JP4476206B2

JP4476206B2 - 非鉄金属鋳造装置用部品

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Publication number: JP4476206B2
Application number: JP2005303810A
Authority: JP
Inventors: 隆西
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2025-10-19
Also published as: JP2007111712A

Description

本発明は、アルミニウム合金等の非鉄金属鋳造装置用部品の改良に関する。

アルミニウム合金鋳造用のダイカストマシンの射出部を構成する部品、例えばプランジャースリーブ、ピストン等は、従来より、ＳＫＤ６１等の熱間金型用合金工具鋼が構成材料として広く使用されている。
しかし、この種合金工具鋼は、溶融アルミニウム合金との化学的反応によって溶損され易く、構成材料としての寿命が短くなる問題があった。また、構成材料の溶損によってＦｅが鋳造製品に混入し、アルミニウム鋳造製品の品質低下を招く問題があった。この問題は、マグネシウム、亜鉛、錫、鉛等の非鉄金属合金を鋳造する場合も同様である。

このため、合金工具鋼からなるダイカストスリーブには、溶融アルミニウム合金との化学反応を防止し、耐アルミニウム溶損性を向上させるために、溶融合金と接触する面に、窒化処理により窒化層を形成することが行われている(特許文献１)。

しかしながら、ＳＫＤ６１等の合金工具鋼を窒化処理すると、形成される窒化物は、大部分がＦｅ₃Ｎ、Ｆｅ₂Ｎ等の窒化鉄である。この窒化鉄は、溶融非鉄金属、特に溶融アルミニウムと化学反応を起こして分解され易い性質がある。このため、合金工具鋼に窒化処理を施しても、耐溶損性の向上効果はあまり認められなかった。
そこで、ダイカストスリーブの構成部材を、合金工具鋼に代えて、Ｃｒ含有量の多いマルテンサイト系合金鋼(Ｃｒ：６.９５〜１５重量％)を構成材料として使用し、これに窒化処理を施し、Ｃｒ窒化物の量を増やすことによって、耐溶損性の向上を図ることが提案されている(特許文献２)。また、構成部材として、Ｃｒ含有量がさらに多い析出硬化系ステンレス鋼(Ｃｒ：１５〜１７.５重量％又は１６〜１８重量％)を使用し、これに窒化処理を施すことも提案されている(特許文献３)。

特開２００４−２８３８９９公報特許第３０２９６４２号公報特開平１１−３００４６０公報

しかしながら、特許文献２の合金鋼及び特許文献３のステンレス鋼は、その少なくとも約７０％以上はＦｅであるから、窒化処理後の窒化物には、窒化クロム(ＣｒＮ)の他に、相当量の窒化鉄が含まれる。このため、用途によっては、所望の耐溶損性を確保することができなかった。
また、この窒化鉄は、靱性が低くて脆いため、熱衝撃(溶融金属の注入及び排出による急激な加熱と冷却の繰返し)によって、微細なヒートクラックを発生し易い。このヒートクラックが進展すると、窒化物層が剥離し、所望の耐溶損性を確保することが困難となり、非鉄金属鋳造装置用の部品として長寿命化を達成することができない。

本発明の目的は、溶融非鉄金属による分解が起こり難く、かつ耐ヒートクラック性にすぐれる窒化物の層を、溶融非鉄金属と接触する面に形成することにより、溶融非鉄金属に対する耐溶損性にすぐれる非鉄金属鋳造装置用部品を提供することである。

本発明の非鉄金属鋳造装置用部品は、重量％にて、Ｃｒ：２０〜３０％、Ｍｏ：１０〜２５％、Ｂ：０.５〜２％、残部Ｃｏ及び不可避の不純物からなり、溶融非鉄金属と接触する面に、硬さＨｖ６００以上の窒化物の層が形成されていることを特徴とする。
硬さＨｖ６００以上の窒化物の層の最小厚さは、実際に適用される用途に応じて適宜設定することができる。例えば、溶融アルミニウム合金のダイカストスリーブ用に用いる場合、所望のショット回数を確保するために、溶融非鉄金属と接触する面から２０μｍ以上の深さであることが好ましく、４０μｍ以上がより好ましい。
前記非鉄金属鋳造装置用部品は、所望により、Ｃ：０.０１〜２％及び／又はＳｉ：０.１〜２％をさらに含むことができる一方、Ｆｅ及び／又はＮｉについては、合計量で４％以下の含有は許容される。

本発明の非鉄金属鋳造装置用部品は、溶融金属と接触する面に窒化物の層が形成され、該窒化物層は、窒化クロムと窒化モリブデンの窒化物を主体として構成され、両窒化物の共存によってすぐれた耐溶損性を発揮することができる。
また、本発明の非鉄金属鋳造装置用部品に形成された窒化物の層には、窒化鉄が実質的に含まれないから、熱衝撃によるヒートクラックが発生し難く、長期間の使用に亘って、すぐれた耐溶損性を具備することができる。

本発明の非鉄金属鋳造装置用部品は、重量％にて、Ｃｒ：２０〜３０％、Ｍｏ：１０〜２５％、Ｂ：０.５〜２％、残部Ｃｏ及び不可避の不純物からなるＣｏ基合金から作られ、溶融非鉄金属と接触する面に、硬さＨｖ６００以上の窒化物の層が形成されている。前記非鉄金属鋳造装置用部品は、所望により、Ｃ：０.０１〜２％及び／又はＳｉ：０.１〜２％をさらに含むことができる。なお、Ｆｅ及び／又はＮｉは合計量で４％以下の含有は許容される。即ち、Ｆｅ及びＮｉを両方含有する場合は、合計量で４％以下、Ｆｅ又はＮｉの一方のみを含有する場合は、どちらの場合も４％以下での含有は許容される。

非鉄金属は、アルミニウムに限らず、マグネシウム、亜鉛、錫、鉛等の他の非鉄金属合金にも適用可能である。
非鉄金属鋳造装置用部品は、例えば、ダイカストマシンの射出部を構成するプランジャースリーブ、ピストン、チップ、湯口スリーブ等の構成部材を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。

本発明の非鉄金属鋳造装置用部品を構成するＣｏ基合金の成分限定理由は次のとおりである。
Ｃｒ: ２０〜３０％
Ｃｒは、マトリックス構成元素であり、分散相粒子であるクロム炭化物の形成に必要な元素であると共に、窒化処理により、溶融非鉄金属に対して高い安定性を有する窒化クロムを形成し、耐溶損性の向上に寄与する。耐溶損性確保に必要な量の窒化クロムを形成させるために、２０％以上含有させる。増量によりその効果を増すが、過度の増量はマトリックスの靱性の低下を招くので、３０％を上限とする。望ましい範囲は、２２〜２７％である。

Ｍｏ: １０〜２５％
Ｍｏは、マトリックスの構成元素として耐摩耗性および耐食性を高め、また硼化物の析出粒子を形成して耐摩耗性を強化する。また、窒化処理により、溶融非鉄金属に対して高い安定性を有する窒化モリブデンを形成し、耐溶損性の向上に寄与する。耐溶損性確保に必要な量の窒化モリブデンを形成させるために、少なくとも１０％以上含有させる。増量に伴つて効果を増すが、多量に添加すると、マトリックスの靱性を損なうので、２５％を上限とする。望ましい範囲は、１５〜２３％である。

Ｂ: ０.５〜２％
Ｂは、Ｍｏと結合してモリブデン硼化物を形成し、衝撃摩耗抵抗性を改善する。この効果は０.５％以上の添加により得られ、増量により効果を増す。しかし、過度の添加は却って靱性の低下を招くので、２％を上限とする。

Ｃｏ: バランス成分
本発明の非鉄金属鋳造装置用部品を構成する合金は、残部Ｃｏ及び不可避の不純物からなる。Ｃｏは、本発明の部品を構成する合金の基本成分であり、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂ等を固溶して耐腐食抵抗性、摩耗抵抗性、耐衝撃特性にすぐれるマトリックスを形成する。

Ｃ: ０.０１〜２％
Ｃは、クロム炭化物を形成して耐摩耗性の改善に寄与するため、０.０１％以上含有させることが好ましい。しかし、その量が多くなると、クロム炭化物の生成量の増加に伴うマトリックスのＣｒ含有量の不足を招き、マトリックスの耐食性が低下する。このため、２％を上限とする。

Ｓｉ: ０．１〜２％
Ｓｉは、合金の融点を降下させ、合金の溶製，および粉末製造における噴霧性・造粉性等を良好化する。また、合金粉末の焼結性を高める効果を有する。これらの効果を得るには、０.１％以上含有させることが好ましい。しかし、増量に伴つて、合金の脆化をきたすので、２％までとする。

Ｆｅ及び／又はＮｉ：合計量で４％以下
本発明の非鉄金属鋳造装置用部品は、溶融金属と接触する面に窒化処理が施されるが、Ｆｅ、Ｎｉが含まれると、窒化処理の際、窒化鉄、窒化ニッケルが形成される。しかし、窒化鉄と窒化ニッケルは、溶融アルミニウムと化学反応を起こして分解され易く、耐溶損性の低下を招くため、ＦｅとＮｉは含まれないようにすることが好ましく、たとえ含まれる場合でも、その含有量は、合計量で４％を超えないようにする。

本発明の非鉄金属鋳造装置用部品は、Ｃｏを主体とするマトリックスに、モリブデン硼化物粒子およびクロム炭化物粒子が分散した複合組織を有しており、溶融金属と接触する面には、窒化処理を施すことにより、硬さＨｖ６００以上の窒化物の層が形成される。この窒化物の層は、従来のものと比べて有意の耐溶損性を具備するのに十分な量の窒化クロム及び窒化モリブデンを含んでおり、これら窒化物は、Ｃｒ：２０〜３０％及びＭｏ：１０〜２５％を含む材料を窒化処理することによって得られる。
窒化処理は、当該分野で広く知られたガス窒化、浸漬窒化、イオン窒化等によって行なうことができる。

本発明の非鉄金属鋳造装置用部品は、好適には、焼結によって製造される。焼結処理は、粉末冶金の各種手法、例えば焼結原料を所要形状に加圧成形(一軸加圧生成、冷間静水加圧成形等)した後、その圧粉体を常圧焼結する方法、焼結原料をカプセル(軟鋼製容器等)に充填し、熱間静水圧加圧処理(ＨＩＰ処理)等のホットプレス処理方法等により行なうことができる。ＨＩＰ処理は、焼結製品の形状やサイズの如何に拘らず、高加圧力の均一な作用下で焼結反応を達成し、非鉄金属鋳造装置用部品として望まれる良好な均質性及び緻密性を付与することができる。ＨＩＰ処理の処理条件として、例えば、温度：１０００〜１２００℃、加圧力：８００〜１２００ａｔｍ、処理時間：１〜３Ｈｒを示すことができる。

本発明の非鉄金属鋳造装置用部品は、前記Ｃｏ基合金から作られるが、必ずしもその肉厚全体をＣｏ基合金から作る必要性はなく、溶融金属と接触する側をＣｏ基合金で形成し、残余の肉厚部分は適宜材種の金属(例えば、炭素鋼、Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼等)で形成した複層構造とすることもできる。例えば、プランジヤースリーブでは、Ｃｏ基合金からなる内スリーブと、合金鋼等からなる外スリーブとの同心円状２層構造体とすることができる。その２層スリーブは、外スリーブとなる鋼管材と、Ｃｏ合金原料粉末とを準備し、外スリーブとなる鋼管材の内周面側に、鋼カプセルを介してＣｏ合金原料粉末を充填し、脱気密封したうえＨＩＰ焼結し、焼結完了後、機械加工を加え鋼カプセルを除去することにより製造することができる。内スリーブと外スリーブの界面は、Ｃｏ合金のＨＩＰ焼結過程で生じた拡散接合により強固に接合し、装置部材として必要な堅牢性を具備している。

＜供試材の製作＞
所定組成に調整された合金粉末(ガスアトマイズ粉末、粒径４４〜２５０μｍ)を鋼製缶容器に充填し、脱気密封した後、熱間静水圧加圧焼結処理(処理温度：１１００℃、加圧力：１１００気圧、処理時間：２Ｈｒ)に付して、中実円柱状の供試材(外径６０ｍｍ、高さ６０ｍｍ)を得た。
得られた円柱状の供試材から、耐溶損性試験用の試験片(１０×４０×５ｔ)と耐熱衝撃試験用の試験片(３×３×４０ｔ)を切り出し、夫々の試験片についてイオン窒化処理(処理条件：５１０℃×２０Ｈｒ)を施し、窒化物層の厚さを測定した後、耐溶損性試験と耐熱衝撃試験を行なった。

＜窒化物層の厚さ測定＞
試験片を切断し、切断面をナイタール溶液でエッチングした後、ビッカース硬度計で硬さを測定し、表面からＨｖ６００以上までの領域を窒化物層の厚さとして求めた。

＜耐溶損性試験＞
試験片を、溶融アルミニウム合金ＡＣ４Ｂ(ＪＩＳＨ５２０２)が入れられた槽(温度７５０℃)の中に６０分浸漬した。槽から取り出した試験片を切断し、再び切断面をナイタール溶液でエッチングした後、ビッカース硬度計で硬さを測定し、表面からＨｖ６００以上までの領域を測定した。溶融アルミニウム合金に浸漬する前の窒化物層の厚さから、浸漬した後の窒化物層の厚さを差し引いた値を溶損量として求めた。

＜耐熱衝撃試験＞
試験片を、８００℃に加熱した後、水冷し、表面のヒートクラックの発生の有無およびその程度をカラーチェックにより判定した。

各供試材の組成、並びに、窒化物層の厚さ測定、溶損性試験及び耐熱衝撃試験の結果を表１に示す。

表１中、試験片No.１〜No.８は本発明の実施例、No.１１〜No.１７は比較例である。比較例中、No.１１はＣｒ含有量が少なく、No.１２はＭｏ含有量が少なく、No.１３はＣｒ及びＭｏ含有量が少ない例である。No.１４はＦｅの含有量が多く、No.１５はＮｉ含有量が多い例である。No.１６は合金化学成分がＳＫＤ６１合金工具鋼に相当する材料であり、No.１７は特許文献２に相当する材料である。

表１を参照すると、イオン窒化処理条件が同じでも窒化物層の厚さにばらつきがあるが、これは、窒化速度が、試験片の合金化学成分の含有量によって異なるためである。No.１〜No.８及びNo.１１〜No.１５では、ＭｏとＣｒの含有量が多いほど窒化物層の厚さが厚くなる傾向があり、No.１６及びNo.１７は鉄基合金であり、その大部分はＦｅであるため、窒化物層の厚さは、他の試験片よりもはるかに厚くなっている。

表１に示されるように、本発明の実施例は、比較例に比べて、いずれも溶損量が少なく、また、耐熱衝撃性にすぐれている。なお、耐熱衝撃性については、表１中、「○」はクラック発生が皆無であったことを表し、「△」は極く僅かなクラック発生があったことを表し、「×」は幾つかのクラック発生があったことを表している。
なお、No.３、No.４及びNo.７は、他の発明例と比べて、溶損量が若干多くなっているが、これは、窒化処理によって窒化鉄及び／又は窒化ニッケルが生成され、それら窒化物の影響を多少受けたものと思われる。
比較例を参照すると、No.１１はＣｒ含有量が少なく、No.１２はＭｏ含有量が少ないため、溶融非鉄金属に対して高い安定性を有する窒化クロム又は窒化モリブデンの生成量が少なく、本発明の実施例No.１及びNo.８と窒化物層の厚さはほぼ同等であるにも拘わらず、溶損性に劣る結果となっている。No.１３は、Ｃｒ及びＭｏの両元素が少なく、窒化物層自体が薄かったこともあって、窒化物層は消失した。No.１４はＦｅを４.５％含んでおり、窒化による窒化鉄の存在によって溶損量が多くなり、また、耐熱衝撃性でも若干劣る結果となっている。No.１５はＮｉを５.０％含んでおり、窒化による窒化ニッケルの存在によって溶損量が多い結果となっている。No.１６及びNo.１７の窒化物層は、その大部分が窒化鉄であるため、溶融アルミニウムと反応して、窒化物層は消失する結果となり、また、耐熱衝撃性にも劣っている。

＜鋳造試験＞
内スリーブと外スリーブの２層構造スリーブのダイカストマシン用プランジャースリーブを製作し、アルミニウム合金鋳物の鋳造試験を行ない、プランジャースリーブの寿命を調べた。

内スリーブの材料として、実施例１の発明例No.１と、比較例No.１２の合金化学成分を有する原料粉末(ガスアトマイズ粉末、粒径４４〜２５０μｍ)を準備した。
これら粉末を、外スリーブとなる炭素鋼管の内周面側に、鋼カプセル(内径６０ｍｍ、高さ３００ｍｍ)を介して原料粉末を充填し、脱気密封した後、熱間静水圧加圧焼結処理(処理温度：１１００℃、加圧力：１１００気圧、処理時間：２Ｈｒ)を施し、さらに機械加工して同心円状の２層構造の供試スリーブ(i)(ii)を製作した。なお、(i)が発明例No.１、(ii)が比較例No.１２に対応する合金成分を有する供試スリーブである。
次に、内スリーブの内側表面にイオン窒化処理(処理条件：５１０℃×２０Ｈｒ)を施した。窒化物の層厚さは測定していないが、窒化処理条件は実施例１と同じ条件であるので、スリーブ(i)はNo.１、スリーブ(ii)はNo.１２と略同じ窒化物層を有していることが推定される。

鋳造条件は次の通りである。
・アルミニウム合金：ＡＣ４Ｂ(ＪＩＳＨ５２０２)
・鋳込み温度：６８０℃(スリーブ給湯温度)
・１ショットの鋳込み時間：４５秒
・鋳込み圧力：３５０トン
・鋳造品重量：１.５ｋｇ

発明例のスリーブ(i)は、約２５万ショットの時点でスリーブに異常は殆んど認められなかった。一方、比較例のスリーブ(ii)は、約６万ショットの時点で、溶損及びかじり発生による寿命と判断し、鋳造を中止した。内スリーブの内側表面を観察したところ、窒化物層は消失していた。スリーブ(i)(ii)を比較すると、窒化物層の厚さはほぼ同じであるが、スリーブ(ii)はＭｏ含有量が本発明の規定量よりも少ないため、結果として窒化モリブデンが少なくなっており、スリーブ(i)よりも窒化物層の溶損が速く進行し、寿命が短かくなったものと推察される。

本発明の非鉄金属鋳造装置用部品として、例えば、ダイカストマシンの射出部を構成するプランジャースリーブ、ピストン、チップ、湯口スリーブ等があり、ダイカストマシンは、アルミニウム、亜鉛、銅、鉛、錫又はこれらを主体とする非鉄金属の製品を高速、高精度で鋳造することができるので、自動車、産業機械、家電製品等の産業で広く利用されることができる。

Claims

非鉄金属の鋳造装置に用いられる部品であって、重量％にて、Ｃｒ：２０〜３０％、Ｍｏ：１０〜２５％、Ｂ：０.５〜２％を含み、Ｆｅ及び／又はＮｉは、合計量で４％以下の含有が許容され、残部Ｃｏ及び不可避の不純物からなり、溶融金属と接触する面に窒化処理が施され、窒化処理が施された面は、窒化クロム及び窒化モリブデンを含む、硬さＨｖ６００以上の窒化物の層が形成されていることを特徴とする、耐溶損性にすぐれる非鉄金属鋳造装置用部品。
Ｃ：０.０１〜２％を含んでいる請求項１に記載の非鉄金属鋳造装置用部品。
Ｓｉ：０.１〜２％を含んでいる請求項１又は２に記載の非鉄金属鋳造装置用部品。
硬さＨｖ６００以上の窒化物の層は、溶融金属と接触する面から２０μｍ以上である請求項１乃至３の何れかに記載の非鉄金属鋳造装置用部品。