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1、JD06-06 通過高機能表面處理Tribec魁（SAKIGAKE）來提高壓鑄模具部件壽命 Improvement of mold parts life by high performance surface treatment Tribec SAKIGAKE in die castings Tribec是日立金屬株式會社的註冊商標1.目的 以汽缸体為首的機動車引擎等零部件及大型液晶TV和其他通信電器外殼等，爲達到更加輕巧的目的，對鋁合金壓鑄品的需求量大幅度地提高。機動車方面，由於高燃料會帶來環境問題，所以，採用鋁合金、鎂合金，實現超薄肉化，及支架、行走部分的鋁合金化和零部件的一體化也是當務之
2、急。另一方面，在國際價格競爭的大背景下，還要致力於鋁合金壓鑄品鑄造循環數的縮短、生産性的提高,實現高品質化及製作間隔的短縮等附加值。但是，伴隨鑄造周期的短縮化，模具零部件的運作環境也變得過於苛刻，這成爲降低模具壽命的主要原因，所以，爲了降低模具成本和保養的費用，就要提高模具壽命。 其中，拔模pin是模具部件中壽命最短的。拔模pin的損傷形態可分爲拉模、粘模、溶損及斷pin等等。其壽命因形狀及適用條件會有各種不同變化。特別是比預期壽命更早發生突發性斷pin時，不僅影響製造工段，也增加了模修的工作量。還有，這種突發性故障導致預定模具壽命的縮短，從而增加了更換的頻率和保養的次數，加重了成本。所以，拔
3、模pin壽命的提高和穩定，不僅對生産性，對綜成本的消減也有重要的意義。 因此，對模具、拔模pin、入子等廣泛的實施著，從較便宜的擴散滲氮處理到PVD、P-CVD、TD等較貴的硬質皮膜覆蓋處理，起到了各種提高壽命的效果。 但是，用于壓鑄模的表面處理，必須可以提高耐熱裂性、耐拉模性、耐溶損性等特性。由於作業的苛刻性，就要求要同時可以具有以上多種特性。 所以，本研究中，對壓鑄模的拔模pin、入子的損傷狀態進行了調查，解釋分析了涉及模具壽命的原因。所以，為適應苛刻作業環境，就要重視對壓鑄上的拔模pin、入子的表面處理。此次開發的Tribec魁（SAKIGAKE）就是專門用於壓鑄中有表面特性要求的高機能
4、表面處理，這個處理適用于拔模pin等壓鑄模部件，並有效提高模具壽命。2.實驗方法 採用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡來觀察微觀組織和損耗狀況。 通過測定各種凃覆材在高溫下的摩擦係數來評價高溫下對鋁的皮膜親和性。測量採用的是Ball On Disc的方法。Ball側使用的材料為純鋁（Al050），Disc側用的是各種凃覆材（母材DAC55）的試驗樣本。試驗是在500的大氣中，摩擦速度150mm/s，試驗荷重2N，無潤滑狀態下進行的。 耐裂性的評價利用的是洛氏壓痕試驗。此過程是壓痕周圍的母材發生塑性變形而堆起，而不能隨變形而延展的凃覆材料順著壓痕而發生裂紋。本研究中，在母材上使用SKD61（46HRC
5、），在模具材料的塑性變形較大的苛刻條件下測試耐裂紋性。另外，本試驗方法，除了可以簡單地檢測凃覆材料的耐裂紋性以外，也可以簡單的檢測密着性，所以被廣泛的使用著。對熔融鋁的耐溶損性的檢測，在溶湯中加鋁合金（AC4C），把實施了1090L的各種凃覆材的試驗樣本，以90次/分，行程30mm的標準使其上下運動。 實際模具上的測定，是在日產自動車株式會社的鋁式壓鑄機上，對2种模具的拔模pin實施了合適的Tribec魁處理。3.結果及檢測3-1.拔模pin、入子的損傷形態的分類 調查實際模具上的拔模pin、入子的損傷形態，分析影響壽命的因素。圖1中顯示了從斷面上觀察拔模pin上發生的裂紋。其中，鋁合金附著的
6、領域，有很多的微小裂紋。另外，某些裂紋還會優先延伸發展。以上的損傷狀態中，認爲那些優先延伸發展的裂紋，會引起拔模pin的折斷。圖2中，實施了PVD凃覆材的拔模pin的損傷相片。可知PVD凃覆材上發生的裂紋中插有鋁合金，產生了溶損。另外，圖3中，顯示了黏著鋁合金的拔模pin的外觀相片。如圖1雖沒有發生裂紋，但從黏著著鋁合金的部位開始，可看到會有溶損的傾向。 通過以上的事例可知，可以把拔模pin的損傷分爲2類。首先，第一類是因鋁合金的凝固收縮導致拔模pin的撓曲、裂紋發生，並從裂紋処開始溶損甚至折損。裂 紋圖1 拔模pin上裂紋的斷面相片圖2 採用合適的PVD后的拔模pin的損傷SEM相片拉模=溶
7、損拔模pin的損耗例（TiN）圖3採用合適的PVD的拔模pin黏著部的外觀相片接下來是第二類，對研磨痕等的機械式拉模、表面處理層和鋁合金的化學式親和性引起的粘模成爲溶損的起點，進一步導致損耗。到此爲止，適用于拔模pin、入子的表面處理開發雖然都比較重視耐溶損性,但用于壓鑄的表面處理中，除了重視耐溶損性外，對耐熱裂性及耐拉模性等特性要求也高。3-2.Tribec魁的開發理念 Tribec魁就是在PVD的基礎上使用多種不同等離子源的復合凃覆技術進行表面處理，以上述拔模pin、入子的損傷狀態的詳細分析結果為基礎，重視用於壓鑄的拔模pin、入子的必要表面特性而開發的Cr系PVD凃覆。 圖4圖解了Tri
8、bec魁的開發理念。Tribec魁適用于，表面側是重視耐裂性、耐拉模性的皮膜，母材側是重視耐溶損性及和母材的密着性的皮膜。模具材料耐裂性，耐拉模性耐溶損性，和鋼的密着性圖4 Tribec魁的表面被覆構造3-3.高溫摩擦特性 圖5顯示的是在高溫條件下，各種凃覆層對於鋁的的摩擦系數。Tribec魁，與其它的TiN,CrN,TiAlN等一般硬質皮膜相比，高溫下的摩擦系數較低且穩定。 圖5 各凃覆層的高溫摩擦特性但由於CrN,TiAlN發生了顯著的凝固所以中止了試驗。圖6顯示的是Ball On Disc試驗后的各凃覆層的外觀。可知TiN,CrN,TiAlN上鋁的附著很顯著。其中，CrN、TiAlN等有
9、比較耐氧化的凃覆層明顯有鋁黏著。但是沒有觀察到Tribec魁上有黏著。Ball On Disc試驗后的Tribec魁的摩擦面的擴大相片及表面的剖面圖入圖7所示。從表面的剖面圖也不能發現黏著，所以認爲對鋁的化學親和性較低。圖8顯示了影響各凃覆層的平均摩擦系數的試驗溫度沒有附著Al 圖6 Ball On Disc試驗后的各試驗樣本的外觀沒有附著Al圖7 Tribec魁的摩擦面的擴大相片及表面的剖面圖圖8 影響平均摩擦系數的試驗溫度 伴隨試驗溫度的上升，鋁材就越容易黏著，TiN、CrN、TiAlN的摩擦系數也增大了。而Tribec魁，即使試驗溫度上升摩擦系數也幾乎不發生變化，試驗溫度在500時，同其
10、它凃覆層的摩擦系數的差別較大。 這是因爲各凃覆層開始氧化的溫度：TiAlN約為900，CrN約為700，TiN約為600，Tribec魁較低為400，在Ball On Disc試驗中高溫下的氧化會影響平均摩擦系數。 由此可知，適用于最表層的皮膜在壓鑄模的表面溫度為300-500 條件下時，Tribec魁最適合氧化，形成穩定的化學氧化層。總之，由於此氧化層的形成，降低了和鋁的化學親和性，從而抑制了鋁的附著。3-4.耐裂性 圖9中，顯示了通過洛氏壓痕試驗，檢測了耐裂紋性。這裡，Tribec魁沒有發生裂紋，TiN、CrN、TiAlN有裂紋發生。，適用于切削工具的TiN和TiAlN，TiN的硬度約為2
11、000HV，TiAlN的硬度約為2600HV的硬質皮膜，所以裂紋較長且幾乎都分佈在壓痕的周圍。另外，把硬度降低到1600HV的CrN同TiN、TiAlN相比，裂紋的發生也減少了。而Tribec魁，合適的皮膜硬度為1900HV，儘管比CrN的硬度高，但有很好的耐裂性。3-5.對熔融鋁的耐溶損性 圖10顯示了對各凃覆層的耐溶損性的測定。VC最早溶損，約700分鐘的溶損率為1%。另外，其他的PVD凃覆層雖然多少有差異，但耐溶損性大體相同。而Tribec魁的溶損率達到1%的試驗時間約為1200分鐘。總之，可以說Tribec魁的耐溶損性同其他的PVD凃覆層TiN、CrN具有大體相同的特性。Tribec
12、魁CrNTiNTiAlN圖9 各凃覆層的耐裂性測定結果3-6.實際模具上進行壽命測定 接下來，在日產自動車株式會社的鋁件汽缸体的壓鑄模上，對拔模pin實施了合適的Tribec魁來改善壽命。圖11顯示了對5個不同部位的拔模pin實施了合適的Tribec魁來改善壽命的實例。把以往SKD61質的拔模pin凃覆了PVD-TiCN后的壽命指數定為1來進行評價。其中，AD的拔模pin的壽命提高了3倍以上，E甚至可以達到6倍。圖12中顯示了適用A的拔模pin的外觀 相片及與以往產品的外觀相比的相片。以往的拔模pin，粘模嚴重且容易變形，壽命短。而在SKD61質的拔模pin上實施了Tribec魁后，不僅壽命比
13、原來提高了3倍，鋁合金也只有少量的粘模，從而帶來了壽命的巨大改善。在圖13中顯示了在不同規格的汽缸体模具上，對5個不同部位的拔模pin實施了合適的Tribec魁改善了壽命的事例。其中FJ的拔模pin與以往的產品相比，壽命提高了2倍。以上的2個試驗，由於採用了合適的Tribec魁，不僅提高了壽命，而且在拔模pin壽命的有效期内，可以進行保養、因拔模pin突然折斷的維修次數也減少了很多，最終降低了縂成本。這個在鎂合金壓鑄的拔模pin上也可以得到同樣的效果。 圖11 在實際模具上對Tribec的測定結果以往的產品圖12 實際模具上使用的拔模pinA的外觀相片 圖13 不同規格的模具上Tribec魁的
14、測定結果4.結束語 基於壓鑄模的拔模pin及入子的損傷原因，以適應苛刻的使用環境為目的，開發壓鑄專用的高機能表面處理Tribec魁，使之適用于實際模具上的拔模pin等壓鑄模的零部件。得出以下的結論：（1）根據對實際模具上的拔模pin及入子的損傷原因的分析，用於壓鑄的表面處理除了重視耐溶損性，還要關注耐裂性、耐拉模性等重要特性。（2）開發了適合處理表面是重耐裂性、耐拉模性的皮膜，母材是側重耐溶損性、和母材的密着性皮膜的高機能PVD處理Tribec魁。（3）Tribec魁與其他的TiN、CrN、TiAlN等一般硬質皮膜相比，在高溫條件下的摩擦系數要低且穩定。另外，關於TiN、CrN、TiAlN鋁的
15、附著很明顯，而Tribec魁上觀察不到有附著。由此可知，Tribec魁具有優越的耐拉模性。（4）關於耐裂性的評價。TiN、CrN、TiAlN發生裂紋，Tribec魁，適用皮膜的硬度約為1900HV，儘管比CrN的要高，但不會發生裂紋，所以具有比較優越的耐裂性。（5）Tribec魁的熔融鋁的耐溶損性，同其他的PVD凃覆層如TiN、CrN有大體相同的特性。（6）在實際模具的拔模pin上實施了合適的Tribec魁的結果是，與以往的PVD凃覆層相比，壽命提高了2倍以上，抛光等的保養周期也可以相應延長。 最後，為使模具適應苛刻的作業環境，開發了用於壓鑄模零部件的高機能表面處理Tribec魁，並在實際模具
16、上確認出它的有效性。但是，由於模具使用條件的多樣化，所以還不是萬能的。今後還請各商家賜教，從而更好地致力於擴充這一系列的研發。Tribec是日立金屬株式會社的註冊商標 蒈蚅肁芅莄蚅螀肈莀蚄羃莃虿蚃肅膆薅蚂膇莁蒁蚁袇膄莆蚀罿莀节蝿肂膂薁蝿螁莈蒇螈羃膁蒃螇肆蒆荿螆膈艿蚈螅袈肂薄螄羀芇蒀螃肂肀莆袃螂芆节袂袄肈薀袁肇芄薆袀腿膇蒂衿衿莂莈袈羁膅蚇袇肃莀薃羇膆膃葿羆袅荿莅薂羈膂芁薁膀莇虿薁衿芀薅薀羂蒅蒁蕿肄芈莇薈膆肁蚆薇袆芆薂蚆羈聿蒈蚅肁芅莄蚅螀肈莀蚄羃莃虿蚃肅膆薅蚂膇莁蒁蚁袇膄莆蚀罿莀节蝿肂膂薁蝿螁莈蒇螈羃膁蒃螇肆蒆荿螆膈艿蚈螅袈肂薄螄羀芇蒀螃肂肀莆袃螂芆节袂袄肈薀袁肇芄薆袀腿膇蒂衿衿莂莈袈羁膅蚇袇肃莀
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23、莅薂羈膂芁薁膀莇虿薁衿芀薅薀羂蒅蒁蕿肄芈莇薈膆肁蚆薇袆芆薂蚆羈聿蒈蚅肁芅莄蚅螀肈莀蚄羃莃虿蚃肅膆薅蚂膇莁蒁蚁袇膄莆蚀罿莀节蝿肂膂薁蝿螁莈蒇螈羃膁蒃螇肆蒆荿螆膈艿蚈螅袈肂薄螄羀芇蒀螃肂肀莆袃螂芆节袂袄肈薀袁肇芄薆袀腿膇蒂衿衿莂莈袈羁膅蚇袇肃莀薃羇膆膃葿羆袅荿莅薂羈膂芁薁膀莇虿薁衿芀薅薀羂蒅蒁蕿肄芈莇薈膆肁蚆薇袆芆薂蚆羈聿蒈蚅肁芅莄蚅螀肈莀蚄羃莃虿蚃肅膆薅蚂膇莁蒁蚁袇膄莆蚀罿莀节蝿肂膂薁蝿螁莈蒇螈羃膁蒃螇肆蒆荿螆膈艿蚈螅袈肂薄螄羀芇蒀螃肂肀莆袃螂芆节袂袄肈薀袁肇芄薆袀腿膇蒂衿衿莂莈袈羁膅蚇袇肃莀薃羇膆膃葿羆袅荿莅薂羈膂芁薁膀莇虿薁衿芀薅薀羂蒅蒁蕿肄芈莇薈膆肁蚆薇袆芆薂蚆羈聿蒈蚅肁芅莄蚅螀肈莀蚄羃莃虿蚃肅膆薅蚂膇莁蒁蚁袇膄莆蚀罿莀节蝿肂膂薁蝿螁莈蒇螈羃膁蒃螇肆蒆荿螆膈艿蚈螅袈肂薄螄羀芇