JP3286982B2

JP3286982B2 - 金型素材

Info

Publication number: JP3286982B2
Application number: JP09076491A
Authority: JP
Inventors: 良晴伊藤; 修三清野
Original assignee: 菱化マックス株式会社
Priority date: 1990-04-25
Filing date: 1991-04-22
Publication date: 2002-05-27
Anticipated expiration: 2017-05-27
Also published as: JPH04218640A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアルミニウム合金で作ら
れた樹脂成形やプレス成形用等の新規な金型素材に関す
る。詳しくは本発明は、最近とみに要求の高まって来て
いる軽量、良好な熱伝導性等のアルミニウム合金の特徴
を生かし、かつ、大型、複雑形状で一体化された成形品
を安価に得るための樹脂成形やプレス成形用等の金型素
材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、金型素材としては量産生産用には
鉄鋼、鋳鋼等が、また試作用に、亜鉛合金鋳物材、アル
ミニウム合金鋳物材等が使用されているが、最近、多品
種少量化の傾向から、アルミニウム合金の圧延あるいは
鍛造材（以下展伸材と称する。）が中少量生産用として
普及し始めている。これらの中でアルミニウム合金鋳物
材はピンホール等の内部欠陥が生じ易く、成形品の外
観、光沢を不良ならしめ、かつ型寿命を極端に短くする
ので改善が望まれている。

【０００３】一方、アルミニウム合金鋳物材の中でアル
ミニウム−マグネシウム系は凝固温度範囲が広いので鋳
造性や溶接性に難点はあるが、熱処理なしで強度が優
れ、切削性、研磨性、表面処理性等に優れるので微細化
などによる鋳造性、溶接性等の改善検討が試みられてい
る。たとえば、アルミニウム−マンガン−マグネシウム
系合金で、ベリリウム、チタン及び硼素を含有する鋳造
用アルミニウム合金としては、特開昭５７−２０７１５
２及び特公昭６２−４５３０３のものがある。しかしな
がら該公報に記載ある鋳物合金を素材としては良好な金
型を製作することはできない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】現在、アルミニウム合
金展伸材による金型素材は普及中ではあるが、断面サイ
ズの大きなものがなく、また高価である等の欠点を有し
ている。ところで、上記のアルミニウム−マグネシウム
系合金鋳物材は鋳造性を改善して内部欠陥をなくし、さ
らに溶接性やエッチング性を適度ならしめるために組織
（結晶粒）の規制を行えば、これらアルミニウム合金展
伸性の欠点を改善し、金型素材として使用可能であると
期待される。

【０００５】よって、本系合金をもとに金型素材とし
て、中少量生産用に必要な、・内部欠陥のないこと・残留応力の小さいこと・機械的性質、切削性、研磨性が適度であること・溶接性、エッチング性が適度であることを満足させる
合金成分、鋳造法、熱処理法等につき検討を行った。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上の観点から本発明者
等はアルミニウム−マグネシウム系合金の微細化処理と
水冷式連続鋳造法及び熱処理について鋭意検討の結果、
圧延や鍛造を行わずに金型素材として十分な性質の得ら
れることを見出し、本発明に到達した。すなわち、本発
明はマグネシウム２．０〜７．０％、マンガン０．１〜
１．０％、ベリリウム０．００１〜０．０１％、チタン
０．００３〜０．１５％、及び最少０．００１％からチ
タンに対し２０％までの範囲の硼素を含有し、残余は実
質的に不純物とアルミニウムとからなるアルミニウム合
金を水冷式連続鋳造法により鋳造した鋳造材を熱処理し
てなり、圧延を施さずに金型に加工することを特徴とす
る金型素材、並びに、マグネシウム２．０〜７．０％、
マンガン０．１〜１．０％、ベリリウム０．００１〜
０．０１％、チタン０．００３〜０．１５％、最少０．
００１％からチタンに対し２０％までの範囲の硼素を含
有し、更に２．０％以下の銅、２．０以下の珪素、１．
０％以下の鉄、５．０％以下の亜鉛、１．０％以下のニ
ッケル及び１．０％以下のクロムを含有していてもよ
く、残余は実質的に不純物とアルミニウムとからなるア
ルミニウム合金を水冷式連続鋳造法により鋳造した鋳造
材を熱処理してなり、圧延を施さずに金型に加工するこ
とを特徴とする金型素材を要旨とするものである。

【０００７】以下本発明について詳細に説明する。本発
明の金型素材は後述する水冷式連続鋳造法による鋳塊に
より構成されるが、その中のアルミニウム合金にあっ
て、マグネシウムは機械的性質及び金型製作に不可欠の
切削性、研磨性の向上に寄与するが、その含有量は２．
０〜７．０％好ましくは３．０〜６．０％であることが
必要である。マグネシウムがこれよりも少ないと機械的
強度及び切削性、研磨性が劣り、また、マグネシウムが
これよりも多いと鋳造性が低下し、内部欠陥が発生し易
くなる。

【０００８】マンガンは鋳造性、機械的性質、切削性、
研磨性等の向上に寄与する。マンガン含有量は０．１〜
１．０％の範囲から選択し得るが、０．２〜０．６％の
範囲にあることが好ましい。ベリリウムは本系合金を溶
解する際のマグネシウムの酸化を防止し溶湯を清浄化す
る作用があり、内部欠陥の防止や組織の微細化による鋳
造性の向上に役立ち、さらに溶接性を向上させる。その
含有量は０．００１〜０．０１％の範囲にあればよい
が、好ましくは０．００２〜０．０４％である。

【０００９】また、本発明のアルミニウム合金には組織
を微細化させる目的で、チタン及び硼素を特定割合で添
加し、内部欠陥を無くし、かつ組織を均一微細化し、機
械的性質、切削性、研磨性に加え、肉盛り時に必要な溶
接性及び金型成形品面に模様付けを行うエッチング性を
向上させる。チタン含有量は連続鋳造時の凝固速度によ
り異なるが、０．００３〜０．１５％、好ましくは０．
００５〜０．１０％の範囲にあることが必要であり、含
有量が少なすぎると内部欠陥を発生し、組織の微細化が
十分でなく機械的性質、切削性、研磨性、溶接性、エッ
チング性等を劣化させる。また、チタン含有量が多すぎ
ると硼素との関係で溶湯中でのＴｉＢ₂の沈降が著しく
なり、鋳造作業上問題を引き起こしがちである。硼素は
最少０．００１からチタンに対し２０％までの範囲で存
在させる。硼素はチタンの結晶微細化作用を確実にさせ
るがチタンに対し２０％より多く含有させると、その作
用はかえって減退する。なお、ＴｉＢ₂の沈降を防ぎ、
微細化効果を確実にするためにチタンの一定割合は炉内
で添加し、残量は炉と鋳型の間で特定割合のアルミニウ
ム−チタン−硼素母合金のワイヤで添加することが好ま
しい。

【００１０】以上、本発明のアルミニウム合金に含有さ
れるべき必須成分について記述したが本発明の合金には
その機能を損なわない範囲で更に他の特定成分を含有さ
せることができる。即ち、２．０％以下の銅、２．０％
以下の珪素、１．０％以下の鉄、５．０％以下の亜鉛、
１．０％以下のニッケル、１．０％以下のクロムの範囲
で一種または二種以上適宜に組合せて含有させることが
できる。これらの金属成分は後記実施例４〜１１に示す
ように特別付加的な機能を発揮するものではないが、上
記の範囲内であれば充分本発明の効果を奏するものであ
る。

【００１１】また、本系合金は水素ガスを含み、かつア
ルミニウムやマグネシウムの酸化物等の介在物が生じ易
いので、これらの成分調整と共に脱ガス、脱介在物等の
溶湯清浄化処理が必要であり、その方法として炉内での
塩素系フラックスやガスの挿入の他に、炉・鋳型間での
セラミックフィルター等による脱ガス、脱介在物等を行
い、水冷式連続鋳造法に移る。

【００１２】鋳造法として従来の砂型鋳造法ではバッチ
（不連続）式であり、周縁から凝固が進行し、かつ凝固
速度が遅いため鋳塊内部に欠陥を作り易い。これらの解
消のためには一方向凝固が望ましく、工業的手法として
は水冷式連続鋳造法が該当するのでこの鋳造法につき上
記成分及び微細化処理、溶湯清浄化処理との関連を追求
し、内部欠陥のない鋳塊を得ることが出来た。

【００１３】すなわち、水冷式連続鋳造法は前述のアル
ミニウム合金の溶湯を炉からロンダーを経て分配盤に覆
流方式で注入し、フロートの使用等により鋳型内の溶湯
の高さを一定に調節しながら分配盤に取付けられた管を
通って溶湯を底部に底金を有し、介在物混入防止のため
のスクリーン部をも付設した鋳型内に流量一定で注入す
る。注入された溶湯は冷却水により強制冷却された鋳型
の壁に接触し、その接触部分から溶湯内部に向かって薄
い凝固殻を形成しながら底金の下降により連続的に下方
に引き出され、それとともに該凝固殻に直接冷却水を噴
射して溶湯を完全に凝固させる方法であり、断面サイズ
を大きく取り易く、また同時に複数本の鋳塊をも製造す
ることが出来る。

【００１４】以上の合金成分、微細化処理、溶湯清浄化
処理、鋳造法により、ピンホール、介在物等の内部欠陥
はなくなるが、本鋳造法では鋳塊表皮部と中央部の温度
は異なり、凝固収縮量の違いから応力が鋳塊断面サイズ
が大きければ大きい程残留し、このままでは金型切削時
に変形を起こす原因となる。この応力除去のためには４
００〜５００℃までの温度で４時間以上、好ましくは６
〜１０時間均熱保持し、その後２００℃／Ｈ、好ましく
は５０℃／Ｈより遅い速度で徐冷する熱処理を施す。均
熱保持温度が４００℃より低くまた４時間未満であると
応力除去が十分でなくまた冷却速度が速いと熱処理によ
る残留応力が発生し、不都合である。

【００１５】また、これらの鋳塊の熱処理は鋳造組織の
均質化にも役立ち、機械的性質、切削性、研磨性を向上
させる。そして、以上の如く製作された鋳塊を所要大き
さに切断し面削を行って、金型素材とするが、このよう
な合金成分、微細化処理、溶湯清浄化処理、水冷式連続
鋳造、熱処理により製作された金型素材は内部欠陥はな
く、結晶粒径も細く、さらに適度の機械的性質を有する
ので、中少量生産向金型に要求される切削性、研磨性、
溶接性、エッチング性等を満足するものである。

【００１６】また、本金型素材は耐蝕性、表面処理性に
も優れ、金型の防錆油が不要であることや硬質アルマイ
ト等の表面硬化処理を行い易い特徴も有する。

【００１７】

【実施例】次に実施例により本発明につき、さらに具体
的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以
下の実施例によって限定されるものではない。実施例１〜２及び比較例１断面サイズ（一本取り）１５０ｍｍ×３００ｍｍ、鋳造
温度７２０℃、降下速度４５ｍｍ／分、冷却水量２０ｍ
³／Ｈで１５０ｍｍ長にわたり連続鋳造し、熱処理の有
無別に後記表１の金型素材を得た。また、同表１に挙げ
る従来のアルミニウム合金展伸材及びアルミニウム合金
鋳物材との比較を行った。以下の（１）〜（８）の項目
について比較を行った結果を後記表２に示す。（１）内部欠陥は、断面中央部の１０ｍｍ×１０ｍｍ
を１０倍で検鏡し、０．１ｍｍ以上の欠陥数を数えた。
鋳物材（特にＡＣ７Ａ）で欠陥が認められるが、本発明
金型素材及び展伸材では見られなかった。（２）結晶粒径は（１）と同じ検鏡面で１０倍に拡大
し測定した。本発明金型素材は鋳物材に比し粒状晶が非
常に細くなっていた。（３）機械的性質はＪＩＳ４号引張試験片を、ＪＩＳ
Ｚ２２４１により引張性質を、また、この引張試験後の
チャック部をＪＩＳＺ２２４３により硬度を測定した。
本発明金型素材は鋳物材より優れ、展伸材Ａ５０８３以
上であった。（４）切削性は３０ｍｍ径、２枚刃エレドミルで、回
転数３５００ｒｐｍ、切り込み３５ｍｍ×３０ｍｍ、送
り量１０００ｍ／分で切削した面の切粉形状と面粗さか
ら評価した。本発明金型素材は展伸材Ａ７０７５につい
で良好であった。（５）研磨性は５０ｍｍ×５０ｍｍの切断面をエンド
ミル１５μまで加工後＃４００，＃６００のペーパー仕
上げ、酸化クロム及びダイヤモンドペーストでラップ仕
上げを行い、表面状況を比較した。本金型素材は鋳物材
よりは優れ、展伸材Ａ７０７５に次いでいた。（６）溶接性は板状試料の２００ｍｍ部を開先加工
し、溶加棒Ａ５３５６ＷＹ−１．６ｍｍφ材を使い、Ｍ
ＩＧ溶接機（条件：電流３００Ａ、電圧３０Ｖ、溶接速
度３５０ｍｍ／分、アルゴン送り量２５リットル／分）
にて付合わせ溶接を行い、溶接部をＸ線透過観察した。
鋳物材の７Ａ、４Ｃ及びＡ７０７５では組織が粗く溶接
部にブローホールが見られたのに対し、本発明金型素材
及び展伸材（Ａ５０８３）では溶接部の欠陥は認められ
なかった。（７）エッチング性は１００ｍｍ×１００ｍｍ板に３
ｍｍ間隔で０．３ｍｍ×０．３ｍｍの格子状リブの凸出
度合いをフォトエッチングにより比較したが、鋳物材で
は形状が十分出ないのに対し、本発明金型素材では展伸
材に近く使用可能の状況であった。（８）残留応力は３００ｍｍ巾×７００ｍｍ長×１０
０ｍｍ厚の長手方向、短手方向の中央部に３０ｍｍ×７
０ｍｍの溝をほり、反対側の面の変形量を測定し、本発
明金型素材は変形が極小であることを確認した。実施例３〜１０後記表３に示す各合金を後記表４に示す条件で水冷式連
続鋳造を行い、表３の各熱処理条件で加熱及び冷却を行
ない金型素材とした。この素材を切削、研磨し後記表５
の条件の射出成形法にて評価を行ったところ、本発明金
型素材はアルミニウム合金鋳物材よりは、品質、耐久性
共に優れ、アルミニウム合金展伸材に近い素材であるこ
とが判明した。比較結果を後記表６に示す。

【００１８】

【発明の効果】本発明に係わる金型素材は軽量、良好な
熱伝導性等アルミニウム合金の利点を十分発揮し、かつ
大型で安価な素材であるので樹脂成形用やプレス用金型
及び治具等に広く利用できるものである。中でも今後伸
長の著しいと見られる大型で成形圧の比較的低い樹脂発
泡・注型・中空・リム成形用金型に好適である。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】

【表３】

【００２２】

【表４】

【００２３】

【表５】

【００２４】

【表６】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＣ２２Ｆ 1/00 ６３０Ｃ２２Ｆ 1/00 ６３０Ｊ６３０Ｍ６３１６３１Ｂ６９１６９１Ｂ６９１Ｃ６９２６９２Ａ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 21/00 - 21/18 C22F 1/04 - 1/057

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マグネシウム２．０〜７．０％、マンガ
ン０．１〜１．０％、ベリリウム０．００１〜０．０１
％、チタン０．００３〜０．１５％、及び最少０．００
１％からチタンに対し２０％までの範囲の硼素を含有
し、残余は実質的に不純物とアルミニウムとからなるア
ルミニウム合金を水冷式連続鋳造法により鋳造した鋳造
材を熱処理してなり、圧延を施さずに金型に加工するこ
とを特徴とする金型素材。
【請求項２】マグネシウム２．０〜７．０％、マンガ
ン０．１〜１．０％、ベリリウム０．００１〜０．０１
％、チタン０．００３〜０．１５％、最少０．００１％
からチタンに対し２０％までの範囲の硼素を含有し、更
に２．０％以下の銅、２．０％以下の珪素、１．０％以
下の鉄、５．０％以下の亜鉛、５．０％以下のニッケル
及び１．０％以下のクロムを含有し、残余は実質的に不
純物とアルミニウムとからなるアルミニウム合金を水冷
式連続鋳造法により鋳造した鋳造材を熱処理してなり、
圧延を施さずに金型に加工することを特徴とする金型素
材。
【請求項３】水冷式連続鋳造法により鋳造した後に４
００〜５５０℃に４時間以上保持し、その後２００℃／
Ｈより遅い冷却速度で冷却する熱処理を施してなること
を特徴とする請求項１または２記載の金型素材。
【請求項４】結晶粒径１ｍｍ以下の粒状晶で占有され
ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載
の金型素材。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の金
型素材を切削加工してなることを特徴とする金型。