JP2008119727A - 鋳造用金型及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造用金型における溶湯に接触する面に、鋳造作業を繰り返しても剥離し難い保護層を設ける。
【解決手段】鋳造用金型１０における溶湯に接触する面には、保護層１２が設けられている。この保護層１２は、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金からなる下層１４と、中空ＺｒＯ₂からなる上層１６とを具備する。この中、下層１４の頂面は、ブラスト処理等の粗面化処理が施されることで、表面粗さパラメータである最大高さＲｚが２０μｍ以上に設定されている。なお、下層１４は、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金の粉末を溶射することで形成することができ、一方の上層１６は、中空ＺｒＯ₂の粉末を溶射することで形成することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、溶湯が接触する面に保護層を有する鋳造用金型及びその製造方法に関する。

アルミニウム合金の鋳造品を製造するに際しては、先ず、アルミニウム合金の溶湯を鋳造用金型に注湯し、次に、該溶湯を固化させる。この注湯時の湯廻り性を高めるとともに、前記鋳造用金型を溶湯の熱から保護して焼付きを防止するために、該鋳造用金型に、溶湯に接触する面にコーティングとしての塗型が設けられることがある。塗型により、鋳造用金型の耐久性も向上する。

この種の塗型としては、黒鉛等からなる下層と、セラミックスを主体とする上層とを有するものが例示される。この塗型は、黒鉛を混濁させた液を鋳造用金型に塗布した後、セラミックス主体の粉末をエアスプレーで塗布することで設けられる。

また、金属を溶射することで下層を設け、次に、セラミックスを溶射することで上層を設け、これによりコーティングを形成することも提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。この場合、下層（金属層）は、特許文献２にも記載されているように、鋳造用金型と上層（セラミックス層）との接着性を確保するバインダとして認識されており、その材質としては、Ｎｉ−Ａｌ、Ｎｉ−Ｃｒが知られている。

セラミックスからなる上層は、耐摩耗性が良好である。また、セラミックスは概してアルミニウム合金との反応性が小さく、化学的に安定であるという利点がある。

特開２０００−８７２０７号公報（段落［００２０］（表２）） 特開昭６３−２８２２４９号公報（第２頁右下欄第１３行〜第１５行）

例えば、Ｎｉ−Ａｌの下層とＺｒＯ₂の上層を有するコーティングを設けた場合、鋳造作業を５０〜２００ショット程繰り返すと、前記コーティングに摩耗やクラックが生じたり、上層が下層から剥離したりすることがある。このような事態が生じると、鋳造品の外観にヒケ等の欠陥が発生するようになる。この不具合を解消するため、所定ショットの鋳造作業終了後等、定期的な再形成が行われている。しかしながら、この再形成作業時には鋳造作業を停止しなければならないため、鋳造品を製造することができない。また、再形成作業を行うこと自体、煩雑である。

すなわち、従来から知られている構成のコーティングには、耐久性が十分ではなく、このため、煩雑で、しかも、鋳造品の製造停止を伴う再形成作業を比較的短期間で行う必要があるという不具合がある。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、長期間にわたって十分な耐久性を示し、このために再形成作業が長期間不要である保護膜を有する鋳造用金型及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、溶湯が接触する面にコーティングが施されることで保護層が設けられた鋳造用金型であって、
前記保護層は、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金からなる下層と、中空ＺｒＯ₂からなる上層とを有し、
前記下層は、前記上層に臨む面の表面粗さを表す表面粗さパラメータである最大高さが２０μｍ以上であることを特徴とする。なお、表面粗さパラメータの最大高さは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１年）の規定に従って求められる。

下層の表面粗さパラメータの最大高さが上記のように設定されると、上層が下層に機械的に噛み合う度合いが大きくなる。従って、優れたアンカー効果が発現する。

しかも、本発明では、上層を中空ＺｒＯ₂で構成するようにしている。中空ＺｒＯ₂は、中空粉体が結合することで形成されたものであるのでポーラス（多孔質）状であり、このため、荷重が加えられると撓む性質がある。換言すれば、弾性を示し、軟質である。従って、鋳造用金型、ひいては下層が熱膨張等の変形を起こした際、その変形に追従して柔軟に変形する。

以上のような理由から、鋳造作業を繰り返しても上層が下層から剥離し難い保護層を構成することができる。換言すれば、この保護層は、長期間にわたって優れた耐久性を示す。従って、煩雑な保護層再形成作業の頻度が著しく軽減するとともに、保護層再形成作業のために鋳造作業を停止する頻度も著しく低減する。

その上、中空ＺｒＯ₂は比重が小さいため、保護層を設けることで鋳造用金型の重量を過度に増大させることもない。

なお、下層の上層に臨む面の表面粗さパラメータの最大高さは、鋳造作業に用いる溶湯の種類に応じて設定すればよい。例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金の鋳造品を得る場合、表面粗さパラメータの最大高さは、１５０μｍ以下とすることが好ましい。

この鋳造用金型は、５００〜１５００℃の溶湯を用いて鋳造を行うための金型として好適である。

また、本発明は、溶湯が接触する面にコーティングを施すことで保護層を設ける鋳造用金型の製造方法であって、
前記鋳造用金型における溶湯が接触する前記面に、溶射によってＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金からなる下層を設ける工程と、
前記下層に対して粗面化処理を行い、表面粗さを表す表面粗さパラメータである最大高さを２０μｍ以上とする工程と、
最大高さが２０μｍ以上となった前記下層の上に、中空ＺｒＯ₂からなる上層を設ける工程と、
を有することを特徴とする。

このように、下層に対して粗面化処理を施すことにより、上層を剥離し難くすることが可能となる。しかも、中空ＺｒＯ₂から上層を設けるので、下層の変形に追従して柔軟に変形する上層を構成することができる。このことによっても、上層の剥離が抑制される。

粗面化処理においては、下層の表面粗さパラメータの最大高さを、例えば、１５０μｍ以下とすることもできる。この場合、アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を用いて鋳造作業を行うに際して好適である。

なお、粗面化処理の具体的な手法としては、ブラスト処理を挙げることができる。この場合、下層に対して研磨材を吹き付けるという極めて簡便な操作を行うことにより、粗面化処理を実施することができる。換言すれば、下層の粗面化が極めて容易である。

上記したように、作製した鋳造用金型は、５００〜１５００℃の溶湯を用いて鋳造を行うための金型として好適である。

本発明によれば、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金からなる下層と、中空ＺｒＯ₂からなる上層とを具備するように保護層を構成し、且つ前記下層における前記上層に臨む面の最大高さを２０μｍ以上に設定するようにしているので、アンカー効果と上層の柔軟性とが相俟って、上層が長期間にわたって剥離し難くなる。このため、長期間にわたって優れた耐久性を示す保護層を構成することができるとともに、煩雑な保護層再形成作業を行う頻度や、鋳造作業を停止する頻度を著しく低減することができる。

以下、本発明に係る鋳造用金型及びその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本実施の形態に係る鋳造用金型における溶湯に接触する面、すなわち、キャビティに臨む面の断面要部拡大図を図１に示す。この鋳造用金型１０は、例えば、ＳＫＤ６１等の鋼材からなり、アルミニウム合金の溶湯を用いる鋳造作業に使用される。そして、図１から諒解されるように、該鋳造用金型１０における溶湯に接触する面には、保護層１２が設けられている。

保護層１２は、金属からなる下層１４と、セラミックスからなる上層１６とを有する。すなわち、本実施の形態において、保護層１２は２層構造である。ここで、下層１４を構成する金属とは、純金属、合金、金属間化合物を含む広義の金属である。

下層１４は、具体的には、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金からなる。なお、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金の粉末は市販されており、下層１４は、この市販粉末を用いて溶射を行うことで形成することができる。ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金の組成は、特に限定されるものではないが、例えば、３８．５％Ｃｏ−３２％Ｎｉ−２１％Ｃｒ−８％Ａｌ−０．５％Ｙ（数字は質量％）とすることができる。

本実施の形態では、Ｃｏを主成分とする合金からなる下層１４が鋳造用金型１０の表面上に設けられている。このようにＣｏを主成分とする下層１４では、Ｃｏが硬質であるため、高剛性化を図ることができる。

ここで、ＮｉＡｌは比較的軟質な金属であることから、Ｃｏの含有量が少ない場合では下層１４が軟質となり、外力が作用した際、該下層１４に変形が生じ易い。換言すれば、下層１４の変形量が大きくなる。この変形量に対応する変形量で上層１６を変形させる場合、換言すれば、上層１６を大きく変形させる場合、該上層１６が下層１４から剥離する懸念がある。これに対し、Ｃｏの含有量が多い下層１４では、上記したように剛性が大きい。このため、下層１４の変形量が小さくなり、これに伴って上層１６の変形量も小さくなるので、上層１６が剥離し難くなる。

なお、Ｃｏの含有量が少ないために軟質な下層１４を形成した場合、上記したように該下層１４に変形が生じ易くなることから、該下層１４は、鋳造用金型１０（鋼材）の熱膨張に追従することが容易となる。さらに、下層１４が軟質であると、上層１６の熱膨張量が小さく且つ鋳造用金型１０（鋼材）の熱膨張量が大きいとき、下層１４がこの熱膨張量の差を吸収する。

しかしながら、上層１６には、溶湯として注湯されたアルミニウム合金が凝固する際に抱き付く。従って、下層１４が鋳造用金型１０に追従して良好に撓む一方で、アルミニウム合金が抱き付いた上層１６は撓み難くなる。上層１６が過度に撓み難くなり、下層１４の撓みに追従できなくなると、上層１６が下層１４から剥離することになる。

そこで、本実施の形態においては、上記したように、下層１４の主成分をＣｏとすることで下層１４の高剛性化を図るようにしている。すなわち、鋳造用金型１０の変形に追従する下層１４の変形の容易さの度合いを若干低減させ、これにより、上層１６が下層１４から剥離し難くなる。しかも、下層１４の強度が向上するので、該下層１４が鋳造用金型１０から剥離し難くなる。以上の理由から、鋳造用金型１０から保護層１２が剥離することが著しく抑制される。

そして、この下層１４における上層１６を臨む面（以下、頂面という）は、後述するブラスト処理によって粗面化され、これにより、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１年）に規定される表面粗さパラメータの１種である最大高さＲｚが２０μｍ以上に設定されている。すなわち、図２に拡大して示すように、下層１４の頂面には起伏１８が存在する。

頂面の表面粗さパラメータの最大高さＲｚがこのように設定された下層１４は、上層１６と機械的に噛み合う。すなわち、いわゆるアンカー効果が得られる。このため、下層１４と上層１６との物理的な結合力が大きくなり、結局、下層１４から上層１６が剥離し難くなる。

なお、アルミニウム合金の溶湯を注湯する本実施の形態においては、下層１４の頂面の表面粗さパラメータの最大高さＲｚが１５０μｍ以下であることが好ましい。１５０μｍを超えると、下層１４の頂面の起伏（深さと高さ）の差異が大きくなるので、上層１６の表面、すなわち、保護層１２における溶湯に接触する部位にも、下層１４の起伏１８が転写される傾向がある。この場合、鋳造品の表面にも起伏が転写されることになるからである。

また、下層１４の起伏が大きいと、場合によっては、上層１６を設けるために溶射された溶解物が下層１４の起伏面の頂部や縦壁にはじかれるようになり、溶解物が谷底に到達しない割合が大きくなることも考えられる。従って、下層１４の頂面の表面粗さパラメータの最大高さＲｚは、６０μｍ以下であることがより好ましい。勿論、この懸念がない場合には、前記最大高さＲｚを６０μｍ超としてもよい。

下層１４には、酸化皮膜の剥離を抑制する効果に優れるＹが合金元素として含まれている。従って、上層１６の形成工程（後述）において、下層１４の頂面に酸化皮膜が仮に生成したとしても、酸化皮膜、ひいては上層１６が剥離し難いものとなる。

一方の上層１６は、中空ＺｒＯ₂からなる。すなわち、上層１６をなす各ＺｒＯ₂粒子は、中空体である。なお、中空体であるか否かは、例えば、ＺｒＯ₂粒子を粉砕することで確認することが可能である。この上層１６は、市販品である中空ＺｒＯ₂の粉末を用いて溶射を行うことで形成することができる。

上層１６は、中空ＺｒＯ₂からなるのでポーラス（多孔質）状であり、このため、荷重が加えられると撓む弾性を示す軟質な層である。従って、下層１４が変形（例えば、熱膨張）を起こすと、その変形に追従して比較的容易に変形する。このため、下層１４との変形の容易さが略整合するので、従来技術のように、上層１６が下層１４の変形に十分に追従できないことに起因して上層１６が下層１４から剥離することが回避される。

この鋳造用金型１０は、例えば、アルミニウム合金の溶湯を用いて鋳造作業を行う際に使用される。すなわち、鋳造用金型１０が型閉じされることで形成されたキャビティにアルミニウム合金の溶湯が注湯される。

上記したように、鋳造用金型１０には、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金からなる下層１４と中空ＺｒＯ₂からなる上層１６とを具備する保護層１２が形成されている。溶湯に接触した鋳造用金型１０は、保護層１２ごと熱膨張を起こす。

鋳造用金型１０（例えば、鋼材）の熱膨張量は、下層１４及び上層１６に比して幾分大きい。そして、鋳造用金型１０の直上の下層１４は、鋳造用金型１０の熱膨張に追従して膨張する。従って、下層１４と上層１６では、鋳造用金型１０に追従して熱膨張を起こす下層１４の方が上層１６に比して膨張量（変形量）が大きい。

しかしながら、本実施の形態においては、上層１６が中空ＺｒＯ₂からなるので軟質であり、このため、該上層１６は、下層１４の熱膨張に追従して柔軟に変形する。このことと、下層１４にＹが含まれていること、さらには、下層１４の頂面に、表面粗さパラメータである最大高さＲｚが２０μｍ以上に設定された起伏１８が存在することとが相俟って、上層１６が下層１４から著しく剥離し難くなる。

すなわち、下層１４をＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金で構成するとともに上層１６を中空ＺｒＯ₂で構成し、且つ下層１４の頂面に起伏１８を設けることで、長期間にわたって優れた耐久性を示す保護層１２を得ることができる。具体的には、５００〜１０００ショットの鋳造作業を繰り返しても、上層１６には、剥離や摩耗、クラックが認められない。

従って、本実施の形態によれば、保護層１２を長期間にわたって再形成する必要がないので、鋳造作業を連続して実施することができる。すなわち、鋳造作業を停止する必要がないので、鋳造品の生産効率が向上する。また、煩雑な再形成作業を行う必要もない。

次に、鋳造用金型１０の製造方法につき説明する。

本実施の形態に係る製造方法は、鋳造用金型１０における溶湯が接触する面に下層１４を設ける第１工程と、該下層１４に対して粗面化処理を行う第２工程と、粗面化処理が施された下層１４の上に上層１６を設ける第３工程とを有する。

第１工程に先んじて、鋳造用金型１０に対しブラスト処理を行い、さらに、鋳造用金型１０を１００〜１２０℃程度に加熱する。その後、第１工程において、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金からなる下層１４を設ける。この際には、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金（例えば、３８．５％Ｃｏ−３２％Ｎｉ−２１％Ｃｒ−８％Ａｌ−０．５％Ｙ）の粉末を溶射すればよい。この粉末としては、平均粒径が６０〜１５０μｍのものが好ましい。

溶射は、例えば、アセチレンと酸素との６：４（体積比）の混合ガスをキャリアとしてＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金粉末の溶解物を溶射ガンから噴射することで実施すればよい。なお、シールドガスとしては、その圧力が前記アセチレンの供給圧力の２倍程度に設定された空気が好適である。また、溶射ガンと鋳造用金型１０との距離は、前記溶解物が溶融状態を維持可能な距離に設定される。このように溶解物の溶融状態を保ちながら下層１４を設けることにより、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金粉末が互いに融着し合うので界面強度が向上する。

下層１４の厚みは、例えば、３０〜２５０μｍ程度に設定すればよい。下層１４の厚みがこの程度であれば、例えば、５００〜１５００℃の溶湯を用いる低圧鋳造を行う際、注湯された溶湯からの熱の伝達によって鋳造用金型１０が熱膨張を起こしても、該鋳造用金型１０から剥離することが回避される。換言すれば、熱膨張による剥離に対応可能であり、加えて、凝固した溶湯の抱き付き力に対応可能である。遠心鋳造を行う場合には、凝固した溶湯の抱き付き力が低圧鋳造に比して小さくなるので、下層１４を前記の厚みとすれば十分に対応することができる。

次に、第２工程において、下層１４の粗面化処理を行う。本実施の形態では、粗面化を行う手法として、ブラスト処理を採用する。すなわち、例えば、圧縮エアをキャリアとして研磨材を下層１４に吹き付ける。

ここで、この粗面化処理では、下層１４の頂面の表面粗さパラメータの最大高さＲｚを２０μｍ以上、好ましくは１５０μｍ以下とする必要がある。従って、研磨材としては、アルミナ研磨材が好適である。この場合、下層１４の頂面の表面粗さパラメータの最大高さＲｚを２０〜１５０μｍとすることが容易であるからである。

しかも、ブラスト処理によれば、下層１４に圧縮残留応力を付与することができるという利点が得られる。さらに、下層１４に酸化物が存在する場合、該酸化物を除去することもできる。

そして、鋳造用金型１０を下層１４ごと１００〜１２０℃程度に再加熱する。この再加熱により鋳造用金型１０及び下層１４の温度が上昇し、続く第３工程で溶射される粉末が下層１４に容易に融着するようになる。

この状態で、第３工程を行う。すなわち、中空ＺｒＯ₂の粉末を用いて下層１４の頂面に溶射を行う。この際の溶射条件は、下層１４を設ける際の溶射条件と略同様とすればよい。勿論、第３工程においても、上記と同様に高い界面強度を確保するという理由から、中空ＺｒＯ₂の溶解物が溶融状態を維持可能な距離に設定される。

上記したように、上層１６を設ける際には中空ＺｒＯ₂の粉末が用いられる。中空であるので、単位体積当たりの重量、換言すれば、密度が著しく小さい。このため、溶射を行う際には、速やかに融解する。その一方で、粉末としての体積がある程度確保されているので、融解速度が大きいことと相俟って、上層１６を迅速に作製することができる。

しかも、中空ＺｒＯ₂の粉末を溶融した溶解物は、該粉末の平均粒径、溶射ガンと鋳造用金型１０との距離、キャリアガスであるアセチレンと酸素との混合比等が適切に設定されているため、粉末内部に存在した空洞の体積が略同等に維持されて飛行し、下層１４上に堆積する。従って、軟質な（弾性に富む）上層１６を容易に得ることができる。

なお、中空ＺｒＯ₂の粉末は、平均粒径が１０〜７５μｍであることが好ましく、中空であることが必須である。

また、上層１６の厚みは、例えば、３０〜２００μｍ程度に設定することができる。上層１６の厚みがこの程度であれば、上記したような条件の低圧鋳造や遠心鋳造を行う場合に、注湯された溶湯からの熱の伝達によって鋳造用金型１０が熱膨張を起こしても、該熱膨張による剥離に対応可能であり、凝固した溶湯の抱き付き力にも対応可能である。

このようにして形成された上層１６は、下層１４の頂面に表面粗さパラメータである最大高さＲｚが２０μｍ以上である起伏１８が存在するため、下層１４に対して大きな力で機械的に噛み合う。すなわち、優れたアンカー効果が発現する。

また、上記したように、上層１６はポーラス（多孔質）状であるために軟質であり、弾性に富む。従って、該上層１６は、溶湯が流動する際や溶湯が凝固して収縮する際、さらには、溶湯が抱き付いた際に十分に撓む。このため、下層１４から剥離することが回避される。

以上により、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金からなる下層１４と中空ＺｒＯ₂からなる上層１６とを具備し、長期間にわたって優れた耐久性を示す保護層１２が形成されるに至る。上層１６の形成後、該上層１６に対して仕上げ加工を行うようにしてもよい。

なお、上記した実施の形態では、粗面化処理としてブラスト処理を採用するようにしているが、その他の物理的エッチングや化学的エッチングによって粗面化処理を行うようにしてもよい。例えば、下層１４の一部をマスクで被覆した後、露光を行うようにしてもよい。

また、下層１４の表面粗さパラメータの最大高さＲｚの上限は、溶湯の種類に応じて適宜変更すればよく、場合によっては、１５０μｍを超えてもよい。

本実施の形態に係る鋳造用金型における溶湯に接触する面の断面要部拡大図である。 図１の更なる拡大説明図である。

符号の説明

１０…鋳造用金型 １２…保護層
１４…下層 １６…上層
１８…起伏

Claims (6)

1. 溶湯が接触する面にコーティングが施されることで保護層が設けられた鋳造用金型であって、
   前記保護層は、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金からなる下層と、中空ＺｒＯ₂からなる上層とを有し、
   前記下層は、前記上層に臨む面の表面粗さを表す表面粗さパラメータである最大高さが２０μｍ以上であることを特徴とする鋳造用金型。
2. 請求項１記載の金型において、当該鋳造用金型がアルミニウム又はアルミニウム合金の鋳造品を得るためのものであり、前記下層の前記上層に臨む面の前記最大高さが１５０μｍ以下であることを特徴とする鋳造用金型。
3. 請求項１又は２記載の金型において、当該鋳造用金型は、前記保護層に５００〜１５００℃の溶湯が接触するものであることを特徴とする鋳造用金型。
4. 溶湯が接触する面にコーティングを施すことで保護層を設ける鋳造用金型の製造方法であって、
   前記鋳造用金型における溶湯が接触する前記面に、溶射によってＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金からなる下層を設ける工程と、
   前記下層に対して粗面化処理を行い、表面粗さを表す表面粗さパラメータである最大高さを２０μｍ以上とする工程と、
   前記最大高さが２０μｍ以上となった前記下層の上に、中空ＺｒＯ₂からなる上層を設ける工程と、
   を有することを特徴とする鋳造用金型の製造方法。
5. 請求項４記載の製造方法において、前記粗面化処理で前記下層の前記最大高さを１５０μｍ以下とすることを特徴とする鋳造用金型の製造方法。
6. 請求項４又は５記載の製造方法において、前記粗面化処理としてブラスト処理を行うことを特徴とする鋳造用金型の製造方法。

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