(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に窒化硬化層が形成された金型を再生する再生用金型の加工方法であって、
塩化第二鉄の水溶液に使用後の金型を浸漬して、表面に形成された前記窒化硬化層を除去し、次いで彫り下げ加工および型彫り加工を行って、再び窒化処理を行うことを特徴とする再生用金型の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、再生利用される金型の加工方法に関し、さらに詳しくは、窒化処理された金型表面に形成された窒化硬化層を除去してのち、再生加工を行うことにより、再生加工時の工具寿命および加工能率を大幅に向上させる再生用金型の加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鍛造加工の分野では、省資源、省エネルギー、後工程の切削加工を省略するなどの効率化によるコスト低減が強く求められ、精度の高い鍛造加工への動きが活発になってきている。それと同時に、複雑形状等の一体成形、大型製品の加工などの高機能化および大型化の面からも、使用される金型には高精度化にあわせて、一層の長寿命化および低コスト化が強く要請されるようになる。
【０００３】
このような要請に対応するため、最近の表面処理技術の進展にあわせて、金型には各種の表面処理が施されて、高温強度や耐摩耗性の向上が図られる。なかでも、窒化処理は、処理歪みが少なく、母材との密着性が良好で、表面硬さに優れ、その上処理費用も適当であることから、金型に施される表面処理の主体となっている。
【０００４】
ところで、上記のような表面処理によって、所期の金型の長寿命化とそれに基づく低コスト化が達成されるが、さらに一層のコスト低減の要請に対しては、通常、金型の再生利用による再加工が前提とされている。
【０００５】
図３は、従来の鍛造用金型の再生利用を前提とした加工工程を説明するフローチャートである。図３に示すように、型鍛造に用いられる金型の加工には、彫り下げ加工、型彫り加工、仕上加工、表面処理および検査の工程に区分されるが、次ぎに各工程の内容を説明する。
【０００６】
彫り下げ加工は、金型用素材または型鍛造に使用された金型の表面を型彫り加工するために、平面切削を行う工程である。通常、採用される金型素材鋼としては、用途に応じて種々の選択がされるが、高強度化や金型寿命の安定性の面から破壊強度の向上が重要な要点となっており、JIS規定の工具鋼、例えば、鋼種としてSKD鋼、またはSKT鋼が基本的に選択される。この工程での金型素材の表面への平面切削にはフライス加工が施され、採用される切削代は、金型の寸法にもよるが15mm〜80mmが採用されている。
【０００７】
型彫り加工は、対象となる製品の形状に応じて、金型を所定の形状に削り仕上げを行う工程である。金型の型彫り加工には、各種のエンドミルが用いられるが、ボールエンドミル、抜き勾配を付けるテーパエンドミル等がある。
【０００８】
仕上加工は、型彫り加工工程の仕上である。具体的には、切削によって型彫り加工された金型の切削面を手作業を主体としてグラインダー研磨、放電加工、または電解加工が行われて、金型表面は平滑に仕上げられる。
【０００９】
表面処理では、前述の通り、高温強度や耐摩耗性の向上を図り、金型寿命の延長を図るため、基本的には窒化処理が行われている。窒化方法としては、ガス窒化、ガス軟窒化、イオン窒化、さらに塩浴による軟窒化等があるが、いずれの方法であっても、その表面に窒化硬化層が形成される。なかでも、イオン窒化法では、Ｎ2＋Ｈ2混合ガス中でグロー放電を発生させ、このグロー放電によって生成したＮ+を被処理材の表面に衝突させることによって、加熱と同時に窒素を侵入させる方法であるから、無公害である。しかも、Ｎ2とＨ2との混合比などの処理条件を調整することによって窒化層の組成を調整できるので、窒化処理および窒化層の調整が容易であり、被処理材を加熱する装置も不要である。イオン窒化法にはこのような特徴があることから、金型の窒化法として多用されている。通常、金型のイオン窒化処理では、金型素材の硬度Hs50〜60に対して、表面でHs70〜90にまで高硬度化される。そして、表面に形成される窒化硬化層の深さは約0.1mm程度である。
【００１０】
検査工程では、金型の型彫り寸法が詳細にチェックされるとともに、金型表面の硬度が測定され、窒化処理の適否が判断される。当然ながら、外観目視によって、表面の破損状況も検査される。検査された金型は、型鍛造に供給される。通常の条件で型鍛造に使用され、限界寿命に達した金型は、再び彫り下げ加工が施され、型彫り加工以降の再加工を経て再生利用される。このように、多数回にわたる再生利用によって、金型の製造コストは低減することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前述の通り、金型の加工工程では、一層のコスト低減の観点からは、再生利用による再加工が前提とされている。ところが、窒化処理された金型表面には窒化硬化層が形成されるので、彫り下げ加工の際に平面切削が著しく困難になる。そのため、彫り下げ加工での工具寿命および加工能率が極端に低下し、金型の製造コストを上昇させる要因になっている。
【００１２】
このような問題を解決するため、金型によっては窒化処理をせずに、Crメッキ等の他の表面処理を施す方策を採用する場合もあるが、金型寿命に一定の制限があることから有効なものとなっていない。また、彫り下げ加工の前段階で窒化硬化層の除去として、ショットブラストおよびグラインダーによる研削除去や高温真空炉による脱窒素法も試みたが、いずれも処理工数が大きく、加工コスト面で効果的なものではない。
【００１３】
本発明は、従来の金型の再加工における問題点に鑑み、窒化処理された金型の再加工前に、表面に形成された窒化硬化層を除去して、金型寿命を満足させつつ、金型の加工コスト（切削工具費、加工工数）の低減を図る再生用金型の加工方法を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の再生用金型の加工方法を要旨としている。
すなわち、表面に窒化硬化層が形成された金型を再生する再生用金型の加工方法であって、塩化第二鉄の水溶液に使用後の金型を浸漬して、表面に形成された前記窒化硬化層を除去し、次いで彫り下げ加工および型彫り加工を行って、再び窒化処理を行うことを特徴とする再生用金型の加工方法である。
【００１８】
本発明は、主に鍛造加工に用いられる金型に基づいて説明をしているが、本発明の金型は鍛造用型に限定されるものではなく、表面処理として窒化処理が施され、再生利用が前提とされる金型が対象とされる。したがって、本発明が対象とする金型の「使用」には、単に冷間、熱間による型鍛造のみでなく、アルミ、プラスチックの押し出し成型、粉末成型、ガラス成形、ゴム成型などによる使用も含まれる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の金型では、再加工前に窒化処理で形成された表面の窒化硬化層を除去することを特徴としている。窒化硬化層を除去するには、研磨具で研磨除去したり、切削除去する方法もあるが、前述の通り、製造コストの面で有効ではない。特に、底を有し被加工物にならうように凹凸面で形成された金型にあっては機械的な研磨、切削除去は適しておらず、化学的に窒化硬化層を溶解除去する方法が効率的である。
【００２０】
本発明者らは、各種の化学的な窒化硬化層の除去法を検討した。例えば、ＨＮＯ3＋ＨＦ溶液を50℃程度に加熱して、対象となる金型の表面を所定時間浸漬して除去する方法も、本発明の窒化硬化層を溶解除去する方法として採用できるものである。
【００２１】
さらに検討を加え、本発明者らは、化学的に窒化硬化層を溶解除去するには、塩化第二鉄水溶液を用いて、下記(a)式に示すように、窒化硬化層を酸化腐食反応によって溶解するが望ましいことを見出した。塩化第二鉄水溶液によれば、被処理材から鉄イオンが溶出され、水酸化鉄が生成されて沈殿するので、表面が酸化腐食反応によって溶解除去される。
【００２２】
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上記(a)式によって、金型表面に形成された窒化硬化層を充分に除去するには、処理時間および処理温度の管理が重要である。
【００２３】
図１は、塩化第二鉄水溶液を用いて窒化硬化層を溶解除去する場合の処理温度と除去量の関係を説明する図である。同図では、水溶液濃度が38％で、水溶液温度を変化させたとき（50℃〜15℃）の表面に形成される窒化硬化層の除去状況を示している。水溶液の温度は高温であるほど溶解能力に優れるが、作業性や作業コストを考慮すると、40℃から70℃の範囲にするのが望ましい。この場合に、形成される窒化硬化層の厚さは0.1mm程度であるから、水溶液に浸漬する時間は２時間程度にするのが望ましい。また、水溶液の濃度は、30〜50％にするのが望ましい。
【００２４】
図２は、塩化第二鉄水溶液を用いて窒化硬化層を溶解除去する場合の処理装置の構成例を示す図である。同図に示すように、金型の溶解除去槽１に引き続いて水洗槽２および乾燥台３が設けられて、金型洗浄によって汚れ等が除去された金型は、順次、溶解除去槽１内で塩化第二鉄水溶液に浸漬されて、表面に形成された窒化硬化層が溶解されて除去される。
【００２５】
塩化第二鉄によって窒化硬化層を除去した後は、水洗槽２に浸漬して金型表面に残留する塩化第二鉄を水洗、または必要ある場合には中和して、必要以上の溶解除去を防止する。また、水洗処理の後は、金型の腐食促進を完全に停止させるため、乾燥台３で金型を充分に乾燥する。
【００２６】
表面に形成された窒化硬化層が除去された金型は、再生利用を図るため、その後彫り下げ加工および型彫り加工を行い、再び窒化処理を施して、型鍛造に供給される。以下に、本発明の再生用金型の加工方法の効果を、実施例に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
【実施例】
金型素材として、JIS規定のSKD鋼、SKT鋼を用いて、窒化層の除去有無による彫り下げ加工での工具寿命および加工能率を比較した。窒化処理はイオン窒化法を採用して、母材硬度Hs50〜60に対して窒化硬化層厚さ0.1mmで表面硬度Hs70〜90とした。
【００２８】
本発明の金型は前記図２に示す窒化硬化層の除去装置によって、窒化層の除去を行った。充分に洗浄された金型は、塩化第二鉄水溶液が満たされている溶解除去槽１に浸漬され、表面の窒化硬化層が除去される。溶解除去槽内には、濃度３８％に調整された塩化第二鉄水溶液が補給されており、槽内に設けられた加熱ヒーターによって、常時、水溶液の液温は５０℃に制御されて、金型の浸漬時間は２時間とした。このとき、金型の対象面を液中でバブリング攪拌すると、窒化硬化層の溶解反応が促進されるので、溶解除去槽１内にバブリング攪拌装置を設けるのが望ましい。
【００２９】
溶解除去槽１に浸漬の後、金型は水洗槽２に移されて、腐食反応を停止させるために、塩化第二鉄水溶液が水洗いされて、金型表面から除去される。その水洗後は、金型は乾燥台３上に載置した状態で充分に乾燥されて、窒化硬化層の除去作業は完了する。
【００３０】
比較例となる金型は金型を洗浄したままの状態で、また本発明の金型は窒化硬化層が除去された状態で、彫り下げ加工の工程に送られ、切削代15mmで平面研削を実施した。
【００３１】
比較例および本発明の金型の彫り下げ加工における工具寿命および加工能率の比較結果を比較すると、ＳＫＤ鋼、ＳＫＴ鋼のいずれの鋼種の金型加工においても、工具寿命で約５倍以上の延長効果がみられ、加工能率において２０％以上の能率向上が可能であることが分かる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の再生用金型およびその加工方法によれば、切削加工が困難であった彫り下げ加工での効率化が図れ、再加工処理を高能率で低コストで実施することができる。しかも、金型加工に要求される高精度化、長寿命化に支障を来すものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】塩化第二鉄水溶液を用いて窒化硬化層を溶解除去する場合の処理温度と除去量の関係を説明する図である。
【図２】塩化第二鉄水溶液を用いて窒化硬化層を溶解除去する場合の処理装置の構成例を示す図である。
【図３】従来の鍛造用金型の再生利用を前提とした加工工程を説明するフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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