鍛造用金型及びその製造方法
【課題】鍛造用金型を長寿命化する。
【解決手段】ＳＫＨ５１（Ｆｅ基合金）からなる予備成形体５２の表面に、炭化物を形成してＳＫＨ５１の内部に拡散する金属、すなわち、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種の粉末を塗布する。塗布後、予備成形体５２を熱処理すれば、前記金属の炭化物が母材中に拡散することによって形成された拡散層３６ａを有する予備成形体５２が得られる。拡散層３６ａの下方には、母材である下地層３７が存在する。その後、仕上げ加工を行うことにより、所定の形状の鍛造用上パンチ２６ａが作製されるに至る。
【解決手段】ＳＫＨ５１（Ｆｅ基合金）からなる予備成形体５２の表面に、炭化物を形成してＳＫＨ５１の内部に拡散する金属、すなわち、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種の粉末を塗布する。塗布後、予備成形体５２を熱処理すれば、前記金属の炭化物が母材中に拡散することによって形成された拡散層３６ａを有する予備成形体５２が得られる。拡散層３６ａの下方には、母材である下地層３７が存在する。その後、仕上げ加工を行うことにより、所定の形状の鍛造用上パンチ２６ａが作製されるに至る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｆｅ基合金からなる下地層の表面に、Ｆｅ基合金に炭化物が拡散して形成され且つ前記下地層に比して高硬度である拡散層を有する鍛造用金型及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鍛造加工は、所望の形状の成形体を得る際に広汎に採用される成形加工手法の１つである。鍛造加工では、パンチやダイ等の鍛造用金型を用い、この鍛造用金型によってワークを加圧する。加圧された該ワークの肉は、パンチ及びダイによって形成されるキャビティに沿って塑性流動を起こし、これに伴い、該ワークが所定の形状の成形体に成形される。
【０００３】
鍛造用金型には、上記のような鍛造加工を数千回〜数万回繰り返して実施するに十分な耐摩耗性、耐食性、強度等が希求される。このような諸特性が十分でないと、割れや欠けが容易に発生するので寿命が短い鍛造用金型となり、結局、鍛造用金型を頻繁に交換する必要が生じるので、設備投資が高騰するからである。
【０００４】
鍛造用金型は、一般に、高速度工具鋼（ＳＫＨ）や合金工具鋼（ＳＫＤ）、すなわち、Ｆｅ基合金の１種である鋼材から構成される。従って、上記した諸特性を向上させるには、その表面に、物理的気相成長（ＰＶＤ）法や化学的気相成長（ＣＶＤ）法、メッキ、陽極酸化等によって皮膜を設けることが有効であるようにも考えられる。しかしながら、この場合、皮膜の形成に長時間を要するとともに、皮膜形成コストが大きいという不具合がある。
【０００５】
皮膜を設けることなく鋼材の表面の諸特性を向上させる試みとして、浸炭、浸硫、窒化、炭窒化等の様々な表面処理を施すことが挙げられる（例えば、特許文献１、２参照）。また、特許文献３では、加工用刃具ではあるが、ショットピーニングやショットブラスト等の機械的処理を施して表面に１０ｋｇｆ／ｃｍ2（およそ０．１ＭＰａ）の圧縮応力を付与すれば、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることができると報告されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１２９２１６号公報
【特許文献２】特開２００３−２３９０３９号公報
【特許文献３】特開平５−１７１４４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１〜３に記載されたような従来技術で諸特性が向上するのは、金属材の表面に限られる。例えば、窒化や浸炭等では、元素が拡散するのは金属材の表面から僅かに数μｍ、最大でも２００μｍ程度であり、それより内部の諸特性を向上させることは困難である。このため、鍛造用金型に適用したとしても、該鍛造用金型の耐摩耗性や耐欠損性が著しく向上するとは言い難い側面がある。
【０００８】
しかも、従来技術に係る処理方法では、形成された窒化層等と下地層である金属材との間に界面が存在する。このため、界面に応力集中が起こるような条件下では、界面から脆性破壊が起こることが懸念される。
【０００９】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、硬度及び強度が向上し、且つ物性の変化がなだらかであるために応力集中が起こり難いので脆性破壊が生じ難い鍛造用金型及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明に係る鍛造用金型は、加圧によりワークを成形加工して成形体とするための鍛造用金型であって、
Ｆｅ基合金からなる下地層と、前記下地層の表面側に位置するとともにＦｅ基合金中に炭化物が拡散することで前記下地層に比して高硬度を示す拡散層とを有し、
前記炭化物が、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種の炭化物、又はこれらの中の少なくともいずれか１種とＦｅとの固溶体が炭化物化したものであり、且つ金属元素をＭで表すときに組成式がＭ6Ｃ、Ｍ23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃ又は（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6であることを特徴とする。
【００１１】
Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの炭化物は、Ｆｅ基合金に拡散した場合、析出硬化型複合材と同様の機構でＦｅ基合金の硬度を向上させる。そして、本発明に係る鍛造用金型においては、この種の炭化物が母材であるＦｅ基合金の内部深くまで拡散しているので、内部まで優れた硬度及び強度を示す。
【００１２】
しかも、この鍛造用金型には、拡散した炭化物と下地層との間に界面が存在しない。このため、応力集中が起こり難いので、脆性破壊が生じ難くなる。
【００１３】
なお、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの炭化物の組成式は、例えば、金属元素をＭで表すとき、Ｍ6Ｃ又はＭ23Ｃ6である。組成式がこのように表される炭化物は、Ｆｅ基合金の硬度を向上させる効果に特に優れる。
【００１４】
又は、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種と、Ｆｅとの固溶体が炭化物化し、その組成式が（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃ又は（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6で表されるものであってもよい。この場合、上記したような金属炭化物の相対量が低減するので、金属炭化物が過度に生成して脆性が上昇することを抑制することができる。
【００１５】
ここで、鍛造用金型がパンチである場合、拡散層を、少なくともワークを押圧して該ワークの肉を塑性変形させる成形部に設けることが好ましい。少なくとも成形部の諸特性が向上すれば十分であり、ワークに当接せず該ワークを押圧しない部位までをも諸特性を向上させる場合に比してコストを低廉化することができるからである。
【００１６】
一方、鍛造用金型が、塑性流動する前記ワークの肉が流入する成形部を有するダイである場合、拡散層を、肉が通過する断面積が減少する部位に設けることが好ましい。断面積が絞られる部位に対しては、ワークの肉が塑性流動することに伴って過大な応力が作用する。このような部位の諸特性を向上させることで、該部位で割れや欠けが発生することを回避することができる。
【００１７】
また、本発明は、加圧によりワークを成形加工して成形体とするための鍛造用金型を製造する方法であって、
Ｆｅ基合金からなる予備成形体の表面に、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種を含む金属粉末を塗布する工程と、
前記金属粉末が塗布された前記Ｆｅ基合金を熱処理して、少なくとも該Ｆｅ基合金を構成する炭素と前記金属とを反応させ、金属元素をＭで表すときに組成式がＭ6Ｃ、Ｍ23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃ又は（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6である炭化物とするとともに、前記炭化物を前記Ｆｅ基合金中に拡散させる工程と、
を有することを特徴とする。
【００１８】
このような工程を経ることにより、厚みの大きい拡散層を形成することができるとともに、拡散層と下地層との間に界面が存在しない鍛造用金型を製造することができる。得られた鍛造用金型は、拡散層が存在するために硬度及び強度に優れる。
【００１９】
上記したように、金属の粉末としては、Ｆｅ基合金の硬度を向上させることができることから、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの粉末が使用される。
【００２０】
また、上記した理由から、鍛造用金型がパンチである場合にはワークを押圧する成形部に、塑性流動する前記ワークの肉が流入する成形部を有するダイである場合には断面積が絞られる部位に拡散層を設ければ十分である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、鍛造用金型の母材であるＦｅ基合金に炭化物を拡散させるようにしているので、硬度や強度が内部まで向上した鍛造用金型を得ることができる。しかも、拡散層の厚みが大きいので、内部深くまで硬度や強度を向上させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明に係る鍛造用金型及びその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図１Ａ〜図１Ｄは、本実施の形態に係る鍛造用金型を用いて製造されるスパイダ１０（図１Ｄ参照）の製造工程である。このスパイダ１０につき先ず説明すると、該スパイダ１０は、軸方向に摺動可能なトリポート型等速ジョイント（図示せず）の構成部品として用いられるものであり、セレーションが形成された孔部１２を有するリング体１４と、前記リング体１４の周方向に沿って等角度離間し半径外方向に向かって突出する３本のトラニオン１６ａ〜１６ｃとが一体的に形成される。前記スパイダ１０は、図示しないドライブシャフトの一端部に固着され、前記トラニオン１６ａ〜１６ｃは、有底円筒状からなる外輪部材の内壁に形成された図示しないトラック溝に沿って摺動可能に設けられる。なお、各トラニオン１６ａ〜１６ｃは、リング体１４に近接する根本部から該リング体１４の半径外方向に向かって徐々に拡径するように形成される。
【００２４】
このスパイダ１０は、以下の工程によって製造される。
【００２５】
まず、第１準備工程において、所定長の円柱体（ビレット）に切り出されたワーク１８（図１Ａ参照）に対して球状化焼鈍を施す。これによりワーク１８が軟化し、以下の鍛造成形が容易となる。そして、第２準備工程において、ボンデライト処理により、例えば、リン酸亜鉛等からなる潤滑用化成皮膜をワーク１８の表面に形成することによって該表面に潤滑性を付与する。具体的には、このようなリン酸亜鉛等が溶解された溶媒中にワーク１８を所定時間浸漬することにより潤滑用化成皮膜を形成すればよい。
【００２６】
次いで、図２に示すように、本実施の形態に係る鍛造用金型２０を使用して、潤滑用化成皮膜が形成されたワーク１８に対する鍛造成形を行う。これにより、図１Ｂに示すように、円盤状部２２の外周面に半径外方向に向かって３本のトラニオン１６ａ〜１６ｃが膨出形成された中間成形体２４が形成される。
【００２７】
続いて、前記中間成形体２４の円盤状部２２の中心に対しピアス成形を施すことにより、図１Ｃに示すように、内バリが打ち抜かれて貫通した孔部１２が形成され、さらに、図示しない切削加工装置を用いて面取り、孔部１２のセレーション等のレース加工を施した後、浸炭焼き入れ及び焼き戻し等の熱処理工程を経て製造品としてのスパイダ１０が完成する（図１Ｄ参照）。
【００２８】
次に、本実施の形態に係る鍛造用金型２０につき説明する。
【００２９】
図２に示されるように、この鍛造用金型２０は、図示しない第１押圧機構に連結されて上下方向に沿って変位自在に設けられた鍛造用上パンチ２６ａと、前記鍛造用上パンチ２６ａと同軸状に配置され、図示しない第２押圧機構に連結されて上下方向に沿って変位自在に設けられた鍛造用下パンチ２６ｂとを含む。なお、前記鍛造用上パンチ２６ａと前記鍛造用下パンチ２６ｂとは、互いに同一に構成される。
【００３０】
前記鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂは、ＳＫＨ５１を原材料（母材）として製造されたものであり、図３に示されるように、一端側の大径部２８と、前記大径部２８に連接されてテーパ状に縮径した縮径部３０と、前記縮径部３０に連接された小径部３２と、前記小径部３２から他端側に向かって突出し断面略円弧状に湾曲して形成されたパンチ成形部３４とを有する。
【００３１】
この場合、前記パンチ成形部３４及び小径部３２の端面を含む一部表面には、図４に示すように、母材であるＳＫＨ５１中を金属の炭化物が拡散してなる拡散層３６ａが設けられる。このため、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂにおいて、パンチ成形部３４及び小径部３２の端面は、母材からなる下地層３７と拡散層３６ａを有し、下地層３７上に拡散層３６ａが形成された形態となっている。
【００３２】
さらに、前記鍛造用金型２０は、図示しない昇降機構に連結された上ダイ３８と、図示しない固定ダイに位置決め固定された下ダイ４０とを有し、前記上ダイ３８及び下ダイ４０には、それぞれ、前記円盤状部２２を成形するための第１部位４１と、トラニオン１６ａ〜１６ｃを形成するための湾曲した凹部４２が設けられる。この中、凹部４２には、前記鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂによって上下方向から加圧されて塑性流動する肉が流入する。
【００３３】
また、前記凹部４２に近接する部位には、上ダイ３８及び下ダイ４０が相互に接近する方向に向かって断面円弧状に膨出した第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂがそれぞれ形成される。図２から諒解されるように、第１ダイ成形部４４ａと第２ダイ成形部４４ｂとの離間距離、換言すれば、塑性流動するワーク１８の肉が通過する断面積は、円盤状部２２を成形する前記第１部位４１の断面積に比して小さい。
【００３４】
この場合、前記第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂの表層部には、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂと同様に、母材であるＳＫＨ５１中を金属の炭化物が拡散してなる拡散層３６ｂが設けられる。すなわち、上ダイ３８及び下ダイ４０における第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂは、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂと同様に、母材からなる下地層と拡散層３６ｂを有し、下地層上に拡散層３６ｂが形成された形態となっている。
【００３５】
そして、図２に示されるように、拡散層３６ｂは、ワーク１８の肉が通過する断面積が減少する部位に設けられている。
【００３６】
拡散層３６ａ、３６ｂにつき説明すると、上記したように、これら拡散層３６ａ、３６ｂは、母材であるＳＫＨ５１中に金属の炭化物が拡散することによって形成されている。
【００３７】
炭化物を形成する金属元素としては、ＳＫＨ５１の硬度を向上させる元素、具体的には、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎが選定される。このような金属元素の炭化物が拡散することによって形成された拡散層３６ａ、３６ｂは、高硬度及び高強度を示す。このため、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂにおけるパンチ成形部３４及び小径部３２の端面、及び上ダイ３８、下ダイ４０における第１ダイ成形部４４ａ及び第２ダイ成形部４４ｂでは、他の部位に比して硬度及び強度が高くなる。
【００３８】
炭化物は、金属元素をＭで表すとき、Ｃｒ6Ｃ、Ｗ6Ｃ、Ｍｏ6Ｃ等のようにＭ6Ｃで表される炭化物や、Ｍ23Ｃ6で表される炭化物である。この種の炭化物は、硬度及び強度を向上させる効果に最も優れている。
【００３９】
なお、Ｍ6ＣやＭ23Ｃ6が過度に存在すると、鍛造用金型２０が脆性を示すようになる。そこで、鋼材である鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂ、上ダイ３８及び下ダイ４０の構成元素であるＦｅと、上記金属元素の固溶体の炭化物を生成することが好ましい。すなわち、炭化物は、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃや、（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6等で表されるものであってもよい。このような炭化物を生成させた場合、Ｍ6ＣやＭ23Ｃ6の相対量が低減するので、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂ、上ダイ３８及び下ダイ４０が脆性を示すことを確実に回避することができるようになる。
【００４０】
ここで、拡散層３６ａ、３６ｂの厚み、換言すれば、炭化物の拡散距離は、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂ、上ダイ３８及び下ダイ４０の深さが少なくとも０．５ｍｍ（５００μｍ）に達しており、通常は３〜７ｍｍ（３０００〜７０００μｍ）、最大では１５ｍｍ（１５０００μｍ）に達することがある。この値は、窒化や浸炭等における元素の拡散距離が数十μｍ、大きくても２００μｍ程度であるのに対し、著しく大きい。すなわち、本実施の形態においては、炭化物を、従来技術に係る表面処理方法によって導入された元素に比して著しく深い部位にまで拡散させることができる。
【００４１】
このような拡散層３６ａ、３６ｂが設けられた部位では、炭化物が拡散した深さまで硬度が向上する。すなわち、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂ、上ダイ３８及び下ダイ４０の内部深くまで硬度及び強度が上昇し、その結果、内部の耐摩耗性が向上するとともに、変形し難くなる。
【００４２】
なお、後述するように、拡散層３６ａ、３６ｂは、母材の表面から拡散された金属元素が炭化物を生成することによって形成される。このため、炭化物の濃度は、表面で最も高く、母材の内部に指向するにつれて漸次的に減少する。
【００４３】
また、炭化物の濃度がこのように漸次的に減少するため、拡散層３６ａ、３６ｂと下地層３７との間に明確な界面は存在しない。このため、応力集中が起こることを回避することができるので、金属元素を拡散させることに伴って脆性が増すことを回避することができる。なお、図４においては、拡散層３６ａが存在することを明確にするため、拡散層３６ａと下地層３７との間に便宜的に境界線を付している。
【００４４】
この場合、下ダイ４０及び鍛造用下パンチ２６ｂによって形成される位置決め用のキャビティ内に円柱状のワーク１８を装填し、図示しない第１及び第２押圧機構を駆動させて鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂを相互に接近させる方向に変位させることにより前記ワーク１８が加圧される。そして、前記鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂと略同時に図示しない昇降機構を付勢して上ダイ３８を下降させることにより前記上ダイ３８と前記下ダイ４０とが当接し、前記上下ダイ３８、４０の凹部４２、４２によってトラニオン成形用のキャビティが形成される。
【００４５】
その際、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂによって加圧されたワーク１８が塑性変形し、前記トラニオン成形用のキャビティに前記塑性変形した肉が流動しようとする肉流れが発生し、上ダイ３８及び下ダイ４０に設けられた第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂによって好適に絞られた状態でトラニオン成形用のキャビティ内に流入するため、前記トラニオン成形用のキャビティの隅々まで塑性変形した肉が充填される。
【００４６】
上記したように、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂにおけるパンチ成形部３４及び小径部３２の端面、上ダイ３８、下ダイ４０の第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂは、拡散層３６ａ、３６ｂが存在するために高硬度及び高強度であり、且つ靱性が確保されている。従って、これらの部位は、鍛造加工を繰り返し行っても摩耗し難く、しかも、欠損が生じ難い。すなわち、拡散層３６ａ、３６ｂを設けることによって鍛造用金型２０の長寿命化を図ることができる。
【００４７】
拡散層３６ａを有する鍛造用上パンチ２６ａは、以下のようにして製造することができる。
【００４８】
先ず、図５（ａ）に示すＳＫＨ５１からなる円筒体形状のワークＷに対して、図５（ｂ）に示すように、バイト５０による切削加工を施し、鍛造用上パンチ２６ａの形状に対応する形状の予備成形体５２とする。
【００４９】
次に、この予備成形体５２の表面に、図５（ｃ）に示すように、拡散させる金属の粉末をパンチ成形部３４及び小径部３２の表面に塗布する。例えば、Ｗを拡散させるのであればＷ粉末が配合された粉末、Ｃｒを拡散させるのであればＣｒ粉末が配合された粉末を塗布すればよい。なお、粉末の塗布分量は、例えば、Ｗ6ＣやＣｒ6Ｃ等が生成する量とすればよい。
【００５０】
粉末の塗布は、該粉末を溶媒に分散させて調製した塗布剤５４を塗布することによって行う。溶媒としては、アセトンやアルコール等、容易に蒸発する有機溶媒を選定することが好ましい。そして、この溶媒に、Ｗ、Ｃｒ等の粉末を分散させる。
【００５１】
ここで、母材であるＳＫＨ５１の表面には、通常、酸化膜が形成されている。この状態でＷやＣｒ等を拡散させるには、ＷやＣｒ等が酸化膜を通過できるように、多大な熱エネルギを供給しなければならない。これを回避するために、塗布剤５４に、酸化膜を還元することが可能な還元剤を混合することが好ましい。
【００５２】
具体的には、酸化膜に対して還元剤として作用し、且つＳＫＨ５１とは反応しない物質を溶媒に分散ないし溶解させる。還元剤の好適な例としては、ニトロセルロース、ポリビニル、アクリル、メラミン、スチレンの各樹脂を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。なお、還元剤の濃度は、５％程度とすればよい。
【００５３】
以上の物質が溶解ないし分散された塗布剤５４は、図５（ｃ）に示すように、刷毛５６を使用する刷毛塗り法によってパンチ成形部３４及び小径部３２の表面に塗布される。勿論、刷毛塗り法以外の公知の塗布技術を採用するようにしてもよい。
【００５４】
次いで、パンチ成形部３４及び小径部３２の表面に塗布剤５４が塗布された予備成形体５２に対して熱処理を施す。この熱処理は、図５（ｄ）に示すように、バーナー火炎５８を予備成形体５２の一端面側から当てることによって施すこともできる。勿論、熱処理炉内において不活性雰囲気中で熱処理するようにしてもよい。
【００５５】
この昇温の過程では、２５０℃程度で還元剤が分解し始め、炭素や水素が生成する。予備成形体５２の酸化膜は、この炭素や水素の作用下に還元されて消失する。このため、ＷやＣｒ等が酸化膜を通過する必要がなくなるので、拡散に要する時間を短縮することができるとともに、熱エネルギを低減することができる。
【００５６】
さらに昇温を続行すると、母材であるＳＫＨ５１の構成元素であるＣ、Ｆｅや、還元剤が分解することによって生成したＣと、ＷやＣｒ等とが反応して、Ｗ6ＣやＣｒ6Ｃ、Ｗ23Ｃ6、Ｃｒ23Ｃ6等が生成する。Ｆｅが関与した場合には、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｃｒ）23Ｃ6等も生成する。
【００５７】
生成したＷ6ＣやＣｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等の炭化物の一部は即座に分解し、Ｆｅ、Ｗ、Ｃｒに戻る。このうち、Ｗ、Ｃｒは、次に、母材のより内部側に存在する該母材の構成元素であるＣ、Ｆｅや、該母材のより内部側に遊離状態で存在するＣと結合して、新たにＷ6Ｃ、Ｃｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等を生成する。このＷ6ＣやＣｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃも即座に分解してＷ、Ｃｒに戻った後、母材の一層内部側に存在する該母材の構成元素であるＣ、Ｆｅや、該母材の一層内部側に遊離状態で存在するＣと結合して、再度Ｗ6Ｃ、Ｃｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等を生成する。このようにして炭化物が分解、生成を繰り返すことにより、該炭化物が母材の内部深くまで拡散する。
【００５８】
このようして、母材の内部にＷ6ＣやＣｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃを拡散させることができ、その結果、拡散層３６ａ、３６ｂが形成される（図２及び図４参照）。なお、炭化物の濃度は漸次的に減少し、炭化物の拡散到達終端部と下地層との間に明確な界面が生じることはない。従って、脆性破壊が生じることを回避することができるので、拡散層３６ａ、３６ｂが形成された部位の靱性を確保することもできる。拡散層３６ａ、３６ｂの厚み、すなわち、炭化物の拡散距離は、最大で表面から１５ｍｍ程度の深さまで及ぶ。
【００５９】
最後に、図５（ｅ）に示すように、予備成形体５２に対してバイト５０で仕上げ加工を行い、鍛造用上パンチ２６ａとする。同様にして、鍛造用下パンチ２６ｂを作製することもできる。
【００６０】
このようにして得られた鍛造用上パンチ２６ａを長手方向に沿って切断し、切断面における表面側から内部に指向して測定したＣスケールのロックウェル硬度（ＨＲＣ）を、通常のＳＫＨ５１のＨＲＣとともに図６に示す。図６から、この場合、表面から２ｍｍの内部まで硬度が上昇していることが明らかである。
【００６１】
また、同様にして拡散層３６ａが形成されたＪＩＳ Ｚ ２２０１ ４号試験片のテストピースにおける強度は、拡散層３６ａが形成されていない同寸法のテストピースに比して強度が著しく向上する。具体的には、拡散層３６ａが形成されていないテストピースにおける引っ張り強度が約１８００ＭＰａであるのに対し、拡散層３６ａを有するテストピースにおける引っ張り強度は約２２００ＭＰａと、およそ１．２倍となる。
【００６２】
上記と同様にして、ＭｏやＶ、Ｎｉの炭化物を母材の内部に拡散させることもできる。
【００６３】
上ダイ３８及び下ダイ４０の拡散層３６ｂも、拡散層３６ａを形成した際と同様に、拡散させる金属を含む粉末を塗布した後に熱処理を施すことによって形成することができる。
【００６４】
なお、上記した実施の形態においては、スパイダ１０を製造する鍛造用金型２０を例示して説明しているが、本発明は特にこれに限定されるものではない。例えば、図示しないトリポート型等速ジョイントの外輪部材、図示しないバーフィールド型等速ジョイントの外輪部材、インナリング等を鍛造成形する鍛造用金型にも適用することができることは勿論である。
【実施例１】
【００６５】
高速度工具鋼であるＳＫＨ５１、ダイス鋼であるＳＫＤ１１を用い、底面の直径が８０ｍｍ、高さが８０ｍｍの円柱体を作製した。
【００６６】
その一方で、エポキシ樹脂１０％のアセトン溶液に、周期表ＩＩＩ族〜ＶＩＩＩ族に属する物質の粉末（粒径１０〜７０μｍ）を図７に示す割合で添加して、２種の塗布剤Ａ、Ｂを調製した。
【００６７】
その後、塗布剤ＡをＳＫＨ５１の前記円柱体の全表面に塗布するとともに、塗布剤ＢをＳＫＤ１１の前記円柱体の全表面に塗布した。なお、塗布は刷毛塗りによって行い、塗布剤Ａ、Ｂの厚みは、１ｍｍとした。
【００６８】
塗布剤を自然乾燥させた後、１０００〜１１８０℃で２時間保持することによって焼入処理を行い、次に、５００〜６００℃で２時間保持して焼戻処理を行った。
【００６９】
各円柱体を高さ方向に切断して、底面の中心から高さ方向に沿って０．５ｍｍ毎にＨＲＣを測定した。表面からの距離とＨＲＣとの関係を、未塗布のＳＫＨ５１、ＳＫＤ１１と併せ、グラフにして図８又は図９に示す。ＨＲＣの測定誤差を考慮すれば、これら図８又は図９から、各円柱体において、底面からおよそ６ｍｍの深さまで硬度が上昇していることが明らかである。
【００７０】
また、生成した炭化物を同定したところ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）23Ｃ6であることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】図１Ａ〜図１Ｄは、本実施の形態に係る鍛造用金型を用いて製造されるスパイダの製造工程である。
【図２】本実施の形態に係る鍛造用金型によって中間成形体を成形している状態を示す概略縦断面説明図である。
【図３】図２の鍛造用金型を構成する鍛造用パンチの概略全体斜視図である。
【図４】図３の鍛造用パンチの要部拡大縦断面図である。
【図５】図３の鍛造用パンチの製造過程を示すフロー説明図である。
【図６】得られた鍛造用パンチの切断面の表面から内部に指向して測定したＨＲＣを示すグラフである。
【図７】塗布剤の組成と割合を示す図表である。
【図８】ＳＫＨ５１製のテストピースにおける表面からの距離とＨＲＣとの関係を示すグラフである。
【図９】ＳＫＤ１１製のテストピースにおける表面からの距離とＨＲＣとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７２】
１０…スパイダ １４…リング体
１６ａ〜１６ｃ…トラニオン ２０…鍛造用金型
２６ａ、２６ｂ…鍛造用パンチ ３２…小径部
３４…パンチ成形部 ３６ａ、３６ｂ…拡散層
３７…下地層 ３８、４０…ダイ
４１…第１部位 ４２…凹部
４４ａ、４４ｂ…ダイ成形部 ５２…予備成形体
５４…塗布剤 ５８…バーナー火炎
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｆｅ基合金からなる下地層の表面に、Ｆｅ基合金に炭化物が拡散して形成され且つ前記下地層に比して高硬度である拡散層を有する鍛造用金型及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鍛造加工は、所望の形状の成形体を得る際に広汎に採用される成形加工手法の１つである。鍛造加工では、パンチやダイ等の鍛造用金型を用い、この鍛造用金型によってワークを加圧する。加圧された該ワークの肉は、パンチ及びダイによって形成されるキャビティに沿って塑性流動を起こし、これに伴い、該ワークが所定の形状の成形体に成形される。
【０００３】
鍛造用金型には、上記のような鍛造加工を数千回〜数万回繰り返して実施するに十分な耐摩耗性、耐食性、強度等が希求される。このような諸特性が十分でないと、割れや欠けが容易に発生するので寿命が短い鍛造用金型となり、結局、鍛造用金型を頻繁に交換する必要が生じるので、設備投資が高騰するからである。
【０００４】
鍛造用金型は、一般に、高速度工具鋼（ＳＫＨ）や合金工具鋼（ＳＫＤ）、すなわち、Ｆｅ基合金の１種である鋼材から構成される。従って、上記した諸特性を向上させるには、その表面に、物理的気相成長（ＰＶＤ）法や化学的気相成長（ＣＶＤ）法、メッキ、陽極酸化等によって皮膜を設けることが有効であるようにも考えられる。しかしながら、この場合、皮膜の形成に長時間を要するとともに、皮膜形成コストが大きいという不具合がある。
【０００５】
皮膜を設けることなく鋼材の表面の諸特性を向上させる試みとして、浸炭、浸硫、窒化、炭窒化等の様々な表面処理を施すことが挙げられる（例えば、特許文献１、２参照）。また、特許文献３では、加工用刃具ではあるが、ショットピーニングやショットブラスト等の機械的処理を施して表面に１０ｋｇｆ／ｃｍ2（およそ０．１ＭＰａ）の圧縮応力を付与すれば、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることができると報告されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１２９２１６号公報
【特許文献２】特開２００３−２３９０３９号公報
【特許文献３】特開平５−１７１４４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１〜３に記載されたような従来技術で諸特性が向上するのは、金属材の表面に限られる。例えば、窒化や浸炭等では、元素が拡散するのは金属材の表面から僅かに数μｍ、最大でも２００μｍ程度であり、それより内部の諸特性を向上させることは困難である。このため、鍛造用金型に適用したとしても、該鍛造用金型の耐摩耗性や耐欠損性が著しく向上するとは言い難い側面がある。
【０００８】
しかも、従来技術に係る処理方法では、形成された窒化層等と下地層である金属材との間に界面が存在する。このため、界面に応力集中が起こるような条件下では、界面から脆性破壊が起こることが懸念される。
【０００９】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、硬度及び強度が向上し、且つ物性の変化がなだらかであるために応力集中が起こり難いので脆性破壊が生じ難い鍛造用金型及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明に係る鍛造用金型は、加圧によりワークを成形加工して成形体とするための鍛造用金型であって、
Ｆｅ基合金からなる下地層と、前記下地層の表面側に位置するとともにＦｅ基合金中に炭化物が拡散することで前記下地層に比して高硬度を示す拡散層とを有し、
前記炭化物が、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種の炭化物、又はこれらの中の少なくともいずれか１種とＦｅとの固溶体が炭化物化したものであり、且つ金属元素をＭで表すときに組成式がＭ6Ｃ、Ｍ23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃ又は（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6であることを特徴とする。
【００１１】
Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの炭化物は、Ｆｅ基合金に拡散した場合、析出硬化型複合材と同様の機構でＦｅ基合金の硬度を向上させる。そして、本発明に係る鍛造用金型においては、この種の炭化物が母材であるＦｅ基合金の内部深くまで拡散しているので、内部まで優れた硬度及び強度を示す。
【００１２】
しかも、この鍛造用金型には、拡散した炭化物と下地層との間に界面が存在しない。このため、応力集中が起こり難いので、脆性破壊が生じ難くなる。
【００１３】
なお、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの炭化物の組成式は、例えば、金属元素をＭで表すとき、Ｍ6Ｃ又はＭ23Ｃ6である。組成式がこのように表される炭化物は、Ｆｅ基合金の硬度を向上させる効果に特に優れる。
【００１４】
又は、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種と、Ｆｅとの固溶体が炭化物化し、その組成式が（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃ又は（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6で表されるものであってもよい。この場合、上記したような金属炭化物の相対量が低減するので、金属炭化物が過度に生成して脆性が上昇することを抑制することができる。
【００１５】
ここで、鍛造用金型がパンチである場合、拡散層を、少なくともワークを押圧して該ワークの肉を塑性変形させる成形部に設けることが好ましい。少なくとも成形部の諸特性が向上すれば十分であり、ワークに当接せず該ワークを押圧しない部位までをも諸特性を向上させる場合に比してコストを低廉化することができるからである。
【００１６】
一方、鍛造用金型が、塑性流動する前記ワークの肉が流入する成形部を有するダイである場合、拡散層を、肉が通過する断面積が減少する部位に設けることが好ましい。断面積が絞られる部位に対しては、ワークの肉が塑性流動することに伴って過大な応力が作用する。このような部位の諸特性を向上させることで、該部位で割れや欠けが発生することを回避することができる。
【００１７】
また、本発明は、加圧によりワークを成形加工して成形体とするための鍛造用金型を製造する方法であって、
Ｆｅ基合金からなる予備成形体の表面に、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種を含む金属粉末を塗布する工程と、
前記金属粉末が塗布された前記Ｆｅ基合金を熱処理して、少なくとも該Ｆｅ基合金を構成する炭素と前記金属とを反応させ、金属元素をＭで表すときに組成式がＭ6Ｃ、Ｍ23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃ又は（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6である炭化物とするとともに、前記炭化物を前記Ｆｅ基合金中に拡散させる工程と、
を有することを特徴とする。
【００１８】
このような工程を経ることにより、厚みの大きい拡散層を形成することができるとともに、拡散層と下地層との間に界面が存在しない鍛造用金型を製造することができる。得られた鍛造用金型は、拡散層が存在するために硬度及び強度に優れる。
【００１９】
上記したように、金属の粉末としては、Ｆｅ基合金の硬度を向上させることができることから、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの粉末が使用される。
【００２０】
また、上記した理由から、鍛造用金型がパンチである場合にはワークを押圧する成形部に、塑性流動する前記ワークの肉が流入する成形部を有するダイである場合には断面積が絞られる部位に拡散層を設ければ十分である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、鍛造用金型の母材であるＦｅ基合金に炭化物を拡散させるようにしているので、硬度や強度が内部まで向上した鍛造用金型を得ることができる。しかも、拡散層の厚みが大きいので、内部深くまで硬度や強度を向上させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明に係る鍛造用金型及びその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図１Ａ〜図１Ｄは、本実施の形態に係る鍛造用金型を用いて製造されるスパイダ１０（図１Ｄ参照）の製造工程である。このスパイダ１０につき先ず説明すると、該スパイダ１０は、軸方向に摺動可能なトリポート型等速ジョイント（図示せず）の構成部品として用いられるものであり、セレーションが形成された孔部１２を有するリング体１４と、前記リング体１４の周方向に沿って等角度離間し半径外方向に向かって突出する３本のトラニオン１６ａ〜１６ｃとが一体的に形成される。前記スパイダ１０は、図示しないドライブシャフトの一端部に固着され、前記トラニオン１６ａ〜１６ｃは、有底円筒状からなる外輪部材の内壁に形成された図示しないトラック溝に沿って摺動可能に設けられる。なお、各トラニオン１６ａ〜１６ｃは、リング体１４に近接する根本部から該リング体１４の半径外方向に向かって徐々に拡径するように形成される。
【００２４】
このスパイダ１０は、以下の工程によって製造される。
【００２５】
まず、第１準備工程において、所定長の円柱体（ビレット）に切り出されたワーク１８（図１Ａ参照）に対して球状化焼鈍を施す。これによりワーク１８が軟化し、以下の鍛造成形が容易となる。そして、第２準備工程において、ボンデライト処理により、例えば、リン酸亜鉛等からなる潤滑用化成皮膜をワーク１８の表面に形成することによって該表面に潤滑性を付与する。具体的には、このようなリン酸亜鉛等が溶解された溶媒中にワーク１８を所定時間浸漬することにより潤滑用化成皮膜を形成すればよい。
【００２６】
次いで、図２に示すように、本実施の形態に係る鍛造用金型２０を使用して、潤滑用化成皮膜が形成されたワーク１８に対する鍛造成形を行う。これにより、図１Ｂに示すように、円盤状部２２の外周面に半径外方向に向かって３本のトラニオン１６ａ〜１６ｃが膨出形成された中間成形体２４が形成される。
【００２７】
続いて、前記中間成形体２４の円盤状部２２の中心に対しピアス成形を施すことにより、図１Ｃに示すように、内バリが打ち抜かれて貫通した孔部１２が形成され、さらに、図示しない切削加工装置を用いて面取り、孔部１２のセレーション等のレース加工を施した後、浸炭焼き入れ及び焼き戻し等の熱処理工程を経て製造品としてのスパイダ１０が完成する（図１Ｄ参照）。
【００２８】
次に、本実施の形態に係る鍛造用金型２０につき説明する。
【００２９】
図２に示されるように、この鍛造用金型２０は、図示しない第１押圧機構に連結されて上下方向に沿って変位自在に設けられた鍛造用上パンチ２６ａと、前記鍛造用上パンチ２６ａと同軸状に配置され、図示しない第２押圧機構に連結されて上下方向に沿って変位自在に設けられた鍛造用下パンチ２６ｂとを含む。なお、前記鍛造用上パンチ２６ａと前記鍛造用下パンチ２６ｂとは、互いに同一に構成される。
【００３０】
前記鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂは、ＳＫＨ５１を原材料（母材）として製造されたものであり、図３に示されるように、一端側の大径部２８と、前記大径部２８に連接されてテーパ状に縮径した縮径部３０と、前記縮径部３０に連接された小径部３２と、前記小径部３２から他端側に向かって突出し断面略円弧状に湾曲して形成されたパンチ成形部３４とを有する。
【００３１】
この場合、前記パンチ成形部３４及び小径部３２の端面を含む一部表面には、図４に示すように、母材であるＳＫＨ５１中を金属の炭化物が拡散してなる拡散層３６ａが設けられる。このため、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂにおいて、パンチ成形部３４及び小径部３２の端面は、母材からなる下地層３７と拡散層３６ａを有し、下地層３７上に拡散層３６ａが形成された形態となっている。
【００３２】
さらに、前記鍛造用金型２０は、図示しない昇降機構に連結された上ダイ３８と、図示しない固定ダイに位置決め固定された下ダイ４０とを有し、前記上ダイ３８及び下ダイ４０には、それぞれ、前記円盤状部２２を成形するための第１部位４１と、トラニオン１６ａ〜１６ｃを形成するための湾曲した凹部４２が設けられる。この中、凹部４２には、前記鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂによって上下方向から加圧されて塑性流動する肉が流入する。
【００３３】
また、前記凹部４２に近接する部位には、上ダイ３８及び下ダイ４０が相互に接近する方向に向かって断面円弧状に膨出した第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂがそれぞれ形成される。図２から諒解されるように、第１ダイ成形部４４ａと第２ダイ成形部４４ｂとの離間距離、換言すれば、塑性流動するワーク１８の肉が通過する断面積は、円盤状部２２を成形する前記第１部位４１の断面積に比して小さい。
【００３４】
この場合、前記第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂの表層部には、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂと同様に、母材であるＳＫＨ５１中を金属の炭化物が拡散してなる拡散層３６ｂが設けられる。すなわち、上ダイ３８及び下ダイ４０における第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂは、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂと同様に、母材からなる下地層と拡散層３６ｂを有し、下地層上に拡散層３６ｂが形成された形態となっている。
【００３５】
そして、図２に示されるように、拡散層３６ｂは、ワーク１８の肉が通過する断面積が減少する部位に設けられている。
【００３６】
拡散層３６ａ、３６ｂにつき説明すると、上記したように、これら拡散層３６ａ、３６ｂは、母材であるＳＫＨ５１中に金属の炭化物が拡散することによって形成されている。
【００３７】
炭化物を形成する金属元素としては、ＳＫＨ５１の硬度を向上させる元素、具体的には、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎが選定される。このような金属元素の炭化物が拡散することによって形成された拡散層３６ａ、３６ｂは、高硬度及び高強度を示す。このため、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂにおけるパンチ成形部３４及び小径部３２の端面、及び上ダイ３８、下ダイ４０における第１ダイ成形部４４ａ及び第２ダイ成形部４４ｂでは、他の部位に比して硬度及び強度が高くなる。
【００３８】
炭化物は、金属元素をＭで表すとき、Ｃｒ6Ｃ、Ｗ6Ｃ、Ｍｏ6Ｃ等のようにＭ6Ｃで表される炭化物や、Ｍ23Ｃ6で表される炭化物である。この種の炭化物は、硬度及び強度を向上させる効果に最も優れている。
【００３９】
なお、Ｍ6ＣやＭ23Ｃ6が過度に存在すると、鍛造用金型２０が脆性を示すようになる。そこで、鋼材である鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂ、上ダイ３８及び下ダイ４０の構成元素であるＦｅと、上記金属元素の固溶体の炭化物を生成することが好ましい。すなわち、炭化物は、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃや、（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6等で表されるものであってもよい。このような炭化物を生成させた場合、Ｍ6ＣやＭ23Ｃ6の相対量が低減するので、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂ、上ダイ３８及び下ダイ４０が脆性を示すことを確実に回避することができるようになる。
【００４０】
ここで、拡散層３６ａ、３６ｂの厚み、換言すれば、炭化物の拡散距離は、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂ、上ダイ３８及び下ダイ４０の深さが少なくとも０．５ｍｍ（５００μｍ）に達しており、通常は３〜７ｍｍ（３０００〜７０００μｍ）、最大では１５ｍｍ（１５０００μｍ）に達することがある。この値は、窒化や浸炭等における元素の拡散距離が数十μｍ、大きくても２００μｍ程度であるのに対し、著しく大きい。すなわち、本実施の形態においては、炭化物を、従来技術に係る表面処理方法によって導入された元素に比して著しく深い部位にまで拡散させることができる。
【００４１】
このような拡散層３６ａ、３６ｂが設けられた部位では、炭化物が拡散した深さまで硬度が向上する。すなわち、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂ、上ダイ３８及び下ダイ４０の内部深くまで硬度及び強度が上昇し、その結果、内部の耐摩耗性が向上するとともに、変形し難くなる。
【００４２】
なお、後述するように、拡散層３６ａ、３６ｂは、母材の表面から拡散された金属元素が炭化物を生成することによって形成される。このため、炭化物の濃度は、表面で最も高く、母材の内部に指向するにつれて漸次的に減少する。
【００４３】
また、炭化物の濃度がこのように漸次的に減少するため、拡散層３６ａ、３６ｂと下地層３７との間に明確な界面は存在しない。このため、応力集中が起こることを回避することができるので、金属元素を拡散させることに伴って脆性が増すことを回避することができる。なお、図４においては、拡散層３６ａが存在することを明確にするため、拡散層３６ａと下地層３７との間に便宜的に境界線を付している。
【００４４】
この場合、下ダイ４０及び鍛造用下パンチ２６ｂによって形成される位置決め用のキャビティ内に円柱状のワーク１８を装填し、図示しない第１及び第２押圧機構を駆動させて鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂを相互に接近させる方向に変位させることにより前記ワーク１８が加圧される。そして、前記鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂと略同時に図示しない昇降機構を付勢して上ダイ３８を下降させることにより前記上ダイ３８と前記下ダイ４０とが当接し、前記上下ダイ３８、４０の凹部４２、４２によってトラニオン成形用のキャビティが形成される。
【００４５】
その際、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂによって加圧されたワーク１８が塑性変形し、前記トラニオン成形用のキャビティに前記塑性変形した肉が流動しようとする肉流れが発生し、上ダイ３８及び下ダイ４０に設けられた第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂによって好適に絞られた状態でトラニオン成形用のキャビティ内に流入するため、前記トラニオン成形用のキャビティの隅々まで塑性変形した肉が充填される。
【００４６】
上記したように、鍛造用上下パンチ２６ａ、２６ｂにおけるパンチ成形部３４及び小径部３２の端面、上ダイ３８、下ダイ４０の第１及び第２ダイ成形部４４ａ、４４ｂは、拡散層３６ａ、３６ｂが存在するために高硬度及び高強度であり、且つ靱性が確保されている。従って、これらの部位は、鍛造加工を繰り返し行っても摩耗し難く、しかも、欠損が生じ難い。すなわち、拡散層３６ａ、３６ｂを設けることによって鍛造用金型２０の長寿命化を図ることができる。
【００４７】
拡散層３６ａを有する鍛造用上パンチ２６ａは、以下のようにして製造することができる。
【００４８】
先ず、図５（ａ）に示すＳＫＨ５１からなる円筒体形状のワークＷに対して、図５（ｂ）に示すように、バイト５０による切削加工を施し、鍛造用上パンチ２６ａの形状に対応する形状の予備成形体５２とする。
【００４９】
次に、この予備成形体５２の表面に、図５（ｃ）に示すように、拡散させる金属の粉末をパンチ成形部３４及び小径部３２の表面に塗布する。例えば、Ｗを拡散させるのであればＷ粉末が配合された粉末、Ｃｒを拡散させるのであればＣｒ粉末が配合された粉末を塗布すればよい。なお、粉末の塗布分量は、例えば、Ｗ6ＣやＣｒ6Ｃ等が生成する量とすればよい。
【００５０】
粉末の塗布は、該粉末を溶媒に分散させて調製した塗布剤５４を塗布することによって行う。溶媒としては、アセトンやアルコール等、容易に蒸発する有機溶媒を選定することが好ましい。そして、この溶媒に、Ｗ、Ｃｒ等の粉末を分散させる。
【００５１】
ここで、母材であるＳＫＨ５１の表面には、通常、酸化膜が形成されている。この状態でＷやＣｒ等を拡散させるには、ＷやＣｒ等が酸化膜を通過できるように、多大な熱エネルギを供給しなければならない。これを回避するために、塗布剤５４に、酸化膜を還元することが可能な還元剤を混合することが好ましい。
【００５２】
具体的には、酸化膜に対して還元剤として作用し、且つＳＫＨ５１とは反応しない物質を溶媒に分散ないし溶解させる。還元剤の好適な例としては、ニトロセルロース、ポリビニル、アクリル、メラミン、スチレンの各樹脂を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。なお、還元剤の濃度は、５％程度とすればよい。
【００５３】
以上の物質が溶解ないし分散された塗布剤５４は、図５（ｃ）に示すように、刷毛５６を使用する刷毛塗り法によってパンチ成形部３４及び小径部３２の表面に塗布される。勿論、刷毛塗り法以外の公知の塗布技術を採用するようにしてもよい。
【００５４】
次いで、パンチ成形部３４及び小径部３２の表面に塗布剤５４が塗布された予備成形体５２に対して熱処理を施す。この熱処理は、図５（ｄ）に示すように、バーナー火炎５８を予備成形体５２の一端面側から当てることによって施すこともできる。勿論、熱処理炉内において不活性雰囲気中で熱処理するようにしてもよい。
【００５５】
この昇温の過程では、２５０℃程度で還元剤が分解し始め、炭素や水素が生成する。予備成形体５２の酸化膜は、この炭素や水素の作用下に還元されて消失する。このため、ＷやＣｒ等が酸化膜を通過する必要がなくなるので、拡散に要する時間を短縮することができるとともに、熱エネルギを低減することができる。
【００５６】
さらに昇温を続行すると、母材であるＳＫＨ５１の構成元素であるＣ、Ｆｅや、還元剤が分解することによって生成したＣと、ＷやＣｒ等とが反応して、Ｗ6ＣやＣｒ6Ｃ、Ｗ23Ｃ6、Ｃｒ23Ｃ6等が生成する。Ｆｅが関与した場合には、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｃｒ）23Ｃ6等も生成する。
【００５７】
生成したＷ6ＣやＣｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等の炭化物の一部は即座に分解し、Ｆｅ、Ｗ、Ｃｒに戻る。このうち、Ｗ、Ｃｒは、次に、母材のより内部側に存在する該母材の構成元素であるＣ、Ｆｅや、該母材のより内部側に遊離状態で存在するＣと結合して、新たにＷ6Ｃ、Ｃｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等を生成する。このＷ6ＣやＣｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃも即座に分解してＷ、Ｃｒに戻った後、母材の一層内部側に存在する該母材の構成元素であるＣ、Ｆｅや、該母材の一層内部側に遊離状態で存在するＣと結合して、再度Ｗ6Ｃ、Ｃｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等を生成する。このようにして炭化物が分解、生成を繰り返すことにより、該炭化物が母材の内部深くまで拡散する。
【００５８】
このようして、母材の内部にＷ6ＣやＣｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃを拡散させることができ、その結果、拡散層３６ａ、３６ｂが形成される（図２及び図４参照）。なお、炭化物の濃度は漸次的に減少し、炭化物の拡散到達終端部と下地層との間に明確な界面が生じることはない。従って、脆性破壊が生じることを回避することができるので、拡散層３６ａ、３６ｂが形成された部位の靱性を確保することもできる。拡散層３６ａ、３６ｂの厚み、すなわち、炭化物の拡散距離は、最大で表面から１５ｍｍ程度の深さまで及ぶ。
【００５９】
最後に、図５（ｅ）に示すように、予備成形体５２に対してバイト５０で仕上げ加工を行い、鍛造用上パンチ２６ａとする。同様にして、鍛造用下パンチ２６ｂを作製することもできる。
【００６０】
このようにして得られた鍛造用上パンチ２６ａを長手方向に沿って切断し、切断面における表面側から内部に指向して測定したＣスケールのロックウェル硬度（ＨＲＣ）を、通常のＳＫＨ５１のＨＲＣとともに図６に示す。図６から、この場合、表面から２ｍｍの内部まで硬度が上昇していることが明らかである。
【００６１】
また、同様にして拡散層３６ａが形成されたＪＩＳ Ｚ ２２０１ ４号試験片のテストピースにおける強度は、拡散層３６ａが形成されていない同寸法のテストピースに比して強度が著しく向上する。具体的には、拡散層３６ａが形成されていないテストピースにおける引っ張り強度が約１８００ＭＰａであるのに対し、拡散層３６ａを有するテストピースにおける引っ張り強度は約２２００ＭＰａと、およそ１．２倍となる。
【００６２】
上記と同様にして、ＭｏやＶ、Ｎｉの炭化物を母材の内部に拡散させることもできる。
【００６３】
上ダイ３８及び下ダイ４０の拡散層３６ｂも、拡散層３６ａを形成した際と同様に、拡散させる金属を含む粉末を塗布した後に熱処理を施すことによって形成することができる。
【００６４】
なお、上記した実施の形態においては、スパイダ１０を製造する鍛造用金型２０を例示して説明しているが、本発明は特にこれに限定されるものではない。例えば、図示しないトリポート型等速ジョイントの外輪部材、図示しないバーフィールド型等速ジョイントの外輪部材、インナリング等を鍛造成形する鍛造用金型にも適用することができることは勿論である。
【実施例１】
【００６５】
高速度工具鋼であるＳＫＨ５１、ダイス鋼であるＳＫＤ１１を用い、底面の直径が８０ｍｍ、高さが８０ｍｍの円柱体を作製した。
【００６６】
その一方で、エポキシ樹脂１０％のアセトン溶液に、周期表ＩＩＩ族〜ＶＩＩＩ族に属する物質の粉末（粒径１０〜７０μｍ）を図７に示す割合で添加して、２種の塗布剤Ａ、Ｂを調製した。
【００６７】
その後、塗布剤ＡをＳＫＨ５１の前記円柱体の全表面に塗布するとともに、塗布剤ＢをＳＫＤ１１の前記円柱体の全表面に塗布した。なお、塗布は刷毛塗りによって行い、塗布剤Ａ、Ｂの厚みは、１ｍｍとした。
【００６８】
塗布剤を自然乾燥させた後、１０００〜１１８０℃で２時間保持することによって焼入処理を行い、次に、５００〜６００℃で２時間保持して焼戻処理を行った。
【００６９】
各円柱体を高さ方向に切断して、底面の中心から高さ方向に沿って０．５ｍｍ毎にＨＲＣを測定した。表面からの距離とＨＲＣとの関係を、未塗布のＳＫＨ５１、ＳＫＤ１１と併せ、グラフにして図８又は図９に示す。ＨＲＣの測定誤差を考慮すれば、これら図８又は図９から、各円柱体において、底面からおよそ６ｍｍの深さまで硬度が上昇していることが明らかである。
【００７０】
また、生成した炭化物を同定したところ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）23Ｃ6であることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】図１Ａ〜図１Ｄは、本実施の形態に係る鍛造用金型を用いて製造されるスパイダの製造工程である。
【図２】本実施の形態に係る鍛造用金型によって中間成形体を成形している状態を示す概略縦断面説明図である。
【図３】図２の鍛造用金型を構成する鍛造用パンチの概略全体斜視図である。
【図４】図３の鍛造用パンチの要部拡大縦断面図である。
【図５】図３の鍛造用パンチの製造過程を示すフロー説明図である。
【図６】得られた鍛造用パンチの切断面の表面から内部に指向して測定したＨＲＣを示すグラフである。
【図７】塗布剤の組成と割合を示す図表である。
【図８】ＳＫＨ５１製のテストピースにおける表面からの距離とＨＲＣとの関係を示すグラフである。
【図９】ＳＫＤ１１製のテストピースにおける表面からの距離とＨＲＣとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７２】
１０…スパイダ １４…リング体
１６ａ〜１６ｃ…トラニオン ２０…鍛造用金型
２６ａ、２６ｂ…鍛造用パンチ ３２…小径部
３４…パンチ成形部 ３６ａ、３６ｂ…拡散層
３７…下地層 ３８、４０…ダイ
４１…第１部位 ４２…凹部
４４ａ、４４ｂ…ダイ成形部 ５２…予備成形体
５４…塗布剤 ５８…バーナー火炎
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧によりワークを成形加工して成形体とするための鍛造用金型であって、
Ｆｅ基合金からなる下地層と、前記下地層の表面側に位置するとともにＦｅ基合金中に炭化物が拡散することで前記下地層に比して高硬度を示す拡散層とを有し、
前記炭化物が、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種の炭化物、又はこれらの中の少なくともいずれか１種とＦｅとの固溶体が炭化物化したものであり、且つ金属元素をＭで表すときに組成式がＭ6Ｃ、Ｍ23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃ又は（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6であることを特徴とする鍛造用金型。
【請求項２】
請求項１記載の鍛造用金型において、当該鍛造用金型がパンチであり、前記拡散層が少なくとも前記ワークを押圧して該ワークの肉を塑性変形させる成形部に設けられていることを特徴とする鍛造用金型。
【請求項３】
請求項１記載の鍛造用金型において、当該鍛造用金型が、塑性流動する前記ワークの肉が流入する成形部を有するダイであり、前記拡散層が、前記肉が通過する断面積が減少する部位に設けられていることを特徴とする鍛造用金型。
【請求項４】
加圧によりワークを成形加工して成形体とするための鍛造用金型を製造する方法であって、
Ｆｅ基合金からなる予備成形体の表面に、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種を含む金属粉末を塗布する工程と、
前記金属粉末が塗布された前記Ｆｅ基合金を熱処理して、少なくとも該Ｆｅ基合金を構成する炭素と前記金属とを反応させ、金属元素をＭで表すときに組成式がＭ6Ｃ、Ｍ23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃ又は（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6である炭化物とするとともに、前記炭化物を前記Ｆｅ基合金中に拡散させる工程と、
を有することを特徴とする鍛造用金型の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の製造方法において、前記予備成形体がパンチの予備成形体であり、前記拡散層を少なくとも前記ワークを押圧して該ワークの肉を塑性変形させる成形部に設けることを特徴とする鍛造用金型の製造方法。
【請求項６】
請求項４記載の製造方法において、前記予備成形体が、塑性流動する前記ワークの肉が流入する成形部を有するダイであり、前記拡散層を、前記肉が通過する断面積が減少する部位に設けることを特徴とする鍛造用金型の製造方法。
【請求項１】
加圧によりワークを成形加工して成形体とするための鍛造用金型であって、
Ｆｅ基合金からなる下地層と、前記下地層の表面側に位置するとともにＦｅ基合金中に炭化物が拡散することで前記下地層に比して高硬度を示す拡散層とを有し、
前記炭化物が、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種の炭化物、又はこれらの中の少なくともいずれか１種とＦｅとの固溶体が炭化物化したものであり、且つ金属元素をＭで表すときに組成式がＭ6Ｃ、Ｍ23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃ又は（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6であることを特徴とする鍛造用金型。
【請求項２】
請求項１記載の鍛造用金型において、当該鍛造用金型がパンチであり、前記拡散層が少なくとも前記ワークを押圧して該ワークの肉を塑性変形させる成形部に設けられていることを特徴とする鍛造用金型。
【請求項３】
請求項１記載の鍛造用金型において、当該鍛造用金型が、塑性流動する前記ワークの肉が流入する成形部を有するダイであり、前記拡散層が、前記肉が通過する断面積が減少する部位に設けられていることを特徴とする鍛造用金型。
【請求項４】
加圧によりワークを成形加工して成形体とするための鍛造用金型を製造する方法であって、
Ｆｅ基合金からなる予備成形体の表面に、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種を含む金属粉末を塗布する工程と、
前記金属粉末が塗布された前記Ｆｅ基合金を熱処理して、少なくとも該Ｆｅ基合金を構成する炭素と前記金属とを反応させ、金属元素をＭで表すときに組成式がＭ6Ｃ、Ｍ23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃ又は（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6である炭化物とするとともに、前記炭化物を前記Ｆｅ基合金中に拡散させる工程と、
を有することを特徴とする鍛造用金型の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の製造方法において、前記予備成形体がパンチの予備成形体であり、前記拡散層を少なくとも前記ワークを押圧して該ワークの肉を塑性変形させる成形部に設けることを特徴とする鍛造用金型の製造方法。
【請求項６】
請求項４記載の製造方法において、前記予備成形体が、塑性流動する前記ワークの肉が流入する成形部を有するダイであり、前記拡散層を、前記肉が通過する断面積が減少する部位に設けることを特徴とする鍛造用金型の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−３８２５１（Ｐ２００７−３８２５１Ａ）
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２２４４４０（Ｐ２００５−２２４４４０）
【出願日】平成１７年８月２日（２００５．８．２）
【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１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月２日（２００５．８．２）
【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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