KR20180019164A

KR20180019164A - 투명수지 성형용 금형의 표면처리 방법 및 투명수지 성형용 금형, 그리고 투명수지 성형품

Info

Publication number: KR20180019164A
Application number: KR1020187001158A
Authority: KR
Inventors: 케이지 마세; 쇼죠 이시바시; 유스케 콘도
Original assignee: 가부시끼가이샤 후지세이사쿠쇼
Priority date: 2015-08-11
Filing date: 2015-08-11
Publication date: 2018-02-23
Also published as: KR102034154B1; CN107848154B; WO2017026057A1; US20180222089A1; JPWO2017026057A1; JP6556846B2; CN107848154A

Abstract

경면 연마를 실시하는 일 없이, 투명한 수지 성형품을 성형할 수 있는 투명수지 성형용 금형의 표면처리 방법을 제공한다. 본 발명은, 투명수지의 성형에 사용하는 금형의 표면에 대해 거의 구상으로 미디언 지름이 20μm 이하의 분사립체를 분사 압력 0.01MPa~0.6 MPa로 분사함과 동시에 충돌시켜, 아래 게재한 (식 1) 에서 규정하는 상당지름 W 및 (식 2) 에서 규정하는 깊이 D의 딤플을, 금형 표면의 면적에 대해 50% 이상의 형성 면적이 되도록 형성한다.
1+3.3e^-H/230 ≤≤ W ≤≤ 1.5+8.9e^-H/630··· (식 1)
0.01+0.2e^-H/230≤≤ D ≤≤ 0.05+0.4e^-H/320 ··· (식 2)
여기서, W는 딤플의 상당지름(μm), D는 딤플의 깊이(μm), H는 금형의 모재 경도(Hv).

Description

투명수지 성형용 금형의 표면처리 방법 및 투명수지 성형용 금형, 그리고 투명수지 성형품

본 발명은 투명수지 성형용 금형의 표면처리 방법, 및 상기 방법으로 표면처리된 투명수지 성형용 금형, 그리고 상기 금형으로 성형된 투명수지 성형품에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 투명수지 성형품의 제조용 금형의 표면처리에 적용 가능한 금형의 표면처리 방법, 상기 방법으로 표면처리된 금형 및 상기 금형을 사용해 성형된 투명수지 성형품에 관한 것이다.

또한, 본 발명에 있어서 처리대상으로 하는 금형의 표면은, 금형 중 성형재료와 접촉하는 부분의 표면을 말한다.

투명수지로부터 이루어진 성형재료를 성형해 얻을 수 있는 투명수지 성형품은, 광학제품, 의료기구, 전자제품, 일용품, 장난감, 그 외의 각종 분야에 있어 넓게 사용되고 있다.

이러한 투명수지의 성형에서는, 투명도가 높은 성형재료를 사용해 성형을 실시해도, 성형품의 표면에 미세한 요철이 형성되어 평활성을 잃으면, 성형품의 표면에서 빛이 난반사하기 때문에 투명성을 잃는다.

그런 이유로, 투명수지 성형품의 표면에 요철이 형성되지 않도록, 투명수지의 성형에 사용하는 금형에 대해서는, 수작업에 의한 연마에 의해 그 표면이 높은 정밀도의 경면으로 완성되며, 이것에 의해 성형품의 표면을 평활하게 완성하여, 얻어진 수지 성형품에 대해 투명성을 부여할 수 있도록 되어 있다.

하지만, 복잡한 형상의 금형이 증가함과 동시에, 금형의 단납기화가 요구되는 오늘날에 있어서, 많은 노력과 시간이 소비되는 수작업에 의한 금형 표면의 경면 연마는, 상기 요구에 응하기 위한 장해가 되고 있음과 동시에, 금형의 제작비를 높이는 원인이 되고 있다.

게다가, 금형 표면을 경면으로 연마하면, 이형(離型)시에 성형품의 표면과 금형 표면간의 접촉 저항이 커져, 이형성이 저하하는 경우도 있다.

이와 같이 이형성이 저하하면, 형성된 성형품을 금형으로부터 떼어 낼 때에 큰 힘을 들이는 것을 필요로 해, 변형이나 파손이 생기는 성형품이 증가하고, 불량률이 상승한다.

또한, 금형의 이형성을 향상시키는 방법으로서는, 예를 들면 금형의 캐비티(cavity)에 설치하는 꺼내기 구배의 각도를 크게 하거나, 또는, 금형 표면에 미끄러짐을 좋게 하기 위한 표면처리, 예를 들면 불소 코팅이나 DLC(Diamond Like Carbon) 피막의 형성을 실시하는 것도 제안되고 있다.

또한, 그 외의 이형성 향상을 위한 처리로서는, 금형 표면을 평활면으로 하는 것과는 반대로 소정 형상의 요철을 형성하는 것도 제안되고 있으며, 일례로서, 양호한 박리성을 유지하면서 유동성을 향상시키는 것을 목적으로 해, 주조용 금형의 캐비티면에 대해 주조용 금형의 경도 이상의 경도를 가지는 100~1000μm의 구상(球狀)의 분사립체(噴射粒體)를 분사해, 금형의 캐비티면에 반구상의 딤플(dimple)을 형성하는 「주조용 금형의 캐비티면의 가공방법」도 제안되고 있다(특허 문헌 1의 청구항 1 및 청구항 2).

일본 특허 제 4655169호 공보

이형성을 향상시키기 위해 앞에서 말한 방법 중, 꺼내기 구배의 각도를 크게 하는 방법은, 투명수지 성형용의 금형에 대해서도 채용 가능한 구성이지만, 이 구성에서는, 꺼내기 구배의 각도가 커지도록 성형품의 형상을 설계하는 것이 필요하게 되어, 성형품의 디자인이 제약을 받는다.

한편, 불소 코팅이나 DLC 피막의 형성의 표면 코팅에 의해 이형성을 향상시키는 방법에서는, 꺼내기 구배 각도를 크게 하는 경우와 같은 디자인의 제약이라고 하는 문제는 생기지 않지만, 마모나 박리에 의해 코팅층을 잃게 되면 이형성도 잃게 되어 버리기 때문에, 금형의 내용연수(耐用年數)가 비교적 짧다고 하는 결점이 있다.

이것에 대해, 앞에서 게재한 특허 문헌 1 기재의 방법으로 딤플을 형성한 금형에서는, 딤플이 형성되는 것으로 성형품의 표면과 금형 표면과의 접촉 면적이 감소함과 동시에, 딤플 내에 이형제나 공기가 모여 이형성이 향상되기 때문에, 금형 표면에 딤플이 존재하는 동안은 이형성을 발휘해, 마모나 박리에 의해 효과를 잃는 표면 코팅과 비교해, 보다 오랜 기간에 걸쳐 이형성을 발휘할 수 있다.

또한, 이 방법에서는, 블라스트 가공 장치를 사용해 구상의 분사립체를 금형의 표면에 분사, 충돌시킨다고 하는 비교적 간단한 작업에 의해 금형의 표면처리를 실시하는 것이 가능하기 때문에, 금형 표면을 연마에 의해 평활한 면으로 완성, 또는, 그 후, 표면 코팅을 실시하는 경우와 비교해 저비용 또한 단납기로 금형 제작이 가능해진다.

하지만, 특허 문헌 1의 방법으로 표면에 딤플을 형성한 금형에 의해 투명수지를 성형해도, 얻어진 수지 성형품의 표면에는 금형에 형성한 딤플이 전사(轉寫)됨으로써 요철이 형성되어, 투명한 수지 성형품을 얻을 수 없다.

그 결과, 앞에서 설명한 것처럼 구상의 분사립체의 분사에 의해 금형의 표면에 딤플을 형성하는 상술의 표면처리 방법은, 이형성을 발휘하는 금형 표면을, 비교적 간단한 방법에 의해 얻을 수 있는 표면처리 방법이면서, 투명수지 성형용의 금형에 대한 표면처리로서는 적용할 수 없는 것이 되었다.

그러나, 이러한 표면처리를 실시한 금형에 의해 투명한 수지 성형품을 얻을 수 있으면, 투명수지 성형용 금형의 제조에 필수인 경면 연마를 공정에서 제외할 수 있어, 투명수지 성형용 금형을 단납기 또한 저비용으로 제조하는 것이 가능해진다.

그리고, 본 발명의 발명자들은, 금형 표면에 딤플을 형성하는 상술한 표면처리 방법에 의해 투명한 수지 성형품을 얻을 수 없는 이유를 다시 한 번 상세하게 검토한 결과, 금형 표면에 딤플을 형성하는 표면처리를 실시하는 경우에도, 형성하는 딤플의 지름과 깊이를 소정의 범위로 한정해, 비교적 작고, 또한, 얕은 딤플을 형성하도록 하면, 투명한 수지 성형품을 제조할 수 있지 않을까 생각하기에 이르렀다.

즉, 상술한 특허 문헌 1 기재의 방법에서는, 100~1000μm라고 하는 비교적 입경이 큰 분사립체를 분사하기 때문에, 형성되는 딤플의 지름 및 깊이도 커져, 그 결과, 딤플의 전사에 의해 수지 성형품의 표면에 형성되는 요철도 큰 것이 된다.

또한, 딤플의 형성시, 분사립체의 충돌 위치의 금형 표면에서는, 도 1에 나타나듯이 형성되는 딤플의 지름과 깊이에 따른 양(量) 금형 모재가 소성 유동에 의해 압출되고, 이 압출된 금형 모재가 딤플의 주연부에 솟아오른 형상의 돌기를 형성한다.

그런 이유로, 성형시, 이 돌기가 성형 재료 내로 파고 들어, 성형품의 표면에 전사됨과 동시에, 성형품의 빼내기시에 이 돌기가 성형품의 표면에 무수히 많은 긁힌 상처를 형성함으로써, 성형품의 표면에는 새로운 요철이 형성되어, 그 결과, 투명성을 잃게 된다.

따라서, 금형 표면에 형성하는 딤플의 지름과 깊이를 작게 하는 것은, 딤플의 전사에 의해 성형품의 표면에 형성되는 요철을 작은 것으로 할 수 있을 뿐만 아니라, 분사립체의 충돌시에 소성 유동에 의해 압출되는 금형 모재의 양을 줄일 수 있어, 그 결과, 상술한 솟아오른 돌기의 발생을 억제해, 상기 돌기가 전사됨에 따르는 요철의 발생이나, 돌기에 의한 긁힌 상처의 발생을 방지해, 얻어진 성형품의 투명성을 향상시킬 수 있지 않을까 예상했다.

또한, 상기 예측 아래, 처리대상으로 하는 금형의 재질, 사용하는 분사립체의 재질, 입경, 및 사용하는 블라스트 가공 장치의 종류 및 분사 압력의 조합을 변화시켜, 다른 지름과 깊이의 딤플이 표면에 형성된 금형을 다수 제조함과 동시에, 이것들의 금형을 사용해 투명수지의 성형을 실시한 결과, 형성되는 딤플을 소정지름, 소정깊이 이하의 비교적 작고 또한 얕은 것으로 하는 경우, 얻어진 수지 성형품에, 연마에 의해 평활하게 조정된 금형과 동등의 투명성을 부여할 수 있는 것을 확인했다.

또한, 상술의 실험 결과는, 이러한 투명성을 부여할 수가 있는 딤플의 지름과 깊이는, 금형의 모재 경도의 변화에 수반해 변화한다고 하는, 예상하고 있지 않았던 관계의 존재를 나타내고 있어, 그 결과, 딤플의 지름과 깊이를 단지 작게 했다고 하는 것만으로는 투명성을 부여하지 못하고, 금형의 모재 경도와의 관계에 근거해 적절한 지름과 깊이로 딤플을 형성하지 않으면 안 되는 것이 확인되고 있다.

본 발명은, 본 발명의 발명자들에 의한 상기 실험의 결과 얻어진 지견(知見)에 근거해 이루어진 것이며, 구상의 분사립체의 분사에 의해 금형의 표면에 딤플을 형성하는 표면처리 방법에 있어서, 그 표면처리 후의 금형을 사용해 성형된 수지 성형품에 대해 투명성을 부여할 수 있는 상기 딤플의 형성 조건을 분명히 하는 것으로, 종래, 투명수지 성형용 금형에 대한 필수 처리공정인 경면 연마를 필요 없도록 하고, 단납기 또한 저비용으로 투명수지 성형용 금형을 제공할 수 있음과 동시에, 투명수지 성형용 금형의 이형성을 향상시킬 수 있는 표면처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 투명수지 성형용 금형의 표면처리 방법은,

투명수지의 성형에 사용하는 금형의 표면에 거의 구상의 분사립체를 분사함과 동시에 충돌시켜,

다음 식,

1+3.3e^-H/230 ≤≤ W ≤≤ 1.5+8.9e^-H/630··· (식 1)

여기서,

W는, 딤플의 상당지름(μm)

H는, 금형의 모재 경도(Hv)

로 규정하는 조건을 만족하는 범위의 지름(상당지름 W)을 가지는 딤플을 형성하는 것을 특징으로 한다 (청구항 1).

여기서, 「상당지름」 이란, 금형 표면에 형성된 딤플의 투영 면적을, 원형의 투영 면적으로 환산하여 측정했을 때의 상기 원형의 지름을 말한다.

상기 딤플은, 다음 식,

0.01+0.2e^-H/230≤≤ D ≤≤ 0.05+0.4e^-H/320··· (식 2)

여기서,

D는, 딤플의 깊이(μm)

H는, 금형의 모재 경도(Hv)

로 규정하는 조건을 만족하는 범위의 깊이(D)로 형성하는 것이 바람직하다 (청구항 2).

상술한 투명수지 성형용 금형의 표면처리 방법은, 미디언 지름(median diameter)이 20μm 이하의 상기 분사립체를, 분사 압력 0.01MPa~0.6MPa로 분사해, 상기 딤플의 형성 면적이 금형 표면의 면적에 대해 50% 이상이 되도록 상기 딤플을 형성함으로써 실시할 수 있다 (청구항 3).

또한, 「미디언 지름」이란, 입자군을 어떤 입자 지름으로부터 2개로 나누었을 때, 큰 쪽의 입자군의 적산(積算) 입자량과 작은 쪽의 입자군의 적산 입자량이 등량이 되는 지름을 말한다.

바람직하게는, 상기 분사립체의 분사를, Ra0.3μm 이하의 표면 거칠기로 조정된 금형의 표면에 대해서 실시한다 (청구항 4).

또한, 본 발명의 투명수지 성형용 금형은, 상술한 방법 중 어느 하나의 방법으로 표면처리가 실시된 투명수지 성형용 금형을 대상으로 한다 (청구항 5).

또한, 본 발명의 투명수지 성형품은, 상술한 방법 중 어느 하나의 방법으로 표면처리가 실시된 투명수지 성형용 금형에 의해 성형된 투명수지 성형품을 대상으로 한다 (청구항 6).

이상에서 설명한 본 발명의 구성에 의해, 본 발명의 표면처리 방법으로 표면처리를 한 투명수지 성형용 금형에서는, 이하의 현저한 효과를 얻을 수 있었다.

투명수지의 성형에 사용하는 금형의 표면에 대해 거의 구상의 분사립체를 분사함과 동시에 충돌시켜, 소정지름의 딤플을 형성하고, 혹은, 소정지름, 또는, 소정깊이의 딤플을 형성한다, 라고 하는 비교적 간단한 구성에 의해, 이러한 표면처리가 실시된 금형을 사용해 얻어진 수지 성형품에 투명성을 부여할 수가 있었다.

즉, 이러한 지름 및 깊이 모두 비교적 작은 딤플을 형성하는 것으로, 성형시에 투명수지 성형품의 표면에 딤플의 전사에 의해 형성되는 요철이 작아질 뿐만 아니라, 비교적 작은 딤플의 형성은, 소성 유동에 의해 분사립체의 충돌 위치로부터 압출되는 금형 모재의 양을 줄이게 하는 결과, 딤플의 주연부에 솟아오른 돌기가 형성되는 것을 방지할 수 있어, 이것에 의해, 금형 표면에 딤플을 형성하는 구성이면서, 제조되는 수지 성형품에 투명성을 부여할 수 있는 것이 된 것이라고 생각된다.

이와 같이, 분사립체를 분사한다고 하는 비교적 간단한 처리에 의해 투명수지 성형용의 금형의 표면 마무리를 실시하는 것이 가능해진 것으로, 투명수지의 성형용 금형에 대한 처리로서 종래 필수였던 경면 연마가 불필요해지고, 그 결과, 투명수지 성형용 금형의 제조에 필요로 하는 시간과 제조 코스트의 대폭적인 저감을 도모할 수가 있었다.

또한, 상술한 딤플이 형성된 금형은, 경면 연마된 금형과 비교해 뛰어난 이형성을 발휘하기 때문에, 이형시에 성형품에 큰 힘을 들일 필요가 없고 성형품의 변형이나 파손이 방지되어, 불량율을 저감 할 수도 있었다.

상기 딤플의 형성은, 미디언 지름이 20μm 이하의 분사립체를 분사 압력 0.01MPa~0.6MPa로 분사해, 상기 딤플의 형성 면적이 금형 표면의 면적에 대해 50% 이상이 되도록 상기 딤플을 형성함으로써 실시하는 것으로, 금형의 표면에 대한 상술한 돌기의 형성을 매우 적합하게 억제할 수 있음과 동시에, 딤플 형성 후의 금형의 표면 경도를 비교적 큰 직경의 분사립체를 사용해 딤플을 형성하는 경우와 비교해 상승시킬 수가 있었다 (도 2 참조).

그 결과, 상기 돌기가 생긴 경우에 일어날 수 있는 응력 집중이 생기지 않는 것, 또한, 금형의 표면 경도가 향상하는 것으로 인하여, 얻어진 투명수지 성형품의 투명성이나 이형성이 향상할 뿐만 아니라, 금형의 내구성이나 내마모성도 향상할 뿐만 아니라, 금형의 표면에 형성된 딤플을 오랜 기간에 걸쳐 이상적인 지름 및 깊이로 유지할 수 있기 때문에, 투명성이나 이형성을 발휘하는 표면처리의 효과를, 보다 오랜 시간에 걸쳐 발휘시키는 것이 가능하다.

또한, 상술한 표면처리를, Ra0.3μm 이하의 표면 거칠기로에 조정된 금형의 표면에 대해 실시함으로써, 금형에 대해 보다 바람직한 표면 상태를 부여할 수 있었다.

도 1은 딤플의 형성에 수반하는 금형 표면에 생기는 돌기의 설명도이다.
도 2는 동적경도(dynamic hardness)와 분사 압력의 상관도이다.
도 3은 동적경도(dynamic hardness)와 분사 압력의 상관도이다.
도 4는 시료 1~22의 딤플의 깊이와 금형의 모재 경도의 분산도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.

〔처리대상〕

본 발명의 표면처리 방법은, 투명수지 성형용의 금형을 대상으로 하고, 이러한 금형이면, 사출 성형용 금형, 압출 성형용 금형, 블로우(blow) 성형용 금형 등, 그 성형 방식 별을 불문하고 각종 금형에 대해 적용이 가능하고, 또, 이것들의 금형에 의해 성형 대상으로 하는 투명수지 성형재의 재질에 대해서도 투명한 수지이면, 아크릴, 나일론, 염화 비닐, 폴리카보네이트, PET, POM 등, 각종 성형재의 성형을 실시하는 금형을 대상으로 할 수가 있다.

이러한 금형 가운데, 본 발명의 표면처리 방법에서는, 성형재료와 접촉하는 부분의 표면을 처리대상으로 하는 처리면으로 해, 금형이 캐비티(요형(凹型))와 코어(철형(凸型)) 의 조합에 의해 구성되어 있는 경우, 캐비티(요형) 측의 표면, 코어(철형) 측의 표면의 어느 것이든 본 발명의 방법에 의한 처리대상으로 할 수 있다.

금형의 재질은 특히 한정되지 않고, 금형의 재질로서 사용 될 수 있는 각종의 재질의 것을 대상으로 하는 것이 가능하고, 철계 금속 외에, 알루미늄 합금 등의 비철금속계 금속의 금형을 대상으로 할 수도 있다.

또한, 금형의 표면은, 후술하는 구상의 분사립체의 분사를 실시하기 전에 미리 산술 평균 거칠기(Ra)로 0.3μm 이하의 표면 거칠기로 조정해 두는 것이 바람직하다.

〔딤플의 형성〕

상술한 금형의 표면에 대한 딤플의 형성은, 금형의 표면에 거의 구상의 분사립체를 분사해 충돌시킴으로써 실시한다.

이러한 딤플의 형성에 사용하는 분사립체, 분사 장치, 분사 조건을 일례로서 이하에 나타낸다.

(1) 분사립체

본 발명의 방법으로 사용하는 거의 구상의 분사립체에 있어서의 「거의 구상」이란, 엄밀하게 「구」일 필요는 없고, 일반적으로 「숏(shot)」로써 사용되는, 모퉁이가 없는 형상의 입체이면, 예를 들면 타원형이나 표형(俵型) 등의 형상의 것이어도 본 발명에서 사용하는 「거의 구상의 분사립체」에 포함된다.

분사립체의 재질로서는, 금속계, 세라믹계의 어느 것도 사용이 가능하고, 일례로서 금속계의 분사립체의 재질로서는, 합금강, 주철, 고속도 공구강 (하이스강철(SKH)), 텅스텐(W), 스텐레스강철(SUS) 등을 들 수가 있으며, 또한, 세라믹계의 분사립체의 재질로서는, 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 지르콘(ZrSiO4), 경질 유리, 유리, 탄화 규소(SiC) 등을 들 수가 있다. 이것들의 분사립체는, 처리대상으로 하는 금형의 모재에 대해 동등 이상의 경도를 가지는 재질의 분사립체를 사용하는 것이 바람직하다.

사용하는 분사립체의 입경은, 미디언 지름(D50)으로 1~20μm의 범위의 것이 사용 가능해, 이것들의 입경의 분사립체 중에서, 처리대상으로 하는 금형의 재질 등에 따라 후술하는 지름 및 깊이로 딤플을 형성 할 수 있는 것을 선택해 사용한다.

(2) 분사 장치

상술한 분사립체를 금형의 표면을 향해 분사하는 분사 장치로서는, 압축 기체와 함께 연마재의 분사를 실시하는 기존의 블라스트 가공 장치를 사용할 수가 있다.

이러한 블라스트 가공 장치로서는, 압축 기체의 분사에 의해 생긴 부압을 이용해 연마재를 분사하는 석션(suction)식의 블라스트 가공 장치, 연마재 탱크로부터 낙하한 연마재를 압축 기체에 실어 분사하는 중력식의 블라스트 가공 장치, 연마재가 투입된 탱크 내에 압축 기체를 도입해, 별도 주어진 압축 기체 공급근원으로부터의 압축 기체류에 연마재 탱크로부터의 연마재류를 합류 시켜 분사하는 직압식의 블라스트 가공 장치, 및, 상기 직압식의 압축 기체류를, 블로어 유닛(blower unit)으로 발생시킨 기체류에 실어 분사하는 블로어(blower)식 블라스트 가공 장치 등이 시판되고 있지만, 이것들은 모두 상술한 분사립체의 분사에 사용이 가능하다.

(3) 처리 조건

상술한 블라스트 가공 장치를 사용해 실시하는 분사립체의 분사는, 일례로서 분사 압력 0.01MPa~0.6MPa, 바람직하게는 0.05~0.2MPa의 범위에서 실시할 수가 있으며, 처리를 실시하는 부분의 금형 표면의 면적에 대해, 딤플의 형성 면적(투영 면적)이 50% 이상이 되도록 실시한다.

분사립체의 분사는, 처리대상으로 하는 금형의 재질과의 관계로, 아래 게재한 식 1에 의해 구할 수 있는 상당지름(W)의 딤플을 형성할 수 있도록, 분사립체의 재질이나 입경과, 사용하는 블라스트 가공 장치의 종류나 분사 압력 등의 조합을 선택해 실시한다.

1+3.3e^-H/230 ≤≤ W ≤≤ 1.5+8.9e^-H/630··· (식 1)

또한, 상기의 식 1에 있어서,

W는, 딤플의 상당지름(μm)

H는, 금형의 모재 경도(Hv)이다.

분사립체의 분사는, 바람직하게는 아래의 식 2에 의해 구할 수 있는 깊이(D)로 딤플 형성이 가능한 조건의 조합으로서 실시한다.

0.01+0.2e^-H/230≤≤ D ≤≤ 0.05+0.4e^-H/320 ··· (식 2)

또한, 상기의 식 2에 있어서,

D는, 딤플의 깊이(μm)

H는, 금형의 모재 경도(Hv)이다.

(4) 작용 등

이상에서 설명한 본 발명의 표면처리 방법으로 표면처리를 실시한 금형에서는, 얻어진 투명수지 성형품에 투명성을 부여할 수 있는 것이 확인되고 있어, 후술하는 실시예에 있어서, 일례로서 연마에 의해 평탄하게 마무리한 금형(연마품)과 동등 정도의 투명성을 부여할 수 있는 것이 확인되고 있다.

이러한 투명성의 향상은, 본 발명의 방법으로 형성하는 딤플은 상당지름 및 깊이 모두, 금형 표면에 딤플을 형성하는 종래의 표면처리 방법으로 형성되는 딤플과 비교해 소형의 것이 되는 것으로, 딤플의 전사에 의해 투명수지 성형품의 표면에 형성되는 요철이 작고 얕은 것이 됨과 동시에, 이러한 작고 얕은 딤플의 형성에서는, 분사립체의 충돌시에 생기는 소성 유동에 의해 압출되는 금형의 모재량도 적고, 딤플의 주연부에 돌기가 형성되지 않으며, 혹은 형성되었다고 해도 솟아오른 형상으로는 되지 않는 것으로, 이러한 돌기의 전사에 의해 형성되는 요철이나, 돌기의 찰과에 의해 형성되는 긁힌 상처가 투명수지 성형품의 표면에 형성되지 않게 되는 것에 의해, 금형의 표면에 대한 딤플의 형성에 의해서도, 얻어진 투명수지 성형품에 투명성을 부여할 수가 있었던 것이라고 생각된다.

또한, 본 발명의 방법으로 표면처리를 실시한 금형에서는, 연마품과의 비교에 있어서 대폭적인 이형성의 향상과 내구성의 향상을 얻을 수 있는 것도 확인되고 있다.

이러한 이형성의 향상은, 금형 표면에 딤플을 형성하는 종래의 표면처리 방법과 같이, 딤플 내에 이형제가 보관 유지되며, 또는, 공기가 보관 유지되는 것으로 성형재료와 금형 표면과의 접촉 면적이 감소해 이형성의 향상을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 형성되는 딤플이 작고 얕은 것으로, 딤플에 드는 면압이 커지는 결과, 반력도 커지는 것으로, 딤플 내에 이형제나 공기를 보관 유지하는 능력이 향상해, 이형성이 향상하는 것, 또한 솟아오른 형상의 돌기가 형성되지 않는 것으로, 이형시에 떼어 내는 저항이 감소한 것도 이형성이 향상한 요인 중 하나라고 생각된다.

또한, 상술한 것처럼 비교적 작은 딤플을 형성하기 위해서, 사용하는 구상의 분사립체로써 미디언 지름으로 1~20μm라고 하는 비교적 작은 입경의 것을 사용하는 것으로, 이것보다도 큰 입경의 분사립체를 사용하는 종래의 표면처리 방법과 비교해, 처리 후의 표면 경도가 상승하고 있는 것도 대폭적인 이형성과 내구성의 향상을 얻을 수 있던 한 요인이 되고 있는 것이라고 생각된다.

여기서, 처리대상으로 하는 금속제품의 표면에 숏를 분사해 충돌시키는 숏피닝(shot peening)을 실시하면, 워크의 표면 조직이 미세화해 경도가 상승하는 것은 공지(公知)이며, 이 원리에 의한 금형의 표면 경도의 상승은, 본 발명의 표면처리 방법뿐만 아니라, 같은 구상의 분사립체를 금형 표면에 분사하는 처리를 실시하고 있는 종래의 금형의 표면처리 방법에서도 얻을 수 있는 것이라고 생각된다.

그러나, 금형의 표면에 입경이 다른 분사립체를 분사하는 처리를 실시한 후의 피가공물의 표면 경도를 측정하는 시험을 실시했더니, 비교적 낮은 분사 압력의 범위에서는, 입경이 작은 분사립체를 사용한 쪽이 보다 높은 경도 상승을 얻을 수 있는 것이 확인되고 있다.

도 2는, NAK80제의 금형(Hv430)에 대한 상기 시험을 실시한 결과를 나타낸 것으로, 분사 압력 0.5 MPa 이하의 범위에서는, 미디언 지름 40μm의 분사립체(재질：하이스강철)를 분사했을 경우(도 2 중의 파선 참조)와 비교해, 미디언 지름 20μm의 분사립체(재질：합금강)를 분사했을 경우(도 2 중의 실선 참조)인 쪽이, 금형 표면의 동적경도가 보다 높아진 것을 알 수 있다.

이와 같이, 사용하는 분사립체의 입경의 상위에 수반하는 효과의 상위는, 분사립체로서 입경이 작은 것을 사용하면, 분사립체의 비상 속도가 상승해, 금형 표면에 충돌했을 때의 충돌 에너지가 상승함과 동시에, 충돌 위치에서의 단위면적 근처의 충돌 에너지의 상승을 가져오는 것으로, 저압의 압축 기체로 분사했을 경우에도, 보다 높은 단조 효과를 얻을 수 있었던 것이라고 생각되며, 이러한 경도 상승을 얻을 수 있기 때문에, 금형 표면에 형성된 딤플의 마모나 변형이 생기기 어렵고, 이상적인 지름 및 깊이를 오랜 기간에 걸쳐 유지하는 결과, 본 발명의 표면처리 방법에 의해 얻어진 투명성의 부여나 이형성의 향상 등의 효과를 오랜 기간에 걸쳐 유지할 수 있는 것이 되고 있다.

또한, 「동적경도」란, 삼각뿔의 압자를 밀어넣는 과정의 시험력과 밀어넣는 깊이로부터 얻을 수 있는 경도로, 시험력 P[mN], 압자의 밀어넣은 깊이 D[μm]에 대한 동적경도는, 다음 식

DH=α×P÷(D2)

에 의해 구해질 수 있다.

여기에서, α는 압자 형상 계수로, 상기의 측정에서는, 「시마즈 다이나믹 초미소 경도계 DUH-W201」(시마즈 제작소 제)을 사용해, 115º 삼각뿔 압자를 사용해 α=3.8584로서 측정했다.

[실시예]

이하, 수지 성형품에 투명성을 부여함과 동시에, 금형의 이형성을 향상시키기 위해서 필요한 딤플의 형성 조건(지름과 깊이)을 이끌어내기 위해서 실시한 시험의 내용에 대해서 설명한다.

(1) 시험 목적

수지 성형품에 투명성을 부여함과 동시에, 금형의 이형성을 향상시킬 수 있는 딤플의 형성 조건(지름과 깊이)을 구한다.

(2) 시험 방법

(2-1) 개요

모재의 재질이 다른 복수 종류의 금형에 대해, 사용하는 분사립체의 재질 및 입경과 분사 방법(분사 장치, 분사 압력 등)의 조합을 변화시켜 딤플을 형성해, 형성된 딤플의 지름과 깊이를 측정했다.

딤플 형성 후의 금형을 각각 사용해 투명수지의 성형을 실시해, 연마에 의해 표면을 평활하게 마무리한 금형(이하, 「연마품」이라고 한다. )으로 성형한 투명수지 성형품의 투명도를 육안으로 비교해, 연마품에 대해 투명성이 뒤떨어지는 것을 「×」, 연마품과 동등한 투명성을 나타낸 것을 「○」라고, 각각 평가했다.

또한, 이형성의 비교를 실시해, 연마품과 동등 이하인 이형성의 것을 「×」, 연마품을 넘는 이형성을 나타낸 것을 「○」라고, 각각 평가했다.

상기의 시험 결과로부터, 얻어진 수지 성형품에 투명성을 부여할 수 있는 딤플의 지름과 깊이의 범위를 구했다.

(2-2) 금형의 종류와 처리 조건

처리대상으로 한 금형의 재질과 각 금형에 대해서 실시한 표면처리의 처리 조건을 하기의 표 1및 표 2에 나타낸다.

비교 대상으로서 각 금형의 연마품을 준비했다. 또한, 연마 후의 표면 거칠기는, 「STAVAX」(캐비티) 및 NAK80로 Ra0.1μm 이하, S50C(코어핀), S55C(고무용 금형)에서 Ra0.2μm 이하, A7075(플라스틱용 금형)에서 Ra0.2μm 이하이다.

(2-3) 딤플의 지름과 깊이의 측정 방법

딤플의 지름과 깊이는, 형상 해석 레이저 현미경(키엔스사 제 「VK－X250」)을 사용해 측정했다.

금형의 표면을 직접 측정 가능한 경우에는 직접, 직접 측정할 수 없는 경우에는, 아세틸 셀룰로오스　필름에 초산메틸을 적하(滴下)해서 금형의 표면에 스며들게 한 후, 건조 후 박리해, 아세틸 셀룰로오스　필름에 반전 전사시킨 딤플을 기초로 하여 측정했다.

측정은, 형상 해석 레이저 현미경으로 촬영한 표면 화상의 데이터 (단, 아세틸 셀룰로오스　필름을 사용한 측정에서는 촬영한 화상을 반전 처리한 화상 데이터)를 「멀티 파일 해석 어플리케이션(키엔스사 제 VK-H1XM)」을 사용해 해석하는 것으로써 실시했다.

여기서, 「멀티 파일 해석 어플리케이션」이란, 레이저 현미경으로 측정한 데이터를 이용해, 표면 거칠기, 선 거칠기, 높이나 폭, 원상당지름이나 깊이 등의 계측·해석이나 기준면 설정, 높이 반전 처리 등의 화상 처리를 실시할 수 있는 어플리케이션이다.

측정은, 우선 「화상 처리」 기능을 사용해 기준면 설정을 실시하고 (단, 표면 형상이 곡면인 경우에는 면형상 보정을 이용해 곡면을 평면에 보정한 후에 기준면 설정을 실시한다), 그 다음에, 어플리케이션의 「체적·면적계측」의 기능으로부터 계측 모드를 철부(凸部)로 설정해, 설정된 「기준면」에 대한 철부를 계측하여, 철부의 계측 결과로부터 「평균 깊이」, 「원상당지름」의 결과의 평균치를 딤플의 깊이 및 지름으로 했다.

또한, 상술한 기준면은, 높이 데이터로부터 최소 이승법을 이용해 산출했다.

또한, 상술한 「원상당지름」 또는 「상당지름」은, 철부 (딤플)로서 측정된 투영 면적을, 원형의 투영 면적으로 환산해 측정했을 때의 상기 원형의 지름으로서 측정했다.

또한, 상술한 「기준면」이란, 높이 데이터 중에서, 계측의 제로점 (기준)으로 하는 평면을 가리키며 깊이나 높이 등 주로 수직 방향의 계측에 사용된다.

(3) 측정 결과

상기 각 시료에서의 딤플 지름과 딤플 깊이의 측정 결과, 및 이형성의 평가 결과를 표 3 및 표 4에, 각 시료에서의 딤플지름과 금형의 모재 경도의 분산도를 도 3에, 딤플 깊이와 금형의 모재 경도의 분산도를 도 4에 각각 나타낸다.

(4) 고찰

도 3 및 도 4에 나타나는 분산도에서, 플롯(plot)에 붙여진 숫자는 각각 시료 번호를 나타내며, 플롯 중, 「◎」은, 투명성과 이형성 향상의 쌍방 모두를 얻을 수 있던 것, 「○」은, 투명성은 얻을 수 있었지만 이형성의 향상은 얻을 수 없었던 것, 「□」은, 이형성은 향상했지만 투명성을 얻을 수 없었던 것, 「●」은, 투명성, 이형성의 향상 어느 것도 모두 얻을 수 없었던 것을 각각 나타낸다.

도 3및 도 4에 나타난 분산도에서 분명한 것처럼, 딤플의 지름 및 깊이가 어느 것 모두, 투명성을 부여할 수 있던 시료는 분산도의 아래 쪽에, 투명성을 부여할 수 없었던 시료는 분산도의 위쪽에 집중하고 있는 것을 알 수 있으며, 형성하는 딤플의 지름 및 깊이를 작게함으로써, 투명성을 얻을 수 있는 것이 확인되었다.

여기서, 도 3및 도 4의 분산 중에 「경계(상한)」라고 표시한 곡선은, 투명성이 얻어진 시료군의 상한으로 적용시킨 근사 곡선인 것으로부터, 이 곡선은, 금형의 모재 경도의 변화에 대해, 투명성의 향상이 얻어진 딤플의 상당지름 및 깊이가 상한치가 어떻게 변화하는지를 근사적으로 나타내고 있다.

따라서, 딤플 상당지름(W)과 금형의 모재 경도(H)의 분산도인 도 3 중에 기재한, 「경계(상한)」의 곡선을 나타내는 수식〔W=1.5+8.9e^-H/ ⁶³⁰〕에 의해 구해진 상당지름(W) 이하의 지름으로 딤플을 형성하는 것에 의해, 보다 적합하게는, 딤플의 깊이(D)와 금형의 모재 경도(H)의 분산도인 도 4 중에 기재한, 「경계(상한)」의 곡선을 나타내는 수식〔D=0.05+0.4e^-H/ ³²⁰〕에 의해 구해진 깊이(W) 이하의 깊이로 딤플을 형성하는 것에 의해, 이러한 딤플이 형성된 금형을 사용함으로써, 얻어진 수지 성형품에 투명성을 부여하는 것이 가능하다.

또한, 경면으로 연마된 금형에 의해서도 투명수지 성형품을 제조할 수 있기 때문에, 투명성이라고 하는 관점에만 착안하면, 투명성을 부여하기 위한 딤플의 지름과 깊이에 하한값은 존재하지 않는다.

그러나, 딤플의 형성이, 이형성의 향상에 공헌하는 것은 상술한 대로인 바, 시료 21, 시료 13, 시료 17과 같이, 형성되는 딤플의 지름 및 깊이가 작은 것으로는, 수지 성형품에 대한 투명성의 부여는 실시할 수 있지만, 이형성의 향상을 확인할 수 없게 되었다.

이러한 현상은, 형성되는 딤플이 작아짐에 따라, 딤플 형성 후의 금형의 표면 상태는, 경면에 가까워지기 때문이라고 생각된다.

여기서, 도 3 및 도 4의 분산도 중에 「경계(하한)」로써 표시한 곡선은, 이형성의 향상이 확인된 시료군과 이형성의 향상을 확인할 수 없었던 시료군과의 경계를 그은 곡선이기 때문에, 이 곡선은, 금형의 모재 경도의 변화에 대해, 이형성의 향상이 얻어진 딤플의 지름 및 깊이의 하한값이 어떻게 변화할지를 근사적으로 나타내고 있다.

따라서, 딤플지름(W)과 금형의 모재 경도(H)의 분산도인 도 3 중에 기재한, 하한값의 근사 곡선을 나타내는 수식〔W ≥≥ 1+3.3e^-H/ ²³⁰〕에 의해 구해진 지름(W) 이상의 지름으로 딤플을 형성하는 것으로, 보다 적합하게는, 딤플의 깊이(D)와 금형의 모재 경도(H)의 분산도인 도 4 중에 기재한, 하한값의 근사 곡선을 나타내는 수식〔D≥≥ 0.01+0.2e^-H/ ²³⁰〕에 의해 구해진 깊이(W) 이상의 깊이로 딤플을 형성하는 것에 의해, 이러한 딤플이 형성된 금형에서는, 이형성의 향상을 얻는 것이 가능해진다.

따라서, 딤플 상당지름(W)을, 다음 식

1+3.3e^-H/230 ≤≤ W ≤≤ 1.5+8.9e^(-H/630)··· (식 1)

로 규정되는 범위 내의 것으로 해,

보다 바람직하게는, 딤플의 깊이(D)를, 다음 식

0.01+0.2e^-H/230≤≤ D ≤≤ 0.05+0.4e^(-H/320)··· (식 2)

로 규정되는 범위 내의 것으로 함으로써, 경면 연마된 금형에서는 저하하는 일이 있는 이형성을 향상시키면서, 투명성도 동시에 얻는 것이 가능해진다.

Claims

투명수지의 성형에 사용하는 금형의 표면에 거의 구상의 분사립체를 분사함과 동시에 충돌시켜, 다음 식,
1+3.3e^-H/230 ≤≤ W ≤≤ 1.5+8.9e^-H/630 ··· (식 1)
여기서,
　　　W는, 딤플의 상당지름(μm)
　　　H는, 금형의 모재 경도(Hv)
로 규정하는 조건을 만족하는 범위인 상당지름을 가지는 딤플을 형성한 것을 특징으로 하는 투명수지 성형용 금형의 표면처리 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 딤플을, 다음 식,
0.01+0.2e^-H/230 ≤≤ D ≤≤ 0.05+0.4e^-H/320 ··· (식 2)
여기서,
　　　D는, 딤플의 깊이(μm)
　　　H는, 금형의 모재 경도(Hv)
로 규정하는 조건을 만족하는 범위의 깊이로 형성한 것을 특징으로 하는 투명수지 성형용 금형의 표면처리 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
미디언 지름이 20μm 이하의 상기 분사립체를, 분사 압력 0.01MPa~0.6MPa로 분사해, 상기 딤플의 형성 면적이 금형 표면의 면적에 대해 50% 이상이 되도록 상기 딤플을 형성하는 것을 특징으로 하는 투명수지 성형용 금형의 표면처리 방법.
청구항 1~3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분사립체의 분사를, Ra0.3μm 이하의 표면 거칠기로 조정된 금형의 표면에 대해서 실시하는 것을 특징으로 하는 투명수지 성형용 금형의 표면처리 방법.
청구항 1~4 중 어느 한 항에 있어서,
투명수지 성형용 금형의 표면처리 방법에 의해 표면처리를 실시한 투명수지 성형용 금형.
청구항 1~4 중 어느 한 항에 있어서,
투명수지 성형용 금형의 표면처리 방법에 의해 표면처리를 실시한 금형에 의해 성형된 투명수지 성형품.