(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の金型パーツを組み合わせると、金型の内部にキャビティが形成され、上記複数の金型パーツのうち上記キャビティに面する少なくとも１つの金型パーツの表面に１μｍ〜３０μｍの表層材料層を有し、かつ、上記金型パーツと上記表層材料層との間に隣接層が設けられた鋳造金型であって、上記表層材料層を形成する材料は上記隣接層を形成する材料より小さい熱膨張率を有し、かつ、上記隣接層を形成する材料は金型パーツ母材より小さい熱膨張率を有しており、表層材料層、隣接層および金型パーツ母材のうち、上記表層材料層を形成する材料が最も小さな熱伝導率であることを特徴とする鋳造金型。
【請求項２】
請求項１に記載の鋳造金型を、少なくとも１種の金属材料の成形に用いて成形品を製造する方法。
【請求項３】
金属材料が、マグネシウム合金、アルミニウム合金および亜鉛合金の群から選ばれることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
請求項１に記載の鋳造金型を、マグネシウム合金を材料とするチクソモールディングに用いて成形品を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料を成形するための鋳造金型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋳造を行う際には、一般に、図２に示すような金型が用いられている。図２において、金型は、主として、固定側金型パーツ４および移動側金型パーツ５によって構成され、両金型４・５の間にキャビティ３が設けられている。また、１は金型への湯口、６は湯道、２はキャビティ３への湯口である。
【０００３】
この金型を用いて成形する場合には、成形材料を溶融状態にしてなる溶湯を成形機より湯口１へ流し込むと、溶湯は湯道６および湯口２を通ってキャビティ３内に流入する。溶湯はキャビティ内で冷却されることによって、キャビティに設けられている所定の立体形状に対応する形状を保持したまま固化し、金型を開くことによって所望の形状を有する成型品が得られる。
【０００４】
成形材料が例えば金属系材料である場合、溶湯は溶融状態を保つために、成形機内において一般に５００℃以上の温度に保たれている。一方、金型の温度は３００℃以下に設定されているため、溶湯は、キャビティ内に注入されると、金型に対して放熱を開始して、溶湯自体の温度は降下する。
【０００５】
更に、溶湯が例えばマグネシウム合金である場合には、温度が降下するに伴って固相率が上昇していくが、溶湯が固化する比較的短い時間内にキャビティ内を満たさないと充填不良が生じる。
発明者らは、既に、金型内面に熱伝導率の小さい材料の層を設けることにより、溶湯の凝固時間を遅延させる発明を完成し、その発明について特許出願をしている（例えば、特開平１１−７７２４０号）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
鋳造用の金型パーツ母材は、一般に鉄系の材料で形成されており、その熱膨張係数は一般に１０〜１２μｍ／ｍ／℃程度である。一方、金型内面に面して層を形成する低熱伝導率の表層材料としては、セラミックスなどの材料が用いられることが多く、その熱膨張係数は約５μｍ／ｍ／℃以下である。例えば、このような金型内面に熱伝導率の小さい材料の層を有する金型において、約２００℃の温度変化が生じた場合に、金型パーツ母材と表層材料との熱膨張量の差は、金型１０ｃｍ当りで０．ｌｍｍにも達する。
【０００７】
また、このような金型を用いて繰り返して射出成形を行なう場合、金型表面の温度は、金型内に溶湯が流れ込んだ時点でほぼ瞬時に約２００〜２５０℃上昇し、その後数秒以内で冷却され、金型表面および溶湯の温度は初期の金型温度まで降下する。従って、鋳造金型は、このように急激な加熱および冷却を伴うヒートショックにさらされ、金型が大量生産に用いられる場合には、この過程は多数回のサイクルとして繰り返される。
【０００８】
従って、熱膨張率の異なる２つの材料である金型パーツ母材および表層材料層の境界面では、そのようなヒートショックのサイクルによる両者の熱膨張量が異なるために、表層材料層にクラックや剥離が生じたりして、結果的に金型としての寿命が短くなってしまう可能性があった。
【０００９】
例えば合金の溶湯を用いて成形を行う場合のように、短時間での温度変化および／または注入圧力（射出成形の場合には射出圧力）が大きい苛酷な条件下では、１回から数回のショットで剥離やクラックが生じてしまい、大量生産を行う工業的生産においては、十分な実用性を有さないという問題点があった。
【００１０】
そこで、そのような問題点を解決するための手段として、金型の内面に熱伝導率の小さい材料の層を設けることに加えて、そのような層の材料について熱膨張率が、金型パーツ母材の熱膨張率とあまり大きな差を生じないようなものを選択することが考えられる。
但し、そのような材料には、更に、常套の金型パーツ母材と同等またはそれに近い強度および硬度を有することも要求される。従って、金型の内面に熱伝導率および熱膨張率について上記のような考慮を加えた層を設けることは、常套の金型パーツ母材と比較すると、材料コストの上昇をまねくことになる。
【００１１】
本発明は、このような問題点を解決して、鋳造品の充填性を改善し、十分実用に耐える寿命を有する金型を提供することを１つの目的とする。
本発明は、また、そのような金型を提供する上で、常套の金型と比較した場合におけるコストの上昇を可能な限り小さくすることを１つの目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
先に述べたような金型に与えられるヒートサイクルは、成形プロセスにおいては避けることができないため、本発明では、そのようなヒートサイクルを含む温度変化に対して大きな耐久性を有する金型の構成およびそのような金型を使用すると同時に、そのような構成の部分の体積または面積を可能な範囲で最小とすることによって、上記の目的の達成を図るものである。
【００１３】
従って、本発明は、複数の金型パーツを組み合わせると、金型の内部にキャビティが形成され、上記複数の金型パーツのうち上記キャビティに面する少なくとも１つの金型パーツの表面に１μｍ〜３０μｍの表層材料層を有し、かつ、上記金型パーツと上記表層材料層との間に隣接層が設けられた鋳造金型であって、上記表層材料層を形成する材料は上記隣接層を形成する材料より小さい熱膨張率を有し、かつ、上記隣接層を形成する材料は金型パーツ母材より小さい熱膨張率を有しており、表層材料層、隣接層および金型パーツ母材のうち、上記表層材料層を形成する材料が最も小さな熱伝導率であることを特徴とする鋳造金型を１つの要旨とする。
【００１４】
また、本発明は、上記の鋳造金型を、少なくとも１種の金属材料の成形に用いて成形品を製造する方法をもう１つの要旨とする。
【００１５】
更に、本発明は、上記の鋳造金型を用いて成形され、成形品の内側表面に比べて外側表面がより良好な外観を有する成形品をもう１つの要旨とする。
更に、本発明は、上記の鋳造金型を用いて成形品を製造する方法により成形され、成形品の内側表面に比べて外側表面がより良好な外観を有する成形品をもう１つの要旨とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明について説明する。
図１は、本発明の１つの実施態様例を示している。
図１において、固定側金型パーツ４のキャビティ３に面する箇所に断熱ブロック層７が設けられている。この態様において、断熱ブロック層７は、キャビティ３に面する側の表層材料層８および金型パーツに接する側の金型パーツ隣接層（本明細書において、単に、隣接層とも称する。）９の２層を積層して形成されているが、この２層の間に１またはそれ以上の中間層を挟んだ形態として形成することもできる。従って、断熱ブロック層７は、少なくとも２種の層を積層して形成されている。
【００１７】
表層材料層８を形成する材料は、断熱ブロック層７を構成する各層および金型パーツ４・５をそれぞれ形成する材料の中で最も小さい熱伝導率を有している。
表層材料としては、セラミック材料、例えば、アルミナ、窒化ケイ素、ジルコニアガラス、シリカ、炭化チタンまたはコージェライト等を用いることができる。これらのセラミック材料の熱伝導率は、３〜２０ｗ／ｍ／℃の範囲である。
【００１８】
小さな熱伝導率を有する材料により形成されるこの表層材料層８は、キャビティ３内に流入した溶湯と金型パーツ母材との間を隔てて存在し、溶湯と金型パーツ母材とが直接接触することを防止し、溶湯から金型パーツ母材への熱の伝達を抑制することにより、溶湯の凝固時間を遅延させるという機能を有している。
【００１９】
従って、溶湯の凝固時間を遅延させることによって、成形品において湯じわ、巣などの成形不良が発生することを有効に防止することができる。
このような機能を達成するために、表層材料層７は、１μｍ〜３０μｍの範囲、より好ましくは１μｍ〜１０μｍの範囲の厚さを有するように形成すればよい。
【００２０】
一般に金属材料からなる金型母材の表面に表層材料層を設けるための手段としては、金属材料にセラミック材料の層を積層させるための手段として既知である種々の手段を採用することができる。尤も、表層材料層の厚さを１μｍ〜１０μｍ程度と比較的薄く形成する場合には、溶射または複合無電解メッキにより表層材料層を形成することができる。これらの手段によれば、キャビティの形状が複雑な凹凸を有する場合であっても、金型内面をほぼ均一の厚さにて被覆することができる。従って、表層材料層による熱伝導の抑制という機能を表層材料層全体にわたってほぼ均等に達成することができる。
【００２１】
金型パーツ隣接層９は、表層材料層８と金型パーツ（図１に示す態様では、固定側金型パーツ４）との間に存在して、熱膨張率に関して、好ましくは両者の間の値を有することにより、互いに隣接する層またはパーツの間での膨張率のギャップを小さくする機能を有する。尚、金型パーツ隣接層９と表層材料層８との密着強度をより向上させるためには、金型パーツ隣接層９と表層材料層８との熱膨張率が同じまたは近似する値となるように各材料を選択することもできる。
【００２２】
この機能は、熱膨張率の差が大きい２つの層が積層されている場合に、短時間にて温度が大きく変化するヒートショックにさらされると、一方の層が剥離したり、割れたりするという積層不良を生じやすいが、そのような２つの層の間に、両者の間の範囲の値の熱膨張率を有する層を存在させることによって、隣接する２層間の熱膨張率の差をより小さくし、層の剥離や割れなどの積層不良の発生を防止するというものである。
【００２３】
従って、金型パーツ母材、金型パーツ隣接層９および表層材料層８を形成する材料については、上記のような熱伝導率および熱膨張率の要件を併せて考慮して、好適な材料の組合せを選択する必要がある。
【００２４】
好ましい例として、金型パーツ隣接層９を、２５０℃程度の高温域まで１０μｍ／ｍ／℃の熱膨張係数を維持することができるニッケル合金またはチタン合金により形成することができる。そのようなニッケル合金の例としては、インバー材ＨＲＡ９２９Ｃ（日立金属株式会社製）、低熱膨張鋳鉄ＬＥＸ４０（日本鋳造株式会社製）があり、チタン合金の例としては、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−７Ａｌ−４Ｍｏがある。
【００２５】
例えば、表層材料層８として、セラミックス材料のＺｒＯ２・ＳｉＯ２（熱膨張率：約５μｍ／ｍ／℃、熱伝導率：３ｗ／ｍ／℃）を、金型パーツ隣接層９として、チタン合金のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ（熱膨張率：約９μｍ／ｍ／℃、熱伝導率：約７ｗ／ｍ／℃）を、そして金型パーツ母材として熱間ダイス鋼のＳＫＤ６１（熱膨張率：約１２μｍ／ｍ／℃、熱伝導率：３５ｗ／ｍ／℃）を用いると、表層材料層８と金型パーツ隣接層９との間の熱膨張率の差は約４μｍ／ｍ／℃、金型パーツ隣接層９と金型パーツとの間の熱膨張率の差は約３μｍ／ｍ／℃となる。
【００２６】
一方、金型パーツ隣接層９を存在させずに、表層材料層８を金型パーツに直接積層させる場合を考えると、両者の間の熱膨張率の差は約７μｍ／ｍ／℃となる。従って、本発明の金型では、隣接する２層間、即ち、表層材料層８と金型パーツ隣接層９との間、ならびに金型パーツ隣接層９と金型パーツとの間の熱膨張率の差を、金型パーツ隣接層９を存在させない場合に比べて、より小さくすることができる。
【００２７】
従って、断熱ブロック層を構成する各層どうしについても、断熱ブロック層と金型パーツ母材との間でも、熱膨張率の差がこのように比較的小さくなるように各材料を選択することによって、苛酷なヒートショックにさらされる場合であっても、金型パーツと断熱ブロック層７および断熱ブロック層７内の各層間における膨張量の差を小さく抑えることができるので、断熱ブロック層７において剥離やクラック等が発生することを防止することができる。
【００２８】
このような構成を有する本発明の金型では、苛酷なヒートショックのサイクルに付された場合であっても表層材料層に剥離やクラック等の発生を抑制することができるので、より長い寿命を確保することができる。
【００２９】
以上のような構成を有する本発明の金型において、溶湯をキャビティ内へ注入すると、金型内での溶湯の冷却および凝固が遅延されるため、溶湯の注入が完了しないうちに溶湯が固化を開始することを防止することができる。従って、溶湯を、これが溶融状態を十分に保っている状態でキャビティの先端部分まで十分に充填することができ、充填不良の発生を防止することができる。
【００３０】
また、薄型の成形品を成形するための金型ではキャビティの間隔（成形品の厚さに対応する間隔）が小さく設定される。キャビティの間隔が小さくなると、金型の単位面積あたりに流れこむ溶湯の量の割合が小さくなる。従って、キャビティの間隔が相対的に大きい金型よりも、その間隔が相対的に小さい金型の方が、溶湯はより短時間で冷めやすく、充填不良も生じやすい傾向にある。
【００３１】
しかしながら、本発明の金型によれば、溶湯と金型母材との間に、比較的小さい熱伝導率を有する表層材料層が存在することによって、金型内での溶湯の冷却および凝固を遅延させることができるので、本発明の金型を、比較的小さい間隔のキャビティを有する薄型成形品用の金型として用いる場合であっても、充填不良の発生の防止を良好に達成することができる。
【００３２】
断熱ブロック層７は、固定側金型パーツ４および移動側金型パーツ５の両者のキャビティ３に面する箇所に形成して、キャビティ３全体を覆うように設けることもでき、その場合には、成形品の外面側および内面側の両方について良好な外観を有するものが得られる。
【００３３】
しかし、断熱ブロック層７を形成する材料には、チタン合金またはニッケル合金等の常套の金型パーツ母材よりもコストが高い材料を用いることになるため、常套の金型と比較すると、コストが高くなる。そのようなコストの上昇を最小限度に抑えることを１つの目的とする本発明においては、断熱ブロック層７を設ける領域、従って断熱ブロック層７の体積または面積を最小の範囲に抑えることもできる。
【００３４】
そこで、本発明の金型において、断熱ブロック層７は固定側金型パーツ４または移動側金型パーツ５のいずれか一方に設けることもできる。その場合には，成形品の外面側を形成する方の金型パーツに断熱ブロック層７を設けるようにすることができる。そうすると、製造された成形品は、外側表面については、湯じわ、巣などを有さないように形成することができ、より高い商品価値を有するものとなり得る。また、通常は人目に触れることの少ない成形品の内側表面についてはそれほど高い成形精度を確保しなくともよく、例えば、図３に示すように湯じわ１１が存在しても構わないので、成形品の内側表面に対応する方の金型パーツには断熱ブロック層７を設けない態様とすることができる。
【００３５】
また、製造しようとする成形品のデザインにもよるが、本発明を適用することができる金型は、その金型パーツが、固定側金型パーツ４と移動側金型パーツ５の２つのパーツの組合せで用いられる場合に限られず、特に図示はしないが、固定側金型パーツおよび／または移動側金型パーツが２以上のパーツに分離しており、これらが使用時に組み合わせられて金型を形成するものにも適用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
かかる本発明によれば、表層材料層を有する断熱ブロック層が存在することによって溶湯の凝固を遅延させることができ、溶湯を十分な溶融状態にてキャビティ内に流通させることができるため、溶湯が流れる方向についてのキャビティの断面積が小さい場合であっても、断熱ブロック層が存在するキャビティの先端部分まで溶湯を十分に行き渡らせることができる。従って、断熱ブロック層が存在するキャビティにおいては、溶湯の金型内での充填可能な距離を延ばすことができるので、より薄型の成形品を得ることができる。従って、マグネシウム合金などのチクソモールディングに好適に用いることができる。
【００３７】
このように、キャビティ内における溶湯の固化を遅延させることによって、固化が成形材料の全体的にわたって均質に生じるようにすることができるので、成形品において、断熱ブロック層を設けた側の金型パーツに対応する部分の湯じわ、巣等の成形不良の発生を低減させることができる。
【００３８】
更に、本発明の金型は、断熱ブロック層の各層どうしおよび断熱ブロック層と金型母材パーツとの間における熱膨張率の差を比較的小さく設定しているので、苛酷なヒートショックを受ける条件で使用される場合であっても、断熱ブロック層におけるクラックの発生を防止して、金型としての寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの態様を示す断面図である。
【図２】従来の鋳造金型の断面図である。
【図３】本発明の金型によって成形した成形品の斜視図である。
【符号の説明】
１、２…湯口、                  ３…キャビティ、
４…固定側金型パーツ、          ５…移動側金型パーツ、
６…湯道、                      ７…断熱ブロック層、
８…表層材料層、                ９…金型パーツ隣接層、
１１…湯じわ。
【図１】
0003598238.tif 000002
【図２】
0003598238.tif 000003
【図３】
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