JP4292530B2

JP4292530B2 - 電池缶製造用しごきダイス

Info

Publication number: JP4292530B2
Application number: JP2001365380A
Authority: JP
Inventors: 隆志松本; 英資佐藤; 貴広斉藤; 実斎藤
Original assignee: Fuji Die Co Ltd
Current assignee: Fuji Die Co Ltd
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2001-10-25
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2021-10-25
Also published as: JP2003136153A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池缶をＤＩ（ＤｒａｗｉｎｇａｎｄＩｒｏｎｉｎｇ）工法により製造する場合に用いられるしごきダイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池缶の製造方法としては、図１に示すように、まず絞り工程で板状素材を複数の絞りダイス（３）によりカップ状中間製品に成形した後、複数のしごきダイス（４）を用いて上記カップ状中間製品の側部の肉厚を順次減少させて所定形状の電池缶を得る、いわゆるＤＩ工法が知られている。ＤＩ工法では板厚約０．４ｍｍの鋼板の両面に１〜５μｍ厚のニッケルメッキを施し、焼鈍処理後、上記の工程を経て缶側部の肉厚を０．２ｍｍ程度まで薄くした電池缶を製造する。しごき工程では、通常炭化チタン（ＴｉＣ）、または炭化チタンと窒化チタン（ＴｉＮ）を複層被覆した後、内側部を鏡面仕上げした超硬合金製しごきダイスが使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来のしごきダイスにおいては、母材超硬合金としてＷＣ−１０質量％Ｃｏ程度の組成で、硬さが１４３０ＨＶ０．１程度の合金を用いるのが一般的である。しかし、ＴｉＣまたはＴｉＮ被膜が剥離し易い場合は数万ショットで寿命となり、被膜が剥離しない場合でも摩耗が進行すると缶材の焼付きが生じて寿命となり、その寿命は平均約５０万ショットであるが、バラツキが３０万〜１２０万シッョト程度と大きいという問題がある。本発明は、電池缶の製造において５００万ショット以上の長寿命が安定して得られるしごきダイスを提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、硬さが２３００ＨＶ０．１以上で、かつヤング率が５８０ＧＰａ以上である超硬合金をＤＩ工法における電池缶のしごきダイスに用いるものである。さらには、上記超硬合金に炭窒化チタン（Ｔｉ（Ｃ，Ｎ））を化学蒸着（ＣＶＤ）法で被覆することにより、より長寿命のしごきダイスとするものである。
【０００５】
まず発明者らは、ＤＩ工法においてしごきダイスの寿命に影響を及ぼす諸要因について検討した。ＤＩ工法においては通常３個以上のしごきダイスを用いる。これらは図１に示すように直列に並べられていて、絞り工程を経た後、上から下に順次缶材をしごいて缶側部の肉厚を減少させる。したがって、電池缶の最終形状精度は最下段のダイス形状によって決定される。ところで、しごき工程でダイスに作用する応力は、缶材が各ダイスを通過する度に加工硬化していくので、最下段のダイスでのしごきで最大となる。すなわち、最下段のダイスが最も摩耗し易いという第１の知見を得た。
【０００６】
従来のダイスには、一般に硬さ１４３０ＨＶ０．１程度の超硬合金にＴｉＣないしＴｉＣ＋ＴｉＮを被覆して用いている。被膜と母材の密着性が低く、被膜が剥離する場合は論外であるが、被膜が剥離しない場合でも前記のようにしごきダイスの寿命のバラツキが大きい。そこでＴｉＣを被覆した使用途中のしごきダイスの摩耗面を観察したところ、図２に示すようにしごき方向に平行な擦過条痕が多数生じていることが分かった。この条痕は、一般に言われている引掻き摩耗による摩耗痕と思われた。被膜に高硬度のＴｉＣを用いてもこのような擦過条痕が生じる原因は、母材超硬合金の硬さが関係しているためではないかと考え、母材を硬さ１９５０ＨＶ０．１程度の超硬合金とし、ＴｉＣのみおよびＴｉＣ＋ＴｉＮを被覆したしごきダイスを試用したところ、いずれも平均１５０万ショット程度の寿命が確認され、しごきダイスの母材超硬合金は、高硬度である方が有利であるという第２の知見を得た。しかし、寿命のバラツキは７０万〜２４０万ショット程度と依然として大であることも分かった。
【０００７】
ここでバラツキの原因を特定するため、被膜の摩耗状態をさらに詳細に検討した。その結果、ＴｉＣ被膜の場合は、短寿命品では被膜ＴｉＣに缶材の焼付きが生じていた。すなわちＴｉＣ被膜には缶材の焼付きが生じ易いという第３の知見を得た。
【０００８】
また、ＴｉＣ＋ＴｉＮ被膜に缶材の焼付きが生じる場合について調べたところ、ＴｉＣに比べて軟質のＴｉＮがまず摩耗してＴｉＣが露出した部分に、缶材の焼付きが生じ易いという第４の知見を得た。
【０００９】
さらに、ＴｉＣ＋ＴｉＮ被膜については、ＴｉＮ被膜が摩耗するまでは極めて安定して使用できることも分かった。これは、ＴｉＮ被膜が缶材と反応し難いためであるが、摩耗の進行はやや早い。したがってしごきダイスの被膜をＴｉＮと同じく缶材と反応し難く、かつＴｉＮ被膜より高硬度なＴｉ（Ｃ，Ｎ）とすることで、より耐摩耗性を向上させることができるはずであるという第５の知見を得た。
【００１０】
一方、しごきダイスの被膜が摩耗して母材が露出しても缶材の焼付きが生じない場合は長寿命であった。母材が露出しても缶材の焼付きが生じなかったのは、被膜／母材界面部に適当な厚さのη相（Ｃｏ_６Ｗ_６Ｃ相）が存在していた場合であり、これはη相の生成により結果的に母材の結合相量が減少したためと考えられた。すなわち、被膜／母材界面部にη相が存在していると缶材の焼付きが生じ難いという第６の知見を得た。
【００１１】
η相は超硬合金中の炭素が被覆処理中に被膜に拡散移動するために生じるが、しごきダイスの場合は数μｍ程度までの厚さであれば、被膜の剥離強度などについては悪影響がなく、むしろ母材表面部の硬さを上昇させるので耐摩耗性には有利である。しかし、しごき特性との関係は不明なので検討した結果、η相が均一厚さで生じていれば被膜と同様の硬質化効果があるが、その厚さが不均一であるとη相厚さが薄い部分にしごき応力が集中して缶材の焼付きが生じ易くなることが分かった。すなわち、平均厚さ１〜６μｍ程度のη相を最大厚さと最小厚さの差が平均厚さの５０％以下であるように均一厚さに生じさせるのはよいが、η相厚さのバラツキが上記を超えて不均一であると缶材の焼付きが生じ易くなるという第７の知見を得た。
【００１２】
またＴｉＮ被膜の硬さが２３００ＨＶ０．０２５程度であることに注目した。この硬さ水準となるとしごき加工時の摩耗が急速には進行しないと思われたからである。そこで、硬さが２３００ＨＶ０．１程度以上となる超硬合金の開発を試みた。超硬合金は主としてＷＣ粒度とＣｏ量により硬さが支配されるが、ＷＣ平均粒度が０．５μｍ程度で構成されている市販の超微粒超硬合金を調べたところ、硬さが１９５０ＨＶ０．１程度の合金までは実用化されていたが、それ以上の硬さの合金は見当たらなかった。そこで平均粒度０．５μｍ程度のＷＣと同１．０μｍのＣｏとを用意し、粒成長抑制剤としてＣｏとの合計量に対して５質量％までのＶＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２、ＴａＣを１種または２種以上を添加して、所定の湿式粉砕・混合を行って、乾燥、プレス成形後、１３５０℃で１３Ｐａの真空中で焼結し、さらに１３５０℃、１０００気圧で熱間静水圧プレス処理して５質量％Ｃｏの合金を得た。得られた合金の硬さは２２００ＨＶ０．１であった。そこで、本合金の炭素量と硬さの関係を検討し、合金炭素量をη相が出現しない範囲内で低炭素に制御することにより、硬さが２３００ＨＶ０．１程度の合金が得られた（図３）。したがってＣｏ量をより減少させれば硬さが２３００ＨＶ０．１以上の合金が得られるという第８の知見を得た。
【００１３】
この硬さが２３００ＨＶ０．１以上の超微粒超硬合金をしごきダイスに試用したところ、被覆処理をしなくても缶材の焼付きが生じ難いという第９の知見を得た。
【００１４】
さらに、超硬合金以外の硬質材料も検討した。アルミナ系等の硬さが２３００ＨＶ０．１以上のセラミックスをしごきダイスに応用したところ、ダイスの摩耗量以上に缶の外形寸法が大になることが分かった。これは、しごきダイスの弾性変形に起因すると考えられたので、電池缶寸法としごきダイス材料のヤング率との関係を調べた結果、ヤング率が４００ＧＰａ以下であると、しごき工程でダイスが弾性変形により数１０μｍ程度拡大することが分かった。したがって、しごきダイスにはヤング率の高い材料ほど有利なことになるが、結果としてダイス材料のヤング率が５８０ＧＰａ以上であれば寸法精度のよい電池缶が得られることが分かり、しごきダイスの材料としては、ヤング率が５８０ＧＰａ以上であることが望ましいという第１０の知見を得た。ここで被膜のヤング率は被膜が数μｍと薄いため電池缶の寸法精度に影響しない。
【００１５】
本発明は以上の知見によりなされたものであり、Ｃｏ量が２〜５質量％、ＶＣ、Ｃｒ _３Ｃ _２、ＴａＣの１種または２種以上をＣｏとの合計量に対して５質量％まで含有し、残部がＷＣであり、硬さが２３００ＨＶ０．１以上かつヤング率が５８０ＧＰａ以上の超硬合金に、ＣＶＤ法でＴｉ（Ｃ，Ｎ）被膜を数μｍ被覆したしごきダイスである。さらに、ダイス内側部を鏡面仕上げして作製すると、より長寿命が得られる。
【００１６】
この場合、被覆処理による被膜／母材界面部のη相は、１〜６μｍの厚さで均一に生じるように制御する。η相をこのように生じさせるには、被覆処理に先立って母材表面部に浸炭処理を施すこと等で可能である。ただしη相の厚さが６μｍを超えると、しごきダイスを使用中にη相が破壊され易くなるので好ましくない。
【００１７】
本発明によるしごきダイスは、１０００万ショット程度の長寿命を示した。こうして従来のしごきダイスの１０〜２０倍の寿命が得られ、電池缶の大幅な高効率生産が可能となった。
【００１８】
【実施例】
厚さ０．４ｍｍの鋼板の両面に３μｍのＮｉメッキを施した電池缶素材を、ＤＩ工法を用いてしごき加工により側部の肉厚を０．２ｍｍまで薄くした電池缶を製造する場合に、最終仕上工程のしごきダイスを種々変化させてその寿命を調べ、表１を得た。表中の寿命は、比較例５以外では被膜摩耗、被膜ないし母材と缶材の焼付きなどが原因となって缶に傷を生じた時点であり、比較例５では電池缶に寸法不良が発生した時点である。
【００１９】

【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば電池缶をＤＩ工法により製造する場合のしごきダイスが従来より著しく長寿命となり、その交換頻度を低減させることができるので、しごきダイスの費用、ダイス交換に要する費用および生産中断時間を削減できるため、電池缶の低コスト高効率生産が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＤＩ工法の模式図である。
【図２】しごきダイスの摩耗例である。
【図３】超微粒超硬合金における硬さＨＶ０．１とＣｏ量との関係である。
【符号の説明】
１パンチ
２カップ状中間製品
３絞りダイス
４しごきダイス
５電池缶
６未摩耗部分
７摩耗部分

Claims

Ｃｏ量が２〜５質量％、ＶＣ、Ｃｒ _３Ｃ _２、ＴａＣの１種または２種以上をＣｏとの合計量に対して５質量％まで含有し、残部がＷＣであり、硬さが２３００ＨＶ０．１以上かつヤング率が５８０ＧＰａ以上の超硬合金に、炭窒化チタンＴｉ（Ｃ，Ｎ）を化学蒸着法により被覆し、かつ被膜と母材の界面部に、厚さ１〜６μｍのη相を最大厚さと最小厚さの差が平均厚さの５０％以下であるように生じさせたことを特徴とする、電池缶製造用しごきダイス。