(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被押出し材であるアルミ合金が接触するダイス鋼表面に、厚み１００〜１５０μｍの窒素拡散層を介して、ε−Ｆｅx （Ｎ，Ｃ）［ｘ：２〜３］化合物単一相からなる厚み３〜１０μｍの白層が形成されているアルミニウム押出し用ダイス。
【請求項２】
２〜１５体積％のＣＯ2 を含む窒素及びアンモニアの混合ガスからなる窒化処理雰囲気中でダイス鋼を４５０〜５２０℃に２〜１０時間保持し、深さ１００〜１５０μｍの窒素拡散層を介して、ε−Ｆｅx （Ｎ，Ｃ）化合物単一相からなる厚み３〜１０μｍの白層を形成させるアルミニウム押出し用ダイスの製造方法。
【請求項３】
酸素濃度を２０〜１００ｐｐｍに調整した窒化処理雰囲気を使用する請求項２記載のアルミニウム押出し用ダイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、形状特性が良好な押出し製品が得られる耐久性に優れたアルミ押出し用ダイス及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
壁材等の建築用部材やトラック用アオリ等の製造には、光輝性が要求される装飾部品を押出しによって成形加工する方法が採用されるようになってきた。この種の押出し加工に使用されるダイスは、熱間工具鋼に塩浴窒化，ガス窒化等の窒化処理を施すことにより作製されている。
窒化処理により硬質化されたベアリング面等のダイス表面は、得られる押出し形材の表面性状に大きな影響を及ぼすものであるが、押出し中のアルミニウム合金が接触し、アルミニウム合金のメタルフローによって摩耗し易い箇所である。そのため、ダイス表面を押出し開始時と同じ状態に如何に保っておくかが、押し出し形材の品質を安定化させる上で重要になる。
たとえば、押出しの継続に伴ってベアリング面が摩耗し、表面硬質層が部分的に脱落し、表面層の組成や硬度が不均一になる。不均一な表面層は、押出し形材に寸法変動をもたらす要因となり、形材の表面性状に悪影響を与える。その結果、表面品質を低下させるストリーク等の欠陥が押し出し形材の表面に現れ易くなる。そこで、実際の操業では、ある一定量を押し出した後でベアリング面を研磨して形状修正し、再窒化処理を施し、次の押出しに繰返し使用している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
押出し用ダイスは、繰り返されるダイス表面の形状修正によって痩せ細り、最終的には廃棄処分される。しかし、ダイスは高価なものであるから、廃棄されるまでに再窒化によって繰返し使用できる回数が多いほど、生産コストの低減につながる。また、ダイスベアリング面の摩耗が少ないほど、ダイス寿命が長くなり、生産効率が向上すると共に形材の品質も安定化する。特に優れた表面性状が要求される建築用壁材，トラック用アオリ等の製品に対しては、ダイスベアリング面の制御が重要であり、製品の品質管理のために常に一定のベアリング形状を維持することが必要となる。
ところが、現状の塩浴窒化やガス窒化で処理したダイスは、窒化層の表面に鉄窒化物の外に鉄酸化物が形成される。鉄酸化物は、押出し中にベアリング面から剥離・脱落し、耐摩耗性を劣化させる。その結果、鉄窒化物の摩耗も促進されることになり、ストリーク等の表面欠陥が発生し易くなる。
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あり、Ｃが固溶したε−Ｆｅx （Ｎ，Ｃ）化合物単一相からなる厚み３〜１０μｍの白層を設けることにより、耐摩耗性に優れた窒化層を熱間工具鋼の表面に形成し、表面品質が良好な押出し形材を製造するのに適した長寿命の押出し用ダイスを得ることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明のアルミニウム押出し用ダイスは、その目的を達成するため、被押出し材であるアルミ合金が接触するダイス鋼表面に、厚み１００〜１５０μｍの窒素拡散層を介して、ε−Ｆｅx （Ｎ，Ｃ）化合物単一相からなる厚み３〜１０μｍの白層が形成されている。
このアルミニウム押出し用ダイスは、２〜１５体積％のＣＯ2 を含む窒素及びアンモニアの混合ガスからなる窒化処理雰囲気中でダイス鋼を４５０〜５２０℃に２〜１０時間保持し、深さ１００〜１５０μｍの窒素拡散層を介して、ε−Ｆｅx （Ｎ，Ｃ）［ｘ：２〜３］化合物単一相からなる厚み３〜１０μｍの白層を形成させることにより製造される。窒化処理雰囲気は、酸素濃度を２０〜１００ｐｐｍに調整しておくことが好ましい。
【０００５】
【作用】
通常の窒化処理により生成する白層は、ε−Ｆｅx Ｎ［ｘ：２〜３］化合物及びγ’−Ｆｅ4 Ｎ化合物等の混合相である。ε−Ｆｅx Ｎ［ｘ：２〜３］化合物は稠密六方晶であり、γ’−Ｆｅ4 Ｎ化合物は面心立方晶であるため、格子定数の相違に起因して応力が存在する結晶粒界が形成される。そのため、これら化合物の混合相である白層は、アルミニウムメタルによる押出し圧力が表面に加わると、結晶粒界にマイクロクラックが生じ脆化し易い。その結果、押出し中の白層に剥離が生じ、ダイス寿命を短くし、押出し形材の表面状態を悪化させる。
本発明者等は、このような欠点をもつ白層について種々の観点から調査・研究した。その結果、従来の混合相からなる白層に替えて、ε−Ｆｅx （Ｎ，Ｃ）［ｘ：２〜３］化合物単一相からなる白層をダイス表面に形成するとき、白層の剥離が抑制され、耐摩耗性に優れた窒化層をもつ押出し用ダイスが得られることを見い出した。
【０００６】
白層をε−Ｆｅx （Ｎ，Ｃ）［ｘ：２〜３］化合物の単一相にする方法としては、窒化処理雰囲気中に２〜１０体積％のＣＯ2 を含ませることが有効である。ＣＯ2 ガスを添加した窒化処理雰囲気を使用すると、次式（１）〜（３）の可逆反応がダイス鋼表面で生じているものと推察される。
２ＮＨ3 ＝２（Ｎ）＋３Ｈ2           ・・・・（１）
ＣＯ2 ＋Ｈ2 ＝ＣＯ＋Ｈ2 Ｏ              ・・・・（２）
２ＣＯ＝（Ｃ）＋ＣＯ2             ・・・・（３）
式（１）及び（３）の反応で発生した発生期の（Ｎ）及び（Ｃ）は、鋼材の中に拡散する。Ｎは、ダイス鋼の表面でε−Ｆｅx Ｎ［ｘ：２〜３］の化合物を生成し、更にダイス鋼の奥部まで拡散して窒素拡散層を形成する。Ｃは、Ｆｅと反応し、Ｆｅ3 Ｃを生成する。生成したＦｅ3 Ｃは、ε−Ｆｅx Ｎ［ｘ：２〜３］に固溶し易く、ε−Ｆｅx （Ｎ，Ｃ）［ｘ：２〜３］化合物となる。
【０００７】
このようにしてＦｅ3 Ｃが固溶したε−Ｆｅx （Ｎ，Ｃ）［ｘ：２〜３］は、ε−Ｆｅx Ｎ［ｘ：２〜３］に比較して硬質であり、単一相であることから白層の耐摩耗性を向上させる。また、窒化処理時にＦｅ3 Ｃが生成するため、カーボン源がない窒化処理時に生成していたγ’−Ｆｅ4 Ｎが生成しない。仮にγ’−Ｆｅ4 Ｎの単一相からなる白層が生成すると、ε−Ｆｅx Ｎ［ｘ：２〜３］化合物及びγ’−Ｆｅ4 Ｎ化合物等の混合相からなる白層に比較して、良好な耐摩耗性を呈する表面層になるものと推察される。しかし、γ’−Ｆｅ4 Ｎの単一相からなる白層は、カーボン源が存在している窒化処理雰囲気では得られ難い。
また、ＣＯ2 が窒化処理雰囲気に含まれていることから、ダイス鋼に対するＮの拡散も促進される。この拡散反応の促進は、式（１）〜（３）を使用して次のように説明される。
【０００８】
ＣＯ2 は、式（１），（２）で示されているようにＮＨ3 の分解で生じたＨ2 と反応し、ＣＯとＨ2 Ｏになる。ＣＯから式（３）に従って発生期の（Ｃ）が生じ、ダイス鋼への浸透で（Ｃ）が消費される。そのため式（３）の可逆反応が右側に進行し、更には式（２）の可逆反応が右側に進行する。式（２）の反応によって消費されるＨ2 は、ＮＨ3 の分解により生じたものであるから、結果的にダイス鋼に浸透する発生期の（Ｎ）が多くなる。
実際、ＣＯ2 を含む雰囲気で窒化処理すると、ＣＯ2 のない雰囲気で窒化処理した場合に比較して、より短時間で多量のＮがダイス鋼の深くまで拡散し、拡散層の硬度が上昇している。形成された窒素拡散層は、従来の窒素拡散層に比較して厚いため、ε−Ｆｅx （Ｎ，Ｃ）［ｘ：２〜３］化合物の単一相からなる白層を協力にバックアップすることになる。この点でも、耐摩耗性が向上するものと推察される。
【０００９】
ところで、本発明者等は、窒化処理時にカーボン源としてＲＸガス（ブタン，プロパン等の変成ガス）を使用することを特願平７−２４０７２７号で提案している。しかし、ＲＸガスは、分解・変成したＣＯ，Ｈ2 ，Ｎ2 等を主成分とし、ＣＯ2 をほとんど含まない。
このようなＣＯを多量に含むガスでは、式（２）の可逆反応を左側に進めることになり、ＮＨ3 の分解で生じたＨ2 が消費されず、結果的に発生期の（Ｎ）を少なくする。事実、ＲＸガスを使用した窒化処理では、ε−Ｆｅx Ｎ［ｘ：２〜３］及びγ’−Ｆｅ4 Ｎが生成され、窒素拡散量が少ないことから窒素拡散層の硬度及び深さも、ＣＯ2 ガスを含む雰囲気中で窒化処理した場合に比較して低くなっている。また、ブタン，プロパン等を原料とする場合、高温で分解・変成してＲＸガスにすることから、ガスの製造コストが高く、使い勝手も悪い。
【００１０】
ＮＨ3 の分解反応（１）を促進させる作用を呈するＣＯ2 は、２〜１５体積％の割合で窒化処理雰囲気に混合される。窒化処理雰囲気としては、４０〜６０体積％のＮＨ3 及び３０〜５０体積％のＮ2 を含む混合ガスに、ＣＯ2 を配合して総量で１００％とすることが好ましい。ＣＯ2 が２体積％よりも少ないと、ＮＨ3 の分解で発生するＨ2 の除去が不十分となる。そのため、生成したＦｅx Ｎが水素による脱窒化反応を受け、窒化速度が遅くなる。逆に１５体積％を超えるＣＯ2 濃度では、ＣＯ2 が過剰にあることからＦｅが酸化され、押出し加工時にダイス表面から剥離し易いＦｅ3 Ｏ4 等が生成される。また、ＮＨ3 及びＮ2 がそれぞれ前述した範囲を外れると、窒化効率が低下する。
窒化処理雰囲気の酸素濃度は、２０〜１００ｐｐｍの範囲に調整することが好ましい。酸素濃度が１００ｐｐｍを超えると、Ｆｅ3 Ｏ4 等の鉄酸化物が生成し、窒化物の結晶成長が妨げられる。しかし、２０ｐｐｍに満たない酸素濃度では、ε−Ｆｅx （Ｎ，Ｃ）［ｘ＝２〜３］の結晶配向が促進される。そのため、ε−Ｆｅx （Ｎ，Ｃ）［ｘ＝２〜３］のランダム成長が抑制され、耐摩耗性が劣化する。
【００１１】
窒化処理されるダイス鋼には、ＳＫＤ６１，ＳＫＤ６２等の熱間工具鋼が使用される。熱間工具鋼をダイス形状に成形し、洗浄や必要に応じてフッ素系ガスによるクリーニング等の前処理を施した後、窒化処理雰囲気で４５０〜５２０℃に２〜１０時間加熱する。フッ素系ガスを使用したクリーニングでは、フッ素系ガス中にダイス鋼を３００〜５２０℃で５〜６０分間保持する。
窒化処理時の加熱温度が４５０℃未満であると、窒化速度が遅く、処理時間がかかりすぎる。逆に５２０℃を超える加熱温度では、鋼材の金属組織が変質し、鋼材が軟化する。また、２時間に達しない処理時間では窒化量が不十分であり、１０時間を超える処理時間では窒化処理の効果が飽和するばかりでなく、生産性が低下する。
窒化処理は、厚み３〜１０μｍの白層が成長するように処理条件を調整する。白層の厚みが３μｍに満たないと、ダイス鋼表面が十分に硬質化されず、ダイスの寿命が短くなる。逆に１０μｍを超える厚い白層では、窒素拡散層に対する白層の密着力が低下し、白層が剥離し易くなる。
【００１２】
本発明に従った窒化処理では、ダイス鋼に対するＮの拡散がＣＯ2 により促進され、１００〜１５０μｍと比較的深い窒素拡散層が形成される。窒素拡散層の厚みがこの範囲にあるとき、白層に対する十分なバックアップ作用を呈し、押出し時の耐摩耗性の維持に寄与する。窒素拡散層の深さが１００μｍに満たないと、白層が剥離したとき等の耐摩耗性が十分でなく、バックアップ力も弱い。逆に１５０μｍを超える深い窒素拡散層では、耐摩耗性に効果を発揮するものの、処理時間が長くなることから経済的でない。
このように白層及び窒素拡散層が形成された押出し用ダイスは、通常の６０００系は勿論、２０００系，５０００系，７０００系等の硬質で押出し困難なＡｌ合金の押出しにも十分な耐久性をもって使用される。また、この窒化処理は、一旦使用したダイスの再窒化処理にも適用できる。更に、押出し直前にダイスを予熱するときの加熱雰囲気を非酸化性雰囲気にすることにより、ダイスの耐久性が一層向上する。
【００１３】
【実施例】
ＨＲＣ４８に調整されたＳＫＤ６１のダイス鋼で作られたアルミニウム押出し用ダイスをＮＦ3 ガス中で３５０℃で３０分間クリーニングした後、ＮＨ3 ５０体積％，Ｎ2 ４０体積％，ＣＯ2 １０体積％，Ｏ2 ３０ｐｐｍの窒化処理雰囲気中で５００℃×４時間保持する窒化処理を施した。窒化処理後の表面を観察すると、深さ約１３０μｍの窒素拡散層を介して厚み約８μｍの白層が形成されていた。この白層は、Ｘ線回折による分析の結果、ε−Ｆｅx （Ｎ，Ｃ）化合物の単一相であることが判った。
比較のため、ＣＯ2 に替えてＲＸガスを１０体積％の割合で窒化処理雰囲気に混合する外は、同じ条件下で窒化処理を行った。
各窒化処理が施されたテストピースについて、深さ方向に関する断面の硬度分布を測定した。図１の測定結果にみられるように、本発明に従って窒化処理されたダイスでは、ＲＸガスを使用した窒化処理（比較法）よりも表面及び内部の硬度が高くなっていた。これは、ε−Ｆｅx （Ｎ，Ｃ）［ｘ＝２〜３］化合物単一相からなる白層及び深い窒素拡散層が形成されたことに起因する。
【００１４】
次いで、各窒化処理された押出し用ダイスを押出し直前に通常の雰囲気中で４５０℃に加熱し、径２０３ｍｍ，長さ７００ｍｍのＡｌ合金Ａ５８０５ビレットを押出し材として使用し、外径７０ｍｍ，内径６４ｍｍのパイプを押出し成形した。そして、押出し材表面にクワレが発生するまでの押出しビレットの本数で、押出し用ダイスの耐久性を調査した。なお、クワレの発生は、押出し後のダイスをアルカリ洗浄し、ベアリング面を目視観察することにより判定した。
ＲＸガスを含む雰囲気中で窒化処理したダイスでは、ビレット３０本を押出した段階でベアリング全周にクワレが発生した。クワレは、ベアリング面の白層が摩耗している箇所で発生していた。これに対し、本発明に従って窒化処理したダイスは、白層の摩耗が検出されず、ビレット４０本を押出した後でもベアリング面に僅かなクワレが発生したに止まり、極めて良好な耐摩耗性を示すことが判った。
【００１５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、ダイス鋼に対する窒素の拡散を促進させる作用を呈するＣＯ2 を混合したＮＨ3 −Ｎ2 の窒化処理雰囲気を使用することにより、深い窒素拡散層を介して硬質の白層を形成している。形成された白層は、Ｆｅ3 Ｃが固溶したε−Ｆｅx （Ｎ，Ｃ）［ｘ＝２〜３］化合物単一相からなり、従来の白層に比較して高い硬度を示す。そのため、耐摩耗性及び耐久性に優れ、形状特性が良好な押出し形材が得られると共に、再窒化処理回数が少なくなるためダイスの寿命も長くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従った窒化処理で形成された表面層の深さ方向に関する硬度分布を従来法と対比して示したグラフ
【図１】
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