(57)【要約】【課題】強固且つ確実な補強を可能とし、金型の耐久性、製品の生産性及び経済性の向上に寄与することができる金型補強方法を提供する。【解決手段】炭化物化することでＦｅ基合金からなる鍛造用金型１０の硬度を上昇させる性質を有する第１元素粉末及び該第１元素粉末より融点の低い第２元素粉末を有する混合粉末層１４を、鍛造用金型１０の少なくとも補強予定領域（キャビティ）１１ａ（１２ａ）に被覆し、鍛造用金型１０によってワークを加工する際の加工熱を利用して、混合粉末層１４が被覆された鍛造用金型１０の熱処理を行う。これにより混合粉末層１４のリフローが生じて、鍛造用金型１０内に炭化物が拡散する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化物化することでＦｅ基合金からなる金型の硬度を上昇させる性質を有する第１元素粉末及び前記第１元素粉末より融点の低い第２元素粉末を有する混合粉末を、前記金型の少なくとも補強予定領域に被覆する工程と、
前記金型によってワークを加工する際の加工熱を利用して、前記混合粉末が被覆された前記金型の少なくとも補強予定領域を熱処理することにより、前記混合粉末中の前記第１元素粉末を炭化して前記金型内に拡散させる工程と、
を含むことを特徴とする金型補強方法。
【請求項２】
請求項１記載の金型補強方法において、前記Ｆｅ基合金は、工具鋼、高速度工具鋼、ダイス鋼、粉末ハイスの合金鋼、ＳＣＭ、ＳＮＣ、ＳＮＣＭ、ＳＣｒの構造用合金鋼、又は炭素鋼、低炭素鋼の構造用鋼であることを特徴とする金型補強方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の金型補強方法において、前記第１元素粉末は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの群の少なくともいずれか１種であることを特徴とする金型補強方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の金型補強方法において、前記第２元素粉末は、Ａｌ又はＡｌ−Ｍｎ共晶合金であることを特徴とする金型補強方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の金型補強方法において、前記Ｆｅ基合金の表面に存在する酸化物膜を還元するための還元剤を前記混合粉末に配合することを特徴とする金型補強方法。
【請求項６】
請求項５記載の金型補強方法において、前記還元剤が炭素粉末、樹脂又はＳｉであることを特徴とする金型補強方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の金型補強方法において、前記混合粉末にＷ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂの群の少なくともいずれか１種を添加することを特徴とする金型補強方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の金型補強方法において、前記金型の内面に塗布される離型剤によって、前記混合粉末と前記ワークとの接触を防止することを特徴とする金型補強方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鍛造用金型をはじめとする各種の金型を補強するための金型補強方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鍛造用金型、プレス用金型及び鋳造用金型等の金型では、金型同士の当接部や溶融金属湯が高速で衝突する部分に応力が作用し、クラックや摩耗等が生じる。
【０００３】
金型に生じたクラックや摩耗等の損傷部は、製品にバリや歪みを発生させる要因となり、後工程での製品のバリ取り作業や整形作業を増大させてしまう。そこで、このような製品不良の発生を未然に防ぐため、使用前の金型に対して予め補強を行って損傷部を生じ難くすることが図られている。
【０００４】
従来、この種の金型の補強方法としては、金型に損傷が生じ易い部位に、放電被覆を利用して肉盛りする方法が知られている。この肉盛り方法では、火花放電に伴う高温を利用して金属、炭化物セラミックス及びサーメット等の電極材を、金型における損傷が生じ易い部位の表面に蒸着して表面処理を行い、硬度、耐蝕性及び耐久性等を向上させる放電被覆処理が行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１−２１０１３３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、前記補強方法には、肉盛り部と金型との接合強度が脆弱で、その耐久性に限界があるため、補修を頻繁に行う必要があり、製品の生産性の低下を招くという難点がある。
【０００７】
特に、鍛造用金型は、使用時の応力が高いことや、熱疲労も加わり、肉盛り部が剥離し易いため、肉盛りによって補強を行っても長期間にわたって補強を維持することが困難である。従って、鍛造用金型は、損傷すると廃棄処分を強いられており、不経済である。
【０００８】
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、強固且つ確実な補強を可能とし、金型の耐久性、製品の生産性及び経済性の向上に寄与することができる金型補強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】
【０００９】
前記の目的を達成するために、本発明に係る金型補強方法は、炭化物化することでＦｅ基合金からなる金型の硬度を上昇させる性質を有する第１元素粉末及び前記第１元素粉末より融点の低い第２元素粉末を有する混合粉末を、前記金型の少なくとも補強予定領域に被覆する工程と、
前記金型によってワークを加工する際の加工熱を利用して、前記混合粉末が被覆された前記金型の少なくとも補強予定領域を熱処理することにより、前記混合粉末中の前記第１元素粉末を炭化して前記金型内に拡散させる工程と、
を含むことを特徴とする。すなわち、この補強方法は、金型に損傷部が生じる前に実施される。
【００１０】
本発明によれば、金型の硬度や強度を確実に向上させることができるので、例えば、鍛造加工を繰り返し行っても摩耗し難く、しかも、欠損が生じ難い耐久性の高い鍛造加工用金型が得られ、製品の生産性及び経済性の向上に寄与できる。勿論、プレス用金型及び鋳造用金型等の金型においても同様である。
【００１１】
そして、ワークの加工熱を利用して金型の熱処理が行われるため、工数及び労力の低減が可能となり、製造コストを低減することができる。
【００１２】
前記Ｆｅ基合金の好適な例としては、工具鋼、高速度工具鋼、ダイス鋼、粉末ハイスの合金鋼、ＳＣＭ、ＳＮＣ、ＳＮＣＭ、ＳＣｒの構造用合金鋼、又は炭素鋼、低炭素鋼の構造用鋼を挙げることができる。
【００１３】
また、前記第１元素粉末は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの群の少なくともいずれか１種であることが好適である。これらは、自身が炭化物化することでＦｅ基合金からなる金型の硬度を良好に上昇させるからである。
【００１４】
また、前記第２元素粉末としては、Ａｌ又はＡｌ−Ｍｎ共晶合金が好適である。Ａｌは第１元素粉末より融点が低く、Ａｌ−Ｍｎ共晶合金の共晶点は、Ａｌの融点に比してさらに低い。このようなＡｌ及びＡｌ−Ｍｎ共晶合金は、第１元素粉末の誘引剤として作用する。
【００１５】
さらに、Ｆｅ基合金の表面に存在する酸化物膜を還元するための還元剤を前記混合粉末に配合することが好ましい。この場合、第１元素粉末の原子が拡散する際に酸化物膜が除去されているので、低エネルギで原子拡散が生じる。
【００１６】
しかも、第２元素粉末としてＡｌを使用した場合、還元剤が酸素を捕捉することでＡｌの酸化が防止される。従って、Ａｌの特性劣化が防止され、第１元素粉末のＦｅ基合金への密着性が良好になる。
【００１７】
還元剤の好適な例としては、炭素粉末、樹脂又はＳｉを挙げることができる。
【００１８】
また、前記混合粉末に、Ｗ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ又はＮｂを添加することがさらに好ましい。この場合、金型の強度が一層向上するからである。
【００１９】
ここで、金型によってワークを加工する際には、該金型の内面に塗布される離型剤によって前記混合粉末と前記ワークとの接触を防止するようにすればよい。これにより、混合粉末がワークに作用することが回避される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る金型補強方法によれば、金型の硬度や強度を確実に向上させることができるので、鍛造加工を繰り返し行っても摩耗し難く、しかも、欠損が生じ難い耐久性の高い金型が得られる。結局、製品の生産性及び経済性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る金型補強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。
【００２２】
図１は、本実施の形態に係る金型補強方法が実施される鍛造用金型１０の概略全体斜視図である。この鍛造用金型１０は、自動車のエンジン動力を滑らかに且つ等速に車輪に伝えるための等速ジョイントを構成するスパイダを鍛造成形するための金型であり、Ｆｅ基合金、例えば工具鋼、高速度工具鋼、ダイス鋼及び粉末ハイス等の合金鋼からなる。
【００２３】
鍛造用金型１０は、下型１１と、この下型１１に対して相対的に変位可能な上型１２とを備え、これら下型１１及び上型１２には、スパイダの形状に整合し、加熱軟化した鋼材等の素材（ワーク）が圧入されるキャビティ１１ａ、１２ａがそれぞれ形成されている。
【００２４】
この鍛造用金型１０の補強方法につき、図２Ａ〜図２Ｃを参照して説明する。先ず、炭化物化することでＦｅ基合金である合金鋼からなる鍛造用金型１０の硬度を上昇させる性質を有する第１元素粉末と、第１元素粉末より低融点、例えば、融点が６００℃〜７５０℃である第２元素粉末との混合粉末を用意する。
【００２５】
第１元素粉末の好適な例としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの群の少なくともいずれか１種が挙げられる。後工程において、拡散させたい炭化物の金属種がＦｅであればＦｅ粉末が配合された混合粉末を調製すればよい。また、拡散させたい金属種がＮｉであればＮｉ粉末が配合された混合粉末を調製し、ＣｏであればＣｏ粉末が配合された混合粉末を調製すればよい。勿論、例えば、ＦｅとＣｏの双方を拡散させる場合、Ｆｅ粉末及びＣｏ粉末の双方が配合された混合粉末を調製すればよい。
【００２６】
一方、第２元素粉末の好適な例としてはＡｌ又はＡｌ−Ｍｎ共晶合金が挙げられる。
【００２７】
ここで、補強対象である鍛造用金型１０（合金鋼）の表面には、通常、自発的に形成された酸化物膜が存在する。この状態で第１元素粉末に含まれる金属原子を拡散させるには、当該金属原子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、混合粉末には、酸化物膜を還元することが可能な還元剤、例えば、炭素を混合することが好ましい。
【００２８】
又は、第１元素粉末と第２元素粉末の混合粉末を溶媒に添加し、この溶媒に、酸化物膜に対して還元剤として作用し且つ合金鋼とは反応しない物質を分散ないし溶解させて塗布剤を調製するようにしてもよい。このような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、エポキシ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。
【００２９】
さらに、混合粉末に、鍛造用金型１０の補強強度を上昇させる性質を有する物質を添加するようにしてもよい。このような物質の好適な例としては、Ｗ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂの群の少なくともいずれか１種を挙げることができる。
【００３０】
そして、前記混合粉末を、図２Ａに示すように、鍛造用金型１０の補強予定領域であるキャビティ１１ａ（１２ａ）の表面に塗布して混合粉末層１４を形成する。
【００３１】
混合粉末の塗布は、上記したように、混合粉末を溶媒に分散させて調製した塗布剤を塗布することによって行えばよい。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。前記塗布剤を調製する場合、溶媒にＮｉ、Ｃｏ等の粉末を分散させればよく、還元剤としてのＣやＳｉ等の粉末を分散させるようにしてもよい。
【００３２】
また、塗布方法としては、刷毛１３を使用する刷毛塗り法を採用すればよい。勿論、刷毛塗り法以外の公知の塗布技術、例えばスプレー塗布を採用するようにしてもよい。
【００３３】
次に、図２Ｂに示すように、キャビティ１１ａ（１２ａ）内の混合粉末層１４上に離型剤１５を塗布する。
【００３４】
次に、キャビティ１１ａ（１２ａ）内に加熱された素材（図示せず）を圧入する。このとき、離型剤１５が存在するために、前記混合粉末層１４が素材に接触することはない。
【００３５】
次に、いわゆる型閉じを行う。これにより前記素材に対する鍛造成形加工が開始され、最終的に、所定形状の等速ジョイントが成形される。
【００３６】
この際に、鍛造用金型１０のキャビティ１１ａ（１２ａ）に対する熱処理が進行する。型閉じに伴い、前記素材から下型１１及び上型１２に対して熱が伝達されるからである。
【００３７】
このように、本実施の形態では、素材の加工熱を利用して鍛造用金型１０の熱処理が行われる。このため、工数及び労力の低減が可能となり、補強に要するコストが低減される。
【００３８】
この熱処理の際に混合粉末層１４のリフローが起こり、鍛造用金型１０のキャビティ１１ａ（１２ａ）内面に混合粉末が均等に被覆される。このとき、第１元素粉末より融点の低い第２元素粉末が先に溶融することで、この第２元素粉末に誘引されるように、第１元素粉末、さらには、Ｗ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂの群の少なくともいずれか１種が均等に被覆される。
【００３９】
この現象は、第２元素粉末の融点が低いほど起こり易い。従って、上記したように、金属の中では比較的低融点のＡｌや、共晶点がＡｌの融点に比して低いＡｌ−Ｍｎ共晶合金を用いることが好適である。なお、Ａｌは、第１元素粉末によって置換されながら表層に移動し、最終的には、溶剤等の酸素と結合して、表層においてスラッジ化される。このため、Ａｌが内部に存在することに起因して鍛造用金型１０の脆化や破断が生じることが回避される。
【００４０】
なお、混合粉末に炭素粉末や樹脂等の還元剤が存在する場合、この還元剤がＯを捕捉する。例えば、炭素粉末、又は樹脂が分解して生じたＣは、Ｏと化合してＣＯ、ＣＯ2となる。このため、Ａｌをはじめとする各種金属が酸化することを防止することができる。
【００４１】
さらに、鍛造用金型１０のキャビティ１１ａ（１２ａ）では、合金鋼の構成元素であるＣや、還元剤が分解することによって生成したＣと、第１元素粉末とが反応し、炭化物が生成される。Ｗ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂの群の少なくともいずれか１種を添加した場合には、これらも炭化物を形成する。
【００４２】
生成した炭化物は、分解、生成を繰り返しながら、鍛造用金型１０のキャビティ１１ａ（１２ａ）の内部深くまで拡散する。すなわち、生成した炭化物は即座に分解して第１元素粉末に戻り、この状態で、表層側に相対的に拡散移動する。
【００４３】
このようにして、鍛造用金型１０のキャビティ１１ａ（１２ａ）の内部に炭化物が拡散し、その結果、図２Ｃに示すように、拡散層１６が形成される。拡散層の厚み、すなわち、炭化物の拡散距離は、最大で表面から１５ｍｍ程度の深さまで及ぶ。
【００４４】
なお、炭化物の濃度は漸次的に減少し、炭化物の拡散到達終端部と鍛造用金型１０との間に明確な界面が生じることはない。従って、この部位に応力集中が生じて脆性破壊が生じることを回避することができるので、拡散層１６が形成された鍛造用金型１０のキャビティ１１ａ（１２ａ）の靱性が確保される。
【００４５】
換言すれば、この場合、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。従って、鍛造加工を繰り返し行っても、鍛造用金型１０に割れ等の損傷が生じ難い。すなわち、鍛造用金型１０の寿命を長期化することができる。
【００４６】
しかも、炭化物が存在する領域では、鍛造用金型１０の硬度が向上する。上記したように、本実施の形態に係る金型補強方法によれば、鍛造用金型１０の内部深くまで炭化物が存在するので、該鍛造用金型１０の硬度及び強度が内部まで上昇し、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。
【００４７】
さらには、ＴｉＣ、ＴｉＮ等が生成することにより、いわゆる炭化物効果によって金属の耐熱性が向上するとともに、いわゆる炭化物分散効果によって金属の強度が向上する。
【００４８】
スパイダは、前回の鍛造成形加工時に補強がなされた鍛造用金型１０を用いて連続的に製造される。すなわち、温間鍛造加工ないしは熱間鍛造加工が繰り返して実施される。しかしながら、上記したように、鍛造用金型１０には補強が施されているので、該鍛造用金型１０にクラックや摩耗等が生じることが抑制される。結局、寸法精度に優れるスパイダを長期間にわたって作製することが可能となる。
【００４９】
以上、本実施の形態に係る金型補強方法について詳述したが、本発明は、この実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更ができるものである。
【００５０】
例えば、前記Ｆｅ基合金は、合金鋼の他に、ＳＣＭ、ＳＮＣ、ＳＮＣＭ、ＳＣｒの構造用合金鋼、又は炭素鋼、低炭素鋼の構造用鋼であってもよい。
【００５１】
また、金型は鍛造用金型１０に限定されるものではなく、プレス用金型や鋳造用金型等、鍛造加工以外に供される金型であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本実施の形態に係る金型補強方法が実施される鍛造用金型の概略斜視図である。
【図２】図２Ａ〜図２Ｃは、図１の鍛造用金型の補強過程を示す工程説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…鍛造用金型                  １１…下型
１１ａ、１２ａ…キャビティ        １２…上型
１３…刷毛                        １４…混合粉末層
１５…離型剤                      １６…拡散層
【図１】
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【図２】
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