JPS62149801A - Ｚｎ−２２Ａｌ合金粉末を用いた金型の製作法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の技術分野〉 本発明は、ロストワックス用鋳型やプラスチック射出成
形用金型などに代表される鋳込み用金型、また圧印用金
型などに代表される塑性加工用金型の製作法に関するも
のである。

〈従来の技術およびその問題点〉 従来の金型は、切削、研削、放電加工などの機械加工に
よって目的とする形状が作製され、次いで所望の強度や
じ／し性を満足させるための熱処理を施すなど、多くの
工数と時間、ならびに費用をかけて製作されていた。ま
た、形状の複雑な金型の加工にはＮＣ工作機械が導入さ
れる場合も多々あり、金型の加工費は非常に高いものと
なっていた。

更に、金型用の材料としては、硬度や強度が大きくて加
工性の悪い、いわゆる難加工性材料が用いられる場合が
多いため、金型の材料費はもちろんのこと、前記の金型
加工費も一段と高くなっていた。　以上のような理由に
より、これまでの金型は主に大量生産用に用いられ、多
品種少量生産用としては経済的、その他の点から対応が
困難であった。

それらの問題点を解消するための一つの方策として、特
開昭５５−１００１１４号公報で公開されている超塑性
合金の粉末による成形金型の製作法がある。

しかしながら、この方法においては製造された超塑性合
金の粉末をそのまま、すなわち粉末に何ら処理を施さず
に用いている。゛″超塑性粉末″と単に言えば、いかな
る状態のもとでも超塑性を発現して成形加工性に富むか
の印象を与えるが、実際は金属組織、加工温度、加工速
度が適切な状態になってはじめて発現するものである。

これらの内、加工温度や加工速度は成形加工の際の条件
によって任意に制御できるが、金属組織は制御が極めて
困難であり、したがって出発時に於ける組織が非常に重
要である。

このようなため、特開昭５５−１００１１４号公報で公
開されている方法では、超塑性合金の粉末の特質を十分
に発揮することは困難であった。

〈発明の目的〉 本発明は、Ｚｎ−２２Ａ　１合金粉末で金型を製作する
に際し、あらかじめ急冷処理を施し超塑性化を促進せし
めた粉末を用いることによって、超塑性の特質を十分に
発揮させ、金型製作を簡便に、安価に、かつ精度良くし
、多品種少量生産にも適用できる金型を製作することを
目的としたものである。

〈発明の構成〉 本発明は、あらかじめ急冷処理を施し超塑性化を促進せ
しめたＺｎ−２２ＡＩ合金粉末によ、って、鋳込み用金
型や塑性加工用金型を製作する方法に関するものである
。

Ｚｎ−２２人１合金は、超塑性を示す材料として知られ
ている。ここに超塑性とは、金属がある条件のもとてあ
たかも水アメのように小さい力で異常に伸びる現象のこ
とである。また、この合金は超塑性を発現する条件のも
とでは形状の転写性に優れており、原型の黴細な凹凸を
精度良く転写できる。

これは結晶粒が非常に微細で、かつ均質であるので変形
による肌荒れが通常の材料に比べて大幅に少ないためで
ある。ただし、これらの特質は加工温度や加工速度の影
響を受けるのはもちろんのこと、金属組織の影響を顕著
に受ける。すなわち、粗大化のための熱処理によって微
細な結晶粒を粗大化し、かつ層状組織にすればもはや超
塑性を発現することはなく、強じんな材料に変化させる
ことができる。

本発明は以上のような特性を利用して、Ｚｎ−２２人！
合金粉末で金型を製作する際には、粉末が超塑性を発現
する状態のもとで成形して金型製作を容易にし、一旦、
金型が成形されてからは使用中の加熱により、又は別の
熱処理を施すことによって強化し、金型として利用する
ものである。

添付図面の第１図は、本発明方法における金型の製作法
を示す模式図である。図に示すように、金型材料である
、急冷処理をあらかじめ施された粉末、すなわち急冷処
理粉末１をコンテナ４内に充てんし、所望の形状を有す
る原型２とパンチ５により加圧３して、原型２の形状を
転写しながら熱間成形する。

本発明において、金型用材料として用いる粉末は、あら
かじめ急冷処理を施し超塑性化を促進せしめた、Ｚｎ−
２２Ａ　１合金粉末である。粉末に急冷処理を施す手法
は、先に本件出願人において特許出願を行い、特開昭　
５９−１５７２０１号公報において公開された方法を用
いている。すなわち、保護ガス雰囲気中で、３８０℃の
温度に３０分間、加熱保持された粉末を氷水中に浸漬し
て急冷処理を施すというものである。この急冷処理粉末
１は、処理が施されていない通常の粉末（非処理粉末）
に比べて、金属組織は微細・粒状化しており、超塑性の
発現に対して極めて効果的である。

急冷処理粉末の熱間成形に際しては、この粉末が最も超
塑性を発現する　２５０℃近傍の温度を選定することが
望ましい。２５０℃のもとにおける圧縮性、すなわち成
形体の密度と成形圧力との関係を添付図面の第２図に示
す。図には比較のために、非処理粉末の圧縮性について
も・印で示しているが、同一の成形圧力を作用させたと
き、Ｏ印で示す急冷処理粉末の成形体の密度の方が大き
くなり、急冷処理によって粉末が軟質化していることを
よく現わしている。

添付図面の第３図は、微細な凹凸部の転写性能を調べる
目的で、熱間成形された粉末成形体の表面粗さを成形圧
力を種々変化させて測定した結果を示したものである。

図中、破線は熱間成形の際に用いたパンチ５の表面粗さ
を示している。急冷処理粉末を用いた場合の粉末成形体
の表面粗さと非処理粉末を用いた場合のそれとを比較す
ると、前者の方が表面粗さが小さく、用いたパンチのそ
れに近い。すなわち、急冷処理粉末の方が非処理粉末の
場合よりも微細部の転写性に優れていることがわかる。

添付図面の第１図の方法によって原型の形状を転写しな
がら熱間成形された粉末成形体を、ロストワックス用鋳
型やプラスチック射出成形用金型などの鋳込み用金型と
して利用する場合には、その使用中に加熱されるため熱
処理などの後工程は省き、このまま金型として利用する
ことができる。

ただし、鋳込み用金型の場合、高温状態にある溶融物が
流し込まれるので、高温における表面状態の安定性が要
求される。ロストワックス用鋳型として利用する場合に
は、ワックスが溶融状態になる８０〜１００℃の温度、
またプラスチック射出成形用金型として利用する場合に
は、プラスチックが熱可塑性を示す２００〜３００℃の
温度域でもって使用される。したがって、それらの温度
域において、添付図面の第３図で示した表面粗さを保持
しておく必要がある。

添付図面の第４図は、熱間成形された粉末成形体を所定
の温度に加熱して、１０分間保持したあと、室温まで冷
却したものの表面粗さを示したものである。図から明ら
かなように、加熱温度が３００℃程度までは十分に元の
表面粗さを維持しており、かつ加熱温度によらず急冷処
理粉末の場合の方が、非処理粉末の場合よりも良好な表
面粗さを呈している。このように、粉末成形体の表面粗
さは加熱によってほとんど変化しないことから、ロスト
ワックス用鋳型やプラスチック射出成形用金型として十
分に使用に耐え得ることがわかる。

粉末に急冷処理を施し、その金属組織を微細・粒状化す
ることの有効性については、添付図面の第２図、第３図
および第４図を用いて詳しく記述したが、更にその有効
性を示すために、引張試験の結果に及ぼす急冷処理の効
果について述べる。

添付図面の第５図は引張試験における応力−ひずみ線図
の一例である。試験に供した成形体は急冷処理粉末およ
び非処理粉末を冷間のもとで、５９０ＭＰａの成形圧力
によゆ成形した圧粉体である。図から明らかなように、
急冷処理粉末の場合の伸びは、非処理粉末の場合のそれ
に比べておよそ３倍に向上し、一方、変形抵抗は半分に
低下している。急冷処理によって粉末の超塑性化が非常
に促進されており、同じ組成の粉末でもその特性は大い
に異なっていることがわかる。

金型を製作するための原料粉末として、あらかじめ急冷
処理を施された粉末を用いれば、以上のような特性の向
上をもたらすため、原型に要求される強度的、経済的、
時間的な条件が大幅に緩和されるととも、製品の複雑形
状化、すなわちデザインの自由度が増し、その効果は大
きい。

次に、本発明方法における粉末成形体を塑性加工用金型
として利用する場合の方法について述べる。この場合に
は、急冷処理粉末を熱間成形したままのものでは強度的
に弱い。そこで強しん化を図る目的で、原型の形状が転
写された粉末成形体に炉冷処理を施す。炉冷処理は成形
体を　３８０℃の温度に６０分間保持した後、炉冷する
方法を用いろ。

この場合、粉末成形体の酸化を防ぐ目的で、加熱は非酸
化性雰囲気のもとで行うことが望ましい。

との炉冷処理を施すことによって成形体の金属組織は微
細な粒状組織から層状組織へと変化する。

炉冷処理の前後における成形体の室温硬さの変化を成形
圧力との関係で添付図面の第６図に示す。

炉冷処理を行うことによって成形体の硬さは大幅に増加
し、その効果が顕著に現われている。

炉冷処理された粉末成形体を金型として利用する場合に
重要な性質である熱間（２５０℃）における圧縮の降伏
応力を成形圧力との関係で添付図面の第７図に示す。図
には非処理粉末の場合についても併せてて示している。

図から明らかなように、炉冷処理された成形体の強度は
急冷処理粉末を押し固め、その成形体を炉冷した場合の
方が、非処理粉末の場合よりも大きくなっており、塑性
加工用金型として適していることがわかる。

添付図面の第２図、第３図、第６図および第７図から明
らかなように、粉末成形体の密度、微細部の転写性、硬
さ、降伏応力は熱間成形時の成形圧力に依存し、急冷処
理粉末の場合、それらは５０ＭＰａ程度の成形圧力でも
ってほぼ一定となってぃる。それに対して、非処理粉末
を用いて急冷処理粉末と同等な上記の特性を得ようとす
れば、成形圧力は８０〜１００！ＪＰａ程度を必要とす
る。したがって金型材料としては非処理粉末を使用する
よりも急冷処理粉末を用いる方が、原型の形状を粉末に
転写しながら熱間成形する際の成形圧力は少なくて済む
。よって原型は強度に優れたものである必要はな（、例
えば、黄銅、銅、亜鉛合金等のように、款かくて加工性
に富む材料で十分であり、原型の材料費、加工費などの
コストを大幅に減じるとともに、製品の一層の複雑形状
化を可能にする。

作製されたＺｎ−２２Ａ　１合金粉末成形体の金型を、
圧印加工などの塑性加工用金型として使用する場合の鉛
直断面模式図を添付図面の第８図に例示する。基本的に
は図に示すように、粉末成形体の金型６と被加工物７を
組合わせるが、必要に応じてこれらはコンテナ内に配置
することもできる。被加工物７の形態としては、溶製体
（溶解鋳造法で作られた、密度１００％の通常の材料）
、粉末成形体、粉末状のもの等があげられる。一方、被
加工物７の材質としては、亜鉛、アルミニウム、マグネ
シウム、銅およびそれらの合金などがあげられ、さらに
はＺｎ−２２人４合金粉末成形体の金型６と同一の材質
のものでさえ加工ができる。加工温度は被加工物７の材
質により冷間もしくは熱間が選定される。また、加工速
度は粉末成形体の金型６の強度が加工速度によって変化
するため、その強度と被加工物７の強度との比、すなわ
ち強度比、あるいはそれらの差、すなわち強度差が最も
太き（なる加工速度域を選定することが望ましい。

〈発明の作用〉 金型材料としてあらかじめ急冷処理を施し超塑性化を促
進せしめたＺｎ−２２人４合金粉末を用いることによっ
て、原型の形状を転写しながら粉末を成形する際の成形
圧力は、従来からの急冷処理を施さない通常のＺｎ−２
２人４合金粉末を用いる場合に比べておよそ半分で済む
ことになる。そのため、原型に強度や硬度の大きい、い
わゆる難加工性材料を使用する必要がなくなり、したが
って原型の材料費や加工費を低減化させることができる
とともに、形状のより複雑な原型の使用も可能となるｂ
さらに、急冷処理によって超塑性化が促進されｔコＺｎ
−２２人ｊ！合金粉末は微細部の転写性に優れているの
で、高精度の金型を簡便に、安価に製作することができ
ろ。

〈発明の実施例〉 実施例１ 本実施例において用いた原型の形状はピッチが約０．５
ｍｍの同心円状の溝を有するものであり、その形状を添
付図面の第９図に示す。乙の原型を用いてあらかじめ急
冷処理を施されたＺｎ−２２Ａ　１合金粉末を添付図面
の第１図に示す方法で、原型の形状を転写しながら熱間
成形を行った。成形温度はＺｎ−２２Ａ　１合金粉末が
超塑性を最も発現する温度である　２５０℃を選定し、
成形圧力は添付図面の第２図〜第７図を参考にして、粉
末成形体の密度、転写性、硬度および降伏応力がほぼ一
定となる　５０ＭＰａとしｔこ。

次に、乙の粉末成形体を塑性加工用金型として利用する
ｔこめ、強じん化を図る目的で成形体に炉冷処理を施し
た。炉冷処理は真空のもとで成形体を３８０℃の温度に
６０分間保持した後、炉冷する方法を用いた。この炉冷
処理によって成形体は強化され、もはや超塑性を発現す
ることはない。

このようにして得られたＺｎ−２２Ａｌ合金粉末成形体
の金型を用いて被加工物への圧印加工を行った。

被加工物としては金型と同一材質であるＺｎ−２２Ａ　
Ｉ！合金粉末成形体（圧粉体）を用いた。超塑性材料の
場合、簡便な熱処理によってその変形挙動を大幅に変化
させることができるので、乙のように同一材質のものを
一方は被加工物として、他方は金型として使用する乙と
もできる。圧印加工の際の加工温度は２５０℃、加工速
度は金型の強度と被加工物の強度との比、すなわち強度
比をひずみ速度（加工速度）との関係で示した添付図面
の第１０図（ロ）を参照して、強度比が最も大きくなる
加工速度を読み取す、２０ｍｍ／ｍｉｎとした。また、
圧印加工の際の圧力は被加工物の強度を示した第１０図
（イ）、を参照して２５ＭＰａとした。

以上の条件のもとで製造された製品の直径方向の断面形
状を添付図面の第１１図（ハ）に示す。図には用いた原
型（イ）、Ｚｎ−２２人ｅ合金粉末による金型（ロ）の
断面形状も併せてて示している。図から明らかなように
、Ｚｎ−２２Ａ　１合金粉末による金型の断面形状（ロ
）は原型のそれ（イ）を忠実に反転していることがよく
わかる。また、得られた製品の断面形状（ハ）は原型の
それ（イ）を晴度良く再現している。

実施例２ 具体的な製品の製造例として、原型にバッジを用いた場
合の例を添付図面の第１２図に示す。Ｚｎ−２２人１　
　合金粉末によって金型を製作する際の条件やその金型
によって製品を製造する際の条件などは全て実施例１に
同じである。第１２図（ハ）に示した製品の表面模様は
原型のバッジのそれ（イ）を精度良く再現している。

〈発明の効果〉 あらかじめ急冷処理を施すことによって超塑性化を促進
されたＺｎ−２２Ａ　１合金粉末を金型材料として用い
る乙とによって、金型を簡便に、安価に、かっ精度良く
製作できるので、従来の金型が経済的、時間的な理由に
よって対応できなかった多品種少量生産用にも十分に対
処できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法において、あらかじめ急冷処理を施
されたＺｎ−２２人１合金粉末に原型の形状を転写しな
がら熱間成形する際の鉛直断面模式図、第２図は２５０
℃における圧縮性を示す図、第３図は熱間成形された粉
末成形体の表面粗さを示す図、第４図は熱間成形された
粉末成形体の表面粗さに及ぼす加熱温度の影響を示す図
、第５図は冷間成形された粉末成形体の引張試験におけ
る応力−ひずみ線図を示す図、第６図は＃１間成形され
た粉末成形体の炉冷処理の前後における室温硬さを示す
図、第７図は熱間成形された粉末成形体を炉冷処理した
ものの２５０℃における降伏応力を示す図、第８図は本
発明方法による粉末成形体の金型を塑性加工用金型とし
て使用する場合の鉛直断面模式図、第９図は実施例１に
おいて用いた原型の形状を示す図、第１０図の（イ）は
金型の強度と被加工物の強度を示す図、（ロ）はそれら
の強度比を示す図、第１１図は実施例１における原型（
イ）、Ｚｎ−２２人１合金粉末による金型（ロ）、およ
び得られた製品（ハ）の断面形状を示す図、第１２図は
実施例２において原型として用いたバッジ（イ）、Ｚｎ
−２２Ａ　１合金粉末による金型（ロ）、および得られ
た製品（ハ）の外観を示す写真である。 第１図、第８図において、１は急冷処理を施されたＺｎ
−２２Ａ　１合金粉末、２は所望の形状を有する原型、
３は加圧、４はコンテナ、５はパンチ、６はＺｎ−２２
八〇合金粉末成形体による金型、７は被加工物をそれぞ
れ示す。 第１図 第２図 成形圧力　頃（ＭＰａ） 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図 （イ） （ロ） 手続補正書（方式） 昭和６１年　４月９日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. あらかじめ急冷処理を施し超塑性化を促進せしめたＺｎ
   −２２Ａｌ合金粉末を、同合金粉末が超塑性挙動を発現
   する状態において原型の形状を転写しながら熱間成形し
   、その成形体をそのまま、またはその後に熱処理を施し
   金型とすることを特徴とするＺｎ−２２Ａｌ合金粉末を
   用いた金型の製作法。