JP4027153B2 - 連続鋳造鋳型の被覆方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼を連続鋳造するための鋳型の寿命を向上する鋳型被覆方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼の連続鋳造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、特開平８−８１７５０号公報にも記載されているように、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、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、例えば特開平８−２２５９１７号公報、特開平８−１８７５５４号公報、特開平９−２２８０７１号公報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、特開平１０−１２１１２６号公報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、また特開平８−３２３４５１号公報に開示されているように、自溶性合金の下地に鉄などの層を置いて、誘導加熱でヒュージングする方法も提供されている。さらに、特開平１１−２２６７００号公報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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
連続鋳造鋳型の耐摩耗性を向上するために、先述のように、自溶性合金を超音速フレーム溶射し、再溶融処理を省略する方法、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案されているが、これらの方法によって製造した被覆の密着強度は最大でも１００MPa程度であり、自溶性合金の再溶融処理後の皮膜密着強度約３００MPaに比べてかなり低く、鋳型使用中に短時間で剥離（具体的には摩耗を伴う物理的剥離又はガルバニック腐食を伴う剥離）するという問題がある。
【０００７】
自溶性合金を溶射し再溶融処理した皮膜の酸化劣化を防止する目的では、先述の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、自溶性合金の下地に鉄などの層を置いて、誘導加熱でヒュージングする方法が提案されているが、再溶融処理時の熱変形を防止することは出来ない。
また、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は、高真空中で行う必要があり、装置が大規模で、コストが高く、処理中の仕上がり状態の確認と入熱量の調整が困難であるという問題がある。
【０００８】
本発明は、銅製の鋳型の短辺のみならず、長辺に対しても、熱変形を伴わずに、耐摩耗性および密着性の良好な自溶性合金の再溶融皮膜を形成できる連続鋳造鋳型の被覆方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨とするところは、以下の通りである。
（１） 銅製の鋳型内壁表面に、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を溶射被覆し、次いでこの被覆面に波長が６３０〜９４０ｎｍ、エネルギー密度が少なくとも１０ｋＷ／ｃｍ^２のレーザ光を照射し、前記自溶性合金を再溶融させた後、被覆層を形成することを特徴とする連続鋳造鋳型の被覆方法。
（２） 銅製の鋳型内壁表面に、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粉末を積層し、次いでこの積層面に波長が６３０〜９４０ｎｍ、エネルギー密度が少なくとも１０ｋＷ／ｃｍ^２のレーザ光を照射し、前記自溶性合金を再溶融させた後、被覆層を形成することを特徴とする連続鋳造鋳型の被覆方法。
（３） レーザ光の照射面における形状が、短辺０．１〜１．０ｍｍ、長辺４〜２０ｍｍの長方形又は楕円形であることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の連続鋳造鋳型の被覆方法。
（４） 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（１）〜（３）の何れか１項に記載の連続鋳造鋳型の被覆方法。
（５） 銅製の鋳型内壁表面に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の銅製鋳型とすることを特徴とする前記（１）〜（４）の何れか１項に記載の連続鋳造鋳型の被覆方法。
【００１０】
本発明の特徴は、連続鋳造鋳型に被覆した自溶性合金皮膜に脱酸剤を塗布又は積層する下地処理を行い、高エネルギー密度でかつ皮膜材料に対してエネルギー吸収率の高い波長、すなわち波長６３０〜９４０ｎｍのレーザ光を照射することによって、再溶融処理をより短時間に効率的に行うことである。レーザ光によって皮膜表層部を選択的に加熱するため、母材の深部までの熱伝達が少なく、母材の熱影響および熱変形を防止することが出来る。また、加熱時間が短いため皮膜の酸化劣化も防止出来、脱酸剤を塗布することにより自溶性合金皮膜の密着性も向上する。
この波長のレーザ光を発する小型の半導体レーザ装置を送り装置に設置し、レーザ出力・送り速度を一定に保って走査すれば、均一な再溶融皮膜を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の概要図である。連続鋳造鋳型１の表面に自溶性合金被覆２を溶射により形成し、レーザ装置３から発射されるレーザ光４を被覆表面に照射して再溶融処理を行う。
【００１２】
レーザ装置３は送り装置に取り付けられ、一定速度で被覆材表面と一定の距離を保ちながら、被覆表面を走査するのが好ましい。ここでレーザ装置と被覆材の距離は、レーザの焦点距離に等しいか、又は近い距離に設定される。また、送り速度および１パス毎のビード間隔は、被覆材の材質とレーザ光のエネルギー密度に応じて、最適な密着強度、気孔率、硬度の再溶融皮膜が得られるように、実験的に決められる。
【００１３】
自溶性合金の被覆法としては、溶射の他、自溶性合金粉末を積層する方法も採用できる。この場合、自溶性合金粉末層にレーザを照射すると、粉末層内でのレーザ光の多重反射が発生し、皮膜の再溶融時の加熱効率が更に向上する。この方法では、溶射よりも被膜の気孔率が若干増えるものの、短時間かつ低コストで皮膜形成が可能である。
【００１４】
自溶性合金の被覆又は粉末積層時に、脱酸剤を下地に塗布するか又は脱酸剤を自溶性合金粉末に混合して被覆又は積層すれば、再溶融処理時の鋳型基材との付着強度が更に改善され、被膜の気孔も減少する。脱酸剤としては、ホウ酸やケイ酸、酸化マグネシウム、酸化カルシウムなどの粉末や、それらを無水アルコールなどの溶剤で希釈したものが用いられる。
【００１５】
本発明による実施形態の一例を図２に示す。本発明の自溶性合金被覆２は連続鋳造鋳型１の下部に施される。一方、鋳型の上部は、鋳造時に溶鋼の湯面近傍に位置する部分であり、寿命に対して摩耗よりも熱亀裂が支配的であり、自溶性合金被覆よりも靭性が高いメッキ層５が施される。メッキ層の材質には、Ｎｉ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｗ、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｗメッキなどが用いられる。これらの被覆２および５は、湯面下の所定の距離となる位置で接続される。
【００１６】
本発明による実施形態の他の例を図３に示す。鋳型上部は、上記のメッキ層５であるが、鋳型下部はメッキ層５の表面に自溶性合金被覆２が位置する２層被覆とする。このため、鋳型下部のメッキ層は、自溶性合金被覆の厚み分だけ薄い膜厚とし、再溶融処理後に全体表面がフラットとなるように仕上げる。メッキ層は鋳型基材の銅よりも熱伝導率が低く、レーザによる再溶融処理時にメッキ層５と自溶性合金被覆２の界面を選択的に加熱し、密着強度を向上するとともに、鋳型基材への熱影響を更に低減することが出来る。また、ＮｉメッキとＮｉ基の自溶性合金のように、同系統の成分を含むメッキ層５と自溶性合金被覆２の組み合わせを選定すれば、層間の密着強度が更に向上し、好ましい被覆を構成することが出来る。また、自溶性合金の被覆時に鋳型の基材表面の下地処理、すなわちショットブラストやアルカリ脱脂、電解洗浄、脱酸剤塗布などの工程を省略することも出来る。
【００１７】
【実施例】
幅２５００mm、高さ９００mmの連続鋳造鋳型１の下部表面に、Ｎｉ基の自溶性合金４種、およびこれにクロム炭化物を配合した被覆を施した。Ｎｉ基ＳＦＡ４種はＮｉ、Ｃｒ、Ｂ、Ｓｉ等から構成される、ビッカース硬度６００〜８００の皮膜である。自溶性合金の溶射法は、通常の酸素と燃料ガスを用いるガスフレーム溶射を用いた。再溶融処理前の膜厚は１mmとした。又、鋳型上部は一部の実施例を除いてＮｉメッキを０．７mmの膜厚で施した。再溶融処理に用いたレーザ装置は、波長８０５nmの半導体レーザで、最大出力４kWのものを用いた。レーザ光のビーム形状は長方形で、長辺６mm×短辺０．２５mmおよび長辺１２mm×短辺０．５mmの２種類を用いた。レーザ装置の先端と被覆表面との距離は、装置の焦点距離に合わせて４０mmとした。また、再溶融処理時にレーザ光を走査する際のビード間隔は長辺６mmのビームの場合、１２mm、長辺１２mmのビームの場合２０mm程度が良好であった。
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。
【００１８】
実施例１はＮｉ基自溶性合金を溶射の代わりに粉末積層とし、レーザ光による再溶融処理を実施した例である。
【００１９】
比較例１はＮｉ基自溶性合金を溶射した後、再溶融処理を実施しなかったもの、比較例２および３は、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皮膜を溶射し、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、通常のガスフレーム溶射よりも緻密な皮膜が形成できるとされる。
【００２０】
これらの被覆を作成し、実際の連続鋳造鋳型に使用したところ、いずれの実施例の被覆も、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摩耗寿命が２倍以上を示した。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、熱変形を伴うことなく耐摩耗性にすぐれた自溶性合金被覆を再溶融処理して形成した被覆層を有する連続鋳造鋳型を製造することが可能である。これにより、従来のＮｉメッキに比べ鋳型の寿命が２倍以上に向上し、補修や交換に要するコストを大幅に削減することが可能である。従って、本発明は極めて工業的価値の高い発明であるといえる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による被覆方法の一例を示す概要図である。
【図２】本発明による実施形態の一例を示す鋳型断面図である。
【図３】本発明による実施形態の他の例を示す鋳型断面図である。
【符号の説明】
１ 連続鋳造鋳型
２ 自溶性合金被覆
３ レーザ装置
４ レーザ光
５ メッキ層

Claims (5)

1. 銅製の鋳型内壁表面に、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を溶射被覆し、次いでこの被覆面に波長が６３０〜９４０ｎｍ、エネルギー密度が少なくとも１０ｋＷ／ｃｍ^２のレーザ光を照射し、前記自溶性合金を再溶融させた後、被覆層を形成することを特徴とする連続鋳造鋳型の被覆方法。
2. 銅製の鋳型内壁表面に、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粉末を積層し、次いでこの積層面に波長が６３０〜９４０ｎｍ、エネルギー密度が少なくとも１０ｋＷ／ｃｍ^２のレーザ光を照射し、前記自溶性合金を再溶融させた後、被覆層を形成することを特徴とする連続鋳造鋳型の被覆方法。
3. レーザ光の照射面における形状が、短辺０．１〜１．０ｍｍ、長辺４〜２０ｍｍの長方形又は楕円形であることを特徴とする請求項１又は２に記載の連続鋳造鋳型の被覆方法。
4. 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請求項１〜３の何れか１項に記載の連続鋳造鋳型の被覆方法。
5. 銅製の鋳型内壁表面に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の銅製鋳型とすることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の連続鋳造鋳型の被覆方法。

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