(57)【要約】【課題】熱加工で改良された加工領域を有する工具およびこうした工具の成形方法を提供すること。【解決手段】工具(10)は、熱加工処理によって改良された炭化物および/または合金の帯(24)を含むように改質された鋼を含む加工領域を備える。使用の際は、工具(10)を使用して金属成形作業を行う場合に加工領域の表面(18)が加工物(25)と接触する。【選択図】図３
2008238275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物を改良する機械で使用される工具であって、
鋼から形成され長手方向軸を含む細長い部材と、前記機械に結合されるように構成されたシャンクと、前記長手方向軸に沿って前記シャンクから間隔をおいて配置された先端部とを備え、前記先端部が前記加工物と接触するように適合された加工面を含み、前記先端部は、前記鋼が前記長手方向軸と実質的に整列しない複数の炭化物帯または複数の合金帯を含むミクロ組織を有する加工面近傍の第1の領域を含んでいる工具。
【請求項２】
前記鋼が工具鋼である、請求項1に記載の工具。
【請求項３】
前記細長い部材の前記先端部が前記第1の領域と前記シャンクの間の前記第1の領域に並列した第2の領域を含み、前記第2の領域が前記長手方向軸と実質的に整列した他の複数の炭化物帯または他の複数の合金帯を含むミクロ組織を含んでいる、請求項1に記載の工具。
【請求項４】
前記第1の領域内の前記炭化物帯または合金帯が前記第2の領域内の前記炭化物帯または合金帯よりも緊密に圧縮されている、請求項3に記載の工具。
【請求項５】
前記第1の領域内の各前記複数の炭化物帯または前記合金帯が前記第2の領域内のそれぞれ前記炭化物帯または前記合金帯の1つと連続している、請求項3に記載の工具。
【請求項６】
前記第1の領域内の前記複数の炭化物帯または前記複数の合金帯が前記加工面を横断している、請求項1に記載の工具。
【請求項７】
前記炭化物帯または前記合金帯が前記加工面の平面に対して非垂直角度で前記加工面を横断している、請求項6に記載の工具。
【請求項８】
前記第1の領域が、前記加工面から前記先端部内へ、前記加工面に対して深さ約0.125インチ(約0.3175センチメートル)から約0.25インチ(約0.635センチメートル)延びている、請求項6に記載の工具。
【請求項９】
前記第1の領域が、前記加工面から前記先端部内へ、前記加工面に対して深さ少なくとも約0.001インチ(約0.00254センチメートル)延びている、請求項6に記載の工具。
【請求項１０】
前記第1の領域が前記先端部内で前記加工面の下に埋め込まれている、請求項1に記載の工具。
【請求項１１】
前記先端部が前記第1の領域と前記シャンクの間の第2の領域を有し、前記シャンクおよび前記先端部の前記第2の領域がミクロ組織を含んでいる、請求項1に記載の工具。
【請求項１２】
前記鋼が粉末金属材料から形成されている、請求項1に記載の工具。
【請求項１３】
前記シャンクが前記細長い部材を前記機械の工具保持部に結合するように構成された工具保持構造を含んでいる、請求項1に記載の工具。
【請求項１４】
前記長手方向軸が前記加工面と交差している、請求項1に記載の工具。
【請求項１５】
長手方向軸に沿って配置されたシャンクおよび先端部を有する鋼プレフォームを製作する段階と、
前記プレフォームの前記先端部を熱加工処理して、前記先端部の前記長手方向軸と実質的に整列しない複数の炭化物帯または複数の合金帯を有するミクロ組織を含む前記鋼の第1の領域を画定する段階と、
前記プレフォームを工具の加工面を画定する前記先端部の前記第1の領域を有する工具に仕上げ加工する段階と、を含んでいる工具の作成方法。
【請求項１６】
前記炭化物帯または合金帯が前記第1の領域と並列した第2の領域内の他の複数の炭化物帯または他の複数の合金帯よりも緊密に圧縮されている、請求項15に記載の方法。
【請求項１７】
前記プレフォームの製作段階が、
前記シャンクの断面よりも面積が小さい、前記長手方向軸に沿って見た断面を有する先端部を成形する段階をさらに含んでいる、請求項15に記載の方法。
【請求項１８】
前記先端部を熱加工処理する段階が、
前記先端部が熱加工処理された場合に、前記先端部の断面の面積が増加する段階をさらに含んでいる、請求項17に記載の方法。
【請求項１９】
前記先端部が先端角を有する切頭円錐形または弾丸形状を有し、前記先端部を熱加工処理する段階が、
前記先端部が熱加工処理された場合に前記先端部の先端角が大きくなる段階をさらに含んでいる、請求項17に記載の方法。
【請求項２０】
前記先端部を熱加工処理する段階が、
前記先端部を処理温度に加熱する段階、および
前記処理温度で有効な力を前記先端部に加えて前記第1の領域を変形させる段階をさらに含んでいる、請求項15に記載の方法。
【請求項２１】
前記先端部が鍛造処理によって熱加工処理されている、請求項15に記載の方法。
【請求項２２】
前記鍛造処理が、半径方向の鍛造、リングローリング、回転鍛造、据え込み、チクソフォーミング、オースフォーミング、温間/熱間据え込み、およびその組合せからなるグループから選択されている、請求項21に記載の方法。
【請求項２３】
前記鋼プレフォームの前記先端部内の前記炭化物帯または前記合金帯が、前記先端部が熱加工処理される前に前記先端部の前記長手方向軸と実質的に整列している、請求項15に記載の方法。
【請求項２４】
前記プレフォームを前記工具に仕上げ加工する段階が、
前記シャンクが工具保持構造を含むように変える段階をさらに含んでいる、請求項15に記載の方法。
【請求項２５】
前記プレフォームの前記先端部を熱加工処理する段階が、
前記先端部を、第1の熱加工処理で熱加工処理して前記鋼の前記第1の領域を画定する段階と、
前記プレフォームの前記先端部の形状を変える段階と、
前記先端部を、第2の熱加工処理で前記第1の領域内の前記炭化物帯または前記合金帯の方向が、前記先端部の前記長手方向軸に対してさらにずれるように熱加工処理する段階と、をさらに含んでいる、請求項15に記載の方法。
【請求項２６】
前記先端部を改良する段階が、
前記プレフォームの前記先端部を機械加工または鍛造する段階をさらに含んでいる、請求項25に記載の方法。
【請求項２７】
先端部を画定するために既存の工具の熱加工処理された端部を機械加工する段階を含み、該先端部はシャンクと共に長手方向軸に沿って配置され、前記先端部の前記長手方向軸と実質的に整列しない複数の炭化物帯または複数の合金帯を有するミクロ組織を含んでいる、工具の作成方法。
【請求項２８】
前記先端部を熱加工処理して、前記炭化物帯または前記合金帯の前記先端部の前記長手方向軸に対する整列をさらに変える段階をさらに含んでいる、請求項27に記載の方法。
【請求項２９】
先端部を画定するために既存の工具の端部を機械加工する段階であって、該先端部はシャンクと共に長手方向軸に沿って配置され、複数の炭化物帯または複数の合金帯を含んでいる段階と、
前記先端部を熱加工処理する段階であって、該先端部は前記炭化物帯または前記合金帯の前記先端部の前記長手方向軸に対する整列を変える段階と、を含んでいる工具の作成方法。
【請求項３０】
前記炭化物帯または前記合金帯が熱間圧延方向から方向が逸れている、請求項29に記載の工具。
【請求項３１】
前記先端部が表面法線を有する加工面をさらに含み、前記炭化物帯または前記合金帯が前記表面法線と整列していない、請求項29に記載の工具。
【請求項３２】
加工物を改良する機械で使用される工具であって、
鋼から形成される部材を含み、前記部材が前記加工物と接触するように適合された加工面および前記加工面の下の改良された領域を含み、前記改良された領域内の前記鋼が一方向に整列しない複数の炭化物帯または複数の合金帯を含むミクロ組織を有している工具。
【請求項３３】
前記加工面が表面法線を有し、前記炭化物帯または前記合金帯が前記表面法線と整列していない、請求項32に記載の工具。
【請求項３４】
加工物を改良する機械で使用される工具であって、
鋼から形成される部材を含み、前記部材が前記加工物と接触するように適合された加工面および前記加工面の下の改良された領域を含み、前記改良された領域内の前記鋼が非線形の整列を有する複数の炭化物帯または複数の合金帯を含むミクロ組織を有している工具。
【請求項３５】
前記加工面が表面法線を有し、前記炭化物帯または前記合金帯が前記表面法線に平行でない方向に整列されている、請求項34に記載の工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、2007年3月23日に出願された米国仮出願第60/896,729号の恩典を主張するものである。
【０００２】
本発明は、金属成形および圧粉成形用途で使用される工具、およびこうした工具の成形方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
様々なタイプの工具が機械加工、金属切削、圧粉成形、金属彫刻、ピンスタンピング、部品の組立など金属成形用途で使用されている。具体的には、パンチとダイは、金属および非金属の加工物の穴あけ、穿孔、並びに形付けに使用される金属成形工具のタイプを示す。切削工具および差込み工具は、金属および非金属の加工物を形作るための機械加工用途で使用される金属成形工具のタイプを示す。パンチとダイはその稼動寿命中に過酷な負荷を繰り返し受ける。具体的には、パンチは、工具の作業端でのかなりの応力または摩耗など他の作用によって引き起こされる突発的な破損によって使用中に故障しがちである。金属成形工具に対する要求は、超高強度鋼(UHSS)、高強度鋼(AHSS)、変態誘起塑性(TRIP)鋼、およびマルテンサイト系(MART)鋼など、より高い強度重量比を有する鋼から構築される加工物の導入でさらに厳しくなるであろう。
【０００４】
パンチは、通常、様々な工具鋼種から構築される。従来の工具鋼は、鋼の一般式に見られるクロム、バナジウム、およびタングステンなど合金と炭素の反応からできる金属炭化物を含む。金属炭化物粒子は、最初は、塊または凝集物としての大きい工具鋼内に存在する。炭化物の形態、すなわち粒子サイズおよび分布は工具鋼の材料に影響を与え、破壊靭性など機械的性質は耐性および摩耗耐性に影響を与える。こうした材料および機械的性質により、金属加工作業でパンチとダイから受ける使用状態に耐え、特定用途のための材料選択の案内として働く工具鋼の能力が決定される。
【０００５】
工具鋼の製造中に工具鋼のインゴットまたはビレットは、通常、熱間圧延または鍛造処理によって再結晶温度を超える温度で熱間加工される。工具鋼が熱間加工されるときに、分離した金属炭化物が実質的に加工方向に整列して、一般に炭化物の偏析として知られているものが形成されることがある。工具鋼の熱間加工により、幾つかの分離した合金の成分の濃縮された領域が実質的に加工方向に整列されて、一般に元素または合金の偏析として知られているものが形成されることもある。
【０００６】
分離した金属炭化物および合金の成分が熱間圧延された工具鋼の加工方向(すなわち圧延方向)に沿って平行に整列する傾向、線形帯が、図1および1Bの光学顕微鏡写真、並びに図1Aの走査電子顕微鏡(SEM)の顕微鏡写真に示されている。顕微鏡写真は、集合的に、熱間圧延された状態の市販のM2工具鋼種の、バーストックの研磨され腐食された領域の画像を示す。図1、1A、および1Bから明らかなように、顕微鏡レベルで、炭化物および合金の帯は顕著な様相を有する。具体的には、図1Aで見える比較的明るい帯は重量百分率の比較的高い合金含有量を示し、比較的暗い帯は重量百分率の比較的低い合金含有量を示す。図1Aで示した特定のS7工具鋼種の場合、合金含有量の比較的高い比較的明るい帯は4.18wt.%のCrおよび2.16wt%のMoを含み、比較的低い合金の比較的暗い帯は3.38wt.%のCrおよび1.30wt.%のMoを含む。図1Bは、熱処理および3回焼き戻し後の圧延のままの市販のAISI M2鋼の偏析を示す光学顕微鏡写真である。試験片が切断され、研磨され、次いで3%のナイタル溶液で腐食された。帯の間隔の測定値、すなわち1つの帯の中央から隣接する帯の中央までの測定値は、平均約21μmの標準偏差で、平均約135μmである。図2は、粉末冶金のM4工具鋼種のバーストックの光学顕微鏡写真であり、図1Aで明らかなように、実質的に圧延方向に沿った金属炭化物および合金の帯の同様の整列を示している。
【０００７】
熱間圧延後、工具鋼は炭化物および/または合金の偏析を保存するブランクに作成される。炭化物帯内の金属炭化物および合金帯内の分離された合金成分の方向性により、その方向に沿った脆性破壊および摩耗の可能性が高くなる。工具鋼ブランクがパンチとダイなど工具を作成するように機械加工されるときに、炭化物および合金の帯が主な負荷方向と一致する傾向があり、その方向に沿って、その後の使用中に破損が生じる恐れがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、方向性のある炭化物および/または合金の帯を含まない鋼から形成された加工領域を有する工具が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施形態では、加工物を形作る機械で使用する工具を提供する。この工具は、長手方向軸を含む細長い鋼部材、機械に結合されるように構成されたシャンク、および長手方向軸に沿ってシャンクから間隔をおいて配置された先端部を含む。先端部は加工物と接触するように適合された加工面を含む。先端部は、鋼が長手方向軸と実質的に整列しない炭化物および/または合金の帯を含むミクロ組織を有する加工面に近位の第1の領域を含む。
【００１０】
一実施形態では、細長い部材の先端部は、1つの第1の領域に並列した第2の領域を含み、第2の領域は、実質的に長手方向軸に整列した他の複数の炭化物帯または他の複数の合金帯を含む。他の実施形態では、第1の領域内の炭化物帯または合金帯は、第2の領域内の炭化物帯または合金帯の第2の帯の間隔よりも小さい帯の間隔を有する。炭化物または合金の帯は、第2の領域と比較して第1の領域内でさらに緊密に圧縮される。他の実施形態では、長手方向軸に沿って配置されたシャンクおよび先端部を有する鋼プレフォームを作成する段階を含む方法を提供する。プレフォームの先端部は熱加工処理されて、先端部の長手方向軸に実質的に整列しない炭化物および/または合金の帯を有するミクロ組織を含む領域を画定する。この方法はさらに、プレフォームを、工具の加工面を画定する先端部の領域を有する工具に仕上げ加工する段階を含む。
【００１１】
細長い部材またはプレフォームの鋼は、機械加工、金属切削、圧粉成形、金属彫刻、ピンスタンピング、および金属成形用途の工具の成形に通常使用される工具鋼からなるものでもよい。様々な実施形態では、工具鋼は約5重量パーセントから約40重量パーセントの炭化物含有量を有することができる。
【００１２】
プレフォームの鋼は、熱加工処理または従来の鍛造処理などの処理により高温で機械的に処理される。適した従来の鍛造処理には、限定的ではないが、リングローリング、据え込み、回転鍛造、半径方向の鍛造、熱間/温間据え込み、およびこうした鍛造処理の組合せが含まれる。熱加工処理は、一般に、合金に同時に加熱および変形処理を行って、その形状を変え、ミクロ組織を改良するものである。熱加工処理は、鋼の耐衝撃性、破壊靭性、および耐摩耗性など、得られる機械的性質を経済的に向上させる。鋼の金属成分を変えることなく、改良された機械的性質が得られる。
【００１３】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、上記の本発明の全般的な記載および以下の実施形態の詳細な記載と併せて、本発明の実施形態を示すものであり、本発明の実施形態の原理の説明に役立つものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図3を参照すると、典型的な一実施形態によれば、工具10は、バレルまたはシャンク14、シャンク14の一端に配置されたヘッド12、およびシャンク14のヘッド12から反対側の一端に配置された先端部15を有するノーズまたは本体16を備える細長い部材である。先端部15上に担持される加工面18は、先端部15の側壁を切れ刃20に沿って接合する。切れ刃20および加工面18は加工物25の表面と接触する工具10の部分を画定する。加工物25は、薄い金属板など金属成形用途で工具10によって処理すべき材料からなるものでもよい。
【００１５】
工具10の長手方向軸または中心線22に沿って見ると、細長い部材のシャンク14および本体16は、たとえば円形、長方形、正方形、または楕円形の断面など適した断面を有する。シャンク14および本体16は同一面積の断面を有することができ、または本体16が比較的小さい断面積を有して、シャンク14と本体16の間に逃げ領域を与えることもできる。幾つかの実施形態では、シャンク14および本体16は中心線22について対称に配置され、具体的には、中心線22に中心を置き、および/またはその周囲で対称の円形または丸い断面を有することができる。
【００１６】
工具10のヘッド12は、工作機械またはプレス(図示せず)など金属加工機械で使用される工具保持デバイスで保持されるのに適した構造を有する。例示の実施形態では、ヘッド12はシャンク14の径よりも大きい径を有するフランジである。工具10は、別法として、ヘッド12の代わりに、工具10のシャンク14を工具保持デバイスに結合するためのボールロック保持器、ウェッジロック保持器、タレット、または他のタイプの保持構造を備えることができる。
【００１７】
工具10は、典型的な実施形態ではパンチの構造を有し、通常はスタンピング作業で使用されるダイセットの構成要素を形成する。ダイセットはさらに、工具10の先端部15の一部を受ける開口部を含むダイ26を備える。ダイ26および工具10は共に押し付けられると協働して加工物内に形作られた穴を形成し、または加工物25を所望の方法で変形させる。工具10およびダイ26は、工具10がラムの端部で工具保持機構を使用して一時的に取り付けられた状態で、金属加工機械から取り外し可能である。工具10は、全般的に加工物25に向かう方向に、加工面18と加工物25の間の接触点に対して垂直に負荷を加えるように移動する。金属加工機械を機械的、油圧式、空気式、または電気的に駆動して、工具10を加工物25に押し付ける負荷を加えることができる。工具10の先端部15は、加工物25の厚さにわたり、またはその中に、かつダイ開口部内に金属加工機械によって伝達される高負荷で押し付けられる。加工物25は、工具10の加工面18と加工物25の間の接触ゾーンで、かつその周囲で切削され、かつ/または変形される。
【００１８】
本発明の一代替実施形態では、ダイ26の1つまたは複数の加工面の下のダイ26の領域を、本発明の実施形態と同一の方法で熱加工処理された鋼から形成することができる。別法として、圧粉成形用途では、加工物25は、典型的な薄板金の代わりに、ダイ26の凹部内に収容された粉末からなるものでもよい。
【００１９】
工具10を、限定的ではないが、冷間加工、熱間加工、または高速工具鋼種材料、並びにステンレス鋼、特殊鋼、および専売工具鋼種などの工具鋼が含まれる多様な種類の鋼から製作することができる。工具10は、粉末冶金鋼種、または具体的には粉末冶金工具鋼を含むこともできる。工具鋼種材料は、一般に、硬化および焼戻し挙動を示すバナジウム、タングステン、クロム、およびモリブデンを有する鉄―炭素合金系である。炭素含有量は約0.35wt.%から約1.50wt.%の範囲内でもよい。他の炭素含有量があるとすれば、析出に望まれる炭化物粒子に依存すると考えられる。一代替実施形態では、炭素含有量は約0.85wt.%から約1.30wt.%の範囲内である。工具鋼は熱処理で硬化を示すことがあるが、焼き戻して所望の機械的性質を得ることができる。表1は、工具10の製作に使用することができる例示の工具鋼種の公称組成を重量百分率で示す。バランスは鉄(Fe)である。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
加工面18に近い本体16の先端部15は、少なくとも先端部15を加熱し先端部15に力を加えることによって工具10の材料の形態またはミクロ組織を変える熱加工処理を受ける。具体的には、熱加工処理によって、領域L内の先端部15の成分のミクロ組織が改良されて、機械加工および金属成形用途での工具10の耐用寿命が大幅に延長されるが、工具鋼の成分は変わらない。一実施形態では、領域Lは加工面18を横断する。したがって、加工面18に対する本体16の先端部15の長さに沿って領域Lを測定することができる。特定の実施形態では、構造的に改良された領域Lは、加工面18から先端部15に沿って距離0.125インチ(0.3175センチメートル)から0.25インチ(0.635センチメートル)だけ延びることができる。他の特定の実施形態では、構造的に改良された領域Lは、加工面18から先端部15に沿って約0.001インチ(約0.00254センチメートル)より長い距離だけ延びることができる。
【００２２】
耐用寿命の伸びは領域L内の炭化物および/または合金の偏析の方向性の変化から生じる。具体的には、図3Aで概略的に示したように、熱加工処理によって、領域L内の炭化物および/または合金の帯がずれて、隣接する帯が互いに中心線22に対して平行に整列しないように作用される。特定の一実施形態では、炭化物および/または合金の帯24は領域L内の非線形の整列を有することができる。具体的には、一実施形態では、少なくとも1つの炭化物および/または合金の帯24の傾斜角α1は、熱加工によって改良された領域Lの外部の中心線22に概ね整列した状態から領域L内の中心線22と大きくずれた、または非整列状態に移行することができる。具体的には、少なくとも1つの炭化物および/または合金の帯24の傾斜角α1は、加工面18近くの領域Lの一部にわたる中心線22に対する正の勾配、および領域Lの他の部分にわたる負の勾配を有する。帯24の正の勾配と負の勾配の部分間の移行は、帯24の負の勾配の部分から中心線22と概ね整列した領域Lの外部の帯24の部分への移行と同様に平滑である。
【００２３】
一代替実施形態では、傾斜角α1は多様な勾配を示すことができ、熱加工によって改良された領域L内の様々な勾配の中での勾配の変化に従って平滑または不規則な移行を示すことができる。さらに、少なくとも他の炭化物および/または合金の帯24の傾斜角α2は、熱加工で改良された領域Lの外部の中心線22と概ね整列した状態から領域L内の中心線22から大きくずれた、または非整列状態への移行を有することができる。また、傾斜角α2は傾斜角α1と異なるものでもよく、炭化物および/または合金の帯24の1つが他の炭化物および/または合金の帯24と集束するように接近して出現しても良い。同様に、1つの炭化物および/または合金の帯24が他の炭化物および/または合金の帯24から分かれるように出現してもよい。一実施形態では、炭化物および/または合金の帯24は、熱加工で改良された領域Lの外部の中心線と概ね整列した状態から、炭化物および/または合金の帯24が一方向に整列しない方向に移行することができる。場合によっては、隣接する対の炭化物および/または合金の帯24が領域L内のいくらかの深さで集束し、領域L内の別の深さで互いに分かれるように出現して、領域L内の中心線22に沿った位置で帯の間隔が変化してもよい。他の代替実施形態では、帯の間隔が概ね一定になるように、全ての炭化物および/または合金の帯24の傾斜角α1が熱加工で改良された領域Lの長さにわたり同じ変化を示すことができる。
【００２４】
領域L内で局所的にずれた炭化物および/または合金の帯を作成する形態の改良は、工具10の機械的性質を向上させる作用をもたらす。具体的には、改良された領域L内の炭化物および/または合金の偏析の方向性の回避によって、工具鋼の脆性破壊に対する耐性が大幅に向上されると考えられる。改良された領域Lの外部の本体16およびシャンク14の領域は熱加工処理によって改良されていないため、こうした領域は熱間圧延された工具鋼など熱加工された工具鋼の炭化物および/または合金の帯の特性である方向性を示す。先端部15の機械的性質の向上は工具10で使用される工具保持機構とは独立したものである。
【００２５】
同様の参照符号が図3の同様の特徴を示す図4を参照し、本発明の一実施形態により、(図3で示した)工具10を、熱加工処理を施した典型的なブランク30などプレフォームまたはブランクの形付けによって製作することができる。ブランク30は、工具10の作成中に熱加工処理によって少なくとも部分的に形付けられる先端部32を有する。圧延鋼から成形されるブランク30からなる工具鋼のミクロ組織の形態は、最初は、図1の光学顕微鏡写真で示したものと同様の、中心線22に沿って全般的に整列した、方向性のある炭化物および/または合金の帯を含む。円錐台または切頭円錐形の形状を有する先端部32はその長さに沿ってテーパが付けられ、鈍端33で終端する。熱加工処理および任意の後続の二次処理後に、先端部32は工具10の先端部15を画定し、加工面18(図3)を含む。ブランク30の残りはヘッド12、シャンク14、および工具10の本体16の残りを画定する。追加の形態の改良によって耐用寿命の伸びが左右される。たとえば、領域L内の炭化物および/または合金の帯をさらに緊密に圧縮することができる。すなわち、隣接する帯の間の距離を縮小して、他の領域よりも帯の密度が高い所与の領域が得られる。領域L内の帯のより高い密度は、工具10の機械的性質を向上させるようにさらに作用することができる。
【００２６】
熱加工処理を行う前の最初のブランク30の幾何学的形状または形状は、たとえば図3で示した工具10など、工具10の領域L内の得られたミクロ組織に影響を与える。ブランク30の幾何学的形状を、使用する熱加工処理のタイプおよび工具10の目標の最終幾何学的形状に基づいて選択することができる。所与の熱加工処理では、ブランク30の幾何学的形状には、円筒形ロッドストック、直線状バーストック、コイルストック、または他のより複雑な形状および断面を有するストック材料が含まれる。プレフォームの幾何学的形状の決定を、過去の経験、工具要件、および処理の制約に基づいて行うことができる。たとえば、処理の制約から最小据え込み比約2:1を指定して、機械的性質の感知可能な向上をもたらすミクロ組織を提供することができる。据え込み比の上昇に伴って機械的性質が向上されると考えられる。
【００２７】
切頭円錐形先端部32を有するブランク30(たとえば図4Aで示したブランク30)は、工具10からなる工具鋼に所望の機械的性質を付与する熱間据え込み処理でプレフォームとして使用されるのに特に適している。ブランク30の切頭円錐形先端部32を機械加工によって据え込みなどで形付けた旋盤に成形することができる。機械加工により、先端部32の成形中に材料の一部を外部に沿って除去することができる。除去された材料は、たとえば先端部32を形成する残りの材料よりも炭化物の含有量が少ない。熱間据え込み処理では、以下で図6A〜6Cを参照してより詳細に記載するように、先端部32は熱加工処理によって中心線22に対して半径方向に膨張する。追加の形態の改良によって工具10の耐用寿命の伸びが左右される。たとえば、熱加工処理前の炭化物の含有量が比較的少ない材料の除去によって、熱加工処理後の加工面18および/またはその付近の炭化物の含有量が多くなる。
【００２８】
適した熱加工処理には、限定的ではないが、半径方向の鍛造、リングローリング、回転鍛造、据え込み、チクソフォーミング(thixoforming)、オースフォーミング、および温間/熱間据え込みなど鍛造処理が含まれる。単に据え込みとも呼ばれる据え込み鍛造では、単一または複数の据え込みを使用してブランク30を形作ることができる。熱加工処理が終了した後、ブランク30を熱処理し、仕上げ機械加工し、研削して、従来の工具に見られるような任意の必要とされる工具の幾何学的形状を提供することができる。
【００２９】
同様の参照符号が図3と同様の特徴を指す図4Bを参照し、代替実施形態により、「弾丸形状」の先端部36を有するブランク34を熱加工処理によって工具10に形作ることができる。先端部36は、その長さに沿った曲率でテーパが付けられ、鈍端37で終端する。圧延鋼から形成されるブランク34からなる工具鋼のミクロ組織形態は、最初は、図1の光学顕微鏡写真で示したものと同様の炭化物および/または合金の帯を含む。熱加工処理および任意の光学仕上げ機械加工および研削後に、先端部36はたとえば図3で示した工具10など工具10の先端部15を画定し、加工面18を含む。ブランク34の残りはヘッド12、シャンク14、および工具10の本体16の残りを画定する。
【００３０】
次に、同様の参照符号が図3の同様の特徴を示す図4Cを参照すると、他の代替構成では、先端部32(図4A)および先端部36(図4B)よりも小さい径の先端部40を有するブランク38を熱加工処理によって図5Aで示したような工具43に形作ることができる。図4Cで示した先端部40は、その長さに沿ってテーパが付けられ、ブランク38の残りよりも小さい径を有する。熱加工処理および任意の光学仕上げ機械加工および研削後に、先端部40は図5Aで示した加工面44を有する工具43の先端部42を画定する。本発明の一態様によれば、小さい先端部または加工面構成を有する工具を作成するには、図4Cで示したような、ブランクの残りの部分と比べて比較的小さい先端部を有するブランクを使用して、据え込み比を最大にすることができる。
【００３１】
図4Dは、図5Bで示した工具48など、比較的小さい先端部を有する工具の熱加工成形に使用されるブランク46の他の例示の実施形態を示す。ブランク46は、テーパが付けられた矩形の先端部50を有する。熱加工処理後、先端部50は、たとえば図5Bで示した工具48の先端部54など先端部50を画定する。先端部54は、長方形の加工面56を有する。ブランク30、34、38、46の様々な実施形態を示し上記で説明したが、ブランクはこれらの図で示したものに限定されない。さらに、工具10、43、48の先端部15、42、54は任意の形状でもよい。また、形状を金属成形または機械加工用途によって決定することができる。
【００３２】
同様の参照符号が図3の同様の特徴を示す図6Aおよび6Bを参照すると、他の実施形態によれば、ブランク30(図4A)と同様のブランク60の先端部62は、先端部62のミクロ組織を改良する単一段階の熱加工処理を受ける。ブランク60は、最初は、概ねブランク60の中心線22に沿って整列した炭化物および/または合金の帯を有するミクロ組織を含む。ブランク60の先端部62は、たとえば、図6Aで最もよく示されているように、旋削によって先端角θ1を有する円錐台形に機械加工される。次いで、先端部62は、図6Bで最もよく示されているように、先端部62をさらに円筒形に変形させる熱間据え込み熱加工処理を受ける。より大きい先端角θ1が熱加工処理から得られる。通常、熱間据え込み熱加工処理によって先端部62が変形されて、先端部62が先端角をもはや持たない、または先端角が180°に近づくようになされる(たとえば、先端部62は図6Bで示したように実質的に円筒形の外観を有することができる)。処理温度範囲は、特定の熱加工処理、部品のサイズ、部品の材料などのパラメータによって変わることができる。ある実施形態では、処理温度は、加熱されたときに工具鋼の成分の構造がフェライトおよび炭化物からオーステナイトに変わり始める低変態温度、すなわち温度AC1を超えてもよい。熱間据え込み熱加工処理により、炭化物および/または合金の帯が、熱加工処理が行われる前の材料の特性である中心線22に平行の整列から逸れるように先端部62のミクロ組織が変わる。処理後、先端部62の全部または一部が、改良された炭化物および/または合金の帯を含む先端部15(図3)を画定する。
【００３３】
同様の参照符号が図3の同様の特徴を指す図6Cおよび6Dを参照すると、他の実施形態によれば、(図6Bで示した)ブランク60を、単一段階の熱加工処理後に機械加工または熱間鍛造して、円錐台形の先端部72を有するブランク70を成形することができる。先端部72の図6Cの最初の先端角θ2はブランク60の先端部62の先端角θ1とは異なるものでもよい。たとえば、先端部72の最初の先端角θ2は約20°でもよく、先端部62の最初の先端角θ1は約16°でもよい。
【００３４】
次いで、先端部72は、図6Dで最もよく示されているように、先端部72をさらに円筒形に変形させる第2の熱間据え込み熱加工処理を受ける。第2の熱間据え込み熱加工処理によって先端部72の先端角が小さくなる。処理温度範囲は、特定の熱加工処理、部品のサイズ、部品の材料などのパラメータによって変わることができる。第2の熱間据え込み熱加工処理によって先端部72のミクロ組織がさらに改良され、炭化物および/または合金の帯を中心線22に沿った整列からさらに逸れるように作用される。複数の熱加工処理を施すことによって、先端部72のミクロ組織を改良して機械的性質をさらに向上させることができる。処理後、先端部72の全部または一部が、改良された炭化物および/または合金の帯を含む先端部15(図3)を画定する。
【００３５】
熱加工処理を使用して炭化物および/または合金の帯の整列を変えた後、第2の処理を使用して、工具10の先端部15(図3)をさらに改良して、先端部15を特定用途のために形付け、または工具の寿命をさらに伸ばすことができる。たとえば、図5Cを参照すると、先端部74を図5Aで示した先端部42から機械加工することができる。さらに、先端部74は、加工物と強制的に係合された場合にせん断作用を行うように適合された凹面カットアウト76を含むことができる。本明細書で示したブランクは全般的に円筒形として示してあるが、ブランクは全般的に円筒形に限定されず、他の形状でも十分であり、または、たとえば最終用途、加工物、あるいは入手可能なバーストックによって必要とされる形状でもよい。
【００３６】
例示の第2の処理には、工具10の加工面への1つまたは複数の耐摩耗性材料の溶射または被覆が含まれる。他の第2の処理には、限定的ではないが、物理気相成長法(PVD)、化学気相成長法(CVD)、または塩浴による被覆を含む従来の被覆技法による工具10の加工面上への被覆の塗布が含まれる。他の表面改良技法には、イオン注入、レーザまたはプラズマによる表面硬化技法、窒化、または浸炭が含まれる。こうした例示の表面改良技法を使用して、工具の加工面の表層を改良することができる。本発明では、エッジホーニングなど追加の第2の処理が、工具10の加工面の改良に使用されることが企図されている。さらに、多様な第2の処理を、先端部15をさらに改良するために任意の組合せで使用することができる。
【００３７】
工具10は、典型的な実施形態の構造とは異なる他のパンチ構造を有することができる。例として、工具10を、ブレード、ヒールパンチ、ペデスタルパンチ、丸パンチなどとして構成することができる。工具10は典型的な実施形態のパンチと一致する構造を有するものとして示されているが、当業者には理解されるように、工具10は他の構造を有することもできる。具体的には、パンチまたはストリッパの形態の工具10を、穿孔および穴あけ、精密打抜き、成形、および押出し、または圧印など金属のスタンピングおよび成形作業で使用することができる。
【００３８】
工具10は、回転ブローチ、非回転ブローチ、タップ、リーマ、ドリル、フライスなど、切削工具の構造を有することもできる。工具10を、従来のダイカスト、高圧ダイカスト、および射出成形など、鋳造および成形用途で使用することができる。工具10を、製薬プロセス、栄養補給食品プロセス、電池製造、化粧品、製菓業、食品、および飲料業界、並びに、家庭用品、核燃料、打錠、爆薬、弾薬、セラミックス、および他の製品の製造で使用される圧粉成形用途で使用することもできる。工具10を、配置または細部接触部品など自動化および部品取り付け用途に使用することもできる。
【００３９】
本発明の一実施形態では、工具10を、図5Cで示した先端部74など、シャンク14の中心線22に沿って配置された先端部15を画定するように、既存の工具の熱加工処理された端部の機械加工によって作成することができる。既存の工具に機械加工の前に行われる熱加工処理のため、先端部15は、先端部15の中心線22と実質的に整列しない炭化物および/または合金の帯を有するミクロ組織を持つ領域Lを含む。先端部15を追加の熱加工処理によってさらに改良して、先端部15の中心線22に対する炭化物帯の整列をさらに改良することができる。
【００４０】
他の実施形態では、工具10を、既存の工具の端部の機械加工によって、シャンク14の中心線22に沿って配置された先端部15を画定するように作成することができる。先端部15は、圧延方向に整列した炭化物および/または合金の帯を含む。先端部15を熱加工処理して、先端部15の中心線22に対する炭化物および/または合金の帯の整列を変えることができる。
【００４１】
本発明のさらなる詳細および実施形態を以下の実施例に記載する。
【００４２】
(実施例1)
図4Aで示した幾何学的構造を有するパンチ用の円錐形ブランクまたはプレフォームが用意された。ブランクの全長は約4.25インチであり、径は約0.51インチであった。先端の長さは約0.7インチであり、先端角は約16°であり、先端部に約0.070インチの径を有する鈍端までテーパが付けられた。円錐形ブランクは熱間圧延されたM2工具鋼種からなるものであった。円錐形ブランクの先端部は、単一の熱間据え込みタイプの熱加工処理を使用して熱加工処理された。具体的には、50トンの水平の熱間据え込み機械がプレフォームの熱加工処理に使用された。円錐形プレフォームは、先端部が円錐形から円筒形に熱間据え込み鍛造される前に、誘導加熱炉を使用して目標の処理温度まで局所的に加熱された。先端部の処理温度の範囲は、約華氏1652度(約900℃)から約華氏1742度(約950℃)であった。処理された円筒形バーは、次いで、パンチの形状を有する工具の従来の製造に使用された。工具の製造中に、工具の加工縁部、すなわち使用中に加工物と接触する工具縁部および加工面が処理済セクション内に確実に存在するように配慮された。
【００４３】
熱加工処理後、先端部がダイアモンドソーを使用して概ね中心線に沿って長手方向に切断され、研削され、標準の金属試料作成技法を使用して研磨された。研磨された試料は、3%のナイタル溶液(すなわち、3voL.%の硝酸と残りのメタノール)を使用して腐食され、洗浄され、乾燥された。
【００４４】
図7は、倍率14×で立体鏡で撮られた腐食された試料の光学顕微鏡写真である。図7の光学顕微鏡写真、並びに本明細書の他の光学顕微鏡写真が濃淡画像に変換された。さらに、本明細書の光学顕微鏡写真の一部に見やすくするための線が付けられた。しかし、案内線の追加によって元の画像に含まれる情報は変わっていない。
【００４５】
図7で容易に明らかなように、(破線のボックスから離れた)未処理セクションのミクロ組織は図1と同様の一方向の炭化物および/または合金の偏析を示している。しかし、(破線のボックス内に包囲された)処理済セクションの炭化物および/または合金の偏析は、炭化物および/または合金の帯が再整列されて、炭化物および/または合金の帯がプレフォームの中心線と整列しないように改良されており、機械的性質の向上がもたらされたと考えられる。炭化物および/または合金の帯の改良は図7の処理済と未処理のセクションの比較から明らかである。
【００４６】
他の同様の実施例では、実施例1によって用意された工具が熱処理され、3回焼き戻しされた。この準備に続いて、工具が切断され、切断された試験片の1つが研磨され、次いで3%のナイタル溶液で腐食された。図7Aおよび7Bで示したように、試験片の約100×の光学顕微鏡写真が(それぞれ囲まれた領域7Aおよび7Bで示されている)図7で示したものと同様の領域で撮られた。この処理済ブランクから作成された工具の先端の加工面は、処理済領域の端面上にあり、先端部は実質的に図7で示された中心線を有する。
【００４７】
次に図7Aを参照すると、工具の処理済セクションの拡大図が示されている。図7および7Aから明らかなように、炭化物/合金の偏析は(図7の中心線CLで示された)工具の長手方向軸と実質的に整列していない。さらに、図1Aを参照して記載した処置によって作成された図7Aの帯の間隔の測定値(1つの明るい帯から隣接する明るい帯までの1つの例示の測定値が図7Aに示されている)は、平均標準偏差が約13μmで、平均の帯の間隔が約87μmである。
【００４８】
図7Bは、図7で示した工具の処理済セクションの、図7Aで示した領域とは異なる領域の別の拡大図である。図7Bの炭化物/合金の偏析の帯の間隔の測定値は、平均標準偏差が約12μmで、平均の帯の間隔が約68μmである。対照的に、工具の未処理セクションの帯の間隔の測定値は、図1Aの記載で提供したものと同様の間隔を示す。したがって、工具の未処理セクションは圧延のままの状態から変化していないように見える。図7Aおよび7Bを参照して得られた平均の帯の間隔の測定値を参照すると、処理済セクションは、同じ工具内の圧延のまま、または未処理のセクションと比較して帯の間隔の約150%から200%の減少を特徴とする。換言すれば、処理済セクションの帯の間隔は未処理セクションの帯の間隔よりも小さい。
【００４９】
さらに、測定値から、工具の周辺面から長手方向軸までの帯の間隔に勾配があることも考えられる。たとえば、図3で示した例示の実施形態では、処理済セクションの帯の間隔が外周面から半径方向の中点まで半径方向の線に沿って漸次に大きくなり、半径方向の中点から工具の中心まで小さくなる。処理済セクションを通る未処理セクション内への長手方向軸に平行方向に沿って、かつそれから半径方向に位置付けられた帯の間隔の他の勾配を観察することができる。たとえば、帯の間隔は、加工面から開始して、最初に処理済セクションを通って小さくなり、次いで未処理セクションが近づくと大きくなる。同様の帯の間隔が粉末冶金で作成された工具で観察されることが予想される。
【００５０】
(実施例2)
追加の熱間据え込み熱加工処理が行われたこと以外は、実施例1で記載したのと同様の円錐形ブランクが製作され処理が使用された。図8は、2つの別個の熱間据え込み熱加工処理を受けた後の圧延のままのバーストック試験片またはプレフォームの光学顕微鏡写真である。(破線ボックスから離れた)未処理セクションのミクロ組織は図1と同様の一方向の炭化物および/または合金の偏析を示している。しかし、(破線のボックス内に包囲された)処理済セクションの炭化物および/または合金の偏析は、炭化物および/または合金の帯を再整列して、炭化物および/または合金の帯がプレフォームの中心線と整列しないように改良されており、それによって機械的性質の向上がもたらされたと考えられる。炭化物および/または合金の帯の改良は、図8の処理済と未処理のセクションの比較から明らかである。2つの別個の熱間据え込み熱加工処理により、実施例1によって用意された工具と比較して、帯の間隔がたとえば少なくとも50%減少されたことも考えられる。この処理済ブランクから作成された工具の先端の加工面は、処理済領域の端面上にあり、先端部は実質的に図8で示された中心線を有する。
【００５１】
(実施例3)
図9は、単一の熱間据え込み処理を使用した熱加工処理後の粉末冶金のM4工具鋼種の圧延のままのバーストック試験片またはプレフォームの光学顕微鏡写真である。(破線のボックスから離れた)未処理セクションのミクロ組織は図1と同様の一方向の炭化物および/または合金の偏析を示している。しかし、(破線のボックス内に囲まれた)処理済セクションの炭化物および/または合金の偏析は、炭化物および/または合金の帯を再整列して、炭化物および/または合金の帯がプレフォームの中心線と整列しないように改良されており、機械的性質の向上がもたらされたと考えられる。炭化物および/または合金の帯の改良は図9の処理済と未処理のセクションの比較から明らかである。この処理済ブランクから作成された工具の先端の加工面は、処理済領域の端面上にあり、先端部は実質的に図9で示された中心線を有する。
【００５２】
(比較実施例1)
図10は、従来技術によるヘッドを成形するためのヘッド鍛造またはヘッド据え込み後の通常の圧延のままのバーストックブランクの顕微鏡写真である。ヘッド鍛造では、ヘッドは全体の寸法が拡大するように変形される。たとえば、径0.5インチの鋼プレフォームを、ヘッドの径が0.625インチになるようにヘッド鍛造することができる。ヘッド鍛造によって成形されたヘッドは、得られた工具を金属加工機械の工具保持デバイスに結合するために使用される。工具が使用される場合、図10で示したミクロ組織または合金の偏析を有する工具のヘッドは加工物と接触せず、または別の方法で加工物に全く作用を行わない。熱間鍛造処理は工具のヘッドを作成する一方法であるが、全ての工具が形作られたヘッドを必要とするわけではない。ヘッド鍛造したセクションのミクロ組織は、図1で見える整列した炭化物および/または合金の帯と同様の、試験片の中心線および圧延方向に全般的に平行の一方向の炭化物および/または合金の偏析を示す。
【００５３】
次に図10Aを参照すると、ヘッド鍛造されたセクションの炭化物および/または合金の偏析は、ヘッド鍛造によって改良されて、隣接する炭化物および/または合金の帯の間隔がより大きくなった状態の、より広い間隔のパターンを有する。換言すれば、ヘッド鍛造されたセクションの隣接する帯の間隔は未処理セクションよりも大きい。図10Aで示されたヘッド鍛造された領域内の帯の間隔の測定値は、平均標準偏差が約5μmで、この領域の平均の帯の間隔は約162μmを示す。ヘッド鍛造中、円筒形のヘッドは、炭化物および/または合金の帯が半径方向に変位された状態のより大きい径の円筒に変形される。ヘッド鍛造されたセクションの最終径はプレフォームの最初の径よりも大きいため、炭化物および/または合金の帯は全体の径の拡大に比例して間隔が広がる。
【００５４】
(実施例4および比較実施例2)
パンチは実施例1および2のプレフォームから成形され、加工面および本体の下部分は熱加工によって改良されたM2工具鋼種から成形された。パンチは、厚さ0.125インチの再圧延された降伏強度125,000psiのレール鋼からなる加工物への径0.5インチの穴の穿孔に使用された。2つのパラメータ、(どちらも金属成形業界での工具寿命および摩耗の基準インジケータとして一般に容認されている)サイクルまたは部品/打撃の回数、およびバリ高さがこの穿孔用途の基準尺度として使用された。使用中、パンチはバーロック工具保持機構を使用して保持された。
【００５５】
図11で示したように、実施例1の熱加工処理によって改良されたプレフォームから作成されたパンチは、従来の圧延のままのM2工具鋼種から製造された比較のパンチと比べて約3.1倍の耐用寿命の向上を示した。具体的には、図11で明らかなように、従来のM2鋼種のパンチは8000回の打撃に持ちこたえ、実施例1のプレフォームから作成された改良されたM2鋼種のパンチは24,800回の打撃に持ちこたえ、実施例2のプレフォームから作成された改良されたM2鋼種のパンチは約34,000回の打撃に持ちこたえた。
【００５６】
図12および13A〜Cで示したように、従来のパンチと比較して熱加工処理されたパンチでは耐摩耗性および縁部保持率の同様の向上も明らかであった。熱加工処理されたM2工具鋼種のパンチは、図12のグラフで示したように、従来のM2工具よりも小さい傾斜で示した、より遅い摩耗速度およびより良好な縁部保持率を示した。このより遅い摩耗速度は、高精度用途に有利であり、その場合、こうした熱加工処理された工具は従来のパンチと比較して工具の耐用寿命にわたる金属加工作業の一貫性を大幅に向上させることができる。
【００５７】
図13A〜Cから明らかなように、(図13Bの電子顕微鏡写真で示した)従来のM2工具鋼種のパンチの縁部は金属成形用途に特有の厳しい接着剤および研磨材による摩耗を受けたが、比較すると(図13Cの電子顕微鏡写真で示した)処理済M2工具の縁部は研磨材によるより小さい摩耗を示した。パンチはそれぞれ工具の耐用寿命の最後に評価された。
【００５８】
こうした工具の寿命および耐摩耗性の向上は、全般的にパンチの中心線または長手方向軸に整列された主な負荷方向ではない方向への炭化物および/または合金の帯の再整列、および第2の作用からの潜在的な小さい貢献に由来する。炭化物および/または合金の帯の再整列により、加工縁部に沿った破損の可能性が大幅に減少し、工具の寿命、縁部保持率、および耐摩耗性が向上された。工具の寿命および耐摩耗性の向上は処理済セクション内の帯の間隔の密度の増加にも由来する。
【００５９】
(実施例5)
図4Aで示した幾何学的形状を有する円錐形ブランクまたはプレフォームが用意された。ブランクの全長は約5.3インチであり、径は約0.76インチであった。先端の長さは約0.74インチであり、先端角は約24°であり、先端部に径約0.105インチを有する鈍端までテーパが付けられた。円錐形ブランクは熱間圧延された粉末金属M4工具鋼種からなるものであった。円錐形ブランクの先端部は、上記の実施例1のように単一の熱間据え込みタイプの熱加工処理を使用して熱加工処理された。プレフォームは、熱加工処理済材料を含む加工端部を有するブローチに成形された。ブローチの構造が、図15Bで示した断面構成を有する図15Aに示されている。ブローチが、加工物と接触する加工端部を有する冷間引き抜きされた降伏強度85,000psiの鋼を含む加工物に径0.883インチのスプライン形状を作成するために使用された。工具寿命、機械加工処理に従来から容認されている基準が、従来のブローチに対して本明細書に記載した実施形態により製作されたブローチの基準に使用された。使用中、各ブローチはホイッスルノッチ工具保持機構を使用して保持された。
【００６０】
図14で示したように、(「PM-M4[Single Upset]」のラベルが貼られ、改良された炭化物および/または合金の偏析を特徴とする)熱加工処理された加工先端部を有するブローチは、図2で示したように整列した炭化物および/または合金の帯を有する圧延のままのM4粉末金属工具鋼種から成形された従来のブローチの耐用寿命と比較して約1.75倍の工具耐用寿命の向上を示した。具体的には、従来のブローチは約2,835サイクル持ちこたえ、熱加工処理されたブローチは約4,953サイクル持ちこたえた。図15Cと図15E、および図15Dと図15Fの比較から明らかなように、工具の耐用寿命の終わりに、従来のブローチは熱加工処理された加工先端部を有するブローチと比較してかなり大きい破局的な破損の領域および劣等な縁部保持率も示した。
【００６１】
こうした耐用寿命および耐摩耗性の向上は、熱間圧延状態に対する炭化物および/または合金の帯の再整列および第2の作用からの潜在的な小さい貢献に由来する。炭化物および/または合金の帯の再整列により、ブローチの加工縁部に沿った破損の可能性が大幅に減少し、工具の寿命、縁部保持率、および耐摩耗性が向上された。ブローチでは、負荷方向が炭化物および/または合金の帯と実質的に整列しないように、炭化物および/または合金の帯に対して角度を付けて負荷が加えられる。工具の耐用寿命および耐摩耗性を向上させることができる他の要因には、工具の未処理セクションに対する処理済セクションの帯の間隔の密度の増加が含まれる。
【００６２】
本発明を様々な実施形態の記載によって示し、こうした実施形態をかなり詳細に記載したが、添付の特許請求の範囲がこうした詳細に決して限定されないことが本出願人らの意図するところである。追加の利点および変更が当業者には容易に明らかであろう。したがって、本発明の広範な態様において本発明は特定の詳細、典型的な装置および方法、並びに図で示し記載した例示の実施例に限定されないものである。ゆえに、本出願人らの全般的な発明の概念の範囲から離れることなく、こうした詳細から逸脱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】従来技術による圧延方向に沿った炭化物および/または合金の偏析がはっきり見える市販のM2工具鋼種の、バーストックの研磨され腐食された領域を示す倍率約14×で撮られた光学顕微鏡写真である。
【図１Ａ】従来技術による圧延方向に沿った合金の偏析がはっきり見える市販のS7工具鋼種の、バーストックの研磨された領域を示す倍率約130×のSEM顕微鏡写真である。
【図１Ｂ】従来技術による圧延方向に沿った炭化物および/または合金の偏析がはっきり見える市販のM2工具鋼種の、バーストックの研磨され腐食された領域を示す倍率約100×で撮られた光学顕微鏡写真である。
【図２】従来技術のやはり圧延方向に整列した金属炭化物および/または合金の偏析を示す粉末冶金のM4工具鋼種のバーストックを示す図1と同様の光学顕微鏡写真である。
【図３】本発明の典型的な実施形態による工具を示す平面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による熱加工処理による改良後の図3の工具の領域L内の炭化物および/または合金の偏析を示す概略断面図である。
【図４Ａ】図3の工具の製作に使用することができるプレフォームまたはブランクを示す側面図である。
【図４Ｂ】図3の工具の製作に使用することができるプレフォームまたはブランクを示す側面図である。
【図４Ｃ】図5Aの工具の製作に使用することができるプレフォームまたはブランクを示す斜視図である。
【図４Ｄ】図5Bの工具の製作に使用することができるプレフォームまたはブランクを示す斜視図である。
【図５Ａ】本発明の一態様による工具の実施形態を示す斜視図である。
【図５Ｂ】本発明の一態様による工具の実施形態を示す斜視図である。
【図５Ｃ】後続の機械加工でプレフォームを熱加工処理した後の工具の一実施形態を示す斜視図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態による熱間据え込みによって熱間圧延された鋼ブランクの熱加工処理作業の典型的な順序を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態による熱間据え込みによって熱間圧延された鋼ブランクの熱加工処理作業の典型的な順序を示す図である。
【図６Ｃ】本発明の代替実施形態による鍛造および熱間据え込みによって図4Aの熱間圧延された鋼ブランクの熱加工処理後の他の工具の実施形態を示す図である。
【図６Ｄ】本発明の代替実施形態による鍛造および熱間据え込みによって図4Aの熱間圧延された鋼ブランクの熱加工処理後の他の工具の実施形態を示す図である。
【図７】本発明の一態様による熱加工処理によって改良された、処理済セクション内の実質的に圧延方向に整列していない炭化物および/または合金の偏析を示す、M2工具鋼種のプレフォームを示す光学顕微鏡写真である。
【図７Ａ】炭化物および/または合金の偏析を有する研磨され腐食された領域を示す、倍率約100×で撮られた、図7で示したものと同様の用意された試験片の領域7Aを示す光学顕微鏡写真である。
【図７Ｂ】炭化物および/または合金の偏析を有する研磨され腐食された領域を示す、倍率約100×で撮られた、図7で示したものと同様の用意された試験片の領域7Bを示す光学顕微鏡写真である。
【図８】本発明の一実施形態による、2つの個別の熱間据え込み熱加工処理を受けた後の圧延のままのM2工具鋼種のプレフォームを示す光学顕微鏡写真である。
【図９】本発明の一実施形態による、単一の熱間据え込み処理を使用した熱加工処理後の粉末冶金のM4工具鋼種のプレフォームを示す光学顕微鏡写真である。
【図１０】従来技術による工具のヘッドを画定するためのヘッド鍛造処理後の通常の圧延のままのバーストック試験片を示す光学顕微鏡写真である。
【図１０Ａ】従来技術による工具のヘッドを画定するためのヘッド鍛造処理後の図10の領域10Aを示す約100×で撮られた光学顕微鏡写真である。
【図１１】本発明の一実施形態による、工具に施される金属成形(すなわち穴あけ)における工具の耐用寿命への熱加工処理の影響を示すグラフである。
【図１２】本発明の一実施形態による、工具に施される金属成形(すなわち穴あけ)における摩耗速度への処理方法の影響を示すグラフである。
【図１３Ａ】図11および12で示したデータを獲得するための金属成形用途で使用された熱加工処理された先端部および加工面を有するパンチを示す概略側面図である。
【図１３Ｂ】従来技術による圧延状態のM2工具鋼種から形成され、図11および12で示した従来のパンチについてのデータの獲得に使用された従来のパンチの図13Aの囲まれた領域13Bから示された、切れ刃を示す電子顕微鏡写真である。
【図１３Ｃ】本発明の一実施形態による熱加工処理させた先端部および加工面を備える、図11および12で示したパンチについてのデータの獲得に使用されたパンチの図13Aの囲まれた領域13Bから示された、切れ刃を示す電子顕微鏡写真である。
【図１４】本発明の一実施形態によるブローチおよび従来技術によるブローチに施される機械加工(すなわちブローチング)における工具の耐用寿命への熱加工処理の影響を示すグラフである。
【図１５Ａ】ブローチ構成を有し、図14のデータを獲得するための機械加工用途で使用された本発明の一実施形態による工具を示す側面図である。
【図１５Ｂ】ブローチ構成を有し、図14のデータを獲得するための機械加工用途で使用された本発明の一実施形態による工具を示す端面図である。
【図１５Ｃ】従来技術による従来のM4粉末金属工具鋼種から成形されるブローチの加工面を示す光学顕微鏡写真である。
【図１５Ｄ】従来技術による従来のM4粉末金属工具鋼種から成形されるブローチの図15Aの丸で囲まれた領域15D、15Fを示す電子顕微鏡写真である。
【図１５Ｅ】熱加工処理された加工先端部を有するM4粉末金属工具鋼種から成形された本発明の一実施形態によるブローチの加工面を示す光学顕微鏡写真である。
【図１５Ｆ】熱加工処理された加工先端部を有するM4粉末金属工具鋼種から成形された本発明の一実施形態によるブローチの図15Aの丸で囲まれた領域15D、15Fを示す電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００６４】
10、43、48 工具
12 ヘッド
14 シャンク
15、32、36、40、42、50、54、62、72、74 先端部
16 本体
18、44、56 加工面
20 切れ刃
22 中心線
24 炭化物および/または合金の帯、偏析
25 加工物
26 ダイ
30、34、38、46、60、70 ブランク
33、37 鈍端
【図３】
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【図３Ａ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図７】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１０Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【外国語明細書】
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