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JP2010284661A - 金属ガラス成形用離型剤及び金属ガラス成形体の製造方法 - Google Patents

金属ガラス成形用離型剤及び金属ガラス成形体の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】成形体の表面に影響を及ぼしにくく、非晶質性の高い金属ガラスの成形体を得ることが可能な金属ガラス成形用離型剤を提供する。
【解決手段】金属ガラスの鋳造成形に用いる金属ガラス成形用離型剤であって、粒子径が1マイクロメートル以上100マイクロメートル以下からなる金属ガラスの粉体を含むことを特徴とし、金型の内面に塗布する離型剤塗布工程と、前記金属ガラス製形用離型剤に含まれる金属ガラスの粉体と同系の金属ガラスを成形材料として前記金型に投入する成形材料投入工程とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、金属ガラスの鋳造に使用する金属ガラス成形用離型剤、及びこれを用いた金属ガラス成形体の製造方法に関する。
従来、アルミなどの金属を鋳造(成形)するための一般的なダイカスト技術においては、鋳造品を型からはずしやすくするために離型剤を用いることが一般的である。離型剤としては水性離型剤、粉体離型剤、粉体を溶媒に添加した液状粉体離型剤等が知られている。近年では、水性離型剤が鋳造時にガス化して様々な品質低下を起こすことから、粉体を使用した離型剤が多く用いられるようになってきている(例えば、特許文献1参照)。
これらの離型剤を用いて鋳造された成形体は、その表面が離型剤に含まれる粉体により汚染されている状態であるため、サンドブラストなどの表面除去加工や洗浄工程等により、表面に付着した離型剤を除去することが一般的である。
また、近年、金属ガラスと呼ばれる非晶質合金の鋳造技術の実用化に注目が集まっている。これは金属でありながら結晶化していない(アモルファス)ことにより、その成形体は、高い表面硬度や低い摩擦係数、高い耐腐食性といった有用な特徴を有するため、様々な分野への応用が期待されている。
特開2000−301287号公報
しかしながら、上述した金属ガラスの鋳造においては、特許文献1に記載のような粉体離型剤を使用すると、離型剤が鋳造品の表面に残って汚染され、所望の表面特性を得られないという問題がある。
また、粉体離型剤に使用される粉体が核となって、金属ガラスの溶湯が固化する際に結晶化を誘発してしまい、結晶化の度合いの低い良好な金属ガラスを得ることが困難になるという問題がある。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、成形体の表面に影響を及ぼしにくく、非晶質性の高い金属ガラスの成形体を得ることが可能な金属ガラス成形用離型剤を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、表面状態が良好で、かつ非晶質性の高い金属ガラス成形体を製造することができる金属ガラス成形体の製造方法を提供することである。
本発明の第一の態様は、金属ガラスの鋳造成形に用いる金属ガラス成形用離型剤であって、金属ガラスの粉体を含むことを特徴とする。
前記粉体は、ジルコニウム系金属ガラスからなるものでもよい。
また、前記粉体の粒子径は、1マイクロメートル以上100マイクロメートル以下に設定されてもよい。
さらに、前記粉体は、有機溶媒中に分散されてもよい。
本発明の金属ガラス成形用離型剤は、分散剤をさらに含んでもよいし、付着性助剤をさらに含んでもよい。
本発明の第二の態様である金属ガラス成形体の製造方法は、本発明の金属ガラス成形用離型剤を、金型の内面に塗布する離型剤塗布工程と、前記金属ガラス製形用離型剤に含まれる金属ガラスの粉体と同系の金属ガラスを成形材料として前記金型に投入する成形材料投入工程とを備えることを特徴とする。
本発明の金属ガラス成形用離型剤によれば、成形体の表面に影響を及ぼしにくく、非晶質性の高い金属ガラスの成形体を得ることができる。
また、本発明の金属ガラス成形体の製造方法によれば、表面状態が良好で、かつ非晶質性の高い金属ガラス成形体を製造することができる。
本発明の金属ガラス成形用離型剤の各実施例及び各比較例の離型剤の組成を示す表である。 同実施例及び同比較例の離型剤を用いた金属ガラス材料の鋳造結果を示す表である。
本発明の金属ガラス成形用離型剤の実施形態例について説明する。なお、本発明においては、ガラス遷移領域(結晶化温度からガラス遷移温度を引いた値:過冷却液体領域)として20℃以上の範囲を有する非晶質合金を、「金属ガラス」と定義する。
本実施形態の金属ガラス成形用離型剤は、非晶質の金属ガラスの粉体を含んで構成されている。このような粉体は、金属ガラスの塊を作製し、この塊を例えば特開2005−256074に記載されているように、特定の環境下で粉砕することによって得ることができる。この他、アモルファス合金粒子のように、金属のドラムに溶射、急冷する方式や、アトマイズ法などの微粒子の製造方法を適用して作製することも可能である。
使用する金属ガラスの種類には特に制限はなく、例えばZr55Cu30Al10Ni5のようなジルコニウム(Zr)系、Pd40Cu30Ni10P10のようなパラジウム(Pd)系、Fe56Co8Zr10Mo5W2B15のような鉄(Fe)系、Ti41.5Zr2.5Hf5Cu42.5Ni7.5Si1のようなチタン(Zr)系、及び[(Ni0.9Fe0.1)B0.2Si0.05]96Nb4のようなニッケル(Ni)系など各種の金属ガラスを使用することができる。
離型剤に使用する金属ガラスと、鋳造する金属ガラス材料とは、同一の系に属することが好ましい。ここで、Zr系金属ガラスを例にとって説明すると、Zr55Cu30Al10Ni5が鋳造する金属ガラス材料である場合、完全に同一の材料からなる粉体を含む金属ガラス成形用離型剤が最も好ましいのは当然であるが、Zr系であれば、同一元素構成で組成比の異なる材料であっても、構成元素が異なるものであっても好適に粉体の材料として使用することができる。また、これら同一系の各種金属ガラスからなる粉体が混合されて離型剤が製造されても良い。同一元素構成で組成比の異なる材料を用いる場合は、組成比の差が10%以下であると、機械的な特性を含めた物性が大きく変わらないのでより好ましい。
なお、上述の記載及び以降の記載において、金属ガラスの組成中の数字は、原子%(at%)を示す。また、上述の組成比の差10%とは、最低3種類ある金属ガラス中の主要元素についての組成比(at%)を指している。例えば、上述のZr55Cu30Al10Ni5の場合、Zrの組成比は45%から65%程度の範囲であれば許容されるということを意味する。
金属ガラス粉体の粒子径は、粉体粒子が金属ガラス材料の溶湯と接した部分の表面は溶融するものの、金型に接した部分は溶融しきらない程度、かつ成形体の表面を極度に荒らすことなく、金型の表面に良好に付着する程度の大きさの範囲に設定されるのが好ましい。このような状態であると、良好な離型性を発揮することができる。
具体的には、粒子径が1マイクロメートル(μm)未満であると、鋳造時に金属ガラスの溶湯の熱によって粉体粒子自体が溶融しやすくなってしまい、離型性を十分に発現できない可能性がある。また、粒子径が100μmを超えると、成形体の表面粗さに無視しがたい程度の影響があり、分子間力などによる金型への付着力より粉体粒子の重量のほうが大きくなるため、金型への付着性も低下してしまうことがある。
したがって、粉体の粒子径としては、1μm以上100μm以下が好ましく、10μm以上50μm以下がより好ましい。
なお、本発明においては、離型剤が金型表面をどの程度被覆しているかが離型性に大きく影響を与えるという観点から、粉体の面積平均粒子径をもって当該粉体の粒子径と定義する。したがって、粉体の粒子形状についても、球状、小片、鱗片状、棒状、不定形など特に制限はなく、金型への付着性や粉体粒子の生産性等の観点から適宜その形状が決定されてよい。
本発明の金属ガラス成形用離型剤は、金型への塗布を容易にするために、溶媒に分散されて液状粉体離型剤として使用されてもよい。溶媒は金属ガラスの粉体を金型表面に効率良く付着させるのに有用であり、例えばエタノール等を好適に採用することができる。エタノール以外でも、粉体状の離型剤の塗布を容易にするような、揮発性の高い有機溶媒であれば様々なものが適用可能である。
ただし、揮発性の極めて低い水やオイル類は、金型に塗布した後も液体としてそのまま残ってしまうことになり、その状態で成形を実施すると液体が気化・ガス化してしまう。これは成形体に大きな鋳造欠陥を引き起こしやすくなるのに加え、汚染物質として成形体表面付近に付着、混入してしまうため、成形品の品質を大きく劣化させてしまうため、好ましくない。しかし、揮発性等を大きく損なわない程度であれば、塗布時の物性等を調整するために、これらの物質が一定量有機溶剤等に添加されても構わない。
また、近年、溶媒なしの粉体に付着性助剤を添加し、そのまま噴霧して金型表面に付着させる方式も採用され始めているが、付着性助剤による品質問題がない条件下であれば、本発明の金属ガラス成形用離型剤においても、同様に金属ガラスの粉体に付着性助剤を添加して用いることも可能である。このような付着性助剤としては、例えば、ポリエチレンワックス、パラフィンワックスなどの各種有機バインダーを好適に採用することができる。
付着性助剤の添加量が多くなると、鋳造時に付着性助剤が熱分解されることによりガスが発生して鋳巣欠陥が発生したり、不純物としての炭素量が増加したりすることがある。そのため、付着性助剤の添加量は、できるだけ少なくするのが好ましい。付着性助剤を添加しないと、金属ガラス成形用離型剤の金型への付着効率は下がるが、本発明の金属ガラス成形用離型剤は、後述するように粉体が不純物とならないため多量に塗布することが可能である。したがって、付着性助剤は添加しないか、僅かな添加でも十分な効果を発揮する。
上述した付着性助剤のほかに、各種ワックス類や、粘土類等の付着性助剤も使用可能である。
本発明の金属ガラス成形用離型剤には、上述の付着性助剤以外の助剤が適宜添加されてもよい。成形品への汚染を避けるためには不揮発性の助剤は出来るだけ用いないことが望ましいが、成形品に求められる品質上許される範囲で添加することは有用である。
たとえば、シランカップリング剤等のカップリング剤や界面活性剤等の分散剤を添加すると、金属ガラス粉体の表面と結合し、溶媒との親和性を大きく向上することで溶媒中への分散性が向上される。その結果、離型剤中に粉体粒子を均一に分散させ、粉体粒子の沈下・分離を避けることができ、塗布性を好適に向上させることができる。
分散剤の添加量は0.1から5%程度が有用で、多すぎると不純物として成形体の品質を変化させ、少なすぎると分散性が不足することから1%前後が特に好ましい。
また、金属ガラス粉体と、溶媒や助剤との混合比率は、適宜設定されてよい。
粉体の粒子径にも影響されるが、一般に金属ガラス粉体の添加量(すなわち混合比率)が増えれば塗布性は低下するが、粉体を多量に付着させることができるため離型性は向上する。金属ガラス粉体の添加量を減らすと逆の現象が発生するので、所望の離型性と塗布性とを考慮して、これらの比率は適宜決定することが可能である。
具体的には、溶媒を用いる場合、金属ガラス粉体の比率として、5〜50重量パーセント(wt%)程度が好ましく、6〜20wt%程度が離型性と分散性とのバランスがよく、さらに好ましい。また、助剤については、すべての助剤を合計した比率が1〜10wt%程度の範囲に調整されるのが好ましい。したがって、残りの部分が溶媒の比率となり、40〜94wt%程度の範囲で適宜設定される。
上記のように構成された本発明の金属ガラス成形用離型剤を使用して金属ガラス成形体の製造を行うときは、成形前に、金属ガラスを鋳造する金型の内面に本発明の金属ガラス成形用離型剤を塗布する(離型剤塗布工程)。
使用される金型の材質に特に制限はなく、SKD材、ステンレス鋼(SUS)、銅、各種セラミックなど各種の公知材料を、耐久性やコスト、加工性等を考慮して適宜選択することができる。また、塗布方法にも特に制限はなく、スプレー塗布、ディッピング、滴下、はけ塗り等、公知の各種方法を採用することができる。
さらに、適用される鋳造法にも特に制限はなく、ダイカスト、遠心鋳造、重力鋳造、傾斜鋳造、金属射出成形など公知の各種鋳造技術に適用可能である。
金属ガラス成形用離型剤の塗布後、金型に金属ガラス材料の溶湯を流し込んで(成形材料投入工程)鋳造を行う。このとき、金属ガラス成形用離型剤に含まれる金属ガラスの粉体粒子が金型表面に付着している状態で成形が行われるため、金属ガラス材料の溶湯が金型に直接触れる面積が小さくなる。また、金属ガラスの粒子によって流動中の溶湯と金型との間にギャップが形成され、金型への焼き付きが好適に防止される。
本発明の金属ガラス成形用離型剤によれば、金型の内面に塗布されることによって、上述のように金属ガラスの溶湯の金型への焼き付きを好適に防止して、鋳造後の金属ガラス成形体の金型からの離型性を著しく向上させることができる。
また、金属ガラス成形用離型剤に含まれる金属ガラスの粉体粒子は、熱伝導率が比較的小さいため、金型への熱の伝わりをより低減し、金型への焼き付きをより好適に防止することができる。さらに、熱伝導率が低いことによる断熱作用によって、金型への熱的負荷を緩和し、金型の耐久性を向上することができる。さらに、投入された金属ガラス材料の冷却速度が低下して固化速度が下がる結果、湯流れ性が向上して、薄肉形状のものを成形する場合等においても良好な充填性を保持することができる。
本発明の金属ガラス成形用離型剤においては、金属ガラスの粉体が離型性を発揮する主要な成分であるため、得られた成形体の表面には、ほぼ金属ガラスの成分のみが存在する。したがって、高い表面硬度、摩擦係数の低さ、耐薬品性および耐腐食性の高さといった、金属ガラスが有する各種特性を損なうことなく良好な金属ガラス成形体を製造することができる。また、表面除去加工等の後加工も必要なく、成形体の製造効率を著しく向上させることができる。
また、金属ガラスの粉体は、当然アモルファスであるため、金型に投入された金属ガラスの溶湯と接して溶湯が固化する際に結晶化の核とならないため成形体の結晶化を引き起こさない。したがって、成形体の非晶質性に悪影響を及ぼすことなく金属ガラスの成形を良好に行うことができる。
一般的な離型剤は、塗布量が多すぎると離型剤に含まれる粒子が過剰に存在して製品形状や表面の粗さや色合いなどの性状を悪化させてしまう可能性があるため、塗布量の精密な管理が必要である。
しかしながら、本発明の金属ガラス成形用離型剤では、金属ガラスの粉体粒子を用いているため、鋳造後には成形体と一体となってほとんど区別がつかない状態となる。そのため、成形体の形状や表面の品質に及ぼす影響が一般的な離型剤に比べてはるかに少ないため、例えば、ある程度多めに塗布してもほとんど問題はない。その結果、上述した塗布量の精密な管理は必要なく、より容易に金属ガラスの成形を行うことができる。
また、鋳造する金属ガラス材料がZr系である場合、型形状の転写性能に特に優れているため、金型表面の微細な凹凸に入り込んで離型性が低下してしまう問題が特に起こりやすい。このとき、通常の離型剤を使用すると、上述の微細な凹凸に離型剤が進入することで金属ガラスが入り込みにくくなり、離型性は向上するものの転写性が悪化するという問題が発生する。
本発明の金属ガラス成形用金型では、金属ガラスの粉体を用いているため、上述のような場合に粉体粒子が微細凹凸に進入しても、最終的には金属ガラス材料と一体となって金型から取り出され、成形体の一部となる。したがって、離型性を向上させつつ高い型転写性を保持するという、Zr系金属ガラスの鋳造時における相矛盾する要求をも好適に達成して金属ガラス成形体の製造を好適に行うことができる。
以上説明した本発明の金属ガラス成形用離型剤について、実施例及び比較例を用いてさらに説明する。
(離型剤の作成)
図1に、本発明の金属ガラス成形用離型剤の実施例1ないし11及び比較例1ないし3の組成を示し、以下にも簡潔に記す。いずれの例についても、各成分を適正な容器に入れて予備混合を行った後、適正な混合機、たとえばボールミルによって十分に混合を行うことにより、それぞれの離型剤を作成した。
なお、図1には鋳造に使用した金属ガラス材料が記載されているが、これについては後述する。
(実施例1)
金属ガラス粉体:Zr55Cu30Al10Ni5、粒子径1μm、10%、溶媒:エタノール89%、分散剤:シランカップリング剤(商品名KBM−503、信越化学工業(株)製)1%
(実施例2)
金属ガラス粉体:Zr55Cu30Al10Ni5、粒子径1μm、10%、溶媒:エタノール90%
(実施例3)
金属ガラス粉体:Zr55Cu30Al10Ni5、粒子径10μm、10%、溶媒:エタノール89%、分散剤:シランカップリング剤(KBM−503)1%
(実施例4)
金属ガラス粉体:Zr55Cu30Al10Ni5、粒子径0.1μm、10%、溶媒:エタノール89%、分散剤:シランカップリング剤(KBM−503)1%
(実施例5)
金属ガラス粉体:Zr55Cu30Al10Ni5、粒子径0.1μm、20%、溶媒:エタノール79%、分散剤:シランカップリング剤(KBM−503)1%
(実施例6)
金属ガラス粉体:Zr55Cu30Al10Ni5、粒子径100μm、10%、溶媒:エタノール89%、分散剤:シランカップリング剤(KBM−503)1%
(実施例7)
金属ガラス粉体:Zr55Cu30Al10Ni5、粒子径100μm、20%、溶媒:エタノール79%、分散剤:シランカップリング剤(KBM−503)1%
(実施例8)
金属ガラス粉体:Zr55Cu30Al10Ni5、粒子径10μm、10%、溶媒:エタノール89%、分散剤:シランカップリング剤(KBM−503)1%
(実施例9)
金属ガラス粉体:Zr55Cu30Al10Ni5、粒子径10μm、10%、溶媒:エタノール89%、分散剤:シランカップリング剤(KBM−503)1%
(実施例10)
金属ガラス粉体:Zr55Cu30Al10Ni5、粒子径10μm、10%、溶媒:エタノール89%、分散剤:シランカップリング剤(KBM−503)1%
なお、実施例8ないし10は、離型剤としては実施例1と同一であるが、いずれも鋳造に使用した金属ガラス材料が実施例1と異なるため、それぞれ別実施例としている。
(実施例11)
金属ガラス粉体:Ni53Nb20Ti10Zr8Co6Cu3、粒子径10μm、10%、溶媒:エタノール89%、分散剤:シランカップリング剤(KBM−503)1%
(比較例1)
粉体:タルク5%、溶媒:水80%、付着性助剤:シリコーンオイル10%、分散剤:界面活性剤5%
比較例1は、従来の離型剤の例として、特開2001−71092号公報に記載のものと同様のものを用いた。
(比較例2)
粉体:シリカ粒子、粒子径0.007μm、90%、付着性助剤:ポリエチレンワックス10%
比較例2は、従来の離型剤の例として、特開2000−301287号公報に記載のものと同様のものを用いた。
(比較例3)
粉体:粉末状黒鉛、粒子径2μm、2%、溶媒:代替フロン97.8%、付着性助剤:炭化水素樹脂0.2%
比較例3は、従来の離型剤の例として、特開2000−33457号公報に記載のものと同様のものを用いた。
なお、各比較例における粉体についても、上述の面積平均粒子径を粒子径として記載している。
(鋳造(ダイカスト)への適用検討)
上述した各離型剤を用いて同一の射出成形機及び金型を使用して円筒状の成形体の鋳造を行い、有用性を検討した。
まず、金型に中子ピンを取り付けて型開きした状態で、離型剤を金型及び中子ピンの表面に対してスプレーガンで噴霧した。離型剤中の溶媒を揮発させた後に型締めを行い、金型内に金属ガラスの溶湯を注入して鋳造を行った。
鋳造に使用した金属ガラス材料は図1に示されている。実施例1ないし7、及び比較例1ないし3ではZr55Cu30Al10Ni5を使用し、実施例8ではZr65Cu17.5Al7.5Ni10を、実施例9ではZr48Cu36Al8Ag8を、実施例10ではZr55Cu30Al10Ni2.5Ti2.5を、実施例11ではNi53Nb20Ti10Zr8Co6Cu3をそれぞれ使用した。
冷却後、金型から成形体を取り出して評価をおこなった。評価は以下の4項目について行った。
1.離型性
成形体の金型への焼き付き及び中子ピンがスムーズに引き抜けたかどうかについて官能評価を行い、良好:◎、良い:○、やや良い:△、不良:×の4段階で評価した。
2.成形体表面状態
成形体の表面を観察し、表面の粗さ、金型の表面状態を良好に転写しているか、表面除去加工が必要かどうかの3点について評価し、良好:○、成形体の用途や規格等によっては後加工不要:△、必ず後加工が必要:×の3段階で評価した。
3.結晶化の有無
蛍光X線分析装置(XRD)を用いて、成形体に結晶化が見られるどうかを分析し、結晶化なし:○、結晶化あり:×の2段階で評価した。
4.総合判定
上述の1ないし3の評価結果に基づき、良好に成形が行えた(△及び×のいずれもなし):◎、概ね問題ない成形が行えた(△があるが×はなし):○、成形において問題があった(×がある):×の3段階で評価した。結果を図2に示す。
図2に示すように、離型性については、実施例、比較例ともに概ね良好であった。金属ガラスの粉体粒子径の小さい実施例4では、若干離型性が低下したが、粉体の含有比率を高めることにより改善された(実施例5参照)。
成形体表面状態については、金属ガラスの粉体粒子径の大きい実施例5及び6で、若干表面が荒くなっているのが観察されたが、成形体の用途や規格等によっては後加工なしで使用可能な程度であった。
一方、比較例はいずれも成形体の表面に金属ガラスでない粒子の残留が相当認められ、サンドブラストや切削加工等による表面除去加工が必要な状態であった。
結晶化については、すべての実施例で結晶化が認められず、非晶質状態を好適に保持して成形が行えることが確認された。一方、比較例では、いずれも結晶化が認められ、離型剤中の粒子が核となって結晶化が引き起こされたと推定された。
総合判定においては、実施例のいずれについても良好に又は問題なく成形が行えることが確認された。分散剤の有無や粉体及び溶媒の混合比率、金属ガラス粉体の粒子径等によって成形に問題が発生することはなかった。
また、離型剤中の金属ガラスと鋳造する金属ガラス材料とが同一元素で構成され、混合比率が異なる場合(実施例8)でも、同一系であって互いに異なる構成元素であっても(実施例9、10)、問題なく成形を行うことができた。
さらに、実施例11に示すように、Ni系の金属ガラスでも、問題なく成形を行うことができた。
以上より、本発明の金属ガラス成形用離型剤の有用性が確認された。
以上、本発明の金属ガラス成形用離型剤及び金属ガラス成形体の製造方法について、実施形態及び実施例を示して説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

Claims (7)

  1. 金属ガラスの鋳造成形に用いる金属ガラス成形用離型剤であって、
    金属ガラスの粉体を含むことを特徴とする金属ガラス成形用離型剤。
  2. 前記粉体は、ジルコニウム系金属ガラスからなることを特徴とする請求項1に記載の金属ガラス成形用離型剤。
  3. 前記粉体の粒子径は、1マイクロメートル以上100マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の金属ガラス成形用離型剤。
  4. 前記粉体は、有機溶媒中に分散されていることを特徴とする請求項1に記載の金属ガラス成形用離型剤。
  5. 分散剤をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載の金属ガラス成形用離型剤。
  6. 付着性助剤をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の金属ガラス成形用離型剤。
  7. 請求項1から6のいずれか1項に記載の金属ガラス成形用離型剤を、金型の内面に塗布する離型剤塗布工程と、
    前記金属ガラス製形用離型剤に含まれる金属ガラスの粉体と同系の金属ガラスを成形材料として前記金型に投入する成形材料投入工程と、
    を備えることを特徴とする金属ガラス成形体の製造方法。
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