JP2003166027A - Ｎｉ基耐食耐摩耗合金、この合金を用いた複合部材およびダイカストマシン用の部材、並びにこの合金用の原料粉末 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 靭性および耐アルミニウム溶損性を兼備した
Ｎｉ基耐食耐摩耗合金を提供する。 【解決手段】 本発明によるＮｉ基耐食耐摩耗合金は、
組成が、重量％でＢ：１．１〜２．５％、Ｍｏ：１１〜
２０％、Ｓｉ：４．０〜６．５％、残部Ｎｉおよび不可
避的不純物からなり、Ｎｉ基の結合相にＮｉ−Ｍｏ複硼
化物が分散している形態の金属組織を持つ。本発明合金
においては、耐アルミニウム溶損性向上の観点からＢ含
有量に対するＭｏの含有量の比が重量比で６．５〜１３
とした。また、本発明合金においては、焼結性向上のた
め、必要に応じて、０．０５〜０．２２wt％のＣが添加
される。更に、本発明合金には、さらなる耐アルミニウ
ム溶損性の向上を図るべく、好適には酸化処理または窒
化処理が施される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｎｉ基耐食耐摩耗
合金に係り、特に、靭性と耐アルミニウム溶損性が同時
に要求されるダイカストマシン用の部材に好適に用いる
ことができるＮｉ基耐食耐摩耗合金、その表面処理、そ
の原料粉末、並びに当該合金を用いた複合部材およびダ
イカストマシン用の部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ダイカストマシンの金型や、
注湯受けと加圧シリンダを兼ねるスリーブの材料として
は、ＳＫＤ６１（ＪＩＳ）などの工具鋼が使用されてい
る。特にＳＫＤ６１は、比較的安価であるため従来から
多く使われている。しかし、ＳＫＤ６１製のスリーブ
は、アルミニウム溶湯に対する耐食性、いわゆる耐溶損
性が必ずしも十分でなく、比較的早期に給湯口下部が溶
損して使用不能になることが多い。この問題を解決する
ため、Ｎｉ基サーメット層をスリーブの内径面や金型の
表面に設けることが従来から行われている。

【０００３】このような用途に用いられるＮｉ基サーメ
ットには、耐摩耗性、アルミニウム溶湯に対する耐食
性、靭性（熱衝撃による割れおよび剥離防止のため）が
求められるが、これらの特性をバランス良く持たせるこ
とは容易なことではない。

【０００４】例えば、本件発明者らによるＮｉ−０．６
〜３．２wt％Ｂ−０．５〜８．０wt％Ｓｉ−５〜３７wt
％Ｍｏ（−０．０１〜１wt％Ｃ）なる組成を有するＮｉ
サーメット（特願２０００−１６２８０９号）は、従来
のＮｉ基サーメットの靭性を向上させることを目的の一
つとして開発されたものである（なお、本明細書におい
て以下、この合金のみを従来合金と呼ぶこととする）。
この従来合金は、射出成形機、押出成形機の加熱バレ
ル、スクリュやダイカストマシンのスリーブ、プランジ
ャチップおよび金型等の部材自体に、またはこれら部材
の表面の耐食耐摩耗処理等の用途に適合するように開発
されたものであり、優れた靭性を呈する。

【０００５】しかし、この従来合金は、ダイカストマシ
ン用部材専用に開発されたものではないため、各合金元
素の含有量によっては規定成分範囲内であってもアルミ
ニウム溶湯に対する耐食性が十分でない場合もある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来合
金を、ダイカストマシン用部材への適用により適した性
能を有するように改良すること、すなわち上記従来合金
のアルミニウム溶湯に対する耐食性を改善することを目
的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、従来合金に対してＢ、ＳｉおよびＭｏ
の成分範囲を限定するとともに、Ｍｏ／Ｂ重量比を限定
した。すなわち、本発明に係る合金は、組成が、重量％
でＢ：１．１〜２．５％、Ｍｏ：１１〜２０％、Ｓｉ：
４．０〜６．５％、Ｃ：０．０５〜０．２２％、残部Ｎ
ｉおよび不可避的不純物からなり、Ｎｉ基の結合相にＮ
ｉ−Ｍｏ複硼化物が分散しているＮｉ基耐食耐摩耗合金
であって、Ｂ含有量に対するＭｏの含有量の比が重量比
で（以下、「Ｍｏ／Ｂ重量比」という）６．５〜１３で
あることを特徴としている。なお、このＮｉ基耐食耐摩
耗合金は、Ｃを含有せずに構成することも可能である。

【０００８】以下に、本発明合金に含まれる各成分元素
の適正範囲を定めた理由について述べる。なお、以下、
本明細書において、表示されている組成比を示すパーセ
ンテージは特別に断り書きの無い限り全て重量％を意味
する。

【０００９】まず、Ｂは、焼結温度を低下させると共
に、ＮｉおよびＭｏとともに硬質粒子である複硼化物Ｍ
ｏ_２ＮｉＢ_２を生成して合金の耐摩耗性を高める。しか
し、Ｂを過度に添加すると、前記硬質粒子の析出量が多
くなるため合金の靭性が低下する。また、合金中のＭｏ
が前記硬質粒子の生成に消費されるため結合相中のＭｏ
含有量が減少し、合金の耐アルミニウム溶損性が低下す
る。このため、Ｂ量は１．１〜２．５％とした。

【００１０】Ｓｉは、結合相中に固溶し、合金の強度向
上に寄与する。また、合金の焼結温度を低下させる効果
もある。しかし、Ｓｉを過度に添加すると、合金の強度
および靭性の低下を引き起こす。また、Ｓｉが結合相中
に過度に固溶すると結合相中のＭｏの固溶量が減少し、
合金の耐アルミニウム溶損性が低下する。このため、Ｓ
ｉ量は、４．０〜６．５％とした。

【００１１】Ｍｏは、Ｂ、Ｎｉとともに複硼化物Ｍｏ_２
ＮｉＢ_２を生成して合金の耐摩耗性を高めるとともに、
前記複硼化物の生成に関与しなかったＭｏは結合相中に
固溶し、合金の耐アルミニウム溶損性を向上させる。し
かし、Ｍｏを過度に添加すると、合金の強度および靭性
を低下させる。このため、Ｍｏ量は、１１〜２０％とし
た。

【００１２】なお、合金に含まれるＭｏのうち複硼化物
Ｍｏ_２ＮｉＢ_２となる分と、結合相中に固溶する分との
比率は、Ｂ含有量と密接な関係がある。すなわちＭｏ含
有量に対してＢ含有量が大きすぎると（すなわちＭｏ／
Ｂ重量比が小さすぎると）、Ｍｏの多くは複硼化物Ｍｏ
_２ＮｉＢ_２を形成するために消費されて結合相中に固溶
するＭｏ量が少なくなるため、合金の耐アルミニウム溶
損性が低下する。Ｍｏ／Ｂ重量比が大きくなるほど合金
の耐アルミニウム溶損性は向上するが、大きくなりすぎ
ると、合金の焼結温度が高くなり、製造時の操業が困難
になること、並びに鉄鋼材料と本発明合金を複合化する
際に結晶粒粗大化等による鉄鋼材料の劣化が生じるとい
う弊害が現れる。このため、Ｍｏ／Ｂ重量比は、６．５
〜１３とした。

【００１３】Ｃは本発明合金において任意に採択しうる
成分元素である。Ｃは粉末表面の酸化物を還元し、合金
の焼結温度を下げる効果がある。この効果は、アトマイ
ズ法等の噴霧法により原料粉末が製造される場合に顕著
である。しかし、Ｃを過剰に添加すると、ＭｏＣ等の炭
化物が形成され、そのぶん結合相中に固溶するＭｏ量が
減少し、合金の耐アルミニウム溶損性を低下させる。こ
のため、Ｃ添加量の上限は０．２２％とした。なお、上
述した成分元素の適正範囲は、Ｃ添加により実質的に変
化はない。

【００１４】以上説明したように、本発明合金は、上記
の組成に起因して、耐摩耗性、靭性および耐アルミニウ
ム溶損性を兼備しているため、溶湯と接触するダイカス
トマシン用の部材、具体的には、プランジャスリーブ等
のダイカストマシンの構成部材、並びに鋳抜きピンおよ
び金型本体等のダイカストマシンの金型の構成部材等の
部材に好適に適用することができる。

【００１５】本発明合金のようないわゆるサーメットと
称される合金は一般的に高価であるため、機械部品とし
て使用する場合には鉄鋼材料に接合して複合化し、性能
が要求される部分のみサーメットから構成することが好
ましい。このような場合、鉄鋼材料とサーメットとは拡
散接合されているのが好ましいが、このような接合形態
で鉄鋼材料とサーメットとを結合する好適な手法とし
て、（１）金型中に鉄鋼材料とサーメット原料粉末とを
配置し、サーメットを焼結すると同時にサーメットと鉄
鋼材料とを拡散接合する方法、（２）サーメットを鉄鋼
材料に溶射した後に再溶融処理を行う手法をとることが
可能である。

【００１６】ここで、本発明合金は、焼結性にも配慮し
た合金設計がなされており、比較的低温で焼結すること
ができるため、（１）の場合の焼結温度ならびに（２）
の場合の再溶融処理温度を低くすることができる。この
ため、接合時に鉄鋼材料が過度の高温にさらされること
がなくなり、結晶粒の粗大化等による鉄鋼材料の機械的
性質の低下を最小限に抑制することができる。

【００１７】また、本発明合金は、酸化処理または窒化
処理を施すことにより、更に耐アルミニウム溶損性を向
上させることができる。耐アルミニウム溶損性の向上
は、酸化処理または窒化処理により、アルミニウム溶湯
に濡れないセラミックス質の表面層が形成されることに
起因している。

【００１８】なお、本発明合金を、熱的に厳しい条件下
で用いられ、かつ激しい摺動による摩耗が問題となるプ
ランジャスリーブ等の部材に適用した場合、仮に酸化層
または窒化層が摩耗したとしても、このような部材は、
常時高温で加熱されている部位であるとともに、摩耗し
た表面が大気に接触するため酸化膜が再生される。この
ため、かなりの長寿命化が期待できる。なお、このよう
な部材に用いる場合に合金表面に予め酸化層または窒化
層を施しておくことは、使用初期の段階での部材の溶損
を効果的に防止する上で有効である。

【００１９】

【実施例】以下に実施例により本発明を更に詳細に説明
する。

【００２０】［第１の実施例］本発明合金の耐アルミニ
ウム溶損性を確認するため、以下の試験を行った。以下
の表１に示す各組成に原料粉末を配合し、それを回転ボ
ールミルによりアルコール中にて混合粉砕した。そし
て、この混合粉末を乾燥した後、所定の形状に成形し、
真空中１１００℃にて無加圧で焼結した。焼結時間はい
ずれも１０分とした。

【００２１】なお、比較例としては、本件発明者らによ
るＮｉ−０．６〜３．２wt％Ｂ−０．５〜８．０wt％Ｓ
ｉ−５〜３７wt％Ｍｏ（−０．０１〜１wt％Ｃ）なる組
成範囲内のもの（特願２０００−１６２８０９号）を用
いた。

【００２２】

【表１】 上記製法にて製造した各焼結体を研削加工にて４×１０
×４６mmに加工し、６８０℃のＡＤＣ１２溶湯中に各試
験片の一端側を２５mmだけ浸漬し、周速０．８ｍ／sec
（回転半径３１．５mm、２４０rpm）で回転させなが
ら、２時間保持した。

【００２３】その後、試験片に付着しているアルミニウ
ムを除去し、試験片の重量を測定した。耐アルミニウム
溶損性は、「溶損量＝（試験前の試験片重量−試験後の
試験片重量）／浸漬表面積 （単位はmg／cm^２）」にて
評価した。

【００２４】その結果を表１および図１のグラフに示
す。実施例合金（実施例１〜４）が、比較例合金（比較
例１、３）に比べて優れた耐アルミニウム溶損性を示す
ことがわかる。また、実施例１、実施例３および比較例
３を比較すると、過剰なＣ添加が耐アルミニウム溶損性
を低下させることがわかる。また、比較例２は優れた耐
アルミニウム溶損性を示しているが、成分が適正ではな
いため、抗折力が劣る。

【００２５】［第２の実施例］次に、本発明合金をダイ
カストマシンの金型の鋳抜きピンに適用した実施例につ
いて説明する。

【００２６】まず、ＳＫＤ６１からなる基材Ａを図２
（ａ）に示すピンの形状に加工した。次に、前記表１の
実施例１の組成の本発明合金Ｂを、図２（ｂ）に示すよ
うに溶射した。

【００２７】次に、鋳抜きピンを真空炉中に投入し、１
１００℃で３０分保持することにより合金Ｂの再溶融処
理を行った。再溶融処理後、室温まで冷却した。この再
溶融処理に伴い、合金Ｂと基材Ａとは拡散結合された。

【００２８】最後に、溶射部を研削加工により、図２
（ｃ）に示す形状に仕上げた。

【００２９】また、比較例として、前記表１の比較例１
の組成の合金を用いて、上記と同様の方法にて、鋳抜き
ピンを製作した。更に他の比較例として、従来の一般的
なピンとしてＳＫＤ６１に窒化処理を施したものを準備
した。

【００３０】これらのピンを実際にダイカスト金型にセ
ットして、鋳造を行った。溶湯はＡＤＣ１２、溶湯温度
は７００℃である。また、金型の離型剤としては水溶性
タイプのものを用いた。

【００３１】３０００ショット後に鋳抜きピンの状態を
確認したところ、本発明合金を用いた鋳抜きピンには、
１０本とも溶射層の割れ、剥離および溶損は全く認めら
れなかった。

【００３２】一方、比較例合金を溶射した鋳抜きピンに
は、溶損は発生していなかったが、１０本中４本に溶射
層の割れが発生していた。また、ＳＫＤ６１に窒化処理
を施した鋳抜きピンには１０本中５本に溶損が発生して
いた。

【００３３】［第３の実施例］Ｍｏ／Ｂ重量比が合金の
耐アルミニウム溶損性に及ぼす影響を明瞭にすること、
並びに、合金への酸化処理および窒化処理が合金の耐ア
ルミニウム溶損性に及ぼす影響を確認するために、以下
の試験を行った。

【００３４】以下の表２に示す各組成に原料粉末を配合
し、それを回転ボールミルによりアルコール中にて混合
粉砕した。そして、この混合粉末を乾燥した後、所定の
形状に成形し、真空中１１００℃にて無加圧で焼結し
た。焼結時間はいずれも１０分とした。なお、試料１は
本発明合金の成分規定値を外れた比較例、試料２〜４は
本発明合金の成分規定値内の実施例である。

【００３５】

【表２】 また、試料１〜４それぞれに対して、酸化処理、窒化処
理および無処理のものを製作した。酸化処理は、焼結体
の表面を研削加工した後、大気炉中にて５００℃×３時
間保持することにより行った。また、窒化処理は、焼結
体の表面を研削加工した後、５９０℃×２７時間のガス
窒化により行った。

【００３６】このようにして得られた試料を、以下の試
験に供した。

【００３７】（１）抗折試験 上記製法にて製造した各焼結体を研削加工にて４×７．
６×２６mmに加工し、ＪＩＳＨ５５０１に準拠して３点
曲げ抗折試験を行い、抗折力を評価した。なお、試験片
は組成および表面処理ごとに３本用意し、平均値で評価
を行った。

【００３８】（２）溶損試験 前述した［第１の実施例］と同様の方法にて行った。な
お、試験片は組成および表面処理ごとに４本用意し、平
均値で評価を行った。

【００３９】上記の各試験の結果を表３に示す。表３よ
り以下のことがわかる。

【００４０】

【表３】 Ｍｏ／Ｂ重量比の増大に伴い、合金の耐アルミニウム溶
損性が向上することがわかった。これは、結合相中に固
溶するＭｏ量が増大したためであると考えられる。

【００４１】Ｍｏ／Ｂ重量比に関わらず、合金表面に酸
化処理または窒化処理を施すことにより、耐アルミニウ
ム溶損性が向上することがわかった。耐アルミニウム溶
損性の向上効果は、酸化処理の方が優れている。このよ
うに合金表面に酸化処理または窒化処理を施すことによ
り耐アルミニウム溶損性が向上するのは、溶融アルミニ
ウムに対して全く濡れないセラミック質の表面層が形成
されることによるものと考えられる。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、靭性および耐アルミニ
ウム溶損性を兼備したＮｉ基耐食耐摩耗合金が得られ
る。また、本発明合金に更に酸化処理または窒化処理を
施した場合には、更に耐アルミニウム溶損性を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】耐アルミニウム溶損性確認試験結果を示すグラ
フ。

【図２】試験に用いた鋳抜きピンの製法を示す概略断面
図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２２Ｆ 3/24 Ｂ２２Ｆ 3/24 Ｋ 7/08 7/08 Ｂ Ｃ２３Ｃ 8/12 Ｃ２３Ｃ 8/12 8/24 8/24 (72)発明者 藤 本 亮 輔 静岡県沼津市大岡2068の３ 東芝機械株式 会社内 (72)発明者 ▲高▼橋 栄 静岡県沼津市大岡2068の３ 東芝機械株式 会社内 Ｆターム(参考） 4K018 AA08 AB04 AC04 BA04 BD09 FA11 JA22 KA07 KA14 KA18 KA62 4K028 AA02 AB02 AC08

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】組成が、重量％でＢ：１．１〜２．５％、
   Ｍｏ：１１〜２０％、Ｓｉ：４．０〜６．５％、残部Ｎ
   ｉおよび不可避的不純物からなり、Ｎｉ基の結合相にＮ
   ｉ−Ｍｏ複硼化物が分散しているＮｉ基耐食耐摩耗合金
   であって、Ｂ含有量に対するＭｏの含有量の比が重量比
   で６．５〜１３であることを特徴とする、Ｎｉ基耐食耐
   摩耗合金。
2. 【請求項２】組成が、重量％でＢ：１．１〜２．５％、
   Ｍｏ：１１〜２０％、Ｓｉ：４．０〜６．５％、Ｃ：
   ０．０５〜０．２２％、残部Ｎｉおよび不可避的不純物
   からなり、Ｎｉ基の結合相にＮｉ−Ｍｏ複硼化物が分散
   しているＮｉ基耐食耐摩耗合金であって、Ｂ含有量に対
   するＭｏの含有量の比が重量比で６．５〜１３であるこ
   とを特徴とする、Ｎｉ基耐食耐摩耗合金。
3. 【請求項３】表面に酸化処理または窒化処理が施されて
   いることを特徴とする、請求項１または２に記載のＮｉ
   基耐食耐摩耗合金。
4. 【請求項４】鉄鋼材料からなる基材と請求項１乃至３の
   いずれか一項に記載のＮｉ基耐食耐摩耗合金とを金属結
   合により複合化させてなる複合部材。
5. 【請求項５】少なくとも溶湯に接触する部位が、請求項
   １乃至３のいずれか一項に記載のＮｉ基耐食耐摩耗合金
   により形成されていることを特徴とする、ダイカストマ
   シン用の部材。
6. 【請求項６】組成が、重量％でＢ：１．１〜２．５％、
   Ｍｏ：１１〜２０％、Ｓｉ：４．０〜６．５％、残部Ｎ
   ｉおよび不可避的不純物からなるＮｉ基耐食耐摩耗合金
   用の原料粉末であって、Ｂ含有量に対するＭｏの含有量
   の比が重量比で６．５〜１３であることを特徴とする、
   Ｎｉ基耐食耐摩耗合金用の原料粉末。
7. 【請求項７】組成が、重量％でＢ：１．１〜２．５％、
   Ｍｏ：１１〜２０％、Ｓｉ：４．０〜６．５％、Ｃ：
   ０．０５〜０．２２％、残部Ｎｉおよび不可避的不純物
   からなるＮｉ基耐食耐摩耗合金用の原料粉末であって、
   Ｂ含有量に対するＭｏの含有量の比が重量比で６．５〜
   １３であることを特徴とする、Ｎｉ基耐食耐摩耗合金用
   の原料粉末。