(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形金型（１）の少なくとも熱交換範囲を銅合金体（３Ａ）にて形成し、
前記銅合金体は少なくとも損傷しやすい負荷集中範囲に正規寸法よりも薄肉化した肉欠部（１３）を形成し、
肉欠部（１３）にレーザー熔接にて前記銅合金体より溶融温度の高い鉄系材（Ｆ）を肉盛熔接することで、肉欠部（１３）を鉄系肉盛部（４）にて覆い、該鉄系肉盛部を前記正規寸法に仕上げ加工することで鉄材層にて損傷しやすい負荷集中範囲を保護したことを特徴とするハイブリッド金型の製造方法。
【請求項２】
前記銅合金体（３Ａ）にキャビティ（Ｅ）を備え、該キャビティ（Ｅ）の製品形成面（ｅ）の少なくとも損傷しやすい負荷集中範囲に正規寸法よりも薄肉化した肉欠部（１３）を設け、該肉欠部（１３）を鉄系肉盛部（４）で肉盛熔接し、肉欠部（１３）を鉄系肉盛部（４）にて覆い、該鉄系肉盛部（４）を正規寸法に仕上げ加工することを特徴とする請求項１記載のハイブリッド金型の製造方法。
【請求項３】
銅合金体（３Ａ）に製品関連部（７）を備え、
製品関連部（７）の一つがキャビティ（Ｅ）に連続しパーテイングライン（ＰＬ）を形成するキャビティ連続部（３ａ）であり、そのキャビティ連続部（３ａ）に正規寸法より薄肉化した肉欠部（１３）を形成し、肉欠部（１３）を鉄系材（Ｆ）で肉盛熔接し、肉欠部（１３）を鉄系肉盛部（４）にて覆い、該鉄系肉盛部（４）を正規寸法に仕上げ加工し、キャビティ連続部（３ａ）を鉄材層にて保護したことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド金型の製造方法。
【請求項４】
製品関連部（７）の一つがキャビティ（Ｅ）に連続するゲート部（１２）であり、
ゲート部（１２）は、銅合金体（３Ａ）にキャビティ（Ｅ）に連続する切欠部（１９）を設け、その切欠部（１９）にレーザー熔接にて鉄系材（Ｆ）を肉盛熔接し、ゲート用鉄系肉盛部（１４）を形成した後、該ゲート用鉄系肉盛部（１４）にゲート路（２）を設け、切欠部（１９）を正規寸法に仕上げ加工し、鉄材層にて保護していることを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド金型の製造方法。
【請求項５】
キャビティ（Ｅ）の一部を部分成形体（８）にて形成し、その部分成形体（８）が少なくともキャビティ（Ｅ）に向けて往復動する摺動体（５）と、その摺動体（５）をスライド自在にガイドする摺動体受部（６）とからなり、摺動体（５）と摺動体受部（６）の少なくとも一方が銅合金体（３Ａ）からなり、該銅合金体（Ａ）の損傷しやすい負荷集中範囲に正規寸法より薄肉化した肉欠部（１３）を設け、該肉欠部（１３）に鉄系材（Ｆ）を肉盛熔接し、肉欠部（１３）を鉄系肉盛部（４）にて覆い、該鉄系肉盛部（４）を正規寸法に仕上げ加工し、鉄材層にて保護したことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のハイブリッド金型の製造方法。
【請求項６】
成形金型（１）が左金型（１１Ａ）と右金型（１１Ｂ）からなるブロー成形金型（１１）であり、左右金型（１１Ａ，１１Ｂ）の少なくとも熱交換範囲を銅合金体（３Ａ，３Ａ）にて各々形成し、該銅合金体の損傷しやすい負荷集中範囲に正規寸法より薄肉化した肉欠部（１３）を設け、該肉欠部（１３）に鉄系材（Ｆ）を肉盛熔接し、肉欠部（１３）を鉄系肉盛部（４）にて覆い、鉄系肉盛部（４）を正規寸法に仕上げ加工した鉄材層（４Ａ）にて保護したことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド金型の製造方法。
【請求項７】
肉欠部（１３）が正規寸法よりも所定の切込み深さ（ｔ）で薄肉化され、肉欠部（１３）に設ける鉄系肉盛部（４）は、鉄系材（Ｆ）をレーザー熔接にて単層又は多層に熔接したものであり、その肉盛厚さ（ｔ）が平均３ｍｍ以内であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のハイブリッド金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種製品の成形に用いる金型に関するもので、成形金型の母材として、又はその一部として非鉄金属材、特に銅合金材を用いたハイブリッド金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
金型として、合成樹脂成形用金型、ゴム成形用金型、ダイカスト金型、ガラス金型等が知られている。
また、これらの金型の製作には高価な工作機械と専門のオペレーターが必要とされ、特に、最後の仕上げ加工では、熟練工による手磨きが必要であるため、多額のコストと製作日数が必要となることも知られている。
一方、金型材料として、特に合成樹脂成形用金型の多くは金型用鋼材が使用されており、金型用鋼材以外の非鉄金属を用いることは極めて限定的である。
その理由として、金型用鋼材の使用歴史があり、その技術と経験が豊富で、高強度、多種類、安価、高品質（特に日本製）等が挙げられる。
【０００３】
しかし、成形金型において、熱伝導性もまた重要な必須要素（金型は樹脂製品の成形のみならず、高温樹脂を冷却固化するための熱交換器でもある）であるが、金型用鋼材は非鉄金属金型に比べて高強度である反面、熱伝導率が格段に劣る。
その結果、金型用鋼材内に射出された溶融樹脂が「均一」に素早く「冷却・固化」せず、冷却時間が長くなり、成形サイクルが非鉄金属金型に比べて長くなると言う欠点がある。
このことは、金型用鋼材の冷却速度に起因する製品成形速度の低下と、それに付随するコスト競争力の低下、及び製品の外観への悪影響等をもたらすので、製造現場で大きな課題となっている。
更に、熱バランスが取り難いために金型温度が安定せず、結果として成形品の変形、ヒケが発生し、品質問題や生産性に大きな課題を抱えている（金型は熱交換器と言える）。
そのため、金型用鋼材を用いた成形金型の設計では、冷却回路をいかに充実させるかが重要視されているが、鋼材の熱伝導率が亜鉛合金、アルミ合金、銅合金等の非鉄金属に比べて数段劣るので、熱伝導率を十分にカバーすることは容易でない。
従って、設計変更、加工ミス、成形段階での事故による破損、摩耗等の劣化に対処するには部分的又は全体を作り変える他に選択技がなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０８−１１８０４９号公報
【特許文献２】特開平１０−８５９７２号公報
【特許文献３】特開２０００−１５３３８０号公報
【特許文献４】特開２００８−８０３８８号公報
【特許文献５】特開２００９−６１９１号公報
【特許文献６】特許第２５０９１２５号公報
【特許文献７】実公平０７−１９６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで熱伝導性に優れた高強度銅合金が開発され、金型の一部または全体を高強度銅合金に置き換えて使用されるようになった。
しかし、高強度銅合金と言えども、金型用鋼材に匹敵する強度は無く、金型寿命が劣るのが現状である。
更に、金型用鋼材では一般に行われているＴＩＧ熔接による肉盛が、銅合金では非常に難しく不可能に近いことが知られている。
一方、肉盛熔接として、最近ＹＡＧレーザー熔接（イットリウム、アルミニウム、ガーネットレーザー）が注目され、著しい発展を見せており、これにより金型修復技術は格段の進歩を見るに至っている。
銅合金体に対する異種材の鋼材を接合する技術は未だ確立されておらず、その技術が確立できれば熱伝導と強度に優れた銅合金と、耐久性に優れた鋼材から成るハブリッド金型の製造が可能となり、新しい産業として世に送り出せる。
即ち、熱伝導に優れた銅合金と、強度とコストに優れた鋼材の特徴を兼ね備えたハイブリッド金型が出来れば革新的な技術となる。
【０００６】
発明者は、かねてより亜鉛金属製金型の研究に取組み、金型用材料としての高熱伝導性の効果を確認していたが、高強度化の工夫には充分な成果を得るに至っていなかった。
近年、レーザー熔接の導入に伴い、亜鉛、アルミ、銅合金に対する熔接を試みた所、銅合金に対して極めて健全な熔接効果を得ることができたことから、本発明の着想を得て、「鋼材の高強度」と「銅合金の高熱伝導」の特徴を兼ね備えたハイブリッド金型を、必要に応じて任意に作り出すことを可能としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明のハイブリッド金型の製造方法は、成形金型の少なくとも熱交換範囲を銅合金体にて形成し、該銅合金体は少なくとも損傷しやすい負荷集中範囲に正規寸法よりも薄肉化した肉欠部を形成し、肉欠部にレーザー熔接にて銅合金体より溶融温度の高い鉄系材を肉盛熔接し、肉欠部を鉄系肉盛部にて覆い、該鉄系肉盛部を仕上げ加工し、鉄材層にて損傷しやすい負荷集中範囲を保護していることを特徴とする。
請求項２は、請求項１記載のハイブリッド金型の製造方法において、銅合金体にキャビティを備え、該キャビティの製品形成面の少なくとも損傷しやすい負荷集中範囲に正規寸法より薄肉化した肉欠部を設け、該肉欠部を鉄系肉盛部で肉盛熔接し、肉欠部を鉄系肉盛部にて覆い、該鉄系肉盛部を正規寸法に仕上げ加工し、鉄材層で覆っていることを特徴とする。
【０００８】
ここでハイブリッド金型とは、熱伝導の良い非鉄金属体と、耐久力のある鉄系材とから構成した金型を言い、金型全体を非鉄金属体にて形成し、少なくとも溶湯に触れる所を鉄材層にて覆うものも含まれるし、従来と同様の金型用鋼材に、非鉄金属体の入れ子型を施し、入れ子型にキャビティを形成するものも含まれる。
ここでキャビティとは、成形金型内に設ける成形品を形成するための空部、溶湯樹脂を入れる空部、溶湯樹脂が通過する空部等を言い、キャビティ雌部とキャビティ雄部との間の空部を言う。
ここで鉄系肉盛部とは、鉄系材の肉盛熔接により形成された部位を言い、仕上げ加工とは、鉄系肉盛部の表面に対する切削や研磨加工等を言い、鉄材層とは、仕上げ加工が終わった鉄系肉盛部を言う。
ここで熱交換範囲とは、加熱状態と冷却状態が交互に繰り返される範囲で、特に短時間で熱交換を頻繁に行なう必要がある範囲（熱の影響を受けやすい範囲で、例えば、キャビティ、ゲート等）を言い、損傷しやすい負荷集中範囲とは、ゲート部及びキャビティにおけるダイレクトゲートの相対向側製品形成面、溶湯が強く当るキャビティ角部や形状及び流路急変化部等を言う。
【０００９】
請求項３は、銅合金体に製品関連部を備え、製品関連部の一つがキャビティに連続しパーテイングラインを形成するキャビティ連続部であり、そのキャビティ連続部に正規方法より薄肉化した肉欠部を形成し、肉欠部を鉄系材で肉盛熔接し、肉欠部を鉄系肉盛部にて覆い、該鉄系肉盛部に仕上げ加工し、鉄材層にてキャビティ連続部を保護していることを特徴とする。
請求項４は、ハイブリッド金型製造方法において、製品関連部の一つがキャビティに連続するゲート部であり、ゲート部は、銅合金体にキャビティに連続する切欠部を設け、その切欠部にレーザー熔接にて鉄系材を肉盛熔接し、ゲート用鉄系肉盛部を形成した後、該ゲート用鉄系肉盛部にゲート路を設け、切欠部を正規寸法に仕上げ加工し、鉄材層で保護していることを特徴とする。
【００１０】
ここで成形金型とは、固定金型と可動金型とから構成されるもの、更にコア金型を組み込むものを言い、主に合成樹脂製品の射出成形やブロー成形に用いる金型を言うが、圧縮成形、押出し成形等にも応用し得るし、金属製品の製造金型等にも応用し得る。
ここでパーテイングラインとは、固定金型と可動金型の型閉め時に当接する相対向面、或は固定金型と可動金型を構成する非鉄金属体の型閉め時に当接する相対向面を言う。
ここで製品関連部とは、キャビティに関連する例えばパーテングライン（以下、ＰＬとする。）のキャビティ連続部を言い、摺動体とは、キャビティに向けて往復動する突き出しピンとスライドコア等を言い、摺動体露出部とは、キャビティ内に突出する範囲と、それに続く一定範囲を言う。
ここで摺動体受部とは、突き出しピン挿入孔とコアガイドを言い、摺動体受部の受部入口側とは、キャビティに面している側を言う。
【００１１】
本発明は、キャビティの一部を部分成形体にて形成し、その部分成形体が少なくともキャビティに向けて往復動する摺動体と、その摺動体をスライド自在にガイドする摺動体受部とからなり、摺動体と摺動体受部の少なくとも一方が銅合金体からなり、該銅合金体の損傷しやすい負荷集中範囲に正規寸法より薄肉化した肉欠部を設け、該肉欠部に鉄系材を肉盛熔接し、肉欠部を鉄系肉盛部にて覆い、該鉄系肉盛部を正規寸法に仕上げ加工し、鉄材層にて保護してもよい。
また、本発明は、成形金型が左金型と右金型からなるブロー成形金型であり、左右金型の少なくとも熱交換範囲を銅合金体にて各々形成し、損傷しやすい負荷集中範囲に正規寸法より薄肉化した肉欠部を設け、該肉欠部に鉄系材を肉盛熔接し、肉欠部を鉄系肉盛部にて覆い、鉄系肉盛部を正規寸法に仕上げ加工し、鉄材層にて保護していることを特徴とする。
本発明は、肉欠部が正規寸法よりも所定の切込み深さで薄肉化され、肉欠部に設ける鉄系肉盛部は、鉄系材をレーザー熔接にて単層又は多層に熔接したものであり、その肉盛厚さが平均３ｍｍ以内にするのが好ましい。
【００１２】
ここで部分成形体とは、インサート体とゲート体と微細成形体と中子体等を言い、保持部とは、キャビティに向けて開口していて、部分成形体やコア金型をしっかり保持する部位を言う。
但し、インサート体は、型開きの祭に、保持部から離反する。
ここでブロー成形金型の左金型と右金型とは、例えば、射出成形金型の固定金型と可動金型に相当し、バリ食い切り部とは、ブロー成形金型の離型時に、ブロー成形金型に形成された製品のバリ（食み出し）を切断する部位を言う。
ここで非鉄金属体とは、銅合金体、アルミ合金体、ニッケル合金体等を言い、具体的には、銅合金体として商品名のＨＩＴＭＡＸ、ＨＩＴ７５、ＨＲ７５０、ＡＭＰＣＯ等を用いる。
ここで鉄系材とは、例えば肉盛り熔接に用いる鋼材（鋼材ワイヤ）等を言い、具体的には、商品名のＮＡＫ８０、ＳＫＤ６１、或はステンレス系鋼材のＳＴＡＶＡＸ「スターバックス」等を言う。
【００１３】
本発明は、成形金型の母材が金型用鋼材であり、鉄系材が熔接用鋼材ワイヤであり、非鉄金属体は鉄系材より溶融温度が低く、熱伝導の良好な銅合金体であるのが好ましい。
【００１４】
ここで肉盛厚さとは、肉欠部の切込み深さと同じであり、採用し得る範囲は最大３ｍｍ、望ましい範囲は１ｍｍである。
ここで切欠部とは、肉欠部より深く切欠加工する部位で、他の部材を組み込んだり、嵌着する部位を言う。
ここでゲート路とは、サイドゲート、トンネルゲート、ダイレクトゲートを言う。
ここで高エネルギー密度の熱源とは、アーク熔接、レーザー熔接、パルス熔接、電子ビーム熔接、超音波熔接を言い、レーザー熔接として、例えばＹＡＧレーザー熔接やマイクロＹＡＧレーザー熔接を用いる。
これらの熔接は、一般に、一つの手段で全熔接を行なうが、複数の手段を用いて熔接することも可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のハイブリッド金型は上記の通りであるから、次に記載する効果を奏する。
請求項１のハイブリッド金型は、成形金型の熱交換範囲に銅合金体を用い、この少なくとも負荷集中範囲に肉欠部を設け、肉欠部にレーザー熔接にて鉄系材を肉盛熔接し、その鉄系肉盛部からなる鉄材層を設けているので、熱伝導性に優れた非鉄金属体でありながら、「鋼製の鎧」を纏った強度のハイブリッド金型が得られる。その結果、高機能複合化による金型製造が可能となる。
成形金型の少なくとも５０％以上を金型用鋼材で作り、特に熱交換を必要とする範囲を非鉄金属体からなる入れ子とし、非鉄金属体からなる入れ子の損耗しやすい部分（高温の溶湯が触れる部分）を鉄材層でカバーすることで、熱交換の効率を向上しながら、非鉄金属体の弱点を補い、生産性を向上することができる。
このことは、成形金型を作る側と、その成形金型を使う側の双方にとって極めて実用的な技術であり、周辺技術の整備と熟成を伴えば夢の技術と言っても過言ではない。
鉄材層は、初めから正確（正規寸法）に鉄系材を肉盛熔接して形成することも可能であるが、初めから正規寸法に熔接するには高度の熟練を要するので、正規寸法より僅かに大きく肉盛熔接し、余分な所を後加工により切削（仕上げ加工）すれば、従来技術で簡単に加工し得る。
【００１６】
請求項２のハイブリッド金型は、銅合金体にキャビティを備え、キャビティの製品形成面の少なくとも負荷集中範囲に正規寸法より薄肉化した肉欠部を設け、該肉欠部を鉄系肉盛部にて覆い、その鉄系肉盛部を仕上げ加工し、残りの鉄材層にて保護しているので、従来の部分成形体と略同様の耐久力を有する。
請求項３のハイブリッド金型は、製品関連部であるＰＬのキャビティ連続部に非鉄金属体を用いているので、連続成形によるキャビティ連続部の加熱上昇を抑え、高速成形を可能にする。しかも、キャビティ連続部は非鉄金属体に形成されているが、肉欠部を設け、その肉欠部に鉄材層を形成し、鉄材層にて保護されているので、金型の開閉による損傷（型締め時の衝突、衝撃によることが多い）が抑えられ、従来の金型用鋼材と略同様の耐久力を有する。
請求項４のハイブリッド金型は、高温の溶湯が通過するゲート部に、熱伝導に優れた非鉄金属体を用いるので、ゲート部の加熱上昇を抑え、高速成形を可能にする。しかも、ゲート部を非鉄金属体にて形成しても、ゲート部は非鉄金属体に切欠部を設け、その切欠部に鉄系材を肉盛熔接し、ゲート用鉄系肉盛部にゲート路を設けているので、従来の金型用鋼材のゲート部と略同様の耐久力を有する。
【００１７】
請求項５のハイブリッド金型は、キャビティの一部を部分成形体にて形成し、その部分成形体が摺動体と摺動体受部であり、摺動体と摺動体受部の少なくとも一方を銅合金体にて構成するとしても、銅合金体の損傷し易い負荷集中範囲に肉欠部を設け、その肉欠部に鉄材層を設け、鉄材層にて保護しているので、摺動体と摺動体受部の加熱上昇を抑え、高速成形を可能にすると共に、摺動体のスライドによる損傷、高温の溶湯に触れる露出部の損傷等は、従来の金型用鋼材と略同様に抑えることができる。即ち、部分成形体の加熱上昇を抑え、高速成形を可能にする。
請求項６のハイブリッド金型は、ブロー成形金型の熱交換範囲、特に金型突合せ部に非鉄金属体を用いるので、熱交換範囲の加熱上昇を抑え、高速ブロー成形を可能にする。しかも、金型突合せ部を非鉄金属体にて形成しても、金型突合せ部は、非鉄金属体の肉欠部に鉄系材を肉盛熔接し、鉄系肉盛部を設け、鉄材層にてバリ食い切り部を形成しているので、従来のブロー成形金型のバリ食い切り部と略同様の耐久力を有する。
【００１８】
肉欠部に対する鉄系材の肉盛熔接を単層とすれば、その分、鉄材層の形成は容易になる。しかし、単層では十分な肉厚と耐久力が得られない場合、多層に肉盛熔接し、肉盛厚さを最大３ｍｍにすれば、十分な耐久力が得られる。但し、層を重ねる毎に肉盛熔接に時間を要する。
非鉄金属体として銅合金体を、鉄系材として鋼材ワイヤを用い、鋼材ワイヤを肉盛熔接する高エネルギー密度の熱源にレ−ザ熔接（ＹＡＧレ−ザ熔接）、又はレ−ザ熔接とパルス熔接を用いることで、非鉄金属体に対する鉄系材の肉盛熔接と、鉄系肉盛部からなる鉄材層の形成をより効率的に行うことができる。
即ち、銅合金体の肉欠部に鉄系材を単層又は多層に肉盛熔接し、その鉄系肉盛部に仕上げ加工し、鉄材層で保護（覆う）することにより、銅合金体でも高温の溶湯から十分に守ることができる。
【００１９】
銅合金体に対する鉄系材を肉盛熔接する高エネルギー密度の熱源として、レ−ザ熔接、特にＹＡＧレ−ザ熔接を用いることで、銅合金体に対する鉄系材の肉盛熔接を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係るハイブリッド金型の第一実施形態を示す型締め前の断面図（イ）と、型締め状態の断面図（ロ）である。
【図２】（イ）（ロ）は、第一実施形態における鉄材層の形成範囲例を示す断面図である。
【図３】本発明の第ニ実施形態に用いる摺動体の要部断面図である。
【図４】本発明の第三実施形態に用いるコア金型組込部の断面図である。
【図５】本発明の第四実施形態に用いる部分成形体（インサート体）と、その保持部の関係を示す要部断面図である。
【図６】本発明の第五実施形態における鋼材型と入れ子型の関係を示す断面図である。
【図７】本発明の第六実施形態におけるブロー成形金型の型開き状態における要部断面図（イ）と、型締め状態における断面図（ロ）である。
【図８】ゲート用鉄系肉盛部の形成例を示す要部断面図（イ）（ロ）と、ゲート路の形成を示す要部断面図（ハ）（ニ）である。
【図９】（イ）（ロ）は、鉄系肉盛部の積層例を示す拡大断面図である。
【図１０】（イ）（ロ）（ハ）は、ゲート体の形成例を示す断面図である。
【図１１】中子体を用いた本発明ハイブリッド金型の要部断面図である。
【図１２】テストピース母材（銅合金体）の正面図と左右側面図と底面図である。
【図１３】テストピース母材の肉欠部に対する肉盛状態を示す正面図（イ）と要部拡大側面図（ロ）である。
【図１４】テストピースの正面写真（イ）と側面拡大写真（ロ）である。
【図１５】（イ）（ロ）は鉄材層の形成例を示す要部拡大写真である。
【図１６】（イ）（ロ）は鉄材層の形成例を示す要部拡大写真である。
【図１７】（イ）（ロ）は鉄材層の形成例を示す要部拡大写真である。
【図１８】鉄材層の形成例を示す要部拡大写真である。
【図１９】棒状テストピース母材と棒状テストピースの斜視図である。
【図２０】歯車状鉄系肉盛部の形成例を示す要部平面図である。
【図２１】波状鉄系肉盛部の形成例を示す要部平面図である。
【図２２】試作金型の固定金型（イ）と可動金型（ロ）における銅合金体及び鋼材型の配置例を示す平面図である。
【図２３】（イ）（ロ）（ハ）は鋼材ワイヤを熔接したテストピースの要部拡大写真である。
【図２４】テストピースの肉欠部隅角における欠陥例を示す要部拡大写真である。
【図２５】テストピースの肉欠部隅角を示す要部拡大写真である。
【図２６】（イ）（ロ）（ハ）（ニ）はＳＥＭによる分析例を示すテストピースの要部拡大写真である。
【図２７】試作金型による製品の写真である。
【図２８】鋼材ワイヤ（ＳＴＡＶＡ）と銅合金の肉盛熔接による硬度測定結果を示す。
【図２９】冷却時間と製品の寸法変化の関係を示す。
【図３０】冷却時間と金型温度の関係を示す。
【図３１】冷却時間と成形品温度の関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明によるハイブリッド金型の第一実施形態を合成樹脂用射出成形金型において説明すると、図１の如く成形金型１は熱伝導の良好な非鉄金属体３にて形成され、非鉄金属体３から成る成形金型１にキャビティＥと製品関連部７を備え、キャビティＥと製品関連部７の少なくとも負荷集中範囲に、例えばキャビティＥにあっては製品形成面ｅ、製品関連部７にあってはＰＬのキャビティ連続部３ａを３ｍｍ以内の切込み深さｔで薄肉化し、連続部３ａに肉欠部１３を設け、該肉欠部１３に図１３（ロ）の如く高エネルギー密度の熱源を用いて非鉄金属体３より耐久力の強い鉄系材Ｆを肉盛熔接し、肉欠部１３を図１３（イ）の如く鉄系肉盛部４にて覆い、その肉盛部表面４ａに仕上げ加工した鉄材層４Ａを設け、鉄材層４Ａで負荷集中範囲を保護して適正寸法となるキャビティＥと、鉄材層４Ａで保護したＰＬのキャビティ連続部３ａを形成する。
【００２２】
第一実施形態では、非鉄金属体３として銅合金体３Ａを、鉄系材Ｆとして鋼材ワイヤＷを用い、且つ高エネルギー密度の熱源としてレ−ザ熔接、特にＹＡＧレ−ザ熔接を用い、銅合金体３Ａにて成形金型１の固定金型１Ａと可動金型１Ｂを構成し、固定金型１Ａにキャビティ雌部Ｅ１を、可動金型１Ｂにキャビティ雄部Ｅ２を備えている。
キャビティ雌部Ｅ１とキャビティ雄部Ｅ２は、摩耗しやすい負荷集中範囲に切込み深さｔの肉欠部１３を設け、肉欠部１３に鋼材ワイヤＷをＹＡＧレ−ザ熔接し、鉄系肉盛部４より成る鉄材層４Ａを形成し、鉄材層４Ａで銅合金体３Ａの肉欠部１３を覆い、保護する。
負荷集中範囲を除く平坦部や緩変化部は銅合金体３Ａのままとし、固定金型１Ａと可動金型１Ｂの型閉め状態でキャビティＥを形成する。
キャビティ雌部Ｅ１とキャビティ雄部Ｅ２の摩耗しやすい負荷集中範囲として、例えば成形材料の圧力が強く作用する図２の如く角部や形状の変化部、或はゲート部及びダイレクトゲートの相対向側製品形成面ｅが挙げられる。
鉄材層４Ａは、肉欠部１３に鋼材ワイヤＷを単層又は多層に肉盛熔接し、肉盛厚さｔを平均３ｍｍ以上の鉄系肉盛部４を形成し、該鉄系肉盛部４に仕上げ加工（切削加工、グラインダー又はやすり等による研磨等）して形成する。
ここで３ｍｍ以内の切込み深さｔで薄肉化するのは後の鉄系肉盛部の厚みを考慮したものであり、鉄材層が厚すぎると銅合金体を用いた効果が少なくなり鉄材層が薄すぎると強度や保護効果が小さくなる。
そこで０．３〜３ｍｍの範囲で薄肉化し、この薄肉化した肉欠部の深さと仕上げ加工量を合せた厚みに肉盛熔接する。
【００２３】
本発明によるハイブリッド金型の第二実施形態を図１と図３に基づき説明すれば、キャビティＥに向けて往復動する摺動体５の突き出しピン５１と、摺動体受部６の突き出しピン挿入孔６１とを備え、摺動体受部６を非鉄金属体３の銅合金体３Ａに形成している。
銅合金体３Ａから成る摺動体受部６は、少なくとも受部入口側６ａ、即ち、突き出しピン５１の挿入孔入口側６１ａを３ｍｍ以内の切込み深さｔで薄肉化し、肉欠部１３を設け、該肉欠部１３にＹＡＧレ−ザ熔接を用いて鋼材ワイヤＷを単層又は多層に肉盛熔接し、平均肉盛厚さｔが３ｍｍ以上（切込み深さより少し厚く）の鉄系肉盛部４にて覆い、その肉盛部表面４ａに仕上げ加工した所定寸法の鉄材層４Ａを設け、鉄材層４Ａで挿入孔入口側６１ａを保護する。
【００２４】
本発明によるハイブリッド金型の第三実施形態を、第二実施形態と相違する点について説明すれば、第三実施形態のハイブリッド金型は、図４の如くコア金型１Ｃを用いて成形金型１を構成するもので、コア金型１Ｃは、キャビティＥに向けて往復動する摺動体５のスライドコア５２と、摺動体５をスライド自在にガイドする摺動体受部６のコアガイド６２から成り、このコア金型１Ｃを組み込むために、成形金型１を構成する非鉄金属体３の銅合金体３ＡにキャビティＥに向けて開口する保持部９、具体的にはコア金型保持部９２を備える。
そのため、保持部９の少なくとも入口側９ａ、第三実施形態にあっては、コア金型保持部９２の入口側９２ａ（キャビティ側）を３ｍｍ以内の切込み深さｔで薄肉化し、肉欠部１３を設け、該肉欠部１３にＹＡＧレ−ザ熔接を用いて鋼材ワイヤＷを肉盛熔接し、鉄系肉盛部４にて覆い、その肉盛部表面４ａに仕上げ加工した鉄材層４Ａを設け、鉄材層４Ａにて保持部入口側９２ａを保護する。
【００２５】
コア金型１Ｃのコアガイド６２を非鉄金属体３の銅合金体３Ａに形成する場合、コアガイド６２のガイド入口側６２ａを３ｍｍ以内の切込み深さｔで薄肉化し、肉欠部１３を儲け、該肉欠部１３にＹＡＧレ−ザ熔接を用いて鋼材ワイヤＷを肉盛熔接し、鉄系肉盛部４にて覆い、その肉盛部表面４ａに仕上げ加工した鉄材層４Ａを設け、鉄材層４Ａにてガイド入口側６２ａを保護する。
摺動体５を非鉄金属体３の銅合金体３Ａに形成する場合、少なくともキャビティＥへの露出部５ａに肉欠部１３を設け、該肉欠部１３に鋼材ワイヤＷを肉盛熔接し、鉄系肉盛部４にて覆い、その肉盛部表面４ａに仕上げ加工した鉄材層４Ａを設け、鉄材層４Ａにて露出部５ａを保護する。
摺動体５がスライドコア５２である場合、コア露出部５２ａに肉欠部１３を設け、該肉欠部１３に鉄材層４Ａを設け、摺動体５が突き出しピン５１である場合、ピン露出部５１ａに鉄材層４Ａを設け、保護する。
【００２６】
本発明によるハイブリッド金型の第四実施形態を、第一乃至第三実施形態と相違する点について説明すれば、第四実施形態のハイブリッド金型は、キャビティＥに向けて突出する部分成形体８と、キャビティＥに向けて開口する保持部９とを備え、その保持部９を銅合金体３Ａに形成する場合、該保持部９の少なくとも入口側９ａを３ｍｍ以内の切込み深さｔで薄肉化し、肉欠部１３を設け、該肉欠部１３にＹＡＧレ−ザ熔接を用いて鋼材ワイヤＷを肉盛熔接し、鉄系肉盛部４にて覆い、その肉盛部表面４ａに仕上げ加工した鉄材層４Ａを設け、鉄材層４Ａで保持部入口側９ａを保護する。
また、部分成形体８を銅合金体３Ａに形成する場合、少なくともキャビティＥ内への露出部８ａに肉欠部１３を設け、該肉欠部１３に鋼材ワイヤＷを肉盛熔接し、鉄系肉盛部４にて覆い、肉盛部表面４ａに仕上げ加工した鉄材層４Ａを設け、鉄材層４Ａで露出部８ａを保護する。
部分成形体８が図５の如くインサート材８１か微細成形体８３である場合、インサート材８１か微細成形体８３の部分成形体保持部９１を銅合金体３Ａに設ける。
即ち、銅合金体３Ａから成る保持部９１の少なくとも入口側９１ａに鉄材層４Ａを設け、鉄材層４Ａで保持部入口側９１ａを保護する。
【００２７】
本発明によるハイブリッド金型の第五実施形態を、第一乃至第四実施形態と相違する点について説明すれば、第五実施形態のハイブリッド金型は、図６の如く成形金型１を鋼材型１０と、鋼材型１０に組み込む入れ子型２０とから構成し、鋼材型１０に金型用鋼材を、入れ子型２０に非鉄金属体３の銅合金体３Ａを用い、この銅合金体３Ａから成る入れ子型２０にキャビティＥを形成し、第一実施形態の如くキャビティＥの負荷集中範囲とＰＬのキャビティ連続部３ａに肉欠部１３を設け、肉欠部１３にＹＡＧレ−ザ熔接を用いて鋼材ワイヤＷを肉盛熔接し、鉄系肉盛部４より成る鉄材層４Ａを設け、鉄材層４Ａにて銅合金体３Ａから成る入れ子型２０を保護する。
また、銅合金体３Ａから成る入れ子型２０に、第ニ実施形態の如く摺動体５の突き出しピン５１と、摺動体受部６の突き出しピン挿入孔６１を設けることも可能である。
更に、第三実施形態の如く、コア金型１Ｃを用いて成形金型１を構成したり、第四実施形態の如く部分成形体８と、その保持部９を形成することも可能である。
【００２８】
本発明によるハイブリッド金型の第六実施形態を、第一乃至第五実施形態と相違する点について説明すれば、第六実施形態のハイブリッド金型は、図７の如く成形金型１が左金型１１Ａと右金型１１Ｂから成るブロー成形金型１１であり、左右金型１１Ａ，１１Ｂの少なくとも熱交換範囲を非鉄金属体３，３にて各々形成し、非鉄金属体３，３の少なくとも突合せ部を３ｍｍ以内の切込み深さｔで薄肉化し、肉欠部１３，１３を設け、該肉欠部１３，１３にＹＡＧレ−ザ熔接を用いて鋼材ワイヤＷを肉盛熔接し、鉄系肉盛部４にて覆い、その肉盛部表面４ａに仕上げ加工した鉄材層４Ａを設け、鉄材層４Ａでバリ食い切り部２４，２４を形成し、離型時に製品のバリを切断し得るようにしている。
【００２９】
＜基礎実験の進め方＞
異種合金接合による剥離、割れ等の有無を組織観察・硬度測定・超音波試験等を用いて確認し、問題が生じれば追加試験に必要と思われる条件を策定し、最適な金型材料の組み合わせと条件を選ぶための試験と検査を繰り返し行なった。
第一ステップ：基礎試験
第二ステップ：適切な肉盛厚さｔの検証
第三ステップ：表面硬さの調査
第四ステップ：熔接条件の変化に伴う接合界面の健全性調査と、肉盛熔接した鉄材層４Ａの接合面の強度および物性評価
第五ステップ：鉄系材Ｆ（鉄材層４Ａ）の熱処理効果の確認
第六ステップ：ヒートサイクル試験
第七ステップ：熱影響部の材質調査
第八ステップ：試作金型Ｇによる検証
【００３０】
第一ステップ・基礎試験（非鉄金属体３と、これに熔接する鉄系材Ｆの適切な組み合わせの検証）
金型として用いることのできる非鉄金属体３として銅合金体３Ａを、銅合金体３Ａの肉欠部１３を埋める鉄系材Ｆとして、金型用鋼材と同様の鋼材Ｓを選択する。
更に、金型用の銅合金体３Ａとして何種類もあるが、熱伝導率、熔接性、金型材としての一定硬度を有している商品名ＨＩＴ７５、ＨＩＴＭＡＸ、ＨＲ７５０、ＡＭＰＣＯの４種類を候補とし、以下、これらを説明の便宜上、第一銅合金体３１Ａ、第二銅合金体３２Ａ、第三銅合金体３３Ａ、第四銅合金体３４Ａとする。
また鋼材Ｓとして、従来から熔接に使用されていた鋼材ワイヤＷの内、代表的な商品名ＳＴＡＶＡＸ、ＮＡＫ８０、ＳＫＤ６１の３種類を候補とし、以下、これらを説明の便宜上、第一鋼材ワイヤＷ１、第二鋼材ワイヤＷ２、第三鋼材ワイヤＷ３とし、且つワイヤ径φとして０．３〜０．６ｍｍを用い、それらの適切な組み合わせを検証する。
鋼材ワイヤＷの熔接手段としてドイツ製１００ワット、２００ワットのＹＡＧレーザー熔接機を用いる。
【００３１】
＜テストピースにて実証し、基礎解析し、最適素材を選定する＞
図１２の如く縦幅ｈ＝１０ｍｍ、横幅ｋ＝１０ｍｍ、高さｄ＝１０ｍｍの大きさの銅合金体３Ａを用い、その一面の半巾分５ｍｍに切削加工を施し、切込み深さｔ＝０．５ｍｍの肉欠部１３を設け、各面と肉欠部１３に磨き加工し、平滑に仕上げたテストピース母材（以下、母材Ｍと略す。）を形成する。
次いで母材Ｍの肉欠部１３に鋼材ワイヤＷをＹＡＧレーザー熔接し、鉄系肉盛部４を形成し、該肉盛部４の各面を再度精密に磨き加工し、肉欠部１３を鉄材層４Ａにて保護した図１４の如く一辺が１０ｍｍのサイコロ型テストピース（以下、テストピースＰとする。）を形成する。
テストピースＰは、４種類の銅合金体３Ａ（３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａ）×（３種類の鋼材ワイヤＷ（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）×２種類のワイヤ径φ）＝２４の組み合わせとなり、組み合わせ毎の試料番号をＮｏ．１〜Ｎｏ．２４とし、同じ試料番号のテストピースＰを各々５個づつ（２４×５）＝１２０個を形成し、各テストピースＰに試料番号と枝番号を、例えばＮｏ．１−１，Ｎｏ．１−２，Ｎｏ．１−３，Ｎｏ．１−４，Ｎｏ．１−５を刻印し、鉄材層４Ａの定性分析と顕微鏡組織観察を行うと共に、並行して走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭとする。）で熔接境界面に金属間化合物の発生が無いかを確認し、最適なものを選択する。
【００３２】
＜銅合金体３Ａと肉盛熔接した鉄材層４Ａの界面の定性分析と状況観察＞
目視観察では、鉄材層４Ａと銅合金体３Ａとが積層状態にあり、鉄材層４Ａと銅合金体３Ａの間に境界線が見える。
顕微鏡観察（３００倍）及びＳＥＭでは、ＹＡＧレーザー熔接の条件によっては図１５〜図１８の如く鉄材層４Ａに亀裂を生じたり、気穴を生じるし、銅合金体３Ａとの境界線に乱れ生じたが、実用レベルの品質を得られる可能性が極めて高いことが判明した。
尚、図１５の線状跡は、磨きによって生じたものである。
ＹＡＧレーザーのエネルギーにより銅合金体３Ａの極く表面が溶融され、該溶融部にＹＡＧレーザーのエネルギーによって溶融された鋼材ワイヤＷが流れ込み、凝固して銅合金体３Ａの表面に鉄系肉盛部４が形成されると思われるが、顕微鏡では銅合金体３Ａの表面が溶融された形跡は発見できなかった。
しかし、鉄材層４Ａと銅合金体３Ａは、恰も糊や接着剤で着接しているように衝撃を与えても剥がれることはなかった。
鋼材ワイヤＷ（Ｗ１、Ｗ２，Ｗ３）における金属間化合物の兆候は見られなかった。
しかし意外にも鉄材層４Ａによる出来栄えの差が大きく、図２３で明らかなように第一鋼材ワイヤＷ１を熔接した銅合金体３Ａの界面が極めて健全であるのに比べて、第二鋼材ワイヤＷ２と第三鋼材ワイヤＷ３の鉄材層４Ａではクラック、ピンホール等の欠陥が目立った。
この欠陥自体は、致命的であるとは断言できないが（熔接条件を厳密に精査してその鋼種に適した熔接法を解明することは十分可能と推察できる。）、今回の実験では明確に差が生じた。
【００３３】
第二ステップ：適切な肉盛厚さｔの検証。
＜実験条件＞
銅合金体３Ａとして第一銅合金体３１Ａを用いる。
鋼材Ｓとして第一鋼材ワイヤＷ１の０．３ｍｍφを用いる。
母材Ｍの肉欠部１３は、肉盛厚さｔに応じて薄肉化し、肉欠部１３にＹＡＧレーザーを用いて第一鋼材ワイヤＷ１を肉盛熔接した後、鉄系肉盛部４の表面を適正寸法になるまで仕上げ加工を施した。
試料Ｎｏ．４９＝肉盛厚さｔ＝０・１ｍｍ
試料Ｎｏ．５０＝肉盛厚さｔ＝０．３ｍｍ
試料Ｎｏ．５１＝肉盛厚さｔ＝０・５ｍｍ
試料Ｎｏ．５２＝肉盛厚さｔ＝１・０ｍｍ
各テストピースＰを各々５個ずつ（４×５）＝２０個形成し、
各テストピースＰに試料番号と枝番号を、例えばＮｏ．４９−１，Ｎｏ．４９−２，Ｎｏ．４９−３，Ｎｏ．４９−４，Ｎｏ．４９−５を刻印し、鉄材層４Ａの定性分析と顕微鏡組織観察を行うと共に、並行してＳＥＭで熔接境界面に金属間化合物の発生が無いか等を確認する。
その結果、銅合金体３Ａの表面に鋼材ワイヤＷを熔接して強度を補完するのであるから、肉盛厚さｔが厚い方が良く、他方、熱伝導率はその物体の厚みに比例するから、薄いほうが良い。
加えて、健全な金属組織を得るためには、正確な熔接技術を用いて慎重に鉄材層４Ａを形成する必要があり、肉盛厚さｔを厚くするに従って熔接時間が長くなることが判明した。
【００３４】
第三ステップ：表面硬さの調査（マイクロビッカース硬さ測定）
母材Ｍの肉欠部１３に熔接した鉄材層４Ａの高強度性、並びに健全性をマイクロビッカース硬度計で測定し、硬度の変化が最も顕著に観られる事が予想される肉盛厚さｔの違いで決定する。
母材Ｍの肉欠部１３に鋼材ワイヤＷを肉盛熔接し、肉盛厚さｔが０．３ｍｍ、０．６ｍｍの鉄系肉盛部４を形成し、該鉄系肉盛部４の各面を再度精密に磨き加工し、肉欠部１３を鉄材層４Ａにて保護しているテストピースＰを形成した。
即ち、３種類の鋼材ワイヤＷ（Ｗ１、Ｗ２，Ｗ３）×２種類の鉄系肉盛部４（０．３ｍｍ、０．６ｍｍ）＝６の組み合わせとなり、組み合わせ毎の試料番号をＮｏ．５３〜Ｎｏ．５８とし、同じ試料番号のテストピースＰを各々５個づつ（６×５）＝３０個を形成し、各テストピースＰに試料番号と枝番号を、例えばＮｏ．５３−１，Ｎｏ．５３−２，Ｎｏ．５３−３，Ｎｏ．５３−４，Ｎｏ．５３−５を刻印した。
測定方法は、テストピースＰを形成する第一銅合金体３１Ａと鉄材層４Ａの境界から適切な寸法でポイント取りして測定を行った。
【００３５】
鉄材層４Ａの形成部断面を顕微鏡観察により確認した所、０．３ｍｍの肉盛厚さｔではクラックの入る例が多く観られる事から、一応０．６ｍｍ辺りが適切と結論付けた（一応というのは対象製品の大きさや金型構造によって事情が変化するので、その都度肉盛厚さｔを選定することになるが、最低限の肉盛厚さｔに当たりを付けた。）。
多少硬度にバラつきはあるが肉盛厚さｔ０．３ｍｍと０．６ｍｍによる違いは硬度測定に限っては観られず、全体的に５００ＨＶのラインを保持し、横這いの水準を保っている事から、強度を高め健全な熔接が行われている事が確認された。
第一銅合金体３１Ａに比べ第一鋼材ワイヤＷ１に上下のバラつきが多少有り、通常の硬さ（第一鋼材ワイヤＷ１本来の硬度）より低い理由として、熔接時にかかる応力で部分的にマイクロクラックが発生し硬度の低下に繋がっていると推察される。
加えて、部分的補強の修理等も視野に入れ、熔接部での硬度比較として、第一鋼材ワイヤＷ１による熔接と、一般的な銅合金熔接棒を用いた熔接（試料番号Ｎｏ．５９）とを比較した所、図２８のグラフに示す如く結果が得られた。
【００３６】
第四ステップ：熔接条件の変化に伴う接合界面の健全性調査、（断面組織の光顕観察、ＥＰＭＡ分析）と、肉盛熔接した鉄材層４Ａの接合面の強度および物性評価（ピンホール及び界面相の形成の有無、熔接割れ等）とその調査（断面組織の光顕観察、ＥＰＭＡ分析）
一般的には熔接の際に電圧（Ｖ）、周波数（Ｈｚ）等の設定値を変化させ、より健全なレーザー熔接を施せる条件を探し出す。
本試験では銅合金体３Ａに鋼材ワイヤＷを熔接するという目的の中で、様々な条件でレーザー熔接を繰り返した。
例えば、電圧として一層目のレーザー熔接を２２５（Ｖ）、二層目のレーザー熔接を２１２（Ｖ）とし、周波数として８（Ｈｚ／ｓｅｃ）、１１（Ｈｚ／ｓｅｃ）を用い、クラック、ピンホール等の欠陥のない熔接条件を模索し、いくつかの好条件を見つけた。
好条件による熔接接合界面の断面をＳＥＭにより定性分析を行った結果、図２６で示すように、一般的な鋼材同士の熔接で観られる合金層や金属間化合物は認められなかった。
銅合金体３Ａと鉄材層４Ａの接合界面は明らかに分かれているにもかかわらず、接合がなされているのは金属結合等によると想定されるが明確には解らない。
【００３７】
第五ステップ：鉄系材Ｆの熱処理効果の確認（マイクロビッカース硬さ測定）。
第一銅合金体３１Ａの母材Ｍを６グループに分け、各グループの試料番号をＮｏ．６０〜Ｎｏ．６５とし、各母材Ｍを各々５個づつ（６×５）＝３０個を形成し、各母材Ｍに試料番号と枝番号を、例えばＮｏ．６０−１，Ｎｏ．６０−２，Ｎｏ．６０−３，Ｎｏ．６０−４，Ｎｏ．６０−５を刻印し、これらを熱処理炉に入れ、１５０〜４００℃の範囲で予熱し、予熱されたテストピースＰをグループ毎に５０℃間隔で取出し、その肉欠部１３に第一鋼材ワイヤＷ１を肉盛熔接し、鉄系肉盛部４を形成し、該鉄系肉盛部４の各面を再度精密に磨き加工し、肉欠部１３を鉄材層４Ａにて保護しているテストピースＰを形成する。
即ち、６種類の温度で予熱して鉄材層４Ａを設けた。
レーザー熔接に於いては母材Ｍを広範囲で溶かし込むことはしないので、普通は適用しないが、銅合金体３Ａと鋼材Ｓというアブノーマルな組み合わせにおいて、有利に働くことを期待して予熱を行った（一般的な熔接では、熔接前に適切な温度で予熱を行い、熔接後に後熱処理を行う。）。
【００３８】
鉄材層４Ａの定性分析と顕微鏡組織観察を行うと共に、並行してＳＥＭで熔接境界面に金属間化合物の発生が無いか等を確認する。
熱処理炉（熔接による溶け込み不足、歪みや割れ等異なる熱収縮によるストレスの分散）を使用し、割れや剥離が生じない条件を見出す。
＜結果＞
熔接性：溶け込みが非常に良くビード形成が安定している。
接合部：１５０℃〜２５０℃の範囲では欠陥は認められないが、肉欠部１３の隅角を直角に加工すると、肉欠部１３に肉盛りした鋼材Ｓに図２４で示すようにクラックが発生しやすいが、肉欠部１３の隅角をアール加工して鋼材Ｓを肉盛りすると、図２５に示すように鋼材Ｓにクラックの発生が生じにくい。
加えて、熱膨張係数が銅合金体３Ａと鋼材Ｓでは約２倍の差があることから、高温度域で金型を使用した際に、接合部界面にせん断応力が発生することが容易に想定できる。
【００３９】
第六ステップ：ヒートサイクル試験
金型の最高使用温度ゾーンを３００℃と想定して、常温〜３００℃のヒートサイクル試験を行った。
試験方法として、図１９で示すように第一銅合金体３１Ａから成る１２０ｍｍ×１５ｍｍ×１５ｍｍの角棒状テストピース母材（以下、角棒状母材ＳＭとする。）を用い、該角棒状母材ＳＭの一面の長手方向に幅５ｍｍの切削加工を施し、切込み深さｔ＝０．５ｍｍの肉欠部１３を設け、肉欠部１３に第一鋼材ワイヤＷ１をＹＡＧレーザ熔接で肉盛し、鉄系肉盛部４を形成し、該鉄系肉盛部４に磨き加工を施して棒状テストピースＳＰを形成する。
次いで角棒状テストピースＳＰの両端から２０ｍｍをカットし、残りの中心部を２０回サイクルで昇温（３００℃）と冷却（２０℃）を繰り返す。
ヒートサイクル後、更に両端から２０ｍｍをカットし、ヒートサイクル前と後で断面を比較する。
熔接内部の組織をエッチングし顕微鏡観察を行った。
結果、初期サンプル（ヒートサイクル前とヒートサイクル後）の接合部近傍における欠陥の発生など、異常は特に認められなかった。
実際にはヒートサイクル＋５００Ｋｇ／ｃｍ２の加重が数万回以上同時に負荷される成形作業において確認するしかないが、ストレスが発生していれば、少ないサイクルにおいても鋼種選定試験で観察されたような、せん断方向の亀裂が発生することはあり得る。
【００４０】
第七ステップ：熱影響部（ＨＡＺ）の材質調査（相変態の有無、結晶粒径の変化と物性変化）
接合界面近傍の金属学的考察には特に強い関心があるが、ＳＥＭによる組織観察及び分析結果から異常な様子を認めることは無かった。
＜接合界面の健全性＞
接合界面を顕微鏡写真で確認した結果、全てのテストピースＰにおいてクラックやピンホール等の欠陥はいくつか認められたが、接合界面に沿っての剥離は皆無であった。
これは熔接の接合性において大変望ましい形であり、銅合金体３Ａと鉄系材Ｆの異種金属でありながら健全な熔接が可能であることを証明している。
【００４１】
第八ステップ：試作金型Ｇによる検証（当該技術を使用した金型製作、修理、改造のシステム考察）。
＜試作金型Ｇの製造＞
試作金型Ｇは、現在量産を行っている図２７の歯車状キャップをベースにして製造ラインで条件を揃えて実施する。
１．鋼材型１０にて固定金型１Ａと可動金型１Ｂを作成する。
２．その固定金型１Ａにキャビティ雌部Ｅ１を、可動金型１Ｂにキャビティ雄部Ｅ２を設け、固定金型１Ａと可動金型１Ｂの型閉め状態においてキャビティＥを形成する。
２ａ，可動金型１Ｂには、一般の金型に使用されている鋼材型１０を用い、その可動金型１Ｂの４箇所に図２２（イ）の如くＣＡＴを入れ子とする。
具体的には、図２２（イ）の如く上側左右の雄部用入れ子を商品名ＮＡＫの鋼材とし、下側左右の雄部用入れ子を商品名ＨＩＴの銅合金とする。
２ｂ，固定金型１Ａは、可動金型１Ｂと同様に一般の金型に使用されている鋼材型１０を用い、その固定金型１Ａの４箇所（可動金型１Ｂの雌部用入れ子と相対する位置）に図２２（ロ）の如くＣＯＲを入れ子とする。
具体的には、図２２（ロ）ＣＯＲの如く上左側の雌部用入れ子を商品名ＮＡＫの鋼材とし、上右側の雌部用入れ子を商品名ＨＩＴの銅合金とし、下側左右の雌部用入れ子を商品名ＨＩＴ（Ｂ）、ＨＩＴ（Ａ）の銅合金とする。
図２２（イ）（ロ）におけるＨＩＴは、第一銅合金体３１Ａを含む類似品であり、ＨＩＴ（Ｂ）、ＨＩＴ（Ａ）は、第一銅合金体３１Ａ以外のＨＩＴの類似品を示す。
２ｃ．ＨＩＴから成る銅合金体３Ａの入れ子にキャビティ雌部Ｅ１及びキャビティ雄部Ｅ２を設ける場合、キャビティ雌部Ｅ１及びキャビティ雄部Ｅ２の適正寸法から鋼材ワイヤＷの肉盛厚さｔ＝約０．６ｍｍに相当する肉欠部１３を設け、該肉欠部１３に第一鋼材ワイヤＷ１を肉盛り熔接し、鉄系肉盛部４を形成し、該鉄系肉盛部４の各面を再度精密に磨き加工し、肉欠部１３を鉄材層４Ａにて保護する（即ち、本発明のハイブリッド金型とする。）。
２ｄ．ＮＡＫから成る入れ子に設けるキャビティ雌部Ｅ１及びキャビティ雄部Ｅ２は、適正寸法で形成する。
試作品のキャビティＥは歯車状キャップであるため、図２０に示すように歯部の肉盛厚さｔは更に０．７ｍｍ上乗せしたことになる。
ＣＯＲも同様に螺子が切ってあるので、被覆層で第一鋼材ワイヤＷ１が０．６ｍｍ熔接されており、螺子山の部分は更に２ｍｍ程度厚くなっている（これは形状の要因によるもので、通常は図２１で示すように成品形状に沿って忠実にオフセットされた形状に盛り上げることが望ましい）。
【００４２】
＜試作金型Ｇの性能試験＞
１．上記成形金型１を用いて樹脂製品の成形を試みる。
２．成形品の品質を調査し、問題点に改善策を講じる。
３．試作金型Ｇと従来金型（金型用鋼材）とを用いて量産試験を行い、両者を比較してその優位性を明らかにする。
＜成形トライ＞
成形サイクル及び成形品の品質検査を行い、従来金型によるものと比較し、総合評価を行う。
問題が生じれば金型を返却し、修正後再度確認のための成形を行う。
＜試験＞
成形トライ時のデータを基に量産型としての耐久性、製品の安定、コスト削減の可能性を観察、データ収集を行なった。
【００４３】
＜成形試作＞
試作金型Ｇを量産時の成形条件で、冷却時間のみを変化させて成形試験を行った。
通常、冷却時間を長くすれば『寸法精度』、『変形の程度』共に品質は安定するが、生産性が落ちてコスト増加に直結する。
又結晶性の樹脂（ＰＰ，ＰＥ，ＰＯ等）においてはその傾向が更に顕著となり製造現場においては最大の関心事である。
試作金型Ｇでは、冷却時間を通常の成形時間から、第一鋼材ワイヤＷ１が試作に耐えない限界まで短縮し、性能比較と評価を行った。
量産時の成形条件（通常の成形サイクル）：３４秒
（射出７秒、冷却１７秒、エジェクト・開閉等１０秒、合計３４秒）
冷却時間：最大時間１７秒〜最小時間５秒までとし、３秒ずつ５段階（１７秒、１４秒、１１秒、８秒、５秒）に分けた。
【００４４】
＜試験内容＞
（１）５０ショット（４個＊５０ショット＝２００個）を成形し、内２０ショット（８０個）を２４時間後に測定。
（２）形品温度測定：４０ショット目から１ショット毎に取り出し機から落下直前の１個を採取し（型開から１３秒後）天面中央の温度を８個分（各キャビ２回）測定。
（３）金型温度測定：５０ショット成形後、キャビ・コア夫々の温度を測定。
【００４５】
＜試作結果＞
（１）結論
本発明のハイブリッド金型（試作金型Ｇ）では、従来金型に比べて２０％以上のサイクル短縮の可能性を認めることができた。
（２）データの解析
（２−１）寸法測定結果
図２９のグラフに示す如く冷却時間を短縮するに従って第一鋼材ワイヤＷ１の後収縮が大きくなり、製品が小さくなる傾向を示した。
図２９のグラフにて縦軸はｎ数を示し、寸法変化のヒストグラムを曲線グラフにしたものである。
【００４６】
（２−２）温度測定結果
試作金型Ｇの表面温度は、図３０のグラフに示すように冷却時間の短縮に伴って高くなるが、ＮＡＫは特に顕著に温度上昇する。
それに比べて第一銅合金体３１Ａは、冷却能力が高く、温度上昇は緩やかで、その差は極めて大きかった。
成形品温度も図３１のグラフに示すように冷却時間の短縮に伴って高くなり、ＮＡＫは８秒及び５秒では固化が完了しない状態で取り出されることになる。
成形品の温度は、７０℃近くまで上昇し、自動落下に耐えない程軟らかい状態にあった。
一方、第一銅合金体３１Ａは、冷却時間の短縮に伴って温度は上昇するがＮＡＫの比ではなく、８秒でも充分固化しており、成形サイクルの短縮の可能性はこの時点の冷却能力で決定される。
【００４７】
（３）試験データ
（３−１）冷却時間と変形量（ゲート方向と反ゲート方向）
円形状の成形品を一点ゲートで射出すると、ゲート方向が長径で反ゲート方向（ゲート方向と９０度交差する方向）が短径になることが一般的で、この例でも図２９が示すように全ての表にその傾向が如実に現れている。
当該製品の寸法は６５．６ｍｍが基準値で、公差は±０．７ｍｍである。
量産時の成形条件（冷却時間：１７秒）で比較して第一銅合金体３１ＡとＮＡＫでは中央値で０．１ｍｍずれが出ている。
真円度の観点からは大きな差異は認められないが、収縮においては鋼材Ｓが大きくなる（製品が小さく仕上がる）。
（３−２）冷却時間と寸法変化及び金型・成形品温度（図３０，３１）
冷却時間が８秒（量産条件の５０％以下）では、第一銅合金体３１Ａの場合、寸法・真円度共に１７秒の場合と大差なく、バラツキ量も小さく分布図の形状も美しい。
一方、第一銅合金体３１Ａは全体に中央値で０．１〜０．１５ｍｍ小さいほうにずれており、分布の形も大きく崩れている。
新円度も悪く、既に安定した量産品質とはいえない。
この比較から、第一銅合金体３１Ａの金型は、冷却時間を５０％短縮できる可能性を十分に備えているが、ＮＡＫは冷却時間の短縮に耐える可能性は殆ど無いといえる。
【００４８】
（３−３）冷却時間とパッキング部の形状安定性
通常の量産では、寸法調整に数ヶ月を要す程微妙な部位であり、限られた時間の中で優位差を検出することは困難であった。
外径及びネジの谷径で優位差が見出せたので、当該部位の検定を省略した。
（３−４）ヒケ等の外観比較（メーカーの品質管理担当）
外観検査において、変形が激しい箱物や反りが大きい薄肉の板と異なり、変形しにくい形状なので、差異は判り難かった。
ヒケについても、特に大きな差異は認められない。
【００４９】
鉄材層４Ａの形成状態、特に鉄材層４Ａの接合状態を検証するために熔接の条件等を変えて実験を実施した。
実験条件：実験例１と同じ。
試料６６＝ＹＡＧレーザー熔接のみにて鉄系肉盛部４を形成する。
試料６７＝ＹＡＧレーザー熔接にて一層目を形成し、残りをパルス熔接にて肉盛する。
試料６８＝パルス熔接のみにて鉄系肉盛部４を形成する。
試料６６〜６８の比較
肉盛熔接に要した時間は、試料６８＜試料６７＜試料６６の関係にある。
鉄系肉盛部４の接着状況を顕微鏡によって観察した所、試料６６と試料６７は略同様であったが、試料６８では、やや乱れが見えた。
【００５０】
摺動体５を非鉄金属体３の銅合金体３Ａにて形成した場合、図９の如く少なくとも露出部５ａを３ｍｍ以内の切込み深さｔで薄肉化し、肉欠部１３にＹＡＧレーザー熔接を用いて鋼材ワイヤＷを肉盛熔接し、鉄系肉盛部４を形成し、その肉盛部表面４ａに仕上げ加工した鉄材層４Ａを設け、鉄材層４Ａにて摺動体露出部５ａを保護する。
例えば、摺動体５のスライドコア５２を銅合金体３Ａにて形成する場合、スライドコア５２少なくとも摩耗しやすい範囲のコア露出部５２ａを３ｍｍ以内の切込み深さｔで薄肉化し、肉欠部１３にＹＡＧレーザー熔接を用いて鋼材ワイヤＷを肉盛熔接し、鉄系肉盛部４を形成し、その肉盛部表面４ａに仕上げ加工した鉄材層４Ａを設け、鉄材層４Ａでコア露出部５２ａを保護する。
摺動体５の突き出しピン５１を銅合金体３Ａにて形成する場合、銅合金体３Ａから成るスライドコア５２と同様に、そのピン露出部５１ａに鉄材層４Ａを設け、鉄材層４Ａでピン露出部５１ａを保護する。
【００５１】
キャビティＥに連続するゲート部１２を図８の如く非鉄金属体３にて形成するものであり、非鉄金属体３にキャビティＥに連続する切欠部１９を設け、切欠部１９にＹＡＧレーザー熔接を用いて鋼材ワイヤＷを肉盛熔接し、ゲート用鉄系肉盛部１４を形成し、該ゲート用鉄系肉盛部１４にゲート路２を加工すると共に、肉盛部表面４ａに仕上げ加工したゲート用鉄材層１４Ａを設け、そのゲート用鉄材層１４Ａで切欠部１９を塞ぐことも可能である。
ゲート路２として、サイドゲート２ａ、トンネルゲート２ｂ、ダイレクトゲート２ｃを設けることができる。
【００５２】
実施形態では、鋼材ワイヤＷによる肉盛熔接にＹＡＧレーザーとパルス熔接を用いたが、ＹＡＧレーザー熔接以外のレーザー熔接、電子ビーム熔接、超音波熔接等も使用できると思われる。
また、ＹＡＧレーザー熔接にて一層目を形成し、二層目以後をパルス熔接にて鉄系肉盛部４を形成した後、肉盛部表面４ａに仕上げ加工し、鉄材層４Ａを形成することが好ましい。
実施形態は合成樹脂用射出成形金型とブロー成形金型を例としたが、両金型に限定されるものではなく、例えば圧縮成形金型、押出し成形金型にも応用し得るし、合成樹脂用金型以外の例えばダイカスト金型、ゴム成形用金型、ガラス金型にも応用し得る。
また、部分成形体８が銅合金体３Ａから成る図１１の如く中子体８４で、中子体保持部９４も銅合金体３Ａに設ける場合、中子体８４の全表面に鉄材層４Ａを形成し、中子体保持部９４も鉄材層４Ａで保護することが好ましい。
部分成形体８が図１０の如く鋼材Ｓから成るゲート体８２である場合、銅合金体３Ａにゲート体保持部９３を設け、該ゲート体保持部９３にゲート体８２を組み込むことも可能である。
尚、成形金型１、又は成形金型１を構成する非鉄金属体３が熱伝導の良好な銅合金体３Ａであっても、従来の鋼製金型と同様に冷却水路を設けることが好ましい。
【００５３】
０．３φの鋼材ワイヤＷをレーザー熔接すると、一回の熔接で約０．２ｍｍの肉盛ができるし、０．６φの鋼材ワイヤＷをパルス熔接すると、一回の熔接で約０．４ｍｍの肉盛ができる。
熔接面にＹＡＧレーザーを用いての如く鋼材ワイヤＷを一定のピッチで肉盛熔接し、熔接面より僅かに高く広い範囲で鉄系肉盛部４を設けた後、鉄系肉盛部４に仕上げ加工（研磨）し、肉盛厚さｔの鉄材層４Ａを設けたテストピースＰを形成する。
【００５４】
第一ステップの実験結果により、銅合金体３Ａの第一銅合金体３１Ａと、鋼材Ｓの第一鋼材ワイヤＷ１との組み合わせ（以下、第一組み合わせとする。）が最良な状態であったので、この組み合わせを基本として他の実験を試みた。
他の組み合わせは、第一組み合わせより亀裂や巣の発生にバラツキがあったものの、従来熔接におけ亀裂等の許容範囲内に収まるので、金型の種類によっては採用可能である。
また、他の組み合わせにあっては、高エネルギー密度の熱源（アーク熔接、パルス熔接、電子ビーム熔接、超音波熔接等）の選択、或はレーザーの照射等に工夫をすれば、精度を高め得るものと思われる。
【００５５】
第一ステップの基礎試験で、非鉄金属体３の銅合金体３Ａとして、第一銅合金体３１Ａが他の素材より比較的良かったので、第二ステップ以後の実験に第一銅合金体３１Ａを用いたが、熔接条件を変更することで第二銅合金体３２Ａ、第三銅合金体３３Ａ、第四銅合金体３４Ａを用いることも可能である。
また、鋼材ワイヤＷとして第一鋼材ワイヤＷ１を用いたが、第二鋼材ワイヤＷ２、第三鋼材ワイヤＷ３のワイヤを用いることも可能である。
更に、ワイヤ径φとして０．３ｍｍと０．６ｍｍを用いたが、０．３ｍｍと０．６ｍｍに限定されるものではない。
【００５６】
非鉄金属体３の摩耗しやすい負荷集中範囲に鉄材層４Ａを備えている成形金型１、摺動体５、部品成形体８等を加熱炉に入れ、銅合金体３Ａの融点より低い温度で一定時間にわたり加熱すれば、加熱により鉄材層４Ａの肉盛時に生じた歪み（熔接によって生じた内部応力等）が取除かれる。
その結果、歪みによる損傷や破損が著しく減少する。
摺動体５に設ける肉欠部１３、及び部分成形体８に設ける肉欠部１３の範囲は、キャビティ内に露出する摺動体露出部５ａ（具体的には、ピン露出部５１ａとコア露出部５２ａ），部分成形体露出部８ａに限定されるものではなく、キャビティ内に露出する範囲とそれに続く適宜範囲が好ましい。
【符号の説明】
【００５７】
１        成形金型
１Ａ      固定金型
１Ｂ      可動金型
１Ｃ      コア金型
２        ゲート路
２ａ      サイドゲート
２ｂ      トンネルゲート
２ｃ      ダイレクトゲート
３        非鉄金属体
３Ａ      銅合金体
３ａ      パーテングライン（ＰＬ）のキャビティ連続部
４        鉄系肉盛部
４Ａ      鉄材層
４ａ      肉盛部表面
５        摺動体
５ａ      露出部
６        摺動体受部
６ａ      受部入口側
７        製品関連部
８        部分成形体（インサート体）
８ａ      露出部
９        保持部
９ａ      保持部入口側
１０      鋼材型
１１      ブロー成形金型
１１Ａ    左金型
１１Ｂ    右金型
１２      ゲート部
１３      肉欠部
１４      ゲート用鉄系肉盛部
１４Ａ    ゲート用鉄材層
１９      切欠部
２０      入れ子型
２４      バリ食い切り部
３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａ      銅合金体
５１      突き出しピン
５１ａ    ピン露出部
５２      スライドコア
５２ａ    コア露出部
６１      ピン挿入孔
６１ａ    挿入孔入口側
６２      コアガイド
６２ａ    ガイド入口側
８１      インサート体（インモールド体）
８２      ゲート体
８３      微細成形体
８４      中子体
９１      部分成形体保持部
９１ａ    保持部入口側
９２      コア金型保持部
９２ａ    保持部入口側
９３      ゲート体保持部
９４      中子体保持部
Ｅ        製品形成部（キャビティ）
ｅ        製品形成面
Ｅ１      キャビティ雌部
Ｅ２      キャビティ雄部
Ｆ        鉄系材
Ｇ        試作金型
Ｍ        テストピース母材
Ｐ        テストピース
Ｒ        レーザー
Ｒ１      ＹＡＧレーザー（精密マイクロＹＡＧレーザー）
Ｓ        鋼材
ＳＭ      棒状テストピース母材（棒状母材）
ＳＰ      棒状テストピース
ｔ        肉盛厚さ、薄肉部の切込み深さ
Ｗ，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３      鋼材ワイヤ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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