JP4074490B2

JP4074490B2 - 亜鉛基合金およびその製造方法

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Publication number: JP4074490B2
Application number: JP2002225220A
Authority: JP
Inventors: 光雄桑原; 直司山本; 正人蓮池; 正岡田; 道治長谷川; 哲秋青木; 雅敬小河; 和典坂本; 敬三田上
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-08-01
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2008-04-09
Anticipated expiration: 2022-08-01
Also published as: JP2004068045A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表層に母層より硬質な合金層が形成された亜鉛基合金およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、ＺＡＳ合金（Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金）等の亜鉛基合金は、低融点であるとともに、アルミニウムに比べて酸化の進行が遅く、さらに強度および硬度が低いという性質を有している。このため、亜鉛基合金を鋳造材料として使用し、試作用の金型の他、複雑形状の鍵や鍵シリンダ等が製造されている。
【０００３】
ところが、亜鉛基合金の強度や硬度が低いため、金型や鍵等の鋳造品の耐用性が低く、不経済であるという問題が指摘されている。そこで、亜鉛基合金の表面を硬化処理するために、例えば、特許第２８３２２２４号公報に開示されている製造方法が知られている。
【０００４】
この従来技術では、亜鉛基合金からなる金型の表面に直接無電解ニッケルめっきを施すに際し、前記金型を有機酸ニッケル塩等を含有する無電解ニッケルめっき液に浸漬している。これにより、ニッケル被覆を直接亜鉛基合金に施すため、皮膜剥離が生じることがなく、しかも緻密でクラックの発生がないため、耐摩耗性および耐食性が良好となる、としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、亜鉛基合金の表面にめっき層を設けているだけであり、硬化層（めっき層）が表層のみに限られてしまう。これにより、亜鉛基合金の表層には、十分な強度および耐熱性を付与することができないという問題がある。
【０００６】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、加工性に優れるとともに、表層部に所望の強度、硬度および耐熱性を確実に付与することが可能な亜鉛基合金およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る亜鉛基合金では、表層に母層より硬質な合金層が形成されるとともに、この合金層は、表面側に設けられた鉄基合金層と、前記鉄基合金層と前記母層との間に、銅およびマンガンが母材金属に拡散することで設けられた拡散層とを有する。
【０００８】
従って、表面側に鉄基合金層が設けられるため、実際に使用される表面の融点、強度、硬度および耐熱性が、母材金属である亜鉛または亜鉛合金よりも相当に高くなり、耐摩耗性、耐熱性および耐衝撃性等の物性の向上が確実に図られる。しかも、表層と母層との間には、中間層として拡散層が設けられており、この拡散層が、例えば、銅と亜鉛を含む真鍮により構成されている。このため、母材金属に比べて融点、強度、硬度および耐熱性が向上する。その際、拡散層における成分比率を徐々に変化させることにより、界面が存在することがなく、熱膨張差による剥離や応力集中を有効に阻止することができる。
【０００９】
また、母材金属が、ＺＡＳ合金であるため融点が低く、鋳造により成形が容易であるとともに、加工性に優れている。これにより、形状の複雑な鋳造用や樹脂成形用の金型材料として良好に使用される。
【００１０】
さらに、鉄基合金層は、表面より内部に０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設けられるとともに、拡散層は、前記鉄基合金層より内部に０．５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲内に設けられている。鉄基合金層が０．５ｍｍ未満では、物性向上の効果が得られない一方、１．５ｍｍを超えると、加工性が低下してしまう。また、拡散層が０．５ｍｍ未満では、物性向上の効果が得られない一方、３０ｍｍを超えると、拡散に長時間が必要となり、製造工程の効率化を図ることができない。
【００１１】
さらにまた、本発明に係る亜鉛基合金の製造方法では、亜鉛基合金の母材金属を所定の形状に加工した後、前記母材金属の少なくとも一部に、銅およびマンガンを含有する第１粉末と、鉄基合金の第２粉末とが、順次、塗布される。次いで、第１および第２の粉末が塗布された母材金属の部位が、不活性雰囲気下で加熱される。このため、表層に母層より高強度でかつ耐熱性に優れた亜鉛基合金が確実に得られ、金型等の種々の部品に良好に使用することが可能になる。
【００１２】
上記の亜鉛基合金について、より詳細に説明すると、母材金属の主体が亜鉛（Ｚｎ）であるため、その表面および表面近傍を真鍮化することができる。真鍮は、銅（Ｃｕ）と亜鉛との合金であり、亜鉛に比べて２倍以上の融点、強度および硬度を有するとともに、耐食性も高い。
【００１３】
さらに、銅は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）またはニッケル（Ｎｉ）粉末冶金のバインダである。このため、亜鉛基合金の最表層を鉄系金属あるいはその合金組成組織である鉄基合金層で構成することができ、さらに真鍮組織である拡散層を設けるとともに、その真鍮組織が内部に向かって徐々に減少して亜鉛合金（母材金属）となるように構成することが可能である。すなわち、亜鉛合金を強固かつ高耐熱性を有する肉厚な殻で覆うことができ、広汎な用途に使用され得る亜鉛基合金を提供することが可能になる。
【００１４】
また、真鍮や鉄系合金は、亜鉛や亜鉛合金に比べて熱膨張が小さい。このため、めっき、化学的気相成長（ＣＶＤ）法、物理的気相成長（ＰＶＤ）法または陽極酸化等の皮膜処理では、数１０μｍ〜１００μｍ程度の膜厚となり、熱サイクル利用下では皮膜剥離やクラックが発生してしまう。
【００１５】
これに対して、本発明では、鉄基合金層が、表面より内部に０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設けられるとともに、拡散層が、前記鉄基合金層より内部に０．５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲内に設けられる。これにより、熱サイクル利用下において、異種材に作用する応力集中によって破損することがなく、繰り返しの使用に良好に耐え得ることができる。
【００１６】
しかも、拡散層は、表層である鉄基合金層から母層に向かって連続的に変化しており、その変化層が０．５ｍｍ〜３０ｍｍとなっている。従って、熱の繰り返し作用による疲労が極めて過小になるとともに、熱伝導、密度および弾性率が連続的に変化して疲労限界も飛躍的に向上する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る亜鉛基合金で構成された金型１０の断面概略説明図である。
【００１８】
金型１０は、母層１２を設けるとともに、表層に前記母層１２より硬質な合金層１４が形成される。合金層１４は、表面側に鉄基合金層１６が設けられており、前記鉄基合金層１６と母層１２との間に拡散層１８が設けられる。
【００１９】
母層１２を構成する母材金属は、亜鉛または亜鉛合金であり、具体的にはＺｎ、Ｚｎ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｓｎ、またはＺＡＳ合金が使用される。鉄基合金層１６は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）またはコバルト（Ｃｏ）が用いられており、表面より内部に向かって厚さＨ１が０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定される。
【００２０】
拡散層１８は、少なくとも銅（Ｃｕ）またはマンガン（Ｍｎ）の１種を含有している。鉄基合金層１６側には、Ｚｎ−Ｃｕ、Ｚｎ−Ｍｎ−Ｃｕ、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｎ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｃｕ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｍｎ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ａｌ−ＣｕまたはＺｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｃｕから選択された真鍮層が設けられる。この真鍮層の内部には、Ｚｎ−Ｍｎ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｍｎ、Ｚｎ−Ａｌ−ＭｎまたはＺＡＳ（Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ）−Ｍｎから選択されたＭｎ合金層が設けられる。拡散層１８は、鉄基合金層１６より内部に向かって厚さＨ２が０．５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲内に設定される。
【００２１】
このように構成される金型１０を製造する方法について、図２に示すフローチャートおよび図３に示す工程図に沿って、以下に説明する。
【００２２】
まず、図３に示すように、亜鉛製または亜鉛合金製の母材２０が用意されており、この母材２０に、加工機２２による加工処理が施される（ステップＳ１）。このため、母材２０には、キャビティに対応する加工面２４が形成される。
【００２３】
次いで、加工面２４に、第１塗布材２５ａを介して第１粉末２６が塗布される（ステップＳ２）。この第１粉末２６は、銅またはマンガンの少なくとも１種、例えば、銅とマンガンとが４：６〜６：４の割合で混合されている。さらに、第１粉末２６上には、第２塗布材２５ｂを介して第２粉末２８が塗布される（ステップＳ３）。この第２粉末２８は、鉄系金属を基とする合金粉末である。
【００２４】
第１および第２粉末２６、２８が塗布された母材２０は、加熱装置３０に配置される。この加熱装置３０は、バーナやヒータ等の加熱源３２を備えており、母材２０が前記加熱装置３０内で不活性雰囲気、例えば、窒素ガス（Ｎ₂ガス）雰囲気下で加熱処理される（ステップＳ４）。これにより、表層に母層１２より硬質な合金層１４が設けられた金型１０が得られる。なお、この金型１０には、表面磨き処理等の仕上げ処理が施されている（ステップＳ５）。
【００２５】
この場合、本実施形態では、母層１２の表面に合金層１４が設けられるとともに、この合金層１４は鉄基合金層１６と拡散層１８とを備えている。このため、金型１０の表層には、鉄基合金層１６が設けられており、実際に使用される表面の融点、強度、硬度および耐熱性は、亜鉛または亜鉛合金に比べて相当に高くなり、耐摩耗性、耐熱性および耐衝撃性等の物性の向上が確実に図られる。
【００２６】
しかも、鉄基合金層１６と母層１２との間には、中間層として拡散層１８が設けられており、この拡散層１８は、例えば、銅と亜鉛を含む真鍮層により構成されている。従って、拡散層１８は、母材金属である亜鉛または亜鉛合金に比べて、融点、強度、硬度および耐熱性が向上する。
【００２７】
その際、拡散層１８における成分比率を徐々に変化させることにより、界面が存在することがなく、熱膨張差による剥離や応力集中を有効に阻止することができる。これにより、金型１０を長期間にわたって良好に使用することが可能になり、極めて経済的であるという効果が得られる。
【００２８】
また、鉄基合金層１６は、表面より内部に厚さＨ１が０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設けられるとともに、拡散層１８は、前記鉄基合金層１６より内部に厚さＨ２が０．５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲内に設けられている。このため、母層１２にめっき、ＣＶＤ、ＰＶＤまたは陽極酸化等の皮膜処理を施す場合に比べ、特に、熱サイクル利用下で割れやクラック等が発生することを確実に阻止することができる。
【００２９】
なお、鉄基合金層１６の厚さＨ１が０．５ｍｍ未満では、物性向上の効果が得られない一方、この厚さＨ１が１．５ｍｍを超えると、加工性が低下してしまう。また、拡散層１８の厚さＨ２が０．５ｍｍ未満では、物性向上の効果が得られない一方、この厚さＨ２が３０ｍｍを超えると、拡散に長時間が必要となり、製造工程の効率化が図れない。
【００３０】
【実施例】
亜鉛合金として簡易型や試験型に多用されているＺＡＳ材製の母材２０を用意した。この母材２０の表面を加工してキャビティに対応する加工面２４を形成するとともに、その加工面２４の油膜を除去して清浄化を行った。
【００３１】
加工面２４には、酸化膜が存在しており、この酸化膜が除去された前記加工面２４には、アクリル樹脂および硝酸セルロースを配した溶剤にＣｕ−Ｍｎ粉末（組成比５：２）を１．５ｍｍの厚さで塗布した。さらに、Ｃｕ−Ｍｎ−Ｆｅ−Ａｌ粉末（組成比２０：１５：６４：１）をアクリル樹脂を含有する有機溶剤に分散させ、Ｃｕ−Ｍｎ粉末上に２ｍｍの厚さで塗布した。
【００３２】
次に、上記の塗布が行われた母材２０の加工面２４を、プロパンと酸素を用いたバーナで２０分間加熱した。これにより、上記の塗布された金属が母材金属（ＺＡＳ系合金）中に拡散した。
【００３３】
その後、母材２０が加工されて３００ｍｍ×３００ｍｍ×８０ｍｍで、かつキャビティの最大深さが３０ｍｍの試験型が得られた。なお、塗布膜の厚さは、加熱後に０．９ｍｍ〜１．１ｍｍに減少していた。
【００３４】
この場合、バーナ加熱によって粉体の最外面は酸化していたが、酸化領域の厚さは０．２ｍｍ以下程度であり、それより内部の領域では、酸化層を除去したところ、金属光沢となった。
【００３５】
また、母材２０の加工面２４からの内部の組織観察は、１０％のＮａＯＨを用いて４５秒間のエッチング処理を施した後に行われた。その際、真鍮層である黄色層の厚さは７ｍｍ〜９ｍｍであり、それ以後の合金拡散層は、表面から２７ｍｍ程度まで変化していた。この変化は、結晶がデンドライドから立方晶や等軸晶等に変化しており、明瞭に視認された。
【００３６】
一方、Ｘ線観察において、加工面２４の表面は、金属光沢領域であって、Ｆｅが９４％で、Ｃｕが５％であった。この表面より内部に１ｍｍの領域では、Ｃｕが５０％で、Ｚｎが５０％であり、内部にさらに５ｍｍの領域では、Ｃｕが２５％で、Ｍｎが１４％、Ｚｎが５０％であった。
【００３７】
表面より内部に１０ｍｍの領域では、Ｃｕが８％で、Ｍｎが１０％で、Ｚｎが７６％であり、内部に２０ｍｍの領域では、Ｃｕが４％で、Ｍｎが５％で、Ｚｎが８２％であり、内部にさらに３０ｍｍの領域では、ＺＡＳ合金の組成であった。
【００３８】
そこで、粉末処理を施さない加工品（以下、比較型という）と、上記の試験型とを用いて耐熱および衝撃試験を行った。具体的には、２００℃に熱した炉中にキャビティ部を配置して１０分間保持した後、水温が２０℃の水中に投下した。これを繰り返してクラックの発生を観察した。その結果、比較型では、１８回のサイクルで型のキャビティコーナ部にクラックが発生し、２８回目に損傷が明瞭に観察された。
【００３９】
これに対して、実験型では、３２０回のサイクルでもコーナ部にクラックが観察されず、３７４回目に微小なクラックが発生した。これにより、試験型では、耐ヒートチェック性が比較型に比べて相当に向上するという効果が得られた。
【００４０】
【発明の効果】
本発明に係る亜鉛基合金では、亜鉛または亜鉛合金の表層に鉄基合金層が設けられるため、実際に使用される表面の融点、強度、硬度および耐熱性が母材金属に比べて相当に高くなり、耐摩耗性、耐熱性および耐衝撃性等の物性の向上が確実に図られる。しかも、表層と母層との間には、中間層として拡散層が設けられており、この拡散層が、例えば、銅と亜鉛を含む真鍮により構成されている。このため、母材金属である亜鉛または亜鉛合金に比べて、融点、強度、硬度および耐熱性が有効に向上する。
【００４１】
また、本発明に係る亜鉛基合金の製造方法では、亜鉛基合金の母材金属を所定の形状に加工した後、前記母材金属の少なくとも一部に、少なくとも銅またはマンガンの１種を含有する第１粉末と、鉄基合金の第２粉末とが、順次、塗布される。次いで、第１および第２粉末が塗布された母材金属の部位が、不活性雰囲気下で加熱されている。このため、表層に母層より高強度でかつ耐熱性に優れた亜鉛基合金が確実に得られ、金型等の種々の部品に良好に使用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る亜鉛基合金で構成された金型の断面概略説明図である。
【図２】前記金型の製造方法を説明するフローチャートである。
【図３】前記金型を製造する工程図である。
【符号の説明】
１０…金型１２…母層
１４…合金層１６…鉄基合金層
１８…拡散層２０…母材
２２…加工機２４…加工面
２６、２８…粉末３０…加熱装置
３２…加熱源

Claims

表層に母層より硬質な合金層が形成された亜鉛基合金であって、
前記合金層は、表面側に設けられた鉄基合金層と、
前記鉄基合金層と前記母層との間に、銅およびマンガンが母材金属に拡散することで設けられた拡散層と、
を有することを特徴とする亜鉛基合金。
請求項１記載の亜鉛基合金において、前記母材金属は、ＺＡＳ合金であることを特徴とする亜鉛基合金。
請求項１または２記載の亜鉛基合金において、前記鉄基合金層は、表面より内部に０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設けられるとともに、
前記拡散層は、前記鉄基合金層より内部に０．５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲内に設けられることを特徴とする亜鉛基合金。
表層に母層より硬質な合金層が形成された亜鉛基合金の製造方法であって、
前記亜鉛基合金の母材金属を所定の形状に加工する工程と、
前記母材金属の少なくとも一部に、銅およびマンガンを含有する第１粉末を塗布する工程と、
前記第１粉末が塗布された塗布層に、鉄基合金の第２粉末を塗布する工程と、
前記第１および第２粉末が塗布された前記母材金属の部位を、不活性雰囲気下で加熱する工程と、
を有することを特徴とする亜鉛基合金の製造方法。