(57)【要約】【課題】従来の鋼製材料とセラミックス材料の長所を併せ持つ耐摩耗性、耐溶損性および靭性に優れたダイカスト用スリーブを提供する。【解決手段】中空円筒状の鋼製材料からなる外筒の溶融金属と接触する少なくとも一部分の内面に、耐摩耗性に優れる被覆層を形成し、該被覆層が重量比で、Ｃ：１．０〜３．０％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｎｉ≦４．５％、Ｃｒ：３．０〜１０．０％、Ｍｏ：０．１〜９．０％、Ｗ≦１０．０％、Ｖ：１．０〜１０．０％を含有するＦｅ基合金からなり、さらに、Ｃｏ≦１０．０％、Ｎｂ≦１０．０％の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】
中空円筒状の鋼製材料からなる外筒の溶融金属と接触する少なくとも一部分の内面に、耐摩耗性に優れる被覆層を形成したダイカスト用スリーブであって、該被覆層が重量比で、
Ｃ  ：１．０〜３．０％              Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｍｎ：０．１〜２．０％              Ｎｉ≦４．５％
Ｃｒ：３．０〜１０．０％            Ｍｏ：０．１〜９．０％
Ｗ≦１０．０％                      Ｖ  ：１．０〜１０．０％
を含有するＦｅ基合金からなることを特徴とするダイカスト用スリーブ。
【請求項２】
前記被覆層がさらに重量比で、Ｃｏ≦１０．０％、Ｎｂ≦１０．０％の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に記載のダイカスト用スリーブ。
【請求項３】
前記被覆層が、ＭＣ系（Ｍは金属元素）炭化物、Ｍ２Ｃ系炭化物、Ｍ６Ｃ系炭化物、Ｍ７Ｃ３系炭化物、Ｍ４Ｃ３系炭化物およびＭ２３Ｃ６系炭化物の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に記載のダイカスト用スリーブ。
【請求項４】
前記被覆層中に含有される炭化物の面積率の総和が２５％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のダイカスト用スリーブ。
【請求項５】
前記被覆層が遠心鋳造法で形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のダイカスト用スリーブ。
【請求項６】
前記被覆層の表面に、窒化物からなる皮膜層を構成することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のダイカスト用スリーブ。
【請求項７】
前記窒化物皮膜層の表面に、Ｃｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物からなる皮膜層を構成することを特徴とする請求項６に記載の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用のダイカストに用いられるスリーブであり、これらの合金溶湯に対して耐摩耗性、耐溶損性および靭性に優れた部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイカスト法は、アルミニウム、亜鉛等からなる金属製品を高速、高精度に鋳造することができる方法であり、自動車製品、家電製品等の各種構成部材の製造に広く利用されている。ダイカスト用スリーブは、ダイカストマシンの溶融金属射出装置を構成するもので、プランジャチップの摺動に対する耐摩耗性や溶融金属に対する耐溶損性などが要求される。
【０００３】
従来のダイカスト用スリーブとしては、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であるが、近年、生産性の向上や品質向上の観点から、さらなる耐摩耗性、耐溶損性が要求されつつある。そこで、溶融金属と接触する部分を耐摩耗性、耐溶損性に優れる材料で形成したダイカスト用スリーブが数多く提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、金属材料からなるスリーブ外筒内に、セラミックス材料からなるスリーブ内筒を焼嵌めする構成のスリーブであり、スリーブ外筒とスリーブ内筒を焼嵌する際、スリーブ外筒とスリーブ内筒との間に摩擦低減材料を介在させることにより、スリーブ外筒とスリーブ内筒間の摩擦抵抗を低減させることができ、焼嵌後のスリーブ外筒とスリーブ内筒の残留応力を低減して、スリーブ使用中のスリーブ内筒先端の突出に起因する崩れを防止でき、スリーブ内筒の長寿命化が達成できるダイカスト用スリーブが開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、内外の二層からなる複合構造を備えたダイカストマシン用射出スリーブであって、この射出スリーブの外筒は機械構造用炭素鋼Ｓ４８Ｃで構成され、内筒は内筒の先端近傍以外の第一部分と内筒先端部の第二部分からなり、それぞれ第一部は耐溶損性に優れたニッケル合金、第二部は靭性に優れたニッケル合金により構成されており、内筒と外筒はＨＩＰ法を用いて互いに金属組織的に接合されているダイカストマシン用射出スリーブが開示されている。
【０００６】
さらに、特許文献３には、アルミニウム合金などの金属溶湯に対する耐食性および保温性に優れ、かつ熱衝撃に対して十分な強度を保つためスリーブの内周側の溶湯落下部に該当する部分の鋼製母材の内周面に、セラミックスまたはサーメットからなる内張り層が形成された内筒が、スリーブの本体に対して交換可能に嵌め合わされているダイカスト用スリーブが記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−１０８８１１号公報
【特許文献２】
特許第３００８２５８号公報
【特許文献３】
特開平２０００−６１６０４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＳＫＤ６１に代表される鋼製のダイカスト用スリーブでは、靭性が良く、軽合金溶湯を射出する時の衝撃に対する耐用性に優れる。しかしながら、耐摩耗性、耐溶損性が十分でないため、短期間のうちに損傷が進み、メンテナンスに多大な工数、コストおよび時間を要する問題があった。
【０００９】
このため、スリーブの内面を窒化処理することが一般的であるが、耐摩耗性または耐溶損性については不十分である。そこで、近年、前述の公知例に見られるように、スリーブの内面に窒化珪素もしくはサイアロンセラミックスを嵌合させた組立式ダイカスト用スリーブの適用が広まりつつある。
【００１０】
このように溶融金属と接触する部分をセラミックスで形成した場合、溶融金属に対する耐摩耗性および耐溶損性は格段に向上するものの、使用中に大きな機械的衝撃がかかるので、セラミックスが本来有する脆性のため、特に内圧のかかる射出口側の先端付近において局部的損傷が発生し、結果的に短寿命であるという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、前記の課題に鑑みて、従来の鋼製材料とセラミックス材料の長所を併せ持つ耐摩耗性、耐溶損性および靭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】
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、プランジャチップの摺動に対して摩耗せず、軽合金溶湯に対して溶損せず、さらには鋳造時の衝撃で損傷しない性能が要求される。そこで本発明者らは、ダイカスト用スリーブを単一構造ではなく、複合構造とすることによって、前記の要求性能を満足し長寿命である、ダイカスト用スリーブを発明した。
【００１３】
すなわち、中空円筒状の鋼製材料からなる外筒の溶融金属と接触する少なくとも一部分の内面に、耐摩耗性に優れる被覆層を形成し、該被覆層が重量比で、
Ｃ  ：１．０〜３．０％              Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｍｎ：０．１〜２．０％              Ｎｉ≦４．５％
Ｃｒ：３．０〜１０．０％            Ｍｏ：０．１〜９．０％
Ｗ≦１０．０％                      Ｖ  ：１．０〜１０．０％
を含有するＦｅ基合金からなり、さらに、Ｃｏ≦１０．０％、Ｎｂ≦１０．０％のいずれか一種以上を含有することを特徴とする。
【００１４】
また、前記被覆層が、ＭＣ系（Ｍは金属元素）炭化物、Ｍ２Ｃ系炭化物、Ｍ６Ｃ系炭化物、Ｍ７Ｃ３系炭化物、Ｍ４Ｃ３系炭化物およびＭ２３Ｃ６系炭化物のいずれか一種以上を含有し、該被覆層中に含有されるこれらの炭化物面積率の総和が２５％以下であることを特徴とする。
【００１５】
さらに、前記被覆層が遠心鋳造法で形成されることを特徴とする。また、被覆層の表面に、窒化物皮膜層、さらに、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。
【００１６】
【作用】
本発明のダイカスト用スリーブは、鋼製材料からなる外筒との内面に被覆層を形成した複合構造とし、被覆層の成分を、従来のＳＫＤ６１鋼よりも高合金とすることで耐摩耗性を確保した。本発明のダイカスト用スリーブの内面に形成される被覆層の各元素の含有範囲（重量％）の限定理由について説明する。
【００１７】
Ｃ：１．０〜３．０％
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、耐摩耗性を付与すべきＭＣ、Ｍ２Ｃ、Ｍ６Ｃ、Ｍ７Ｃ３、Ｍ４Ｃ３、Ｍ２３Ｃ６系炭化物を生成する。Ｃが１．０％未満であると耐摩耗性を向上させるために有効な炭化物の晶出が少なく、さらに、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と同時に高合金化が難しくなる。一方、３．０％を超えると炭化物が粗大化しその晶出量も過大となり被覆層として必要な靭性が劣化するため上限を３．０％とした。
【００１８】
Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｓｉの含有量は０．１〜２．０％が好ましい。Ｓｉは、脱酸剤として作用し、またＭ６Ｃ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０．１％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、２．０％を超えると脆化が生じやすい。
【００１９】
Ｍｎ：０．１〜２．０％
Ｍｎの含有量は０．１〜２．０％が好ましい。Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用がある。また、不純物であるＳをＭｎＳとして固定する作用がある。Ｍｎが０．１％未満では脱酸性に乏しい。また、２．０％を超えると残留オーステナイトが生じやすくなり、安定して十分な硬さを維持できない。
【００２０】
Ｎｉ≦４．５％
Ｎｉは焼入性を向上させ高硬度化させる効果を有する。Ｎｉの下限は０％である。４．５％を超えると残留オーステナイトが過剰となりかえって高硬度が得られなくなるためその上限を４．５％とした。より好ましいＮｉ含有量は２．０％以下である。
【００２１】
Ｃｒ：３．０〜１０．０％
ＣｒはＣと結合し炭化物を晶出生成し、また基地に固溶し基地硬さをあげることで、耐摩耗性を向上させる。Ｃｒが３．０％未満ではその効果が小さい。また、１０．０％を超えると、常温での残留オーステナイトが多くなるので、焼戻し回数が多くなり不経済となる。さらに、Ｃｒは比較的硬さの低いＭ７Ｃ３やＭ２３Ｃ６系炭化物を形成し、多量の添加はこれらの炭化物が過剰となり耐摩耗性が劣化する。しかしながら、添加量が少ないとその効果が十分確保できず、多すぎると炭化物が粗大化し靱性が低下する。そこで最適な範囲は３．０％〜１０．０％とした。
【００２２】
Ｍｏ：０．１〜９．０％
ＭｏはＣｒと同様に硬質の炭化物が得られ、また高温で焼戻しを行う場合、その二次硬化に強く寄与する元素である。ＭｏはＣと結合して硬質のＭ２Ｃ、Ｍ６Ｃ系炭化物を生成する。Ｍｏが０．１％未満ではその効果が小さい。また、９．０％を超えると、ＣとＶとＭｏのバランスにおいてＭ２Ｃ、Ｍ６Ｃ系炭化物が多く晶出しすぎ、靭性が低下するため、その適切な範囲を０．１％〜９．０％とした。より好ましいＭｏ含有量は１．０〜８．０％である。
【００２３】
Ｗ≦１０．０％
Ｗは、Ｍｏと同様に焼入れ性の向上と基地の高温硬さを得るために必要である。また、ＷはＣｒやＭｏと同様に硬い炭化物を生成する為これらの元素に置換して添加することも有効である。さらに、基地の焼入れ性を上げ、Ｃと結合して硬質のＭ２Ｃ、Ｍ６Ｃ系炭化物を生成する。Ｗの下限は０％である。また、１０．０％を超えると、Ｍ６Ｃ系炭化物が粗大化し脆性が劣化するため、その適切な範囲を１０．０％以下とした。
【００２４】
Ｖ：１．０〜１０．０％
Ｖは、耐摩耗性の向上に最も寄与する硬質な炭化物であるＭＣ、Ｍ４Ｃ３を形成する。Ｖが１．０％未満では炭化物の生成が少なく耐摩耗性が劣化する。Ｖが１０．０％を超えると、Ｃ含有量とのバランスにより、初晶としてオーステナイト、もしくはＭＣ、Ｍ４Ｃ３系炭化物が晶出する。オーステナイトが初晶で晶出すれば硬さが不十分となる。また、ＭＣ、Ｍ４Ｃ３が初晶で晶出すれば凝固中に凝集し、ダイカスト用スリーブとして使用した場合、硬質炭化物であるＭＣ、Ｍ４Ｃ３の凝集偏析が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、２．０〜８．０％である。
【００２５】
Ｃｏ≦１０．０％
Ｃｏは炭化物の生成とは無関係に基地に固溶し、強靭性を増すとともに高温硬さと耐摩耗性を向上する効果がある。Ｃｏの下限は０％である。Ｃｏが１０．０％を超えるとその効果が飽和し、かつ高価になるのでその上限を１０．０％以下とした。
【００２６】
Ｎｂ≦１０．０％
ＮｂはＶと同様に、耐摩耗性の向上に最も寄与する硬質な炭化物であるＭＣ、Ｍ４Ｃ３を形成する。Ｎｂの下限は０％である。Ｎｂが１０．０％を超えると、靭性の低下とともにＣ含有量とのバランスにより、初晶としてオーステナイト、もしくはＭＣ、Ｍ４Ｃ３系炭化物が晶出する。オーステナイトが初晶で晶出すれば硬さが不十分となる。また、ＭＣ、Ｍ４Ｃ３が初晶で晶出すれば凝固中に凝集し、ダイカスト用スリーブとして使用した場合、硬質炭化物であるＭＣ、Ｍ４Ｃ３の凝集偏析が脆性の劣化を引き起こすので好ましくない。また、ＮｂはＶと置換可能である。よって、より好ましいＮｂおよびＶの含有量は、（Ｎｂ＋Ｖ）≦２．０〜８．０％である。
【００２７】
本発明のダイカスト用スリーブは、溶融金属と接するスリーブ内面を構成する炭化物の種類を特定し、その炭化物の総和の面積率を最適な範囲に制御することにより、すなわちスリーブ内面の被覆層がＭＣ系炭化物、Ｍ２Ｃ系炭化物、Ｍ６Ｃ系炭化物、Ｍ７Ｃ３系炭化物、Ｍ４Ｃ３系炭化物およびＭ２３Ｃ６系炭化物のいずれか１種類以上を含むことを特徴とする。
【００２８】
また、スリーブ内面の被覆層中の炭化物面積率の総和が２５％以下とすることにより、耐摩耗性を格段に向上させることができる。また、炭化物面積の総和が２５％を超えると、脆性が劣化する。さらに、硬さを確保するために、特に硬質であるＭＣ系炭化物およびＭ２Ｃ系炭化物の面積率の総和は１０％以上が好ましい。また、針状やネットワーク状の共晶炭化物量が過多になると必要な機械的特性、特に靭性が確保できなくなるが、ＭＣ系炭化物を適切に晶出させることで、Ｍ２Ｃ、Ｍ７Ｃ３系炭化物のネットワークを分断し靭性を確保できる。
【００２９】
さらに本発明のダイカスト用スリーブは、外筒の内面に被覆層を、遠心鋳造法にて金属接合したものである。遠心鋳造法を行うことによって、該被覆層は、微細均一な組織および均一な厚さで外筒内面に接合できる。また、被覆層表面の溶融金属と接触する内面に窒化処理を施すことにより、主に窒化物からなる皮膜層を形成することで一層耐溶損性に優れるダイカストスリーブが得られる。さらに、金属Ｃｒ粉末を含む溶融塩に浸漬処理を行い、被覆層表面に、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で、なお一層耐溶損性に優れるダイカスト用スリーブが得られる。また、外筒は一層でもよいが二層以上の複層構造にしてもよい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明のダイカスト用スリーブの実施例について以下に説明する。図１に、鋼製の外筒の内面にＦｅ基合金被覆層を接合した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、鋼製の外筒２の内面にＦｅ基合金からなる被覆層３が溶着して構成される。外筒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はダイカスト用スリーブ１の射出口側、６は後端側である。
【００３１】
外筒２は中空円筒状であり、一般構造用鋼で製作した。外筒２は外径１３０ｍｍ、内径６８ｍｍ、長さ６６５ｍｍである。外筒２の後端側６に鉄板を溶接して塞ぎ、この後端側６を下にして外筒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。
【００３２】
被覆層は、重量比で、Ｃ：１．９％、Ｓｉ：０．８％、Ｍｎ：０．４％、Ｃｒ：４．７％、Ｍｏ：５．７％、Ｖ：６．５％の成分を持つインゴットを１６００℃で溶解し、前述の１２００℃に加熱した外筒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。
【００３３】
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回行うことでダイカスト用のスリーブ素材を得た。
【００３４】
このようにして得られたスリーブ素材を調査したところ、外筒２の内面に金属接合した被覆層３の硬さはＨｓ８３であり、炭化物は主にＭＣ系炭化物が面積率で１３％、Ｍ２Ｃ系炭化物が５％であった。
【００３５】
次いで、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。
【００３６】
その後、本スリーブ素材を炉に入れアンモニア気流中で５００℃に加熱保持し、窒化処理を行い被覆層表面に窒化物皮膜層８を形成させた。さらに、耐溶損性を向上させるため、この窒化物処理を施したスリーブ素材は金属Ｃｒ粉末を含む溶融塩に浸漬して、窒化処理が施された窒化物皮膜層８の表面に窒化物Ｃｒの窒化物あるいはＣｒの炭窒化物皮膜層７を形成し、ダイカスト用スリーブ１を得た。
【００３７】
このようにして製造した本発明のダイカスト用スリーブを、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、耐溶損性に優れ、セラミックス製のスリーブに比べても欠損することなく靭性も良好であり長期間安定に使用することができた。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のダイカスト用スリーブによれば、従来の鋼製材料とセラミックス材料の長所を併せ持つ耐摩耗性、耐溶損性および靭性に優れたダイカスト用スリーブを提供することができ、安定して長期間操業できるため、メンテナンスの工数、コストおよび時間を低減することができ、生産効率を向上する事が出来た。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るダイカスト用スリーブを示す断面図である。
【符号の説明】
１  ダイカスト用スリーブ、  ２  外筒、  ３  被覆層、  ４  給湯口、
５  スリーブ射出口側、  ６  スリーブ後端側、
７  Ｃｒ炭化物あるいはＣｒ炭窒化物皮膜層、  ８  窒化物皮膜層
【図１】
2004216413.tif 000003