JP5718415B2

JP5718415B2 - 鋳造用金型

Info

Publication number: JP5718415B2
Application number: JP2013154907A
Authority: JP
Inventors: 研二結城; 岳史横山
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: JP2015024421A

Description

本発明は、鋳造用金型に関する。

従来から、湯じわ、湯境等の鋳造欠陥を抑えて高品質の鋳造物を製造するため、表面が加工された鋳造用金型や表面処理された鋳造用金型が開発されてきた。
たとえば、下記特許文献１、２では、キャビティ内の残留ガスが入り込む空間（エアギャップ）を確保するため、金型表面に溝やディンプルが形成された鋳造用金型が開示されている。
また、下記特許文献３，４では、溶湯の接触角を大きくさせるため、金型表面にナノカーボン類を含む炭素膜が被覆された鋳造用金型が開示されている。

特開昭６３−２５６２５１号公報特許第４７７５５２１号公報特許第４６９４３５８号公報特許第５０３６６５６号公報

ここで、金型表面に溝を形成する技術に関し、溝幅の拡大化は、金型と溶湯との接触面積が低減しエアギャップを拡大できるため望ましいが、溝内に溶湯が入り込み易くなるという問題があった。
また、金型表面に炭素膜をコーティング処理する技術に関し、炭素膜を厚く形成した場合に、断熱性能が向上するため望ましいが、熱負荷により剥離や欠落が発生し易くなるという問題がある。

そこで、本発明は、前記する課題に鑑み、金型表面に溝を形成する技術とコーティング処理する技術とを組み合わせてなる発明であって、溝内への溶湯の入り込みを防止するとともに、炭素膜の剥離を抑制することができる鋳造用金型を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本願発明に係る鋳造用金型は、金型表面にレーザ加工と炭素膜のコーティング処理とがされた鋳造用金型であって、第１のレーザ加工により所定間隔を空けて形成された複数の溝と、前記複数の溝間で突状となっている複数の突部と、前記炭素膜のコーティング処理により前記複数の溝に埋設している複数の炭素部と、を備え、前記突部と前記炭素部とが交互に配置された前記金型表面を溶湯が流れるようになっており、前記溝は、開口幅が４５μｍ以下であって、深さが６０μｍ以上であり、前記突部は、前記突部の頂面に、第２のレーザ加工がされて前記溶湯との接触面積を低減させるための複数の微細溝を有していることを特徴とする。

前記する発明において、金型表面にコーティングされた炭素膜は、開口幅が４５μｍ以下、深さが６０μｍ以上の溝内に埋設された炭素部となり、鋳造時の圧力が作用しても剥離し難くなっている。
また、溝内に埋設された炭素部は、溝の深さと同等である６０μｍ以上の厚みを有しているため断熱部として機能するとともに、溝内に溶湯が入り込むことが抑制される。
そして、開口幅が４５μｍ以下と比較的大きな複数の溝が形成された鋳造用金型によれば、溶湯と金型表面との接触面積が低減し、溶湯の放熱を抑えて溶湯の流動性を向上させることができる。
また、前記する発明であれば、溶湯が接触する突部の頂面に微細溝が形成されているため、突部の頂面にもエアギャップが形成されてさらに断熱性を向上させることができる。

また、前記溝のピッチは、１００μｍ以下であることが好ましい。

前記する構成によれば、溶湯の流路に沿う単位長当りにおいて、突部よりも炭素部が占める割合が多くなり、断熱性が向上する。

本発明によれば、金型表面に溝を形成する技術とコーティング処理する技術とを組み合わせてなる発明であって、溝内への溶湯の入り込みを防止するとともに、コーティングの剥離を抑制することができる鋳造用金型を提供することができる。

実施形態に係る鋳造用金型の可動型の断面を拡大した拡大断面図である。可動型表面に形成された溝と突部との一部を拡大した平面図であり、（ａ）は、図１に示す可動型の表面であり、（ｂ）〜（ｆ）は、溝が延びる方向が異なる変形例の表面である。実施形態に係る鋳造用金型の効果を説明するため、比較例となる鋳造法金型を断面視した断面図である。参考例に係る試料１〜１３と比較例に係る試料１４〜３０との深さ及び開口幅を表す図である。参考例の断面を写す写真であり、（ａ）は、試料１の断面であり、（ｂ）は、試料６の断面である。比較例の断面を写す写真であり、（ａ）は、試料１４の断面であり、（ｂ）は、試料１７の断面である。

つぎに、本発明の実施形態について説明する。
鋳造用金型は、型合わせすることでキャビティが形成される可動型１と固定型とを備えており、キャビティ内に溶湯が圧入されてキャビティと同一形状の鋳造物を製造するためのものである。
また、本実施形態に係る鋳造用金型の表面構造に関し、可動型１及び固定型の表面にレーザ加工と炭素膜のコーティング処理が施されている。以下、可動型１を用いて、可動型１及び固定型の表面構造について説明する。

図１に示すように、可動型１は、溶湯１１が流れる可動型１の表面に、レーザ加工により形成された複数の溝２と、複数の溝２の間に介在する複数の突部３と、複数の溝２に埋設している複数の炭素部４と、を備えている。

溝２は、可動型１を構成する型材１ａの表面に、パルス幅が１０ｐｓｅｃ以下のパルスレーザを照射してアブレーション加工（非熱加工）により形成された空間である。
型材１ａに照射されるパルスレーザは、型材１ａの深さ方向に進行するにつれて収束するため、溝２の形状は、上側の開口幅よりも底側の底幅の方が狭い台形状となっている。溝２の大きさは、開口幅Ｌ１が少なくとも４５μｍ以下、深さＬ２が少なくとも６０μｍ以上となっている。これは、溝２に埋設された炭素部４が剥離することを防止するためである。また、炭素部４が密着している溝面２ａは、炭素部４の強い密着度が得るために、粗くなっている。

図２（ａ）に示すように、溝２は、型材１ａの表面上で溶湯が流れる方向に直交するように延びており、複数の溝２のそれぞれが平行になっている。
また、複数の溝２は、溶湯が流れる方向に所定間隔Ｌ３（図１参照）を空けながら配列している。なお、所定間隔Ｌ３は１００μｍ以下であることが好ましい。これによれば、溶湯が流れる方向の単位長あたりにおいて、突部３よりも炭素部４が占める割合を多くすることができ、断熱性を向上させることができる。
なお、本発明では、複数の溝２の延びる方向について特に限定されるものでない。
たとえば、溶湯の流れと平行な溝２（図２（ｂ）参照）、溶湯の流れに直交する溝２と平行する溝２との組み合わせたもの（図２（ｂ）参照）、ヘリングボーン型の溝２（図２（ｄ）参照）、ヘリングボーン型の溝２に溶湯の流れと平行な溝２を組み合わせたもの（図２（ｅ）参照）、ヘリングボーン型の溝２に溶湯の流れと直交する溝２を組み合わせたもの（図２（ｆ）参照）であってもよい。

さらに、溝２を形成するレーザ加工に関し、パルス幅が１０ｐｓｅｃ以下のパルスレーザを照射するパルスレーザ装置を用いるとともに、パルスフルーエンスを０．２Ｊ／ｃｍ^２〜１０／ｃｍ^２の範囲内とし、そして、パルスラップ率を９５％以下として行うのが好ましい。これによれば、溝２の周辺への熱拡散を抑制しつつ、一回の走査でより深い溝２を形成でき、走査数を低減させることができる。

図１に示すように、突部３は、複数の溝２を形成する際にパルスレーザが照射されずに残った型材１ａの表面部分であり、断面視した場合に底側の底幅よりも頂面側の幅の方が狭い台形状となっている。
また、突部３の頂面には、パルスレーザにより微細溝５が形成されている。この微細溝５は、キャビティ内のガスを確保してエアギャップ１２を形成するための空間である。そのため、微細溝５は、溶湯１１が入り込まない大きさ、例えば、開口幅が１０μｍ、深さが１０μｍとなっている。
なお、実施形態の微細溝５は、開口幅が１０μｍ、深さが１０μｍとなっているが、キャビティ内のガスを確保できればよいものであるため、本発明においては実施形態で示した例に限定されない。

炭素部４は、レーザ加工により溝２と微細溝５が形成された型材１ａの表面に、コーティング処理であるカーボン膜複合窒化処理をすることで溝２に埋設された炭素膜である。
ここで、カーボン膜複合窒化処理とは、窒化と同時にキャビティ面にカーボン膜を形成する複合処理であり、これにより形成された炭素部４は、溝面２ａに対して強い密着度を有している。
このカーボン膜複合窒化処理により得られる炭素部４によれば、溶湯１１の接触角を大きくさせることができ、溶湯１１の流動性を高めることができる。

また、カーボン膜複合窒化処理により得られる炭素部４は、内部に多数の微細孔が形成されたポーラス状となっている。このため、溶湯１１が接触する可動型１及び固定型の表面は、型材１ａを構成するＳＫＤ材よりも熱伝導性が低いポーラス状の炭素部４が断続的に配置されるため、可動型１及び固定型の断熱性が向上する。なお、スーパーマルチナイトプロセス（日本テクノ製）を用いれば、ポーラス状の炭素部４を得ることができる。
さらに、炭素部４は、溝２に埋設されて溝２の深さと同等な厚みを有して比較的厚くなっているため、より高い断熱性を有している。

炭素部４の頂面は、突部３の頂面よりも窪み、可動型１の表面は、凹凸が連続した凹凸面となっている。これにより、キャビティ内のガスは、凹凸面の凹状の部分に確保され、つまり、炭素部４の頂面を被覆するようにエアギャップ１２が形成され、断熱性の向上を図ることができる。

なお、炭素部４を形成するために型材１ａの表面にカーボン膜複合窒化処理を行う必要があるが、このカーボン膜複合窒化処理により、溝２内に炭素膜（炭素部４）が形成されるほかに、突部３の頂面を覆う炭素膜も形成される可能性がある。
この場合において、炭素膜は型材１ａよりも断熱性が高いため、突部３の頂面を覆う炭素膜をそのまま残してもよい。仮に炭素膜を残したとしても、突部３の頂面を覆う炭素膜は容易に剥がれ易いため、捨て打ちを行った際に剥離する可能性が高い。
また、炭素部４の頂部側についても剥がれ易いため、捨て打ちを行うことで剥がれ、突部３の頂面よりも窪むようになる。

上記した本実施形態に係る鋳造用金型によれば、可動型１と固定型とにコーティングされた炭素膜が、開口幅が４５μｍ以下、深さが６０μｍ以上の溝２に埋設された炭素部４となり、剥離し難くなっている。そして、溝２内に埋設された炭素部４は、高い断熱性を有する断熱部として機能するとともに、溝２に溶湯１１が入り込むことを抑制する。
以上より、複数の溝２が形成された可動型及び固定型によれば、溶湯１１との接触面積が減少しており、溶湯１１の放熱を抑えて溶湯１１の流動性を向上させることができる。
さらに、突部３の頂面に微細溝５が形成されているため、キャビティ内のガスが微細溝５内に入り込んでエアギャップ１２を成すため、さらに断熱性が向上して流動性の向上を図れる。

また、実施形態では、突部３の頂面に複数の微細溝５を形成することで、微細溝５にガスを確保するとともに、突部３の強度を損なわないようになっている。
つまり、突部３と溶湯１１との接触面積を減少させようとした場合、図３に示すように、突部３を形断面視三角形状するとともに突部３の頂面（頂点）を鋭利し、剣山状である複数の突部３とすることも考えられるものの、このような形状であると突部３の強度が著しく低下する。よって、実施形態で示すように、突部３の頂面に複数の微細溝５が形成することで、強度の低下を招くおそれがない。

また、従来技術で説明したナノカーボン類を含む炭素膜を被覆する技術によれば、炭素膜の膜厚制御により流動性を変化させることができるものの、ガスの雰囲気で一律に表面処理するため、表面処理された範囲で部分的に流動性を変化させることができなかった。
一方、実施形態によれば、溝２を形成し、カーボン膜複合窒化処理すれば炭素部４が形成されるため、溝２の延びる方向や長さを変化させることで、炭素部４の延びる方向長さを容易に変化させることができる。そのため、溶湯の単位長あたりの突部３と炭素部４との割合を変化させるように設計でき、流動性を細かく変化させることができる。

（参考例）
つぎに、本発明の参考例について説明する。
試料１〜試料３０として、図４の表に示すように、溝２の開口幅Ｌ１と深さＬ２とがそれぞれ異なる鋳造用金型を３０個製造した。ここで、試料１〜試料１３は、本発明の参考例に相当するものであり、試料１４〜試料３０は、比較例に相当するものである。
試料１〜試料３０の型材１ａとしてＳＫＤ６１を使用し、溝２の形成に関し、パルスレーザ装置（ＴｒｕＭｉｃｒｏ５２５０ｔｒｕｍｐｆ製）を使用するとともに、パルス幅を１０ｐｓｅｃに設定してパルスレーザにより溝を形成した。なお、突部３の頂面には微細溝５を形成していない。

そして、試料１〜試料３０の表面にカーボン膜複合窒化処理を行い、試料１〜試料３０の表面に炭素膜をコーティングして炭素部４を形成した。なお、このカーボン膜複合窒化処理により突部３の頂面も炭素膜に覆われた。カーボン膜複合窒化処理には、スーパーマルチナイトプロセス（日本テクノ製）を用いた。

つぎに、試料１〜試料３０で捨て打ちを行った。溶湯にはダイカスト用アルミニウム（ＡＤＣ１２材）を使用した。
捨て打ちの条件は、プランジャ速度が２ｍ／ｓｅｃ（ランナ速度は１８ｍ／ｓｅｃ未満）、鋳造圧が９０ＭＰａ、ショット数が３０回である。なお、実測された鋳造圧は、６０ＭＰａ〜７０ＭＰａであった。

そして、溝２に埋設された炭素部４が剥離しているかをレーザ顕微鏡で確認し、その確認結果を図４に示した。
図４では、溝２に炭素部４が埋設している状態を確認できたものを「○」と表記し、溝２から炭素部４が剥離した状態を確認したものを「×」と表記する。
確認方法は、レーザ顕微鏡（ＶＫ−９７００：株式会社キーエンス製）を用いて取得した画像を目視で確認した。
参考例の代表例として、試料１と試料６とのレーザ顕微鏡により取得した画像を図５に示し、比較例の代表例として、試料１４と試料１７とのレーザ顕微鏡により取得した画像を、図６に示す。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、試料１、試料６においては、捨て打ち後においても、溝２の全てに炭素部４が埋設している状態となっていた。
一方で、試料１４では、図６（ａ）に示されるように、溝にアルミニウムが溝２内に差し込んで、炭素部が剥がれている状態となっていた。
また、試料１７では、図６（ｂ）に示されるように、溝に埋設された炭素部が全部剥離した状態となっていた。
以上より、開口幅が４５μｍ以下、深さが６０μｍ以上の溝２に埋設された炭素部４であれば剥離することないため、溶湯が溝２内に入り込むことを防止できることを確認できた。

１可動型（鋳造用金型）
２溝
３突部
４炭素部
５微細溝
１１溶湯
１２エアギャップ

Claims

金型表面にレーザ加工と炭素膜のコーティング処理とがされた鋳造用金型であって、
第１のレーザ加工により所定間隔を空けて形成された複数の溝と、
前記複数の溝間で突状となっている複数の突部と、
前記炭素膜のコーティング処理により前記複数の溝に埋設している複数の炭素部と、
を備え、前記突部と前記炭素部とが交互に配置された前記金型表面を溶湯が流れるようになっており、
前記溝は、開口幅が４５μｍ以下であって、深さが６０μｍ以上であり、
前記突部は、前記突部の頂面に、第２のレーザ加工がされて前記溶湯との接触面積を低減させるための複数の微細溝を有していること
を特徴とする鋳造用金型。
前記所定間隔は、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の鋳造用金型。