(57)【要約】【課題】金属の成形方法および成形用金型において、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有するＺｒ基合金の非晶質合金を成形する場合に成形用金型の劣化を抑制し成形用金型の耐久性を向上することができるようにする。【解決手段】溶湯と触れる表面の少なくとも一部にＴｉ単体、Ｔｉ化合物、またはＴｉ単体とＴｉ化合物との混合体からなる薄膜６を有する金型３を用いて、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有する非晶質合金となるＺｒ基合金の金属材料の溶湯を、金型３内に充填することにより金属材料の臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却して固化させ非晶質合金の成形品を形成することを特徴とする金属の成形方法を用いる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯と触れる表面の少なくとも一部にＴｉ（チタン）単体、Ｔｉ化合物、またはＴｉ単体とＴｉ化合物との混合体からなる薄膜層を有する成形用金型を用いて、
２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有する非晶質合金となるＺｒ（ジルコニウム）基合金の金属材料の溶湯を、前記成形用金型内に充填することにより前記金属材料の臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却して固化させ前記非晶質合金の成形品を形成する
ことを特徴とする金属の成形方法。
【請求項２】
前記薄膜層は、少なくとも表面が、前記Ｚｒ基合金の金属材料が結晶化する場合の結晶構造と異なる結晶構造またはアモルファス構造になっている
ことを特徴とする請求項１に記載の金属の成形方法。
【請求項３】
前記Ｔｉ化合物は、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＯ２、ＴｉＣ、およびＴｉＡｌＳｉＣＯＮのうちから選ばれた１以上の化合物から構成される
ことを特徴とする請求項１または２に記載の金属の成形方法。
【請求項４】
前記成形用金型を回転させた状態として、前記成形用金型内に前記溶湯を導入し、遠心力により前記成形用金型内に充填して前記成形品を形成する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の金属の成形方法。
【請求項５】
２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有する非晶質合金となるＺｒ（ジルコニウム）基合金の金属材料の溶湯を充填して、前記非晶質合金の成形品を形成する成形用金型であって、
溶湯と触れる表面の少なくとも一部にＴｉ（チタン）単体、Ｔｉ化合物、またはＴｉ単体とＴｉ化合物との混合体からなる薄膜層を有する
ことを特徴とする成形用金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の成形方法および成形用金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有し金属ガラスとも称される非晶質合金の金属材料の溶湯を成形用金型に充填し、この金属材料の臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却することにより成形を行う金属の成形方法が知られている。このような金属ガラスとなる金属材料は一般に融点が高いため、溶湯も高温となる。例えば、Ｚｒ基合金を用いた成形では、Ｚｒ基合金の組成にもよるが、溶湯の温度は約１０００℃以上にする必要がある。
このような成形に用いる成形用金型は、熱衝撃を繰り返し受けるため、熱による劣化が進みやすい。
また、金属ガラスは、転写性が良好であるため、成形用金型に密着しやすく、離型性が悪くなる場合がある。この結果、金属ガラスが成形用金型に焼き付いたり、張り付いたりする場合がある。
このように、成形用金型の保護、離型性の向上のため、成形用金型において溶湯と接触する表面には種々の薄膜がコーティングされることが多い。例えば、特許文献１には、種々の金属ガラスによってフェルールを成形するための中子部材において、離型性を向上するため、ＴｉＮ、ＣｒＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＢＮ等をコーティングしたり、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｚｎ、ＭｏＳ２等の被膜を形成したりする技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１１３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の金属の成形方法には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術は、交換が容易かつ安価であるため低寿命でもよい中子部材の離型性を改善する技術であり、いずれのコーティング膜も成形の繰り返しによって劣化が進んでいくことは避けられない。このため、高価な金型本体の寿命をさらに向上できるコーティング技術が強く求められている。
また、特許文献１には、金属ガラスのうち、Ｚｒ基合金に特に好適となるコーティング技術については何ら開示されていない。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有するＺｒ基合金の非晶質合金を成形する場合に成形用金型の劣化を抑制し成形用金型の耐久性を向上することができる金属の成形方法および成形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】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の金属の成形方法は、溶湯と触れる表面の少なくとも一部にＴｉ（チタン）単体、Ｔｉ化合物、またはＴｉ単体とＴｉ化合物との混合体からなる薄膜層を有する成形用金型を用いて、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有する非晶質合金となるＺｒ（ジルコニウム）基合金の金属材料の溶湯を、前記成形用金型内に充填することにより前記金属材料の臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却して固化させ前記非晶質合金の成形品を形成する方法とする。
【０００７】
また、本発明においては、前記薄膜層は、少なくとも表面が、前記Ｚｒ基合金の金属材料が結晶化する場合の結晶構造と異なる結晶構造またはアモルファス構造になっていることが好ましい。
【０００８】
また、本発明においては、前記Ｔｉ化合物は、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＯ２、ＴｉＣ、およびＴｉＡｌＳｉＣＯＮのうちから選ばれた１以上の化合物から構成されることが好ましい。
【０００９】
また、本発明においては、前記成形用金型を回転させた状態として、前記成形用金型内に前記溶湯を導入し、遠心力により前記成形用金型内に充填して前記成形品を形成することが好ましい。
【００１０】
本発明の成形用金型は、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有する非晶質合金となるＺｒ基合金の金属材料の溶湯を充填して、前記非晶質合金の成形品を形成する成形用金型であって、溶湯と触れる表面の少なくとも一部にＴｉ単体、Ｔｉ化合物、またはＴｉ単体とＴｉ化合物との混合体からなる薄膜層を有する構成とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の金属の成形方法および成形用金型によれば、溶湯と触れる表面の少なくとも一部にＴｉ単体、Ｔｉ化合物、またはＴｉ単体とＴｉ化合物との混合体からなる薄膜層を有する成形用金型を用いるため、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有する非晶質合金を成形する場合に、成形用金型の劣化を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る金属の成形方法に用いる成形システムの模式的なシステム構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る金属の成形方法に用いる成形用金型の模式的な断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る金属の成形方法の工程フローを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態に係る金属の成形方法について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る金属の成形方法に用いる成形システムの模式的なシステム構成図である。図２は、本発明の実施形態に係る金属の成形方法に用いる成形用金型の模式的な断面図である。
【００１４】
まず、本実施形態の金属の成形方法に用いる成形システムについて説明する。
本実施形態に用いる成形システム１は、遠心鋳造法により、溶湯Ｍを臨界冷却速度以上の冷却速度で急冷して固化させ、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有するＺｒ基合金の非晶質合金の成形品を形成するものである。
本明細書の「Ｚｒ基合金」とは、合金の組成（ａｔｍ％）において、Ｚｒの組成が最も大きい合金、すなわち合金の主成分がＺｒである合金を意味する。
【００１５】
金属ガラスとは、非晶質合金のうち昇温時にガラス転移点が明瞭に観察されるもので、ガラス転移点から結晶化温度までの間の過冷却液体領域の温度幅、すなわちガラス遷移領域が２０Ｋ以上ある合金のことである。
金属ガラスは、一定組成を有する金属の母材料を溶融して、母材料合金の溶湯を形成し、この溶湯を母材料合金の臨界冷却速度以上の冷却速度で母材料合金のガラス転移点以下に冷却して非晶質化することにより形成される。
Ｚｒ基合金の金属ガラスの具体例としては、例えば、組成（ａｔｍ％）が、Ｚｒ６５Ａｌ１７．５Ｃｕ２７．５、Ｚｒ５５Ａｌ１０Ｃｕ３０Ｎｉ５などの例を挙げることができる。これらの非晶質合金材料は、Ｚｒを主成分とするため、成形転写性に優れ複雑形状の成形が容易である。また、ニッケル（Ｎｉ）を添加している例では耐薬品性にも優れる。
なお、上記に例示したＺｒ基合金は、結晶化した場合にはいずれも体心立方構造（ｂｃｃ）をとることが知られている。
この他のＺｒ基合金の結晶構造は、具体的な組成によっても異なるが、主なものとしては、Ｚｒ結晶の六方最密構造（ｈｐｃ）、Ｚｒ２Ｎｉ結晶の面心立方構造（ｆｃｃ）を挙げることができる。
【００１６】
成形システム１の概略構成は、図１に示すように、金型３（成形用金型）と、金型３を回転するモータ７と、内部を真空状態または不活性ガスが注入された低圧雰囲気に調整可能なチャンバー２と、高周波加熱コイル９と、高周波電源１０と、ロータリポンプ１２と、ターボポンプ１３と、不活性ガス供給部１１とを備える。
このうち、金型３および高周波加熱コイル９はチャンバー２の内部に配置され、モータ７、高周波電源１０、不活性ガス供給部１１、ロータリポンプ１２、およびターボポンプ１３は、チャンバー２の外部に配置されている。
なお、図示は省略するが、成形システム１は、従来の高周波加熱を用いた遠心鋳造法と同様に、高周波加熱コイル９の内側に形成される溶湯Ｍの温度測定手段、例えば、放射温度計等を備えている。
【００１７】
金型３は、図２に示すように、金型ホルダ４の内部に、溶湯を冷却固化させて成形品を形成する金型本体５を着脱可能に収容した部材である。特に図示しないが、金型ホルダ４の平面視形状は円形とされている。
また金型３の底部の中心には、図１に示すように、チャンバー２の底部の外側にシール８を介して固定されたモータ７の回転軸７ａの上端部が着脱可能に連結されている。これにより、モータ７を回転させることによって、金型３をその中心軸回りに回転できるようになっている。
【００１８】
金型ホルダ４の上面の中心部には、図２に示すように、後述する高周波加熱コイル９によって形成された溶湯Ｍを金型３の内部に導入する開口である溶湯導入口４ａが形成されている。
溶湯導入口４ａの下方には、金型ホルダ４の中心軸に沿って鉛直方向に延ばされてから金型ホルダ４の径方向に沿う水平方向に延ばされたＬ字状の穴部からなる溶湯受け部４ｂが設けられている。
溶湯受け部４ｂの径方向の端部には、金型本体５を着脱可能に収容する金型本体保持部４ｅが設けられている。
【００１９】
金型本体５は、成形品の形状を転写する成形面５ｃに囲まれた穴部であるキャビティ５ｄを内部に備え、金型本体保持部４ｅに収容されたときに、溶湯受け部４ｂの径方向の先端部に面する金型本体側面５ｂにキャビティ５ｄと水平方向に連通する溶湯注入孔５ａが設けられたブロック状部材である。
なお、図２は模式図のため、金型ホルダ４および金型本体５がそれぞれ一部材で構成しているように描いているが、キャビティ５ｄ内で固化した成形品を脱型するため、複数の金型部材に分割できるようになっている。
【００２０】
金型３の材質としては、溶湯Ｍをその金属材料の臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却できる熱伝導率および熱容量を有する適宜の金属材料を採用することができる。例えば、ＳＫＤ６１、ＳＵＳ４２０、超硬合金（ＷＣ）などの金属材料を採用することができる。他の金属材料としては、硬度と耐熱性に優れるステンレス鋼、金型鋼、工具鋼、耐熱鋼などを採用することができる。具体的には、クロム合金ステンレス工具鋼であるＳＴＡＶＡＸ（登録商標）や温熱間鍛造型用鋼ＹＸＲ３３（商品名；日立金属（株）製）などの例を挙げることができる。
また、金型３において、溶湯Ｍが接触する可能性のある部位の少なくとも一部には、成形品の離型性を向上し金型３の表面を保護するための薄膜６（薄膜層）が成膜されている。薄膜６は溶湯Ｍが触れる型表面のうち、少なくとも型の劣化を回避したい部位に設ければよく、例えば、成形面全体、あるいは成形面のうち特に劣化しやすい部分に設けることができる。また、成形面以外の溶湯Ｍと接触する部位にも適宜設けることができる。本実施形態では、薄膜６は、金型ホルダ４では、溶湯受け部４ｂにおける受け部内壁面４ｃ、および受け部底面４ｄに形成されている。また、金型本体５では、溶湯受け部４ｂに臨む金型本体側面５ｂ、溶湯注入孔５ａ、および成形面５ｃに成膜されている。
【００２１】
薄膜６を構成する材料としては、Ｔｉ単体、Ｔｉ化合物、またはＴｉ単体とＴｉ化合物との混合体を採用することができる。
Ｔｉ化合物としては、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＯ２、ＴｉＣ、およびＴｉＡｌＳｉＣＯＮのうちから選ばれた１以上の化合物から構成されることが好ましい。ただし、Ｔｉ化合物は、これらに限定されるものではなく、例えば、ＴｉＣＮなどの他のＴｉ化合物も好適である。
なお、ＴｉＮは高温で酸化されやすい性質があるが、後述するように本実施形態の成形方法では、Ｚｒ基合金の金属ガラスの鋳造は高真空またはＡｒなどの不活性雰囲気で行うため、ＴｉＮも好適である。
【００２２】
Ｔｉ元素は、Ｚｒ元素と同じ第４族元素であって化学的な性質が似ているため、Ｔｉ単体、Ｔｉ化合物、またはＴｉ単体とＴｉ化合物との混合体からなる薄膜６は、Ｚｒ基合金の成形ではＺｒ基合金中のＺｒと反応性して劣化が進行しやすいと予想されるが、本発明者が種々実験したところ、このような予想に反し、種々の金属ガラスのうちでも特にＺｒ基合金に対して離型性が良好となり、成形用金型の劣化が抑制されることを見出した。
【００２３】
Ｚｒは、Ｚｒ単体で結晶金属を構成するだけでなく、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｂ（アンチモン）などと反応してＺｒＣｕ、ＺｒＮｉ、ＺｒＳｂ、などの金属間化合物を形成する性質がある。また、他には、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｆｅ（鉄）、Ａｌなどとも同様に反応する。
一方、ＴｉとＺｒにはそのような性質が少なく、互いに反応しないだけでなく、溶融したＺｒのＺｒ原子がＴｉ化合物の中に拡散していくような拡散現象も見られないことが判った。
このように、Ｚｒは、上記Ｃｕ等の他の金属原子に比べてＴｉとの反応性が低いため、Ｚｒ基合金の溶湯Ｍにおいても、Ｔｉ単体やＴｉ化合物との反応性が低くなると考えられる。
【００２４】
また、本発明者は、同様の実験において成形用金型の保護膜として、薄膜６以外の構成も種々組み合わせたところ、金属ガラスとして成形された成形品の非晶質性の良否が、保護膜の結晶構造と密接に関係していることを見出した。
すなわち、保護膜の結晶構造がＺｒ基合金の金属材料が結晶化する場合の結晶構造と同じであると、保護膜と接触した金属材料に結晶化が誘発され、成形品の表面の一部が結晶化してしまう。このため、非晶質合金としての金属ガラスの高硬度、耐腐食性といった特性が結晶化した部分では失われることになる。
そこで、薄膜６は、上記材料であって、少なくとも表面が、Ｚｒ基合金の金属材料が結晶化する場合の結晶構造と異なる結晶構造またはアモルファス構造になっていることが好ましい。
【００２５】
例えば、Ｔｉ単体の結晶構造は、常温常圧で六方最密構造であるが、８８２℃以上で体心立方構造に変わる。
ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、およびＴｉＡｌＳｉＣＯＮの結晶構造は、面心立方構造をとることができる。
また、ＴｉＮの結晶構造は、正方晶系のε−ＴｉＮと立方晶系のδ−ＴｉＮとを、適宜成膜方法により選択できる。
ＴｉＯ２の結晶構造は、正方晶系のルチル型あるいはアナターゼ型を成膜条件によって選択できる。
また、いずれのＴｉ化合物も、例えばスパッタリングなどによって薄膜６を形成することにより、アモルファス構造とすることが可能である。
【００２６】
薄膜６の成膜方法は、薄膜６の材質や目標とする結晶構造に応じて適宜の成膜方法を採用することができる。例えば、化学気相成長（ＣＶＤ）、物理気相成長（ＰＶＤ）などを採用することができる。ＣＶＤによれば、成膜条件によって特定の結晶構造を実現できる。また、ＰＶＤによれば、アモルファス構造を実現できる。
薄膜６の膜厚は、材質に応じた耐久性を考慮して適宜厚さに設定することができる。例えば、０．５μｍ〜５０μｍとすることが好ましく、１μｍ〜６μｍとすることがより好ましい。
このような膜厚範囲は、例えば、内視鏡先枠等の精密機械部品に要求される寸法許容誤差としての代表的な例である±０．０３ｍｍ（３０μｍ）に比べて充分薄くなっている。したがって、このような精密機械部品を成形する場合には、成形面５ｃを加工する際、薄膜６による形状変化を考慮することなく加工することができるため、金型本体５の製造が容易になる。
また、薄膜６の膜厚をこのように薄くできるため熱抵抗を低減することができる。このため、溶湯Ｍの冷却が阻害されにくくなり、金属ガラスの鋳造成形に特に好適である。
また、薄膜６の膜厚が厚くなりすぎると、熱膨張による膜応力の影響によって、耐久性が悪化するため、上記のように５０μｍを超えないことが好ましい。
一方、ＴｉおよびＴｉ化合物の系の薄膜は、硬度が高いために、基材の変形への追従性がやや悪いことや膜応力が大きくなることが想定される。従って、膜厚が薄すぎる場合には膜のクラックが発生しやすいことが懸念されるため、膜厚は０．５μｍを下回らないことが好ましい。
【００２７】
高周波加熱コイル９は、図１に示すように、遠心鋳造を行うための金属材料を電磁誘導加熱して溶湯Ｍを得るためのもので、例えば水などの冷媒を通す冷媒流路が内部に設けられた金属管によって形成されたコイルである。本実施形態では、溶湯Ｍを誘導浮遊させるため、上半部と下半部とでは巻き方向が反対とされ、巻き径がそれぞれ上端と下端とに向かうにつれて縮径された構造を備える。
また、高周波加熱コイル９の上端および下端からそれぞれ延ばされた金属管９ａ、９ｂは、チャンバー２の外部に導かれ、図示略の冷媒供給管路に接続されるとともに、高周波電源１０と電気的に接続されている。
高周波加熱コイル９は、金型３の中心部の上方において、高周波加熱コイル９の下端側の開口の中心が金型３における溶湯導入口４ａの中心を通る鉛直軸上に位置するように配置されている。
【００２８】
ロータリポンプ１２は、チャンバー２内の雰囲気を粗引きして、例えば、１０Ｐａ程度の真空度に減圧するための真空ポンプであり、吸引管路１４を介してチャンバー２に連結されている。
ターボポンプ１３は、チャンバー２をロータリポンプ１２によって減圧した後、チャンバー２内の雰囲気を本引きして、例えば、１．０×１０−２Ｐａ〜１．０×１０−４Ｐａ程度の真空度に減圧するためのターボ分子ポンプからなる真空ポンプである。ターボポンプ１３は、チャンバー２とロータリポンプ１２との間に設けられた吸引管路１５の中間部に設けられている。
【００２９】
不活性ガス供給部１１は、ターボポンプ１３によってチャンバー２の真空度が高められた後に、例えば、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ２）などの不活性ガスをチャンバー２内に供給するもので、ガス供給管路１６を介して、チャンバー２に接続されている。
【００３０】
次に、本実施形態の金属の成形方法について説明する。
図３は、本発明の実施形態に係る金属の成形方法の工程フローを示すフローチャートである。
【００３１】
本実施形態の金属の成形方法は、薄膜６を溶湯Ｍと触れる表面の少なくとも一部に有する金型３を用いて溶湯Ｍを固化させて、金属ガラスの成形品を成形する方法である。
溶湯Ｍを固化させる手段は、溶湯Ｍが金属ガラスとなるように、溶湯Ｍの金属材料の臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却して固化させることができれば特に限定されず、従来の金属ガラスの成形方法と同様な適宜の手段を採用することができる。
本実施形態では、成形システム１を用いて遠心鋳造法によって固化させる場合の例で説明する。
本実施形態の金属の成形方法は、図３に示すように、金型設置工程Ｓ１、真空置換工程Ｓ２、成形工程Ｓ３、および成形品取り出し工程Ｓ４を行う方法である。
【００３２】
金型設置工程Ｓ１は、金型３をチャンバー２の内部に設置する工程である。本工程では、金型ホルダ４に金型本体５を収容して金型３を組み立て、大気開放したチャンバー２内で回転軸７ａの上端部に固定する。
【００３３】
次に、真空置換工程Ｓ２を行う。本工程は、金型３の置かれたチャンバー２内の雰囲気を真空置換する工程である。ここで真空置換するとは、チャンバー２内の雰囲気を排気して、圧力が０．１Ｐａ以下、より好ましくは１．０×１０−３Ｐａ以下の高真空の雰囲気を形成する置換、または、同様の高真空の雰囲気を形成した後に不活性ガスを導入して不活性ガス雰囲気を形成することを意味する。
本実施形態では、まず、ロータリポンプ１２によって、チャンバー２内の雰囲気を粗引きし、チャンバー２内の真空度が１０Ｐａ程度となるように減圧する。次に、この状態からさらにターボポンプ１３を駆動して、本引きを行い、チャンバー２内の真空度を高める。本実施形態では、真空度が１．０×１０−３Ｐａとなるように減圧する。
このように真空置換を行うことにより、チャンバー２内に残留する酸素量がきわめて少なくなる。また、溶湯受け部４ｂやキャビティ５ｄは、チャンバー２と連通しているため、溶湯受け部４ｂやキャビティ５ｄ内の酸素濃度も同様なレベルに低減される。
【００３４】
次に、本実施形態では、不活性ガス供給部１１から純度９９．９９９９％のＡｒガスをチャンバー２内に供給し、チャンバー２内に大気圧程度のＡｒガス雰囲気を形成する。
このようにチャンバー２内に高真空の雰囲気を形成してから、さらに純度のＡｒガス置換を行うことにより、単に大気圧に近い圧力を保った状態でＡｒガスをチャンバー２内に供給してＡｒガス置換を行う場合に比べて、チャンバー２内に残留する酸素濃度を格段に低減することができる。
【００３５】
次に、成形工程Ｓ３を行う。本工程は、遠心鋳造法によって、金属ガラスの成形を行う工程である。
まず、高周波加熱コイル９の内側に成形に必要な量の金属材料を配置し、高周波加熱コイル９に冷媒を流して高周波加熱コイル９を冷却しつつ、高周波加熱コイル９に高周波電流を通電する。
これにより、高周波加熱コイル９の周囲に磁界が発生し、金属材料が誘導加熱され、溶湯Ｍが形成される。
高周波加熱コイル９は、上半部と下半部とでコイル巻き方向が反対であるため、上半部と下半部とでそれぞれ反対方向の磁界が発生し、溶湯Ｍは、これらの磁界から斥力を受けて、高周波加熱コイル９の内側に誘導浮遊される。
【００３６】
一方、操作者は、溶湯Ｍが予め決められた成形開始温度に達する前に、予め決められた遠心鋳造を行う定常回転数に達するように、モータ７の回転を開始させておく。
次に操作者は、図示略の温度測定手段によって測定された溶湯Ｍの温度が成形開始温度に達した時点で、高周波加熱コイル９への高周波電流を遮断する。
これにより、高周波加熱コイル９による磁界が消失し、浮遊力を失った溶湯Ｍは自由落下する。
【００３７】
溶湯Ｍは、高周波加熱コイル９の下端側のコイル内側を通り抜けて、鉛直下方の溶湯導入口４ａから溶湯受け部４ｂの内部に落下する。
溶湯受け部４ｂに落下した溶湯Ｍは、遠心力によって径方向外側に付勢され溶湯受け部４ｂ内を径方向外側に進んで、溶湯注入孔５ａを通してキャビティ５ｄ内に充填される。
この間、溶湯Ｍは、金型ホルダ４および金型本体５と接触して臨界冷却速度以上の冷却速度、例えば１０Ｋ／ｓ以上の冷却速度で冷却され、キャビティ５ｄ内で成形面５ｃの形状に沿って固化する。
これにより、キャビティ５ｄ内に、成形面５ｃの形状が転写された成形品が形成される。
以上で、成形工程Ｓ３が終了する。
【００３８】
次に成形品取り出し工程Ｓ４を行う。本工程は、キャビティ５ｄ内に形成された成形品を取り出す工程である。
まず、モータ７を停止し、チャンバー２を開放して金型３をチャンバー２の外部に取り出す。そして、金型３を分解するなどして、キャビティ５ｄ内の成形品を脱型する。
本実施形態では、受け部内壁面４ｃ、受け部底面４ｄ、金型本体側面５ｂ、溶湯注入孔５ａ、および成形面５ｃの表面には薄膜６が形成されているため、金型３への焼き付きなどが発生しにくい。このため、それぞれの位置で固化した金属片や成形品は容易に離型することができる。
以上で、成形システム１による遠心鋳造成形が終了する。
さらに成形を継続する場合には、脱型後の金型３を組み立てて、上記の各工程を繰り返す。
【００３９】
薄膜６の結晶構造が、溶湯Ｍの金属材料が結晶化する場合の結晶構造と同じ場合、成形品の表面の一部に結晶化が誘発される場合があるが、表面の一部にとどまるため、バルク（かたまり）としては金属ガラスの性質を有する成形品が得られる。
成形品の使用用途によって、結晶化した部分を許容できない場合には、結晶化部分を切削加工などの２次加工を施すことによって除去すればよい。
ただし、薄膜６として、溶湯Ｍが結晶化するときの結晶構造と異なる結晶構造またはアモルファス構造のものを採用すれば、結晶化は誘発されず、このような２次加工は不要となる。例えば、Ｚｒ基合金が結晶化して体心立方構造となる場合に、これ以外の結晶構造、例えば、体心立方構造、ルチル形結晶構造、六方晶等や、アモルファス構造になっている薄膜６を採用することができる。
【００４０】
次に、本実施形態の金属の成形方法を具体的な実施例に基づいて説明する。
［実施例１］
実施例１では、金型３の材質としてＳＫＤ６１を採用した。薄膜６としては、プラズマＣＶＤによりＴｉＡｌＮ膜を成膜した。
ただし、ＴｉＡｌＮ膜は基材であるＳＫＤ６１との密着性があまりよくないため、下地層としてＴｉＮ膜を設けた。ＴｉＡｌＮ膜の膜厚は６μｍ、ＴｉＮは１μｍとした。
薄膜６において、最表層となるＴｉＡｌＮ膜の結晶構造は、プラズマＣＶＤの条件を適切に設定することで面心立方構造となるようにした。
このような金型３を用い、組成がＺｒ６５Ａｌ７．５Ｃｕ２７．５のＺｒ基合金を成形用の金属材料として、成形システム１により遠心鋳造を行った。
この結果、型への焼き付きの発生無く、鋳造を連続して実施することができた。
また、成形品の結晶性をＸＲＤ（Ｘ線回折装置）で分析したところ、結晶化は見られなかった。
【００４１】
このように、Ｚｒと反応性が低いＴｉによる化合物であるＴｉＡｌＮ膜を溶湯Ｍと接触する薄膜６の最表層に形成することにより、成形品の離型性が向上されるとともに、金型３の母材であるＳＫＤ６１が保護され、焼き付きなどによって母材を損傷することなく連続して鋳造することができた。このため、本実施例のような成形方法によれば、金型３の耐久性を向上することができる。
また、本実施例では、Ｚｒ６５Ａｌ７．５Ｃｕ２７．５が結晶化する場合に体心立方構造になるのに対して、薄膜６の最表層のＴｉＡｌＮ膜が、面心立方構造であるため、体心立方構造のＺｒＣｕの結晶化を誘発しないという作用を備える。このため、成形品の結晶化が防止されたと考えられる。
【００４２】
また、本実施例の薄膜６におけるＴｉＡｌＮ膜は、高硬度で緻密な保護膜であり、成膜対象の基材が柔らかい素材であると膜の剥離やクラックなどが発生しやすい。しかし本実施例では、金型３の母材として、十分に高い硬度を有する鋼材であるＳＫＤ６１を採用しているため、このような基材の柔軟性に起因する薄膜６の経時劣化を抑制することができる。
【００４３】
また、薄膜６に用いたＴｉＡｌＮ膜は、Ｔｉを含んでいるためＺｒ基合金の溶湯Ｍに対する濡れ性が小さいことが判明した。そして、この性質によって摩擦抵抗が小さくなり、鋳造時に溶湯Ｍとのすべり性が良好となるため、薄膜６での流動抵抗が小さくなることが分かった。
したがって、本実施例の構成は、遠心鋳造のような射出成形に比べると充填圧が低圧となる鋳造方法でも、金型３への充填性が良好となる。このため、薄肉部や複雑な形状を有する製品形状の成形品の成形方法として好適となっている。
【００４４】
なお、本実施例では、一例として、ＴｉＡｌＮ膜の膜厚を６μｍとしたが、膜厚はさらに厚くすることも可能である。膜厚を増やせば、薄膜６の表面の劣化が進行しても損傷が下地に到達するまでにより多くの時間がかかるため、金型３の耐久ショット数を向上することができる。
【００４５】
［実施例２］
実施例２では、金型３の材質としてＳＵＳ４２０を採用した。薄膜６としては、ＣＶＤによりＴｉＯ２膜を製膜した。薄膜６の結晶構造は主としてルチル型構造となるようにした。ＴｉＯ２膜の膜厚は、１μｍとした。
このような金型３を用い、組成がＺｒ５５Ａｌ１０Ｃｕ３０Ｎｉ５のＺｒ基合金を成形用の金属材料として、成形システム１により遠心鋳造を行った。
この結果、型への焼き付きの発生無く、鋳造を連続して実施することができた。
また、成形品の結晶性をＸＲＤで分析したところ、結晶化は見られなかった。
【００４６】
このように、Ｚｒと反応性が低いＴｉによる化合物であるＴｉＯ２膜を溶湯Ｍと接触する薄膜６とすることにより、成形品の離型性が向上されるとともに、金型３の母材であるＳＵＳ４２０が保護され、焼き付きなどによって母材を損傷することなく連続して鋳造することができた。このため、本実施例のような成形方法によれば、金型３の耐久性を向上することができる。
また、本実施例では、Ｚｒ５５Ａｌ１０Ｃｕ３０Ｎｉ５が結晶化する場合に、ＺｒＮｉ結晶の面心立方構造になるのに対して、薄膜６のＴｉＯ２膜が、正方晶系のルチル型構造であるため、面心立方構造のＺｒＮｉの結晶化を誘発しないという作用を備える。このため、成形品の結晶化が防止されたと考えられる。
【００４７】
また、本実施例の薄膜６におけるＴｉＯ２膜は、高硬度で緻密な保護膜であり、成膜対象の基材が柔らかい素材であると膜の剥離やクラックなどが発生しやすい。しかし本実施例では、金型３の母材として、十分に高い硬度を有する鋼材であるＳＵＳ４２０を採用しているため、このような基材の柔軟性に起因する薄膜６の経時劣化を抑制することができる。
【００４８】
また、薄膜６に用いたＴｉＯ２膜は、Ｔｉを含んでいるためＺｒ基合金の溶湯Ｍに対する濡れ性が小さいことは、上記実施例１のＴｉＡｌＮ膜と同様である。したがって、本実施例でも、遠心鋳造のような射出成形に比べると充填圧が低圧となる鋳造方法でも、金型３への充填性が良好となり、薄肉部や複雑な形状を有する製品形状の成形品の成形方法として好適となっている。
【００４９】
［実施例３〜５］
次に、下記表１に基づいて、上記実施例１、２以外の実施例３〜５の結果と、比較例１〜３の結果について簡単に説明する。
【００５０】
【表１】
2012166207.tif 000003
【００５１】
表１において、「薄膜層」の材質は、薄膜６（比較例の場合は保護膜）の最表層の材質を示す。
また、「ｂｃｃ」は体心立方構造、「ｆｃｃ」は面心立方構造を表す。また、「ルチル型」は、ルチル型結晶構造、「アモルファス」はアモルファス構造の略である。
また「型耐久性」における評価は、金型３の寿命を良好な成形品を成形可能なショット数で評価した。「◎」は５００ショット以上可能、「○」は１００ショット以上５００ショット未満、「△」は５０ショット以上１００ショット未満、「×」は５０ショット未満を表す。
「非晶質性」における評価は、ＸＲＤを用いて行い、「◎」は非晶質性良好、「○」は実用可能レベル、「△」はごく表面に結晶化領域あり、「−」評価対象外、をそれぞれ表す。非晶質性の評価において、「◎」、「○」、「△」は、金属ガラスと認められる程度に非晶質化されていることを表す。全体的に結晶化しているため金属ガラスとは認められないレベルは、これらの実施例、比較例には見られなかった。
なお、比較例３は、型耐久性が著しく悪いため非晶質性は評価していない。
【００５２】
実施例３は、実施例１の金型３を用いて、実施例２のＺｒ基合金を成形した場合の例である。
実施例４は、ＴｉＮをスパッタリングした薄膜層（膜厚５μｍ）を最表層に有する薄膜６を成膜した金型３を用いて、実施例１のＺｒ基合金を成形した場合の例である。ＴｉＮは、スパッタリングによりアモルファス構造になっている。
実施例５は、ＣＶＤによってＴｉ単体とＴｉＮとの混合膜からなる薄膜層（膜厚５μｍ）を最表層に有する薄膜６を成膜した金型３を用いて、実施例１のＺｒ基合金を成形した場合の例である。ＴｉＮは体心立方構造であり、Ｔｉ単体は、Ｚｒ基合金の成形時に体心立方構造になっている。
なお、いずれも金型３の材質は、ＳＫＤ６１である。
【００５３】
比較例１は、金型３と同形状の金型にＡｌＮをスパッタリングして保護膜の最表層（膜厚５μｍ）を形成し、実施例２のＺｒ基合金を成形した場合の例である。ＡｌＮは、六方晶になっている。
比較例２は、プラズマＣＶＤを用いて、金型３と同形状の金型にＳｉＣによる保護膜の最表層（膜厚５μｍ）を形成し、実施例２のＺｒ基合金を成形した場合の例である。ＳｉＣは、面心立方構造になっている。
なお、いずれも金型３の材質は、ＳＫＤ６１である。
比較例３は、金型３と同形状のＳＫＤ６１製の金型を用い、成形面に保護膜を設けることなく、表面窒化処理のみを施して、実施例２のＺｒ基合金を成形した場合の例である。
【００５４】
表１に示すように、実施例１〜５では、型耐久性の評価が◎になったのに対して、比較例１〜３の評価は、それぞれ、×、△、×となり、薄膜６の最表層にTｉ単体またはＴｉ化合物を含むことによって、耐久性が向上できていることが分かる。
また、非晶質性の評価に関しては、実施例１〜４では◎、比較例１、２では○であるのに対して、実施例５では△であった。これは、実施例１〜３、比較例１、２では、薄膜６または保護膜の最表層の材質が、成形に用いる金属材料の結晶化時の結晶構造に対して異なる結晶構造を有しているのに対し、実施例５の薄膜６が、成形に用いる金属材料の結晶化時の結晶構造と同じ体心立方構造を有しているためと考えられる。また、実施例４の結果によれば、薄膜６の最表層が、結晶構造を有しないアモルファス構造であっても、異なる結晶構造を有する場合と同様の効果を備えることが分かる。
【００５５】
このように本実施形態の金属の成形方法および成形用金型によれば、成形用金型として薄膜６を有する金型３を用いるため、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有するＺｒ基合金の非晶質合金を成形する場合に成形用金型の劣化を抑制し成形用金型の耐久性を向上することができる。
【００５６】
なお、上記の実施形態の説明では、金型設置工程Ｓ１と成形工程Ｓ３との間に、真空置換工程Ｓ２を設けた場合の例で説明した。しかし成形工程Ｓ３を開始する際のチャンバー２内の雰囲気は、溶湯Ｍの熱による溶湯Ｍ、薄膜６、および金型３の酸化によって、成形品、薄膜６、および金型３の劣化が起こらない程度の真空雰囲気または不活性ガス雰囲気が形成されていればよい。このため、溶湯Ｍ、薄膜６、および金型３の材質や成形温度によっては、より低い真空度（圧力が高い）の真空雰囲気や、大気圧もしくは低い真空度において不活性ガス置換を行った不活性ガス雰囲気とすることができる。
【００５７】
また、上記の実施形態の説明では、遠心鋳造法を採用した場合の例で説明したが、遠心鋳造法に限定されるものではない。例えば、キャビティ５ｄの形状が簡素な場合など低圧でもキャビティ５ｄ内に充填可能な場合には、重力鋳造法を採用することができる。
また、充填圧に対する薄膜６の寿命が許容できる場合には、射出成形法を採用することができる。
【００５８】
また、上記の実施形態の説明では、溶湯Ｍの金属材料がＺｒ基合金である場合の例で説明したが、溶湯Ｍの形成時にＺｒ基合金が形成されればよいため、Ｚｒ基合金を形成する個々の金属材料の粒状体等を混合した材料を溶融して溶湯Ｍを形成してもよい。
【００５９】
また、上記の実施形態の説明では、高周波加熱コイル９によって誘導浮遊加熱することにより溶湯Ｍを形成する場合の例で説明したが、誘導浮遊させることなく高周波加熱してもよいし、高周波加熱以外の加熱源によって溶湯Ｍを形成してもよい。
【００６０】
また、上記実施形態に説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせたり削除したりして実施することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１  成形システム
２  チャンバー
３  金型（成形用金型）
４  金型ホルダ
４ｂ  溶湯受け部
４ｃ  受け部内壁面
４ｄ  受け部底面
５  金型本体
５ａ  溶湯注入孔
５ｂ  金型本体側面
５ｃ  成形面
５ｄ  キャビティ
６  薄膜（薄膜層）
９  高周波加熱コイル
Ｍ  溶湯
１１  不活性ガス供給部
Ｓ１  金型設置工程
Ｓ２  真空置換工程
Ｓ３  成形工程
Ｓ４  成形品取り出し工程
【図１】
2012166207.tif 000004
【図２】
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【図３】
2012166207.tif 000006