JPH04263061A - モールド用簡易金型の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、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モールド用簡易金型に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、上記したこの種の金型材としては
、その目的に応じ、すなわち納期、加工精度等を考慮し
、Ｓ５５Ｃ、ＳＫＤ‐１１、ＳＵＳ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。

【０００３】一方、成形温度が２００℃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。

【０００４】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Ｈｖが２００程度）、耐
摩耗性に乏しいため、型の寿命が短く、またガラス入の
樹脂には不適等の問題から、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なわれ、表面処理の施された金型
の使用が検討されてきた。

【０００５】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（Ａｌ
２Ｏ３　：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。そのため、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、ピンホールが生じ易いという欠
点があった。

【０００６】この問題の解決策として、アルミニウム基
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２００Ｗ／
ｍ・Ｋ）、金型の表層材として適している。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℃では、酸化アルミニウム（Ａｌ
２Ｏ３）の還元法による製造が可能である。

【０００７】このような性質を利用して、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
，同５６−２５９６号，同５６−２５９６４号，同５６
−２５９６５号，同５６−２５９６６号，同５６−７７
３７４号の各公報に記載され、また熱処理；２４巻４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（ＮＨ３）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、溶融法では、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
型として歪みを生じてしまう。さらに、表層に形成され
る窒化物もアルミニウム窒化物（ＡｌＮ）とアルミニウ
ム（Ａｌ）の混合層であるため、硬さもＨｖで高々２５
０と低い。

【０００８】低温でＡｌＮ　を形成できる技術としては
、いわゆるＰＶＤ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。

【０００９】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，同６０−２１１０６１号，同６２−２
０２０７１号の各公報に報告されている。以下、その一
例を図面に基づいて説明する。

【００１０】図４はアルミニウムまたはアルミニウム合
金の窒化法を示す装置の断面図である。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を配置する。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および容器２１内の圧力を測
定する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２８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、水素ガスを導入管３１から導入して、
容器内部を一たん水素ガスで置換した後、再度排気する
。

【００１１】次に、水素ガスを流しながら同時に排気し
、容器内を数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
表面に活性化処理を施す。次に、窒化処理用ガスとして
数１００ｐｐｍ　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。以上の様
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℃〜５５０℃）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。

【００１２】

【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Ｈｖ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成形する場合等は、
このガラス材による金型表面への衝撃や摩耗の発生が懸
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Ｈｖで１５００よりも大きいものが要求さ
れていた。

【００１３】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたもので、アルミニウムまたはアルミニウ
ム合金の表面が、ニッケル‐リンめっきからなる中間硬
質層、およびさらにその上に硬さの大きい窒化物からな
る膜の形成されたモールド用金型を提供することにより
、金型の耐摩耗性の向上、長寿命化を実現するものであ
る。

【００１４】なお、本出願人は、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、低温でプラズマクリーニングを行ない、表面酸化層
及び汚染層を除去した後、プラズマを用いて窒化を行な
い、アルミニウム型材の表層をＡｌＮ　化することによ
り、母材としてのアルミニウムの硬さ、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ＡｌＮ　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出願を行なっているが、本発明はよ
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を提供するものである。また、本
発明はより簡便で、短時間で形成可能なモールド用簡易
金型の製造方法を提供するものである。

【００１５】さらに、本出願人は、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、ニッケル‐リンめっきからなる中間硬質層を形成
し、続いてパルスプラズマＣＶＤ法により硬質の窒化膜
を形成する方法出願を行なっているが、本発明はこの発
明の効果をさらに大きくするもので、表面をより硬質化
する方法を提供するものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この発明に係るモールド
用簡易金型は、アルミニウムまたはＺｎを主要添加元素
とし少量のＭｇを含んだＡｌ‐Ｚｎ‐Ｍｇ系合金あるい
は少量のＭｇとＣｕおよび少量のＣｒを含んだＡｌ‐Ｚ
ｎ‐Ｍｇ‐Ｃｕ系合金からなる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
間硬質層を設ける工程、さらに３５０〜４５０℃の温度
で熱処理する第１の熱処理工程、熱処理により発生した
歪みを補正し、さらに磨き仕上げをする工程、金型全体
を１００〜２００℃で２４時間以上の条件で熱処理する
第２の熱処理工程、金型表面にニッケル‐リンめっきよ
りも硬さの大きい窒化物からなる硬質膜を形成する工程
とよりなる。

【００１７】

【作用】この発明におけるモールド用簡易金型は、アル
ミ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（Ｈｖ〜２００）、中間硬質層（Ｈｖ＝５０
０〜１０００）、硬質窒化物層（Ｈｖ＝１５００〜３０
００）と表面に従って硬さも増すような傾斜構造のため
、金型としての機械的強度も安定する。さらに第１の熱
処理工程によりニッケル‐リンめっきからなる中間硬質
層はアモルファスから結晶化し、これに伴い硬さは約５
００Ｈｖから約１０００Ｈｖへと上昇する。この熱処理
によって発生した歪みおよび低下した反射率（表面粗化
）はこの第１の熱処理工程後に補正する。次に第２の熱
処理により焼き戻しを行ない、アルミニウムあるいはア
ルミニウム合金からなる型自身の硬さを回復させる。次
にこの第２の熱処理温度より低い温度でニッケル‐リン
めっきよりも硬さの大きい窒化物からなる硬質膜を形成
することにより、アルミニウムあるいはアルミニウム合
金からなる型自身の硬さ低下を生じさせることなく表面
を硬化することが可能となる。

【００１８】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１はこの発明の一実施例による金型の製造工程
図を示したものであり、図２はこの発明の一実施例によ
る金型の表面に硬質膜を形成する装置の一実施例を示し
たものであり、図３はこの発明の方法により製作した金
型の表面の構成を示したものである。

【００１９】図２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、４は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、７はパルスプラズマ発生用電源５より供
給されたエネルギーを、マッチングボックス６を介して
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、８は所望のプラズマ処理を、しかも均一に行なうた
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（チャンバ外のガス
導入系は図示せず）をチャンバ内に導入するガス供給ノ
ズル、１１は電極７により発生したプラズマ内で安定且
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極、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。

【００２０】図３において、３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は中間硬質層よ
りも硬さの高い硬質窒化膜である。

【００２１】次に、金型の製造方法について図１に基づ
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を機械加工し、この表面例えば
、耐摩耗性の要求されるゲート部、ランナ部、キャビテ
ィ部等またはこれら全面にニッケル‐リンめっきを施す
。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（真空蒸着でもよい）、あるいはＺｎ置換を行なう
。 また膜厚は後で研磨することを考慮して１０〜５０μｍ
程度が望ましい。金型の精度にもよるが、通常は２０μ
ｍ以上形成する場合は設計上考慮する必要がある。

【００２２】次にめっきの施された金型母材を３５０〜
４５０℃の温度で熱処理を行なう（第１の熱処理工程）
。雰囲気、時間の制約はないが、型全体の温度が均一に
なることを考慮すると少なくとも３０分以上で、３０分
〜５時間程度であることが望ましい。

【００２３】次に、第１の熱処理工程により発生した歪
みや表面の荒れを補正するために機械加工し、仕上げ加
工とする。

【００２４】次に、第１の熱処理によって母材が鈍され
るため焼き戻しを行なう。型全体を１００〜２００℃に
保ち、少なくとも２４時間以上の処理を行なう（第２の
熱処理工程）。

【００２５】第２の熱処理工程を経た金型母材を真空チ
ャンバ中の基板台上に設置し、排気系によりチャンバ内
を真空排気した後、ガス供給ノズルを介して反応ガスを
チャンバ内に均一に導入する。反応ガス導入前に例えば
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、ＲＦ電源か
らエネルギーを投入し、エネルギーを効率よくプラズマ
に変換できるようにマッチングボックスで調整する。電
極と対向電極（支持台）の間で放電させ、プラズマ雰囲
気を形成する。表層に充分な厚さ（数μｍ〜数１０μｍ
）の硬質窒化膜（例えばＴｉＮ　やＳｉ３Ｎ４　等）、
が形成された後、放電を停止する。

【００２６】硬質窒化膜として例えば、ＴｉＮ　を形成
する場合はＮ２（あるいはＮＨ３）、Ｈ２、Ｔｉｃｌ４
　を反応ガスとして用いればよい。この時の成膜条件の
一例としては、真空チャンバ内の圧力０．０１〜１Ｔｏ
ｒｒ、バイアス電圧０〜−１ｋｖ、Ｔｉｃｌ４　（含む
キャリアガス）１０〜１０００ｃｃ／ｍｉｎ　（Ｔｉｃ
ｌ４の温度に依存する），Ｎ２数１０ｃｃ／ｍｉｎ　，
Ｈ２、Ａｒ等バランスガス数１０〜数１００ｃｃ／ｍｉ
ｎ、ＲＦパワー０．５〜２ｋｗである。

【００２７】このようにして最表面に硬質の窒化膜形成
された金型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
り金型母材が鈍されてしまう。そのため、２００〜２５
０℃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；１μｓ
〜数１０ｍｓ、周波数；１〜数１０Ｈｚ、ピークパワー
；数１０ｋｗである。

【００２８】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
バに導入することによりチャンバ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。

【００２９】上記実施例では、めっき処理→第１の熱処
理→仕上げ加工→第２の熱処理→硬質窒化膜形成の手順
で金型を製造する例を示したが、第１の熱処理はめっき
処理の後に位置し、仕上げ加工は第１の熱処理の後に位
置し、第２の常処理は第１の熱処理の後に位置すれば実
施例の手順でなくてもよい。例えば、めっき処理→第１
の熱処理→硬質窒化膜形成→仕上げ加工→第２の熱処理
の手順や、めっき処理→第１の熱処理→第２の熱処理→
仕上げ加工→硬質窒化膜形成の手順でもよい。

【００３０】また、実施例では、ニッケル‐リンめっき
の上にＳｉ３Ｎ４　やＴｉＮ　に代表される硬質の窒化
膜を形成する例について示したが、硬質膜は酸素や炭素
を含んだような膜、例えば、ＳｉＯＮやＴｉＣＮのよう
な膜であってもよい。

【００３１】また、上記実施例に従って金型を作製した
場合、硬質膜形成時に表面が僅かに荒れる傾向にあるた
め、金型の複雑形状部等では粗さの大きな部分への樹脂
の食いつきにより離型性が悪いバリが発生する、さらに
、成形された部品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、第１の熱処理工程後の仕上げ加工時にニ
ッケル‐リンめっきの施された金型表面を、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ない
、その上に硬質膜を形成すればよい。

【００３２】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、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
面に順に、母材（Ｈｖ〜２００）、中間硬質層（Ｈｖ＝
５００〜１０００）、硬質窒化物層（Ｈｖ＝１５００〜
３０００）を施して表面に従って硬さも増すような傾斜
構造のため、金型としての機械的強度も安定する。さら
に第１の熱処理工程によりニッケル‐リンめっきからな
る中間硬質層はアモルファスから結晶化し、これに伴い
硬さは約５００Ｈｖから約１０００Ｈｖへと上昇する。 この熱処理によって発生した歪みおよび低下した反射率
（表面粗化）はこの第１の熱処理工程後に補正する。次
に第２の熱処理により焼き戻しを行ない、アルミニウム
あるいはアルミニウム合金からなる型自身の硬さを回復
することが可能となる。次にこの第２の熱処理温度より
低い温度でニッケル‐リンめっきよりも硬さの大きい窒
化物からなる硬質膜を形成することにより、アルミニウ
ムあるいはアルミニウム合金からなる型自身の硬さ低下
を生じさせることなく表面を硬化することが可能となる
。

【００３３】以上の効果からもわかるように、この発明
により、アルミニウムまたはアルミニウム合金を加工す
ることにより製造されるモールド用金型、簡易金型の表
面を簡便な方法で硬化処理し、耐摩耗性を向上させるこ
とができたので、信頼性の高い、寿命の長い金型の提供
が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例によるモールド用簡易金型
の製造工程図である。

【図２】この発明による金型の表面に硬質膜を形成する
プラズマＣＶＤ装置の構成図である。

【図３】この発明により製作された金型表面の構成図で
ある。

【図４】従来のアルミニウムまたはアルミニウム合金の
窒化法を示す装置の断面図である。

【符号の説明】

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　　金型母材 ３ｂ　　中間硬質層 ３ｃ　　硬質窒化膜 ４　　温度コントローラ ５　　ＲＦ電源 ６　　マッチングボックス ７　　電極 ８　　ガス供給ノズル １０　　基板支持台 １１　　バイアス電極 １２　　排気系

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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‐リンめっきからなる中間硬質層を設ける工程
   と、これを３５０〜４５０℃の温度で熱処理する第１の
   熱処理工程と、熱処理により発生した歪みを補正しさら
   に磨き仕上げする工程と、上記金型全体を１００〜２０
   ０℃で２４時間以上の条件で熱処理する第２の熱処理工
   程と、金型表面にニッケル‐リンめっきよりも硬い窒化
   物からなる硬質膜を第２の熱処理工程よりも低い温度で
   形成する工程とよりなることを特徴とするモールド用簡
   易金型の製造方法。