(57)【要約】【目的】初期割れが発生し難い耐アルミニウム溶湯用窒化けい素焼結体を提供する。【構成】アルミニウム溶湯用部材として用いる管状または箱状の窒化けい素焼結体であって、該窒化けい素焼結体は焼結助剤の総添加量を１８重量％未満として焼結されたものであり、焼結体の外表面の残留応力と内表面の残留応力の差が５０ＭＰａより小さく且つ残留応力の絶対値が１００ＭＰａ以下であることを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム溶湯用部材として用いる管状または箱状の窒化けい素焼結体であって、該窒化けい素焼結体は焼結助剤の総添加量を１８重量％未満として焼結されたものであり、焼結体の外表面の残留応力と内表面の残留応力の差が５０ＭＰａより小さく且つ残留応力の絶対値が１００ＭＰａ以下であることを特徴とする耐アルミニウム溶湯用窒化けい素焼結体。
【請求項２】
請求項1記載の窒化けい素焼結体を製造する方法であって、常法に従って焼結した後、焼結後の冷却過程において、窒素ガス雰囲気の下で、７００〜１１５０℃の温度域に保持する処理を行うことを特徴とする耐アルミニウム溶湯用窒化けい素焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム溶湯用部材として用いる耐アルミニウム溶湯用窒化けい素焼結体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化けい素焼結体は、耐食性、機械的特性、耐熱衝撃性、耐磨耗性などに優れているため、金属溶湯用部材、エンジン部品、切削工具などの産業用部品として広い分野で使用されている。特に溶融アルミニウムに曝されるアルミニウム溶湯用部材として、熱電対保護管、アルミニウム溶湯を加熱するためのヒーターチューブ、アルミニウム溶湯を鋳型に供給するためのストーク、アルミニウム溶湯をダイキャストスリーブへ注入するためのラドルなど、管状または箱状のものが自動車産業分野において利用されている。
【０００３】
このような部材、部品として使用する窒化けい素焼結体の高強度高靭性化や耐磨耗性を高めるため、高融点の結晶相を生成する焼結助剤の使用や柱状β型窒化けい素の添加、ジルコニア、ハフニアなどの第３成分の添加などが試みられ、焼結した後、再加熱、急冷して残留応力を高める方法など、焼結後の残留応力を高める種々の方法も提案されている。
【０００４】
また、残留応力を小さくして窒化けい素焼結体の組織内の結晶粒の異常成長を防止して強度向上を図る手法、アルミニウム溶湯部材として使用するための窒化けい素焼結体において、繰り返し使用に伴うクラックの発生を防止し、アルミニウム溶湯との濡れ角を大きくするための表面構造の提案もなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３０５８３４号公報
【特許文献２】特開２０１３−７５７９６号公報
【特許文献３】特開平０８−３１９１６６号公報
【特許文献４】特開２００５−１７９１７６号公報
【特許文献５】特開２００５−２１３０８１号公報
【特許文献６】特開平１１−１８０７７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の提案のうち、焼結体に圧縮残留応力を残すことは強度と破壊靱性を高める上で有効な方法であるが、窒化けい素焼結体の形状が管状または箱状の場合、外表面と内表面の残留応力が均等でない場合があり、これに起因して割れが生じるという問題がある。
【０００７】
例えば、ヒーターチューブの場合、内表面は１２００〜１４００℃のヒーターから受熱し続け、外表面は６８０℃程度のアルミニウム溶湯により冷却され続けるため、内表面と外表面の温度差が２００℃以上にもなる。ヒーターチューブは、加熱により熱膨張することによって残留応力が緩和されると共に、内表面と外表面の温度差による熱膨張差から、内表面と外表面の残留応力との差が大きくなるため、使用開始直後や数回の使用で破損する、いわゆる初期割れが発生することがある。
【０００８】
本発明は、アルミニウム溶湯用部材として用いる形状が管状または箱状の窒化けい素焼結体の初期割れを防止するために、外表面と内表面の残留応力と初期割れ発生との関係について試験、検討を行った結果としてなされたものであり、その目的は、初期割れが発生し難い耐アルミニウム溶湯用窒化けい素焼結体およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するための請求項１による耐アルミニウム溶湯用窒化けい素焼結体は、アルミニウム溶湯用部材として用いる管状または箱状の窒化けい素焼結体であって、該窒化けい素焼結体は焼結助剤の総添加量を１８重量％未満として焼結されたものであり、焼結体の外表面の残留応力と内表面の残留応力の差が５０ＭＰａより小さく且つ残留応力の絶対値が１００ＭＰａ以下であることを特徴とする。
【００１０】
請求項２による耐アルミニウム溶湯用窒化けい素焼結体の製造方法は、請求項1記載の窒化けい素焼結体を製造する方法であって、常法に従って焼結した後、焼結後の冷却過程において、窒素ガス雰囲気の下で、７００〜１１５０℃の温度域に保持する処理を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、アルミニウム溶湯用部材として用いる管状または箱状の窒化けい素焼結体であって、外表面と内表面の残留応力が少なく、初期割れが発生し難い耐アルミニウム溶湯用窒化けい素焼結体およびその製造方法が提供される。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明による耐アルミニウム溶湯用窒化けい素焼結体は、アルミニウム溶湯（アルミニウム合金溶湯を含む）に浸漬して用いることができる形状が管状または箱状の窒化けい素焼結体であり、外表面の残留応力と内表面の残留応力の差が５０ＭＰａより小さく且つ残留応力の絶対値が１００ＭＰａ以下であることを特徴とする。
【００１３】
管状または箱状の焼結体の外表面の残留応力と内表面の残留応力の差が５０ＭＰａ以上では、使用の初期に割れが生じ易くなる。外表面の残留応力と内表面の残留応力の絶対値はいずれも１００ＭＰａ以下が好ましく、いずれかの絶対値が１００ＭＰａを超えると初期割れが生じ易くなる。
【００１４】
本発明による耐アルミニウム溶湯用窒化けい素焼結体は、一般的な焼結法である反応焼結、常圧焼結によって焼結し、焼結後の冷却過程において、窒素ガス雰囲気の下で、７００〜１１５０℃の温度域に保持する処理を行うことにより製造される。
【００１５】
具体的実施形態は、焼結後の冷却過程において、焼結された窒化けい素焼結体を７００〜１１５０℃の温度域内のＴ１℃まで降温し、窒素ガス雰囲気の下、Ｔ１℃の温度に保持する熱処理を行う。保持温度（Ｔ１℃）は使用する焼結助剤の結晶化温度より５０℃以上低い温度、さらに好ましくは１００℃以上低い温度とするのが望ましい。７００℃より低い温度では本発明の特性が得難い。
【００１６】
その後さらに前記温度域内のＴ２℃（Ｔ１℃＞Ｔ２℃≧７００℃）まで降温して、窒素ガス雰囲気の下、Ｔ２℃の温度に保持してもよく、このような保持を複数段繰り返すこともできる。各温度での保持時間は実用上０．５〜３時間程度が好ましい。保持する温度が１１５０℃を超えると残留応力が大きくなり本発明の特性が得難くなる。また、焼結後、焼結体を常温まで冷却し、その後、７００〜１１５０℃の温度域に加熱して、この温度域内の温度に保持した場合も、本発明の特性を得ることが難しい。
【００１７】
本発明による耐アルミニウム溶湯用窒化けい素焼結体は、前記のように、一般的な焼結法である反応焼結、常圧焼結によって焼結することにより製造されるが、この場合、焼結時における焼結助剤の総添加量を１８重量％未満とするのが好ましく、焼結助剤の総添加量が１８重量％以上では粒界に存在する焼結助剤の量が多くなって、外表面と内表面の残留応力の差が大きくなり、またその絶対値も１００ＭＰａを超え易くなる。
【実施例】
【００１８】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、本発明の効果を実証する。なお、これらの実施例は本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれらに限定されない。
【００１９】
実施例１、比較例１
シリコン（Ｓｉ）を出発原料として、表１に示すように、焼結助剤を配合し、外径５６ｍｍ、内径４２ｍｍ、長さ９００ｍｍの管状閉端管を成形した。この成形体を１３００℃の温度で窒化処理した後、黒鉛トレーに収納して、表１に示す焼結温度、窒素ガス圧１．５気圧で４時間焼結し、焼結後の冷却過程において、表１に示すように、窒素雰囲気で７００〜１１５０℃の温度域内の温度に保持する熱処理を行ったものと、熱処理を行わないものとを作製し、外径５０ｍｍ、内径３８ｍｍ、長さ８００ｍｍの管状閉端管の焼結体（試験材１〜６）を得た。なお、表１において、本発明の条件を外れたものには下線を付した。
【００２０】
（残留応力の測定）：
得られた試験材から、外径５０ｍｍ、内径３８ｍｍ、長さ１００のパイプを切り出し、半円筒状に切断して残留応力測定試料を作成し、Ｘ線回折法にて外表面と内表面の残留応力を測定した。その結果を表２に示す。
【００２１】
（耐アルミニウム溶湯試験）
得られた試験材を６８０℃のアルミニウム溶湯直上にて５分保持した後、アルミニウム溶湯中に深さ３５０ｍｍまで速やかに浸漬し、１０分保持した後、同じ速度で引き上げ、室温まで放冷後、外観確認と打音検査により、破損・クラック発生の有無を調べる試験を５回実施した。５回実施で破損やクラック発生が無いものを合格（○）と評価した。結果を表２に示す。
【００２２】
（大気中酸化試験）
得られた試験材を大気中１０００℃の温度に２４時間保持して冷却後の状態を観察した。冷却後の状態が正常なものを合格（○）と評価した。結果を表２に示す。なお、表２において、本発明の条件を外れたものには下線を付した。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
【表２】
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【００２５】
表２に示すように、本発明に従う試験材１、３、５はいずれも、耐アルミニウム溶湯試験でクラックの発生がなく、大気中酸化試験後の状態も正常であった。これに対して、焼結後の冷却過程で熱処理を行わなかった試験材２、４、および焼結助剤の総添加量が１８重量％を超える試験材６は、耐アルミニウム溶湯試験でクラックが生じ。あるいは大気中酸化試験で亀裂や破損が生じた。
【００２６】
実施例２、比較例２
出発原料を表３に示す原料に変え、実施例１と同様に処理して外径５０ｍｍ、内径３８ｍｍ、長さ８００ｍｍの管状閉端管の焼結体（試験材７〜１２）を作製し、実施例１と同じ方法で残留応力を測定し、耐アルミニウム溶湯試験、大気中酸化試験を行った。結果を表４に示す。表３、４において、本発明の条件を外れたものには下線を付した。
【００２７】
【表３】
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【００２８】
【表４】
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【００２９】
表４に示すように、本発明に従う試験材７、８、１０、１２はいずれも、耐アルミニウム溶湯試験でクラックの発生がなく、大気中酸化試験後の状態も正常であった。これに対して、焼結後の冷却過程で熱処理を行わなかった試験材９、および焼結助剤の総添加量が１８重量％を超える試験材１１は、耐アルミニウム溶湯試験ではクラックが生じなかったが、大気中酸化試験でチッピングや破損が生じた。