(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともダイまたはパンチの一方が、ＷＣ、ＴｉＣ、Ｍｏ2Ｃ、ＴａＣ、ＮｂＣ、Ｃｒ3Ｃ2またはＶＣの中から選択される少なくとも１種以上のセラミックス成分と、Ｆｅ、ＮｉまたはＣｏを主成分とする金属成分とを含み、かつセラミックス量が６５ｗｔ％≦ＷＣ＋ＴｉＣ＋Ｍｏ2Ｃ＋ＴａＣ＋ＮｂＣ＋Ｃｒ3Ｃ2＋ＶＣ≦９５ｗｔ％に設定された複合材で構成され、
前記複合材の表面部には、該複合材の形状に沿って、前記セラミックス成分によるセラミックスリッチな高硬質層が設けられ、
内部から前記高硬質層に向かうに従って、前記金属成分の割合が漸減する傾斜部を有し、
前記傾斜部の厚さが０．３ｍｍ以上に設定され、
表面側に存在するセラミックス成分の粒子の粒径が、内部側に存在するセラミックス成分の粒子に比して３〜３０倍に粗大化していることを特徴とする複合材製金型。
【請求項２】
請求項１記載の金型において、前記複合材の表面硬度が、ＨＲＡ８７以上であることを特徴とする複合材製金型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス成分と金属成分とを含む複合材で構成される複合材製金型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、塑性加工分野や粉末成形分野等において、ロールやプレス等の種々の金型が使用されている。この種の金型には、大きな負荷応力が作用するもの、加工速度が速くかつ衝撃荷重も大きいもの、あるいは腐食環境下で使用されるもの等があり、超硬等の金属とセラミックスを複合した複合材が広範に使用されている。
【０００３】
この場合、金型質材に要求される特質としては、高耐摩耗性のための高硬度、高応力をワークに印加させるための高圧縮強度、高引つ張り強度、ワークの型内への投入時間を短くして生産性を向上させるために必要な耐衝撃性を向上させる高靭性等が要求されている。
【０００４】
そこで、金型材質として、鉄系を主体とするＳＫ材、ＳＫＤ材、ＳＫＨ材、粉末ハイス材、ニッケル系またはコバルト系合金の超合金材またはセラミックスと金属の複合材の一つである超硬材等が用いられており、これらが用途に応じて使い分けられている。また、耐摩耗性の向上を図るために、ＴｉＣやＴｉＮ等の硬質セラミックスコーティングがなされる場合がある。
【０００５】
これらの金型材質の中、複合材は脆くかつ引っ張り応力等に弱いという欠点がある。このため、金型材質としては、ダイ自体やパンチ自体等を複合材の均質体で構成し、その負荷応力を緩和して型寿命を向上させるために、特に、超硬金型においては、ＳＫ材やＳＫＤ材により抱き合わせや組み合わせ金型として使用されている。これに対して、高速度鋼は、高強度および高靭性を有するものの、耐摩耗性や圧縮強度および剛性等に問題があり、相手材の性質を考慮して金型の設計がなされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、塑性加工や粉末成形分野等に要求される特性は、耐衝撃性、耐摩耗性、高圧縮強度、高引っ張り強度、高靱性および高剛性等である。これらの諸特性を均質複合材乃至は超硬材を用いて改善しようとすると、金属量を増加あるいは減少させる手法や、セラミックス粒子の大きさを微粒化あるいは粗粒化する手法等、互いに相反する手法を採らなければならない。
【０００７】
例えば、耐衝撃性の観点からは、セラミックス粒子を粗大化して金属量を増加させる必要があるが、これにより耐摩耗性の他、耐熱性および剛性等も低下してしまう。その際、金属量を少なくし、セラミックス粒子を微粒化すると、耐摩耗性、剛性および耐熱性等は向上するものの、耐衝撃性が大きく損なわれ、金型が簡単に破壊してしまうおそれがある。従って、現実的にはこれらの諸特性を満足する鍛造金型は実用に供されておらず、補強による対処や表面処理等により対処しているだけである。
【０００８】
そこで、実際に加工を行う金型表層近傍が高硬度でかつ耐摩耗性を有するとともに、金型内部が高強度を有する金型の開発を検討したところ、本出願人による特許第２５９３３５４号公報や特開平８−１２７８０７号公報等に開示されている「セラミックス粉末と金属成分とを含む傾斜機能を有する複合材」を応用することを見い出した。
【０００９】
すなわち、本発明は、表面が高硬度で内部に向かうに従って靱性や強度等の物性が向上する傾斜機能を有する複合材製金型を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る複合材製金型では、セラミックス成分と金属成分とを含む複合材で構成されるとともに、ダイおよび／またはパンチの内部から表面あるいは表層に向かうに従って、前記複合材中の前記金属成分の割合が漸減している。
【００１１】
すなわち、ダイやパンチは、内部から表面に向かうに従って金属量が漸減する層と、金属が集積する層と、金属が大きく減少して略セラミックス組成となる層の三層が有機的に結びついている。このため、実際に加工を行うダイやパンチの表面近傍は金属が低減された高硬質層となり、この表面近傍から内方に向かって金属の漸減乃至は漸増する傾斜層となり、さらに内部は初期状態よりも金属量の増加した高強度および高靱性層となる。従って、応力の伝藩も漸次緩和されて大きな応力に対する抵抗力が増大することになる。これにより、型寿命の向上が図られるとともに、製品精度を確実に維持することが可能になる。
【００１２】
金型による塑性加工では、通常、加工時に比較的大きな発熱を伴うものの、実際に加工を行うダイやパンチの表面近傍がセラミックスリッチとなり、粒子が粗大化するとともに、表面から内部に向かうに従って、金属量が除々に多くなっている。このため、熱の伝達や拡散性がよく、熱に伴うマイクロクラックの発生、チッピングや凝着等の改善が有効になされ、性能の向上が図られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る複合材製金型１０の縦断面説明図である。金型１０は、下型を構成する固定型１２と、上型を構成する可動型１４とを備え、この固定型１２には、ダイ取り付け本体１６に補強リング１８を介してダイ２０が締め付け支持されている。ダイ２０の中央部には、素材２１が配置される製品用キャビティ２２が形成されており、このキャビティ２２には、ノックアウトピン２４が摺動自在に設けられる。
【００１４】
可動型１４は、パンチ取り付け本体２６を備え、このパンチ取り付け本体２６には、パンチホルダ２８を介してパンチ３０が取り付けられている。ダイ２０およびパンチ３０は、セラミックス成分と金属成分とを含む傾斜機能を有する複合材で構成されている。
【００１５】
図２に示すように、ダイ２０は略円筒状に形成され、その表面である外周面および内周面にダイ形状に沿ってセラミックスリッチなセラミクッス部４０ａ、４０ｂが設けられるとともに、前記セラミックス部４０ａ、４０ｂの内部側に傾斜部４２ａ、４２ｂを介して金属リッチな金属部４４が設けられる。傾斜部４２ａ、４２ｂは、金属部４４からそれぞれ外表面および内表面に向かうに従って金属成分の割合が漸減している。
【００１６】
図３に示すように、パンチ３０の内部には、金属リッチな金属部４６が設けられるとともに、その表面にはパンチ形状に沿ってセラミックスリッチなセラミックス部４８が設けられる。金属部４６とセラミックス部４８との間には、内部から表面に向かうに従って金属成分の割合が漸減する傾斜部５０が設けられる。
【００１７】
複合材中の金属成分は、実用的には周期表のＶＩＩＩ族元素の鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）またはコバルト（Ｃｏ）の中から選ばれる少なくとも１種以上であり、必要に応じてマンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）またはモリブデン（Ｍｏ）等が、物性や特性の向上等を図るために混入される。
【００１８】
金属成分は、５ｗｔ％〜３５ｗｔ％、より好ましくは、７ｗｔ％〜３０ｗｔ％に設定される。金属成分が５ｗｔ％未満では、金属量が少なくなりすぎて脆くなって、金型１０の製造時に、この金型１０のエッジにチッピング等が発生し易く、前記金型１０を高精度に加工することが極めて困難なものとなってしまう。
【００１９】
金属成分を５ｗｔ％以上にすると、複合材表面の金属成分が１ｗｔ％以下となり、金型１０を構成するダイ２０およびパンチ３０の内部には相対的に１０ｗｔ％以上の金属成分を集積することができ、実用に供することが可能になる。なお、素材を焼結し、ダイ２０やパンチ３０に精密加工を施して充分な耐用性を得るためには、金属成分を７ｗｔ％以上に設定することが望ましい。
【００２０】
セラミックス粒子として、２μｍ〜３μｍ前後の粉末原料を用いた場合、複合材の表面近傍の粒子は、添加される粒子成長剤や焼結温度、時間および雰囲気等によって変化するが、３倍〜３０倍程度になる。強度が要求されるものでは、３倍〜７倍程度まで、主として耐摩耗性が要求されるものでは、１０倍〜２０倍程度までの成長がなされる。その際、表面近傍の金属成分は、１ｗｔ％〜８ｗｔ％になり、内部の金属成分は、上記の成長度合いや傾斜部の厚み等により変化し、金属成分が５ｗｔ％の場合に８ｗｔ％〜１３ｗｔ％程度乃至それ以上になる。
【００２１】
金属成分の上限は、３５ｗｔ％、より好ましくは、３０ｗｔ％に設定される。長尺状の複合材を構成する際には、高剛性および高強度が要求されるため、含有する金属成分を増加させることが必要である。ところが、金属成分が３５ｗｔ％以上になると耐摩耗性が劣化し、所望の性能を発揮することができなくなってしまう。
【００２２】
ここで、金属成分を３５ｗｔ％に設定し、表面の金属成分を５ｗｔ％程度としてＨＲＡ９３程度を確保した場合、２５ｍｍ×２５ｍｍ×１００程度の大きさであれば、中央部の金属成分は４０ｗｔ％以上となり、高速度鋼に近い靭性を有して充分な機能を有する。なお、金属成分を３０ｗｔ％とした場合に、１０ｍｍ〜２０ｍｍ×１０ｍｍ〜２０ｍｍ×１００ｍｍ程度の大きさのものであれば、中央部の金属成分が３５ｗｔ％以上となり、充分な精能を有することができる。
【００２３】
複合材中のセラミックス成分は、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化２モリブデン（Ｍｏ2 Ｃ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化クロム（Ｃｒ3 Ｃ2 ）または炭化バナジウム（ＶＣ）の中から選択される少なくとも１種以上を主体とするものであり、その一部に窒化物やホウ化物、あるいは炭窒化物等を添加するようにしてもよい。
【００２４】
セラミックス量は、
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に設定され、残部が金属である。
【００２５】
これらのセラミックス成分は、塑性加工時等に実際にワークと接触して加工を行うものであり、強度、耐熱性、耐摩耗性および耐食性等の性質を有するものが選択されている。通常、金型材として用いられる複合材の代表例である超硬材は、ＷＣ−Ｃｏの単純な系（均質体）で構成されており、本発明は、これを基本的な構成とし、耐摩耗性の観点から炭化クロムや炭化バナジウム等を添加するものである。さらに、耐食性や耐熱性等の観点から炭化チタン、炭化タンタルまたは炭化ニオブ等を添加し、これによって、高温の腐食環境下や高温化の塑性加工等においても、耐酸化性等を向上させることができる。
【００２６】
セラミックス成分は、６５ｗｔ％〜９５ｗｔ％に設定される。このセラミックス成分が９５ｗｔ％を超えると、金属成分が少なくなりすぎて強度や靭性が不充分となり、金型１０として実用に供することが難しい。一方、セラミックス成分が６５ｗｔ％未満では、金属量が多くなりすぎて耐熱性や耐摩耗性が著しく劣化するとともに、充分な剛性を有することができなくなってしまう。
【００２７】
金属量が漸減あるいは漸増する傾斜部４２ａ、４２ｂおよび５０の厚さは、数百μｍ以上、好ましくは０．３ｍｍ以上必要である。すなわち、熱の発生や応力の発生によって作用する熱応力や負荷応力を緩和するために、金型１０の設計上の要請があるからである。例えば、熱応力について説明すると、金属量と熱伝導および粒子の大きさと熱伝導はそれぞれ相関を有しており、発生する熱応力が熱伝達の勾配であることから、傾斜部４２ａ、４２ｂおよび５０の厚さが変化すれば、発生する熱応力そのものも変化する。このため、厚さが数μｍ〜数十μｍでは、発生する熱応力や加工時に生ずる応力の緩和量が小さくなってしまい、耐久性の向上を図ることはできない。
【００２８】
傾斜部４２ａ、４２ｂおよび５０の厚さは、実用上、大きい方が有効であると考えられるが、実際のパンチ３０では、一般的にφ８０ｍｍ×１００ｍｍ程度以下であるため、その厚さの上限を２０ｍｍに設定する。２０ｍｍ程度の変化層−傾斜機能層を有していれば、熱応力の発生等を有効に緩和することができ、性能的にも充分であるとともに、製造も簡素化する。
【００２９】
金型１０を構成するダイ２０およびパンチ３０の表面硬度は、ＨＲＡ８８以上に設定される。ＨＲＡ８８未満では表面への金属の露出割合が多くなり、ワークと金型１０との摩擦係数（μ）が高くなってしまう。これにより、発熱の増大や発生する応力や金型１０への負荷応力の増大を招いてしまい、凝着が惹起されるとともにワークの表面荒れの他、金型１０自体の摩耗が発生し易くなってしまう。従って、表面硬度をＨＲＡ８８以上、好ましくはＨＲＡ９０以上に設定すれば、得られる製品の面粗さや精度が有効に向上するとともに、金型１０の寿命も向上するという効果がある。
【００３０】
粒成長促進剤は適宜選択されるものであり、例えば、ニッケルが用いられる場合、金型表面硬度をＨＲＡ９４以上とすることができる。さらに、金型表面に硬質セラミックスコーティングを施せば、従来の超硬材や複合材の金型に比べて表面の金属量が大きく減少しているため、前記硬質セラミックスコーティングの密着性を一挙に向上させることが可能になる。
【００３１】
この場合、本実施形態では、複合材の構成成分であるセラミックス成分が焼結工程で粒子が成長し易いような添加剤を、含浸により供給している。このため、粒成長促進剤の濃度勾配を乾燥工程、含浸の際の溶媒の蒸発速度条件、浸積時間等の条件および焼結時の雰囲気管理や温度管理等によって調整している。これにより、ダイ２０およびパンチ３０の形状に沿って高硬質層であるセラミックス部４０ａ、４０ｂおよび４８や、金属が漸増あるいは漸減する傾斜部４２ａ、４２ｂおよび５０を形成することができる。従って、機能および性能が向上して耐久性に優れる金型１０を得ることが可能になる。
実施例１
実施例１では、平均粒径が２．２μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末を８９ｗｔ％、平均粒径が２μｍの炭化ニオブ（ＮｂＣ）を２ｗｔ％、平均粒径が２．４μｍの炭化タンタル（ＴａＣ）を１ｗｔ％、平均粒径が０．８μｍの金属コバルト（Ｃｏ）を８ｗｔ％の組成で用意し、有機溶媒を媒液としてボールミルにより７２時間充分に混合した。これは、ＪＩＳ分類におけるＫ−１０乃至Ｖ−１０の組成に相当するものである。
【００３２】
上記のように混合した後、含有する有機溶媒の液分が９％になるように調整し、成形用バインダの影響を回避するためにバインダレスで、金型内静水圧加圧成形法により１００ＭＰａの成形圧力により焼結後の直径が１８ｍｍでかつ長さが１５０ｍｍになるように成形体を成形した。焼結後の加工取り代は、片面で０．１ｍｍ程度に設定した。成形体は、窒素ガス中において５０Ｐａの成形圧力によりこの成形体に残存する有機溶媒を除去した後、９００℃で３０分間の仮焼成を行い、仮焼成体を得た。成形体含浸時の破壊を防ぐためである。
【００３３】
次いで、粒成長促進剤として取り扱い性、利便性および安全性等を考慮し、１０％濃度のＮｉ塩水溶液を用意し、これに仮焼成体を浸漬した後に１３０℃の排気型熱風乾燥で充分に乾燥し、前記仮焼成体内におけるニッケル濃度の傾斜化を図った。そして、窒素ガス流通下で、５０Ｐａの加圧下に１４００℃で１．５時間保持し、焼結体を得た。なお、表面層の影響を除去するために、焼結体の表面層を片面０．１ｍｍ程度だけ除去し、試験材を得た。
【００３４】
一方、Ｎｉイオン濃度を変更させた溶液を仮焼成体に含浸させたものを用意し、これらを粉体中に埋設して水分の急激な蒸発による濃度差が生じないようにしたものを調整し、同様に焼結および加工を施して試験材を得た。
【００３５】
そこで、得られた試験材の中、炭化ニオブおよび炭化タンタルを配したコバルトが８ｗｔ％の試験材では、加工前が０．３ｍｍであった硬質層が加工後には０．２ｍｍ程度となり、加工前にＨＲＡ９３．８であった表面硬度が加工後にはＨＲＡ９３．４となった。この値は、硬質被膜コーティングを施したものに近い値であり、そのまま金型素材として使用することが可能である。
【００３６】
図４には、試験材（焼結体）の表面から内部に向かって変化する硬度の値が示されている。これにより、硬度は、焼結体内部に向かって金属イオンが増加するのに伴って漸減し、この硬度の変化量はＨＲＡ６程度と非常に大きなものとなった。さらに、この硬度の減少から傾斜機能層の厚さが約８ｍｍであることが検出された。
【００３７】
次に、試験材の断面を顕微鏡や電子顕微鏡等により観察し、粒子の大きさを測定したところ、図５に示す結果が得られた。これにより、表面近くの粒子の大きさが初期の状態から４倍〜５倍程度に成長していた。また、粒子の大きさは金属量の増加とともに漸減し、中央部では殆ど粒成長しておらず、初期状態での粒度のままであった。
【００３８】
図６には、粒成長促進剤であるＮｉイオン濃度を１０％にし、複合材に含まれる金属量−コバルト量を、炭化タングステン量を変えて調整するとともに、Ｎｉイオンの含浸を行うもの（試験材）と含浸を行わないもの（現状材）とにおいて、抗折強度を比較する実験を行った結果が示されている。対象試料は炭化ニオブ等を含むものである。Ｎｉ含浸の試験材では、含浸後に粉体中に埋設してイオン濃度の移動を抑制し均質体組成を構成している。この試験材では、現状材に比べて抗折強度が有効に向上している。すなわち、通常、粒成長することにより強度の低下が惹起されるが、原子に近い大きさで粒成長剤を加えることにより、逆に強度の向上が図られたからである。
【００３９】
図７は、粒成長促進剤であるＮｉイオン濃度を変化させ、複合材組成をコバルトが８ｗｔ％と一定として試験材の硬度を測定した結果である。これにより、図６と同様に、Ｎｉイオン量の極大の存在が示唆されている。
【００４０】
図８は、粒成長促進剤であるＮｉイオン濃度を１０％と一定にしたときの剛性の変化を示している。剛性を検出するために、実際上の縦弾性率を測定した。図８に示すように、表面が粒成長することによって見かけ剛性である縦弾性率が増加するとともに、均質複合材においても剛性の変化が複合粒子の粒度と関係していることが判った。
【００４１】
図９は、図７と相関するものであり、Ｎｉイオン濃度と破壊靱性値との関係を示している。現状材では、強度が上がると靱性は低下するが、試験材では特有の物性を示している。
【００４２】
図１０は、温度変化に対する硬度の変化を示している。図１０中、通常超硬材は市販のＶ−１０相当品であり、試験材の硬度がこの通常超硬材に比べてＨＲＡ１０以上の高い値となった。しかも、試験材では、高温に至ってもその硬度を高い値に維持することができ、高温環境下における有効利用が図られるという効果がある。
【００４３】
図１１は、試験材と現状超硬材との圧縮応力を比較した結果を示している。なお、疲労特性を得られ易いように、コバルト量を１５ｗｔ％、初めに添加される炭化タングステンの平均粒度を３μｍとし、測定時のばらつきや取り付け時の損傷を防止するようにした。これにより、現状超硬材を用いるものに比べ、試験材ではその圧縮応力が大きく向上し、実際上、３０％程度の向上が認められた。
【００４４】
従って、実施例１では、現状の超硬材やＳＫＤ材およびＳＫＨ材等に比べ、鍛造金型１０として具備すべきあらゆる特性について凌駕しており、これまでの鍛造金型に比べて耐用性や機能の点で大きな向上が図られるという効果が得られる。
実施例２
図１に示す金型１０と同様に構成されるサイジング金型を製作し、このサイジング金型の試験を行った。この試験は、被加工材として銅合金焼結材を用い、サイジング試験を行った。このサイジング金型では、平均粒度が３μｍの炭化タングステン８０ｗｔ％にコバルト２０ｗｔ％だけ添加したものに、粒成長促進剤としてニッケル塩を含浸させ、金属量を内部から表面に向かって漸減するようにしたものと、通常の均質体構成で粒成長を全く行わせないようにしたものの２種類を用意した。
【００４５】
この実施例２では、表面層のコバルト成分が５ｗｔ％、その粒子の大きさが１２μｍ〜１５μｍ、表面硬度がＨＲＡ９３．２であった。これに対して、均質体構成のものでは、表面硬度がＨＲＡ８６であった。
【００４６】
そこで、被加工材として銅合金焼結材を用い、サイジングによる試験を行った。この被加工材は、銅粉末にクロムおよび銀を適量ずつ添加して成形した後、焼結および熱処理を施して内部に窒化物や酸化物を分散析出させた導電性および耐食性に優れた合金である。この被加工材は、図１２に示すような円柱状の素材６０として用いられ、この素材６０にサイジング加工を施すことにより、図１３に示す加工品６２を得る実験を行った。
【００４７】
試験は、素材６０を用いてサイジング加工を行って、各３台ずつのサイジング金型が割れるまでの有効ショット数を比較した。その結果、均質体構成の従来のサイジング金型では、有効ショット数が８２、５８および１０７ショットとなり、その平均が８２ショットであった。これに対して、実施例２のサイジング金型では、有効ショット数が３８９、４２７および５９６ショットであり、その平均が４７０ショットとなった。これは、従来の均質体構成のものに比べて５倍以上の耐久性の向上が得られたことになる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明に係る複合材製金型では、金型内部から金型表面に向かうに従って複合材中の金属成分の割合が漸減するため、実際に加工を行う金型表面部分が高硬度でかつ耐摩耗性を有する一方、金型内部が高靱性かつ高強度を有するとともに、この間の組成や物性が緩やかに変化する。これにより、耐用性に優れるとともに、製品精度の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る複合材製金型の縦断面説明図である。
【図２】前記金型を構成するダイリングの横断面図である。
【図３】前記金型を構成するパンチの横断面図である。
【図４】焼結体の内部硬度変化の説明図である。
【図５】焼結体の粒成長状態の説明図である。
【図６】コバルト量と抗折強度の関係を示す説明図である。
【図７】ニッケル含浸量と硬度の関係を示す説明図である。
【図８】コバルト含有量と弾性率の関係を示す説明図である。
【図９】ニッケル濃度と破壊靱性値の関係を示す説明図である。
【図１０】温度と硬度の関係を示す説明図である。
【図１１】サイクル数と圧縮応力の関係を示す説明図である。
【図１２】サイジングされる前の素材の説明図である。
【図１３】サイジングを施した後の加工品の縦断面説明図である。
【符号の説明】
１０…金型                      １２…固定型
１４…可動型                    ２０…ダイ
２４…ノックアウトピン          ３０…パンチ
４０ａ、４０ｂ、４８…セラミックス部
４２ａ、４２ｂ、５０…傾斜部
４４、４６…金属部
【図１】
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【図２】
0003691306.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0003691306.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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