(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製金型の表面処理に当たり、金型表面を窒化処理し、次いで窒化物層を形成した金型表面にクロム含有処理液を被成したのち乾燥すると共に、さらに４８０℃〜６００
℃の温度域で加熱焼成することにより、前記窒化物層の表面にＣｒ２Ｏ３薄膜層を生成させて、窒化物層とＣｒ２Ｏ３薄膜層とからなる複合皮膜を形成することを特徴とするダイカスト用金型の表面処理方法。
【請求項２】
上記Ｃｒ２Ｏ３薄膜層の形成に当たり、クロム含有処理液を被成したのち、乾燥と加熱焼成する操作を複数回繰り返すことによって、Ｃｒ２Ｏ３薄膜層を積層皮膜化とすることを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
【請求項３】
上記クロム含有処理液として、無水クロム酸、クロム酸アンモニウムあるいは重クロム酸アンモニウムを用いることを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
【請求項４】
溶融金属と接触する鋼製金型の表面が、下層の窒化物層と、上層のクロム含有処理液を被成したのち、乾燥し、加熱焼成して得られるＣｒ２Ｏ３薄膜層とからなる複合皮膜にて覆われていることを特徴とするダイカスト用金型。
【請求項５】
上記Ｃｒ２Ｏ３薄膜層は、クロム含有処理液を被成したのち、乾燥と加熱焼成する操作を複数回繰り返すことによって、微細な結晶質Ｃｒ２Ｏ３粒子からなる薄膜が複数層にわたって設けられた積層皮膜にて構成されたものである請求項４に記載の金型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえばマグネシウム合金のダイカスト部品を製造する際に使用するダイカスト用金型の表面処理方法およびその金型に関するものである。
なお、本発明は、チクソモールド法に用いられる金型にも応用することができ、さらにはアルミニウムおよびその合金のダイカスト部品成形用金型としても適用が可能である。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、マグネシウム (Mg) は、実用金属として最も比重(1.74)が軽いにもかかわらず、アルミニウム (Al) に匹敵する強度を有するとともに、放熱性、振動減衰性、電磁シールド性にも優れるという特徴がある。また、ダイカスト部材として薄肉化ができるという利点があるため、電子デバイスなどを保護する筐体材料として実用化が進んでいる。
【０００３】
従来、Mgの溶湯を鋳造するダイカスト成形用金型材料としては、高温強度に優れたＳＤＫ６１材が用いられていた。しかし、この材料を用いた金型は、高温のMg溶湯の注入により、急激な昇温と急冷とが繰り返し行われる結果、溶湯との接触面に熱疲労性の亀裂が発生しやすく、使用回数が増すに従って、その亀裂が次第に成長し、製品に有害な傷や欠陥を生じさせる原因となっていた。
【０００４】
この対策として従来、金型の表面に、TiＮやTiAlＮの薄膜を形成する方法 (例えば、特開平７−２０４８２２号公報) や、自溶合金溶射皮膜を施工する方法 (特開平８−２３２０５８号公報) 等の表面処理技術が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上掲の各従来技術が提案している表面処理技術のうち、TiＮ薄膜の成形による表面処理技術は、無処理の金型に比較すると、耐久性に優れた金型表面の形成には役立つものの、そのTiＮ自体は耐熱性に乏しく、一方、TiAlＮについてはMg合金溶湯の鋳造特性 (湯流れ) に問題があるほか、皮膜寿命そのものにも改善の余地があった。
一方、自溶合金溶射皮膜を形成して表面処理する技術の場合、皮膜形成後に1000℃以上の温度に加熱する必要があるため、金型に歪みが発生したり、材質劣化を招く等の問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、金型表面への皮膜の密着性に優れるほか、耐熱性、耐熱衝撃性、耐熱疲労性、耐摩耗性、断熱性に優れる皮膜を厚膜成形することができ、しかも、鋳造特性 (湯流れ) を阻害することのない金型表面処理技術の確立と、ダイカスト用金型として好適な、いわゆる金型の形状安定性に優れる金型を提案することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上掲の目的実現に向けた研究の中で、発明者らは、窒化物層と微細な結晶質Cr２O３粒子からなるCr２O３積層薄膜とを複合化したものを、金型表面に形成することが有効であるとの知見を得て、本発明を開発するに到った。
【０００８】
即ち、本発明は、鋼製金型の表面処理に当たり、金型表面を窒化処理し、次いで窒化物層を形成した金型表面にクロム含有処理液を被成したのち乾燥すると共に、さらに 480℃〜600 ℃の温度域で加熱焼成することにより、前記窒化物層の表面にCr２O３薄膜層を生成させて、窒化物層とCr２O３薄膜層とからなる複合皮膜を形成することを特徴とするダイカスト用金型の表面処理方法を提案する。
【０００９】
また、本発明は、溶融金属と接触する鋼製金型の表面が、下層の窒化物層と、上層のクロム含有処理液を被成したのち、乾燥し、加熱焼成して得られるＣｒ２Ｏ３薄膜層とからなる複合皮膜にて覆われていることを特徴とするダイカスト用金型を提案する。
【００１０】
なお、本発明において、上記Cr２O３薄膜層の形成に当たり、クロム含有処理液を被成したのち、乾燥と加熱焼成する操作を複数回繰り返すことによって、Cr２O３薄膜層を積層皮膜化させること、および、
上記クロム含有処理液として、無水クロム酸、クロム酸アンモニウムあるいは重クロム酸アンモニウムを用いること、
上記Cr２O３薄膜層は、微細な結晶質Cr２O３粒子からなる薄膜が複数層にわたって設けられた積層皮膜にて構成したものであること、
が好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明について、Mg合金鋳造のためのダイカスト用金型の、とくに鋳造金属Mgあるいはその合金の溶湯と接する側の表面に、本発明に適合する複合皮膜を形成したダイカスト用金型に適用した例で、実施の形態とその作用について説明する。
例えば、Mg合金のダイカスト鋳造用金型として、ＳＫＤ６１で代表される熱間工具鋼でつくられた金型の表面、とくにMg合金溶湯と接触する側の面を、あらかじめ窒化処理を行うことにより、金属の窒化物層 (例えば、FeＮx 、AlＮx 、CrＮx 、TiＮなどの層) を形成して、硬化表面とする。この処理において採用する窒化法としては、ガス窒化法、イオン窒化法あるいは塩浴窒化法のいずれを用いてもよいが、かかる窒化物層の厚さは少なくとも３μｍ以上が必要であり、これより薄い層では後述の化学的処理法によって形成するCr２O３皮膜の効果が十分に発揮できないおそれがある。
【００１２】
次に、金型の窒化物層のその表面に対し、クロム含有処理液を塗布して被成した後、大気中で乾燥し、さらに電気炉によって 480℃〜600 ℃の温度域に保持して加熱を行う。この操作により、クロム含有処理液は蒸発、分解、酸化されて最終的には結晶質のCr２O３微粒子の集合体からなるCr２O３薄膜が生成残留する。
【００１３】
以下、この処理工程につき、さらに詳しく説明する。
即ち、かかるCr２O３の生成工程を見ると、
▲１▼  水分の蒸発によるクロム含有処理液の濃縮、
▲２▼  軟質で非晶質なCr２O３粒子の析出、
▲３▼  硬質で微細な結晶質Cr２O３粒子への変化、
が起こっていると考えられる。
【００１４】
いま、クロム含有処理液を、無水クロム酸の水溶液とすると、上記▲１▼および▲２▼の段階で非常に強い酸化力を発揮して、金属窒化物の一部を酸化, 分解するため、窒化物はＮＯx となって揮散する。このため、上記窒化物層の表面は微細な凹凸を形造り、その凹部へ上記▲１▼または▲２▼の状態の処理液や軟質のCr２O３粒子が入り込み、両者は物理的に強固な結びつきとなるとともに、窒化処理を施さない金型表面に対する同じ処理工程と比較すると、はるかに厚膜のCr２O３層を形成することができるようになる。
例えば、ＳＫＤ６１の試験片を用い、一方をイオン窒化処理して窒化物層を形成し、その後、ボーメ比重1.6 のCrO３水溶液を用いて塗布と加熱・分解の操作を１２回繰り返すと、３〜７μｍ厚のCr２O３積層薄膜層を生成するが、窒化処理をしないＳＫＤ６１試験片の場合、このCr２O３薄膜層は僅かに0.7 〜0.8 μｍの厚みにしかすぎなかった。
【００１５】
図１は、このような方法で形成した本発明方法に適合するCr２O３薄膜層と比較例となるCr２O３薄膜層との断面を模式的に示したものである。ここで、１はＳＫＤ６１基材、２は窒素の拡散部 (固溶体) 、３は窒化物層 (FeＮx)、４はCr２O３薄膜層である。
本発明に適合する方法で形成したCr２O３薄膜は、外側から硬質で緻密なCr２O３薄膜−金属窒化物層−基質 (含窒素の固溶体) の順となっており、一種の複合皮膜となっていることがわかる。
【００１６】
なお、本発明方法において用いるクロム含有処理液としては、上記の無水クロム酸〔CrO３〕の他に、クロム酸アンモニウム〔(NH４)２CrO４〕、重クロム酸アンモニウム〔(NH４)２Cr２O７〕などを使用することができる。また、本発明においては、薬液の塗布に代えて、浸漬やスプレー処理によって被成する方法を適用することができる。
【００１７】
さて、このようにして形成したCr２O３薄膜層を形成してなる金型を、Mg合金溶湯をダイカスト鋳造金型に用いた場合、次に示すような利点がある。
▲１▼  金型の溶湯と接する面に形成されたCr２O３薄膜層は、金属質に比較すると熱伝導性が低いため、金型に注入されたMg合金溶湯の冷却速度が遅くなり、良好な流動性を維持できることから、金型への馴染みがよく生産性の向上に寄与する。
▲２▼  また、かかるCr２O３薄膜層は、クロム含有処理液を加熱し分解させることによって生成させたものであるから、微細な結晶質Cr２O３粒子の集合体からなるものであり、その表面は非常に平滑であり、ダイカスト部材の表面が美麗に仕上がるという利点がある。
このような知見は、実際のダイカスト用金型に本発明方法を適用して形成したCr２O３薄膜層を実用に供した結果、判明したものである。
【００１８】
かかるCr２O３薄膜層に関しては、この薄膜が溶融Mg合金溶湯と接触した場合、熱力学的にはMgの方がCrより酸素との化学的親和力が大きいため、Cr２O３の皮膜はMgによって還元され、皮膜破壊が起こる筈である。ところが、本発明者らの研究によれば、平衡論的には一見成立しないように見えるCr２O３薄膜の有効性 (耐溶融金属性) も、速度論的に考察すると、場合によっては十分に耐えるものになることが判明した。即ち、かかるCr２O３薄膜を、480 ℃〜600 ℃の高温に加熱して十分に結晶化させておくと、ダイカスト成型時というのは鋳造すべき溶融Mg合金と金型との接触時間が短いため、反応速度論的には還元反応が起こりにくい条件下になるためと考えられる。
【００１９】
なお、本発明において、上記のCr２O３薄膜層は、窒化物層への上記クロム酸水溶液の塗布、乾燥、加熱焼成という一連の操作を複数回、好ましくは２〜１０回程度繰り返すことによって、薄膜を何層にもわたって積層し肥厚させた積層皮膜とすることが好ましく、かつこのようなCr２O３薄膜積層皮膜を上層とし、その下層に上記金属窒化物層が介在する複合皮膜になっていることが望ましい実施形態である。
【００２０】
また、上記窒化物層は、窒化処理によって金属窒化物の粒子が基材表面に拡散浸透した窒化物拡散部とその表面を覆う窒化物層とから形成されていることが望ましい。
【００２１】
【実施例】
実施例１
この実施例では、ＳＫＤ６１試験片 (寸法  幅５０ｍｍ×長１００ｍｍ×厚５ｍｍ) の表層部をイオン窒化し、３０μｍ厚の窒素拡散層と５μｍ厚の窒化物層を設けた基材を用い、その基材の５μｍ厚の窒化物層の表面にCr２O３薄膜を５μｍ厚に形成し、その後、大気中で７２０℃×１５分間の加熱を行って複合皮膜を形成した。その後、皮膜形成後の試験片を20℃の水中に投入し冷却した。そして、上記皮膜の加熱−冷却のサイクルを、１５回繰り返す熱衝撃試験を行った。その結果、外観的には全く異常は認められなかった。また、試験片を切断して、その断面を光学顕微鏡で観察しても皮膜は健全な状態を維持していた。
これに対し、Cr２O３皮膜を窒化処理をしないＳＫＤ６１試験片表面に形成したケース (比較例) では、局部的な剥離が発生した。また、特公昭55−14833 号公報で提案されている珪素粒子を含むCr２O３皮膜では、５０〜７０μｍの厚膜は形成できたものの、熱衝撃試験後には微細な割れの発生が認められた。
【００２２】
実施例２
実施例１の熱衝撃試験用の供試皮膜を用いて６３０℃に加熱したJIS H 5303規定のマグネシウム合金 (ＭＤＩＡ）浴中に１０秒間浸漬した後、これを引き上げて送風機によって１分間冷却する操作を１サイクルとし、１０サイクル繰返した。この結果、本発明法に従ってイオン窒化を施したＳＫＤ５１試験片上にCr２O３皮膜を形成したものは、１０サイクル後も健全な状態を示し、加熱−冷却の繰返しによる熱衝撃抵抗に対して優れた効果を示すとともに、マグネシウム合金による侵食に対しても優れた耐食性を示すことが認められた。
これに対し、窒化処理をしないＳＫＤ５１試験片上にCr２O３皮膜を形成した比較例の皮膜は、６サイクル後に微細な割れが発生するとともに、割れ部からマグネシウム合金が皮膜内部へ侵入し、ＳＫＤ５１基材と冶金反応を起こして固着成長して皮膜を底部から破損させる現象が認められた。
【００２３】
実施例３
本実施例は、ホットチャンバ方式によるパソコンボディの本体を、Mg合金 (JIS H 5303規定のＭＤＩＡ）を用いて製造する際、イオン窒化したＳＫＤ６１金型の表面に本発明法に従って形成した、窒化物層−Cr２O３薄膜層からなる複合皮膜を５μｍ厚に形成したものを供試した。その結果、従来品のイオン窒化処理のみのＳＫＤ６１金型では、Mg合金の冷却速度が速いため、金属溶湯の流れが不十分となり、生産性が低く、その上品質上でも板厚が不揃いになりやすいなどの問題があったのに対し、本発明に適合する表面処理金型は、保温効果に優れているため、溶湯の流れがよく、良好な品質を有する製品を効率よく生産することができた。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、鋼製金型基材の表面を窒化処理した後、その上に化学的な方法によってCr２O３薄膜を形成して複合皮膜としたものは、皮膜どうしの密着性が強固で厚く成膜することができる。その結果、窒化物層とCr２O３薄膜層との複合皮膜化によって、ダイカスト用金型の耐熱性、耐熱衝撃性、耐熱疲労性、耐摩耗性、断熱性を向上させることができると共に、たとえばマグネシウム合金の溶湯をダイカスト鋳造する場合にもその湯流れを良好に維持することができ、ひいては製品の品質および生産性の向上をはじめ生産コストの低減にも大きく貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法によって鋼製基材の表面に形成した本発明に適合する窒化物層とCr２O３薄膜層とからなる複合皮膜の例と、比較例の皮膜とを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１  基材
２  窒化物拡散部
３  窒化物層
４  Cr２O３薄膜層
【図１】
0004392087.tif 000002