CN102105243B - 铸造模具的表面处理方法以及使用该方法的铸造模具 - Google Patents

铸造模具的表面处理方法以及使用该方法的铸造模具 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种表面处理方法，由碳膜覆盖铸造模具的表面，并将富勒烯涂布在该表面上，其中，所述碳膜包含选自碳纳米卷、碳纳米管以及碳纳米丝中的至少一种纳米碳。当对铸造模具的型腔面等的、与铝等成形材料的熔融金属接触的面实施该表面处理方法时，则可抑制成形材料的熔融金属烧粘在模具上的现象，并降低制品的脱模阻力，从而提高脱模效果。与现有的碳膜相比，使脱模效果进一步长寿命化。

Description

铸造模具的表面处理方法以及使用该方法的铸造模具
技术领域
本发明涉及一种铸造模具的表面处理方法，以及通过该表面处理方法而在表面上形成了碳膜的铸造模具。
背景技术
使用铸造模具对制品进行成形加工的铸造成形技术，是一种能够对固定形状、固定品质的制品进行大量生产的技术，其被利用于采用了各种材料的制品的制造中。在铸造成形工艺中，通常采用如下设计，即在铸造模具的成形面上涂布有脱模剂，从而在从铸造模具中取出成形后的制品时，制品容易从铸造模具中脱模。但是，当反复进行成形加工时，材料会烧粘在铸造模具上，从而造成制品难以从铸造模具中脱模。
例如，在通过压铸铸造法对铝合金等进行铸造成形时，将熔融铝高速、高压地填充在金属的型腔内。由此，在铸造模具和熔融铝接触的部分处会产生熔融金属的烧粘，或从铸造模具中取出制品时的脱模阻力会增大。
通过利用碳膜来覆盖铸造模具的表面，从而能够应对上述的问题。通过碳膜防止熔融金属和铸造模具的基体材料发生直接接触，从而能够抑制熔融金属与铸造模具的烧粘和脱模阻力的增大。例如，在专利文献1中记载了如下的技术，即，通过在用于铝压铸的铸造模具表面上擦拭并涂布以富勒烯为主要成分的碳材料，以使铸造模具的表面上形成以富勒烯为主要成分的碳膜，从而使脱模阻力减小，进而抑制了烧粘。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-144499号公报
发明内容
本发明所要解决的问题
通过专利文献1的技术而在铸造模具的表面上形成的、以富勒烯为主要成分的碳膜，虽然不需要在每次进行铸造成形工序时都进行涂布，但是在经过一定程度的铸造次数后，脱模阻力降低的效果将会消失。在脱模阻力降低的效果消失后，则有必要实施维护作业，即再次利用以富勒烯为主要成分的碳膜来覆盖铸造模具，从而恢复铸造模具的脱模效果。从提高生产效率的观点出发，优选尽量减少维护作业的频度，因此需要脱模阻力降低效果以及防止烧粘这种脱模效果的进一步长寿命化。
解决课题的方法
因此，在本发明中，提供一种铸造模具的表面处理方法，在覆盖铸造模具表面的碳膜(以下，称为纳米碳膜)的表面上涂布富勒烯，所述碳膜包含选自碳纳米卷、碳纳米管以及碳纳米丝中的至少一种纳米碳。
当使用本发明的表面处理方法来进行铸造模具的表面处理时，在覆盖铸造模具表面的纳米碳膜的表面上涂布有富勒烯，富勒烯进入到纳米碳膜的间隙或者凹凸中。由此，在形成于铸造模具表面上的碳膜中，碳膜的表面一侧的富勒烯含有量多于铸造模具一侧的富勒烯含有量。即，在碳膜的表面附近，含有较多的富勒烯。
当以上述方式通过在纳米碳膜的表面附近含有富勒烯的碳膜来覆盖铸造模具的表面，并使用该铸造模具来进行铸造成形时，能够长时间地维持脱模效果。
此外，本发明的表面处理方法也可以为如下的铸造模具的表面处理方法，其包括：纳米碳膜形成工序，在铸造模具的表面上形成碳膜，所述碳膜包含选自碳纳米卷、碳纳米管以及碳纳米丝中的至少一种纳米碳；富勒烯涂布工序，将富勒烯涂布在纳米碳膜的表面上。即，本发明的表面处理方法还可以包括，在富勒烯涂布工序之前，在铸造模具的表面上形成包含纳米碳的碳膜的工序。
根据本发明，能够在铸造模具的表面上形成脱模效果更加长寿命化的碳膜。通过脱模效果的长寿命化，能够减少铸造模具的维护，从而在铸造成形工序中使生产效率得到提高。
附图说明
图1为，用于对实施例以及比较例中使用的脱模阻力计测试验装置进行说明的图，并图示了脱模剂的涂布。
图2为，用于对实施例以及比较例中使用的脱模阻力计测试验装置进行说明的图，并图示了熔融金属的浇铸。
图3为，用于对实施例以及比较例中使用的脱模阻力计测试验装置进行说明的图，并图示了通过拉伸而进行的脱模载荷测定。
图4为，实施例以及比较例的纳米碳膜形成工序的曲线图。
图5为，表示实施例以及比较例的脱模阻力计测试验结果的图。
图6为，实施例中所形成的碳膜表面的SEM图像。
图7为，比较例中所形成的碳膜表面的SEM图像。
图8为，将图7的一部分用放大比率拍摄的SEM图像。
图9为，在实施例以及比较例中使用的压铸装置的模具。
具体实施方式
在本发明的表面处理方法中，可以先取得表面预先被纳米碳膜所覆盖的铸造模具，并在该铸造模具上进一步涂布富勒烯。此外，还可以包括，在铸造模具上形成包含纳米碳的碳膜的工序、和在包含纳米碳的碳膜的表面上涂布富勒烯的工序。
通过本发明的表面处理方法而形成的碳膜包含，选自碳纳米卷、碳纳米管以及碳纳米丝中的至少一种纳米碳、和富勒烯。通过本发明的表面处理方法而形成的碳膜，并不必须是仅由碳构成。
富勒烯是指，具有闭壳结构的碳簇，通常情况下，碳数量为60～130的偶数。作为具体示例有，C60、C70、C76、C78、C80、C82、C84、C86、C88、C90、C92、C94、C96以及具有比上述物质更多的碳的高阶碳簇。本发明中的富勒烯，除了包括上述的富勒烯外，还包括在富勒烯分子中用其他的分子或者官能团进行了化学改性的富勒烯衍生物。在富勒烯的涂布工序中，也可以使用将上述的富勒烯和其他的物质进行了混合的物质，来进行富勒烯的涂布。
对以下要进行说明的实施例的主要特征列举如下。
(特征1)在富勒烯涂布工序中，将富勒烯的粉末直接涂布在纳米碳膜上。
(特征2)在纳米碳膜形成工序中，在形成纳米碳膜的同时，在纳米碳膜和被处理基体材料之间形成氮化层或者渗硫层。
实施例
(脱模阻力计测试验)
通过实施例1以及比较例1～3，从而在钢材表面上形成碳膜，并使用自动拉伸试验装置Lub-Tester-U(株式会社MEC国际制造)，对处理表面的脱模阻力进行了计测。如图2所示，Lub-Tester-U是一种如下所述的装置，即，将环状体2载置于试验台1上并且使熔融铝流入环状体2内，在使铝凝固后，以图3所示的方式而载置重物3，从而在对环状体2进行拉伸的同时对摩擦阻力进行测定。试验台1为SKD61(合金工具钢钢材：JIS G4404)制，尺寸为200mm×200mm×30mm，并且在该试验台1上实施了如下所示的表面处理。
实施例1
在上述试验台1的表面上，通过下述的方法而形成了纳米碳膜。另外，下述的方法为，日本特开2008-105082中所公开的、在SKD61制的钢材上形成碳膜(纳米碳膜)的方法，其中，所述碳膜包含选自碳纳米卷、碳纳米管以及碳纳米丝中的至少一种纳米碳。
纳米碳膜形成工序：
将试验台1放入气氛炉内，在通过真空泵减压并清除空气后，使氮气(N2)流通，从而形成N2环境。接下来，按照图4所示的曲线图，在使反应气体(硫化氢(H2S)气体、乙炔(C2H2)气体、氨(NH3)气)流通的同时，经过0.5小时而升温至480℃。在升温开始并经过0.5小时后达到480℃的时间点处，停止硫化氢气体的供给，并在又经过0.5小时后，停止了乙炔气体的供给。在氨气的流通下，于480℃的状态下再保持4.5小时之后，停止氨气的供给，并切换至氮气，且开始降温。由此，在试验台1的表面上形成了纳米碳膜，并且在试验台1的基体材料和纳米碳膜之间形成了氮化层以及渗硫层。
对进行了纳米碳膜形成工序的试验台1，在实施例1中还进一步实施了下述的富勒烯涂布工序。另外，在实施例1中，在纳米碳膜的表面上进行了富勒烯的涂布。
富勒烯涂布工序：
在一度将试验台1加热到300℃后，使用附着有富勒烯C60粉末(FrontierCarbon Corp.制造nanom purple ST)的布，将富勒烯C60粉末涂布在形成于试验台1表面上的纳米碳膜之上。使富勒烯粉末充分地附着在布上，并且以10～300g/cm2左右的压力尽量均匀地将富勒烯粉末涂布在整个纳米碳膜表面上。另外，在使用布来涂布富勒烯粉末期间，试验台1的温度为小于300℃至100℃左右。在使用该方法时，富勒烯涂布量对于试验台的涂布表面而言为1mg/cm2左右。
(比较例1)
对与实施例1相同材质、相同形状、相同大小的试验台1，仅进行了实施例1中所说明的富勒烯涂布工序。
(比较例2)
对与实施例1相同材质、相同形状、相同大小的试验台1，仅进行了实施例1中所说明的纳米碳膜形成工序，而没有进行富勒烯涂布工序。
(比较例3)
对与实施例1相同材质、相同形状、相同大小的试验台1，进行了将实施例1中所说明的纳米碳膜形成工序和富勒烯涂布工序的顺序替换了的表面处理。即，首先对试验台1实施实施例1中所说明的富勒烯涂布工序，从而形成了富勒烯碳膜。接下来，对形成了富勒烯碳膜的试验台1，实施实施例1中所说明的纳米碳膜形成工序，从而在富勒烯碳膜的表面上形成了纳米碳膜。
脱模阻力计测试验：
使用自动拉伸试验装置，对通过实施例1以及比较例1～3而进行了表面处理的试验台1的脱模阻力进行了测定。环状体2为SKD61制，并且其在与试验台1的接触面上内径为70mm、外径为90mm，环状体2的高度为50mm。环状体2的内径，从与试验台1的接触面起朝向高度方向逐步变宽。熔融铝使用了ADC12(压铸铝合金JIS H5302：日本压铸铝合金化学成分表)。如图1所示，在形成于试验台1上的碳膜上，涂布一直以来被使用的硅乳胶类脱模剂，并如图2所示，将环状体2载置于其上，且向环状体2内部注入90cc的温度为650℃的熔融铝(ADC12)，并放置冷却40秒钟以使其固化。而且，如图3所示，将9kg的铁制重物3载置于试验台1上，并使用推挽部件(push-pull)4以固定速度50mm/s将环状体2向箭头方向拉伸，同时对脱模载荷进行了计测。使用进行了实施例1以及比较例1～3的表面处理的试验台，反复进行上述的脱模阻力计测试验，并调查了脱模载荷的变化。其结果如图5中所示。
在图5中，以脱模载荷作为纵轴，并将脱模阻力计测试验的实施次数作为浇铸次数而在横轴上进行了表示。在进行了比较例1～3的表面处理的试验台上，对于一定程度的浇铸次数，大致能够维持5～8kgf左右的脱模载荷，但是在达到一定的浇铸次数时，脱模载荷将会急剧地超过20kgf并且明显增大。另一方面，在进行了实施例1的表面处理的试验台上，浇铸次数即使超过50次，也不会产生像比较例1～3那样的、脱模载荷明显增大的现象，而是维持在5～8kgf左右的较低的脱模载荷。
可以认为，到脱模载荷明显增大为止的浇铸次数越多，脱模效果的寿命越长。根据图5所示的结果可以看出，通过如实施例1这种，先进行纳米碳膜形成工序，然后再进行富勒烯涂布工序的表面处理方法而形成的碳膜，与通过如比较例1～3这种、仅进行任意一个工序的表面处理方法、或者将两个工序的顺序替换而进行的表面处理方法而形成的碳膜相比较，能够使脱模效果更加长寿命化。
此外，比较例1和实施例1，在浇铸次数较少的期间(5次左右为止)内，脱模载荷基本相同，并稍低于比较例2和比较例3。其原因认为是，由于在比较例1以及实施例1中，最外层被富勒烯所覆盖，因此通过该富勒烯而降低了脱模阻力。而且，比较例2在浇铸次数较少的范围内的脱模载荷稍大于比较例1，但是到脱模载荷明显增大为止的浇铸次数为，比较例1的两倍以上。其原因认为是，因为在比较例2中所形成的纳米碳膜，比在比较例1中通过涂布富勒烯而形成的碳膜更难剥离。
图6为，通过实施例1而形成了碳膜的试验台1的SEM(ScanningElectron Microscope：扫描电子显微镜)图像，图7、图8为，通过比较例2而形成了碳膜的试验台1的SEM图像。上述图像均为，在进行脱模阻力计测试验之前的状态下拍摄的图像。图8为将图7的一部分放大了的照片，并且照片中的右下方区域的线段表示2μm的长度。由此可知，通过根据比较例2而进行纳米碳膜形成工序，从而在试验台1上形成了包含纤维状的纳米碳的纳米碳膜。图6为，相当于对图7的纳米碳膜进一步实施了富勒烯涂布工序的图像。图6和图7相比较，在图6所示的实施例1的碳膜上，表面的凹凸较少。即，说明通过在纳米碳膜的表面上涂布富勒烯，使纳米碳膜的凹凸被填平，从而使碳膜表面变得光滑。
如果同时考虑图5的脱模阻力计测试验的结果和图6、图7、图8的SEM图像的结果，则可以推测出以下内容，即，在实施例1中，由于富勒烯进入到形成于试验台表面上的纳米碳膜的间隙中，从而缓和了表面的凹凸，并且由于减小脱模阻力的效果较高的富勒烯被难以从试验台表面剥离的纳米碳膜所捕捉，因此能够对更多的浇铸次数维持更低的脱模载荷。
(烧粘试验)
在实施例2以及比较例4中，在图9所示的这种、用于铝铸造件的压铸模具的成形面上进行了表面处理，并进行了铝铸造件的压铸铸造成形工序中的烧粘试验。压铸模具使用了SKD61制的用于汽车变速驱动桥的罩壳的模具，并且铸造的铝合金使用了ADC12。如图9所示，用于烧粘试验的压铸模具，由固定模具11和可动模具12构成。当使固定模具11和可动模具12对齐并合模时，在固定模具11和可动模具12之间形成的空间为型腔13，并且型腔13被固定模具11的型腔面21和可动模具12的型腔面22所包围。在固定模具11上设置有熔融金属注入路径14、活塞15、熔融金属投入口16。在可动模具12上设置有用于取出铸造成形后的制品的铸件拔出销17、以及板18。在固定模具11和可动模具12的型腔面21、22上，进行了如下所述的实施例2以及比较例4的表面处理。
实施例2
对固定模具11以及可动模具12的型腔面21、22，以与实施例1同样的方式，进行纳米碳膜形成工序，接着实施了富勒烯涂布工序，所述固定模具11以及可动模具12为，SKD61制的用于汽车变速驱动桥的罩壳的压铸模具。
(比较例4)
对和实施例2相同材质、相同形状、相同大小的固定模具11以及可动模具12的型腔面21、22，仅进行实施例1的纳米碳膜形成工序，而不进行富勒烯涂布工序。
烧粘试验
使用在实施例2以及比较例4中进行了表面处理的、用于汽车变速驱动桥的罩壳的压铸模具，反复实施铝铸造件的压铸铸造成形，并对压铸模具上是否产生了由于熔融铝而造成的烧粘进行了调查。
在固定模具11以及可动模具12的型腔面21、22上，涂布一直以来被使用的硅乳胶类脱模剂，并且以2000t的合模压力对固定模具11和可动模具12进行了合模。在图9的状态下，将熔融铝(ADC12)从熔融金属投入口16向熔融金属注入路径14投入，将670℃的熔融铝在铸造压力46MPa、注射速度3m/s的条件下通过活塞15而注入型腔13，从而进行了铸造成形。将固定模具11和可动模具12打开后，使铸件拔出销17(SKD61制)向从型腔面22突出的方向动作，从而取出了铝铸造件。将从上述的脱模剂处理涂布开始到铸造件的取出为止作为烧粘试验的一次注射，并且反复进行。
在反复进行了烧粘试验后，对于固定模具11的型腔面21以及可动模具12的型腔面22的总表面积，产生了熔融铝烧粘的部分的表面积进行了调查，其结果如表1中所示。表1中的烧粘表面积表示，将在比较例4中所产生的烧粘的产生表面积作为1而进行换算的比例。
表1
  注射次数   烧粘表面积
  实施例2   100   0.2
  比较例4   50   1
如表1所示，使用在实施例2中进行了表面处理的压铸模具时，尽管注射次数为比较例4的两倍，但是烧粘表面积缩小为比较例的0.2倍。即，当使用实施本发明所涉及的表面处理方法而形成碳膜的铸造模具时，能够大幅度地削减铝的铸造成形中产生在铸造模具上的熔融铝的烧粘。
如上所述，如果采用本发明的铸造模具的表面处理方法，则可长时间地保持降低脱模阻力的效果，从而抑制熔融金属的烧粘。其理由推测为，通过在由难以剥离的纳米碳膜所覆盖的铸造模具的表面上，涂布减小脱模阻力效果较高的富勒烯，从而富勒烯会进入到纳米碳膜的间隙内，进而在缓和表面的凹凸的同时，使富勒烯被纳米碳膜所捕捉。通过脱模效果的长寿命化，能够减少用于恢复铸造模具的脱模效果的维护作业，从而能够在使用铸造模具的铸造成形工序中使生产效率得到提高。
另外，本发明中的形成纳米碳膜的方法，不限定于上述的实施例中所记载的使用气氛炉的方法。此外，涂布富勒烯的方法，不限定于上述的实施例中所记载的将富勒烯粉末直接涂布在纳米碳膜上的方法。
以上，虽然对本发明的实施例进行了详细说明，但是这些实施例仅仅为例示，并不用于限定专利的权利要求的范围。在专利的权利要求的范围所记载的技术中，包含对以上所例示的具体示例进行各种变形、变更后的技术。
本说明书或者附图中所说明的技术要素为，以单独或者通过各种组合的方式而发挥技术上的有用性的要素，其并不限定为申请时权利要求中所记载的组合。此外，本说明书或者附图中所例示的技术为，能够同时达成多个目的的技术，并且，达成这其中的一个目的本身，也具有技术上的有用性。

Claims (3)

1.一种铸造模具的表面处理方法，
在覆盖铸造模具表面的碳膜的表面上涂布富勒烯，所述碳膜包含选自碳纳米卷、碳纳米管以及碳纳米丝中的至少一种纳米碳。
2.一种铸造模具的表面处理方法，其包括：
纳米碳膜形成工序，在铸造模具的表面上形成碳膜，所述碳膜包含选自碳纳米卷、碳纳米管以及碳纳米丝中的至少一种纳米碳；
富勒烯涂布工序，将富勒烯涂布在所述碳膜的表面上。
3.一种铸造模具，
其表面被碳膜所覆盖，所述碳膜包含选自碳纳米卷、碳纳米管以及碳纳米丝中的至少一种纳米碳，
其中，所述碳膜中含有富勒烯，而所述碳膜的表面一侧的富勒烯含有量，多于所述铸造模具一侧的富勒烯含有量。
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