金型
【課題】アルミニウムの金型への凝着を低減することができるとともに、酸化被膜と母材との密着性を高めて酸化被膜の剥離を抑制することができる鋳鋼製金型を提供する。
【解決手段】重量％で、Ｓｉを１．２５％以上３．００％以下、Ｃｒを１．２５％以下含有する鋳鋼からなる金型であり、予熱によって、当該金型表面には、膜厚が１．５〜１０μｍであるＦｅ↓３Ｏ↓４の酸化被膜が形成され、当該酸化被膜は不活性であるためアルミニウムとの潤滑性があり、アルミニウムの凝着を抑制することができる。
【解決手段】重量％で、Ｓｉを１．２５％以上３．００％以下、Ｃｒを１．２５％以下含有する鋳鋼からなる金型であり、予熱によって、当該金型表面には、膜厚が１．５〜１０μｍであるＦｅ↓３Ｏ↓４の酸化被膜が形成され、当該酸化被膜は不活性であるためアルミニウムとの潤滑性があり、アルミニウムの凝着を抑制することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば金属素材をブロー成形するために用いて好適な金型に係り、特に、アルミニウムなどの素材の金型内面への凝着を有効に防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アルミニウムなどの軟質金属材料の加工には、ブロー成形が行われることがある。ブロー成形は、互いに接離可能な一対の金型の一方にキャビティを形成し、他方の金型にキャビティとほぼ同形の開口を有する加圧空間を形成し、素材を金型で挟んだ状態で加圧空間に圧縮空気を供給することにより、素材をキャビティの内面に押し付けて成形する塑性加工方法である。このブロー成形では、加工を容易にするために素材および金型を５００℃程度まで加熱するのが一般的である。そのような温度で使用する金型の材料としては、特許文献１に開示されたようなＳＫＤ等の熱間加工用合金工具鋼が知られているが、ブロー成形では安価な鋳鋼が用いられることもある。
【０００３】
たとえば、特許文献２には、重量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｎi ：１％以下、Ｃr ：８〜１３％、Ｍｏ：０．３〜１．５％、Ｖ：０．１〜０．３％を含み、さらに、Ｔi ：０．０５〜０．１５％、Ｎｂ：０．０５〜０．１５％、Ｎ：０．０１〜０．０８％の１種または２種以上を含有し、残部がＦe および不可避的不純物からなり、該不可避的不純物のうち、Ｓi ：０．１％以下、Ｍｎ：０．１％以下を許容含有量とする耐経年劣化性に優れた高温高圧用鋳鋼が開示されている。
【特許文献１】特開昭５０−１０２５１７号公報
【特許文献２】特開平５−１９５１６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、アルミニウムの素材をブロー成形すると、アルミニウムが金型と擦れることでアルミニウムが型彫り面に凝着するという現象が生じる。そして、ブロー成形を繰り返すことにより凝着部が成長し、凝着部によって製品に疵が付くという問題があった。
【０００５】
金型の型彫り面が鏡面であればアルミニウムの凝着は生じ難いと考えられる。しかしながら、型彫り面をメッキで被覆しても、アルミニウムの凝着を防止できるような平滑さを得ることができないのが現状である。
【０００６】
一般にブロー成形では、金型を加熱炉に配置して予熱し、加熱された素材を成形する。この場合において、鋳鋼製の金型では、予熱により表面に酸化被膜が形成され、この酸化被膜は不活性であるためアルミニウムとの潤滑性があり、アルミニウムの凝着を抑制することができる。ところが、上記特許文献２に開示されたような鋳鋼では、酸化被膜と母材との密着性が良好ではなく、酸化被膜の一部がブロー成形の際に剥離し易い。このため、酸化被膜が剥離した痕が製品に転写されたり酸化被膜が製品に付着したりし、ブロー成形後に製品の改修が必要となる。
【０００７】
したがって、本発明は、アルミニウムの金型への凝着を低減することができるとともに、酸化被膜と母材との密着性を高めて酸化被膜の剥離を抑制することができ、これにより製品価値を維持することができる鋳鋼製金型を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、酸化被膜と母材との密着性を高めるべく鋭意研究を重ねた結果、鋳鋼におけるＣｒとＳｉの含有量に着目した。特許文献２に記載の高温高圧用鋳鋼では、Ｃｒの含有量を８〜１３％とし、ＪＩＳ Ｇ ５１５１に規定されたＳＣＰＨ材（高温高圧用鋳鋼品）の１〜１．５％と比較するとかなり多い。本発明者等の検討によれば、Ｃｒの含有量が多いと、鋳鋼表面に形成される酸化被膜薄いため、酸化被膜の強度が低く、その結果、酸化被膜が母材から剥離し易いことが判明している。
【０００９】
また、特許文献２では、Ｓｉは不可避不純物として０．１％以下に制限している。これに対して、本発明者等の検討によれば、Ｓｉの含有量が少ないと、酸化被膜と母材との密着性が低く、酸化被膜が母材から剥離し易くなることが判明している。
【００１０】
本発明の金型は、上記知見に基づいてなされたもので、重量％で、Ｓｉを１．２５％以上３．００％以下、Ｃｒを１．２５％以下含有する鋳鋼からなることを特徴としている。なお、Ｃｒの含有量は０であっても良い。以下、本発明の数値限定の根拠を本発明の作用とともに説明する。なお、以下の説明において「％」は「重量％」を意味するものとする。
【００１１】
Ｓｉ：１．２５〜３．００％
Ｓｉの含有量が１．２５％を下回ると、酸化被膜と母材との密着性が充分でなく、酸化被膜が母材から剥離し易くなる。一方、Ｓｉの含有量が３．００％を超えると、酸化被膜が生成され難くなる。よって、Ｓｉの含有量は１．２５〜３．００％とした。なお、Ｓｉの含有量が２．５０％を超えると鋳鋼が脆化するので、Ｓｉの含有量は２．５％以下であることが望ましい。また、酸化被膜と母材との密着性を確実に得るために、Ｓｉの含有量は１．５０％以上であることが望ましい。
【００１２】
Ｃｒ：１．２５％以下
Ｃｒが少ない程酸化被膜が生成され易くなる。アルミニウムの素材をブロー成形する場合には、金型に求められる強度が低いので、Ｃｒの含有量を低くしても問題はない。ただし、母材の強度を確保するために少しでも含有することが望ましい。これらの観点から、Ｃｒの含有量は０．１０〜０．５０％であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の金型では、ブロー成形中に金型の表面に酸化被膜が形成され、あるいは、特別な熱処理によって酸化被膜を形成することができる。そして、本発明では、ＳｉとＣｒの含有量を規定することにより、３５０〜５５０℃といった比較的低温での熱処理でも充分な厚さの酸化被膜を形成するとともに、酸化被膜と母材との密着強度を高めることができる。したがって、本発明では、酸化被膜の不活性によりアルミニウムの金型への凝着を低減することができるとともに、酸化被膜と母材との密着性を高めて酸化被膜の剥離を抑制することができ、これにより高い製品価値を維持することができる。すなわち、ブロー成形では、金型表面の形状が製品に転写され易いため、金型表面の品質が重要である。したがって、酸化被膜の強度と母材との密着性が特に重要であり、本発明はそのような条件を備えたものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の金型の素材は、好適には高温高圧用鋳鋼であるが、その他、炭素鋼鋳鋼、溶接構造用鋳鋼、低合金鋼鋳鋼、ステンレス鋼鋳鋼、耐熱鋼鋳鋼、高マンガン鋼鋳鋼、定温高圧用鋳鋼など種々の鋳鋼も適用可能である。
【００１５】
鋳鋼のＳｉおよびＣｒ以外の成分としては、たとえば、Ｃ：０．１〜０．３０％、Ｍｎ：０．５０〜０．８０％、Ｍｏ：０．９０〜１．２０％、Ｖ：０．１５〜０．２５％の１種または２種以上を含有することができる。
【００１６】
酸化被膜はＦｅ３Ｏ４である。金型を熱処理ないしブロー成形で使用することにより、Ｆｅ３Ｏ４とＦｅ２Ｏ３とが混った酸化被膜が形成される。しかしながら、Ｆｅ２Ｏ３は脆いためブロー成形で無くなってしまうから、酸化被膜は殆どがＦｅ３Ｏ４となる。酸化被膜の膜厚は薄過ぎると強度が不足し、厚過ぎると自己崩壊する。これらの観点から、酸化被膜の膜厚は、１．５〜１０μｍが望ましく、３．０〜１０μｍであればさらに好適である。なお、金型をブロー成形で使用することで生成される酸化被膜は、熱処理により生成される酸化被膜と実質的に同一である。
【実施例】
【００１７】
次に、本発明の具体的な実施例を示す。
１．密着性試験
高温高圧用鋳鋼（ＳＣＰＨ２３）のＳｉおよびＣｒの含有量を０％から３．００％まで変えた材料で試験片を作製し、試験片を５００℃で４８時間加熱して表面に酸化被膜を形成した。この材料のＳｉおよびＣｒ以外の成分を表１に示す。
【００１８】
【表１】
【００１９】
次に、上記試験片にアルミニウム材料を３ＭＰａの応力で押し付け、酸化被膜の剥離の有無を調査した。表２は、ＳｉおよびＣｒの含有量に対する剥離の有無を示すものである。表２から判るように、Ｓｉを１．２５％以上３．００％以下、Ｃｒを１．２５％以下含有する本発明例では、酸化被膜の剥離が概ね無く、良好な結果を示した。特に、Ｓｉを１．５０％以上２．５０％以下、Ｃｒを０．１０％以上０．５０％以下含有する本発明の好適な例では、殆どの試験片で剥離が生じなかった。
【００２０】
【表２】
【００２１】
一方、表２の太線で囲った部分は、現行のＳＣＰＨ２３のＳｉおよびＣｒの含有量である。これから判るように、現行のＳＣＰＨでは酸化被膜の強度と母材に対する密着力が低いために、全ての試験片で酸化被膜が剥離した。
【００２２】
２．酸化被膜の膜厚
上記試験片の酸化被膜の膜厚を測定した。その結果を表３に示す。表３から、Ｃｒの含有量が減少するに従って酸化被膜の膜厚が増加することが判る。また、Ｓｉの含有量が増加するに従って酸化被膜の膜厚が減少することが判る。表３の太線で囲った領域のうち左側の領域は現行のＳＣＰＨ２３であり、右側の領域は本発明の範囲である。現行のＳＣＰＨ２３では、酸化被膜の膜厚は本発明例と変わらないが、Ｓｉの含有量が少ないために酸化被膜が剥離した。
【００２３】
【表３】
【００２４】
３．ブロー成形試験
Ｓｉを２．０％、Ｃｒを０．２５％、および表１に示す他の成分を含有する材料から金型を作製し、その金型を５００℃で４８時間熱処理を行った。この金型を用いてアルミニウム素材板のブロー成形を行ったところ、金型内面へのアルミニウムの凝着はなく、また、酸化被膜の剥離もなく外観が良好な成型品が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の金型は、アルミニウムの金型への凝着を低減することができるとともに、酸化被膜と母材との密着性を高めて酸化被膜の剥離を抑制することができるので、アルミニウムを素材とするブロー成形の分野に適用することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば金属素材をブロー成形するために用いて好適な金型に係り、特に、アルミニウムなどの素材の金型内面への凝着を有効に防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アルミニウムなどの軟質金属材料の加工には、ブロー成形が行われることがある。ブロー成形は、互いに接離可能な一対の金型の一方にキャビティを形成し、他方の金型にキャビティとほぼ同形の開口を有する加圧空間を形成し、素材を金型で挟んだ状態で加圧空間に圧縮空気を供給することにより、素材をキャビティの内面に押し付けて成形する塑性加工方法である。このブロー成形では、加工を容易にするために素材および金型を５００℃程度まで加熱するのが一般的である。そのような温度で使用する金型の材料としては、特許文献１に開示されたようなＳＫＤ等の熱間加工用合金工具鋼が知られているが、ブロー成形では安価な鋳鋼が用いられることもある。
【０００３】
たとえば、特許文献２には、重量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｎi ：１％以下、Ｃr ：８〜１３％、Ｍｏ：０．３〜１．５％、Ｖ：０．１〜０．３％を含み、さらに、Ｔi ：０．０５〜０．１５％、Ｎｂ：０．０５〜０．１５％、Ｎ：０．０１〜０．０８％の１種または２種以上を含有し、残部がＦe および不可避的不純物からなり、該不可避的不純物のうち、Ｓi ：０．１％以下、Ｍｎ：０．１％以下を許容含有量とする耐経年劣化性に優れた高温高圧用鋳鋼が開示されている。
【特許文献１】特開昭５０−１０２５１７号公報
【特許文献２】特開平５−１９５１６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、アルミニウムの素材をブロー成形すると、アルミニウムが金型と擦れることでアルミニウムが型彫り面に凝着するという現象が生じる。そして、ブロー成形を繰り返すことにより凝着部が成長し、凝着部によって製品に疵が付くという問題があった。
【０００５】
金型の型彫り面が鏡面であればアルミニウムの凝着は生じ難いと考えられる。しかしながら、型彫り面をメッキで被覆しても、アルミニウムの凝着を防止できるような平滑さを得ることができないのが現状である。
【０００６】
一般にブロー成形では、金型を加熱炉に配置して予熱し、加熱された素材を成形する。この場合において、鋳鋼製の金型では、予熱により表面に酸化被膜が形成され、この酸化被膜は不活性であるためアルミニウムとの潤滑性があり、アルミニウムの凝着を抑制することができる。ところが、上記特許文献２に開示されたような鋳鋼では、酸化被膜と母材との密着性が良好ではなく、酸化被膜の一部がブロー成形の際に剥離し易い。このため、酸化被膜が剥離した痕が製品に転写されたり酸化被膜が製品に付着したりし、ブロー成形後に製品の改修が必要となる。
【０００７】
したがって、本発明は、アルミニウムの金型への凝着を低減することができるとともに、酸化被膜と母材との密着性を高めて酸化被膜の剥離を抑制することができ、これにより製品価値を維持することができる鋳鋼製金型を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、酸化被膜と母材との密着性を高めるべく鋭意研究を重ねた結果、鋳鋼におけるＣｒとＳｉの含有量に着目した。特許文献２に記載の高温高圧用鋳鋼では、Ｃｒの含有量を８〜１３％とし、ＪＩＳ Ｇ ５１５１に規定されたＳＣＰＨ材（高温高圧用鋳鋼品）の１〜１．５％と比較するとかなり多い。本発明者等の検討によれば、Ｃｒの含有量が多いと、鋳鋼表面に形成される酸化被膜薄いため、酸化被膜の強度が低く、その結果、酸化被膜が母材から剥離し易いことが判明している。
【０００９】
また、特許文献２では、Ｓｉは不可避不純物として０．１％以下に制限している。これに対して、本発明者等の検討によれば、Ｓｉの含有量が少ないと、酸化被膜と母材との密着性が低く、酸化被膜が母材から剥離し易くなることが判明している。
【００１０】
本発明の金型は、上記知見に基づいてなされたもので、重量％で、Ｓｉを１．２５％以上３．００％以下、Ｃｒを１．２５％以下含有する鋳鋼からなることを特徴としている。なお、Ｃｒの含有量は０であっても良い。以下、本発明の数値限定の根拠を本発明の作用とともに説明する。なお、以下の説明において「％」は「重量％」を意味するものとする。
【００１１】
Ｓｉ：１．２５〜３．００％
Ｓｉの含有量が１．２５％を下回ると、酸化被膜と母材との密着性が充分でなく、酸化被膜が母材から剥離し易くなる。一方、Ｓｉの含有量が３．００％を超えると、酸化被膜が生成され難くなる。よって、Ｓｉの含有量は１．２５〜３．００％とした。なお、Ｓｉの含有量が２．５０％を超えると鋳鋼が脆化するので、Ｓｉの含有量は２．５％以下であることが望ましい。また、酸化被膜と母材との密着性を確実に得るために、Ｓｉの含有量は１．５０％以上であることが望ましい。
【００１２】
Ｃｒ：１．２５％以下
Ｃｒが少ない程酸化被膜が生成され易くなる。アルミニウムの素材をブロー成形する場合には、金型に求められる強度が低いので、Ｃｒの含有量を低くしても問題はない。ただし、母材の強度を確保するために少しでも含有することが望ましい。これらの観点から、Ｃｒの含有量は０．１０〜０．５０％であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の金型では、ブロー成形中に金型の表面に酸化被膜が形成され、あるいは、特別な熱処理によって酸化被膜を形成することができる。そして、本発明では、ＳｉとＣｒの含有量を規定することにより、３５０〜５５０℃といった比較的低温での熱処理でも充分な厚さの酸化被膜を形成するとともに、酸化被膜と母材との密着強度を高めることができる。したがって、本発明では、酸化被膜の不活性によりアルミニウムの金型への凝着を低減することができるとともに、酸化被膜と母材との密着性を高めて酸化被膜の剥離を抑制することができ、これにより高い製品価値を維持することができる。すなわち、ブロー成形では、金型表面の形状が製品に転写され易いため、金型表面の品質が重要である。したがって、酸化被膜の強度と母材との密着性が特に重要であり、本発明はそのような条件を備えたものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の金型の素材は、好適には高温高圧用鋳鋼であるが、その他、炭素鋼鋳鋼、溶接構造用鋳鋼、低合金鋼鋳鋼、ステンレス鋼鋳鋼、耐熱鋼鋳鋼、高マンガン鋼鋳鋼、定温高圧用鋳鋼など種々の鋳鋼も適用可能である。
【００１５】
鋳鋼のＳｉおよびＣｒ以外の成分としては、たとえば、Ｃ：０．１〜０．３０％、Ｍｎ：０．５０〜０．８０％、Ｍｏ：０．９０〜１．２０％、Ｖ：０．１５〜０．２５％の１種または２種以上を含有することができる。
【００１６】
酸化被膜はＦｅ３Ｏ４である。金型を熱処理ないしブロー成形で使用することにより、Ｆｅ３Ｏ４とＦｅ２Ｏ３とが混った酸化被膜が形成される。しかしながら、Ｆｅ２Ｏ３は脆いためブロー成形で無くなってしまうから、酸化被膜は殆どがＦｅ３Ｏ４となる。酸化被膜の膜厚は薄過ぎると強度が不足し、厚過ぎると自己崩壊する。これらの観点から、酸化被膜の膜厚は、１．５〜１０μｍが望ましく、３．０〜１０μｍであればさらに好適である。なお、金型をブロー成形で使用することで生成される酸化被膜は、熱処理により生成される酸化被膜と実質的に同一である。
【実施例】
【００１７】
次に、本発明の具体的な実施例を示す。
１．密着性試験
高温高圧用鋳鋼（ＳＣＰＨ２３）のＳｉおよびＣｒの含有量を０％から３．００％まで変えた材料で試験片を作製し、試験片を５００℃で４８時間加熱して表面に酸化被膜を形成した。この材料のＳｉおよびＣｒ以外の成分を表１に示す。
【００１８】
【表１】
【００１９】
次に、上記試験片にアルミニウム材料を３ＭＰａの応力で押し付け、酸化被膜の剥離の有無を調査した。表２は、ＳｉおよびＣｒの含有量に対する剥離の有無を示すものである。表２から判るように、Ｓｉを１．２５％以上３．００％以下、Ｃｒを１．２５％以下含有する本発明例では、酸化被膜の剥離が概ね無く、良好な結果を示した。特に、Ｓｉを１．５０％以上２．５０％以下、Ｃｒを０．１０％以上０．５０％以下含有する本発明の好適な例では、殆どの試験片で剥離が生じなかった。
【００２０】
【表２】
【００２１】
一方、表２の太線で囲った部分は、現行のＳＣＰＨ２３のＳｉおよびＣｒの含有量である。これから判るように、現行のＳＣＰＨでは酸化被膜の強度と母材に対する密着力が低いために、全ての試験片で酸化被膜が剥離した。
【００２２】
２．酸化被膜の膜厚
上記試験片の酸化被膜の膜厚を測定した。その結果を表３に示す。表３から、Ｃｒの含有量が減少するに従って酸化被膜の膜厚が増加することが判る。また、Ｓｉの含有量が増加するに従って酸化被膜の膜厚が減少することが判る。表３の太線で囲った領域のうち左側の領域は現行のＳＣＰＨ２３であり、右側の領域は本発明の範囲である。現行のＳＣＰＨ２３では、酸化被膜の膜厚は本発明例と変わらないが、Ｓｉの含有量が少ないために酸化被膜が剥離した。
【００２３】
【表３】
【００２４】
３．ブロー成形試験
Ｓｉを２．０％、Ｃｒを０．２５％、および表１に示す他の成分を含有する材料から金型を作製し、その金型を５００℃で４８時間熱処理を行った。この金型を用いてアルミニウム素材板のブロー成形を行ったところ、金型内面へのアルミニウムの凝着はなく、また、酸化被膜の剥離もなく外観が良好な成型品が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の金型は、アルミニウムの金型への凝着を低減することができるとともに、酸化被膜と母材との密着性を高めて酸化被膜の剥離を抑制することができるので、アルミニウムを素材とするブロー成形の分野に適用することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｓｉを１．２５％以上３．００％以下、Ｃｒを１．２５％以下含有する鋳鋼からなることを特徴とする金型。
【請求項２】
重量％で、Ｓｉを１．５０％以上２．５０％以下、Ｃｒを０．１０％以上０．５０％以下含有する鋳鋼からなることを特徴とする金型。
【請求項１】
重量％で、Ｓｉを１．２５％以上３．００％以下、Ｃｒを１．２５％以下含有する鋳鋼からなることを特徴とする金型。
【請求項２】
重量％で、Ｓｉを１．５０％以上２．５０％以下、Ｃｒを０．１０％以上０．５０％以下含有する鋳鋼からなることを特徴とする金型。
【公開番号】特開２００９−２７０１６４（Ｐ２００９−２７０１６４Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２２０７９（Ｐ２００８−１２２０７９）
【出願日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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