專利名稱：處理模具的表面的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種處理模具的表面的方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種形成覆蓋模 具的表面的碳膜的方法。
背景技術：
使用模具來大量生產具有相同形狀和質量的產品的技術是已知的。日本專利申 請2008-105082號公報(JP-A-2008_1050^)記載了用碳膜覆蓋模具的表面以使得模制 后的產品可容易地從模具上脫下。JP-A-2008-105082記載了用纖維狀納米碳覆蓋模具 的表面以改善表面的耐磨性、耐蝕性、熱傳導性、摩擦特性和機械強度。利用這種技術，例 如，對于鑄造模具，熔體不易于附著在鑄造模具上，從而可延長鑄造模具的使用壽命。在 JP-A-2008-105082中，例舉了碳納米線圈、碳納米管和碳納米絲作為納米碳的示例。它們被 歸類為結晶碳。根據(jù)在JP-A-2008-105082中記載的技術，可通過纖維狀納米碳的錨固效應來防 止碳膜與模具表面分離。但是，單單通過納米碳的這種錨固效應，在利用模具重復進行生產 (鑄造)過程時碳膜易于與模具表面分離。JP-A-2008-105082記載了當在碳膜和模具表面 之間設置氮化物層等時可抑制碳膜與模具的分離。然而，通過這種方法，在重復進行生產過 程時會不可避免地發(fā)生氮化物層的開裂或碳膜與氮化物層的分離。當碳膜與模具分離時， 必須進行維護操作以重新提供碳膜。這樣，需要一種可防止碳膜與模具之間的分離且能進 一步延長模具的使用壽命的技術。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種用無定形碳(非晶形碳)層覆蓋模具的表面并將富勒烯 (fullerene)凝結在無定形碳層中存在的空隙內的方法。富勒烯是具有封閉殼結構的碳團簇并且通常具有在60和130之間的偶數(shù)個碳原 子。具體的示例包括 C6Q、C70, C76, C78, C80, C82, C84, C86, C88, C90, C92, C94 和 C96 碳團簇以及具有 更多數(shù)量碳原子的更高級次的碳團簇。如本文所用的術語“富勒烯”除上述富勒烯之外還 意圖包括通過用其它分子或官能團對富勒烯分子進行化學改性所獲得的富勒烯派生物。本發(fā)明的一個方面涉及一種處理模具的表面的方法。該模具表面處理方法包括將 富勒烯供給到覆蓋所述模具的表面的無定形碳層中，和在用覆蓋部件覆蓋所述無定形碳層 的表面的狀態(tài)下將所述無定形碳層加熱到至少400°c。根據(jù)上述表面處理方法，用富勒烯充填無定形碳層中的空隙。當被加熱到400°C或 更高時，富勒烯從固體升華為氣體，此后轉化為無定形態(tài)。也就是說，由于上述處理方法，無 定形碳層被致密化，使得碳膜(無定形碳層)與模具之間的結合由此增強，并且能有效地防 止碳膜與模具分離。由于覆蓋部件與碳膜接觸，所以已升華為氣體的富勒烯滲透到碳膜內。也就是說， 已升華為氣體的富勒烯被限制從碳膜漏出。例如，當在不使覆蓋部件與碳膜的表面接觸的3情況下將無定形碳層加熱到400°C或更高時，已升華為氣體的富勒烯可擴散到碳膜的外部。 這樣，碳膜不能被充分地強化。另一方面，當將富勒烯供給到結晶碳層中時，富勒烯在升華 為氣體時通過結晶碳層并滲透到模具內。這樣，即使在將富勒烯供給到結晶碳層中時，富勒 烯強化碳膜(結晶碳層)的效果也會減弱。在根據(jù)本發(fā)明一個方面的處理模具的表面的方 法中，當以下兩個條件都滿足時可獲得被強化的碳膜“覆蓋模具的碳膜由無定形碳構成”， 和“碳膜在被覆蓋部件覆蓋的狀態(tài)下被加熱到400°C或更高”。無定形碳的示例包括碳納米纖維和DLC(類金剛石碳)?！案采w部件”的材料不受 限制，只要在無定形碳層被加熱時它能覆蓋無定形碳層的表面即可。例如，“覆蓋部件”可以 是熔點為400°C或更高的金屬板?；蛘撸案采w部件”可以是陶瓷板。另外，無定形碳層可以 經由或不經由“覆蓋部件”被加熱。覆蓋部件可由熔點比模具的熔點低的金屬制成。在這種情況下，能通過將覆蓋部 件(金屬)加熱為熔融狀態(tài)并將已被供給以富勒烯的無定形碳層浸漬到該金屬(金屬熔 體)中而將無定形碳層加熱到至少400°c。在根據(jù)本發(fā)明所述方面的處理模具的表面的方法中，在將被所述覆蓋部件覆蓋的 無定形碳層加熱到400°c或更高之后，可將仍處于被所述覆蓋部件覆蓋的狀態(tài)的所述無定 形碳冷卻到低于400°C。這可防止已升華為氣體并滲透到碳膜內的富勒烯再次擴散到碳膜 的外部。也就是說，能確保已升華為氣體的富勒烯凝結在碳膜內。在將浸漬在所述金屬(金屬熔體)中的無定形碳層加熱到至少400°C之后，可在惰 性氣氛中將所述無定形碳層與所述金屬分離。能防止對碳膜和富勒烯的氧化。當如上所述地將無定形碳層浸漬到金屬熔體中時，已被供給到碳膜中的富勒烯被 金屬熔體密閉。這可確保已升華為氣體的富勒烯滲透到碳膜內。被用作金屬熔體的金屬可以例如是在JIS中規(guī)定的ADC12，或錫?？蓪⒓訜崴鰺o定形碳層的溫度的上限設定在不使模具變形超過規(guī)定程度的范 圍內。例如，加熱所述無定形碳層的溫度的上限可以是700°C?？稍谒瞿＞吆退鰺o定形碳層之間設置防止?jié)B碳的層。所述防止?jié)B碳的層可以 是氮化物層或硫化層。按照根據(jù)本發(fā)明所述方面的處理模具的表面的方法，能防止設置在模具的表面上 的碳膜與模具表面分離。


從下面參照附圖對優(yōu)選實施例的描述中將清楚看到本發(fā)明的上述和其它特征及 優(yōu)點，在附圖中相似的附圖標記用于表示相似的元件，并且其中圖1是已被供給以富勒烯的碳膜的示意圖；圖2是示出富勒烯滲透到碳膜內的現(xiàn)象的示意圖(1)；圖3是示出富勒烯滲透到碳膜內的另一現(xiàn)象的示意圖(2)；圖4是示出富勒烯擴散到碳膜外部的現(xiàn)象的示意圖；圖5是示出富勒烯通過碳膜并滲透到模具內的現(xiàn)象的示意圖；圖6是在示例中獲得的碳膜的表面的SEM圖像；圖7是第一比較示例的碳膜的表面的SEM圖像(1)；以及
圖8是第二比較示例的碳膜的表面的SEM圖像⑵。
具體實施例方式下面描述本發(fā)明的實施例的技術特征。將富勒烯供給到覆蓋模具的表面的無定形 碳層中可通過將含有富勒烯的液體涂覆到無定形碳層的表面上來實現(xiàn)。通過將含有富勒烯 的液體涂覆到無定形碳層的表面上，能將富勒烯均勻地供給到無定形碳層中。其中分散有 富勒烯的液體優(yōu)選地選自醇。由于富勒烯容易分散在醇中，所以容易制備含有富勒烯的液 體。另外，在將所述液體涂覆在無定形碳層上之后，醇揮發(fā)，從而只有富勒烯留在無定形碳 層中。這樣，不必將醇擦除掉。模具可由在JIS中規(guī)定的SKD61 (熱鍛模鋼)制成。模具的一個示例是用于生產 鋁制產品的鑄造模具。模具的表面用碳膜覆蓋。碳膜由富勒烯強化。這樣，可確保鋁熔體 的流動性并防止鋁熔體滲透到碳膜內。模具的表面可用碳膜(無定形碳層)直接覆蓋?；蛘?，可在模具和碳膜之間設置 氮化物層和/或硫化層。下面描述本發(fā)明的示例。首先描述將富勒烯涂覆在碳膜(無定形碳層)上的方 法。用碳膜覆蓋模具表面的方法和在模具表面上設置碳膜并在它們之間設置氮化物層和/ 或硫化層的方法是公知的。因此，這里省略對它們的說明。如圖1所示，用刷子將含有按重量計為1 %的富勒烯C6C1(NANOMPURPLE ST,由 Frontier Carbon Corporation制造)的異丙醇涂覆在已形成有無定形碳層4的模具2的 表面上。然后，允許異丙醇在常溫下?lián)]發(fā)，使得只有富勒烯C6tl粉末6留在無定形碳層4中。 在下面的描述中，富勒烯C6tl粉末6有時將被稱作“富勒烯6”，而無定形碳層4有時將被稱 作“碳膜4”。在此階段，碳膜4與富勒烯6通過范德瓦爾斯力結合。此后，將模具2加熱到 300°C。在此階段，碳膜4與富勒烯6彼此共價結合。富勒烯6僅存在于碳膜4的表面附近 的有限區(qū)域內并且不會較深地滲透到碳膜4內。接下來，如圖2所示，使金屬板8與碳膜4的表面接觸。然后將金屬板8加熱到 400至700°C之間。金屬板8是覆蓋部件的一個示例。當金屬板8被加熱時，碳膜4的溫度 升高。當碳膜4 (富勒烯6)的溫度超過400°C時，粉末狀的富勒烯6升華為氣體并滲透到碳 膜4內。此后，在金屬板8保持與碳膜4的表面接觸的情況下將模具2冷卻到大約300°C。 然后，氣態(tài)的富勒烯6在碳膜4內凝結成固態(tài)。這可防止已升華為氣體的富勒烯6擴散到 碳膜4的外部。此后，將金屬板8移除并對模具2進行冷卻。在下面的描述中，從固態(tài)到氣 態(tài)的相變被稱作“升華”，而從氣態(tài)到固態(tài)的相變被稱作“凝結”。升華了的富勒烯6流入碳 膜4中的空隙內。換句話說，碳膜4的脆弱部位被富勒烯6充填。當富勒烯6凝結時，無定 形碳層(碳膜4)和已轉化為無定形態(tài)的富勒烯通過金屬鍵彼此結合。由于碳膜4被致密 化和強化，所以能夠有效地防止碳膜4與模具2分離。由于碳膜4和富勒烯6通過金屬鍵 牢固地彼此結合，所以例如即使在使高溫材料與碳膜4的表面接觸時，也可防止富勒烯6從 碳膜4漏出或滲透到模具2內?？蓪⒓訜峤饘侔?的溫度的上限設定在不使模具2變形超 過規(guī)定程度的溫度范圍內。在該示例中，由于模具2的熔點約為1400°C，所以優(yōu)選地將金屬 板8加熱到700°C或更低以防止模具2變形。如上所述，當已被供給以富勒烯6的碳膜4被加熱到400°C或更高時，碳膜4被強化。因此，即使在熱量隨后施加到碳膜4上時，也可防止富勒烯6從碳膜4漏出或滲透到模 具2內。碳膜4的強度可維持長時間。換句話說，即使在熱量施加到經致密化的碳膜4上 時，碳膜4的結構也不可能改變。具有上述碳膜4的模具2可用作用于生產鋁制產品的鑄 造模具。由于碳膜4被致密化，所以可防止鋁熔體滲透到模具內。另外，由于可防止碳膜4 與模具2的表面分離，所以可將鋁制產品的脫模阻力和附著長時間地維持在較低水平。當 在模具2和碳膜4之間設置防止?jié)B碳的層時，能更可靠地防止升華了的富勒烯6滲入模具 2中。防止?jié)B碳的層的具體示例包括氮化物層和硫化層。圖3示出將富勒烯6移送到碳膜4內的另一種方法。容器12容納金屬熔體10。 金屬熔體10具有400°C或更高的溫度。例如，可使用熔點為580°C的鋁合金(對應于在JIS 中規(guī)定的ADC12)、熔點為231. 9°C的錫等作為金屬熔體10。首先，在已將富勒烯6供給到碳 膜4中(見圖1)之后，將模具2浸漬到金屬熔體10中。碳膜4被金屬熔體10瞬時密閉和 加熱。在這種情況下，金屬熔體10實現(xiàn)覆蓋部件的功能。由于富勒烯6在碳膜4被密閉的 狀態(tài)下升華，所以富勒烯6較深地滲透到碳膜4內。此后，將模具2冷卻到400°C以下的溫 度并從金屬熔體10取出。然后除去附著在模具2上的金屬熔體10。之后，在室溫下冷卻模 具2。由此，升華了的富勒烯6凝結在碳膜4中。當例如使用錫作為金屬熔體10時，并且 當將模具2在450°C下浸漬到錫10中時，碳膜4在模具2的表面被密閉的狀態(tài)下被加熱到 400°C或更高。富勒烯6升華并且可滲透到碳膜4內。當模具2隨后被冷卻到300°C時，富 勒烯6在碳膜4中凝結。升華了的富勒烯6不會擴散到碳膜4的外部。由于錫的熔點如上 所述為231. 9°C，所以即使在富勒烯6已在碳膜4內凝結之后金屬熔體10也不會凝固。因 此，模具2能夠容易地從金屬熔體10中取出。該方法在模具的表面幾乎用碳膜完全覆蓋時 尤其有效。例如，當插芯的表面用碳膜覆蓋時，例如，插芯表面上的整個碳膜可通過一個過 程就得到強化。金屬熔體10可具有400°C或更高的凝固點。在這種情況下，凝固的金屬熔 體10可在模具2已冷卻到400°C以下的溫度之后從模具2上去除。將模具2從金屬熔體10中取出的工作和將凝固的金屬熔體10從模具2上去除的 工作優(yōu)選地在惰性氣氛如氮(N2)或氬(Ar)中進行?？煞乐箤μ寄?和富勒烯6的氧化。接下來，描述第一比較示例，其中在不使覆蓋部件與碳膜4的表面接觸的情況下 將碳膜4加熱到400°C或更高。如上所述，富勒烯在被加熱到400°C或更高時升華。當碳膜 4的表面如圖4所示地敞開時，升華了的富勒烯6從碳膜4漏出。這樣，碳膜4很難被致密 化，并且未解決碳膜4與模具2分離的問題。覆蓋部件具有將升華了的富勒烯6保留在碳 膜4內的功能。另外，上述實施例中的覆蓋部件還具有將熱量傳遞給已被供給到碳膜4中 的富勒烯6的功能。接下來描述第二比較示例，其中使用結晶碳作為碳膜4的材料。圖5中的附圖標 記如表示結晶碳層。當如圖5所示使金屬板8與結晶碳層如的表面接觸時，能夠防止升 華了的富勒烯6從結晶碳層如漏出到外部(大氣)。但是，升華了的富勒烯6經結晶碳層 如中的空隙滲透到模具2內。這樣，富勒烯6使得碳滲入到模具2內。因此，富勒烯使碳膜 4a致密化的效果減弱，并且未解決碳膜如與模具2分離的問題。如上所述，當以下兩個條件都滿足時碳膜可被強化在模具2的表面上設置有無 定形碳層，和已被供給以富勒烯的無定形碳層在被覆蓋部件覆蓋的狀態(tài)下被加熱到400°C 或更高。6
圖6是已用上述示例的方法處理過的碳膜4的SEM圖像。圖7是形成在第二模具 上的碳膜4 (無定形碳層)的SEM圖像。圖8是已被供給以富勒烯6 (但在碳膜4被加熱之 前)的碳膜4的SEM圖像。如圖8所示，當富勒烯6被供給到無定形碳層4中時，只觀察到 富勒烯6，而未觀察到無定形碳層4 (也見圖7)。這表明富勒烯6尚未滲透到無定形碳層4 中，而是主要處在無定形碳層4的表層內。相反，當用上述實施例的方法處理碳膜4時，可 觀察到無定形碳層4中的空隙被富勒烯6充填(見圖6)。也就是說，可觀察到碳膜4被致 密化。圖6是已被用來生產鋁制產品6000次的碳膜4的SEM圖像。已觀察到，無定形碳長 時間地留在已用上述實施例的方法處理過的碳膜中。盡管未示出，但當在密閉狀態(tài)下加熱 已被供給以富勒烯的結晶碳層時，在模具表面上觀察到滲碳層。上述示例和比較示例的結果概括如下。通過用無定形碳層覆蓋模具的表面，可防 止富勒烯滲入模具內。通過在用覆蓋部件覆蓋無定形碳層的狀態(tài)下加熱模具，可防止升華 了的富勒烯從無定形碳層漏出，并且富勒烯有效地滲透到無定形碳層內。結果，碳膜(無定 形碳層)被致密化并且變得不易于與模具分離。結晶碳通常呈纖維狀。纖維狀的材料可能 對人體有害。從安全角度說，使用無定形碳也是優(yōu)選的。另外，即使在碳膜與模具分離時， 無定形碳也比纖維狀的結晶碳對產品產生的損害小。在上述實施例中描述了使用刷子將含有富勒烯的液體涂覆在碳膜上的示例。但 是，例如，也可將粉末狀的富勒烯直接涂覆在碳膜上?；蛘?，可使用噴霧等向碳膜供給含有 富勒烯的液體。盡管已參照本發(fā)明的示例性實施例描述了本發(fā)明，但應當理解，本發(fā)明不限于所 述的實施例或構造。本發(fā)明意圖涵蓋各種變型和等同布置。此外，盡管以各種示例性的組 合和構型示出了本發(fā)明的各種要素，但包括更多、更少或僅單個要素的其它組合和構型也 在所附權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種處理模具O)的表面的方法，包括將富勒烯(6)供給到覆蓋所述模具的所述表面的無定形碳層中；和在用覆蓋部件(8，10)覆蓋所述無定形碳層的表面的狀態(tài)下將所述無定形碳層加熱到 400°C或更高。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述覆蓋部件(10)是熔點比所述模具的熔點低的金屬，并且通過將已被供給以所述富勒烯的所述無定形碳層浸漬到處于熔融狀態(tài)的所述金屬中 而將所述無定形碳層加熱到至少400°C。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中，在用所述覆蓋部件覆蓋所述無定形碳層并將 所述無定形碳層加熱到至少400°C之后，將仍處于被所述覆蓋部件覆蓋的狀態(tài)的所述無定 形碳層冷卻到低于400°C。
4.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中，在已將所述無定形碳層浸漬到所述金屬中并加 熱到至少400°C之后，在惰性氣氛中將所述無定形碳層與所述金屬分離。
5.根據(jù)權利要求2或4所述的方法，其中，所述金屬是在JIS中規(guī)定的ADC12，或錫。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中，將所述加熱溫度的上限設定在不使所述模具 變形超過規(guī)定程度的范圍內。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中，所述加熱溫度的所述上限為700°C。
8.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中，在所述模具和所述無定形碳層之間設置防止 滲碳的層。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中，所述防止?jié)B碳的層是氮化物層或硫化層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種處理模具的表面的方法。將富勒烯(6)供給到覆蓋模具(2)的表面的無定形碳層(4)中，并且在用覆蓋部件覆蓋所述無定形碳層的表面的狀態(tài)下將所述無定形碳層加熱到至少400℃。
文檔編號B22C9/06GK102049469SQ20101052858
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月28日 優(yōu)先權日2009年10月29日
發(fā)明者古川雄一 申請人:豐田自動車株式會社