JP6281672B2 - ダイカスト用スリーブ及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、アルミニウム合金等の非鉄金属の溶湯をダイカスト金型に射出するためのダイカスト用スリーブ、及び前記ダイカスト用スリーブを製造する方法に関する。
ダイカストマシンでは、スリーブに溶融金属（溶湯）を供給し、スリーブ内を摺動するプランジャーチップによりスリーブと連通する金型キャビティに溶湯を射出し、溶湯を冷却固化させてダイカスト品を製造する。このため、スリーブの内面には、溶湯により溶損が生じたり、プランジャーチップの摺動により摩耗が生じたりする。スリーブの内面が溶損や摩耗により損傷すると、スリーブとプランジャーチップとの間に溶湯が侵入、凝固してスリーブの摺動抵抗が増大し、射出速度が低下するため製品品質が低下する。スリーブとプランジャーチップとの摺動抵抗を低減したり焼付きを防止したりするために多量の潤滑剤を使用すると、溶湯へのガス巻込み等の不純物混入が起こり易くなり、製品品質の低下を招く。
スリーブ内面の溶損及び摩耗を低減するために、従来から高強度低熱膨張性金属の金属製外筒内に、セラミックス製内筒を焼嵌めにより装着した複合構造のダイカスト用スリーブが提案されている。例えば、特開平7-246449号（特許文献１）は、高強度低熱膨張性金属の金属製外筒内に、窒化珪素、サイアロン等のセラミックスで形成したセラミックス製内筒を焼嵌めしたダイカスト用スリーブであって、前記高強度低熱膨張性金属の室温から300℃までの平均熱膨張係数が1×10-6／℃〜5×10-6／℃であり、室温から600℃までの平均熱膨張係数が5×10-6／℃以上であるダイカスト用スリーブを開示している。さらにこのダイカスト用スリーブは、外筒の両端部に熱間工具鋼により形成された固定リングが設けられ、この固定リングを介して内筒が軸方向に押圧保持されている。特許文献１は、高強度低熱膨張性金属がこのような平均熱膨張係数を有することにより、焼嵌め作業が円滑容易にできるとともに、軸方向及び円周方向に外内筒のズレが発生せず十分な焼嵌め効果が確保できると記載している。
しかしながら、特許文献１のダイカスト用スリーブは、例えば、射出口側の先端に設けられた固定リングの冷却が十分に行われなかった場合、特に内圧のかかる射出口側の先端付近において、セラミックスが本来有する脆性のためセラミックス製内筒に局部的に割れ・欠け等の損傷が生じることがある。
特開2002-192320号（特許文献２）は、外筒の内面に内筒を嵌着したダイカスト用スリーブであって、溶融金属と接触する内筒を射出口側にある先端部材と該先端部材の後方にある後方部材とに分けて構成し、先端部材を金属材料、後方部材をセラミックス材料で形成したダイカスト用スリーブを開示している。特許文献２は、前記金属材料についての詳細は記載していないが、唯一の実施例として、前記外筒として熱間金型用鋼SKD61、前記先端部材の金属材料として70体積%のFe-Ni系合金の基地中に30体積%の窒化珪素セラミックス粒子を分散させた複合材料、前記後方部材としてサイアロンセラミックスを使用し、外筒内に先端部材及び後方部材を焼嵌めにより組み立てたダイカスト用スリーブを記載しており、このようなダイカスト用スリーブにより、先端付近における局部的損傷の問題を解消し、耐用寿命を延ばすことができ、メンテナンス工数を低減できると記載している。
しかしながら、特許文献２の実施例に記載されたダイカスト用スリーブは、先端部材としてFe-Ni合金中に低熱膨張である窒化珪素セラミックス粒子を分散させた材料を使用しているため、その熱膨張係数は、外筒（熱間金型用鋼SKD61）より小さく、後方部材（サイアロンセラミックス）より大きくなり、稼働時の温度上昇により内筒の先端部材及び後方部材の焼嵌めがゆるみ、両者間に隙間や段差が形成される場合がある。この隙間や段差にアルミニウム溶湯が残留して凝固すると、射出時にプランジャーチップが引っかかってプランジャーチップや内筒が損傷するといった問題が発生する。特に、後方部材はセラミックスで形成されているため、先端部材との境界で割れ・欠け等の損傷が生じることがある。
さらに、特許文献２は、先端部材と後方部材との境界がアルミニウム溶湯の供給口より前方にあるのが好ましいと記載している。例えば、実施例及び図１に記載のダイカスト用スリーブは、アルミニウム溶湯の供給口に近い部分まで金属製の先端部材で構成されている。金属製の先端部材は、セラミックス材料からなる後方部材よりも熱伝導が良好で、アルミニウム溶湯の保温性が低いため、稼働時の温度が相対的に低い供給口に近い部分にまでこの先端部材で構成されていると、先端部材の後端側（供給口に近い部分）内表面でアルミニウム溶湯が冷えて凝固片が生じやすくなる。この凝固片がダイカスト製品に混入すると、製品に破断チル層が形成され製品不良が発生するという問題が発生する。なお破断チル層とはダイカストマシンのスリーブ内で凝固した凝固片が製品に混入したものである。金属製先端部材の後端側はダイカスト鋳造中であってもその表面温度が相対的に低いため、製品に破断チル層が形成されやすい。
特開平7-246449号公報 特開2002-192320号公報
従って、本発明の目的は、金属製の外筒にセラミックス製の内筒を焼嵌めしたダイカスト用スリーブにおいて、セラミックス製内筒の破損の問題を解消するとともに、破断チル層の形成を低減し、さらにプランジャーチップの損傷を防止することのできるダイカスト用スリーブを提供することである。
本発明のもう一つの目的は、外筒に、熱膨張係数の互いに異なる先端部材と後方部材とからなる内筒を焼嵌めしてダイカスト用スリーブを製造する方法において、先端部材と後方部材とが密着し、使用時に隙間が形成されないような方法を提供することである。
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、低熱膨張性金属材料からなる外筒と、前記外筒の内面に焼嵌めされた内筒とからなるダイカスト用スリーブにおいて、内筒を低熱膨張性金属材料からなる先端部材と、セラミックスからなる後方部材とから構成し、前記先端部材を最適な長さに調整することにより、セラミックスの破損を防止し、かつ破断チル層の形成が防止されたダイカスト用スリーブが得られ、さらにプランジャーチップの損傷を防止することのできることを見出し、本発明に想到した。
さらに本発明者らは、前記外筒に前記内筒を焼嵌めする工程において、前記後方部材を外筒に焼嵌めて冷却した後に、前記先端部材を前記外筒の先端部に焼嵌めすることにより、先端部材と後方部材とがより密着し、使用時に隙間が生じないことを見出し、本発明に想到した。
すなわち、本発明のダイカスト用スリーブは、
低熱膨張性金属材料からなる外筒と、前記外筒の内面に焼嵌めされた内筒とからなり、
前記外筒の外周面には、ダイカストマシンの固定型にダイカスト用スリーブを固定するためのフランジ部が設けられており、
前記内筒は、射出口側に配置された低熱膨張性金属材料からなる先端部材と、前記先端部材の後端側端面に密着して配置された窒化珪素質セラミックスからなる後方部材とから構成され、
前記外筒は、20〜200℃の平均熱膨張係数αAが1〜5×10-6/℃であり、
前記先端部材は、20〜200℃の平均熱膨張係数αBが1〜5×10-6/℃であり、
αAとαBとの差が-1×10-6/℃以上及び1×10-6/℃以下であり、
前記先端部材の軸方向長さをL1(mm)、前記先端部材の内径をDin(mm)、及び前記外筒の先端から前記フランジ部の後端までの距離をL2(mm)としたとき、
1/3×Din≦L1≦L2+20
を満たすことを特徴とする。
L1(mm)、Din(mm)及びL2(mm)は、
1/2×Din≦L1≦L2
を満たすのが好ましい。
前記外筒を形成する低熱膨張性金属材料は、29〜35質量%のNi、12〜23質量%のCo、0.5〜1.5質量%のAl及び0.8〜3質量%のTiを含有するFe-Ni-Co-Al-Ti基合金からなり、
前記先端部材を形成する低熱膨張性金属材料は、29〜35質量%のNi、12〜23質量%のCo、0.5〜1.5質量%のAl及び0.8〜3質量%のTiを含有するFe-Ni-Co-Al-Ti基合金からなるのが好ましい。
前記先端部材は、少なくとも先端側端面及び内周面に厚さ0.5〜5 mmの耐食層を有し、
前記耐食層は、0.2〜0.7質量%のC、1〜7質量%のCr及び1〜20質量%のNiを含有するFe-C-Ni-Cr基合金からなり、
前記耐食層の表面から深さ0.5 mmまでの表層部が0.2〜0.7質量%のC含有量、2〜7質量%のCr含有量及び１〜12質量%のNi含有量を有するのが好ましい。
前記耐食層は、さらに0.5〜3質量%のMo、0.3〜1.5質量%のV、8質量%以下のCo、0.5質量%以下のAl、1.5質量%以下のTi、0.5質量%以下のSi及び1.0質量%以下のMnを含有してもよい。
前記耐食層は表面に厚さ150〜500μmの窒化層を有するのが好ましい。
前記先端部材は外周面の後端に径小部を有しているのが好ましい。
前記径小部はテーパ状であるのが好ましい。
ダイカスト用スリーブを製造する本発明の方法は、
前記外筒に前記内筒を焼嵌めする工程を有し、
前記焼嵌めは、前記後方部材を外筒に焼嵌めて冷却した後に、前記先端部材を前記外筒の先端部に焼嵌めすることを特徴とする。
ダイカスト用スリーブを製造する本発明のもう一つの方法は、
前記先端部材の少なくとも先端側端面及び内周面に前記耐食層を形成する工程、及び前記外筒に前記内筒を焼嵌めする工程を有し、
前記焼嵌めは、前記後方部材を外筒に焼嵌めて冷却した後に、前記先端部材を前記外筒の先端部に焼嵌めすることを特徴とする。
前記前記耐食層の形成は肉盛溶接で行うのが好ましい。
前記先端部材の焼嵌めは、前記先端部材が挿入される部分の外筒の外面を加熱し、前記先端部材を後方部材に密着するように挿入後、前記先端部材が挿入される部分の外筒の先端側を先に冷却し、前記先端部材が挿入される部分の外筒の後方側を後から冷却することによって行うのが好ましい。
本発明のダイカスト用スリーブは、先端部材と後方部材とがより密着し、使用時に隙間が形成されにくいため、セラミックスからなる後方部材が破損するといった問題が発生しにくく、かつ破断チル層の形成が防止されており、耐久性に優れ、かつ製品不良の発生が少ない。さらに、プランジャーチップの損傷を防止できる。
本発明のダイカスト用スリーブの一例を示す模式断面図である。 図1(a)のダイカスト用スリーブの先端部を拡大して示す模式断面図である。 図1(b)のダイカスト用スリーブの先端部材の表面部分を拡大して示す模式断面図である。 本発明のダイカスト用スリーブが用いられるダイカストマシンの要部を示す模式断面図である。 本発明のダイカスト用スリーブの一例を示す部分断面図である。 本発明のダイカスト用スリーブにおいて、先端部材と後方部材との継合部の一例を示す断面図である。 本発明のダイカスト用スリーブにおいて、先端部材と後方部材との継合部の他の一例を示す断面図である。 本発明の製造方法において、先端部材の焼嵌め時に加熱する外筒の部分Aを示すためのダイカスト用スリーブの部分断面図である。
本発明の実施形態を、添付図面を参照して以下詳細に説明するが、本発明は勿論それらに限定されるものではない。各実施形態に関する説明は、特に断りがなければ他の実施形態にも適用できる。
[1] ダイカスト用スリーブ
(1) 構成
図1(a)、図1(b)及び図1(c)はダイカスト用スリーブ1の実施形態を示す。ダイカスト用スリーブは、低熱膨張性金属材料からなる外筒2と、前記外筒2内に焼嵌めされた内筒3とを備え、前記外筒2の外周面には、ダイカストマシンの固定型にダイカスト用スリーブ1を固定するためのフランジ部21が設けられており、前記内筒3は、射出口側に配置された先端部材4と、前記先端部材4の後方に密着して配置された後方部材5とから構成され、前記先端部材4は低熱膨張性金属材料からなり、前記後方部材5は窒化珪素質セラミックスからなる。外筒2及び先端部材4は、引張強さが580 MPa以上である高強度低熱膨張性金属からなるのが好ましく、これらは同じ材料からなるのが好ましい。なお本発明において、先端側とは射出口側のことであり、後端側又は後方側とは射出口側とは軸方向の反対側のことである。
図2は本発明のダイカスト用スリーブ1が用いられるダイカストマシン100の要部を示す。ダイカストマシン100は、固定型101及び可動型102からなるキャビティ（図示せず）にダイカスト用スリーブ1を取り付け、ダイカスト用スリーブ1に充填したアルミニウム等の溶湯をプランジャーチップ106によって前記キャビティに射出することにより鋳造を行う装置である。固定型101及び可動型102は、それぞれ固定盤103及び可動盤104に保持されており、可動型102は鋳造した成形品を取り出すため可動盤104とともに移動させることができる。ダイカスト用スリーブ1は、外筒2に設けられたフランジ部21によって固定型101に固定され、フランジ部21から先端側が固定型101内に挿入される。ダイカスト用スリーブ1の先端にはキャビティに連通するようにショートリング105が装着され、後端側には溶湯を射出するためのプランジャーチップ106が挿入される。
外筒2は後端側に開口部22を有し、後方部材5は外筒2の開口部と整合する位置に開口部51を有する。連通する開口部22及び開口部51によって、溶湯をダイカスト用スリーブ1内へ供給するための供給口7を構成する。外筒2の寸法は、例えば内径90〜250 mm、外径150〜350 mm、軸方向の全長600〜1300 mmとすることができる。外筒2の後端面には後端リング部材6がボルト61により固定されている。
内筒の先端側（先端部材4）を低熱膨張性金属で形成することにより、セラミックス製後方部材が射出口側の先端に露出しなくなりセラミックス製の内筒の損傷を防ぐことができる。
内筒3の後方側（後方部材5）は窒化珪素質セラミックスにより形成されているため、アルミニウム合金等の非鉄金属の溶湯に対する耐食性、耐摩耗性に優れており、スリーブ内面の溶損及び摩耗を低減できるとともに、保温効果が大きく、その内表面で凝固片が発生しにくく、破断チル層の形成が防止される。なお窒化珪素質セラミックスは、窒化珪素粒子又は窒化珪素粒子中にAl及びOを一部固溶したサイアロン粒子と希土類元素を含む粒界相とからなる焼結体のことを言う。すなわち、窒化珪素質セラミックスは、窒化珪素セラミックス及びサイアロンセラミックスを含む。
(2)熱膨張係数
外筒2は、低熱膨張性金属からなり、20〜200℃の平均熱膨張係数αAが1〜5×10-6/℃である。外筒2の20〜600℃の平均熱膨張係数は5〜10.5×10-6/℃であるのが好ましい。
内筒3の先端部材4は、低熱膨張性金属からなり、20〜200℃の平均熱膨張係数αBが1〜5×10-6/℃である。先端部材4の20〜600℃の平均熱膨張係数は5〜10.5×10-6/℃であるのが好ましい。内筒3の後方部材5は、窒化珪素質セラミックスからなり、例えば、20〜200℃までの平均熱膨張係数及び20〜600℃までの平均熱膨張係数が4×10-6／℃以下であるのが好ましく、1×10-6／℃〜4×10-6／℃であるのがより好ましい。
外筒の20〜200℃の平均熱膨張係数αAと先端部材の20〜200℃の平均熱膨張係数αBとの差は-1×10-6/℃以上及び1×10-6/℃以下である。先端部材の20〜200℃の平均熱膨張係数αBを1〜5×10-6/℃とし、αAとαBとの差を±1×10-6/℃以内とすることにより、稼働時の温度上昇により内筒の先端部材4の焼嵌めにゆるみが発生しなくなる。
また、窒化珪素質セラミックスからなる内筒3の後方部材5の20〜200℃の平均熱膨張係数αCと外筒2の20〜200℃の平均熱膨張係数αAとの差、及び後方部材5の20〜200℃の平均熱膨張係数αCと先端部材4の20〜200℃の平均熱膨張係数αBとの差は-1×10-6/℃以上及び1×10-6/℃以下が好ましい。先端部材4及び外筒2を低熱膨張性金属で構成することにより、使用温度域（約200℃：通常、先端部材4の外周は水冷機構が装備される）において、窒化珪素質セラミックスからなる後方部材5の20〜200℃の平均熱膨張係数αCと外筒2の20〜200℃の平均熱膨張係数αAとの差、及び後方部材5の20〜200℃の平均熱膨張係数αCと先端部材4の20〜200℃の平均熱膨張係数αBとの差を±1×10-6/℃以内とすることにより、内筒3（低熱膨張性金属製の先端部材4及びセラミックス製の後方部材5）と外筒2とが緩むことがなく、強固に装着され、ダイカスト鋳造中に先端部材4と後方部材5との間に軸方向の隙間及び／又は径方向の段差が生じにくくなり、前記隙間や段差の部分でアルミニウムが固化して、プランジャーチップが引っかかって抵抗が増し、先端部材4と後方部材5との境界でセラミックス製の後方部材5が破損するという問題を防ぐことができる。
20〜200℃の平均熱膨張係数を1×10-6/℃未満となるような金属組成で低熱膨張性金属を構成した場合、低熱膨張性金属の強度及び耐久性が低下し、580 MPa以上の高強度及びダイカスト鋳造の繰り返し負荷に耐えうる優れた耐久性を有することが難しくなる。このような低熱膨張性金属で外筒2を形成した場合、焼嵌めの際に外筒2に過大な引張応力が発生して破損のリスクが生じる。20〜200℃の平均熱膨張係数が5×10-6/℃超の場合は内筒3と外筒2とが緩み、ダイカスト鋳造中に後方部材5の早期割損や先端部材4と後方部材5との間に隙間が生じる。
20〜200℃の平均熱膨張係数を1×10-6/℃未満となるような低熱膨張性金属で先端部材4を形成した場合、580 MPa以上の高強度及びダイカスト鋳造の繰り返し負荷に耐えうる優れた耐久性を有することが難しくなる。20〜200℃の平均熱膨張係数が5×10-6/℃超の場合は、セラミックス製の後方部材5との平均熱膨張係数の差が大きくなるため、ダイカスト鋳造中にセラミックス製の後方部材5の内径と先端部材4の内径の差（段差）が大きくなりプランジャーチップの摺動抵抗が大きくなる。
低熱膨張性金属材料からなる外筒2の20〜600℃の平均熱膨張係数は5〜10.5×10-6/℃であるのが好ましい。低熱膨張性金属の外筒2は、20℃（室温）から600℃までの熱膨張が大きいため、焼嵌め時の加熱温度550〜600℃において、外筒2とセラミックス製内筒（後方部材5）の焼嵌め作業を円滑容易にできる。
低熱膨張性金属からなる外筒2の20〜600℃の平均熱膨張係数が5×10-6/℃未満の場合は、内筒3との焼嵌め作業が円滑容易にできなくなる。
低熱膨張性金属材料からなる外筒及び先端部材の平均熱膨張係数（平均線膨張係数又は平均線膨張率に相当）は、JIS Z 2285-2003「金属材料の線膨張係数の測定方法」に基づいて測定する。セラミックス製内筒の平均熱膨張係数は、JIS R 1618-2002「ファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張の測定」に基づいて測定する。平均熱膨張係数の測定装置としては示差膨張式熱機械分析装置を用いる。
(3)材料構成
(a)外筒
外筒を構成する低熱膨張性金属材料は、29〜35質量%のNi、12〜23質量%のCo、0.5〜1.5質量%のAl及び0.8〜3質量%のTi、残部Fe及び不可避不純物を含有するFe-Ni-Co-Al-Ti基合金であるのが好ましい。このような材料を用いることにより、外筒の強度を高めることもできる。より好ましくは、30〜35質量%のNi、12〜17質量%のCo、0.5〜1.5質量%のAl及び1.5〜3質量%のTi、残部Fe及び不可避不純物を含有するFe-Ni-Co-Al-Ti基合金である。Al及びTiは析出強化元素であり、強度（例えば引張強さ）の向上に寄与する。Al及びTiの他に析出強化元素としてはNbを用いることができる。Al及びTiの含有に併せて、Nbを含有してもよい。Nbは2〜5質量％が好ましい。
外筒をFe-Ni-Co-Al-Ti基合金で構成して熱処理を行うことによって、外筒は高強度になる。熱処理としては、例えば、固溶化処理（900〜1000℃）と、それについで行う時効処理（580〜750℃）との組み合わせが挙げられる。例えば、外筒の300℃及び400℃における引張強さは500 MPa以上であるのが好ましい。このような高温強度を有することにより、ダイカスト用スリーブ1内に注入された溶湯を射出する際の内部応力に対してセラミックス製後方部材を十分に保護することができる。また、外筒は室温で、15％以上（特に20％以上）の伸び、20 W/ｍ・K以下の熱伝導率、及び130 GPa以上のヤング率を有するのが好ましい。
(b)内筒の先端部材
内筒3の先端部材4を構成する低熱膨張性金属材料は、外筒を構成する低熱膨張性金属材料と同じ材料、すなわち29〜35質量%のNi、12〜23質量%のCo、0.5〜1.5質量%のAl及び0.8〜3質量%のTi、残部Fe及び不可避不純物を含有するFe-Ni-Co-Al-Ti基合金（不可避不純物を含む。）であるのが好ましい。より好ましくは、30〜35質量%のNi、12〜17質量%のCo、0.5〜1.5質量%のAl及び1.5〜3質量%のTi、残部Fe及び不可避不純物を含有するFe-Ni-Co-Al-Ti基合金である。
内筒3の先端部材4は、少なくとも先端側端面4a及び内周面4bに耐食層41を有するのが好ましい。前記耐食層41は、0.2〜0.7質量%のC、1〜7質量%のCr及び1〜20質量%のNi、残部Fe及び不可避不純物を含有するFe-C-Ni-Cr基合金からなるのが好ましい。耐食層41を構成するFe-C-Ni-Cr基合金は炭化物が微細に分散しているため耐摩耗性が高く、かつ合金中に分散した炭化物が非鉄溶融金属と反応し難いため耐溶損性に優れている。このFe-C-Ni-Cr基合金は、さらに0.5〜3質量%のMo、0.3〜1.5質量%のV、8質量%以下のCo、0.5質量%以下のAl、1.5質量%以下のTi、0.5質量%以下のSi及び1.0質量%以下のMnを含有してもよく、さらに0.04質量%以下のP及び0.03質量%以下のSを含有してもよい。Fe-C-Ni-Cr基合金は、さらに0.1〜4質量%のWを含有しても良い。なお耐食層41には、後述するように、先端部材4の金属成分（低熱膨張性金属材料）が拡散してきているためその金属組成は厚さ方向に均一ではない。従って、ここで言う耐食層41の金属組成は耐食層41全体の組成である。
耐食層41の形成は、先端部材4の材料と耐食層41の材料とが相互に拡散するような方法での接合、すなわち冶金的な接合によるのが好ましい。耐食層41の厚さは、0.5〜5 mmであるのが好ましく、2〜3 mmであるのがより好ましい。0.5 mm未満であると耐食効果が十分に得られない場合がある。前記耐食層41は先端部材4よりも大きな熱膨張係数を有した材料からなるため、5 mm超であると先端部材4全体の熱膨張係数が高まり、窒化珪素質セラミックスからなる後方部材5との熱膨張係数差が大きくなり、その結果、後方部材5の焼嵌め強度が使用時に低下する場合がある。本発明のダイカスト用スリーブでは、アルミニウム合金などの非鉄金属溶湯は、先端部材4の先端側端面及び内周面、後方部材5の内周面に直接触れることになるため、先端部材4では少なくとも先端側端面4a及び内周面4bに耐食層41が形成されていればよいが、後方側端面、外周面に耐食層が形成されていても構わない。
前記耐食層41の表面から深さ0.5 mmまでの部分、すなわち耐食層41の表層部41s（図1(c)を参照）は、C含有量が0.2〜0.7質量%、Cr含有量が2〜7質量%及びNi含有量が１〜12質量%であるのが好ましい。耐食層41は、先端部材4の材料と耐食層41の材料とが相互に拡散するような方法で接合されるので、先端部材4と耐食層41との接合部付近では、耐食層41に先端部材4の金属成分が多く拡散しているとともに、耐食層41の金属成分は先端部材4に多く拡散しているが、前記接合部から最も離れた耐食層41の表層部41sでは先端部材4から拡散した金属成分が少なくなっている。表層部41sのC含有量、Cr含有量及びNi含有量が前記の範囲にあることにより、耐食層41の表面の耐食性及び耐摩耗性がより優れたものになる。
表層部41sのC含有量が0.2質量％未満の場合は、耐食性が低下し、早期溶損により先端部材の寿命が短くなり、0.7質量％を超えると靱性が低下しクラックや剥離が生じ易くなる。表層部41sのCr含有量が2質量％未満の場合は、耐食性が低下し、早期溶損により先端部材の寿命が短くなり、7質量％を超えると靱性が低下しクラックや剥離が生じ易くなる。表層部41sのNi含有量が1質量％未満の場合は、熱衝撃性が低下しヒートクラックが生じ易くなり、12質量％を超えると耐食性が低下することによる早期溶損や耐摩耗性が低下し早期摩耗が生じ易くなり、先端部材の寿命が短くなりさらに機械加工性も低下することから製造コストの増加にも繋がる。表層部41sのC含有量、Cr含有量及びNi含有量のより好ましい範囲は、それぞれ0.3〜0.5質量%、3〜5質量%及び2〜8質量%である。
耐食層41は、その表面に厚さ150〜500μmの窒化層（図示せず。）を有するのが好ましい。Fe-C-Ni-Cr基合金からなる耐食層41は、窒素との親和力が強いCrを含有しているため、合金への窒素の拡散を容易にし、窒化物を多量に含んだ窒化層を形成しやすい。窒化層は最表面に形成される鉄窒化物により溶融金属と反応が起こり難くなる。以上の理由から、耐溶損性に優れたFe-C-Ni-Cr基合金からなる耐食層、及び非鉄溶融金属に接触する最表面部分に形成された窒化層を有する構造とすることにより、非鉄溶融金属との反応に起因する溶損を抑えることができる。また、たとえ窒化層の一部が使用中に消滅した場合にも、Fe-C-Ni-Cr基合金の耐食層の耐溶損性により溶融金属の侵入に基づく溶損が起こり難く、溶損が急速に進行することを抑えることができる。窒化層は、耐食層41の表面に、侵硫窒化、塩浴軟窒化、ガス窒化、ガス軟窒化、プラズマ窒化等の窒化処理により形成することができる。中でも侵硫窒化は、Sを含有するため潤滑性が改善され、プランジャーチップとの摺動抵抗を低減する効果が得られる場合があるため好ましい。
(c)内筒の後方部材
内筒の後方部材は窒化珪素質セラミックスからなる。窒化珪素質セラミックスは、前述したように、窒化珪素粒子又は窒化珪素粒子中にAl及びOを一部固溶したサイアロン粒子と希土類元素を含む粒界相とからなる焼結体のことを言い、窒化珪素セラミックス及びサイアロンセラミックスを含む。窒化珪素質セラミックスは、20〜200℃の平均熱膨張係数が1〜4×10-6／℃であり、稼働時の変形が小さいため、気密性が上がるので、金属溶湯の差し込みを防ぎ、かじりの発生を防止する。さらにこれらのセラミックスは、アルミニウム合金等の非鉄金属の溶湯に対する耐食性、耐摩耗性に優れており、射出スリーブ内面の溶損及び摩耗を低減できる。
(4)先端部材及び後方部材の構成
前記先端部材4の軸方向長さL1(mm)、前記先端部材4の内径Din(mm)、及び前記外筒2の先端から前記フランジ部21の後端21aまでの距離L2(mm)は、式：1/3×Din≦L1≦L2+20を満たす（図3を参照）。先端部材4の軸方向長さL1が1/3×Din未満であると、外筒2による先端部材4への焼嵌め力が低下し、使用中に先端部材4が軸方向に移動して先端部材4と後方部材5との間に隙間が生じたり、セラミックス製後方部材5の先端（射出口側）付近が損傷したりする。また、先端部材4の軸方向長さL1が1/3×Din未満であると、ダイカストマシンに本発明のダイカスト用スリーブを組み付ける時、ショートリング105からの機械的衝撃が先端部材4と後方部材5との接合面31に伝わり、後方部材5の内面端部に破損が生じる可能性もある。先端部材4の軸方向長さL1が(L2+20)mm超であると、先端部材4の後端側が固定型101より後方側（供給口側）に位置するため、先端部材4の後端側内表面の温度が上昇しにくい。このため、先端部材4の後端側内表面で凝固片が生じやすくなり、この凝固片がダイカスト製品に混入して、製品に破断チル層が形成され製品不良が発生する可能性がある。
図2に示すように、フランジ部21は固定型101の内部に位置するため、先端部材4の軸方向長さL1が(L2+20)mm以下であると、先端部材4がほぼ全て固定型101及び固定盤103の内部に位置するようになる。固定型101の内部及び固定盤103の固定型101に近い部分は稼働時に相対的に温度が高くなるため、先端部材4の軸方向長さL1が(L2+20)mm以下であると、先端部材4の後端側内表面の温度が高くなり、製品に破断チル層が形成されることを防ぐことができる。先端部材4の長さL1の下限は1/2×Dinであるのが好ましく、2/3×Dinであるのがより好ましい。先端部材4の長さL1の上限はL2(mm)であるのが好ましく、(L2-20)(mm)であるのがより好ましい。
先端部材は外周面の後端に径小部を有しているのが好ましい。径小部は、図4(a)に示すように、先端部材の後端側の外周面にテーパ8aを設けて形成しても良いし、図4(b)に示すように、先端部材の後端側の外周面に段差8bを設けて形成しても良い。前記径小部の軸方向長さは、先端部材の軸方向長さの2〜20%であるのが好ましく、径小部の最小径dと前記先端部材の外径Dとの比d/Dは、0.98≦d/D＜1であるのが好ましい。このように先端部材が、その外周面の後端に径小部を有していることにより、ダイカスト鋳造中に先端部材が膨張した場合であっても、径小部に対向する外筒との間に空間があるため、この部分の外筒に内圧がかからず、窒化珪素質セラミックス製後方部材の先端側の焼嵌めが緩むのを防ぐことができ、セラミックス先端側の割れを防止することができる。
後方部材は、その先端側内面に面取り部9を有するのが好ましい。前記面取り部9は、軸方向長さ1〜4 mmで内面となす角が5〜50°の角度で形成するのが好ましい。このように後方部材の先端側内面に面取り部を有することにより、セラミックス製後方部材の先端側角部の割れを防止することができる。前記面取り部9は、長さ1〜2 mmで20〜30°の角度で形成するのがより好ましい。
なお、本発明のダイカスト用スリーブは、外筒2及び内筒3（先端部材4及び後方部材5）からなり、これらを構成する部材を適切に選択することにより、稼働時に、先端部材のゆるみや、先端部材4と後方部材5との間に隙間や段差が生じることを防いでいるが、外筒内に水冷流路を設けて水冷することにより、焼嵌めにゆるみの発生や、先端部材4と後方部材5との間の隙間や段差の発生をより確実に防ぐことができる。特に、先端部材4は固定型内に位置するため、先端部材4の外周側の外筒内に水冷流路を設けて、例えば1〜30 L/minの流量で適度に水冷するとその効果は大きい。
[2] ダイカスト用スリーブの製造方法
本発明のダイカスト用スリーブを製造する方法は、低熱膨張性金属材料からなる外筒に低熱膨張性金属材料からなる先端部材と窒化珪素質セラミックスからなる後方部材とからなる内筒を焼嵌めする工程を有し、前記焼嵌めは、前記後方部材を前記外筒に焼嵌めて冷却した後に、前記先端部材を前記外筒の先端部に焼嵌めすることを特徴とする。
本発明のダイカスト用スリーブにおいて、少なくとも先端側端面及び内周面に形成された耐食層とからなる先端部材は、前記先端部材の少なくとも先端側端面及び内周面に前記耐食層を接合することによって形成する。
(a)耐食層を形成する工程
耐食層41は、低熱膨張性金属材料からなる先端部材4の少なくとも先端側端面4a及び内周面4bに例えばSKD61のような合金工具鋼等の合金を肉盛溶接することによって形成する。このとき先端部材4の材料と耐食層41の材料とが相互に拡散するような方法で接合、すなわち冶金的に接合されるのが好ましい。先端部材4の材料と耐食層41の材料とが相互に拡散することにより、先端部材4と耐食層41とを高い密着度で接合することができる。このような接合方法として、肉盛溶接、溶射等が挙げられる。特に肉盛溶接は、溶射に比べて厚い層が形成でき、先端部材4と肉盛層とが冶金的接合するため、耐溶損性の高い耐食層41が形成されるので好ましい。
耐食層を肉盛溶接で形成する場合、１回で所望の厚さに肉盛溶接してもよいが、２回以上に分けて肉盛溶接するのが好ましい。２回に分けて肉盛溶接を行う場合、例えば、１回目は所望の厚さの半分の厚さに肉盛溶接し、２回目に所望の厚さになるように残りの厚さ分を肉盛溶接することによって耐食層を形成する。具体的には、１回目の肉盛溶接では1.5〜2.5 mmの耐食層を形成し、２回目の肉盛溶接では1.5〜2.5 mmの耐食層を形成するのが好ましい。１回目の肉盛溶接の後、表面を0.1〜0.5 mm程度加工除去した後に、２回目の肉盛溶接を行っても良い。２回目の肉盛溶接後、所望の先端部材の内径になるよう表面を加工する。このように２回以上に分けて肉盛溶接を行うことにより、１回目の肉盛溶接において先端部材に含まれる金属組成が耐食層に拡散した場合でも、２回目の肉盛溶接において耐食層に拡散する先端部材の金属組成成分を低減することができ、耐食層の最表面の耐溶損性を確保することができる。
耐食層の形成後、その表面に窒化層を形成する工程を有しても良い。窒化層は、耐食層の表面に、侵硫窒化、塩浴軟窒化、ガス窒化、ガス軟窒化、プラズマ窒化等の窒化処理により形成することができる。中でも侵硫窒化は、Sを含有するため潤滑性が改善され、プランジャーチップとの摺動抵抗を低減する効果もあるため好ましい。
(b)焼嵌め工程
焼嵌めは、後方部材を外筒に焼嵌めて冷却した後に、先端部材を外筒の先端部に焼嵌めすることによって行うのが好ましい。先端部材の焼嵌めは、図5に示すように、先端部材（図示せず）が挿入される部分Aの外筒2外面を加熱し、先端部材を後方部材5に密着するように挿入後、部分Aの先端側を先に冷却し、部分Aの後端側を後から冷却することによって行うのが好ましい。このように、部分Aの先端側を先に冷却し、部分Aの後端側を後から冷却することにより、先端部材の先端側が先に嵌着され、後端側が遅れて嵌着されるので、セラミックスからなる後方部材と先端部材との端面突合せ部において、軸方向圧縮応力が付与され、後方部材と先端部材との密着度を高めることができる。このように先端部材が挿入される部分（部分A）の先端側と後端側との冷却タイミングをずらすには、例えば、先端部材が挿入される部分の外筒外面をバンドヒーターで加熱し、先端部材を挿入後、バンドヒーターの電源を遮断し、先端部材の半長分だけバンドヒーターを後端側に移動させることによって行う。
後方部材（セラミックス製内筒）の外筒への焼嵌めは、焼嵌め率1/1000〜2/1000及び焼嵌め温度550〜650℃で行うのが好ましい。先端部材の外筒への焼嵌めは、焼嵌め率0/1000〜1/1000及び焼嵌め温度400〜450℃で行うのが好ましく、焼嵌め率は0.05/1000〜0.5/1000であるのがより好ましい。なお焼嵌め率は、内筒の焼嵌め前の外径をd1、外筒の焼嵌め前の内径をD2としたとき、
焼嵌め率=(d1-D2)/D2
で表される。
本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
実施例１
以下のようにして、外筒及び内筒を準備し、焼嵌め及び加工を行い、図1(a)、図1(b)及び図1(c)に示す本発明のダイカスト用スリーブ1を作製した。
(1) 外筒及び内筒の準備
(a)外筒
32.6質量％のNi、14.9質量％のCo、0.8質量％のAl、2.3質量％のTi、0.04質量％のC、残部Fe及び不可避的不純物からなる高強度低熱膨張性の金属からなる、外径270 mm、内径160 mm及び長さ1000 mmの円筒状で、先端から400 mmの位置に径300 mm及び厚さ（軸方向長さ）35 mmのフランジ部を有する外筒を形成した。この外筒の先端から前記フランジ部の後端までの距離L2は435 mmである。なお、850℃2時間の固溶化処理を行い空冷した後、600℃24時間の時効処理を行い空冷した。この外筒の引張強度は1200 MPa、20〜200℃の平均熱膨張係数は3.2×10-6/℃、及び20〜600℃の平均熱膨張係数は9.5×10-6/℃であった。
(b)内筒の先端部材
32.6質量％のNi、14.9質量％のCo、0.8質量％のAl、2.3質量％のTi、0.04質量％のC、残部Fe及び不可避的不純物からなる高強度低熱膨張性の金属を準備し、その先端側端面及び内周面に、耐食層としてSKD61を1.5 mmの厚さで肉盛溶接した後、さらに同様にSKD61を１.5 mmの厚さで肉盛溶接し、合計で3.0 mmの厚さのSKD61を形成した。肉盛溶接後の試料に600℃10時間の条件で時効処理を行った後、その肉盛層の表面を約0.5 mm加工除去して、外径160 mm、内径130 mm及び長さ170 mmの円筒状部材を得た。得られた円筒状部材の後端側から肉盛層の組成分析用試料を採取し、外径160 mm、内径（Din）130 mm及び軸方向長さ（L1）150 mmの円筒状部材とした。この部材の後端側の外周面に長さ10 mm及び軸方向に対して5°傾きのテーパを形成し先端部材を得た。この先端部材の引張強度は1200 MPa、20〜200℃の平均熱膨張係数は3.2×10-6/℃及び20〜600℃の平均熱膨張係数は9.5×10-6/℃であった。
(c)内筒の後方部材
87質量％のSi3N4、6質量％のY2O3、4質量％のAl2O3及び3質量％の21R固溶体からなる原料粉末を湿式混合して噴霧乾燥した後、冷間静水圧プレス（CIP）を用いて100 MPaの圧力で成形し、円筒状の成形体を得た。この成形体を、窒素雰囲気1750℃で焼結し、円筒状サイアロンセラミックスを得た。この後方部材の20〜200℃の平均熱膨張係数は2×10-6／℃及び20〜600℃の平均熱膨張係数は2×10-6／℃であった。得られた円筒状サイアロンセラミックスの表面を加工して、外径160 mm、内径130 mm及び全長850 mmの内筒を得た。
(2)焼嵌め
まず後方部材5を外筒2に、焼嵌め率1/1000及び焼嵌め温度650℃で焼嵌めした。次に、先端部材4を外筒2に、焼嵌め率0.05/1000及び焼嵌め温度250℃で焼嵌めした。先端部材4の焼嵌めは、先端部材4が挿入される部分の外筒外面を長さ150 mmのバンドヒーターで加熱し、先端部材4を後方部材5に密着するように挿入後、バンドヒーターの電源を遮断し、先端部材4の半長分（75 mm）だけバンドヒーターを後端側に移動させることによって行った。このようにして焼嵌めすることにより、先端部材4の先端側が先に冷却され嵌着し、その後、先端部材4の後端側を遅れて嵌着するので、後方部材5と先端部材4との端面突合せ部が強固に密着した。
(3)加工
焼嵌め後、内径、外径及び後端側端面を仕上げ加工し、後端リング（長さ50 mm）を装着し、ボルト固定した。
(4)先端部材の組成分析
先端部材の耐食層の組成は、前記肉盛層の組成分析用試料の内面を0.5 mmの深さまで旋盤で切削して得られた切粉A、及び内面から2 mmの深さまで旋盤で切削して得られた切粉Bそれぞれ分析することにより行った。切粉A及び切粉Bの組成は、それぞれ耐食層表層部及び耐食層全体の組成を表す。炭素及び硫黄原子については、堀場製作所製の炭素・硫黄分析装置（EMIA-320V2）を用い、金属成分については島津製作所製の高周波誘導結合プラズマ発光分光分析装置（ICPS-8100）を用いて組成分析を行った。得られた耐食層の表層部及び全体組成を、先端部材として用いた高強度低熱膨張性金属の組成及び耐食層の形成に用いたSKD61の組成とともに表１に示す。
Figure 0006281672
 注(1) 高強度低熱膨張性金属の組成
注(2) 耐食層の表面から深さ0.5 mmまでの部分
注(3) 耐食層の表面から深さ2.0 mmまでの部分
上記構成のダイカスト用スリーブ1を型締力1,650トンの横型ダイカストマシンの溶湯射出装置に装着して、スリーブ内を摺動するSKD61からなるプランジャーチップを使用し、成形重量20 kgのアルミニウム合金製自動車部品のダイカストに使用した結果、内筒の先端部材や後方部材のクラックや欠損が発生は見られず、ダイカストスリーブに起因する破断チル層による不良も発生せず、安定した射出を行えることを確認した。

Claims (12)

  1. 低熱膨張性金属材料からなる外筒と、前記外筒の内面に焼嵌めされた内筒とからなるダイカスト用スリーブであって、
    前記外筒の外周面には、ダイカストマシンの固定型にダイカスト用スリーブを固定するためのフランジ部が設けられており、
    前記内筒は、射出口側に配置された低熱膨張性金属材料からなる先端部材と、前記先端部材の後端側端面に密着して配置された窒化珪素質セラミックスからなる後方部材とから構成され、
    前記外筒は、20〜200℃の平均熱膨張係数αAが1〜5×10-6/℃であり、
    前記先端部材は、20〜200℃の平均熱膨張係数αBが1〜5×10-6/℃であり、
    αAとαBとの差が-1×10-6/℃以上及び1×10-6/℃以下であり、
    前記先端部材の軸方向長さをL1(mm)、前記先端部材の内径をDin(mm)、及び前記外筒の先端から前記フランジ部の後端までの距離をL2(mm)としたとき、
    1/3×Din≦L1≦L2+20
    を満たすことを特徴とするダイカスト用スリーブ。
  2. 請求項１に記載のダイカスト用スリーブにおいて、
    L1(mm)、Din(mm)及びL2(mm)が、
    1/2×Din≦L1≦L2
    を満たすことを特徴とするダイカスト用スリーブ。
  3. 請求項１又は２に記載のダイカスト用スリーブにおいて、
    前記外筒を形成する低熱膨張性金属材料は、29〜35質量%のNi、12〜23質量%のCo、0.5〜1.5質量%のAl及び0.8〜3質量%のTi、残部Fe及び不可避不純物を含有するFe-Ni-Co-Al-Ti基合金からなり、
    前記先端部材を形成する低熱膨張性金属材料は、29〜35質量%のNi、12〜23質量%のCo、0.5〜1.5質量%のAl及び0.8〜3質量%のTi、残部Fe及び不可避不純物を含有するFe-Ni-Co-Al-Ti基合金からなることを特徴とするダイカスト用スリーブ。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載のダイカスト用スリーブにおいて、
    前記先端部材が、少なくとも先端側端面及び内周面に厚さ0.5〜5 mmの耐食層を有し、
    前記耐食層は、0.2〜0.7質量%のC、1〜7質量%のCr及び1〜20質量%のNi、残部Fe及び不可避不純物を含有するFe-C-Ni-Cr基合金からなり、
    前記耐食層の表面から深さ0.5 mmまでの表層部が0.2〜0.7質量%のC含有量、2〜7質量%のCr含有量及び１〜12質量%のNi含有量を有することを特徴とするダイカスト用スリーブ。
  5. 請求項４に記載のダイカスト用スリーブにおいて、
    前記耐食層が、さらに0.5〜3質量%のMo、0.3〜1.5質量%のV、8質量%以下のCo、0.5質量%以下のAl、1.5質量%以下のTi、0.5質量%以下のSi及び1.0質量%以下のMnを含有することを特徴とするダイカスト用スリーブ。
  6. 請求項４又は５に記載のダイカスト用スリーブにおいて、
    前記耐食層が表面に厚さ150〜500μmの窒化層を有することを特徴とするダイカスト用スリーブ。
  7. 請求項１〜６のいずれかに記載のダイカスト用スリーブにおいて、
    前記先端部材は外周面の後端に径小部を有していることを特徴とするダイカスト用スリーブ。
  8. 請求項７に記載のダイカスト用スリーブにおいて、
    前記径小部がテーパ状であることを特徴とするダイカスト用スリーブ。
  9. 請求項１〜３のいずれかに記載のダイカスト用スリーブを製造する方法であって、
    前記外筒に前記内筒を焼嵌めする工程を有し、
    前記焼嵌めは、前記後方部材を外筒に焼嵌めて冷却した後に、前記先端部材を前記外筒の先端部に焼嵌めすることを特徴とするダイカスト用スリーブの製造方法。
  10. 請求項４〜６のいずれかに記載のダイカスト用スリーブを製造する方法であって、
    前記先端部材の少なくとも先端側端面及び内周面に前記耐食層を形成する工程、及び前記外筒に前記内筒を焼嵌めする工程を有し、
    前記焼嵌めは、前記後方部材を前記外筒に焼嵌めて冷却した後に、前記先端部材を前記外筒の先端部に焼嵌めすることを特徴とするダイカスト用スリーブの製造方法。
  11. 請求項10に記載のダイカスト用スリーブの製造方法において、
    前記耐食層の形成を肉盛溶接で行うことを特徴とするダイカスト用スリーブの製造方法。
  12. 請求項９〜11のいずれかに記載のダイカスト用スリーブの製造方法において、
    前記先端部材の焼嵌めは、前記先端部材が挿入される部分の外筒の外面を加熱し、前記先端部材を後方部材に密着するように挿入後、前記先端部材が挿入される部分の外筒の先端側を先に冷却し、前記先端部材が挿入される部分の外筒の後方側を後から冷却することによって行うことを特徴とするダイカスト用スリーブの製造方法。
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