JP4574065B2

JP4574065B2 - 半凝固鉄系合金の成形用金型

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Publication number: JP4574065B2
Application number: JP2001166283A
Authority: JP
Inventors: 雅之土屋; 宏明上野; 勇高木; 尚国村松; 真人安田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; NGK Insulators Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; NGK Insulators Ltd
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2021-06-01
Also published as: JP2002361394A; DE10224206A1; US20030024682A1; US6810941B2; DE10224206B4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固液共存状態にある半凝固鉄系合金の鋳造用鋳型として好適な、銅合金製の成形用金型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レオキャスティング法やチクソキャスティング法など、固液共存状態にある半凝固金属に圧力を付加して金型内へ射出成形する方法は、通常のダイカスト法に比べると、加熱が小さいだけでなく、鋳込み温度が低く、また凝固潜熱の放出も少なくて済むことから、金型への熱衝撃が比較的少ないという特長がある。
このため、従来は、金型寿命が短くて経済的にダイカストが成立し難いとされた高融点の銅合金や鉄系合金を成形する方法として、現在、有望視されている。
【０００３】
このような成形用の金型としては、アルミなどの軽合金ダイカストで一般的に使用されている硬質の鉄鋼材料（例えば熱間ダイス鋼SKD61 等）の使用が考えられるが、この SKD61を含めて鉄鋼材料は一般に、熱伝導率が 40 W/(m・K)以下と極めて低いため、鋳物の冷却能に劣る。
従って、かような熱伝導率の低い材料を金型として用いた場合には、次に述べるような問題があった。
ａ）金型の予熱に長時間を要す。
ｂ）徐冷凝固されると、ノックアウトピンとピン穴との隙間にスラリーが入り易く、バリ発生の原因となる。
ｃ）金型内の温度勾配が大きく、また金型表面で引張圧縮応力が繰り返されることによって塑性歪が蓄積されるため、早期にクラックが発生し易い。特に製品形状を反映したキャビティ内の小さなＲ形状を持つ凸面では、応力集中が起こり易く、ヘアークラックが発生し易い。
ｄ）金型の冷却能が低いと、半凝固鉄系合金が例えば亜共晶鋳鉄の場合、焼鈍熱処理後の黒鉛の微細化が不十分となり、ひいては鋳鉄製品に望ましい黒鉛組織や機械強度が得られない。
【０００４】
その他、充填材が、固液共存状態にある半凝固鉄系合金の場合には、特に
ｅ）表面の酸化皮膜がキャビティ内に混入して、製品品質を劣化させる
ところにも問題を残していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上述した諸問題を有利に解決するもので、熱伝導率に優れるのは言うまでもなく、十分な機械強度を有し、しかも充填材である半凝固鉄系合金の表面酸化皮膜のキャビティ内への混入を効果的に阻止することができる、半凝固鉄系合金の成形用金型を提案することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、以下に述べる知見を得た。
１）銅合金は、熱伝導率は高いものの、鉄鋼材料に比べると強度が劣るため、高温材の成形用金型としては不向きと考えられていたが、半凝固金属は射出成形時におけるスラリー温度が低くて済むこともあって、成分調整により、ある程度以上の硬度としたものであれば、成形用金型として十分に使用に耐え得る。
【０００７】
２）金型キャビティの充填口近傍に、充填材の射出口よりも口径が幾分小さい開口部を有するスカルプゲート（皮むきゲート）を配設することによって、充填材である半凝固鉄系合金の表面酸化膜を効果的に除去することができる。
【０００８】
そこで、発明者らは、上記の知見に基づき、成分調整により熱伝導率と機械強度を調整した銅合金を用いて成形用金型とスカルプゲートを作製し、これらを用いて実際に半凝固鉄系合金の射出成形を試みた。
その結果、上記したスカルプゲートの開口部周辺および金型キャビティ内の小さなＲ形状を持つ凸面部では損耗が著しく、このままでは使用に供し得ないことが判明した。
【０００９】
そこで、次に、スカルプゲートの開口部周辺および金型キャビティ内の凸面部の耐久性を向上させるべく、損耗が生じ易い部分にサーメットの被覆を施し、かかるサーメット被膜をそなえる成形用金型とスカルプゲートを用いて、再度、半凝固鉄系合金の射出成形を試みた。
なお、かようなサーメットの被覆は、出願人会社が先に開発した特許第３１５０２９１号公報に開示の技術を利用して行った。
しかしながら、上記のようなサーメットを被覆した材料を用いた場合であっても、実際の射出成形に際してはサーメット被膜の剥離を生じ、やはり実使用には耐え得なかった。
【００１０】
この理由については、次のとおりと考えられる。
すなわち、この発明で鋳造対象とする半凝固鉄系合金は、上記した特許第３１５０２９１号公報で鋳造対象とするAlやAl合金溶湯に比べると温度が高く、また固体成分が含まれていることもあって、スカルプゲートや金型の凸部に対する熱衝撃が従来よりも大幅に増大するためと考えられる。
【００１１】
そこで、発明者らは、半凝固鉄系合金の射出成形時における大きな熱衝撃にも十分に耐え得る密着性に優れたサーメット被膜を形成して、半凝固鉄系合金の成形用金型として実使用に耐え得る金型を開発すべく数多くの実験と検討を重ねた結果、サーメット被膜の被覆に先立ち、中間層としてNi基合金のプレコートを施すことが、サーメット層の密着性の向上ひいては金型の耐久性の向上に極めて有効であることの知見を得た。
この発明は、上記の知見に立脚するものである。
【００１２】
すなわち、この発明の要旨構成は次のとおりである。
１．金型キャビティの充填口の近傍に、射出口から供給される半凝固鉄系合金の表面酸化膜を除去するためのスカルプゲートを配設した半凝固鉄系合金の成形用の金型であって、少なくともキャビティを形成する一対の金型および上記スカルプゲートが、120 W/(m・K)以上の熱伝導率と180 HB以上の硬さを併せ持つ銅合金からなり、しかも上記一対の金型の内面、上記スカルプゲートの表面および上記射出口の内面それぞれの一部または全面に、放電被覆により被成した膜厚が５〜100μmでかつ、面粗さが算術平均粗さ(Ra)で５〜50μmのNi基合金を中間層として、その上に放電被覆により被成したCo，Cu，CrおよびNiのうちから選んだ少なくとも一種を含むサーメット層を備えることを特徴とする、半凝固鉄系合金の成形用金型。
【００１３】
２．上記１において、中間層であるNi基合金が、Cr，Fe，MoおよびＷのうちから選んだ１種または２種以上合計で30〜50mass％を含有し、残部はNiおよび不可避的不純物の組成になることを特徴とする、半凝固鉄系合金の成形用金型。
【００１５】
３．上記１または２において、キャビティを形成する一対の金型およびスカルプゲートの素材である銅合金の成分組成が、
Ni：1.0 〜2.0 mass％、
Co：0.1 〜0.6 mass％、
Be：0.1 〜0.3 mass％および
Mg：0.2 〜0.7 mass％
を含有し、残部はCuおよび不可避的不純物の組成になることを特徴とする、半凝固鉄系合金の成形用金型。
【００１６】
４．上記１〜３のいずれかにおいて、サーメット層が、WC−Coサーメット層、MoB₂−Niサーメット層または Cr₃C₂−Niサーメット層のいずれかであることを特徴とする、半凝固鉄系合金の成形用金型。
【００１７】
５．上記１〜４のいずれかにおいて、サーメット層の表面粗さが、算術平均粗さ(Ra)で５〜100 μm の範囲を満足することを特徴とする、半凝固鉄系合金の成形用金型。
【００１８】
６．上記１〜５のいずれかにおいて、スカルプゲートが内部水冷構造になることを特徴とする、半凝固鉄系合金の成形用金型。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体的に説明する。
図１に、この発明に従う鋳造用金型の好適例を斜視面で示し、図中番号１は銅合金製の成形用金型、２はスカルプゲート、３はキャビティ、そして４は半凝固鉄系合金の射出口、５は半凝固鉄系合金の充填口、６は鋳抜き用の凸Ｒ部、７は成形品の押し出しピンである。また、８は金型枠であり、この金型枠８には、ヒーター用の穴９および冷却水用の穴10が設けられている。さらに、金型枠８には、番号11で示すように、スライド式の開閉用斜ピンが設けられていて、この開閉用斜ピン11の作用によって、スカルプゲート２は、鋳型の開閉に追随して開閉する仕組みになっている。
【００２０】
この発明では、上記した金型１やスカルプゲート２の素材である銅合金について、その熱伝導率を120 W/(m・K)以上、ブリネル硬さを180 HB以上に限定したが、その理由は、必要な冷却速度と熱応力に対抗する機械強度の両者を満足させるためである。
すなわち、熱伝導率が120 W/(m・K)に満たないと十分な冷却速度が得られないため、前掲ａ）〜ｄ）に示した問題を解決できず、またブリネル硬さが180 HBに満たないと、たとえ表面にサーメット層の被覆を施したとしても、熱衝撃によって金型の変形や割れが発生するおそれが生じる。
なお、熱伝導率やブリネル硬さは高い方が望ましいが、あまりに高すぎると
前者は補修時の溶接性が悪化し、一方後者は金型製作時の切削工数の増加が生じる不利があるので、それぞれ上限は熱伝導率で300 W/(m・K)程度、またブリネル硬さで300 HB程度とすることが好ましい。
【００２１】
また、この発明では、金型キャビティ３の充填口５の近傍に、射出口４よりも口径が幾分小さい開口部を有するスカルプゲート２を配設することが特に重要である。
金型キャビティの充填口近傍に、かようなスカルプゲートを配設することにより、材料の充填時に、半凝固鉄系合金の表面酸化膜のみを効果的に固着除去することができ、かくして表面酸化膜のキャビティ内への混入を格段に低減することができるのである。
ここに、スカルプゲートに設ける開口部の大きさは、射出口の大きさの15〜80％程度とすることが好ましい。
【００２２】
さて、この発明では、上記した金型の内面やスカルプゲートの表面、さらには射出口の内面それぞれの一部または全面に、Ni基合金の中間層を介して、サーメット層の被覆を施すことが重要である。
特に金型キャビティ内の小さなＲ形状を持つ凸面やスカルプゲートの開口部付近は、熱衝撃により、損耗が生じ易く、またクラックも発生し易いため、少なくともこのような損耗やクラックが発生し易い領域については、半凝固鉄系合金との親和性が小さく、かつ耐熱性に優れるサーメット層を、Ni基合金の中間層を介して被覆する必要がある。
【００２３】
上述したとおり、サーメット層を被覆する場合には、中間層としてNi基合金を被覆することが肝要である。というのは、Ni基合金は、NiとCuが全率固溶するので銅合金に被覆する際に溶融接合し易い。また、Niの熱膨張係数がCuとサーメットとの中間の大きさであるため、連続成形時の温度変化に伴う銅合金製金型とサーメット層との膨張収縮差を緩和し、これによるサーメット層の破壊を予防する役割を持つ。とりわけ、50mass％以上のNiを有する中間層を被覆すれば、母材である銅合金への被覆効率が大幅に増大する。また、Ni基合金は、サーメット層の金属バインダー成分（例えばWC−Coの場合はCo）との溶融接合も容易で、サーメット層を母材である銅合金の上に被覆する際に両者を取り持つ中間層として極めて重要な役割を果たす。
かかるNi基合金としては、Cr，Fe，MoおよびＷのうちから選んだ１種または２種以上合計で30〜50mass％を含有し、残部はNiおよび不可避的不純物の組成になるものがとりわけ好適である。
【００２４】
また、中間層であるNi基合金の膜厚は、５〜100μmとする必要がある。
さらに、中間層の面粗度は、算術平均粗さ(Ra)で５〜50μmとする必要がある。
というのは、膜厚が５μm に満たないと、サーメット層と母材である銅合金との接合層としての役割を十分に果たし得ず、一方100μm を超えると、中間層が厚いために表面から母材への熱伝導が阻害されるおそれがあるからである。また、面粗度が５μm に満たない場合には、サーメット層との間に拡散層を形成する際の表面積が稼げず、また凹凸による形状的な杭打ち効果が得られず、逆に面粗度が50μm を超える場合には、表面積の増大や杭打ち効果には有利ではあるものの、凹凸が大きくなりすぎてサーメット層との密着面積の減少を招くおそれも生じる。
【００２５】
また、サーメット層としては、ＷＣ，TiＣ，Mo₂C，ZrＣ，NbＣ，ＶＣ，TaＣなどの炭化物セラミック、TiＮ，ZrＮ，Cr₂Nなどの窒化物セラミック、TiSi₂, ZrSi₂ などの珪化物セラミック、TiB₂，ZrB₂，NbB₂，MoＢ，ＷＢなどのほう化物セラミックおよび Al₂O₃，TiO₂，ZrO₂，Cr₂O₃ などの酸化物セラミックのうちから選んだ少なくとも一種と、Co，Cu，CrおよびNiのうちから選んだ少なくとも一種との組み合わせになるものが好適であり、とりわけWC−Coサーメット層、MoB₂−Niサーメット層および Cr₃C₂−Niサーメット層等が有利に適合する。
【００２６】
また、かかるサーメット層の膜厚については10〜50μm 程度とすることが望ましい。
さらに、サーメット層の表面粗さ（中間層を含めた粗さ）は、算術平均粗さ(Ra)で５〜100 μm 好ましくは10〜50μm 程度とすることが望ましい。
というのは、上記のような膜厚および面粗度を持つサーメット層を被覆することにより、製品形状を反映したキャビティ内の小さなＲ形状を持つ凸面やスカルプゲートの開口部付近への応力集中が緩和され、損耗やへアークラック等の発生が効果的に抑制されるからである。
【００２７】
ここに、かようなNi基合金の中間層及びサーメット層の被覆方法としては、特開平６−269936号公報および特開平６−269939号公報に開示されているような放電被覆法（エレクトロ・スパーク・デポジッション）が最適である。
というのは、この放電被覆法は、めっき等と異なる溶融による強固な拡散層を形成し、金型の大きさによる制約がなく、部分的な被覆も行うことができ、しかも溶射等と違ってデッドポイント（陰になって被覆が不可能な位置）が存在しないからである。また、常温での作業が可能で熱入力が小さいため、高温に長時間さらされることによる銅合金の軟化を抑制することもできる。さらに、被覆層の厚みだけでなく、表面粗さの調整も容易である。
【００２８】
なお、射出方式としては、図１や図２に示した水平射出方式の他、図３に示すような垂直射出方式もある。
いずれの方式にしても、金型キャビティ３の充填口５の近傍に、射出口４よりも口径が幾分小さな開口部を有するスカルプゲート２を配設することが肝要であり、かくして表面酸化膜の混入のない健全な成形品12を得ることができる。
【００２９】
上記したスカルプゲートによる表面酸化膜の固着除去効果を高めるためには、該スカルプゲートを内部水冷構造とすることが有利である。
また、この発明のように、金型とスカルプゲートを同一の素材で作製すれば、熱膨張の違いに起因した昇温時の両者摺り合わせの悪さやその支障を無くすための両者間の厳密な隙間管理の煩わしさ等の問題が生じることもない。
【００３０】
なお、この発明において、半凝固鉄系合金とは、主に亜共晶鋳鉄のようなFe−Ｃ系合金を指すが、それだけに限るものではなく、純鉄に近いいわゆる軟鉄は勿論のこと、低合金鋼や高合金鋼であっても、固液共存状態が有利に形成されるものであれば、いずれもが包含されることはいうまでもない。
【００３１】
また、金型およびスカルプゲートの素材である銅合金としては、
Ni：1.0 〜2.0 mass％、
Co：0.1 〜0.6 mass％、
Be：0.1 〜0.3 mass％および
Mg：0.2 〜0.7 mass％
を含有し、残部はCuおよび不可避的不純物の組成になるものが好適であり、かような組成とすることにより、熱伝導率が 120〜230 W/(m・K)で、かつ硬さが 180〜300 HB程度の特性を得ることができる。
【００３２】
ここに、かかる銅合金の成分組成を上記の範囲に限定した理由は、次のとおりである。
Ni：1.0 〜2.0 mass％
Niは、NiBe化合物の形成による強度向上のために添加するが、含有量が 1.0mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 2.0mass％を超えると強度改善効果は飽和に達し、むしろ熱伝導度が低下する不利が生じる。
Co：0.1 〜0.6 mass％
Coは、CoBe化合物の形成による強度向上のために添加するが、含有量が 0.1mass％未満ではその添加効果に乏しく、一方 0.6mass％を超えて多量に含有されると脆性が増し熱間加工性が阻害される。
Be：0.1 〜0.3 mass％
Beは、NiやCoと結合し、NiBeやCoBe化合物を形成して強度の向上に有効に寄与するが、含有量が 0.1mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 0.3mass％を超えると熱伝導度が低下する不利が生じる。
Mg：0.2 〜0.7 mass％
Mgは、高温での延性向上のために添加するが、含有量が 0.2mass％未満では延性改善効果が十分ではなく、一方 0.7mass％を超えると延性改善効果が劣化するだけでなく熱伝導度の面でも不利となる。
【００３３】
【実施例】
図１に示した構造になる金型を用いて、半凝固鉄系合金の射出成形を行った。充填材である半凝固鉄系合金としては、Fe−2.5％Ｃ−2.0％Siを主成分とし、温度：1200℃、固相率：55％の亜共晶鋳鉄を用いた。
金型やスカルプゲートの素材としては、表１に示す銅合金やクロム銅、SKD61 等を用いた。
また、かような金型の内面やスカルプゲートの表面および射出口の内面については、その全面に、表１に示すNi基合金を中間層として、同じく表１に示すサーメット層を被覆した。
さらに、スカルプゲートの開口部の大きさは、射出口：55mmφに対し、その55％に当たる30mmφの一定とした。
上記の条件で射出成形後のスカルプゲート開口部付近における損傷の程度、金型キャビティ内の凸R部におけるクラックの有無、成形品への表面酸化物の混入程度、バリ差しの有無、金型の予熱時間について調べた結果を、表２に示す。なお、ショット数は100〜120を目標とした。
さらに、上記の条件で射出成形し、焼鈍熱処理後に得られた鋳鉄の黒鉛微細化の程度、引張り強さ、伸びについて調べた結果も併せて、表２に示す。なお、引張り強さと伸びは酸化物混入の無い成形品の測定値を算術平均した値である。
【００３４】
ここに、予熱時間とは、成形型の加熱開始から成形開始できるまでの所要時間であり、また凸Ｒ部クラックとは、鋳抜きのためにキャビティ内に突出させた部位のコーナーＲ部に発生するヘアークラックのことである。
また、各項目の評価基準は次のとおりである。
微細化は、顕微鏡組織観察により、黒鉛の微細化が十分に達成されたものを○、黒鉛の微細化が不十分で黒鉛の粗大な組織が見られた場合を×で評価した。
引張り強さは、JIS に準拠した引張り試験を行って評価した。
バリ差しは、成形後の製品押し出しピンとピン穴との隙間へのスラリー差し込みおよびスカルプゲートと金型との隙間へのスラリー差し込みの有無で評価した。
酸化物の混入は、成形品の表面または内部へ酸化膜が巻き込まれて凝固した際における品質不良を、外観および破壊解析により、目視で判定した。
総合評価は、課題の改善効果が極めて良好であった場合を◎、効果が良好であった場合を○、効果が見られなった場合を×とした。
【００３５】
【表１】

【００３６】
【表２】

【００３７】
表２に示したとおり、この発明に従う金型を用いた場合No.1〜3はいずれも、黒鉛の微細化が十分に達成されているのはいうまでもなく、凸Ｒ部クラックの発生は全くなく、また酸化物の混入も全くないか極めて軽微であり、優れた品質の鋳鉄を得ることができた。
これに対し、スカルプゲートを使用しなかったNo.4は、酸化物の混入が避けられず、良好な結果を得ることができなかった。また、Ni中間層が無いNo.5は、サーメット層が剥離し、35ショットでの鋳込みの中止を余儀なくされた。No.6は、金型に用いた銅合金の硬さが低く、機械強度に劣っていたため、80ショットで鋳込みの中止を余儀なくされた。一方、No.7は、金型に用いた銅合金の熱伝導率が低かったため、黒鉛微細化が適正に進行しなかっただけでなく、バリ差しが発生し、88ショットで鋳込みの中止を余儀なくされた。さらに、No.8の場合は、金型として用いたクロム銅合金が低硬度高熱伝導材料であるため中間層、サーメット層の施工が困難でサーメット層の施工ができず、また硬さ不足のため、63ショットで鋳込みの中止を余儀なくされた。
なお、金型として、従来材であるSKD61を用いたNo.9では、黒鉛微細化が進行しないだけでなく、バリ差しが発生し、予熱時間も長く、さらに55ショットで鋳込みの中止を余儀なくされた。
【００３８】
【発明の効果】
この発明の銅合金製金型は、半凝固鉄系合金の成形用金型として、十分な熱伝導率および機械強度を有しているのは勿論のこと、半凝固鉄系合金の射出成形時における大きな熱衝撃にも十分に耐え得る耐久性を有し、さらには半凝固鉄系合金の表面酸化皮膜のキャビティ内への混入を効果的に阻止することができ、ひいては高品質の製品を安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に従う鋳造用鋳型の斜視図である。
【図２】射出方式が水平射出方式の場合における充填材の充填要領を示した図である。
【図３】射出方式が垂直射出方式の場合における充填材の充填要領を示した図である。
【符号の説明】
１銅合金製の成形用金型
２スカルプゲート
３キャビティ
４半凝固鉄系合金の射出口
５半凝固鉄系合金の充填口
６鋳抜き用の凸Ｒ部
７成形品の押し出しピン
８金型枠
９ヒーター用の穴
10 冷却水用の穴
11 スライド式の開閉用斜ピン
12 成形品

Claims

金型キャビティの充填口の近傍に、射出口から供給される半凝固鉄系合金の表面酸化膜を除去するためのスカルプゲートを配設した半凝固鉄系合金の成形用の金型であって、少なくともキャビティを形成する一対の金型および上記スカルプゲートが、120 W/(m・K)以上の熱伝導率と180 HB以上の硬さを併せ持つ銅合金からなり、しかも上記一対の金型の内面、上記スカルプゲートの表面および上記射出口の内面それぞれの一部または全面に、放電被覆により被成した膜厚が５〜100μmでかつ、面粗さが算術平均粗さ(Ra)で５〜50μmのNi基合金を中間層として、その上に放電被覆により被成したCo，Cu，CrおよびNiのうちから選んだ少なくとも一種を含むサーメット層を備えることを特徴とする、半凝固鉄系合金の成形用金型。
請求項１において、中間層であるNi基合金が、Cr，Fe，MoおよびＷのうちから選んだ１種または２種以上合計で30〜50mass％を含有し、残部はNiおよび不可避的不純物の組成になることを特徴とする、半凝固鉄系合金の成形用金型。
請求項１または２において、キャビティを形成する一対の金型およびスカルプゲートの素材である銅合金の成分組成が、
Ni：1.0 〜2.0 mass％、
Co：0.1 〜0.6 mass％、
Be：0.1 〜0.3 mass％および
Mg：0.2 〜0.7 mass％
を含有し、残部はCuおよび不可避的不純物の組成になることを特徴とする、半凝固鉄系合金の成形用金型。
請求項１〜３のいずれかにおいて、サーメット層が、WC−Coサーメット層、MoB₂−Niサーメット層またはCr₃C₂−Niサーメット層のいずれかであることを特徴とする、半凝固鉄系合金の成形用金型。
請求項１〜４のいずれかにおいて、サーメット層の表面粗さが、算術平均粗さ(Ra)で５〜100μmの範囲を満足することを特徴とする、半凝固鉄系合金の成形用金型。
請求項１〜５のいずれかにおいて、スカルプゲートが内部水冷構造になることを特徴とする、半凝固鉄系合金の成形用金型。