JP2020110810A - 表面改質方法、鋳造用金型の製造方法及び鋳造用金型 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化が繰り返された場合であっても、凹凸構造が形成された改質領域とそれ以外の非改質領域との境界において、クラックの発生を防止する。【解決手段】表面が平坦面で構成される非改質領域１４と、非改質領域１４に隣接して設けられ表面に凹凸構造が形成された改質領域１２と、を有し、溶湯９０が流れる方案部に改質領域１２が設けられた鋳造用金型１０であって、改質領域１２と非改質領域１４との境界には、凹凸構造の深溝１６の深さが改質領域１２から非改質領域１４に向けて徐々に浅くなった境界領域２２が形成されている表面改質方法、鋳造用金型の製造方法及び鋳造用金型が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、金属の表面に凹凸構造を形成する表面改質方法、鋳造用金型の製造方法及び鋳造用金型に関する。

金属製品の所定箇所、例えば鋳造用金型の方案部等、に微細な深溝を形成することで、液体との接触面積及び熱伝導性を低下させて、溶湯の湯流れ性向上及び方案部の体積の削減を図る技術が提案されている。例えば、特許文献１には、鋳造用金型の表面にパルスレーザーを照射して凹凸構造を形成する技術が記載されている。

特開２０１６−１６４３２号公報

従来の凹凸構造を有する金属部品では、平坦部分（非改質領域とも呼ぶ）と微細な凹凸構造が形成された部分（改質領域とも呼ぶ）との境界において、温度変化が繰り返されるとクラックが発生することが判明した。

そこで、本発明は、温度変化が繰り返された場合であっても、凹凸構造が形成された改質領域とそれ以外の非改質領域との境界において、クラックの発生を防止できる表面改質方法、鋳造用金型の製造方法及び鋳造用金型を提供することを目的とする。

本発明の一観点は、非改質領域に隣接した改質領域にパルスレーザーを照射して複数の溝状凹部を有する凹凸構造を形成する表面改質方法であって、前記非改質領域を覆うとともに、前記改質領域に開口部を有するマスクを金属表面に対向して配置する工程と、前記マスクの開口部を通じて前記金属表面にパルスレーザーを照射して前記溝状凹部を形成する工程と、を有し、前記マスクは、前記開口部に面する開口部側端面が、前記パルスレーザーの入射側から出射側に向けて逆テーパ状に広がる傾斜面で構成されている、表面改質方法にある。

本発明の別の一観点は、上記観点の表面改質方法を行う鋳造用金型の製造方法にある。

本発明のさらに別の一観点は、表面が平坦面で構成される非改質領域と、前記非改質領域に隣接して設けられ、表面に複数の溝状凹部が形成された改質領域と、を有し、少なくとも溶湯を供給する方案部に前記改質領域が設けられた鋳造用金型であって、前記改質領域と前記非改質領域との境界には、前記溝状凹部の深さが前記改質領域から前記非改質領域に向けて徐々に浅くなった境界領域が形成されている、鋳造用金型にある。

上記観点の表面改質方法、鋳造用金型の製造方法及び鋳造用金型によれば、凹凸構造が形成された改質領域と、それに隣接する非改質領域との間に、凹凸構造を構成する溝状凹部の深さが徐々に変化する領域を形成することができる。その結果、改質領域と非改質領域との境界の断熱性が徐々に変化することにより、改質領域と非改質領域との境界のクラックの成長を抑制できる。

図１Ａは、実施形態に係る鋳造用金型の部分拡大斜視図であり、図１Ｂは図１Ａの鋳造用金型の改質領域と溶湯とを示す部分断面図である。 図１Ａの鋳造用金型の境界領域の断面構造と、鋳造時の熱振幅の関係とを示す説明図である。 比較例に係る鋳造用金型の境界領域の断面構造と、鋳造時の熱振幅との関係を示す説明図である。 図４Ａは、実施形態に係る鋳造用金型の製造方法において、窒化処理工程を示す断面図であり、図４Ｂは、パルスレーザーを照射して深溝（溝状凹部）を形成する凹凸構造形成工程を示す断面図である。 図４Ｂの深溝（溝状凹部）を形成するパルスレーザー照射工程において、マスクを設置してパルスレーザーを照射する様子を示す断面図である。 比較例に係るマスクを用いた深溝を形成する工程を示す断面図である。 図５のマスクの開口部側端面付近の拡大断面図である。 マスクの上端の開口部側端面の位置と、パルスレーザーの回折による照射位置の広がりとの関係を求めた例を示すグラフである。 図９Ａは、実施形態に係る鋳造用金型の製造方法においてパルスレーザーを照射して微細突起を形成する微細突起形成工程を示す断面図であり、図９Ｂは断熱膜を形成する工程を示す断面図である。 その他の実施形態に係る鋳造用金型の製造方法における、深溝を形成する方法を示す説明図である。

以下、本発明の好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態に係る鋳造用金型１０は、例えばアルミニウム合金等の鋳造に用いる金属製の金型であり、型合わせすることでキャビティが形成される可動型と固定型から構成される。この可動型及び固定型には、例えば、ダイス鋼（ＳＫＤ材）が用いられている。

図１Ａ及び図１Ｂに部分的に拡大して示すように、鋳造用金型１０は、本体２０の表面２０ａに凹凸構造が形成された改質領域１２と、表面が平坦面１４ａで構成される非改質領域１４とを備えている。非改質領域１４の平坦面１４ａは、機械加工又は鏡面加工が施された面であり、例えば、溶湯９０を所定形状に形成するためのキャビティ部の表面等を構成する。

また、改質領域１２は、例えば、鋳造用金型１０の内部において溶湯をキャビティに導く方案部に用いられるものである。改質領域１２には、溶湯９０との濡れ性及び接触面を減少させて断熱性及び湯流れ性を向上させるべく、表面に微小な凹凸が形成されている。改質領域１２は、格子状に配置された複数の深溝１６（溝状凹部）と、深溝１６の間に形成された複数の凸部１８とを備えている。深溝１６は、溶湯９０が入り込まない程度の２０〜４０μｍ程度の幅に形成されている。また、凸部１８の表面には、溶湯９０との濡れ性を低下させるべく、微細突起１８ａが形成されている。微細突起１８ａは、幅及び深さ数μｍと微小であるのに対し、深溝１６及び凸部１８は幅及び深さが１００〜２００μｍ程度と大きくなっている。

深溝１６の深さは、境界領域２２を除き、略一定の深さ（例えば数１０μｍ）に形成される。本実施形態の鋳造用金型１０においては、改質領域１２と非改質領域１４との境界部分に境界領域２２が設けられている。境界領域２２では、深溝１６の深さが、改質領域１２から非改質領域１４に向かうにつれて徐々に浅くなるように形成されている。

また、図１Ｂに示すように、改質領域１２の表面には、断熱膜２４が形成されている。断熱膜２４は、アルミニウム合金等の溶湯９０に対する濡れ性が低い多孔質炭素膜よりなり、深溝１６を埋めるとともに、凸部１８の上を覆うように形成されている。断熱膜２４は、深溝１６及び凸部１８の凹凸構造を反映した凹凸状の表面を有している。このような断熱膜２４に溶湯９０が接触すると、溶湯９０は凹凸構造によって撥かれて、凸部１８の上に突き出た微細突起１８ａで点接触するため、溶湯９０の熱が本体２０に伝わるのを防ぐことができる。これにより、改質領域１２において、溶湯９０の保温性及び湯流れ性が確保される。

以上のように構成された本実施形態の鋳造用金型１０において、図２に示すように、表面に深溝１６が形成された改質領域１２と、表面が平坦面１４ａで構成された非改質領域１４との間に、境界領域２２が形成されている。この境界領域２２では、深溝１６の深さが非改質領域１４に向けて徐々に浅くなるように形成されている。それにともなって、深溝１６を埋める断熱膜２４の厚みも薄くなっている。すなわち、境界領域２２においては、溶湯９０に対する断熱性が、改質領域１２から非改質領域１４に向けて徐々に低下するように構成されている。

鋳造用金型１０においては、溶湯９０の流入による温度上昇と、型開きして鋳造製品を取り出した後に実施される離型剤塗布等の金型冷却による温度低下といった温度変化が繰り返し発生する。本実施形態の鋳造用金型１０では、境界領域２２において、断熱性が改質領域１２から非改質領域１４に向けて徐々に低下するように構成されている。その結果、図の下段のグラフに示すように、最高温度と最低温度との間の熱振幅の幅も、緩やかに変化する。すなわち、熱による大きな歪を発生させるヒートショック境界の原因となる急激な熱振幅変化が抑制される。そのため、本実施形態の鋳造用金型１０によれば、鋳造を繰り返しても、改質領域１２と非改質領域１４との境界部分のクラック発生を防止できる。

これに対し、図３の比較例に示す鋳造用金型８０では、改質領域１２と非改質領域１４との間に境界領域２２が設けられておらず、非改質領域１４との境界まで、一定の深さの深溝１６が形成されている。そのため、改質領域１２と非改質領域１４との間で断熱性が急激に変化しており、図の下段のグラフに示すように、熱振幅の幅が急激に変化している。そのため、比較例の鋳造用金型８０では、ヒートショック境界が発生しており、非改質領域１４との境界に形成された深溝１６ａからクラックが成長してしまう。

本実施形態の鋳造用金型１０は、上記の深溝１６を起点とするクラックの発生を防ぐことができる。

本実施形態の鋳造用金型１０は以上のように構成され、以下その製造方法を表面改質方法とともに説明する。

図４Ａに示すように、ダイス鋼（ＳＫＤ材）等を所定形状に成形した本体２０の改質領域１２の表面に窒化処理を行ない、窒化層２６を形成する。窒化処理により、本体２０の表面２０ａの光吸収率が上昇し、レーザー加工を効率よく行うことができる。

その後、図４Ｂに示すように、本体２０の改質領域１２にパルスレーザー２８を照射して深溝１６（溝状凹部）を形成する。深溝１６の形成には、パルス幅が１０ピコ秒以下のパルスレーザーを用いる。１０ピコ秒以下のパルスレーザーを用いることで、ＳＫＤ材等よりなる本体２０をアブレーション加工（非加熱加工）できる。パルスレーザー２８の照射条件は、照射域外への熱拡散を抑えるため、パーフルエンスが０．２Ｊ／ｃｍ²〜１０Ｊ／ｃｍ²の範囲内であり、且つ、パルスラップ率が９５％以下の条件とすることが好ましい。

本工程で形成される深溝１６は、パルスレーザー２８の集光径と同等又はそれよりも大きいサイズとなる。深溝１６は、幅方向に位置をかえて複数回のパルスレーザーを走査することで形成してもよい。深溝１６の形成にともなって、深溝１６の間に凸部１８が形成される。

本実施形態では、図４Ｂのパルスレーザー２８の照射において、図５に示すように、本体２０の上にマスク３４を配置して行う。必要に応じてマスク３４と本体２０の表面２０ａとの間にスペーサ３２を配置する。マスク３４は、非改質領域１４の上を覆うとともに、改質領域１２に対応する部分に開口部３６を有している。改質領域１２へのパルスレーザー２８の照射は、マスク３４の開口部３６を通じて行われる。

本実施形態のマスク３４は開口部３６に面した開口部側端面３４ｂが、マスク３４の上面３４ｃに対して傾斜している。すなわち、開口部側端面３４ｂは、その下端部３４ｄ（パルスレーザー２８の出射側）が上端部３４ａ（パルスレーザー２８の入射側）よりも非改質領域１４側に広がるように逆テーパ状に傾斜した傾斜面で構成される。図中の曲線３６ａは、開口部３６を通過したパルスレーザー２８の照射エネルギーの分布を模式的に示し、曲線３６ｂは開口部側端面３４ｂ付近を通過したパルスレーザー２８の照射エネルギー分布を示している。

逆テーパ状に傾斜した開口部側端面３４ｂを有するマスク３４を使用すると、改質領域１２と非改質領域１４との境界領域２２に照射されるパルスレーザー２８の照射エネルギーが曲線３６ｂに示すように徐々に減衰する。深溝１６は、パルスレーザー２８の照射エネルギーに応じた深さに形成される。そのため、形成される深溝１６の深さが改質領域１２から非改質領域１４に向けて徐々に減少し、境界領域２２が形成される。

一方、図６の比較例のように、開口部側端面１３４ｂがマスク１３４の上面１３４ｃに対して垂直な面とした場合には、パルスレーザー２８の広がりにより、開口部側端面１３４ｂでパルスレーザー２８が反射される。その結果、曲線３６ｂに示すように、改質領域１２と非改質領域１４との境界においてかえって照射エネルギーが増大してしまい、深溝１６ａの深さが増大してしまう（図３参照）。この場合には、深溝１６ａの深さが徐々に変化する境界領域２２が形成されず、境界に他よりも深さが深い深溝１６ａが形成されてしまい、クラックが入りやすくなってしまう。

これに対し、本実施形態のマスク３４は、開口部側端面３４ｂを傾斜面としているので、上記の比較例のような不具合を防ぐことができる。

図７に示すように、開口部側端面３４ｂの傾斜角θを開口部側端面３４ｂとマスク３４の上面３４ｃとの為す角度とすると、傾斜角θはパルスレーザー２８の回折による広がり角度（回折角度）と干渉しない範囲に設定することが好ましい。

パルスレーザー２８の回折による広がり角度は、あらかじめ実験的に求めることができる。すなわち、図５の仮想線で示すように、マスク３４を様々な高さＤ１〜Ｄ４に配置してパルスレーザー２８を照射し、パルスレーザー２８の照射範囲がどの程度変化するかを調べることで、求められる。

例えば、図８に示すように、Ｄ１が５ｍｍ、Ｄ２が１０ｍｍ、Ｄ３が１５ｍｍ、及びＤ４が２０ｍｍとして、照射位置の変化をそれぞれ求める。そして、図８のグラフの傾きから、パルスレーザー２８の回折角が１．４３２°と求まる。この場合には、マスク３４の開口部側端面３４ｂの傾斜角θは、９０°−１．４３２°＝８８．５°よりも小さくすればよいことがわかる。開口部側端面３４ｂの傾斜角θはパルスレーザー２８の回折角よりも十分小さな値としてもよく、例えば６０°程度としてもよい。

以上のようにして深溝１６の形成が完了する。その後、図９Ａに示すように、深溝１６の間に形成される凸部１８の上端にパルスレーザー２８を照射して凹凸構造を形成する。凸部１８の上面は、図４Ａに示す窒化処理工程において窒化されているが、局所的に窒素含有量が高い部分が偏在している。窒化物濃度が高い部分は、パルスレーザー２８の吸収率がより高くなるため、選択的に加熱される。また、加熱された際に窒化物が分解されて窒素が噴出することで、窒化物濃度が高い部分において優先的にアブレーションが進む。その結果、凸部１８の上面にパルスレーザー２８の照射範囲よりも小さな微細突起１８ａが形成される。

その後、図９Ｂに示すように、深溝１６、凸部１８及び微細突起１８ａが形成された本体２０の表面２０ａに、アセチレンガスを含むガスを接触させて、カーボン複合窒化膜よりなる断熱膜２４を形成する。この断熱膜２４は、窒化と同時に多孔質炭素膜を形成する複合処理である。これにより、深溝１６を埋めるようにして断熱膜２４が形成される。また、断熱膜２４の一部は凸部１８の微細突起１８ａを覆う。本体２０の表面２０ａには、深溝１６及び凸部１８を反映した凹凸構造が現れる。以上により、金属よりなる本体２０の表面改質が完了し、鋳造用金型１０の製造が完了する。

本実施形態の表面改質方法、鋳造用金型の製造方法及び鋳造用金型１０は、以下の効果を奏する。

本実施形態の表面改質方法及び鋳造用金型の製造方法は、改質領域１２に開口部３６を有するマスク３４を用いて、開口部３６を通じてパルスレーザー２８を照射して深溝１６を形成する。そのマスク３４は、開口部３６に面する開口部側端面３４ｂが、上端部３４ａから下端部３４ｄに向けて逆テーパ状に広がる傾斜面で構成されている。このように構成されたマスク３４を使用することにより、改質領域１２と非改質領域１４との間に、非改質領域１４に向けて深溝１６の深さが徐々に減少する境界領域２２を形成することができる。これにより、繰り返し使用してもクラックが発生しにくい鋳造用金型１０が得られる。

上記の表面改質方法及び鋳造用金型の製造方法において、マスク３４の開口部側端面３４ｂが、パルスレーザー２８の回折角よりも大きく傾斜している。これにより、開口部側端面３４ｂによるパルスレーザー２８の反射を防いで、改質領域１２の周縁部において深溝１６が過剰に深くなる不具合を防ぐことができる。

上記の表面改質方法及び鋳造用金型の製造方法において、マスク３４の開口部側端面３４ｂとマスク３４の上面３４ｃとの為す角度を８８．５°以下とすることができる。これにより、パルスレーザー２８が開口部側端面３４ｂで反射されて深溝１６が過剰に深くなる不具合を防止できる。

上記の表面改質方法及び鋳造用金型の製造方法において、マスク３４は、金属（金型）表面から離間して配置されてもよい。マスク３４を金属表面から離間させることにより、境界領域２２におけるパルスレーザー２８の照射エネルギー分布の変化を緩やかにすることができる。

上記の表面改質方法及び鋳造用金型の製造方法において、マスク３４は金属表面から５ｍｍ以上離間して設置してもよい。

上記の表面改質方法及び鋳造用金型の製造方法において、凹凸構造を形成する工程は、パルス幅が１０ピコ秒以下のパルスレーザーを前記金属表面を走査しつつ照射する照射工程を含み、前記照射工程は、パーフルエンスが０．２Ｊ／ｃｍ²〜１０Ｊ／ｃｍ²の範囲内で、且つ、パルスラップ率が９５％以下の条件で、複数回行なってもよい。これにより、金属表面をアブレーション加工することができる。

上記の表面改質方法及び鋳造用金型の製造方法において、深溝１６は、前記マスク３４の開口部３６よりも広い範囲に形成されてもよい。

本実施形態の鋳造用金型１０は、表面が平坦面１４ａで構成される非改質領域１４と、非改質領域１４に隣接して設けられ、表面に深溝１６が形成された改質領域１２と、を有し、少なくとも溶湯９０を供給する方案部に改質領域１２が設けられた鋳造用金型１０であって、改質領域１２と非改質領域１４との境界には、深溝１６の深さが改質領域１２から非改質領域１４に向けて徐々に浅くなった境界領域２２が形成されている。これにより、鋳造を繰り返した際の熱振幅が急変するヒートショックポイントの発生を防ぐことができ、深溝１６を起点とするクラックの発生を防ぐことができる。

上記の鋳造用金型１０において、深溝１６は、格子状に設けられていてもよい。

上記の鋳造用金型１０において、改質領域１２が多孔質炭素膜よりなる断熱膜２４で覆われていてもよい。これにより、鋳造用金型１０において、方案部における溶湯９０の温度低下を防ぐことができて好適である。

（その他の実施形態）
以下、本発明のその他の実施形態について、図１０を参照しつつ説明する。第１の実施形態では、図５に示すように、傾斜した開口部側端面３４ｂを有するマスク３４を用いることで、深溝１６の深さが徐々に変化する境界領域２２を形成したが、本発明はこれに限定されるものではない。図１０に示すように、改質領域１２の周縁部において、深溝１６を形成する際のパルスレーザー２８の走査回数（パス数）を、改質領域１２側から非改質領域１４側に向けて徐々に減少させることにより、深溝１６の深さが徐々に変化する境界領域２２を形成してもよい。

また、深溝１６を形成する際のパルスレーザー２８の走査回数を変化させる代わりに、深溝１６を形成する際のパルスレーザー２８の強度を、場所に応じて変化させることで、深溝１６の深さを徐々に変化させるようにしてもよい。これらの実施形態によっても、第１の実施形態の表面改質方法及び鋳造用金型の製造方法と同様の効果が得られる。

上記において、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。

１０…鋳造用金型 １２…改質領域
１４…非改質領域 １６…深溝
１８…凸部 ２０…本体
２２…境界領域 ２４…断熱膜
２８…パルスレーザー ３４…マスク
３４ｂ…開口部側端面 ３６…開口部

Claims (11)

1. 非改質領域に隣接した改質領域にパルスレーザーを照射して複数の溝状凹部を有する凹凸構造を形成する表面改質方法であって、
   前記非改質領域を覆うとともに、前記改質領域に開口部を有するマスクを金属表面に対向して配置する工程と、
   前記マスクの開口部を通じて前記金属表面にパルスレーザーを照射して前記溝状凹部を形成する工程と、を有し、
   前記マスクは、前記開口部に面する開口部側端面が、前記パルスレーザーの入射側から出射側に向けて逆テーパ状に広がる傾斜面で構成されている、
   表面改質方法。
2. 請求項１記載の表面改質方法であって、前記開口部側端面は、前記パルスレーザーの回折角よりも大きく傾斜している、表面改質方法。
3. 請求項２記載の表面改質方法であって、前記開口部側端面と、前記マスクの上面との為す角度が８８．５°以下である、表面改質方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面改質方法であって、前記マスクは、前記金属表面から離間して配置される、表面改質方法。
5. 請求項４記載の表面改質方法であって、前記マスクは前記金属表面から５ｍｍ以上離間して設置される、表面改質方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の表面改質方法であって、前記凹凸構造を形成する工程は、パルス幅が１０ピコ秒以下のパルスレーザーを前記金属表面を走査しつつ照射する照射工程を含み、前記照射工程は、
   パーフルエンスが０．２Ｊ／ｃｍ²〜１０Ｊ／ｃｍ²の範囲内で、且つ、パルスラップ率が９５％以下の条件で、複数回行なわれる、表面改質方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の表面改質方法であって、前記溝状凹部は、前記マスクの開口部よりも広い範囲に形成される、表面改質方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の表面改質方法を行う鋳造用金型の製造方法。
9. 表面が平坦面で構成される非改質領域と、前記非改質領域に隣接して設けられ、表面に複数の溝状凹部が形成された改質領域と、を有し、少なくとも溶湯を供給する方案部に前記改質領域が設けられた鋳造用金型であって、
   前記改質領域と前記非改質領域との境界には、前記溝状凹部の深さが前記改質領域から前記非改質領域に向けて徐々に浅くなった境界領域が形成されている、
   鋳造用金型。
10. 請求項９記載の鋳造用金型であって、前記溝状凹部は、格子状に設けられている、鋳造用金型。
11. 請求項１０記載の鋳造用金型であって、前記改質領域が多孔質炭素膜よりなる断熱膜で覆われた、鋳造用金型。

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