(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パンチの表層部に酸素を含む硫化鉄粒子と窒化鉄粒子からなる化合物層を有する表面処理を施した鍛造用パンチを用いて、１０００〜１２００℃の鋼材を鍛造する際に、水溶性高分子系潤滑剤を表面温度が２５０〜３５０℃のパンチ表面に噴霧または塗布することにより該パンチ表面に厚さ３５μｍ以上の被膜を付着させ、前記水溶性高分子系潤滑剤を使用してパンチの温度が表面から３ｍｍの位置で２５０〜３５０℃になるように冷却・潤滑しながら前方押出しまたは後方押出し鍛造することを特徴とする鋼材の熱間鍛造方法。
【請求項２】
前記熱間鍛造は、押込み形状比（最大押込み長さ／孔径）が０．３〜２．０である前方押出しまたは後方押出し鍛造であることを特徴とする請求項１に記載の鋼材の熱間鍛造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車部品などを熱間で成形する際の熱間鍛造方法およびそれに使用する鍛造用パンチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱間鍛造に使用されるパンチとしては、ＪＩＳに規定されるＳＫＤ６１，ＳＫＴ４などの熱間工具鋼、あるいはさらに熱間強度の高いＳＫＤ７，ＳＫＤ８や一層強度の高い高速度鋼またはその改良鋼が用いられている。
【０００３】
近年、鍛造部品の高精度化と加工能率の向上の要求から、鍛造成形技術の動向として、ニヤネット鍛造に移行しており、熱間鍛造の加工形状が一層複雑になっている。このため、成形時に被加工材の塑性流動が大きくなり、金型表面の摩擦熱による温度上昇により、前記工具鋼の変態点を越えて工具寿命が大幅に低下するという問題点が生じている。
【０００４】
とくに、例えば自動車部品などにおいて、深い孔部など有する部品を鍛造パンチにより押し込み成形する場合には、鍛造パンチの温度が上がりやすいのでパンチの摩耗が多く、その寿命が低下し、かつ鍛造成品の加工精度が低下し易い。
【０００５】
このような工具寿命の低下を防止するために、前記工具鋼の表面に表面処理を施して潤滑性と耐摩耗性を増し、パンチ寿命を増すとともに被加工品の加工精度を向上させることが行われている。
【０００６】
この表面処理した金型工具としては、例えば特開平１０−２０４６１０号公報、特開平１０−２１９４２１〜２１９４２３号公報など多くの発明が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記表面処理した鍛造パンチであっても、鍛造方法によって工具寿命が異なり、工具寿命をあまり延ばせない場合もある。とくに前述した深孔の部品を熱間押し込み成形する鍛造パンチなどでは、工具寿命は鍛造方法により大きく左右される。
【０００８】
そこで本発明は、上記問題点を解決し、熱間鍛造用パンチの寿命を向上し、加工精度を上げる熱間鍛造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明の鋼材の熱間鍛造方法は、パンチの表層部に酸素を含む硫化鉄粒子と窒化鉄粒子からなる化合物層を有する表面処理を施した鍛造用パンチを用いて、１０００〜１２００℃の鋼材を鍛造する際に、水溶性高分子系潤滑剤を表面温度が２５０〜３５０℃のパンチ表面に噴霧または塗布することにより該パンチ表面に厚さ３５μｍ以上の被膜を付着させ、前記水溶性高分子系潤滑剤を使用してパンチの温度が表面から３ｍｍの位置で２５０〜３５０℃になるように冷却・潤滑しながら前方押出しまたは後方押出し鍛造することを特徴とするものである。
【００１０】
すなわち、本発明の熱間鍛造方法は、前述の工具表面の潤滑性と耐摩耗性を増した表面処理として、表層部に酸素を含む硫化鉄粒子と窒化鉄粒子からなる化合物層を有する表面処理を施したパンチを使用する。これにより、硫化鉄粒子が潤滑性を与え、窒化鉄粒子が硬さを与えてパンチの寿命を向上させる。水冷の場合、この寿命向上の効果は、金型表面から３ｍｍの位置で熱電対で測定されるパンチの温度が３５０℃を超えると低下するので、このパンチの温度を３５０℃以下になるように水冷しながら鍛造することが望ましい。
【００１２】
すなわち、前記の表面処理を施したパンチを使用した場合に、水溶性高分子系潤滑剤を使用することにより一層の工具寿命の向上を図ることができる。この場合金型表面から３ｍｍの位置で熱電対で測定されるパンチの温度を、水溶性高分子系潤滑剤の潤滑効果が最も発揮される２５０〜３５０℃になるようにして冷却しながら鍛造を行うことにより、パンチの表面処理の効果を一層発揮させ、鍛造加工精度を上げパンチの寿命を向上させることができる。
【００１３】
また、前記水溶性高分子系潤滑剤を、表面温度が２５０〜３５０℃のパンチ表面に噴霧または塗布することにより、該パンチ表面に被膜厚さ３５μｍ以上付着させて鍛造することが、潤滑効果をあげてパンチ寿命を向上するために望ましい。
【００１４】
ここでパンチ表面温度を２５０〜３５０℃とするのは、２５０℃以下とすると水溶性高分子系潤滑剤が乾燥被膜として堆積せず、洗い流されてしまうためにパンチ表面の付着が不十分になり、潤滑剤の吹付量を多くしても被膜厚さが薄くなり潤滑効果が発揮できないからである。また、３５０℃以上では水溶性高分子系潤滑剤の被膜が炭化及び酸化してしまうために、有効な形成されないためである。このようにパンチ表面温度を２５０〜３５０℃に維持して、高分子系潤滑剤をパンチ表面に噴霧または塗布すれば、該潤滑剤の被膜厚さを３５μｍ以上にすることが容易で、これにより工具寿命と加工精度の向上が図れる。
【００１５】
前記熱間鍛造は、押込み形状比（押込み長さ／孔径）が０．３〜２．０である前方押出しまたは後方押出し鍛造に最も適する。ここで押込み形状比とは、図４に示すパンチ形状の場合の押込み長さＬと孔径Ｄの比、Ｌ／Ｄをいうものである。すなわち、押込み形状比が０．３以下の浅い孔の押し込みでは、工具の摩耗が少ないので本発明の効果が少く、また、押込み形状比２．０以上の深い孔では、パンチ温度の上昇が大きく、工具本体の強度が十分でないための損傷が多くなり、本発明の効果はあっても十分にその効果が発揮できないからである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の熱間鍛造方法の実施形態について具体的に説明する。
【００１７】
鍛造パンチとしては、表１に示す成分の工具鋼を図１に示す形状に加工した後、４８ＨＲＣの硬さに調質し、下記する条件で浸硫窒化処理を行った。
【００１８】
【表１】
0004224219.tif 000002
【００１９】
浸硫窒化処理は表２に示す条件で次のようにして行った。まずガス発生容器内に無色硫化アンモニウム溶液と黄色硫化アンモニウム溶液を６：１ないし１：１の割合で供給し、発生する液面上ガスとアルゴンまたは窒素ガスからなる搬送用ガスとの混合ガス中の硫化水素ガス濃度を１００〜６００ｐｐｍ、アンモニアガス濃度を０．１〜１．０％に調整して、熱間鍛造用パンチを装入し６００℃に加熱された反応炉に導入するとともに、別容器から供給するアルゴンまたは窒素ガスとアンモニアガスにより前記反応炉内のアンモニア濃度を２０〜７０％に調整し、６００℃保持後の冷却速度を１００℃／ｈにして徐冷してガス浸硫窒化処理を行った。
【００２０】
【表２】
0004224219.tif 000003
【００２１】
この浸硫窒化処理したパンチの表層部の構造は、（混合物層＋中間層＋白層＋窒素拡散層）からなり、混合物層のＳ／Ｎは６．０、混合物層中のＳ％は２８．４であった。
【００２２】
［実施例１］  潤滑剤の付着試験
上記のパンチを使用して、実施例１として鍛造時に使用する潤滑剤の付着試験を行った。潤滑剤としては、２０％に調整した水溶性高分子系潤滑剤溶液を使用した。このパンチを１５０〜５００℃の範囲で温度を変えて加熱し、その表面に前記潤滑剤を噴霧により塗布し、付着する潤滑剤の膜厚を測定した。
【００２３】
その結果を図２に示す。図から、パンチ温度が１８０℃では膜厚は２５μｍであるが、約３５０℃までは温度の上昇とともに付着する膜厚が厚くなり、２８０℃近辺で約３５μｍを超える厚さになる。３５０℃を超えると急激に膜厚が減少して約２０μｍに低下する。これは、潤滑剤が温度上昇により炭化、酸化するためである。
【００２４】
上記結果から、高分子系白色潤滑剤をパンチ温度を２５０〜３５０℃で塗布することにより、３５μｍ以上の膜厚がえられることが分かった、この温度は望ましくは２５０〜３３０℃である。
【００２５】
［実施例２］  パンチ温度とパンチ寿命
次に、上記の潤滑剤に対する知見に基づいて、パンチに潤滑剤を噴霧して冷却しながらパンチの温度範囲を変えて鍛造試験を行った。パンチの温度は表面から３ｍｍの深さに穿孔した孔に熱電対を挿入して測定した。鍛造パンチとしては、前記の浸硫窒化処理を行った図１のパンチを使用して深さ７０ｍｍの押し込みを行った。押し込み形状比Ｌ／Ｄは約０．６７である。
0004224219.tif 000004
【００２６】
この試験結果におけるパンチ温度と工具寿命との関係を表３および図３に示す。なお、パンチの温度は、パンチ表面から３ｍｍの点まで孔を開けて、この孔に熱電対を装入して温度を測定した。表３および図３中、記号Ｓはパンチ表面に生じたえぐれなどのシビアーな摩耗を示し、Ｍはすじ、コーナー摩耗などのマイルドな摩耗を示す。
【００２７】
【表３】
0004224219.tif 000005
【００２８】
表３および図３から、パンチ温度が２９０℃および３２５℃の試料Ｎｏ．１−３および１−４は、パンチ寿命が９０００ショット以上であり、パンチ温度が２６０℃の試料Ｎｏ．１−２は５２００ショットであった。とくに試料Ｎｏ．１−４は摩耗もマイルドなコーナー摩耗のみであった。一方、パンチ温度が低い２２５℃の試料Ｎｏ．１−１では２２００ショットにしか達しなかった。また、パンチ温度が高い３６５℃の試料Ｎｏ．１−５は３４００ショット、パンチ温度が３８０℃の試料Ｎｏ．１−６では４３００ショット、パンチ温度が３８５℃の試料Ｎｏ．１−７では１１００ショットにしか達しなかった。ただしパンチ温度が３６５℃の試料Ｎｏ．１−５は、摩耗はマイルドなコーナー摩耗のみであった。
【００２９】
このように、パンチ温度が２５０℃未満または３５０℃を超えるとパンチ寿命が大幅に低下することが分かった。そこで本発明のパンチ温度範囲は２５０〜３５０℃としたものである。
【００３０】
［実施例３］  押し込み形状比Ｌ／Ｄとパンチ寿命
実施例２により、パンチの温度と潤滑剤の使用に関する知見を得たので、実施例３ではパンチ温度と潤滑剤を同一条件にして、１１００℃の熱間鍛造における表面処理の効果と押し込み形状比Ｌ／Ｄの影響を調査した。パンチは、前記表１に示す鋼種の工具鋼を４８ＨＲＣの硬さに調質し、図４の形状に加工したものを使用した。パンチの寸法は表４に示す。
【００３１】
【表４】
0004224219.tif 000006
【００３２】
このパンチについて、表面処理の効果を見るため、表面処理を行わない試料Ｎｏ．２−１とイオン窒化処理を行った試料Ｎｏ．２−２、および本浸硫窒化処理を行ったＮｏ．２−３〜２−５を作製し鍛造試験を行った。本浸硫窒化処理は実施例１と同条件で行った。
【００３３】
このパンチを用いて、１１００℃の熱間鍛造試験を行った。前記実施例２の知見に基づき、実施例２の水溶性高分子系潤滑剤を用い、潤滑剤を噴霧してパンチ温度が３００℃になるように冷却しながら行った。その鍛造試験結果を併せて表４に示す。
【００３４】
表４から、同じ押し込み形状比の、Ｌ／Ｄ＝０．４の試料Ｎｏ．２−１〜２−３について比較すると、表面処理をしない試料Ｎｏ．２−１は５００ショットであったが、イオン窒化に試料Ｎｏ．２−２では４０００ショットに伸びた。本浸硫窒化処理試料Ｎｏ．２−３では、さらに１００００ショットまで寿命が延び、本浸硫窒化処理の効果が認められた。
【００３５】
また、押し込み形状比Ｌ／Ｄが異なる試料Ｎｏ．２−３〜２−５について見ると、Ｌ／Ｄ＝０．４の試料Ｎｏ．２−３の１００００ショットに対し、当然Ｌ／Ｄが大きくなると寿命が落ち、Ｌ／Ｄ＝１．８の試料Ｎｏ．２−４では６０００ショットになったが、なお本発明鍛造方法の効果が認められる。しかし、Ｌ／Ｄ＝３．０の試料Ｎｏ．２−５では１３００ショットになり、本発明の鍛造方法によっても、なおあまり寿命の向上は図かれなかった。
【００３６】
また、実験はしなかったが、Ｌ／Ｄの非常に小さい浅い押し込みでは、表面処理しないでも相当の寿命が得られることが認められているので、以上の結果から本発明の鍛造方法の効果の範囲をＬ／Ｄ＝０．３〜２．０とした。
【００３７】
［実施例４］  水冷の場合のパンチ寿命
実施例４は、潤滑剤を用いず冷却水によりパンチ温度を金型表面から３ｍｍの位置で３５０℃以下に外冷しながら熱間鍛造を行った事例を示す。単純形状の部品を鍛造する場合は、通常は高速多段式熱間鍛造機が使用される。そこで、本発明の表面処理パンチを使用して８０ショット／毎分のサイクルで高速鍛造したパンチ寿命の結果を表５に示す。
【００３８】
【表５】
0004224219.tif 000007
【００３９】
表中のＬ／Ｄ＝０．４４の場合で比較すると、本発明の表面処理パンチは無処理及びイオン窒化処理のパンチに比してパンチ寿命が著しく向上している。一方、本発明の表面処理パンチで見ると、Ｌ／Ｄが増加するとパンチ寿命が低下し、Ｌ／Ｄ＝３．０では８００ショットに低下する。これらから、本発明の表面処理パンチにおいてもＬ／Ｄは２．０以下が望ましいことが分かった。
【００４０】
以上説明したように、本発明の前方押出しまたは後方押出しの熱間鍛造方法は、パンチの表層部に酸素を含む硫化鉄粒子と窒化鉄粒子からなる化合物層を有する表面処理を施した鍛造用パンチを用いて、１０００〜１２００℃の被鍛造材を、水冷または水溶性高分子系潤滑剤を使用してパンチの温度が金型表面から３ｍｍの位置で２５０〜３５０℃になるように冷却・潤滑しながら鍛造するので、パンチ表面の硫化鉄粒子が潤滑性を与え、窒化鉄粒子が硬さを与えてパンチの寿命を向上させる。また、鍛造パンチの温度を２５０〜３５０℃になるように水溶性高分子系潤滑剤を用いて、その被膜厚さ３５μｍ以上を付着させて、冷却しながら鍛造を行うので水溶性高分子系潤滑剤の潤滑効果が最も発揮され、表面処理の効果とあいまってパンチの寿命が向上し、鍛造の加工精度が向上する。
【００４１】
本発明の前記熱間鍛造は、押込み形状比（押込み長さ／孔径）が０．３〜２．０である前方押出しまたは後方押出し鍛造に最も適する。押込み形状比が０．３以下の浅い孔の押し込みでは、工具の摩耗が少ないので本発明の効果が少く、また、押込み形状比２．０以上の深い孔では、パンチ温度の上昇が大きく、工具本体の強度が十分でないための損傷が多くなり、本発明の効果はあっても十分にその効果が発揮できないからである。
【００４２】
【発明の効果】
上述したように、本発明の熱間鍛造方法によれば、前方押出しまたは後方押出し鍛造において、鍛造パンチの摩耗が減少してその寿命が増すとともに、パンチの変形が減少するので、深い孔の押し込み鍛造などにおいても、加工精度の高い鍛造部品が得られる。これにより、工具コストが低減でき、鍛造部品の原価低減に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明実施例１、２の鍛造パンチの形状を示す図である。
【図２】  本発明実施例１のパンチ温度と潤滑剤の付着量を示す図である。
【図３】  本発明実施例２のパンチ温度とパンチ寿命の関係を示す図である。
【図４】  本発明実施例３に使用した鍛造パンチの形状を示す図である。
【符号の説明】
Ｌ  押込み長さ、Ｄ  孔径
【図１】
0004224219.tif 000008
【図２】
0004224219.tif 000009
【図３】
0004224219.tif 000010
【図４】
0004224219.tif 000011