JP2005342922A - ダイヤモンド状炭素被膜を有する金型、それを用いた成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 樹脂成形品に優れた光沢や外観を与え、あるいは成形時に樹脂が良好な流動性を有する状態で、且つ離型性良く成形すること、液晶ポリマーのような樹脂を離型性良く成形すること、樹脂の融点付近の金型温度で離型性良く成形すること、及び、樹脂と金属を高接合強度でインサート成形、アウトサートもしくはフープ成形、又は貼合わせ成形すること。
【解決手段】 表面にダイヤモンド状炭素被膜を有し、十点平均表面粗さＲｚが５μｍ以下で、かつ、表面荒れが０．１μｍ未満又は１．０μｍ超である樹脂成形用金型を使用し、結晶性樹脂の融点をＴｍ（℃）とすると、金型温度Ｔが、（Ｔｍ−９５℃）≦Ｔ＜Ｔｍ＋１０℃で、樹脂を充填する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、ダイヤモンド状炭素被膜を有する金型を用いて、結晶性樹脂を特定の高温度で成形する方法に関し、この方法は、通常の成形のみならず、特に樹脂と金属の強い接合を要するインサート、アウトサート又は貼合わせ成形方法に好適である。

ダイヤモンド状炭素（以下、ＤＬＣと略す場合がある。）被膜は、硬度が高く、表面粗さが極めて小さく、固有の化学的特性を示すことから、刃物、治具・工具；アルミ缶製造用金型、治具・工具；半導体製造用金型、治具・工具；セラミック粉末成形金型；非球面ガラスレンズ成形金型等に使用されている。

特開平１０−２０３８９６号公報には、基材との密着性の良い高硬度のＤＬＣ薄膜が形成された部材が開示されている。（特許文献１参照。）
上記公報には、該部材が耐摩耗性、耐食性に優れた金型、工具、機械部品に適用できることは記載されているが、樹脂の成形金型に使用されることは記載されていない。

まして、ＤＬＣ被膜を有する金型を、金型温度が樹脂の融点付近のような高温度で使用する例は知られていなかった。さらに、このような高温の金型温度で、樹脂と金属をインサート成形、アウトサート成形、又は貼合わせ成形する方法により樹脂と金属の接合強度を高めることができることは知られていなかった。

離型性に与える因子としては、材料面では金型との摩擦係数、同密着性、成形収縮率、剛性など；成形品の形状面では抜き勾配、肉厚、アンダーカットの有無、全体の形状など；金型では表面粗さ、磨き方向；突き出し方式、位置；成形条件では保圧力、同時間、金型温度、冷却温度、同時間、突出し速度などが挙げられる。
特開２００２−２２５０８８号公報には、表面粗さＲｚ（十点平均粗さ）が０．００１〜０．５μｍである射出成形用の鏡面金型を使用する技術が開示されている。（特許文献２参照。）
しかし、この技術で、金型温度が樹脂の融点付近などの高温で射出成形を行うと、液晶ポリマー等の熱可塑性樹脂を射出成形する場合、成形品の離型性が充分でない場合があった。

可変温度金型を使用した成形では、射出時の金型温度を、結晶性樹脂では凝固点付近、非結晶性樹脂ではガラス転移温度以上にした成形方法が知られている。（非特許文献１参照。）

樹脂射出成形において、優れた光沢や外観あるいは薄肉成形品の流動性を求める場合、金型温度を上昇させる手段が用いられる。しかし従来は、金型温度を融点付近の温度範囲内に上昇させた場合、離型時に、金型温度を熱変形温度以下に降温させても、射出あるいは保圧工程中に、金型温度が融点付近のような高温にあると、離型性が充分でない場合があった。
従って、優れた光沢や外観あるいは薄肉成形品の流動性を求める場合、金型温度の上限は、離型を考慮すると、事実上、樹脂の熱変形温度が上限であった。

特開平１０−２０３８９６号公報（請求項１、段落番号００４３） 特開２００２−２２５０８８号公報（請求項１〜９、実施例） 射出成形事典編集委員会、産業調査会発行、射出成形事典（ｐ１０４、（２）可変金型温度による成形；ｐ５５８−５６２（８．３）高品位転写技術）

本発明の目的は、樹脂成形品に優れた光沢や外観を与え、あるいは成形時に樹脂が良好な流動性を有する状態で、且つ離型性良く成形することである。他の目的は、液晶ポリマーのような樹脂と金型の線膨張係数が類似の温度挙動をする可塑樹脂を離型性良く成形することであり、他の目的は、熱可塑樹脂の融点付近のような高温度の金型温度で離型性良く成形することである。また他の目的は、樹脂と金属を高接合強度でインサート成形、アウトサートもしくはフープ成形、又は貼合わせ成形することである。

本発明者は、鋭意検討した結果、表面にダイヤモンド状炭素被膜を有し、表面粗さの極めて小さい樹脂成形用金型等を使用することにより、さらには特定の金型温度で成形を行うことにより、上記問題を解決できることを見出だし、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の第１は、表面にダイヤモンド状炭素被膜を有し、十点平均表面粗さＲｚが５μｍ以下で、かつ、表面荒れが０．１μｍ未満又は１．０μｍ超である樹脂成形用金型を使用し、結晶性樹脂の融点をＴｍ（℃）とすると、金型温度Ｔが下記範囲：
（Ｔｍ−９５℃）≦Ｔ＜Ｔｍ＋１０℃
で、樹脂を充填する成形方法を提供する。
本発明の第２は、樹脂充填時の金型寸法と、樹脂充填完了後に樹脂が冷却され金型温度に至った時点の樹脂成形品の寸法との差の金型寸法に対する比率、すなわち金型内での樹脂の線収縮率が、０．１％以下の条件で行う本発明の第１に記載の成形方法を提供する。
本発明の第３は、成形が射出成形または射出圧縮成形である本発明の第１又は２に記載の成形方法を提供する。
本発明の第４は、成形品の離型温度が、（熱変形温度−２０℃）以上、融点Ｔｍ未満である本発明の第１〜３のいずれかに記載の成形方法を提供する。
本発明の第５は、成形品の樹脂の厚みが０．１ｍｍ以下である本発明の第１〜４のいずれかに記載の成形方法を提供する。
本発明の第６は、樹脂が、液晶ポリマー、ポリフェニレンサルファイドまたはポリブチレンテレフタレートである本発明の第１〜５のいずれかに記載の成形方法を提供する。
本発明の第７は、樹脂と金属部品をインサート成形、アウトサート成形もしくはフープ成形、又は貼合わせ成形する本発明の第１〜６のいずれかに記載の成形方法を提供する。
本発明の第８は、金属部品の表面が無処理である本発明の第７に記載の成形方法を提供する。
本発明の第９は、金型表面に離型剤を塗布することなく成形を行うことを特徴とする本発明の第１〜８のいずれかに記載の成形方法を提供する。
本発明の第１０は、表面にダイヤモンド状炭素被膜を有し、十点平均表面粗さＲｚが５μｍ以下で、かつ、表面荒れが０．１μｍ未満又は１．０μｍ超である樹脂成形用金型を提供する。
本発明の第１１は、本発明の第１〜９のいずれかに記載の成形方法に使用される本発明の第１０に記載の金型を提供する。

本発明によれば、光沢や外観に優れた樹脂成形品が得られる。薄肉成形品でも樹脂が良好な流動性を示し、光沢や外観に優れた樹脂成形品が得られる。また、液晶ポリマーのような樹脂と金型の線膨張係数が類似の温度挙動をする樹脂を離型性良く成形することができる。さらに、高温度の金型温度で離型性良く成形することができる。特には、樹脂と金属を高接合強度でインサート成形、アウトサートもしくはフープ成形、又は貼合わせ成形することができる。
加えて、本発明によれば、離型剤を殆どないし全く使用することなく、成形を行うことができる。

本発明で使用する樹脂成形用金型は、金型基材の表面にダイヤモンド状炭素被膜を有する。
ダイヤモンド状炭素被膜は、前記従来技術に記載した特開平１０−２０３８９６号公報などや特開昭６３−１８５８９３号公報に記載された技術などにより、金型基材上に形成される。
金型基材の材質には特に制限はなく、例えばＳＵＳ４２０Ｊ２等のステンレス鋼、ＳＫＤ１１，ＳＫＤ１２，ＳＫＤ６１，ＳＫ３等の合金工具鋼、ＳＫＨ１５１等のハイス鋼、Ｓ５５Ｃ，ＳＣＭ４４０等の構造用炭素鋼、アルミ合金、ベリリウム銅等の非鉄合金が挙げられる。
金型基材の表面硬度や表面粗さには特に制約はないが、ある程度表面硬度を高めておいたり、表面粗さを小さくしておくことが好ましい。
また、金型基材とＤＬＣ被膜の結合を強固にするために、金型基材表面を処理して各種の中間層を設けてもよい。

本発明で使用する樹脂成形用金型は、ＪＩＳ Ｂ０６０１（１９９４年）により定められた十点平均表面粗さＲｚが５μｍ以下かつ０．１〜１．０μｍの大きさの表面荒れを有さない、即ち、表面荒れが０．１μｍ未満又は１．０μｍ超である、好ましくはＲｚが３μｍ以下かつ０．０５μｍ以下又は２．０μｍ以上である。
Ｒｚが上記範囲より大きすぎると、樹脂成形品の離型性、特に高温金型を使用して成形した場合の離型性が悪くなる。
樹脂が金型に密着する場合、比較的大きな粗さである十点平均表面粗さＲｚだけでなく、それに隠れてしまう更に細かな表面荒れも重要な要素であることが判った。表面荒れが上記範囲外であると離型性が悪くなる。
なお、Ｒｚおよび表面荒れは、表面処理により調整される。表面荒れは、位相補償型広域フィルターにより、１．０〜５．０μｍの表面うねり成分を除去したときのＲｚとして測定される。

本発明において成形に使用される樹脂は、結晶性熱可塑性樹脂である。該熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリアセタール、変性ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、弗素樹脂、熱可塑性エラストマー、ポリマーアロイ、各種の生分解性樹脂等が挙げられる。
好ましくは、液晶ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリブチレンテレフタレートである。
上記樹脂には、各種の樹脂添加剤、充填剤、樹脂改質剤、着色剤等が入っていてもよく、本発明では、これらの添加剤等が入った樹脂組成物も樹脂と略称する。

本発明では、樹脂を充填する時の金型の温度が下記の特定の温度範囲内にあるとき、優れた光沢や外観の樹脂成形品が得られ、あるいは薄肉の樹脂成形品であっても、樹脂が良好な流動性を有する状態で成形できる。
結晶性樹脂の融点をＴｍとすると、金型温度Ｔが、（Ｔｍ−９５℃）≦Ｔ≦（Ｔｍ＋１０℃）、好ましくは、（Ｔｍ−７０℃）≦Ｔ≦（Ｔｍ＋１０℃）、さらに好ましくは、（Ｔｍ−４０℃）≦Ｔ≦（Ｔｍ＋１０℃）である。

また、本発明は上記樹脂成形用金型を使用し、樹脂の充填完了時の寸法、すなわち樹脂充填時の金型寸法と、樹脂充填完了後に樹脂が冷却され金型温度に至った時点の樹脂成形品の寸法との差の該金型寸法に対する比率、即ち金型内での樹脂の線収縮率が、０．１％以下の条件で、インサート・アウトサートもしくはフープ成形等を行う時、インサート金属、アウトサート金属もしくはフープ基材と成形樹脂とが優れた密着性を有する状態で成形できる。
上記金型内での樹脂の線収縮率が、０．１％以下、好ましくは、０．０８％以下、更に好ましくは、０．０６％以下である。

本発明では、成形品の離型時の金型の温度が、融点Ｔｍ未満、好ましくは、（熱変形温度−２０℃）以上で、成形品を変形させることなく離型性良く、且つ経済的に、取り出すことができる。
金型温度は樹脂充填時後、離型までの間に所定の温度まで冷却し、離型後再度加熱し、所望の樹脂充填温度まで上昇させることができる。

本発明の射出成形方法としては、本発明の効果が発揮できるものであれば特に制限はなく、通常の射出成形、射出圧縮成形の他に、サンドイッチ成形、多材・多色成形、インモールド成形、ガスアシスト成形、インサート・アウトサートもしくはフープ・貼付け成形、これらの発泡成形、超高速成形、低圧成形などであってもよい。

本発明の金型は、筒型入れ子を有する射出成形用金型に適用すると、特に効果を発揮する。
筒型入れ子の形状は、本発明の効果を発揮できる範囲内であれば特に制限はないが、例えば、筒型入れ子の直径５〜５０ｍｍ、好ましくは１０〜３０ｍｍ、筒部長さ１０〜３００ｍｍ、好ましくは２０〜２００ｍｍ、成形品の肉厚０．３〜２．０ｍｍ、好ましくは０．５〜１．０ｍｍである。筒型入れ子は、筒部の断面が円、長円、多角形、卵形など任意のものであってもよい。筒部の抜き勾配は、５度以内でも可能であり、特に０〜２度でも可能である。
金型表面は、上記表面粗さＲｚを示す部分は、キャビティ全面であってもよいが、少なくとも離型性が大きく影響する表面部分、例えば筒型入れ子の表面部分のみであってもよい。

本発明の特徴の一つは、高温金型で成形するので、インサート成形、アウトサートもしくはフープ成形、又は貼合わせ成形する場合に、樹脂と金属部品の接合強さを大きくできることである。金属部品にはアンダーカットやローレット等を設けてもよい。

本発明によれば、得られる成形品の樹脂の厚みを０．１ｍｍ以下とすることができる。
本発明では、金型表面がＤＬＣ処理されているので、高い金型温度であっても良好な離型性が得られる。成形品の樹脂厚みが薄く、充填不良が発生する場合、その対策として高い金型温度で成形を行うが、その場合充填不良は解消されるが離型不良が発生しやすい。しかし、本発明により、薄肉でも充填不良が発生せず且つ高い金型温度でも良好な離型性が得られる。

本発明によれば、離型剤を殆ど使用せずに、多くの場合に全く使用せずに、成形することが可能である。従って、本発明は、食品、薬品、化粧品などの容器；ＯＡ・ＡＶ機器、電子機器などのカバー、ハウジング、シャーシー類；ランプリフレクター、ランプエクステンションなどの光反射部品；コネクタ、リレーケースなどの電子部品；ＯＡ・ＡＶ機器、自動車用などの歯車等の成形に、殊に連続成形に有効である。

（実施例）
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
離型抵抗は、離型時の破壊の有無で評価した。

［比較例１］
樹脂：ポリプラスチックス(株)製、液晶ポリマー ベクトラＡ４６０（融点２７０℃）
成形品形状：縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚み１ｍｍ
成形機：ソディック（株）製ＴＲ４０ＶＲ
溶融樹脂温度：３００℃
金型鋼材：ＳＵＳ４２０Ｊ２（樹脂流動方向Ｒｚ３．０μｍ、同表面荒れ０．９μｍ；樹脂流動直角方向Ｒｚ３．０μｍ、同表面荒れ０．９μｍ）
射出速度：２００ｍｍ／秒
金型温度：１８０℃
保圧：５０ＭＰａ、１０秒
金型内での樹脂の線収縮率は０．２％である。
冷却：１６５秒
成形サイクル：１８０秒
樹脂が金型に密着し、成形品が離型時に破壊した。

［比較例２および３］
比較例１で使用した金型鋼材表面を、下記処理を施した金型を使用した以外は比較例１と同様に行った。
（比較例２）ＴｉＮ（窒化チタン）コーティング（Ｒｚ：樹脂流動方向および樹脂流動直角方向ともに３．０μｍ）
（比較例３）セラミックコーティング（樹脂流動方向Ｒｚ３．０μｍ、同表面荒れ０．９μｍ；樹脂流動直角方向Ｒｚ３．０μｍ、同表面荒れ０．９μｍ）
比較例２と３共に、樹脂が金型に密着し、成形品が離型時に破壊した。

［実施例１］
比較例１で使用した金型鋼材表面をＤＬＣ表面処理を施した下記金型を使用した他は、比較例１と同様に行った。
ＤＬＣ表面処理金型：鋼材ＳＵＳ４２０Ｊ２上に、ＤＬＣ厚み１．０μｍのコーティング処理を行い、樹脂流動方向Ｒｚ２．５μｍ、同表面荒れ０；樹脂流動直角方向Ｒｚ２．５μｍ、同表面荒れ０の金型が得られた。
成形品の離型不良は全くなく、優れた光沢や外観有する成形品が得られた。

［実施例２］
縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚み０．５ｍｍで鋼材ＳＵＳ４２０ＪＺ製の金属に同形状の樹脂を貼付け成形した他は、実施例１と同様に行った。
樹脂とインサート金属の界面からは一切破壊することのない成形品が、離型不良なく得られた。

［比較例４］
金型温度１７０℃で行った他は実施例２と同様に行った。樹脂と金属は密着せず、人の手で容易に剥がすことができた。

［比較例５］
金型温度１８０℃、保圧力２００ＭＰａとすることで金型内での樹脂の線収縮率を０．１％にした他は比較例１と同様に行った。樹脂が金属に密着し、成形品が離型時に破壊した。

［実施例３］
金型温度１８０℃、保圧力２００ＭＰａとすることで金型内での樹脂の線収縮率を０．１％にした他は実施例１と同様に行った。離型不良なく、成形品を得ることができた。

［比較例６］
成形品の厚みを０．１ｍｍにした他は比較例１と同様に行った。充填不良は生じなかったが、樹脂が金型に密着し、成形品が離型時に破壊した。

［実施例４］
成形品の厚みを０．１ｍｍにした他は実施例１と同様に行った。離型不良なく、且つ充填不良のない成形品を得ることができた。

［比較例７］
金型温度１７０℃とした他は比較例６と同様に行った。離型不良は発生しなかったが、充填不良によるシートショットが発生した。

［比較例８］
樹脂流動方向および同直角方向ともに、Ｒｚ５．２μｍとした他は、実施例１と同様に行った。樹脂が金型に密着しやすかった。

Claims (11)

1. 表面にダイヤモンド状炭素被膜を有し、十点平均表面粗さＲｚが５μｍ以下で、かつ、表面荒れが０．１μｍ未満又は１．０μｍ超である樹脂成形用金型を使用し、結晶性樹脂の融点をＴｍ（℃）とすると、金型温度Ｔが下記範囲：
   （Ｔｍ−９５℃）≦Ｔ＜Ｔｍ＋１０℃
   で、樹脂を充填する成形方法。
2. 樹脂充填時の金型寸法と、樹脂充填完了後に樹脂が冷却され金型温度に至った時点の樹脂成形品の寸法との差の金型寸法に対する比率、すなわち金型内での樹脂の線収縮率が、０．１％以下の条件で行う請求項１に記載の成形方法。
3. 成形が射出成形または射出圧縮成形である請求項１又は２に記載の成形方法。
4. 成形品の離型温度が、（熱変形温度−２０℃）以上、融点Ｔｍ未満である請求項１〜３のいずれかに記載の成形方法。
5. 成形品の樹脂の厚みが０．１ｍｍ以下である請求項１〜４のいずれかに記載の成形方法。
6. 樹脂が、液晶ポリマー、ポリフェニレンサルファイドまたはポリブチレンテレフタレートである請求項１〜５のいずれかに記載の成形方法。
7. 樹脂と金属部品をインサート成形、アウトサート成形もしくはフープ成形、又は貼合わせ成形する請求項１〜６のいずれかに記載の成形方法。
8. 金属部品の表面が無処理である請求項７に記載の成形方法。
9. 金型表面に離型剤を塗布することなく成形を行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の成形方法。
10. 表面にダイヤモンド状炭素被膜を有し、十点平均表面粗さＲｚが５μｍ以下で、かつ、表面荒れが０．１μｍ未満又は１．０μｍ超である樹脂成形用金型。
11. 請求項１〜９のいずれかに記載の成形方法に使用される請求項１０に記載の金型。