JP4264897B2

JP4264897B2 - 非鉄溶湯用部材

Info

Publication number: JP4264897B2
Application number: JP2004102897A
Authority: JP
Inventors: 衛介小川; 茂弘松野
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005290407A

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金属製品用の溶解又は鋳造設備に用いられ、これらの合金溶湯に対し耐溶損性に優れるとともに、使用環境に対し優れた耐酸化性を兼ね備えた部材に関する。

非鉄金属の溶湯用部材には、堰入れ子、ストーク、中間ストーク、湯口ブッシュ、湯溜まり、溶鍛スリーブ、ダイカストスリーブ、ダイカスト金型、ピン、ガス吹き込み管等の各種部材がある。

従来の非鉄溶湯用部材として、ＳＫＤ６１に代表される熱間金型用合金鋼からなるものがある。しかしながら、これは非鉄合金溶湯に対して溶損し易く、頻繁に補修、交換が必要となり生産効率が低下するという問題点があった。近年、生産性の向上や品質向上の観点から、さらなる耐溶損性が要求され、各種の非鉄溶湯用部材が提案されている。

例えば、特許文献１には、化学成分が重量比で、
Ｃ：０．９５〜１．５％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｍｏ：４．５〜９．５％、Ｖ：１．５〜４．５％、Ｗ：１．５〜７．０％、
残部Ｆｅおよび不可避的不純物元素を含む鉄鋼材料の表層部に、あらかじめ窒化処理により窒素富化層を形成した後、Ｃｒを含む溶融塩に浸漬することにより、窒素富化層をＣｒの窒化物或いは炭窒化物を含む層に変化させて被覆層を形成してなることを特徴とする非鉄金属溶湯用部材が記載されている。

また、特許文献２には、アルミニウム合金溶湯を金型内へ導く部位に配置される鋳造用湯口部材において、セラミックスなどの耐溶損材料からなる焼結体の内層と金属材料からなる外層との間に、多孔質セラミックスの中間層を介在させることを特徴とする鋳造用湯口部材が記載されている。

特開２００２−６０８９５号公報特開平９−３０００６０号公報

特許文献２のように溶融金属と接触する部分をセラミックスで形成した場合、溶融金属に対する耐溶損性は格段に向上するものの、使用中に大きな熱衝撃がかかるので、セラミックスが本来有する脆性のため、局部的に損傷が発生し、結果的に短寿命であるという問題があった。

一方、特許文献１のようなハイス系材料を用いた非鉄溶湯用部材は、従来のＳＫＤ６１鋼に比べて耐溶損性、耐摩耗性に優れ、また耐熱衝撃性および靭性に優れるため、セラミックスのような損傷が発生しにくいという利点がある。

しかしながら、特に金属材料からなる母材の内表面にハイス系合金層を形成した非鉄溶湯用部材において新たな課題が出てきた。すなわち、溶湯と接しない金属材料からなる母材の外表面がヒータ等により加熱して曝された場合、外表面が酸化されやすいという問題がある。

図３は従来例のアルミニウム溶湯用堰入れ子の概略断面図を示す。図３において、堰入れ子６はアルミニウム製エンジンブロック製造に用いられる低圧鋳造用堰入れ子である。堰入れ子６は中空筒状で、母材２が鋼系材料などの金属材料からなり、母材２の溶湯と接する内面にハイス系合金からなる合金層７を形成したものである。そして、湯道１にアルミニウム合金溶湯が通される。

鋳造の際、堰入れ子６の母材２の外表面８（大気と接する部分）は加熱ヒータ３で高温に加熱される。このとき、母材２の外表面８が酸化され、酸化スケールが発生することがあった。そこで、酸化スケールが著しく発生すると、それが加熱ヒータ３に触れて、ヒータ３が電気的にショートするという問題が起きた。

したがって、本発明は、前述の課題に鑑みて、耐溶損性、耐熱衝撃性等に優れるとともに、溶湯と接する部分以外の高温に曝される部分の耐酸化性を向上させた非鉄溶湯用部材を提供することを目的とする。

外表面から加熱されるとともに、内表面が非鉄溶湯に接触されて使用される部材であり、金属材料からなる母材の非鉄溶湯と接する内表面にハイス系合金からなる合金層を形成するとともに、該母材の外表面に窒化物あるいは炭窒化物からなる被覆層を形成したことを特徴とする。また、前記被覆層が、Ｃｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物から形成されてなることを特徴とする。

さらに、前記ハイス系合金の化学成分が質量比で、
Ｃ：１．０〜４．０％Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｍｎ：０．１〜２．０％Ｎｉ≦４．５％（０を含む）
Ｃｒ≦１０．０％（０を含まない）Ｍｏ：０．１〜９．０％
Ｗ≦１０．０％（０を含む）Ｖ：１．０〜１５．０％
を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。

前記ハイス系合金がさらに質量比で、Ｃｏ≦１０．０％、Ｎｂ≦１０．０％のいずれか一種以上を含有することを特徴とする。また、非鉄溶湯と接する前記ハイス系合金層の表面に、窒化物からなる皮膜層を形成することを特徴とする。前記皮膜層の表面に、さらにＣｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物からなる皮膜層を形成することを特徴とする。

本発明によればアルミニウム等の非鉄溶湯と接する部分をハイス系合金層で形成することにより溶損を防止し、鋳造時の衝撃による損傷を防ぐことができる。また、特に金属材料からなる母材の外表面に窒化物あるいは炭窒化物の被覆層を形成することにより、加熱ヒータ等で高温に曝されても、その被覆層が保護層となり酸化することを防止できる。したがって、耐用寿命が長くかつ安定した鋳造を行うことができる。

本発明のハイス系材質の各元素の含有範囲（質量％）について、以下に説明する。

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、耐摩耗性を付与すべきＭＣ、Ｍ₂Ｃ、Ｍ₆Ｃ、Ｍ₇Ｃ₃、Ｍ₄Ｃ₃、Ｍ_２３Ｃ_６系炭化物を生成する。Ｃが１．０％未満であると耐摩耗性を向上させるために有効な炭化物の晶出が少なく、さらに、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と同時に高合金化が難しくなる。一方、４．０％を超えると炭化物が粗大化しその晶出量も過大となり合金層として必要な靭性が劣化するため上限を４．０％とした。より好ましい含有量は１．５を超え３．０％以下である。
さらに望ましい含有量は１．９〜２．５％である。

Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｓｉの含有量は０．１〜２．０％が好ましい。Ｓｉは、脱酸剤として作用し、またＭ₆Ｃ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０．１％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、２．０％を超えると脆化が生じやすい。より好ましい含有量は０．５〜１．５％である。

Ｍｎ：０．１〜２．０％
Ｍｎの含有量は０．１〜２．０％が好ましい。Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用がある。また、不純物であるＳをＭｎＳとして固定する作用がある。Ｍｎが０．１％未満では脱酸性に乏しい。また、２．０％を超えると残留オーステナイトが生じやすくなり、安定して十分な硬さを維持できない。より好ましい含有量は０．４〜１．５％である。

Ｎｉ≦４．５％
Ｎｉは焼入性を向上させ高硬度化させる効果を有する。Ｎｉの下限は０％である。４．５％を超えると残留オーステナイトが過剰となりかえって高硬度が得られなくなるためその上限を４．５％とした。より好ましいＮｉ含有量は２．０％以下である。

Ｃｒ≦１０．０％
ＣｒはＣと結合し炭化物を晶出生成し、また基地に固溶し基地硬さをあげることで、耐摩耗性を向上させる。Ｃｒが１０．０％を超えると、常温での残留オーステナイトが多くなるので、焼戻し回数が多くなり不経済となる。さらに、Ｃｒは比較的硬さの低いＭ₇Ｃ₃やＭ₂₃Ｃ₆系炭化物を形成し、多量の添加はこれらの炭化物が過剰となり耐摩耗性が劣化する。しかしながら、添加量が少ないとその効果が十分確保できず、多すぎると炭化物が粗大化し靱性が低下する。そこで好ましい範囲は３．０％〜９．０％とした。

Ｍｏ：０．１〜９．０％
ＭｏはＣｒと同様に硬質の炭化物が得られ、また高温で焼戻しを行う場合、その二次硬化に強く寄与する元素である。ＭｏはＣと結合して硬質のＭ₂Ｃ、Ｍ₆Ｃ系炭化物を生成するＭｏが０．１％未満ではその効果が小さい。また、９．０％を超えると、ＣとＶとＭｏのバランスにおいてＭ₂Ｃ、Ｍ₆Ｃ系炭化物が多く晶出しすぎ、靭性が低下する。よってその適切な範囲を０．１％〜９．０％とした。より好ましいＭｏ含有量は４．５を超え８．０％以下である。

Ｗ≦１０．０％
Ｗは、Ｍｏと同様に焼入れ性の向上と基地の高温硬さを得るために必要である。また、ＷはＣｒやＭｏと同様に硬い炭化物を生成する為これらの元素に置換して添加することも有効である。さらに、基地の焼入れ性を上げ、Ｃと結合して硬質のＭ₂Ｃ、Ｍ₆Ｃ系炭化物を生成する。Ｗの下限は０％である。また、１０．０％を超えると、Ｍ₆Ｃ系炭化物が粗大化し脆性が劣化するため、その適切な範囲を１０．０％以下とした。

Ｖ：１．０〜１５．０％
Ｖは、耐摩耗性の向上に最も寄与する硬質な炭化物であるＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃を形成する。Ｖが１．０％未満では炭化物の生成が少なく耐摩耗性が劣化する。Ｖが１５．０％を超えると、Ｃ含有量とのバランスにより、初晶としてオーステナイト、もしくはＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃系炭化物が晶出する。オーステナイトが初晶で晶出すれば硬さが不十分となる。また、ＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃が初晶で晶出すれば凝固中に凝集し、使用した場合、硬質炭化物であるＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃の凝集偏析が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、４．５を超え８．０％以下である。

Ｃｏ≦１０．０％
Ｃｏは炭化物の生成とは無関係に基地に固溶し、強靭性を増すとともに高温硬さと耐摩耗性を向上する効果がある。Ｃｏの下限は０％である。Ｃｏが１０．０％を超えるとその効果が飽和し、かつ高価になるのでその上限を１０．０％以下とした。

Ｎｂ≦１０．０％
ＮｂはＶと同様に、耐摩耗性の向上に最も寄与する硬質な炭化物であるＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃を形成する。Ｎｂの下限は０％である。Ｎｂが１０．０％を超えると、靭性の低下とともにＣ含有量とのバランスにより、初晶としてオーステナイト、もしくはＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃系炭化物が晶出する。オーステナイトが初晶で晶出すれば硬さが不十分となる。また、ＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃が初晶で晶出すれば凝固中に凝集し、使用した場合、硬質炭化物であるＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃の凝集偏析が脆性の劣化を引き起こすので好ましくない。また、ＮｂはＶと置換可能である。よって、より好ましいＮｂおよびＶの含有量は、（Ｎｂ＋Ｖ）≦２．０〜８．０％である。

また、溶融金属と接触するハイス系材質の内表面に窒化処理を施すことにより、主に窒化物からなる皮膜層を形成することで一層耐溶損性に優れる非鉄溶湯用部材が得られる。さらに、前記窒化物からなる皮膜層の表面に金属Ｃｒ粉末を含む溶融塩で浸漬処理を行い、Ｃｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物からなる皮膜層（第２の皮膜層）を形成することで、なお一層耐溶損性に優れる非鉄溶湯用部材が得られる。

図１に、本発明の非鉄溶湯用部材の一例であるアルミニウム溶湯低圧鋳造用堰入れ子の概略断面図を示す。図１において、堰入れ子６は中空円筒状で、母材２が金属材料からなり、母材２の溶湯と接する内面にハイス系合金からなる合金層７を形成した。そして、湯道１にアルミニウム合金溶湯が通される。この母材２の外表面に窒化層４を形成した。さらに皮膜層４の表面層にＣｒの窒化物層あるいはＣｒの炭窒化物層を形成した。合金層７を形成するハイス系合金の化学成分（質量％）は、Ｃ：１．９％、Ｓｉ：０．８％、Ｍｎ：０．４％、Ｃｒ：４．７％、Ｍｏ：５．７％、Ｖ：６．５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である。

作製方法を説明すると、まず鋼系材料からなる母材２を外径φ８０ｍｍ、内径φ３０ｍｍ、長さ１００ｍｍの中空体に加工した。そして、母材２の内面にハイス系合金層７を遠心力鋳造法により被覆形成させた。その後、このハイス系合金層７を有する母材２をアンモニア気流中で５００℃に加熱保持し、母材２の外表面に窒化処理を施し、厚さ０．２ｍｍの窒化層４を生成させた。さらに金属Ｃｒ粉末を含む溶融塩に浸漬して窒化処理が施された皮膜層４の表面層にＣｒの窒化物層あるいはＣｒの炭窒化物層を形成した。

このようにして製造した本発明の非鉄溶湯用部材を、加熱ヒータを備えた実機に装備し、アルミニウム溶湯の堰入れ子に供したところ、内表面は従来のＳＫＤ６１鋼に比べ格段に耐溶損性が優れ、外表面は酸化スケールが発生せず、電気的ショートの問題も起こらず、長期間安定に使用することができた。

また、図２は本発明の他の形態の実施例を示す。図１の堰入れ子のさらに内表面に窒化物からなる皮膜層５を形成したものである。また、耐溶損性のさらなる向上のため、皮膜層５の表面層にＣｒの窒化物層あるいはＣｒの炭窒化物層を形成してもよい。

本発明の非鉄溶湯用部材によれば、耐溶損性、耐熱衝撃性等に優れ、溶湯と接する部分以外の高温に曝される部分は耐酸化性に優れるので、安定して長期間操業できる。このため、メンテナンスの工数、コストおよび時間を低減することができ、生産効率を向上する事ができる。

本発明の実施例であるアルミニウム溶湯用堰入れ子の概略断面図である。本発明の他の形態のアルミニウム溶湯用堰入れ子の概略断面図である。従来例のアルミニウム溶湯用堰入れ子の概略断面図である。

符号の説明

１湯道、２母材、３加熱ヒータ、４窒化層または炭窒化層、
５皮膜層、６堰入れ子、７合金層、８外表面

Claims

外表面から加熱されるとともに、内表面が非鉄溶湯に接触されて使用される部材であり、金属材料からなる母材の非鉄溶湯と接する内表面にハイス系合金からなる合金層を形成するとともに、該母材の外表面に窒化物あるいは炭窒化物からなる被覆層を形成したことを特徴とする非鉄溶湯用部材。
前記被覆層が、Ｃｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物から形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の非鉄溶湯用部材。
前記ハイス系合金の化学成分が質量比で、
Ｃ：１．０〜４．０％Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｍｎ：０．１〜２．０％Ｎｉ≦４．５％（０を含む）
Ｃｒ≦１０．０％（０を含まない）Ｍｏ：０．１〜９．０％
Ｗ≦１０．０％（０を含む）Ｖ：１．０〜１５．０％
を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１または２に記載の非鉄溶湯用部材。
前記ハイス系合金がさらに質量比で、Ｃｏ≦１０．０％、Ｎｂ≦１０．０％のいずれか一種以上を含有することを特徴とする請求項３に記載の非鉄溶湯用部材。
非鉄溶湯と接する前記ハイス系合金層の表面に、窒化物からなる皮膜層を形成することを特徴とする請求項４に記載の非鉄溶湯用部材。
前記皮膜層の表面に、さらにＣｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物からなる皮膜層を形成することを特徴とする請求項５に記載の非鉄溶湯用部材。