(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する横向き円筒状モールド（１）内にトラフ（５）を介して鉄系形状記憶合金溶湯（ａ）を鋳込んで、そのモールド（１）内面に前記溶湯（ａ）から成る管状体（ｃ）を形成する金型遠心鋳造による鉄系形状記憶合金管の製造方法であって、
上記モールド（１）内面保護用コーティング層のコーティング材（ｂ）を主成分がジルコニア系骨材であるものとするとともに、その成分重量比を、水：骨材：粘結材＝１００：３０〜５０：１．０〜３．０であるものとし、
上記モールド（１）内面にその内面保護用コーティング層を２０〜１０００μｍ厚に形成した後、モールド（１）を回転数（ＧＮｏ．）５０〜１５０Ｇで回転させるとともに、上記トラフ（５）とモールド（１）をその筒軸方向に相対的に速度５０〜１５０ｍｍ／ｓｅｃで移動させ、その状態で、上記鉄系形状記憶合金溶湯（ａ）を鋳込温度１４００℃以上、溶湯流出量３．０〜１０．０ｋｇ／ｓｅｃで前記モールド（１）内面に鋳込むとともに、その鋳込まれた溶湯（ａ）の冷却速度を１〜３０℃／ｓｅｃとすることを特徴とする鉄系形状記憶合金管の製造方法。
【請求項２】
上記コーティング層を、コーティング材噴出ノズル（８）と上記モールド（１）をその筒軸方向に相対的に移動させるとともにそのモールド（１）を回転させながら、前記ノズル（８）からコーティング材（ｂ）をモールド（１）内面に噴出して形成することを特徴とする請求項１に記載の鉄系形状記憶合金管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鉄系形状記憶合金管、及びその管を遠心金型鋳造により製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、新トンネル工法（ＷＢＲ工法）に適用される鉄系形状記憶合金製管継手の遠心鋳造法による製造は、特開平１０−２８００６１号公報等に開示され、図１、図５に示すように、円筒形モールド（金型）１をローラ２により回転し、そのモールド１内面に、溶解炉３から、三角取鍋４、鋳込用トラフ５を介して溶湯ａを鋳込んで、所要厚の円筒状溶湯層（管状体）ｃを形成することによって行うのが一般的である。
【０００３】
このとき、図５に示すように、固定のトラフ５から、筒軸方向固定のモールド１内面に溶湯ａを鋳込んだり、図１に示すように、前記筒軸方向固定のモールド１に対し、トラフ５を矢印方向に移動させたり、逆に、筒軸方向固定のトラフ５に対し、モールド１をその筒軸方向に移動させて、モールド１内面に溶湯ａを鋳込んだりしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示す製造方法は、モールド１内面にその一端から溶湯ａを鋳込んでいるため、所要長さの管とするには、溶湯ａの流れ性の点から、その管肉厚を厚くせねばならない。また、管（製品）の筒軸方向（長さ方向）における肉厚の均一性を得ることが難しく、外面にピンホール欠陥、内面にドロス欠陥（酸化物の巻き込み欠陥）といった鋳造欠陥などを生じる可能性が大きくなる。このため、管内外面を多量に切削加工して、形状記憶性能の発揮に必要な柱状晶組織帯のみを継手素材に残すことが必要となる。さらに、厚肉管では形状記憶特性に優れた柱状晶組織が得にくくなり、この方法で、薄肉管を製造する（溶湯を少ない重量で鋳造する）とモールド１に均一に溶湯ａが流れることなく凝固を開始するため、湯境といった鋳造欠陥が出やすいこと、などの問題がある。
【０００５】
したがって、図１に示すように、トラフ５とモールド１をその筒軸方向に相対的に移動させると、鋳込んだ個所の溶湯ａの量により、その鋳込み個所の層厚を決定できるため、薄肉管の製造が可能である。
【０００６】
しかし、その製造方法においても、使用に耐え得る十分な形状記憶性能を発揮する鉄系形状記憶合金管を得ていないのが実情である。
【０００７】
この発明は、上記実情の下、使用に耐え得る十分な形状記憶性能を発揮するようにすることを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、この発明は、まず、形状記憶特性に必要な柱状晶組織を得やすい薄肉管を安定して製造し得るために、トラフとモールドを相対的に移動させる遠心鋳造法を採用し、つぎに、その遠心鋳造において、柱状晶組織の発現には、鋳込温度、鋳込速度、冷却速度、モールド回転数及びモールド内面のコーティング厚を制御すればよいと考え、それらを最適値とすることとしたのである。
【０００９】
トラフとモールドの相対移動は、どちらか一方を動かせばよいが、トラフを動かす方が、その駆動力及び設備も小型ですむ。この場合、トラフは長樋となって、相対移動により鋳込み部（鋳込まれる個所）が動くことから、単位鋳込み量は、その鋳込み部のみでよいため少なくなって、モールド内に静かに溶湯を鋳込むことができ、管状体内面のドロス欠陥の発生（巻き込み）が少なくなる。このため、その欠陥を除去するための切削加工代を小さくすることができ、コスト面で有利となる。
【００１０】
鋳込温度は１４００℃以上とした。これ未満であると、湯流れが悪くなり、管全長に亘り、均一な厚みを得にくいからである。この温度が高くなればなるほど良好な湯流れ性を発揮するが、１６００℃を越えると、溶湯の酸化が進むとともに、溶解炉から注湯取鍋への出湯時に大巾な温度低下を招いて目標の鋳込温度を得ることが困難となるとともに、経済的でない。このため、上限は１６００℃とするとよい。
【００１１】
鋳込速度は、モールド内面に形成される管状体の肉厚に応じて適宜に設定され、注湯取鍋の傾動速度及びトラフとモールドの相対速度の制御によってその設定をすることができ、この発明では、注湯取鍋からの溶湯流出量を３．０〜１０．０ｋｇ／ｓｅｃ、相対速度を５０〜１５０ｍｍ／ｓｅｃとした。これにより、管状体の肉厚が５〜２０ｍｍのものを容易に製造することができる。
【００１２】
溶湯（管状体）の冷却は、モールド内又は外面の空冷、水冷等により行い、一般に、凝固組織は冷却条件により、急冷側から、チル晶、柱状晶、等軸晶となり、形状記憶特性に関しては、柱状晶が好ましい。その形状記憶性能を発揮する柱状晶組織を得るには適切な冷却速度が必要で、これは管状体の冷却条件（モールドの材質および厚み、回転数、コーティング条件など）に支配され、実験等により、冷却速度は１〜３０℃／ｓｅｃとする。さらには、３〜２０℃／ｓｅｃの範囲が好ましい。３０℃／ｓｅｃを越えると、得られる管状体の凝固組織でチル層が増加し、形状記憶特性を低下させる。一方、１℃／ｓｅｃ未満であると、等軸晶が多くなり同様に形状記憶特性を低下させる。因みに、回転数は柱状晶の成長には影響が少ない。
【００１３】
コーティング層厚は２０〜１０００μｍ、好ましくは５０〜８００μｍとする。２０μｍ未満では、上記冷却速度が好ましい範囲を超える。また、製造上の観点から形状記憶合金溶湯とモールドの間で焼き付きが生じるため、モールドを保護する機能が失われる。さらに、鋳造割れや湯境といった鋳造欠陥を生じる。一方、１０００μｍを越えると、外面に鋳造欠陥（ガス欠陥）を生じ、製造効率の面から、コーティング作業の繰り返し作業と鋳造後のモールドに残ったコーティング材の除去作業に時間を要する。
【００１４】
モールド回転数（ＧＮｏ．）は５０〜１５０Ｇとする。この値を出ると、溶湯を正常に鋳込みにくくなる。ここで、ＧＮｏ．＝遠心力の加速度／重力の加速度＝ｒω2 ／ｇ（・・・▲１▼）で表すことができ、この関係を管の直径Ｄ（ｃｍ）と回転数Ｎ（ｒｐｍ）によって表すと、ｒ＝Ｄ／２、ω2 ＝（２πＮ）2 ／６０2 （・・・▲２▼）となる。▲１▼に▲２▼を代入すると、ＧＮｏ．＝（Ｄ／２ｇ）・（２πＮ）2 ／６０2 （但し、ｇ＝９８０（ｃｍ／ｓｅｃ2 ）、π＝３．１４）、まとめると、ＧＮｏ．＝ＤＮ2 ／１７９００となり、最終的に、管の直径（Ｄ）と回転数（Ｎ）が分かれば、ＧＮｏ．を得ることができ、逆に、このＧＮｏ．の特定から回転数（Ｎ）を特定し得る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態としては、上述の各条件を満たすものとして、回転する横向き円筒状モールド内にトラフを介して鉄系形状記憶合金溶湯を鋳込んで、そのモールド内面に前記溶湯から成る管状体を形成する金型遠心鋳造による鉄系形状記憶合金管の製造方法において、前記モールド内面にその内面保護用コーティング層を２０〜１０００μｍ厚に形成した後、モールドを回転数（ＧＮｏ．）５０〜１５０Ｇで回転させるとともに、トラフとモールドをその筒軸方向に相対的に速度５０〜１５０ｍｍ／ｓｅｃで移動させ、その状態で、鉄系形状記憶合金溶湯を鋳込温度１４００℃以上、溶湯流出量３．０〜１０．０ｋｇ／ｓｅｃでモールド内面に鋳込むとともに、その鋳込まれた溶湯の冷却速度を１〜３０℃／ｓｅｃとする構成を採用し得る。
【００１６】
上記コーティング層の形成には、はけ塗り、スプレー塗布などの周知の手段を適宜に採用し得るが、スプレー塗布の場合には、コーティング材噴出ノズルとモールドをその筒軸方向に相対的に移動させるとともにそのモールドを回転させながら、前記ノズルからコーティング材をモールド内面に噴出して形成するとよい。このようにすれば、層厚を均一にし得るとともに、作業性もよい。また、トラフが移動するものの場合には、そのトラフにノズルを付設することにより、その塗布作業もできる。
【００１７】
コーティング材としては、シリカ粉末や珪藻土といった珪酸（ＳｉＯ2 ）成分を８０〜９０重量％程度含有した骨材に粘結材及び水を配合したものが一般的であるが、主成分がジルコニア系骨材であるものを採用するとよい。鉄系形状記憶合金の溶融金属を鋳造した際、表層に塩基性の酸化物を生じやすく、前記酸性酸化物の珪酸成分を含有する骨材を配合したコーティング材を使用すると、これらが反応して化学的焼着やガス欠陥を生じやすくなる。このため、鉄系形状記憶合金に使用するコーティング材には、高融点で溶融金属と化学的反応が生じにくいジルコニア（ＺｒＯ2 ）系、マグネシア（ＭｇＯ）系、クロマイト（Ｃｒ2 Ｏ3 ）系の塩基性または中性酸化物の性質を示す骨材を使用する。
【００１８】
この塩基性および中性酸化物のジルコニア（ＺｒＯ2 ）系、マグネシア（ＭｇＯ）系、クロマイト（Ｃｒ2 Ｏ3 ）系骨材の内、マグネシア系は保湿作用が大きく金型へ使用する際に水分の除去が難しく、残留水分によるピンホール欠陥を生じてしまう。また、クロマイト系ではコーティング層の成形が難しくコーティングの強度が低くなるためモールドの保護機能が損なわれる。これに対し、ジルコニア系はそのような問題はない。このため、鉄系形状記憶合金鋳造用金型コーティング材としては、ジルコニア系が好ましく、これにより、鋳肌外面のピンホール発生を抑制し、内面のドロス発生も抑制する。しかし、そのジルコニア系の内、ジルコニア（ＺｒＯ2 ）は純度が高く高価なため、天然に産出され、比較的安価なジルコン（ＺｒＳｉＯ4 ）骨材がより好ましい。このとき、ジルコン骨材（ジルコン９０重量％以上）には、珪酸成分を含有しているが少量のため問題はない。
【００１９】
そのコーティング材の成分重量比は、水：骨材：粘結材＝１００：３０〜５０：１．０〜３．０とするとよい。骨材が重量比で水１００に対して３０未満では、コーティング被膜層厚さが薄くモールドの保護性能が小さい。また、適切な被膜厚さを得るために繰り返しスプレーコーテイングしなければならず、生産性の面で問題となる。一方、５０を越えると、コーティング材をスプレーすることが困難になる。粘結材は、重量比で水１００に対して１．０未満では、骨材の結合力が弱くコーティング被膜が容易に剥離するため、モールド保護ができなくなる。一方、３．０を越えると、粘結材中に含有する結晶水量が多くなりピンホール欠陥が増大する。
【００２０】
このような方法で製造される鉄系形状記憶合金管は、そのマクロ組織が断面積において８０％以上の柱状晶からなるものとすれば、形状回復率を３．０％近くからそれ以上を得ることができ、降伏強度も３００ＭＰａ以上となる。
【００２１】
【実施例】
図１に示す遠心鋳造機により、鉄系形状記憶合金（Ｆｅ−０．０５％Ｃ−２８％Ｍｎ−６％Ｓｉ−５％Ｃｒ）によってパイプを製造した。まず、コーティング材ｂとして、表１に示す骨材、粘結材はベントナイトを使用し、配合割合は水：骨材：粘結材＝１００：３０〜５０：１．０〜３．０（重量比）のものを使用した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
このコーティング材ｂをポンプ６からホース６ａを介してノズル８に送り込み、台車７を前後動させるとともに、モールド１を回転させ、ノズル８からモールド１内面にコーティング材ｂを噴出（スプレー）して、コーティング層を６００μｍ厚程度に形成した。このとき、スプレー前にモールド１は１５０〜２５０℃に予熱した。
【００２４】
つぎに、高周波溶解炉３から、三角取鍋４に形状記憶合金の溶湯ａを注入して、その取鍋４をモールド１に対して所要位置までレール９上を移動させる。この後、取鍋４を矢印のごとく傾動するとともに、台車７を矢印のごとく後退（１回）させて、トラフ５からモールド１内面に約７０ｋｇの溶湯ａを鋳込んだ。
【００２５】
この方法において、表２に示すように、各条件を設定し、その各条件下の管をそれぞれ鋳造後、１１００℃で溶体化処理を施し、それらの形状回復率を測定した。
【００２６】
その方法は、形状回復率測定試験片（全長：５５ｍｍ、平行部：φ４×２３Ｌ、標点距離：２０ｍｍ、Ｍ１０ネジ加工）内の加工ひずみを取り除くため、測定前に応力除去焼鈍（８７３Ｋ×１０ｍｉｎ→炉冷、Ａｒ雰囲気）を施した。回復率の測定は、以下の▲１▼〜▲３▼を２度繰り返すことによって行った（トレーニング処理）。
【００２７】
▲１▼  引張歪み付与
各試料ごとに定められた歪量（６％、８％）を引張試験機で付与した後、試験片のケガキ線（２０ｍｍ）を標点間距離として、それをデジタルノギスにて測定した。引張速度は、試験機のクロスヘッド速度＝１．０ｍｍ／ｍｉｎ（歪み速度＝８．３×１０-4）とし、恒温室（３００Ｋ）にて行った。０．２％耐力も同時に測定した。
【００２８】
▲２▼  加熱処理
試験片に歪みを付与した後、小型熱処理炉を用いて、Ａｒ雰囲気中で８７３Ｋ×１０ｍｉｎ（２度目は、５７３Ｋ×１０ｍｉｎ）の熱処理を行った。処理後は空冷とした。
【００２９】
▲３▼  形状回復率測定
試料を放冷させた後、標点間距離を再度測定し、その収縮量を計算した。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
この表２に示す測定結果によれば、上述の鋳込温度などの各要素が特定値内に入る各実施例１〜７は、十分に使用に耐え得るものであるのに対し、その特定値内に入らない比較例１〜４は、何らかの欠陥があって、使用に耐え得ないものであることがわかる。
【００３２】
また、図２（ａ）には実施例２の鋳肌表面写真を、同図（ｂ）には、同条件で、シリカ系コーティング材を使用した場合の鋳肌表面写真をそれぞれ示す。また、図３には、実施例２の金属組織写真を示す。
【００３３】
その図２（ａ）と（ｂ）の比較から、鋳肌について、前者は全域が均一な点模様を呈しているのに対し、後者は焼着やピンホールなどの欠陥が認められる。これにより、この発明に係るものが優れていることが理解できる。また、下記表３に示すように、シリカ系に比べジルコニア系のコーティング材は、熱伝導率のよい溶融状態から凝固に至る速度が速くなるため、図３に示すように、形状記憶効果の発現に必要な一方向凝固組織が生成しやすくなる。この一方向凝固組織が得られることにより、図４に示すように、形状記憶特性において、シリカ系に比べ、ジルコニア系のコーティング材ｂによるものは、同等もしくはそれ以上の性能が得られた。
【００３４】
【表３】
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【００３５】
【発明の効果】
この発明は、以上のように各鋳造条件を特定したので、優れた品質の鉄系形状記憶管が得られ、産業上に及ぼす効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例に係る遠心鋳造機の概略図
【図２（ａ）】一実施例による鋳肌表面写真
【図２（ｂ）】比較例の鋳肌表面写真
【図３】同実施例による鋳物金属組織写真
【図４】形状記憶効果回復率図
【図５】従来の遠心鋳造機の概略図
【符号の説明】
１  円筒型（モールド）
２  回転用ローラ
３  高周波溶解炉
４  三角取鍋
５  鋳込用トレイ
６  コーティングポンプ
７  移動台車
８  コーティングノズル
９  レール
ａ  鉄系形状記憶合金溶湯
ｂ  コーティング材
【図１】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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