JP5028502B2 - 金型、凝固体およびそれらの製造方法 - Google Patents
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Description
(1)本発明の金型は、溶融材料と接触し得る接触表面部を基材上に有する金型であって、該接触表面部は、繊維径が0.1〜0.5μmである第1炭素繊維が起毛してなり空間最大寸法が10μm以上となっている疎な第1繊維層を有する第1表面部と、該第1表面部とは表面性状が異なる第2表面部と、を少なくとも備えることを特徴とする。
このように、金型の内表面(形成面)に施す表面処理によって、金型内における溶融材料の流動性の向上、金型への溶融材料の充填性の向上、溶融材料の充填から凝固完了までの工程時間(タスクタイム)の短縮さらには溶融材料が凝固した凝固体の凝固組織の改善等を図ることが可能となった。
このように本発明に係る繊維層を金型の接触表面部に設けると、溶融材料の充填中の温度や凝固速度を、金型内の領域に応じて平面的または空間的に制御し得る。さらに、その繊維層の形態を調整することで、溶融材料の充填開始から凝固完了に至る工程中でも、溶融材料の温度や凝固速度(冷却速度)を時間的にも制御し得る。
本発明でいう「第1」および「第2」は、本発明の内容を明確にするための便宜的表現にすぎない。本発明では、第1表面部と第2表面部の2種を最小単位として例示的に取り上げたに過ぎない。金型の内表面(接触表面部)は、伝熱性の異なる種々の表面部の組合わせが考えられ、表面部は2種のみならず3種以上あってもよい。具体的には、金型のキャビティ形状(凝固体の形状)や溶融材料の充填方法等に応じて、複数種の繊維層、基材の地肌、繊維層以外の表面処理層等を多種多様に組合せて、金型の接触表面部を構成すればよい。これにより、高品質な凝固体の高効率な生産が可能となる。
本発明は、上述したような金型の製造方法としても把握できる。つまり本発明は、溶融材料と接触し得る接触表面部を基材上に有する金型の製造方法であって、Ni、FeまたはCoの一種以上である特定元素を含み、前記接触表面部の領域に応じた下地層を前記基材上に形成する下地層形成工程と、該下地層上にカーボンナノファイバー、カーボンナノコイルまたはカーボンナノチューブの一種以上からなる炭素繊維が起毛した繊維層を形成する繊維層形成工程とを備え、上述した本発明の金型が得られることを特徴とする金型の製造方法でもよい。
さらに本発明は、上述したような金型を用いた凝固体の製造方法やそれにより得られた凝固体としても把握できる。例えば、本発明は、上述した金型へ溶融材料を充填する充填工程と、該充填工程後の溶融材料を、該金型を介して冷却し凝固させる凝固工程とを備え、該溶融材料が所望形状に凝固した凝固体を得ることを特徴とする凝固体の製造方法でもよい。
特に断らない限り、本明細書でいう「x〜y」は、下限値xおよび上限値yを含む。また、本明細書に記載した種々の下限値または上限値は、任意に組合わされて「a〜b」のような範囲を構成し得る。さらに、本明細書に記載した範囲内に含まれる任意の数値を、数値範囲を設定するための上限値または下限値とすることができる。
(1)基材
本発明の金型を構成する基材の材質は問わない。通常は、耐摩耗性等に優れる合金鋼(例えば、SKD材(JIS))が用いられることが多い。もっとも、金型の一部または全部は、より熱伝導率の高い材質(銅、銅合金、アルミニウム合金等)で構成されてもよい。これにより、部分的または全体的に、溶融材料の冷却速度を高めて緻密な組織をもつ凝固体を得たり、凝固完了時間(タスクタイム)の短縮を図ることができる。
本発明でいう繊維層は、溶融材料と接触する接触表面部で、炭素繊維が起毛してできた層である。この炭素繊維は、上述したように基材自体から直接起毛していてもよいし、基材上に形成した下地層から起毛していてもよい。
本発明に係る第1表面部に設ける繊維層は、疎な繊維層でも密な繊維層でもよい。例えば、第1表面部に疎な繊維層を設けるなら、第2表面部は密な繊維層から形成されてもよいし、基材表面そのままでもよい。また第1表面部および第2表面部を、共に疎な繊維層または密な繊維層とする場合でも、各表面部で炭素繊維の繊維径、空間最大寸法、起毛密度などの起毛状態(表面性状)を変更すればよい。これにより、溶融材料の温度を微細に管理または制御できる金型を得ることができる。
下地層は、炭素繊維の起毛元となる層である。この下地層を設けることにより、前述したように、基材の材質を問わず、種々の金型に繊維層を設けることができる。
このような下地層は、黒鉛またはカーボンナノ繊維類の生成または成長を助長する触媒作用がある特定元素を含むと好ましい。具体的には、下地層は、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)またはコバルト(Co)の一種以上である特定元素を含むと好ましい。より具体的にいえば、下地層は、例えば、特定元素を含むメッキ層である。
(1)繊維層形成工程
本発明の金型の製造には、少なくとも炭素繊維が起毛した繊維層を形成する繊維層形成工程が必要となる。具体的には、金型の基材表面(下地層表面を含む。)を、例えば、昇温したアセチレンガス(C2H2)のような鎖式不飽和炭化水素ガス(以下適宜「炭素源ガス」という。)に曝す。この炭素源ガスは基材表面(または下地層表面)上で炭素と水素に分解される。この際、基材表面に存在する金属(Fe、Ni、Coなど)が触媒となって、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー(フィラメント)などのカーボンナノ繊維類(炭素繊維)が起毛、成長して、本発明でいう繊維層が形成される。
繊維層形成工程は、例えば、金型基材を載置した雰囲気炉内で行われる。その炉内へ炭素源ガスを供給する前に、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガスなどの非酸化性ガスで、炉内を置換しておくとよい。またガス圧は、基本的に問わないが、外気の流入を防止し、炭素繊維の起毛、成長を促進する観点から、大気圧よりも高い圧力にすると好ましい。
炭素繊維の起毛または繊維層の形成には、必ずしも基材表面上に下地層を形成する必要はない。もっとも下地層を設けることにより、繊維層の形態(繊維径や空間最大寸法など、繊維層の密度、繊維層の厚さ等)を制御することができる。また、下地層を設けることにより、基材表面に炭素繊維を直接起毛させた場合と異なる炭素繊維を起毛させることができる。また、下地層を設けることにより、基材(少なくとも表面近傍)が炭素繊維の起毛しない不毛金属からなる場合であっても、所望の繊維層を形成することが可能となる。さらに、下地層を設けることで、炭素繊維の起毛、成長を促進でき、高効率で繊維層を形成できる。
従って、下地層形成工程は、接触表面部の領域に応じて厚さの異なるメッキ層を形成するメッキ工程であると好ましい。ちなみに、メッキ層の有無やメッキ層の厚さなどは、基材表面の領域に応じたマスキングにより、容易に変更、調整し得る。
本発明の金型は、鋳造に用いられる鋳型でも、樹脂成形に用いられる成形型でもよい。本発明の金型は、金型全体でも、その一部を構成する型要素でもよく、中子、入子などをも含む。敢えていうなら、本発明の金型は、マグネシウム合金やアルミニウム合金などの軽金属のダイカスト金型に好適である。ダイカスト鋳造を行う場合、金型に充填された金属溶湯の温度変化が鋳物品質や鋳造効率に大きく影響するからである。
《試験片の製造》
(1)基材
表1に示す成分組成の各合金棒材から、1cmx5cmx5cmの板状の試験片を切り出した。
表1に示す試験片の表面(研磨面)に、Ni−Pメッキを施した。Ni−Pメッキは、具体的には次のように行った。
表1に示す各試験片に、雰囲気炉を用いて次のような表面処理を行った(繊維層形成工程)。Ni−Pメッキを行わなかった試験片には、#400の耐水研磨紙で研磨した研磨面へ直接表面処理を行った。
一方、Ni−Pメッキを行った試験片には、そのメッキ面へ次の表面処理を行った。すなわち、ピット型雰囲気炉内(詳細にはレトルト内)に各試験片を入れて、炉内を真空ポンプでパージした。この炉内へ窒素ガスを供給し、炉内雰囲気を非酸化性とした。この炉内へ、図1に示す熱処理パターンに基づいて、炭素源ガスを含む各種ガスを供給した。この際に供給したガスは、アンモニアガス(NH3)、硫化水素ガス(H2S)およびアセチレンガス(C2H2)と、処理後の冷却にのみ用いる窒素ガス(N2)である。各ガスの供給量は、NH3 :15 NL/min.、C2H2: 0.6 NL/min.H2S : 0.4 NL/min.、N2 :15 NL/min.(冷却時のみ)とした。処理温度は480℃、処理時間は3時間とした。また炉内の温度は、開始時の室温(25℃)から480℃まで、0.5時間かけて昇温した。処理終了後は、炉内温度が室温程度(25℃)になるまで、約0.5時間かけて、N2ガスを流しつつ降温した。
上述した表面処理後の各試験片の表面を走査型電子顕微鏡 (SEM)で観察した。その観察像を図4〜8に示した。これらの観察像を用いて、各試験片に起毛した炭素繊維の繊維径(直径)、その炭素繊維間距離の最大値である空間最大寸法を特定した。これら数値の特定方法は、本明細書に関して共通である。敢えていえば、繊維径および空間最大寸法は、各視野(3視野以上)の空間径上位10個炭素繊維について調べ、それらを平均したものである。
(1)図4(図4A、図4Bおよび図4Cをまとめて「図4」という。)〜図8に示した観察像から、試験片の組成の相違、Niメッキ層の有無によって、炭素繊維の起毛状態(繊維層の形態)が様々であることがわかる。
具体的には、図4Aからわかるように、金型に一般的に用いられる合金鋼(SKD61)の表面には炭素繊維が直接起毛する。勿論、図4Bおよび図4Cからわかるように、その表面に設けたNiメッキ層上にも炭素繊維は起毛する。
下地処理をせずに試験片へ直接に表面処理を行った場合、先ず、Cu−62%W(単位は質量%、以下同様)の試験片には炭素繊維は起毛しないことが図6(a)からわかる。この観点から、CuやWは炭素繊維を起毛させない不毛元素であることがわかる。一方、図7および図8に示すように、炭素繊維の起毛を促進する触媒作用がある特定元素(NiまたはFe)を含む銅合金からなる試験片の場合、特定元素の含有量に応じて炭素繊維の起毛状態が変化することがわかる。すなわち、特定元素が含まれない場合は炭素繊維が起毛せず、特定元素が過少な場合は炭素繊維の起毛も少なく、特定元素が所定量を超えると炭素繊維が十分に起毛する。このことは表1に示した被覆率からわかる。但し、図7や図8に示すように、試験片の成分組成だけで炭素繊維の起毛状態を制御することは容易ではない。
種々の表面処理を施した金型を用いて、板状試験片(横80mmx縦120mmx厚さ5mm)をダイカスト鋳造した。このとき用いた加圧鋳造装置(ダイカスト鋳造装置)の概略を図2に示した。この鋳造装置の金型5として、材質とキャビティ内壁面の表面処理が異なる4種類の金型(K1〜K4)を用意した。具体的には表2に示した通りである。なお、金型(K2およびK4)の表面処理は、前述した方法および条件で行った。表面処理を施さなかった金型(K1およびK3)の内面には、溶湯の充填前に水溶性離型材を予め塗布しておいた。
(1)表2に示した充填完了時の最高到達温度および凝固完了時間から次のことがわかる。
先ず、溶湯と接触する接触表面部に表面処理を施さなかった金型K1(SKD61製)を用いた場合、凝固完了時間が短く早期に凝固が完了する。しかし、充填完了時の溶湯の最高到達温度は、充填当初よりも10℃程度低下している。このため金型K1を用いた場合、タスクタイム短縮による鋳造効率の向上は図れても、湯まわりや充填性の向上は図り難い。
これは、金型K4が充填中の溶湯をあまり冷却せず、充填完了後に加圧された溶湯を急冷するためと考えられる。
Claims (11)
- 溶融材料と接触し得る接触表面部を基材上に有する金型であって、
該接触表面部は、
繊維径が0.1〜0.5μmである第1炭素繊維が起毛してなり空間最大寸法が10μm以上となっている疎な第1繊維層を有する第1表面部と、
該第1表面部とは表面性状が異なる第2表面部と、
を少なくとも備えることを特徴とする金型。 - 前記第1炭素繊維は、カーボンナノファイバー、カーボンナノコイルまたはカーボンナノチューブの一種以上からなる請求項1に記載の金型。
- 前記第1表面部は、前記第1炭素繊維の起毛元となる第1下地層を有する請求項1または2に記載の金型。
- 前記第1下地層は、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)またはコバルト(Co)の一種以上である特定元素を含む請求項3に記載の金型。
- 前記第1下地層が設けられる基材は、前記第1炭素繊維が起毛しない不毛金属からなる請求項3または4に記載の金型。
- 前記不毛金属は、銅(Cu)または銅合金である請求項5に記載の金型。
- 前記第2表面部は、前記第1繊維層と起毛状態が異なる第2炭素繊維が起毛した第2繊維層を有する請求項1〜6のいずれかに記載の金型。
- 金属溶湯がキャビティへ加圧充填されるダイカスト金型である請求項1に記載の金型。
- 溶融材料と接触し得る接触表面部を基材上に有する金型の製造方法であって、
Ni、FeまたはCoの一種以上である特定元素を含み、前記接触表面部の領域に応じた下地層を前記基材上に形成する下地層形成工程と、
該下地層上にカーボンナノファイバー、カーボンナノコイルまたはカーボンナノチューブの一種以上からなる炭素繊維が起毛した繊維層を形成する繊維層形成工程とを備え、
請求項1に記載の金型が得られることを特徴とする金型の製造方法。 - 前記下地層形成工程は、前記接触表面部の領域に応じて厚さの異なる特定元素のメッキ層を形成するメッキ工程である請求項9に記載の金型の製造方法。
- 請求項1〜8のいずれかに記載の金型へ溶融材料を充填する充填工程と、
該充填工程後の溶融材料を該金型を介して冷却し凝固させる凝固工程とを備え、
該溶融材料が所望形状に凝固した凝固体を得ることを特徴とする凝固体の製造方法。
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