JPH0641620B2

JPH0641620B2 - 金型の製造方法

Info

Publication number: JPH0641620B2
Application number: JP1019434A
Authority: JP
Inventors: 耕平久保田; 勉佐藤; 隆二二宮; 恭敬古郡; 卓司吉田
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority date: 1989-01-31
Filing date: 1989-01-31
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2009-06-01
Also published as: JPH02200322A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、金型および該金型用素材ブロックに関し、詳
しくは一定組成の亜鉛基合金を機械加工してなり、高強
度で、かつ耐摩耗性に優れ、しかも加工性や寸法精度が
良好で、巣の発生の少ない射出成形用金型および該金型
に用いられる素材ブロックに関する。

［従来の技術］プラスチックの射出成形用金型の分野において、数十万
ショットを超える大規模量産用に鋼製ブロックを機械加
工して製作された金型が使用され、他方、量産前の少量
試作用として亜鉛基合金を砂型鋳造により製作された金
型が使用されている。

一方、近年の多品種少量生産の潮流の中で数万ショット
程度の寿命を持つ簡便な金型が要求されている。

このような要求に対して、鋼製金型は機械加工に長時間
を要するという欠点があるため、機動的なモデルチェン
ジに速やかに対応することができない。

また、アルミニウム合金を機械加工した金型が提案され
ているが、素材ブロックとしてのインゴットに巣が生じ
易いという欠点を有するため、これを圧延することが試
みられている。しかし、この場合には圧延するブロック
寸法に制約が出てくる。更に、加工ミスや設計変更に伴
なって必要とされる補修溶接が難しいとか、また圧延後
も板厚中心部に巣が残存するとか、金型の鏡面仕上が難
しいという課題を有する。

さらには、従来より少量試作用として用いられていた鋳
造用亜鉛基合金、一般的には4.1重量％Ａｌ−３重量％
Ｃｕ−0.05重量％Ｍｇ−Ｚｎ（商品名ＺＡＳ）は数千シ
ョットの寿命しかないため、上記要求は満たされない。

更に、特開昭63-65043号公報には、高強度、高耐摩耗性
を示唆する亜鉛基合金を用いた鋳造成形した金型が提案
されている。しかし、この亜鉛基合金を従来の鋳造金型
として用いた場合に、上記したＺＡＳ合金（商品名）と
異なり、その表面および表面近傍に巣が生成し易いとい
う課題がある。この他、このような鋳造金型は、収縮幅
を見込んでも、得られる金型の0.1〜0.2mm程度の寸法誤
差は避けられず、寸法精度に劣るため、嵌合が要求され
る射出成形用金型として使用できないことや、鋳造法の
特質から例えばきのこ状等の末広がりな形状の金型が得
られ、得られる形状に制約があるという課題も有する。

［発明が解決しようとする課題］本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてな
されたもので、高強度で、かつ耐摩耗性に優れ、しかも
加工性や寸法精度が良好で、巣の発生の少ない射出成形
用金型および該金型に用いられる素材ブロックを提供す
ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明の上記目的は、一定組成を有する亜鉛基合金ブロ
ックを機械加工することによって達成される。

すなわち本発明の金型は、アルミニウム12.1〜30重量
％、銅６〜20重量％、マグネシウム0.01〜0.20重量％、
必要に応じてチタン、ジルコニウム、ニッケル、コバル
ト、マンガン、リチウム、ケイ素、ランタン系列元素か
ら選ばれる少なくとも１種２重量％以下、不可避不純物
を除いて残部が亜鉛である亜鉛基合金からなり、機械加
工により得られるものである。

本願発明の金型に用いられる亜鉛基合金は、上記のよう
な組成を有することが必要で、アルミニウムの含有量が
30重量％を超えると亜鉛基合金が有している良好な溶接
性が失われると共にＴ相（Ｃｕ₃ＺｎＡｌ₃）を形成して
脆くなる。アルミニウムの含有量が12重量％未満では添
加できる銅の量に限界があり、より高強度のものが得ら
れない傾向にある。

また、銅の含有量が20重量％を超えると50μｍ以上の鋳
造欠陥が鋳造品内部に迄生成し易くなるため好ましくな
く、また６重量％未満では亜鉛基合金の凝固時に成分偏
析、すなわちアルミニウムが上に集まる傾向が生じて高
さ方向に機械的特性が変化し、さらには金型に所定の機
械的強度が付与できない。

マグネシウムは、Ａｎ−Ａｌ系合金の粒界腐食を防止す
るために必要であるが、その含有量が0.20重量％を超え
ると金型が脆くなり、0.01重量％未満では含有効果が小
さい。

チタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、マンガ
ン、リチウム、ケイ素、ランタン系列元素から選ばれる
少なくとも１種は、金型の機械的強度、例えば硬さを改
善するために任意に含有されるが、2.0重量％を超えて
含有してもそれ以上の含有効果はない。

本発明の金型は、上記亜鉛基合金からなる素材ブロック
を機械加工することによって得られるが、同一組成の亜
鉛基合金を鋳造して金型を得た場合には、本発明のよう
な良好な金型は得られない。すなわち、特開昭63-65043
号公報に記載されているように鋳造して金型を得た場合
には、上述のように金型の表面および表面近傍に巣が発
生し、射出成形品の品質劣化につながるのみならず、寸
法精度に劣り、嵌合が要求される射出成形用金型として
使用できず、しかも複雑な形状の金型が得られないので
ある。

本発明の金型の製造方法の好ましい一例は次の通りであ
る。

先ず、上記組成範囲となるように、所定量の各成分を黒
鉛るつぼ等の中に添加し、これを溶解して上部組成範囲
の亜鉛基合金を得る。

次に、この亜鉛基合金を450〜550℃で溶解し、所定寸法
に鋳型に鋳造し、本発明の素材ブロックを得る。ここに
用いられる鋳造方法は、アルミニウムの偏析を避けるた
めに、上部を加熱して底部を冷却するトップヒート法を
採用することが望ましい。また、鋳型材料としては、鋳
物砂を使用することができるが、好ましくは鋳鉄製材
料、更に好ましくはグラファイト等の炭素材料やセラミ
ック中に水冷管を配管して用いることができる。このよ
うにグラファイト等を用いる場合には、得られる金型の
機械的強度は、鋳物砂を用いた場合と比較して引張強さ
が２kgｆ／mm²、ブリネル硬さ（Ｈ_B）が５程度向上す
る。

このようにして得られた本発明の素材ブロック寸法、形
状は任意であるが、一辺100〜1000mmの直方体が一般的
である。

次に、この素材ブロックに放電加工等の機械加工を施
し、所望形状の本発明の金型が得られる。この際に、表
面から数ミリ以内が金型の成形面にならないように配慮
して機械加工を行なう。好ましくは表面の５mm程度を最
初に研削しておくとよい。

この金型の引張強さは32kgf／mm²以上、ブリネル硬さ
（Ｈ_B）は130以上である。金型に要求される寿命は、金
型形状、射出成形に用いられる熱可塑性樹脂の種類によ
って異なるが、ポリアセタール樹脂を使用し、精密ギヤ
形状の金型を例に挙げれば、15000〜20000ショットが要
求されるが、この要求は引張強さ32kgf／mm²以上、ブリ
ネル硬さ（Ｈ_B）は100以上、好ましくは105以上で達成
される。本発明の金型は、上記機械的強度の数値から、
この要求に充分に対応し得るものである。

また、射出成形した樹脂の表面性として許容されるため
の巣の限界は50μｍ以下のものが100cm²当り５個以内で
ある。本発明の素材ブロックも鋳造により得られるため
巣は発生するが、50μｍ以上のものは表面およびその近
傍に限られ、この素材ブロックを機械加工して金型とし
ての所定寸法に仕上げることによって、金型にはほとん
ど巣の発生は見られず、このためこの金型を用いた射出
成形品にもこれに起因した欠陥は発生しない。

［実施例］以下、実施例等に基づいて本発明を具体的に説明する。
なお、第１表中の数値は特記しない限り重量％基準であ
る。

実施例１〜20および比較例１〜５第１表に示す各成分の所定量を黒鉛るつぼに添加、溶解
して亜鉛基合金を得た。

次に、この亜鉛基合金を鋳鉄製の鋳型内に投入し、300m
m×300mm×300mmの素材ブロックを鋳造した。この鋳造
は、鋳型の上部をバーナーで加熱するトップヒート法を
用いた。

この素材ブロックの表面を５mm研削した後、フライス加
工、放電加工等によりギヤ状金型を得た。

この際の得られた金型の引張強さ、ブリネル硬さ、アル
ミニウムの偏析の有無、巣の状況の良否および溶接性能
の良否について評価し、試験結果を第１表に示した。ま
た、実施例３においては、機械加工性能として旋盤加工
性能および放電加工性能を評価し、結果を第２表に示し
た。

これら各評価の試験方法は次の通りである。

（試験条件） (1)引張強さ（kgf／mm²）：インストロン引張り試験機
により引張速度１cm／min、温度60℃で測定。

(2)ブリネル硬さ（Ｈ_B）：ブリネル硬さ試験機により荷
重1000kg、30秒保持、温度25℃で測定。

(3)偏析の有無：金型の上部と底部のアルミニウムの分
析を行ない、偏析のあるものを有、ないものを無とし
た。

(4)巣の状況：金型の表面から10mm内部迄研削して観察
し、100cm²当りに観察される50μｍ以上の微小巣が５個
以下のものを良好とし、６個以上のものを不良とした。

(5)溶接性能：金型と同一材からなる線材を用いてTIG溶
接によって金型表面に肉盛りし、溶接断面を観察した。
溶接部に割れやブローホールが発生したものを不良、発
生していないものを良好とした。

(6)旋盤加工性能：回転数、送り、切込みの総合評価と
した。

(7)放電加工性能：電圧60Ｖ、電流６Ａの条件で55mm×5
0mm×深さ20mmの穴を仕上面の面精度28μｍで加工する
のに必要な時間で計算した。

比較例６〜７実施例３で用いたのと同寸法の市販のアルミニウム合金
ブロック（ＪＩＳＡ 7075−Ｔ61材）および鉄鋼Ｓ45
Ｃブロックを用い、実施例３と同様に放電加工によりギ
ヤ状金型を得た。

この際の得られたそれぞれの金型の引張強さ、ブリネル
硬さおよび溶接性能の良否について実施例３と同様に評
価し、試験結果を第１表に示した。また、比較例６にお
いては金型の表面から中心部迄研削して観察し、巣の状
況の良否を判定して試験結果を第１表に示した。

さらに、得られたそれぞれの金型の旋盤加工性能および
放電加工性能を実施例３と同様に評価し、結果を第２表
に示した。

比較例８実施例３と同様の亜鉛基合金から鋳造によって、実施例
３と同様の寸法および形状のギヤ状金型を製造した。

得られた金型は、実施例３の所望の寸法に対して寸法誤
差が0.1mm程度生じてしまった。また、金型表面および
表面近傍には50μｍ以上の微小巣が６個以上発生し、そ
の評価は不良であった。

実施例21 実施例３で用いた亜鉛基合金の素材ブロックの表面を５
mm研削した後、放電加工等によりきのこ状金型を調製し
た。

得られた金型は、寸法精度に優れ、また金型表面および
表面近傍には50μｍ以上の微小巣が５個以下であり、そ
の評価は良好であった。

比較例９実施例３と同様の亜鉛基合金から鋳造によって、実施例
21と同様の寸法および形状のきのこ状金型の製造を試み
たが、形状が末広がりなため製造が困難であった。

第１表に示されるように、アルミニウム、銅およびマグ
ネシウムを一定量含有する亜鉛基合金からなる素材ブロ
ックを放電加工して得られる実施例１〜10の金型は、本
発明で規定する組成範囲を外れた亜鉛基合金からなる素
材ブロックを放電加工して得られた比較例１〜５の金型
に比較して引張強さや硬さが高い水準にあり、引張強さ
32kgf／mm²以上、ブリネル硬さ（Ｈ_B）は130以上であ
り、金型に要求される特性をいずれも超えていた。ま
た、アルミニウムの偏析が無く、巣の状況も良好であ
り、溶接性能も良好であった。さらには、第２表に示さ
れるように、旋盤加工性能や放電加工性能も極めて優れ
ていた。

実施例11〜20は、実施例３で用いられた亜鉛基合金中に
チタン等の成分を少量含有させたものであるが、第１表
に示されるように硬さ等の特性がさらに向上する。

比較例６は、アルミニウム合金ブロックを放電加工等し
て金型としたものであり、第１表に示されるように引張
強さや硬さは高水準にあるものの、特に内部に巣の残存
がみられ、巣の状況は不良であった。また、溶接部には
微細な割れが多数観察され、溶接性能は不良であった。
さらに、第２表に記載されるように、加工性は実施例３
に比べて劣ったものであった。

比較例７は、鉄鋼ブロックを放電加工等して金型とした
ものであり、第１表に示されるように引張強さや硬さは
高水準であるものの、第２表に記載されるように、加工
性は実施例３に比べて著しく劣り、放電加工性能では、
実施例３の12倍も長時間を要した。

比較例８は、実施例３と同一組成の亜鉛基合金をそのま
ま鋳造して金型としたものであるが、寸法精度が悪く、
また巣の発生がみられ、巣の状況も不良であった。

実施例21および比較例９は、末広がりな形状であるきの
こ状の金型の製造を試みたものであるが、実施例３と同
一組成の亜鉛基合金からなる素材ブロックを放電加工し
た実施例21では、寸法精度が良好で、しかも巣の状況も
良好であるきのこ状の金型が得られたが、実施例３と同
一組成の亜鉛基合金をそのまま鋳造した比較例９は、末
広がりな形状であるきのこ状の金型は得られなかった。

［発明の効果］以上説明したように、一定組成の亜鉛基合金を機械加工
してなる本発明によって、２万ショット以上の射出成形
に耐える強度および耐摩耗性を有し、しかも加工性や寸
法精度が良好で、巣の発生の少ない金型および該金型に
用いられる素材ブロックが得られる。

このことは、本発明の金型が従来の鋼製ブロックを機械
加工して得られる金型に対し、極めて高い加工性を示
し、機動的なモデルチェンジに対応できることとなる。

また、本発明の金型は、従来提案されているアルミニウ
ム合金ブロックを機械加工して得られる金型に対し、高
い機械加工性を示すのみならず、巣の残存も少なく、ま
た寸法上の制約がなく、かつ補修溶接性等に優れるとい
う利点を有する。

さらに、本発明の金型は、従来試作用として用いられて
いる低強度の亜鉛基合金を鋳造して製造した金型に対
し、高い強度や耐摩耗性を有し、また特開昭63-65043号
公報に記載されているような高強度の亜鉛基合金を鋳造
して製造した金型に対し、巣の生成が許容限度内であ
り、かつ寸法精度がよいため、嵌合可能な部材の製作が
でき、また末広がりな形状の金型が製造できるという利
点を有する。

従って、本発明の金型は、現在要求されている種々の形
状が必要とされる数万ショットの射出成形用金型として
好適である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者古郡恭敬埼玉県上尾市原市1333―２三井金属鉱業株式会社中央研究所内 (72)発明者吉田卓司埼玉県上尾市原市1333―２三井金属鉱業株式会社中央研究所内 (56)参考文献特開昭63−60250（ＪＰ，Ａ) 特開昭48−52626（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−65043（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−219542（ＪＰ，Ａ) 実開昭50−27718（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム12.1〜30重量％、銅６〜20重
量％、マグネシウム0.01〜0.20重量％、不可避不純物を
除いて残部が亜鉛である亜鉛基合金からなる金型用素材
ブロックを製造法により得る工程と、該金型用素材ブロ
ックの表面を５mm程度研削する工程と、該金型用素材ブ
ロックに機械加工を施して所望形状の金型を得る工程と
を包含することを特徴とする、金型の製造方法。
【請求項２】アルミニウム12.1〜30重量％、銅６〜20重
量％、マグネシウム0.01〜0.20重量％、チタン、ジルコ
ニウム、ニッケル、コバルト、マンガン、リチウム、ケ
イ素、ランタン系列元素から選ばれる少なくとも１種２
重量％以下、不可避不純物を除いて残部が亜鉛である亜
鉛基合金からなる金型用素材ブロックを鋳造法により得
る工程と、該金型用素材ブロックの表面を５mm程度研削
する工程と、該金型用素材ブロックに機械加工を施して
所望形状の金型を得る工程とを包含することを特徴とす
る、金型の製造方法。