JPH081268A

JPH081268A - 傾斜機能を有する鍛造用工具及びその製造方法

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Publication number: JPH081268A
Application number: JP6160750A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Miki; 武司三木; Masahiro Toda; 正弘戸田; Osamu Kada; 修加田; Saburo Kitaguchi; 三郎北口
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-06-21
Filing date: 1994-06-21
Publication date: 1996-01-09
Anticipated expiration: 2016-01-15
Also published as: JP3124442B2

Abstract

(57)【要約】【目的】熱間鍛造、温間鍛造などのように素材を加熱
して、特に形状が複雑な部品に加工する場合に供する工
具に関する。【構成】内部が鋼あるいは鋳鉄からなり、少なくとも
被加工材と接触する部分の表層部０．５〜３ｍｍの間
で、セラミックの該内部成分に対する重量混合比が内部
０、最表面において０．６〜１．０になるように連続的
に変化していることを特徴とする傾斜機能を有する熱間
鍛造用工具および、これを工具鋼あるいは鋳鉄成分から
なる粉末とセラミック粉末を用いて低圧プラズマ溶射に
て製造する鍛造用工具の製造方法。【効果】複雑な型鍛造を可能とし、従来複数回の加熱
と鍛造を繰り返していた工程を大幅に短縮可能とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱間鍛造・温間鍛造な
どのように素材を加熱して、特に形状が複雑な部品に加
工する場合に供する工具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱間鍛造や温間鍛造は、自動車、建設機
械、航空機などに、大量に使用される部品の製造技術と
して広く用いられている。最近、それらの部品の軽量化
が図られ、高強度材料を用いるとともに剛性不足を補う
ために、部品形状は薄肉でありながら複雑なものとなっ
てきている。そうしたとき、鍛造中の材料の変形抵抗に
よって型に強い負荷が加わり、型寿命が著しく低下し
て、生産プロセスとして成立しなくなることがしばしば
起こっている。

【０００３】この問題を解決するには素材の変形抵抗を
低下させるのが最も有効であり、こうした観点から例え
ば特開平５−１５９３５号公報において、素材固相線近
傍まで加熱して変形抵抗を極力下げて複雑な成形をしよ
うとする技術が提案されている。しかし、通常こうした
高温状態で加工すると素材の熱が金型に奪われて温度が
下がり、変形抵抗の急増が避けられないので、同発明に
おいては５００ｍｍ／ｓ以上の急速成形が必須だとして
いる。そうすると、こうした高速プレスを保育しない限
り、この技術は実用困難であり、たとえ高速で成形した
としても、いくらかの熱の流出は避けられず、それによ
る変形抵抗の上昇は無視できない。

【０００４】この熱流出に対処するために熱伝導性の低
い非金属ダイスを用いて半溶融金属を加工する方法が米
国特許５，０３７，４８９で提案されているが、非金属
単体の型は強度が低く、熱衝撃および衝撃荷重に非常に
弱く、特に複雑な型鍛造用ダイスでは繰返し使用に耐え
ることができない。以上のような理由から、複雑形状を
有する部品の製造には、複数の比較的単純な形状に分割
して鍛造してから組み立てたり、多大の切削工程を追加
する必要が生じ、長い工程を辿る結果、製造コストが非
常に嵩むことになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】熱間鍛造あるいは温間
鍛造のように素材を加熱して複雑部品の加工をする場合
において、強度が高く、熱衝撃および衝撃荷重に強く、
繰り返し使用に耐えることができ、素材の熱が工具に流
出して素材温度が下がり変形抵抗が上昇するのを大幅に
抑制できる傾斜機能を有する温・熱間鍛造用工具及びそ
の製造方法の開発が求められており、本発明はその要望
に応えることを目的としてなされたものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解決すべく案出されたものであり、その要旨とすると
ころは、内部が鋼あるいは鋳鉄からなり、少なくとも被
加工材と接触する部分の表層部０．５〜３ｍｍの間で、
セラミックの該内部成分に対する重量混合比が内部で
０、最表面において０．６〜１．０になるように連続的
に変化しており、必要に応じ工具内部に冷却用のパイプ
を有することを特徴とする傾斜機能を有する温・熱間鍛
造用工具及び、これを工具鋼あるいは鋳鉄から成る工具
の少なくとも被加工材と接触する部分の表面に対し、工
具鋼あるいは鋳鉄成分からなる粉末と、セラミック粉末
の混合比を連続的に変えながら供給して低圧プラズマ溶
射して該工具表面に被覆層厚さが０．５〜３ｍｍでセラ
ミックの該内部成分に対する重量混合比が内部で０、最
表面において０．６〜１．０となるセラミック混合層を
形成することを特徴とする傾斜機能を有する鍛造用工具
及びその製造方法にある。

【０００７】

【作用】通常の温・熱間鍛造用工具では耐熱性が必要だ
が、高強度材の複雑部品の鍛造では型によって熱が奪わ
れないように断熱することが非常に重要となる。前述の
ように、セラミックだけでは打撃や熱衝撃に耐えられな
いので、本発明では金属とセラミック混合比を部位に応
じて徐々に変化させて靱性を付与させた。

【０００８】図１は、熱間鍛造で部品を成形している過
程を示す例で、１は加熱された金属素材、２は割ダイス
の下型、３はカウンターパンチ、４は割ダイスの上型、
５はパンチである。図２は図１のＡ部の拡大図、図３は
図１の素材１の加工品の斜視図である。パンチ５の押し
込みに伴い、素材１は型の空隙部に充満して行くが、通
常の金型では出口の狭いリブ６、６′、７、７′、８、
８′には型への伝熱が大きく、材料温度が低下して流動
性を失い、材料がなかなか充満しない。

【０００９】本発明では、例えば図１のＡ部を図２に拡
大して示すように、黒色で示したセラミックと、白色で
示した鋼あるいは鋳鉄が混在しており、表面ではほとん
どがセラミック、内部では全てが鋼や鋳鉄で、その間は
表面から内部に入るに従い鋼や鋳鉄の成分比が高くな
り、深さｔで１００％鋼あるいは鋳鉄となる。セラミッ
ク成分比の変化は深さ方向に直線的でも曲線的でも任意
に選択できる。

【００１０】型の内部の材料としては強度、靱性を兼備
した工具鋼を用いるのが良いが、負荷の小さい型では鋳
鉄を用いることも可能である。そしてダイス、パンチの
表層部に０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下を該内部成分とセ
ラミックの混合状態とする。この深さの範囲は断熱に効
果を発揮できる下限と、強度靱性を確保できるための上
限から定める。セラミックの混合比は最表面において重
量比０．６〜１．０の範囲とするのは、最表層のセラミ
ック混合比は０．６未満では断熱効果が小さいからであ
る。セラミックの種類としては、ＺｒＯ₂ 、ＳｉＣ、Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ 、ＴｉＣ、Ｙ₂ Ｏ₂ などの断熱効果と強度を有
する物が望ましい。

【００１１】本発明の工具を製造する最も有効な方法
は、ほぼ所定の寸法形状に仕上げた鋼や鋳鉄製の金型
に、金型成分からなる粉末と、セラミック粉末を混合し
ながら低圧プラズマ溶射するプロセスである。低圧プラ
ズマ溶射法を用いた理由は、溶射雰囲気がＡｒガス等の
不活性ガスで置換された真空容器内で溶射するために、
特に金属系溶射材料の酸化防止が計れることから、高強
度の皮膜が確保できるためである。この方法であればセ
ラミックが断熱作用を発揮し、一方で鋼や鋳鉄が強度を
分担するので、被加工素材を通して加えられる強い圧力
に耐えるとともに、熱伝導を大きく抑制することができ
る。

【００１２】さらに、表層に金属成分がほとんど存在し
ないので、被加工素材の工具への凝着が抑制され摩擦係
数も大幅に低下する、場合によっては潤滑材の添加も必
要ない。こうした表層に断熱性の物質を被覆しても、長
時間製造を続けていると内部へ熱が伝播して、工具材が
軟化することがあるので、必要に応じて内部の表層近く
にパイプを配置して冷却剤の循環を施すことも有効であ
る。

【００１３】

【実施例】図１の形状で、工具素材はいずれもＪＩＳ−
ＳＫＤ６１を用い、ダイス内径７０ｍｍ、各部のフィン
厚みはいずれも３ｍｍとした。この形状で、一方はＳＫ
Ｄ６１単体の工具、もう一方は被加工材接触部の工具表
層部を、最表層から内部に行くに従い、徐々にＳＫＤ６
１の比率を高めて、セラミック含有率がゼロとなる深さ
を最小０．５ｍｍ、最大３ｍｍとした工具を低圧プラズ
マを利用して溶射にて作成した。

【００１４】表１に低圧プラズマ溶射条件を示す。表２
に作成した工具の表層セラミック層の状態を示す。表２
中、最表層のセラミック重量混合比とは、セラミック重
量／鋼成分重量の比を意味する。セラミックは１種類の
場合と、２種類混合した場合について実験しており、混
合の場合の重量比も表２に併記した。

【００１５】

【表１】

【００１６】

【表２】

【００１７】これら各種工具に１３５０℃に加熱したＪ
ＩＳ−Ｓ５５Ｃの直径６８ｍｍ×８０ｍｍの素材を、各
種パンチで押し込んだ。パンチ押し込み速度を１７０ｍ
ｍ／ｓとし、荷重を４０ｔｏｎｆ加えた。この加工後に
冷却して出来上がった部品の寸法を薄いフィン状突起
６、６′、７、７′、８、８′（何れも図１の符号に対
応する部分）の張出し長さとして測定した。表２にはそ
れぞれ対になるフィンの張出し長さを平均化して示し
た。

【００１８】その結果を見ると、比較例１のフィン長さ
が６、６′で５ｍｍ、７、７′も５ｍｍ、８、８′が９
ｍｍとなっているのに対し、表層０．３ｍｍ深さまでを
セラミックと工具鋼の混合比を傾斜配分した比較例２で
もフィン長さはあまり大きくなっていないが、該表層深
さを０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下とした本発明によるフ
ィン長さはいずれも比較例１、２を大幅に上回ってお
り、本発明が狭隘部の型充満性に優れていることが明ら
かである。この傾向は、セラミックの種類や、複数のセ
ラミックの場合、さらには最表層におけるセラミック重
量混合比によってはあまり影響を受けていない。セラミ
ック混合部の深さが増すとフィン張出し長さが徐々に増
える傾向にあるが、この混合部が少しでもあると効果が
十分に認められる。

【００１９】ただし、比較例３に示した混合比が４．５
ｍｍの比較ではフィン長さは大きくなるが、使用中に早
期破損が起こり実用に耐えなかった。また、比較例４の
ように最表層におけるセラミック重量比が０．５と低い
場合は断熱効果が低下し、型充満性が不足した。このよ
うに、本発明は複雑形状を有する部品の成形に極めて優
れた威力を発揮する。

【００２０】

【発明の効果】本発明は、複雑な型鍛造を可能とし、従
来複数回の加熱と鍛造を繰り返していた工程を大幅に短
縮可能としたもので、産業上多大な寄与を成すものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一態様例を示す図

【図２】図１の一部の拡大図

【図３】図１における素材の斜視図

【符号の説明】１素材２下ダイス３カウンターパンチ４上ダイス５パンチ６、６′、７、７′、８、８′ フィン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者北口三郎千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部が鋼あるいは鋳鉄からなり、少なく
とも被加工材と接触する部分の表層部０．５〜３ｍｍの
間で、セラミックの該内部成分に対する重量混合比が内
部で０、最表面において０．６〜１．０になるように連
続的に変化していることを特徴とする傾斜機能を有する
鍛造用工具。
【請求項２】工具鋼あるいは鋳鉄から成る工具の少な
くとも被加工材と接触する部分の表面に対し、工具鋼あ
るいは鋳鉄成分からなる粉末と、セラミック粉末の混合
比を連続的に変えながら供給して低圧プラズマ溶射して
該工具表面に被覆層厚さが０．５〜３ｍｍでセラミック
の該内部成分に対する重量混合比が内部で０、最表面に
おいて０．６〜１．０となるセラミック混合層を形成す
ることを特徴とする請求項１記載の傾斜機能を有する鍛
造用工具の製造方法。