JP2014037096A - 成形型の製造方法及び成形型 - Google Patents

Abstract

【課題】 成形面が複雑な凹凸形状であっても成形面が全域に亘りムラなく平滑面になるように巣穴を補修できるようにするとともに強度を増して耐久性の向上を図る。
【解決手段】 成形面Ｓに倣った形状の一面２を有した鋳物金属製の本体１を作成する本体作成工程と、本体１の一面２に、コールドスプレーにより被覆金属Ｍを積層して表層部３を形成する表層部形成工程と、表層部３の二次加工を行って成形面を形成する仕上げ工程とを備えた。本体１に巣穴４があって一面２に巣穴４が露出していても、コールドスプレーの被覆金属Ｍの粉末がこの巣穴４に入り込んで塞ぎ、成形面Ｓを平滑にすることができるとともに、表層部３の圧縮強度を増し、耐久性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に樹脂製品を成形するための成形型の製造方法及びこれにより製造される成形型に係り、特に、鋳物製の本体を備えた成形型の製造方法及び成形型に関する。

従来、この種の成形型としては、例えば、特開２００２−１６０２７０号公報（特許文献１）に掲載されたものがある。この成形型は、アルミニウムの鋳物であり、樹脂製の部材を成形する。
ところで、この鋳物製の成形型にあっては、巣穴やピンホールなどが生じて成形面の表面不良が生じやすく、平滑性を悪化させることがあり、その場合には、成形した製品の品質に悪影響を与えるという問題があった。
これを解決するために、例えば、鋳物金属よりも硬度の高い金属製の押圧ボールを備えた表面加工具を用い、この表面加工具により押圧ボールを成形型の成形面に転動させ、巣穴の周囲を塑性変形させて巣穴を補修することが考えられる（例えば、特開２０１１−３６９３１号公報（特許文献２）参照）。

特開２００２−１６０２７０号公報 特開２０１１−３６９３１号公報

しかしながら、上記の押圧ボールを成形型の成形面に転動させて巣穴を補修させる手段を用いても、押圧ボールの球面形状が残って平滑面になりにくく、そのため、面品質に劣り、成形面の寸法精度を損ねるという問題があった。また、押圧ボールで押圧するので、成形面が凹凸のある複雑な形状の場合には、隅々まで押圧ボールが入りにくいことがあり、補修ができない部分があってムラが生じる問題がある。更に、鋳物製なので強度的に弱く耐久性に劣るという問題もある。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、成形面が複雑な凹凸形状であっても成形面が全域に亘りムラなく平滑面になるように巣穴を補修できるようにするとともに強度を増して耐久性の向上を図った成形型の製造方法及び成形型を提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明の成形型の製造方法は、成形面に倣った形状の一面を有した鋳物金属製の本体を作成する本体作成工程と、該本体の一面に、コールドスプレーにより被覆金属を積層して表層部を形成する表層部形成工程とを備え、該表層部の表面を成形面とする構成としている。

これにより、先ず、本体作成工程では、一面を正規の成形面よりも所要寸法分後退した面になるように形成する。そして、表層部形成工程において、本体の一面に、コールドスプレーにより被覆金属を所要寸法分積層して表層部を形成し、この表層部の表面を成形面とする。この場合、本体に巣穴があって一面に巣穴が露出していても、コールドスプレーの被覆金属の粉末がこの巣穴に入り込んで塞ぎ、表面を平滑にする。また、一面（成形面）に凹凸があって複雑な場合にも、被覆金属の粉末が隅々に入り込むことができるので、全域に亘りムラなく巣穴を補修できるようになる。そのため、成形面が平滑になることから、製品の品質を向上させることができる。また、表層部においては、被覆金属の粉末が積層するので、圧縮強度が増し、そのため、鋳物金属の本体以上の強度を付与することができ、耐久性を向上させることができる。更に、本体は鋳物なのでそれだけ、安価に作成することができると言う効果も奏する。

そして、必要に応じ、上記表層部形成工程の後に、該表層部の二次加工を行って成形面を形成する仕上げ工程を備えた構成としている。二次加工としては、脆性を緩和するための熱処理，成形面の精度を出すための研削，研磨等がある。成形面の強度を増し、あるいは、精度を増すことができる。

また、必要に応じ、上記被覆金属は、アルミニウム，ニッケル，チタン，鉄，銅，クロム，シリコン，マグネシウム，これらの合金の何れかから選択される構成としている。これらの被覆金属により、確実に、平滑化できるとともに強度を増すことができる。
この場合、被覆金属として、チタン，ニッケル及びアルミナの３種類を用い、これらの混合重量比を、（０．５〜１）：（０．５〜１）：（０．１〜０．３）としたことが有効である。アルミナを０．１〜０．３の重量比で混合することにより、コールドスプレーのノズルの閉塞が防止され、良好な被覆金属の積層を得ることができる。

更に、必要に応じ、上記コールドスプレーで用いる被覆金属の粉末の平均粒径ＤＡを、ＤＡ＝５〜５０μｍにした構成としている。一般に、鋳物製の成形型において、巣穴の大きさは、数ミクロンから２ｍｍ程度まで生じるが、これらの巣穴の中に被覆金属の粉末粒子を入り込ませることができ、確実に、平滑化できるとともに強度を増すことができる。５０μｍを超えると、巣穴に入りにくくなり、粉末の結合も不十分になる。

更にまた、必要に応じ、上記表層部の厚さＴを、Ｔ＝０．１ｍｍ〜１５ｍｍにした構成としている。０．１ｍｍに満たないと被覆が不十分になる。この範囲で、確実に、平滑化できるとともに強度を増すことができる。

また、上記目的を達成するため、本発明の成形型は、成形面に倣った形状の一面を有した鋳物金属製の本体と、該本体の一面にコールドスプレーにより被覆金属を積層して形成され表面を成形面とした表層部とを備え、上記成形型の製造方法によって製造される。上記と同様の作用，効果を奏する。

本発明によれば、本体に巣穴があって一面に巣穴が露出していても、コールドスプレーの被覆金属の粉末がこの巣穴に入り込んで塞ぎ、表面を平滑にする。また、一面（成形面）に凹凸があって複雑な場合にも、被覆金属の粉末が隅々に入り込むことができるので、全域に亘りムラなく巣穴を補修できるようになる。そのため、成形面が平滑になることから、製品の品質を向上させることができる。また、表層部においては、被覆金属の粉末が積層するので、圧縮強度が増し、そのため、鋳物金属の本体以上の強度を付与することができ、耐久性を向上させることができる。更に、本体は鋳物なのでそれだけ、安価に作成することができるという効果も奏する。

本発明の実施の形態に係る成形型を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態に係る成形型の製造方法を示す工程図である。 本発明の実施の形態に係る成形型の製造方法で用いるコールドスプレー装置の構成を示す図である。 実験例に係り実施例の形状を示す図である。 実験例に係り実施例及び比較例についての圧縮強度試験結果を示すグラフ図である。

以下、添付図面に基づいて本発明の実施の形態に係る成形型の製造方法及び成形型について詳細に説明する。実施の形態に係る成形型は、樹脂製品を成形するもので、射出成形機に用いられる。
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る成形型Ｋは、成形面Ｓに倣った形状の一面２を有した鋳物金属製の本体１と、本体１の一面２にコールドスプレーにより被覆金属Ｍを積層して形成され表面を成形面Ｓとした表層部３とを備えて構成されている。

また、本発明の実施の形態に係る成形型Ｋの製造方法は、図２及び図３に示すように、成形面Ｓに倣った形状の一面２を有した鋳物金属製の本体１を作成する本体作成工程（１）と、本体１の一面２に、コールドスプレーにより被覆金属Ｍを積層して表層部３を形成する表層部形成工程（２）と、表層部３の二次加工を行って表層部３の表面を成形面Ｓとして形成する仕上げ工程（３）とを備えて構成されている。以下、各工程について説明する。

（１）本体作成工程
本体１の鋳物金属は、鉄，アルミニウム等適宜の金属が選択される。実施の形態では、鋳鉄（ＦＣＤ２５０等）を用いた。鋳物金属を融点よりも高い温度で熱して溶融し、これを鋳型に流し込み、冷やして目的の形状にする。本体１においては、一面２を正規の成形面Ｓよりも所要寸法分後退した面になるように形成する。本体１は鋳物なので、それだけ、安価に作成することができる。

（２）表層部形成工程
被覆金属Ｍの粉末を、コールドスプレー方法を用い、被覆金属Ｍの融点より低い温度に加温したガスに投入し、ガスを亜音速ないし超音速流にして本体１の一面２に対して噴射して被覆する。

被覆金属Ｍとしては、アルミニウム，ニッケル，チタン，鉄，銅，クロム，シリコン，マグネシウム，これらの合金の何れかから選択される。実施の形態では、被覆金属Ｍとして、チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ）及びアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）の３種類を用いた。また、これらの混合重量比を、（０．５〜１）：（０．５〜１）：（０．１〜０．３）とした。アルミナを０．１〜０．３の重量比で混合することにより、コールドスプレーのノズルの閉塞が防止され、良好な被覆金属の積層を得ることができる。実施の形態では、これらの混合重量比は、１：１：０．２とした。

被覆金属Ｍの被覆金属Ｍの粉末の平均粒径ＤＡは、ＤＡ＝５〜５０μｍに設定した。一般に、鋳物製の成形型Ｋにおいて、巣穴の大きさは、数ミクロンから２ｍｍ程度まで生じるが、これらの巣穴の中に被覆金属Ｍの粉末粒子を入り込ませることができ、確実に、平滑化できるとともに強度を増すことができる。５０μｍを超えると、巣穴に入りにくくなり、粉末の結合も不十分になる。

図３には、コールドスプレー方法を実施するコールドスプレー装置１０の概略を示す。このコールドスプレー装置１０は、空気，窒素，ヘリウム，アルゴンなどの高圧の作動ガスが供給される主配管１２と、主配管１２の途中に設けられ作動ガスを被覆金属Ｍの粉末Ｗの融点または軟化温度よりも低い温度に加温するガス加熱器１３と、主配管１２から分岐された枝配管１４と、枝配管１４に介装され作動ガスにより被覆金属Ｍの粉末Ｗを搬送せしめる粉末供給装置１５と、主配管１２及び枝配管１４が合流し枝配管１４からの被覆金属Ｍの粉末Ｗを加温されたガスに投入させる粉末投入管１６と、粉末投入管１６に接続され本体１の一面２に被覆金属Ｍの粉末Ｗをガスとともに吹き付けるスプレーノズル１７とから構成されている。スプレーノズル１７では作動ガス及び被覆金属Ｍの粉末Ｗは亜音速流ないし超音速流となって噴出される。

従って、コールドスプレー装置１０において、被覆金属Ｍの粉末Ｗを、粉末供給装置１５に入れ、装置を駆動すると、加温したガスに被覆金属Ｍの粉末Ｗが投入され、スプレーノズル１７からガスが亜音速ないし超音速流になって噴出され、本体１の一面２に対して吹き付けられる。これにより、被覆金属Ｍが所要寸法分積層されて表層部３が形成される。表層部３の厚さＴは、Ｔ＝０．１ｍｍ〜１５ｍｍに設定した。０．１ｍｍに満たないと被覆が不十分になる。

この場合、図１に示すように、本体１に巣穴４があって一面２に巣穴４が露出していても、コールドスプレーの被覆金属Ｍの粉末がこの巣穴４に入り込んで塞ぎ、表面を平滑にする。また、一面２（成形面Ｓ）に凹凸があって複雑な場合にも、被覆金属Ｍの粉末が隅々に入り込むことができるので、全域に亘りムラなく巣穴４を補修できるようになる。

（３）仕上げ工程
表層部３の二次加工を行って成形面Ｓを形成する。二次加工としては、脆性を緩和するための熱処理，成形面Ｓの精度を出すための研削，研磨等がある。成形面Ｓの強度を増し、あるいは、精度を増すことができる。

このようにして製造された成形型Ｋにおいては、図１に示すように、コールドスプレーの被覆金属Ｍの粉末が本体１の巣穴４に入り込んで塞ぐとともに、全域に亘りムラなく付着しているので、成形面Ｓが平滑になることから、製品の品質を向上させることができる。また、表層部３においては、被覆金属Ｍの粉末が積層するので、圧縮強度が増し、そのため、鋳物金属の本体１以上の強度を付与することができ、耐久性を向上させることができる。

実験例

次に、実験例について説明する。実験例においては、図４に示すように、実施例１〜４に係る試験片を作成した。各実施例においては、本体１として、鋳鉄（ＦＣＤ２５０）を用いて、矩形（縦＝４５ｍｍ×横４５ｍｍ×厚さ１０ｍｍ）の試験片を用意した。
この本体１に、上記のコールドスプレー法により、被覆金属Ｍを積層した。コールドスプレーの条件は、作動ガスとしてＨｅを用い、その温度：２００〜８００℃、速度：４００〜１０００ｍ/ｓｅｃとした。実施例１では、本体１にニッケル（Ｎｉ）のみを５ｍｍ積層した。実施例２では、本体１にチタン（Ｔｉ）のみを１５ｍｍ積層した。実施例３では、本体１にニッケル（Ｎｉ）とチタン（Ｔｉ）とを１：１の割合（重量比）で混合したものを積層しようとしたが、ノズルの閉塞が発生し、成膜が不能であった。実施例４は、本体１にチタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ）及びアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を、１：１：０．２の割合（重量比）で混合したものを１５ｍｍ積層した。
また、上記の本体１の圧縮強度比較用にバルク体（比較例１〜４）を用意した。比較例１はクロムモリブデン鋼材（ＳＣＭ４４０）、比較例２は鋳鉄（ＦＣ２５０）、比較例３はニッケル（Ｎｉ）、比較例４はチタン（Ｔｉ）とした。

そして、実施例１，２，４及び比較例１〜４について、圧縮強度を測定した。結果を図５に示す。この結果から、実施例１及び２において、これらに夫々対応する材質のバルク体よりも高い強度を示した。また、実施例１及び４においては、クロムモリブデン鋼材（ＳＣＭ４４０）よりも高い耐力を得た。

尚、上記実施の形態において、本体１の鋳物金属や被覆層の被覆金属Ｍは上述した種類のものに限定されるものではなく、適宜変更して差し支えない。

Ｋ 成形型
Ｓ 成形面
１ 本体
２ 一面
３ 表層部
４ 巣穴
Ｍ 被覆金属
Ｗ 粉末
１０ コールドスプレー装置
（１）本体作成工程
（２）表層部形成工程
（３）仕上げ工程

Claims (7)

1. 成形面に倣った形状の一面を有した鋳物金属製の本体を作成する本体作成工程と、該本体の一面に、コールドスプレーにより被覆金属を積層して表層部を形成する表層部形成工程とを備え、該表層部の表面を成形面とすることを特徴とする成形型の製造方法。
2. 上記表層部形成工程の後に、該表層部の二次加工を行って成形面を形成する仕上げ工程を備えたことを特徴とする請求項１記載の成形型の製造方法。
3. 上記被覆金属は、アルミニウム，ニッケル，チタン，鉄，銅，クロム，シリコン，マグネシウム，これらの合金の何れかから選択されることを特徴とする請求項１または２記載の成形型の製造方法。
4. 上記被覆金属として、チタン，ニッケル及びアルミナの３種類を用い、これらの混合重量比を、（０．５〜１）：（０．５〜１）：（０．１〜０．３）としたことを特徴とする請求項３記載の成形型の製造方法。
5. 上記コールドスプレーで用いる被覆金属の粉末の平均粒径ＤＡを、ＤＡ＝５〜５０μｍにしたことを特徴とする請求項３または４記載の成形型の製造方法。
6. 上記表層部の厚さＴを、Ｔ＝０．１ｍｍ〜１５ｍｍにしたことを特徴とする請求項５記載の成形型の製造方法。
7. 成形面に倣った形状の一面を有した鋳物金属製の本体と、該本体の一面にコールドスプレーにより被覆金属を積層して形成され表面を成形面とした表層部とを備え、上記請求項１乃至６何れかに記載の成形型の製造方法によって製造されることを特徴とする成形型。

Images