JP2009072803A - 成形用金型及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却部位の冷却効率が高い成形用金型及びその製造方法を提供する。
【解決手段】金型１００を構成する金型母材１の熱伝導率より高い熱伝導率を有する金属からなり、内部に冷媒が流通可能な有底筒状体９を、金型１００の冷却部位８に挿入した状態で金型母材１と有底筒状体９とを固相接合してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、金型を構成する金型母材の熱伝導率より高い熱伝導率を有する金属からなり、内部に冷媒が流通可能な有底筒状体を、前記金型の冷却部位に挿入した状態で設けてある成形用金型、及びその製造方法に関する。

従来、成形品を成形する成形用金型では、焼き付き等を防止するため、金型の過熱し易い部位を冷却する技術について検討されている。

この種の技術としては、金型の冷却部位に設けた穴部に、内部に冷媒が流通可能な有底筒状体を挿入し、当該有底筒状体と穴部内面との隙間に低融点金属よりなる溶融金属材を充填固化させて伝熱層を形成する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような金型では、金型のキャビティと穴部との間で割れが発生した場合でも、冷媒がキャビティ側へ漏れることを防止できる。

また、膨張弾性変性し易い肉薄の金属で形成した有底筒状体を、金型の冷却部位の穴部に挿入し、液圧によって有底筒状体の内面を加圧して膨張塑性変形させることにより穴部内面に密着させる技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。これによれば、有底筒状体が穴部内面に密着させられることにより、金型の熱が冷媒に良好に伝導される。

特開２００６−２８９３８２号公報 特開平１１−１５６５２０号公報

しかし、前記従来の成形用金型では、有底筒状体と穴部内面との隙間に伝熱層を形成させたり、穴部に挿入した有底筒状体の内面を加圧して穴部内面に密着させたとしても、有底筒状体と穴部内面との間はぬれや圧着等によって物理的に接触しているに過ぎず、金型から冷媒への熱伝導性が不十分であった。

特に、前記特許文献１に記載の技術では、有底筒状体と穴部内面との隙間に伝熱層を形成させる場合には、低融点金属が溶融した状態で存在する穴部内に、有底筒状体を押し込み、有底筒状体と穴部内面との間に低融点金属を満遍なく充填させた後、低融点金属を凝固させている。しかし、有底筒状体を押し込むことによって溶融した低融点金属が常に有底筒状体と穴部内面との間に満遍なく充填されるかは不確定であり、有底筒状体の取り付け状態にばらつきが生じ、成形用金型を安定して製造できない恐れがあった。また、前記特許文献１に記載の成形用金型は、金型の温度が特に高くなる部位では金型の熱により低融点金属自体が溶融する可能性があるため、使用できる部位が限られていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、冷却部位の冷却効率が高い成形用金型及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る成形用金型の特徴構成は、金型を構成する金型母材の熱伝導率より高い熱伝導率を有する金属からなり、内部に冷媒が流通可能な有底筒状体を、前記金型の冷却部位に挿入した状態で前記金型母材と前記有底筒状体とを固相接合してある点にある。

本構成によれば、金型母材と有底筒状体とを密着させて一体とすることができる。これにより、金型の冷却部位の熱を冷媒まで良好に伝導することができるため、冷却部位における冷却効率が向上する。また、冷却部位と有底筒状体との間の温度差によって生じる金型の歪を緩和することができるため、金型自体の割れも防止することができる。
さらに、固相接合によって金型母材と有底筒状体とを強固に接合するため、金型の熱変形等によって有底筒状体が剥がれることはない。したがって、金型の何れの部位に対しても当該冷却部位を形成することができる。

本発明に係る成形用金型の製造方法の第１特徴手段は、金型を構成する金型母材の熱伝導率より高い熱伝導率を有する金属からなり、内部に冷媒が流通可能な有底筒状体を、前記金型の冷却部位に挿入した状態で設けてある成形用金型の製造方法であって、前記冷却部位に設けた穴部に前記金属からなる中実の棒状体を挿入し、前記金型母材と前記棒状体とを固相接合した後、前記棒状体の内部を切削して前記有底筒状体とする点にある。

固相接合に際しては、一般に、接合する互いの部材を高温に加熱したり、互いに高圧力に加圧する必要がある。この点、本構成のごとく金型の穴部に中実の棒状体を挿入する場合には、金型と棒状体とがあたかも一体の塊となるため、その後の加圧作業がし易くなる。この結果、金型母材と有底筒状体の密着度が高まり、金型から冷媒への熱伝達性を良好にすることができる。したがって、冷却部位の冷却効率が高い成形用金型を製造することができる。
また、金型母材と有底筒状体とは固相接合によって確実に接合させているため、その後の切削作業によって金型母材と棒状体とが分離することがない。よって、成形用金型を安定して製造することができる。

本発明に係る成形用金型の製造方法の第２特徴手段は、金型を構成する金型母材の熱伝導率より高い熱伝導率を有する金属からなり、内部に冷媒が流通可能な有底筒状体を、前記金型の冷却部位に挿入した状態に設けてある成形用金型の製造方法であって、前記有底筒状体の内部に前記金属とは異なる材料を充填して中実構造とした棒状体を、前記冷却部位に設けた穴部に挿入し、前記金型母材と前記棒状体とを固相接合した後、前記材料を除去する点にある。

本手段の場合にも、有底筒状体の内部に別の材料を充填したものを金型に設けた穴部に挿入するから、これらの三者が一つの塊となり、その後の加圧作業が容易となる。このため、金型母材と有底筒状体との密着度が高まり、金型から冷媒への熱伝達性を良好にすることができる。
また、本手段によれば、予め有底筒状体の内部に充填する材料は有底筒状体を構成する金属とは異なる材料であるため、金型製造後に充填した材料のみを除去することは容易である。例えば、有底筒状体を構成する金属に比べて融点の低い材料を用いれば、後の加熱によって容易に除去することができる。また、有低筒状体を構成する金属よりも軟らかい材料を用いることで、後の切削が容易となる。このように本構成の方法であれば、成形用金型を容易に製造することができる。

以下に、本発明に係る金属成形用金型の一実施形態について図面を参照して説明する。ここでは、本発明をアルミニウム（Ａｌ）合金のダイカスト用金型１００に適用した場合について説明する。

本実施形態に係るダイカスト用金型１００は、図１に示すように、金型母材１で構成される固定型２及び可動型３を備えている。ダイカスト用金型１００は、ダイカスト装置（図示しない）に装着して使用され、ダイカスト装置により固定型２に対して可動型３を型締め、型開きできるようになっている。可動型３を固定型２に型締めすることによって、固定型２と可動型３との間にキャビティ４が形成される。

固定型２には、Ａｌ合金の溶湯をキャビティ４に連通する湯道５及びスリーブ６が設けてある。スリーブ６にはプランジャ７が挿通してある。溶湯を給湯口（図示しない）からスリーブ６に供給し、プランジャ７をダイカスト装置によって前進させることにより、溶湯が湯道５を通ってキャビティ４に所定の圧力で充填される。

固定型２及び可動型３を構成する金型母材１は、溶湯に対して耐久性を有するものであれば特に限定はされないが、例えば、熱間ダイス鋼、ステンレス鋼等の鉄鋼や鋳鉄等の鉄（Ｆｅ）系合金を用いることができる。本実施形態では、金型母材１として熱間ダイス鋼ＳＤＫ６１を用いている。

固定型２にはキャビティ４の側の面を冷却する冷却部位８が設けてある。冷却部位８には、金型母材１の熱伝導率より高い熱伝導率を有する金属からなる有底筒状体９が挿入した状態で金型母材１と有底筒状体９とが固相接合してある。有底筒状体９の開口端には冷却治具１０が設けてあり、有底筒状体９の内部を本発明における冷媒としての冷却水が流通できるようになっている。このようなダイカスト用金型１００は金型母材１と有底筒状体９とを密着させて一体とすることができる。このため、冷却部位８の熱を熱伝導率の高い有底筒状体９を介して冷却水にまで良好に伝達することができ、冷却部位８の冷却効率を向上させることができる。また、固相接合によって金型母材１と有底筒状体９とを強固に接合するため、固定型２の熱変形等によって有底筒状体が剥がれることはない。

有底筒状体９を構成する材料は、金型母材１の熱伝導率より高い熱伝導率を有する金属であれば、特に限定はされず、任意に選択可能であるが、例えば、金型母材１にＦｅ系合金を適用する場合には、Ｆｅの熱伝導率（８４Ｗ／ｍＫ）より高い熱伝導率を有する金属として、銀（Ａｇ、４２０Ｗ／ｍＫ）、銅（Ｃｕ、３９０Ｗ／ｍＫ）、金（Ａｕ、３２０Ｗ／ｍＫ）、アルミニウム（Ａｌ、２３６Ｗ／ｍＫ）、ベリリウム（Ｂｅ、２０１Ｗ／ｍＫ）、またはこれらの金属を含む合金等を用いることができる。本実施形態では、優れた熱伝導率、取り扱い易さ、入手の容易さ等を考慮し、純銅を用いている。また、銅は優れた抗菌性も有するため、冷却水中において微生物に起因するスケールの発生を抑えることができ、有底筒状体９の内部にスケールや酸化物等が堆積することによって生じる冷却水と固定型２との間の熱伝達率の低下を防止することができる。

有底筒状体９の厚みは、特に限定はされないが、固定型２から冷却水への熱伝導性を高くするためには薄い方が好ましい。一方、加工コストの観点からは、有底筒状体９の厚みはある程度厚い方が加工し易くなるため好ましい。したがって、このような場合には、有底筒状体９の厚みは、０・１〜１０ｍｍであることが好ましく、１〜５ｍｍであることがより好ましい。本実施形態では、有底筒状体９の厚みを２ｍｍにしている。

金型母材１と有底筒状体９とを固相接合する接合方法としては、爆発圧着、圧延圧着、摩擦圧着、拡散接合等を採用することができる。本実施形態では、金型母材１と有底筒状体９とを拡散接合させてある。拡散接合させた接合部位Ａでは、図２に示すように、金型１と有底筒状体９とを原子レベルで密着させることよって、両者の原子同士が互いに拡散した拡散層を形成し一体となっている。このため、冷却水と金型との間には境界層は一つのみとなり、固定型のキャビティ４側の面から冷却水までの熱伝導性が向上し、冷却効率が高くなる。また、境界層が一つとなることによって清掃が必要な部分が少なくなり、メンテナンスが容易となる。この他、金型母材１と有底筒状体９とが一体となっている境界層は、鉄鋼と鉄鋼の熱伝導率より高い熱伝導率を有する金属との合金となっている。一般的に、この高い熱伝導率を有する金属は靭性を備えている。このことから、拡散層は、溶湯の熱を受けるダイカスト用金型１００の冷却部位８と冷却水が流れる有底筒状体９との温度差により生じる熱間歪を緩和させ、ダイカスト用金型１００の熱間歪による割れを抑制することができる。

このようなダイカスト用金型１００は、例えば、図３に示すような方法により作製することができる。
まず、図３（ａ）に示すように、金型母材１からなる金型ブロック１１に、ドリル等の公知の加工ツールによって、後述の棒状体１２の大きさに対応した大きさの穴部１１ａを設ける。

次に、図３（ｂ）に示すように、金型ブロック１１に設けた穴部１１ａに、有底筒状体９を構成する金属からなる中実の棒状体１２を挿入し、金型母材１と棒状体１２とを固相接合させる。本実施形態においては、固相接合として、ＨＩＰ（Hot Isostatic Press）によって拡散接合させる。ＨＩＰによる拡散接合は、圧力と温度を等方に加えることができるため、多方向の面や曲面を一回の処理で接合することができる。接合条件は、例えば、金型ブロック１１の全体をゴムシート等で包み、内部を真空引きして界面の空気等を除去した後、接合圧力１００ＭＰａ、接合温度８００℃で、昇温後２時間保持する。このように、金型ブロック１１の穴部１１ａに中実の棒状体１２を挿入する場合には、金型ブロック１１と棒状体１２とがあたかも一体の塊となるため、加圧作業がし易くなる。

金型母材１と棒状体１２とを固相接合させた後は、図３（ｃ）に示すように、棒状体１２の内部を、ドリル等の公知の加工ツールによって、所定の厚みを残しながら切削し、有底筒状体９とする。この際、金型母材１と有底筒状体９とは固相接合によって確実に接合させているため、切削作業によって金型母材１と棒状体１２とが分離することがなく、安定して加工することができる。

切削後、図３（ｄ）に示すように、有底筒状体９の開口端にタップ加工等を行って冷却治具１０を取り付け、有底筒状体９の内部に冷却水が流通できるようにする。
尚、金型ブロック１１は、金型自体として用いても、金型に取り付ける入れ子等として用いてもよく、いずれの場合も本発明における成形用金型に相当する。金型ブロック１１は、冷却治具１０を取り付ける前または後に任意の形状に加工することができる。

以下に、本発明に係る成形用金型を用いた実施例を示し、本発明をより詳細に説明する。但し、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

本実施例では、図３（ｄ）に示すように、鉄鋼からなる金型ブロック１１に純銅からなる有底筒状体９を挿入した状態で鉄鋼と純銅とをＨＩＰによって拡散接合させ、有底筒状体９の内部に冷却水を流通させたものを用いた。また、比較例として、実施例の金型ブロック１１と同一寸法の鉄鋼からなる金型ブロックに穴部を設け、その穴部の内部に直接冷却水を流通させたものを用いた。

実施例及び比較例のそれぞれの金型ブロックを３００℃まで加熱した後、金型ブロックの表面の温度変化を測定し、２００℃まで冷却される時間、１５０℃まで冷却される時間、１３０℃まで冷却される時間を調べた。その結果、図４に示すように、実施例の方が比較例よりも冷却時間は短縮されることが分かった。
また、奪熱能力（毎秒あたり冷媒が金型ブロックから奪う熱量）を比較したところ、図５に示すように、実施例の方が比較例よりも奪熱能力は高いことが分かった。
以上により、鉄鋼からなる金型ブロック１１に純銅からなる有底筒状体９を挿入した状態で鉄鋼と純銅とを拡散接合させることにより、金型ブロックから冷却水への熱伝達性が向上することが確認できた。

〔別実施形態〕
上記の実施形態においては、ダイカスト用金型１００の製造方法として、金型ブロック１１に設けた穴部１１ａに、有底筒状体９を構成する金属からなる中実の棒状体１２を挿入し、金型母材１と棒状体１２とを固相接合させる場合を例として説明した。しかし、例えば、図６に示すように、予め作製した有底筒状体９の内部に有底筒状体９を構成する金属とは異なる材料９ａを充填して中実構造とした棒状体１２を、金型ブロック１１に設けた穴部１１ａに挿入し、金型母材１と棒状体１２とを固相接合させた後、充填した材料９ａを除去することによっても製造することができる。この場合にも、有底筒状体９の内部に別の材料９ａを充填したものを穴部１１ａに挿入するから、これらの三者が一つの塊となり、加圧作業が容易となる。このため、金型母材１と有底筒状体９との密着度が高まり、金型から冷媒への熱伝達性を良好にすることができる。有底筒状体９の内部に充填する材料９ａとしては、例えば、有底筒状体９を構成する金属に比べて融点の低い金属や軟らかい金属、樹脂等を用いることができ、また、粉体、液体等を有底筒状体９の内部に封入して用いることもできる。有底筒状体９を構成する金属に比べて、融点の低い材料９ａを用いれば溶融させることで容易に除去することができ、軟らかい材料９ａを用いれば容易に切削することができる。また、粉体、液体等の材料９ａを有底筒状体９の内部に封入して用いる場合も容易に除去することができる。

上記の実施形態においては、有底筒状体９を固定型２に挿入した状態に設けてキャビティ４の面を冷却する場合を例として説明したが、例えば、図７に示すように、湯道近傍部１３に設けることもできる。この部位は溶湯が勢いよく流れることによって熱衝撃と機械的衝撃を同時に受けるため、冷却効果が特に期待できる。

上記の実施形態においては、固定型２に直接有底筒状体９を挿入した場合を例として説明したが、例えば、入れ子に有底筒状体９を挿入し、この入れ子を金型に取り付けるようにしてもよい。

上記の実施形態においては、有底筒状体９の内部に流通させる冷媒として冷却水を用いた場合を例として説明したが、これに限定されず、他の無機化合物、エチレングリコール等の有機化合物等を用いることができ、単一成分でも複数成分からなる混合物でもよい。

上記の実施形態においては、Ａｌ合金を鋳造する場合を例として説明したが、マグネシウム（Ｍｇ）合金、亜鉛（Ｚｎ）合金、銅（Ｃｕ）合金等の他の合金やＭｇ、Ａｌ等の金属単体等を鋳造することができる。

上記の実施形態においては、本発明に係る成形用金型をダイカスト用金型１００として用いる場合を例として説明したが、本発明に係る成形用金型は、ダイカストに限らず、重力鋳造、射出成形等、加熱して金属、樹脂等を成形する場合に用いることができる。

本実施形態に係るダイカスト用金型の概略断面図 本実施形態における金型母材と有底筒状体との接合部位を説明する図 ダイカスト用金型の製造方法を説明する概略断面図 冷却時間と冷却温度との関係を示すグラフ 奪熱能力と冷却時間との関係を示すグラフ ダイカスト用金型の製造方法を説明する概略断面図 別実施形態に係るダイカスト用金型の要部断面図

符号の説明

１ 金型母材
４ キャビティ
８ 冷却部位
９ 有底筒状体
９ａ 材料
１１ 金型ブロック
１１ａ 穴部
１２ 棒状体
１００ ダイカスト用金型（成形用金型）

Claims (3)

1. 金型を構成する金型母材の熱伝導率より高い熱伝導率を有する金属からなり、内部に冷媒が流通可能な有底筒状体を、前記金型の冷却部位に挿入した状態で前記金型母材と前記有底筒状体とを固相接合してある成形用金型。
2. 金型を構成する金型母材の熱伝導率より高い熱伝導率を有する金属からなり、内部に冷媒が流通可能な有底筒状体を、前記金型の冷却部位に挿入した状態で設けてある成形用金型の製造方法であって、
   前記冷却部位に設けた穴部に前記金属からなる中実の棒状体を挿入し、前記金型母材と前記棒状体とを固相接合した後、前記棒状体の内部を切削して前記有底筒状体とする成形用金型の製造方法。
3. 金型を構成する金型母材の熱伝導率より高い熱伝導率を有する金属からなり、内部に冷媒が流通可能な有底筒状体を、前記金型の冷却部位に挿入した状態に設けてある成形用金型の製造方法であって、
   前記有底筒状体の内部に前記金属とは異なる材料を充填して中実構造とした棒状体を、前記冷却部位に設けた穴部に挿入し、前記金型母材と前記棒状体とを固相接合した後、前記材料を除去する成形用金型の製造方法。

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