JP2004167505A - ダイカストマシン用部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐溶損性に優れたダイカストマシン用部材を提供する。
【解決手段】本発明のダイカストマシン用部材は、鋼製の基材１と、この基材１の表面に形成され、窒化鉄と窒化クロムとが混在して分散した表面層３と、この表面層３と基材１の間に形成され、鋼の中に窒化クロムが分散した中間層２とを備えている。中間層２中のクロム濃度は、２０ｗｔ％以上、４５ｗｔ％以下である。本発明のダイカストマシン用部材は、炭素量が０．２ｗｔ％以下の鋼製の基材１に表面から先ずクロムを拡散させ、次いで、窒素を拡散させて基材の内部でクロムと窒素を反応させることによって作製される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウムまたはマグネシウム用のダイカストマシンなどにおいて、金属溶湯と接触する部分、即ち、入れ子、中子、押出ピン及び鋳抜きピン等を含む金型部材や、射出用スリーブ並びにプランジャチップ等に使用されるダイカストマシン用部材に係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ダイカストマシンの金型にはＳＫＤ６１（ＪＩＳ）などの合金工具鋼が広く使用されている。Ａｌ溶湯は活性が非常に高いので、それに接触する部材はＡｌとの反応によって容易に溶損される。また、ダイカスト用の素材として使用されるＭｇ合金中にもＡｌが含まれているので、その溶湯に接触する部材も同様に溶損される。
【０００３】
金属溶湯との接触による溶損の防止を目的として、ダイカストマシン用部材の表面に窒化処理などの表面処理を施すことが一般的に行われている。
【０００４】
鋼製の部材の表面に窒化処理を施すと、表層部においてＦｅ素地の中にＦｅ−Ｎ化合物が形成される。このＦｅ−Ｎ化合物は溶融Ａｌと反応しにくいので、部材の耐溶損性が向上する。しかし、Ｆｅ−Ｎ化合物は、その分解温度が比較的低いことから、使用中に分解が徐々に進行し、ＦｅとＡｌの間で反応が起こるようになる。このため、従来の窒化処理のみでは十分な耐溶損性を実現することが困難である。
【０００５】
分解温度の高い化合物として窒化クロム（ＣｒＮ）がある。特開平９−１０８８０７号公報（特許文献１）には、ＣｒＮを利用するために、Ｃｒを１０ｗｔ％以上含有する合金鋼を窒化処理する方法が記載されている。しかし、ダイカスト用部材のほとんどは耐溶損性と同時に高い機械的特性が求められる。ダイカスト用部材として適している高Ｃｒ合金鋼のＣｒ濃度は１３〜１８％がほとんどであり、窒化処理によりＣｒＮを形成させても耐溶損性の大きな改善は望めない。なお、Ｃｒ濃度が３０％近い合金綱も存在するがダイカスト用部材としては強度が低いので適していない。
【０００６】
また、例えば、特開２００１−２５８５６号公報（特許文献２）には、鋼に窒化処理を施した後にクロムを拡散させて、ＣｒＮを形成する方法が記載されている。この場合、ＣｒＮの存在領域は５〜２５μｍであり、これ以上厚くすることは工業上難しい。しかし、金型部材では、付着した溶湯金属を磨き落としながら使用するので、５〜２５μｍ程度のＣｒＮ層では大きな寿命向上は期待できない。また、熱衝撃によって表面に割れが発生するが、割れが早期にＣｒＮ層を通り越して耐溶損性の小さい領域に到達してしまうので、割れ部を起点に溶損が進行してしまう。
【０００７】
また、例えば、特開平１０−２３７６２４号公報（特許文献３）には、アークイオンプレーティングやスパッタリングなどのＰＶＤ処理により、ＣｒＮ膜を形成する方法が記載されている。この方法の場合、ＣｒＮの薄膜を被覆しているので、ＣｒＮ層を厚くすると割れや剥離が容易に起こる。実用上、ＣｒＮ層の厚さは１０μｍ以下である。従って、上記の方法と同様に、ＣｒＮ層が薄いことから大幅な寿命向上は期待できない。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−１０８８０７号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２００１−２５８５６号公報
【００１０】
【特許文献３】
特開平１０−２３７６２４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような従来のダイカストマシン用部材についての問題点に鑑み成されたものであり、本発明の目的は、耐溶損性に優れたダイカストマシン用部材を提供することにある。また、本発明の目的は、耐溶損性に優れた表層部をより厚く形成することができるとともに剥離などの問題もなく、表層部の形成後に機械加工して上記ダイカストマシン用部材を製造可能な同部材の製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のダイカストマシン用部材は、
鋼製の基材と、
この基材の表面に形成され、窒化鉄と窒化クロムとが混在して分散した表面層と、
この表面層と基材の間に形成され、鋼の中に窒化クロムが分散した中間層とを備え、
前記中間層中のクロム濃度が、２０ｗｔ％以上、４５ｗｔ％以下であることを特徴とする。
【００１３】
鋼製の基材に、表面から先ずクロムを拡散させ、次いで窒素を拡散させると、表層には窒化鉄と窒化クロムからなる層（表面層）が形成され、その内側に鋼からなるマトリクス中に窒化クロムが分散した層（中間層）が形成される。この方法によれば、上記の表面層及び中間層を、１００μｍ以上の十分な厚さで形成することが可能である。従って、本発明のダイカストマシン用部材は耐磨耗性に優れ、その結果として、基材の表面に形成された窒素及びクロムの拡散層に起因する耐溶損性を長期間に渡って維持することができる。
【００１４】
ここで、前記中間層のクロム濃度を上記のように規定した理由は、クロム濃度が２０ｗｔ％以下では、形成されるＣｒＮが少ないので大きな耐溶損性の向上が望めず、他方、クロム濃度が４５ｗｔ％以上では、脆い鉄とクロムの金属間化合物が形成される可能性があり、靭性が低下するおそれがあるからである。
【００１５】
好ましくは、前記中間層の厚さを、３０μｍ以上、３００μｍ以下とする。その理由は、中間層の厚さが３０μｍ以下では、使用中の摩耗、メンテナンスの際の磨き、クラック部からの溶損などの原因で、寿命向上の効果が小さくなってしまい、他方、中間層の厚さが３００μｍ以上では、Ｃｒを拡散させるために高温で長時間の加熱が必要になり、基材の機械的特性の劣化が起こるからである。
【００１６】
好ましくは、基材を構成する鋼の炭素量を０．２ｗｔ％以下とする。その理由は、基材中の炭素量が０．２ｗｔ％以上の場合には、基材中の炭素とクロムの反応により表面に緻密な炭化物層が形成され、これがクロムの拡散を妨げるからである。
【００１７】
なお、基材中にクロムを拡散させた後に窒素を拡散させる場合、窒素の拡散領域をクロムの拡散領域よりも浅くすることが望ましい。窒素の拡散領域をクロムの拡散領域よりも深くすると、クロムの拡散領域が剥離しやすくなるからである。この場合には、前記中間層（第一中間層）と基材の間に、鋼の中にクロムが拡散した第二中間層が更に形成されることになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明に基づくダイカストマシン用部材の断面組織の一例を示す。図１において、鋼からなる基材１の表面に、中間層２を挟んで、表面層３が形成されている。表面層３は、窒化鉄Ｆｅ_４Ｎと窒化クロムＣｒＮとが混在して分散した層である。中間層は、鋼の中に窒化クロムＣｒＮが分散した層である。
【００１９】
上記のような断面組織は、図２に示すように、鋼製の基材１に表面から先ずクロムを拡散させ、次いで窒素を拡散させることによって形成される。基材１の内部に拡散した窒素は、表面層１及びその下の中間層２でクロムと反応して窒化クロムＣｒＮを形成する。
【００２０】
図３に、本発明に基づくダイカストマシン用部材の断面組織の他の例を示す。図３において、鋼からなる基材１の表面に、第二中間層２２（内部側）及び第一中間層２１（表面側）を挟んで、表面層３が形成されている。表面層３は、窒化鉄Ｆｅ_４Ｎと窒化クロムＣｒＮとが混在して分散した層である。第一中間層２１は、鋼の中に窒化クロムＣｒＮが分散した層である。第二中間層２２は、鋼の中にクロムＣｒが分散した層である。
【００２１】
上記のような断面組織は、図４に示すように、鋼製の基材１に表面から先ずクロムを拡散させ、次いで窒素をクロムの拡散領域よりも浅く拡散させることによって形成される。基材１の内部に拡散した窒素は、表面層１及びその下側でクロムと反応して窒化クロムＣｒＮを形成する（第一中間層２１）。第一中間層２１の下側の窒素が到達しなかった部分には、鋼の中にクロムＣｒが拡散した層が残される（第二中間層２２）。
【００２２】
次に、本発明に基づくダイカストマシン用部材の性能評価試験の結果について説明する。
【００２３】
ダイカストマシン用の鋳抜きピン（φ２０×１５０）を、次の手順で作製した：
（ａ）ＳＵＳ６３０（ＪＩＳ）の素材に粗加工を施し、基材を作製する；
（ｂ）基材にＣｒ合金粉末を接触させた状態で、１０４０℃で１０時間加熱して、基材の表層部にＣｒを拡散させる；
（ｃ）表面の仕上げ加工を行う；
（ｄ）ガス窒化処理を行う；
（ｅ）表面の研磨加工を行う。
【００２４】
図５に、Ｃｒ拡散後、ガス窒化処理を行った供試体（供試体１）の断面の顕微鏡組織写真を示す。Ｃｒは表面から約７５μｍ、Ｎは表面から約５０μｍの深さまで拡散している。
【００２５】
図６に、上記の供試体の表層部分（表面層３）のＸ線回折結果を示す。検出されたピークは、ＣｒＮ、Ｆｅ_４Ｎ及びＦｅを示すものである。
【００２６】
図７に、上記の供試体の表面を３０μｍ研削した表層部分（中間層２）のＸ線回折結果を示す。検出されたピークは、ＣｒＮ及びＦｅを示すものである。
【００２７】
上記の手順で作製された鋳抜きピン（供試体１）をダイカストマシンに組み込んで、その寿命について調査した。なお、比較材として、従来の合金工具鋼ＳＫＤ６１からなる基材に窒化処理を施したもの（供試体２）、及びＣｒ含有量が多い析出硬化系ステンレス鋼ＳＵＳ６３０からなる基材に窒化処理を施したもの（供試体３）についても、同じ方法でその寿命について調査した。
【００２８】
その結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】

【００３０】
表１から分かるように、本発明に基づく鋳抜きピン（供試体１）の寿命は、従来品（供試体２）の約５倍であった。
【００３１】
また、ＳＵＳ６３０からなる基材にガス窒化処理を施したもの（供試体３）は、従来品と比べて寿命が余り変わらなかった。その理由として、基材のＳＵＳ６３０中に含まれているＣｒ量のみでは、表層部に形成されるクロム窒化物の量が十分ではなく、耐溶損性に及ぼす効果が少ないことが考えられる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明に基づくダイカストマシン用部材によれば、金属溶湯と接触する部材の耐溶損性が改善されるので、それらの部材の寿命を増大させることができる。更に、それらの部材の寿命が増大する結果、ダイカストマシンの稼働率が上がるとともに、ダイカスト製品の品質が安定して良品率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づくダイカストマシン用部材の断面組織の一例を示す図。
【図２】図１に示したダイカストマシン用部材の製造方法について説明する図。
【図３】本発明に基づくダイカストマシン用部材の断面組織の他の例を示す図。
【図４】図３に示したダイカストマシン用部材の製造方法について説明する図。
【図５】本発明に基づく供試体（Ｃｒ拡散後ガス窒化処理）の断面の顕微鏡組織写真。
【図６】本発明に基づく供試体の表層部分のＸ線回折結果を示す図。
【図７】本発明に基づく供試体の中間層部分のＸ線回折結果を示す図。

Claims (6)

1. 鋼製の基材と、
   この基材の表面に形成され、窒化鉄と窒化クロムとが混在して分散した表面層と、
   この表面層と基材の間に形成され、鋼の中に窒化クロムが分散した中間層とを備え、
   前記中間層中のクロム濃度が、２０ｗｔ％以上、４５ｗｔ％以下であることを特徴とするダイカストマシン用部材。
2. 前記中間層の厚さが、３０μｍ以上、３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のダイカストマシン用部材。
3. 炭素量が０．２ｗｔ％以下の鋼製の基材に、表面から先ずクロムを拡散させ、
   次いで、窒素を拡散させて基材の内部でクロムと窒素を反応させ、
   これによって、窒化鉄と窒化クロムとが混在して分散した表面層、及び表面層と基材の間にあり、鋼の中に窒化クロムが分散し、クロム濃度が２０ｗｔ％以上、４５ｗｔ％以下の中間層を形成すること、
   を特徴とするダイカストマシン用部材の製造方法。
4. 鋼製の基材と、
   この基材の表面に形成され、窒化鉄と窒化クロムとが混在して分散した表面層と、
   この表面層の下側に形成され、鋼の中に窒化クロムが分散した第一中間層と、
   この第一中間層と基材の間に形成され、鋼の中にクロムが拡散した第二中間層とを備え、
   前記第一中間層中のクロム濃度が、２０ｗｔ％以上、４５ｗｔ％以下であることを特徴とするダイカストマシン用部材。
5. 前記第一中間層の厚さが、３０μｍ以上、３００μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載のダイカストマシン用部材。
6. 炭素量が０．２ｗｔ％以下の鋼製の基材に、表面から先ずクロムを拡散させ、
   次いで、窒素をクロムの拡散領域よりも浅く拡散させて基材の内部でクロムと窒素を反応させ、
   これによって、窒化鉄と窒化クロムとが混在して分散した表面層、表面層の下側に形成され、鋼の中に窒化クロムが分散し、クロム濃度が２０ｗｔ％以上、４５ｗｔ％以下の第一中間層、及び第一中間層と基材の間に形成され、鋼の中にクロムが拡散した第二中間層を形成すること、
   を特徴とするダイカストマシン用部材の製造方法。

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