WO2018097165A1 - ダイカスト金型の製造方法およびダイカスト金型 - Google Patents

Abstract

水冷孔（２）の底面（４）を含む領域に確実に軟化熱処理を施すことができるダイカスト金型（１）の製造方法と、ダイカスト金型（１）を提供する。内径Ｄの有底の水冷孔（２）が設けられたダイカスト金型（１）の製造方法であって、水冷孔（２）をなす孔面（３）は、水冷孔（２）の底をなす底面（４）と、底面（４）から入口（６）に向かって延びる側面（５）を有し、水冷孔（２）に挿入した外径ｄの管（１０）の先端から底面（４）に向けて過熱蒸気を送り込み、底面（４）を加熱して軟化させる熱処理工程を有する。この製造方法によって、本発明のダイカスト金型（１）を製造することができる。

Description

ダイカスト金型の製造方法およびダイカスト金型

　本発明は、ダイカスト金型の製造方法およびダイカスト金型に関するものである。

　特許文献１に金型の熱処理方法が知られている。金型には、成形面の温度を低減させるために金型の内部に水冷孔が設けられている。使用中の金型において、この水冷孔には熱応力が生じる。また、水冷孔をなす面には鋼材が錆び、水素が侵入しやすく、水素脆化を起こしやすい。これらのことによって、水冷孔周囲には割れが生じる懸念がある。そこで、特許文献１は、金型に設ける水冷孔に局部的に焼鈍処理を行うことを提案している。これにより、金型自体の硬さを保ちつつ、水冷孔の周囲のみ硬さを下げて水冷孔周囲に割れが生じにくくしている。

日本国特開平8-31557号公報

　特許文献１に記載の方法では、高周波熱処理装置を用いて水冷孔の孔面における表層部の軟化熱処理をしている。ところが、特許文献１の方法においては、高周波熱処理装置の加熱部は水冷孔の側面は加熱しやすいが、底面は加熱しにくい。しかしながら、水冷孔は成形面に向かって形成され、成形面の冷却を目的としている。このため、特に水冷孔の底面にこそ軟化熱処理を行いたい。この点で、特許文献１の方法に改善の余地があった。

　また、一般的に、水冷孔はドリルで側面を形成したときに、その底面にドリル先端部の形状跡である隅（コーナー）が残る。つまり、ドリルで穿孔加工したときの水冷孔の底面には、そのドリルの先端に対応した中央の位置（つまり、水冷孔の最深の位置）と、ドリルの外周コーナーに対応した中央周りの位置とに、ドリル先端部の形状に起因する隅が形成される。そして、この隅を起点に割れが生じやすい。そこで、この隅をなくして、割れを生じ難くするために、底面が半球状となるようにアール加工している。そして、このアール加工をした後の水冷孔の底面の形状は、一般的に、水冷孔の内径をＤとしたときに、底面の中央からおおよそＤ／２の高さの位置を球の中心とした半球状となる。そして、水冷孔の底面から割れがさらに生じにくくするために、上記の半球状の面でなる水冷孔の底面に軟化熱処理を行いたい。
　そこで本発明は、水冷孔の底面を含む領域に確実に軟化熱処理を施すことができるダイカスト金型の製造方法およびダイカスト金型を提供する。

　本開示の一形態によれば、
　内径Ｄの有底の水冷孔が設けられたダイカスト金型の製造方法であって、
　前記水冷孔をなす孔面は、前記水冷孔の底をなす底面と、前記底面から入口に向かって延びる側面を有し、
　前記水冷孔に挿入した外径ｄの管の先端から前記底面に向けて過熱蒸気を送り込み、前記底面を加熱して軟化させる熱処理工程を有する、ダイカスト金型の製造方法が提供される。

　本開示の一形態によれば、
　前記管の先端と前記底面の最深の位置との離間距離をｈと定義したとき、
　０．５×（Ｄ－ｄ）／２　≦　ｈ　≦　１．５×（Ｄ－ｄ）／２
となる位置に前記管の先端を保持して前記熱処理工程を行ってもよい。

　本開示の一形態によれば、
　前記管の先端が円錐台形状であってもよい。

　本開示の一形態によれば、
　前記底面が略半球状となるように加工して前記水冷孔を形成してもよい。

　本開示の一形態によれば、
　内径Ｄの有底の水冷孔が設けられたダイカスト金型であって、
　前記水冷孔をなす孔面は、前記水冷孔の底をなす底面と、前記底面から入口に向かって延びる側面を有し、
　前記底面の最深の位置の硬さＨ１が、前記水冷孔の入口の入口硬さＨ２よりも低い、ダイカスト金型が提供される。

　本開示の一形態によれば、
　前記孔面のうち、前記底面の最深の位置から高さＤの位置までの領域の硬さＨ３が、前記入口硬さＨ２より低くてもよい。

　本開示の一形態によれば、
　前記底面の最深の位置から前記金型内部に向かって、前記水冷孔の径方向と直角の方向に１ｍｍ入った位置の金型内部の硬さＨ１２が、Ｃスケールのロックウェル硬さＨＲＣで比較したときに、前記入口硬さＨ２の９５％より低くてもよい。

　本開示の一形態によれば、
　前記底面の最深の位置から前記金型内部に向かって、前記水冷孔の径方向と直角の方向に５ｍｍ入った位置の金型内部の硬さＨ１５が、Ｃスケールのロックウェル硬さＨＲＣで比較したときに、前記入口硬さＨ２の９５％より高くてもよい。

　本開示の一形態によれば、
　前記底面の最深の位置から高さＤ／２の位置の前記側面から金型内部に向かって前記水冷孔の径方向に３ｍｍ入った位置の金型内部の硬さＨ３３が、Ｃスケールのロックウェル硬さＨＲＣで比較したときに、前記入口の硬さＨ２の９５％より低くてもよい。

　本開示の一形態によれば、
　前記底面の最深の位置から高さＤ／２の位置の前記側面から金型内部に向かって前記水冷孔の径方向に７ｍｍ入った位置の金型内部の硬さＨ３７が、Ｃスケールのロックウェル硬さＨＲＣで比較したときに、前記入口の硬さＨ２の９５％より高くてもよい。

　本開示の一形態によれば、
　前記金型内部の領域において、Ｃスケールのロックウェル硬さＨＲＣで比較したときに、前記入口硬さＨ２の９５％以下となっている領域を軟化領域と呼び、
　前記底面の最深の位置から前記水冷孔の径方向と直角する方向における前記軟化領域の厚みをＤ１と呼び、
　前記底面の最深の位置から高さＤ／２の位置の前記側面から前記水冷孔の径方向における前記軟化領域の厚みをＤ２と呼ぶとき、
　前記厚みＤ１が前記厚みＤ２より小さくてもよい。

　本開示の一形態によれば、
　前記底面が略半球状であってもよい。

　本発明によれば、水冷孔の底面を含む領域に確実に軟化熱処理を施すことができるダイカスト金型の製造方法およびダイカスト金型が提供される。

（ａ）は本実施形態のダイカスト金型の上面図（水冷孔の入口側から見た図）であり、（ｂ）はその側面図である。 本発明の実施形態に係るダイカスト金型の熱処理工程を行う際の模式図である。 水冷孔の内部に管を挿入した様子を示す断面図である。 φ１５の水冷孔が設けられたテストピースの各部の寸法と、温度測定点を示す図である。 過熱水蒸気を供給した際の温度履歴を示す図である。 （ａ）は水冷孔の中心軸線に沿ったテストピースの断面図であり、（ｂ）は水冷孔の中心軸線に直交する面のテストピースの断面図である。 水冷孔の底面の最深の位置から上方へ７．５ｍｍに位置する断面Ｂにおける硬さを示すレーダーチャートである。 水冷孔の底面の最深の位置から上方へ１５ｍｍに位置する断面Ｃにおける硬さを示すレーダーチャートである。 テストピースの上面Ｅにおける硬さを示すレーダーチャートである。 図１１に示す硬さを測定した測定点を示す図である。 水冷孔の孔面からの離間距離と硬度との関係を示すグラフである。 金型内部の領域における軟化領域を示した模式図である。 ダイカスト金型の各部の硬さを示す図である。 φ２０の水冷孔が設けられたテストピースの各部の寸法と、温度測定点を示す図である。 過熱水蒸気を供給した際の温度履歴を示す図である。 水冷孔の底面の最深の位置から上方へ１０ｍｍに位置する断面における硬さを示すレーダーチャートである。 水冷孔の底面の最深の位置から上方へ２０ｍｍに位置する断面における硬さを示すレーダーチャートである。 テストピースの上面における硬さを示すレーダーチャートである。 水冷孔の孔面からの離間距離と硬さの関係を示すグラフである。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、本実施形態の説明において既に説明された部材と同一の参照番号を有する部材については、説明の便宜上、その説明は省略する。また、本図面に示された各部材の寸法は、説明の便宜上、実際の各部材の寸法とは異なる場合がある。

　図１は、本実施形態のダイカスト金型１の略直方体状のテストピースを示している。図１の（ａ）は、ダイカスト金型１を、その水冷孔の入口側（上面１ｂ）から見た図、（ｂ）は、その側面図である。実際のダイカスト金型１は複雑な形状をしているが、以降の説明では、この直方体状のテストピースをダイカスト金型１と呼ぶことにする。
　ダイカスト金型１は鋼材で形成されている。ダイカスト金型１の下面が成形面１ａをなす。ダイカスト金型１の使用時には、この成形面１ａがキャビティを構成する。成形面１ａの形状がダイカストで製造される製品の表面に転写される。ダイカスト金型１の使用時には、成形面１ａは高温の溶湯に曝され、成形面１ａを含むダイカスト金型１全体が高温になる。そこで、この成形面１ａが高温になることを防止するために、ダイカスト金型１には水冷孔２が設けられている。

　水冷孔２は、ダイカスト金型１の上面１ｂに開口している。水冷孔２は、上面１ｂから下方（つまり、成形面１ａ）に向かって延びる有底の穴である。水冷孔２を構成するダイカスト金型１の面を孔面３と呼ぶ。この孔面３として、水冷孔２の底をなす部位を底面４と呼び、底面４から入口に向かって延びる部位を側面５と呼ぶ。水冷孔２は底面４を含む半球状の領域（半球状領域）と、それより上方に位置する略円柱状の領域（円柱状領域）で構成されている。以降の説明において、水冷孔２の直径（内径）をＤと呼ぶ。ダイカスト金型１の使用時には、水冷孔２の入口６から内部に冷却管が差し込まれ、水冷孔２の内部に水等の冷却媒体を流し込むことによりダイカスト金型１を冷却する。

　ところで、ダイカスト金型１の使用時には、水冷孔２に応力が生じる。そして、このように水冷孔２は水に曝されるので、鋼材が錆びたり水素脆化を起こしたりしやすい。これらのことによって、水冷孔２の孔面３には割れが生じることが懸念される。そこで水冷孔２に焼鈍処理を施して、硬さを下げ、割れが生じにくくすることが行われている。また、焼入れ処理後に施される焼戻し処理を利用して、水冷孔２の周囲の硬さを下げることも可能である。ダイカスト金型１の使用時には、水冷孔２の底面４側の領域は入口６側に比べて高温に曝される。このため、水冷孔２の底面４側の硬さは下げたいが、入口６側はそれほど硬さを下げなくてもよい。そこで、この硬さ分布を達成するための、上記の焼鈍工程や焼戻し工程に適用することが可能な熱処理工程について次に説明する。

　図２は、本発明の実施形態に係るダイカスト金型１の熱処理工程を行う際の模式図である。図２に示すように、ダイカスト金型１の水冷孔２に管１０を挿入する。この管１０の末端は、過熱蒸気発生装置１１に接続されている。この管１０の先端から水冷孔２の底面４に向けて過熱蒸気を送り込む。すると、過熱蒸気により少なくとも底面４が温められ、底面４を含むダイカスト金型１の孔面３が軟化される。最深の位置Ａの硬さＨ１が、水冷孔２の入口６の硬さＨ２よりも低くされている。

　過熱蒸気は、例えば、およそ１２００℃にも達する程の高温の水蒸気である。過熱蒸気は、空気に比べて単位体積当たりの熱容量が大きく、また、熱伝導性に優れている。このため、管１０から噴き出された過熱蒸気が底面４に接触すると、過熱蒸気の持つ熱量はすぐに底面４に伝わり底面４を素早く軟化温度にまで加熱することができる。このように、管１０の先端から底面４に向けて過熱蒸気を送り込むことにより、底面４の温度を上げやすく、底面４の熱処理を確実に行うことができる。

　ところで、上述した特許文献１に記載の高周波熱処理装置は、加熱源が周囲の空気を加熱し、加熱された空気を介して金型が加熱される。特許文献１の空気に比べて、本実施形態の過熱蒸気は非常に高い熱伝導性を有する。
　本実施形態によれば、このように高い熱伝導性を有する過熱蒸気が移動しながら孔面３に接し、孔面３の極表層を狙って目標温度まで速やかに加熱する。金型内部の深い領域まで高温にせず、表層を狙って高温にすることができる。このため、本実施形態の熱処理工程は、金型全体の硬度は下げずに水冷孔２の孔面３付近の硬度のみを下げたいという要求に極めて好都合である。また本実施形態の熱処理工程は、金型内部の深い領域まで加熱しないので、表層のみを短時間で目標温度に加熱して軟化することができる点でも優れている。
　また、上述した特許文献１に記載の高周波熱処理装置では、底面４を効率的に加熱することができない。したがって、どうしても底面４の硬さを下げることが難しい。しかし本実施形態によれば、まず過熱蒸気が底面４に吹き付けられるため、底面４の硬さＨ１を簡単にかつ優先的に下げることができる。

　次に、熱処理の好ましい態様について詳しく説明する。図３は、水冷孔２の内部に管１０を挿入した様子を示す断面図である。図３に示すように、管１０の先端から水冷孔２の底面４の最深の位置Ａとの距離がｈとなるように、水冷孔２に管１０を挿入する。この距離ｈは、水冷孔２の直径（内径）Ｄと管１０の直径（外径）ｄを使って、下記式（１）を満たす位置に管１０の先端を保持して熱処理工程を行う。
　０．５×（Ｄ－ｄ）／２　≦　ｈ　≦　１．５×（Ｄ－ｄ）／２　　式（１）

　底面４に向かって管１０から吹き出された過熱蒸気は、底面４にぶつかった後に側面５に向かって流れ、側面５に沿って入口６に向かって流れる。ここで、管１０と底面４との離間距離ｈが、管１０の外面と水冷孔２の側面５との間の距離（Ｄ－ｄ）／２と近い大きさであることが好ましい。そこで上記式（１）を満たせば、管１０から底面４に向かって流れる過熱蒸気の流路の断面積が、側面５に沿って流れる過熱蒸気の流路の断面積に近くなる。このため、過熱蒸気の流れが妨げられにくく、底面４に向かった過熱蒸気が側面５に沿って流れやすくなる。これにより、側面５も効率的に過熱蒸気によって温められ、側面５の広い範囲を熱処理しやすくなる。このため、水冷孔２の底面４から側面５に至る領域を均一に加熱しやすく、この領域を確実に熱処理することができる。
　式（１）において、ｈは、好ましくは「０．７×（Ｄ－ｄ）／２以上」であり、より好ましくは「０．８×（Ｄ－ｄ）／２以上」である。また、ｈは、好ましくは「１．３×（Ｄ－ｄ）／２以下」であり、より好ましくは「１．２×（Ｄ－ｄ）／２以下」である。

　なお、上述した距離ｈの調整は、図２に示したダイカスト金型１の上部に取り付けた調整機構２０により行うことができる。調整機構２０は、過熱蒸気を流す管１０を支持する支持部２１と、水冷孔２の中心軸線Ａｘの方向に延びる第一調整ボルト２２と、水冷孔２の径方向に延びる第二調整ボルト２３とを有している。第一調整ボルト２２をねじ込むことにより、支持部２１とダイカスト金型１の上面１ｂとの距離を調整可能とされている。これにより、支持部２１と、支持部２１により支持された管１０を水冷孔２の中心軸線Ａｘ方向に変位させることができる。つまり、第一調整ボルト２２により距離ｈを調整することができる。
　なお、第二調整ボルト２３により、管１０の水冷孔２内部の径方向の位置を調整することができる。

　図３に戻り、管１０の先端は円錐台形状であることが好ましい。
　水冷孔２はドリルで側面５を形成したときに、その底面４にドリル先端部の形状跡である隅（コーナー）が残る。そこで本実施形態において、この隅をなくして割れを生じ難くするために、底面４が半球状となるようにアール加工して水冷孔２を形成している。
　管１０の先端が円錐台形状であると、このようにして加工された半球状の底面４に対応した形状となりやすく、管１０の先端と底面４との距離を広い範囲に亘って均一に保ちやすい。このため、過熱蒸気の流路の断面積を一定にしやすく、過熱蒸気の流れを妨げにくい。これにより、過熱蒸気を底面４から側面５に亘って円滑に流すことができ、底面４から側面５に亘る広い範囲を効率的に熱処理できる。

　また、このアール加工をした後の水冷孔２の底面４の形状は、水冷孔２の内径をＤとしたときに、底面４の中央からおおよそＤ／２の高さの位置を球の中心とした半球状となる。このため、底面４の最深の位置からＤ／２の高さ位置付近の側面５には、側面５を形成するときのドリルで形成された面と、アール加工する際に形成された面との境界７が位置する。ドリルの刃先の形状精度、アール加工する際の刃物の刃先の形状寸法などに起因して、この境界７に段差が生じることがある。このような段差も、ダイカスト金型１の割れの原因となる場合がある。
　しかし本実施形態によれば、底面４から側面５に亘る広い範囲を効率的に熱処理して硬度を下げることができるため、段差が生じている場合であっても割れにくいダイカスト金型１を提供できる。

　なお、上述の説明では、水冷孔がダイカスト金型の上面に開口する例を説明したが、これに限られない。水冷孔はダイカスト金型の側面や下面に開口していてもよい。

＜φ１５の実施例＞
　次に、本発明の実施例について説明する。図４は、実施例に係る製造方法で加工するダイカスト金型のテストピースの各部の寸法を示している。図４に示すように、本実施形態のテストピースは、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、高さ１５０ｍｍの直方体の鋼材である。テストピースの上面の中央に、直径Ｄが１５ｍｍ、深さが１２０ｍｍの水冷孔が開口している。水冷孔は、入口から深さ１１２．５ｍｍまでの領域が円柱形状であり、深さ１１２．５ｍｍから１２０ｍｍまでの領域が半球状である。テストピースは、ＪＩＳ－Ｇ－４４０４の規格鋼種ＳＫＤ６１の鋼材からなる。そして、１０２０℃からの焼入れ処理と、これに続く６００℃での焼戻し処理とによって、Ｃスケールのロックウェル硬さで、４５ＨＲＣの狙い硬さに調整されている。

　水冷孔の最深の位置Ａから高さ２ｍｍの位置（距離ｈ＝２ｍｍ）に、管の先端が位置するように、外径ｄが１２ｍｍの管を水冷孔に挿入した。過熱水蒸気発生装置にて１２００℃の過熱水蒸気を発生させ、管を介して水冷孔の内部に供給した。管の先端から水冷孔の底面に向けて過熱水蒸気を送り込み、底面を加熱して軟化させた。過熱水蒸気の供給を１時間３０分続けた。過熱水蒸気発生装置として、ＴＯＫＵＤＥＮ　ＵＰＳＳ－Ｄ２０（登録商標）を用いた。

　図４に示すように、テストピースに第一温度測定点ａ１～第五温度測定点ａ５を設定し、各測定点に熱電対を設置して、水冷孔に管を介して過熱水蒸気を送り込んでからの温度変化を測定した。
　第一温度測定点ａ１は、水冷孔の最深の位置Ａから７．５ｍｍ（つまり、Ｄ／２）上方の円柱状領域と半球状領域との境界の高さ位置で、水冷孔の中心軸線Ａｘに対して直交する方向に孔面から１０ｍｍ金型の内部に入った位置に設けられている。
　第二温度測定点ａ２は、水冷孔の中心軸線Ａｘ上で、水冷孔の最深の位置Ａから５ｍｍ下方の金型内部に設けられている。
　第三温度測定点ａ３は、水冷孔の中心軸線Ａｘ上で、水冷孔の最深の位置Ａから２５ｍｍ下方の金型内部に設けられている。
　第四温度測定点ａ４は、水冷孔の最深の位置Ａの孔面の表面上に設けられている。
　第五温度測定点ａ５は、水冷孔の最深の位置Ａから７．５ｍｍ上方の円柱状領域と半球状領域との境界の高さ位置で、水冷孔の中心軸線Ａｘに対して直交する方向に孔面から５ｍｍ金型の内部に入った位置に設けられている。

　過熱水蒸気を供給した際の、各温度測定点で測定された温度履歴を図５に示す。
　第四温度測定点ａ４の温度履歴から分かるように、過熱水蒸気の吹き付けを開始してすぐに、水冷孔の底面の表面温度が９００℃近くに上昇する。さらに吹き付け開始から３０分後に１０００℃程度に達し、その後は１時間３０分まで１０００℃が維持されている。
　第二温度測定点ａ２および第五温度測定点ａ５は同様の温度履歴を示した。第二温度測定点ａ２および第五温度測定点ａ５のいずれも、吹き付け開始から３０分後に５５０℃程度まで上昇し、１時間後に６００℃程度に達する。その後は１時間３０分まで６００℃が維持されている。
　第一温度測定点ａ１においては、吹き付け開始から３０分後に５００℃程度まで上昇し、１時間後に５７０℃程度に達する。その後は１時間３０分まで５７０℃が維持されている。
　第三温度測定点ａ３においては、吹き付け開始から３０分後に４７０℃程度まで上昇し、１時間後に５２５℃程度に達する。その後は１時間３０分まで５２５℃が維持されている。

　ＳＫＤ６１製のテストピースの今回の焼戻し温度は約６００℃である。この焼戻し温度を大きく超えて加熱された第四温度測定点ａ４は軟化されたと推測される。また、焼き戻し温度に達しなかった第一温度測定点ａ１、第三温度測定点ａ３は軟化しなかったものと推測される。

　そこで、過熱水蒸気の吹き付けをして得られたテストピースに図６に黒点で示した複数の位置を設定し、これらの位置について硬さを測定した。図６の（ａ）は水冷孔の中心軸線Ａｘに沿った断面図であり、図６の（ｂ）は水冷孔の中心軸線Ａｘに直交する面の断面図である。
　図６の（ａ）に示すように、水冷孔の底面の最深の位置Ａから上方へ７．５ｍｍ（円柱状領域と半球状領域の境界）に位置する断面Ｂの硬さ、水冷孔の底面の最深の位置Ａから上方へ１５ｍｍに位置する断面Ｃの硬さ、水冷孔の底面の最深の位置Ａから上方へ１２０ｍｍに位置する面Ｅ（テストピースの上面１ｂ）の硬さを測定した。これにより、水冷孔の底面からの高さ方向における硬さの変化を確認する。
　それぞれの高さ位置における面Ｂ，Ｃ，Ｅにおいて、図６の（ｂ）に示すように、周方向に互いの離間距離が等しい８つの軸線に沿って、それぞれ水冷孔の孔面表面から２ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍ、１０ｍｍ離間した位置の硬さを測定した。これにより、水冷孔の周方向の硬さの変化、および、水冷孔の孔面からの離間距離に応じた硬さの変化を確認する。
　以上のように設定した合計９６（３×８×４）点の位置の硬さの測定結果を図７～図９に示す。

　図７は、水冷孔の底面の最深の位置Ａから上方へ７．５ｍｍ（つまり、Ｄ／２）に位置する断面Ｂにおける硬さを示すレーダーチャートである。図８は、水冷孔の底面の最深の位置Ａから上方へ１５ｍｍに位置する断面Ｃにおける硬さを示すレーダーチャートである。図９は、テストピースの上面Ｅにおける硬さを示すレーダーチャートである。水冷孔の孔面からの離間距離が等しい測定点の硬さを示す点を結ぶ線で示している。なお、図７～９の縦軸の硬さは、Ａスケールのロックウェル硬さＨＲＡで示している。

　図７と図８に示すように、水冷孔に過熱水蒸気を供給することにより、水冷孔の近傍の領域が軟化することが確認できた。テストピースの狙い硬さである４５ＨＲＣ（ＨＲＡに換算して、約７３ＨＲＡ）に対して、水冷孔の孔面から６ｍｍ未満の領域の硬さが低下した。
　また図７と図８より、水冷孔の孔面から離れるほど硬くなっていく傾向が読み取れる。つまり、離間距離が最も短い２ｍｍの位置の硬さはおよそ６９ＨＲＡであり、これをＨＲＣに換算すると約３７ＨＲＣである。これに対し、離間距離が４ｍｍの位置の硬さはおよそ７１ＨＲＡ（約４１ＨＲＣ）、離間距離が６ｍｍの位置の硬さはおよそ７２ＨＲＡ（約４３ＨＲＣ）、離間距離が１０ｍｍの位置の硬さはおよそ７３ＨＲＡ（約４５ＨＲＣ）であった。

　図７と図８とを比較すると、水冷孔の孔面からの距離が等しくても、図７の断面Ｂは図８の断面Ｃよりも硬さが小さいことが読み取れる。断面Ｂは断面Ｃより、過熱水蒸気が吹き付けられる水冷孔の底面からの距離が近い。過熱水蒸気の供給中に断面Ｂは断面Ｃよりも高温となっている。このため、断面Ｂは断面Ｃよりも軟化が進み、軟らかくなったものと考えられる。
　さらに、図９に示すように、水冷孔の底面から遠く離れた水冷孔の入口付近では、もはや過熱水蒸気の供給によっても温度が焼戻し温度付近まで上昇せず、軟化しなかったことが読み取れる。

　図７と図８からは、孔面の表面から１０ｍｍ離れると軟化していないことが読み取れる。断面Ｂ，Ｃは、過熱水蒸気が吹き付けられる底面から比較的近い位置にある。しかし、孔面の表面から１０ｍｍ離れた領域は焼戻し温度に達することなく、軟化しなかった。また、図７と図８より、水冷孔の孔面の表面から４ｍｍ程度離れると、軟化はするものの、軟化しにくくなることが確認できる。

　次に、水冷孔の底面からの離間距離に応じた硬度の変化を評価した。図１０に示すように、方向ｓ～方向ｕについて、水冷孔の底面からの離間距離に応じた硬度を測定した。
方向ｓ：水冷孔の底面の最深の位置Ａから下方に向かう方向について複数の点で硬さを測定した。
方向ｔ：半球状領域の球の中心Ｏから水冷孔の中心軸線Ａｘに対して４５°をなす方向について複数の点で硬さを測定した。
方向ｕ：半球状領域の球の中心Ｏから水冷孔の中心軸線Ａｘに対して４５°をなす方向について複数の点で硬さを測定した。方向ｕは、方向ｔに対して、水冷孔の中心軸線Ａｘ回りに１８０°離れた位置にある。

　図１１に、水冷孔の底面からの離間距離に応じた硬度の変化を示す。なお、図１１の縦軸の硬さはＨＲＣで示している。図１１に示すように、水冷孔の底面の最深の位置Ａの硬さは約３０ＨＲＣであり、テストピースの狙い硬さである４５ＨＲＣに対して大きく軟化していた。そして、方向ｓ～ｕのいずれの方向の点についても底面から離れるにしたがって硬くなる傾向を有する。特に底面から４ｍｍも離れると軟化しにくくなることが読み取れ、離間距離が５ｍｍの位置では、もはやテストピースの狙い硬さである４５ＨＲＣと同等である。一方で、離間距離が０～２ｍｍの範囲では硬さが大きく低化していることが読み取れる。

　また、図１１に示すように、方向ｓ～ｕはほぼ同様の硬さを示している。したがって、水冷孔の半球状領域においては、過熱水蒸気による熱が均等に広がり、水冷孔の半球状領域は均等に軟化が進んでいる。もっとも、管から噴き出される過熱水蒸気が最初にぶつかる半球状頂点に相当する領域は、高温になりやすく最も軟化が進むことがわかる。

　図１２は、以上のような硬さの測定に基づき、金型内部の領域において入口硬さの９５％以下の硬さ（つまり、４５ＨＲＣに対して、４２．７５ＨＲＣ以下）となる領域（以降、軟化領域ＳＦと呼ぶ）を示した模式図である。
　底面の最深の位置Ａから水冷孔の径方向と直角する方向における軟化領域ＳＦの厚みをＤ１と呼ぶ。底面の最深の位置Ａから高さＤ／２の位置の側面から水冷孔の径方向における軟化領域ＳＦの厚みをＤ２と呼ぶ。すると、図１２に示すように、厚みＤ１は厚みＤ２より小さい。
　水冷孔の底面から底に向かう方向には成形面が設けられているため、この方向には軟化部を大きく形成したくない。本実施例のように、厚みＤ１が厚みＤ２より小さいと、軟化領域ＳＦを水冷孔の周囲に大きく形成しつつ、成形面の近傍の硬さを維持しやすい。
　なお、Ｄ１、Ｄ２に関する上記の「厚み」とは、水冷孔の孔面に対して垂直な方向に延びる寸法を言う。図１２の水冷孔の場合、Ｄ１の厚みが定義される方向とＤ２の厚みが定義される方向とは直交している。

　図１３は、ダイカスト金型の各部の硬さを示す図である。
　本実施例において、水冷孔の孔面のうち、底面の最深の位置Ａから高さＤ（Ｄ＝水冷孔の直径）の位置までの領域の硬さＨ３（該領域の平均の硬さ）が、入口硬さＨ２よりも低い。
　図６に示したように、断面Ｃは底面の最深の位置Ａから高さＤの位置の断面である。断面Ｃの硬さを示す図８より、底面の最深の位置Ａから高さＤの位置の孔面（離間距離０ｍｍ）の硬さは６７ＨＲＡ（約３３ＨＲＣ）未満となることが読み取れる。また、図７と図８とを合わせて参照すると、高さＤよりも位置Ａに近い領域の硬さは、高さＤにおける硬さよりも低くなることが読み取れる。したがって、底面の最深の位置Ａから高さＤの位置までの領域の硬さＨ３は、６７ＨＲＡ（約３３ＨＲＣ）未満となることが読み取れる。
　一方で、図９は入口硬さＨ２を示している。図９より、入口硬さＨ２は７３ＨＲＡと読み取れ、これは約４５ＨＲＣ（テストピースの狙い硬さ）である。
　したがって本実施例において、硬さＨ３は硬さＨ２よりも低くなっている。水冷孔の底面と側面のそれぞれの硬さが入口硬さＨ２より下げられているため、水冷孔の周囲から割れが生じにくいダイカスト金型を提供できる。

　本実施例において、半球状領域の球の中心Ｏから水冷孔の中心軸線Ａｘの方向に金型内部に向かって１ｍｍ入った位置の金型内部の硬さＨ１２が、Ｃスケールのロックウェル硬さＨＲＣで比較したときに、入口硬さＨ２の９５％より低い。
　硬さＨ１２は、図１０の方向ｓに沿った硬さの変化を示す図１１から読み取ることができる。図１１のｓの線において、離間距離１ｍｍの位置の硬さはおよそ４０ＨＲＣである。入口硬さＨ２である７３ＨＲＡはおよそ４５ＨＲＣに相当する。入口硬さＨ２の９５％は４２．７５ＨＲＣである。したがって本実施例において、Ｈ１２＜０．９５×Ｈ２が成立している。そして、これについては、上記の硬さＨ１２が、入口の硬さＨ２の９０％の硬さ（４０．５ＨＲＣ）よりも低くなっており、水冷孔の割れの抑制に更に効果的である。なお、半球状領域の球の中心Ｏから水冷孔の中心軸線Ａｘに対して４５°をなす方向に金型内部に向かって１ｍｍ入った位置の金型内部の硬さも、入口硬さＨ２の９５％より低くなっている。そして更には、９０％より低くなっている。水冷孔の底面に向かって吹き付けられた過熱蒸気により、管の直下のみならず底面の最深の位置Ａから高さＤ／２の位置の孔面についても軟化される。

　本実施例において、底面の最深の位置Ａから金型内部に向かって、水冷孔の軸方向に５ｍｍ入った位置の金型内部の硬さＨ１５が、Ｃスケールのロックウェル硬さＨＲＣで比較したときに、入口硬さＨ２の９５％より高い。
　図１１のｓの線において、離間距離５ｍｍの点より、硬さＨ１５はおよそ４５ＨＲＣである。一方で、７３ＨＲＡである入口硬さＨ２の９５％は約４２．７５ＨＲＣである。したがって、本実施例においてＨ１５＞０．９５×Ｈ２が成立している。そして、これについては、上記の硬さＨ１５が、入口の硬さＨ２の９７％の硬さ（４３．６５ＨＲＣ）よりも高くなっており、成形面の硬さの維持に更に効果的である。
　成形面には所定の硬さが求められる。本実施例とは異なり、熱処理により軟化する領域が大きく、底面の最深の位置から５ｍｍより離れた領域まで軟らかくなってしまうと、軟化が金型の成形面にまで及んでしまうことがある。すると、水冷孔を成形面の近くまで設けることが難しくなってしまう。この点において、本発明に関する過熱蒸気を利用した軟化熱処理であれば、特に水冷孔の底面において金型内部が軟化する熱影響部を浅くできるので、上記の軟化領域ＳＦの厚みを小さくすることが可能である。また、逆に熱処理により軟化する領域が小さく、十分に軟らかくなっている領域が１ｍｍより浅いと、水冷孔に近い領域で軟らかくなっていない領域に割れが生じやすくなってしまう。

　本実施例において、底面の最深の位置Ａから高さＤ／２（水冷孔の半球状領域と円柱状領域の境界）の位置の水冷孔の側面から金型内部に向かって水冷孔の径方向に３ｍｍ入った位置の金型内部の硬さＨ３３が、Ｃスケールのロックウェル硬さＨＲＣで比較したときに、入口の硬さＨ２の９５％より低い。
　硬さＨ３３は、図６における断面Ｂの硬さを示す図７から読み取れる。図７より、硬さＨ３３は、２ｍｍと４ｍｍの線の間のおよそ７０ＨＲＡであり、換算すると約３９ＨＲＣである。一方で、入口の硬さＨ２は約４５ＨＲＣであり、Ｈ２の９５％は約４２．７５ＨＲＣである。本実施例において、Ｈ３３＜０．９５×Ｈ２が成立している。そして、これについては、上記の硬さＨ３３が、入口の硬さＨ２の９０％の硬さ（４０．５ＨＲＣ）よりも低くなっており、水冷孔の割れの抑制に更に効果的である。

　本実施例において、底面の最深の位置Ａから高さＤ／２（水冷孔の半球状領域と円柱状領域の境界）の位置の水冷孔の側面から金型内部に向かって水冷孔の径方向に７ｍｍ入った位置の金型内部の硬さＨ３７が、Ｃスケールのロックウェル硬さＨＲＣで比較したときに、入口の硬さＨ２の９５％より高い。
　硬さＨ３７は、図６における断面Ｂの硬さを示す図７から読み取れる。図７より、硬さＨ３７は、６ｍｍと１０ｍｍの線の間のおよそ７２．５ＨＲＡであり、換算すると約４４ＨＲＣである。一方で、入口の硬さＨ２の９５％は約４２．７５ＨＲＣである。本実施例において、Ｈ３７＞０．９５×Ｈ２が成立している。そして、これについては、上記の硬さＨ３７が、入口の硬さＨ２の９７％の硬さ（４３．６５ＨＲＣ）よりも高くなっており、金型自体の硬さの維持に更に効果的である。
　水冷孔から７ｍｍより離れた領域まで軟化させてしまうと金型自体の硬さを低下させてしまうおそれがある。また、軟らかくなっている領域が３ｍｍより浅いと、水冷孔に近い領域で軟らかくなっていない領域に割れが生じやすくなってしまう。

＜φ２０の実施例＞
　次に、上述したφ１５を設けたテストピースと同じ大きさのテストピースに、直径Ｄが２０ｍｍ、深さが１２０ｍｍの水冷孔を形成し、同様に過熱水蒸気を水冷孔の底面に吹き付けた。φ２０のテストピースについても、上述したφ１５のテストピースと同様に温度履歴、硬さを測定した。水冷孔の最深の位置Ａから高さ３ｍｍの位置（距離ｈ＝３ｍｍ）に、管の先端が位置するように、外径ｄが１５ｍｍの管を水冷孔に挿入した。

　図１４に示すように、テストピースに第一温度測定点ｂ１～第五温度測定点ｂ５を設定し、各測定点に熱電対を設置して、水冷孔に管を介して過熱水蒸気を送り込んでからの温度変化を測定した。
　第一温度測定点ｂ１は、水冷孔の最深の位置Ａから１０ｍｍ（つまり、Ｄ／２）上方の円柱状領域と半球状領域との境界の高さ位置で、水冷孔の中心軸線Ａｘに対して直交する方向に孔面から１０ｍｍ金型の内部に入った位置に設けられている。
　第二温度測定点ｂ２は、水冷孔の中心軸線Ａｘ上で、水冷孔の最深の位置Ａから５ｍｍ下方の金型内部に設けられている。
　第三温度測定点ｂ３は、水冷孔の中心軸線Ａｘ上で、水冷孔の最深の位置Ａから２５ｍｍ下方の金型内部に設けられている。
　第四温度測定点ｂ４は、水冷孔の最深の位置Ａの孔面の表面上に設けられている。
　第五温度測定点ｂ５は、水冷孔の最深の位置Ａから１０ｍｍ上方の円柱状領域と半球状領域との境界の高さ位置で、水冷孔の中心軸線Ａｘに対して直交する方向に孔面から５ｍｍ金型の内部に入った位置に設けられている。

　図１５は、図５と同様の温度履歴を示すグラフである。図１５に示すように、図５のφ１５のテストピースの温度履歴と同様の温度履歴となった。第一温度測定点ｂ１、第二温度測定点ｂ２、第五温度測定点ｂ５でほぼ同じ温度履歴となった。これは、φ１５の水冷孔に比べて水冷孔の直径が大きくなったため、水冷孔の底面から側面に過熱水蒸気が流れ込みやすくなり、側面の温度が上がりやすくなり第一温度測定点の温度が高まったものと思われる。

　図１６は、図７と同様の硬さのばらつきを示すレーダーチャートである。図１７は、図８と同様の硬さのばらつきを示すレーダーチャートである。図１８は、図９と同様の硬さのばらつきを示すレーダーチャートである。図１６は、水冷孔の底面の最深の位置Ａから上方へ１０ｍｍ（円柱状領域と半球状領域の境界）に位置する断面における硬さのばらつきを示す。図１７は、水冷孔の底面の最深の位置Ａから上方へ２０ｍｍに位置する断面における硬さのばらつきを示す。図１８は、テストピースの上面の硬さのばらつきを示す。
　図１９は、図１１と同様の水冷孔の孔面からの離間距離と硬さの関係を示すグラフである。
　図１６～図１９を図７～図９、図１１と比較すると、φ２０の水冷孔が形成されたテストピースにおいてもφ１５の水冷孔が形成されたテストピースと同様に軟化されていることが確認できた。

　本出願は、2016年11月22日出願の日本特許出願（特願2016-226449）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

　本発明によれば、水冷孔の底面を含む領域に確実に軟化熱処理を施すことができるダイカスト金型の製造方法およびダイカスト金型が提供される。

　１　ダイカスト金型
　２　水冷孔
　３　孔面
　４　底面
　５　側面
　６　入口
　７　（半球状領域と円柱状領域の）境界
　１０　管
 

Claims (12)

1. 　内径Ｄの有底の水冷孔が設けられたダイカスト金型の製造方法であって、
   　前記水冷孔をなす孔面は、前記水冷孔の底をなす底面と、前記底面から入口に向かって延びる側面を有し、
   　前記水冷孔に挿入した外径ｄの管の先端から前記底面に向けて過熱蒸気を送り込み、前記底面を加熱して軟化させる熱処理工程を有する、ダイカスト金型の製造方法。
2. 　前記管の先端と前記底面の最深の位置との離間距離をｈと定義したとき、
   　０．５×（Ｄ－ｄ）／２　≦　ｈ　≦　１．５×（Ｄ－ｄ）／２
   となる位置に前記管の先端を保持して前記熱処理工程を行う、請求項１に記載のダイカスト金型の製造方法。
3. 　前記管の先端が円錐台形状である、請求項１に記載のダイカスト金型の製造方法。
4. 　前記底面が略半球状となるように加工して前記水冷孔を形成する、請求項１に記載のダイカスト金型の製造方法。
5. 　内径Ｄの有底の水冷孔が設けられたダイカスト金型であって、
   　前記水冷孔をなす孔面は、前記水冷孔の底をなす底面と、前記底面から入口に向かって延びる側面を有し、
   　前記底面の最深の位置の硬さＨ１が、前記水冷孔の入口の入口硬さＨ２よりも低い、ダイカスト金型。
6. 　前記孔面のうち、前記底面の最深の位置から高さＤの位置までの領域の硬さＨ３が、前記入口硬さＨ２より低い、請求項５に記載のダイカスト金型。
7. 　前記底面の最深の位置から金型内部に向かって、前記水冷孔の径方向と直角の方向に１ｍｍ入った位置の金型内部の硬さＨ１２が、Ｃスケールのロックウェル硬さＨＲＣで比較したときに、前記入口硬さＨ２の９５％より低い、請求項５に記載のダイカスト金型。
8. 　前記底面の最深の位置から金型内部に向かって、前記水冷孔の径方向と直角の方向に５ｍｍ入った位置の金型内部の硬さＨ１５が、Ｃスケールのロックウェル硬さＨＲＣで比較したときに、前記入口硬さＨ２の９５％より高い、請求項５に記載のダイカスト金型。
9. 　前記底面の最深の位置から高さＤ／２の位置の前記側面から金型内部に向かって前記水冷孔の径方向に３ｍｍ入った位置の金型内部の硬さＨ３３が、Ｃスケールのロックウェル硬さＨＲＣで比較したときに、前記入口の硬さＨ２の９５％より低い、請求項５に記載のダイカスト金型。
10. 　前記底面の最深の位置から高さＤ／２の位置の前記側面から金型内部に向かって前記水冷孔の径方向に７ｍｍ入った位置の金型内部の硬さＨ３７が、Ｃスケールのロックウェル硬さＨＲＣで比較したときに、前記入口の硬さＨ２の９５％より高い、請求項５に記載のダイカスト金型。
11. 　金型内部の領域において、Ｃスケールのロックウェル硬さＨＲＣで比較したときに、前記入口硬さＨ２の９５％以下となっている領域を軟化領域と呼び、
    　前記底面の最深の位置から前記水冷孔の径方向と直角する方向における前記軟化領域の厚みをＤ１と呼び、
    　前記底面の最深の位置から高さＤ／２の位置の前記側面から前記水冷孔の径方向における前記軟化領域の厚みをＤ２と呼ぶとき、
    　前記厚みＤ１が前記厚みＤ２より小さい、請求項５に記載のダイカスト金型。
12. 　前記底面が略半球状である、請求項５に記載のダイカスト金型。
     

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