(57)【要約】【課題】コントロールされた多孔性を有するツールを製造する方法を提供する。【解決手段】本方法は、ガス噴霧法によって金属粉末を調製する工程を含んでいる。その金属粉末を金属コンテナに充填する。金属粉末が充填された金属コンテナを金属容器内に置いて、ガラスフリットで取り囲む。次に、その金属容器をガラスフリットが溶解するのに十分な温度まで加熱する。次に、所望量の多孔度を保持させるように粉末金属を部分的に圧密させるのに十分な圧力下で金属容器を圧縮させる。【選択図】図１
2007524756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス噴霧法によって金属粉末を調製する工程と、
前記金属粉末を金属コンテナに充填する工程と、
金属粉末が充填された前記金属コンテナを金属容器内に入れる工程と、
前記金属容器内に入れられた金属粉末充填済み前記金属コンテナをガラスフリットで取り囲む工程と、
前記金属容器を前記ガラスフリットが溶解するのに十分な温度まで加熱する工程と、
所望量の多孔度を保持させるように前記金属粉末を部分的に圧密させるのに十分な圧力下で前記金属容器を圧縮させる工程とを含む、コントロールされた多孔性を有する金属ツールの製造方法。
【請求項２】
金属粉末を調製する前記工程が、工具鋼粉末を調整することを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記金属容器を加熱する前記工程が、前記金属容器を約１８５０°Ｆ〜約２０５０°Ｆの温度で加熱することを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記金属容器を圧縮する工程が、前記金属容器を約２５０トン〜約６００トンの圧力で加圧することを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記金属ツールが用いられる製品の種類に適切な粉末粒子サイズを提供するために、前記金属粉末を前記金属コンテナに充填する前にふるいにかける工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ガス噴霧法によって金属粉末を調製する工程と、
十分に強化された金属片を金属コンテナ内に入れる工程と、
前記金属コンテナ内に前記金属粉末を充填する工程と、
金属粉末が充填された前記金属コンテナを金属容器内に入れる工程と、
前記金属容器内に入れられた金属粉末充填済み前記金属コンテナをガラスフリットで取り囲む工程と、
前記金属容器を前記ガラスフリットが溶解するのに十分な温度まで加熱する工程と、
前記金属粉末を前記十分に強化された金属片に接着させ且つ所望量の多孔度を保持させるように前記金属粉末を部分的に圧密させるのに十分な圧力下で、前記金属容器を圧縮させる工程とを含む、コントロールされた多孔性を有する複合金属ツールの製造方法。
【請求項７】
金属粉末を調製する前記工程が、工具鋼粉末を調整することを含んでいる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記金属容器を加熱する前記工程が、前記金属容器を約１８５０°Ｆ〜約２０５０°Ｆの温度で加熱することを含んでいる、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記金属容器を圧縮する工程が、前記金属容器を約２５０トン〜約６００トンの圧力で加圧することを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記金属ツールが用いられる製品の種類に適切な粉末粒子サイズを提供するために、前記金属粉末を前記金属コンテナに充填する前にふるいにかける工程を含んでいる、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属射出成形用のツール、特に、コントロールされた量の多孔度を有するように、粉末冶金技術によってそのようなツールを製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラスチック射出成形は非常に大きな産業であり、我々は、毎日数百ものプラスチック射出成形品に依存している。そのようなプラスチック射出成形品としては、枚挙にいとまがないが、自動車インテリア部品，セルホーンのケース及びウィンドウ，キャップ及びクロージャー，子供のおもちゃ，台所用品及びオフィス用品等を挙げることができる。この業界で大きな進歩がみられても、製品の複雑性及び生産率には依然として限界がある。これらの限界は、射出成形機自体に起因するものではなく、むしろツーリング設計及び射出成形機において用いられるツーリング材料によって課せられる。
【０００３】
射出成形機用の公知のツールは、鋳造され及び加工された鋼から作られていて、５０年以上使用することができる。然しながら、その公知の射出成形ツールには多くの欠点がある。公知の射出成形機においては、プラッチック材料が金型キャビティに充填されるにつれて、エアーがその金型キャビティより排気されるように設計されている。そのツールは、金型壁にあけられたチャンネルを通る水によっては通常効率的に冷却されない。プラスチック部品は、保形するのに十分で且つ取り出すのに十分な程度に固まるまで金型内に留め置かなければならないため、生産効率が低い。また、冷却効率が低いために、表面品質のような別の特徴も損なわれる。金型をより良好に一貫して冷却させることは、直ちにプラスチック固化温度に達することにより、生産サイクル時間を少なくさせて、生産性を向上させることを意味する。
【０００４】
ガス及びガス使用，ポリマー処理技術及びツール材料の冶金技術に関する現在の知識に基づいて、プラスチック成形産業、特にプラスチック射出成形についての大きな進歩として評されている新たな冷却技術が開発されている。この技術は、生産サイクル時間を２０〜４０％低減させる可能性を有しているので、生産性の向上，複雑な製品の設計自由度の拡大，利点の増加及び製品範囲の拡大を保証する。
【０００５】
その新たな技術は、金型内で蒸発する液状冷却ガスを金型内に注入するという進んだ冷却コンセプトである。注入されたガスは金型から排出される。この技術は、最適な冷却を達成するための均一でコントロールされた多孔性を有して作られた金型材料を必要とする。金型材料の微細孔を用いることによって、蒸発冷却ポイントを金型の成形面に近づけて位置させることができる。ウォーターチャネルがあけられて作られた金型と同様にその金型のジオメトリーには制限がない。
【０００６】
ガス冷却の技術は実施可能ではあるが、その困難性は、金型のための好適な材料の利用可能性と、金型材料内でコントロールされ且つ一貫した品質レベルの微細孔構造を得ることの実現不能性にある。更に、表面品質が主要な重要課題である多くの分野において必要とされるような、多孔質内部と固い表面層とを有する複合金型を作成するための有効な技術は存在しない。
【０００７】
従来の粉末冶金加圧焼結技術によってツールを製造してみたが、所望の結果を生み出すことはできなかった。これらの技術では、要求される程度にコントロールされた所望のレベルの多孔性を生み出すことができない。更に、その加圧焼結技術では、ツール材料に不均一なサイズの孔を生み出してしまう。この種のヴァリエーションがあると、ツール表面の冷却をコントロールすることができず、その新たなガス冷却技術の実効性を効果的に利用することができない。更に、従来の粉末冶金加圧焼結技術では、コントロールされ且つ一貫した微細孔構造を成形しつつ、同時にツールに固い表面を形成することができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
プラスチック射出成形ツール及び金型に関するその新たなガス冷却技術のコンセプトを利用することのできるツールを製造するために、材料及び方法を開発する必要性があることは明らかである。本発明による方法は、コントロールされた多孔性と孔サイズを有する微細孔質ツールを製造することのできる粉末冶金圧密処理（ｐｏｗｄｅｒ  ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ  ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓ）と組み合わせて耐食性材料を利用する工程を含んでいる。更に、本発明による圧密技術により、特定の用途に必要とされるような、固い表面と微細孔領域との双方を有するよう設計された複合ツールを製造することができる。他の粉末冶金圧密処理と相違して、本発明による方法は、規模によって、高圧力，低い圧密温度及び少ないサイクル時間にすることができる。これらの利点によって、製造コストが低減されると共に、資本投資がかなり削減されることとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
射出成形ツールを製造するための公知の方法に付随する欠点は、本発明による方法によって大きく解消させることができる。コントロールされた多孔性を有する金属ツールを製造するための本発明による方法は、ガス噴霧法によって金属粉末を調製することから始められる。その金属粉末を金属コンテナ中に充填する。金属粉末が充填されたコンテナを金属容器中に入れて、ガラスフリット材で取り囲む。次に、その金属容器を、ガラスフリットを溶解させるのに十分であるが金属粉末の所望の特性に悪影響を及ぼさない程度の温度まで加熱する。次に、所望量の多孔度を保持させるように金属粉末を部分的に圧密させるのに十分な圧力下で金属容器を圧縮させる。
【００１０】
コントロールされ且つ均一に一貫した微細孔質な耐食性ツール製品を製造するためのこの新規な方法は、プラスチック射出成形の生産性を２０〜４０％向上させることができるばかりでなく、従来の金型製作技術で現在遭遇している冷却及び品質上の生来的な多くの問題を取り除くことができる。インジェクション金型は多孔質であるので、プラスチック材料が注入されるに従ってエアーを金型の壁を介して排出させることができる。これにより、従来の金型における排気問題を解消することができる。更に、プラスチック材料を金型キャビティ内に注入した後に、少量の液状ガスを金型内に注入して部品を迅速且つ簡単に解放させることができる。その結果、射出成形機の詰まりが殆どなく、エジェクターマークによる不良品の発生を低減させることができる。全体として、この技術は、産業界で現在用いられているツーリング（ｔｏｏｌｉｎｇ）と比較して、部品冷却，通気及び表面品質上の利点を有する、プラスチック射出成形のツーリングを提供する。
【００１１】
添付図面を参照することにより、上述した本発明の概要及び後述する本発明の詳細な説明をより明確に理解することができるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、プラスチック射出成形のために用いられるツールの均一且つ一貫した冷却を実施するために用いることの可能な、開口及び（又は）閉じられた表面を備えた耐食性微細孔材料製品を製造する方法を含んでいる。この方法は、初めに、公知の粉末冶金技術によってガス噴霧粉末金属を製造する工程を含んでいる。第二の工程においては、粉末金属を保持するために、所定形状に形成されたコンテナを用意する。その粉末金属が充填されたコンテナを適切な温度まで加熱して、圧密させる。その粉末金属とコンテナとの組合せ体を、標準的な油圧プレスによって、制御された圧力で、液状媒体中で準アイソスタティック状態で圧密させる。この圧密工程は、実質的に一段階処理である。
【００１３】
本発明による方法の好ましい実施形態について、図１を参照して説明する。微細孔ツールのための材料は、プラスチック射出成形方法の操作環境及び製造される部品に従って選択する。ガス噴霧金属粉末を、ふるいにかけて、多孔性レベル，孔サイズ及び金型の使用で必要とされる強度と矛盾しない粒度分布のものにする。その粉末粒度は、臨界的な変数ではない。従って、コスト的な効果を考えると、広範囲の粉末粒度のものを使用することができる。−８０メッシュ及びそれより小さい粉末粒度で良好な結果が得られた。然しながら、別のタイプの射出成形ツールについては、別の粒度が適切であると判断される。ふるいにかけられた粉末を所定の形状に形成されたコンテナ内に振動充填する。コンテナの形状は、インジェクション金型の物理的な設計によって決定される。粉末が充填されたコンテナは、真空にされて、真空ノズルをクリンプすることによってシールさせ、そして溶接閉塞する。
【００１４】
金属粉末の圧密は次のように進められる。粉末とコンテナとの組合せ体を、開口した金属容器中に入れて、ガラスフリットで取り囲む。粉末とコンテナとの組合せ体とガラスフリットとを含んだ金属容器を炉内に置く。その金属容器を、ツール材料に好適で且つガラスフリットを溶解させて液状化させるのに十分高い温度まで加熱する。温度均一に達した適切な時間の後に、容器とコンテナとの組合せ体を炉から取り出す。それを、油圧プレス内に配置されたポットダイ（ｐｏｔ  ｄｉｅ）中に入れる。所望量の多孔度を保持しつつ金属粉末を圧密させるためにポットダイ中の組合せ体にプレスで十分な圧力を付加する。ポットダイ中の圧力伝達媒体は、溶解しているが、高い粘度のガラスフリットである。圧力を加えた後に、圧密された金属粉末とコンテナとの組合せ体をプレスから排出させて、室温まで冷却させる。図２Ａは、本発明による方法によって作られた完全な多孔質ツールの半加工品を示した図である。
【００１５】
金属粉末合金４２０ＬＣ，ステンレス鋼及びＨ１３と工具鋼についての圧密試験を行ったところ、多孔度を６０％の低い稠密（ｄｅｎｓｅ）から１００％の稠密までコントロールすることができることが実証された。孔サイズはプロセス変項によってもコントロールすることができる。プロセスの基本変項としては、粉末粒のサイズ，圧密温度及び油圧プレスによって及ぼされる圧力がある。好ましい温度範囲は、約１８５０°Ｆ〜約２０５０°Ｆである。好ましい鍛造圧範囲は、約２５０トン〜約６００トンである。液状化したガラス媒体は、コンテナに入れられた金属粉末に準アイソスタティック圧を及ぼして、製品全体に亘って実質的に均一な多孔質を作り出す。加えて、比較的低い圧力温度が、従来の粉末冶金圧密方法において用いられるより高い温度で錯合金（ｃｏｍｐｌｅｘ  ａｌｌｏｙｓ）中に生じるマトリックス材料中の有害な相の生成を防止するのに役立つ。
【００１６】
表面仕上げは或る射出成形プラスチック部品にとっては重要であり、完全な多孔質ツールは、所望の表面仕上げを提供するものではない。その問題を解決するために、種々の材料成分備えた複合ツールと同様に固い多孔質構造の領域を備えた複合ツールを、本発明の別の実施形態に係る方法によって製造することができる。その実施形態による方法は、金属粉末を充填する前に、鋳造され及び加工された固い材料片を金属コンテナ中に入れる工程を含んでいる。次に、その金属コンテナに金属粉末を充填して、上述した如く圧密させる。その圧密工程中に、金属粉末は固い材料と接着する。その結果得られたツール製品は、十分密集した表面層と内部多孔質構造とにより成る複合構造を有している。図２Ｂは、本発明に係るこの方法によって作られた複合ツールの半加工品を示した図である。この複合構造は、多孔質構造によって齎される所望の冷却効果を発揮しつつプラッチック製品と調和する良好な表面を持ったツールを提供する。
【００１７】
上述した内容に鑑みて、本発明による方法の新規な特徴及び利点は明らかになったであろう。本発明による方法は、公知の粉末冶金圧密技術と比較して、プラスチック射出成形ツールのコントロールされた多孔性レベルをより均一化させ且つ同ツールを低コストで製造することができる。均一な多孔性を有する大きな及び小さなツールをこの方法によって作ることができる。プラスチック射出成形用のツールを作るためにこの方法を用いると、この非常に重要な産業にかなりの経済的影響を及ぼすことは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による方法における圧縮工程を示した概略図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態に係る方法によって作られた複合ツールの半加工品の部分図である。
【図２Ｂ】本発明の別の実施形態に係る方法によって作られた複合ツールの半加工品の部分図である。
【図１】
2007524756.tif 000003
【図２Ａ】
2007524756.tif 000004
【図２Ｂ】
2007524756.tif 000005
【国際調査報告】
2007524756.tif 000006
2007524756.tif 000007