(57)【要約】【課題】レーザーアブレーション加工により微細突起を安定して発現させることができる表面改質方法、鋳造用金型の製造方法及び鋳造用金型を提供する。【解決手段】金属の表面２０ａにパルスレーザー２６を照射してパルスレーザー２６の集光径よりも小さな微細突起２３を形成する表面改質方法において、処理対象とする金属の表面２０ａに、粒子を衝突させることにより、表面２０ａに均一に分布する凹凸２２を形成するショットブラスト処理工程と、ショットブラスト処理工程を行った後、表面２０ａに窒化層２４を形成する窒化処理工程と、窒化処理工程の後に表面２０ａにパルスレーザー２６を照射するレーザー照射工程と、を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属表面にパルスレーザーを照射して前記パルスレーザーの集光径よりも小さな微細突起を形成する表面改質方法であって、
処理対象とする金属表面に、粒子を衝突させることにより、微細な凹凸を有するショットブラスト面を形成するショットブラスト処理工程と、
前記ショットブラスト面にパルスレーザーを照射するレーザー照射工程と、
を有する、表面改質方法。
【請求項２】
請求項１記載の表面改質方法であって、ショットブラスト処理工程の後、レーザー照射工程の前に、前記ショットブラスト面が形成された前記金属表面に窒化層を形成する窒化処理工程を行う、表面改質方法。
【請求項３】
請求項１記載の表面改質方法であって、前記粒子は、アルミナ粒子である表面改質方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面改質方法であって、前記ショットブラスト処理工程は、所定領域の投影面積Ｓ１と、前記所定領域における前記金属表面の表面積Ｓ２との比率Ｓ２／Ｓ１が２よりも大きくなるまで行う、表面改質方法。
【請求項５】
請求項４記載の表面改質方法であって、前記ショットブラスト処理工程は、前記比率Ｓ２／Ｓ１が３以上となるまで行う、表面改質方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の表面改質方法であって、前記ショットブラスト処理工程は、７分以上行う、表面改質方法。
【請求項７】
請求項２記載の表面改質方法であって、前記窒化処理工程を行った後の前記金属表面のビッカース硬度ＨＶが７００よりも高い硬度の窒化層でおおわれている、表面改質方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の表面改質方法を用いて金型表面に微細突起を形成する鋳造用金型の製造方法。
【請求項９】
請求項８記載の鋳造用金型の製造方法であって、さらに、パルスレーザーを照射することにより、溶湯が入らない幅の深溝を形成する深溝加工工程を有する鋳造用金型の製造方法。
【請求項１０】
請求項８又は９記載の鋳造用金型の製造方法であって、さらに、前記微細突起が形成された前記金属表面に炭素膜を形成するコーティング工程を有する鋳造用金型の製造方法。
【請求項１１】
キャビティ部と、前記キャビティ部に溶湯を流し込む方案部とを備え、前記方案部の表面には、深溝と、深溝の間に形成された凸部と、凸部の表面に形成された微細突起とが形成された鋳造用金型であって、微細突起の上端に窒化層が形成され、かつ、微細突起の上端の窒化層のビッカース硬度ＨＶが７００よりも高い硬度である、鋳造用金型。
【請求項１２】
請求項１１記載の鋳造用金型であって、前記方案部の表面が炭素膜で覆われてなる鋳造用金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属表面に微細突起を形成する表面改質方法、鋳造用金型の製造方法及び鋳造用金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属表面に微細な突起を形成することにより、金属表面の液体に対する濡れ性、摩擦力、色や反射率等の光学的特性といった物理的特性を制御し、金属表面に機能性を持たせる技術が種々提案されている。例えば、鋳造用金型の分野では、表面に微細な突起を形成して、溶湯の流動性を高めたり、金型表面の断熱性を高めたりする技術が提案されている。また、金属表面の微細な突起を、ガラスや樹脂等に転写して、それらの表面に撥水性又は親水性を持たせたりする技術も知られている。
【０００３】
このような金属表面への微細突起を形成する方法の一つとして、レーザーアブレーション加工を行う方法がある。例えば、特許文献１では、金属表面に窒化処理を施し、その後、パルスレーザーを照射してレーザーアブレーション加工を行うことにより、パルスレーザーの集光径よりも小さな突起を複数形成する表面改質方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１６４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のレーザーアブレーション加工による微細突起の形成方法では、微細突起の発現が安定せず、広範囲に適用すると、微細突起が形成されていない部分がまばらに出現してしまうといった問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、レーザーアブレーション加工により微細突起を安定して発現させることができる表面改質方法、鋳造用金型の製造方法及び鋳造用金型を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点は、金属表面にパルスレーザーを照射して前記パルスレーザーの集光径よりも小さな微細突起を形成する表面改質方法であって、処理対象とする金属表面に、粒子を衝突させることにより、微細な凹凸を有するショットブラスト面を形成するショットブラスト処理工程と、前記ショットブラスト面にパルスレーザーを照射するレーザー照射工程と、を有する、表面改質方法にある。
【０００８】
本発明の別の一観点は、上記観点の表面改質方法を用いて金型表面に微細突起を形成する鋳造用金型の製造方法にある。
【０００９】
本発明のさらに別の一観点は、キャビティ部と、前記キャビティ部に溶湯を流し込む方案部とを備え、前記方案部の表面には、深溝と、深溝の間に形成された凸部と、凸部の表面に形成された微細突起とが形成された鋳造用金型であって、微細突起の上端に窒化層が形成され、かつ、微細突起の上端の窒化層のビッカース硬度ＨＶが７００よりも高い硬度である、鋳造用金型にある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る金属表面の表面改質方法、鋳造用金型の製造方法及び鋳造用金型によれば、金属表面の窒化状態及び／又は窒化硬度のばらつきが抑制されるため、微細突起の発現が安定し、均一な微細突起を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１Ａ及び図１Ｂは、第１実施形態に係る金属表面の表面改質方法を工程順に示す断面図である。
【図２】図２Ａは、ショットブラスト面に対するレーザー照射の作用を示す説明図であり、図２Ｂは機械加工面に対するレーザー照射の作用を示す説明図であり、図２Ｃは鏡面に対するレーザー照射の作用を示す説明図である。
【図３】図３Ａ〜図３Ｃは、第２実施形態に係る金属表面の表面改質方法を工程順に示す断面図である。
【図４】図４Ａは、金属表面の窒化層とその断面図であり、図４Ｂは窒化層にパルスレーザーが照射される様子を示す断面図であり、図４Ｃは窒化層に形成される微細突起を示す断面図である。
【図５】実験例１において、機械加工面を有する試験片群２と、ショットブラスト加工面を有する試験片群１とについて、窒化処理前の平均面粗さＲａ値と、窒化処理後の１０μｍ硬度とを測定した結果を示すグラフである。
【図６】実験例２において、ショットブラスト処理を行った試験片３、鏡面加工を行った試験片４及び機械加工を行った試験片５〜７に対して窒化処理後にパルスレーザーを照射して微細突起の発現状態の評価を行った結果を示す表である。
【図７】図７Ａは、試験片３の表面のレーザー顕微鏡による画像であり、図７Ｂは試験片４の表面のレーザー顕微鏡による画像であり、図７Ｃは試験片５の表面のレーザー顕微鏡による画像である。
【図８】実験例３において、表面処理にアルミナショット、スチールショット、サンドブラスト処理及び機械加工をそれぞれ行った試料の表面積率と、微細突起の発現率とを測定した結果を示すグラフである。
【図９】実験例４において、アルミナショットによるショットブラスト処理時間と表面積率との関係を評価した結果を示すグラフである。
【図１０】図１０Ａ及び図１０Ｂは、第３実施形態に係る鋳造用金型の製造方法を工程順に示す断面図（その１）である。
【図１１】図１１Ａ〜図１１Ｃは、第３実施形態に係る鋳造用金型の製造方法を工程順に示す断面図（その２）である。
【図１２】図１２Ａは、実験例５においてショットブラスト処理を用いて作成した鋳造用金型の表面のＳＥＭ像であり、図１２Ｂは実験例５においてショットブラスト処理工程を行わずに作製した鋳造用金型の表面のＳＥＭ像である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
本実施形態の金属表面の表面改質方法は、機械加工が為された金属の表面に、レーザー光を照射して微細な凹凸を形成するものである。このような微細な凹凸は、液体との接触面積を減少させて濡れ性を低下させることができるため、例えば、鋳造用金型の表面の改質等に用いることができる。
【００１４】
図１Ａに示すように、表面１０ａが所定形状に加工された金属部品１０を用意する。次に、金属部品１０の表面１０ａに対して、微粒子（ショット）を高圧エアとともに吹き付けて表面を荒らすショットブラスト加工を行うことで、表面１０ａに微細な凹凸１２を形成する。ここでは、微粒子（ショット）として、金属部品１０よりも硬度の高い材料を用いることが好ましく、例えば、アルミナショット又はスチールショットを用いることができる。ショットブラスト加工は、金属部品１０の表面１０ａを形成する際の機械加工の加工跡として残る線状の凹部が完全に消えて、表面１０ａ全体が方向性を有さない略均一なサイズの凹凸１２で覆われるまで行うことが好ましい。
【００１５】
アルミナショットを用いる場合には、粒径５３〜６３μｍ（＃１８０メッシュ）の粒子を用いると好適である。ショットブラスト加工は、所定の投影面積Ｓ１に対する凹凸１２を含む金属部品１０の表面積Ｓ２の比である表面積率Ｓ２／Ｓ１が、２以上となるまで行うことが好ましい。なお、投影面積Ｓ１及び金属部品１０の表面積Ｓ２は、走査電子顕微鏡像を画像処理して求めることができる。
【００１６】
金属部品１０がＳＫＤ１１やＳＫＤ６１等のＳＫＤ鋼（ダイス鋼）の場合には、金属部品１０の表面１０ａに例えば７分〜１１分程度、アルミナショットを用いたショットブラスト処理を行うことで、機械加工された表面１０ａの線状の凹部よりなる加工跡が消え、方向性を有さない凹凸１２で覆われる。なお、ショットブラスト処理の時間は上記の範囲に限定されるものではない。
【００１７】
次に、図１Ｂに示すように、微細な凹凸１２が形成された金属部品１０の表面１０ａに対してパルスレーザー１４を照射して微細突起１３を形成する照射工程を行う。照射工程においては、パルス幅が１０ｐｓ（ピコ秒）以下のパルスレーザー１４を照射しつつ走査させる。照射位置でのパルスレーザー１４の集光径（ビーム径）は、凹凸１２よりも大きい。
【００１８】
図２Ａに示すように、方向性がなく略同じ大きさの凹凸１２で覆われた表面１０ａにパルスレーザー１４を照射すると、レーザー光の安定した散乱及び安定した吸収が起こり、表面１０ａに均一でパルスレーザー１４の集光径よりも小さな微細突起１３（図１Ｂ参照）が発現する。
【００１９】
これに対し、図２Ｂに示すような、表面１０ｂが機械加工面よりなる金属部品１０Ａにパルスレーザー１４を照射すると、加工跡が溝状凹部１１０ａとして残る相対的に荒れた部分と、相対的に平坦な平坦部分１１０ｂとで、レーザー光の散乱及び吸収の発生状態が異なる。その結果、微細突起１３が溝状凹部１１０ａに沿って線状に現れ、平坦部分１１０ｂには現れない。すなわち、微細突起１３の発現がまばらなものとなる。
【００２０】
また、図２Ｃに示すように表面１０ｃが鏡面加工された金属部品１０Ｂにパルスレーザーを照射すると、パルスレーザー１４の強度分布の通りにアブレーションされ、パルスレーザー１４の集光径よりも小さな微細突起１３が発現しない。
【００２１】
以上のように、本実施形態の金属表面の表面改質方法によれば、パルスレーザー１４の照射に先立って、金属部品１０の表面１０ａにショットブラスト加工を行うことにより、表面１０ａに均一な微細突起１３を発現させることができる。
【００２２】
（第２実施形態）
本実施形態の金属表面の表面改質方法では、ショットブラスト処理の後、照射工程の前に、金属部品の表面を窒化する窒化工程を行う。まず、図３Ａに示すように、金属部品２０の表面２０ａに、ショットブラスト加工を行う。これにより、金属部品２０の表面２０ａに微細な凹凸２２を形成する。このショットブラスト加工には、アルミナショット又はスチールショットを用いることができる。ショットブラスト加工は、金属部品２０の表面２０ａの機械加工跡として残る線状の凹部が完全に消えて、表面２０ａ全体が方向性を有さない略均一なサイズの凹凸２２で覆われるまで行うことが好ましい。
【００２３】
アルミナショットを用いる場合には、粒径５３〜６３μｍ（＃１８０メッシュ）のアルミナショットを用いると好適である。アルミナショットを用いたショットブラスト加工は、所定の投影面積Ｓ１に対する凹凸２２を含む金属部品２０の表面積Ｓ２の比である表面積率Ｓ２／Ｓ１が、２以上となるまで行うことが好ましい。
【００２４】
金属部品２０がＳＫＤ１１やＳＫＤ６１等のＳＫＤ鋼（ダイス鋼）の場合には、金属部品２０の表面２０ａに、例えば７分〜１１分程度、アルミナショットを用いたショットブラスト処理を行うことで、機械加工された表面２０ａの加工跡が消えて凹凸２２で覆われる。
【００２５】
また、スチールショットを用いるショットブラスト加工の場合には、表面積率Ｓ２／Ｓ１が３以上となるまで、表面２０ａを荒らす加工を行うことが好ましい。
【００２６】
その後、図３Ｂに示すように、表面２０ａが微細な凹凸２２で覆われた金属部品２０を窒化させる窒化処理を行う。これにより、表面２０ａから所定の深さまで窒素が含まれた窒化層２４が形成される。窒化層２４を設けることにより、金属部品２０の表面２０ａのレーザー光の吸収率が高くなるとともに、表面の窒化物によって微細な荒れが生じてレーザー光の吸収が安定する。
【００２７】
本実施形態においては、窒化処理に先立って、ショットブラスト加工を行うため、表面２０ａが微細な凹凸２２によって覆われて表面積が増大し、表面２０ａの全域に亘って均一な条件で窒化が進む。また、ショットとの衝突によって、金属部品２０の表面付近の金属結晶の粒径が小さくなり、窒素の侵入・拡散経路が増加して効果的に窒化層２４を形成できる。なお、窒化処理は、アンモニアガス及び／又は窒素を含む雰囲気中に金属部品２０を曝露するガス窒化、若しくは、プラズマ窒化等の手法で行われる。
【００２８】
次に、図３Ｃに示すように、窒化層２４が形成された金属部品２０の表面２０ａに対してパルスレーザー２６を照射して微細突起２３を形成する照射工程を行う。照射工程においては、パルス幅が１０ｐｓ以下のパルスレーザー２６を照射しつつ走査させる。パルスレーザー２６の集光径（ビーム径）は、凹凸２２よりも大きい。なお、金属部品２０がダイス鋼（例えば、ＳＫＤ鋼）よりなる場合には、照射工程は、パーフルエンスが０．２Ｊ／ｃｍ2〜１０Ｊ／ｃｍ2の範囲、及び、パルスラップ率が９５％以下の条件で照射を行うとアブレーション（断熱）加工を行えて好適である。
【００２９】
図４Ａに示すように、窒化層２４が形成された金属部品２０の表面２０ａには、相対的に窒素含有量が低い低窒化領域２４ｂの間に、相対的に窒化含有量が高い高窒化領域２４ａが形成された微細構造が形成されている。高窒化領域２４ａは、光吸収率が高く、パルスレーザー２６を吸収しやすい。
【００３０】
図４Ｂに示すように、窒化層２４にパルスレーザー２６を照射すると、光吸収率が高い高窒化領域２４ａにおいて優先的にレーザー光が吸収される。そして、高窒化領域２４ａに含まれる窒素が噴出することで、高窒化領域２４ａのアブレーションが優先的に進む。
【００３１】
その結果、図４Ｃに示すように、高窒化領域２４ａの部分が凹部２３ａを構成し、低窒化領域２４ｂの部分が凸部２３ｂを構成する微細突起２３が形成される。本実施形態では、窒化工程に先立ってショットブラスト加工を行うことにより、窒化層２４の窒化深度及び窒化硬度のばらつきが抑制され、金属部品２０の表面２０ａの全域に亘って均一な窒化層２４が形成される。そして、表面２０ａの全域に、均一な微細突起２３を発現させることができる。
【００３２】
以下、本実施形態の実験例について説明する。
【００３３】
（実験例１）
実験例１では、ショットブラスト加工を行った後に窒化処理を行った試験片群１と、ショットブラスト加工を行わない機械加工面に窒化処理を行った試験片群２とを用意し、これらの表面の窒化状態の評価を行った。
【００３４】
試験片群１及び試験片群２は、ダイス鋼（ＳＫＤ鋼）よりなる。試験片群１は、機械加工面に対して、アルミナショットを用いたショットブラスト加工を施したものである。試験片群１のサンプルの窒化処理直前の表面粗さＲａは、０．７μｍ〜１．３μｍである。一方、試験片群２については、ショットブラスト加工は行わずに、機械加工条件を変化させることで、鏡面加工のサンプルから表面粗さＲａが１μｍ程度の範囲のサンプルを作製した。
【００３５】
次に、試験片群１及び試験片群２のサンプルの表面を窒化処理した後、表面から１０μｍの範囲のビッカース硬さＨＶを求めた。図５に示すように、ショットブラスト加工を施した試験片群１のサンプルについては、窒化処理直前の表面粗さＲａによらずに、ＨＶ１０００程度の高い値となった。このことから、ショットブラスト加工を行うことにより、窒化が安定し、表面が均一にかつ十分に窒化できることがわかる。一方、機械加工面よりなる試験片群２のサンプルについては、硬度ＨＶ４００〜７００程度であり、表面粗さＲａを増加させて必ずしも硬度が上昇しない等、窒化が安定せず、均一に窒化が進まない結果となった。
【００３６】
（実験例２）
実験例２では、ショットブラスト加工を行った試験片３、並びに、鏡面加工を行った試験片４及び表面粗さＲａが０．１〜１．６μｍの機械加工面を有する試験片５〜７を用意した。そして、試験片３〜７の各々について、それぞれ窒化処理を行った後、パルスレーザーの照射工程を行った。その後、各試験片３〜７の表面の観察を行なって、微細突起の発現状態の評価を行った。
【００３７】
図６に結果を示すように、窒化処理に先立ってショットブラスト加工を行った試験片３では、パルスレーザーの照射により、表面全体に微細突起が形成される結果が得られた。
【００３８】
これに対し、鏡面加工を行った試験片４では、微細突起はほとんど形成されない結果となった。また、表面粗さＲａが０．１μｍの機械加工面の試験片５では、表面が荒れた部分を中心にまばらに微細突起が形成されるにとどまった。さらに、表面粗さＲａが０．３μｍの試験片６でも表面の一部に微細突起が形成されたものの、全体に均一に微細突起が形成されない結果となった。また、表面粗さＲａが０．４〜１．６μｍの機械加工面を有する試験片７では、微細突起がまばらに形成される結果となった。
【００３９】
各試験片３〜７についてレーザー顕微鏡により表面の凹凸を観察した結果、図７Ａに示すように、ショットブラスト加工を行った試験片３では、表面全体が、略均一なサイズの微細突起で覆われていることが確認できた。
【００４０】
これに対し、図７Ｂに示すように、鏡面加工を行った試験片４では、微細突起はほとんど確認できない。また、図７Ｃに示すように機械加工面を有する試験片５では、機械加工跡として残る溝状の凹部に沿って微細突起が出現するものの、表面が比較的平坦な部分では、微細突起が出現しないことがわかる。
【００４１】
以上のように、ショットブラスト加工を行った試験片３では、微細突起を表面全体に形成できることが確認できた。また、機械加工面を有する試験片５〜７では、表面粗さＲａを増加させても、表面全体に微細突起を形成できなかった。
【００４２】
（実験例３）
実験例３では、窒化処理前の金属表面の表面積率と、微細突起の発現率との関係を調べた。表面積率は、金属表面に画定された所定の領域の投影面積Ｓ１で、その領域の実際の表面積Ｓ２を除算して求めた値である。所定領域の投影面積Ｓ１と、その実際の表面積Ｓ２とは、走査電子顕微鏡により金属表面を観察して得たＳＥＭ画像を画像処理して求めることができる。表面積率が１に近い場合には、投影面積Ｓ１と実際の表面積Ｓ２とが同じであり、表面に凹凸がほとんどない鏡面であることを示している。また、表面積率が増大するほど、凹凸による表面積が増加し、表面が凹凸によって荒れていることを示している。
【００４３】
また、微細突起の発現率は、パルスレーザーを照射した後の金属表面において、微細突起で覆われている部分が着目する部分を占める割合であり、走査電子顕微鏡像又はレーザー顕微鏡による画像から求めることができる。
【００４４】
図８に示すように、機械加工では、条件を変えることで、機械加工面の表面積率２．５程度まで荒らすことができた。また、機械加工面の表面積率の増大に伴って、突起発現率が上昇する傾向がみられた。しかし、機械加工面では、突起発現率が最大でも６０％にとどまり、金属表面の全域に微細突起を形成することができない。
【００４５】
砂（シリカ）をショットに用いるサンドブラスト加工では、ダイス鋼の表面を十分に荒らすことができず、実用的な加工時間の範囲では、表面積率が２．５程度までしか得られない。また、微細突起の発現率も７０％程度に留まっており、金属表面の全域に微細突起を形成することができなかった。
【００４６】
一方、スチールショットを用いるショットブラスト加工では、ダイス鋼の表面を表面積率２〜３程度に荒らすことがきた。また、スチールショットの場合には、微細突起の発現率が９０％程度となり、金属表面の大部分に微細突起を形成できる結果が得られた。スチールショットの場合には、表面積率の増大に伴って、微細突起の発現率が上昇する傾向がみられた。なお、スチールショットを用いたショットブラストでは、金属表面にスチールショットの球形の表面が転写される。そのため、比表面積がスチールショットの径を反映し、ショット径が小さくなる程表面積率が増加する。したがって、スチールショットを用いる場合には、微小なショットを用いることが好ましい。
【００４７】
アルミナショットを用いたショットブラスト加工では、処理条件に応じてダイス鋼の表面を、表面積率２〜４程度に荒らすことができた。アルミナショットを用いた場合には、表面積率２以上の範囲において、微細突起の発現率が１００％となり、金属表面の全域に微細突起を形成できる結果が得られた。
【００４８】
（実験例４）
実験例４では、アルミナショットを用いるショットブラスト加工に着目し、ダイス鋼に対する加工時間と、表面積率との関係を調べた。図９に示すように、ショット時間が７分以上の範囲において、表面積率を３以上に加工できることが確認できた。
【００４９】
以上に説明した本実施形態の金属表面の表面改質方法は以下の効果を奏する。
【００５０】
本実施形態の表面改質方法は、金属の表面２０ａにパルスレーザー２６を照射してパルスレーザー２６の集光径よりも小さな微細突起２３を形成する表面改質方法であって、処理対象とする金属の表面２０ａに、粒子を衝突させることにより、金属の表面２０ａに微細な凹凸２２を有するショットブラスト面を形成するショットブラスト処理工程と、ショットブラスト面が形成された金属の表面２０ａに窒化層２４を形成する窒化処理工程と、窒化処理工程の後に金属の表面２０ａにパルスレーザー２６を照射するレーザー照射工程と、を有している。
【００５１】
上記の表面改質方法によれば、窒化処理工程の前にショットブラスト処理工程を行うことにより、金属の表面２０ａを均一に窒化することができる。その結果、レーザー照射工程において金属の表面２０ａの全域に微細突起２３を発現させることができる。
【００５２】
上記の表面改質方法において、ショットブラスト処理工程には、アルミナ粒子（アルミナショット）を用いることができる。これにより、窒化処理工程で金属の表面２０ａ全体を均一に窒化され、表面全体に微細突起２３を形成できる。
【００５３】
上記の表面改質方法において、ショットブラスト処理工程は、所定領域の投影面積Ｓ１と、所定領域における金属の表面２０ａの表面積Ｓ２との比率Ｓ２／Ｓ１が２よりも大きくなるまで行うことができる。これにより、アルミナショットを用いた場合において、金属の表面２０ａの全域に亘って微細突起２３を形成できる。
【００５４】
上記の表面改質方法において、ショットブラスト処理工程は、比率Ｓ２／Ｓ１が３以上となるまで行う。これにより、スチールショットを用いてショットブラスト処理工程を行う場合においても、金属の表面２０ａの全域に亘って微細突起２３を形成することができる。
【００５５】
上記の表面改質方法において、ショットブラスト処理工程を７分以上行うようにしてもよい。これにより、微細突起２３の発現に必要な程度に、金属の表面２０ａを荒らすことができる。
【００５６】
上記の表面改質方法において、窒化処理工程を行った後の金属の表面２０ａのビッカース硬度ＨＶが７００よりも高い硬度となるようにすることができる。これにより、微細突起の発現率を高めることができる。
【００５７】
（第３実施形態）
以下、鋳造用金型の製造方法について説明する。本実施形態の鋳造用金型の製造方法は、図１０Ａに示すように、金型を構成する本体３０の表面３０ａに対して、ショットブラスト加工を行なう。ショットブラスト加工には、アルミナショット又はスチールショットを用いることができる。ショットブラスト加工は、表面３０ａの機械加工跡による線状の凹部が消えて、方向性を有さない凹凸３２で覆われるまで行うことが好ましく、表面積率２以上となるまで表面３０ａを荒らすことが好ましい。
【００５８】
次に、図１０Ｂに示すように、ショットブラスト加工による凹凸３２が形成された表面３０ａの窒化処理を行う。この窒化処理により、図示のように、本体３０の表面３０ａに窒化層３４が形成される。
【００５９】
その後、図１１Ａに示すように、パルスレーザー１４を照射して、表面３０ａに深溝３６を形成する。深溝３６は、アルミニウム合金等の溶湯が侵入しない程度の幅（例えば１０μｍ程度）に形成される。深溝３６は、パルスレーザー１４を照射しつつ走査させることで、格子状に形成される。深溝３６の間には、凸部３８が形成される。
【００６０】
次に、図１１Ｂに示すように、深溝３６及び凸部３８の上面にパルスレーザー１４を照射する照射工程を行うことで、凸部３８の上部に微細突起３８ａを形成する。微細突起３８ａは、図４Ａ〜図４Ｃを参照しつつ説明したように、窒素含有量の高い部分が選択的にアブレーションされることで形成される。その結果、凸部３８の上面に径が数μｍ程度の微細突起３８ａが形成される。
【００６１】
本実施形態においては、窒化処理に先立って、ショットブラスト加工を行っている。これにより、全ての凸部３８の上面に、確実に微細突起３８ａを形成することができ、湯流れ性に優れた表面３０ａが得られる。
【００６２】
その後、図１１Ｃに示すように、本体３０の表面３０ａに炭素膜４２を形成する。炭素膜４２は、アセチレン及びアンモニアを供給しつつ金型を５００℃〜６００℃に加熱して、所定時間反応させることで、形成することができる。これにより、深溝３６が断熱性の高い炭素膜４２で埋め込まれるとともに、凸部３８の上面の一部も炭素膜４２で覆われて鋳造用金型４０が完成する。
【００６３】
（実験例５）
実験例５では、図１０Ａ〜図１１Ｂに示す方法で鋳造用金型を作製した。ただし、一方は、図１０Ａのショットブラスト処理工程を省かずに作製した鋳造用金型とし、他方は、図１０Ａのショットブラスト処理工程を省いて作製した鋳造用金型とした。
【００６４】
図１２Ａに示すように、ショットブラスト処理を行って作製した鋳造用金型（本実施形態）では、全ての凸部３８の上面に微細突起３８ａが形成できることが確認できた。これに対し、図１２Ｂに示すように、ショットブラスト処理を行わないで作製した鋳造用金型（比較例）では、白線で囲って示した部分に示すように、一部の凸部３８において、微細突起３８ａが十分に形成されていない結果となった。このような、鋳造用金型では、微細突起３８ａが形成されていない凸部３８が、溶湯と接触することで湯流れ性が低下する恐れがある。
【００６５】
以上の結果のように、図１２Ａに示す鋳造用金型（本実施形態）では、全ての凸部３８に微細突起３８ａが形成されるため、溶湯の湯流れ性に優れる。このため、高い湯流れ性が求められる鋳造用金型の方案部等に用いると好適である。
【００６６】
本実施形態の鋳造用金型の製造方法及び鋳造用金型４０は、以下の効果を奏する。
【００６７】
本実施形態の鋳造用金型の製造方法は、処理対象とする金型の本体３０の表面３０ａに、粒子を衝突させることにより、表面３０ａに微細な凹凸３２を有するショットブラスト面を形成するショットブラスト処理工程と、ショットブラスト面を有する表面３０ａに窒化層３４を形成する窒化処理工程と、窒化処理工程の後に、表面３０ａにパルスレーザー１４を照射するレーザー照射工程と、を有しており、レーザー照射工程においては、パルスレーザー１４を照射して表面３０ａに深溝３６を形成する深溝形成工程と、表面にパルスレーザー１４を照射して深溝３６の間の凸部３８に微細突起３８ａを形成する微細突起形成工程と、を有している。
【００６８】
これにより、溶湯との接触面積が少なく、湯流れ性に優れた鋳造用金型４０を得ることができる。
【００６９】
上記の鋳造用金型の製造方法において、さらに、深溝３６を埋める炭素膜４２を形成するコーティング工程を行ってもよい。これにより、深溝３６が断熱性が高い炭素膜４２で覆われることにより、鋳造用金型４０の断熱性及び湯流れ性を高めることができる。
【００７０】
本実施形態の鋳造用金型４０は、キャビティ部と、キャビティ部に溶湯を流し込む方案部とを備え、方案部の表面には、深溝３６と、深溝３６の間に形成された凸部３８と、凸部３８の表面に形成された微細突起３８ａとを有する鋳造用金型４０であって、微細突起３８ａの上端に窒化層３４が形成され、かつ、微細突起３８ａの上端の窒化層３４のビッカース硬度ＨＶが７００よりも高い硬度である鋳造用金型４０である。
【００７１】
鋳造用金型４０において、方案部の表面が炭素膜４２で覆われていてもよい。これにより、断熱性が高まり、溶湯の湯流れ性が向上する。
【００７２】
上記において、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００７３】
１０、２０…金属部品                １０ａ、２０ａ、３０ａ…表面
１２、２２、３２…凹凸              １３、２３、３８ａ…微細突起
１４、２６…パルスレーザー          ２４、３４…窒化層
３０…本体                          ３６…深溝
３８…凸部                          ４０…鋳造用金型
４２…炭素膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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