(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム・銅系亜鉛合金を母材とした上型及び下型からなり、これら上型及び下型のエッジ部に形成された開先に肉盛り溶接にて切り刃等の硬化部が形成された金型において、前記開先の形状は面取り部とこの面取り部につながる平坦な延長部とを備え、開先の面取り部と延長部は下盛り溶接部で覆われ、また前記肉盛り溶接は開先全体を覆うＳｉ（珪素）が１．０〜８．０ｗｔ％、Ｍｎ（マンガン）が０．３〜４．０ｗｔ％、Ｐb（鉛）が０．０３〜４．５ｗｔ％、Ａｌ（アルミニウム）が０．０３〜１１．０ｗｔ％、Ｎｉ（ニッケル）が０．０３〜７．０ｗｔ％、Ｆｅ（鉄）が０．０３〜６．０ｗｔ％、Ｃu（銅）を残部とする銅系材料からなる下盛り溶接部と、前記延長部上に形成された下盛り溶接部上を除いて下盛り溶接部上に形成されるＢ（ホウ素）が１．０ｗｔ％、Ｃr（クロム）が５．０〜２０．０ｗｔ％、Ｓｉ（珪素）が１．０〜７．０ｗｔ％、Ｆｅ（鉄）が０．０３〜４．０ｗｔ％、Ｃｕ（銅）が０．５〜６．０ｗｔ％、Ｎｉ（ニッケル）を残部とするニッケル系材料からなる上盛り溶接部にて構成されることを特徴とする金型。
【請求項２】
アルミニウム・銅系亜鉛合金を母材とした金型のエッジ部に面取り部とこの面取り部につながる平坦な延長部とからなる開先を形成し、次いで前記延長部が上面となるようにして開先全体にＳｉ（珪素）が１．０〜８．０ｗｔ％、Ｍｎ（マンガン）が０．３〜４．０ｗｔ％、Ｐb（鉛）が０．０３〜４．５ｗｔ％、Ａｌ（アルミニウム）が０．０３〜１１．０ｗｔ％、Ｎｉ（ニッケル）が０．０３〜７．０ｗｔ％、Ｆｅ（鉄）が０．０３〜６．０ｗｔ％、Ｃu（銅）を残部とする銅系溶加材を用いて下盛り溶接を施し、この後前記延長部上に形成された下盛り溶接部上を除いた下盛り溶接部上に、Ｂ（ホウ素）が１．０ｗｔ％、Ｃr（クロム）が５．０〜２０．０ｗｔ％、Ｓｉ（珪素）が１．０〜７．０ｗｔ％、Ｆｅ（鉄）が０．０３〜４．０ｗｔ％、Ｃｕ（銅）が０．５〜６．０ｗｔ％、Ｎｉ（ニッケル）を残部とするニッケル系溶加材を用いて上盛り溶接を施すことを特徴とする金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はブランク材を所望の形状に曲げ成形するプレス成形金型或いはブランク材を絞り成形しその周縁を縁切りするトリミング金型などの金型および係る金型の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のボディは、ブランク材をプレス成形したり絞り成形或いはトリミング成形することで得られる。斯かる成形を行う金型は一般に鋳鉄製や鋳鋼製であり、剛性が高く数十万ショットにも耐えられるが、金型製作にかかる費用が高くなる。
【０００３】
そこで、多品種少量生産に向く金型として、亜鉛合金を母材とした金型が、特開平５−８４５９１号公報、特開平５−１９５１２１号公報および特開平５−２０８２９６号公報に開示されている。
【０００４】
即ち、特開平５−８４５９１号公報には、アルミニウムと銅を含む亜鉛合金に、マグネシウムとアルミニウムを含むビッカース硬度１５０以上の亜鉛合金を肉盛り溶接することが開示されている。
また特開平５−１９５１２１号公報には、プレス金型用の亜鉛合金として、アルミニウムが9.5〜30wt%、銅が6.0〜20wt%、マグネシウムが0.01〜0.2wt%、残部を亜鉛としたものが提案されている。
また特開平５−２０８２９６号公報には、プラスチックの成形金型の母材として亜鉛合金を用いることと、この金型の補修用の溶加材としてＳi等を含むアルミ合金が提案されている。
【０００５】
上記亜鉛合金は加工性等に優れるが柔らかいため、切り刃等を設けるには異種金属を特定部位に設けなければならない。この手段としてめっき、蒸着、スパッタリング等が考えられるが形成される異種金属膜の厚みが薄く耐久性に劣り、コスト的にも不利である。
【０００６】
尚、特許第２８３８６５７号公報に開示されるように、金型のエッジ部に開先を形成し、この開先に高硬度の溶加材を用いて肉盛り溶接を行い、この後グラインダにて研削する手段も考えられる。しかしながら、亜鉛合金に直接溶接できる材料としてはＣu系かＺn系しかない。一方、Ｃu系かＺn系の材料で切り刃等として使用するのに十分な硬度を有するものは存在しない。そこで、本出願人は本出願と並行して、肉盛り溶接を下盛りと上盛りとに分け、下盛り用の溶加材として亜鉛合金に溶接可能な銅系材料を用い、上盛り用の溶加材として十分な硬度を有するとともに銅系材料（下盛り）に溶接可能なニッケル系材料を用いる提案を行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図５（ａ）は特許第２８３８６５７号公報に示された開先の形状であり、同図（ｂ）は同じく従来の開先の形状を示すものである。
これら従来の開先形状であると、図６（ａ）に示すように母材の開先１００に下盛り１０１を形成し、この上に上盛り１０２を形成する際に、下盛り１０１の幅が十分でないため上盛り１０２が母材に接触しやすい。そして、接触するとその部位にスパッタが飛び溶接不良となる。
【０００８】
また、上盛り１０２を形成する際に多量のガスが発生するが、下盛り１０１の幅が十分でないとガスの逃げ場がなく、このガスを巻き込んでブローホールが形成されてしまう。
【０００９】
尚、開先１００自体を大きく取るようにすれば、下盛りを介してガス排出は行えるのであるが、図６（ｂ）に示すように  開先１００の中心部において、上盛り１０２が母材に接触しスパッタが発生する。これを防止するには、開先１００に多数回の下盛り溶接を行わなければならず、溶接のコストが増加し、また溶接後のグラインダによる後加工も大変になる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく本発明に係る金型は、アルミニウム・銅系亜鉛合金を母材とした上型及び下型からなり、これら上型及び下型のエッジ部に形成された開先に肉盛り溶接にて切り刃等の硬化部が形成され、更に、前記開先の形状は面取り部と延長部とを備え、また前記肉盛り溶接は開先全体を覆う銅系材料からなる下盛り溶接と、型本体に非接触で且つ下盛り溶接の上に形成されるニッケル系材料からなる上盛り溶接とで構成した。
【００１１】
銅系材料であれば亜鉛合金とニッケル系材料の双方に対して溶接可能であり、銅系材料を下盛りとし、この下盛りの上にニッケル系材料を上盛りすることで、高硬度の肉盛りを行うことが可能になる。そして、特に開先の形状として面取り部と延長部とを備えた形状にすることでブローホール等の溶接欠陥のないものが得られる。
【００１２】
前記亜鉛合金に溶接可能な銅系材料としては、純銅、アルミ青銅、シリコン青銅等が挙げられるが、溶接性ではシリコン青銅が最も好ましい結果が得られた。また、シリコン青銅の具体的な成分割合としては、Ｓi（珪素）が1.0〜8.0wt%、Ｍn（マンガン）が0.3〜4.0wt%、Ｐb（鉛）が0.03〜4.5wt%、Ａl（アルミニウム）が0.03〜11.0wt%、Ｎi（ニッケル）が0.03〜7.0wt%、Ｆe（鉄）が0.03〜6.0wt%、Ｃu（銅）が残部であることが好ましい。
【００１３】
Ｓi（珪素）は脱酸に必要な元素であり、同時に硬度上昇元素でもある。Ｓiが1.0wt%未満では脱酸不足でブローホールが発生しやすくなり、8.0wt%を超えると一相組織ではなく多くの相が析出し脆化する。
Ｍn（マンガン）は脱酸及び脱硫に必要な元素である。Ｍnが0.3wt%未満では添加の効果が現れず、4.0wt%を超えて添加してもそれ以上の効果は得られない。
Ｐb（鉛）は切削向上元素である。Ｐbが0.03wt%未満では添加の効果が殆どなく、4.5wt%を超えると過剰となり、溶接割れが発生しやすくなる。
Ａl（アルミニウム）は着色剤であり、Ａlが増加すると銅赤色から黄金色になり、また硬度上昇元素でもある。Ａlが0.03wt%未満では添加の効果が殆どなく、11.0wt%を超えると硬度伸び共に低下する。
Ｎi（ニッケル）は硬度上昇に有効な元素である。Ｎiが0.03wt%未満では添加の効果が殆どなく、7.0wt%を超えると過剰になって硬度が低下する。
Ｆe（鉄）は結晶粒を微細化し硬度を増加する元素である。Ｆeが0.03wt%未満では添加の効果が殆どなく、6.0wt%を超えても過剰になって添加の効果がない。
【００１４】
また、上盛りとなるニッケル系材料の具体的な成分割合としては、Ｂ（ホウ素）が1.0〜6.0wt%、Ｃr（クロム）が5.0〜20.0wt%、Ｓi（珪素）が1.0〜7.0wt%、Ｆe（鉄）が0.03〜4.0wt%、Ｃu（銅）が0.5〜6.0wt%、Ｎi（ニッケル）が残部とするのが好ましい。
【００１５】
Ｂ（ホウ素）は結晶粒を微細化し硬度を高める元素である。Ｂが1.0wt%未満では添加の効果が極めて小さく、6.0wt%を超えると過剰になって溶接割れが発生しやすくなる。
Ｃr（クロム）は硬度上昇及び高温における耐酸化性を向上する元素である。Ｃrが5.0wt%未満では添加の効果が小さく、20.0wt%を超えると過剰になって加工性が低下する。
Ｓi（珪素）は脱酸性元素であり、湯流れを向上する元素である。Ｓiが1.0wt%未満では湯流れに対する添加効果が小さく、7.0wt%を超えると過剰になって溶接割れが発生しやすくなる。
Ｆe（鉄）は結晶粒を微細化し硬度を増加する元素である。Ｆeが0.03wt%未満では添加効果が殆どなく、4.0wt%を超えても過剰になって添加効果がない。
Ｃu（銅）は靱性向上に有効な元素である。Ｃuが0.5wt%未満では添加効果が殆どなく、6.0wt%を超えると過剰になって靱性が低下し溶接割れが発生しやすい。
【００１６】
一方、本発明に係る金型の製造方法は、アルミニウム・銅系亜鉛合金を母材とした金型のエッジ部に面取り部と延長部とからなる開先を形成し、次いで前記延長部が上面となるようにして開先全体に銅系溶加材を用いて下盛り溶接を施し、この後下盛り溶接の上に型本体に非接触となるようにニッケル系溶加材を用いて上盛り溶接を施すとともに、この上盛り溶接は開先の延長部上に形成した下盛り溶接を介してガス排出を行いつつ行う構成とした。
このように下盛り溶接を介してガス排出を行いつつ上盛り溶接を行うことで、ブローホールの発生を抑制することができる。
【００１７】
また、前記銅系溶加材としては、シリコン青銅からなるものが好ましく、このシリコン青銅の成分割合としては、Ｓi（珪素）が1.0〜8.0wt%、Ｍn（マンガン）が0.3〜4.0wt%、Ｐb（鉛）が0.03〜4.5wt%、Ａl（アルミニウム）が0.03〜11.0wt%、Ｎi（ニッケル）が0.03〜7.0wt%、Ｆe（鉄）が0.03〜6.0wt%、Ｃu（銅）を残部としたものが好ましいのは前記した通りである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１（ａ）及び（ｂ）は本発明を適用したトリミング金型装置の切断の前後を説明した図、図２（ａ）乃至（ｄ）は同トリミング金型の切り刃の形成過程を説明した要部拡大図である。
【００１９】
トリミング金型装置は上型１と下型２を備え、上型１は昇降プレート３に上端部が取り付けられ、下型２はベースプレート４上に固定される。上型１内には押えパッド５が昇降自在に支持され、この押えパッド５と昇降プレート３との間にはスプリング６が配置されている。
【００２０】
押えパッド５には成形用の凹部５ａが形成され、下型２にはワークＷを載置する凸部２ａが形成されている。また、上型１の下端内周部には切り刃７が設けられ、同じく下型２の上端外周部には切り刃８が設けられている。
【００２１】
而して、図１（ａ）に示すように、ワークＷを下型２の凸部２ａ上に載置した後、昇降プレート３とともに上型１及び押えパッド５を下降せしめる。すると押えパッド５の下端が上型１の下端よりも若干下に出ているので、押えパッド５によりワークＷの周縁を下型２の上端外周部に押え付ける。この状態から更に上型１を下降せしめることで、図１（ｂ）に示すように、切り刃７，８によってワークＷの周縁を切断する。
【００２２】
次に、切り刃の形成方法について図２に基づいて説明する。尚、切り刃７，８の何れも形成方法は同様であるので、下型２の切り刃８についてのみ説明する。
先ず、図２（ａ）に示すように、下型２の上端外周部に開先１０をグラインダやＮＣ工作機械等で形成する。この開先１０は面取り部１０ａと延長部１０ｂとからなり、面取り部１０ａの長さは例えば５ｍｍ、延長部１０ｂの長さは８ｍｍ、深さは０．５ｍｍ程度とする。尚、面取り部１０ａはＣ面取りでもＲ面取りのいずれでもよい。
【００２３】
次いで下型２を予熱して後述する下盛り溶接に備える。予熱温度は最大２００℃とする。また予熱方法は下型２全体を熱してもよいが、バーナ等で開先１０に沿った部分のみを局所的に加熱してもよい。
【００２４】
この後、開先１０に沿ってグラインダやＮＣ工作機械等で、酸化被膜を削り取った後、図２（ｂ）に示すように、開先１０の上にＴＩＧ溶接にて下盛り１１を形成する。下盛り溶接の条件は、シールドガスにヘリウムまたはアルゴンを用い、１２０〜１５０AMPの交流ＴＩＧ溶接とし、下盛り溶接の溶加材として銅合金を用いる。本実施例では銅合金として、Ｍn（マンガン）0.84wt%、Ｓi（珪素）3.7wt%、残部をＣu（銅）としたものを用いた。
【００２５】
ここで、交流ＴＩＧ溶接としたことで、酸化膜を除去するクリーニング作用が働き、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、下盛りの母材への溶け込みを浅くすることができる。そして、母材への溶け込みを浅くすることで、母材を構成する亜鉛合金成分が下盛りの表面あるいは表面近くまで巻き上がるのを防止することができる。因みに亜鉛合金成分が下盛り中に巻き上がっていると、後述する上盛り溶接の際にスパッタが発生する。
【００２６】
銅系材料としては上記の組成のものに限らず、前記した範囲、即ち、Ｓi（珪素）が1.0〜8.0wt%、Ｍn（マンガン）が0.3〜4.0wt%、Ｐb（鉛）が0.03〜4.5wt%、Ａl（アルミニウム）が0.03〜11.0wt%、Ｎi（ニッケル）が0.03〜7.0wt%、Ｆe（鉄）が0.03〜6.0wt%、Ｃu（銅）が残部としたものが好ましい。
【００２７】
以上の手順で、開先１０の面取り部１０ａ及び延長部１０ｂを覆うように下盛り１１を形成したならば、下盛り１１の厚みをグラインダやＮＣ工作機械等にて２ｍｍ程度に調整する。
【００２８】
次いで、前記同様に少なくとも下盛り１１及びその周縁を最大２５０℃まで加熱し、再びグラインダを用いて酸化膜を除去した後、図２（ｃ）に示すように、下盛り１１の上にＴＩＧ溶接にて上盛り１２を形成する。この上盛り１２は母材に接触しないように形成する。
【００２９】
また、下盛り１１は前記延長部１０ｂ上まで形成され、この延長部１０ｂ上まで上盛り１２は形成されていないので、延長部１０ｂ上には下盛り１１のみが形成され、この下盛り１１は上盛り溶接の熱によって溶融状態に近くなっている。一方、上盛り溶接の際にはガスが発生する。従来であれば、このガスの逃げ場がないのであるが、本発明では延長部１０ｂがあるので、上盛り溶接の際に発生したガスは下盛り１１を通り延長部１０ｂ上から外部に排出される。
【００３０】
上盛り溶接の条件は、シールドガスにヘリウムまたはアルゴンを用い、１３０AMPの直流ＴＩＧ溶接とし、上盛り溶接の溶加材としてニッケル合金を用いる。本実施例ではニッケル合金としてＢ（ホウ素）2.3wt%、Ｓi3.2wt%、残部をＮi（ニッケル）としたものを用いた。
【００３１】
ニッケル合金としては上記の組成のものに限らず、前記した範囲、即ち、Ｂ（ホウ素）が1.0〜6.0wt%、Ｃr（クロム）が5.0〜20.0wt%、Ｓi（珪素）が1.0〜7.0wt%、Ｆe（鉄）が0.03〜4.0wt%、Ｃu（銅）が0.5〜6.0wt%、Ｎi（ニッケル）が残部としたものが好ましい。
【００３２】
ここで、上盛り溶接を直流ＴＩＧ溶接としたことで、図３（ａ）、（ｃ）に示すように、上盛り１２の下盛り１１への溶け込みを深くすることができ、刃先の剥離強度を高めることができる。
【００３３】
上盛り１２を形成した後、グラインダやＮＣ工作機械等で加工することで、図２（ｄ）に示すように、切り刃８を得る。この切り刃８は数万ショットのトリミング成形を行うことができた。
【００３４】
図４は開先形状の別実施例を示す断面図であり、この実施例にあっては上面部に沿った延長部１０ｂだけでなく、立壁に沿った延長部１０ｃを設けている。このように面取り部１０ａを挟んで両側に延長部を設けることで、切り刃の剥離強度が更に向上する。
【００３５】
尚、図示例ではトリミング金型装置について説明したが、プレス金型についても本発明は適用でき、また、切り刃以外の硬度が要求される部分に本発明を適用することが可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、切り刃等を肉盛り溶接する開先の形状として、面取り部と延長部とを備えた形状にしたので、金型母材を亜鉛合金とし、且つ肉盛りを銅系材料からなる下盛り溶接とニッケル系材料からなる上盛り溶接としても、上盛り溶接の際に発生するガスを下盛りを介して排出することができるので、ブローホール等の溶接欠陥が生じにくく、剥離強度に優れた切り刃などを肉盛り溶接で形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明を適用したトリミング金型装置の切断の前後を説明した図。
【図２】（ａ）乃至（ｄ）は同トリミング金型の切り刃の形成過程を説明した要部拡大図。
【図３】（ａ）は切り刃の部分の金属組織を示す写真（１倍）、（ｂ）は（ａ）のＢ部を拡大（１００倍）した写真、（ｃ）は（ａ）のＣ部を拡大（１００倍）した写真。
【図４】開先形状の別実施例を示す断面図。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は従来の開先の形状を示す図。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は従来の問題点を指摘した図。
【符号の説明】
１…上型、２…下型、２ａ…凸部、３…昇降プレート、４…ベースプレート、５…押えパッド、５ａ…凹部、６…スプリング、７，８…切り刃、１０…開先、１０ａ…面取り部、１０ｂ，１０ｃ…延長部、１１…下盛り、１２…上盛り。
【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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