JP5833982B2 - 鋳造用金型及びその製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献1に開示されたダイカスト金型は、表面の酸化物層が酸化鉄のみからなるため、耐溶損特性に劣り、結果として耐久性に劣るという問題があった。
クロムを含有する合金工具鋼からなる基材と、
前記基材上に形成された窒素拡散層と、
前記窒素拡散層上に形成された窒化物層と、
溶湯との接触面に酸化鉄及び酸化クロムを含有し、前記窒化物層上に形成された酸化物層と、を備え、
前記酸化物層の厚さは、前記窒化物層及び前記酸化物層の厚さの合計の40%以上であるものである。
溶湯との接触面に酸化鉄及び酸化クロムを含有するため、耐溶損特性に優れている。そのため、耐久性に優れている。
さらに、前記酸化物層の厚さは、前記窒化物層及び前記酸化物層の厚さの合計の80%以下であることが好ましい。
基材と表面処理層との膨張率の差が緩和され、表面処理層の密着性が向上する。
また、当該鋳造用金型はダイカスト金型として特に好適である。
450〜600℃の温度範囲で60〜400分間、クロムを含有する合金工具鋼からなる基材を窒化処理することにより、窒素拡散層及び窒化物層を前記基材上に形成するステップと、
前記窒化物層が形成された前記基材の表面を研磨するステップと、
450〜600℃の温度範囲で60〜400分間、前記基材を酸化処理することにより、溶湯との接触面に酸化鉄及び酸化クロムを含有する酸化物層を前記窒化物層上に形成するステップと、を備えたものである。
溶湯との接触面に酸化鉄及び酸化クロムを含有するため、耐溶損特性に優れている。そのため、耐久性に優れている。
基材と表面処理層との膨張率の差が緩和され、表面処理層の密着性が向上する。
また、前記酸化物層の厚さを、前記窒化物層及び前記酸化物層の厚さの合計の40%以上とすることが好ましい。さらに、前記酸化物層の厚さを、前記窒化物層及び前記酸化物層の厚さの合計の80%以下とすることが好ましい。
前記窒化処理が、アンモニアガスを用いたガス窒化処理であることが好適である。
前記酸化処理が、水蒸気を用いた酸化処理であることが好適である。
また、当該鋳造用金型はダイカスト金型として特に好適である。
まず、図1を参照して、実施の形態1に係る鋳造用金型について説明する。図1(a)は、実施の形態1に係る鋳造用金型の表層部の断面図である。図1(a)において、図面左側が金型表面(金型上側ともいう)、右側が金型内部(金型下側ともいう)である。図1(b)は、図1(a)の鋳造用金型の表層部におけるビッカース硬さ(Hv)の深さ依存性を定性的に示すグラフである。
窒化物層103及び酸化物層104の厚さは、組織観察による膜厚と成膜条件との関係から把握することができる。
まず、450〜600℃×60〜400minの条件で、窒素(N2)ガス、アンモニア(NH3)ガス、二酸化炭素(CO2)ガスからなる混合ガスを用いて、金型の基材101にガス窒化処理を施す。その後、炉内を窒素(N2)ガスにより置換し、金型を降温する。
表面処理層2は、TD処理(Toyota Diffusion Coating Process)により形成されたバナジウムカーバイド(VC)からなる。
図4(b)に示すように、バナジウムカーバイド(VC)からなる表面処理層2は、基材1に比べ極めて高い硬さを有している。そして、基材1と表面処理層2との界面において硬さが急激に変化する。そのため、比較例に係る鋳造用金型では、高温における基材1と表面処理層2との膨張率の差も大きくなり、両者の界面において割れが発生し易い。
550℃×240minの条件で、窒素(N2)ガス、アンモニア(NH3)ガス、二酸化炭素(CO2)ガスからなる混合ガスを用いて、JIS規格SKD61材からなる金型の表面にガス窒化処理を施した。その後、炉内を窒素(N2)ガスにより置換し、金型を降温した。窒化処理された金型の表面をラップ研磨した後、510℃×270minの条件で、窒化処理後の金型に水蒸気酸化処理を施した。その後、窒素(N2)ガスにより、金型を室温まで冷却した。これにより、JIS規格SKD61材からなる基材101上に、厚さ150μmの窒素拡散層102、厚さ5μmの窒化物層103、厚さ5μmの酸化物層104をこの順に備えた鋳造用金型を得た。
比較例1に係る鋳造用金型は、JIS規格SKD61材からなる基材101上に、TD処理による厚さ10μmのバナジウムカーバイド(VC)層を備えたものである。
550℃×240minの条件で、窒素(N2)ガス、アンモニア(NH3)ガス、二酸化炭素(CO2)ガスからなる混合ガスを用いて、JIS規格SKD61材からなる金型の表面にガス窒化処理を施した。その後、窒素(N2)ガスにより、金型を室温まで冷却した。これにより、JIS規格SKD61材からなる基材上に、厚さ100μmの窒素拡散層、厚さ7μmの窒化物層をこの順に備えた鋳造用金型を得た。なお、比較例2に係る鋳造用金型は、酸化物層を備えていない。
510℃×270minの条件で、JIS規格SKD61材からなる金型の表面に水蒸気酸化処理を施した。その後、窒素(N2)ガスにより、金型を室温まで冷却した。これにより、JIS規格SKD61材からなる基材上に、厚さ1.2μmの酸化物層を備えた鋳造用金型を得た。なお、比較例3に係る鋳造用金型は、窒素拡散層及び窒化物層を備えていない。
比較例4に係る鋳造用金型は、何ら表面処理を施していないJIS規格SKD61材からなる金型である。つまり、比較例4に係る鋳造用金型は、表面処理層である窒素拡散層、窒化物層、酸化物層を備えていない。
実施例1に係る鋳造用金型について、基材101及び表面処理層(窒素拡散層102、窒化物層103、酸化物層104)の室温からの膨張率の変化を調査した。同様に、比較例1に係る鋳造用金型についても、基材1及び表面処理層(バナジウムカーバイド(VC)層)2の室温からの膨張率の変化を調査した。測定温度は、300℃、500℃とした。図5Aは、実施例1に係る鋳造用金型における基材及び表面処理層の膨張率(%)の温度依存性を示すグラフである。図5Bは、比較例1に係る鋳造用金型における基材及び表面処理層の膨張率(%)の温度依存性を示すグラフである。
実施例1及び比較例1に係る鋳造用金型について、ショット数(鋳造回数)による表面硬さの変化を調査した。図6は、実施例1及び比較例1に係る鋳造用金型おける表面硬さのショット数(鋳造回数)依存性を示すグラフである。
このように、実施例1に係る鋳造用金型では、熱サイクル負荷による硬さの低下が小さく、耐久性に優れている。
実施例1及び比較例1に係る鋳造用金型について、耐久性を調査した。図7は、実施例1及び比較例1に係る鋳造用金型おいて損傷が発生するまでのショット数を示すグラフである。
実施例1及び比較例2〜4に係る鋳造用金型について、耐溶損特性を調査した。図8は、実施例1及び比較例2〜4に係る鋳造用金型における溶損質量の浸漬時間依存性を示すグラフである。
102 窒素拡散層
103 窒化物層
104 酸化物層
Claims (13)
- クロムを含有する熱間金型用の合金工具鋼からなる基材と、
前記基材上に形成された窒素拡散層と、
前記窒素拡散層上に形成された窒化物層と、
アルミニウムを主成分として含有する溶湯との接触面に酸化鉄及び酸化クロムを含有し、前記窒化物層上に形成された酸化物層と、を備え、
前記酸化物層の厚さは、前記窒化物層及び前記酸化物層の厚さの合計の40%以上である
鋳造用金型。 - 前記酸化物層の厚さは、前記窒化物層及び前記酸化物層の厚さの合計の80%以下である請求項1に記載の鋳造用金型。
- 前記窒素拡散層の膜厚が、50〜250μmである請求項1又は2に記載の鋳造用金型。
- 前記窒化物層の膜厚と前記酸化物層の膜厚との合計が、1〜40μmである請求項1〜3のいずれか一項に記載の鋳造用金型。
- ダイカスト金型である請求項1〜4のいずれか一項に記載の鋳造用金型。
- 450〜600℃の温度範囲で60〜400分間、クロムを含有する熱間金型用の合金工具鋼からなる基材を窒化処理することにより、窒素拡散層及び窒化物層を前記基材上に形成するステップと、
前記窒化物層が形成された前記基材の表面を研磨するステップと、
450〜600℃の温度範囲で60〜400分間、研磨後の前記基材を酸化処理することにより、アルミニウムを主成分として含有する溶湯との接触面に酸化鉄及び酸化クロムを含有する酸化物層を前記窒化物層上に形成するステップと、を備えた
鋳造用金型の製造方法。 - 前記窒素拡散層の膜厚を50〜250μmとする請求項6に記載の鋳造用金型の製造方法。
- 前記窒化物層の膜厚と前記酸化物層の膜厚との合計を、1〜40μmとする請求項6又は7に記載の鋳造用金型の製造方法。
- 前記酸化物層の厚さを、前記窒化物層及び前記酸化物層の厚さの合計の40%以上とする請求項6に記載の鋳造用金型の製造方法。
- 前記酸化物層の厚さを、前記窒化物層及び前記酸化物層の厚さの合計の80%以下とする請求項9に記載の鋳造用金型の製造方法。
- 前記窒化処理が、アンモニアガスを用いたガス窒化処理である請求項6〜10のいずれか一項に記載の鋳造用金型の製造方法。
- 前記酸化処理が、水蒸気を用いた酸化処理である請求項6〜11のいずれか一項に記載の鋳造用金型の製造方法。
- 前記鋳造用金型がダイカスト金型である請求項6〜12のいずれか一項に記載の鋳造用金型の製造方法。
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