JPH06285608A

JPH06285608A - 水冷穴を有するダイカスト金型およびその製造方法

Info

Publication number: JPH06285608A
Application number: JP8185593A
Authority: JP
Inventors: Reikichi Ashiba; 令吉足羽; Mitsuhiro Ando; 光浩安藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1993-04-08
Filing date: 1993-04-08
Publication date: 1994-10-11

Abstract

(57)【要約】【目的】金型の型彫面の耐ヒートクラック性に優れ、
水冷穴付近の割れも生じないダイカスト金型とその製造
方法を提供する。【構成】型彫面近傍に水冷孔を有し、焼入後前記型彫
面が所定の硬さを維持する焼もどしと、型彫面以外が前
記型彫面よりも低い硬さとなる焼もどしを施されてなる
ことを特徴とする水冷穴を有するダイカスト金型であ
り、その製造方法は、金型に焼入れと焼もどしを施し、
金型の型彫面を大気冷却以上の冷却速度にさらし、金型
の型彫面以外の金型の一部を550℃以上の流動層浴中で
前記焼もどし後の硬さ以下に焼もどすことを特徴とする
ものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金型内部に水冷穴を有
し、かつ金型の部品によって硬さを調整したダイカスト
金型およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車産業をはじめ、各産業において
は、近年アルミニウム合金の適用が広がって来ている。
アルミニウム合金の加工法の中でダイカスト鋳造法は、
その良好な寸法精度、高生産性、ニアネットシェイプに
よる後加工の削減効果等により広く用いられて来ている
が、最近はアルミホイール、バルブロッカーカバー等の
鋳肌を外装面として用いられる製品への適用が増加して
いる。したがって、鋳造後の鋳肌を良好にするために、
ダイカスト金型のヒートクラック寿命の改善が重要課題
となってきている。また、自動車軽量化の一環として、
ダイカスト製品重量の管理限界を厳しくする動きも出て
きており、ヒートクラックの発生した型面の修正に基づ
くダイカスト製品の重量増加をも制限されようとしてお
り、この面からもヒートクラック抑制が重要となってき
ている。

【０００３】ヒートクラック抑制に対しては、型材自体
の高温強度の向上が効果的である。溶湯温度が700℃前
後までの一般アルミ用ダイカストの場合、型面の昇温は
600℃を大きく越えないので、耐ヒートクラック性を高
めるのに必要となるのは600℃前後までの高温強度であ
る。また、スクイズダイカストの場合、溶湯温度は高い
が、溶湯が金型の中心部に設けられた面積の大きいゲー
トから緩やかな速度で層流充填されるため、スクイズダ
イカストにおいては、型面の温度上昇はそれほど大きく
ない。しかし、鋳込時間が長いため、金型中心から外周
部にかけての金型内の温度差が大きくなり易く、熱応力
によるヒートクラックが早期に型の中心部や応力集中を
まねくコーナー部に発生し易い。したがって、スクイズ
ダイカスト型材のヒートクラック対策としては、600℃
前後までの強度向上への取組みが一般のダイカスト型材
にも増して重要なポイントとなる。

【０００４】600℃前後までの高温強度は初期硬さの影
響が大きい。したがって、ヒートクラックの抑制が重要
な型では初期硬さを高目に設定することが行なわれて来
ており、HRC50以上の高硬度に熱処理されるダイカスト
型が登場してきている。一方では、近年、鋳造サイクル
の短縮および鋳造品の結晶粒微細化を目的とするため
に、ダイカスト金型内部に水冷穴を加工し、金型全体を
冷却させながら、使用する必要が生じてきている。そし
て、上述したような近年のダイカスト金型に対する要求
に応じるため、特開平４−３６７３６０号公報には、金
型の鋳造面となる型彫側の高度を他の部位の硬度よりも
高め、該金型の鋳造面よりも硬度が低く靭性が高い部位
に冷却水通路を配置したダイカスト金型が開示されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、溶湯を
鋳造する一方で金型内部を水冷することにより、金型表
面から内部にかけて急激な温度勾配が発生し、特に金型
にHRC50以上の高硬度材を使用する場合においては、水
冷穴先端部に使用中の過大な熱応力が発生し、金型の型
彫面（以下、キャビティともいう)からのクラックは入
らないが、水冷穴付近が割れ易くなるため、金型寿命に
限界があった。これは、金型全体の硬さを高くしている
ために、破壊靭性が極度に低下するためである。

【０００６】金型内部の水冷穴付近からの割れを防止す
るために、金型の硬さをある程度下げることは効果があ
るが、これでは高硬度材を使用するメリットがなくな
り、金型表面のヒートクラックも発生し易くなって金型
は短寿命となる。本発明の目的は、水冷穴を有する特に
高硬度の熱間工具鋼製の金型の水冷穴付近の割れを防止
するためになされたもので、金型表面のヒートクラック
を抑制し、しかも水冷穴付近からの割れを防止したダイ
カスト金型およびその製造方法を提供することである。
ところで、前述した特開平４−３６７３６０号公報に
は、型彫側の硬度を他の部位よりも高める方法につい
て、（１）初めに金型全体の焼入れ焼もどしを行ない、
その後裏面１１ｃ側のみソルト炉浸漬を行ない、次に型
彫側を断熱材で覆い再焼もどしする方法がある、（２）
局部焼入れ方法として、金型全体を加熱した後、型彫面
側を油冷し、裏面側を保温材シールで覆う方法がある、
とのみ記載され、具体的な熱処理方法の開示はない。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、水冷穴を有
するダイカスト金型の製造方法について、金型の表面が
高硬度という特徴を活かしつつ、水冷穴周辺からの割れ
を防止する手段を検討した。その結果、金型表面が例え
ばHRC50〜52程度の高硬度になるような熱処理を施した
後、さらに水冷穴が加工される部分を含む領域を焼もど
し処理して、前記領域を金型の表面より硬さを下げる
(例えばHRC40〜45程度にする)と、金型表面ではヒート
クラックは生じにくく、金型内部は強度的に十分でしか
も水冷穴からの割れも生じにくくなることがわかった。
もちろん、金型表面の硬さをHRC50〜55程度の高硬度に
するためには、金型材質の選択も必要である。

【０００８】このような高硬度が得られる材料として
は、例えば重量%で、Ｃ 0.3〜0.6%、Ｓi 1.5%以下、Ｍn
0.1〜1.5%、Ｃr 4.0〜6.0%、1/2Ｗ＋Ｍo(ＷとＭoは１
種以上) 1.8〜5.0%、Ｖ 0.5〜2.0%からなる材料、ある
いはこれらの元素以外にＣo 0.1〜5.0%、Ｎi 0.1〜1.5%
を１種または２種添加したような材料が推奨される。さ
らに具体的に言えば、本発明者が開発した熱間工具鋼で
ある、Ｃ 0.37%、Ｓi 0.17%、Ｍn 0.6%、Ｎi 0.6%、Ｃr
5.2%、Ｍo 2.2%、Ｖ 0.85%、Ｃo 0.8%の鋼、またはＣ
0.52%、Ｓi 0.1%、Ｍn 0.4%、Ｃr 4.2%、Ｗ 1.6%、Ｍo
2.0%、Ｖ 1.15%、Ｃo 0.8%の鋼などが適するものであ
る。後者の鋼を用いれば、十分な靭性を確保しながらHR
C55程度の硬さの金型にすることもできる。しかし、本
発明は高硬度材のみに適用されるのではなく、従来から
汎用的に用いられているJIS-SKD61クラスの熱間ダイス
鋼にも広く適用できるものである。

【０００９】すなわち、本発明の第１の発明は、型彫面
近傍に水冷孔を有し、焼入後前記型彫面が所定の硬さを
維持する焼もどしと、型彫面以外が前記型彫面よりも低
い硬さとなる焼もどしを施されてなることを特徴とする
水冷穴を有するダイカスト金型である。このような本発
明のダイカスト金型を得る製造方法としては２通りあ
る。１つは、金型に水冷穴を形成後、当該金型に焼入れ
と焼もどしを施し、金型の型彫面を大気冷却以上の冷却
速度にさらし、金型の型彫面以外の金型の一部を550℃
以上の流動層浴中で前記焼もどし後の硬さ以下に焼もど
すことを特徴とする水冷穴を有するダイカスト金型の製
造方法であり、他の１つは金型に焼入れと焼もどしを施
し、金型の型彫面を大気冷却以上の冷却速度にさらし、
金型の型彫面以外の金型の一部を550℃以上の流動層浴
中で前記焼もどし後の硬さ以下に焼もどしたダイカスト
金型に水冷穴を形成することを特徴とするダイカスト金
型の製造方法で、それぞれは本発明の製造方法を規定す
る第二、第三の発明である。

【００１０】本発明は、ダイカスト金型の型彫面を加工
し、焼入れ焼もどしを施した後、水冷穴が加工されてい
るか、または加工される部位を、型彫面側よりも低硬度
に再度焼もどす手段として、流動層炉を使用する点に大
きな特徴がある。そこで下記に流動層炉の利点を説明す
る。流動層炉の構造は、加熱室内にポットを配置してそ
の中にアルミナを充填し、このアルミナ粒子をポットの
底面部に取り付けたガス分散板を通してガスを流入して
熱媒体であるこのアルミナ粒子を流動させる。このアル
ミナ粒子はソルトと同じように流動化して金型表面での
熱伝導係数が比較的大きくなるので、ソルトと同じく、
熱処理加熱時間の大幅な短縮が計られる。

【００１１】ソルト炉は、環境上問題があり、特に炉
周辺部の底面へのソルト飛散による場内汚染、被処理
材および治具の洗浄が必要であり、その廃液の処理の問
題、処理材表面のソルトのくわれによる肌荒れ、等の
問題点がある。これに替わり、最近流動層炉の技術開発
が進み、流動層炉は、均一な温度分布を示し、高温加熱が可能であること、循環ガスとして、Ｎ₂雰囲気ガスを流入するので、ソ
ルトのような肌荒れ現象もなく処理材の表面肌光沢性を
維持できること、ソルトの如く洗浄の必要もないので排水処理の必要も
なく、環境上も優れている。等の、特徴がある。

【００１２】本発明は、水冷穴を有するＳＫＤ６１やＳ
ＫＤ６１の改良材である前述の組成のような高硬度が得
られる熱間工具鋼からなるダイカスト金型の使用寿命向
上のため、溶湯と接するキャビティ面をHRC50〜55程度
の高硬度にする一方、水冷穴を有する領域をHRC40〜45
程度の低硬度にするため、水冷穴を有する金型全体を通
常の焼入れ、焼もどしにより高硬度とした後、熱伝達係
数の高い流動層浴に浸漬し、低硬度が必要な領域のみ再
度焼もどしすることにより、水冷穴を有する領域を金型
表面（型彫側）よりは相対的に軟化させることを骨子と
している。したがって、このような熱処理で得られた金
型は、型彫面の硬さ(約HRC50〜55程度)より、金型中心
部の硬さ(約HRC40〜45程度)の方が低いことを特徴とし
ている。

【００１３】

【作用】上記のような熱間工具鋼製のダイカスト金型
は、用途に応じ様々な形状のキャビティ面を有する。図
６は水冷穴を有する金型１の断面模式図を示す上面図と
側面図である。一般に水冷穴２はキャビティ底面３から
30〜60mm程度の距離に鋳型外周部に沿って加工され、冷
却水は矢印の方向に流れる。鋳造された製品のセンター
ラインから半分が製品４として示されている。実際の鋳
造中は、図７に示すごとく、水冷穴を境界として、例え
ば断面Ａ−Ｂでは図７の右図に示すような急激な温度勾
配を生ずるため過大な熱応力が発生し、水冷穴周辺に割
れが発生することがある。このような割れの典型的な例
を図８の上面図に割れ５として、その割れ破面の状況を
破面６として図８に示す。

【００１４】このような割れが発生する要因は、キャビ
ティ部の耐ヒートクラック性を向上させるために金型全
体の硬さを高くしていること、それに伴って破壊靭性値
が低下してしまうので、特に過大な熱応力が発生し易い
水冷穴付近で割れが発生し易くなるためと思われる。し
たがって、このような水冷端の割れを防止するために
は、表面硬さを維持しつつ、水冷穴が存在する領域付近
を軟化させて破壊靭性を十分上げる必要がある。したが
って、本発明は通常の焼入れ、焼もどしにより、キャビ
ティ部を高硬度とした後、キャビティ部以外の金型の一
部を前記焼もどし温度より高い温度の流動層浴に浸漬
し、少なくとも水冷穴を有する領域を軟化することによ
り、金型表面は硬さが高く、水冷穴の部分は、硬さが低
い理想的なダイカスト金型が得られるのである。

【００１５】流動層炉は、前述したようにソルトに比
べ、金型表面が損傷しないので、その点も配慮が不要で
あり、さらに水冷穴にソルトが浸入しないように対策を
とるという煩雑な作業も不要であるという利点がある。
その上に流動層炉は、ソルトに比べて熱伝導率がやや小
さいという特徴もあって、この点が部分焼もどしを実施
する時に有利に働くのである。すなわち、金型の一部を
加熱して焼もどしを施すと、熱的な不釣合が生じるの
は、避けられず、ソルトを使用して一部分を急速加熱す
ると、上記の不釣合が大きくなる傾向にあり、金型の歪
発生につながりやすい。流動層炉は、加熱速度がソルト
に比べて緩やかであるので、この点が部分焼もどし時に
有利に働いて金型の歪発生の懸念は全く不要となるので
ある。

【００１６】流動層浴中で型彫面以外の金型底部に焼も
どしを行なうに際しては、型彫面を大気冷却以上の冷却
速度に保っておく必要がある。これは、流動層浴中の焼
もどし処理の間に、金型内を熱が伝達して金型表面部ま
でも軟化させてしまわないためである。この手段として
は、通常は金型の型彫面（キャビティ部）を大気中にさ
らしたまま、流動層浴に浸漬する深さを調整するだけで
その目的は達せられる。しかし、水冷穴がキャビティ底
部に極めて近い所にまで加工されている場合などは、流
動層浴中の浸漬深さが増大するので、キャビティ上面か
ら空気や窒素ガスまたはアルゴンガスなどで冷却してや
ると、この処理はより確実なものになる。

【００１７】流動層浴は一般的にアルミナの粉末を媒体
とする流動層炉を使用して行なうもので温度制御が容易
にできる。本発明の場合は、ダイカスト金型の通常の焼
もどし温度が550℃以下であるので、少なくともこの温
度以で再焼もどしをしないと水冷穴部の硬さ低下の効果
が得られにくいので、流動層浴の条件を550℃以上とす
る。金型内部に形成する水冷穴の加工は、熱処理の前後
のいずれの時期に行なってもよい。水冷穴を焼なまし状
態で加工する方法は加工は容易であるが、複雑な形状の
水冷穴とする場合には、熱処理時の割れに注意する必要
がある。水冷穴を流動層浴中の焼もどし後に加工する方
法は、熱処理時の割れの心配はないが、加工部分の硬さ
がHRC40程度であるので、材質によっては時間がかかる
加工となる。したがって、通常のダイカスト金型を製作
する場合は、熱処理前に穴加工を済ませておく方がよ
い。

【００１８】600℃の流動層浴による材料の熱影響部は
実験の結果、約40〜50mm程度であった。すなわち、金型
を流動層浴に浸漬した境界から、非浸漬部に向かって約
40〜50mmの範囲は、浸漬しないにもかかわらず、拡散し
た熱で硬さが低下してしまう。したがって、実際に流動
層浴に浸漬する深さはキャビティ底部の深さと水冷穴の
位置を考慮して決定することが必要である。

【００１９】

【実施例】以下に本発明の実施例を詳しく説明する。（実施例１）表１に示す合金組成を有するSKD61および
鋼Ａについて図２に示すような水冷穴を有する金型を焼
なまし後に加工した。ＳＫＤ６１および鋼Ａの焼もどし
特性は、図３に示す通りであり、鋼ＡはＳＫＤ６１より
高硬度で破壊靭性が高い。ダイカスト金型として必要な
キャビティを加工後、焼入れ(1020℃)、焼もどし(560℃
×2回)により、全体の硬さをHRC51狙いとした後、図１
に示すようにキャビティ底面から70mmのところまで600
℃の流動層浴８に1.5hr浸漬させた。浸漬中、キャビテ
ィ部の温度上昇を防ぐため、Ｎ₂を吹き付け、さらに表
面温度および水冷穴の温度をそれぞれ放射温度計と熱電
対７により測定し、表面温度が焼もどし温度(560℃)よ
り30℃以下であることを確認した。

【００２０】図４は、部分焼もどし後の図２に示す断面
Ｃ−Ｄの位置の硬さ分布を示す図である。図からわかる
ように、キャビティ表面部の硬さは両鋼種ともHRC51〜5
0.5の高硬度を保ち、水冷穴付近をHRC42〜40まで軟化さ
せることが可能になった。表２に実際の金型の寿命テス
トを行なった結果を比較例の結果と共に示す。比較例は
金型全体の硬さは一定で、硬さレベルを変化させるのみ
で、本発明のような流動層浴による部分焼もどしを行な
わないものである。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】いずれの鋼を用いた場合も、金型の硬さが
HRC44程度では、水冷穴周辺の割れはないものの、SKD61
では約7,900〜8,100ショット、鋼Ａでは10,100〜12,000
ショットでヒートクラックの発生により、型彫面の修正
が必要になっている。これらの鋼をHRC51前後の硬さに
上げると、いずれの鋼もヒートクラックが発生するまで
に金型内部の水冷穴付近に割れを生じ、5,000ショット
付近で金型を取り替える必要が生じた。本発明を適用し
た金型は水冷穴からの割れを生じることなく、金型表面
のヒートクラック発生までのサイクル数を約２倍に伸ば
すことができ、型彫面の修正などの手入れ回数を大幅に
減らすことができた。すなわち、本発明のダイカスト金
型を用いれば、本発明を適用しない従来の金型と比較し
てヒートクラックの発生も少なく、水冷穴付近の割れも
ないという相乗効果が得られるのである。

【００２４】（実施例２）次に、実施例１と同じ形状の
金型について、流動層浴中の焼もどしの温度と時間を変
えた例を示す。浸漬位置、温度管理方法および型彫面の
冷却方法は実施例１と同一である。図５に流動層浴中の
焼もどしを700℃×20分とした場合の断面Ｃ−Ｄの硬さ
分布を示す。図からわかるように部分焼もどし温度を高
めても、加熱時間を短縮することにより、表面硬さを落
さず熱処理することが可能である。（実施例３）次に、上記流動層浴中の焼もどし後に水冷
穴加工を行なった結果を示す。この焼もどしは、実施例
１と同じ600℃×1hrである。表３に本発明の実施例３に
よる寿命テストを行なった結果を示す。表３より、実施
例１と同様に熱処理後の部分的な再焼もどしにより、水
冷穴付近の大割れが解消し、型寿命が最大２倍程度に向
上した。したがって、穴加工は焼もどし後に行なっても
特に問題はなかった。

【００２５】

【表３】

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、キャビティ部の十分な
硬さによる耐ヒートクラック性を有するので、型彫面の
修正までの寿命を従来の型の２倍程度に延長でき、金型
の手入回数も減らすことができると共に、従来より問題
となっていた水冷穴部付近の割れを防止することが可能
となるという相乗以上の効果が得られる。また、本発明
によれば、高硬度の材料を使用しても靭性不足による割
れの対策を局部的に行なえるので、将来出現するであろ
う、より高硬度の金型材質にも適用し得る点でその汎用
性が高い発明である。さらに本発明は、部分焼もどしを
施すに際し、加熱速度が比較的緩やかな流動層を使用す
るので、部分的に加熱しても熱歪みが少なく、金型に歪
を発生させないで、部分焼もどしを施すことができる
し、金型を全体的に表面の損傷を生じないので熱処理後
の後処理も低減することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る水冷穴を有するダイカスト金型の
流動層浴中での焼もどし方法を示す図である。

【図２】本発明の実施例に使用したダイカスト金型の断
面形状を示す図である。

【図３】SKD61および鋼Ａの焼もどし特性を示す図であ
る。

【図４】本発明の実施例１による金型の硬さ分布を示す
図である。

【図５】本発明の実施例２による金型の硬さ分布を示す
図である。

【図６】一般的な水冷穴を有するダイカスト金型を示す
上面図と側面図である。

【図７】水冷穴を有するダイカスト金型の使用中の温度
分布を模式的に示す図である。

【図８】水冷穴を有するダイカスト金型の割れと破面の
形態を示す図である。

【符号の説明】１金型、２水冷穴、３キャビティ底面、４製
品、５割れ、６破面、７熱電対、８流動層浴、
９ポット、１０ヒーター、１１耐火材、１２ガ
ス分散板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】型彫面近傍に水冷孔を有し、焼入後前記
型彫面が所定の硬さを維持する焼もどしと、型彫面以外
が前記型彫面よりも低い硬さとなる焼もどしを施されて
なることを特徴とする水冷穴を有するダイカスト金型。
【請求項２】金型に水冷穴を形成後、当該金型に焼入
れと焼もどしを施し、金型の型彫面を大気冷却以上の冷
却速度にさらし、金型の型彫面以外の金型の一部を550
℃以上の流動層浴中で、前記焼もどし後の硬さ以下の硬
さに焼もどすことを特徴とする水冷穴を有するダイカス
ト金型の製造方法。
【請求項３】金型に焼入れと焼もどしを施し、金型の
型彫面を大気冷却以上の冷却速度にさらし、金型の型彫
面以外の金型の一部を550℃以上の流動層浴中で前記焼
もどし後の硬さ以下の硬さに焼もどした後、前記型彫面
以外の一部に水冷穴を形成することを特徴とするダイカ
スト金型の製造方法。