温･熱間鍛造型の硬質皮膜処理による熱軟化抑制効果
有明工業高等専門学校 創造工学科メカニクスコース
教授 南 明宏（平成 28 年度 一般研究開発助成 AF-2016038）
キーワード：硬質皮膜，熱軟化，温・熱間鍛造

１．研究の目的と背景れた素材と接触・離脱を繰り返す．接触面圧はアーム

温・熱間鍛造品の多品種少量生産，高精度化，高精上のデッドウェイトによって設定し，単位時間当たり密化，複雑形状化を可能(ニアネットシェイプもしくはの熱負荷サイクル数：Ｎ cy および接触時間ｔ c は，変速ネットシェイプ)にするために，温・熱間鍛造金型にか装置とカム形状の変更によって行う．ここでは，接触かる熱負荷や変形抵抗負荷等が大きくなってきており， 冷却の１サイクル：ｔ cy は 2sec (接触時間ｔ c =0.49sec
最終的には型寿命改善や向上が重要となっている．型～0.65sec，冷却時間ｔ cool =1.35sec～1.51sec)とした．

寿命を改善そして向上させるための１方策として，冷素材表面の酸化膜の制御と素材加圧面近傍での温度こ

間型は型表面に PVD(物理蒸着)，CVD(化学蒸着)，温・ う配を小さく一様に保つために，マグネシウム脱酸炉
熱間型はプラズマ窒化，軟窒化(窒化＋浸炭)，等の硬を経由してアルゴンガスを電気炉中に流入する．素材質被膜処理を施すのが主流となっている．しかしながは SUS304 で鍛造材料初期設定温度が 500℃～1150℃のら，硬質皮膜の厚さや皮膜材と母材との組み合わせ方

ときアルゴンガス流量は 1.5～1.６Ｌ/min である．素によっては型表面に割れが発生したり，硬質皮膜が型材温度の制御には素材表面にスポット溶接したＰＲ熱母材から剥離する等，却って型の塑性変形が大きくな電対を利用した．試験片の固定部基準温度の上昇を抑ったり，劣化を助長したりする場合もあり，最適な皮え，安定化するために，冷却水を試験片ホルダ内に常膜条件を把握する必要がある．

時循環させた．

本研究では，第一に，マトリックスハイスの一種である DRM1(大同特殊鋼製)を用いて，モデル鍛造試験機による温・熱間鍛造熱負荷試験を行い，鍛造中の型と鍛 造 材 料 の 温 度 履 歴 情報 を 把 握 す るこ と で あ る 1) ～ 7 ) ．
温・熱間鍛造中の型および鍛造材料の温度履歴を基にして，型の熱軟化を評価(主に硬度)することができれば，型寿命予測あるいは改善・向上が実現可能であCam
Dead weight
Lever Arm

Motorる．これらの実験結果は硬質皮膜の最適条件に関する情報を蓄積するためのシミュレーション温度解析や変形解析等に重要となる．
第二に，後方（間接）押出し型モデルを想定し，有限 要 素 法 （FEM）を 適用 して 準 定常 温 度解 析 を 行 う ．
また，その際に，解析モデルにはイオン窒化皮膜相当

図１

モデル鍛造試験機概要図の硬質皮膜を施した後方押出し型を想定し，鍛造材料初期温度，型と被加工材料との接触熱コンダクタンス

本実験では，金型試験片にマトリックスハイス材の（接触熱抵抗の逆数），および接触時の（強制）冷却熱

DR１［大同特殊鋼(株)製］を使用する．焼入れは靭性伝達係数，型と被加工材料界面の摩擦せん断係数，型重視と硬度重視に分けて条件を変える．前者は 1120℃

コーナ半径および型コーナ部の傾斜角などの各種鍛造

加熱，35 分保持後油冷，後者は 1160℃加熱，35 分保パラメータを変化させた場合のパンチの温度分布，最持後ガス冷却とした．焼戻しはいずれも 540℃～560℃

高温度等について評価を行い，型寿命を延長させるた

加熱，3 時間保持後空冷を 3 回繰り返した．表面硬質めに最適な鍛造条件を導き出すことも試みる．

皮膜処理はプラズマ窒化処理を施した(510℃，10 時間保持，窒化層厚さ 0.2mm).金型形状および溝形状を図 2２．モデル鍛造実験方法に示す．金型は，円錐台形状の 2 個 1 組からなってお図 1 はモデル鍛造型熱劣化試験機の概略図である． り，このうち一方の割型分割面に放電加工を行い，深この装置では，カム機構③によってアーム②が上下動さ約 0.25mm の溝を彫り込む．その溝に，絶縁フィルムし，アーム端末下のホルダに取り付けられた型材試験をエポキシ樹脂接着剤で張り電気絶縁する．接触表面

片①と温度制御装置によって設定温度に表面が加熱さから指定された深さに直径 0.1 ㎜の CA 熱電対をスポット溶接したのち，絶縁フィルム上に熱電対を配線する．
さらにその上に絶縁フィルムを張り付け，電気絶縁する．鍛造材料の温度測定には，φ0.5 ㎜の PR（白金，白金ロジウム）熱電対を２組使用する．PR 熱電対は，補償導線を通してディジタル温度指示調節計に接続する．鍛造実験設定温度は 800℃，1000，1150℃である．

(a) Tmo＝800℃，t c =0.49s

250

de1=0.6mm
de2=1.2mm
de3=1.8mm
de4=18mmDie Temperature(℃ ）200150100N＝385500‐5000.5

11.5

22.5

CycleTime(s)(b) Tmo＝1150℃，t c =0.49s
図３
図２

金型の１サイクル温度履歴

二分割金型形状

図 3(a) は 鍛 造 材 料 中 心 初 期 温 度 ： Tmo ＝ 800 ℃ ，
t c =0.49sec において，鍛造回数 360 サイクル後の温度サイクルを示している．金型先端から最も近い計測点である de 1 =0.6mm(1ch)においては，金型と鍛造材料との 接 触 開 始 か ら 終 了 ま で の 温 度 は Tmin=78 ℃ か ら
Tmax=180℃ ま で 上 昇 し て お り ， 温 度 振 幅 ： Δ T＝ Tmax
－Tmin ＝102℃となっている．同様に，図 3(b)において ，Tmo=1150℃ ， t c =0.49sec の場 合 に は ，ΔT＝ Tmax
－Tmin ＝210℃－105℃＝105℃となり，温度振幅はほぼ 同 じ 値 に な っ た . ま た ， F ｐ が 約 16.2MPa か ら 約(a) Tmo＝1150℃，t c =0.65s

31.8MPa に 上 昇 す る と ， de 1 =0.6mm に お い て ，
Tmo=800℃，1150℃ではそれぞれ約 80℃，約 40℃上昇

300した．これは鍛造圧力が増加すると型先端と鍛造材料250と推察される．
図 4 は t c =0.65sec と接触時間が長い場合における金型の 1 サイクル温度履歴である．この１サイクルは鍛造開始から 60 分後の 1800 ショット時の温度履歴である．

温度(℃)

表面との熱通過率が上昇して熱流入量が増加するから

200
150

de1=2.493mm

de2=1.941mm

100

de3=1.237mm

de4=17.97mm

50000.5

1時間(s)(b) Tmo＝850℃，t c =0.65s
図４金型の１サイクル温度履歴

1.52

のパラメータが型内部および型表面に及ぼす熱負荷の500
450
400350温 300度
250℃ 200
150
100
500ch3

影響について検討する．

ch3minch2３．１（ch2minch1）

ch1minch40102030405060

ch4min時間(min)

図５

準定常温度解析既報 8) ～ 19) で述べたモデルに類似した図 7 のような形状を用いて準定常温度 FE 解析を行う．パンチ材質を
SKD61（直径 20mm，高さ 60mm），被加工材の材質をＳ45C（初期高さ 30mm），押し込み量 25mm とし，
主 な 解 析 条 件 と し て ， 素 材 初 期 温 度 T MO =1000 ℃ ，1150℃ ， 1250℃ ， パ ン チ ベ ー ス 温 度 ： T BASE =100℃ ，鍛造サイクルタイム：t cy =3.3 秒～4.03 秒，接触熱コ

Tmax および Tmin の温度軌跡(1150℃)

ンダクタンス：Kc=27.6kW/㎡ K および 36.08kW/㎡
K，接触時間：t c =0.05 秒，0.08 秒，摩擦せん断係数：

図 5 は Tmo=1150℃における最高温度：Tmax と最低m ｍ =0.0 ～ 0.4 ま で 0.1 刻 み で 増 加 ， コ ー ナ 半 径 ：温度：Tmin の温度軌跡を表したものである．鍛造開始

R=2mm，3mm，4mm まで 1mm 刻みで増加，皮膜厚から約 10 分までは温度上昇が著しく，非定常温度状態

さ：ｔ h =0.2mm とした．と言える．その後は定常温度状態となっていることが分かる．
800
700
600

1150℃最低温度

5001150℃最高温度

4003002001000051015

熱電対測定位置(mm)

図６ 熱電対測定位置における Tmax，Tmin(a)①材料セッティング(b)②押出し加工

図６は金型内の 4 つの熱電対測定温度から金型表面の最高温度：Tmax および最低温度：Tmin の推定温度を
示 し て い る ． こ の と き の 鍛 造 材 料 初 期 温 度 ： Tmo は1150℃であり，表面最高温度は約 750℃，最低温度も約 400℃となっている．

３．準定常温度および変形解析方法
鍛造肌をそのまま利用するネットシェイプを目的とした加工精度の向上やコストの低減など熱間鍛造型に求められる要求は高まる一方である．そのためには，
金 型 構 造(型 組 精 度)， 型 の 変 形 予 測 ， 金 型 材 料 の 高 強度化，型温度の管理，型寿命予測，型摩耗対策等 1) を考慮する必要がある．特に，熱負荷が厳しく，材料が回流するポンチ角部などでは型の摩耗や塑性変形および 熱 劣 化 を 起 点 と す る 割 れ が 生 じ る こ と と な り ,こ れらが型寿命を支配する主要な因子となる 7) ～ 19) ．
後方押出しモデルに摩擦すべり，表面皮膜，型形状等の鍛造パラメータを考慮した温度場を求め，これら③エジェクト，④⑤⑥冷却
図７

FEM 温度解析モデル

後方押出し１サイクル行程は図 8 に示すように分割される．図中の番号はそれぞれ①：材料が下型上に乗る．

④：自然冷却②：加工⑤：強制冷却③：エジェクト⑥：準強制冷却の各工程を示している．このうち②と③はさらにそれぞれ２分割されるため鍛造工程は 1 サイクルで 8 つの時間ブロックに分割された形で解析する．

(a)
図 10

Th=0.0ｍｍ(b)

Th=0.2mm

硬質皮膜の有無と温度分布

図 11 は Tmo=800℃，1000℃，1150℃，1250℃における硬質皮膜の有無による Tmax の変化を示している．図11(a)は t c =0.08sec,図 11(b)は t c =0.05sec である．当
図５

１サイクル工程と温度との関係

図８１サイクル工程の温度-時間曲線

然 な が ら ， 接 触 時 間 (加 工 時 間 )が 長 く な る ほ ど Tmaxは高くなっている．

３．２

準定常温度解析結果と考察

図９は硬質皮膜の有無による金型最高到達温度：
Tmax の 影 響 を 示 し て い る ． 鍛 造 材 料 初 期 温 度 ：Tmo=1150℃，接 触 時 間：t c =0.08sec，硬 質 皮 膜厚さ：
Th ＝ 0.0mm （ 皮 膜 無 ）， 0.2mm ， パ ン チ 先 端 半 径 ：Rc=4.0mm である．この図から硬質皮膜を施した方が皮膜無しのときより Tmax が高くなっている．これは,硬 質 皮 膜 の 熱 伝 導 率 が パ ン チ 母 材 よ り 小 さ い た め ,硬質皮膜内部に熱が留まりパンチ母材部への熱流入を抑(a)制することで皮膜が施されているパンチ表面の温度が(b)t c =0.08sec
t c =0.05sec

高くなったと考えられる．

図９(a)t c =0.08sec(b)t c =0.05sec

硬質皮膜の有無と Tmax の関係

実際に皮膜内部には高い温度領域が分布しており（図 10 参照），この皮膜が金型母材部に熱が流入するのを抑える効果があると思われる．

図 11

摩擦せん断係数と Tmax との関係

図 12 は鍛造材料初期温度：Tmo=1000℃，1150℃，
摩 擦 せ ん 断 係 数 ： Mm=0.4， 接 触 時 間 ： t c =0.05sec， 硬４．結言
モデル鍛造試験による動的熱負荷および鍛造中の質日皮膜厚さ：th=0.0mm（皮膜無し），型先端半径： 型の熱軟化状況を FE 温度および応力解析により求め
Rc=2.0mm における金型内の相当応力分布を示していた結果より以下のような結論が得られた．

る．鍛造材料初期温度が温間相当の場合には相当応力(1)モデル鍛造試験において，鍛造材料初期温度：Tmoの最低応力：σmin は 210MPa，最高応力：σmax は＝ 850 ℃ ， 1000 ℃ ， 1150 ℃ ， 鍛 造 面 圧 Pc=15.6MPa ，550MPa に対し，熱間相当になるとσmin=約 160MP

23.4MPa，39.6MPa の条件において金型昇温試験を行い，あ，σmax=約 380MPa まで低下する．つまり鍛造材

金型温度および鍛造材料温度履歴に関する有用なデー

料初期温度が高くなると金型は熱軟化によって塑性変タを得ることができた.

形し易くなることを意味している．

(2)モデル鍛造試験開始から約 10 分まで非定常状態で温度サイクルが上昇傾向にあり，また，その後，1 サイクルの開始時と終了時の温度がほぼ同じとなり，定常状態になっていることが分かった．
(3)FEM による数値解析において，鍛造材料初期温度：
Tmo を高くすると，金型最高到達温度は高くなり，また，金型の変形抵抗(=相当応力：金型が塑性変形する応力)が小さくなるの，塑性変形を起こしやすくなる．
したがって，鍛造材料初期温度を可能な限り低くした状態で押出し加工が実現できれば型の熱軟化を抑制することができる．ただし，成形の観点から見れば鍛造材料の変形能を十分に確保するには Tmo が高い方が良(a)Tmo=1000℃(b)

Tmo=1150℃い．そのため，Tmo を適切な温度に設定することが大切である．

図 12

鍛造材料初期温度と相当応力分布(4)同じく FE 解析において，摩擦せん断係数：Mm は小さい方が熱軟化を抑制でき，パンチの塑性変形も防止

接触時間の違いによる相当応力分布を示したもの

できて好ましいが，Mm の値は鍛造加工中に鍛造材料とが図 13 であ る． 接 触 時間 が長 く な るほ どσ min，σ金型との相互のせん断応力によって変化する．そのたmax ともに低下することが分かる．これは接触時間がめ，鍛造加工中に適切な潤滑材を使用することにより長くなると型内の Tmax や Tmin も高くなり，温度分Mm を可能な限り小さくすることで型寿命の改善・向上

布も全体的に高温状態となる．つまり熱軟化により相につながる．

当応力が低下し，塑性変形し易くなる．

(5)パンチと鍛造材料の接触時間：t c を短くすると，熱流入量の減少によりパンチの温度の上昇を防ぐことができ，より大きな相当応力にも耐えることが出来るよ
う に な る (変 形 抵 抗 が 大 き く な る の で 塑 性 変 形 し に くい)．したがって，パンチ母材の熱軟化が抑制され，型寿命改善・向上につながる．
最後に本研究は公益財団法人天田財団の研究開発助成を戴いて実施したものであることを明記し，ここに甚大なる謝意を表します．

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19) 南・田中･丸茂他：熱間鍛造型の温度分布に及ぼす加工条件及び型形状の影響，第 40 回塑性加工春季講演会，291-292，2009.5.