JP2014083587A - Surface treatment method of metallic material and metal mold for die cast - Google Patents

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浩久 遠藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface treatment method of a metallic material for imparting seizure resistance to a molten aluminum alloy in this metallic material, by forming a coating film on a surface of the metallic material.SOLUTION: After forming a connection layer on a melting damage resistant layer formed on the surface of the metallic material, in order from the melting damage resistant layer side, a TiSiN layer as a nitride film of a film thickness of 0.5 μm connected to the melting damage resistant layer is formed separately from the connection layer in a first step. A TiSiO layer as an inclination film of a film thickness of 2.0 μm with an increased oxygen amount and a reduced nitrogen amount is formed as an intermediate layer in a second step. A TiSiON layer as an oxide film of a film thickness of 0.5 μm is formed as an oxide layer with enhanced adhesion property in a third step. As a result, a seizure resistant layer including TiSiO of a three-layer structure is formed.

Description

本発明は、表面に被膜を成膜することで、アルミニウム合金溶湯と接触するダイカスト用金型の基材となる金属材料にアルミニウム合金溶湯に対する耐焼付き性を付与する金属材料の表面処理方法と、この方法により、成形面が処理されてなるダイカスト用金型に関する。   The present invention provides a surface treatment method for a metal material that imparts seizure resistance to a molten aluminum alloy to a metallic material serving as a base material for a die casting die that comes into contact with the molten aluminum alloy by forming a film on the surface; The present invention relates to a die casting mold in which a molding surface is processed by this method.

アルミニウム鋳造成形品は、アルミニウム合金等の溶湯をダイカスト用金型の成形孔に圧入し、凝固させて、これを取り出して得られる。取り出しの際、成形面に成形品が焼付いてしまうと離型が難しくなり、鋳造製品の寸法精度を劣化させ、生産性を低下させる原因として知られている。このため、ダイカスト用金型に求められる性能に、耐焼付き性、並びに焼付きが進展して起こるカジリを防ぐための耐かじり性がある。   The cast aluminum molded product is obtained by pressing a molten metal such as an aluminum alloy into a molding hole of a die casting die, solidifying it, and taking it out. When the molded product is baked on the molding surface at the time of taking out, it is difficult to release the mold, which is known to cause deterioration in dimensional accuracy of the cast product and decrease in productivity. For this reason, the performance required for the die casting mold includes seizure resistance and galling resistance for preventing galling caused by the progress of seizure.

このような焼付き、かじりを抑制させる方法として従来から、金型設計や鋳造条件を変更し、鋳込み時の金型温度を低減させる方法が知られる。また、離型剤を塗布して金型表面に一時的に表面被膜を与える方法等もある(例えば、下記特許文献1)。これらと併せ、焼付きに対する耐性をより良好にする金型の材質変更等も検討されている。また、下記特許文献2に係る発明では、Si元素を外部供給しながら、アルミニウム合金溶湯を繰り返し鋳込み、Al−Cr−Si−Feからなる複合酸化皮膜を金型意匠面に形成するダイカスト用金型の耐焼付き性向上方法が提案されている。また、下記特許文献3には、表面に酸化物皮膜を被覆し、耐焼付き性を付与しようとするダイカスト用金型に係る発明が提案されている。   As a method of suppressing such seizure and galling, a method of changing the mold design and casting conditions and reducing the mold temperature during casting is conventionally known. In addition, there is a method of applying a release agent to temporarily give a surface film to the mold surface (for example, Patent Document 1 below). In addition to these, a change in the material of the mold for improving the resistance to seizure has been studied. Further, in the invention according to Patent Document 2 below, a die casting die for forming a composite oxide film made of Al-Cr-Si-Fe on the die design surface by repeatedly casting a molten aluminum alloy while supplying Si element to the outside. A method for improving the seizure resistance has been proposed. Patent Document 3 below proposes an invention relating to a die casting die which is intended to provide seizure resistance by coating an oxide film on the surface.

特開2007−118035号公報JP 2007-1108035 A 特開2011−255411号公報JP 2011-255411 A 特開2010−58135号公報JP 2010-58135 A

上述のように、アルミニウム鋳造成形品を成形するダイカスト用金型などの表面処理に関し、耐焼付き性及び耐かじり性を付与することが要請され、各種の技術開発が進められているが、これを解決するような決定的な手段が登場していない。この実情に鑑み、発明者らは鋭意検討し、金属材料の表面に所定の酸化物を成膜することにより、金属材料に優れた耐焼付き性及び耐かじり性を付与することが可能となる金属材料の表面処理方法を創作するに至った。   As described above, regarding surface treatments such as die casting molds for forming cast aluminum molded products, it is required to impart seizure resistance and galling resistance, and various technological developments are underway. There is no definitive means to solve it. In view of this situation, the inventors have intensively studied, and by forming a predetermined oxide film on the surface of the metal material, a metal that can impart excellent seizure resistance and galling resistance to the metal material. It came to create the surface treatment method of the material.

したがって、本発明は、アルミニウム合金溶湯と接触するダイカスト用金型の基材となる金属材料の表面に優れた耐焼付き性及び耐かじり性を付与することを可能とする金属材料の表面処理方法と、この方法により、成形面が処理されてなるダイカスト用金型を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a surface treatment method for a metal material that makes it possible to impart excellent seizure resistance and galling resistance to the surface of the metal material that is the base material of the die casting die that comes into contact with the molten aluminum alloy. An object of the present invention is to provide a die casting mold having a molding surface treated by this method.

上記目的を達成するため、本発明は、金属材料の表面に被膜を成膜し、前記金属材料にアルミニウム合金溶湯に対する耐焼付き性を付与する金属材料の表面処理方法であって、前記金属材料の表面に、Ti、Si、Al、Zrの4元素から選ばれる1種又は2種以上の元素からなる酸化物であって、そのうちTiOを除いた酸化物の少なくとも1種又は2種以上の組み合わせにより成膜し、前記酸化物を含んだ耐焼付き層を形成することを特徴とする。   In order to achieve the above object, the present invention provides a surface treatment method for a metal material, which forms a film on the surface of the metal material and imparts seizure resistance to the molten aluminum alloy to the metal material. On the surface, an oxide composed of one or more elements selected from four elements of Ti, Si, Al, and Zr, of which at least one or a combination of two or more oxides excluding TiO A seizure-resistant layer containing the oxide is formed to form a film.

特に、上記酸化物が、TiSiO、TiAlO、ZrOであることが好ましく、上記金属材料の表面と上記耐焼付き層との間に、耐ヒートクラック層及び耐溶損層を形成することがさらに好ましい。耐溶損層と耐焼付き層との間にこれらの界面を無くすツナギ層を形成すること、耐焼付き層を3層構造として構成することもそれぞれ好ましい構成である。   In particular, the oxide is preferably TiSiO, TiAlO, or ZrO, and more preferably a heat crack resistant layer and a melt resistant layer are formed between the surface of the metal material and the seizure resistant layer. It is also preferable to form a contact layer that eliminates these interfaces between the melt-resistant layer and the seizure-resistant layer and to configure the seizure-resistant layer as a three-layer structure.

また、本発明は、金属材料を基材とするダイカスト用金型であって、本発明に係る金属材料の表面処理方法により、成形面が処理されてなるダイカスト用金型を、その範囲に含む。   The present invention also includes a die-casting die having a metal material as a base material, the die-casting die having a molding surface treated by the surface treatment method for a metal material according to the present invention. .

発明者らは、金属材料の表面に、Ti、Si、Al、Zrの4元素から選ばれる1種又は2種以上の元素からなる酸化物であって、そのうちTiOを除いた酸化物の少なくとも1種又は2種以上の組み合わせにより成膜し、このような酸化物を含んだ耐焼付き層を形成することにより、この金属材料が、アルミニウム合金溶湯に対して優れた耐焼付き性を備えることを確認した。特に、上記化合物が、TiSiO、TiAlO、ZrOであり、これらの化合物から選ばれる1種又は2種以上の組み合わせにより成膜するとき、最も顕著にアルミニウム合金溶湯に対する耐焼付き性が得られることが分かった。したがって、本発明は、アルミニウム合金溶湯に対して優れた耐焼付き性を備える金属材料とするための金属材料の表面処理方法を提供することができる。   The inventors of the present invention provide an oxide composed of one or more elements selected from four elements of Ti, Si, Al, and Zr on the surface of a metal material, and at least one of oxides excluding TiO. Confirm that this metal material has excellent seizure resistance against molten aluminum alloy by forming a film with a seed or a combination of two or more, and forming a seizure-resistant layer containing such an oxide. did. In particular, the above compounds are TiSiO, TiAlO, and ZrO, and it is found that when the film is formed by one or a combination of two or more selected from these compounds, the most remarkable seizure resistance to the molten aluminum alloy is obtained. It was. Therefore, this invention can provide the surface treatment method of the metal material for setting it as the metal material provided with the seizure resistance outstanding with respect to the aluminum alloy molten metal.

特に、本発明において、金属材料の表面と耐焼付き層との間に、耐ヒートクラック層及び耐溶損層を形成することにより、耐ヒートクラック層によって基材と耐焼付き層等の各種のコーティングとの熱膨張の差に基づいて、コーティングにクラックが発生することを抑制することができ、耐溶損層によってアルミニウム合金溶湯が基材に浸入し、基材を溶損させることを抑制することができる。また、耐溶損層と耐焼付き層との間に、これらの界面を無くすツナギ層を形成することにより、耐溶損層と耐焼付き層との密着性を向上させることができる。耐焼付き層を3層構造として構成することにより、耐焼付き層自体の密着性を得るとともに安定した成膜を達成することができる。したがって、本発明は、アルミニウム合金溶湯に対してさらに優れた性能を備える金属材料とするための金属材料の表面処理方法を提供することができる。   In particular, in the present invention, by forming a heat crack resistant layer and a melt resistant layer between the surface of the metal material and the seizure resistant layer, various coatings such as a base material and a seizure resistant layer are formed by the heat crack resistant layer. Based on the difference in thermal expansion, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the coating, and it is possible to prevent the molten aluminum alloy from entering the base material and causing the base material to melt due to the anti-melting layer. . Further, by forming a jump layer that eliminates these interfaces between the melt-resistant layer and the seizure-resistant layer, the adhesion between the melt-resistant layer and the seizure-resistant layer can be improved. By constituting the seizure-resistant layer as a three-layer structure, adhesion of the seizure-resistant layer itself can be obtained and stable film formation can be achieved. Therefore, this invention can provide the surface treatment method of the metal material for setting it as the metal material provided with the further outstanding performance with respect to aluminum alloy molten metal.

さらに、本発明は、このような金属材料の表面処理方法により、成形面が処理されてなるダイカスト用金型を含むため、アルミニウム合金溶湯に対して優れた性能を備えるダイカスト用金型を提供することができる。   Furthermore, since the present invention includes a die casting mold in which a molding surface is treated by such a metal material surface treatment method, the present invention provides a die casting mold having excellent performance with respect to molten aluminum alloy. be able to.

本発明に係る金属材料の表面処理方法により作製された耐焼付き層の例を模式的に説明する模式図である。It is a schematic diagram which illustrates typically the example of the seizure-proof layer produced with the surface treatment method of the metal material which concerns on this invention. 本発明に係る金属材料の表面処理方法により作製された耐焼付き層について、その耐焼付き性を評価するための実験装置を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the experimental apparatus for evaluating the seizure resistance about the seizure resistance layer produced by the surface treatment method of the metal material according to the present invention. 本発明に係る金属材料の表面処理方法により作製された耐焼付き層について、その耐焼付き性の評価結果を示す説明図であって、(a)は、実施例1が優れた耐焼付き性を具備すること示す説明図であり、(b)は、比較例1がアルミニウム合金溶湯に対して焼付くことを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the evaluation result of the seizure resistance about the seizure resistance layer produced by the surface treatment method of the metal material concerning the present invention, and (a) comprises the seizure resistance which example 1 was excellent in. It is explanatory drawing which shows doing, (b) is explanatory drawing which shows that the comparative example 1 is seized with respect to aluminum alloy molten metal. 本発明に係る金属材料の表面処理方法により作製された耐焼付き層について、ロックウェル圧痕試験で合格又は不合格と判断する基準となる模式図である。It is a mimetic diagram used as a standard which judges with a Rockwell impression test about a seizure-proof layer produced by a surface treatment method of a metallic material concerning the present invention.

以下、本発明について詳細に説明する。本発明は、金属材料の表面に被膜を成膜し、金属材料にアルミニウム合金溶湯に対する耐焼付き性を付与する金属材料の表面処理方法である。金属材料は、ダイカスト用金型の基材として汎用される熱間ダイス鋼(C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr、Mo、W、V、Co等の微量元素を含むFeを主体とした鋼、いわゆるSKD61)が例示され、以下の説明ではSKD61を用いた例を説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail. The present invention is a surface treatment method for a metal material, in which a film is formed on the surface of the metal material, and the metal material is given seizure resistance against molten aluminum alloy. The metal material is mainly hot die steel (C, Si, Mn, P, S, Ni, Cr, Mo, W, V, Co, and other elements containing trace elements such as die casting die base material) Steel, so-called SKD61), is exemplified, and in the following description, an example using SKD61 will be described.

本発明に係る金属材料の表面処理方法では、例えば、丸棒状のSKD61の表面に、Ti、Si、Al、Zrの4元素から選ばれる1種又は2種以上の元素からなる酸化物であって、そのうちTiOを除いた酸化物の少なくとも1種又は2種以上の組み合わせにより成膜し、この酸化物を含んだ耐焼付き層を形成している。特に、TiSiO、TiAlO、ZrOのいずれかの酸化物をSKD61の表面に成膜している。さらに、SKD61の表面に耐ヒートクラック層を形成し、この耐ヒートクラック層上に耐溶損層を形成し、この耐溶損層上に耐焼付き層を形成している。これにより、SKD61に、アルミニウム合金溶湯に対する耐焼付き性のほか、耐ヒートクラック性、耐溶損性を付与することができる。   In the surface treatment method for a metal material according to the present invention, for example, the surface of a round bar-shaped SKD 61 is an oxide composed of one or more elements selected from four elements of Ti, Si, Al, and Zr. Of these, a film is formed of at least one oxide or a combination of two or more oxides excluding TiO, and a seizure-resistant layer containing this oxide is formed. In particular, an oxide of TiSiO, TiAlO, or ZrO is formed on the surface of SKD61. Further, a heat crack resistant layer is formed on the surface of the SKD 61, a melt resistant layer is formed on the heat crack resistant layer, and a seizure resistant layer is formed on the resistant layer. Thereby, in addition to the seizure resistance with respect to molten aluminum alloy, heat crack resistance and melt resistance can be imparted to SKD61.

また、耐溶損層上に耐焼付き層を成膜するに際し、これらの層間の界面を消失させるためのツナギ層を形成する。このツナギ層は、成膜する耐焼付き層の酸化物に対応してTiSiN、TiAlN、ZrNのいずれかを選択すればよい。   Further, when forming a seizure-resistant layer on the anti-scratch layer, a jump layer for eliminating the interface between these layers is formed. As the jump layer, any one of TiSiN, TiAlN, and ZrN may be selected in accordance with the oxide of the seizure-resistant layer to be formed.

耐焼付き層は、3層構造の構成となるように成膜している。具体的には、TiSiOを含んだ耐焼付き層を得る場合、耐溶損層(ツナギ層)側から、TiSiN層、TiSiON層、TiSiO層の順に成膜する。これにより、耐焼付き層は、十分な密着性を備えるものとなる。また、耐焼付き層の安定した成膜が可能になる。TiAlOを含んだ耐焼付き層を得る場合、耐溶損層(ツナギ層)側から、TiAlN層、TiAlON層、TiAlO層の順に成膜し、ZrOを含んだ耐焼付き層を得る場合、耐溶損層(ツナギ層)側から、ZrN層、ZrON層、ZrO層の順に成膜する。   The seizure-resistant layer is formed so as to have a three-layer structure. Specifically, when obtaining a seizure-resistant layer containing TiSiO, the TiSiN layer, the TiSiON layer, and the TiSiO layer are formed in this order from the melt-resistant layer (spinning layer) side. As a result, the seizure-resistant layer has sufficient adhesion. In addition, it becomes possible to stably form a seizure-resistant layer. When obtaining a seizure-resistant layer containing TiAlO, a TiAlN layer, a TiAlON layer, and a TiAlO layer are formed in this order from the melt-resistant layer (spinning layer) side, and when obtaining a seizure-resistant layer containing ZrO, The ZrN layer, the ZrON layer, and the ZrO layer are formed in this order from the (cover layer) side.

なお、耐焼付き層は、アルミニウム合金溶湯に対する所望の耐焼付き性を得ることができる限り、上述のように1種の酸化物を成膜し、この酸化物を含んだ耐焼付き層を形成するほか、2種以上の酸化物を組み合わせて成膜し、これらの酸化物を含んだ耐焼付き層を形成してもよい。すなわち、TiSiO、TiAlO、ZrOから2種以上を選んで成膜し、これらの酸化物を含んだ耐焼付き層を形成する金属材料の表面処理方法であっても、本発明に含まれる。   In addition, as long as the seizure-resistant layer can obtain a desired seizure resistance to the molten aluminum alloy, one type of oxide is formed as described above, and the seizure-resistant layer containing this oxide is formed. Two or more types of oxides may be combined to form a seizure-resistant layer containing these oxides. That is, a metal material surface treatment method in which two or more kinds of films are selected from TiSiO, TiAlO, and ZrO and a seizure-resistant layer containing these oxides is formed is also included in the present invention.

ここで、所望の耐焼付き性が得られる耐焼付き層を形成する酸化物として、TiSiO、TiAlO、ZrOを見出した経緯について説明する。まず、候補となる酸化物として、アルミニウムと反応しない若しくは反応しにくい酸化物であることを挙げることができる。アルミニウムと反応する酸化物を金属材料の表面に成膜したとしても、アルミニウム合金溶湯に対して化学反応して表面から遊離、剥離し、金属材料そのものが剥き出しとなって焼付きが生じるからである。   Here, the background of finding TiSiO, TiAlO, and ZrO as oxides that form a seizure-resistant layer capable of obtaining desired seizure resistance will be described. First, a candidate oxide can be an oxide that does not react or hardly reacts with aluminum. This is because even if an oxide that reacts with aluminum is formed on the surface of the metal material, it chemically reacts with the molten aluminum alloy and is released from the surface and peeled off, and the metal material itself is exposed and seizure occurs. .

次に、従来の離型剤がアルミニウム合金溶湯及びダイカスト金型表面と高温で反応することにより、ダイカスト金型表面に黒色の酸化膜を形成し、焼付きを防止していることに注目すれば、シリコン系の酸化物を有望な候補と捉えることができる。さらに、セラミックスとアルミニウムとが親和性が低い(濡れ性が低い)という知見から、アルミニウム又はジルコニウムの酸化物が有望な候補と捉えることができる。これらの理由に基づいて、候補となる酸化物を絞り込んで探索し、TiSiO、TiAlO、ZrOを見出した。   Next, if the conventional mold release agent reacts with the molten aluminum alloy and the die casting mold surface at a high temperature, a black oxide film is formed on the die casting mold surface to prevent seizure. Silicon oxide can be regarded as a promising candidate. Furthermore, from the knowledge that ceramics and aluminum have low affinity (low wettability), an oxide of aluminum or zirconium can be regarded as a promising candidate. Based on these reasons, candidate oxides were narrowed down to find TiSiO, TiAlO, and ZrO.

以下、本発明における実施形態について図面とともに説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の構成を具現化した例示に過ぎず、本発明は、特許請求の範囲に記載した事項を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことができる。ここでは、TiSiOを含んだ耐焼付き層を形成し、アルミニウム合金溶湯に対する耐焼付き性が付与されたSKD61の丸棒材(実施例1)を得る手順について述べる。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The embodiments described below are merely examples embodying the configuration of the present invention, and the present invention can be modified in various ways without departing from the matters described in the claims. . Here, a procedure for forming a seizure-resistant layer containing TiSiO and obtaining a round rod material of SKD61 (Example 1) imparted with seizure resistance against molten aluminum alloy will be described.

まず、SKD61の丸棒材の表面に、Cr層からなる耐ヒートクラック層を成膜する。   First, a heat crack resistant layer made of a Cr layer is formed on the surface of the round bar of SKD61.

<耐ヒートクラック層の成膜条件>
ヒーター:750℃
時間:10分
バイアス電圧:15V
炉内圧:2.6Pa
アーク電流:Crターゲット100A
コイル電流:50A
Arガス300ccm
<Film-forming conditions for heat crack resistant layer>
Heater: 750 ° C
Time: 10 minutes Bias voltage: 15V
Furnace pressure: 2.6Pa
Arc current: Cr target 100A
Coil current: 50A
Ar gas 300ccm

さらに、成膜された耐ヒートクラック層上に、CrN層とCr層とが交互に積層する耐溶損層を成膜する。   Further, an anti-scratch layer in which CrN layers and Cr layers are alternately stacked is formed on the formed heat crack resistant layer.

<耐溶損層の成膜条件>
ヒーター:750℃
時間:CrN層30分、Cr層3分を全10回
バイアス電圧:15V
炉内圧:2.6Pa
アーク電流:Crターゲット100A
コイル電流:50A
Arガス300ccm
2ガス300ccm
<Filming conditions for the melt resistant layer>
Heater: 750 ° C
Time: CrN layer 30 minutes, Cr layer 3 minutes 10 times in total Bias voltage: 15V
Furnace pressure: 2.6Pa
Arc current: Cr target 100A
Coil current: 50A
Ar gas 300ccm
N 2 gas 300ccm

次に、成膜された耐溶損層上に、この耐溶損層と耐焼付き層との界面を無くすためのツナギ層を成膜する。   Next, a jump layer for eliminating the interface between the erosion resistant layer and the seizure proof layer is formed on the formed erosion resistant layer.

<ツナギ層の成膜条件>
ヒーター:750℃
時間:CrN層3分、TiSiN層3分
バイアス電圧:30V
炉内圧:2.6Pa
アーク電流:Crターゲット100A、TiSiターゲット100A
コイル電流:50A
2ガス400ccm
<Conditions for forming the jump layer>
Heater: 750 ° C
Time: CrN layer 3 minutes, TiSiN layer 3 minutes Bias voltage: 30V
Furnace pressure: 2.6Pa
Arc current: Cr target 100A, TiSi target 100A
Coil current: 50A
N 2 gas 400ccm

成膜されたツナギ層上に、耐焼付き層を成膜する。耐焼付き層は3ステップで成膜し、3層構造とする。   A seizure-resistant layer is formed on the formed jump layer. The anti-seizure layer is formed in three steps to form a three-layer structure.

<耐焼付き層の成膜条件>
(1)第1ステップ
ヒーター:750℃
時間:TiSiN層10分
バイアス電圧:100V
炉内圧:2.6Pa
アーク電流:TiSiターゲット100A
コイル電流:50A
2ガス300ccm
<Filming conditions for seizure-resistant layer>
(1) First step Heater: 750 ° C
Time: TiSiN layer 10 minutes Bias voltage: 100V
Furnace pressure: 2.6Pa
Arc current: TiSi target 100A
Coil current: 50A
N 2 gas 300ccm

(2)第2ステップ
ヒーター:750℃
時間:TiSiON層20分
バイアス電圧:100V
炉内圧:2.6Pa
アーク電流:TiSiターゲット100A
コイル電流:50A
2ガス170ccm
2ガス130ccm
(2) Second step heater: 750 ° C
Time: TiSiON layer 20 minutes Bias voltage: 100V
Furnace pressure: 2.6Pa
Arc current: TiSi target 100A
Coil current: 50A
N 2 gas 170ccm
O 2 gas 130ccm

(3)第3ステップ
ヒーター:750℃
時間:TiSiO層10分
バイアス電圧:100V
炉内圧:2.6Pa
アーク電流:TiSiターゲット100A
コイル電流:50A
2ガス200ccm
Arガス100ccm
(3) Third step heater: 750 ° C
Time: TiSiO layer 10 minutes Bias voltage: 100V
Furnace pressure: 2.6Pa
Arc current: TiSi target 100A
Coil current: 50A
O 2 gas 200ccm
Ar gas 100ccm

本実施形態では、第1ステップにおいてツナギ層とは別の、耐溶損層とつなぐための0.5μm膜厚の窒化膜を、第2ステップにおいて中間層として酸素量を増やし、窒素量を減らした2.0μm膜厚の傾斜膜を、第3ステップにおいて密着性を高めた酸化層として0.5μm膜厚の酸化膜を、それぞれ形成している。酸化膜は一般に脆いため、密着性が安定している窒化膜の形成を最初に行い、これをベースに導入ガスを傾斜化することで酸窒化膜を形成して密着性を確保しつつ、最終的に酸化膜を成膜する。酸化膜を成膜する際には、Arガスを流入させることによりプラズマが安定化し、3層構造の耐焼付き層を効率よく成膜することができた。上述のようにして作製された耐焼付き層の模式図を図1に示す。   In this embodiment, in the first step, a 0.5 μm-thick nitride film to be connected to the melt-resistant layer, which is different from the shell layer, is used as an intermediate layer in the second step, and the oxygen amount is increased and the nitrogen amount is decreased. An inclined film having a thickness of 2.0 μm is formed as an oxide film having a thickness of 0.5 μm as an oxide layer having improved adhesion in the third step. Since an oxide film is generally brittle, a nitride film with stable adhesion is formed first, and an oxynitride film is formed by tilting the introduced gas on the basis of this to ensure adhesion, and finally An oxide film is formed. When forming the oxide film, the plasma was stabilized by flowing Ar gas, and a seizure-resistant layer having a three-layer structure could be formed efficiently. A schematic diagram of a seizure-resistant layer produced as described above is shown in FIG.

上述のような作製手順により、実施例1〜3及び比較例1に係るSKD61の丸棒材(試験片)を得て、アルミニウム合金溶湯に対する耐焼付き性が付与されているかどうかの評価を行ったので、その内容を説明する。   According to the manufacturing procedure as described above, round bars (test pieces) of SKD61 according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were obtained, and evaluation was made as to whether or not seizure resistance to the molten aluminum alloy was imparted. The contents will be explained.

A.耐溶着試験
図2に示す実験装置によりアルミニウム合金溶湯としてADC12を溶解させたるつぼの中に、実施例1〜3及び比較例1の試験片をそれぞれ浸漬し、アルミニウムの付着状態を比較した。下記[表1]に試験条件を、下記[表2]に試験結果をそれぞれ示す。
A. 2. Welding resistance test The test pieces of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were immersed in crucibles in which ADC12 was melted as an aluminum alloy melt using the experimental apparatus shown in FIG. The test conditions are shown in [Table 1] below, and the test results are shown in [Table 2] below.

ここで、実施例1〜3及び比較例1試験片の作製手順等は、以下のとおりである。なお、これらの実施例及比較例の試験片における耐ヒートクラック層及び耐溶損層は、いずれも上述した手順により成膜されているので、相違する耐焼付き層等の構成のみ記述する。   Here, the production procedures and the like of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 test pieces are as follows. In addition, since the heat-crack-resistant layer and the melt-resistant layer in the test pieces of these examples and comparative examples are both formed by the above-described procedure, only the structure of the different seizure-resistant layers and the like will be described.

(実施例1:TiSiOを含んだ耐焼付き層を有する試験片の作製手順)
上述した段落[0026]〜[0031]の記載のとおりに作製した。
(Example 1: Preparation procedure of a test piece having a seizure-resistant layer containing TiSiO)
It was produced as described in paragraphs [0026] to [0031] above.

(実施例2:TiAlOを含んだ耐焼付き層を有する試験片の作製手順)
<ツナギ層の成膜条件>
ヒーター:750℃
時間:CrN層3分、TiAlN層3分
バイアス電圧:30V
炉内圧:2.6Pa
アーク電流:Crターゲット100A、TiAlターゲット100A
コイル電流:50A
2ガス400ccm
<耐焼付き層の成膜条件>
(1)第1ステップ
ヒーター:750℃
時間:TiAlN層10分
バイアス電圧:100V
炉内圧:2.6Pa
アーク電流:TiAlターゲット100A
コイル電流:50A
2ガス300ccm
(2)第2ステップ
ヒーター:750℃
時間:TiAlON層20分
バイアス電圧:100V
炉内圧:2.6Pa
アーク電流:TiAlターゲット100A
コイル電流:50A
2ガス170ccm
2ガス130ccm
(3)第3ステップ
ヒーター:750℃
時間:TiAlO層10分
バイアス電圧:100V
炉内圧:2.6Pa
アーク電流:TiAlターゲット100A
コイル電流:50A
2ガス200ccm
Arガス100ccm
(Example 2: Preparation procedure of test piece having seizure-resistant layer containing TiAlO)
<Conditions for forming the jump layer>
Heater: 750 ° C
Time: CrN layer 3 minutes, TiAlN layer 3 minutes Bias voltage: 30V
Furnace pressure: 2.6Pa
Arc current: Cr target 100A, TiAl target 100A
Coil current: 50A
N 2 gas 400ccm
<Filming conditions for seizure-resistant layer>
(1) First step Heater: 750 ° C
Time: TiAlN layer 10 minutes Bias voltage: 100V
Furnace pressure: 2.6Pa
Arc current: TiAl target 100A
Coil current: 50A
N 2 gas 300ccm
(2) Second step heater: 750 ° C
Time: TiAlON layer 20 minutes Bias voltage: 100V
Furnace pressure: 2.6Pa
Arc current: TiAl target 100A
Coil current: 50A
N 2 gas 170ccm
O 2 gas 130ccm
(3) Third step heater: 750 ° C
Time: TiAlO layer 10 minutes Bias voltage: 100V
Furnace pressure: 2.6Pa
Arc current: TiAl target 100A
Coil current: 50A
O 2 gas 200ccm
Ar gas 100ccm

(実施例3:ZrOを含んだ耐焼付き層を有する試験片の作製手順)
<ツナギ層の成膜条件>
ヒーター:750℃
時間:CrN層3分、ZrN層3分
バイアス電圧:30V
炉内圧:2.6Pa
アーク電流:Crターゲット100A、Zrターゲット100A
コイル電流:50A
2ガス400ccm
<耐焼付き層の成膜条件>
(1)第1ステップ
ヒーター:750℃
時間:ZrN層10分
バイアス電圧:100V
炉内圧:2.6Pa
アーク電流:Zrターゲット100A
コイル電流:50A
2ガス300ccm
(2)第2ステップ
ヒーター:750℃
時間:ZrON層20分
バイアス電圧:100V
炉内圧:2.6Pa
アーク電流:Zrターゲット100A
コイル電流:50A
2ガス170ccm
2ガス130ccm
(3)第3ステップ
ヒーター:750℃
時間:ZrO層10分
バイアス電圧:100V
炉内圧:2.6Pa
アーク電流:Zrターゲット100A
コイル電流:50A
2ガス200ccm
Arガス100ccm
(Example 3: Preparation procedure of a test piece having a seizure-resistant layer containing ZrO)
<Conditions for forming the jump layer>
Heater: 750 ° C
Time: CrN layer 3 minutes, ZrN layer 3 minutes Bias voltage: 30V
Furnace pressure: 2.6Pa
Arc current: Cr target 100A, Zr target 100A
Coil current: 50A
N 2 gas 400ccm
<Filming conditions for seizure-resistant layer>
(1) First step Heater: 750 ° C
Time: ZrN layer 10 minutes Bias voltage: 100V
Furnace pressure: 2.6Pa
Arc current: Zr target 100A
Coil current: 50A
N 2 gas 300ccm
(2) Second step heater: 750 ° C
Time: ZrON layer 20 minutes Bias voltage: 100V
Furnace pressure: 2.6Pa
Arc current: Zr target 100A
Coil current: 50A
N 2 gas 170ccm
O 2 gas 130ccm
(3) Third step heater: 750 ° C
Time: ZrO layer 10 minutes Bias voltage: 100V
Furnace pressure: 2.6Pa
Arc current: Zr target 100A
Coil current: 50A
O 2 gas 200ccm
Ar gas 100ccm

(比較例1:耐焼付き層を形成しない試験片の作製手順)
比較例1に係る丸棒材は、耐焼付き層を形成しないものとした。
(Comparative example 1: Production procedure of test piece not forming seizure-resistant layer)
The round bar material according to Comparative Example 1 did not form a seizure-resistant layer.

評価の結果、上記[表2]に示すように、実施例1〜3の丸棒材はそれぞれ、アルミニウムの付着がなく良好な耐焼付き性を有していることが確認された。一方、比較例1に係る丸棒材はアルミニウムの付着が認められ、回数を重ねる毎に付着量が大きくなった。なお、図3(a)から、実施例1の試験片は、TiSiOを含んだ耐焼付き層により、アルミニウムの付着がなく良好な耐焼付き性を有していることが理解される。図3(b)から、比較例1の試験片は、耐焼付きを有していないのでアルミニウムの付着が認められる。   As a result of the evaluation, as shown in [Table 2] above, it was confirmed that each of the round bar materials of Examples 1 to 3 had good seizure resistance without adhesion of aluminum. On the other hand, adhesion of aluminum was recognized in the round bar material according to Comparative Example 1, and the amount of adhesion increased each time the number of times was increased. From FIG. 3 (a), it is understood that the test piece of Example 1 has good seizure resistance without adhesion of aluminum due to the seizure resistance layer containing TiSiO. From FIG.3 (b), since the test piece of the comparative example 1 does not have seizure resistance, adhesion of aluminum is recognized.

B.密着性評価試験
実施例1〜3及び比較例1に係る試験片に対し、ロックウェル高度計で圧痕を作り、剥離状態を評価した。その評価基準は、ロックウェル圧痕試験で基準内に剥離状態が収まるものを合格と判断し、基準外となったものを不合格と判断した。試験基準とする模式図を図4に示した。また、下記[表3]に試験結果を示す。
B. Adhesion evaluation test With respect to the test pieces according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, indentations were made with a Rockwell altimeter, and the peeled state was evaluated. As the evaluation criteria, in the Rockwell indentation test, those in which the peeled state was within the criteria were judged as acceptable, and those outside the criteria were judged as unacceptable. A schematic diagram as a test standard is shown in FIG. The test results are shown in [Table 3] below.

評価の結果、上記[表3]に示すように、実施例1〜3の試験片はそれぞれ、良好な密着性を有していることが確認された。なお、比較例1の試験片についても良好な密着性が示されたため、耐溶損性については十分な効果が見込めるものと示唆される。   As a result of the evaluation, as shown in [Table 3] above, it was confirmed that each of the test pieces of Examples 1 to 3 had good adhesion. In addition, since the favorable adhesiveness was shown also about the test piece of the comparative example 1, it is suggested that sufficient effect can be anticipated about melt-resistance.

(参考例:TiOを含んだ耐焼付き層を有する試験片)
参考例としてTiOを含んだ耐焼付き層を有する試験片を、上述した作製手順に沿うようにして作製した。しかし、作製された試験片は、耐溶着試験においてアルミニウムの付着が認められ、本発明に係る金属材料の表面処理方法に用いる酸化物として採用することはできないと判断した。
(Reference example: test piece having a seizure-resistant layer containing TiO)
As a reference example, a test piece having a seizure-resistant layer containing TiO was produced in accordance with the production procedure described above. However, it was judged that the produced test piece was not able to be used as an oxide used in the surface treatment method for a metal material according to the present invention because adhesion of aluminum was recognized in the welding resistance test.

したがって、本発明に係る金属材料の表面処理方法により、金属材料の表面にTiSiO、TiAlO、ZrOのいずれかにより成膜し、このような酸化物を含んだ耐焼付き層を形成することにより、この金属材料が、アルミニウム合金溶湯に対して優れた耐焼付き性能を備えることを確認した。さらに、金属材料の表面と耐焼付き層との間に、耐ヒートクラック層及び耐溶損層を形成することにより、耐焼付き性のほか、耐ヒートクラック性及び耐溶損性をさらに付与することができる。また、耐溶損層と耐焼付き層との間に、これらの界面を無くすツナギ層を形成することにより、耐溶損層と耐焼付き層との密着性を向上させることができる。耐焼付き層を3層構造にして形成することにより、耐焼付き層自体の密着性を得るとともに安定した成膜を達成することができた。   Therefore, the surface treatment method for a metal material according to the present invention forms a film on the surface of the metal material by using any one of TiSiO, TiAlO, and ZrO, and forms a seizure-resistant layer containing such an oxide. It was confirmed that the metal material has excellent seizure resistance performance against the molten aluminum alloy. Furthermore, by forming a heat crack resistant layer and a corrosion resistant layer between the surface of the metal material and the seizure resistant layer, in addition to seizure resistance, it is possible to further impart heat crack resistance and corrosion resistant property. . Further, by forming a jump layer that eliminates these interfaces between the melt-resistant layer and the seizure-resistant layer, the adhesion between the melt-resistant layer and the seizure-resistant layer can be improved. By forming the seizure-resistant layer in a three-layer structure, the adhesion of the seizure-resistant layer itself was obtained and a stable film formation could be achieved.

そして、上述した実施形態(実施例)において金属材料として採用したのは、ダイカスト金型の素材として汎用されるSKD61であるので、ダイカスト金型の成形面を、本発明により表面処理することで、すなわち、TiSiO、TiAlO、ZrOのいずれか又は、これらから選ばれる2種以上の組み合わせにより成膜することで、ダイカスト金型の成形面にアルミニウム合金溶湯に対する耐焼付き性を付与することができる。   And since what was employ | adopted as a metal material in embodiment (Example) mentioned above is SKD61 widely used as a raw material of a die-casting die, surface treatment of the molding surface of a die-casting die by the present invention, That is, the seizure resistance to the molten aluminum alloy can be imparted to the molding surface of the die-casting die by forming a film by using any one of TiSiO, TiAlO, ZrO, or a combination of two or more selected from these.

以上、本発明の出願人が最良であると信じる実施形態及び実施例のいくつかを詳述したが、本発明は、特許請求の範囲に記載された事項を逸脱することがなければ、上記実施形態に限定されることなく、種々の設計変更を行うことが可能である。例えば、耐ヒートクラック層や耐溶損層については上述したCr層、Cr層とCrN層とからなる層の例のほか、所望の性能を満たすもので形成すればよく、ツナギ層についても耐溶損層の構成により適宜、その化合物組成等の構成を変更することができる。TiSiO、TiAlO、ZrO以外の酸化物であっても、Ti、Si、Al、Zrの4元素から選ばれる1種又は2種以上の元素からなる酸化物(TiOを除く)であれば、この酸化物を含んだ耐焼付き層が優れたアルミニウム合金溶湯に対する耐焼付き性を具備することができる。例えば、SiO(SiO、SiO2等)、AlO(Al23等)、TiZrOx、SiZrOx、AlZrOx、TiAlZrOx、TiSiZrOx、SiAlZrOx、TiSiAlZrOx等の酸化物を挙げることができる。 The embodiments and examples believed to be the best by the applicant of the present invention have been described in detail. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments unless departing from the scope of the claims. Without being limited to the form, various design changes can be made. For example, the heat-crack-resistant layer and the melt-resistant layer may be formed by satisfying the desired performance in addition to the above-described examples of the Cr layer, the Cr layer and the CrN layer. Depending on the structure, the composition such as the compound composition can be appropriately changed. Even if it is an oxide other than TiSiO, TiAlO, and ZrO, this oxide can be used if it is an oxide (excluding TiO) composed of one or more elements selected from the four elements of Ti, Si, Al, and Zr. The seizure-resistant layer containing an object can have excellent seizure resistance against molten aluminum alloy. Examples thereof include oxides such as SiO (SiO, SiO 2 etc.), AlO (Al 2 O 3 etc.), TiZrO x , SiZrO x , AlZrO x , TiAlZrO x , TiSiZrO x , SiAlZrO x , TiSiAlZrO x and the like.

1 試験片
2 アルミニウム合金溶湯
3 電気炉
4 黒鉛るつぼ
1 Test piece 2 Aluminum alloy molten metal 3 Electric furnace 4 Graphite crucible

Claims (6)

金属材料の表面に被膜を成膜し、前記金属材料にアルミニウム合金溶湯に対する耐焼付き性を付与する金属材料の表面処理方法であって、
前記金属材料の表面に、Ti、Si、Al、Zrの4元素から選ばれる1種又は2種以上の元素からなる酸化物であって、そのうちTiOを除いた酸化物の少なくとも1種又は2種以上の組み合わせにより成膜し、前記酸化物を含んだ耐焼付き層を形成する、
ことを特徴とする金属材料の表面処理方法。
A surface treatment method of a metal material that forms a film on the surface of the metal material and imparts seizure resistance to the molten aluminum alloy to the metal material,
On the surface of the metal material, an oxide composed of one or more elements selected from four elements of Ti, Si, Al, and Zr, of which at least one or two of oxides excluding TiO A film is formed by the above combination to form a seizure-resistant layer containing the oxide.
A surface treatment method for a metal material.
前記酸化物が、TiSiO、TiAlO、ZrOである、
ことを特徴とする請求項1に記載の金属材料の表面処理方法。
The oxide is TiSiO, TiAlO, ZrO.
The surface treatment method for a metal material according to claim 1.
前記金属材料の表面と前記耐焼付き層との間に、耐ヒートクラック層及び耐溶損層を形成する、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の金属材料の表面処理方法。
Between the surface of the metal material and the seizure resistant layer, a heat crack resistant layer and a melt resistant layer are formed.
The surface treatment method for a metal material according to claim 1 or 2, characterized in that
前記耐溶損層と前記耐焼付き層との間に、これらの界面を無くすツナギ層を形成する、
ことを特徴とする請求項3に記載の金属材料の表面処理方法。
Between the melt-resistant layer and the seizure-resistant layer, a jump layer that eliminates these interfaces is formed.
The surface treatment method for a metal material according to claim 3.
前記耐焼付き層を、3層構造として構成する、
ことを特徴とする請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の金属材料の表面処理方法。
Configuring the seizure-resistant layer as a three-layer structure;
The surface treatment method for a metal material according to any one of claims 1 to 4, wherein:
前記金属材料を基材とするダイカスト用金型であって、請求項1〜請求項5の何れか1項に記載の金属材料の表面処理方法により、成形面が処理されてなることを特徴とするダイカスト用金型。   A die-casting die having the metal material as a base material, wherein a molding surface is treated by the surface treatment method for a metal material according to any one of claims 1 to 5. Die casting mold.
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