JP2642661B2

JP2642661B2 - 高熱伝導性複合金型の製造方法

Info

Publication number: JP2642661B2
Application number: JP8861088A
Authority: JP
Inventors: 利夫奥野; 庸田村
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1988-01-07
Filing date: 1988-04-11
Publication date: 1997-08-20
Anticipated expiration: 2012-08-20
Also published as: JPH01309752A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、溶融金属の鋳造用金型、若しくは溶融プラ
スチック、溶融ガラスや砂中子などを成形する金型の製
造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来溶融金属の鋳造用金型やプラスチック・ガラス成
形用金型、砂中子成形型等、高温で使用する用途の金属
材料には、熱間ダイス鋼、ステンレス鋼などの鋼や鋳鉄
また一部これにより熱伝導性の大きい銅合金が一体型と
して用いられてきた。

〔発明が解決しようとする課題〕

これらの金型は、溶融被成形物の熱を奪って成形させ
るため、金型が昇温するが、鋼または鋳鉄による金型の
場合、熱伝導性の水準が必ずしも高くないため、金型の
形状あるいは構造によっては、金型内に大きな温度ムラ
が生じ、金型の変形をまねき、また単位時間当りの成形
サイクル数を上げることが困難であった。このほか、熱
伝導性の大きい銅合金においても強度が小さいので、本
問題点を解決できていなかった。本発明の目的は、金型
内部の熱伝導性を大きくし、内部冷却効果を大きくする
ことにより、金型内の温度ムラを小さくして金型の変形
を抑え、しかも製品成形サイクル時間を短縮し成形能率
を向上することができ、さらにヒートクラックの発生進
展を抑え、金型寿命を向上する高熱伝導性複合金型の製
造方法を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記問題点を解決する高熱伝導性複合金型
の製造方法が提供するものである。すなわち、金型作業
面が鋼または鋳鉄からなり、前記作業面の裏面が銅また
は0.1cal/cm・℃・sec以上の熱伝導率を有する銅合金と
直接金属接合された高熱伝導性複合金型の製造方法にお
いて、作業面を含む金型を鋳造または鍛造品から切削加
工によって作製し、接合を行う面の酸化物を機械的処理
または化学的処理により除去したのち、銅または銅合金
を装入してから無酸化雰囲気中で加熱し銅または銅合金
を溶融させ接合する鋼または鋳鉄と直接金属接合させる
ことを特徴とするものである。また接合面の酸化物除去
後、接合面とあとから装入する銅または銅合金の間に金
属ろう材とフラックスを介在させ、銅または銅合金を装
入してから無酸化雰囲気中で加熱し、金属ろう材を溶融
させ作業面の裏面の鋼または鋳鉄と内部の銅または銅合
金をろう材を介して接合させてもよい。さらに、銅また
は銅合金が溶融状態から凝固する際に中心部を凹状に凝
固させることもできる。この凹状に凝固させる手段とし
ては、銅系材料の融液との粘着性が小さいセラミックス
や黒鉛などからなる中子を所望する凹状形に相当する凸
型とした後、装入する銅または銅合金の中心部に設置し
た後加熱溶融して凝固させる方法で、中子に使用するセ
ラミックスや黒鉛は一体型またはこれらを被覆した状態
で使用することもできる。

銅または銅合金面にできた凹状部はそのまま、または
機械加工して水冷構造部として使用し、複合金型全体の
冷却効果をさらに向上させることができるほか、銅また
は銅合金が溶融後、凝固収縮する際に接合面と剥離する
のを防止する効果がある。

鋼または鋳鉄からなる金型の裏面に銅または銅合金を
溶融して直接金属接合する工程と、前記鋼または鋳鉄の
焼入工程とを同じ工程で行なうことができる。さらに
は、鋼または鋳鉄からなる金型の裏面に金属ろう材を溶
融させて内部の銅または銅合金をろう材を介して接合す
る工程と、前記鋼または鋳鉄の焼入工程とを同じ工程で
行なってもよい。

金型の作業面の鋼が適正な特性を得るためには、重量
比でC0.1〜1.1％、Si≦2.00％、Mn≦2.00％、Ni≦4.00
％、Cr≦18.00％、ＷおよびMoの単独または複合で（1/2
W＋Mo）≦12.00％を含有し、さらにＶ≦3.00％、Co≦6.
5％、Al≦1.50％、Cu≦3.00％の一種以上を含有し、残
部実質Feであることが望ましい。

〔実施例〕

以下実施例に基づき詳細に説明する。

実施例１ SKD61の60mmφ鍛伸材に直径40mmφの穴をカップ状に
機械加工し作業面を含む金型を作製した。前記カップ状
の金型に第１表に示す条件によって複合金型を作製し
た。ここで第１表中に示す銅合金１は、本発明者が既に
優良な熱伝導性および金型として適度な強度を有する材
料として提案（特開昭59−133357号）しているNi−Si析
出強化型銅合金、銅合金２は60/40黄銅、銅合金３は70/
30黄銅である。これらの熱伝導性を第２表に示す。ここ
では使用される銅合金の例として三つ示したが、一般的
に金型に使用される鉄鋼材料の熱伝導性の水準は、熱伝
導率0.1cal/cm・℃・secより小さく、これ以上の熱伝導
率をもつ同合金を用いることにより金型の熱伝導性が高
められることになり、0.1cal/cm・℃・sec以上の熱伝導
率を持つ銅合金であれば種類は問わず有効である。

また、金属ろう材を介在させる場合には、フラックス
をコーティングした金属ろう（材質Cu−Zn合金）の溶接
棒を第１図に示す３通りの方法で作業面を含む金型の接
合面に装着した。第１図（ａ）は溶接棒をバーナーで加
熱し、溶融させて内壁に付着させる方法で、第１図
（ｂ）は溶接棒を適当な大きさに切断し、内壁に添うよ
うに置く方法である。第１図（ｃ）は、（ａ）と同じ方
法で金属ろう材とフラックスを接合表面に一様に付着さ
せるように、接合表面を加熱しながら、付着した。

第１表に示す通り、試料No.1とNo.10を除いては、作
業面を含む金型のSKD61と装入した銅または銅合金との
金属接合された状態は良好であった。第２図および第３
図は試料No.3および試料No.5の接合部のミクロ組織と接
合部に特性Ｘ線を走査させて各元素の線分析を行ったも
のである。銅がSKD61側に拡散して十分接合しているこ
とが明らかである。

試料No.1とNo.10は作業面を含む金型のSKD61および銅
または銅合金の接合面が酸化されており、このため接合
が不十分である。試料No.1では大気中加熱のときに酸化
が激しく、また試料No.10ではろう材の溶接棒をバーナ
ー加熱によって溶滴とする際にSKD61の接合面が加熱さ
れ酸化したため接合不良となったものである。

実施例２内面寸法が幅120mm、長さ160mm、高さ45mmで底部を有
し、肉厚および底厚さがそれぞれ約5mmの作業面を含む
金型の鋼のSKD61および鋳鉄のFC25で箱形に鋳造した。
これに第３表に示す条件で複合金型を製作した。なお第
４図に、装入物および中子の装入方法を示す。

第３表に示した通り、試料No.11と13を除き作業面を
含む金型と装入した銅または銅合金１との接合状態は良
好であった。

試料No.11は、鋳造時に作業面を含む金型が酸化さ
れ、接合表面が酸化膜で覆われており、このため接合せ
ず、酸化膜をサンドブラストまたは酸洗により除去し
た。No.12、14、15の接合状態は改善され良好であっ
た。

No.13は作業面を含む金型と装入した銅が一部剥離し
ていた。これは、銅の熱膨張係数が作業面を含む金型の
SKD61より大きいため、加熱後の冷却過程で銅がより大
きく収縮したためであり、第４図のように中央部にアル
ミナ製の中子を設置したNo.12、14、15は良好な接合状
態を示した。

実施例３次に本発明方法により作製した金型の適用例について
述べる。

第４表に本発明による金型をガラス入りのプラスチッ
ク成形用型に適用した場合の成形サイクル時間の短縮例
を示す。

金型は、内面寸法が直径300mm、高さ400mm（肉厚100m
m）で、本発明の型は表面層はSKD12（1C−5Cr−1Mo−0.
4V）の硬さHRC55、厚さ8mmとし、型裏側に第１表の銅合
金２を複合させたもので、これを従来のSKD12の場合と
比較した。なお、参考として第１表銅合金２で１体の型
を作製してテストした結果を併記した。

本発明合金の場合、成形サイクル時間が半減する結果
を得た。なお、銅合金２の１体型の場合には、第４表中
に併記したように摩耗がすすみ易く短寿命に終わった。

第５表に本発明により金型をプレッシャーダイカスト
型に適用した場合の溶損、ヒートクラックの状況を示
す。

金型は作業面がSKD61 100×150×80mm（肉厚60mm）で
700℃のAl合金を加圧注入し、成形後作業面を水冷する
方式で、ゲート部溶損およびヒートクラック発生までの
shot数を求めた。

本発明金型としては、作業面にSKD61（HRC45）を使用
し、SKD61の肉厚を8mm以下として、裏面側に純銅を複合
させたものである。

本発明型の場合、耐溶損および耐ヒートクラック寿命
が大幅に改善される結果が得られた。

実施例４金型の作業面で重量％で、C0.28％、Si0.60％、Mn0.2
1％、Ni0.85％、Cr14.51％、W0.8％、Mo1.2％、V6.3
％、Co4.56％、残部実質的Feからなる鋼を金型の作業面
の寸法が直径150mm、高さが100mm（肉厚10mm）であるカ
ップ状に機械加工した後、前記カップ状の内側に銅を溶
融して、直接金属接合した複合金型を作製した。この複
合金型を用いガラス金型として使用して表面部の腐食状
況およびヒートクラックの発生までのshot数を求め、第
６表に示す。なお、比較材として従来鋼SUS420Jから作
製した同一外径寸法からなる一体金型を使用した。

本発明型の場合、従来鋼に比較して金型作業面の温度
上昇を防止する効果と組成により耐食性および高温強度
の向上効果により金型の寿命が大幅に改善された。

実施例５金型の作業面が重量％で、C0.27％、Si0.63％、Mn0.1
9％、Ni0.82％、Cr14.75％、W0.7％、Mo1.3％、V6.1
％、Co4.32％、残部実質的Feからなる鋼を金型の作業面
の寸法が100×150×80mm（肉厚6mm）の箱形に機械加工
した後、前記箱形金型の内側に銅合金１を溶融して直接
金属接合した複合金型を作製した。この複合金型を用
い、プラスチックを成形して表面部の腐食状況を調べた
結果を第７表に示す。なお、比較鋼として従来鋼SUS420
J2から作製した同一外形寸法からなる一体金型を使用し
た。

本発明の金型の場合、200ショット後の金型表面は腐
食とは認められないが、部分的にくもり肌であるのに対
して、従来鋼の場合は全面がくもり肌の他部分的に斑点
状の腐食が認められた。

実施例６金型の作業面が重量％で、C1.03％、Si0.33％、Mn0.5
7％、Ni0.65％、Cr7.23％、Mo1.32％、V1.83％、残部実
質的Feからなる鋼を金型の作業面の寸法が外径60mm、内
径40mm、高さが40mm（底部厚さ8mm）であるカップ状に
機械加工した後、フラックスをコーティングしたCu−Zn
合金の金属ろうの溶接棒を用いて第１図（ａ）の方法で
金型の接合面に付着させ、銅合金２を装入して接合した
複合金型を作製した。この複合金型を用い砂中子焼成用
として使用して150ショット後の摩耗量を比較して、そ
の結果を第８表に示す。なお、比較鋼として従来鋼FC30
から作製した同一形状からなる一体型を使用した。

第８表のように本発明金型の耐摩耗が著しく優れてい
ることがわかる。

実施例７金型の作業面が重量％で、C0.2％、Si0.38％、Mn0.30
％、Ni3.52％、Mo2.86％、残部実質的Feからなる鋼を実
施例３において実施したものと同じ方法で作製した複合
金型を用いて、同じ成形条件によってAl合金を成形し
た。その結果を第９表に実施例３で得た結果を一部重複
して示す。

本発明金型の場合、SKD61の一体型に対してSKD61を作
業面の鋼に用い、複合金型として使用すると金型寿命が
大幅に改善される他、上記組成からなる複合金型の場合
さらに顕著な効果が得られた。

実施例８金型の作業面が重量％で、C0.14％、Si0.25％、Mn0.7
9％、Ni3.01％、Mo0.41％、Al1.27％、Cu2.30％、残部
実質的Feからなる鋼を金型の作業面の寸法が150×160×
70mm（肉厚6mm）の箱形に機械加工した後、前記箱型金
型の内側に銅合金２を溶融して直接金属接合した複合金
型を作製した。この複合金型を用いプラスチックを成形
して表面部の摩耗状況を比較して、その結果を第10表に
示す。なお比較鋼として従来鋼Cr−Mo鋼から作製した同
一形状からなる一体型を使用した。

本発明金型は、複合金型の冷却効果に加えて金型表面
の初期硬さが高いために極めて大きな改善が認められ
た。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明の製造方法により作製され
た高熱伝導性複合金型は、従来材に比べ熱伝導性に優
れ、低圧Al鋳造やFe系材料の鋳造金型材、Al系やCu系合
金のプレッシャーダイカスト、重力鋳造型、砂中子の焼
成型、プラスチック成形型として成形能率を格段に向上
させるものであり、かつ金型の反り、ヒートクラックに
よる割れや溶損、摩耗などの問題を解決するものであ
り、工業上顕著な効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、作業面を含む金型の裏面にろう材を付着する
方法、第２図および第３図は、接合部のミクロ金属組織
写真と元素の拡散状況、第４図は銅または銅合金の装入
状況および中子の設置状況を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】金型の作業面が鋼または鋳鉄からなり、前
記作業面の裏面が銅または0.1cal/cm・℃・sec以上の熱
伝導率を有する銅合金と直接金属接合された高熱伝導性
複合金型の製造方法において、作業面を含む金型を鋳造
により作製し、接合を行う面の酸化物を機械的処理また
は化学的処理により除去したのち、銅または銅合金を装
入してから無酸化雰囲気中で加熱し銅または銅合金を溶
融させ作業面の裏面の鋼または鋳鉄と直接金属接合させ
ることを特徴とする高熱伝導性複合金型の製造方法。
【請求項２】金型の作業面が鋼からなり、前記作業面の
裏面が銅または0.1cal/cm・℃・sec以上の熱伝導率を有
する銅合金と直接金属接合された高熱伝導性複合金型の
製造方法において、作業面を含む金型を鍛造品から切削
加工によって作製し、接合を行う面の酸化物を機械的処
理または化学的処理により除去したのち、銅または銅合
金を装入してから無酸化雰囲気中で加熱し銅または銅合
金を溶融させ作業面の裏面の鋼と直接金属接合させるこ
とを特徴とする高熱伝導性複合金型の製造方法。
【請求項３】接合面の酸化物を除去後、フラックスを接
合表面に塗布するかまたはフラックスを敷いた後、銅ま
たは銅合金を装入する特許請求の範囲第１項および第２
項のいずれかに記載の高熱伝導性複合金型の製造方法。
【請求項４】金型の作業面が鋼または鋳鉄からなり、前
記作業面の裏面が銅または0.1cal/cm・℃・sec以上の熱
伝導率を有する銅合金と金属ろう材を介して接合された
高熱伝導性複合金型の製造方法において、作業面を含む
金型に鋳造により作製し、接合を行う面の酸化物を機械
的処理または化学的処理により除去したのち、接合面と
あとから装入する銅または銅合金の間に金属ろう材とフ
ラックスを介在させ、銅または銅合金を装入してから無
酸化雰囲気中で加熱し、金属ろう材を溶融させ作業面の
裏面の鋼または鋳鉄と内部の銅または銅合金をろう材を
介して接合させることを特徴とする高熱伝導性複合金型
の製造方法。
【請求項５】金型の作業面が鋼からなり、前記作業面の
裏面が銅または0.1cal/cm・℃・sec以上の熱伝導率を有
する銅合金と金属ろう材を介して接合された高熱伝導性
複合金型の製造方法において、作業面を含む金型を鍛造
品から切削加工によって作製し、接合を行う面の酸化物
を機械的処理または化学的処理により除去したのち、接
合面とあとから装入する銅または銅合金の間に金属ろう
材とフラックスを介在させ、銅または銅合金を装入して
から無酸化雰囲気中で加熱し、金属ろう材を溶融させ作
業面の裏面の鋼と内部の銅または銅合金をろう材を介し
て接合させることを特徴とする高熱伝導性複合金型の製
造方法。
【請求項６】接合面の酸化物の機械的処理による除去を
サンドブラスト処理で行う特許請求の範囲第１項ないし
第５項のいずれかに記載の高熱伝導性複合金型の製造方
法。
【請求項７】接合面の酸化物の化学的処理による除去を
酸洗で行う特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれ
かに記載の高熱伝導性複合金型の製造方法。
【請求項８】銅または銅合金が溶融状態から凝固する際
に中心部に凹状部を形成させて凝固させる特許請求の範
囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の高熱伝導性複
合金型の製造方法。
【請求項９】凹状部を形成する手段として装入する銅ま
たは銅合金の中心部にセラミックスまたは黒鉛の中子を
設置した後、加熱溶融して凝固させる特許請求の範囲第
８項記載の高熱伝導性複合金型の製造方法。
【請求項１０】鋼または鋳鉄からなる金型の裏面に銅ま
たは銅合金を溶融して直接金属接合する工程と、前記鋼
または鋳鉄の焼入工程とを同じ工程で行なうことを特徴
とする特許請求の範囲第１項ないし第３項または第６項
ないし第９項のいずれかに記載の高熱伝導性複合金型の
製造方法。
【請求項１１】鋼または鋳鉄からなる金型の裏面に金属
ろう材を溶融させて内部の銅または銅合金をろう材を介
して接合する工程と、前記鋼または鋳鉄の焼入工程とを
同じ工程で行なうことを特徴とする特許請求の範囲第４
項ないし第７項のいずれかに記載の高熱伝導性複合金型
の製造方法。
【請求項１２】金型の作業面の鋼が重量比でC0.1〜1.1
％、Si≦2.00％、Mn≦2.00％、Ni≦4.00％、Cr≦18.00
％、ＷおよびMoの単独または複合で（1/2W＋Mo）≦12.0
0％を含有し、さらにＶ≦3.00％、Co≦6.5％、Al≦1.50
％、Cu≦3.00％の一種以上を含有し、残部実質Feからな
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第11項
のいずれかに記載の高熱伝導性複合金型の製造方法。