[发明专利]金属材料的表面处理方法和通过表面处理方法处理的模具

说明书

发明背景

1.技术领域

本发明涉及金属材料的表面处理方法和通过该表面处理方法处理的模具。更具体地，本发明涉及在金属材料的表面上形成碳膜的方法和具有模腔表面的模具，在所述模腔表面上形成有碳膜。

2.相关技术描述

为了防止卡住，有时在模具（特别是铸模或锻模）的表面上进行特殊处理（表面处理）。作为一种方法，已经开发出在金属材料（模具）的表面层中形成氮化层并在该氮化层上形成碳膜的表面处理方法（例如，日本专利申请公开No.2010-36194（JP2010-36194A）和日本专利申请公开No.2008-105082（JP2008-105082A））。在JP2010-36194A和JP2008-105082A中公开的方法中，进行纳米碳膜形成法，其中在氮化气氛中在乙炔气体和硫化氢气体存在下对模具施以热处理。术语“纳米碳膜”是指含有至少一种选自碳纳米线圈、碳纳米管和碳纳米丝的纳米碳材料的碳膜。在模具的表面附近（在表面层中）形成氮化层并通过纳米碳膜形成法在该氮化层上形成纳米碳膜。在此，在氮化层与纳米碳膜之间形成化合物层。术语“氮化层”是指在氮渗入由铁或含铁合金制成的模具的表面层内时形成的层。

据信，在JP2010-36194A和JP2008-105082A中公开的表面处理方法中，硫化氢气体与金属材料中所含的铁（Fe）反应形成Fe-S化合物，并通过Fe-S化合物的催化作用在该金属材料的表面上形成纳米碳膜。当反应气体中含有硫化氢气体时，在该金属材料的表面上形成纳米碳膜。但是，使用硫化氢气体的反应体系需要高的设备和生产成本。

发明概述

本发明提供了使用稀硫酸代替硫化氢气体在金属材料表面上形成纳米碳膜的技术。本发明的第一方面包括：向主要由铁构成的金属材料的表面施用稀硫酸，在施用稀硫酸后、在于所述金属材料的表面层中形成氮化层的氮化条件下、在CO、CO₂和有机气体中的至少一种存在下对所述金属材料进行热处理，以在所述金属材料的氮化层的表面上形成碳膜，该碳膜包括碳纳米线圈、碳纳米管和碳纳米丝中的至少一种。

该金属材料中包括的Fe与稀硫酸反应形成硫酸铁，其引发在该金属材料表面上形成纳米碳膜。反应气体不必包括硫化氢气体。由于稀硫酸比硫化氢气体容易操作，因此可以降低设备和生产成本。

在形成氮化层的条件下对金属材料进行热处理包括在氮化气氛（例如包括氨气、氮气或脲的氮化气氛）中金属材料进行热处理。可以在非气体的氮化组分存在下对该金属材料施以热处理。换言之，在形成氮化层的条件下对金属材料进行热处理可以被视为“在气体或液体形式的含氮物质存在下加热金属材料直至在金属材料表面中形成氮化层”。作为有机气体，可以使用可通过在氮化气氛中进行热处理而在金属材料表面上形成纳米碳膜用的任何已知的有机气体。该有机气体的合适的实例包括碳数为1至4的烃的气体（例如乙炔气体、乙烯气体、丙烷气体、丁烷气体和甲烷气体）及其混合物（例如天然气），尤其优选使用乙炔气体。

可以在氨气气氛中在该金属材料的表面层中形成氮化层。

在该金属材料的表面上施用稀硫酸之前可以对该金属材料的表面层施以应力。此外，可以将富勒烯施用到形成的碳膜表面上。可以在将富勒烯施用到碳膜表面上后烧结该金属材料。

本发明的第二方面提供了具有模腔表面的模具，所述模腔表面上通过所述表面处理方法形成了碳膜。

根据本发明，可以在不使用硫化氢气体的情况下在金属材料表面上形成纳米碳膜。由此可以降低在金属材料表面上形成纳米碳膜所需的设备和生产成本。

附图简述

下面参照附图描述本发明的特征、优点以及示例性实施方案的技术和工业重要性，其中类似数字是指类似元件，且其中：

图1是示意性图解实施例中所用的金属材料试件的图；

图2是概念性图解实施例中所用的热处理炉的图；

图3是图解实施例的第二步骤中的温度分布的图；

图4是概念性图解纳米碳膜形成机制的图；

图5是实施例的样品的SEM二次电子像；

图6是显示实施例的样品的EDS绘图结果的图；

图7是显示实施例的样品的EDS绘图结果的图；

图8是图5中所示的未处理表面的放大图；

图9是图5中所示的喷丸表面的放大图；

图10是对比例1的样品的SEM二次电子像；

图11是显示对比例1的样品的EDS绘图结果的图；

图12是对比例2的样品的SEM二次电子像；