JP3354178B2 - 水冷穴を有するダイカスト金型の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金型内部に水冷穴を有
し、かつ金型の部分によって硬さを調整したダイカスト
金型の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車産業をはじめ、各産業において
は、近年アルミニウム合金の適用が広がって来ている。
アルミニウム合金の加工法の中でダイカスト鋳造法は、
その良好な寸法精度、高生産性、ニアネットシェイプに
よる後加工の削減効果等により広く用いられて来ている
が、最近はアルミホイール、バルブロッカーカバー等の
鋳肌を外装面として用いられる製品への適用が増加して
いる。したがって、鋳造後の鋳肌を良好にするために、
ダイカスト金型のヒートクラック寿命の改善が重要課題
となってきている。また、自動車軽量化の一環として、
ダイカスト製品重量の管理限界を厳しくする動きも出て
きており、ヒートクラックの発生した型面の修正に基づ
くダイカスト製品の重量増加をも制限されようとしてお
り、この面からもヒートクラック抑制が重要となってき
ている。

【０００３】ヒートクラック抑制に対しては、型材自体
の高温強度の向上が効果的である。溶湯温度が700℃前
後までの一般アルミ用ダイカストの場合、型面の昇温は
600℃を大きく越えないため、耐ヒートクラック性を高
めるのに必要となるのは600℃前後までの高温強度であ
る。また、スクイズダイカストの場合、溶湯温度は高い
が、溶湯が金型の中心部に設けられた面積の大きいゲー
トから緩やかな速度で層流充填されるため、スクイズダ
イカストにおいては、型面の温度上昇はそれほど大きく
ない。しかし、鋳込時間が長いため、金型中心から外周
部にかけての金型内の温度差が大きくなり易く、熱応力
によるヒートクラックが早期に型の中心部や応力集中を
まねくコーナー部に発生し易い。したがって、スクイズ
ダイカスト型材のヒートクラック対策としては、600℃
前後までの強度向上への取組みが一般のダイカスト型材
にも増して重要なポイントとなる。

【０００４】600℃前後までの高温強度は初期硬さの影
響が大きい。したがって、ヒートクラック抑制が重要な
型では初期硬さを高目に設定することが行なわれて来て
おり、HRC50以上の高硬度に熱処理されるダイカスト型
が登場してきている。一方では、近年、鋳造サイクルの
短縮および鋳造品の結晶粒微細化を目的とするために、
ダイカスト金型内部に水冷穴を加工し、金型全体を冷却
させながら、使用する必要が生じてきている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、溶湯を
鋳造する一方で金型内部を水冷することにより、金型表
面から内部にかけて急激な温度勾配が発生し、特に金型
にHRC50以上の高硬度材を使用する場合においては、水
冷穴先端部に使用中の過大な熱応力が発生し、金型の型
彫面（以下、キャビティともいう)からのクラックは入
らないが、水冷穴付近が割れ易くなるため、金型寿命に
限界があった。これは、金型全体の硬さを高くしている
ために、破壊靭性が極度に低下するためである。

【０００６】金型内部の水冷穴付近からの割れを防止す
るために、金型の硬さをある程度下げることは効果があ
るが、これでは高硬度材を使用するメリットがなくな
り、金型表面のヒートクラックも発生し易くなって金型
は短寿命となる。本発明の目的は、水冷穴を有する特に
高硬度の熱間工具鋼金型の水冷穴付近の割れを防止する
ためになされたもので、金型表面のヒートクラックを抑
制し、しかも水冷穴付近からの割れを防止したダイカス
ト金型の製造方法を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、水冷穴を有
するダイカスト金型の製造方法について、金型の表面が
高硬度という特徴を活かしつつ、水冷穴周辺からの割れ
を防止する手段を検討した。その結果、金型表面が例え
ばHRC50〜52程度の高硬度になるような焼入れと焼もど
しの熱処理を施した後、さらに水冷穴の周辺のみを焼も
どし処理して、前記領域を金型の表面より硬さを下げる
(例えばHRC40〜45程度にする)と、金型表面ではヒート
クラックは生じにくく、金型内部は強度的に十分でしか
も水冷穴からの割れが生じにくくなることがわかった。
もちろん、金型表面の硬さをHRC50〜55程度の高硬度に
するためには、金型材質の選択も必要である。

【０００８】このような高硬度が得られる材料として
は、例えば重量%で、Ｃ 0.3〜0.6%、Ｓi 1.5%以下、
Ｍn 0.1〜1.5%、Ｃr 4.0〜6.0%、1/2Ｗ＋Ｍo(ＷとＭo
は１種以上) 1.8〜5.0%、Ｖ 0.5〜2.0%を含む鋼、あ
るいはこれらの元素以外にＣo0.1〜5.0%、Ｎi 0.1〜1.
5%を１種または２種添加したような材料が推奨される。
さらに具体的に言えば、本発明者が開発した熱間工具鋼
である、Ｃ 0.37%、Ｓi 0.17%、Ｍn 0.6%、Ｎi 0.6
%、Ｃr 5.2%、Ｍo 2.2%、Ｖ 0.85%、Ｃo0.8%の鋼、
またはＣ 0.52%、Ｓi 0.1%、Ｍn 0.4%、Ｃr 4.2%、
Ｗ 1.6%、Ｍo 2.0%、Ｖ 1.15%、Ｃo 0.8%の鋼など
が適するものである。後者の鋼を用いれば、十分な靭性
を確保しながらHRC55程度の金型にすることもできる。
しかし、本発明は高硬度材のみに適用されるのではな
く、従来から汎用的に用いられているJIS-SKD61クラス
の熱間ダイス鋼にも広く適用できるものである。

【０００９】すなわち、本発明は、金型の内部に冷却用
の水冷穴を有し、該水冷穴からの加熱によって該水冷穴
周辺領域が軟化されていることを特徴とする水冷穴を有
するダイカスト金型を得る製造方法であって、次に示す
通りである。すなわち、金型に水冷穴を形成後、当該金
型に焼入れと焼もどしを施す。次いで、金型全体を使用
する熱浴の溶融点以上で400℃以下に予熱後、水冷穴に5
50℃以上の温度に加熱した熱浴を流入させて水冷穴周辺
の位置のみを型彫面の焼もどし後の硬さ以下に焼もど
す。

【００１０】本発明は、水冷穴を有するＳＫＤ６１やＳ
ＫＤ６１の改良材である前述の組成のような高硬度が得
られる熱間工具鋼からなるダイカスト金型の使用寿命向
上のため、溶湯と接するキャビティ面をHRC50〜55程度
の高硬度にする一方、水冷穴近傍のみをHRC40〜45程度
の低硬度にするため、水冷穴を有する金型全体を通常の
焼入れ、焼もどしにより高硬度とした後、熱伝達係数の
高い熱浴を水冷穴に流入循環させ、割れ感受性の高い水
冷穴周辺の領域を金型表面よりは相対的に軟化させるこ
とを骨子としている。したがって、このような熱処理で
得られた金型は、型彫面の硬さ(約HRC50〜55程度)よ
り、金型の水冷穴周辺 10〜30mm位置の硬さ(約HRC40〜4
5程度)の方が低いことを特徴としている。

【００１１】

【作用】上記のような熱間工具鋼製のダイカスト金型
は、用途に応じ様々な形状のキャビティ面を有する。図
６は水冷穴を有する金型１の断面模式図を示す上面図と
側面図である。一般に水冷穴２はキャビティ底面３から
30〜60mm程度の距離に鋳型外周部に沿って加工され、冷
却水は矢印の方向に流れる。鋳造された製品のセンター
ラインから半分が製品４として示されている。実際の鋳
造中は、図７に示すごとく、水冷穴を境界として、例え
ば断面Ａ−Ｂでは図７の右図に示すような急激な温度勾
配を生ずるため過大な熱応力が発生し、水冷穴周辺に割
れが発生することがある。このような割れの典型的な例
を図８の上面図に割れ５として、その割れ破面の状況を
破面６として図８で示す。

【００１２】このような割れが発生する要因は、キャビ
ティ部の耐ヒートクラック性を向上させるために金型全
体の硬さを高くする必要があること、それに伴って破壊
靭性が低下してしまうため、特に過大な熱応力が発生し
易い水冷穴付近で割れが発生し易くなるものと思われ
る。したがって、このような水冷端の割れを防止するた
めには、表面硬さを維持しつつ、水冷穴の存在する領域
付近を軟化させて破壊靭性を十分上げる必要がある。し
たがって、通常の焼入れ、焼もどしにより、キャビティ
部を高硬度とした後、水冷穴に前記焼もどし温度より高
い熱浴を流入循環させ、水冷穴の周辺領域を軟化するこ
とにより、金型表面は硬さが高く、水冷穴の部分は、硬
さが低い理想的なダイカスト型が得られるのである。

【００１３】熱浴を複雑な形状を有する水冷穴に流入循
環させることに際しては、金型の温度が低ければ急熱割
れを起こしたり、流入した熱浴が凝固する恐れがある。
これに対する予防手段としては、予め金型全体を使用す
る熱浴の溶融点以上に予熱しておくことである。しか
し、この予熱温度が高すぎると、金型全体の硬さが低下
してしまうので、予熱の上限温度は400℃以下とする。

【００１４】熱浴は一般的にソルトと呼ばれている塩浴
を使用することができ、組成によって温度制御ができ
る。本発明の場合は、ダイカスト金型の通常の焼もどし
温度が550℃以下であるので、少なくともこの温度以上
にしないと水冷周辺部の硬さ低下の効果が得られにくい
ので、流入させる熱浴温度を550℃以上とする。このよ
うな熱浴として適正な組成には、例えば30%ＢaＣl₂、30
%ＮaＣl、40%ＫＣlからなるソルトを用いればよい。

【００１５】600℃の熱浴を水冷穴に通過させた金型の
熱影響部は実験の結果、約10〜30mm程度であった。すな
わち、熱浴を流入させた境界から、水冷穴の周囲に向か
って約10〜30mmの範囲は、拡散した熱で硬さが低下して
しまう。したがって、実際に熱浴を流入循環させる時間
はキャビティ底部の深さと水冷穴の位置を考慮して決定
することが必要である。

【００１６】

【実施例】以下に本発明の実施例を詳しく説明する。 （実施例１）表１に示す合金組成を有するSKD61および
鋼Ａについて図２に示すような水冷穴を有する金型を焼
なまし後に加工した。ＳＫＤ６１および鋼Ａの焼もどし
特性は、図３に示す通りであり、鋼ＡはＳＫＤ６１より
高硬度で破壊靭性が高い。ダイカスト金型として必要な
キャビティを加工後、焼入れ(1020℃)、焼もどし(560℃
×2回)により、全体の硬さをHRC51狙いとした後、図１
に示すように250℃に予熱した金型１に対して、その水
冷穴２に600℃の熱浴７を専用ポンプ８により15分間流
入させた。

【００１７】図４は、水冷穴部のみの焼もどし後の図２
の断面Ｃ−Ｄの硬さ分布である。図からわかるように、
キャビティ表面部の硬さは両鋼種ともHRC51付近の高硬
度を保ち、水冷穴周辺をHRC40〜41程度まで軟化させる
ことが可能になった。表２に実際の金型の寿命テストを
行なった結果を比較例の結果と共に示す。比較例とは金
型の硬さを変化させるのみで、本発明のような水冷穴付
近の熱浴による焼もどしを追加しないものである。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】いずれの鋼を用いた場合も、金型の硬さが
HRC44程度では、水冷穴周辺の割れはないものの、SKD61
では約8,200ショット、鋼Ａでは約12,000ショットでヒ
ートクラックの発生により、型彫面の修正が必要になっ
ている。これらの鋼をHRC51前後の硬さに上げると、い
ずれの鋼もヒートクラックが発生するまでに金型内部の
水冷穴付近に割れを生じ、4,500〜5,000ショット付近で
金型を取り替える必要が生じた。本発明を適用した金型
は水冷穴からの割れを生じることなく、金型表面のヒー
トクラック発生までのサイクル数を約２倍に伸ばすこと
ができ、型彫面の修正などの手入れ回数を大幅に減らす
ことができた。すなわち、本発明のダイカスト金型の製
造方法を用いれば、本発明を適用しない従来の金型と比
較してヒートクラックの発生も少なく、水冷穴付近の割
れもないという相乗効果が得られるのである。

【００２１】（実施例２）次に、実施例１と同じ形状の
金型について、熱浴の温度と時間を変えた例を示す。熱
浴の流入方法は実施例１と同一である。図５に流入熱浴
の温度、時間をそれぞれ700℃,3分とした場合の図２に
おける断面Ｃ−Ｄの硬さ分布を示す。図からわかるよう
に熱浴温度を高めても、時間を短縮することにより、表
面硬さを落さず熱処理することが可能である。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、キャビティ部の十分な
硬さによる耐ヒートクラック性を有するので、型彫面の
修正までの寿命を従来の型の２倍程度に延長でき、金型
の手入回数も減らすことができると共に、従来より問題
となっていた水冷穴部付近の割れを防止することが可能
となるという相乗以上の効果が得られる。また、本発明
によれば、高硬度の材料を使用しても靭性不足による割
れの対策を局部的に行なえるので、将来出現するであろ
う、より高硬度の金型材質にも適用し得る点でその汎用
性が高い発明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る水冷穴を有するダイカスト金型の
熱浴中焼もどし方法を示す図である。

【図２】本発明の実施例に使用したダイカスト金型の断
面形状を示す図である。

【図３】SKD61および鋼Ａの焼もどし特性を示す図であ
る。

【図４】本発明の実施例１による金型の水冷穴近傍の硬
さ分布を示す図である。

【図５】本発明の実施例２による金型の水冷穴近傍の硬
さ分布を示す図である。

【図６】水冷穴を有するダイカスト型金型の上面図と側
面図を示す図である。

【図７】水冷穴を有するダイカスト金型の使用中の温度
分布を模式的に示す図である。

【図８】水冷穴を有するダイカスト金型の割れと破面の
形態を示す図である。

【符号の説明】

１ 金型、２ 水冷穴、３ キャビティ底面、４ 製
品、５ 割れ、６ 破面、７ 熱浴、８ 熱浴循環用ポ
ンプ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金型に水冷穴を形成後、当該金型に焼入
   れと焼もどしを施し、水冷穴に550℃以上の熱浴を流入
   循環させることにより、水冷穴近傍のみを前記焼もどし
   後の硬さ以下に焼もどすことを特徴とする水冷穴を有す
   るダイカスト金型の製造方法。