JPS5811386B2 - ヨウユウキンゾクヨウポンプブザイ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は溶融金属に対する摺動状態での耐溶着性、耐摩
耗性、耐熱衝撃性及び高温強度などに優れたポンプ部材
に関する。

溶融金属と摺動状態で接するポンプ部材には動的状態で
の耐溶着性、耐摩耗性、耐熱衝撃性及び高温強度の優れ
たものが要求される。

従来、例えばアルミニウムをホットチャンバ方式のダイ
カスト装置で鋳造しようとする場合には、アルミニウム
の融点が６６０℃程度であるため鋳造作業温度としての
６５５℃〜６８０℃附近で充分な耐溶着性、耐摩耗性、
耐熱衝撃性及び高温強度を有したポンプ部材が要求され
る。

これまでに静的状態では窒化けい素の焼結体が溶融アル
ミニウムに対して耐溶着性を示すことは知られているが
、本発明に係るポンプ部材のような連続的な摺動状態で
の溶融金属に対する耐溶着性、耐摩耗性、耐熱衝撃性及
び高温強度などについて全て満足できるものは得られて
いない。

即ち単体組成の窒化けい素はその理論密度の８５％程度
迄しか焼結できず、機械的特性たとえば抗折強度は２０
〜３０ｋｇ／ｍｍ２程度であり本発明のようなポンプ部
材には不適である。

このような事情のため、従来はアルミニウムのダイカス
トではコールドチャンバ方式を採用せざるを得なかった
。

コールドチャンバ方式は金属を鍋中で溶解し、この溶湯
をひしやくに汲み入れてこれを鋳型に連結された射出ス
リーブ中に注入し、プランジャにて押圧して型中へ溶湯
を鋳込む方式であるが、溶湯を鍋からスリーブへ搬送す
る操作が非常に危険であると同時に手作業によらねばな
らないので作業性、生産性が悪い。

また溶湯を射出スリーブに注入したとき、スリーブ内壁
面に近い部分の溶湯とスリーブ中心に近い部分との間で
の温度分布が異なりこの温度分布の異なる溶湯が同時に
金型中へ押出されて鋳込まれるから、高温と低温の溶湯
が混在した状態にて鋳造される。

したがって得られた鋳物の緻密性、均一性が不充分であ
り、亀裂やしわの発生あるいはガス巻込みによる気泡が
出来やすい。

また上述のように溶湯の温度分布が異なるため射出時に
は既に溶湯が急速に低温化していく途中であるために溶
湯の押圧力も２ｔｏｎ／ｃｍ２近くの高圧としなければ
ならない。

更にアルミニウムのように溶着性の点で問題のあるもの
は、プランジャ・スリーブの壁面に黒鉛と油を混合した
コーテイング材を塗布することがなされるが、このコー
テイング材は溶着防止には役立つけれども鋳造時溶湯の
熱で油が炭素と水素に分解し、この分解した水素が溶湯
に吸着され火ぶくれやピンホールの原因となる。

上述のコールドチャンバ方式の欠点はホットチャンバ方
式を実現することにより解消できるため、高温でも充分
に使用に耐えるポンプ部材の出現が待望されている。

即ち、多くの溶融金属用ポンプ部材の中でも特に厳しい
条件下で使用されるアルミニウムのホットチャンバ方式
ダイカス ポンプ部材（プランジャ・スリーブ）は装置自体の心臓
部の役割りをなすもので、この部材が不良になったり破
壊することになれば、装置全体の崩壊にもなりかねない
。

また比較的低コストのアルミニウム鋳造品を製造するた
めのダイカスト装置として、実働１０万ショット以上の
使用に十分耐えるようなプランジャおよびスリーブを使
用しなければ装置としての採算性がない。

本発明は上述の要求に応えるべく、本発明者らが鋭意研
究の結果発明したもので、連続的な摺動状態での溶融金
属に対する耐溶着性、耐摩耗性、耐熱衝撃性及び高温強
度に優れたポンプ部材を提供するものである。

以下本発明を説明するに、主に本発明ポンプ部材をアル
ミニウムのホットチャンバ方式のダイカスト装置に適用
した場合について述べるが本発明ポンプ部材はもちろん
コールドチャンバ方式のダイカスト装置に適用すること
もでき、またアルミニウム以外の溶融金属を鋳造するダ
イカスト装置にも適用できる。

更にダイカスト装置以外の溶融金属と直接液するポンプ
部材に適用可能であることは言うまでもない。

尚以下において成分比は全て重量％で記す。

本発明ポンプ部材は焼結促進剤としてＹ２Ｏ３またはＣ
ｅの酸化物のいずれか１種とＡｌ２Ｏ３とを合量で４〜
９重量％の範囲で含有し残部が窒化けい素および不可避
の不純物でなりかつその焼結密度が理論密度の９０％以
上であって抗折強度６０ｋｇ／ｍｍ２以上硬度１５００
Ｈｖ以上である焼結体で溶融金属と接する面を形成した
ことを特徴とする。

またこれらのほかに原料から混入したり製造工程中混入
する元素として少量のＣｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏなど
があるがこれらは本発明ポンプ部材の形成には特に問題
はない。

この窒化けい素を主成分とする緻密焼結体は連続的な摺
動状態で溶融金属に対する耐溶着性に優れており、特に
他の元素との親和力の大なるアルミニウムに対して耐溶
着性、耐侵食性を示すことは天いに注目すべき点である
。

また、この緻密焼結体は耐摩耗性、耐熱衝撃性、高温強
度などにも優れている。

これらの注目すべき特性はこの緻密焼結体の焼結密度が
理論密度の９０％以上という極めて高い値を有すること
に起因するもので、本発明者らによりはじめて明らかに
されたものである。

この高密度緻密焼結体を得るには前記焼結促進剤を所望
量含んだ窒化けい素粉床を窒素雰囲気或いは非酸化性雰
囲気中にて１５００℃〜１８００℃の温度でホットプレ
ス或いは普通焼結するのがよく、前記条件内で種々の条
件の組合せはいかようにしてもよい。

但し、焼結体の緻密化及び均質化には特に留意して焼結
せねばならない。

次にこの高密度緻密焼結体の諸行性について述べる。

まず強度については常温における引張強さは３０〜６０
ｋｇ／ｍｍ２程度、抗折強度は６０ｋｇ／ｍｍ２以上、
大型の焼結体では１００ｋｇ／ｍｍ２以上を有し、しか
も８００℃程度の高温でもその低下率が非常に小さく本
発明ポンプ部材としては充分すぎる程の値を有する。

第１図はこの一例を示すもので、温度変化に伴なう抗折
強度の変化を示す特性曲線図である。

曲線ａは試料番号１（Ｓｉ３Ｎ４９７％、Ｙ２Ｏ３３％
、焼結密度９７％）の場合、曲線ｂは試料番号２（Ｓｉ
３Ｎ４ ９６％、Ｍｇ０ ２％、ＴｉＯ２２％、焼結
密度９６．５％）の場合、曲線Ｃは試料番号３（ＳｉＮ
４９１％、Ｙ２Ｏ３５％、Ａｌ２Ｏ３４％、焼結密度９
８．５％）の場合、曲線ｄは試料番号４（Ｓｉ３Ｎ４８
９％、ＭｇＯ５％、Ａｌ２Ｏ３１％、ＳｉＯ２３％、Ｔ
ｉＯ２２％、焼結密度９９％）の場合、曲線ｅは試料番
号５（試料番号２と同一組成、焼結密度９０％）の場合
をそれぞれ示すものである。

ここで８００℃での値を比較検討すると、曲線Ｃと曲線
ｅでは曲線すの方がはるかに高い値を示しており、焼結
密度の抗折強度に与える影響が犬であることが解る。

また曲線ａ、ｂ、ｃ、ｄを比較すると成分組成、焼結密
度などの多数の要素によって、複雑な形を示すことが解
るが、特に曲線Ｃでは高温領域での特性が優れているこ
とが明らかでありポンプ部材として特に有効である。

また焼結密度を高く保てば８００℃で少くとも７０ｋｇ
／ｍｍ２の抗折強度を得ることができることは明らかで
ある。

本発明者らの詳細な実験によれば８００℃での抗折強度
は焼結密度９０％以上で４０ｋｇ／ｍｍ２以上、９４％
以上で７０ｋｇ／ｍｍ２以上を得ることができることが
明らかにされている。

このように本発明ポンプ部材に適用される焼結体は高温
での強度に極めて優れており、例えばホットチャンバ方
式のダイカスト装置のポンプ部材にかかる圧力が通常静
圧で最大５ｋｇ／ｍｍ２の引張強度と考えられ、またと
きとして急激な溶湯の圧力上昇があったとしても通常時
の３〜４倍程度であるから、このようなポンプ部材には
充分すぎる程のものといえる。

次に硬度について述べる。

本発明ポンプ部材はビッカース硬度にて常温で１５００
〜１９００Ｈｖ８００℃で１１００〜１５００Ｈｖ、ア
ルミニウムダイカストでの使用温度である６５０℃〜６
８０℃で１１００〜１６００Ｈｖの硬度を有している。

即ち高温で連続的に摺動される部材として充分な耐摩耗
性を有している。

第２図はその一例を示す図で本発明ポンプ部材の温度変
化に伴なう硬度変化について代表的な試料１つと比較例
１つについて示す特性曲線図である。

曲線Ｘは試料番号１（Ｓｉ３Ｎ４９５％、ＭｇＯ５％、
焼結密度９９％）の場合、曲線ｙは試料番号２（Ｓｉ３
Ｎ４９６％、Ｃｌ２Ｏ３２％、Ａｌ５Ｏ１２％、焼結密
度９７％）の場合を示すものである。

このような本発明ポンプ部材の優れた耐摩耗性は主にこ
の部材を構成する焼結体の焼結密度が非常に高いことに
起因する。

さらに耐熱衝撃性について述べる。

本発明ポンプ部材の耐熱衝撃性を試験するに、１１００
℃の酸化雰囲気中に５分間加熱し次いで大気中で強制空
冷を行ない、これを連続して１００回くり返したところ
クラックの発生などは全くなかった。

また臨界熱衝撃温度差（ΔＴｃ）を求めたところ、３５
０℃〜４５０℃の値を得た。

このばらつきは本発明ポンプ部材を構成する焼結体の組
成より焼結密度により影響されるものであり、焼結密度
の低いもの程臨界熱衝撃温度差（ΔＴｃ）の値も小さく
なった。

しかし一般に使用されている他のセラミック類たとえば
アルミナのΔＴｃが約２００℃、ベリリアのΔＴｃが約
２３０℃などであることを考えると本発明ポンプ部材を
構成するセラミック焼結体のΔＴｃの値は相当高く、こ
の点においても溶融金属と直接液するポンプ部材として
優れていることが分る。

次に本発明ポンプ部材の溶融金属に対する耐溶着性、耐
侵食性について述べるが、ここでは特に問題の多いアル
ミニウム溶湯に対する場合について述べる。

尚、アルミニウム以外の金属例えば亜鉛、マグネシウム
、鉛、すずなどに対しても耐溶着性、耐侵食性を有する
ことは本発明者らの実験で明らかにされている。

アルミニウム溶湯に対する耐侵食性、耐溶着性について
試験は次のようにして行なった。

即ちポンプ部材に適用される窒化けい素焼結体について
組成を種々変化させた複数の試料（代表的な組成を後記
の第２表に示す）を直径３０ｍｍ厚さ６ｍｍのベレット
状に形成し、これらペレットの両端面をダイヤモンドペ
ーストで研磨して表面粗さを０．２μに仕上げ、しかる
後アルミニウム溶湯中に所定時間浸漬して試料の侵食減
量を調べた。

使用したアルミニウム溶湯の成分は第１表に示したとお
りで、これを内径１００ｍｍ、高さ１３０ｍｍのアルミ
するつぼ中に１．０ｋｇ溶解し７００±５℃に保持して
実験を行なった。

試料番号３１はＳｉ３Ｎ４単味でなる焼結体で参考のた
め侵食試験を行なったところ浸漬時間１００時間で５ｍ
ｇの減量がみられ、浸漬後の表面粗さは肉眼で判別でき
る程度にまで荒れていた。

したがってＳｉ３Ｎ４単味でなる焼結体は本発明ポンプ
部材としては不適と認められる。

試料番号３２の場合は浸漬時間１００時間で０．１ｍｇ
、８００時間０．３ｍｇしか減量されず、また試料番号
３３の場合は浸漬時間１００時間で０．２〜．８００時
間で０．６〜しか減量されなかった。

試料番号３４の場合は１００時間ではほとんど減量がみ
とめられず、２００時間で０．１ｍｇ、８００時間で０
．３ｍｇの減量であった。

試料番号３５の場合は１００時間で０．２ｍｇ、８００
時間０．５ｍｇの減量、試料番号３６の場合は１００時
間で０．１ｍｇ、８００時間で０．４〜の減量がそれぞ
れみとめられた。

試料番号３７の場合は１００時間で０．３ｍｇ、４００
時間で１．０〜．８００時間で１．５ｍｇの減量、試料
番号３８の場合は１００時間で０．３ｍｇ、４００時間
で１．２ｍｇ８００時間で１．７ｍｇの減量であった。

試料番号３７及び３８の場合は試料番号３２〜３６の場
合に比べてやや減量が多いが、これは試料番号３７の場
合には焼結密度が理論密度の９２％という比較的低い値
であることに起因し、試料番号３８の場合はＳｉ３Ｎ４
の割合が８８％と比較的小量であることに起因するもの
である。

即ち、本発明ポンプ部材のアルミニウム溶湯に対する耐
侵食性、耐溶着性は第１にそれを構成する焼結体の焼結
密度を高くすること、第２にＳｉ３Ｎ４の割合をなるべ
く高くすることが必要と考えられる。

従って焼結促進剤としては少量で効果を発揮するものが
よいと言える。

本発明者らの実験ではＳｉ３Ｎ４が８０％以上で焼結密
度が理論密度の９０％以上であるときに浸漬時間１００
時間で１．３η以下、８００時間で３．２ｍｇ以下の減
量がみとめられ、この程度であれば本発明ポンプ部材と
しての使用に充分耐える。

またＳｉ３Ｎ４が９０％以上で焼結密度が理論密度の９
４％以上であるときは浸漬時間８００時間でも１．８〜
以下、Ｓｉ３Ｎ４が９５％以上焼結密度が理論密度の９
６％以上の場合には浸漬時間８００時間で０．８ｍｇ以
下の減量であった。

これらの値は焼結促進剤の種類によっても多少の影響を
受け、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３を含有した場合には特に優
れていた。

また侵食試験の際に試料表面に耐着したアルミニウムを
除去するに、剃刀で容易に剥すことができた。

このことから溶融アルミニウムが試料に濡れず、単に試
料表面に耐着しているだけであることは明らかである。

また浸漬後の試料についてＸ線マイクロアナライザーで
表面観察したところ浸漬前と全く変化がなかった。

さらに表面粗さについて８００時間の浸漬径測定したと
ころ０．２Ｓ〜０．５８であり実用に充分耐え得るもの
であった。

なお、各試料の常温での硬度は次のようであった。

上表のように本発明のものは、１５００Ｈｖ以上の高い
硬度を有する。

以上のように本発明ポンプ部材に適用される焼結体では
溶融金属と接するポンプ部材として要求される特性を充
分に満足させることができる。

次に本発明の代表的な実施例をあげ説明する。

まずこれらの実施例に使用したホットチャンバ方式のダ
イカスト装置に適用されるポンプ機構の特にグースネッ
ク部について模写的に第３図に示す。

保温炉（図示せず）中に溶解された溶湯１は鋳鉄製のグ
ースネック本体２及び押台３の側面に設けられた孔４か
らプランジャー５の側面に設けられた溝を通じてスリー
ブ６内に流入される。

プランジャー５はプランジャーシャフト１０の下降に伴
ないスリーブ６内の溶湯を押圧し、この溶湯は湯道７を
通りノズル８を介して鋳型９内に圧力される。

本発明ポンプ部材はプランジャー５及びスリーブ６に加
工され使用される。

実施例 平均粒径が１，５μの窒化けい素粉末に平均粒径１．６
μの酸化イツトリウムを１重量％と平均粒径１．２μの
アルミナ粉末を４重量％とを添加し、エタノールを分散
媒としてステンレス製の混合攪拌機中で混合粉砕して平
均粒径が１μの混合粉末を得た。

この混合粉末を乾燥後有機粘結剤によって造粒し、次い
でこれをハイドロスタティックプレスによってプランジ
ャーおよびスリーブ原形状の生成形体とした。

この生成形体はその後装すれば機械加工などによって形
状修正を施し、スリーブとしては外径９１ｍｍ、内径５
４ｍｍ、高さ２６０ｍｍの生成形体としておく。

またプランジャーとしては外径５５ｍｍ、内径１５ｍｍ
、高さ２５０ｍｍの生成形体としておくこの生成形体は
窒素雰囲気中で温度７００℃で９０分間保持して加熱処
理し有機粘結剤などを完全に除去した。

次いでこれら生成形体を黒鉛モールドを用いてホットプ
レス焼結した。

ホットプレス条件は窒素雰囲気中で常温から１０００℃
までは１００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で加圧し以後漸次昇圧
して最終加圧力３００ｋｇ／ｃｍ２とし、昇圧と平行し
て昇温も行ない１７００℃まで昇温した後、この状態で
３０分間保持した。

かくして得られたホットプレス焼結体は黒色を呈してお
りその焼結密度は理論密度の９８．５％に達していた。

またこの焼結体の寸法はスリーブが外径９１．５ｍｍ、
内径５４ｍｍ、高さ１４０ｍｍプランジャーが外径５５
．５ｍｍ、内径１５ｍｍ、高さ１３５關であった。

次に得られた焼結体を研削して最終製品形状にした。

即ちスリーブは外径９０ｍｍ、内径５５ｍｍ、高さ１３
５ｍｍに仕上げその内周面は最終的にはダイヤモンド研
磨によって０．２Ｓ程度の表面粗さにした。

一方プランジャーは外径５４．９７ｍｍ、内径１６ｍｍ
、高さ１３０ｍｍに仕上げ特に外周面には溶湯のスリー
ブ内への流入を助けるべく特別の加工を施した。

このようにして得たスリーブ及びプランジャーを前記し
たポンプ機構に組み込みアルミダイカストの実動試験を
行なった。

試験は射出成形圧力２００ｋｇ／ｃｍ２、射出成形サイ
クル４シヨツト／分、射出量０．５ｋｇの各条件にて行
った。

この結果では１５００００シヨツトをすぎても異常が認
められなかった。

試みに１５００００シヨトの後プランジャー及びスリー
ブを取り出しその表面状態を調べたがアルミニウムに侵
された形跡はなく異常はなかった。

またプランジャーとスリーブとの空隙は試験前の０．０
３ｍｍがわずか０．０８ｍｍにしかなっていなかった。

以上のことから本実施例に使用したポンプ部材は実動１
５００００ショットのホットチャンバ一方式のアルミダ
イカスト装置に適用可能であることが判った。

尚、上述の実施例で得られた鋳物は不純物の混入が極め
て少なく、気泡発生の少い、しかも微細かつ均一な組織
を有していた。

以上詳述したように本発明ポンプ部材は溶融金属に対す
る耐溶着性及び耐侵食性に優れ、耐摩耗性、耐熱衝撃性
及び高温強度にもたいへん優れている。

これらの特性は第１にポンプ部材を構成する焼結体の焼
結密度がその理論密度の９０％以上であることに起因し
、第２にその焼結体の主成分が窒化けい素であることに
起因する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明ポンプ部材の抗折強度と温度との関係を
示す特性曲線図、第２図は本発明ポンプ部材の硬度と温
度との関係を示す特性曲線図、第３図は本発明ポンプ部
材を使用したダイカスト装置のポンプ機構を示す模写的
な断面図である。 １・・・・・・溶湯、５・・・・・・プランジャー、６
・・・・・・スリーブ、９・・・・・・鋳型。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ Ｙ２Ｏ３またはＣｅの酸化物のいずれか１種とＡｌ
   ２Ｏ３とを含量で４〜９重量％の範囲で含有し残部が窒
   化けい素および不可避の不純物でなりかつその焼結密度
   が理論密度の９０％以上であって抗折強度６０ｋｇ／ｍ
   ｍ２以上硬度１５００Ｈｖ以上である焼結体で溶融金属
   と接する面を形成したことを特徴とするホットチャンバ
   方式グイカスト装置の溶融金属用ポンプ部材。