JP2005161798A - 樹脂成形用金型 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性（耐久射出数：耐久ショット数）の向上が図れる樹脂成形用金型を提供すること。
【解決手段】雌型（固定型）１４と雄型（可動型）１６とを備えた樹脂成形用金型。雌型１４及び雄型１６の本体部がアルミニウム系合金で形成されているとともに、該雌型・雄型の合わせ面１４ａ、１６ａ両面及び／又は雌型キャビティ面（意匠キャビティ面）１４ｂに、鋼材相当以上硬度を有する無機硬質材料の溶射被覆層２０を備えている。該溶射被覆層２０は、研磨仕上げ（ミガキ）又は研削仕上げしたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、樹脂成形用金型に関する。ここでは、適用した場合に本発明の効果が顕著となる熱可塑性樹脂の射出成形用金型を例に採り説明をする。

本発明は、熱可塑性樹脂の射出成形用金型の他に、吹込み成形（ブロー成形）、真空成形、等の樹脂成形用金型にも適用可能であり、場合によっては、熱硬化性樹脂の、射出成形、トランスファ成形、圧縮成形等の樹脂成形用金型にも適用可能である。

熱可塑性樹脂の射出成形用金型として、例えば、図1に示すようなガラス繊維充填プロピレン（ＰＰＧ）製の自動車用バンパを成形するものがある。

自動車用バンパは、大型であり、成形サイクルの短縮化の要請が強い。成形サイクルの短縮化のためには、冷却固化の時間を短縮して型締めから型開きまでの時間を短くする方法がある。当該方法を実施するためには、成形用金型を熱伝導性の良好な金属材料で形成すればよい。

そして、熱伝導性の良好な金属材料として、アルミニウム（Ａｌ）系合金がある。しかし、Ａｌ系合金では、鉄系合金に比して剛性が低く、耐久性（耐久ショット数）に問題があった。すなわち、成形サイクル（射出サイクル：ショットサイクル）を繰り返す内に、繰り返し型締めによる金型分割面（ＰＬ（Parting Line)面）の変形や摩耗、さらには、射出圧によるキャビティ面の摩耗が発生した。

特に、自動車バンパのように表面に意匠性が要求される成形品の場合、シボ模様や後塗装することが多く、適用し難かった。金型のエンボス面賦形によるシボ模様の場合、金型エンボス面が材料流動に起因する摩耗により焼失する。また、金型表面荒れが成形品に転写されて、当該荒れが塗装品表面に顕出する。

なお、本発明の発明性（進歩性）に影響を与えるものではないが、アルミニウム系合金製の射出成形用金型として、下記特許文献１・２・３等が存在する。
特開平６−３４４３８７号公報 特開平７−２８５１６９号公報 特開平１１−３４８０８３号公報

本発明の課題は、上記にかんがみて、耐久性（耐久射出数：耐久ショット数）の向上が図れる上記特許文献情報に記載されていない、新規な構成の樹脂成形用金型を提供することにある。

本発明は、上記課題を、下記構成により解決するものである。

基本的には、雌型（固定型）と雄型（可動型）とを備えた樹脂成形用金型であって、
前記雌型及び雄型の各本体がアルミニウム系合金で形成されているとともに、該雌型・雄型の合わせ面両面及び／又は雌型キャビティ面（意匠キャビティ面）に、鋼材相当以上硬度を有する無機硬質材料の溶射被覆層を備え、該溶射被覆層が研磨仕上げ（ミガキ）又は研削仕上げされていることを特徴とする。

雌型・雄型の各本体が、熱伝導性がスチールに比して格段に高いアルミニウム系合金で形成されているため、当然、金型の冷却性能が向上し成形性が増大する。

そして、該雌型・雄型のＰＬ面両面（双方）に、鋼材相当以上硬度を有する無機硬質材料の溶射被覆層を備えているため、型締めの繰り返しによるＰＬ面の摩耗や変形が発生し難い。射出材料の流動圧を直接に受けかつ意匠形成面となる雌型キャビティ面は、無機硬質材料の溶射被覆層が研磨又は研削し上げされているため、射出材料の流動による雌型キャビティ面の摩耗や変形が発生し難い。すなわち、成形サイクルを重ねても、成形品の意匠面を綺麗な状態に維持可能となる。したがって、アルミニウム系合金金型の耐久性（ショット耐用回数）の格段の向上が期待できる。また、溶射被覆層は他の化学めっきやＰＶＤめっきの被覆層に比して、厚肉のものを形成し易く、且つ、基材に対する密着性も良好である。

上記構成において、溶射被覆層を非酸化的溶射により、例えば、超音速フレーム溶射法により形成することが望ましい。他の溶射方法に比して、金属基材に対する密着性が良好であり、金属基材が酸化され難い。

また、アルミニウム系合金をＡｌ−Ｍｇ系（例えば、合金番号５０８３）とするとともに、無機質材料をステンレス（例えばＳＵＳ３１６）とすることが望ましい。Ａｌ−Ｍｇ系及びステンレスともに汎用性に富む。
また、ステンレスは、耐食性、耐熱性及び耐衝撃性に優れている。さらには、金型を廃棄する場合も、アルミニウムにステンレスを共溶融させて分離が容易で再利用化（リサイクル）が容易となる。アルミニウムの溶融温度が通常８００℃前後、ステンレスの溶融温度が１５００℃前後と、差が大きいためである。

上記各構成において、溶射被覆層の仕上げ膜厚は、通常、約、０．３〜０．８ｍｍとし、研磨仕上げ（ミガキ）は、少なくとも、雌型キャビティ面を４００＃以上のバフ仕上げとする。

本発明の樹脂成形用金型は、熱可塑性樹脂の射出成形用金型に適用することが望ましい。熱可塑性樹脂の射出成形は、冷却リサイクル性が要求され、さらには、型締め圧も大きなため、本発明効果が顕著となる。

本発明の樹脂整形用金型の製造方法は、下記工程をそれらの順に経て製造するものとなる。

１）アルミニウム系合金の鋳造ブロック又は鍛造ブロックを一次切削加工（機械加工）更には放電加工により雌・雄金型本体を製造する。

２）少なくとも雌型キャビティ面に、必要により雌・雄金型の合わせ面に鋼材より硬度の高い材料で溶射被覆層を形成する。

３）該溶射被覆層を研磨仕上げ又は研削仕上げを行なう。

以下、本発明を、熱可塑性樹脂（例えば補強性充填材入りＰＰやポリウレタン）を使用して、図１に示すような自動車用バンパを射出成形により製造をする場合を例に採り説明する。

例えば、図１に示すようなバンパの場合、全長Ｌ：1700ｍｍ、全幅Ｗ：500ｍｍ、全高Ｈ：500ｍｍである。

本実施形態の成形用金型１３は、図２に示す如く、雌型（固定型）本体１４と雄型（可動型）本体１６とを備え、該雌型・雄型本体１４、１６がアルミニウム系合金で形成されていることを基本とする。

ここで、アルミニウム系合金としては、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系及びＡｌ−Ｓｉ系等、特に限定されない。これらのうちで、非熱処理合金中で最高の強度があり、耐食性にも優れているＡｌ−Ｍｇ系、特に合金番号５０８３のインゴット（鋳造ブロック）又は鍛造ブロックを好適に使用できる。より具体的には、山中産業株式会社から製造販売されている「ＫＮ５００」（鋳造ブロック：インゴット）を好適に使用できる。このときブロックの大きさは、全長：2100ｍｍ、奥行き：1000ｍｍ、高さ：800ｍｍとする。

鋳造ブロック又は鍛造ブロックは、適宜、ＨＩＰ処理（等間等方加圧法）により緻密化することが望ましい。ここで、ＨＩＰ処理とは、Hot Isostactic Pressingの略で、高温高圧のアルゴンガス中で圧縮して巣等の内部欠陥を除去する処理のことである。

そして、図例の如く、該雌型・雄型の本体部の合わせ面（双方）及び雌型のキャビティ面に、鋼材相当以上硬度を有する無機硬質材料の溶射被覆層を備えている。

ここで、無機質硬質材料としては、鋼類以外の硬質金属、さらには、セラミック等であってもよいが、通常、ステンレス、特に、耐食性に優れているＳＵＳ３１６等が望ましい。また、溶射被覆層の形成方法としては、溶射可能であれば特に限定されず、超音速フレーム溶射法、真空プラズマ溶射法、大気圧プラズマ溶射法、ワイヤー／パウダー溶射法など、任意である。これらの内で、非酸化的溶射が可能な、超音速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ：High Velocity Oxy-Fuel溶射法）、や真空プラズマ溶射法が、本体部（基材）に対する密着性が良好となり、かつ、溶射材料が酸化され難くて望ましい。特に、大気圧中で、非酸化的溶射が可能な超音速フレーム溶射法が望ましい。

ここで、ＨＶＯＦ溶射法とは、溶射ガンの燃焼室の圧力を高めることによって、爆発燃焼炎に匹敵する高速火炎を発生させ、この燃焼炎ジエット流の中心に粉末材料を供給して、溶融又は半溶融状態にし、高速度（通常、音速を超えるマッハ２〜３）で連続噴射する溶射法のことである。

ここで、溶射被覆層の膜厚は、０．３〜０．８ｍｍ、さらには０．４〜０．６ｍｍが望ましい。該膜厚が小さすぎると、ＰＬ面や雌型キャビティ面に、必要な強度及び耐摩耗性を付与し難い。逆に、膜厚が大きすぎると、過剰品質であるとともに、伝熱性が阻害されるおそれがある。

そして、研磨仕上げは、雌型のキャビティ面（意匠面を形成する。）においては、４００＃以上のバフ仕上げとすることが望ましい。射出成形品における意匠面には、平滑性が要求されるためである。

また、ＮＣ旋盤等で研削仕上げをする場合は、溶射被覆層を上記より若干厚肉、例えば、０．５〜１．０ｍｍに形成しておき、０．２〜０．５ｍｍ研削して、０．３〜０．８ｍｍの溶射被膜とする。

なお、本実施形態では、雄型キャビティ面は、流動の影響を受け難いため、溶射被覆層形成していない。雄型から通常、ゲートを介して成形材料の流入をさせるためである。必要により、雄型キャビティ面にも溶射被覆層を設けてよい。また、合わせ面１４ａ、１６ａも、すり合わせのため、当然、研磨加工を行なう。すり合わせが不十分であると、成形品にバリが発生しやすくなる。なお、このときの、研磨仕上のレベルは、通常、金型ＰＬ面も研磨仕上げするが、型締め時において、バリが発生しないすり合わせが可能なレベルでよく、通常、２００＃〜３００＃とする。

なお、雌型・雄型本体の合わせ面１４ａ、１６ａ間には、コッタ構造１７が形成され、金型の耐射出圧性を向上させてある。なお、図例中、１９は冷却水通路である。

次に、上記金型の製造方法について、説明をする。

図１に示すごとく下記各工程をそれらの順に経て製造することを特徴とする樹脂成形用金型の製造方法。

１）アルミニウム系合金のインゴット（鋳造ブロック）または鍛造ブロックを一次切削加工（機械加工）更には放電加工により雌・雄金型本体を製造する。ここで、放電加工を併用するのは、細かい部位（ゲートやキャビティ面）の加工を行なう必要があるためである。

２）雌・雄金型本体の合わせ面両面及び／又は雌型キャビティ面に、鋼材より硬度の高い材料で溶射被覆層を形成する。

３）該溶射被覆層を研磨仕上げ（ミガキ）又は研削仕上げを行なう。この研磨仕上げ及び研削仕上げは、金型合わせ面１４ａ、１６ａにおける刷り合わせ（金型セッティン時にも行なう。）、及び、雌型キャビティ面１４ａにおける鏡面化をそれぞれ目的とする。

上記において、通常、アルミニウム系合金としてＭｇ−Ｓｉ系のものを使用するとともに、前記溶射層を、ステンレス系溶射材料を用いて、ＨＶＯＦ溶射法により形成する。

上記のようにして製造した成形用金型は、従来と同様、射出成形機の固定盤に雌型を、可動盤に組付けて、射出成形の成形サイクルを繰り返す。この金型セットの際、シム板（スペーサ）で金型の下死点ブロックを設けて、金型合わせ面を保護するようにすることが望ましい。

このとき、前述の如く、合わせ面及び雌型キャビティ面は、無機硬質材料で形成された溶射被覆層で形成されているため、型締め繰り返しによる摩耗・変形、さらには、射出材料流動に伴う摩耗・変形が発生し難く、耐久ショット数を格段に向上させることができる。

図３には、上記実施形態の変形態様を示す雌型１５で、耐久性を保持させるため、金型本体（雌型・雄型本体）と枠体とからなる複合構造体としたものである。ここでは、代表的に雌型のみ示したが、雄型の場合も同様である。なお、前述例と同一部分については、同一図符号を付して、それらの説明の全部又は一部を省略する。

雌型は、雌型本体１４Ａと、雌型本体１４Ａを保持し、実質的に型締め力を受ける合わせ面１４ａを備えた枠体（足回り部）２２との複合構成となっている。

そして、雌型本体１４Ａは、上記と同様、アルミニウム系合金で形成されるとともに、枠体２２は鋼材で形成され、溶射被覆層２０は、上記と同様、鋼材相当以上の無機硬質材料で形成され、同様に、研磨仕上げ又は研削仕上げされている。
＜試験例＞

樹脂成形用のアルミニウム合金基材（菱化マツク社製「ＫＮ５００」）上に、ステンレス粉末（ＳＵＳ３１６：平均粒径１１〜１４μｍ）をＨＶＯＦ溶射機（「ＤＪ２７００」SULZER METCO JAPAN社製）を用いて溶射膜厚４００μｍとなるように溶射を行なった。

そして、溶射後の表面は凹凸が安定しており、磨きも容易であった。

そして得られた溶射表面の表面硬さ（ビッカース硬さ）及び面粗度を測定した。それらの結果は、下記の如くであった。

表面硬さ：ＨＶ357.5（JIS Z 2244)（ロックウェル硬さＨＲＣ37.7に相当）
面粗度：Ｒａ：0.042μｍ、Ｒmax：0.380、Ｒz：山・谷なし
ここで、樹脂成形用型材として多用されているＳＣＭＫ（大同特殊鋼社製「ＰＸ−５」）ロックウェル硬さＨＲＣ33であり、）の表面と比較したところ、ピンホールが少なく、硬さ及び面粗度において、「ＰＸ−５」に優るとも劣らず、充分に射出成形用金型として使用可能であることが分かった。

本発明の樹脂成形用金型を適用する成形品の一例であるバンパの部分斜視図である。 本発明の樹脂成形用金型の一例を示す概略断面図である。 同じく他の例における雌型を示す概略断面図である。 同じく樹脂成形用金型の製造方法を示す概略断面図である。

符号の説明

１４ 雌型
１４ａ 雌型の合わせ面
１４ｂ 雌型のキャビティ面
１６ 雄型本体
１６ａ 雄型の合わせ面
２０ 溶射被覆層

Claims (12)

1. 雌型（固定型）と雄型（可動型）とを備えた樹脂成形用金型であって、
   前記雌型及び雄型の各本体がアルミニウム系合金で形成されるとともに、該雌型・雄型の合わせ面及び／又は雌型のキャビティ面に、鋼材相当以上硬度を有する無機硬質材料の溶射被覆層を備え、該溶射被覆層が研磨仕上げ又は研削仕上げされたものであることを特徴とする樹脂成形用金型。
2. 前記溶射被覆層が非酸化的溶射により形成されていることを特徴とする請求項１記載の樹脂成形用金型。
3. 前記非酸化的溶射が、超音速フレーム溶射法であることを特徴とする請求項２記載の樹脂成形用金型。
4. 前記アルミニウム系合金がＡｌ−Ｍｇ系であるとともに、前記無機硬質材料がステンレスであることを特徴とする請求項１〜３いずれか一記載の樹脂成形用金型。
5. 前記アルミニウム系合金が合金番号５０８３（JIS H 4000）であり、前記ステンレスがＳＵＳ３１６であることを特徴とする請求項４記載の樹脂成形用金型。
6. 前記溶射被覆層の仕上げ膜厚が０．３〜０．８ｍｍであることを特徴とする請求項１、２又は３記載の樹脂成形用金型。
7. 前記雌型キャビティ面における研磨仕上げが４００＃以上のバフ仕上げであることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の樹脂成形用金型。
8. 熱可塑性樹脂用の射出成形用金型であることを特徴とする請求項１〜７いずれか記載の樹脂成形用金型。
9. 下記各工程をそれらの順に経て製造することを特徴とする樹脂成形用金型の製造方法。
   １）アルミニウム系合金の鋳造ブロック又は鍛造ブロックを一次切削加工（機械加工）更には放電加工により雌・雄金型の各本体を製造する。
   ２）前記雌・雄金型の合わせ面両面及び／又は雌型キャビティ面に、鋼材より硬度の高い材料で溶射被覆層を形成する。
   ３）該溶射被覆層を研磨仕上げ又は研削仕上げを行なう。
10. 前記アルミニウム系合金としてＡｌ−Ｍｇ系のものを使用するとともに、前記溶射層を、ステンレス系溶射材料を用いて非酸化的溶射法により形成することを特徴とする請求項９記載の樹脂成形用金型の製造方法。
11. 前記被加工溶射層の設定膜厚が０．３〜０．８ｍｍであることを特徴とする請求項９又は１０記載の樹脂成形用金型の製造方法。
12. 前記雌型キャビティ面における研磨仕上げが４００＃以上のバフ仕上げであることを特徴とする請求項９、１０又は１１記載の樹脂成形用金型の製造方法。
    
    

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