JP2688729B2

JP2688729B2 - 耐アルミニウム溶損材料

Info

Publication number: JP2688729B2
Application number: JP27369592A
Authority: JP
Inventors: 彰村瀬; 源隆阿部
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 1992-09-16
Filing date: 1992-09-16
Publication date: 1997-12-10
Anticipated expiration: 2012-12-10
Also published as: JPH0693379A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高温のアルミニウム
溶湯に接触して侵食され難い材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、アルミニウム溶湯の鋳造用金型材
料としては、ＳＫＤ６１系などの熱間工具鋼材料や、そ
の表面を窒化処理した材料が広く使用されている。また
特殊な箇所には、ＳＫＤ６１系などの材料にＳＵＳ４４
０Ｃ系などを肉盛りすることも行われている。更に、近
年は超合金やセラミックス等の耐熱材料も使用され始め
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】アルミニウム溶湯用の
鋳型に広く使用されている熱間工具鋼ＳＫＤ６１系材料
や、その表面に窒化処理を施した材料は、高温のアルミ
ニウム溶湯と接触する部分では溶損に十分耐えることが
できなかった。これに加え、最近は自動車部品等の軽量
化のためにアルミニウム部品の需要が増加し、これらは
大型で複雑な形状のものが多いために、アルミニウム溶
湯の温度が高温化し、鋳型のアルミニウム溶湯による侵
食が一層増大する傾向がある。

【０００４】そのために、最近は肉盛材や各種の表面処
理などが使用され始めたが、アルミニウム溶湯に対する
耐溶損性は十分とは言えなかった。また、新しい材料と
してセラミックス材が使用され始めたが、現在のところ
加工が困難で、かつ壊れ易く高価である。本発明は、ア
ルミニウム溶湯に対する耐溶損性が優れ、かつ切削加工
等も支障なく行うことができる材料を実現しようとする
ものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の耐アルミニウム
溶損材料は、熱間工具鋼の粉末と、硬質無機化合物粒子
とを、粉末冶金法によって成形加工したものである。上
記熱間工具鋼は、Ｃ：０．２５〜０．７ｗｔ％Ｓｉ：０．１〜１．０ｗｔ％Ｍｎ：０．１〜１．５ｗｔ％Ｎ：０．０２５〜０．１５ｗｔ％Ｃｒ：２．０〜６．５ｗｔ％Ｖ：０．４０〜１．３０ｗｔ％（１／２Ｗ＋Ｍｏ）：１．００〜４．００ｗｔ％Ｆｅおよび不可避不純物：残部よりなり、これをアトマイズ法により粉末化し、粒径１
０００μｍ以下で且つ平均粒径が２００μｍ以下の粒子
を選別して使用する。

【０００６】上記硬質無機化合物には炭化物、窒化物、
ほう化物、酸化物等が適当であり、例えばＴｉＮ、Ｗ
Ｎ、ＶＮ、ＴｉＣ、ＷＣ、ＶＣ、Ａｌ₂Ｏ₃などが挙げ
られる。本発明では、これらの粉末の一種類または複数
種類の混合物で、平均粒径が３００μｍ以下のものを使
用する。

【０００７】上記熱間工具鋼には、必要に応じ０．５０〜４．００ｗｔ％のＣｏ０．０２〜０．１５ｗｔ％のＮｂ２．０ｗｔ％以下のＮｉの一種または複数種を含有させることもできる。

【０００８】

【作用】このようにして得た材料で作った鋳型は、熱間
工具鋼自体によって得られる優れた靱性、硬度、高温強
度、耐熱衝撃性、耐摩耗性等と、硬質無機化合物粒子が
持つ卓越した耐摩耗性とにより、アルミニウム等の高温
溶湯の流れに接触しても摩耗が少なく、かつ熱衝撃によ
る破損が少なく、しかも鋳型の切削加工等は可能であ
る。

【０００９】ここで、原料となる硬質無機化合物粒子の
平均粒径は、大き過ぎると材料の切削加工を困難にした
り寸法の精緻な鋳型の製作を困難にしたりするばかりで
なく、材料が欠け易くなるため、３００μｍ以下とす
る。

【００１０】また、同じく原料となる熱間加工用工具鋼
の粉末の平均粒径も、小さい方が得られた材料中の結晶
の成長を抑制して高い靱性を発揮し、かつ硬質無機化合
物粒子の分布を均一に出来るので有利であるから、粒径
が１０００μｍ以下で且つ平均粒径が２００μｍとす
る。

【００１１】材料全体の中で硬質無機化合物粒子が占め
る比率は、図１に示すようにアルミニウム等の高温溶湯
との接触による材料の溶損率に関係し、硬質無機化合物
粒子量が０ｗｔ％のものに較べて１０ｗｔ％のもので溶
損体積率は３０％以下に減り、２０ｗｔ％のもので溶損
体積率は１０％以下にまで減るが、５０ｗｔ％以上では
溶損体積率は増加せず横ばいとなる。これに加えて、硬
質無機化合物が占める割合が増えるにつれて材料の諸強
度が低下し、かつ切削加工が困難になる。従って、硬質
無機化合物粒子が占める比率は１０〜５０ｗｔ％とす
る。

【００１２】材料の粉末冶金法による成形加工温度は、
高過ぎると硬質無機化合物粒子中から熱間工具鋼中へ、
ＣやＮなどが拡散して材料の特性を著しく劣化させるの
で、成形加工は１２００℃以下で行うことが必要であ
る。

【００１３】上記熱間工具鋼は、硬質無機化合物粒子を
保持するだけでなく、熱間工具鋼が本来持っている靱性
や耐ヒートチェック性や高温軟化抵抗を持たなければな
らない。従って、本発明において使用する熱間工具鋼
は、次のような組成を有する。

【００１４】Ｃは、優れた焼入れ性、焼戻し硬さ及び高
温硬さを維持し、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ及びＮｂなどの成
分と結合して炭化物を作る。しかし、多過ぎると材料の
靱性が低下するので、上限を０．７ｗｔ％とし、少な過
ぎると上記添加の効果が得られないので、下限を０．２
５ｗｔ％とする。

【００１５】Ｓｉは、Ａ₁変態点を高め、かつ必要な耐
酸化特性を与える。しかし、多過ぎると靱性が低下し、
かつ熱伝導率も低下するので、上限を１．０ｗｔ％と
し、少ないと添加の効果が得られないので、下限を０．
１％とする。

【００１６】ＭｎはＳｉと同様に脱酸材として作用し、
鋼の清浄度を高めるとともに焼入れ性を向上させる元素
であるが、多量の添加は、靱性を低下させると同時に、
２次硬化のピークを低温側に移動させて高温軟化抵抗を
低下させるので、上限を１．５ｗｔ％とし、下限を０．
１％とする。

【００１７】Ｎは凝固組織を微細化し、焼入れ時に結晶
粒度を微細化して靱性を維持するものであり、他の構成
元素と結合した窒化物の形で添加することもできるが、
特にアトマイズ用のガスとしてＮ₂を使用することによ
り、０．０２５〜０．１５％の適量を導入することがで
きる。

【００１８】Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖの４元素は、Ｃと反応
して炭化物を作る成分である。このうち、Ｗは、焼入れ
加熱時に固溶しにくい炭化物を多量に作って耐摩耗性を
高め、また、焼戻し時に凝集しにくい微細な炭化物を作
って高温耐力を高め、昇温時の軟化抵抗を特に大きくす
るする。更に、保護被膜の緻密性を高める。しかし、添
加量が多過ぎると、粗大な炭化物を作って靱性を低下さ
せる。

【００１９】Ｍｏも、炭化物を形成して耐摩耗性を高
め、かつ基地に固溶して焼入れ性を向上させる。また、
焼戻し時に微細な炭化物を形成して高温強度及び昇温時
の軟化抵抗を高める。更に、酸化物保護被膜の生成を助
長する。

【００２０】このように、ＭｏはＷと似た効果を有する
が、同程度の効果を得るに必要な添加量はＷの１／２で
ある。Ｗ及びＭｏは、添加量が多過ぎると粗大炭化物を
作ったり、これに伴って靱性を低下させたりするので、
（１／２Ｗ＋Ｍｏ）の上限を１．８５ｗｔ％とし、下限
を上記効果を得るに必要な０．４０ｗｔ％とする。

【００２１】Ｃｒは、焼入れ性を向上させ、焼戻し時の
軟化抵抗及び高温強度を向上させ、その炭化物は耐摩耗
性を高める。また、適度の酸化保護被膜を生成させる。
多量に添加すると、昇温時にその炭化物が凝集して、高
温強度及び軟化抵抗を低下させるので、上限を６．５０
ｗｔ％とし、下限を上記効果の発現に必要な２．０ｗｔ
％とする。

【００２２】Ｖは、固溶しにくい炭化物を多量に形成し
て耐摩耗性及び耐焼付き性を向上し、焼戻し時に微細な
炭化物を折出し、高い温度領域における軟化抵抗を向上
させる。多過ぎると粗大な炭化物を作って靱性を低下さ
せるので、上限を１．３０ｗｔ％とし、下限を上記効果
の発現に必要な０．４０ｗｔ％とする。

【００２３】Ｎｉは、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗ等とと
もに、優れた焼入れ性を与え、靱性の低下を防ぎ、特に
高い焼入性を必要とする場合に添加する。添加量は、多
過ぎるとＡ₁変態点を過度に低下させて、被切削性や耐
摩耗性を低下させるので、２．０ｗｔ％以下とする。

【００２４】Ｃｏは、使用中の昇温時に母材との結合が
極めて強固な酸化保護被膜を作り、相手側の溶融金属が
母材に接触するのを防いで優れた耐摩耗性をもたらす。
多過ぎると靱性を低下せさるので、上限を４．０ｗｔ％
とし、少な過ぎると上記効果が得られないので、下限を
０．５ｗｔ％とする。

【００２５】Ｎｂは、焼戻し時に微細で凝集しにくい炭
化物を作り、昇温時の軟化抵抗を高め、焼入れ時に結晶
粒を微細化する。多過ぎると、粗大炭化物を作って靱性
を低下させるので、上限を０．１５ｗｔ％とし、少な過
ぎると上記の効果が得られないので、下限を０．０２ｗ
ｔ％とする。

【００２６】

【実施例】表１に記号Ａ〜Ｋで示す組成の本発明の実施
に用いる鋼材と、記号Ｌ〜Ｎで示す比較のための鋼材と
を、窒素ガスアトマイズ法により粉末化し、１０００μ
ｍのふるいを通して平均粒径５４〜１９０μｍの原料粉
末を得た。

【００２７】

【表１】

【００２８】本発明の実施に用いる鋼材Ａ〜Ｋの原料粉
末は、長さ６６０ｍｍ、外径１４９ｍｍ、肉厚１．５ｍ
ｍの金属カプセルに充填し、内部を真空排気して封止
し、１１００℃に加熱して直径６０ｍｍに熱間押出加工
し、この押出材より、直径３０ｍｍ、長さ１００ｍｍの
サンプルを切出した。比較鋼材Ｌ〜Ｎは、その溶製材よ
り同寸法のサンプルを切出した。そして、何れのサンプ
ルも、１０２０℃で焼入れ、６００℃で焼戻しの熱処理
を行った。

【００２９】これらのサンプルを、８１０℃±２０℃の
アルミニウム溶湯に１０分間浸漬した後、引上げて２０
分間放冷し、これを１８回（合計浸漬時間は３時間）く
り返し、各サンプルのアルミニウム溶湯による溶損量
（体積減）を求めた結果を表２に示す。

【００３０】

【表２】

【００３１】本発明の実施例１乃至１１として、表１に
記号Ａ乃至Ｋで示した鋼材のガスアトマイズ粉末原料
に、表３に示す材質、寸法及び量の硬質無機化合物粒子
を混合し、前述の要領で熱間押出加工し、これらの押出
材から直径３０ｍｍ、長さ１００ｍｍのサンプルを切出
し、１０２０℃で焼入れ、６００℃で焼戻した。

【００３２】比較例１乃至４として、表１に記号Ｌ乃至
Ｎで示した鋼材のガスアトマイズ粉末原料に、表３に示
す材質、寸法及び量の硬質無機化合物粒子を混合し、実
施例と同一条件でサンプルを作成した。

【００３３】これらのサンプルについて、熱処理後の硬
さと、前述の要領で行ったアルミニウム溶湯による溶損
試験の結果と、この溶損試験後の硬さとを表３に示し
た。

【００３４】

【表３】

【００３５】表３によって明らかなように、鋼材Ａ乃至
Ｋを使用した本発明の実施例１乃至１１の場合は、硬質
無機化合物粒子を混入したことにより溶損が大幅に少な
くなり、材料の硬さもほぼ当初の値を維持し、材料が欠
損したり割れたりすることもなく、鋳型材料として理想
的な性質を有することが確認された。これに対し径の大
きな硬質無機化合物粒子を用いた比較例１や、従来から
存在するＳＣＭ４１５、ＳＮＣ６３１、ＳＫＨ５１とい
った鋼材（記号Ｌ乃至Ｎ）に硬質無機化合物粒子を混入
した比較例２乃至４の場合は、溶損の減少は認められた
ものの、材料の硬さが大幅に低下したり、部分的欠損を
生じたり、熱衝撃によって割れたりして、鋳型材料とし
て十分とは言い難かった。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、この発明によるときは、
アルミニウムの高温溶湯に接触しても溶損が少なく、熱
衝撃に耐え、切削加工が可能な、鋳型材料として理想的
な材料を実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】硬質無機化合物粒子含有量と溶損体積率との関
係を示す線図である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】粒径が１０００μｍ以下で且つ平均粒径
が２００μｍ以下の熱間工具鋼のアトマイズ粉末に、平
均粒径が３００μｍ以下の硬質無機化合物粒子を、全体
量の１０〜５０ｗｔ％を混合し、１２００℃以下の温度
領域で粉末冶金法により成形加工してなり、上記熱間工
具鋼はＣ：０．２５〜０．７ｗｔ％Ｓｉ：０．１〜１．０ｗｔ％Ｍｎ：０．１〜１．５ｗｔ％Ｎ：０．０２５〜０．１５ｗｔ％Ｃｒ：２．０〜６．５ｗｔ％Ｖ：０．４０〜１．３０ｗｔ％（１／２Ｗ＋Ｍｏ）：１．００〜４．０ｗｔ％Ｆｅおよび不可避不純物：残部よりなる耐アルミニウム溶損材料。
【請求項２】請求項１において上記熱間工具鋼は更に
０．５０〜４．００ｗｔ％のＣｏを含むことを特徴とす
る耐アルミニウム溶損材料。
【請求項３】請求項１または２において上記熱間工具
鋼は更に０．０２〜０．１５ｗｔ％のＮｂを含むことを
特徴とする耐アルミニウム溶損材料。
【請求項４】請求項１、２または３において上記熱間
工具鋼は更に２．０ｗｔ％以下のＮｉを含むことを特徴
とする耐アルミニウム溶損材料。