(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金型に開先を形成し、少なくとも前記開先に沿った部分を予熱し、次いで前記開先表面に形成された酸化膜を除去した後、開先上に銅系溶加材を用いて下盛り溶接を施し、次いで少なくとも前記下盛りに沿った部分を予熱し、下盛り表面に形成された酸化膜を除去した後、下盛り上にニッケル系溶加材を用いて上盛り溶接を施し、この後、下盛り及び上盛りからなる肉盛り溶接部を所定の形状に機械加工することを特徴とする金型の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の金型の製造方法において、前記開先に沿った部分の予熱温度は２００℃迄とし、また前記下盛りに沿った部分の予熱温度は２５０℃迄とすることを特徴とする金型の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の金型の製造方法において、前記下盛り溶接を構成する銅系材料はシリコン青銅であることを特徴とする金型の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の金型の製造方法において、前記シリコン青銅の成分割合は、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、ブランク材や中間品にドロー（絞り成形）、トリミング（裁断）、ベント（曲げ成形）或いはピアス（孔打抜き）の各工程を施す際に使用す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、剛性及び耐久性に優れるが、金型製作にかかる費用が高く、補修も簡単に行うことができない。
【０００３】
一方最近では顧客のニーズも多様化し、多品種少量生産の傾向にある。この傾向に適した金型として、亜鉛合金を母材とした金型が特開平５−８４５９１号公報に提案されている。
この先行技術にあっては、亜鉛合金金型は硬度が不十分であるため、一部がプレス成形時や射出成形時に摩耗するので、この摩耗する部分に所定の硬度を持つ硬質亜鉛合金を肉盛りすることを提案している。
【０００４】
亜鉛合金金型に関しては他にも先行技術があり、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】
【発明が解決しようとする課題】
上記先行技術によれば、金型の一部を硬化せしめたり金型全体を硬化することができるが、車体パネルのような鋼板をトリミングしたり成形する金型の切り刃としては、硬度が不足する。したがって、従来技術もプラスチック製品のプレス成形や射出成形用の金型に限定されている。
【０００６】
一方、高硬度のニッケル合金を亜鉛合金金型の一部に肉盛り溶接できれば、上記の問題は発生しないが、亜鉛合金に溶接できる材料としてはＣu系かＺn系しかなく、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、本出願人は先に亜鉛合金金型の一部に高硬度材をめっきによって成膜せしめる技術を提案した（特願平１１−２２２９１８号）。
【０００７】
肉盛り溶接の代りに上記しためっき、或いは蒸着やスパッタリングによっても高硬度被膜を母材表面に形成することができる。しかしながら、何れの方法によっても切り刃として十分な耐久性を発揮できる厚さまで形成するのは困難で、コストも高くなる。
【０００８】
【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に開先を形成し、少なくとも前記開先に沿った部分を予熱し、次いで前記開先表面に形成された酸化膜を除去した後、開先上に銅系溶加材を用いて下盛り溶接を施し、次いで少なくとも前記下盛りに沿った部分を予熱し、下盛り表面に形成された酸化膜を除去した後、下盛り上にニッケル系溶加材を用いて上盛り溶接を施し、この後、下盛り及び上盛りからなる肉盛り溶接部を所定の形状に機械加工するようにした。
【０００９】
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、切り刃等になる高硬度の肉盛りを行うことが可能になる。そして、斯かる下盛り及び上盛りを行う前に母材全体若しくは肉盛りする部分を予熱しておくことで溶着性を高めることができる。
【００１０】
予熱する箇所は、肉盛りを行う部分をバーナを用いて局所的に加熱してもよいが、亜鉛合金は熱伝導性に優れるため、熱が逃げやすい。したがって、金型全体を予熱するようにしてもよい。
【００１１】
また、予熱温度は溶接する材料によって異なるが、亜鉛合金に銅系材料を溶接する場合には２００℃迄とし、銅系材料にニッケル系材料を溶接する場合には２５０℃迄とする。このように、予熱することで下地（母材）内の分子が活性化し、溶着性が高まる。尚、上記の予熱温度を２００℃以上或いは２５０℃以上としても、それ以上の効果は認められなかった。
【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）を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】
【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は本発明に係る金型の製造方法を工程順に示したブロック図、図２（ａ）乃至（ｆ）は本発明に係る金型の製造方法を切り刃の肉盛り溶接に適用した例を示す図、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）した写真である。
【００１７】
先ず、図２（ａ）に示すように、母材（金型）の上端外周部に開先をグラインダやＮＣ工作機械等で形成する。この開先の形状は、上下方向寸法（t1）が溶接ビードのほぼ１パス（p）分、幅方向寸法（t2）が溶接ビードのほぼ２パス分とされ、更に幅方向外側に溶接ビードのほぼ１パス分の平坦部が設けられている。
【００１８】
ここで、上下方向寸法（t1）を溶接ビードのほぼ１パス（p）分としたのは、（t1）をあまり小さくすると、溶接の際に開先から下盛り材が落下し、（t1）をあまり大きくすると下盛り溶接の回数が増え、後の機械加工が面倒になるからであり、正確に１パス（p）分でなくとも、前後１０％であれば差し支えない。
また、幅方向寸法（t2）を溶接ビードのほぼ２パス分としたのは、上盛り溶接の際のガス排出通路を形成するとともに母材との接触を避けるためであり、（t2）をあまり小さくするとガス排出通路の開口が不十分となり、あまり大きくすると前記同様、下盛り溶接の回数が増える不利がある。したがって、正確に２パス（p）分でなくとも、前後１０％であれば差し支えない。
更に、平坦部の幅を溶接ビードのほぼ１パス分としたのは、後述する第１の下盛り溶接で堰を形成するためであり、正確に１パス（p）分でなくとも、前後１０％であれば差し支えない。
【００１９】
次いで、開先の部分をバーナで予熱するか金型全体を予熱する。予熱温度は最大２００℃とする。予熱温度が低くいと溶着不良を生じ、また２００℃をあまり大きく超えると母材が溶解してしまうため、予熱温度は２００℃近辺が好ましい。
【００２０】
この後、開先に沿ってグラインダをかけ、酸化被膜を削り取った後、図２（ｂ）に示すように、平坦部上に第１の下盛り溶接を施し、この下盛り溶接を堰とし開先に溝部を形成し、次いで、図２（ｃ）に示すように、この溝部内に第２の下盛り溶接を施す。実施例では第１，第２の下盛り溶接としたが、溝部の容積に応じて第３，第４の下盛り溶接を行ってもよい。
【００２１】
ここで、下盛り溶接の条件は、シールドガスにヘリウムを用い、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。
【００２２】
溶接手段としては、ミグ溶接やアーク溶接も考えられるが、ＴＩＧ溶接はこれらに比べブローホールが生じにくい。また、下盛り溶接を交流ＴＩＧ溶接としたことで、酸化被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１１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１１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１１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。
【００２３】
また、シールドガスとしてはアルゴン等も使用可能であるが、ヘリウムはアルゴンに比べ熱を拡散させないで集中させるため、亜鉛合金のように熱伝導性の高い材料のＴＩＧ溶接にはヘリウムが好ましい。
【００２４】
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。
【００２５】
以上の手順で、開先全体を覆うように下盛りを形成したならば、図２（ｄ）に示すように、下盛り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。尚、下盛りの厚み調整は行わなくてもよい。
【００２６】
次いで、前記同様に少なくとも下盛り及びその周縁若しくは金型全体を最大２５０℃まで加熱し、再びグラインダやＮＣ工作機械等を用いて酸化膜を除去した後、図２（ｅ）に示すように、下盛りの上に直流ＴＩＧ溶接にて上盛りを母材に接触しないように形成する。
【００２７】
ここで、上盛りは下盛りの一部にのみ重ねて形成され、上面のうち前記溝部に相当する部分は下盛りのみが露出し、この下盛り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、本発明では上面に下盛りのみが露出する部分があるので、上盛り溶接の際に発生したガスは下盛りを通り当該露出する部分から外部に排出される。
【００２８】
上盛り溶接の条件は、シールドガスにヘリウムを用い、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。
【００２９】
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）を残部としたものが好ましい。
【００３０】
シールドガスとしてヘリウムを用いたのは前記と同様の理由であり、また上盛り溶接を直流ＴＩＧ溶接としたのは、図３（ａ）、（ｃ）に示すように、上盛りの下盛り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ことによる。
【００３１】
次いで、上盛りを形成した後、グラインダやＮＣ工作機械等で加工することで、図２（ｆ）に示す切り刃を得た。この切り刃の刃先の硬度は４１．１（ＨＲＣ）、刃中心の硬度は３７．６（ＨＲＣ）、下盛りと上盛りの境界部の硬度は１８．９（ＨＲＣ）、母材と下盛りの境界部の硬度は８０．９（ＨＲＢ）であり、ハンマーでの打壊テストで割れ、ひびの発生はなかった。
【００３２】
図４（ａ）及び（ｂ）は開先の形状に関する別実施例を示す図であり、図４（ａ）に示す開先は、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。このように、延長部１０ｂを設けることで、剥離強度が高まるとともに、上盛り溶接の際のガスの逃げ口を確保することができる。
【００３３】
また図４（ｂ）に示す開先は、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。
【００３４】
次に上記によって得られた切り刃を適用したトリミング金型装置の構成と作用について、図５（ａ）及び（ｂ）に基づいて説明する。
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。
【００３５】
押えパッド５には成形用の凹部５ａが形成され、下型２にはワークとしてのワーク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。
【００３６】
而して、図５（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５（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。
【００３７】
尚、実施例にあっては本発明を切り刃に適用した例を示したが、切り刃以外の硬度を要求される部位にも本発明を適用することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、亜鉛合金製金型に高硬度のニッケル合金を肉盛り溶接するにあたり、母材とニッケル合金との間に亜鉛合金及びニッケル合金の何れにも溶接可能な銅系材料を下盛りしたので、高硬度の肉盛りを行うことが可能になる。そして、斯かる銅系材料やニッケル合金を肉盛りする前に母材全体若しくは肉盛りする部分を予熱しておくことで溶着性を高めることができる。
【００３９】
特に、亜鉛合金に銅系材料を下盛りする前に行う予熱を２００℃迄とし、銅系材料にニッケル系材料を上盛りする前に行う予熱を２５０℃迄とすることで、有効な肉盛り溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る金型の製造方法を工程順に示したブロック図。
【図２】（ａ）乃至（ｆ）は本発明に係る金型の製造方法を切り刃の肉盛り溶接に適用した例を示す図。
【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】（ａ）及び（ｂ）は開先の形状に関する別実施例を示す図。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は本発明によって製造された金型の作用を説明した図。
【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、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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