(57)【要約】ダイ（２０）の内周壁部および外周壁部は金属リッチ部（４０ａ、４０ｂ）からなり、これらの間には、金属リッチ部（４０ａ）側から金属リッチ部（４０ｂ）側に指向して、傾斜部（４２ａ）、セラミックスリッチ部（４４）、傾斜部（４２ｂ）がこの順序で介在されている。一方、パンチ（３０）においては、内側からセラミックスリッチ部（４６）、傾斜部（５０）、金属リッチ部（４８）がこの順序で設けられている。ダイ（２０）の傾斜部（４２ａ、４２ｂ）は、金属リッチ部（４０ａ、４０ｂ）側からセラミックスリッチ部（４４）側に指向して金属の割合が漸減するように構成されており、同様に、パンチ（３０）の傾斜部（５０）は、金属リッチ部（４８）側からセラミックスリッチ部（４６）側に指向して金属の割合が漸減するように構成されている。
2004516388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワーク（３２）を押圧するパンチ（３０）と、前記パンチ（３０）が挿入される凹部が設けられたダイ（２０）とを備え、
前記パンチ（３０）または前記ダイ（２０）の少なくともいずれか一方は、セラミックスと金属とを含む複合材で構成されており、かつ表面から内部に指向して前記セラミックスの組成比が増加するとともに前記金属の組成比が減少するものであることを特徴とする傾斜複合材製金型（１０）。
【請求項２】
請求項１記載の金型（１０）において、前記パンチ（３０）または前記ダイ（２０）の少なくともいずれか一方は、セラミックスとしてＷ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ランタノイドの炭化物、窒化物または炭窒化物の群から選択された少なくとも１種を含有し、かつ金属としてＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏまたはこれらの中の２種以上で構成される合金の群から選択された少なくとも１種を含有するとともに、前記セラミックスと前記金属との組成比が重量比で６０：４０〜９５：５であることを特徴とする傾斜複合材製金型（１０）。
【請求項３】
請求項２記載の金型（１０）において、前記パンチ（３０）または前記ダイ（２０）の少なくともいずれか一方は、前記金属としてＣｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉの少なくとも１種をさらに含有することを特徴とする傾斜複合材製金型（１０）。
【請求項４】
請求項１記載の金型（１０）において、前記パンチ（３０）または前記ダイ（２０）の少なくともいずれか一方は、表面のビッカース硬度が１２００以上であることを特徴とする傾斜複合材製金型（１０）。
【請求項５】
請求項３記載の金型（１０）において、前記パンチ（３０）または前記ダイ（２０）の少なくともいずれか一方は、表面のビッカース硬度が１２００以上であることを特徴とする傾斜複合材製金型（１０）。
【請求項６】
セラミックス粒子と金属粒子とが混合されてなる混合粉末を成形して成形体とする成形工程と、
前記成形体を焼結して多孔質体とする一次焼結工程と、
前記多孔質体の内部に触媒含有溶液を含浸させる含浸工程と、
前記触媒含有溶液が含浸された前記多孔質体を窒化ガス雰囲気中で再焼結して緻密化することによりパンチ（３０）またはダイ（２０）を得る二次焼結工程と、
を有し、
前記二次焼結工程では、昇温開始時から窒化ガスを導入することを特徴とする傾斜複合材製金型（１０）の製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の製造方法において、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ランタノイドの炭化物、窒化物または炭窒化物の群から選択された少なくとも１種の粉末を前記セラミックス粒子とし、かつＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏまたはこれらの中の２種以上で構成される合金の群から選択された少なくとも１種の粉末を前記金属粒子として、前記セラミックス粒子と前記金属粒子とが重量比で６０：４０〜９５：５である混合粉末を調製することを特徴とする傾斜複合材製金型（１０）の製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の製造方法において、前記金属にさらにＣｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉの少なくとも１種を混合することを特徴とする傾斜複合材製金型（１０）の製造方法。
【請求項９】
請求項７記載の製造方法において、前記触媒含有溶液に含有される触媒をＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉまたはランタノイドとすることを特徴とする傾斜複合材製金型（１０）の製造方法。
【請求項１０】
請求項６記載の製造方法において、前記窒化ガスとして窒素を使用することを特徴とする傾斜複合材製金型（１０）の製造方法。
【請求項１１】
請求項８記載の製造方法において、前記触媒含有溶液に含有される触媒をＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉまたはランタノイドとすることを特徴とする傾斜複合材製金型（１０）の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の製造方法において、前記窒化ガスとして窒素を使用することを特徴とする傾斜複合材製金型（１０）の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックスと金属とを含有して構成される傾斜複合材製金型およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワークを打ち抜き加工する金型は、ワークを押圧するパンチと、前記パンチの下側に配置されて該パンチが挿入される凹部を有するダイとを備える。通常、ワークはダイ上に載置される。そして、ダイ側に指向して降下されたパンチの先端部がダイの凹部に挿入されることによりワークが打ち抜かれる。
【０００３】
ダイまたはパンチの構成材料としては、例えば、高炭素鋼を主成分とするＳＫ材、ＳＫＤ材もしくはＳＫＨ材（いわゆる高速度工具鋼）や、ニッケル系合金もしくはコバルト系合金等の超合金材、またはセラミックスと金属との複合材である超硬材等が採用されている。また、耐摩耗性の向上を図るために、表面がＴｉＣやＴｉＮ等、硬質セラミックスのコーティング膜で被覆される場合もある。
【０００４】
これらのうち、高速度工具鋼や超合金材には、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が不足しているという不具合がある。一方、超硬材には、耐摩耗性や圧縮強度および剛性等に優れてはいるものの、靱性が不足しており、割れや欠けが生じ易いという不具合がある。すなわち、高速度工具鋼および超合金材と超硬材は、互いに相反する特性を有しており、したがって、ダイまたはパンチの構成材料は、ワークの構成材料等に応じて選定されている。
【０００５】
ダイおよびパンチは、高硬度、高強度、高靭性等をともに兼ね備えることが本来は望ましい。すなわち、高硬度であるものは耐摩耗性も高く、したがって、長寿命であるからである。また、強度が高いと、ワークが打ち抜かれる際にダイおよびパンチに高応力が作用した場合であっても変形が生じ難いからである。さらに、高靭性であるものは割れや欠けが生じ難いからである。しかしながら、上記したように、これらの特性を全て兼ね備えるダイやパンチはこれまでのところ知られていない。
【０００６】
例えば、超硬材からなるダイまたはパンチの靱性を向上させるには、金属の組成比を増加すればよい。しかしながら、この場合、硬度および強度が低下してしまう。したがって、寿命が低下することが懸念される。これに対し、金属の組成比を減少すると、硬度や強度が向上する一方で靱性が低下する。このため、割れや欠けが一層生じ易くなってしまう。
【０００７】
このことから諒解されるように、超硬材からなるダイやパンチにおいては、硬度および強度を向上しようとすると靱性が低下し、一方、靱性を向上しようとすると硬度および強度が低下するので、硬度および強度と靱性とを同時に向上させることは著しく困難である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
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、長寿命を有しかつ変形が生じ難く、しかも、割れや欠けも生じ難い傾斜複合材製金型およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
前記の目的を達成するために、本発明は、ワークを押圧するパンチと、前記パンチが挿入される凹部が設けられたダイとを備え、
前記パンチは、セラミックスと金属とを含む複合材で構成されており、かつ表面から内部に指向して前記セラミックスの組成比が増加するとともに前記金属の組成比が減少するものであることを特徴とする。
【００１０】
すなわち、上記したパンチは、金属に由来する靱性と、セラミックスに由来する硬度および強度とを兼ね備える。このため、割れや欠けが生じ難く、しかも、耐摩耗性が向上するとともに変形が生じ難い金型を構成することができる。
【００１１】
なお、パンチの構成材料のうち、セラミックスの好適な例としては、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ランタノイドの炭化物、窒化物または炭窒化物の群から選択された少なくとも１種を挙げることができる。一方、金属の好適な例としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏまたはこれらの中の２種以上で構成される合金の群から選択された少なくとも１種を挙げることができる。これらに加え、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉの少なくとも１種がさらに含有されていてもよい。
【００１２】
この場合、セラミックスと金属との組成比は、重量比で６０：４０〜９５：５に設定される。金属が５重量部未満であると、靱性が乏しくなるので割れや欠けが生じ易くなる。また、４０重量部を超えると、硬度や強度が低下するので耐摩耗性が乏しくなるとともにワークの加工時に変形が生じ易くなる。
【００１３】
そして、前記パンチの表面のビッカース硬度は、１２００以上であることが好ましい。これにより、パンチの長寿命化を図ることができるとともに、ワークの加工精度が向上するからである。
【００１４】
また、本発明は、セラミックス粒子と金属粒子とが混合されてなる混合粉末を成形して成形体とする成形工程と、
前記成形体を焼結して多孔質体とする一次焼結工程と、
前記多孔質体の内部に触媒含有溶液を含浸させる含浸工程と、
前記触媒含有溶液が含浸された前記多孔質体を窒化ガス雰囲気中で再焼結して緻密化することによりパンチを得る二次焼結工程と、
を有し、
前記二次焼結工程では、昇温開始時から窒化ガスを導入することを特徴とする。
【００１５】
この場合、二次焼結工程において、多孔質体の表面近傍に存在する金属粒子がセラミックス粒子に比して早期に粒成長を開始する。さらに、多孔質体の表面近傍に存在するセラミックス粒子は、窒素等の窒化ガスにより粒成長が抑制される。窒化ガスは、一般的にセラミックス粒子の粒成長を阻害するからである。その一方で、多孔質体の内部に存在するセラミックス粒子は、窒化ガスが到達し難いので粒成長が抑制されることはない。しかも、触媒によって粒成長が促進される。このような理由から、金属粒子が表面に集中するような再配列が起こり、その結果、表面から内部に指向して金属の組成比が減少するとともにセラミックスの組成比が増加するパンチ（傾斜複合材）が得られる。
【００１６】
塑性加工や打ち抜き加工に使用されるに際し、充分な硬度、強度および靱性を有するパンチとするためには、セラミックス粒子をＷ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ランタノイドの炭化物、窒化物または炭窒化物の群から選択された少なくとも１種とし、かつ金属粒子をＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏまたはこれらの中の２種以上で構成される合金の群から選択された少なくとも１種とすることが好ましい。さらに、金属粒子にＣｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉの少なくとも１種を添加するようにしてもよい。この場合、セラミックス粒子と金属粒子との組成比は重量比で６０：４０〜９５：５に設定される。上記したように、金属が５重量部未満であると、靱性が乏しくなるので割れや欠けが生じ易くなるからである。また、４０重量部を超えると、硬度や強度が低下するので耐摩耗性が乏しくなるとともにワークの加工時に変形が生じ易くなるからである。
【００１７】
なお、触媒含有溶液に含有される触媒としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉまたはランタノイドを好適な例として挙げることができる。
【００１８】
また、前記窒化ガスとしては、取り扱いの容易さや反応速度を容易に制御することができる等の点から、窒素が好適である。
【００１９】
上述された本発明の目的、特徴および効果は、本発明の好適な実施の形態を例示する添付図面と明細書の下記の記載からより一層明確となるであろう。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る傾斜複合材製金型およ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。
【００２１】
本実施の形態に係る傾斜複合材製金型の要部縦断面図を図１に示す。この傾斜複合材製金型１０は、図１における下方に配置された固定盤１２と、上方に配置された可動盤１４とを備え、このうち、固定盤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。また、ダイ２０の中央部にはキャビティ２２が形成されており、このキャビティ２２には、ロッド２４の昇降動作に追従して昇降動作するノックアウトピン２５の先端部が摺動自在に挿入されている。
【００２２】
可動盤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。可動盤１４が下降動作することに伴ってパンチ３０がワーク３２を押圧することにより、該ワーク３２が打ち抜き加工される。なお、図１における参照符号３４は、ワーク３２から打ち抜かれた打ち抜き屑を示す。
【００２３】
ダイ２０は、図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である図２に示すように、略円筒状であり、その表面である内周壁部および外周壁部に金属の組成比が比較的大きな金属リッチ部４０ａ、４０ｂが設けられている。そして、金属リッチ部４０ａと金属リッチ部４０ｂとの間には、傾斜部４２ａ、金属リッチ部４０ａ、４０ｂに比して金属の組成比が小さくかつセラミックスの組成比が大きなセラミックスリッチ部４４、傾斜部４２ｂが内側からこの順序で介在されている。なお、傾斜部４２ａ、４２ｂにおいては、金属リッチ部４０ａ、４０ｂ側からセラミックスリッチ部４４側に指向して金属の割合が漸減している。
【００２４】
すなわち、ダイ２０では、金属の組成比は、表面である内周壁部および外周壁部で最も高く、内部に指向して減少している。また、その逆に、セラミックスの組成比は表面である内周壁部および外周壁部で最も低く、内部に指向して増加している。
【００２５】
なお、ダイ２０においては、金属リッチ部４０ａの内周壁部がキャビテイ面となる。
【００２６】
一方、パンチ３０には、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である図３に示すように、内部にセラミックスリッチ部４６が設けられており、かつ表面に金属リッチ部４８が設けられている。そして、これらの間には、金属リッチ部４８からセラミックスリッチ部４６側に指向して金属の割合が漸減する傾斜部５０が介在されている。すなわち、パンチ３０においても、表面から内部に指向して金属の組成比が減少しているとともにセラミックスの組成比が増加している。
【００２７】
以上から諒解されるように、ダイ２０およびパンチ３０は、表面から内部に指向して金属の組成比が減少しかつセラミックスの組成比が増加する傾斜複合材からなる。
【００２８】
ダイ２０およびパンチ３０の構成材料であるセラミックスとしては、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ランタノイドの炭化物、窒化物または炭窒化物の群から選択された少なくとも１種が好ましく、また、金属としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏまたはこれらの中の２種以上で構成される合金の群から選択された少なくとも１種が好ましい。金属には、これらに加え、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉの少なくとも１種がさらに含有されていてもよい。上記したセラミックスおよび金属を構成材料とすることにより、実用上必要な強度、硬度および靱性を有するダイ２０およびパンチ３０を得ることができる。
【００２９】
上記したセラミックスおよび金属からなるダイ２０およびパンチ３０では、セラミックスと金属との組成比は６０：４０〜９５：５（重量比、以下同じ）に設定される。金属が５重量部未満であると、靱性が乏しくなるので割れや欠けが生じ易くなる。また、４０重量部を超えると、硬度や強度が低下するので耐摩耗性が乏しくなるとともにワークの加工時に変形が生じ易くなる。
【００３０】
また、ダイ２０においては、キャビティ２２を形成するキャビティ面のビッカース硬度（Ｈｖ）が１２００以上であることが好ましい。Ｈｖが１２００未満である場合、硬度が乏しいのでダイ２０を長寿命化することが容易ではなくなる。しかも、この場合にはワークとダイ２０またはパンチ３０との摩擦係数（μ）が高くなり、その結果、打ち抜き加工時における発熱や発生する応力の増大が惹起されるので、ワークに表面荒れが生じ易くなる。ワークの表面荒れを低減して加工精度を向上するとともにダイ２０を確実に長寿命化するためには、Ｈｖが１３００以上であることが好ましい。
【００３１】
このように構成されたダイ２０およびパンチ３０を備える傾斜複合材製金型１０は、表面が高靱性でかつ内部が高硬度および高強度を有する。すなわち、ワークが打ち抜き加工されるに際して充分な硬度、強度および靱性を兼ね備える。このため、長寿命でかつ変形が生じ難く、しかも、割れや欠けが生じ難い。
【００３２】
ダイ２０またはパンチ３０は、その過程がフローチャートとして図４に示される製造方法により製造することができる。図４に示されるように、この製造方法は、成形体を得る成形工程Ｓ１と、前記成形体を焼結して多孔質体とする一次焼結工程Ｓ２と、前記多孔質体の内部に触媒含有溶液を含浸する含浸工程Ｓ３と、前記多孔質体を再焼結して緻密焼結体とする二次焼結工程Ｓ４とを備える。
【００３３】
まず、成形工程Ｓ１において、セラミックス粒子と金属粒子の混合粉末を調製する。上記した理由から、セラミックス粒子としては、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ランタノイドの炭化物、窒化物または炭窒化物の群から選択された少なくとも１種が好ましく、また、金属粒子としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏまたはこれらの中の２種以上で構成される合金の群から選択された少なくとも１種が好ましい。さらに、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉの少なくとも１種を添加するようにしてもよい。そして、混合粉末におけるセラミックス粒子と金属粒子との組成比は、セラミックス粒子：金属粒子＝６０：４０〜９５：５（重量比、以下同じ）とする。
【００３４】
この混合粉末に成形加重を加えて、ダイ２０またはパンチ３０に対応する形状の成形体を作製する。この際、成形荷重は、後述する一次焼結工程Ｓ２において多孔質体が得られるようにするため、金属粒子が塑性変形を起こさない程度に設定される。具体的には、成形荷重を１００〜３００ＭＰａ程度とすることが好ましい。この場合、金属粒子が塑性変形を起こすことを回避することができるので、成形体の開気孔が閉塞されることはない。
【００３５】
次いで、一次焼結工程Ｓ２において、開気孔が残留するように前記成形体を焼結して多孔質体とする。この時点で緻密焼結体とすると、含浸工程Ｓ３において触媒含有溶液を内部に含浸させることが困難となるからである。
【００３６】
したがって、一次焼結工程Ｓ２における焼結温度や時間は、金属粒子同士の融着が起こり、該金属粒子同士にネックが形成された状態で終了されるように設定される。すなわち、一次焼結工程Ｓ２では、セラミックス粒子同士は融着されない。このため、成形体が多孔質体になる過程においては、体積はほとんど変化しない。
【００３７】
次いで、含浸工程Ｓ３において、触媒を含有する触媒含有溶液を前記多孔質体の内部に含浸させる。具体的には、触媒含有溶液中に前記多孔質体を浸漬する。この浸漬により、触媒含有溶液が多孔質体の開気孔を介してその内部へと浸透する。
【００３８】
なお、触媒は、二次焼結工程Ｓ４においてセラミックス粒子の成長を促進する物質であれば特に限定されるものではないが、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉまたはランタノイド等を好適な例として挙げることができる。触媒含有溶液としては、上記した金属を含有する金属塩を溶媒に溶解したものや有機金属溶液を使用すればよい。
【００３９】
この場合、触媒は、溶媒中に分散または溶解されることにより単一分子またはイオンにまで解離される。したがって、含浸工程Ｓ３においては、単一分子またはイオンにまで解離された触媒が多孔質体の内部に均一に分散される。このため、二次焼結工程Ｓ４におけるセラミックス粒子の粒成長は、多孔質体の表面から内部に亘り促進される。
【００４０】
含浸工程Ｓ３を行った後には、自然放置により触媒含有溶液を乾燥する。または、多孔質体を加熱して触媒含有溶液を乾燥するようにしてもよい。
【００４１】
最後に、二次焼結工程Ｓ４において、多孔質体を窒素等の窒化ガス雰囲気中で再焼結して緻密焼結体とする。なお、雰囲気とする窒化ガスは、二次焼結工程Ｓ４の昇温開始時から導入する。これにより、セラミックスと金属との組成比が６０：４０〜９５：５である緻密焼結体（傾斜複合材）、すなわち、製品としてのダイ２０またはパンチ３０が得られるに至る。
【００４２】
二次焼結工程Ｓ４では、雰囲気である窒化ガスによって、多孔質体の表面近傍に存在するセラミックス粒子の粒成長が阻害される。その一方で、窒化ガスは多孔質体の内部には到達し難い。このため、内部に存在するセラミックス粒子の粒成長が窒化ガスによって阻害される度合いは、表面に比して小さい。しかも、内部に存在するセラミックス粒子の粒成長は、前記触媒によって促進される。
【００４３】
結局、二次焼結工程Ｓ４においては、多孔質体の表面ではセラミックス粒子の粒成長が抑制され、内部では促進される。その結果、金属粒子が表面近傍に集中するような再配列が起こる。すなわち、表面では金属の組成比が高く、内部ではセラミックスの組成比が高い傾斜複合材（ダイ２０、パンチ３０）が得られる。
【００４４】
このように、昇温開始時から窒化ガス雰囲気を導入して二次焼結工程Ｓ４を行うことにより、触媒含有溶液が含浸された多孔質体の内部に存在するセラミックス粒子の粒成長の度合いを表面近傍に比して大きくすることができる。これに伴って金属粒子が再配列することにより、表面から内部に指向して金属の組成比が減少するとともにセラミックスの組成比が増加するダイ２０またはパンチ３０を得ることができる。
【００４５】
なお、本実施の形態においては、成形工程Ｓ１と一次焼結工程Ｓ２とを個別に行っているが、熱間等圧成形（ＨＩＰ）等のように、両工程Ｓ１、Ｓ２を同時に行うようにしてもよい。
【００４６】
実施例
平均粒径１μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末が９０重量部、平均粒径１．４μｍのコバルト（Ｃｏ）粉末が１０重量部の割合で混合された混合粉末を１００ＭＰａの成形圧でプレス成形し、パンチ３０（図１および図３参照）に対応する形状の成形体を作製した。
【００４７】
次いで、この成形体を１２７３Ｋで３０分間保持することにより多孔質体とした。
【００４８】
次いで、この多孔質体を濃度１０％の硝酸ニッケル溶液に１分間浸漬することにより該多孔質体の内部にＮｉイオンを分散させた後、該多孔質体を９０℃で１時間保持することにより乾燥した。
【００４９】
次いで、前記多孔質体を窒素雰囲気中において１４００℃で９０分間保持することにより、傾斜複合材であるパンチ３０を得た。なお、窒素は、室温からの昇温開始時に導入を始めた。
【００５０】
その一方で、上記と同様にして、傾斜複合材であるダイ２０（図１および図２参照）を得た。
【００５１】
また、比較のため、触媒含有溶液に含浸しなかったことを除いては上記と同様にして作製されたダイおよびパンチ（以下、それぞれを比較ダイ、比較パンチという）を使用して上記と同一の条件下で耐久試験を行った。
【００５２】
以上のようにして得られたダイ２０およびパンチ３０につき、金属リッチ部４０ａ、４０ｂ、４８およびセラミックスリッチ部４４、４６における金属の組成比をそれぞれ定量したところ、金属リッチ部４０ａ、４０ｂ、４８では１３〜１４重量％、セラミックスリッチ部４４、４６では７重量％であることが確認された。
【００５３】
また、ダイ２０およびパンチ３０を直径方向に切断し、該切断面におけるビッカース硬度を測定した。それぞれの結果を比較ダイおよび比較パンチとともに図５および図６に示す。なお、図５においては、ダイ２０のビッカース硬度は金属リッチ部４０ｂ（外周壁面）から金属リッチ部４０ａ（キャビティ面）に指向して示されており、比較ダイのビッカース硬度もこれに対応する方向に沿って示されている。一方、図６においては、パンチ３０のビッカース硬度は金属リッチ部４８（表面）からセラミックスリッチ部（内部）に指向して示されており、比較パンチのビッカース硬度もこれに対応する方向に沿って示されている。
【００５４】
これら図５、図６から、比較ダイおよび比較パンチは硬度が均質な均質体であるのに対し、ダイ２０およびパンチ３０は、表面に比して内部の方が高硬度な傾斜材であることが明らかである。
【００５５】
次に、パンチ３０の金属リッチ部４８およびセラミックスリッチ部４６における抗折強度をそれぞれ測定したところ、金属リッチ部４８では５．２ＧＰａ、セラミックスリッチ部４６では３．６ＧＰａであり、比較パンチの抗折強度が２．８〜３．２ＧＰａであるのに対して大きく向上していた。なお、セラミックスリッチ部４６の剛性は５９７ＧＰａであり、比較パンチに比しておよそ４０ＧＰａ程高かった。すなわち、パンチ３０の抗折強度および剛性は、比較パンチよりも大きくなっていることが認められた。
【００５６】
このパンチ３０について耐久試験を行った。具体的には、可動盤１４を固定盤１２に指向して降下させ、最大印加発生応力が４．３ＧＰａ、打ち抜きに要する時間が１秒の条件下で、厚みが１４ｍｍのＳＮＣＭ６３０をパンチ３０で所定時間が経過するまで打ち抜き、パンチ３０に割れや欠け、変形等が発生するか否かを調べた。また、比較パンチを使用して、上記と同一の条件下で耐久試験を行った。その結果、比較パンチが数ショット、最大でも２３０ショットで圧潰されて拡径したのに対し、パンチ３０は８００ショットを経過しても変形は何ら生じておらず、割れや欠けの発生も認められなかった。
【００５７】
さらに、打ち抜かれたワークの表面を観察したところ、パンチ３０により打ち抜かれたワークの方が平滑であり、面精度に優れることが確認された。
【００５８】
これとは別に、パンチ３０および比較パンチを使用し、厚み１２ｍｍのＳＣＭ４２０材を冷間加工で後方押し出し成形させた後に打ち抜く作業を何回繰り返すことができるかを試験した。この場合、比較パンチは３０００ショットで使用できなくなったのに対し、パンチ３０は、３０万ショットまで使用することが可能であった。
【００５９】
さらにまた、パンチ３０と比較パンチを、ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６を素材として打ち抜き加工を行うことによりナットを作製するナットフォーマにて使用した。この試験においては、比較パンチの表面をＴｉＮでコーティングしたものも用いた。なお、加工速度は１５０〜２５０ｃｐｍとした。その結果、比較パンチでは２０万ショット、比較パンチの表面をＴｉＮでコーティングしたものでは１００万ショットで素材を所定の形状に打ち抜くことができなくなったのに対し、パンチ３０では１３０万〜１４０万ショットまで面精度に優れる孔部を素材に形成することが可能であることが判った。
【００６０】
以上の結果から、パンチ３０が比較パンチに比して耐摩耗性、耐衝撃性に著しく優れていることは明らかである。
【００６１】
一方、ダイ２０についても耐久試験を行って寿命を調べた。具体的には、最大印加発生応力を２．８ＧＰａ、成形サイクルを１秒として、直径８ｍｍのＪＩＳ  ＳＵＨ３５相当材を傾斜複合材製金型１０のキャビティ２２内で所定時間が経過するまで冷間塑性加工し、ダイ２０に割れまたは欠けが発生するか否かを調べた。また、比較ダイを使用して上記と同一の条件下で耐久試験を行った。その結果、後者が２０〜５２分程度で割れまたは欠けが生じたのに対し、前者には１０時間が経過しても割れまたは欠けの発生は認められなかった。
【００６２】
これとは別に、ＪＩＳ  ＳＵＨ３８相当材を加工速度１００ｃｐｍで冷間塑性加工することによってもダイ２０の耐久試験を行った。その結果、比較ダイが３０００ショット、長くても５０００ショットで割れや摩耗によってワークを所定の形状に塑性変形させることができなくなったのに対し、ダイ２０では、１０万ショットまでワークを所定の形状に塑性変形させることができることが判った。
【００６３】
さらにまた、比較ダイとダイ２０とを使用し、ワークに対して様々な加工速度で塑性変形を施し、加工速度とダイの割れとの関係を調べた。この場合、比較ダイは、加工速度が１８０ｍ／ｓで割れが発生したのに対し、ダイ２０では、加工速度を５６０ｍ／ｓとした時点で割れが発生した。すなわち、加工速度を著しく高めて塑性変形を施すことができた。
【００６４】
以上説明したように、本発明に係る傾斜複合材製金型によれば、表面から内部に指向して金属の組成比が減少するとともにセラミックスの組成比が増加するパンチを具備している。このようなパンチは、高硬度および高強度と高靱性とを兼ね備えているので、金型が長寿命となるとともに、変形や割れ、欠けが著しく生じ難くなるという効果が達成される。しかも、製品精度の向上を図ることもできる。
【００６５】
また、本発明に係る傾斜複合材製金型の製造方法によれば、触媒含有溶液が含浸された多孔質体を窒化ガス雰囲気中で再焼結してパンチ（傾斜複合材）とするようにしている。この場合、多孔質体の表面近傍に存在するセラミックス粒子は窒化ガスにより粒成長が抑制され、一方、内部に存在するセラミックス粒子は触媒により粒成長が促進される。このために金属粒子が表面に集中するような再配列が起こり、その結果、表面から内部に指向して金属の組成比が減少するとともにセラミックスの組成比が増加する傾斜複合材からなるパンチ、すなわち、表面が高靱性でかつ内部が高硬度のパンチを得ることができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本実施の形態に係る傾斜複合材製金型の要部縦断面説明図である。
【図２】
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。
【図３】
図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。
【図４】
図４は、本実施の形態に係る傾斜複合材製金型を構成するパンチおよび／またはダイの製造方法のフローチャートである。
【図５】
図５は、図２のダイにおけるビッカース硬度を外壁面からキャビティ面に指向して示すグラフである。
【図６】
図６は、図３のパンチにおけるビッカース硬度を外壁面から内部に指向して示すグラフである。
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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