JP2009297754A - 鉄系合金の半溶融または半凝固状態での鋳造方法および鋳造用金型 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳鉄などの鉄系合金の半凝固または半溶融状態でのダイカスト等の鋳造成形において、耐久性に優れ品質安定化・生産性向上に寄与する金型の技術を提供する。
【解決手段】鉄系合金の半溶融または半凝固状態での鋳造方法において、金型の内表面の一部又は全部の最表面に、潤滑性、熱遮蔽性、離型性に優れた二硫化モリブテン、グラファイト、二硫化タングステン、窒化ホウ素、酸化クロム、酸化ホウ素のうちの１種又は２種以上で構成された粒子を溶媒に分散させた潤滑離型剤を塗布し、前記金型を用いて鋳造する。これにより、金型の摩耗や熱衝撃を防止する。
【選択図】図２

Description

本発明は鉄系合金を半溶融または半凝固状態での鋳造方法およびこのような鋳造に用いる鋳造用金型に関する。

複雑な形状の金属部材を大量に製造する技術としてダイカスト技術がある。この技術は金型へ溶融した金属を圧入して凝固させるものであり、アルミニウム系合金やマグネシウム系合金などの低融点の金属部材を製造する方法として有効である。ただし、鉄系合金部材をダイカスト技術で製造するには、鉄系合金は融点が高く、また金型素材の多くが同じ鉄系合金を用いていることからあまり広く用いられることはなかった。

近年、鉄の強度が高いことに着目して半溶融状態の鋳鉄からダイカスト技術で製造する方法が開発、実用化されるにつれ、充分な耐久性を有する金型の開発が望まれてきた。一方、従来から、非鉄金属を中心としたダイカスト成形や射出成形に使用する金型の耐久性を向上させるために、種々の技術が開発されている。特に、特許文献１では金型の表面にガス浸硫窒化処理を施すことによってダイカストまたは射出成形に供するマグネシウムの溶湯に対して金型の表面の濡れ性を低くし焼き付き防止及び被成形物の離型性を向上させる技術が開示されている。また、特許文献２ではダイカスト金型の表面にフッ化物、ホウ化物、炭化物、炭酸塩等の粒子や油脂類、有機金属からなる被膜剤を塗布後、乾燥して機構を有する被膜とする方法が開示されている。さらに、特許文献３では鋳造用金型表面に、酸化物などの粉末とチタン酸カリウムなどの繊維材料を、珪酸ナトリウムを含む水に分散させた被覆材を塗布乾燥し、キュアリングの熱処理をして被覆することによって金型の耐久性と鋳造品の離型性を向上させる技術が開示されている。

特開２００４−１１４１５１号公報 特開２００１−２３２４４３号公報 特開平０７−３０３９３３号公報

鋳鉄の半溶融状態での温度は、その鋳鉄の融点よりは低く、例えばＣ：２．０％の鋳鉄の場合で約１２００〜１２７０℃程度であるが、アルミニウム合金やマグネシウム合金の融点より非常に高い温度である。また、金型の材質は多くがＳＫＤ６１に代表される金型鋼である。これらの状況から金型は摩耗、被成形物との焼き付き、接触時の熱衝撃による割れ、鋳鉄への溶け出し等が非常に発生しやすい環境にさらされている。事実、通常の低合金用のダイカスト金型は成形品１万個以上の製造に耐えるが、現状の半溶融鋳鉄のダイカスト金型では、特許文献１〜３の技術を用いたとしても１０００個程度の製造数に対応した耐久性が限度である。このように、半溶融鋳鉄のダイカスト金型は寿命が短く、耐久性を向上させることが望まれている。

本発明は、上記課題に鑑み、鉄系合金（亜共晶鋳鉄など）のチクソキャスティング（半溶融成形）およびレオキャスティング（半凝固成形）において、金型の内表面の高温での摩耗、成形金属による焼き付き・浸食等の発生が防止され、離型性も良く耐久性が向上した半溶融または半凝固状態での鋳造方法および鋳造用金型を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明者は金型に施す被覆材（離型剤）について広く研究を行った。これにより以下に示す潤滑離型剤が、鉄系合金を半溶融または半凝固状態で鋳造するための金型の耐久性向上に効果が大きいことを見いだした。

本発明は上記の知見を基になされたものであって、その要旨は以下の通りである。
（１）鉄系合金の半溶融または半凝固状態での鋳造方法において、金型の内表面の一部又は全部の最表面に、二硫化モリブテン、グラファイト、二硫化タングステン、窒化ホウ素、酸化クロム、酸化ホウ素のうちの１種又は２種以上で構成された粒子を溶媒に分散させた潤滑離型剤を塗布した後に、前記金型を用いて鋳造することを特徴とする、鉄系合金の半溶融または半凝固状態での鋳造方法。
（２）前記金型の母材表面の一部又は全面を、金属もしくはサーメットの溶射、金属のめっき、または金属窒化物もしくは金属炭窒化物の蒸着のいずれか１種以上の被膜で被覆し、該被覆面上に前記潤滑離型剤を塗布したことを特徴とする、（１）に記載の鉄系合金の半溶融または半凝固状態での鋳造方法。
（３）前記潤滑離型剤の溶媒が、合成エステル油、シリコーン油、ポリグリコール、ポリアクリル、ポリグリコールもしくはポリアクリルの水溶液、又は前記水溶液に界面活性剤を添加した水溶液であることを特徴とする、（１）または（２）に記載の鉄系合金の半溶融または半凝固状態での鋳造方法。
（４）鉄系合金の半溶融鋳造または半凝固鋳造に用いる鋳造用金型において、前記金型の内表面の一部又は全部の最表面に、二硫化モリブテン、グラファイト、二硫化タングステン、窒化ホウ素、酸化クロム、酸化ホウ素のうちの１種又は２種以上で構成された粒子を溶媒に分散させた潤滑離型剤が塗布されていることを特徴とする、鋳造用金型。
（５）前記金型の母材表面の一部又は全面が、金属もしくはサーメットの溶射、金属のめっき、または金属窒化物もしくは金属炭窒化物の蒸着のいずれか１種以上の被膜で被覆され、該被覆面上に前記潤滑離型剤が塗布されていることを特徴とする、（４）に記載の鋳造用金型。
（６）前記潤滑離型剤の溶媒が、合成エステル油、シリコーン油、ポリグリコール、ポリアクリル、ポリグリコールもしくはポリアクリルの水溶液、又は前記水溶液に界面活性剤を添加した水溶液であることを特徴とする、（４）または（５）に記載の鋳造用金型。

本発明により金型の耐久性向上がなされ、１個の金型で修正や補修を行うことなく１〜２万個程度あるいはそれ以上の成形品を製造することができる。また、ショット間に潤滑離型剤を塗布するだけで効果を発揮するため、金型の手入れや交換時間を削減することができ、製造効率向上が実現できる。したがって、これらにより、鉄系合金成形品の品質を安定化し製造コストも下げることができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は本発明に適用される鉄系合金の成形用の金型の例を示す断面図である。図中１は金型、２はプランジャ、３は射出口、４はゲート、５は成形品が充填されるキャビティ、６は金型枠である。金型１は金型枠６に内装されており、分断面７で開閉できる構造になっている。

実際の成形においては、鉄系合金の成型用材料は、半溶融または半凝固状態に加熱された後、射出口３に装入され、プランジャ２でゲート４を通ってキャビティ５内に充填され、直後に金型１が分断面７で開き、成形品が取り出される。

金型母材の材質は、ＳＫＤ６１に代表される金型鋼をはじめ、高速度工具鋼、Ｃｒ耐熱鋼、Ｎｉ−Ｃｒ耐熱鋼、耐熱鋳鋼、超硬合金、インコネル７１８などのＮｉ合金、銅およびＢｅ銅、Ｃｒ−Ｚｒ銅などの銅合金が好適である。

本発明においては、金型１の射出口３およびキャビティ５で構成される内表面の一部あるいは全面に鉄系合金に対する耐焼き付き性、潤滑性、熱遮蔽性を有する潤滑離型剤を塗布することにより、金型の耐久性向上、離型性向上、製品精度の維持を実現するものである。

かかる金型内表面に塗布する潤滑離型剤に好適な材質および、その特徴は次の通りである。
ａ）粒子径２〜２００μｍの二硫化モリブテン、グラファイト、二硫化タングステン、窒化ホウ素、酸化クロム、酸化ホウ素のうちの１種あるいは複数種で構成された粒子を溶媒に分散させたもの。これらの粒子は、潤滑離型剤の成分のなかで充填剤、潤滑剤かつ離型剤として作用し、金型内表面への半溶融の成形素材の接触による熱衝撃を緩和し、また半溶融素材の流動による摩擦・摩耗の低減、成型終了後の離型性の向上に寄与する。上記の材質は、鉄系合金の半溶融あるいは半凝固の領域の温度（多くは１１００℃〜１４００℃）まで、短時間で酸化や分解することなく、固体潤滑作用すなわち摩擦・摩耗の低減作用を発揮する。粒子径は２μｍより小さい場合は、溶媒に均一に分散せず、また充填剤として安定な塗布膜を形成する役割を発揮できないばかりか、熱衝撃の緩和作用も不充分である。
一方、２００μｍよりも粒径が大きい場合、溶媒中に沈殿してしまい、やはり均一に分散しない。また、局部的に凝集した場合は、塗布膜の厚みが不均一になったり、表面粗さが増大して成形品の形状精度が低下してしまう。
ｂ）潤滑離型剤の溶媒としては、動粘度５×１０^−６〜５×１０^−４ ｍ^２／ｓの合成エステル油、シリコーン油、ポリグリコール、ポリアクリル、ポリグリコールもしくはポリアクリルの水溶液、又は前記水溶液に界面活性剤を添加した水溶液。溶媒の材質としては、油系と水系を用いることが出来るが、油系では、鉱物油は、鉄系合金の成形温度が高く、発火の危険が伴うため、引火点が高く、蒸発原料も少ない合成エステル油（ポリオールエステルなど）あるいはシリコーン油が適している。また、水系では、ポリグリコールまたはポリアクリルが適しており、単独あるいは水溶液の形で適度な粘度を持ち、また高温にさらされたときに突沸しないで安定に蒸発する特性を有する。粘度は５×１０^−６ ｍ^２／ｓより小さい場合は金型内表面への粘着力が弱く、また蒸発が早すぎて安定的に塗布することができない。また５×１０^−４ ｍ^２／ｓよりも高粘度の場合は、上記ａ）に記述した粒子を均一に分散することが困難であり、かつ塗布時に膜厚の不均一や垂れなどが起こり、金型への適用が出来ない。なお、本発明における動粘度は、４０℃で測定した値とする。また、上記動粘度の範囲とするため、水溶液とする場合には、合成エステル油、シリコーン油、ポリグリコール、ポリアクリル、ポリグリコールもしくはポリアクリルを７０質量％以上の濃度とすることが好ましい。さらに、この水溶液に界面活性剤を添加する場合、界面活性剤の種類や添加量は特に限定されないが、固体粒子の分散性を高めるという観点からは、ノニオン系の界面活性剤（例えば、ナフタレンスルホン酸塩など）が好ましく、その添加量は、水に対して０．１質量％程度とすることが好ましい。
上記ａ）に記述した粒子をｂ）に記述した溶媒に分散させて潤滑離型剤を形成する。粒子の溶媒への配合量は粒子径、溶媒の粘度によって変わるが、１〜９０体積％の広い範囲で配合させることが出来る。このように配合した潤滑離型剤を塗布した被膜の膜厚は、粒子径によって変わるが、５μｍ〜１５０μｍが好適である。潤滑離型剤はダイカスト成形のショット間に短時間で金型内表面にスプレーや刷毛塗り等によって塗布できる。塗布後乾燥しても良いが、多くの場合、ダイカスト成形の余熱により数秒〜数十秒の半乾燥状態で次の成形を問題無く行うことが出来る。前述のように、上記ｂ）の溶媒は鉄系合金の半溶融成形時の高温でも安定して蒸発するため、作業に危険を伴うような支障が無く、成形品の品質劣化も無い。さらに高温での蒸発時に塗布膜内に気泡を形成するため、金型内表面への熱衝撃緩和に更なる効果を発揮することができる。
上記潤滑離型剤は、被成形材である鉄系合金との耐焼付き性、潤滑特性、金型母材への熱衝撃を緩和する熱遮蔽性に優れており、離型性と併せて優れた特性を発揮する。よって、これらのいずれかの材質を用いると、鉄系合金の半溶融あるいは半凝固成形において、少なくとも連続１〜２万個の良品製造が可能な程度の耐久性を有する金型が得られる。

図１に示す鉄系合金の成形用の金型の断面図に基づき、本発明による金型内表面に潤滑離型剤を塗布する好適例について説明する。潤滑離型剤を塗布する金型部位は、射出口３、ゲート４およびキャビティ５の内表面の全体あるいは一部である。一般に離型性を目的とする場合は、キャビティ５のみに塗布するが、プランジャ２と射出口３との摺動面の潤滑向上、被成形材とゲート４との間の潤滑向上を狙い射出口３およびゲート４の内面に塗布しても効果的である。一方、金型の摩耗防止を目的とする場合は、射出口３およびゲート４の内面だけに塗布しても良い。射出口３およびゲート４の内面に塗布した場合は、成形圧力の低減効果も発揮する。なお、金型には表面処理を施さず直接塗布しても良いが、金型内表面に耐摩耗・熱衝撃緩和の目的で、金属あるいはサーメット溶射・めっき・蒸着のいずれかの表面処理を施した面に潤滑離型剤を塗布しても良い。通常、これらの表面処理も、３〜５の全面に被覆される場合と、一部にのみ被覆される場合がある。本発明の潤滑離型剤は、いずれの場合の金型内表面に対しても潤滑効果、離型効果を発揮する。

図２は、本発明の金型内表面に塗布された潤滑離型剤の塗布層の断面を表す模式図である。また図３は本発明の金型内表面に金属あるいはサーメット溶射・めっき・蒸着のいずれかの表面処理層８の面に重ねて塗布された潤滑離型剤の塗布層の断面を表す模式図である。成形のショット間に塗布して半乾燥の状態になると、潤滑離型剤の断面構造は図のように、溶媒あるいはその半乾燥または半固化した層９の中に粒子１０が分散する形態となっている。この半乾燥または半固化層９は成形時の余熱により溶媒の蒸気が放散する作用で多くの場合、微細気孔を生じポーラス状になっている。そのため熱衝撃緩和効果が向上するとともに、成形時の被成形材からの受圧とせん断により容易に流動、展延し、粒子１０の潤滑効果も向上する。かかる被覆層の構造形成により、少量の潤滑離型剤で金型内表面の広い領域に潤滑効果や熱衝撃緩和の効果を効率的に作用させる。

以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。

（実施例１）
図４に示す評価装置を用いて、種々の潤滑離型剤の塗布面の熱間での鉄系材料に対する耐摩耗性および耐焼き付き性を評価した。装置はピン−オン−ディスク方式であり、評価すべき潤滑離型剤はディスク１２の表面にスプレーにより塗布した。塗布後の潤滑離型剤の塗布層１３の膜厚は２０〜１２０μｍであった。ディスク母材の形状はφ５０×厚み１０ｍｍとし、ディスクの材質は試験条件によって金型鋼ＳＫＤ６１、耐熱鋼ＳＣＨ２２、Ｎｉ合金インコネル７１８、Ｂｅ銅を用いた。ピン１１の形状はφ５×長さ２０ｍｍとし、ピン材質はＳＫＤ６１の焼入れ品で硬さがＨＲＣ＝４８〜５０のものを用いた。なお、本試験は鋳鉄等の鉄系合金成形材と金型表面の摩耗および焼付き特性を評価する目的で行ったものであるが、摩耗試験を促進させる目的で、ピン材質に鋳鉄よりも強度および硬度の高い金型鋼を用いた。また、鋳鉄も金型鋼も同じ鉄系材料であるため、一般に焼付き特性も同様の評価が可能である。
試験条件は、回転数５００ｒ／ｍ、ピンとディスクの摺動速度は０．９２ｍ／ｓ、ピンの押し付け荷重は９８０Ｎ、雰囲気温度を４００℃とした。

表１は、本発明に係わる種々の潤滑離型剤材質について、上記の方法で耐摩耗性および耐焼付き性を他の材質と比較して評価を行った結果を示す。表２に評価に用いた潤滑離型剤の構成を示す。耐摩耗性は、３０分間運転後のディスクを取り外し、ピンとの摺動面の断面観察を行い、最も摩耗した部分の厚み減少量を測定することによって評価を行った。また耐焼付き性は、試験後のディスク表面におけるピン先端材質の移着の有無を目視および断面観察を行い評価を行った。かくして評価の結果、本発明の金型は、耐摩耗性、耐焼付き性において、いずれも優れた性能を有することが確認された。なお、表１中の「摩擦軽微」とは、ディスクの表面性状を示し、外観上、はっきりとした凹みや、条痕、凝着物（突起）などが見られないということを表している。また、表２においては、界面活性剤として、ナフタレンスルホン酸塩のホルムアルデヒド縮合物を使用し、水に対し０．１質量％添加した。

（実施例２）
次に、実際のダイカスト成型用試験金型に潤滑離型剤を塗布して本発明の金型の態様としたうえで、鉄系合金の半溶融状態での鋳造成形を行った。試作成形品の形状を図５に示す。図に示す成形品は、鉄系合金材料の形状成形性すなわちキャビティへ内の流動特性を評価する目的で、階段状の形状となっており、最も厚みの厚い部分から順に厚みを、２５ｍｍ、１５ｍｍ、１０ｍｍ、５ｍｍ、２．５ｍｍ、１ｍｍとした。

表３に、種々の条件で本発明に従う金型を用いて鉄系合金を半溶融状態で鋳造し、形状成形性および、金型耐久性を評価した結果を示す。使用した鉄系合金の材料は、質量でＣ：２．４％、Ｓｉ：１％その他不純物からなる鋳鉄である。素材の形状は直径φ５０ｍｍ、高さ５０ｍｍの円筒形であり、成形材料の予熱温度は１２５０℃とし、室温から１５分以内で予熱温度まで昇温し、保持時間を３分以上かつ５分以内とした。金型母材の材質はＳＫＤ６１の焼入れ・焼戻し品で硬さがＨＲＣ＝４５〜４７のものを用いた。また、金型の予熱および保温は電気ヒーターにて行い、成形前の金型温度を、キャビティ内表面で２５０〜３００℃になるように調整した。上記の素材を予熱する装置を複数台設置し、成形を開始した。実際の１ショットのダイカスト成形は１〜２秒で完了するが、成形品の取り出しから次の素材の金型内への装入までのアイドル時間は、３０秒〜５分程度である。潤滑離型剤の金型内部への塗布は、次のショット開始の１５〜３０秒前にエアスプレーで行った。潤滑離型剤の塗布膜厚は乾燥時で２０〜１５０μｍであった。形状成形性の評価は、成形品の階段状の部分の流入厚みで評価した。また金型耐久性は、一定ショット数の成形の後の金型内部の摩耗状態を目視で観察した。かくして評価の結果、潤滑離型剤を塗布した本発明の金型は、耐摩耗性、耐焼付き性において、いずれも優れた性能を示し、交換することなく１００００〜２００００回の成形を行うことが可能となり、かつ被成形材との摩擦低減により形状成形性も改善されることが確認された。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

以上のように、本発明の鉄系合金の半溶融または半凝固鋳造用の金型は、鉄系合金の半溶融または半凝固状態からのダイカスト成形において広く適用でき、金型の耐久寿命を向上し、素材と金型との焼付きを防止して離型性を促進する効果が得られ、製造コスト低減、生産性の向上、成形品の品質・形状精度の向上など、成形作業の改善に大きく貢献する。

鉄系合金の半溶融または半凝固成型用金型を示した断面図である。 本発明に係わる金型内表面に塗布された潤滑離型剤の塗布層の断面を表す模式図である。 本発明に係わる他の形態の金型内表面に塗布された潤滑離型剤の塗布層の断面を表す模式図である。 実施例１で用いた評価装置の斜視図である。 実施例２の成形品の形状を示す斜視図である。

符号の説明

１ 金型
２ プランジャ
３ 射出口
４ ゲート
５ キャビティ
６ 金型枠
７ 金型分断面
８ 表面処理層
９ 溶媒あるいはその半乾燥または半固化した層
１０ 粒子
１１ ピン
１２ ディスク
１３ 潤滑離型剤塗布層

Claims (6)

1. 鉄系合金の半溶融または半凝固状態での鋳造方法において、
   金型の内表面の一部又は全部の最表面に、二硫化モリブテン、グラファイト、二硫化タングステン、窒化ホウ素、酸化クロム、酸化ホウ素のうちの１種又は２種以上で構成された粒子を溶媒に分散させた潤滑離型剤を塗布した後に、前記金型を用いて鋳造することを特徴とする、鉄系合金の半溶融または半凝固状態での鋳造方法。
2. 前記金型の母材表面の一部又は全面を、金属もしくはサーメットの溶射、金属のめっき、または金属窒化物もしくは金属炭窒化物の蒸着のいずれか１種以上の被膜で被覆し、該被覆面上に前記潤滑離型剤を塗布したことを特徴とする、請求項１に記載の鉄系合金の半溶融または半凝固状態での鋳造方法。
3. 前記潤滑離型剤の溶媒が、合成エステル油、シリコーン油、ポリグリコール、ポリアクリル、ポリグリコールもしくはポリアクリルの水溶液、又は前記水溶液に界面活性剤を添加した水溶液であることを特徴とする、請求項１または２に記載の鉄系合金の半溶融または半凝固状態での鋳造方法。
4. 鉄系合金の半溶融鋳造または半凝固鋳造に用いる鋳造用金型において、
   前記金型の内表面の一部又は全部の最表面に、二硫化モリブテン、グラファイト、二硫化タングステン、窒化ホウ素、酸化クロム、酸化ホウ素のうちの１種又は２種以上で構成された粒子を溶媒に分散させた潤滑離型剤が塗布されていることを特徴とする、鋳造用金型。
5. 前記金型の母材表面の一部又は全面が、金属もしくはサーメットの溶射、金属のめっき、または金属窒化物もしくは金属炭窒化物の蒸着のいずれか１種以上の被膜で被覆され、該被覆面上に前記潤滑離型剤が塗布されていることを特徴とする、請求項４に記載の鋳造用金型。
6. 前記潤滑離型剤の溶媒が、合成エステル油、シリコーン油、ポリグリコール、ポリアクリル、ポリグリコールもしくはポリアクリルの水溶液、又は前記水溶液に界面活性剤を添加した水溶液であることを特徴とする、請求項４または５に記載の鋳造用金型。
   
   

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