JP6255656B2

JP6255656B2 - 金型補修方法および該金型補修方法により補修した金型

Info

Publication number: JP6255656B2
Application number: JP2015187540A
Authority: JP
Inventors: 衛高橋; 高憲滝北; 健二土屋
Original assignee: Ｒｔｍ株式会社
Priority date: 2014-10-06
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2035-09-25
Also published as: JP2016074035A

Description

本発明は、金型補修方法および該金型補修方法により補修した金型に関し、特に、ダイカスト金型において、該金型に生じた微小なクラックにレーザーを照射し、クラックを溶着補修すると共に表面の改質を行い、金型寿命の長寿命化を図ることができる金型補修方法および該金型補修方法により補修した金型に関する。

従来、金型にクラックが発生した場合はその部位を溶接により補修することが一般的であった。しかしながら、熱の影響による材質の低下や変形の問題があった。そこで、最近では、レーザーを用いた補修も検討されている。

例えば、特許文献１には、レーザービームの照射により窒化層を改質し、長寿命の鋳造用金型，押出し用金型，成形用金型等を得ることを目的として、窒化処理によって基材の表面に形成された窒化層に、マトリックスがマルテンサイト変態することなく且つ前記窒化層に分散している窒化物を分断する照射パワー密度でレーザービームを照射する表面改質方法が、開示されている。

また、金型に発生したクラックを、レーザーを用いて補修することは一部で行われているが、その多くはクラック部を何らかの方法で除去し、その後肉盛り溶接でクラック部を埋める方法が採られている。かかる技術としては、例えば、特許文献２に、キャビティが画成された金型の該キャビティを画成しているキャビティ画成部に生じたクラックを、該クラックが生じている該キャビティ画成部の部分と共に切除するクラック切除工程と、レーザー溶接により該切除部分に対して肉盛り溶接を施して該切除部分を埋める肉盛り工程とを有し、該肉盛り工程の前に、該金型を製造する工程において該キャビティ画成部に該キャビティを画成するために用いたＣＡＤデータに基づいて、該レーザー溶接を行うためのレーザー溶接装置を自動制御するためのレーザー溶接ＣＡＭデータを作成するレーザー溶接ＣＡＭデータ作成工程を行い、該肉盛り工程では、該レーザー溶接ＣＡＭデータを用いてレーザー溶接装置を自動制御してレーザー溶接する金型補修方法が、開示されている。

さらに、特許文献３には、各種金型、工具、刃物や機械・自動車部品等に用いられるＣ含有材料の表層部を改質して上記金型等の寿命向上を低コストで実現することができるＣ含有材料の表面改質方法を提供することを目的として、０．３重量％以上のＣを含有する金属材料の表層部を局部的に急速加熱して下記の条件を満足する溶融溜りを形成した後、該溶融溜りを急速凝固して前記表層部の炭化物を微細化するＣ含有材料の表面改質方法が、開示されている。

特開平０５−９５５８号公報特開２０１０−２０７８８４号公報特開２００５−１４６３７８号公報

金型補修作業において、従来行われている溶接の方法では、溶接部近傍に熱影響部が生じ、母材の強度が低下するという問題点がある。また、再窒化処理ができないため補修部表面は窒化層のない鋼材母材が露出した形態となり、元の耐久性よりも大幅に低下するという問題点がある。さらに、最近は母材強度の低下を防止するためレーザーによる補修も行われているが、再窒化処理が出来ないことは前記と同様である。

また、上記特許文献１記載の技術は、レーザービームの照射により窒化層を改質するだけであり、本発明が期待する微小なクラックを補修するという効果が得られるものではなかった。さらに、窒化処理された金型の場合には、補修後に再度窒化処理を行うと元の窒化層に脆い窒化化合物が生じるため、通常、補修後は、窒化処理は施されず、本発明の効果が得られるものではなかった。

また、特許文献２記載の技術は、金型に発生したクラックを、レーザーを用いて除去する方法であるため、クラックを有する金型の補修部位の形状を大きく変えてしまうという問題点があった。

さらに、特許文献３記載の技術は、炭素含有材料の表層部における炭素を改質して修理する方法であるため、炭素含有材料の表層部を有しない金属製の金型への効果は、検討されていなかった。

そこで、本発明の目的は、前記の従来技術の問題点を解決し、ダイカスト金型において、微小なクラックが生じた部位にレーザーを照射し、クラックを溶着補修すると共に表面の改質を行い、金型寿命の長寿命化を図ることができる金型補修方法および該金型補修方法により補修した金型を提供することにある。

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、レーザービームを使用して処理等することによって、前記目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の金型補修方法は、金型に生じたクラックにレーザービームを照射して、前記クラックを溶着（溶接）させ、同時に急冷による硬化により前記クラックを改質することを特徴とするものである。

また、本発明の金型補修方法は、前記クラックにレーザービームを照射して溶着（補修）した後、前記クラックを溶着した補修部と前記補修部の周辺部位にレーザービームを照射し、前記クラックを溶着した補修部と前記補修部の周辺部位を改質することが好ましい。

また、本発明の金型補修方法は、さらに前記金型の全体を窒化処理することが好ましく、さらにまた、窒化処理温度が５００〜６００℃であり、窒化層が金型表面から３０〜１００μｍであることが好ましい。

また、本発明の金型補修方法は、前記窒化処理が、ガス窒化処理であることが好ましく、さらに、ファイバーレーザーを用いてレーザービームを照射することが好ましい。

本発明の金型は、前記金型補修方法で補修したことを特徴とするものである。

本発明によると、ダイカスト金型において、該金型に生じた微小なクラックにレーザーを照射し、クラックを溶着補修すると共に表面の改質を行い、金型寿命の長寿命化を図ることができる金型補修方法および該金型補修方法により補修した金型を提供することができる。

実施例１および実施例２の溶接部を示す断面図である。実施例３の溶接部を示す断面図である。

以下、本発明の金型補修方法ついて具体的に説明する。
本発明の金型補修方法は、金型に生じたクラックにレーザービームを照射して、前記クラックを溶着（溶接）させ、同時に急冷による硬化により前記クラックを改質することを特徴とするものである。具体的には、金型に生じたクラックが生じた後に表面清浄化し、その後、金型に生じた微小クラックにレーザービームを照射することにより、前記クラックの母材を局部溶解、溶着させ、前記クラックを消去し、同時に急速冷却することにより、前記クラックを溶着させ補修すると共に急冷硬化により材質を改善することができる。さらに、溶着部の冷却速度が速いため、母材の急冷効果により強度が上昇させることができる。また、熱入力が局部的であるので熱影響部が小さくでき、母材の強度低下を小さくすることができる。さらにまた、クラック面の汚れを吹き飛ばしながら母材の溶着を行うこともできる。

本発明において、前記クラックの大きさは限定されないが、好ましくは、微小のクラックを対象とする。ここで、微小とは、クラック深さが１０μｍ〜２０００μｍの範囲の大きさのことを示す。

また、本発明において、前記金型としては、本発明の方法が適用できれば特に限定されないが、例えば、アルミニウム合金、マグネシウム合金などの鋳造に用いられるダイカスト用金型等を挙げることができる。また、前記金型の組成としては、本発明の効果が得られれば特に限定されないが、鋼材等を挙げることができる。

さらに、本発明において、前記レーザービームとしては、本発明の方法が適用できれば特に限定されず、例えば、ＣＯ_２レーザー、ＹＡＧレーザー、ファイバーレーザー、あるいは半導体レーザーなどを用いる方法を挙げることができるが、中でも本発明の実施に関してはファイバーレーザーを用いる方法が好ましい。具体的には、ファイバーレーザーとしては、ＩＰＧフォトニクス社製のファイバーレーザーを挙げることができる。また、照射条件は、クラックの大きさによって異なるが、出力１００〜２０００Ｗ、走査速度０．１〜１０００ｍｍ／ｓで処理することができる。

さらにまた、本発明においては、レーザービームによる入熱は局部的に極めて短時間に行われるため、溶融部の熱は母材に吸熱され、溶融部は急冷される。このため母材が大きい場合には特に冷却装置を必要とすることはない。但しクラック発生部位の母材が薄く、クラック周辺の容積が小さい場合、すなわちクラック周辺の熱容量が小さい場合には冷却速度が遅くなり急冷による硬化が小さくなる。本発明の方法の適用には、クラックの深さが母材の２分の１以下であることが望ましい。

さらに、本発明においては、前記クラックにレーザービームを照射して溶着（補修）した後、前記クラックを溶着した補修部と前記補修部の周辺部位にレーザービームを照射し、前記クラックを溶着した補修部と前記補修部の周辺部位を改質することが好ましい。このためには、金型鋼材を溶融させない条件で、前記クラックを溶着した補修部と前記補修部の周辺部位に前記レーザービームを照射することが必要である。

また、前記クラックを溶着した補修部と前記補修部の周辺部位の改質に使用するレーザーとしては、照射条件をコントロールできるレーザー装置であれば特に限定はされないが、できれば比較的大きなレーザービームを照射できる装置が好ましく、半導体レーザーがより好ましい。具体的には、例えば、日鉄住金テクノロジー社製の半導体レーザーを挙げることができる。照射条件としては、８００Ｗの場合３０ｍｍ／ｓで処理することができる。これにより、前記クラックを溶着した補修部と前記補修部周辺部位をレーザービームで加熱、急冷させ、当該部位の更なる改質を図ることができる。なお、ここで、前記補修部周辺部位とは、前記金型の表面上はクラックから概略１０ｍｍ以内の範囲であり、深さは、前記金型の表面から概ね４０００μｍ以内の範囲を示し、クラックの深さの２倍以内であることが好ましい。

また、本発明の金型補修方法は、さらに前記金型の全体を窒化処理することが好ましい。これにより、金型を窒化処理し補修部を含む金型表面全体を改質・強化することができる。また、補修後に窒化処理を行うことにより、補修部の表面が改質され、さらに補修部の急冷凝固部の引張り応力が軽減され、補修前と同等に近い耐久性を有する金型を提供することができる。

本発明において、窒化処理の方法としては、前記金型の全体を窒化処理することができ、本発明の効果が得られれば特に限定されないが、イオン窒化法、プラズマ窒化法、ガス窒化法、ガス軟窒化法等の方法を挙げることができる。また、窒化処理の条件としては、前記金型の全体を窒化処理することができ、本発明の効果が得られれば特に限定されないが、例えば、ガス軟窒化法である。ただし、補修時に当該金型に、下記のような再処理可能な窒化処理以外の窒化処理が施されている場合には、補修後に窒化処理を施すと母材の窒化層に脆い窒化化合物が生成し、却って金型寿命を低下させる可能性があるので、補修後の窒化処理は好ましくない。

また、本発明の金型補修方法は、窒化処理温度が５００〜６００℃であり、窒化層が金型表面から３０〜１００μｍであることが好ましく、窒化処理温度が５３０〜５７０℃であり、窒化層が金型表面から５０〜８０μｍであることがより好ましい。窒化処理として、窒素の拡散層が３０〜１００μｍとなるように窒化の条件をコントロールすることにより、金型使用中にクラックが生じた際に再度窒化処理が可能となる。

さらに、本発明において、本発明の効果が損なわれない範囲で、通常の金型補修方法に使用できる工程を追加できる。例えば、本発明の金型補修方法中に、ショットピーニングや放電被覆あるいは酸化処理の工程を含んでいてもよい。

また、本発明の金型は、前記金型補修方法で補修したものであり、本発明の効果が得られる限り、他の処理等がされていてもよい。

以下、本発明について、実施例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
金型用鋼材ＳＫＤ６１を用いた金型に対して、レーザー溶接（溶着、補修）を行い、溶接部位の断面の硬さを測定した。レーザーの処理条件は、ＩＰＧフォトニクス社製のファイバーレーザーを使用して出力８００Ｗ、走査速度５０ｍｍ／ｓで処理した。図１は、実施例１の溶接部を示す断面図であり、図１中、４はクラックの生じている金型用鋼材ＳＫＤ６１の一部を示し、１はレーザーによるクラックの溶接部、２は金型用鋼材ＳＫＤ６１の母材部分を示す。また、図１中の溶接前のクラックは、深さが１００μｍで、表面の口径が８０μｍである。さらにまた、四角で囲んだ１−１、１−２、１−３、１−４、１−５はそれぞれ硬さを測定した部位を示し、硬さの測定結果を下記表１に示す。

表１の結果から、溶接部は急冷により硬くなっていることが確認できた。

（実施例２）
実施例１と同様にレーザー溶接（溶着、補修）を行い、その後、日鉄住金テクノロジー社製の半導体レーザーを使用して、補修部および該補修部の周辺部位に対し、レーザービームの照射による改質の熱処理を施した。熱処理のレーザーの照射条件は、出力５００Ｗ、ビーム形状約１０ｍｍ×１ｍｍ、走査速度６ｍｍ／ｓｅｃ、ビーム幅１０ｍｍで行い、図１の１−３と１−４に相当する部位を図１の縦（上下）方向の深さに対する硬さを測定した。硬さの測定結果を下記表２に示す。

表２の結果から、レーザー熱処理により、レーザーによりクラックを溶接（溶着、補修）した補修部（溶接部）を含め、補修部の周辺部位も急冷により硬くなり、改質されていることが確認できた。特に、補修部の周辺部位での改質効果は顕著であった。

（実施例３）
金型用鋼材ＳＫＤ６１を用いた金型に対して、レーザー溶接（溶着、補修）を行い、その後窒化処理を施し、溶接部（補修部）の断面の硬さを測定した。レーザーの処理条件は、ＩＰＧフォトニクス社製のファイバーレーザーを使用して出力８００Ｗ、走査速度５０ｍｍ／ｓで処理した。図２は、実施例３の溶接部を示す断面図であり、図２中、４はクッラクの生じている金型用鋼材ＳＫＤ６１の一部を示し、１はレーザーによるクラックの溶接部で、点線で示した部分は窒化層の下にある溶接部を示し、２は金型用鋼材ＳＫＤ６１の母材部分、３はレーザー溶接後の窒化層を示す。また、図２中の溶接前のクラックは、深さが１００μｍで、表面の口径が８０μｍであり、窒化層の厚さは６０μｍである。さらにまた、四角で囲んだ２−１、２−２、２−３、２−４、２−５はそれぞれ硬さを測定した部位を示し、硬さの測定結果を下記表３に示す。

表３の結果から、窒化により、金型表面層は、母材と溶接部ともに硬化していることが確認できた。

（実施例４）
金型用鋼材ＳＫＤ６１を用いたアルミニウムダイカスト金型Ａにおいて、表面処理を行わないもの、クラック発生後にＴＩＧ溶接補修を行ったもの、クラック発生後にレーザー溶接（溶着、補修）を行ったもの、およびレーザー溶接（溶着、補修）後に５０μｍの窒化処理を行ったもの、について実際のダイカスト鋳造を行い、その寿命を調べ、結果を下記表４に示す。ここで、レーザーの処理条件は、ＩＰＧフォトニクス社製のファイバーレーザーを使用して出力８００Ｗ、走査速度５０ｍｍ／ｓで処理した。

表４の結果から、ＴＩＧ溶接補修を行うとその後の金型寿命は元の寿命より短くなるが、レーザー溶接（溶着、補修）では元の寿命よりも長くなり、窒化処理を行うと更に寿命が長くなることが確認できた。

（実施例５）
金型用鋼材ＳＫＤ６１を用いたアルミニウムダイカスト金型Ｂにおいて、実施例４と同様の鋳造試験を行い、表面処理を行わないもの、クラック発生後にＴＩＧ溶接補修を行ったもの、クラック発生後にレーザー溶接（溶着、補修）を行ったもの、およびレーザー溶接（溶着、補修）後に５０μｍの窒化処理を行ったもの、さらにレーザー溶接（溶着、補修）し窒化処理した金型にクラックが生じた後、再度レーザー溶接（溶着、補修）と窒化処理を施し鋳造したもの、について実際のダイカスト鋳造を行い、その寿命を調べ、結果を下記表５に示す。ここで、レーザーの処理条件は、ＩＰＧフォトニクス社製のファイバーレーザーを使用して出力８００Ｗ、走査速度５０ｍｍ／ｓで処理した。

表５の結果から、再補修後の金型寿命は一度目のレーザー補修後の寿命とほぼ同等であることが確認できた。

１レーザーによる溶接部
２金型用鋼材ＳＫＤ６１の母材部分
３レーザー溶接後の窒化層
４クッラクの生じている金型用鋼材ＳＫＤ６１の一部

Claims

金型に生じたクラックにレーザービームを照射して、前記クラックを溶着させ、同時に急冷による硬化により前記クラックを改質し、
前記クラックにレーザービームを照射して溶着した後、前記クラックを溶着した補修部と前記補修部の周辺部位にレーザービームを照射し、前記クラックを溶着した補修部と前記補修部の周辺部位を改質することを特徴とする金型補修方法。
金型に生じたクラックに、ファイバーレーザーを用いてレーザービームを照射して、前記クラックを溶着させ、同時に急冷による硬化により前記クラックを改質し、
前記クラックに前記レーザービームを照射して溶着した後、前記クラックを溶着した補修部と前記補修部の周辺部位に、半導体レーザーを用いてレーザービームを照射し、前記クラックを溶着した補修部と前記補修部の周辺部位を改質することを特徴とする金型補修方法。
さらに前記金型の全体を窒化処理する請求項１または２記載の金型補修方法。
窒化処理温度が５００〜６００℃であり、窒化層が金型表面から３０〜１００μｍである請求項３記載の金型補修方法。
前記窒化処理が、ガス窒化処理である請求項３または４記載の金型補修方法。