JP2719814B2

JP2719814B2 - 成形型

Info

Publication number: JP2719814B2
Application number: JP63329818A
Authority: JP
Inventors: 孝行水谷; 俊高木
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1988-12-26
Filing date: 1988-12-26
Publication date: 1998-02-25
Anticipated expiration: 2013-02-25
Also published as: JPH02172708A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はプラスチックやセラミックのフィルム、シー
ト、パイプなどを抽出成形したり、プラスチックやセラ
ミックの複雑形状品を射出成形したり、あるいは圧縮成
形したりするために用いられる成形型に関する。

（従来の技術）成形型の材質としては、一般にS50C鋼やSCM4鋼等が用
いられており、特殊用途としてはSUS鋼が用いられてい
る。

これらの成形型はこのままで使用すると離型性が非常
に悪いのでクロムメッキを施したり、ステアリン酸亜鉛
系かシリコーン系の離型剤を塗布したりして離型性を保
つようにしていた。

例えば、特開昭59−101320号公報に開示されているよ
うに、型の成形面に炭化珪素等を高周波スパッタリング
法によって被覆することによって離型性の改善と付着物
の防止を図ることが提案されている。

しかし、押出成形や射出成形あるいは圧縮成形は高温
高圧下で行われ、CVD、PVD、めっき、溶射、塗布等によ
る金型表面の沈積薄膜では接着力が弱く、途中で剥離し
たりしてその効果は十分発揮されていないのが現状であ
った。

一方、従来の成形型は成形物質中に含まれる添加物の
種類によって腐食性のガスを発生して、そのガスによっ
て腐食されたり、さびが発生するので、それを防止する
ためいろいろな合金が型材料として開発されてきた。し
かし、これらの金属材料は高価であり、製品コストの面
から問題があった。

また、従来の成形型は、半導体装置のパッケージ用樹
脂など成形樹脂に二酸化珪素粉が混入されている場合に
は摩耗して成形型の寿命が短かくなるという問題があっ
た。その対策としては、例えば特開昭61−193814号公報
に記載されているように、成形型の摩耗部分に超硬合金
を使用して摩耗を抑制する方法がある。しかし、この方
法では型構造が複雑になって加工もむずかしく成形型の
製作により多くの時間を要することとなる。

成形型の製作については、最近は少量多品種の製品の
傾向が見られ、そのために低コストで多品種の成形型の
量産化が図られてきている。

成形型の製造コストを下げるためには高速度の型加工
や型材質の検討が不可欠で、カーボン電極を要いた放電
加工法や電鋳法、NCフライス盤等を用いた機械加工法が
多用され、型材質として超硬合金や炭素合金、亜鉛合金
などの各種合金が利用されている。

しかし、十分に成形型の生産性を上げてコストダウン
を図ることができていないのが現状である。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、このような事情に鑑みなされたものであ
る。

すなわち、従来の成形型は、型表面にクロムやニッケ
ル等のコーティングを行ったり、各種離型剤を用いない
と、離型性を確保することが出来ないという問題があっ
た。また、型表面にクロムやニッケル等のコーティング
をCVD、PVD、メッキ、溶射、塗布などで行なっても、表
面被膜の接着力が十分でなく、早期に剥離するという問
題があった。

また、従来の成形型はさびが発生したり、またアミン
系、硫黄系、金属石けん類などの安定剤や各種可塑剤等
から発生する腐食性ガスによる侵食も起こるという問題
があった。

さらに、成形型の摩耗を防止するために、摩耗部分に
超硬合金を使用したりするので、型構造が複雑になって
加工もむずかしく成形型の製作により多くの時間を要す
るという問題があった。又、炭化珪素などの硬質物質を
型表面に沈積被膜化させて、成形型に耐摩耗性を付与す
る試みもなされたが、このような被膜化方法では型と被
膜の接着は物理的な接着によるため接着力が弱く、長時
間効果を持続することは出来なかった。

一方、従来の成形型では、材料自体が高価であるとい
うことや、それを加工するのに長時間を要し、手仕上げ
等の機械加工以外の人手に多くの時間を要するというこ
とが成形型製作のコストアップの要因となっていた。

成形作業の作業性に関しては、従来の金属製の成形型
は重量物であるため、例えば多層シートの成形に用いら
れる多層用フラットダイとしての成形型は６層シートま
での成形しか出来ず、より多層のシートの押出成形が望
まれていた。同様に射出成形型もその重量の点で寸法、
形状が限られるという問題があった。

本発明はこのような問題点を解決し、離型性に優れ、
かつ高強度で耐摩耗性や耐腐食性があり、かつ被成形物
に空洞や巣等が発生することを防ぐことができる加工が
容易で軽量な成形型を提供することを目的としている。

（課題を解決するための手段）本発明は型の一部又は全部が水銀圧入法で測定される
75Å〜75000Åの径を有する微細気孔の占める容積が0.0
2cc/g〜0.25cc/gである黒鉛材料より成り、その黒鉛材
料の一部又は全部を炭化珪素に転化してなる成形型を要
旨とするものである。

すなわち、本発明では成形型の表面層に一酸化珪素ガ
スを浸透拡散させる等により、成形型の構成材料である
黒鉛と反応させて炭化珪素に転化させることを特徴とし
ている。

このような本発明の成形型は、最も安定で化学的に腐
食されない黒鉛を素材にして、型の表層自体が一酸化珪
素と反応して炭化珪素に変化したものであるから、境界
は完全な連続の組織となっており、高温高圧下での繰り
返し使用によって珪化層が剥離することはなく長期にわ
たって離型性、耐摩耗性、耐腐食性を確保することがで
きる。

また、従来から用いられている金属製の成形型では、
それ自体に微細気孔は存在しないので、被成形物の各種
プラスチックやセラミックに含まれる加熱によって揮発
する添加物のガス抜きを十分に行うことができなかっ
た。しかし、本発明では黒鉛材料の特性を生かして、ガ
ス抜きを十分に行える成形型にすることができる。すな
わち、水銀ポロシメーターを用いることによって、水銀
圧入法で測定される75Å〜75000Åの径を有する微細気
孔の占める容積が0.02cc/g〜0.25cc/gである黒鉛材料を
用いればよい。

本発明の成形型の素材となる黒鉛材料は、その製造方
法のちがいによって異方性のものと等方性のものがあ
る。異方性黒鉛はその原料粉を成形するのに一軸加圧の
プレス機を用い、等方性黒鉛は静水圧加圧のラバープレ
ス機を用いる。本発明の成形型では機械的性質、熱的性
質等の諸特性がどの方向でもほぼ一定である等方性黒鉛
を用いる方が好ましい。これは効率的な材料取りが出来
ることと成形型の加熱冷却及び剛性などの設計が簡単に
なるからである。

また、黒鉛材料は、射出成形時の圧力に十分耐えるた
め、圧縮強度が800kg/cm²以上であることが望ましい。

次に、以上のような黒鉛材料を用いてNCボール盤、NC
フライス盤等で型部の形状などを高速加工する。黒鉛材
料は金属材料に較べ重切削でき、加工のスピードアップ
が図れる。

このようにして加工した黒鉛製の成形型の一部又は全
部を炭化珪素に転化させる方法としては、珪素蒸気又は
各種珪素化合物と反応させるコンバージョン法、コンバ
ージョン法のガス発生源と同じ充填剤を用いたパックセ
メンテージョンを応用した方法がある。最も好ましい方
法として一酸化珪素ガスと黒鉛型を次式のように反応さ
せることにより、型の形状を保持したまま行うコンバー
ジョン法があげられる。

SiO（ｇ）＋2C＝SiC＋CO（ｇ）この反応は1300℃〜2300℃の温度範囲で加熱すること
により進行する。ここで一酸化珪素ガスを発生させるに
は、ガス発生源として珪素粉と二酸化珪素粉の混合体、
又は炭化珪素粉と二酸化珪素粉の混合体、あるいは炭素
粉と二酸化珪素粉の混合体、その他各種珪素化合物を12
00℃〜2300℃に加熱することにより行うことができる。

黒鉛型の一部又は全部を炭化珪素に転化させるには一
酸化珪素ガスの発生源と接触しないように同一黒鉛容器
に載置し、一酸化珪素ガス発生源から黒鉛型の表面へ一
酸化珪素ガスを導入して黒鉛型の微細気孔を通して、一
酸化珪素ガスを拡散させて珪化反応を行なわせる。

黒鉛型の希望する部分だけを炭化珪素層に転化させる
には、希望する部分以外は黒鉛板等を当ててマスクさせ
ることによって、一酸化珪素ガスとの接触を断つことに
より行うことができる。

なお、黒鉛型と一酸化珪素とを反応させて黒鉛型表面
を炭化珪素に転化させるとき、処理温度を1300℃〜2300
℃の範囲で選択することによって型表面に珪化層の中に
未反応炭素を残留させ、炭化珪素分の割合である珪化率
をいろいろ変えたものをつくることができる。又、処理
温度のほかに処理時間を調節することによっても型表面
の珪化層の厚さをコントロールすることができる。珪化
層の厚さは0.1mm〜1.5mmが好ましい。その他、一酸化珪
素の濃度を調節することによって珪化率、珪化層の厚さ
をコントロールすることができる。

（発明の作用）本発明では、成形型の表面層から一酸化珪素ガスを浸
透拡散させ、黒鉛型自体と反応させて炭化珪素に転化さ
せることが特徴となっており、CVD法やPVD法、あるい
は、メッキ、溶射、塗布のような方法を使って金属製の
型上に各種物質を沈積被膜化したものとは根本的に違っ
ている。

つまり、CVD法やPVD法、あるいはメッキ、溶射、塗布
などによって得られた金属製の型表面は各種の沈積被膜
物質と型表面がファン・デル・ワールス力等による物
理的接着のみで結合しており、プラスチックやセラミッ
クの成形型として用いられた場合、高温高圧下での繰り
返し使用では沈積被膜物質が熱膨張差や剪断応力等が原
因となって剥離を起こし、離型性、耐摩耗性、耐腐食性
を早期に損う。

しかし、本発明の成形型は素材が最も安定で化学的に
腐食されない黒鉛であり、型の表層自体が一酸化珪素と
反応して炭化珪素に変化したものであるから境界は完全
な連続の組織となっており、高温高圧下での繰り返し使
用によって珪化層が剥離することはなく長期にわたって
離型性、耐摩耗性、耐腐食性を確保する。

又、本発明の成形型の炭化珪素に転化した表層は基材
の黒鉛材料の微細気孔と同じ構造であり珪化反応によっ
て変化しないことは反応の形態からも、又実際の測定の
結果からもわかっている。このことによって、成形型と
して使用した場合、被成形物に含まれる揮発性物質が抜
けやすく、金属製の成形型のように被成形物からの発生
ガスをそのまま滞留させるようなことは起こらないの
で、そのことによる成形製品の空洞や巣等の発生という
トラブルは防ぐことができる。

成形型を製作する際の加工性に関しては、基材がひじ
ょうに加工しやすい黒鉛材料を用いているため、複雑な
形状を速く機械加工し、その精密で複雑な形状を保持し
たまま表面層を硬質物質である炭化珪素に転化する。

金属材料で成形型を製作する場合、金属の切削は刃物
のくさび作用で切粉を連続排出し、砥石研摩では砥石に
切粉の熱的、化学的融着が起こるため、刃物、砥石の高
速回転や重切削はできない。しかし、黒鉛材料では切粉
が不連続で粉じん状であるため、ブロアー等で切粉の吸
引を行いながら刃物、砥石の高速回転や重切削を行い精
密加工できるため、手加工はほとんど必要ない。

成形型の重量に関しては、黒鉛材料のかさ密度は一般
に1.40〜1.95の範囲にあり、鉄の約1/6と軽い。なお、
黒鉛材料の微細気孔分布等の点から、黒鉛材料の好まし
い嵩密度は1.70以上である。

次に、本発明を実施例によって具体的に説明する。

（実施例）実施例1. コークスとコールタールピッチよりなる配合物を加熱
混練して得られた混練物を粉砕後、ラバープレスで成形
して焼成、黒鉛化し、室温から1000℃までの熱膨張係数
が5.0×10−６℃−１、75・〜75000・の径の微細気孔容
積0.05cc/g、かさ密度1.85の等方性黒鉛材料を得た。

この等方性黒鉛材料を用いて第１図に示すような射出
成形用の成形型の固定型（１）、可動型（２）、ガイド
ピン（６）を作製した。これらを珪素粉と二酸化珪素粉
の混合成形体1.5kg（モル比 1:1）と接触しないように
同一黒鉛容器に入れ密閉し、1950℃で加熱し、この温度
で90分間保持して、表面層を炭化珪素に転化した。

この処理の結果、第１図の断面図に示すように等方性
黒鉛（１）、（２）、（６）の表面層が約0.6mmの厚さ
でβ型炭化珪素に転化した層（３）を持った射出成形用
の成形型（７）を作製した。

この成形型製作に要した加工時間は金属製の成形型製
作に較べ約1/3に短縮できた。

得られた射出成形用の成形型（７）を用いてポリアミ
ド樹脂を250時間連続成形した。その結果、成形型への
付着物、及び離型不良等のトラブルは発生しなかった。

実施例2. 実施例１と同じ等方性黒鉛材料を用いて、同じ珪化処
理を施し、球状成形用の成形型を作製した。この成形型
の製作に要した加工時間は金属製の成形型製作に比較し
て、約1/4に短縮できた。

得られた射出成形型を用いて窒化珪素微粉末と添加剤
との混合物を成形してベアリング用の球状成形体を連続
成形した。その結果、空洞、巣、凹み、ヒケ及び年輪状
のさざ波模様等は発生せず、離型不良や付着物も認めら
れなかった。又、金属製の成形型の摩耗量と比較して本
実施例の成形型の摩耗量は約1/3であった。

実施例3. 実施例１と同じ等方性黒鉛材料を用いて、同じ珪化処
理を施し、第２図に示すようにβ型炭化珪素に転化した
層（３）を持った８層シート押出成形用フラットダイ
（８）を作製した。このフラットダイを用いて多数マニ
ホールド法で８層の多層複合シートを押出成形した。そ
の結果、シート表面の平滑性を保ち、厚みが均一で層間
接着力の強固なシートが得られた。

（発明の効果）以上説明したように、本発明の成形型は型表面に離型
剤を用いることなく、さびや腐食が発生せず、プラスチ
ックやセラミックの成形品との離型性を確保することが
できる。

又、成形型の表層が硬質の炭化珪素に基材の黒鉛と一
体で形成されているので、成形作業の繰り返しで剥離す
ることはなく、従来の成形型にくらべその耐摩耗性を大
幅に向上させる。

また黒鉛を使用しているため化学的に安定しており、
アミン系、硫黄系、金属石けん類などの安定剤や各種可
塑剤等から発生する腐食性ガスによる浸食もない。

本発明の成形型材料である黒鉛材料は金属材料に較べ
てびじょうに軽いため作業性がよく、より大型で複雑な
成形型が作製でき、今までにない構造の成形品を連続的
に効率よく生産することができる。

加工法の点では黒鉛材料をあらかじめ加工しておき、
その後、珪化処理をすれば形状をそのまま保って表層が
炭化珪素に転化するので、金属材料に較べ高速加工で
き、特に手加工はほとんど行う必要がないので、結果的
に成形型を製作する際に材料費を含め大幅にコストダウ
ンできる。

一方、黒鉛材料には適度な微細気孔が存在するため、
プラスチック、セラミック中に存在する揮発物質のガス
抜きが効果的に行え、より高品質の成形品を製造でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る成形型を射出成形用の成形型に適
用した例の縦断面図、第２図は本発明に係る成形型を８
層シート押出成形用フラットダイに適用した例の縦断面
図である。符号の説明１……固定型、２……可動型、３……β型炭化珪素に転化した層、５……ガイドピン挿入孔、６……ガイドピン、７……射出成形用の成形型、８……フラットダイ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】型の一部又は全部が水銀圧入法で測定され
る75Å〜75000Åの径を有する微細気孔の占める容積が
0.02cc/g〜0.25cc/gである黒鉛材料より成り、その黒鉛
材料の一部又は全部を炭化珪素に転化してなる成形型。
【請求項２】前記黒鉛材料が等方性黒鉛である請求項１
記載の成形型。
【請求項３】前記黒鉛材料の圧縮強度が800kg/cm²以上
である請求項１又は２記載の成形型。