JP6604843B2 - 金型の冷却装置およびその方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダイカスト金型の冷却装置およびその方法に関するものである。

大型ダイカスト金型の高硬度化や、ハイサイクル化に伴う内冷強化が進んでいる。それに伴い、ダイカスト金型裏面の割れが生じやすくなり、裏面冷却水穴や鋳抜きピン穴からの割れによる水漏れや、焼き鈍し後の変形などが起きる。そのため、一般的なダイカスト金型裏面の割れを防止するための技術が幾つか提案されている。

例えば、特許文献１に示された従来の金型の焼入れ方法においては、Ａ１変態点からＡ３変態点の温度域を１００℃／Ｈ以上の加熱焼入れ昇温工程の後、Ａ３変態点以上で１１５０℃を超えない温度域で保持をする保持工程を行い、次いでＡ３変態点から６００℃までの温度域を５〜２０℃／ｍｉｎの冷却速度で焼入れ冷却工程を行い、５００〜４００℃までの温度域にて０．５〜５時間の中断保持工程を経た後、４００〜２００℃の温度域を１〜１５℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する低温側焼入れ冷却工程を経る。
本金型の焼入れ方法によれば、結晶粒が焼入温度を高めても微細なまま維持されるため、高靭性が得られ、金型に大きな負荷がかかった時の大割れを防止できる。また、焼入温度も高めることができるので、硬さ、高温硬さも高く、ヒートクラック等の抑制に効果がある。また熱処理歪みの低減により、熱処理後の手直し工数を低減に効果を奏するものである。

また、特許文献２に示された従来の金型の焼入れ方法においては、Ａ１変態点からＡ３変態点の温度域を１００℃／Ｈ以上の加熱速度で加熱する焼入れ昇温工程の後、Ａ３変態点以上で１１５０℃を超えない温度域で保持をする保持工程を行い、次いでＡ３変態点から６００℃までの温度域を５〜２０℃／ｍｉｎの冷却速度で焼入れ冷却工程を行い、５００〜４００℃までの温度域にて０．５〜５時間の中断保持工程を経た後、４００〜２００℃の温度域を１〜１５℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する低温側焼入れ冷却工程を経る。
この発明の金型の焼入れ方法によれば、結晶粒が焼入温度を高めても微細なまま維持されるため、高靭性が得られ、金型に大きな負荷がかかった時の大割れを防止できる。また、焼入温度も高めることができるので、硬さ、高温硬さも高く、ヒートクラック等の抑制に効果がある。また熱処理歪みの低減により、熱処理後の手直し工数を低減に効果を奏するものである。 また、特許文献３〜５にも他の金型の焼入れ方法が開示されている。

特許第５０７５２９３号公報 特開２００９−７４１５５号公報 特開２００６−３４２３７７号公報 特開２００２−３０９３１４号公報 特開２００１−１５２２４３号公報

しかしながら、上記の先行技術のようなダイカスト金型の冷却装置およびその方法では、多様なダイカスト金型の形状に対して、十分な冷却効果を得られないという問題がある。すなわち、直方体以外の、Ｌ型等の様々な形状のダイカスト金型に対して、特に凹部となる箇所は、中心部とほぼ同様に、温度が下がるのが遅い。
そのため、従来のダイカスト金型およびその熱処理方法では、大型ダイカスト金型の高硬度化や、ハイサイクル化に伴う内冷強化に伴うダイカスト金型裏面の割れを十分に防止できないという問題がある。

本発明は、上述した問題点に鑑み、様々な形状のダイカスト金型に対して、特に凹部を有するダイカスト金型の割れ防止、変形防止、内部組織向上の観点から、凹部の冷却速度を平面部の冷却速度に近づけるための冷却装置およびその方法を提供することを目的としている。

本発明に係るダイカスト金型の冷却装置は、冷却炉内の冷却ガス吹き出し口に接続されたスポット冷却用ホースを備え、スポット冷却用ホースの先端を、冷却炉内の金型の凹部近傍に設置し、冷却ガスを直接金型の凹部に当てて、金型を冷却することを特徴とする。

また、本発明に係るダイカスト金型冷却方法は、冷却炉内の冷却ガス吹き出し口に接続されたスポット冷却用ホースを備えた冷却炉において、スポット冷却用ホースの先端を、冷却炉内の金型の凹部近傍に設置し、冷却ガスを直接金型の凹部に当てて、金型を冷却する工程を含むことを特徴とする。

本発明に係るダイカスト金型の冷却装置およびその方法によれば、スポット冷却用ホースの先端を、冷却炉内の金型の凹部近傍に設置し、冷却ガスを直接金型の凹部に当てるので、凹部の冷却速度を平面部の冷却速度に近づけることができ、凹部を有するダイカスト金型の割れ防止、変形防止、内部組織向上を図ることができる。

本発明に係るダイカスト金型のスポット冷却方法の概念を示す図である。 本発明に係るダイカスト金型のスポット冷却方法の概念を示す図である。 Ｌ型テストピースの構成を示す図である。 隅角効果の例を示す図である。 本発明に係るダイカスト金型のスポット冷却方法における焼入れサイクルを示す図である。 本発明に係るダイカスト金型のスポット冷却時の各部温度の時間変化の例を示す図である。 スポット冷却を行わない場合の各部温度の時間変化の実験結果の例を示す図である。 ダイカスト金型の凹部におけるスポット冷却を行なった場合と行わない場合との温度の時間変化の実験結果の例を示す図である。 本発明に係るダイカスト金型のスポット冷却方法における焼入れサイクル（その２）を示す図である。 ダイカスト金型の中心部の温度の時間変化の実験結果の例を示す図である。 ダイカスト金型の凹部の温度の時間変化の実験結果の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明を行う。
図１及び図２は、本発明に係るダイカスト金型のスポット冷却方法の概念を示す図である。構造の詳細な箇所は省略している。

冷却炉１は、略円筒型の形状であって、側壁には複数の冷却ガス吹き出し口２が内側に向けて設置されている。冷却炉内を加圧し、窒素ガスで冷却炉内の製品を冷却する。冷却ガスは、この冷却炉１の上方から冷却ファンにより、各冷却ガス吹き出し口２から吹き出されるようになっている。冷却炉１の底面には、冷却対象であるＬ型テストピース４が設置されている。ここでは、３個の冷却ガス吹き出し口２に、ステンレス製のスポット冷却用フレキシブルホース３がそれぞれ接続され、３個のスポット冷却用フレキシブルホース３の先端がＬ型ダイカスト金型テストピース４の凹部付近に固定されている。なお、固定器具は図示を省略している。
Ｌ型ダイカスト金型テストピース４には、その凹部付近の内部に凹部温度センサ５Ａが、また、中心部には中心部温度センサ５Ｂが、温度変化の計測のために設置されている。

図３は、Ｌ型ダイカスト金型テストピース４の構成を示す図である。Ｌ型ダイカスト金型テストピース４は、外形３００×３００×３００ｍｍ、重量１５５ｋｇのＤＡＣ−Ｐである。そのうち、 １５０×１５０×３００ｍｍの部分が切断され、凹部が形成されている。凹部温度センサ５Ａを設置するため、凹部の一番奥から５×５ｍｍの位置に、シース線挿入深さ１５０ｍｍで丸孔が形成されている。また、中心部温度センサ５Ｂを設置するため、凹部の対角に位置する端部から７５×７５ｍｍの位置の中心部に、シース線挿入深さ１５０ｍｍで丸孔が形成されている。各温度センサは、外部の温度計測器に接続され、温度データが保存・処理される。

図４に示した通り、Ｌ型ダイカスト金型テストピース４の角は２方向または３方向から冷却される為、その角の構成面数により冷却速度は異なる（Corner effect：隅角効果）。平面部の冷却速度をＶとすると、２面角は３Ｖ、３面角は７Ｖとなり、面数が多くなればより速く冷える。逆に、凹部は遅くなり、（１／３）Ｖになる。このように同じ品物でも部位によって冷却速度が不同となる。熱処理過程中の製品は熱と組織変化による膨張収縮にさらされ、その熱応力と変態応力の集中によって材料の持つ強度を上回った時に焼割れが生じ、変形の原因ともなる。その為製品全体を均一に冷却することが重要となる。

図５は、本発明に係るダイカスト金型のスポット冷却方法における焼入れサイクルを示す図である。６００℃まで加熱し、３時間程度６００℃を保持する。次に、８００℃まで加熱し、２時間程度８００℃を保持する。次に１０２５℃まで加熱し、３時間程度１０２５℃を保持する。次に、焼き入れ加熱後、冷却炉内を６ｂａｒに加圧して窒素ガスで２時間冷却する工程が、本発明に係る工程である。

図６は、本発明に係るダイカスト金型のスポット冷却時の各部温度の時間変化の例を示す図である。定圧６ｂａｒで冷却を行った。炉制御温度は、冷却開始後、１０２５℃から急速に低下し、３０分後では約６０℃になる。ダイカスト金型の中心部は、３０分後では約５００℃、１時間後では約２７０℃、１時間３０分後では約１２０℃、２時間後では約６０℃となった。
一方、凹部は、３０分後では約４４０℃、１時間後では約２４０℃、１時間３０分後では約１０５℃、２時間後では約６０℃となった。
従ってダイカスト金型の中心部と凹部の温度差は、３０分後では約６０ｄｅｇ、１時間後では３０ｄｅｇ、１時間３０分後では約１５ｄｅｇとなった。

図７は、スポット冷却を行わない場合の各部温度の時間変化の例を示す図である。定圧６ｂａｒで冷却を行った。炉制御温度は、冷却開始後、１０２５℃から急速に低下し、３０分後では約６０℃になる。ダイカスト金型の中心部は、３０分後では約５１０℃、１時間後では約２９０℃、１時間３０分後では約１３５℃、２時間後では約７０℃となった。
一方、凹部は、３０分後では約５００℃、１時間後では約２８０℃、１時間３０分後では約１３０℃、２時間後では約７０℃となった。
従ってダイカスト金型の中心部と凹部の温度差は、３０分後では約１０ｄｅｇ、１時間後では１０ｄｅｇ、１時間３０分後では約５ｄｅｇとなった。
このように、 凹部は中心部とほとんど冷却速度が変わらない結果となった。凹部は平面部より冷めにくいことがわかる。従来の冷却方法では、冷却炉の性能を上げると冷却対象の製品全体の冷却速度は上がるが、凹部と中心部の冷却速度の差は変わらない。言い換えれば、凹部と平面部の冷却速度の差は縮まらない。

図８は、ダイカスト金型の凹部におけるスポット冷却を行なった場合と行わない場合との温度の時間変化の例を示す図である。本発明に係るスポット冷却を行なった場合と行わない場合との凹部の温度差は、３０分後で約６０ｄｅｇ、１時間後では約４０ｄｅｇ、１時間３０分後では約２５ｄｅｇ、２時間後では約１０ｄｅｇとなった。
スポット無しの場合に比べるとスポット有りの場合の冷却は３分程速くなっていることから、スポット冷却の効果が認められ、内部組織もスポット無しの場合に比べてより良いものとなっていることが推測される。

以上のように、本発明の実施形態に係るダイカスト金型の冷却装置およびその方法によれば、 凹部の冷却速度は平面部の冷却速度の約１／３の冷却速度になる。従って、平面部と凹部の冷却温度の差を近づけることにより、ダイカスト金型の割れ、変形の防止、内部組織の向上を図ることができる。

凹部の冷却は重要であるが、従来の冷却方法では冷却性能の向上を図ろうとしても、製品全体の冷却速度は上がるが、凹部と平面部の冷却速度の差は縮まらない。以下に示す実験では、図３に示したL型テストピース４を使用し、「加圧ガス冷」、「加圧ガス冷+スポット冷却」、「高温油冷」という３種類の冷却方法をテストして、スポット冷却効果の有効性確認を実施した。
スポット冷却装置は、３本のスポット冷却用フレキシブルホース３の一方を、図１の様に凹部が集中的に冷却されるよう固定し、スポット冷却用フレキシブルホース３のもう一方を炉内冷却ガス噴出口２にセットする。このスポット冷却の効果により、通常のガス冷の方法に比べて凹部の冷却速度を速くして、平面部と凹部の冷却温度の差を近づけることを目指す。

図９は、本実験でのダイカスト金型のスポット冷却方法における焼入れサイクルを示す図である。１０２５℃までの加熱過程は図５と同様である。本実験の冷却条件としては、「加圧ガス冷」、「加圧ガス冷+スポット冷却」についてはともに、冷却全域を炉内６ｂａｒ、２ｈｒでガス冷を行う。これに対して「高温油冷」については、中心温度６５０℃までの冷却を炉内６ｂａｒで行い、その後に炉から取り出し、２５０℃まで油冷を行う。

図１０は、「高温油冷」、「加圧ガス冷（スポット無し）」、「加圧ガス冷+スポット冷却（スポット有り）」の各冷却方法におけるダイカスト金型の中心部の温度の時間変化の実験結果の例を示す図である。表１は、ダイカスト金型の中心部の温度の測定値を示す表である。

図１１は、「高温油冷」、「加圧ガス冷（スポット無し）」、「加圧ガス冷+スポット冷却（スポット有り）」の各冷却方法におけるダイカスト金型の凹部の温度の時間変化の実験結果の例を示す図である。表２は、ダイカスト金型の凹部の温度の測定値を示す表である。

これらの実験結果を見ると、中心部の初期冷却は、上記３種類の冷却方法とも炉内で行っている為、ほとんど差は出ていないが、後期冷却においては、やはり「高温油冷」の冷却速度が「加圧ガス冷」、「加圧ガス冷+スポット冷却」よりも勝っている。過去の実績から冷却速度は、「油冷」＞「ガス冷」であるため順当な結果と言える。「スポット有り」と「スポット無し」の結果を比較してみると、中心部であっても若干ではあるがスポット冷却効果のあることが見て取れる。
次に凹部の冷却比較を見てみると、初期冷却、後期冷却ともにはっきりとスポット冷却効果のあることが見て取れ、ほぼ「高温油冷」と同程度の冷却速度が得られた。
「高温油冷」では部分冷却が困難である為、本スポット冷却方法は金型凹部冷却方法として有効な手段と思われる。
以上のことから、本発明に係るスポット冷却を用いた冷却方法は、金型凹部の特性改善、内部組織の向上に繋がり、製品の品質にも良い影響を及ぼすものであると言える。

本発明は、以上述べた実施形態に限定されることはなく、他にも種々の実施形態を採用することができる。スポット冷却用フレキシブルホース ３の形状や数は適宜変更しても良い。例えば、スポット冷却用フレキシブルホース ３の先端にノズルを取り付け、小さな突出孔から複数の高速フローを出すような構成にしても良い。

本発明は、ダイカスト金型の冷却装置およびその方法等に利用可能である。

１ 冷却炉
２ 冷却ガス吹き出し口
３ スポット冷却用フレキシブルホース
４ Ｌ型ダイカスト金型テストピース
５Ａ 凹部温度センサ
５Ｂ 中心部温度センサ

Claims (2)

1. 冷却炉内の冷却ガス吹き出し口に接続されたスポット冷却用ホースを備え、
   前記スポット冷却用ホースの先端を、前記冷却炉内の金型の凹部近傍に設置し、冷却ガスを直接前記金型の凹部に当てて、前記金型を冷却することを特徴とする金型の冷却装置。
2. 冷却炉内の冷却ガス吹き出し口に接続されたスポット冷却用ホースを備えた冷却炉において、
   前記スポット冷却用ホースの先端を、前記冷却炉内の金型の凹部近傍に設置し、冷却ガスを直接前記金型の凹部に当てて、前記金型を冷却する工程を含むことを特徴とする金型の冷却方法。