JP2005298844A

JP2005298844A - 溶融金属に対する溶損性に優れたＮｉ基合金およびその部材

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Publication number: JP2005298844A
Application number: JP2004112643A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Sawada; 俊之澤田
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】溶融金属に対する溶損性、抗折力、硬さに優れ、かつ合金鋼と同等の熱膨張係数を有するＮｉ基合金およびその部材を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｂ：１〜４％、Ｍｏおよび／またはＣｒを以下の（１）〜（４）式を満たす所定量含み、かつＣｒの上限が５０％で、残部Ｎｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする溶融金属に対する溶損性に優れたＮｉ基合金およびその部材。
Ｍｏ＋Ｃｒ−０．３Ｂ²−３．５Ｂ≧２３．１ … （１）
１．５Ｍｏ＋Ｃｒ−Ｂ²−３．５Ｂ≦６１．１ … （２）
１．１Ｍｏ＋０．５Ｃｒ−Ｂ²＋７．３Ｂ≦５７．２ … （３）
１．５Ｍｏ−２．１Ｂ²＋７８．４Ｂ≧１３２．２ … （４）
【選択図】図１

Description

本発明は、溶融金属に対する溶損性、抗折力、硬さに優れ、かつ合金鋼と同等の熱膨張係数を有するＮｉ基合金およびその部材に関するものである。

従来、Ｎｉ基金属結合相に金属ホウ化物相を分散した溶融金属に対する溶損性に優れたサーメットが各種提案されている。例えば特開平２−２９９７４０号公報（特許文献１）には、Ｎｉ、Ｍｏ複硼化物、Ｎｉ、Ｗ複硼化物及びＮｉ、Ｍｏ、Ｗ複硼化物の少なくとも一種を主体とした硬質相と、Ｎｉ、Ｍｏを主体とした結合相より成る焼結体によりその少なくとも一部が構成されている高温溶湯用成形型が開示されている。

また、特開２００４−１７１４４号公報（特許文献２）には、鋼製の母材の外表面の一部または全部をコーティング層で覆ったダイカストマシン用プランジャチップであって、コーティング層は、Ｂが２．６〜３．２％、Ｍｏが１８〜２８％、Ｓｉが３．６〜５．２％、Ｃが０．０５〜０．２２％、残部がＮｉ及び不可避的不純物から構成され、かつ、Ｍｏ／Ｂ重量比が７．０〜９．５の材料からなるダイカストマシン用プランジャチップが提案されている。

特開平２−２９９７４０号公報特開２００４−１７１４４号公報

これらのサーメットはＮｉやＭｏを含む金属粉末と、金属ホウ化物粉末を混合、成形し、焼結する工程で使用される。また、主に合金鋼の表面に複合化され使用される。しかしながら、Ｍｏを多量に含んだサーメットは焼結温度が高く、工業的に不利な面や、複合化されるＳＫＤ６１などの結晶を粗大化し機械特性を低下させるなどの問題がある。これらの問題に対し、特許文献２では、Ｍｏ／Ｂ比を９．５以下にすることで、１１１０℃以下の比較的低温の焼結で健全な焼結体を得ている。

一方、Ｎｉ固溶体中のＭｏ固溶量が大きくなると溶融金属に対する溶損性が改善される。従って、従来例のようにサーメット焼結体は焼結温度を低く保つためにＭｏ量を抑える必要があり、溶融金属に対する溶損性に関しては不利な成分系となってしまう。Ｍｏを主体としたホウ化物などは複合化される合金鋼と比較し熱膨張係数が小さい。また、溶融金属に対する溶損性改善のためＮｉ基金属相は多量にＭｏを含んでいることからＮｉ基金属相の熱膨張係数も小さい。

従って、このようなＮｉ基合金は複合化される合金鋼より熱膨張係数が小さくなってしまうことが多い。このような熱膨張係数の差異により、複合化処理の時や、使用環境における昇温、降温サイクルにより複合界面に亀裂が生じたり基材からの剥離を起こしたりするという問題がある。

上述したような問題を解消するために発明者らは鋭意開発を進めた結果、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｂを所定量含むＮｉ基合金粉末により、焼結性が良好で焼結温度の過度な上昇を懸念することなく、Ｎｉ固溶体中に多量のＭｏを固溶させることができ、より溶融金属に対する溶損性に優れた成分系を選択できるＮｉ基合金およびその部材を提供することにある。

その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｂ：１〜４％、Ｍｏおよび／またはＣｒを以下の（１）〜（４）式を満たす所定量含み、かつＣｒの上限が５０％で、残部Ｎｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする溶融金属に対する溶損性に優れたＮｉ基合金。
Ｍｏ＋Ｃｒ−０．３Ｂ²−３．５Ｂ≧２３．１ … （１）
１．５Ｍｏ＋Ｃｒ−Ｂ²−３．５Ｂ≦６１．１ … （２）
１．１Ｍｏ＋０．５Ｃｒ−Ｂ²＋７．３Ｂ≦５７．２ … （３）
１．５Ｍｏ−２．１Ｂ²＋７８．４Ｂ≧１３２．２ … （４）
（２）溶融金属と接触する部位を、前記（１）に記載のＮｉ基合金粉末にて表面改質した耐溶融金属部材にある。

以上述べたように、本発明により溶融金属に対する溶損性、抗折力、耐摩耗性に優れ、かつ合金鋼と同等の熱膨張係数を有するＮｉ基合金およびそのＮｉ基合金粉末にて表面改質した耐溶融金属部材にある。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の第１の特徴は、従来のような混合粉末の焼結サーメットではなく、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｂを所定量含むＮｉ基合金粉末を用いていることにある。一般にホウ化物は金属と濡れにくいため焼結性が悪く、金属相中にＭｏなどの高融点元素を含む場合は、特に焼結温度の上昇が懸念される。これに対し、合金粉末は焼結性が良好であるため焼結温度の過度な上昇を懸念することがなくなり、Ｎｉ固溶体中に多量のＭｏを固溶させることができるため、より溶融金属に対する溶損性に優れた成分系を選択できることにある。また、混合粉末の焼結サーメットにおいては粉末の微粉砕工程や混合あるいは造粒工程を必要とするため工程コストアップとなるが本発明においてはその懸念はない。

本発明の第２の特徴は、（１）式であるＭｏ＋Ｃｒ−０．３Ｂ²−３．５Ｂ≧２３．１を満たすことにより溶融金属に対する溶損性を改善していることにある。本発明のようにＮｉ基金属マトリックス相にホウ化物が分散した合金の溶融金属に対する溶損性は、マトリックスの組成が大きく影響すると推察されるが、特にマトリックス中のＭｏ＋Ｃｒ量が２０ｍａｓｓ％以上となると溶融金属に対する溶損性が著しく良好となることを見出した。その条件が（１）式である。

以下、（１）式を導いた根拠について説明する。
マトリックス中のＭｏおよびＣｒ量は、合金全体のＭｏおよびＣｒ量と析出するホウ化物（主にＭｏ、Ｃｒ、Ｎｉ系ホウ化物）の組成、量により決定される。発明者らは合金全体のＭｏ、Ｃｒ、Ｂ添加量を変化させた成分系を試作し、合金全体のＭｏ、Ｃｒ、Ｂ添加量とマトリックス中のＭｏ、Ｃｒ量の関係を得た。これが（５）式であり、また、（６）式である。

［Ｍｏ］＝Ｍｏ−１．４Ｂ²−６．０ … （５）
［Ｃｒ］＝Ｃｒ＋１．１Ｂ²−３．５Ｂ＋２．９ … （６）
ただし、［Ｍｏ］、［Ｃｒ］：マトリックス中のＭｏ、Ｃｒ量
また、溶融金属に対する溶損性が著しく良好となるマトリックス組成は、
［Ｍｏ］＋［Ｃｒ］≧２０ … （７）
従って、（７）式に（５）、（６）式を代入すると、（１）式となる。
Ｍｏ＋Ｃｒ−０．３Ｂ²−３．５Ｂ≧２３．１ … （１）

本発明の第３の特徴は、（２）式を満たすことにより脆性相の析出を抑制し高抗折力を維持していることにある。本合金のＮｉ基金属マトリックス相は溶融金属に対する溶損性改善のため、多量のＭｏおよび／またはＣｒを含んでいるが、過剰に添加すると脆性なＭｏやＣｒ系の金属間化合物相が析出し抗折力を低下させる。従って、マトリックス相のＭｏ、Ｃｒ量の上限を規定することにより脆性相を抑制することが重要であり、その条件が（８）式であることを見出した。

以下に（８）式から（２）式を導いた方法を示す。脆性相析出を抑制できる条件は、
１．５［Ｍｏ］＋［Ｃｒ］≦５５ … （８）
従って、（８）式に（５）式、（６）式を代入すると（２）式となる。
１．５Ｍｏ＋Ｃｒ−Ｂ²−３．５Ｂ≦６１．１ … （２）

本発明の第４の特徴は、（３）式を満たすことにより合金鋼と同等の熱膨張係数（５００℃において１０×１０^-6以上）を有していることから、使用環境における熱サイクルなどによる合金鋼基材からの剥離を起こしにくいことである。ＭｏやＣｒを主体としたホウ化物などは複合化される合金鋼と比較し、熱膨張係数が小さい。また、溶融金属に対する溶損性改善のためＮｉ基金属マトリックス相は多数にＭｏを含んでいることから、Ｎｉ基金属マトリックス相の熱膨張係数も小さい。従って、このようなＮｉ基合金は複合化される合金鋼より熱膨張係数が小さくなってしまうことが多い。

このような熱膨張係数の差異により、複合化処理の時や、使用環境における昇温、降温サイクルにより複合界面に亀裂を生じたり基材からの剥離を起こしたりする。従って、本発明では（３）式により、熱膨張係数に影響するホウ化物量をＢ添加量で制御し、かつマトリックス相の熱膨張係数に影響するマトリックス相のＭｏ、Ｃｒ量を制御し、５００℃における熱膨張係数を１０×１０^-6以上にしている。

以下に（３）式を導いた根拠について説明する。
発明者らは、合金全体のＭｏ、Ｃｒ、Ｂ添加量を変化させた成分系を試作し、合金全体のＢ量およびマトリックス中のＭｏ、Ｃｒ量と５００℃における熱膨張係数の関係を詳細に検討した結果、（９）式の相関を得た。これをもとに熱膨張係数（５００℃）を１０×１０^-6以上となる成分系を見出した。
熱膨張係数（×１０^-6ａｔ５００℃）＝２０．４１−１．８０Ｂ−０．２２［Ｍｏ］−０．１０［Ｃｒ］≧１０ … （９）
従って、（９）式に（５）、（６）式を代入すると、（３）式となる。
１．１Ｍｏ＋０．５Ｃｒ−Ｂ²＋７．３Ｂ≦５７．２ … （３）

本発明の第５の特徴は、（４）式を満たすことによりビッカース硬さ４００ＨＶ以上を有していることにある。ダイカストマシン用プランジャスリーブやプランジャチップ、溶融金属メッキ設備用ロールなど、耐溶融金属部材は摩耗環境で使用されることが多く、４００ＨＶ以上の硬さが必要とされる。本発明合金の硬さは硬質粒子であるホウ化物の析出量とマトリックス相の硬度により影響を受ける。また、ホウ化物の析出量は合金全体のＢ量、マトリックス相の硬さはマトリックス中のＭｏ量により影響を受ける。本発明ではこれらを（４）式により制御している。

以下に（４）式を導いた根拠について説明する。
発明者らは、合金全体のＭｏ、Ｃｒ、Ｂ添加量を変化させた成分系を試作し、合金全体のＢ量およびマトリックス中のＭｏ、Ｃｒ量と硬さの関係を詳細に検討した結果、（１０）式の相関を得た。これをもとにビッカース硬さ４００ＨＶ以上となる成分系を見出した。硬さ（ＨＶ）＝１．５［Ｍｏ］＋７８．４Ｂ＋２７６．８≧４００ … （１０）
従って、（１０）式に（５）式を代入すると（４）式となる。
１．５Ｍｏ−２．１Ｂ²＋７８．４Ｂ≧１３２．２ … （４）
なお、検討の結果Ｃｒ量は硬さに対し大きな影響はないものと考えられた。

さらに、Ｂ：１〜４％とした理由は、１％未満では硬さが不足する。また、４％を超える添加は、溶湯の粘性が上がり、合金粉末の作製が困難となるために、その上限を４％とした。また、Ｃｒ、Ｍｏの上、下限については、式（１）〜（４）により決定されるが、Ｃｒについては５０％を超えると、合金粉末の製造が困難となるため、その上限を５０％とした。

次に、図１〜図６にＣｒ量に応じた、本発明に係る（１）〜（４）式によって規制された範囲でのＢ添加量とＭｏ添加量の範囲を示している。図１は、本発明に係る各式規制に基づくＣｒ添加量０％の場合のＢ添加量とＭｏ添加量の範囲を示す図である。すなわち、Ｃｒ添加量０％での各式によってＢとＭｏの範囲が決められている。同様に、図２は、Ｃｒ量が１０％の場合のＢとＭｏの範囲が決められ、図３は、Ｃｒ量が２０％の場合のＢとＭｏの範囲、図４は、Ｃｒ量が３０％の場合のＢとＭｏの範囲、図５は、Ｃｒ量が４０％の場合のＢとＭｏの範囲、図６は、Ｃｒ量が５０％の場合のＢとＭｏの範囲がそれぞれ決められる。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１に示す成分組成のＮｉ基合金２０ｋｇをアルミナ坩堝にて真空誘導溶解し、１６００℃にて坩堝底のφ５ｍｍノズルから出湯した。出湯直後にＡｒガスにて予めＡｒ置換しておいたタンク内にアトマイズ（フリーフォール方式）し供試粉末を作製した。この粉末を−１０００μｍに分級した後、ステンレス缶に脱気封入し、１１００℃−５ｈ−１４７ＭＰａでＨＩＰ処理により固化形成し、これを１２００℃で２ｈ熱処理し供試材とした。その試験結果を表２に示す。

評価方法としては、
（１）溶融金属に対する溶損性
上記供試材よりφ１０×１００ｍｍ（表面は旋盤仕上げ）の試験片を作製した。この試験片を用いて下記の条件でＡｌ溶損性試験を行った。試験条件としては、図７に示す溶損性試験のための試験装置を用いて、容器１内の溶融Ａｌ２に試験片３を２本ずづ浸漬し軸４を回転させて溶損させた。その時の条件としては、
浸漬深さ：５０ｍｍ
溶融Ａｌ組成：Ａｌ−２０ｍａｓｓ％Ｓｉ
溶融Ａｌ温度：６５０℃
試験時間：１時間
回転数：１２０ｒｐｍ
試験片中心部の周速：２２．６ｍ／ｍｉｎ
上記試験後の試験片を５０％ＮａＯＨ溶液、６００ｇ、８０℃に２本ずつ５時間浸漬し、Ａｌを除去後、溶損量を測定した。ｎ＝３平均の溶損量が２ｇ以下：○、２ｇを超える：×、で評価した。

（２）抗折力
上記試験材から１．７×１．７×２．０の試験片を採取し測定した。
○：抗折力が１．５ＧＰａ以上
×：１．５ＧＰａ未満
（３）熱膨張係数
上記試験材から採取した試験片により２５〜５００℃における平均熱膨張係数を測定した。
○：熱膨張係数が１０×１０^-5以上
×：熱膨張係数が１０×１０^-5未満

（４）硬さ
上記試験材から採取した試験片を湿式研磨し荷重１００ｇにてビッカース硬さを測定した。
○：４００ＨＶ以上
×：４００ＨＶ未満

表２に示すように、Ｎｏ．１〜９は、本発明例であり、Ｎｏ．１０〜１６は、比較例である。比較例Ｎｏ．１０、１１は本発明の（１）式を満たしていないために、いずれも溶損性が劣る。比較例Ｎｏ．１２は本発明の（２）式を満たしていないために抗折力が劣る。比較例Ｎｏ．１３は本発明の（２）、（３）式を満たしていないために抗折力および熱膨張係数が劣る。比較例Ｎｏ．１４は本発明の（３）式を満たしていないために熱膨張係数が劣る。比較例Ｎｏ．１５はＢ含有量が低く、かつ本発明の（４）式を満たしていないために硬さが劣る。比較例Ｎｏ．１６は本発明の（４）式を満たしていないために硬さが劣る。これに対し、本発明例であるＮｏ．１〜９はいずれも各特性について優れていることが分かる。

本発明に係る各式規制に基づくＣｒ添加量０％の場合のＢ添加量とＭｏ添加量の範囲を示す図である。本発明に係る各式規制に基づくＣｒ添加量１０％の場合のＢ添加量とＭｏ添加量の範囲を示す図である。本発明に係る各式規制に基づくＣｒ添加量２０％の場合のＢ添加量とＭｏ添加量の範囲を示す図である。本発明に係る各式規制に基づくＣｒ添加量３０％の場合のＢ添加量とＭｏ添加量の範囲を示す図である。本発明に係る各式規制に基づくＣｒ添加量４０％の場合のＢ添加量とＭｏ添加量の範囲を示す図である。本発明に係る各式規制に基づくＣｒ添加量５０％の場合のＢ添加量とＭｏ添加量の範囲を示す図である。溶損性試験のための試験装置を示す図である。

符号の説明

１容器
２溶融Ａｌ
３試験片
４軸

特許出願人山陽特殊製鋼株式会社
代理人弁理士椎名彊

Claims

質量％で、Ｂ：１〜４％、Ｍｏおよび／またはＣｒを以下の（１）〜（４）式を満たす所定量含み、かつＣｒの上限が５０％で、残部Ｎｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする溶融金属に対する溶損性に優れたＮｉ基合金。
Ｍｏ＋Ｃｒ−０．３Ｂ²−３．５Ｂ≧２３．１ … （１）
１．５Ｍｏ＋Ｃｒ−Ｂ²−３．５Ｂ≦６１．１ … （２）
１．１Ｍｏ＋０．５Ｃｒ−Ｂ²＋７．３Ｂ≦５７．２ … （３）
１．５Ｍｏ−２．１Ｂ²＋７８．４Ｂ≧１３２．２ … （４）
溶融金属と接触する部位を、請求項１に記載のＮｉ基合金粉末にて表面改質した耐溶融金属部材。