(57)【要約】【課題】肉厚が増えても強度の低下が起こらず、安定的に実体の強度を確保することのできるダイカスト金型用ホルダーの製造方法を提供する。【解決手段】肉厚５０ｍｍ以上の部分を有する形状のダイカスト金型用ホルダーである鋳物製品を製造するに際し、鋳物体積の３０％以上の直接冷やし金を配置した砂型の鋳型内に、重量％で、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：２．０〜２．７％、Ｍｎ：０．６％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．０６％、Ｃｕ：１．８〜３．５％、Ｓｎ：０．０１〜０．０５％、Ｂｉ：０．００３％〜０．０１％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる球状黒鉛鋳鉄溶湯を注入して製造する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
肉厚５０ｍｍ以上の部分を有する形状のダイカスト金型用ホルダーであって、重量％で、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：２．０〜２．７％、Ｍｎ：０．６％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．０６％、Ｃｕ：１．８〜３．５％、Ｓｎ：０．０１〜０．０５％、Ｂｉ：０．００３％〜０．０１％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とするダイカスト金型用ホルダー。
【請求項２】
肉厚５０ｍｍ以上の部分を有する形状のダイカスト金型用ホルダーである鋳物製品を製造するに際し、鋳物体積の３０％以上の直接冷やし金を配置した砂型の鋳型内に、重量％で、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：２．０〜２．７％、Ｍｎ：０．６％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．０６％、Ｃｕ：１．８〜３．５％、Ｓｎ：０．０１〜０．０５％、Ｂｉ：０．００３％〜０．０１％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる球状黒鉛鋳鉄溶湯を注入して製造することを特徴とするダイカスト金型用ホルダーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、肉厚５０ｍｍ以上の部分を有する形状のダイカスト金型用ホルダー及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ダイカスト金型用ホルダーは鋳鋼（ＪＩＳ ＳＣＭｎ２Ａ等）で製造されてきたが、鋳鋼品は球状黒鉛鋳鉄品に比べ製造上、溶解温度が２００〜３００℃高いため耐火物の損耗が大きく、また昇温のためエネルギーも多く、資源を余分に使うためコスト高である。また、納期がかかることも問題となっている。
【０００３】
このため、近年では、球状黒鉛鋳鉄の採用も試みられているが（例えば、特許文献１〜４参照）、通常の砂型鋳物では冷却が遅いために黒鉛の球状化が崩れ、また黒鉛が粗大成長を起こし、緻密な組織にならないため、実体鋳物では強度が出ず、伸びが低下する。また、肉厚中心部付近の最終凝固部には「チャンキー黒鉛」といわれる、形状の崩れた黒鉛が生成し、著しく強度を阻害する。このため、冷却を高めるため多くの努力が払われており、例えば、砂の代わりに鉄粒を使い、鋳型の熱伝導率を上げて冷却を早める方法が行われているが、１００ｍｍ以上に肉厚が増せば、強度低下やチャンキー黒鉛が生じ、問題解決には至っていない。
【０００４】
一方、強度を上げる点から球状黒鉛鋳鉄に合金元素を添加して解決を図る試みも行われており（例えば、特許文献５参照）、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏなどが添加され、ある程度の効果が認められることもあるが安定しない。また、製造コストの上昇となるため実用的でない。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２５６０８８号公報（段落［００１４］等）
【特許文献２】特開２００１−３２１９１７号公報（段落［０００４］〜［０００７］）
【特許文献３】特開２００１−２４０９３４号公報（段落［０００２］〜［０００５］）
【特許文献４】特開平０６−１０８１９９号公報
【特許文献５】特開平１０−９９９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上のような問題を解決するためになされたものであって、肉厚が増えても強度の低下が起こらず、安定的に実体の強度を確保することのできるダイカスト金型用ホルダー及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るダイカスト金型用ホルダーは、請求項１に記載のように、肉厚５０ｍｍ以上の部分を有する形状のダイカスト金型用ホルダーであって、重量％で、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：２．０〜２．７％、Ｍｎ：０．６％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．０６％、Ｃｕ：１．８〜３．５％、Ｓｎ：０．０１〜０．０５％、Ｂｉ：０．００３％〜０．０１％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることに特徴を有するものである。
【０００８】
上記ダイカスト金型用ホルダーの合金成分として添加したＣｕ、Ｓｎ、Ｂｉについては、各添加元素に独特の特性があると同時に各元素の相互作用もあるので、これらを考慮した合金設計が重要である。
本発明者らが、まず着目したのがＣｕの影響である。Ｃｕはパーライト促進元素で、黒鉛形状を良くし、生地を強化することが知られている。そこで、この事項の確認のため、次なる実験を行った。
２，０００Ｋｇ容量の低周波誘導炉を用い、鋼屑及び戻し材を使用してＦＣＤ４５０相当の溶湯とし、これにＣｕを１．３％〜２．８％と変化させて添加した後、市販のＦｅ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃａ−ＲＥＭ合金添加のサンドウィッチ法による黒鉛球状化処理を実施し、注湯取鍋移し換え時に接種、ＣＯ2鋳型のＪＩＳ Ｇ５５０２ Ｙ型Ｂ号（２５ｔ×２１５ｌ）に鋳込んだ。その結果を図１に示す。これより、Ｃｕ添加量が１．８〜３．５％、より好ましくは２．４％〜３．３％の範囲で引張強さと伸びのバランスがよくなることを見出した。
【０００９】
次に、Ｓｎについては、０．０１％未満ではＣｕとの相乗効果や黒鉛形状の改善の効果はなく、上限を０．０５％としたのは、これ以上では脆化作用が強く、機械的性質が大幅に低下するためである。
Ｂｉは、鋳鉄材に添加すると、球状化剤を消費してしまうだけでなく、オーステナイトの粒界に偏析して、液相の溝を形成し、これに沿って黒鉛が成長し易くなり、黒鉛晶出が阻害され、球状化も阻害されることから、一般的にはダクタイル鋳鉄材において好ましい元素ではい。しかしながら、本発明者らはＣｕを１．８％〜３．５％、Ｓｎを０．０１％〜０．０５％含有させたダクタイル鋳鉄において、微量のＢｉを添加すると、黒鉛晶出が阻害される等の悪影響もなく、冷却速度が遅い内部においても黒鉛を均一微細分散化することが出来ることを見出した。Ｂｉを過量に添加すると、均一微細分散効果よりも、黒鉛量が減少し、鋳鉄の脆化をもたらす傾向が顕著に現れる。従って、Ｂｉは０．００３％〜０．０１％の範囲にした。従って、表層部と内部で差が生じない鋳物を目指す本発明では、成分として、Ｂｉ含有量を決める事が必要である。以上のことより、肉厚５０〜３００ｍｍの範囲ではＢｉ含有量を０．００３〜０．００５％程度に、また３００ｍｍ以上ではＢｉ含有量を０．００７〜０．０１％程度にすれば表層部とほぼ同程度の強度及び伸びが確保できる。
【００１０】
その他の成分であるＭｎは０．６％を超えると、共晶セル境界に強く偏析すると共に、セメンタイトをつくり延性を著しく低下させ、被削性を悪くするため上限を設けるものである。
Ｐは０．０３％を超えると、ステダイトの影響で伸びが低下し、又、表面焼入れした時の焼割れを防止するために上限を求めるものである。
Ｓは、Ｍｇ消費型の球状化阻害元素であり、０．０３％以下とした。Ｃ、Ｓｉ、Ｍｇは一般的な球状黒鉛鋳鉄の範囲である。すなわち、Ｃは３．０〜４．０％、Ｓｉは２．０〜２．７％、Ｍｇは０．０２〜０．０６％とした。
【００１１】
本発明に係るダイカスト金型用ホルダーの製造方法は、請求項２に記載のように、肉厚５０ｍｍ以上の部分を有する形状のダイカスト金型用ホルダーである鋳物製品を製造するに際し、鋳物体積の３０％以上の直接冷やし金を配置した砂型の鋳型内に、重量％で、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：２．０〜２．７％、Ｍｎ：０．６％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．０６％、Ｃｕ：１．８〜３．５％、Ｓｎ：０．０１〜０．０５％、Ｂｉ：０．００３％〜０．０１％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる球状黒鉛鋳鉄溶湯を注入して製造することに特徴を有するものである。
【００１２】
厚肉鋳物で冷却を早くするためには直接冷やし金法が鋳鋼などでは良く知られているが、これを使用する時量的なものが不明確で、鋳型の体積にも限界があることより、本発明者らは熱除去の観点から最適値を見いだした。即ち、鋳型内に注入された溶湯の熱を直接冷やし金で除去する。通常使われる冷やし金として使用される鋳鉄材（ＪＩＳ ＦＣ２５０など）は、鋳型を構成している砂粒子に比べ格段に熱伝導率がよいため、早く冷却を促進する。ところが、この冷やし金自体、鋳物熱を除去する代わりに温度が上昇するので、鋳物の冷却に応じて鋳物との温度差が減少し、熱の流れも減少するので無制限に冷却能があるわけではない。鋳物の凝固点を約１４７０℃とすると常温に設置された冷やし金がこの温度まで上昇するための熱容量は冷やし金を鋳鉄材とした場合、約１２０ｋｃａｌ／ｋｇとなる。一方、鋳物が凝固点で液体から固体に相転換するため熱量は凝固潜熱という物性値で知られており、球状黒鉛鋳鉄の場合約５０ｋｃａｌ／ｋｇであるため、冷やし金との熱容量の比をとると約２．４になる。即ち、鋳物の体積に対して、冷やし金の体積が１／２．４あれば、鋳物の凝固点での熱量を冷やし金の顕熱とバランスすることを示している。鋳型内に注湯された溶湯の材質（黒鉛の大きさや黒鉛の形態）が決まるのは凝固するまでの間であり、これ以降の冷却はさほど影響がないため、必要最低限の冷やし金の量もほぼこの考え方に見合う。実際には鋳物の形状や、冷やし金を取り囲む砂の熱容量などもあるため、必要最低限の冷やし金の体積を鋳物体積の３０％以上が望ましい。
【００１３】
Ｃｕ、Ｓｎ、Ｂｉの合金成分や、Ｍｎ、Ｐ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｇについては、既述したとおりである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のダイカスト金型用ホルダーによれば、合金成分として、Ｂｉを添加し、かつこのＢｉ量を鋳物肉厚に応じて最低値を決め、強度に影響を与えるＣｕとＳｎを科学的な根拠に基づき算定することにより、肉厚が増えても強度や伸びの低下が起こらず、安定的に実体の強度・伸びを確保することができるに至った。
【００１５】
本発明のダイカスト金型用ホルダーの製造方法によれば、通常の砂型鋳物に比べ冷却を早めるために直接冷やし金を設置し、しかもこの量として鋳物体積の３０％以上の冷やし金を使用し、合金成分として、Ｂｉを添加し、かつこのＢｉ量を鋳物肉厚に応じて最低値を決め、強度に影響を与えるＣｕとＳｎを科学的な根拠に基づき算定することにより、肉厚が増えても強度や伸びの低下が起こらず、安定的に実体の強度・伸びを確保することができるに至った。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図２の鋳造方案の模式図を参考に本発明の実施形態を説明する。図２において、１は鋳物（ダイカスト金型用ホルダー）、２は鋳鉄製の冷やし金、３はフラン砂で充填した鋳型、４は湯口を示し、ｄは鋳物１の肉厚を示す。因みに鋳物１の高さは約５００ｍｍ、巾は８００ｍｍに設定されている。この鋳型を使用して、５トン高周波誘導炉で成分調整し、溶解した溶湯を出湯時にＭｇ処理し、その後取り鍋内で接種した溶湯を用いて、図２の鋳型３に鋳込み、同時に別取り試験片（ＪＩＳ Ｇ５５０２）を採取した。その後、鋳物１は強度低下が一番明確な中心部付近からＪＩＳ４号試験片（ＪＩＳ Ｚ２２０１）を採取し、引張試験を実施した。このように、鋳型条件及び溶湯成分を変化させて、今までの論拠の確認の実験を行い、最適値を抽出した。
【００１７】
冷やし金の効果を確認するため、まず下記表１（化学成分分析結果（重量％））の化学成分並びに鋳込温度にて冷やし金の条件を変えた鋳型を製作し、鋳込みを行った。鋳物１が冷却後、鋳物１の中心部付近からＪＩＳ４号引張試験片を切り出し、引張試験を行った。その結果を図３に示す。図３より、冷やし金／鋳物体積比（冷やし金比率）を０．３以上にすれば、強度は所定の６００ＭＰａレベルを確保できることが解る。しかしながら、この伸び値は０〜３％で、いずれも規格値以下であった。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
鋳物肉厚が増加し、凝固までの時間が増えると黒鉛が粗大化し、この現象を冷やし金だけでは解決できないことがわかったので、合金元素の影響を試験した。上記表１の実験で冷やし金比率を０．３以上にすれば、図３のように強度低下が防げることが確認されたので、この点を考慮して、下記表２（化学成分分析結果（重量％））のようにＢｉ含有量を変えて成分の影響を試験した。その結果を図４に示すように、今回の試験ではいずれの試験片も引張強さは６００ＭＰａ以上で合格したものの（図には省略）、肉厚５０〜３００ｍｍではＢｉ含有量０．００３〜０．００５％で、３００ｍｍ以上ではＢｉ含有量を０．００７〜０．０１％にすれば伸びの低下が防げ、実体強度と伸びがバランスよく発揮されることが確認できた。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
以上の点を踏まえて各成分の影響を試験した。下記表３（化学成分分析結果（重量％））にその結果を示すが、強度を出すためにはＣｕやＳｎの存在も重要であり、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｓｎのバランスよい配合が重要である。
【００２２】
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明における引張試験結果を示す図表である。
【図２】本発明における鋳造方案模式図である。
【図３】本発明における冷やし金／鋳物比と張り強さを比較した図である。
【図４】本発明における鋳物肉厚と伸びを比較した図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    鋳物（ダイカスト金型用ホルダー）
２    冷やし金
３    鋳型
ｄ    鋳物の肉厚
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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