JP5814988B2

JP5814988B2 - 鋳造用金型の表面改質方法

Info

Publication number: JP5814988B2
Application number: JP2013154908A
Authority: JP
Inventors: 岳史横山; 研二結城
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: JP2015024422A

Description

本発明は、鋳造用金型の表面改質方法に関する。

従来から、ワーク表面の撥水性や親水性等を向上させるため、パルスレーザをワーク表面に照射してワーク表面を改質することが行われてきた。
たとえば、下記特許文献１に開示される表面改質方法では、パルス幅が１０ｎｓｅｃで発振できるパルスレーザ装置を用い、１パルスの単位面積あたりのエネルギー（以下、単に「パルスフルーエンス」という。）を５〜１２Ｊ／ｃｍ^２に設定し、パルスレーザをワーク表面に照射している。

ところで、鋳造用金型に関し、断熱性、流動性、低濡れ性を向上させるため、金型表面に複数の溝を形成する場合がある（下記特許文献２参照。）。

特開２００９−２２６４７９号公報特開昭６３−２５６２５１号公報

ここで、金型表面に形成される複数の溝に関し、溝のピッチが狭ければ狭いほど多くの溝を配置でき、溶湯と金型との接触面積を小さくできる。また、多くの溝を配置するとした場合、金型表面に形成される溝は、例えば幅が１０μｍ程度の微細溝であることが好ましい。

ここで、上記特許文献１に開示されるように、微細加工に優れるレーザ加工によって金型表面に微細溝を形成することが考えられるものの、上記特許文献１に開示されるレーザ加工では、パルス幅とパルスフルーエンスとが比較的大きい値となっている。
そのため、上記特許文献１に開示される照射条件で溝を形成した場合、パルスレーザの照射域の周り（以下、単に「照射域外」という。）に、圧縮応力が解放された融解部が発生し、鋳造用金型の表面にクラックが生じ易くなるという問題がある。

また、特許文献１に開示のパルスレーザのパルスラップ率は高くても５０％である。そのため、深い微細溝を形成する場合、金型表面を走査する回数が増えてしまい、効率的でなかった。

本発明は、前記の問題を解決するために創作された発明であって、パルスレーザにより微細溝を形成しつつ、溶融部の発生と走査数の増加とを抑えることができる鋳造用金型の表面改質方法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の表面改質方法は、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、鋳造用金型の表面に前記パルスレーザを照射して微細溝を形成する鋳造用金型の表面改質方法であって、前記表面を走査しながら前記パルスレーザを照射させる照射工程と、前記表面の水平方向であって前記走査した方向と直交する方向に前記パルスレーザの照射位置を移動させる移動工程と、を含み、前記照射工程を複数回行った後に前記移動工程を行い、さらに前記照射工程を複数回行うことで所定の深さ及び所定の幅の前記微細溝を形成し、前記照射工程は、パルスフルーエンスが０．２Ｊ／ｃｍ２〜１０Ｊ／ｃｍ２の範囲内、かつ、パルスラップ率が９５％以下となっており、前記移動工程において、前記パルスレーザ装置のレンズの焦点距離が１６３ｍｍの場合、軸ラップ率が０％よりも大きく２０％未満、又は５０％以上１００％未満となるように移動させ、前記レンズの焦点距離が２５５ｍｍの場合、前記軸ラップ率が０％よりも大きく２０％未満、又は６５％以上１００％未満となるように移動させることを特徴とする。

前記する発明によれば、鋳造用金型に照射されるパルスレーザのパルス幅が１０ｐｓｅｃ以下で、鋳造用金型を構成する金属元素の衝突緩和時間よりも短いため、鋳造用金型をアブレーション加工（非熱加工）することができる。
また、パルスフルーエンスが０．２Ｊ／ｃｍ^２〜１０Ｊ／ｃｍ^２の範囲内、かつ、パルスラップ率が９５％以下の範囲内という照射条件であるので、溶融部を発生させることなく、より深い溝を形成できるため、鋳造用金型の表面を走査させる回数を低減できる。

また、前記パルスフルーエンスが０．２Ｊ／ｃｍ^２〜５．０Ｊ／ｃｍ^２の範囲内、かつ、前記パルスラップ率が７０％〜８５％の範囲内であること、が好ましい。

前記する構成によれば、一回の走査により形成される微細溝の深さがより深くなるため、少ない走査数で所定深さの溝を形成することができるようになる。

本発明によれば、パルスレーザにより微細溝を形成しつつ、溶融部の発生と走査数の増加とを抑えることができる鋳造用金型の表面改質方法を提供することができる。

実施形態の照射工程において、パルスフルーエンスとパルスラップ率との関係を示す図である。実施例１のＳＫＤ材において、パルスレーザが照射された単位面積当たり積算エネルギーと、測定された溝の深さとの関係を示すグラフである。実施例２の試材２において、格子状の溝を形成するためのパルスレーザの走査方向とその順番を示す図である。（ａ）は、実施例２の試材１の断面視した写真であり、（ｂ）は、実施例２の試材１を平面視した写真である。（ａ）は、実施例２の試材２の断面視した写真であり、（ｂ）は、実施例２の試材２を平面視した写真である。（ａ）は、実施例２の試材３の断面視した写真であり、（ｂ）は、実施例２の試材３を平面視した写真である。（ａ）は、比較例の試材４の断面視した写真であり、（ｂ）は、比較例の試材４を平面視した写真である。実施例３の軸ラップ率を変化させた場合において、測定された溝全体の幅と凸部の幅との関係を示すグラフである。（ａ）は、実施例３において、底面が平面となっている溝を斜視した写真であり、（ｂ）は、底面に凸部が形成された溝を斜視した写真である。

つぎに、本発明の実施形態について、適宜図面を参照して説明する。
鋳造用金型の表面改質方法は、パルスレーザ装置から鋳造用金型の表面にパルスレーザを照射し、鋳造用金型の表面に微細溝を形成するための方法である。
なお、鋳造用金型の表面に形成される微細溝とは、通常、幅が数μｍ〜数十μｍのものを指すが、本発明は、その幅の微細溝に限定されない。
また、微細溝が形成された鋳造用金型は、流動性と断熱性とが向上して高品質の鋳造物を製造できるようになる。
さらに、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と固定型とから構成されるが、この可動型と固定型とには、ＳＫＤ１１やＳＫＤ６１などのＳＫＤ材（ダイス鋼）が用いられる。以下、鋳造用金型、可動型、固定型のことを併せて、単にＳＫＤ材をいう。

本実施形態に係る鋳造用金型の表面改質方法では、パルス幅が１０ｐｓｅｃ以下のレーザビームを発振できるレーザ発振器を備えたパルスレーザ装置を使用する。これは、パルス幅が１０ｐｓｅｃ以下のパルスレーザであれば、ＳＫＤ材の衝突緩和時間よりも短いため、ＳＫＤ材をアブレーション加工（非熱加工）できるからである。

鋳造用金型の表面改質方法は、金型表面を走査しながらパルスレーザを照射させる照射工程を含んでいる。
また、照射工程におけるパルスレーザの照射条件は、パルスレーザの照射域外への熱拡散を抑えるため、パルスフルーエンスが０．２Ｊ／ｃｍ^２〜１０Ｊ／ｃｍ^２の範囲内であり、かつ、パルスラップ率が９５％以下となっている（図１の○、△１、△２に示される範囲を参照。）。
なお、パルスラップ率とは、走査方向に断続的に照射されるパルスレーザの照射域に関し、前のパルスレーザが照射された照射域に対し、その次のパルスレーザが照射された照射域が重畳する割合である。よって、パルスラップ率が５０％の場合とは、前のパルスレーザの照射域の５０％が後のパルスレーザの照射域と重畳していることを指す。

パルスフルーエンスに関しては、０．２Ｊ／ｃｍ^２〜１０Ｊ／ｃｍ^２の範囲内において、大きい値を選択した場合にＳＫＤ材に形成される溝が深くなる。なお、パルスフルーエンスの最小値（０．２Ｊ／ｃｍ^２）は、ＳＫＤ材の元素をアブレーションさせるために必要な最小エネルギーである。
パルスラップ率に関して、９５％以下の範囲内において大きい値を選択した場合には、照射域で重畳する部分が多くなり、溝が深くなる。

ここで、より好ましいパルスレーザの照射条件とは、パルスフルーエンスが０．５Ｊ／ｃｍ^２〜５．０Ｊ／ｃｍ^２の範囲内、かつ、パルスラップ率を７０％〜８５％の範囲内である（図１の「○」が属する範囲。）。この条件によれば、より深い溝を形成することができ、鋳造用金型の表面を走査させる回数を低減させることができる。

また、パルスフルーエンスが０．２Ｊ／ｃｍ^２〜５．０Ｊ／ｃｍ^２以下、パルスラップ率が７０％以下の場合には（図２の「△１」が属する範囲。）、溝の深さが浅いものの溝面に形成される凹凸が小さく、滑らかな面を形成できる。
一方で、パルスフルーエンスが５．０Ｊ／ｃｍ^２〜１０Ｊ／ｃｍ^２の範囲内でかつパルスラップ率が９５％以下の範囲内の場合、及び、パルスフルーエンスが０．５Ｊ／ｃｍ^２〜１０．０Ｊ／ｃｍ^２の範囲内の場合は、一回の走査により溝の深さを深くできるものの、大きい凹凸が形成された溝面となる。

また、上記条件下で一回の照射工程により形成される溝は、深くても０．５０μｍである（後記する実施例２の試材２−２を参照。）。
よって、本実施形態に係る鋳造用金型の表面改質方法では、照射工程を複数行うことで、言い換えれば、鋳造用金型の表面を複数回走査してレーザビームの照射を繰り返すことで、溝の深さを所定の深さとする必要がある。

また、照射工程により形成される溝の幅は、レンズの集光径により決定される。よって、レンズの集光径以上の溝幅を形成する場合には、ＳＫＤ材に対し水平方向であって走査方向に対し直交する方向（以下、単に「直交方向」という）に相対的にレーザ照射位置をずらすことで、ＳＫＤ材に照射されるパルスレーザの軸を直交方向に移動させ、再度照射工程を行う必要がある。

ここで、パルスレーザの軸を移動させる前に照射された照射域と、パルスレーザの軸を移動させた後に照射された照射域とが重畳する割合（以下、「軸ラップ率」という。）が２０％未満の場合、移動前の照射域と移動後の照射域との間に、溝の底面が凸状となった凸部が形成される。よって、溝の底面を平面にしたい場合には、軸ラップ率を２０％以上とする必要がある。
なお、鋳造用金型では、たとえば、溝内にＳＫＤ材の表面を被覆する被覆物を埋設させる場合があり、溝の底面が凸状となっていることにより、その被覆物との接触面積の増加を図れる。そのため、溝の底面が凸状となっていても、鋳造用金型として有用な場合がある。

以上、実施形態に係る鋳造用金型の表面改質方法によれば、パルスレーザを用いて微細溝を形成できるとともに、溶融部の発生と走査数の増加とを抑えることができる。つぎに、本発明の実施例１〜実施例３について説明する。

（実施例１）
本実施例では、照射工程を複数回行い、ＳＫＤ材（ＳＫＤ６１）に与えた単位面積当たりの積算エネルギーと、その積算エネルギーに対応する溝の深さとの関係を試験した。
本実施例における照射条件は、パルス幅が１０ｐｓｅｃ、パルスフルーエンスが０．５〜３．０Ｊ／ｃｍ^２、パルスラップ率が７０〜８５％である。
使用したパルスレーザ装置は、ＴｒｕＭｉｃｒｏ５２５０（ｔｒｕｍｐｆ製波長：５１５ｎｍ下記で説明する実施例２，３においても同じ。）である。
また、溝の深さの測定方法は、レーザ顕微鏡により測定した。測定結果を図２示す。
図２に示すように、単位面積当たりの積算エネルギーが増加した場合、つまり、照射工程数が増加した場合に、形成された溝の深さが深くなることを確認できた。

（実施例２）
本実施例では、試材１、試材２、試材３を用意し、それぞれに異なる照射条件１〜３で複数の溝を形成し、照射条件１〜３のそれぞれで溶融部が発生していないことの確認と、溝の深さの測定を行った。
また、比較例として、試材４を用意し、照射条件４で複数の溝を形成した。なお、試材１〜試材４は、ＳＫＤ６１を使用した。
ここで、図１に示されるパルスフルーエンスとパルスラップ率の関係図において、照射条件１は△１の範囲に属し、照射条件２は○の範囲に属し、照射条件３は△２の範囲に属し、照射条件４は×の範囲に属するものであり、具体的については、以下の表１に示す通りである。

そのほか、試材２について、パルスレーザを格子状に走査する工程（図３に示す（１）〜（８）の順番で走査する）を複数回繰り返し、格子状の溝を形成した。
溶融部が発生しているか否かの確認方法は、試材を切断しエッチングしたのち光学顕微鏡で溝の断面を観測し、溝面をＳＥＭで観測して判断した。試材１〜試材４の溝の断面視した写真及び溝面を斜視した写真を図４〜図７に示す。
また、溝の深さの測定は、レーザ顕微鏡で測定した。そして、一回の走査で形成される溝の深さを算出した。測定した溝の深さと、一走査あたりの溝の深さを表１に示す。

考察すると、図４〜図６に示すように、試材１〜試材３に形成された溝の周辺に溶融部が確認されなかった。よって、照射条件１〜３であれば、溶融部を発生させることなく所定の深さを有する微細溝を形成できることを確認できた。
一方で、図７に示すように、試材４に形成された溝は、熱拡散により溝の周辺に溶融部が生じていることが確認された。なお、図７に示すように、試材４に形成された複数の溝は、深さがそれぞれ異なっており、溝の深さを測定できなかった。

また、表１に示すように、照射条件２は、照射条件１、３よりも一回の走査で最も深い溝（０．５０μｍ）が形成され、照射条件２が最も走査回数が少なく、表面改質できることを確認できた。

図４、図６、表１に示すように、照射条件１と照射条件３とを比較すると、照射条件３の方が照射条件１よりも深い溝を形成できることが確認され、深い溝を形成するにあたり、パルスフルーエンス及びパルスラップ率が高い方が望ましいことを確認できた。
一方で、図４、図６に示すように、試材１、試材３の溝面を比較すると、試材４の溝面に凹凸が生じていることが確認でき、凹凸の少ない平な溝面を形成する場合には、パルスフルーエンス及びパルスラップ率が低い方が望ましいことを確認できた。

（実施例３）
本実施例では、レンズ１（焦点距離Ｆ＝１６３ｍｍ）と、レンズ２（焦点距離Ｆ＝２５５ｍｍ）を用意した。そして、レンズ１とレンズ２とのそれぞれにおいて、軸ラップ率を１０％以上１００％未満の範囲で変化することで形成された溝全体の幅と、溝の底面に形成される凸部の幅を測定した。測定結果を図８に示す。
また、溝の底面が平面となっている場合の代表例として、レンズＦ２５５を用い、軸ラップ率２０％で加工したＳＫＤ６１の溝を斜視した写真を図９（ａ）に示す。
一方、溝の底面に凸部が形成された場合の代表例として、レンズＦ２５５を用い、軸ラップ率８％で加工したＳＫＤ６１の溝を斜視した写真を図９（ｂ）に示す。なお、図９（ｂ）において、破線で囲まれた範囲が溝の底面に形成された凸部である。

図８に示すように、レンズ１、レンズ２であっても、軸ラップ率が小さくなると、言い換えれば、パルスレーザの軸線を直交方向にずらした距離が大きいほど、溝全体の幅が拡大していることを確認できた。
また、レンズ１において軸ラップ率が２０％以上から５０％未満の場合と、レンズ２において軸ラップ率が２０％以上から６５％未満の場合とで、溝の底面に凸部が形成されなかったことが確認できた。また、レンズ１において軸ラップが５０％以上１００％未満の範囲と、レンズ２において軸ラップが６５％以上１００％未満の範囲とで、幅が５μｍ内の凸部を確認された。
一方で、レンズ１、レンズ２のそれぞれにおいて、軸ラップ率が２０％未満の場合、１０μｍを越える凸部が形成されていることを確認した。

Claims

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、鋳造用金型の表面に前記パルスレーザを照射して微細溝を形成する鋳造用金型の表面改質方法であって、
前記表面を走査しながら前記パルスレーザを照射させる照射工程と、
前記表面の水平方向であって前記走査した方向と直交する方向に前記パルスレーザの照射位置を移動させる移動工程と、を含み、
前記照射工程を複数回行った後に前記移動工程を行い、さらに前記照射工程を複数回行うことで所定の深さ及び所定の幅の前記微細溝を形成し、
前記照射工程は、パルスフルーエンスが０．２Ｊ／ｃｍ２〜１０Ｊ／ｃｍ２の範囲内、かつ、パルスラップ率が９５％以下となっており、
前記移動工程において、
前記パルスレーザ装置のレンズの焦点距離が１６３ｍｍの場合、軸ラップ率が０％よりも大きく２０％未満、又は５０％以上１００％未満となるように移動させ、
前記レンズの焦点距離が２５５ｍｍの場合、前記軸ラップ率が０％よりも大きく２０％未満、又は６５％以上１００％未満となるように移動させる
ことを特徴とする鋳造用金型の表面改質方法。
前記照射工程は、前記パルスフルーエンスが０．２Ｊ／ｃｍ^２〜５．０Ｊ／ｃｍ^２の範囲内、かつ、前記パルスラップ率が７０％〜８５％の範囲内である
ことを特徴とする請求項１に記載の鋳造用金型の表面改質方法。