JP2007167885A - プレス工具の表面処理方法および該方法で表面処理されたプレス工具 - Google Patents

Abstract

【課題】コスト高の処理を行うことなく、比較的低コストで打抜工具及びその他のプレス工具の表面の耐摩耗性を向上させ、当該工具の長寿命化を実現し得る表面処理方法を提供すること。
【解決手段】本発明によって提供される表面処理方法は、プレス工具（１０）における少なくともプレス加工時に摩擦の生じる部分（１２）の表面に石炭灰（Ｐ）を投射することにより該表面を硬化することを包含する。好ましくは、少なくとも厚さ５μｍの硬化層が形成されるように前記石炭灰を投射する。使用する石炭灰は平均粒径２０μｍ以下に調整されたフライアッシュが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、打抜工具その他のプレス工具の表面処理技術に関し、詳しくは、工具表面の耐摩耗性を向上させ得る表面処理方法と該方法によって表面が硬化された打抜工具その他のプレス工具に関する。

種々の部品の成形にプレス加工が広く利用されており、用途に応じて様々なプレス加工用工具（以下「プレス工具」という。）が使用されている。例えば自動車部品用の鋼板に典型的なプレス加工である打ち抜き加工（穴あけ加工）を行う場合には、一般にパンチと呼ばれるスティック形状の打抜工具が利用されている。
打抜工具では、加工時において、その表面の一部（例えばスティック状部分の先端部）が被加工材（ワーク）と高圧又は高速条件下で接触する。近年、被加工材（例えば鋼板）の厚みが増大する傾向にあり、そのような被加工材（ワーク）の打ち抜き加工に使用される工具の長寿命化を実現するには、工具のワーク接触面における物理的強度、特に耐摩耗性を向上させることが要求される。
かかる目的のために、従来、例えば、工具における被加工材接触面に対し、炭化チタン、窒化チタン等から成る硬質皮膜をイオンプレーティング装置等を使用することによって形成する処理が行われている（特許文献１）。しかし、このような成膜処理は手間がかかるうえにコストが高く、そのような成膜処理を工具に施すことはプレス加工全体のコスト増の要因ともなり得た。

特開平１１−１５６９９２号公報

そこで本発明は、上記従来の硬質膜形成処理のようなコスト高の処理を行うことなく、比較的低コストで打抜工具及びその他のプレス工具（所定の形状に成形されたプレス加工用ダイを含む。以下同じ。）の表面の耐摩耗性を向上させ得る表面処理方法の提供を目的とする。また、そのような方法によって表面処理され、耐摩耗性が向上した打抜工具及びその他のプレス工具の提供を他の目的とする。

本発明はプレス工具の表面処理方法を提供する。本発明により提供される一つの表面処理方法は、プレス工具における少なくともプレス加工時に摩擦の生じる部分の表面に石炭灰を投射することにより該表面を硬化することを包含する。
本発明者は、石炭灰という安価で比較的軟質な無機微粒子をプレス工具の表面に高速投射することによって、当該プレス工具の表面を硬化させ耐摩耗性を容易に向上させ得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

ここで開示されるプレス工具表面処理方法では、適当な粒度の石炭灰を使用した投射（噴射を包含する。以下同じ。）処理を行うことによって、プレス工具の表面（典型的にはプレス加工時に被加工材と接触するために高度な耐摩耗性が要求される部分の表面）を改質する。典型的には、石炭灰の衝突によって工具表面を硬化し得ることに加え、当該表面に潤滑油等の滞留を助長する微視的凹み（ディンプル）を形成して耐摩耗性を向上し得る。好ましくは、前記表面に少なくとも厚さ５μｍの硬化層が形成されるように石炭灰を投射する。
本発明の表面処理方法によると、耐摩耗性に優れ、結果的に長寿命のプレス工具を、安価な石炭灰を材料に使用することによって低コストで作製することができる。
従って、本発明は他の側面として、ここで開示されるいずれかの態様の表面処理方法によって硬化された表面を有するプレス工具を提供する。

ここで開示される表面処理方法によると、従来のコストのかかる皮膜形成処理を施すことなく、金属製プレス工具の耐摩耗性を向上し得る。このような作用効果を奏する本発明の表面処理方法は、使用時において被加工材との接触面に特に高い摩擦が生じる打ち抜き（パンチ）プレス加工に用いられる打抜工具、例えばパンチ（上型）、或いはダイ（下型）に対して特に有用である。
従って、本発明によって提供される表面処理方法の好適な一態様は、プレス工具の一典型例である打抜工具（典型的にはパンチ）における少なくともプレス加工時に被加工材との接触等により摩擦の生じる部分の表面に石炭灰を投射することにより該表面を硬化することを包含する、打抜工具表面処理方法である。また、そのような表面処理方法によって硬化された表面を有する打抜工具（パンチ等）を提供する。

好ましくは、前記投射された石炭灰の成分の一部が工具の表面に付着し得る圧力で該石炭灰を該表面に投射することを特徴とする。
かかる態様の表面処理方法によると、従来の硬質微粒子（例えば鉄系投射材）を使用した投射処理（例えばエアーブラスト）では得られない表面改質を実現することができる。即ち、石炭灰の衝突によって工具表面を硬化し得ることに加え、投射された石炭灰が工具表面にて破砕されることにより石炭灰構成成分（シリカ、アルミナ、酸化第二鉄、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、等）の一部（例えば酸化カルシウム）が当該工具表面に付着し得、該付着物から成る耐摩耗性硬質皮膜が形成され得る。これにより、特に耐摩耗性に優れる長寿命の打抜工具その他のプレス工具を製造することができる。

また、好ましくは、使用する石炭灰がフライアッシュであることを特徴とする。球形の微細粒子であるフライアッシュをプレス工具表面に投射することによって、当該投射表面の全体に亘ってほぼ均質な改質面（硬化層）を形成することができる。
特に好ましくは、前記投射に使用する石炭灰は、平均粒径が２０μｍ以下に調整（典型的には分級された）フライアッシュであることを特徴とする。このような粒径に粒度調整されたフライアッシュを使用すると、全体に均質で特に耐摩耗性に優れる表面を有する打抜工具その他のプレス工具を製造することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項（例えば使用する石炭灰の性状や投射処理条件）以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えばプレス工具の種類や材質）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。

本発明の表面処理方法を適用可能なプレス工具としては、種々の用途、形態のプレス工具が挙げられるが、特に好適なものが打ち抜き加工に使用されるパンチ、ダイ等の打抜工具である。例えば、円筒タイプその他の長尺なスティック形状パンチの先端部（即ち被加工材を打ち抜く作業部分）に硬化層を形成し、耐摩耗性を向上することができる。また、プレス工具の材質は、石炭灰を投射して硬化層を形成し得る材質であればよく、特に限定されない。一般的なダイス鋼やハイス鋼、例えば冷間金型用合金工具鋼（典型的にはＳＫＤ１１及びその改良鋼）、高速度工具鋼（典型的にはＳＫＨ５１及びその改良鋼）は本発明の表面処理方法を適用するのに好ましい鋼種である。

本発明の表面処理方法に使用される石炭灰は、投射材料としての使用に適するものであれば特に性状に限定はない。例えば、適当に粉砕・分級され、粒度調整されたクリンカアッシュ（又はシンダアッシュ）を使用してもよい。本発明の実施にはフライアッシュの使用が好適である。特に、原粉を分級して粒度調整したものが好適である。平均粒径が２０μｍ以下のフライアッシュ、例えば気流分級等の手法により原粉から分級された直径４５μｍ以上のものが４０質量％以下（特に好ましくは１０質量％以下）であるような、粒子サイズのばらつきが小さい（即ち粒度分布が狭い）フライアッシュが好ましく使用し得る。特に平均粒径が１０μｍ以下の粒度分布が狭いフライアッシュが好ましい。

上述のような石炭灰（典型的にはフライアッシュ）を用いて投射（噴射を含む）を行う条件は、表面処理対象のプレス工具及び使用する石炭灰の性状に応じて適宜調整すればよく特に限定されない。投射されてプレス工具表面に衝突した石炭灰の成分の一部が当該工具表面に付着し得るような圧力で投射することが好ましい。
例えば、一般的なダイス鋼から成る打抜工具（パンチ等）である場合、石炭灰の投射圧力、例えばエアーブラストの場合における放射する流体（典型的には空気、又は窒素、アルゴン等の不活性ガス）の圧力は、０．１ＭＰａ以上２ＭＰａ程度が適当であり、０．１〜１．５ＭＰａ程度が好ましく、０．５〜１ＭＰａ程度が特に好適である。

投射する手段は上記のような条件を満足し得るものであれば特に限定はないが、図１に模式的に示すように、一般的なサンドブラスト、ショットブラストやエアーブラストを行う装置（ブラスト装置）２０を使用すればよい。石炭灰（典型的にはフライアッシュ）Ｐの投射（ブラスト）時間は特に限定されないが、ＳＫＤ１１等の一般的なダイス鋼製工具（ここでは円筒形状のパンチ）１０を処理対象とする場合、０．１〜１．５ＭＰａ程度の圧力で１〜数十秒程度（典型的には１〜１０秒程度）の投射でよい。
これにより、図１及び投射部位の断面図である図２に模式的に示すように、工具（パンチ）１０における被加工材との接触部分（即ち板材のような被加工材の打ち抜き加工に直接利用される作業部位）である先端部１２の表面に、所望する硬化層１３を形成することができる。好ましくは、少なくとも厚さ５μｍの硬化層１３が形成されるように石炭灰Ｐを投射する。なお、従来一般的なブラストを行う場合と同様、ブラスト装置２０に適当な粉塵回収装置（集塵装置）を装備することにより、投射された石炭灰Ｐを容易に回収することができる。
このように、本発明の表面処理方法によると、煩雑で高コストの硬質皮膜形成処理を行うことなく、一般的で簡単なブラスト装置構成と低コストで入手し得る石炭灰の利用によって、プレス工具の耐摩耗性向上を図ることができる。

以下に説明する実施例によって、本発明を更に詳細に説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。
実施例１として、図１に示すようなＳＫＤ１１製のパンチ（長さ７ｃｍ、本体部の直径１ｃｍ、打ち抜き加工に直接利用される本体先端部の作業部位の長さ２ｃｍ、直径０．８ｃｍ）を使用し、その先端部に原粉を分級して得られた平均粒径が約７μｍの粒度分布のフライアッシュ（（社）日本粉体工業技術協会より入手）を市販のエアーブラスト装置（株式会社不二製作所：商品名ニューマブラスターDPV-1）を用いて投射（噴射）した。
具体的には、装置のノズル（口径約１ｍｍ）から投射圧力（本実施例では空気加圧圧力）０．７ＭＰａでフライアッシュをパンチ先端部表面全体にほぼ均一になるように約１０秒間投射（噴射）した。ノズル先端から基材表面までの距離は１０〜５０ｍｍとした。
比較例として、市販の平均粒径が約４μｍの炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉末（比較例１）、および、市販の平均粒径が約８．７μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末（比較例２）を使用して同条件にて投射処理を行った。

次いで、実施例１、比較例１及び比較例２でそれぞれ得たパンチを用いて打ち抜き加工試験を行った。即ち、投射処理を施したパンチを実用機械の金型用プレス機（藤井工業（株）製品）の上型として装着し、圧延鋼であるＳＳ鋼材から成る厚さ２ｍｍの鋼板を被加工材（ワーク）として使用し、一つのパンチで打ち抜きプレス加工を計９０００回連続して行った。比較例３として、投射処理を行わない同形状パンチを使用して同様の連続打ち抜き加工を行った。

かかる連続打ち抜き加工終了後、パンチ先端とパンチ側面の打ち抜き加工境界部（即ちワーク側面の打ち抜き加工時にワークに接触して摩擦が生じる部分とワークに接しない部分との境界部分）を光学顕微鏡で観察した。
即ち、図３はフライアッシュ投射処理済みのパンチ（実施例１）の連続打ち抜き９０００回後の状態を示す。また、図４はＳｉＣ粉末投射処理済みのパンチ（比較例１）の連続打ち抜き９０００回後の状態を示す。また、図５はＷＣ粉末投射処理済みのパンチ（比較例２）の連続打ち抜き９０００回後の状態を示す。そして、図６はいかなる投射処理も行っていないパンチ（比較例３）の連続打ち抜き１９２０回後の状態を示す。
各図の（Ｂ）はパンチ先端付近の状態を示す実体顕微鏡写真であり、（Ａ）はパンチ先端表面を拡大して示す光学顕微鏡写真であり、（Ｃ）はパンチ側面の打ち抜き加工境界部を拡大して示す光学顕微鏡写真である。

さらにまた、連続打ち抜き加工終了後のパンチ先端の表面と断面をＳＥＭで観察した。即ち、図７の（Ａ）及び（Ｂ）は、フライアッシュ投射処理済みのパンチ（実施例１）の連続打ち抜き９０００回後のパンチ先端表面のＳＥＭ像である。また、図８の（Ａ）及び（Ｂ）は、フライアッシュ投射処理済みのパンチ（実施例１）の連続打ち抜き９０００回後のパンチ先端の断面のＳＥＭ像である。
図９の（Ａ）及び（Ｂ）は、ＳｉＣ粉末投射処理済みのパンチ（比較例１）の連続打ち抜き９０００回後のパンチ先端表面のＳＥＭ像である。また、図１０の（Ａ）及び（Ｂ）は、ＳｉＣ粉末投射処理済みのパンチ（比較例１）の連続打ち抜き９０００回後のパンチ先端の断面のＳＥＭ像である。
図１１の（Ａ）及び（Ｂ）は、ＷＣ粉末投射処理済みのパンチ（比較例２）の連続打ち抜き９０００回後のパンチ先端表面のＳＥＭ像である。また、図１２の（Ａ）及び（Ｂ）は、ＷＣ粉末投射処理済みのパンチ（比較例２）の連続打ち抜き９０００回後のパンチ先端の断面のＳＥＭ像である。

図３〜図１２に示す結果から明らかなように、投射未処理の比較例３のパンチでは、パンチ側面のワーク接触部位において長軸方向に筋状痕が数多く認められる（図６の（Ａ）参照）。即ち、連続打ち抜き１９２０回でパンチが激しく損傷し、これ以上の使用は不可能であった。
また、ＳｉＣ粉末投射処理済みの比較例１のパンチおよびＷＣ粉末投射処理済みの比較例２のパンチでは、連続打ち抜き９０００回後において、パンチ先端部の硬化層が著しく除去されており、特に比較例１のパンチでは先端部の損傷が激しく母材の出現及び一部欠損が認められた（図４の（Ａ）及び図９参照）。
その一方、フライアッシュを投射した実施例１に係るパンチでは、各比較例のパンチほどの損傷は認められず、パンチ先端部においても硬化層が比較的保持されていた。このことは、本発明の表面処理方法によってパンチ等のプレス工具の耐摩耗性を容易に向上させることができ、これらプレス工具の長寿命化を実現し得ることを裏付けるものである。

以上に説明したとおり、本発明によると、耐摩耗性が向上し、長寿命の打抜工具その他のプレス工具を提供することができる。また、投射材料がフライアッシュのような石炭灰であるため、低コストでプレス工具の表面処理を行うことができる。
また、本発明は、石炭灰の新たな用途を開拓したものであり、資源リサイクルに貢献している。

本発明の表面処理方法の手順を模式的に示す説明図である。 本発明の表面処理方法によって処理されたプレス工具（パンチ）の状態を模式的に示す断面図である。 フライアッシュを投射したパンチの連続打ち抜き加工使用後の状態を示す顕微鏡写真であり、（Ｂ）はパンチ先端付近の状態を示す写真であり、（Ａ）はパンチ先端表面を拡大して示す写真であり、（Ｃ）はパンチ側面の打ち抜き加工境界部を拡大して示す写真である。 ＳｉＣ粉末を投射したパンチの連続打ち抜き加工使用後の状態を示す顕微鏡写真であり、（Ｂ）はパンチ先端付近の状態を示す写真であり、（Ａ）はパンチ先端表面を拡大して示す写真であり、（Ｃ）はパンチ側面の打ち抜き加工境界部を拡大して示す写真である。 ＷＣ粉末を投射したパンチの連続打ち抜き加工使用後の状態を示す顕微鏡写真であり、（Ｂ）はパンチ先端付近の状態を示す写真であり、（Ａ）はパンチ先端表面を拡大して示す写真であり、（Ｃ）はパンチ側面の打ち抜き加工境界部を拡大して示す写真である。 粉末投射処理を施していないパンチの連続打ち抜き加工使用後の状態を示す顕微鏡写真であり、（Ｂ）はパンチ先端付近の状態を示す写真であり、（Ａ）はパンチ先端表面を拡大して示す写真であり、（Ｃ）はパンチ側面の打ち抜き加工境界部を拡大して示す写真である。 フライアッシュを投射したパンチの連続打ち抜き加工使用後の状態を示すＳＥＭ写真であり、（Ａ）はパンチ先端表面のＳＥＭ像であり、（Ｂ）は（Ａ）の一部を拡大した像である。 フライアッシュを投射したパンチの連続打ち抜き加工使用後の状態を示すＳＥＭ写真であり、（Ａ）はパンチ先端の断面のＳＥＭ像であり、（Ｂ）は（Ａ）の一部を拡大した像である。 ＳｉＣ粉末を投射したパンチの連続打ち抜き加工使用後の状態を示すＳＥＭ写真であり、（Ａ）はパンチ先端表面のＳＥＭ像であり、（Ｂ）は（Ａ）の一部を拡大した像である。 ＳｉＣ粉末を投射したパンチの連続打ち抜き加工使用後の状態を示すＳＥＭ写真であり、（Ａ）はパンチ先端の断面のＳＥＭ像であり、（Ｂ）は（Ａ）の一部を拡大した像である。 ＷＣ粉末を投射したパンチの連続打ち抜き加工使用後の状態を示すＳＥＭ写真であり、（Ａ）はパンチ先端表面のＳＥＭ像であり、（Ｂ）は（Ａ）の一部を拡大した像である。 ＷＣ粉末を投射したパンチの連続打ち抜き加工使用後の状態を示すＳＥＭ写真であり、（Ａ）はパンチ先端の断面のＳＥＭ像であり、（Ｂ）は（Ａ）の一部を拡大した像である。

符号の説明

１０ プレス工具（パンチ）
１２ 先端部
１３ 硬化層
２０ ブラスト装置

Claims (5)

1. プレス工具における少なくともプレス加工時に摩擦の生じる部分の表面に石炭灰を投射することにより該表面を硬化すること、
   を包含する、プレス工具の表面処理方法。
2. 前記表面に少なくとも厚さ５μｍの硬化層が形成されるように前記石炭灰を投射する、請求項１に記載の表面処理方法。
3. 前記投射された石炭灰の成分の一部が前記表面に付着し得る圧力で該石炭灰を該表面に投射する、請求項２に記載の表面処理方法。
4. 前記投射に使用する石炭灰は、平均粒径が２０μｍ以下に調整されたフライアッシュである、請求項１〜３のいずれかに記載の表面処理方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の表面処理方法によって硬化された表面を有するプレス工具。