JP2006291331A

JP2006291331A - 非鉄溶融金属用耐溶損性部材

Info

Publication number: JP2006291331A
Application number: JP2005117009A
Authority: JP
Inventors: Eisuke Ogawa; 衛介小川; Kenichiro Shimizu; 健一郎清水; Shigehiro Matsuno; 茂弘松野
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2006-10-26

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に適用できるものについて、耐溶損性、耐摩耗性に優れるとともに被削性に優れる非鉄溶融金属用合金を提供する。
【解決手段】本発明の非鉄溶融金属用耐溶損性部材は、非鉄金属溶湯を接する面の少なくとも一部分に、質量％で、Ｃ：１．０〜４．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：４．０〜１０．０％未満、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ｍｏ≦９．０％、Ｖ：４．０〜１５．０％、Ｓ：０．１〜４．０％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物元素からなる被覆層もしくは母材を設け、該被覆層もしくは母材の表面に窒化層を形成したことを特徴とする。さらに、質量％でＷ＜０．２％、Ｃｏ≦５．０％、Ｎｂ≦１０．０％、Ａｌ≦３．０％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摩耗性および耐溶損性に優れた部材に関する。特に、ダイカスト用として好適な部材に関する。

アルミニウム合金、マグネシウム合金などの非鉄溶融金属を扱う鋳造法の一つにダイカスト法がある。ダイカスト法は、アルミニウムなどの金属製品を高速、高精度に鋳造することができ、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。そのダイカストマシンの溶融金属射出装置を構成する部材としてダイカスト用スリーブが装備されている。そして、ダイカスト用スリーブはプランジャチップの摺動に対する耐摩耗性や溶融金属に対する耐溶損性が特に要求される。

従来のダイカスト用スリーブとしては、ＳＫＤ６１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が、近年、生産性の向上や品質向上の観点から、さらなる耐摩耗性、耐溶損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、耐摩耗性が十分とはいえなかった。また、特に機械加工で形状出しする際の加工代が多く、加工に長時間を要して原価高となる問題がある。

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、耐摩耗性に優れるとともに被削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耐溶損性部材は、鉄系または鋼系材料からなる基材の表面の少なくとも一部分に、質量％で、Ｃ：１．０〜４．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：４．０〜１０．０％未満、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ｍｏ≦９．０％、Ｖ：４．０〜１５．０％、Ｓ：０．１〜４．０％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物元素からなる被覆層を設け、該被覆層の表面に窒化層を形成したことを特徴とする。

質量％で、Ｃ：１．０〜４．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：４．０〜１０．０％未満、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ｍｏ≦９．０％、Ｖ：４．０〜１５．０％、Ｓ：０．１〜４．０％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物元素からなる母材を設け、該母材の表面に窒化層を形成したことを特徴とする

さらに、前記被覆層に質量％でＷ＜０．２％、Ｃｏ≦５．０％、Ｎｂ≦１０．０％、Ａｌ≦３．０％のうちいずれか一種以上を含有することを特徴とする。

前記被覆層を遠心力鋳造法により設けたことを特徴とする。

さらに、本発明の非鉄溶融金属用耐溶損性部材は、ダイカスト用スリーブであることを特徴とする。

本発明の非鉄溶融金属用耐溶損性部材は、鉄系または鋼系材料からなる基材の表面の少なくとも一部分に鉄系合金からなる被覆層を設けて、この被覆層の表面の非鉄溶融金属と接触する部分に窒化層を形成し、被覆層が直接には非鉄溶融金属とは接触しない構造としたものである。

また、母材そのものを本発明の非鉄溶融金属用耐溶損性部材とし、該母材の表面の非鉄溶融金属と接触する部分に窒化層を形成し、母材が直接には非鉄溶融金属と接触しない構造としたものである。

被覆層もしくは母材となる鉄系合金は、質量％で、Ｃ：１．０〜４．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：４．０〜１０．０％未満、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ｍｏ≦９．０％、Ｖ：４．０〜１５．０％、Ｓ：０．１〜４．０％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物元素からなるのが好ましい。この鉄系合金はＳＫＤ６１鋼に比べＶやＣｒを多量に含んだ高合金材であり、炭化物が微細に分散しているため耐摩耗性が十分得られる。また、後述の溶損試験による耐溶損性に示すように、前記合金自体も耐溶損性に優れている。これは前記合金中に分散した炭化物が非鉄溶融金属と反応し難いことに起因している。さらに、ＶやＣｒの拡散係数がＦｅよりも小さいことからも、これらＶ、Ｃｒの合金を多量に含む前記合金は非鉄溶融金属に対する耐溶損性効果に優れている。

また、ＶやＣｒは窒素との親和力が強いため、前記合金への窒素の拡散を容易にし窒化物を多量に含んだ拡散層すなわち窒化層を形成しやすい。窒化物が富化されたこの窒化層は、窒化層の最表面に形成される鉄窒化物により溶融金属と反応が起こり難くなる。以上の理由から、耐溶損性に優れた前記合金からなる被覆層もしくは母材と非鉄溶融金属に接触する最表面部分に富化された窒化層をもつ構造体とすることにより、非鉄溶融金属との反応に起因する溶損を抑えることができる。また、たとえ窒化層の一部が使用中に消滅した場合にも、前記合金自体の耐溶損性により溶融金属の侵入に基づく溶損が起こり難く、溶損が急速に進行することを抑えることができる。

前記合金からなる被覆層もしくは母材中には、主にＭＣ系炭化物が多く含まれる。硬さを確保するためには、硬質であるＭＣ系炭化物の面積率の総和は５％以上が好ましいが、炭化物の面積率の総和が多くなると被覆層が脆くなるので２５％以下が望ましい。

また、溶融金属と接触する領域にある被覆層もしくは母材の表面に、浸硫窒化、塩浴軟窒化、ガス窒化、ガス軟窒化、プラズマ窒化等の窒化処理による窒化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耐溶損性および耐摩耗性をなお一層向上できる。その効果を十分得るために、窒化層の厚さは１００〜２００μｍにするのが好ましい。

本発明の非鉄溶融金属用耐溶損性部材に係わる被覆層もしくは母材の化学成分（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。よって、Ｓｉの含有量は０．２〜４．０％とする。ただし、Ｓｉが２．０％を超えると、被削性の効果が飽和する傾向にあるために、より好ましくは０．２〜２．０％である。

Ｍｎ：０．１〜０．５％
Ｍｎの含有量は０．１〜０．５％が好ましい。Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用がある。Ｍｎが０．１％未満であるとこの脱酸作用が劣化する。Ｍｎが５．０％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。また、ＭｎはＳとの化合物（硫化系介在物）を形成させ、被削性を改善するためにも必要であり、０．１〜０．５％とした。Ｍｎの含有量は０．１５〜０．５％が好ましく、さらに０．２〜０．５％がより望ましい。

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、耐溶損性も改善される。

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相を晶出させることができず、耐溶損性を低下させてしまう。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、しかも耐溶損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。

Ｓ：０．１〜０．４％
ＳはＭｎＳ等の硫化物系介在物となって材料の被削性を向上させる。本発明の最も特徴とするのは、Ｓ添加により被削性が改善されることである。Ｓが多すぎると機械的性質が劣化するので、０．１〜０．４％が好ましい。

Ｗ＜０．２％
Ｃｏ≦５．０％
Ｎｂ≦１０．０％
Ａｌ≦３．０％
Ｗ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ａｌ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。

本発明の非鉄溶融金属用合金は、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耐溶損性部材は、静置鋳造法、遠心鋳造法、肉盛法、焼結法など、公知の方法で製造できる。特にダイカスト用スリーブのように遠心力鋳造法で被覆層を形成する場合には、さらに製造コストを安く抑えることができる。

供試材として、表１に示す成分のものを用意した。供試材Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４は本発明材、供試材Ｎｏ．５〜Ｎｏ．８は比較材、供試材Ｎｏ．９はＳＫＤ６１鋼相当材である。表１において、これら供試材の溶損率、摩耗減量、工具摩耗量、窒化の有無について併記した。

これらの供試材Ｎｏ．１〜９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。なお、本発明例の試験片として、供試材Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４は本発明の鉄系合金材の表面に浸硫窒化法により窒化層を形成させた。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。回転溶損実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体積の割合（溶損率）を算出した。

前記供試材Ｎｏ．１〜９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。

次に、前記供試材Ｎｏ．１〜９より、１００ｍｍ×２００ｍｍ×１００ｍｍＨの大きさの試験片を採取し、被削性試験に供した。被削性試験はハイス製の直径１０ｍｍの二枚刃エンドミルを使用し、回転数８００ｒｐｍ、送り１００ｍｍ／ｍｉｎ、切込み１．５ｍｍＷ×１０ｍｍＨ、切削距離１０ｍの条件で試料を加工し、切削工具の摩耗量を測定した。

表１に示すように、本発明材であるＮｏ．１〜４は、窒化処理していない比較材であるＮｏ．５〜８に比べ、耐溶損性、耐摩耗性の各性能に関して優れることが判った。また、従来材であるＮｏ．９と比べると各性能は格段に優れていることが判った。

さらに、Ｓ含有量が０．０１％と低い比較材Ｎｏ．８は被削性が極端に悪く、Ｓの添加による被削性の向上が確認できた。そのため、Ｓの効果により、本発明材は比較材材Ｎｏ．５〜８及び従来材Ｎｏ．９に比べ２倍以上の被削性を持つことが判った。

本発明の非鉄溶融金属用合金によれば、耐溶損性、耐摩耗性に優れるので、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。さらに、被削性にも優れるため、安価に製造およびメンテナンスができる。

Claims

鉄系または鋼系材料からなる基材の表面の少なくとも一部分に、質量％で、Ｃ：１．０〜４．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：４．０〜１０．０％未満、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ｍｏ≦９．０％、Ｖ：４．０〜１５．０％、Ｓ：０．１〜４．０％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物元素からなる被覆層を設け、該被覆層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耐溶損性部材。
質量％で、Ｃ：１．０〜４．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：４．０〜１０．０％未満、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ｍｏ≦９．０％、Ｖ：４．０〜１５．０％、Ｓ：０．１〜４．０％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物元素からなる母材を設け、該母材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耐溶損性部材。
さらに、質量％でＷ＜０．２％、Ｃｏ≦５．０％、Ｎｂ≦１０．０％、Ａｌ≦３．０％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または２に記載の非鉄溶融金属用耐溶損性部材。
前記被覆層を遠心力鋳造法により設けたことを特徴とする請求項１または３のいずれかに記載の非鉄溶融金属用耐溶損性部材。
請求項１〜３のいずれかに記載の部材がダイカスト用スリーブであることを特徴とする非鉄溶融金属用耐溶損性部材。