(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも鋳造空間の内壁面を含むアルミニウムまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、あるいは亜鉛またはその合金である低融点の軽金属・合金からなる金型表面に、陽極酸化処理によって形成した多孔質陽極酸化皮膜を設け、かつその多孔質陽極酸化皮膜の気孔内を化学的緻密化処理によって、酸化クロムの微粒子を充填して封孔した構成を有することを特徴とする、アルミニウムまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、亜鉛またはその合金の鋳造に用いる鋳造用金型。
【請求項２】
光硬化型樹脂原料を素材として光造形法によって三次元形状を有する樹脂原型を造形し、前記樹脂原型に基づいて、石膏模型を得てさらにアルミニウムまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、あるいは亜鉛またはその合金からなる低融点軽金属製金型を作製し、次いで前記金型表面を、陽極酸化処理したのちさらに、下地の多孔質陽極酸化皮膜の微細気孔および／またはクラック中に、クロム酸溶液または可溶性クロム化合物溶液を含浸させたのち加熱焼成する操作を繰返すことによって得られる酸化クロム微粒子を充填すると共にさらに表面を覆う化学的緻密化処理を施して改質することを特徴とする、アルミニウムまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、亜鉛またはその合金の鋳造に用いる鋳造用金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳造用金型およびその製造方法に関し、とくにアルミニウムまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、亜鉛またはその合金などの低融点軽金属材料を鋳造成形するときに用いる低融点軽金属製金型に関し、更に詳しくは、その金型表面（少なくとも鋳造空間内壁面）を改質した点に特徴を有する金型とその製造方法についての提案である。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム等の軽金属を鋳造するための金型の素材としては、通常、SKD 61などのJIS G 4404工具鋼が使われており、一般には、鋳鋼品を削りだしや放電加工などの機械加工によって手間をかけて一品ごとに製作されている。
この場合、ひとつの金型で多数の製品を鋳造する場合には、金型の製作費が製品コストに及ぼす影響は必ずしも大きくないが、多品種少量生産を目的として鋳造される製品の場合には、金型の開発、試作、製作コストが嵩み大きな課題となっている。
【０００３】
特に、試作金型の場合には、設計変更の都度、費用と工期をかけて変更金型を製作するのが普通である。これは試作期間の短縮化要求に対して大きな障害となっている。
また、多品種少量生産の製品に対しては、金型の設計、製作費が製品のコスト低減の障害となっていた。
【０００４】
これらの障害に対しては、近年、光造形法と称する精密鋳造法（例えば、特開平９−52145 号公報参照）が開発され、ある程度克服されている。即ち、この光造形法というのは、光硬化型樹脂（感光性樹脂）である樹脂液に、レーザ光線を照射して硬化処理することによって、造形部分のみを硬化させ、三次元形状を有する樹脂膜型を形成する技術であり、原型の製作を著しく容易にした。その他、特開平７−47443 号公報では、この光造形法を用いたロストワックス鋳造法が提案され生産性を向上させた例が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術において、金型をその形状変更のたびに、前記工具鋼材で製作しようとすると、時には数カ月におよぶ工期を必要とすることもあり、それ故に製品の設計変更を頻繁に行うことは困難になるし、また、製品品質の改善も制約される。すなわち、従来技術は、こうした製品開発の最適化、迅速化を阻害するため、コストの低減、製品販売競争力の低下などを招くという問題を抱えていた。
また、その改善技術である前記光造形法を適用した方法についても、金型基材によっては耐久性などに問題点を残していた。
【０００６】
本発明の主たる目的は、従来技術が抱えている上述した問題点を解決できる金型とその製造方法を提案するところにあり、とくに試作金型を短期間で製作することができる上、耐久性、耐摩耗性、耐溶融金属性、耐かじり性という金型として必要な各特性にも優れた金型を製作する技術を提案するものである。
本発明の他の目的は、低融点軽金属の鋳造に対して、金型製作素材として、鋼材ではなく同種の低融点軽金属を用いてもなお、鋳造のトラブルを全く招くことなく、円滑に鋳造することができると共に、金型自体をすこぶる簡便に製作することができるようにすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上掲の目的の実現に向け鋭意研究を重ねた結果、発明者らは、金型表面処理によっては、たとえ鋳造金属が金型と、とも金となる軽金属類を鋳造する場合であっても、問題なく鋳造できることを知見した。即ち、金型を、製作工期に時間のかかる工具鋼ではなく、軽金属を用い、かつその表面を適宜に処理した場合には、鋳造材料 (軽金属) と同一種の素材からなる金型であっても円滑に鋳造できると共に、低融点の軽金属の故に、金型製作時間 (工期) 、コストの面でも有利に製作できることをつきとめ、本発明を完成した。
例えば、本発明において、金型の素材として用いるアルミニウムまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、亜鉛またはその合金などの軽金属類は、その融点がそれぞれ約600 〜700 ℃、約600 〜700 ℃、約350(419)〜400 ℃と鋼に比べて著しく低いため、金型製作上有利である。しかも、これらの金属等は一般に軟質で剛性が小さく仕上げ工程において機械加工を必要とする場合でも、工具などによる加工手段、加工に要するエネルギコストの大幅な低減が期待できる。
【０００８】
このような知見の下に開発した本発明は、少なくとも鋳造空間の内壁面を含むアルミニウムまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、あるいは亜鉛またはその合金である低融点の軽金属・合金からなる金型表面に、陽極酸化処理によって形成した多孔質陽極酸化皮膜を設け、かつその多孔質陽極酸化皮膜の気孔内を化学的緻密化処理によって、酸化クロムの微粒子を充填して封孔した構成を有することを特徴とする、アルミニウムまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、亜鉛またはその合金の鋳造に用いる鋳造用金型である。
【０００９】
なお、本発明においては、上記充填微粒子は、鋳造金属に対して、化学的緻密化処理（特開昭４９−７０８３７号公報、特開昭６３−１２６６８２号公報参照）によって得られる耐かじり性を付与できる酸化クロム系材料であることが好ましい。
【００１０】
本発明に係る上記鋳造用金型は、次のようにして製造する。即ち、本発明は、光硬化型樹脂原料を素材として光造形法によって三次元形状を有する樹脂原型を造形し、前記樹脂原型に基づいて、石膏模型を得てさらにアルミニウムまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、あるいは亜鉛またはその合金からなる低融点軽金属製金型を作製し、次いで前記金型表面を、陽極酸化処理したのちさらに、下地の多孔質陽極酸化皮膜の微細気孔および／またはクラック中に、クロム酸溶液または可溶性クロム化合物溶液を含浸させたのち加熱焼成する操作を繰返すことによって得られる酸化クロム微粒子を充填すると共にさらに表面を覆う化学的緻密化処理を施して改質することを特徴とする、アルミニウムまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、亜鉛またはその合金の鋳造に用いる鋳造用金型の製造方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明では、三次元形状を有する樹脂原型を光造型法によって製造する。一般に、三次元形状を有する金型製品は、二次元図面あるいは三次元ＣＡＤを用いた三次元図面で表現される。そこで、本発明ではまず、これらのデータ (目的型の輪郭形状) をコンピュータに入力しておき、目的型を薄くスライスした等高線上の位置にある紫外線硬化型感光性樹脂液，例えば紫外線硬化型エポキシ樹脂等にレーザー等を照射し、製作型の輪郭形状に倣ってそのレーザー光動作端を制御運動させることにより、三次元形状を有する金型製品に相当する形状を持った樹脂成形体 (原型) を得る方法を採用する。 (特開平９−52145 号公報参照)
【００１３】
さて、金型製作プロセスにおいて重要なことは、▲１▼試作型（原型）の寸法精度が優れていること、▲２▼設計形状の変更が容易であること、▲３▼工期が短いこと、▲４▼設計変更コストが低廉であることなどが求められている。
このような要請に対して、本発明では、金型基材として、アルミニウム等の低融点の軽金属・軽合金 (以下は、単に「軽金属」という) に注目して、これを金型製作素材として用いることを検討した。その結果、アルミニウムまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、亜鉛またはその合金などの低融点軽金属は、工具鋼 (ＳＫＤ) などに比べると、溶融点が低いので、加熱、溶解、保持設備、鋳造装置が相対的に簡易なものになると共に、エネルギーコストの点で有利であることがわかった。
【００１４】
しかしながら、例えば、アルミニウム合金製金型中にもし、アルミニウム合金そのものを注湯して鋳造するとすれば、金型部材と鋳造材金属溶湯がとも材となるため、部分的に溶着する危険があるとともに、離型の際に“かじり現象”が発生することがあった。
このような危険性、現象を防止するには、金型の少なくとも鋳造空間内壁面にアルミウニム合金溶湯に対して濡れにくい材料を被覆して保護することが必要である。
【００１５】
そこで、本発明では、とも材鋳造を可能にすべく、前記軽金属製金型（以下、「アルミニウム合金」の例で説明する）の表面（少なくとも鋳造空間内壁面）の被覆処理として、陽極酸化処理を行うことにした。そのためにはまず、アルミニウム合金性金型基材を５％硫酸浴を用いて、陽極酸化皮膜を形成することにした。この陽極酸化皮膜の特徴は、電流の通路となった部分に微細な孔をもつ多孔質で硬質の層になることである。
【００１６】
即ち、軽金属性金型の表面を陽極酸化処理すると、該金型表面には、硬化（Ｈv 400 〜500)した多孔質の皮膜が生成する。この皮膜は、厚さが60〜200 μｍ程度の、多くの微細気孔や微細なクラックを有する多孔質陽極酸化皮膜である。
本発明では、皮膜中の微細気孔、微細クラックの中に、この皮膜の硬さをより一層高めるため、後述する化学的緻密化処理によって、異種の材料即ち、酸化物、非酸化物もしくは金属と樹脂との複合物の微粒子 (0.01〜0.03μｍ) を含浸させて充填封孔し、もしくはさらにその表面に薄く被覆するようにしたのである。
【００１７】
かかる化学的緻密化処理は、特開昭63−126682号公報などに開示されているような方法であって、軽金属製金型表面に形成した上記多孔質陽極酸化皮膜の微細気孔，クラック中もしくはさらにその表面に、クロム酸溶液または可溶性クロム化合物溶液、例えば無水クロム酸、重クロム酸アンモニウム、硫酸クロム、塩化クロム、硝酸クロム、酢酸クロム、クロム酸マグネシウム、クロム酸ナトリウム等を塗布して含浸させ、次いで、これらが酸化クロム微粒子となり得る温度、例えば300 〜450 ℃に加熱し（これらの操作は通常２〜15回程度を繰り返して行う）、微粒子状の酸化クロムを生じさせ、前記陽極酸化皮膜中の微細な気孔およびクラック中に微粒子状の酸化クロムを生じさせ、微細な気孔およびクラック中に充填封入するとともに、酸化アルミニウムとの間に酸化物結合、すなわち酸化アルミニウムと酸化クロムの間にセメンテーションを生じさせる処理である。
【００１８】
この処理により、上記皮膜の表面に塗布されたクロム酸は加熱焼成されることにより、気孔およびクラック中に酸化クロム微粒子を析出して充填される。その結果、該陽極酸化皮膜はより一層緻密化され、皮膜断面硬度もＨv 400 〜500 からＨv 600 〜800 へと高くなり、優れた耐摩耗性を示すに至る。
【００１９】
そこで、本発明者らは、こうして得られたクロム酸化物含浸層を有する陽極酸化皮膜にて被覆された金型中に、アルミニウム合金溶湯を注入鋳造したときの、その溶湯と前記クロム酸化物 (微粒子) との濡れ性について調べた。
但し、この実験では、直径20mm、長さ150mm のAC4C材 (JIS H 5202  鋳造用アルミニウム合金）を準備し、その表面に硬質陽極酸化皮膜を形成した後、比重1.6 の無水クロム酸水溶液を塗布し、470 ℃で焼成する操作を３回繰り返した試験片を作製した。そして、その試験片を500 ℃のAC4C材溶湯中に浸漬し、試験片表面の浴成分の付着状況を調べた。比較例はAC4C材単独およびSKD 61基材である。
【００２０】
表１は、この実験の結果を示したものであるが、AC4C材単独、SKD61 基材はいずれも部分的に浴成分が付着するとともに、その部分は試験片基材そのものが溶融アルミニウム合金浴成分によって浸食され、合金層が生成していた。これらの基材は基本的に反応性に富む浴成分との間で反応したことを示すものである。
【００２１】
これに対し本発明に適合する表面処理皮膜（硬質陽極酸化皮膜の気孔中など酸化クロムを充填封入処理したもの）を有する試験片は、表面に浴金属成分が全く付着することなく、変化のない原状のままの表面を呈していた。即ち、かかる表面処理皮膜が、金型の耐溶融金属溶損性を発揮したものと考えられる。
【００２２】
【表１】
0004451546.tif 000002
【００２３】
上記金型鋳造空間に鋳込む鋳造材料としては、アルミニウムまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、亜鉛またはその合金、ベリリウムまたはその合金、チタンまたはその合金などのいずれかである軽金属・軽合金を用いることができる。
【００２４】
【実施例】
実施例１
AC4C鋳造用アルミニウム合金を用いて鋳造成形し、時効硬化処理（T4処理）によって歪除去したアルミニウム合金ダイカスト金型の鋳込み面 (鋳造空間内面)に、基材保護皮膜として、本発明に係る表面処理皮膜を形成した例を示す。
準備した金型基材の寸法は内壁径300 mm，深さ20mmである。まず、基本処理として該金型表面を陽極酸化処理をおこなった。かかる陽極酸化皮膜形成条件は、10％硫酸水溶液、浴温２℃、電圧40V (DC)、電流密度２Ａ／dm２(200Ａ／m２) で60分間の処理である。得られた多孔質陽極酸化皮膜は35μｍ厚である。
その後、前記陽極硬化皮膜の表面に、無水クロム酸を用いて作製したクロム酸水溶液を塗布して気孔やクラック中に含浸させ、約470 ℃で焼成する工程を３回繰り返して、前記陽酸化皮膜表面の多孔質部分をクロム酸化物微粒子で封孔した。
このようにして製造したアルミニウム合金ダイカスト金型を用いてAC4C合金のダイカスト成形に供用した。その結果、表２に示す供用寿命が得られ、ダイカスト鋳造用金型として適用できることがわかった。
また、比較したAC4C鋳造用アルミニウム合金を用いて鋳造、T4処理した基材のみで作製したアルミウニム合金ダイカスト金型は、鋳造製品による型表面のかじり現象が発生し、複数回の実用には至らなかった。
【００２５】
【表２】
0004451546.tif 000003
【００２６】
参考例
ＡＣ４Ｃ鋳造用アルミニム合金を用いて鋳造成形し、Ｔ４処理したアルミウニム合金ダイカスト金型に基材保護皮膜として本発明に適合する皮膜を形成した例を示す。準備した基材の寸法は内壁径３００ｍｍ，深さ２０ｍｍである。まず、基本処理として該金型表面を陽極酸化処理をおこなった。陽極酸化皮膜形成条件は５％硫酸水溶液、浴温２℃、電圧４０Ｖ、電流密度２Ａ／ｄｍ２（２００Ａ／ｍ２）で６０分間の処理である。得られた多孔質陽極酸化皮膜は３５μｍ厚である。その後、その皮膜表面に、無水クロム酸を用いて作製したクロム酸水溶液を塗布して含浸させ、４７０℃で焼成する工程を３回繰り返して前記陽極酸化皮膜表面の多孔質部分をクロム酸化物の微粒子を充填して封孔した。このようにして製造したアルミニウム合金ダイカスト金型を用いてＡＢＳ樹脂の成形加工に供用した。その結果、表３に示す供用寿命が得られ、樹脂成形用金型として適用できることが判明した。また、比較したＡＣ４Ｃ鋳造用アルミニム合金を用いて鋳造、Ｔ４処理した基材のみで作製した樹脂成形用金型は、樹脂製品による型表面のビルドアップ現象が発生し複数回の実用には至らなかった。
【００２７】
【表３】
0004451546.tif 000004
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、アルミニウム合金などのダイキャスト製品の製造に供用する金型を、低融点軽金属製とし、さらにその表面を陽極酸化処理および化学的緻密化処理したことにより、樹脂のみならず軽金属をも鋳造できる金型が得られるとともに、従来の鋼基材型の製作に比べ、工期の著しい短縮および製作コストの大幅な低減が可能になった。