JP2019010753A - Ion-implanted copper alloy substrate, manufacturing method of the same, and copper-based die - Google Patents

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植村 賢介
Kensuke Uemura
賢介 植村
コンスタンチン シャルノフ
Konstantin Shalnov
コンスタンチン シャルノフ
友加里 渡邊
Yukari Watanabe
友加里 渡邊
充顕 須田
Mitsuaki Suda
充顕 須田
プルワディ ラハルジョ
Raharjo Purwadi
ラハルジョ プルワディ
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Abstract

To provide an ion-implanted copper alloy substrate exhibiting a high hardness, excellent wear resistance, and an excellent releasing property, and a manufacturing method that enables obtaining the same.SOLUTION: According to a manufacturing method of an ion-implanted copper alloy substrate, comprising a step of implanting carbon ions into a portion made of a copper-based alloy in a substrate in which at least a part of the surface is formed of the copper-based alloy; the method comprises a step of implanting the carbon ions exceeding a dose of 10(ions/cm), while managing temperature of the substrate so as not to exceed 50°C.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明はイオン注入銅合金基材、その製造方法および銅系金型に関する。   The present invention relates to an ion-implanted copper alloy substrate, a method for producing the same, and a copper mold.

プラスチックや繊維強化プラスチック部品を対象とした射出成形及びプレス成形において、成形時間短縮のために、金型の速やかな加熱・冷却が強く求められており、熱伝導性の良好な高熱伝導率材の使用が試行されている。
高熱伝導率材として、黄銅(Cu-Zn系)、青銅(Cu-Sn系)、ベリリウム銅(Be-Cu系)やコルソン合金(Cu-Ni-Si系)といった銅系合金が知られている。例えば、ステンレスの熱伝導率が20W/m・K程度であるのに対し、Cu-Ni-Sn系銅合金の熱伝導率は150W/m・K程度である。
In injection molding and press molding for plastic and fiber reinforced plastic parts, rapid heating / cooling of molds is strongly required to shorten the molding time, and high thermal conductivity materials with good thermal conductivity are required. Attempted use.
Copper alloys such as brass (Cu-Zn), bronze (Cu-Sn), beryllium copper (Be-Cu) and Corson alloy (Cu-Ni-Si) are known as high thermal conductivity materials. . For example, the thermal conductivity of stainless steel is about 20 W / m · K, whereas the thermal conductivity of a Cu—Ni—Sn based copper alloy is about 150 W / m · K.

これに関連する従来法として、例えば特許文献1には、銅系合金は熱伝導度が高いため、鋳造用金型に用いると冷却効果が高く、金型温度を低下させる効果があるが、成形材料と接する箇所に被着され、少なくとも窒素を含むニッケル合金からなる多孔質層を有するニッケル系被膜と、該ニッケル系皮膜の表面に形成されたDLC系被膜とを備えることにより溶融材料(成形材料)の焼き付きを防止する効果を有すると述べられている。   As a conventional method related to this, for example, in Patent Document 1, since the copper-based alloy has high thermal conductivity, it has a high cooling effect when used in a casting mold, and has an effect of lowering the mold temperature. A molten material (molding material) comprising a nickel-based film having a porous layer made of a nickel alloy containing at least nitrogen, and a DLC-based film formed on the surface of the nickel-based film. ) Is said to have an effect of preventing seizure.

また、特許文献2によれば、Cu-Ni-Si系銅合金材と高硬度金属材が界面接合され、接合界面に、Ni、Siの拡散層を形成することで高硬度高熱伝導性複合金属材が得られることが述べられている。   According to Patent Document 2, a Cu-Ni-Si-based copper alloy material and a high-hardness metal material are interface bonded, and a diffusion layer of Ni and Si is formed at the bonding interface, thereby forming a high-hardness, high-heat conductive composite metal. It is stated that the material is obtained.

しかしながら、非特許文献1では銅合金の中で最も硬いとされるMoldmax-HH(ブラッシュウエルマン社)でも、たかだかHRC40程度である。非特許文献1には、プラスチック製品の強度、耐熱性を上げる手段としてガラス繊維の添加が一般的な手段で有り、ガラス繊維が30%も入っていれば、硬さHRC40程度の銅合金では摩耗による金型寿命の低下は明らかであると述べられている。また、この摩耗対策として、イオン注入ではなく、メッキ、イオンコーティング、他の表面処理により表面硬度を上げてきたと述べられている。   However, in Non-Patent Document 1, Moldmax-HH (Brush Wellman), which is considered to be the hardest copper alloy, is at most about HRC40. In Non-Patent Document 1, glass fiber is generally added as a means of increasing the strength and heat resistance of plastic products. If glass fiber is contained as much as 30%, a copper alloy having a hardness of about HRC 40 will wear. It is stated that the decrease in mold life due to is obvious. In addition, as a countermeasure against wear, it is stated that the surface hardness has been increased not by ion implantation but by plating, ion coating, and other surface treatments.

特開2015−024625号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-024625 特許第5939590号公報Japanese Patent No. 5939590

福田貴、銅合金金型材料、Vol, 53(2012) No.9 SOKEIZAI 29-35Takashi Fukuda, Copper Alloy Mold Material, Vol, 53 (2012) No.9 SOKEIZAI 29-35

本発明の目的は、硬度が高く、耐摩耗性に優れ、離型性にも優れるイオン注入銅合金基材、それを得ることができる製造方法、およびそれからなる銅系金型を提供することである。   An object of the present invention is to provide an ion-implanted copper alloy base material having high hardness, excellent wear resistance, and excellent releasability, a production method capable of obtaining the same, and a copper-based mold comprising the same. is there.

本願の発明者は、銅系合金の弱点である硬度に関して、高硬度化および耐摩耗性を改善する手段を研究した。そして、銅系合金に炭素イオン注入を施すことにより、硬度および耐摩耗性が向上したことを確認した。さらに、炭素イオン注入量に比例して硬度および耐摩耗性が向上することを確認した。また炭素イオン注入量に比例して溶融樹脂との接触角が大きくなることを確認した。
そして、本発明に至った。
The inventor of the present application has studied means for increasing the hardness and improving the wear resistance with respect to the hardness which is a weak point of the copper-based alloy. And it confirmed that hardness and abrasion resistance improved by performing carbon ion implantation to copper system alloy. Furthermore, it was confirmed that the hardness and wear resistance were improved in proportion to the carbon ion implantation amount. It was also confirmed that the contact angle with the molten resin increased in proportion to the carbon ion implantation amount.
And it came to this invention.

本発明は以下の(1)〜(7)である。
(1)少なくとも表面の一部が銅系合金からなる基材における、その銅系合金からなる部分へ、炭素イオンを注入する操作を備える、イオン注入銅合金基材の製造方法であって、
前記基材の温度が50℃を超えないように管理しながら、前記炭素イオンを、1017ドーズ(ions/cm3)を超えて注入する、イオン注入銅合金基材の製造方法。
(2)前記銅系合金がスピノーダル分解型銅合金である、上記(1)に記載のイオン注入銅合金基材の製造方法。
(3)最外層表面硬度がHV470以上であるイオン注入銅合金基材が得られる、上記(1)または(2)に記載のイオン注入銅合金基材の製造方法。
(4)樹脂を成形するために用いる金型であるイオン注入銅合金基材が得られる、上記(1)〜(3)のいずれかに記載のイオン注入銅合金基材の製造方法。
(5)前記樹脂がシクロオレフィンポリマー樹脂(COP樹脂)である、上記(4)に記載のイオン注入銅合金基材の製造方法。
(6)上記(1)〜(3)のいずれかに記載の製造方法によって得られる、イオン注入銅合金基材。
(7)上記(6)に記載のイオン注入銅合金からなる、銅系金型。
The present invention includes the following (1) to (7).
(1) A method for producing an ion-implanted copper alloy base material comprising an operation of injecting carbon ions into a part made of a copper-based alloy in a base material made of a copper-based alloy at least part of the surface,
A method for producing an ion-implanted copper alloy base material, wherein the carbon ion is implanted in excess of 10 17 doses (ions / cm 3 ) while controlling the temperature of the base material not to exceed 50 ° C.
(2) The method for producing an ion-implanted copper alloy substrate according to (1), wherein the copper-based alloy is a spinodal decomposition type copper alloy.
(3) The manufacturing method of the ion implantation copper alloy base material as described in said (1) or (2) from which the ion implantation copper alloy base material whose outermost layer surface hardness is HV470 or more is obtained.
(4) The manufacturing method of the ion implantation copper alloy base material in any one of said (1)-(3) with which the ion implantation copper alloy base material which is a metal mold | die used in order to shape | mold resin is obtained.
(5) The manufacturing method of the ion implantation copper alloy base material as described in said (4) whose said resin is cycloolefin polymer resin (COP resin).
(6) An ion-implanted copper alloy substrate obtained by the production method according to any one of (1) to (3) above.
(7) A copper mold comprising the ion-implanted copper alloy according to (6).

本発明によれば、硬度が高く、耐摩耗性に優れ、離型性にも優れるイオン注入銅合金基材、それを得ることができる製造方法、およびそれからなる銅系金型を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an ion-implanted copper alloy base material having high hardness, excellent wear resistance, and excellent releasability, a production method capable of obtaining the same, and a copper-based mold comprising the same. it can.

このようなイオン注入銅合金基材およびそれからなる銅系金型は、硬度が高いため寿命が長い。また、速やかな加熱・冷却が可能となるので、成形時間を短縮することができ、また、金型の使用、経年による補修も容易になる。   Such an ion-implanted copper alloy base material and a copper mold made thereof have a long life due to their high hardness. In addition, since heating and cooling can be performed quickly, the molding time can be shortened, and the use of a mold and repair over time can be facilitated.

実験2にて用いた炭素イオン注入装置の概略図である。6 is a schematic view of a carbon ion implantation apparatus used in Experiment 2. FIG. 実験2におけるビッカース硬度の測定結果を示すグラフである。6 is a graph showing measurement results of Vickers hardness in Experiment 2. 実験2の摩擦摩耗試験における摩耗痕の写真である。6 is a photograph of wear marks in the frictional wear test of Experiment 2. 実験2の摩擦摩耗試験における測定子の摩耗痕の写真である。6 is a photograph of a wear mark of a probe in the frictional wear test of Experiment 2. 実験2の摩擦摩耗試験における静摩擦係数μsおよび動摩擦係数μkの推移を示すグラフである。6 is a graph showing transition of a static friction coefficient μs and a dynamic friction coefficient μk in a frictional wear test of Experiment 2. 実験2の粗さ測定試験における算術平均粗さ(Ra)および最大高さ粗さ(Rz)の値を示すグラフである。It is a graph which shows the value of arithmetic mean roughness (Ra) and the maximum height roughness (Rz) in the roughness measurement test of Experiment 2. 実験2の粗さ測定試験における算術平均粗さ(Ra)および最大高さ粗さ(Rz)の値を示す別のグラフである。It is another graph which shows the value of the arithmetic mean roughness (Ra) and the maximum height roughness (Rz) in the roughness measurement test of Experiment 2. 実験2の粗さ測定試験後の研磨痕の写真である。It is a photograph of the polishing mark after the roughness measurement test of Experiment 2. 実験2の濡れ性測定試験における、固液接触角測定装置の内部が260度に到達したときのCOP樹脂ペレットの様子を示す写真である。It is a photograph which shows the mode of the COP resin pellet when the inside of the solid-liquid contact angle measuring apparatus reaches 260 degree | times in the wettability measurement test of Experiment 2. FIG. 実験2の濡れ性測定試験において測定された接触角を示すグラフである。It is a graph which shows the contact angle measured in the wettability measurement test of Experiment 2. ドーズ量と接触角との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a dose amount and a contact angle.

本発明の製造方法について説明する。
本発明の製造方法は、少なくとも表面の一部が銅系合金からなる基材における、その銅系合金からなる部分へ、炭素イオンを注入する操作を備える、イオン注入銅合金基材の製造方法であって、前記基材の温度が50℃を超えないように管理しながら、前記炭素イオンを、1017ドーズ(ions/cm3)を超えて注入する、イオン注入銅合金基材の製造方法である。
The production method of the present invention will be described.
The production method of the present invention is a method of producing an ion-implanted copper alloy base material, comprising an operation of injecting carbon ions into a part made of a copper-based alloy in a base material made of a copper-based alloy at least part of the surface. In the method of manufacturing an ion-implanted copper alloy base material, the carbon ions are implanted in excess of 10 17 doses (ions / cm 3 ) while controlling the temperature of the base material not to exceed 50 ° C. is there.

本発明の製造方法では、少なくとも表面の一部が銅系合金からなる基材を用意する。
基材は、その表面の少なくとも一部が銅系合金からなるものであれば、大きさや形状は特に限定されない。後述するように、本発明の製造方法によって得られるイオン注入銅合金基材は金型であること好ましいので、基材は、金型と同様の大きさや形状であることが好ましい。
In the production method of the present invention, a base material having at least a part of the surface made of a copper-based alloy is prepared.
A base material will not be specifically limited in a magnitude | size and a shape, if at least one part of the surface consists of a copper-type alloy. As will be described later, since the ion-implanted copper alloy substrate obtained by the production method of the present invention is preferably a mold, the substrate is preferably the same size and shape as the mold.

基材は、その表面の少なくとも一部が銅系合金からなるものであればよいので、例えば表面の一部が銅系合金からなり、表面の残部が銅系合金以外の物質からなるものであってよい。また、例えば、表面ではない部分、すなわち、内部が銅系合金以外の物質からなるものであってよい。
ただし、基材は、銅系合金からなるものであることが好ましい。
Since the base material only needs to have at least a part of its surface made of a copper-based alloy, for example, a part of the surface is made of a copper-based alloy and the remaining part of the surface is made of a material other than the copper-based alloy. It's okay. Further, for example, the portion that is not the surface, that is, the inside may be made of a material other than the copper-based alloy.
However, the substrate is preferably made of a copper-based alloy.

基材の少なくとも一部を構成する銅系合金は、銅(Cu)を含む合金を意味する。銅系合金としては、黄銅(Cu-Zn系)、青銅(Cu-Sn系)、ベリリウム銅(Be-Cu系)、コルソン合金(Cu-Ni-Si系)、Cu−Ni−Sn系、Cu−Ti系等のスピノーダル分解型銅合金が挙げられる。
銅系合金は、Cu−Ni−Sn系のスピノーダル分解型銅合金であることが好ましい。
Cu−Ni−Sn系のスピノーダル分解型銅合金は、一般的な加工プロセスである溶解鋳造→均質化→熱間圧延→冷間圧延1→溶体化→冷間圧延2→時効の中の、時効処理においてスピノーダル分解を生じさせ、組織制御を行った銅合金であり、組成は、例えば、Ni:5〜20質量%、Sn:5〜10質量%、残部がCuと不可避の不純物からなるものが挙げられる。スピノーダル分解型銅合金の製法等は、例えば特開2009-242895号に記載されている。
The copper-based alloy constituting at least a part of the substrate means an alloy containing copper (Cu). Copper alloys include brass (Cu-Zn), bronze (Cu-Sn), beryllium copper (Be-Cu), Corson alloy (Cu-Ni-Si), Cu-Ni-Sn, Cu -Spinodal decomposition type copper alloys, such as Ti system, are mentioned.
The copper-based alloy is preferably a Cu—Ni—Sn-based spinodal decomposition type copper alloy.
Cu-Ni-Sn spinodal decomposition type copper alloy is a general processing process of melt casting → homogenization → hot rolling → cold rolling 1 → solution treatment → cold rolling 2 → aging in aging It is a copper alloy that has undergone spinodal decomposition in the treatment and has undergone structure control, and the composition is, for example, Ni: 5 to 20 mass%, Sn: 5 to 10 mass%, and the balance consisting of Cu and inevitable impurities Can be mentioned. A method for producing a spinodal decomposition type copper alloy is described, for example, in JP-A-2009-242895.

本発明の製造方法では、上記のような基材における炭素イオンを注入する。ここで、基材が銅系合金からなる場合は、その表面の任意の部分へ炭素イオンを注入する。また、基材の表面の一部が銅系合金からなる場合は、その銅系合金からなる部分へ炭素イオンを注入する。   In the production method of the present invention, carbon ions in the base material as described above are implanted. Here, when a base material consists of a copper-type alloy, carbon ion is inject | poured into the arbitrary parts of the surface. Moreover, when a part of surface of a base material consists of a copper alloy, carbon ion is inject | poured into the part which consists of the copper alloy.

炭素イオンの注入は、イオン化された炭素を、電極にイオンビームとして取り出し、加速器で運動エネルギーを与え、基材に打ち込む操作であり、従来公知の装置を用いて行うことができる。   The implantation of carbon ions is an operation in which ionized carbon is taken out as an ion beam to an electrode, kinetic energy is given by an accelerator, and the substrate is driven into a substrate, and can be performed using a conventionally known apparatus.

本発明の製造方法では、基材の表面へ炭素イオンを注入する際に、基材の温度を監視し、基材の温度が50℃を超えないように管理する。
具体的には、基材の温度を、好ましくは常時測定する。ただし、断続的に測定してもよい。基材へ炭素イオンを注入すると基材の温度は上昇するので、50℃を超える可能性がある場合は、一時的に炭素イオンの注入を中止し、温度がある程度、低下するのを待ち、その後、注入を再開する。または、十分に時間をかけて温度が上昇しない範囲でイオン注入を行う。そうすると基材温度は低下傾向となるため、ある程度、基材温度が低下してから、炭素イオンの注入を再開するか、注入量を増加させる。すなわち、基材への炭素イオンの注入を断続的に行ったり、炭素イオンの注入量を調整したりすることで、基材の温度が50℃を超えないように管理しながら、基材へ炭素イオンを、1017ドーズ(ions/cm3)を超えて注入する。
本願発明者は鋭意検討し、基材の温度が50℃を超えてしまうと、硬度が高く、耐摩耗性に優れ、離型性にも優れるイオン注入銅合金基材が得られなくなることを見出した。また、基材へ注入する炭素イオンの量が1×1017ドーズ(ions/cm3)以下であっても、同様に、硬度が高く、耐摩耗性に優れ、離型性にも優れるイオン注入銅合金基材が得られなくなることを見出した。また、基材の温度が50℃を超えてしまうと、基材の少なくとも一部を構成する銅系合金がCu−Ni−Sn系のスピノーダル分解型銅合金である場合、銅系合金が軟化する可能性があり好ましくない。そして、炭素イオン注入の際の基材の温度が50℃を超えず、かつ、基材へ注入する炭素イオンの量が1×1017ドーズ(ions/cm3)超である場合に、硬度が高く、耐摩耗性に優れ、離型性にも優れるイオン注入銅合金基材が得られることを見出した。
In the production method of the present invention, when carbon ions are implanted into the surface of the base material, the temperature of the base material is monitored and managed so that the temperature of the base material does not exceed 50 ° C.
Specifically, the temperature of the substrate is preferably measured constantly. However, it may be measured intermittently. When carbon ions are injected into the base material, the temperature of the base material rises. Therefore, if there is a possibility that the temperature exceeds 50 ° C., the carbon ion injection is temporarily stopped and the temperature is lowered to some extent, and then Resume injection. Alternatively, ion implantation is performed within a range in which the temperature does not rise sufficiently over time. Then, since the substrate temperature tends to decrease, after the substrate temperature has decreased to some extent, carbon ion implantation is resumed or the implantation amount is increased. That is, carbon ions are injected into the base material while intermittently injecting carbon ions into the base material or adjusting the carbon ion injection amount so that the temperature of the base material does not exceed 50 ° C. Ions are implanted in excess of 10 17 doses (ions / cm 3 ).
The present inventor has intensively studied and found that when the temperature of the base material exceeds 50 ° C., an ion-implanted copper alloy base material having high hardness, excellent wear resistance, and excellent releasability cannot be obtained. It was. Similarly, even if the amount of carbon ions implanted into the substrate is 1 × 10 17 doses (ions / cm 3 ) or less, the ion implantation is similarly high in hardness, excellent in wear resistance, and excellent in releasability. It has been found that a copper alloy base material cannot be obtained. Further, when the temperature of the substrate exceeds 50 ° C., the copper-based alloy softens when the copper-based alloy constituting at least a part of the substrate is a Cu—Ni—Sn-based spinodal decomposition type copper alloy. There is a possibility that it is not preferable. When the temperature of the base material during carbon ion implantation does not exceed 50 ° C. and the amount of carbon ions to be injected into the base material exceeds 1 × 10 17 doses (ions / cm 3 ), the hardness is It was found that an ion-implanted copper alloy base material that is high, excellent in wear resistance, and excellent in releasability can be obtained.

本発明の製造方法では、基材の温度が50℃を超えないように管理するが、この温度は50℃以下であることが好ましい。また、20℃以上であることが好ましく、35℃以上であることがより好ましい。   In the production method of the present invention, the temperature of the substrate is controlled so as not to exceed 50 ° C., but this temperature is preferably 50 ° C. or less. Moreover, it is preferable that it is 20 degreeC or more, and it is more preferable that it is 35 degreeC or more.

本発明の製造方法によって、最外層表面硬度がHV470以上であるイオン注入銅合金基材が得られることが好ましい。処理条件が適切であれば、このようなイオン注入銅合金が得られる。
なお、本発明においてビッカース硬さ(HV)は、JIS Z 2244に規定の方法によって測定するものとする。
It is preferable that an ion-implanted copper alloy substrate having an outermost layer surface hardness of HV470 or more is obtained by the production method of the present invention. If the processing conditions are appropriate, such an ion-implanted copper alloy can be obtained.
In the present invention, the Vickers hardness (HV) is measured by a method defined in JIS Z 2244.

本発明の製造方法によって得られるイオン注入銅合金基材は、シクロオレフィンポリマー樹脂(COP樹脂)を成形するために用いる金型として、好ましく用いることができる。離型性に富んでいるからである。
このような金型は、例えば、導光板、ライトガイド、マイクロフルイディック、樹脂型、半導体容器、バイオチップ、バイオプレート、輸液バッグ、多層フィルムを成形するために用いることができる。
The ion-implanted copper alloy base material obtained by the production method of the present invention can be preferably used as a mold used for molding a cycloolefin polymer resin (COP resin). It is because it is rich in releasability.
Such a mold can be used for forming, for example, a light guide plate, a light guide, a microfluidic, a resin mold, a semiconductor container, a biochip, a bioplate, an infusion bag, and a multilayer film.

<実験1>
市販の銅・ニッケル・スズ系(Cu 77%、 Ni 15%、Sn 8%)スピノーダル分解型銅合金からなる試験片を用意した。この試験片の大きさは15mm×15mm、厚さ2mmであり、硬度はHRC30(HV300)であった。
<Experiment 1>
A test piece made of a commercially available copper / nickel / tin based (Cu 77%, Ni 15%, Sn 8%) spinodal decomposition type copper alloy was prepared. The size of the test piece was 15 mm × 15 mm, the thickness was 2 mm, and the hardness was HRC30 (HV300).

次に、この試験片について、種々の条件にてプラズマ窒化処理を施した。プラズマ窒化処理は、新明和工業株式会社製、商品名:PINKを使用した。プラズマ窒化処理の条件は以下の範囲内で行った。
プラズマ電流値:40〜75A
バイアス電圧:150〜400V
処理時間:90〜180min
イオン電流値:0.53〜1.06mA/cm2
ドーズ:3.1〜4.7×1017ions/cm2
試験片温度:280〜320℃
Next, this test piece was subjected to plasma nitriding treatment under various conditions. For plasma nitriding treatment, trade name: PINK manufactured by Shin Meiwa Kogyo Co., Ltd. was used. Plasma nitriding conditions were performed within the following ranges.
Plasma current value: 40-75A
Bias voltage: 150-400V
Processing time: 90-180min
Ion current value: 0.53 to 1.06 mA / cm 2
Dose: 3.1-4.7 × 10 17 ions / cm 2
Test piece temperature: 280-320 ° C

種々の条件にてプラズマ窒化処理を施して得られた複数の試験片の各々について、硬度を測定した。その結果、全ての試験片についてHRC30(HV300)未満の硬度となった。すなわち、プラズマ窒化処理を施す前と比べると、施した後の試験片は硬度が低下した。   The hardness of each of a plurality of test pieces obtained by performing plasma nitriding treatment under various conditions was measured. As a result, the hardness of all the test pieces was less than HRC30 (HV300). That is, the hardness of the test piece after the application was lower than that before the plasma nitriding process.

<実験2>
市販の銅・ニッケル・スズ系(Cu 77%、 Ni 15%、Sn 8%)スピノーダル分解型銅合金からなる試験片を4つ用意した。いずれの試験片も、その大きさは15mm×15mm、厚さ2mmであり、硬度はHRC30(HV300)であった。
<Experiment 2>
Four test pieces made of a commercially available copper / nickel / tin-based (Cu 77%, Ni 15%, Sn 8%) spinodal decomposition type copper alloy were prepared. All the test pieces had a size of 15 mm × 15 mm, a thickness of 2 mm, and a hardness of HRC30 (HV300).

次に、これらの試験片に炭素イオン注入を行った。ここで用いた炭素イオン注入装置は新明和工業株式会社製、イオン注入装置 II-100x550である。この装置の概略を図1に示す。なお、図1では真空チャンバー、真空システムを図示していない。
炭素イオン発生源としてメタンガスを用い、第1表に示すNo.#1〜#4の4つの条件にて炭素イオン注入を行った。なお、炭素イオンの注入量測定(ドース量の測定)に関しては市販のファラデーカップを使用した。また、No.#3および#4については炭素イオン注入の前処理として、試験片にArイオンを照射するクリーニングを行った。
Next, carbon ion implantation was performed on these test pieces. The carbon ion implanter used here is an ion implanter II-100x550 manufactured by Shin Meiwa Kogyo Co., Ltd. An outline of this apparatus is shown in FIG. In FIG. 1, the vacuum chamber and the vacuum system are not shown.
Using methane gas as a carbon ion generation source, carbon ions were implanted under the four conditions No. # 1 to # 4 shown in Table 1. In addition, a commercially available Faraday cup was used for the measurement of carbon ion implantation amount (dose amount measurement). For No. # 3 and # 4, as a pretreatment for carbon ion implantation, cleaning was performed by irradiating the test piece with Ar ions.

<硬度測定>
第1表に示したNo.#1〜#4の4つの条件にて炭素イオン注入を行って得られた試験片の各々についてビッカース硬度を測定した。ビッカース硬度は、ダイナミック超微小硬度計DUH−211(島津製作所社製)を用いて測定した。測定の際の荷重保持時間は10secとした。測定結果を図2に示す。
<Hardness measurement>
Vickers hardness was measured for each of the test pieces obtained by carbon ion implantation under the four conditions No. # 1 to # 4 shown in Table 1. The Vickers hardness was measured using a dynamic ultra-micro hardness meter DUH-211 (manufactured by Shimadzu Corporation). The load holding time at the time of measurement was 10 sec. The measurement results are shown in FIG.

図2に示すように、炭素イオン注入を施したNo.#1〜#4のうち、No.#1〜#3の硬度に大きな変化はみられなかったが、No.#4の試験片は、ビッカース硬度が顕著に高まっていることを確認した。   As shown in FIG. 2, among No. # 1 to # 4 subjected to carbon ion implantation, the No. # 1 to # 3 hardness did not change greatly. It was confirmed that the Vickers hardness was remarkably increased.

<摩擦摩耗測定>
第1表に示したNo.#1〜#4の4つの条件にて炭素イオン注入を行って得られた試験片の各々について、摩擦摩耗試験に供した。
摩擦摩耗試験には、HEIDON−14D(新東科学(株)製)を用いた。ここで試験荷重は100gとし、測定子として10mm径銅ボールを用いた。そして、往復運動による摩擦を繰り返して、試験片および測定子の摩耗痕の状態を確認した。
往復回数は、炭素イオン注入未処理および炭素イオン注入を施したNo.#1と#4については1000回、No.#3については200回とした。また、No.#2は往復運動による摩擦を施さなかった。測定回数は、炭素イオン注入未処理およびNo.#4については3回、No.#1とNo.#3については1回とした。
図3に各試験片の摩耗痕を示し、図4に炭素イオン注入未処理とNo.#4の試験終了後の測定子の摩耗痕を示す。
<Friction and wear measurement>
Each of the test pieces obtained by carbon ion implantation under the four conditions No. # 1 to # 4 shown in Table 1 was subjected to a frictional wear test.
HEIDON-14D (manufactured by Shinto Kagaku Co., Ltd.) was used for the frictional wear test. Here, the test load was 100 g, and a 10 mm diameter copper ball was used as a measuring element. And the friction by a reciprocating motion was repeated and the state of the wear trace of a test piece and a measuring element was confirmed.
The number of reciprocations was 1000 for No. # 1 and # 4 that were untreated and implanted with carbon ion, and 200 for No. # 3. No. # 2 was not rubbed by reciprocating motion. The number of measurements was 3 for untreated carbon ion implantation and No. # 4, and 1 for No. # 1 and No. # 3.
FIG. 3 shows the wear trace of each test piece, and FIG. 4 shows the wear trace of the probe after the carbon ion implantation untreated and No. # 4 test.

図3に示す結果から、1000回往復した後の試験片にできた摩耗痕の大きさはNo.#4が極めて小さく、次にNo.#1、炭素イオン注入未処理の順で大きいことがわかる。これより、No.#4は炭素イオン注入によって傷がつきにくくなったといえる。
また、図4に示す結果から、1000回往復した後の測定子にできた摩耗痕は、炭素イオン注入未処理では明瞭であり、No.#4では摩耗領域が不鮮明であることがわかる。これより、炭素イオン注入未処理の場合は試験片、測定子ともに摩耗し、No.#4の場合はどちらも摩耗しなかったといえる。
From the results shown in FIG. 3, the size of the wear marks formed on the test piece after 1000 reciprocations was extremely small for No. # 4, then No. # 1, followed by untreated carbon ion implantation. Recognize. From this, it can be said that No. # 4 was not easily damaged by carbon ion implantation.
Further, from the results shown in FIG. 4, it can be seen that the wear scar formed on the probe after 1000 reciprocations is clear when carbon ion implantation is not performed, and the wear area is unclear in No. # 4. From this, it can be said that when the carbon ion implantation was not performed, both the test piece and the probe were worn, and in the case of No. # 4, neither was worn.

また、図5に炭素イオン注入未処理とNo.#4の静摩擦係数μsおよび動摩擦係数μkの推移を示す。図5より、1000回往復後のNo.#4のμsおよびμkは、炭素イオン注入未処理よりも値が小さいことが分かる。これは、試験片(Cu−Ni−Snスピノーダル分解型銅合金)の摺動性が、炭素イオン注入によって向上したことを示していると考えられる。   FIG. 5 shows the transition of the static friction coefficient μs and the dynamic friction coefficient μk of carbon ion implantation untreated and No. # 4. From FIG. 5, it can be seen that μs and μk of No. # 4 after 1000 reciprocations are smaller than those of the untreated carbon ion implantation. This is considered that the slidability of the test piece (Cu—Ni—Sn spinodal decomposition type copper alloy) was improved by carbon ion implantation.

<粗さ測定>
第1表に示したNo.#1〜#4の4つの条件にて炭素イオン注入を行って得られた試験片の各々について表面粗さ、算術平均粗さ(Ra)および最大高さ粗さ(Rz)を測定した。これらは3D測定レーザー顕微鏡LEXT OLS4100(OLYMPUS社製)および表面粗さ測定機PGI1240(Taylor-Hobson社製)を用いて行った。前者は非接触式、後者は接触式である。
図6にLEXT OLS4100で測定した算術平均粗さ(Ra)および最大高さ粗さ(Rz)の値を示す。
図6から、LEXT OLS4100では炭素イオン注入未処理と炭素イオン注入を施したNo.#1〜#4の試験片とで明確な違いは見られなかった。すなわち、炭素イオン注入によって表面が荒れることは確認できなかった。
<Roughness measurement>
Surface roughness, arithmetic average roughness (Ra), and maximum height roughness for each of the test pieces obtained by carbon ion implantation under the four conditions No. # 1 to # 4 shown in Table 1 (Rz) was measured. These were performed using a 3D measurement laser microscope LEXT OLS4100 (manufactured by OLYMPUS) and a surface roughness measuring instrument PGI1240 (manufactured by Taylor-Hobson). The former is a non-contact type, and the latter is a contact type.
FIG. 6 shows the values of arithmetic average roughness (Ra) and maximum height roughness (Rz) measured by LEXT OLS4100.
From FIG. 6, in LEXT OLS4100, no clear difference was observed between the carbon ion implanted untreated specimens and the No. # 1 to # 4 specimens subjected to carbon ion implantation. That is, it could not be confirmed that the surface was roughened by carbon ion implantation.

図7にPGI1240で測定した算術平均粗さ(Ra)および最大高さ粗さ(Rz)の測定結果を示す。測定は、測定長7mm、送り速度0.5mm/secで行った。
図7から、PGI1240では、炭素イオン注入未処理よりも炭素イオン注入を施したNo.#1〜#4の試験片の方が、RaおよびRzの値が低くなったことが分かる。炭素イオン注入により研磨痕が削られ表面が平滑になったといえる。
粗さ測定の結果を、第2表にまとめて示す。
FIG. 7 shows the measurement results of arithmetic average roughness (Ra) and maximum height roughness (Rz) measured with PGI1240. The measurement was performed at a measurement length of 7 mm and a feed rate of 0.5 mm / sec.
From FIG. 7, it can be seen that in PGI 1240, the values of Ra and Rz were lower in the test pieces of No. # 1 to # 4 subjected to carbon ion implantation than in the case where carbon ion implantation was not performed. It can be said that the polishing marks were removed by carbon ion implantation and the surface became smooth.
The results of the roughness measurement are summarized in Table 2.

図8(a)〜(d)に、LEXT OLS4100を用いて倍率50倍(対物レンズ:MPLAPONLEXT50)で観察した各試験片の測定面を示す。
図8の(a)には研磨痕が見られる。また、図8の(b)〜(e)までの試験片では微細なクラックが確認されるが研磨痕が減少している。
FIGS. 8A to 8D show the measurement surfaces of the test pieces observed using the LEXT OLS4100 at a magnification of 50 times (objective lens: MPLAPONLEXT50).
In FIG. 8A, polishing marks are seen. Further, although fine cracks are confirmed in the test pieces of FIGS. 8B to 8E, the polishing marks are reduced.

<濡れ性測定>
第1表に示したNo.#1〜#4の4つの条件にて炭素イオン注入を行って得られた試験片の各々について、高温濡れ性・固液接触角測定装置WET−1200(アドバンス理工(株)製)を用いて、シクロオレフィンポリマー樹脂(COP樹脂)、ZEONOR 1420R(日本ゼオン(株)製)を用いた濡れ性試験を実施した。
濡れ性試験では、ペレット状のCOP樹脂を用意し、COP樹脂の各試験片に対する、260℃における接触角を測定した。なお、260℃は、樹脂の溶融可能温度が240℃以上であることおよび、銅・ニッケル・スズ系のスピノーダル分解型銅合金の実使用温度が概260℃以下であることを考慮し決定した。したがって、以下に示す測定手順によって測定される接触角が大きい場合は、COP樹脂は銅・ニッケル・スズ系のスピノーダル分解型銅合金に対して離型性が高いと判断できる。後述するように、実際の成形金型の使用雰囲気は大気であるのに対して窒素雰囲気内で接触角を測定する。これは、金属表面が有する基本的な樹脂との離型性を、酸化や炭化の影響を除いた上で評価するためである。実際は大気中にさらされるが、酸化や炭化の影響が入り込んでは金属表面自体の特性が把握できない。
接触角の測定手順は、以下の通りである。
[1] COP樹脂ペレットと銅・ニッケル・スズ系のスピノーダル分解型銅合金の試験片を予め80℃で12時間以上乾燥した。真空乾燥器はAVO-250N(アズワン(株))、真空ポンプはDAU-20((株)アルバック)を使用した。
[2] 試験片を赤外線加熱炉内に装填し、その表面にCOP樹脂ペレットを設置し、窒素雰囲気内で20℃(常温)から3分52秒で260℃まで昇温した。
[3] 260℃に到達後、この温度を保持し1分経過時点で接触角を測定した。そして、測定結果に基づきJIS R 3257「基板ガラス表面のぬれ性試験方法」に従って接触角を算出した。
なお、比較のため、炭素イオン未注入の試験片についても同様の試験を行った。図9に、上記の固液接触角測定装置の内部が260度に到達したときのCOP樹脂ペレットの様子を示す写真を示す。
また、図10に、各試験片を用いた場合の接触角を示す。図10にはソフトウェアが算出した接触角の値も、合わせて示す。
<Measurement of wettability>
For each of the test pieces obtained by carbon ion implantation under the four conditions of No. # 1 to # 4 shown in Table 1, high temperature wettability / solid-liquid contact angle measuring device WET-1200 (Advanced Riko) Wetability test using cycloolefin polymer resin (COP resin) and ZEONOR 1420R (manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) was conducted.
In the wettability test, pellet-shaped COP resin was prepared, and the contact angle at 260 ° C. was measured for each test piece of COP resin. 260 ° C. was determined in consideration of the fact that the melting temperature of the resin was 240 ° C. or higher and that the actual use temperature of the copper / nickel / tin spinodal decomposition type copper alloy was approximately 260 ° C. or lower. Therefore, when the contact angle measured by the measurement procedure shown below is large, it can be determined that the COP resin has high releasability with respect to the copper / nickel / tin spinodal decomposition type copper alloy. As will be described later, the contact angle is measured in a nitrogen atmosphere while the actual use atmosphere of the molding die is air. This is to evaluate the releasability from the basic resin on the metal surface after removing the influence of oxidation and carbonization. Although it is actually exposed to the atmosphere, the characteristics of the metal surface itself cannot be grasped due to the effects of oxidation and carbonization.
The contact angle measurement procedure is as follows.
[1] COP resin pellets and copper / nickel / tin spinodal decomposition copper alloy specimens were previously dried at 80 ° C. for 12 hours or more. AVO-250N (As One Co., Ltd.) was used as the vacuum dryer, and DAU-20 (ULVAC, Inc.) was used as the vacuum pump.
[2] The test piece was loaded into an infrared heating furnace, COP resin pellets were placed on the surface, and the temperature was raised from 20 ° C. (normal temperature) to 260 ° C. in 3 minutes and 52 seconds in a nitrogen atmosphere.
[3] After reaching 260 ° C., this temperature was maintained and the contact angle was measured after 1 minute. Based on the measurement results, the contact angle was calculated according to JIS R 3257 “Test method for wettability of substrate glass surface”.
For comparison, a similar test was performed on a test piece into which carbon ions were not implanted. FIG. 9 shows a photograph showing the state of the COP resin pellet when the inside of the solid-liquid contact angle measuring apparatus reaches 260 degrees.
FIG. 10 shows the contact angle when each test piece is used. FIG. 10 also shows the contact angle value calculated by the software.

これらの結果より、ドーズ量の最も多いNo.#4の試験片で接触角が最も高く、また、ドーズ量に比例して接触角が高くなることが分かった。炭素イオン注入を施したNo.#4の試験片の接触角は、COP樹脂との離型性に優れておりステンレス系金型の接触角と比較しても遜色ない。図11に、ドーズ量と接触角との関係をグラフとして示す。   From these results, it was found that the No. # 4 test piece with the largest dose amount had the highest contact angle, and the contact angle increased in proportion to the dose amount. The contact angle of No. # 4 specimen subjected to carbon ion implantation is excellent in releasability from COP resin and is comparable to that of stainless steel mold. FIG. 11 is a graph showing the relationship between the dose and the contact angle.

Claims (7)

少なくとも表面の一部が銅系合金からなる基材における、その銅系合金からなる部分へ、炭素イオンを注入する操作を備える、イオン注入銅合金基材の製造方法であって、
前記基材の温度が50℃を超えないように管理しながら、前記炭素イオンを、1017ドーズ(ions/cm3)を超えて注入する、イオン注入銅合金基材の製造方法。
A method for producing an ion-implanted copper alloy base material comprising an operation of injecting carbon ions into a part made of a copper-based alloy in a base material made of a copper-based alloy at least part of the surface,
A method for producing an ion-implanted copper alloy base material, wherein the carbon ion is implanted in excess of 10 17 doses (ions / cm 3 ) while controlling the temperature of the base material not to exceed 50 ° C.
前記銅系合金がスピノーダル分解型銅合金である、請求項1に記載のイオン注入銅合金基材の製造方法。   The manufacturing method of the ion implantation copper alloy base material of Claim 1 whose said copper-type alloy is a spinodal decomposition type | mold copper alloy. 最外層表面硬度がHV470以上であるイオン注入銅合金基材が得られる、請求項1または2に記載のイオン注入銅合金基材の製造方法。   The manufacturing method of the ion implantation copper alloy base material of Claim 1 or 2 with which the ion implantation copper alloy base material whose outermost layer surface hardness is HV470 or more is obtained. 樹脂を成形するために用いる金型であるイオン注入銅合金基材が得られる、請求項1〜3のいずれかに記載のイオン注入銅合金基材の製造方法。   The manufacturing method of the ion implantation copper alloy base material in any one of Claims 1-3 with which the ion implantation copper alloy base material which is a metal mold | die used in order to shape | mold resin is obtained. 前記樹脂がシクロオレフィンポリマー樹脂(COP樹脂)である、請求項4に記載のイオン注入銅合金基材の製造方法。   The manufacturing method of the ion implantation copper alloy base material of Claim 4 whose said resin is cycloolefin polymer resin (COP resin). 請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法によって得られる、イオン注入銅合金基材。   The ion implantation copper alloy base material obtained by the manufacturing method in any one of Claims 1-3. 請求項6に記載のイオン注入銅合金からなる、銅系金型。   A copper mold comprising the ion-implanted copper alloy according to claim 6.
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