JP4170273B2 - ダイカスト金型補修用粉末およびこれを用いたダイカスト金型の補修方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金などのダイカスト鋳造に用いられるダイカスト金型の表面改質および損傷部分の補修をするためのダイカスト金型補修用粉末およびこれを用いたダイカスト金型の補修方法に関する。

ダイカスト金型は、アルミニウム合金の溶湯を高圧でそのキャビティ中に繰り返し充填されるため、係るキャビティの湯口付近の一部が損傷（ヒートチェック、アルミニウム溶損、欠けなど）することがある。
係る損傷部分を補修するため、硬質金属や耐熱合金からなる溶接棒を用いるＴＩＧ溶接が行われている。しかし、ＴＩＧ溶接は、ワイヤ加工できる金属や合金に限定されるため、耐熱性および高硬度を求められる上記損傷部分の補修には不向きで、且つ損傷部分の位置によっては溶接できないこともあった。
ところで、金型などの補修に用いる溶接用超硬合金が提案されている。これは、総含有量が２５〜４５wt％のＣｏおよび／またはＮｉからなる結合材中に粒径０．３〜３μｍのＷＣ微粉末を均一に分散させている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−１２６７９２号公報 （第１〜６頁）

しかしながら、前記溶接用超硬合金では、ＷＣ微粉末が全重量の過半数以上を占めているため、高硬度および高耐磨耗性が得られる反面、繰り返し高温度に加熱されるダイカスト金型のキャビティ付近の補修に用いた場合、熱応力による割れ（ヒートチェック）を生じ易く、耐久性に劣る、という問題があった。しかも、ＣｏやＮｉとＷＣ微粉末との燒結体を、純Ｎｉ溶接棒を用いて溶接するため、補修すべき損傷部分の位置によっては溶接できない、という問題もあった。
また、金型などの耐磨耗性を向上させるため、係る金型などの表面に粉体プラズマアーク溶接にて形成した溶接肉盛部を有する合金複合部材も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平８−２６７２７６号公報 （第１〜６頁、図１）

前記合金複合部材の溶接肉盛部は、Ｃｏ基またはＮｉ基合金の金属生地中に面積率で８０〜９８％の炭化物（ＮｂＣ、ＣｒＣ）を分散させている。係る溶接肉盛部を得るため、Ｃｏ基またはＮｉ基合金の粉末に３０〜５５wt％のＮｂＣおよびＣｒＣの少なくとも一方の炭化物を添加した複合粉末を用意し、これを金型などの表面に粉体プラズマアーク溶接するものである。しかし、係る溶接肉盛部は、上記炭化物の量が多いため、例えばダイスにおけるポンチの進入孔の周縁に肉盛して、耐磨耗性を高めることはできるが、ダイカスト金型のキャビティ付近の補修に用いた場合、熱応力による割れを生じ易い、という問題があった。

本発明は、前述した背景技術における問題点を解決し、ダイカスト金型の表面改質や損傷部分などを確実に補修できると共に、耐ヒートチェック性や耐溶損性などの耐久性に優れた補修部などを得ることができるダイカスト金型補修用粉末およびこれを用いたダイカスト金型の補修方法を提供する、ことを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、炭化物の量および粉径を抑制し、且つ所定のＮｉ基耐熱合金との合金粉末または混合粉末にする、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明のダイカスト金型補修用粉末（請求項１）は、ＮｂＣ、ＶＣ、およびＷＣの少なくとも１種以上からなり総計で１０wt％以下の炭化物と残部がＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金とからなる合金粉末、あるいは、粉径１５μｍ以下の上記炭化物の粉末：１０wt％以下と、残部：上記Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金の粉末と、の混合粉末である、ことを特徴とする。

また、前記Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金は、Ｃｏ：１３wt％以下と、Ｗ：５wt％以下とを含む、ダイカスト金型補修用粉末（請求項２）も本発明に含まれる。
上記ＣｏおよびＷの添加理由を説明する。
Ｃｏ：１３wt％以下、Ｃｏは、高温強度を高めるため添加するが、１３wt％を越えると脆性化を招くため、これ以下とした。その下限は、０．１wt％である。
Ｗ：５wt％以下、Ｗも、高温強度を高めるために添加するが、５t％を越えると脆性化を招くため、これ以下としたもので、その下限は、０．１wt％である。

更に、前記Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金は、Ｃｒ：１０〜３０wt％、Ｍｏ：１０wt％以下、Ｆｅ：３wt％以下、ＮｂおよびＴａの合計：３〜４wt％、および残部Ｎｉである、ダイカスト金型補修用粉末（請求項３）も本発明に含まれる。
ここで、上記Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金の各元素の添加理由を説明する。
Ｃｒ：１０〜３０wt％、Ｃｒは、耐熱性および耐酸化性を高めるために添加され、係る効果を得るために１０wt％以上添加するが、３０wt％を越えると、固溶せず析出し始めるため、これ以下とした。
Ｍｏ：１０wt％以下、Ｍｏは、高温強度および耐食性を高めるために添加するが、１０wt％を越えると、係る効果が飽和するため、これ以下とした。尚、その下限値は、約０．１wt％である。
Ｆｅ：３wt％以下、Ｆｅは、不純物として不可避的に入るが、３wt％を越えると、耐食性が低下するため、これ以下とした。
ＮｂおよびＴａの合計：３〜４wt％、ＮｂおよびＴａは、結晶粒界強化のために添加され、係る効果を得るために３wt％以上添加するが、４wt％を越えると脆性化を招くため、これ以下とした。尚、その下限値は、約０．０５wt％である。

加えて、前記Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金は、Ｓｉ：０．５wt％以下、Ｍｎ：０．３wt％以下、Ｃ：０．１０wt％以下、Ｓ：０．０１wt％以下、Ａｌ：３．０wt％以下、およびＴｉ：３．５wt％以下を更に含む、ダイカスト金型補修用粉末（請求項４）も本発明に含まれる。
上記Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金の各元素の添加理由を説明する。
Ｓｉ：０．５wt％以下、Ｓｉは、脱酸作用を得るために添加するが、０．５wt％を越えると、脆性化を招くため、これ以下とした。
Ｍｎ：０．３wt％以下、Ｍｎも、脱酸作用を得るために添加するが、０．３wt％を越えると、肉盛り溶接時に酸化を招くため、これ以下とした。
Ｃ：０．１０wt％以下、Ｃは、結晶粒界強化のために添加するが、０．１０wt％を越えると、脆性化を招くため、これ以下とした。
Ｓ：０．０１wt％以下、Ｓは、不純物として不可避的に入るが、０．０１wt％を越えると、粒界に析出して脆くするため、これ以下とした。
Ａｌ：３．０wt％以下、Ａｌは、Ｎｉ_３（Ａｌ，Ｔｉ）の分散強化のため添加するが、３．０ｗｔ％を越えると脆性化するため、これ以下とした（下限値は０．０１ｗｔ％）。
Ｔｉ：３．５wt％以下、Ｔｉも、Ｎｉ_３（Ａｌ，Ｔｉ）の分散強化のため添加するが、３．５ｗｔ％を越えると脆性化するため、これ以下とした（下限値は０．０１ｗｔ％）。

一方、本発明におけるダイカスト金型の補修方法（請求項５）は、ＮｂＣ、ＶＣ、およびＷＣの少なくとも１種以上からなり総計で１０wt％以下の炭化物と残部がＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金とからなる合金粉末、あるいは、粉径１５μｍ以下の上記炭化物の粉末：１０wt％以下と、残部：上記Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金の粉末と、の混合粉末であるダイカスト金型補修用粉末を用い、係るダイカスト金型補修用粉末を溶接トーチに送給するステップと、送給された前記ダイカスト金型補修用粉末をプラズマアークにより溶解しつつダイカスト金型の欠け部または表面に対して肉盛溶接するステップと、を含む、ことを特徴とする。
尚、上記Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金に、Ｃｏ：１３wt％以下と、Ｗ：５wt％以下とを含むもの、または、Ｃｒ：１０〜３０wt％、Ｍｏ：１０wt％以下、Ｆｅ：３wt％以下、ＮｂおよびＴａの合計：３〜４wt％、および残部Ｎｉであるもの、あるいは、Ｓｉ：０．５wt％以下、Ｍｎ：０．３wt％以下、Ｃ：０．１０wt％以下、Ｓ：０．０１wt％以下、Ａｌ：３．０wt％以下、およびＴｉ：３．５wt％以下を更に含むものを用いた、ダイカスト金型の補修方法も本発明に含めることが可能である。

前記ダイカスト金型補修用粉末（請求項１）によれば、前記前記Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金の生地中に比較的少量の上記炭化物がほぼ均一に分布していため、硬さが過大に上がらず、靭性および耐熱性が向上する。このため、アルミニウム合金の溶湯を繰り返しダイカスト鋳造しても、これに伴うヒートチェック（割れ）や溶損を確実に低減することが可能となる。
また、前記ダイカスト金型補修用粉末（請求項２〜４）によれば、上記効果を一層確実に発揮せしめることができる。
更に、前記ダイカスト金型の補修方法（請求項５）によれば、ダイカスト金型の表面改質や損傷部分などを確実に補修できると共に、耐ヒートチェック性や耐溶損性などの耐久性に優れた補修部などを得ることができる。

予め、ＮｂＣ、ＶＣ、およびＷＣの少なくとも１種以上からなり総計で１０wt％以下の炭化物と残部がＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金とからなる合金粉末を、公知のアトマイズ法により作製する。
あるいは、それぞれ個別に作製した粉径１５μｍ以下で且つ総計が１０wt％以下の上記炭化物からなる粉末と、上記Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金の粉末とを、公知のブレンダにより均一に混合した混合粉末を作製する。
次いで、図１に示すように、ダイカスト金型Ｋにおいて、アルミニウム合金の溶湯を繰り返しダイカスト鋳造して溶損したキャビティに連通する湯口付近の欠け部に対し、図１に示す溶接トーチＴを用いてプラズマアーク溶接による粉末肉盛溶接を行う。尚、ダイカスト金型Ｋには、例えばシリンダブロック用やクランクケース用などがある。

図１に示すように、上記溶接トーチＴは、その中心部のタングステン電極１と内筒３との間にプラズマアークＰの流路２が環状に形成され、且つ内筒３と外筒５との間に前記粉末ｐまたは混合粉末ｐとキャリアガスとの流路４が環状に形成されている。また、外筒５の外周寄りには、Ａｒなどのシールドガスの流路６が環状に形成されている。尚、図１に示すように、タングステン電極１とダイカスト金型Ｋとには、主電源９が導通している。
上記溶接トーチＴの流路４には、前記合金粉末ｐまたは混合粉末ｐがホッパＨから搬送管７を経て送給され（送給するステップ）、キャリアガスとの混合物８となり、溶接トーチＴの先端で中心部のプラズマアークＰにより溶解されつつ当該溶接トーチＴから上記欠け部に肉盛り溶接Ｗされる（肉盛溶接するステップ）。
尚、上記混合粉末ｐを用いる場合、２つのホッパＨに予め個別に貯留した前記炭化物の粉末と前記合金粉末ｐとを、途中で合流させてから上記溶接トーチＴに送給するようにしても良い。

高温の上記プラズマアークＰにより溶解された前記合金粉末ｐまたは混合粉末ｐが前記欠け部に肉盛り溶接されると、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金からなる生地とその中にほぼ均一に分散したＮｂＣ、ＶＣ、およびＷＣの少なくとも１種または２種以上の炭化物とからなる溶接肉盛り部Ｗが形成される。
係る溶接肉盛り部Ｗは、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金の生地中に比較的少量の上記炭化物がほぼ均一に分布していため、硬さが過大に上がらないと共に、靭性および耐熱性が向上する。このため、アルミニウム合金の溶湯を繰り返しダイカスト鋳造しても、これに伴うヒートチェック（割れ）や溶損を確実に低減することが可能となる。尚、上記溶接肉盛り部は、その外周面を適宜研削しても良い。

表１に示すように、実施例１〜６用のＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金（ＩＮＣＯＮＥＬ６２５相当）、実施例７用のＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｃｏ−Ｗ系耐熱合金、比較例１のＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ系工具鋼（ＳＫＤ６１相当）、および比較例２のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｏ系強力高合金鋼からなる平均粒径１５０μｍの合金粉末を、それぞれ個別にガスアトマイズによって製造した。
実施例１〜７用のＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金などの合金粉末に対し、表１に示す粉径１０μｍ以下の炭化物を表１の重量でそれぞれ混合することにより、実施例１〜７の混合粉末を得た。

次に、各例の混合粉末または合金粉末から、公知のプラズマアーク溶接トーチを用いて、直径１５ｍｍ×厚み５ｍｍの試験片を作製した。各例の試験片の外周に対し、高周波加熱（７００℃×４秒）および水冷（常温×３秒）を交互に１０００回繰り返すことにより、熱応力によるヒートチェックを生成させた。
そして、各例の試験片を観察し、発生したヒートチェックの総長さ、平均長さなどを測定し、それらの結果を表２および図２〜５のグラフに示した。また、各例の肉盛溶接部の硬度および溶損（面積）率も測定し、表２に示した。

表２および図２〜５のグラフによれば、実施例１〜７では、ヒートチェックの最大長さ（μｍ）：５８〜９０、総数：１３８〜３０４、発生頻度（Σｎ／ｃｍ）：約３０〜６５となり、ヒートチェックの総数と発生頻度では比較例１，２の間に入ったが、最大長さは比較例１，２よりも明らかに短くなった。これは、実施例１〜７では、それなりの頻度と数でヒートチェックが発生するが、その平均長さでも分かるように、微細なものが多く、ダイカスト金型の耐久性（寿命）を高められることが理解できる。

また、表２によれば、実施例１〜７では、硬さ（ＨＲＣ）：約１２〜３４、溶損率：４．２〜７．１％であったの対し、比較例１，２はこれらよりも更に硬く且つ更に多く溶損していた。これは、実施例１〜７の肉盛溶接部には、生成する炭化物が比較的少ないため、硬度が下がると共に、耐熱性および靭性を有するため、高圧で鋳込まれるアルミニウム合金の溶湯による溶損に対し、十分に耐えたことが理解される。
以上のような実施例１〜７の結果によって、本発明の作用が理解され且つ効果が裏付けられた。
尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、前記合金粉末または混合粉末は、水アトマイズ法や鋳塊を粉砕する方法にって作製したり、更に分級を加えて作製しても良い。
また、ダイカスト金型の表面改質についても、本発明の補修用粉末を適用することが可能である。

本発明の補修方法を示す概略図。 実施例および比較例のヒートチェックの総長さを示すグラフ。 実施例および比較例のヒートチェックの平均長さを示すグラフ。 実施例および比較例のヒートチェックの最大長さを示すグラフ。 実施例および比較例のヒートチェックの発生頻度を示すグラフ。

符号の説明

ｐ…合金粉末／混合粉末
Ｋ…ダイカスト金型
Ｔ…溶接トーチ
Ｐ…プラズマアーク

Claims (5)

1. ＮｂＣ、ＶＣ、およびＷＣの少なくとも１種以上からなり総計で１０wt％以下の炭化物と残部がＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金とからなる合金粉末、
   あるいは、粉径１５μｍ以下の上記炭化物の粉末：１０wt％以下と、残部：上記Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金の粉末と、の混合粉末である、
   ことを特徴とするダイカスト金型補修用粉末。
2. 前記Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金は、Ｃｏ：１３wt％以下と、Ｗ：５wt％以下とを含む、ことを特徴とする請求項１に記載のダイカスト金型補修用粉末。
3. 前記Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金は、Ｃｒ：１０〜３０wt％、Ｍｏ：１０wt％以下、Ｆｅ：３wt％以下、ＮｂおよびＴａの合計：３〜４wt％、および残部Ｎｉである、ことを特徴とする請求項１に記載のダイカスト金型補修用粉末。
4. 前記Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金は、Ｓｉ：０．５wt％以下、Ｍｎ：０．３wt％以下、Ｃ：０．１０wt％以下、Ｓ：０．０１wt％以下、Ａｌ：３．０wt％以下、およびＴｉ：３．５wt％以下を更に含む、
   ことを特徴とする請求項２または３に記載のダイカスト金型補修用粉末。
5. ＮｂＣ、ＶＣ、およびＷＣの少なくとも１種以上からなり総計で１０wt％以下の炭化物と残部がＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金とからなる合金粉末、あるいは、粉径１５μｍ以下の上記炭化物の粉末：１０wt％以下と、残部：上記Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱合金の粉末と、の混合粉末であるダイカスト金型補修用粉末を用い、
   上記ダイカスト金型補修用粉末を溶接トーチに送給するステップと、
   送給された上記ダイカスト金型補修用粉末をプラズマアークにより溶解しつつダイカスト金型の欠け部または表面に対して肉盛溶接するステップと、を含む、
   ことを特徴とするダイカスト金型の補修方法。
   

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