(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化処理されたダイスをアンモニア及び／又は窒素からなる雰囲気中で５２０〜５６０℃に加熱保持し、ダイス表面にあるＦｅ−Ｎ系化合物の白層を分解した後、ダイス表面にボロンをイオン注入し、Ｆｅ−Ｂ系化合物層を生成させることを特徴とするアルミ押出し用ダイスの表面改質方法。
【請求項２】
白層分解用の加熱雰囲気が５００〜１０００ｐｐｍの酸素を含んでいる請求項１記載のアルミ押出し用ダイスの表面改質方法。
【請求項３】
ダイスを２００〜３００℃に保持し、ボロンをイオン注入する請求項１記載のアルミ押出し用ダイスの表面改質方法。
【請求項４】
ダイスのベアリング面にボロンをイオン注入する請求項１又は３記載のアルミ押出し用ダイスの表面改質方法。
【請求項５】
Ｆｅ−Ｂ系化合物層が０．１〜０．５μｍである請求項１記載のアルミ押出し用ダイスの表面改質方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ダイス基材の材質劣化を招くことなく、硬質で耐摩耗性に優れたＦｅ−Ｂ系化合物層をダイス表面に形成するアルミ押出し用ダイスの表面改質方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミ押出し用ダイスは、ＳＫＤ６１，ＳＫＤ６２等の熱間工具鋼を窒化処理して使用している。窒化処理には塩浴窒化，ガス窒化，流動層熱処理等がある。窒化処理で鋼材表面に形成されたε−Ｆｅx Ｎ（Ｘ＝２〜３），γ’−Ｆｅ4 Ｎ等の窒化層（白層）は、ビッカース硬さで１０００〜１２００に達し、耐摩耗性に富み、高温硬さが高く、再加熱によっても硬さの低下が少ない。
しかし、白層は、熱的に不安定であり、押出し直前の予熱工程等において酸化しダイス基材から剥離する欠点がある。白層が剥離すると押出し形材の表面性状や形状精度が劣化すると共に、再窒化が必要となることからダイス寿命も短くなる。特に生産性向上のために押出しを迅速に開始できるように予熱温度を高く設定する傾向にある昨今では、予熱時に白層が一層酸化し易くなる。
【０００３】
また、窒化処理で形成された表面層は高々ＨＶ１２００程度の硬さに止まり、耐摩耗性を更に改善するためには、更に高い硬度が得られる表面改質法が必要となる。このような要求に応えるものとして、硼化処理が知られている。硼化処理では、硼素を基材表面に侵入拡散させ、硼素化合物層を表面に形成させている。たとえば、耐摩耗性向上のために押出し用ダイスのベアリング面に硼化処理を適用した例は、軽金属学会第８３回秋期講演大会（平成４年１１月）概要集第７９頁で紹介されている。生成する硼素化合物層は、窒化層に比較してＨＶ１３００〜２３５０と非常に硬く、耐摩耗性にも優れている。しかも、６００℃付近まで酸化摩耗が少なく、処理による膨張も極く僅かである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の硼化処理では、８５０〜１０５０℃の高温処理が必要とされている。ダイス鋼をこのような高温に加熱すると、鋼の金属組織変化により材質が劣化し、或いは熱による変形や歪みが鋼に生じる。その結果、ダイスとして必要な強度や形状精度が維持できなくなる。また、高温処理のため、消費されるエネルギーが多量となり、設備的にも高価なものが必要となる。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたもので、イオン注入法の採用により低温でボロンをダイス表面に浸透させ、剥離し易い白層がなく耐摩耗性，硬度，耐久性に優れたアルミ押出し用ダイスを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の表面改質方法は、その目的を達成するため、窒化処理されたダイスをアンモニア及び／又は窒素からなる雰囲気中で５２０〜５６０℃に加熱保持し、ダイス表面にあるＦｅ−Ｎ系化合物の白層を分解した後、ダイス表面にボロンをイオン注入し、Ｆｅ−Ｂ系化合物層を生成させることを特徴とする。
窒化処理されたダイスを加熱する加熱雰囲気には、５００〜１０００ｐｐｍの酸素を含むアンモニア及び窒素の混合雰囲気又は窒素のみが使用される。この雰囲気中で５２０〜５６０℃に３〜８時間加熱すると、ダイス表面にあるＦｅ−Ｎ系化合物が分解し、白層がなく窒素が深部まで拡散した表面層となる。この表面層をもつダイスを２００〜３００℃に保持し、たとえばベアリング面等にボロンをイオン注入する。イオン注入されたボロンは、Ｆｅ−Ｂ系化合物層となる。Ｆｅ−Ｂ系化合物層は、必要な耐摩耗性及び硬度を確保するため０．１〜０．５μｍの厚みをもつことが好ましい。
【０００６】
【実施の形態】
通常の硼化処理では、固体硼化物，硼化物を含む溶融塩又はガス等を用い、パック，浸漬，電解等で金属表面にボロンを拡散浸透させている。たとえば、８５０〜１０５０℃の温度条件下で粉末状硼化物によりボロン処理すると、窒化法で処理した表面層に比較して硬度が高く安定性に優れた硼化処理表面層が形成される。しかし、処理温度が高いため、前述したようにアルミ押出し用ダイスに適用する上では問題がある。
本発明は、このような高温硼化処理による欠点を克服するため低温処理について検討した。その結果、ダイス鋼の低温硼化処理としてイオン注入法が好適であることを見い出した。イオン注入法は、イオン化したボロンを高エネルギーに加速して、鋼材表面に打ち込む方法であり、イオンの運動エネルギー及び高い化学的活性度から２００〜３００℃と低温での処理が可能となる。
【０００７】
しかし、イオン注入法でダイス表面に形成される硼化物層は、０．１〜０．５μｍと非常に薄く、押出し時の摩耗に十分耐える厚みに成長していない。そこで、本発明においては、必要な耐摩耗性を確保するため、従来の窒化法で形成されていた厚み１００μｍ程度の窒素拡散層を活用する。窒素拡散層にボロンをイオン注入すると、Ｆｅ2 Ｂ等のＦｅ−Ｂ系化合物が形成される。
イオン注入に際し、ダイス表面にＦｅ−Ｎ系化合物の白層があると、Ｆｅ−Ｎの結合エネルギーがＦｅ−Ｂより大きいため、Ｆｅ−Ｂ系化合物の生成が抑制される。そこで、窒化処理されたダイスをＮＨ3 −Ｎ2 雰囲気で５２０〜５６０℃（好ましくは５２０〜５４０℃）に加熱することにより、白層を予め分解し、窒素拡散層が露出した表面に調整する。白層を迅速に分解させるためには、ＮＨ3 −Ｎ2 雰囲気の酸素濃度を５００〜１０００ｐｐｍとし、３〜８時間（好ましくは３〜５時間）加熱保持することが好ましい。酸素濃度が高過ぎるとダイス表面に酸化物が生成し易く、低過ぎると白層の分解速度が遅くなる。酸素のない雰囲気でも時間をかければ白層が分解するが、長時間処理を必要とすることから経済的でない。
【０００８】
加熱処理により、たとえば反応式２ＦｅＮ＋Ｏ2 →２ＦｅＯ＋Ｎ2 のように白層が分解する。白層の分解は、５２０℃以上のなるべく低い温度で短時間行うことが好ましい。加熱温度が５６０℃を超えると、ダイス鋼が軟化する虞れがある。しかし、５２０℃未満の加熱温度では、白層の分解反応が生じにくくなる。このとき、白層の分解によりＮイオンが生じ、また雰囲気も窒化処理雰囲気であるため、鋼中へのＮの拡散が進行し、加熱処理で軟化しがちなマトリックスを強化する。
白層の分解により表面に露出した窒素拡散層は活性状態にあるので、ボロンの注入が効率よく進行し、ダイスに直接イオン注入した場合に比較して深くまでＦｅ−Ｂ化合物層が形成される。ボロン注入を考慮すると、ダイス形状としては、ベアリング面に直角にイオン注入できることから割り型のインサート型が好適である。
【０００９】
イオン注入では、たとえばＢＦ3 ガスをＢ源として用い、高周波イオン源にＢＦ3 ガスを導入し、ＲＦ放電プラズマを作る。そして、電離したイオンを引き出して質量分離し、Ｂ+ のみを取り出してダイス表面に照射する。イオン注入の条件としては、たとえば加速エネルギー１００〜５００ｋｅＶ，注入量５×１０17イオン／ｃｍ2 以上，イオン電流密度１０〜５０μＡ／ｃｍ2 ，ダイス温度２００〜３００℃が採用される。このとき、注入深さは０．１〜０．５μｍとなる。
Ｂイオンは、金属イオンに比較して原子半径が小さいことから、ダイスの深くまで入り易い。常温のダイスに対してもイオン注入可能であるが、２００〜３００℃にダイスを加熱することにより注入深さが深くなると共に、形成される硼化物の結晶性が改善される。また、注入量を５×１０17イオン／ｃｍ2 以上とすることによって、Ｆｅ−Ｂ系化合物が形成される。注入深さは、加速エネルギーを高くするほど深くなるが、経済面を考慮すると０．３μｍ程度の深さが好ましい。
【００１０】
生成したＦｅ−Ｂ系化合物層は、ビッカース硬度ＨＶでＦｅ−Ｎ系の白層の１２００に対し１３００以上と高い硬度を示し、耐酸化性，高温安定性に優れており、押出し温度域においても酸化消耗が少ない。そのため、押出し直前の予熱を大気雰囲気で行っても酸化されないので、予熱温度を比較的高く設定した場合でも非酸化性雰囲気を必要としない。更に、得られたＦｅ−Ｂ系化合物層は、蒸着等で形成された皮膜と異なり、マトリックスへのボロン注入により生成した層であるため、マトリックスに対する密着不良が生じることもない。
Ｆｅ−Ｂ系化合物層の内部にある窒素拡散層は、白層の分解により生じたＮイオン及びＮＨ3 −Ｎ2 雰囲気からのＮ拡散が加えられるため、従来の窒化処理で生成している窒素拡散層に比較して深くなっている。そのため、マトリックスの強化が図られ、耐摩耗性の改善に有効に作用する。
このようにして、ダイス表面の摩耗が抑えられるため、押出し形材の形状精度及び表面状態も改善される。以上の硼化処理は、摩耗によって表面欠陥が発生するダイス表面の寿命がきたとき、窒化処理と共に繰返し施すことができる。ここで、再処理までの期間を長くできることから、生産性の低下を来す押出しラインの停止が少なくなり、ダイス自体の寿命も長くなる。
【００１１】
【実施例】
熱間工具鋼ＳＫＤ６１鋼材で作製したインサートタイプのダイス（ベアリング長さ５ｍｍ，スリットサイズ４０ｍｍ×３ｍｍ）をＨRC４８に調質した後、通常のガス窒化処理を施した。窒化処理されたダイスをＮＨ3 ：Ｎ2 ＝１：１の雰囲気下で５２０℃に４時間加熱して白層を分解し、窒素拡散層のみの表面層を形成した。なお、加熱雰囲気の酸素濃度は７００ｐｐｍであった。
次いで、ボロン源としてＢＦ3 ガスを用い、注入量５×１０17イオン／ｃｍ2 ，イオン電流密度５０μＡ／ｃｍ2 ，ダイス温度３００℃の条件で１００ｋｅＶのボロンをベアリング面に注入した。Ｂ注入されたベアリング面の断面構造を観察すると、表面から約０．３μｍの深さまでＢが注入されており、その下に層厚１５０μｍの窒素拡散層が生成していた。
【００１２】
硼化処理されたダイスに、押出し直前に大気中で４５０℃に３時間加熱する予熱処理を施した。予熱されたダイスを用い、押出し速度４０ｍ／分で６０６３ビレットを押出した。そして、ビレット１０本を押出した後、ベアリング面の表面粗さ，摩耗状態及び押出し形材の表面性状を調査した。なお、表面粗さは、押出し方向に垂直な方向に沿った３点で表面粗さＲmax を測定し、その平均値として表した。
表１の調査結果にみられるように、本発明に従って処理したダイスでは、ビレット１０本を押出した後でもベアリング面の表面粗さの荒れが少なく、押出し形材の表面粗さの変動も少なく、均一な表面状態をもつ押出し形材が製造された。他方、従来の窒化処理を施したダイスでは、ビレット１０本を押出した後でベアリング面が大きく荒れており、得られた押出し形材の表面粗さも大きくなっていた。
【００１３】
この対比から、窒化層の表面を硼化処理することにより、ε−Ｆｅx Ｎ（Ｘ＝２〜３）等の白層よりも硬いＦｅ−Ｂ系化合物層が形成され、耐摩耗性が向上していることが判る。また、押出し直前の予熱時にも酸化されない熱的に安定なＦｅ−Ｂ系化合物層がダイス表面に形成されているため、ダイスのベアリング面が健全に維持され、多数回繰返される押出しにおいても均一な表面をもつ押出し形材が得られることが確認される。
【００１４】
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【００１５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の表面改質方法では、窒化処理で形成した白層を分解した後の窒素拡散層にボロン注入しているため、従来９００℃以上の高温を必要としていた熱拡散を伴う硼化処理を２００〜３００℃の低温で行うことができる。そのため、材質劣化，変形，歪み等の原因となる高温にダイスを加熱する必要なく、従来の白層に比較して硬質で耐酸化性，耐摩耗性が一段と優れたＦｅ−Ｂ系化合物層がダイス表面に形成される。また、Ｆｅ−Ｂ系化合物層の下に比較的厚い窒素拡散層があるため、Ｆｅ−Ｂ系化合物層が薄くても十分な性能が発揮される。更に、形成されたＦｅ−Ｂ系化合物層は、押出し直前に大気雰囲気でダイスを予熱しても酸化されることがなく、押出し中のメタルフローに対する耐摩耗層として働く。このように、本発明に従って処理されたダイスは寿命が長く、押出し工程に繰返し使用された後でも表面性状が安定した押出し形材が製造される。