(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅ基合金からなる下地層の表層部から内部にかけて硬度が向上するとともに、前記表層部の外表面に拡散層が存在する部位を有する鍛造用金型であって、
前記拡散層は、Ｆｅ基合金の硬度を上昇させる性質を有し且つ該拡散層まで拡散された第１元素が炭化物化するか、又は前記第１元素とＦｅとの固溶体が炭化物化することによって生成した、前記第１元素をＭで表すときに組成式がＭ6Ｃ、Ｍ23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃ又は（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6である炭化物を含み、
前記表層部において、Ｆｅ基合金に含まれ且つ前記第１元素以外の第２元素の量が前記内部に比して多く、
前記第１元素の量が前記表層部から前記内部になるに従って増加することを特徴とする鍛造用金型。
【請求項２】
請求項１記載の鍛造用金型において、前記炭化物は、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの炭化物であることを特徴とする鍛造用金型。
【請求項３】
請求項１記載の鍛造用金型において、前記炭化物は、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種と、Ｆｅとの固溶体が炭化物化したものであることを特徴とする鍛造用金型。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の鍛造用金型において、前記第２元素は、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇであることを特徴とする鍛造用金型。
【請求項５】
Ｆｅ基合金からなる下地層の表層部から内部にかけて硬度が向上するとともに、前記表層部の外表面に拡散層が存在する部位を有し、前記拡散層がＦｅ基合金の硬度を上昇させる性質を有する第１元素又は前記第１元素とＦｅとの固溶体が炭化物化した炭化物を含み、前記表層部においてＦｅ基合金に含まれ且つ前記第１元素以外の第２元素の量が前記内部に比して多く、前記第１元素の量が前記表層部から前記内部になるに従って増加する鍛造用金型の製造方法であって、
前記第２元素を含む物質の粉末を前記下地層の外表面に塗布する工程と、
前記粉末が塗布された前記下地層を熱処理して、前記下地層の表層部に存在する前記第１元素を前記下地層の外表面に拡散させることで、前記表層部における該第１元素の割合を内部に比して小さくするとともに、拡散した該第１元素を、前記表層部に存在して該Ｆｅ基合金を構成する炭素と反応させ、前記第１元素をＭで表すとき、Ｍ6Ｃ、Ｍ23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃ又は（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6として表される炭化物とする一方、前記第２元素を前記下地層の前記表層部に拡散させる工程と、
を有することを特徴とする鍛造用金型の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の製造方法において、前記粉末として、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇを使用することを特徴とする鍛造用金型の製造方法。
【請求項７】
請求項５又は６記載の製造方法において、前記拡散層の少なくとも一部を除去する工程を有することを特徴とする鍛造用金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部から表層部にかけて靱性が向上する鍛造用金型及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鍛造加工は、所望の形状の成形体を得る際に広汎に採用される成形加工手法の１つである。鍛造加工では、パンチやダイ等の鍛造用金型を用い、この鍛造用金型によってワークを加圧する。加圧された該ワークの肉は、パンチ及びダイによって形成されるキャビティに沿って塑性流動を起こし、これに伴い、該ワークが所定の形状の成形体に成形される。
【０００３】
鍛造用金型には、上記のような鍛造加工を数千回〜数万回繰り返して実施するに十分な耐摩耗性、耐食性、強度等が希求される。このような諸特性が十分でないと、割れや欠けが容易に発生するので寿命が短い鍛造用金型となり、結局、鍛造用金型を頻繁に交換する必要が生じるので、設備投資が高騰するからである。
【０００４】
鍛造用金型は、一般に、高速度工具鋼（ＳＫＨ）や合金工具鋼（ＳＫＤ）、すなわち、Ｆｅ基合金の１種である鋼材から構成される。従って、上記した諸特性を向上させるには、その表面に、物理的気相成長（ＰＶＤ）法や化学的気相成長（ＣＶＤ）法、メッキ、陽極酸化等によって皮膜を設けることが有効であるようにも考えられる。しかしながら、この場合、皮膜の形成に長時間を要するとともに、皮膜形成コストが大きいという不具合がある。
【０００５】
皮膜を設けることなく鋼材の表面の諸特性を向上させる試みとして、浸炭、浸硫、窒化、炭窒化等の様々な表面処理を施すことが挙げられる（例えば、特許文献１、２参照）。また、特許文献３では、加工用刃具ではあるが、ショットピーニングやショットブラスト等の機械的処理を施して表面に１０ｋｇｆ／ｃｍ2（およそ０．１ＭＰａ）の圧縮応力を付与すれば、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることができると報告されている。
【特許文献１】特開２００３−１２９２１６号公報
【特許文献２】特開２００３−２３９０３９号公報
【特許文献３】特開平５−１７１４４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１〜３に記載されたような従来技術で諸特性が向上するのは、金属材の表面に限られる。例えば、窒化や浸炭等では、元素が拡散するのは金属材の表面から僅かに数μｍ、最大でも２００μｍ程度であり、それより内部の諸特性を向上させることは困難である。このため、耐摩耗性や耐欠損性が著しく向上するとは言い難い側面がある。
【０００７】
しかも、従来技術に係る処理方法では、形成された窒化層等と母材である金属材との間に界面が存在する。このため、界面に応力集中が起こるような条件下では、界面から脆性破壊が起こることが懸念される。
【０００８】
また、上記した従来技術は、主に硬度を向上させる処理方法であるが、場合によっては、靱性を向上させることが希求されることもある。しかしながら、靱性を向上させる簡便な処理方法は知られていない。
【０００９】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、表層部の靱性が向上し、且つ物性の変化がなだらかであるために応力集中が起こり難いので脆性破壊が生じ難い鍛造用金型及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明は、表層部から内部にかけて硬度が向上するとともに、前記表層部の外表面に拡散層が存在する部位を有する鍛造用金型であって、
前記拡散層は、Ｆｅ基合金の硬度を上昇させる性質を有する第１元素が炭化物化した炭化物を含み、
前記表層部において、Ｆｅ基合金に含まれ且つ前記第１元素以外の第２元素の量が前記内部に比して多く、
前記第１元素の量が前記表層部から前記内部になるに従って増加することを特徴とする。
【００１１】
本発明においては、Ｆｅ基合金の硬度上昇に寄与する第１元素の量が表層部側で少なく、内部になるにつれて漸次的に増加する。硬度上昇に寄与する元素の量が少ない部位は、概して靱性が大きくなる。このため、表層部の靱性が大きく、且つ内部の硬度が大きい鍛造用金型が構成される。
【００１２】
しかも、この鍛造用金型には、表層部と内部との間に界面が存在しない。このため、応力集中が起こり難いので、脆性破壊が生じ難くなる。
【００１３】
拡散層に含まれる金属の炭化物としては、Ｆｅ基合金の硬度を向上させる前記第１元素の炭化物であれば特に限定されるものではないが、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの炭化物を好適な例として挙げることができる。
【００１４】
炭化物は、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種と、Ｆｅとの固溶体が炭化物化したものであってもよい。この場合、上記したような金属炭化物の相対量が低減するので、金属炭化物が過度に生成して脆性が上昇することを抑制することができる。
【００１５】
一方、前記第２元素の好適な例としては、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇを挙げることができる。
【００１６】
また、本発明は、表層部から内部にかけて硬度が向上するとともに、前記表層部の外表面に拡散層が存在する部位を有し、前記拡散層がＦｅ基合金の硬度を上昇させる性質を有する第１元素が炭化物化した炭化物を含み、前記表層部においてＦｅ基合金に含まれ且つ前記第１元素以外の第２元素の量が前記内部に比して多く、前記第１元素の量が前記表層部から前記内部になるに従って増加する鍛造用金型の製造方法であって、
前記第２元素を含む物質の粉末をＦｅ基合金の表面に塗布する工程と、
前記粉末が塗布された前記Ｆｅ基合金を熱処理して、前記第１元素を表層部に拡散させるとともに、該第１元素を、前記表層部に存在して該Ｆｅ基合金を構成する炭素と反応させて炭化物とする工程と、
を有することを特徴とする。
【００１７】
第２元素が表面に塗布されたＦｅ基合金に対して熱処理を施すと、第１元素が第２元素に指向して拡散し始める。すなわち、Ｆｅ基合金の硬度を上昇させる第１元素が表面側に拡散し始める。この理由は、第２元素に第１元素を捕捉する作用があるためであると推察される。
【００１８】
従って、上記したような工程を経ることにより、第１元素を表層部の最上方に拡散させて偏在させることができる。これにより、表層部の外表面に第１元素の量が最も多い拡散層が設けられる。
【００１９】
そして、このようにして表層部の外表面に第１元素が偏在する結果、第１元素の量は、表層部における拡散層の直下で最も少なくなり、内部に向かうにつれて漸次的に増加する。すなわち、得られた鍛造用金型の硬度は、拡散層の直下で最も低くなる。上記したように、硬度が小さい部位は概して靱性が大きいことから、この鍛造用金型の靱性は、内部側に比して表層部側が大きくなる。換言すれば、表層部側が高靱性で且つ内部側が高硬度である鍛造用金型を得ることができる。
【００２０】
すなわち、本発明によれば、粉末を塗布した後に熱処理を行うという簡便な操作を行うことによって、表層部の靱性が向上した鍛造用金型を容易に得ることができる。
【００２１】
なお、粉末には、第１元素を含む物質の粉末が配合されていてもよい。この場合、Ｆｅ基合金の種類や熱処理条件に応じて、第１元素を含む物質の粉末と第２元素を含む物質の粉末との配合比を適宜設定すればよい。
【００２２】
粉末としては、Ｆｅ基合金に含まれて且つ該Ｆｅ基合金の硬度上昇に寄与しない元素を含む物質であれば特に限定されないが、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇが好ましい。特に、ＣとＳｉは第１元素を拡散させる効果に優れ、一方、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇは酸素を遮断する効果に優れる。
【００２３】
また、拡散層を、例えば、切削加工代等として除去するようにしてもよい。この場合、高硬度な部位が減少して高靱性な部位が残留するので、曲げ加工等を行うことが容易な鍛造用金型を得ることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、Ｆｅ基合金の硬度を上昇させる元素が表層部に向かうにつれて漸次的に減少するので、表層部側の靱性が大きな鍛造用金型を構成することができる。しかも、表層部と内部との間に界面が存在しないので、脆性破壊が生じることを回避することもできる。すなわち、諸特性に優れた鍛造用金型を構成することができるという効果が達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明に係る鍛造用金型及びその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
図１Ａ〜図１Ｄは、本実施の形態に係る鍛造用金型を用いて製造されるスパイダ１０（図１Ｄ参照）の製造工程である。このスパイダ１０につき先ず説明すると、該スパイダ１０は、軸方向に摺動可能なトリポート型等速ジョイント（図示せず）の構成部品として用いられるものであり、セレーションが形成された孔部１２を有するリング体１４と、前記リング体１４の周方向に沿って等角度離間し半径外方向に向かって突出する３本のトラニオン１６ａ〜１６ｃとが一体的に形成される。前記スパイダ１０は、図示しないドライブシャフトの一端部に固着され、前記トラニオン１６ａ〜１６ｃは、有底円筒状からなる外輪部材の内壁に形成された図示しないトラック溝に沿って摺動可能に設けられる。なお、各トラニオン１６ａ〜１６ｃは、リング体１４に近接する根本部から該リング体１４の半径外方向に向かって徐々に拡径するように形成される。
【００２７】
このスパイダ１０は、以下の工程によって製造される。
【００２８】
はじめに、第１準備工程において、所定長の円柱体（ビレット）に切り出されたワーク１８（図１Ａ参照）に対して球状化焼鈍を施す。これによりワーク１８が軟化し、以下の鍛造成形が容易となる。そして、第２準備工程において、ボンデライト処理により、例えば、リン酸亜鉛等からなる潤滑用化成皮膜をワーク１８の表面に形成することによって該表面に潤滑性を付与する。具体的には、このようなリン酸亜鉛等が溶解された溶媒中にワーク１８を所定時間浸漬することにより潤滑用化成皮膜を形成すればよい。
【００２９】
次いで、図２に示すように、本実施の形態に係る鍛造用金型２０を使用して、潤滑用化成皮膜が形成されたワーク１８に対する鍛造成形を行う。これにより、図１Ｂに示すように、円盤状部２２の外周面に半径外方向に向かって３本のトラニオン１６ａ〜１６ｃが膨出形成された中間成形体２４が形成される。
【００３０】
続いて、前記中間成形体２４の円盤状部２２の中心に対しピアス成形を施すことにより、図１Ｃに示すように、内バリが打ち抜かれて貫通した孔部１２が形成され、さらに、図示しない切削加工装置を用いて面取り、孔部１２のセレーション等のレース加工を施した後、浸炭焼き入れ及び焼き戻し等の熱処理工程を経て製造品としてのスパイダ１０が完成する（図１Ｄ参照）。
【００３１】
次に、本実施の形態に係る鍛造用金型２０につき説明する。
【００３２】
図２に示されるように、この鍛造用金型２０は、図示しない第１押圧機構に連結されて上下方向に沿って変位自在に設けられた鍛造用上パンチ２６ａと、前記鍛造用上パンチ２６ａと同軸状に配置され、図示しない第２押圧機構に連結されて上下方向に沿って変位自在に設けられた鍛造用下パンチ２６ｂとを含む。なお、前記鍛造用上パンチ２６ａと前記鍛造用下パンチ２６ｂとは、互いに同一に構成される。
【００３３】
前記鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂは、ＳＫＨ５１を原材料（母材）として製造されたものであり、図３に示されるように、一端側の大径部２８と、前記大径部２８に連接されてテーパ状に縮径した縮径部３０と、前記縮径部３０に連接された小径部３２と、前記小径部３２から他端側に向かって突出し断面略円弧状に湾曲して形成されたパンチ成形部３４とを有する。
【００３４】
この場合、小径部３２の胴部の一部表面には、図４に示すように、母材であるＳＫＨ５１中の金属元素の濃度が変化する濃度変化部３５が存在する。
【００３５】
この濃度変化部３５において濃度が変化する金属元素は、ＳＫＨ５１の構成元素であり、且つＳＫＨ５１の硬度上昇に寄与するもの、具体的には、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎ等である。
【００３６】
上記したような金属元素は、通常、合金又は炭化物の形態で存在する。炭化物としては、その組成式がＣｒ6Ｃ、Ｗ6Ｃ、Ｍｏ6Ｃ等のようにＭ6Ｃで表されるもの、又はＭ23Ｃ6で表されるものであってもよいが、Ｍ6ＣやＭ23Ｃ6が過度に存在すると、鍛造用上パンチ２６ａが脆性を示すようになる。これを回避するべく、ＦｅとＭの固溶体の炭化物、すなわち、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃや（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6等で表される炭化物として、Ｍ6ＣやＭ23Ｃ6の相対量を低減させることが好ましい。
【００３７】
金属元素の濃度は、濃度変化部３５の最上方から内部側に向かうにつれて漸次的に増加する。すなわち、金属元素の濃度は濃度変化部３５の最上方で最も低く、このため、濃度変化部３５の硬度は、最上方で最も小さく、内部側に向かうにつれて大きくなる。
【００３８】
このように、小径部３２の表層部には、ＳＫＨ５１の硬度を上昇させる元素が内部側に向かうにつれて漸次的に増加する濃度変化部３５が形成されている。この濃度変化部３５は、後述するように、ＳＫＨ５１に含まれた元素が内部から表層部に拡散して排出されることによって設けられる。この際に表層部に生成する拡散層は、機械加工によって切削除去される。
【００３９】
一般的に、硬度と靱性はトレードオフの関係にあり、硬度が低下すると靱性が向上する。上記したように、濃度変化部３５の最上方においては、硬度上昇に寄与する元素の量が少なく、このため、小径部３２の外表面では、内部側に比して靱性が大きくなる。すなわち、小径部３２の表層部は、濃度変化部３５が形成されていないＳＫＨ５１に比して高靱性を示す。このため、小径部３２自体も靱性が向上して脆性破壊が生じ難くなるので、該小径部３２の胴部では、濃度変化部３５が存在しないワーク押圧部位に比して割れ等が生じ難くなる。
【００４０】
また、上記した金属元素、換言すれば、合金や炭化物の濃度は、該小径部３２の表面で最も低く、内部になるにつれて漸次的に増加する。このため、濃度変化部３５と母材との間に明確な界面は存在しない。従って、応力集中が起こることを回避することができるので、濃度変化部３５を設けることに伴って脆性が増すことを回避することができる。なお、図４においては、濃度変化部３５が存在することを明確にするため、濃度変化部３５と母材との間に便宜的に境界線を付している。
【００４１】
濃度変化部３５には、ＳＫＨ５１に含まれ且つＳＫＨ５１の硬度上昇には寄与しない元素、具体的には、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ等が、例えば合金又は炭化物の形態で存在する。後述するように、このような元素が熱処理時に表面側に存在する場合、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎ等の金属元素が小径部３２の外表面側に指向して拡散する。
【００４２】
さらに、前記鍛造用金型２０は、図示しない昇降機構に連結された上ダイ３８と、図示しない固定ダイに位置決め固定された下ダイ４０とを有し、前記上ダイ３８及び下ダイ４０には、それぞれ、前記円盤状部２２を成形するための第１部位４１と、トラニオン１６ａ〜１６ｃを形成するための湾曲した凹部４２が設けられる。この中、凹部４２には、前記鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂによって上下方向から加圧されて塑性流動する肉が流入する。
【００４３】
また、前記凹部４２に近接する部位には、上ダイ３８及び下ダイ４０が相互に接近する方向に向かって断面円弧状に膨出した第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂがそれぞれ形成される。図２から諒解されるように、第１ダイ成形部４４ａと第２ダイ成形部４４ｂとの離間距離、換言すれば、塑性流動するワーク１８の肉が通過する断面積は、円盤状部２２を成形する前記第１部位４１の断面積に比して小さい。
【００４４】
この場合、前記第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂの表層部には、母材であるＳＫＨ５１中を金属の炭化物が拡散してなる拡散層４５が設けられる。すなわち、上ダイ３８及び下ダイ４０における第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂは、母材からなる下地層と、拡散層４５とを有し、下地層上に拡散層４５が形成された形態となっている。
【００４５】
そして、図２に示されるように、拡散層４５は、ワーク１８の肉が通過する断面積が減少する部位に設けられている。
【００４６】
拡散層４５につき説明すると、上記したように、拡散層４５は、母材であるＳＫＨ５１中に金属の炭化物が拡散することによって形成されている。
【００４７】
炭化物を形成する金属元素としては、ＳＫＨ５１の硬度を向上させる元素、具体的には、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎが選定される。このような金属元素の炭化物が拡散することによって形成された拡散層４５は、高硬度及び高強度を示す。このため、上ダイ３８、下ダイ４０における第１ダイ成形部４４ａ及び第２ダイ成形部４４ｂは、他の部位に比して硬度及び強度が高くなる。
【００４８】
炭化物は、金属元素をＭで表すとき、Ｃｒ6Ｃ、Ｗ6Ｃ、Ｍｏ6Ｃ等のようにＭ6Ｃで表される炭化物や、Ｍ23Ｃ6で表される炭化物である。この種の炭化物は、硬度及び強度を向上させる効果に最も優れている。
【００４９】
なお、Ｍ6ＣやＭ23Ｃ6が過度に存在すると、鍛造用金型２０が脆性を示すようになる。そこで、鋼材である鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂ、上ダイ３８及び下ダイ４０の構成元素であるＦｅと、上記金属元素の固溶体の炭化物を生成することが好ましい。すなわち、炭化物は、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃや、（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6等で表されるものであってもよい。このような炭化物を生成させた場合、Ｍ6ＣやＭ23Ｃ6の相対量が低減するので、上ダイ３８及び下ダイ４０が脆性を示すことを確実に回避することができるようになる。
【００５０】
ここで、拡散層４５の厚み、換言すれば、炭化物の拡散距離は、上ダイ３８及び下ダイ４０の少なくとも０．５ｍｍ（５００μｍ）の深さに達しており、通常は３〜７ｍｍ（３０００〜７０００μｍ）、最大では１５ｍｍ（１５０００μｍ）に達することがある。この値は、窒化や浸炭等における元素の拡散距離が数十μｍ、大きくても２００μｍ程度であるのに対し、著しく大きい。
【００５１】
このような拡散層４５が設けられた部位では、炭化物が拡散した深さまで硬度が向上する。すなわち、上ダイ３８及び下ダイ４０の内部深くまで硬度及び強度が上昇し、その結果、内部の耐摩耗性が向上するとともに、変形し難くなる。
【００５２】
なお、拡散層４５は、母材の表面から拡散された金属元素が炭化物を生成することによって形成される。このため、炭化物の濃度は、表面で最も高く、母材の内部に指向するにつれて漸次的に減少する。
【００５３】
また、炭化物の濃度がこのように漸次的に減少するため、拡散層４５と下地層との間に明確な界面は存在しない。このため、応力集中が起こることを回避することができるので、金属元素を拡散させることに伴って脆性が増すことを回避することができる。
【００５４】
このように構成された鍛造用金型２０が使用される際には、下ダイ４０及び鍛造用下パンチ２６ｂによって形成される位置決め用のキャビティ内に円柱状のワーク１８が装填され、図示しない第１及び第２押圧機構を駆動させて鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂを相互に接近させる方向に変位させることにより前記ワーク１８が加圧される。そして、前記鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂと略同時に図示しない昇降機構を付勢して上ダイ３８を下降させることにより前記上ダイ３８と前記下ダイ４０とが当接し、前記上下ダイ３８、４０の凹部４２、４２によってトラニオン成形用のキャビティが形成される。
【００５５】
その際、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂによって加圧されたワーク１８が塑性変形し、前記トラニオン成形用のキャビティに前記塑性変形した肉が流動しようとする肉流れが発生し、上ダイ３８及び下ダイ４０に設けられた第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂによって好適に絞られた状態でトラニオン成形用のキャビティ内に流入するため、前記トラニオン成形用のキャビティの隅々まで塑性変形した肉が充填される。
【００５６】
上記したように、上ダイ３８、下ダイ４０の第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂは、拡散層４５が存在するために高硬度及び高強度である。従って、これらの部位は、鍛造加工を繰り返し行っても摩耗し難く、しかも、欠損が生じ難い。
【００５７】
一方、ワーク１８を押圧する鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂにおいては、この押圧に伴い、小径部３２の胴部に荷重が加わる。しかしながら、上記したように、該胴部は、その表層部の靱性が高いために高靱性である。このため、該胴部は、鍛造加工を繰り返し行っても割れが生じ難い。
【００５８】
すなわち、拡散層４５を設けることによって上ダイ３８、下ダイ４０の長寿命化を図ることができ、一方、ＳＫＨ５１の硬度上昇に寄与する元素を表層部に拡散・排出させて濃度変化部３５を設けることにより、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂの寿命を長期化することができる。
【００５９】
濃度変化部３５を有する鍛造用上パンチ２６ａは、以下のようにして製造することができる。
【００６０】
先ず、図５（ａ）に示すＳＫＨ５１からなる円筒体形状のワークＷに対して、図５（ｂ）に示すように、バイト５０による切削加工を施し、鍛造用上パンチ２６ａの形状に対応する形状の予備成形体５２とする。
【００６１】
次に、この予備成形体５２の表面に、図５（ｃ）に示すように、ＳＫＨ５１に含まれる元素であって、且つＳＫＨ５１の硬度を上昇させるものではないもの、すなわち、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎ等以外の元素を含む物質の粉末をワーク押圧部位の表面に塗布する。このような粉末の好適な例としては、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇを挙げることができる。
【００６２】
上記したような粉末の塗布は、該粉末を溶媒に分散させて調製した塗布剤５４を塗布することによって行う。溶媒としては、アセトンやアルコール等、容易に蒸発する有機溶媒を選定することが好ましい。そして、この溶媒に、ＣやＳｉ等の粉末を分散させる。
【００６３】
ここで、予備成形体５２であるＳＫＨ５１の表面には、通常、酸化物膜が形成されている。この状態でＣやＳｉ等を拡散させるには、ＣやＳｉが酸化物膜を通過できるように、多大な熱エネルギを供給しなければならない。これを回避するために、塗布剤５４に、酸化物膜を還元することが可能な還元剤を混合することが好ましい。
【００６４】
具体的には、酸化物膜に対して還元剤として作用し、且つＳＫＨ５１とは反応しない物質を溶媒に分散ないし溶解させる。還元剤の好適な例としては、ニトロセルロース、ポリビニル、アクリル、メラミン、スチレンの各樹脂を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。なお、還元剤の濃度は、５％程度とすればよい。
【００６５】
以上の物質が溶解ないし分散された塗布剤５４は、図５（ｃ）に示すように、刷毛５６を使用する刷毛塗り法によって小径部３２の胴部の表面に塗布される。勿論、刷毛塗り法以外の公知の塗布技術を採用するようにしてもよい。
【００６６】
次いで、ワーク押圧部位の表面に塗布剤５４が塗布された予備成形体５２に対して熱処理を施す。この熱処理は、図５（ｄ）に示すように、バーナー火炎５８を予備成形体５２の一端面側から当てることによって施すこともできる。勿論、熱処理炉内において不活性雰囲気中で熱処理するようにしてもよい。
【００６７】
この昇温の過程では、２５０℃程度で還元剤が分解し始め、炭素や水素が生成する。予備成形体５２の酸化物膜は、この炭素や水素の作用下に還元されて消失する。このため、ＣやＳｉ等が酸化物膜を通過する必要がなくなるので、拡散に要する時間を短縮することができるとともに、熱エネルギを低減することができる。
【００６８】
さらに昇温を続行すると、ＳＫＨ５１の構成元素であるＷやＣｒ等が、還元剤が分解することによって生成したＣやＳＫＨ５１に含まれる遊離Ｃ等と反応し、その結果、Ｗ6ＣやＣｒ6Ｃ、Ｗ23Ｃ6、Ｃｒ23Ｃ6等が生成する。塗布粉末にＦｅが混合されている場合、Ｆｅとの固溶体の炭化物である（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｃｒ）23Ｃ6等がさらに生成する。ここで、Ｆｅの拡散速度はＣ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇに比して大きく、従って、塗布剤５４に含まれたＦｅの濃度は、濃度変化部３５の内部側で大きくなる。
【００６９】
生成したＷ6ＣやＣｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等の炭化物の一部は即座に分解し、Ｆｅ、Ｗ、Ｃｒに戻る。このうち、Ｗ、Ｃｒは、表面側に拡散移動する。この理由は、表面側に存在するＣやＳｉ等が、ＷやＣｒ等を捕捉する作用があるためであると推察される。なお、塗布剤にＣｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇが含まれている場合、これらは酸素を遮断する作用をも営む。このため、ＳＫＨ５１が酸化することを回避することができる。
【００７０】
上記の拡散過程で、ＷやＣｒは、予備成形体５２の表面側に存在するＳＫＨ５１の構成元素であるＣ、Ｆｅや、該表面側に遊離状態で存在するＣと結合して、新たにＷ6Ｃ、Ｃｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等を生成する。このＷ6ＣやＣｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃも即座に分解してＷ、Ｃｒに戻った後、予備成形体５２の一層表面側に存在するＣ、Ｆｅや、該表面側に遊離状態で存在するＣと結合して、再度Ｗ6Ｃ、Ｃｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等を生成する。このようにして炭化物が分解、生成を繰り返すことにより該炭化物が予備成形体５２の外表面まで拡散し、その結果、該外表面に炭化物からなる拡散層が形成される。この炭化物は化学的に安定であり、従って、予備成形体５２が、表層部の外表面に拡散層を有する鍛造用金型となる。なお、拡散層の厚みは、およそ０．５ｍｍ程度である。
【００７１】
このようして、表層部側に存在するＷやＣｒが、Ｗ6ＣやＣｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等として予備成形体５２の外表面に拡散される。その結果として、ＷやＣｒ等の濃度が、拡散層の直下の表層部で最も低くなるとともに内部側になるにつれて漸次的に増加するようになる。すなわち、濃度変化部３５が形成される（図２及び図４参照）。なお、ＷやＣｒ等の濃度は漸次的に増加するので、上記したように、濃度変化部３５の終端部と母材との間に明確な界面が生じることはない。従って、濃度変化部３５を設けることに伴って脆性破壊が生じることを回避することができる。
【００７２】
その一方で、塗布剤に含まれたＣ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ等が濃度変化部３５に拡散し、該濃度変化部３５に合金や炭化物として残留する。これらの元素はＳＫＨ５１の硬度上昇に寄与しないものであることから、該元素が拡散することによって濃度変化部３５の硬度が上昇することはない。
【００７３】
最後に、図５（ｅ）に示すように、予備成形体５２に対してバイト５０で仕上げ加工を行い、鍛造用上パンチ２６ａとする。小径部３２においては、この際に拡散層が切削除去される。上記したように、拡散層の厚みは０．５ｍｍ程度であるので、切削除去は比較的容易である。
【００７４】
拡散層が切削除去された結果、濃度変化部３５が露呈する。上記したように、濃度変化部３５では最上方が最も靱性が高く、従って、小径部３２では、その表面において靱性が最も大きくなる。
【００７５】
このようにして得られた鍛造用上パンチ２６ａを長手方向に沿って切断し、小径部３２の胴部の切断面において、表面側から内部に指向して測定したＣスケールのロックウェル硬度（ＨＲＣ）を図６に示す。図６から、この場合、約２ｍｍの深さまで表面から内部に指向してＨＲＣが上昇していること、換言すれば、表層部における靱性が内部に比して大きいことが明らかである。なお、図６には、拡散層４５が設けられた第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂの表面からの硬度変化を併せて示した。
【００７６】
上記と同様にして、例えば、モリブデン鋼からＭｏを除去することもできる。
【００７７】
なお、上記した実施の形態においては、拡散層を切削除去するようにしているが、拡散層を除去することなく用いるようにしてもよい。
【００７８】
また、塗布粉末には、Ｆｅ基合金の硬度を上昇させる性質を有する元素を含む物質の粉末が配合されていてもよい。この場合、該粉末と、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇとの配合比は、Ｆｅ基合金の種類や熱処理条件に応じて適宜設定すればよい。
【００７９】
一方の拡散層４５は、第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂにＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの粉末を塗布した後、例えば、塗布箇所をバーナー火炎で加熱することによって形成することができる。
【００８０】
さらに、本発明は、スパイダ１０を製造する鍛造用金型２０に特に限定されるものではない。例えば、図示しないトリポート型等速ジョイントの外輪部材、図示しないバーフィールド型等速ジョイントの外輪部材、インナリング等を鍛造成形する鍛造用金型にも適用することができることは勿論である。
【実施例１】
【００８１】
熱間金型用鋼であるＤＨ３１を用い、底面の直径が８０ｍｍ、高さが８０ｍｍの円柱体を作製した。
【００８２】
その一方で、エポキシ樹脂１０％のアセトン溶液に、周期表ＩＩＩ族〜ＶＩＩＩ族に属する物質の粉末（粒径１０〜７０μｍ）を図７に示す割合で添加して、２種の塗布剤Ａ、Ｂを調製した。ここで、塗布剤Ａには、ＤＨ３１をはじめとする各種鋼材の硬度を向上させる物質が主に含まれ、また、塗布剤Ｂには、各種鋼材に含まれ且つ硬度上昇に寄与しない物質が主に含まれる。
【００８３】
その後、塗布剤Ａ、Ｂのそれぞれを、同一円柱体の表面における異なる部位に塗布した。なお、塗布は刷毛塗りによって行い、塗布剤Ａ、Ｂの厚みは１ｍｍとした。
【００８４】
塗布剤Ａ、Ｂのそれぞれを自然乾燥させた後、１０００〜１１８０℃で２時間保持することによって焼入処理を行い、次に、５００〜６００℃で２時間保持して焼戻処理を行った。
【００８５】
次に、前記円柱体を高さ方向に切断して、塗布剤Ａ又は塗布剤Ｂを塗布した部位それぞれにつき、底面の中心から高さ方向に沿って０．５ｍｍ毎にＨＲＣを測定した。なお、塗布剤Ｂを塗布した部位では、拡散層をすべて切削除去した後に測定を行った。
【００８６】
各々の部位における表面からの距離とＨＲＣとの関係を併せて図８に示す。未処理のＤＨ３１におけるＨＲＣが概ね５２〜５４であるのに対し、塗布剤Ａを塗布した場合には硬度が上昇していること、一方、塗布剤Ｂを塗布した場合には硬度が減少していることが明らかである。後者から、塗布剤Ｂを塗布することによって靱性を向上させることができることが諒解される。
【００８７】
また、このことから、同一部材に対して熱処理を施す場合であっても、塗布剤の種類を変更することによって、硬度が向上した部位と靱性が向上した部位を個別に作製することができることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】図１Ａ〜図１Ｄは、本実施の形態に係る鍛造用金型を用いて製造されるスパイダの製造工程である。
【図２】本実施の形態に係る鍛造用金型によって中間成形体を成形している状態を示す概略縦断面説明図である。
【図３】図２の鍛造用金型を構成する鍛造用パンチの概略全体斜視図である。
【図４】図３の鍛造用パンチの要部拡大縦断面図である。
【図５】図３の鍛造用パンチの製造過程を示すフロー説明図である。
【図６】得られた鍛造用パンチの切断面の表面から内部に指向して測定したＨＲＣを示すグラフである。
【図７】塗布剤の組成と割合を示す図表である。
【図８】ＤＨ３１製のテストピースにおける表面からの距離とＨＲＣとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８９】
１０…スパイダ                          １４…リング体
１６ａ〜１６ｃ…トラニオン              ２０…鍛造用金型
２６ａ、２６ｂ…鍛造用パンチ            ３２…小径部
３４…パンチ成形部                      ３５…濃度変化部
４１…第１部位                          ４２…凹部
４４ａ、４４ｂ…ダイ成形部              ４５…拡散層
５２…予備成形体                        ５４…塗布剤
５８…バーナー火炎
【図１】
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【図２】
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【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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