JP2009012039A - 粉末成形用金型、該粉末成形用金型を用いて成形した成形体および焼結体 - Google Patents

Abstract

【課題】金型の互いに摺接するパンチ外周面とダイ型面に形成するコーティング層の摩擦係数を低減して、スムーズに摺接させて、ダイや成形体にクラックを発生させないようにする。
【解決手段】キャビティに粉末が充填されるダイと、該粉末を圧縮するパンチとからなる粉末成形用金型であって、前記パンチが摺接する前記ダイのキャビティを囲む型面あるいは／および前記ダイと摺接する前記パンチの外周面に、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）からなる厚さ１０μｍ以上２０μｍ以下のコーティング層を形成している。
【選択図】図２

Description

本発明は粉末成形用金型、該粉末成形用金型を用いて成形した成形体および焼結体に関し、高圧成形の場合に、圧縮時や成形体抜き出し時の金型や成形体に負荷される摩擦力を低減し、ダイや成形体の破損を防止するものである。

粉末を圧縮成形して成形体を製造する場合、通常、ダイとパンチからなる金型を用い、ダイに充填した粉末をパンチで圧縮して成形している。このように粉末を圧縮成形して成形した成形体は、その後、所要の温度で所要時間加熱して焼結されるが、この焼結後の寸法収縮による寸法のバラツキ低減を図るため焼結を行わない場合がある。また、圧粉磁心のように絶縁性被膜で被覆された鉄系粉末の場合には、焼結により絶縁被覆が消失する恐れがあるため、成形後に焼結は行われない。このように、圧縮成形後に焼結を行わない場合があるため、成形体の密度を飛躍的に向上させることが望まれている。

圧縮成形した成形体の密度を向上させるためには、成形時の成形面圧を高くする必要があるが、成形面圧を高くすると成形体やダイに発生する側圧力も大きくなり、ダイと成形体との間やダイとパンチとの間で発生する摩擦抵抗が大きくなる。そのため、成形後成形体をダイから抜き出す時や圧縮時に、ダイやパンチ、成形体にクラックが発生しやすいことが問題となる。そこで、摩擦抵抗を低下させるため金型表面に表面処理が施されている。

金型の表面処理では、通常、ＴｉＮなどの硬質のセラミックをスパッタリング、イオンプレーティング等で成膜して形成し、コーティング層を形成して表面処理を施している場合が多い。
例えば、特公平７−４７８１４号公報（特許文献１）の金型の表面処理では、図５に示すように、金型母材１の表面にイオンプレーティングで純Ｔｉの合金化下地層２を形成した後、合金化下地層２の表面にＴｉＮあるいはＴｉＣ等からなる高硬度な皮膜層３を形成し、さらに、最表面にはＴｉ、Ａｌ等からなる摩擦係数の低い材料による皮膜層４を形成している。高硬度な皮膜層３と低摩擦の皮膜層４を密着させて皮膜層を形成し、耐摩耗性を向上させている。

特公平７−４７８１４号公報

しかしながら、前記金型の表面処理では、合金化下地層２が高硬度のＴｉであるため、金型母材１となじみが悪く、高圧成形の場合、合金化下地層２と皮膜層３、４が金型母材１から剥がれてしまい、皮膜層３、４の耐久性が低くなりやすい問題がある。
また、摩擦係数が約０．３〜０．４であるＴｉ、ＴｉＮ等を皮膜層３、４に用いているため、高圧成形の場合には成形体やダイに発生する側圧力に対して十分有効な摩擦係数とは言えず、圧縮時や成形体の抜き出し時に金型が破損したり成形体にクラックが発生しやすい問題が生じる。
そこで、高圧成形の場合には、表面処理においてさらに金型や成形体へ負荷される摩擦力を低下させることが望まれる。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、金型のパンチとダイの摺接面のいずれか一方または両方に形成するコーティング層の形成材料や厚さを調整することで、コーティング層を剥がれにくくすると共に、コーティング層の摩擦係数を低くし、ダイの抜き出し時や粉末の圧縮時の摩擦力を低減させて、ダイや成形体にクラックを発生させないことを課題としている。

前記課題を解決するために、本発明は、キャビティに粉末が充填されるダイと、該粉末を圧縮するパンチとからなる粉末成形用金型であって、
前記パンチが摺接する前記ダイのキャビティを囲む型面あるいは／および前記ダイと摺接する前記パンチの外周面に、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）からなる厚さ１０μm以上２０μｍ以下のコーティング層が形成されていることを特徴とする粉末成形用金型を提供している。

本発明の粉末成形用金型では、摺接面に形成するコーティング層はＴｉＮではなく、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）を用いてコーティング層を形成している。
ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）とは、ダイヤモンドに類似した炭素薄膜材料のことで、炭素を主成分としたアモルファス構造であり、硬度が高く摩擦係数が低いという特徴がある。ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）の摩擦係数は約０．１であり、ＴｉＮの摩擦係数（約０．４）と比較して小さい。よって、金型表面のコーティング層にＴｉＮに代えてダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）を用いることで、圧縮時におけるダイとパンチとの摩擦力を低減することができると共に、成形体抜き出し時の成形体とダイとの摩擦力を低減して金型から成形体をスムーズに抜き出すことができ、金型の破損や成形体に発生するクラックを防止することができる。

このため、本発明の粉末成形用金型は、成形面圧の高い金型に好適に用いられ、具体的には成形圧が８００ＭＰａ以上の粉末成形に適しており、例えば、絶縁被覆した粉末を用いる場合の焼結を行わない圧縮成形が挙げられる。

本発明の粉末成形用金型では、通常は１〜５μｍであるコーティング層の厚さを、１０μm以上２０μｍ以下として厚膜化している。
前記厚さとしているのは、コーティング層の厚さが１０μｍ以上２０μｍ以下であると、高圧成形の場合にパンチの側圧力によってコーティング層が剥がれる恐れがないと共に、成膜工程にもコストがかからないことに因る。
前記コーティング層は、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）をスパッタリング、イオンプレーティング、真空蒸着等で金型を成膜して形成している。
前記ダイは高圧用である場合、超硬合金で形成していることが好まく、なお、パンチは、超硬合金、鉄、または鉄合金から形成するのが好ましい。

前記コーティング層は、硬度の異なる表面層と下地層との少なくとも２層を積層して有し、前記表面層の硬度は下地層の硬度よりも高硬度としていることが好ましい。

ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）のコーティング膜はアモルファス炭素膜であり、硬度を変えることが可能である。前述したように、下地層の硬度を低くすることで、ダイやパンチの表面と下地層とをなじみやすくして密着性を良くすることで、コーティング層の耐久性を高めることができる。一方、表面層の硬度を高くすると、表面層の摩擦係数をさらに低下させることができ、圧縮時や成形体の抜き出し時の金型の破損や成形体に発生するクラックを防止することができ、かつ、表面層の摩耗量を低減できる。
コーティング層が３層以上の場合は最表面層の硬度を最も高くしているのが好ましい。

前記下地層の硬度はＨｖ５００〜２０００とするのが好ましく、表面層の硬度はＨｖ２０００〜３０００とするのが好ましい。また、前記下地層の厚さは５〜１０μｍが好ましく、表面層の厚さは１０〜２０μｍが好ましい。
なお、コーティング層の各層の硬度を同じとしてもよいが、前記のように表面層の硬度を高くすることが好ましい。

また、本発明は、粉末成形用金型を用いて成形した成形体および該成形体が熱処理された焼結体を提供している。
前記成形体あるいは焼結体は、密度を９５％以上としているのが好ましい。このように、圧粉磁心のような焼結しない成形体である焼結体を作成することができると共に、成形後に焼結する成形体の場合でも寸法収縮によるバラツキを小さくすることができるため寸法精度を向上させることができる。
成形体あるいは焼結体は、モータあるいはトランス等に適用できる。

前述したように、本発明によれば、互いに摺接するダイの型面とパンチの外周面のいずれか一方または両方に設けるコーティング層を、低摩擦係数であるダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）を用いて形成しているため、圧縮時や成形体抜き出し時の摩擦力を低減することができ、金型の破損や成形体に発生するクラックを防止することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図３に本発明の第１実施形態を示す。

第１実施形態の粉末成形用金型１０は、図１に示すように、キャビティ１１ａに粉末Ｐを充填するダイ１１と、該粉末Ｐを圧縮する上下パンチ１２、１３とを備えている。
該粉末成形用金型１０は、キャビティ１１ａを形成するダイ１１の内周面を摺接面１１ｇとし、該摺接面１１ｇに上下パンチ１２、１３を摺接させてキャビティ１１ａに充填した粉末Ｐを圧縮成形している。ダイ１１は超硬合金で形成し、上下パンチ１２、１３はハイス鋼で形成している。

本実施形態では、粉末Ｐを圧縮して直方体形状の成形体６０を成形しており、粉末Ｐは、鉄成分９９．８％以上の純鉄系の粉末に、リン酸処理を施して絶縁皮膜を設けた粉末からなる。前記粉末成形用金型１０での成形圧は８００ＭＰａの高圧としている。

上下パンチ１２、１３は、直方体形状としており、下パンチ１３はダイ１１の下端を閉鎖するように固定している一方、上パンチ１２を昇降させてダイ１１のキャビティ１１ａに充填した粉末Ｐを圧縮成形する構成としている。

上パンチ１２の外周面１２ｂには、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）からなる厚さ２０μｍのコーティング層１４を形成している。
前記コーティング層１４は、図２に示すように、低硬度の下地層１４ｃと高硬度の表面層１４ｄとを積層した構成としている。下地層１４ｃは上パンチ１２の外周面１２ｂに固着して形成し、該下地層１４ｃの外面に表面層１４ｄを積層固着し、該表面層１４ｄの表面１４ａは後述するダイ１１の摺接面１１ｇとの摺接面としている。

前記低硬度の下地層１４ｃの硬度はＨｖ１０００、高硬度の表面層１４ｄの硬度はＨｖ２５００としている。また、下地層１４ｃの厚さは１０μｍ、表面層１４ｄの厚さは１０μｍとしている。

前記コーティング層１４は、スパッタリングで形成している。該スパッタリングは、真空中に不活性ガスを封入し、母材となる上パンチ１２とターゲット物質のダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）間に高電圧を負荷し、イオン化した不活性ガスをターゲットのＤＬＣに衝突させ、はじき飛ばされたＤＬＣをパンチ１２の外周面１２ｂに堆積させて成膜している。 本実施形態では、まず、前記下地層１４ｃをスパッタリング形成し、続いて、硬度の相違するＤＬＣを用いてスパッタリングして表面層１４ｄを形成している。

前記のように、上パンチ１２の外周面１２ｂには前記コーティング層１４を設けているが、下面１２ａはダイ１１と摺接せず、成形体６０の上面６０ａを成形する面であるため、コーティング層は形成していない。
一方、下パンチ１３は本実施例ではダイ１１に対して摺接せずに定置しており、その上面１３ａは成形体６０の下面６０ｂを成形する面であるため、下パンチ１３の外周面および上面にはコーティング層を形成していない。

ダイ１１は、図１（Ｂ）に示すように、外形を円筒形状としており、上パンチ１２の摺動方向に断面矩形状のキャビティ１１ａを貫通して設け、該キャビティ１１ａを形成するダイ１１の内周面を型面１１ｂとしている。

前記型面１１ｂには、粉末樹脂剤を塗布して潤滑層１１ｃを形成し、該潤滑層１１ｃの内周面を摺接面１１ｇとしている。該潤滑層１１ｃは粉末潤滑剤で形成し、本実施形態ではステアリン酸亜鉛からなる微粒子金属石鹸を用い、粒子の平均粒子径を０．８μｍとしている。
図３に示すように、粉末の圧縮成形時に、下降する上パンチ１２のコーティング層１４の表面層１４ｄの最表面をダイ１１の摺接面１１ｇとの摺接面１４ａとしている。

次に、前記粉末成形用金型１０を用いた成形体の成形方法について説明する。
まず、金型の下パンチ１３を、図１に示すように、予めダイ１１のキャビティ１１ａの底面に固定する。
ついで、下パンチ１３で底面を塞いだダイ１１のキャビティ１１ａ内に粉末Ｐを充填する。
粉末Ｐの充填後に、上パンチ１２を下降し、粉末Ｐを充填しているキャビティ１１ａ内にゆっくりと押し込んでいき、粉末Ｐを成形体６０の形状に整える。
その後、図３に示すように、上パンチ１２を下降させてショットすることにより粉末Ｐを、上パンチ下面１２ａ、下パンチ上面１３ａとの間で発生する圧縮圧Ｎにより、キャビティ１１ａに充填した粉末Ｐを圧縮し、上パンチ下面１２ａ、下パンチ上面１３ａおよびダイ１１の型面１１ｂの形状に沿った外面を有する成形体６０を成形する。

前記粉末Ｐの圧縮成形時にはダイ１１を８０〜１５０℃に加熱し、粉末Ｐを温間で圧縮成形し、上パンチ１２の速度は２０ｍ／ｓ、成形圧は８００ＭＰａとしている。
なお、粉末Ｐを加熱せずに成形する場合もある。
前記金型１０で粉末Ｐを圧縮成形後に、成形体６０を金型１０より取り出している。
取り出した成形体６０は必要に応じて焼結炉で焼結して、焼結体としてもよい。

前記実施形態では、ダイ１１の摺接面１１ｇと摺接する上パンチ１２の外周面１２ｂに摩擦係数の低いダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）で形成したコーティング層１４を設けているため、該コーティング層１４の表面の摺接面１４ａとダイ１１の摺接面１１ｇとの摩擦力を低減できる。よって、粉末の圧縮成形時に上パンチ１２をスムーズに摺接面１１ｇに摺接させて下降できると共に、粉末の圧縮成形後に上パンチ１２をダイ１１からスムーズに抜き出すことができ、ダイ１１とパンチ１２に破損が発生するのを防止でき、かつ、成形体にクラックが生じるのを防止することができる。

特に、上パンチ１２のコーティング層１４は積層構造とし、下地層１４ｃを低硬度としているため、上パンチ外周面１２ｂと下地層１４ｃがなじみやすくなり、上パンチ外周面１２ｂとの密着性を高めることができる。
一方、表面層１４ｄは高硬度としているため、ダイ１１の摺接面１１ｇとの摩擦係数をより低下でき、圧縮時の側圧力による上パンチ１２やダイ１１の破損を防止することができると共に表面層１４ｄの摩耗量を低減できる。

図４に本発明の第２実施形態を示す。
第２実施形態の粉末成形用金型１０は、ダイ１１に潤滑剤１１ｃを塗布する代わりに、ダイ１１の型面１１ｂの表面にダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）からなるコーティング層２４を設け、この点で第１実施形態と相違させている。
上パンチ外周面１２ｂにも、第１実施形態と同様に、ＤＬＣからなるコーティング層１４を設けている。

前記ダイ１１のコーティング層２４は、上パンチ外周面１２ｂに形成したコーティング層１４と同様にＤＬＣをスパッタリングして形成しており、図４（Ｂ）に示すように、ダイ型面１１ｂに固着する低硬度の下地層２４ｃを設けると共に、該下地層２４ｃの表面に高硬度の表面層２４ｄを設けた二層の積層構成としている。
前記コーティング層２４の高硬度の表面層２４ｄは、上パンチ１２のコーティング層１４の表面層１４ｄの表面の摺接面１４ａおよび成形体６０の側周面６０ｃとの摺接面となる。

前記構成とすると、ダイ１１の型面１１ｂにもＤＬＣのコーティング層２４を形成しているため、成形体６０を抜き出し時に、成形体６０の側周面６０ｃとダイ１１の型面１１ｂ側との間の摩擦抵抗が低減し、高圧成形で成形体６０への圧縮力Ｎが高くなっても、ダイ１１から成形体６０をスムーズに抜き出すことができ、金型からの成形体６０の抜き出し時に成形体６０にクラックが発生するのを確実に防止できる。
他の構成および作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。

なお、本発明は、前記実施形態は限定されず、本発明の特許請求の範囲内の種々の形態が含まれるものである。

（Ａ）は本発明の第１実施形態の粉末成形用金型を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 コーティング層の断面図である。 上パンチで粉末を圧縮している工程を示す断面図である。 （Ａ）は第２実施形態の粉末成形用金型を示す断面図、（Ｂ）はコーティング層の断面図である。 従来例を示す図である。

符号の説明

１０ 粉末成形用金型
１１ ダイ
１１ａ キャビティ
１１ｂ 型面
１２ 上パンチ
１３ 下パンチ
１４ コーティング層
１４ａ 摺接面
１４ｃ 低硬度の下地層
１４ｄ 高硬度の表面層
６０ 成形体
Ｐ 粉末

Claims (4)

1. キャビティに粉末が充填されるダイと、該粉末を圧縮するパンチとからなる粉末成形用金型であって、
   前記パンチが摺接する前記ダイのキャビティを囲む型面あるいは／および前記ダイと摺接する前記パンチの外周面に、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）からなる厚さ１０μm以上２０μｍ以下のコーティング層が形成されていることを特徴とする粉末成形用金型。
2. 前記コーティング層は、硬度の異なる表面層と下地層との少なくとも２層を積層して有し、前記表面層の硬度は下地層の硬度よりも高硬度としている請求項１に記載の粉末成形用金型。
3. 請求項１または請求項２に記載の粉末成形用金型を用いて成形された成形体。
4. 請求項３に記載の成形体が熱処理された焼結体。

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