(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム系金属を潤滑剤を用いずに絞り加工する金型において、
ニッケル金属及び／又はコバルト金属が６．０重量％以上１０．０重量％未満、
周期律表第５ａ・６ａ族金属の炭化物として、ＶＣが０〜１．９重量％、ＮｂＣが０〜６．１重量％、Ｃｒ３Ｃ２が０〜８．６重量％、Ｍｏ２Ｃが３．２〜９．７重量％、ＷＣが０〜９．７重量％の範囲で選択され、かつ合計で８．０〜２３．０重量％、
残部がチタンの炭化物及び／又は窒化物からなり、該チタンの炭化物及び／又は窒化物におけるＣ／（Ｃ＋Ｎ）の比率が０．７〜１．０のＴｉＣ系サーメット材からなり、強度が１０５〜１５０ｋｇ／ｍｍ２、硬度が１６００〜１９００ｋｇ／ｍｍ２で、摩擦係数のμ値が０．１４〜０．２４の範囲であることを特徴とする無潤滑絞り金型。
【請求項２】
被加工物と摺動する表面の最大高さがＲｙ０.４〜１.２μｍであることを特徴とする請求項１記載の無潤滑絞り金型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軟質金属の塑性絞り金型に係り、特に、近年需要が高まっている軽量であるアルミニウム系金属を潤滑剤を用いなくても絞り加工することが可能な絞り金型（以下、無潤滑絞り金型という）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話のリチウムイオンバッテリーに使用するアルミニウム系金属の外装ケースを絞り形成加工する工程において、ダイスやパンチ等の金型を用いた絞り加工が行われている一般の絞り加工の中で最も重要な形成工程は、しごき加工と言われる仕上げ工程であり、被加工材表面のアルミニウム金属がしごき加工の際にダイスに凝着して、被加工材表面にしごき方向と平行に疵や変色模様が生じること、いわゆるゴーリングが生じることが多々ある。
【０００３】
このようなゴーリングは、製品の外観品質を損ない、特にアルミニウムバッテリーケースのような、リサイクル仕様の目的で表面に皮膜を施さずにアルミニウム素地を露出させて使用する用途では、電圧特性上致命的な欠陥とされている。またゴーリングが激しい場合には、しごき加工中にそのゴーリング発生部分から材料破断が生じて、作業を中断させざるを得なくなって、作業能率を低下させることもある。またこのようにしごき加工中にゴーリングによって材料破断が生じた場合、破断した破片がしごきダイスや加工装置に損傷を与えることもある。
【０００４】
そのため絞りしごき加工においては、しごき加工時のゴーリングの発生を抑制することが強く望まれている。従来、例えば、携帯電話のリチウムイオンバッテリーに使用する外装アルミニウム鋼板等を絞り形成する金型部材には、高強度で安定した以下の要件が望まれている。
【０００５】
１）耐摩耗性、耐食性に優れること。
【０００６】
２）アルミニウム鋼板等の金属との摺動特性が良いこと。（低摩擦係数を有すること)
３）衝撃を加えても破損しないこと。
【０００７】
４）熱的安定素材であること。(凝着反応が起こり難いこと)
そして、このような特性を満足するために、絞り金型部材の材質として、酸化イットリウムを安定化剤として含む一般的なジルコニアセラミックス( 特公平４‐５８４２７号公報参照) 、炭化チタン（ＴｉＣ）を主成分とし、周期律表第４ａ族金属を副成分としたニッケル液相サーメット（特開平１０−２１９３８４）、超硬合金( 特公平７−６３７７０号公報参照)又は、これら硬質素材に窒化チタンやＤＬＣコーティング（特開平８−９００９２）を施したものが用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ゴーリングの発生の防止策としては、従来から、絞りしごき加工の前処理として潤滑油原液を被加工材表面に塗油して潤滑性を良好にする方法、またしごき加工時の潤滑油として種々のものを組合せて、油膜切れが生じにくい適切な潤滑油を選定する方法などが適用されていた。しかしながら、潤滑剤を用いて絞り加工した製品は脱脂が必要であり、脱脂時に従来より広く用いられてきたフロンが環境保護の観点から使用できなくなったことに伴って、上記セラミック、サーメット、超硬合金等の素材及びこれらの素材に窒化チタンやＤＬＣコーティングを施した絞り金型はいずれも全ての要求を満足するものではなかった。
【０００９】
即ち、従来のイットリアやマグネシアの安定化剤からなるジルコニアセラミックス製絞り金型は潤滑油を使用できないと、摩擦係数が高く、また熱的安定性も乏しく、被絞りアルミニウム素材を痛めてしまうといった問題があった。
【００１０】
また、従来のＴｉＣ単体系及びＴｉＮ単体系のサーメットからなる絞り金型は、高い摩擦熱が生じた場合に、サーメット中の硬質相に被加工材のアルミニウム元素が酸化固溶反応で凝着し、ニッケル液相金属の粒子間保持力が低下し、粒子脱落がおこり著しく摩耗するという問題があった。酸化固溶反応とは、アルミニウム鋼板中のアルミニウム金属が熱遊離し、酸化した粒子の一部が硬質相( 例えばジルコニアや超硬合金中のタングステン) と固溶凝着することで硬質相が剥がれることを言う。
【００１１】
また、超硬合金からなる絞り金型は、化学的安定性に欠けるため、耐食性に劣り、更には上記サーメット材より遙かに酸化固溶反応が促進し、その結果、著しい焼き付き現象や凝着摩耗といった問題が発生するため、寿命が短かった。
【００１２】
さらに、上記硬質素材に窒化チタンやＤＬＣコーティングなどのコーティングを施した絞り金型は、熱膨張係数の違いから剥離が起こり、結果としてその後の母材が摩耗し易く寿命が短くなるといった問題があった。
【００１３】
もともと、これらを防止する為、一般的には多量の潤滑油を使用して摺動性を向上させていたが、上述した理由によって潤滑剤を用いない金型が求められている。
【００１４】
このように、アルミニウムの絞り加工の困難性、特にしごき絞り加工の困難性の理想的な解決策は、潤滑剤を用いないことである。しかし、潤滑剤を使用することなくアルミニウムを絞り加工することができる画期的な絞り金型を得ることは極めて困難であった。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するため、本発明の無潤滑絞り金型は、ニッケル金属及び／又はコバルト金属が６．０重量％以上１０．０重量％未満、周期律表第５ａ・６ａ族金属の炭化物として、ＶＣが０〜１．９重量％、ＮｂＣが０〜６．１重量％、Ｃｒ３Ｃ２が０〜８．６重量％、Ｍｏ２Ｃが３．２〜９．７重量％、ＷＣが０〜９．７重量％の範囲で選択され、かつ合計で８．０〜２３．０重量％、残部がチタンの炭化物及び／又は窒化物からなり、該チタンの炭化物及び／又は窒化物におけるＣ／（Ｃ＋Ｎ）の比率が０．７〜１．０のＴｉＣ系サーメット材からなり、強度が１０５〜１５０ｋｇ／ｍｍ２、硬度が１６００〜１９００ｋｇ／ｍｍ２で、摩擦係数のμ値が０．１４〜０．２４の範囲であることを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、このＴｉＣ系サーメット材の被加工物と摺動する表面の最大高さがＲｙ０.４〜１.２μｍ、好ましくは０.６〜０.９μｍであることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図２に示すように、絞り金型は、ダイス６と打ち抜きパンチ７によって構成される。そして、アルミニウム鋼板１ａを打ち抜きダイス６とこれに対応した打ち抜きパンチ７とによって箱状に打ち抜き、絞り出す。打ち抜かれたアルミニウム鋼板はダイス６内に押し込まれる際に、切断面をダイス６の側面でシゴかれて打ち抜きに伴うバリ等が除去される。さらにパンチ７がダイス６内に進入し、パンチ７中央部の絞り用受け８と、ダイス６内の絞り用ポンチ９の上昇に伴う絞り加工により、図２（ｂ）に示すような携帯電話用のリチウムイオンバッテリーの箱状の外装ケース１ｂが形成される。
【００１８】
これらダイス６、打ち抜きパンチ７、絞り用受け８、絞り用ポンチ９のそれぞれに本発明のＴｉＣ系サーメット材を使用し、且つ、ダイス６、打ち抜きパンチ７、及び絞りポンチ９は外装ケース１ｂと摺動する面を遊離ダイヤモンド砥粒にて仕上げ、その表面粗さＲｔ（最大高さ）を０．４〜１．２μｍにしてある。
【００１９】
またこのＴｉＣ系サーメット材は、アルミニウム系金属を潤滑剤を用いずに絞り加工する金型において、ニッケル金属及び／又はコバルト金属が６．０重量％以上１０．０重量％未満、周期律表第５ａ・６ａ族金属の炭化物として、ＶＣが０〜１．９重量％、ＮｂＣが０〜６．１重量％、Ｃｒ３Ｃ２が０〜８．６重量％、Ｍｏ２Ｃが３．２〜９．７重量％、ＷＣが０〜９．７重量％の範囲で選択され、かつ合計で８．０〜２３．０重量％、残部がチタンの炭化物及び／又は窒化物からなり、該チタンの炭化物及び／又は窒化物におけるＣ／（Ｃ＋Ｎ）の比率が０．７〜１．０からなり、強度が１０５〜１５０ｋｇ／ｍｍ２、硬度が１６００〜１９００ｋｇ／ｍｍ２で、摩擦係数のμ値が０．１４〜０．２４の範囲であるものである。
【００２０】
本発明によれば、絞り金型を形成するサーメットにおいて、複合材として周期律表第５ａ・６ａ族金属の炭化物として、ＶＣ、ＮｂＣ、Ｃｒ３Ｃ２、Ｍｏ２Ｃ、ＷＣを用い、更に主成分チタンの炭窒化比率を特定の炭素リッチ構成にすると、高摺動性（低摩擦係数) を損なうことなく、耐食酸化性を有することができる。なお、上記範囲に限定したのは、周期律表第５ａ・６ａ族金属の炭化物として、ＶＣが０〜１．９重量％、ＮｂＣが０〜６．１重量％、Ｃｒ３Ｃ２が０〜８．６重量％、Ｍｏ２Ｃが３．２〜９．７重量％、ＷＣが０〜９．７重量％の範囲で選択され、かつ合計で８．０重量％以下であれば耐食酸化性を高める効果が得られずに焼結性も低下し、２３．０重量％を超えると強度が著しく低下する。また窒化チタンの相対量が増えて炭素の比率が０．７以下になると高摺動性及び硬度が低下する。更に金型の使用に耐えうる強度を得るためにニッケル金属及び／又はコバルト金属を添加してあるが、ニッケルとコバルトの総量が６．０重量％以下になると強度が低下し、１０．０重量％以上であると硬度が低下する。
【００２１】
上記ＴｉＣ系サーメット材は上記特性の結果、金属素材との焼き付き防止効果が得られ、かつ摺動面の表面粗さＲｔ（最大高さ）を０．４〜１．２μｍにすると、特にアルミニウム系の金属に対する摺動性が著しく向上することから潤滑剤を用いずにアルミニウムの絞り加工を行うことができる。ここで、表面粗さＲｔ（最大高さ）を限定したのは、０．４μｍ未満であるか、又は１．２μｍを越えるとアルミニウム系金属に対する摺動性は良くないためであり、好ましくは０．６〜０．９μｍがよい。
【００２２】
次に本発明の絞り金型の製造方法を説明する。
【００２３】
上記ダイス６、打ち抜きパンチ７等の部材として上述したような組成のサーメット粉体を使用し、パラフィンバインダーを３％〜６％添加混合した後、公知の粉体成型法によりブロック状に形成したものを、１０-2Ｔｏｒｒ以下の真空雰囲気にて１２５０℃〜１５００℃温度域で１時間焼結させたものを所定の形状に研削し、摺動面を遊離砥粒にて仕上げ研磨したものを使用することにより、耐久性に優れた絞り金型を得ることができる。
【００２４】
上記のようにして得られた外装ケース１ｂをさらに電極等を封入させて図１に示すような外装ケース１、正極電池層３、セパレータ５、負極電池層４を収納して封口板２で覆うことによって携帯電話用リチウムイオンバッテリーを形成する。
【００２５】
本発明の絞り金型は、この他に、アルミ電解コンデンサーの外装ケースをトリミング、加締め、及び絞り加工するロールやダイスとパンチ等の用途がある。
【００２６】
【実施例】
以下に、本発明を実施例で説明する。
【００２７】
まず、チタンの炭窒化物と炭化モリブデンなどの周期律表第５ａ・６ａ族金属の炭化物とニッケル及びコバルト金属からなるサーメットの粉末を所定の量比で配合し１５時間混合粉砕した。これを乾燥後、パラフィンワックスを４重量％添加し、１．０ｔｏｎ／ｃｍ2の圧力で加圧成形したものを１０-2ｔｏｒｒ以下の真空雰囲気にて１３５０℃で１時間焼成した。
【００２８】
前記焼結体を粉砕して、ＩＣＰ（発光分光定量分析装置）により定量分析して得られた値と蛍光Ｘ線装置により定性・定量分析して得られて値を比率換算したものを焼結体組成として表１〜表２に示す。又、同表に示す特性値は以下の方法で評価して得られたものである。
【００２９】
得られた焼結体の表面を研削した後、抗折強度を測定した。また、鏡面研磨した後、ビッカース硬度、摩擦係数、最大高さ表示面粗さ、耐摩耗性、抗折強度の測定を行った。最大高さはＪＩＳＢ０６０１に従い、抗折強度はＪＩＳＲ１６０１の３点曲げ試験法に従い、ビッカース硬度の測定はＪＩＳＺ２２４４試験法に従った。
【００３０】
摩擦係数の測定および耐摩耗性の評価は図３に示すようにＪＩＳ１６１３試験方法で、アルミニウム(Ａ３００４) 製のボール１１を用い、各種材質のディスク１０上に負荷荷重１２を加えながら摺動させるボールオンディスク試験にて行った。なお、摩擦係数（μ値＝摩擦力( 荷重０. ５Ｋｇ・速度０. １７ｍ/ ｓ・時間１０ｍｉｎ)/負荷荷重値）と耐摩耗性の評価結果として、摺動部の摩耗痕が確認出来ないものは◎とし、摩耗痕の深さが１μｍ以下のものは○とし、深さが１μｍ以上のものは×とした。また、アルミニウム(Ａ３００４)製のボールが凝着したものは△として表した。
【００３１】
【表１】
0005110745.tif 000002
【００３２】
【表２】
0005110745.tif 000003
【００３３】
その結果、表１の試料Ｎｏ２はニッケル金属及び/またはコバルト金属が６．０重量％未満であり、表２の試料Ｎｏ２の様に十分な強度が得られず、結果的に耐摩耗評価も悪かった。また、表１の試料Ｎｏ７は周期律表第５ａ・６ａ族金属の炭化物が２３．０重量％を超え、表２の試料Ｎｏ７の様に強度が著しく低下することがわかった。また、最大高さもＲｔ１．２μｍより大きくなり、結果的に耐摩耗評価も悪かった。また、表１の試料Ｎｏ１は窒化チタンの相対量が増えて炭素の比率が０．７未満になり、表２の試料Ｎｏ１の様に硬度が低下したものとなり、摩擦係数値も高いものとなり、結果的に耐摩耗評価も悪くなった。更には、表１の試料Ｎｏ９は周期律表第５ａ・６ａ族金属の炭化物が１０．０重量％を超え、更には周期律表第５ａ・６ａ族金属の炭化物が８．０重量％以下でもあるために、表２の試料Ｎｏ９の様に強度/硬度共に低下し、摩擦係数も著しく悪くなった。更には耐食酸化性が十分得られず、結果的に耐摩耗評価も著しく悪くなった。
【００３４】
また、表２の試料Ｎｏ７は最大高さ粗さがＲｔ１．２μｍを越えており、結果として耐摩耗評価の中で、やはり凝着の△評価となった。
【００３５】
なお、Ｎｏ１０に示す一般的なＧ２級の超硬素材は強度は著しく高いが、硬度が低く、摩擦係数も著しく悪いために満足できない結果であった。従来この摩擦係数の悪さと焼き付き防止策として多量の潤滑油を連続的に塗布し、何とか使用できる状況であった。
【００３６】
これに対し、Ｎｏ３、Ｎｏ５、Ｎｏ６及びＮｏ８に示す本発明のサーメット材で所定の面粗さ範囲のものは、今までなし得なかったアルミニウム素材に対して無潤滑でも問題なく絞り加工が可能となった。
【００３７】
【発明の効果】
以上記述したように、本発明によればアルミニウム系金属を潤滑剤を用いずに絞り加工する金型において、ニッケル金属及び／又はコバルト金属が６．０重量％以上１０．０重量％未満、周期律表第５ａ・６ａ族金属の炭化物として、ＶＣが０〜１．９重量％、ＮｂＣが０〜６．１重量％、Ｃｒ３Ｃ２が０〜８．６重量％、Ｍｏ２Ｃが３．２〜９．７重量％、ＷＣが０〜９．７重量％の範囲で選択され、かつ合計で８．０〜２３．０重量％、残部がチタンの炭化物及び／又は窒化物からなり、該チタンの炭化物及び／又は窒化物におけるＣ／（Ｃ＋Ｎ）の比率が０．７〜１．０のＴｉＣ系サーメット材からなり、強度が１０５〜１５０ｋｇ／ｍｍ２、硬度が１６００〜１９００ｋｇ／ｍｍ２で、摩擦係数のμ値が０．１４〜０．２４の範囲であることによって、被加工物のアルミニウム鋼材との酸化凝着反応が防止でき、更に高摺動性（低摩擦係数）を有することから、著しく耐摩耗性に優れたものが得られる。
【００３８】
これにより、従来の超硬材やサーメット及びジルコニア材と比較して、使用上何ら支障のない硬度、強度および耐食性を有する無潤滑可能な絞り金型等を得ることができる。その結果として、長期に渡り腐食や摩耗が発生しない無潤滑摺動部材、および耐摩耗部材として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の無潤滑絞り金型を用いて外装ケースを製作した携帯電話のリチウムイオンバッテリーを示す断面図である。
【図２】本発明の無潤滑絞り金型を示す断面図である。
【図３】本発明の絞り金型を成すＴｉＣ系サーメット材の耐摩耗性を評価する試験装置の概略図である。
【符号の説明】
１  正極外装ケース
２  負極封口板
３  正極電池層
４  負極電池層
５  セパレータ
６  ダイス
７  打ち抜きパンチ
８  絞り用受け
９  絞り用ポンチ
１０  ディスク
１１  ボール
１２  負荷荷重
１３  摺動面
【図１】
0005110745.tif 000004
【図２】
0005110745.tif 000005
【図３】
0005110745.tif 000006