ゴム成形不良の原因の切り分け——ひけ・フローマーク・充不足と、加硫と流れの関係

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この記事のポイント（結論先出し）

加硫ゴムの金型成形の不良は、樹脂の成形と違って「流れている間にも加硫（硬化）が進む」ことが原因の根にあることが多い。日本ゴム協会誌の解説は、圧縮成形の不良は練りゴムの流動性とスコーチ（早期の加硫）の特性から生じ、それらは加工温度に左右されるとし、熱板の平行度や温度分布、金型の汚れも原因に挙げている^[2]。流れが悪いと充填の前に加硫が始まり、流れが良すぎると空気の巻き込みやばりが増える^[3]。不良の呼び名は JIS B 2401-3 の定義でそろえると、どの工程を疑うかが絞れる。たとえば「ひけ（バックリンド）」は、ばりの部分が先に加硫して金型の合せ部で縮むことで生じる^[1]。社内で決めきれないときは、不良品と良品、練りゴムのロット情報、成形条件の記録をそろえて専門の会社に分析を頼む。

不良の呼び名をそろえると、疑う工程が見える

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ゴム成形品の不良は、現場ごとに呼び名が違いやすい。O リングの外観品質基準である JIS B 2401-3 は、表面の欠陥を定義しており、その定義の多くに「どうして生じるか」が書き込まれている^[1]。O リング以外のゴム成形品でも、仕入先と話すときの共通の言葉として使える。

JIS B 2401-3 の用語	定義（要約）	まず疑う工程
ひけ（バックリンド）	ばりの部分が早く加硫し、ばり線が金型の合せ部で収縮してできる U 形・W 形のくぼみ。破れたばりを伴うこともある	加硫の進み方、金型の温度、練りゴムのスコーチ
フローマーク	材料の流れと融着不良による、曲線状で筋状のくぼみ	流動性、金型内での流れ方、流動中の加硫
充不足	組織が粗く不規則な形のへこみ。金型への充填不足や空気だまりで発生する	材料の量と置き方、空気の逃げ、流動性
へこみ	表面組織の脱落や、金型表面に生じた固い付着物による不規則なくぼみ	金型の汚れ・付着物、清掃の頻度
ばり・パーティングラインの突起	型を分けるときに生じるか仕上げ不足で残るフィルム状のもの／金型溝の摩耗や角の丸みによる連続した突起	型締め、材料の量、金型の摩耗、仕上げ
不一致・ずれ	上下の金型の寸法違い／片側の金型の横移動による断面のずれ	金型の製作・合わせ、型の位置決め
ブリスタ	表面に発生した中空の膨れ	閉じ込められた空気や揮発分、加硫の条件

表の定義は JIS B 2401-3 の箇条 3 から要約した^[1]。「まず疑う工程」の列は、定義に書かれた発生の仕組みから当方が整理したもので、規格の要求ではない。同じ規格は、倍率 2 倍の照明付き拡大鏡で自由状態のまま観察したとき、裂け・クラック・ブリスタがあってはならないとしている^[1]。どの等級の外観を求めるかの決め方はO リングとガスケットを発注するときで扱っている。

許される大きさは等級で大きく変わる。太さ（d2）が 2.25 mm を超え 3.15 mm 以下の O リングで、表の最大許容限度を比べると次のようになる。

欠陥（図の寸法記号）	等級 N	等級 S	等級 CS
ひけ（g）	0.27 mm	0.15 mm	許容しない
ばり部分が区別できるときのばり（a）	0.07 mm を超えない	0.05 mm を超えない	許容しない
フローマーク（k）	0.08 mm	0.05 mm	0.05 mm
へこみ及び充不足（l）	0.80 mm	0.25 mm	表の注による

値は JIS B 2401-3 の表 1〜表 3 から抜き出した^[1]。等級 CS では、ひけと、ばり部分が区別できるときのばりを許容しない（ばり・食違い・パーティングラインの突起が組み合わさった複合ばりには限度値がある）^[1]。求める等級が上がるほど、加硫と金型の管理で不良を出さない工程が要るということで、検査で選別するだけでは歩留まりが合わなくなる。不良の原因を工程の側で潰す必要が出てくるのはこのためである。

ゴムならではの原因——流れている間に加硫が進む

ゴムの金型成形の不良を考えるうえで、樹脂の射出成形との大きな違いは、材料が熱で流れると同時に加硫も進むことである。日本ゴム協会誌の解説（西澤仁氏）は、ゴムはスコーチを起こしやすいので適正な加工温度を低く（70〜180 ℃）設定するため流動時の粘度が高いこと、加工中にわずかながら早期の加硫による粘度の変化が起きやすいことを挙げ、これがゴムの加工を複雑にしている原因だと考えられるとしている^[4]。同じ解説は、流動性の指標として粘度、圧力損失、応力緩和を取り上げ、金型加硫では低い粘度・低い圧力損失・適切な応力緩和が必要だとまとめている^[4]。

実務の側からの解説（小藥次郎氏）は、金型成形では未加硫ゴムの金型内での流動性、耐スコーチ性、加硫の安定性が求められるとし、流動性が劣る材料では金型内に充填する前に加硫反応が始まって成形不良が発生しやすくなる、と述べている^[3]。反対に流動性が良すぎても失敗し、空気の巻き込みに起因する不良品の発生や、ばりの発生による作業性の悪化と材料歩留まりの低下に悩まされる、としている^[3]。空気の巻き込みには真空成形などで空気を除く方法もあるが、ばりの処理も含めてコストアップになる^[3]。

この二つの解説から、不良の切り分けの軸が見えてくる。流れが足りずに先に固まった不良（充不足、フローマーク、流れの末端の欠け）と、流れすぎ・空気の不良（ブリスタ、空気だまり、ばり）とでは、手の打ち方が逆になる。前者なら材料の流動性や温度を上げる方向、後者なら下げる方向や空気の逃げを作る方向で、同じ手を両方に打つと、一方が直ってもう一方が悪くなる。

成形の条件と金型の側の原因

圧縮成形の不良を扱った解説の要旨は、不良の発生は練りゴムの流動とスコーチの特性によって生じ、これらの特性は加工温度に左右されるので、練りゴムが金型のキャビティに入るときの流れの状態を観察することが重要だとしている^[2]。そのほかの原因として、熱板の平行度と温度分布、金型の汚れが不良に関係すると挙げている^[2]。

熱板の温度分布が均一でなければ、同じ金型の中でも場所によって加硫の進み方が変わる。早く加硫が進む場所では、ばりの部分が先に固まって収縮し、ひけ（バックリンド）の原因になる^[1]。熱板が平行でなければ、型締めの圧力が偏り、ばりの厚さが場所によって変わる。金型の表面の付着物は、へこみの原因になると規格の定義にも書かれている^[1]。不良が金型の特定のキャビティや特定の位置に集中しているかどうかは、材料の問題か金型・設備の問題かを分ける大きな手がかりになる。

練りの状態も効く。小藥氏の解説は、精練（練り）の工程で得られるコンパウンドの練り状態が、後工程の成形での加工性や加硫ゴムの物性に影響し、工程の安定性にも直結するとしている^[3]。練りゴムのロットが変わった時期と不良が増えた時期が重なるなら、練りの側を疑う理由になる。

表面に出てくるもの——ブルーム

成形した直後や保管中に、ゴムの表面が白く粉をふいたようになることがある。配合剤が表面に析出するブルームである。NBR（ニトリルゴム）にステアリン酸アミドを配合した試料を調べた論文では、成形した直後の表面のブルームの膜は板状の結晶からなり、時間の経過とともに結晶の形が変わること、その変わり方がアクリロニトリルの量で違うことが報告されている^[6]。同じ配合剤でも、ゴムの組成によって表面に出てくる様子が違う、ということである。

ブルームは見た目の不良として扱われるだけでなく、接着や塗装の前処理、相手部品への付着で問題になることがある。白い粉が配合剤なのか、汚れや異物なのかは見た目では分からないので、成分を調べて切り分ける。成分の調べ方はFTIR で異物分析を依頼するときと成分分析を依頼するときで扱っている。

物性の不良を確かめるときの時間の決まり

外観ではなく、硬さや引張強さ、圧縮永久ひずみが規格を外れる場合は、加硫不足や過加硫、練りのばらつきが疑われる。ただし、測る時期を誤ると判断も誤る。JIS K 6250（ゴムの物理試験方法通則）は、加硫ゴムと熱可塑性ゴムの試験を加硫または成形の後、少なくとも 16 時間経過してから行うとし、製品から切り出した試験片や製品全体を試験するときは 16 時間以上必要な場合があり、最短の時間は製品の仕様または試験方法によるとしている^[5]。試験室で加硫・成形した試料の保管期間は、加硫・成形してから 4 週間以内とする^[5]。

成形の直後に測って「硬さが足りない」と判断する、あるいは何か月も置いた試料と新しい試料を比べる、といったことをすると、加硫の問題なのか時間の影響なのかが分からなくなる。物性の指定の仕方はゴム部品の材質と硬さの指定で扱っている。シリコーンゴムのように二次加硫を行う材料もあるので、どの工程の後の値かも記録しておく。

社内で切り分ける手順

原因の候補は多いが、記録を並べるだけで絞れることが多い。次の順に見ていく。

どこに出るか。特定のキャビティ・特定の位置か、ばらばらか。集中していれば金型・熱板の温度分布・型締めを疑う^[2]。いつから出たか。練りゴムのロット、配合の変更、金型の清掃や補修の時期と並べる^[3]。不良の呼び名は何か。上の表の定義に当てはめ、流れが足りない側か、流れすぎ・空気の側かを分ける^[1]^[3]。成形条件はどう変わったか。金型温度、加硫時間、材料の量と置き方、型締めの圧力を、不良の多い日と少ない日で比べる。一度に一つずつ変えて、効いた条件を記録する。

樹脂の成形不良の切り分けと比べたい場合は、樹脂流動解析で成形不良の原因を探ると樹脂部品の割れの原因も参考になる。

外に頼むときに渡すもの・受け取るもの

社内で決めきれないときは、練りゴムの加硫特性の測定、不良品の断面観察や成分分析、成形の再現試験を専門の会社に頼む。頼む相手は、ゴムの試験を受ける機関、配合と成形に詳しい会社、分析の会社と分かれることが多い。

渡すもの	中身と注意	受け取るもの
不良品と良品	同じ金型・同じ日のもの。キャビティ番号と位置を書く。表面を拭かない	欠陥の分類と、断面・表面の観察所見
練りゴム（未加硫）	不良の多いロットと少ないロット。保管の温度と期間を書く	流動性とスコーチ・加硫の進み方の比較
配合と材料の情報	原料ゴムの種類、開示できる範囲の配合、変更の履歴	ブルームや付着物の成分の推定
成形の条件	成形の方式（圧縮・トランスファー・射出）、金型温度、加硫時間、材料の量、熱板の温度の実測	条件を変えた再現試験の結果と、効いた条件
物性の記録	硬さなどを測った時期（加硫後何時間か）、二次加硫の有無	JIS K 6250 の時間の決まりに沿った再測定の結果

受け取るときは、「材料が悪い」「金型が悪い」といった結論だけでなく、どの記録や測定からそう判断したかを書いてもらう。練りゴムの流動とスコーチの特性は加工温度で変わるので^[2]、測定した温度の条件も結果と一緒に受け取る。

ゴムの試験先や配合に詳しい会社を探すところから、ご相談ください。

よくある質問

ばりを減らそうと材料の量を減らしたら、充不足が増えました

ばりと充不足は、材料の量と流れ方の両側から出る不良で、片方を抑えるともう一方が出やすい^[3]。材料の量だけでなく、置き方、流動性、空気の逃げ、加硫の進み方を合わせて見る。

同じ金型で、一部のキャビティだけ不良が多いです

熱板の温度分布や平行度、その部分の金型の汚れや摩耗が疑われる^[2]。熱板の温度を位置ごとに実測し、金型の清掃の前後で不良の数を比べる。

成形直後に測った硬さが規格より低いです

JIS K 6250 は、加硫ゴムの試験を加硫・成形の後少なくとも 16 時間経過してから行うとしている^[5]。時間を置いて測り直してから、加硫不足かどうかを判断する。

まとめ

加硫ゴムの金型成形の不良は、流れている間にも加硫が進むことが根にあり、流動性とスコーチの特性、加工温度、熱板の平行度と温度分布、金型の汚れが主な原因になる。不良の呼び名を JIS B 2401-3 の定義でそろえ、流れが足りずに先に固まった側か、流れすぎ・空気の側かを分けると、手の打ち方の向きが決まる。物性は加硫後 16 時間以上たってから測る。社内で決めきれなければ、不良品と良品、練りゴムのロット、成形条件の記録をそろえて専門の会社に頼む。

出典・参考資料

JIS B 2401-3:2012 O リング－第 3 部：外観品質基準（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／ISO 3601-3:2005 に対応）
Troubles and Measures in the Rubber Moulding（金型成形のトラブルと対策）（Kiyofumi MIZUMOTO／日本ゴム協会誌 82 巻 7 号／2009 年）
ゴム練り状態評価と成形加工性（小藥次郎／日本ゴム協会誌 89 巻 4 号／2016 年）
ゴムコンパウンドの流動性と成形加工性（西澤仁／日本ゴム協会誌 89 巻 4 号／2016 年）
JIS K 6250:2019 ゴム－物理試験方法通則（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧）
ステアリン酸アミドのブルーム挙動におけるNBR表面と内部のモルホロジー（清水健司・森邦夫・史暁東／日本ゴム協会誌 71 巻 5 号／1998 年）

ゴム成形の不良の原因が、材料か金型か分からないときに

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