JPH03267358A - 金型の表面処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、金型の表面硬化処理方法に関し、特に、ア
ルミニウムまたはアルミニウム合金を加工することによ
り製造されるモールド用金型、簡易金型の表面を硬化し
、耐摩耗性を向上させることのできる表面処理方法に関
するものである。

〔従来の技術〕

従来、金型材としては、その目的に応じ、すなわち納期
、加工精度等を考慮し、３５５Ｃ１ＳＫＤ−１１、ＳＵ
Ｓ等が用いられてきた。しかし、金型の製造工期は金型
の加工性により左右され、金型の加工には多大な時間と
労力を要するため、加工性の良い材料の出現が期待され
ていた。

一方、成形温度が２００°Ｃ以下の低温で使用されるモ
ールド用簡易金型に対しては、加工性が良く、短納期化
、軽量化が実現でき、トータルとしてのコストも低減可
能な材料である、アルミニウムまたはアルミニウム合金
を用いた型が普及してきた。

しかし、アルミニウムまたはアルミニウム合金は硬さが
低く　（高いものでＨｖが２００程度）、耐摩耗性に乏
しいため、型の寿命が短く、またガラス人の樹脂には不
通等の問題から、適用範囲が限定されていた。そのため
、従来よりこれらの性質の向上を図るための表面処理技
術の開発が行なわれてきた。

ところが、アルミニウムは酸素との親和力が強く、アル
ミニウム基材の表面に安定な酸化層Ｃ／ｄｔＯｓ：アル
ミナ）を形成するため、一般の鉄鋼材料のような窒化、
浸炭等表面硬化元素を拡散させたり、アルミニウム基材
の表面に密着力の高い硬質膜を形成することが難しいと
されていた。そのため、表面処理法は限られたものとな
っており、陽極酸化（アルマイト処理）あるいはクロム
めっきが主流となっている。しかし、この陽極酸化膜も
表面の硬度は向上するもののＨｖで高々１０００である
ため、耐摩耗性に対して多大な効果を発揮するものでは
ない。クロムめっきについても同様であるほか、密着力
が低く、ピンホールが生じ易いという欠点があった。

この問題の解決策として、アルミニウム基材の表層に窒
化アルミニウムを形成する方法が考えられる。窒化アル
ミニウムは高温安定性の高い、絶縁部材で、硬さがＨｖ
で１２００〜１５００あるため、耐摩耗性が優れている
。また、熱伝導率が大きく（約２００−７１Ｋ）、金型
の表層材とじて通している。アルミニウム自身も、窒素
との親和力が強く、アルミニウムの融点以上の温度では
窒素と容易に結合して、窒化アルミニウムを形成し、１
０００℃では、酸化アルミニウム（７Ｖｇｏｓ）の還元
法による製造が可能である。

こういった性質を利用して、窒化アルミニウムを形成す
る方法が、例えば特開昭５５−８４１１号、同５６−２
５９６号、同５６−２５９６４号。

同５６−２５９６５号、同５６−２５９６６号同５６−
７７３７４号の各公報および熱処理、２４巻４号の技術
論文（１９８４年、ｐ１８２１８８）に記載されている
。これは、アルミニウム材の一部をアーク熱源を用いて
アルミニウムの融点以上に加熱し、窒素ガス（Ｎ２）あ
るいはアンモニアガス（ＮＨ３）を作用させ、ガス中の
窒素（Ｎ）と反応させる方法により窒化させる方法（溶
融法）である。しかし、熔融法では、アルミニウムを融
点温度まで加熱するため、アルミニウム基材が変形し、
金型として歪みを生じてしまう。

さらに、表層に形成される窒化物もアルミニウム窒化物
（ＡＺＮ）とアルミニウム（ＡＩ）の混合層であるため
、硬さもＨｖで高々２５０と低い。

低温でＡＺＮを形成できる技術としては、いわゆるＰＶ
ＤやＣＶＤの蒸着法があるが、前述したように、アルミ
ニウム基材の表層にある酸化アルミニウムが原因となっ
て、密着力の高い膜を形成することができない。

以上のような背景の下で、低温で窒化アルミニウム層を
形成できる方法として、従来鉄鋼材料に用いられてきた
イオン窒化法の適用が試みられてきており、窒化に至る
までの工程を改善することによりアルミニウムの窒化が
実現されることが、例えば特開昭５８−２１３８６８号
、同６〇−２１１０６１号、同６２−２０２０７１号の
各公報に開示されている。その−例を図に基づいて説明
する。

第３図はアルミニウムまたはアルミニウム合金の窒化法
を示す装置の断面回である。ステンレス製の密閉容器２
１の中央に設けた基板台２２の上に、被処理材２３を配
置する。基板台２２の支持柱２４の内部には冷却水を送
る冷却水管２５および水銀マノメータ圧力計２６が設け
られている。

次に密閉容器２１を密閉した後、ガス導出管２７に接続
された排気系により容器内を排気し、反応炉本体２９の
内部側周に設けられた予備加熱ヒータ３０で炉壁を加熱
する。その後、水素ガスをガス導入管３１から導入して
、容器内部を一端水素ガスで置換した後、再度排気する
。

次に、水素ガスを流しながら同時に排気し、容器内を数
Ｔｏｒｒに保った後、ステンレス製陽極板３２と陰極（
基板台２２）の間で放電させる０次に、水素ガスを止め
、アルゴンガスを導入し、放電し被処理材表面に活性化
処理を施す。次に、窒化処理用ガスとして数１１００ｐ
ｐ以下の酸素を含んだ窒素ガスを導入し電極間で放電さ
せ、イオン窒化処理を行なう。以上の様な方法でアルミ
ニウムまたはアルミニウム合金の低温（３００℃〜５５
０°Ｃ）窒化処理を行ない、耐摩耗性等の特性の向上を
図っていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上のような、活性化−イオン窒化の連続処理を行なう
ことによって得られたアルミニウムの窒化物（又は酸窒
化物）はアルミニウムの表面を改質したものであるため
剥離の問題はなく、硬さもＨｖで１５００程度あり、耐
摩耗性に比較的効果がある。しかし、ガラス入りの樹脂
を成形する場合等は、このガラス材による金型表面への
衝撃や摩耗の発生が懸念されるため、さらに高い耐摩耗
性が要求される。そのため、硬さもＨｖで１５００より
も大きいものが要求されていた。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、アルミニウムまたはアルミニウム合金によ
り製造された金型の表面を、低温で改質し、さらにその
上に硬さの大きい物質からなる膜を十分な付着力で形成
することのできる金型の表面処理方法を得ることを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係わる金型の表面処理方法は、機械加工仕上
げのされた金型の成形に用いる面にプラズマを作用させ
ることで低温で表面をクリーニングし活性化する工程と
、窒素を含んだガスをプラズマ化しこれを用いて金型表
面を改質し窒化処理する工程と、窒素を含んだガスの他
に少なくとも１種以上の成膜用ガスをプラズマ化しこれ
を窒化処理した金型の表面に作用させ、窒化層よりも硬
さの大きい硬質膜を形成する工程とからなることを特徴
とする。

〔作　用〕

この発明における金型の表面処理方法は、クリーング処
理、母材の改質、硬質膜形成という３つのプロセスを同
一チャンバ中において、全てプラズマを作用させること
により行うので、低温プロセスが可能となる。また、母
材のアルミニウム自身を窒化処理して表面をＡｌＮに改
質するので、母材の強化となる上、改質層中の窒素を共
有してさらに表層に硬質の窒化膜を形成することにより
、硬質膜の付着力が向上する。さらに母材から順に母材
（Ｈ■〜２００）、改質層（Ｈｖ　〜１５００）硬質膜
（Ｈｖ＝１５００〜３０００）と硬さも増大していくよ
うな傾斜構造のため、金型としての機械的強度も安定す
る。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例による金型の表面処理を実現す
るためのプラズマ処理装置、第２図はこの発明の一実施
例による金型の表面処理方法を示す工程図である。

第１図において、１は外気を遮断しプラズマ雰囲気を形
成するための真空チャンバ、２は電源３により供給され
たエネルギーを用いて所望する位置にプラズマを発生さ
せるための電極、４は基板支持台５を介して金型用基材
７を一定温度に加熱するためのヒータあるいは冷却する
ための冷却ユニットを搭載したヒータ兼冷却ユニット、
６は電極２により発生したプラズマ内で安定かつ効率良
く処理できるように金型用基材７にバイアスを印加する
ためのバイアス電極、８は所望のプラズマ処理を、しか
も均一に行うためのガス（チャンバ外のガス導入系は図
示せず）をチャンバ内に導入するガスノズル、９はヒー
タおよびプラズマにより加熱された金型用基材７の温度
を管理するための温度計、１０は真空チャンバ内を排気
し一定圧力にするための真空排気系、１１は真空チャン
バ内の圧力を管理するための真空計である。

第２図は、この発明による表面処理の各工程図で、ａ図
は処理前の金型用基材７の状態を示したもので表面には
酸化層１２や汚染物１３が存在している。ｂ図は酸化層
１２や汚染物１３を除去するため、前処理としてのクリ
ーニング用プラズマを作用させている工程を示したもの
、ｃ［ｉｌ（は引続、き窒素を含んだガスを導入してプ
ラズマを作用させ、金型用基材７の表面を改質して窒化
アルミニウム層１６を形成する工程を示したもの、ｄ図
は０図に続けて窒素を含んだガスを流しながらさらに硬
質膜を形成するための原料ガスも加えて流し、ＣＶＤ用
プラズマを作用させることにより窒化アルミニウム層１
６の上に窒化物からなる硬質膜１８を形成する工程を示
したものである。

次に、金型の表面処理方法について説明する。

まず、アルミニウムあるいはアルミニウム合金により製
造された金型用基材第２図ａを真空チャンバ中の基板支
持台上に設置し、排気系によりチャンバ中を真空排気し
た後、ガスノズルよりクリーニング用ガスを導入し、電
極と対向電極（支持台）の間で放電させ、プラズマを形
成する（第２図ｂ）、この時クリーニング用ガスは水素
や窒素（中性ガス）でもよいが、アルゴンガスのような
希ガスのほうがクリーニングによる活性効率が高いこと
がしられている０次に放電を停止し、クリーニングガス
と窒化用の窒素を含んだガスをチャンバ内で置換し、再
び放電を発生させ、アルミニウムあるいはアルミニウム
合金により製造された金型用基材の表面を窒化し、窒化
アルミニウムを形成する（第２図Ｃ）。表層に十分な厚
さ（数１０ｎ程度）の窒化アルミニウムの層が形成され
た後、放電を停止する。最後に硬質膜を形成するための
原料ガス、例えば硬質膜として５ｉｓＮｎ膜（Ｈｖ＝２
６００〜３３００）を形成するならば窒素を含んだガス
にＳｉＨ，とＨ２を加え、ＴｉＮ　膜（Ｈｖ＝１８００
〜２１００）をＴｉＣｆｆ１４　　とＨ６を加えればよ
い、原料ガスを導入した後、また放電させ窒化アルミニ
ウムの上に５ｉｓＮａやＴｉＮに代表される硬質の窒化
膜を形成する（第２図ｄ）。

上記実施例では、窒化アルミニウムの上にＳｉ＊Ｎ４や
ＴｉＮに代表される硬質の窒化膜を形成する例について
示したが、硬質膜は酸素や炭素を含んだような膜、例え
ば、５ｉＯＮ＋Ｔ１ＣＮであってもよい。

また、上記実施例では、クリーニング活性化の過程でア
ルミニウムあるいはアルミニウム合金表面がエツチング
で荒されてしまう、すなわち、高速で安定に、アルミニ
ウムの窒化物を形成するための前処理としての活性化処
理において、アルミニウム材の表面は、放電中に形成さ
れたイオンによる衝撃を受けて数１あるいはそれ以上の
表面粗さとなってしまう。そのため、この手法を金型に
適用した場合、金型の複雑形状部等では粗さの大きな部
分への樹脂の食いつきにより離型性が悪い、パリが発生
する、さらに、成形された部品の表面粗さも劣るため、
意匠部分の部品を製造するための型には適用できない等
の問題がある。この場合には、窒化処理した後、機械的
研磨処理等の方法で最終的に必要とされる表面粗さの一
桁小さいオーダの処理を行い、その上に硬質膜を形成す
ればよい。硬質膜形成時に数−の粗さを均すことは難し
く、膜形成により表面が僅かに荒れる傾向にあるからで
ある。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、金型の表面処理方法と
しては、クリーニング処理、母材の改質、硬質膜形成と
いう３つのプロセスを同一チャンバ中において、全てプ
ラズマを作用させることにより行ったので、低温プロセ
スが可能となる。

このように窒素原子を連続して改質から硬質膜形成に用
いているため膜の付着力は確保される。

また母材から表面に向かって硬さが増加するという傾斜
構造であるため、金型としての機械的強度も確保されて
いる。

以上の効果からもわかるように、この発明により、アル
ミニウムまたはアルミニウム合金を加工することにより
製造されるモールド用金型、簡易金型の表面を簡便な方
法で硬化処理し、耐摩耗性を向上させることができたの
で、信転性の高い、寿命の長い金型の提供が可能である
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による金型の表面処理を実
現するためのプラズマ処理装置、第２図はこの発明の一
実施例による金型の表面処理方法を示す各工程図、第３
図は従来のアルミニウムまたはアルミニウム合金の窒化
法を示す装置断面図である。 図において、１は真空チャンバ、２は電極、３はｉｉ源
、４はヒータ兼冷却ユニント、５は支持台、６はバイア
ス電極、７は金型用基材（アルミニウムまたはアルミニ
ウム合金）、８はガスノズル、９は温度計、１０は排気
系、ＩＩは真空計、１２は酸化層、１３は汚染物、１４
はクリーニング用プラズマ、１５は窒化用プラズマ、１
６は窒化アルミニウム層、１７はＣＶＤ用プラズマ、１
８は硬質膜である。 なお、各図中同一符号は同一　または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　機械加工仕上げのされた金型の成形に用いる面にプラ
   ズマを作用させることで低温で表面をクリーニングし活
   性化する工程と、窒素を含んだガスをプラズマ化しこれ
   を用いて金型表面を改質し窒化処理する工程と、窒素を
   含んだガスの他に少なくとも１種以上の成膜用ガスをプ
   ラズマ化しこれを窒化処理した金型の表面に作用させ、
   窒化層よりも硬さの大きい硬質膜を形成する工程とから
   なることを特徴とする金型の表面処理方法。