金属の成形方法
【課題】金属の成形方法において、ダイヤモンド状炭素膜を有する成形用金型を用いて成形を行う場合に、金属溶湯が高温であっても、ダイヤモンド状炭素膜の劣化を抑制することができるようにする。
【解決手段】ダイヤモンド状炭素膜を金属溶湯と触れる表面の少なくとも一部に有する成形用金型を用いて前記金属溶湯を固化させる金属の成形方法であって、成形用金型の置かれた雰囲気を真空置換する真空置換工程Ｓ２と、雰囲気が真空置換された後に、金属溶湯を成形用金型に充填して、臨界冷却速度以上の冷却速度で急冷することにより、金属溶湯を固化させ、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有する非晶質合金の成形品を形成する成形工程Ｓ３と、を備える。
【解決手段】ダイヤモンド状炭素膜を金属溶湯と触れる表面の少なくとも一部に有する成形用金型を用いて前記金属溶湯を固化させる金属の成形方法であって、成形用金型の置かれた雰囲気を真空置換する真空置換工程Ｓ２と、雰囲気が真空置換された後に、金属溶湯を成形用金型に充填して、臨界冷却速度以上の冷却速度で急冷することにより、金属溶湯を固化させ、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有する非晶質合金の成形品を形成する成形工程Ｓ３と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有し金属ガラスとも称される非晶質合金の金属材料の溶湯を成形用金型に充填し、この金属材料の臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却することにより成形を行う金属の成形方法が知られている。このような金属ガラスとなる金属材料は一般に融点が高いため、金属溶湯も高温となる。例えば、Ｚｒ基合金を用いた成形では、Ｚｒ基合金の組成にもよるが、金属溶湯の温度は約１０００℃以上にする必要がある。
このような成形に用いる成形用金型は、熱衝撃を繰り返し受けるため、熱による劣化が進みやすい。
また、金属ガラスは、転写性が良好であるため、成形用金型に密着しやすく、離型性が悪くなる場合がある。この結果、金属ガラスが金型に焼き付いたり、張り付いたりする場合がある。
このように、成形用金型の保護、離型性の向上のため、成形用金型において金属溶湯と接触する表面には種々の薄膜がコーティングされることが多い。例えば、特許文献１には、種々の金属ガラスの成形用金型の中子部材において、離型性を向上するため、ＴｉＮ、ＣｒＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＢＮ等をコーティングしたり、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｚｎ、ＭｏＳ２等の被膜を形成したりする技術が記載されている。
一方、離型性向上のため、成形用金型にダイヤモンド状炭素膜をコーティングすることが知られている。ダイヤモンド状炭素膜は、４００℃より高温ではグラファイト化が進むため、摩耗し易くなり、大気中では４５０℃以下程度の温度で使用することが推奨されている。
このようなダイヤモンド状炭素膜を４５０℃以上の温度で使用する技術として、特許文献２には、ダイヤモンド状炭素膜を射出成形用金型にコーティングしてマグネシウム合金の射出成形を行う場合、窒素置換雰囲気下で射出成形を行うことにより溶湯温度５８０℃での成形が可能であることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１１３０号公報
【特許文献２】特許第３３６７９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の金属の成形方法には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術は、交換が容易かつ安価であるため低寿命でもよい中子部材の離型性を改善する技術であり、いずれのコーティング膜も成形の繰り返しによって劣化が進んでいくことは避けられない。このため、高価な金型本体の寿命をさらに向上できるコーティング技術が強く求められている。
特許文献２に記載のダイヤモンド状炭素膜は、金属ガラスとなる金属材料との反応性が低いことから、金属ガラスの成形にも有望と考えられるが、５８０℃程度の耐熱温度では、金属ガラスの成形に用いることができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、ダイヤモンド状炭素膜を有する成形用金型を用いて成形を行う場合に、金属溶湯が高温であっても、ダイヤモンド状炭素膜の劣化を抑制することができる金属の成形方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明は、ダイヤモンド状炭素膜を金属溶湯と触れる表面の少なくとも一部に有する成形用金型を用いて前記金属溶湯を固化させる金属の成形方法であって、前記成形用金型の置かれた雰囲気を真空置換する真空置換工程と、前記雰囲気が真空置換された後に、前記金属溶湯を前記成形用金型に充填して、臨界冷却速度以上の冷却速度で急冷することにより、前記金属溶湯を固化させ、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有する非晶質合金の成形品を形成する成形工程と、を備える方法とする。
【０００７】
また、本発明においては、前記金属溶湯の材料は、Ｚｒ基合金を形成する金属材料であることが好ましい。
【０００８】
また、本発明においては、前記成形工程では、前記金属溶湯を遠心鋳造法によって前記成形用金型に充填することが好ましい。
【０００９】
また、本発明においては、前記真空置換工程では、前記雰囲気を不活性ガス雰囲気に真空置換することが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の金属の成形方法によれば、真空置換工程を備えるため、ダイヤモンド状炭素膜を有する成形用金型を用いて成形を行う場合に、金属溶湯が高温であっても、ダイヤモンド状炭素膜の劣化を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る金属の成形方法に用いる成形システムの模式的なシステム構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る金属の成形方法に用いる成形用金型の模式的な断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る金属の成形方法の工程フローを示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態の変形例に係る金属の成形方法の工程フローを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態に係る金属の成形方法について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る金属の成形方法に用いる成形システムの模式的なシステム構成図である。図２は、本発明の実施形態に係る金属の成形方法に用いる成形用金型の模式的な断面図である。
【００１３】
まず、本実施形態の金属の成形方法に用いる成形システムについて説明する。
本実施形態に用いる成形システム１は、遠心鋳造法により、溶湯Ｍ（金属溶湯）を臨界冷却速度以上の冷却速度で急冷して固化させ、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有する非晶質合金の成形品を形成するものである。
【００１４】
金属ガラスとは、非晶質合金のうち昇温時にガラス転移点が明瞭に観察されるもので、ガラス転移点から結晶化温度までの間の過冷却液体領域の温度幅、すなわちガラス遷移領域が２０Ｋ以上ある合金のことである。
金属ガラスの材質としては、ジルコニウム（Ｚｒ）基合金、鉄（Ｆｅ）基合金、チタン（Ｔｉ）基合金、マグネシウム（Ｍｇ）基合金、銅（Ｃｕ）基合金などを挙げることができる。
金属ガラスは、一定組成を有する金属の母材料を溶融して、母材料合金の溶湯を形成し、この溶湯を母材料合金の臨界冷却速度以上の冷却速度で母材料合金のガラス転移点以下に冷却して非晶質化することにより形成される。
具体的には、例えば、組成（ａｔｍ％）が、Ｚｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５や、Ｚｒ６０Ｃｕ２０Ａｌ１０Ｎｉ１０などの例を挙げることができる。これらの非晶質合金材料は、Ｚｒを主成分とするため、成形転写性に優れ複雑形状の成形が容易である。また、これらは、ニッケル（Ｎｉ）を添加しているため、耐薬品性にも優れる。
また、Ｔｉ基合金としては、例えば、Ｔｉ４０Ｚｒ１０Ｃｕ３６Ｐｄ１4、Ｃｕ基合金としては、例えば、Ｃｕ６０Ｚｒ３０Ｔｉ１０などの例を挙げることができる。
【００１５】
成形システム１の概略構成は、図１に示すように、金型３（成形用金型）と、金型３を回転するモータ７と、内部を真空状態または不活性ガスが注入された低圧雰囲気に調整可能なチャンバー２と、高周波加熱コイル９と、高周波電源１０と、ロータリポンプ１２と、ターボポンプ１３と、不活性ガス供給部１１とを備える。
このうち、金型３および高周波加熱コイル９はチャンバー２の内部に配置され、モータ７、高周波電源１０、不活性ガス供給部１１、ロータリポンプ１２、およびターボポンプ１３は、チャンバー２の外部に配置されている。
なお、図示は省略するが、成形システム１は、従来の高周波加熱を用いた遠心鋳造法と同様に、高周波加熱コイル９の内側に形成される溶湯Ｍの温度測定手段、例えば、放射温度計等を備えている。
【００１６】
金型３は、図２に示すように、金型ホルダ４の内部に、金属溶湯を冷却固化させて成形品を形成する金型本体５を着脱可能に収容した部材である。特に図示しないが、金型ホルダ４の平面視形状は円形とされている。
また金型３の底部の中心には、図１に示すように、チャンバー２の底部の外側にシール８を介して固定されたモータ７の回転軸７ａの上端部が着脱可能に連結されている。これにより、モータ７を回転させることによって、金型３をその中心軸回りに回転できるようになっている。
モータ７の定常回転数は、例えば、１０００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍ程度に設定できるようになっている。
【００１７】
金型ホルダ４の上面の中心部には、図２に示すように、後述する高周波加熱コイル９によって形成された溶湯Ｍを金型３の内部に導入する開口である溶湯導入口４ａが形成されている。
溶湯導入口４ａの下方には、金型ホルダ４の中心軸に沿って鉛直方向に延ばされてから金型ホルダ４の径方向に沿う水平方向に延ばされたＬ字状の穴部からなる溶湯受け部４ｂが設けられている。
溶湯受け部４ｂの径方向の端部には、金型本体５を着脱可能に収容する金型本体保持部４ｅが設けられている。
【００１８】
金型本体５は、成形品の形状を転写する成形面５ｃに囲まれた穴部であるキャビティ５ｄを内部に備え、金型本体保持部４ｅに収容されたときに、溶湯受け部４ｂの径方向の先端部に面する金型本体側面５ｂにキャビティ５ｄと水平方向に連通する溶湯注入孔５ａが設けられたブロック状部材である。
なお、図２は模式図のため、金型ホルダ４および金型本体５がそれぞれ一部材で構成しているように描いているが、キャビティ５ｄ内で固化した成形品を脱型するため、複数の金型部材に分割できるようになっている。
【００１９】
金型３の材質としては、溶湯Ｍをその金属材料の臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却できる熱伝導率および熱容量を有する適宜の金属材料を採用することができる。例えば、ＳＫＤ６１、クローム合金ステンレス工具鋼であるＳＴＡＶＡＸ（登録商標）などの金属材料を採用することができる。
また、金型３において、溶湯Ｍが接触する可能性のある部位の少なくとも一部にはダイヤモンド状炭素膜（ＤＬＣ膜）６が成膜されている。ＤＬＣ膜６は溶湯Ｍが触れる型表面のうち、少なくとも型の劣化を回避したい部位に設ければよく、例えば、成形面全体、あるいは成形面のうち特に劣化しやすい部分に設けることができる。また、成形面以外の溶湯Ｍと接触する部位にも適宜設けることができる。本実施形態では、ＤＬＣ膜６は、金型ホルダ４では、溶湯受け部４ｂにおける受け部内壁面４ｃ、および受け部底面４ｄに形成されている。また、金型本体５では、溶湯受け部４ｂに臨む金型本体側面５ｂ、溶湯注入孔５ａ、および成形面５ｃに成膜されている。
ＤＬＣ膜６の成膜方法は、水素フリーとなるように、例えば、物理気相成長（ＰＶＤ）法を用いることが好ましい。ＤＬＣ膜６の膜厚は、例えば、０．０２μｍ〜１．０μｍとすることが好ましく、０．０５μｍ〜０．５μｍとすることがより好ましい。
本実施形態では、後述するように繰り返しの成形を行っても、ＤＬＣ膜６の劣化が抑制されるため、ＤＬＣ膜６の膜厚をこのように薄く設定することができる。
このような膜厚範囲は、例えば、内視鏡用先枠等の精密機械部品に要求される寸法許容誤差としての代表的な例である幅０．０３ｍｍに比べて充分薄くなっている。したがって、このような精密機械部品を成形する場合には、成形面５ｃを加工する際、ＤＬＣ膜６による形状変化を考慮することなく加工することができるため、金型本体５の製造が容易になる。
また、ＤＬＣ膜６の膜厚をこのように薄くできるため熱抵抗を低減することができる。このため、溶湯Ｍの冷却が阻害されにくくなり、金属ガラスの鋳造成形に特に好適である。
また、ＤＬＣ膜６の膜厚が厚くなりすぎると、熱膨張による膜応力の影響によって、耐久性が悪化するため、上記のように１．０μｍを超えないことが好ましい。
【００２０】
高周波加熱コイル９は、図１に示すように、遠心鋳造を行うための金属材料を電磁誘導加熱して溶湯Ｍを得るためのもので、例えば水などの冷媒を通す冷媒流路が内部に設けられた金属管によって形成されたコイルである。本実施形態では、溶湯Ｍを誘導浮遊させるため、上半部と下半部とでは巻き方向が反対とされ、巻き径がそれぞれ上端と下端とに向かうにつれて縮径された構造を備える。
また、高周波加熱コイル９の上端および下端からそれぞれ延ばされた金属管９ａ、９ｂは、チャンバー２の外部に導かれ、図示略の冷媒供給管路に接続されるとともに、高周波電源１０と電気的に接続されている。
高周波加熱コイル９は、金型３の中心部の上方において、高周波加熱コイル９の下端側の開口の中心が金型３における溶湯導入口４ａの中心を通る鉛直軸上に位置するように配置されている。
【００２１】
ロータリポンプ１２は、チャンバー２内の雰囲気を粗引きして、例えば、１０Ｐａ程度の真空度に減圧するための真空ポンプであり、吸引管路１４を介してチャンバー２に連結されている。
ターボポンプ１３は、チャンバー２をロータリポンプ１２によって減圧した後、チャンバー２内の雰囲気を本引きして、例えば、１．０×１０−２Ｐａ〜１．０×１０−４Ｐａ程度の真空度に減圧するためのターボ分子ポンプからなる真空ポンプである。ターボポンプ１３は、チャンバー２とロータリポンプ１２との間に設けられた吸引管路１５の中間部に設けられている。
【００２２】
不活性ガス供給部１１は、ターボポンプ１３によってチャンバー２の真空度が高められた後に、例えば、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ２）などの不活性ガスをチャンバー２内に供給するもので、ガス供給管路１６を介して、チャンバー２に接続されている。
【００２３】
次に、本実施形態の金属の成形方法について説明する。
図３は、本発明の実施形態に係る金属の成形方法の工程フローを示すフローチャートである。
【００２４】
本実施形態の金属の成形方法は、ＤＬＣ膜６を溶湯Ｍと触れる表面の少なくとも一部に有する金型３を用いて溶湯Ｍを固化させる方法であり、図３に示す工程フローに基づいて、金型設置工程Ｓ１、真空置換工程Ｓ２、成形工程Ｓ３、および成形品取り出し工程Ｓ４を行う方法である。
以下では、一例として、溶湯Ｍを形成する金属材料が、Ｚｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５（ａｔｍ％）の組成を有するＺｒ基合金であり、金型３の材質がＳＫＤ６１、ＤＬＣ膜６の膜厚が０．１μｍの場合の例で説明する。
なお、本実施形態では、溶湯Ｍの形成に用いるＺｒ基合金は、酸素含有量が３００ｐｐｍ以下に制御された材料を用いる。これにより、溶湯Ｍの形成時にＺｒ基合金の内部から放出される酸素は３００ｐｐｍ以下になる。
【００２５】
金型設置工程Ｓ１は、金型３をチャンバー２の内部に設置する工程である。本工程では、金型ホルダ４に金型本体５を収容して金型３を組み立て、大気開放したチャンバー２内で回転軸７ａの上端部に固定する。
【００２６】
次に、真空置換工程Ｓ２を行う。本工程は、金型３の置かれたチャンバー２内の雰囲気を真空置換する工程である。ここで真空置換するとは、チャンバー２内の雰囲気を排気して、圧力が１．０×１０−１Ｐａ以下、より好ましくは１．０×１０−３Ｐａ以下の高真空の雰囲気を形成する置換、または、同様の高真空の雰囲気を形成した後に不活性ガスを導入して不活性ガス雰囲気を形成することを意味する。
本実施形態では、まず、ロータリポンプ１２によって、チャンバー２内の雰囲気を粗引きし、チャンバー２内の真空度が１０Ｐａ程度となるように減圧する。次に、この状態からさらにターボポンプ１３を駆動して、本引きを行い、チャンバー２内の真空度を高める。本実施形態では、真空度が１．０×１０−３Ｐａとなるように減圧する。
このように真空置換を行うことにより、チャンバー２内に残留する酸素量がきわめて少なくなる。また、溶湯受け部４ｂやキャビティ５ｄは、チャンバー２と連通しているため、溶湯受け部４ｂやキャビティ５ｄ内の酸素濃度も同様なレベルに低減される。
【００２７】
次に、本実施形態では、不活性ガス供給部１１から純度９９．９９９９％のＡｒガスをチャンバー２内に供給し、チャンバー２内に大気圧程度のＡｒガス雰囲気を形成する。
このようにチャンバー２内に高真空の雰囲気を形成してから、さらに純度のＡｒガス置換を行うことにより、単に大気圧に近い圧力を保った状態でＡｒガスをチャンバー２内に供給してＡｒガス置換を行う場合に比べて、チャンバー２内に残留する酸素濃度を格段に低減することができる。
【００２８】
次に、成形工程Ｓ３を行う。本工程は、遠心鋳造法によって、金属ガラスの成形を行う工程である。
まず、高周波加熱コイル９の内側に成形に必要な量の金属材料を配置し、高周波加熱コイル９に冷媒を流して高周波加熱コイル９を冷却しつつ、高周波加熱コイル９に高周波電流を通電する。
これにより、高周波加熱コイル９の周囲に磁界が発生し、金属材料が誘導加熱され、溶湯Ｍが形成される。このとき、溶湯Ｍとなる金属材料は酸素含有量が３００ｐｐｍ以下に制御されているため、溶湯Ｍ中から放出される酸素も３００ｐｐｍ以下となり、チャンバー２の雰囲気にはほとんど影響を及ぼさない。
高周波加熱コイル９は、上半部と下半部とでコイル巻き方向が反対であるため、上半部と下半部とでそれぞれ反対方向の磁界が発生し、溶湯Ｍは、これらの磁界から斥力を受けて、高周波加熱コイル９の内側に誘導浮遊される。
【００２９】
一方、操作者は、溶湯Ｍが予め決められた成形温度に達する前に、予め決められた遠心鋳造を行う定常回転数に達するように、モータ７の回転を開始させておく。本実施形態の例では、モータ７の定常回転数として６０００ｒｐｍが好適である。
次に操作者は、図示略の温度測定手段によって測定された溶湯Ｍの温度が成形温度に達した時点で、高周波加熱コイル９への高周波電流を遮断する。
これにより、高周波加熱コイル９による磁界が消失し、浮遊力を失った溶湯Ｍは自由落下する。
本実施形態の実施例では、金属材料の溶融温度が９００℃であるため、成形温度としては、１１００℃が好適である。
【００３０】
溶湯Ｍは、高周波加熱コイル９の下端側のコイル内側を通り抜けて、鉛直下方の溶湯導入口４ａから溶湯受け部４ｂの内部に落下する。
溶湯受け部４ｂに落下した溶湯Ｍは、遠心力によって径方向外側に付勢され溶湯受け部４ｂ内を径方向外側に進んで、溶湯注入孔５ａを通してキャビティ５ｄ内に充填される。
この間、溶湯Ｍは、金型ホルダ４および金型本体５と接触して臨界冷却速度以上の冷却速度、本実施形態の例では１０Ｋ／ｓ以上の冷却速度で冷却され、キャビティ５ｄ内で成形面５ｃの形状に沿って固化する。
これにより、キャビティ５ｄ内に、成形面５ｃの形状が転写された成形品が形成される。
以上で、成形工程Ｓ３が終了する。
【００３１】
次に成形品取り出し工程Ｓ４を行う。本工程は、キャビティ５ｄ内に形成された成形品を取り出す工程である。
まず、モータ７を停止し、チャンバー２を開放して金型３をチャンバー２の外部に取り出す。そして、金型３を分解するなどして、キャビティ５ｄ内の成形品を脱型する。
本実施形態では、受け部内壁面４ｃ、受け部底面４ｄ、金型本体側面５ｂ、溶湯注入孔５ａ、および成形面５ｃの表面にはＤＬＣ膜６が形成されているため、それぞれの位置で固化した金属片や成形品は容易に離型することができる。
このようにして得られた成形品は、本実施形態のＺｒ基合金の場合、ガラス遷移領域の温度幅が約８０Ｋとなる非晶質合金になる。
以上で、成形システム１による遠心鋳造成形が終了する。
さらに成形を継続する場合には、脱型後の金型３を組み立てて、上記の各工程を繰り返す。
【００３２】
このように、本実施形態では、成形工程Ｓ３において、溶湯ＭがＤＬＣ膜６に接触し、４００℃以上の高温に曝されるにもかかわらず、良好な離型性が得られる。これは、ＤＬＣ膜６がほとんど劣化していないためである。
この理由としては、１）溶湯Ｍを急冷するためＤＬＣ膜６が高温になる時間が短い、２）ＤＬＣ膜６が高温になってもＤＬＣ膜６の周囲に酸素がほとんど存在しないため、ＤＬＣ膜６の酸化による劣化が防止される、の２点を挙げることができる。
例えば、本実施形態の例では、ＤＬＣ膜６が劣化しやすい４００℃以上の高温となる時間は、約０．５秒程度である。
また、酸素濃度は、成形工程Ｓ３に先立って、真空置換工程Ｓ２を行っているため、確実に低減されている。
【００３３】
次に、ＤＬＣ膜６の耐久性に及ぼす真空置換工程Ｓ２の作用を確かめるため、真空置換工程Ｓ２における真空度を変えたのみで上記と同様な成形を繰り返した実験結果（比較例１〜３、実施例１〜５）について説明する。
本実験では、真空置換工程Ｓ２の真空度を、比較例１〜３では、それぞれ１．０×１０５Ｐａ、１０Ｐａ、１Ｐａとし、実施例１〜５では、それぞれ１．０×１０−１Ｐａ、１．０×１０−２Ｐａ、１．０×１０−３Ｐａ、１．０×１０−４Ｐａ、１．０×１０−５Ｐａの８通りに変えて５００ショットの成形を繰り返した後、ＤＬＣ膜６の表面を目視観察により評価した。
なお、比較例１の真空度が１．０×１０５Ｐａ（大気圧）とは、真空置換を行うことなく、チャンバー２内が大気圧の状態からＡｒガスを供給して不活性ガス置換を行ったことを表している。
評価結果を下記表１に示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】
上記表１に示すように、比較例１では、１ショットでＤＬＣ膜６に膜剥離が生じ、連続成形が困難であった。
また、比較例２、３では、連続成形可能であったが、ＤＬＣ膜６の一部に表層剥離が生じており、劣化が進行していた。
また、実施例１、２では、表層剥離は見られず、若干の変色のみが観察された、
また、実施例３〜５では、ＤＬＣ膜６の表面に変化は見られなかった。
このように、５００ショットの範囲では、圧力が１．０×１０−１Ｐａ以下の真空度では劣化の進行が抑制されており、特に、圧力が１．０×１０−３Ｐａ以下となる真空度では、劣化の形跡が見られなかった。
【００３６】
このように、本実施形態の金属の成形方法によれば、真空置換工程Ｓ２を備えるため、ＤＬＣ膜６を有する金型３を用いて成形を行う場合に、溶湯Ｍが高温であっても、金型３の寿命を向上することができる。
さらに、本実施形態では遠心鋳造を採用しているため、遠心力によって、溶湯Ｍがキャビティ５ｄ内に速やかに充填される。このため、溶湯Ｍの自重によりキャビティに充填する重力鋳造に比べると、充填性が良好となり、充填時に滞留することもないため、滞留によって特定部位の劣化が加速されるということがない。
また、遠心鋳造では、溶湯Ｍの充填の際、射出成形に比べるとＤＬＣ膜６への圧力負荷が小さくなるため、充填圧力による膜剥離が発生しにくくなっている。
【００３７】
次に、本実施形態の変形例の金属の成形方法について説明する。
図４は、本発明の実施形態の変形例に係る金属の成形方法の工程フローを示すフローチャートである。
【００３８】
本変形例の金属の成形方法は、図４に示す工程フローに基づいて、金型設置工程Ｓ１、真空置換工程Ｓ２、成形工程Ｓ３、成形品取り出し工程Ｓ４、金型加熱工程Ｓ７、ＤＬＣ膜形成工程Ｓ８を行う方法である。
【００３９】
本変形例における溶湯Ｍを形成する金属材料、金型３の材質、ＤＬＣ膜６の膜厚は、上記実施形態と同様の構成も採用することができるが、以下では、他の実施例として、溶湯Ｍを形成する金属材料が、Ｚｒ６０Ｃｕ２０Ａｌ１０Ｎｉ１０（ａｔｍ％）の組成を有するＺｒ基合金であり、金型３の材質がＳＴＡＶＡＸ（登録商標）、ＤＬＣ膜６の膜厚が０．０５μｍの場合の例で説明する。ＤＬＣ膜６の成膜方法は、上記実施形態と同様、ＰＶＤ法を採用することができる。
なお、本変形例のＺｒ基合金も上記実施形態と同様に、酸素含有量が３００ｐｐｍ以下に制御された材料を用いる。
【００４０】
金型設置工程Ｓ１、真空置換工程Ｓ２、成形工程Ｓ３、成形品取り出し工程Ｓ４は、上記実施形態と同様の工程である。
ただし、本変形例の実施例では、金属材料の溶融温度が８５０℃であるため、成形工程Ｓ３における成形温度としては、１０００℃が好適である。また、モータ７の回転数は８０００ｒｐｍが好適である。
このような条件の下で、成形品取り出し工程Ｓ４終了後、ガラス遷移領域の温度幅が約９０Ｋとなる非晶質合金の成形品が得られる。
本変形例では、成形温度が上記実施形態の成形温度よりも低温であり、遠心鋳造時の回転数が高回転であるため、上記実施形態よりもＤＬＣ膜６に対する熱負荷が低減されている。
【００４１】
本変形例では、成形品取り出し工程Ｓ４の終了後に、ステップＳ５を行う。本ステップは、成形回数が予定回数に達したかどうかに応じて成形終了を判断するステップである。すなわち、成形回数が予定回数になった場合には成形を終了し、成形回数が予定回数未満である場合には、ステップＳ６に移行する。
【００４２】
ステップＳ６は、ＤＬＣ膜６の寿命を判断するステップである。ＤＬＣ膜６の寿命は、脱型後の金型３をその都度検査して判定してもよいし、予め実験等により繰り返し使用可能な成形回数を寿命値として設定し、成形回数がこの寿命値に達したときに寿命と判断してもよい。
ＤＬＣ膜６が寿命内である場合には、金型設置工程Ｓ１に移行して、成形を繰り返す。
ＤＬＣ膜６が寿命内でない場合には、金型加熱工程Ｓ７を行う。
【００４３】
金型加熱工程Ｓ７は、金型３を大気雰囲気で加熱し、ＤＬＣ膜６を酸化して除去する工程である。本変形例では、脱型後、金型ホルダ４、金型本体５に分解された金型３を、大気雰囲気の加熱炉に導入して加熱温度５００℃に加熱する。これにより、ＤＬＣ膜６は、酸化されて二酸化炭素となって、金型ホルダ４および金型本体５の表面から容易に除去される。
本工程における加熱温度は、ＤＬＣ膜６の酸化が進み、かつ金型３の材質に焼き入れや焼鈍を行う際の加熱温度よりも低い温度であれば、適宜の温度に設定できる。
本変形例の実施例の加熱温度５００℃は、このような条件を満足しているため、金型３の硬度を変化させること無くＤＬＣ膜６を除去することが可能である。
以上で金型加熱工程Ｓ７が終了する。
【００４４】
次に、ＤＬＣ膜形成工程Ｓ８を行う。本工程は、金型加熱工程Ｓ７によってＤＬＣ膜６が除去された金型ホルダ４、金型本体５に対して、除去前と同様の位置にＤＬＣ膜６を成膜する工程である。
金型３は、金型加熱工程Ｓ７によってすべてのＤＬＣ膜６が除去されているため、金型３に最初にＤＬＣ膜６を成膜したのと同様の成膜方法、例えば、ＰＶＤ法によってＤＬＣ膜６を成膜することができる。これにより、寿命に達したと判定されたＤＬＣ膜６に代えて、新たなＤＬＣ膜６が成膜され、金型３が再生される。
以上で、ＤＬＣ膜形成工程Ｓ８が終了する。
ＤＬＣ膜形成工程Ｓ８が終了したら、金型設置工程Ｓ１に移行して、再生された金型３によって上記と同様の成形を続行する。
【００４５】
本変形例によれば、ＤＬＣ膜６が寿命に達した金型３を成形開始前の状態に容易に再生することができるため、成形品の離型性を良好に保った状態で連続的な成形が可能となる。このため、品質の安定した成形品の量産が可能となる。
また、ＤＬＣ膜６の除去は、金型３を加熱するだけであるため、化学処理や機械加工によって除去する場合に比べて、短時間で行うことができ、成形面５ｃの面精度を変化させるおそれもない。このため、成形面５ｃの形状精度を保ちつつ、金型３を安価に再生することができる
本変形例の実施例では、ＤＬＣ膜６の膜厚を上記実施形態の実施例の膜厚よりも薄くしていているため、上記実施形態の実施例の条件で本変形例を実施した場合に比べて、ＤＬＣ膜６を除去するのに要する時間と、ＤＬＣ膜６を成膜するのに要する時間とを低減することができる。
また、金型３の再生が容易であるため、必要に応じて金型３を再生することにより、ＤＬＣ膜６の耐久性が低い条件であっても、良好な成形を長期間継続することができる。したがって、金型３の再生を行わない上記実施形態に比べて、例えば、ＤＬＣ膜６の膜厚を薄くしたり、真空置換工程Ｓ３の真空度を低減したり（圧力を上げたり）することが可能である。このようにすれば、ＤＬＣ膜６の成膜時間や、真空置換工程Ｓ３に要する時間を低減できるため、製造時間の短縮を図ることができる。
【００４６】
なお、上記の実施形態および変形例の説明では、成形工程Ｓ３において遠心鋳造法を採用した場合の例で説明したが、成形工程Ｓ３の成形方法は、遠心鋳造法には限定されない。
例えば、キャビティ５ｄの形状が簡素な場合など低圧でもキャビティ５ｄ内に充填可能であり、溶湯滞留部におけるＤＬＣ膜６の劣化による寿命が許容できる場合や、上記変形例のように金型３の再生を行う場合には、重力鋳造法を採用することができる。
また、ＤＬＣ膜６の寿命が許容できる場合や、上記変形例のように金型３の再生を行う場合には、射出成形法を採用することができる。
【００４７】
また、上記の実施形態および変形例の説明では、溶湯Ｍの金属材料がＺｒ基合金である場合の例で説明したが、溶湯Ｍの形成時にＺｒ基合金が形成されればよいため、Ｚｒ基合金を形成する個々の金属材料の粒状体等を混合した材料を溶融して溶湯Ｍを形成してもよい。
また、溶湯Ｍの金属材料の種類はＺｒ基合金には限定されず、Ｚｒ基合金以外の金属ガラスでもよい。
【００４８】
また、上記の実施形態および変形例の説明では、高周波加熱コイル９によって誘導浮遊加熱することにより溶湯Ｍを形成する場合の例で説明したが、誘導浮遊させることなく高周波加熱してもよいし、高周波加熱以外の加熱源によって溶湯Ｍを形成してもよい。
【００４９】
また、上記実施形態および各変形例に説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせたり削除したりして実施することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１ 成形システム
２ チャンバー
３ 金型（成形用金型）
４ 金型ホルダ
４ｂ 溶湯受け部
４ｃ 受け部内壁面
４ｄ 受け部底面
５ 金型本体
５ａ 溶湯注入孔
５ｂ 金型本体側面
５ｃ 成形面
５ｄ キャビティ
６ ＤＬＣ膜（ダイヤモンド状炭素膜）
９ 高周波加熱コイル
Ｍ 溶湯（金属溶湯）
１１ 不活性ガス供給部
１２ ロータリポンプ
１３ ターボポンプ
Ｓ１ 金型設置工程
Ｓ２ 真空置換工程
Ｓ３ 成形工程
Ｓ４ 成形品取り出し工程
Ｓ７ 金型加熱工程
Ｓ８ ＤＬＣ膜形成工程
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有し金属ガラスとも称される非晶質合金の金属材料の溶湯を成形用金型に充填し、この金属材料の臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却することにより成形を行う金属の成形方法が知られている。このような金属ガラスとなる金属材料は一般に融点が高いため、金属溶湯も高温となる。例えば、Ｚｒ基合金を用いた成形では、Ｚｒ基合金の組成にもよるが、金属溶湯の温度は約１０００℃以上にする必要がある。
このような成形に用いる成形用金型は、熱衝撃を繰り返し受けるため、熱による劣化が進みやすい。
また、金属ガラスは、転写性が良好であるため、成形用金型に密着しやすく、離型性が悪くなる場合がある。この結果、金属ガラスが金型に焼き付いたり、張り付いたりする場合がある。
このように、成形用金型の保護、離型性の向上のため、成形用金型において金属溶湯と接触する表面には種々の薄膜がコーティングされることが多い。例えば、特許文献１には、種々の金属ガラスの成形用金型の中子部材において、離型性を向上するため、ＴｉＮ、ＣｒＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＢＮ等をコーティングしたり、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｚｎ、ＭｏＳ２等の被膜を形成したりする技術が記載されている。
一方、離型性向上のため、成形用金型にダイヤモンド状炭素膜をコーティングすることが知られている。ダイヤモンド状炭素膜は、４００℃より高温ではグラファイト化が進むため、摩耗し易くなり、大気中では４５０℃以下程度の温度で使用することが推奨されている。
このようなダイヤモンド状炭素膜を４５０℃以上の温度で使用する技術として、特許文献２には、ダイヤモンド状炭素膜を射出成形用金型にコーティングしてマグネシウム合金の射出成形を行う場合、窒素置換雰囲気下で射出成形を行うことにより溶湯温度５８０℃での成形が可能であることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１１３０号公報
【特許文献２】特許第３３６７９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の金属の成形方法には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術は、交換が容易かつ安価であるため低寿命でもよい中子部材の離型性を改善する技術であり、いずれのコーティング膜も成形の繰り返しによって劣化が進んでいくことは避けられない。このため、高価な金型本体の寿命をさらに向上できるコーティング技術が強く求められている。
特許文献２に記載のダイヤモンド状炭素膜は、金属ガラスとなる金属材料との反応性が低いことから、金属ガラスの成形にも有望と考えられるが、５８０℃程度の耐熱温度では、金属ガラスの成形に用いることができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、ダイヤモンド状炭素膜を有する成形用金型を用いて成形を行う場合に、金属溶湯が高温であっても、ダイヤモンド状炭素膜の劣化を抑制することができる金属の成形方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明は、ダイヤモンド状炭素膜を金属溶湯と触れる表面の少なくとも一部に有する成形用金型を用いて前記金属溶湯を固化させる金属の成形方法であって、前記成形用金型の置かれた雰囲気を真空置換する真空置換工程と、前記雰囲気が真空置換された後に、前記金属溶湯を前記成形用金型に充填して、臨界冷却速度以上の冷却速度で急冷することにより、前記金属溶湯を固化させ、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有する非晶質合金の成形品を形成する成形工程と、を備える方法とする。
【０００７】
また、本発明においては、前記金属溶湯の材料は、Ｚｒ基合金を形成する金属材料であることが好ましい。
【０００８】
また、本発明においては、前記成形工程では、前記金属溶湯を遠心鋳造法によって前記成形用金型に充填することが好ましい。
【０００９】
また、本発明においては、前記真空置換工程では、前記雰囲気を不活性ガス雰囲気に真空置換することが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の金属の成形方法によれば、真空置換工程を備えるため、ダイヤモンド状炭素膜を有する成形用金型を用いて成形を行う場合に、金属溶湯が高温であっても、ダイヤモンド状炭素膜の劣化を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る金属の成形方法に用いる成形システムの模式的なシステム構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る金属の成形方法に用いる成形用金型の模式的な断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る金属の成形方法の工程フローを示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態の変形例に係る金属の成形方法の工程フローを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態に係る金属の成形方法について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る金属の成形方法に用いる成形システムの模式的なシステム構成図である。図２は、本発明の実施形態に係る金属の成形方法に用いる成形用金型の模式的な断面図である。
【００１３】
まず、本実施形態の金属の成形方法に用いる成形システムについて説明する。
本実施形態に用いる成形システム１は、遠心鋳造法により、溶湯Ｍ（金属溶湯）を臨界冷却速度以上の冷却速度で急冷して固化させ、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有する非晶質合金の成形品を形成するものである。
【００１４】
金属ガラスとは、非晶質合金のうち昇温時にガラス転移点が明瞭に観察されるもので、ガラス転移点から結晶化温度までの間の過冷却液体領域の温度幅、すなわちガラス遷移領域が２０Ｋ以上ある合金のことである。
金属ガラスの材質としては、ジルコニウム（Ｚｒ）基合金、鉄（Ｆｅ）基合金、チタン（Ｔｉ）基合金、マグネシウム（Ｍｇ）基合金、銅（Ｃｕ）基合金などを挙げることができる。
金属ガラスは、一定組成を有する金属の母材料を溶融して、母材料合金の溶湯を形成し、この溶湯を母材料合金の臨界冷却速度以上の冷却速度で母材料合金のガラス転移点以下に冷却して非晶質化することにより形成される。
具体的には、例えば、組成（ａｔｍ％）が、Ｚｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５や、Ｚｒ６０Ｃｕ２０Ａｌ１０Ｎｉ１０などの例を挙げることができる。これらの非晶質合金材料は、Ｚｒを主成分とするため、成形転写性に優れ複雑形状の成形が容易である。また、これらは、ニッケル（Ｎｉ）を添加しているため、耐薬品性にも優れる。
また、Ｔｉ基合金としては、例えば、Ｔｉ４０Ｚｒ１０Ｃｕ３６Ｐｄ１4、Ｃｕ基合金としては、例えば、Ｃｕ６０Ｚｒ３０Ｔｉ１０などの例を挙げることができる。
【００１５】
成形システム１の概略構成は、図１に示すように、金型３（成形用金型）と、金型３を回転するモータ７と、内部を真空状態または不活性ガスが注入された低圧雰囲気に調整可能なチャンバー２と、高周波加熱コイル９と、高周波電源１０と、ロータリポンプ１２と、ターボポンプ１３と、不活性ガス供給部１１とを備える。
このうち、金型３および高周波加熱コイル９はチャンバー２の内部に配置され、モータ７、高周波電源１０、不活性ガス供給部１１、ロータリポンプ１２、およびターボポンプ１３は、チャンバー２の外部に配置されている。
なお、図示は省略するが、成形システム１は、従来の高周波加熱を用いた遠心鋳造法と同様に、高周波加熱コイル９の内側に形成される溶湯Ｍの温度測定手段、例えば、放射温度計等を備えている。
【００１６】
金型３は、図２に示すように、金型ホルダ４の内部に、金属溶湯を冷却固化させて成形品を形成する金型本体５を着脱可能に収容した部材である。特に図示しないが、金型ホルダ４の平面視形状は円形とされている。
また金型３の底部の中心には、図１に示すように、チャンバー２の底部の外側にシール８を介して固定されたモータ７の回転軸７ａの上端部が着脱可能に連結されている。これにより、モータ７を回転させることによって、金型３をその中心軸回りに回転できるようになっている。
モータ７の定常回転数は、例えば、１０００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍ程度に設定できるようになっている。
【００１７】
金型ホルダ４の上面の中心部には、図２に示すように、後述する高周波加熱コイル９によって形成された溶湯Ｍを金型３の内部に導入する開口である溶湯導入口４ａが形成されている。
溶湯導入口４ａの下方には、金型ホルダ４の中心軸に沿って鉛直方向に延ばされてから金型ホルダ４の径方向に沿う水平方向に延ばされたＬ字状の穴部からなる溶湯受け部４ｂが設けられている。
溶湯受け部４ｂの径方向の端部には、金型本体５を着脱可能に収容する金型本体保持部４ｅが設けられている。
【００１８】
金型本体５は、成形品の形状を転写する成形面５ｃに囲まれた穴部であるキャビティ５ｄを内部に備え、金型本体保持部４ｅに収容されたときに、溶湯受け部４ｂの径方向の先端部に面する金型本体側面５ｂにキャビティ５ｄと水平方向に連通する溶湯注入孔５ａが設けられたブロック状部材である。
なお、図２は模式図のため、金型ホルダ４および金型本体５がそれぞれ一部材で構成しているように描いているが、キャビティ５ｄ内で固化した成形品を脱型するため、複数の金型部材に分割できるようになっている。
【００１９】
金型３の材質としては、溶湯Ｍをその金属材料の臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却できる熱伝導率および熱容量を有する適宜の金属材料を採用することができる。例えば、ＳＫＤ６１、クローム合金ステンレス工具鋼であるＳＴＡＶＡＸ（登録商標）などの金属材料を採用することができる。
また、金型３において、溶湯Ｍが接触する可能性のある部位の少なくとも一部にはダイヤモンド状炭素膜（ＤＬＣ膜）６が成膜されている。ＤＬＣ膜６は溶湯Ｍが触れる型表面のうち、少なくとも型の劣化を回避したい部位に設ければよく、例えば、成形面全体、あるいは成形面のうち特に劣化しやすい部分に設けることができる。また、成形面以外の溶湯Ｍと接触する部位にも適宜設けることができる。本実施形態では、ＤＬＣ膜６は、金型ホルダ４では、溶湯受け部４ｂにおける受け部内壁面４ｃ、および受け部底面４ｄに形成されている。また、金型本体５では、溶湯受け部４ｂに臨む金型本体側面５ｂ、溶湯注入孔５ａ、および成形面５ｃに成膜されている。
ＤＬＣ膜６の成膜方法は、水素フリーとなるように、例えば、物理気相成長（ＰＶＤ）法を用いることが好ましい。ＤＬＣ膜６の膜厚は、例えば、０．０２μｍ〜１．０μｍとすることが好ましく、０．０５μｍ〜０．５μｍとすることがより好ましい。
本実施形態では、後述するように繰り返しの成形を行っても、ＤＬＣ膜６の劣化が抑制されるため、ＤＬＣ膜６の膜厚をこのように薄く設定することができる。
このような膜厚範囲は、例えば、内視鏡用先枠等の精密機械部品に要求される寸法許容誤差としての代表的な例である幅０．０３ｍｍに比べて充分薄くなっている。したがって、このような精密機械部品を成形する場合には、成形面５ｃを加工する際、ＤＬＣ膜６による形状変化を考慮することなく加工することができるため、金型本体５の製造が容易になる。
また、ＤＬＣ膜６の膜厚をこのように薄くできるため熱抵抗を低減することができる。このため、溶湯Ｍの冷却が阻害されにくくなり、金属ガラスの鋳造成形に特に好適である。
また、ＤＬＣ膜６の膜厚が厚くなりすぎると、熱膨張による膜応力の影響によって、耐久性が悪化するため、上記のように１．０μｍを超えないことが好ましい。
【００２０】
高周波加熱コイル９は、図１に示すように、遠心鋳造を行うための金属材料を電磁誘導加熱して溶湯Ｍを得るためのもので、例えば水などの冷媒を通す冷媒流路が内部に設けられた金属管によって形成されたコイルである。本実施形態では、溶湯Ｍを誘導浮遊させるため、上半部と下半部とでは巻き方向が反対とされ、巻き径がそれぞれ上端と下端とに向かうにつれて縮径された構造を備える。
また、高周波加熱コイル９の上端および下端からそれぞれ延ばされた金属管９ａ、９ｂは、チャンバー２の外部に導かれ、図示略の冷媒供給管路に接続されるとともに、高周波電源１０と電気的に接続されている。
高周波加熱コイル９は、金型３の中心部の上方において、高周波加熱コイル９の下端側の開口の中心が金型３における溶湯導入口４ａの中心を通る鉛直軸上に位置するように配置されている。
【００２１】
ロータリポンプ１２は、チャンバー２内の雰囲気を粗引きして、例えば、１０Ｐａ程度の真空度に減圧するための真空ポンプであり、吸引管路１４を介してチャンバー２に連結されている。
ターボポンプ１３は、チャンバー２をロータリポンプ１２によって減圧した後、チャンバー２内の雰囲気を本引きして、例えば、１．０×１０−２Ｐａ〜１．０×１０−４Ｐａ程度の真空度に減圧するためのターボ分子ポンプからなる真空ポンプである。ターボポンプ１３は、チャンバー２とロータリポンプ１２との間に設けられた吸引管路１５の中間部に設けられている。
【００２２】
不活性ガス供給部１１は、ターボポンプ１３によってチャンバー２の真空度が高められた後に、例えば、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ２）などの不活性ガスをチャンバー２内に供給するもので、ガス供給管路１６を介して、チャンバー２に接続されている。
【００２３】
次に、本実施形態の金属の成形方法について説明する。
図３は、本発明の実施形態に係る金属の成形方法の工程フローを示すフローチャートである。
【００２４】
本実施形態の金属の成形方法は、ＤＬＣ膜６を溶湯Ｍと触れる表面の少なくとも一部に有する金型３を用いて溶湯Ｍを固化させる方法であり、図３に示す工程フローに基づいて、金型設置工程Ｓ１、真空置換工程Ｓ２、成形工程Ｓ３、および成形品取り出し工程Ｓ４を行う方法である。
以下では、一例として、溶湯Ｍを形成する金属材料が、Ｚｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５（ａｔｍ％）の組成を有するＺｒ基合金であり、金型３の材質がＳＫＤ６１、ＤＬＣ膜６の膜厚が０．１μｍの場合の例で説明する。
なお、本実施形態では、溶湯Ｍの形成に用いるＺｒ基合金は、酸素含有量が３００ｐｐｍ以下に制御された材料を用いる。これにより、溶湯Ｍの形成時にＺｒ基合金の内部から放出される酸素は３００ｐｐｍ以下になる。
【００２５】
金型設置工程Ｓ１は、金型３をチャンバー２の内部に設置する工程である。本工程では、金型ホルダ４に金型本体５を収容して金型３を組み立て、大気開放したチャンバー２内で回転軸７ａの上端部に固定する。
【００２６】
次に、真空置換工程Ｓ２を行う。本工程は、金型３の置かれたチャンバー２内の雰囲気を真空置換する工程である。ここで真空置換するとは、チャンバー２内の雰囲気を排気して、圧力が１．０×１０−１Ｐａ以下、より好ましくは１．０×１０−３Ｐａ以下の高真空の雰囲気を形成する置換、または、同様の高真空の雰囲気を形成した後に不活性ガスを導入して不活性ガス雰囲気を形成することを意味する。
本実施形態では、まず、ロータリポンプ１２によって、チャンバー２内の雰囲気を粗引きし、チャンバー２内の真空度が１０Ｐａ程度となるように減圧する。次に、この状態からさらにターボポンプ１３を駆動して、本引きを行い、チャンバー２内の真空度を高める。本実施形態では、真空度が１．０×１０−３Ｐａとなるように減圧する。
このように真空置換を行うことにより、チャンバー２内に残留する酸素量がきわめて少なくなる。また、溶湯受け部４ｂやキャビティ５ｄは、チャンバー２と連通しているため、溶湯受け部４ｂやキャビティ５ｄ内の酸素濃度も同様なレベルに低減される。
【００２７】
次に、本実施形態では、不活性ガス供給部１１から純度９９．９９９９％のＡｒガスをチャンバー２内に供給し、チャンバー２内に大気圧程度のＡｒガス雰囲気を形成する。
このようにチャンバー２内に高真空の雰囲気を形成してから、さらに純度のＡｒガス置換を行うことにより、単に大気圧に近い圧力を保った状態でＡｒガスをチャンバー２内に供給してＡｒガス置換を行う場合に比べて、チャンバー２内に残留する酸素濃度を格段に低減することができる。
【００２８】
次に、成形工程Ｓ３を行う。本工程は、遠心鋳造法によって、金属ガラスの成形を行う工程である。
まず、高周波加熱コイル９の内側に成形に必要な量の金属材料を配置し、高周波加熱コイル９に冷媒を流して高周波加熱コイル９を冷却しつつ、高周波加熱コイル９に高周波電流を通電する。
これにより、高周波加熱コイル９の周囲に磁界が発生し、金属材料が誘導加熱され、溶湯Ｍが形成される。このとき、溶湯Ｍとなる金属材料は酸素含有量が３００ｐｐｍ以下に制御されているため、溶湯Ｍ中から放出される酸素も３００ｐｐｍ以下となり、チャンバー２の雰囲気にはほとんど影響を及ぼさない。
高周波加熱コイル９は、上半部と下半部とでコイル巻き方向が反対であるため、上半部と下半部とでそれぞれ反対方向の磁界が発生し、溶湯Ｍは、これらの磁界から斥力を受けて、高周波加熱コイル９の内側に誘導浮遊される。
【００２９】
一方、操作者は、溶湯Ｍが予め決められた成形温度に達する前に、予め決められた遠心鋳造を行う定常回転数に達するように、モータ７の回転を開始させておく。本実施形態の例では、モータ７の定常回転数として６０００ｒｐｍが好適である。
次に操作者は、図示略の温度測定手段によって測定された溶湯Ｍの温度が成形温度に達した時点で、高周波加熱コイル９への高周波電流を遮断する。
これにより、高周波加熱コイル９による磁界が消失し、浮遊力を失った溶湯Ｍは自由落下する。
本実施形態の実施例では、金属材料の溶融温度が９００℃であるため、成形温度としては、１１００℃が好適である。
【００３０】
溶湯Ｍは、高周波加熱コイル９の下端側のコイル内側を通り抜けて、鉛直下方の溶湯導入口４ａから溶湯受け部４ｂの内部に落下する。
溶湯受け部４ｂに落下した溶湯Ｍは、遠心力によって径方向外側に付勢され溶湯受け部４ｂ内を径方向外側に進んで、溶湯注入孔５ａを通してキャビティ５ｄ内に充填される。
この間、溶湯Ｍは、金型ホルダ４および金型本体５と接触して臨界冷却速度以上の冷却速度、本実施形態の例では１０Ｋ／ｓ以上の冷却速度で冷却され、キャビティ５ｄ内で成形面５ｃの形状に沿って固化する。
これにより、キャビティ５ｄ内に、成形面５ｃの形状が転写された成形品が形成される。
以上で、成形工程Ｓ３が終了する。
【００３１】
次に成形品取り出し工程Ｓ４を行う。本工程は、キャビティ５ｄ内に形成された成形品を取り出す工程である。
まず、モータ７を停止し、チャンバー２を開放して金型３をチャンバー２の外部に取り出す。そして、金型３を分解するなどして、キャビティ５ｄ内の成形品を脱型する。
本実施形態では、受け部内壁面４ｃ、受け部底面４ｄ、金型本体側面５ｂ、溶湯注入孔５ａ、および成形面５ｃの表面にはＤＬＣ膜６が形成されているため、それぞれの位置で固化した金属片や成形品は容易に離型することができる。
このようにして得られた成形品は、本実施形態のＺｒ基合金の場合、ガラス遷移領域の温度幅が約８０Ｋとなる非晶質合金になる。
以上で、成形システム１による遠心鋳造成形が終了する。
さらに成形を継続する場合には、脱型後の金型３を組み立てて、上記の各工程を繰り返す。
【００３２】
このように、本実施形態では、成形工程Ｓ３において、溶湯ＭがＤＬＣ膜６に接触し、４００℃以上の高温に曝されるにもかかわらず、良好な離型性が得られる。これは、ＤＬＣ膜６がほとんど劣化していないためである。
この理由としては、１）溶湯Ｍを急冷するためＤＬＣ膜６が高温になる時間が短い、２）ＤＬＣ膜６が高温になってもＤＬＣ膜６の周囲に酸素がほとんど存在しないため、ＤＬＣ膜６の酸化による劣化が防止される、の２点を挙げることができる。
例えば、本実施形態の例では、ＤＬＣ膜６が劣化しやすい４００℃以上の高温となる時間は、約０．５秒程度である。
また、酸素濃度は、成形工程Ｓ３に先立って、真空置換工程Ｓ２を行っているため、確実に低減されている。
【００３３】
次に、ＤＬＣ膜６の耐久性に及ぼす真空置換工程Ｓ２の作用を確かめるため、真空置換工程Ｓ２における真空度を変えたのみで上記と同様な成形を繰り返した実験結果（比較例１〜３、実施例１〜５）について説明する。
本実験では、真空置換工程Ｓ２の真空度を、比較例１〜３では、それぞれ１．０×１０５Ｐａ、１０Ｐａ、１Ｐａとし、実施例１〜５では、それぞれ１．０×１０−１Ｐａ、１．０×１０−２Ｐａ、１．０×１０−３Ｐａ、１．０×１０−４Ｐａ、１．０×１０−５Ｐａの８通りに変えて５００ショットの成形を繰り返した後、ＤＬＣ膜６の表面を目視観察により評価した。
なお、比較例１の真空度が１．０×１０５Ｐａ（大気圧）とは、真空置換を行うことなく、チャンバー２内が大気圧の状態からＡｒガスを供給して不活性ガス置換を行ったことを表している。
評価結果を下記表１に示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】
上記表１に示すように、比較例１では、１ショットでＤＬＣ膜６に膜剥離が生じ、連続成形が困難であった。
また、比較例２、３では、連続成形可能であったが、ＤＬＣ膜６の一部に表層剥離が生じており、劣化が進行していた。
また、実施例１、２では、表層剥離は見られず、若干の変色のみが観察された、
また、実施例３〜５では、ＤＬＣ膜６の表面に変化は見られなかった。
このように、５００ショットの範囲では、圧力が１．０×１０−１Ｐａ以下の真空度では劣化の進行が抑制されており、特に、圧力が１．０×１０−３Ｐａ以下となる真空度では、劣化の形跡が見られなかった。
【００３６】
このように、本実施形態の金属の成形方法によれば、真空置換工程Ｓ２を備えるため、ＤＬＣ膜６を有する金型３を用いて成形を行う場合に、溶湯Ｍが高温であっても、金型３の寿命を向上することができる。
さらに、本実施形態では遠心鋳造を採用しているため、遠心力によって、溶湯Ｍがキャビティ５ｄ内に速やかに充填される。このため、溶湯Ｍの自重によりキャビティに充填する重力鋳造に比べると、充填性が良好となり、充填時に滞留することもないため、滞留によって特定部位の劣化が加速されるということがない。
また、遠心鋳造では、溶湯Ｍの充填の際、射出成形に比べるとＤＬＣ膜６への圧力負荷が小さくなるため、充填圧力による膜剥離が発生しにくくなっている。
【００３７】
次に、本実施形態の変形例の金属の成形方法について説明する。
図４は、本発明の実施形態の変形例に係る金属の成形方法の工程フローを示すフローチャートである。
【００３８】
本変形例の金属の成形方法は、図４に示す工程フローに基づいて、金型設置工程Ｓ１、真空置換工程Ｓ２、成形工程Ｓ３、成形品取り出し工程Ｓ４、金型加熱工程Ｓ７、ＤＬＣ膜形成工程Ｓ８を行う方法である。
【００３９】
本変形例における溶湯Ｍを形成する金属材料、金型３の材質、ＤＬＣ膜６の膜厚は、上記実施形態と同様の構成も採用することができるが、以下では、他の実施例として、溶湯Ｍを形成する金属材料が、Ｚｒ６０Ｃｕ２０Ａｌ１０Ｎｉ１０（ａｔｍ％）の組成を有するＺｒ基合金であり、金型３の材質がＳＴＡＶＡＸ（登録商標）、ＤＬＣ膜６の膜厚が０．０５μｍの場合の例で説明する。ＤＬＣ膜６の成膜方法は、上記実施形態と同様、ＰＶＤ法を採用することができる。
なお、本変形例のＺｒ基合金も上記実施形態と同様に、酸素含有量が３００ｐｐｍ以下に制御された材料を用いる。
【００４０】
金型設置工程Ｓ１、真空置換工程Ｓ２、成形工程Ｓ３、成形品取り出し工程Ｓ４は、上記実施形態と同様の工程である。
ただし、本変形例の実施例では、金属材料の溶融温度が８５０℃であるため、成形工程Ｓ３における成形温度としては、１０００℃が好適である。また、モータ７の回転数は８０００ｒｐｍが好適である。
このような条件の下で、成形品取り出し工程Ｓ４終了後、ガラス遷移領域の温度幅が約９０Ｋとなる非晶質合金の成形品が得られる。
本変形例では、成形温度が上記実施形態の成形温度よりも低温であり、遠心鋳造時の回転数が高回転であるため、上記実施形態よりもＤＬＣ膜６に対する熱負荷が低減されている。
【００４１】
本変形例では、成形品取り出し工程Ｓ４の終了後に、ステップＳ５を行う。本ステップは、成形回数が予定回数に達したかどうかに応じて成形終了を判断するステップである。すなわち、成形回数が予定回数になった場合には成形を終了し、成形回数が予定回数未満である場合には、ステップＳ６に移行する。
【００４２】
ステップＳ６は、ＤＬＣ膜６の寿命を判断するステップである。ＤＬＣ膜６の寿命は、脱型後の金型３をその都度検査して判定してもよいし、予め実験等により繰り返し使用可能な成形回数を寿命値として設定し、成形回数がこの寿命値に達したときに寿命と判断してもよい。
ＤＬＣ膜６が寿命内である場合には、金型設置工程Ｓ１に移行して、成形を繰り返す。
ＤＬＣ膜６が寿命内でない場合には、金型加熱工程Ｓ７を行う。
【００４３】
金型加熱工程Ｓ７は、金型３を大気雰囲気で加熱し、ＤＬＣ膜６を酸化して除去する工程である。本変形例では、脱型後、金型ホルダ４、金型本体５に分解された金型３を、大気雰囲気の加熱炉に導入して加熱温度５００℃に加熱する。これにより、ＤＬＣ膜６は、酸化されて二酸化炭素となって、金型ホルダ４および金型本体５の表面から容易に除去される。
本工程における加熱温度は、ＤＬＣ膜６の酸化が進み、かつ金型３の材質に焼き入れや焼鈍を行う際の加熱温度よりも低い温度であれば、適宜の温度に設定できる。
本変形例の実施例の加熱温度５００℃は、このような条件を満足しているため、金型３の硬度を変化させること無くＤＬＣ膜６を除去することが可能である。
以上で金型加熱工程Ｓ７が終了する。
【００４４】
次に、ＤＬＣ膜形成工程Ｓ８を行う。本工程は、金型加熱工程Ｓ７によってＤＬＣ膜６が除去された金型ホルダ４、金型本体５に対して、除去前と同様の位置にＤＬＣ膜６を成膜する工程である。
金型３は、金型加熱工程Ｓ７によってすべてのＤＬＣ膜６が除去されているため、金型３に最初にＤＬＣ膜６を成膜したのと同様の成膜方法、例えば、ＰＶＤ法によってＤＬＣ膜６を成膜することができる。これにより、寿命に達したと判定されたＤＬＣ膜６に代えて、新たなＤＬＣ膜６が成膜され、金型３が再生される。
以上で、ＤＬＣ膜形成工程Ｓ８が終了する。
ＤＬＣ膜形成工程Ｓ８が終了したら、金型設置工程Ｓ１に移行して、再生された金型３によって上記と同様の成形を続行する。
【００４５】
本変形例によれば、ＤＬＣ膜６が寿命に達した金型３を成形開始前の状態に容易に再生することができるため、成形品の離型性を良好に保った状態で連続的な成形が可能となる。このため、品質の安定した成形品の量産が可能となる。
また、ＤＬＣ膜６の除去は、金型３を加熱するだけであるため、化学処理や機械加工によって除去する場合に比べて、短時間で行うことができ、成形面５ｃの面精度を変化させるおそれもない。このため、成形面５ｃの形状精度を保ちつつ、金型３を安価に再生することができる
本変形例の実施例では、ＤＬＣ膜６の膜厚を上記実施形態の実施例の膜厚よりも薄くしていているため、上記実施形態の実施例の条件で本変形例を実施した場合に比べて、ＤＬＣ膜６を除去するのに要する時間と、ＤＬＣ膜６を成膜するのに要する時間とを低減することができる。
また、金型３の再生が容易であるため、必要に応じて金型３を再生することにより、ＤＬＣ膜６の耐久性が低い条件であっても、良好な成形を長期間継続することができる。したがって、金型３の再生を行わない上記実施形態に比べて、例えば、ＤＬＣ膜６の膜厚を薄くしたり、真空置換工程Ｓ３の真空度を低減したり（圧力を上げたり）することが可能である。このようにすれば、ＤＬＣ膜６の成膜時間や、真空置換工程Ｓ３に要する時間を低減できるため、製造時間の短縮を図ることができる。
【００４６】
なお、上記の実施形態および変形例の説明では、成形工程Ｓ３において遠心鋳造法を採用した場合の例で説明したが、成形工程Ｓ３の成形方法は、遠心鋳造法には限定されない。
例えば、キャビティ５ｄの形状が簡素な場合など低圧でもキャビティ５ｄ内に充填可能であり、溶湯滞留部におけるＤＬＣ膜６の劣化による寿命が許容できる場合や、上記変形例のように金型３の再生を行う場合には、重力鋳造法を採用することができる。
また、ＤＬＣ膜６の寿命が許容できる場合や、上記変形例のように金型３の再生を行う場合には、射出成形法を採用することができる。
【００４７】
また、上記の実施形態および変形例の説明では、溶湯Ｍの金属材料がＺｒ基合金である場合の例で説明したが、溶湯Ｍの形成時にＺｒ基合金が形成されればよいため、Ｚｒ基合金を形成する個々の金属材料の粒状体等を混合した材料を溶融して溶湯Ｍを形成してもよい。
また、溶湯Ｍの金属材料の種類はＺｒ基合金には限定されず、Ｚｒ基合金以外の金属ガラスでもよい。
【００４８】
また、上記の実施形態および変形例の説明では、高周波加熱コイル９によって誘導浮遊加熱することにより溶湯Ｍを形成する場合の例で説明したが、誘導浮遊させることなく高周波加熱してもよいし、高周波加熱以外の加熱源によって溶湯Ｍを形成してもよい。
【００４９】
また、上記実施形態および各変形例に説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせたり削除したりして実施することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１ 成形システム
２ チャンバー
３ 金型（成形用金型）
４ 金型ホルダ
４ｂ 溶湯受け部
４ｃ 受け部内壁面
４ｄ 受け部底面
５ 金型本体
５ａ 溶湯注入孔
５ｂ 金型本体側面
５ｃ 成形面
５ｄ キャビティ
６ ＤＬＣ膜（ダイヤモンド状炭素膜）
９ 高周波加熱コイル
Ｍ 溶湯（金属溶湯）
１１ 不活性ガス供給部
１２ ロータリポンプ
１３ ターボポンプ
Ｓ１ 金型設置工程
Ｓ２ 真空置換工程
Ｓ３ 成形工程
Ｓ４ 成形品取り出し工程
Ｓ７ 金型加熱工程
Ｓ８ ＤＬＣ膜形成工程
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド状炭素膜を金属溶湯と触れる表面の少なくとも一部に有する成形用金型を用いて前記金属溶湯を固化させる金属の成形方法であって、
前記成形用金型の置かれた雰囲気を真空置換する真空置換工程と、
前記雰囲気が真空置換された後に、前記金属溶湯を前記成形用金型に充填して、臨界冷却速度以上の冷却速度で急冷することにより、前記金属溶湯を固化させ、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有する非晶質合金の成形品を形成する成形工程と、
を備えることを特徴とする金属の成形方法。
【請求項２】
前記金属溶湯の材料は、Ｚｒ基合金を形成する金属材料である
ことを特徴とする請求項１に記載の金属の成形方法。
【請求項３】
前記成形工程では、前記金属溶湯を遠心鋳造法によって前記成形用金型に充填する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の金属の成形方法。
【請求項４】
前記真空置換工程では、前記雰囲気を不活性ガス雰囲気に真空置換する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属の成形方法。
【請求項１】
ダイヤモンド状炭素膜を金属溶湯と触れる表面の少なくとも一部に有する成形用金型を用いて前記金属溶湯を固化させる金属の成形方法であって、
前記成形用金型の置かれた雰囲気を真空置換する真空置換工程と、
前記雰囲気が真空置換された後に、前記金属溶湯を前記成形用金型に充填して、臨界冷却速度以上の冷却速度で急冷することにより、前記金属溶湯を固化させ、２０Ｋ以上のガラス遷移領域を有する非晶質合金の成形品を形成する成形工程と、
を備えることを特徴とする金属の成形方法。
【請求項２】
前記金属溶湯の材料は、Ｚｒ基合金を形成する金属材料である
ことを特徴とする請求項１に記載の金属の成形方法。
【請求項３】
前記成形工程では、前記金属溶湯を遠心鋳造法によって前記成形用金型に充填する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の金属の成形方法。
【請求項４】
前記真空置換工程では、前記雰囲気を不活性ガス雰囲気に真空置換する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属の成形方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１６６２０６（Ｐ２０１２−１６６２０６Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７２４４（Ｐ２０１１−２７２４４）
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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