JPH08117966A - 成形用金型の製造方法及び成形用金型鋳造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 アルミニウム７〜２７重量％、銅１５重量％
以下及びマグネシウム０.００５〜０.２重量％を含有す
る亜鉛基合金溶湯を下型に充填した後、その上に、下面
に金型の製品成形面形状を有する上型を被せ、押湯条件
下で該溶湯を凝固させて金型の形状を形成する、成形用
金型の製造方法及び亜鉛基合金溶湯を収容できるキャビ
ティー、オーバーフロー流路及びオーバーフローキャビ
ティーを有する下型と、下面に金型の製品成形面形状を
有しかつ昇降可能な上型と、該亜鉛基合金溶湯を収容で
きるキャビティーの下方部分に連結していて内部に温度
調節機構を有する溶湯補給管とから構成されている成形
用金型鋳造装置。 【効果】 得られる金型は成形用型として使用する際に
最も重要な製品形成面自体の機械的強度が高く、さらに
表面に引け等の欠陥の無い品質的に優れたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は成形用金型の製法方法及
び成形用金型鋳造装置に関する。より詳しくは、金型と
して使用する製品形成面に鋳造欠陥が無く且つ高強度の
高アルミニウム亜鉛基合金製の成形用金型の製造方法及
び成形用金型鋳造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、プラスチック成形用金型及び板金
プレス成形用金型は、ＺＡＳ（三井金属鉱業株式会社の
商標）に代表される亜鉛基合金を鋳型に流し込んで製作
されている。この方法によれば、鋼材やアルミニウム合
金のブロック材を使用する場合に較べて、切削加工や放
電加工等の加工量を低減でき、納期も短縮できる等の長
所がある。しかし反面、鋼材に比べて強度が低いこと、
表面に鋳造欠陥が出現して成形品の品質を損なうこと等
の短所があり、用途は主として試作品製造用金型であ
り、量産製造用金型としては適用部品が限られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】過去には、ＺＡＳを各
種の高強度亜鉛基合金に置き換えて金型の機械的強度を
改良する試みがされているが、殆どの高強度合金はアル
ミニウム含有量を高めた組成を有し、アルミニウムを７
重量％以上含有するとＺＡＳに比べて鋳造欠陥の抑制が
困難である。即ち、表面品質が悪化するため、金型用と
しては使用できない。このため、実際の金型として完成
した例は皆無に等しい。また、何度かの失敗を重ねた末
に鋳造欠陥の抑制された金型が得られたとしても、表面
付近の高強度亜鉛基合金中のアルミニウムが裏面に逃げ
ているために合金が本来有する強度を得ることは困難で
ある。

【０００４】アルミニウムを７重量％以上含有する高強
度亜鉛基合金を従来の方法で鋳造すると、ほとんど例外
無しに裏引けと呼ばれる鋳造欠陥が発生する。その原因
はこれら高アルミニウム含有亜鉛基合金では凝固時に晶
出する固相の比重が溶湯の比重よりも軽いため、晶出し
た固相が溶湯内を浮上する特性があるからである。つま
り、注湯後、時間の経過とともに、鋳型が熱的に飽和し
て凝固層の成長速度が遅くなるが、１０００ｋｇ以上の
金型では残存する溶湯の温度が未だ高く、晶出した固相
は鋳型の底部から遊離して、鋳型中の溶湯の表面側に浮
上する。このため、以後は溶湯表面付近から底部の鋳型
面付近へ向けて凝固が延長する。この際、底部に位置す
る側は最後に凝固するが溶湯補給は上部裏面から行うた
め、底部は裏引け欠陥の発生に至る。

【０００５】この対策として押し湯が製品部より先に凝
固しない様にバーナー等でトップヒートを続ける等の方
法が取られるが、こうした場合には、入熱のため、凝固
時間が更に長引き、結果的に強度の高い鋳造品を得るこ
とはできない。従来からの鋳造法ではアルミニウムが型
裏面側、即ち上方に濃化して、凝固がそこから始まり、
金型で重要な製品形成面側に裏引け欠陥を生じるという
問題点があり、実用化された例は少ない。これは高アル
ミニウム高強度亜鉛基合金の初晶が浮上するという凝固
特性に逆らう形での試行錯誤を繰り返してきたことによ
るものであり、それらはいうまでもなく理論的に不安定
な製法である。

【０００６】本発明者等は亜鉛基合金の凝固特性に逆ら
わない形での新しい加工方法について、いうなれば合金
自体のもつ特性をそのまま生かして、不安定要因を減少
させ、再現性にすぐれた製造法について鋭意研究した。
本発明は上記のような課題に鑑みてなされたものであ
り、亜鉛基合金製の金型強度の向上と鋳造欠陥の抑制を
図るための鋳造方法、そのような鋳造方法に用いるのに
適した合金及びそのような鋳造方法に用いるのに適した
成形用金型鋳造装置を提供し、プラスチック成形用金型
及び板金プレス成形用金型を安価に製造することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の目
的を達成するため、高アルミニウム含有亜鉛基合金の上
記した凝固特性に着目し、その凝固特性を最大限に利用
する鋳造方法、即ち、凝固相が浮上しやすい組成の亜鉛
基合金の溶湯を下型に充填した後、下面に金型の製品成
形面を有する上型を上から被せ、従来とは逆に上から下
に向けて溶湯を凝固させることによる成形用金型の製造
方法、そのような鋳造方法に用いるのに適した合金及び
そのような鋳造方法に用いるのに適した成形用金型鋳造
装置を見出し、本発明を完成した。

【０００８】即ち、本発明の成形用金型の製造方法は、
アルミニウム７〜２７重量％、銅１５重量％以下及びマ
グネシウム０.００５〜０.２重量％を含有する亜鉛基合
金溶湯を下型に充填した後、その上に、下面に金型の製
品成形面形状を有する上型を被せ、押湯条件下で該溶湯
を凝固させて金型の形状を形成することを特徴とする。

【０００９】また、本発明の成形用金型鋳造装置は、亜
鉛基合金溶湯を収容できるキャビティー、オーバーフロ
ー流路及びオーバーフローキャビティーを有する下型
と、下面に金型の製品成形面形状を有しかつ昇降可能な
上型と、該亜鉛基合金溶湯を収容できるキャビティーの
下方部分に連結していて内部に温度調節機構を有する溶
湯補給管とから構成されている。

【００１０】本発明で用いる亜鉛基合金において、アル
ミニウムは合金の強度、硬さを増加させるとともに溶湯
の流動性を改善する。アルミニウム含有量の増加ととも
にそれらの特性が向上する。しかしながら、アルミニウ
ム含有量が多くなりすぎると合金の融点が高くなり、鋳
造可能温度も高くなるので、本発明においてはアルミニ
ウム含有量の上限を２７重量％とする。また、凝固相が
浮上しやすい組成とするためにアルミニウム含有量を７
重量％以上とする。即ち、本発明で用いる亜鉛基合金に
おいては、アルミニウム含有量を７〜２７重量％とす
る。

【００１１】本発明で用いる亜鉛基合金において、銅を
アルミニウム含有量に応じた適度の割合で含有させると
アルミニウムと共晶を形成して凝固相の晶出温度を低下
させるとともに、一部がアルミニウム及び亜鉛に固溶し
て機械的強度を向上させる。また、銅は時効軟化を抑制
すると同時に一般的に合金の強度、硬さの向上にも有効
である。銅含有量の増加とともにそれらの特性が向上す
る。一般的には、銅含有量が多くなりすぎると合金の融
点が高くなり、銅含有量が２０重量％を越えると鋳造可
能温度も５００℃を越える。しかしながら、本発明で用
いる亜鉛基合金においては、凝固相が浮上しやすい組成
とするために銅含有量を１５重量％以下にする。

【００１２】なお、アルミニウムと銅の共晶組成付近で
は凝固温度範囲が狭く、凝固開始温度も低いので、引け
欠陥は抑制しやすい。本発明で用いる亜鉛基合金におい
て、マグネシウム成分はＺn −Ａl 系合金に生じやすい
粒間腐食を防止する作用を有する。この効果を達成する
ためには０.００５重量％以上添加する必要がある。し
かし、０．２重量％を超えると衝撃値が極端に低下す
る。従って、本発明で用いる亜鉛基合金においてはＭg
添加量は０.００５〜０.２重量％、好ましくは０.０２
〜０.１重量％である。

【００１３】本発明で用いる亜鉛基合金においては、所
望によりチタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、
マンガン、リチウム、ケイ素及びランタノイドからなる
群から選ばれた１種以上の元素を１重量％以下の量で添
加することができ、いずれも機械的強度を改善する効果
を有する。しかしそれらの添加量が１重量％を超えると
衝撃値が低下するので、それらの元素からなる群から選
ばれた少なくとも１種の元素の添加量は、用いる場合に
は、１重量％以下に制限される。

【００１４】本発明で用いる亜鉛基合金においては、溶
湯から晶出する凝固相の比重は溶湯よりも低い。このた
め金型として重要な製品形成面である上型の表面に向か
って凝固相が浮上濃化する機構によって上型表面から下
方の下型へ向かっての凝固を促進する。本発明で用いる
下型のキャビティー周壁面は金型の裏面及び側面の形状
を有するが、キャビティー周壁面は上型の金型の製品形
成面に比べて冷却能の低い材質で構成することが好まし
い。また、これらの材質が気泡を発生し易い材質である
と、凝固完了前に気泡が発生して浮上し、金型の内部や
表面の欠陥となる傾向があるので気泡が発生しにくい材
質を用いることが好ましい。両者の観点から、例えば繊
維質成形体の断熱板を使用することが好ましい。

【００１５】本発明で用いる上型は、その下面に金型の
製品形成面形状及び金型が割り型の場合には製品形成面
の周辺の金型の分割面形状を有するが、その下面はでき
るだけ冷却能の高い材質で構成することが好ましい。熱
伝導率と熱容量に優れたジルコン砂や金属粉をバインダ
ーで固めたものを用いることにより冷却時間が短縮で
き、且つ強度向上と鋳造欠陥抑制に効果がある。更に、
製品形成面にできるだけ近い上型の内部に冷却用の通水
できる金属管を高い密度で配置することにより更に冷却
時間を短縮できる。

【００１６】また、上型と下型の相対位置決め用に合わ
せピンやインロー構造のガイドを設けることで、所定の
相対位置でシール面同士を正確に合わせることができ
る。また、シール面に鋳型用の水溶性接着剤を十分塗布
することにより溶湯の漏れを防止できる。上型を下型に
被せて押し込むと、その合わせ面から下向きに突起した
形状部分の容積分は溶湯面を上昇させるが、溶湯の一部
が下型の合わせ面に設けたオーバーフロー流路を通して
オーバーフローキャビティーに逃げるように、初めの充
填溶湯量を設定する。溶湯量が不足して湯境い欠陥とな
ることがないように合わせ面の高さまで上昇させる。

【００１７】また、金型として重要な製品形成面に対し
ては十分な押し湯効果を持たせる目的で、上型の下面に
ある金型の製品形成面に相当する面から５０ｃｍ以上の
高さを有する十分な太さの溶湯補給管を設けることが引
け防止に効果的である。その溶湯補給管にはセラミック
繊維断熱材の管状成形品を用いることができ、更に内部
には電気式管状ヒーターやガス式投げ込みヒーターを設
置することで押し湯補給が効果的に行われ、微細収縮孔
による欠陥を抑制できる。更に、温度センサーと温度調
節器を用いて押し湯温度を適正に維持したほうが好まし
い。

【００１８】押し湯効果をもたせる別の方法として、電
磁誘導式ポンプを用いて溶湯を押し上げる形で下型の底
部から押し湯を補給することも可能である。この場合、
電磁誘導式ポンプの圧力をさげることで金型としての形
状のみを残して押し湯管内の溶湯は炉へ戻すことが可能
である。下型に充填した溶湯上の湯垢やドロスは上型を
被せて押し込む直前に木製の板等を用いて取り除き、清
浄化された溶湯面に対し、合わせ面同士で溶湯をシール
する。以後は、下型の溶湯を収容しているキャビティー
の下方部分、例えば側面あるいは底面に連結した溶湯補
給管から凝固による引け分の溶湯を供給することができ
る。

【００１９】凝固した金型を上下型から取り出すタイミ
ングは、下型の底部の溶湯補給管の接続された部分に設
置した温度センサーで凝固温度以下に達したことを確認
することで行うことができる。また、溶湯補給管の溶湯
面降下率が下がることでも見極めることができる。凝固
した後はできるだけ速やかに上下型から取り出して室温
まで冷却するが、この際に、送風機により強制空冷する
か、水スプレーを全体にできるだけ均一に噴射して表面
硬さを上げることができる。

【００２０】本発明の成形用金型鋳造装置においては、
上型を下型に被せる前の段階では、下型は溶湯を鎮静し
ておく保温容器として機能し、被せ中は周辺のオーバー
フローキャビティーは余分な溶湯の逃げ場として機能す
る。下型に溶湯を一旦溜めて鎮静することで、それまで
の溶湯の取り扱い操作中に巻き込まれた耐火物、溶湯酸
化ドロス、空気等が全て浮上し、分離が可能となる。ま
た、下型は被せ後は金型の側面と裏面の形状を有する鋳
型の一部として機能する。

【００２１】上型は被せ後は溶湯の熱を吸収して凝固さ
せ、同時に浮上してくる凝固相の捕捉面として機能し、
金型の製品形成面の形状を形成する。上型に埋設される
金属製配管に冷却水を通水することにより上型の蓄熱を
防ぎ、凝固相の再溶融を防止して、製品形成面から裏面
に向かっての指向性凝固を確保する。押し湯補給管は最
終凝固部付近に繋がっており、溶湯の凝固の進展に伴っ
て発生する体積収縮分の溶湯を補い、従来法におけるよ
うな裏引け欠陥を防止することができる。また金型表面
の結晶間隙に押し湯を十分に補給することで微細引け欠
陥の発生を防止することができる。

【００２２】ガイド機構を用いることにより上型と下型
の相対位置の決定が容易になる。以上に述べた方法で金
型を製造することにより、金型の製品成形面側でアルミ
ニウム濃度が高く、高強度であり、表面欠陥の抑制され
ている金型を製造することができる。

【００２３】

【実施例】以下に、図面に基づいて本発明を説明する。
図１は本発明の実施例を示す概略断面図であり、下型１
のキャビテイ２中に、アルミニウム１２重量％、銅７重
量％及びマグネシウム０.０２重量％を含有する亜鉛基
合金溶湯３を４６０℃で予め設定した目盛りのレベルま
で充填する。２０分程度そのまま放置して鎮静した後、
浮上した溶湯酸化膜、耐火物、気泡等を除去する。

【００２４】その後、上型４を、上型のガイドピン５及
び下型のガイドピン穴６により所定の相対位置関係で降
下させる。この際に、上型４だけの重量では浮力に抗し
て降下できない場合があるので必要な重量の重石７を併
用することができる。上型４が降下するにつれて、溶湯
面は上昇して、上下型の合わせ面同士が密着する直前に
深さ１ｃｍ幅１０ｃｍのオーバーフロー流路８を通って
溶湯の一部がオーバーフローキャビティ９へ流入しはじ
めるが、上型にはその湯を塞ぐ形状の凸部１０が形成さ
れているため、上下型の合わせ面同士が密着すると同時
に流路８も塞がれ、以後、溶湯３はオーバーフローキャ
ビティ９と遮断される。

【００２５】キャビティ２の側面及び底面と溶湯補給管
１１の内面は全て繊維質断熱材で覆われており、また溶
湯補給管１１中には温度センサー（図示せず）及び電気
ヒーター（図示せずが設置されている。なお、１２は押
湯口であり、１３は上下型を移動させるための吊り手で
ある。上記の亜鉛基合金溶湯及び上記の鋳造装置を用
い、上記の鋳造法に従って製造した金型の断面の顕微鏡
写真（４００倍）は図２に示す通りであった。また、上
記の亜鉛基合金溶湯を用いるが従来の重力鋳造法に従っ
て製造した金型の断面の顕微鏡写真（４００倍）は図２
に示す通りであった。

【００２６】

【発明の効果】本発明では亜鉛基合金の凝固特性に逆ら
わない形での新しい加工方法を表現した。いうなれば本
発明は合金自体のもつ特性をそのまま生かしているの
で、不安定要因が減り、再現性にすぐれた製造法であ
る。得られる金型は成形用型として使用する際に最も重
要な製品形成面自体の機械的強度が高く、さらに表面に
引け等の欠陥の無い品質的に優れたものである。このた
め、試作品製造用金型に比べて、より高い耐久性を有す
ること及びより少ない表面欠陥の表現が要求される量産
製造用金型として、従来の鋼材製金型より低価格で提供
でき、適用部品の範囲が拡大できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す概略断面図である。

【図２】本発明の製造方法に従って製造した金型の断面
の顕微鏡写真である。

【図３】従来の重力鋳造法に従って製造した金型の断面
の顕微鏡写真である。

【符号の説明】

１ 下型 ２ キャビティ ３ 溶湯 ４ 上型 ８ オーバーフロー流路 ９ オーバーフローキャビティ １１ 溶湯補給管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 收一郎 岐阜県岐阜市六条南一丁目９番６号 岐阜 精機工業株式会社内 (72)発明者 久保田 耕平 埼玉県上尾市原市1333−２ 三井金属鉱業 株式会社総合研究所内 (72)発明者 二宮 隆二 埼玉県上尾市原市1333−２ 三井金属鉱業 株式会社総合研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウム７〜２７重量％、銅１５重
   量％以下及びマグネシウム０.００５〜０.２重量％を含
   有する亜鉛基合金溶湯を下型に充填した後、その上に、
   下面に金型の製品成形面形状を有する上型を被せ、押湯
   条件下で該溶湯を凝固させて金型の形状を形成すること
   を特徴とする成形用金型の製造方法。
2. 【請求項２】 亜鉛基合金溶湯を収容できるキャビティ
   ー、オーバーフロー流路及びオーバーフローキャビティ
   ーを有する下型と、下面に金型の製品成形面形状を有し
   かつ昇降可能な上型と、該亜鉛基合金溶湯を収容できる
   キャビティーの下方部分に連結していて内部に温度調節
   機構を有する溶湯補給管とから構成されている成形用金
   型鋳造装置。