JP5244568B2 - ダイキャスト型 - Google Patents

Description

本発明は、ダイキャスト型に関する。

一つのダイキャスト製品を鋳造してから次のダイキャスト製品を鋳造するまでの間に、ダイキャスト型を冷却する必要がある。鋳造直後のダイキャスト型の温度は、ダイキャスト型の部分によって異なる。キャビティ面は、溶湯に直接触れるために、高温になっている。みきり面は、溶湯に直接触れないために、低温を維持している。ダイキャスト型を冷却するために、ダイキャスト型に冷却水を噴霧する手法が多用される。高温となっているキャビティ面に冷却水を噴霧すると、ライデンフロスト現象が起きるために冷却水が気化せず、キャビティ面を効率よく冷やすことができない。ここでいうライデンフロスト現象とは、熱したフライパンに水滴を落とした時に観察される現象をいい、水滴が高温な固体表面上を横滑りする現象をいう。ライデンフロスト現象が発生すると、水蒸気の膜の上に水滴が浮かぶ状態となり、固体表面と水滴との接触がほとんど起こらなくなるために両者間の熱伝導が非常に遅くなり、水滴の蒸発に時間がかかる。低温にとどまっているみきり面でも、噴霧した冷却水が蒸発するのに時間を要する。

特許文献１等に、ダイキャスト型を表面処理する技術が開示されている。
特開昭６３−２５６２５１号公報 特開２００５−３４２９２２号公報

従来の技術では、ダイキャスト型の表面に疎水性コーティング材を施すことによって、ダイキャスト製品の離型性を向上させることを企図している。この場合、ダイキャスト型に冷却水を噴霧してキャビティ面を冷却しようとしても、高温となっているキャビティ面ではライデンフロスト現象がより活発に発生し、キャビティ面を効率よく冷やすことができない。
本発明は、高温なキャビティ面ではライデンフロスト現象の発生を抑えて噴霧した冷却水がキャビティ面に沿って水膜となって広がるダイキャスト型を提供する。噴霧した冷却水がキャビティ面に沿って水膜となって広がると、水膜の随所で核沸騰現象が発生し、水膜が短時間で蒸発する。キャビティ面は効率的に冷却される。
その一方において、低温にとどまっているみきり面では、ライデンフロスト現象の発生を抑えても、みきり面自体が低温であることから噴霧した冷却水の蒸発に時間を要する。逆にいうと、みきり面を冷却する必要性は乏しい。本発明では、みきり面では噴霧した冷却水を撥水することによって短時間で乾燥するダイキャスト型を提供する。

本発明のダイキャスト型は、キャビティ面が親水性表面に仕上げられており、みきり面が疎水性表面に仕上げられている。
本発明のダイキャスト型に冷却水を噴霧すると、キャビティ面が親水性表面であるために、噴霧した冷却水がキャビティ面に沿って水膜状に広がる。このために、水膜の随所で核沸騰現象が発生し、水膜が短時間で蒸発する。キャビティ面が効率的に冷却される。みきり面では、疎水性表面に仕上げられているために、冷却水をよく撥水して乾きがよい。
キャビティ面を親水性表面に仕上げ、みきり面を疎水性表面に仕上げておくと、キャビティ面の冷却に要する時間が短縮され、ダイキャスト型の乾燥に要する時間が短縮される。高品質なダイキャスト製品を短時間で量産できるダイキャスト型が得られる。

キャビティ面を親水性表面と疎水性表面に仕上げる手法が様々に存在するが、カーボンを用いることが好ましい。キャビティ面を繊維状カーボンと粒子状カーボンの混合物を含む表面処理層で被覆すると親水性表面に仕上げることができ、みきり面を繊維状カーボンを含んで粒子状カーボンを含まない表面処理層で被覆すると疎水性表面に仕上げることができる。
特に、ダイキャスト型のキャビティ面に形成されている凹凸のピッチが２μｍ以下であり、みきり面に形成されている凹凸のピッチが１０μｍ以上であることが好ましい。
キャビティ面に形成されている凹凸のピッチが２μｍ以下であると、キャビティ面での親水性が高くなる。みきり面に形成されている凹凸のピッチが１０μｍ以上であると、みきり面での疎水性が高くなる。

本発明のダイキャスト型によると、キャビティ面が親水性表面であるために、噴霧した冷却水がキャビティ面に沿って水膜状に広がる。このために、キャビティ面が一様に効率的に冷却される。みきり面では、疎水性表面に仕上げられているために、冷却水をよく撥水して乾きがよい。キャビティ面の冷却に要する時間が短縮され、みきり面の乾燥に要する時間が短縮される。
本発明のダイキャスト型によると、高品質なダイキャスト製品を短時間で量産することができる。

下記に説明する実施例の主要な特徴を最初に列記する。
（特徴１）キャビティ面を親水性の表面処理層で覆う。
（特徴２）キャビティ面の凹凸のピッチを２μｍ以下にする。
（特徴３）みきり面を疎水性の表面処理層で覆う。
（特徴４）みきり面の凹凸のピッチを１０μｍ以上にする。
（特徴５）ダイキャスト型の冷却は冷却水による。

以下の実施例では、鋳造直後のダイキャスト型が冷却水によって冷却される。次のダイキャスト製品を鋳造するまでの間隔を短縮するためには、高温となっているキャビティ面を短時間で冷却し、冷却のために噴霧した冷却水が短時間で乾く必要がある。
図１は、実施例の概要を示すダイキャスト型の断面図である。ダイキャスト型２は、上型４と下型６により構成される。参照番号８は、ゲートである。参照番号１０は、上型４のキャビティ面であり、参照番号１２は、下型６のキャビティ面である。上型４のキャビティ面１０と下型６のキャビティ面１２によって、キャビティ１４が画定される。キャビティ面１０，１２は、溶湯を冷却する機能を持つために、鋳造直後のキャビティ面１０，１２の温度は極めて高くなる。表面処理層１６が、上型４のキャビティ面１０と下型６のキャビティ面１２を覆っている。表面処理層１６は、親水性を示す。表面処理層１６が親水性であるために、キャビティ面１０，１２に噴霧された冷却水は、ライデンフロスト現象を起こさない。キャビティ面１０，１２に噴霧された冷却水は、キャビティ面１０，１２に沿って広がる水膜となる。キャビティ面１０，１２に沿って広がる水膜が得られると、キャビティ面１０，１２の随所で冷却水が核沸騰する。冷却水の水膜が核沸騰するために、冷却水の水膜が短時間で蒸発し、上型４のキャビティ面１０と下型６のキャビティ面１２が一様によく冷える。
参照番号１８は、みきり面である。みきり面１８は溶湯に接触しないために、鋳造直後でもみきり面１８の温度は低温に維持される。表面処理層２０が、みきり面１８を覆っている。表面処理層２０は、疎水性を示す。表面処理層２０が疎水性であるために、みきり面１８では冷却水が撥水される。温度がそれほど高くならないみきり面１８でも、冷却水は乾きやすい。
以下の実施例では、ダイキャスト型２の下型６についてのみ説明するが、同じ説明が上型４にも同様に適用される。

（第１実施例）
図２は、第１実施例の下型６の断面図を示す。参照番号８は、ゲートである。参照番号１２は、下型６のキャビティ面を示す。繊維状カーボン２４と粒子状カーボン２６の混合物２８がキャビティ面１２を覆っている。繊維状カーボン２４はカーボンナノチューブやカーボンファイバーなどである。粒子状カーボン２６はカーボンフラーレン類である。本実施例では繊維状カーボン２４にカーボンナノチューブを用い、粒子状カーボン２６にフラーレンを用いている。カーボンナノチューブ２４とフラーレン２６の混合物２８は、ＣｎＦ２８と表記する。ＣｎＦ２８層は、親水性表面層として働く。キャビティ面１２に繊維状カーボン２４を形成する方法は、特開２００８−１０５０８２号公報に記載されている。カーボンナノチューブ２４とフラーレン２６の混合物２８を得る方法は、特願２００８−１９８５８８号の明細書と図面に記載されている。
参照番号１８は、みきり面を示す。みきり面１８では、繊維状カーボン２４が表面を覆っている。繊維状カーボン２４は、カーボンナノチューブを用いている。カーボンナノチューブ２４はＣｎ２４と表記する。Ｃｎ２４層は、疎水性表面層として働く。Ｃｎ２４層は、特開２００８−１０５０８２号公報に記載の方法で製造することができる。
参照番号２２はダイキャスト型２に向けて噴霧する冷却水である。

鋳造直後のダイキャスト型２は、部分によって大きな温度差がある。キャビティ面１２は溶湯に接触するために、極めて高温になっている。鋳造直後のダイキャスト型２には、冷却水２２を噴霧して冷却する。一般に、高温な金属面に冷却水を噴霧すると、ライデンフロスト現象が起こる。しかしながら本実施例では、キャビティ面１２が親水性を示すＣｎＦ２８層で被覆されているために、冷却水２２を噴霧してもライデンフロスト現象が起こらない。ライデンフロスト現象が起こらないために、冷却水２２がキャビティ面１２に沿って広く広がり、キャビティ面１２の随所で冷却水２２が核沸騰を起こす。冷却水２２がキャビティ面１２によく接触した状態で核沸騰するために、冷却水２２の水膜が短時間で蒸発する。キャビティ面１２は、広く広がっている水膜によって冷却されるために、一様に冷却される。キャビティ面１２は、短時間で一様に冷却される。
みきり面１８は溶湯に接触しないために、高温にならない。みきり面１８は高温にならないために、冷却水２２を噴霧すると通常のダイキャスト型では乾くのに時間がかかる。しかしながら本実施例では、みきり面１８が疎水性を示すＣｎ２４層で被覆されているためにみきり面１８では冷却水２２をよく撥水する。みきり面１８は、迅速に乾く。
鋳造直後のダイキャスト型２は各部分で表面温度が異なる。ダイキャスト型２の水に対する親和性を部分に応じて変えると、冷却する必要がある部分を短時間で一様に冷却することができ、乾燥しづらい部分では撥水して乾燥時間を短縮することができる。

ＣｎＦ２８層の表面は、繊維状カーボン２４の間隙にフラーレン２６が入り込むことにより構成される。繊維状カーボン２４の間隙にフラーレン２６が入り込むために、緻密な構造でほとんど間隙は観察されなかった。間隙は大きくても２μｍ程度であった。親水性の表面に形成される凹凸のピッチは、２μｍ以下であることが好ましい。Ｃｎ２４層の表面は、繊維状カーボン２４により構成される。繊維状カーボン２４は団塊を作る。繊維状カーボンの団塊の間隔は、大半の部分で１０μｍ以上であることが観察された。疎水性の表面に形成される凹凸のピッチは、１０μｍ以上であることが好ましい。
ダイキャスト型２の表面に形成される凹凸のピッチを場所によって変えると、水に対する親和性が場所によって変化する。水に対する親和性を場所によって変化させることで、鋳造直後のダイキャスト型２で核沸騰現象を必要とする場所では核沸騰現象を得ることができ、撥水効果を必要とする場所では撥水効果が得られる。これによって、鋳造サイクルが短縮される。

（第２実施例）
図３は、第２実施例の下型６の断面図を示す。図２と同一の部分には、同じ参照番号を与えることで重複説明を省略する。キャビティ面１２はＣｎＦ２８の膜で覆われている。鋳造直後のキャビティ面１２は溶湯を冷却するために、非常に高温になっている。ダイキャスト型２を冷却するために、冷却水２２を噴霧する。本実施例では、冷却水２２を噴霧してもキャビティ面１２が親水性のＣｎＦ２８の膜で覆われているために、ライデンフロスト現象が起こらない。そのために、冷却水２２がキャビティ面１２に沿って広がって水膜を作る。いたる所でできた水膜が核沸騰を起こすために、キャビティ面１２が一様に冷却される。
みきり面１８では溶湯を冷却しないために、鋳造直後でも低い温度に保たれている。みきり面１８は、ポリテトラフルオロエチレン３０の膜で覆われている。ポリテトラフルオロエチレン３０はＰＴＦＥと表記する。ＰＴＦＥ３０の膜は、疎水性膜として働く。みきり面１８の温度が高くないために、通常ならみきり面１８では冷却水２２の乾きが悪い。しかしながら本実施例では、疎水性のＰＴＦＥ３０の膜で覆われているために、みきり面１８は撥水性になっている。速やかに乾燥させることができる。
鋳造直後のダイキャスト型２の表面温度は、ダイキャスト型２の部位によってさまざまである。異なる型表面温度によって、水に対する親和性が違う表面処理膜を形成させることで、ダイキャスト型２を速やかに冷却でき速やかに乾燥させることができる。短い時間で品質の高いダイキャスト製品を大量に鋳造できる。

（第３実施例）
図４は、第３実施例の下型６の断面図を示す。図２と同一の部分には、同じ参照番号を与えることで重複説明を省略する。キャビティ面１２はＤＬＣ３２層で被覆されている。ＤＬＣ３２層は水に対する親和性が高い。鋳造直後の極めて高温なキャビティ面１２はＤＬＣ３２層で被覆され親水性表面であるために、冷却水２２が玉になって転がらない。ライデンフロスト現象は起きない。そのために、冷却水２２は水膜状に広がって核沸騰を起こす。キャビティ面１２の広い範囲を水膜状に広がった冷却水２２で冷やすことができる。
みきり面１８は疎水性のＣｎ２４層で被覆されているために、ダイキャスト型２を冷却するための冷却水２２を撥水する。みきり面１８は鋳造直後でも高い温度にならない。みきり面１８で冷却水２２を撥水することで、冷却水２２の乾燥に要する時間を短縮することができる。
ダイキャスト型２の表面の親水性を部分に応じて変化させることによって、鋳造直後のダイキャスト型２の表面温度に関係なくダイキャスト型２を冷却水２２で迅速に冷却することできる。高サイクルでダイキャスト製品を鋳造することができる。

（第４実施例）
図５は、第４実施例の下型６の断面図を示す。図２と同一の部分には、同じ参照番号を与えることで重複説明を省略する。キャビティ面１２をＤＬＣ３２の膜で覆っているために、キャビティ面１２は親水性表面である。キャビティ面１２が親水性を示すことで、冷却水２２はキャビティ面１２に沿って広範囲に広がり水膜を形成する。鋳造直後に高温になっているキャビティ面１２でライデンフロスト現象を防ぐことができる。広範囲に広がっている水膜で核沸騰が起きるために、キャビティ面１２の全体を均一に冷却することができる。
みきり面１８をＰＴＦＥ３０の膜で覆っているため、みきり面１８は疎水性表面である。みきり面１８が疎水性を示すことで、温度が低く保たれているみきり面１８で冷却水２２の乾燥にかかる時間が短縮化される。
ダイキャスト型２で親水性の大小を空間的に変えることによって、鋳造直後のダイキャスト型２で水冷によって大きな冷却効果を得ることができる。

図６は、接触角θを示すための模式図である。参照番号２２は、冷却水の水滴である。参照番号３３は、ダイキャスト型２の型材である。接触角θは、型材３３の表面と冷却水２２の水滴のなす角度θである。接触角θが大きいと冷却水２２は、球状へとなる。すなわち疎水性を示す。逆に、接触角θが小さいと冷却水２２は、型材表面に沿って広がる。すなわち親水性を示す。

図７は、表面処理層に対する冷却水２２の接触角θの測定結果を示している。横軸は測定回数を示し、縦軸は接触角θを示している。丸印は、鋳造直後のみきり面１８の温度におけるＣｎ２４の表面処理層と冷却水２２の接触角θの測定結果を示し、正方形は、鋳造直後のキャビティ面１２の温度におけるＣｎＦ２８の表面処理層と冷却水２２の接触角θの測定結果を示している。
Ｃｎ２４の表面処理層と冷却水２２との接触角θは１００度程度である。Ｃｎ２４の表面処理層は疎水性が高いことがわかる。ＣｎＦ２８の表面処理層と冷却水２２との接触角θは５０度程度である。ＣｎＦ２８の表面処理層は親水性が高いことがわかる。

図８（ａ）は、鋳造直後のキャビティ面１２の温度における各表面処理層と冷却水２２の接触角θを示す。ＣｎＦ２８層と冷却水２２との接触角θは１５度であり、ＣｎＦ２８層は親水性が高いことがわかる。ＤＬＣ３２層と冷却水２２との接触角θは１５度であり、ＤＬＣ３２層は親水性が高いことがわかる。ＳＫＤ基材と冷却水２２との接触角θは１２０度であり、ＳＫＤ基材は、疎水性が高いことがわかる。
図８（ｂ）は、鋳造直後のみきり面１８の温度における各表面処理層と冷却水２２の接触角θを示す。Ｃｎ２４層と冷却水２２の接触角θは１００度であり、Ｃｎ２４層は疎水性が高いことがわかる。ＰＴＦＥ３０層と冷却水２２の接触角θは１００度であり、ＰＴＦＥ３０層は疎水性が高いことがわかる。ＳＫＤ基材と冷却水２２との接触角θは３０度であり、相対的に親水性が高いことがわかる。

図９は、コーティング材に覆われた高温度のＳＫＤ基材に滴下した１ｃｃの冷却水２２の蒸発時間を示している。Ｃｎ２４層でコーティングされたＳＫＤ基材に冷却水２２を１ｃｃ滴下すると、ライデンフロスト現象が起こることによって、冷却水２２の蒸発に１秒以上かかることがわかる。ＣｎＦ２８層でコーティングされたＳＫＤ基材に冷却水２２を１ｃｃ滴下すると、蒸発に０．２４秒かかることがわかる。ＣｎＦ２８層が親水性であるために冷却水２２がＣｎＦ２８層に沿って広く広がっていく。冷却水２２がＣｎＦ２８層に沿って広がっていくことで、冷却水２２とＣｎＦ２８層の接触面積が大きくなる。冷却水２２とＣｎＦ２８層の接触面積が大きいために、冷却水２２は短時間で蒸発した。ＰＴＦＥ３０層でコーティングされたＳＫＤ基材に冷却水２２を１ｃｃ滴下すると、ライデンフロスト現象が起こることによって、冷却水２２の蒸発に１秒以上かかることがわかる。ＳＫＤ型材に冷却水２２を１ｃｃ滴下すると、ライデンフロスト現象が起こることによって、蒸発に１秒以上かかることがわかる。ＳＫＤ基材は低温で親水性を示すが、高温ではライデンフロスト現象を起こしている。

図１０は、５０ショット行った後のダイキャスト型に冷却水２２をスプレーした後のダイキャスト型の表面温度を示している。ダイキャスト型の型材にはＳＫＤを用い、表面処理層を設けていない。範囲３４は、冷却水２２をスプレーした後のダイキャスト型の表面温度が２６２．５℃以上の領域を示し、範囲３６は、２１８．７℃以上で２６２．５℃未満の領域を示し、範囲３８は、１３１．２℃以上で２１８．７℃未満の領域を示している。これらの範囲以外は１３１．２℃未満の領域を示している。冷却水２２をスプレーして冷却しているにもかかわらず、非常に高温なダイキャスト型の部分が存在していることがわかる。ダイキャスト型で非常に高温な部分では、ライデンフロスト現象が起こったために、冷却されなかったと判断できる。

図１１は、５０ショット行った後のダイキャスト型２に冷却水２２をスプレーした後のダイキャスト型２の表面温度を示している。ダイキャスト型２の型材にはＳＫＤを用い、表面処理層を設けた。ショット後に非常に高温になるダイキャスト型２の部分（例えばキャビティ面１０，１２）にはＣｎＦ２８層を形成し、冷却水２２の乾きの悪い部分（例えばみきり面１８）にＣｎ２４層を形成した。範囲４０は、冷却水２２をスプレーした後のダイキャスト型２の表面温度が１３１．２℃以上で２１８．７℃未満の領域を示している。範囲４０以外は１３１．２℃未満の領域を示している。従来のダイキャスト型に比べると明らかに、表面処理層を設けたダイキャスト型２によると、冷却後のダイキャスト型２の表面温度が下がることがわかる。ショット後に非常に高温になるダイキャスト型２の部分（キャビティ面１０，１２）に親水性表面膜１６を形成することで、ライデンフロスト現象を抑制するために、スプレーした冷却水２２は親水性膜１６に沿って広がっていく。親水性膜１６に広がっている水膜では核沸騰が起きる。これによって、ダイキャスト型２の高温部を効率的に冷却することが可能である。ショット直後の型表面温度を指標にして、水に対する親和性の異なる表面処理層を形成することで、ショットサイクルを短くすることが可能である。それによって、時間効率よくダイキャスト製品を量産できる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

各実施例のダイキャスト型の断面図である。 第１実施例のダイキャスト型の断面図である。 第２実施例のダイキャスト型の断面図である。 第３実施例のダイキャスト型の断面図である。 第４実施例のダイキャスト型の断面図である。 接触角を示すための模式図である。 各表面処理層と冷却水の接触角を示す。 （ａ）鋳造直後のキャビティ面の温度における各表面処理層と冷却水の接触角を示す。（ｂ）鋳造直後のみきり面の温度における各表面処理層と冷却水の接触角を示す。 冷却水１ｃｃの蒸発時間を示す。 冷却水スプレー後の従来のダイキャスト型表面温度を示す。 冷却水スプレー後のキャビティ面が親水性表面で、みきり面が疎水性表面のダイキャスト型の表面温度を示す。

符号の説明

２ ダイキャスト型
４ 上型
６ 下型
８ ゲート
１０ 上型のキャビティ面
１２ 下型のキャビティ面
１４ キャビティ
１６ 親水性表面処理層
１８ みきり面
２０ 疎水性表面処理層
２２ 冷却水
２４ 繊維状カーボン
２６ 粒子状カーボン
２８ 繊維状カーボンと粒子状カーボンとの混合物
３０ ポリテトラフルオロエチレン
３２ ＤＬＣ
３３ 型材

Claims (2)

1. キャビティ面が繊維状カーボンと粒子状カーボンの混合物を含む表面処理層で被覆されており、みきり面が繊維状カーボンを含んで粒子状カーボンを含まない表面処理層で被覆されていることを特徴とするダイキャスト型。
2. キャビティ面に形成されている凹凸のピッチが２μｍ以下であり、みきり面に形成されている凹凸のピッチが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１のダイキャスト型。