亜鉛ダイカスト金型用アモルファス炭素膜の開発
水林舞
櫻 木 卓 也渡 邉 直 樹1)
2)
3)

亜鉛付着を抑制するメカニズムを明らかにした．最後に開発

. 開 発 の 背 景
ダイカストはアルミニウム，マグネシウム，亜鉛，銅などした aC 膜による金型洗浄回数の低減効果を確認した．

.

金型における亜鉛付着メカニズムの溶融合金を精密な金型の中に圧入し，高精度で鋳肌の優れた鋳物を短時間にハイサイクルで生産する鋳造技術として，亜鉛合金ダイカストにおける焼付きの原因と進展メカニズ産業の発展とともに拡大してきた．亜鉛合金はアルミニウムムを明らかにするため，汎用技術である窒化金型を用いてダ合金に次いで多く利用されている．亜鉛合金の特徴は耐衝撃イカスト試験を行った．使用した金型と亜鉛付着が観察され性に優れ，めっきがつけやすいことが挙げられる．ダイカスた箇所を図に示す．比較的低温の環境下で発生する亜鉛合トの鋳造条件は他の鋳造方法と比較し高圧かつ高速射出のた金と金型鋼材との界面反応物の生成に着目し，金型の断面をめ，金型表面には過酷な鋳造条件に耐えうる耐溶損性，耐磨透過型電子顕微鏡(TEM)にて観察した(図)(1)．

耗性，耐ヒートチェック性などが要求され，金型寿命を向上

観察の結果，亜鉛付着層の総厚さは 10 ～ 15 mm で図 2 のさせるための技術が開発されている．また近年薄肉化や複雑元素マッピングから付着層の下層は，Fe，Al，Zn からなる形状鋳物への展開が進められている中，鋳物内部のブローホ酸化層が形成されていることが観察された．薄膜酸化層の下ールの発生，鋳物表面のふくれ，湯じわ，湯境などの欠陥，層に鋼材由来の Fe が観測されていることから，酸化層に含そして金型表面の焼付き等の課題対策として金型温度を上げ有される Fe は鋼材からの拡散によるものであることが確認ることが有効であることはよく知られている．しかし金型温された．

度を上昇させることは，金型の焼付きを促進させることにな

図 1 で確認されるダイカスト後の窒化金型表面の観察かり，溶湯の急冷が抑制されるため凝固が遅延し湯回りがよくなり，ばりの発生や溶損など金型破損を引起こす要因になる．そのため金型表面の焼付きは実操業において未だ大きな課題である．焼付きが進行すると鋳物の肌荒れが深刻になり鋳物側に欠肉が発生するため，定期的にアルカリ或いは酸による金型洗浄が行われるが，これらの溶剤による金型洗浄は金型自体に損傷を与え金型寿命を短くする要因にもなっている．

図1

本研究では，先ず亜鉛ダイカスト(ZDC1)の焼付きによっダイカスト後の可動型表面の観察像．て亜鉛付着を引き起こす因子を明らかにし，その対策として金型に硬質保護膜を施した．硬質保護膜として弊社独自のアモルファス炭素膜(aC 膜)を開発した．次に，窒化処理金型と a C 膜を成膜した金型の特性について比較し， a C 膜が
YKK 株式会社 工機技術本部 分析・解析センター
1 ) PJ マネージャー 2 )専門役員 工機技術本部 分析解析技術担当 3)エンジニア
Development of Amorphous Carbon Films for Zinc Die Casting
Molds; Mai Mizubayashi, Takuya Sakuragi and Naoki
Watanabe(YKK CORPORATION, Machinery and EngineeringGroup)
2019年10月31日受理[doi:10.2320/materia.59.96]



図2

ダイカスト後の窒化金型表層の TEM 解析結果．

新技術・新製品

ら，特に領域 A の付着が著しい．一方，鋳物表面の温度分々は，ダイカスト金型専用膜として高圧射出に対する耐久性布をシミュレーションにより予測した結果，領域 A は必ずを上げるため成膜温度とバイアス条件の改良を行い，金型としも高温ではないことが確認できた(図)．そこで，亜鉛付の密着性を向上させた．図 1 と同様のダイカスト試験を行着を促進する原因を探るため走査型電子顕微鏡( SEM )によい，非接触式粗さ計を用い亜鉛付着量を測定した結果，開発る観察を行った結果，領域 A でダイカスト工程の鋳造欠陥

した a
C 膜において亜鉛付着の抑制効果が確認された(図)．

である二重乗り欠陥を確認した(図)．二重乗り欠陥は急冷aC 膜金型において薄膜酸化層の生成が抑制されていること

凝固により鋳物表面に緻密な組織のチル層が発生し，母材層を確認するため，図 1 で示される金型の領域 B に対して透は結晶粒径が大きく，異なる組織をもつ層が不連続に接触す過型電子顕微鏡( TEM )による構造解析を行った(図，図る鋳造欠陥である．このチル層は鋳物が金型から離型される)．窒化金型は金型最表面に Al，Zn，Fe 等から成る酸化層

際，金型表面に付着するため亜鉛付着の要因となり，鋳物表を形成しており，金型最表面下に厚さ10～20 nm の Fe，Zn，面は逆に欠肉となって現れることがよく知られている(2)．

Al からなる薄膜酸化層を確認した．一方 aC 膜金型の最表以上のことから，金型の亜鉛付着対策として前述の薄膜酸面は僅かに Zn 酸化物の生成が観測されるものの Al ， Zn ，化層の抑制と併せて二重乗り欠陥の抑制も重要である(1)．製

Fe の酸化層は確認されなかった(図)(3) ． 5 千， 10 万ショ

造工程では，ダイカスト後の鋳物は研磨，めっき工程を経てットまで鋳込んだ金型の拡散元素の相対比較を行うため，二製品化される．しかしながら二重乗り欠陥がある場合，研磨次イオン質量分析法(SIMS)測定を行い，二次イオン強度を工程で外力によりチル層と母材層の不連続面にクラックが発棒グラフで示した(図)．窒化金型と比較し，aC 膜金型は生する(図)．そのクラックにめっき工程での薬液が侵入しFe，Al，Zn は殆ど観測されず，金型最表面下の薄膜酸化層置換反応により水素ガスが発生し，図に観察されるようなの生成を抑制していることが確認された．更に a C 膜は窒ふくれ欠陥が発生する．このように，二重乗り欠陥は亜鉛付化金型と比較して断熱性が向上するため，急冷凝固が抑制さ着を促進するだけでなく製品の品質にも悪影響を及ぼすことれ a C 膜金型で製造した鋳物表面には二重乗りが形成されが知られている．

難いことがわかった(図)．
この結果より，aC 膜型が薄膜酸化層の生成を抑制し，製.

亜鉛ダイカスト用 a
C 膜の開発品の二重乗り生成も防ぐ対策であることを示唆している．
窒化金型及び a C 膜金型に亜鉛が付着した反応層の模式亜鉛付着の対策として a C 膜に着眼した． a C 膜は低摩図を図に示す．窒化金型では亜鉛付着層の下部と金型最表

擦係数，高硬度，化学的安定性，そして酸素や窒素に対する面下に Al ， Zn ， Fe の薄膜酸化層が生成され，亜鉛合金のガスバリア性等の優れた特性を持つことが知られている．我Al が鋼材に鋼材の Fe が亜鉛付着層内に拡散する相互拡散が発生する(図12(a))．一方，aC 膜金型では亜鉛付着層は図7 の実験で確認されるように 1 mm 以下で， a C 膜下の鋼材

図3

図4

可動型側鋳物表面の温度分布．

図 1A 部における亜鉛付着物高さの経時的変化．

図8

亜鉛合金と窒化金型界面の TEM 解析結果．

窒化金型で鋳造した鋳物の断面観察．
(a)SEM 断面観察像

図5

図7

鋳物の断面観察． 図 6(b)模式図

二重乗り由来フクレの観察像．
(a)フクレ外観面観察像

ま て り あ 第59巻 第 2 号(2020)
Materia Japan(b)フクレの断

表1

図9

フクレ発生率 表 2()．

亜鉛付着由来マシン停止時間．

亜鉛合金と aC 膜金型界面の TEM 解析結果．
内には Al，Zn，Fe の酸化層は生成されない(図12(b))．

.

aC 膜による鋳物品質と生産性向上

窒化金型と a C 膜金型を用いて鋳造した鋳物品質を確認するため，二重乗り由来のフクレ不良率を比較した(表)．
フクレ不良率はめっき処理後の製品 1 千個の抜き取り検査を行った．その結果，aC 膜金型のフクレ率は窒化金型の5 分の 1 であった．次に，亜鉛付着した金型を洗浄するためにダイカストマシンを停止した時間を比較した(表)．窒化金型は平均1.24時間/日停止し，5 日間で 6.2時間の停止が確認された．一方，aC 膜金型は亜鉛付着の抑制により金型洗浄によるダイカストマシンの停止はなかった．金型洗浄回数
図10

金型界面における SIMS 点分析の結果．の低減は洗浄薬品由来による金型の損傷の抑制にも効果があることが確認されている．以上の結果から，本研究で開発した a C 膜は鋳物品質，金型寿命の向上，ダイカストマシンの生産効率の観点から非常に有効な技術であることが確認された(4)．

.

総括

本研究で得られた知見を以下にまとめる．
1 ．亜鉛合金( ZDC1 )ダイカストの焼付きによって亜鉛付着

図11aC 膜金型で鋳造した鋳物の断面観察．

を引き起こす因子を明らかにし，抑制対策として独自のaC 膜を開発した．
2．窒化金型と aC 膜金型の特性について比較し，aC 膜が亜鉛付着を抑制するメカニズムを TEM による構造解
析，二次イオン質量分析より明らかにした．
3． aC 膜金型のフクレ欠陥率低減と金型洗浄回数低減によるダイカストの生産性向上効果を確認した．

文

図12




反応層の模式図．

献( 1 ) M. Mizubayashi, T. Sakuragi, N. Watanabe, T. Kurokawa, I.
Nakayama, K. Matsuda and M. Nose: J. JFS, 89(2017), 174181.
( 2 ) D. Fuwa, T. Sakuragi, M. Mizubayashi, M. Kobayashi and T.
Katsumi: Mater. Trans., 60(2019), 793801.
( 3 ) M. Mizubayashi, T. Sakuragi, N. Watanabe, K. Matsuda andM. Nose: Mater. Trans., 58(2017), 16951701.
( 4 ) M. Mizubayashi, T. Sakuragi, N. Watanabe, M. Ishida, K.
Matsuda and M. Nose: Program book of ICMCTF2019, G2
FrM1, San Diego, U.S.A., 20, May (2019), 122.

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