JPH0669595B2

JPH0669595B2 - 接合型工具

Info

Publication number: JPH0669595B2
Application number: JP60048535A
Authority: JP
Inventors: 政昭池辺; 勝也山本
Original assignee: SANALLOY INDUSTRY CO., LTD.
Current assignee: SANALLOY INDUSTRY CO., LTD.
Priority date: 1985-03-11
Filing date: 1985-03-11
Publication date: 1994-09-07
Anticipated expiration: 2009-09-07
Also published as: JPS61206540A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、圧造、冷間鍛造、熱間鍛造、引抜き等に用い
るプレス金型、ポンチ、ダイス等の工具に関する。

（従来技術）従来のプレス金型、ポンチ、ダイス等の工具は、単一組
成の超硬合金を工具鋼等の補強リングに圧入または焼ば
めして使用されてきた。また、さらに表面硬化層で被覆
したコーティングチップとして使用されてきた。

（発明の解決すべき問題点）従来の上記の工具においては、使用素材が単一組成の超
硬合金であったため、耐摩耗性と高靭性という材料強度
上の矛盾した２つの制約条件を同時に満たすことが困難
であった。

例えば、耐摩耗性が要求される冷間引抜用ダイスでは、
超硬合金組成の結合金属量が少ないために靭性が低下
し、応力集中によるクラックや割れが発生し易い。耐摩
耗性と耐衝撃性が要求される冷間鍛造用金型では、超硬
合金組成の結合金属量が増加し、WC粒子が大きくなれ
ば、靭性は高くなり耐衝撃性は向上するが、耐摩耗性は
逆に低下する。

また、冷間鍛造用超硬合金ポンチでは、工具鋼と比較し
てはるかに靭性が低いため、プレス成形時に曲げ応力等
により折損が生じ易く、使用条件範囲が限定されてい
る。そこで、靭性を高めるために結合金属量の多い超硬
合金チップを使用すると、耐摩耗性の低下により工具寿
命が延びない。

硬化層で被覆したコーティングチップについても同様の
ことがいえる。

本発明の目的は、耐摩耗性と靭性との両方の特性につい
てすぐれた工具を提供することである。

（問題点を解決するための手段）本発明に係る接合型工具は、被加工素材を塑性変形させ
る加工部とこの加工部を支持する支持部とに分割され
る。上記加工部と支持部とは、周期律IVa族、Va族、VIa
族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物の１種以上と、結合
金属、主として鉄、コバルト、ニッケルの１種以上とか
らなる同種の超硬合金からなり、上記加工部の超硬合金
は、上記支持部の超硬合金よりも結合金属が少ない超硬
合金であり、上記加工部と支持部とは固相拡散結合によ
り接合されている。

本発明に係る他の工具は、被加工素材を塑性変形させる
加工部とこの加工部を支持する支持部とに分割される。
上記加工部と支持部とは、周期律IVa族、Va族、VIa族元
素の炭化物、窒化物、炭窒化物の１種以上と、結合金
属、主として鉄、コバルト、ニッケルの１種以上とから
なる同種の超硬合金からなり、上記加工部の超硬合金
は、上記支持部の超硬合金よりも結合金属が少ない超硬
合金であり、上記加工部と支持部とは固相拡散結合によ
り接合されてなる。上記加工部の表面は、遷移金属の各
種炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物もしくは硅化物、
および／あるいはアルミニウム、イットリウム、亜鉛等
の酸化物の単層、複層または複々層により被覆されてい
る。

（作用）超硬合金は、その組成、炭化物粒子サイズなどにより異
なる材質特性を示す。これらの同種の超硬合金につい
て、たとえば、超硬工具協会規格の耐摩耐衝撃工具用超
硬合金の材種選択基準（CIS-019）ではV1〜V6の使用分
類を定めている。本発明においては、上記の耐摩耗性と
靭性との相反する条件を同時に満たすために、工具を耐
摩耗性の要求される加工部と靭性の要求される支持部と
に分割し、これら両部を同種の超硬合金の固相拡散で一
体に接合して構成した。そして、加工部と支持部とに、
それぞれ同種の材料のうち、より耐摩耗性の材料とより
高靭性の材料を用いた。加工部と支持部との接合は、同
種の材料の間の接合であるので非常に安定であり、且
つ、強度が高い。

上記加工部と支持部とに用いる超硬合金について説明す
る。超硬合金は、周期律のIVa族、Va族、VIa族元素の炭
化物、炭窒化物のなかの１種以上と、結合金属（主とし
て、鉄、コバルト、ニッケルなど）とからなる粉末焼結
体である。

例えば、WC粒子とコバルトとからなる超硬合金において
は、粉末焼結体であるため組織中には平均WC粒子よりも
はるかに大きなWC粒子も存在し、これが応力集中による
クラックの発生源となりやすい。このような粗WC粒子の
存在個数は、粗大なWC粒子の存在確率が同じであれば、
使用されるWC材料の体積に比例すると考えられる。ま
た、一定量のWC材料を用いる場合においては、結合金属
（コバルト）の量はWC粒子間隔を支配し、WC粒子間隔が
大きくなれば、靭性は向上するが耐摩耗性は低下する。
逆にWC粒子間隔が小さくなれば、耐摩耗性は向上する
が、靭性は低下し、応力集中によるクラックの発生確率
が高くなる。そこで、加工部の材料としてはより高耐摩
耗性の組成の材料を用い、支持部としてはより高靭性の
組成の材料を用いればよい。

超硬合金の接合については、従来、ろう付法および溶接
法があったが、安定した接合強度、均一組織が得られな
かった。ろう付法では、接合時のろう付面積は全接合面
積の70〜80％であり、かつ、接合母材とのぬれ性の問題
もあるため、接合強度に大きなバラツキを生じていた。
一方、溶接法では、接合部を局部的に急加熱して溶融、
凝固させるため、接合部に残留応力が発生し、かつ、接
合母材との間に金相学的相違および金属組織的欠陥（酸
化物、スラブ、空孔等の残留）が生じやすかった。

本発明においては、固相拡散接合を用いることにより、
この問題点を解決した。接合方法には、（１）電子ビー
ム法（加工部および支持部の接合面周縁部を電子ビーム
溶接後、HIP（高温静水圧加圧）拡散接合する方法）、
（２）カプセル封入法（加工部および支持部をカプセル
方式によりHIP拡散接合する方法）、（３）加工部およ
び支持部の接合面間に固相拡散に寄与するインサートメ
タル（例えば、Ni、Co等の金属箔）を挿入し、上記の
（１），（２）と同一方法にて拡散接合する方法があ
る。

接合手段としての固相拡散接合は、両接合母材が融点以
下である再結晶温度域にて加圧保持されるため、全接合
面積において完全な接合が行なわれ、かつ、接合界面組
織も両接合母材と同一な組織である。そのため、ろう付
法および溶接法と比較して、両接合母材と同等以上の接
合強度をもつはるかに安定な接合を生じる。

（実施例）以下に実施例を記述する。各実施例とも、接合位置、接
合面形状、接合部材、鍛造条件は、全て同一条件であ
る。

第１図は、冷間鍛造用金型の断面図を示す。実際に被加
工素材に接触して冷間鍛造を行う加工部１には超硬工具
協会規格（CIS）の耐摩耐衝撃工具用超硬合金の材種選
択基準（CIS-019）のV2相当の超硬合金材料を用い、そ
の外周は材種選択基準（CIS-019）のV5相当の超硬合金
よりなる支持部２によって支持し、さらに支持部の外側
に工具鋼よりなる補強リング３を配置して、支持部２を
支持する。加工部１と支持部２とは、後に説明する方向
で接合される。また、両者1,2は、補強リング３に圧入
または焼ばめされる。製作される金型に対して、被加工
品形状、被加工材料、計算応力等から、両接合部材1,2
の材質、接合位置、接合面形状を設計する。両接合部材
1,2は、仕上加工代を含めた寸法にて用意し、接合面粗
度は50μｍ以下とする。接合面は、酸洗、脱脂等により
表面酸化物その他の不純物を洗浄、除去した後、組み合
せる。

次に、上記の接合方法（１），（２）、すなわち、電子
ビーム法とカプセル封入法を用いて両接合部材1,2の固
相拡散接合を行なう。第２図と第３図とに、電子ビーム
法とカプセル封入法とを図式的に示す。電子ビーム法に
おいては、両接合部材1,2の接合周縁部W,W,…を電子ビ
ームで溶接することにより接合面を真空密封した後、HI
P拡散接合（1000〜1350℃、200〜1000気圧）を行う。カ
プセル封入法では、両接合部材1,2を、カプセル内の接
合部材へ圧力を伝えるための圧力伝達媒体としての圧媒
粒子４例えば、アルミナ、マグネシア等のセラミックス
粉体とともに軟鋼製カプセル５中に真空封入し、HIP拡
散接合（1000〜1350℃、200〜1000気圧）を行う。な
お、両接合部材1,2間に、Ni、Co等の金属箔をインサー
トメタルとして装入したものを上記の２方法にて拡散接
合を行ってもよい。

下記の例１〜例３は金型処理条件を示す。最後に、最終
形状品の成形加工が行なわれる。

（例１）：接合型金型をケーシング後、研摩仕上を行
う。

（例２）：接合型金型をCVD（化学蒸着）処理(800〜120
0℃)した後、ケーシング後、研摩仕上を行う。

CVD処理においては、たとえば、TiCl₄、CH₄、N₂等のガ
スをH₂キャリアガスで処理室へ導入し、製品表面へ下記
の反応により、硬質被膜を形成する。

TiCl₄＋CH₄→TiC＋4HCl TiCl₄＋1/2N₂＋2H₂→TiN＋4HCl （例３）：接合型金型をCVD処理(800〜1200℃)後、HIP
拡散処理（1000℃以下、1000気圧以下）を行い、ケーシ
ング後、研摩仕上を行う。

例２においては、さらに耐摩耗性の向上をはかるため
に、例１の接合型金型表面にCVD処理（800〜1200℃）に
より硬化層が析出被覆される。この硬化層としては、選
移金属の各種炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物もしく
は硅化物、および／あるいは、アルミニウム、イットリ
ウム、ジルコニウム等の酸化物の単層、複層または複々
層を被覆する。

さらに例３においては、表面硬化層の安定化および硬化
層の金型母材への拡散による十分な密着強度を得るため
に、例２の接合型金型にHIP拡散処理（800〜1200℃、20
0〜1000気圧）が実施される。

表に、以上のようにして製造した金型を用いて被鍛造材
（S25C焼鈍材）を鍛造したときの金型１個当りの製作数
量を示す。比較のために、従来の一体型工具（超硬合金
V5相当）についても記している。

表より明らかなように、本発明にかかる接合型金型の寿
命は、従来の一体型工具に比べて著しく長くなった。こ
の効果は、被覆硬化層を設けた場合（例2,例３）、さら
に大きい。

CVD処理による被覆硬化層は、高硬度であり、かつ、鉄
系材料との親和性が劣ることにより、その摩擦抵抗が減
少する作用がある。そのため、耐摩耗性を飛躍的に向上
することができる。

CVD処理後のHIP拡散処理は、被覆硬化層の母材への拡散
を促進することによる母材との密着強度向上のため、硬
化層のはく離可能性が減少し、耐摩耗性はさらに向上
し、工具寿命はさらに延長される。

第４図〜第７図に、他の接合型工具の例を示す。

第４図(a),(b)は、それぞれ加工部１に２段の段付部を
設けた冷間鍛造金型の上面図と正面断面図である。同様
に、第５図(a),(b)は、それぞれ１段の段付部を設けた
２個の加工部1a,1bを組合せた冷間鍛造金型の上面図と
正面断面図である。また、第６図(a),(b)は、第７図
(a),(b)と同様に、それぞれ、冷間引抜用ダイスの上面
図と正面断面図である。さらに、第７図は冷間鍛造用ポ
ンチの断面図である。

第４図〜第７図に示した接合型工具においても、同様
に、従来の一体型工具に比べて寿命が長くなった。この
理由は、次のように考えられる。

(a)冷間引抜等の耐摩耗性が要求されるダイスにおい
て、接合型ダイスでは、使用する耐摩耗超硬合金の体積
が一体型よりも小さいこと、およびより高靭性の耐衝撃
超硬合金を接合していることにより、応力集中によるク
ラックの発生確率が低く抑制され、金型寿命が延長され
る。

(b)冷間鍛造等の耐摩耐衝撃性が要求される金型および
ポンチにおいて、接合型では、より耐摩耗性の材料がよ
り高靭性の材料に固相拡散接合で一体化されているた
め、一体型よりも耐摩耗性が高く、金型およびポンチ寿
命が延長される。

(c)鍛造用ポンチを除く接合型金型においては、支持部
用の外部接合部材（耐衝撃超硬合金）と加工部用の内部
接合部材（耐摩耗性超硬合金）では、外部接合部材の熱
膨脹係数の方が大きいため、拡散接合後では外部接合部
材が内部接合部材に対して締りばめの効果をもつ。

接合型工具は、また、加工部と支持部とに、それぞれ、
同種のセラミックス材料のうち、より高耐摩耗性の材料
とより高靭性の材料を用い、両者を上記の超硬合金材料
の場合と同様に固相拡散接合により一体化して製造でき
る。

（発明の効果）本発明により、従来型工具と比較して工具寿命は大巾に
増大する。用途、使用条件によっては、接合部位、接合
方法を変えることにより、最も効果的な接合型工具を得
ることができる。

接合手段に関して、従来、長尺物に対してはろう付溶接
法が実施されてきたが、固相拡散接合を適用すればより
安定な接合強度が得られ、その量産化も可能である。

また、CVDコーティングは塑性変形の少ない高硬度母材
に適しており、必要個所のみ、そのようなCVDコーティ
ング適性母材を接合すれば、よりCVDコーティングの効
果が発揮できる。

その他、使用の際生じた金型等の破損に対しても、その
補修を行うことも可能であり、仕様条件の変更による金
型の一部分形状設計変更にも対応できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、冷間鍛造用金型の断面図である。第２図は、電子ビーム法を説明するための図である。第３図は、カプセル封入法を説明するための図である。第４図(a),(b)は、それぞれ、冷間鍛造用金型の上面図
と正面図である。第５図(a),(b)は、それぞれ、冷間鍛造用金型の上面図
と正面図である。第６図(a),(b)は、それぞれ、冷間引抜用ダイスの上面
図と正面断面図である。第７図(a),(b)は、それぞれ、冷間引抜用ダイスの上面
図と正面断面図である。第８図は、冷間鍛造用ポンチの断面図である。１……加工部、２……支持部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】工具を被加工素材を塑性変形させる加工部
とこの加工部を支持する支持部とに分割し、上記加工部
と支持部とは、周期律IVa族、Va族、VIa族元素の炭化
物、窒化物、炭窒化物の１種以上と、結合金属、主とし
て鉄、コバルト、ニッケルの１種以上とからなる同種の
超硬合金からなり、上記加工部の超硬合金は、上記支持
部の超硬合金よりも結合金属が少ない超硬合金であり、
上記加工部と支持部とは固相拡散結合により接合されて
なる接合型工具。
【請求項２】工具を被加工素材を塑性変形させる加工部
とこの加工部を支持する支持部とに分割し、上記加工部
と支持部とは、周期律IVa族、Va族、VIa族元素の炭化
物、窒化物、炭窒化物の１種以上と、結合金属、主とし
て鉄、コバルト、ニッケルの１種以上とからなる同種の
超硬合金からなり、上記加工部の超硬合金は、上記支持
部の超硬合金よりも結合金属が少ない超硬合金であり、
上記加工部と支持部とは固相拡散結合により接合されて
なり、上記加工部の表面は、遷移金属の各種炭化物、窒
化物、炭窒化物、硼化物もしくは硅化物、および／ある
いはアルミニウム、イットリウム、亜鉛等の酸化物の単
層、複層または複々層により被覆されてなる接合型工
具。