(57)【要約】【課題】従来と比較して品質の高い金属成形品を製造することができる金属成形用金型を提供する。【解決手段】キャビティ４側の表面に、金型母材１１の熱拡散率より大きい熱拡散率を有する熱拡散層５を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビティ側の表面に、金型母材の熱拡散率より大きい熱拡散率を有する熱拡散層を設けた金属成形用金型。
【請求項２】
前記金型母材はＦｅ系合金であり、前記熱拡散層はＭｇ−Ｏ系化合物、Ｓｉ−Ｏ系化合物、及びＭｇ−Ｓｉ−Ｏ系化合物のうち少なくとも一種の化合物と炭素元素とを含有する請求項１に記載の金属成形用金型。
【請求項３】
前記熱拡散層は、前記キャビティ側の表面のうち少なくとも前記キャビティ側に突出する部位に設けてある請求項１または２に記載の金属成形用金型。
【請求項４】
Ｍｇ合金を鋳造するために用いる請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属成形用金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属を成形する金属成形用金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、金属を成形する金属成形用金型では金型母材として鋼材が用いられる。従来、このような金属成形用金型ではキャビティ側の面に溶融状態の金属（溶湯）が直接接触して溶損が生じ易くなることから、溶湯に対する金属成形用金型の耐久性を向上させるための技術が検討されている。
【０００３】
この種の技術としては、アルミニウム合金等の鋳造用金型において、金型母材を特定の組成のオーステナイト系合金鋼とし、その表面に浸炭処理を施す、または浸炭処理の後にさらに窒化処理、硼化処理のうちいずれかを単独または複合で施すことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような鋳造用金型では溶湯に対する耐溶損性が向上する。
【０００４】
また、鋼材からなる鋳造用金型において、キャビティ側の面に対してショットピーニング処理及び窒化処理を施すことも知られている（例えば、特許文献２参照）。この方法によれば、キャビティ側の面の圧縮残留応力が大きくなり、硬度が高くなるため、鋳造用金型の耐久性が向上し、寿命が長期化する。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１４４０３９号公報
【特許文献２】特開２００４−１４８３６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の通り、金属成形用金型の耐久寿命を向上させることについては、これまで様々な改良が試みられている。
【０００７】
しかし、従来の金属成形用金型を用いて作製した金属成形品では、割れや湯境等が発生するという問題があった。
特に、近年では、自動車分野等において、金属成形品の形状の複雑化、高機能化が著しくなり、従来の金属成形用金型では内外観品質を満足する金属成形品を得ることが難しくなってきた。このため、金属成形品のさらなる品質向上が求められていた。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、従来と比較して品質の高い金属成形品を製造することができる金属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】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係る金属成形用金型の第１特徴構成は、キャビティ側の表面に、金型母材の熱拡散率より大きい熱拡散率を有する熱拡散層を設けた点にある。
【００１０】
つまり、本構成によれば、金型のキャビティ側の表面の熱拡散率を高めることができる。これにより、成形の際の金属成形品の表面の凝固皮膜の形成を従来の金型を用いた場合に比べて迅速化させることができると共に、金型表面の各部での温度差を減少させ、金型表面の温度分布及び金属成形品表面の温度分布を従来の場合に比べて平均化させることができる。
したがって、本構成に係る金属成形用金型を用いることにより、割れ、湯境が少なく、従来と比較して品質の高い金属成形品を製造することができる。
【００１１】
本発明に係る金属成形用金型の第２特徴構成は、前記金型母材はＦｅ系合金であり、前記熱拡散層はＭｇ−Ｏ系化合物、Ｓｉ−Ｏ系化合物、及びＭｇ−Ｓｉ−Ｏ系化合物のうち少なくとも一種の化合物と炭素元素とを含有する点にある。
【００１２】
本構成のように、金型母材にＦｅ系合金を用いる場合には、熱拡散層としてＭｇ−Ｏ系化合物、Ｓｉ−Ｏ系化合物、及びＭｇ−Ｓｉ−Ｏ系化合物のうち少なくとも一種の化合物と炭素元素とを含有させることにより、熱拡散層の熱拡散率を金型母材の熱拡散率より大きくすることができる。尚、この場合、熱拡散層における炭素元素の形態は問わない。炭素元素は、例えば前記化合物の構成元素、前記化合物とは別の化合物の構成元素、元素単体等として含有させればよい。
【００１３】
本発明に係る金属成形用金型の第３特徴構成は、前記熱拡散層は、前記キャビティ側の表面のうち少なくとも前記キャビティ側に突出する部位に設けてある点にある。
【００１４】
金属成形用金型では、成形する際にはキャビティ側に突出する部位に熱集中を起こし易く、金属成形品においてもその部位に対応する位置に割れや湯境を起こし易い。
したがって、本構成のように、熱拡散層を少なくともキャビティ側に突出する部位に設けることにより、当該部位において熱拡散し易くすることができるため、製造する金属成形品の割れや湯境を防止し、品質を向上させることができる。
【００１５】
本発明に係る金属成形用金型の第４特徴構成は、Ｍｇ合金を鋳造するために用いる点にある。
【００１６】
特に、Ｍｇ合金を用いた鋳造品において、形状の複雑化、高機能化の要求が高く、従来のＭｇ合金鋳造用金型では内外観品質を満足する金属成形品を得ることが難しい。
したがって、本構成にように、金属成形用金型をＭｇ合金の鋳造に用いることにより、Ｍｇ合金の鋳造品の品質を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明に係る金属成形用金型の一実施形態について図面を参照して説明する。ここでは、本発明をマグネシウム（Ｍｇ）合金のダイカスト用金型１に適用した場合について説明する。
【００１８】
本実施形態に係るダイカスト用金型１は、図１に示すように、金型母材１１で構成される固定型２及び可動型３を備えている。ダイカスト用金型１は、ダイカストマシン（図示しない）に装着して使用され、ダイカストマシンにより固定型２に対して可動型３を型締め、型開きできるようになっている。可動型３を固定型２に型締めすることによって、固定型２と可動型３との間にキャビティ４が形成される。
【００１９】
固定型２には、Ｍｇ合金の溶湯をキャビティ４に連通する射出通路７が設けてある。この射出通路７には射出プランジャ６が挿通してあり、射出通路７に溶湯を供給した後、射出プランジャ６をダイカストマシンによって前進させることにより、溶湯がキャビティ４に所定の圧力で充填できるようになっている。
【００２０】
固定型２及び可動型３を構成する金型母材１１は、溶湯に対して耐久性を有するものであれば特に限定はされないが、例えば、熱間ダイス鋼、ステンレス鋼等の鋼材や鋳鉄等の鉄（Ｆｅ）系合金を用いることができる。本実施形態では、金型母材１１として熱間ダイス鋼ＳＤＫ６１を用いている。
【００２１】
固定型２及び可動型３のキャビティ４の側の表面には、金型母材１１の熱拡散率より大きい熱拡散率を有する熱拡散層５が設けてある。このような熱拡散層５を設けることにより、固定型２及び可動型３のキャビティ４の側の表面の熱拡散率を高めることができる。このため、ダイカストした際のＭｇ合金鋳造品の表面の凝固皮膜の形成を従来の金型を用いた場合に比べて迅速化させることができる。また、キャビティ４の側の表面の各部での温度差が減少することにより、キャビティ４の側の表面の温度分布及びダイカストしたＭｇ合金鋳造品表面の温度分布においても、従来の場合に比べて平均化させることができる。したがって、本実施形態に係るダイカスト用金型１を用いることにより、割れ、湯境が少なく、品質が高いＭｇ合金鋳造品を製造することができる。
【００２２】
熱拡散層５を構成する材質は、金型母材１１の熱拡散率より大きい熱拡散率を有するものであれば、特に限定はされず、任意に選択可能であるが、例えば、金型母材１１にＦｅ系合金を適用する場合には、Ｍｇ−Ｏ系化合物、Ｓｉ−Ｏ系化合物、及びＭｇ−Ｓｉ−Ｏ系化合物のうち少なくとも一種の化合物と炭素元素（Ｃ）とを含有するものを用いる。これにより、熱拡散層５の熱拡散率を金型母材１１の熱拡散率より大きくすることができる。尚、金型の金型母材１１としては、一般にＦｅ系合金が用いられるため、既存の金型に設ける熱拡散層５には、Ｍｇ−Ｏ系化合物、Ｓｉ−Ｏ系化合物、及びＭｇ−Ｓｉ−Ｏ系化合物のうち少なくとも一種の化合物とＣとを含有するものを用いることが有効である。
【００２３】
熱拡散層５の熱拡散率は、特に限定はされないが、大きい方がＭｇ合金鋳造品の品質向上効果が高まる。具体的には、例えば、熱拡散層５の熱拡散率と金型母材１１の熱拡散率との差が０．２５ｍｍ2／ｓ以上あれば、熱拡散層５による十分な効果が期待できるため好ましい。すなわち、金型母材１１として熱間ダイス鋼ＳＤＫ６１を用いる場合には、この熱拡散率は室温（２５℃）〜１５０℃において６．８５ｍｍ2／ｓ程度であるため、熱拡散層５の室温〜１５０℃における熱拡散率としては、７．１ｍｍ2／ｓ以上であることが好ましい。
【００２４】
熱拡散層５の厚みは、熱拡散性の観点からは４μｍ以上あることが好ましい。また、熱拡散層５を既存のダイカスト用金型１に設ける場合には、鋳造品の形状に影響を及ぼさないようにするため厚みは小さい方が好ましい。したがって、このような場合には熱拡散層５の厚みは４〜５０μｍであることが好ましく、４〜２０μｍであることがさらに好ましい。
【００２５】
本実施形態においては、熱拡散層５は、Ｍｇ−Ｏ系化合物、Ｓｉ−Ｏ系化合物、及びＣを含み、室温において熱拡散率が７．３ｍｍ2／ｓであるものを用い、厚みを６〜８μｍにしている。尚、本実施形態のようにＭｇ合金を用いる場合には、Ｍｇ−Ｏ系化合物またはＭｇ−Ｓｉ−Ｏ系化合物を含有する熱拡散層５を用いることが好ましい。金型を鋳造品と同種の金属を用いることにより、熱拡散がより促進されるため鋳造品の品質を向上させることができる。
【００２６】
熱拡散層５は、例えば、ダイカスト用金型１のキャビティ４の側の表面にシリコンを含有する溶液を付着させ、乾燥させた後、Ｍｇ金属の溶湯を付着させることによって形成させることができる。ダイカスト用金型１は、その表面においてシリコンを反応させ易くするため、１００〜２００℃程度に加熱して用いることが好ましい。シリコンを含有する溶液としては、シリコンを含有するものであれば特に制限はなく、シリコンの含有量等についても任意に設定することができるが、その後の乾燥のし易さを考慮すれば、水溶液や低沸点溶液とすることが好ましい。シリコンを含有する溶液は、スプレー等の塗布や浸漬等によってダイカスト用金型１に付着させることができる。Ｍｇ金属は、金属単体であっても合金であっても好ましく適用でき、ダイカスト用金型１にＭｇ金属の溶湯を塗布したり、Ｍｇ金属の溶湯にダイカスト用金型１を浸漬したりすることによってダイカスト用金型１にＭｇ金属の溶湯を付着させることができる。シリコンを含有する溶液を付着させる工程とＭｇ金属の溶湯を付着させる工程とはそれぞれ１回ずつ行うことによって熱拡張層５を形成することができるが、それぞれの工程を交互に複数回繰り返してもよい。これにより、熱拡散層５の厚みを調整することができる。また、シリコンを含有する溶液を付着させる工程とＭｇ金属の溶湯を付着させる工程との順序は特に制限はなく、いずれの工程を先に行ってもよい。
【００２７】
本実施形態では、２００℃程度に加熱した固定型２及び可動型３のキャビティ４の側の表面にシリコンを含有する水溶液をスプレーにより塗布し、乾燥させた後、６８０℃程度でＭｇ合金の溶湯を塗布し、冷却することにより、熱拡散層５を形成してある。
【実施例】
【００２８】
以下に、本実施形態に係るＭｇ合金のダイカスト金型１を用いた実施例を示し、本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２９】
（ＳＥＭ観察）
本実施形態に係るダイカスト金型１の表層部の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で２種類の倍率で観察した。その結果、図２（ａ）、（ｂ）に示すように金型母材１１の表面に熱拡散層５が形成されていることが確認できた。
【００３０】
（ＳＥＭ−ＥＤＸ分析）
ＳＥＭ観察によって確認された熱拡散層５についてエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＳＥＭ−ＥＤＸ）による分析を行った。その結果、図３に示すように熱拡散層５には、Ｃ、Ｏ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉの元素が含まれていることが分かった。
【００３１】
（Ｘ線回折測定）
本実施形態に係るダイカスト金型１の表面処理前後（熱拡散層５の形成前後）の表面のＸ線回折（ＸＲＤ）測定を行った。その結果、それぞれ図４（ａ）、（ｂ）に示すように表面処理後のダイカスト金型１の表面からは、Ｓｉ−Ｏ及びＭｇ−Ｏのピークが検出された。これにより、熱拡散層５にＳｉ−Ｏ系化合物及びＭｇ−Ｏ系化合物が含まれていることが確認できた。
【００３２】
（熱拡散率測定）
本実施形態に係るダイカスト金型１の表面処理前後の表面の室温（２５℃）〜１５０℃における熱拡散率を、レーザフラッシュ法（直径１０ｍｍ、厚み１ｍｍ）により測定した。その結果をハーフタイム法により解析して値を算出し、それぞれ図５（ａ）、（ｂ）に示した。尚、測定は、それぞれの条件において５〜１０回行った。
室温においては、表面処理前の熱拡散率の平均値は６．８５ｍｍ2／ｓであったのに対し、表面処理後の熱拡散率の平均値は７．３ｍｍ2／ｓであった。また、室温以上の温度においても表面処理により熱拡散率が向上していることが分かった。このように、表面に熱拡散層５を形成させることにより熱拡散率が大きくなることが確認できた。
【００３３】
（鋳造品の品質評価）
本実施形態に係るダイカスト用金型１、及び表面に熱拡散層５を形成していない焼入れ窒化処理のみのダイカスト用金型を、それぞれ８００ｔｏｎコールドチャンバー式ダイカストマシンに装着し、Ｍｇ合金をダイカストして鋳造品（重量約２ｋｇのカバー部品）を作製した。ダイカストは、最初の５ショットを捨て打ちした後、５０ショットずつ行い、それぞれの鋳造品について目視による外観検査（湯境、割れ）、及び透過Ｘ線による内部評価を行った。
その結果、本実施形態に係るダイカスト用金型１を用いて作製した鋳造品は、５０個中４９個が合格であった。これ対し、表面に熱拡散層５を形成していないダイカスト用金型を用いて作製した鋳造品では５０個中３６個のみが合格であった。
以上により、金型の表面に熱拡散層５を形成することにより、鋳造品の品質が向上することが確認できた。
【００３４】
〔別実施形態〕
上記の実施形態においては、熱拡散層５を固定型２及び可動型３のキャビティ４の側の表面の全体に渡って形成した場合を例として説明したが、これに限定されない。例えば、図６に示すように固定型２及び可動型３のキャビティ４の側の表面のうち、キャビティ４の側に突出する部位のみに設けることもできる。すなわち、金型ではキャビティ４の側に突出する部位に熱集中を起こし易いため、鋳造品においてもその部位に相当する位置で割れや湯境を起こし易い。したがって、このような部位にのみ熱拡散層５を設けることによっても鋳造品の品質向上の効果が十分に期待できる。
また、溶湯と接する射出プランジャ６の表面に熱拡散層５を形成することもできる。
さらに、熱拡散層５の作製効率の観点からシリコンを含有する溶液及びＭｇ金属の溶湯に金型を浸漬する場合のように、キャビティ４の側の表面に限らず金型の表面全体に熱拡散層５を形成させても何ら構わない。
【００３５】
上記の実施形態においては、熱拡散層５を金型母材１１の表面に直接形成した場合を例として説明したが、これに限定されない。例えば、金型母材１１の表面に窒化処理等の表面処理を行った後、その表面に熱拡散層５を設けることもできる。これにより、鋳造品の品質向上と共にダイカスト用金型１の耐久性をより向上させることができる。すなわち、最表層が熱拡散層５であればよい。
【００３６】
上記の実施形態においては、本発明に係る金属成形用金型をダイカスト金型１として用いる場合を例として説明したが、本発明に係る金属成形用金型は、ダイカストに限らず、重力鋳造等、加熱して金属を成形する場合に用いることができる。
【００３７】
上記の実施形態においては、Ｍｇ合金を用いる場合を例として説明したが、アルミニウム（Ａｌ）合金等の他の合金やＭｇ、Ａｌ等の金属単体等を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本実施形態に係るダイカスト金型の断面図
【図２】本実施形態に係るダイカスト金型の表層部断面のＳＥＭ写真
【図３】ダイカスト金型の熱拡散層のＳＥＭ−ＥＤＸ分析結果を示すグラフ
【図４】ダイカスト金型の表面処理前後の表面のＸＲＤ測定結果を示すグラフ
【図５】ダイカスト金型の表面処理前後の表面の熱拡散率測定結果を示すグラフ
【図６】別実施形態に係るダイカスト金型の要部断面図
【符号の説明】
【００３９】
１      ダイカスト用金型（金属成形用金型）
２      固定型
３      可動型
４      キャビティ
５      熱拡散層
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図２】
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