(57)【要約】【課題】本発明の目的は、製造コストが比較的安価で、耐溶損性および耐摩耗性に優れた非鉄溶融金属鋳造に用いられるダイカスト用スリーブを提供することである。【解決手段】工具鋼あるいは熱間金型用鋼からなる中空円筒状の母材の内面に、窒化処理により窒化層を形成した後、Ｃｒを含む溶融塩浴に浸漬して、Ｃｒの窒化物或いはＣｒの炭窒化物を含む被覆層を形成したダイカスト用スリーブであり、より好ましくは、化学成分が重量比で、Ｃ：０．３５〜０．４２％、Ｓｉ：０．８〜１．２％、Ｍｎ：０．３〜０．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：４．８〜５．５％、Ｍｏ：１．２〜１．６％、Ｖ：０．５〜１．１％を含むみ、残部Ｆｅ及び不可避的不純物元素からなる母材であ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】
工具鋼、熱間金型用鋼からなる中空円筒状の母材の内面に、窒化処理により窒化層を形成した後、Ｃｒを含む溶融塩浴に浸漬して、Ｃｒの窒化物或いはＣｒの炭窒化物を含む被覆層を形成したことを特徴とするダイカスト用スリーブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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金属製品鋳造に用いられるダイカスト用スリーブに係わり、従来の鉄鋼材料の表面に窒化処理した部材よりも耐溶損性および耐摩耗性に優れ、長期間耐用可能なダイカスト用スリーブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム、マグネシウム、亜鉛等からなる軽金属製品を高速、高精度に鋳造することができるダイカスト法に用いられるダイカスト用スリーブは、軽合金溶湯に対して溶損せず、プランジャチップの摺動に対して摩耗しない性能が要求される。
【０００３】
従来、非鉄金属製品鋳造用のダイカスト用スリーブとして中空円筒状の鉄鋼材料の内面に窒化処理を施すことにより、数１０〜数１００μｍの窒化層を形成したものがある。窒化処理の手段としては、浸硫窒化法、塩浴軟窒化、ガス窒化、ガス軟窒化、プラズマ窒化等があり、いずれの処理方法においてもビッカース硬さがＨｖ７００〜１２００となり、表面の硬化と窒化により耐溶損性および耐摩耗性の向上が図られている。
【０００４】
また特許文献１には、外筒および内筒の二層からなる複合構造のダイカスト用スリーブが提案されている。このダイカスト用スリーブは、本体部分が外筒と内筒で構成され外筒がＳＫＤ６１、ＳＣＭ４４０等からなり、内筒がＳＫＤ６１に焼入れ焼戻し後に窒化処理を施したものであって、水冷ジャケットによる冷却を必要とせず耐久性を向上することができるダイカストマシン用射出スリーブが開示されている。
【０００５】
特許文献２に、溶融金属と接触する内筒を金属とセラミックスの複合材料で形成し、金属製の外筒の内面に焼嵌めした複合構造のダイカスト用スリーブが開示されている。これは、内筒を金属とセラミックスの複合材料にすることにより、セラミックス単体に比べて靭性が向上し、使用時の機械的衝撃に対して破損しづらくなるものである。
【０００６】
一方、窒化の分野では、鉄基材料の窒化物層にＣｒを拡散させる手法が開発されつつある。例えば特許文献３には、鉄基材料に窒化処理を施した後、Ｃｒ含有の溶融塩浴中に適量のＳｉ化合物もしくはＳｉ系合金を含有させて、その塩浴中に浸漬することにより、溶融塩浴中のＣｒを鉄基材料の窒化層に拡散させ、これにより、鉄基材料の表層にＣｒの窒化物またはＣｒの炭窒化物を生成させることで、鉄基材料の表面に耐摩耗性、耐焼付性、耐酸化性、耐食性を付与することが開示されている。なお、特許文献３にはＳＫＤ６１の鋼材をＣｒ含有の溶融塩浴に浸漬して耐摩耗性等を付与したことは開示されているが、耐溶損性についての知見は全く開示されていない。
【０００７】
【特許文献１】
特許第３００８２５８号公報
【特許文献２】
特開２００２−１９２３２１号公報
【特許文献３】
特開２０００−１４４３７３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１のような鉄鋼材料からなる外筒の内面に窒化処理をしたダイカスト用スリーブは使用中に溶融金属の注入による急激な加熱と溶融金属排出による急激な冷却が繰り返されることによる熱衝撃がかかり、これに起因してスリーブ内面の表層部の窒化層に微細なヒートクラックが発生しやすかった。このヒートクラックが進展することにより、溶融金属の差込や最終的には内面の表層部が脱落し寿命が低下する問題があった。
【０００９】
また、溶融金属との接触により徐々に窒化層が分解することで、溶融金属との化学的反応の抑止効果が薄れ、溶損が急速に進行する問題もあった。また硬さも次第に低下し、スリーブとプランジャチップとの摩耗も発生しやすかった。
【００１０】
また特許文献２のような内筒を、セラミックやサーメットで形成したダイカスト用スリーブは、溶融金属と反応し難いので溶融金属に対する化学的安定性の効果は期待できるものの、熱衝撃に伴う繰返し応力に対する強度不足の問題は払拭できず依然ヒートクラック発生の問題をかかえている。また、製造コストが高価であるという問題もある。
【００１１】
よって、本発明の目的は、これらの問題を鑑みてなされたものであり、製造コストが比較的安価で、耐溶損性および耐摩耗性に優れたダイカスト用スリーブを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のダイカスト用スリーブは、工具鋼、熱間金型用鋼からなる中空円筒状の母材の内面に、窒化処理により窒化層を形成した後、Ｃｒを含む溶融塩浴に浸漬して、Ｃｒの窒化物或いはＣｒの炭窒化物を含む被覆層を形成したことを特徴とする。
【００１３】
【作用】
本発明のダイカスト用スリーブは、中空円筒状の母材として前記化学成分に示すＳＫＤ６１相当材を使用することにより、熱間での強度を確保した。
【００１４】
また、Ｃｒの炭窒化物を形成するのに必要な炭素量を有する鉄鋼材料が望ましく、炭素当量よりＣ：０．３５〜０．４２％の鋼材を選択した。またこの炭素含有量は後述のＣｒの炭窒化物を形成後も、母材に富化窒素量の蓄積を可能にしているため、十分な窒化層が残存できている。
【００１５】
また、母材の内面に、浸硫化窒化法、ガス窒化法等の窒化処理を施し窒化層を形成させることにより、窒化層のビッカース硬さがＨｖ７００〜１２００となり、表面の硬化と窒化により耐溶損性および耐摩耗性の向上を図ることができる。窒化層の厚さは１００〜２００μｍにするのが好ましい。
【００１６】
また、Ｃｒを含有する溶融塩浴中に浸漬することで、Ｃｒの窒化物或いはＣｒの炭窒化物を含む被覆層を形成することにより、より一層の耐溶損性および耐摩耗性を確保することができる。得られる被覆層の厚みはビッカース硬さがＨｖ１４００〜１６００である。
【００１７】
このＣｒの窒化物或いはＣｒの炭窒化物の被覆層の厚みは溶融塩浴への浸漬時間に基本的に比例し、５〜１５μｍ程度が好ましい。これは被覆層がビッカース硬さＨｖ１４００〜１６００であるため、厚肉化すればより脆くなり、密着性に問題が生じるためである。また被覆層の下部には窒化層が残存し、ビッカース硬さＨｖ７００〜１２００を確保しているため被覆層と母材との硬度差を緩和させ、密着性がより一層向上する。
【００１８】
また本発明の、工具鋼あるいは熱間金型用鋼としては、化学成分が重量比で、
Ｃ  ：０．３５〜０．４２％、          Ｓｉ：０．８〜１．２％、
Ｍｎ：０．３〜０．５％、              Ｐ  ：０．０３％以下、
Ｓ  ：０．０１％以下、                Ｃｒ：４．８〜５．５％、
Ｍｏ：１．２〜１．６％、              Ｖ  ：０．５〜１．１％
を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物元素からなるものがより好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
試験片の母材として、化学成分が重量比で、Ｃ：０．３９〜０．４％、Ｓｉ：１．０％、Ｍｎ：０．３〜０．４％、Ｐ：０．０１％、Ｓ：０．００５％、Ｃｒ：４．９〜５．０％、Ｍｏ：１．２〜１．４％、Ｖ：０．６〜０．８％のＳＫＤ６１鋼相当材を直径１０ｍｍ、長さ１００ｍｍの丸棒形状に加工した後、そのまま何も処理も施していないＳＫＤ６１鋼相当材（比較例Ｎｏ．４）、ガス窒化法にて窒化層を形成したもの（比較例Ｎｏ．３）、浸硫窒化法にて窒化層を形成したもの（比較例Ｎｏ．２）、あらかじめ窒化処理した後Ｃｒを含む溶融塩浴に浸漬することにより窒化層の表面にＣｒの窒化物からなる被覆層を形成させたもの（本発明実施例Ｎｏ．１）の４種類を準備した。
【００２０】
これら各々の試験片について、アルミニウム合金溶湯に対する耐溶損性試験を行った。図３に試験装置の概略図を示す。各試験片は、取付け状況を例示した１個の試験片８のように、先端から５０ｍｍまでの部分をアルミニウム合金溶湯９へ浸漬するように円板状の試験片保持板１０に取り付けた。
【００２１】
７２０℃に保持したアルミニウム合金（ＡＤＣ１２）溶湯９に浸漬して、各試験片が溶損を開始するまでの時間を調べた。溶損を開始する定義は、溶損により試験片の直径が１ｍｍ以上減少する時点とした。その結果を表１に示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
表１より、実施例Ｎｏ．１は、比較例Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４に比べ耐溶損性が格段に優れ、ダイカストスリーブとして汎用的に使用されている比較例Ｎｏ．３のガス窒化品と比較すると、５倍程度の耐溶損性が認められる。
【００２４】
実施例Ｎｏ．１の試験片のＥＰＭＡによる断面分析結果を図２に示す。図２において、左側が母材であるＳＫＤ６１鋼相当材、右側が被覆層を示す。最表面は炭素濃度の高い層（本発明の被覆層）となり、続いてその下層に窒素濃度の高い層（本発明の窒化層）が形成される。Ｃｒの炭化物と窒化物を比較するとＣｒの炭化物の密度が小さいため、窒化物と比較して緻密になりやすい。従って、溶融金属と直接接触する最表面が緻密な層になるため、溶融金属の侵入に基づく溶損が起こり難く、耐溶損性に優れる要因とる。
【００２５】
表１の実施例のＮｏ．１試験片と同材質を用い、アルミニウム鋳造用ダイカスト用スリーブを製作した。図１に、本発明のダイカスト用スリーブの概略断面図を示す。図１において、ダイカスト用スリーブ１は、ＳＫＤ６１鋼相当材製の外筒２の内面に窒化層３を形成される。また、窒化層３の表面にはＣｒの窒化物或いはＣｒの炭窒化物を含む被覆層７が形成されている。スリーブ１の後部側に開けられた給湯口４からアルミニウム合金等の溶融金属が供給される。５はダイカスト用スリーブ１の射出口側、６は後端側である。
【００２６】
このダイカスト用スリーブ１は型締力２５０トン用であり、その概略寸法は、外径９５ｍｍ、内径６０ｍｍ、長さ２６７ｍｍである。また同様に、比較例として、表１の比較例Ｎｏ．３の試験片と同材質を用い、ガス窒化処理を施してダイカスト用スリーブを作製した。
【００２７】
これらのダイカスト用スリーブを溶湯アルミニウム合金ＡＤＣ１２を鋳造するダイカストマシンに使用した結果、本発明例のダイカスト用スリーブはメンテナンス無しで４７万ショット使用できた。一方、比較例のダイカスト用スリーブは、溶損部のメンテナンスを途中で行いながら１０万ショットで耐用できなくなった。
【００２８】
本実施例はアルミニウム合金溶融金属に用いた結果であるが、亜鉛、マグネシウム合金等の他の非鉄金属溶融金属の他の用途に用いても、同様な効果を発揮する。
【００２９】
【発明の効果】
本発明のダイカスト用スリーブは、鋼材の母材の内面に、窒化処理により形成した窒化層の表層にＣｒの窒化物或いはＣｒの炭窒化物を含む層を形成させることにより、耐溶損性および耐摩耗性が優れる。また本発明は、従来の鉄鋼材料に窒化を施したスリーブをそのまま流用し、Ｃｒを含む溶融塩浴中に浸漬させることで製作が可能なため、製作が容易であり安価に製作できる。これらにより、非鉄金属製品製造用のダイカスト用スリーブとして鋳造経費の節減、並びに非鉄金属製品の原価低減に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のダイカスト用スリーブの概略断面図である。
【図２】本発明例の試験片の表層部断面のＥＰＭＡ分析結果である。
【図３】溶損試験装置の概略図である。
【符号の説明】
１  ダイカスト用スリーブ、  ２  母材、  ３  窒化層、  ４  給湯口、
５  射出口側、  ６  後端側、  ７  被覆層、  ８  試験片、  ９  溶融金属、
１０  試験片保持板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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