JP2011036949A - ダイス鋼工具の製造方法および転造ダイス - Google Patents

Abstract

【課題】硬さが５０ＨＲＣ以上となるように熱処理を行なった後に窒化処理を施して表面硬化させる転造ダイスの製造方法において、転造加工歯の欠損を抑制しつつショットピーニングで白層を適切に除去できるようにする。
【解決手段】表面硬さが１１５０ＨＶ以上となるように窒化処理を行なった後、粒径が２０〜９０μｍの球状で比重が１３．８以上、硬さが１４００ＨＶ以上の超硬合金ショットを用いて、０．２〜０．８ＭＰａの範囲内の投射圧、１秒〜１２０秒の範囲内の投射時間でショットピーニングが施されることにより、転造加工歯１６の欠損を抑制しつつ、窒化処理で生じた白層が適切に除去されるとともに、表面硬さが１３００ＨＶ以上、圧縮残留応力が６００ＭＰａ以上とされるため、優れた耐摩耗性や耐疲労強度が得られ、白層が除去されることと相まって耐久性が向上するとともに、転造速度を速くして高能率加工を行なうことが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明はダイス鋼工具の製造方法に係り、特に、硬さが５０ＨＲＣ以上となるように熱処理を行なった後に窒化処理を施して表面に硬質の窒化層を形成するダイス鋼工具の製造方法に関するものである。

ダイス鋼にて工具基材が構成されているとともに、その工具基材に窒化処理が施されて表面に硬質の窒化層が形成されているダイス鋼工具が知られている。特許文献１には、工具基材について具体的な記載はないが、転造平ダイスに関して窒化処理やショットピーニング処理を施すことが提案されている（段落００１３参照）。また、特許文献２は、ばねや歯車等の部材に関するものであるが、窒化処理後に超硬合金ショットを用いてショットピーニング処理を施すことにより、窒化層の表層に形成される白層（脆い孔質層）を除去するとともに、表面を加工硬化により更に硬化させ且つ圧縮残留応力により疲労強度を向上させる技術が提案されている（段落０００３、００１４参照）。

特開２００２−１９２２８２号公報 特開２００７−５６３３３号公報

ここで、転造平ダイス等のダイス鋼工具は、予め焼入等の熱処理により硬さが５０ＨＲＣ以上とされ、次に研磨加工で転造加工歯等の加工部を形成した後に窒化処理が施されて硬質の窒化層が形成される。その場合に、表面硬さが１１５０ＨＶ以上になるように窒化処理を行なうと、窒化層の表層に脆い白層が生じることが避けられず、これをショットピーニングで除去するためにはそれよりも高硬度の超硬合金ショットを用いる必要があるが、処理条件によっては転造加工歯等の加工部が欠損することがあった。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、硬さが５０ＨＲＣ以上となるように熱処理を行なった後に窒化処理を施して表面に硬質の窒化層を形成するダイス鋼工具の製造方法において、転造加工歯等の加工部の欠損を抑制しつつショットピーニングで白層を適切に除去できるようにすることにある。

かかる目的を達成するために、第１発明は、(a) ダイス鋼にて構成されている工具基材に熱処理を行なって硬さを５０ＨＲＣ以上とする熱処理工程と、(b) その熱処理後に前記工具基材に窒化処理を施して表面に硬質の窒化層を形成する窒化工程と、を有するダイス鋼工具の製造方法において、(c) 前記窒化工程では、前記窒化層の表面硬さが１１５０ＨＶ以上となるように前記窒化処理を行ない、(d) その窒化工程の後に、粒径が２０〜９０μｍの球状で比重が１３．８以上、硬さが１４００ＨＶ以上の超硬合金ショットを用いて、０．２〜０．８ＭＰａの範囲内の投射圧、１秒〜１２０秒の範囲内の投射時間で前記工具基材の表面にショットピーニングを行なうことを特徴とする。

なお、上記「ＨＲＣ」は、Ｃスケールのロックウェル硬さ（ＪＩＳ Ｚ ２２４５）で、「ＨＶ」はビッカース硬さ（ＪＩＳ Ｚ ２２４４）である。

第２発明は、第１発明のダイス鋼工具の製造方法において、前記窒化工程では前記窒化層の表層に白層が形成され、前記ショットピーニング処理が施されることによりその白層が除去されることを特徴とする。

第３発明は、第１発明または第２発明のダイス鋼工具の製造方法において、前記ショットピーニング処理が施された後の前記工具基材の表面硬さは１３００ＨＶ以上で、圧縮残留応力は６００ＭＰａ以上であることを特徴とする。

第４発明は、熱処理によって硬さが５０ＨＲＣ以上とされたダイス鋼にて工具基材が構成されているとともに、その熱処理後にその工具基材に窒化処理が施されて表面に硬質の窒化層が形成されている転造ダイスにおいて、前記窒化処理後にショットピーニングが施されることにより、その窒化処理で形成された白層が除去されるとともに、表面硬さが１３００ＨＶ以上、圧縮残留応力が６００ＭＰａ以上とされ、且つ、表面には十点平均粗さＲｚ_JIS で４〜１５μｍの範囲内の凹凸が設けられていることを特徴とする。
なお、「十点平均粗さＲｚ_JIS 」は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１の附属書１に記載の規格によるものである。

第１発明のダイス鋼工具の製造方法においては、窒化層の表面硬さが１１５０ＨＶ以上となるように窒化処理を行なわれるため、その窒化層の表層に白層が生じることが避けられないが、窒化工程の後に粒径が２０〜９０μｍの球状で比重が１３．８以上、硬さが１４００ＨＶ以上の超硬合金ショットを用いて、０．２〜０．８ＭＰａの範囲内の投射圧、１秒〜１２０秒の範囲内の投射時間でショットピーニングが施されることにより、転造加工歯等の加工部の欠損を抑制しつつ白層が適切に除去されるとともに、加工硬化により表面が更に硬化させられ且つ圧縮残留応力により疲労強度が向上する。また、粒径が２０〜９０μｍの超硬合金ショットを用いて所定の投射圧でショットピーニングが施されることにより、工具基材の表面には所定の凹凸（例えば十点平均粗さＲｚ_JIS で４〜１５μｍ程度）が形成されるが、転造加工等の加工面精度を損なう程ではないとともに、転造ダイスのように滑り止めが必要な場合、滑り止めのための後処理（ショットブラストによる粗面化処理など）を省略できる。

第３発明では、ショットピーニング後の工具基材の表面硬さが１３００ＨＶ以上であり、圧縮残留応力が６００ＭＰａ以上であるため、優れた耐摩耗性や耐疲労強度が得られ、白層が除去されることと相まって工具の耐久性が向上するとともに、転造速度等の加工速度を速くするなどして高能率加工を行なうことが可能となる。これにより、安価なダイス鋼工具においても、ハイス（高速度工具鋼）製工具と同等の耐久性や加工性能が得られるようになる。

第４発明の転造ダイスは、第１発明〜第３発明の製造方法に従って好適に製造されるもので、ショットピーニングが施されることにより白層が除去されるとともに、表面硬さが１３００ＨＶ以上、圧縮残留応力が６００ＭＰａ以上とされ、且つ、表面には十点平均粗さＲｚ_JIS で４〜１５μｍの範囲内の凹凸が設けられているため、上記第３発明と同様に優れた耐摩耗性や耐疲労強度が得られ、白層が除去されることと相まって耐久性が向上するとともに、転造速度を速くするなどして高能率加工を行なうことが可能となる。これにより、安価なダイス鋼製の転造ダイスにおいても、ハイス（高速度工具鋼）製転造ダイスと同等の耐久性や加工性能が得られるようになる。また、表面には十点平均粗さＲｚ_JIS で４〜１５μｍの範囲内の凹凸が設けられるため、転造加工の加工面精度を損なうことなく適度な滑り止め作用が得られるようになり、滑り止めのための後処理（ショットブラストによる粗面化処理など）が不要で、安価に構成されるとともに生産性が向上する。

本発明が転造平ダイスに適用された場合の一実施例を説明する図で、(a) は正面図、(b) は転造成形面側から見た平面図、(c) は転造成形面の表層部分の断面構造を説明する模式図である。 図１の転造平ダイスの製造工程を説明する図である。 図２のステップＳ４でショットピーニングを行なう際の処理条件を種々変更し、処理後の表面硬さ、圧縮残留応力、面粗さ、および外観の相違を調べた結果を示す図である。 超硬合金ショットを用いてショットピーニングを行なった本発明品と、ハイス製ショットを用いてショットピーニングを行なった比較品Ｉ、およびショットピーニングなしの比較品IIについて、表面硬さや圧縮残留応力、耐久性（加工数）等ついて調べた結果を比較して示す図である。

本発明は、丸ダイスや平ダイス、プラネタリ式ダイスなど種々の転造ダイスに好適に適用されるが、転造タップ（盛上げタップ）やゲージ、プレス型などの他のダイス鋼工具にも適用され得る。転造ダイスとしては、ねじ転造ダイスが広く知られているが、歯車等のねじ以外の部品を転造加工する転造ダイスにも適用され得る。ダイス鋼は、合金工具鋼（ＪＩＳ Ｇ ４４０４）の中の「ＳＫＤ」の記号で示されるもので、例えばＳＫＤ１１、ＳＫＤ１２などであるが、ＪＩＳ以外の規格のＳＫＤ相当品であっても良い。

熱処理工程では、ダイス鋼にて構成されている工具基材に対して、例えば焼入・焼戻し処理を施すことにより、５０ＨＲＣ以上の硬さとする。次に研磨加工を行なって転造加工歯等を形成した後、窒化処理を施して表面硬さが１１５０ＨＶ以上となる硬質の窒化層を形成する。窒化処理としては、イオン窒化が好適に用いられるが、塩浴窒化等の他の窒化手段を採用することもできる。窒化処理後の表面硬さが例えば１２００ＨＶ以上となるようにすることも可能である。窒化層の深さは例えば３０μｍ程度以上が望ましく、３０〜６０μｍ程度の範囲内が適当である。

上記窒化処理では、窒化層の表層部分に白層が形成されるが、この白層は脆くて欠け易いため、ショットピーニングによって除去する。白層は、窒素とダイス鋼の鉄との化合物から成る多孔質の部分で、白っぽく見える部分であるが、非常に硬いため、硬さが１４００ＨＶ以上で比重が１３．８以上の超硬合金ショットを用いてショットピーニングを行なう。硬さや比重の上限については、現状の超硬合金ショットで可能な範囲で特に制約はない。超硬合金ショットは、例えばＷＣ−Ｃｏ系が適当であるが、他の超硬合金を用いることもできる。

また、転造加工歯等の加工部の欠損を回避するため、粒径が２０〜９０μｍの超硬合金ショットを０．２〜０．８ＭＰａの範囲内の投射圧で投射する。粒径が２０μｍよりも小さい場合や投射圧が０．２ＭＰａよりも低い場合には、白層の除去効果が十分に得られないとともに、圧縮残留応力も６００ＭＰａに達せず、クラックの発生を抑制する効果が少ない。粒径が９０μｍよりも大きい場合や投射圧が０．８ＭＰａよりも高い場合には、転造加工歯等の加工部に欠け等の損傷が発生し易くなる。また、投射時間が１２０秒を超えると窒化層が削られて表面硬さが下がり、耐摩耗性が劣ることになる。このショットピーニングにより白層が完全に除去されることが望ましいが、白層が多少（例えば０．５μｍ以下で更に望ましくは０．３μｍ以下）残存していても差し支えない。ショットピーニングの投射圧は、超硬合金ショットを圧力エアによりノズルから噴射する際のエア圧で、そのエア圧を調圧弁等により変更することによって調整できる。粒径は、メッシュによって篩分けられたもので、１００％２０〜９０μｍの範囲内であることが望ましいが、２０％以下の範囲で他の粒径のショットが混ざっていても差し支えない。この超硬合金ショットの粒径は、３０〜７０μｍ程度の範囲内が一層望ましく、投射時間は１秒〜１２０秒の範囲内で、窒化層を残しつつ白層のみを除去するように投射圧等に応じて適宜設定される。

粒径が２０〜９０μｍの超硬合金ショットが用いられることにより、表面には十点平均粗さＲｚ_JIS で４〜１５μｍ程度の凹凸が形成されるが、転造ダイスの場合、加工面精度を損なう程ではないとともに適度な滑り止め作用が得られるため、滑り止めのための後処理（ショットブラストによる粗面化処理など）が必ずしも必要ない。

第３発明では、ショットピーニング後の工具基材の表面硬さが１３００ＨＶ以上、圧縮残留応力が６００ＭＰａ以上であるが、第１発明、第２発明の実施に際しては、必ずしも１３００ＨＶ以上、６００ＭＰａ以上である必要はない。圧縮残留応力は、８００ＭＰａ以上、更には１０００ＭＰａ以上が望ましい。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例であるねじ転造用の転造平ダイス１０を示す図で、(a) は正面図、(b) は転造成形面（ねじ面）１４側から見た平面図、(c) は転造成形面１４の表層部分の断面模式図である。この転造平ダイス１０は、固定側および移動側の２個１組で使用されるもので、工具基材１２はＳＫＤ１１、ＳＫＤ１２等のダイス鋼にて構成されているとともに、転造成形面１４にはねじ溝に対応する断面形状の多数の転造加工歯１６が設けられており、その転造加工歯１６が円柱形状の被転造部材（ねじ素材）の表面に食い込むことによってねじを転造加工する。転造成形面１４は、転造加工歯１６の高さが直線的に低くなる前端側（図１(a) 、(b) における左方向）の食付き部と、転造加工歯１６の高さが一定の平行部と、後端側の逃げ部とを備えている。この転造平ダイス１０は転造ダイスの一例で、ダイス鋼工具に相当する。

上記転造平ダイス１０は、図２に示す製造工程に従って製造されたもので、ステップＳ１の熱処理工程では、ダイス鋼から成る工具基材１２に焼入・焼戻し処理が施されることにより、硬さが５０ＨＲＣ以上（実施例では５８ＨＲＣ程度）とされる。ステップＳ２は研磨工程で、熱処理された工具基材１２に対して研削砥石等による研磨加工で前記転造加工歯１６を形成する。ステップＳ３は窒化工程で、工具基材１２にイオン窒化処理を施すことにより、その工具基材１２の表面に硬質の窒化層１２ｎを形成する。この窒化処理では、窒化層１２ｎの表面硬さが１１５０ＨＶ以上（実施例では１１５０ＨＶ程度）となるように処理条件が定められ、窒化層１２ｎの深さは３０μｍ程度である。この状態では、窒化層１２ｎの表層部（例えば１〜数μｍの範囲で、実施例では２．１μｍ程度）に、窒素とダイス鋼の鉄との化合物から成る多孔質で白っぽく見える白層が形成される。また、このときの圧縮残留応力は４００ＭＰａ程度（実施例では４６５ＭＰａ）である。

ステップＳ４はショットピーニング工程で、粒径が２０〜９０μｍの球状で比重が１３．８以上、硬さが１４００ＨＶ以上の超硬合金ショットを用いて、０．２〜０．８ＭＰａの範囲内の投射圧、１秒〜１２０秒の範囲内の投射時間で工具基材１２の表面、具体的には転造成形面１４に対して略垂直に投射するショットピーニング処理を行なう。このショットピーニング処理により、転造加工歯１６を損傷することなく前記白層が除去されるとともに、加工硬化で表面硬さが１３００ＨＶ以上となり、且つ６００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が生じるようにすることができる。また、表面には十点平均粗さＲｚ_JIS で４〜１５μｍの範囲内の凹凸を設けることができる。

図３は、種々の処理条件で超硬合金ショットを投射してショットピーニング処理を行なった場合の、処理後の品質特性を調べた結果を示す図である。使用した超硬合金ショットの比重は１３．９程度で、硬さは１４３０ＨＶ程度である。また、投射時間は１秒〜１２０秒の範囲内で、窒化層１２ｎを残しつつ白層のみを除去するように投射圧等に応じて適宜設定される。試験品No１〜No３は、何れも粒径が２０〜９０μｍの範囲内で投射圧が０．２〜０．８ＭＰａの範囲内の本実施例の場合であり、何れの場合も処理後の表面硬さは１３００ＨＶ以上、圧縮残留応力は６００ＭＰａ以上、表面粗さは十点平均粗さＲｚ_JIS で４〜１５μｍの範囲内であった。また、外観に変化はなく、転造加工歯１６の形状が良好に維持された。

これに対し、試験品No４は、ショットピーニング処理を行なわない場合で、品質特性はステップＳ３の窒化処理後のままである。試験品No５は、投射圧が０．１ＭＰａと低い場合で、処理後の表面硬さは１３００ＨＶ未満、圧縮残留応力は６００ＭＰａ未満、表面粗さは十点平均粗さＲｚ_JIS で２．２程度であった。また、試験品No６は、ショットの粒径が１００μｍと大きく、投射圧が１．０ＭＰａと高い場合で、処理後の表面硬さは１３００ＨＶ以上、圧縮残留応力は６００ＭＰａ以上であるが、表面粗さは十点平均粗さＲｚ_JIS で１５．８程度と大き過ぎるとともに、転造加工歯１６が欠損した。

このように、本実施例では、表面硬さが１３００ＨＶ以上となるように窒化処理が行なわれるため、窒化層１２ｎの表層に白層が生じることが避けられないが、窒化工程の後に粒径が２０〜９０μｍの球状で比重が１３．８以上、硬さが１４００ＨＶ以上の超硬合金ショットを用いて、０．２〜０．８ＭＰａの範囲内の投射圧、１秒〜１２０秒の範囲内の投射時間でショットピーニングが施されることにより、転造加工歯１６の欠損を抑制しつつ白層が適切に除去されるとともに、加工硬化により表面硬さが１３００ＨＶ以上、圧縮残留応力が６００ＭＰａ以上とされるため、優れた耐摩耗性や耐疲労強度が得られ、白層が除去されることと相まって耐久性が向上するとともに、転造速度を速くするなどして高能率加工を行なうことが可能となる。これにより、安価なダイス鋼製の転造平ダイス１０においても、ハイス（高速度工具鋼）製転造ダイスと同等の耐久性や加工性能が得られるようになる。

また、粒径が２０〜９０μｍの超硬合金ショットを用いて所定の投射圧でショットピーニングが施されることにより、工具基材１２の表面には十点平均粗さＲｚ_JIS で４〜１５μｍの範囲内の凹凸が設けられるため、転造加工の加工面精度を損なうことなく適度な滑り止め作用が得られるようになり、滑り止めのための後処理（ショットブラストによる粗面化処理など）が不要で、安価に構成されるとともに生産性が向上する。

因に、図４は、超硬合金ショットを用いてショットピーニングを行なった本発明品（前記転造平ダイス１０）、ハイス（高速度工具鋼）製ショットを用いてショットピーニングを行なった比較品Ｉ、および前記窒化処理を行なったまま（ショットピーニングなし）の比較品IIを用意し、表面硬さ、圧縮残留応力、面粗さ、白層の厚さを測定するとともに、以下の加工条件で転造加工を行なった場合の寿命までの加工本数を調べた結果を比較して示す図である。寿命は、転造加工歯１６の損傷またはゲージアウトで判定した。なお、本発明品は、図３の試験品No１で、ショットピーニングなしの比較品IIは試験品No４である。
《加工条件》
・形状 ：２０８×１９０×４０×５０
（移動側長×固定側長×厚み×高さ）
・呼び ：Ｍ１０×１．２５×４０Ｌ
・被転造材：ＳＣＭ（４０ＨＲＣ）
・転造速度：１２０本／分
・切削油剤：油性切削油剤

図４の結果から明らかなように、本発明品は、比較品IIは勿論比較品Ｉと比べても表面硬さや圧縮残留応力が高いとともに、白層が略完全に除去され、優れた耐久性が得られる。また、面粗さについても、十点平均粗さＲｚ_JIS で７．４μｍ程度と大きいため、滑り止めのための粗面化処理が必ずしも必要ない。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。

１０：転造平ダイス（転造ダイス、ダイス鋼工具） １２：工具基材 １２ｎ：窒化層 １４：転造成形面 １６：転造加工歯
ステップＳ１：熱処理工程
ステップＳ３：窒化工程
ステップＳ４：ショットピーニング工程

Claims (4)

1. ダイス鋼にて構成されている工具基材に熱処理を行なって硬さを５０ＨＲＣ以上とする熱処理工程と、
   該熱処理後に前記工具基材に窒化処理を施して表面に硬質の窒化層を形成する窒化工程と、
   を有するダイス鋼工具の製造方法において、
   前記窒化工程では、前記窒化層の表面硬さが１１５０ＨＶ以上となるように前記窒化処理を行ない、
   該窒化工程の後に、粒径が２０〜９０μｍの球状で比重が１３．８以上、硬さが１４００ＨＶ以上の超硬合金ショットを用いて、０．２〜０．８ＭＰａの範囲内の投射圧、１秒〜１２０秒の範囲内の投射時間で前記工具基材の表面にショットピーニングを行なう
   ことを特徴とするダイス鋼工具の製造方法。
2. 前記窒化工程では前記窒化層の表層に白層が形成され、前記ショットピーニングが施されることにより該白層が除去される
   ことを特徴とする請求項１に記載のダイス鋼工具の製造方法。
3. 前記ショットピーニングが施された後の前記工具基材の表面硬さは１３００ＨＶ以上で、圧縮残留応力は６００ＭＰａ以上である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のダイス鋼工具の製造方法。
4. 熱処理によって硬さが５０ＨＲＣ以上とされたダイス鋼にて工具基材が構成されているとともに、該熱処理後に該工具基材に窒化処理が施されて表面に硬質の窒化層が形成されている転造ダイスにおいて、
   前記窒化処理後にショットピーニングが施されることにより、該窒化処理で形成された白層が除去されるとともに、表面硬さが１３００ＨＶ以上、圧縮残留応力が６００ＭＰａ以上とされ、且つ、表面には十点平均粗さＲｚ_JIS で４〜１５μｍの範囲内の凹凸が設けられている
   ことを特徴とする転造ダイス。

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