JP2007152377A

JP2007152377A - アルミダイカスト用給湯管およびその製造方法

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Publication number: JP2007152377A
Application number: JP2005348830A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Masuda; 田淳増; Ryosuke Fujimoto; 本亮輔藤
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2025-12-02
Also published as: US8333920B2; KR100844603B1; CN1978095A; JP4499024B2; KR20070058322A; US20070144627A1; US8771789B2; CN1978095B; US20130139372A1

Abstract

【課題】機械的な衝撃に強く、しかも、アルミニウム溶湯に対する耐溶損性にも優れ、寿命を格段に延ばすことを実現する。
【解決手段】セラミックス製の内側管１０と、この内側管１０に嵌合した鋼材製の外側管１２とから給湯管を構成し、鋼材製の外側管１２の内周面にＮｉ合金層を形成し、このＮｉ合金層の表面にＴｉの粒子を接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶解炉からダイカストマシンのプランジャースリーブにアルミニウム溶湯を供給するためのアルミダイカスト用給湯管およびその製造方法に関する。

従来、ダイカストマシンでは、プランジャースリーブにアルミニウム溶湯を供給する方式としてラドル方式が広く用いられてきた。このラドル方式では、溶湯を溶解炉からラドルで汲み出しプランジャスリーブに給湯する。

近年では、ラドル方式に替わって、溶解炉とプランジャスリーブとを給湯管で直接つないで、この給湯管を通して溶湯をプランジャスリーブに供給する技術が注目されている。この給湯管方式は、従来のラドル方式に較べると、Ａｌの酸化被膜や破断凝固片の溶湯への混入を極めて少なく抑えられるため、より高品質なダイカスト製品を鋳造できる利点がある。

これまで、溶解炉とプランジャスリーブを接続する給湯管には、セラミックス製のパイプにヒータを巻き付けた構造のものが用いられていた。給湯管の材料にセラミックスを用いるのは溶損され難い材料であるからである。

一方、セラミックスは、溶湯に強い反面で、衝撃に対して弱く、運転中の振動やメンテナンス時の取り扱い過誤によって破損することがある。また、割れやすい性質であるため給湯管の接続部には十分な荷重を加えられないので、接続部から溶湯が漏れることもあった。

ところで、本出願人は、アルミニウム溶湯に対する耐溶損性を高めた材料として、鋼材製の基材表面にＮｉ合金層を形成し、このＮｉ合金層の表面にＴｉＣを粒子の状態で接合したアルミニウム溶湯接触部材を提案している（特許文献１）。
特開２００５−２６４３０６号公報

セラミックス製の給湯管が割れやすいという欠点に対しては、セラミックス製あるいは黒鉛製のパイプの外側に鋼材製のパイプを嵌め合わせた構造をもつ給湯管がある。しかし、鋼とセラミックス、黒鉛の熱膨張係数が大きく異なるので、熱膨張の相違によって、内外の管の間に大きな隙間が生じる。この隙間には、アルミニウム溶湯が簡単に差し込んでしまうので、短期間に鋼材管が溶損して穴が開いてしまう。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、機械的な衝撃に強く、しかも、アルミニウム溶湯に対する耐溶損性にも優れ、寿命を格段に延ばすことを実現できるようにしたアルミダイカスト用給湯管およびその製造方法を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、ダイカストマシンのプランジャスリーブと溶解炉を連結するアルミダイカスト用給湯管において、セラミックス製の内側管と、この内側管に嵌合した鋼材製の外側管とからなり、前記鋼材製の外側管の内周面にＮｉ合金層を形成し、該Ｎｉ合金層の表面にＴｉＣの粒子が接合されていることを特徴とするものである。

前記ＴｉＣ粒子の平均粒径は１０〜５００μｍであり、かつ粒子がＮｉに完全に覆われずに粒子の一部が表面から突き出ている状態で接合される。
また、Ｎｉ合金の組成は、Ｂ：２．６〜３．２（％）、Ｍｏ：１８〜２８（％）、Ｓｉ：３．６〜５．２（％）、Ｃ：０．０５〜０．２２（％）、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなることが好ましい。
前記ＴｉＣ粒子同士の隙間に窒化ホウ素（ＢＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）を少なくとも１種以上含む粉末を充填するようにしてもよい。

また、本発明では、前記セラミックス製の内側管と鋼材製の外側管の両端部の間には、加熱によって膨張する性質を有する無機材料からなる繊維状のシート部材を挟み込むようにしてもよい。また、前記セラミックス製の内側管と鋼材製の外側管の間で、前記シートのない部分にできる隙間には、セラミックス製の球状または粒状の充填物を充填することが好ましい。

さらに、本発明は、ダイカストマシンのプランジャスリーブと溶解炉を連結し、セラミックス製の内側管と、この内側管に嵌合する鋼材製の外側管とからなるアルミダイカスト用給湯管を製造する方法であって、前記鋼材製の外側管の内周面にＮｉ合金層を形成する工程と、該Ｎｉ合金層の形成された外側管をＴｉＣ粉末中に埋め、真空加熱炉内でＮｉ合金から液相が発生する温度まで真空加熱し、該Ｎｉ合金層の表面にＴｉＣ粒子を接合させる工程と、前記ＴｉＣ粒子が内周面に接合された外側管に、前記セラミックス製の内側管を嵌合させ、給湯管を組み立てる工程と、からなることを特徴とする。

本発明によれば、鋼材製の外側管により、セラミックス製の内側管を機械的な衝撃から保護できるとともに、両端部の接続部に十分な締め付け荷重をかけ、溶湯の漏れを防止できる。さらに、外側管の内周面にはＴｉＣ粒子が密に散在しているため、耐溶損性が著しく高いので、機械的な衝撃に強いことと、アルミニウム溶湯に対する耐溶損性が両立し、寿命を格段に延ばすことを実現できる

以下、本発明によるアルミダイカスト用給湯管およびその製造方法の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態によるアルミダイカスト用給湯管の構造を示す横断面図である。この図１において、参照番号１０はセラミックス製の内側管を示し、参照番号１２は鋼材製の外側管を示している。外側管１２を内側管１０に嵌合させることで、両者が一体構造の給湯管になっている。

図１のＡ部を拡大して図２に示すように、鋼材製の外側管１２の内周面は全面にわたってＮｉ合金層１３で被覆されており、このＮｉ合金層１３の表面は無数の炭化チタン（ＴｉＣ）の粒子で覆われている。このＴｉＣ粒子１４は、Ｎｉ合金層１３の表面から一部が突き出るようにして、粒子の状態で接合されている。ＴｉＣ粒子同士の隙間には、図３に示されるように、窒化ホウ素（ＢＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）を少なくとも一種類以上含むセラミックス微粒子１５が充填されていることが好ましい。このセラミックス微粒子１５は、ＴｉＣ粒子１４を接合しているＮｉ合金層１３の素地の耐溶損性を改善することができる。

このように本実施形態の給湯管では、セラミックス製の内側管１０と鋼材製の外側管１２を組み合わせているため、鋼材製の外側管１２により、セラミックス製の内側管１０を外部からの機械的な衝撃から保護できるとともに、両端部の接続部に十分な締め付け荷重をかけ、溶湯の漏れを防止できる。

さらに、鋼材製の外側管１２の内周面にはＮｉ合金層１３を介してＴｉＣ粒子１４が接合されている。ＴｉＣ粒子１４は、もともとアルミニウム溶湯をはじく性質を有しており、この撥溶湯性を利用して、外側管１２の本体を構成する鋼材にアルミニウム溶湯が直接接触するのを防止し、耐溶損性を高めている。しかもＴｉＣ粒子１４の一部分が前記Ｎｉ合金層１３の表面から突き出るようにすることで、アルミニウム溶湯との接触角が大きくなり、アルミニウム溶湯をはじく性質をより高めことができる。

そして、ＴｉＣが粒子の状態でＮｉ合金層１３に接合して密に散在している構造では、外側管１２が熱により膨張、収縮したときでも、ＴｉＣ粒子１４には大きな熱応力がかからないので剥離することなく、耐溶損性を長い間維持することができる。なお、図２では、ＴｉＣ粒子１４がひとつずつ平面的に並んでいるように模式的に表しているが、これに限定されるものではなく、実際にはＴｉＣ粒子１４は多層に重なり合っている場合もある。

ＴｉＣ粒子１４が接合しているＮｉ合金層１３の素地それ自体は、耐Ａｌ溶損性がよくないので、図３のように、セラミックス微粒子１５を付着させることで耐溶損性を改善することができる。さらに、ＴｉＣ粒子１４間の隙間にこれらの微粒子が付着しているので、アルミニウム溶湯が接触してもセラミックス微粒子１５は除去されにくい。なお、セラミックス微粒子１５は、ＴｉＣ粒子１４の突き出た部分の表面にも付着してもよい。

他方、内側管１２には、アルミニウム溶湯に対する耐溶損製に優れたセラミックスを材料に選択することで、長期間溶損に耐えることができる。このようなセラミックス材料には、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、ＭｇＯ、Ａｌ2ＴｉＯ5、ＺｒＯ2、サイアロンのいずれかを、すくなくとも１種類以上含む材料を用いることが好ましい。

次に、本発明によるアルミダイカスト用給湯管の第２実施形態について、図４、図５を参照して説明する。
この第２実施形態では、セラミックス製の内側管１０と鋼材製の外側管１２の両端部の間には、耐火シート１６が挟み込まれており、さらに、耐火シート１６のない部分にできる隙間には、セラミックス製のボール１７が充填されている。

耐火シート１６は、加熱されると膨張する性質を有する無機材料の繊維からなるシート部材である。この耐火シート１６は、全周にわたって巻かれ、シートの端は内側管１０および外側管１２の端面とそろっていることが好ましい。ボール１７は、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、ＭｇＯ、Ａｌ2ＴｉＯ5、ＺｒＯ2、サイアロンのいずれかを、すくなくとも１種類以上含むセラミックス材料を用いて形成された球状の充填物である。この充填物は、ボール１７の替わりに粒状のものであってもよい。

以上のような第２実施形態によれば、セラミックス製の内側管１０と鋼材製の外側管１２の両端には、耐火シート１６が挟み込まれて隙間のない構造となっているので、アルミニウム溶湯によって加熱された結果、熱膨張係数の違いから内側管１０と外側管１２の間の隙間があいても、耐火シート１６によってアルミニウム溶湯が隙間に差し込むのを防ぐことができる。

また、給湯管の両端部に耐火シート１６を挟んだ部分以外のところでは、内側管１０と外側１２の隙間にボール１７が充填されていることから、セラミックス製の内側管１０を流れるアルミニウム溶湯の重量がこれらのボール１７によって支持されるので、内側管１０に溶湯の荷重がかかるのを防止することができる。

次に、本発明の実施形態によるアルミダイカスト用給湯管を製造する方法について説明する。

セラミックス製の内側管１０と鋼材製の外側管１２を用意しておき、以下のような手順で給湯管を製作する。

まず、外側管１２の内周面には、溶射によりＮｉ合金層１３を形成しておく。そして、図６に示すように、容器に入ったＴｉＣ粉末２０を用意し、ＴｉＣ粉末２０の中に外側管１２の全体が埋まるよう入れておく。

次に、外側管１２を容器ごと外側管１２を加熱真空炉に入れて、加熱真空炉内でＮｉ合金から液相が発生する温度まで真空加熱し、Ｎｉ合金層１３の表面にＴｉＣ粒子１４を接合させる。
この工程で加熱することによって、図２に示すように、ＴｉＣ粒子１４がＮｉ合金層１３の表面から突き出た状態で接合する。この場合、加熱の過程では、溶け出したNｉ合金によってＴｉＣ粒子１４全体が覆われてしまうのは好ましくない。ＴｉＣ粒子１４をＮｉ合金で完全に覆わずに、ＴｉＣ粒子１４の一部分がＮｉ合金層１３から表面に出ている状態で強固に接合させるためには、ＴｉＣ粉末中の粒子の平均粒径が１０〜５００μｍの範囲内にあることが好ましい。

ＴｉＣ粒子径が１０μｍよりも小さいと、ＴｉＣ粒子１４をＮｉ合金１３の液相にすべて覆われないように真空加熱中の温度管理が難しくなる。ＴｉＣ粒子１４がＮｉ合金の液相にすべて覆われてしまうと、ＴｉＣの優れた耐溶損性が発揮できなくなる。

他方、ＴｉＣ粒子径が５００μｍよりも大きくなると、Ｎｉ合金の液相が粒子の下部にしか行き渡らないために粒子との接触面積が不足し、接合強度が弱く簡単に粒子が脱落してしまう。

ＴｉＣ粒子１４を接合した後は、窒化ホウ素（ＢＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）を少なくとも一種類以上含むセラミックス微粉末とバインダの混合スラリーをＴｉＣ粒子１４に塗布して焼き付ける。

Ｎｉ合金から発生する液相によって、図３に示すように、ＴｉＣ粒子１４は、Ｎｉ合金層１３に高強度で接合し、さらに、ＴｉＣ粒子１４との濡れ性もよいので、多くのＴｉＣ粒子１４を密に接合させることができるようになる。

次いで、図７に示すように、内側管１０を外側管１２に差し込む。その際、外側管１２の内周面の両端部には、耐火シート１６をそれぞれ全周にあてがうようにして装着しておく。内側管１０の一端部を外側管１２に挿入し、他方の端部を差し込む手前で、内側管１０と外側管１２の隙間に、セラミックス製ボール１７を充填する。しかる後、内側管１０の端部が他方の耐火シート１６に届くまで完全に差し込む。

以上のように製作された給湯管をダイカストマシンの実機に取り付け、溶解炉から給湯管を通してアルミニウム溶湯を実機のプランジャスリーブに供給して鋳造サイクルを繰り返して行う耐久試験を行った。このときの試験条件は、溶湯はＡＣ４ＣＨ、溶湯温度７２０℃、給湯管ヒータ温度は７２０℃である。なお、耐久試験では、比較例１として、セラミックス製の給湯管（組成：７０％ＳｉＣ−３０％Ｓｉ3Ｎ4）を製作し、比較例２として、黒鉛製の管の外側にＳ４５Ｃを材質とする鋼材製の管に焼き嵌めした給湯管を製作した。そして、これらの比較例１、２についても、それぞれ実機に搭載し、同条件で耐久試験を行った。

試験の結果、比較例１では、約４０，０００ショットで給湯管接合部が破損し、溶湯が漏れ出し、比較例２では、約８０００ショットで給湯管接合部が溶損し、溶湯が漏れ出した。比較例２の場合、比較的短期間で溶損が生じたのは、黒鉛製の管と鋼材製の管とでは熱膨張係数が大きく異なるため、両者の隙間に溶湯が差し込み、鋼材製の管が溶損されてしまったものと考えられる。これに対して、実施例の給湯管の場合は、１２０，０００ショットを超えても、溶損等の不具合はみられず、なおも続行が可能であった。

本発明によるアルミダイカスト用給湯管の第１実施形態を示す横断面図。図１のＡ部を拡大した説明図。ＴｉＣ粒子の隙間にセラミックス微粒子を付着させた例の説明図。本発明の第２実施形態によるアルミダイカスト用給湯管を示す縦断面図。図４のＶ−Ｖ断面を示す図。本発明のアルミダイカスト用給湯管の製造方法の説明図。本発明のアルミダイカスト用給湯管の製造方法において、内側管を外側管に嵌め合わせるときの工程を説明する図。

符号の説明

１０内側管
１２外側管
１３Ｎｉ合金層
１４ＴｉＣ粒子
１５セラミックス微粒子
１６耐火シート
１７ボール
２０ＴｉＣ粉末

Claims

ダイカストマシンのプランジャスリーブと溶解炉を連結するアルミダイカスト用給湯管において、
セラミックス製の内側管と、この内側管に嵌合した鋼材製の外側管とからなり、前記鋼材製の外側管の内周面にＮｉ合金層を形成し、該Ｎｉ合金層の表面にＴｉＣの粒子が接合されていることを特徴とするアルミダイカスト用給湯管。
前記ＴｉＣ粒子の平均粒径が１０〜５００μｍであり、かつ粒子がＮｉ合金に完全に覆われずに粒子の一部が表面から突き出ている状態であることを特徴とする請求項１に記載のアルミダイカスト用給湯管。
前記Ｎｉ合金の組成は、Ｂ：２．６〜３．２（％）、Ｍｏ：１８〜２８（％）、Ｓｉ：３．６〜５．２（％）、Ｃ：０．０５〜０．２２（％）、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１に記載のアルミダイカスト用給湯管。
前記ＴｉＣ粒子同士の隙間に窒化ホウ素（ＢＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）を少なくとも１種以上含む粉末が充填されたことを特徴とする請求項２に記載のアルミダイカスト用給湯管。
前記セラミックス製の内側管と鋼材製の外側管の両端部の間には、加熱によって膨張する性質を有する無機材料からなる繊維状のシート部材を挟み込んだことを特徴とする請求項１に記載のアルミダイカスト用給湯管。
前記セラミックス製の内側管と鋼材製の外側管の間で、前記シートのない部分にできる隙間には、セラミックス製の球状または粒状の充填物を充填したことを特徴とする請求項５に記載のアルミダイカスト用給湯管。
前記セラミックス製の内側管若しくは球状または粒状の充填物は、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、ＭｇＯ、Ａｌ2ＴｉＯ5、ＺｒＯ2、サイアロンのいずれかを、すくなくとも１種類以上含むセラミックス材料からなることを特徴とする請求項６に記載のアルミダイカスト用給湯管。
ダイカストマシンのプランジャスリーブと溶解炉を連結し、セラミックス製の内側管と、この内側管に嵌合する鋼材製の外側管とからなるアルミダイカスト用給湯管を製造する方法であって、
前記鋼材製の外側管の内周面にＮｉ合金層を形成する工程と、
該Ｎｉ合金層の形成された外側管をＴｉＣ粉末中に埋め、真空加熱炉内でＮｉ合金から液相が発生する温度まで真空加熱し、該Ｎｉ合金層の表面にＴｉＣ粒子を接合させる工程と、
前記ＴｉＣ粒子が内周面に接合された外側管に、前記セラミックス製の内側管を嵌合させ、給湯管を組み立てる工程と、
からなることを特徴とするアルミダイカスト用給湯管の製造方法。
前記外側管の内周面にＴｉＣ粒子を接合した後、窒化ホウ素（ＢＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）を少なくとも１種以上含む粉末とバインダの混合スラリーを該ＴｉＣに塗布して焼き付けることを特徴とする請求項８に記載のアルミダイカスト用給湯管の製造方法。
前記鋼材製の外側管の両端部には、加熱によって膨張する性質を有する無機材料からなる繊維状のシート部材をそれぞれ全周にあてがった状態で、該内側管を一端部挿入し、他方の端部を差し込む手前で、前記シートのない部分にできる隙間には、セラミックス製の球状または粒状の充填物を充填することを特徴とする請求項８記載のアルミダイカスト用給湯管の製造方法。