JP6086444B2

JP6086444B2 - アルミニウムダイキャスト金型用合金組成物およびその製造方法

Info

Publication number: JP6086444B2
Application number: JP2013532462A
Authority: JP
Inventors: 千葉　晶彦; 晶彦千葉; 云平李; 寧唐
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2032-02-10
Also published as: WO2013035351A1; JPWO2013035351A1

Description

本発明は、アルミニウムの溶湯との反応性が低い、アルミダイキャスト製品の金型材料として好適な、アルミニウムダイキャスト金型用合金組成物およびその製造方法に関するものである。

従来、アルミニウムダイキャスト（以下、アルミダイキャストとも記す）の金型用の材料としては、高温引張強さに優れた、ＪＩＳＳＫＤ６１の様な特殊鋼が一般的に使用されている。しかしながら、従来の鉄を主成分とする金型材料は、アルミニウムの溶湯との反応性が高く、特にアルミニウムの溶湯との接触時間が長い、金型のスリーブ部において、鉄成分がアルミニウムの溶湯と反応し、金属間化合物となり、結果的に、金型材料がアルミニウムの溶湯に溶け出すという現象が発生し、短時間の使用で、金型が使用できなくなり、金型を頻繁に交換する必要があるという問題点があった。

金型の鉄成分がアルミニウムの溶湯に溶け出すのを防止する方法としては、金型のアルミニウムの溶湯の接触部にセラミックスを蒸着する方法があるが、セラミックスと金型との熱膨脹係数の違いから、セラミックス層が剥離してしまい、顕著な効果が得られていない。

また、金型の鉄成分がアルミニウムの溶湯に溶け出すのを防止する方法として、接触面にニッケル合金層を溶射で形成した後、ニッケル合金層に炭化チタンを真空高温雰囲気で埋め込む方法が提案されているが、製造プロセスが複雑で、高コストになるので実用的ではない（例えば、特許文献１参照）。

更に、金型の鉄成分がアルミニウムの溶湯に溶け出すのを防止する方法として、セラミックス製の内側管とそれに嵌合した鋼材製の外側管とから構成され、外側管の内側にニッケル合金層を形成したアルミニウム給湯管の提案もあるが、勘合部に高い寸法精度が要求され、高コストになるので実用的ではない（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−２６４３０６号公報特開２００７−１５２３７７号公報

そこで、本発明は、このような課題に着目してなされたもので、原材料費としては、鉄系合金よりやや高いが、金型寿命が長く、その結果、金型交換回数が少なくなるような、アルミニウム溶湯との反応性が低いＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金を使用して、その化学組成を最適化し、更に、表面処理でアルミニウム溶湯に溶けない組成物を表面に形成したアルミニウムダイキャスト金型用合金組成物およびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明によれば、６０〜７０重量％のＣｏと、２５〜３３重量％のＣｒと、４〜７重量％のＭｏと、１重量％未満のＮとを有し、残部が不可避的不純物から成る成分組成を有し、大気中で、温度７５０〜８００℃で、０．５〜２４時間保持することにより、表面に厚さが３００〜４００ｎｍの酸化物皮膜が形成されていることを特徴とするアルミニウムダイキャスト金型用合金組成物が得られる。

また、本発明によれば、ｆｃｃのγ相、ｈｃｐのε相、またはそれらの混晶相から成ることを特徴とするアルミニウムダイキャスト金型用合金組成物が得られる。

さらに、本発明によれば、本発明に係るアルミニウムダイキャスト金型用合金組成物の製造方法であって、６０〜７０重量％のＣｏと、２５〜３３重量％のＣｒと、４〜７重量％のＭｏと、１重量％未満のＮとを有し、残部が不可避的不純物から成る成分組成を有するＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金を、大気中で、温度７５０〜８００℃で、０．５〜２４時間保持することにより、その表面を酸化させることを特徴とするアルミニウムダイキャスト金型用合金組成物の製造方法が得られる。

本発明によれば、原材料費としては、鉄系合金よりやや高いが、金型寿命が長く、その結果、金型交換回数が少なくなるような、アルミニウム溶湯との反応性が低いＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金を使用して、その化学組成を最適化し、更に、表面処理でアルミニウム溶湯に溶けない組成物を表面に形成したアルミニウムダイキャスト金型用合金組成物およびその製造方法を提供することができる。また、アルミダイカスト用Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金は、従来の鉄系合金より耐熱疲労特性に優れているため、この合金を使用して製造されたアルミダイカスト用金型の耐食性を向上させることができる。アルミダイカスト用Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金は、アルミニウムダイキャスト金型の他に、亜鉛用、マグネシウム用ダイキャスト金型としても有効である。

本発明の実施の形態のアルミニウムダイキャスト金型用合金組成物の製造方法の、Ｃｏ−２９Ｃｒ−６Ｍｏ−０．１４Ｎ系合金を、大気中高温酸化処理する前後の表面のＸ線回折分析結果を示すグラフである。本発明の実施の形態のアルミニウムダイキャスト金型用合金組成物を示す、大気中酸化処理後の（ａ）表面、（ｂ）断面の顕微鏡写真である。本発明の実施の形態のアルミニウムダイキャスト金型用合金組成物を示す、異なる温度、時間での大気中酸化処理後の表面（Ｓｕｒｆａｃｅ）および断面（Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ）の顕微鏡写真である。本発明の実施の形態のアルミニウムダイキャスト金型用合金組成物を示す、異なる表面粗さでの大気中酸化処理後の表面の顕微鏡写真である。未熱処理、および、大気中酸化処理後の本発明の実施の形態のアルミニウムダイキャスト金型用合金組成物であるＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−０．１４Ｎ合金を、７２０℃のアルミニウムの溶湯に１時間浸漬した後の断面を示す顕微鏡写真である。図５に示す各合金を、７２０℃アルミニウムの溶湯に浸漬したときの、断面厚さの時間変化を示すグラフである。未処理Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−０．１４Ｎ合金を、７２０℃のアルミニウムの溶湯に１時間浸漬した後の断面を示す顕微鏡写真である。大気中酸化処理後の本発明の実施の形態のアルミニウムダイキャスト金型用合金組成物であるＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−０．１４Ｎ合金を、７２０℃のアルミニウムの溶湯に２時間浸漬した後の断面を示す顕微鏡写真である。

以下、この発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
上記従来技術と本発明の実施の形態との相違点として、従来技術では、ＪＩＳＳＫＤ６１の様な特殊鋼が使用され、金型がアルミニウムの溶湯に溶け出すのを防止する方法としては、溶湯との接触部にセラミックスを蒸着する方法や、ニッケル合金層を溶射形成する方法があるが、本発明の実施の形態では、アルミニウムの溶湯と反応容易な鉄を含有しないＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金を使用し、大気中高温酸化処理を実施し、試料表面で均一的な酸化皮膜を形成することにより、金型がアルミニウムの溶湯に溶け出すのを有効的に防止することができる。

図１は、本発明の実施の形態によるＣｏ−２９Ｃｒ−６Ｍｏ−０．１４Ｎ系合金を、大気中で、７５０℃、２４時間で高温酸化処理する前後のＸＲＤ（Ｘ線回折）分析結果である。図１に示すように、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−０．１４Ｎ系合金を相変態点（８５０℃）以下で酸化処理しながら、高温で安定なＦＣＣ結晶構造を持つγ相から、低温安定なＨＣＰ結晶構造のε相への相変態が起きている。表面形成した酸化物は、Ｃｒが主に含まれる（Ｃｒ．Ｍ）_２Ｏ_３酸化物である。ここで、Ｍは、合金に含まれた他の元素（Ｃｏ，Ｓｉ，Ｍｏなど）である。

図２は、本発明の実施の形態によるＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−０．１４Ｎ系合金（ＣＣＭａｌｌｏｙ）を、７５０℃、２４時間で大気中酸化処理した後の表面組織である。図２に示すように、表面における酸化物が、平均粒径１００〜５００ｎｍで、均一的に形成されていることが確認できる。酸化物皮膜には空孔が見られず、緻密である。７５０℃、２４時間で大気中酸化処理した後は、酸化物被膜（Ｏｘｉｄｅｌａｙｅｒ）の厚さが３００〜４００ｎｍレベルになっている。

図３は、本発明の実施の形態によるＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−０．１４Ｎ系合金を、それぞれ６００℃、２４時間（Ｔ６００−２４ｈ）および８００℃、２４時間（Ｔ８００−２４ｈ）で酸化処理を実施した後の表面組織である。図３に示すように、６００℃、２４時間で熱処理した酸化物皮膜（Ｏｘｉｄｅｌａｙｅｒ）は、８００℃、２４時間の結果と比べて、表面の欠陥（空孔）が多く、皮膜が薄く、酸化物の結晶粒径が細かくなっている。このことから、高温で酸化処理を実施して、酸化物皮膜の厚さが増加することにより、金型がアルミニウムの溶湯に溶け出すのを一層有効的に防止できると考えられる。

図４は、本発明の実施の形態による、試料表面に異なる粗さを持つＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−０．１４Ｎ合金を、それぞれ６００℃、２４時間（Ｔ６００−２４ｈ）および８００℃、２４時間（Ｔ８００−２４ｈ）で酸化処理した後の表面組織である。図４に示すように、試料の表面を適度に粗く研磨して酸化処理した試料の方が、酸化物皮膜が均一的に形成されるが、高温（８００℃）で酸化処理した後の試料では、この傾向がはっきり見られない。

図５は、未熱処理、および、本発明の実施の形態による７５０℃、２４時間酸化処理後のＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−０．１４Ｎ合金（厚さ２ｍｍ）を、７２０℃のアルミニウムの溶湯に１時間浸漬した後の断面組織である。また、図６は、それらの試料を７２０℃のアルミニウムの溶湯に浸漬したときの、試料の断面の厚さの時間変化を示している。図５および図６に示すように、未処理試料（Ｕｎｔｒｅａｔｅｄｓａｍｐｌｅｓ）では厚さ（Ｘ）が大きく減るが、酸化処理後の試料（Ｔｒｅａｔｅｄｓａｍｐｌｅｓ）では厚さの変化がなく、金型がアルミニウムの溶湯に溶け出すのを非常に有効的に防止できている。

図７は、未処理Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−０．１４Ｎ合金を、７２０℃のアルミニウムの溶湯に１時間浸漬した後の断面組織である。図７に示すように、試料の表面とアルミニウムの溶湯とが激しく反応し、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−０．１４Ｎ合金（ＣＣＭａｌｌｏｙ）とアルミニウムの溶湯（Ａｌ）との間にＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ａｌの金属化合物が形成され、アルミニウムの溶湯にＣｒ−ＭｏーＡｌ相が分散されている。そのＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ａｌの金属化合物の組成（ａｔ％）は約８３．５Ａｌ−１０．８６Ｃｏ−４．９４Ｃｒ−０．７１Ｍｏであり、分散されているＣｒ−Ｍｏ−Ａｌ相の組成は、７．１２Ｃｒ−２．２２Ｍｏ−８９．９７Ａｌである。

図８は、本発明の実施の形態による、７５０℃、２４時間で酸化処理したＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−０．１４Ｎ合金を、７２０℃のアルミニウムの溶湯に２時間浸漬した後のある断面の組織である。図８に示すように、試料（ＣＣＭａｌｌｏｙ）の表面とアルミニウムの溶湯（Ａｌ）との間の酸化物皮膜に破壊が起きると、合金とアルミニウムの溶湯との間に直接的な反応が起き、図７で述べた金属化合物が形成されて膨張が起き、錐体｛すいたい｝の形を持つ組織（ｃｏｎｅ−ｓｈａｐｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）が形成されている。

アルミダイキャストマシン（コールドチャンバマシン）を用いて、ＪＩＳアルミ合金（ＡＤＣ１０Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金）の自動車部品（キャブレタ）の製造を行い、溶湯射出装置のスリーブの寿命評価を行った。アルミ合金溶湯射出装置のスリーブ材を、開発合金（Ｃｏ−２９Ｃｒ−６Ｍｏ−０．０５Ｃ−０．０５Ｚｒ−０．１４Ｎ合金）で作製した。また、比較として、ＪＩＳＳＫＤ６１鋼を用いてアルミ合金溶湯射出装置のスリーブ材を試作した。アルミ合金の溶湯は７００℃であった。結果として、ＳＫＤ６１製のスリーブは、３５，０００ショットの使用で亀裂が生じたが、開発合金のスリーブは３８０，０００回のショットでも使用可能な状態であった。このことから、開発合金は、アルミダイキャスト用スルーブ材料として優れていることが判明した。

Claims

６０〜７０重量％のＣｏと、２５〜３３重量％のＣｒと、４〜７重量％のＭｏと、１重量％未満のＮとを有し、残部が不可避的不純物から成る成分組成を有し、大気中で、温度７５０〜８００℃で、０．５〜２４時間保持することにより、表面に厚さが３００〜４００ｎｍの酸化物皮膜が形成されていることを特徴とするアルミニウムダイキャスト金型用合金組成物。
ｆｃｃのγ相、ｈｃｐのε相、またはそれらの混晶相から成ることを特徴とする請求項１記載のアルミニウムダイキャスト金型用合金組成物。
請求項１または２記載のアルミニウムダイキャスト金型用合金組成物の製造方法であって、
６０〜７０重量％のＣｏと、２５〜３３重量％のＣｒと、４〜７重量％のＭｏと、１重量％未満のＮとを有し、残部が不可避的不純物から成る成分組成を有するＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金を、大気中で、温度７５０〜８００℃で、０．５〜２４時間保持することにより、その表面を酸化させることを特徴とするアルミニウムダイキャスト金型用合金組成物の製造方法。