JP5942118B2 - 耐溶損性鋳物およびその製造方法、ならびに金属溶湯接触部材 - Google Patents
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Description
そのような問題点を解決するために、メルティングポット等の高い耐溶損性を要求される部品の構造部材は、耐溶損性を向上させるための表面処理を施すことが一般的に行われている。
鋼材の耐溶損性を向上させる表面処理として一般的なものは、窒化物層を形成する窒化処理と酸化物層を形成する酸化処理が挙げられる。
また、本発明によれば、母材金属層と、該母材金属層表面に形成された酸化物層と、を備え、前記酸化物層の一部が、該母材金属層の結晶粒界に繊毛状に伸長しており、前記母材金属層は、炭素元素と2種以上の母材金属元素とを含む、耐溶損性鋳物の製造方法であって、前記母材金属層を反応ガスを供給することなく加熱して前記母材金属層を直接酸化することにより、前記母材金属層の表面に前記母材金属元素の熱酸化物からなる被覆層を形成する工程を含み、前記母材金属層側の前記酸化物層内には、前記加熱工程により、前記母材金属層中の前記炭素元素と前記2種以上の母材金属元素とが反応して形成された複炭化物が含まれることを特徴とする、耐溶損性鋳物の製造方法が提供される。
まず、上記の組成を有する母材金属を所定の形状に鋳造した後、酸化物層20を形成する。
引き続き、母材金属を所定の降温速度で降温するが、降温速度は毎時30±10℃の範囲を維持する。
本発明の最大の特徴である第1領域22は、降温速度を前述の範囲内に維持することで初めて形成されるため、降温制御は厳に行う必要がある。
このような工程を経て、母材金属層10の表面に耐溶損性に優れた酸化物層20が形成される。
本実施形態の耐溶損性鋳物の製造方法における第2領域24および第1領域22の形成メカニズムの詳細は不明ではあるが、以下の通りであると推測できる。
本実施形態の耐溶損性鋳物は、ダイカストマシン、金属溶湯処理装置、金属溶解炉、金型鋳造法に用いられる金型等において、アルミニウムやマグネシウム等の金属溶湯と接触する部材(金属溶湯接触部材)に用いることができる。
ダイカストマシンとしては、ホットチャンバー型ダイカストマシンやコールドチャンバー型ダイカストマシンを挙げることができる。本実施形態の耐溶損性鋳物は、ホットチャンバー型ダイカストマシンにおける、グースネック、ポット、ノズル、スリーブ、プランジャ等の金属溶湯接触部材として用いることができる。また、本実施形態の耐溶損性鋳物は、コールドチャンバー型ダイカストマシンにおける、ラドル、インゴットケース、ストーク撹拌羽根、熱電対保護管、スキムドア等の金属溶湯接触部材として用いることができる。
本実施形態の耐溶損性鋳物は耐溶損性に極めて優れており、当該鋳物をアルミニウムやマグネシウム等の金属溶湯が接触する部材に用いることにより、当該部材を備える各種装置の製品信頼性が向上する。
また、本実施形態の金属溶湯接触部材は、耐溶損性に極めて優れた耐溶損性鋳物から構成されているので、高価なセラミックス製の部材(あるいはセラミックスを鋳包んだ部材)を用いる必要がなく、設備コストや製造コストを低減することができる。
(浸漬試験)
組成(wt%)が、C 0.50、Si 0.45、Mn 0.70、P 0.02、S 0.01、Cr 5.50、Mo 0.65、Co 0.85、V 0.20、W 0.60、Nb 0.05、Al 0.05、残部がFeおよび不可避的不純物元素からなる母材金属をφ20.1×100.5mmに鋳造した。
この母材金属を焼鈍炉内で900℃まで2時間掛けて昇温し、その温度で一時間保持してから降温速度30℃/時間で200℃まで炉冷し、炉から取り出して浸漬用テストピースを得た。
浸漬用テストピースを700℃に溶融したアルミニウムに102時間浸漬した。アルミニウムから引き上げた浸漬用テストピースの重量を測定したところ240gであり、残存率(浸漬後の重量÷浸漬前の重量×100)は100%であった。表面の様子も浸漬前と比べて特に変化はなく、溶損は全く認められなかった。図4(a)は、浸漬前の浸漬用テストピースを示し、図4(b)は、浸漬後の浸漬用テストピースを示す。
前述の母材金属をJIS−14A号試験片(標点距離50mm)に鋳造し、同様の熱処理を施した後に切削加工して機械強度用テストピースを得た。
機械強度用テストピース3個を引張試験機にかけて、引張試験を実施したところ引張強さの平均は250N/mm2であり、標準的なSDK61と略同じ引張強度を有していることを確認した。
前述の母材金属を100×150×12mmに鋳造し、同様の熱処理を施して熱衝撃用テストピースを得た。
熱衝撃用テストピースを、850〜1050℃に加熱→水冷を3回繰り返したところ、多少の歪みが認められたが表面状態に変化はなかった。このことから、実施例1の耐溶損性鋳物を、アルミニウム等の金属溶湯の接触部材として用いた場合においても、割れやひび等の劣化を生じないことが推測された。
市販のSKD61(すなわち、実施例1の組成のうちタングステンとコバルトを添加しない組成の母材金属)の圧延引き抜き材で、寸法がφ18.7×101mmの鋼材を浸漬用テストピースとして用意した。
この浸漬用テストピースは、加熱条件下において圧延されるため図5に示すように、母材金属層10の表面には第3領域26が形成されているが、繊毛状酸化物を有する第1領域は認められなかった。テストピースの重量は220gであった。
浸漬用テストピースを700℃に溶融したアルミニウムに102時間浸漬した。アルミニウムから引き上げた浸漬用テストピースは著しく溶損しており、重量を測定したところ140gであり、残存率は63.6%であった。図4(a)は、浸漬前の浸漬用テストピースを示し、図4(b)は、浸漬後の浸漬用テストピースを示す。
実施例1と同じ組成の母材金属を□20×300mmに鋳造した。この母材金属を焼鈍炉内で900℃まで2時間掛けて昇温し、その温度で一時間保持してから降温速度10℃/時間で200℃まで炉冷し、炉から取り出して浸漬用テストピースを得た。
この浸漬用テストピースは、図6に示すように、繊毛状酸化物は認められなかった。このことから、浸漬試験において、浸漬用テストピースが溶損することが推察された。
実施例1と同じ組成の母材金属を□20×300mmに鋳造した。この母材金属を焼鈍炉内で760℃まで2時間掛けて昇温し、その温度で一時間保持してから降温速度30℃/時間で200℃まで炉冷し、炉から取り出して浸漬用テストピースを得た。
実施例1と同じ組成の母材金属を□20×300mmに鋳造した。この母材金属を焼鈍炉内で1000℃まで2時間掛けて昇温し、その温度で一時間保持してから降温速度30℃/時間で200℃まで炉冷し、炉から取り出して浸漬用テストピースを得た。
比較例1の組成に対し、タングステン0.80wt%、コバルト0.85wt%を添加した組成の母材金属を□20×300mmに鋳造する。
この母材金属を実施例1と同じ条件で熱処理し浸漬用テストピースを得た。
この浸漬用テストピースは、図9に示すように、母材金属層10の表面に第2領域24が形成され、最表面に第3領域26が形成されていたが、母材金属層10と第2領域24の間に繊毛状酸化物を有する第1領域は認められなかった。このことから、浸漬試験において、浸漬用テストピースが溶損することが推察された。
比較例1の組成に対し、タングステン0.40wt%、コバルト0.85wt%を添加した組成の母材金属を□20×300mmに鋳造する。
この母材金属を実施例1と同じ条件で熱処理し浸漬用テストピースを得た。
この浸漬用テストピースは、図10に示すように、母材金属層10の表面に第2領域24が形成され、最表面に第3領域26が形成されていたが、母材金属層10と第2領域24の間に繊毛状酸化物を有する第1領域は認められなかった。このことから、浸漬試験において、浸漬用テストピースが溶損することが推察された。
比較例1の組成に対し、タングステン0.60wt%、コバルト1.00wt%を添加した組成の母材金属を□20×300mmに鋳造する。
この母材金属を実施例1と同じ条件で熱処理し浸漬用テストピースを得た。
この浸漬用テストピースは、図11に示すように、母材金属層10の表面に第2領域24が形成され、最表面に第3領域26が形成されていたが、母材金属層10と第2領域24の間に繊毛状酸化物を含む第1領域は認められなかった。このことから、浸漬試験において、浸漬用テストピースが溶損することが推察された。
比較例1の組成に対し、タングステン0.60wt%、コバルト0.60wt%を添加した組成の母材金属を□20×300mmに鋳造する。
この母材金属を実施例1と同じ条件で熱処理し浸漬用テストピースを得た。
この浸漬用テストピースは、図12に示すように、母材金属層10の表面に第2領域24が形成され、最表面に第3領域26が形成されていたが、母材金属層10と第2領域24の間に繊毛状酸化物を有する第1領域は認められなかった。このことから、浸漬試験において、浸漬用テストピースが溶損することが推察された。
10 母材金属層
12 フェライト領域(脱炭層;フェライトトリム)
14 パーライト領域
16 フェライト結晶粒界
20 酸化物層
22 第1領域
22a 繊毛状酸化物
24 第2領域
26 第3領域
28 複炭化物
Claims (6)
- 母材金属層と、該母材金属層表面に形成された酸化物層と、を備え、
前記酸化物層の一部が、該母材金属層の結晶粒界に繊毛状に伸長しており、
前記母材金属層は、炭素元素と2種以上の母材金属元素とを含み、
前記酸化物層は、前記母材金属層表面に形成された被覆層であり、前記被覆層は、前記母材金属元素の熱酸化物からなり、
前記母材金属層側の前記酸化物層内には、前記母材金属層中の前記炭素元素と前記2種以上の母材金属元素との反応生成物である複炭化物が含まれることを特徴とする耐溶損性鋳物。 - 請求項1に記載の耐溶損性鋳物において、
前記酸化物層は互いに組成の異なる複数の領域を含み、最も前記母材金属層側の前記領域よりも、最も表面側の前記領域において、前記複炭化物が少ない耐溶損性鋳物。 - 請求項1または2に記載の耐溶損性鋳物において、
前記母材金属層の組成(重量%)が、C 0.40〜0.70%、Si 0.35〜0.50%、Mn 0.50〜0.70%、P <0.03%、S <0.02%、Cr 4.50〜6.00%、Mo 0.50〜0.75%、Co 0.70〜0.90%、V 0.15〜0.30%、W 0.50〜0.70%、Nb <0.10%、Al <0.10%、残部がFeおよび不可避的不純物元素からなることを特徴とする耐溶損性鋳物。 - 請求項1から3のいずれか一項に記載の耐溶損性鋳物からなる金属溶湯接触部材。
- 母材金属層と、該母材金属層表面に形成された酸化物層と、を備え、
前記酸化物層の一部が、該母材金属層の結晶粒界に繊毛状に伸長しており、
前記母材金属層は、炭素元素と2種以上の母材金属元素とを含む、耐溶損性鋳物の製造方法であって、
前記母材金属層を反応ガスを供給することなく加熱して前記母材金属層を直接酸化することにより、前記母材金属層の表面に前記母材金属元素の熱酸化物からなる被覆層を形成する工程を含み、
前記母材金属層側の前記酸化物層内には、前記加熱工程により、前記母材金属層中の前記炭素元素と前記2種以上の母材金属元素とが反応して形成された複炭化物が含まれることを特徴とする、耐溶損性鋳物の製造方法。 - 前記母材金属層を直接酸化する工程が、前記母材金属層を炉内で所定の温度に昇温し当該温度を保持する第一工程の後、前記炉内で降温速度を制御しながら徐冷する第二工程を含むことを特徴とする、請求項5に記載の耐溶損性鋳物の製造方法。
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