JPH1034311A

JPH1034311A - 溶融金属用部材及びその製造方法

Info

Publication number: JPH1034311A
Application number: JP19718296A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Suwabe; 博久諏訪部; Masahisa Sofue; 昌久祖父江; Norio Kumagai; 則雄熊谷
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1996-07-26
Filing date: 1996-07-26
Publication date: 1998-02-10

Abstract

(57)【要約】【課題】溶融金属に対する耐食性に優れ、かつ耐酸化
性を改善することにより長期間にわたって耐破損性を確
保できる溶融金属用部材及びその製造方法を提供する。【解決手段】少なくとも溶融金属に接触する部分がセ
ラミックス粒子１０〜８０体積％を金属基地中に分散し
た複合焼結体からなり、この複合焼結体と鋼を接合した
溶融金属用部材であって、前記鋼の８００℃における酸
化増量が０〜１．２mg／(cm²・h)であることを特徴とす
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、アルミニウム合金
や亜鉛合金等の溶融金属と直接接触して使用される、ヒ
ーターチューブ、ストーク、熱電対保護管、脱ガスロー
ター、湯口部材、ダイカストスリーブ、プランジャーチ
ップ等の溶融金属用部材及びその製造方法に関するもの
で、必要とする耐食性、耐破損性を維持すると共に、特
に耐酸化性を備えた溶融金属用部材及びその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム合金の溶解、鋳造工程で用
いる、ヒータチューブ、鋳型、湯口部材等の構成部材に
は、従来より鋳鉄や熱間ダイス鋼等の鉄系金属材料が広
く使用されてきた。これら鉄系金属製部材では、７００
〜８００℃程度で溶解された溶融アルミニウム合金と濡
れ易く、溶損により部材の耐用寿命が短く、交換頻度が
高くなり生産性が低下するという問題があった。更に、
耐食性を向上するため、部材の表面に窒化やセラミック
ス溶射等の表面処理が施される場合もあるが、確かに使
用初期の段階では溶損しにくいが、表面処理膜自体が薄
いため繰り返し使用により剥離し、母材が表面に露出す
るため大きな効果は期待できない問題があった。

【０００３】これら鉄系金属製部材に代わり、窒化ケイ
素等のエンジニアリングセラミックスの材料を適用する
ものが提案されている（例えば、特開昭６３−２８８９
８３号公報、特開平５−７７０２２号公報参照）。ま
た、チタン又はチタン合金のマトリックスにセラミック
ス粒子を強化材として含有させた複合材料（例えば、特
開平２−２８０９５３号公報、特開平４−２４７８０１
号公報参照）や、Ｎｉ、Ｍｏ複硼化物の硬質相をＮｉ及
びＭｏを主成分とする合金の結合相中に分散させた焼結
体（例えば、特開平５−１０４２３１公報参照）を使用
するものも提案されている。窒化ケイ素やサイアロン
（以下、これらを窒化ケイ素質セラミックスと称する場
合あり）等のセラミックス材料は、一般に溶融アルミニ
ウムと濡れにくく、溶損しにくい性質があるものの、鉄
系金属材料と比べて靭性が低いため、使用時の熱的衝撃
或いは機械的衝撃により破損し易いという問題がある。
またセラミックス粒子を金属結合相中に分散させた複合
焼結体は、セラミックス材料に比べて靭性は改善されて
いるものの、鉄系金属材料と比べて靭性が劣るため、使
用時の熱的衝撃或いは機械的衝撃に対して、十分ではな
く破損しやすいという問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記耐
破損性の問題を解決するため特願平６−２２９４８６号
において窒化ケイ素質セラミックスとＦｅ−Ｎｉ系合金
の複合焼結体を別の金属体に接合した部材を提案してい
る。この発明では、セラミックスと金属の複合焼結体の
内側材と軟鋼製（０．２５％Ｃ炭素鋼）の外側材が拡散
接合されているため、溶融金属に対する耐食性に優れる
と共に、耐破損性にも極めて優れている。しかしなが
ら、使用条件が７００〜８００℃という高温度で長時間
使用した場合、周囲の大気雰囲気により外側材を形成す
る軟鋼部分が酸化反応による浸食を受け、肉厚が徐々に
薄くなり、使用時の熱的衝撃或いは機械的衝撃に対し
て、破損しやすくなるという問題が発生してきた。

【０００５】本発明は、上述の課題を解決するものであ
り、溶融金属に対する耐食性に優れ、かつ耐酸化性を改
善することにより長期間にわたって耐破損性を確保でき
る溶融金属用部材及びその製造方法を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の溶融金属用部材
は、少なくとも溶融金属に接触する部分がセラミックス
粒子１０〜８０体積％を金属基地中に分散した複合焼結
体からなり、この複合焼結体と鋼を接合した溶融金属用
部材であって、前記鋼の８００℃における酸化増量が０
〜１．２mg／(cm²・h)であることを特徴とする。

【０００７】本発明において、鋼はＣｒを５重量％以上
含有することが望ましい。また、複合焼結体は窒化ケイ
素質セラミックス粒子を高速度鋼合金の基地中に分散し
たものからなるものが望ましい。

【０００８】また、本発明の溶融金属用部材の製造方法
は、８００℃における酸化増量が０〜１．２mg／(cm²・
h)である鋼製容器の内側にセラミックス粒子と金属粒子
の混合粉末を充填すると共に、容器全体を真空脱気、密
封した後、加圧焼結することにより、前記混合粉末を焼
結すると共に、鋼製容器に拡散接合させることを特徴と
する。

【０００９】

【作用】本発明者らは、セラミックスと金属の複合焼結
体と、鋼を接合した溶融金属用部材において、鋼の部分
が酸化反応により浸食が進むことにより、肉薄化する現
象に注目し、複合焼結体と拡散接合が可能であり、かつ
耐酸化性に優れる鋼の材種について検討した。その結
果、８００℃における酸化増量が０〜１．２mg／(cm²・
h)である鋼を使用し、これとセラミックスと金属の複合
焼結体を接合した部材を溶融金属用部材として使用する
と、耐食性に優れると共に長期間にわたって耐破損性が
確保されることを見出した。

【００１０】本発明に係わる溶融金属用部材は以下のよ
うにして製造することができる。例えば、８００℃にお
ける酸化増量が０〜１．２mg／(cm²・h)である鋼製の円
筒状容器を準備しておき、この容器の内側に、表面に離
型剤を塗布した鋼製の丸棒（中子）をセットし、両者の
間にセラミックス粒子と金属粒子の混合粉末を充填す
る。その後、鋼製円筒状容器内を、真空脱気後、密閉封
印した後、容器全体をＨＩＰ処理装置内に配置しＡｒ、
Ｎ₂等の不活性雰囲気、１００〜２０００気圧、１００
０〜１３５０℃で所定時間ＨＩＰ処理を行うことによ
り、容器外周側からの加圧力を加え、セラミックスと金
属の複合焼結体の焼結を行うと共に、鋼製円筒状容器と
複合焼結体の拡散接合を同時に行う。この時、中子と複
合焼結体の間は、離型剤が介在するため拡散接合は行わ
れない。冷却後、容器の両端部を切断し、中子を引き抜
き、複合焼結体の部分は、放電加工やダイヤモンド研削
加工により、また鋼の部分は切削加工により、所定形状
・寸法に加工して、溶融金属用部材を製造することがで
きる。

【００１１】本発明の溶融金属用部材において、鋼は、
主として、部材の強度を保持する機能を有するものが良
く、８００℃における酸化増量が０〜１．２mg／(cm²・
h)である鋼が望ましい。ここで酸化増量は、次のような
方法で求めることができる。鋼の試験片として１０mm×
１０mm×５０mmの角材を準備しておき、アルコール等で
試験片表面に付着している油脂分を除去した後、試験片
の重量を精密天秤（感度０．０００１g）で測定する。
その後、ナイフエッジ状にしたセラミックス支持具の上
へ試験片を載せ、大気雰囲気炉内にセットする。さら
に、炉内を８００℃の温度で２４時間加熱した後、試験
片の重量を測定する。

【００１２】酸化増量は次式で算出した。酸化増量＝
（Ｗ₁−Ｗ₀）／（Ｓ×Ｔ）ここで、Ｗ₁：加熱後の試験片の重量(mg)、Ｗ₀：加熱前
の試験片の重量(mg)、Ｓ：試験片の表面積(cm²)、Ｔ：
加熱時間(h)である。

【００１３】酸化増量が１．２mg／(cm²・h)を超える
と、酸化膜が厚くなり、酸化膜と母材間の熱膨張係数差
により、容易に剥離しやすくなる。このため溶融金属用
部材として使用した場合、繰り返しの熱的衝撃や機械的
衝撃により剥離が繰り返され、剥離した部分から母材の
酸化が更に進むため、母材である鋼の肉厚が徐々に薄く
なり、ついには部材が破損することになる。一方、酸化
増量が０mg／(cm²・h)よりマイナス側となった場合は、
酸化が激しいことを意味している。即ち、酸化が激しい
と、酸化膜がかなり厚くなり母材と酸化膜の熱膨張係数
差により、加熱試験中に自然に酸化膜の剥離、脱落が生
じ、マイナス即ち酸化減量となり、溶融金属用部材とし
て使用した場合は、１．２mg／(cm²・h)を超える場合と
同様に、母材の鋼の肉厚が薄くなるため遂には部材が破
損することになる。

【００１４】本発明において鋼はＣｒを５重量％以上含
有することが望ましい。Ｃｒを含む鋼は、緻密な防食膜
を形成するため、耐酸化性が特に優れているためであ
る。また、Ｃｒを５重量％以上含有する鋼は、Ｃｒ自体
の熱膨張係数が小さいため、一般炭素鋼等に比べると熱
膨張係数が小さくなる。ところで、本発明の溶融金属用
部材は複合焼結体と鋼が接合されており、複合焼結体の
熱膨張係数はセラミックスを含有しているため、金属材
料に比べて小さい。従って、Ｃｒを５重量％以上含有す
る鋼は、複合焼結体との熱膨張係数差が小さく、両者の
拡散接合が容易であるという利点があると共に、溶融金
属用部材とした場合も、接合の残留応力が小さいため、
部材が長期間の使用にも十分耐えうるという利点もあ
る。更にＣｒを５重量％以上含有する鋼は、Ｃｒ自体の
熱伝導率が小さいため、その熱伝導率も一般の炭素鋼、
工具鋼等に比べ小さくなる。このため、特に鋳造用湯口
部材やダイカストスリーブ等の保温性を要求される溶融
金属用部材に適用した場合は尚有利になる。

【００１５】本発明の複合焼結体のセラミックス粒子の
添加量は１０〜８０体積％が好ましい。１０体積％未満
ではセラミックスが本来具備する溶融金属に対する耐食
性が損なわれてしまい、セラミックス粒子の添加量が多
いほど耐食性は良くなるが、８０体積％を超えて添加す
ることは困難であり、仮に得られたとしても脆くなり、
耐破損性が低下する。

【００１６】また、セラミックス粒子としては、アルミ
ニウム溶湯に対する耐食性のある材料であれば好まし
く、更に熱伝導率が小さければ好ましく、窒化ケイ素、
サイアロン、ＴｉＮ等の窒化物系セラミックス、Ｔｉ
Ｃ、ＳｉＣ等の炭化物系セラミックス、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｚｒ
Ｏ₂等の酸化物系セラミックス、またＺｒＢ₂、Ｔｉ
Ｂ₂、ＭｏＢ等の硼化物系セラミックス、或いはＮｉ₂Ｍ
ｏＢ₂等の複硼化物が使用可能である。中でも、サイア
ロンは保温性、アルミニウムに対する耐食性、耐熱衝撃
性等の点で最も優れている。また、サイアロン粒子に周
期律表の４ａ族、５ａ族又は６ａ族の元素の炭化物、ホ
ウ化物又は窒化物からなる非酸化物系導電材を３０〜７
０体積％添加させても良い。

【００１７】また、金属基地としては、前記セラミック
ス粒子を結合できる材料であれば、いずれの材料でも良
く、さらにはアルミニウム溶湯に対する耐食性が良けれ
ば好ましく、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｒ−Ｗ−Ｍｏ−Ｖ系の高速度
鋼合金、Ｔｉ−Ａｌ−Ｖ等のＴｉ合金、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｒ
−Ｍｏ−Ｖ系の工具鋼合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系のステ
ンレス鋼合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｃｏ系合金、Ｎｉ系
合金等が使用可能である。中でもＦｅ−Ｃ−Ｃｒ−Ｗ−
Ｍｏ−Ｖ系の高速度鋼合金が、セラミックス粒子との結
合性、アルミニウム溶湯に対する耐食性のバランスの点
で優れている。

【００１８】複合焼結体の中でも、窒化ケイ素質セラミ
ックス粒子を高速度鋼合金の基地中に分散させたもの
が、溶融金属に対する耐食性、耐破損性の面でバランス
が良いので好ましい。また、複合焼結体の内表面を酸化
して金属基地の表面に酸化被膜を設けることにより、部
材表面から金属部分を除去できるため、溶融金属に対し
てより優れた耐食性を付与することができる。また、溶
融金属との接触部位に、セラミックス等を溶射したり、
ＣＶＤコーティング等の表面処理を施したり、セラミッ
クス粉末を塗布しても良く、これらの場合には、一層、
溶融金属用部材の耐久性を向上させ得る。

【００１９】

【発明の実施の形態】

（実施例１）ＴｉＮを４０体積％を添加した平均粒径８
０μｍのサイアロン粒子５０体積％と、平均粒径１００
μｍの高速度鋼粉末（Ｆｅ−２．１重量％Ｃ−４．２重
量％Ｃｒ−９．５重量％Ｗ−８．３重量％Ｍｏ−５．０
重量％Ｖ−９．５重量％Ｃｏ）５０体積％をＶ型混合機
で混合しサイアロンと高速度鋼の混合粉末を作製した。

【００２０】また、フェライト系ステンレス鋼ＳＵＳ４
３０（Ｆｅ−１７重量％Ｃｒ）からなる円筒状容器を作
製した。そして、この容器の内側に、表面に離型剤を塗
布したオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４製丸
棒の中子を中心にセットし、両者の隙間に先に作製した
サイアロンと高速度鋼の混合粉末を充填した。ＳＵＳ４
３０の８００℃における酸化増量は０．０１mg／(cm²・
h)である。その後、円筒状容器内を、真空度１０-⁵Ｔｏ
ｒｒまで真空脱気後、密閉封印した後、容器全体をＨＩ
Ｐ処理装置内に配置し、Ａｒ雰囲気、１０００気圧、１
２００℃で２時間ＨＩＰ処理を行った。

【００２１】冷却後、加工を施し、図１に示す低圧鋳造
装置に使用される円筒状の鋳造用湯口部材１を作製し
た。図１において、サイアロンと高速度鋼からなる複合
焼結体２は、ＳＵＳ４３０の鋼３に拡散接合されてい
る。この湯口部材を使用した低圧鋳造装置により、アル
ミニウム製自動車エンジン部品を鋳造する試験を行っ
た。鋳造時のアルミニウム溶湯温度は８００℃であっ
た。湯口部材１の外層を形成する鋼３は特に目立った酸
化も認められず、湯口部材１の内層を形成する複合焼結
体２がアルミニウム溶湯により浸食されて交換が必要と
なるまで、１００００ショットの鋳造を行うことができ
た。

【００２２】（実施例２)平均粒径３０μｍのアルミナ
Ａｌ₂Ｏ₃粒子４０体積％と、平均粒径１２０μｍの高速
度鋼粉末（Ｆｅ−１．２重量％Ｃ−０．２５重量％Ｓｉ
−０．３５重量％Ｍｎ−４．１重量％Ｃｒ−１０重量％
Ｗ−３．５重量％Ｍｏ−３．５重量％Ｖ−１０．０重量
％Ｃｏ）６０体積％をＶ型混合機で混合しアルミナと高
速度鋼の混合粉末を作製した。

【００２３】また、フェライト系ステンレス鋼ＳＵＳ４
４７Ｊ１（Ｆｅ−３０重量％Ｃｒ−２重量％Ｍｏ）から
なる円筒状容器を作製し、実施例１と同様に中子との隙
間に、アルミナと高速度鋼の混合粉末を充填した。ＳＵ
Ｓ４４７Ｊ１の８００℃における酸化増量は０．００５
mg／(cm²・h)である。その後実施例１と同様、真空脱
気、ＨＩＰ焼結を行い、加工した後、図２に示す湯口部
材４を作製した。

【００２４】この湯口部材４を使用した低圧鋳造装置に
より、アルミニウム製ホイール部品を鋳造する試験を行
った。鋳造時のアルミニウム溶湯温度は７３０℃であっ
た。湯口部材の外層を形成する鋼６は特に、目立った酸
化も認められず、湯口部材４の内層を形成する複合焼結
体５がアルミニウム溶湯により浸食されて交換が必要と
なるまで、８００００ショットの鋳造を行うことができ
た。

【００２５】（比較例１)クロムモリブデン鋼ＳＣＭ４
４０（Ｆｅ−０．４重量％Ｃ−０．２５重量％Ｓｉ−
０．７重量％Ｍｎ−１．０重量％Ｃｒ−０．２５重量％
Ｍｏ）により円筒状容器を作製し、あとは実施例１と同
様の方法で、図１に示す湯口部材１を作製した。ＳＣＭ
４４０の８００℃における酸化増量は１．３５mg／(cm²
・h)である。この湯口部材を使用した低圧鋳造装置によ
り、アルミニウム製自動車エンジン部品を鋳造する試験
を行った。鋳造時のアルミニウム溶湯温度は８００℃で
あった。この時、湯口部材のＳＣＭ４４０からなる鋼３
が酸化により薄肉化したため、１５００ショットで、鋼
３の破損が生じた。

【００２６】

【発明の効果】本発明の溶融金属用部材は、少なくとも
浸食性の高い溶融金属が直接触れる部分には、セラミッ
クス粒子を金属基地に分散させた複合焼結体を用いてい
るため、本質的に金属材料に比べ溶融金属による浸食に
強く、また、その他の部分には鋼を用いているため、セ
ラミックス系材料或いはセラミックスと金属の複合焼結
体のみからなる部材に比べ熱的衝撃、機械的衝撃に強
く、耐破損性に優れる。更に、鋼の酸化増量が０〜１．
２mg／(cm²・h)であるため、鋼の肉厚が著しく変化せ
ず、長期間にわたって耐破損性を維持できる。その結
果、アルミニウム合金等の溶融金属と接触して使用され
る部材の寿命及び信頼性が大幅に改善されるため、部材
の交換頻度が少なくなり、製造効率や製品コストを著し
く低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の鋳造用湯口部材の断面図であ
る。

【図２】本発明実施例の鋳造用湯口部材の断面図であ
る。

【符号の説明】

１，４…鋳造用湯口部材、２，５…複合焼結体、
３，６…鋼

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２２Ｃ 1/05 Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０４ 38/00 ３０４Ｂ２２Ｆ 3/14 Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも溶融金属に接触する部分がセ
ラミックス粒子１０〜８０体積％を金属基地中に分散し
た複合焼結体からなり、この複合焼結体と鋼を接合した
溶融金属用部材であって、前記鋼の８００℃における酸
化増量が０〜１．２mg／(cm²・h)であることを特徴とす
る溶融金属用部材。
【請求項２】前記鋼がＣｒを５重量％以上含有するこ
とを特徴とする請求項１に記載の溶融金属用部材。
【請求項３】前記複合焼結体が窒化ケイ素質セラミッ
クス粒子１０〜８０体積％を高速度鋼合金の基地中に分
散したものからなることを特徴とする請求項１又は２に
記載の溶融金属用部材。
【請求項４】８００℃における酸化増量が０〜１．２
mg／(cm²・h)である鋼製容器の内側にセラミックス粒子
と金属粒子の混合粉末を充填すると共に、容器全体を真
空脱気、密封した後、加圧焼結することにより、前記混
合粉末を焼結すると共に、鋼製容器に拡散接合させるこ
とを特徴とする溶融金属用部材の製造方法。