(57)【要約】【課題】加工性に優れるとともに、表層部に所望の強度および耐熱性を確実に付与することを可能にする。【解決手段】金型１０は、母層を構成する母材１２を設けるとともに、表層に前記母材１２より硬質な合金層１４が形成される。この合金層１４は、鉄、ニッケル、クロム、モリブデン、コバルトまたはセラミックスの少なくとも１種を含有する真鍮拡散層を構成する。母材１２は、亜鉛または亜鉛合金で構成されており、具体的にはＺｎ、Ｚｎ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｓｎ、またはＺｎ−Ａｌ−Ｓｎ系合金が使用される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表層に母層より硬質な合金層が形成された亜鉛基合金であって、
前記合金層は、鉄、ニッケル、クロム、モリブデン、コバルトまたはセラミックスの少なくとも１種を含有する真鍮拡散層を構成することを特徴とする亜鉛基合金。
【請求項２】
表層に母層より硬質な合金層が形成された亜鉛基合金の製造方法であって、
前記亜鉛基合金の母材金属を所定の形状に加工する工程と、
前記母材金属の少なくとも一部に、銅またはマンガンを必須成分とし、かつ鉄、ニッケル、クロム、モリブデン、コバルトまたはセラミックスの少なくとも１種を含有する粉末を塗布する工程と、
前記粉末が塗布された前記母材金属の部位を、不活性雰囲気下で加熱する工程と、
を有することを特徴とする亜鉛基合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表層に母層より硬質な合金層が形成された亜鉛基合金およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、Ｚｎ−Ａｌ−Ｓｎ系合金等の亜鉛基合金は、低融点であるとともに、アルミニウムに比べて酸化の進行が遅く、さらに強度および硬度が低いという性質を有している。このため、亜鉛基合金を鋳造材料として使用し、試作用の金型の他、複雑形状の鍵や鍵シリンダ等が製造されている。
【０００３】
ところが、亜鉛基合金の強度や硬度が低いため、金型や鍵等の鋳造品の耐用性が低く、不経済であるという問題が指摘されている。そこで、亜鉛基合金の表面を硬化処理するために、例えば、特許第２８３２２２４号公報に開示されている製造方法が知られている。
【０００４】
この従来技術では、亜鉛基合金からなる金型の表面に直接無電解ニッケルめっきを施すに際し、有機酸ニッケル塩等を含有する無電解ニッケルめっき液に金型を浸漬している。これにより、ニッケル被覆を直接亜鉛基合金に施すため、皮膜剥離が生じることがなく、しかも緻密でクラックの発生がないため、耐摩耗性および耐食性が良好となる、としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、亜鉛基合金の表面にめっき層を設けるだけであり、硬化層（めっき層）が表層部のみに限られてしまう。これにより、亜鉛基合金には、十分な強度および耐熱性を付与することができないという問題がある。
【０００６】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、加工性に優れるとともに、表層部に所望の強度および耐熱性を確実に付与することが可能な亜鉛基合金およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る亜鉛基合金では、表層に母層より硬質な合金層が形成されるとともに、この合金層は、鉄、ニッケル、クロム、モリブデン、コバルトまたはセラミックスの少なくとも１種を含有する真鍮拡散層を構成している。このため、実際に使用される表面の融点、強度および耐熱性が、母材金属である亜鉛または亜鉛合金よりも相当に高くなり、耐摩耗性、耐熱性および耐衝撃性等の物性の向上が確実に図られる。従って、種々の部品に良好に使用することが可能になる。
【０００８】
しかも、母材金属が、亜鉛または亜鉛合金であるため、融点が低く鋳造により成形が容易であるとともに、加工性に優れている。これにより、形状の複雑な鋳造用や樹脂成形用の金型材料として良好に使用される。
【０００９】
また、本発明に係る亜鉛基合金の製造方法では、亜鉛基合金の母材金属を所定の形状に加工した後、前記母材金属の少なくとも一部に、銅またはマンガンを必須成分とし、かつ鉄、ニッケル、クロム、モリブデン、コバルトまたはセラミックスの少なくとも１種を含有する粉末が塗布される。次いで、粉末が塗布された母材金属の部位が、不活性雰囲気下で加熱される。
【００１０】
このように、ニッケルを添加して母材金属よりも強度、硬度および耐食性を向上させる一方、鉄、クロム、モリブデンまたはコバルトは、硬度、強度および耐食性を向上させる元素として機能する。さらに、セラミックスを添加することによって、強度および硬度の向上を図るとともに、耐摩耗性を向上させることが可能になる。このため、表層に母層より硬度、強度および耐食性等に優れた合金層が確実に得られ、金型等の種々の部品に良好に使用することが可能になる。
【００１１】
上記の亜鉛基合金について、より詳細に説明すると、母材金属の主体が亜鉛（Ｚｎ）であるため、その表面および表面近傍を真鍮化することができる。真鍮は、銅（Ｃｕ）と亜鉛との合金であり、亜鉛に比べて２倍以上の融点、強度および硬度を有するとともに、耐食性も高い。銅成分は、母材相に移動するため、１０ｍｍ程度の拡散領域幅を有する真鍮拡散層が形成される。
【００１２】
さらに、銅は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）またはセラミックス粉末冶金のバインダである。このため、亜鉛基合金の最表層を鉄、ニッケル、クロム、モリブデン、コバルトまたはセラミックスの少なくとも１種を含む合金層で構成することができ、高耐食性および耐摩耗性を有する表層を設けることが可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る亜鉛基合金で構成された金型１０の断面概略説明図である。
【００１４】
金型１０は、母層を構成する母材１２を設けるとともに、表層に前記母材１２より硬質な合金層１４が形成される。この合金層１４は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）またはセラミックスの少なくとも１種を含有する真鍮拡散層を構成する。母材１２は、亜鉛または亜鉛合金で構成されており、具体的にはＺｎ、Ｚｎ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｓｎ、またはＺｎ−Ａｌ−Ｓｎ系合金が使用される。
【００１５】
このように構成される金型１０を製造する方法について、図２に示す工程図に沿って、以下に説明する。
【００１６】
まず、亜鉛製または亜鉛合金製の母材１２が用意されており、この母材１２に、加工機２０による加工処理が施されることにより、前記母材１２には、キャビティに対応する加工面２２が形成される。
【００１７】
次いで、加工面２２には、塗布機２４を介して粉末２６が塗布される。この粉末２６は、銅またはマンガンを必須成分とし、かつ鉄、ニッケル、クロム、モリブデン、コバルトまたはセラミックスの少なくとも１種を含有しており、有機溶媒中に分散されて加工面２２に対しペースト状に塗布される。
【００１８】
粉末２６が塗布された母材１２は、乾燥処理が施された後、加熱装置３０に配置される。この加熱装置３０は、バーナーやヒーター等の加熱源３２を備えており、母材１２が前記加熱装置３０内で不活性雰囲気、例えば、窒素ガス（Ｎ２ガス）雰囲気下で加熱処理される。これにより、表層に母材１２より硬質な合金層１４が設けられた金型１０が得られる。なお、この金型１０には、表面磨き処理等の仕上げ処理が施されている。
【００１９】
この場合、本実施形態では、母材１２の表面に合金層１４が設けられるとともに、この合金層１４が、鉄、ニッケル、クロム、モリブデン、コバルトまたはセラミックスの少なくとも１種を含有する真鍮拡散層を構成している。このため、実際に使用される表面の融点、強度および耐熱性が、母材１２である亜鉛または亜鉛合金よりも相当に高くなり、耐摩耗性、耐熱性および耐衝撃性等の物性の向上が確実に図られる。従って、種々の部品に良好に使用することが可能になるという効果が得られる。
【００２０】
しかも、母材１２が、亜鉛または亜鉛合金であるため、融点が低く鋳造により成形が容易であるとともに、加工性に優れている。これにより、形状の複雑な鋳造用や樹脂成形用の金型材料として良好に使用される。
【００２１】
【実施例】
［実施例１］
亜鉛合金として簡易型や試験型に多用されているＺｎ−Ａｌ−Ｓｎ系合金（以下、ＺＡＳ材ともいう）製の母材１２が用意された。この母材１２を用いて、図３に示すように、段付きロッド形状の試験材４０が形成された。
【００２２】
次いで、表１に示す組成（ｗｔ％）の粉末Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、ＥおよびＦが用意され、これらにキシレンを溶媒として分散剤が添加され、スラリーからペースト状に形成された。これらのペースト状粉末Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、ＥおよびＦが、それぞれ試験材４０の表面に０．３ｍｍ程度の厚さに塗布された後、乾燥処理された。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
さらに、乾燥された各試験材４０に対し、窒素ガスを流しながら、３５０℃で６０分間の熱処理が施された。この熱処理後に、各試験材４０を中央断面で切断し、反応部厚さを金属顕微鏡で確認するとともに、表面硬度（Ｈｖ）および最表面から内部に５ｍｍの位置の合金部硬度（Ｈｖ）を測定した。その結果が、表１に示されている。
【００２５】
一方、別に用意された各試験材４０と粉末塗布を行わないＺＡＳ材とに対し、アルミニウム溶湯による浸食試験が施された。具体的には、７００℃程度に加熱されているアルミニウム溶湯（ＡＤＣ１２相当）に、各試験材４０を３０分間、６０分間および９０分間ずつ浸漬した。その後、試験材４０をアルミニウム溶湯から取り出して中央断面で切断するとともに、形状変化を確認して浸食状況を検出した。
【００２６】
図４には、代表的な浸食状況が示されている。これにより、ＺＡＳ材のみの場合、溶損が大きくなって元の形状を維持することができなかった。これに対して、粉末Ａ〜Ｆが塗布された実施例１では、耐食性の大幅な向上が確認された。
【００２７】
その際、Ｃｕ（粉末Ａ）、Ｃｕ−Ｎｉ（粉末Ｂ）、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｒ（粉末Ｃ）、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ（粉末Ｄ）、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ（粉末Ｅ）およびＣｕ−Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ−セラミックス（粉末Ｆ）の順に、溶損が減少した。さらに、浸漬時間に対して溶損が減少し、その溶損速度が大きく減少する傾向があった。
【００２８】
［実施例２］
図５に示す金型５０は、通常、Ｚｎ−Ａｌ−Ｓｎ系合金で構成されている。この種の金型５０では、数千ショットでクラックの発生が認められた。例えば、コーナー部では、１０００ショットでクラックが入り始めており、各金型合わせ面では、２０００ショット〜４０００ショットでクラックが入り始めていた。そして、ショット数が増加するのに伴って、クラックが拡大した。
【００２９】
そこで、実施例１の粉末Ａを使用して、金型５０の表面処理を施した。処理条件としては、粉末の塗布厚さが１．５ｍｍであり、窒素ガスを流しながら、５００℃で３０分間の熱処理が施された。次に、仕上げ加工を行った後、表面硬度を検出したところ、その表面硬度がＨｖ２００程度であり、硬化層の深さが５ｍｍであった。
【００３０】
さらに、金型５０にクラックが入り始めるショット数は、コーナー部で１０００ショットから１８０００ショットに増加するとともに、各金型合わせ面で、２０００ショットから３５０００ショットに、３０００ショットから４５０００ショットに、４０００ショットから８００００ショットにそれぞれ大幅に増加した。
【００３１】
これにより、従来の鋼材型に比べ型として構成し易く、しかも軽量で取り扱い利便性に優れる亜鉛基合金型を使用して、鋼材型と同等の耐久性を得ることが可能になった。
【００３２】
【発明の効果】
本発明に係る亜鉛基合金では、亜鉛または亜鉛合金の表層に真鍮拡散層が設けられるため、実際に使用される表面の融点、強度および耐熱性が母材金属に比べて相当に高くなり、耐摩耗性、耐熱性および耐衝撃性等の物性の向上が確実に図られる。
【００３３】
また、本発明に係る亜鉛基合金の製造方法では、亜鉛基合金の母材金属を所定の形状に加工した後、前記母材金属の少なくとも一部に、銅またはマンガンを必須成分とし、かつ鉄、ニッケル、クロム、モリブデン、コバルトまたはセラミックスの少なくとも１種を含有する粉末が塗布される。次いで、粉末が塗布された母材金属の部位が、不活性雰囲気下で加熱される。このため、表層に母層より硬度、強度および耐食性に優れた合金層が確実に得られ、金型等の種々の部品に良好に使用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る亜鉛基合金で構成された金型の断面概略説明図である。
【図２】前記金型の製造方法を説明する工程図である。
【図３】実施例１に使用される試験材の説明図である。
【図４】前記試験材のアルミニウム溶湯による浸食試験の説明図である。
【図５】実施例２に使用される型の斜視説明図である。
【符号の説明】
１０、５０…金型　　　　　　　　　１２…母材
１４…合金層　　　　　　　　　　　２２…加工面
２４…塗布機　　　　　　　　　　　２６…粉末
３０…加熱装置　　　　　　　　　　４０…試験材
【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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