JP4354315B2 - アルミニウム溶湯接触部材およびその製造方法 - Google Patents

アルミニウム溶湯接触部材およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、アルミニウム溶湯接触部材およびその製造方法に係り、特に、アルミニウム溶湯に対する耐溶損性に優れたアルミニウム溶湯接触部材およびその製造方法に関する。
アルミニウム溶湯は、鉄などの金属と反応して金属間化合物を生成する性質がある。鋳造機において溶湯と直接接触する鉄鋼製の部品には、アルミニウムとの反応により毀損される現象が生じ、この現象は溶損と呼ばれている。アルミニウム合金の鋳造では、樋、金型、スリーブ、入れ子をはじめとして溶湯に接触する主要な部品には、この溶損に対する対策が必要不可欠である。
アルミニウム鋳造の金型等には、一般的には窒化処理が施された工具鋼等の鋼鉄製部材が用いられている。窒化処理は、窒素を鋼の表面から拡散進入させ硬い窒化層を形成する処理で、耐摩耗性の強化に優れているという特徴があるが、溶損防止という点からは、必ずしも十分ではないことが従来から指摘されている。
そこで、高い耐溶損性が要求される部材には、ＰＶＤ処理やＣＶＤ処理といった蒸着法により、部材表面にセラミックスの被膜をコーティングをすることが行われている。このセラミックス被膜は、アルミニウム溶湯に対して化学的に安定しているため、非常に優れた耐溶損性を発揮することが知られている（非特許文献１参照）。
機械工学便覧新版、Ｂ２編 加工学・加工機器第１５７頁
しかしながら、ＰＶＤ処理やＣＶＤ処理によるセラミックス被膜の最大の問題点は、熱応力による剥離である。すなわち、鉄鋼基材とセラミックスの熱膨張係数の差が大きく、鋳造サイクルの連続による加熱・冷却の繰り返しにより、セラミックス被膜と基材の境界に大きな熱応力が発生する。この大きな熱応力のために、セラミックス皮膜が剥離して基材が溶湯と直接接触する結果、突然溶損が進行するという事態が発生することが多い。
このようなセラミックス皮膜の剥離対策としては、皮膜の厚さを薄くして基材との境界に発生する熱応力をできるだけ小さくしたり、皮膜と基材の密着強度を高めるために処理方法に様々な改良が加えられている。
しかしながら、セラミックス皮膜では様々な改良にも関わらずに、根元的な熱膨張の差はいかんともしがたく、皮膜の剥離を抜本的に抑えることは実現されていないのが現状である。
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、ＰＶＤやＣＶＤ処理によるセラミックス皮膜などの従来の手法によらずに、格段に優れた耐溶損性を発揮するアルミニウム溶湯接触部材を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、格段に優れた対溶損性を発揮するように、ＴｉＣ粒子をＮｉ合金層に強固に接合させられるようにしたアルミニウム溶湯接触部材の製造方法を提供することにある。
前記の目的を達成するために、本発明によるアルミニウム溶湯接触部材は、鋼材製の基材表面にＮｉ合金層が形成されアルミニウム溶湯と直接接触する部材であって、前記部材は、表面にＮｉ合金層が形成されている該部材を加熱真空炉内でＴｉＣ粉末中に埋めＮｉ合金から液相が発生する温度まで真空加熱することにより、溶湯をはじく性質を有する炭化チタン粒子（ＴｉＣ）が基材表面に密に散在するように接合されたＮｉ合金層を有し、前記Ｎｉ合金層には前記ＴｉＣ粒子の一部分が表面から露出するように接合されていることを特徴とする。
本発明によるアルミニウム溶湯接触部材では、ＴｉＣ粒子がアルミニウム溶湯をはじく性質を利用して、基材の鋼材にアルミニウム溶湯が直接接触するのを防止し、高い耐溶損性を実現することができる。そして、従来のＰＶＤ、ＣＶＤ処理などによるセラミックスコーティングのように、溶湯と基材との接触を遮断するため全面を覆わせて耐溶損性を高めるメカニズムとは異なり、ＴｉＣ粒子を密に散在させるだけで、耐溶損性を著しく高められる。ＴｉＣが粒子の状態でＮｉ合金層に接合している構造では、基材が熱により膨張、収縮したときでも、ＴｉＣ粒子には大きな熱応力がかからないので剥離することなく、耐溶損性を長い間維持することができる。
本発明によるアルミニウム溶湯接触部材では、ＴｉＣ粒子の一部分が前記Ｎｉ合金層の表面から露出させるようにすることで、アルミニウム溶湯との接触角が大きくなり、アルミニウム溶湯をはじく性質をより高められる。
ＴｉＣ粒子同士の隙間には、図２に示されるように、窒化ホウ素（ＢＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ジルコニア（ＺｒＯ2）を少なくとも一種類以上含むセラミックス微粒子が充填されていることが好ましい。このセラミックス微粒子は、ＴｉＣ粒子を接合しているＮｉ合金素地の耐溶損性を改善する。
Ｎｉ合金の組成は、Ｂ：２．６〜３．２（％）、Ｍｏ：１８〜２８（％）、Ｓｉ：３．６〜５．２（％）、Ｃ：０．０５〜０．２２（％）、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなることが好ましい。
この組成によるＮｉ合金から発生する液相によって、ＴｉＣ粒子は、Ｎｉ合金に高強度で接合し、さらに、ＴｉＣ粒子との濡れ性もよいので、多くのＴｉＣ粒子を密に接合させることができるようになる。
本発明によるアルミニウム溶湯接触部材の製造方法は、図３に示されるように、鋼材製の基材表面にＮｉ合金層が形成されている部材を、加熱真空炉内でＴｉＣ粉末中に埋め、Ｎｉ合金から液相が発生する温度まで真空加熱し、前記Ｎｉ合金層の表面にＴｉＣ粒子を接合させることを特徴とするものである。
ＴｉＣ粒子をＮｉ合金で完全に覆わずに一部分がＮｉ合金層から表面に出ている状態で強固に接合させるためには、前記ＴｉＣ粉末中の粒子の平均粒径が１０〜５００μｍの範囲内にあることが好ましい。
ＴｉＣ粒子径が１０μｍよりも小さいと、ＴｉＣ粒子をＮｉ合金の液相にすべて覆われないように温度管理するのが難しくなる。ＴｉＣ粒子がＮｉ合金の液相にすべて覆われてしまうと、ＴｉＣの優れた耐溶損性が発揮できなくなる。
他方、ＴｉＣ粒子径が５００μｍよりも大きくなると、Ｎｉ合金の液相が粒子の下部にしか行き渡らないために粒子との接触面積が不足し、接合強度が弱く簡単に粒子が脱落してしまう。
ＴｉＣ粒子を接合した後は、窒化ホウ素（ＢＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ジルコニア（ＺｒＯ2）を少なくとも一種類以上含むセラミックス微粉末とバインダの混合スラリーをＴｉＣ粒子に塗布して焼き付けることにより、さらに、耐溶損性は向上する。
ＴｉＣ粒子が接合しているＮｉ合金素地それ自体は、耐Ａｌ溶損性がよくないので、これをセラミックス微粉末を付着させることで改善することができる。さらに、ＴｉＣ粒子間の隙間にこれらの微粉末が付着しているので、アルミニウム溶湯が接触してもセラミックス微粉末は除去されにくい。
本発明によれば、ＰＶＤやＣＶＤ処理によるセラミックス皮膜などの従来の手法によらずに、格段に優れた耐溶損性を発揮するアルミニウム溶湯接触部材とすることができるので、本発明をアルミニウム合金溶湯に直接接触する鋳造機の部品に使用することで、部品寿命を格段に延ばすことができる。
以下、本発明によるアルミニウム溶湯接触部材およびその製造方法の実施例について説明する。
本実施例では、鋼材（Ｓ４５Ｃ）を基材として溶損試験に用いる試験体を加工した。試験体の基材表面には、請求項４に記載した組成のＮｉ合金を溶射してＮｉ合金をライニングした。さらに試験体は、真空加熱炉内でＴｉＣ粉末中に埋めて、Ｎｉ合金から発生する液相にＴｉＣ粒子が接合されるまで真空加熱を行った。
本実施例では、実施例１、実施例２の２種類を製作した。このうち、実施例１は、Ｎｉ合金にＴｉＣ粒子を接合しただけでセラミックス微粉末は付着させていないものである。これに対して、実施例２は、ＴｉＣ粒子を接合させてからさらに窒化ホウ素（ＢＮ）の微粉末を塗布して焼き付けした。
実施例１、２と耐溶損性を比較するために、比較例には実施例１、２の同一の基材表面にＣＶＤ処理により窒化チタン（ＴｉＮ）をコーティングしたものを用いた。
溶損試験は、アルミニウム合金（ＡＣ４Ｃ）からなる溶湯を７２０℃に保持し、それぞれ試験片を周速０．８ｍ／ｓで溶湯に浸漬したまま回転させ、これを２４時間継続し、溶湯から取り出して重量変化を測定した。図４は溶損試験結果を表示したグラフである。
実施例１と比較例の溶損試験の結果を比較すると、ＣＶＤ処理のＴｉＮコーティングをした比較例に較べて、Ｎｉ合金にＴｉＣ粒子を接合させた実施例１では、溶損量を約半分に抑えられた。さらに、実施例１と実施例２とを比較すると、ＴｉＣ粒子の隙間にＢＮ微粉末を付着させた実施例２では、まったく溶損がみられなかった。
次に、本発明のアルミニウム溶湯接触部材からアルミニウム溶湯の流路となる樋を製作した実施例３について説明する。
この実施例３では、実施例２の窒化ホウ素（ＢＮ）の代わりに、平均粒子径が約１μｍのアルミナ微粉末を付着させている。図５は、実施例３の断面の写真である。Ｎｉ合金層の表面には、約１００μｍの大きさの多数のＴｉＣ粒子が接合されているのがわかる。
このような実施例３に係る樋と耐溶損性の比較をするために、同一の基材で表面にＣＶＤ処理を施した樋を比較例として製作し、実施例３と比較例について約７００℃のアルミニウム合金溶湯を流し、溶損が確認されるまでの積算時間を計測した。
ＣＶＤ処理による比較例の樋では、約１９時間で溶損が確認されたのに対して、実施例３では１００時間経過後も溶損は確認できなかった。
本発明によるアルミニウム溶湯接触部材の構造を示す模式図。 同アルミニウム溶湯接触部材の他の構造を示す模式図。 本発明による アルミニウム溶湯接触部材の製造方法の説明図。 実施例のアルミニウム溶湯接触部材の溶損試験結果を表したグラフ。 実施例のアルミニウム溶湯接触部材の組織写真。

Claims (6)

  1. 鋼材製の基材表面にＮｉ合金層が形成されアルミニウム溶湯と直接接触する部材であって、
    前記部材は、表面にＮｉ合金層が形成されている該部材を加熱真空炉内でＴｉＣ粉末中に埋めＮｉ合金から液相が発生する温度まで真空加熱することにより、溶湯をはじく性質を有する炭化チタン粒子（ＴｉＣ）が基材表面に密に散在するように接合されたＮｉ合金層を有し、
    前記Ｎｉ合金層には前記ＴｉＣ粒子の一部分が表面から露出するように接合されていることを特徴とするアルミニウム溶湯接触部材。
  2. 前記ＴｉＣ粒子同士の隙間に、窒化ホウ素（ＢＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ジルコニア（ＺｒＯ2）を少なくとも一種類以上含むセラミックス微粒子が充填されていることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム溶湯接触部材。
  3. Ｎｉ合金の組成が、Ｂ：２．６〜３．２（％）、Ｍｏ：１８〜２８（％）、Ｓｉ：３．６〜５．２（％）、Ｃ：０．０５〜０．２２（％）、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム溶湯接触部材。
  4. 鋼材製の基材表面にＮｉ合金層が形成されている部材を、加熱真空炉内でＴｉＣ粉末中に埋め、Ｎｉ合金から液相が発生する温度まで真空加熱し、前記Ｎｉ合金層の表面にＴｉＣ粒子を接合させることを特徴とするアルミニウム溶湯接触部材の製造方法。
  5. 前記ＴｉＣ粒子を接合した後、窒化ホウ素（ＢＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ジルコニア（ＺｒＯ2）を少なくとも一種類以上含むセラミックス微粉末とバインダの混合スラリーをＴｉＣ粒子に塗布して焼き付けることを特徴とする請求項４に記載のアルミニウム溶湯接触部材の製造方法。
  6. 前記ＴｉＣ粉末中の粒子の平均粒径が１０〜５００μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項４に記載のアルミニウム溶湯接触部材の製造方法。
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