JP6434946B2 - 窒化層修復方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化層修復方法に関するものであり、例えば、鋳造金型の表面に形成された窒化層の修復方法に関する。

鋳造金型においては、耐久性の向上を目的にして表面に窒化層を形成する。しかし、金型を鋳造に繰り返し使用することによって、表面の窒化濃度が低下し、ヒートチェック（ヒートクラック）が発生するようになる。このため、オフラインで金型の表面の再窒化処理を行っている。

特許文献１には、アンモニアガスを用いた窒化処理により窒化層を修復する方法が記載されている。特許文献１の方法は、複数の酸化物を含む投射剤を金型の表面に付着させた後に、下地の窒化層を形成した時の濃度よりも低濃度のアンモニアガスで窒化処理を行っている。

特開２０１６−０３３２５１号公報

例えば、アンモニアガスによる窒化処理等のような再窒化処理を行う場合には、金型をダイカストマシンから外し、オフラインで実施する必要がある。このため、鋳造工程を中断しなければならず、生産性が低下する。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、生産性の低下を抑制することができる窒化層修復方法を提供する。

本発明の一態様に係る窒化層修復方法は、溶湯を加圧凝固することにより鋳物を形成するための金型のキャビティ面に形成された窒化層を修復する窒化層修復方法であって、窒化源を前記キャビティ面に付与し、前記溶湯による加熱及び加圧により、前記金型の前記キャビティ面を窒化処理する。このような構成とすることにより、生産性の低下を抑制することができる。

本発明により、生産性の低下を抑制することができる窒化層修復方法を提供することができる。

（ａ）は、実施形態に係る窒化層修復方法において、窒素源が付与された金型を例示した断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ部分の拡大断面図である。 （ａ）は、実施形態に係る窒化層修復方法において、溶湯が充填された金型を例示した断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ部分の拡大断面図である。 実施形態に係る窒化層修復方法を使用する鋳造工程を例示したフローチャート図である。 金型の断面における窒素及び炭素の濃度プロファイルを例示したグラフであり、横軸は、表面からの深さを示し、縦軸は、窒素及び炭素の濃度を示す。 金型の断面における窒素及び炭素の濃度プロファイルを例示したグラフであり、横軸は、表面からの深さを示し、縦軸は、窒素及び炭素の濃度を示す。 金型の断面における窒素濃度の濃度プロファイルを例示したグラフであり、横軸は、表面からの深さを示し、縦軸は、窒素の濃度を示す。 金型の表面における硬度を例示したグラフであり、横軸は、表面からの深さを示し、縦軸は、硬度を示す。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

実施形態に係る窒化層修復方法を説明する。本実施形態は、例えば、鋳造に用いられる金型のキャビティ面に形成された窒化層を修復する方法である。まず、窒化層修復方法に用いる金型の構成を説明する。図１（ａ）は、実施形態に係る窒化層修復方法において、窒素源が付与された金型を例示した断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ部分の拡大断面図である。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、金型１０は、溶湯を加圧凝固することにより鋳物を形成するためのものである。金型１０は、例えば、ダイカスト法に用いる金型１０である。ダイカスト法で使用する金型１０は、鋳造した鋳物を取り出せるように、例えば、複数の部品から構成されている。金型１０は、例えば、移動型金型１０ａ及び固定側金型１０ｂを含んでいる。金型１０は、所定の鋼材から構成されている。例えば、金型１０は、熱間金型用合金工具鋼（ＳＫＤ６１基材）を含んでいる。ＳＫＤ６１基材は、合金工具鋼の一種で、炭素工具鋼にタングステン、モリブデン、クロム、バナジウム等が添加されている。なお、金型１０は、移動型金型１０ａ及び固定側金型１０ｂを含んでいるものに限らない。また、金型１０の材料は、ＳＫＤ６１基材に限らない。

金型１０は、キャビティ１１を有している。キャビティ１１は、金型１０の内部に形成された空洞部分であり、溶湯２０が充填される部分である。キャビティ１１は、例えば、移動型金型１０ａと固定側金型１０ｂとが型締めされたときに、金型１０の内部に形成される。金型１０におけるキャビティ１１に接する面をキャビティ面１２という。キャビティ１１は、金型１０のキャビティ面１２で囲まれている。よって、金型１０のキャビティ面１２で囲まれたキャビティ１１に溶湯２０が充填される。

窒化源１３は、金型１０のキャビティ面１２に付与される。例えば、窒化源１３は、金型１０のキャビティ面１２に層状に付与される。窒化源１３は、例えば、尿素を含んでいる。例えば、窒化源１３は、尿素を含む離型剤である。窒化源１３を離型剤に含めることによって窒化源１３を金型１０のキャビティ面１２に付与する。例えば、尿素を含む離型剤を金型１０のキャビティ面１２にスプレーする。窒化源１３は、尿素を含む溶液でもよい。尿素を含む溶液を金型１０のキャビティ面１２にスプレーすることにより窒化源１３を付与してもよい。

窒化源１３は、鋳造工程において、定期的に金型１０のキャビティ面１２に付与されてもよい。例えば、一週間に１回程度の立上げ時に、窒化源１３を含んだ立上げ剤として、金型１０のキャビティ面１２に付与されてもよい。また、窒化源１３は、金型１０に溶湯を射出充填して鋳物を形成するショット毎に付与されてもよい。

金型１０のキャビティ面１２に窒化源１３を付与する際に、金型１０のキャビティ面１２に窒化層１６が形成されていてもよい。すなわち、金型１０として鋳造に使用する前にあらかじめ窒化層１６が形成されたキャビティ面１２に窒化源１３を付与してもよい。また、鋳造に使用することによって、脱窒化が進んだ窒化層１６を含むキャビティ面１２に窒化源１３を付与してもよい。さらに、鋳造によってあらかじめ形成された窒化層１６が消滅したキャビティ面１２に窒化源１３を付与してもよい。

窒化層１６は、例えば、ヒートチェックを抑制するために金型１０のキャビティ面１２に形成されたものである。窒化層１６の形成により、金型１０のキャビティ面１２の硬度を向上させることができる。窒化層１６は、例えば、窒素との化合物層を含んでもよいし、窒素の拡散層を含んでもよい。窒化層１６は、例えば、金型１０の未窒化部１７に比べて、窒素濃度が高い部分であり、例えば、窒素を０．５重量％以上含んでいる部分である。例えば、窒化層１６は、金型１０のキャビティ面１２における表面から、５０〜９０μｍの深さまで形成されてもよい。未窒化部１７は、窒化層１６以外の部分である。

スリーブ１４は、金型１０に接続されている。スリーブ１４は円筒状をしている。スリーブ１４の一端は、金型１０のキャビティ１１に通じる開口に接続されている。スリーブ１４の他端にはチップ１５が挿入されている。スリーブ１４の一部に溶湯の供給口１４ａが設けられている。ピン１８は、鋳物を取り出すためのものである。

図２（ａ）は、実施形態に係る窒化層修復方法において、溶湯が充填された金型を例示した図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ部分の拡大断面図である。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、溶湯２０は、円筒状をしたスリーブ１４内に、供給口１４ａから供給され、チップ１５でキャビティ１１内に押し出される。溶湯２０は、スリーブ１４内を通り、キャビティ１１に送り込まれる。

溶湯２０の温度は、溶湯２０を構成する金属の種類によるが、例えば、５００℃である。なお、溶湯２０の温度は、これに限らない。溶湯２０の射出充填、加圧凝固、取り出しまでの工程において、溶湯２０からの受熱で金型１０の温度は、例えば、５００℃となる。溶湯２０の射出充填、加圧凝固、取り出しまでの工程にかかる時間は、製品のサイズに依存するが、例えば、１０〜２０秒である。キャビティ１１に射出された溶湯２０の鋳造圧力は、例えば、５０ＭＰａである。溶湯２０の鋳造圧力は、これに限らない。

溶湯２０が充填された金型１０のキャビティ面１２には、溶湯２０からの受熱及び加圧によって、窒化源１３の窒素が金型１０のキャビティ面１２から金型１０の内部へ移動する。

金型１０として鋳造に使用する前にあらかじめ窒化層１６が形成されている場合、及び、鋳造に使用することによって、脱窒素化が進んだ窒化層１６が含まれる場合には、窒化源１３の付与並びに溶湯からの受熱及び加圧により、窒化層１６直下に窒化層１６が形成され、窒化層１６の厚さが厚くなる。

一方、キャビティ面１２の窒化層１６が消滅している場合には、キャビティ面１２に窒化層１６が形成される。このように、金型１０の未窒化部１７のキャビティ面１２側の部分、例えば、窒化層１６直下またはキャビティ面１２に窒化層１６が形成される。

以上のように、本実施形態では、窒化源１３をキャビティ面１２に付与し、溶湯２０による加熱及び加圧により、金型１０のキャビティ面１２を窒化処理する。これにより、金型１０のキャビティ面１２の窒化層１６を修復する。

次に、本実施形態に係る窒化層修復方法のフローを説明する。図３は、実施形態に係る窒化層修復方法を含む鋳造工程を例示したフローチャート図である。

図３のステップＳ１に示すように、まず、金型メンテナンスが必要か判断される。金型メンテナンスは、例えば、数千ショットに１回程度行われる。具体的には、金型１０に対して分解、クリーニング、調整等が行われる。金型メンテナンスが必要な（Yesの）場合には、ステップＳ２に示すように、金型メンテナンスが行われる。金型メンテナンスが必要ない（Noの）場合には、ステップＳ３に進む。

次に、図３のステップＳ３に示すように、立上げが必要か判断される。立上げは、一週間に１回程度行われる。また、立上げは、複数回のショットに１回程度行われる。このように、立上げは定期的に行われる。具体的には、立上げは、金型１０への予熱の付与、溶湯２０の原料の準備等である。また、金型１０のキャビティ面１２に立上げ剤を付与してもよい。そして、立上げ剤に、尿素を含むようにしてもよい。尿素を含む立上げ剤の塗布により、金型１０のキャビティ面１２に窒化源１３を付与してよい。このように、金型１０のキャビティ面１２への窒化源１３の付与を、定期的に行ってもよい。

このような立上げが必要な（Yesの）場合には、ステップＳ４に示すように、立上げが行われる。立上げが必要ない（Noの）場合には、ステップＳ５に進む。なお、ステップＳ５からステップＳ９における工程をショットという。ショットは、金型１０に溶湯２０を射出充填して鋳物を形成することをいい、具体的には、離型剤付与工程、型締め工程、射出充填工程、加圧凝固工程、取出工程を有している。

次に、図３のステップＳ５に示すように、金型１０のキャビティ面１２に離型剤を付与する。離型剤は窒化源１３を含んでもよい。離型剤は窒化源１３として、例えば、尿素を含んでもよい。離型剤の塗布は、例えば、離型剤を金型１０のキャビティ面１２にスプレーすることにより行われる。離型剤の代わりに、または、離型剤と共に、尿素の水溶液を金型１０の表面に塗布してもよい。

次に、図３のステップＳ６に示すように、金型１０を型締めする。金型１０の型締めは、金型１０の移動型金型１０ａ及び固定側金型１０ｂを合わせ、金型１０のキャビティ面１２で囲まれたキャビティ１１を形成するように行われる。

次に、図３のステップＳ７に示すように、金型１０のキャビティ１１に溶湯２０を射出充填する。溶湯２０を、円筒状をしたスリーブ１４内に供給口１４ａから供給する。そして、チップ１５でキャビティ１１内に押し出す。このようにして、溶湯２０を、スリーブ１４内を通って、キャビティ１１内に射出充填する。

次に、図３のステップＳ８に示すように、キャビティ１１に充填された溶湯２０を加圧凝固させる。圧力は、例えば、５０ＭＰａである。このとき、窒化源１３の窒素は、金型１０のキャビティ面１２から金型１０の内部へ移動する。そして、金型１０の内部に移動した窒素は、金型１０のキャビティ面１２の窒化層を修復する。このように、本実施形態では、溶湯２０による加熱及び加圧を利用して、金型１０のキャビティ面１２の窒化層１６を修復している。

次に、図３のステップＳ９に示すように、型締めした金型１０を開いて加圧凝固された鋳物を取り出す。例えば、金型１０の移動型金型１０ａを移動させて鋳物を固定側金型１０ｂから分離させる。そして、ピン１８で鋳物を押し上げてキャビティ１１から取り出す。このようにして、溶湯２０が加圧凝固した鋳物が製造される。

次に、図３のステップＳ１０に示すように、ショットを繰り返すか判断する。繰り返さない（Noの）場合には、鋳造工程を終了する。一方、ショットを繰り返す（Yesの）場合には、ステップＳ５に戻り、次のショットが行われる。

このようなショットをインプロセスで連続的に行う場合には、金型１０をダイカストマシンに接続したまま、複数回ショットを繰り返す。複数回ショットを繰り返す場合には、少なくとも一回のショットにおける離型剤を付与する工程において、窒化源１３を離型剤に含める。これにより、インプロセスで窒化層１６の修復を行うことができる。なお、ショット毎に窒化源１３を離型剤に含め、窒化源１３を付与してもよい。これにより、窒化層１６の劣化、例えば、窒素濃度の減少、脱窒化等を抑制することができる。

図４は、金型の断面における窒素及び炭素の濃度プロファイルを例示したグラフであり、横軸は、キャビティ面の表面からの深さを示し、縦軸は、窒素及び炭素の濃度を示す。グラフ中の「Ｎ」及び「Ｃ」は、窒素及び炭素の濃度を示す。グラフ中の「（ｂｅｆｏｒｅ）」及び「（Ａｆｔｅｒ）」は、キャビティ面１２に尿素を塗布し、５００℃で４８時間加熱処理（以下、「尿素塗布加熱処理」という。）する前及び後の濃度を示す。圧力は、８００Ｐａである。

図４に示すように、尿素塗布加熱処理の前後において、炭素濃度（「Ｃ（ｂｅｆｏｒｅ）」、「Ｃ（Ａｆｔｅｒ）」）は、グラフに示した範囲内の深さにおいて、０．５重量％以下であり、ほとんど変化していない。

これに対して、尿素塗布加熱処理前の窒素濃度（「Ｎ（ｂｅｆｏｒｅ）」）は、表面から３０μｍの深さまでは、１．５重量％以上を示し、４０μｍの深さで１重量％以下になり、５０μｍの深さで０．５重量％以下になっている。

一方、尿素塗布加熱処理後の窒素濃度（「Ｎ（Ａｆｔｅｒ）」）は、表面から７０μｍの深さまでは、１．５重量％以上を示し、８０μｍの深さで１重量％以下になり、９０μｍの深さで０．５重量％以下になっている。このように、０．５重量％以上の窒素濃度を示す深さは、尿素塗布加熱処理により、５０μｍの深さから９０μｍの深さまで拡がっている。すなわち、窒化層１６を形成することにより、尿素を付与する前より、窒化層１６は厚くなっている。

図５は、金型の断面における窒素及び炭素の濃度プロファイルを例示したグラフであり、横軸は、キャビティ面の表面からの深さを示し、縦軸は、窒素及び炭素の濃度を示す。グラフ中の「Ｎ」及び「Ｃ」は、窒素及び炭素の濃度を示す。グラフ中の「（ｂｅｆｏｒｅ）」及び「（Ａｆｔｅｒ）」は、キャビティ面１２に尿素含有離型剤を塗布し、５００℃で４８時間加熱処理（以下、「離型剤塗布加熱処理」という。）する前及び後の濃度を示す。図５は、図４の場合における尿素の付与の代わりに、尿素含有離型剤を塗布した場合である。

図５に示すように、離型剤塗布加熱処理の前後において、炭素濃度（「Ｃ（ｂｅｆｏｒｅ）」、「Ｃ（Ａｆｔｅｒ）」）は、グラフに示した範囲内の深さにおいて、０．５重量％以下であり、ほとんど変化していない。

これに対して、離型剤塗布加熱処理前の窒素濃度（「Ｎ（ｂｅｆｏｒｅ）」）は、表面から３０μｍの深さまでは、１．５重量％以上を示し、４０μｍの深さで１重量％以下になり、５０μｍの深さで０．５重量％以下になっている。

一方、離型剤塗布加熱処理後の窒素濃度（「Ｎ（Ａｆｔｅｒ）」）は、表面から７０μｍの深さまでは、１．５重量％以上を示し、８０μｍの深さで１重量％以下になり、９０μｍの深さで０．５重量％以下になっている。このように、０．５重量％以上の窒素濃度を示す深さは、離型剤塗布加熱処理により、５０μｍの深さから９０μｍの深さまで拡がっている。すなわち、窒化層１６を形成することにより、尿素を付与する前より、窒化層１６は厚くなっている。

図６は、金型の断面における窒素の濃度プロファイルを例示したグラフであり、横軸は、キャビティ面の表面からの深さを示し、縦軸は、窒素の濃度を示す。「使用前」及び「２万ショット使用後」は、金型として鋳造に使用する前及び金型として２万ショットの鋳造に使用後の濃度である。

図６に示すように、金型として鋳造に使用する前（以下、「使用前」という。）の窒素濃度は、表面から３０μｍの深さまでは、１．５重量％以上を示し、４０μｍの深さで１重量％以下になり、５０μｍの深さで０．５重量％以下になっている。

これに対して、金型として２万ショットの鋳造に使用後（以下、「使用後」という。）の窒素濃度は、２０μｍの深さで１重量％以下になり、３０μｍの深さで０．５重量％以下になっている。

図７は、金型のキャビティ面における硬度を例示したグラフであり、横軸は、キャビティ面の表面からの深さを示し、縦軸は、硬度を示す。図７に示すように、金型として鋳造に使用する前（「使用前」）の硬度は、表面から４０μｍの厚さまでは、９００ＨＶ以上の高い硬度を示している。そして、５０μｍの深さで、７００ＨＶ以下の硬度となっている。一方、金型として２万ショットの鋳造に使用後（「２万ショット使用後」）の硬度は、表面から４０μｍの厚さまで７００ＨＶ以上の硬度を示している。４０μｍよりも深くなると７００ＨＶ以下の硬度に減少する。

このように、使用後の窒素濃度が使用前の窒素濃度よりも低くなっている点、及び、表面からの深さが４０μｍ〜６０μｍにおいて窒素濃度が減少している点は、使用後の硬度が使用前の硬度よりも低くなっている点、及び、表面からの深さが４０μｍ〜６０μｍにおいて硬度が減少している点と一致している。したがって、窒素濃度と硬度とは相関関係を示しており、窒素濃度を高くすることにより、硬度を高くすることができる。

このように、金型１０のキャビティ面１２に窒化層１６を形成することにより、キャビティ面１２の硬度を大きくし、ヒートチェックの発生を抑制することができる。

鋳造に用いる金型１０の課題の一つに、表面割れ（ヒートクラックまたはヒートチェック）がある。このような表面割れの発生を抑制し、耐久性の向上を目的として、一般的に、キャビティ面１２に窒化処理が施されている。しかしながら、金型１０を鋳造に使用し続けていくと、キャビティ面１２における窒素濃度が低下していく。それに伴って、ヒートチェックの発生が増加していく。そこで、金型１０の長寿命化を目的にして再窒化処理が施される。

従来の再窒化処理は、金型１０をダイカストマシンから外し、オフラインで実施しなければならず、このため、鋳造工程を中断しなければならなかった。よって、生産性が低下するものになっていた。

これに対して、本実施形態の窒化層修復方法によれば、金型１０をダイカストマシンに接続したまま、インプロセスで金型１０のキャビティ面１２の窒化層１６を修復することができる。これにより、生産性の低下を抑制しつつ、窒化層１６の修復をすることができる。

また、本実施形態の窒化層修復方法は、溶湯２０による加熱及び加圧を用いている。これにより、インプロセスにおいて窒化層１６を修復することができる。窒化源１３として、尿素を用いている。よって、溶液または離型剤に含有させてキャビティ面１２に付与することができる。窒化源１３を離型剤に含めることによって窒化源１３をキャビティ面１２に付与している。これにより、インプロセスにおいて窒化層１６を修復することができる。

ショット毎に窒化源１３を離型剤に含め、窒化源１３を付与してもよい。これにより、窒化層１６の劣化、例えば、窒素濃度の減少、脱窒化等を抑制することができる。

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

例えば、上記で説明した、尿素を含む窒化源１３による窒化処理方法は、金型１０のキャビティ面１２の窒化層修復方法に限らず、金型１０の表面の窒化処理方法、及び、任意の部材の窒化処理方法に適用できる。

また、以下の窒化処理方法も本発明の技術的思想の範囲である。
溶湯２０を加圧凝固することにより鋳物を形成するための金型１０の表面を窒化処理する窒化処理方法であって、尿素を含む窒化源１３を表面に付与し、溶湯２０による加熱及び加圧により、金型１０の表面を窒化処理する窒化処理方法。

溶湯２０を加圧凝固することにより鋳物を形成するための金型１０の表面を窒化処理する窒化処理方法であって、尿素を含む窒化源１３を表面に付与する窒化層修復方法。

１０ 金型
１０ａ 移動型金型
１０ｂ 固定側金型
１１ キャビティ
１２ キャビティ面
１３ 窒化源
１４ スリーブ
１４ａ 供給口
１５ チップ
１６ 窒化層
１７ 未窒化部
１８ ピン
２０ 溶湯

Claims (4)

1. 溶湯を加圧凝固することにより鋳物を形成するための金型のキャビティ面に形成された窒化層を修復する窒化層修復方法であって、
   窒化源を前記キャビティ面に付与し、前記溶湯による加熱及び加圧により、前記金型の前記キャビティ面を窒化処理する、
   ことを特徴とする窒化層修復方法。
2. 前記窒化源は尿素を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の窒化層修復方法。
3. 前記窒化源を離型剤に含めることによって前記窒化源を前記キャビティ面に付与する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化層修復方法。
4. 前記キャビティ面に前記離型剤を付与する離型剤付与工程と、
   前記キャビティ面で囲まれたキャビティを形成するように前記金型を型締めする型締め工程と、
   前記キャビティに前記溶湯を射出充填する射出充填工程と、
   前記キャビティに充填された前記溶湯を加圧凝固させる加圧凝固工程と、
   型締めした前記金型を開いて加圧凝固された前記鋳物を取り出す取出工程と、
   を有するショットを、前記金型をダイカストマシンに接続したまま複数回繰り返し、
   少なくとも一回の前記ショットの前記離型剤付与工程において、前記窒化源を前記離型剤に含める、
   ことを特徴とする請求項３に記載の窒化層修復方法。

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