JP7419983B2

JP7419983B2 - 金型の表面処理方法

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Publication number: JP7419983B2
Application number: JP2020101724A
Authority: JP
Inventors: 幸浩佐野; 伸吉大林; 秀紀飯見
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-06-11
Filing date: 2020-06-11
Publication date: 2024-01-23
Anticipated expiration: 2040-06-11
Also published as: JP2021194667A

Description

本発明は、アルミダイカスト部材を製造する金型の表面処理方法に関する。

従来、例えば特許文献１に記載されるように、金型に溶融した金属を供給し加圧することによって所望の形状の部材を製造するダイカスト鋳造方法に用いられる金型装置が知られている。

特許文献１に記載の金型装置では、金型へのアルミ溶着や溶損対策として、金型のキャビティを形成する表面である表層部は、２０重量％以上のクロムを含んでいる。これにより、表層部のキャビティ側の表面に三酸化二クロム膜を形成することが可能となる。三酸化二クロム膜は、緻密な不動態膜であってアルミ溶湯に対する非濡れ性及び耐食性を有する。これにより、キャビティにアルミ溶湯が充填されるとき、金型の基部とアルミ溶湯との溶着を防止することができるとされていた。

特開２０１９－１４７１７９号公報

ところが、特許文献１に記載の金型装置では、キャビティ側の最表層は、酸化クロムと酸化鉄の混合層であり、クロム濃度が高くないために、アルミ耐性の良い酸化クロム膜ではなく、アルミ溶着を防ぐ能力が不十分であった。その他、金型の表面処理としては、窒化処理や耐熱セラミック層の多層コーティングなどもあるが、いずれもアルミ溶着を抑制するには不十分であった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、アルミ溶湯の溶着を抑制し、金型の破損を抑制することで金型寿命を向上させる金型の表面処理方法を提供することにある。

本発明の金型の表面処理方法は、アルミ製ダイカスト部材の製造に用いられる金型（１０）のキャビティ（１００）を形成する表面に対して表面処理を行う方法であり、所定の試験評価により外観上表面にクラックのない状態をクラックフリーと定義すると、クロムめっき工程（Ｓ３）と、加熱工程（Ｓ４）とを含む。

クロムめっき工程（Ｓ３）は、鉄から形成される基部（１１１）に、クロムめっき層（１１３）を形成する。
加熱工程（Ｓ４）は、クロムめっき工程後、大気雰囲気で加熱することにより、クロムめっき層のキャビティ側に三酸化二クロム層（１１５）を形成するとともに、基部とクロムめっき層との界面に基部側拡散層（１１２）を形成し、クロムめっき層と三酸化二クロム層との界面に酸化側拡散層（１１４）を形成する。
クラックフリークロムめっき層は、厚さが１０μｍ以上３０μｍ以下である。
加熱工程において、加熱温度は６００℃であり、加熱時間は大気雰囲気で１時間以上１０時間以下である。

本構成によれば、加熱工程の実施により、基部側拡散層および酸化側拡散層が形成される。すなわち、加熱工程により、基部側拡散層が形成されて、基部とクロムめっき層との密着力が高められる。

第一実施形態による金型装置の模式図である。図１のＩＩ部拡大図である。金型の表面処理方法における工程をフローチャートに示す図である。加熱工程における処理条件について説明するための図である。加熱工程による成分組成変化を試料にて示す図であり、（ａ）は加熱前の試料を示し、（ｂ）は加熱後の試料を示す。クラックフリークロムめっき層の厚みと、クラックの発生状況の関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〈第１実施形態〉
［金型装置１の構成］

第一実施形態による金型装置１および金型の表面処理方法について、図１～図６の各図に基づいて説明する。金型装置１は、アルミを材料とするアルミ製ダイカスト部材をダイカスト成形するために用いられる。金型装置１は、図１に示すように、金型１０、及び、溶湯供給部２０を備える。

金型１０は、可動型１１、及び、固定型１２を有する。金型１０は、可動型１１と固定型１２とによってアルミ溶湯を充填可能なキャビティ１００を形成する。

可動型１１は、金属、例えば、鋼から形成されている、可動型１１は、固定型１２に対して白抜き矢印Ｆ０に示すように相対移動可能に設けられている。可動型１１は、図１に示すように、固定型１２側に開口を有する第一空間１１０を有する。第一空間１１０は、キャビティ１００の一部となる。

固定型１２は、金属、例えば、鋼から形成されている。固定型１２は、移動不能に固定され、図２に示すように、可動型１１側に開口を有する第二空間１２０、及び、連通孔１２１を有する。第二空間１２０は、キャビティ１００の一部となる。すなわち、キャビティ１００は、第一空間１１０と第二空間１２０とによって構成されている。連通孔１２１は、第二空間１２０と固定型１２の外側とを連通する。

溶湯供給部２０は、金型１０が有するキャビティ１００にアルミ溶湯を供給可能に形成されている。溶湯供給部２０は、固定型１２の連通孔１２１を介して第二空間１２０にアルミ溶湯を供給する。

可動型１１のアルミ溶湯に接触する側の表層部の拡大図を図２に示す。図２の下側が深部側であって、上側が表面側である。図２に示すように、可動型１１の表層部は、深部から順に、基部１１１、基部側拡散層１１２、クラックフリークロムめっき層１１３（以下、単に「クロムめっき層」ともいう）、酸化側拡散層１１４及び、三酸化二クロム層（以下、「Ｃｒ₂Ｏ₃」と示す）１１５を有している。基部１１１及び各層１１２，１１３，１１４，１１５は一体に形成されている。

基部１１１は、可動型１１の骨格をなす部位である。基部１１１は、図２に示すように、第一空間１１０から比較的離れた位置に設けられている。本実施形態では、基部１１１は、炭素濃度が０．０７重量％以下の鉄から形成されている。

クラックフリークロムめっき層１１３は、基部１１１のキャビティ１００側に設けられており、後述するクロムめっき処理により形成されたクラックのないクロムめっき層である。図２において、クロムめっき層１１３は、破線ＣＬ１から破線ＣＬ２までに示す部位である。クロムめっき層１１３は、厚さＴ１が、１０μｍ以上３０μｍ以下であり、圧縮側を負とした内部応力が８００ＭＰa以下となるように形成されている。なお、図２では、各層が形成されていることがわかりやすいように模式的に図示しており、縮尺を変更して記載してある。

Ｃｒ₂Ｏ₃層１１５は、表層部の最も第一空間１１０側に形成されている。Ｃｒ₂Ｏ₃層１１５は、耐熱温度がアルミ鋳込温度である６８０℃に比べ高い１３５０℃であって、欠陥がないことが特徴である。図２において、Ｃｒ₂Ｏ₃層は、破線ＣＬ２から実線Ｌ５までに示す部位である。実線Ｌ５は、表層部と第一空間１１０との界面である。本実施形態では、Ｃｒ₂Ｏ₃層１１５は、厚さＴ２が、５０ｎｍ以上となるように形成されている。Ｃｒ₂Ｏ₃層の金属成分は、クロムが１００％である。なお、カーボンなど意図しない不純物としての金属成分は除く。

基部側拡散層１１２は、鉄とクロムの拡散層であり、基部１１１とクロムめっき層１１３との界面に形成されている。基部側拡散層１１２は、図２において、二点鎖線Ｌ１から二点鎖線Ｌ２までに示す部位である。基部側拡散層１１２が形成されることで、基部１１１とクロムめっき層１１３との密着力が高くなる。なお、二点鎖線Ｌ１と二点鎖線Ｌ２との概ね中間位置が破線ＣＬ１と一致する。基部側拡散層１１２の深部側は基部１１１の表面側の一部分と重複しており、基部側拡散層１１２のキャビティ１００側はクロムめっき層１１３の深部側の一部分と重複している。

酸化側拡散層１１４は、クロムめっき層１１３へ酸素が拡散した拡散層であり、Ｃｒ₂Ｏ₃層とクロムめっき層１１３との界面に形成されている。酸化側拡散層１１４は、図２において、二点鎖線Ｌ３から二点鎖線Ｌ４までに示す部位であり、その厚みＴ３は、概ね１０ｎｍである。Ｃｒ₂Ｏ₃層の酸素濃度は、深さ方向に対して徐々に減少している。なお、二点鎖線Ｌ３と二点鎖線Ｌ４との概ね中間位置が破線ＣＬ２と一致する。酸化側拡散層１１４の深部側はクロムめっき層１１３の表面側の一部分と重複している。

なお、固定型１２の表層部は、可動型１１と同じ構成を有しており、基部１１１、基部側拡散層１１２、クラックフリークロムめっき層１１３、酸化側拡散層１１４及び、Ｃｒ₂Ｏ₃層１１５を有している。固定型１２の基部１１１及び各層１１２，１１３，１１４，１１５のそれぞれは、可動型１１の基部１１１及び各層１１２，１１３，１１４，１１５と同じ構成と特徴を有しているため、説明は省略する。

[金型１０の表面処理方法]
次に、上記金型１０の表面処理方法について説明する。図３に示すように、本実施形態の表面処理方法は、主に、脱脂工程Ｓ１、エッチング工程Ｓ２、クロムめっき工程Ｓ３、および加熱工程Ｓ４を有して構成されている。

脱脂工程Ｓ１では、めっき処理前の酸アルカリ洗浄を行う。基部１１１の表面の油脂等の汚れをアルカリ等で除去した後、室温で塩酸により表面の酸化物を除去する。次いで、エッチング工程Ｓ２では、逆電解処理による表面のエッチングを行う。めっき対象の金型１０を＋に、電極を－に接続し、約３０Ａ／ｄｍ²の直流電流を流して、表面をさらに清浄する。

脱脂工程Ｓ１およびエッチング工程Ｓ２を経たのち、クロムめっき工程Ｓ３では、クラックが発生しないように応力制御された所謂クラックフリーのクロムめっき処理を行う。金型１０を－に、電極を＋に接続し、本実施形態では、約３０Ａ／ｄｍ²の直流電流を数十分程度流して、金型１０の表面にめっきを成長させる。めっき液組成は、例えば、無水クロム酸を４００ｇ／Ｌ、硫酸を４ｇ／Ｌ、その他少量の添加剤が含まれる。その後、水道水で表面の薬品を洗い流したのち、風を当てて乾燥する。

クロムめっき工程Ｓ３の次には、加熱工程Ｓ４が行われる。本実施形態の加熱工程Ｓ４において、加熱温度は６００℃であり、加熱時間は大気雰囲気で１０時間である。加熱処理条件は適宜変更できるが、加熱温度は４００℃以上６００℃以下で、加熱時間は１時間以上が最低条件である。図４に示すように、この加熱処理条件は、４００℃より低いとＣｒ₂Ｏ₃層１１５の形成が不十分であり、６００℃より高いと焼き戻しによる母材の軟化が生じるためである。

加熱工程Ｓ４の実施により、金型１０の最表面にＣｒ₂Ｏ₃層１１５が形成される。図５は、クロムめっき後の加熱処理による成分組成変化を試料にて示す図である。図５（ａ）（ｂ）に示すように、加熱処理後の最表面は、加熱処理前と比べて、クロムの二次イオン強度が減少し、酸素濃度が上昇している。これは、最表面にＣｒ₂Ｏ₃層が形成されたことを意味する。本実施形態の条件で加熱処理することで、概ね５０μｍ程度の厚みのＣｒ₂Ｏ₃層が形成される。

また、この加熱工程Ｓ４の実施により、基部側拡散層１１２および酸化側拡散層１１４が形成される。すなわち、加熱工程Ｓ４により、基部側拡散層１１２が形成されて、基部１１１とクロムめっき層１１３との密着力が高められる。

次に、金型装置１の作用について説明する。最初に、可動型１１と固定型１２とを組み合わせ、キャビティ１００を形成する。キャビティ１００が形成されている金型１０に、溶湯供給部２０からアルミ溶湯が供給される。溶湯供給部２０が供給するアルミ溶湯は、キャビティ１００に圧入されキャビティ１００に充填される。可動型１１及び固定型１２は、Ｃｒ₂Ｏ₃層１１５によってアルミ溶湯と接触する。キャビティ１００に充填されたアルミ溶湯が凝固し部材が成形される。部材が成形されると、可動型１１を移動することによって可動型１１と固定型１２とを分離し、成形された部材を金型１０から取り出す。

［効果］
（１）上記実施形態の金型装置１では、金型１０のキャビティ１００側の表層部は、深部から順に、基部１１１、基部側拡散層１１２、クラックフリークロムめっき層１１３、酸化側拡散層１１４及び、Ｃｒ₂Ｏ₃層１１５が一体に成形されている。クラックフリークロムめっき層１１３の上層にあって、クロムめっき処理後の加熱処理により形成されたＣｒ₂Ｏ₃層１１５は、金属成分がクロム１００％とクロム濃度が高い。また、Ｃｒ₂Ｏ₃層１１５の厚みは５０ｎｍ以上であり、十分な厚みを有している。

すなわち、本実施形態のＣｒ₂Ｏ₃層１１５はアルミ耐性が非常に優れており、アルミ溶湯が金型１０に供給されたときには、Ｃｒ₂Ｏ₃層１１５によりアルミ溶湯の金型１０への溶着が効果的に抑制され、金型装置１の寿命を向上させることができる。

（２）また、クロムめっき工程Ｓ３後の加熱工程Ｓ４により形成される基部側拡散層１１２および酸化側拡散層１１４を有しており、上記実施形態の金型１０は各層の密着力が高いため、金型１０の破損が抑制されて金型１０の耐久性を向上させることができる。

（３）上記実施形態のクラックフリークロムめっき層１１３は、厚さＴ１が１０μｍ以上３０μｍ以下である。クロムめっき層は、薄すぎると寿命が短く、厚すぎるとクラックが入る。図６は、横軸に膜厚を取り、縦軸にクラックの発生状態を模式的に示した図である。図６に示すように、膜厚が３０μｍ以下では、クラックが見られなかった。膜厚３５μｍでは、観察した試料の部位によってクラックが観察される場合と観察されない場合があった。膜厚４０μｍ以上では、観察したところほとんどの場所でクラックがあった。すなわち、確実にクラックのない良好な厚みは３０μｍ以下である。本実施形態では、クラックが生じず寿命も長いクラックフリークロムめっき層１１３となっている。

（４）上記実施形態の加熱工程Ｓ４において、加熱温度は６００℃であり、加熱時間は大気雰囲気で１０時間である。この条件により、概ね５０μｍ程度の適度な厚みのＣｒ₂Ｏ₃層を形成することができる。Ｃｒ₂Ｏ₃層１１５が５０μｍ程度の十分な厚みを有することで、Ｃｒ₂Ｏ₃層１１５は繰り返しの成形に対して剥がれにくく耐久性を発揮することができる。

〈他の実施形態〉
上記実施形態では、クラックフリークロムめっき層１１３は、厚さＴ１が１０μｍ以上３０μｍ以下であり、内部応力が８００ＭＰa以下であるとしたが、厚さおよび内部応力はこれに限定されるものではない。

上記実施形態では、Ｃｒ₂Ｏ₃層１１５は、厚さＴ２が５０μｍ以上であるとしたが、厚さはこれに限定されるものではない。

上記実施形態では、加熱温度は６００℃であり、加熱時間は大気雰囲気で１０時間としたが、良好なＣｒ₂Ｏ₃層１１５および各拡散層１１２，１１４が形成されればその他の条件でも良い。概ね、加熱温度が４００℃～６００℃であり、加熱時間が大気雰囲気で１時間以上であれば良い。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１・・・金型装置
１０・・・金型
２０・・・溶湯供給部
１００・・・キャビティ
１１１・・・基部
１１２・・・基部側拡散層
１１３・・・クラックフリークロムめっき層
１１４・・・酸化側拡散層
１１５・・・三酸化二クロム層

Claims

アルミ製ダイカスト部材の製造に用いられる金型（１０）のキャビティ（１００）を形成する表面に対して表面処理を行う金型の表面処理方法であって、所定の試験評価により外観上表面にクラックのない状態をクラックフリーと定義すると、
鉄から形成される基部（１１１）に、クラックのないクラックフリークロムめっき層（１１３）を形成するクロムめっき工程（Ｓ３）と、
前記クロムめっき工程後、大気雰囲気で加熱することにより、前記クラックフリークロムめっき層の前記キャビティ側に三酸化二クロム層（１１５）を形成するとともに、前記基部と前記クラックフリークロムめっき層との界面に基部側拡散層（１１２）を形成し、前記クラックフリークロムめっき層と前記三酸化二クロム層との界面に酸化側拡散層（１１４）を形成する加熱工程（Ｓ４）と、
を含み、
前記クラックフリークロムめっき層は、厚さが１０μｍ以上３０μｍ以下であり、
前記加熱工程において、加熱温度は６００℃であり、加熱時間は大気雰囲気で１時間以上１０時間以下である金型の表面処理方法。