JP6768016B2 - 鋳造用金型およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造用金型およびその製造方法に関する。

一般に、金属を所望の形状に鋳造する際には、金型に流し込む溶湯（例えば、アルミニウム）がキャビティ内の全域にわたって所定の溶湯温度を維持した状態で迅速かつ円滑に充填されるように、例えばダイキャスト金型においては、その方案部（溶湯が供給されるプランジャ部からキャビティに至る部位）およびキャビティ内部での流動性を高めることが重要である。

そのため、出願人は、パルスレーザを用いたアブレーション加工で金型表面に複数の微細な溝部を格子状に形成して、エアギャップを構成することによって溶湯と金型表面との接触面積を低減することにより、溶湯の流動性を高めようとする技術を提案している（例えば、特許文献１参照）。さらに、出願人は、レーザによる溝加工だけでなく、溶湯と金型が接触した際に金型表面が冷えて流動性が低下するのを防止するために、溝部内に炭素膜をコーティングして金型表面の断熱性を高めることにより、金型の流動性をより一層高める技術も提案している（例えば、特許文献２参照）。

特許第５８１４９８８号公報 特許第５７１８４１５号公報

しかしながら、微細溝部が形成された金型表面に溶湯を流した場合、溝部の形状によっては溶湯の差込み（溶湯が溝部に入り込む現象）が発生する。この溶湯の差込み割合（溝部の容積に占める溶湯の割合）が高くなると、溶湯とコーティング（炭素膜）との接触面積が増えて摩擦力が増大し、断熱層であるコーティング（炭素膜）が溝部から剥離してしまう恐れがある。コーティングが剥離すると、金型と溶湯との断熱性が低下してしまい、溶湯の流動性を高めることができなくなってしまう。

本発明は、このような事情に鑑み、コーティングの剥離を抑制することで、溶湯の流動性を維持することが可能な鋳造用金型およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る鋳造用金型（例えば、後述の鋳造用金型１）は、型材（例えば、後述の型材２）の溶湯接触部位の表面に形成された格子状溝（例えば、後述の格子状溝４）の溝部（例えば、後述の溝部５）に炭素膜（例えば、後述の炭素膜６）がコーティングされた表面処理部（例えば、後述の表面処理部３）を有する鋳造用金型であって、前記表面処理部は、前記溝部の幅（例えば、後述の幅Ｗ１）が３５μｍ以下であるとともに、三次元表面粗さのスキューネス（例えば、後述のスキューネスＳｓｋ）が−０．８〜−０．２の範囲内にあり、かつ、ナノインデンターによる前記炭素膜の押し込み硬さ（例えば、後述の押し込み硬さＨ１）が１０００Ｎ／ｍｍ² 以上である。

前記表面処理部は、方案部を含む前記型材の溶湯接触部位に形成されていてもよい。

本発明に係る鋳造用金型の製造方法は、上記鋳造用金型の製造方法であって、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、前記パルスレーザを前記型材の表面に照射して前記溝部を形成する。

第１のレーザ加工により、前記溝部をその幅が３５μｍ以下となるように形成し、前記溝部の形成に伴って突設された突部（例えば、後述の突部７）の頂面に、第２のレーザ加工により、微細溝（例えば、後述の微細溝９）を形成し、前記溝部および前記微細溝を覆うように前記炭素膜を形成してもよい。

本発明によれば、鋳造用金型の表面処理部について、その表面性状を３つの評価指標で数値特定して溶湯の差込み割合を低く抑えることにより、コーティングが溝部から剥離しにくいように最適化することができる。その結果、鋳造用金型において、コーティングの剥離を抑制して、溶湯の流動性を維持することが可能となる。

本発明の実施形態に係る鋳造用金型によるアルミニウムの鋳造工程のうち射出工程を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る鋳造用金型の表面処理部を示す模式断面図である。 溝部の幅が溶湯（アルミニウム）の差込み割合に及ぼす影響を示すグラフである。 表面処理部の三次元表面粗さのスキューネスが溶湯（アルミニウム）の差込み割合に及ぼす影響を示すグラフである。 コーティング処理時間と炭素膜の押し込み硬さとの関係を示すグラフである。 コーティング処理時間と溶湯（アルミニウム）の差込み割合との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態の一例について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る鋳造用金型によるアルミニウムの鋳造工程のうち射出工程を示す断面図である。図２は、本発明の実施形態に係る鋳造用金型の表面処理部を示す模式断面図である。

実施形態に係る鋳造用金型１は、図１に示すように、雄型８と協働して、アルミニウム１０を所望の形状に鋳造するためのものである。この鋳造用金型１は型材２を有しており、型材２は製品部１１および方案部１２を備えている。方案部１２の溶湯接触部位（鋳造用金型１が溶湯と接触する部位）には、図２に示すように、表面処理部３が形成されている。この表面処理部３は、複数のテーパ状の溝部５に炭素膜６がコーティングされたものである。これらの溝部５は、互いに直交する２方向（図２の紙面に直角な方向および左右方向）において、所定の幅Ｗ１を有して互いに平行に形成され、全体として表面処理部３、つまり溶湯接触部位の表面に格子状溝４を形成するものである。ここで、溝部５の幅Ｗ１は、溝部５の開口端部における幅を意味する。また、これらの溝部５の形成に伴って複数の突部７が突設されており、各突部７の頂面には、それぞれ複数の微細溝９が形成されている。また、炭素膜６は、すべての溝部５およびすべての微細溝９を覆うように形成されている。

また、鋳造用金型１には、図１に示すように、溶湯を注ぎ込むためのゲート１３が形成されている。さらに、鋳造用金型１には、このゲート１３から注ぎ込まれた溶湯を押し込むためのプランジャ１４が、矢印Ｍ、Ｎ方向に進退自在に取り付けられている。

鋳造用金型１の表面処理部３は、パルス幅が１０ｐｓｅｃ（ピコ秒）以下のパルスレーザを照射するパルスレーザ装置（図示せず）を用い、このパルスレーザを型材２の平坦な表面に対して走査しながら照射する工程を行い、所定深さの溝部５を形成したものである。具体的には、例えば、第１のレーザ加工により、複数の溝部５を格子状に形成し、これらの溝部５の形成に伴って突設された複数の突部７の頂面に、第２のレーザ加工により、複数の微細溝９を形成したものである。

この鋳造用金型１を用いて、アルミニウム１０を所望の形状に鋳造する際には、まず、図１に二点鎖線で示すように、プランジャ１４が矢印Ｎ方向に後退しているとともに、鋳造用金型１が雄型８によって型締めされた状態で、溶融させたアルミニウム１０（溶湯）をゲート１３から注ぎ込む（注湯工程）。次に、図１に実線で示すように、プランジャ１４を矢印Ｍ方向に押し込んで、このアルミニウム１０を方案部１２から製品部１１、つまりキャビティ１５内部に供給する（射出工程）。そして、キャビティ１５内の全域にアルミニウム１０が行き渡ったところで、鋳造用金型１を冷却してアルミニウム１０を凝固させる（キュア工程）。その後、鋳造用金型１を雄型８から後退させ（型開き工程）、鋳物（製品）としてのアルミニウム１０を取り出す（取り出し工程）。ここで、アルミニウム１０の鋳造が終了する。

この射出工程では、鋳造用金型１の方案部１２にアルミニウム１０が供給されると、方案部１２の表面処理部３に格子状溝４が形成されているため、格子状溝４にアルミニウム１０の差込みが発生する。このアルミニウム１０の差込み割合が高くなると、アルミニウム１０とコーティング（炭素膜６）との接触面積が増えて摩擦力が増大し、コーティングが溝部５から剥離しやすくなる。

そこで、こうした不都合を回避すべく、鋳造用金型１の表面処理部３は、溝部５の幅Ｗ１が３５μｍ以下であるとともに、三次元表面粗さのスキューネスＳｓｋが−０．８〜−０．２の範囲内にあり、かつ、ナノインデンターによる炭素膜６の押し込み硬さＨ１が１０００Ｎ／ｍｍ² 以上であるようになっている。なお、このスキューネスＳｓｋは、表面処理部３に形成された格子状溝４の平均深さに対する突部７の上下の分布割合を表すものであり、これが小さいほど突部７の頂面が鈍くなり、これが大きいほど突部７の頂面が鋭くなる。

その結果、この鋳造用金型１は、表面処理部３について、アルミニウム１０の差込み割合を低く抑えることにより、コーティング（炭素膜６）が溝部５から剥離しにくいように最適化することができる。その結果、鋳造用金型１において、コーティングの剥離を抑制して、アルミニウム１０の流動性を維持することが可能となる。

この理由として考えうることは、次のとおりである。まず、溝部５の幅Ｗ１があまり広いと、アルミニウム１０が溝部５に入り込みやすくなるため、アルミニウム１０の差込み割合が高くなると考えられる。次に、三次元表面粗さのスキューネスＳｓｋについては、これが小さ過ぎると、突部７の頂面が鈍くなることを示しており、溝部５自体の容積が減るため、コーティングが剥離しやすくなり、逆に大き過ぎると、突部７の頂面が鋭くなり、溝部５の幅が広がることから、アルミニウム１０が溝部５に入り込みやすくなるため、アルミニウム１０の差込み割合が高くなると推察することができる。さらに、ナノインデンターによる炭素膜６の押し込み硬さＨ１があまり小さいと、コーティングが密に詰まっておらずポーラス状になっている可能性が高く、そのコーティングの細孔、すなわち溝部５にアルミニウム１０が入り込みやすくなるため、アルミニウム１０の差込み割合が高くなると考えられる。

この効果を実験で確認するため、この鋳造用金型１について、まず、溝部５の幅Ｗ１がアルミニウム１０の差込み割合に及ぼす影響を調べた。具体的には、溝部５の幅Ｗ１を概ね２１〜５０μｍの間で段階的に変え、そのときのアルミニウム１０の差込み割合を測定した。その結果を図３に示す。図３のグラフにおいて、横軸は溝部５の幅Ｗ１（単位：μｍ）を表し、縦軸はアルミニウム１０の差込み割合（単位：％）を表す。

図３のグラフから明らかなように、溝部５の幅Ｗ１が増加すると、それに伴ってアルミニウム１０の差込み割合が増加する傾向が見られ、溝部５の幅Ｗ１が３５μｍ以下（Ｗ１≦３５μｍ）であれば、アルミニウム１０の差込み割合が１０％以下に低く抑えられることが判明した。

次に、この鋳造用金型１について、三次元表面粗さのスキューネスＳｓｋがアルミニウム１０の差込み割合に及ぼす影響を調べた。具体的には、このスキューネスＳｓｋを概ね−０．９〜−０．１の間で段階的に変え、そのときのアルミニウム１０の差込み割合を測定した。その結果を図４に示す。図４のグラフにおいて、横軸は表面処理部３の三次元表面粗さのスキューネスＳｓｋ（無次元量）を表し、縦軸はアルミニウム１０の差込み割合（単位：％）を表す。なお、このスキューネスＳｓｋは、ＩＳＯ２５１７８（ＪＩＳ Ｂ０６０１）に準拠して測定した。

図４のグラフから明らかなように、表面処理部３の三次元表面粗さのスキューネスＳｓｋが小さ過ぎても大き過ぎてもアルミニウム１０の差込み割合が増加し、このスキューネスＳｓｋが−０．８〜−０．２の範囲内（−０．８≦Ｓｓｋ≦−０．２）にあれば、アルミニウム１０の差込み割合が１０％以下に低く抑えられることが判明した。

しかしながら、上述した２つの条件（Ｗ１≦３５μｍ、−０．８≦Ｓｓｋ≦−０．２）をともに満たす場合であっても、コーティング処理時間が短いと、コーティングが密に詰まっていない状態（ポーラス状）が発生して、アルミニウム１０の差込み割合が１０％以下にならない場合が起こりうる。

そこで、上述した２つの条件（Ｗ１≦３５μｍ、−０．８≦Ｓｓｋ≦−０．２）をともに満たす鋳造用金型１について、コーティング処理時間とナノインデンターによる炭素膜６の押し込み硬さＨ１とがどのような関係にあるのかを調べるため、コーティング処理時間を６つの水準（１．５ｈ、２ｈ、３ｈ、４ｈ、６ｈ、８ｈ）に設定し、各水準での炭素膜６の押し込み硬さＨ１をそれぞれ１０箇所ずつ測定した。

その結果を図５に示す。図５のグラフにおいて、横軸はコーティング処理時間（単位：ｈ）を表し、縦軸はナノインデンターによる炭素膜６の押し込み硬さＨ１（単位：Ｎ／ｍｍ² ）を表す。このグラフでは、コーティング処理時間（横軸）の各水準において、平均値を○、最大値を▽、最小値を△、標準偏差の３倍の数値を▼（上側）および▲（下側）でプロットした。なお、コーティング処理時間１．５ｈのとき、１０箇所の押し込み硬さＨ１はすべて同じ値が得られた。

一方、上述した２つの条件（Ｗ１≦３５μｍ、−０．８≦Ｓｓｋ≦−０．２）をともに満たす鋳造用金型１について、コーティング処理時間とアルミニウム１０（溶湯）の差込み割合とがどのような関係にあるのかを調べるため、コーティング処理時間を５つの水準（２ｈ、３ｈ、４ｈ、６ｈ、８ｈ）に設定し、各水準でのアルミニウム１０の差込み割合をそれぞれ８箇所ずつ測定した。

その結果を図６に示す。図６のグラフにおいて、横軸はコーティング処理時間（単位：ｈ）を表し、アルミニウム１０の差込み割合（単位：％）を表す。このグラフでは、コーティング処理時間（横軸）の各水準において、８個のデータをそのままプロットした。

そして、コーティング処理時間と炭素膜６の押し込み硬さＨ１との関係（図５）およびコーティング処理時間とアルミニウム１０の差込み割合との関係（図６）を踏まえ、コーティング処理時間を介して、炭素膜６の押し込み硬さＨ１とアルミニウム１０の差込み割合との関係を整理すると、炭素膜６の押し込み硬さＨ１が１０００Ｎ／ｍｍ² 以上（Ｈ１≧１０００Ｎ／ｍｍ² ）であれば、アルミニウム１０の差込み割合が１０％以下に低く抑えられると結論づけることができる。

このように、本実施形態によれば、鋳造用金型１の表面処理部３について、その表面性状を３つの評価指標（溝部５の幅Ｗ１、スキューネスＳｓｋ、炭素膜６の押し込み硬さＨ１）で数値特定して、アルミニウム１０の差込み割合を低く（１０％以下に）抑えることにより、コーティング（炭素膜６）が溝部５から剥離しにくいように最適化することができる。その結果、鋳造用金型１において、コーティングの剥離を抑制して、アルミニウム１０の流動性を維持することが可能となる。

また、この鋳造用金型１の表面処理部３は、上述したとおり、突部７の頂面に微細溝９が形成されており、加えて炭素膜６が少なくとも微細溝９を被覆する厚さにコーティングされていることから、微細溝９が炭素膜６に噛み込むことで炭素膜６がより一層剥離しにくくなっており、また、炭素膜６が部分的に剥がれたとしても、アルミニウム１０と表面処理部３との接触状態が点接触となることから、両者の断熱性を維持することができ、アルミニウム１０の流動性を高めた状態に維持することができる。

さらに、この鋳造用金型１の表面処理部３は、上述したとおり、方案部１２の溶湯接触部位に形成されているので、方案部１２の材料を削減することができるとともに、薄肉ランナ化に対応することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

例えば、上述した実施形態では、表面処理部３の形成に、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場合について説明したが、必ずしも、このような性能を備えたパルスレーザ装置を用いる必要はない。

また、上述した実施形態では、突部７の頂面に微細溝９が形成されている場合について説明したが、頂面に微細溝９が形成されていない場合にも、本発明を同様に適用することができる。

また、上述した実施形態では、所定の表面性状を有する表面処理部３が方案部１２に形成されている鋳造用金型１について説明したが、この表面処理部３を鋳造用金型１の製品部１１に形成することにより、同様の効果を得ることもできる。

さらに、上述した実施形態では、アルミニウム１０を鋳造する鋳造用金型１について説明したが、アルミニウム１０以外の金属を鋳造する鋳造用金型に本発明を同様に適用することも可能である。

１……鋳造用金型
２……型材
３……表面処理部
４……格子状溝
５……溝部
６……炭素膜
７……突部
９……微細溝
１０……アルミニウム（溶湯）
１１……製品部
１２……方案部
Ｈ１……炭素膜の押し込み硬さ
Ｗ１……溝部の幅

Claims (2)

1. 型材の溶湯接触部位の表面に形成された格子状溝の溝部に炭素膜がコーティングされた表面処理部を有するアルミニウム鋳造用金型であって、
   前記表面処理部は、前記溝部の開口端部の幅が３５μｍ以下であるとともに、三次元表面粗さのスキューネスが−０．８〜−０．２の範囲内にあり、かつ、ナノインデンターによる前記炭素膜の押し込み硬さが１０００Ｎ／ｍｍ² 以上であるアルミニウム鋳造用金型。
2. 前記表面処理部は、方案部を含む前記型材の溶湯接触部位に形成されている請求項１に記載のアルミニウム鋳造用金型。

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