JP2006131941A

JP2006131941A - 非鉄溶融金属用合金部材

Info

Publication number: JP2006131941A
Application number: JP2004320759A
Authority: JP
Inventors: Eisuke Ogawa; 衛介小川; Shigehiro Matsuno; 茂弘松野
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2006-05-25

Abstract

【課題】非鉄溶融金属と接触して使用される各種の耐溶損性合金部材に適用できるものについて、耐溶損性、耐摩耗性、耐酸化性および保温性に優れた非鉄溶融金属用合金部材を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：１．０〜４．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．２〜３．０％、Ｎｉ：４．０〜１０．０％、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ｍｏ≦９．０％、Ｖ：４．０〜１５．０％、Ａｌ：０．００１〜３．０％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物元素から構成するとともに、該基体の表面に窒化層を形成したことを特徴とする。また、前記非鉄溶融金属用合金部材の基体がさらに質量％でＷ＜０．２％、Ｃｏ≦５．０％、Ｎｂ≦１０．０％のうちいずれか一種以上を含有することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、アルミニウム合金、亜鉛合金、マグネシウム合金等の非鉄溶融金属と接触して使用される耐溶損性、耐摩耗性、耐酸化性および保温性に優れた合金部材に関する。

近年、アルミニウム合金、マグネシウム合金などの非鉄合金は、自動車製品、家電製品などの各種構成部材の製造に広く利用されている。これらの製品を製造する際、非鉄溶融金属溶湯と接触して用いられる合金部材、例えば、ダイカストスリーブ、ガス吹込み管、中子、ストーク、湯口部材、ラドル等は耐溶損性、耐摩耗性、耐酸化性および保温性が要求される。

この種の合金部材としては、ＳＫＤ６１鋼に代表される熱間金型用合金鋼からなるものが一般的に用いられる。近年、生産性の向上や品質向上の観点から、さらなる耐溶損性、耐摩耗性、耐酸化性および保温性が要求されている。

例えば、特許文献１には、化学成分が重量比でＣ：２．４〜３．８％、Ｓｉ：０．２〜２．６％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｐ：０．０５〜０．５％、Ｓ：０．００５〜０．２％、残部Ｆｅ及び不純物元素を含み、炭化物と基地の金属組織を有する白銑系材料を用いて形成されてなることを特徴とする非鉄金属溶湯用合金部材が記載されている。前記白銑系材料は、さらに化学成分が重量比でＮｉ：０．１〜４．０％、Ｃｒ：０．１〜２．５％、Ｍｏ：０．１〜２．０％、Ｖ：０．１〜２．０％の中の１種又は２種以上を含むことが記載されている。

特開２００２−１９４４７７号公報

しかしながら、特許文献１のような従来の非鉄金属溶湯用合金部材は、未だ耐溶損性、耐摩耗性、耐酸化性および保温性が十分とはいえなかった。

そこで、本発明の目的は、非鉄溶融金属と接触して使用される各種の耐溶損性合金部材に適用できるものについて、耐溶損性、耐摩耗性、耐酸化性および保温性に優れた非鉄溶融金属用合金部材を提供することである。

本発明の非鉄溶融金属用合金部材は基体を質量％で、Ｃ：１．０〜４．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．２〜３％、Ｎｉ：４．０〜１０．０％、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ｍｏ≦９．０％、Ｖ：４．０〜１５．０％、Ａｌ：０．００１〜３．０％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物元素から構成するとともに、該基体の表面に窒化物からなる皮膜層を形成したことを特徴とする。

また、前記非鉄溶融金属用合金部材の基体が質量％でＷ＜０．２％、Ｃｏ≦５．０％、Ｎｂ≦１０．０％のうちいずれか一種以上を含有することを特徴とする。

本発明の非鉄溶融金属用合金部材の基体の化学成分（質量％）は以下の範囲が望ましい。

Ｃ：１．０〜４．０％
Ｃは、耐摩耗性向上のための炭化物の形成と、基地への固溶による焼入れ・焼戻し時の基地硬さの向上に必要である。Ｃは、耐摩耗性の向上に寄与する硬質炭化物を生成する。Ｃが１．０％未満では耐摩耗性を向上させるために有効な硬質炭化物の晶出が少なく、また基地に固溶するＣが不足し、焼入れによっても十分な基地硬さが得られなくなる。一方、４．０％を超えると硬質炭化物が粗大化しその晶出量も過大となり、靭性が劣化しやすい。

Ｓｉ：０．２〜４．０％
Ｓｉの含有量は０．２〜４．０％が好ましい。Ｓｉは、脱酸剤として作用し、また硬質炭化物中に固溶してＷ、Ｍｏなどの元素を置換して含有されるため、Ｗ、Ｍｏなどの高価な元素の節減を図るために有効である。Ｓｉが０．２％未満では脱酸効果が不足して鋳造欠陥を生じやすい。また、４．０％を超えると脆化が生じやすい。

Ｍｎ：０．２〜３．０％
Ｍｎの含有量は０．２〜３．０％が好ましい。Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用がある。Ｍｎが０．２％未満であるとこの脱酸作用が劣化する。Ｍｎが３．０％を超えると、耐溶損性および耐酸化性が劣る。また、炭化物の偏析を起こして強度が劣化する

Ｎｉ：４．０〜１０．０％
Ｎｉの含有量は４．０〜１０．０％が好ましい。これは含有量が４．０％未満では金属組織のマルテンサイト化が起こりやすくなり、一方１０％を越えると偏析を起こし、しかも基地が軟らかくなるため、いずれの場合も好ましくない。また、４．０％以上配合することにより、耐食性も改善される。

Ｃｒ：１０．０〜２５．０％
Ｃｒ含有量は１０．０〜２５．０が好ましい。これは、含有量１０．０％未満では、安定したオーステナイトを晶出させることができず、耐食性を低下させてしまい、一方、２５．０％を超えると偏析を起こして強度を劣化させる原因となる。

Ｍｏ≦９．０％
Ｍｏ含有量は９．０％以下が好ましい。Ｍｏは基地を安定させるのに有効であり、Ｍｏを含有させる場合、その含有量が９．０％を超えると、硬質炭化物の晶出を不
安定とさせ、しかも耐食性が劣化してしまう。

Ｖ：４．０〜１５．０％
Ｖは、耐摩耗性の向上に最も寄与する硬質なＭＣ系炭化物、Ｍ₄Ｃ₃系炭化物を形成する。Ｖが４．０％未満では炭化物の生成が少なく耐摩耗性が不足する。Ｖが１５．０％を超えると、ＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃系炭化物が凝固中に凝集偏析して脆性の劣化を引き起こすので好ましくない。より好ましいＶの含有量は、８．０〜１２．０％である。

Ａｌ：０．００１〜３．０％
Ａｌは耐酸化性を向上させる効果がある。また、溶湯中のＮおよびＯと結合して酸窒化物を形成し、これらが溶湯中に懸濁されて核となり、硬質炭化物を粒状とし微細均一に晶出させる。硬質炭化物の形状を微細な粒状の粒にするとともに、金属組織中に均一に分散させるためには、Ａｌを０．００１％以上必要である。また、Ａｌが３・０％を超えると、その効果が飽和する。

Ｗ＜０．２％
Ｃｏ≦５．０％
Ｎｂ≦１０．０％
Ｗ、Ｃｏ、Ｎｂについては、耐溶損性、耐摩耗性、耐酸化性等の目的に応じて適宜配合すればよい。これらは単独で配合しても効果はあるが、複数組み合わせて配合することにより、より優れた効果を得ることができる。

以上述べた通り、本発明の基体は耐溶損性、耐摩耗性、耐酸化性および保温性に優れた効果を発揮する。さらに、本発明の最も特徴とするのは、前記本発明の基体の表面、すなわち、少なくとも非鉄溶融金属と接する面に浸硫化窒化法、ガス窒化法等の窒化処理を施し窒化層（窒化物を主体とする皮膜層）を形成させることにより、窒化層のビッカース硬さがＨｖ７００〜１２００となり、表面の硬化と窒化によりいっそう耐溶損性および耐摩耗性の向上を図ることができる。窒化層の厚さは１００〜２００μmにするのがその効果を得るためには好ましい。なお、基体の表面とは基体の外面あるいは内面を指しダイカストスリーブのように基体が中空状の場合その内面に窒化層を形成させる。

さらに、本発明の基体を構成する非鉄溶融金属用合金は、その熱伝導率が従来のＳＫＤ６１鋼と比べ１１〜１２Ｗ／ｍ・Ｋと小さいため、例えば本発明の合金部材を保温性が要求されるダイカストスリーブのライナ材に適用した場合、ライナ材からダイカストスリーブの外筒への熱の移動がほとんど無く、保温性が良好なものとなる。

本発明の窒化層を設けた非鉄溶融金属用合金部材は、アルミニウム合金、亜鉛合金、マグネシウム合金等の非鉄溶融金属と接触して使用される部材に好適であり、具体的にはダイカストスリーブ、ガス吹込み管、中子、ストーク、湯口部材、ラドル、プランジャチップ、ヒーターチューブ、熱電対保護管、脱ガス用ロータ、鋳型、堰入れ子、ランスパイプ等の各種部材が挙げられる。

また、本発明の非鉄溶融金属用合金部材は、静置鋳造法、遠心鋳造法、肉盛法、焼結法など、公知の方法で製造した後、窒化処理を行い形成することにより得ることができる。

表１に各供試材の基体の化学成分（質量％）を示す。供試材Ｎｏ．１〜３は基体の表面に窒化層を形成した本発明の非鉄溶融金属用合金部材である。また、供試材Ｎｏ．４〜６は、前記供試材Ｎｏ．１〜３とそれぞれ基体が同じであるが、窒化処理を施していない比較例である。供試材Ｎｏ．７は従来材であり窒化処理を施していないＳＫＤ６１鋼である。

なお、これらの本発明の供試材Ｎｏ．１〜３は、各供試材を炉に入れアンモニア気流中で５７０℃に加熱保持し、窒化処理を行い供試材表面に窒化物皮膜層を形成させた。

これらの供試材Ｎｏ．１〜７より、それぞれ直径１０ｍｍ、長さ１００ｍｍの丸棒形状の試験片を採取し、耐溶損性試験用の試験片とした。これらの試験片を用いて、アルミニウム合金溶湯に対する回転溶損試験を行い、耐溶損性を調べた。回転溶損試験は各試験片を先端から５０ｍｍ、７２０℃に保持したアルミニウム合金（ＡＤＣ１２）溶湯へ浸漬させ、前記試験片を１００ｒｐｍで回転させて、５時間経過後に溶損で減少した溶損率（重量減％）を測定した。

前記供試材Ｎｏ．１〜７より、直径１０×長さ１５ｍｍの試験片を採取し、耐摩耗試験に供した。耐摩耗試験はアブレイシブ摩耗試験を適用し摩耗減量を測定した。アブレイシブ摩耗試験は、前記各試験片を１５０ｒｐｍで回転するＳｉＣ砥粒サンドペーパー（＃４００）に９０Ｎの圧力で３分間押圧することで行った。評価は試験後の重量減を測定して行った。

また、前記供試材Ｎｏ．１〜７より、直径１０×長さ１０ｍｍの試験片を採取し、耐酸化試験に供した。耐酸化試験は８００℃大気雰囲気炉中にて４８時間保持後の酸化増量を測定した。

さらに、前記供試材Ｎｏ．１〜７から、直径１０ｍｍ×厚さ３ｍｍの試験片を採取し、の熱伝導率測定試験に供した。熱伝導率はレーザーフラッシュ法ＪＩＳＲ１６１１に準拠して常温での比熱および熱拡散率を測定し熱伝導率を算出した。

表２にこれらの試験結果を示す。表２より本発明の非鉄溶融金属用合金部材Ｎｏ．１〜３は、窒化処理を施していない比較材Ｎｏ．４〜６に比べ、耐溶損性および耐摩耗性で良い性能を発揮することがわかった。また、従来材のＫＤ６１鋼に比べ、耐溶損性、耐摩耗性、耐酸化性および保温性の各性能に関して格段に優れることが判った。

本発明の非鉄溶融金属用合金部材を用いて、ダイカストスリーブに適用した実施例について以下に説明する。図１に、鋼製の外筒の内面に本発明の非鉄溶融金属用合金部材を接合したダイカストスリーブの概略断面図を示す。図１において、ダイカストスリーブ１は、鋼製の外筒２の内面に本発明の非鉄溶融金属用合金部材からなる基材３が溶着して構成される。さらに、基材の表面には窒化層７が生成されている。前記外筒２、基材３および窒化層７を通して開けられた給湯口４からアルミニウム等の溶融金属が供給される。５はダイカストスリーブ１の射出口側、６は後端側である。

外筒２は中空円筒状であり、一般構造用鋼で製作した。外筒２は外径１３０ｍｍ、内径６８ｍｍ、長さ６６５ｍｍである。外筒２の後端側６に鉄板を溶接して塞ぎ、この後端側６を下にして外筒２を長手鉛直方向に立て、加熱炉内へセットした後、１２００℃に加熱した。

基材３は、本発明のＮｏ．２、すなわち質量比で、Ｃ：３．１％、Ｓｉ：２．５％、Ｍｎ：１．７３％、Ｎｉ：５．９％、Ｃｒ：１５．６％、Ｍｏ：０．１５％、Ｖ：１０．４％、Ｗ：０．０２９、Ｃｏ：０．１％、Ａｌ：２．９１％の成分を持つインゴットを１６００℃で溶解し、前述の１２００℃に加熱した外筒２の射出口側５から溶湯を鋳込んだ。そして素早く射出口側５の穴に栓を打ち込み、遠心鋳造機に移動させた。遠心鋳造機には、長手方向が水平になるようにセットした。遠心鋳造機を作動させ、１０００ｒｐｍで回転させ、外筒２の外表面温度が、４５０℃に達したら回転を停止させ、徐冷炉へ入れた。

回転を停止した後、所定の温度まで空冷し焼入れを行った。その後、歪取り焼鈍および焼きなましを４００〜６００℃で３回行うことでダイカスト用のスリーブ素材を得た。次いで、スリーブ素材の外周面、端面、内面およびホッパー孔を所定の寸法に仕上加工を行った。

その後、前記のスリーブ素材を炉に入れアンモニア気流中で５７０℃に加熱保持し、窒化処理を行い基材３の表面（溶融金属と接するダイカストスリーブの内面）に窒化層７を形成させ、本発明のダイカストスリーブ１を得た。

また、比較のため比較例Ｎｏ．５の成分からなる基材を有し、窒化処理を行っていないダイカストスリーブを前記と同様に作製した。

これらのダイカスト用スリーブを溶湯アルミニウム合金ＡＤＣ１２を鋳造するダイカストマシンに使用した結果、本発明例のダイカスト用スリーブはメンテナンス無しで４７万ショット使用できた。一方、比較例のダイカスト用スリーブは、溶損部のメンテナンスを途中で行いながら１０万ショットで耐用できなくなった。

本発明の非鉄溶融金属用合金部材によれば、耐溶損性、耐摩耗性、耐酸化性および保温性に優れるので、ダイカストスリーブ、ガス吹込み管、中子、ストーク、湯口部材、ラドル等をはじめ、非鉄溶融金属と接触して使用される各種の非鉄溶融金属用合金部材に用いる部材が長期間安定して使用でき、生産効率を高めることができる。

本発明の非鉄溶融金属用合金部材を内面に接合したダイカストスリーブの概略断面図である。

符号の説明

１ダイカストスリーブ、２母材、３基材、４給湯口、
５射出口側、６後端側、７窒化層

Claims

基体を質量％で、Ｃ：１．０〜４．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．２〜３．０％、Ｎｉ：４．０〜１０．０％、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ｍｏ≦９．０％、Ｖ：４．０〜１５．０％、Ａｌ：０．００１〜３．０％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物元素から構成するとともに、該基体の表面に窒化層を形成したことを特徴とする非鉄溶融金属用合金部材。
前記基体がさらに、質量％でＷ＜０．２％、Ｃｏ≦５．０％、Ｎｂ≦１０．０％のうちいずれか一種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の非鉄溶融金属用合金部材。