JP2014173187A - 高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生方法、並びにそのシステム - Google Patents

Abstract

【課題】自動車のドアなどに微細屈曲を発生させる球状黒鉛鋳鉄材のプレス金型の特定部位（破損部位）に、金型の耐磨耗性及び耐疲労性を大きく向上させ、球状黒鉛鋳鉄材で製造された金型の肉盛効率を向上させた金型の補正及び再生方法を提供する。
【解決手段】球状黒鉛鋳鉄材を母材とするプレス金型の破損部に、高速火炎溶射コーティング法による鉄系合金粉末コーティング層を形成するステップと、金型のコーティング層の表面を、プラズマイオン窒化法により窒化処理して、表面を硬化させることで、コーティング層上に窒化層を形成するステップとを含み、高速火炎溶射コーティング法を行う前処理工程として、金型の破損部の表面に対する表面粗度を制御するステップと、プラズマイオン窒化法を行う前に、コーティング層の表面を研磨するステップと、不純物を除去するステップとをさらに含むことを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生方法、並びにそのシステムに係り、より詳しくは、自動車のドアなどに微細屈曲を発生させるプレス金型の特定部位（破損部位）を、本来の状態に補正及び再生させる高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生方法、並びにそのシステムに関する。

最近、自動車デザインは、車の性能と同様に消費者の好みを満たすための重要な要素となっている。このために、自動車は複合曲面を有するデザインとなり、難成形（Ｈａｒｄ−ｔｏ−Ｆｏｒｍ）生産技術の開発が必要になっている。
難成形生産技術の一例として、プレス金型を利用して、自動車の外板を製造する技術がある。
しかし、プレス金型を利用して、自動車の外板を製造する時、金型の表面の破損部位により外板に誘発される引張バランス差によって、外板製品に微細屈曲（図１参照）のような不良が発生するという問題がある。
不良が発生した時、外板に発生する微細屈曲の補正のための従来技術の一例として、金型の破損部位に、溶接棒を利用したアーク溶接のような肉盛溶接を行って、金型の破損部位を、本来の形状に再生する補正（補修）方法が行われてきた（例えば、特許文献１参照）。

しかし、金型の破損部位に対する溶接は、溶接厚さを制御することが難しく、また、母材の熱変形を誘発するだけでなく、肉盛期間が長く、金型の破損部位に対する精密な寸法施工のために複数回数の補正を行わなければならないという問題がある。
また、アーク溶接のような肉盛溶接により再生された金型の表面は、クロムメッキ処理されるが、このようなメッキ層は、厚さを制御しがたいだけでなく、プレス操業時に金型を予熱して、強い圧力で上下動作を数千回繰り返せば、結局、メッキ層の硬度差によって、メッキ層の剥離現象が避けられず、定期的に金型を再メッキしなければならないという問題がある。
このクロムメッキは、４００℃以上では使用しがたいという欠点を有しているだけでなく、製造中に砒素やカドミウムよりも毒性の強いＣｒ^６＋によって環境問題を引き起こす。

前述した肉盛溶接を利用した金型の補正方法において発生する問題を解決するために、特許文献２には、金型の破損部位に、金属パウダーを一定の高さに供給した後、低入熱のレーザービームを高速で照射して、溶融部を生成すると共に、冷却エアを通じて、溶融部を急速冷凍させる過程を繰り返して、金型の破損部位を高強度合金化する補修技術が開示されている。
しかし、低入熱のレーザービームを使用して、金型の局所部位を補修する技術は、前述したアーク溶接の肉盛溶接の問題点は改善したが、金属パウダーなどの１回の積層の高さが０．８ないし１．２ｍｍであるので、マイクロメーター単位の補正技術を必要とする金型の微細屈曲の補正技術には適せず、高強度合金化のためのさらなる急冷工程が必要であり、これによる生産コストと肉盛工程時間の増加によって、効率が低下するという問題がある。
金型の再生方法の他の従来法として、特許文献３には、イオン窒化の表面処理面を備えた金型の再生方法が開示されている。
しかしながらこの方法は、クロムメッキ法による従来の金型の再生方法に代えて、イオン窒化による表面処理面を行うことが記載されているだけであり、具体的な肉盛溶接層の材質や金型の種類、及び具体的なイオン窒化工程の条件及び過程などが開示されていないため、金型の再生効果が明確でない。

その他の従来技術として、熱的スプレー成形スチール（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｓｐｒａｙ−ｆｏｒｍｅｄ ｓｔｅｅｌ）で製造された金型の補修のために、ＴＩＧ溶接または混合粉末コーティングを行う方法、あるいは、熱的スプレー成形スチールで製造された金型の補修部位に、低温噴射コーティング層を形成した後、電気溶接工程または低温噴射積層工程を適用して、部分肉盛する技術が開示されている。
しかし、少量のＭｇを含み、黒鉛が球状に存在する鋳鉄であって、一般の灰鋳鉄に比べて、強度及び軟性が向上した素材である球状黒鉛鋳鉄（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｇｒａｐｈｉｔｅ Ｃａｓｔ Ｉｒｏｎ）を母材として製造されたプレス金型に、噴射コーティング積層を通じる部分補正技術を適用した事例はまだ全くなく、球状黒鉛鋳鉄材で製造された金型の部分補正技術の開発が急務であった。

特開平１０−１０９１７９号公報 韓国公開特許１０−２０１１−００６７９８１号公報 韓国公開特許１０−２００７−０１０７９６６号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、自動車のドアなどに微細屈曲を発生させる球状黒鉛鋳鉄材のプレス金型の特定部位（破損部位）に、金型の耐磨耗性及び耐疲労性を大きく向上させた金型の補正及び再生方法およびそのシステムを提供することにある。

上記の目的を達成するためになされた本発明の高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生方法は、球状黒鉛鋳鉄材を母材とするプレス金型の破損部に、高速火炎溶射コーティング法による鉄系合金粉末コーティング層を形成するステップと、金型のコーティング層の表面を、プラズマイオン窒化法により窒化処理して、表面を硬化させることで、コーティング層上に窒化層を形成するステップと、を含むことを特徴とする。

金型が球状黒鉛鋳鉄材を母材とすることで、高速火炎溶射コーティング法によるコーティング素材は、商用鉄系合金であるＦＥ−１０１粉末、ＦＥ−２０６粉末及びＦＥ−１０８粉末から選択されたいずれか一つであることを特徴とする。
鉄系合金粉末は、２５ないし３５μｍ範囲の平均直径を有することを特徴とする。
高速火炎溶射コーティング法を行う前の前処理工程として、金型の破損部の表面に対する表面粗度を制御するステップをさらに含むことを特徴とする。
表面粗度を制御するステップは、サンド・ショットブラスティング法を利用して行われ、表面粗度は、Ｒａ＝５．６３±０．４１μｍ以上に制御されることを特徴とする。

高速火炎溶射コーティング法は、酸素流量と燃料流量とを増減調節して、粉末粒子の溶融温度が最適化される条件下で行われることを特徴とする。
金型コーティング層の表面は、プラズマイオン窒化法により、鉄系合金粉末コーティング層上に、１７ないし５０μｍの窒化層が形成されることを特徴とする。
窒化層は、コーティング層の深度部に形成される窒素拡散層と、窒素拡散層上で、金型の表面を成すＣｒＮ，Ｆｅ_４Ｎ，Ｆｅ_２−３Ｎを含む窒素化合物層とから構成されることを特徴とする。

プラズマイオン窒化法を行う前に、コーティング層の表面を＃１０００ないし＃２０００研磨するステップと、アルコール超音波洗浄により、不純物を除去するステップとがさらに行われることを特徴とする。
一方、プラズマイオン窒化法は、金型の使用環境と要求条件によって、窒化層の組職と深度とを決定する時間、温度、電圧及びガス比を調節して行われることを特徴とする。

本発明によれば、鉄系合金粉末を高速火炎溶射（Ｈｉｇｈ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｏｘｙ−Ｆｕｅｌ Ｓｐｒａｙｉｎｇ）コーティング技術により積層して、金型の特定部位を肉盛し、肉盛された部分をプラズマイオン窒化処理して、表面に窒化層を形成すると共に、鉄系合金粉末によるコーティング層の深度に窒素拡散層を形成することで、自動車のドアなどに微細屈曲を発生させる球状黒鉛鋳鉄材のプレス金型の特定部位（破損部位）に、マイクロメートル単位でコーティング層の積層厚さを計量化及び制御することができるため、精密な寸法施工のための補正回数を減らし、生産能率向上及び生産コスト低減の効果を提供することができる。
また、高速火炎溶射コーティング法は、従来の溶接肉盛技術に比べて、相対的に低温積層が可能であり、従来のアーク溶接肉盛とは異なり、金型の補修時に母材の熱変形を最小化することができる。
特に、プラズマイオン窒化法を通じる補正金型の表面硬化を行って、金型の表面の窒素化合物層と、コーティング層の深度の窒素拡散層とを備える窒化層を形成することで、金型の耐磨耗性及び耐疲労性を向上させ、金型の破損を抑制して、金型の使用寿命を延長することができる。

また、プラズマイオン窒化法は、グロー放電によって窒素ガスをイオン化させるので、低温で金型を窒化させることができ、また、アンモニア（ＮＨ_３）ガスと亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）とを使用しないので、親環境的な窒化が可能である。
さらに、プラズマイオン窒化工程時のスパッタリング効果を利用して、被処理物の表面の酸化物分解及び表面活性化を通じて、難窒化金属であるアルミニウム、ステンレス鋼及び鋳鉄を窒化するのに効果的である。
さらにまた、プラズマイオン窒化法は、多様な工程条件（温度、時間、圧力、ガス比）下で形成される窒化物の相及び窒化層の厚さを変化させるので、再生金型の特性及び使用用途によって、選択的に金型の表面特性を変化させ、金型の補修及び再生の効率性を向上させることができる。

プレス金型によって製造されたドアの外板に微細屈曲が発生した例を示すイメージ図である。 本発明による高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型のコーティング層の積層構造を示す概略図である。 金型とコーティング層との緻密な界面を形成させるための球状黒鉛鋳鉄の表面粗度を示す図面であり、Ｒ１は表面粗度Ｒａ＝３．８１±０．０７μｍ、Ｒ２は表面粗度Ｒａ＝５．６３±０．４１μｍ、Ｒ３は表面粗度Ｒａ＝９．５４±０．５５μｍの表面粗度を示す。 金型（球状黒鉛鋳鉄）にコーティングされた鉄系合金粉末の積層例、及び表面粗度によるコーティング層と金型との間の密着力及び接合強度を示すイメージ図であり、Ｒ１は表面粗度Ｒａ＝３．８１±０．０７μｍの表面に高速火炎溶射コーティングされ、コーティング層と母材との界面にクラックが発生した図、Ｒ２は表面粗度Ｒａ＝５．６３±０．４１μｍの表面に高速火炎溶射コーティングされたコーティング層と母材を示す図、Ｒ３は表面粗度Ｒａ＝９．５４±０．５５μｍの表面粗度の表面に高速火炎溶射コーティングされたコーティング層と母材を示す図である。 本発明の方法による鉄系合金粉末の積層厚さの計量化例を示すグラフであり、（ａ）はモデルＦＥ−１０１、（ｂ）はモデルＦＥ−２０６、（ｃ）はモデルＦＥ−１０８の例である。 本発明によるプラズマイオン窒化工程を示す工程図である。 本発明によるプラズマイオン窒化処理後、補修金型の断面の窒素拡散層を示す断面図であり、コーティング素材が（ａ）はモデルＦＥ−１０１、（ｂ）はモデルＦＥ−２０６、（ｃ）はモデルＦＥ−１０８の例である。 本発明によるプラズマイオン窒化処理後、補修金型のコーティング断面の微細硬度プロファイルを示す図面である。 本発明の高速火炎溶射コーティング法に使われる噴射ガンの構造を示す概略図である。

以下、本発明の望ましい実施形態を、添付した図面を基に詳細に説明する。
本発明は、自動車用ドアなどに微細屈曲を発生させる球状黒鉛鋳鉄材のプレス金型の破損部位を、高速火炎溶射コーティング法を通じて精密に原型に補正することが可能な積層厚さ計量化技術を提供し、かつ高速火炎溶射コーティング後、金型の表面をプラズマイオン窒化法により窒化処理して、表面を硬化させることで、耐摩耗性及び耐疲労性を向上させると共に、金型肉盛の効率性を向上させる高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した効果的な金型の補正及び再生方法を提供したものである。

このために、まず、プレス金型の母材である球状黒鉛鋳鉄材に適しているコーティング粉末を選定した。
高速火炎溶射コーティング法によるコーティング素材として、プレス金型の母材である球状黒鉛鋳鉄との相互適合性及び母材に対する優秀な機械的特性（硬度、耐磨耗性及び接合強度）、及び、コーティング肉盛後の表面窒化処理などを考慮して、下記の表１の商用鉄系合金（ステンレス鋼）の素材群を選定した。

表１のとおり選定された商用鉄系合金の素材群のうち、ＦＥ−１０１粉末は、オステナイトステンレス鋼素材であって、低温噴射積層効率が高く、工程の制御を通じて、変形硬化及び結晶粒微細化による結晶粒系の強化を具現して、コーティング強度特性を向上させるというメリットがある。
また、表１に示したＦＥ−２０６粉末は、マルテンサイト型の析出硬化ステンレス鋼素材であって、分散されたＣｕ析出物に対する硬化効果を有し、一方、ＦＥ−１０８粉末は、硬化能に優れたマルテンサイトステンレス鋼素材である。

プレス金型の補正及び再生のための高速火炎溶射コーティング用の粉末素材、すなわち、鉄系合金粉末を選定した後は、鉄系合金粉末の直径を決定した。鉄系合金粉末の直径は、コーティング性を決定する重要な因子である。
鉄系合金粉末の直径が１５μｍ以下と小さすぎる場合には、粉末が完全に溶融されて、高速火炎溶射コーティングのためのノズルに詰まりが生じ、コーティングできなくなる恐れがある。

一方、鉄系合金粉末の直径が３５μｍ以上と大きすぎる場合には、高速火炎溶射コーティングのためのガスが粉末粒子を十分に加速させることができないので、粒子のコーティングが十分に行われず、かつコーティングされた粒子も、未溶融のまま結合するため気孔が多く存在し、粒子間に脆弱な界面を形成し、結局、クラックが発生して、コーティング層の剥離が起こる恐れがある（図２参照）。
したがって、本発明においては、金型の微細屈曲の補正に使われる鉄系合金粉末の平均直径を、２５ないし３５μｍの範囲に設定した。
上記のとおり、プレス金型の補正及び再生のための高速火炎溶射コーティング用の粉末素材の選定及び粉末素材の直径が決定されると次に、金型のコーティング面に対する前処理として、表面粗度を制御する工程が行われた。

金型のコーティング層が形成される面（破損部の表面）に対する表面粗度を制御する理由は、コーティング層の接合強度を確保するためである。
このために、高速火炎溶射コーティングをする前の前処理工程として、サンド・ショットブラスティング工程を行って、金型のコーティングのための表面粗度を制御する。
より詳しくは、金型の母材とコーティング層との間の密着性、優秀な接合強度及び耐久性を確保するための必須の前処理工程として、サンド・ショットブラスティング工程を行うことで、一定の表面粗度以上で、金型の母材とコーティング層との間の一定の接合強度を維持すると共に、緻密な界面を形成することができる。
望ましくは、サンド・ショットブラスティング工程を通じて母材（球状黒鉛鋳鉄）の表面粗度は、Ｒａ＝５．６３±０．４１μｍ以上とすることが望ましい。その理由は、Ｒａ＝５．６３±０．４１μｍ以下では、金型の母材とコーティング層との接触面積が小さく、接合強度が相対的に低下するため、母材とコーティング層との界面でクラックが発生する恐れがあるからである。

したがって、本発明の高速火炎溶射コーティング部によるコーティングを行う前の前処理工程として、金型の破損部の表面に対する表面粗度を、サンド・ショットブラスティング法により制御する表面粗度制御部によって調節する。
図３には、本発明の金型の母材に対する表面粗度の制御のための試験例として、異なる表面粗度を有する３種の球状黒鉛鋳鉄表面を示した。表面粗度がＲ１：Ｒａ＝３．８１±０．０７μｍ、Ｒ２：Ｒａ＝５．６３±０．４１μｍ、Ｒ３：Ｒａ＝９．５４±０．５５μｍとなるように、金型の母材にサンド・ショットブラスティング工程を行い、その上に高速火炎溶射コーティング法によるコーティング層を形成した。その結果を、図４に示した。

図４のＲ１に示したとおり、サンド・ショットブラスティング工程により母材（球状黒鉛鋳鉄）の表面粗度がＲａ＝３．８１±０．０７μｍである場合、コーティング層と母材との界面にクラックが発生することを確認した。一方、図４のＲ２，Ｒ３に示したとおり、表面粗度がＲａ＝５．６３±０．４１μｍ以上では、母材とコーティング層との緻密な界面を形成することが分かった。
したがって、金型の母材（球状黒鉛鋳鉄）の表面粗度は、Ｒａ＝５．６３±０．４１μｍ以上となるように、サンド・ショットブラスティング工程を行うことが必要である。

次いで、一定の表面粗度を有する金型の母材の破損部の表面に、高速火炎溶射コーティング法によるコーティング層を形成する工程が行われた。
すなわち、球状黒鉛鋳鉄材を母材とするプレス金型の破損部に、高速火炎溶射コーティング部による高速火炎溶射コーティング法に基づいて、鉄系合金粉末コーティング層を形成するステップが行われた。
このために、プレス金型の補修のための最適のコーティング工程条件が確立されなければならない。
すなわち、高速火炎溶射コーティング法は、燃料及びガスの圧力、流量制御を通じて、粉末の飛行速度と温度とを制御することで、コーティングの積層効率を決定し、コーティング層と母材との間の密着性及び気孔度などのコーティング微細組職特性を決定するので、優秀な特性の金型補正コーティング層を形成するために、燃料及びガスの種類、圧力及び流量条件に対する工程の最適化が確立されなければならないと共に、コーティング層の形成のための量産性に適している最適化された工程条件が確立されなければならない。
この時、高速火炎溶射コーティング法に使われた装備は、ＴＡＦＡ社製のＪＰ−５０００であり、最適の工程変数を導出するために、表２に示したとおり、高速火炎溶射装備（ＪＰ−５０００）の製造社であるＴＡＦＡ社のテクニカルデータに提供されたコーティング粉末の工程変数（Ｃ２条件）を基準として、酸素流量と燃料流量とを増減して、コーティングを行った。

本発明による高速火炎溶射コーティング法は、燃料としてケロセンを使用し、ケロセンが酸素と混合して燃焼される時に発生する高温及び高速のガスを利用して、粉末を加熱及び加速させ、金型に衝突させてコーティングする方法である。

図９に示したとおり、高速火炎溶射コーティング法は、燃料及び酸素などが移送される経路と、窒素キャリアガスと共に金属粉末（表１参照）が移送される経路とが形成されたスプレーガンを利用して行われた。
次いで、ケロセンが酸素と混合して燃焼される時の高温及び高速のガスによって、粉末が加熱及び加速された後、コーティングガンのノズルを通じて噴射されると共に、金型に衝突しつつコーティング層を形成した。
また、高速火炎溶射コーティング法を行う途中のキャリアガスは、窒素を使用し、金型の母材に対する冷却は、外部の冷却装置なしに空冷を行った。

したがって、図２に示したとおり、球状黒鉛鋳鉄から形成された金型の母材の表面に、高速火炎溶射コーティング法によるコーティング層として、鉄系合金粉末コーティング層が形成される。
この時、高速火炎溶射コーティング法を完了した後のコーティング層の微細組職は、よく溶融された粒子が再凝固されて、曲線状に長く垂れて層状構造を成すスプラット（ｓｐｌａｔ）、溶融されていない未溶融粒子、表面のみが部分的に溶融された粒子、気孔、溶射コーティング時に衝突により分化された微粒子形態の破片（ｄｅｂｒｉｓ）などが存在する。
粉末粒子の溶融温度が最適条件（例えば、表２のＣ２工程条件）である場合、粉末粒子が高速で母材に衝突すると共に、適当に広がって、薄膜（ｌａｍｅｌｌａ）構造またはスプラットを形成した。

一方、粉末粒子の溶融温度が最適条件（例えば、表２のＣ２工程条件）に比べて高いか（例えば、表２のＣ１工程条件）、または低い場合（例えば、表２のＣ３工程条件）には、内部欠陥のある微細構造を有する。
粉末粒子の溶融温度が最適条件（例えば、表２のＣ２工程条件）に比べて高い場合（例えば、表２のＣ１工程条件）、高温のガス流動場内で酸化などの望ましくない反応により、粉末相変態（Ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）が発生して、Ｆｅ_３Ｏ_４のような酸化物が支配的に形成される。
このように支配的に形成された酸化物は、冷却中に熱膨脹係数差によって、酸化物と粉末粒子との間に脆弱な界面を形成するので、コーティング層内に、均一でなく、かつ脆弱な機械的特性（微細硬度、接合強度）を発生させ、また、完全に溶融された粒子は、母材と衝突する瞬間に広がり性が高く、広く広がる現象が起こるので、図５のグラフのＣ１で示したとおり、コーティング層の積層効率（スプレー回数に対する積層厚さ）が低下するという問題がある。

一方、粉末粒子の溶融温度が最適条件（例えば、表２のＣ２工程条件）に比べて低い場合（例えば、表２のＣ３工程条件）、粉末粒子が十分な熱を供給されず、未溶融粒子が金型の母材の表面に衝突して積層されるので、粒子間の密着力が弱く、粒子間の弱い界面の間にクラックが成長して、コーティング層の剥離が起こるという問題がある（図４のＲ１参照）。
したがって、本発明は、高速火炎溶射コーティング法によるコーティング層の微細組職と粉末の積層効率の最適化のために、表２に記載されたＣ２工程条件（粉末粒子の溶融温度が最適化される条件）によって、高速火炎溶射コーティング法を行った。
より詳しくは、スプレーガンのバーレル４″、金型の母材に対する噴射距離１４″、噴射速度３００ｍｍ／ｓ、噴射ピッチ５ｍｍ、噴射量７６ｇ／ｍｉｎ、酸素流量１８００ｓｃｆｈ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｕｂｉｃ Ｆｅｅｔ ｐｅｒ Ｈｏｕｒ）、燃料流量１８００ｇｐｈ（Ｇａｌｌｏｎ ｐｅｒ Ｈｏｕｒ）、キャリアガス（Ｎ_２）２０±２ｓｃｆｈなどを含むＣ２工程条件（粉末粒子の溶融温度が最適化される条件）によって、高速火炎溶射コーティング法を行った。

次いで、プラズマイオン窒化法を利用して、金型の破損部にコーティングされたコーティング層の表面硬化工程が行われた。
すなわち、プラズマイオン窒化部に基づいて、金型のコーティング層の表面をプラズマイオン窒化法により窒化処理して、表面を硬化させることで、コーティング層上に窒化層を形成するステップが行われた。
図６に示したとおり、補正された金型の表面、すなわち、金型の破損部の表面に形成されたコーティング層の表面硬化及び耐磨耗性の向上のためのプラズマイオン窒化法は、窒化用反応チャンバーの内部に真空引きするステップ（ｐｕｍｐｉｎｇ）と、予熱ステップ（ｈｅａｔｉｎｇ）と、スパッタステップ（ｓｐｕｔｔｅｒ ｃｌｅａｎｉｎｇ）と、プラズマを利用した窒化ステップ（ｐｌａｓｍａ ｎｉｔｒｉｄｉｎｇ）と、冷却ステップ（ｃｏｏｌｉｎｇ）とを含む。

上記の各工程ステップをさらに詳細に説明する。
まず、プラズマイオン窒化法を行う前に、前述した最適の高速火炎溶射コーティング法（例えば、表２のＣ２条件）によって補正された金型のコーティング層の表面を、ＳｉＣ紙やすりなどを利用する研磨部により、研磨粒度＃１０００ないし＃２０００で研磨した後、１０分間、洗浄部によるアルコール超音波洗浄により、不純物を除去した。
次いで、反応チャンバー内に金型をローディングした後、高真空のポンプでチャンバーの内部の空気を真空引きした後、金型の表面に電圧を加え、１トール以下に圧力が低下することを確認した。３０分間３００℃にチャンバーを予熱させた。

次いで、スパッタステップでは、ＡｒとＨ_２の混合ガス雰囲気で、２５０Ｖの電圧を印加すると、プラズマが形成されて、表面に形成されたＣｒ_２Ｏ_３の安定した酸化膜が、エッチングを通じて除去された。
プラズマを利用した窒化工程は、Ｈ_２とＮ_２の混合ガスを使用して、工程圧力が１．６トール、電源は３０Ａ以上の固定電流を使用して、５５０℃で１０時間窒化を行い、冷却は真空中で徐冷された。

上記の工程を通じて、図７に示したとおり、高速火炎溶射コーティング法によってコーティングされたコーティング層（鉄系合金粉末コーティング層）上に、約１７ないし５０μｍの窒化層（窒素拡散層と窒素化合物層とを含む）が形成された。
また、上記のような窒化工程を通じて、表面が硬化された金型製品に対して、窒素拡散層を、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）を通じて確認したところ、図７に示したとおり、窒素拡散層の上部に、窒素化合物層であるＮ−ｒｉｃｈ領域を確認することができた。
すなわち、金型の表面に、Ｎ−ｒｉｃｈ領域が存在し、コーティング層の深度部に、鋼種（３１６ ＳＳ，１７−４ ＰＨ，４１０ ＳＳ）によって、１７ないし５０μｍの窒素拡散層が形成されたことを確認することができた。

図８には、窒素拡散層の上部に、ＣｒＮ，Ｆｅ_４Ｎ，Ｆｅ_２−３Ｎの窒化物から形成された稠密化合物層（窒素化合物層であるＮ−ｒｉｃｈ領域）が形成されることで、Ｈｖ １１００以上の優秀な窒素硬化層が形成され、かつコーティング層の深度によって形成された窒素拡散層により、硬度が増加したことを確認することができた。
このようなプラズマイオン窒化法を通じる表面硬化層を形成する方法は、本発明の金型の破損部（補修部）の表面硬化及び耐磨耗性の向上のための望ましい実施形態により説明したものであり、プラズマイオン窒化法を通じる補修金型の再生面は、窒化層の組職と深度とを決定する時間、温度、電圧及びガス比を調節して、多様な環境と条件で使用可能であることは明らかである。

以上、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明の範囲は特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって解釈されなければならない。また、この技術分野で通常の知識を有する者なら、本発明の技術的範囲内で多くの修正と変形ができることはいうまでもない。

Claims (15)

1. 球状黒鉛鋳鉄材を母材とするプレス金型の破損部に、高速火炎溶射コーティング法による鉄系合金粉末コーティング層を形成するステップと、
   前記金型のコーティング層の表面を、プラズマイオン窒化法により窒化処理して、表面を硬化させることで、コーティング層上に窒化層を形成するステップと、を含むことを特徴とする高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生方法。
2. 前記金型が球状黒鉛鋳鉄材を母材とすることで、前記高速火炎溶射コーティング法によるコーティング素材は、商用鉄系合金であるＦＥ−１０１粉末、ＦＥ−２０６粉末及びＦＥ−１０８粉末から選択されたいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生方法。
3. 前記鉄系合金粉末は、２５ないし３５μｍ範囲の平均直径を有することを特徴とする請求項１または２に記載の高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生方法。
4. 前記高速火炎溶射コーティング法を行う前の前処理工程として、前記金型の破損部の表面に対する表面粗度を制御するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生方法。
5. 前記表面粗度を制御するステップは、サンド・ショットブラスティング（Ｓａｎｄ ｓｈｏｔ−ｂｌａｓｔｉｎｇ）法を利用して行われることを特徴とする請求項４に記載の高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生方法。
6. 前記表面粗度は、Ｒａ＝５．６３±０．４１μｍ以上に制御されることを特徴とする請求項４に記載の高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生方法。
7. 前記高速火炎溶射コーティング法は、酸素流量と燃料流量とを増減調節して、粉末粒子の溶融温度が最適化される条件下で行われることを特徴とする請求項１に記載の高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生方法。
8. 前記高速火炎溶射コーティング法は、
   スプレーガンのバーレル４″、金型の母材に対する噴射距離１４″、噴射速度３００ｍｍ／ｓ、噴射ピッチ５ｍｍ、噴射量７６ｇ／ｍｉｎ、酸素流量１８００ｓｃｆｈ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｕｂｉｃ Ｆｅｅｔ ｐｅｒ Ｈｏｕｒ）、燃料流量１８００ｇｐｈ（Ｇａｌｌｏｎ ｐｅｒ Ｈｏｕｒ）、キャリアガス（Ｎ_２）２０±２ｓｃｆｈを含む条件下で行われることを特徴とする請求項７に記載の高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生方法。
9. 前記金型コーティング層の表面は、前記プラズマイオン窒化法により、鉄系合金粉末コーティング層上に、１７ないし５０μｍの窒化層が形成されることを特徴とする請求項１に記載の高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生方法。
10. 前記窒化層は、コーティング層の深度部に形成される窒素拡散層と、窒素拡散層上で、前記金型の表面を成すＣｒＮ，Ｆｅ_４Ｎ，Ｆｅ_２−３Ｎを含む窒素化合物層とから構成されることを特徴とする請求項１または９に記載の高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生方法。
11. 前記コーティング層上に前記窒化層を形成するステップは、前記プラズマイオン窒化法を行う前に、コーティング層の表面を＃１０００ないし＃２０００研磨するステップと、アルコール超音波洗浄により、不純物を除去するステップとがさらに行われることを特徴とする請求項１に記載の高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生方法。
12. 前記プラズマイオン窒化法は、前記金型の使用環境と要求条件によって、前記窒化層の組職と深度とを決定する時間、温度、電圧及びガス比を調節して行われることを特徴とする請求項１に記載の高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生方法。
13. 球状黒鉛鋳鉄材を母材とするプレス金型の破損部に、高速火炎溶射コーティング法による鉄系合金粉末コーティング層を形成する高速火炎溶射コーティング部と、
    前記金型のコーティング層の表面を、プラズマイオン窒化法により窒化処理して、表面を硬化させることで、前記コーティング層上に窒化層を形成するプラズマイオン窒化部と、を備えることを特徴とする高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生システム。
14. 前記高速火炎溶射コーティング部によるコーティングを行う前の前処理工程として、金型の破損部の表面に対する表面粗度を、サンド・ショットブラスティング法により制御する表面粗度制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生システム。
15. 前記プラズマイオン窒化部による窒化法を行う前に、前記コーティング層の表面を＃１０００ないし＃２０００研磨する研磨部と、アルコール超音波洗浄により、不純物を除去する洗浄部とをさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の高速火炎溶射コーティング法とプラズマイオン窒化法とを利用した金型の補正及び再生システム。

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