(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属成形機の構成要素のうち成形対象と直接接触する金型もしくはその他の部品であって、成形対象が溶融又は半溶融のマグネシウム合金又はアルミニウム合金であり、その成形対象が接触する面に透明炭素膜が被覆され、
その透明炭素膜が炭素を９５ａｔ％以上含み、ヌープ硬さが３０００以上、７０００以下の膜であり、母材とその透明炭素膜との間に、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ又はこれ等の炭化物、窒化物、炭窒化物の中から選ばれた１種以上の物質からなる中間層を有し、その中間層の厚さを０．５ｎｍ以上、５ｎｍ以下にしたことを特徴とする金属成形機用被覆部材。
【請求項２】
金属成形機の構成要素のうち成形対象と直接接触する金型もしくはその他の部品であって、成形対象が溶融又は半溶融のマグネシウム合金又はアルミニウム合金であり、その成形対象が接触する面に透明炭素膜が被覆され、
その透明炭素膜が炭素を９５ａｔ％以上含み、ヌープ硬さが３０００以上、７０００以下の膜であり、母材とその透明炭素膜との間に中間層を有し、その中間層の少なくとも母材側が、母材材料とＢ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの中から選ばれた１種以上の物質とからなる混合層であり、その混合層の厚さを０．５ｎｍ以上、５ｎｍ以下にしたことを特徴とする金属成形機用被覆部材。
【請求項３】
母材が鋼、合金鋼、超硬合金、セラミックスのいずれかから成る請求項１又は２に記載の金属成形機用被覆部材。
【請求項４】
母材の表面に硬質のメッキ層又は溶射層が形成され、そのメッキ層又は溶射層上に前記透明炭素膜が被覆されている請求項１、２又は３に記載の金属成形機用被覆部材。
【請求項５】
透明炭素膜に被覆される部材の表面がビッカース硬度２００以上の硬さを有する請求項１〜４のいずれかに記載の金属成形機用被覆部材。
【請求項６】
下地面が平滑化処理され、処理後の下地面上に前記透明炭素膜を設けた請求項１〜５のいずれかに記載の金属成形機用被覆部材。
【請求項７】
透明炭素膜の密度が２．８ｇ／ｃｍ３以上、３．３ｇ／ｃｍ３以下である請求項１〜６のいずれかに記載の金属成形機用被覆部材。
【請求項８】
被覆された透明炭素膜が干渉色を呈している請求項１〜７のいずれかに記載の金属成形機用被覆部材。
【請求項９】
透明炭素膜の膜厚を０．６μｍ以上、５μｍ以下にした請求項１〜８のいずれかに記載の金属成形機用被覆部材。
【請求項１０】
透明炭素膜の表面粗さをＲａ０．００５μｍ以上、０．２μｍ以下にした請求項１〜９のいずれかに記載の金属成形機用被覆部材。
【請求項１１】
透明炭素膜被覆後の部材表面を、深さが５μｍ以上、１００μｍ以下で幅が深さの１０倍以下の凹部が無い面にした請求項１〜１０のいずれかに記載の金属成形機用被覆部材。
【請求項１２】
透明炭素膜が、イオンプレーティング法、スパッタリング法、又はレーザーアブレーション法のいずれかの手法で形成された膜である請求項１〜１１のいずれかに記載の金属成形機用被覆部材。
【請求項１３】
前記中間層又は混合層がプラズマＣＶＤ法、イオンプレーティング法、スパッタリング法もしくはレーザーアブレーション法のいずれかの手法で形成されたものである請求項１〜１２のいずれかに記載の金属成形機用被覆部材。
【請求項１４】
透明炭素膜の表面に、機械加工による平滑化処理を施した請求項１〜１３のいずれかに記載の金属成形機用被覆部材。
【請求項１５】
重力金型鋳造、低圧金型鋳造、ダイカスト鋳造、溶湯鍛造、又はチクソモールド用成形機に採用する請求項１〜１４のいずれかに記載の金属成形機用被覆部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、溶融又は半溶融のマグネシウム合金やアルミニウム合金を成形する金属成形機用の被覆部材に関する。
【０００２】
なお、この発明の被覆部材とは、金型、射出成形機のシリンダ、スクリュー、ノズル、鋳型に利用する鋳抜ピンなど、成形機の構成要素のうち、成形対象合金との直接の接触が起こるものを云う。その中でも代表的な金型を例に挙げて以下の説明を行う。
【０００３】
【従来の技術】
マグネシウムは実用構造用金属材料中で最も軽い金属であり、資源も豊富で構造用金属としてはケイ素、マグネシウム、鉄に続いて４番目に多く存在している。近年、マグネシウム合金はその軽量性から、ノートパソコンや携帯機器などの筐体、自動車部品などを中心に応用が進められている。
【０００４】
マグネシウムの加工には、圧延、押し出し、鍛造が冷間では困難なことから、ダイカスト法が広く採用されており、近年、新たに半溶融凝固の原理を用いたチクソモールド法なども開発、実用化されている。
【０００５】
ダイカスト法やチクソモールド法では、成形時のマグネシウム合金原料の温度は一般に５００〜７００℃以上まで加熱される。また、原料を射出する成形機のシリンダやスクリュー、ノズル等の部品温度は最高で６５０℃程度、また、成形用金型の温度は１５０〜３００℃の範囲で使用されることが多い。高温の原料は、高圧、高速で射出され、金型内で短時間で固化し成形が完了する。
【０００６】
一方、溶融または半溶融アルミニウム合金の成形には、鋳造法、ダイカスト法、溶湯鍛造法などがある。成形時のアルミニウム合金の温度は合金組成にもよるが一般に５００〜７００℃以上である。古くは砂型を使用する手法が適用されていたが、高い寸法精度や表面品質、ニアネットシェイプ、急冷効果を狙い金型鋳造による成形も多く使われている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
溶融または半溶融のマグネシウム合金やアルミニウム合金の成形時には、金型に成形対象合金が固着して成形不良が出たり、金型表面における合金の流れが悪く表面にしわが入る問題があった。また、硬質物質が合金成分の中に含まれている場合は、金型表面の摩耗や変形も問題となっていた。
【０００８】
こうした問題に対し、潤滑剤、離型剤を金型表面に塗布して離型性と流動性を高める方法がある。しかし、潤滑剤、離型剤を頻繁に塗布する手間や、塗布した潤滑剤、離型剤を定期的に清掃する手間が新たな問題となっていた。
【０００９】
金型材料をより硬質で耐酸化、耐蝕性の高い超硬合金やセラミックスにする方法があるが、離型性は大きな改善が見られず、一方でコストが大幅に上がるためあまり適用されていない。ＣｒメッキやＴｉＮコーティングなどの表面処理も同様にコストの割に効果が小さく使われていない。
【００１０】
最近になり、特開２０００−２６１９５、特開２０００−２４６３７１、特開２０００−２７１７２０などにあるように、ダイヤモンド状炭素、窒素含有硬質炭素などの炭素系の被膜を金型表面に被覆する方法が提案されている。これらの被膜は、マグネシウム合金やアルミニウム合金に対する離型性に優れる。しかし、一般にこれらの炭素系被膜はグラファイト成分を含むため、高温で使用すると既に存在するグラファイト構造部を起点としてグラファイト化が進行し、十分な金型寿命が得られない問題があった。
【００１１】
また、例えば、特開平４−５２２７９号がアルミ鋳造用鋳抜ピンの表面に設けている硬質炭素膜のように、プラズマＣＶＤ法で成膜された炭素膜は製法上膜中に水素を含むため、３５０℃以上の温度では膜の分解が急速に進むと云う問題もあった。なお、水素含有量の少ない硬質炭素膜も、一般には膜中にグラファイト成分を含んでおり、高温で使用すると、上述したグラファイト化の進行による寿命低下が起こる。
【００１２】
この発明は、溶融又は半溶融のマグネシウム合金やアルミニウム合金が接触する部材の表面、例えば金型の成形面を、従来の炭素膜よりも安定性、耐久性に優れた膜で被覆して部材表面に対する合金の固着、部材表面の損傷を長期にわたって減少させ、合金のスムーズな流動による安定した成形、成形の歩留まり向上を可能ならしめることを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明においては、被成形物、即ち、溶融又は半溶融のマグネシウム合金やアルミニウム合金が接触する部材の表面、例えば金型の成形面を、炭素含有率が９５ａｔ％以上でヌープ硬さが３０００以上、７０００以下の透明炭素膜で被覆する。なお、被覆は、合金の固着が起こり易い部位（表面の一部）のみを対象にして行ってもよい。
【００１４】
透明炭素膜は、高硬度のアモルファス状の炭素膜であり、部材の母材金属上に被覆すると、膜厚が１μｍを超えていてもその透明度ゆえ干渉色を呈する。以下に本透明炭素膜について詳細に定義する。
【００１５】
炭素からなる膜には、ダイヤモンド膜、グラファイト膜、ダイヤモンド状炭素膜などがある。透明炭素膜は、一般にダイヤモンド状炭素といわれる材料系の中に含まれる特殊な膜である。
【００１６】
ダイヤモンド状炭素は極めて広い概念の材料である。 ダイヤモンド状炭素（Diamond like carbon;DLC ）、のほか、アモルファスカーボン（ａ−Ｃ、ａ−Ｃ：Ｈ) 、ｉ−Ｃ（アイ・カーボン) 、硬質炭素（hard carbon ）などとも呼ばれる。構造はｓｐ３構造を−部に有する非晶質構造で、構成元素は炭素のみ、あるいは水素を含有する水素化炭素膜であり、水素含有量は最大では５０ａｔ％を超えるものも含まれる。ヌーブ硬度は、８００〜８０００と広い範囲で定義されることが多い。一般には膜中にグラファイト成分が含まれ、膜厚０．５μｍを超えると、褐色から黒色、あるいは灰色となる。
【００１７】
この発明における透明炭素膜は、このように広く定義されるダイヤモンド状炭素の中でも、特に水素を含まず、グラファイト成分が少なくて透明度が高い非晶質炭素膜をさす。
【００１８】
具体的には、 構成元素は、合成法上混入不可避の不純物を除くと炭素のみである。 不純物の存在を考慮すると９５ａｔ％以上が炭素である。不純物は、水に起因する水素、酸素が最も多く、残留ガスに起因する窒素が混入することもある。また、成膜装置内部の鉄などの金属成分が微量に入ることもある。主に固体炭素を原料として合成されるため、固体炭素原料中の不純物も微量に含まれる。水や大気に起因する酸素、水素、窒素を除いて分析すれば９９．５ａｔ％以上が炭素である。
【００１９】
グラファイト成分が少ないことは、具体的には透明であることと、ヌープ硬さが３０００以上７０００以下であることで定義する。 その透明性は０．６μｍ以上の膜厚でも干渉色を呈する。ヌープ硬さ３０００以上、７０００以下は、ダイヤモンド状炭素膜の中でも高硬度の材料である。ダイナミック硬度では、約３０００ｋｇｆ（29419.95Ｎ）／ｍｍ2 以上、７０００ｋｇｆ（68646.55Ｎ）／ｍｍ2 以下とする。
【００２０】
こうした透明炭素膜は、マグネシウム合金やアルミニウム合金に対しても反応しにくく潤滑性にも優れるため、これを例えば金型に適用すると、成形された合金は型離れが良くなり歩留まりが向上する。また金型の損傷も少なくなる。膜中に含まれるグラファイト成分が少ないため、既に存在するグラファイト相を起点としたグラファイト化も進み難く、膜の寿命が延びて固有の特性が極めて長く持続する。
【００２１】
この透明炭素膜の炭素含有量について、９５ａｔ％以上と規定したのは、これ以下では炭素以外の元素を起点としたグラファイト化が進行しやすいためである。望ましくは炭素のみから構成されることがよい。ヌープ硬度に関しては、硬度３０００以下では、グラファイト成分が多い膜となるためこれ以上とし、７０００以上では表面粗度が大きくなるのでこれ以下とした。望ましくはヌープ硬度４０００以上がよい。
【００２２】
なお、透明炭素膜は、ダイヤモンドとは異なる材料である。ダイヤモンドは結晶質であり、硬さはビッカース硬度で約９０００以上である。電子線回折やＸ線回折では、ダイヤモンドからはダイヤモンド構造を反映した回折像が得られるが、透明炭素膜からは非晶質を反映したハローパターンとなる。ラマン分光分析では、ダイヤモンドでは１３３３ｃｍ-1付近にダイヤモンド構造に対応する狭いピークが見られるが、透明炭素膜では、１３５０ｃｍ-1付近と１５５０ｃｍ-1付近に数十〜２百ｃｍ-1の広いピーク構造を示す。屈折率は、ダイヤモンドは２．４程度であるが、 透明炭素膜は２．０〜２．３の間の値をとる。 薄膜の合成温度も、 ダイヤモンドは７００℃以上、一般には８００℃から１０００℃以上であるが、透明炭素膜は３５０℃以下である。ダイヤモンドの合成には１％前後のメタンなどの炭化水素ガスに、９９％程度の多量の水素ガスを導入して合成を行う。多量の原子状水素を発生させ、合成される膜中の非晶質成分をこの原子状水素と反応させて除去するためである。透明炭素膜の合成には固体炭素を原料として用いる。
【００２３】
金型を始めとするこの発明の被覆部材の母材は、機械構造用炭素鋼、合金鋼、工具鋼、ステンレス鋼、鋳鋼などの鋼材、超硬合金などが適用できる。窒化ケイ素、炭化ケイ素、ジルコニアなどのセラミックスを被覆部材の一部に使用することもある。
【００２４】
それらの母材表面には、メッキ層、または、 溶射層が形成されていてもよい。
メッキ層には、ＮｉやＣｒを主成分としたものなどがある。また、溶射層には、超硬合金やステライト、ジルコニアなどの酸化物セラミックスなどが適用できる。これらのメッキや溶射層は、硬質で化学的にも安定しているため、その上に被覆された透明炭素膜の寿命をさらに長くする効果がある。
【００２５】
透明炭素膜で被覆する前の部材の表面硬さは、使用目的・環境により種々選択され、可能な範囲で高い硬度が得られる材料を選択することが好ましい。傷などの損傷を防ぐためである。金型等の傷は、固化した状態のマグネシウム合金結晶やアルミニウム合金結晶が表面に接して流れるときに発生し易い。また、 金型等の補修時にも傷を付けやすい。
【００２６】
具体的な硬さは、完全溶融のマグネシウム合金、アルミニウム合金を成形するダイカスト鋳造用の金型などではＨｖ２００以上（ＨＲＣでは約１１以上）、半溶融状態のマグネシウム合金やアルミニウム合金を圧力を加えて成形するチクソモールド用の金型やアルミニウム合金の溶湯鍛造用金型などではＨｖ４５０以上（ＨＲＣでは約４５以上）、望ましくはＨｖ６００以上（ＨＲＣでは約５５以上）がよい。
【００２７】
被覆が施される下地面は、粗さ加工処理（平滑化処理）を施されていることが好ましい。 その下地面が粗さ処理の後に透明炭素膜で被覆される。
【００２８】
粗さ加工方法には、バフ仕上、ブラシ研磨、バレル研磨などがある。単純に粗さを小さくするというより、微小な鋭角を鈍角にすることが主目的である。これにより、応力が高い透明炭素膜の微小領域への応力集中が緩和される。また、より平滑な表面を得ることができ、成形時の合金の流動性向上に効果がある。
【００２９】
この発明で設ける透明炭素膜は、密度が２．８ｇ／ｃｍ3 以上、３．３ｇ／ｃｍ3 以下であることが望ましい。
【００３０】
ダイヤモンドの密度は３．５２ｇ／ｃｍ3 、グラファイトの密度は２．２５ｇ／ｃｍ3 である。ダイヤモンド状炭素膜はこの間の値を広くとる。この発明の透明炭素膜は、その中でもダイヤモンドよりの値であることが望ましい。密度が２．８ｇ／ｃｍ3 以下の炭素膜は、 水素などの炭素以外の成分が含まれていたり、グラファイト成分が多いことを示し、硬度が低く、耐熱性も小さい。また、密度が３．３ｇ／ｃｍ3 以上の炭素膜は、ダイヤモンド結晶を含む膜になり、表面粗度も大きくなる。なお、より望ましい密度は３．０ｇ／ｃｍ3 以上である。
【００３１】
また、その透明炭素膜は干渉色を呈することが望ましい。
【００３２】
透明炭素膜は、前述のようにグラファイト成分が少ないため透明であり、母材に被覆された状態では干渉色を呈する。一般的なダイヤモンド状炭素は膜中にグラファイト成分が多く褐色から黒色となる。
【００３３】
グラファイト成分が多いと、グラファイトの結晶を起点としてグラファイト化が進行しやすい。逆に、グラファイト成分が少なくて干渉色を呈する透明炭素膜は、グラファイト化がなかなか進行せず、寿命が長くなる。
【００３４】
また、干渉色を呈する透明炭素膜をあらかじめ被覆しておけば、透明炭素膜が温度などの影響でグラファイ卜化した場合、 色合が変わるため目視で被膜の状況が把握できるメリットがある。
【００３５】
干渉色の色調は、赤、 燈、黄、緑、青、紫などや、これらの中間色、これらが混ざった状態などさまざまな色をとりうる。色調は膜厚と屈折率および見る角度で変わるため本質的ではなく、どの色をとっても良い。また、透明色でもよいし、黒色や褐色、灰色がかった干渉色でも良い。
【００３６】
なお、透明炭素膜の透明度を透過率に換算する場合、１μｍの膜厚での可視光の平均透過率が３０％以上であることを目安とするとよい。
【００３７】
透明炭素膜の膜厚は、０．６μｍ以上５μｍ以下が好ましい。０．６μｍ以下では固化しかけた高圧のマグネシウム合金、アルミニウム合金から受ける外力に対して弱く、被覆が損傷し易くなる。好ましくは１．０μｍ以上が良い。 また、５．０μｍ以上では膜そのものが有する内部応力が高く、剥離しやすくなる。一般的に使用する範囲では２．０μｍ以下でよい。
【００３８】
透明炭素膜の表面粗さは、 Ｒａ０．００５μｍ以上０．２μｍ以下であることが望ましい。
【００３９】
透明炭素膜の表面粗さをＲａ０．００５μｍ以下とするのは加工上困難である。また、Ｒａ０．２μｍ以上では、面粗度が大きすぎ、マグネシウム合金やアルミニウム合金の固着が発生し易くなる。さらに好ましい面粗度はＲａ０．１μｍ以下である。
【００４０】
参考として、Ｒｚでは０．０５μｍ以上１μｍ以下（好ましくは０．５μｍ以下）、Ｒｍａｘでは０．１μｍ以上２μｍ以下（好ましくは１μｍ以下）を目安とするとよい。
【００４１】
透明炭素膜で被覆される母材の表面はできる限り平滑であることが望ましい。金型の成形面の場合には、特に、母材表面に深さ５μｍ以上１００μｍ以下で幅が深さの１０倍以下の凹部が無いことが望ましい。
【００４２】
こうした凹部があると、 その部分に成形対象のマグネシウム合金やアルミニウム合金が固着しやすくなる。 深さが５μｍ以下又は１００μｍ以上、或いは幅が深さの１０倍以上であれば、成形対象合金が固着することはほとんど無い。 なお、深さが２〜１００μｍ、幅は深さの２０倍以内の凹部が存在しない面にするとより好ましい。
【００４３】
透明炭素膜の製法は、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法等が適用できる。
【００４４】
これらの方法は、グラフアイトなど１００％炭素成分からなる材料を原料とすることが出来るため、合成される透明炭素膜の炭素濃度は原理的には１００ａｔ％となりうる。
【００４５】
イオンプレーティング法は、固体炭素源を原料とし、電子ビーム蒸発と各種励起源を組み合わせたものや、ＨＣＤ（ホロカソード）イオンプレーティング法、カソードアークイオンプレーティング法などがある。スパッタリング法も、固体炭素源を原料とし、マグネトロンスパツタ、ＤＣスパッタ、パルスＤＣスパッタ、非平衡マグネトロンスバッタなどがある。レーザーアブレーション法は、レーザー照射にて固体炭素を気化して基材上（母材金属）に成膜する手法である。 必要に応じ、これらの方法を複数組み合わせて用いてもよい。 表面の平滑性を重視する場合、偏向磁場を利用して粗大粒子が膜中に取り込まれないようにするとよい。
【００４６】
いずれの手法も、基板温度は４５０℃以下で成膜される。７００℃以上の高温で合成される結晶質ダイヤモンドとは異なる。基材の変形、 硬度低下などを避けるため低温で処理することが望ましく、２５０℃以下、できれば基材の焼き戻し温度以下が望ましい。
【００４７】
透明炭素膜は、母材との間にＢ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、またはこれらの炭化物、窒化物、炭窒化物のうち、少なくとも１種以上の物質からなる中間層を設けることで、密着性を向上させることが出来る。
【００４８】
これ等の金属または金属化合物は、母材と透明炭素膜との両方に対する親和性が高いため付着強度を向上させるのに効果があると考えられる。
【００４９】
また、母材と透明炭素膜との間に形成される上記中間層の厚さは、０．５ｎｍ以上、５ｎｍ以下とする。
【００５０】
０．５ｎｍ以下では母材表面を１原子層以上覆うことが出来ない。上限に関しては５ｎｍ以上でも密着性の向上は見られるが  厚い層にすると金型等の部材の使用回数が増えるにつれて中間層部分に疲労による剥離が起こるため、５ｎｍ以下の薄い層がよく、さらに好ましくは１ｎｍ未満がよい。
【００５１】
また、母材と透明炭素膜との間の中間層は、その少なくとも母材側が、（１）母材材料と（２）Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの中から選ばれた１種以上の物質とからなる、（１）と（２）の混合層を形成することで密着性が格段に向上する。
【００５２】
厚さを持った混合層とすることで、母材と中間層、母材と透明炭素膜との密着性がより強固になると考えられる。
【００５３】
上記混合層の厚さは、０．５ｎｍ以上、５ｎｍ以下とする。
【００５４】
０．５ｎｍ以下では厚さ方向に１原子層以上の混合層を形成することが出来ない。上限に関しては、５ｎｍ以上の混合層を形成しても効果は得られるが、その手法が複雑になったり高価な設備を要するようになる。よって、５ｎｍ以下にする。
【００５５】
以上、本発明では母材と透明炭素膜との間の構造は、下記の様なものをとりうる。即ち、母材側から、
・母材→中間層→透明炭素膜
・母材→母材材料と中間層材料との混合層→中間層材料→透明炭素膜
・母材→母材材料と中間層材料との混合層→透明炭素膜
などである。
【００５６】
この中間層または混合層は、プラズマＣＶＤ法、イオンプレーティング法、 スパッタリング法、レーザーアブレーション法のいずれかで形成出来る。これ等は透明炭素膜の合成法と組み合わせやすい手法で合成するのが好ましい。また、複数の手法を組み合わせて用いてもよい。 特に好ましいのはカソードアークイオンプレーティング法である。混合層を形成する場合は、基板に印加するバイアス電圧を高めに設定する等の方法が適用できる。例えば−４００Ｖ以上−３０ｋＶ以下の範囲の電圧が適用できる。
【００５７】
さらに高い性能を要求する場合、離型性に優れた透明炭素膜でも、表面のごく微小な凹凸がマグネシウム合金やアルミニウム合金の固着の原因となることがあるのでこれをなくすことが重要である。そこで、 透明炭素膜を被覆した後に、被膜の表面を平滑化仕上げ加工するとより効果的でらる。
【００５８】
特に寿命を考慮して比較的膜厚を厚くする場合や、透明炭素膜を粗大粒子を取り込みやすいカソードアークイオンプレーティング法、レーザーアブレーション法などで成膜する場合にその効果は顕著である。
【００５９】
面粗さの加工方法には、 バフ仕上、ブラシ研磨、バレル研磨などがある。 単純に粗さを小さくするというより、微小な鋭角を鈍角にすることが主目的である。
【００６０】
研磨後の面粗さは、目安としてＲａ０．００５μｍ以上、０．１μｍ以下、より好ましくはＲａ０．０５μｍ以下がよい。０．００５μｍ以下は加工が困難である。０．１μｍより粗くても構わないがより固着を小さくするには０．１μｍ以下がよい。
【００６１】
この発明は、マグネシウム合金、アルミニウム合金の重力金型鋳造、低圧金型鋳造、ダイカスト鋳造、溶湯鍛造、チクソモールド法のいずれかを行う成形機の特に金型等に使用すると効果的である。
【００６２】
【発明の実施の形態】
図１〜図３に、この発明の部材の部材の要部の断面を示す。中間層のある図３がこの発明の部材である。図１は、金型等の母材であり、この母材の成形対象合金との接触が起こる表面、例えば金型の成形面に透明炭素膜２が被覆される。母材１と透明炭素膜２との間には、既述のメッキ層又は溶射層３（図２）を設けても良い。また、この発明を特徴づけるものとして、透明炭素膜２の付着性を高める中間層４（図３参照）を設ける。必要に応じて、透明炭素膜２を付着させる下地面や透明炭素膜２の表面の平滑化処理を行うこともある。なお、透明炭素膜２は、成形対象合金の固着が起こり易い部位のみに特定して（成形面等の一部にのみ）設けても効果がある。
【００６３】
【実施例１】
各種手法で超硬合金基板上に合成した炭素膜を熱処理して膜の変化を比較した。
【００６４】
成膜には、ＲＦプラズマＣＶＤ法、イオン化蒸着法、ホロカソード（ＨＣＤ）プラズマＣＶＤ法、非平衡型マグネトロンスパッタリング法、カソードアークイオンプレーティング法、レーザーアブレーション法を適用した。
【００６５】
ＲＦプラズマＣＶＤ法では、原料にメタンガスを適用した。基板に１３．５６ＭＨｚの高周波を印加してＲＦプラズマを発生させ、原料ガスを分解して基板上に成膜した。
【００６６】
イオン化蒸着法では、メタンを原料とした。イオン化源でメタンプラズマを発生させ、それを基板上に照射して成膜した。
【００６７】
非平衡型マグネトロンスパツタリング法（ＵＢＭ法）では、原料に固体カーボンターゲット、または固体カーボンとシリコンターゲットを適用した。雰囲気中にはアルゴンガス、またはアルゴンとメタンの混合ガスを導入し、 ターゲットに負の直流電圧を印加して放電を起こさせた。 ターゲット表面よりスパッタされ、プラズマ中で活性化した炭素イオンが、プラズマ雰囲気中の炭素イオン、炭化水素イオンとともに基板上で反応して成膜した。
【００６８】
カソードアークイオンプレーティング法では、原料に固体カーボンターゲットを適用した。ターゲットに負の電位を印加してアーク放電を発生させ、そのエネルギーで表面の炭素を蒸発、プラズマ化し基板上に成膜した。
【００６９】
レーザーアブレーション法では、原料に固体カーボンターゲットを適用した。ターゲットにレーザーを照射してそのエネルギーで表面の炭素を蒸発、プラズマ化し基板上に成膜した。
【００７０】
試験後は、６００℃の窒素ガス雰囲気中で２時間保持し、試験前後の硬度、外観の比較を行った。
【００７１】
結果を表１に示す。干渉色を呈する透明炭素膜は試験前後で硬度の変化が見られなかった。一方、褐色または黒色のグラファイト成分を含むダイヤモンド状炭素膜は試験後に硬度が低下するか、または膜が完全に無くなったり粉状になっていた。グラファイト成分の有無が耐熱性に大きく影響したものと考えられる。
【００７２】
【実施例２】
各種金型の成形面に透明炭素膜の被覆処理を施し、マグネシウム合金ＡＺ９１Ｄとアルミニウム合金ＡＤＣ１２の成形を行なった。 金型の母材、被覆処理した透明炭素膜、中間層、混合層の詳細を表２（ａ）〜表２（ｄ）にまとめた。
【００７３】
金型は、ＳＫＤ６１、超硬合金、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４、ＮｉまたはＣｒメッキを施したＳＵＳ３０４の各種材料を母材とした。それぞれの母材の硬さは、ビッカース硬度で示し、必要に応じてロックウェル硬度Ｃスケールまたはブリネル硬度を併記した。
【００７４】
透明炭素膜は、カソードアークイオンプレーティング法、非平衡型マグネトロンスパツタリング（ＵＢＭ）法、 及びレーザーアブレーション法で合成した。製法は、実施例１に準ずる。
【００７５】
また、比較例として、ＴｉＮ、透明でない（干渉色を呈しない）ダイヤモンド状炭素膜、結晶質ダイヤモンドを合成した。ＴｉＮはカソードアークイオンプレーティング法で合成した。透明でないダイヤモンド状炭素膜は、ＲＦプラズマＣＶＤ法とカソードアークイオンプレーティング法で合成した。結晶質ダイヤモンドはマイクロ波プラズマＣＶＤ法で合成した。
【００７６】
中間層または混合層は、あるものと無いものを作製した。本実施例で適用した材料は、シリコン、モリブデン、クロム、窒化チタン、炭化クロム、炭化タングステンである。これらは、カソードアークイオンプレーティング法、非平衡型マグネトロンスパッタリング法、レーザーアブレーション法、マグネトロンスパツタ法を適用し、膜厚は、０．３から２０ｎｍの範囲とした。
【００７７】
いずれの手法でも、結晶質ダイヤモンドの場合を除き、成膜時の基材温度は１５０〜２５０℃の範囲とした。膜厚は、０．１μｍから５．５μｍまでの範囲とした。表面粗さは、成膜後に得られたままの粗さのほかに、成膜後に研磨加工を加えたものも作製した。
【００７８】
性能は、実際にマグネシウム合金とアルミニウム合金を成形して評価した。評価結果を表３（ａ）、 表３（ｂ）に示す。適用した成形方法は、マグネシウム合金についてはチクソモールド法、アルミニウム合金についてはダイカスト鋳造法である。
【００７９】
評価項目は寿命と良品率とした。寿命は、未コートの金型が使用できなくなるショット数を１としたときの相対値で示し、良品率は、それぞれの金型の寿命までの平均値で示している。
【００８０】
結果は、表３（ａ）、（ｂ）に示す様に、透明炭素膜を被覆することで性能が大幅に向上することがわかる。本実施例の中では、最低でも１０倍、最大では２０倍以上の寿命が得られている。金型表面におけるマグネシウム合金やアルミニウム合金の固着が大きく減少したことと、透明炭素層が硬質の保護層として機能したため、金型の損傷が大きく減少したと考えられる。
【００８１】
良品率も、未コートで８０％以下であったものが、ほとんどは９５％以上まで向上した。従来見られた金型表面への固着に起因する不良や、金型表面の流動性不良によるしわなどが大幅に減少したことが確認された。
【００８２】
【実施例３】
金型の成形面に透明炭素膜の被覆処理を施し、マグネシウム合金ＡＺ９１Ｄのダイカスト鋳造、および溶湯鍛造成形を行った。 また、同一材質の金型に同一透明炭素膜の被覆処理を施し、アルミニウム合金ＡＤＣ１２の溶湯鍛造成形及び低圧金型鋳造成形を行った。金型の母材、被覆処理した透明炭素膜、中間層、混合層、および成形時の性能を表４、表５にまとめた。いずれの成形加工においても、寿命、歩留まりとも透明炭素膜の被覆効果が見られる。
【００８３】
【実施例４】
自動車のハンドルを成形するＳＫＤ１１からなるダイカスト鋳造用金型に、カソードアークイオンプレーティング法による透明炭素膜を被覆した。 硬度はＨｋ４３００、 膜厚は１．５μｍ、炭素が１００ａｔ％の透明炭素膜を適用した。 これを用いてマグネシウム合金ＡＺ９１Ｄの成形を行ったところ未コートの金型と比較して、 寿命は８倍となり、歩留まりは８７％から９９％に向上した。
【００８４】
【表１】
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【００８５】
【表２（ａ）】
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【００８６】
【表２（ｂ）】
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【００８７】
【表２（ｃ）】
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【００８８】
【表２（ｄ）】
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【００８９】
【表３（ａ）】
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【００９０】
【表３（ｂ）】
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【００９１】
【表４】
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【００９２】
【表５】
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【００９３】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明では、金型を始めとした成形機用部材の表面に、水素を含まず、グラファイト成分の含有も規制された透明炭素膜を設けたので、成形対象合金（マグネシウム合金又はアルミニウム合金）の固着、合金の接触による部材表面の損傷等が長期にわたって防止され、合金のスムーズな流動による成形の安定化、成形の歩留まり向上の効果が得られる。
【００９４】
なお、母材の表面に硬質のメッキ層や溶射層を設けるものは、表面硬度を高めて部材の耐久性をより向上させることができ、また、母材と透明炭素膜との間に中間層を設けたものは、透明炭素膜の付着性を良くしてその膜の特性を安定して持続させることができる。
【００９５】
また、母材や透明炭素膜の表面の平滑化処理を行ったものは、合金の固着防止の効果がより一層向上する。
【００９６】
このほか、透明炭素膜が干渉色を呈するものは、その膜の色の変化によって膜の性状変化等を目視把握できるメリットもある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の部材の要部（中間層省略）を拡大して示す断面図
【図２】メッキ層又は溶射層を設けた例（中間層省略）を示す断面図
【図３】中間層を設けたこの発明の部材の一例を示す断面図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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