JP6447395B2

JP6447395B2 - 鍛造加工方法

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Publication number: JP6447395B2
Application number: JP2015137517A
Authority: JP
Inventors: 山下　修; 修山下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2035-07-09
Also published as: JP2017018977A

Description

本発明は、鍛造加工方法に関するものである。

ランタノイド等の希土類元素を用いた希土類磁石は永久磁石とも称され、その用途は、ハードディスクやMRIを構成するモータのほか、ハイブリッド車や電気自動車等の駆動用モータなどに用いられている。

この希土類磁石の磁石性能の指標として残留磁化（残留磁束密度）と保磁力を挙げることができるが、モータの小型化や高電流密度化による発熱量の増大に対し、使用される希土類磁石にも耐熱性に対する要求は一層高まっており、高温使用下で磁石の磁気特性を如何に保持できるかが当該技術分野での重要な研究課題の一つとなっている。

希土類磁石としては、組織を構成する結晶粒（主相）のスケールが3〜5μm程度の一般的な焼結磁石のほか、結晶粒を50nm〜300nm程度のナノスケールに微細化したナノ結晶磁石がある。

希土類磁石の製造方法の一例を概説すると、たとえばNd-Fe-B系の金属溶湯を急冷凝固して微粉末（磁石用粉末）を製作し、磁石用粉末を鍛造加工して成形体を製造する。次いで、成形体を高温雰囲気下で鍛造し、緻密化させて焼結体を製造し、この焼結体に磁気的異方性を付与するべく熱間塑性加工（鍛造加工）を施して希土類磁石（配向磁石）を製造する方法である。

上記する鍛造加工は、ダイと、ダイの内部の下方に配設された下パンチと、ダイの内部で摺動する上パンチとから構成された成形型のキャビティに、磁石用粉末の集合体や成形体、焼結体など（以上、ワーク）を収容し、上パンチを下方へ摺動させてワークを加圧することによっておこなわれる。

上記鍛造加工に際しては上パンチの加熱がおこなわれるが、この上パンチを加熱するに当たり、上パンチの周囲に加熱ブロックを配設すると、上パンチをダイに挿入する際に加熱ブロックがダイと干渉してしまう。そのため、加熱ブロックで上パンチを加熱し、加熱ブロックを上パンチから取り外した後に上パンチをダイに挿入している。

しかしながら、加熱ブロックを上パンチから取り外している際に加熱された上パンチの温度が低下してしまい、鍛造加工の際に上パンチの温度が所望温度よりも低くなるといった課題がある。

ここで、特許文献１には、固定金型を取り外し自在に装着した固定プラテンと、可動金型を取り外し自在に装着した可動プラテンとを備え、固定プラテン及び可動プラテンの各々には温調ブロックとアクチュエータからなる温調ユニットが設置され、アクチュエータの動作によって温調ブロックをそれぞれの金型に押し当てることで所定の金型温度に制御する型締め装置が開示されている。

この型締め装置によれば、金型構造が単純化され、金型コストを削減できるとしている。しかしながら、上記するように上パンチがダイの内部を摺動してワークを鍛造する形態の成形型に特許文献１で開示される型締め装置を適用すると、加熱ユニットとダイが干渉してしまい、加熱ブロックを適用する場合と同様に、加熱ユニットの取り外しの際に加熱された上パンチの温度が低下する。

特開２０１３−２４０８０２号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、成形型を構成するパンチが加熱された後の温度を所望温度に維持することができ、所望温度のパンチでワークを鍛造することのできる鍛造加工方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による鍛造加工方法は、ダイとダイの内部の下方に配設された下パンチと、ダイの内部で摺動する上パンチとから構成され、ダイと上パンチと下パンチでキャビティを形成する成形型において、上パンチが中空部を備え、該中空部に一定温度で相変化する材料が収容されており、少なくとも上パンチを該一定温度以上に加熱する第１のステップ、キャビティにワークを収容し、上パンチを摺動させてワークを鍛造する第２のステップ、からなるものである。

本発明の鍛造加工方法は、上パンチに中空部を設け、この中空部に一定温度で相変化する材料を収容しておき、上パンチをこの一定温度以上に加熱することで、上パンチの温度が一定温度まで低下した際に材料が相変化（たとえば液体から固体へ変化）を起こし、この相変化の際に材料が発熱することで上パンチの温度低下を抑制するものである。

ここで、一定温度で相変化する材料としては、塩化ナトリウム(NaCl)や塩化カリウム(KCl)などを挙げることができる。たとえばNaClを適用する場合、801℃で相変化を生じることより、鍛造前に上パンチを801℃（一定温度）以上に加熱しておくことで、加熱後、上パンチの温度が低下しても、相変化に伴う潜熱の放出によって801℃未満の温度に低下することが抑制され、この温度を一定時間保持することができ、この温度で鍛造加工をおこなうことができる。

ここで、上記する「一定温度」とは、鍛造加工時に上パンチの保持する目標温度であり、この目標温度に相変化材料の相変化温度を設定するものである。なお、一定温度を保持する時間は、相変化が終了するまでの時間となる。

また、二種類以上の材料を混合したものを上パンチの中空部に収容してもよい。

二種類以上の材料を混合した場合は、それぞれの材料が相変化する温度を有していることから、混合割合を調整することで多成分系として相変化させたい温度（目標温度である一定温度）を所望温度に調整することができる。

なお、本発明の鍛造加工方法を用いて鍛造されるワークとしては、希土類磁石の製造過程で形成される、磁石用粉末の集合体や、この集合体を鍛造してできた成形体、この成形体を鍛造してできた焼結体などを挙げることができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の鍛造加工方法によれば、上パンチに中空部を設け、この中空部に一定温度で相変化する材料を収容しておき、上パンチをこの一定温度以上に加熱した後に鍛造加工をおこなうことにより、上パンチの温度が一定温度まで低下した際に材料が相変化を起こし、この相変化の際に材料が潜熱を放出して発熱することで上パンチの温度低下が抑制される。したがって、所望温度（目標温度）の上パンチでワークを鍛造することができ、品質に優れた鍛造品を加工することができる。

本発明の鍛造加工方法を説明した模式図である。図１に続いて、鍛造加工方法を説明した模式図である。図２に続いて、鍛造加工方法を説明した模式図である。図３に続いて、鍛造加工方法を説明した模式図である。（ａ）は試作した上パンチの平面図であり、（ｂ）は上パンチの正面図である。（ａ）は実施例の上パンチの温度測定結果を示した図であり、（ｂ）は比較例の上パンチの温度測定結果を示した図である。

以下、図面を参照して本発明の鍛造加工方法の実施の形態を説明する。なお、図示例では、鍛造加工されるワークがキャビティ内に収容された磁石用粉末の集合体であるが、鍛造加工されるワークは、この集合体が鍛造されてできた成形体や、この成形体が鍛造されてできた焼結体などであってもよいことは勿論のことである。

（鍛造加工方法の実施の形態）
図１〜図４はその順に、本発明の鍛造加工方法を説明したフロー図である。

まず、図１で示すように、中空を有するダイ１と、ダイ１の下方に配設された下パンチ３と、ダイ１の内部を摺動自在な上パンチ２と、上パンチ２を稼働させるプレス機４と、下パンチ３を稼働させるプレス機５と、から構成される成形型１０を用意する。

ダイ１はその内部にヒータ１ａを内蔵しており、その中空と下パンチ３とからキャビティ７を形成している。

また、図１の状態において、上パンチ２はその周囲に高周波コイル６が配設され、高周波コイルに通電して高周波誘導電流を生じさせ、この高周波誘導電流によって高周波誘導加熱されるようになっている。すなわち、上パンチ２はプレス機４で押下されるため、上パンチ２の内部にヒータを設置して配線することができないことから、図示例のように高周波加熱されるものである。

上パンチ２は、その内部に中空部２ａを備えており、この中空部２ａには、一定温度で相変化する材料８が収容されている。

ここで、材料８としては、塩化ナトリウム(NaCl)や塩化カリウム(KCl)などが適用できる。たとえばNaClを適用する場合、801℃で相変化が生じる。具体的には、801℃よりも高い温度で上パンチ２を加熱しておいた後、時間経過に伴って上パンチ２の温度が低下するものの、801℃になった段階でNaClが液体から固体へ相変化する。この相変化の際にNaClは凝固潜熱を放出して発熱する。したがって、上パンチ２を801℃（一定温度）以上に加熱しておくことで、加熱後、上パンチ２の温度が低下しても、801℃未満の温度に低下することが抑制され、この温度を一定時間保持することが可能になる。

また、塩化ナトリウム(NaCl)と塩化カリウム(KCl)を所望の割合で混合した材料を適用してもよい。たとえば、NaClを50.6質量%、KClを49.4質量%混合した材料を使用した場合には、材料の相変化温度を657℃に設定することができる。このように、二種以上の材料を所望割合で混合することで、所望する目標温度となるように相変化温度を調整することが可能になる。

次に、上パンチ２を一定温度以上（材料８が相変化する温度以上）に加熱する（以上、第１のステップ）。

次に、図１で示すように、キャビティ７に磁石用粉末を充填し、磁石用粉末の集合体Ｗ（ワーク）を形成する。

ここで、使用される磁石用粉末の製作方法は、まず、50kPa以下に減圧した不図示の炉中で、単ロールによるメルトスピニング法により、合金インゴットを高周波溶解し、希土類磁石を与える組成の溶湯を銅ロールに噴射して急冷薄帯（急冷リボン）を製作する。次に、製作された急冷薄帯を粗粉砕して磁石用粉末を製作するものである。なお、磁石用粉末の粒径範囲は75〜300μmの範囲となるように調整される。

キャビティ７に磁石用粉末の集合体Ｗを形成し、さらにヒータ１ａを稼働してダイ１を所定温度に加温し、下パンチ３にダイ１の温度を伝熱させた後、高周波コイル６を退避させ、図２で示すように上パンチ２を押下可能な状態とする。

図３で示すように、プレス機４を稼働させて上パンチ２を押下し（Ｘ１方向）、磁石用粉末の集合体Ｗを鍛造することにより、成形体Ｗ’（鍛造品）が製造される（第２のステップ）。

この製造において、上パンチ２が一定温度以上に高周波誘導加熱された後、高周波コイル６を退避する過程で上パンチ２の温度は低下する。しかしながら、一定温度（材料８が相変化する温度）で材料８が相変化して発熱することにより、上パンチ２の温度低下は材料８が相変化する温度で止まり、その一定温度が一定時間保持される。あるいは温度低下が緩やかになるので、鍛造開始時の上パンチの温度を所望の温度に調整することができる。

このように一定温度で保持された上パンチ２でワークＷを鍛造することにより、品質に優れた成形体Ｗ’を製造することができる。特に、希土類磁石前駆体である成形体Ｗ’の場合には、磁気特性に優れた希土類磁石の製造に寄与する。

鍛造品Ｗ’が製造されたら、図４で示すように、上パンチ２を上方に退避させ（Ｘ２方向）、プレス機５にて下パンチ３を上昇させて（Ｘ３方向）鍛造品Ｗ’をキャビティ上方に送り出す。なお、製造された成形体Ｗ’は、たとえば、ナノ結晶組織のNd-Fe-B系の主相（平均粒径が300nm以下で、たとえば50nm〜200nm程度の結晶粒径）と、主相の周りにあるNd-X合金（X:金属元素）の粒界相を備えたものである。そして、粒界相を構成するNd-X合金は、Ndと、Co、Fe、Ga等のうちの少なくとも一種以上の合金からなり、たとえば、Nd-Co、Nd-Fe、Nd-Ga、Nd-Co-Fe、Nd-Co-Fe-Gaのうちのいずれか一種、もしくはこれらの二種以上が混在したものであって、Ndリッチな状態となっている。

（上パンチの温度変化を測定した実験とその結果）
本発明者等は、実施例と比較例にかかる上パンチをそれぞれ試作し、それぞれの上パンチを所定温度に加熱し、加熱停止後の経過時間ごとの上パンチの温度を測定する実験をおこなった。

試作した実施例にかかる上パンチを図５に示しており、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は正面図である。図示する寸法を有したインコネル718製の上パンチにおいて、その中央にφ10mmで長さ60mmの中空部を形成し、中空部から10mm離れた位置にφ1.7mmで長さ50mmの孔をさらに設け、この孔に熱電対を挿入した。また、実施例の上パンチでは、中空部にNaClを充填した。一方、比較例の上パンチは、図５で示す実施例の上パンチにおいて、中空部の存在しないものである。これら実施例および比較例の上パンチを試作し、図１で示す成形型に試作の上パンチを適用した。以下、表１にインコネル718製の上パンチとNaClの材料物性を示す。

本実験では、実施例および比較例の各上パンチを810℃に加熱した。実施例および比較例の各上パンチが810℃から801℃まで温度変化した際に成形型に与える熱量を以下の表２に示す。

実施例および比較例の経過時間ごとの温度の測定結果を図６に示す。ここで、図６（ａ）は実施例の温度測定結果であり、図６（ｂ）は比較例の温度測定結果である。なお、いずれの図においても、810℃の加熱を時間0秒まで実施して時間0秒で加熱を停止し、時間0秒からの経過時間ごとの上パンチの温度を示している。

図６（ｂ）より、比較例の上パンチは、810℃の初期温度から時間経過とともに温度が直線的に低下することが分かる。

このことより、上パンチを所望温度に加熱したとしても、加熱ユニットを取り外している間に上パンチの温度が急激に低下し、実際に鍛造加工する際の上パンチの温度は所望温度に維持できないことが分かる。

対して、図６（ａ）より、実施例の上パンチは、時間2秒で目標温度の801℃に到達した後、時間7秒までの5秒間、801℃を維持することが分かる。

したがって、この5秒間で加熱ユニットを取り外し、上パンチを押下してワークの鍛造を実施することで所望温度の上パンチにてワークを鍛造することが可能になる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…ダイ、２…上パンチ、２ａ…中空部、３…下パンチ、４，５…プレス機、６…高周波コイル、７…キャビティ、８…材料（一定温度で相変化する材料）、１０…成形型、Ｗ…磁石用粉末の集合体（ワーク）、Ｗ’…成形体（鍛造品）

Claims

ダイとダイの内部の下方に配設された下パンチと、ダイの内部で摺動する上パンチとから構成され、ダイと上パンチと下パンチでキャビティを形成する成形型において、上パンチが中空部を備え、該中空部に一定温度で液体から固体へ相変化する材料が収容されており、少なくとも上パンチを前記一定温度以上に加熱する第１のステップと、
キャビティにワークを収容し、上パンチを摺動させて、前記材料が液体から固体へ相変化した際に放出する潜熱で発熱することにより前記一定温度に保持された上パンチで、ワークを鍛造する第２のステップと、からなる鍛造加工方法。