JP2008188609A - ダイカスト金型およびその表面処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造すべき溶融金属によって表面にクラックやコーティング層の剥離が生じにくく、耐ヒートチェック性に優れたダイカスト金型、およびその表面処理方法を提供する。
【解決手段】溶融金属の鋳造に用いられるダイカスト金型であって、係るダイカスト金型における表面３のうち、少なくともキャビティを含む表面３に被覆され、ＩＶＡ族、ＶＡ族、ＶＩＡ族の少なくとも一種の金属（例えば、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ）またはこれらの合金からなり、マイクロビッカース硬さが１０００Ｈｖ以下で且つ厚みが１〜３０μｍの第１層４と、係る第１層４の表面上に被覆され、ＩＶＡ族、ＶＡ族、ＶＩＡ族の少なくとも一種の金属との炭化物（例えば、ＴｉＣ）、窒化物（例えば、ＴｉＮ）、酸化物（例えば、Ｃｒ_２Ｏ_３）、あるいは炭窒化物（例えば、ＴｉＣＮ）からなる第２層６と、を含む、ダイカスト金型１。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鋳造すべきＡｌ、Ｚｎ、Ｍｇの溶融金属による加熱・離型時の冷却の繰り返し工程で発生するクラックやコーティング層の剥離が生じにくく、耐ヒートチェック性に優れたダイカスト金型およびその表面処理方法に関する。

ダイカスト金型は、ヒートチェックと溶損との２つの形態の損傷を受け易い。ヒートチェックは、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｇの鋳造すべき溶融金属による加熱と、離型剤噴霧時の冷却とを、上記金型が繰り返し受けるため、熱膨張と熱収縮とを繰り返し受けることで生じる。一方、溶損は、上記金型を構成する金属（主にＦｅ）が溶融金属と合金化し、これが溶出することで生じる。
係るダイカスト金型の寿命を延ばすため、溶融金属と接触する表面に対し、例えば、拡散浸透法により硬質の表面処理層を形成し、その上にＰＶＤ（物理蒸着法）によりＴｉＮなどの窒化物やＴｉＣなどの炭化物の硬質皮膜を被覆させる表面処理方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、ダイカスト金型の溶損による損傷を防いでいる。

特開昭６１−３３７３４号公報 （第１〜４頁）

しかしながら、前記のような金型表面への硬質皮膜の被覆は、ヒートチェックに対しては有効ではなく、却ってヒートチェックを助長する場合もある。即ち、前記窒化物や炭化物は、非常に硬く且つ脆い性質を有すると共に、ダイカスト金型の金属材料よりも熱膨張係数が小さいため、金型が熱膨張と熱収縮とを繰り返し受ける際に、窒化物などの硬質皮膜と金型の金属材料との界面に応力が生じる。係る応力に起因して、硬質皮膜にクラック（亀裂）やコーティング層の剥離が発生し、係る亀裂や剥離した部分から進入した溶融金属により、ダイカスト金型を構成する金属材料が溶出し、損傷に至るおそれがある、という問題があった。

本発明は、背景技術において説明した問題点を解決し、鋳造すべき溶融金属によって表面にクラックやコーティング層の剥離が生じにくく、耐ヒートチェック性に優れたダイカスト金型、およびその表面処理方法を提供する、ことを課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、前記課題を解決するため、ダイカスト金型と硬質皮膜との間に、硬質皮膜に比較的近い熱膨張係数を有し、熱膨張および熱収縮時において金型の金属材料と硬質皮膜との双方から熱応力を受けた際に塑性変形する金属層を配置する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明のダイカスト金型（請求項１）は、溶融金属の鋳造に用いられるダイカスト金型であって、係るダイカスト金型における表面のうち、少なくともキャビティを含む表面に被覆され、ＩＶＡ族、ＶＡ族、ＶＩＡ族の少なくとも一種の金属またはこれらの合金からなり、マイクロビッカース硬さが１０００Ｈｖ以下で且つ厚みが１〜３０μｍの第１層と、係る第１層の表面上に被覆され、ＩＶＡ族、ＶＡ族、ＶＩＡ族の少なくとも一種の金属の炭化物、窒化物、酸化物、あるいは炭窒化物からなる第２層と、を含む、ことを特徴とする。

これによれば、キャビティを含むダイカスト金型の表面には、例えばＴｉ、Ｖ、Ｃｒなどの金属からなり比較的軟質の第１層と、例えばＴｉＣ、ＴｉＮなどの硬質で且つ溶融金属の溶損に対して強い炭化物、窒化物、酸化物、または炭窒化物からなる第２層とが被覆されている。このため、溶融金属との接触による熱膨張および離型剤噴霧時の冷却を繰り返し受けた際、第１層は、ダイカスト金型の金属材料と硬質の第２層との双方から熱応力を受けて塑性変形し、係る熱応力を吸収する。従って、第２層には、クラックや第１・第２層からなるコーティング層の剥離が生じにくくなり、優れた耐ヒートチェック性を備えるため、安定した鋳造を長期にわたって行え、当該ダイカスト金型の寿命を高めることが可能となる。

尚、前記第１層のマイクロビッカース硬さを１０００Ｈｖ以下としたのは、１０００Ｈｖよりも硬くなると、塑性変形し難くなり、前記熱応力の吸収が不十分になるためである。
また、第１層の厚みが１μｍ未満では、薄くなり過ぎて前記熱応力の吸収が不十分となる。一方、第１層の厚みが厚みが３０μｍを越えると、第１・第２層からなるコーティング層の機械的強度が低下し僅かの熱応力でも第２層が割れ易くなるため、熱応力の吸収効果が却って低下し、且つコスト高になり得る。このため、これらを除いた前記範囲を第１層の厚みとしたものである。
更に、前記ＩＶＡ族には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆが含まれ、前記ＶＡ族は、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａが含まれ、ＶＩＡ族には、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗが含まれる。
加えて、前記金型の表面とは、少なくともキャビティおよびこれに連通する湯道を含む表面を指し、全体がほぼ６面体である金型のうち、キャビティなどを含む１つの表面の全体、係る表面のうちキャビティなどの周囲に位置する一部の表面、あるいは、キャビティなどを含む表面およびこれに隣接する表面も含まれる。

また、本発明には、前記第２層は、更に、ＳｉまたはＡｌを含む炭化物、窒化物、酸化物、あるいは炭窒化物からなる、ダイカスト金型（請求項２）も含まれる。これによれば、例えば、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮのような複数の元素の窒化物などからなる第２層を形成することも可能となる。
更に、本発明には、前記第１層は、前記金属または合金の複層からなり、あるいは、前記第２層は、前記炭化物、窒化物、酸化物、あるいは炭窒化物の複層からなる、ダイカスト金型（請求項３）も含まれる。
これによれば、第１層および第２層の少なくとも一方を２層以上の複層で形成できるため、金型側と表層側との位置に応じて、前記金属や炭化物などの硬度を選択することで、一層前記熱応力の緩和を図ることが可能となる。
加えて、本発明には、前記ダイカスト金型は、予め前記表面が窒化処理されたものである、ダイカスト金型（請求項４）も含まれる。
これによれば、ダイカスト金型の表面が窒化されているため、係る金型の表層付近の硬度が高められると共に、当該金型の表層における熱膨張係数を下げて、クラックやコーティング層の剥離を防止し易くなるため、更に金型の寿命を延ばすことが可能となる。

一方、本発明によるダイカスト金型の表面処理方法（請求項５）は、溶融金属の鋳造に用いられるダイカスト金型における表面のうち、少なくともキャビティを含む表面に対し、ＩＶＡ族、ＶＡ族、ＶＩＡ族の少なくとも一種の金属またはこれらの合金からなり、マイクロビッカース硬さが１０００Ｈｖ以下で且つ厚みが１〜３０μｍの第１層を被覆する工程と、係る第１層の表面上に、ＩＶＡ族、ＶＡ族、ＶＩＡ族の少なくとも一種の金属との炭化物、窒化物、酸化物、あるいは炭窒化物からなる第２層を被覆する工程と、を含む、ことを特徴とする。

これによれば、表面に前記第１層および第２層が被覆され、クラックおよびコーティング層の剥離を生じにくい前記ダイカスト金型を、確実に提供することができる。
尚、前記第１層は、電解金属メッキ、蒸着、イオンプレーティングなどによって被覆され、前記第２層は、イオンプレーティングなどによって被覆される。
また、前記第２層は、第１層の上にＩＶＡ族、ＶＡ族、ＶＩＡ族の金属層を被覆した後、これを炭化、窒化、酸化、あるいは炭窒化することで形成しても良い。

以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明のダイカスト金型１およびその表面処理方法の模式図である。
図１の左側に示すように、熱間工具鋼（例えば、ＪＩＳ：ＳＫＤ６１）からなる金型本体２のキャビティを含む表面３に対し、ＩＶＡ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）、ＶＡ族（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）、ＶＩＡ族（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ）の少なくとも一種であって、硬度が１０００Ｈｖ以下の金属（例えば、Ｔｉ）を、１〜３０μｍの厚みになるように、例えばイオンプレーティングを施す。
その結果、図１の中央に示すように、金型本体２の表面３には、上記金属（例えば、Ｔｉ）からなり、マイクロビッカース硬さが１０００Ｈｖ以下で且つ厚みが１〜３０μｍの第１層４が被覆される。
次いで、図１の右側に示すように、第１層４の表面上に、ＩＶＡ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）、ＶＡ族（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）、ＶＩＡ族（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ）の少なくとも一種の金属との炭化物（例えば、ＴｉＣ）、窒化物（例えば、ＴｉＮ）、酸化物（例えば、Ｃｒ_２Ｏ_３）、炭窒化物（例えば、ＴｉＣＮ）の何れかからなる第２層６を、例えばイオンプレーティングによって被覆する。
尚、第２層６の厚みは、１〜５μｍ、望ましくは２〜４μｍである。また、第２層６は、第１層４の表層付近を、炭化、窒化、酸化、または炭窒化することによって形成しても良い。

その結果、図１の右側に示すように、金型本体２の表面３に第１層４および第２層６を被覆したダイカスト金型１が得られる。
係るダイカスト金型１によれば、その表面３に、比較的軟質の第１層４と、例えばＴｉＣ、ＴｉＮなどの硬質で化学的に安定な炭化物、窒化物、酸化物、または炭窒化物からなる第２層６とが被覆されている。このため、Ａｌなどの溶融金属との接触による熱膨張と、離型剤の噴霧時での冷却による収縮とを繰り返し受けた際、第１層４は、ダイカスト金型１のＦｅと硬質の第２層６との双方から熱応力を受けて塑性変形し、係る熱応力を吸収する。従って、第２層６には、クラックや剥離が生じにくくなり、安定した鋳造を長期にわたって行えるため、当該ダイカスト金型１の寿命を延ばすことが可能となる。

以下において、本発明の具体的な実施例を、比較例と併せて説明する。
予め、ＳＫＤ６１からなり、図２に示すように、外径：１５ｍｍ×内径：３．５ｍｍ×厚み：５ｍｍの寸法で貫通孔ｐを有する試験片Ｐを、複数用意した。
係る複数の試験片Ｐに対し、同じ条件の焼き入れ（１０２０℃に加熱後に油冷）および焼き戻し（６２０℃に加熱×１時間保持）を施すことで、ロックウェル硬さを４４ＨＲＣに揃えた。更に、このうち、一部の試験片Ｐに対しては、予め、同じラジカル窒化処理（ＮＨ_３ガス２０vol％およびＨ_２ガス８０vol％中で、５００℃に加熱×２時間処理）を施した。
次いで、上記試験片Ｐごとの表面に対し、電界電圧および処理時間を調整してイオンプレーティングを施すことにより、表１に示すように、単層または複層の金属、あるいは炭化物からなる第１層を被覆した。係る第１層のマイクロビッカース硬さが１０００Ｈｖ以下で且つ厚みが１〜３０μｍのものを実施例１〜２３とし、第１層が炭化物であるか、マイクロビッカース硬さが１０００Ｈｖ超、または厚みが１μｍ未満あるいは３０μｍ超のものを比較例１〜９とした。

次いで、各例の試験片Ｐごとにおける第１層の表面に対し、電界電圧および処理時間を調整してイオンプレーティングを施すことにより、表１に示すように、単層または複層の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、あるいはＴｉＡｌＳｉＮからなる第２層を、２〜５μｍの厚みで被覆した。
そして、前記第１層および第２層が表面に被覆された各例の試験片Ｐに対し、ヒートチェック（熱衝撃）試験を行った。係る試験は、図３に示す試験装置１０によって行った。図示のように、各例の試験片Ｐの貫通孔ｐに、試験装置１０における支持部１１の細径部１４を挿入し、上下からホルダ１２，１３で試験片Ｐを挟んで固定した。更に、各試験片Ｐの外周面に対し、高周波コイルによる加熱（７００℃）および図示しない放水パイプによる冷却水ｗによる冷却（室温）を、１０００回にわたり交互に繰り返して行った。

前記ヒートショック試験後における各例の試験片Ｐについて、それらの円柱形の外周面全体を光学顕微鏡（１００倍）で観察し、長さおよび幅（縦・横）の少なくとも一方が１００μｍを越える第２層の剥離があったものを「あり」とし、係る剥離がなかったものを「なし」として、表２に示した。
その後、前記ヒートショック試験後における各例の試験片Ｐを、それらの中心軸に垂直な平面に沿ってほぼ等分に切断し、各例ごとの切断面にフェノール樹脂を被覆し、更に、同じ条件で研磨した後、円柱形の外周面全体に存在するクラックを、光学顕微鏡（１００倍）で観察することにより、各例ごとのクラックの数を測定した。係るクラックの数を、表２に示す。

表２によれば、実施例１〜２３の試験片Ｐでは、クラックが生じていなかったか、その数が１〜６と少なく、且つ全てにおいて剥離が生じていなかった。
これに対し、比較例１〜９の試験片Ｐでは、クラックの数が５０超〜１３０超と著しく多いと共に、比較例１〜４，７において剥離が生じていた。
係る結果は、実施例１〜２３の試験片Ｐは、第１層のマイクロビッカース硬さが１０００Ｈｖ以下で且つ厚みが１〜３０μｍの範囲内にあったため、前記ヒートショック試験を受けた際に、試験片と第２層との熱応力を十分に吸収したため、クラックが発生じないか、極く僅かになり、前記サイズの剥離を生じなかった、ものと推定される。
尚、予め試験片を窒化処理した実施例２０〜２３は、何れにもクラックの発生がなく、且つ上記剥離も生じていなかった。これによって、予め、金型の表面にを窒化処理を施した方が優位と思われる。

一方、表１に示すように、比較例１〜４の試験片Ｐは、第１層がＴｉＣ（炭化物）で且つそのマイクロビッカース硬さが２０００Ｈｖを越え、前記熱応力を吸収できなかったため、多数のクラックが発生し、且つ前記サイズの剥離を生じた。また、比較例５は、第１層の厚みが０．３μｍと薄過ぎであり、比較例６は、第１層のマイクロビッカース硬さが約１１００Ｈｖであったため、多数のクラックのみが生じた、ものと推定される。
更に、比較例７は、第１層の厚みが３４μｍと厚過ぎ、前記熱応力の吸収効果が却って不十分となったため、多数のクラックが発生し、且つ剥離を生じた。また、比較例８は、第１層がＴｉＣ（炭化物）で且つそのマイクロビッカース硬さが２０００Ｈｖ超であったため、予め試験片を窒化処理したにも拘わらず、多数のクラックが生じた。加えて、比較例９は、第１層の厚みが０．４μｍと薄過ぎであったため、予め試験片を窒化処理したにも拘わらず、多数のクラックが生じた、ものと推定される。

以上のような実施例１〜２３によって、本発明の効果が裏付けられると共に、係る実施例を少なくともキャビティを含む表面に施したダイカスト金型の効果が容易に理解されよう。
尚、本発明は、前記実施例１〜２３に限定されるものてではない。

本発明のダイカスト金型の表面処理方法を模式的に示す概略図。 実施例および比較例の試験片を示す斜視図。 上記試験片に施したヒートチェック試験を示す概略図。

符号の説明

１…ダイカスト金型
３…表面
４…第１層
６…第２層

Claims (5)

1. 溶融金属の鋳造に用いられるダイカスト金型であって、
   上記ダイカスト金型における表面のうち、少なくともキャビティを含む表面に被覆され、ＩＶＡ族、ＶＡ族、ＶＩＡ族の少なくとも一種の金属またはこれらの合金からなり、マイクロビッカース硬さが１０００Ｈｖ以下で且つ厚みが１〜３０μｍの第１層と、
   上記第１層の表面上に被覆され、ＩＶＡ族、ＶＡ族、ＶＩＡ族の少なくとも一種の金属との炭化物、窒化物、酸化物、あるいは炭窒化物からなる第２層と、を含む、
   ことを特徴とするダイカスト金型。
2. 前記第２層は、更に、ＳｉまたはＡｌを含む炭化物、窒化物、酸化物、あるいは炭窒化物からなる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のダイカスト金型。
3. 前記第１層は、前記金属または合金の複層からなり、あるいは、前記第２層は、前記炭化物、窒化物、酸化物、あるいは炭窒化物の複層からなる、
   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金型。
4. 前記ダイカスト金型は、予め前記表面が窒化処理されたものである、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のダイカスト金型。
5. 溶融金属の鋳造に用いられるダイカスト金型における表面のうち、少なくともキャビティを含む表面に対し、ＩＶＡ族、ＶＡ族、ＶＩＡ族の少なくとも一種の金属またはこれらの合金からなり、マイクロビッカース硬さが１０００Ｈｖ以下で且つ厚みが１〜３０μｍの第１層を被覆する工程と、
   上記第１層の表面上に、ＩＶＡ族、ＶＡ族、ＶＩＡ族の少なくとも一種の金属との炭化物、窒化物、酸化物、あるいは炭窒化物からなる第２層を被覆する工程と、を含む、
   ことを特徴とするダイカスト金型の表面処理方法。

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