JP2017078144A

JP2017078144A - 温・熱間加工用潤滑剤および温・熱間加工方法

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Publication number: JP2017078144A
Application number: JP2015207914A
Authority: JP
Inventors: 五十川　幸宏; Yukihiro Isogawa; 幸宏五十川; 升田　裕久; Hirohisa Masuda; 裕久升田; 賢一人奥村; Norihito Okumura; 晃平前田; Kohei Maeda
Original assignee: Nippon Graphite Industries Ltd; Tokan Material Technology Co Ltd; Daido Gakuen School
Current assignee: Nippon Graphite Industries Ltd; Daido Gakuen School; Tomatec Co Ltd
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2035-10-22
Also published as: JP6601616B2

Abstract

【課題】温間加工あるいは熱間加工を行う際に使用される潤滑剤として、より優れた潤滑特性を有する潤滑剤を提供する。【解決手段】温間もしくは熱間において金属材料を加工する際に使用される潤滑剤１００は、固体質潤滑剤シート１２０と、ガラスシート１１０と、を積層することにより構成されている。潤滑剤１００を構成する固体質潤滑剤シート１２０は、固体質の潤滑剤ＣＰとバインダ樹脂とを含み、シート状に形成されている。また、潤滑剤１００を構成するガラスシート１１０は、ガラスＧＰとバインダ樹脂とを含み、シート状に形成されている。【選択図】図２

Description

この発明は、温間加工あるいは熱間加工を行う際に使用される潤滑剤に関する。

熱間鍛造を行う場合、高温に加熱された被加工材を金型により成形する。そのため、被加工材と接触する金型の表面は、被加工材の高温に晒され、金型の表面の硬度が低下し、あるいは、金型表面の摩耗が進行する可能性がある。また、被加工材と金型とが直接接触すると、被加工材と金型とが焼き付く虞がある。そこで、熱間鍛造を行う場合には、黒鉛等の潤滑剤を水に分散させた潤滑剤液を金型に噴霧することにより金型を冷却するとともに、被加工材と金型との間に潤滑剤の被膜を形成し、被加工材と金型との間の潤滑性および離型性を確保することが行われてきた。また、近年では、焼き付き等を抑制する潤滑剤として、グラファイトシート等からなる固体潤滑剤シートを用いることにより鍛造性を改善することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特表２０１３−５３００４７号公報

しかしながら、潤滑剤液を金型に噴霧した場合、被膜の金型表面への密着性や被膜厚みの制御性が不十分となり、被加工材の焼付きや欠肉の発生、離形性不良による作業性の悪化や金型寿命の低下等の問題が生じる可能性がある。また、特許文献１に提案されているような固体潤滑剤シートを使用しても、十分に高い潤滑性を確保することは、必ずしも容易ではなかった。この問題は、熱間鍛造に限らず、温間鍛造、熱間あるいは温間における圧延など、温間あるいは熱間における加工（温・熱間加工）に共通する。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、温間加工あるいは熱間加工を行う際に使用される潤滑剤として、より優れた潤滑特性を有する潤滑剤を提供することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
温間もしくは熱間において金属材料を加工する際に使用される潤滑剤であって、固体質の潤滑剤とバインダ樹脂とを含み、シート状に形成された固体質潤滑剤シートと、ガラスとバインダ樹脂とを含み、シート状に形成されたガラスシートと、を積層することにより構成されている、潤滑剤。この構成によれば、ガラスシートの軟化温度の調整等を行うことにより、広い温度範囲に亘って優れた潤滑性能を発揮させることができるので、より潤滑特性を高くすることが容易となる。

［適用例２］
前記固体質の潤滑剤は、黒鉛である、適用例１記載の潤滑剤。一般に、黒鉛は、層状構造をとるため潤滑性能および断熱性が高く、また、入手がより容易である。そのため、より、潤滑性能が高く、また、断熱性が高い潤滑剤シートを、より安価に製造することが可能となる。

［適用例３］
温間もしくは熱間において金型を用いて金属材料を加工する加工方法であって、適用例１または２記載の潤滑剤を準備する工程と、前記潤滑剤を、前記金属材料と前記金型との間に、中空状態で配置する工程と、を備える、加工方法。潤滑剤を中空状態で配置することにより、成形直前まで潤滑剤が金型や被加工材である金属材料に接触することが抑制される。そのため、成形前の温度上昇等により、潤滑剤の潤滑特性の変化を抑えることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、潤滑剤およびその製造方法、その潤滑剤を用いた温間および熱間加工方法、その潤滑剤を使用するための加工装置の構造等の態様で実現することができる。

熱間鍛造を行う様子を示す説明図。複合潤滑剤シートの製造工程を示す工程図。リング圧縮試験の結果を示すグラフ。リング圧縮試験の結果を示すグラフ。テーパカップ試験において、鍛造荷重が変化する様子を示すグラフ。テーパカップ試験による潤滑性能の評価結果を示すグラフ。テーパカップ試験において、鍛造荷重が変化する様子を示すグラフ。テーパカップ試験による潤滑性能の評価結果を示すグラフ。被加工材および金型の表面温度の変化の様子を表すグラフ。複合潤滑剤シートの使用態様の変形例を示す説明図。

以下、本発明を実施するための形態を以下の順序で説明する。
Ａ．実施形態：
Ａ１．熱間鍛造：
Ａ２．複合潤滑剤シートの製造工程：
Ｂ．実施例：
Ｂ１．実施例１：
Ｂ２．実施例２：
Ｂ３．実施例３：
Ｂ４．実施例４：
Ｃ．使用態様の変形例：
Ｄ．変形例：

Ａ１．熱間鍛造：
図１は、本発明を適用して熱間鍛造を行う様子を示す説明図である。熱間鍛造を行うための鍛造装置９００は、下型部９１０と上型部９２０とを有している。下型部９１０は、上面に転写形状が形成された金型９１１と、金型９１１の下部に配置された断熱材９１６と、断熱材９１６の下部に配置された基部９１８とを備えている。金型９１１は、断熱材９１６により熱的に基部９１８から分離された断熱金型９１２と、断熱金型９１２とかみ合い、断熱材９１６を貫通して基部９１８に固定されている固定金型９１４とを有している。このように、断熱金型９１２が基部９１８から熱的に分離されていることにより、金型９１１の温度を適宜調整することが容易となっている。上型部９２０も下型部９１０と同様に、下面に転写形状が形成され、断熱金型９２２および固定金型９２４からなる金型９２１と、断熱材９２６と、基部９２８とを備えている。そのため、下型部９１０と同様に、金型９２１の温度を適宜調整することが容易となっている。

この鍛造装置９００により熱間鍛造を行う際には、被加工材ＷＫを下型部９１０の金型９１１上に配置するとともに、被加工材ＷＫと上型部９２０との間に、複合潤滑剤シート１００を配置する。なお、複合潤滑剤シート１００の具体的な構成については、後述する。複合潤滑剤シート１００は、バネ９３０を用いて下型部９１０に固定された保持部（図示しない）に取り付けられている。被加工材ＷＫと複合潤滑剤シート１００とを配置した後、上型部９２０を下型部９１０に向かって降下させることにより、被加工材ＷＫ上に複合潤滑剤シート１００が配置される。そして、被加工材ＷＫと上型部９２０の金型９２１との間に複合潤滑剤シート１００が挟まれた状態で被加工材ＷＫに荷重が加わることにより、被加工材ＷＫが所望の形状に変形する。

図１の例では、バネ９３０により複合潤滑剤シート１００をつり下げているが、複合潤滑剤シート１００は、変形可能な種々の部材で保持部に取り付けるものとしても良い。また、複合潤滑剤シート１００を直接被加工材ＷＫ上に直接配置することも可能である。但し、成形直前まで複合潤滑剤シート１００が被加工材ＷＫや下型部９１０の金型９１１に接触することを防ぐことが可能である点で、複合潤滑剤シート１００をつり下げて中空状態で配置するのが好ましい。このようにすれば、成形前に複合潤滑剤シート１００の温度が上昇してガラスシートが過度に軟化すること等により潤滑特性が変化することを、抑制することができる。また、複合潤滑剤シート１００を下型部９１０の金型９１１の上面に配置し、その上に被加工材ＷＫを配置するものとしても良い。この場合、被加工材ＷＫと上型部９２０との間への複合潤滑剤シート１００の配置を省略するものとしても良い。

図２は、複合潤滑剤シート１００の製造工程を示す工程図である。図２（ａ）に示すように、複合潤滑剤シート１００の製造工程では、まず、原料となるガラス粉末ＧＰを準備する。ガラス粉末ＧＰは、使用状態において到達する温度（使用温度）でより適した挙動を示すように、軟化温度が適宜設定されたガラスにより形成されている。軟化温度は、例えば、３５０〜６００℃程度に設定される。このようなガラスとしては、ケイ酸塩系、ホウ酸塩系、リン酸塩系等の種々のガラス、あるいは、これらのガラスを適宜混ぜ合わせたものを使用することができる。なお、最適な軟化温度については、数回の実験を行い、あるいは、数値計算による解析により使用温度を算出することにより求めることができる。ガラス粉末ＧＰの平均粒径は、後工程におけるペーストの調製およびシートの作製が可能であれば種々変更可能であり、例えば、１０〜１００μｍ程度に設定することが可能である。

次いで、図２（ｂ）に示す様に、準備されたガラス粉末ＧＰを用いて、ガラスペーストＧＴの調製を行う。具体的には、ガラス粉末ＧＰと水溶性樹脂の水溶液ＰＳとを混合することにより、ガラスペーストＧＴが得られる。ガラス粉末ＧＰと水溶性樹脂の水溶液ＰＳとの混合は、例えば、遊星式攪拌・脱泡装置を用いて行うことができる。水溶性樹脂としては、ポリビニルアルコール（ＰＶＡＬ）等のポリビニル系樹脂やポリエチレングリコールを使用することができる。また、ペーストに使用される樹脂としては、水溶性の樹脂の他、ポリエチレングリコール以外のポリエーテル系樹脂、セルロース系樹脂、ポリエステル系樹脂、アクリル系樹脂、あるいは、ポリカーボネート系樹脂を用いることができる。この場合、溶媒としては、アルコール、グリコールエーテルあるいは炭化水素等の有機溶剤が使用される。但し、作業環境への有機溶剤の放出が抑制されるとともに、溶媒の急速な蒸発が抑制され、シートの作製がより容易となる点で、水溶性樹脂の水溶液を用いるのが好ましい。

次いで、図２（ｃ）に示す様に、調製されたガラスペーストＧＴをシート状に成形する。ガラスペーストＧＴの成形は、例えば、図２（ｃ）に示す様に、平板上にガラスペーストＧＴを載せ、ローラ等を用いてガラスペーストＧＴを均一に広げることにより行われる。なお、ガラスペーストＧＴの成形は、ガラスペーストＧＴの流動性を利用した押し出し、ドクターブレードによる塗布、あるいは、プレス機による成形等の種々の方法により行うことが可能である。このようにシート状に成形されたガラスペーストＧＴから溶媒である水を蒸発させることにより、ガラス粉末ＧＰと水溶性樹脂（バインダ樹脂）とを含むガラスシート１１０が得られる。

図２（ｄ）ないし図２（ｆ）は、黒鉛シート１２０の作製工程を示している。黒鉛シート１２０は、原料としてガラス粉末ＧＰに替えて黒鉛粉末ＣＰを用いている他は、図２（ａ）ないし図２（ｃ）に示すガラスシート１１０の作製工程と同様の工程で作製される。すなわち、黒鉛粉末ＣＰと水溶性樹脂の水溶液ＰＳとを混合して黒鉛ペーストＣＴを調製し、調製された黒鉛ペーストＣＴをシート状に成形した後、シート状の黒鉛ペーストＣＴから水を蒸発させることにより、黒鉛粉末ＣＰとバインダ樹脂とを含む黒鉛シート１２０が得られる。なお、準備される黒鉛粉末ＣＰとしては、例えば、平均粒径が１０〜１００μｍの鱗状黒鉛が使用される。また、ガラスシート１１０の作製工程と同様に、水溶性樹脂の水溶液ＰＳに替えて、非水溶性の樹脂を有機溶剤に溶解した樹脂溶液を用いることも可能である。

このようにガラスシート１１０および黒鉛シート１２０が作製された後、図２（ｇ）に示すように、これらのシート１１０，１２０を積層することにより複合潤滑剤シート１００が得られる。なお、図２の例では、ガラスシート１１０を２枚の黒鉛シート１２０に挟み込むように積層しているが、ガラスシート１１０および黒鉛シート１２０の積層態様は種々変更することができる。例えば、ガラスシート１１０と黒鉛シート１２０とを１枚ずつ積層するものとしても良く、ガラスシート１１０および黒鉛シート１２０との少なくとも一方を連続して積層することも可能である。なお、複数のガラスシート１１０を積層する場合においては、各ガラスシートに含まれるガラスの軟化温度（以下、「ガラスシートの軟化温度」とも謂う）を変えるようにしても良い。また、図２の例では、予めガラスシート１１０と黒鉛シート１２０を作製した後、ガラスシート１１０および黒鉛シート１２０を積層しているが、先にガラスシート１１０あるいは黒鉛シート１２０を形成し、先に作られたシート上に他方のペーストを直接広げることによりガラスシートおよび黒鉛シートを積層することも可能である。

このように本実施形態では、被加工材ＷＫと金型９２１との間に複合潤滑剤シート１００が挟み込まれるので、複合潤滑剤シート１００自体である被膜が、鍛造の工程中には被加工材ＷＫと金型９２１との間を覆うとともに、厚みが均一となる。そのため、被加工材ＷＫの金型９１１，９２１への焼付き等の問題の発生が抑制されるとともに、離形性の低下が抑制されるので、作業性の悪化や金型寿命の低下等の問題が生じる可能性を抑えることが可能となる。また、ガラスシートの軟化温度を適宜調整し、あるいは、軟化温度の異なるガラスシートを積層することができるとともに、特に金型９１１，９２１や被加工材ＷＫの温度が高い場合においても、黒鉛シート１２０の断熱効果によりガラスシート１１０の過度な軟化が抑制される。そのため、複合潤滑剤シート１００を用いることにより、より広い温度範囲に亘って優れた潤滑性能を発揮させることが可能となる。また、本実施形態によれば、黒鉛を含む層（すなわち、黒鉛シート１２０）の厚みを変化させることが容易となり、従来技術である黒鉛粉末の噴霧等では困難であった断熱効果の制御がより容易となるため、ガラスシート１１０の過度な軟化あるいは不十分な軟化をより効果的に抑制することができる。すなわち、本実施形態の複合潤滑剤シート１００では、黒鉛を含む層として厚みの制御が容易な黒鉛シート１２０を用いることにより、ガラスシート１１０への熱伝達をより正確に制御し、潤滑剤シートの潤滑性能をより高くすることができる。また、ガラスシート１１０および黒鉛シート１２０は、その厚みを厚くすることがより容易であるため、複合潤滑剤シート１００全体としてのガラス量および黒鉛量を十分に増やし、加工時の表面の拡大率が大きい場合においても十分な潤滑効果が得られるようにすることができる。さらに、複合潤滑剤シート１００を構成するガラスシート１１０および黒鉛シート１２０は、いずれも熱の伝達を抑制するため、複合潤滑剤シート１００を使用することにより、被加工材ＷＫの温度低下および金型９２１の温度上昇が抑制される。そのため、被加工材ＷＫの温度低下による加工特性の変化や、金型９２１の寿命の低下が抑制される。

Ｂ１．実施例１：
複合潤滑剤シートを用いることによる潤滑性能の向上を確認するため、実施例としての複合潤滑剤シートと、比較例としての黒鉛シートおよびガラスシートを準備し、潤滑性能の評価を行った。なお、実施例としての複合潤滑剤シート、および、比較例としての黒鉛シートおよびガラスシートは、いずれも潤滑剤のシートであるので、以下では、潤滑剤シートとも総称する。

［実施例および比較例の潤滑剤シートの準備］
ガラス粉末１００重量部と、ＰＶＡＬ３重量部を水５０重量部に溶解したＰＶＡＬ水溶液とを混合してガラスペーストを調製し、調製したガラスペーストを成形してガラスシートを作製した。ガラス粉末としては、平均粒径が４０μｍで、軟化温度が５４８℃のものを使用した。作製されたガラスシートの坪量（単位面積あたりの重量）は、１４３０ｇ／ｍ^２であった。また、得られたガラスシートを２枚あるいは３枚重ね合わせることにより、坪量が２８６０ｇ／ｍ^２および４３００ｇ／ｍ^２のガラスシートを得た。また、黒鉛粉末１００重量部と、ＰＶＡＬ３重量部を水５０重量部に溶解したＰＶＡＬ水溶液とを混合して黒鉛ペーストを調製し、調製した黒鉛ペーストを成形して黒鉛シートを作製した。黒鉛粉末としては、平均粒径６０μｍの鱗状黒鉛を使用した。作製された黒鉛シートの坪量は、３１０ｇ／ｍ^２であった。

実施例として、坪量の異なるガラスシートのそれぞれを、２枚の黒鉛シートで挟み込むように積層し、ガラス量の異なる複合潤滑剤シートを準備した。また、比較例として、２枚の黒鉛シートのみを積層した潤滑剤シート、および、坪量が２８６０ｇ／ｍ^２のガラスシートのみからなる潤滑剤シートを準備した。

［潤滑性能の評価］
このように準備された実施例および比較例の潤滑剤シートの潤滑性能を評価するため、リング圧縮試験を行った。リング圧縮試験とは、金型と被加工材との間の摩擦係数の評価を行う周知の試験方法であり、円環状の被加工材を軸方向に圧縮する鍛造（据え込み鍛造）を行うことによって行われる。摩擦係数が大きいと、鍛造時に被加工材が外方に向かって移動することが抑制されるので、鍛造後の被加工材の内径が縮小する。一方、摩擦係数が小さいと、鍛造時に被加工材が外方に向かって移動することが容易となるので、鍛造後の被加工材の内径が拡大する。そこで、鍛造による被加工材の厚みの低減率（据え込み率）と、鍛造による被加工材の内径の減少率（内径減少率）とを測定し、測定された据え込み率と内径減少率から摩擦係数を評価することができる。

リング圧縮試験として、被加工材（試験材）である６４チタン（Ti-6Al-4V）のリングを９００℃に加熱し、予め加熱した下型の上に配置し、プレスにより上型を押し付けて圧縮した。このとき、下型とリングとの間、および、リングと上型との間に、実施例および比較例の潤滑剤シートを配置した。リングの形状は、外形φ３０ｍｍ、内径φ１５ｍｍ、厚み１０ｍｍとした。また、下型の温度は３００℃および５００℃とし、上型の温度は１５０℃とした。

図３は、下型の温度を５００℃とした際の、リング圧縮試験の結果を示すグラフである。図３において、横軸および縦軸は、それぞれ、据え込み率および内径減少率を表し、原点から右側に伸びる実線は、摩擦係数が特定の値である場合における据え込み率と内径減少率との関係を示している。なお、このリング圧縮試験では、潤滑剤シートの種類毎に試験を２回行い、２回の平均値を図３のグラフで示している。また、以下に示す各種試験結果においても、原則として条件毎に試験を２回行い、グラフにおいては、必要に応じて平均値を用いて結果を示している。

図３から分かるように、比較例としてガラスシートのみを使用した場合には、内径が大きく減少しており、摩擦係数が大きくなっていることが分かった。また、黒鉛シートのみを使用した場合には、摩擦係数がガラスシートのみを使用した場合よりも低下した。さらに、実施例としての複合潤滑剤シートを使用した場合、ガラスシートの厚みに関わらず、黒鉛シートのみを使用した場合よりもさらに摩擦係数が低下した。このようにガラスシートのみを使用した場合に摩擦係数が大きくなったのは、黒鉛シートによる断熱がなされず、ガラスシートの温度が過度に上昇したため、ガラスシートの軟化が進み、ガラスによる潤滑効果が十分に発揮されなかったものと推定される。

なお、図示しないが、下型の温度を３００℃とした場合には、ガラスシートのみを使用した場合および複合潤滑剤シートを使用した場合で摩擦係数がほぼ同等であったものの、いずれの場合においても黒鉛シートのみを使用した場合よりも摩擦係数が低下していた。このようにガラスシートのみを使用した場合において摩擦係数が低下したのは、下型温度が低いため、黒鉛シートがない場合においてもガラスシートの温度上昇が抑制されて、ガラスの過度な軟化が抑制され、ガラスによる潤滑効果が十分に発揮されたものと推定される。なお、下型の温度を３００℃にした場合において、最も摩擦係数が低くなったのは、坪量が４３００ｇ／ｍ^２のガラスシートを用いた複合潤滑剤シートであった。このことから、使用温度が低い場合においても、複合潤滑剤シートがより高い潤滑性能を示すことが確認できた。

このように、ガラスシートと黒鉛シートとを積層した複合潤滑剤シートを使用することにより、黒鉛シートのみを使用した場合よりも摩擦係数を低減することが可能となるとともに、ガラスシートのみを使用した場合においても潤滑効果が得られる低温から、ガラスシートのみを使用した場合に十分な潤滑効果が得られない高温までの広い範囲の使用温度にて十分に高い潤滑効果が得られ、摩擦係数をより低減することが可能となることが分かった。

Ｂ２．実施例２：
［実施例および比較例のシートの準備］
ガラスシートを構成するガラスの軟化温度、および、黒鉛シートの厚さが潤滑性能に与える影響を評価した。具体的には、まず、ガラス１００重量部と、ＰＶＡＬ３重量部を水５０重量部に溶解したＰＶＡＬ水溶液とを混合してガラスペーストを調製し、調製したガラスペーストを成形してガラスシートを作製した。ガラス粉末としては、平均粒径が４０μｍのものを使用した。また、ガラスの軟化温度は、３７３℃、４２６℃、５３８℃および５８３℃とした。作製されたガラスシートの坪量は、１６００ｇ／ｍ^２であった。

次いで、実施例１と同様に、黒鉛シートを作製した。なお、黒鉛ペーストからシートを成形する際に厚みを調整することにより、厚みが０．１５ｍｍ、０．２１ｍｍおよび０．２８ｍｍの３種類の黒鉛シートを得た。

実施例として、黒鉛シートの厚みの違いごとに、ガラスの軟化温度が異なるガラスシートのそれぞれを、同じ厚みの２枚の黒鉛シートで挟み込むように積層し、黒鉛シートの厚みとガラスの軟化温度とが異なる複合潤滑剤シートを準備した。このように、準備した複合潤滑剤シートは、黒鉛シートの厚みとガラスの軟化温度とを種々変更しているので、以下では、黒鉛シートの厚みとガラスの軟化温度とにより複合潤滑剤シートの種類を特定する。

比較例として、２枚の黒鉛シートのみを積層した潤滑剤シートと、黒鉛とガラスとを混合して作製した潤滑剤シート（黒鉛ガラス混合シート）を準備した。黒鉛ガラス混合シートは、黒鉛粉末５０重量部およびガラス粉末５０重量部と、ＰＶＡＬ３重量部を水５０重量部に溶解したＰＶＡＬ水溶液とを混合して混合ペーストを調製し、調製したペーストを成形して作製した。なお、黒鉛ガラス混合シートにおいては、ガラス粉末として、平均粒径が４０μｍで、軟化温度が３７３℃および５４７℃のものを使用した。

［潤滑性能の評価］
このように準備された実施例および比較例の潤滑剤シートの潤滑性能を評価するため、リング圧縮試験を行った。評価は、厚みが０．１５ｍｍの２枚の黒鉛シートに、軟化温度が３７３℃、４２６℃、５３８℃および５８３℃のガラスシートを挟み込んだ複合潤滑剤シートと、厚みが０．１５ｍｍの黒鉛シートを２枚積層したシートを用いて行った。また、比較のため、シートに替えて潤滑剤として市販されている黒鉛粉末を噴霧した状態（黒鉛粉末噴霧）、および、潤滑剤を使用しない状態（潤滑剤なし）でリング圧縮試験を行った。

リング圧縮試験では、試験材料としてＳＵＳ３０４を用いている点、下型の温度を１５０℃としている点、リングを１０５０℃に加熱している点で、実施例１におけるリング圧縮試験と異なっている。他の試験条件は、実施例１におけるリング圧縮試験と同様である。図４は、リング圧縮試験の結果を示すグラフである。図４において、横軸および縦軸は、それぞれ、据え込み率および内径減少率を表し、原点から右側に伸びる実線は、摩擦係数が特定の値である場合における据え込み率と内径減少率との関係を示している。

図４から分かるように、摩擦係数は、潤滑剤を使用しない状態が最も高く、次いで、黒鉛粉末を噴霧した状態が高かった。摩擦係数は、黒鉛シートのみを用いることにより、黒鉛粉末を噴霧した状態よりも低くなった。そして、黒鉛シートとガラスシートを積層した複合潤滑剤シートを用いることにより、さらに摩擦係数が低下した。また、ガラスの軟化温度がもっとも低い（３７３℃）実施例では、他の実施例（４２６℃、５３８℃および５８３℃）よりも摩擦係数が大きくなった。これは、ガラスの軟化が進みすぎ、潤滑効果の発現が抑制されたものと考えられる。また、軟化温度が５３８℃の実施例が最も摩擦係数が小さく、軟化温度がより高くあるいは低くなると摩擦係数が大きくなった。このことから、ガラスの軟化温度には、最適値が存在するものと推察される。

［大変形時の潤滑性能評価］
次に、被加工材を大きく変形させる際（大変形時）の潤滑性能を評価した。大変形時の潤滑性能は、テーパカップ試験（例えば、特開２００４−１２２９６号公報参照）により行った。このテーパカップ試験では、外側が拘束された試験材料の上面に実施例および比較例の潤滑剤シートを配置し、先端近傍が前方に絞り込まれた形状のパンチにより後方押出し加工を行い、加工時の鍛造荷重および加工後の試験材料の形状により潤滑性能を評価する。

具体的には、ＳＵＳ３０４からなる試験材を１１５０℃に加熱して、上端面に潤滑剤シートを配置し、クランクプレスを用いて１５０℃に加熱したパンチを押し込み、その際のパンチのストローク、鍛造荷重を計測した。また、後方押出しによりカップ状となった試験材料の底の厚さを測定した。実施例としては、３種類の黒鉛シートと、４種類のガラスシートとの全ての組合せについて、２枚の黒鉛シートにガラスシートを挟み込んだ複合潤滑剤シートを使用した。比較例としては、３種類の黒鉛シートをそれぞれ２枚積層した黒鉛シートと、黒鉛ガラス混合シートを使用した。

図５は、テーパカップ試験において、鍛造荷重が変化する様子を示すグラフである。図５において、横軸はパンチのストロークを表し、縦軸は鍛造荷重を表している。なお、図５では、図示の便宜上、評価を行った潤滑剤シートの一部分のみについて結果を示している。

図５に示す様に、黒鉛シートのみを使用した場合に比べ、実施例である複合潤滑剤シートを使用することにより、鍛造荷重が低下した。このことから、大変形時においても、実施例の複合潤滑剤シートを用いることにより、潤滑性能をより高くすることが可能であることが確認できた。また、鍛造荷重は、厚みが０．１５ｍｍの黒鉛シートを使用した複合潤滑剤シートを使用した場合、鍛造荷重がピークを迎えた後、下死点に向かってストロークが伸びるに従って鍛造荷重が低下していくことが分かった。これは、加工度が高くなるに従ってガラスの軟化が進行し、潤滑効果が強化されたものと推測される。

図６は、テーパカップ試験による潤滑性能の評価結果を示すグラフである。図６において、横軸は、加工後のテーパカップの底部の厚さを示し、縦軸は、加工時の鍛造荷重の最大値を示している。なお、図５に示す様に、鍛造荷重がピークを迎えた後、ストロークが伸びるに従って鍛造荷重が低下していく場合には、鍛造荷重の最大値と、下死点付近における鍛造荷重との双方をプロットし、変化の方向を矢印で示している。一般的に、テーパカップ試験における潤滑性能は、カップの底部の厚さ（カップ底厚さ）がより薄いほど、また、鍛造荷重がより小さいほど高いものと考えられる。そのため、図６のように、カップ底厚さを横軸にとり、鍛造荷重を縦軸にとってプロットを行った場合、左下方向に近い方がより潤滑性能が高いと判断される。なお、鍛造荷重の最大値よりも下死点付近における鍛造荷重が小さい場合には、より表面拡大率が大きい下死点付近における鍛造荷重で評価を行うのが好ましい。

図６に示す様に、黒鉛シートのみを使用した場合には、他の潤滑剤シートを使用した場合よりも、カップ底厚さが厚くなるとともに、鍛造荷重が大きくなった。また、黒鉛ガラス混合シートを使用した場合、実施例の複合潤滑剤シートの構成によっては、複合潤滑剤シートよりも潤滑性能が高いと判断されるものもあった。しかしながら、黒鉛ガラス混合シートを使用した場合、鍛造荷重を十分に小さくすることができなかった。これは、黒鉛ガラス混合シートでは、ガラスと混合された黒鉛の断熱効果により十分な熱がガラスに伝わらなかったことや、使用温度で軟化しない固体質の黒鉛が存在することによりガラス自体の流動が抑制されたために、ガラスによる潤滑が十分に行われなかったものと考えられる。このことから、黒鉛をはじめとする固体質の潤滑剤を混合させた場合等においては、固体質の潤滑剤の断熱効果によりガラスの軟化が不十分となり、潤滑性能を十分に向上させることが困難であり、また、ガラスを含むシートとしてガラス繊維の織布あるいは不織布を用いた場合等においては、ガラスの流動性が抑制されることによりガラスの潤滑機能が抑制され、潤滑性能を十分に向上させることが困難であるものと考えられる。なお、図６から明らかなように、実施例および比較例のうちで最も潤滑性能が高かったのは、軟化温度が５３８℃のガラスシートを、厚みが０．１５ｍｍの黒鉛シートで挟んだ複合潤滑剤シートであった。このことから、黒鉛シートの厚み、ガラスシートの軟化温度や厚さ等を適宜調整することにより、大変形時の潤滑性能がより高い潤滑剤シートが得られることが分かった。

Ｂ３．実施例３：
複合潤滑剤シートにおける黒鉛シートの厚みの影響を評価した。実施例としての複合潤滑剤シートは、黒鉛シートの厚さを０．２５ｍｍ、０．５ｍｍおよび０．７ｍｍの３種としたとした点で実施例２と異なっている。また、実施例３では、ガラスシートとして、軟化温度が５３８℃のものを使用した。なお、黒鉛シートおよびガラスシートの作製工程は、実施例１および実施例２と同様である。

実施例３においても潤滑特性を評価するため、テーパカップ試験を行った。なお、実施例３のテーパカップ試験においては、試験材料として６４チタン（Ti-6Al-4V）を用いた。試験材の温度は１０００℃とし、１５０℃のパンチを押し込んだ。また、比較のため、市販の黒鉛粉末をパンチに噴霧した状態でのテーパカップ試験も行った。

図７は、実施例３のテーパカップ試験において、鍛造荷重が変化する様子を示すグラフである。図７において、横軸はパンチのストロークを表し、縦軸は鍛造荷重を表している。図８は、テーパカップ試験による潤滑性能の評価結果を示すグラフである。図８において、横軸は、加工後のテーパカップの底部の厚さを示し、縦軸は、加工時の鍛造荷重の最大値を示している。また、図６と同様に、図８においても、鍛造荷重がピークを迎えた後、ストロークが伸びるに従って鍛造荷重が低下していく場合には、鍛造荷重の最大値と、下死点付近における鍛造荷重との双方をプロットし、変化の方向を矢印で示している。

図７に示す様に、実施例である複合潤滑剤シートを使用した場合、実施例２と同様に、鍛造荷重がピークを迎えた後、下死点に向かって鍛造荷重が低下した。一方、黒鉛粉末を噴霧した場合には、このような鍛造荷重の低下は見られず、ストロークが下死点に向かって伸びて行くに従って、鍛造荷重は単調に増加した。また、図８に示す様に、複合潤滑剤シートを使用した場合、下死点付近における鍛造荷重は、いずれも黒鉛粉末を噴霧した場合よりも小さかった。このことから、黒鉛シートの厚みを大きくしても、潤滑性能を高い状態に維持することができることが分かった。一方、カップ底厚さは、黒鉛シートの厚みが０．２５ｍｍで最低となり、黒鉛シートの厚みがこれより厚くなると、カップ底厚さも厚くなった。このことから、黒鉛シートの厚みを厚くしすぎると、潤滑特性が低下する可能性があることが分かった。このような潤滑特性の低下は、黒鉛シートが厚くなることによりガラスシートの温度上昇が抑制され、十分な潤滑性能を発揮させるまでガラスの温度が上昇しないためと推定される。

Ｂ４．実施例４：
金型と被加工材との間の熱の伝達に対する、複合潤滑剤シートの使用が与える影響を評価した。具体的には、試験材として６４チタンを９００℃に加熱し、金型と試験材との間に複合潤滑剤シートを挿入して圧縮率５０％の据え込み加工を行った。金型には、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８（Ｉｎｃｏｎｅｌは登録商標）を使用した。この据え込み加工を行う際に、金型に埋め込んだ熱電対を用いて金型の温度を測定した。数値計算で解析することにより、計測された温度変化から、試験材から金型の内部に伝達される熱量を評価するとともに、試験材表面の温度と金型表面の温度を求めた。また、同様にして、金型材の上面に黒鉛粉末を噴霧した状態で据え込み加工を行い、潤滑剤として黒鉛粉末を噴霧した場合の試験材表面の温度と金型表面の温度変化を求めた。

図９は、被加工材および金型の表面温度の変化の様子を表すグラフである。図９（ａ）は、実施例として複合潤滑剤シートを使用した際の温度変化を示し、図９（ｂ）は、比較例として黒鉛粉末を噴霧した際の温度変化を示している。図９（ａ）および図９（ｂ）の各グラフにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は温度を表している。また、黒丸および白丸は、被加工材および金型の表面温度を示している。

図９から明らかなように、複合潤滑剤シートを使用した場合、黒鉛粉末を噴霧した場合よりも、被加工材の温度の低下および金型の温度の上昇が抑制された。このように、複合潤滑剤シートを使用することにより、被加工材から金型への熱の伝達が抑制されることが確認された。このことから、複合潤滑剤シートを使用することにより、被加工材から金型への熱の伝達が抑制され、金型の長寿命化を図ることが可能であることが分かった。また、一般に、チタン合金のように密度が比較的小さな材料を加工する際には、被加工材の表面温度の低下により、組織変化が発生して加工後の材料特性が変化し、あるいは、変形抵抗が急増して加工精度が低下する虞がある。これに対し、本実施例で示したように、複合潤滑剤シートを使用することにより、被加工材の表面温度の低下が抑制され、組織変化の発生や変形抵抗の急増が抑制可能であることが分かった。さらに、低速での圧延を行う際には、被加工材から金型への熱の伝達により、金型の温度の上昇や被加工材の温度の低下が大きくなるが、複合潤滑剤シートを使用することにより、被加工材から金型への熱の伝達が抑制され、低速での圧延をより容易に行い得ることが確認できた。

Ｃ．使用態様の変形例：
図１０は、複合潤滑剤シートの使用態様の変形例を示す説明図である。図１０に示す鍛造装置８００においては、下型部８１０と上型部８２０との間に、２枚の複合潤滑剤シート１００ａ，１００ｂが上下方向に間を開けて配置される。これらの複合潤滑剤シート１００ａ，１００ｂは、図１に示す鍛造装置９００と同様に、バネ８３１〜８４３によって、下型部８１０に固定された保持部（図示しない）に取り付けられる。鍛造は、マニピュレータ８５１，８５２により被加工材ＷＫａを２枚の複合潤滑剤シート１００ａ，１００ｂの間に搬送した後、上型部８２０を下型部８１０に向かって降下させることにより、被加工材ＷＫａと、下型部８１０および上型部８２０の金型との間に複合潤滑剤シート１００ａ，１００ｂが挟み込まれる。これにより、被加工材ＷＫａが金型に対して滑らかに流動し、被加工材ＷＫａを良好な形状に成形することが可能となる。

このように、図１０に示す鍛造装置８００においても、複合潤滑剤シート１００ａ，１００ｂを中空につるした状態で配置される。そのため、成形直前まで複合潤滑剤シート１００ａ，１００ｂが被加工材ＷＫａや下型部８１０および上型部８２０の金型に接触することを防ぐことが可能となっている。

Ｄ．変形例：
なお、本発明は上記実施形態および実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｄ１．変形例１：
上記実施形態および実施例では、ガラスシートと黒鉛シートとを組み合わせて複合潤滑剤シートを構成しているが、黒鉛シートに替えて、種々の固体質の潤滑剤を含む固体質潤滑剤シートをガラスシートと組み合わせるものとしても良い。例えば、固体質の潤滑剤としては、二硫化モリブデン、二硫化タングステンあるいは窒化ホウ素を用いることができる。これらの固体質の潤滑剤を含む固体質潤滑剤シートを使用しても、黒鉛シートを使用した場合と同様に、高い潤滑性能を有する複合潤滑剤シートを得ることが可能となる。但し、固体質潤滑剤としては、層状構造をとるため潤滑性能および断熱性が高く、また、原料の入手がより容易である点で、黒鉛を用いるのが好ましい。

１００, １００ａ，１００ｂ…複合潤滑剤シート
１１０…ガラスシート
１２０…黒鉛シート
８００…鍛造装置
８１０…下型部
８２０…上型部
８３１〜８４３…バネ
８５１，８５２…マニピュレータ
９００…鍛造装置
９１０…下型部
９１１…金型
９１２…断熱金型
９１４…固定金型
９１６…断熱材
９１８…基部
９２０…上型部
９２１…金型
９２２…断熱金型
９２４…固定金型
９２６…断熱材
９２８…基部
９３０…バネ
ＣＰ…黒鉛粉末
ＣＴ…黒鉛ペースト
ＧＰ…ガラス粉末
ＧＴ…ガラスペースト
ＰＳ…樹脂水溶液
ＷＫ，ＷＫａ…被加工材

Claims

温間もしくは熱間において金属材料を加工する際に使用される潤滑剤であって、
固体質の潤滑剤とバインダ樹脂とを含み、シート状に形成された固体質潤滑剤シートと、ガラスとバインダ樹脂とを含み、シート状に形成されたガラスシートと、を積層することにより構成されている、潤滑剤。
前記固体質の潤滑剤は、黒鉛である、請求項１記載の潤滑剤。
温間もしくは熱間において金型を用いて金属材料を加工する加工方法であって、
請求項１または２記載の潤滑剤を準備する工程と、
前記潤滑剤を、前記金属材料と前記金型との間に、中空状態で配置する工程と、
を備える、加工方法。