JP6638288B2

JP6638288B2 - ダイカスト用金型

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Publication number: JP6638288B2
Application number: JP2015191338A
Authority: JP
Inventors: 清水　崇行; 崇行清水; 成起樋口
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2035-09-29
Also published as: JP2017066452A

Description

本発明はダイカスト用金型に関する。

従来、ダイカスト用金型を用いて重力鋳造法または低圧鋳造法を適用してアルミニウムやマグネシウム等を鋳造する場合、金型表面に塗型剤が塗られる。塗型剤を金型表面に塗布すると、溶湯の流れを妨げない断熱材として作用し、ガス逃げを促進し、金型表面の浸食を防止してかじりを防止することができる。

しかし、塗型剤は使用回数の増加に伴い層厚が薄くなったり、剥がれたりするので、金型メンテナンスとして塗型剤の剥離、再塗布を繰り返す必要がある。この塗型剤の剥離のためにブラスト処理を行うが、この際、塗型剤だけを剥離することは難しく、実際は金型自体も削り取られてしまっていた。

また、金型使用中に塗型剤の層厚が薄くなったり、剥がれたりしてしまうと、金型表面と溶湯が反応し、かじりが顕著になるとともに、金型と溶湯が合金化するため、急速にその領域が拡大してしまう場合があった。

一方、金属材料の表面を高硬度化する技術の一つとして、従来、浸炭処理が知られている。浸炭処理に関する従来法として、例えば特許文献１〜５に記載のものが挙げられる。

特開２００７−３０８７９２号公報特開平７−４１９３４号公報特許第４９２７２３４号公報特開２００８−４５１７８号公報特開２００６−１６１１４１号公報

上記のように、重力鋳造法または低圧鋳造法等を適用してアルミニウムやマグネシウム等を鋳造する場合に、金型と溶湯が合金化し難く、さらに金型メンテナンスとしてブラスト処理を行った場合に、金型自体が削り取られ難いダイカスト用金型は存在しなかった。

また、特許文献１〜５に記載のような従来の浸炭処理をダイカスト用金型に適用する例は、従来、提案されていない。
したがって、当然ではあるが、浸炭処理をダイカスト用金型に適用したうえで、アルミニウムやマグネシウム等の溶湯と金型表面との濡れ性をコントロールしてかじりを抑制するために、その表面粗さ（Ｒａ）を特定範囲に限定する技術的思想についても、従来、提案されていない。

本発明は、重力鋳造法または低圧鋳造法等を適用してアルミニウムやマグネシウム等を鋳造する場合に金型と溶湯が合金化し難く、さらに金型メンテナンスとしてブラスト処理を行った場合に、金型自体が削り取られ難いダイカスト用金型を提供することを目的とする。

本発明者は鋭意検討し、上記課題を解決する方法を見出して本発明を完成させた。
本発明は次の（１）〜（２）である。
（１）浸炭しているダイカスト用金型であって、
表面における算術平均粗さ（Ｒａ）が１〜２０μｍであり、断面組織写真から測定される前記表面から深さ３０μｍまでの範囲における炭化物面積率が５０％以上であるダイカスト用金型。
（２）Ｃ：０．２〜２．０質量％、
Ｓｉ：０．０１〜３．０質量％、
Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、
Ｃｒ：３．０〜１６．０質量％、
Ｍｏ＋０．５Ｗ：０．３〜９．０質量％、
Ｖ：０．１〜４．０質量％
を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる工具鋼を母材とする、上記（１）に記載のダイカスト用金型。

本発明によれば、重力鋳造法または低圧鋳造法を適用してアルミニウムやマグネシウム等を鋳造する場合に金型と溶湯が合金化し難く、さらに金型メンテナンスとしてブラスト処理を行った場合に、金型自体が削り取られ難いダイカスト用金型を提供することができる。

表面炭化物面積率を測定するために得た光学顕微鏡写真の代表例である。濡れ角の測定方法を説明するための概略図である。

本発明の金型について説明する。
本発明の金型は、浸炭しているダイカスト用金型であって、表面における算術平均粗さ（Ｒａ）が１〜２０μｍであり、断面組織写真から測定される前記表面から深さ３０μｍまでの範囲における炭化物面積率が５０％以上であるダイカスト用金型である。

本発明の金型は、重力鋳造法または低圧鋳造法等の塗型剤を用いる方法を適用してアルミニウムやマグネシウム等の低融点金属の溶湯を流し込んで鋳造するために用いる従来公知のダイカスト用金型について、後述する特定の方法で浸炭処理して得られるものである。
ダイカスト用金型の形態や大きさ等についても特に限定されない。
なお、以下では、浸炭する前のダイカスト用金型を母材ともいう。

＜母材＞
母材の材質は鋼を主成分とするものであることが好ましく、工具鋼であることがより好ましく、熱間工具鋼（ＳＫＤ６１等）であることがさらに好ましい。

一般的に浸炭処理に用いられる構造用鋼（例えばＳ４０Ｃ）では、浸炭処理時にセメンタイトが形成される。これに対して工具鋼に浸炭処理すると、セメンタイトだけではなく、工具鋼中に多く含まれるＣｒ、Ｍｏ、Ｖが炭化物を形成する。
セメンタイト（硬さ８００〜１５００ＨＶ）よりも、高硬度（１５００〜２０００ＨＶ）なＣｒ、Ｍｏ、Ｖの炭化物の方が耐摩耗性に優れる。したがって、母材におけるＣｒ、Ｍｏ、Ｖの含有率が高い方が、本発明の金型の耐摩耗性を向上させる効果が高い。熱間工具鋼であるＳＫＤ６１よりもＣｒ、Ｍｏ、Ｖの含有率が高いものとして冷間工具鋼（例えばＳＫＤ１１）や高速度工具鋼（例えばＳＫＨ５１）が挙げられる。したがって冷間工具鋼や高速度工具鋼の方が、硬質な炭化物が多く形成される。

母材は、Ｃ：０．２〜２．０質量％、Ｓｉ：０．０１〜３．０質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｃｒ：３．０〜１６．０質量％、Ｍｏ＋０．５Ｗ：０．３〜９．０質量％、Ｖ：０．１〜４．０質量％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる工具鋼であることが好ましい。

Ｃ含有率は、母材において０．２〜２．０質量％であることが好ましく、０．２５〜０．７０質量％であることがより好ましい。
Ｃ含有率がこのような範囲であると、ダイカスト用金型として必要な硬さを得やすくなるからである。Ｃ含有率が高すぎると粗大な炭化物が形成されやすくなり、金型が割れる可能性が発生する。
なお、母材におけるＣ含有率を２．０質量％以下とすると、後述する炭化物面積率をより高めることができ、耐摩耗性や耐溶湯浸食性をより高めることができることを、本発明者は見出した。母材におけるＣ含有率が高いと（例えば２０質量％程度の場合）、炭化物面積率を高くし難くなり、かえって耐摩耗性や耐溶湯浸食性が悪くなる傾向があることを、本発明者は見出した。

Ｓｉ含有率は、母材において０．０１〜３．０質量％であることが好ましく、０．０１〜０．２質量％であることがより好ましい。
Ｓｉ含有率がこのような範囲であると、浸炭時の炭化物面積率を高めることができるからである。また、ダイカスト用金型として必要な硬さを得やすくなるからである。また、Ｓｉ含有率を３．０質量％を超えて高くしても硬さは向上し難い傾向がある。また、Ｓｉ含有率が高すぎると、浸炭処理時にセメンタイトの生成が抑制され、炭素（グラファイト）が析出してしまう可能性がある。また、Ｓｉ含有率を０．０１質量％未満とするには製造コストが高くなる傾向がある。

Ｍｎ含有率は、母材において０．２〜２．０質量％であることが好ましく、０．３〜１．５質量％であることがより好ましい。
Ｍｎ含有率がこのような範囲であると、焼入性が良好になるからである。また、Ｍｎ含有率を２．０質量％を超えて高くしても焼入性は向上し難い傾向がある。

Ｃｒ含有率は、母材において３．０〜１６．０質量％であることが好ましく、４．０〜７．０質量％であることがより好ましい。
Ｃｒ含有率がこのような範囲であると、ダイカスト用金型として必要な硬さを得やすくなり、加えて焼入性が良好になるからである。また、Ｃｒ含有率が高いと硬質な炭化物（炭化クロム）の生成量が増加して、本発明の金型の耐摩耗性が向上する傾向がある。
ただし、Ｃｒ含有率が高すぎると、焼入れ硬さが低下する傾向がある。

Ｍｏ含有率およびＷ含有率は、Ｍｏ＋０．５Ｗ（すなわち、Ｍｏ含有率＋０．５×Ｗ含有率の計算結果）として０．３〜９．０質量％であることが好ましく、０．７〜２．０質量％であることがより好ましい。
Ｍｏ＋０．５Ｗがこのような範囲であると、ダイカスト用金型として必要な硬さを得やすくなり、加えて焼入性が良好になるからである。また、Ｍｏ含有率および／またはＷ含有率が高いと硬質な炭化物（炭化モリブデン、炭化タングステン）の生成量が増加して、本発明の金型の耐摩耗性が向上する傾向がある。
Ｍｏ＋０．５Ｗを９．０質量％を超えて高くしても硬さおよび焼入性は向上し難い傾向があり、また製造コストが増加する傾向がある。

Ｖ含有率は、母材において０．１〜４．０質量％であることが好ましく、０．２〜１．０質量％であることがより好ましい。
Ｖ含有率がこのような範囲であると、Ｖが炭化物を形成し、結晶粒の粗大化を防止し、さらに焼戻し硬さを向上させるからである。
また、Ｖ含有率が高すぎると粗大な炭化物が形成されることによって靭性が低下する傾向があり、また、焼戻し硬さの向上の効果が飽和する傾向がある。

また、母材が上記のようなＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＶからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む場合、残部がＦｅおよび不可避的不純物であってよい。
Ｆｅ中に含まれ得る不可避的不純物として、従来公知の成分を挙げられる。例えば、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、ＮおよびＯを不可避的不純物として挙げられる。具体的には、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｉを各々０．２質量％以下、Ａｌ、Ｎを各々０．０３質量％以下、Ｏを０．０１質量％以下で含有していても、本発明の金型の耐摩耗性や耐浸食性に悪影響は及ぼさない。

重力鋳造法や低圧力鋳造法以外の方法を適用する場合、一般的に４０ＨＲＣ以上のダイカスト用金型が使用される場合が多い。これはダイカスト用金型に負荷される熱応力起因の疲労を長寿命化するとともに、金型同士の接触や衝撃による変形防止等を目的に高硬度化している。
一方、重力鋳造法や低圧力鋳造法では、金型には強い圧力などが発生し難いため、２０〜３０ＨＲＣと低硬度な状態（熱処理は未実施）で使用されることが多い。ただし、塗型剤剥離時の耐摩耗性付与を目的に、４０ＨＲＣ以上に高硬度化して使用することもある。

＜浸炭＞
本発明の金型は、従来公知のダイカスト用金型について、特定の浸炭処理を行って得られるものである。

浸炭方法は、後述する表面の算術平均粗さが得られ、かつ、炭化物面積率（表面炭化物面積率ともいう）が得られる方法であれば特に限定されない。
浸炭方法として、固体浸炭、液体浸炭、ガス浸炭、真空浸炭が例示できる。

浸炭処理温度および浸炭処理時間は特に限定されない。例えば一般的な浸炭処理温度である８００〜９００℃であってよいが、この場合、浸炭処理時間を長時間化すると、後述する表面の算術平均粗さが得られ易く、かつ、表面炭化物面積率が得られ易い傾向がある。
また、浸炭処理温度を９００℃以上とすると、母材内部へＣが深く拡散しやすくなり、表面側からＣをより吸収しやすくなるので、後述する表面炭化物面積率が高くなる傾向があるので好ましい。また、浸炭処理温度が高いと浸炭処理時間を短くすることができるので好ましい。ただし、浸炭処理温度が高すぎると、結晶粒粗大化等の特性低下が起こる傾向がある。具体的には、浸炭処理温度は１０５０℃以下とすることが好ましい。

一般的な工具鋼を母材とした場合、浸炭処理温度を９００℃未満とすると、浸炭処理だけで本発明の金型における浸炭していない部分の硬さを３０ＨＲＣ以上にすることは難しい。一般的な工具鋼の焼入れ温度は９００℃よりも高いからである。
一方、浸炭処理温度を９００℃以上、好ましくは１０００〜１０５０℃とした場合、浸炭処理後に急冷することで焼入れを行って、その硬さを高めることができる。すなわち、浸炭処理で焼入れを兼ねることができる。このような処理によれば、浸炭処理による炭化物生成で表面硬さが高く、かつ、焼入れ処理により浸炭していない部分の硬さを高く（例えば４０ＨＲＣ以上）とすることができ、本発明の金型の耐摩耗性をより向上させることができる。

また、最表面（断面組織写真から測定される前記表面から深さ１０μｍまでの範囲）における炭化物含有率が１質量％以上となる条件で浸炭すると、後述する表面炭化物面積率が高くなる傾向があるので好ましい。

＜炭化物面積率＞
本発明の金型は、断面組織写真から測定される前記表面から深さ３０μｍまでの範囲における炭化物面積率（表面炭化物面積率ともいう）が５０％以上であり、５５％以上であることが好ましく、６０％以上であることがさらに好ましい。
炭化物面積率が５０％以上であると、ブラスト処理時の摩耗深さやアルミ溶湯接触時の浸食減量が急激に低下することを、本発明者は見出した。また、この傾向は、炭化物面積率が高いほど顕著になることを、本発明者は見出した。

炭化物面積率は、本発明の金型を、その表面に対して垂直に切断し、ナイタール、ピクラル等の腐食液を用いてエッチングした後、光学顕微鏡を用いて断面を４００倍にて観察して求める。このような観察を行うと、炭化物は他と比較して別の色（例えば白色）に見える。炭化物面積率は観察視野の写真を取り、画像解析装置を用いて計測することができる。

さらに、光学顕微鏡を用いて断面を４００倍にて観察した場合に存在が認められる炭化物の形状が針状であることが好ましく、その長さが３０μｍ以上のものを主体することが好ましい。針状の炭化物としては、後に実施例において例示する図１（ｂ）に示される態様が挙げられる。

＜表面粗さ（Ｒａ）＞
本発明の金型は、ＪＩＳＢ０６０１（１９９４）の規定に則って測定される、表面における算術平均粗さ（単に「表面粗さ」または「表面粗さ（Ｒａ）」ともいう）が１〜２０μｍであり、２〜１０μｍであることがより好ましい。
表面粗さ（Ｒａ）は、浸炭処理の条件を調整したり、母材の表面の粗さを調整した後に浸炭処理したりすることで、上記の範囲内とすることができる。また、浸炭処理した後に表面を加工することで表面粗さ（Ｒａ）を上記の範囲内としてもよいが、浸炭処理した後の表面を加工しないことが好ましい。
母材や浸炭面の加工は従来公知の方法によって行うことできる。例えば研削加工、エンドミル加工、ブラスト処理（ショットピーニング等を含む）が挙げられる。

本発明の金型における表面粗さ（Ｒａ）が上記の範囲であり、かつ、前述の表面から深さ３０μｍまでの範囲における炭化物面積率が５０％以上であると、本発明の金型へアルミニウム等の溶湯を流し込んだ時に表面へ溶湯が濡れ難く、すなわち、表面に対する溶湯の濡れ角（接触角ともいう）が大きくなり、その結果、溶湯が型の表面を浸食し難くなり、加えて製品が型からスムーズに離型されて品質も向上することを、本発明者は見出した。このような効果は塗型剤を用いた場合であっても発揮されるが、塗型剤を用いなかった場合や使用することで塗型剤の一部が無くなってしまい金型表面の一部が露出してしまった場合であっても発揮する。
この理由は現時点で明確ではないが、表面粗さ（Ｒａ）を特定範囲とし、かつ、特定部分の炭化物面積率をも特定範囲とすることで、何らかの相乗効果が発揮されたためと、本発明者は推測している。

＜試験片の製造＞
第１表に示す組成となるよう原料を混合し、真空誘導炉で溶解して５０ｋｇのインゴットを鋳造した。そして、インゴットを１１５０〜１２００℃で加熱保持した後、断面が６５ｍｍ×３０ｍｍの矩形である棒状に熱間鍛造し、さらにその後、低温焼鈍を実施した。
次に、各鋼材を適切な大きさに切断し、後述する各評価法に適する所定の形状に加工した後、浸炭した。浸炭はＣ₃Ｈ₈ガスを４００ｍ³／ｍｉｎの流量で流して行った。浸炭温度および浸炭時間は第１表に示す通りとした。そして、浸炭終了後は窒素ガス（１気圧）を流して急冷して、焼入れと同様の効果を生じさせた。
このような操作を行って、第１表に示す発明鋼１〜３１および比較鋼１〜１６の各々に係る試験片を得た。

＜表面炭化物面積率の測定＞
各試験片について表面に垂直に切断し、腐食液（ナイタール）を用いてエッチングした後、光学顕微鏡を用いて断面を４００倍にて観察した。そして、表面から深さ３０μｍの位置までのエリア内における炭化物面積率を、画像解析装置を用いて計測した。
光学顕微鏡を用いて得た断面写真を図１に例示する。図１（ａ）および図１（ｂ）は、発明鋼５の５０倍拡大写真および４００倍拡大写真であり、図１（ｃ）および図１（ｄ）は、発明鋼１６の５０倍拡大写真および４００倍拡大写真である。

＜母材硬さ＞
試験片の一部を切断し、浸炭されていない部分を露出させ、その浸炭されていない部分における硬さを、ロックウェル硬度計（Ｃスケール）を用いて測定した。

＜表面粗さ＞
ＪＩＳＢ０６０１（１９９４）の規定に則り、浸炭処理面の算術平均粗さ（表面粗さ（Ｒａ））を測定した。

＜ブラスト処理摩耗深さ＞
５０ｍｍ×５０ｍｍ×２０ｍｍに加工した鋼材について前述のような方法で浸炭処理して得た試験片の浸炭面（５０ｍｍ×５０ｍｍの主面）へ、浸炭面の垂線から１５度傾けた、浸炭面から３０ｃｍ離れた箇所からブラスト処理を行った。ブラスト処理はスチールグリッドφ０．２ｍｍを用い、３０秒間行った。
また、ブラスト処理を始める前に浸炭面の一部をマスキングすることで、その部分がブラスト処理されないようにした。そして、ブラスト処理後にマスキングした部分の表面を基準とし、ブラスト処理した部分の最大摩耗深さを測定した。

＜アルミ浸食減量試験＞
φ１０ｍｍ×７５ｍｍに加工した鋼材について前述のような方法で浸炭処理して得た試験片を、７００℃に加熱したアルミニウム合金（ＡＤＣ１２）溶湯に１時間浸漬した。浸漬中は試験片を回転させた。浸漬後、アルカリ溶液によって付着したアルミニウム合金を除去し、試験片の重量を測定した。
そして、試験前の試験片重量から試験後の試験片重量を引いて浸漬減量を求めた（すなわち、浸漬減量＝試験前の試験片重量−試験後の試験片重量）。

＜濡れ角＞
５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍに加工した鋼材について前述のような方法で浸炭処理して試験片を得た。そして、５０ｍｍ×５０ｍｍの主面を評価面とし、この評価面へ７５０℃で溶融させたアルミニウム合金（ＡＤＣ１２）溶湯を、評価面からその垂線方向に５ｃｍ離れた箇所から１０ｃｃ自然落下させた（図２（ａ）、（ｂ））。
そして、冷えて凝固した液滴状のアルミニウム合金を、ほぼ中心部で切断し（図２（ｃ））、評価面と接していた部分の濡れ角を測定した（図２（ｄ））。

発明鋼１〜３１および比較鋼１〜１６の組成、浸炭温度、浸炭時間および各試験結果を第１表に示す。
なお、第１表に示す発明鋼１〜３１および比較鋼１〜１６の各々は、第１表に示す組成成分の他に、不純物としてＳ、Ｃｕ、Ｎｉを０．２質量％以下、Ａｌ、Ｎを０．０３質量％以下、Ｏを０．０１質量％以下で含有している。

第１表に示すように発明鋼１〜３１は、いずれも表面炭化物面積率が５０％以上あり、表面算術平均粗さ（Ｒａ）は１〜２０μｍの範囲内である。また、浸炭終了後に窒素ガスで急冷しているため、焼入れされており、その結果、母材はより硬くなった。
これに対して比較鋼１〜８は浸炭処理を行っていない。そのため表面炭化物面積率が極めて小さく、母材の硬さは低くなった。また、ブラスト処理摩耗深さは大きくなった。そして、アルミ浸食減量は高く、濡れ角は小さくなったので、これらの鋼材からなるダイカスト用金型へアルミニウム溶湯を流し込んだ場合、型の表面はアルミニウム溶湯と馴染んでしまい、アルミニウム溶湯が型の表面を浸食するものと考えられる。
また、比較鋼９〜１６は比較鋼１〜８について浸炭処理を行ったものである。ただし、浸炭時間が短いため表面炭化物面積率は５０％未満となっている。これらの場合、比較鋼１〜８に比べればブラスト処理摩耗深さ、アルミ浸食減量および濡れ角は改善しているが、十分とはいえない。

Claims

浸炭しているダイカスト用金型であって、
表面における算術平均粗さ（Ｒａ）が１〜２０μｍであり、断面組織写真から測定される前記表面から深さ３０μｍまでの範囲における炭化物面積率が５０％以上であり、鋼材を母材とするダイカスト用金型。
Ｃ：０．２〜２．０質量％、
Ｓｉ：０．０１〜３．０質量％、
Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、
Ｃｒ：３．０〜１６．０質量％、
Ｍｏ＋０．５Ｗ：０．３〜９．０質量％、
Ｖ：０．１〜４．０質量％
を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる工具鋼を前記母材とする、請求項１に記載のダイカスト用金型。