JPH03100137A

JPH03100137A - 金型用アルミニウム合金材料

Info

Publication number: JPH03100137A
Application number: JP23582189A
Authority: JP
Inventors: Hideo Sano; 秀男佐野; Yoshimasa Okubo; 喜正大久保
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 1989-09-13
Filing date: 1989-09-13
Publication date: 1991-04-25

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は複雑な形状をもった部品を成形するときの金型
用材料に関するもので、特にプラスチック、ゴム、金属
、またはセラミックスなどの粉末射出成形金型として使
用されるアルミニウム合金材料に関するものである。

［従来の技術］プラスチックの射出成形用金型やブロー成形用金型は、
一般に鉄鋼材料が用いられている。

しかし、多量生産を必要としない金型は、アルミニウム
合金が使用されている。

アルミニウム合金製の金型は、耐摩耗性、耐軟化性、高
温強度が鉄鋼材料に較べ劣るため、金型寿命は短いが、
次にあげる利点があるので、好んで使用されてきた。

■　切削性が良好なため型はり加工速度が早く、型製作
時間が短い。また、機械加工時の工具の寿命が長い。

■　比重が小さいため、金型の製作、取付けなどのハン
ドリングが容易である。

■　耐食性が良好なため、休止時の保守管理が容易であ
る。

■　熱伝導度が高いため、金型として冷却能が高く、成
形サイクルの短縮がはかれる。

アルミニウム合金の種類は強度を必要とするのでＪＩＳ
合金では７０７５．７０７９などのＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−
Ｃｕ合金が用いられてきた。

前述のようにアルミニウム合金金型は、アルミニウム合
金中で、強度や耐摩耗性に優れた合金を使用しているが
、鉄鋼材料に比較すると金型寿命が短い。たとえば、鉄
鋼材料金型では１０万ショット以上型打ち可能であるが
、アルミニウム合金金型では３０００〜５０００ショッ
ト位である。このためにアルミニウム合金金型は寿命の
短い簡易型の金型として用いられるのみであった。また
、鉄鋼材料とアルミニウム合金との金型寿命は約３０倍
も差があり、アルミニウム合金金型の優位性を生かすこ
とができなかった。

アルミニウム合金で鉄鋼の１７１０以上の寿命をもつも
のが開発されることが望まれており、本発明者らは「粉
末冶金法でＳＬを１５〜４０％、Ｃｕを１０％以下含有
し、Ｓｉ粒子の平均径を１０μ−以下としたアルミニウ
ム合金材料」を提案した（特願昭６３−５６２８８）。

［発明が解決しようとする課題］前述したようにアルミニウム合金で製作された金型は、
鉄鋼材料に比べ寿命が短いことから、簡易型の金型とし
て用いられていた。しかし、アルミニウム合金の改良に
よりアルミニウム合金の寿命が長くなったこと、切削性
が良好な点から複雑な形状をもった金型に使用されるよ
うになった。例えば、第１図に示すようなスイッチボッ
クスのようなプラスチック成形体は、軽量化のため、四
隅に設けたボルト穴は、ボックスの側壁に一体化したも
のから独立した円筒を直立させ、減肉化を図っている。

このためには金型の下型（雄型）は、第２図に示すよう
に薄肉のリブが片持梁的に直立したものとなっている。

このような金型にプラスチック溶融物を射出すると、薄
肉リブは曲げ荷重を受け、これの付は根が折損すること
となる。

そこで本発明の目的は、先に提案した「粉末冶金法でＳ
ｉを１５〜４０％、Ｃｕを１０％以下含有し、Ｓｉ粒子
の平均径を１０μ厘以下としたアルミニウム合金材料」
を改良し、このような薄肉部が折損することのないアル
ミニウム合金金型材料を提供するものである。

［課題を解決するための手段］以上の問題点を解決するため、アルミニウム合金の成分
組成、溶製条件、熱処理条件および金属組織などを種々
変化させながら、強度、耐摩耗性、切削性（表面あらさ
）などへの影響について検討した結果、粉末成形による
Ａｌ合金において少な（ともＳｉ及びＣｕを合金成分と
して含有させ、かつ、Ｓｉの粒径を特定範囲に保持する
ことが有効であることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、第１の発明は重量％でＳｔ　　５〜１１．５
％、Ｃｕ　　０．５〜１０％、セラミックス粒子０．５
〜５％を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からな
る成分組成の粉末成形により得られたアルミニウム合金
であって、かつ、セラミックス粒子の平均径がＯＪ〜１
０μ曽であることを特徴とするアルミニウム合金材料で
ある。

第２の発明は重量％でＳｉ５〜１１．５％、ＣｕＯ１５
〜１０％Ｍｇ０．３〜６％、セラミックス粒子０．５〜
５％を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなる成
分組成の粉末成形により得られたアルミニウム合金であ
って、かつ、セラミックス粒子の平均粒径が０．３〜Ｉ
Ｏμｍであることを特徴とするアルミニウム合金材料で
ある。

第３の発明は重量％でＳｉ　　５〜１１．５％、ＣｕＯ
１５〜１０％、セラミックス粒子０．５〜５％を含有し
、さらにＦｅ、ＭｎおよびＮ１からなる群から選ばれた
金属の１種または２種以上を単独または合計で０．３〜
Ｂ％含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなる成
分組成の粉末成形により得られたアルミニウム合金であ
って、かつ、セラミックス粒子及び金属間化合物粒子の
平均径が０．３〜１０μ−であることを特徴とするアル
ミニウム合金材料である。

さらに第４の発明は重量％でＳｉ　　５〜１１．５％、
Ｃｕ　　０．５〜１０％Ｍｇ０．３〜６％、セラミック
ス粒子０．５〜５％を含有し、さらに、Ｆｅ。

Ｍｎ及びＮｉからなる群から選ばれた金属の１種又は２
種以上を単独または合計で０．３〜６％含有し、残部Ａ
ｌ及び不可避的不純物からなる成分組成の粉末成形によ
り得られたアルミニウム合金であって、かつ、セラミッ
クス粒子及び金属間化合物粒子の平均径が０．３〜１０
μ厘であることを特徴とするアルミニウム合金材料であ
る。

次に本発明アルミニウム合金の組成の限定理由について
述べる。

ＳＬは、亜共晶組織として耐摩耗性と靭性を高める。又
、熱膨脹係数を下げて射出成形時の昇温時歪の発生を抑
制する。５％未満では耐摩耗性が不足する。１１．５％
を越えると過共晶となり初晶Ｓｉ粒子をＡｌ基地中に分
散するため、靭性が劣り、使用時に欠けやリブ部の割れ
が生じやすくなる。

Ｃｕは、合金に時効硬化性を付与し、硬さの向上による
耐摩耗性の向上をもたらす。Ｃｕが０．５％未満では効
果が十分でなく、１０％を越えると効果が飽和するとと
もに耐食性の劣下が著しいため、０．５〜１０％と定め
た。

ＭｇはＣｕと共存して時効硬化による硬さの向上、耐摩
耗性の向上をもたらす。Ｍｇが０４５未満では効果が十
分でなく、６％を越えると効果が飽和するため、０．３
〜６％と定めた。

ＦｅＳＭｎ５Ｎｉの各成分は合金の耐熱性を高める。す
なわち、金型使用時の温度（たとえば１００〜１５０℃
）において、硬さの低下（軟化）を抑え、また常温〜高
温の強度も高める。更に熱膨脹係数を下げ、弾性係数を
上げる効果もある。これらの成分は各単独あるいは総和
で０．３％未満の含有量では効果が十分でなく、６％を
越えると材料が脆くなり、金型の加工時または使用時に
欠けを生じやすくなる。

セラミックス粒子：５ｉＣＳＳｉ３Ｎ＋、Ａｌ２Ｏ３等
で合金の耐摩耗性を高める。

０．５％未満では耐摩耗性が不足し、５％を越えると材
料の靭性が劣り、使用時に欠けやリブ部の割れが生じ易
くなる。耐摩耗性の効果はＳｔ添加よりも大きい。

また、セラミックス粒子及び金属間化合物の粒子の平均
径は、０．３μ禦未満では耐摩耗性が不足し、１０μｍ
を越えると切削加工工具のチッピングや摩耗が生じやす
く、また被加工面の面粗度が粗くなる。

本発明のアルミニウム合金の製造は、各種の方法がある
が、一般に次のような方法で製造する。すなわち、前述
の組成のアルミニウム合金を溶解した後、溶湯を急冷凝
固させる。通常は１００℃／秒以上の冷却速度で冷却さ
れる。具体的にはアトマイズ法やスプラットクーリング
法が適用される。こうして得た粉末を（ａ）予備圧縮−
加熱真空脱ガス−押出、（ｂ）予備圧縮−加熱真空脱ガ
ス−ホットプレス、（Ｃ）予備圧縮−容器封入−加熱真
空脱ガスーホットブレスー容器除去−押出、（ｄ）予備
圧縮−加熱−押出、（ｅ）予備圧縮−容器封入−加熱真
空脱ガスーＨＩＰ（高温等方圧圧縮）などの工程により
固化成形する。具体的には（ａ）の方法ではＣＩＰまた
は金型圧縮によりアルミニウム合金粉末を真密度の６０
〜９０％程度まで予備圧縮した後、３００〜５５０℃に
加熱しながら真空排気を行い脱ガスを行う。脱ガス時に
加熱温度が３００℃未満の場合、脱ガスが不十分となり
最終製品に膨れが生じたり、気孔が生ずる。５５０℃を
越えるとＳｉ粒子が成長し粗大になる。こうして脱ガス
が行われた予備圧縮品（ビレット）を３００〜５２０℃
の温度に加熱し、押出を行う。予備圧縮を省略しても品
質に影響しない。脱ガス、熱間加工時の真空シールは、
粉末の容器装入や治工具のシールによって行う。

（ｂ）の方法は押出に代えてホットプレス（３００〜５
５０℃で据え込み圧縮すること）によりビレットを緻密
化したもの、（Ｃ）はホットプレスの後容器を切削除去
し押出したもの、（ｄ）は予備圧縮後空気中、真空中ま
たはＮ２、Ａｒ等のガス中で加熱して脱ガスし、その後
押出するもの、（ｅ）は押出やホットプレスに代えてＨ
ＩＰ処理によりアルミニウム合金材を得るものである。

金型のサイズが大きく、大寸法の材料が必要なときは、
上記のいずれかの工程、中でも　（ｂ）のホットプレス
や（ｅ）のＨＩＰにより固化成形した後、鍛造や圧延に
より延ばして大寸法の材料とする。

このようにして製造した合金材は従来の金型用アルミニ
ウム合金材より耐摩耗性、強度および硬度、耐熱性にす
ぐれ、熱膨張係数が低く、弾性係数が高いなどの特性を
有し、かつ靭性も同等であり、薄肉の長いリブ部を有す
る金型用材料として最適である。

金型の設計変更を行う場合、あるいは誤って深彫りした
場合には溶接により肉盛りすることも可能である。溶接
方法としてはＴＩＧＳＭＩＧなども可能であるが、でき
れば溶接面積を小さくできる電子ビーム溶接あるいはプ
ラズマアーク溶接などが望ましい。溶加棒としてはＢＡ
４０４３、Ｂ　Ａ　４０４５、Ｂ　Ａ　４１４５、Ｂ　
Ａ　４０４７、ＢＡ４００３、Ｂ　Ａ　４００４、ＢＡ
４００５、Ｂ　Ａ　４ＮＯ４などが用いられる。なお、
溶接を行う場合には、粉末の固化成形時に脱ガス温度を
高くし、あるいは脱ガス時間を長くし、材料中の水素量
を０．５ｅｃ７１００ｇＡ　Ｉ以下、望ましくは０．３
ｃｃ／１００ｇＡ　１以下とするのがよい。この際脱ガ
ス温度は４９０〜５５０℃とするのが望ましい。

［実施Ｍ］以下に実施例を挙げ、本発明をさらに詳細に説明する。

実施例１第１表に示すＮｏ、１〜Ｎ　ｏ、３４の合金を溶解し、
エアアトマイズにより急冷凝固粉末を作成した。

得られた粉末を粒径２９７μ以下に分級した後、Ｎｏ、
１８以外の粉末には平均粒径０．２〜１３μｌのＳｉＣ
粒子を０．２〜８％加え、混合した。混合粉末をＣＩＰ
により真密度の７０〜７５％まで予備圧縮し、Ａｌ容器
に挿入して加熱しながら真空脱ガスを行った。加熱温度
は５００℃とした。このようにして得たビレットを３９
０℃に加熱し、押出比１４にて押出し、外径４０層層の
棒を得た。これらＮｏ、１〜Ｎｏ、３４の押出棒に５０
０℃Ｘ２ｈｒ−＊水冷→１７５℃Ｘ　８ｈｒの熱処理を
行った。

第１表のＮｏ、３５の合金は溶解後外径１５０ａｍの鋳
塊を作成し、これを上記と同条件で押出した。

押出棒について４７０℃Ｘ　２ｈｒ→水冷→１１５℃Ｘ
７ｈｒ　−−１７５℃Ｘ　８ｈｒの条件で熱処理（Ｔ７
３処理）を行つた。

以上の材料について、ミクロ組織における粒子径（Ｓ　
ｉ　Ｃ粒子、Ａｌ−５ｉ−Ｆｅ系化合物粒子、ＡｌＡｌ
−３ｉ−系化合物粒子、Ａｌ−Ｎｉ系化合物粒子などす
べての粒子の平均直径）、常温硬さ（ロックウェルＢス
ケール）、１５０℃加熱後の常温硬さ（ロックウェルロ
スケール）、常温引張強さ、１５０℃で１００ｈｒ保持
した後の１５０℃での引張強さ、大越式摩耗試験（乾式
、−荷重２．１ｋｇ　、摩擦距離６００１、相手材５５
００）における比摩耗量、パフ研磨後の表面粗さ（Ｒ，
、、）　　シャルピー衝撃値（平滑材、Ｔ６）及び金型
として射出成形したときの摩耗発生までのショツト数又
は薄肉リブに折損が発生するまでのショツト数を測定し
た。

金型の摩耗は樹脂溶融物が高速で射出されるので、この
通路部が損耗する。通路幅が約２μ■広くなると、樹脂
の流通が悪くなるので、これを測定し、寿命の判定とし
た。

結果は第２表の通りである。本発明合金Ｎｏ。

１〜Ｎｏ、１５の場合、比摩耗量が小さく、特に７０７
５　（Ｎ　ｏ、３５）より大幅に小さい。また表面粗さ
は７０７５と同程度に小さく、表面仕上げ性が良好であ
る。更に、シャルピー衝撃値は７０７５よりも高（、第
１図に示すような・金型のリブ部に割れが発生しに＜＜
、射出成形のショツト数を増すことができた。又、Ｎｏ
、１〜Ｎｏ、１５の中では、Ｍｇを含まないＮｏ、１〜
Ｎｏ、３とＭｇを含むＮｏ、４、Ｎｏ、５を比較すると
Ｍｇの添加により硬さが増す傾向が示されており、また
Ｆｅ。

Ｍｎ、Ｎｉを含むＮｏ、６〜Ｎｏ、１５はこれらを含ま
ないＮｏ、１〜Ｎｏ、５より加熱後の硬さおよび１５０
℃の引張強さが高い。

比較合金Ｎｏ、１８は５ｉｆｉが少ないため比摩耗量が
大きく、Ｎｏ、１７はＳｉ量が多いために金型のリブが
折損した。Ｎｏ、１８は、ｓｉｃを加えずＳｉ量が多い
ので、シャルピー衝撃値が小さく、金型のリブ部に折損
が生じた。Ｎｏ、１９はＳｉＣ量が少ないため比摩耗量
が大きく、Ｎｏ、２０はＳｉＣ量が多いためシャルピー
衝撃値が小さく、表面粗さが大きい。Ｎ　ｏ、２１はＣ
ｕ量が少ないため硬さ及び引張強さが低く、比摩耗量も
大きい。

Ｎｏ、２２はＣｕ量をＮｏ、２３はＭｇｊｌをそれぞれ
多くしたものであるが、その高強度があられれず、折損
が生じた。Ｎｏ、２４〜２ｇは、Ｆ　ｅ　ｓ　Ｍ　ｎ　
ｓＮｉ量が単独又は合計で多すぎるため、金型の切削加
工時に欠損が生じやすく、又折損が生じた。Ｎ　ｏ、２
９．３１はセラミックス量が少なく、金型の摩耗で寿命
となった。又、Ｎ　ｏ、３０、セラミックス粒子の大き
さが大きく、金型の摩耗で寿命となった。Ｎ　ｏ、３３
は、セラミックス粒子の大きさが小さく、金型の摩耗で
寿命となった。

Ｎ　ｏ、３０．３２．３４は、セラミックス粒子の大き
さが大きいために切削時の表面粗さが大きく金型材料に
適さないものとなった。Ｎ　ｏ、３５は、従来使用され
ていた７０７５の溶融鋳造材であるが、耐摩耗性が充分
でない。

Ｉｌ１表第１表つづき第２表つづき第２表第２表つづき第２図は第１図に示す成形品を成形するための金型（雄
型）［発明の効果］（１）以上説明したように、本発明のアルミニウム合金
材料は、アルミニウム合金が持つ機械加工性、軽量性、
耐食性、熱伝導性、表面処理性（アルマイト処理性）、
溶接性などの利点を損なうことなく、耐摩耗性、耐熱性
、及び靭性が向上しており、プラスチック、ゴム、金属
粉末、セラミック粉末等の成形用金型に好適で、その使
用寿命を著しく改善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の金型により成形した部品の斜視図、

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％でＳｉ５〜１１．５％、Ｃｕ０．５〜１０
％セラミックス粒子０．５〜５％を含有し、残部Ａｌ及
び不可避的不純物からなる成分組成の粉末成形により得
られたアルミニウム合金であって、かつ、セラミックス
粒子の平均径が０．３〜１０μｍであることを特徴とす
る耐摩耗性と靭性に優れたプラスチック成形金型用アル
ミニウム合金材料。
（２）重量％でＳｉ５〜１１．５％、Ｃｕ０．５〜１０
％Ｍｇ０．３〜６％、セラミックス粒子０．５〜５％を
含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなる成分組
成の粉末成形により得られたアルミニウム合金であって
、かつ、セラミックス粒子の平均径が０．３〜１０μｍ
であることを特徴とする耐摩耗性と靭性に優れたプラス
チック成形金型用アルミニウム合金材料。
（３）重量％でＳｉ５〜１１．５％、Ｃｕ０．５〜１０
％、セラミックス粒子０．５〜５％を含有し、さらにＦ
ｅ、ＭｎおよびＮｉからなる群から選ばれた金属の１種
または２種以上を単独および合計で０．３〜６％含有し
、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなる成分組成の粉末
成形により得られたアルミニウム合金であって、かつ、
セラミックス粒子及び金属間化合物粒子の平均径が０．
３〜１０μであることを特徴とする耐摩耗性、耐熱性及
び靭性に優れたプラスチック成形金型用アルミニウム合
金材料。
（４）重量％でＳｉ５〜１１．５％、Ｃｕ０．５〜１０
％、Ｍｇ０．３〜６％、セラミックス粒子０．５〜５％
を含有し、さらにＦｅ、ＭｎおよびＮｉからなる群から
選ばれた金属の１種または２種以上を単独および合計で
０．３〜６％含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物か
らなる成分組成の粉末成形により得られたアルミニウム
合金であって、かつ、セラミックス粒子及び金属間化合
物粒子の平均径が０．３〜１０μｍであることを特徴と
する耐摩耗性、耐熱性及び靭性に優れたプラスチック成
形金型用アルミニウム合金材料。