短管Ａでは平均９２％の高い柱状晶率であったのに対し、短管Ｂでは柱状晶率が平均４０％でしかなかった。両管を拡径、加熱、内径収縮後に測定したところ、短管Ａの内径収縮率は３．４％得られたのに対し、柱状晶率の低い短管Ｂでは内径収縮率が２．７％に留まったとあり（同公報の００２９記載）、この従来技術においても、遠心力鋳造管の部位によっては柱状晶率、したがって形状回復率に相当なバラツキが認められ、その意味では均質な形状記憶機能が全品担保されるわけではないことを率直に開示している。
【０００８】
遠心力鋳造管は金型を高速で回転し、通常はその一端の開口部（中心孔）へ差し込んだトラフから、所定成分の溶湯を注湯して遠心力によって溶湯を金型内面に押圧しつつ他端まで流動させ、所定肉厚の円筒管を成形する工法である。この場合、液相−固相の経過が全長に亘ってほぼ均等に進行しなければ全長レベルで見た組織の均一性が保証できないことは当然予見される。ところが遠心力鋳造の基本的な構成として、円筒形の金型（内径が製品の外径となる）の両端が内面と同径で開口しておれば、鋳造時に鋳込んだ溶湯が外へ飛び出すから、目標とする製品内径よりさらに小径のドーナツ形蓋板を両側に装着しなければならない。蓋板は金型と同様にかなりの肉厚からなる丈夫な鉄板（または鍛造材）でなければ危険である。この蓋板も金型と同様に溶湯を急速に冷却するから、接触面を原点とする柱状晶を形成する点は同じである。すなわち、金型内面から進行する柱状晶と直角に交差する柱状晶が両端付近に生成して、この領域の組織の均一性を著しく阻害する要因となる。
【０００９】
別の要因としては、材質と遠心力鋳造法との因果関係も考えられる。遠心力鋳造法では前記の通り回転する金型の一端から内部へトラフを差し込み、三角取鍋など定量を保持する溶湯容器から一挙に金型内へ注湯するのが一般であり、遠心力鋳造法の最大の利用分野であるダクタイル鋳鉄管の製造ではそれで何の支障も起らない。しかし、鉄系形状記憶合金のように低炭素（Ｃ：０．０１〜０．０２％）の鋼系の場合は、鋳鉄よりも鋳込み温度が高い上に、溶湯の湯流れは逆にかなり低いから、溶湯が遠心力を受けて金型内面に貼り付きながら一方から他方へ進行する作用はダクタイル鋳鉄より遥かに緩慢である。そのため一端からの定点鋳込みでは、鋳込み点の近傍と遠く隔たった他端を比べると、金型温度も溶湯温度も鋳鉄以上の大差となって顕れ、凝固−柱状晶の生成と成長の条件に局部的なバラツキの生じることは容易に推定できる。
【００１０】
遠心力鋳造法において、凝固後のマクロ組織を調整するために発熱・保温フラックスを使用する技術自体は公知である。特開昭６３−１６８４３号公報は高合金のステンレス鋼管の遠心力鋳造法に係り、図５に示す典型的な遠心力鋳造設備を使って高合金の溶湯を鋳込み、凝固を開始して一定長さの柱状晶組織が形成された時間に、内面の未凝固溶湯の内面に発熱・保温フラックスを吹き付けて前記柱状晶の内側に一定厚さの等軸晶組織を形成させ、製品として使用中に懸念されるクリープ損傷としての割れの進展を防止することを要旨としている。
【００１１】
しかしこの従来技術は石油化学施設の高温反応管の耐食性、耐熱性を重視した管に係り、結晶にある特定の方向性を全長に亘って与え、優れた形状記憶機能を期待する本発明の主旨は発想が逆転している。また、この図にような定点からの鋳込みでは、前記柱状晶率のバラツキを生じる大きな原因は依然として解消されていない。
【００１２】
また、特開平９−２４４５０号公報による別の従来技術では、図６のような遠心力鋳造設備によって溶湯（材質特定せず）を鋳込んだ後、Ａｌ＋Ａｌ2Ｏ3＋ＳｉＯ3を主成分とする金属アルミタイプの保温剤と、ＦｅＯ＋Ｃａ＋Ｓｉを主成分とするカルシリタイプの保温剤を所望の割合で混練した保温剤を溶湯内面に投入することを要旨としている。
【００１３】
この従来技術はフラックスの発熱作用と、全体（全長）に行き渡る効果的な拡散作用のバランスをとるために異種のフラックスを混練したというだけであるから、金型内面と溶湯内面側との冷却速度の差を調整して健全な柱状晶を生成する点では共通すると謂えども、図６に示す定点からの鋳造構造では全長に亘る均一性の確保という点で依然として課題は残ると言わざるを得ない。
【００１４】
また、発熱・保温フラックスを使用すると発熱量が大きいほど内外面の冷却速度差が拡がって有効なように見えるが、下手に使うと過激な燃焼作用に伴って粉塵やガスの飛散が甚だしく、気泡や非金属介在物の多い不健全な内面層を肥厚させ、職場環境を一挙に汚染する懸念がある。そしてこの不健全層を機械加工で取り除こうとすれば、鋳放しの肉厚を増加せざるを得ず、材料歩留まりを低下し、加工費が嵩み、肉厚の増加は金型の冷却能力を相対的に低下させて肝心の形状記憶機能の低下を誘発するし、欠陥の発生範囲を縮小するために遠心力を増強すれば、ある限度を超えた回転数が柱状晶の成長を乱して形状記憶機能を却って低下させるという悪循環に陥りかねない。
【００１５】
本発明は以上の課題を解決して全長に亘ってほぼ均等な柱状晶率、したがって形状記憶機能を具備する遠心力鋳造法による鉄系形状記憶合金製管継手の製造方法の提供を目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る遠心力鋳造法による鉄系形状記憶合金製管継手の製造方法は、高速回転する金型の一端に架設した鋳込み点より所定成分の鉄系形状記憶合金の注湯を開始し、該鋳込み点を金型の回転軸方向へ定速で移動しつつ注湯を続け、注湯された溶湯の表面に発熱・保温フラックスを散布し、金型の他端に至ることにより、管のほぼ全長に亘って何れの横断面においても柱状晶率が肉厚の少なくとも７０％以上の長さを越えることによって前記の課題を解決した。
【００１７】
より具体的には、注湯を開始した後、発熱・保温フラックスが前記鋳込み点の近傍に設けた供給口から所定の秒数だけ遅れて散布を開始するとともに、注湯される溶湯と同速で追随することが望ましい実施態用である。
【００１８】
なお、実施形態として具体的には、ここで使用する発熱・保温フラックスは、Ｃａ−Ｓｉ系フラックスが最も望ましく推奨に値する。本発明の製造方法は前記の手順を踏むから、定尺管の全長に亘って安定した高率の柱状晶率が保証される。まず、溶湯の鋳込みは金型一端内に架設した鋳込み点から始まり、定速で金型内を移動して他端に到達したときに予定した全量の鋳込みが完了する。従来技術の定点鋳込みの場合には、金型内の特定の位置が絶えず新しい溶湯に洗われ続けるから、他の部位に比べると異常に昇温して冷却機能を局部的に失う。また、溶湯自体も遠くまで走行する間に急速に降温し、湯先部分の湯流れが著しく低下する。組織的にも引け巣やノロ（ドロス）を巻き込みやすく、健全な結晶の成長を阻害していたが、この要因が鋳込み点の移動と、定刻遅れで追随する発熱・保温フラックスの供給によって一挙に好転する。
【００１９】
発熱・保温フラックスには多くの種類があり、従来技術でも課題としていたそれぞれの長所、短所は確かに認められるが、発熱・保温フラックスと溶湯の比重差、散布の難易、溶湯内面での拡散の難易などいろいろのチェックポイントがある。しかし、移動する鋳込み点から注入される溶湯より数秒遅れで追随して発熱・保温フラックスが溶湯内面に供給されるから、迅速、かつ完全に溶湯内面を被覆して所望の冷却速度の調整作用を全うする。規則的な組織が最も乱れる管の両端付近に対しても、確実な保温、または発熱保温作用が発現して前記金型の蓋板による冷却作用を減殺し、ほぼ均等な軸心へ指向した柱状晶の成長を援助する。この結果、定尺管のほぼ全長に亘って少なくとも７０％以上の柱状晶率を確保し、実施例の記録では少なくとも３％以上の高度な形状回復率を保証する元管を製造することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施に使用した遠心力鋳造装置である。図において高速回転する２個１組の駆動ローラ２の回転を受けて、該ローラ上に水平に支持されている金型１が回転する構造である。まず、金型１の内面にコーティング層１１を４００〜１０００μｍ厚さ程度に形成し、金型の左右両端の開口部には十分に強度の高い厚肉の蓋板１２を装着する。つぎに高周波溶解炉４から供給装置３の三角取鍋３１へ所望の鉄系形状記憶合金の溶湯を注入する。鉄系形状記憶合金の成分自体は公知の範囲に入り、Ｃ≦０．００６％、Ｍｎ：２８％、Ｓｉ：６％、Ｃｒ：５％、残りＦｅの成分を採用した。
【００２１】
注湯は金型内の一端Ｐ点に鋳造トラフ３２の先端を位置決めして鋳込み点３３を設定し、その段階で三角取鍋３１を図のように傾動して開始する。三角取鍋３１の傾動と連動して走行台車３４が矢印の方向に移動を始め、鋳造トラフ３２の先端にある鋳込み点３３は溶湯を注入しつつ定速で軸方向に走行する。この鋳造トラフ３２には供給ホース３５が一体的に固着されて発熱・保温フラックスの材料槽３６と連結しており、溶湯の鋳込みから数秒遅れて先端のノズル３７から発熱・保温フラックスが溶湯の表面上へ均等に散布しながら同速で追随していく。遅れる秒数は、たとえば５秒とか、７秒など経験的に設定し、この遅れと走行台車の走行速度とが整合するように、鋳造トラフ３２先端の鋳込み点３３と供給ノズル３７間の距離を選定する。鋳込み点３３が移動すると共に注湯が進行し、鋳込み点３３が金型他端のＱ点に達したときに三角取鍋３１内のすべての溶湯が金型内へ移し替えられ鋳造が終了する。
【００２２】
発熱・保温性フラックスの散布方法は、上述した方法の他に、供給ホース３５とトラフ３２を一体化せずに、別途フラックスの供給装置を設けて散布しても構わない。この場合、蓋板１２側の開口部または蓋板１３側の開口部から、トラフとは独立させて供給ホースを挿入できるため、トラフの動作にとらわれず、自在に散布のタイミングを制御できる利点がある。また、前記、蓋板１２、１３両開口部の一方もしくは両方に供給ホース先端を定置し、金型内に溶湯を鋳込み終えた後、フラックスを散布してもよく、簡便な方法としては、前記同開口部から手作業でフラックスを投入、散布してもよい。
【００２３】
この実施例では発熱・保温フラックスとしてＣａＯ−ＳｉＯ2（ＣａＯ：３７％、ＳｉＯ2：３５％）を採用した。発熱・保温フラックスについては特に限定しないが、同時に試用したＡｌ−Ａｌ2Ｏ3−Ｆｅ系、およびＡｌ−ＦｅＯ系の発熱・保温フラックスに比べると一番結果が優れていた。その理由について定量的に説明することは必ずしも容易ではないが、一般的に言えばＣａＯ−ＳｉＯ2フラックスは投入すると直ちに溶湯内面で溶融状態になって表面に溶融スラグを形成して完全に溶湯内面を被覆保温する利点が挙げられる。前記従来技術の特開平９−２４４５０号公報によれば、溶融したスラグが製品内面に強固に固着して後に除去するのが困難であることをこのタイプの短所に挙げているが、本発明の対象である形状記憶合金は、凝固の際に管の収縮量が大きいため、製品内面に付着した溶融スラグは、管の収縮の間に容易に剥離除去される。また、内面は、寸法調整の機械加工を施すため、万が一強固に付着した場合であっても、溶融スラグは除去できるため問題にはならない。
【００２４】
これに反し、Ａｌを含む後記２種類の発熱・保温フラックスは、テルミット反応による発熱作用を利用するもので、この反応開始まで若干の時間を要するため、管内面の溶湯と直ちには反応せず、重力の１００〜１５０倍に相当する遠心力という重圧によって溶湯内部へ一部が押し込まれ、肉厚内部に異物として介在したり、表面より内部で反応し、柱状晶の正常な発達を却って妨害するのではないかとも考えられる。
【００２５】
鋳造された管は全長１，１５０ｍｍであり、この管を１，１００℃で溶体化処理を施した後、図２に示すように管の両端と中央から試験片Ａ，Ｂ，Ｃを切断採取した。試験片の両断面は、まず＃８００まで研磨した後、塩化第二銅溶液に約２分間、浸漬し腐食させて柱状晶組織の生成状態を観察し、肉厚に対する柱状晶の生成割合を測定した。柱状晶率の生成割合は次式によって算出する。
柱状晶率の生成割合(％)＝（柱状晶の長さ／肉厚）×１００
また、上記の同試料から、鋳造管の内面に発生するドロスの最大発生長さを測定し、ドロス発生割合として次式により算出した。
ドロス発生割合（％）＝（ドロスの最大発生長さ／肉厚））×１００
この試験片についてそれぞれ形状記憶機能の評価を行った。機能の評価は以下のトレーニング処理の手順を経た試験片の形状回復率を測定して数値化することにした。
第一次歪み付与（８％歪み）→６００℃×１０分間加熱→第二次歪み付与（８％歪み）→３００℃×１０分間加熱→空冷後→内径収縮量測定
【００２６】
表１は実施例と比較例の測定結果とその評価をまとめたものである。表中、比較例、実施例ともに成分は標準的な鉄系形状記憶合金の公知材料であり、溶解条件、鋳込み温度、金型の回転数など鋳造条件はすべて共通であって、異なる点は比較例が、フラックス無しで定点鋳造したのに対し、実施例は本発明の要件に基づいて全長に亘って移動する鋳込み点からの鋳造であることと、この鋳込み点に連動して移動しながら追随して供給するＣａＯ−ＳｉＯ2フラックスの添加という２点である。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
図３は、本願発明によって得られた実施例のマクロ組織の一例（Ｎｏ．３）であり、形状記憶機能の発揮に必要な柱状晶が肉厚全体に生成した組織となっている。一方、図４は比較例によって得られたマクロ組織の一例（Ｎｏ．２）であるが、肉厚の半分以上に等軸晶が生成した組織となっている。これらのマクロ組織より柱状晶率の生成割合を定量化した表１の結果から明白に読みとれるように、本発明の実施例４件はＡ，Ｂ，Ｃの管内位置の如何に拘わらず何れの柱状晶率も７０％を越え、その結果として形状回復率も３．１〜３．６％の高いレベルを維持するが、比較例は管中央に位置する試験片Ｂにおいて合格ラインとされる５０％をクリアしてはいるものの、両端に位置するＡ，Ｃではこの水準に届いた例はなく、形状回復率も２．１〜３．８％の広い範囲にばらつくなど、管継手として実用上望ましい内径収縮率２．５％を維持するものもあるが、全体としてきわめて変動の幅が大きく、１本の遠心力鋳造管の中における品質のバラツキが大きく、形状記憶機能に対する信頼性に関して明瞭な差のあることを物語っている。さらに、比較例におけるドロス発生率は、肉厚に対して１５．４〜２６．３％とドロス発生率が大きく、トレーニング処理の際、この欠陥を起点として割れが生じていたのに対し、本発明の実施例におけるドロス発生率は、１０〜１２．１％とドロス発生率を縮小できるため、トレーニング処理の際に割れるという問題を同時に解消できた。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は以上述べたように遠心力鋳造によって製造した定尺管を寸法切りして得られる鉄系合金形状記憶合金の機能を同一レベルに担保し、個々の管継手についての品質にバラツキが少ない製品を提供する効果がある。この製造方法によって品質が安定し、鉄系形状記憶合金のさらに広い分野での活用を促す点で意義が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例に使用する遠心力鋳造法を説明する一部断面正面図である。
【図２】本発明実施例、比較例の試験片採取の位置を説明する斜視図である。
【図３】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は本発明実施例の試験片Ａ，Ｂ，Ｃのそれぞれのマクロ組織を示す金属顕微鏡写真である。
【図４】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は比較例の試験片Ａ，Ｂ，Ｃのそれぞれのマクロ組織を示す金属顕微鏡写真である。
【図５】従来技術の遠心力鋳造方法を例示する正面断面図である。
【図６】別の従来技術の遠心力鋳造方法を例示する一部断面正面図である。
【符号の説明】
１  金型
２  駆動ローラ
３  供給装置
４  高周波溶解炉
11  コーティング層
12  蓋板
13  蓋板
31  三角取鍋
32  鋳造トラフ
33  鋳込み点
34  走行台車
35  供給ホース
36  材料槽
37  ノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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