JPH09111417A - 耐溶損性に優れた金属溶湯接触部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐溶損性に優れた安価な金属溶湯接触部材お
よびその製造方法を提供することである。 【解決手段】 重量比でＣ：０．０５％以下、Ｓｉ：
０．３〜１．５％、Ｎｉ：１５〜２５％、Ｃｒ：２５〜
３５％、Ａｌ：４〜８％、およびＺｒ、Ｈｆ、Ｙ、ＲＥ
Ｍの１種または２種以上：０．０５〜０．８％を含み、
残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなる合金
を母材とし、少なくとも金属溶湯接触面にＡｌ₂Ｏ₃を主
体とする被膜を形成させたことを特徴とする耐溶損性に
優れた金属溶湯接触部材である。また、上記金属溶湯接
触部材は、合金母材を酸化雰囲気中で加熱することによ
り、Ａｌ₂Ｏ₃を主体とする耐溶損性に優れた被膜を形成
させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属材料の溶湯に
接触する鋳造金型、堰、ノズル、ピン等の部材に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｃｕ，
Ｍｇ、またはこれらの金属を主体とする合金などの金属
材料の溶湯を鋳造する際に用いる金型等の溶湯接触部材
には、従来、熱間ダイス鋼、高速度鋼、ステンレス鋼等
の鋼が用いられてきた。上記鉄鋼材料に金属溶湯が接触
する部分では、これらの鉄鋼材料が金属溶湯によって溶
損して金属溶湯中の鉄含有量を増加し、鋳造部品の品質
を低下させる欠点があった。さらに、これら金型等の溶
損は、操業上種々の不都合を生じて部材の機能が早期に
低下し短寿命となる問題があった。

【０００３】これらの問題点を解決するために、鉄鋼材
料から製造した部材の表面に浸炭、窒化等の表面処理を
施して硬質層を形成させる方法の他、窒化物、炭化物、
ホウ化物（ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＢＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、
ＴｉＢ₂、Ａｌ₂Ｏ₃）等を、プラズマ化学蒸着法やスパ
ッタリング法などに代表される物理蒸着法、あるいは融
着法や焼ばめ法などで表面を被覆する提案がされている
（特願昭５５−１４３９５号、特願昭５７−１３１０２
４号、特願昭５７−１４３７４７号、特公平１−２９１
３３号、特願昭５９−１５６３３７号）。また一方で
は、溶融金属に対して、ほとんど反応しないセラミック
ス系の材料や、溶損を起こしにくいＷ合金、Ｍｏ合金等
が一部使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記鉄鋼材料から製造
した部材に浸炭、窒化した表面処理層は、拡散処理であ
るため、深い処理層が得られるだけでなく、剥離の問題
がないことから、これらの処理を実施することを前提に
開発された材質との組み合わせで多く用いられようにな
ってきた。また、これらの表面処理の最大の利点は、非
常に安価であることが挙げられる。しかし、近年、鋳造
部品の高強度化により、被成形材として高融点金属材料
の使用が増大してきた。そのため、浸炭もしくは窒化処
理では、表面処理層中のＣ、Ｎが昇温によって拡散し易
くなって金属溶湯中へ移動して、本来の耐溶損機能の低
下が生じる問題がでてきた。

【０００５】また、上記の化学蒸着法や物理蒸着法によ
って、硬質物質を被覆して使用する場合、被覆層には早
期に微細なクラックが発生し、このクラックを経路とし
て溶湯が浸透し、被覆層直下の母材中の鉄と反応して合
金化し膨張して被覆層を剥離させる欠点がある。さら
に、セラミックス系の材料やＷ合金、Ｍｏ合金は非常に
高価であり、また入子として用いられた場合、周囲の鉄
鋼材料との熱膨張係数の差が大きいことによる種々の問
題や、折れ、欠け等に対する強度、靱性、耐熱衝撃性の
不足などの問題があり、必ずしも満足できるものではな
かった。本発明の目的は、これら上記の問題を解消した
新規な考え方に基づいた耐溶損性に優れた金属溶湯接触
部材およびその製造方法を提供することである。

【０００６】

【問題を解決するための手段】従来より、セラミックス
系の材質は溶融金属とほとんど反応しないことはよく知
られている。しかしながら、セラミックス系の材質を金
型などに適用した場合には、上述したように様々な問題
点があり、また浸炭、窒化による表面処理以上の金型寿
命の向上、コスト的優位性は望めないのが現状である。
そこで発明者は、母材に鉄鋼材料を用い、これを高温酸
化することにより表面に酸化物系セラミックスであるＡ
ｌ₂Ｏ₃被膜を生成させて、耐金属溶損性を高める適正な
組成について検討した。その結果、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−
Ａｌ系フェライト合金を基本組成とするのが良いことを
新たに見出した。

【０００７】すなわち本発明の第１発明は、重量比で
Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．３〜１．５％、Ｎｉ：
１５〜２５％、Ｃｒ：２５〜３５％、Ａｌ：４〜８％、
およびＺｒ、Ｈｆ、Ｙ、ＲＥＭの１種または２種以上：
０．０５〜０．８％を含み、残部が実質的にＦｅおよび
不可避的不純物からなる合金を母材とし、少なくとも金
属溶湯接触面にＡｌ₂Ｏ₃を主体とする被膜を形成させた
ことを特徴とする耐溶損性に優れた金属溶湯接触部材で
ある。

【０００８】また第２発明は、第１発明の組成からなる
合金母材を鋳造した後、所定の形状に仕上加工し、続い
て１０００〜１３００℃の酸化雰囲気中で加熱保持し前
記母材表面にＡｌ₂Ｏ₃を主体とする被膜を形成させた
後、１℃／秒以上の速度で冷却することを特徴とする耐
溶損性に優れた金属溶湯接触部材の製造方法である。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に本発明に係わる部材の化学
組成の限定理由および製造方法について述べる。 Ｃ：０．０５％以下 Ｃは０．０５％を越えて含有すると、高温酸化処理中に
母材の表層部から発生するＣｏ₂ガスによって、形成さ
れたアルミナ被膜が破壊され、さらにＹやＲＥＭと容易
に反応してＡｌ₂Ｏ₃被膜の密着力を低下させるので、む
しろ少ない方が好ましい。しかし、Ｃは原料から混入す
るので０．０５％を上限とする。望ましくは、０．０１
％以下である。

【００１０】Ｓｉ：０．３〜１．５％ Ｓｉは、本発明合金の母材の製造における鋳造時の合金
の湯流れ性を向上させ、健全な母材を得るために非常に
効果的な元素である。また、金属溶湯接触部材のＡｌ₂
Ｏ₃被膜中にＳｉＯ₂として存在して、被膜の緻密性を緩
和させ、高温酸化処理によって表面に形成されるＡｌ₂
Ｏ₃を主体とする被膜を適度にポーラス化するため、特
に鋳造用金型として使用した場合には、金属溶湯の鋳造
時に発生するガスのガス抜き性を向上させる。上記効果
を得るために、Ｓｉは０．３％以上含有させることが必
要である。しかしながら、Ｓｉは１．５％を越えて含有
すると、Ａｌ₂Ｏ₃被膜の緻密性が低下しすぎて、使用中
に被膜の剥離が起るため０．３〜１．５％とする。望ま
しいＳｉの範囲は０．６〜１．３％である。

【００１１】Ｎｉ：１５〜２５％ Ｎｉは、フェライト基地中に固溶して基地の強化に寄与
するとともに、一部はＡｌとの共存下でＮｉＡｌの金属
間化合物を析出して、母材の硬さを向上させるため、本
合金にとって不可欠の元素である。上記効果を得るため
には、最低１５％以上のＮｉが必要であるが、逆にＮｉ
量を過度に含有させると基地中にオーステナイト相を形
成して母材の強度が低下する。この現象は、恐らくオー
ステナイト相中にはＮｉＡｌの金属間化合物が析出しに
くくなるため、オーステナイト相の強度が不足するもの
と考えられる。

【００１２】Ｃｒ：２５〜３５％ Ｃｒは、母材のフェライト相を安定させ、また金属溶湯
接触部材に形成されるＡｌ₂Ｏ₃被膜の密着性を高めるう
えで重要な元素である。上記効果を得るためにＣｒは、
２５％以上必要であるが、逆に多量に含有すると合金の
鋳造性が低下し、母材の内部に引け巣等の欠陥が多くな
るため、上限を３５％とする。

【００１３】Ａｌ：４〜８％ Ａｌは、Ｎｉとの共存下で、フェライト基地中にＮｉＡ
ｌを析出させ、金属溶湯接触部材として必要とする母材
の硬さを得るためと、母材の高温酸化処理によって、少
なくとも金属接触面にＡｌ₂Ｏ₃を主体とする被膜を形成
させるために不可欠な元素である。上記効果を得るため
には、４％以上のＡｌを必要とするが、８％を越えて含
有すると靭性が著しく低下するため、添加するＡｌの範
囲を４〜８％とする。

【００１４】Ｚｒ、Ｈｆ、ＲＥＭの１種または２種以
上：０．０５〜０．８％ これらの元素は、高温酸化処理によって母材の表面に形
成されるＡｌ₂Ｏ₃を主体とする被膜直下の母材側に酸化
物粒子を形成し、Ａｌ₂Ｏ₃被膜の密着性を著しく向上さ
せる効果を有するため、１種または２種以上を添加す
る。この効果を得るためには、単独または複合で少なく
とも０．０５％以上の添加が必要であるが、過度に添加
すると逆に酸化物粒子が粗大化し、膜の密着性を低下さ
せるため１種または２種以上を０．０５〜０．８％とす
る。なお、一般の合金に脱酸剤として添加されるＭｎ
は、本発明合金には必ずしも添加する必要はないが、１
％以下であれば、本発明合金に含まれても差し支えな
い。

【００１５】本発明の製造方法は、鋳造した第１発明の
組成からなる合金母材を機械加工などにより所定の形状
に仕上げ加工した後、酸化雰囲気中で１０００〜１３０
０℃の温度に加熱保持し、表面にＡｌ₂Ｏ₃を主体とする
被膜を形成させ、続いて加熱温度から１℃／秒以上の速
度で冷却する。酸化処理温度が１０００℃未満では、金
属溶湯接触部材として使用する際、金属溶湯に耐え得る
厚さのＡｌ₂Ｏ₃被膜が得られず、また１３００℃を越え
る温度は、母材のフェライト基地が脆化するとともに、
形成されるＡｌ₂Ｏ₃被膜が剥離し易くなるため、酸化処
理温度を１０００〜１３００℃とする。

【００１６】また、酸化処理後の冷却速度が過度に遅く
なると、フェライト基地中のＮｉＡｌの金属間化合物が
粗大化して母材の硬さが低下するため１℃／秒以上とす
る。しかし、例えば鋳造用金型等は形状が複雑なものが
多いため、水冷、油冷などの極端な急冷は、母材の熱処
理歪みによる変形や衝撃的な熱応力が発生して、形成し
た被膜剥離の原因になる。したがって、酸化処理後の冷
却は、大気中で放冷するか、または衝風冷却するのが良
い。さらに、酸化処理時間は、金属溶湯接触部材として
の用途や、部材の寸法により、必要に応じて適宜設定す
るのが良いが、金属溶湯の溶損に対し、十分耐え得る厚
みのＡｌ₂Ｏ₃被膜の形成を考慮すると、５〜２０時間が
望ましい。

【００１７】

【実施例】以下に本発明を実施例に基づいて説明する。 （実施例１）表１に示す本発明母材Ｎｏ．１〜１５、お
よび比較母材Ｎｏ．２０〜２６の組成からなる合金を高
周波真空溶解炉によって溶解し、得られた鋳塊から所定
の試験片に機械加工して供試材とした。またＮｏ．３０
の従来母材のＳＫＤ６１相当材については大気中におい
て溶解し、得られた鋳塊は熱間加工を行って断面が４０
ｍｍ×４０ｍｍの角材にした後、焼鈍を行い、その後、
所定の試験片に加工して供試材とした。上記の供試材に
対し、以下に示す特性試験を行った。

【００１８】各特性試験は、得られた各供試材から切り
出した試験片を、Ｎｏ．１〜１５およびＮｏ．２０〜２
６については、酸化雰囲気の炉中で、１１５０℃、１５
時間加熱保持後、すばやく炉から取り出し常温まで平均
冷却速度約１００℃／秒で冷却し、酸化処理を行った後
に試験を行った。またＮｏ．３０の従来母材であるＳＫ
Ｄ６１については、切り出した試験片を１０３０℃の油
冷を行い、続いて硬さが４０ＨＲＣになるように焼戻し
温度を６００〜６５０℃に変えて調整した後、表２に示
す表面処理を施して試験を行った。ただし凝固特性評価
試験のみについてはＮｏ．１〜１５およびＮｏ．２０〜
２６のみについて行った。その際、試験片の作成は、上
記の試験片作成工程を行わずに、溶解後、得られた鋳塊
を使用した。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】（１）凝固特性評価試験 Ｎｏ．１〜１５およびＮｏ．２０〜２６の鋳塊中心部よ
り、６０ｍｍ×６０ｍｍの試験片を切り出し、試験片の
カラーチェックを行い、欠陥の有無により評価した。 （２）耐金属溶湯溶損試験 金属溶湯に対する耐溶損性を評価するために、１０ｍｍ
×１０ｍｍ×９０ｍｍの試験片を作製し、以下に示すア
ルミ合金および亜鉛合金の溶湯中に浸漬してその重量減
の大小を比較した。

【００２２】耐アルミ溶損試験は、アルミ合金ＡＣ４Ｃ
Ｈの７５０℃の溶湯中に試験片を３時間浸漬して撹拌
し、試験片の試験前後の重量比でその耐溶損性を比較し
た。また、耐亜鉛溶損試験については、亜鉛合金ＺＡＣ
２の６００℃の溶湯中に、試験片を２０時間浸漬して撹
拌し、耐アルミ溶損試験と同様の方法にて、その溶損性
を評価した。以上の結果、および酸化処理後の各試験片
の内部硬さ測定結果を、それぞれ表３に示す。

【００２３】

【表３】

【００２４】表３に示すように本発明部材は、その凝固
特性が非常に優れているため、鋳塊中に欠陥等は少なく
健全な鋳塊が得られ、また内部硬さについては、従来部
材ＳＫＤ６１の３８０〜４００ＨＶと比較しても、その
硬さは４００ＨＶ〜４５０ＨＶであり、金属溶湯接触部
材としての使用に十分耐え得るものとなっている。これ
に対して比較部材は、まず、その凝固特性については、
Ｓｉを故意に添加しなかった比較部材Ｎｏ．２０，２
１、もしくは、本発明のＳｉ量の範囲から外れている比
較部材Ｎｏ．２４は、鋳塊中に多量の欠陥が認められる
が、Ｓｉを添加した比較部材Ｎｏ．２２，２３，２５，
２６は、本発明部材と同等の凝固特性が得られる。この
ことから成分中にＳｉを適量添加することで、凝固特性
が飛躍的に向上することがわかる。また、比較部材の内
部硬さについては、Ｓｉの適量の添加によりその凝固特
性が向上しても、比較部材Ｎｏ．２２のようにＮｉ量が
本発明部材から外れたり、比較部材Ｎｏ．２５のように
Ｃｒ量が本発明部材から外れることで、その内部硬さが
著しく低下することがわかる。

【００２５】次に各供試材の耐溶融金属溶損性について
であるが、本発明部材はアルミ合金、亜鉛合金に対し
て、非常に高い耐溶損性を有し、従来部材Ｎｏ．３０−
６のＳＫＤ６１に塩浴浸硫窒化を施したものと比較して
も非常に優れていることがわかる。これに対して比較部
材では、凝固特性および内部硬さとも本発明部材と同等
のものでも、Ｓｉの多量の添加によりアルミナ被膜の緻
密性が著しく低下したＮｏ．２３、Ｃの添加により酸化
処理中にアルミナ被膜が破壊されたＮｏ．２６は、耐溶
融金属溶損性は著しく低下した。

【００２６】また、本発明部材は、酸化処理によって表
面にアルミナ被膜が析出し、溶融金属から母材を遮断す
ることで耐溶損性を向上させるわけであるが、その被膜
とほぼ同成分のアルミナを、プラズマ化学蒸着法により
被覆をした従来部材Ｎｏ．３０−１については、被覆工
程中に発生したものと推察される、膜中のクラックから
溶融金属が浸入し、母材のＳＫＤ６１と溶融金属が反応
し溶損が発生していることが認められた。なお、本実施
例では、アルミ合金と亜鉛合金に対する耐溶損試験の結
果を示したが、一般に溶融金属による金型等の溶損は、
溶融金属と金型等の母材である金属との接触による、化
合物の形成により進行するので、本発明の金属溶湯接触
部材は、アルミ系や亜鉛系に対すると同時に、その他の
溶融金属、例えば、鉄系や銅系の合金に対する耐溶損性
も優れていることを実験的に確認した。

【００２７】（実施例２）次に前記の合金から、鋳造用
金型を製作し実用テストを行った。供試材から低圧鋳造
用金型の溶損が最も発生しやすい部分を加工し、金型の
一部として組み込んだ。この時、用いた試験片には、そ
れぞれ実施例１と同様の試験片作成工程および酸化被膜
処理を施した。なお、アルミ合金にはＡＣ４ＣＨを用
い、その時の溶湯温度は７５０℃である。表４に実用テ
スト結果を示す。

【００２８】

【表４】

【００２９】本発明部材は、５０００ショットの鋳造を
行った時点でも、溶損の発生は認められなかった。比較
部材では、Ｓｉを故意に添加していないＮｏ．２０、Ｓ
ｉ量が本発明部材より低いＮｏ．２４については、凝固
不良による欠陥部にアルミ溶湯が刺し込み、数ショット
の試験でアルミ製品がはりつき、試験の続行が不可能と
なった。同じ比較部材のＮｏ．２３については、３００
ショットで溶損が発生した。また、従来部材については
Ｎｏ．３０−６、ＳＫＤ６１に浸硫窒化を施したものが
最も長寿命であったが、本発明部材には及ばず、２００
０ショットで溶損が発生した。

【００３０】（実施例３）次に前記の合金から、金属溶
湯接触部材を製作し実用テストを行った。前記部材は、
低圧鋳造によるアルミ合金の鋳造に用いるもので、Ａｌ
溶湯容器と鋳造鋳型を連結するノズルの一部を構成する
部材である。この時用いた部材は、それぞれ実施例１と
同様の試験片作成工程および酸化処理を施した。なお、
アルミ合金にはＡＣ４ＣＨを用い、その時の溶湯温度は
７５０℃であり、表５に実用テスト結果を示す。

【００３１】

【表５】

【００３２】本発明部材は、１００００ショットの鋳造
を行った時点でも、溶損の発生は認められなかった。比
較部材では、Ｓｉを故意に添加していないＮｏ．２１、
Ｓｉ量が本発明部材より低いＮｏ．２４については、凝
固不良による欠陥部にアルミ合金溶湯が刺し込み、そこ
から溶損が発生したため、５５００〜６０００ショット
で溶湯の漏れが発生した。同じ比較部材のＮｏ．２６に
ついては、１００ショットで溶損が発生した。また、従
来部材についてはＮｏ．３０−６、ＳＫＤ６１に浸硫窒
化を施したものが最も長寿命であったが、本発明部材に
は及ばず、６０００ショットで溶損が発生し、鋳造中に
溶湯が漏れだした。

【００３３】

【発明の効果】以上のように、本発明による金属溶湯接
触部材は、化学成分上のバランスを考慮し、特にＳｉ量
を適量添加することによって、凝固特性の改善と、合金
母材表面に形成させるＡｌ₂Ｏ₃を主体とする被膜の密着
性を高め、金属溶湯接触部材として寿命を大幅に向上す
ることができる。また、本発明の金属溶湯接触部材は、
母材の表面を機械加工等の仕上げ加工を施した後、酸化
雰囲気中で加熱処理を行なうだけで耐溶損性に優れるＡ
ｌ₂Ｏ₃を主体とする被膜を形成できるので、安価に製造
することができるため、金型等の製造工程の短縮、およ
び製造コストの削減が大幅に可能となる。

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【手続補正書】

【提出日】平成７年１０月３１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】また、酸化処理後の冷却速度が過度に遅く
なると、フェライト基地中のＮｉＡｌの金属間化合物が
粗大化して母材の硬さが低下するため１℃／秒以上とす
る。しかし、例えば鋳造用金型等は形状が複雑なものが
多いため、水冷、油冷などの極端な急冷は、母材の熱処
理歪みによる変形や衝撃的な熱応力が発生して、形成し
た被膜剥離の原因になる。したがって、酸化処理後の冷
却は、大気中で放冷するか、または衝風冷却するのが良
い。さらに、酸化処理時間は、金属溶湯接触部材として
の用途や、部材の寸法により、必要に応じて適宜設定す
るのが良いが、金属溶湯の溶損に対し、十分耐え得る厚
みのＡｌ₂Ｏ₃被膜の形成を考慮すると、０．５〜２０時
間が望ましい。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比でＣ：０．０５％以下、Ｓｉ：
   ０．３〜１．５％、Ｎｉ：１５〜２５％、Ｃｒ：２５〜
   ３５％、Ａｌ：４〜８％、およびＺｒ、Ｈｆ、Ｙ、ＲＥ
   Ｍの１種または２種以上：０．０５〜０．８％を含み、
   残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなる合金
   を母材とし、少なくとも金属溶湯接触面にＡｌ₂Ｏ₃を主
   体とする被膜を形成させたことを特徴とする耐溶損性に
   優れた金属溶湯接触部材。
2. 【請求項２】 請求項１の組成からなる合金母材を鋳造
   した後、所定の形状に仕上加工し、続いて１０００〜１
   ３００℃の酸化雰囲気中で加熱保持し、前記母材表面に
   Ａｌ₂Ｏ₃を主体とする被膜を形成させた後、１℃／秒以
   上の速度で冷却することを特徴とする耐溶損性に優れた
   金属溶湯接触部材の製造方法。