JP6993108B2 - 金属製品の電鋳による製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、中空の金属パイプ等の複雑な形状の金属製品を電鋳によって製造する方法に関するものである。

従来、ろうを付着して形成されたろう型の表面に導電性被膜を形成し、この導電性被膜が形成されたろう型と電鋳金属を電解液の中に入れて電流を流しろう型の導電性被膜に電鋳金属を電着させてパン焼き型を成形し、更にろう型及び導電性被膜を取外してパン焼き型を取出す、パン焼き型の製造方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。このパン焼き型の製造方法では、ろう型及び導電性被膜を熱又は化学反応によって溶融し、電着金属層、即ちパン焼き型を取出す。

このパン焼き型の製造方法では、高価な雄型と雌型を使用せず、短時間で簡単にパン焼き型を製造することができるので、パン焼き型を安価に形成することができる。

一方、冷却又は加熱用の流体通路を有する樹脂成形用の金型を電鋳加工法により製造する金型の方法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。この金型の製造方法では、先ず、成形品と同等な外形を有するマスターモデルの表面に、電鋳加工により内面側電着金属層を形成する。次いで、この内面側電着金属層の表面部に、流体通路となるべき溝を形成した後に、この溝を、溶解、気化、燃焼等の化学的又は物理的な手段により除去可能な消失性材料で埋める。次に、内面側電着金属層の表面に、引続き電鋳加工を施すことにより、溝内が消失性材料で埋まった形態のまま、溝の開口部に蓋をするように外面側電着金属層を形成する。更に、溝内に埋まっている消失性材料を化学的又は物理的な手段で除去させる。また、マスターモデルの表面には、電鋳加工を行う前に予め導電処理が行われる。更に、消失性材料としては、加熱により除去可能なワックスやパラフィンが用いられるが、低融点合金半田、合成樹脂、天然樹脂等を採用することができる。この後、必要に応じて、溝内の消失性材料の表面に導電処理が行われる。

このように構成された金型の製造方法では、電着金属層を、内面側電着金属層及び外面側電着金属層の２段階で形成し、そのうち内面側電着金属層に形成した溝に化学的又は物理的な手段で除去可能な消失性材料を埋込むことにより、流体通路を形成したので、表面転写性に優れた樹脂成形用の金型を作製できるとともに、この金型は温度調節性に優れ、この金型を用いた成形品の成形サイクルの短縮化を図ることができる。

特開２０００－２７９０８２号公報（請求項２、段落［００１０］、［００１９］、図５～図９） 特開２０１４－２０５３１８号公報（請求項１、段落［００１０］、［００１６］、［００１９］、図１～図３）

しかし、上記従来の特許文献１に示されたパン焼き型の製造方法は、ろう型の表面に導電性被膜を形成しなければならず、また導電性被膜を化学反応により溶融させてパン焼き型を取出さなければならず、工数が増大する不具合があった。また、上記従来の特許文献１に示されたパン焼き型の製造方法は、ろう型の導電性被膜を形成した一方向の面からなるパン焼き型しか作製できない問題点もあった。一方、上記従来の特許文献２に示された金型の製造方法では、マスターモデルの表面や溝内の消失性材料の表面に導電処理を行わなければならず、工数が増大する問題点があった。また、上記従来の特許文献２に示された金型の製造方法では、電鋳加工を２回行わなければならず、また流体通路となるべき溝を加工治具及び切削工具等を用いて形成した後に、この溝を消失性材料で埋めなければならず、工数が増大する問題点があった。

本発明の第１の目的は、消失材料の表面に導電性被膜の形成や導電処理を行う必要がなく、１回の電鋳加工で金属製品を作製できる、金属製品の電鋳による製造方法を提供することにある。本発明の第２の目的は、複雑な形状の金属製品の全面を作製できる、金属製品の電鋳による製造方法を提供することにある。

本発明の第１の観点は、図１及び図２に示すように、一対の耐熱温度が２８０℃であるシリコーンゴムで形成されたゴムブロック（図示せず）内にモデル１２を配置して容器１３に入れ、１２０～１５０℃の温度の熱及び圧力をかけることにより前記ゴムブロックを軟化させて前記モデルを前記ゴムブロック内に埋没させる工程と、軟化させたゴムブロックを冷却してゴム型１６を作製する工程と、ゴム型１６を容器１３から取出した後にこのゴム型１６からモデル１２を取出してゴム型１６内にモデル１２に相応する形状のキャビティ１６ａを形成する工程と、ゴム型１６のキャビティ１６ａに導電性を有する消失材料１８を注入して硬化させることにより導電性消失模型１９を作製する工程と、導電性消失模型１９をゴム型１６から取出した後に導電性消失模型１９と電鋳金属板２１を電解槽２２中の電解液２３に浸漬する工程と、電解液２３中の導電性消失模型１９と電鋳金属板２１との間に電流を流して導電性消失模型１９の表面に電着による金属層２６を形成する工程と、表面に金属層２６が形成された導電性消失模型１９を電解槽２２から取出し加熱して導電性消失模型１９を消失させることにより金属層２６からなる金属製品１１を作製する工程とを含み、モデル１２は支持部材１７で支持されて容器１３内部に設置され、支持部材１７はモデル１２とともにゴム型１６から取り出されてゴム型１６のキャビティ１６ａの一部を形成し、支持部材１７が取り出されたゴム型１６の空間が導電性を有する消失材料１８を注入するための湯道１６ｂとなることを特徴とするむ金属製品の電鋳による製造方法である。

本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、前記液状混合物は、前記液状ゴム１００質量％に対して前記液状硬化剤を５～１０質量％含むことを特徴とする。

本発明の第３の観点は、第１の観点に基づく発明であって、前記導電性消失模型が低融点金属であって、低融点金属が、ビスマス、鉛、錫、インジウム、カドミウム、タリウム、ガリウム及びアンチモンからなる群より選ばれた３種以上の合金であることを特徴とする。

本発明の第１の観点の金属製品の電鋳による製造方法では、ゴム型のキャビティに導電性を有する消失材料を注入して硬化させることにより導電性消失模型を作製するので、この導電性消失模型と電鋳金属板との間に電解液中で電流を流すと、導電性消失模型の表面に電着による金属層からなる金属製品を作製できる。この結果、消失材料の表面に導電性被膜の形成や導電処理を行う必要がなく、１回の電鋳加工で金属製品を作製できる。また、ろう型の導電性被膜を形成した一方向の面からなるパン焼き型しか作製できない従来のパン焼き型の製造方法と比較して、本発明では、異形状のパイプ等の複雑な形状の金属製品の全面を作製できる。

本発明の第３の観点の金属製品の電鋳による製造方法では、導電性消失模型をゴム型の融点より低い融点の低融点金属により形成したので、ゴム型が溶融することなく、ゴム型のキャビティに導電性を有する消失材料を注入して硬化させることにより導電性消失模型を作製することができる。また、電鋳により表面に金属層が形成された導電性消失模型を、導電性消失模型の融点以上であって金属層の融点以下の温度で加熱することにより、導電性消失模型が消失して、金属層からなる金属製品を作製することができる。

本発明実施形態の金属製品の電鋳による製造手順を示す前半の工程図である。 その金属製品の電鋳による製造手順を示す後半の工程図である。

次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。図２（ｃ）に示すように、金属製品１１は、この実施の形態では、中心線が二次元的ではなく三次元的に複雑に湾曲する金属パイプである。この金属製品１１は、銅、ニッケル、金、銀等の電鋳可能な金属により形成される。この金属製品１１を電鋳により製造するには、先ず、内部にモデル１２（図１（ａ））を設置した容器１３に液状ゴム及び液状硬化剤の液状混合物１４を流込んでモデル１２を埋没させた後に、容器１３内の液状混合物１４を硬化させてゴム型１６を作製する（図１（ｂ））。このモデル１２は、金属製品１１である金属パイプの内面形状に相当する形状を外面形状とする複雑に湾曲する円柱状に形成されているため、３Ｄプリンタを用いて、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）、ポリ乳酸樹脂（ＰＬＡ樹脂）、アクリル樹脂等の材料により作製される。また、図１（ｂ）中の符号１７は、容器１３内でモデル１２を支持する支持部材である。また、この支持部材１７をモデル１２とともにゴム型１６から取出したときに形成される空間は、後述の導電性を有する消失材料１８をキャビティ１６ａに流込むための湯道になる。なお、モデルの形状は、複雑に湾曲する柱状の他に、一般的な樹脂若しくは金属の射出成型法では成形できない形状等であってもよい。また、モデルが比較的簡単な形状であれば、モデルを３Ｄプリンタを用いずに機械加工等により作製してもよい。

上記液状ゴムとしては、シリコーンゴム等が挙げられる。液状ゴムとしてシリコーンゴムを用いる場合には、液状ゴムを硬化させる液状硬化剤が添加される。この液状硬化剤はシリコーンゴム１００質量％に対して５～１０質量％添加される。ここで、液状硬化剤の添加量をシリコーンゴム１００質量％に対して５～１０質量％の範囲内に限定したのは、５質量％未満では、硬化スピードが遅いか或いは硬化せず、１０質量％を超えると、硬化したゴム型１６が裂け易くなるからである。また、硬化したゴム型の耐熱温度は－４０～１５０℃である。

なお、この実施の形態では、内部にモデルを設置した容器に液状ゴム及び液状硬化剤の液状混合物を流込んでゴム型を作製したが、複数のゴムブロック内にモデルを配置して、ホットプレス機と呼ばれる熱加硫装置にかけることによりゴムブロックを軟化させ、モデルをゴムブロック内に埋没させた後、ゴムブロックを冷却してゴム型を作製してもよい。この場合、ゴムブロックは、焼きゴムと呼ばれるシリコーンゴム等で形成され、耐熱温度（最高使用温度）は２８０℃である。また、加硫温度は１２０～１５０℃であることが好ましい。例えば、約１２０℃でゴム型厚１ｍｍに対して１分間の比率で加硫時間が設定される。これにより、ゴムブロックが溶融することなく軟化して、モデルを損傷することなくゴムブロック内に埋没させることができる。更に、上記複数のゴムブロックは一対のゴムブロックであることが好ましい。

次いで、ゴム型１６を容器１３から取出した後に、このゴム型１６からモデル１２を取出してゴム型１６内にモデル１２に相応する形状のキャビティ１６ａを形成する（図１（ｃ））。ゴム型１６からモデル１２を取出すとき、モデル１２とともに支持部材１７も取出す。これによりゴム型１６内には、モデル１２に相応する形状のキャビティ１６ａと、支持部材１７に相応する形状の湯道１６ｂとが形成される。ここで、ゴム型１６からモデル１２を取出す方法としては、次の２つの方法がある。
（１） 第１の方法は、ゴム型１６を複数のゴム片に切って、ゴム型１６からモデル１２及び支持部材１７を取出す方法である。この方法では、上記複数のゴム片を組合せてゴム型１６を復元すると、複数のゴム片同士が互いに密着して、ゴム型１６のキャビティ１６ａ内面にパーティングラインが殆ど現れず、モデル１２の外面をゴム型１６のキャビティ１６ａ内面に忠実に転写できる。
（２） 第２の方法は、ゴム型１６を弾性変形させることにより、モデル１２及び支持部材１７をこの支持部材１７の底面側から取出す方法である。この方法では、ゴム型１６を損傷させずにモデル１２をゴム型１６から取出すことができ、ゴム型１６のキャビティ１６ａ内面にパーティングラインが現れず、モデル１２の外面をゴム型１６のキャビティ１６ａ内面に忠実に転写できる。

そして、ゴム型１６のキャビティ１６ａに導電性を有する消失材料１８を注入して硬化させることにより導電性消失模型１９を作製する（図１（ｄ））。ゴム型１６のキャビティ１６ａに導電性を有する消失材料１８を注入するために、ゴム型１６を上下反転させる。これにより導電性を有する消失材料１８の注入口である湯口１６ｃがゴム型１６の上面に位置する。また、ゴム型１６を複数のゴム片に切った場合には、復元したゴム型１６がバラバラにならないように、ゴム型１６を容器１３に再び入れるか、或いはゴム型１６の外周面を治具（図示せず）で固定することが好ましい。また、上記導電性消失模型１９は、ゴム型１６の耐熱温度より低い融点－１９～９８℃の低融点金属により形成されることが好ましい。具体的には、低融点金属は、ビスマス（Ｂｉ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、タリウム（Ｔｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びアンチモン（Ｓｂ）からなる群より選ばれた３種以上の合金であることが好ましい。更に具体的には、低融点金属としては、ローズ（Rose's）合金、セロセーフ（CerroSAFE）、ウッド（Wood's）合金、フィールド（Field）合金、セロロー（Cerrolow）１３６、セロロー（Cerrolow）１１７、Ｂｉ－Ｐｂ－Ｓｎ－Ｉｎ－Ｃｄ－Ｔｌ合金、ガリンスタン（Galinstan）等が挙げられる。これらの合金の低融点金属の含有割合（質量％）と融点は次の通りである。
（１） ローズ（Rose's）合金……Ｂｉ：Ｐｂ：Ｓｎ＝５０：２５：２５、融点：９８℃。
（２） セロセーフ（CerroSAFE）……Ｂｉ：Ｐｂ：Ｓｎ：Ｃｄ＝４２．５：３７．７：１１．３：８．５、融点：７４℃。
（３）ウッド（Wood's）合金……Ｂｉ：Ｐｂ：Ｓｎ：Ｃｄ＝５０：２６．７：１３．３：１０、融点：７０℃。
（４） フィールド（Field）合金……Ｂｉ：Ｓｎ：Ｉｎ＝３２．５：１６．５：５１、融点：６２℃。
（５） セロロー（Cerrolow）１３６……Ｂｉ：Ｐｂ：Ｓｎ：Ｉｎ＝４９：１８：１２：２１、融点：５８℃。
（６） セロロー（Cerrolow）１１７……Ｂｉ：Ｐｂ：Ｓｎ：Ｉｎ：Ｃｄ＝４４．７：２２．６：８．３：１９．１：５．３、融点：４７．２℃。
（７） Ｂｉ－Ｐｂ－Ｓｎ－Ｉｎ－Ｃｄ－Ｔｌ合金……Ｂｉ：Ｐｂ：Ｓｎ：Ｉｎ：Ｃｄ：Ｔｌ＝４０．３：２２．２：１０．７：１７．７：８．１：１．１、融点：４１．５℃。
（８） ガリンスタン（Galinstan）……Ｂｉ：Ｓｎ：Ｉｎ：Ｇａ：Ｓｂ＝１．５未満：９．５～１０．５：２１～２２：６８～６９：１．５未満、融点：－１９℃。
ここで、導電性消失模型１９を形成する低融点金属の好ましい融点を－１９～９８℃の範囲内に限定したのは、－１９℃未満の低融点金属は存在せず、９８℃を超えると導電性消失模型１９が溶融する前にゴム型１６が溶融してしまうからである。即ち、上記温度範囲の低融点金属を用いると、ゴム型１６が溶融することなく、ゴム型１６のキャビティ１６ａに導電性を有する消失材料１８を注入して硬化させることにより、導電性消失模型１９を作製できる。なお、上記（１）～（８）の低融点合金のうち（３）～（８）の低融点合金は共晶である。

次に、導電性消失模型１９をゴム型１６から取出した後に（図１（ｅ）及び図１（ｆ））、導電性消失模型１９と電鋳金属板２１を電解槽２２中の電解液２３に浸漬する（図２（ａ））。ここで、ゴム型１６から取出した導電性消失模型１９には、湯道１６ｃ内で固化した模型用スプルー２４が導電性消失模型１９と一体的に成形されるため（図１（ｅ））、この模型用スプルー２４を切り落とすことにより導電性消失模型１９が作製される（図１（ｆ））。また、電解液２３に浸漬する電鋳金属板２１の金属の種類は、導電性消失模型１９の表面に電着される銅、ニッケル、金、銀等の電鋳金属である。電解液２３は電鋳金属の種類により適宜選択される。例えば、電鋳金属が銅である場合は、酸性硫酸銅浴を用いることが好ましく、電鋳金属がニッケルである場合は、スルファミン酸ニッケル浴を用いることが好ましい。そして、電解液２３中の導電性消失模型１９と電鋳金属板２１との間に電流を流して導電性消失模型１９の表面に電着による金属層２６を形成する（図２（ａ））。具体的には、直流電源２７のプラス極に電鋳金属板２１を接続し、直流電源２７のマイナス極に導電性消失模型１９を接続した状態で、電鋳金蔵板２１及び導電性消失模型１９間に２～５Ｖの直流電圧を印加する。これにより電鋳金属板２１（陽極）の表面で電鋳金属のイオン化（溶解）が発生し、導電性消失模型１９（陰極）の表面に電鋳金属の還元による析出（電着）が発生して、導電性消失模型１９の表面に金属層２６が形成される。

更に、表面に金属層２６が形成された導電性消失模型１９を電解槽２２から取出し（図２（ｂ））、加熱して導電性消失模型１９を消失させることにより金属層２６からなる金属製品１１を作製する（図２（ｃ））。ここで、表面に金属層２６が形成された導電性消失模型１９を加熱する前に、この導電性消失模型１９の上面及び下面に電着された金属層２６を切り落とす（図２（ｂ））。この状態で、表面に金属層２６が形成された導電性消失模型１９を所定の温度、即ち導電性消失模型１９の融点以上であって金属層２６の融点以下の温度（例えば、１００℃）に加熱すると、金属層２６が溶融することなく、導電性消失模型１９が溶融して筒状の金属層２６内から流れ落ちるので、中空の金属製品１１が完成する。この結果、消失材料の表面に導電性被膜の形成や導電処理を行う必要がなく、１回の電鋳加工で金属製品１１を作製できる。

このように製造された中空の金属製品１１は、電鋳（電気分解による電着）により形成されるため、モデル１２の複雑な形状も精巧に再現できる。

１１ 金属製品
１２ モデル
１３ 容器
１４ 液状ゴム及び液状硬化剤の液状混合物
１６ ゴム型
１６ａ キャビティ
１８ 導電性を有する消失材料
１９ 導電性消失模型
２１ 電鋳金属板
２２ 電解槽
２３ 電解液
２６ 金属層

Claims (3)

1. 一対の耐熱温度が２８０℃であるシリコーンゴムで形成されたゴムブロック内にモデルを配置して容器に入れ、１２０～１５０℃の温度の熱及び圧力をかけることにより前記ゴムブロックを軟化させて前記モデルを前記ゴムブロック内に埋没させる工程と、
   前記軟化させたゴムブロックを冷却してゴム型を作製する工程と、
   前記ゴム型を前記容器から取出した後にこのゴム型から前記モデルを取出して前記ゴム型内に前記モデルに相応する形状のキャビティを形成する工程と、
   前記ゴム型のキャビティに導電性を有する消失材料を注入して硬化させることにより導電性消失模型を作製する工程と、
   前記導電性消失模型を前記ゴム型から取出した後に前記導電性消失模型と電鋳金属を電解槽中の電解液に浸漬する工程と、
   前記電解液中の導電性消失模型と電鋳金属との間に電流を流して前記導電性消失模型の表面に電着による金属層を形成する工程と、
   表面に前記金属層が形成された導電性消失模型を電解槽から取出し加熱して前記導電性消失模型を消失させることにより前記金属層からなる金属製品を作製する工程と
   を含み、
   前記モデルは支持部材で支持されて前記容器内部に設置され、前記支持部材は前記モデルとともに前記ゴム型から取り出されて前記ゴム型のキャビティの一部を形成し、前記支持部材が取り出された前記ゴム型の空間が前記導電性を有する消失材料を注入するための湯道となることを特徴とする金属製品の電鋳による製造方法。
2. 前記液状混合物は、前記液状ゴム１００質量％に対して前記液状硬化剤を５～１０質量％含む請求項１記載の金属製品の電鋳による製造方法。
3. 前記導電性消失模型が低融点金属であって、前記低融点金属が、ビスマス、鉛、錫、インジウム、カドミウム、タリウム、ガリウム及びアンチモンからなる群より選ばれた３種以上の合金である請求項１記載の金属製品の電鋳による製造方法。

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