(57)【要約】【課題】  直彫り加工が比較的容易となる新規な金型材の製造装置を提供する。【解決手段】  本発明の金型材の製造装置１は、カーボン製の下パンチ１０２、ダイ１０１及び上パンチ１０３と、材料に通電する電源１０４が備わっており、前記金型材２００に形成する所定の凹凸形状２００ａと反対向きの凸凹形状１０２ａが下パンチ１０２に切削加工にて形成されており、炭化タングステン（ＷＣ）を基礎とした超硬合金製の金型材２００を通電焼結する構成である。【選択図】  図１
2016108645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化タングステン（ＷＣ）を基礎とした超硬合金製の金型材を製造する製造装置であって、１組のパンチ及びダイが備わっており、前記金型材に形成する所定の凹凸形状と反対向きの凸凹形状が前記パンチのうち片方ないしは両方のカーボン製のパンチに切削加工にて形成されており、前記凸凹形状と反対向きの凹凸形状が形成された前記金型材を通電焼結することを特徴とする金型材の製造装置。
【請求項２】
前記通電焼結の際にＷＣと反応し難い塗膜が予め前記凸凹形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の金型材の製造装置。
【請求項３】
１組のパンチ及びダイを用いて、炭化タングステン（ＷＣ）を基礎とした超硬合金製の金型材を製造する製造方法であって、前記金型材に形成する所定の凹凸形状と反対向きの凸凹形状を前記パンチのうち片方ないしは両方のカーボン製のパンチに切削加工にて形成し、その後、前記凸凹形状と反対向きの凹凸形状が形成された前記金型材を通電焼結することを特徴とする金型材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化タングステン（ＷＣ）を基礎とした超硬合金製の金型材を製造する金型材の製造装置及び金型材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、炭化タングステン（ＷＣ）粒子と結合金属としてのコバルト（Ｃｏ）とを適切な割合で混合し焼結させた超硬合金が知られている。ＷＣ粒子とＣｏを混合し焼結させた超硬合金（Cemented Carbide）は、高硬度かつ高強度であることなどから、金型や切削工具などの超硬工具を製造するための材料として使用されている。
【０００３】
自動車、航空機、産業機械等に用いられる機械部品の製造方法として、型鍛造が知られている。型鍛造は、対をなす金型（ダイス）同士、つまり上型及び下型を、ダイセットを介してプレス機に取り付けて、金属素材（ビレット）がセットされた金型同士を相対運動させ、金型内のパンチやスライダによって金属素材（以下、素材という）に圧力を加え（押圧し）塑性流動させて成形する方法である。型鍛造は、鍛流線 (fiber flow) が連続することで組織が緻密になることから、鋳造に比べて強靭な機械部品をつくることができる。
【０００４】
特許文献１には、プレス成形用複合金型材の製造に関し、「粉末材料を成形ダイ中に装入し、上パンチおよび下パンチで圧縮して圧粉体とするとともに、該圧粉体にパンチを通して電圧を印加し通電焼結することにより焼結体とする方法において、成形ダイにセットした下パンチの上に所定形状に成形した鋼材を載置し、該鋼材上に、結合相成分の含有量が段階的に少なくなるよう調整した炭化タングステン基超硬合金の粉末を順に３層以上積層充填した後、上パンチをセットし、該粉末を圧縮、通電焼結して焼結体とするとともに、該焼結体と前記鋼材とを拡散反応により接合すること（その請求項４）」が、記載されている。
【０００５】
特許文献２には、型と成形体の離型性を向上させることに関し、「被成形材料を通電をしながら焼結して成形体を作製する際に使用する離型性に優れた型材料を用いた型であって、少なくとも成形体と接する部分の一部又は全部に、酸化イットリウムで部分安定化した酸化ジルコニウムの粉末を、真空中で黒鉛型・パンチを用いた通電焼結によって作製してなる、室温においてもわずかに導電性がある黒色の酸化ジルコニウムを用いたこと、通電により酸化ジルコニウムの酸素を型内部から型の表面に移動させて、作用を有すること（その請求項１）」が、記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−０３６００５号公報
【特許文献２】特開２００４−１７６１２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、超硬合金製の金型は、当然ながら、超硬合金製の金型材からなる。従来、超硬合金製の金型材は、型彫り放電加工を行って、その後、手加工などで表面仕上げ加工を行っていた。この工法の問題点として、放電加工による放電痕が残留することで金型寿命が短くなることが挙げられる。そこで、放電痕が生じない工法として、直彫り加工を行って、その後、手加工などで表面仕上げ加工を行う方法が検討されている。この工法は、放電加工による放電痕が生じないため金型寿命が長くなる等の利点がある。その一方で、直彫り加工はツールの摩耗が激しいという問題点がある。このため、直彫り加工は、直径がφ２０ｍｍ以下の金型にのみ限定的に適用されているのが実情である。
【０００８】
ここで、特許文献１，２等に記載の従来技術では、その表面に凹凸の無い単純な形状の金型材を通電焼結にて製造することは記載されているが、焼結された金型材から金型としての加工をどのように施すのかについての記載はない。
そのため、従来どおり、型彫り放電加工または直彫り加工を施すことを想定していると考えられるが、型彫り放電加工を行った場合は、放電加工による放電痕が残留することで金型寿命が短くなることは避けられない。また、直彫り加工を行った場合は、ツールの摩耗が激しい。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、炭化タングステン基超硬合金の金型材に関し、直彫り加工が比較的容易となる新規な金型材の製造装置並びに当該金型材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の金型材の製造装置は、炭化タングステン（ＷＣ）を基礎とした超硬合金製の金型材を製造する製造装置であって、１組のパンチ及びダイが備わっており、前記金型材に形成する所定の凹凸形状と反対向きの凸凹形状が前記パンチのうち片方ないしは両方のカーボン製のパンチに切削加工にて形成されており、前記凸凹形状と反対向きの凹凸形状が形成された前記金型材を通電焼結することを特徴とする。
【００１１】
本発明では、通電焼結によって所定の凹凸形状が形成された金型材を製造する構成となっている。よって、本発明によって製造された金型材は、その表面に凹凸の無い単純な形状の金型材を直彫り加工する場合と比較して、短時間で所望の金型形状に仕上げることができ、ツールの摩耗も軽減される。
【００１２】
前記パンチは、上パンチと下パンチから構成される。前記凸凹形状は上パンチに形成する場合と下パンチに形成する場合とその両方に形成する場合がある。具体的な実施形態としては、下パンチに前記凸凹形状を形成する場合が多い。例えば、ベベルギヤ用金型を製作するときは、下パンチに前記凸凹形状を形成する。例えば、スパーギヤ用の金型を製作するときは、中子に前記凸凹形状を形成し当該中子を下パンチに入れる。
【００１３】
本発明は、前記通電焼結の際にＷＣと反応し難い塗膜が予め前記凸凹形状に形成されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、通電焼結後の前記金型材が剥離容易となり、繰り返し前記金型材を製造することが容易な構成となる。
【００１５】
前記塗膜は、絶縁体であって、カーボン及び炭化タングステン基超硬合金と反応し難い材質である。前記塗膜の材料としては、アルミナ粉、ジルコニア粉、ＰＺＴ粉等が挙げられる。
【００１６】
例えば、前記塗膜の材料はそのサイズが１００μｍ以内のアルミナ粉からなる。これによれば、前記塗膜の金型材の実寸法への影響が小さくなり、設計寸法と通電焼結後の金型材の実寸法との誤差を１００μｍ以内とすることが容易となる。
【００１７】
本発明の金型材の製造方法は、１組のパンチ及びダイを用いて、炭化タングステン（ＷＣ）を基礎とした超硬合金製の金型材を製造する製造方法であって、前記金型材に形成する所定の凹凸形状と反対向きの凸凹形状を前記パンチのうち片方ないしは両方のカーボン製のパンチに切削加工にて形成し、その後、前記凸凹形状と反対向きの凹凸形状が形成された前記金型材を通電焼結することを特徴とする。
【００１８】
カーボン材は、超硬合金材に比べて、切削加工が極めて容易である。本発明によれば、通電焼結によって所定の凹凸形状が形成された金型材を製造するので、その表面に凹凸の無い単純な形状の金型材を直彫り加工する場合と比較して、短時間で所望の金型形状に仕上げることができ、ツールの摩耗も軽減される。
【００１９】
前記金型材は、プレス用金型材として好適であり、特に鍛造用金型材として好適である。
【００２０】
例えば、下パンチに前記凸凹形状を形成してから塗膜を形成し、前記塗膜によって前記金型材と前記下パンチとを前記通電焼結後に剥離容易とする。この方法によれば、前記下パンチの凸凹形状に予め塗膜を形成しているので、通電焼結後に前記金型材と前記下パンチとが剥離容易となる。
【００２１】
前記塗膜の形成方法は、スプレー法、溶射、浸漬、その他の既知の塗膜形成方法が適用できる。
【００２２】
例えば、前記凸凹形状に、アルミナ粉が含有された溶液をスプレー塗布して乾燥させ前記塗膜を形成する。この方法によれば、前記塗膜を均一な厚みで形成することが容易となる。
【００２３】
前記金型材の粉末混合物は、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分としており、ＷＣの含有量は６０〜９５質量％である。前記粉末混合物には、例えば、前記金型材の結合相成分となる金属元素として、コバルト（Ｃｏ）またはニッケル（Ｎｉ）のいずれかないしは両方が含有される。前記粉末混合物には、上記の元素以外に、添加剤として既知の元素を加える場合がある。例えば、添加剤としてＣｒがＣｏ含有量の２〜１８質量％含有される。例えば、前記粉末混合物を順に入れてセットし、圧力が１０〜１００ＭＰａで加圧しながら通電することで温度が１０００〜１３００℃に加熱して焼結体とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の金型材の製造装置と金型材の製造方法によれば、通電焼結によって製造された金型材には凹凸形状が形成されており、従来よりも短時間の直彫り加工によって、所望の金型形状に仕上げることができ、ツールの摩耗も軽減される。本発明によれば、通電焼結後の前記金型材が剥離容易となり、繰り返し前記金型材を製造することが容易な構成となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明を適用した実施形態の金型材の製造装置を示す構造図である。
【図２】上記実施形態に係る下パンチを例示する斜視図である。
【図３】上記実施形態の製造装置によって製造された金型材の転写特性を示すグラフ図である。
【図４】上記実施形態の金型材の製造装置によって製造された金型材の組織を光学式金属顕微鏡にて撮像した画像である。
【図５】上記実施形態の金型材の製造装置の他の例を示す構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明を実施するため形態を、実施例に基づいて以下に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明と実質同一又は均等の範囲内において、既知の変更を加えることが可能である。
【００２７】
（実施形態の製造装置）
図１は、本発明を適用した実施形態の金型材の製造装置１を示す構造図である。本実施形態の金型材の製造装置１は、カーボン製の下パンチ１０２とダイ１０１と上パンチ１０３、及び材料に通電する電源１０４が備わっており、通電焼結によって、炭化タングステン（ＷＣ）を基礎とした超硬合金製の金型材２００を製造する製造装置である。前記下パンチ１０２には、金型材１０２に形成する所定の凹凸形状２００ａと反対向きの凸凹形状１０２ａが切削加工にて形成されている（図１）。
図２は本実施形態に係る下パンチ１０２を例示する斜視図である。前記下パンチ１０２の凸凹形状１０２の上には、通電焼結の後に前記金型材２００と下パンチ１０２とを剥離容易とする塗膜１０４が形成されている（図１、図２）。前記塗膜１０４は、サイズが１００μｍ以内のアルミナ粉からなる。図２に示す例では、金型材２００は円柱形状の下面に凹凸形状２００ａが形成されているが、この例に限定されず、四角柱形状の下面に凹凸形状２００ａが形成されている場合がある。
【００２８】
（実施形態の製造方法）
本実施形態の金型材の製造方法は、カーボン製の下パンチ１０２、ダイ１０１及び上パンチ１０３を用いて、炭化タングステン（ＷＣ）を基礎とした超硬合金製の金型材２００を製造する製造方法であって、予め前記下パンチ１０２に切削加工にて所定の凸凹形状１０２ａを形成し、その後、通電焼結によって凸凹形状１０２ａと反対向きの凹凸形状２００ａが形成された金型材２００を製造する（図１を参照）。
本実施形態では、前記下パンチ１０２の凸凹形状１０２ａに、アルミナ粉が含有された溶液をスプレー塗布して乾燥させ塗膜１０４を形成する（図２を参照）。前記溶液は、例えば、アルコールを主成分とした溶液に、体積比で５０％のアルミナ粉を混合し、既知のスプレー法にて塗膜１０４を形成する。
【００２９】
本実施形態によれば、通電焼結によって製造された金型材２００には凹凸形状２００ａが形成されており、従来よりも短時間の直彫り加工によって、所望の金型形状に仕上げることができ、ツールの摩耗も軽減される。そして、通電焼結後に金型材２００と下パンチ１０２とが剥離容易となり、繰り返し金型材２００を製造することが容易となる。
【００３０】
図５は、上記実施形態の金型材の製造装置の他の例を示す構造図である。図５に示す金型材の製造装置１は、カーボン製の下パンチ１０２とダイ１０１と上パンチ１０３、及び材料に通電する電源１０４が備わっており、前記下パンチ１０２には、金型材２００に形成する所定の凹凸形状２００ａと反対向きの凸凹形状１０２ａが切削加工にて形成されている（図５）。さらに、前記上パンチ１０３には、金型材２００に形成する所定の凹凸形状２００ｂと反対向きの凸凹形状１０３ｂが切削加工にて形成されている（図５）。本実施形態によれば、金型材２００の両面にそれぞれ所望の凹凸形状２００ａ，２００ｂを形成することができる。
【００３１】
（実施例）
冷間鍛造用金型材としては、その平均粒度が１．５〜２０．０μｍのＷＣ粉が使用され、Ｃｏ粉末が７〜２５質量％配合される。
これらＷＣ粉と、Ｃｏ粉末をそれぞれ秤量して有機溶媒（アルコール、アセトン、ヘキサン等）とともにボールミル或いはアトライターにいれて湿式混合する。その後、有機溶媒を蒸発除去し混合した粉末を乾燥させ粉末混合物とする。スプレードライヤでこれら粉末を乾燥し同時に造粒を行うことで、量産性を高められる。
【００３２】
まず、ダイ１０１に下パンチ１０２をセットする。次に、前記粉末混合物を装置１に入れて、上パンチ１０３をセットする。そして、電源１０４をＯＮして通電焼結する。例えば、圧力が１０〜１００ＭＰａで加圧しながら通電することで焼結体の温度を１０００〜１３００℃に加熱する。加熱時間は、最高温度で５〜１２０分間である。前記焼結条件は組成、形状、用途に応じて最適の条件が選ばれる。そして、前記焼結後に金型材２００を取り出して、直彫り加工し、研磨加工して鍛造用金型を完成させる。金型材２００は、直径がφ１００ｍｍの円柱形状の下面に凹凸形状２００ａが形成されている。
【００３３】
図３は、上記実施形態の製造装置１によって製造された金型材２００の転写特性を示すグラフ図である。図３（ａ）は溝形状の転写特性であり、図３（ｂ）は穴形状（窪み）の転写特性である。前記溝形状の深さは５００μｍである。前記穴形状の深さは３０００μｍである。図３（ａ）（ｂ）に示すとおり、設計寸法と通電焼結後の金型材の実寸法との誤差が５０μｍ以内となっていることが分かる。
【００３４】
図４は、上記実施形態の金型材の製造装置によって製造された金型材２００の組織を光学式金属顕微鏡にて撮像した画像である。図４に示すとおり、金型材２００の組織は、健全相となっていることが確認された。
【００３５】
本発明は、上述の実施形態や実施例に限定されず、各種バリエーションに応じて仕様を変更することができる。
例えば、上述の説明では、前記溝形状の深さが５００μｍであり、前記穴形状の深さが３０００μｍの例を挙げて説明したが、これに限定されず、前記溝形状の深さを３０００μｍとする場合があり、もっと大きな溝形状としてもよく、ベベルギヤのような形状とする場合もある。例えば、上述の説明では、前記下パンチ１０２に凸凹形状１０２を形成するとして説明したが、これに限定されず、中子に前記凸凹形状を形成し当該中子を下パンチに入れてもよく、上パンチに前記凸凹形状を形成する場合がある。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３６】
１                    本発明の金型材の製造装置、
１０１                ダイ、
１０２                下パンチ、    １０２ａ  凸凹形状、
１０３                上パンチ、    ２００ａ  凹凸形状、
１０４                塗膜、
２００                金型材
【図１】
2016108645.tif 000003
【図２】
2016108645.tif 000004
【図３】
2016108645.tif 000005
【図４】
2016108645.tif 000006
【図５】
2016108645.tif 000007