JPH0760315A - 炭化物被覆工具の再生方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷間加工用工具の寿命を延ばす。 【構成】 工具の母材表面に炭化物を被覆する。その被
覆層の密着性を高めるために、被覆処理に伴う母材表層
のＣの消費を補う。ピット疵が発生する前に工具を焼戻
し、被覆層の層厚減少による使用限界まで工具を使用す
る。被覆層が使用限界に達した後は、その再形成を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷間管圧延等の冷間管
加工に使用される工具の最終寿命を延長するための工具
再生方法に関し、更に詳しくは、焼付き防止を目的とし
て母材表面に炭化物を被覆した炭化物被覆工具の再生方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】コールドピルガーミルに使用されるマン
ドレルは、ＪＩＳ ＳＫＤ１１に代表される冷間工具鋼
を素材としているが、加工時に高面圧および衝撃を繰り
返し受け、なおかつ、被加工材との摩擦が大きいため、
焼入れ・焼戻しのままでは焼付きを避け得ない。その対
策として、冷間工具鋼からなるマンドレル母材の表面に
溶融塩拡散法によりＶＣを被覆することが行われてい
る。マンドレル母材がＪＩＳ ＳＫＤ１１の場合、この
炭化物被覆処理は焼入れを兼ねるため、炭化物を被覆さ
れたマンドレルは焼戻しにより硬度調整されて冷間圧延
に使用される。

【０００３】溶融塩拡散法により母材表面に形成された
炭化物被覆層は、耐焼付き性に優れる。しかし、図１の
に示すように、処理中の熱拡散により、被覆層と接す
る表層部においてＣ濃度の低下を生じる。その結果、母
材表面の機械的性質が著しく低下し、炭化物被覆層が、
層厚減少による使用限界に達する前に母材から剥離して
しまう。

【０００４】この剥離を防止するために、本出願人は、
図１のに示すように、炭化物被覆処理の前にマンドレ
ル母材を浸炭処理し、その表層部のＣ濃度を高める技術
を提案した（特願平４−１００６００）。これによる
と、同図に示すように、炭化物被覆処理で母材表層部
のＣ濃度が低下しても、この部分に母材本来のＣ濃度を
確保できる。また、炭化物被覆処理をした後に拡散熱処
理を行うことも、母材表層部のＣ濃度低下を補う技術と
して有効である。

【０００５】これらの技術により、母材表面のＣ濃度
は、母材本来のＣ濃度とほぼ同じになり、その母材から
の炭化物被覆層の剥離が防止される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
剥離対策を施したマンドレルは、被覆層が磨耗し終わる
より遙かに前に、圧延仕上部のような硬化の進んだ圧延
材が接する部分で、ピット状の深い剥離疵を生じ、未対
策のマンドレルよりもむしろ寿命を縮めてしまうこと
が、本発明者らの調査から判明した。

【０００７】すなわち、前述した未対策のマンドレルに
生じる炭化物被覆層の剥離は、発生までの期間は短い
が、被覆層と母材の界面に生じるため、母材に損傷を及
ぼさない。そのため、被覆層の剥離が生じた後に残った
被覆層を除去して被覆層を形成し直せば、母材を繰り返
し再使用できる。

【０００８】これに対し、剥離対策を施したマンドレル
に生じるピット疵は、発生までの期間が長い反面、深さ
が0.４ｍｍ程度と、前記剥離疵より遙かに深く、母材に
達してこれを損傷させる。そのため、一旦このピット疵
が発生すると、母材の削り直しが必要になり、同一サイ
ズでの再使用が不可能となる。従って、剥離防止により
１コーティング当りの耐用期間を延長できても、最終寿
命は短くなる。

【０００９】つまり、再被覆による母材の再使用までを
含めた最終的な寿命で判断すると、母材表面のＣ濃度調
整による剥離対策は、むしろマンドレルの寿命を縮め、
工具コストを上昇させる原因になる。

【００１０】本発明の目的は、母材表面に炭化物を被覆
し、且つ母材表面のＣ濃度調整による剥離対策を施した
冷間加工用工具において、母材に達するピット疵の発生
を防ぎ、上記剥離対策の効果を最大限引き出すことによ
り、工具寿命の大幅延長を図る炭化物被覆層工具の再生
方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】母材表面のＣ濃度調整
は、母材表面に形成された炭化物被覆層の剥離を確実に
防止でき、前記ピット疵の発生さえなければ、被覆層が
摩耗するまでの長期にわたって工具の使用を可能とし、
しかも摩耗後は、炭化物の再被覆により母材の繰り返し
使用が可能なことにより、工具の最終寿命を著しく延長
させることができる。

【００１２】そこで本発明者らは、このピット疵の発生
原因を解明し、その防止策を見出すべく、種々の調査解
析を行った。その結果、工具の使用によって炭化物被覆
層の直下に転位が蓄積されることによる母材疲労が、ピ
ット疵の発生原因であること、ピット疵が発生する前の
健全な状態で工具を焼戻すと、蓄積された転位が解放さ
れることにより、その工具は元の疲労がない状態に戻
り、健全な状態での焼戻しを繰り返すことにより、炭化
物被覆層の層厚減少による使用限界まで工具の使用が可
能となり、母材の繰り返し使用と合わせて大幅な寿命延
長が可能となることが分かった。

【００１３】なお、この母材疲労は炭化物被覆層の硬度
が母材硬度に比して著しく高いことが原因と推定され、
母材表面のＣ濃度調整を行わない未対策の工具でも、こ
の疲労は生じるはずであるが、それが問題にならなかっ
たのは、未対策の工具ではその疲労によるピットが発生
する前に被覆層が剥離していたためと考えられる。

【００１４】本発明は上記知見に基づきなされたもの
で、冷間工具鋼からなる母材の表面に炭化物を被覆し、
且つ、その被覆層と接する前記母材表面のＣ量を（母材
Ｃ量−0.１）重量％以上、（母材Ｃ量＋0.２）重量％以
下に調整した炭化物被覆工具の使用に際して、該炭化物
被覆工具にピット疵が生じるまでの耐用期間を加工条件
毎に求めておき、使用開始後、求めた耐用期間を過ぎる
前の健全な状態で該炭化物被覆工具を、その製作時の焼
戻し温度を超えない温度で焼戻しすることを特徴とする
炭化物被覆工具の再生方法を要旨とする。

【００１５】

【作用】以下に本発明の構成要件を詳述し、その作用を
明らかにする。図３に本発明を用いた代表的な工具製作
・再生プロセスを示す。

【００１６】工具製作 本発明が対象とする工具は、冷間管圧延に用いられるロ
ールダイス，マンドレル、冷間管引抜きに用いられるダ
イス，プラグ等の冷間管加工用工具である。而して、そ
の工具は、冷間工具鋼からなる母材の表面に炭化物を被
覆し、且つ、その被覆層と接する母材表面のＣ濃度調整
による剥離対策を施したものである。

【００１７】冷間工具鋼とは、ＪＩＳ Ｇ４４０４に規
定された特に冷間用の工具鋼のことであり、ＳＫＤ１１
またはその相当鋼が代表的である。ＳＫＤ１１のＣ量は
1.４〜1.６重量％である。

【００１８】炭化物の被覆層は、ＶＣ、ＴｉＣ等の工具
焼付け防止に有効なＣ化合物からなり、溶融塩浴法、Ｐ
ＶＤ法、ＣＶＤ法等の公知のコーティング法により母材
表面に形成される。その層厚は５〜２０μｍが望まし
い。５μｍ未満では被覆層の層厚減少による使用限界ま
での期間が短く、２０μｍ超では被覆層が剥離する危険
性を生じる。

【００１９】母材表面のＣ濃度調整は、炭化物被覆処理
前の浸炭処理または更に炭化物被覆処理後の拡散熱処理
より行う。

【００２０】調整後のＣ濃度は、母材本来のＣ量に対し
て（−0.１）重量％以上、（＋0.２）重量％以下とす
る。（−0.１）重量％未満では、母材表面の強度等の機
械的性質が不足し、母材表面の疲労破壊に起因する炭化
物被覆層の剥離が生じるため、被覆層の層厚減少による
使用限界まで工具を使用できない。（＋0.２）重量％を
超えた場合は、母材の靱性低下による工具破損の危険性
が生じる。

【００２１】浸炭処理は、炭化物被覆処理で消費される
母材表面のＣを予め補給しておくために炭化被覆処理前
に行うものであり、オーステナイト域の温度で実施する
と、Ｃの固溶量が大きく、また浸透深さも大きく、Ｃの
補給効果が高い。ＳＫＤ１１の場合、例えばガス浸炭雰
囲気中９３０℃×６Ｈｒ加熱保持＋炉冷により行う。

【００２２】望ましい工具製作プロセスは、炭化物被覆
処理後に拡散熱処理を行う方法である。炭化物被覆処理
後の拡散熱処理により、炭化物被覆処理で消費された母
材表面のＣが補給されるとともに、ピット疵発生までの
寿命が延びる。

【００２３】図２は、拡散熱処理前後の母材表層のＣ濃
度分布を示す図であり、同図に示す拡散熱処理後のＣ
濃度分布は、同図に示す拡散熱処理前（炭化物被覆処
理後）のそれに比べ、母材表層のＣ濃度が高まるととも
に、ピークが低くなり、このピークから母材表層側およ
び母材中心側へのＣ濃度勾配が緩くなる。これにより、
ピット疵の深さ（0.４ｍｍ程度）に相当する部分近傍の
ＰのＣ濃度も高くなる。ピット疵発生までの寿命が延び
るのは、このピット疵の深さに相当する部分近傍ＰのＣ
濃度が高くなるためと推測される。

【００２４】炭化物被覆処理後の拡散熱処理は、炭化物
被覆層が酸化せぬように真空中で行い、且つ、拡散効果
および焼入れ効果を高めるためにオーステナイト化温度
以上に加熱保持を行い、その後、焼入れのために急冷を
するのが良い。

【００２５】ＳＫＤ１１の場合、拡散熱処理温度として
は９８０〜１０３０℃が好ましい。９８０℃未満であれ
ばオーステナイト化が不十分であり、焼入れによる十分
な硬化も得られない。１０３０℃を超えると粗粒化が進
み、靱性が低下するばかりか浸炭層が母材表面から中心
部へ拡散し、表層濃化の効果が薄れる。望ましいＣ分布
は、母材表層を硬化させ、中心部は従来どおりの硬度と
して工具破損を防止するものである。

【００２６】均熱時間については、炭化物被覆層直下の
母材表面にＣを補給するとともに、表面から0.５ｍｍ程
度の部分のＣ濃度を高めればよく、３Ｈｒ以内で十分な
効果が得られる。

【００２７】冷却は、油冷または窒素ガスや他の不活性
ガスによるガス冷却等のいずれでもよく、焼入れ硬度を
得るに十分な冷却速度を確保でき、且つ炭化物被覆層の
酸化を防止できるものであれば、その種類を問わない。

【００２８】ＳＫＤ１１の最良の拡散熱処理条件は真空
中９８０℃×３Ｈｒ加熱保持＋油冷である。

【００２９】なお、母材は焼入れ・焼戻しにより所定の
機械的性質を付与されるが、炭化物被覆が溶融塩浴法等
の高温加熱を行う場合や、被覆後に拡散熱処理を行う場
合には、これらを焼入れに利用することができ、その焼
入れの後に焼戻しを行う。

【００３０】焼戻しが終わると、これに続いて表面の粗
度を調整するためにラッピングする。拡散熱処理を行っ
た場合は、真空中で行っているものの、拡散熱処理を行
わない場合に比べてその表面粗度は粗く、ラッピング代
は若干多くなる。

【００３１】疲労除去 上記工具の寿命を延長するために、その使用途中に疲労
除去処理を行う。

【００３２】疲労除去処理を行うタイミングは、工具に
ピット疵が生じる前であり、その具体的な時期は加工条
件毎に経験的に求める。母材表面のＣ濃度を調整した炭
化物被覆工具は被覆層の剥離を生じないが、その摩耗に
よる使用限界に達する前にピット疵が生じ、その使用限
界まで使用し続けることはできない。そして、ピット疵
が一旦生じると、その疵は母材を損傷させ、同一サイズ
での母材の繰り返し使用を不可能にする。そのため、ピ
ット疵が生じる前に疲労除去処理を行う。母材表面のＣ
濃度調整は、剥離寿命を延ばすだけでなく、これに伴い
生じるピット疵はその発生までの期間が比較的安定して
いるので、疲労除去処理を行う時期の決定を容易するこ
ともできる。

【００３３】疲労除去処理としては、炭化物被覆層直下
に蓄積された転位を解放する目的で、工具を焼戻す。そ
の温度は、工具硬度を低下させないために、工具製作時
の焼戻し温度を超えない温度とし、望ましくはその焼戻
し温度以下、（焼戻し温度−２０℃）以上である。ＳＫ
Ｄ１１の場合、工具製作時の焼戻し温度は５２０〜５４
０℃である。なお、炭化物被覆層の酸化防止のために、
窒素ガス等の不活性ガス雰囲気中で行う。

【００３４】加熱保持時間は３Ｈｒ以上が望ましい。焼
戻しを長時間行うこと、焼戻しを繰り返すことは、別段
支障ないが、工具の寿命延長に格別の効果があるわけで
もないので、通常は３時間程度の焼戻しを１回実施すれ
ばよい。

【００３５】焼戻し後は、工具表面をラッピングし、表
面粗度を調整する。このラッピングは、疲労除去処理時
の焼戻しの都度行うため、炭化物被覆層の層厚減少は、
工具使用時の摩耗とこのラッピング時のラッピング代に
よる。

【００３６】ピット疵が発生する前にこの疲労除去処理
を行うことにより母材表層の疲労が除去され、これを繰
り返すことにより、炭化物被覆の摩耗とラッピングに伴
う層厚減少による使用限界を迎えるまで、工具を使用し
続けることができる。

【００３７】再被覆 炭化物の層厚減少による使用限界まで使用できた工具
は、残った炭化物被覆を除去し、その被覆層を形成し直
すことにより、再び炭化物の層厚減少による使用限界ま
で使用できる。この再被覆を繰り返すことにより工具寿
命は飛躍的に延長される。

【００３８】炭化物被覆層の除去に際しては軟化のため
に大気中での焼きなましを行い、その後、研削等により
被覆層の除去を行う。

【００３９】被覆層の再形成では、浸炭処理や拡散熱処
理により母材表面のＣ量調整を行う必要のあることは言
うまでもない。

【００４０】

【実施例】次に、本発明の実施例を説明し、比較例と対
比することにより、その効果を明らかにする。

【００４１】コールドピルガーミルのマンドレルに本発
明を適用した。圧延条件を表１、マンドレルの仕様を表
２にそれぞれ示す。また、マンドレル製作時、疲労除去
時、炭化物被覆時の各種処理条件を表３に示す。炭化物
被覆層はＶＣ層で、その被覆処理後の層厚は１０μｍと
した。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】

【表３】

【００４５】

【表４】

【００４６】比較例１ マンドレル母材の表面に炭化物を被覆した。母材表面の
Ｃ濃度調整（浸炭処理および拡散熱処理）は行わなかっ
た。そのため、母材表面のＣ量は1.０％であった。１０
本のマンドレルの平均で、加工距離が4.４ｋｍに達した
ときに炭化物被覆層に剥離が生じたが、その後、２回の
炭化物再被覆を行うことにより、最終寿命は１3.２ｋｍ
（4.４ｋｍ×３）となった。

【００４７】比較例２ マンドレル母材表面のＣ濃度調整のために浸炭処理を施
した後、母材の表面に炭化物を被覆し、そのＣ量を1.４
％とした。使用中に被覆層の剥離は生じなかったが、加
工距離が7.８ｋｍに達した時点でピット疵が発生した。
同一寸法での母材再使用が不可能なため、最終寿命は7.
８ｋｍに制限され、比較例１の１3.２ｋｍより劣ること
になった。

【００４８】実施例１ マンドレル母材表面のＣ濃度調整のために浸炭処理を施
した後、母材の表面に炭化物を被覆し、そのＣ量を1.４
％とした。比較例２で最も早くピット疵が生じたマンド
レルの疵発生までの加工距離は5.５ｋｍであったので、
５ｋｍ毎に疲労除去処理を行った。その結果、炭化物被
覆層が薄くなるまでに９回の疲労除去処理を行うことが
でき、１コーティング当りの加工距離は５０ｋｍ（５ｋ
ｍ×１０）に達した。そして、更に２回の再被覆により
最終寿命は１５０ｋｍ（５０ｋｍ×３）になった。

【００４９】実施例２ マンドレル母材表面のＣ濃度調整のために浸炭処理を施
した後、母材の表面に炭化物を被覆し、その後拡散熱処
理を施し、そのＣ量を1.５％とした。この場合、実施例
１に比べてピット疵発生までの寿命が延び、最も早くピ
ット疵を生じるマンドレルの疵発生までの加工距離は8.
５ｋｍであったので、８ｋｍ毎に疲労除去処理を行っ
た。その結果、炭化物被覆層が薄くなるまでに６回の疲
労除去処理を行うことができ、１コーティング当りの加
工距離は５６ｋｍ（５ｋｍ×７）に達した。そして、更
に２回の再被覆により最終寿命は１７０ｋｍ（５６ｋｍ
×３）になった。なお、疲労除去処理回数が６回と、実
施例１の８回より少ないのは、工具製作時のラッピッグ
代が実施例１のそれより大きいためである。

【００５０】以上の結果を整理して表４に示す。本発明
の実施例は比較例より格段に優れた最終寿命を得ること
ができた。

【００５１】

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明の炭化物被
覆工具の再生方法は、母材表面に炭化物を被覆し、且
つ、母材表面のＣ量調整により、その被覆層の密着性を
高めた冷間加工用工具におけるピット疵の発生を防ぐこ
とにより、その被覆層の寿命を余すことなく引出し、被
覆層の層厚が減少するまで使用期間を延ばし、層厚減少
後は再被覆による繰り返し使用を可能にして、工具寿命
を飛躍的に延長する。

【図面の簡単な説明】

【図１】母材表層のＣ濃度分布を示す図である。

【図２】拡散熱処理前後の母材表層のＣ濃度分布を示す
図である。

【図３】本発明を用いた代表的な工具製作・再生プロセ
スを示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷間工具鋼からなる母材の表面に炭化物
   を被覆し、且つ、その被覆層と接する前記母材表面のＣ
   量を（母材Ｃ量−0.１）重量％以上、（母材Ｃ量＋0.
   ２）重量％以下に調整した炭化物被覆工具の使用に際し
   て、該炭化物被覆工具にピット疵が生じるまでの耐用期
   間を加工条件毎に求めておき、使用開始後、求めた耐用
   期間を過ぎる前の健全な状態で該炭化物被覆工具を、そ
   の製作時の焼戻し温度を超えない温度で焼戻しすること
   を特徴とする炭化物被覆工具の再生方法。