JP3748971B2

JP3748971B2 - Mold manufacturing method

Info

Publication number: JP3748971B2
Application number: JP01936097A
Authority: JP
Inventors: 誠一秦; 典弘山田; 武山本
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2017-01-31
Also published as: JPH10217257A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、過冷却液体域を有する非晶質合金（金属ガラス）を用いた金型の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラスチック成形などに多用されている金型は、従来、成形品を成形するキャビティ部分等を切削などの機械加工や、放電加工を行った後、機械または人手による表面の研磨を行うことにより製造されている。
また、マスター転写を行う金型の製造方法としては、ロストワックス法が使用されている。このロストワックス法は、ろうで模型を作製し、この模型の周囲に低融点合金からなる鋳型材料を詰めた後、加熱によってろうを流し出して金型とするものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
機械加工、放電加工を経て、研磨を行うことにより作製される金型は、その製造に数多くの工程を必要とすると共に、長時間を要しており、高価となっている。このため、多品種少量生産に適用することができない問題を有している。
【０００４】
一方、マスター転写を行う金型では、低融点合金を用いるため強度及び耐熱性が小さく、しかも精度が低いため、適用できる範囲が限定されている。本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、高精度、且つ高強度の金型を簡便に製造することができる製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため過冷却液体域の温度に加熱された非晶質合金からなるブロックに対して、少なくとも金型のキャビティ部分を形成するための形状を有したマスター部材を離型可能な範囲で押圧して成形する工程と、前記ブロックの非晶質合金を結晶化させる工程と、前記マスター部材が押圧されているブロックの面に対して、過冷却液体域の温度に加熱された非晶質合金からなる他のブロックを押圧して密着させる工程と、を備えていることを特徴とする。
【００１３】
この方法においては、金型を構成する金属ガラスを２つのブロックに分け、一方のブロック（ブロックＡ）を過冷却液体域まで加熱し、その加熱されたブロックＡに離型性を考慮してオーバーハング部が生じないよう埋没量を制御してマスター部材を押圧し、成形する。
【００１４】
その後、ブロックＡの非晶質合金を結晶化させる。この結晶化はブロックＡを結晶化温度以上に上昇若しくは結晶化温度に３０分以上保温することによって行うことができる。この結晶化の後、マスター部材の一部が埋没し、他の部分が露出しているブロックＡの面に対して、非晶質合金からなる他のブロック（ブロックＢ）を過冷却液体域の温度まで加熱して押圧し、密着させて成形する。
【００１５】
この方法において、マスター部材の一部を埋没させたブロックＡを結晶化させることにより、２度目の成形の際にブロックＡが再び過冷却液体域に加熱され、粘性流動を起こしてマスター部材が過度に埋没して離型不能となることを防止できると共に、ブロックＢがブロックＡに密着して接合することを防止することができる。以上の成形後、冷却した２つのブロックＡ、Ｂを開き、ブロックＡ、Ｂの内部からマスター部材を取り除くことにより、少なくともキャビティ部を非晶質合金によって形成することができる。
【００１６】
請求項２の製造方法は、過冷却液体域の温度に加熱された非晶質合金からなるブロックに対して、少なくとも金型のキャビティ部分を形成するための形状を有したマスター部材を離型可能な範囲で押圧して成形する工程と、ガラス遷移温度が前記非晶質合金のガラス遷移温度よりも低温の非晶質合金からなる他のブロックを、その過冷却液体域に加熱して、前記マスター部材が押圧されているブロックの面に押圧して密着させる工程と、を備えていることを特徴とする。
【００１７】
この方法において、金型を構成する金属ガラスを２つのブロックに分ける点は請求項１と同じであるが、２つのブロックはそれぞれ過冷却液体域の異なる、具体的にはガラス遷移温度が２０℃以上異なっている金属ガラスを用いるものであり、これにより、結晶化工程を省略できる。
【００１８】
この方法では、先ずガラス遷移温度が高温側にあるブロック（ブロックＣ）を過冷却液体域の温度に加熱し、このブロックＣにマスター部材を押圧する。この際、請求項１の方法と同様に、マスター部材の離型を考慮して、オーバーハング部が生じないように埋没量を制御し、離型可能な範囲で押圧する。
【００１９】
その後、ガラス遷移温度が低温側にあるブロック（ブロックＤ）を過冷却液体域まで加熱して、ブロックＣのマスター部材の一部が埋没し、他の部分が露出している面に押圧し、密着させて成形する。この加熱温度をブロックＤの金属ガラスのガラス遷移温度以上であって、ブロックＣの金属ガラスのガラス遷移温度以下とすることにより、マスター部材を埋没させたブロックＣの粘性流動を抑制して、マスター部材の離型不能やブロック相互の接合を防止することができる。成形後、冷却した２つのブロックＣ、Ｄを開き、ブロックＣ、Ｄの内部からマスター部材を取り除くことによって、少なくとも金型のキャビティ部が形成される。
【００２０】
なお、２つのブロックの金属ガラスのガラス遷移温度差は２０℃以上が良好である。ブロックＤをガラス遷移温度以上に加熱したとき、ブロックＤ全体を完全に同一温度にすることは困難なため、ブロックＤの一部がブロックＣのガラス遷移温度に近い温度となり、ブロックＣの一部が粘性流動を起こすことを完全に防止するため、上述のような温度差を設けるものである。
【００２１】
これらの製造方法においては、マスター部材の離型位置に離型用板材を一体化させた後、この離型用板材の両面から、過冷却液体域まで加熱した同一組成の金属ガラスをマスター部材に押圧することができる。これにより、同一の金属ガラスを用いても、マスターの離型不能や金属ガラス相互の接合を防止でき、しかもオーバーハングを防止して、適正な離型位置まで成形することが可能となる。この方法では、２つの同一の金属ガラスのブロックを同時に過冷却液体域まで加熱し、マスター部材に押圧して成形するので、前述の加熱と成形のサイクルタイムを短くすることが可能で、成形や材料選択の自由度が大きくなる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）図１は本発明の実施の形態１における各部材の位置関係を示す断面図、図２は金型の製造工程を示す断面図である。本実施の形態では、過冷却液体域を有する非晶質合金である金属ガラスとしてＺｒ₅₅Ｃｕ₃₀Ａｌ₁₀Ｎｉ₅ （添字は原子％を示す）を用いた。Ｚｒ₅₅Ｃｕ₃₀Ａｌ₁₀Ｎｉ₅ は常温から３５０℃までは引っ張り強度１．５ＧＰａ、硬さＨｖ５１０、線膨張係数１０×１０-⁶であり、一般の金型用鋼材ＳＵＳ４２０Ｊ２に比べて遜色のない強度、硬さと適度な線膨張係数を有する。さらに、この金属ガラスはガラス遷移温度Ｔｇが４２０℃、結晶化開始温度Ｔｘが５００℃であり、過冷却液体域△Ｔ（＝Ｔｘ−Ｔｇ）は約８０℃の広い温度範囲を有している。この過冷却液体域ΔＴでは１０⁸ 〜１０¹⁰Ｐａ・ｓ程度の粘性を示し、数１０ＭＰａ程度の圧力で成形加工が可能である。
【００２３】
図１において、１ａ，１ｂは上記金属ガラスからなるブロックであり、それぞれが上下の枠２、３内に充填されている。枠２、３における対向面には位置決め用凹部２ａと凸部３ａが形成されている。加熱手段としては放射加熱、高周波加熱、抵抗加熱などを用いることができ、本実施の形態では放射加熱を加熱手段として用いた。
【００２４】
図２に示すように金型により成形される製品のマスター部材４として、全長６ｍｍの内視鏡処置具の先端カップ部品を用いた。本実施の形態では耐熱性と強度を考慮してＳＵＳ３０３を用いてマスター部材４を機械加工で製造した。このマスター部材４を押圧手段であるポンチ５を用いて、ブロック１ａ上の所定の位置にセットする。ポンチ５には図示しない直動機構などの押圧機構と荷重センサ、変位センサが具備されている。
【００２５】
図２（ａ）において、図示しない加熱装置によりブロック１ａを過冷却液体域の温度である４５０℃に加熱する。このときブロック１ａの金属ガラスは高温での酸化性が高いため、１０^-2Ｐａ以下の真空中、またはＡｒ、Ｈｅなどの不活性ガス雰囲気中で加熱する。また、加熱に伴う結晶化により成形不能となるのを防止するため、ガラス遷移温度（４２０℃）以上に加熱する際はできるだけ速やかに、可能ならば毎分３０℃以上の加熱温度で、均一加熱することが望ましい。
【００２６】
次に、マスター部材４をポンチ５を用い、接触部が１０ＭＰａの圧力となるように押圧して、過冷却液体域に加熱されたブロック１ａに埋没させる。このとき、マスター４の変形、傾きを防止するためにマスター部材４の形状に近い治具６を用いることが良い。このマスター部材４が離型できるように、その形状を考慮して、埋没量を設定し、ポンチ５の変位量が設定した埋没量になるまで押圧を続ける。
【００２７】
この押圧工程が終了後、ブロック１ａを結晶化開始温度である５００℃以上に５分間以上加熱するか、もしくは過冷却液体域の温度のまま３０分以上保持する。これにより金属ガラスが非晶質から結晶組織に変化し、過冷却液体域が消失し、結晶化したブロック１ｃとなる。
【００２８】
次に、図２（ｂ）に示すように、別のブロック１ｂを過冷却液体域に加熱し、このポンチ５により同様にマスター部材４との接触部が１０ＭＰａの圧力となるようにブロック１ｂを押圧する。押圧が進行すると結晶化させた上述のブロック１ｃに密着する。このとき位置決め用の凹部２ａ，凸部３ａが嵌合するので、上下の枠２，３が固定される。このとき、マスター部材４および結晶化したブロック１ｃとの密着度を増大させるため、枠２の上部に設けられた開口部７からポンチ５により再押圧することが望ましい。
【００２９】
以上の工程により成形されたブロック１ｂ及び１ｃを冷却し、図２（ｃ）に示すようにマスター部材４を離型する。これにより、一部は非晶質合金からなるブロック１ｂであり、他の部分は結晶化した合金からなるブロック１ｃからなる金型のキャビティ部８が形成される。
【００３０】
なお、冷却においては非晶質の金属ガラスの脆化を防止するため、冷却速度は５０℃／ｍｉｎ以上であることが望ましい。又、キャビティ部８の形状転写精度は、マスター部材４の形状、材質によって影響されるが、立方体や球形など単純な形状の場合には、線膨張係数の影響を除去した形状転写誤差（＝（転写後の形状）−（マスター部材の形状））０．５μｍ以下であり、高精度とすることができた。この実施の形態では必要に応じて機械加工、放電加工により、ゲート部やランナー部を形成することができる。
【００３１】
このような実施の形態の金型の製造方法では、機械加工により製造されたマスター部材４を過冷却液体域に加熱された金属ガラスからなるブロック１ａ、１ｂに１０ＭＰａの低圧力で押圧することによって簡便にキャビティ部８を製造できるため、金型を高強度、高精度とすることができる。
【００３２】
さらに、一方の金属ガラスからなるブロック１ｃを結晶化させるため、マスター部材４の過度の埋没や金属ガラス相互の接合を防止することができる。さらに２次加工によりゲート部やライナー部を加工する際に、非晶質部分よりも機械加工し易い結晶化した部分を加工することにより加工効率を向上する。
【００３３】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における各部材の位置関係を示す断面図である。本実施の形態の構成は基本的には実施の形態１と同様であるが、過冷却液体域を有する非晶質合金である金属ガラスとしてＺｒ₅₅Ｃｕ₃₀Ａｌ₁₀Ｎｉ₅（添字は原子％を示す）を用いたブロック１２と、金属ガラスとしてＺｒ₆₅Ａｌ_7.5Ｃｕ_27.5（添字は原子％を示す）を用いたブロック１０とにより、金型を製造する。ブロック１２は実施の形態１で用いた金属ガラス１ａ、１ｂと同一組成及び、同一特性を有するものである。
【００３４】
ブロック１０の金属ガラスは常温から３５０℃までは引っ張り強度１．２ＧＰａ、硬さＨｖ４７０、線膨張係数９×１０^-6であり、金属ガラス１と同様に、一般の金型用鋼材ＳＵＳ４２０Ｊ２に比べ遜色のない強度、硬さと、適度な線膨張係数を有する。
【００３５】
さらにブロック１０の金属ガラスはガラス遷移温度Ｔｇ３７０℃、結晶化開始温度Ｔｘ４７０℃であり、このため１００℃の広い過冷却液体域ΔＴを有する。この過冷却液体域では１０⁸ 〜１０¹⁰Ｐａ・ｓ程度の液体としての粘性を示し、数１０ＭＰａ程度の圧力で成形加工が可能である。図４は、ブロック１２及び１０に使用した金属ガラスのＤＳＣ（示差走査熱分析）曲線を示す。
【００３６】
本実施の形態に於ける製造工程を図５に示す。図５（ａ）において、図示しない加熱装置によりブロック１２を過冷却液体域の４５０℃に加熱する。ブロック１２の金属ガラスは高温での酸化性が高いので、１０^-2Ｐａ以下の真空中、またはＡｒ、Ｈｅなどの不活性ガス雰囲気中で加熱する。また、加熱に伴う結晶化により成形不能となるのを防止するため、ガラス遷移温度以上に加熱する際は出来るだけ速やかに、出来れば毎分３０℃以上の加熱速度で、均一に加熱する事が望ましい。
【００３７】
次に、実施の形態１と同一のマスター部材４をポンチ５とともに治具６を用いて接触部が１０ＭＰａの圧力となるように押圧して、過冷却液体域に加熱されたブロック１２に埋没させる。このとき、マスター部材４が離型できるように、その形状を考慮して、埋没量を設定し、ポンチ５の変位量が設定した埋没量になるまで押圧を続ける。
【００３８】
この押圧が終了後、ブロック１２の金属ガラスをガラス遷移温度以下の４００℃まで速やかに冷却する。このときの冷却速度は非晶質の金属ガラスの脆化を防止するために、５０℃／ｍｉｎ以上であることが望ましい。ガラス遷移温度以下に冷却された金属ガラスは、常温とほぼ変わらない強度、硬さを回復し、結晶化も進行しなくなる。
【００３９】
次に、図５（ｂ）に示したように、枠２内の別のブロック１０を過冷却液体域の４００℃に加熱し、同様にマスター部材４との接触部が１０ＭＰａの圧力となるようにブロック１０をポンチ５によって押圧する。押圧が進行するとブロック１０はブロック１２に密着し、位置決め部の凹部２ａ，凸部３ａが嵌合して上下の枠２，３が固定される。このときマスター部材４およびブロック１０との密着度を増大させるため、ポンチ５を用いて枠２の上部に設けられた開口部７から、さらに再押圧することが望ましい。
【００４０】
以上の工程により金型が成形され、非晶質の金属ガラスの脆化を防止するため、冷却速度５０℃／ｍｉｎ以上で冷却し、図５（ｃ）の様にマスター部材４を離型する。これにより、非晶質合金からなる金型のキャビティ部８が形成される。このキャビティ部８の形状転写精度は、立方体や球形など単純な形状の場合には、０．５μｍ以下の形状転写誤差とすることができた。また必要に応じて機械加工、放電加工により、ゲート部やランナー部を形成しても良い。
【００４１】
本実施の形態の金型では、過冷却液体域の異なる２種類の金属ガラスを用いることにより、金属ガラスを結晶化させることなく、キャビティ部８を成形することができる。このためマスター部材４の形状に若干の変更が生じても、再び過冷却液体域に加熱することにより簡単に金型の形状を修正することができる。また、長時間加熱を要する結晶化工程を省略できるため、製造時間を短縮できる。
【００４２】
（実施の形態３）
図６は本実施の形態３の製造方法を示す断面図である。本実施の形態では、過冷却液体域を有する非晶質合金である金属ガラスとしてＺｒ₆₅Ａｌ_7.5Ｃｕ_27.5を用いた。この金属ガラスは実施の形態２で用いた金属ガラスと同一組成で、同一特性を有するものである。基本的な構成は、実施の形態１および実施の形態２と変わらないが、マスター部材４の離型予定位置に離型用板材２０を装着した。この離型用板材２０は、本実施の形態の場合、厚さ０．５ｍｍのＳＵＳ３０３製板材を用いた。
【００４３】
図６（ａ）において、マスター部材４と上下の枠２、３内に納められた上述の金属ガラスからなるブロック１０ａ及び１０ｂを、図示しない加熱装置により過冷却液体域の４００℃に加熱する。このときブロック１０ａ，１０ｂの金属ガラスは高温での酸化性が高いので、１０^-2Ｐａ以下の真空中、またはＡｒ、Ｈｅなどの不活性ガス雰囲気中で加熱する。また、加熱に伴う結晶化により成形不能となるのを防止するため、ガラス遷移温度以上に加熱する際は出来るだけ速やかに、出来れば毎分３０℃以上の加熱速度で、均一加熱する事が望ましい。
【００４４】
次に、図６（ｂ）のようにマスター部材４を上下の枠２、３内のブロック１０ａ及び１０ｂで挟み込むようにポンチ５を用いて押圧する。そして接触部が１０ＭＰａの圧力となるように押圧して、過冷却液体域に加熱されたブロック１０ａ及び１０ｂに埋没させる。
【００４５】
このとき、離型用板材２０は、上下のブロック１０ａ及び１０ｂが接触して接合されるのを防止する。又、この離型用板材２０は、各ブロック１０ａ及び１０ｂの金属ガラスの自由表面を拘束するために、均等な圧力を生じさせる。これにより過冷却液体状態の金属ガラスが有している強い表面張力に起因したマスター部材４と自由表面とのダレ部を減少させる。
【００４６】
押圧が進行すると各ブロック１０ａ及び１０ｂと、マスター部材４及び離型用板材２０とが密着すると共に、位置決め部の凹部２ａ、凸部３ａが嵌合するため、上下の枠２、３が固定される。このとき、マスター部材４およびブロック１０ａ及び１０ｂとの密着度を増大させるため、枠２の上部に設けられた開口部７からポンチ５により、さらに再押圧することが望ましい。
【００４７】
以上の工程により金型が成形される。そして成形された金型の脆化を防止するため、冷却速度５０℃／ｍｉｎ以上で冷却し、図６（ｃ）の様にマスター４を離型することにより、非晶質合金製のキャビティ部８が形成される。このとき必要に応じて離型用板材２０を取り除いても良いが、その場合、板材２０の厚み分、各金型との嵌合にクリアランスが生じるので、マスター部材４の形状をこのクリアランス分、変更しておく必要がある。このため、図６（ｃ）で示すように、ブロック１０ａのキャビティ部８の周囲に対しては、離型用板材２０を残すものである。
【００４８】
キャビティ部８の形状転写精度は、前記の各実施の形態と同様に、立方体や球形など単純な形状の場合、０．５μｍ以下の形状転写誤差とすることができた。また必要に応じて機械加工、放電加工により、ゲート部やランナー部を形成しても良い。
【００４９】
本実施の形態の金型の製造方法は、実施の形態１及び実施の形態２に比べ、離型用の板材２０を用いることにより、マスター部材４とブロックの金属ガラスの自由表面とのダレを防止することができると共に、マスター部材４を正確に離型位置に設けることができる。また、一度に両方の金属ガラスを成形できるために、製造時間をさらに短縮できる。
【００５０】
尚、以上の本発明では、Ｚｒ系の過冷却液体域を有する非晶質合金を用いたが、他の過冷却液体域を有する非晶質合金、例えばＬａ₅₅Ａｌ₂₅Ｎｉ₂₀（数値は原子％を示し、ガラス遷移温度Ｔｇ＝２００℃、結晶化温度Ｔｘ＝２７５℃）などを用いることもできる。
【００５１】
以上のような本発明は、以下の発明を包含するものである。
（１）少なくともキャビティ部の一部又は全部が、３０℃以上の温度幅の過冷却液体域を有する非晶質合金によって形成されていることを特徴とする金型。
（２）少なくとも金型のキャビティ部分を形成する形状を有したマスター部材に離型用板材を取り付け、過冷却液体域の温度に加熱された非晶質合金からなるブロックを前記離型用板材が覆う状態で前記マスター部材をブロックに押圧して成形することを特徴とする金型の製造方法。
【００５２】
【発明の効果】
請求項１及び２の製造方法では、過冷却液体域を有する非晶質合金を用い、その特性を利用して金型を製造するため、従来機械加工などにより製造されていた高精度な金型を簡便に高精度、高強度に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施の形態１の製造工程を示す断面図である。
【図３】実施の形態２を示す断面図である。
【図４】金属ガラスのＤＳＣ曲線特性図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は実施の形態２の製造工程を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は実施の形態３の製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂブロック
１ｃ結晶化した金属ガラス
２，３枠
２ａ位置決め用凹部
３ａ位置決め用凸部
４マスター部材
５ポンチ
６治具
７開口部
８キャビティ
１０ブロック
１２ブロック
２０離型用板材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a mold using an amorphous alloy (metal glass) having a supercooled liquid region.
[0002]
[Prior art]
Molds often used for plastic molding, etc., are conventionally manufactured by machining the surface of the cavity or the like that molds the molded product or performing electrical discharge machining, and then polishing the surface by machine or by hand. ing.
Further, the lost wax method is used as a method for manufacturing a mold for performing master transfer. In this lost wax method, a wax model is prepared, a mold material made of a low melting point alloy is packed around the model, and then the wax is poured out by heating to form a mold.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
A mold produced by polishing through machining and electric discharge machining requires a number of steps for its production, requires a long time, and is expensive. For this reason, there is a problem that it cannot be applied to high-mix low-volume production.
[0004]
On the other hand, a mold for performing master transfer uses a low melting point alloy, has low strength and heat resistance, and is low in accuracy, so that the applicable range is limited. The present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a manufacturing method capable of easily manufacturing a high-precision and high-strength mold .
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object , at least a master member having a shape for forming a cavity portion of a mold can be released from a block made of an amorphous alloy heated to a temperature of a supercooled liquid region. The step of pressing to form the amorphous alloy of the block, the step of crystallizing the amorphous alloy of the block, and the amorphous surface heated to the temperature of the supercooled liquid region with respect to the surface of the block on which the master member is pressed And a step of pressing and adhering another block made of a quality alloy.
[0013]
In this method, the metal glass constituting the mold is divided into two blocks, and one block (block A) is heated to the supercooled liquid region, and the heated block A is taken into consideration in view of releasability. The master member is pressed and molded by controlling the amount of burial so that no hang portion is generated.
[0014]
Thereafter, the amorphous alloy of block A is crystallized. This crystallization can be performed by raising the block A above the crystallization temperature or keeping the temperature at the crystallization temperature for 30 minutes or more. After this crystallization, another block (block B) made of an amorphous alloy is placed in the supercooled liquid region on the surface of the block A where a part of the master member is buried and the other part is exposed. Heat to temperature, press, and intimately mold.
[0015]
In this method, by crystallization of the block A in which a part of the master member is buried, the block A is heated again to the supercooled liquid region at the time of the second molding, causing viscous flow, and the master member is excessively The block B can be prevented from becoming unmoldable and the block B can be prevented from being in close contact with and bonded to the block A. After the above forming, the two cooled blocks A and B are opened, and the master member is removed from the inside of the blocks A and B, so that at least the cavity portion can be formed of an amorphous alloy.
[0016]
According to the manufacturing method of claim 2 , a master member having a shape for forming at least a cavity portion of a mold can be released from a block made of an amorphous alloy heated to a temperature of a supercooled liquid region. Pressing and molding in a range, and heating the other block made of an amorphous alloy whose glass transition temperature is lower than the glass transition temperature of the amorphous alloy to the supercooled liquid region, And a step of pressing and adhering to the surface of the block on which the master member is pressed.
[0017]
In this method, the metal glass constituting the mold is divided into two blocks in the same manner as in claim 1, but the two blocks have different supercooled liquid regions, specifically, the glass transition temperature is 20 ° C. Different metal glasses are used as described above, whereby the crystallization step can be omitted.
[0018]
In this method, first, the block (block C) whose glass transition temperature is on the high temperature side is heated to the temperature of the supercooled liquid region, and the master member is pressed against the block C. At this time, in the same manner as in the method of the first aspect , in consideration of the mold release of the master member, the burying amount is controlled so that the overhang portion does not occur, and the pressing is performed within the range where the mold release is possible.
[0019]
Then, the block (block D) whose glass transition temperature is on the low temperature side is heated to the supercooled liquid region, a part of the master member of the block C is buried, and the other part is exposed to the exposed surface, Mold it in close contact. By controlling the heating temperature to be equal to or higher than the glass transition temperature of the metal glass of the block D and not higher than the glass transition temperature of the metal glass of the block C, the viscous flow of the block C in which the master member is buried is suppressed. It is possible to prevent the members from being released from each other and the mutual connection of the blocks. After molding, the two cooled blocks C and D are opened, and the master member is removed from the inside of the blocks C and D, so that at least the cavity portion of the mold is formed.
[0020]
In addition, 20 degreeC or more is favorable for the glass transition temperature difference of the metal glass of two blocks. When the block D is heated to the glass transition temperature or higher, it is difficult to make the entire block D completely the same temperature. Therefore, a part of the block D becomes a temperature close to the glass transition temperature of the block C. In order to completely prevent the occurrence of viscous flow, a temperature difference as described above is provided.
[0021]
In these manufacturing methods, after the release plate material is integrated at the release position of the master member, the metal glass having the same composition heated from both sides of the release plate material to the supercooled liquid region is used as the master member. Can be pressed. Thereby, even if the same metallic glass is used, it is possible to prevent the masters from being released from each other and to prevent the metallic glasses from being joined to each other. Further, it is possible to prevent overhang and to mold to an appropriate releasing position. In this method, two identical metallic glass blocks are simultaneously heated to the supercooled liquid region and pressed against the master member to be molded, so that the cycle time of the heating and molding described above can be shortened. Increased freedom of material selection.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1) FIG. 1 is a cross-sectional view showing the positional relationship of each member in Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a mold. In this embodiment, using Zr ₅₅ Cu ₃₀ Al ₁₀ Ni ₅ as metallic glass is an amorphous alloy having a supercooled liquid region (subscript denotes the atomic%). Zr ₅₅ Cu ₃₀ Al ₁₀ Ni ₅ is strength from room temperature to 350 ° C. Tensile 1.5 GPa, hardness Hv510, a linear expansion coefficient of 10 × 10- ^6, in no way inferior strength than ordinary mold for steel SUS420J2 , Has hardness and moderate linear expansion coefficient. Further, this metal glass has a glass transition temperature Tg of 420 ° C., a crystallization start temperature Tx of 500 ° C., and a supercooled liquid region ΔT (= Tx−Tg) has a wide temperature range of about 80 ° C. . This supercooled liquid region ΔT exhibits a viscosity of about 10 ⁸ to 10 ¹⁰ Pa · s and can be molded at a pressure of about several tens of MPa.
[0023]
In FIG. 1, reference numerals 1 a and 1 b denote blocks made of the above-described metal glass, which are filled in upper and lower frames 2 and 3, respectively. A positioning recess 2a and a protrusion 3a are formed on the opposing surfaces of the frames 2 and 3. As the heating means, radiant heating, high-frequency heating, resistance heating, or the like can be used. In this embodiment, radiant heating is used as the heating means.
[0024]
As shown in FIG. 2, a tip cup component of an endoscope treatment instrument having a total length of 6 mm was used as a master member 4 of a product molded by a mold. In the present embodiment, the master member 4 is manufactured by machining using SUS303 in consideration of heat resistance and strength. The master member 4 is set at a predetermined position on the block 1a by using a punch 5 as a pressing means. The punch 5 is provided with a pressing mechanism such as a linear motion mechanism (not shown), a load sensor, and a displacement sensor.
[0025]
In FIG. 2A, the block 1a is heated to 450 ° C., which is the temperature of the supercooled liquid region, by a heating device (not shown). At this time, since the metal glass of the block 1a is highly oxidizable at high temperature, it is heated in a vacuum of 10 ⁻² Pa or less or in an inert gas atmosphere such as Ar or He. In addition, in order to prevent crystallization due to heating, it becomes impossible to form, and when heating to a glass transition temperature (420 ° C) or higher, uniform heating at a heating temperature of 30 ° C / min or more as soon as possible. It is desirable to do.
[0026]
Next, the master member 4 is pressed using the punch 5 so that the contact portion has a pressure of 10 MPa, and is buried in the block 1a heated in the supercooled liquid region. At this time, it is preferable to use a jig 6 having a shape close to that of the master member 4 in order to prevent deformation and inclination of the master 4. The embedding amount is set in consideration of the shape so that the master member 4 can be released, and the pressing is continued until the displacement amount of the punch 5 reaches the set embedding amount.
[0027]
After this pressing step is completed, the block 1a is heated to 500 ° C. or more, which is the crystallization start temperature, for 5 minutes or more, or is kept at the temperature of the supercooled liquid region for 30 minutes or more. As a result, the metallic glass changes from amorphous to crystalline structure, the supercooled liquid region disappears, and the crystallized block 1c is obtained.
[0028]
Next, as shown in FIG. 2 (b), another block 1b is heated to the supercooled liquid region, and the block 1b is similarly brought into contact with the master member 4 by this punch 5 so that the pressure is 10 MPa. Press. When the pressing proceeds, the block 1c is brought into close contact with the crystallized block. At this time, since the positioning concave portion 2a and the convex portion 3a are fitted, the upper and lower frames 2 and 3 are fixed. At this time, in order to increase the degree of adhesion between the master member 4 and the crystallized block 1c, it is desirable to press again with the punch 5 from the opening 7 provided in the upper part of the frame 2.
[0029]
The blocks 1b and 1c formed by the above steps are cooled, and the master member 4 is released as shown in FIG. As a result, a mold cavity portion 8 is formed which is part of the block 1b made of an amorphous alloy and the other part made of a block 1c made of a crystallized alloy.
[0030]
In cooling, in order to prevent embrittlement of the amorphous metal glass, the cooling rate is preferably 50 ° C./min or more. The shape transfer accuracy of the cavity portion 8 is affected by the shape and material of the master member 4, but in the case of a simple shape such as a cube or a sphere, the shape transfer error (= ( The shape after the transfer)-(the shape of the master member)) was 0.5 μm or less, and high accuracy could be achieved. In this embodiment, a gate part and a runner part can be formed by machining and electric discharge machining as necessary.
[0031]
In the mold manufacturing method of such an embodiment, the master member 4 manufactured by machining is pressed against the blocks 1a and 1b made of metal glass heated to the supercooled liquid region at a low pressure of 10 MPa. Since the cavity portion 8 can be easily manufactured, the mold can have high strength and high accuracy.
[0032]
Furthermore, since the block 1c made of one metal glass is crystallized, it is possible to prevent the master member 4 from being buried excessively or joining the metal glasses. Further, when the gate portion and the liner portion are processed by secondary processing, the processing efficiency is improved by processing the crystallized portion that is easier to machine than the amorphous portion.
[0033]
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the positional relationship of each member in Embodiment 2 of the present invention. The configuration of the present embodiment is basically the same as that of the first embodiment. However, Zr ₅₅ Cu ₃₀ Al ₁₀ Ni ₅ (subscript is atomic%) is used as a metallic glass that is an amorphous alloy having a supercooled liquid region. A metal mold is manufactured with the block 12 using the metal block and the block 10 using Zr ₆₅ Al _7.5 Cu _27.5 (subscript indicates atomic%) as the metal glass. The block 12 has the same composition and the same characteristics as the metal glasses 1a and 1b used in the first embodiment.
[0034]
The metal glass of the block 10 has a tensile strength of 1.2 GPa from room temperature to 350 ° C., a hardness of Hv 470, and a linear expansion coefficient of 9 × 10 ^−6, which is inferior to that of a general steel material SUS420J2 for metal molds. Strength, hardness and moderate linear expansion coefficient.
[0035]
Further, the metal glass of the block 10 has a glass transition temperature Tg of 370 ° C. and a crystallization start temperature Tx of 470 ° C., and thus has a wide supercooled liquid region ΔT of 100 ° C. In this supercooled liquid region, viscosity as a liquid of about 10 ⁸ to 10 ¹⁰ Pa · s is exhibited, and molding can be performed at a pressure of about several tens of MPa. FIG. 4 shows the DSC ( Differential Scanning Calorimetry ) curve of the metallic glass used for blocks 12 and 10.
[0036]
The manufacturing process in this embodiment is shown in FIG. In FIG. 5A, the block 12 is heated to 450 ° C. in the supercooled liquid region by a heating device (not shown). Since the metallic glass of the block 12 is highly oxidizable at high temperature, it is heated in a vacuum of 10 ⁻² Pa or less or in an inert gas atmosphere such as Ar or He. In addition, in order to prevent crystallization due to heating, it becomes impossible to form, and when heating above the glass transition temperature, it is possible to heat uniformly as quickly as possible, preferably at a heating rate of 30 ° C./min. desirable.
[0037]
Next, the same master member 4 as in the first embodiment is pressed using the jig 6 together with the punch 5 so that the contact portion has a pressure of 10 MPa, and is buried in the block 12 heated in the supercooled liquid region. . At this time, the embedding amount is set in consideration of the shape so that the master member 4 can be released, and the pressing is continued until the displacement amount of the punch 5 reaches the set embedding amount.
[0038]
After this pressing is completed, the metal glass of the block 12 is rapidly cooled to 400 ° C. which is not higher than the glass transition temperature. The cooling rate at this time is desirably 50 ° C./min or more in order to prevent embrittlement of the amorphous metal glass. Metallic glass cooled to a temperature below the glass transition temperature recovers strength and hardness almost unchanged from room temperature, and crystallization does not progress.
[0039]
Next, as shown in FIG. 5B, another block 10 in the frame 2 is heated to 400 ° C. in the supercooled liquid region, and similarly, the contact portion with the master member 4 is at a pressure of 10 MPa. The block 10 is pressed by the punch 5. As the pressing proceeds, the block 10 comes into close contact with the block 12, and the concave and convex portions 2a and 3a of the positioning portion are fitted to fix the upper and lower frames 2 and 3. At this time, in order to increase the degree of adhesion between the master member 4 and the block 10, it is desirable to further press again from the opening 7 provided in the upper part of the frame 2 using the punch 5.
[0040]
In order to prevent embrittlement of the amorphous metal glass by the above process, the master member 4 is released as shown in FIG. 5C by cooling at a cooling rate of 50 ° C./min or more. . Thereby, the cavity portion 8 of the mold made of an amorphous alloy is formed. The shape transfer accuracy of the cavity 8 could be a shape transfer error of 0.5 μm or less in the case of a simple shape such as a cube or a sphere. Moreover, you may form a gate part and a runner part by machining and electric discharge machining as needed.
[0041]
In the mold according to the present embodiment, the cavity portion 8 can be formed without crystallizing the metal glass by using two types of metal glasses having different supercooled liquid regions. For this reason, even if a slight change occurs in the shape of the master member 4, the shape of the mold can be easily corrected by heating the supercooled liquid region again. In addition, since the crystallization process that requires heating for a long time can be omitted, the manufacturing time can be shortened.
[0042]
(Embodiment 3)
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the manufacturing method of the third embodiment. In the present embodiment, Zr ₆₅ Al _7.5 Cu _27.5 is used as the metallic glass that is an amorphous alloy having a supercooled liquid region. This metallic glass has the same composition and the same characteristics as the metallic glass used in the second embodiment. Although the basic configuration is the same as in the first and second embodiments, the release plate 20 is mounted at the planned release position of the master member 4. In the case of the present embodiment, the mold release plate material 20 is a SUS303 plate material having a thickness of 0.5 mm.
[0043]
In FIG. 6 (a), the blocks 10a and 10b made of the above-described metal glass housed in the master member 4 and the upper and lower frames 2 and 3 are heated to 400 ° C. in the supercooled liquid region by a heating device (not shown). At this time, since the metallic glass of the blocks 10a and 10b is highly oxidizable at a high temperature, it is heated in a vacuum of 10 ⁻² Pa or less or in an inert gas atmosphere such as Ar or He. In addition, in order to prevent crystallization due to heating from becoming impossible to mold, it is desirable to uniformly heat at a heating rate of 30 ° C./min or more as quickly as possible when heating above the glass transition temperature. .
[0044]
Next, as shown in FIG. 6B, the master member 4 is pressed using the punch 5 so as to be sandwiched between the blocks 10 a and 10 b in the upper and lower frames 2 and 3. And it presses so that a contact part may become a pressure of 10 Mpa, and it embeds in the blocks 10a and 10b heated by the supercooled liquid area.
[0045]
At this time, the release plate member 20 prevents the upper and lower blocks 10a and 10b from contacting and being joined. Further, the release plate member 20 generates an equal pressure in order to constrain the free surface of the metal glass of each of the blocks 10a and 10b. This reduces the sag portion between the master member 4 and the free surface due to the strong surface tension of the supercooled liquid metallic glass.
[0046]
As the pressing proceeds, the blocks 10a and 10b, the master member 4 and the release plate 20 are brought into close contact with each other, and the concave portions 2a and the convex portions 3a of the positioning portion are fitted, so that the upper and lower frames 2 and 3 are fixed. The At this time, in order to increase the degree of adhesion between the master member 4 and the blocks 10a and 10b, it is desirable to further press again with the punch 5 from the opening 7 provided in the upper part of the frame 2.
[0047]
The mold is formed through the above steps. Then, in order to prevent embrittlement of the molded mold, it is cooled at a cooling rate of 50 ° C./min or more, and the master 4 is released as shown in FIG. 8 is formed. At this time, the release plate 20 may be removed as necessary, but in this case, since a clearance is generated in the thickness of the plate 20 and the fitting with each mold, the shape of the master member 4 is set to the clearance, It needs to be changed. For this reason, as shown in FIG.6 (c), the board | plate material 20 for mold release is left with respect to the circumference | surroundings of the cavity part 8 of the block 10a.
[0048]
In the case of a simple shape such as a cube or a sphere, the shape transfer accuracy of the cavity 8 can be set to 0.5 μm or less as in the above-described embodiments. Moreover, you may form a gate part and a runner part by machining and electric discharge machining as needed.
[0049]
Compared with the first and second embodiments, the mold manufacturing method according to the present embodiment uses the release plate 20 to reduce the sag between the master member 4 and the metal glass free surface of the block. While being able to prevent, the master member 4 can be correctly provided in a mold release position. Moreover, since both metallic glasses can be shape | molded at once, manufacturing time can further be shortened.
[0050]
In the present invention, an amorphous alloy having a Zr-based supercooled liquid region is used. However, other amorphous alloys having a supercooled liquid region, such as La ₅₅ Al ₂₅ Ni ₂₀ (the numerical value is an atom). %, Glass transition temperature Tg = 200 ° C., crystallization temperature Tx = 275 ° C.) and the like can also be used.
[0051]
The present invention as described above includes the following inventions.
(1) A mold characterized in that at least a part or all of the cavity is formed of an amorphous alloy having a supercooled liquid region having a temperature width of 30 ° C. or higher.
(2) A release plate is attached to a master member having a shape that forms at least a cavity portion of the mold, and the block made of an amorphous alloy heated to the temperature of the supercooled liquid region is used as the release plate. A method of manufacturing a mold, wherein the master member is pressed against a block in a covered state.
[0052]
【The invention's effect】
In the manufacturing method of Claim 1 and 2, in order to manufacture a metal mold | die using the characteristic using the amorphous alloy which has a supercooled liquid area, the highly accurate metal mold | die conventionally manufactured by machining etc. Can be easily manufactured with high accuracy and high strength.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A to 2C are cross-sectional views illustrating manufacturing steps of the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a second embodiment.
FIG. 4 is a DSC curve characteristic diagram of metallic glass.
5A to 5C are cross-sectional views illustrating manufacturing steps of the second embodiment.
FIGS. 6A to 6C are cross-sectional views illustrating manufacturing steps of the third embodiment.
[Explanation of symbols]
1a, 1b Block 1c Crystallized metal glass 2, 3 Frame 2a Positioning recess 3a Positioning projection 4 Master member 5 Punch 6 Jig 7 Opening 8 Cavity 10 Block 12 Block 20 Mold release plate

Claims

A block made of an amorphous alloy heated to the temperature of the supercooled liquid region is molded by pressing at least a master member having a shape for forming a cavity portion of the mold in a range where the mold can be released. Process,
Crystallizing the amorphous alloy of the block;
A step of pressing another block made of an amorphous alloy heated to the temperature of the supercooled liquid region against the surface of the block on which the master member is pressed. A method for manufacturing a mold.

A block made of an amorphous alloy heated to the temperature of the supercooled liquid region is molded by pressing at least a master member having a shape for forming a cavity portion of the mold in a range where the mold can be released. Process,
Heat the other block made of an amorphous alloy whose glass transition temperature is lower than the glass transition temperature of the amorphous alloy to the supercooled liquid region, and place it on the surface of the block on which the master member is pressed. And a step of pressing and intimately contacting the mold.