【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有層鋼材製部材およびその製造方法に関し、一層詳細には、鋳造用金型として好適な有層鋼材製部材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋳造作業によってアルミニウム製部材等の鋳造製品を作製する場合には、鋳造用金型にアルミニウムの溶湯が導入される。この溶湯が高温であることから、鋳造用金型の素材としては、高温での強度に優れるＳＫＤ６１材（鋼材のＪＩＳ規格）が一般的に採用される。
【０００３】
ところで、鋳造作業に際しては、鋳造用金型には、上記したように高温の溶湯が接触する。すなわち、鋳造用金型には熱疲労が加わる。この熱疲労は、鋳造用金型の耐久性を低下させ、結局、鋳造用金型にヒートチェック等を生じさせる一因となる。また、鋳造作業の過程で、鋳造用金型の表面がアルミニウムと反応することによって一部が消失する、いわゆる溶損が発生することがある。
【０００４】
上記したような事態が生じると、アルミニウム製部材を所定の寸法精度で得ることが困難となる。すなわち、アルミニウム製部材の製造歩留まりが低下するという不具合を招く。ヒートチェックや溶損が生じた鋳造用金型は新品に交換されるが、鋳造用金型は概して高価であるため、交換頻度が多くなるとアルミニウム製部材の製造コストが高騰してしまう。
【０００５】
そこで、ヒートチェックや溶損が生じることを回避するために、鋳造用金型には、通常、表面処理が施される。具体的には、塩浴法、ガス法あるいはイオン法等による窒化処理や、物理的気相成長（ＰＶＤ）法あるいは化学的気相成長（ＣＶＤ）法によってＴｉＣやＴｉＮ等のセラミックス材をコーティングする被覆処理、さらには、硫化鉄と窒化鉄との酸化物層を設ける浸硫窒化処理、酸化鉄を設ける酸化処理等が例示される。
【０００６】
しかしながら、上記のいずれの方法においても、耐熱疲労性が向上すると耐溶損性が低下したり、または、逆に耐溶損性が向上すると耐熱疲労性が低下したりするというような不具合がある。例えば、窒化処理においては、窒化鉄からなる窒化層が設けられるが、この場合、耐溶損性は向上するものの、耐熱疲労性が低下する。そこで、表面に窒化層を設けるのではなく、窒素元素を鋼材内部に浸透・固溶させて窒素拡散層を設けることも提案されているが、この場合、耐熱疲労性が向上するものの、耐溶損性が低下する。
【０００７】
また、被覆処理では、ビッカース硬度で１０００〜３０００を示す硬質のセラミックス皮膜を形成することができるが、このセラミックス皮膜は概して靱性が低く、鋳造用金型が応力によって変形する際や、鋳造用金型に機械的衝撃が加えられた際に容易に剥離するという問題がある。しかも、セラミックス皮膜と鋳造用金型との熱膨張率が異なるため、鋳造作業時の膨張体積が相違することに起因しても剥離が生じることがある。
【０００８】
一方、浸硫窒化処理で表面に硫化鉄からなる硫化物層を設けた場合には、耐溶損性が向上することが確認されている。しかしながら、この硫化物層は硬度が低く、しかも、多孔質であるため、鋳造作業を繰り返すことによって剥離してしまうという不具合が顕在化している。さらに、この硫化物層には窒化鉄が含有されているため、耐熱疲労性が低いという問題がある。
【０００９】
さらに、酸化処理には、母材層である鋼材料が熱応力によって変形した際、形成された酸化物層が剥離し易くなるという不具合がある。
【００１０】
このような観点から、耐熱疲労性および耐溶損性をともに向上させるべく、様々な処理法が提案されている。例えば、特許文献１には、イオン法による窒化処理後に９５０℃に昇温し、高周波加熱処理を施すことによって窒化鉄を分解して窒化鉄の濃度を減少させる処理方法が開示されている。この分解によって遊離した窒素元素は、鋼材の内部に拡散・固溶し、窒素拡散層を形成する。しかしながら、この場合、窒化鉄の幾分かは分解されることなく残留するので、耐熱疲労性を飛躍的に向上させることはできない。
【００１１】
また、特許文献２には、３５０〜４５０℃の比較的低温にてイオン法で窒化処理を行うことが提案されている。しかしながら、このような処理が施された鋳造用金型の寿命は、一般的な窒化処理が施された鋳造用金型の２〜３割程度長期化するに留まる。この程度の長寿命化では、鋳造用金型の交換頻度を低減し、ひいては製造コストを低廉化することができるとは言い難い。
【００１２】
そして、特許文献３には、建設用機械を構成する油圧ポンプやモータ等におけるピストンまたはシリンダ等の表面に対し、ガスを使用して浸硫窒化処理を施す浸硫窒化処理方法および装置が提案されている。しかしながら、該特許文献３には、この処理を施すことによって潤滑油を保持する能力を向上させることに関しての説明がなされているのみであり、処理が施された表面自体の耐ヒートチェック性や耐溶損性の向上に関しては特に言及されていない。
【００１３】
さらに、特許文献４には、鋼材の表面にＦｅＳ２からなる第１層と、Ｆｅ４Ｎからなる第２層とをこの順序で形成する処理法が提案されているが、これら２層が形成された鋼材を鋳造用金型として使用すると、容易に剥離してしまうという不具合がある。このため、鋳造用金型として使用することは困難である。
【００１４】
このように、耐熱疲労性および耐溶損性をともに向上させる技術は未だに確立されていない。
【００１５】
【特許文献１】
特開平７−１３８７３３号公報
【特許文献２】
特開昭５７−５４５５１号公報
【特許文献３】
特開平４−２２８５５７号公報
【特許文献４】
特開昭６０−３９１５５号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、耐熱疲労性および耐溶損性のいずれにも優れ、このために鋳造用金型として使用された際に該鋳造用金型の寿命を長期化させ、これにより鋳造品の製造コストを低廉化することが可能な有層鋼材製部材およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、鋼材からなる母材層を有するとともに、表面に酸化鉄のみからなる酸化物層が設けられ、かつ前記母材層と前記酸化物層との間に、窒素元素が鋼材に固溶した窒素拡散層が設けられていることを特徴とする。
【００１８】
このような構成においては、酸化鉄によって耐熱疲労性および耐溶損性が付与される。このため、耐熱疲労性および耐溶損性に優れ、結局、耐久性に優れる部材を構成することができる。
【００１９】
しかも、窒素拡散層が存在するので、熱応力によって母材層が変形することが抑制される。このため、酸化物層が剥離することを抑制することができる。
【００２０】
なお、酸化鉄は、Ｆｅ３Ｏ４であることが好ましい。Ｆｅ３Ｏ４は、Ｆｅ２Ｏ３やＦｅＯに比して耐溶損性を向上させる効果に優れるからである。
【００２１】
このような有層鋼材製部材の好適な例としては、鋳造作業を遂行するための鋳造用金型を挙げることができる。
【００２２】
また、本発明は、鋼材からなる母材層を有するとともに、表面に酸化鉄のみからなる酸化物層が設けられ、かつ前記母材層と前記酸化物層との間に、窒素元素が鋼材に固溶した窒素拡散層が設けられている有層鋼材製部材の製造方法であって、
前記鋼材に窒素元素を固溶させて窒素拡散層を得る窒素固溶工程と、
前記窒素拡散層が設けられた鋼材を酸化することによって前記酸化物層を設ける酸化物層形成工程と、
を有することを特徴とする。
【００２３】
このように、本発明においては、鋼材に窒素を拡散させた後に該鋼材を酸化することによって、母材層の熱変形を抑制する窒素拡散層と、耐熱疲労性および耐溶損性を付与する酸化物層とを容易かつ簡便に形成することができる。しかも、これにより得られた窒素拡散層および酸化物層は、母材層を基材として形成された層であり、母材層上に積層された皮膜ではないので、母材層から剥離し難い。
【００２４】
ここで、鋼材を酸化する酸化手段として酸素を使用し、かつ該酸素を酸化鉄としてＦｅ３Ｏ４が得られる分圧で供給することが好ましい。これにより、耐溶損性を向上させる効果に優れるＦｅ３Ｏ４を容易かつ簡便に生成させることができるからである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る有層鋼材製部材およびその製造方法につき、該有層鋼材製部材からなる鋳造用金型との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
本実施の形態に係る鋳造用金型を備える鋳造装置の要部縦断面説明図を図１に示す。この鋳造装置１０は、アルミニウムからなる鋳造品としての図示しないシリンダブロックを鋳造するためのものであり、固定型１２と、側方可動型１４、１６と、上方可動型１８とを鋳造用金型として具備する。このうち、固定型１２にはボアピン２０が設けられており、このボアピン２０にスリーブ２２が外装されることにより、シリンダブロックを得るためのキャビティ２４が鋳造装置１０に形成される。
【００２７】
キャビティ２４には、シリンダブロックのウォータジャケットを形成するための砂中子２６が配置されている。該砂中子２６は、図示しない支持部材によって支持されている。
【００２８】
ここで、固定型１２、側方可動型１４、１６、および上方可動型１８は、ＳＫＤ６１材を母材層として有する鋼材からなる。そして、型１２、１４、１６、１８におけるキャビティ２４を形成する面（以下、キャビティ面という）には、該ＳＫＤ６１材を表面処理することによって形成された２層が存在する。
【００２９】
具体的には、図２に示すように、固定型１２におけるキャビティ面は、ＳＫＤ６１材からなる母材層３０、窒素拡散層３２および酸化物層３４の３層構造となっている。なお、本実施の形態においては、窒素拡散層３２および酸化物層３４はいずれも母材層３０を基材として得られた層であり、母材層３０上に積層された皮膜ではない。
【００３０】
窒素拡散層３２は、ＳＫＤ６１材に窒素元素が拡散して固溶したものである。固溶した窒素元素は、ＳＫＤ６１材の構成元素であるＦｅおよびＣと結合して、３元系固溶体を形成する。なお、以下においては、この固溶体をＦｅ（Ｃ，Ｎ）とも表記する。
【００３１】
窒素拡散層３２は、母材層３０であるＳＫＤ６１材が熱応力によって変形することを抑制する。これにより、酸化物層３４が窒素拡散層３２から剥離することが回避される。換言すれば、窒素拡散層３２が存在することにより、酸化物層３４が剥離し難くなる。
【００３２】
窒素拡散層３２の厚みは、例えば、５０〜２５０μｍに設定することができる。
【００３３】
酸化物層３４は、ＳＫＤ６１材を酸化して得られた酸化鉄のみからなる層である。すなわち、この酸化物層３４には、窒化鉄は含有されていない。
【００３４】
酸化物層３４の厚みは、０．５〜２０μｍの範囲内であることが好ましい。０．５μｍよりも小さいと、耐熱疲労性および耐溶損性を付与する効果に乏しくなる。また、２０μｍよりも大きいと、該酸化物層３４が窒素拡散層３２から剥離し易くなる。
【００３５】
酸化鉄は、耐熱疲労性および耐溶損性のいずれも優れる。すなわち、酸化鉄を表面に存在させることにより、鋳造用金型の耐熱疲労性および耐溶損性をともに向上させることができる。
【００３６】
ここで、酸化鉄は、三四酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）であることが好ましい。この場合、酸化鉄がＦｅ２Ｏ３やＦｅＯである場合に比して、耐溶損性を一層向上させることができる。
【００３７】
以上の窒素拡散層３２および酸化物層３４は、残余の側方可動型１４、１６および上方可動型１８の各キャビティ面にも形成されている。
【００３８】
キャビティ面に窒素拡散層３２および酸化物層３４を有する固定型１２は、以下のようにして得ることができる。すなわち、まず、素材としてのＳＫＤ６１材から、固定型１２の形状の予備成形体を公知の加工法によって作製する。
【００３９】
次に、窒素固溶工程において、この予備成形体のキャビティ面に窒素拡散層３２を設ける。具体的には、該予備成形体を処理チャンバ内に入れ、該処理チャンバの温度を４５０〜５８０℃に保持した後、アンモニアガスと水素ガスとを該処理チャンバ内に供給する。このうちのアンモニアガスが熱分解することによって生成した遊離窒素元素は、予備成形体の内部に拡散した後、ＳＫＤ６１材の構成元素であるＦｅおよびＣと結合する。これにより、予備成形体の表面に固溶体であるＦｅ（Ｃ，Ｎ）が生成し、その結果、鋼材からなる母材層３０上に窒素元素が固溶した窒素拡散層３２が形成される。
【００４０】
水素ガスは、アンモニアガスの活性を制御するための成分である。所定量の水素ガスをともに供給することにより、固溶体が生成する前に窒化鉄が生成することを抑制することができる。
【００４１】
アンモニアガスおよび水素ガスの供給を停止した後、温度を５００〜５５０℃に保持し、水素ガスおよび酸素ガスを供給して酸化物層形成工程を遂行する。この際、三四酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）が生成するように酸素ガスの分圧を制御する。酸素ガスの好適な分圧は、１．０１３×１０−２０〜１．０１３×１０−１０Ｐａである。
【００４２】
ＳＫＤ６１材の構成元素であるＦｅは、供給された酸素ガスと反応を起こす。これにより、三四酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）からなる酸化物層３４が形成される。
【００４３】
なお、この過程では、Ｆｅ（Ｃ，Ｎ）が母材層３０の更なる内部まで拡散する。このため、Ｆｅ（Ｃ，Ｎ）は酸化物層３４には残留しない。また、酸化物層３４を形成する過程でアンモニアガスや窒素ガス等の窒素元素源が供給されることはないので、酸化物層３４に窒化鉄が含有されることもない。
【００４４】
このようにして、キャビティ面に窒素拡散層３２および酸化物層３４を有する固定型１２が得られるに至る。勿論、側方可動型１４、１６および上方可動型１８となる予備成形体の各キャビティ面にも同様の表面処理が施され、最終製品としての側方可動型１４、１６および上方可動型１８が得られるに至る。
【００４５】
このように、本実施の形態によれば、予備成形体を処理チャンバ内に入れ、所定のガスを供給するという容易かつ簡便な作業によって、窒素拡散層３２および酸化物層３４を有する金型１２、１４、１６、１８を作製することができる。
【００４６】
このように構成された鋳造用金型１２、１４、１６、１８を使用してのシリンダブロックの作製は、以下のように遂行される。
【００４７】
まず、図１に示すように、固定型１２と、側方可動型１４、１６と、上方可動型１８とが型締めされた状態で、例えば、アルミニウム等の溶湯が図示しないランナおよびゲートを介してキャビティ２４内に充填される。充填された溶湯は、８５ＭＰａ〜１００ＭＰａ程度の圧力で高圧鋳造される。
【００４８】
この際、固定型１２、側方可動型１４、１６、上方可動型１８の各キャビティ面に窒素拡散層３２が設けられているので、鋼材である母材層３０が熱応力によって変形することが抑制される。このため、酸化物層３４が剥離することを抑制することができる。
【００４９】
また、各型１２、１４、１６、１８のキャビティ面には、耐熱疲労性および耐溶損性を向上させる三四酸化鉄からなる酸化物層３４が設けられている。しかも、この酸化物層３４に窒化鉄が含有されていないので、各型１２、１４、１６、１８においては、耐熱疲労性が著しく向上している。このため、該型１２、１４、１６、１８にひび等が入ることが著しく抑制される。また、耐溶損性が向上しているため、各型１２、１４、１６、１８とアルミニウムとが反応することも抑制される。
【００５０】
高圧鋳造されたアルミニウムの溶湯は、冷却に伴い凝固する。凝固が終了した後、上方可動型１８および側方可動型１４、１６が固定型１２から離間することによって型開きが行われ、次いで、図示しないノックアウトピンの作用下に、鋳造品であるシリンダブロックが取り出される。
【００５１】
なお、本実施の形態においては、固定型１２、側方可動型１４、１６および上方可動型１８のキャビティ面にのみ酸化物層３４を設けるようにしているが、これらのキャビティ面のみならず、全表面に亘って酸化物層３４を設けるようにしてもよい。
【００５２】
さらに、上記した実施の形態では、有層鋼材製部材として鋳造用金型を例示して説明したが、特にこれに限定されるものではなく、様々な用途に供することが可能である。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、鋼材からなる母材層上に窒素拡散層、酸化鉄からなる酸化物層をこの順序で設けるようにしている。酸化物層によって耐熱疲労性および耐溶損性が付与されるので、耐熱疲労性および耐溶損性に優れる部材とすることができるという効果が達成される。しかも、窒素拡散層が存在するので、この酸化物層が剥離することを抑制することもできる。このような特性を有する部材は、鋳造用金型として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る鋳造用金型を備える鋳造装置の要部縦断面説明図である。
【図２】図１の鋳造装置を構成する固定型のキャビティ面の要部拡大説明図である。
【符号の説明】
１０…鋳造装置 １２…固定型
１４、１６…側方可動型 １８…上方可動型
２４…キャビティ ３０…母材層
３２…窒素拡散層 ３４…酸化物層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a laminated steel member and a method for producing the same, and more particularly, to a laminated steel member suitable for a casting mold and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
When producing a cast product such as an aluminum member by a casting operation, a molten aluminum is introduced into a casting mold. Since this molten metal is at a high temperature, a SKD61 material (JIS standard for steel) excellent in high-temperature strength is generally used as a material for a casting mold.
[0003]
By the way, at the time of the casting operation, the high-temperature molten metal comes into contact with the casting mold as described above. That is, thermal fatigue is added to the casting mold. This thermal fatigue lowers the durability of the casting mold, and eventually causes a heat check or the like in the casting mold. In the course of the casting operation, the surface of the casting mold reacts with the aluminum, so that a part of the surface of the casting mold disappears, that is, so-called erosion may occur.
[0004]
When such a situation occurs, it is difficult to obtain an aluminum member with a predetermined dimensional accuracy. That is, a problem that the production yield of the aluminum member is reduced is caused. Casting dies that have undergone heat check or erosion are replaced with new ones. However, since casting dies are generally expensive, increasing the frequency of replacement increases the manufacturing cost of aluminum members.
[0005]
Therefore, in order to avoid heat check and melting damage, the casting mold is usually subjected to a surface treatment. Specifically, a ceramic material such as TiC or TiN is coated by a nitriding treatment by a salt bath method, a gas method, an ion method, or the like, or a physical vapor deposition (PVD) method or a chemical vapor deposition (CVD) method. Examples include a coating treatment, a sulphonitriding treatment for providing an oxide layer of iron sulfide and iron nitride, and an oxidation treatment for providing iron oxide.
[0006]
However, in any of the above methods, there is a problem that the erosion resistance decreases when the thermal fatigue resistance is improved, or the thermal fatigue resistance decreases when the erosion resistance is improved. For example, in the nitriding treatment, a nitride layer made of iron nitride is provided. In this case, although the erosion resistance is improved, the thermal fatigue resistance is reduced. Therefore, instead of providing a nitrided layer on the surface, it has been proposed to provide a nitrogen diffusion layer by infiltrating and solid-solving a nitrogen element into the inside of the steel material. Is reduced.
[0007]
Further, in the coating treatment, a hard ceramic film having a Vickers hardness of 1000 to 3000 can be formed. There is a problem that the mold easily peels off when a mechanical impact is applied to the mold. In addition, since the coefficient of thermal expansion between the ceramic film and the casting mold is different, peeling may also occur due to the difference in the expansion volume during the casting operation.
[0008]
On the other hand, it has been confirmed that when a sulfide layer made of iron sulfide is provided on the surface by the nitrosulphurizing treatment, the erosion resistance is improved. However, since the sulfide layer has a low hardness and is porous, a problem that the sulfide layer is peeled off by repeating the casting operation has become apparent. Furthermore, since this sulfide layer contains iron nitride, there is a problem that the thermal fatigue resistance is low.
[0009]
Further, the oxidation treatment has a disadvantage that when the steel material as the base material layer is deformed by thermal stress, the formed oxide layer is easily peeled off.
[0010]
From such a viewpoint, various treatment methods have been proposed to improve both the thermal fatigue resistance and the erosion resistance. For example, Patent Literature 1 discloses a treatment method in which the temperature is raised to 950 ° C. after nitriding treatment by an ion method and high-frequency heating treatment is performed to decompose iron nitride and reduce the concentration of iron nitride. The nitrogen element released by this decomposition diffuses and forms a solid solution inside the steel material to form a nitrogen diffusion layer. However, in this case, since some of the iron nitride remains without being decomposed, the thermal fatigue resistance cannot be significantly improved.
[0011]
Further, Patent Literature 2 proposes performing nitriding by an ion method at a relatively low temperature of 350 to 450 ° C. However, the life of the casting mold subjected to such a treatment is only about 20 to 30% longer than that of a general nitriding-treated casting mold. With such a long service life, it is difficult to say that the frequency of replacement of the casting mold can be reduced and the manufacturing cost can be reduced.
[0012]
Patent Literature 3 proposes a method and an apparatus for performing a nitrosulphurizing process using a gas on the surface of a piston or a cylinder of a hydraulic pump, a motor, or the like constituting a construction machine. ing. However, Patent Literature 3 merely describes the improvement of the ability of retaining lubricating oil by performing this treatment, and the heat-resistance and heat-resistance of the treated surface itself are not described. No particular mention is made of the improvement of the loss.
[0013]
Further, Patent Literature 4 proposes a processing method in which a first layer made of FeS 2 and a second layer made of Fe 4 N are formed in this order on the surface of a steel material, and these two layers are formed. When the used steel material is used as a casting mold, there is a problem that the steel material is easily peeled off. For this reason, it is difficult to use it as a casting mold.
[0014]
Thus, a technique for improving both the thermal fatigue resistance and the erosion resistance has not yet been established.
[0015]
[Patent Document 1]
JP-A-7-138733 [Patent Document 2]
JP-A-57-54551 [Patent Document 3]
JP-A-4-228557 [Patent Document 4]
JP-A-60-39155
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and is excellent in both heat fatigue resistance and erosion resistance. Therefore, when used as a casting mold, the life of the casting mold is reduced. It is an object of the present invention to provide a layered steel member and a method of manufacturing the same, which can be prolonged, thereby reducing the manufacturing cost of a cast product.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention has a base material layer made of a steel material, and an oxide layer made of only iron oxide is provided on the surface, and the base material layer and the oxide layer In addition, a nitrogen diffusion layer in which a nitrogen element is dissolved in a steel material is provided.
[0018]
In such a configuration, the iron oxide imparts heat fatigue resistance and erosion resistance. For this reason, it is possible to configure a member that is excellent in heat fatigue resistance and erosion resistance, and is eventually excellent in durability.
[0019]
Moreover, the presence of the nitrogen diffusion layer suppresses deformation of the base material layer due to thermal stress. Therefore, peeling of the oxide layer can be suppressed.
[0020]
Note that the iron oxide is preferably Fe 3 O 4 . This is because Fe 3 O 4 has an excellent effect of improving erosion resistance as compared with Fe 2 O 3 and FeO.
[0021]
A preferred example of such a laminated steel member is a casting mold for performing a casting operation.
[0022]
Further, the present invention has a base material layer made of a steel material, and an oxide layer made of only iron oxide is provided on the surface, and a nitrogen element is formed on the steel material between the base material layer and the oxide layer. A method for manufacturing a layered steel member provided with a solid solution nitrogen diffusion layer,
A nitrogen solid solution step of dissolving a nitrogen element in the steel material to obtain a nitrogen diffusion layer,
An oxide layer forming step of providing the oxide layer by oxidizing a steel material provided with the nitrogen diffusion layer,
It is characterized by having.
[0023]
As described above, in the present invention, a nitrogen diffusion layer that suppresses thermal deformation of a base material layer by oxidizing the steel material after diffusing nitrogen into the steel material, and an oxidation that imparts heat fatigue resistance and erosion resistance are provided. The material layer can be easily and simply formed. Moreover, the nitrogen diffusion layer and the oxide layer obtained as described above are layers formed using the base material layer as the base material, and are not a film laminated on the base material layer, so that they are difficult to peel off from the base material layer. .
[0024]
Here, it is preferable to use oxygen as an oxidizing means for oxidizing the steel material, and supply the oxygen at a partial pressure at which Fe 3 O 4 is obtained as iron oxide. Thereby, it is possible to easily and easily generate Fe 3 O 4 having an excellent effect of improving the erosion resistance.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of a laminated steel member and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, with reference to preferred embodiments in relation to a casting mold including the laminated steel member. explain.
[0026]
FIG. 1 is an explanatory longitudinal sectional view of a main part of a casting apparatus provided with a casting mold according to the present embodiment. The casting apparatus 10 is for casting a cylinder block (not shown) as a cast product made of aluminum. The casting apparatus 10 includes a fixed die 12, side movable dies 14, 16 and an upper movable die 18 for casting. As Of these, the fixed die 12 is provided with a bore pin 20, and a sleeve 22 is provided on the bore pin 20, so that a cavity 24 for obtaining a cylinder block is formed in the casting apparatus 10.
[0027]
A sand core 26 for forming a water jacket of the cylinder block is disposed in the cavity 24. The sand core 26 is supported by a support member (not shown).
[0028]
Here, the fixed mold 12, the side movable molds 14, 16 and the upper movable mold 18 are made of a steel material having a SKD61 material as a base material layer. The surfaces of the molds 12, 14, 16, and 18 on which the cavities 24 are formed (hereinafter, referred to as cavity surfaces) include two layers formed by performing a surface treatment on the SKD61 material.
[0029]
Specifically, as shown in FIG. 2, the cavity surface of the fixed mold 12 has a three-layer structure of a base material layer 30 made of SKD61 material, a nitrogen diffusion layer 32, and an oxide layer. In the present embodiment, each of the nitrogen diffusion layer 32 and the oxide layer 34 is a layer obtained by using the base material layer 30 as a base material, and is not a film laminated on the base material layer 30.
[0030]
The nitrogen diffusion layer 32 is formed by diffusing a solid element of nitrogen into the SKD61 material. The dissolved nitrogen element combines with Fe and C, which are constituent elements of the SKD61 material, to form a ternary solid solution. In the following, this solid solution is also described as Fe (C, N).
[0031]
The nitrogen diffusion layer 32 suppresses the deformation of the SKD61 material as the base material layer 30 due to thermal stress. This prevents the oxide layer 34 from being separated from the nitrogen diffusion layer 32. In other words, the presence of the nitrogen diffusion layer 32 makes it difficult for the oxide layer 34 to peel off.
[0032]
The thickness of the nitrogen diffusion layer 32 can be set, for example, to 50 to 250 μm.
[0033]
The oxide layer 34 is a layer made of only iron oxide obtained by oxidizing the SKD61 material. That is, the oxide layer 34 does not contain iron nitride.
[0034]
The thickness of the oxide layer 34 is preferably in the range of 0.5 to 20 μm. If it is smaller than 0.5 μm, the effect of imparting heat fatigue resistance and erosion resistance becomes poor. On the other hand, when the thickness is larger than 20 μm, the oxide layer 34 is easily separated from the nitrogen diffusion layer 32.
[0035]
Iron oxide is excellent in both heat fatigue resistance and erosion resistance. That is, the presence of iron oxide on the surface can improve both the thermal fatigue resistance and the erosion resistance of the casting mold.
[0036]
Here, the iron oxide is preferably iron tetroxide (Fe 3 O 4 ). In this case, the erosion resistance can be further improved as compared with the case where the iron oxide is Fe 2 O 3 or FeO.
[0037]
The nitrogen diffusion layer 32 and the oxide layer 34 described above are also formed on the cavity surfaces of the remaining side movable molds 14 and 16 and the upper movable mold 18.
[0038]
The fixed mold 12 having the nitrogen diffusion layer 32 and the oxide layer 34 on the cavity surface can be obtained as follows. That is, first, a preform having the shape of the fixed mold 12 is prepared from a SKD61 material as a raw material by a known processing method.
[0039]
Next, in a nitrogen solid solution step, a nitrogen diffusion layer 32 is provided on the cavity surface of the preform. Specifically, the preform is placed in a processing chamber, and after maintaining the temperature of the processing chamber at 450 to 580 ° C, ammonia gas and hydrogen gas are supplied into the processing chamber. Of these, the free nitrogen element generated by the thermal decomposition of the ammonia gas diffuses into the preformed body, and then combines with Fe and C, which are constituent elements of the SKD61 material. As a result, Fe (C, N) which is a solid solution is generated on the surface of the preform, and as a result, a nitrogen diffusion layer 32 in which nitrogen element is dissolved in a solid solution is formed on the base material layer 30 made of steel.
[0040]
Hydrogen gas is a component for controlling the activity of ammonia gas. By supplying a predetermined amount of hydrogen gas together, it is possible to suppress the formation of iron nitride before the solid solution is formed.
[0041]
After stopping the supply of the ammonia gas and the hydrogen gas, the temperature is maintained at 500 to 550 ° C., and the hydrogen gas and the oxygen gas are supplied to perform the oxide layer forming step. At this time, the partial pressure of the oxygen gas is controlled so that ferric oxide (Fe 3 O 4 ) is generated. A suitable partial pressure of oxygen gas is 1.013 × 10 −20 to 1.013 × 10 −10 Pa.
[0042]
Fe, which is a constituent element of the SKD61 material, reacts with the supplied oxygen gas. As a result, an oxide layer 34 made of ferric oxide (Fe 3 O 4 ) is formed.
[0043]
In this process, Fe (C, N) diffuses further inside the base material layer 30. Therefore, Fe (C, N) does not remain in the oxide layer 34. Further, since a nitrogen element source such as ammonia gas or nitrogen gas is not supplied in the process of forming the oxide layer 34, the oxide layer 34 does not contain iron nitride.
[0044]
Thus, the fixed mold 12 having the nitrogen diffusion layer 32 and the oxide layer 34 on the cavity surface is obtained. Of course, the same surface treatment is applied to each cavity surface of the preformed body as the side movable dies 14, 16 and the upper movable die 18, so that the side movable dies 14, 16 and the upper movable die 18 as final products are formed. Leads to gain.
[0045]
As described above, according to the present embodiment, the mold 12 having the nitrogen diffusion layer 32 and the oxide layer 34 can be easily and simply put into the processing chamber and supplied with a predetermined gas. , 14, 16, and 18 can be manufactured.
[0046]
The production of the cylinder block using the casting molds 12, 14, 16, 18 configured as described above is performed as follows.
[0047]
First, as shown in FIG. 1, in a state where the fixed mold 12, the side movable molds 14, 16 and the upper movable mold 18 are clamped, for example, a molten metal such as aluminum is passed through a runner and a gate (not shown). To fill the cavity 24. The filled molten metal is cast at a high pressure of about 85 MPa to 100 MPa.
[0048]
At this time, since the nitrogen diffusion layer 32 is provided on each cavity surface of the fixed mold 12, the side movable molds 14, 16 and the upper movable mold 18, the base material layer 30 made of steel may be deformed by thermal stress. Be suppressed. Therefore, peeling of the oxide layer 34 can be suppressed.
[0049]
Further, on the cavity surface of each of the molds 12, 14, 16, and 18, an oxide layer 34 made of triiron tetroxide is provided to improve thermal fatigue resistance and erosion resistance. In addition, since the oxide layer 34 does not contain iron nitride, each of the molds 12, 14, 16, and 18 has significantly improved thermal fatigue resistance. Therefore, cracks and the like in the molds 12, 14, 16, and 18 are significantly suppressed. Further, since the erosion resistance is improved, the reaction between the molds 12, 14, 16, and 18 and aluminum is also suppressed.
[0050]
High-pressure cast aluminum melt solidifies with cooling. After the solidification is completed, the mold is opened by separating the upper movable mold 18 and the lateral movable molds 14 and 16 from the fixed mold 12, and then, under the action of a knockout pin (not shown), a cylinder block which is a cast product. Is taken out.
[0051]
In the present embodiment, the oxide layer 34 is provided only on the cavity surfaces of the fixed mold 12, the side movable molds 14, 16 and the upper movable mold 18, but not only these cavity surfaces, The oxide layer 34 may be provided over the entire surface.
[0052]
Further, in the above-described embodiment, a casting mold has been described as an example of a member made of a laminated steel material. However, the present invention is not particularly limited to this and can be used in various applications.
[0053]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a nitrogen diffusion layer and an oxide layer made of iron oxide are provided in this order on a base material layer made of steel. Since the thermal fatigue resistance and the erosion resistance are imparted by the oxide layer, an effect that a member excellent in the thermal fatigue resistance and the erosion resistance can be obtained is achieved. In addition, since the nitrogen diffusion layer is present, it is possible to prevent the oxide layer from peeling off. A member having such characteristics is suitable as a casting mold.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory longitudinal sectional view of a main part of a casting apparatus provided with a casting mold according to an embodiment.
FIG. 2 is an enlarged explanatory view of a main part of a cavity surface of a fixed mold constituting the casting apparatus of FIG. 1;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Casting apparatus 12 ... Fixed mold 14, 16 ... Side movable mold 18 ... Upper movable mold 24 ... Cavity 30 ... Base material layer 32 ... Nitrogen diffusion layer 34 ... Oxide layer
