JP2005089802A - 冷間圧延工具の表面処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】応力腐食割れや焼付けの虞れのない冷間圧延用工具の表面処理を短時間で行なえる表面処理方法を提供すること。
【解決手段】パンチやダイ等の冷間圧延用工具Ｗを放電加工で成型する際に発生する異状層を、ブラスト装置１０により微細粒子で高速で投射することによって除去する。その後、ショットマシン又は砥粒流動加工装置によって、工具Ｗの表面を鏡面に仕上げ、さらに、ブラスト装置１０で二硫化モリブデンの粒子を研磨材として８０ｍ／ｓｅｃ以上で工具Ｗ表面に投射する。工具Ｗ表面の研磨材衝突面は、速度エネルギが熱エネルギに変換されて、局部的に温度上昇する。この際、に硫化モリブデンは、工具Ｗ表面に拡散浸透する。
【選択図】図１

Description

本発明は冷間圧延用金型のパンチやダイ等の工具の表面処理方法に関し、さらに長寿命化を図るとともに焼付けを防止できる冷間圧延工具の表面処理方法に関する。

従来、冷間圧延用金型に装着されるパンチやダイ等は、プレス機等の鍛圧機械に装着されて、金属材料を打ち抜いたりまた圧延したりすることから、剛性の高い高硬度の材料で形成されている。これらの工具は、一般的に高精度で形成されるためにワイヤカット加工や放電加工等で形成され、その後、その表面に熱処理を施して硬度を高くするように形成されていた。

しかし、通常、パンチとダイとは相互に摺動作用を行うことから、高速で高精度で稼動するプレス機においては、パンチやダイによっては過酷な条件で可動することとなり、そのために材料自体の強度不足や表面の面粗さ不良があると早期の摩耗を発生しやすく耐久性に課題を残すこととなり、さらに、潤滑不良によって即座に焼付けを起こすことになりやすい。特に焼付けによりプレス機械の稼動停止は、生産性及びコストに大いに悪影響を及ぼすことから、その課題を解決することが重要視されていた。そのために、従来では、良好な潤滑による工具の長寿命化を測ることが一般的に行われていた。従来の潤滑方法としては、一般的には温度調整された潤滑油を循環させて適度な量の潤滑油を、常時、工具にかけるようにして行っていた。しかし、潤滑油を温度調整して循環させることは、その構成や管理が複雑となってコストを上昇させるだけでなく、各種の部品をプレス機械の周りに設置することから、プレス機械の周りのスペースを広く取ることとなって好ましくなかった。

一方、近年、金属製品の摺動部に潤滑性被膜を容易に形成できる表面処理方法が特許文献１によって提案されている。これによると、金属製品の表面処理方法は、金属製品の表面に固体潤滑材の粒子を高速で投射することによって、金属表面に潤滑材を浸透させることによって行われる。固体潤滑材は母相金属とともに噴射流体を構成し、８０ｍ／ｓｅｃ以上、若しくは、１５０ｍ／ｓｅｃの噴射速度の高速で噴射して衝突させることによって、金属製品の表面に熱エネルギーを付与して局部的に温度上昇をさせている。そして衝突によって加熱されると固体潤滑材が金属製品の表面に活性吸収されて潤滑性被膜を形成することができる。従って、金属製品、例えば、パンチやダイをワイヤカットや放電加工により形成した後、上記のブラスト加工を行うだけで潤滑性被膜を形成できることから、別の熱処理工程を行なわずに形成することができるとともに、潤滑回路を省略できることとなって、コストアップとならずに低コストでパンチやダイを製作することができることとなっていた。
特許第３３５７６６１号公報（２〜８頁、図２参照）

しかし、パンチやダイをワイヤカットや放電加工で形成する際、パンチやダイの表面には放電加工による異状層が発生しやすい。例えば放電加工の場合、硬くて脆い部分が一部に現れて放電クラック層が発生し、ワイヤカットの場合には、一部に軟化層が発生して異状層として現れる。この異状層が発生したまま固体潤滑材を投射して浸透させれば、硬くて脆い層や軟らかい層が残った状態で表面処理されることとなり、やはり応力腐食割れや焼付きの要因となってプレス機械の異常停止を防止することができなかった。

本発明は、上述の課題を解決するものであり、過酷な条件の下で長時間使用しても応力腐食割れや焼付けを発生することのない堅固な冷間圧延用工具の表面処理方法を提供することを目的とするものであり、上記の課題を解決するために、本発明に係る冷間圧延工具の表面処理方法は、以下のように行うものである。すなわち、
請求項１記載の発明では、冷間圧延工具をワイヤカットや放電加工で形成後、放電加工による異状層を、微細粒子の研磨材を５０ｍ／ｓｅｃ以上で投射するブラスト加工により除去し、前記冷間圧延工具の表面に磨き手段による磨き加工後、固体潤滑材を８０ｍ／ｓｅｃ以上で投射して前記冷間圧延工具の表面に浸透メッキ層を形成することを特徴とするものである。

また、請求項２記載の発明では、前記固体潤滑材が、二硫化モリブデンの微細粒子であることを特徴としている。

また、請求項３記載の発明では、前記磨き手段が、研磨材パウダーの練り込み材による投射又は研磨材パウダーの練り込み材による擦り付けで行なうことを特徴としている。

請求項１記載の発明によれば、放電加工によって成形された冷間圧延工具が放電加工による異状層を一部に発生する場合、ブラスト加工によって除去する。異状層、例えば放電クラック層は、クラックの塊となって硬くて脆い層に形成されていることから、例えば、炭化珪素ｓｉｃや溶融アルミナ、又はダイヤモンドパウダー等の約３００μｍの径の砥粒を、５０ｍ／ｓｅｃ以上で投射することによって、放電クラック層を含めた工具の表面に砥粒が衝突することで異状層を剥離し、これによって放電クラック層が除去されて均一な組織を形成することとなる。

次に、放電クラック層が除去された工具の表面は、鏡面仕上げをすることによって、工具の表面の面粗さを向上させ滑りやすい表面を均一に形成することができる。

さらにこの状態で、固体潤滑材の砥粒を８０ｍ／ｓｅｃ以上で投射することによって、前述と同様に投射する部位に熱エネルギーを付与して温度上昇させ、固体潤滑材を工具表面に拡散・浸透させる。これによって冷間圧延工具は、表面に潤滑層が形成されることから、摺動面の滑りを向上することができ、例えば、パンチとダイとが摺動する際に液状の潤滑材を塗布することなく摺動できることとなる。

従って、この発明の方法によれば、工具の表面処理を短時間で極めて容易に行なうことができることから、例えば、工具を加熱炉に投入して長時間で熱処理する工程を省くことができ、生産性を向上できるとともにコスト低減化を図ることができ、しかも放電加工の際に生じた異状層を除去することによって、応力腐食割れや焼付けを防止して長寿命化を達成することができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１の表面処理方法で使用される固体潤滑材が、滑りを向上させる二硫化モリブデンであることから、工具の摺動面が滑りやすくなることによって良好な摺動を行うこととなり、焼付きや腐食割れを防止することができる。

さらに請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の表面処理方法による鏡面仕上げ加工を、研磨材パウダーの練り込み材の投射や研磨材パウダーの練り込み材によるラップ加工で行うことによって、多数の工具を短時間で鏡面仕上げをすることができることから、生産性を大いに向上させ、コストを低減することができる。なお、その研磨材パウダーの練り込み材の投射による仕上げ加工は、その表面が梨地状に形成され、研磨材パウダーの練り込み材のラップ加工による仕上げ加工は、その表面が鏡面状に形成され、いずれも面粗さを向上することができ、工具の摺動の際の滑りを向上することができる。

冷間圧延工具は、実施例においては、図１に示すようなプレス機の金型に使用するパンチＷ１、又は図２に示すようなダイＷ２であり、このパンチＷ１又はダイＷ２（以下、工具Ｗという）の表面処理を行うことについて以下に説明する。

工具Ｗは、例えば合金工具鋼（ＳＫＤ１１）又は高速度鋼（ＳＫＨ５１）あるいは超硬等の材料で形成され、放電加工機（又はワイヤカット）により外径形状が形成される。放電加工で形成された工具には、一部に硬くて脆い層に形成された放電クラック層が形成されている。

この放電クラック層は、図３に示すようなエアー式ショットブラスト装置（以下、ブラスト装置という）１０によりブラスト加工を行うことによって除去される。

ブラスト装置１０は、工具Ｗを投入してブラスト加工するブラスト加工部１１と、研磨材を収納して圧送する研磨材圧送部２０と、ブラスト加工部１１に圧送された研磨材を回収する回収タンク部２５と、粉塵を集塵する集塵室３０とから構成されている。

ブラスト加工部１１には、投入口から投入された工具Ｗを搭載するテーブル１２が配置され、テーブル１２に搭載された工具Ｗに向かって噴射ノズル１３が回収タンク部２５に接続された管２６を介して配置されている。テーブル１２の下方にはホッパ１４が配置されて工具Ｗに向かって投射される研磨材を、導管１５を通じて回収タンク部２５に回収可能としている。

回収タンク部２５は、サイクロンを構成してブラスト加工部１１から回収された研磨材と粉塵とを分別して研磨材を下方に配置する研磨材圧送部２０に送給するとともに、粉塵を集塵室３０に送るように構成されている。

研磨材圧送部２０は研磨材を収納するタンク室２１と、研磨材の噴射量を調整する研磨材調整器２２とを有し、研磨材を圧縮空気とともにブラスト加工部１１に圧送されて噴射ノズル１３から噴射される。

なお、この工程で使用する研磨材は、炭化珪素ｓｉｃや溶融アルミナ、又はダイヤモンドパウダー等であり、３００μｍ以下の径の微細粒子として形成する。そして噴射速度は５０ｍ／ｓｅｃ以上、望ましく１５０ｍ／ｓｅｃ、噴射圧力０．５ＭＰａ、噴射時間１０分に設定する。

これらの条件下で研磨材を投射すると、研磨材圧送部２０のタンク室２１から研磨材調整器２２を通って管２６に導入された研磨材は、圧縮空気によって圧送され噴射ノズル１３からテーブル１２上の工具Ｗに向かって噴射され、噴射された研磨材が工具Ｗの表面に衝突する。

周知のごとく、微細粒子を高速で工具Ｗ表面に衝突させることによって、衝突された工具Ｗ表面は瞬間的に高温となり、Ａ３変態点以上の温度域で吸熱、急冷が瞬時に繰り返されることとなって熱処理効果が得られる。工具Ｗに発生した放電クラック層は、この熱処理効果により緻密な高硬度で靭性に富む組織が均一に形成されることとなって除去される。

次に、放電クラック層が除去された工具は、磨き加工を行う。磨き加工は、研磨材パウダーの練り込み材による投射又は研磨材パウダーの練り込み材による擦り付けで行なう。

例えば、研磨材パウダーの練り込み材による投射は、図４に示すショットマシン４０によって鏡面加工を行うこととなる。ショットマシン４０は、大量の弾性研磨材パウダー４１を工具Ｗに向かって噴射するように構成され、工具Ｗに研磨材パウダー４１を噴き付ける噴射装置４２と、研磨材パウダー４１を搬送させて噴射装置４２に研磨材を取り込むコンベア部４３とを備えて構成されている。弾性研磨材パウダー４１は、弾性コアの周りに微細な研磨砥粒を積層コートして形成しているものであり、複雑な三次元異形状の加工品を鏡面仕上げするのに好適に使用されている。

このショットマシン４０は、乾式研磨のために後洗浄を不要とすることができ、しかも治具を使用しないことから設備費が低コストでできるともに、短時間での加工を可能とすることから生産性を向上することができる。

また、研磨材パウダーの練り込み材による擦り付け加工は、図５〜６に示すように、砥粒流動加工装置５０によって行われる。砥粒流動加工装置５０は、上部シリンダ部５２と下部シリンダ部５３を有する一対のシリンダ室５１の中間部に加工品（工具Ｗ）を装着し、一方のシリンダ部（下部シリンダ部５３）に研磨材パウダーの練り込み材５５を充填し、研磨材パウダーの練り込み材５５を、工具Ｗの鏡面仕上げ面を通るように、他方のシリンダ部（上部シリンダ部５２）に向かって、ピストン５４で押し出すことによって、鏡面加工を行うように構成されている。

この砥粒流動加工装置５０は、研磨材パウダーの練り込み材５５を工具Ｗの鏡面仕上げ面に向かって流動させるだけであるから、工具Ｗの鏡面仕上げ面が、図７（ａ）に示す六角形状や、（ｂ）に示すような一部に真円形状を有する異形形状に形成されていても、容易に鏡面加工を行うことができる。

従って、上記のショットマシン４０又は砥粒流動加工装置５０のいずれかの鏡面仕上げ加工を施すことによって、工具Ｗは、極めて短時間で簡単に表面を鏡面に仕上げることができる。

所定部位が鏡面加工された工具Ｗは、図４に示すブラスト装置１０によって再びブラスト加工が行われる。この工程で使用される研磨材は、固体潤滑材としての二硫化モリブデンの微細粒子であり、ブラスト加工を行うことによって工具表面に潤滑材層を浸透させるものである。このブラスト加工の作用は、前述と同様であるが、固体潤滑材としての二硫化モリブデンは、母相金属とともに噴射流体を構成し、８０ｍ／ｓｅｃ以上、若しくは、１５０ｍ／ｓｅｃ〜３００ｍ／ｓｅｃの噴射速度で噴射して衝突させることによって、金属製品の表面に熱エネルギーを付与して局部的に温度上昇をさせている。そして衝突によって加熱されると二硫化モリブデンが金属製品の表面に活性吸収されて潤滑性被膜を形成することとなる。

これによって、表面処理された工具Ｗの表面は、図８に示すように、表面組織３〜５μｍ程度が歪硬化して１５μｍまで影響を受けることとなる。そして、表面が歪硬化することによって内部への圧縮残留応力が著しく増大するとともに切り欠き効果を著しく減少させることから長寿命化となる。

上述のように、実施例においては、放電加工で形成された工具Ｗの表面に発生した異状層（放電クラック層）をブラスト装置１０でブラスト加工によって除去した後、ショットマシン４０又は砥粒流動加工装置５０によって鏡面仕上げ加工を施し、さらに、ブラスト装置１０によって二硫化モリブデンの微細粒子を固体潤滑材として工具Ｗ表面に投射して二硫化モリブデンを工具Ｗ表面に拡散浸透させる。

これによって、工具Ｗは異状層（放電クラック層）を除去することによって応力腐食割れや焼付きの防止を図ることができ、鏡面仕上げによってプレス加工で摺動する際に、滑りやすくすることができる。また、潤滑層を形成することによって潤滑油を新たに供給する必要がないことから、潤滑回路を構成することなくプレス機械の周りのコンパクトにしてコスト低減を駆ることができる。しかも工具Ｗの表面処理をブラスト加工によって行うことから、極めて短時間で加工することができ生産性を向上することができる。

なお、実施例のブラスト装置で使用する研磨材は、上述したものに限定するものではなく、工具Ｗと同様の金属材料を含むものであってもよい。また、固体潤滑材は、二硫化モリブデンに限らず、他の潤滑性材料であってもよい。さらに、鏡面仕上げする鏡面加工機は、ショットマシン４０や砥粒流動加工装置５０に限らず、他の鏡面加工機であってもよい。

冷間圧延工具としてのプレスパンチを示す斜視図である。 冷間圧延工具としてプレスダイを示す斜視図である。 本発明を実施するために使用するブラスト装置を示す正面図である。 同ショットマシンの構成を示す一部断面図である。 同砥粒流動加工装置の構成を示す一部断面斜視図である。 同砥粒流動加工装置の構成を示す一部断面斜視図である。 図５の砥粒流動加工装置における異形形状の工具を示す断面図である。 工具表面の組織を示す拡大断面図である。

符号の説明

Ｗ 工具
１０ ブラスト装置
１１ ブラスト加工部
２０ 研磨材圧送部
２５ 回収タンク部
３０ 集塵室
４０ ショットマシン
４１ 研磨材パウダー
４２ 噴射装置
５０ 砥粒流動加工装置
５１ シリンダ室
５５ 研磨材パウダーの練り込み材

Claims (3)

1. 冷間圧延工具をワイヤカットや放電加工で形成後、放電加工による異状層を、微細粒子の研磨材を５０ｍ／ｓｅｃ以上で投射するブラスト加工により除去し、前記冷間圧延工具の表面に鏡面仕上げ加工後、固体潤滑材を８０ｍ／ｓｅｃ以上で投射して前記冷間圧延工具の表面に浸透メッキ層を形成することを特徴とする冷間圧延工具の表面処理方法。
2. 前記固体潤滑材が、二硫化モリブデンの微細粒子であることを特徴とする請求項１記載の冷間圧延工具の表面処理方法。
3. 前記鏡面仕上げ加工が、研磨材パウダーの練り込み材による投射又は研磨材パウダーの練り込み材によるラップ加工によって行われることを特徴とする請求項１又は２記載の冷間圧延工具の表面処理方法。

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