JP2015016489A - 金型の割れ発生防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】手間がかかることなく、しかも必要最低限の材料で水冷孔に生じ得る錆を起因とした割れの発生を防止する。
【解決手段】ダイカスト金型や鍛造金型等の金型に形成された冷却用の水冷孔に、鉄よりもイオン化傾向が高い元素から構成される投射材を投射して、水冷孔の表面に投射材の一部を付着させることを特徴とする金型の割れ発生防止方法とした。また、投射材は、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、チタンから選択される１種または２種以上を含有することが望ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイカスト金型や鍛造金型等の金型の割れの発生を防止する方法に関する。詳細には、金型に形成された冷却用の水冷孔に生じる錆を起点とした割れの発生を防止する方法に関する。

ダイカスト金型や鍛造金型により成形される成形品は、金型に形成されたキャビティに溶融したアルミ等の金属や樹脂を流し込んだ後に、金型を冷却し、金属や樹脂を固化することにより得られる。生産上、効率的に金型を冷却するために金型内部には水冷孔が形成されている。この水冷孔に冷却水を注水し、金型を早く冷却することにより成形サイクルを短縮することができる。しかし、常に冷却水が流通している状態が続くため、金型表面への錆の発生の問題が懸念される。特に、高温になった金属や樹脂を金型内に流し込むため、金属や樹脂と金型の温度差に起因する熱応力が発生し、錆びた箇所を起点とする金型の割れが生じるという問題が数多く報告されている。

そこで、例えば、特許文献１には、イオン化傾向の差を利用して所要長さの線状または棒状のチタンを冷却水路の入口内に形成して設けることにより、金型内の水路壁面に生ずる錆の発生を防止している。

一方、特許文献２には、防錆剤を添加するとともにｐＨ９以上のアルカリ性に調整された冷却水を水冷孔を流通させることにより、水冷孔の壁面に不動態被膜が形成して、水冷孔の壁面の腐食を防止している。

また、特許文献３には、冷却水路内に水を充満させた水供給装置を金属部材に接続し、水供給装置に陽極を発生させ、金属部材の内部に電子を供給することにより金型部材の内部に形成された冷却水路での錆の発生を防止している。

また、特許文献４には、金型の冷却孔内に挿入される冷却水管の外周に設けられるコイル部材を外部電源方式による電気防食用の陽極として利用することにより、金型の腐食を防止している。

さらに、特許文献５には、金型の冷却通路に無電解Ｎｉ−Ｐメッキを施した後、鋼球、ガラスビーズ等を圧搾空気で送り込む表面安定化処理（ショットピーニング）を行ない、冷却通路での耐応力腐食割れ機能を強化させている。

実開平５−１８８２０号公報 特開２００７−２１６２５２号公報 特開２００４−３５３００９号公報 特開２０１３−３９６０６号公報 特開２００９−７２７９８号公報

上記特許文献１に記載の手法では、水冷孔が長い場合や水冷孔の数が多い場合には、材料の使用量が多くなる。また、線状または棒状のチタンを冷却水路の入口内に形成する作業は、煩雑であり、手間がかかるという問題も懸念される。

また、特許文献２に記載の手法では、工業用水等を用いず、アルカリ性の冷却水を用いるため、専用の循環回路を用意しなければならなくなり、設備を整えるのに手間と時間を要する。また、設備費用も高額となるという問題が懸念される。

また、特許文献３に記載の手法では、金型の冷却水路の形状によっては化学的な電子の供給が疎らになり、一部の金型の冷却水路には錆の発生防止がなお十分ではないことも懸念される。

また、特許文献４に記載の手法では、冷却孔の中でも冷却水管から遠い箇所では錆の発生防止がなお十分ではないことが懸念される。さらに、特許文献１の手法と同様に、水冷孔が長い場合、水冷孔の数が多い場合には、材料の使用量が多くなる。

また、特許文献５に記載の手法では、無電解Ｎｉ−Ｐメッキを施すため、手間がかかるという問題が生じ得る。さらに、特許文献１の手法と同様に、水冷孔が長い場合、水冷孔の数が多い場合には、材料の使用量（メッキ量）が多くなる。

本発明は上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、手間がかかることなく、しかも必要最低限の材料で水冷孔に生じ得る錆を起因とした割れの発生を防止することである。

上記課題を解決するために、本発明の金型の割れ発生防止方法は、次の手段をとる。
まず、第１の発明は、金型の割れ発生防止方法において、ダイカスト金型や鍛造金型等の金型に形成された冷却用の水冷孔に、鉄よりもイオン化傾向が高い元素から構成される投射材を投射して、該水冷孔の表面に該投射材の一部を付着させることを特徴とする。

第１の発明では、金型に形成された冷却用の水冷孔に、鉄よりもイオン化傾向が高い元素から構成される投射材を投射する。ここで、イオン化傾向とは、溶液中における元素のイオンへのなりやすさの相対尺度を意味する。特に、金型と錆との関係に着目すれば、一般に使用されている金型の主たる成分である鉄は、水溶液中で電子を失ってイオン化し、酸素と結合することにより酸化物を形成し、錆となって生じ得る。一方、金型の水冷孔では、その表面の鉄イオンが冷却水中の酸素イオンと反応し、酸化物を形成し、水冷孔の表面に酸化物が堆積し得る。すなわち、水冷孔の表面に錆が発生する。本発明では、水冷孔の表面にこの投射材の一部を付着させ、その付着させた部分に錆を生じさせることにより、金型への錆の発生の抑制している。言い換えれば、錆の発生する部位を、金型（水冷孔）ではなく、付着させる投射材とすることにより、金型（水冷孔）に直接錆を発生することを抑制し、水冷孔の表面に錆を起点とした生じる割れの発生を防止している。さらに、水冷孔には、投射材を投射するだけで済むため、手間がかかることがない。また、一度使用した投射材は、再度、使用することができるため、材料も必要最小限に抑えることができる。

次に、第２の発明は、上記した第１の発明に係る金型の割れ発生防止方法において、前記投射材は、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、チタンから選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする。第２の発明では、鉄と比較的性質が類似しているこれらの材料を用いることにより、水冷孔にこれらの材料がより付着しやくなる。また、これらの材料は、投射材の材料として汎用されているため、比較的簡単に作業を行うことができる。

次に、第３の発明は、上記した第１又は第２の発明に係る金型の割れ発生防止方法において、前記投射材の投射圧は、０．２〜０．６ＭＰａであることを特徴とする。投射圧が０．２Ｍｐａ以上であれば、確実に投射材を水冷孔へ付着させることができるからである。一方、投射圧が０．６ＭＰａ以下であれば、投射時に投射材どうしが激しく当たることもなく、投射材を水冷孔へ正確に付着させることができるからである。

まず、第１の発明においては、鉄よりもイオン化傾向が高い元素から構成される投射材を水冷孔へ投射して、水冷孔の表面に投射材の一部を付着させることを最大の特徴としている。すなわち、水冷孔に付着した投射材の一部が金型の代わりに錆びることにより、金型表面に直接生じ得るの錆の発生を抑制し、金型の錆を起因とする割れを回避する。
次に、第２の発明によれば、投射材は、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、チタンから選択される１種または２種以上を含有するため、水冷孔への投射材の付着がより確実に行われる。
次に、第３の発明によれば、投射材の投射圧を０．２〜０．６ＭＰａとするため、水冷孔への投射材の付着がより確実かつ正確に行われる。

水冷孔に投射材を投射する際の概略断面図である。 発明例及び比較例の試験条件及び試験結果を示す図である。

以下に、本発明の一実施形態に係る金型の割れ発生防止方法について詳細に説明する。

本実施形態に係る金型は、例えば、ダイカスト金型、鍛造金型、射出成形や圧縮成形などにより樹脂を成形する樹脂成形用金型などを例示することができる。金型には、その内部に水冷孔が形成されている。水冷孔は、金型を用いて金属や樹脂などを成形するときに金型の温度を一定に保って、安定して成形を行なうために金型を冷却するためのものである。この水冷孔に、冷却水を流通させて、金型を冷却する。金型の水冷孔に流通させる冷却水は、例えば、工業用水などを用いることができる。

図１は、本実施形態にかかる金型の水冷孔に投射材を投射する際の概略断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る金型１の内部には、金型１を冷却するための冷却孔２が形成されている。冷却孔２の開口２１から、中空状の投射管４が矢印Ａ方向に挿入される。投射管４の先端には、複数の投射口４１が形成されており、複数の投射口４１から投射材５が所定の圧力で投射され、水冷孔２には投射材５の一部が付着する（図１の５１を参照）。投射管４が冷却孔に挿入された状態で金型１を回転させると、冷却孔表面ほぼ全域にわたり投射材５の一部が付着する。

本実施形態に係る投射材は、鉄よりもイオン化傾向が高い元素から構成される。好適には、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、チタンから選択される１種または２種以上から構成されることが好ましい。これら以外でも、クロム、ジルコニウム、マンガン、タンタルなどを用いてもよい。また、投射材は、１種類の元素のみで構成されるものに限られず、複数の元素が混合されたものを用いてもよい。

本実施形態に係る投射材の投射方法は、代表的には、いわゆるショットピーニングである。ショットピーニングは、一般的に、主に鉄鋼表面に対し、塑性変形による加工硬化、表面応力の均一化及び残留圧縮応力の付与を図る処理である、と言われている。本実施形態に係る投射材の投射方法においては、冷却孔の表面に投射材の一部を付着させることをショットピーニングの主な目的としている。ただし、ショットピーニング以外の方法でも、投射する方法があれば、その方法を用いてもよい。

以下、本発明の効果を検証するために行った実施例について説明する。
〔試験片〕
試験片の鋼種は、ＪＩＳ鋼であるＳＫＤ６１とした。試験片の準備は、試験片の加工、熱処理、ショットピーニングの順番で行った。試験片の加工は、所定形状のＳＫＤ６１から５０ｍｍ×５０ｍｍ×５０ｍｍの形状を切り出し、直径２０ｍｍ、深さ４０ｍｍの水冷孔を工具で作製することにより行った。次に、加工した試験片に焼入れ（１０３０℃で1時間加熱後油冷）及び焼戻し（６１５℃で２時間保持）を２回行い、４３ＨＲＣに調質した。調質した試験片の水冷孔に、各種の投射材をショットピーニングにより投射した。なお、水冷孔の開口の状態は、図１に記載した形態と同様である。

〔ショットピーニングの条件〕
投射材は、鉄、亜鉛、アルミニウムを用いた。各投射材の粒径は、直径約０．６ｍｍとした。投射方法は、圧縮空気に直接投射材を混合して
噴射する直圧式を採用し、噴射時の圧力は、０．１、０．２、０．５ＭＰａの各条件を設定した。

〔応力割れ腐食試験〕
水冷孔の表面と反対側の表面（図１の符号Ｂを参照）を、高周波加熱で５８０℃になるように加熱し、水冷孔中に工業用水を１００時間流し続け、１００時間後に水冷孔の表面を観察できるように切断した。水冷孔の表面を顕微鏡にて観察し、観察した視野にどの程度クラックが生じているか否かを基準として判定した。
判定方法は、以下の通りである
◎：視野あたりのクラックが占める割合が視野全体の５％以下
○：視野あたりのクラックが占める割合が視野全体の１０％以下
△：視野あたりのクラックが占める割合が視野全体の３０％以下
×：視野あたりのクラックが占める割合が視野全体の５０％以上

〔発明例及び比較例の内容〕
鉄よりもイオン化傾向が高い亜鉛を用いた試験片を発明例１〜３、同じく鉄よりもイオン化傾向が高いアルミニウムを用いた試験片を発明例４〜６とした。
一方、ショットピーニングをしなかった試験片を比較例１とし、鉄の投射材をを用いた試験片を比較例２〜４とした。
図２に、発明例及び比較例の試験内容及び試験結果を示す。

〔試験結果〕
図２に示すように、比較例１は、大量、かつ大きなクラックが観察された。これは、水冷孔の表面における錆を起因とした割れを示唆する結果である。また、比較例２〜４にも多くのクラックが観察された。これも水冷孔の表面における錆を起因とした割れを示唆する結果である。
一方、発明例は、どれも視野あたりのクラックが占める割合が全体の３０％以下であった。これは、水冷孔に付着した投射材の一部が金型の代わりに錆びて、金型表面に直接生じ得るの錆の発生を十分に抑制したものと推察される。つまり、水冷孔の表面における錆を起因とした割れを防止し得ることが示唆された。さらに、投射時の圧力が０．２ＭＰａ、０．５ＭＰａの場合では、０．１ＭＰａの場合に比べ、クラックの発生をより抑制できている。これは、投射時の圧力が０．２ＭＰａ以上とすると、水冷孔への投射材の付着がより正確かつ確実に行われたものを示唆するものである。
なお、比較例及び発明例ともに、外観上の錆の発生の程度に大差はなかった。

以上、本発明の実施形態、実施例について説明した。本発明は、これらの実施形態、実施例に特に限定されることなく、種々の改変を行うことが可能である。
例えば、上記実施例においては、投射材として亜鉛、アルミニウムの単体の元素を用いたが、亜鉛とアルミニウムの混合物でもよい。また、上記実施例においては、投射方法は、ショットピーニング法を用いたがその他の投射方法でも可能である。

Claims (3)

1. ダイカスト金型や鍛造金型等の金型に形成された冷却用の水冷孔に、鉄よりもイオン化傾向が高い元素から構成される投射材を投射して、該水冷孔の表面に該投射材の一部を付着させることを特徴とする金型の割れ発生防止方法。
2. 前記投射材は、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、チタンから選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の金型の割れ発生発生防止方法。
3. 前記投射材の投射圧は、０．２〜０．６ＭＰａであることを特徴とする請求項１または２に記載の金型の割れ発生防止方法。

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