JP2001079645A - 鋳造金型および鋳造方法ならびにその成形品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 薄肉成形品用の鋳型内への溶湯の充填性を改
善し、湯じわ、巣などの成形不良の発生を防止すること
ができる異種材料を組み合わせた鋳造金型において、金
型に係るコストダウンを図る。 【解決手段】 少なくとも２つの金型パーツを有してな
る鋳造金型は、キャビティに面する少なくとも１つの金
型パーツの金型内面に、表層材料層および金型パーツ隣
接層を含む少なくとも２種の層からなる断熱ブロック層
を有し、表層材料層−金型パーツ隣接層−金型パーツ母
材の順に大きな熱膨張率を有し、表層材料層は断熱ブロ
ック層および金型パーツの中で最も小さな熱伝導率を有
する。

Description

【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１
１−７７２４０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、少なくとも２つの金型
パーツを有してなり、各金型パーツを組み合わせると、
金型の内部に成形材料を流し込むためのキャビティが形
成される鋳造金型であって、キャビティに面する少なく
とも１つの金型パーツの金型内面に、キャビティに面す
る側の表層材料層および金型パーツに接する側の金型パ
ーツ隣接層を含む少なくとも２種の層からなる断熱ブロ
ック層が配されており、表層材料層は金型パーツ隣接層
以下の熱膨張率を有する材料により形成され、金型パー
ツ隣接層は金型パーツ母材以下の熱膨張率を有する材料
により形成されており、表層材料層は、断熱ブロック層
および金型パーツの中で最も小さな熱伝導率を有する材
料によって形成されてい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、請求項１または２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をもう１つの要旨とする。

【００１５】更に、本発明は、請求項１または２に記載
の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、請求項３〜５のいずれかに
記載の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〜３
０μｍ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３μ
ｍ／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。

フロントページの続き (72)発明者 井口 朝男 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 4E093 NA04 NB01 NB08

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも２つの金型パーツを有してな
   り、各金型パーツを組み合わせると、金型の内部に成形
   材料を流し込むためのキャビティが形成される鋳造金型
   であって、 キャビティに面する少なくとも１つの金型パーツの金型
   内面に、キャビティに面する側の表層材料層および金型
   パーツに接する側の金型パーツ隣接層を含む少なくとも
   ２種の層からなる断熱ブロック層が配されており、 表層材料層は金型パーツ隣接層以下の熱膨張率を有する
   材料により形成され、金型パーツ隣接層は金型パーツ母
   材以下の熱膨張率を有する材料により形成されており、 表層材料層は、断熱ブロック層および金型パーツの中で
   最も小さな熱伝導率を有する材料によって形成されてい
   ることを特徴とする鋳造金型。
2. 【請求項２】 断熱ブロック層は、固定側金型パーツ側
   に設けられていることを特徴とする請求項１記載の鋳造
   金型。
3. 【請求項３】 請求項１または２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。
4. 【請求項４】 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３記載の方法。
5. 【請求項５】 請求項１または２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。
6. 【請求項６】 請求項１または２に記載の金型を用いて
   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。
7. 【請求項７】 請求項３〜５のいずれかに記載の方法に
   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。