(57)【要約】  本発明は、鋳造用部材の溶湯接触面にナノカーボン類によって構成されるナノカーボン層を形成し、前記ナノカーボン層の上にＢＮ、黒鉛、タルク、又はシリカによって構成された粉体を主成分とする潤滑剤を塗布するものである。前記ナノカーボン層を形成する際に、当該ナノカーボン層と前記鋳造用部材の溶湯接触面との間に窒化層が形成されるとともに、前記ナノカーボン層に塗布される潤滑剤は、ＢＮ粉体を主成分とするものであることが好ましい。本発明によれば、鋳造回数を重ねても鋳造用部材の離型性及び湯流れ性を維持でき、かつ、鋳造用部材の溶湯接触面の表面処理工程にかかるコストを低減できる。
2013046370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造用部材の溶湯接触面にナノカーボン類によって構成されるナノカーボン層が形成され、
前記ナノカーボン層の上にＢＮ、黒鉛、タルク、又はシリカによって構成された粉体を主成分とする潤滑剤が塗布されることを特徴とする鋳造用部材。
【請求項２】
前記ナノカーボン層を形成する際に、当該ナノカーボン層と前記キャビティ面との間に窒化層が形成されるとともに、前記ナノカーボン層に塗布される潤滑剤は、ＢＮ粉体を主成分とするものである請求項１に記載の鋳造用部材。
【請求項３】
前記ナノカーボン層の表面には、１０μｍ以下の凹凸が形成されるとともに、前記潤滑剤に含まれる粉体の粉径は、前記ナノカーボン層の凹凸の大きさよりも小さい請求項１又は２に記載の鋳造用部材。
【請求項４】
鋳造用部材の溶湯接触面にナノカーボン類によって構成されるナノカーボン層を形成し、
前記ナノカーボン層の上にＢＮ、黒鉛、タルク、又はシリカによって構成された粉体を主成分とする潤滑剤を塗布することによって前記鋳造用部材の溶湯接触面の表面処理を施す工程を含むことを特徴とする鋳造方法。
【請求項５】
前記鋳造用部材の溶湯接触面にナノカーボン層を形成する工程において、当該ナノカーボン層と前記鋳造用部材の溶湯接触面との間に窒化層が形成されるとともに、
前記ナノカーボン層に塗布される潤滑剤は、ＢＮを主成分とするものである請求項４に記載の鋳造方法。
【請求項６】
前記ナノカーボン層の表面には、１０μｍ以下の凹凸が形成されるとともに、前記潤滑剤に含まれる粉体の粉径は、前記ナノカーボン層の凹凸の大きさよりも小さい請求項４又は５に記載の鋳造方法。
【請求項７】
請求項４から６の何れか一項に記載の鋳造方法に用いる潤滑剤を製造する方法であって、
前記潤滑剤に含まれる粉体と、脂肪酸ワックスとを混合し、
その混合物を加熱して、前記脂肪酸ワックスを溶融させることによって液化し、
前記液化した混合物を撹拌して均一化し、
任意形状の型内で凝固させることによって、固形の潤滑剤を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造用部材及び鋳造方法、並びに、それに用いる潤滑剤の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ダイカスト鋳造等において、離型抵抗を低減するために、金型の成形面（溶湯接触面）に所定の皮膜を形成する技術が公知となっている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１には、金型の母材表面にカーボンナノチューブ等のナノカーボン類を含むナノカーボン膜を被覆し、その上にフラーレン類を塗布することによって、金型の成形面に皮膜を形成する技術が開示されている。ここでは、フラーレン類によってナノカーボン膜の隙間を埋め、ナノカーボン膜の表面の凹凸を緩和することで離型抵抗を低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−３６１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方で、ナノカーボン膜及びフラーレン膜が形成された鋳造用金型を用いて鋳造工程を進めた場合、フラーレン類が母材表面に染み込むという知見が得られている。このようにフラーレン類が母材表面に染み込むことによって、皮膜が強化されて金型寿命の向上に寄与するが、湯流れ性が低下するという知見も得られている。
また、一般的にフラーレン類を塗布する工程は高コストとなることが知られている。【０００５】
本発明は、鋳造の回数を重ねても離型性及び湯流れ性を維持する鋳造用部材を提供することを課題とする。また、本発明は、例えば、鋳造用金型のキャビティ面に対して鋳造工程ごとに離型剤を塗布する工程を省く、又は鋳造用部材の溶湯接触面における溶湯の温度低下、圧力抵抗等の鋳造条件を緩和することなどを目的として、鋳造用部材の溶湯接触面に潤滑剤を塗布して表面処理を行う工程を低コストで実現することが可能な技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の鋳造用部材は、鋳造用部材の溶湯接触面にナノカーボン類によって構成されるナノカーボン層が形成され、前記ナノカーボン層の上にＢＮ、黒鉛、タルク、又はシリカによって構成された粉体を主成分とする潤滑剤が塗布されるものである。
本発明における鋳造用部材とは、ダイカスト、減圧鋳造等の鋳造に用いられる部材であり、例えば金型、プランジャスリーブ、プランジャチップ等、鋳造用装置に含まれる部材のことを指す。【０００７】
前記ナノカーボン層を形成する際に、当該ナノカーボン層と前記キャビティ面との間に窒化層が形成されるとともに、前記ナノカーボン層に塗布される潤滑剤は、ＢＮ粉体を主成分とするものであることが好ましい。【０００８】
前記ナノカーボン層の表面には、１０μｍ以下の凹凸が形成されるとともに、前記潤滑剤に含まれる粉体の粉径は、前記ナノカーボン層の凹凸の大きさよりも小さいことが好ましい。【０００９】
本発明の鋳造方法は、鋳造用部材の溶湯接触面にナノカーボン類によって構成されるナノカーボン層を形成し、前記ナノカーボン層の上にＢＮ、黒鉛、タルク、又はシリカによって構成された粉体を主成分とする潤滑剤を塗布することによって前記鋳造用部材の溶湯接触面の表面処理を施す工程を含むものである。
本発明における鋳造用部材とは、ダイカスト、減圧鋳造等の鋳造に用いられる部材であり、例えば金型、プランジャスリーブ、プランジャチップ等、鋳造用装置に含まれる部材のことを指す。【００１０】
前記鋳造用部材の溶湯接触面にナノカーボン層を形成する工程において、当該ナノカーボン層と前記鋳造用部材の溶湯接触面との間に窒化層が形成されるとともに、前記ナノカーボン層に塗布される潤滑剤は、ＢＮを主成分とするものであることが好ましい。【００１１】
前記ナノカーボン層の表面には、１０μｍ以下の凹凸が形成されるとともに、前記潤滑剤に含まれる粉体の粉径は、前記ナノカーボン層の凹凸の大きさよりも小さいことが好ましい。【００１２】
本発明の潤滑剤の製造方法は、前記潤滑剤に含まれる粉体と、脂肪酸ワックスとを混合し、その混合物を加熱して、前記脂肪酸ワックスを溶融させることによって液化し、前記液化した混合物を撹拌して均一化し、任意形状の型内で凝固させることによって、固形の潤滑剤を製造するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、鋳造回数を重ねても鋳造用部材の離型性及び湯流れ性を維持でき、かつ、鋳造用部材の溶湯接触面の表面処理工程にかかるコストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】鋳造用金型を示す図である。
【図２】キャビティ面の表面処理を示す図である。
【図３】ＢＮ評価試験に用いた鋳造物の形状を示す図である。
【図４】ＢＮ評価試験の結果を示す図である。
【図５】皮膜の断熱性試験に用いた試験装置を示す図である。
【図６】皮膜の断熱性試験の結果を示すグラフである。
【図７】固形の潤滑剤を製造する工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［鋳造用金型］
図１に示すように、鋳造用金型１は、鋳造用部材としての固定型１０及び可動型２０を具備する。固定型１０及び可動型２０は、ＳＫＤ６１等の合金工具鋼鋼材（ＪＩＳ  Ｇ４４０４）からなる。固定型１０及び可動型２０はそれぞれ支持装置及び移動装置に固定される。
鋳造用金型１の型締め状態において、固定型１０と可動型２０の間にキャビティ３０が形成される。キャビティ３０内に供給される溶融アルミニウム合金等の溶湯２を型内で凝固することによって、キャビティ３０の形状に応じた鋳造物が得られる。キャビティ３０は、固定型１０及び可動型２０のキャビティ面３１・３１によって画定されている。キャビティ面３１・３１は、溶湯２に接触する面であり、鋳造用金型１の成形面である。
固定型１０には、溶湯２をキャビティ３０内に射出する際に、溶湯２を一時的に貯溜するプランジャスリーブ４１が固定され、及び、プランジャスリーブ４１内の溶湯２をキャビティ３０内に射出するためのプランジャチップ４２がプランジャスリーブ４１に対して軸方向に移動可能に設けられている。これらプランジャスリーブ４１及びプランジャチップ４２は、鋳造用部材として鋳造用金型１に設けられ、プランジャスリーブ４１の内側面及びプランジャチップ４２の先端面は溶湯２と接触する。
【００１６】
［表面処理工程］
図２に示すように、表面処理工程Ｓ１０によって、溶湯２との接触面であるキャビティ面３１に表面処理が施され、皮膜３２が形成されている。この表面処理工程Ｓ１０によって、キャビティ面３１の離型性及び湯流れ性を向上し、離型剤の塗布工程を不要としている。
【００１７】
表面処理工程Ｓ１０は、キャビティ面３１にナノカーボン層３３を形成する工程Ｓ１１と、ナノカーボン層３３上に、潤滑剤３４を塗布する工程Ｓ１２を含む。
つまり、キャビティ面３１に形成される皮膜３２は、ナノカーボン層３３と潤滑剤３４とを含んで構成される。
【００１８】
ナノカーボン層３３は、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブ、カーボンナノフィラメント等のナノカーボン類によって構成されており、キャビティ面３１に析出し、その表面に少なくとも１０μｍ以下の凹凸、好ましくはナノオーダー（例えば、１００ｎｍ以下）の凹凸を形成するものである。このように、ナノカーボン層３３は表面に凹凸形状を有することにより、潤滑剤３４の捕集効率を向上している。
【００１９】
ナノカーボン層形成工程Ｓ１１において、キャビティ面３１にナノカーボン層３３を形成する処理は、公知技術を用いて行われる。
例えば、鋳造部材（固定型１０又は可動型２０）を雰囲気炉に入れ、減圧状態で空気をパージした後に窒素ガスを流通させて窒素雰囲気とし、反応ガス（硫化水素ガス、アセチレンガス、アンモニアガス）を流通させながら昇温する。これにより、キャビティ面３１の表面がナノカーボン層３３に被覆されるとともに、キャビティ面３１とナノカーボン層３３との間に窒化層及び浸硫層が形成される。
【００２０】
潤滑剤３４は、ＢＮ（窒化ホウ素）、黒鉛、タルク、又はシリカによって構成された粉体を主成分として含み、粉体、固体又は液体として用いられるものである。これらの粉体としては、層状結晶構造を有するものが好ましい。また、その粉径は、ナノカーボン層３３の表面に現れる凹凸の大きさよりも小さいものを用いることが好ましい。
【００２１】
塗布作業の作業性を考慮すると、潤滑剤３４の形態は固体状であることが好ましい。例えば、上記粉体を脂肪酸ワックスと混合して凝固させることによって、潤滑剤３４を固形のものとすることにより、塗布作業を簡易にできる。
さらに、塗布作業の作業性、作業コスト等を考慮すると、潤滑剤３４の形態は液体状であることがより好ましい。例えば、上記粉体を溶剤内に分散させて、潤滑剤３４をスプレー可能に構成することにより、塗布作業を簡易にでき、また作業にかかるコストも低減できる。
【００２２】
潤滑剤塗布工程Ｓ１２において、キャビティ面３１に形成されるナノカーボン層３３の上に潤滑剤３４が塗布される。ナノカーボン層３３に形成されるナノスケールの凹凸内に潤滑剤３４に含まれる粉体が入り込む。これにより、ナノカーボン層３３の表面が滑らかになり、キャビティ面３１の離型抵抗を低減できる。また、潤滑剤３４がナノカーボン層３３の凹凸に入り込むことによって、潤滑剤３４の捕集率が高くなっているため、潤滑剤塗布工程Ｓ１２における良好な作業性を実現している。
潤滑剤３４を粉末状とした場合は、潤滑剤３４をナノカーボン層３３上にかける作業によって潤滑剤塗布工程Ｓ１２が実施される。また、潤滑剤３４を固体状とした場合は、潤滑剤３４をナノカーボン層３３に塗り付ける作業によって実施され、液体状とした場合は、潤滑剤３４をスプレー等する作業によって実施される。
【００２３】
潤滑剤塗布工程Ｓ１２は、ナノカーボン層３３の表層に存在する粉体の密度、すなわち潤滑剤３４の機能を保持するために、所定回数の鋳造ショット後に繰り返し行われる。
なお、潤滑剤３４を塗布する頻度は、鋳造用金型１のキャビティ形状に応じて部位ごとに設定可能であり、溶湯２の流れ、鋳造用金型１内の熱の流れ等を考慮して設定可能である。
【００２４】
以上のように、表面処理工程Ｓ１０を経た金型のキャビティ面３１には、金型母材の上にナノカーボン層３３が形成され、ナノカーボン層３３を被覆する潤滑剤３４が塗布される。これにより、ナノカーボン層３３表面の凹凸形状に潤滑剤３４が捕集されることによってナノカーボン層３３の表面が滑らかになっている。つまり、キャビティ面３１に形成される皮膜３２の表面を滑らかにしている。
このようにして、キャビティ面３１上に潤滑剤３４を捕集して滑らかな表面を有するナノカーボン層３３を形成することにより、鋳造用金型１の離型抵抗を低減し、離型性を向上し、離型剤の使用を不要としている。また、潤滑剤３４に含まれるＢＮ、黒鉛、タルク、又はシリカは、金型母材に入り込むことがないため、ナノカーボン層３３に保持された状態が維持される。このため、キャビティ面３１の湯流れ性が維持される。
【００２５】
［皮膜の残存評価試験］
下記の（ａ）から（ｃ）の３つの状態の金型を用意し、それぞれＢＮ、黒鉛、タルク、又はシリカのうち一種を潤滑剤３４の主成分として用いて表面処理を施した上で、離型剤を用いずに鋳造工程を行った際に皮膜３２が残存する限界回数に対する評価試験を行った。
（ａ）母材の表面にナノカーボン層３３を形成し、潤滑剤３４を塗布した鋳造用金型１（本実施形態）
（ｂ）母材の表面にショット加工を施し、その上に潤滑剤３４を塗布した第一比較用金型
（ｃ）母材の表面に潤滑剤３４を塗布した第二比較用金型
【００２６】
残存評価試験の結果を表１に示す。
【表１】
2013046370.tif 000003
【００２７】
本実施形態である（ａ）の鋳造用金型１と、ショット加工を施した（ｂ）の第一比較用金型とを比べると、ショット加工を施した場合の残存回数が少ない。これは、母材表面に形成される凹凸の大きさに起因すると考えられ、ショット加工による凹凸では潤滑剤３４の捕集能力が低く、鋳造時に潤滑剤３４の消耗（剥離等）が大きくなると推察される。
すなわち、母材にナノカーボン層３３を形成し、その上に潤滑剤３４を塗布する実施形態が好ましいことが分かる。
【００２８】
また、ＢＮを潤滑剤３４として用いた鋳造用金型１の残存回数が７０回となり、最も効果があることが分かる。これは、ナノカーボン層形成工程Ｓ１１において、ナノカーボン層３３と母材との間に窒化層が存在していることに起因すると考えられる。
すなわち、ナノカーボン層３３にＢＮを主成分とする潤滑剤３４を塗布する実施形態の効果が最も大きく、最も好ましい実施形態であることが分かる。
【００２９】
［ＢＮ評価試験］
次に、（ａ）キャビティ面３１にナノカーボン層３３を形成し、ナノカーボン層３３にＢＮを主成分とする潤滑剤３４を塗布した鋳造用金型１と、（ｂ）キャビティ面に鋳造毎に従来の離型剤を塗布する比較用金型の二つの鋳造用金型を用いて１０００回鋳造を行った後に、母材表面に形成された皮膜の断面の様子を観察した評価試験について説明する。
本試験における鋳造用金型１及び比較用金型は、同一のキャビティ形状を有するものであり、図３に示すように、クランク状に複数回折り曲げた形状の鋳造物を鋳造可能なものを用いた。また、（ａ）鋳造用金型１について、ＢＮを主成分とする潤滑剤３４を、鋳造を５０回行う毎に塗布し、（ｂ）比較用金型について、離型剤を鋳造毎に塗布して、鋳造を繰り返した。
【００３０】
図４は、それぞれの条件で１０００回鋳造を繰り返した後に、（ａ）及び（ｂ）の鋳造用金型を切断し、母材表面に形成された皮膜の断面を撮影した画像を模式化した図である。
図４に示すように、本実施形態に係る（ａ）の鋳造用金型１の母材表面には、（ｂ）の比較用金型の母材表面に形成される離型剤膜と比較しても十分な厚みの皮膜３２が残存していることが分かる。これにより、ナノカーボン層３３にＢＮを主成分とする潤滑剤３４を塗布する実施形態が皮膜形成及び皮膜維持に優れていることが分かる。すなわち、鋳造回数を重ねた後でも十分な皮膜３２を維持することができ、その離型性及び湯流れ性を担保できる。
【００３１】
［皮膜の断熱性試験］
次に、皮膜の断熱性を測定する試験を行った結果について示す。
図５に示すように、この試験に用いた試験装置１００は、鋼材によって構成され、台形断面の凹部を有する型枠１１０の側面に断熱材１２０を配置し、底面にテストピース１３０を配置してその表面に各種の皮膜を形成したものである。テストピース１３０は、ＳＫＤ６１を材料とし、径２０ｍｍ、厚さ７ｍｍのものを用いた。皮膜は、（ａ）本実施形態に係る皮膜３２、及び、（ｂ）ナノカーボン層を形成し、その上にフラーレン類を潤滑剤として塗布してなる比較用皮膜の二種類を用いた。
型枠１１０を８０℃に調整し、７００℃の溶湯１５０を注ぎ込み、テストピース１３０の温度を５秒間隔で測定し、その温度上昇度合いを比較することによって皮膜の断熱性試験を行った。この測定結果を図６に示す。図６の横軸は溶湯１５０を注入してからの経過時間を示し、縦軸はテストピース１３０の温度を示す。
【００３２】
図６に示すように、（ａ）ナノカーボン層３３にＢＮを主成分とする潤滑剤３４を塗布してなる皮膜３２の温度上昇度合いは、（ｂ）ナノカーボン層にフラーレン類を塗布した比較用皮膜の温度上昇度合いと比べて緩やかである。つまり、皮膜３２の断熱性が比較用皮膜の断熱性に比べて優れていることを示している。
皮膜の断熱性は、湯流れ性と相関があることが一般に知られており、断熱性に優れる皮膜の湯流れ性が高いということが知られている。すなわち、本実施形態に係る皮膜３２の湯流れ性は、ナノカーボン層にフラーレン類を塗布した比較用皮膜の湯流れ性に比べて優れていることが示された。
【００３３】
［固形潤滑剤の製造方法］
以下、図７を参照して、潤滑剤３４として固形のものを適用する場合の製造方法について説明する。
【００３４】
図７に示すように、固形潤滑剤の製造工程は、定量の潤滑剤３４の主成分粉末と脂肪酸ワックスを混合する工程と、乾燥機を用いて混合物を加熱して脂肪酸ワックスを溶融させる工程と、加熱されて液化した混合物を攪拌して均一にする工程と、任意形状の型内に注いで凝固させる工程とを含む。この一連の工程によって、任意形状に成形された固形の潤滑剤３４が得られる。
【００３５】
固形の潤滑剤３４に含まれる脂肪酸ワックスは、上記加熱・溶融工程において十分に溶融可能な融点を持つことが好ましく、例えば、融点が１００℃以下のものが好ましい。
潤滑剤３４の主成分粉末と脂肪酸ワックスとの質量比は、加熱・溶融工程における分散性、主成分粉末の成分特性等に応じて選択すれば良いが、例えば、黒鉛を主成分とする固形の潤滑剤３４を製造する場合は、主成分粉末（黒鉛）と脂肪酸ワックスとの配合割合を、主成分粉末（黒鉛）：脂肪酸ワックス＝３：７程度とするのが好ましい。
【００３６】
以上のようにして製造される固形の潤滑剤３４を用いた表面処理工程Ｓ１０（潤滑剤塗布工程Ｓ１２）では、潤滑剤３４が飛散することがないとともに、潤滑剤３４を手持ちで塗布可能であることにより、塗布作業の作業性を向上できる。
また、脂肪酸ワックスを含んだ潤滑剤３４を塗布して鋳造工程を行う際に、脂肪酸ワックスが炭化してナノカーボン層３３との親和性が高くなり、潤滑剤３４の保持力が向上するという効果が見込まれる。
【００３７】
以上、鋳造用金型１に含まれる鋳造用部材である固定型１０及び可動型２０において溶湯２と接触する面であるキャビティ面３１・３１に表面処理を施して、それぞれ皮膜３２を形成する実施形態について説明している。しかし、表面処理を施して皮膜３２を形成する面は、上記のものに限らず、プランジャスリーブ４１の内側面及びプランジャチップ４２の先端面に対しても同様の表面処理工程Ｓ１０を経て皮膜３２を形成しても良い。
この場合、皮膜３２による断熱性の向上により、溶湯２を一時的に貯溜するプランジャスリーブ４１内での溶湯２の温度低下を抑制することができるとともに、湯流れ性の向上により溶湯２とプランジャスリーブ４１との抵抗を低減することができ、圧力損失を低減できる。また、プランジャチップ４２の先端での抜熱を低減できる。
以上のように、溶湯２と接触する表面積が大きく、かつ、射出圧に影響が大きいプランジャスリーブ４１及びプランジャチップ４２における溶湯２との接触面に表面処理を施して皮膜３２を形成することにより、鋳造用金型１を用いた鋳造工程での鋳造条件を緩和することができ、品質向上に寄与できる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、鋳造用部材の溶湯接触面を表面処理して、離型抵抗を低減するとともに、湯流れ性を向上する技術に適用可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１：鋳造用金型、２：溶湯、１０：固定型（鋳造用部材）、２０：可動型（鋳造用部材）、：３０：キャビティ、３１：キャビティ面（溶湯接触面）、３２：皮膜、３３：ナノカーボン層、３４：潤滑剤、４１：プランジャスリーブ（鋳造用部材）、４２：プランジャチップ（鋳造用部材）
【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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【手続補正書】
【提出日】平成26年12月4日(2014.12.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造用部材の溶湯接触面にナノカーボン類によって構成されるナノカーボン層が形成され、
前記ナノカーボン層の上にＢＮ、黒鉛、タルク、又はシリカによって構成された粉体を主成分とする潤滑剤が塗布され、
前記ナノカーボン層の表面には、１０μｍ以下の凹凸が形成されるとともに、前記潤滑剤に含まれる粉体の粉径は、前記ナノカーボン層の凹凸の大きさよりも小さいことを特徴とする鋳造用部材。
【請求項２】
前記ナノカーボン層を形成する際に、当該ナノカーボン層と前記キャビティ面との間に窒化層が形成されるとともに、前記ナノカーボン層に塗布される潤滑剤は、ＢＮ粉体を主成分とするものである請求項１に記載の鋳造用部材。
【請求項３】
鋳造用部材の溶湯接触面にナノカーボン類によって構成されるナノカーボン層を形成し、
前記ナノカーボン層の上にＢＮ、黒鉛、タルク、又はシリカによって構成された粉体を主成分とする潤滑剤を塗布することによって前記鋳造用部材の溶湯接触面の表面処理を施す工程を含み、
前記ナノカーボン層の表面には、１０μｍ以下の凹凸が形成されるとともに、前記潤滑剤に含まれる粉体の粉径は、前記ナノカーボン層の凹凸の大きさよりも小さいことを特徴とする鋳造方法。
【請求項４】
前記鋳造用部材の溶湯接触面にナノカーボン層を形成する工程において、当該ナノカーボン層と前記鋳造用部材の溶湯接触面との間に窒化層が形成されるとともに、
前記ナノカーボン層に塗布される潤滑剤は、ＢＮを主成分とするものである請求項３に記載の鋳造方法。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の鋳造方法に用いる潤滑剤を製造する方法であって、
前記潤滑剤に含まれる粉体と、脂肪酸ワックスとを混合し、
その混合物を加熱して、前記脂肪酸ワックスを溶融させることによって液化し、
前記液化した混合物を撹拌して均一化し、
任意形状の型内で凝固させることによって、固形の潤滑剤を製造する方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】鋳造用部材及び鋳造方法、並びに、それに用いる潤滑剤の製造方法
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造用部材及び鋳造方法、並びに、それに用いる潤滑剤の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ダイカスト鋳造等において、離型抵抗を低減するために、金型の成形面（溶湯接触面）に所定の皮膜を形成する技術が公知となっている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１には、金型の母材表面にカーボンナノチューブ等のナノカーボン類を含むナノカーボン膜を被覆し、その上にフラーレン類を塗布することによって、金型の成形面に皮膜を形成する技術が開示されている。ここでは、フラーレン類によってナノカーボン膜の隙間を埋め、ナノカーボン膜の表面の凹凸を緩和することで離型抵抗を低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−３６１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方で、ナノカーボン膜及びフラーレン膜が形成された鋳造用金型を用いて鋳造工程を進めた場合、フラーレン類が母材表面に染み込むという知見が得られている。このようにフラーレン類が母材表面に染み込むことによって、皮膜が強化されて金型寿命の向上に寄与するが、湯流れ性が低下するという知見も得られている。
また、一般的にフラーレン類を塗布する工程は高コストとなることが知られている。
【０００５】
本発明は、鋳造の回数を重ねても離型性及び湯流れ性を維持する鋳造用部材を提供することを課題とする。また、本発明は、例えば、鋳造用金型のキャビティ面に対して鋳造工程ごとに離型剤を塗布する工程を省く、又は鋳造用部材の溶湯接触面における溶湯の温度低下、圧力抵抗等の鋳造条件を緩和することなどを目的として、鋳造用部材の溶湯接触面に潤滑剤を塗布して表面処理を行う工程を低コストで実現することが可能な技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の鋳造用部材は、鋳造用部材の溶湯接触面にナノカーボン類によって構成されるナノカーボン層が形成され、前記ナノカーボン層の上にＢＮ、黒鉛、タルク、又はシリカによって構成された粉体を主成分とする潤滑剤が塗布されるものである。
前記ナノカーボン層の表面には、１０μｍ以下の凹凸が形成されるとともに、前記潤滑剤に含まれる粉体の粉径は、前記ナノカーボン層の凹凸の大きさよりも小さいことが好ましい。
本発明における鋳造用部材とは、ダイカスト、減圧鋳造等の鋳造に用いられる部材であり、例えば金型、プランジャスリーブ、プランジャチップ等、鋳造用装置に含まれる部材のことを指す。
【０００７】
前記ナノカーボン層を形成する際に、当該ナノカーボン層と前記キャビティ面との間に窒化層が形成されるとともに、前記ナノカーボン層に塗布される潤滑剤は、ＢＮ粉体を主成分とするものであることが好ましい。
【０００８】
本発明の鋳造方法は、鋳造用部材の溶湯接触面にナノカーボン類によって構成されるナノカーボン層を形成し、前記ナノカーボン層の上にＢＮ、黒鉛、タルク、又はシリカによって構成された粉体を主成分とする潤滑剤を塗布することによって前記鋳造用部材の溶湯接触面の表面処理を施す工程を含むものである。
前記ナノカーボン層の表面には、１０μｍ以下の凹凸が形成されるとともに、前記潤滑剤に含まれる粉体の粉径は、前記ナノカーボン層の凹凸の大きさよりも小さいことが好ましい。
本発明における鋳造用部材とは、ダイカスト、減圧鋳造等の鋳造に用いられる部材であり、例えば金型、プランジャスリーブ、プランジャチップ等、鋳造用装置に含まれる部材のことを指す。
【０００９】
前記鋳造用部材の溶湯接触面にナノカーボン層を形成する工程において、当該ナノカーボン層と前記鋳造用部材の溶湯接触面との間に窒化層が形成されるとともに、前記ナノカーボン層に塗布される潤滑剤は、ＢＮを主成分とするものであることが好ましい。
【００１０】
本発明の潤滑剤の製造方法は、前記潤滑剤に含まれる粉体と、脂肪酸ワックスとを混合し、その混合物を加熱して、前記脂肪酸ワックスを溶融させることによって液化し、前記液化した混合物を撹拌して均一化し、任意形状の型内で凝固させることによって、固形の潤滑剤を製造するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、鋳造回数を重ねても鋳造用部材の離型性及び湯流れ性を維持でき、かつ、鋳造用部材の溶湯接触面の表面処理工程にかかるコストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】鋳造用金型を示す図である。
【図２】キャビティ面の表面処理を示す図である。
【図３】ＢＮ評価試験に用いた鋳造物の形状を示す図である。
【図４】ＢＮ評価試験の結果を示す図である。
【図５】皮膜の断熱性試験に用いた試験装置を示す図である。
【図６】皮膜の断熱性試験の結果を示すグラフである。
【図７】固形の潤滑剤を製造する工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［鋳造用金型］
図１に示すように、鋳造用金型１は、鋳造用部材としての固定型１０及び可動型２０を具備する。固定型１０及び可動型２０は、ＳＫＤ６１等の合金工具鋼鋼材（ＪＩＳ  Ｇ４４０４）からなる。固定型１０及び可動型２０はそれぞれ支持装置及び移動装置に固定される。
鋳造用金型１の型締め状態において、固定型１０と可動型２０の間にキャビティ３０が形成される。キャビティ３０内に供給される溶融アルミニウム合金等の溶湯２を型内で凝固することによって、キャビティ３０の形状に応じた鋳造物が得られる。キャビティ３０は、固定型１０及び可動型２０のキャビティ面３１・３１によって画定されている。キャビティ面３１・３１は、溶湯２に接触する面であり、鋳造用金型１の成形面である。
固定型１０には、溶湯２をキャビティ３０内に射出する際に、溶湯２を一時的に貯溜するプランジャスリーブ４１が固定され、及び、プランジャスリーブ４１内の溶湯２をキャビティ３０内に射出するためのプランジャチップ４２がプランジャスリーブ４１に対して軸方向に移動可能に設けられている。これらプランジャスリーブ４１及びプランジャチップ４２は、鋳造用部材として鋳造用金型１に設けられ、プランジャスリーブ４１の内側面及びプランジャチップ４２の先端面は溶湯２と接触する。
【００１６】
［表面処理工程］
図２に示すように、表面処理工程Ｓ１０によって、溶湯２との接触面であるキャビティ面３１に表面処理が施され、皮膜３２が形成されている。この表面処理工程Ｓ１０によって、キャビティ面３１の離型性及び湯流れ性を向上し、離型剤の塗布工程を不要としている。
【００１７】
表面処理工程Ｓ１０は、キャビティ面３１にナノカーボン層３３を形成する工程Ｓ１１と、ナノカーボン層３３上に、潤滑剤３４を塗布する工程Ｓ１２を含む。
つまり、キャビティ面３１に形成される皮膜３２は、ナノカーボン層３３と潤滑剤３４とを含んで構成される。
【００１８】
ナノカーボン層３３は、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブ、カーボンナノフィラメント等のナノカーボン類によって構成されており、キャビティ面３１に析出し、その表面に少なくとも１０μｍ以下の凹凸、好ましくはナノオーダー（例えば、１００ｎｍ以下）の凹凸を形成するものである。このように、ナノカーボン層３３は表面に凹凸形状を有することにより、潤滑剤３４の捕集効率を向上している。
【００１９】
ナノカーボン層形成工程Ｓ１１において、キャビティ面３１にナノカーボン層３３を形成する処理は、公知技術を用いて行われる。
例えば、鋳造部材（固定型１０又は可動型２０）を雰囲気炉に入れ、減圧状態で空気をパージした後に窒素ガスを流通させて窒素雰囲気とし、反応ガス（硫化水素ガス、アセチレンガス、アンモニアガス）を流通させながら昇温する。これにより、キャビティ面３１の表面がナノカーボン層３３に被覆されるとともに、キャビティ面３１とナノカーボン層３３との間に窒化層及び浸硫層が形成される。
【００２０】
潤滑剤３４は、ＢＮ（窒化ホウ素）、黒鉛、タルク、又はシリカによって構成された粉体を主成分として含み、粉体、固体又は液体として用いられるものである。これらの粉体としては、層状結晶構造を有するものが好ましい。また、その粉径は、ナノカーボン層３３の表面に現れる凹凸の大きさよりも小さいものを用いることが好ましい。
【００２１】
塗布作業の作業性を考慮すると、潤滑剤３４の形態は固体状であることが好ましい。例えば、上記粉体を脂肪酸ワックスと混合して凝固させることによって、潤滑剤３４を固形のものとすることにより、塗布作業を簡易にできる。
さらに、塗布作業の作業性、作業コスト等を考慮すると、潤滑剤３４の形態は液体状であることがより好ましい。例えば、上記粉体を溶剤内に分散させて、潤滑剤３４をスプレー可能に構成することにより、塗布作業を簡易にでき、また作業にかかるコストも低減できる。
【００２２】
潤滑剤塗布工程Ｓ１２において、キャビティ面３１に形成されるナノカーボン層３３の上に潤滑剤３４が塗布される。ナノカーボン層３３に形成されるナノスケールの凹凸内に潤滑剤３４に含まれる粉体が入り込む。これにより、ナノカーボン層３３の表面が滑らかになり、キャビティ面３１の離型抵抗を低減できる。また、潤滑剤３４がナノカーボン層３３の凹凸に入り込むことによって、潤滑剤３４の捕集率が高くなっているため、潤滑剤塗布工程Ｓ１２における良好な作業性を実現している。
潤滑剤３４を粉末状とした場合は、潤滑剤３４をナノカーボン層３３上にかける作業によって潤滑剤塗布工程Ｓ１２が実施される。また、潤滑剤３４を固体状とした場合は、潤滑剤３４をナノカーボン層３３に塗り付ける作業によって実施され、液体状とした場合は、潤滑剤３４をスプレー等する作業によって実施される。
【００２３】
潤滑剤塗布工程Ｓ１２は、ナノカーボン層３３の表層に存在する粉体の密度、すなわち潤滑剤３４の機能を保持するために、所定回数の鋳造ショット後に繰り返し行われる。
なお、潤滑剤３４を塗布する頻度は、鋳造用金型１のキャビティ形状に応じて部位ごとに設定可能であり、溶湯２の流れ、鋳造用金型１内の熱の流れ等を考慮して設定可能である。
【００２４】
以上のように、表面処理工程Ｓ１０を経た金型のキャビティ面３１には、金型母材の上にナノカーボン層３３が形成され、ナノカーボン層３３を被覆する潤滑剤３４が塗布される。これにより、ナノカーボン層３３表面の凹凸形状に潤滑剤３４が捕集されることによってナノカーボン層３３の表面が滑らかになっている。つまり、キャビティ面３１に形成される皮膜３２の表面を滑らかにしている。
このようにして、キャビティ面３１上に潤滑剤３４を捕集して滑らかな表面を有するナノカーボン層３３を形成することにより、鋳造用金型１の離型抵抗を低減し、離型性を向上し、離型剤の使用を不要としている。また、潤滑剤３４に含まれるＢＮ、黒鉛、タルク、又はシリカは、金型母材に入り込むことがないため、ナノカーボン層３３に保持された状態が維持される。このため、キャビティ面３１の湯流れ性が維持される。
【００２５】
［皮膜の残存評価試験］
下記の（ａ）から（ｃ）の３つの状態の金型を用意し、それぞれＢＮ、黒鉛、タルク、又はシリカのうち一種を潤滑剤３４の主成分として用いて表面処理を施した上で、離型剤を用いずに鋳造工程を行った際に皮膜３２が残存する限界回数に対する評価試験を行った。
（ａ）母材の表面にナノカーボン層３３を形成し、潤滑剤３４を塗布した鋳造用金型１（本実施形態）
（ｂ）母材の表面にショット加工を施し、その上に潤滑剤３４を塗布した第一比較用金型
（ｃ）母材の表面に潤滑剤３４を塗布した第二比較用金型
【００２６】
残存評価試験の結果を表１に示す。
【表１】
2013046370.tif 000011
【００２７】
本実施形態である（ａ）の鋳造用金型１と、ショット加工を施した（ｂ）の第一比較用金型とを比べると、ショット加工を施した場合の残存回数が少ない。これは、母材表面に形成される凹凸の大きさに起因すると考えられ、ショット加工による凹凸では潤滑剤３４の捕集能力が低く、鋳造時に潤滑剤３４の消耗（剥離等）が大きくなると推察される。
すなわち、母材にナノカーボン層３３を形成し、その上に潤滑剤３４を塗布する実施形態が好ましいことが分かる。
【００２８】
また、ＢＮを潤滑剤３４として用いた鋳造用金型１の残存回数が７０回となり、最も効果があることが分かる。これは、ナノカーボン層形成工程Ｓ１１において、ナノカーボン層３３と母材との間に窒化層が存在していることに起因すると考えられる。
すなわち、ナノカーボン層３３にＢＮを主成分とする潤滑剤３４を塗布する実施形態の効果が最も大きく、最も好ましい実施形態であることが分かる。
【００２９】
［ＢＮ評価試験］
次に、（ａ）キャビティ面３１にナノカーボン層３３を形成し、ナノカーボン層３３にＢＮを主成分とする潤滑剤３４を塗布した鋳造用金型１と、（ｂ）キャビティ面に鋳造毎に従来の離型剤を塗布する比較用金型の二つの鋳造用金型を用いて１０００回鋳造を行った後に、母材表面に形成された皮膜の断面の様子を観察した評価試験について説明する。
本試験における鋳造用金型１及び比較用金型は、同一のキャビティ形状を有するものであり、図３に示すように、クランク状に複数回折り曲げた形状の鋳造物を鋳造可能なものを用いた。また、（ａ）鋳造用金型１について、ＢＮを主成分とする潤滑剤３４を、鋳造を５０回行う毎に塗布し、（ｂ）比較用金型について、離型剤を鋳造毎に塗布して、鋳造を繰り返した。
【００３０】
図４は、それぞれの条件で１０００回鋳造を繰り返した後に、（ａ）及び（ｂ）の鋳造用金型を切断し、母材表面に形成された皮膜の断面を撮影した画像を模式化した図である。
図４に示すように、本実施形態に係る（ａ）の鋳造用金型１の母材表面には、（ｂ）の比較用金型の母材表面に形成される離型剤膜と比較しても十分な厚みの皮膜３２が残存していることが分かる。これにより、ナノカーボン層３３にＢＮを主成分とする潤滑剤３４を塗布する実施形態が皮膜形成及び皮膜維持に優れていることが分かる。すなわち、鋳造回数を重ねた後でも十分な皮膜３２を維持することができ、その離型性及び湯流れ性を担保できる。
【００３１】
［皮膜の断熱性試験］
次に、皮膜の断熱性を測定する試験を行った結果について示す。
図５に示すように、この試験に用いた試験装置１００は、鋼材によって構成され、台形断面の凹部を有する型枠１１０の側面に断熱材１２０を配置し、底面にテストピース１３０を配置してその表面に各種の皮膜を形成したものである。テストピース１３０は、ＳＫＤ６１を材料とし、径２０ｍｍ、厚さ７ｍｍのものを用いた。皮膜は、（ａ）本実施形態に係る皮膜３２、及び、（ｂ）ナノカーボン層を形成し、その上にフラーレン類を潤滑剤として塗布してなる比較用皮膜の二種類を用いた。
型枠１１０を８０℃に調整し、７００℃の溶湯１５０を注ぎ込み、テストピース１３０の温度を５秒間隔で測定し、その温度上昇度合いを比較することによって皮膜の断熱性試験を行った。この測定結果を図６に示す。図６の横軸は溶湯１５０を注入してからの経過時間を示し、縦軸はテストピース１３０の温度を示す。
【００３２】
図６に示すように、（ａ）ナノカーボン層３３にＢＮを主成分とする潤滑剤３４を塗布してなる皮膜３２の温度上昇度合いは、（ｂ）ナノカーボン層にフラーレン類を塗布した比較用皮膜の温度上昇度合いと比べて緩やかである。つまり、皮膜３２の断熱性が比較用皮膜の断熱性に比べて優れていることを示している。
皮膜の断熱性は、湯流れ性と相関があることが一般に知られており、断熱性に優れる皮膜の湯流れ性が高いということが知られている。すなわち、本実施形態に係る皮膜３２の湯流れ性は、ナノカーボン層にフラーレン類を塗布した比較用皮膜の湯流れ性に比べて優れていることが示された。
【００３３】
［固形潤滑剤の製造方法］
以下、図７を参照して、潤滑剤３４として固形のものを適用する場合の製造方法について説明する。
【００３４】
図７に示すように、固形潤滑剤の製造工程は、定量の潤滑剤３４の主成分粉末と脂肪酸ワックスを混合する工程と、乾燥機を用いて混合物を加熱して脂肪酸ワックスを溶融させる工程と、加熱されて液化した混合物を攪拌して均一にする工程と、任意形状の型内に注いで凝固させる工程とを含む。この一連の工程によって、任意形状に成形された固形の潤滑剤３４が得られる。
【００３５】
固形の潤滑剤３４に含まれる脂肪酸ワックスは、上記加熱・溶融工程において十分に溶融可能な融点を持つことが好ましく、例えば、融点が１００℃以下のものが好ましい。
潤滑剤３４の主成分粉末と脂肪酸ワックスとの質量比は、加熱・溶融工程における分散性、主成分粉末の成分特性等に応じて選択すれば良いが、例えば、黒鉛を主成分とする固形の潤滑剤３４を製造する場合は、主成分粉末（黒鉛）と脂肪酸ワックスとの配合割合を、主成分粉末（黒鉛）：脂肪酸ワックス＝３：７程度とするのが好ましい。
【００３６】
以上のようにして製造される固形の潤滑剤３４を用いた表面処理工程Ｓ１０（潤滑剤塗布工程Ｓ１２）では、潤滑剤３４が飛散することがないとともに、潤滑剤３４を手持ちで塗布可能であることにより、塗布作業の作業性を向上できる。
また、脂肪酸ワックスを含んだ潤滑剤３４を塗布して鋳造工程を行う際に、脂肪酸ワックスが炭化してナノカーボン層３３との親和性が高くなり、潤滑剤３４の保持力が向上するという効果が見込まれる。
【００３７】
以上、鋳造用金型１に含まれる鋳造用部材である固定型１０及び可動型２０において溶湯２と接触する面であるキャビティ面３１・３１に表面処理を施して、それぞれ皮膜３２を形成する実施形態について説明している。しかし、表面処理を施して皮膜３２を形成する面は、上記のものに限らず、プランジャスリーブ４１の内側面及びプランジャチップ４２の先端面に対しても同様の表面処理工程Ｓ１０を経て皮膜３２を形成しても良い。
この場合、皮膜３２による断熱性の向上により、溶湯２を一時的に貯溜するプランジャスリーブ４１内での溶湯２の温度低下を抑制することができるとともに、湯流れ性の向上により溶湯２とプランジャスリーブ４１との抵抗を低減することができ、圧力損失を低減できる。また、プランジャチップ４２の先端での抜熱を低減できる。
以上のように、溶湯２と接触する表面積が大きく、かつ、射出圧に影響が大きいプランジャスリーブ４１及びプランジャチップ４２における溶湯２との接触面に表面処理を施して皮膜３２を形成することにより、鋳造用金型１を用いた鋳造工程での鋳造条件を緩和することができ、品質向上に寄与できる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、鋳造用部材の溶湯接触面を表面処理して、離型抵抗を低減するとともに、湯流れ性を向上する技術に適用可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１：鋳造用金型、２：溶湯、１０：固定型（鋳造用部材）、２０：可動型（鋳造用部材）、：３０：キャビティ、３１：キャビティ面（溶湯接触面）、３２：皮膜、３３：ナノカーボン層、３４：潤滑剤、４１：プランジャスリーブ（鋳造用部材）、４２：プランジャチップ（鋳造用部材）
【国際調査報告】
2013046370.tif 000012
2013046370.tif 000013
2013046370.tif 000014
2013046370.tif 000015