JP4746934B2 - 鍛造用金型及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、内部から表層部になるにつれて硬度が上昇する拡散層が存在する部位と、内部から表層部になるにつれて靱性が向上する濃度変化部が存在する部位とを同一表面に有する鍛造用金型及びその製造方法に関する。

鍛造加工は、所望の形状の成形体を得る際に広汎に採用される成形加工手法の１つである。鍛造加工では、パンチやダイ等の鍛造用金型を用い、この鍛造用金型によってワークを加圧する。加圧された該ワークの肉は、パンチ及びダイによって形成されるキャビティに沿って塑性流動を起こし、これに伴い、該ワークが所定の形状の成形体に成形される。

鍛造用金型には、上記のような鍛造加工を数千回〜数万回繰り返して実施するに十分な耐摩耗性、耐食性、強度等が希求される。このような諸特性が十分でないと、割れや欠けが容易に発生するので寿命が短い鍛造用金型となり、結局、鍛造用金型を頻繁に交換する必要が生じるので、設備投資が高騰するからである。

鍛造用金型は、一般に、高速度工具鋼（ＳＫＨ）や合金工具鋼（ＳＫＤ）、すなわち、Ｆｅ基合金の１種である鋼材から構成される。従って、上記した諸特性を向上させるには、その表面に、物理的気相成長（ＰＶＤ）法や化学的気相成長（ＣＶＤ）法、メッキ、陽極酸化等によって皮膜を設けることが有効であるようにも考えられる。しかしながら、この場合、皮膜の形成に長時間を要するとともに、皮膜形成コストが大きいという不具合がある。

皮膜を設けることなく鋼材の表面の諸特性を向上させる試みとして、浸炭、浸硫、窒化、炭窒化等の様々な表面処理を施すことが挙げられる（例えば、特許文献１、２参照）。また、特許文献３では、加工用刃具ではあるが、ショットピーニングやショットブラスト等の機械的処理を施して表面に１０ｋｇｆ／ｃｍ²（およそ０．１ＭＰａ）の圧縮応力を付与すれば、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることができると報告されている。

特開２００３−１２９２１６号公報 特開２００３−２３９０３９号公報 特開平５−１７１４４２号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載されたような従来技術で諸特性が向上するのは、金属材の表面に限られる。例えば、窒化や浸炭等では、元素が拡散するのは金属材の表面から僅かに数μｍ、最大でも２００μｍ程度であり、それより内部の諸特性を向上させることは困難である。このため、耐摩耗性や耐欠損性が著しく向上するとは言い難い側面がある。

しかも、従来技術に係る処理方法では、形成された窒化層等と母材である金属材との間に界面が存在する。このため、界面に応力集中が起こるような条件下では、界面から脆性破壊が起こることが懸念される。

また、部材によっては、硬度が向上した部位と、靱性が向上した部位とを併せ持つものが希求されることもある。しかしながら、これまでに知られている表面処理方法では、部材全体の硬度を上昇させることは可能であるが、任意の部位のみ硬度を上昇させ、且つその他の部位の靱性を向上させることはできない。しかも、上記した従来技術等をはじめとする各種の表面処理方法は、主に硬度を向上させるための処理方法であり、靱性を向上させる簡便な処理方法は知られていない。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、表層部の硬度が上昇した部位と、表層部の靱性が向上した部位とを併せ持ち、且つ物性の変化がなだらかであるために応力集中が起こり難いので脆性破壊が生じ難い鍛造用金型及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、Ｆｅ基合金からなる母材の内部に炭化物が拡散することにより形成されて前記母材に比して高硬度な拡散層が存在する部位を有する鍛造用金型であって、
前記母材における前記拡散層が存在する表面と同一表面内の別部位に、前記母材の硬度を上昇させる性質を有する元素の量が該母材の表層部から内部になるに従って増加することに伴い硬度が上昇する濃度変化部を有することを特徴とする。

拡散層においては、母材であるＦｅ基合金の内部深くまで炭化物が拡散しているので、内部まで優れた硬度及び強度を示す。一方、濃度変化部においては、Ｆｅ基合金の硬度上昇に寄与する元素の量が表層部側で少なく、内部になるにつれて漸次的に増加する。硬度上昇に寄与する元素の量が少ない部位は、概して靱性が大きくなる。このため、濃度変化部では、表層部の靱性が大きく、且つ内部の硬度が大きくなる。

すなわち、本発明に係る鍛造用金型は、表層部になるに従って硬度が上昇する部位（拡散層）と、表層部になるに従って硬度が低下する部位（濃度変化部）とを併せ持つ。このように、本発明によれば、高硬度を示す部位と高靱性を示す部位を同一の部材に形成することができる。従って、ある部位には高硬度であることが希求され、別の部位には高靱性であることが希求される等、部位によって希求される特性が異なる金型として好適に使用することができる。

しかも、この鍛造用金型には、拡散層又は濃度変化部と母材との間に界面が存在しない。このため、応力集中が起こり難いので脆性破壊が生じ難い。

なお、濃度変化部を設ける際には、該濃度変化部の外表面に、母材の硬度を上昇させる性質を有する元素が炭化物化した炭化物が排出され、その結果、皮膜が形成される。本発明に係る鍛造用金型は、この皮膜が除去されたものであってもよく、この皮膜が存在するものであってもよい。

金属の炭化物としては、Ｆｅ基合金の硬度を向上させる物質であれば特に限定されるものではないが、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの炭化物を好適な例として挙げることができる。

この場合、金属元素をＭで表すとき、炭化物の組成式がＭ₆Ｃ又はＭ₂₃Ｃ₆であることが好ましい。組成式がこのように表される炭化物は、Ｆｅ基合金の硬度を向上させる効果に特に優れるからである。

炭化物は、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種と、Ｆｅとの固溶体が炭化物化したものであってもよい。この場合、上記したような金属炭化物の相対量が低減するので、金属炭化物が過度に生成して脆性が上昇することを抑制することができる。

好ましい固溶体の炭化物は、金属元素をＭで表すとき、その組成式が（Ｆｅ，Ｍ）₆Ｃ又は（Ｆｅ，Ｍ）₂₃Ｃ₆で表されるものである。

また、本発明に係る鍛造用金型の製造方法は、Ｆｅ基合金の表面に硬度を上昇させる第１元素を含む物質の粉末を塗布する一方、前記第１元素以外の元素であり且つＦｅ基合金に含まれる第２元素を含む物質の粉末を、前記第１元素が塗布された表面と同一表面内の別部位に塗布するか、又は、前記第２元素を含む物質の粉末をＦｅ基合金の表面に塗布する一方、前記第２元素を含む物質の粉末が塗布された表面と同一表面内の別部位に前記第１元素を含む物質の粉末を塗布する工程と、
前記第１元素又は前記第２元素を含む物質の各粉末が塗布された前記Ｆｅ基合金に対して熱処理を施し、前記第１元素を含む物質の粉末が塗布された部位に前記Ｆｅ基合金に比して高硬度な拡散層を設ける一方、前記第２元素を含む物質の粉末が塗布された部位に前記Ｆｅ基合金の硬度を上昇させる性質を有する元素の量が該Ｆｅ基合金の表層部から内部になるに従って増加することに伴い硬度が上昇する濃度変化部を設ける工程と、
を有し、
前記拡散層を、前記第１元素を前記Ｆｅ基合金の内部に拡散させて該Ｆｅ基合金を構成する炭素と反応させることによって炭化物を拡散させて設け、
前記濃度変化部を、前記Ｆｅ基合金を構成する前記第１元素を該Ｆｅ基合金の内部から表層部側に拡散させ、該表層部に存在して該Ｆｅ基合金を構成する炭素と前記第１元素とを反応させて炭化物を含む皮膜として前記Ｆｅ基合金から排出することで、前記拡散層が存在する表面と同一表面内の別部位に設けることを特徴とする。

このような工程を経ることにより、厚みの大きい拡散層を形成することができるとともに、拡散層と母材との間に界面が存在しない鍛造用金型を製造することができる。得られた鍛造用金型における拡散層が存在する部位は、硬度及び強度に優れる。

その一方で、第２元素を含む物質の粉末を塗布した部位では、熱処理に伴って第１元素が第２元素に指向して拡散し始める。すなわち、Ｆｅ基合金の硬度を上昇させる第１元素が表面側に拡散し始める。この理由は、第２元素に第１元素を捕捉する作用があるためであると推察される。これにより第１元素が表層部の最上方まで拡散し、さらに、表層部の外表面に第１元素を含む皮膜が設けられる。

そして、このようにして表層部の外表面に第１元素が偏在する結果、第１元素の量は、皮膜の直下で最も少なくなり、表層部から内部に向かうにつれて漸次的に増加する。すなわち、得られた鍛造用金型の硬度は、皮膜の直下で最も低くなる。上記したように、硬度が小さい部位は概して靱性が大きいことから、皮膜が設けられた部位の靱性は、内部側に比して表層部側が大きくなる。換言すれば、表層部側が高靱性で且つ内部側が高硬度である部位を有する鍛造用金型を得ることができる。

すなわち、本発明によれば、粉末を塗布した後に熱処理を行うという簡便な操作を行うことによって、表層部の硬度が上昇した部位と、表層部の靱性が向上した部位とを併せ持つ鍛造用金型を容易に得ることができる。

なお、粉末には、第１元素を含む物質の粉末が配合されていてもよい。この場合、Ｆｅ基合金の種類や熱処理条件に応じて、第１元素を含む物質の粉末と第２元素を含む物質の粉末との配合比を適宜設定すればよい。

第１元素としては、Ｆｅ基合金の硬度を向上させることができるということから、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎを使用することが好ましい。

一方の第２元素としては、Ｆｅ基合金に含まれて且つ該Ｆｅ基合金の硬度上昇に寄与しない元素を含む物質であれば特に限定されないが、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇが好ましい。特に、ＣとＳｉは第１元素を拡散させる効果に優れ、一方、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇは酸素を遮断する効果に優れる。さらに、生成する金属間化合物を微細化することができるとともに耐熱性を向上させることができ、高温強度に優れるＦｅ基合金とすることができる。

また、皮膜を、例えば、切削加工代等として除去するようにしてもよい。この場合、高硬度な部位が減少して高靱性な部位が残留するので、曲げ加工等を行うことが容易な鍛造用金型を得ることができる。

本発明によれば、同一の鍛造用金型に、硬度が向上した部位と靱性が向上した部位とが設けられる。すなわち、部位によって希求される特性が異なる部材を構成することができる。しかも、拡散層の厚みが大きいので、該拡散層が設けられた部位の硬度や強度を内部まで向上させることができる一方、表層部側の靱性が大きな部位を有する鍛造用金型を構成することができる。しかも、この鍛造用金型では、拡散層又は濃度変化部と母材との間に界面が存在しないので、脆性破壊が生じることを回避することもできる。

以下、本発明に係る鍛造用金型及びその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１Ａ〜図１Ｄは、本実施の形態に係る鍛造用金型を用いて製造されるスパイダ１０（図１Ｄ参照）の製造工程である。このスパイダ１０につき先ず説明すると、該スパイダ１０は、軸方向に摺動可能なトリポート型等速ジョイント（図示せず）の構成部品として用いられるものであり、セレーションが形成された孔部１２を有するリング体１４と、前記リング体１４の周方向に沿って等角度離間し半径外方向に向かって突出する３本のトラニオン１６ａ〜１６ｃとが一体的に形成される。前記スパイダ１０は、図示しないドライブシャフトの一端部に固着され、前記トラニオン１６ａ〜１６ｃは、有底円筒状からなる外輪部材の内壁に形成された図示しないトラック溝に沿って摺動可能に設けられる。なお、各トラニオン１６ａ〜１６ｃは、リング体１４に近接する根本部から該リング体１４の半径外方向に向かって徐々に拡径するように形成される。

このスパイダ１０は、以下の工程によって製造される。

はじめに、第１準備工程において、所定長の円柱体（ビレット）に切り出されたワーク１８（図１Ａ参照）に対して球状化焼鈍を施す。これによりワーク１８が軟化し、以下の鍛造成形が容易となる。そして、第２準備工程において、ボンデライト処理により、例えば、リン酸亜鉛等からなる潤滑用化成皮膜をワーク１８の表面に形成することによって該表面に潤滑性を付与する。具体的には、このようなリン酸亜鉛等が溶解された溶媒中にワーク１８を所定時間浸漬することにより潤滑用化成皮膜を形成すればよい。

次いで、図２に示すように、本実施の形態に係る鍛造用金型２０を使用して、潤滑用化成皮膜が形成されたワーク１８に対する鍛造成形を行う。これにより、図１Ｂに示すように、円盤状部２２の外周面に半径外方向に向かって３本のトラニオン１６ａ〜１６ｃが膨出形成された中間成形体２４が形成される。

続いて、前記中間成形体２４の円盤状部２２の中心に対しピアス成形を施すことにより、図１Ｃに示すように、内バリが打ち抜かれて貫通した孔部１２が形成され、さらに、図示しない切削加工装置を用いて面取り、孔部１２のセレーション等のレース加工を施した後、浸炭焼き入れ及び焼き戻し等の熱処理工程を経て製造品としてのスパイダ１０が完成する（図１Ｄ参照）。

次に、本実施の形態に係る鍛造用金型２０につき説明する。

図２に示されるように、この鍛造用金型２０は、図示しない第１押圧機構に連結されて上下方向に沿って変位自在に設けられた鍛造用上パンチ２６ａと、前記鍛造用上パンチ２６ａと同軸状に配置され、図示しない第２押圧機構に連結されて上下方向に沿って変位自在に設けられた鍛造用下パンチ２６ｂとを含む。なお、前記鍛造用上パンチ２６ａと前記鍛造用下パンチ２６ｂとは、互いに同一に構成される。

前記鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂは、ＳＫＨ５１を原材料（母材）として製造されたものであり、図３に示されるように、一端側の大径部２８と、前記大径部２８に連接されてテーパ状に縮径した縮径部３０と、前記縮径部３０に連接された小径部３２と、前記小径部３２から他端側に向かって突出し断面略円弧状に湾曲して形成されたパンチ成形部３４とを有する。

この場合、前記パンチ成形部３４及び小径部３２の端面を含む一部表面には、図４に示すように、母材であるＳＫＨ５１中を金属の炭化物が拡散してなる拡散層３６ａが設けられる。このため、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂにおいて、パンチ成形部３４及び小径部３２の端面は、母材上に拡散層３６ａが形成された形態となっている。

一方、小径部３２の胴部の一部表面には、図５に示すように、母材であるＳＫＨ５１中の金属元素の濃度が変化する濃度変化部３７が存在する。

この濃度変化部３７において濃度が変化する金属元素は、ＳＫＨ５１の構成元素であり、且つＳＫＨ５１の硬度上昇に寄与するもの、具体的には、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎ等である。

上記したような金属元素は、通常、合金又は炭化物の形態で存在する。炭化物としては、その組成式がＣｒ₆Ｃ、Ｗ₆Ｃ、Ｍｏ₆Ｃ等のようにＭ₆Ｃで表されるもの、又はＭ₂₃Ｃ₆で表されるものであってもよいが、Ｍ₆ＣやＭ₂₃Ｃ₆が過度に存在すると、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂが脆性を示すようになる。これを回避するべく、ＦｅとＭの固溶体の炭化物、すなわち、（Ｆｅ，Ｍ）₆Ｃや（Ｆｅ，Ｍ）₂₃Ｃ₆等で表される炭化物として、Ｍ₆ＣやＭ₂₃Ｃ₆の相対量を低減させることが好ましい。

金属元素の濃度は、濃度変化部３７の最上方から内部側に向かうにつれて漸次的に増加する。すなわち、金属元素の濃度は濃度変化部３７の最上方で最も低く、このため、濃度変化部３７の硬度は、最上方で最も小さく、内部側に向かうにつれて大きくなる。

このように、小径部３２の表層部には、ＳＫＨ５１の硬度を上昇させる元素が内部側に向かうにつれて漸次的に増加する濃度変化部３７が形成されている。この濃度変化部３７は、後述するように、ＳＫＨ５１に含まれた元素が内部から表層部に拡散して排出されることによって設けられる。この際に表層部に生成する拡散層は、機械加工によって切削除去される。

一般的に、硬度と靱性はトレードオフの関係にあり、硬度が低下すると靱性が向上する。上記したように、濃度変化部３７の最上方においては、硬度上昇に寄与する元素の量が少なく、このため、小径部３２の外表面では、内部側に比して靱性が大きくなる。すなわち、小径部３２の表層部は、濃度変化部３７が形成されていないＳＫＨ５１に比して高靱性を示す。このため、小径部３２自体も靱性が向上して脆性破壊が生じ難くなるので、該小径部３２の胴部では、濃度変化部３７が存在しないワーク押圧部位に比して割れ等が生じ難くなる。

また、上記した金属元素、換言すれば、合金や炭化物の濃度は、該小径部３２の表面で最も低く、内部になるにつれて漸次的に増加する。このため、濃度変化部３７と母材との間に明確な界面は存在しない。従って、応力集中が起こることを回避することができるので、濃度変化部３７を設けることに伴って脆性が増すことを回避することができる。なお、図４においては、濃度変化部３７が存在することを明確にするため、濃度変化部３７と母材との間に便宜的に境界線を付している。

濃度変化部３７には、ＳＫＨ５１に含まれ且つＳＫＨ５１の硬度上昇には寄与しない元素、具体的には、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ等が、例えば合金又は炭化物の形態で存在する。後述するように、このような元素が熱処理時に表面側に存在する場合、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎ等の金属元素が小径部３２の外表面側に指向して拡散する。

さらに、前記鍛造用金型２０は、図示しない昇降機構に連結された上ダイ３８と、図示しない固定ダイに位置決め固定された下ダイ４０とを有し、前記上ダイ３８及び下ダイ４０には、それぞれ、前記円盤状部２２を成形するための第１部位４１と、トラニオン１６ａ〜１６ｃを形成するための湾曲した凹部４２が設けられる。この中、凹部４２には、前記鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂによって上下方向から加圧されて塑性流動する肉が流入する。

また、前記凹部４２に近接する部位には、上ダイ３８及び下ダイ４０が相互に接近する方向に向かって断面円弧状に膨出した第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂがそれぞれ形成される。図２から諒解されるように、第１ダイ成形部４４ａと第２ダイ成形部４４ｂとの離間距離、換言すれば、塑性流動するワーク１８の肉が通過する断面積は、円盤状部２２を成形する前記第１部位４１の断面積に比して小さい。

この場合、前記第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂの表層部には、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂと同様に、母材であるＳＫＨ５１中を金属の炭化物が拡散してなる拡散層３６ｂが設けられる。すなわち、上ダイ３８及び下ダイ４０における第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂは、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂと同様に、母材からなる下地層と拡散層３６ｂを有し、下地層上に拡散層３６ｂが形成された形態となっている。

そして、図２に示されるように、拡散層３６ｂは、ワーク１８の肉が通過する断面積が減少する部位に設けられている。

拡散層３６ａ、３６ｂにつき説明すると、上記したように、これら拡散層３６ａ、３６ｂは、母材であるＳＫＨ５１中に金属の炭化物が拡散することによって形成されている。

炭化物を形成する金属元素としては、ＳＫＨ５１の硬度を向上させる元素、具体的には、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎが選定される。このような金属元素の炭化物が拡散することによって形成された拡散層３６ａ、３６ｂは、高硬度及び高強度を示す。このため、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂにおけるパンチ成形部３４及び小径部３２の端面、及び上ダイ３８、下ダイ４０における第１ダイ成形部４４ａ及び第２ダイ成形部４４ｂでは、他の部位に比して硬度及び強度が高くなる。

炭化物は、金属元素をＭで表すとき、Ｃｒ₆Ｃ、Ｗ₆Ｃ、Ｍｏ₆Ｃ等のようにＭ₆Ｃで表される炭化物や、Ｍ₂₃Ｃ₆で表される炭化物である。この種の炭化物は、硬度及び強度を向上させる効果に最も優れている。

なお、Ｍ₆ＣやＭ₂₃Ｃ₆が過度に存在すると、鍛造用金型２０が脆性を示すようになる。そこで、鋼材である鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂ、上ダイ３８及び下ダイ４０の構成元素であるＦｅと、上記金属元素の固溶体の炭化物を生成することが好ましい。すなわち、炭化物は、（Ｆｅ，Ｍ）₆Ｃや、（Ｆｅ，Ｍ）₂₃Ｃ₆等で表されるものであってもよい。このような炭化物を生成させた場合、Ｍ₆ＣやＭ₂₃Ｃ₆の相対量が低減するので、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂ、上ダイ３８及び下ダイ４０が脆性を示すことを確実に回避することができるようになる。

ここで、拡散層３６ａ、３６ｂの厚み、換言すれば、炭化物の拡散距離は、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂ、上ダイ３８及び下ダイ４０の深さが少なくとも０．５ｍｍ（５００μｍ）に達しており、通常は３〜７ｍｍ（３０００〜７０００μｍ）、最大では１５ｍｍ（１５０００μｍ）に達することがある。この値は、窒化や浸炭等における元素の拡散距離が数十μｍ、大きくても２００μｍ程度であるのに対し、著しく大きい。すなわち、本実施の形態においては、炭化物を、従来技術に係る表面処理方法によって導入された元素に比して著しく深い部位にまで拡散させることができる。

このような拡散層３６ａ、３６ｂが設けられた部位では、炭化物が拡散した深さまで硬度が向上する。すなわち、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂ、上ダイ３８及び下ダイ４０の内部深くまで硬度及び強度が上昇し、その結果、内部の耐摩耗性が向上するとともに、変形し難くなる。

なお、後述するように、拡散層３６ａ、３６ｂは、母材の表面から拡散された金属元素が炭化物を生成することによって形成される。このため、炭化物の濃度は、表面で最も高く、母材の内部に指向するにつれて漸次的に減少する。

また、炭化物の濃度がこのように漸次的に減少するため、拡散層３６ａ、３６ｂと母材との間に明確な界面は存在しない。このため、応力集中が起こることを回避することができるので、金属元素を拡散させることに伴って脆性が増すことを回避することができる。なお、図５においては、拡散層３６ａが存在することを明確にするため、拡散層３６ａと母材との間に便宜的に境界線を付している。

このように構成された鍛造用金型２０が使用される際には、下ダイ４０及び鍛造用下パンチ２６ｂによって形成される位置決め用のキャビティ内に円柱状のワーク１８が装填され、図示しない第１及び第２押圧機構を駆動させて鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂを相互に接近させる方向に変位させることにより前記ワーク１８が加圧される。そして、前記鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂと略同時に図示しない昇降機構を付勢して上ダイ３８を下降させることにより前記上ダイ３８と前記下ダイ４０とが当接し、前記上下ダイ３８、４０の凹部４２、４２によってトラニオン成形用のキャビティが形成される。

その際、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂによって加圧されたワーク１８が塑性変形し、前記トラニオン成形用のキャビティに前記塑性変形した肉が流動しようとする肉流れが発生し、上ダイ３８及び下ダイ４０に設けられた第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂによって好適に絞られた状態でトラニオン成形用のキャビティ内に流入するため、前記トラニオン成形用のキャビティの隅々まで塑性変形した肉が充填される。

上記したように、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂにおけるパンチ成形部３４及び小径部３２の端面、上ダイ３８、下ダイ４０の第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂは、拡散層３６ａ、３６ｂが存在するために高硬度及び高強度であり、且つ靱性が確保されている。従って、これらの部位は、鍛造加工を繰り返し行っても摩耗し難く、しかも、欠損が生じ難い。

一方、ワーク１８を押圧する鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂにおいては、この押圧に伴い、小径部３２の胴部に荷重が加わる。しかしながら、上記したように、該胴部は、その表層部の靱性が高いために高靱性である。このため、該胴部は、鍛造加工を繰り返し行っても割れが生じ難い。

すなわち、拡散層３６ａ、３６ｂを設けることによって鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂ、上ダイ３８、下ダイ４０の長寿命化を図ることができ、一方、ＳＫＨ５１の硬度上昇に寄与する元素を表層部に拡散・排出させて濃度変化部３７を設けることにより、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂの寿命を長期化することができる。

拡散層３６ａ及び濃度変化部３７を有する鍛造用上パンチ２６ａは、以下のようにして製造することができる。

先ず、図６（ａ）に示すＳＫＨ５１からなる円筒体形状のワークＷに対して、図６（ｂ）に示すように、バイト５０による切削加工を施し、鍛造用上パンチ２６ａの形状に対応する形状の予備成形体５２とする。

次に、この予備成形体５２におけるパンチ成形部３４及び小径部３２の端部の一部表面に、図６（ｃ）に示すように、拡散させる金属の粉末を塗布する。例えば、Ｗを拡散させるのであればＷ粉末が配合された粉末、Ｃｒを拡散させるのであればＣｒ粉末が配合された粉末を塗布すればよい。なお、粉末の塗布分量は、例えば、Ｗ₆ＣやＣｒ₆Ｃ等が生成する量とすればよい。

その一方で、ＳＫＨ５１に含まれる元素であって、且つＳＫＨ５１の硬度を上昇させるものではないもの、すなわち、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎ等以外の元素を含む物質の粉末を、予備成形体５２における小径部３２の胴部となる部位の表面に塗布する。このような粉末の好適な例としては、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇを挙げることができる。

いずれの場合においても、粉末の塗布は、該粉末を溶媒に分散させて調製した塗布剤５４ａ、５４ｂを塗布することによって行えばよい。溶媒としては、アセトンやアルコール等、容易に蒸発する有機溶媒を選定することが好ましい。前記ワーク押圧部位に塗布する塗布剤５４ａを調製する場合、溶媒にＷ、Ｃｒ等の粉末を分散させればよく、前記胴部に塗布する塗布剤５４ｂを調整する場合、溶媒にＣやＳｉ等の粉末を分散させればよい。

ここで、母材であるＳＫＨ５１の表面には、通常、自発的に形成された酸化物膜が存在する。この状態で上記した元素を拡散させるには、該元素が酸化物膜を通過できるように、多大な熱エネルギを供給しなければならない。これを回避するために、各塗布剤５４ａ、５４ｂに、酸化物膜を還元することが可能な還元剤を混合することが好ましい。

具体的には、酸化物膜に対して還元剤として作用し、且つＳＫＨ５１とは反応しない物質を溶媒に分散ないし溶解させる。還元剤の好適な例としては、ニトロセルロース、ポリビニル、アクリル、メラミン、スチレン、エポキシの各樹脂を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。なお、還元剤の濃度は、５％程度とすればよい。

以上の物質が溶解ないし分散された塗布剤５４ａ、５４ｂは、それぞれ、図６（ｃ）、（ｄ）に示すように、刷毛５６を使用する刷毛塗り法によって、ワーク押圧部位及び小径部３２の胴部の各表面に塗布される。勿論、刷毛塗り法以外の公知の塗布技術を採用するようにしてもよい。また、塗布剤５４ａ、５４ｂの塗布順序を逆にしてもよいことはいうまでもない。

次いで、ワーク押圧部位の表面に塗布剤５４ａが塗布され、且つ小径部３２の胴部の表面に塗布剤５４ｂが塗布された予備成形体５２に対して熱処理を施す。この熱処理は、図６（ｅ）に示すように、バーナー火炎５８を予備成形体５２の一端面側から当てることによって施すことができる。勿論、熱処理炉内において不活性雰囲気中で熱処理するようにしてもよい。なお、図６（ｅ）には、塗布剤５４ａと塗布剤５４ｂとの境界を明確にするべく、便宜上、二点差線を付している。

この昇温の過程では、２５０℃程度で還元剤が分解し始め、炭素や水素が生成する。予備成形体５２の酸化物膜は、この炭素や水素の作用下に還元されて消失する。このため、パンチ成形部３４及び小径部３２の端部ではＷやＣｒ等が、小径部３２の胴部ではＣやＳｉ等が酸化物膜を通過する必要がなくなるので、拡散に要する時間を短縮することができるとともに、熱エネルギを低減することができる。

さらに昇温を続行すると、パンチ成形部３４及び小径部３２の端部では、母材であるＳＫＨ５１の構成元素であるＣや還元剤が分解することによって生成したＣと、ＷやＣｒ等とが反応して、Ｗ₆ＣやＣｒ₆Ｃ、Ｗ₂₃Ｃ₆、Ｃｒ₂₃Ｃ₆等が生成する。Ｆｅがさらに関与した場合には、（Ｆｅ，Ｗ）₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）₂₃Ｃ₆、（Ｆｅ，Ｃｒ）₂₃Ｃ₆等も生成する。

生成したＷ₆ＣやＣｒ₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）₆Ｃ等の炭化物の一部は即座に分解し、Ｆｅ、Ｗ、Ｃｒに戻る。このうち、Ｗ、Ｃｒは、次に、母材のより内部側に存在する該母材の構成元素であるＣ、Ｆｅや、該母材のより内部側に遊離状態で存在するＣと結合して、新たにＷ₆Ｃ、Ｃｒ₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）₆Ｃ等を生成する。このＷ₆ＣやＣｒ₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）₆Ｃも即座に分解してＷ、Ｃｒに戻った後、母材の一層内部側に存在する該母材の構成元素であるＣ、Ｆｅや、該母材の一層内部側に遊離状態で存在するＣと結合して、再度Ｗ₆Ｃ、Ｃｒ₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）₆Ｃ等を生成する。このようにして炭化物が分解、生成を繰り返すことにより、該炭化物が母材の内部深くまで拡散する。

このようにして、母材の内部にＷ_６ＣやＣｒ_６Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）_６Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）_６Ｃが拡散し、その結果、拡散層３６ａが形成される（図２参照）。なお、炭化物の濃度は漸次的に減少し、炭化物の拡散到達終端部と母材との間に明確な界面が生じることはない。従って、脆性破壊が生じることを回避することができるので、拡散層３６ａが形成されたワーク押圧部位の靱性を確保することもできる。拡散層３６ａの厚み、すなわち、炭化物の拡散距離は、最大で表面から１５ｍｍ程度の深さまで及ぶ。

上記と同様にして、ＭｏやＶ、Ｎｉの炭化物を母材の内部に拡散させて拡散層３６ａを形成することもできる。

その一方で、小径部３２の胴部では、ＳＫＨ５１の構成元素であるＷやＣｒ等が、還元剤が分解することによって生成したＣやＳＫＨ５１に含まれる遊離Ｃ等と反応し、その結果、Ｗ₆ＣやＣｒ₆Ｃ、Ｗ₂₃Ｃ₆、Ｃｒ₂₃Ｃ₆等が生成する。塗布粉末にＦｅが混合されている場合、Ｆｅとの固溶体の炭化物である（Ｆｅ，Ｗ）₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）₂₃Ｃ₆、（Ｆｅ，Ｃｒ）₂₃Ｃ₆等がさらに生成する。ここで、Ｆｅの拡散速度はＣ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇに比して大きく、従って、塗布剤５４ｂに含まれたＦｅの濃度は、濃度変化部３７の内部側で大きくなる。

生成したＷ₆ＣやＣｒ₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）₆Ｃ等の炭化物は即座に分解し、Ｆｅ、Ｗ、Ｃｒに戻る。このうち、Ｗ、Ｃｒは、表面側に拡散移動する。この理由は、表面側に存在するＣやＳｉ等が、ＷやＣｒ等を捕捉する作用があるためであると推察される。なお、塗布剤にＣｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇが含まれている場合、これらは酸素を遮断する作用をも営む。このため、ＳＫＨ５１が酸化することを回避することができる。

上記の拡散過程で、ＷやＣｒは、予備成形体５２の表面側に存在するＳＫＨ５１の構成元素であるＣ、Ｆｅや、該表面側に遊離状態で存在するＣと結合して、新たにＷ₆Ｃ、Ｃｒ₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）₆Ｃ等を生成する。このＷ₆ＣやＣｒ₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）₆Ｃも即座に分解してＷ、Ｃｒに戻った後、予備成形体５２の一層表面側に存在するＣ、Ｆｅや、該表面側に遊離状態で存在するＣと結合して、再度Ｗ₆Ｃ、Ｃｒ₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）₆Ｃ等を生成する。このようにして炭化物が分解、生成を繰り返すことにより該炭化物が予備成形体５２の外表面まで拡散し、その結果、該外表面に炭化物からなる皮膜が形成される。この炭化物は化学的に安定であり、従って、予備成形体５２の表層部の外表面に皮膜が形成される。なお、皮膜の厚みは、およそ０．５ｍｍ程度である。

このようして、表層部側に存在するＷやＣｒが、Ｗ₆ＣやＣｒ₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）₆Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）₆Ｃ等として予備成形体５２の外表面に拡散される。その結果として、ＷやＣｒ等の濃度が、皮膜の直下の表層部で最も低くなるとともに内部側になるにつれて漸次的に増加するようになる。すなわち、濃度変化部３７が形成される（図３参照）。なお、ＷやＣｒ等の濃度は漸次的に増加するので、上記したように、濃度変化部３７の終端部と母材との間に明確な界面が生じることはない。従って、濃度変化部３７を設けることに伴って脆性破壊が生じることを回避することができる。

その一方で、塗布剤に含まれたＣ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ等が濃度変化部３７に拡散し、該濃度変化部３７に合金や炭化物として残留する。これらの元素はＳＫＨ５１の硬度上昇に寄与しないものであることから、該元素が拡散することによって濃度変化部３７の硬度が上昇することはない。

最後に、図６（ｆ）に示すように、予備成形体５２に対してバイト５０や砥石で仕上げ加工を行い、鍛造用上パンチ２６ａとする。小径部３２の胴部においては、この際に皮膜が切削除去される。上記したように、皮膜の厚みは０．５ｍｍ程度であるので、切削除去は比較的容易である。

皮膜が切削除去された結果、濃度変化部３７が露呈する。上記したように、濃度変化部３７では最上方が最も靱性が高く、従って、小径部３２の胴部では、その表面において靱性が最も大きくなる。

このようにして得られた鍛造用上パンチ２６ａを長手方向に沿って切断し、パンチ成形部３４及び小径部３２に対応する部位の切断面における表面側から内部に指向して測定したＣスケールのロックウェル硬度（ＨＲＣ）を、通常のＳＫＨ５１のＨＲＣとともに図７に示す。図７から、この場合、表面から２．５ｍｍの内部まで硬度が上昇していることが明らかである。

また、同様にして拡散層３６ａが形成されたＪＩＳ Ｚ ２２０１ ４号試験片のテストピースにおける強度は、拡散層３６ａが形成されていない同寸法のテストピースに比して強度が著しく向上する。具体的には、拡散層３６ａが形成されていないテストピースにおける引っ張り強度が約１８００ＭＰａであるのに対し、拡散層３６ａを有するテストピースにおける引っ張り強度は約２２００ＭＰａと、およそ１．２倍となる。

一方、小径部３２の胴部に対応する部位の切断面において、表面側から内部に指向して測定したＣスケールのロックウェル硬度（ＨＲＣ）を図７に併せて示す。図７から、この場合、約２ｍｍの深さまで表面から内部に指向してＨＲＣが上昇していること、換言すれば、表層部における靱性が内部に比して大きいことが明らかである。

なお、上記した実施の形態においては、小径部３２の胴部における外表面に形成された皮膜を切削除去するようにしているが、皮膜を除去することなく用いるようにしてもよい。

また、塗布剤５４ｂに、Ｆｅ基合金の硬度を上昇させる性質を有する元素を含む物質の粉末を添加するようにしてもよい。この場合、該粉末と、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇとの配合比は、Ｆｅ基合金の種類や熱処理条件に応じて適宜設定すればよい。塗布剤５４ｂを塗布して上記と同様の作業を行うことによって、例えば、モリブデン鋼からＭｏを除去することもできる。

さらに、本発明は、スパイダ１０を製造する鍛造用金型２０に特に限定されるものではない。例えば、図示しないトリポート型等速ジョイントの外輪部材、図示しないバーフィールド型等速ジョイントの外輪部材、インナリング等を鍛造成形する鍛造用金型にも適用することができることは勿論である。

熱間金型用鋼であるＤＨ３１を用い、底面の直径が８０ｍｍ、高さが８０ｍｍの円柱体を作製した。

その一方で、エポキシ樹脂１０％のアセトン溶液に、周期律表ＩＩＩ族〜ＶＩＩＩ族に属する物質の粉末（粒径１０〜７０μｍ）を図８に示す割合で添加して、２種の塗布剤Ａ、Ｂを調製した。ここで、塗布剤Ａには、ＤＨ３１をはじめとする各種鋼材の硬度を向上させる物質が主に含まれ、また、塗布剤Ｂには、各種鋼材に含まれ且つ硬度上昇に寄与しない物質が主に含まれる。

その後、塗布剤Ａ、Ｂのそれぞれを、同一円柱体の表面における異なる部位に塗布した。なお、塗布は刷毛塗りによって行い、塗布剤Ａ、Ｂの厚みは１ｍｍとした。

塗布剤Ａ、Ｂのそれぞれを自然乾燥させた後、１０００〜１１８０℃で２時間保持することによって焼入処理を行い、次に、５００〜６００℃で２時間保持して焼戻処理を行った。

次に、前記円柱体を高さ方向に切断して、塗布剤Ａ又は塗布剤Ｂを塗布した部位それぞれにつき、底面の中心から高さ方向に沿って０．５ｍｍ毎にＨＲＣを測定した。なお、塗布剤Ｂを塗布した部位では、皮膜をすべて切削除去した後に測定を行った。

各々の部位における表面からの距離とＨＲＣとの関係を併せて図９に示す。未処理のＤＨ３１におけるＨＲＣが概ね５２〜５４であるのに対し、塗布剤Ａを塗布した場合には硬度が上昇していること、一方、塗布剤Ｂを塗布した場合には硬度が減少していることが明らかである。後者から、塗布剤Ｂを塗布することによって靱性を向上させることができることが諒解される。

また、このことから、同一部材に対して熱処理を施す場合であっても、塗布剤の種類を変更することによって、硬度が向上した部位と靱性が向上した部位を個別に作製することができることが分かる。

図１Ａ〜図１Ｄは、本実施の形態に係る鍛造用金型を用いて製造されるスパイダの製造工程である。 本実施の形態に係る鍛造用金型によって中間成形体を成形している状態を示す概略縦断面説明図である。 図２の鍛造用金型を構成する鍛造用パンチの概略全体斜視図である。 図３の鍛造用パンチの要部拡大縦断面図である。 図３の鍛造加工用パンチにおける小径部の胴部の要部拡大縦断面図である。 図３の鍛造加工用パンチの製造過程を示すフロー説明図である。 得られた鍛造加工用パンチの成形部、小径部の胴部における切断面の表面から内部に指向して測定したＨＲＣを示すグラフである。 塗布剤の組成と割合を示す図表である。 ＤＨ３１製のテストピースにおける表面からの距離とＨＲＣとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１０…スパイダ １４…リング体
１６ａ〜１６ｃ…トラニオン ２０…鍛造用金型
２６ａ、２６ｂ…鍛造用パンチ ３２…小径部
３４…パンチ成形部 ３６ａ、３６ｂ…拡散層
３７…濃度変化部 ３８、４０…ダイ
４１…第１部位 ４２…凹部
４４ａ、４４ｂ…ダイ成形部 ５２…予備成形体
５４…塗布剤 ５８…バーナー火炎

Claims (10)

1. Ｆｅ基合金からなる母材の内部に炭化物が拡散することにより形成されて前記母材に比して高硬度な拡散層が存在する部位を有する鍛造用金型であって、
   前記母材における前記拡散層が存在する表面と同一表面内の別部位に、前記母材の硬度を上昇させる性質を有する元素の量が該母材の表層部から内部になるに従って増加することに伴い硬度が上昇する濃度変化部を有することを特徴とする鍛造用金型。
2. 請求項１記載の鍛造用金型において、前記濃度変化部の外表面に、前記母材の硬度を上昇させる性質を有する元素が炭化物化した炭化物を含む皮膜が形成されていることを特徴とする鍛造用金型。
3. 請求項１又は２記載の鍛造用金型において、前記炭化物は、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの炭化物であることを特徴とする鍛造用金型。
4. 請求項３記載の鍛造用金型において、金属元素をＭで表すとき、前記炭化物の組成式は、Ｍ_６Ｃ又はＭ_２３Ｃ_６であることを特徴とする鍛造用金型。
5. 請求項１又は２記載の鍛造用金型において、前記炭化物は、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種と、Ｆｅとの固溶体が炭化物化したものであることを特徴とする鍛造用金型。
6. 請求項５記載の鍛造用金型において、金属元素をＭで表すとき、前記炭化物の組成式は、（Ｆｅ，Ｍ）_６Ｃ又は（Ｆｅ，Ｍ）_２３Ｃ_６であることを特徴とする鍛造用金型。
7. Ｆｅ基合金の表面に硬度を上昇させる第１元素を含む物質の粉末を塗布する一方、前記第１元素以外の元素であり且つＦｅ基合金に含まれる第２元素を含む物質の粉末を、前記第１元素が塗布された表面と同一表面内の別部位に塗布するか、又は、前記第２元素を含む物質の粉末をＦｅ基合金の表面に塗布する一方、前記第２元素を含む物質の粉末が塗布された表面と同一表面内の別部位に前記第１元素を含む物質の粉末を塗布する工程と、
   前記第１元素又は前記第２元素を含む物質の各粉末が塗布された前記Ｆｅ基合金に対して熱処理を施し、前記第１元素を含む物質の粉末が塗布された部位に前記Ｆｅ基合金に比して高硬度な拡散層を設ける一方、前記第２元素を含む物質の粉末が塗布された部位に前記Ｆｅ基合金の硬度を上昇させる性質を有する元素の量が該Ｆｅ基合金の表層部から内部になるに従って増加することに伴い硬度が上昇する濃度変化部を設ける工程と、
   を有し、
   前記拡散層を、前記第１元素を前記Ｆｅ基合金の内部に拡散させて該Ｆｅ基合金を構成する炭素と反応させることによって炭化物を拡散させて設け、
   前記濃度変化部を、前記Ｆｅ基合金を構成する前記第１元素を該Ｆｅ基合金の内部から表層部側に拡散させ、該表層部に存在して該Ｆｅ基合金を構成する炭素と前記第１元素とを反応させて炭化物を含む皮膜として前記Ｆｅ基合金から排出することで、前記拡散層が存在する表面と同一表面内の別部位に設けることを特徴とする鍛造用金型の製造方法。
8. 請求項７記載の製造方法において、前記第１元素として、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎを使用することを特徴とする鍛造用金型の製造方法。
9. 請求項７又は８記載の製造方法において、前記第２元素として、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇを使用することを特徴とする鍛造用金型の製造方法。
10. 請求項７〜９のいずれか１項に記載の製造方法において、前記皮膜を除去する工程を有することを特徴とする鍛造用金型の製造方法。

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