WO2004087351A1

WO2004087351A1 - ダイカストマシン用断熱プランジャースリーブ

Info

Publication number: WO2004087351A1
Application number: PCT/JP2003/003895
Authority: WO
Inventors: Takahiro Kaba; Jun Funakoshi
Original assignee: Kubota Corporation
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-14
Also published as: JPWO2004087351A1; CN1758971A; EP1607154A1; US20060213634A1; AU2003220875A1

Abstract

断熱保温性及び構造部材としての安定性にすぐれ、非鉄金属溶湯の温度降下を可及的に抑制し、安定した加圧鋳造操業を維持することのできるダイカストマシン用断熱プランジャースリーブを提供する。本発明のダイカストマシン用断熱プランジャースリーブは、、内周側に耐熱性にすぐれる金属からなる第１金属層、外周側に第２金属層を具え、第１金属層と第２金属層との間にセラミックス層が形成されており、セラミックス層を、相対密度５０％以上９０％以下に圧密化したセラミックス粉末及び／又はセラミックス繊維から形成した。

Description

明細書ダイカストマシン用断熱プランジャースリーブ技術分野

本発明は、ダイカストマシンによる非鉄金属製品の銬造に用いられる断熱プランジャースリーブに関するものである。背景技術

ダイカストマシンを用いた非鉄金属製品の铸造は、アルミニウム合金やマグネシウム合金等の非鉄金属溶湯をプランジャースリーブを介して、金型のキヤビティに加圧注入することにより行なわれる。

図 1に示すように、ダイカストマシン用プランジャースリーブ（「ショットスリーブ」とも呼ばれる）（10)は、ダイカスト用の金型（80)に取り付けて使用される。金型（80)は、プランジャースリーブ（10)が取り付けられる固定型（82)と、該固定型（82)に着脱可能な可動型（図示せず）から構成される。

プランジャースリープ（10)は、中空円筒状であり、中空部（12)は、金型（80)に取り付けられる固定側基端が金型（80)の内部と連通する出湯口

( 13)となっており、先端側がプランジャーチップ（70)が進入する開口部

( 14)となっている。

プランジャースリーブ（10)の先端側周面には、非鉄金属溶湯をプランジャ一スリーブ（10)内に注入する給湯口（15)が開設されている。

また、プランジャースリーブ（10)の基端側には、固定型（82)にプランジャースリーブ（10)を取り付けるためのフランジの如き接続手段（16)が形成されている。金型（80)にプランジャースリープ（10)を接続し、プランジャーチップ (70)を開口部（14)から少し進入させた状態で、給湯口（1 5)から非鉄金属溶湯を注入し、プランジャーチップ（70)を金型側に向けて押圧することにより、金型（80)の内部に非鉄金属溶湯が圧入され、射出鍀造が行なわれる。

プランジャースリープ（10)には、供給された非鉄金属溶湯を金型内に圧入するために、金属溶湯に対する腐食抵抗性、耐熱衝撃性、プランジヤーチップ（70)に対する摺動性、その摺動に対する摩擦抵抗性等が要求される。プランジャースリーブ（10)には、これら物性を具備する材料として、 S K D 6 1 に代表される合金工具鋼（ J I S— G 4 4 0 4 )が用いられている。

しかしながら、上記铸造操業において、プランジャースリーブ（10)に非鉄金属溶湯を供給した際に、非鉄金属溶湯の温度降下が大きいと、铸造製品に湯境いや湯回り不良等の欠陥が生じ、铸造品質の安定確保が困難となる。また、非鉄金属溶湯の温度降下により、プランジャースリーブ（10)の内面で非鉄金属溶湯が凝固し、プランジャーチップ（70)が摩耗して耐用寿命に悪影響を与えたり、凝固片が铸造製品に混入し品質が劣化するという問題がある。

このような非鉄金属溶湯の温度降下の原因の一つに、プランジャースリーブ（10)の熱伝導率が高いこと（S K D 6 1合金工具鋼の熱伝導率：約 3 4 W / m · K )が挙げられる。

プランジャースリーブ（10)による非鉄金属溶湯の温度降下を抑制するために、図 7に示すように、プランジャースリーブ（10)の金属層（90) (9 2)中に、セラミックス焼結層（94)を設けたものが考案されている。セラミックス焼結層（94)を設けることにより、プランジャースリーブ（10)の断熱性が向上する。図 7のプランジャ一スリーブ（10)は、円筒状に形成した内側金属層（9 0)の外周に、セラミックス焼結層（94)を形成するセラミック焼結体の筒を、半筒に分割した状態で嵌めて環状とし、さらにその外周に、半筒に分割した外側金属体を嵌めて形成される。

しかしながら、上記プランジャースリーブ（10)は、金属層（90) (92)とセラミックス焼結層（94)との熱膨張率が異なるから、非鉄金属合金溶湯をプランジャースリーブ（10)の内部に注入したときに、金属層（90)とセラミックス焼結層（94)との間にクラックゃ割れ、剥離等を生ずることがある。発明の開示

本発明の目的は、断熱保温性及び構造部材としての安定性にすぐれ、非鉄金属溶湯の温度降下を可及的に抑制し、安定した加圧铸造操業を維持することのできるダイカストマシン用断熱プランジャースリーブを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明のダイカストマシン用断熱プランジャースリーブは、内周側に耐熱性にすぐれる金属からなる第 1金属層. 外周側に第 2金属層を具え、第 1金属層と第 2金属層との間にセラミツクス層が形成されており、セラミックス層は、相対密度 5 0 %以上 9 0 %以下に圧密化したセラミックス粉末及び又はセラミックス繊維から形成したものである。

第 1金属層と第 2金属との間にセラミックス粉末及び //又はセラミックス繊維を圧密化したセラミックス層を介在させることにより、卓抜した断熱性を示す。セラミックスの低熱伝導性を利用した従来の焼結セラミックス層による断熱効果は、セラミックス層の厚さに依存し、所望の断熱効果を得るには、セラミックス層を厚くする必要があった。しかしながら、本発明のように、セラミックス層をセラミックス粉末及び/又はセラミックス繊維で焼結することなく圧密化して形成することによりセラミックス層の層厚から予測される効果を大きく越える熱遮断性能を示す。この熱遮断性能は、セラミックス粉末又はセラミックス繊維を焼結することなく圧密化しため断熱領域が形成されること、及び、セラミックス層と第 1金属層、第 2金属層との界面熱抵抗が著しく高いためと考えられる。層境界における界面熱抵抗が著しく高いから、セラミック層が 2 mm以下、さらには 1 mm以下の極めて薄い層厚であっても、卓抜した断熱性を示すと考えられる。図面の簡単な説明

図 1は、ダイカストマシン用プランジャースリーブの使用状態を示す説明図である。

図 2は、本発明のダイカストマシン用断熱プランジャースリ一ブの軸方向に沿う断面図である。

図 3は、図 2の線 I I I一 I I Iに沿う断面図である。

図 4は、本発明のダイカストマシン用断熱プランジャースリーブの製造方法の一例を示す説明図である。

図 5は、本発明の異なる実施例を示す断面図である。

図 6は、測定試料の断面図である。

図 7は、従来のダイカストマシン用プランジャースリーブの断面図である。発明を実施するための最良の形態

本発明のダイカストマシン用断熱プランジャースリーブ（10)は、スリーブ中に、相対密度 5 0 %以上 9 0 %以下に圧密化したセラミックス粉末及び/又はセラミックス繊維からなるセラミックス層（30)を設けたことを特徴とするものである。なお、相対密度とは、セラミックス層の密度とセラミックス層を構成するセラミックスの真密度の比率として定義される。

プランジャースリーブ（10)は、図 2及び図 3に示すように、内周側に耐熱性にすぐれる金属からなる第 1金属層（20)、該第 1金属層（20)の外周に相対密度 5 0 %以上 9 0 %以下に圧密化したセラミックス粉末及び /又はセラミックス繊維からなるセラミックス層（30)、該セラミックス層（30)の外周に第 1金属層（20)と同種又は異種金属からなる第 2金属層 (40)を同心円状に積層して形成される。

なお、以下では、セラミック層（30)が単層構造の実施例について説明するが、図 5に示すように、セラミックス層（30)を複数構造にすることもできる。

第 1金属層（20)は、非鉄金属溶湯に対する腐食抵抗性を有し、耐熱性及び耐摩耗性にすぐれる金属材料を用いることが望ましく、金属溶湯と接する内面側は窒化処理を施すことが望ましい。例えば、重量％にて、 C ： 0. 3 2〜 0. 4 2 %、 S i ： 0. 8〜 1. 2 %、 M n ： 0. 5 %以下、 C r ： 4. 5〜 5. 5 %、 M o ： 1. 0〜 1. 6 %、 V ： 0. 5〜 1. 2 %、残部実質的に F eである合金や、 C : 0. 4〜 0. 5 %、 S i : 0. 1 5〜 0. 5 %、 C r ： 1. 3〜 1. 7 %、 M o ： 0. 1 5〜 0. 3 %、 A 1 ： 0. 7〜 1. 2 %、残部実質的に F eである窒化しゃすい合金、 C ： 0. 7 3 〜 0. 8 3 %、 S i ： 0. 1 5〜 0. 3 5 %、 C r ： 3. 8〜 4. 5 %、 W： 1 7. 0〜 1 9. 0 %、 V : 0. 8〜 1. 5 %、残部実質的に F eであるハイス鋼、その他、 C : 0. 4〜 0. 7 %、 S i ： 0. 5〜 2. 0 %、 Mn ： 0. 5 %以下、 C r : 4. 0〜 6. 0 %、 W： 1 0. 0〜； L 5. 0 %、 V ： 0. 5〜 1. 0 %、残部実質的に F eであるセミハイス鋼等を挙げることができる。また、第 1金属層（20)は、チタン又はチタン合金のマトリックスに炭化チタンが分散相.として混在した複合組織を有する焼結金属を使用することもできる。この焼結金属として、チタン（T i )をマトリックスとし、これに 2 0〜 3 0面積％を占める炭化チタン（T i C)が混在した T i - T i C系複合焼結金属や、 T i 一 M o合金（M o含有量 2 0〜 3 5 重量％)をマトリックスとし、これに 2 0〜 3 0面積％を占める炭化チタン（T i C)が混在した T i合金一 T i C系複合焼結金属が挙げられる。' 第 1金属層（20)の層厚は、後記するように、所定の機械強度が保持される範囲内で薄く設計することが有利である。プランジャースリーブ（1 0)の全肉厚及び中空部（12)の孔径に応じて、約 3〜 1 5mm、望ましくは約 3〜 1 0 mmの範囲で決定することが望ましい。

セラミックス層（30)は、セラミックス粉末又はセラミックス繊維を圧密化して構成される。セラミックス材料として、酸化物、窒化物、硼化物、炭化物、ケィ化物セラミックスを例示でき、例えば、 A l ₂〇₃、 A 1 ₂03 - S i O 2 , Z r〇₂、 S i 〇₂、 S i ₃N₄ , B N、 T i B ₂、 S i C、及び、 M o S i ₂からなる群から選択される少なくとも一種の材料を用いることができる。複数種類を用いる場合、単なる混合でもよいし、複合化したものでもよい。セラミックス粉末の平均粒径は 0. 5 /zm〜 1 0 0 mが望ましく、セラミックス繊維は、直径 1 β m〜 2 0 m、長さ 1 0 ^πι〜 3 0 mmが望ましい。セラミックス繊維は、不織布状に加ェしたものでもよい。

セラミックス層（30)の層厚は、所定の断熱効果を得る上で、 0. 1 mm 以上とすることが好ましい。しかし、あまり厚くすると、積層構造の安定性を損なうおそれがあるので、 2 mm以下であることが好適であり、 1 mm以下とすることが望ましい。さらに、 0. 5 mm以下とすることがより望ましい。このように層厚を薄くし、且つ、粉末状又は繊維状のセラミック材料を焼結することなく圧密化することにより、セラミックス層（30)は、プランジャ一スリーブ（10)の製造時や使用時に生ずる金属層 (20) (40)の熱膨張や熱収縮に追従して変形するので、セラミックス層（3 0)が熱応力吸収緩和層として作用する。積層構造の堅牢性を確保しつつ所定の断熱効果を得るために、セラミックス層（30)の相対密度は 5 0 % 以上 9 0 %以下とすることが適当であり、 7 0 %以上 9 0 %以下とすることが望ましい。

第 2金属層（40)は、第 1金属層（20)と同種のものを用いることができるが、直接非鉄金属溶湯に接しないから非鉄金属溶湯に対する腐食抵抗性は要求されない。また、第 2金属層（40)は、セラミックス層（30)により断熱されているため、第 1金属層（20)のように高い耐熱性は要求されず、また、第 1金属層（20)のようにプランジャーチップ（70)が摺動するわけではないので、耐摩耗性も要求されない。従って、 S 4 5 C等の機械構造用炭素鋼（J I S— G 4 0 5 1 )や S S 4 0 0等の一般構造用鋼材 ( J I S - G 3 1 0 1 )等を適宜使用すればよい。

第 2金属層（40)の層厚は、所定の機械強度が保持される範囲で適宜調整すればよく、プランジャースリープ（10)の全肉厚及び中空部（12)の孔径に応じて、約 1 0〜 5 0 mm、望ましくは約 1 5〜 4 O mmの範囲で決定することが好ましい。

プランジャースリーブ（10)の製造方法について一例を挙げて説明する, プランジャースリーブ（10)は、図 4に示すように、第 1金属層（20)を構成する第 1円筒体（22)の外周に、内径が第 1円筒体（22)の外径よりも大きい第 2金属層（40)を構成する第 2円筒体（42)を同心円状に配備し、第 1円筒体（22)と第 2円筒体（42)との間の環状空隙（32)にセラミックス粉末及び/又はセラミックス繊維を充填し、第 1円筒体（22)を内側から及び第 2円筒体（42)の外側から押圧する向きの加工荷重を含む熱間静水圧加圧（H I P )、熱間押出成形、冷間等方圧加圧成形等の加圧成形加工を行なう。これにより、円筒体（22) (42)間のセラミックス粉末及び /又は繊維は、円筒体（22) (42)に押圧されて圧密化したセラミックス層（30)を形成する。セラミックス層（30)は、焼結されたセラミックスとは異なり , 加圧成形加工における円筒体（22) (42)の膨張、収縮に追従するから、セラミックス層（20)は波形の形状となる。また、加圧成形加工を H I Pで行なった場合には、セラミックス層（30)と第 1金属層（20)との層境界に密着性の低い未接合の層（34)が形成され、この層（34)は界面熱抵抗が著しく高いことから、断熱性が著しく向上することが確認されている。加圧成形加工を施した後、所定長さに切断し、図 2に示すように、両端面を端板（17) ( 18)等で閉塞すればよい。一方の端板（Π)は、金型（80) への接続手段（16)としてフランジ状に形成することができる。端板（17)

( 1 8)を取り付けた後、給湯口（1 5)の開設等、適宜機械加工を施して、プランジャースリーブ（10)が得られる。

上記では、第 1金属層（20)、セラミックス層（30)及び第 2金属層（40) の. 3層構造からなるプランジャースリーブ（10)について説明したが、図

5に示すように、第 2金属層（40)を複数層（41 ) (41 )とし、各金属層（41)

(4 1)間に相対密度 5 0 %以上 9 0 %以下のセラミックス粉末及び又はセラミックス繊維からなるセラミックス層（30)を設けた構造とすることもできる。セラミックス層（30) (30)の層数は、要求される断熱性等の条件によって適宜決定すればよい。

なお、セラミックス層（30) (30)どうしの間隔も適宜決定すればよいが第 1金属層（20)の厚さを越えない間隔とすることが望ましい。

<実施例 1 >

本発明のプランジャースリーブ（10)の断熱性を調べるために、セラミックス層の厚さを変えた 5種の平板状の測定試料（S)を作製し、熱伝導率測定試験を行なった。また、セラミックス粉末に変えてセラミックス焼結板を収容した比較試料（S ' )を作製し、同様に熱伝導率測定試験を行った。

測定試料（S 1乃至 S 5)は、図 6に示すように、第 2金属層（40)と同じ材料からなる基層（52)に凹部 (54)を形成し、セラミックス繊維（56)を充填し、第 1金属層（20)と同じ材料からなる表層（58)を被せて、 H I P 処理を施した。比較試料 S ' は基層（52)及び表層（58)との間にセラミツクス焼結板を挟んで表層（58)側から冷間で加圧を施して作製した。

試料及び試験の各条件を以下に示す。

• 測定試料

試料サイズ：直径 5 0 mm、厚さ 1 9 mm、表面層厚 3 mm

セラミックス層の層厚： S 1 = 0. 2mm、 S 2 = 0. 3 mm、 S 3 = 0. 5 mm、 S 4 = 0. 9 mm、 S 5 = 1. 5 mm、比較試料 S Iは厚さ 6 mmのセラミック焼結板

表層材料…重量％にて C : 0. 3 7 %、 S i ： 1. 0 %、 M n ： 0. 4 %, C r ： 5. 0 %、 M o ： 1. 2 5 %、 V ： 1. 0 %、残部実質的に F e (熱伝導率 3 4 W/m · K)

基層材料…引張強度 4 2 k 111111²の 3 S 4 0 0 (熱伝導率 5 9 / m · K)

セラミックス材料… A 1 2O 3 - S i ₂繊維

• 熱伝導率測定試験条件

測定方法…温度傾斜法

測定方向…試料厚さ方向（表層側を高温側に設定）

測定温度… 3 4〜4 5で

測定端温度差… 7. 9〜 8. 2 5で（単位面積当りの熱流：約 1 4 k W/ mつ

試料圧着圧力：約 7 2 k P a (装置一試料界面は高熱伝導性グリース使用）

•測定結果

試料全体（全肉厚）と熱伝導率（α)の測定値、及びその測定値（α)と試料構成材料の熱伝導率とからフーリエの法則に従って算出される内側層域の見かけの熱伝導率（α ι)を表 1に示す。

表 1

単位： W/m · K 表 1に示すように、測定試料（S )の全体の熱伝導率及び表層には、試料を形成する第 1金属層（20)の熱伝導率（3 4 W/m · K)に比べて著しく低くなつていることがわかる。また、厚さ 6 mmのセラミックス焼結板を用いた比較試料 S ' とほぼ同等の熱伝導率を達成できたことがわかる。

なお、セラミックス層（30)を省略し、表層（58)と基層（52)との接触界面の全体を完全に拡散接合した試料（表層 3 mm、基層 1 6 mm、全肉厚 1 9 mm)の場合、試料全体の熱伝導率をフーリエの法則に従って求めると、約 5 2. 9 W/m · Kである。これを上記表 1の熱伝導率の測定値 ( )と比較すると、セラミックス層（30)による熱遮断効果が極めて大きいことがわかる。

なお、供試試料 S 1乃至 S 5は、セラミックス層（30)と第 1金属層（2 0)との間に形成される層（34)及びセラミックス層（30)を挟む界面全体の熱遮断性の均質性も高く、円周方向及び軸方向における偏熱と、該偏熱による歪が少ないことも確認した。

<実施例 2 >

セラミックス層（30)の厚さを変えて、図 2及び図 3に示す形状のプランジャースリーブ（10)を H I Pにより作製し、セラミックス層（30) の厚さの違いによる第 1金属層（20)の内面状態を観察し評価した。なお. 使用した金属及びセラミックス材料は、実施例 1 と同じである。

プランジャースリーブ（10)の寸法及び H I Pの条件を以下に示す。

第 1金属層（20) ：内径 1 5 0 m m、厚さ 7 m m

セラミックス層（30) ：厚さ 1 m m、 2 m m及び 3 m m

第 2金属層（40) ：外径 2 6 0 m m

プランジャースリーブ（10)の全長： 1 0 0 0 m m

H I P条件： 1 1 0 0気圧、 9 5 0 °C

作製されたプランジャースリーブ（10)について、第 1金属層（30)の内面を観察したところ、以下のような結果が得られた。

表 2

表 2を参照すると、セラミックス層（30)の厚さが薄い場合には（2 m m 以下）、セラミックス層（30)が全体的に均一に圧縮を受け、第 1金属層 (20)の内面が真円又はほぼ真円を維持するのに対し、セラミックス層（3 0)の厚さが 3 m mの場合には、局部的に応力が集中し、第 1金属層（20) に凹みが生じてしまうことがわかる。なお、第 1金属層（20)に凹みが生じた場合には、真円にするために別途機械加工を施せばよい。

上記より、製造の点からセラミックス層（30)の厚さは 2 m m以下とすることが望ましく、 1 m m以下がより望ましいことがわかる。ぐ実施例 3 >

厚さが 2 m mのセラミックス層（30)を有する本発明のプランジャースリーブ（10)と、相対密度 9 8 %、厚さ 6 m mのセラミックス焼結体（94) (図 7参照）を有する比較プランジャースリーブを作製し、両プランジャ —スリーブに 6 8 0での A D C 1 2 (A 1合金）溶湯を注入して実銬造を行なった。

その結果、本発明のプランジャースリーブ（10)は、 3 0 0 0 0回（ショッ卜）の铸造を行なってもプランジャースリーブ（10)の第 1金属層（20)の内面の真円度は保たれた。これは、セラミックス層（30)が焼結ではなく圧密化されたものであるため、溶湯注入によって第 1金属層（20)が熱膨張しても、セラミックス層（30)により応力が緩和されるためである。一方、比較ショットスリーブは、 2 0 0ショットでセラミックス焼結体（94)に割れが生じ、第 1金属層（90)の真円度が低下し、铸造不能となつた。具体的には、プランジャーチップ（70)が動かなくなった。この原因は、溶湯を供給したときに生ずるセラミックス焼結体（94)と第 1金属層（90)との熱膨張差によるものである。

上記より、本発明のセラミックス層（30)を有するプランジャースリープ（10)は、セラミックス焼結体（94)を用いたプランジャ一スリーブに比ベて、すぐれた耐久性を有することがわかる。産業上の利用可能性

以上のように、本発明は、断熱保温性及び構造部材としての安定性にすぐれ、非鉄金属溶湯の温度降下を可及的に抑制し、安定した加圧铸造操業を維持することができるダイカス卜マシン用断熱プランジャースリ —ブとして有用である。

Claims

請求の範囲

1 . 中空円筒体の基端に金型（80)と連通可能な出湯口（13)と金型（80) に連繋可能な接続手段（16)を具え、先端にプランジャーチップ（70) が挿入される開口部（14)を有し、周面に金属溶湯を注入する給湯口 (15)とを具えたダイカス卜マシン用プランジャースリーブにおいて、プランジャースリーブは、内周側に耐熱性にすぐれる金属からなる第 1金属層（20)、外周側に第 2金属層（40)を具え、第 1金属層（2 0)と第 2金属層（40)との間にセラミックス層（30)が形成されており、セラミックス層（30)は、相対密度 5 0 %以上 9 0 %以下に圧密化したセラミックス粉末及び/又はセラミックス繊維からなることを特徴とするダイカストマシン用断熱プランジャースリーブ。

2 . 第 2金属層（40)は、複数の金属層（41) (41)から形成され、各金属層（41) (41)の間には、相対密度 5 0 %以上 9 0 %以下に圧密化したセラミックス粉末及び/又はセラミックス繊維からなるセラミックス層（30)が介在している請求項 1に記載のダイカストマシン用断熱プランジャースリーブ。

3 . セラミックス層（30)の厚さは、 2 mm以下である請求項 1又は請求項 2に記載のダイカストマシン用断熱プランジャースリーブ。

4. 第 1金属層（20)の厚さは、 3〜 1 5 mmである請求項 1又は請求項 2に記載のダイカストマシン用断熱プランジャースリーブ。

5. 第 1金属層（20)は、重量％にて、 C : 0. 3 2〜 0. 4 2 %、 S i

： 0. 8〜 1. 2 %、 Mn ： 0. 5 %以下、 C r : 4. 5〜 5. 5 %、 M o ： 1. 0〜： 1. 6 %、 V ： 0. 5〜 1. 2 %、残部実質的に F eである請求項 1又は請求項 2に記載のダイカストマシン用断熱プランジヤースリーブ。

6. セラミックス層（30)は、 A l ₂〇₃、 A 1 2 O 3 - S i O 2 , Z r O 2 S i 〇₂、 S i 3 N 4 , B N、 T i B ₂、 S i C、及び、 M o S i ₂からなる群から選択される少なくとも一種の粉末又は繊維である請求項 1又は請求項 2に記載のダイカストマシン用断熱プランジャースリ一ブ。