JP2003193168A - Functionally graded composite material and its manufacturing method - Google Patents
Functionally graded composite material and its manufacturing methodInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、金属とセラミック
スとを含有し、かつ金属の組成比が徐々に変化する傾斜
複合材およびその製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a graded composite material containing a metal and a ceramic and having a composition ratio of the metal gradually changed, and a method for producing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ワークを打ち抜き加工する鍛造金型装置
は、ワークを押圧するパンチと、前記パンチの下側に配
置されて該パンチが挿入される凹部を有するダイとを備
える。通常、ワークはダイ上に載置される。そして、ダ
イ側に指向して降下されたパンチの先端部がダイの凹部
に挿入されることによりワークが打ち抜かれる。2. Description of the Related Art A forging die apparatus for punching a work is provided with a punch for pressing the work and a die having a concave portion which is arranged under the punch and into which the punch is inserted. Usually, the work is placed on the die. Then, the work is punched out by inserting the tip of the punch, which is lowered toward the die side, into the recess of the die.
【０００３】ダイまたはパンチの構成材料としては、例
えば、高炭素鋼を主成分とするＳＫ材、ＳＫＤ材もしく
はＳＫＨ材（いわゆる高速度工具鋼）や、ニッケル系合
金もしくはコバルト系合金等の超合金材、またはセラミ
ックスと金属との複合材である超硬材等が採用されてい
る。また、耐摩耗性の向上を図るために、表面がＴｉＣ
やＴｉＮ等、硬質セラミックスのコーティング膜で被覆
される場合もある。The constituent material of the die or punch is, for example, SK material, SKD material or SKH material (so-called high speed tool steel) containing high carbon steel as a main component, and superalloy such as nickel alloy or cobalt alloy. A material, or a super hard material, which is a composite material of ceramics and metal, is used. In addition, the surface is made of TiC to improve wear resistance.
It may be coated with a coating film of hard ceramics such as TiN or TiN.
【０００４】これらのうち、高速度工具鋼や超合金材に
は、高強度および高靭性を有するものの、耐摩耗性や圧
縮強度および剛性等が不足しているという不具合があ
る。一方、超硬材には、耐摩耗性や圧縮強度および剛性
等に優れてはいるものの、靱性が不足しており、割れや
欠けが生じ易いという不具合がある。すなわち、高速度
工具鋼および超合金材と超硬材は、互いに相反する特性
を有しており、したがって、ダイまたはパンチの構成材
料は、ワークの構成材料等に応じて選定されている。Among these, the high speed tool steel and the superalloy material have high strength and high toughness, but have a drawback that they lack wear resistance, compressive strength and rigidity. On the other hand, although the cemented carbide is excellent in wear resistance, compressive strength, rigidity, etc., it has insufficient toughness and is liable to be cracked or chipped. That is, the high-speed tool steel, the superalloy material, and the cemented carbide material have mutually contradictory properties, and therefore, the constituent material of the die or punch is selected according to the constituent material of the workpiece and the like.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】ダイおよびパンチは、
高硬度、高強度、高靭性等をともに兼ね備えることが本
来は望ましい。すなわち、高硬度であるものは耐摩耗性
も高く、したがって、長寿命であるからである。また、
強度が高いと、ワークが打ち抜かれる際にダイおよびパ
ンチに高応力が作用した場合であっても変形が生じ難い
からである。さらに、高靭性であるものは割れや欠けが
生じ難いからである。しかしながら、上記したように、
これらの特性を全て兼ね備えるダイやパンチはこれまで
のところ知られていない。DISCLOSURE OF INVENTION Problems to be Solved by the Invention
It is originally desirable to have high hardness, high strength, and high toughness. That is, a material having a high hardness has a high wear resistance and thus a long life. Also,
This is because if the strength is high, deformation is unlikely to occur even when high stress acts on the die and punch when the work is punched. Further, a material having high toughness is unlikely to cause cracking or chipping. However, as mentioned above,
No die or punch with all of these characteristics is known so far.
【０００６】例えば、超硬材からなるダイまたはパンチ
の靱性を向上させるには、金属の組成比を増加すればよ
い。しかしながら、この場合、硬度および強度が低下し
てしまう。したがって、寿命が低下することが懸念され
る。これに対し、金属の組成比を減少すると、硬度や強
度が向上する一方で靱性が低下する。このため、割れや
欠けが一層生じ易くなってしまう。For example, in order to improve the toughness of a die or punch made of a superhard material, the metal composition ratio may be increased. However, in this case, hardness and strength are reduced. Therefore, there is a concern that the life may be shortened. On the other hand, when the metal composition ratio is decreased, the hardness and strength are improved, but the toughness is decreased. Therefore, cracks and chips are more likely to occur.
【０００７】このことから諒解されるように、超硬材か
らなるダイやパンチにおいては、硬度および強度を向上
しようとすると靱性が低下し、一方、靱性を向上しよう
とすると硬度および強度が低下するので、硬度および強
度と靱性とを同時に向上させることは著しく困難であ
る。As can be appreciated from the above, in a die or punch made of a super hard material, the toughness is lowered when trying to improve the hardness and strength, while the hardness and the strength are lowered when trying to improve the toughness. Therefore, it is extremely difficult to simultaneously improve hardness and strength and toughness.
【０００８】そこで、本出願人は、特開平８−２１５９
１２号公報にて、セラミックスと金属とを含有する複合
材料に設けられた穴部に金属製芯材を挿入した後、加熱
処理によって該複合材料に金属製芯材を溶浸させ、傾斜
複合材からなる油穴付工具を得ることを提案している。
このような油穴付工具においては、金属の組成比が比較
的高い箇所（金属リッチ部）では靱性に優れ、セラミッ
クスの組成比が比較的高い箇所（セラミックスリッチ
部）では硬度および強度に優れる。すなわち、硬度およ
び強度と靱性とが優れた工具となる。Therefore, the applicant of the present invention has filed Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-2159.
No. 12, gazette, a metal core material is inserted into a hole provided in a composite material containing ceramics and a metal, and then the metal core material is infiltrated into the composite material by a heat treatment to obtain a gradient composite material. It is proposed to obtain a tool with an oil hole.
In such a tool with an oil hole, toughness is excellent in a portion where the metal composition ratio is relatively high (metal rich portion), and hardness and strength are excellent in a portion where the ceramic composition ratio is relatively high (ceramics rich portion). That is, the tool has excellent hardness, strength and toughness.
【０００９】しかしながら、この場合、溶浸時に金属間
化合物が生成する。この金属間化合物は、工具の脆性を
高めてしまうので、前記油穴付工具の諸特性を向上させ
ることには限界がある。However, in this case, an intermetallic compound is produced during infiltration. Since this intermetallic compound increases the brittleness of the tool, there is a limit to improving various characteristics of the tool with oil holes.
【００１０】本発明は上記した問題を解決するためにな
されたもので、強度、硬度および靱性が一層優れる傾斜
複合材およびその製造方法を提供することを目的とす
る。The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a graded composite material having more excellent strength, hardness and toughness, and a method for producing the same.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明に係る傾斜複合材は、セラミックスおよび
金属を含有する複合材料からなる本体部と、前記本体部
の穴部に挿入され、被膜を介して前記穴部の内周壁部に
接合した金属製芯材と、を有し、前記金属製芯材を源と
する金属元素が前記本体部に拡散しており、かつ前記本
体部における前記金属元素の濃度が、前記金属製芯材か
ら離間するに従って減少していることを特徴とする。In order to achieve the above object, a graded composite material according to the present invention is inserted into a main body made of a composite material containing ceramics and a metal, and a hole portion of the main body. A core made of metal joined to the inner peripheral wall of the hole via a coating, and a metal element originating from the core made of metal is diffused into the body, and the body is The concentration of the metal element in 1 is decreased as the distance from the metal core material is increased.
【００１２】すなわち、この傾斜複合材中でのセラミッ
クスの組成比は、内部に比して表面側の方が大きい。こ
のため、表面が硬度および強度に優れるので、耐摩耗性
が向上する。また、内部に金属が拡散しているので、こ
の傾斜複合材は、金属に由来する靱性を兼ね備える。こ
のため、割れや欠けが生じ難くなる。しかも、この場
合、界面が存在することなく金属の組成比が変化するの
で、応力集中が起こることを回避することもできる。That is, the composition ratio of the ceramics in this gradient composite material is larger on the surface side than on the inside. Therefore, the surface is excellent in hardness and strength, and wear resistance is improved. Further, since the metal is diffused inside, this graded composite material also has toughness derived from the metal. For this reason, cracks and chips are less likely to occur. Moreover, in this case, the composition ratio of the metal changes without the existence of an interface, so that stress concentration can be avoided.
【００１３】また、被膜が存在することによって金属製
芯材からの金属元素が本体部に過剰に拡散することが抑
制されているので、金属間化合物が生成することが抑制
される。このため、傾斜複合材が脆性を増すことを回避
することもでき、結局、この傾斜複合材は、硬度や強
度、靱性等の諸特性が優れたものとなる。Further, since the presence of the coating film prevents the metal element from the metal core material from excessively diffusing into the main body, the formation of the intermetallic compound is suppressed. Therefore, it is possible to avoid increasing the brittleness of the graded composite material, and eventually the graded composite material has excellent properties such as hardness, strength, and toughness.
【００１４】本体部を構成するセラミックスの好適な例
としては、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｚ
ｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物またはホウ化物の
少なくともいずれか１つを挙げることができ、また、金
属の好適な例としては、Ｆｅ、Ｆｅ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合
金、ＣｏまたはＣｏ合金の少なくともいずれか１つを挙
げることができる。Preferable examples of ceramics constituting the main body are W, Cr, Mo, Ti, Nb, Ta, V and Z.
At least one of carbides, nitrides, carbonitrides and borides of r and Hf can be mentioned, and preferable examples of the metal are Fe, Fe alloy, Ni, Ni alloy, Co or Co. At least one of the alloys can be mentioned.
【００１５】この場合、金属製芯材としては、Ｆｅ、Ｆ
ｅ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、ＣｏまたはＣｏ合金を選定
し、かつ、被膜としては、炭素、炭化物、炭窒化物、窒
化物またはホウ化物を選定する。この被膜は、金属製芯
材を構成する金属元素が本体部に拡散する際、ＣやＮ、
Ｂの供給源となる。このような元素を供給することによ
り、セラミックスを構成する金属元素と金属製芯材から
拡散してきた金属元素との金属間化合物が生成すること
が回避される。In this case, as the metal core material, Fe, F
e alloy, Ni, Ni alloy, Co or Co alloy is selected, and carbon, carbide, carbonitride, nitride or boride is selected as the coating. When the metal element forming the metal core material diffuses into the main body, the coating film contains C, N,
It becomes the supply source of B. By supplying such an element, it is possible to avoid generation of an intermetallic compound of a metal element forming ceramics and a metal element diffused from the metal core material.
【００１６】このように構成された傾斜複合材の表面の
ビッカース硬度は、１２００以上であることが好まし
い。この場合、耐摩耗性に一層優れるようになるので、
例えば、該傾斜複合材を用いて長寿命な加工用金型を作
製することが可能となるからである。The Vickers hardness of the surface of the gradient composite material thus constructed is preferably 1200 or more. In this case, the wear resistance will be even better,
This is because, for example, it becomes possible to manufacture a working die having a long life by using the inclined composite material.
【００１７】そして、この傾斜複合材においては、長手
方向に対して垂直方向から切断することにより露呈する
切断面での前記金属製芯材の寸法が、該切断面の寸法を
１とするとき、０．２〜０．８であることが好ましい。
なお、傾斜複合材における長手方向に段部等が設けら
れ、このために各所で寸法が異なる場合には、最長部分
の切断面での寸法比を前記のように設定すればよい。In this inclined composite material, when the dimension of the metal core material at the cut surface exposed by cutting from the direction perpendicular to the longitudinal direction is 1 in the cut surface, It is preferably 0.2 to 0.8.
When a step portion or the like is provided in the longitudinal direction of the inclined composite material and therefore the dimensions are different at each place, the dimension ratio at the cut surface of the longest portion may be set as described above.
【００１８】０．２未満であると、金属元素が拡散した
領域の肉厚が小さくなるので、傾斜複合材の靱性がさほ
ど向上しない。また、０．８よりも大きいと、金属製芯
材と本体部とが良好に接合しなくなる。If it is less than 0.2, the thickness of the region where the metal element diffuses becomes small, so that the toughness of the graded composite material is not improved so much. On the other hand, if it is larger than 0.8, the metal core material and the main body part are not properly joined.
【００１９】また、本発明に係る第１の傾斜複合材の製
造方法は、金属粒子およびセラミックス粒子を含有する
とともに、穴部が設けられた成形体または焼成体を触媒
金属含有溶液に浸漬する工程と、表面に被膜が設けられ
た金属製芯材が前記穴部に挿入され、かつ前記触媒金属
溶液を含浸した成形体または焼成体を焼成処理すること
に伴い、前記金属粒子および前記セラミックス粒子を粒
成長させるとともに、前記金属製芯材と前記成形体また
は前記焼成体とを互いに接合させ、かつ前記金属製芯材
を構成する金属元素を前記成形体または前記焼成体に拡
散させることによって、前記金属製芯材が接合する一方
で前記金属元素が拡散した本体部を作製する工程と、を
有することを特徴とする。Further, the first method for producing a graded composite material according to the present invention comprises a step of immersing a molded body or a fired body containing metal particles and ceramic particles and provided with holes in a catalyst metal-containing solution. And a metal core material provided with a coating film on the surface thereof is inserted into the hole, and with the firing treatment of the molded body or the fired body impregnated with the catalyst metal solution, the metal particles and the ceramic particles are Along with grain growth, the metal core material and the molded body or the fired body are bonded to each other, and the metal element constituting the metal core material is diffused into the molded body or the fired body, And a step of producing a main body portion in which the metal element is diffused while the metal core material is joined.
【００２０】この製造方法では、金属製芯材の表面に被
膜を設けるようにしているが、穴部の内壁部に被膜を設
けるようにしてもよい。すなわち、本発明の第２の傾斜
複合材の製造方法は、金属粒子およびセラミックス粒子
を含有するとともに、穴部が設けられた成形体または焼
成体を触媒金属含有溶液に浸漬する工程と、前記穴部の
内周壁部に被膜を形成する工程と、金属製芯材が前記穴
部に挿入され、かつ前記触媒金属含有溶液を含浸した成
形体または焼成体を焼成処理することに伴い、前記金属
粒子および前記セラミックス粒子を粒成長させるととも
に、前記金属製芯材と前記成形体または前記焼成体とを
互いに接合させ、かつ前記金属製芯材を構成する金属元
素を前記成形体または前記焼成体に拡散させることによ
って、前記金属製芯材が接合する一方で前記金属元素が
拡散した本体部を作製する工程と、を有することを特徴
とする。In this manufacturing method, the coating is provided on the surface of the metal core material, but the coating may be provided on the inner wall of the hole. That is, the second method for producing a graded composite material according to the present invention includes a step of immersing a molded body or a fired body containing metal particles and ceramic particles and having a hole portion in a catalyst metal-containing solution, and the hole. A step of forming a coating film on the inner peripheral wall portion of the portion, and a metal core material is inserted into the hole portion, and with the firing treatment of the molded body or the fired body impregnated with the catalyst metal-containing solution, the metal particles And grain-growing the ceramic particles, bonding the metal core material and the formed body or the fired body to each other, and diffusing the metal element constituting the metal core material into the formed body or the fired body. By doing so, a step of producing a main body part in which the metal element is diffused while the metal core material is bonded is provided.
【００２１】いずれの場合においても、金属製芯材から
金属元素が成形体または焼成体に過剰に拡散することが
被膜によって抑制される。このため、金属間化合物が生
成することを回避することができるので、諸特性が優れ
た傾斜複合材を製造することができる。In any case, the film prevents the metal element from excessively diffusing from the metal core material into the molded body or the fired body. For this reason, it is possible to avoid the formation of the intermetallic compound, so that it is possible to manufacture the graded composite material having excellent various properties.
【００２２】なお、金属製芯材は、成形体または焼成体
に触媒金属含有溶液を含浸させる前に、穴部に予め挿入
しておいてもよい。The metallic core material may be inserted into the hole in advance before impregnating the molded body or the calcined body with the catalyst metal-containing solution.
【００２３】充分な硬度、強度および靱性を有する傾斜
複合材を構成するには、セラミックス粒子としてＷ、Ｃ
ｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化
物、窒化物、炭窒化物またはホウ化物の粒子の少なくと
もいずれか１つを用いるとともに、前記金属粒子として
Ｆｅ、Ｆｅ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、ＣｏまたはＣｏ合金
の粒子の少なくともいずれか１つを用いることが好まし
い。この場合、金属製芯材としてＦｅ、Ｆｅ合金、Ｎ
ｉ、Ｎｉ合金、ＣｏまたはＣｏ合金からなるものを用
い、かつ被膜として炭素、炭化物、炭窒化物、窒化物ま
たはホウ化物からなるものを設けるようにすればよい。In order to form a gradient composite material having sufficient hardness, strength and toughness, W and C are used as ceramic particles.
At least one of particles of carbides, nitrides, carbonitrides or borides of r, Mo, Ti, Nb, Ta, V, Zr, and Hf is used, and Fe, Fe alloy, Ni, as the metal particles. It is preferable to use at least one of particles of Ni alloy, Co or Co alloy. In this case, Fe, Fe alloy, N as the metal core material
i, Ni alloy, Co or Co alloy may be used, and the coating may be formed of carbon, carbide, carbonitride, nitride or boride.
【００２４】この被膜は、金属製芯材から金属元素が拡
散する際にＣやＮ、Ｂを供給し、セラミックスを構成す
る金属元素と金属製芯材から拡散してきた金属元素との
金属間化合物が生成することを抑制する。This coating supplies C, N, and B when the metal element diffuses from the metal core material, and an intermetallic compound of the metal element constituting the ceramics and the metal element diffused from the metal core material. Is suppressed.
【００２５】成形体または焼成体を作製する際、セラミ
ックス粒子と金属粒子との割合は、重量比で８０：２０
〜９５：５とすることが好ましい。金属が５重量部未満
であると、最終製品である傾斜複合材の靱性が乏しくな
るので割れや欠けが生じ易くなる。また、２０重量部を
超えると、傾斜複合材の硬度や強度が低下するので耐摩
耗性が乏しくなる。When producing a molded body or a fired body, the ratio of the ceramic particles to the metal particles is 80:20 by weight.
It is preferable to be set to 95: 5. If the amount of metal is less than 5 parts by weight, the toughness of the final product, the graded composite material, becomes poor, and cracks and chips are likely to occur. On the other hand, if it exceeds 20 parts by weight, the hardness and strength of the graded composite material decrease, and the wear resistance becomes poor.
【００２６】ここで、触媒金属含有溶液の好適な例とし
ては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、
Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗの少なくとも１種を含有する金属塩
溶液または有機金属化合物を挙げることができる。この
ようなものは、成形体または焼結体中のセラミックス粒
子が粒成長することを促進するので、緻密であり、この
ために諸特性が優れる傾斜複合材を得ることができる。Here, preferable examples of the catalyst metal-containing solution include Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Ti, Al,
Mention may be made of metal salt solutions or organometallic compounds containing at least one of V, Nb, Ta and W. Such a material promotes grain growth of the ceramic particles in the molded body or the sintered body, so that it is dense and for this reason, a graded composite material excellent in various properties can be obtained.
【００２７】そして、成形体または焼成体の相対密度
は、４５〜５４％とすることが好ましい。４５％未満で
あると、セラミックス粒子の粒成長が起こり難くなるの
で、緻密な傾斜複合材を構成できなくなるので、高強度
かつ高靱性なパンチを得ることが容易ではなくなる。ま
た、５４％よりも大きいと、セラミックス粒子を粒成長
させる際、成形体または焼成体に割れが発生することが
ある。The relative density of the molded body or the fired body is preferably 45 to 54%. If it is less than 45%, the grain growth of ceramic particles becomes difficult to occur, so that a dense gradient composite material cannot be formed, and it becomes difficult to obtain a punch having high strength and high toughness. On the other hand, if it is larger than 54%, cracks may occur in the formed body or the fired body when the ceramic particles are grown.
【００２８】金属製芯材は、穴部に挿入された際、該金
属製芯材と成形体または焼成体とが０．０５〜０．５ｍ
ｍ離間する寸法のものであることが好ましい。０．０５
ｍｍ未満となるものであると、穴部に挿入することが容
易ではない。また、０．５ｍｍより大きいものである
と、穴部内で金属製芯材が傾斜して成形体または焼成体
から大きく離間する箇所が生じ易くなる。このため、成
形体または焼成体に金属元素を均一に拡散させることが
容易ではなくなる。When the metal core material is inserted into the hole, the metal core material and the molded or fired body are 0.05 to 0.5 m.
It is preferable that they are sized so as to be separated by m. 0.05
If it is less than mm, it is not easy to insert it into the hole. Further, if it is larger than 0.5 mm, the metal core material is inclined in the hole portion, and a portion greatly separated from the molded body or the fired body is likely to occur. For this reason, it is not easy to uniformly diffuse the metal element into the molded body or the fired body.
【００２９】なお、粒子同士が密着に接しておらず相対
密度が低い成形体では、触媒金属含有溶液を含浸させる
際に崩壊してしまうことがある。これを確実に回避する
ために、いずれの場合においても、焼成体とした後に触
媒金属含有溶液を含浸させる工程以降の工程を行うよう
にすることが好ましい。勿論、成形体が充分な強度を有
する場合、焼成体とする必要は特にない。It should be noted that a molded body having a low relative density in which particles are not in close contact with each other may be disintegrated when impregnated with the catalyst metal-containing solution. In order to surely avoid this, in any case, it is preferable to perform the steps after the step of impregnating with the catalyst metal-containing solution after forming the calcined body. Of course, when the molded body has sufficient strength, it is not necessary to use it as a fired body.
【００３０】[0030]
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る傾斜複合材お
よびその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付
の図面を参照して詳細に説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, preferred embodiments of a graded composite material and a method for producing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
【００３１】図１に、本実施の形態に係る傾斜複合材と
してのパンチ１０を有する鍛造金型装置１２の要部概略
縦断面図を示す。この鍛造金型装置１２は、据え込み成
形を行うものであり、下型を構成する固定型１４と、上
型を構成する可動型１６とを備える。FIG. 1 is a schematic vertical cross-sectional view of a main part of a forging die device 12 having a punch 10 as a tilted composite material according to this embodiment. The forging die device 12 performs upsetting, and includes a fixed die 14 that constitutes a lower die and a movable die 16 that constitutes an upper die.
【００３２】固定型１４には、ダイ１７と、該ダイ１７
を位置決め固定するためのスペーサ１８とがナット部材
２０を介してダイ取り付け本体２１に締め付け支持され
ている。なお、図１中、参照符号２２は、プレッシャリ
ングを示す。The fixed die 14 has a die 17 and the die 17
And a spacer 18 for positioning and fixing are fixedly supported by the die mounting body 21 via a nut member 20. In FIG. 1, reference numeral 22 indicates pressure ring.
【００３３】ダイ１７の中央部にはダイリング２３が固
定されており、このダイリング２３には製品用キャビテ
ィ２４が形成されている。該キャビティ２４には、プレ
ッシャリング２２内を貫通してノックアウトピン２５が
摺動自在に配置される。A die ring 23 is fixed to the center of the die 17, and a product cavity 24 is formed in the die ring 23. A knockout pin 25 is slidably arranged in the cavity 24 so as to pass through the pressure ring 22.
【００３４】そして、キャビティ２４には、図１の下方
から、小径部２７、段部２８および大径部２９が設けら
れている。The cavity 24 is provided with a small diameter portion 27, a step portion 28 and a large diameter portion 29 from the lower side in FIG.
【００３５】可動型１６は、パンチ取り付け本体３０を
備え、該パンチ取り付け本体３０には、パンチガイド３
２およびナット部材３４を介して前記パンチ１０が取り
付けられている。このパンチ１０は、セラミックスと金
属とを含有する傾斜複合材で構成されている。The movable die 16 has a punch mounting body 30, and the punch mounting body 30 has a punch guide 3
The punch 10 is attached through the nut 2 and the nut member 34. The punch 10 is made of a graded composite material containing ceramics and metal.
【００３６】パンチ１０の概略縦断面図を図２に示す。
該パンチ１０は、本体部３６と、該本体部３６の穴部３
８に挿入された金属製芯材４０とを有する。金属製芯材
４０の表面には被膜４２が形成されており、したがっ
て、本体部３６と金属製芯材４０とは、被膜４２を介し
て互いに接合している状態となっている。A schematic vertical sectional view of the punch 10 is shown in FIG.
The punch 10 includes a body portion 36 and a hole portion 3 of the body portion 36.
8 and a metal core member 40 inserted in A coating 42 is formed on the surface of the metal core 40, and therefore, the main body 36 and the metal core 40 are in a state of being bonded to each other via the coating 42.
【００３７】本体部３６は、セラミックスと金属とを含
有する。鍛造加工において充分な硬度、強度および靱性
を有するパンチ１０とするためには、セラミックスとし
て、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈ
ｆの炭化物、窒化物、炭窒化物またはホウ化物を選定
し、かつ金属として、Ｆｅ、Ｆｅ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合
金、ＣｏまたはＣｏ合金を選定することが好ましい。セ
ラミックスおよび金属は、それぞれ、２種以上を使用し
てもよい。The main body portion 36 contains ceramics and metal. In order to obtain the punch 10 having sufficient hardness, strength and toughness in forging, W, Cr, Mo, Ti, Nb, Ta, V, Zr, H are used as ceramics.
It is preferable to select the carbide, nitride, carbonitride or boride of f and to select Fe, Fe alloy, Ni, Ni alloy, Co or Co alloy as the metal. Two or more kinds of ceramics and metals may be used respectively.
【００３８】ここで、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面
図を図３に示す。この断面図は、パンチ１０の長手方向
に対して垂直方向から切断することによって得られたも
のである。FIG. 3 is a sectional view taken along the line III-III of FIG. This sectional view is obtained by cutting the punch 10 from a direction perpendicular to the longitudinal direction.
【００３９】この図３から諒解されるように、本体部３
６における金属製芯材４０の周囲には、該金属製芯材４
０から被膜４２を介して本体部３６に拡散した金属元素
によって傾斜部４４が形成されている。該傾斜部４４に
おける金属元素の拡散量は、金属製芯材４０の周囲で最
も多く、該金属製芯材４０から離間するに従って減少す
る。すなわち、パンチ１０においては、金属の組成比が
内部から表面に指向して減少している。なお、図３にお
いて、参照符号４６は、セラミックスの組成比が比較的
大きなセラミックスリッチ部を示す。図３中、傾斜部４
４とセラミックスリッチ部４６との境界線は、金属元素
が拡散した最遠距離を便宜的に示したものであり、傾斜
部４４とセラミックスリッチ部４６との間に界面が存在
することを意味するものではない。As can be seen from FIG. 3, the main body 3
Around the metal core material 40 in FIG.
The inclined portion 44 is formed by the metal element diffused from 0 to the main body portion 36 through the coating film 42. The amount of diffusion of the metal element in the inclined portion 44 is largest around the metal core material 40, and decreases as the distance from the metal core material 40 increases. That is, in the punch 10, the metal composition ratio decreases from the inside toward the surface. In FIG. 3, reference numeral 46 indicates a ceramics rich portion in which the composition ratio of ceramics is relatively large. In FIG. 3, the inclined portion 4
The boundary line between No. 4 and the ceramics rich portion 46 is for convenience showing the farthest distance in which the metal element diffuses, and means that there is an interface between the inclined portion 44 and the ceramics rich portion 46. Not a thing.
【００４０】本体部３６が上記したセラミックスと金属
とを含有する複合材料からなる場合、金属製芯材４０と
しては、Ｆｅ、Ｆｅ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｏまたは
Ｃｏ合金からなるものを選定する。これらは本体部３６
に容易に拡散し、その結果、本体部３６の靱性を向上さ
せる。When the main body 36 is made of the above-mentioned composite material containing ceramics and metal, the metal core 40 is made of Fe, Fe alloy, Ni, Ni alloy, Co or Co alloy. . These are the main body 36
Readily diffuse into the body 36, resulting in improved toughness of the body 36.
【００４１】また、図３において、パンチ１０の半径を
Ｒ１、金属製芯材４０の半径をＲ２とするとき、Ｒ１：
Ｒ２は、１：０．２〜０．８であることが好ましい。Ｒ
２の比が０．２未満であると、傾斜部４４の肉厚が小さ
くなるので、靱性がさほど向上しない。また、０．８よ
りも大きいと、金属製芯材４０と本体部３６とが良好に
接合しなくなる。Further, in FIG. 3, when the radius of the punch 10 is R1 and the radius of the metal core material 40 is R2, R1:
R2 is preferably 1: 0.2 to 0.8. R
If the ratio of 2 is less than 0.2, the wall thickness of the inclined portion 44 becomes small, so the toughness is not improved so much. On the other hand, when it is larger than 0.8, the metal core material 40 and the main body portion 36 are not properly joined.
【００４２】被膜４２は、後述する焼成処理において、
金属製芯材４０からの金属元素の拡散を抑制するもので
ある。本体部３６が上記したセラミックスと金属を含有
する複合材料からなる場合、この被膜４２の構成材料と
しては、炭素や炭化物、炭窒化物等のＣの供給源となる
もの、炭窒化物、窒化物等のＮの供給源となるもの、ホ
ウ化物等のＢの供給源となるものが選定される。このよ
うなものの好適な例としては、カーボンブラックやグラ
ファイト、六方晶ＢＮ（ｈ−ＢＮ）、ＴｉＮ等を挙げる
ことができる。勿論、これらのうちの数種類を含有する
混合物被膜であってもよい。被膜４２からＣ、Ｂまたは
Ｎ等が供給されることにより、本体部３６にＷ6Ｃｏ6Ｃ
等の金属間化合物が生成することを抑制することができ
る。The coating film 42 is formed by the baking treatment described later.
It is intended to suppress the diffusion of the metal element from the metal core material 40. When the main body 36 is made of the above-mentioned composite material containing ceramics and a metal, the constituent material of the coating film 42 is a carbon source such as carbon, carbide or carbonitride, carbonitride, or nitride. The source of N such as B and the source of B such as boride are selected. Preferable examples of such a material include carbon black, graphite, hexagonal BN (h-BN), and TiN. Of course, it may be a mixture coating containing several kinds of these. By supplying C, B, N or the like from the coating 42, W 6 Co 6 C is supplied to the main body 36.
It is possible to suppress the formation of intermetallic compounds such as
【００４３】この被膜４２の厚みは、金属製芯材４０か
らの金属元素の拡散を抑制しつつも妨げることのない程
度に設定される。具体的には、５μｍ程度で充分であ
る。The thickness of the coating film 42 is set to such an extent that it does not hinder the diffusion of the metal element from the metal core material 40 but does not hinder it. Specifically, about 5 μm is sufficient.
【００４４】このように構成されたパンチ１０の加工
面、すなわち、表面のビッカース硬度（Ｈｖ）は、１２
００以上であることが好ましい。この場合、ワークとパ
ンチ１０との摩擦係数（μ）が低くなるので、据え込み
加工時における発熱や発生する応力が小さくなる。この
ため、ワークに表面荒れが生じ難くなり、加工精度が向
上する。また、耐摩耗性に優れるので、パンチ１０の寿
命を長期化させることもできる。The Vickers hardness (Hv) of the machined surface of the punch 10 thus constituted, that is, the surface is 12
It is preferably 00 or more. In this case, since the friction coefficient (μ) between the work and the punch 10 becomes low, heat generation and stress generated during upsetting are reduced. Therefore, the surface of the work is less likely to be roughened, and the working accuracy is improved. Moreover, since the wear resistance is excellent, the life of the punch 10 can be extended.
【００４５】このように構成されたパンチ１０は、表面
が硬度および強度に優れ、かつ内部が靱性に優れる。換
言すれば、ワークが据え込み加工されるに際して充分な
硬度、強度および靱性を兼ね備える。このため、このパ
ンチ１０は、長寿命であり、かつ変形が生じ難く、しか
も、割れや欠けが生じ難い。The punch 10 having such a structure has excellent hardness and strength on the surface and excellent toughness on the inside. In other words, when the work is upset, it has sufficient hardness, strength and toughness. Therefore, the punch 10 has a long life, is unlikely to be deformed, and is unlikely to be cracked or chipped.
【００４６】しかも、傾斜部４４における金属の組成比
が互いに異なる箇所同士の間や、傾斜部４４とセラミッ
クスリッチ部４６との間に界面が存在しないので、応力
集中が起こることもない。Moreover, since there is no interface between the portions having different metal composition ratios in the inclined portion 44 or between the inclined portion 44 and the ceramics rich portion 46, stress concentration does not occur.
【００４７】パンチ１０は、その過程がフローチャート
として図４に示される製造方法により製造することがで
きる。図４に示されるように、この製造方法は、穴部３
８を有する成形体を得る第１工程Ｓ１と、前記成形体を
焼成処理して多孔質焼成体とする第２工程Ｓ２と、前記
多孔質焼成体の穴部３８に金属製芯材４０を挿入した状
態で触媒金属含有溶液に浸漬する第３工程Ｓ３と、金属
製芯材４０が挿入されかつ触媒金属含有溶液を含浸した
多孔質焼成体を再焼成処理する第４工程Ｓ４とを有す
る。The punch 10 can be manufactured by the manufacturing method shown in the flow chart of FIG. As shown in FIG. 4, this manufacturing method uses the hole 3
First step S1 of obtaining a molded body having No. 8 and second step S2 of firing the molded body into a porous fired body, and inserting a metal core material 40 into the hole 38 of the porous fired body. In this state, a third step S3 of immersing in the catalyst metal-containing solution and a fourth step S4 of re-baking the porous fired body in which the metal core material 40 is inserted and impregnated with the catalyst metal-containing solution are performed.
【００４８】まず、第１工程Ｓ１において、セラミック
ス粒子と金属粒子の混合粉末を調製する。上記した理由
から、セラミックス粒子としては、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔ
ｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭
窒化物またはホウ化物の少なくともいずれか１つが好ま
しく、また、金属粒子としては、Ｆｅ、Ｆｅ合金、Ｎ
ｉ、Ｎｉ合金、ＣｏまたはＣｏ合金の少なくともいずれ
か１つが好ましい。First, in the first step S1, a mixed powder of ceramic particles and metal particles is prepared. For the above reasons, the ceramic particles include W, Cr, Mo, and T.
At least one of i, Nb, Ta, V, Zr, and Hf carbides, nitrides, carbonitrides, and borides is preferable, and the metal particles include Fe, Fe alloy, and N.
At least one of i, Ni alloy, Co and Co alloy is preferable.
【００４９】この場合、混合粉末におけるセラミックス
粒子と金属粒子との組成比は、セラミックス粒子：金属
粒子＝８０：２０〜９５：５（重量比、以下同じ）とす
ることが好ましい。金属が５重量部未満であると、最終
製品であるパンチ１０の靱性が乏しくなるので割れや欠
けが生じ易くなる。また、２０重量部を超えると、パン
チ１０の硬度や強度が低下するので耐摩耗性が乏しくな
るとともに、ワークの加工時に変形が生じ易くなる。In this case, the composition ratio of the ceramic particles and the metal particles in the mixed powder is preferably ceramic particles: metal particles = 80: 20 to 95: 5 (weight ratio, the same applies hereinafter). If the amount of metal is less than 5 parts by weight, the toughness of the punch 10, which is the final product, becomes poor and cracks and chips are likely to occur. On the other hand, if the amount exceeds 20 parts by weight, the hardness and strength of the punch 10 are lowered, so that the wear resistance is poor and the work is likely to be deformed.
【００５０】この混合粉末に成形加重を加えて、パンチ
１０の本体部３６に対応する形状の成形体を作製すると
同時に穴部３８を設ける。この際、成形荷重は、後述す
る第２工程Ｓ２において得られる焼成体を多孔質なもの
とするため、金属粒子が塑性変形を起こさない程度に設
定される。具体的には、成形荷重を１００〜３００ＭＰ
ａ程度とすることが好ましい。この場合、金属粒子が塑
性変形を起こすことを回避することができるので、成形
体の開気孔が閉塞されることはない。A molding load is applied to this mixed powder to form a molded body having a shape corresponding to the main body portion 36 of the punch 10, and at the same time, the hole portion 38 is provided. At this time, the forming load is set to such an extent that the metal particles do not undergo plastic deformation in order to make the fired body obtained in the second step S2 described later porous. Specifically, the molding load is 100 to 300MP
It is preferably about a. In this case, it is possible to avoid the plastic deformation of the metal particles, so that the open pores of the molded body are not blocked.
【００５１】この際の成形方法としては、特開平４−２
１１９０４号公報に開示されている金型内静水圧加圧成
形法を採用することが好ましい。この場合、樹脂バイン
ダやワックス等を混合することなく成形体を得ることが
できるからである。As a molding method at this time, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-2 is used.
It is preferable to adopt the in-mold hydrostatic pressure molding method disclosed in Japanese Patent No. 11904. This is because in this case, a molded body can be obtained without mixing a resin binder, wax and the like.
【００５２】次いで、第２工程Ｓ２において、開気孔が
残留するように前記成形体を焼成処理して多孔質焼成体
３６ａ（図５参照）とする。この時点で緻密な焼成体と
すると、第３工程Ｓ３において触媒金属含有溶液を内部
に含浸させることが困難となる。Next, in the second step S2, the molded body is subjected to a firing treatment so that the open pores remain, to obtain a porous fired body 36a (see FIG. 5). If a dense fired body is obtained at this point, it becomes difficult to impregnate the inside with the catalyst metal-containing solution in the third step S3.
【００５３】したがって、第２工程Ｓ２における焼成温
度や時間は、金属粒子同士の融着が起こり、該金属粒子
同士にネックが形成された状態で終了されるように設定
される。すなわち、第２工程Ｓ２では、セラミックス粒
子同士は融着されない。Therefore, the firing temperature and time in the second step S2 are set so that the metal particles are fused and the neck is formed between the metal particles. That is, in the second step S2, the ceramic particles are not fused to each other.
【００５４】この第２工程Ｓ２が終了した時点における
多孔質焼成体３６ａの相対密度は、４５〜５４％である
ことが好ましい。４５％未満であると、第４工程Ｓ４に
おいてセラミックス粒子の粒成長が起こり難くなるの
で、緻密で高強度かつ高靱性なパンチ１０を得ることが
容易ではなくなる。また、５４％よりも大きいと、多孔
質焼成体３６ａの剛性が高くなるので、第４工程Ｓ４で
熱膨張した金属製芯材４０により多孔質焼成体３６ａが
押圧された際に充分な弾性変形を起こすことが容易では
なくなる。このため、多孔質焼成体３６ａやパンチ１０
に割れが発生することがある。The relative density of the porous fired body 36a at the time when the second step S2 is completed is preferably 45 to 54%. If it is less than 45%, the grain growth of the ceramic particles is less likely to occur in the fourth step S4, so that it is not easy to obtain the punch 10 which is dense and has high strength and high toughness. Further, if it is more than 54%, the rigidity of the porous fired body 36a becomes high, so that sufficient elastic deformation occurs when the porous fired body 36a is pressed by the metal core material 40 thermally expanded in the fourth step S4. It will not be easy to cause. Therefore, the porous fired body 36a and the punch 10 are
Cracks may occur on the.
【００５５】次いで、図５に示すように、表面がカーボ
ンブラックやグラファイト、あるいはｈ−ＢＮ等で被覆
された金属製芯材４０を多孔質焼成体３６ａの穴部３８
に挿入する。この金属製芯材４０は、穴部３８に挿入さ
れた際、該金属製芯材４０と多孔質焼成体３６ａとの間
のクリアランスＣＬが０．０５〜０．５ｍｍとなる寸法
のものであることが好ましい。クリアランスＣＬが０．
０５ｍｍ未満となるものであると、穴部３８に金属製芯
材４０を挿入することが容易ではない。また、０．５ｍ
ｍより大きいものであると、穴部３８内で金属製芯材４
０が傾斜してしまい、金属元素を均一に拡散させるこ
と、換言すれば、均一な厚みの傾斜部４４を形成するこ
とが容易ではなくなる。Next, as shown in FIG. 5, a metal core material 40 whose surface is coated with carbon black, graphite, h-BN or the like is provided with a hole 38 of the porous fired body 36a.
To insert. The metal core 40 has such a size that when it is inserted into the hole 38, the clearance CL between the metal core 40 and the porous fired body 36a is 0.05 to 0.5 mm. It is preferable. Clearance CL is 0.
If the thickness is less than 05 mm, it is not easy to insert the metal core material 40 into the hole 38. Also, 0.5m
If it is larger than m, the metal core 4 in the hole 38
Since 0 is inclined, it is not easy to uniformly diffuse the metal element, in other words, to form the inclined portion 44 having a uniform thickness.
【００５６】なお、被膜４２の厚みは、５μｍ程度であ
れば充分である。It is sufficient that the thickness of the coating 42 is about 5 μm.
【００５７】そして、第３工程Ｓ３において、触媒金属
が溶媒中に溶解ないし分散された触媒含有溶液を多孔質
焼成体３６ａの内部に含浸させる。具体的には、触媒金
属含有溶液中に多孔質焼成体３６ａを浸漬する。この浸
漬により、触媒金属含有溶液が多孔質焼成体３６ａの開
気孔を介してその内部へと浸透する。Then, in the third step S3, the inside of the porous fired body 36a is impregnated with the catalyst-containing solution in which the catalyst metal is dissolved or dispersed in the solvent. Specifically, the porous fired body 36a is immersed in the catalyst metal-containing solution. By this immersion, the catalyst metal-containing solution permeates into the inside of the porous fired body 36a through the open pores.
【００５８】なお、触媒金属は、第４工程Ｓ４において
セラミックス粒子の粒成長を促進する物質であれば特に
限定されるものではないが、セラミックス粒子として上
記したものが選定されている場合、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、
Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ等を好適
な例として挙げることができる。触媒金属含有溶液とし
ては、上記した金属を含有する金属塩を溶媒に溶解した
ものや、有機金属溶液を使用することができる。The catalyst metal is not particularly limited as long as it is a substance that promotes the grain growth of ceramic particles in the fourth step S4. However, when the above-mentioned ceramic particles are selected, Fe, Ni, Co,
Mn, Cr, Ti, Al, V, Nb, Ta, W, etc. can be mentioned as a suitable example. As the catalyst metal-containing solution, it is possible to use a solution of the above-mentioned metal salt containing a metal in a solvent or an organic metal solution.
【００５９】この場合、触媒金属は、溶媒中に分散また
は溶解されることにより単一分子またはイオンの状態に
まで解離される。したがって、第３工程Ｓ３において
は、単一分子またはイオンにまで解離された触媒金属が
多孔質焼成体３６ａの内部に均一に分散される。このた
め、第４工程Ｓ４におけるセラミックス粒子の粒成長
は、多孔質焼成体３６ａの表面から内部に亘り促進され
る。In this case, the catalytic metal is dissociated into a single molecule or ion by being dispersed or dissolved in the solvent. Therefore, in the third step S3, the catalytic metal dissociated into single molecules or ions is uniformly dispersed inside the porous fired body 36a. Therefore, the grain growth of the ceramic particles in the fourth step S4 is promoted from the surface to the inside of the porous fired body 36a.
【００６０】第３工程Ｓ３を行った後、自然放置により
触媒金属含有溶液を乾燥する。または、多孔質焼成体３
６ａを加熱して触媒金属含有溶液を乾燥するようにして
もよい。After performing the third step S3, the catalyst metal-containing solution is dried by leaving it to stand. Alternatively, the porous fired body 3
The catalyst metal-containing solution may be dried by heating 6a.
【００６１】最後に、第４工程Ｓ４において、多孔質焼
成体３６ａを再焼成処理する。これにより、セラミック
ス粒子の粒成長が起こることに伴って多孔質焼成体３６
ａが緻密な焼成体（本体部３６）となる一方で、金属製
芯材４０の一部が軟質化して流動し、多孔質焼成体３６
ａの穴部３８の内周壁部に到達する。さらに、内周壁部
に到達したこの流動体を源として、金属元素が多孔質焼
成体３６ａの内部に拡散する。Finally, in the fourth step S4, the porous fired body 36a is refired. As a result, the porous fired body 36 is accompanied by the grain growth of the ceramic particles.
While a is a dense fired body (main body portion 36), a part of the metal core material 40 is softened and flows, and the porous fired body 36 is obtained.
It reaches the inner peripheral wall of the hole 38 of a. Further, the metal element diffuses into the inside of the porous fired body 36a by using this fluid having reached the inner peripheral wall portion as a source.
【００６２】第４工程Ｓ４では、金属製芯材４０の熱膨
張係数が多孔質焼成体３６ａに比して大きいので、金属
製芯材４０の方が大きく膨張する。このため、多孔質焼
成体３６ａが金属製芯材４０で押圧されるようになる
が、多孔質焼成体３６ａが弾性変形を起こすことによ
り、該多孔質焼成体３６ａに割れ等が発生することが回
避される。In the fourth step S4, the coefficient of thermal expansion of the metal core material 40 is larger than that of the porous fired body 36a, so that the metal core material 40 expands more. For this reason, the porous fired body 36a comes to be pressed by the metal core material 40. However, elastic deformation of the porous fired body 36a may cause cracks or the like in the porous fired body 36a. Avoided.
【００６３】第４工程Ｓ４での雰囲気ガスとしては、窒
素等の窒化ガスを使用することが好ましい。この場合、
多孔質焼成体３６ａの表面に存在するセラミックス粒子
が窒化されて端点が丸みを帯び、これにより、硬度、強
度および靱性に一層優れるパンチ１０が得られるからで
ある。Nitrogen gas such as nitrogen is preferably used as the atmospheric gas in the fourth step S4. in this case,
This is because the ceramic particles existing on the surface of the porous fired body 36a are nitrided and the end points are rounded, whereby the punch 10 having further excellent hardness, strength and toughness can be obtained.
【００６４】第４工程Ｓ４が終了した後、冷却すれば、
本体部３６と金属製芯材４０が互いに接合したパンチ１
０が得られるに至る。このパンチ１０の本体部３６にお
いては、金属製芯材４０を源とする金属元素が拡散して
いる。その拡散量は、金属製芯材４０の周囲で最も多
く、該金属製芯材４０から離間するに従って減少してい
る。すなわち、内部から表面に指向して金属の組成比が
減少する傾斜複合材からなるパンチ１０が得られるに至
る。After completion of the fourth step S4, if cooling is performed,
Punch 1 in which the main body 36 and the metal core 40 are joined together
0 is obtained. In the body portion 36 of the punch 10, the metal element originating from the metal core material 40 is diffused. The amount of diffusion is largest around the metal core material 40, and decreases as the distance from the metal core material 40 increases. That is, the punch 10 made of a gradient composite material in which the metal composition ratio decreases from the inside toward the surface is obtained.
【００６５】なお、本実施の形態においては、被膜４２
を金属製芯材４０に設けてパンチ１０を製造する場合を
例示して説明したが、図６にフローチャートを示すよう
に、穴部３８の内周壁部に被膜４２を設ける製造方法に
よってパンチ１０を製造するようにしてもよい。穴部３
８内への被膜４２の形成は、例えば、化学的気相成長
（ＣＶＤ）法や物理的気相成長（ＰＶＤ）法によって行
うことができる。In the present embodiment, the coating 42
The case where the punch 10 is manufactured by providing the metal core 40 on the metal core 40 has been described. However, as shown in the flowchart of FIG. 6, the punch 10 is manufactured by the manufacturing method in which the coating 42 is formed on the inner peripheral wall of the hole 38. It may be manufactured. Hole 3
The film 42 can be formed in the inside 8 by, for example, a chemical vapor deposition (CVD) method or a physical vapor deposition (PVD) method.
【００６６】また、上記した実施の形態では、成形体を
焼成処理して多孔質焼成体とした後に触媒金属含有溶液
への含浸、再焼成処理を行うようにしているが、充分な
強度を有する成形体であれば、成形体に触媒金属含有溶
液を含浸し、焼成処理してセラミックス粒子と金属粒子
を粒成長させるようにしてもよい。In the above-mentioned embodiment, the molded body is fired to form a porous fired body, which is then impregnated with the catalyst metal-containing solution and re-fired, but it has sufficient strength. In the case of a molded body, the molded body may be impregnated with the catalyst metal-containing solution and subjected to a firing treatment to grow the ceramic particles and the metal particles.
【００６７】さらに、穴部３８は、成形体または多孔質
焼成体を得た後、該成形体または多孔質焼成体に対して
穴開け加工を行うことによって設けるようにしてもよ
い。Further, the hole 38 may be provided by obtaining a molded body or a porous fired body and then performing a punching process on the molded body or the porous fired body.
【００６８】いずれの場合においても、金属製芯材は、
成形体または多孔質焼成体に触媒金属含有溶液が浸透し
た後に挿入するようにしてもよい。In any case, the metal core material is
You may make it insert after a catalyst metal containing solution permeates into a molded object or a porous calcination object.
【００６９】さらにまた、本発明に係る傾斜複合材は、
長手方向に対して垂直方向から切断することにより露呈
する切断面が多角形となるものであってもよい。例え
ば、図７に示すように切断面が長方形となる傾斜複合材
５０の場合、穴部５２および金属製芯材５４の断面形状
もともに長方形とし、本体部５６の縦方向寸法、横方向
寸法をＸ１、Ｙ１、金属製芯材５４の縦方向寸法、横方
向寸法をＸ２、Ｙ２とするとき、Ｘ１：Ｘ２＝１：０．
２〜０．８、Ｙ１：Ｙ２＝１：０．２〜０．８となるよ
うに設定することが好ましい。Furthermore, the graded composite material according to the present invention is
The cut surface exposed by cutting from the direction perpendicular to the longitudinal direction may be polygonal. For example, in the case of the inclined composite material 50 having a rectangular cut surface as shown in FIG. 7, the hole 52 and the metal core material 54 are both rectangular in cross-sectional shape, and the main body portion 56 has vertical and horizontal dimensions. X1, Y1 and the vertical and horizontal dimensions of the metal core member 54 are X2, Y2, X1: X2 = 1: 0.
2 to 0.8 and Y1: Y2 = 1: 0.2 to 0.8 are preferably set.
【００７０】[0070]
【実施例】平均粒径１μｍの炭化タングステン（ＷＣ）
粉末が９０重量部、平均粒径１．４μｍのコバルト（Ｃ
ｏ）粉末が１０重量部の割合で混合された混合粉末を１
００ＭＰａの成形圧でプレス成形し、本体部３６（図２
参照）に対応する形状の成形体を作製した。この成形体
を１２００Ｋで３０分間保持することにより、多孔質焼
成体とした。多孔質焼成体および穴部３８の直径は、そ
れぞれ、１０ｍｍ、５ｍｍとした。すなわち、半径比で
Ｒ１：Ｒ２＝１：０．５とした。Example: Tungsten carbide (WC) having an average particle size of 1 μm
90 parts by weight of powder, cobalt (C
o) 1 powder mixture in which the powders are mixed in a ratio of 10 parts by weight
It is press-molded with a molding pressure of 00 MPa, and the main body 36 (see FIG.
A molded body having a shape corresponding to (see) was produced. This molded body was kept at 1200K for 30 minutes to obtain a porous fired body. The diameters of the porous fired body and the holes 38 were 10 mm and 5 mm, respectively. That is, the radius ratio was set to R1: R2 = 1: 0.5.
【００７１】次いで、この多孔質焼成体の穴部３８に、
ＳＣＭ４２０（ＪＩＳ規格）からなり、約５μｍの厚み
のカーボンブラックとｈ−ＢＮの混合物からなる被膜４
２が表面に設けられた金属製芯材４０を挿入した。多孔
質焼成体と金属製芯材４０とのクリアランスＣＬは、
０．２ｍｍであった。Then, in the hole 38 of this porous fired body,
A coating 4 made of SCM420 (JIS standard) and made of a mixture of carbon black and h-BN having a thickness of about 5 μm.
2 was inserted into the metal core material 40 provided on the surface. The clearance CL between the porous fired body and the metal core 40 is
It was 0.2 mm.
【００７２】この状態で、多孔質焼成体を、粘剤として
の水溶性ポリ酢酸ビニルが０．３％添加された濃度１０
％の硝酸ニッケル溶液に３分間浸漬することにより該多
孔質焼成体の内部にＮｉイオンを分散させた後、該多孔
質焼成体を３５０Ｋで１時間保持することにより乾燥し
た。In this state, the porous fired body was mixed with water-soluble polyvinyl acetate as a sticking agent at a concentration of 0.3% to obtain a concentration of 10%.
% Nickel nitrate solution for 3 minutes to disperse Ni ions inside the porous fired body, and then the porous fired body was dried by holding at 350 K for 1 hour.
【００７３】次いで、前記多孔質焼成体を窒素分圧５０
Ｐａにおいて昇温速度１０Ｋ／分で昇温し、さらに、５
２０Ｋ、７２０Ｋ、９９０Ｋ、１２００Ｋ、１３００
Ｋ、１４００Ｋ、１５００Ｋと段階的に昇温し、かつそ
れぞれの温度段階で１５〜３０分保持した。１６００Ｋ
で３０分保持した後、窒素分圧を０．１ＭＰａ、昇温速
度を５Ｋ／分として１６５０Ｋまで昇温した。この温度
で３０分保持した後、１７００Ｋまで昇温して１時間保
持した。Then, the porous fired body is subjected to a nitrogen partial pressure of 50.
In Pa, the temperature is raised at a temperature rising rate of 10 K / min, and further 5
20K, 720K, 990K, 1200K, 1300
The temperature was gradually raised to K, 1400K, and 1500K, and the temperature was maintained at each temperature stage for 15 to 30 minutes. 1600K
After holding for 30 minutes, the temperature was raised to 1650 K at a nitrogen partial pressure of 0.1 MPa and a heating rate of 5 K / min. After holding at this temperature for 30 minutes, the temperature was raised to 1700 K and kept for 1 hour.
【００７４】その後、窒素分圧を０．３ＭＰａとして１
３００Ｋまで温度を下降させ、さらに室温まで温度を下
降させた。そして、８００Ｋまで再び昇温して２時間保
持した後に冷却し、本体部３６と金属製芯材４０とが互
いに接合したパンチ１０を得た。After that, the nitrogen partial pressure is set to 0.3 MPa, and
The temperature was lowered to 300K and further to room temperature. Then, the temperature was raised again to 800 K, and the temperature was maintained for 2 hours and then cooled to obtain the punch 10 in which the main body portion 36 and the metal core material 40 were joined to each other.
【００７５】このパンチ１０では、金属製芯材４０の金
属元素が穴部３８から直径外方向に２．５ｍｍの箇所ま
で拡散していることが確認された。すなわち、この場
合、傾斜部４４の厚みは２．５ｍｍであった。In this punch 10, it was confirmed that the metal element of the metal core material 40 was diffused from the hole 38 to a location 2.5 mm outward in the diameter direction. That is, in this case, the thickness of the inclined portion 44 was 2.5 mm.
【００７６】このように構成されたパンチ１０を、図１
に示す鍛造金型装置１２に組み込み、ワークを据え込み
成形して耐久性を調査した。具体的には、ワークの成形
とパンチ１０の引き抜きを１ショットとし、使用可能な
ショット回数を調べた。The punch 10 having the above structure is shown in FIG.
The work was incorporated into the forging die device 12 shown in FIG. Specifically, forming the work and pulling out the punch 10 were defined as one shot, and the number of usable shots was examined.
【００７７】これとは別に、クリアランスＣＬを０．２
ｍｍとした上で本体部５６の半径Ｒ１と金属製芯材４０
の半径Ｒ２の比を様々に変化させたパンチ１０と、クリ
アランスＣＬを変化させたパンチ１０を作製して上記と
同様にショット回数を測定した。Separately, the clearance CL is 0.2
mm and the radius R1 of the main body 56 and the metal core 40
The number of shots was measured in the same manner as described above by making a punch 10 in which the ratio of the radius R2 of the above was variously changed and a punch 10 in which the clearance CL was changed.
【００７８】さらに、比較のため、中実体のパンチを作
製して該パンチの耐久性も調べた。結果をビッカース硬
度とともに併せて図８、図９に示す。なお、図８および
図９中、Ｖ２０はＷＣ：Ｃｏ＝９０：１０を表し、Ｖ３
０はＷＣ：Ｃｏ＝８８：１２を表す。また、図９におけ
る傾斜材とは、特開２０００−３０１２７９号公報に開
示された製造方法により作製された傾斜材を示す。Further, for comparison, a solid punch was prepared and the durability of the punch was also examined. The results are shown in FIGS. 8 and 9 together with the Vickers hardness. 8 and 9, V20 represents WC: Co = 90: 10, and V3 is V3.
0 represents WC: Co = 88: 12. The term “gradient material” in FIG. 9 refers to a grade material manufactured by the manufacturing method disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-301279.
【００７９】これら図８、図９から、Ｒ１：Ｒ２＝１：
０．２〜０．８とすることによって耐久性に著しく優れ
たパンチを構成することができること、また、金属製芯
材４０によって寿命が著しく長期化することが明らかで
ある。From these FIGS. 8 and 9, R1: R2 = 1:
It is clear that by setting the ratio to 0.2 to 0.8, it is possible to construct a punch having extremely excellent durability, and that the metal core material 40 significantly extends the life.
【００８０】[0080]
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る傾斜
複合材によれば、内部から表面に指向して金属の組成比
が減少するとともに、表面におけるセラミックスの組成
比が高くなっている。また、被膜が存在することによ
り、金属間化合物が生成することが抑制されている。こ
のような傾斜複合材は、高硬度および高強度と高靱性と
を兼ね備えているので、例えば、該傾斜複合材を鍛造用
金型として使用した場合に寿命が長期化し、しかも、変
形や割れ、欠けが著しく生じ難くなるという効果が達成
される。As described above, according to the graded composite material of the present invention, the metal composition ratio decreases from the inside toward the surface, and the ceramic composition ratio on the surface increases. In addition, the presence of the film suppresses the formation of intermetallic compounds. Since such a graded composite material has both high hardness and high strength and high toughness, for example, when the graded composite material is used as a die for forging, the life is prolonged, and further, deformation and cracking, The effect that the chipping hardly occurs is achieved.
【００８１】また、本発明に係る傾斜複合材の製造方法
によれば、被膜を介して金属製芯材を源とする金属元素
を成形体または焼成体に拡散させるようにしている。こ
のために金属間化合物が生成することを抑制することが
できるので、結局、強度、硬度および靱性等の諸特性に
優れる傾斜複合材を製造することができるという効果が
達成される。Further, according to the method for producing a graded composite material of the present invention, the metal element originating from the metal core material is diffused through the coating into the compact or the fired body. For this reason, it is possible to suppress the formation of the intermetallic compound, so that the effect that the graded composite material excellent in various properties such as strength, hardness, and toughness can be finally produced is achieved.
【図１】本実施の形態に係るパンチ（傾斜複合材）を有
する鍛造金型装置の要部概略縦断面図である。FIG. 1 is a schematic vertical cross-sectional view of a main part of a forging die device having a punch (gradient composite material) according to the present embodiment.
【図２】図１の鍛造金型装置を構成するパンチの概略縦
断面図である。FIG. 2 is a schematic vertical sectional view of a punch that constitutes the forging die device of FIG.
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。FIG. 3 is a sectional view taken along the line III-III of FIG.
【図４】本実施の形態に係るパンチ（傾斜複合材）の製
造方法を示すフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart showing a method for manufacturing a punch (gradient composite material) according to the present embodiment.
【図５】多孔質焼成体の穴部に金属製芯材を挿入した状
態における水平方向断面図である。FIG. 5 is a horizontal cross-sectional view showing a state where a metal core material is inserted into a hole portion of a porous fired body.
【図６】別の実施の形態に係るパンチ（傾斜複合材）の
製造方法を示すフローチャートである。FIG. 6 is a flowchart showing a method of manufacturing a punch (gradient composite material) according to another embodiment.
【図７】別の実施の形態に係るパンチ（傾斜複合材）の
横方向断面図である。FIG. 7 is a lateral cross-sectional view of a punch (gradient composite material) according to another embodiment.
【図８】実施例の各パンチの仕様および特性を示す図表
である。FIG. 8 is a chart showing specifications and characteristics of each punch of the example.
【図９】比較例の各パンチの仕様および特性を示す図表
である。FIG. 9 is a chart showing specifications and characteristics of each punch of a comparative example.
１０…パンチ（傾斜複合材） １２…鍛造金
型装置
１４…固定型 １６…可動型
２０…ダイ ２４…製品用
キャビティ
２５…ノックアウトピン ３０…パンチ
取り付け本体
３２…パンチガイド ３６、５６…
本体部
３６ａ…多孔質焼成体 ３８…穴部
４０、５４…金属製芯材 ４２…被膜
４４…傾斜部 ４６…セラミ
ックスリッチ部10 ... Punch (gradient composite material) 12 ... Forging die device 14 ... Fixed die 16 ... Movable die 20 ... Die 24 ... Product cavity 25 ... Knockout pin 30 ... Punch mounting body 32 ... Punch guide 36, 56 ...
Main body portion 36a ... Porous fired body 38 ... Hole portions 40, 54 ... Metal core material 42 ... Coating film 44 ... Inclined portion 46 ... Ceramics rich portion
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 29/14 Ｃ２２Ｃ 29/14 Ｚ 29/16 29/16 Ｚ Ｆターム(参考） 4E087 AA09 ED05 4G026 BA13 BA15 BA20 BB21 BB24 BB28 BC01 BD14 BE02 BH01 4K018 AA08 AA10 AA24 AB02 AB03 AB04 AB10 JA09 JA14 JA16 JA29 JA34 JA38 JA40 Front page continuation (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) C22C 29/14 C22C 29/14 Z 29/16 29/16 ZF term (reference) 4E087 AA09 ED05 4G026 BA13 BA15 BA20 BB21 BB24 BB28 BC01 BD14 BE02 BH01 4K018 AA08 AA10 AA24 AB02 AB03 AB04 AB10 JA09 JA14 JA16 JA29 JA34 JA38 JA40
Claims (12)
料からなる本体部と、 前記本体部の穴部に挿入され、被膜を介して前記穴部の
内周壁部に接合した金属製芯材と、 を有し、 前記金属製芯材を源とする金属元素が前記本体部に拡散
しており、 かつ前記本体部における前記金属元素の濃度が、前記金
属製芯材から離間するに従って減少していることを特徴
とする傾斜複合材。1. A main body made of a composite material containing ceramics and a metal; and a metal core member inserted into a hole of the main body and joined to an inner peripheral wall of the hole via a coating. The metal element having the metal core material as a source is diffused in the main body portion, and the concentration of the metal element in the main body portion decreases with increasing distance from the metal core material. A graded composite material.
本体部に含有されたセラミックスがＷ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔ
ｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭
窒化物またはホウ化物の少なくともいずれか１つである
とともに、前記本体部に含有された金属がＦｅ、Ｆｅ合
金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、ＣｏまたはＣｏ合金の少なくとも
いずれか１つであり、 前記金属製芯材がＦｅ、Ｆｅ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃ
ｏまたはＣｏ合金からなり、 かつ前記被膜が炭素、炭化物、炭窒化物、窒化物または
ホウ化物からなることを特徴とする傾斜複合材。2. The graded composite material according to claim 1, wherein the ceramic contained in the main body is W, Cr, Mo or T.
i, Nb, Ta, V, Zr, or Hf is at least one of carbide, nitride, carbonitride, and boride, and the metal contained in the main body is Fe, Fe alloy, Ni, Ni. Alloy, Co or at least one of Co alloy, and the metal core material is Fe, Fe alloy, Ni, Ni alloy, C
A graded composite material comprising an o or Co alloy and the coating comprising carbon, carbide, carbonitride, nitride or boride.
のビッカース硬度が１２００以上であることを特徴とす
る傾斜複合材。3. The graded composite material according to claim 2, wherein the surface has a Vickers hardness of 1200 or more.
複合材において、当該傾斜複合材の長手方向に対して垂
直方向から切断することにより露呈する切断面での前記
金属製芯材の寸法は、該切断面の寸法を１とするとき、
０．２〜０．８であることを特徴とする傾斜複合材。4. The tilted composite material according to claim 1, wherein the metal core has a cut surface exposed by cutting the tilted composite material from a direction perpendicular to a longitudinal direction of the tilted composite material. The dimension of the material is, when the dimension of the cut surface is 1,
Gradient composite material characterized by being 0.2 to 0.8.
るとともに、穴部が設けられた成形体または焼成体を触
媒金属含有溶液に浸漬する工程と、 表面に被膜が設けられた金属製芯材が前記穴部に挿入さ
れ、かつ前記触媒金属溶液を含浸した成形体または焼成
体を焼成処理することに伴い、前記金属粒子および前記
セラミックス粒子を粒成長させるとともに、前記金属製
芯材と前記成形体または前記焼成体とを互いに接合さ
せ、かつ前記金属製芯材を構成する金属元素を前記成形
体または前記焼成体に拡散させることによって、前記金
属製芯材が接合する一方で前記金属元素が拡散した本体
部を作製する工程と、 を有することを特徴とする傾斜複合材の製造方法。5. A step of immersing a molded body or a fired body containing metal particles and ceramic particles and having holes provided in a catalyst metal-containing solution, the metal core material having a coating film on the surface thereof The metal core and the ceramic particles are grain-grown along with the firing treatment of the formed body or the fired body which is inserted into the hole and impregnated with the catalyst metal solution, and the metal core material and the formed body or By bonding the fired body to each other, and by diffusing the metal element forming the metal core material into the molded body or the fired body, the metal element is diffused while the metal core material is bonded. A method of manufacturing a gradient composite material, comprising: a step of manufacturing a main body portion;
るとともに、穴部が設けられた成形体または焼成体を触
媒金属含有溶液に浸漬する工程と、 前記穴部の内周壁部に被膜を形成する工程と、 金属製芯材が前記穴部に挿入され、かつ前記触媒金属含
有溶液を含浸した成形体または焼成体を焼成処理するこ
とに伴い、前記金属粒子および前記セラミックス粒子を
粒成長させるとともに、前記金属製芯材と前記成形体ま
たは前記焼成体とを互いに接合させ、かつ前記金属製芯
材を構成する金属元素を前記成形体または前記焼成体に
拡散させることによって、前記金属製芯材が接合する一
方で前記金属元素が拡散した本体部を作製する工程と、 を有することを特徴とする傾斜複合材の製造方法。6. A step of immersing a molded body or a fired body containing metal particles and ceramic particles and provided with holes in a catalyst metal-containing solution, and a step of forming a coating film on the inner peripheral wall of the holes. And a metal core material is inserted into the hole portion, and with the firing treatment of the molded body or the fired body impregnated with the catalyst metal-containing solution, the metal particles and the ceramic particles are grain-grown, and The metal core material is bonded by bonding the metal core material and the molded body or the fired body to each other, and by diffusing the metal element forming the metal core material into the molded body or the fired body. On the other hand, a step of producing a main body portion in which the metal element is diffused, and a method for producing a graded composite material.
て、前記金属製芯材を前記穴部に挿入した状態で前記成
形体または前記焼成体を触媒金属含有溶液に浸漬するこ
とを特徴とする傾斜複合材の製造方法。7. The manufacturing method according to claim 5, wherein the molded body or the fired body is immersed in a catalyst metal-containing solution in a state where the metal core material is inserted into the hole. Method for manufacturing a graded composite material.
方法において、前記セラミックス粒子としてＷ、Ｃｒ、
Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒
化物、炭窒化物またはホウ化物の粒子の少なくともいず
れか１つを用いるとともに、前記金属粒子としてＦｅ、
Ｆｅ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、ＣｏまたはＣｏ合金の粒子
の少なくともいずれか１つを用い、 前記金属製芯材としてＦｅ、Ｆｅ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合
金、ＣｏまたはＣｏ合金からなるものを用い、 かつ前記被膜として炭素、炭化物、炭窒化物、窒化物ま
たはホウ化物からなるものを設けることを特徴とする傾
斜複合材の製造方法。8. The manufacturing method according to claim 5, wherein the ceramic particles are W, Cr,
At least one of particles of carbides, nitrides, carbonitrides or borides of Mo, Ti, Nb, Ta, V, Zr, and Hf is used, and Fe is used as the metal particles.
At least one of particles of Fe alloy, Ni, Ni alloy, Co or Co alloy is used, and the metal core material is made of Fe, Fe alloy, Ni, Ni alloy, Co or Co alloy, and A method for manufacturing a graded composite material, characterized in that a film made of carbon, carbide, carbonitride, nitride or boride is provided as the coating film.
ラミックス粒子と前記金属粒子との割合を重量比で８
０：２０〜９５：５として前記成形体または前記焼成体
を作製することを特徴とする傾斜複合材の製造方法。9. The manufacturing method according to claim 8, wherein the ratio of the ceramic particles to the metal particles is 8 by weight.
A method for producing a graded composite material, which comprises producing the molded body or the fired body at 0:20 to 95: 5.
て、前記触媒金属含有溶液として、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、
Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗの少なく
とも１種を含有する金属塩溶液または有機金属化合物を
使用することを特徴とする傾斜複合材の製造方法。10. The method according to claim 8 or 9, wherein the catalyst metal-containing solution is Fe, Ni, Co,
A method for producing a graded composite material, which comprises using a metal salt solution or an organometallic compound containing at least one of Mn, Cr, Ti, Al, V, Nb, Ta and W.
製造方法において、前記成形体または前記焼成体の相対
密度を４５〜５４％とすることを特徴とする傾斜複合材
の製造方法。11. The method for producing a gradient composite material according to claim 5, wherein the relative density of the molded body or the fired body is 45 to 54%. .
製造方法において、前記金属製芯材として、前記穴部に
挿入した際、該金属製芯材と前記成形体または前記焼成
体とが０．０５〜０．５ｍｍ離間する寸法のものを使用
することを特徴とする傾斜複合材の製造方法。12. The manufacturing method according to claim 5, wherein when the metal core material is inserted into the hole, the metal core material and the molded body or the fired body are used. A method for manufacturing a graded composite material, characterized in that those having a distance of 0.05 to 0.5 mm are used.
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Legal Events
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| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20051115 |
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| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060116 |
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| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20060606 |