JP2005113232A

JP2005113232A - 炭素固溶鉄材料とその製造方法、金型とその製造方法

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Publication number: JP2005113232A
Application number: JP2003350748A
Authority: JP
Inventors: Eiji Yuasa; 栄二湯浅; Masahiko Saegusa; 雅彦三枝
Original assignee: Toyo Glass Machinery Co Ltd
Current assignee: Toyo Glass Machinery Co Ltd
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】耐熱強度特性、耐久性、耐摩耗性及び離型性に優れた新規な炭素固溶鉄材料を開発する。
【解決手段】本発明は、鉄の結晶中に５〜５０mass％の炭素が過飽和に固溶している炭素固溶鉄材料及びその製造方法で、大部分の黒鉛の微細粒子が活性化状態で鉄の超微細な結晶の内部に入り込んで存在している。この材料を加熱、焼結すると、鉄の超微細な結晶どうしが結び付くと共に、鉄の結晶の内部で炭素が黒鉛に結晶化し、鉄の結晶の中に黒鉛を含むフェライト状態となるので、耐熱強度特性、耐久性、耐摩耗性に優れたものとなり、さらに鉄の結晶の内部にある黒鉛の作用で、離型性に優れたものとなる。この材料を金型の少なくとも成形面に焼き付けて表層を形成することで、耐熱強度特性、耐久性、耐摩耗性及び離型性に優れた金型となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐熱強度特性、耐摩耗性などに優れ、金型などに用いて好適な炭素固溶鉄材料とその製造方法、及びこの炭素固溶材料を利用した金型とその製造方法に関する。

例えばガラス成形用の金型の金型材料に求められる特性は、耐熱強度特性、耐久性や耐摩耗性の他に離型性（ガラスが金型にくっつきにくい性質）がある。従来のガラス成形用金型材料の鋳鉄は耐熱性や耐摩耗性に優れているが、離型性に乏しく、そのためガラス製品の成形の際に頻繁に離型剤（鉱油、黒鉛など）を塗布しなければならず、煩雑で危険な作業を伴い、生産性に問題があった。

特開平１１−９２８９４号公報（特許文献１）には、上記の離型性を改善する金型材料が提案されている。これは、鉄の結晶と結晶の間に３０〜７０体積％（８．４〜３３．３mass％）の黒鉛をなるべく均一に分散させた複合材料で、ボールミルで鉄と炭素粉末とを摩砕することにより得るものである。
特開平１１−９２８９４号公報

上記の特許文献１の複合材料は、鉄と炭素粉末をボールミルで摩砕し、なるべく小さな粒子として混合する（摩砕の際の摩擦を大きくするために黒鉛粉末よりも炭素粉末を用いることが推奨されている）ものであるので、結局鋳鉄の範疇を超えるものではない。しかも、含有量が３０体積％（８．３mass％）を超えるような黒鉛を鉄の中に均一に分散させることは実際は非常に困難であり、現実的には実施不能なのが現状である。また、実施例に示されているように（特許文献１の表１、図２参照）、黒鉛含有率が３０体積％（８．３mass％）を超えると著しく強度（曲げ強さ等）が低下し、これは鉄の結晶の間にかなり大きな黒鉛の塊が生成されるためと推定できる。

本発明は、前記の特許文献１の複合材料とは基本的に異なり、耐熱強度特性、耐久性、耐摩耗性及び離型性に優れた、例えばガラス成形用の金型などに用いて好適な、新規な炭素固溶鉄材料を開発することを課題としてなされたものである。

（構成１）本発明は、鉄の結晶中に５〜５０mass％の炭素が過飽和に固溶していることを特徴とする炭素固溶鉄材料である。

本発明の炭素固溶鉄材料は、前記特許文献１の複合材料と異なり、大部分の黒鉛の微細粒子が活性化状態（多くが炭素原子の状態）で鉄の超微細な結晶の内部に入り込んで存在している、すなわち過飽和に固溶している点にある。したがって、この材料を加熱、焼結すると、鉄の超微細な結晶どうしが結び付くと共に、鉄の結晶の内部で炭素が黒鉛に結晶化し、鉄の結晶の中に黒鉛を含むフェライト状態となるので、耐熱強度特性、耐久性、耐摩耗性に優れたものとなり、さらに鉄の結晶の内部にある黒鉛の作用で、離型性に優れたものとなる。この炭素固溶鉄材料は後記の構成２〜５の製造方法によって製造することができる。

黒鉛の含有量は５〜５０mass％が適当（さらに望ましくは１０〜５０mass％）で、５mass％未満では黒鉛の量が少なすぎて十分な離型性を得ることができず、５０mass％を超えると黒鉛粒子（炭素原子）が鉄の結晶の（内部ではなく）間に多く存在することとなったり、セメンタイト（Ｆｅ_３Ｃ）などの鉄−炭素化合物が生成されやすくなることで強度の低下、離型性の減少などの問題を生じる。

（構成２）また本発明は、鉄及び／又は鉄合金のチップの中に５〜５０mass％の黒鉛を含有する主原料と、主原料の５００〜１０００mass％のボールと、主原料の０．５〜２mass％のミリング助剤とをボールミルで撹拌し、いわゆるメカニカルアロイング（Mechanical
Alloying；機械的合金化）することを特徴とする炭素固溶鉄材料の製造方法である。

本発明の第一の特徴は、ボールミルに投入するボールの量を主原料の５００〜１０００mass％（５〜１０倍の質量）とすることである。前記の特許文献１の場合は、原料が数μｍ〜数１０μｍの粒子となるように摩砕すればよいので、ボールの量は主原料の１００mass％以下で十分である。本発明は、ボールの量を非常に多くすることで、原料粒子どうし又は原料粒子とボールとが激しく衝突し、原料粒子が破砕、変形、圧接を繰り返し、鉄粒子は２０〜３０ｎｍ程度の超微粒結晶体となり、炭素はさらに小さな粒子又は元素状態となり、鉄の超微粒結晶体の中に押し込められる。ボールの量が５００mass％よりも少ないと黒鉛を過飽和に固溶させることができず、１０００mass％よりも多くすると効率が悪くなり、実用的でない。

本発明の第二の特徴は、ミリング助剤を用いる点である。前記の特許文献１では、ミリングの際の材料の摩擦を多くするためにミリング助剤を用いないが、本発明の場合は、かなり多くの摩擦熱が発生するため、ミリング助剤を添加して原材料がボールや容器に焼き付くのを防ぐ必要がある。また、ミリング助剤を添加することで原料粒子どうしが圧接するのを促進する作用もある。ミリング助剤の添加量は主原料の０．５〜２mass％が適当で、０．５mass％未満では原料の焼き付きが生じやすく、２mass％を超えると黒鉛が過飽和に固溶しにくくなり、効率が悪くなる。

（構成３）また本発明は、前記構成２の製造方法において、前記鉄及び／又は鉄合金のチップが鋳鉄のチップであることを特徴とする炭素固溶鉄材料の製造方法である。

鋳鉄は安価に入手でき、もともと炭素を含んでいるものであるから、本発明の主原料に用いて好適である。

（構成４）また本発明は、前記構成３の製造方法において、前記鋳鉄のチップが鋳鉄切削チップであることを特徴とする炭素固溶鉄材料の製造方法である。

ここでいう鋳鉄切削チップは、金型などの鋳鉄製品を製造する際に生じる、おが屑状の切削屑である。本発明は、このような鋳鉄の切削屑を原料として使用することができるので、廃品のリサイクルにも貢献するものである。

（構成５）また本発明は、前記構成２〜４のいずれかの製造方法において、前記ミリング助剤がステアリン酸であることを特徴とする炭素固溶鉄材料の製造方法である。

本発明において、ミリング助剤は例えばステアリン酸（粉末）を用いることができる。ミリング助剤としては、他に、アルコール類など従来のボールミルによるメカニカルアロイングに通常に用いられるものを使用することができる。

（構成６）また本発明は、前記構成２〜５のいずれかの製造方法で製造したことを特徴とする炭素固溶鉄材料である。

ボールミルによるミリングを適宜の時間行うことで、主原料のほぼ全部が前記構成１の炭素固溶鉄材料（微粉末状）となる。適切なミリング時間はボールミルの性能によって異なるが、例えば一般的な遊星型ボールミルの場合、１５〜３６ｋｓ（kilo second；１０００秒）程度である。

（構成７）また本発明は、金型の少なくとも成形面に、前記構成１又は６の炭素固溶鉄材料を焼き付けた表層を形成したことを特徴とする金型である。

前記構成１又は６の炭素固溶鉄材料を焼き付けることで、表層において鉄の超微細な結晶どうしが結び付くと共に、鉄の結晶の内部で炭素が黒鉛に結晶化し、黒鉛を含むフェライト状態の表層が金型の成形面に形成されるので、耐熱強度特性、耐久性、耐摩耗性及び離型性に優れた理想的な金型となる。

金型全体を、前記構成１又は６の炭素固溶鉄材料を焼結して形成することも可能であるが、成形面に表層を形成する方が経済的である。

（構成８）また本発明は、金型の少なくとも成形面に、前記構成１又は６の炭素固溶鉄材料を付着させるステップと、その付着させた炭素固溶鉄材料を加熱・焼結して表層を形成するステップと、該表層の表面を研磨するステップを有することを特徴とする金型の製造方法である。

このようにすることで、金型の成形面を精度良く仕上げることができ、精密な金型を製造することができる。

（構成９）また本発明は、前記構成８の製造方法において、前記炭素固溶鉄材料を付着させるステップが、前記炭素固溶鉄材料とバインダーとの混合物を前記金型の少なくとも成形面に塗布することにより行われることを特徴とする金型の製造方法である。

前記炭素固溶鉄材料とバインダーを混合して適当な粘度を有する混合物とすることで、金型への塗布を容易に行うことができる。バインダーとしては例えば、水、水とデンプン糊の混合液、樹脂と溶剤との混合液などが揚げられる。

本発明炭素固溶鉄材料は、鉄の結晶中に炭素が過飽和に固溶しているので、これを加熱、焼結すると鉄の超微細な結晶どうしが結び付くと共に、鉄の結晶の内部で黒鉛の結晶が成長し、黒鉛を含むフェライト状態となり、優れた耐熱強度特性、耐久性、耐摩耗性、離型性を有する材料となる。

本発明の炭素固溶鉄材料の製造方法によれば、前記本発明炭素固溶鉄材料を容易かつ確実に製造することができる。

本発明金型は、成形面に形成する表層が鉄の結晶内部に黒鉛を含むフェライト状態となっているので、優れた耐熱強度特性、耐久性、耐摩耗性及び離型性を有し、離型剤の塗布作業を省略し、又は簡略化することができ、ガラス成形工程上の省力化を実現できる。

本発明の金型の製造方法によれば、前記本発明金型を容易に製造することができる。

本発明の炭素固溶鉄材料の製造において、主原料の鉄及び／又は鉄合金のチップは、純鉄、鋳鉄、ステンレス鋼などのチップで、チップの大きさは特に限定されず、ボールよりもやや小さい程度（数ｍｍ程度）以下であればよい。黒鉛も粉末であることが望ましいが、粒径は特に制限されない。ミリングすることによって直ぐに微粒状に破砕されるからである。

ボールミルは、いわゆる高エネルギーボールミルを用いる。高エネルギーボールミルには遊星型ボールミル、アトライタ型ボールミルなどがある。

以下に示すように、実施例の炭素固溶鉄材料を製造した。主原料として、普通鋳鉄（ＦＣ３０）の切削チップ中にそれぞれ５、１０、１５及び２０mass％の塊状天然黒鉛粉（日本黒鉛工業製；ＶＡ−１５２０）を配合した４種類のものを用いた。ボールミルは遊星型ボールミル（ＦＲＩＴＳＣＨ社製；Ｐ−５）を用い、ステンレス鋼容器（ＳＵ３０４；容積５×１０^−４ｍ^３×２個）に主原料２０グラムとボール（ステンレス鋼球；ＳＵＳ３０４；φ９．５ｍｍ）１６０グラム（主原料の８００mass％）を入れ、さらにミリング助剤としてステアリン酸粉末を０．２グラム（主原料の１mass％）添加し、容器内をアルゴンガスに置換し、ボールミルを作動して撹拌（ミリング）を行った。このように、主原料及びミリング助剤の酸化を防ぐため、容器内の空気をアルゴンガスなどの不活性ガスで置換することが望ましい。

図１は主原料中に１０mass％の黒鉛を配合した場合、図２は主原料中に２０mass％の黒鉛を配合した場合のミリング時間の変化によるＸ線回折パターンの変化を示す（各時間までミリングした粉末についてＸ線回折（ＸＲＤ）した）もので、ミリング時間の変化によって主原料がどのように変化するかを調べたものである。また、鋳鉄（ＦＣ）のみの場合と原材料（ＦＣ＋Ｇｒ）のままの場合とを合わせて示している。図中「○」はα鉄（α−Ｆｅ）、「●」は黒鉛（Ｇｒ＝グラファイト）を示す。

図１において、３．６ｋｓでは黒鉛の回折線が見られるが、１０．８ｋｓ以上ミリングすると黒鉛の回折線は消滅し、鉄の回折線のみとなる。特に、長時間ミリングしたものはブロードな回折線となり、アモルファスに近い超微細結晶となった。図２においても、ミリング時間にともなって黒鉛の回折線強度は低下し、１０．８ｋｓまで残存するが、鉄の回折線は低角度側に移行する。これらにより、適宜時間ミリングした粉末の回折線はフェライト相の鉄となっており、ミリングによって炭素が過飽和に固溶した合金相（炭素固溶鉄材料）が製造されたことを示唆している。

本発明の炭素固溶鉄材料の熱的特性（熱処理する場合の適正温度）を調べるため、前記各配合の粉末について示差熱量分析（ＤＳＣ）を行った。これは、各粉末をステンレス鋼箔に包み、高周波誘導加熱炉を用いて所定の温度に加熱、空冷して行った。その結果、７３０Ｋ及び１２００Ｋ付近に僅かな発熱反応が見られた。したがって、好適な熱処理温度は約７３０Ｋ、又は約１２００Ｋであると考えられる。

図３は前記各配合の主原料を１８ｋｓミリングし、１２７３Ｋで熱処理した粉末のＸ線回折結果を示す。いずれの配合組成においても、ミリングで消滅した黒鉛の回折線が見られる。したがって、ミリングにより素地中に過飽和に固溶した炭素が黒鉛となって（鉄の結晶内に）析出することが確認できる。一方、フェライト（Ｆｅ）の他にセメンタイト（Ｆｅ_３Ｃ）の回折線が僅かに見られることから、ごく一部の炭素は鉄と化合してセメンタイトとなり、熱処理後はパーライト相となっていることが考えられる。

図４は前記各配合組成の主原料についてのミリング時間にともなう粒子硬さ（ビッカース硬さ；Ｈｖ）の変化を示し、図５は前記各配合組成の主原料を１２７３Ｋで熱処理後のミリング時間にともなう粒子硬さを示す。熱処理前（図４）では、いずれの配合組成もミリング時間にともない粒子の平均硬さは上昇し、１８ｋｓで最大値（Ｈｖ＝約６００）に達した。さらに長時間ミリングすると硬さは次第に低下した。これは、Ｘ線回折結果では確認できなかったが、長時間ミリングすると、一旦、過飽和に固溶した素地から、ごく一部炭素が鉄と化合して少量のＦｅ_３ＣやＦｅ_２Ｃなどの炭化物が生成し、素地がフェライト＋パーライト組織となることが考えられる。したがって本実施例の場合、ミリング時間は１５〜３６ｋｓが好適であり、最も望ましいのは１８ｋｓ程度である。熱処理後（図５）では、いずれもこのような組織となるため、粒子硬さは低下し、Ｈｖ＝１５０〜３００程度となった。

図６は本発明のガラスびんを吹製する金型１（仕上型）の製造過程の説明図で、割型となっている型半分の縦断面を示している。金型本体２（図６上段）は鋳鉄製である。その成形面２ａに前記実施例の炭素固溶鉄材料（炭素量２０mass％、ミリング時間１８ｋｓ）とバインダー（デンプン糊を水で薄めたもの）の混合物３を約３ｍｍの厚さに塗布する（図６中段）。これを自然乾燥した後に１２７３Ｋで熱処理し、炭素固溶鉄材料を焼結させ表層を形成する。常温まで自然冷却した後、表層を切削、研磨し、厚さ約１ｍｍの表層４に仕上げ、金型１が完成する（図６下段）。図面は仕上型のみを示したが、粗型、口型、底型についても、同様に、成形面に表層を形成できる。また、ガラスびん以外の他のガラス製品の金型にも同様に適用できる。

本発明の炭素固溶鉄材料は、ガラス成形金型の他に、ダイカスト用の金型（例えば、アルミニウム製、亜鉛合金製、マグネシウム合金製など）に適用可能である。金型本体を本発明の炭素固溶鉄材料で形成することも、成形面に表層として形成することもできる。

主原料中に１０mass％の黒鉛を配合した場合のミリング時間毎のＸ線回折結果説明図である。主原料中に２０mass％の黒鉛を配合した場合のミリング時間毎のＸ線回折結果説明図である。各配合組成の主原料を１８ｋｓミリングし、１２７３Ｋで熱処理した粉末のＸ線回折結果説明図である。各配合組成の主原料についてのミリング時間にともなう粒子硬さの説明図である。各配合組成の主原料を１２７３Ｋで熱処理後についてのミリング時間にともなう粒子硬さの説明図である。実施例のガラス成形金型１の製造過程の説明図である。

符号の説明

１金型
２金型本体
２ａ成形面
３混合物
４表層

Claims

鉄の結晶中に５〜５０mass％の炭素が過飽和に固溶していることを特徴とする炭素固溶鉄材料
鉄及び／又は鉄合金のチップの中に５〜５０mass％の黒鉛を含有する主原料と、主原料の５００〜１０００mass％のボールと、主原料の０．５〜２mass％のミリング助剤とをボールミルで撹拌することを特徴とする炭素固溶鉄材料の製造方法
請求項２の製造方法において、前記鉄及び／又は鉄合金のチップが鋳鉄のチップであることを特徴とする炭素固溶鉄材料の製造方法
請求項３の製造方法において、前記鋳鉄のチップが鋳鉄切削チップであることを特徴とする炭素固溶鉄材料の製造方法
請求項２〜４のいずれかの製造方法において、前記ミリング助剤がステアリン酸であることを特徴とする炭素固溶鉄材料の製造方法
請求項２〜５のいずれかの製造方法で製造したことを特徴とする炭素固溶鉄材料
金型の少なくとも成形面に、請求項１又は６の炭素固溶鉄材料を焼き付けた表層を形成したことを特徴とする金型
金型の少なくとも成形面に、請求項１又は６の炭素固溶鉄材料を付着させるステップと、その付着させた炭素固溶鉄材料を加熱・焼結して表層を形成するステップと、該表層の表面を研磨するステップを有することを特徴とする金型の製造方法
請求項８の製造方法において、前記炭素固溶鉄材料を付着させるステップが、前記炭素固溶鉄材料とバインダーとの混合物を前記金型の少なくとも成形面に塗布することにより行われることを特徴とする金型の製造方法