CN102056689A

CN102056689A - 半熔融或半凝固状态的铁系合金的铸造方法及铸造用模具

Info

Publication number: CN102056689A
Application number: CN2009801214359A
Authority: CN
Inventors: 四阿佳昭
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2009-06-15
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2029-06-15
Also published as: EP2301689B1; US20110088864A1; BRPI0915067A2; JP2009297754A; CA2727044A1; KR20110006716A; KR101286842B1; EP2301689A1; WO2009151139A1; US9022093B2; EP2301689A4; CN102056689B; CA2727044C; JP4452310B2

Abstract

本发明提供一种半熔融或半凝固状态的铁系合金的铸造方法，其中，将使由二硫化钼、石墨、二硫化钨、氮化硼、氧化铬、氧化硼中的1种或2种以上构成的粒子分散在溶剂中而形成的润滑脱模剂涂布在模具的内表面的一部分或全部的最表面上，然后采用所述模具进行铸造。

Description

半熔融或半凝固状态的铁系合金的铸造方法及铸造用模具

技术领域

本发明涉及半熔融或半凝固状态的铁系合金的铸造方法和这样的铸造所用的铸造用模具。

本申请基于2008年6月13日提出的日本专利申请第2008-155991号而主张其优先权，这里引用其内容。

背景技术

作为大量制造复杂形状的金属构件的技术有压铸技术。此技术是将熔融的金属压入模具中并使其凝固的技术，作为制造铝系合金或镁系合金等低熔点的金属构件的方法是有效的。但是，在用压铸技术制造铁系合金构件方面，铁系合金因熔点高、而且模具基材的大多数采用相同的铁系合金而不太被广泛采用。

近年来，随着着眼于铁的强度高而采用压铸技术由半熔融状态的铸铁进行制造的方法的开发并实用化，希望开发具有充分的耐久性的模具。另一方面，以往为了提高以有色金属为中心的压铸成形或注射成形中使用的模具的耐久性，开发了各种技术。

特别是在专利文献1中，公开了一种通过对模具表面实施气体渗硫氮化处理，降低模具表面对供给压铸或注射成形的镁熔液的润湿性，从而提高防止烧接及被成形物的脱模性的技术。

另外，在专利文献2中，公开了一种在压铸模具的表面涂布由氟化物、硼化物、碳化物、碳酸盐等的粒子或油脂类、有机金属构成的被膜剂，然后干燥，从而形成具有气孔的被膜的方法。

再者，在专利文献3中，公开了一种将在含有硅酸钠的水中分散有氧化物等的粉末和钛酸钾等的纤维材料而形成的覆盖材料涂布在铸造用模具表面并使其干燥，然后实施熟化热处理而形成覆盖层，从而提高模具的耐久性和铸造品的脱模性的技术。

铸铁在半熔融状态下的温度低于该铸铁的熔点，例如在C：2.0％的铸铁的情况下，大约为1200～1270℃左右，但与铝合金及镁合金的熔点相比为非常高的温度。另外，模具的材质多为以SKD61为代表的模具钢。基于上述的状况，模具暴露于非常容易发生磨损、与被成形物的烧接、接触时因热冲击造成的裂纹、在铸铁中的熔析等的环境下。事实上，通常的低合金用压铸模具可耐1万件以上成形品的制造，但对于目前的半熔融铸铁的压铸模具，即使采用专利文献1～3的技术，其限度也是与1000件左右的制造数相对应的耐久性。这样，半熔融铸铁的压铸模具的寿命短，从而希望提高耐久性。

专利文献1：日本特开2004-114151号公报

专利文献2：日本特开2001-232443号公报

专利文献3：日本特开平7-303933号公报

发明内容

本发明鉴于上述课题，其目的在于提供一种半熔融或半凝固状态的铁系合金的铸造方法及铸造用模具，其在铁系合金(亚共晶铸铁等)的触变铸造(半熔融成形：thixocasting)及流变铸造(半凝固成形：rehocasting)中，可防止模具的内表面在高温下的磨损、成形金属的烧接及侵蚀等的发生，而且脱模性良好，耐久性得以提高。

为了实现上述的目的，本发明人对施加给模具的覆盖材料(脱模剂)进行了广泛的研究。由此发现：以下所示的润滑脱模剂对于提高用于以半熔融或半凝固状态铸造铁系合金的模具的耐久性具有较大的效果。

本发明是基于上述的见解而完成的，其要旨如下：

(1)一种半熔融或半凝固状态的铁系合金的铸造方法，其是铸造半熔融或半凝固状态的铁系合金的方法，其中，将使由二硫化钼、石墨、二硫化钨、氮化硼、氧化铬、氧化硼中的1种或2种以上构成的粒子分散在溶剂中而形成的润滑脱模剂涂布在模具的内表面的一部分或全部的最表面上，然后采用所述模具进行铸造。

(2)根据上述(1)所述的半熔融或半凝固状态的铁系合金的铸造方法，其中，用金属或金属陶瓷的喷涂、金属的镀覆、或者金属氮化物或金属碳氮化物的蒸镀中的任1种以上的被膜覆盖所述模具的母材表面的一部分或整个表面，然后在该覆盖面上涂布所述润滑脱模剂。

(3)根据上述(1)或(2)所述的半熔融或半凝固状态的铁系合金的铸造方法，其中，所述润滑脱模剂的溶剂是合成酯油、硅油、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚乙二醇或聚丙烯酸的水溶液、或在所述水溶液中添加有表面活性剂的水溶液。

(4)一种铸造用模具，其用于铁系合金的半熔融铸造或半凝固铸造，其中，在其内表面的一部分或全部的最表面上涂布有润滑脱模剂，所述润滑脱模剂是使由二硫化钼、石墨、二硫化钨、氮化硼、氧化铬、氧化硼中的1种或2种以上构成的粒子分散在溶剂中而形成的。

(5)根据上述(4)所述的铸造用模具，其中，该铸造用模具的母材表面的一部分或整个表面用金属或金属陶瓷的喷涂、金属的镀覆、或者金属氮化物或金属碳氮化物的蒸镀中的任1种以上的被膜覆盖，并且在该覆盖面上涂布有所述润滑脱模剂。

(6)根据上述(4)或(5)所述的铸造用模具，其中，所述润滑脱模剂的溶剂是合成酯油、硅油、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚乙二醇或聚丙烯酸的水溶液、或在所述水溶液中添加有表面活性剂的水溶液。

根据本发明，能够提高模具的耐久性，能够不进行修复或修补而用1个模具制造1～2万件左右在其以上的成形品。另外，由于只在注射(shot)期间涂布润滑脱模剂就可发挥效果，因而能够削减模具的修整或更换时间，从而能够实现制造效率的提高。因此，由此能够使铁系合金成形品的质量稳定化，而且还能够降低制造成本。

附图说明

图1是表示铁系合金的半熔融或半凝固成形用模具的剖视图。

图2是表示涂布在本发明的模具内表面的润滑脱模剂的涂布层的断面的示意图。

图3是表示涂布在本发明的另一实施方式的模具内表面的润滑脱模剂的涂布层的断面的示意图。

图4是实施例1所用的评价装置的立体图。

图5是表示实施例2的成形品的形状的立体图。

符号说明：

1 模具 2 柱塞(plunger)

3 注射口 4 浇口

5 内腔 6 模具框

7 模具分型面 8 表面处理层

9 溶剂或其半干燥或半固化层 10 粒子

11 销钉 12 圆盘

13 润滑脱模剂涂布层

具体实施方式

下面参照附图对本发明的优选的实施方式进行详细说明。此外，在本说明书及附图中，对于实质上具有同一功能构成的构成要素标注同一符号而省略重复的说明。

图1是表示适用于本发明的铁系合金的成形用模具的例子的剖视图。图中，符号1为模具、符号2为柱塞、符号3为注射口、符号4为浇口、符号5为填充成形品的内腔、符号6为模具框。模具1被内装在模具框6内，形成可在分型面7开闭的结构。

在实际的成形中，在将铁系合金的成形用材料加热至半熔融或半凝固状态后，装入注射口3，用柱塞2通过浇口4填充到内腔5内，之后立即在分型面7打开模具1，取出成形品。

关于模具母材的材质，以SKD61所代表的模具钢为首，适合采用高速工具钢、Cr耐热钢、Ni-Cr耐热钢、耐热铸钢、超硬合金、Inconel718等Ni合金、铜及Be铜、Cr-Zr铜等铜合金。

在本发明中，通过在模具1的由注射口3及内腔5构成的内表面的一部分或全部上涂布对铁系合金具有耐烧接性、润滑性、热屏蔽性的润滑脱模剂，可实现提高模具的耐久性、脱模性，并维持制品精度。

涂布在上述模具内表面的润滑脱模剂所适合的材质及其特征如下：

a)使由粒径为2～200μm的二硫化钼、石墨、二硫化钨、氮化硼、氧化铬、氧化硼中的1种或多种构成的粒子分散在溶剂中的材质。

这些粒子在润滑脱模剂的成分中作为填充剂、润滑剂及脱模剂发挥作用，可缓和半熔融的成形材料与模具内表面接触所形成的热冲击，而且有助于半熔融基材的流动所产生的磨擦及磨损的降低、以及成形结束后的脱模性的提高。上述的材质直到铁系合金的半熔融或半凝固区域的温度(大多为1100℃～1400℃)，在短时间内不会发生氧化或分解，可发挥固体润滑作用即降低磨擦及磨损的作用。在粒径小于2μm时，不能使其均匀地分散在溶剂中，此外不仅不能发挥作为填充剂形成稳定的涂布膜的作用，而且热冲击的缓和作用也不充分。

另一方面，在粒径大于200μm时，则沉淀于溶剂中，仍然不能均匀分散。另外，在局部凝集时，还使得涂布膜的厚度不均匀，或表面粗糙度增大，从而使成形品的形状精度降低。

b)作为润滑脱模剂的溶剂，是动粘度为5×10^-6～5×10^-4m²/s的合成酯油、硅油、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚乙二醇或聚丙烯酸的水溶液、或在所述水溶液中添加有表面活性剂的水溶液。

作为溶剂的材质，可采用油系和水系，但在油系中，矿物油因铁系合金的成形温度高而伴随有着火的危险，因此适合采用引火点高、蒸发原料也少的合成酯油(多元醇酯等)或硅油。另外，在水系中，适合采用聚乙二醇或聚丙烯酸，单独或以水溶液的形式具有适度的粘度，并且具有在暴露于高温下时不突然沸腾而稳定蒸发的特性。在粘度小于5×10^-6m²/s时，对模具内表面的粘附力减弱，此外因蒸发过快而不能稳定地涂布。另外，在粘度高于5×10^-4m²/s时，难以使上述a)中所述的粒子均匀分散，且在涂布时发生膜厚不均匀或下垂等，不能适用于模具。此外，本发明中的动粘度为在40℃下测定的值。另外，为了达到上述动粘度的范围，在设定为水溶液的情况下，优选将合成酯油、硅油、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚乙二醇或聚丙烯酸设定为为70质量％以上的浓度。再者，当在该水溶液中添加表面活性剂时，表面活性剂的种类及添加量没有特别的限定，但从提高固体粒子的分散性的观点出发，优选非离子系的表面活性剂(例如，萘磺酸盐等)，其添加量优选相对于水设定为0.1质量％左右。

使上述a)中所述的粒子分散在b)中所述的溶剂中，从而形成润滑脱模剂。粒子在溶剂中的配合量因粒径、溶剂粘度的变化而变化，但可以在1～90体积％的宽范围内配合。涂布有这样配合的润滑脱模剂的被膜的膜厚因粒径的变化而变化，但优选为5μm～150μm。润滑脱模剂可在压铸成形的注射期间，于短时间内通过喷涂或刷涂等涂布在模具内表面上。也可以在涂布后进行干燥，但在大多数情况下，借助于压铸成形的余热，能够以几秒～几十秒的半干燥状态没有问题地进行下次成形。如上所述，上述b)的溶剂由于即使在铁系合金的半熔融成形时的高温下也稳定地蒸发，因此在作业中没有伴随危险的障碍，成形品的质量也没有劣化。进而由于在高温下的蒸发时于涂布膜内形成气泡，因此在缓和对模具内表面的热冲击方面能够发挥更好的效果。

上述润滑脱模剂与被成形材料即铁系合金的耐烧接性、润滑特性、缓和对模具母材的热冲击的热屏蔽性优良，与脱模性一同发挥优良的特性。因此，如果采用这些中的任一种材质，就可得到具有在铁系合金的半熔融或半凝固成形中至少可连续制造1～2万个合格品这种程度的耐久性的模具。

基于图1所示的铁系合金的成形用模具的剖视图，对本发明的在模具内表面涂布润滑脱模剂的优选例进行说明。涂布润滑脱模剂的模具部位是注射口3、浇口4及内腔5的内表面的全部或一部分。一般地说，在以脱模性为目的时，只在内腔5上涂布，但以提高柱塞2和注射口3的滑动面的润滑、以及被成形材料和浇口4间的润滑为目的时，在注射口3及浇口4的内表面涂布也是有效果的。另一方面，在以防止模具磨损为目的时，也可以只在注射口3及浇口4的内表面涂布。在涂布于注射口3及浇口4的内表面上时还可发挥降低成形压力的效果。此外，也可以不对模具实施表面处理而直接涂布，但为了耐磨损及缓和热冲击，也可以对模具内表面实施金属或金属陶瓷喷涂、镀覆、蒸镀中的任一种表面处理，然后在处理过的面上涂布润滑脱模剂。通常，上述表面处理有时覆盖3～5的整个表面，有时只覆盖一部分。本发明的润滑脱模剂对于任何情况下的模具内表面都可发挥润滑效果、脱模效果。

图2是表示涂布在本发明的模具内表面的润滑脱模剂的涂布层的断面的示意图。另外，图3是表示在本发明的模具内表面上，与金属或金属陶瓷喷涂、镀覆、蒸镀中的任一种表面处理层8的面重叠而涂布的润滑脱模剂的涂布层的断面的示意图。如果在成形的注射期间涂布而处于半干燥状态，则润滑脱模剂的断面结构如图所示，形成粒子10分散在溶剂或其半干燥或半固化层9中的形态。该半干燥或半固化层9在因成形时的余热而使溶剂蒸气散发的作用下，在多数情况下产生微细气孔而成为多孔状。因此，缓和热冲击的效果得以提高，而且通过来自成形时的被成形材料的受压和剪切而使粒子10容易流动、延展，从而粒子10的润滑效果也得以提高。通过形成上述覆盖层的结构，用少量的润滑脱模剂就可使润滑效果或缓和热冲击的效果有效地作用到模具内表面的广阔区域。

实施例

以下，采用实施例对本发明进行更具体的说明。

(实施例1)

采用图4所示的评价装置，对各种润滑脱模剂的涂布面的在热状态下相对于铁系材料的耐磨性及耐烧接性进行了评价。装置为销钉在圆盘上的方式，将要评价的润滑脱模剂通过喷涂涂布在圆盘12的表面上。涂布后的润滑脱模剂的涂布层13的膜厚为20～120μm。圆盘母材的形状为Φ50×厚度10mm，圆盘的材质根据试验条件的不同而采用模具钢SKD61、耐热钢SCH22、Ni合金Inconel 718、Be铜。销钉11的形状为Φ5×长度20mm，销钉材质为SKD61的淬火品，采用硬度为HRC＝48～50的材质。此外，本试验是为评价铸铁等铁系合金成形材料与模具表面的磨损及烧接特性而进行的，但为促进磨损试验，作为销钉材质采用强度及硬度比铸铁更高的模具钢。另外，铸铁及模具钢都是相同的铁系材料，因此一般也可对烧接特性进行同样的评价。

作为试验条件，转速为500r/m、销钉和圆盘的滑动速度为0.92m/s、销钉的压紧载荷为980N、气氛温度为400℃。

表1示出了对于本发明的各种润滑脱模剂材质，用上述方法就耐磨性及耐烧接性与其它材质比较而进行评价的结果。表2中示出了评价所用的润滑脱模剂的构成。关于耐磨性，取下旋转30分钟后的圆盘，观察与销钉的滑动面的断面，通过测定磨损最大的部分的厚度减少量而进行了评价。另外，关于耐烧接性，目视试验后的圆盘表面上的销钉顶端材质的转附的有无，并进行断面观察，从而进行评价。这样评价的结果，确认本发明的模具在耐磨性、耐烧接性方面都具有优良的性能。此外，表1中的所谓“轻微磨损”，表示的是圆盘的表面性状，表明在外观上没有发现明显的凹痕、或条痕、凝附物(突起)等。另外，在表2中，作为表面活性剂，使用萘磺酸盐的甲醛缩合物，相对于水添加0.1质量％。

表1耐磨性及耐烧接性的评价结果

(注1)关于No.18～21的圆盘母材材质的补充说明

No.18：SKD61+CoCrAlY…利用高速气体喷涂法的金属喷涂(膜厚100μm)

No.19：SKD61+CrC/NiCr…利用高速气体喷涂法的金属陶瓷喷涂(膜厚100μm)

No.20：SKD61+Ni-W…Ni-W合金镀覆(膜厚50μm)

No.21：SKD61+CrN…CrN的PVD蒸镀膜(膜厚3μm)

(注2)关于No.22～24、28、29的润滑脱模剂的材质的补充说明

No.22：WS₂+Cr₂O₃…按体积比50∶50混合WS₂和Cr₂O₃的粒子，将混合粒子分散在溶剂中。

No.23：MoS₂+BN…按体积比80∶20混合MoS₂和BN的粒子，将混合粒子分散在溶剂中。

No.24：Cr₂O₃+B₂O₃…按体积比60∶40混合Cr₂O₃和B₂O₃的粒子，将混合粒子分散在溶剂中。

No.28：MgO/Na₂SiO₃…将MgO溶于10％硅酸钠水溶液中，然后涂布，用电吹风干燥10分钟。

No.29：ZSNY/Na₂SiO₃…在将ZrO₂、SiO₂、NaAlO₂、Y₂O₃的混合物溶于22％硅酸钠水溶液中而形成的浆料中，再配合20％的平均直径为0.9μm的钛酸钾纤维，然后涂布所得混合物，在干燥后，于250℃下热处理2小时。

(注3)No.27～29分别使用专利文献1～3所公开的材质。

表2润滑脱模剂的标记和成分构成

(实施例2)

接着，将润滑脱模剂涂布在实际的压铸成形用试验模具上，在形成本发明的模具的形态后，进行了铁系合金在半熔融状态下的铸造成形。图5中示出了试制成形品的形状。为了对铁系合金材料的形状成形性即在内腔内的流动特性进行评价，图中所示的成形品形成为阶梯状的形状，从厚度最厚的部分开始，依次将厚度设定为25mm、15mm、10mm、5mm、2.5mm、1mm。

表3中示出了在各种条件下采用根据本发明的模具，以半熔融状态制造铁系合金，对形状成形性及模具耐久性进行评价的结果。使用的铁系合金材料是以质量％计由C：2.4％、Si：1％及其它杂质构成的铸铁。基材的形状为直径Φ50mm、高50mm的圆筒形，成形材料的预热温度为1250℃，从室温在15分钟以内升温到预热温度，保温时间为3分钟以上且在5分钟以内。模具母材的材质是SKD61的淬火和回火品，采用硬度为HRC＝45～47的材质。另外，用电加热器进行模具的预热及保温，将成形前的模具温度调整到在内腔内表面达到250～300℃。

设置多台用于预热上述基材的装置，开始成形。用1～2秒钟完成实际的1次注射的压铸成形，但从成形品取出到下一次基材向模具内的装入的空闲时间为30秒～5分钟左右。润滑脱模剂向模具内部的涂布在下一次注射开始的15～30秒钟前通过空气喷涂来进行。润滑脱模剂的涂布厚度在干燥时为20～150μm。

形状成形性的评价通过成形品的阶梯状的部分的流入厚度来进行。另外，关于模具的耐久性，通过目视观察一定注射次数的成形后的模具内部的磨损状态来进行。这样评价的结果，确认涂布了润滑脱模剂的本发明的模具在耐磨性、耐烧接性方面，都显示出优良的性能，可在不更换的情况下，进行10000～20000次的成形，而且通过降低与被成形材料的摩擦还可改善形状成形性。

表3铁系合金的铸造成形结果

(注1)涂布厚度：并非每次测定，但在成形开始前和大约10000次注射后以干燥状态测定和确认。

(注2)成形性：实际成形的成形品的阶梯状的部分的最小厚度。只要流入直至2.5mm的厚度，实用上就没有问题。

以上参照附图对本发明优选的实施方式进行了说明，当然本发明并不只限定于上述例子。显然，只要是本领域技术人员，就可在权利要求书所记载的范畴内联想到各种变更例或修正例，当然这些也应解释为属于本发明的技术范围。

如上所述，本发明的铁系合金的半熔融或半凝固铸造用模具可广泛地应用于铁系合金的半熔融或半凝固状态的压铸成形，可得到提高模具的耐久寿命、防止基材和模具的烧接、改善脱模性的效果，非常有助于制造成本的降低、生产率的提高、成形品的质量及形状精度的提高等成形作业的改善。

Claims

1.一种半熔融或半凝固状态的铁系合金的铸造方法，其是铸造半熔融或半凝固状态的铁系合金的方法，其特征在于，将使由二硫化钼、石墨、二硫化钨、氮化硼、氧化铬、氧化硼中的1种或2种以上构成的粒子分散在溶剂中而形成的润滑脱模剂涂布在模具的内表面的一部分或全部的最表面上，然后采用所述模具进行铸造。

2.根据权利要求1所述的半熔融或半凝固状态的铁系合金的铸造方法，其特征在于：用金属或金属陶瓷的喷涂、金属的镀覆、或者金属氮化物或金属碳氮化物的蒸镀中的任1种以上的被膜覆盖所述模具的母材表面的一部分或整个表面，然后在该覆盖面上涂布所述润滑脱模剂。

3.根据权利要求1或2所述的半熔融或半凝固状态的铁系合金的铸造方法，其特征在于：所述润滑脱模剂的溶剂是合成酯油、硅油、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚乙二醇或聚丙烯酸的水溶液、或在所述水溶液中添加有表面活性剂的水溶液。

4.一种铸造用模具，其用于铁系合金的半熔融铸造或半凝固铸造，其特征在于：在其内表面的一部分或全部的最表面上涂布有润滑脱模剂，所述润滑脱模剂是使由二硫化钼、石墨、二硫化钨、氮化硼、氧化铬、氧化硼中的1种或2种以上构成的粒子分散在溶剂中而形成的。

5.根据权利要求4所述的铸造用模具，其特征在于：该铸造用模具的母材表面的一部分或整个表面用金属或金属陶瓷的喷涂、金属的镀覆、或者金属氮化物或金属碳氮化物的蒸镀中的任1种以上的被膜覆盖，并且在该覆盖面上涂布有所述润滑脱模剂。

6.根据权利要求4或5所述的铸造用模具，其特征在于：所述润滑脱模剂的溶剂是合成酯油、硅油、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚乙二醇或聚丙烯酸的水溶液、或在所述水溶液中添加有表面活性剂的水溶液。