JP3748971B2

JP3748971B2 - 金型の製造方法

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Publication number: JP3748971B2
Application number: JP01936097A
Authority: JP
Inventors: 誠一秦; 典弘山田; 武山本
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2017-01-31
Also published as: JPH10217257A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、過冷却液体域を有する非晶質合金（金属ガラス）を用いた金型の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラスチック成形などに多用されている金型は、従来、成形品を成形するキャビティ部分等を切削などの機械加工や、放電加工を行った後、機械または人手による表面の研磨を行うことにより製造されている。
また、マスター転写を行う金型の製造方法としては、ロストワックス法が使用されている。このロストワックス法は、ろうで模型を作製し、この模型の周囲に低融点合金からなる鋳型材料を詰めた後、加熱によってろうを流し出して金型とするものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
機械加工、放電加工を経て、研磨を行うことにより作製される金型は、その製造に数多くの工程を必要とすると共に、長時間を要しており、高価となっている。このため、多品種少量生産に適用することができない問題を有している。
【０００４】
一方、マスター転写を行う金型では、低融点合金を用いるため強度及び耐熱性が小さく、しかも精度が低いため、適用できる範囲が限定されている。本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、高精度、且つ高強度の金型を簡便に製造することができる製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため過冷却液体域の温度に加熱された非晶質合金からなるブロックに対して、少なくとも金型のキャビティ部分を形成するための形状を有したマスター部材を離型可能な範囲で押圧して成形する工程と、前記ブロックの非晶質合金を結晶化させる工程と、前記マスター部材が押圧されているブロックの面に対して、過冷却液体域の温度に加熱された非晶質合金からなる他のブロックを押圧して密着させる工程と、を備えていることを特徴とする。
【００１３】
この方法においては、金型を構成する金属ガラスを２つのブロックに分け、一方のブロック（ブロックＡ）を過冷却液体域まで加熱し、その加熱されたブロックＡに離型性を考慮してオーバーハング部が生じないよう埋没量を制御してマスター部材を押圧し、成形する。
【００１４】
その後、ブロックＡの非晶質合金を結晶化させる。この結晶化はブロックＡを結晶化温度以上に上昇若しくは結晶化温度に３０分以上保温することによって行うことができる。この結晶化の後、マスター部材の一部が埋没し、他の部分が露出しているブロックＡの面に対して、非晶質合金からなる他のブロック（ブロックＢ）を過冷却液体域の温度まで加熱して押圧し、密着させて成形する。
【００１５】
この方法において、マスター部材の一部を埋没させたブロックＡを結晶化させることにより、２度目の成形の際にブロックＡが再び過冷却液体域に加熱され、粘性流動を起こしてマスター部材が過度に埋没して離型不能となることを防止できると共に、ブロックＢがブロックＡに密着して接合することを防止することができる。以上の成形後、冷却した２つのブロックＡ、Ｂを開き、ブロックＡ、Ｂの内部からマスター部材を取り除くことにより、少なくともキャビティ部を非晶質合金によって形成することができる。
【００１６】
請求項２の製造方法は、過冷却液体域の温度に加熱された非晶質合金からなるブロックに対して、少なくとも金型のキャビティ部分を形成するための形状を有したマスター部材を離型可能な範囲で押圧して成形する工程と、ガラス遷移温度が前記非晶質合金のガラス遷移温度よりも低温の非晶質合金からなる他のブロックを、その過冷却液体域に加熱して、前記マスター部材が押圧されているブロックの面に押圧して密着させる工程と、を備えていることを特徴とする。
【００１７】
この方法において、金型を構成する金属ガラスを２つのブロックに分ける点は請求項１と同じであるが、２つのブロックはそれぞれ過冷却液体域の異なる、具体的にはガラス遷移温度が２０℃以上異なっている金属ガラスを用いるものであり、これにより、結晶化工程を省略できる。
【００１８】
この方法では、先ずガラス遷移温度が高温側にあるブロック（ブロックＣ）を過冷却液体域の温度に加熱し、このブロックＣにマスター部材を押圧する。この際、請求項１の方法と同様に、マスター部材の離型を考慮して、オーバーハング部が生じないように埋没量を制御し、離型可能な範囲で押圧する。
【００１９】
その後、ガラス遷移温度が低温側にあるブロック（ブロックＤ）を過冷却液体域まで加熱して、ブロックＣのマスター部材の一部が埋没し、他の部分が露出している面に押圧し、密着させて成形する。この加熱温度をブロックＤの金属ガラスのガラス遷移温度以上であって、ブロックＣの金属ガラスのガラス遷移温度以下とすることにより、マスター部材を埋没させたブロックＣの粘性流動を抑制して、マスター部材の離型不能やブロック相互の接合を防止することができる。成形後、冷却した２つのブロックＣ、Ｄを開き、ブロックＣ、Ｄの内部からマスター部材を取り除くことによって、少なくとも金型のキャビティ部が形成される。
【００２０】
なお、２つのブロックの金属ガラスのガラス遷移温度差は２０℃以上が良好である。ブロックＤをガラス遷移温度以上に加熱したとき、ブロックＤ全体を完全に同一温度にすることは困難なため、ブロックＤの一部がブロックＣのガラス遷移温度に近い温度となり、ブロックＣの一部が粘性流動を起こすことを完全に防止するため、上述のような温度差を設けるものである。
【００２１】
これらの製造方法においては、マスター部材の離型位置に離型用板材を一体化させた後、この離型用板材の両面から、過冷却液体域まで加熱した同一組成の金属ガラスをマスター部材に押圧することができる。これにより、同一の金属ガラスを用いても、マスターの離型不能や金属ガラス相互の接合を防止でき、しかもオーバーハングを防止して、適正な離型位置まで成形することが可能となる。この方法では、２つの同一の金属ガラスのブロックを同時に過冷却液体域まで加熱し、マスター部材に押圧して成形するので、前述の加熱と成形のサイクルタイムを短くすることが可能で、成形や材料選択の自由度が大きくなる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）図１は本発明の実施の形態１における各部材の位置関係を示す断面図、図２は金型の製造工程を示す断面図である。本実施の形態では、過冷却液体域を有する非晶質合金である金属ガラスとしてＺｒ₅₅Ｃｕ₃₀Ａｌ₁₀Ｎｉ₅ （添字は原子％を示す）を用いた。Ｚｒ₅₅Ｃｕ₃₀Ａｌ₁₀Ｎｉ₅ は常温から３５０℃までは引っ張り強度１．５ＧＰａ、硬さＨｖ５１０、線膨張係数１０×１０-⁶であり、一般の金型用鋼材ＳＵＳ４２０Ｊ２に比べて遜色のない強度、硬さと適度な線膨張係数を有する。さらに、この金属ガラスはガラス遷移温度Ｔｇが４２０℃、結晶化開始温度Ｔｘが５００℃であり、過冷却液体域△Ｔ（＝Ｔｘ−Ｔｇ）は約８０℃の広い温度範囲を有している。この過冷却液体域ΔＴでは１０⁸ 〜１０¹⁰Ｐａ・ｓ程度の粘性を示し、数１０ＭＰａ程度の圧力で成形加工が可能である。
【００２３】
図１において、１ａ，１ｂは上記金属ガラスからなるブロックであり、それぞれが上下の枠２、３内に充填されている。枠２、３における対向面には位置決め用凹部２ａと凸部３ａが形成されている。加熱手段としては放射加熱、高周波加熱、抵抗加熱などを用いることができ、本実施の形態では放射加熱を加熱手段として用いた。
【００２４】
図２に示すように金型により成形される製品のマスター部材４として、全長６ｍｍの内視鏡処置具の先端カップ部品を用いた。本実施の形態では耐熱性と強度を考慮してＳＵＳ３０３を用いてマスター部材４を機械加工で製造した。このマスター部材４を押圧手段であるポンチ５を用いて、ブロック１ａ上の所定の位置にセットする。ポンチ５には図示しない直動機構などの押圧機構と荷重センサ、変位センサが具備されている。
【００２５】
図２（ａ）において、図示しない加熱装置によりブロック１ａを過冷却液体域の温度である４５０℃に加熱する。このときブロック１ａの金属ガラスは高温での酸化性が高いため、１０^-2Ｐａ以下の真空中、またはＡｒ、Ｈｅなどの不活性ガス雰囲気中で加熱する。また、加熱に伴う結晶化により成形不能となるのを防止するため、ガラス遷移温度（４２０℃）以上に加熱する際はできるだけ速やかに、可能ならば毎分３０℃以上の加熱温度で、均一加熱することが望ましい。
【００２６】
次に、マスター部材４をポンチ５を用い、接触部が１０ＭＰａの圧力となるように押圧して、過冷却液体域に加熱されたブロック１ａに埋没させる。このとき、マスター４の変形、傾きを防止するためにマスター部材４の形状に近い治具６を用いることが良い。このマスター部材４が離型できるように、その形状を考慮して、埋没量を設定し、ポンチ５の変位量が設定した埋没量になるまで押圧を続ける。
【００２７】
この押圧工程が終了後、ブロック１ａを結晶化開始温度である５００℃以上に５分間以上加熱するか、もしくは過冷却液体域の温度のまま３０分以上保持する。これにより金属ガラスが非晶質から結晶組織に変化し、過冷却液体域が消失し、結晶化したブロック１ｃとなる。
【００２８】
次に、図２（ｂ）に示すように、別のブロック１ｂを過冷却液体域に加熱し、このポンチ５により同様にマスター部材４との接触部が１０ＭＰａの圧力となるようにブロック１ｂを押圧する。押圧が進行すると結晶化させた上述のブロック１ｃに密着する。このとき位置決め用の凹部２ａ，凸部３ａが嵌合するので、上下の枠２，３が固定される。このとき、マスター部材４および結晶化したブロック１ｃとの密着度を増大させるため、枠２の上部に設けられた開口部７からポンチ５により再押圧することが望ましい。
【００２９】
以上の工程により成形されたブロック１ｂ及び１ｃを冷却し、図２（ｃ）に示すようにマスター部材４を離型する。これにより、一部は非晶質合金からなるブロック１ｂであり、他の部分は結晶化した合金からなるブロック１ｃからなる金型のキャビティ部８が形成される。
【００３０】
なお、冷却においては非晶質の金属ガラスの脆化を防止するため、冷却速度は５０℃／ｍｉｎ以上であることが望ましい。又、キャビティ部８の形状転写精度は、マスター部材４の形状、材質によって影響されるが、立方体や球形など単純な形状の場合には、線膨張係数の影響を除去した形状転写誤差（＝（転写後の形状）−（マスター部材の形状））０．５μｍ以下であり、高精度とすることができた。この実施の形態では必要に応じて機械加工、放電加工により、ゲート部やランナー部を形成することができる。
【００３１】
このような実施の形態の金型の製造方法では、機械加工により製造されたマスター部材４を過冷却液体域に加熱された金属ガラスからなるブロック１ａ、１ｂに１０ＭＰａの低圧力で押圧することによって簡便にキャビティ部８を製造できるため、金型を高強度、高精度とすることができる。
【００３２】
さらに、一方の金属ガラスからなるブロック１ｃを結晶化させるため、マスター部材４の過度の埋没や金属ガラス相互の接合を防止することができる。さらに２次加工によりゲート部やライナー部を加工する際に、非晶質部分よりも機械加工し易い結晶化した部分を加工することにより加工効率を向上する。
【００３３】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における各部材の位置関係を示す断面図である。本実施の形態の構成は基本的には実施の形態１と同様であるが、過冷却液体域を有する非晶質合金である金属ガラスとしてＺｒ₅₅Ｃｕ₃₀Ａｌ₁₀Ｎｉ₅（添字は原子％を示す）を用いたブロック１２と、金属ガラスとしてＺｒ₆₅Ａｌ_7.5Ｃｕ_27.5（添字は原子％を示す）を用いたブロック１０とにより、金型を製造する。ブロック１２は実施の形態１で用いた金属ガラス１ａ、１ｂと同一組成及び、同一特性を有するものである。
【００３４】
ブロック１０の金属ガラスは常温から３５０℃までは引っ張り強度１．２ＧＰａ、硬さＨｖ４７０、線膨張係数９×１０^-6であり、金属ガラス１と同様に、一般の金型用鋼材ＳＵＳ４２０Ｊ２に比べ遜色のない強度、硬さと、適度な線膨張係数を有する。
【００３５】
さらにブロック１０の金属ガラスはガラス遷移温度Ｔｇ３７０℃、結晶化開始温度Ｔｘ４７０℃であり、このため１００℃の広い過冷却液体域ΔＴを有する。この過冷却液体域では１０⁸ 〜１０¹⁰Ｐａ・ｓ程度の液体としての粘性を示し、数１０ＭＰａ程度の圧力で成形加工が可能である。図４は、ブロック１２及び１０に使用した金属ガラスのＤＳＣ（示差走査熱分析）曲線を示す。
【００３６】
本実施の形態に於ける製造工程を図５に示す。図５（ａ）において、図示しない加熱装置によりブロック１２を過冷却液体域の４５０℃に加熱する。ブロック１２の金属ガラスは高温での酸化性が高いので、１０^-2Ｐａ以下の真空中、またはＡｒ、Ｈｅなどの不活性ガス雰囲気中で加熱する。また、加熱に伴う結晶化により成形不能となるのを防止するため、ガラス遷移温度以上に加熱する際は出来るだけ速やかに、出来れば毎分３０℃以上の加熱速度で、均一に加熱する事が望ましい。
【００３７】
次に、実施の形態１と同一のマスター部材４をポンチ５とともに治具６を用いて接触部が１０ＭＰａの圧力となるように押圧して、過冷却液体域に加熱されたブロック１２に埋没させる。このとき、マスター部材４が離型できるように、その形状を考慮して、埋没量を設定し、ポンチ５の変位量が設定した埋没量になるまで押圧を続ける。
【００３８】
この押圧が終了後、ブロック１２の金属ガラスをガラス遷移温度以下の４００℃まで速やかに冷却する。このときの冷却速度は非晶質の金属ガラスの脆化を防止するために、５０℃／ｍｉｎ以上であることが望ましい。ガラス遷移温度以下に冷却された金属ガラスは、常温とほぼ変わらない強度、硬さを回復し、結晶化も進行しなくなる。
【００３９】
次に、図５（ｂ）に示したように、枠２内の別のブロック１０を過冷却液体域の４００℃に加熱し、同様にマスター部材４との接触部が１０ＭＰａの圧力となるようにブロック１０をポンチ５によって押圧する。押圧が進行するとブロック１０はブロック１２に密着し、位置決め部の凹部２ａ，凸部３ａが嵌合して上下の枠２，３が固定される。このときマスター部材４およびブロック１０との密着度を増大させるため、ポンチ５を用いて枠２の上部に設けられた開口部７から、さらに再押圧することが望ましい。
【００４０】
以上の工程により金型が成形され、非晶質の金属ガラスの脆化を防止するため、冷却速度５０℃／ｍｉｎ以上で冷却し、図５（ｃ）の様にマスター部材４を離型する。これにより、非晶質合金からなる金型のキャビティ部８が形成される。このキャビティ部８の形状転写精度は、立方体や球形など単純な形状の場合には、０．５μｍ以下の形状転写誤差とすることができた。また必要に応じて機械加工、放電加工により、ゲート部やランナー部を形成しても良い。
【００４１】
本実施の形態の金型では、過冷却液体域の異なる２種類の金属ガラスを用いることにより、金属ガラスを結晶化させることなく、キャビティ部８を成形することができる。このためマスター部材４の形状に若干の変更が生じても、再び過冷却液体域に加熱することにより簡単に金型の形状を修正することができる。また、長時間加熱を要する結晶化工程を省略できるため、製造時間を短縮できる。
【００４２】
（実施の形態３）
図６は本実施の形態３の製造方法を示す断面図である。本実施の形態では、過冷却液体域を有する非晶質合金である金属ガラスとしてＺｒ₆₅Ａｌ_7.5Ｃｕ_27.5を用いた。この金属ガラスは実施の形態２で用いた金属ガラスと同一組成で、同一特性を有するものである。基本的な構成は、実施の形態１および実施の形態２と変わらないが、マスター部材４の離型予定位置に離型用板材２０を装着した。この離型用板材２０は、本実施の形態の場合、厚さ０．５ｍｍのＳＵＳ３０３製板材を用いた。
【００４３】
図６（ａ）において、マスター部材４と上下の枠２、３内に納められた上述の金属ガラスからなるブロック１０ａ及び１０ｂを、図示しない加熱装置により過冷却液体域の４００℃に加熱する。このときブロック１０ａ，１０ｂの金属ガラスは高温での酸化性が高いので、１０^-2Ｐａ以下の真空中、またはＡｒ、Ｈｅなどの不活性ガス雰囲気中で加熱する。また、加熱に伴う結晶化により成形不能となるのを防止するため、ガラス遷移温度以上に加熱する際は出来るだけ速やかに、出来れば毎分３０℃以上の加熱速度で、均一加熱する事が望ましい。
【００４４】
次に、図６（ｂ）のようにマスター部材４を上下の枠２、３内のブロック１０ａ及び１０ｂで挟み込むようにポンチ５を用いて押圧する。そして接触部が１０ＭＰａの圧力となるように押圧して、過冷却液体域に加熱されたブロック１０ａ及び１０ｂに埋没させる。
【００４５】
このとき、離型用板材２０は、上下のブロック１０ａ及び１０ｂが接触して接合されるのを防止する。又、この離型用板材２０は、各ブロック１０ａ及び１０ｂの金属ガラスの自由表面を拘束するために、均等な圧力を生じさせる。これにより過冷却液体状態の金属ガラスが有している強い表面張力に起因したマスター部材４と自由表面とのダレ部を減少させる。
【００４６】
押圧が進行すると各ブロック１０ａ及び１０ｂと、マスター部材４及び離型用板材２０とが密着すると共に、位置決め部の凹部２ａ、凸部３ａが嵌合するため、上下の枠２、３が固定される。このとき、マスター部材４およびブロック１０ａ及び１０ｂとの密着度を増大させるため、枠２の上部に設けられた開口部７からポンチ５により、さらに再押圧することが望ましい。
【００４７】
以上の工程により金型が成形される。そして成形された金型の脆化を防止するため、冷却速度５０℃／ｍｉｎ以上で冷却し、図６（ｃ）の様にマスター４を離型することにより、非晶質合金製のキャビティ部８が形成される。このとき必要に応じて離型用板材２０を取り除いても良いが、その場合、板材２０の厚み分、各金型との嵌合にクリアランスが生じるので、マスター部材４の形状をこのクリアランス分、変更しておく必要がある。このため、図６（ｃ）で示すように、ブロック１０ａのキャビティ部８の周囲に対しては、離型用板材２０を残すものである。
【００４８】
キャビティ部８の形状転写精度は、前記の各実施の形態と同様に、立方体や球形など単純な形状の場合、０．５μｍ以下の形状転写誤差とすることができた。また必要に応じて機械加工、放電加工により、ゲート部やランナー部を形成しても良い。
【００４９】
本実施の形態の金型の製造方法は、実施の形態１及び実施の形態２に比べ、離型用の板材２０を用いることにより、マスター部材４とブロックの金属ガラスの自由表面とのダレを防止することができると共に、マスター部材４を正確に離型位置に設けることができる。また、一度に両方の金属ガラスを成形できるために、製造時間をさらに短縮できる。
【００５０】
尚、以上の本発明では、Ｚｒ系の過冷却液体域を有する非晶質合金を用いたが、他の過冷却液体域を有する非晶質合金、例えばＬａ₅₅Ａｌ₂₅Ｎｉ₂₀（数値は原子％を示し、ガラス遷移温度Ｔｇ＝２００℃、結晶化温度Ｔｘ＝２７５℃）などを用いることもできる。
【００５１】
以上のような本発明は、以下の発明を包含するものである。
（１）少なくともキャビティ部の一部又は全部が、３０℃以上の温度幅の過冷却液体域を有する非晶質合金によって形成されていることを特徴とする金型。
（２）少なくとも金型のキャビティ部分を形成する形状を有したマスター部材に離型用板材を取り付け、過冷却液体域の温度に加熱された非晶質合金からなるブロックを前記離型用板材が覆う状態で前記マスター部材をブロックに押圧して成形することを特徴とする金型の製造方法。
【００５２】
【発明の効果】
請求項１及び２の製造方法では、過冷却液体域を有する非晶質合金を用い、その特性を利用して金型を製造するため、従来機械加工などにより製造されていた高精度な金型を簡便に高精度、高強度に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施の形態１の製造工程を示す断面図である。
【図３】実施の形態２を示す断面図である。
【図４】金属ガラスのＤＳＣ曲線特性図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は実施の形態２の製造工程を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は実施の形態３の製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂブロック
１ｃ結晶化した金属ガラス
２，３枠
２ａ位置決め用凹部
３ａ位置決め用凸部
４マスター部材
５ポンチ
６治具
７開口部
８キャビティ
１０ブロック
１２ブロック
２０離型用板材

Claims

過冷却液体域の温度に加熱された非晶質合金からなるブロックに対して、少なくとも金型のキャビティ部分を形成するための形状を有したマスター部材を離型可能な範囲で押圧して成形する工程と、
前記ブロックの非晶質合金を結晶化させる工程と、
前記マスター部材が押圧されているブロックの面に対して、過冷却液体域の温度に加熱された非晶質合金からなる他のブロックを押圧して密着させる工程と、を備えていることを特徴とする金型の製造方法。
過冷却液体域の温度に加熱された非晶質合金からなるブロックに対して、少なくとも金型のキャビティ部分を形成するための形状を有したマスター部材を離型可能な範囲で押圧して成形する工程と、
ガラス遷移温度が前記非晶質合金のガラス遷移温度よりも低温の非晶質合金からなる他のブロックを、その過冷却液体域に加熱して、前記マスター部材が押圧されているブロックの面に押圧して密着させる工程と、を備えていることを特徴とする金型の製造方法。