專利名稱：鑄造模具的表面處理方法以及使用該方法的鑄造模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鑄造模具的表面處理方法，以及通過該表面處理方法而在表面上 形成了碳膜的鑄造模具。
背景技術(shù)：
使用鑄造模具對制品進(jìn)行成形加工的鑄造成形技術(shù)，是一種能夠?qū)潭ㄐ螤?、?定品質(zhì)的制品進(jìn)行大量生產(chǎn)的技術(shù)，其被利用于采用了各種材料的制品的制造中。在鑄造 成形工藝中，通常采用如下設(shè)計(jì)，即在鑄造模具的成形面上涂布有脫模劑，從而在從鑄造模 具中取出成形后的制品時(shí)，制品容易從鑄造模具中脫模。但是，當(dāng)反復(fù)進(jìn)行成形加工時(shí)，材 料會燒粘在鑄造模具上，從而造成制品難以從鑄造模具中脫模。例如，在通過壓鑄鑄造法對鋁合金等進(jìn)行鑄造成形時(shí)，將熔融鋁高速、高壓地填充 在金屬的型腔內(nèi)。由此，在鑄造模具和熔融鋁接觸的部分處會產(chǎn)生熔融金屬的燒粘，或從鑄 造模具中取出制品時(shí)的脫模阻力會增大。通過利用碳膜來覆蓋鑄造模具的表面，從而能夠應(yīng)對上述的問題。通過碳膜防止 熔融金屬和鑄造模具的基體材料發(fā)生直接接觸，從而能夠抑制熔融金屬與鑄造模具的燒粘 和脫模阻力的增大。例如，在專利文獻(xiàn)1中記載了如下的技術(shù)，即，通過在用于鋁壓鑄的鑄 造模具表面上擦拭并涂布以富勒烯為主要成分的碳材料，以使鑄造模具的表面上形成以富 勒烯為主要成分的碳膜，從而使脫模阻力減小，進(jìn)而抑制了燒粘。在先技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本特開2007-144499號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題通過專利文獻(xiàn)1的技術(shù)而在鑄造模具的表面上形成的、以富勒烯為主要成分的碳 膜，雖然不需要在每次進(jìn)行鑄造成形工序時(shí)都進(jìn)行涂布，但是在經(jīng)過一定程度的鑄造次數(shù) 后，脫模阻力降低的效果將會消失。在脫模阻力降低的效果消失后，則有必要實(shí)施維護(hù)作 業(yè)，即再次利用以富勒烯為主要成分的碳膜來覆蓋鑄造模具，從而恢復(fù)鑄造模具的脫模效 果。從提高生產(chǎn)效率的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選盡量減少維護(hù)作業(yè)的頻度，因此需要脫模阻力降低效 果以及防止燒粘這種脫模效果的進(jìn)一步長壽命化。解決課題的方法因此，在本發(fā)明中，提供一種鑄造模具的表面處理方法，在覆蓋鑄造模具表面的碳 膜(以下，稱為納米碳膜)的表面上涂布富勒烯，所述碳膜包含選自碳納米卷、碳納米管以 及碳納米絲中的至少一種納米碳。當(dāng)使用本發(fā)明的表面處理方法來進(jìn)行鑄造模具的表面處理時(shí)，在覆蓋鑄造模具表 面的納米碳膜的表面上涂布有富勒烯，富勒烯進(jìn)入到納米碳膜的間隙或者凹凸中。由此，在形成于鑄造模具表面上的碳膜中，碳膜的表面一側(cè)的富勒烯含有量多于鑄造模具一側(cè)的富 勒烯含有量。即，在碳膜的表面附近，含有較多的富勒烯。當(dāng)以上述方式通過在納米碳膜的表面附近含有富勒烯的碳膜來覆蓋鑄造模具的 表面，并使用該鑄造模具來進(jìn)行鑄造成形時(shí)，能夠長時(shí)間地維持脫模效果。此外，本發(fā)明的表面處理方法也可以為如下的鑄造模具的表面處理方法，其包括 納米碳膜形成工序，在鑄造模具的表面上形成碳膜，所述碳膜包含選自碳納米卷、碳納米管 以及碳納米絲中的至少一種納米碳；富勒烯涂布工序，將富勒烯涂布在納米碳膜的表面上。 即，本發(fā)明的表面處理方法還可以包括，在富勒烯涂布工序之前，在鑄造模具的表面上形成 包含納米碳的碳膜的工序。根據(jù)本發(fā)明，能夠在鑄造模具的表面上形成脫模效果更加長壽命化的碳膜。通過 脫模效果的長壽命化，能夠減少鑄造模具的維護(hù)，從而在鑄造成形工序中使生產(chǎn)效率得到提尚。


圖1為，用于對實(shí)施例以及比較例中使用的脫模阻力計(jì)測試驗(yàn)裝置進(jìn)行說明的 圖，并圖示了脫模劑的涂布。圖2為，用于對實(shí)施例以及比較例中使用的脫模阻力計(jì)測試驗(yàn)裝置進(jìn)行說明的 圖，并圖示了熔融金屬的澆鑄。圖3為，用于對實(shí)施例以及比較例中使用的脫模阻力計(jì)測試驗(yàn)裝置進(jìn)行說明的 圖，并圖示了通過拉伸而進(jìn)行的脫模載荷測定。圖4為，實(shí)施例以及比較例的納米碳膜形成工序的曲線圖。圖5為，表示實(shí)施例以及比較例的脫模阻力計(jì)測試驗(yàn)結(jié)果的圖。圖6為，實(shí)施例中所形成的碳膜表面的SEM圖像。圖7為，比較例中所形成的碳膜表面的SEM圖像。圖8為，將圖7的一部分用放大比率拍攝的SEM圖像。圖9為，在實(shí)施例以及比較例中使用的壓鑄裝置的模具。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明的表面處理方法中，可以先取得表面預(yù)先被納米碳膜所覆蓋的鑄造模 具，并在該鑄造模具上進(jìn)一步涂布富勒烯。此外，還可以包括，在鑄造模具上形成包含納米 碳的碳膜的工序、和在包含納米碳的碳膜的表面上涂布富勒烯的工序。通過本發(fā)明的表面處理方法而形成的碳膜包含，選自碳納米卷、碳納米管以及碳 納米絲中的至少一種納米碳、和富勒烯。通過本發(fā)明的表面處理方法而形成的碳膜，并不必 須是僅由碳構(gòu)成。富勒烯是指，具有閉殼結(jié)構(gòu)的碳簇，通常情況下，碳數(shù)量為60 130的偶數(shù)。作為 具體示例有，C60, C70, C76, C78, C80, C82, C84, C86, C88, C90, C92, C94, C96 以及具有比上述物質(zhì)更多 的碳的高階碳簇。本發(fā)明中的富勒烯，除了包括上述的富勒烯外，還包括在富勒烯分子中用 其他的分子或者官能團(tuán)進(jìn)行了化學(xué)改性的富勒烯衍生物。在富勒烯的涂布工序中，也可以 使用將上述的富勒烯和其他的物質(zhì)進(jìn)行了混合的物質(zhì)，來進(jìn)行富勒烯的涂布。
對以下要進(jìn)行說明的實(shí)施例的主要特征列舉如下。(特征1)在富勒烯涂布工序中，將富勒烯的粉末直接涂布在納米碳膜上。(特征2、在納米碳膜形成工序中，在形成納米碳膜的同時(shí)，在納米碳膜和被處理 基體材料之間形成氮化層或者滲硫?qū)?。?shí)施例(脫模阻力計(jì)測試驗(yàn))通過實(shí)施例1以及比較例1 3，從而在鋼材表面上形成碳膜，并使用自動拉伸試 驗(yàn)裝置Lub-Tester-U (株式會社MEC國際制造)，對處理表面的脫模阻力進(jìn)行了計(jì)測。如圖 2所示，Lub-Tester-U是一種如下所述的裝置，即，將環(huán)狀體2載置于試驗(yàn)臺1上并且使熔 融鋁流入環(huán)狀體2內(nèi)，在使鋁凝固后，以圖3所示的方式而載置重物3，從而在對環(huán)狀體2進(jìn) 行拉伸的同時(shí)對摩擦阻力進(jìn)行測定。試驗(yàn)臺1為SKD61(合金工具鋼鋼材JIS G4404)制， 尺寸為200mmX200mmX30mm，并且在該試驗(yàn)臺1上實(shí)施了如下所示的表面處理。實(shí)施例1在上述試驗(yàn)臺1的表面上，通過下述的方法而形成了納米碳膜。另外，下述的方法 為，日本特開2008-105082中所公開的、在SKD61制的鋼材上形成碳膜(納米碳膜)的方法， 其中，所述碳膜包含選自碳納米卷、碳納米管以及碳納米絲中的至少一種納米碳。納米碳膜形成工序?qū)⒃囼?yàn)臺1放入氣氛爐內(nèi)，在通過真空泵減壓并清除空氣后，使氮?dú)?N2)流通，從 而形成N2環(huán)境。接下來，按照圖4所示的曲線圖，在使反應(yīng)氣體(硫化氫(H2S)氣體、乙炔 (C2H2)氣體、氨(NH3)氣)流通的同時(shí)，經(jīng)過0.5小時(shí)而升溫至480°C。在升溫開始并經(jīng)過 0. 5小時(shí)后達(dá)到480°C的時(shí)間點(diǎn)處，停止硫化氫氣體的供給，并在又經(jīng)過0. 5小時(shí)后，停止了 乙炔氣體的供給。在氨氣的流通下，于480°C的狀態(tài)下再保持4. 5小時(shí)之后，停止氨氣的供 給，并切換至氮?dú)?，且開始降溫。由此，在試驗(yàn)臺1的表面上形成了納米碳膜，并且在試驗(yàn)臺 1的基體材料和納米碳膜之間形成了氮化層以及滲硫?qū)?。對進(jìn)行了納米碳膜形成工序的試驗(yàn)臺1，在實(shí)施例1中還進(jìn)一步實(shí)施了下述的富 勒烯涂布工序。另外，在實(shí)施例1中，在納米碳膜的表面上進(jìn)行了富勒烯的涂布。富勒烯涂布工序在一度將試驗(yàn)臺1加熱到300°C后，使用附著有富勒烯C6tl粉末(FrontierCarbon Corp.制造nanom purple ST)的布，將富勒烯C6tl粉末涂布在形成于試驗(yàn)臺1表面上的納 米碳膜之上。使富勒烯粉末充分地附著在布上，并且以10 300g/cm2左右的壓力盡量均 勻地將富勒烯粉末涂布在整個(gè)納米碳膜表面上。另外，在使用布來涂布富勒烯粉末期間，試 驗(yàn)臺1的溫度為小于300°C至100°C左右。在使用該方法時(shí)，富勒烯涂布量對于試驗(yàn)臺的涂 布表面而言為lmg/cm2左右。(比較例1)對與實(shí)施例1相同材質(zhì)、相同形狀、相同大小的試驗(yàn)臺1，僅進(jìn)行了實(shí)施例1中所說 明的富勒烯涂布工序。(比較例2)對與實(shí)施例1相同材質(zhì)、相同形狀、相同大小的試驗(yàn)臺1，僅進(jìn)行了實(shí)施例1中所說 明的納米碳膜形成工序，而沒有進(jìn)行富勒烯涂布工序。
(比較例3)對與實(shí)施例1相同材質(zhì)、相同形狀、相同大小的試驗(yàn)臺1，進(jìn)行了將實(shí)施例1中所 說明的納米碳膜形成工序和富勒烯涂布工序的順序替換了的表面處理。即，首先對試驗(yàn)臺 1實(shí)施實(shí)施例1中所說明的富勒烯涂布工序，從而形成了富勒烯碳膜。接下來，對形成了富 勒烯碳膜的試驗(yàn)臺1，實(shí)施實(shí)施例1中所說明的納米碳膜形成工序，從而在富勒烯碳膜的表 面上形成了納米碳膜。脫模阻力計(jì)測試驗(yàn)使用自動拉伸試驗(yàn)裝置，對通過實(shí)施例1以及比較例1 3而進(jìn)行了表面處理的 試驗(yàn)臺1的脫模阻力進(jìn)行了測定。環(huán)狀體2為SKD61制，并且其在與試驗(yàn)臺1的接觸面上 內(nèi)徑為70mm、外徑為90mm，環(huán)狀體2的高度為50mm。環(huán)狀體2的內(nèi)徑，從與試驗(yàn)臺1的接 觸面起朝向高度方向逐步變寬。熔融鋁使用了 ADC12(壓鑄鋁合金JIS H5302:日本壓鑄鋁 合金化學(xué)成分表)。如圖1所示，在形成于試驗(yàn)臺1上的碳膜上，涂布一直以來被使用的硅 乳膠類脫模劑，并如圖2所示，將環(huán)狀體2載置于其上，且向環(huán)狀體2內(nèi)部注入90cc的溫度 為650°C的熔融鋁(ADC12)，并放置冷卻40秒鐘以使其固化。而且，如圖3所示，將9kg的 鐵制重物3載置于試驗(yàn)臺1上，并使用推挽部件(push-pull)4以固定速度50mm/s將環(huán)狀 體2向箭頭方向拉伸，同時(shí)對脫模載荷進(jìn)行了計(jì)測。使用進(jìn)行了實(shí)施例1以及比較例1 3的表面處理的試驗(yàn)臺，反復(fù)進(jìn)行上述的脫模阻力計(jì)測試驗(yàn)，并調(diào)查了脫模載荷的變化。其 結(jié)果如圖5中所示。在圖5中，以脫模載荷作為縱軸，并將脫模阻力計(jì)測試驗(yàn)的實(shí)施次數(shù)作為澆鑄次 數(shù)而在橫軸上進(jìn)行了表示。在進(jìn)行了比較例1 3的表面處理的試驗(yàn)臺上，對于一定程度 的澆鑄次數(shù)，大致能夠維持5 ^gf左右的脫模載荷，但是在達(dá)到一定的澆鑄次數(shù)時(shí)，脫模 載荷將會急劇地超過20kgf并且明顯增大。另一方面，在進(jìn)行了實(shí)施例1的表面處理的試 驗(yàn)臺上，澆鑄次數(shù)即使超過50次，也不會產(chǎn)生像比較例1 3那樣的、脫模載荷明顯增大的 現(xiàn)象，而是維持在5 ^gf左右的較低的脫模載荷?？梢哉J(rèn)為，到脫模載荷明顯增大為止的澆鑄次數(shù)越多，脫模效果的壽命越長。根據(jù) 圖5所示的結(jié)果可以看出，通過如實(shí)施例1這種，先進(jìn)行納米碳膜形成工序，然后再進(jìn)行富 勒烯涂布工序的表面處理方法而形成的碳膜，與通過如比較例1 3這種、僅進(jìn)行任意一個(gè) 工序的表面處理方法、或者將兩個(gè)工序的順序替換而進(jìn)行的表面處理方法而形成的碳膜相 比較，能夠使脫模效果更加長壽命化。此外，比較例1和實(shí)施例1，在澆鑄次數(shù)較少的期間(5次左右為止)內(nèi)，脫模載荷 基本相同，并稍低于比較例2和比較例3。其原因認(rèn)為是，由于在比較例1以及實(shí)施例1中， 最外層被富勒烯所覆蓋，因此通過該富勒烯而降低了脫模阻力。而且，比較例2在澆鑄次數(shù) 較少的范圍內(nèi)的脫模載荷稍大于比較例1，但是到脫模載荷明顯增大為止的澆鑄次數(shù)為，比 較例1的兩倍以上。其原因認(rèn)為是，因?yàn)樵诒容^例2中所形成的納米碳膜，比在比較例1中 通過涂布富勒烯而形成的碳膜更難剝離。圖6為，通過實(shí)施例1而形成了碳膜的試驗(yàn)臺1的SEM (Scanning Electron Microscope 掃描電子顯微鏡)圖像，圖7、圖8為，通過比較例2而形成了碳膜的試驗(yàn)臺1 的SEM圖像。上述圖像均為，在進(jìn)行脫模阻力計(jì)測試驗(yàn)之前的狀態(tài)下拍攝的圖像。圖8為 將圖7的一部分放大了的照片，并且照片中的右下方區(qū)域的線段表示2 μ m的長度。由此可知，通過根據(jù)比較例2而進(jìn)行納米碳膜形成工序，從而在試驗(yàn)臺1上形成了包含纖維狀的納 米碳的納米碳膜。圖6為，相當(dāng)于對圖7的納米碳膜進(jìn)一步實(shí)施了富勒烯涂布工序的圖像。 圖6和圖7相比較，在圖6所示的實(shí)施例1的碳膜上，表面的凹凸較少。即，說明通過在納 米碳膜的表面上涂布富勒烯，使納米碳膜的凹凸被填平，從而使碳膜表面變得光滑。如果同時(shí)考慮圖5的脫模阻力計(jì)測試驗(yàn)的結(jié)果和圖6、圖7、圖8的SEM圖像的結(jié) 果，則可以推測出以下內(nèi)容，即，在實(shí)施例1中，由于富勒烯進(jìn)入到形成于試驗(yàn)臺表面上的 納米碳膜的間隙中，從而緩和了表面的凹凸，并且由于減小脫模阻力的效果較高的富勒烯 被難以從試驗(yàn)臺表面剝離的納米碳膜所捕捉，因此能夠?qū)Ω嗟臐茶T次數(shù)維持更低的脫模 載荷。(燒粘試驗(yàn))在實(shí)施例2以及比較例4中，在圖9所示的這種、用于鋁鑄造件的壓鑄模具的成形 面上進(jìn)行了表面處理，并進(jìn)行了鋁鑄造件的壓鑄鑄造成形工序中的燒粘試驗(yàn)。壓鑄模具使 用了 SKD61制的用于汽車變速驅(qū)動橋的罩殼的模具，并且鑄造的鋁合金使用了 ADC12。如圖 9所示，用于燒粘試驗(yàn)的壓鑄模具，由固定模具11和可動模具12構(gòu)成。當(dāng)使固定模具11和 可動模具12對齊并合模時(shí)，在固定模具11和可動模具12之間形成的空間為型腔13，并且 型腔13被固定模具11的型腔面21和可動模具12的型腔面22所包圍。在固定模具11上 設(shè)置有熔融金屬注入路徑14、活塞15、熔融金屬投入口 16。在可動模具12上設(shè)置有用于取 出鑄造成形后的制品的鑄件拔出銷17、以及板18。在固定模具11和可動模具12的型腔面 21,22上，進(jìn)行了如下所述的實(shí)施例2以及比較例4的表面處理。實(shí)施例2對固定模具11以及可動模具12的型腔面21、22，以與實(shí)施例1同樣的方式，進(jìn) 行納米碳膜形成工序，接著實(shí)施了富勒烯涂布工序，所述固定模具11以及可動模具12為， SKD61制的用于汽車變速驅(qū)動橋的罩殼的壓鑄模具。(比較例4)對和實(shí)施例2相同材質(zhì)、相同形狀、相同大小的固定模具11以及可動模具12的型 腔面21、22，僅進(jìn)行實(shí)施例1的納米碳膜形成工序，而不進(jìn)行富勒烯涂布工序。燒粘試驗(yàn)使用在實(shí)施例2以及比較例4中進(jìn)行了表面處理的、用于汽車變速驅(qū)動橋的罩殼 的壓鑄模具，反復(fù)實(shí)施鋁鑄造件的壓鑄鑄造成形，并對壓鑄模具上是否產(chǎn)生了由于熔融鋁 而造成的燒粘進(jìn)行了調(diào)查。在固定模具11以及可動模具12的型腔面21、22上，涂布一直以來被使用的硅乳 膠類脫模劑，并且以2000t的合模壓力對固定模具11和可動模具12進(jìn)行了合模。在圖9 的狀態(tài)下，將熔融鋁(ADC12)從熔融金屬投入口 16向熔融金屬注入路徑14投入，將670°C 的熔融鋁在鑄造壓力46MPa、注射速度3m/s的條件下通過活塞15而注入型腔13，從而進(jìn)行 了鑄造成形。將固定模具11和可動模具12打開后，使鑄件拔出銷17 (SKD61制)向從型腔 面22突出的方向動作，從而取出了鋁鑄造件。將從上述的脫模劑處理涂布開始到鑄造件的 取出為止作為燒粘試驗(yàn)的一次注射，并且反復(fù)進(jìn)行。在反復(fù)進(jìn)行了燒粘試驗(yàn)后，對于固定模具11的型腔面21以及可動模具12的型腔 面22的總表面積，產(chǎn)生了熔融鋁燒粘的部分的表面積進(jìn)行了調(diào)查，其結(jié)果如表1中所示。表1中的燒粘表面積表示，將在比較例4中所產(chǎn)生的燒粘的產(chǎn)生表面積作為1而進(jìn)行換算的比 例。表 權(quán)利要求
1.一種鑄造模具的表面處理方法，在覆蓋鑄造模具表面的碳膜的表面上涂布富勒烯，所述碳膜包含選自碳納米卷、碳納 米管以及碳納米絲中的至少一種納米碳。
2.一種鑄造模具的表面處理方法，其包括納米碳膜形成工序，在鑄造模具的表面上形成碳膜，所述碳膜包含選自碳納米卷、碳納 米管以及碳納米絲中的至少一種納米碳；富勒烯涂布工序，將富勒烯涂布在所述碳膜的表面上。
3.—種鑄造模具，其表面被碳膜所覆蓋，所述碳膜包含選自碳納米卷、碳納米管以及碳納米絲中的至少 一種納米碳，其中，所述碳膜中含有富勒烯，而所述碳膜的表面一側(cè)的富勒烯含有量，多于所述鑄造 模具一側(cè)的富勒烯含有量。
全文摘要
本發(fā)明提供一種表面處理方法，由碳膜覆蓋鑄造模具的表面，并將富勒烯涂布在該表面上，其中，所述碳膜包含選自碳納米卷、碳納米管以及碳納米絲中的至少一種納米碳。當(dāng)對鑄造模具的型腔面等的、與鋁等成形材料的熔融金屬接觸的面實(shí)施該表面處理方法時(shí)，則可抑制成形材料的熔融金屬燒粘在模具上的現(xiàn)象，并降低制品的脫模阻力，從而提高脫模效果。與現(xiàn)有的碳膜相比，使脫模效果進(jìn)一步長壽命化。
文檔編號C01B31/02GK102105243SQ200980129008
公開日2011年6月22日 申請日期2009年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月31日
發(fā)明者古川雄一, 松岡秀范, 椛澤均, 河原文雄 申請人:豐田自動車株式會社, 株式會社Mec國際