JP5141345B2 - 鍛造加工用の金属材料の表面処理方法及び表面処理システム、並びに、鍛造品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鍛造加工用の金属材料を表面処理する表面処理方法とその表面処理方法に用いる表面処理システムに関する。また、その表面処理方法によって表面処理された金属材料を鍛造加工して鍛造品を製造する方法に関する。

鍛造加工に用いる金属材料の表面処理を行う技術が知られている。
例えば、金属材料の表面に酸化膜が形成されていると、鍛造加工時に鍛造品中に酸化膜が混入して鍛造品の強度が低下することがある。このため、鍛造加工の前に、金属材料の表面の酸化膜を除去する処理が行われる。この処理は、多くの場合、金属材料に向けて粒状の固体（以下、粒状体という）を噴射するブラスト処理により行われる。
また、金属材料をそのまま鍛造加工すると、鍛造型と金属材料との摩擦が大きいために好適に鍛造加工を行うことができない場合がある。このため、鍛造加工の前に、金属材料の表面に被膜（鍛造型との摩擦を低減させる被膜（以下では、潤滑被膜という））を形成する処理が行われる。この処理は、多くの場合、適切な温度まで金属材料を予熱した後に、金属材料を溶液に浸漬する等して潤滑被膜を形成することにより行われる。金属材料を予熱することで、金属材料の表面に潤滑被膜が成長することを促進することができる。

一般に、鍛造加工用の金属材料は、以下の方法によって表面処理される。まず、ブラスト処理によって金属材料の表面の酸化膜を除去する（ブラスト工程）。次に、金属材料を加熱した液体に浸漬する（湯洗工程）。湯洗工程では、液体によって金属材料を加熱（予熱）するとともに、ブラスト工程後に金属材料の表面に残存する粒状体を洗い流す。湯洗工程が終了したら、金属材料を溶液に浸漬し、金属材料の表面に潤滑被膜を形成する（被膜形成工程）。
このように表面処理した金属材料を鍛造加工することで、高品質の鍛造品を製造することができる。

なお、特許文献１には、リン酸塩（潤滑被膜を形成する材料）を金属材料に向けて噴射するブラスト処理により、金属材料の表面処理を行う技術が開示されている。

特開平１０−３１５１３７号公報

上述した金属材料の表面処理方法では、湯洗工程において、金属材料の予熱と洗浄を行う。このとき、金属材料の表面に残存している粒状体は短時間で除去できる一方で、金属材料の予熱には長時間を要する（すなわち、金属材料を適切な温度まで昇温させるのに長時間を要する）。このため、湯洗工程を長時間実施する必要があり、表面処理に要する時間も長時間となるという問題があった。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、短時間で金属材料を表面処理することができる表面処理方法を提供する。また、その表面処理方法によって表面処理された金属材料を鍛造加工して鍛造品を製造する方法を提供する。また、その表面処理方法に用いることができる表面処理システムを提供する。

本発明は、鍛造加工用の金属材料を表面処理する表面処理方法を提供する。この表面処理方法は、ブラスト工程と被膜形成工程を備えている。ブラスト工程では、金属材料を加熱しながら、金属材料に向けて粒状体を噴射する。被膜形成工程では、ブラスト工程後の金属材料の表面に潤滑被膜を形成する。
この表面処理方法では、ブラスト工程中に金属材料を加熱する。これによって、ブラスト工程が終了するまでに金属材料が十分な温度まで昇温される。したがって、ブラスト工程を終了した後に、金属材料を予熱することなく、被膜形成工程を開始することができる。表面処理を短時間で行うことができる。
なお、ブラスト工程後に金属材料の表面に粒状体が残存している場合には、金属材料を洗浄してもよい。上述したように、粒状体は短時間で除去できるので、洗浄を行ったとしても表面処理に要する時間がそれほど長時間となることはない。
また、被膜形成工程は、金属材料を溶液に浸漬したり、金属材料の表面に溶液を塗布する等、種々の方法によって実行することができる。

上述した表面処理方法は、ブラスト工程において、粒状体を含む加熱した液体を金属材料に向けて噴射する。
このような構成によれば、ブラスト工程中に金属材料を好適に加熱することができる。

上述した表面処理方法は、ブラスト工程が、粒状体を含む加熱した液体を金属材料に向けて噴射する第１噴射工程と、第１噴射工程後に粒状体を含まない加熱した液体を金属材料に向けて噴射する第２噴射工程を備えている。
このような構成によれば、第１噴射工程後に金属材料の表面に残存する粒状体を、第２噴射工程で除去（洗浄）できる。また、第２噴射工程では、加熱した液体を金属材料に向けて噴射するので、金属材料の温度が低下することもない。

また、上述した表面処理方法によって表面処理された金属材料を鍛造加工することによって、高い製造効率で鍛造品を製造することが可能となる。

また、本発明は、上述した表面処理方法に用いることができる表面処理システムを提供する。この表面処理システムは、金属材料を加熱しながら、金属材料に向けて粒状体を噴射するブラスト装置と、金属材料の表面に潤滑被膜を形成する被膜形成装置を備えている。なお、ブラスト装置は、粒状体を含む加熱した液体を金属材料に向けて噴射する第１動作と、粒状体を含まない加熱した液体を金属材料に向けて噴射する第２動作を実行可能である。
この表面処理システムによれば、短時間で金属材料の表面処理を行うことができる。

本発明によれば、短時間で金属材料の表面処理を行うことが可能となる。

下記に詳細に説明する実施例の主要な特徴を最初に列記する。
（特徴１）被膜形成工程では、非ボンデ膜（リン酸塩を含まない潤滑被膜）を形成する。
（特徴２）ブラスト工程では、金属材料を７０℃以上に加熱する。
（特徴３）被膜形成工程は、金属材料の温度が７０℃未満の温度に低下する前に開始する。
（特徴４）ブラスト工程の前に、金属材料を焼き鈍しする焼き鈍し工程を実行する。

本発明を適用した実施例の鍛造品の製造方法について説明する。なお、一般に、鍛造加工用の金属材料の潤滑被膜としてボンデ膜（リン酸塩を含む潤滑被膜）を形成することが多いが、近年ではボンデ膜の形成時に生じる廃液が環境上問題となることが指摘されている。したがって、本実施例では、潤滑被膜として非ボンデ膜（リン酸塩を含まない潤滑被膜）を形成し、鍛造加工を実施する。

図１は、本実施例の鍛造品製造方法を示すフローチャートである。
ステップＳ２の切断工程では、棒状の金属材料を適切な大きさに切断する。

ステップＳ４の焼き鈍し工程では、切断後の金属材料を焼き鈍しする。すなわち、金属材料を加熱し、その後、冷却する。これによって、金属材料中の残留応力が緩和される。
なお、焼き鈍し前の金属材料の表面には既に酸化膜が形成されているが、焼き鈍しを実行することで金属材料の表面の酸化が進行する。したがって、より酸化膜が厚くなる。

ステップＳ６、Ｓ８では、図２に示すブラスト装置１０を用いて、焼き鈍し後の金属材料をブラスト処理する（ブラスト工程）。
図２に示すように、ブラスト装置１０は、エア供給管１２と、粒状体混合水供給管１４と、温水供給管１６と、混合器１８と、ノズル２０を備えている。エア供給管１２と粒状体混合水供給管１４と温水供給管１６は、混合器１８に接続されている。エア供給管１２は、加圧した空気を混合器１８に供給する。粒状体混合水供給管１４は、粒状体と水とを混合した液体（以下では、粒状体混合水という）を混合器１８に供給する。粒状体混合水供給管１４は、所定温度に加熱された粒状体混合水を混合器１８に供給する。温水供給管１６は、所定温度に加熱された温水を混合器１８に供給する。混合器１８は、エア供給管１２から供給される空気と粒状体混合水供給管１４から供給される粒状体混合水を混合する運転と、エア供給管１２から供給される空気と温水供給管１６から供給される温水を混合する運転の２つの運転を実行することができる。混合器１８は、混合した流体（空気と粒状体混合水との混合流体、または、空気と温水との混合流体）をノズル２０に送り出す。ノズル２０は、混合器１８から送り込まれる混合流体を噴射する。混合器１８に供給される空気の圧力が高圧であるので、ノズル２０からは高速で混合流体が噴射される。すなわち、ブラスト装置１０は、ノズル２０から粒状体混合水を噴射する運転と、温水（粒状体を含まない温水）を噴射する運転を実行できる。
なお、上述したように、ブラスト装置１０は、１つのノズル２０から粒状体混合水と温水を噴射する。しかしながら、ブラスト装置１０は、粒状体混合水を噴射するノズルと、粒状体を含まない温水を噴射するノズルとをそれぞれ別個に備えていてもよい。

ステップＳ６の第１噴射工程では、ブラスト装置１０によって、金属材料に向けて粒状体混合水を噴射する。すなわち、図２の参照番号３０に示すように、ノズル２０に対向する位置に金属材料を配置する。また、エア供給管１２から混合器１８に空気を供給するとともに、粒状体混合水供給管１４から混合器１８に粒状体混合水を供給し、混合器１８を作動する。これによって、ノズル２０から金属材料３０に向けて、空気と粒状体混合水との混合流体が高速で噴射される。噴射された粒状体混合水は、金属材料の表面に衝突する。これによって、金属材料の表面が研磨され、金属材料の表面の酸化膜が除去される。また、上述したように、粒状体混合水供給管１４は所定温度に加熱された粒状体混合水を供給するので、金属材料３０には加熱された粒状体混合水が噴射される。したがって、金属材料３０は、噴射される粒状体混合水によって加熱される。本実施例では、金属材料３０は、ステップＳ６の実行中に７０℃以上の温度まで加熱される。

ステップＳ８の第２噴射工程では、ブラスト装置１０の運転を切り換えることによって、金属材料３０に向けて温水を噴射する。すなわち、粒状体混合水供給管１４から混合器１８への粒状体混合水の供給を停止し、温水供給管１６から混合器１８へ温水を供給する。これによって、ノズル２０から金属材料に向けて、空気と温水との混合流体が噴射される。すなわち、粒状体を含まない温水が金属材料に向けて噴射される。金属材料３０に温水が噴射されることによって、金属材料３０の表面に残存している粒状体が洗い流される。また、温水による加熱によって、金属材料３０の温度は７０℃以上の温度に維持される。

ステップＳ１０の被膜形成工程では、金属材料の表面に潤滑被膜（非ボンデ膜）を形成する。すなわち、被膜形成装置を用いて、金属材料を、潤滑被膜を形成するための溶液に所定時間だけ浸漬する。なお、ステップＳ１０は、ステップＳ８の終了後に金属材料が７０℃未満の温度に低下する前に（すなわち、金属材料が７０℃以上の温度に維持されている状態で）開始する。非ボンデ膜はボンデ膜に比べて成長し難いが、このように予熱されている金属材料を溶液に浸漬することで非ボンデ膜の成長が促進される。

ステップＳ１２の鍛造加工工程では、潤滑被膜を形成した金属材料を金型でプレスすることによって、鍛造品を鍛造加工する。金属材料の表面には潤滑被膜が形成されているので、金属材料と金型との摩擦が小さく、好適に鍛造加工を行うことができる。また、金属材料の表面の酸化膜が除去されているので、高品質の鍛造品を製造することができる。

以上に説明したように、本実施例の鍛造品の製造方法では、金属材料を加熱しながらブラスト行程を実施する。したがって、ブラスト工程後に金属材料を予熱する必要がない（すなわち、湯洗工程を実施する必要がない）。ブラスト工程後にすぐに被膜形成工程（ステップＳ１０）を実行することができる。すなわち、短時間で金属材料の表面処理を実施することができる。
また、本実施例の鍛造品の製造方法では、ステップＳ６の第１噴射工程において、金属材料に向けて加熱した粒状体混合水（すなわち、粒状体を含む温水）を噴射する。これによって、金属材料を加熱するとともに、金属材料の表面の酸化膜を除去する。このように、加熱した粒状体混合水を噴射することで、金属材料を均一に加熱することができる。また、混合器１８に供給する粒状体混合水を加熱する手段を設けるだけで金属材料を加熱することができる。ブラスト装置１０をそれほど複雑化することなく、金属材料を好適に加熱することが可能となる。
また、本実施例の鍛造品の製造方法では、ステップＳ８の第２噴射工程において、金属材料に向けて温水を噴射する。これによって、金属材料の表面に残存する粒状体を除去する。このように、同一のブラスト装置１０によって、金属材料の表面研磨（第１噴射工程）と金属材料の洗浄（第２噴射工程）を実施することで、より短時間で金属材料の表面処理を行うことが可能となる。また、温水を噴射するので、金属材料の温度が低下することを防止することができる。なお、第２噴射工程の開始時には金属材料が既に昇温しているので、第２噴射工程では金属材料を昇温させる必要がない。すなわち、第２噴射工程は、金属材料の表面の粒状体を除去するだけでよいので、短時間で終了することができる。

以上に説明したように、本実施例の鍛造品の製造方法では、ブラスト工程後の湯洗工程を省略することができる。
図３は、比較例として従来の鍛造品の製造方法におけるフローチャートを示している。従来の製造方法では、ステップＳ２６のブラスト工程をドライブラスト（液体を用いずに粒状体のみを金属材料に向けて噴射するブラスト）で行うので、ブラスト工程中に金属材料が加熱されない。したがって、ブラスト工程後に、ステップＳ２８の湯洗工程を実施して、金属材料を洗浄すると共に金属材料を予熱する必要があった。図３に示すように、湯洗工程は７個流しで６０秒の工数を要する。
一方、本実施例の鍛造品製造方法では、図１に示すように、湯洗工程を実施しない。すなわち、長時間を要するために７個流しをする必要があった湯洗工程を省略できる。したがって、ステップＳ１０の被膜形成工程を１個流しで実施することができる（図３の従来の製造方法では、ステップＳ３０の被膜形成工程を７個流しで行う）。すなわち、焼き鈍し工程後の各工程を全て１個流しで行うことができる。このため、製造ライン中に仕掛り品をストックすることなく、ジャストインタイムで鍛造品を製造することができる。また、本実施例の製造方法では、工程の数が減少するため、工程の管理項目が少なって鍛造品の品質管理が容易となる。また、鍛造品の品質バラツキも少なくなる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

実施例の鍛造品の製造工程を示すフローチャート。 ブラスト装置１０の概略工程を示す図。 従来の鍛造品の製造工程を示すフローチャート。

符号の説明

１０：ブラスト装置
１２：エア供給管
１４：粒状体混合水供給管
１６：温水供給管
１８：混合器
２０：ノズル
３０：金属材料

Claims (3)

1. 鍛造加工用の金属材料を表面処理する方法であって、
   金属材料を加熱しながら、金属材料に向けて粒状体を噴射するブラスト工程と、
   ブラスト工程後の金属材料の表面に潤滑被膜を形成する被膜形成工程、を備え、
   ブラスト工程では、粒状体を含む加熱した液体を金属材料に向けて噴射する第１噴射工程と、第１噴射工程後に粒状体を含まない加熱した液体を金属材料に向けて噴射する第２射工程を備えていることを特徴とする表面処理方法。
2. 請求項１に記載の表面処理方法によって表面処理された金属材料を鍛造加工することによって、鍛造品を製造する方法。
3. 鍛造加工用の金属材料を表面処理する表面処理システムであって、
   金属材料を加熱しながら、金属材料に向けて粒状体を噴射するブラスト装置と、
   金属材料の表面に潤滑被膜を形成する被膜形成装置、を備えており、
   ブラスト装置は、粒状体を含む加熱した液体を金属材料に向けて噴射する第１動作と、
   粒状体を含まない加熱した液体を金属材料に向けて噴射する第２動作を実行可能であることを特徴とする表面処理システム。

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