JPS5822388A - 金型の表面処理法 - 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】 本発明は、金型表面に緻密な窒化鉄化合物層と硫化鉄化
合物層を順に形成する金型の表面処理方法に関する。

従来、特公昭ググー７？０２号公報にも開示されている
如く金属部品に窒化処理を施した後、溶融塩電解処理を
施して硫化鉄化合物層を形成し、金属部品の耐摩耗性を
向上せしめることが知られている。

然るに、従来の窒化処理、例えば塩浴軟窒化法、ガス軟
窒化法においては、それぞれ第３図および第グ図の光学
顕微鏡写真に示す如く母材ａ（ＪＩＳｉＳグ！？Ｃ）、
母材ｂ−（、ｒＩｓ　；　５ｓＯｃ　）の表面に形成さ
れた窒化鉄化合物層ｃ、ｄは、最表面が多孔質層ｅ、ｆ
となるため、後処理として硫化鉄化合物層を形成しても
、金型においては（以下の説明では、アルミニウム合金
鋳造用金型を例にとって説明する）、鋳造時の加圧力に
より多孔質層ｅ、ｆが押し潰され、その結果、金型の表
面粗度が悪化して離型性が悪くなり、−鋳物の所謂肌荒
れ現象が生じるという問題がある。しかも、前記多孔質
層ｅ、ｆは湯のさし込みにより硫化鉄化合物層が剥離し
易く、金型としての耐摩耗性、耐焼付性の向上も多くは
期待できない。

他の窒化処理法としてガス窒化法があるが、適用鋼種が
窒化鋼（ＪＩＳ　ｉ　ＳＡＣＭ乙グｊ）にほぼ限定され
、金型に多く使用される合金工具鋼には適さないうえ、
生成される窒化鉄化合物層が脆く、剥離し易いため、前
記塩浴窒化法等の場合と同様に問題がある。

また、代表的な金型材料である熱間金型用合金工具鋼は
、たとえばＳＫＤｇ／（ＪＩＳ）の場合焼戻し時間を７
時間としたときの焼戻し硬さ曲線が第５図に示す如くな
り、このように２次硬化性が犬となる合金元素Ｃｒ　、
　Ｍｏ　、　Ｖ　　などを相当量含む鋼材は１．５００
〜５．５０℃附近で焼戻し硬さが最大と〜なるが、前記
窒化処理法では通常、焼入れ、焼戻し後の鋼材（ＳＫＤ
＆／など）を窒化温度ｊｊ０℃程度で、窒化時間は塩浴
軟窒化法およびガス軟窒化法の場合が３〜６時間、ガス
窒化法の場合が、２０〜グ０時間という条件で処理する
ことから過時効となり易く、焼戻し軟化現象を生じるた
め、金型への適用は好ましくない。

これに対して、多孔質層を生−じないイオン窒化法の採
用も考えられるが、金型は一般に複雑形状を有するため
、グロー放電を唯一の加熱源とする従来のイオン窒化法
では、グロー放電出力が大きいことから、該グロー放電
の集中する金型の角部等が局部的に加熱されて温度分布
が不均一になり易く、またグロー放電自体も安定しない
ため、均一な窒化層、すなわち最表面の窒化鉄化合物層
およびそれに続く拡散層を得るのが困難で、また、窒化
処理による歪も大きいことから、後処理を施して硫化鉄
化合物層を形成しても金型の寸法精度の劣化という重大
な弊害を生じるものであった。

本発明は、かかる点に鑑み、金型表面にグロー放電と発
熱体による発熱との併用によって加熱並び窒化を行なう
イオン窒化処理を施すことにより、金型表面に均一で且
つ緻密な窒化層を形成した後、溶融塩電解処理を施して
該窒化層の上に硫化鉄化合物層を形成して、離型性、耐
摩耗性、耐焼付性等を向上せしめる金型の表面処理法を
提供し、前記従来の問題点を解消するものである。

以下、本発明の構成を実施例につき図面に基づいて説明
する。

第１図は本発明に使用するイオン窒化処理装置の基本構
造を示すもので、１は鋼製の真空反応炉であって、円筒
状炉体２と該炉体上方開口部（金型の搬出入口）を被冠
する蓋体３とからなり、炉体２及び蓋体３はそれぞれ適
温に冷却せしめるべく水冷二重構造になっている。真空
反応炉１内の外周部には円筒状発熱体４が配設され、該
発熱体４は内壁遮蔽板５と熱反射板６とで被覆されてい
る。この発熱体４にはチューブ状グラファイトクロス発
熱体やシーズ発熱体或いはニクロム発熱体が用いられる
。７はグロー放電用電源装置で、前記内壁遮蔽板５を陽
極、金型８を陰極として両極間に直ｖＬＮ圧を印加し、
グロー放電を生ぜしめるものである。９は発熱体４に交
流電圧を印加する発熱体用電源で、該発熱体用電源９に
は真空反応炉１内に装入された測温用無電対１０を具備
する温度制御装置１１が接続され、真空反応炉内温度を
検出して発熱体用電源９を制御するよう構成されている
。１２は真空反応炉１を真空排気するための真空ポンプ
、１３は真空反応炉１内に窒素ガス、水素ガス等の混合
ガスを供給する処理ガス混合供給装置、１４は金型８を
載置する陰極載置台、１５は陰極載置台１４を支持する
電気絶縁材製の支持台である。また、１６は下面が凸面
状の導電性円盤、１７は上面が平面状の絶縁材製円板で
おって、グロー放電の集中を防止するものである。

１８は陰極端子１９を導入するための電気絶縁性と真空
シール性を備えた導入管、２０は支脚である。

金型８の表面処理に際しては、第１段処理として前記イ
オン窒化処理装置の真空反応炉１において、グロー放電
と発熱体４による発熱との併用により金型８の加熱と窒
化を行なうイオン窒化処理を施し、しかる後、第２段処
理としてチオシアン酸塩の混合物からなる溶融塩浴にお
いて溶融塩電解処理を施す。

第１段処理においては、まず／〜／　ＯＴｏｒｒの処理
圧力に真空排気された真空反応炉１を処理ガス混合供給
装置１６によりＨ２ガス雰囲気とし、発熱体４を発熱体
用電源９によって発熱させる。この発熱体４による発熱
によって金型８を処理温度３．５０〜６００℃に加熱昇
温せしめる。上記処理温度近傍に達した後、Ｎ２　＋　
Ｈ２＋　Ｃ３Ｈ９の混合ガスを供給した状態で、金型８
を温度制御装置１１による発熱体４の温度制御によって
処理温度に保持しつつ、グロー放電によってイオン窒化
を行なう。

ここで、処理温度は発熱体４の制御による温度調節によ
って一定に保持されるため、従来の発熱体を用いないイ
オン窒化法に比べてグロー放電出力を小さくすることが
できる。このことは、金型８が受けるグロー放電による
加熱の影響を小さくできることを意味し、したがって、
複雑形状を有する金型においても金型全体の温度分布の
均一性が得られることになる。さらに、窒化時における
グロー放電の開始が室温からでなく、処理温度に昇温せ
しめた後からであるため、グロー放電は放電開始時から
安定となる。

上記第１段処理を施した金型は、第２図に母材２１とし
てＳグ♂Ｃを用いた場合の顕微鏡写真を示す如く、倍率
がグＯ０倍程度の光学顕微鏡観察で多孔質層が認められ
ず、緻密層が数μｍ以上ある窒化鉄化合物層２２が、前
記温度分布の均一性とグロー放電の安定性とにより、金
型の細部に至るまで均一な厚さに形成される。しかも、
上記第１段処理は処理温度が３６０〜６００℃と比較的
低温にすることもできるため、従来のイオン窒化以外の
窒化処理のような熱間合型用合金工具鋼における焼戻し
軟化現象も生じない。

第２段処理においては、チオシアン酸塩の混合物からな
る溶融塩浴に前記第７段処理を施した金型を浸漬し、金
型を陽極、浴槽を陰極として両極間に直流電圧を印加す
る。このとき、溶融塩洛中の５ＣＮ−の陽極酸化によっ
て８２−が生成し、活性化された金型（陽極）の界面で
反応することによって該金型の表面に数ミクロンの硫化
鉄化合物層が生成する。

次に、本発明をエンジン部品（シリンダーヘッド）のア
ルミニウム合金鋳造用のダイカスト金型に適用した実施
例について説明す）。

金型の材質は、熱間金型用合金工具鋼（ＪＩＳｉＳＫＤ
乙／）であり、予め前処理として焼入れ、焼戻しを施し
た後、前記第１段処理、続いて第２段処理を施したもの
で、第１段処理の処理条件を第１表に、第２段処理の処
理条件を第２表に示す。

第１表 第２表 本実施例で得られた金型と、第１段処理のみを施した金
型および第２段処理のみを施した金型とを、耐久ショツ
ト数につき前処理のみの金型を／とじて比較すると、本
実施例では７、第１段処理のみでは３、第２段処理のみ
では／６程度となシ、本実施例においては、第１段処理
と第２段処理の単純合計よりも耐久ショツト数が飛躍的
に増大している。これは、第１段処理によって得られた
緻密な硬い窒化鉄化合物層（熱間金型用合金工具鋼の場
合、荷重１０θ）におけるＨｖ１０００以上）の上に、
第２段処理によって非常にやわらかいＨｖ７０程度の硫
化鉄化合物層が形成され、金型の表層部が理想的な硬度
分布となっているためである。

すなわち、硫化鉄化合物層は非常にやわらかいため、該
硫化鉄化合物層の下に硬い窒化鉄化合物層がないと、金
型は鋳造時の加圧力に抗し難く、最表面部が押し潰され
て表面粗度が低下し、離型性に悪影響を及ぼす結果とな
るが、本発明においてはこのような弊害が前記緻密な窒
化鉄化合物層にて解消され、離型性の向上によって鋳物
の所謂肌荒れが改善されるとともに、硫化鉄化合物層の
有する優れた耐摩耗性、耐焼付性と相俟って前記の如く
金型の耐久ショツト数が飛躍的に増大するという効果が
得られる。

なお、上記実施例は熱間金型用合金工具鋼を用いたアル
三ニクム・合金鋳造用金型に関するが、本発明はこれに
限定されるものでなく、冷間金型用合金工具鋼、機械構
造用炭素鋼・合金鋼（クロムモリブデン鋼、窒化鋼等）
、鋳鉄などを用いたプラスチック成形用、粉末冶金用、
プレス用、鍛造用などの金型に適用することができる。

以上のように、本発明によれば、グロー放電と発熱体に
よる発熱との併用によって加熱並びに窒化処理を行なう
ことにより、金型表面に均一な厚さの緻密な窒化鉄化合
物層を形成することができるため、従来の窒化処理を施
した後、硫化鉄化合物層を形成する場合に比べて、金型
は離型性、耐摩耗性、耐焼付性が格段に向上し、耐久シ
ョツト数が飛躍的に増大するといり優れた効果が得ら゛
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるイオン窒化処理装置の概略構成
図、第２図は同処理装置で窒化処理を施した金型表層部
の顕微鏡写真、第３図および第グ層部の顕微鏡写真、第
５図は熱間金型用合金工具鋼であるＳＫＤ乙／（ＪＩＳ
）の焼戻し硬さ曲線を示すグラフである。 １・・・・・・真空反応炉、２・・・・・・円筒状炉体
、６・・・・・蓋体、４・・・・・発熱体、５・・・・
・・内壁遮蔽板、６・・・・・・熱反射板、７・・・・
・グロー放電用電源、８・・・・・・金型、９・・・・
・・発熱体用電源 特許出願人　　　川崎重工業株式会社 第　１　口 一一一一一−１ も　２　図 隼　４　図 （Ｘ４００）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　金型にグロー放電と発熱体による発熱との併
   用によって加熱並びに窒化を行なうイオン窒化処理を施
   した後、チオシアン酸塩の混合物からなる溶融塩浴中で
   溶融塩電解処理を施すことを特徴とする金型の表面処理
   法。