(57)【要約】【課題】放電加工した金型の手磨きの欠点を克服し、短時間に低い表面粗さの仕上げを目的とする。【解決手段】本発明は、アノードプラズマの存在によって、電子ビーム散乱がなく、大面積のできる低エネルギーパルス電子ビーム装置を使用し、金型材料の平滑化、耐食性の向上、光沢化を行い、また炭素鋼の金型において、表面硬さを向上する金型の表面処理方法である。前記の電子ビーム照射方法において、エネルギ密度が　１　Ｊ／ｃｍ２以上、パルス照射回数５回以上、パルス幅１μｓ以上で行う。また、本発明は前記方法により表面処理した金型である。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内にアノードプラズマを生成するステップと、
前記アノードプラズマの存在によって大面積の表面改質ができる低エネルギーパルス電子ビームを前記容器内に形成するステップと、
前記金型を前記電子ビームの軌道上に配置することにより、前記電子ビームが金型材料の表面を平滑化、耐食性向上化、光沢化、及び、表面硬さを向上させるステップとを含む金型の表面処理方法。
【請求項２】
前記アノードプラズマが形成されて電子ビームの散乱を防止することを特徴とする請求項１に記載の金型の表面処理方法。
【請求項３】
前記金型材料が炭素鋼であることを特徴とする請求項１乃至２に記載のいずれかの金型の表面処理方法。
【請求項４】
前記の電子ビーム照射において、エネルギ密度が　１Ｊ／ｃｍ２　以上である請求項１乃至３に記載のいずれかの金型の表面処理方法。
【請求項５】
前記の電子ビーム照射において、照射回数が５回以上である請求項１乃至４に記載のいずれかの金型の表面処理方法。
【請求項６】
前記の電子ビーム照射において、パルス幅１μｓ以上である請求項１乃至５に記載のいずれかの金型の表面処理方法。
【請求項７】
前記の電子ビーム照射において、エネルギ密度が　１Ｊ／ｃｍ２　以上、照射回数５回以上、パルス幅１μｓ以上である請求項１乃至３に記載のいずれかの金型の表面処理方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかの表面処理方法よって表面処理された金型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金型部材およびその製造方法で、特に金型製造工程において、金型の表面処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
成形金型業界では、金型材質には金型等の製品として使用可能な強度および耐摩耗性を確保できる高い硬さで、かつ被削性に優れるという相反する特性が求められる。金型材料として、プリハードン鋼の適用が知られている。プリハードン鋼とは、通常の鋼に適用される焼なまし−機械加工−焼入れによる強度（硬さ）の向上という工程をとらず、所定の硬さに調整した鋼材を機械加工して、焼入れ処理を行わないで金型等として使用される。Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｕ等を添加し析出効果を利用して硬さを高めるとともに、被削性の高いベイナイト組織に調整したプリハードン鋼材は高い硬さと、比較的良好な被削性を実現するとして、有効な鋼材である。加工後の焼き入れ処理が不要であり、金型メーカーにとっては極めて使いやすいものとなっている。
【０００３】
しかし、加工し易い材料ができても、例えば、複雑形状の金型を加工するには、レーザ加工のほかに放電加工が不可欠になっている。特に、半導体部品製造用に使用される特殊な超精密金型は、放電加工が利用されているようになっている。
【０００４】
また、放電加工では、材料の加工性に関わらず、ＷＣ−Ｃｏ、ＳＫ３、ＳＫＤ６１のような加工性の困難な超硬合金から作られた金型を成形することも可能になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、放電加工は高硬度難削材の加工に有効であることから精密金型の加工に広く用いられているが，実際には放電加工面をそのまま使用することはまれであり，表面粗さの低減，マイクロクラック等の表面層欠陥の除去，形状精度の改善のために最終的には手磨きによる研磨仕上げが行われる．しかしながら，この工程は熟練者の技能に頼るところが多く，また，長時間を要することから，高能率化が従来からの課題となっている。
【０００６】
本発明では、放電加工した金型の手磨きの欠点を克服し、短時間に低い表面粗さの仕上げを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、電子ビーム照射を利用して、放電加工した金型の手磨きの欠点を克服し、短時間に低い表面粗さに仕上げることができる。
本発明に使用した装置は、例えば金型、義歯床など、様々な金属の表面耐食性、光沢化、疲労特性改善、硬度の調整などにも応用される。アノードプラズマの存在によって、真空中によく現れる電子ビーム散乱がなくて、レーザによる表面加工に比べて、大面積金属表面改質が提供できるので、金型の表面改質に適切である。
【０００８】
本発明の金型の表面処理方法は、容器内にアノードプラズマを生成するステップと、前記アノードプラズマの存在によって大面積の表面改質ができる低エネルギーパルス電子ビームを前記容器内に形成するステップと、前記金型を前記電子ビームの軌道上に配置することにより、前記電子ビームが金型材料の表面を平滑化、耐食性向上化、光沢化、及び、表面硬さを向上させるステップとを含む。
前記アノードプラズマが形成されて電子ビームの散乱が防止される。
【０００９】
電子ビームの作用のパラメータは、次のような範囲内で変動することが好ましい。
エネルギー密度は、約　１Ｊ／ｃｍ２　以上、好ましくは、約　２Ｊ／ｃｍ２　以上１０　Ｊ／ｃｍ２以下の範囲である。更に好ましくは、約　４Ｊ／ｃｍ２　以上８　Ｊ／ｃｍ２　以下の範囲である。約　５Ｊ／ｃｍ２　以上７　Ｊ／ｃｍ２　以下の範囲が最も好ましい。
パルス幅は、１μｓ以上である。
照射回数は、１回の照射でもかなりの効果が得られるが、最小回数は少なくとも約５回以上が好ましい。そして、最大回数は、製作費用等を考慮して適宜決める。好ましくは、約３０回前後を中心にして約２０〜４０回の範囲である。
【００１０】
本発明による表面硬化金型は、前記本発明の表面処理方法よって表面処理された金型である。
前記金型材料としては炭素鋼が挙げられる。例えば、大同特殊鋼によりＮＡＫ８０と称されるもの、ＳＫ３と称される鋼、ＳＫＤ６１と称される鋼、およびＷＣ−Ｃｏと称される超硬合金等のプリハードン鋼でもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１を参照し、本発明に利用した低エネルギー高電流密度電子ビーム装置を次のように説明する（参考特許：米国特許ＵＳ２００３／００１９８５０Ａ１、公開日２００３年　１月３０日、Ｋｅｎｓｕｋｅ　Ｕｅｍｕｒａ等）。
【００１２】
真空容器１に金型１２を設置し、容器を大気圧から　３×１０−２Ｐａ以下までスクロールポンプ２とターボ分子ポンプ３で排気した。不活性ガスをフローコントロールバルブ４から導入する。容器内の圧力が０．５〜３×１０−１　Ｐａ間のある一定の圧力に安定したら、電子銃の外側に備えてあるソレノイド５に電流を瞬間的に流し、電子銃の中に強力なパルス磁場を発生させる。磁場の発生と同時に、リング状の陽極６に正のパルス電圧（およそ５ｋＶ）を印加して、チャンバー内の自然電子を加速する。
【００１３】
その電子が電場と磁場の中に存在しているので、ペニング効果が行われる。電子はローレンツ力を受けて、らせん運動するから、電子の行程を長くすることができる。その電子は最終的に陽極に捕集されるが、その前に気体分子と何回も衝突して気体の分子を電離させ、陽極リング付近の空間にアノードプラズマ７を生成する。このように、ガスの電離が励起されるので、高密度のプラズマを得ることができる。
【００１４】
アノードプラズマを生成し、アノードプラズマの量が最大になった時点で（陽極に電圧を印加してからおよそ２０〜３０μｓ後）、電子銃の陰極に負のパルス加速電圧（２０ｋＶ〜４０ｋＶ、パルス幅　　２〜４μｓ）をかける。スパーク・トリガー・スイッチによって印加するパルス電圧の立ち上がり時間５〜１０ｎｓとする。さらにアノードプラズマが仮想陽極の役割となり、プラズマのない場合に比べて見掛け上の陽極と陰極の間距離が短くなるため、尖っている針状の陰極表面８の先端に非常に強い電場が集中し、陰極の表面に高い電界ができて、それによって、電子が陰極から爆発的に放出され、陰極の高密度のカソードプラズマ９を生成する。
【００１５】
陰極の付近にカソードプラズマおよび、陽極の周りにアノードプラズマが生成されたので、両プラズマの間に二重層１０が成形される。プラズマの特性として、高い電導性を持っており、両プラズマはそれぞれマイナス電極とプラス電極のような働きをする。両仮想電極の間が狭い二重層であるから、その間に高い電界が集中され、カソードプラズマから飛び出した電子はその層の高い電界によって加速される。このように高密度の電子ビーム１１が形成される。この高密電子ビームは金型１２を照射した。
【００１６】
【実施例】
実施例１
プリハードン鋼（大同特殊鋼ＮＡＫ８０）を、銅電極（φ１０ｍｍ）を用いて、放電電流：３　Ａ、パルス幅：２μｓ，デューティファクター：１０％の条件（加工液：灯油系）で放電加工した面に対して、電子ビーム（電子密度７．３　Ｊ／ｃｍ２，パルス幅：２〜３μｓ，パルス周波数：０．２　Ｈｚ，パルス回数：３０回、ビーム直径：約８０ｍｍ）を照射した。鋼材は圧延方向に炭化物が伸張し性質が方向によって異なってくるため、２方向を用意した。
図２のに示すように、照射前は直径数十μｍの放電痕の集積した面を形成していたが、照射後の面は放電痕は確認できず粗さもかなり改善されている。
【００１７】
実施例２
次に電子ビームのエネルギー密度を変化させて放電加工面に照射した。図３にエネルギー密度に対する、表面粗さおよび光沢度の変化を示す。エネルギー密度を０よりも大きく約１５　Ｊ／ｃｍ２以下の範囲で変化させた。
表面粗さはエネルギー密度　１〜４　Ｊ／ｃｍ２　で急激に減少し、６〜７　Ｊ／ｃｍ２　において最小となるが、それ以上高くなると若干増加する。光沢度（Ｇｌｏｓｓｉｎｅｓｓ、ＪＩＳＺ８７４１準拠）は表面粗さとよく対応した変化を示し、表面粗さが最小となる場合に最大の光沢度が得られた。この結果から、エネルギー密度は、ある程度まで増加に従って平滑化の効果は高い。
【００１８】
図３から、エネルギー密度が、約　１Ｊ／ｃｍ２　以上の範囲で効果が現れることがわかる。好ましくは、約　２Ｊ／ｃｍ２　以上１０　Ｊ／ｃｍ２以下の範囲である。更に好ましくは、約　４Ｊ／ｃｍ２　以上８　Ｊ／ｃｍ２　以下の範囲である。約　５Ｊ／ｃｍ２　以上７　Ｊ／ｃｍ２　以下の範囲は最も好ましい。
【００１９】
実施例３
次にエネルギー密度７．３　Ｊ／ｃｍ２　において電子ビームの照射回数を変化させたときの表面粗さの変化を示す（図４）。この場合、照射を　１回から５０回の範囲で行った。表面粗さは数回の照射で急激に減少し、５回以降はあまり変化しない。このことから、１回の照射でもかなりの効果が得られるが、最小回数は少なくとも約５回以上が好ましいことがわかる。そして、最大回数は、製作費用等を考慮して適宜決めるとよい。好ましくは、約３０回前後を中心にして約２０〜４０回の範囲である。
エネルギー密度４．２　Ｊ／ｃｍ２　においてもほぼ同様の傾向を示した。
【００２０】
実施例４
炭素鋼においてはマルテンサイト変態を起こし、表面硬化に応用することも可能となる。ＳＫ３鋼（１〜１．１％Ｃ）の金型を２０回パルス電子ビーム（６　Ｊ／ｃｍ２）にかけると、表面硬さが高くなった。図５は微小硬さ試験機を使って、電子ビーム処理後と処理前の表面硬さを示す。ビッカース硬さ試験では、ダイヤモンド圧子に荷重をかけ、試料表面のくぼみから硬さを計算するので、荷重が低いところでは、基板の硬さの影響が小さく、実際の表面の硬さを近似する。測定では、なるべく低い荷重の方が望ましい。図６に示すように、荷重が低いところでは、処理後のビッカース硬さが高くなり、この場合、表面が１．５倍ぐらい硬くなったことがわかる。
【００２１】
同様に、ＳＫＤ　６１（０．３２〜０．４２％Ｃ）の金型を電子ビームを照射にかけると、表面硬さが高くなった。図６はＳＫＤ６１の表面硬さを示している。
【００２２】
実施例５
超合金ＷＣ−Ｃｏ（Ｇ５）金型を、銅電極（φ１０ｍｍ）を用いて、放電電流：３　Ａ、パルス幅：２μｓ，デューティファクター：１０％の条件（加工液：灯油系）で放電加工した面に対して、電子ビームを照射した。照射ビームによる平滑化の効果を調べるために、ビームのパルスエネルギー密度を７．３　Ｊ／ｃｍ２　に設定し、パルス幅：２〜３μｓ，パルス周波数：０．２　Ｈｚ，パルス回数：３０回、ビーム直径：約８０ｍｍで金型の照射を行った。
【００２３】
図７に示すように、ビームパルスのエネルギー密度が２〜８　Ｊ／ｃｍ２　において、平滑化および光沢化の効果を得られることができる。
図７から、エネルギー密度が、約　１Ｊ／ｃｍ２　以上の範囲で効果が現れることがわかる。好ましくは、約　２Ｊ／ｃｍ２　以上１０　Ｊ／ｃｍ２以下の範囲である。更に好ましくは、約　４Ｊ／ｃｍ２　以上８　Ｊ／ｃｍ２　以下の範囲である。約　５Ｊ／ｃｍ２　以上７　Ｊ／ｃｍ２　以下の範囲は最も好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施形態で使用した、大面積の放射できる低エネルギーパルス電子ビ
ーム装置の概略を示す。
【図２】
本発明において、電子ビーム照射されたプリハードン鋼金型の表面粗さの変化
を示す。
【図３】
本発明において、電子ビームエネルギー密度に対する、照射されたプリハード
ン鋼金型の表面粗さおよび光沢度の変化を示す。
【図４】本発明において、電子ビームのパルス回数に対する、照射されたプリハードン鋼金型の表面粗さの変化を示す。
【図５】本発明において、電子ビーム照射されたＳＫ３鋼金型の表面硬さの変化を示す。
【図６】本発明において、電子ビーム照射されたＳＫＤ６１鋼金型の表面硬さの変化を示す。
【図７】本発明において、電子ビーム照射されたＷＣ−Ｃｏ超合金金型の表面硬さと光沢度の変化を示す。
【符号の説明】
１　真空容器
２　スクロールポンプ
３　ターボ分子ポンプ
４　フローコントロールバルブ
５　ソレノイド
６　アノード
７　アノードプラズマ
８　カソード
９　カソードプラズマ
１０　電気二重層
１１　電子ビーム
１２　処理された金型
１３　サンプルホルダー
【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】
2004001086.tif 000007
【図６】
2004001086.tif 000008
【図７】
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