JPH08209331A

JPH08209331A - ダイカスト用部材およびその製造方法

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Publication number: JPH08209331A
Application number: JP29847895A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yamamoto; 兼司山本; Takenori Nakayama; 武典中山; Tadashi Abumiya; 匡鐙屋; Hiroshi Tamagaki; 浩玉垣; Fumio Yuse; 文雄湯瀬
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1994-11-18
Filing date: 1995-11-16
Publication date: 1996-08-13
Anticipated expiration: 2015-11-16
Also published as: JP3438444B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来技術における様な問題を生じることな
く、耐溶損性、耐摩耗性および耐熱サイクル性のいずれ
にも優れたダイカスト用部材、および円筒形状の様な複
雑な形状であっても、その内面に均一な被覆層を付き回
り性良く形成することによって、上記の各特性を満足す
ることのできるダイカスト用部材を製造する為の有用な
方法を提供する。【解決手段】溶融金属と接触する部分に用いられるダ
イカスト用部材であって、母材表面に、ＣｒとＮを含む
被覆層を形成したものである。また円筒状の母材および
棒状のＣｒ製蒸発源を用いると共に、Ｃｒ製蒸発源を母
材に挿入した状態とし、Ｎ₂ 雰囲気によるアークイオン
プレーティング法を実施することによって、前記母材の
内壁面に前記被覆層を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ダイカスト用金型
やその部品、例えばプランジャースリーブ、プランジャ
ーチップ、中子ピンおよび湯口等の様に、溶融金属と接
触する部分に用いられるダイカスト用部材、およびその
様なダイカスト用部材を製造する為の有用な方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】ダイカスト法は、溶融金属を加圧下で金
型内に噴射して成型する金型鋳造法の一種である。この
方法で溶融金属と接触する部分に用いられる前記各種の
ダイカスト用部材には、（ａ）溶融金属との接触による
溶損が発生しないこと、（ｂ）高温摺動条件下で摩耗が
発生しないこと、（ｃ）加熱冷却の熱サイクルの条件下
でヒートクラックが発生しないこと、等の特性が要求さ
れる。即ち、ダイカスト用部材は、耐溶損性、耐摩耗性
および耐熱サイクル性に優れていることが必要である。

【０００３】ところでＡｌのダイカストプロセスで用い
られるダイカスト用部材としては、従来からＳＫＤ６１
に代表されるダイス鋼が用いられてきたが、近年では熱
伝導率が小さく溶融金属の保温性に優れることから、上
記ダイス鋼に代わってＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ等のＴｉ合金
も有望視される様になっている。しかしながら、このＴ
ｉ合金を用いた場合においても、耐溶損性および耐摩耗
性については十分な特性を有しているとは言えなかっ
た。

【０００４】こうしたことから、特にＴｉ合金を母材と
したダイカスト用部材の特性を改善する為の各種の技術
も提案されている。例えば、特開昭６４−４４２５６号
には、窒化処理による窒化チタン皮膜や酸化処理による
酸化皮膜等を、母材表面上に形成する方法が提案されて
いる。また特開平４−２２４０６９号や同４−２５１６
５０号には、プランジャースリーブ等の部材の内側に、
ＴｉまたはＴｉ合金とセラミックスとの複合材料からな
る内筒を嵌入し、この内筒の内面に硼化処理によって硼
化チタン層を形成したり、ガス炭化法によって炭化チタ
ンを形成する等の方法が提案されている。更に、特開平
４−２２４０６７号には、Ｔｉ合金製のスリーブ内面
に、セラミックス含有率が内面側になるにつれて増加す
る様なＴｉ合金とセラミックスの複合材料からなる内筒
を挿入する方法が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の様に、これまで
提案されてきた方法は、拡散処理によってＴｉ合金製母
材表面に被覆層を形成する表面処理法が主流を占めてい
るのである。そしてこれらの方法においては、各種元素
のＴｉ合金への拡散係数が小さいことから、９００℃を
超える様な高温での拡散処理を施すことが余儀なくされ
ている。例えば、前記特開昭６４−４４２５６号では、
窒化チタン皮膜を形成する際における窒化処理温度は９
３０℃である。また特開平４−２２４０６９号や同４−
２５１６５０号に記載された硼化処理（９２７℃）や炭
化処理（１０００℃）においても、いずれも処理温度は
９００℃を上回るものである。

【０００６】しかしながら、熱伝導率が小さくダイカス
ト用部材としての適用が有望視されている前記Ｔｉ−６
Ａｌ−４Ｖ合金では、結晶構造の変態点であるβ変態点
が純Ｔｉのβ変態点の９５０℃よりも低くなって８００
〜９００℃程度での温度領域にあり、９００℃を超える
様な温度範囲で熱処理を行なうと、部材の熱歪の発生や
強度低下が著しくなってしまう。従って、上記の様に９
００℃を超える温度範囲で熱処理したダイカスト用部材
は、スリーブ等の寸法精度が要求される部材には適用で
きないという問題がある。

【０００７】一方、特開平４−２２４０６７号に開示さ
れた技術では、部材の熱歪の発生という問題は生じない
ものの、スリーブの構造が複雑になり、セラミックスを
使用することによる強度低下の問題がある。また構造が
複雑になることによって、コストが上昇するという問題
も生じる。

【０００８】尚前記特開昭６４−４４２５６号には、９
００℃を超える様な温度範囲での熱処理に代わる方法と
して、スパッタリング法、イオンプレーティング法或は
イオン注入法の適用を示唆する記載も認められるが、蒸
発源からコーティング物質がコーティング面に直接的に
飛来するこれらの方法を適用して、スリーブや湯口等の
円筒状部材の内面に如何にして均一な皮膜を形成するこ
とまでを具体的に開示していない。またこれらの方法
で、どの様な皮膜を形成するかという点についても具体
的に記載されているとは言えない。

【０００９】本発明はこうした従来技術における技術的
課題を解決する為になされたものであって、その目的
は、従来技術における様な問題を生じることなく、耐溶
損性、耐摩耗性および耐熱サイクル性のいずれにも優れ
たダイカスト用部材、および円筒形状の様な複雑な形状
であっても、その内面に均一な皮膜を付き回り性良く形
成することによって上記の特性を満足することのできる
ダイカスト用部材を製造する為の有用な方法を提供する
ことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成した本発
明とは、溶融金属と接触する部分に用いられるダイカス
ト用部材であって、母材表面上に、ＣｒとＮを含む被覆
層を形成したものである点に要旨を有するするダイカス
ト用部材である。またこのダイカスト用部材において
は、前記被覆層中のＮ含有量が、被覆層の少なくとも最
表面で３０〜５５原子％であることが好ましい。更に、
前記被覆層の厚さは、７〜２０μｍであることが好まし
い。尚保温性を考慮すると、前記母材は、その一部また
は全部がＴｉ合金製であることが好ましい。

【００１１】一方、上記目的を達成し得た本発明法と
は、上記の様な各種ダイカスト用部材を製造するに当た
り、円筒状の母材および棒状のＣｒ製蒸発源を用いると
共に、Ｃｒ製蒸発源を母材に挿入した状態とし、Ｎ₂ 雰
囲気によるアークイオンプレーティング法を実施するこ
とによって、前記母材の内壁面に前記被覆層を形成する
点に要旨を有するダイカスト用部材の製造方法である。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明者らは、ダイカスト用部材
の耐溶損性および耐摩耗性の向上を図るべく、母材表面
上に形成する被覆膜の種類について、様々な角度から検
討した。その結果、ＣｒとＮを含む被覆層を形成すれ
ば、上記目的が見事に達成されることを見い出し、本発
明を完成した。即ち、本発明者らが、表面被覆物質とし
て汎用されているＣｒに着目し、その物性について検討
したところ、Ｃｒ単独では硬度が低くて耐摩耗性が著し
く劣っていたのであるが、ＣｒにＮを含有させることに
よって、硬度を上昇させて耐摩耗性を向上させることが
できると共に、耐溶損性にも優れていたのである。

【００１３】前記被覆層中のＮ含有量は、被覆層の少な
くとも最表面で３０〜５５原子％であることが好まし
い。即ち、前記被覆層中のＮ含有量を上記の範囲内とす
ることによって、被覆層の耐溶損性および耐摩耗性耐を
更に向上させることができるのである。その理由につい
て更に詳細に説明する。

【００１４】被覆層のＮ含有量を増加させた場合に形成
される物質は、Ｎ含有量が２０原子％まではＣｒ−Ｎ固
溶体とＣｒ₂ Ｎの混合相である。またＮの含有量が２０
〜２５原子％までは、Ｃｒ₂ Ｎ化合物単体の領域とな
り、２５〜３０原子％までは、Ｃｒ₂ Ｎの混合相領域と
なる。前記Ｃｒ−Ｎ固溶体とＣｒ₂ Ｎは、化学的に不安
定な化合物であり、高温での安定性に乏しく、ダイカス
ト部材の表面処理に必要とされる耐溶損性を満足するこ
とは出きない。そしてＮ含有量が３０原子％以上の領域
でＣｒＮ相が形成される。本来ならば化学量論的なＣｒ
Ｎ中のＮ濃度は５０原子％なのであるが、ＣｒＮ中サイ
トが抜け落ちることによって、３０原子％の濃度領域で
ＣｒＮが形成されるのである。ＣｒＮ中のＮの含有量が
５０原子％以下であっても、ＣｒＮ相は上記Ｃｒ−Ｎ固
溶体やＣｒ₂ Ｎに比べると化学的に安定な相であり、高
硬度で優れた耐溶損性を有するものとなる。但し、Ｎの
含有量が５０原子％以下の濃度領域に限って言えば、５
０原子％にできるだけ近い方が、Ｎ欠陥の数が少なく化
学的に安定であるのでより好ましい。一方、Ｎの含有量
が５０原子％を超えた場合には、５５原子％程度まで
は、ＣｒＮの結晶中にＮを固溶によって取り込むことが
でき、且つこの範囲では耐溶損性も良好なものとなる。
こうしたことから本発明では、被覆層中のＮ含有量の好
ましい範囲を３０〜５５原子％とした。図３に、被覆層
中のＮ含有量と溶損速度の関係を示すが、この図からも
明らかな様に、被覆層中のＮ含有量を３０〜５５原子％
とするのが好ましいことが分かる。

【００１５】尚上記Ｎ含有量の好ましい範囲を規定した
部分を、「被覆層の少なくとも最表面」としたのは、被
覆層全体が必ずしも上記の組成範囲を満足する必要はな
く、溶融金属と接触する最表面が少なくとも上記のＮ含
有量を満足していれば、その効果が発揮されるからであ
る。従って、最表面以外の部分が上記のＮ含有量を外れ
る様な化学成分組成の被覆層を形成しても良いのは勿論
である。また母材との密着性を良好にすると言う観点か
らして、最表面から母材側にかけて連続的または断続的
にＮ含有量が減少する様な濃度勾配を有する構造として
も良いことは勿論である。

【００１６】上記被覆層の厚さについては、特に限定さ
れるものではないが、７〜２０μｍが最適である。即
ち、被覆層の厚さがあまり薄いと、被覆層に不可避的に
存在するピンホール等の母材に達する欠陥によって母材
が溶損する場合があるので、少なくとも７μｍ以上であ
ることが好ましい。上記欠陥は厚さの増加と共に減少す
る傾向にあり、厚さが１０μｍ以上では実用上問題のな
い程度まで上記欠陥が減少するので、その厚さは１０μ
ｍ以上であることがより好ましい。一方、この厚さがあ
まり厚くなり過ぎても、その効果が飽和するばかりか、
被覆層を形成するのに要する時間が長くなるので、その
上限は２０μｍが適当である。

【００１７】尚上記被覆層を形成する方法については、
特に円筒状のスリーブ等に対しては、本発明方法に係る
アークイオンプレーティング法（ＡＩＰ法）が最適であ
るが、本発明のダイカスト用部材に関してはその形状を
限定するものではなく、内筒状以外の部材でもその効果
が発揮されるので、被覆層を形成する手段については、
上記ＡＩＰ法の他に、ＲＦスパッタリング法、ＤＣスパ
ッタリング法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）およびイオ
ン注入法等、各種の方法が適用できる。但し、ＲＦスパ
ッタリング法、ＤＣスパッタリング法、ＣＶＤ法および
イオン注入法は、後述する様に成膜速度が遅いという若
干の問題がある。

【００１８】上記の様な被覆層が形成される母材の種類
については、特に限定されるものではなく、従来から用
いられているダイス鋼も用いることもできるが、その一
部または全部がＴｉ合金製であることが好ましい。この
様に母材の一部または全部をＴｉ合金製とすることによ
って、ダイカスト部材の保温性および耐熱サイクル性を
更に向上させることができる。

【００１９】即ち、ＳＫＤ６１の熱伝導率は２８．９Ｗ
／ｍ・Ｋであるのに対し、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの熱伝導
率は７．１Ｗ／ｍ・ＫとＳＫＤ６１の１／４以下であ
り、母材にＴｉ合金を適用することによって、従来のダ
イス鋼を用いた場合に比べて保温性が良好になるのであ
る。

【００２０】またＴｉ合金は熱膨張率がＳＫＤ６１等の
Ｆｅ基合金と比べて、ＣｒＮの熱膨張率に近く、例えば
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ，ＳＫＤ６１およびＣｒＮの夫々の
熱膨張率は、夫々８．８×１０^-6／℃，１１．３×１０
^-6／℃および２．３９×１０ ^-6／℃である。従って、母
材にＴｉ合金を適用することによって、熱サイクル下で
使用しても、被覆層と母材の熱膨張率の差に起因する熱
応力は、ＳＫＤ等を用いた場合に比べて小さくなり、被
覆層に亀裂が発生しにくくなるのである。尚Ｔｉ合金を
適用する部分として「一部」を含めたのは、ダイカスト
部材はその全てがＴｉ合金が用いられるとは限らず、そ
の一部についてＴｉ合金を適用するのがむしろ一般的で
あるので、この様な場合を想定したからである。

【００２１】一方、本発明法において、被覆層を形成す
る手段をＡＩＰ法に限定したのは、以下の理由からであ
る。即ち、母材表面上にＣｒＮを形成する手段として
は、従来技術で述べた窒化処理の他に、上記の皮膜層を
形成する際に適用できるＲＦスパッタリング法、ＤＣス
パッタリング法、ＣＶＤ法およびイオン注入法等の方法
が挙げられるが、窒化処理は前述の如く処理温度に問題
があり、他の方法は成膜速度が遅いという問題があるば
かりか、特に円筒状のスリーブ等の内面に被覆層を形成
する際に該被覆層の付き回り性が悪く、実際問題として
適用は困難である。これらに対し、ＡＩＰ法では、蒸発
源と対極の間に電場を印加することによってアークを発
生して蒸発源からの蒸発を行なうと共に、雰囲気を形成
する反応性ガス（Ｎ₂ ガス）によって反応性蒸着を行な
うものであるので、上記各方法に比べて成膜速度が速
く、高密着性であり、また反応性ガスの圧力調整によっ
てＮ含有量の調節も容易に達成される。従って、こうし
た利点を利用し、棒状の蒸発源を用い、対極として母材
を用いることによって、円筒状の部材の内面への被覆層
の形成が容易に達成されるのである。

【００２２】本発明法を図面を用いて説明する。図１は
本発明法を説明するための概略図であり、図２は従来の
平板型蒸発源を用いた方法を説明するための概略図であ
り、図中１はスリーブ等の円筒状の母材、２は対極、３
はＣｒ製蒸発源を夫々示す。本発明法においては、Ｃｒ
製蒸発源３を棒状にして円筒状の母材１に挿入すると共
に、母材１を対極２として、Ｎ₂ 雰囲気中でＡＩＰ法を
実施することによって、母材１の内面に付き回り性の良
好な被覆層（ＣｒＮを主体とする被覆層）を、均一に形
成することができるのである。これに対し、平板状の蒸
発源３を用いてＡＩＰ法を実施しても、図２に示される
様に、蒸発物質の直進性によって母材１の内面に均一に
被覆層を成膜することはできず、また付き回り性も悪く
なるのである。

【００２３】以下本発明を実施例によって更に詳細に説
明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもので
はなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはい
ずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

【００２４】

【実施例】Ｔｉ−６Ａｌ−４ＶまたはＳＫＤ６１を、機
械加工した後洗浄したものを母材として用い、これに下
記の方法によって被覆層を形成して各種ダイカスト用部
材（供試材１〜１１）を製造した。

【００２５】供試材１ＳＫＤ６１母材（筒状）上に、Ｃｒターゲット（棒状）
を使用して反応性ＲＦスパッタリングでＣｒ−Ｎ皮膜を
形成した。供試材２ＳＫＤ６１母材（筒状）上に、ＣｒＦ₄ ガスを原料ガ
ス、Ｎ₂ を反応性ガスとして用い、ＣＶＤ法でＣｒ−Ｎ
皮膜を形成した。供試材３ＳＫＤ６１母材（筒状）上に、Ｃｒターゲット（平板
状）を使用してＮ₂ を反応性ガスとして反応性ＤＣスパ
ッタリングでＣｒ−Ｎ皮膜を形成した。

【００２６】供試材４ＳＫＤ６１母材（筒状）上に、蒸着（平板状蒸発源）に
よってＣｒ層を形成した後、イオン注入法によってＮを
イオン注入し、Ｃｒ−Ｎ皮膜を形成した。供試材５、６ＳＫＤ６１母材（筒状）上に、Ｃｒターゲット（棒状）
を使用してＮ₂ を反応性ガスとしてＡＩＰ法でＣｒ−Ｎ
皮膜を形成した。

【００２７】供試材７、８Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ母材（筒状）上に、Ｃｒターゲット
（棒状）を使用してＮ ₂ を反応性ガスとしてＡＩＰ法で
Ｃｒ−Ｎ皮膜を形成した。供試材９、１０ＳＫＤ６１母材に、窒化処理（５５０℃）または硼化処
理（９００℃）を行なって、Ｆｅの窒化膜または硼化膜
を形成した。供試材１１Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ母材に、窒化処理を行なって、窒化
膜を形成した。

【００２８】得られた上記各供試材について、耐溶損
性、耐摩耗性、耐熱サイクル性、保温性および付き回り
性等の特性について調査した。その結果を、被覆膜形成
条件、被覆層組成（最表面）、被覆層厚さおよび生成相
等と共に下記表１に示す。尚表１には、被覆層を形成し
ない母材そのものの特性についても、比較例として示し
た（供試材１２，１３）。またこれらの特性の評価方法
およびる評価基準は、下記の通りである。

【００２９】（耐溶損性）温度７５０℃でＪＩＳ規格Ａ
Ｃ８ＣのＡｌ溶湯に、３時間浸漬後の減量によって溶損
量を測定し、下記の基準で評価した。 ◎ ：溶損なし ○ ：被覆層２０％未満溶損 △ ：被覆層２０％以上溶損 × ：被覆層１００％溶損 ××：母材の溶損あり

【００３０】（耐摩耗性）ピンオンディスク型の摺動摩
擦試験機を使用して、相手材のピンとして窒化処理を施
したＳＫＤ６１を使用し、温度：４００℃、荷重：１０
ｋｇ／ｃｍ² で１０００ｍ摺動後の摩耗量を測定し、下
記の基準で評価した。 ◎ ：摩耗なし ○ ：被覆層２０％未満摩耗 △ ：被覆層２０％以上摩耗 × ：被覆層１００％摩耗 ××：母材の摩耗あり

【００３１】（耐熱サイクル性）高温槽（６５０℃）お
よび低温槽（水冷）を有する熱サイクル試験機を用い、
１回のサイクルが約２分となる様に、両槽の繰り返し往
復試験を行ない、供試材に熱サイクルを負荷した。そし
て、クラックが発生するサイクル回数によって評価し
た。 ◎：１０００サイクル以上でクラックが発生 ○：５００〜１０００サイクル未満でクラックが発生 △：２５０〜５００サイクル未満でクラックが発生 ×：２５０サイクル未満でクラックが発生

【００３２】（付き回り性）被覆層の被覆率で評価し
た。 ◎：被覆率１００％ ○：被覆率５０〜１００％未満 △：被覆率２５〜５０％未満 ×：被覆率２５％未満

【００３３】（保温性）各供試材中に７５０℃の溶湯を
保持し、凝固開始までの時間で評価した。 ○：未処理Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ母材と同等 △：未処理ＳＫＤ母材と同等

【００３４】

【表１】

【００３５】表１から明らかな様に、本発明の要件を満
足する実施例のものは、従来のダイカスト用部材と比べ
て、優れた性能を示していることがわかる。特に本発明
の好ましい要件を満足するものでは、その特性向上が顕
著である。

【００３６】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、耐
溶損性、耐摩耗性および耐熱サイクル性に優れたダイカ
スト用部材が実現できた。また本発明方法によれば、ス
リーブ等の円筒状の母材に対しても付き回り性良く、均
一に被覆層を形成することができる様になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を説明するための概略図である。

【図２】従来の平板型蒸発源を用いた方法を説明するた
めの概略図である。

【図３】被覆層中のＮ含有量と溶損速度の関係を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１円筒状の母材２対極３Ｃｒ製蒸発源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者玉垣浩兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号株式会社神戸製鋼所高砂製作所内 (72)発明者湯瀬文雄兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融金属と接触する部分に用いられるダ
イカスト用部材であって、母材表面上に、ＣｒとＮを含
む被覆層を形成したものであることを特徴とするダイカ
スト用部材。
【請求項２】前記被覆層中のＮ含有量が、被覆層の少
なくとも最表面で３０〜５５原子％である請求項１に記
載のダイカスト用部材。
【請求項３】前記被覆層の厚さが、７〜２０μｍであ
る請求項１または２に記載のダイカスト用部材。
【請求項４】前記母材は、その一部または全部がＴｉ
合金製である請求項１〜３のいずれかに記載のダイカス
ト用部材。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載のダイカ
スト用部材を製造するに当たり、円筒状の母材および棒
状のＣｒ製蒸発源を用いると共に、Ｃｒ製蒸発源を母材
に挿入した状態とし、Ｎ₂ 雰囲気によるアークイオンプ
レーティング法を実施することによって、前記母材の内
壁面に前記被覆層を形成することを特徴とするダイカス
ト用部材の製造方法。