(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱した金型内面に液状潤滑剤を噴霧した後、加熱した焼結合金の素材を導入して熱間鍛造を行なう場合において、前記液状潤滑剤の噴霧が（１）固体潤滑剤粒子を含まないエマルジョン潤滑剤を噴霧する工程と、（２）その後、固体潤滑剤粒子を水に分散させた水性潤滑剤を１回もしくは複数回噴霧する工程とからなることを特徴とする焼結合金の熱間鍛造における金型潤滑方法。
【請求項２】
前記固体潤滑剤粒子を含まないエマルジョン潤滑剤が、油０.５〜３０質量％を含有するＯ／Ｗエマルジョンであり、前記水性潤滑剤が固体潤滑剤粒子として黒鉛粒子１〜２５質量％を含有するものであることを特徴とする請求項１に記載の焼結合金の熱間鍛造における金型潤滑方法。
【請求項３】
前記Ｏ／Ｗエマルジョン潤滑剤中の油がイオウ系、リン系および塩素系の極圧添加剤からなる群から選ばれる少なくとも１種の添加剤を含むものであることを特徴とする請求項２に記載の焼結合金の熱間鍛造における金型潤滑方法。
【請求項４】
前記焼結合金の素材がアルミニウム合金である請求項１から請求項３のいずれかに記載の焼結合金の熱間鍛造における金型潤滑方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、焼結合金の素材を熱間鍛造するときの金型潤滑方法に関するものであり、特に高密度の焼結アルミニウム合金製の機械部品を製造する際に有効な方法である。
【０００２】
【従来の技術】
機械部品を製作する方法の一つとして、粉末冶金法と鍛造とを組合せる方法がある。すなわち、まず粉末冶金法により製品の機能に必要な材料設計を行なって近似した形状の素材を作り、次いで素材中の気孔を減少させて必要な強度を得るために熱間鍛造を行なう。
熱間鍛造時においては、素材と工具の面は高温高圧の状態にあり、素材が金型のキャビティ面に付着し易いために、摩擦剪断係数を低下させる必要がある。そのために金型の内面に潤滑剤を塗布する。金型の潤滑は、特に軽合金の焼結素材を扱う場合には必須である。潤滑剤の塗布には、均一な塗布が可能でありかつ自動化し易いという理由からスプレーを用いることが多い。
潤滑剤としては、被膜形成機能に優れ、かつ５００℃程度まで摩擦係数が低い固体潤滑剤である黒鉛が最も多く使用されている。特にアルミニウム鍛造における潤滑には固体潤滑剤として黒鉛を含有するものが優れているといわれている。潤滑剤としては、流動性の分散媒に黒鉛等の固体潤滑剤粒子を沈殿しないように分散させたものが用いられる。分散媒としては油性、水性およびエマルジョン系のものがある。
【０００３】
これらの潤滑剤のうち、油を分散媒として用い固体潤滑剤粒子を分散させた油性潤滑剤は、広範囲の金型温度において成膜が迅速に進行することが利点とされている。すなわち、潤滑成分が高温の金型に接する際に金型内面を濡らし、油の表面張力により適用面に十分に広がり、固体潤滑剤粒子を均一に分散させること、油が蒸発して生ずるガスのクッション効果を伴い潤滑すること、また固体潤滑剤粒子に油が吸着するので粒子の潤滑機能がより効果的に発揮されることなどの理由により、特にアルミニウム合金の熱間鍛造の温度範囲において良好な潤滑性を示すと言われている。一方、油性潤滑剤には燃焼油煙が発生し、発火し易いという点に問題がある。
【０００４】
黒鉛等の固体潤滑剤粒子を分散した水性潤滑剤は、分散媒として水を主成分とし、固体潤滑剤粒子の分散性を良好にするために分散剤や粘度調整剤等を添加したものである。水性潤滑剤の場合には、水分が蒸発するために、ほとんど固体潤滑剤粒子の乾燥被膜による潤滑が行なわれる。また、水性潤滑剤は金型の冷却効果が大きいので、金型が局部的に軟化変形する懸念は少ない。
いずれの潤滑剤においても、金型温度が高い状態では、金型内面で液をはじく現象が起こって塗膜厚さが不均一になり易く、摩擦剪断係数が大きくなることがあるが、金型冷却効果によって比較的低い温度に維持すれば、均一な潤滑塗膜を形成することができる。さらに、水性潤滑剤は油性潤滑剤に比べて発火性などの面で安全である。
【０００５】
黒鉛等の固体潤滑剤粒子を分散させたエマルジョン系潤滑剤は、油性潤滑油が有する潤滑性と水性潤滑油が有する清浄で安全な利点とを併有している。分散媒は水が主成分であるが、潤滑油が乳化されているので、金型内面に付着した被膜はやや油性潤滑剤に似た特性を示す。しかし前記水性潤滑剤に比べて冷却効果は劣る。一方、水性潤滑剤よりも過冷却を防ぐことができるので、場合によっては油性潤滑剤の代替とすることがある。
【０００６】
熱間鍛造における潤滑剤の使用条件は、希釈倍率、塗布量、金型温度などと潤滑性能との関係が定式化されていないため、経験により適宜定めている。焼結合金素材がアルミニウム、マグネシウム等の軽金属であり、金型温度が比較的低い場合には、水性潤滑剤を使用し、精密鍛造などのように金型温度が比較的高い場合には油性潤滑剤を用いることが好ましいとされている。また、鉄系の焼結合金素材を処理する場合には水性潤滑剤を主として用いる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
２００から４００℃程度の温度に加熱した金型内面に、上記のような固体潤滑剤粒子を分散させた潤滑剤を噴霧塗布する場合、一般的には温度が高いほど金型内面に対する濡れが悪いので、広い温度範囲で比較的均一な塗布を行ない鍛造欠陥の生じ難いものを製造する場合には、油性潤滑剤が好ましい。
しかし、油性潤滑剤は、噴霧後短時間で油分が発煙したり発火するために、その対策として大規模な装置が必要になる。そのほか、焼結合金素材の気孔に油の一部が含浸して鍛造された表面に材料欠陥を生じることがあり、また潤滑剤の汚れを除去し難いため、取り扱いに手間が掛かるという問題もあるので、使用を避けることが好ましい。さらに、塗布した潤滑剤は、鍛造を繰り返す間に金型キャビティの角部等に堆積し、鍛造したワークに欠肉などが生ずるため、堆積物の除去が必要であり、生産性を低下させるという問題点も挙げられる。
【０００８】
固体潤滑剤粒子を分散させた潤滑剤が水性またはエマルジョン系であれば発煙や発火の問題は改善されるが、金型の温度が比較的高いときには潤滑剤の金型内面に対する濡れが劣るため、潤滑被膜が不均一になり、潤滑効果が減少する。また、金型のキャビティ内に潤滑剤が堆積することは上記の油性潤滑剤の場合と同様である。
【０００９】
例えば、焼結アルミニウム合金の場合には、鉄合金よりも熱伝導率が良好なため、熱間鍛造を行なう際に金型の加熱が必要になる。鍛造温度を高くすると、必要な変形量にするための鍛造加圧力を低くし得る利点はあるが、高温に加熱した金型に対する潤滑剤の濡れが低温のときよりも劣るため、潤滑被膜が不均一になったり、金型の損傷等が生ずるので好ましくない。
そのため、金型を比較的低い温度に加熱し、必要な鍛造変形量にする手段としてフリクションプレス機のように加圧速度が速い装置を用いて素材の温度が著しく低下する前に鍛造を行う手段が用いられている。このようにした場合にも、水性またはエマルジョン系の潤滑剤を適用するときには、数回の熱間鍛造の繰り返しにより鍛造されたワークにカジリを生じ、しかも金型のダイに嵌合しているパンチの作動が滑らかでなくなり、さらに固体潤滑剤粒子を分散させた潤滑剤が金型キャビティの角部に堆積するために金型の清掃が必要になる等の問題が発生する。
この発明は、上記のような従来の課題を背景として、比較的低い温度の熱間鍛造で連続的に鍛造することができる潤滑方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、この発明においては、加熱した金型内面に液状潤滑剤を噴霧した後、加熱した焼結合金の素材を導入して熱間鍛造を行なう場合に、上記液状潤滑剤の噴霧が（１）固体潤滑剤粒子を含まないエマルジョン潤滑剤を噴霧する工程と、（２）その後、固体潤滑剤粒子を水に分散させた水性潤滑剤を１回または複数回噴霧する工程とからなることを特徴としており、固体潤滑剤粒子としては、黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、弗化黒鉛等を利用することができる。
上記（１）において噴霧するエマルジョン潤滑剤が油（好ましくはイオウ系、リン系および塩素系の極圧添加剤からなる群から選ばれる少なくとも１種を含む油）０．５〜３０質量％を含有するＯ／Ｗエマルジョンであり、次いで噴霧する水性潤滑剤は固体潤滑粒子として黒鉛１〜２５質量％を含有するものである場合に好適な結果が得られる。このような潤滑方法は、焼結合金の素材がアルミニウム合金である場合に特に適するものである。
上記のイオウ系極圧添加剤としては、硫化油脂、硫化オレフィン、硫化鉱油、ジアルキルジサルファイド、ジアルキルポリサルファイドなどを例示することができる。リン系極圧添加剤としては、リン酸エステル（塩）系、亜リン酸エステル（塩）系、チオリン酸エステル（塩）系、ホスフィン系などの例を挙げることができる。また、塩素系極圧添加剤としては塩素化パラフィンなどを使用することができる。
【００１１】
上記のようにエマルジョン潤滑剤および水性潤滑剤を噴霧塗布することによって連続的に鍛造することが可能になる。この理由は明らかではないが、次のように考えられる。
温度２５０℃程度に加熱した金型に、従来の固体潤滑剤粒子を分散した水性潤滑剤または固体潤滑剤粒子を分散したＯ／Ｗエマルジョン潤滑剤を噴霧すると、前者の場合には、粘性の高い油分を含まないため噴霧する際にミストを細かくすることができる。細かいミストは複雑な形状の金型においてもキャビティ内部に均一に塗膜を形成することができる。また、水の気化により金型内面が冷却され金型の濡れが向上し、薄く均一な塗膜を形成できる。この塗膜は、上記水性潤滑剤に粘度の調整および固体潤滑剤粒子の分散性改善のために添加したカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）などの有機化合物、あるいは水ガラス（珪酸ナトリウム）などの無機化合物が粘着剤として作用するため、金型内面への密着性が良好である。一方、アルミニウム等の軽金属類を鍛造する場合には、固体潤滑剤の乾燥被膜のみでは潤滑性が不足し、それを補うために多量の噴霧を行なうことが必要になり、その結果鍛造ワークの表面が荒れて、金型キャビティに潤滑剤が堆積し易くなる。
【００１２】
後者のＯ／Ｗエマルジョン潤滑剤の場合には、初期段階では水が沸騰気化して水分が減少し、固体潤滑剤と油分の塗膜になった後、油分が気化する過程で、金型内面の濡れは改善される。しかしながら、固体潤滑剤の濃度が高い部分と低い部分が生じることおよび水性のものはミストを細かくすることができないので、形成された塗膜の厚みに不均一な個所が生ずる。また、水性潤滑剤に比べて被膜の密着性が悪いため、素材投入時には、形成された被膜が剥離し易い。以上の理由により、油の潤滑効果が加わっているにも拘わらず、十分な潤滑効果が得られないものと考えられる。また、油分が残っている状態で、加熱した素材を金型に導入して加圧すると、油と固体潤滑剤の潤滑被膜には粘性が残っているため、素材の気孔中に潤滑被膜が侵入して鍛造体表面近傍を汚損し、表面欠陥の原因となる懸念もある。
【００１３】
一方、本発明の潤滑方法によれば、最初にエマルジョン潤滑剤（固体潤滑剤粒子を含まない）を噴霧することにより、水が気化して金型内面が冷却されるために金型面の濡れは向上し、油分は金型内面を薄く覆う状態になる。気化した水は金型キャビティに充満しており、油の蒸発を抑制する役割も果たす。引き続き固体潤滑剤粒子を分散させた水性潤滑剤を噴霧すると、水が気化して乾燥した固体潤滑剤の塗膜が油膜面の上に形成されるものと考えられる。
この方法により形成する潤滑被膜は、金型内面側から順に、それぞれ均一かつ完全に形成された油層および固体潤滑剤層の２層からなる。被膜の密着性も良好であるため、素材の気孔中に潤滑剤が侵入することは少ない。また、金型内面側に多く存在する油分により良好な潤滑効果を与えると共に離型性もよいので、金型とワークとの摩擦が減少し、型カジリが発生しない。さらに固体潤滑剤が金型キャビティに付着残留することもなく、その結果、連続鍛造が可能になるものと考えられる。
【００１４】
金型の内面が油層で被覆され、その上に固体潤滑剤の塗膜が形成された潤滑被膜を形成する場合に、例えば、最初に油のみまたは油性潤滑剤を噴霧し、その後に水性潤滑剤を噴霧しても、先に噴霧した油は加熱された金型に直接散布したものであるから、金型の温度低下は比較的少ないため、濡れが不十分で塗布が不均一になる。また、金型キャビティの空間も高温状態にあるから、短時間で発煙し易い状態となり、その後に水性潤滑剤の噴霧を行なっても所期の塗膜を形成することはできない。
また、手順を逆にして、最初に固体潤滑剤粒子を分散した水性潤滑剤を噴霧した後、エマルジョン潤滑剤を噴霧する方法では、上記水性潤滑剤に、水の粘度を調整しかつ固体潤滑剤粒子の分散性を改善するために添加したカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）などの有機化合物あるいは水ガラス（珪酸ナトリウム）などの無機化合物が粘着剤として作用するため、固体潤滑剤が金型内面に堆積し易くなる。
【００１５】
エマルジョン潤滑剤は、水と油の乳化液である。油は鉱油や合成油等の潤滑油でもよいが、前記極圧添加剤の少なくとも１種を含むものが高温高圧下における潤滑特性に優れているため好ましい。
水と油の量は、１回の噴霧において、金型内面の冷却に必要な適度の量の蒸気を発生する水の量と、その水により冷却された金型表面温度において、金型内面に均一に塗布されるために必要な油の量とをそれぞれ満たすことが必要であり、油分が０．５〜３０質量％の範囲のＯ／Ｗエマルジョン潤滑剤が適当である。油分が少ないと必要な油量を供給するために多量のエマルジョンを噴霧しなければならず、かつ水分が比較的多いために金型の冷却が進行し、水の蒸発に長時間を要する。一方、油分が多すぎると、噴霧量は少なくて済む反面、塗布が不均一になり易く、かつ水分の量が少ないため油だけを塗布した状態に近くなる。なお、乳化剤は数％程度添加する。
【００１６】
固体潤滑剤粒子を分散させた水性潤滑剤は、水に固体潤滑剤粒子を分散させたものである。固体潤滑剤の濃度は可能な限り高く、固体潤滑剤粒子が沈降し難く、しかも噴霧装置のノズルを閉塞しないものであることが必要である。水の粘度調整と固体潤滑剤粒子の分散性改善のために、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）などの有機化合物、あるいは水ガラス（珪酸ナトリウム）などの無機化合物を０．１〜５質量％程度添加する。水性潤滑剤に含まれる固体潤滑剤は、１〜２５質量％が適当である。
固体潤滑剤含有量の少ない潤滑剤液は、ミストを細かくすることができ、噴霧性が良好であるため、薄く均一な被膜を形成することができる。金型に必要な固体潤滑剤の量に応じて１回もしくは複数回噴霧すればよい。固体潤滑剤含有量が極端に少ない潤滑剤液の場合には、多量の潤滑剤液を噴霧する結果になるため、必要以上に金型温度の低下を招き、水分の蒸発に長時間を要するので好ましくない。
一方、固体潤滑剤の濃度が高い場合には噴霧量は少なくて済むが、濃度が高すぎると噴霧ノズルを閉塞し易くなり、連続的な鍛造作業が困難になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。
【実施例】
（焼結体の製造）
熱間鍛造を行なう焼結体はアルミニウム合金からなり、形状は棒の両端に軸受孔を有する連接棒である。これを以下の方法により作成した。
まず純Ａｌ粉：３８質量％、Ｓｉ２０質量％−Ａｌ合金粉：５７質量％、Ｎｉ４質量％−Ｃｕ合金粉：４質量％、およびＭｇ５０質量％−Ａｌ合金粉：１質量％の混合粉を作成した。全体組成は計算値でＳｉ：１１．４質量％、Ｃｕ：３．８４質量％、Ｍｇ：０．５質量％、Ｎｉ：０．１６質量％およびＡｌ：残部である。
この混合粉を連接棒の形状に圧粉成形し、成形体を非酸化ガス中で温度４００℃に加熱して成形潤滑剤の脱ろうを行なった後、温度５４０℃で焼結した。焼結体は密度比が８０％であり、鍛造金型のキャビティより小さく形成されている。
【００１８】
（鍛造装置）
鍛造装置として、フリクションプレス機に、キャビティを形成するダイ、下パンチ、コアロッドおよび上パンチからなる金型を用い、金型には加熱手段と温度制御手段を付設する。プレス機に併設して、プレス機の作動に同期して金型キャビティの上部に前進し、かつ金型領域から退避する潤滑剤噴霧ノズル２組を設置し、それぞれリザーブタンクから潤滑剤を給送する手段、圧縮空気の導入手段、および作動制御手段を備える。また、焼結体素材を所定の温度に加熱する非酸化ガス雰囲気の炉、ならびに加熱した素材を金型キャビティに移送および挿入する素材供給装置を設ける。
金型は温度２５０℃に保温する。また、噴霧ノズルは、キャビティの各所に噴霧液が行き渡るように設置する。
以下に示す各潤滑剤を用いて、焼結体素材の熱間鍛造を連続して行なった。鍛造体の密度比が１００％になり、かつ鍛造バリが発生する圧力を加えた。
【００１９】
＜比較例１＞
鍛造用潤滑剤として、黒鉛含有量１０質量％の黒鉛分散油性潤滑剤（日立粉末冶金株式会社製、商品名：ヒタゾルＧＯ−１０２）を用いた。
潤滑剤の噴霧直後から発煙したため、噴霧塗布後数分間放置するか、またはバーナー等により発生ガスを燃焼させることが必要であった。また、数個を連続して鍛造すると、下パンチ側の隅に潤滑剤や素材の削り残渣が堆積し、鍛造体の角部に欠肉が認められた。さらに鍛造体のパンチに接した面の断面を観察すると、油および黒鉛が気孔中に侵入した形跡が認められた。
【００２０】
＜比較例２＞
鍛造用潤滑剤として、黒鉛含有量１７質量％の黒鉛分散水性潤滑剤（日立粉末冶金株式会社製、商品名：ヒタゾルＧＡ−３６１）を用いた。
この場合には、数回の鍛造を繰返して行なうと鍛造体の側面に掻きむしられたようなカジリが生じ、下パンチの作動が不良になった。噴霧後に下パンチ面を観察するとミストは全面に散布されていた。黒鉛のみの潤滑被膜では潤滑性が不足していたものと思われる。
【００２１】
＜比較例３＞
鍛造用潤滑剤として硫化油含有量２０質量％のＯ／Ｗエマルジョン潤滑剤（日立粉末冶金株式会社製、商品名：ヒタゾルＷＡ−３３７ＰＨ）を用いた。
この場合には、カジリ、金型作動ともに前者より悪い結果であった。量の少ない油のみによる潤滑であるためと考えられる。
【００２２】
＜比較例４＞
鍛造用潤滑剤として、最初に黒鉛分散水性潤滑剤を噴霧し、約１秒間経過後に前記Ｏ／Ｗエマルジョン潤滑剤を塗布した。金型作動および鍛造体の離型が良好であったが、連続して鍛造を行なうと、下パンチ側の隅に潤滑剤や素材の削り残渣が堆積し、鍛造体の角部に欠肉が認められた。
【００２３】
＜実施例１＞
鍛造用潤滑剤として、最初に前記Ｏ／Ｗエマルジョン潤滑剤を噴霧し、約１秒間経過後に黒鉛分散水性潤滑剤を塗布した。金型作動および鍛造体の離型が良好であり、鍛造を連続して継続することができた。噴霧後の下パンチ面を観察すると、黒鉛により隙間の少ない状態で被覆されていることが認められた。
【００２４】
以上、素材が焼結アルミニウム合金であり、固体潤滑剤が黒鉛である例について説明したが、上記の最適な潤滑方法は、最初に金型内面に水と油をエマルジョンの形態で噴霧塗布して油膜を形成しておき、続いて水性の固体潤滑剤液を噴霧塗布して固体潤滑剤被膜を設けることにより、金型と鍛造体との摩擦を少なくするものである。すなわち、金型に固体潤滑剤が付着堆積することなく、鍛造素材の気孔に潤滑剤が含浸することが少ないため、連続して鍛造することが可能である。従って、金型の温度やダイキャビティの大きさ等に合わせて噴霧量を調整することにより、その他の焼結軽合金や鉄系焼結合金の素材に対しても適用することが可能である。
【００２５】
【発明の効果】
この発明の熱間鍛造潤滑方法によれば、鍛造作業の保守作業を少なくすることができるため、生産能率が向上し、表面欠陥がなく外観に優れた鍛造体を安定して提供することができる。