(57)【要約】  摩耗した金型部品から摩耗箇所を含む所定領域を除去することにより第一面を形成する工程と、前記第一面に鋼材を肉盛りする工程と、を備える金型部品の製造方法。
2018225803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩耗した金型部品から摩耗箇所を含む所定領域を除去することにより第一面を形成する工程と、
前記第一面に鋼材を肉盛りする工程と、を備える金型部品の製造方法。
【請求項２】
前記第一面の表面粗さを最大高さＲｚで１μｍ以下に形成する請求項１に記載の金型部品の製造方法。
【請求項３】
前記肉盛りする工程は、前記鋼材の粉末を前記第一面上に順次積層し、前記粉末にレーザを照射することにより肉盛り部が形成される請求項１又は請求項２に記載の金型部品の製造方法。
【請求項４】
前記肉盛りする工程によって形成された肉盛り部のビッカース硬さを前記金型部品の母材のビッカース硬さの９０％以上とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の金型部品の製造方法。
【請求項５】
前記鋼材が焼入れ焼戻し鋼であり、前記肉盛りする工程の後、肉盛りされた前記金型部品を焼戻し処理する工程を備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の金型部品の製造方法。
【請求項６】
前記金型部品がパンチである請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の金型部品の製造方法。
【請求項７】
第一面を有する母材と、
前記母材の第一面上に形成された肉盛り部と、を備え、
前記肉盛り部は、鋼材で形成された複数の層が積層された積層構造を有する金型部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金型部品の製造方法、及び金型部品に関する。
本出願は、２０１７年６月７日付の日本国出願の特願２０１７−１１２８９９号に基づく優先権を主張し、前記日本国出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、原料粉を圧縮成形して圧粉成形体を製造する場合、パンチやダイなどの金型部品を備える粉末冶金用金型（以下、単に「金型」と呼ぶ場合がある）を用い、原料粉を金型に入れ、プレス機で圧縮して成形している。圧粉成形体は、そのまま製品となる他、焼結されて焼結部品となる。一般に、金型母材には、高硬度で耐摩耗性に優れる鋼材が多用されており、例えばハイス鋼などの工具鋼が使用されている（特許文献１、２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１２０３９号公報
【特許文献２】特開２００９−１２０９１８号公報
【発明の概要】
【０００４】
本開示に係る金型部品の製造方法は、
摩耗した金型部品から摩耗箇所を含む所定領域を除去することにより第一面を形成する工程と、
前記第一面に鋼材を肉盛りする工程と、を備える。
【０００５】
本開示に係る金型部品は、
第一面を有する母材と、
前記母材の第一面上に形成された肉盛り部と、を備え、
前記肉盛り部は、鋼材で形成された複数の層が積層された積層構造を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】肉盛り部を形成したパンチの一例を示す概略縦断面図である。
【図２】実施形態に係る金型部品の断面を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
［本開示が解決しようとする課題］
摩耗した金型部品を再生して再使用することが望まれる。
【０００８】
高硬度の鋼材は、被削性が悪く、切削加工することが容易ではない。そのため、例えばハイス鋼などの工具鋼を金型部品の母材に用いる場合は、通常、焼鈍状態で粗加工してから、熱処理（焼入れ焼戻し）して６０ＨＲＣ程度の硬さに調質した後に、仕上げ加工することで金型部品を製作している。
【０００９】
粉末冶金用金型は、圧縮成形を繰り返し行ううちに、金型部品の成形面が摩耗してダレが生じる。金型部品が摩耗すると、圧縮成形体にバリが発生したり、圧縮成形体の寸法精度の低下や表面性状の悪化を招く。金型部品にダレが生じた場合は、摩耗した部分を除去し、その除去により露出した面を成形面に修正して補修することで、再使用することが行われている。しかしながら、金型部品の摩耗が使用限度に達した場合は、除去代がなく補修することができないため、摩耗した金型部品を廃棄すると共に、新しい金型部品に交換している。その場合、新しい金型部品を一から製作する必要があるが、金型部品を一から製作すると、多大なコスト、期間がかかる。
【００１０】
そこで、摩耗した金型部品を再生する金型部品の製造方法を提供することを目的の一つとする。また、再生された金型部品を提供することを目的の一つとする。
【００１１】
［本開示の効果］
本開示に係る金型部品の再生方法、及び金型部品は、摩耗した金型部品を再生することで、金型の製作コスト及び期間を低減することができる。
【００１２】
［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列挙して説明する。
【００１３】
（１）本発明の一態様に係る金型部品の製造方法は、
摩耗した金型部品から摩耗箇所を含む所定領域を除去することにより第一面を形成する工程と、
前記第一面に鋼材を肉盛りする工程と、を備える。
【００１４】
上記金型部品の製造方法は、摩耗した金型部品から摩耗箇所を含む領域を除去して形成した第一面に鋼材を肉盛りすることにより、金型部品の除去した領域に肉盛りすることで、金型部品の摩耗状態を改善することができる。これにより、摩耗した金型部品を初期状態、又は初期状態に達しないが使用上許容し得る状態に再生することで、金型部品を一から製作する場合に比較して、金型の製作コスト及び期間を低減することができる。
【００１５】
（２）上記金型部品の製造方法の一態様として、前記第一面の表面粗さを最大高さＲｚで１μｍ以下に形成することが挙げられる。
【００１６】
金型部品の摩耗箇所を含む領域を除去して第一面を形成する工程で、第一面の表面粗さを最大高さＲｚで１μｍ以下に形成して、第一面を平坦面とすることで、肉盛り部を形成し易い。「最大高さＲｚ」は、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１−２００１に準拠して測定した値である。最大高さＲｚの測定時の基準長さは０．１ｍｍ、評価長さは２．０ｍｍとする。
【００１７】
（３）上記金型部品の製造方法の一態様として、前記肉盛りする工程は、前記鋼材の粉末を前記第一面上に順次積層し、前記粉末にレーザを照射することにより肉盛り部が形成されることが挙げられる。
【００１８】
鋼材の粉末を第一面上に積層し、レーザでその粉末を溶融し凝固させて肉盛りすることで、金型部品の除去した領域に均一な厚さの肉盛り部を形成し易い。
【００１９】
（４）上記金型部品の製造方法の一態様として、前記肉盛りする工程によって形成された肉盛り部のビッカース硬さを前記金型部品の母材のビッカース硬さの９０％以上とすることが挙げられる。
【００２０】
肉盛り部のビッカース硬さを金型部品の母材のビッカース硬さの９０％以上とすることで、肉盛り部が金型部品の母材と同等程度以上の硬度を有するため、初期状態（新品）の金型部品と遜色のない耐変形性、耐摩耗性を確保することができる。
【００２１】
（５）上記金型部品の製造方法の一態様として、前記鋼材が焼入れ焼戻し鋼であり、前記肉盛りする工程の後、肉盛りされた前記金型部品を焼戻し処理する工程を備えることが挙げられる。
【００２２】
肉盛り工程では、鋼材を溶融し凝固させて肉盛り部が形成される。焼入れ焼戻し鋼を肉盛りした場合、溶融した鋼材が急冷凝固することによって、肉盛り部が焼入れ状態に近い組織になる。焼入れ状態のままでは、脆く靭性が不足することがあるため、焼戻し処理することで、肉盛り部の靭性を高め、耐欠損性を向上させることができる。特に、金型部品の母材の鋼種が肉盛り部と同じ焼入れ焼戻し鋼である場合は、肉盛り部が形成された金型部品を焼戻し処理することで、肉盛り部の組織を母材と実質的に同じ組織とすることができる。それにより、金型部品全体の機械的特性を均質化することができるので、好ましい。
【００２３】
（６）上記金型部品の製造方法の一態様として、前記金型部品がパンチであることが挙げられる。
【００２４】
上記金型部品の製造方法は、摩耗したパンチの再生に好適に利用できる。
【００２５】
（７）本発明の一態様に係る金型部品は、
第一面を有する母材と、
前記母材の第一面上に形成された肉盛り部と、を備え、
前記肉盛り部は、鋼材で形成された複数の層が積層された積層構造を有する。
【００２６】
上記金型部品は、母材の第一面上に肉盛り部を備える。上記金型部品によれば、肉盛り部により金型部品の摩耗状態を改善することができ、金型部品を一から製作する場合に比較して、金型の製作コスト及び期間を低減することができる。
【００２７】
［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る金型部品の製造方法、及び金型部品の具体例を以下に説明する。本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００２８】
＜金型部品の製造方法＞
実施形態に係る金型部品の製造方法は、摩耗した金型部品から所定領域を除去して第一面を形成する前処理工程と、前記第一面に鋼材を肉盛りして肉盛り部を形成する肉盛り工程とを備える。実施形態に係る金型部品の製造方法の特徴の１つは、摩耗した金型部品に形成した第一面に鋼材を肉盛りすることにより、金型部品を摩耗前の初期形状に復元する、又は摩耗前の初期形状に近づける点にある。以下、各工程について詳しく説明する。
【００２９】
（前処理工程）
前処理工程は、摩耗した金型部品から摩耗箇所を含む所定領域を除去することにより第一面を形成する工程である。
【００３０】
本例の金型部品は、原料粉の圧縮成形に用いる粉末冶金用金型を構成する部品であり、例えばパンチやダイなどが挙げられる。金型部品の母材には、鋼材が用いられ、代表的にはハイス鋼やダイス鋼などの工具鋼が好適に利用できる。圧縮成形する原料粉としては、例えば、鉄やアルミニウム、又はこれらの合金などの金属粉末、アルミナなどのセラミック粉末などを用いることが挙げられる。原料粉には、圧縮成形時の潤滑性を向上する目的で潤滑剤を添加してもよい。圧縮成形時の成形圧力は、原料粉を圧縮成形した圧粉成形体を高密度化する観点から、例えば５００ＭＰａ以上、更に６００ＭＰａ以上とすることが挙げられる。圧粉成形体の密度は、原料粉に純鉄粉又は鉄合金粉といった鉄基粉末を用いる場合、例えば６．５ｇ／ｃｍ３以上７．２ｇ／ｃｍ３以下とすることが挙げられる。
【００３１】
前処理工程では、例えばパンチであれば、摩耗した成形面を含む端部を所定長さ切除することによって、その端面を第一面とする。第一面は、後工程で肉盛りする面であるため、平坦面に形成することが好ましい。第一面の表面粗さは、例えば最大高さＲｚで１μｍ以下とすることが挙げられる。金属部品の所定領域の除去は、例えば、フライス加工などの切削加工、ワイヤーカット放電加工、平面研磨などの研削加工といった機械加工により行うことができる。
【００３２】
（肉盛り工程）
肉盛り工程は、第一面に鋼材を肉盛りすることにより肉盛り部を形成する工程である。これにより、金型部品を摩耗前の初期形状に復元する、又は摩耗前の初期形状に近づける。
【００３３】
肉盛りは、鋼材を溶融し凝固させて肉盛り部を形成する方法であり、例えば、溶射、プラズマ粉体肉盛り、レーザ粉体肉盛りなどが利用できる。レーザ粉体肉盛りには、鋼材の粉末を順次積層しながらレーザを照射して溶融し凝固させる、所謂パウダー・ベッド・フュージョン方式と、鋼材の粉末を噴射しながらレーザを照射して溶融し凝固させる、所謂レーザ・メタル・デポジション方式とがある。パウダー・ベッド・フュージョン方式の肉盛りは、市販の金属３Ｄプリンタ（一例として、株式会社ソディック製ＯＰＭ２５０Ｌ）を利用して実施することができる。鋼材の粉末を積層しながらレーザで溶融し凝固させて肉盛りする方法を採用した場合、均一な厚さの肉盛り部を形成し易い。また、この場合、鋼材の粉末を層状に敷き詰め、その粉末の層にレーザを照射して溶融し凝固させた層を形成する。これを繰り返して積層造形することにより、鋼材で形成され、複数の凝固した層が積層された積層構造を有する肉盛り部が得られる。
【００３４】
肉盛り部に使用する鋼材は、金型部品の母材と同種の鋼材であってもよいし、異種の鋼材であってもよく、例えば、焼入れ焼戻し鋼、ステンレス鋼、マルエージング鋼などを用いることができる。焼入れ焼戻し鋼には、ハイス鋼やダイス鋼などの工具鋼が含まれる。
【００３５】
肉盛り工程では、肉盛り部のビッカース硬さを金型部品の母材のビッカース硬さの９０％以上とすることが好ましい。この場合、肉盛り部に使用する鋼材として、母材の硬さの９０％以上の硬度を有する鋼種を選択することが挙げられる。これにより、肉盛り部が金型部品の母材と同等程度以上の硬度を有するため、初期状態の金型部品と遜色のない耐変形性、耐摩耗性を確保することができる。肉盛り部のビッカース硬さは、母材のビッカース硬さの９５％以上とすることがより好ましい。肉盛り部のビッカース硬さの上限は、特に限定されないが、鋼材は硬度が高いほど靭性が低下する傾向があることから、例えば母材のビッカース硬さの１４０％以下、更に１２０％以下とすることが挙げられる。
【００３６】
肉盛り部を形成した後、必要に応じて、肉盛り部に仕上げ加工を行い、肉盛り部の寸法誤差を補正してもよい。仕上げ加工としては、例えば、フライス加工などの切削加工、ワイヤーカットなどの放電加工、平面研磨などの研削加工といった機械加工が挙げられる。
【００３７】
（焼戻し工程）
肉盛り部に使用する鋼材が焼入れ焼戻し鋼である場合は、肉盛り工程の後、肉盛り部が形成された金型部品を焼戻し処理する焼戻し工程を備えてもよい。焼入れ焼戻し鋼で肉盛り部を形成した場合は、肉盛り部が焼入れ状態に近い組織になるため、焼戻し処理することで、肉盛り部の靭性を高め、耐欠損性を向上させることができる。特に、金型部品の母材の鋼種が肉盛り部と同じ焼入れ焼戻し鋼である場合は、焼戻し処理することで、肉盛り部の組織を母材と実質的に同じ組織とし、金型部品全体の機械的特性を均質化することができる。焼戻し処理する場合は、焼戻し処理後に必要に応じて、肉盛り部に仕上げ加工を行うとよい。
【００３８】
＜金型部品＞
図２参照して、実施形態に係る金型部品を説明する。図２に示す金型部品１００は、第一面３を有する母材４と、母材４の第一面３上に形成された肉盛り部２と、を備える。肉盛り部２は、鋼材で形成された複数の層２１が積層された積層構造２２を有する。金型部品１００は、上述した金型部品の製造方法により製造することができる。
【００３９】
（母材）
本例の母材４は、鋼材である。母材４の第一面３は、肉盛り部２を形成する前に、例えば平面研削加工などにより、表面粗さ（最大高さＲｚ）を１μｍ以下に形成しておくことが好ましい。
【００４０】
（肉盛り部）
肉盛り部２は、母材４の第一面３に直接接合されている。本例の肉盛り部２は、母材４の第一面３上に、鋼材の粉末を層状に敷き詰め、その粉末の層にレーザを照射して溶融し凝固させた層を形成し、これを繰り返して積層することにより形成されている。この場合、鋼材の粉末が溶融し凝固した層が積み重なり、図２に示すように、鋼材で形成された複数の層２１が積層された積層構造２２が形成される。各層２１の厚さは、使用する鋼材の粉末の粒子径などに依存し、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下、更に２０μｍ以上６０μｍ以下である。肉盛り部２を形成する鋼材の組成は、母材４の鋼材の組成と同じであってもよいし、異なってもよい。
【００４１】
母材４の鋼材と異なる組成の鋼材の粉末を使用して肉盛り部２を形成した場合、母材４の鋼材と異なる組成の肉盛り部２が形成される。肉盛り部２における母材４との界面近傍では、母材４の成分が拡散することにより、傾斜組成になる。具体的には、肉盛り部２における母材４の第一面３に近い層２１ほど母材４の成分を多く含有して母材４の組成に近くなり、層２１間の組成の違いが顕著になる。そのため、図２に示すように、肉盛り部２における母材４の第一面３に近い層２１ほど、組成の違いから層２１間の境界が明確になり、第一面３から離れた層２１では、層２１間の境界は不鮮明になる。図２では、肉盛り部２の各層２１のハッチングが密なほど母材４の成分が多く含まれ、母材４の組成に近いことを示し、各層２１の境界線が太い実線から細い破線になるほど各層２１の境界が不鮮明になることを示している。
【００４２】
一方、母材４の鋼材と同じ組成の鋼材の粉末を使用して肉盛り部２を形成した場合、母材４の鋼材と同じ組成の肉盛り部２が形成されることになり、肉盛り部２における母材４との界面近傍において、層２１間の組成が一様になる。そのため、母材４の鋼材と異なる組成の肉盛り部２を形成した場合に比べて、組成の違いによる層２１間の境界は不鮮明になる。
【００４３】
＜金型部品の製造方法の効果＞
上述した実施形態に係る金型部品の製造方法は、次の効果を奏する。
【００４４】
摩耗した金型部品の除去した領域に肉盛りを施して金型部品を摩耗前の初期形状に復元したり、摩耗前の初期形状に近づけることにより、金型部品の摩耗状態を改善することができる。例えば、肉盛り部の厚さは、第一面を形成する際に摩耗した金型部品から除去した領域の厚み分よりも厚くすることが好ましい。特に、金型部品を摩耗前の初期状態に復元することもできる。これにより、摩耗した金型部品を初期状態、又は初期状態に達しないが使用上許容し得る状態に再生することで、金型部品を一から製作する場合に比較して、金型の製作コスト及び期間を低減することができる。また、肉盛り工程の前に前処理工程で金型部品の除去した領域に第一面を形成して、第一面を平坦面にしておくことで、肉盛り部を形成し易い。
【００４５】
＜金型部品の効果＞
上述した実施形態に係る金型部品は、次の効果を奏する。
【００４６】
肉盛り部が複数の層が積層された積層構造を有することで、均一な厚さの肉盛り部が形成され易い。
【００４７】
［試験例１］
使用済みとなったパンチに対して上述した実施形態に係る金型部品の製造方法を実施して、パンチの端面（第一面）に肉盛り部を形成することによりパンチを再生し、この再生したパンチについて評価した。用意したパンチは、ダイと共に粉末冶金用金型を構成する下パンチであり、ダイの孔に摺動自在に嵌合される。パンチ（母材）の材質はダイス鋼（ＳＫＤ１１）であり、焼入れ焼戻し鋼である。ビッカース硬さは５７９ＨＶ（０．１）である。「ＨＶ（０．１）」は、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４：２００９に準拠して、荷重（試験力）０．１ｋｇｆ（０．９８０７Ｎ）で測定したことを意味する。パンチの形状は、図１に示すように、円筒状になっており、軸方向に貫通する貫通孔１０が形成されている。この貫通孔１０には、コアロッド（図示せず）が挿通される。図１に示すパンチ１は、先端側（図１の上側）の端部がダイの孔に嵌合され、その端面が原料粉を圧縮成形する際に原料粉を押圧する成形面１１である。この例では、成形面１１の外径が２３．９６ｍｍ、内径が１４．９９ｍｍである。
【００４８】
試験例１では、図１に示すように、使用済みのパンチ１の先端部をワイヤーカットによりパンチ１の軸に垂直に切断して除去することにより第一面３を形成した後、母材４の第一面３に平面研削加工を行って、第一面３の表面粗さ（最大高さＲｚ）を１μｍ以下とした。その後、第一面３にＳＵＳ４２０Ｊ２（焼入れ焼戻し鋼）を肉盛りして肉盛り部２を形成することにより初期形状に復元した。具体的には、初期形状でのパンチ１の成形面１１から軸方向に２０ｍｍの位置でパンチ１の軸に垂直に切断し、切断面に平面研削加工を施した第一面３に厚さ２０ｍｍの肉盛り部２を形成した。肉盛りは、金属３Ｄプリンタ（株式会社ソディック製ＯＰＭ２５０Ｌ）を使用し、母材４の第一面３上にＳＵＳ４２０Ｊ２の粉末を順次積層しながらレーザを照射して溶融し凝固させることにより肉盛り部２を積層造形した。ここでは、平均粒径が４１μｍのＳＵＳ４２０Ｊ２の粉末を使用し、積層造形条件は、積層ピッチを０．０５ｍｍ、総積層数を４００層とした（０．０５ｍｍ×４００層＝２０ｍｍ）。「平均粒径」は、レーザ回折式粒度分布測定装置により測定した体積粒度分布における累積体積が５０％となる粒子径を意味する。つまり、メジアン径（Ｄ５０）のことである。また、肉盛り部２を形成した後、焼戻し処理すると共に、焼戻し処理後、肉盛り部２に仕上げ加工を行い、成形面１１を形成した。焼戻し処理の条件は１８０℃×１時間とした。
【００４９】
再生したパンチをプレス機に取り付け、原料粉を圧縮成形してリング状の圧粉成形体を１００個成形した。ここでは、原料粉として、純鉄粉（平均粒径：１００μｍ）に銅粉を１．５質量％、黒鉛粉を０．６質量％の割合で混合したものを用い、成形圧力を５８８ＭＰａ（６ｔ／ｃｍ２）、圧粉成形体の密度を６．７ｇ／ｃｍ３とした。成形した圧粉成形体は全て、所定の寸法精度を満たしており、端面形状も良好であった。また、成形後にパンチをプレス機から取り外し、成形前後におけるパンチの寸法変化を調べたところ、肉盛り部に変形や摩耗は見られず、十分に使用に耐えられるものであった。
【００５０】
成形後のパンチにおける肉盛り部のビッカース硬さを測定した。ここでは、肉盛り部の端面のビッカース硬さを３点測定し、その平均値を求めた。その結果、肉盛り部のビッカース硬さは６１５ＨＶ（０．１）であった。
【符号の説明】
【００５１】
１  パンチ
１０  貫通孔
１１  成形面
２  肉盛り部
３  第一面
４  母材
１００  金型部品
２１  層
２２  積層構造
【図１】
2018225803.tif 000003
【図２】
2018225803.tif 000004
【国際調査報告】
2018225803.tif 000005
2018225803.tif 000006
2018225803.tif 000007