(57)【要約】    【課題】  非鉄溶融金属と接触して使用される各種の耐溶損性合金に適用できるものについて、耐溶損性、耐摩耗性、耐酸化性および保温性に優れた非鉄溶融金属用耐溶損性部材を提供する。    【解決手段】  本発明の非鉄溶融金属用耐溶損性部材は、質量％で、Ｃ：１．０〜４．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜５．０％、Ｎｉ：４．０％未満、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ｍｏ≦９．０％、Ｖ：４．０〜１５．０％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物元素からなる被覆層もしくは母材を設け、該被覆層もしくは母材の表面にＣｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物からなる皮膜層を形成することを特徴とする。また、前記被覆層もしくは母材が質量％でＷ＜０．２％、Ｃｏ≦５．０％、Ｎｂ≦１０．０％、Ａｌ≦３．０％のうちいずれか一種以上を含有することを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系または鋼系からなる基材の内表面または外表面の非鉄溶湯と接触する少なくとも一部分に質量％で、Ｃ：１．０〜４．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜５．０％、Ｎｉ：４．０％未満、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ｍｏ≦９．０％、Ｖ：４．０〜１５．０％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物元素からなる被覆層を設け、該被覆層の表面にＣｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物からなる皮膜層を形成することを特徴とする非鉄溶融金属用耐溶損性部材。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：１．０〜４．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜５．０％、Ｎｉ：４．０％未満、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ｍｏ≦９．０％、Ｖ：４．０〜１５．０％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物元素からなる母材を設け、該母材の表面にＣｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物からなる皮膜層を形成することを特徴とする非鉄溶融金属用耐溶損性部材。
【請求項３】
前記被覆層または母材が質量％でＷ＜０．２％、Ｃｏ≦５．０％、Ｎｂ≦１０．０％、Ａｌ≦３．０％のうちいずれか一種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の非鉄溶融金属用耐溶損性部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金、亜鉛合金、マグネシウム合金等の非鉄溶融金属と接触して使用される耐溶損性、耐摩耗性、耐酸化性および保温性に優れた合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、アルミニウム合金、マグネシウム合金などの非鉄合金は、自動車製品、家電製品などの各種構成部材の製造に広く利用されている。これらの製品を製造する際、非鉄溶融金属溶湯と接触して用いられる部材、例えば、ダイカストスリーブ、ガス吹込み管、中子、ストーク、湯口部材、ラドル等は耐溶損性、耐摩耗性、耐酸化性および保温性が要求される。
【０００３】
この種の部材としては、ＳＫＤ６１に代表される熱間金型用合金鋼からなるものが一般的に用いられる。近年、生産性の向上や品質向上の観点から、さらなる耐溶損性、耐摩耗性、耐酸化性および保温性が要求されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、化学成分が重量比でＣ：２．４〜３．８％、Ｓｉ：０．２〜２．６％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｐ：０．０５〜０．５％、Ｓ：０．００５〜０．２％、残部Ｆｅ及び不純物元素を含み、炭化物と基地の金属組織を有する白銑系材料を用いて形成されてなることを特徴とする非鉄金属溶湯用部材が記載されている。前記白銑系材料は、さらに化学成分が重量比でＮｉ：０．１〜４．０％、Ｃｒ：０．１〜２．５％、Ｍｏ：０．１〜２．０％、Ｖ：０．１〜２．０％の中の１種又は２種以上を含むことが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１９４４７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のような従来の非鉄金属溶湯用部材は、未だ耐溶損性、耐摩耗性、耐酸化性が十分とはいえなかった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、非鉄溶融金属と接触して使用される各種の耐溶損性合金に適用できるものについて、耐溶損性、耐摩耗性、耐酸化性に優れた非鉄溶融金属用耐溶損性部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の非鉄溶融金属用耐溶損性部材は、鉄系または鋼系からなる基材の内表面または外表面の非鉄溶湯と接触する少なくとも一部分に質量％で、Ｃ：１．０〜４．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜５．０％、Ｎｉ：４．０％未満、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ｍｏ≦９．０％、Ｖ：４．０〜１５．０％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物元素からなる被覆層を設け、該被覆層の表面にＣｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物からなる皮膜層を形成することを特徴とする。
【０００９】
また、質量％で、Ｃ：１．０〜４．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜５．０％、Ｎｉ：４．０％未満、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ｍｏ≦９．０％、Ｖ：４．０〜１５．０％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物元素からなる母材を設け、該母材の表面にＣｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物からなる皮膜層を形成することを特徴とする。
【００１０】
また、前記被覆層または母材が質量％でＷ＜０．２％、Ｃｏ≦５．０％、Ｎｂ≦１０．０％、Ａｌ≦３．０％のうちいずれか一種以上を含有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の非鉄溶融金属用耐溶損性部材は、鉄系または鋼系材料からなる基材の内表面または外表面の少なくとも一部分に質量％で、Ｃ：１．０〜４．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜５．０％、Ｎｉ：４．０％未満、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ｍｏ≦９．０％、Ｖ：４．０〜１５．０％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物元素からなる被覆層を設けて、この被覆層の表面の非鉄溶融金属と接触する部分にＣｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物からなる皮膜層を形成し、基材が直接に非鉄溶融金属と接触しない構造としたものである。
【００１２】
また、本発明の非鉄溶融金属用耐溶損性部材は、質量％で、Ｃ：１．０〜４．０％、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜５．０％、Ｎｉ：４．０％未満、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％、Ｍｏ≦９．０％、Ｖ：４．０〜１５．０％を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物元素からなる母材を設け、該母材の表面にＣｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物からなる皮膜層を形成し、母材が直接に非鉄溶融金属と接触しない構造としたものである。
【００１３】
前記被覆層もしくは母材はＳＫＤ６１鋼に比べＶやＣｒを多量に含んだ高合金材であり、炭化物が微細に分散しているため耐摩耗性が十分得られる。また、後述の溶損試験による耐溶損性に示すように、前記被覆層もしくは母材自体も耐溶損性に優れている。これは前記被覆層もしくは母材中に分散した炭化物が非鉄溶融金属と反応し難いことに起因している。さらに、ＶやＣｒの拡散係数がＦｅよりも小さいことからも、これらＶ、Ｃｒの合金を多量に含む前記被覆層もしくは母材は非鉄溶融金属に対する耐溶損性効果に優れている。
【００１４】
また、前期被覆層もしくは母材の内表面または外表面に、Ｃｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物からなる皮膜層を形成させることによって、なお一層耐溶損性に優れる非鉄溶融金属用耐溶損性部材が得られる。
【００１５】
前記合金からなる被覆層もしくは母材中には、主にＭＣ系炭化物が多く含まれる。硬さを確保するためには、硬質であるＭＣ系炭化物の面積率の総和は５％以上が好ましいが、炭化物の面積率の総和が多くなると被覆層もしくは母材が脆くなるので２５％以下が望ましい。
【００１６】
本発明の非鉄溶融金属用耐溶損性部材に係わる被覆層もしくは母材の化学成分（質量％）は以下の範囲が望ましい。
【００１７】
Ｃ：１．０〜４．０％
Ｃは、耐摩耗性向上のための炭化物の形成と、基地への固溶による焼入れ・焼戻し時の基地硬さの向上に必要である。Ｃは、耐摩耗性の向上に寄与する硬質炭化物を生成する。Ｃが１．０％未満では耐摩耗性を向上させるために有効な硬質炭化物の晶出が少なく、また基地に固溶するＣが不足し、焼入れによっても十分な基地硬さが得られなくなる。一方、４．０％を超えると硬質炭化物が粗大化しその晶出量も過大となり、靭性が劣化しやすい。
【００１８】
Ｓｉ：０．２〜４．０％
Ｓｉの含有量は０．２〜４．０％が好ましい。Ｓｉは、脱酸剤として作用し、また硬質炭化物中に固溶してＷ、Ｍｏなどの元素を置換して含有されるため、Ｗ、Ｍｏなどの高価な元素の節減を図るために有効である。Ｓｉが０．２％未満では脱酸効果が不足して鋳造欠陥を生じやすい。また、４．０％を超えると脆化が生じやすい。
【００１９】
Ｍｎ：０．１〜５．０％
Ｍｎの含有量は０．１〜５．０％が好ましい。Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用がある。Ｍｎが０．１％未満であるとこの脱酸作用が劣化する。Ｍｎが５．０％を超えると、耐溶損性および耐酸化性が劣る。また、炭化物の偏析を起こして強度が劣化する。Ｍｎの含有量は０．１５〜５．０％が好ましく、さらに０．２〜５．０％がより望ましい。
【００２０】
Ｎｉ：４．０％未満
Ｎｉの含有量は４．０％未満が好ましい。含有量が４．０％以上では、金属組織中に軟らかいオーステナイト相が過剰に残留するため、材料が変形しやすくなったり、焼入れ硬さが低下する原因になる。
【００２１】
Ｃｒ：１０．０〜２５．０％
Ｃｒ含有量は１０．０〜２５．０％が好ましい。これは、含有量１０．０％未満では、安定したオーステナイト相を晶出させることができず、耐食性を低下させてしまい、一方、２５．０％を超えると偏析を起こして強度を劣化させる原因となる。
【００２２】
Ｍｏ≦９．０％
Ｍｏ含有量は９．０％以下が好ましい。Ｍｏは基地を安定させるのに有効であり、Ｍｏを含有させる場合、その含有量が９．０％を超えると、硬質炭化物の晶出を不
安定とさせ、しかも耐食性が劣化してしまう。
【００２３】
Ｖ：４．０〜１５．０％
Ｖは、耐摩耗性の向上に最も寄与する硬質なＭＣ系炭化物、Ｍ4Ｃ3系炭化物を形成する。Ｖが４．０％未満では炭化物の生成が少なく耐摩耗性が不足する。Ｖが１５．０％を超えると、ＭＣ、Ｍ4Ｃ3系炭化物が凝固中に凝集偏析して脆性の劣化を引き起こすので好ましくない。より好ましいＶの含有量は、８．０〜１２．０％である。
【００２４】
Ｗ  ＜０．２％
Ｃｏ≦５．０％
Ｎｂ≦１０．０％
Ａｌ≦３．０％
Ｗ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ａｌについては、耐溶損性、耐摩耗性、耐酸化性等の目的に応じて適宜配合すればよい。これらは単独で配合しても効果はあるが、複数組み合わせて配合することにより、より優れた効果を得ることができる。
【００２５】
また、本発明の非鉄溶融金属用耐溶損性部材の被覆層もしくは母材は、その熱伝導率が従来のＳＫＤ６１鋼と比べ１１〜１２Ｗ／ｍ・Ｋと小さいため、例えば本発明の合金を保温性が要求されるダイカストスリーブのライナ材に適用した場合、ライナ材からダイカストスリーブの外筒への熱の移動がほとんど無く、保温性が良好なものとなる。
【００２６】
本発明の非鉄溶融金属用耐溶損性部材は、アルミニウム合金、亜鉛合金、マグネシウム合金等の非鉄溶融金属と接触して使用される部材に好適であり、具体的にはダイカストスリーブ、ガス吹込み管、中子、ストーク、湯口部材、ラドル、プランジャチップ、ヒーターチューブ、熱電対保護管、脱ガス用ロータ、鋳型、堰入れ子、ランスパイプ等の各種部材が挙げられる。
【００２７】
また、本発明の非鉄溶融金属用耐溶損性部材の皮膜層もしくは母材は、静置鋳造法、遠心鋳造法、肉盛法、焼結法など、公知の方法で製造できる。さらに、本発明の非鉄溶融金属用耐溶損性部材の皮膜層もしくは母材は、金属Ｃｒ粉末を含む溶融塩に浸漬処理するなどの公知の方法で製造できる。また、前記皮膜層もしくは母材の表面を浸硫窒化、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って窒化層を形成させ、その表面に前記皮膜層を形成させてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
（実施例１）
実施例１として、本発明の非鉄溶融金属用耐溶損性部材を用いたダイカストスリーブについて以下に説明する。図１に、本発明のダイカストスリーブの概略断面図を示す。図１において、ダイカストスリーブ１は、鋼製のダイカストスリーブ基材２の内面に本発明の被覆層３が溶着して構成される。基材２と被覆層３を通して開けられた給湯口４からアルミニウム等の溶融金属が供給される。５はダイカストスリーブ１の射出口側、６は後端側である。
【００２９】
基材２は中空円筒状であり、一般構造用鋼で製作した。基材２は外径１３０ｍｍ、内径６８ｍｍ、長さ６６５ｍｍである。基材２の後端側６に鉄板を溶接して塞ぎ、この後端側６を下にして基材２を長手鉛直方向に立て、加熱炉内へセットした後、１２００℃に加熱した。
【００３０】
被覆層は、質量％で、Ｃ：３．２％、Ｓｉ：２．３％、Ｍｎ：０．２％、Ｃｒ：１５．４％、Ｍｏ：１．２％、Ｖ：１０．６％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるインゴットを１６００℃で溶解し、前述の１２００℃に加熱した基材２の射出口側５から溶湯を鋳込んだ。そして素早く射出口側５の穴に栓を打ち込み、遠心鋳造機に移動させた。遠心鋳造機には、長手方向が水平になるようにセットした。遠心鋳造機を作動させ、１０００ｒｐｍで回転させ、外筒２の外表面温度が、４５０℃に達したら回転を停止させ、徐冷炉へ入れた。
【００３１】
回転を停止した後、所定の温度まで空冷し焼入れを行った。その後、歪取り焼鈍および焼きなましを４００〜６００℃で３回行うことで内面に被覆層を溶着させたダイカスト用のスリーブ素材を得た。
【００３２】
このようにして得られたスリーブ素材の外周面、端面、内面およびホッパー孔を所定の寸法に仕上加工を行った。
【００３３】
次に、本スリーブ素材を金属Ｃｒ粉末を含む溶融塩に浸漬して、被覆層３の表面にＣｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物皮膜層７を形成し、ダイカストスリーブ１を得た。
【００３４】
このようにして製造した本発明のダイカストスリーブを、実機ダイカストマシンに装備し、アルミ溶湯の射出成形に供したところ、従来のＳＫＤ６１鋼に比べ耐摩耗性、耐溶損性に格段に優れ、長期間安定に使用することができた。
【００３５】
本実施例１では被覆層の表面に直接Ｃｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物皮膜層を生成させたが、被覆層を一旦窒化処理を施した後に、Ｃｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物皮膜層を生成させてもよい。
【００３６】
（実施例２）
実施例２として、本発明の非鉄溶融金属用耐溶損性部材を用いた非鉄金属溶湯低圧鋳造用堰入れ子について以下に説明する。図２に本発明の堰入れ子の概略断面図を示す。図２において、堰入れ子８は、本発明の鋼製の堰入れ子母材１０の内面に本発明の被覆層３が溶着して構成される。母材１０と皮膜層７を通して開けられた湯道９にアルミニウム合金溶湯が通される。
【００３７】
この母材１０は中空円筒状であり、質量％で、Ｃ：３．２％、Ｓｉ：２．３％、Ｍｎ：０．２％、Ｃｒ：１５．４％、Ｍｏ：１．２％、Ｖ：１０．６％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる本発明の非鉄溶融金属用耐溶損性部材で製作した。母材１０は外径φ８０ｍｍ、内径φ３０ｍｍ、長さ１００ｍｍに加工し、素材とした。
【００３８】
得られた堰入れ子素材を、金属Ｃｒ粉末を含む溶融塩に浸漬して、母材１０の表面にＣｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物皮膜層７を形成し、堰入れ子８を得た。
【００３９】
このようにして製造した本発明の堰入れ子を、実機アルミニウム溶湯の低圧鋳造装置に装備し、実際の鋳造に供したところ、従来のＳＫＤ６１鋼に比べ耐摩耗性、耐溶損性に格段に優れ、長期間安定に使用することができた。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の非鉄溶融金属用合金によれば、耐溶損性、耐摩耗性、耐酸化性および保温性に優れるので、ダイカストスリーブ、ガス吹込み管、中子、ストーク、湯口部材、ラドル等をはじめ、非鉄溶融金属と接触して使用される各種の非鉄溶融金属用合金に用いる部材が長期間安定して使用でき、生産効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施例１に係るアルミニウム溶湯用ダイカストスリーブを示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施例２に係るアルミニウム溶湯用堰入れ子を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  ダイカストスリーブ、  ２  ダイカストスリーブ基材、
３  本発明の被覆層もしくは母材、  ４  給湯口、  ５  スリーブ射出口側、
６  スリーブ後端側、  ７  Ｃｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物皮膜層、
８  堰入れ子、  ９  湯道
【図１】
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【図２】
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