JP2004018995A

JP2004018995A - Ni-BASED COMPOUND MATERIAL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME

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Publication number: JP2004018995A
Application number: JP2002180187A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Fukase; 深瀬　泰志; Ryosuke Fujimoto; 藤本　亮輔; Takaharu Tashiro; 田代　貴晴; Shuhei Honma; 本間　周平; Sakae Takahashi; 高橋　栄
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2004-01-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an Ni-based compound material with excellent strength, toughness, wear resistance and erosion resistance against molten aluminum. <P>SOLUTION: In this Ni-based compound material, granular hard aggregates are diffused in a binder phase consisting of an Ni-based alloy. The hard aggregate is formed by binding fine Ni-Mo boride by using a Ni-Si-Mo alloy, and the grain size is ≥ 30 μm and ≤ 300 μm. The binder phase is an Ni-Si-Mo alloy. The total composition of the binder phase and the hard aggregates consists of, by weight, ≥ 2.6 wt.% and ≤ 3.2 wt.% B, ≥ 3.6 wt.% and ≤ 5.2 wt.% Si, ≥ 18wt.% and ≤ 28 wt.% Mo, ≥ 0.05 wt.% and ≤ 0.22 wt.% C, and the balance Ni with inevitable impurities, and the weight ratio of Mo/B is 7.0 to 9.5. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性、及びアルミニウム溶湯に対する耐溶損性に優れたＮｉ基複合材料に係り、特に、ダイカストマシンのプランジャスリーブに適したＮｉ基複合材料に係る。
【０００２】
【従来の技術】
ダイカストマシンでは、プランジャスリーブ内に溶湯を導入した後、その中でプランジャチップを前進させて溶湯を金型内に射出している。ダイカストマシンのプランジャスリーブは、溶湯の導入に伴う加熱と、内周面（プランジャチップが摺動する面）への潤滑材の噴霧に伴う冷却が交互に作用することにより、大きな繰り返し熱応力を受ける。そのため、熱応力に起因したヒートチェック（微細なクラック）が生じる。ヒートチェックを防止するには強度と靱性が要求される。また、プランジャスリーブは、プランジャチップの摺動により摩耗が生じるため、耐摩耗性が要求される。更に、特にアルミニウム溶湯の場合、溶湯の接触により溶解損傷が発生するため、耐溶損性が要求される。
【０００３】
以上のように、ダイカストマシンのプランジャスリーブには、強度、靱性、耐摩耗性、耐溶損性が同時に要求される。これらの性能が十分でない場合には、早期に割れ、摩耗、溶損が生じ、プランジャスリーブが使用不能になる。
【０００４】
プランジャスリーブ用の材料としては、従来から、合金工具鋼ＳＫＤ６１（ＪＩＳ）が広く用いられてきた。この材料は、焼入れをした後、窒化処理をして使用される。そのようなＳＫＤ６１製のプランジャスリーブは、強度、靱性に優れてはいるが、耐摩耗性、耐溶損性が十分ではないため比較的早期に寿命となってしまう。
【０００５】
なお、特開平８−１３４５６９号公報には、耐食性及び耐摩耗性を備えた高強度Ｎｉ基合金について記載されている。この合金はＳＫＤ６１と比較して耐摩耗性に優れている。しかし、この合金は、Ｍｏ／Ｂ重量比が適切でない場合には、強度、靱性、耐溶損性が十分ではない場合がある。そのため、プランジャスリーブとして使用した場合、繰り返し熱応力によりプランジャスリーブの内周面に割れ、欠けが発生し易く、また、アルミニウム溶湯に対する耐溶損性にバラツキがあり、早期に寿命になる場合があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のようなダイカストマシンのプランジャスリーブ用の従来の材料についての問題点に鑑み成されたもので、本発明の目的は、強度、靱性、耐摩耗性、アルミニウム溶湯に対する耐溶損性に優れたＮｉ基複合材料、及びそれを使用したプランジャスリーブを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のＮｉ基複合材料は、
Ｎｉ基合金からなる結合相の中に粒状の硬質物集合体が分散されたＮｉ基複合材料であって、
前記硬質物集合体は、微細なＮｉ−Ｍｏ硼化物がＮｉ−Ｓｉ−Ｍｏ合金によって結合され、且つ、その粒径が３０μｍ以上３００μｍ以下の粒子であり、
前記結合相は、Ｎｉ−Ｓｉ−Ｍｏ合金であり、
前記結合相と前記硬質物集合体を合わせた全体としての組成が、Ｂが２．６ｗｔ％以上３．２ｗｔ％以下、Ｓｉが３．６ｗｔ％以上５．２ｗｔ％以下、Ｍｏが１８ｗｔ％以上２８ｗｔ％以下、Ｃが０．０５ｗｔ％以上０．２２ｗｔ％以下、残りがＮｉ及び不可避的不純物からなり、且つ、Ｍｏ／Ｂの重量比が７．０〜９．５であることを特徴とする。
【０００８】
図１に、本発明のＮｉ基複合材料の組織を模式的に示す。Ｎｉ−Ｓｉ−Ｍｏ合金からなる結合相４の中に粒状の硬質物集合体１が分散されている。各硬質物集合体１は、微細なＮｉ−Ｍｏ硼化物２をＮｉ−Ｓｉ−Ｍｏ合金３で結合することにより構成されている。
【０００９】
上記のＮｉ基複合材料は、上記要件に該当する硬質物集合体粉末を作製し、この粉末を焼結することによって製造することができる。
【００１０】
また、本発明のダイカストマシン用プランジャスリーブは、鋼製の筒状部材の内周面に上記のＮｉ基複合材料からなる内張層が接合されていることを特徴とする。
【００１１】
その場合、好ましくは、前記内張層を前記筒状部材の内周面に焼結によって接合する。
【００１２】
次に、本発明のＮｉ基複合材料の組織及び組成を上記のように規定した理由について説明する。
【００１３】
靱性を改善するためにサーメット中の硬質物の量を減少させると、耐摩耗性が低下する。そこで、本発明のＮｉ基複合材料では、先ず硬質物を球状あるいは塊状に集合させ、次いでその周囲を靱性に優れた金属質で結合している。これは、硬質物の含有量が同一の場合には、微細な硬質物が結合相中に均一に分散するよりも、球状あるいは塊状の比較的大きな硬質物が点在する組織の方が優れた耐摩耗性を示すからである。
【００１４】
しかし、大きな硬質物が点在する組織は靱性が劣ることが、特に鉄鋼材料のうち合金工具鋼（ＳＫＤ１１）などで認められている。このような靱性の低下は、硬質物と金属質の剛性の差及び熱膨張係数の差によって引き起こされると考えられる。そこで、本願発明者らは、この大きな硬質物を微細な硬質物の集合体により形成することを考え、１μｍ前後の微細な硬質物を金属質によって結合して球状あるいは塊状の硬質物集合体を形成し、更にその周囲を靱性に優れた金属質で結合することにした。
【００１５】
本発明のＮｉ基複合材料は、従来の微細な硬質物を結合相中に均一に分散させたサーメットと比べて、優れた耐摩耗性を示す。特に、靱性を改善する目的でサーメット中の硬質物（Ｎｉ−Ｍｏ硼化物）の量を減少させているにも拘わらず、耐摩耗性の低下が少ない。更に、以下に説明するように材料の組織及び組成を定めることによって、強度、靱性、耐溶損性に優れた材料を得ることができる。
【００１６】
（ａ）　硬質物集合体の粒径（３０〜３００μｍ）について：
粒径が３０μｍ未満の硬質物集合体を工業的に製造することは難しく、著しく高コストになる。一方、粒径が３００μｍを超えると、硬質物集合体の相互の間隔が大きくなるため、マトリックス部（金属質の結合相）の選択的摩耗が生じ易くなり、サーメットの全体としての耐摩耗性が低下したり、相手材の摩耗を促進させたりする。これは、凸状態になった硬質物集合体が相手材を研磨するためである。
【００１７】
（ｂ）　Ｂの組成（２．６〜３．２ｗｔ％）について：
Ｂ（硼素）は、Ｎｉ及びＭｏとの間で硬くて脆い硼化物（Ｍｏ_２ＮｉＢ_２）を形成する。この硼化物はサーメットの耐溶損性、耐摩耗性を向上させる。硼化物が多くなると、サーメットの硬さが高くなり耐摩耗性は改善されるが、靱性が低下する。Ｂの添加量が３．２ｗｔ％を超えると、耐摩耗性の改善の効果が小さくなり、靱性の低下が一層大きくなるため、好ましくない。Ｂの添加量が２．６％未満では、硼化物の形成が少なくなり、耐摩耗性及び耐溶損性が不足する。
【００１８】
（ｃ）　Ｍｏ／Ｂ重量比（７．０〜９．５）について：
Ｍｏは、Ｎｉ及びＢとの間で硼化物（Ｍｏ_２ＮｉＢ_２）を形成する。Ｍｏ含有量が多くなりＭｏ／Ｂ重量比が大きくなると、サーメットのアルミニウム溶湯に対する耐溶損性が大きく改善される。これは、Ｎｉを主体とする結合相に高融点のＭｏが固溶するためと考えられる。Ｍｏ_２ＮｉＢ_２の構成元素であるＭｏ、Ｎｉ、Ｂの構成比率（原子比）は２：１：２であり、Ｍｏ：Ｂ原子比は１：１である。この原子比を重量比に換算すると約８．８７（９５．９５／１０．８２）となる。
【００１９】
従って、Ｍｏ／Ｂ重量比を８．８７としてサーメットの組成を調整すれば、添加したＭｏとＢが余ることなくＭｏ_２ＮｉＢ_２に反応すると思われる。しかし、実際には、Ｍｏ／Ｂ重量比が８．８７以下でも、一部のＭｏはＭｏ_２ＮｉＢ_２を形成せずにＮｉ結合相中に固溶していることが分かった。
【００２０】
一方、Ｍｏ／Ｂ重量比が大きくなると、硼化物（Ｍｏ_２ＮｉＢ_２）形成に消費されない余剰のＭｏが残り、より多くのＭｏがＮｉ中に固溶すると考えられる。しかし、Ｍｏ／Ｂ質量比が大きくなると、原料粉末を焼結する際に健全な焼結体を得るための焼結温度が高くなる。焼結温度が高くなると、原料粉末を焼結すると同時に鋼製の母材に接合する際に母材側が劣化する。特に、焼結温度が１１２０℃を超えると、鋼製の母材（例えば、構造用合金鋼ＳＣＭ４４０（ＪＩＳ））の衝撃値が大きく低下して、２０Ｊ／ｃｍ^２を確保できなくなる。そのため、鋼製の母材に焼結体を接合して複合化したプランジャスリーブでは、溶湯の導入に伴う加熱と、潤滑材の噴霧に伴う冷却による繰り返し熱応力により、母材に割れが発生し、この割れが容易に伝播することによってプランジャスリーブの早期破損の原因となる。
【００２１】
従って、Ｍｏ／Ｂ重量比が一定限度以上に大きくなることは好ましくない。Ｍｏ／Ｂ重量比が９．５以下であれば、１１１０℃以下の温度で健全な焼結体が得られ、鋼製の母材に焼結体を接合して複合化する場合に母材の衝撃値を比較的高く維持することができる。一方、Ｍｏ／Ｂ重量比が７．０未満になると、Ｎｉ中へのＭｏ固溶量が少なくなり、耐溶損性の改善の効果が現れない。そのような組成のサーメットがダイカストマシンのプランジャスリーブで用いられた場合、アルミニウム溶湯による溶損が早期に発生するようになり好ましくない。
【００２２】
（ｄ）　Ｍｏの組成（１８〜２８ｗｔ％）について：
Ｍｏの組成は、Ｂ添加量及びＭｏ／Ｂ重量比から定められ、およそ１８〜２８ｗｔ％が最適範囲といえる。
【００２３】
（ｅ）　Ｓｉの組成（３．６〜５．２ｗｔ％）について：
Ｓｉは、結合相であるＮｉ基合金中に固溶することで、その強度、硬さを上昇させる。しかし、結合相中のＳｉの固溶量が限度値以上となると、硬くて脆い粗大なＮｉ−Ｓｉ化合物が生成し、結合相の強度、靱性を低下させることが知られている。また、固溶限度以下でもＳｉ添加量の増加によりサーメットの靱性値に大きな影響を及ぼすことが分かった。Ｓｉ添加量の増加に伴いサーメットの靱性値が低下する。また、Ｓｉ添加量は焼結温度にも大きな影響を与えることが知られ、過剰な添加は好ましくない。
【００２４】
サーメットの焼結温度、靱性を考慮すると、Ｓｉ添加量の上限は５．２ｗｔ％が好ましい。Ｓｉ添加量が少ないと、結合相中へのＳｉ固溶量も少なくなるため、強度、硬さが不十分となる。ダイカストマシンのプランジャスリーブとしての耐摩耗性を確保するにはＨＲＣ４５以上の硬度が必要であり、本発明のＮｉ基複合材料では３．６ｗｔ％以上のＳｉ添加が好ましい。
【００２５】
（ｆ）　Ｃの組成（０．０５〜０．２２ｗｔ％）について：
Ｃの添加の目的は、主に、本発明のＮｉ基複合材料を粉末冶金法で製造する際の焼結温度を低下させることにある。本発明のＮｉ基複合材料を用いて機械部材を製造する際、原料として各元素粉末及び合金粉末を用いることが可能である。焼結の方法によっては、原料粉末表面の酸化がサーメットの製造時の焼結温度に大きく影響を及ぼすことが知られている。そのため、微量なＣを添加することによって原料粉末の表面酸化を還元させ、焼結温度を低下させることができる。
【００２６】
Ｃの添加による効果は０．０５ｗｔ％から現れ、Ｃ添加量が増加するに伴い大きくなる（焼結温度が低くなる）。しかし、添加量が多くなるとＭｏと反応して高硬度のＭｏ炭化物を形成する。更にＣ添加量が増加すると、この炭化物が粗大化し、サーメットの強度、靱性を低下させる。また、Ｍｏとの間で炭化物を形成することによってＮｉ基合金からなる結合相中に固溶すべきＭｏが減少し、サーメットの耐溶損性、強度が低下することになる。これらの点から、Ｃの添加量の上限は０．２２ｗｔ％が好ましい。
【００２７】
（ｇ）　Ｎｉについて：
Ｎｉは、Ｎｉ、Ｂ、Ｍｏで形成される硼化物（Ｍｏ_２ＮｉＢ_２）の微粒子を結合して硬質物集合体を形成するとともに、これらの硬質物集合体が分散されるマトリックスとなるＮｉ基合金を形成する。
【００２８】
本発明のＮｉ基複合材料は、以上のような組織及び組成を備えることによって、（イ）靱性に優れると同時に耐摩耗性にも優れる、（ロ）Ｓｉ含有量を少なくしても強度に優れる、（ハ）硼化物を少なくしてもＭｏ固溶の効果で耐溶損性に優れる、などの特徴を有している。
【００２９】
本発明のＮｉ基複合材料は、優れた焼結性を備えているため、鋼製の部材への接合を容易に行うことができる。また、比較的低温度で硬質相Ｍｏ_２ＮｉＢ_２とＮｉによる液相が発生することから、サーメットの焼結（緻密化）が容易に行われる。これは、本発明のＮｉ基複合材料のようにＮｉ基の結合相の配合比が高い場合に言えることである。本発明のＮｉ基複合材料を鋼製の部材に接触させて加熱すると、Ｎｉ基複合材料から発生した液相が境界部に浸透し、鋼の表面と反応することで、Ｎｉ基複合材料と鋼が冶金的に接合する。その接合強度は高く、引張り強度５００ＭＰａ以上を示す。
【００３０】
また、鋼製の部材に対する接合をサーメットの焼結と同時に行うことが可能である（焼結接合、ＨＩＰ処理やホットプレス処理を含む）。その他、本発明のＮｉ基複合材料からなる粉末を作製すれば溶射も可能である。また、溶射層を再溶融することによって、鋼製の部材の表面に本発明のＮｉ基複合材料を接合することも可能である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明に基づくＮｉ基複合材料の諸特性を測定した結果について説明する。
【００３２】
表１に示す各組成の供試体を作製した。なお、表１の中で、供試体１〜４は本発明のＮｉ基複合材料に該当するものであり、供試体５〜８は本発明のＮｉ基複合材料の組成から外れた比較材である。なお、各試験用の供試体は、各組成に該当する造粒粉を以下の方法で製造し、これを各試験用の試験片形状にホットプレス（ＨＰ）することにより作製した。
【００３３】
上記の造粒粉は、次のようにして製造した。（ａ）各原料（Ｎｉ、Ｂ、Ｍｏ、Ｓｉ粉末または合金粉末）を各組成となるようにそれぞれ秤量する；（ｂ）秤量した原料を粉砕・混合装置にかけて原料粉を作製する；（ｃ）得られた原料粉に少量のバインダを添加し、造粒・乾燥機により球状に加工（成形）する；（ｄ）得られた球状粉を脱脂、焼結させることにより、Ｎｉ−Ｍｏ−Ｓｉ合金中に微細な硬質物（Ｍｏ_２ＮｉＢ_２）が分散した球状粉末を作製する；（ｅ）この球状粉末を分級装置にかけて３０〜３００μｍの粉末を取り出す。
【００３４】
【表１】

これらの各供試体について、アルミニウム溶湯中での浸漬試験（耐溶損性試験）、三点曲げ抗折試験及び大越式迅速摩耗試験を行った。また、各供試体のロックウェル硬度及び破壊靱性値を測定した。
【００３５】
浸漬試験は、次のような方法で行った。試験片をアルミニウム溶湯中に浸漬し、回転半径３１．５ｍｍ、回転速度２４０ｒｐｍで回転させた。試験後、付着したアルミニウムを除去し、浸漬表面積当たりの溶損重量及び溶損体積を測定した。試験条件は、下記の通りである：
試験片形状：４×１０×４６ｍｍ（研削加工）、
溶湯　　　：ＡＤＣ１２、１０８０ｇ、
溶湯の温度：６８０℃（±１０℃）、
浸漬時間　：２時間、
試験片本数：４本（一度の試験に使用する数）。
【００３６】
三点曲げ抗折試験（ＪＩＳ　Ｈ５５０１）の条件は、下記の通りである：
試験片形状：４×８×２６ｍｍ（研削加工）、
試験片本数：３本（一度の試験に使用する数）。
【００３７】
大越式迅速摩耗試験の条件は、下記の通りである：
試験片形状：２５×５０×１０ｍｍ、
相手材形状：回転円盤、
相手材　　：ＳＫＤ１１（ＨＲＣ＝５８±２）、
最終荷重　：１８．６ｋｇｆ、
摩擦距離　：６００ｍ、
摩擦速度　：２．０ｍ／ｓｅｃ。
【００３８】
表２に、各試験片についての試験結果及び測定結果を示す。本発明に基づくＮｉ基複合材料（供試体１〜４）は、強度、靭性、耐摩耗性、及びアルミニウム溶湯に対する耐溶損性を兼ね備えていることが分かる。
【００３９】
【表２】

次に、本発明に基づくＮｉ基複合材料で内周面を被覆したプランジャスリーブの評価試験の結果について説明する。
【００４０】
本発明に基づくＮｉ基複合材料（供試体１〜４と同じ組成）及び比較材（供試体５〜８と同じ組成）を用いてプランジャスリーブを作製し、それらをダイカストマシンに組み込んで評価試験を行った。
【００４１】
なお、各プランジャスリーブの作製は以下の手順で行った：
（ａ）供試体１〜８相当の原料粉末を造粒法にて作製した、
（ｂ）合金工具鋼ＳＫＤ６１を機械加工して、円筒状の部材（外筒１１）を作製した、
（ｃ）図２に示すように、外筒１１に底板１４を取り付け、外筒１１の中に中子１３をセットし、外筒１１と中子１３の間に上記各組成の原料粉末１２ａを充填した後、蓋１５を取り付け、次いで、外筒１１と中子１３の間を乾燥、脱気した後、密閉した、
（ｄ）上記のように組み立てられたものをＨＩＰ装置に収容し、温度：９９０℃、圧力：１５００ｋｇｆ／ｃｍ^２で１時間、ＨＩＰ処理を行った、
（ｅ）ＨＩＰ処理の終了後、底板１４、蓋１５及び中子１３を機械加工によって除去し、次いで、図３に示すように、外筒１１及びその内周に焼結された内張層１２に機械加工を施し、プランジャスリーブに仕上げた。
【００４２】
以上のようにして作製されたプランジャスリーブをコールドチャンバ方式のアルミダイカストマシン（３５０ｔｏｎ）に組み込んで鋳造を行った。その結果を表３に示す。なお、鋳造条件は、下記の通りであった：
溶湯　　　　　：ＡＤＣ１２、
溶湯温度　　　：６８０℃、
溶湯の供給量　：１．２ｋｇ、
潤滑剤　　　　：油性タイプ、
潤滑剤の供給量：１０ｃｃ／ショット、
潤滑方法　　　：給湯口内ヘのスプレー、
プランジャチップ：ＳＫＤ６１（焼入・焼戻）。
【００４３】
【表３】

【００４４】
【発明の効果】
本発明のＮｉ基複合材料は、以上のような組織及び組成を備えることにより、強度、靱性、耐摩耗性及びアルミニウム溶湯に対する耐溶損性を兼ね備えている。
【００４５】
本発明のＮｉ基複合材料によりダイカストマシンのプランジャスリーブの内周面を被覆すれば、プランジャスリーブの寿命の増大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＮｉ基複合材料の組織について説明する模式図。
【図２】本発明のＮｉ基複合材料を用いたプランジャスリーブの製造方法について説明する図。
【図３】本発明のＮｉ基複合材料を用いたプランジャスリーブの概略形状を示す図。
【符号の説明】
１・・・硬質物集合体、
２・・・Ｎｉ−Ｍｏ硼化物、
３・・・Ｎｉ−Ｓｉ−Ｍｏ合金、
４・・・結合相（Ｎｉ−Ｓｉ−Ｍｏ合金）、
１１・・・外筒、
１２ａ・・・原料粉末、
１２・・・内張層、
１３・・・中子、
１４・・・底板、
１５・・・蓋。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a Ni-based composite material having excellent wear resistance and erosion resistance to molten aluminum, and more particularly to a Ni-based composite material suitable for a plunger sleeve of a die casting machine.
[0002]
[Prior art]
In a die casting machine, after introducing a molten metal into a plunger sleeve, a plunger tip is advanced in the plunger sleeve to inject the molten metal into a mold. The plunger sleeve of the die casting machine receives large repetitive thermal stress due to the alternating action of heating caused by the introduction of the molten metal and cooling caused by spraying the lubricant onto the inner peripheral surface (the surface on which the plunger tip slides). . Therefore, heat check (fine cracks) due to thermal stress occurs. To prevent heat check, strength and toughness are required. Further, the plunger sleeve is required to have wear resistance because the plunger tip is worn by sliding. Further, particularly in the case of molten aluminum, melting damage occurs due to contact with the molten metal, so that erosion resistance is required.
[0003]
As described above, the plunger sleeve of the die casting machine is required to have strength, toughness, wear resistance and erosion resistance at the same time. If these performances are not sufficient, cracking, abrasion, and erosion occur early, and the plunger sleeve becomes unusable.
[0004]
As a material for the plunger sleeve, alloy tool steel SKD61 (JIS) has been widely used. This material is used after quenching and then nitriding. Although such a plunger sleeve made of SKD61 is excellent in strength and toughness, it has a relatively short life due to insufficient abrasion resistance and erosion resistance.
[0005]
JP-A-8-134569 describes a high-strength Ni-based alloy having corrosion resistance and wear resistance. This alloy has better wear resistance than SKD61. However, if the Mo / B weight ratio is not appropriate, this alloy may not have sufficient strength, toughness, and erosion resistance. Therefore, when used as a plunger sleeve, the inner peripheral surface of the plunger sleeve is liable to crack and chip due to repeated thermal stress, and the erosion resistance to molten aluminum varies, leading to an early life. .
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems with conventional materials for a plunger sleeve of a die-casting machine, and an object of the present invention is to provide strength, toughness, abrasion resistance, and erosion resistance to molten aluminum. An object of the present invention is to provide a Ni-based composite material excellent in the above, and a plunger sleeve using the same.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The Ni-based composite material of the present invention comprises:
A Ni-based composite material in which a granular hard material aggregate is dispersed in a binder phase made of a Ni-based alloy,
The hard material aggregate is a particle in which fine Ni-Mo boride is bonded by a Ni-Si-Mo alloy, and has a particle size of 30 µm or more and 300 µm or less,
The binder phase is a Ni-Si-Mo alloy,
The total composition of the binder phase and the hard material aggregate is as follows: B is 2.6 wt% or more and 3.2 wt% or less, Si is 3.6 wt% or more and 5.2 wt% or less, and Mo is 18 wt% or more and 28 wt%. % Or less, C is 0.05 wt% or more and 0.22 wt% or less, the balance is composed of Ni and unavoidable impurities, and the weight ratio of Mo / B is 7.0 to 9.5.
[0008]
FIG. 1 schematically shows the structure of the Ni-based composite material of the present invention. A granular hard material aggregate 1 is dispersed in a binder phase 4 made of a Ni-Si-Mo alloy. Each hard material aggregate 1 is formed by bonding fine Ni-Mo borides 2 with a Ni-Si-Mo alloy 3.
[0009]
The above-mentioned Ni-based composite material can be produced by preparing a hard aggregate powder that meets the above requirements and sintering the powder.
[0010]
Further, the plunger sleeve for a die casting machine of the present invention is characterized in that an inner layer made of the above-mentioned Ni-based composite material is joined to an inner peripheral surface of a steel tubular member.
[0011]
In that case, preferably, the lining layer is joined to the inner peripheral surface of the tubular member by sintering.
[0012]
Next, the reason for defining the structure and composition of the Ni-based composite material of the present invention as described above will be described.
[0013]
Reducing the amount of hard material in the cermet to improve toughness reduces wear resistance. Therefore, in the Ni-based composite material of the present invention, first, hard materials are aggregated into a sphere or a lump, and then the periphery thereof is bonded with a metal having excellent toughness. This is because, when the content of the hard material is the same, the structure in which spherical or massive relatively large hard materials are interspersed is better than the case where the fine hard materials are uniformly dispersed in the binder phase. This is because they exhibit wear resistance.
[0014]
However, inferior toughness in a structure in which large hard materials are scattered has been observed particularly in alloy tool steel (SKD11) among steel materials. It is considered that such a decrease in toughness is caused by a difference in rigidity between a hard material and a metallic material and a difference in thermal expansion coefficient. Therefore, the inventors of the present application considered that this large hard object is formed by an aggregate of fine hard objects, and bonded a fine hard object of about 1 μm with metal to form a spherical or massive hard object aggregate. It is formed, and the periphery thereof is bonded with a metal having excellent toughness.
[0015]
The Ni-based composite material of the present invention exhibits excellent wear resistance as compared with a conventional cermet in which a fine hard material is uniformly dispersed in a binder phase. In particular, although the amount of the hard material (Ni-Mo boride) in the cermet is reduced for the purpose of improving the toughness, the decrease in wear resistance is small. Further, by determining the structure and composition of the material as described below, a material having excellent strength, toughness, and erosion resistance can be obtained.
[0016]
(A) Regarding the particle size (30 to 300 μm) of the hard material aggregate:
It is difficult to industrially produce a hard aggregate having a particle size of less than 30 μm, and the cost is extremely high. On the other hand, if the particle size exceeds 300 μm, the distance between the hard material aggregates increases, so that selective wear of the matrix portion (metallic binder phase) is likely to occur, and the wear resistance of the cermet as a whole is reduced. It decreases or accelerates the wear of the mating material. This is because the protruding hard material aggregate grinds the mating material.
[0017]
(B) About the composition of B (2.6 to 3.2 wt%):
B (boron) forms a hard and brittle boride (Mo ₂ NiB ₂ ) with Ni and Mo. This boride improves the erosion resistance and wear resistance of the cermet. When the amount of boride increases, the hardness of the cermet increases and the wear resistance is improved, but the toughness is reduced. If the addition amount of B exceeds 3.2 wt%, the effect of improving the wear resistance is reduced, and the decrease in toughness is further increased, which is not preferable. If the addition amount of B is less than 2.6%, the formation of borides is reduced, resulting in insufficient wear resistance and erosion resistance.
[0018]
(C) Mo / B weight ratio (7.0 to 9.5):
Mo forms a boride (Mo ₂ NiB ₂ ) with Ni and B. When the Mo content increases and the Mo / B weight ratio increases, the erosion resistance of the cermet to molten aluminum is greatly improved. This is considered to be because high melting point Mo forms a solid solution in the binder phase mainly composed of Ni. The constituent ratio (atomic ratio) of Mo, Ni, and B, which are constituent elements of Mo ₂ NiB ₂ , is 2: 1: 2, and the atomic ratio of Mo: B is 1: 1. When this atomic ratio is converted into a weight ratio, it is about 8.87 (95.95 / 10.82).
[0019]
Therefore, if the composition of the cermet is adjusted by setting the Mo / B weight ratio to 8.87, it seems that the added Mo and B react with Mo ₂ NiB ₂ without any excess. However, in fact, even when the Mo / B weight ratio was 8.87 or less, it was found that some Mo was dissolved in the Ni binder phase without forming Mo ₂ NiB ₂ .
[0020]
On the other hand, when the Mo / B weight ratio increases, excess Mo not consumed for boride (Mo ₂ NiB ₂ ) formation remains, and it is considered that more Mo forms a solid solution in Ni. However, when the Mo / B mass ratio increases, the sintering temperature for obtaining a sound sintered body when sintering the raw material powder increases. When the sintering temperature increases, the base material side deteriorates when the raw material powder is sintered and simultaneously joined to the steel base material. In particular, when the sintering temperature exceeds 1120 ° C., the impact value of a steel base material (for example, structural alloy steel SCM440 (JIS)) is greatly reduced, and it is impossible to secure 20 J / cm ² . For this reason, in a plunger sleeve that is a composite made by joining a sintered body to a steel base material, cracks occur in the base material due to repeated thermal stress caused by heating due to introduction of molten metal and cooling due to spraying of lubricant. The propagation of the cracks easily causes the plunger sleeve to break prematurely.
[0021]
Therefore, it is not preferable that the Mo / B weight ratio becomes larger than a certain limit. If the Mo / B weight ratio is 9.5 or less, a sound sintered body can be obtained at a temperature of 1110 ° C. or less, and when the sintered body is joined to a steel base material to form a composite, The impact value can be kept relatively high. On the other hand, if the Mo / B weight ratio is less than 7.0, the amount of Mo solid solution in Ni decreases, and the effect of improving the erosion resistance does not appear. When a cermet having such a composition is used in a plunger sleeve of a die casting machine, erosion due to molten aluminum occurs at an early stage, which is not preferable.
[0022]
(D) Mo composition (18 to 28 wt%):
The composition of Mo is determined from the added amount of B and the Mo / B weight ratio, and the optimum range is about 18 to 28 wt%.
[0023]
(E) Regarding the composition of Si (3.6 to 5.2 wt%):
Si increases its strength and hardness by forming a solid solution in a Ni-based alloy as a binder phase. However, it is known that when the amount of solid solution of Si in the binder phase exceeds the limit value, a hard and brittle coarse Ni-Si compound is generated, and the strength and toughness of the binder phase are reduced. In addition, it was found that an increase in the amount of Si added had a significant effect on the toughness value of the cermet even below the solid solution limit. As the amount of Si added increases, the cermet toughness decreases. Further, it is known that the amount of Si added greatly affects the sintering temperature, and excessive addition is not preferable.
[0024]
In consideration of the sintering temperature and toughness of the cermet, the upper limit of the amount of Si added is preferably 5.2 wt%. If the amount of added Si is small, the amount of solid solution of Si in the binder phase will also be small, resulting in insufficient strength and hardness. Hardness of HRC 45 or more is required to ensure the wear resistance of the plunger sleeve of the die casting machine. In the Ni-based composite material of the present invention, the addition of 3.6 wt% or more of Si is preferable.
[0025]
(F) Composition of C (0.05 to 0.22 wt%):
The purpose of adding C is mainly to lower the sintering temperature when the Ni-based composite material of the present invention is manufactured by powder metallurgy. When manufacturing a mechanical member using the Ni-based composite material of the present invention, it is possible to use each element powder and alloy powder as raw materials. It is known that, depending on the sintering method, the oxidation of the surface of the raw material powder greatly affects the sintering temperature during the production of the cermet. Therefore, by adding a small amount of C, surface oxidation of the raw material powder can be reduced, and the sintering temperature can be lowered.
[0026]
The effect of the addition of C appears from 0.05 wt%, and increases as the amount of C added increases (the sintering temperature decreases). However, when the added amount increases, it reacts with Mo to form Mo carbide with high hardness. When the addition amount of C further increases, the carbide becomes coarse, and the strength and toughness of the cermet decrease. Further, by forming carbides with Mo, the amount of Mo to be solid-dissolved in the binder phase composed of the Ni-based alloy is reduced, and the erosion resistance and strength of the cermet are reduced. From these points, the upper limit of the amount of C added is preferably 0.22 wt%.
[0027]
(G) About Ni:
Ni is a Ni-based material that forms a hard material aggregate by combining fine particles of a boride (Mo ₂ NiB ₂ ) formed of Ni, B, and Mo, and forms a matrix in which these hard material aggregates are dispersed. Form an alloy.
[0028]
The Ni-based composite material of the present invention having the above-described structure and composition has (a) excellent toughness and excellent wear resistance, and (ii) excellent strength even when the Si content is reduced. (C) Even if the amount of boride is reduced, Mo dissolution provides an excellent erosion resistance due to the effect of solid solution.
[0029]
Since the Ni-based composite material of the present invention has excellent sinterability, it can be easily joined to a steel member. Further, since a liquid phase is generated by the hard phases Mo ₂ NiB ₂ and Ni at a relatively low temperature, the cermet can be easily sintered (densified). This is true when the blending ratio of the Ni-based binder phase is high as in the Ni-based composite material of the present invention. When the Ni-based composite material of the present invention is heated by being brought into contact with a steel member, the liquid phase generated from the Ni-based composite material penetrates into the boundary and reacts with the steel surface, whereby the Ni-based composite material and the steel are reacted. Are metallurgically bonded. The bonding strength is high, and shows a tensile strength of 500 MPa or more.
[0030]
Further, the joining to the steel member can be performed simultaneously with sintering of the cermet (including sinter joining, HIP processing and hot pressing processing). In addition, thermal spraying is also possible if a powder made of the Ni-based composite material of the present invention is produced. Further, the Ni-based composite material of the present invention can be joined to the surface of a steel member by remelting the sprayed layer.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, the results of measuring various properties of the Ni-based composite material according to the present invention will be described.
[0032]
Specimens of each composition shown in Table 1 were produced. In Table 1, specimens 1 to 4 correspond to the Ni-based composite material of the present invention, and specimens 5 to 8 are comparative materials deviating from the composition of the Ni-based composite material of the present invention. . In addition, the test specimen for each test was produced by producing granulated powder corresponding to each composition by the following method, and hot-pressing (HP) into a test piece shape for each test.
[0033]
The above granulated powder was produced as follows. (A) Each raw material (Ni, B, Mo, Si powder or alloy powder) is weighed to have each composition; (b) The weighed raw material is crushed and mixed to prepare a raw material powder; (c) A small amount of a binder is added to the obtained raw material powder, and it is processed (formed) into a sphere by a granulator / dryer; (d) The obtained sphere powder is degreased and sintered to obtain a Ni-Mo-Si alloy. A spherical powder in which a fine hard material (Mo ₂ NiB ₂ ) is dispersed is prepared; (e) The spherical powder is subjected to a classifier to take out a 30-300 μm powder.
[0034]
[Table 1]

For each of these specimens, an immersion test (melting resistance test), a three-point bending test and an Ogoshi quick wear test were performed in a molten aluminum. Further, the Rockwell hardness and the fracture toughness value of each specimen were measured.
[0035]
The immersion test was performed by the following method. The test piece was immersed in molten aluminum and rotated at a rotation radius of 31.5 mm and a rotation speed of 240 rpm. After the test, the adhered aluminum was removed, and the erosion weight and erosion volume per immersion surface area were measured. The test conditions are as follows:
Test specimen shape: 4 × 10 × 46mm (grinding),
Melt: ADC12, 1080g,
Temperature of molten metal: 680 ° C (± 10 ° C),
Immersion time: 2 hours,
Number of test pieces: 4 (number used for one test).
[0036]
The conditions of the three-point bending test (JIS H5501) are as follows:
Test specimen shape: 4 x 8 x 26 mm (grinding),
Number of test pieces: 3 (number used for one test).
[0037]
The conditions of the Ogoshi rapid wear test are as follows:
Test piece shape: 25 × 50 × 10 mm,
Counterpart material shape: rotating disk,
Partner material: SKD11 (HRC = 58 ± 2),
Final load: 18.6 kgf,
Friction distance: 600m,
Friction speed: 2.0 m / sec.
[0038]
Table 2 shows the test results and measurement results for each test piece. It can be seen that the Ni-based composite materials (specimens 1 to 4) based on the present invention have strength, toughness, abrasion resistance, and erosion resistance to molten aluminum.
[0039]
[Table 2]

Next, the results of an evaluation test of a plunger sleeve whose inner peripheral surface is covered with a Ni-based composite material according to the present invention will be described.
[0040]
A plunger sleeve is manufactured using the Ni-based composite material (same composition as the specimens 1 to 4) and the comparative material (same composition as the specimens 5 to 8) based on the present invention, and the plunger sleeve is assembled into a die casting machine to perform an evaluation test. went.
[0041]
The production of each plunger sleeve was performed in the following procedure:
(A) raw material powders equivalent to specimens 1 to 8 were produced by a granulation method,
(B) An alloy tool steel SKD61 was machined to produce a cylindrical member (outer cylinder 11).
(C) As shown in FIG. 2, the bottom plate 14 is attached to the outer cylinder 11, the core 13 is set in the outer cylinder 11, and the raw material powders 12 a having the above-described compositions are placed between the outer cylinder 11 and the core 13. After filling, the lid 15 was attached, and then the space between the outer cylinder 11 and the core 13 was dried, degassed, and then sealed.
(D) The assembly assembled as described above was accommodated in a HIP device, and subjected to HIP processing at a temperature of 990 ° C. and a pressure of 1500 kgf / cm ² for 1 hour.
(E) After completion of the HIP processing, the bottom plate 14, the lid 15 and the core 13 are removed by machining, and then, as shown in FIG. Machined into a plunger sleeve.
[0042]
The plunger sleeve produced as described above was assembled into a cold chamber type aluminum die casting machine (350 ton) and cast. Table 3 shows the results. The casting conditions were as follows:
Melt: ADC12,
Melt temperature: 680 ° C,
Supply amount of molten metal: 1.2 kg,
Lubricant: oil type,
Supply amount of lubricant: 10 cc / shot,
Lubrication method: Spray into hot water supply,
Plunger chip: SKD61 (quenching / tempering).
[0043]
[Table 3]

[0044]
【The invention's effect】
The Ni-based composite material of the present invention has strength, toughness, abrasion resistance, and erosion resistance to molten aluminum by having the above structure and composition.
[0045]
By covering the inner peripheral surface of the plunger sleeve of the die casting machine with the Ni-based composite material of the present invention, the life of the plunger sleeve can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the structure of a Ni-based composite material of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a method for manufacturing a plunger sleeve using the Ni-based composite material of the present invention.
FIG. 3 is a view showing a schematic shape of a plunger sleeve using the Ni-based composite material of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... hard object aggregate,
2 ... Ni-Mo boride,
3 ... Ni-Si-Mo alloy,
4 ... bonded phase (Ni-Si-Mo alloy)
11 ... outer cylinder,
12a: Raw material powder,
12 ... lining layer,
13 ... core,
14 ... bottom plate,
15 ... Lid.

Claims

A Ni-based composite material in which a granular hard material aggregate is dispersed in a binder phase composed of a Ni-based alloy,
The hard material aggregate is a particle in which fine Ni-Mo boride is bonded by a Ni-Si-Mo alloy, and has a particle size of 30 µm or more and 300 µm or less,
The binder phase is a Ni-Si-Mo alloy,
The total composition of the binder phase and the hard material aggregate is as follows: B is 2.6 wt% or more and 3.2 wt% or less, Si is 3.6 wt% or more and 5.2 wt% or less, and Mo is 18 wt% or more and 28 wt%. % Or less, C is 0.05 wt% or more and 0.22 wt% or less, the balance is composed of Ni and unavoidable impurities, and the weight ratio of Mo / B is 7.0 to 9.5. Matrix composite.

A method for producing a Ni-based composite material in which a granular hard material aggregate is dispersed in a binder phase composed of a Ni-based alloy,
Producing a Ni-based composite material powder in which fine Ni-Mo borides are bonded by a Ni-Si-Mo alloy and having a particle size of 30 µm or more and 300 µm or less, and sintering the powder;
The total composition of the binder phase and the hard material aggregate is as follows: B is 2.6 wt% or more and 3.2 wt% or less, Si is 3.6 wt% or more and 5.2 wt% or less, and Mo is 18 wt% or more and 28 wt%. % Or less, C is 0.05 wt% or more and 0.22 wt% or less, the balance is composed of Ni and unavoidable impurities, and the weight ratio of Mo / B is 7.0 to 9.5. A method for producing a base composite material.

A plunger sleeve for a die casting machine in which an inner lining layer is joined to an inner peripheral surface of a steel tubular member,
The lining layer is a Ni-based composite material in which granular hard aggregates are dispersed in a binder phase made of a Ni-based alloy,
The hard material aggregate is a particle in which fine Ni-Mo boride is bonded by a Ni-Si-Mo alloy, and has a particle size of 30 µm or more and 300 µm or less,
The binder phase is a Ni-Si-Mo alloy,
The total composition of the binder phase and the hard material aggregate is as follows: B is 2.6 wt% or more and 3.2 wt% or less, Si is 3.6 wt% or more and 5.2 wt% or less, and Mo is 18 wt% or more and 28 wt%. % Or less, C is 0.05 wt% or more and 0.22 wt% or less, the balance is composed of Ni and unavoidable impurities, and the weight ratio of Mo / B is 7.0 to 9.5. Plunger sleeve for machine.

The plunger sleeve for a die casting machine according to claim 3, wherein the lining layer is joined to an inner peripheral surface of the tubular member by sintering.