JPH04161308A - モールド用簡易金型およびその製造方法 - Google Patents

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］ この発明は、プラスチック部品の成形等に用いられる、
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるモールド
用簡易金型の、耐摩耗性の向上および長寿命化を実現で
きるようにしたモールド用簡易金型およびその製造方法
に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、金型材としては、その目的に応し、すなわち納期
、加工精度等を考慮し、３５５Ｃ。

５ＫＤ−１１，３ＵＳ等が用いられてきた。

しかし、金型の製造工期は金型の加工性により左右され
、金型の加工には多大な時間と労力を要するため、加工
性の良い材料の出現が期待されていた。

一方、成形温度が２００°Ｃ以下の低温で使用されるモ
ールド用簡易金型に対しては、加工性が良く、短納期化
、軽量化が実現でき、トータルとしてのコストも低減可
能な材料であるアルミニウムまたはアルミニウム合金を
用いた型が普及してきた。

しかし、アルミニウムまたはアルミニウム合金は硬さが
低く（高いもので）νが２００程度）、耐摩耗性に乏し
いため、型の寿命が短く、またガラス人の樹脂には、不
通等の問題から、適用範囲が限定されていた。そのため
、従来より、これらの性質の向上を図るための表面処理
技術の開発が行われ、表面処理の施された金型の使用が
検討されてきた。

ところが、アルミニウムは酸素との親和力が強く、アル
ミニウム基材の表面に安定な酸化層（ＡｌｔＯｚ：アル
ミナ）を形成するため、一般の鉄鋼材料のような窒化、
浸炭等表面硬化元素を拡散させたり、アルミニウム基材
の表面に密着力の高い硬質膜を形成することが難しいと
されていた。

このため、表面処理法は限られたものとなっており、陽
極酸化（アルマイト処理）、あるいはクロムめっきが主
流となっている。

しかし、この陽極酸化膜も表面の硬度は向上するものの
、Ｈｖで高々１０００であるため、耐摩耗性に対して多
大な効果を発揮するものではない。

クロムめっきについても同様であるほか、密着力が低く
、ピンホールが生し易いという欠点があった。

この問題の解決策として、アルミニウムＷＥ　材の表層
に窒化アルミニウムを形成する方法が考えられる。窒化
アルミニウムは高温安定性の高い、絶縁部材で、硬さが
Ｈｖで１２００〜１５００あるため、耐摩耗性が優れて
いる。また、熱伝導率が大きく（約２００ｉｏ／ｍ・Ｋ
）、金型の表層材とし適している。

アルミニウム自身も、窒素との親和力が強く、アルミニ
ウムの融点以上の温度では窒素と容易に結合して、窒化
アルミニウムを形成し、１０００’Ｃでは、酸化アルミ
ニウム（ＡＺ　！０３）の還元法による製造が可能であ
る。

こういった性質を利用して、窒化アルミニウムを形成す
る方法が、例えば特開昭５５−８４１１号公報。

特開昭５６−２５９６号公報、特開昭５６−２５９６４
号公報。

特開昭５６−２５９６５号公報、特開昭５６−２５９６
６号公報、特開昭５６−７７３７４号公報、熱処理；２
４ｔｃ４号（１９８４年、ｐ１８２−１８８）に報告さ
れている。

これは、アルミニウム材の一部をアーク熱源を用いて、
アルミニウムの融点以上に加熱し、窒素ガス（Ｎ２）あ
るいはアンモニアガス（Ｎ）１３）を作用させ、ガス中
の窒素（Ｎ）　と反応させる方法により窒化させる方法
（溶融法）である。

しかし、熔融法では、アルミニウムを融点温度まで加熱
するため、アルミニウム基材が変形し、金型として歪み
を生してしまう、さらに、表面に形成される窒化物もア
ルミニウム窒化物（ＡｆＮ）とアルミニウム（ＡＺ）の
混合層であるため、硬さも）Ｉｖで高々２５０と低い。

低温でＡＺＮを形成できる技術としては、いわゆるＰＶ
ＤやＣＶＤの蒸着法があるが、前述したように、アルミ
ニウム基材の表層にある酸化アルミニウムが原因となっ
て、密着力の高い膜を形成することができない。

以上のような背景の下で、低温で窒化アルミニウム層を
形成できる方法として、従来鉄鋼材料に用いられてきた
イオン窒化法の適用が試みられてきており、窒化に至る
までの工程を改善することにより、アルミニウムの窒化
が実現されることが、例えば特開昭５８−２１３８６８
号公報、特開昭６０−２１１０６１号公報、特開昭６２
−２０２０７１号公報に報告されている。その−例を図
に基づいて説明する。

第３図はアルミニウムまたはアルミニウム合金の窒化法
に通用する装置の断面図である。この第３図において、
ステンレス製の密閉容器２１の中央に設けた基板台２２
の上に、被処理材２３を配！する。

基板台２２の支持柱２４の内部には、冷却水を送る冷却
水管２５および水銀マノメータ圧力計２６が設けられて
いる。

次に、密閉容器２１を密閉した後、ガス導出管２７に接
続された排気系２日により容器内を排気し、反応炉本体
２９の内部側周に設けられた予備加熱ヒータ３０で炉壁
を加熱する。

その後、水素ガスをガス導入管３１がら導入して、密閉
容器２１の内部を一旦水素ガスで１積した後再度排気す
る。

次に、水素ガスを流しながら同時に排気し、密閉容器２
１内を数Ｔｏｒｒに保った後、ステンレス製陽極板３２
と陰極（基板台２２）の間で電源３３からの高電圧を印
加して放電させる。

次に、水素ガスを止め、アルゴンガスを導入し、放電し
、被処理材２３の表面に活性化処理を施す。

次に、窒化処理用ガスとして数１００ｐｐ−以下の酸素
を含んだ窒素ガスを導入し、電極間で放電させ、イオン
窒化処理を行なう。

以上のような方法でアルミニウムまたはアルミニウム合
金の低温（３００°Ｃ〜５５０″Ｃ）窒化処理を行ない
、耐摩耗性等の特性の向上を図っていた。なお、３４は
モニタ装置である。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上のような、活性化−イオン窒化の連続処理を行なう
ことによって得られたアルミニウムの窒化物（又は酸窒
化物）はアルミニウムの表面を改質したものであるため
、剥離の問題はなく、硬さもＨνで１５００程度あり、
耐摩耗性に比較的効果がある。

しかし、ガラス入りの樹脂を形成する場合などは、この
ガラス材による金型表面への衝撃や一摩耗の発生が懸念
されるため、さらに高い耐摩耗性が要求される。そのた
め、硬さもＮｖで１５００よりも大きいものが要求され
ていた。

請求項１の発明は、上記のような課題を解消するために
なされたもので、金型の耐摩耗性の向上。

長寿命化を実現することができるモールド用簡易金型を
得ることを目的とする。

また、請求項２の発明は、上記課題を解消するためにな
されたもので、３次元形状を有する金型の表面を簡便な
工程で短時間で均一に硬Ｗ膜を低温で成膜できるモール
ド用簡易金型の製造方法を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

請求項１の発明に係わるモールド用簡易金型は、アルミ
ニウムまたはアルミニウム合金により製造された金型に
対し、この金型の表面にニッケル−リンめっきからなる
中間硬質層と、この中間硬質層の表面にニッケル−リン
めっきよりも硬さの大きい窒化物からなる硬質窒化膜を
設けたものである。

また、請求項２の発明に係るモールド用簡易金型の製造
方法は窒素を含んだガスの他に少なくとも１１１１１以
上の成膜用ガスをプラズマ化して分解し、ニッケル−リ
ンめっきの表面に硬質窒化膜を形成する工程を導入した
ものである。

〔作　用〕

請求項１の発明におけるモールド用簡易金型は、アルミ
ニウムあるいはアルミニウム合金からなる簡易金型の表
面に順に、母材、中間硬質層、硬質窒化膜へと表面に行
（にしたがって硬さも増すような傾斜構造となり、金型
としての機械的強度も安定する。また、硬質窒化層を形
成した場合通常表面粗さが定価するが、ニッケル−リン
めっきの表面を最終的に必要とされる表面粗さの所定以
下の表面仕上げとすることができ、所望する粗さを満足
する。

また、請求項２の発明におけるモールド用簡易金型の製
造方法においては、成膜用ガスをプラズマ化して分解し
、これによりニッケル−リンめっきの施されたアルミニ
ウムあるいはアルミニウム合金からなる金型の表面に硬
質膜を形成するとし）うし）わゆるブラダ？　ＣＶ　Ｄ
　（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ）法により３次元形状を有する金型の表面に均一に硬
質窒化膜を形成する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図に基づいて説明する０本
発明の出願人と同一出願人は、アルミニウムまたはアル
ミニウム合金により製造された金型の表面処理法に関し
て、［低温でプラズマクリーニングを行い、表面酸化層
および汚染層を除去した後、プラズマを用いて窒化を行
い、アルミニウム型材の表層をＡＩＮ化することにより
、母材としてのアルミニウムの硬さ０強度を高めた後、
さらにプラズマＣＶＤ法を用いることにより、硬質膜を
ＡｊＮ層に連続して形成するという２段階の金型の表面
処理法」についてすでに特許出願済みであるが、この発
・明はより簡便で短時間処理の可能な表面処理方法で処
理されたモールド用簡易金型である。

第１図はこの発明の一実施例による金型の製造方法に適
用されるプラズマＣＶＤ装置の構成図である。

第１図において、１は外気を遮断し、プラズマ雰囲気を
形成するための真空チャンバ、２は基板支持台１０を介
して金型用基材３を一定温度に加熱するためのヒータあ
るいは冷却するための冷却ユニットを搭載したヒータ兼
冷却ユニットであり、これらは真空チャンバ１内に収納
されている。

４はこのヒータ兼冷却ユニット２のヒータおよびプラズ
マにより加熱された金型用基材３の温度を管理するため
の温度コントローラである。

また、パルスプラズマ発生用電源５より供給されたエネ
ルギは、マツチングボックス６を介して電極７に供給す
るようになっている。

この電極７は真空チャンバｌ内において、金型用基材３
に対向するように配設され、真空チャンバ１内の所望す
る位置に所望するプラズマを発生させるための電極であ
る。

また、８は所望のプラズマ処理を、しかも均一に行うた
めの応答性の高いバルブ９を介して、さらにプラズマの
発生と同期して供給された反応ガス（真空チャンバ外の
ガス導入系は図示せず）を真空チャンバＩ内に導入する
ガス供給ノズルである。

１１は電極７により発生したプラズマ内で安定かつ効率
良く処理できるように金型用基材３にバイアスを印加す
るためのバイアス電源である。

１２は真空チャンバ１内を排気し、一定圧力にするため
の真空排気系、１３は真空チャンバ１内の圧力を管理す
るための真空計である。

第２図は、この発明の製造方法により製造された金型の
構成を示した断面図であり、この第２図において、３Ａ
はアルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる金型
全体、３ａは機械加工仕上げのされたアルミニウムある
いはアルミニウム合金からなる金型母材、３ｂはアルミ
ニウムあるいはアルミニウム合金からなる金型母材３ａ
の表面に形成されたニッケル−リンめっきからなる中間
硬質層、３ｃは中間硬質層３ｂの表面を最終的に必要と
される表面粗さの１／１０以下の表面粗さに研摩仕上げ
された面上に形成された中間硬質層よりも硬さの大きい
、硬質窒化膜である。

次に、第１図により、この発明のモールド用簡易金型の
製造方法について説明する。先ず、アルミニウムあるい
はアルミニウム合金からなる金型母材３ａを機械加工し
、この表面たとえば、耐摩耗性の要求されるゲート部、
ランチ部、キャビティ部などまたはこれら全面にニッケ
ル−リンめっきを施して中間硬質層３ｂを形成する。

めっきの付着力を確保するために、前処理として、Ｃｕ
めっき（真空草着でもよい）、あるいはＺｎ置換を行う
。

また、膜厚は後で研摩することを考慮して、１０〜１５
ｎ程度が望ましい、金型の精度にもよるが、通常は２０
−以上形成する場合は設計上考慮する必要がある。

めっきの施された金型母材３ａを真空チャンバ１中の基
板支持台１０上に設置し、真空排気系１２により真空チ
ャンバ１内を真空排気した後、ガス供給ノズル８を介し
て反応ガスを真空チャンバ１内に均一に導入する。

反応ガス導入前にたとえば水素や窒素、アルゴンのよう
なガスを導入し、軽く放電させると、金型表面がクリー
ニングされて、より高い付着力を確保することができる
。

反応ガス導入後、パルスプラズマ発生用電源５からエネ
ルギを投入し、エネルギを効率よくプラズマに変換でき
るように、マツチングボックス６で調整する。

電極７と対向電極（基板支持台１０）の間で放電させ、
プラズマ雰囲気を形成する０表層に充分な厚さ（数節〜
数１０ｎ）の硬質窒化膜３　ｃ　（たとえばＴｉＮや５
ｒｓＮａ等）、が形成された後、放電を停止する。硬質
窒化膜３ｃとして、たとえばＴｉＮを形成すめ場合はＮ
ｚ　（あるいはｔｉｌ１３）、Ｆｌｇ、ＴｉＣｌ　ａを
反応ガスとして用いればよい。

このときの成膜条件の一例としては、真空チャンバ１内
の圧力０．０１〜１　丁ｏｒｒ、バイアス！圧０〜Ｉ　
ＫＶ、　ＴｉＣｊ！　ａ（含むキャリアガス）１０〜１
０００ｃｃ／５ｉｎ（ＴｉＣｉ　ａの温度に依存する）
、Ｎ、数１０ｃｃ／ｓｉｎ、　Ｈｘ＋Ａｒなどバランス
ガス敗１０〜数１００ｃｃ／ａｔ）ＲＦパワー０゜５〜
２Ｈである。

二のようにして、金型母材３ａの最表面に硬質窒化１１
３ｃの形成された金型３Ａは耐摩耗性に優れている。

しかし、アルミニウム合金の種類や形成する硬質の窒化
膜の厚さによっては、膜形成中にプラズマに曝されてい
る面の温度上昇により金型母材３ａが鈍されてしまう。

そのため２００〜２５０°Ｃ以下の処理が必要とされる
母材あるいは時効硬化しない合金に対しては、プラズマ
に曝されている時間を短くするために、成膜用ガスを高
強度のパルス放電を利用して、パルス的にガスをプラズ
マ化して成膜するとよい。

パルスプラズマ発生の条件の一例は、パルス幅が１ｎ〜
数１０ｍ５、周波数が１〜数１０Ｈｚ、ビークパワーが
数１０に−である。

さらに、このパルス放電と同期して成膜用ガスを応答性
の高いバルブを介してパルス的に真空チャンバ１に導入
することにより、真空チャンバ１内外の差圧とガス流に
より反応ガスは速やかに拡散するため、さらに均一性の
高い膜形成が可能で、しかもガス分解効率も向上する。

なお、上記実施例では、ニッケル−リンめっきの上に５
ｒｓＮａやＴｉＮに代表される硬質窒化膜３ｃを形成す
る例について示したが、硬質窒化膜３ｃは酸素や炭素を
含んだような膜、たとえば、５ｉＯＮやＴｉＮのような
膜であってもよい。

また、上記実施例にしたがって金型を作製した場合、硬
質窒化＃３ｃの形成時に表面が僅かに荒れる傾向にある
ため、金型３Ａの複雑形状部などでは、粗さの大きな部
分への樹脂のいわゆる食いつきにより、離型性が悪い、
パリが発生する。

さらに、成形された部分の表面粗さも劣るため、意匠部
の部品を製造するための型には適用できない等の問題が
ある。

この場合には、ニッケル−リンめっきの施された金型表
面に、機械的研摩処理などの方法で最終的に必要とされ
る表面粗さの一桁小さいオーダの処理を行い、その上に
硬質膜を形成すればよい。

以上のように、この発明の実施例によれば、アルミニウ
ムあるいはアルミニウム合金からなる簡易金型の表面に
順に、金型母材３ａ（Ｈｖ〜２００）、中間硬質層３　
ｂ　（Ｈｖ＝５００〜１０００）　、硬質窒化物層３　
ｃ　（Ｈｖ＝１５００〜３０００）と表面にいくにした
がって硬さも増すような傾斜構造のため、モールド用簡
易金型としての機械的強度が安定する。

また、ニッケル−リンめっきの表面を最終的に必要とさ
れる表面粗さの１／１０以下の表面仕上げとしたので、
硬質窒化物層を形成して表面粗さが低下しても、所望す
る粗さを満足する。

さらに、この発明の金型の製造方法の実施例によれば、
硬質膜の形成方法として成膜用ガスをプラズマ化して分
解し、これによりニッケル−リンめっきの施されたアル
ミニウムあるいはアルミニウム合金からなる金型の表面
に硬質窒化膜を形成するといういわゆるプラズマＣＶＤ
法を用いているので、３次元形状を存する金型の表面に
均一に硬質膜を形成することが可能となり、さらに、成
膜用ガスを高強度のパルス放電を利用してパルス的にガ
スをプラズマ化するので（パルスプラズマＣＶＤ）　、
金型表面の温度上昇も押えられ、低温プロセスが可能と
なった。

また、成膜用ガスの導入も応答性の高いバルブを用いる
ことにより、パルス放電と同期してパルス的に導入する
ことにしたので、３次元形状の金型の周りに付まわり性
良く膜の形成が可能で、しかもガスの導入されている（
バルブが開）時のみ高強度パルスでガスが分解されるの
で、分解効率が高く、２次反応による副産物の形成も押
えられ、形成された副産物も速やかに排出することが可
能で、プロセスの効率化が図れた。

〔発明の効果〕

以上のように、請求項１の発明によれば、アルミニウム
あるいはアルミニウム合金からなる簡易金型の表面に順
次金型母材、中間硬質層、硬質窒化膜の硬さを増す傾斜
構造としたので、モールド用簡易金型としての機械的強
度が安定し、耐摩耗性、信幀性、寿命のいずれも向上で
き、しかも硬質窒化膜層を形成することにより、中間硬
質膜の粗さが低下しても、最終的に必要とされる所望の
粗さを満足できる。

また、請求項２の発明によれば、成膜用ガスをプラズマ
化して分解し、これに中間硬質層の施されたアルミニウ
ムあるいはアルミニウム合金からなる硬質窒化膜を形成
するようにしたので、３次元形状を存する金型の表面に
均一に硬質窒化膜を簡単な工程で短時間に低温で製造で
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるモールド用簡易金型
の製造方法に通用するためのプラズマＣＶＤ装置の構成
説明図、第２図はこの発明の一実施例によるモールド用
簡易金型表面の構成を示す断面図、第３図は従来のアル
ミニウムまたはアルミニウム合金の窒化法に適用する装
置の構成を示す断面図である。 １・・・真空チャンバ、２・・・ヒータ兼冷却ユニット
、３・・・金型用基材、３Ａ・・・金型、３ａ・・・金
型母材、３ｂ・・・中間硬質層、３Ｃ・・・硬質窒化膜
、４・・・温度コントローラ、５・・・パルスプラズマ
発生用電源、６・・・マンチングボックス、７・・・電
極、８・・・ガス供給ノズル、９・・・応答性の高いバ
ルブ、１０・・・基板支持台、１１・・・バイアス電源
、Ｉ２・・・真空排気系。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。 代理人　　　　大　　岩　　増　　雄 第１　図 ３０：金型母材 ３ｂ：中間硬質層 ３ｃ：硬質窒化膜 第２図 第３図 手続補正書（自発） ２、発明の名称 上−ルド用簡易金型およびその製造方法３、補正をする
者 代表者　志　岐　守　哉 三菱電機株式会社内 氏名　（７３７５）弁理士大岩増雄 （連絡先０３（３２１３）３４２１特許部）５、　補正
により増加する請求項の数　　１７、　補正の内容 （１）　　明細書の特許請求の範囲を別紙のように補正
する。 （２）　　同第８頁第６行の「請求項２」を「請求項２
．３］と補正する。 （３）　　同第８頁第２０行の「製造方法は」の後に「
表面に中間硬質層形成後の金型母材を容器内に設置し、
該容器内に」を加入する。 （４）同第９頁第１行の［プラズマ化して分解し、Ｊを
「導入して高強度パルス放電により分解し、Ｊと補正す
る。 （５）　　同第９頁第３行の「導入したものである。］
の後に以下の文章を加入する。 「また、請求項３の発明に係るモールド用簡易金型の製
造方法は、上記した成膜用ガスの導入と高強度パルス放
電を同期させたものである。」 （６）　　同第９頁第１１行の「定価Ｊを「低下ｊと補
正する。 （７）　　同第９頁第１６行の「成膜用ガスを」の後に
「高強度パルス放電によりＪを加入する。 （８）　　同第１０頁第２行の「均一に硬質窒化膜を形
成する。」を下記のように補正する。 「均一にかつ低温で硬質窒化膜を形成する。 また、請求項３の発明におけるモールド用簡易金型の製
造方法においては、容器内への成膜用ガスの導入と高強
度パルス放電とが同期され、分解効率が高くなり、さら
に均一性の高い膜形成が可能となる。」 （９）　　同第１５頁第１４行の「ＩＩｒｍ〜数１ｍ母
数を「ｌ１１ｓ〜数１０ｕＳＪと補正する。 ００）　　同第１９頁第２行の「プラズマ化して分解し
、これに」を「高強度パルス放電によりブ金からなる」
を「アルミニウム合金に」と補正する。 ０の　同第１９頁第６〜７行の「効果がある。」の後に
下記の文章を加入する。 「また、請求項３の発明によれば、成膜用ガスを高強度
パルス放電により分解するとともに、成膜用ガスの導入
と高強度パルス放電を同期させるようにしたので、ガス
の分解効率を向上することができるとともに、均一性の
高い膜形成が可能となる。」 ８、　添付書類の目録 特許請求の範囲　　　　　　　１通 販　　上 特許請求の範囲 る中間硬質層と、この中間硬質層の表面に形成され、ニ
ッケル−リンめっきよりも硬さの大きい硬質窒化膜とか
らなること　　　と　るモールド用簡易金型。 （２）機械加工仕上げされたアルミニウムあるいはアル
ミニウム合金からなる金型母材の表面にニッケル−リン
めっきからなる中間硬質層形ｒｆＣ１ユノ　　ることを
特徴とするモールド 用簡易金型の製造方法。 の　１し。　　？

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）機械加工仕上げのされたアルミニウムあるいはア
   ルミニウム合金からなる金型母材の表面に、ニッケル−
   リンのめっきからなる中間硬質層と、この中間硬質層の
   表面に形成され、ニッケル−リンめっきよりも硬さの大
   きい硬質窒化膜とからなるモールド用簡易金型。
2. （２）機械加工仕上げされたアルミニウムあるいはアル
   ミニウム合金からなる金型母材の表面にニッケル−リン
   めっきからなる中間硬質層形成後に窒素を含んだガスの
   他に少なくとも１種類以上の成膜用ガスをプラズマ化し
   て分解して、上記中間硬質層の表面に硬質窒化膜を成膜
   することを特徴とするモールド用簡易金型の製造方法。