JP4202000B2 - Mandrel for ring rolling - Google Patents

Mandrel for ring rolling

Info

Publication number
JP4202000B2
JP4202000B2 JP2001106320A JP2001106320A JP4202000B2 JP 4202000 B2 JP4202000 B2 JP 4202000B2 JP 2001106320 A JP2001106320 A JP 2001106320A JP 2001106320 A JP2001106320 A JP 2001106320A JP 4202000 B2 JP4202000 B2 JP 4202000B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
mandrel
layer
nitriding layer
nitriding
coating film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2001106320A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2002086241A (en
Inventor
雅則 森下
大円 横井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sanyo Special Steel Co Ltd
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Sanyo Special Steel Co Ltd
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sanyo Special Steel Co Ltd, Toyota Motor Corp filed Critical Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority to JP2001106320A priority Critical patent/JP4202000B2/en
Publication of JP2002086241A publication Critical patent/JP2002086241A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4202000B2 publication Critical patent/JP4202000B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Forging (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面処理により寿命を向上させたリングローリング用マンドレルに関する。本発明のマンドレルは、成形用ロールとともにリング状粗材を冷間、温間又は熱間で回転鍛造して、直径の大きなリングを成形するリングローリングに適用することができる。
【0002】
【従来の技術】
リング状粗材の半径方向の厚み又は横断面積を減らして大きな直径のリングを鍛造成形する場合、回転鍛造の一種たるリングローリングが利用される。
【0003】
このリングローリングは、リング状粗材の孔内にマンドレルを挿入するとともに、リング状粗材の外面に成形ロールを配設し、マンドレルと成形ロールとの間でリング状粗材を挟圧しつつ、マンドレル及び成形ロールを互いに逆方向に回転させることにより、リング状粗材を周方向に引き伸ばすように成形する。これにより、リング状粗材の半径方向厚み又は横断面積が減らされ、大きな直径のリングに成形される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記リングローリングにおいては、リング状粗材の孔内にマンドレルが挿入されることから、マンドレルの外径を大きくしてマンドレル自身の剛性や強度を向上させることには限界がある。
【0005】
このため、特に径の小さなリング状粗材を成形しようとする場合に、剛性や強度の不足によるマンドレルの早期破損が問題となる。特に、冷間鍛造では成形荷重が比較的大きく、また鍛造型と材料間に生じる摩擦力が大きいことから、マンドレルの早期破損の問題が顕著となる。
【0006】
かかるマンドレルの早期破損の原因は、素材との接触による傷や摩耗の発生と、繰り返し応力の増大による疲労強度不足とが考えられる。
【0007】
そこで、マンドレルの疲労強度及び硬度を向上させるべく、粉末ハイスよりなるマンドレルとすることも考えられるが、粉末ハイスは疲労強度及び硬度の向上には寄与するが、その一方で靭性不足となり、一旦小さな傷が発生すると割れやすくなるため、効果的な対策とは言えない。
【0008】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、安価で簡便な表面処理を利用することにより、リングローリング用マンドレルの早期折損を抑えてマンドレル寿命を向上させることを解決すべき技術課題とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明のリングローリング用マンドレルは、リング状粗材の孔内に挿入され、該粗材の外面に配設される成形ロールとで該粗材を回転鍛造するリングローリング用マンドレルにおいて、上記粗材に接触する成形部位の表面に窒化処理層が形成されるとともに、該窒化処理層の表面に、少なくとも該窒化処理層よりも硬度の高い硬質コーティング皮膜が形成されており、前記窒化処理層の最表面から200μm深さまでの範囲において、白層部の占める面積率が5.0%以下であり、前記窒化処理層の深さが該窒化処理層の最表面から75μm以下であることを特徴とするものである。
【0011】
本発明のリングローリング用マンドレルは、好適な態様において、前記窒化処理層の深さが該窒化処理層の最表面から50μm未満である。
【0012】
本発明のリングローリング用マンドレルは、好適な態様において、光学顕微鏡レベル(400倍)の目視にて前記窒化処理層中に前記白層部が認められない
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明のリングローリング用マンドレルは、粗材に接触する成形部位の表面に、安価で簡便な表面処理たる窒化処理により窒化処理層が形成されており、表面硬度が向上している。また、この窒化処理層には、窒化処理層形成時の歪みに基づく圧縮残留応力が存在しており、その分だけ引張強度が向上している。このため、疲労強度及び耐摩耗性が向上し、ひいてはマンドレル寿命が向上する。
【0014】
本発明のリングローリング用マンドレルは、形状及び大きさは特に限定されず、例えば、リング状粗材に接触する成形部位に環状の係合凹部(インプレッション部)又は係合凸部をもつものとすることができる。この係合凹部や係合凸部は、該係合凹部又は係合凸部に係合可能な粗材の被係合部と係合することにより、鍛造成形時にマンドレルと粗材との軸方向の相対移動を規制するためのものである。また、係合凹部とした場合は、この係合凹部内に粗材を納めることにより、該粗材の軸方向長さを規制しつつ成形することができる。この係合凹部や係合凸部の形状及び大きさは特に限定されない。
【0015】
本発明のリングローリング用マンドレルのマンドレル母材の材質としては、特に限定されず、従来と同様、冷間ダイス鋼等とすることができるが、特に靭性の高いSKD11改良鋼やマトリックスハイス等を用いることが好ましい。マンドレル母材の靭性が高ければ、それだけ損傷を抑えるのに有利となるからである。なお、本発明では窒化処理層の形成により表面硬化させることから、窒化処理により硬化させうるべく、Al、Cr、Mo、TiやV等から選ばれる少なくとも一種の窒化促進元素が添加されたマンドレル部材を用いる必要がある。
【0016】
また、マンドレル母材の硬度は、50〜67HRC(ロックウエル Cスケール硬さ)とすることが好ましく、55〜62HRCとすることが特に好ましい。マンドレル母材の硬度が低すぎると耐摩耗性が低下し、粗材との接触による傷が発生し易くなり、一方高すぎると靭性不足により脆くなる。
【0017】
本発明のリングローリング用マンドレルには、粗材と接触するマンドレル母材の成形部位の表面に窒化処理層が形成されるとともに、この窒化処理層が形成された成形部位の表面に、少なくとも窒化処理層よりも硬度の高い硬質コーティング皮膜が形成されている。
【0018】
この窒化処理層中には一般に白層部の存在が認められる。この白層部は、他の部分よりも硬くて脆い窒素化合物(ε−Fe2 - 3 (CN)、γ−Fe4 N)である。このため、窒化処理層中に白層部が存在すると、この白層部分から亀裂が発生し易く、また亀裂伝播を抑制するのに不利となる。したがって、窒化処理層中に存在する白層部の量は少ないほど好ましく、ほとんど又は全く無いことがより好ましい。具体的には、光学顕微鏡レベル(400倍)の目視にて窒化処理層中に白層部が認められないことが好ましい。より具体的には、本発明のリングローリング用マンドレルは、窒化処理層の最表面から200μm深さまでの範囲において、白層部の占める面積率が5.0%以下である3.0%以下であることがより好ましい。
【0019】
また、窒化処理層が形成された成形部位の表面に硬質コーティング皮膜を形成する場合の窒化処理層の深さは、マンドレル母材の最表面から10〜100μmとすることが好ましく、25〜75μmとすることがより好ましい。窒化処理層の深さが浅すぎると、処理時のバラツキにより略均一な窒化処理層の製造が困難となる。一方、窒化処理層はマンドレル母材と比較してき裂伝播速度が速いことから、窒化処理層に一旦き裂が発生すると窒化処理層の深さ方向の全体にき裂が伝播し易い。このため、窒化処理層が深すぎると、窒化処理層に一旦き裂が発生すれば、き裂伝播により大きな(より深い)き裂に発展してしまう。したがって、き裂伝播を抑制する観点から、本発明のリングローリング用マンドレルの窒化処理層の深さを窒化処理層の最表面から75μm以下とする。50μm未満とすることがより好ましい。
【0020】
さらに、窒化処理層の硬さは、特に限定はされないが、600〜1300HV(ビッカース硬さ)程度とすることができる。窒化処理層の硬さが低すぎると、窒化処理層を形成することによる疲労強度及び耐摩耗性向上の効果が期待できなくなり、一方窒化処理層の硬さを必要以上に高くしても、上記効果の向上は期待できず、亀裂の発生、伝播が助長される。したがって、窒化処理層の硬さは700〜1200HVすることが好ましく、800〜1100HVとすることがより好ましい。
【0021】
マンドレル母材の表面部に上記窒化処理層を形成するための窒化処理方法としては特に限定されず、NH3 ガスを用いる通常の窒化処理の他、N2 及びH2 を用いるイオン窒化処理、NH3 ガス及びH2 ガスを用いるラジカル窒化処理やシアン基浴を用いる塩浴窒化処理等を利用することができる。
【0022】
また、窒化処理層における白層部を減らす又は無くすには、例えばガス混合比や加熱温度・時間を適宜調整することにより行うことができる。例えば、NH3 ガスを用いる通常の窒化処理の場合は処理温度:400〜500℃程度、処理時間:1〜5時間程度とすることができ、またイオン窒化処理の場合は処理温度:400〜500℃程度、処理時間:1〜5時間程度とすることができ、またラジカル窒化処理の場合は処理温度:400〜500℃程度、処理時間:2〜10時間程度とすることができる。
【0023】
上述のとおり、窒化処理層は、圧縮残留応力が存在する分だけ引張強度が向上しているが、マンドレル母材と比較してき裂伝播速度が速いことから、窒化処理層に一旦き裂が発生すると窒化処理層の深さ方向の全体にき裂が伝播し易い。このため、窒化処理層が表面に形成されたリングローリング用マンドレルは、粗材との接触により窒化処理層に一旦亀裂が発生すると、疲労強度が低下し易い傾向にある。
【0024】
そこで、窒化処理層が形成されたマンドレル母材の成形部位の表面に、少なくとも該窒化処理層よりも硬度の高い硬質コーティング皮膜を形成する。
【0025】
この硬質コーティング皮膜は、窒化処理層の保護膜として機能することにより、窒化処理層に亀裂が発生することを効果的に抑制することができる。また、硬質コーティング皮膜の形成時に歪みに基づく圧縮残留応力が窒化処理層に付与されることから、窒化処理層の引張強度がさらに向上している。さらに、硬質コーティング皮膜自体が高硬度であることから、粗材との接触により硬質コーティング皮膜自身に亀裂が発生することも効果的に抑制される。したがって、窒化処理層が形成された成形部位の表面にさらに硬質コーティング皮膜が形成されたリングローリング用マンドレルは、粗材との接触により硬質コーティング皮膜又は窒化処理層のいずれかに亀裂が発生することが効果的に抑制されるので、かかる亀裂の発生に起因する疲労強度の低下を効果的に抑制することが可能となる。
【0026】
上記硬質コーティング皮膜は、少なくとも窒化処理層よりも高硬度であればよいが、窒化処理層の保護膜として効果的に機能しうるとともに、硬質コーティング皮膜自身に亀裂が発生することを効果的に抑制しうるように、窒化処理層よりも高硬度としつつ、1000〜2500HV程度の硬さとすることが好ましく、1300〜2200HVとすることがより好ましい。なお、硬質コーティング皮膜の硬さと窒化処理層の硬さとの差が大きすぎると、両者の界面で亀裂が発生し易くなり、疲労強度の低下につながることから、両者の硬さの差は200〜1200HV程度とすることが好ましい。
【0027】
また、上記硬質コーティング皮膜の厚さが薄すぎると、窒化処理層の保護膜としての機能を効果的に発揮することができない。一方、硬質コーティング皮膜の厚さが厚すぎると、剥離し易くなるとともに、硬質コーティング皮膜と窒化処理層との界面で亀裂が発生し易くなり、疲労強度の低下につながる。したがって、硬質コーティング皮膜の厚さは、2〜8μmとすることが好ましく、3〜5μmとすることがより好ましい。
【0028】
上記硬質コーティング皮膜の種類は、窒化処理層よりも硬いものであれば特に限定されない。例えば、TiN(硬さ:1700〜2400HV)、CrN(硬さ:1700〜2200HV)、TiAlN(硬さ:2100〜2900HV)やTiCrN(硬さ:1800〜2100HV)を採用することができる。
【0029】
この硬質コーティング皮膜は、PVD(物理蒸着)法により形成することができる。なお、高温処理を伴うCVD法では、窒化処理層が高温下で軟化するため、硬質コーティング皮膜の形成方法としてCVD法を採用することはできない。
【0031】
ここに、マンドレル母材の成形部位の表面部に窒化処理層を形成することなく、そのまま硬質コーティング皮膜を形成する場合と、窒化処理層が形成された成形部位の表面にさらに硬質コーティング皮膜を形成した場合とにおける作用効果の違いについて、以下説明する。
【0032】
まず、窒化処理層が形成されたマンドレル母材の成形部位の表面に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、膜の外部応力に対する変形量が小さく、無処理の成形部位の表面に硬質コーティング皮膜を形成した場合と比較して、硬質コーティング皮膜の耐剥離性が向上する。すなわち、窒化処理層は、硬質コーティング皮膜とマンドレル母材との接合性を高めるという下地層的な役割を果たす。
【0033】
また、無処理のマンドレル母材に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、硬質コーティング皮膜とマンドレル母材との硬度差が大きく、両者間の界面で亀裂が発生し易くなる。このため、後述する実施例で示すように、粗材との接触がない場合における曲げ疲労強度が、硬質コーティング皮膜も窒化処理層も形成されていない無処理のマンドレルよりも低くなる。これに対し、窒化処理層が形成されたマンドレル母材の表面に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、窒化処理層による硬度のアップ分だけ、硬質コーティング皮膜とマンドレル母材との硬度差が小さくなり、その分上記界面における亀裂の発生を抑えることができる。このため、硬質コーティング皮膜の形成に伴う上記曲げ疲労強度の低下を、無処理のマンドレル母材に硬質コーティング皮膜を形成する場合よりも抑えることが可能となる。
【0034】
また、粗材との接触がある場合における曲げ疲労強度についても、無処理のマンドレル母材に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、粗材との接触がない場合と比較して曲げ疲労強度が若干下がるのに対して、窒化処理層が形成されたマンドレル母材に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、粗材との接触がない場合における曲げ疲労強度とほぼ同等の値を維持する。このような違いが発生するのは、無処理のマンドレル母材に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、粗材との接触の影響により硬質コーティング皮膜の分断や剥離が起こるのに対し、窒化処理層が形成されたマンドレル母材に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、膜の破壊が抑制されるためと考えられる。
【0035】
本発明のリングローリング用マンドレルは、冷間、温間又は熱間鍛造のいずれにも適用可能であるが、成形荷重が比較的大きく、マンドレルの破損が問題となり易い冷間鍛造に特に効果的に適用することができる。
【0036】
参考例および実施例】
以下、本発明のリングローリング用マンドレルの参考例および実施例について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【0037】
参考例
参考例は、図1に示すように、マンドレル1、成形ロール2及び一対の受けロール3、3を用いて、リング状粗材4をリングローリングするものである。
【0038】
このマンドレル1は、軸部11と、外径が60mmの円筒部12とからなり、円筒部12を構成するマンドレル母材が冷間ダイス鋼よりなる。なお、この冷間ダイス鋼は8%Cr系SKD11改良鋼(硬さ:60HRC)である。
【0039】
そして、円筒部12の軸方向略中央部には、深さ7mm、軸方向長さ30mmのインプレッション部(環状の係合凹部)13が凹設されている。
【0040】
また、円筒部12の外表面全体における表面部には窒化処理層14が形成されている(図2参照)。この窒化処理層14は、最表面からの深さが50μmであり、また、窒化処理層14の最表面から200μm深さまでの範囲において、白層部(図示せず)の占める面積率が0%である。
【0041】
なお、窒化処理層14の深さは、マイクロビッカース硬度測定機を用いて、窒化処理層14の最表面からの硬さを測定し、マンドレル母材の硬さと同一硬さになる箇所を窒化処理層14の深さとして求めたものである。
【0042】
また、面積率の測定は、最表面を含む200μm×200μmの測定範囲において、光学顕微鏡の400倍で観察し(観察の際にビクラールでエッチングして白層部を判別できるようにする)、画像処理装置を用いて白層部の占める面積率を求めることにより行った。
【0043】
上記窒化処理層14は、NH3 ガス及びH2 ガスを用いるラジカル窒化装置により形成した。このときの処理条件は、温度:400〜500℃(本参考例では440℃)及び時間:2〜10時間(本参考例では4時間)とした。
【0044】
成形ロール2は、外径200mmの円筒状のもので冷間ダイス鋼よりなる。また、この成形ロール2の軸方向略中央部にも、マンドレル1の上記インプレッション部13と同様のインプレッション部21が凹設されている。
【0045】
各受けロール3、3は、成形時にマンドレル1に作用する荷重を受けるためのもので、成形ロール2とは反対側でマンドレル1の両端側にそれぞれ配設されている。
【0046】
なお、成形ロール2は図示しない回転駆動手段により回転駆動可能とされており、またマンドレル1は図示しない駆動手段により成形ロール2に対して近接・離反する方向に往復動可能とされている。
【0047】
以下、リングローリングする様子について説明する。
【0048】
まず、鋼材(S45)から外径115mm、内径70mm、軸方向長さ30mmのリング形状に鍛造成形し、その後焼きならし処理を施してリング状粗材4とした。
【0049】
そして、このリング状粗材4の孔内にマンドレル1を挿入するとともに、リング状粗材4の外側に成形ロール2を配設した。このとき、マンドレル1及び成形ロール2の各インプレッション部13及び21にリング状粗材4を係合させて、リング状粗材4とマンドレル1及び成形ロール2との軸方向の相対移動が規制されるようにした。また、成形ロール2とは反対側の位置で、マンドレル1の円筒部12両端に受けロール3、3をそれぞれ配設した。
【0050】
この状態で、図示しない回転駆動手段により、マンドレル1と成形ロール2とを互いに逆方向に回転させながら、図示しない駆動手段によりマンドレル1を成形ロール2に対して近接する方向に移動させた。これにより、リング状粗材4を周方向に引き伸ばすように成形しながら、リング状粗材4の半径方向厚み又は横断面積を減らして大きな直径のリングに成形した。
【0051】
なお、鍛造条件は、成形ロール回転数:150〜200rpm、圧延量:0.1〜0.3mm/rev、外径拡管率:約1.4とした。
【0052】
(評価)
上記リングローリング用マンドレル1の寿命を評価した。これは、マンドレル1が折損に至るまでのリングの生産個数(マンドレル命数)を調べることにより、行った。
【0053】
また、比較のため、窒化処理層14を形成しないこと以外は、上記参考例と同様の比較例についても同様の評価をした。
【0054】
その結果、マンドレル表面に窒化処理層14が形成されていない比較例ではマンドレル命数が12000個程度であったのに対し、深さ及び白層部面積率が所定の窒化処理層14が形成された本参考例ではマンドレル命数が60000個程度に向上した。
【0055】
(白層部の面積率とマンドレル命数との関係)
上記参考例において、ラジカル窒化装置の代わりにイオン窒化処理装置を用い、N2 :H2 比を1:1〜1:4、処理温度を400〜550℃、処理時間を1〜30時間のそれぞれの範囲で種々変更することにより、窒化処理層14の最表面から200μm深さまでにおいて、白層部の占める面積率を種々変更し、この面積率とマンドレル命数との関係を調べた。なお、このときの窒化処理層14の最表面からの深さは50μmである。
【0056】
その結果を図3に示すように、最表面から200μm深さまでにおける白層部の面積率を5%以下とすることにより、窒化処理層14が形成されていない上記比較例におけるマンドレル命数(12000個程度)を超え、また面積率が3%以下となれば寿命が格段と向上することがわかる。
【0057】
なお、白層部の面積率が5%を超えると、窒化処理層14を形成したにもかかわらず、窒化処理層が形成されていない比較例よりも寿命が低下するのは、硬くて脆い白層部からき裂が発生するとともに、き裂伝播が白層部で促進されたためと考えられる。
【0058】
(窒化処理層の深さとマンドレル命数との関係)
上記参考例において、ラジカル窒化処理の処理条件を温度:400〜550℃、時間:2〜20時間のそれぞれの範囲で種々変更することにより、窒化処理層14の最表面からの深さを種々変更し、この窒化処理層14の深さとマンドレル命数との関係を調べた。
【0059】
その結果を図4に示すように、窒化処理層14の深さを170μm以下とすることにより、窒化処理層14が形成されていない上記比較例におけるマンドレル命数(12000個程度)を超え、また深さが20〜120μmの範囲でマンドレル命数が格段と向上し、さらに深さが50〜100μmの範囲でマンドレル命数がほぼ最高値を示すことがわかる。
【0060】
なお、窒化処理層14の深さが160μm程度を超えると、窒化処理層14を形成したにもかかわらず、窒化処理層が形成されていない比較例よりも寿命が低下するのは、マンドレル母材よりも硬くて脆い窒化処理層14におけるき裂伝播の促進効果に因るものと考えられる。
【0061】
実施例
本実施例は、図5に示すように、前記参考例のマンドレル1に対して、硬質コーティング皮膜15をさらに形成したものである。
【0062】
すなわち、このマンドレル1は、表面部に窒化処理層14が形成された円筒部12の外表面全体に、硬質コーティング皮膜15がさらに形成されている。
【0063】
この硬質コーティング皮膜15は、TiN(硬度:2000HV)よりなる膜厚3μmの皮膜で、PVD法により形成した。なお、PVD法による処理条件は、真空槽内で460℃、2時間保持とした。
【0064】
その他の構成は、前記参考例と同様である。
【0065】
したがって、本実施例のマンドレル1は、窒化処理層14の上にさらに硬質コーティング皮膜15が形成されていることから、マンドレル1の寿命が大幅に向上する。また、硬質コーティング皮膜15の存在により、マンドレル1の摩耗が軽減するとともに、マンドレル1及びリング状粗材4間の摩擦が軽減することから、リング成形品の品質を向上させることも可能となる。
【0066】
(ワーク接触がない場合における疲労強度の評価)
粉末ハイス鋼を平行部φ6mmの試験片形状に加工後、熱処理を施して、母材硬さ61〜63HRCとした。そして、仕上げ加工を施して、表面処理無しの試料No.1の試験片とした。
【0067】
上記試料No.1の試験片の表面に、TiNよりなる厚さ3μmの硬質コーティング皮膜をPVD法(処理条件460℃、2時間保持)により形成して、硬質コーティング皮膜のみが形成された試料No.2の試験片とした。
【0068】
上記試料No.1の試験片の表面部に、NH3 ガス及びH2 ガスを用いるラジカル窒化装置を用いて(処理温度:480℃、処理時間:6時間)、深さ65μmの白層を含まない窒化処理層を形成して、窒化処理層のみが形成された試料No.3の試験片とした。
【0069】
上記試料No.3の試験片の表面に、TiNよりなる厚さ3μmの硬質コーティング皮膜をPVD法により形成して、窒化処理層及び硬質コーティングが形成された試料No.4の試験片とした。
【0070】
そして、上記試料No.1〜4の各試験片について、ワーク接触がない場合における曲げ疲労強度を評価した。これは、回転速度1500rpmの回転曲げ疲労試験機を用いて、106 時間後の疲労強度を測定することにより行った。その結果を図6に示す。
【0071】
図6から明らかなように、表面処理無しの試料No.1の試験片に硬質コーティング皮膜を形成することにより、疲労強度が低下することがわかる。
【0072】
また、表面処理無しの試料No.1の試験片に窒化処理層を形成することにより、疲労強度が向上する一方で、窒化処理層が形成された試料No.3の試験片に硬質コーティング皮膜を形成しても、疲労強度が少ししか低下しないことがわかる。
【0073】
(ワーク接触がある場合における疲労強度の評価)
前記試料No.1〜4の各試験片について、ワーク接触がある場合における曲げ疲労強度を評価した。これは、回転速度1500rpmの回転曲げ疲労試験機を用いて、S30Cの板を試験片に押し付けながら試験を行い、106 時間後の疲労強度を測定することにより行った。その結果を図7に示す。
【0074】
図7から明らかなように、表面処理無しの試料No.1の試験片は、ワーク接触の影響が大きく、ワーク接触がない場合における疲労強度よりも大幅に低下した。
【0075】
また、硬質コーティング皮膜のみを形成した試料No.2の試験片は、無処理の試料No.1ほどではないがワーク接触による影響があり、ワーク接触がない場合における疲労強度よりも低下した。
【0076】
これに対し、窒化処理層及び硬質コーティング皮膜を形成した試料No.4の試験片は、ワーク接触による影響がほとんどなく、ワーク接触がない場合における疲労強度とほぼ同等の疲労強度だった。
【0077】
(硬質コーティング皮膜を形成した場合における窒化処理層の深さと疲労強度との関係)
前記試料No.4、すなわち窒化処理層及び硬質コーティング皮膜が形成された試験片を作成する際、窒化処理層形成時におけるラジカル窒化処理の処理条件を温度400〜550℃、時間:2〜20時間のそれぞれの範囲で種々変更することにより、窒化処理層の最表面からの深さを種々変更し、硬質コーティング皮膜を形成した場合における窒化処理層の深さと疲労強度との関係を調べた。
【0078】
なお、試験方法は、前述のワーク接触がある場合における疲労強度の試験方法と同様である。
【0079】
結果を図8に示すように、窒化処理層及び硬質コーティング皮膜を形成した場合も、窒化処理層の深さが深すぎると、疲労強度が低下することがわかる。これは、窒化処理層が深くなると、窒化処理層と硬質コーティング皮膜との界面に一旦亀裂が発生すれことにより、より大きな亀裂に発展してしまうためと考えられる。
【0080】
また、図8から、窒化処理層の深さは、100μmとすることが好ましく、75μmとすることがより好ましいことがわかる。
【0081】
(マンドレル命数の評価)
前記参考例の窒化処理層14のみを形成したマンドレル1と、前記実施例の窒化処理層14及び硬質コーティング皮膜15を形成したマンドレル1とにおいて、寿命を比較評価した。これは、マンドレル1が折損に至るまでのリングの生産個数(マンドレル命数)を調べることにより、行った。
【0082】
その結果、窒化処理層14のみを形成した参考例のマンドレル1ではマンドレル命数が60,000個であったのに対し、窒化処理層14及び硬質コーティング皮膜15を形成した実施例のマンドレル1ではマンドレル命数が400,000個程度に向上した。
【0083】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明のリングローリング用マンドレルは、安価で簡便な表面処理たる窒化処理により窒化処理層が形成されているので、コストの高騰を抑えつつ、マンドレル寿命を向上させることができる。
【0084】
特に、窒化処理層における白層部の面積率や深さを特定の範囲としているので、マンドレル寿命を格段と向上させることができる。
【0085】
また、窒化処理層の上にさらに硬質コーティング皮膜が形成されているので、マンドレル寿命を格段と向上させることができるとともに、リング成形品の品質性の向上にも貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 参考例のマンドレルを用いてリングローリングする様子を模式的に示す断面図である。
【図2】 参考例のマンドレルの要部を模式的に示す部分断面図である。
【図3】 窒化処理層の最表面から200μm深さまでにおいて、白層部が占める面積率とマンドレル寿命との関係を示すグラフである。
【図4】 窒化処理層の深さとマンドレル寿命との関係を示すグラフである。
【図5】 本実施例のマンドレルの要部を模式的に示す部分断面図である。
【図6】 ワーク接触がない場合における疲労強度の評価結果を示す図である。
【図7】 ワーク接触がある場合における疲労強度の評価結果を示す図である。
【図8】 硬質コーティング皮膜を形成した場合における窒化処理層の深さと疲労強度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1…マンドレル
2…成形ロール
3…受けロール
4…リング状粗材
13…インプレッション部(係合凹部)
14…窒化処理層
15…硬質コーティング皮膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a ring rolling mandrel whose life is improved by surface treatment. The mandrel of the present invention can be applied to a ring rolling that forms a ring having a large diameter by rotating and forging a ring-shaped rough material together with a forming roll in a cold, warm or hot condition.
[0002]
[Prior art]
In the case of forging a ring having a large diameter by reducing the radial thickness or cross-sectional area of the ring-shaped rough material, a ring rolling which is a kind of rotary forging is used.
[0003]
In this ring rolling, a mandrel is inserted into the hole of the ring-shaped coarse material, a forming roll is disposed on the outer surface of the ring-shaped rough material, and the ring-shaped rough material is sandwiched between the mandrel and the forming roll, By rotating the mandrel and the forming roll in opposite directions, the ring-shaped coarse material is formed to be stretched in the circumferential direction. As a result, the radial thickness or the cross-sectional area of the ring-shaped coarse material is reduced, and a ring having a large diameter is formed.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above-mentioned ring rolling, since the mandrel is inserted into the hole of the ring-shaped coarse material, there is a limit to increase the mandrel itself by increasing the outer diameter of the mandrel.
[0005]
For this reason, especially when trying to form a ring-shaped rough material having a small diameter, the early breakage of the mandrel due to lack of rigidity or strength becomes a problem. In particular, in cold forging, the molding load is relatively large and the frictional force generated between the forging die and the material is large, so the problem of early breakage of the mandrel becomes significant.
[0006]
The cause of the early breakage of the mandrel is considered to be the occurrence of scratches and wear due to contact with the material and insufficient fatigue strength due to repeated stress increase.
[0007]
Therefore, in order to improve the fatigue strength and hardness of the mandrel, it may be considered to be a mandrel made of powder high speed, but the powder high speed contributes to the improvement of fatigue strength and hardness, but on the other hand, the toughness is insufficient and is once small. It is not an effective measure because it easily breaks when a scratch occurs.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and a technical problem to be solved is to improve the mandrel life by suppressing the early breakage of the ring rolling mandrel by using an inexpensive and simple surface treatment. Is.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  The ring rolling mandrel of the present invention that solves the above problems is a ring rolling mandrel that is inserted into a hole of a ring-shaped coarse material and rotationally forging the coarse material with a forming roll disposed on the outer surface of the coarse material. In this case, a nitriding layer is formed on the surface of the molding part that is in contact with the coarse material.In addition, at least a hard coating film having a hardness higher than that of the nitriding layer is formed on the surface of the nitriding layer, and the white layer occupies in a range from the outermost surface of the nitriding layer to a depth of 200 μm. The area ratio is 5.0% or less, and the depth of the nitriding layer is 75 μm or less from the outermost surface of the nitriding layer.It is characterized by this.
[0011]
  In a preferred embodiment, the ring rolling mandrel of the present invention has a depth of the nitriding layer.Of the nitriding layerFrom the top surfaceLess than 50μmIt is.
[0012]
  In a preferred embodiment, the ring rolling mandrel of the present invention is:The white layer portion is not recognized in the nitriding layer by visual observation at an optical microscope level (400 times)..
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the ring rolling mandrel of the present invention, a nitriding treatment layer is formed on the surface of a molding part in contact with a rough material by a nitriding treatment which is an inexpensive and simple surface treatment, and the surface hardness is improved. Further, this nitriding layer has a compressive residual stress based on strain at the time of forming the nitriding layer, and the tensile strength is improved accordingly. For this reason, fatigue strength and wear resistance are improved, and consequently the mandrel life is improved.
[0014]
The shape and size of the ring rolling mandrel of the present invention are not particularly limited. For example, the ring rolling mandrel has an annular engagement recess (impression portion) or engagement protrusion at a molding portion that contacts the ring-shaped coarse material. be able to. The engagement recesses and the engagement projections are engaged with the engaged portions of the rough material that can be engaged with the engagement recesses or the engagement projections, so that the mandrel and the coarse material in the axial direction during forging. It is for restricting the relative movement of. Moreover, when it is set as an engagement recessed part, it can shape | mold, restrict | limiting the axial direction length of this coarse material by accommodating a coarse material in this engagement recessed part. The shape and size of the engagement concave portion and the engagement convex portion are not particularly limited.
[0015]
The material of the mandrel base material of the mandrel for ring rolling according to the present invention is not particularly limited, and can be cold die steel or the like as in the past, but particularly high toughness SKD11 improved steel or matrix high speed is used. It is preferable. This is because if the toughness of the mandrel base material is high, it is more advantageous for suppressing damage. In the present invention, since the surface is hardened by forming a nitriding layer, a mandrel member to which at least one nitriding accelerating element selected from Al, Cr, Mo, Ti, V, etc. is added so as to be hardened by nitriding treatment Must be used.
[0016]
The hardness of the mandrel base material is preferably 50 to 67 HRC (Rockwell C scale hardness), particularly preferably 55 to 62 HRC. If the hardness of the mandrel base material is too low, the wear resistance is reduced, and scratches due to contact with the coarse material are likely to occur. On the other hand, if the hardness is too high, the mandrel base material becomes brittle due to insufficient toughness.
[0017]
  In the mandrel for ring rolling according to the present invention, a nitriding layer is formed on the surface of the molding part of the mandrel base material that comes into contact with the rough material.In addition, a hard coating film that is at least harder than the nitriding layer is formed on the surface of the molding site where the nitriding layer is formed.ing.
[0018]
  In general, the presence of a white layer portion is observed in the nitriding layer. The white layer portion is a nitrogen compound (ε-Fe2-3 (CN), γ-Fe4 N) that is harder and more brittle than the other portions. For this reason, if a white layer portion is present in the nitriding layer, cracks are likely to be generated from the white layer portion, which is disadvantageous in suppressing crack propagation. Therefore, it is preferable that the amount of the white layer portion present in the nitriding layer is as small as possible, and it is more preferable that there is little or no white layer portion. Specifically, it is preferable that no white layer portion is observed in the nitriding layer by visual observation at an optical microscope level (400 times). More specifically,The ring rolling mandrel of the present invention isIn the range from the outermost surface of the nitriding layer to a depth of 200 μm, the area ratio occupied by the white layer portion is 5.0% or less..More preferably, it is 3.0% or less.
[0019]
  Also,When a hard coating film is formed on the surface of the molding part where the nitriding layer is formedThe depth of the nitriding layer is 10 to 10 from the outermost surface of the mandrel base material.100 μmPreferably,25-75 μmMore preferredYes.If the depth of the nitriding layer is too shallow, it becomes difficult to produce a substantially uniform nitriding layer due to variations in processing. On the other hand, since the nitriding layer has a higher crack propagation rate than the mandrel base material, once a crack occurs in the nitriding layer, the crack is likely to propagate throughout the depth direction of the nitriding layer. For this reason, if the nitriding layer is too deep, once a crack occurs in the nitriding layer, it will develop into a larger (deeper) crack due to crack propagation. Therefore, from the viewpoint of suppressing crack propagationThe ring rolling mandrel of the present inventionNitrided layer depthThe nitriding layerFrom the top surface75μm or less. Less than 50μmMore preferredYes.
[0020]
Furthermore, the hardness of the nitriding layer is not particularly limited, but can be about 600 to 1300 HV (Vickers hardness). If the hardness of the nitriding layer is too low, the effect of improving the fatigue strength and wear resistance by forming the nitriding layer cannot be expected, while the hardness of the nitriding layer is increased even more than necessary. The improvement of the effect cannot be expected, and crack generation and propagation are promoted. Therefore, the hardness of the nitriding layer is preferably 700 to 1200 HV, and more preferably 800 to 1100 HV.
[0021]
The nitriding method for forming the nitriding layer on the surface portion of the mandrel base material is not particularly limited, and NHThreeIn addition to the usual nitriding treatment using gas, N2And H2Ion nitriding using NH, NHThreeGas and H2A radical nitriding treatment using a gas or a salt bath nitriding treatment using a cyan base bath can be used.
[0022]
Moreover, in order to reduce or eliminate the white layer part in the nitriding layer, for example, it is possible to appropriately adjust the gas mixture ratio and the heating temperature / time. For example, NHThreeIn the case of a normal nitriding treatment using a gas, the processing temperature can be set to about 400 to 500 ° C., the processing time can be set to about 1 to 5 hours, and in the case of ion nitriding, the processing temperature can be set to about 400 to 500 ° C. Time: about 1 to 5 hours, and in the case of radical nitriding treatment, treatment temperature: about 400 to 500 ° C., treatment time: about 2 to 10 hours.
[0023]
As described above, the tensile strength of the nitriding layer is improved by the presence of compressive residual stress, but since the crack propagation rate is faster than that of the mandrel base material, once a crack occurs in the nitriding layer. Cracks tend to propagate throughout the depth of the nitriding layer. For this reason, the ring rolling mandrel with the nitriding layer formed on the surface tends to have a low fatigue strength once a crack occurs in the nitriding layer due to contact with the coarse material.
[0024]
  Therefore, a hard coating film having a hardness higher than at least the nitriding layer is formed on the surface of the molding portion of the mandrel base material on which the nitriding layer is formed.The
[0025]
This hard coating film can effectively suppress the occurrence of cracks in the nitriding layer by functioning as a protective film for the nitriding layer. Further, since the compressive residual stress based on strain is applied to the nitriding layer during the formation of the hard coating film, the tensile strength of the nitriding layer is further improved. Furthermore, since the hard coating film itself has a high hardness, the occurrence of cracks in the hard coating film itself due to contact with the coarse material is also effectively suppressed. Therefore, in a ring rolling mandrel in which a hard coating film is further formed on the surface of the molding site where the nitriding layer is formed, a crack occurs in either the hard coating film or the nitriding layer due to contact with the rough material. Therefore, it is possible to effectively suppress a decrease in fatigue strength due to the occurrence of such cracks.
[0026]
The hard coating film should be at least harder than the nitriding layer, but can effectively function as a protective film for the nitriding layer and effectively suppress the occurrence of cracks in the hard coating film itself. As is possible, the hardness is preferably about 1000 to 2500 HV, more preferably 1300 to 2200 HV, while the hardness is higher than that of the nitriding layer. In addition, if the difference between the hardness of the hard coating film and the hardness of the nitriding layer is too large, cracks are likely to occur at the interface between them, leading to a decrease in fatigue strength. It is preferable to set it to about 1200 HV.
[0027]
Moreover, when the thickness of the hard coating film is too thin, the function as a protective film of the nitriding layer cannot be effectively exhibited. On the other hand, if the thickness of the hard coating film is too thick, it becomes easy to peel off, and cracks are likely to occur at the interface between the hard coating film and the nitriding layer, leading to a decrease in fatigue strength. Therefore, the thickness of the hard coating film is preferably 2 to 8 μm, and more preferably 3 to 5 μm.
[0028]
The kind of the hard coating film is not particularly limited as long as it is harder than the nitriding layer. For example, TiN (hardness: 1700 to 2400 HV), CrN (hardness: 1700 to 2200 HV), TiAlN (hardness: 2100 to 2900 HV) and TiCrN (hardness: 1800 to 2100 HV) can be employed.
[0029]
This hard coating film can be formed by a PVD (physical vapor deposition) method. In the CVD method involving high-temperature treatment, the nitriding layer is softened at a high temperature, so that the CVD method cannot be adopted as a method for forming the hard coating film.
[0031]
Here, without forming a nitriding layer on the surface of the molding part of the mandrel base material, a hard coating film is formed as it is, and a hard coating film is further formed on the surface of the molding part where the nitriding layer is formed The difference in effect between the case and the case will be described below.
[0032]
First, when a hard coating film is formed on the surface of the molding part of the mandrel base material on which the nitriding layer is formed, the amount of deformation with respect to the external stress of the film is small, and a hard coating film is formed on the surface of the untreated molding part Compared to the case, the peel resistance of the hard coating film is improved. That is, the nitriding layer plays the role of an underlayer that improves the bondability between the hard coating film and the mandrel base material.
[0033]
Further, when a hard coating film is formed on an untreated mandrel base material, the hardness difference between the hard coating film and the mandrel base material is large, and cracks are likely to occur at the interface between the two. For this reason, as shown in the Example mentioned later, the bending fatigue strength in the case where there is no contact with a rough material becomes lower than an untreated mandrel in which neither a hard coating film nor a nitriding layer is formed. In contrast, when a hard coating film is formed on the surface of the mandrel base material on which the nitriding layer is formed, the hardness difference between the hard coating film and the mandrel base material is reduced by the increase in hardness due to the nitriding layer. Therefore, the generation of cracks at the interface can be suppressed accordingly. For this reason, it becomes possible to suppress the fall of the said bending fatigue strength accompanying formation of a hard coating film rather than the case where a hard coating film is formed in an untreated mandrel base material.
[0034]
Also, regarding the bending fatigue strength when there is contact with the rough material, when the hard coating film is formed on the untreated mandrel base material, the bending fatigue strength is slightly higher than when there is no contact with the rough material. On the other hand, when a hard coating film is formed on the mandrel base material on which the nitriding layer is formed, a value approximately equal to the bending fatigue strength when there is no contact with the coarse material is maintained. This difference occurs when a hard coating film is formed on an untreated mandrel base material, whereas the hard coating film is divided or peeled off due to the effect of contact with the rough material, whereas the nitriding layer It is considered that when the hard coating film is formed on the mandrel base material on which the film is formed, the destruction of the film is suppressed.
[0035]
The ring rolling mandrel of the present invention can be applied to any of cold, warm or hot forging, but is particularly effective for cold forging where the forming load is relatively large and the mandrel is likely to be damaged. Can be applied.
[0036]
[Reference exampleAnd examples]
  Hereinafter, the ring rolling mandrel of the present inventionReference examples andEmbodiments will be specifically described with reference to the drawings.
[0037]
  (Reference example)
  BookReference exampleAs shown in FIG. 1, the ring-shaped coarse material 4 is ring-rolled using a mandrel 1, a forming roll 2 and a pair of receiving rolls 3 and 3.
[0038]
The mandrel 1 includes a shaft portion 11 and a cylindrical portion 12 having an outer diameter of 60 mm, and a mandrel base material constituting the cylindrical portion 12 is made of cold die steel. This cold die steel is 8% Cr-based SKD11 improved steel (hardness: 60 HRC).
[0039]
An impression portion (annular engagement recess) 13 having a depth of 7 mm and an axial length of 30 mm is provided in a substantially central portion in the axial direction of the cylindrical portion 12.
[0040]
Further, a nitriding layer 14 is formed on the surface portion of the entire outer surface of the cylindrical portion 12 (see FIG. 2). The nitriding layer 14 has a depth of 50 μm from the outermost surface, and the area ratio occupied by a white layer portion (not shown) is 0% in the range from the outermost surface of the nitriding layer 14 to a depth of 200 μm. It is.
[0041]
The depth of the nitriding layer 14 is measured by measuring the hardness from the outermost surface of the nitriding layer 14 using a micro-Vickers hardness measuring machine, and nitriding a portion having the same hardness as the mandrel base material. This is obtained as the depth of the layer 14.
[0042]
In addition, the area ratio is measured at 400 times the optical microscope in the measuring range of 200 μm × 200 μm including the outermost surface (it is possible to discriminate the white layer portion by etching with Biclar on observation). This was done by determining the area ratio occupied by the white layer using a processing apparatus.
[0043]
  The nitriding layer 14 was formed by a radical nitriding apparatus using NH3 gas and H2 gas. The processing conditions at this time are as follows: temperature: 400 to 500 ° C.Reference example440 ° C) and time: 2-10 hours (bookReference example4 hours).
[0044]
The forming roll 2 has a cylindrical shape with an outer diameter of 200 mm and is made of cold die steel. An impression portion 21 similar to the above-described impression portion 13 of the mandrel 1 is also recessed in a substantially central portion in the axial direction of the forming roll 2.
[0045]
Each of the receiving rolls 3 and 3 is for receiving a load acting on the mandrel 1 at the time of molding, and is disposed on both ends of the mandrel 1 on the side opposite to the molding roll 2.
[0046]
The forming roll 2 can be driven to rotate by a rotation driving means (not shown), and the mandrel 1 can be reciprocated in a direction approaching and separating from the forming roll 2 by a driving means (not shown).
[0047]
Hereinafter, the state of ring rolling will be described.
[0048]
First, a ring-shaped rough material 4 was formed by forging from a steel material (S45) into a ring shape having an outer diameter of 115 mm, an inner diameter of 70 mm, and an axial length of 30 mm, and then subjected to normalization.
[0049]
And while inserting the mandrel 1 in the hole of this ring-shaped rough material 4, the shaping | molding roll 2 was arrange | positioned on the outer side of the ring-shaped rough material 4. FIG. At this time, the ring-shaped coarse material 4 is engaged with the impression portions 13 and 21 of the mandrel 1 and the molding roll 2, and the relative movement in the axial direction between the ring-shaped coarse material 4, the mandrel 1 and the molding roll 2 is restricted. It was to so. In addition, receiving rolls 3 and 3 are disposed at both ends of the cylindrical portion 12 of the mandrel 1 at positions opposite to the forming roll 2.
[0050]
In this state, the mandrel 1 and the forming roll 2 were rotated in directions opposite to each other by a rotation driving means (not shown), and the mandrel 1 was moved in a direction approaching the forming roll 2 by a driving means (not shown). Thus, while forming the ring-shaped coarse material 4 to stretch in the circumferential direction, the ring-shaped coarse material 4 was formed into a ring with a large diameter by reducing the radial thickness or the cross-sectional area.
[0051]
The forging conditions were a forming roll rotation speed: 150 to 200 rpm, a rolling amount: 0.1 to 0.3 mm / rev, and an outer diameter tube expansion ratio: about 1.4.
[0052]
(Evaluation)
The life of the ring rolling mandrel 1 was evaluated. This was done by examining the number of rings produced (mandrel life) until the mandrel 1 was broken.
[0053]
  For comparison, the above except that the nitriding layer 14 is not formed.Reference exampleThe same evaluation was performed for the same comparative example.
[0054]
  As a result, in the comparative example in which the nitriding layer 14 was not formed on the mandrel surface, the mandrel life number was about 12,000, whereas the nitriding layer 14 having a predetermined depth and white layer area ratio was formed. BookReference exampleThen the mandrel lifespan increased to about 60000.
[0055]
  (Relationship between area ratio of white layer and mandrel life)
  the aboveReference exampleIn this example, an ion nitriding apparatus is used in place of the radical nitriding apparatus, and the N2: H2 ratio is changed from 1: 1 to 1: 4, the processing temperature is set to 400 to 550 ° C., and the processing time is changed to 1 to 30 hours. Thus, the area ratio occupied by the white layer portion was variously changed from the outermost surface of the nitriding layer 14 to a depth of 200 μm, and the relationship between the area ratio and the mandrel life number was examined. At this time, the depth from the outermost surface of the nitriding layer 14 is 50 μm.
[0056]
As shown in FIG. 3, the area ratio of the white layer portion from the outermost surface to a depth of 200 μm is set to 5% or less, so that the mandrel life number (12,000) in the comparative example in which the nitriding layer 14 is not formed is formed. If the area ratio exceeds 3% or less, the lifetime is remarkably improved.
[0057]
Note that when the area ratio of the white layer portion exceeds 5%, the life is reduced compared to the comparative example in which the nitriding layer 14 is not formed even though the nitriding layer 14 is formed. This is probably because cracks were generated from the layer part and crack propagation was promoted in the white layer part.
[0058]
  (Relationship between nitriding layer depth and mandrel life)
  the aboveReference exampleIn this, the processing conditions of the radical nitriding treatment are variously changed in the respective ranges of temperature: 400 to 550 ° C. and time: 2 to 20 hours, so that the depth from the outermost surface of the nitriding treatment layer 14 is variously changed. The relationship between the depth of the nitriding layer 14 and the mandrel life number was examined.
[0059]
As shown in FIG. 4, the depth of the nitriding layer 14 is set to 170 μm or less, thereby exceeding the mandrel life number (about 12,000) in the comparative example in which the nitriding layer 14 is not formed, It can be seen that the mandrel life is remarkably improved in the range of 20 to 120 μm, and the mandrel life is almost the maximum in the range of 50 to 100 μm.
[0060]
In addition, when the depth of the nitriding layer 14 exceeds about 160 μm, the lifetime is reduced as compared with the comparative example in which the nitriding layer 14 is not formed although the nitriding layer 14 is formed. This is considered to be due to the effect of promoting crack propagation in the nitriding layer 14 which is harder and more brittle.
[0061]
  (Example)
  In this embodiment, as shown in FIG.Reference exampleA hard coating film 15 is further formed on the mandrel 1.
[0062]
That is, in the mandrel 1, a hard coating film 15 is further formed on the entire outer surface of the cylindrical portion 12 in which the nitriding layer 14 is formed on the surface portion.
[0063]
The hard coating film 15 is a 3 μm-thick film made of TiN (hardness: 2000 HV) and formed by the PVD method. The processing conditions by the PVD method were set at 460 ° C. for 2 hours in a vacuum chamber.
[0064]
  Other configurations are described above.Reference exampleIt is the same.
[0065]
Therefore, since the hard coating film 15 is further formed on the nitriding layer 14 in the mandrel 1 of this embodiment, the life of the mandrel 1 is greatly improved. Further, the presence of the hard coating film 15 reduces the wear of the mandrel 1 and reduces the friction between the mandrel 1 and the ring-shaped coarse material 4, so that the quality of the ring molded product can be improved.
[0066]
(Evaluation of fatigue strength when there is no workpiece contact)
After processing the powder high-speed steel into a test piece shape having a parallel part φ6 mm, heat treatment was performed to obtain a base material hardness of 61 to 63HRC. Then, finish processing was performed, and the sample No. 1 test piece.
[0067]
Sample No. above. Sample No. 1 in which a hard coating film made of TiN and having a thickness of 3 μm was formed on the surface of the test piece 1 by the PVD method (treatment conditions: 460 ° C., held for 2 hours) to form only the hard coating film. 2 specimens were obtained.
[0068]
Sample No. above. 1 on the surface of the test pieceThreeGas and H2Sample No. in which only a nitriding layer was formed by forming a nitriding layer without a white layer having a depth of 65 μm using a radical nitriding apparatus using a gas (processing temperature: 480 ° C., processing time: 6 hours) . 3 test pieces were obtained.
[0069]
Sample No. above. Sample No. 3 in which a hard coating film made of TiN and having a thickness of 3 μm was formed on the surface of the test piece 3 by the PVD method to form a nitriding layer and a hard coating. 4 test pieces were obtained.
[0070]
And said sample No. About each test piece of 1-4, the bending fatigue strength in the case where there is no workpiece | work contact was evaluated. This is done using a rotating bending fatigue tester with a rotational speed of 1500 rpm.6This was done by measuring the fatigue strength after the time. The result is shown in FIG.
[0071]
As can be seen from FIG. It can be seen that the fatigue strength is reduced by forming a hard coating film on one test piece.
[0072]
In addition, sample No. without surface treatment. No. 1 in which the nitriding layer was formed, the fatigue strength was improved, while the sample No. 1 in which the nitriding layer was formed was formed. It can be seen that even if a hard coating film is formed on the test piece 3, the fatigue strength decreases only slightly.
[0073]
(Evaluation of fatigue strength when there is workpiece contact)
Sample No. About each test piece of 1-4, the bending fatigue strength in the case where there exists a workpiece | work contact was evaluated. This is done using a rotating bending fatigue tester with a rotational speed of 1500 rpm, while pressing the S30C plate against the test piece.6This was done by measuring the fatigue strength after the time. The result is shown in FIG.
[0074]
As can be seen from FIG. The test piece 1 was greatly affected by the workpiece contact, and was significantly lower than the fatigue strength when there was no workpiece contact.
[0075]
In addition, sample No. 1 in which only a hard coating film was formed. The test piece of No. 2 is an untreated sample No. 2. Although it was not about 1, it was affected by the workpiece contact, which was lower than the fatigue strength when there was no workpiece contact.
[0076]
In contrast, Sample No. with a nitriding layer and a hard coating film formed thereon. The test piece No. 4 had almost no influence by the workpiece contact, and the fatigue strength was almost the same as the fatigue strength when there was no workpiece contact.
[0077]
(Relationship between nitriding layer depth and fatigue strength when hard coating film is formed)
Sample No. 4, that is, when preparing a test piece on which a nitriding layer and a hard coating film are formed, the processing conditions of radical nitriding treatment at the time of forming the nitriding layer are 400 to 550 ° C., and each time range is 2 to 20 hours. The depth of the nitriding layer from the outermost surface was changed variously, and the relationship between the depth of the nitriding layer and the fatigue strength when a hard coating film was formed was investigated.
[0078]
The test method is the same as the test method of fatigue strength when there is a workpiece contact as described above.
[0079]
As shown in FIG. 8, when the nitriding layer and the hard coating film are formed, the fatigue strength decreases when the nitriding layer is too deep. This is presumably because when the nitriding layer becomes deeper, cracks are once generated at the interface between the nitriding layer and the hard coating film, thereby developing into larger cracks.
[0080]
Further, FIG. 8 shows that the depth of the nitriding layer is preferably 100 μm and more preferably 75 μm.
[0081]
  (Evaluation of mandrel number)
  SaidReference exampleThe mandrel 1 having only the nitriding layer 14 formed thereon,ExampleThe lifespan of the nitriding layer 14 and the mandrel 1 on which the hard coating film 15 was formed was comparatively evaluated. This was done by examining the number of rings produced (mandrel life) until the mandrel 1 was broken.
[0082]
  As a result, only the nitriding layer 14 was formed.Reference exampleThe mandrel 1 had a mandrel life of 60,000, whereas the nitriding layer 14 and the hard coating film 15 were formed.ExampleIn the mandrel 1, the mandrel lifespan increased to about 400,000.
[0083]
【The invention's effect】
As described above in detail, the ring rolling mandrel of the present invention has a nitriding layer formed by a nitriding treatment that is an inexpensive and simple surface treatment, so that the mandrel life can be improved while suppressing an increase in cost. .
[0084]
  In particular, the area ratio and depth of the white layer portion in the nitriding layer shouldBecauseThe mandrel life can be significantly improved.
[0085]
  In addition, a hard coating film is further formed on the nitriding layer.Because is formedIn addition to significantly improving the mandrel life, it can also contribute to improving the quality of the ring molded product.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]Reference exampleIt is sectional drawing which shows typically a mode that ring rolling is performed using this mandrel.
[Figure 2]Reference exampleIt is a fragmentary sectional view which shows typically the principal part of this mandrel.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the area ratio occupied by the white layer portion and the mandrel lifetime from the outermost surface of the nitriding layer to a depth of 200 μm.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the depth of a nitriding layer and the mandrel lifetime.
[Figure 5] BookExampleIt is a fragmentary sectional view which shows typically the principal part of this mandrel.
FIG. 6 is a diagram showing an evaluation result of fatigue strength when there is no workpiece contact.
FIG. 7 is a diagram showing an evaluation result of fatigue strength when there is a workpiece contact.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the depth of a nitriding layer and the fatigue strength when a hard coating film is formed.
[Explanation of symbols]
1 ... Mandrel
2 ... Forming roll
3 ... Receiving roll
4 ... Ring-like rough material
13 ... Impression part (engagement recess)
14 ... Nitrided layer
15 ... Hard coating film

Claims (3)

リング状粗材の孔内に挿入され、該粗材の外面に配設される成形ロールとで該粗材を回転鍛造するリングローリング用マンドレルにおいて、
上記粗材に接触する成形部位の表面に窒化処理層が形成されるとともに、該窒化処理層の表面に、少なくとも該窒化処理層よりも硬度の高い硬質コーティング皮膜が形成されており、
前記窒化処理層の最表面から200μm深さまでの範囲において、白層部の占める面積率が5.0%以下であり、
前記窒化処理層の深さが該窒化処理層の最表面から75μm以下であることを特徴とするリングローリング用マンドレル。
In a ring rolling mandrel that is inserted into the hole of the ring-shaped coarse material and rotationally forging the coarse material with a forming roll disposed on the outer surface of the coarse material,
The coarse material nitrided layer is formed on the surface of the molding portion which contacts the Rutotomoni, the surface of the nitride treated layer, and the hard coating film higher hardness than at least nitride treated layer is formed,
In the range from the outermost surface of the nitriding layer to a depth of 200 μm, the area ratio occupied by the white layer portion is 5.0% or less,
A ring rolling mandrel, wherein the depth of the nitriding layer is 75 μm or less from the outermost surface of the nitriding layer .
前記窒化処理層の深さは該窒化処理層の最表面から50μm未満であることを特徴とする請求項1記載のリングローリング用マンドレル。Claim 1 ring rolling mandrel of, wherein the depth of the nitrided layer is less than 50μm from the outermost surface of the nitride treated layer. 光学顕微鏡レベル(400倍)の目視にて前記窒化処理層中に前記白層部が認められないことを特徴とする請求項1又は2記載のリングローリング用マンドレル。3. The ring rolling mandrel according to claim 1 , wherein the white layer portion is not recognized in the nitriding layer by visual observation at an optical microscope level (400 times) . 4.
JP2001106320A 2000-07-10 2001-04-04 Mandrel for ring rolling Expired - Fee Related JP4202000B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001106320A JP4202000B2 (en) 2000-07-10 2001-04-04 Mandrel for ring rolling

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000-208283 2000-07-10
JP2000208283 2000-07-10
JP2001106320A JP4202000B2 (en) 2000-07-10 2001-04-04 Mandrel for ring rolling

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2002086241A JP2002086241A (en) 2002-03-26
JP4202000B2 true JP4202000B2 (en) 2008-12-24

Family

ID=26595697

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001106320A Expired - Fee Related JP4202000B2 (en) 2000-07-10 2001-04-04 Mandrel for ring rolling

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4202000B2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006055894A (en) * 2004-08-23 2006-03-02 Kyoei Seiko Kk Method and apparatus for forming ring body
JP5317552B2 (en) * 2008-06-26 2013-10-16 オーエスジー株式会社 Rolling dies
JP2015100797A (en) * 2013-11-21 2015-06-04 オーエスジー株式会社 Rolling die
FR3017060B1 (en) 2014-02-05 2016-08-26 Snecma FORGING TOOLS FOR MANUFACTURING A ROLLED SHAPED CROWN, IN PARTICULAR FOR MANUFACTURING A TURBOMACHINE DISK

Also Published As

Publication number Publication date
JP2002086241A (en) 2002-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7052019B2 (en) Piston ring and method of manufacturing the same
JP6062357B2 (en) piston ring
US20050160602A1 (en) Method for manufacturing a bearing raceway member
JP4202000B2 (en) Mandrel for ring rolling
JP4761374B2 (en) Piston ring for internal combustion engine
JP2006329319A (en) Rolling/sliding component, rolling bearing, cam follower, and surface improving method for rolling/sliding component
US5916517A (en) Nitrogen-bearing iron-based alloy for machine parts subject to sliding friction
JP2004137553A (en) Whole roller type rolling bearing
US20020068659A1 (en) Rolling element for a continuously variable transmission (CVT), a CVT using the rolling element and a process for producing the rolling element
JP2007064346A (en) Pressure ring and its manufacturing method
JP2020079630A (en) Cage for constant velocity universal joint, and constant velocity universal joint
JP5225646B2 (en) Sliding member and manufacturing method thereof
JPH03271343A (en) Rolling member
JPS6326210A (en) Work roll for cold rolling
JP2005232543A (en) Ball screw
JPH01299723A (en) Mechanical expander cone
TWI833113B (en) Angled ball bearings
JP2004060807A (en) Rolling bearing
EP0533128B1 (en) Piston ring made of a titanium alloy and process for production thereof
JP2005076866A (en) Process for manufacturing movable flange of pulley for continuously variable transmission
JP2023152624A (en) Method for testing rolling fatigue strength
JP2007040503A (en) Collared roller bearing
JPH02134468A (en) Piston ring
JP2003193138A (en) Method for manufacturing steel part
JPH1085806A (en) Method for preventing crack of cold pilger die

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20070515

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20080703

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080710

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080908

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20081002

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20081008

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111017

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121017

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121017

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131017

Year of fee payment: 5

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees