JP5920974B2

JP5920974B2 - 塑性加工用潤滑皮膜評価方法及び塑性加工用潤滑皮膜評価装置

Info

Publication number: JP5920974B2
Application number: JP2012088406A
Authority: JP
Inventors: 小見山　忍; 忍小見山; 志剛王; 昭紀高橋; 仁俊広瀬
Original assignee: Nihon Parkerizing Co Ltd
Current assignee: Nihon Parkerizing Co Ltd
Priority date: 2012-04-09
Filing date: 2012-04-09
Publication date: 2016-05-24
Anticipated expiration: 2032-04-09
Also published as: JP2013215773A

Description

この発明は、塑性加工用潤滑皮膜評価方法及び塑性加工用潤滑皮膜評価装置に係り、特に、金属の塑性加工の中でも加工度が厳しい鍛造分野にて使用される潤滑皮膜の性能を評価する塑性加工用潤滑皮膜評価方法及び塑性加工用潤滑皮膜評価装置に関する。

金型との接触面圧が非常に大きな環境下において、被加工材表面が大きな変形を強いられる冷間鍛造用の潤滑皮膜を評価するためには、特に、現実的な塑性加工表面での潤滑状態を表現でき得る鍛造用潤滑皮膜評価方法の適用が重要である。例えばリング圧縮試験では、加工後の試験片形状から加工時表面の摩擦係数履歴を見積もることができ、潤滑皮膜の基礎特性を調査する上で重宝されている。しかし、リング圧縮試験での表面積拡大比は２程度と小さく、また面圧も小さいため、現実の鍛造加工表面には遠く及ばない。そのような中、近年、より現実的な鍛造加工表面を表現しようとする評価方法が提案されるようになってきた。

そのような評価方法の一つとして、特許文献１に、スパイク試験法が開示されている。スパイク試験法は、まず、水平面に対して小さく傾斜した上方ロート部分と大きく傾斜した下方ロート部分とが、アールをつけた移行部分により接続されたロート状の内面形状を有するダイにのせられた円柱状の金属片に潤滑剤の適用下で荷重をかけてこの金属片をダイに押し込んで成形することにより、ダイ形状に従うスパイクを形成する。この後、成形された金属片を押し込み方向と逆の方向から突き出す操作を行ない、一定の押込量を達成するのに要した荷重、形成されたスパイクの高さ及び突き出しに要する荷重の値に基づいて、潤滑剤の性能を決定する。

また、別の評価方法の一つとして、特許文献２に、テーパーカップ試験法が開示されている。テーパーカップ試験法は、先端近傍が前方に絞り込まれた形状になっているパンチを押し込む上面を除く外側が拘束されていて、かつ、評価対象の塑性加工用潤滑剤で表面が被覆されている材料に対して後方押出し加工を行い、そのときの成形荷重またはストリッパ荷重を測定し、測定された成形荷重またはストリッパ荷重の大小で塑性加工用潤滑剤の潤滑性能を評価することを特徴とする。

さらに、別の評価方法の一つとして、特許文献３に、潤滑剤評価方法が開示されている。潤滑剤評価方法は、潤滑剤が外周面に被着されている柱状の金属試験片を塑性変形させることにより、潤滑剤の潤滑性能を評価する潤滑剤評価方法である。金属試験片をその両端面から一定のストロークで挟圧して金属試験片の中間部を外周側へフランジ状に突出させる塑性加工を行い、そのときの金属試験片に対する押圧荷重に基づいて潤滑剤の潤滑性能を評価することを特徴とする。

上述した評価方法での被加工材の変形は、通常、金型に沿った形で行われ、その表面に位置する潤滑皮膜は金型と被加工材間での接触圧力を受けながら摩擦される。一般に、各種評価方法では、この時の皮膜の脱落やダメージ状況とそれに伴う摩擦低減能や耐焼付能などの諸性能の差異などを評価している。

一方、鍛造部品の加工形態によっては、金型に接触せずに自由表面で変形する過程を経たうえで金型に接触した変形を迎えるものも存在する。このような加工形態のものとしては、べベルギア、インナーレース、トリポートなどの自動車駆動部に用いられる部品類が挙げられる。これらは一般に、円柱状のビレットを上下金型で挟圧することで円柱側面を自由表面として張出していく過程を経て、それぞれの最終形状を作り出すギア型などへ被加工材を充填していく閉塞鍛造が行われる。鋼材の自由表面での変形は、その表面粗さを大きく荒らすことが知らており、その表面に位置する潤滑皮膜は脱落したり皮膜構造が破壊されたりと大きなダメージを受けることが指摘されている。このような現実的な加工環境における潤滑皮膜の総合的な挙動を評価しようとする方法は従来に少なく、近年の冷間鍛造の難易度が高まるなかで急速に求められるようになっている。

そのような要求に対して開発された潤滑皮膜の評価方法が特許文献４の鍛造用潤滑皮膜評価方法である。この方法は、円柱状ビレットの側面に施した潤滑皮膜を評価するものであり、端面拘束条件での据え込み加工に次いで、自由表面として張出した円柱側面を対象とした押出し加工によりカップ状の成型品を形成するものである。自由表面張出しにより潤滑皮膜は脱落などのダメージを受け、その後の押出し工程では、大きい表面積拡大と接触圧力とのもとに金型と被加工材との摩擦界面に介することで実用的な摩擦低減能と焼付抑制能が評価される。

上述したように特許文献４によって、鍛造加工時の自由表面張出しによる皮膜へのダメージを前歴として与えた上での実用的な潤滑皮膜評価が可能となった。自由表面張出し時におけるひずみ量が大きいほど、張出し部表面の荒れは大きくなり、その表面に位置する潤滑皮膜の脱落や構造破壊が顕著になる。円柱両端面を拘束した上で挟圧を行うと、一般に樽状の変形となり、ひずみ量は張出し径が最大となる円柱側面中央部付近が大きくなる。そのため、前歴としての皮膜へのダメージがより大きな表面での潤滑皮膜評価を考えるのであれば、樽状での張出し最大径付近の部位を対象として潤滑評価を行うのが理想である。

特許第３２２７７２１号公報特許第３９１８１７３号公報特開２００７−５１９２０号公報特開２０１０−９４７３１号公報

しかしながら、特許文献４の鍛造用潤滑皮膜評価方法において、潤滑評価の対象となる自由表面張出し部は、据え込み加工の次に行われる押出し加工に向かっての金型構造上の制約で樽状変形試料の端部付近に位置するため、上述した張出し最大径付近と比べると自由表面荒れの程度は小さく、潤滑皮膜へのダメージが現実的な鍛造部品との比較で不十分となることが懸念される。また、自由表面張出し量による表面荒れに伴う皮膜ダメージの程度などを変更した、より現実的な耐性評価などは困難であった。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、厳しい変形を強いられるような難易度が高い加工で潤滑皮膜が曝され得る環境を表現できる、塑性加工用潤滑皮膜評価方法及び塑性加工用潤滑皮膜評価装置を提供することを目的とする。

この発明に係る塑性加工用潤滑皮膜評価方法は、金属製の試験片について潤滑皮膜の潤滑性能を評価する塑性加工用潤滑皮膜評価方法であって、試験片を第１金型及び第２金型で挟み、第１金型及び第２金型が前記試験片を挟圧することにより、試験片を塑性変形させる据え込み加工を行い、ベアリング部が塑性変形した試験片の表面に押し付けられながら表面上を移動することにより塑性変形した試験片を変形させるしごき加工を行う。
試験片に、据え込み率２０％以上の据え込み加工を施すことが好ましい。

この発明に係る塑性加工用潤滑皮膜評価装置は、金属製の試験片について潤滑皮膜の潤滑性能を評価する塑性加工用潤滑皮膜評価装置であって、ベアリング部と、ベアリング部を移動させる駆動部と、第１金型及び第２金型とを備え、試験片を第１金型及び第２金型で挟み、第１金型及び第２金型が試験片を挟圧することにより、試験片を塑性変形させる据え込み加工を行い、ベアリング部が塑性変形した試験片の表面に押し付けられながら表面上を移動することにより塑性変形した試験片を変形させるしごき加工を行う。
第１金型及び第２金型それぞれの試験片と接触する接触面には凹凸部が形成されていてもよい。
ベアリング部は、球面状であることが好ましく、２５ｍｍの曲率半径を有することが好ましく、ベアリング部の表面粗さがＲｚで１μｍ未満であることが好ましい。

この発明によれば、ベアリング部が試験片の表面に押し付けられながら表面上を移動することにより試験片を変形させるしごき加工を行うので、厳しい変形を強いられるような難易度が高い加工で潤滑皮膜が曝され得る環境を表現することができる。

この発明の実施の形態に係る塑性加工用潤滑皮膜評価装置の主要な構成を示す図である。この実施の形態に係る塑性加工用潤滑皮膜評価装置の下パンチの上端面付近の拡大断面図である。この実施の形態に係る塑性加工用潤滑皮膜評価装置による塑性加工用潤滑皮膜評価方法における据え込み加工の工程を説明するための図である。この実施の形態に係る塑性加工用潤滑皮膜評価装置による塑性加工用潤滑皮膜評価方法の据え込み加工における試験片の側面の自由表面の荒れ状況の例を表面粗さ（Ｒｚ）の変化で例示したグラフである。この実施の形態に係る塑性加工用潤滑皮膜評価装置による塑性加工用潤滑皮膜評価方法におけるしごき加工の工程を説明するための図である。この実施の形態に係る塑性加工用潤滑皮膜評価装置による塑性加工用潤滑皮膜評価方法におけるしごき加工後の試験片の斜視図である。この実施の形態に係る塑性加工用潤滑皮膜評価装置による塑性加工用潤滑皮膜評価方法による実施例における焼付き状態の評価基準である。この実施の形態に係る塑性加工用潤滑皮膜評価装置による塑性加工用潤滑皮膜評価方法による実施例において摩擦せん断係数を導入するための校正線図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。尚、以下の実施の形態についての説明では、図面は適宜簡易化あるいは変形されており、各部の寸法比及び形状等については、必ずしも正確には描かれていない。

この発明の実施の形態に係る塑性加工用潤滑皮膜評価装置の構成を図１に示す。塑性加工用潤滑皮膜評価装置１０として、上部２軸以上の可動が可能なプレス機を使用する。塑性加工用潤滑皮膜評価装置１０は、第１金型である円柱形状の上パンチ１と、上パンチ１の下方に位置する第２金型である円柱形状の下パンチ２とを備えている。円柱形状を有する金属製の試験片４が、上パンチ１と下パンチ２とに挟まれるように配置されている。試験片４の表面には、試験対象の潤滑皮膜が形成されている。

また、塑性加工用潤滑皮膜評価装置１０は、円環状のホルダ３ａ内に円周方向に等間隔に設けられた３つの球形状のベアリング部３（図１には２つのみが図示されている）と、ホルダ３ａを上下方向に移動させる駆動部７とを備えている。ホルダ３ａは、上パンチ１をその外周方向に取り囲むように設けられており、各ベアリング部３も上パンチ１をその外周方向に取り囲むように位置している。上パンチ１及び下パンチ２の側面にはそれぞれ、上下方向に延びる溝１ｂ及び２ｂが３本ずつ（図１には２本のみが図示されている）が形成されており、駆動部７によってホルダ３ａが上下移動する際に、ベアリング部３が溝１ｂ及び２ｂに沿って上下移動するようになっている。

ベアリング部３としては、市販のベアリング球を使用することができ、半径２５ｍｍ以下の球体であることが好ましく、半径１０ｍｍ以下の球体であることがより好ましい。ベアリング部３が２５ｍｍを超える半径の球体であると、後述するしごき加工における潤滑皮膜へのしごき程度が小さくなりすぎ焼付きが発生し難くなる。また、ベアリング部３の表面粗さがＲｚで１μｍ未満に調整されていることが好ましく、０．５μｍ未満に調整されていることがより好ましい。ベアリング部３の表面粗さがＲｚで１μｍ以上であると、加工条件が厳しすぎて潤滑皮膜間の比較ができなくなるほど酷い焼付きを生じ易くなる。

上パンチ１が固定されたプレート６には、図示しないレーザー式変位計が設置され、下パンチ２の下方には荷重測定用のロードセル５が設置されている。レーザー式変位計及びロードセル５は、図示しないコンピュータに接続されており、加工ストロークに対する加工荷重のデータを取り込めるようになっている。

図２に示されるように、下パンチ２の上端面２ａには、同心円状の溝１２が複数設けられている。さらに、上端面２ａには、溝１２を囲むようにして、上端面２ａから突出した円環形状の枠部材１３が設けられている。枠部材１３の内径は、試験片４（図１参照）の外径とほぼ同じであり、枠部材１３内に試験片４が嵌り込めるようになっている。また、図示しないが、上パンチ１の下端面１ａ（図１参照）にも、同様の同心円状の複数の溝及び枠部材が設けられている。ここで、溝１２及び枠部材１３（上パンチ１の下端面１ａに設けられた溝及び枠部材も含む）は、凹凸部を構成し、下端面１ａ及び上端面２ａはそれぞれ、試験片４と接触する接触面を構成する。

次に、この実施の形態に係る塑性加工用潤滑皮膜評価装置の動作、すなわちこの発明の実施の形態に係る塑性加工用潤滑皮膜評価方法の手順について説明する。
まず、図１に示されるように、試験片４を下パンチ２の上端面２ａ上に配置し、上パンチ１にて挟み込むことで固定する。このとき、３個のベアリング部３が設けられたホルダ３ａは、通常、上パンチ１側に配置しておく。次いで、図３に示されるように、上パンチ１及び下パンチ２にて試験片４を所定の据え込み率まで挟圧することで据え込み加工を行う。試験片４の両端面はそれぞれ、上パンチ１の下端面１ａ及び下パンチ２の上端面２ａのそれぞれに設けられた溝１２及び枠部材１３（図２参照）により拘束を受けていることから、試験片４の両端面の面積の拡大は抑制され、据え込み加工後の試験片４’の形状は軸方向中腹部が円周方向に張り出した樽状の形状になる。このとき、図４に例示するように、試験片４に対する据え込み率の上昇に伴い試験片４の側面部の表面粗さは増大し、試験片４の側面部を被覆している潤滑皮膜には、縦方向の圧縮表面ひずみと、横方向の引っ張りひずみが付与されることで剥離もしくは構造破壊による皮膜の脱落が促される。据え込み工程での据え込み率は２０％以上であることが好ましく、４０％以上であることがより好ましい。据え込み率が２０％未満であると、自由表面張り出し変形による潤滑皮膜へのダメージが小さいため、試験条件としては不十分となる。一方、据え込み率があまりにも高いと、試験片４の側面部の張出しが多くなり、密着性が維持できない潤滑皮膜の脱落など、潤滑皮膜のダメージが促される。

図５に示されるように、据え込み加工が終了したら速やかに、ホルダ３ａを上パンチ１側から下パンチ２側に移動させることでしごき加工を行う。ホルダ３ａが上パンチ１に沿って下方に移動する際には、ベアリング部３は、溝１ｂに沿って下方に移動する。ホルダ３ａが試験片４’まで下降すると、試験片４’は、据え込み加工により樽状に変形しているので、各ベアリング部３が試験片４’の側面張出し部に押し付けられながら、各ベアリング部３は、側面張出し部上を下方に移動する。このとき、各ベアリング部３は、試験片４’に対してしごき加工を行い、試験片４’の側面張出し部が変形する。前述の据え込み工程での自由表面張出し変形によりダメージを受けた潤滑皮膜はしごき加工に耐えられずに加工荷重の増大と焼付きを起す。ホルダ３ａは、試験片４’を完全に通り過ぎて下パンチ２の軸方向の途中まで溝２ｂに沿って下降して、しごき加工を終了する。

しごき加工によって、据え込み加工後の樽状の試験片４’は、図６に示されるような試験片４”に変形される。すなわち、しごき加工後の試験片４”には、ベアリング部３の通り過ぎた部分が、ベアリング部３の半径と同じ曲率半径を有する湾曲した３つの窪み部２０となっている。しごき加工によって焼付きが生じると、窪み部２０の表面上に、筋状の疵が形成される。

据え込み工程としごき工程の成形荷重と、上パンチ１及び下パンチ２の稼働ストロークとはそれぞれ、ロードセル５とレーザー式変位計とを通してコンピュータ内に取り込まれており、据え込み加工時及びしごき加工時の荷重−ストローク曲線を得ることができる。また、本試験での据え込み加工は、試験片４の両端面を拘束した条件で行われることから、得られる加工荷重とストローク値とから、試験片４の塑性曲線を算出し、得られた塑性曲線を用いれば、有限要素法解析による摩擦係数などの潤滑状態による各ストローク時の加工荷重値が正確に予測できるようになるので、試験時の加工荷重カーブから潤滑皮膜の摩擦係数推移などを把握することができる。

このように、ベアリング部３が試験片４の側面に押し付けられながら側面上を移動することにより試験片４を変形させるしごき加工を行うので、厳しい変形を強いられるような難易度が高い加工で潤滑皮膜が曝され得る環境を表現することができる。
尚、この塑性加工用潤滑評価方法では、ベアリング部３による試験片４’の側面の押し込み量やしごき長さなどを任意に調整することで、試験片４’の各部位の表面積拡大状況を調整できるため、評価する潤滑皮膜により試験条件を変更できる。

この実施の形態では、しごき加工の前に据え込み加工を行い、その後、据え込み加工によって軸方向中腹部が円周方向に張り出した樽状の試験片４に対してしごき加工を行ったが、この形態に限定するものではない。予め樽状に形成した試験片の表面に試験対象の潤滑皮膜を形成し、この試験片に対してしごき加工のみを行うことにより潤滑皮膜の評価を行ってもよい。しごき加工は、表面拡大を非常に大きくできる特徴があり、一回のしごき加工のみで潤滑皮膜切れを発生させ焼付きに到らせることが可能となるので、しごき加工のみを行う形態でも評価を行うことができる。尚、この場合、しごき加工を行う試験片は樽状の形状を有することに限定するものではない。ホルダ３ａが上パンチ１から試験片に移動する際にベアリング部３が試験片の上端面にひっかからない形状であればどのような形状でもよく、試験片の上端部付近がテーパ状になった形状等でもよい。

この実施の形態では、ベアリング部３は完全な球体であったが、この形態に限定するものではない。試験片４’と接触する部分が球面状になっていればよい。この場合、この球面状部分の曲率半径及び表面粗さを、上述した範囲とすればよい。また、ベアリング部３の個数は３個に限定するものではなく、１個、２個あるいは４個以上であってもよい。さらに、ベアリング部３として、例えば、市販されている円柱状のコロを使用し、このコロの側面を試験片に直交するように当てながらしごき加工を行うことも可能である。

この実施の形態では、第１金型及び第２金型として、上パンチ１及び下パンチ２をそれぞれ上下に配置しているが、この形態に限定するものではない。第１金型及び第２金型をそれぞれ水平方向に配置してもよい。また、この実施の形態では、ベアリング部３による試験片４’のしごき加工は上から下に向かって行っているが、この形態に限定するものではない。駆動部７がホルダ３ａを下パンチ２から上パンチ１に向かって移動することにより、ベアリング部３による試験片４’のしごき加工を下から上に向かって行ってもよい。

この実施の形態では、凹凸部として溝１２及び枠部材１３の両方が、上パンチ１の下端面１ａ及び下パンチ２の上端面２ａのそれぞれに設けられていたが、この形態に限定するものではない。溝１２及び枠部材１３のいずれか一方のみが設けられていてもよい。さらに、凹凸部として、同心円状の溝や円環状の突出した部材の形態に限定するものではなく、試験片４を据え込み加工する際に、試験片４の両端面が据え込み方向に対して垂直な方向に広がるのを極力抑制できるように、試験片４の両端面を拘束できる形状の凹凸部であれば、任意の形状でもよい。

以下の実施例によって、この発明をさらに詳細に説明する。実施例では、材質がＳＷＲＭ１０Ｋ、引張り強さが４９１Ｎ／ｍｍ^２であり、外径１３．９５ｍｍφ、高さ３２．０ｍｍの円柱形状の金属片を使用した。この金属片の表面には、以下の潤滑皮膜１〜６をそれぞれの方法にて形成し、本実施例での試験片とした。

上記金属片に対して、以下の各処理工程にて皮膜形成を行った。なお、潤滑皮膜１は古くから鍛造分野で用いられてきた化成型潤滑皮膜で皮膜性能のバランスは取れているが、皮膜カスによる欠肉などの形状不良の発生が指摘されることがある。また、皮膜処理工程が複雑で産業廃棄物の発生を伴うため、環境保全面でも問題視されている。これに対して、潤滑皮膜２〜６は、簡便な皮膜処理が可能で無公害型な一工程型潤滑皮膜である。潤滑皮膜２は一般的な鍛造分野では広く実機鍛造での加工実績があるが、閉塞鍛造ギアなどの鍛造部品では焼付きや加工疵の発生が起こり易く通常は用いられない。これに対して潤滑皮膜３〜６は、表面積拡大が大きい高難易度の鍛造向けに設計された二硫化モリブデン含有の潤滑皮膜剤によるものであるが、据え込み率が高く自由表面での張出し変形量が大きなギアの閉塞鍛造分野においては、潤滑皮膜３〜５に使用した一工程型潤滑剤ＩＩで疵などの発生が見られる。一方、潤滑皮膜６に使用の一工程潤滑剤ＩＩＩは、このような分野での実機鍛造において量産レベルで問題ない。

＜潤滑皮膜１の形成＞
（１）脱脂：市販の脱脂剤（ファインクリーナー４３６０，日本パーカライジング（株））濃度２０ｇ／Ｌ、温度６０℃、浸漬１０分
（２）水洗：水道水、室温、浸漬３０秒
（３）化成処理：市販のリン酸亜鉛化成処理剤（パルボンド１８１Ｘ，日本パーカライジング（株））濃度９０ｇ／Ｌ，温度８０℃、浸漬１０分
※目標付着質量＝５ｇ／ｍ^２
（４）水洗：水道水、室温、浸漬３０秒
（５）石けん処理：市販の反応石けん潤滑剤（パルーブ２３５，日本パーカライジング（株））濃度７０ｇ／Ｌ、８０℃、浸漬３分
※付着質量＝５ｇ／ｍ^２
（６）乾燥：８０℃、３分

＜潤滑皮膜２の形成＞
（１）脱脂：市販の脱脂剤（ファインクリーナー４３６０，日本パーカライジング（株））濃度２０ｇ／Ｌ、温度６０℃、浸漬１０分
（２）水洗：水道水、６０℃、浸漬３０秒
（３）皮膜処理：試作した一工程型潤滑剤Ｉ、９０℃、浸漬１０秒
※皮膜組成＝ホウ酸ナトリウム（５０％）、ポリエチレンワックス（５０％）
※付着質量＝１０ｇ／ｍ^２
（４）乾燥：８０℃、３分

＜潤滑皮膜３の形成＞
（１）脱脂：市販の脱脂剤（ファインクリーナー４３６０，日本パーカライジング（株））濃度２０ｇ／Ｌ、温度６０℃、浸漬１０分
（２）水洗：水道水、６０℃、浸漬３０秒
（３）皮膜処理：試作した一工程型潤滑剤ＩＩ、９０℃、浸漬１０秒
※皮膜組成＝ホウ酸ナトリウム（２０％）、二硫化モリブデン（４０％）、ポリエチレンワックス（４０％）
※付着質量＝１０ｇ／ｍ^２
（４）乾燥：８０℃、３分

＜潤滑皮膜４の形成＞
（１）脱脂：市販の脱脂剤（ファインクリーナー４３６０，日本パーカライジング（株））濃度２０ｇ／Ｌ、温度６０℃、浸漬１０分
（２）水洗：水道水、６０℃、浸漬３０秒
（３）皮膜処理：試作した一工程型潤滑剤ＩＩ、９０℃、浸漬１０秒
※皮膜組成＝ホウ酸ナトリウム（２０％）、二硫化モリブデン（４０％）、ポリエチレンワックス（４０％）
※付着質量＝５ｇ／ｍ^２
（４）乾燥：８０℃、３分

＜潤滑皮膜５の形成＞
（１）脱脂：市販の脱脂剤（ファインクリーナー４３６０，日本パーカライジング（株））濃度２０ｇ／Ｌ、温度９０℃、浸漬１０分
（２）水洗：水道水、６０℃、浸漬３０秒
（３）皮膜処理：試作した一工程型潤滑剤ＩＩ、６０℃、浸漬１０秒
※皮膜組成＝ホウ酸ナトリウム（２０％）、二硫化モリブデン（４０％）、ポリエチレンワックス（４０％）
※付着質量＝２ｇ／ｍ^２
（４）乾燥：８０℃、３分

＜潤滑皮膜６の形成＞
（１）脱脂：市販の脱脂剤（ファインクリーナー４３６０，日本パーカライジング（株））濃度２０ｇ／Ｌ、温度６０℃、浸漬１０分
（２）水洗：水道水、６０℃、浸漬３０秒
（３）皮膜処理：試作した一工程型潤滑剤ＩＩＩ、６０℃、浸漬１０秒
※皮膜組成＝水溶性樹脂（４０％）、二硫化モリブデン（５０％）、ポリエチレンワックス（１０％）
※付着質量＝５ｇ／ｍ^２
（４）乾燥：８０℃、３分

この発明の実施の形態に係る、図１に示された塑性加工用潤滑皮膜評価装置１０において、上パンチ１及び下パンチ２の先端部の外径を２２．００ｍｍφ、円柱状の試験片４を受け入れる枠部材１３の内径は１４．００ｍｍφとした。ベアリング部３としては市販の１０ｍｍφベアリング球（素材：ＳＵＪ−２）３個とし、これを上パンチ１に対する円周方向に１２０°毎に保持するための金型ホルダを設置した。上パンチ１及び下パンチ２の溝１ｂ及び２ｂはそれぞれ、曲率半径５．５ｍｍ、最大深さ２．７ｍｍであり、溝１ｂ及び２ｂの最深部とベアリング部３とのクリアランスは０．５ｍｍとした。据え込み加工時及びしごき加工時それぞれの加工荷重を計測するためのロードセル５は、下パンチ２の下方に設置した。以上の条件により、潤滑皮膜１〜６の潤滑性評価を行った。

＜据え込み加工＞
前記潤滑皮膜１〜６を施した試験片４を上パンチ１及び下パンチ２間に設置し、次いで、加工ストローク１４．５ｍｍまでの上パンチ１及び下パンチ２による挟圧を加工速度１０ｍｍ／ｓｅｃで行うことで端面拘束状態での据え込み加工（据え込み率４５％）を実施した。このときの試験片４の形状は、側面部が自由表面に張り出した樽状の形状となる。自由表面に張り出した試験片４’の側面部の潤滑皮膜１〜６のダメージの程度を、試験片４’の側面部の目視外観にて評価した。尚、評価基準は以下の通りである。
○：加工前後で潤滑皮膜の外観の変化が少ない
△：潤滑皮膜の表面の粉化による皮膜脱落が見られる
×：潤滑皮膜の表面の全面が顕著に粉化し多くの皮膜脱落が見られる

なお、据え込み加工で得られた応力−ひずみ曲線（塑性曲線）は以下の式で近似し、この式をしごき加工工程の成形荷重から摩擦せん断係数を導出するための有限要素解析に使用した。
σ＝６００（ε＋０．３１５）^０．２
σ：真応力
ε：真ひずみ

＜しごき加工＞
据え込み加工に次いで、自由表面に張り出した試験片４’の側面部に対するベアリング部３によるしごき加工を行った。このときの加工速度（ベアリング部３が下降する速度）は１０ｍｍ／ｓｅｃで、上パンチ１の下端面１ａから下方に向かっての加工ストロークは２０ｍｍとした。なお、ベアリング部３によるしごき加工を行う際には、上パンチ１及び下パンチ２の挟圧を除荷することにより、しごき加工時の加工荷重がより正確に得られる。ここでは、上パンチ１の加工ストロークを０．５ｍｍ上方に戻すことでロードセル５上での荷重を除荷した。

上記しごき加工を行った潤滑皮膜１〜６の試験片４”におけるしごき加工部の焼付き状態を、図７に示される焼付き程度の評価基準に従い目視評価した。焼付きが生じると試験片４”のしごき加工部に筋状の疵が確認され、疵の発生量により潤滑皮膜の焼付き抑制能が評価できる。図７の評価基準では、疵がほとんど見られない「Ｓ」の場合に特に優れた焼付き抑制能と評価でき、評価が「Ａ」→「Ｂ」→「Ｃ」と疵の発生量が多くなるにしたがって焼付き抑制能が劣るものと評価できる。

また、しごき加工時の最大加工荷重から図８に示される摩擦せん断係数校正線図を用いてしごき加工時の潤滑皮膜１〜６の摩擦せん断係数を導出した。
潤滑皮膜１〜６のそれぞれについて、据え込み加工時の潤滑皮膜のダメージの程度と、しごき加工時の焼付き状態の評価結果及び摩擦せん断係数とを表１に示す。

表１の結果から、潤滑皮膜１〜６の潤滑特性が詳細に表現される。なお、量産鍛造時に焼付きが発生すると量産ラインを停止して金型の修正を行う必要があり、生産性が極端に低下するので好ましくない。加工時の皮膜脱落量が多いと、量産鍛造時に皮膜カスが金型内に堆積し易く欠肉や形状不良の原因になるため、好ましくない。量産鍛造時の摩擦せん断係数が高いと、荷重が高まり金型への負担が大きくなり金型寿命が低下するため、好ましくない。

潤滑皮膜１は、焼付き抑制能が非常に高いが、据え込み加工での皮膜脱落が激しく、しごき加工時の摩擦せん断係数も比較的高い。潤滑皮膜２は、しごき加工時の摩擦せん断係数が特に低いが、据え込み加工時の皮膜脱落が見られ、焼付きが発生し易い。潤滑皮膜３の焼付き抑制能は、比較的良好であるが、皮膜脱落がみられ、摩擦せん断係数も高めである。潤滑皮膜４および５では、潤滑皮膜３の皮膜脱落を抑制するために皮膜の付着質量を低減した。皮膜の付着質量の低減により皮膜脱落は良化するが、摩擦せん断係数は高めのままであり、焼付き抑制能は悪化した。一方、潤滑皮膜６では、皮膜の脱落が見られず、焼付き抑制能および摩擦せん断係数も良好であった。

以上の実施例から分かるように、本潤滑評価方法は、高難易度の閉塞鍛造における潤滑皮膜の挙動を明確に表現できるものである。これにより、使用条件に適した潤滑皮膜の選定や開発が容易になる他、予め本評価方法で性能確認することにより実機鍛造での金型破損などのリスクを回避できるなど、工業的な貢献度は大きい。実際に、本潤滑評価方法によって実機で評価を行ったところ、良好な評価結果を得ることができた。

以上、本発明を詳細に説明したが、上述したのはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様でも実施することができる。

１上パンチ（第１金型）、１ａ（上パンチの）下端面（接触面）、２下パンチ（第２金型）、２ａ（下パンチの）上端面（接触面）、３ベアリング部、４試験片、４” （評価した）試験片、７駆動部、１２溝（凹凸部）、１３枠部材（凹凸部）。

Claims

金属製の試験片について潤滑皮膜の潤滑性能を評価する塑性加工用潤滑皮膜評価方法であって、
前記試験片を第１金型及び第２金型で挟み、該第１金型及び該第２金型が前記試験片を挟圧することにより、該試験片を塑性変形させる据え込み加工を行い、
ベアリング部が塑性変形した試験片の表面に押し付けられながら該表面上を移動することにより前記塑性変形した試験片を変形させるしごき加工を行う塑性加工用潤滑皮膜評価方法。
前記試験片に、据え込み率２０％以上の据え込み加工を施す、請求項１に記載の塑性加工用潤滑皮膜評価方法。
金属製の試験片について潤滑皮膜の潤滑性能を評価する塑性加工用潤滑皮膜評価装置であって、
ベアリング部と、
該ベアリング部を移動させる駆動部と、
第１金型及び第２金型と
を備え、
前記試験片を前記第１金型及び前記第２金型で挟み、該第１金型及び該第２金型が前記試験片を挟圧することにより、該試験片を塑性変形させる据え込み加工を行い、
前記ベアリング部が塑性変形した試験片の表面に押し付けられながら該表面上を移動することにより前記塑性変形した試験片を変形させるしごき加工を行う塑性加工用潤滑皮膜評価装置。
前記試験片と接触する前記第１金型及び前記第２金型それぞれの接触面には、凹凸部が形成されている、請求項３に記載の塑性加工用潤滑皮膜評価装置。
前記ベアリング部は球面状である、請求項３または４に記載の塑性加工用潤滑皮膜評価装置。
前記ベアリング部は、２５ｍｍの曲率半径を有する球面状である、請求項５に記載の塑性加工用潤滑皮膜評価装置。
前記ベアリング部の表面粗さがＲｚで１μｍ未満である、請求項３〜６のいずれか一項に記載の塑性加工用潤滑皮膜評価装置。