JP4792841B2 - 熱間型鍛造方法及び熱間型鍛造用断熱潤滑剤 - Google Patents

Description

本発明は、熱間型鍛造用潤滑剤及び熱間型鍛造用潤滑剤を用いる熱間型鍛造方法に関する。より詳細には、本発明は、高温の金型温度において、金属材料を熱間押し出し鍛造により成型する場合に使用する、油性潤滑剤に関するものであり、該油性潤滑剤を用いる金属材料を熱間押し出し鍛造により成型する方法に関する。

熱間型鍛造は、再現性がよく、所望の形状に鍛造することができるため、多くの機械部品などの製造に用いられている。この熱間型鍛造で製造される鍛造品は、そのままの形状で製品に供されたり、僅かに切削加工して使用されるため、表面の割れに対する許容基準が厳しくなっている。一方、金属は一般に温度が低下すると割れが発生し易くなる性質を持っているため、熱間型鍛造において下金型と接触する面の温度が急激に低下し、熱間加工性の低い超合金などで割れが発生する場合がある。

従来、熱間型鍛造は、金型を室温のままで行うと下金型と接触する面に割れが発生するため、割れが発生しないよう金型を加熱して鍛造する恒温型鍛造方法が実施されている。この恒温型鍛造方法の一例として、加熱した金型にグラファイト系の潤滑剤ないしは窒化硼素系離型剤を塗布して鍛造する恒温型打鍛造方法がある。しかし、この恒温型鍛造方法は、金型を１０００℃以上の高温に比較的長時間加熱しておかなければならず、さらにこの金型に用いることができる材料は高い熱脆性を有するため強度が低下し、また材料によっては非酸化性雰囲気中で使用しなければならなかったり、被鍛造材との焼付を生じたりするなどの問題点がある。

そこで、下記特許文献１には、室温の金型を用いても鍛造品の表面に割れが発生しない熱間型鍛造方法および熱間型鍛造用断熱潤滑剤を提供することを目的として、下金型の上に植物粉と離型剤および潤滑剤の１種または２種との混合物からなる熱間型鍛造用断熱潤滑剤を散布した後、熱間型鍛造をすること、及び、木材粉などの植物粉とボロンナイトライド系粉末などの離型剤及び黒鉛粉などの潤滑剤の１種または２種との混合物からなる熱間型鍛造用断熱潤滑剤が開示されている。

例えば、従来のアルミニウム合金の熱間型鍛造方法としては、鍛造素材を所定温度（６０６１合金の場合、４３０〜４８０℃）に予熱後、バスター（つぶし）→ブロッカ（荒地）→フィニッシャー（仕上げ）の３工程で鍛造するのが、一般的である。このとき、鍛造素材が型に付着するのを防ぐため、鍛造型にあらかじめ潤滑剤（黒鉛系または非黒鉛系）を塗布しておく。鍛造加工率の大きい部位の機械的性質が、他の部位に比べ、低下する。これは、上記の３工程の鍛造を経るうちに、鍛造素材温度が型に奪われて低下するため、鍛造加工率の大きい部位では、鍛造による歪みが、鍛造品に蓄積されることによる。したがって、鍛造後の熱処理時に、再結晶により結晶粒が粗大化し、機械的性質の低下を招くという問題が生じていた。
特開２０００−２６３１７７号公報

本発明は、鍛造加工率の大きい部位においても、鍛造品に蓄積される歪みを、従来に比べ小さくすることにより、鍛造後の熱処理時に、再結晶による結晶粒粗大化による機械的性質の低下を抑制することを目的とする。同時に、鍛造型の磨耗量を低減し、鍛造型の耐用期間を向上を目的とする。

本発明者は、特定の物性を有する金属粉を熱間型鍛造用油性潤滑剤に加えることで上記課題が解決することを見出し、本発明に到達した。

即ち、第１に、本発明は、熱間型鍛造用油性潤滑剤の発明であり、油性潤滑剤中にテルミット反応性金属粉を含有する。

本発明の熱間型鍛造用油性潤滑剤に含有される『テルミット反応性金属粉』とは、鍛造素材と鍛造型との間の摩擦により、金属粉が急激に酸化され、この金属粉の酸化により熱が発生する（テルミット反応）ような金属粉である。なお、テルミット反応性金属粉と接触・混合する潤滑剤は、水性であると混合時にテルミット反応性金属粉が水と反応して酸化されるので、本発明では油性潤滑剤としている。

本発明において、テルミット反応性金属粉の量としては、油性潤滑剤中に１〜８ｗｔ％、より好ましくは２〜８ｗｔ％含有されることが好ましい。テルミット反応性金属粉の量が１ｗｔ％未満では発熱量が少なく、機械的強度が向上しない。他方、テルミット反応性金属粉の量が８ｗｔ％を越えると鍛造素材−鍛造型間の潤滑に悪影響を及ぼし、焼き付きが発生する。

また、テルミット反応性金属粉を十分に発熱させるためには、テルミット反応性金属粉のサイズをある値以下にして、テルミット反応性金属粉の表面積を大きくし、酸化（テルミット反応）を促進させる必要がある。そこで、テルミット反応性金属粉の粒径としては、長径が０．１２ｍｍ以下であることが好ましい。

本発明に用いられるテルミット反応性金属粉はテルミット反応を惹起するものであれば特に限定されないが、Ａｌ、Ｍｇ、及びＦｅから選択される１種以上が好ましく、その中でもＡｌ粉が取扱い性及び発熱量の点から好ましい。

本発明の熱間型鍛造用油性潤滑剤には、基材と上記テルミット反応性金属粉の他に、固体潤滑剤を含むことが好ましい。固体潤滑剤としては、黒鉛、炭酸カルシウム、カーボンブラック、タルク、ガラス、窒化硼素、雲母、二硫化モリブデン、酸化鉄、及びフッ素化黒鉛の粒子から選択される固体潤滑剤の１種以上が好ましく例示される。

第２に、本発明は上記の熱間型鍛造用油性潤滑剤を用いる熱間型鍛造方法の発明であり、鍛造型の型表面上に上記の熱間型鍛造用油性潤滑剤を塗布する工程と、予熱した鍛造素材を該金型にて所定の形状に鍛造する工程とを含む。本発明の熱間型鍛造方法は、熱間型鍛造用潤滑剤を代えるだけであるので、従来から行っている方法と基本的に同じ方法で行うことができる。

第３に、本発明は上記の熱間型鍛造方法によって製造された熱間型鍛造品の発明であり、鍛造型の型表面上に上記の熱間型鍛造用油性潤滑剤を塗布する工程と、予熱した鍛造素材を該金型にて所定の形状に鍛造する工程とを含む熱間型鍛造方法によって製造された熱間型鍛造品である。

本発明の熱間型鍛造方法が適用される鍛造素材は特に限定されないが、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、及びマグネシウム合金から選択される鍛造素材が好ましい。その他、炭素鋼やステンレス鋼等の鋼材やチタン、チタン合金等の非鉄金属材料も高温熱間型鍛造用素材として用いることができる。

本発明の熱間型鍛造用油性潤滑剤を用いることにより、テルミット反応性金属粉が発生する多量のテルミット反応熱が、鍛造素材の温度の局所的な低下を抑制する。即ち、（１）鍛造加工率の大きい角部などの部位においても温度低下が少なく、鍛造加工中及び加工後にも、鍛造品に蓄積される歪みを、従来に比べ小さくすることができる。この結果、鍛造後の熱処理時に、再結晶による結晶粒粗大化による機械的性質の低下を抑制することが可能となる。同時に、（２）本発明の熱間型鍛造用油性潤滑剤の使用により、鍛造中に鍛造素材表面の温度が上がることで、表面付近の溶質元素（または溶質化合物）のマトリックスヘの固溶量が増加し、その後の熱処理により、従来法に比べ、時効硬化が一層促進される。これにより、鍛造品表面の耐摩耗性向上の効果が得られる。更に、プロセス的には、（３）鍛造時の発熱により、鍛造素材の変形が従来法よりも円滑に行なわれるため、鍛造による鍛造型の摩耗量を低減でき、鍛造型の寿命向上に効果がある。

本発明について詳細に説明する。
図１に、熱間型鍛造用断熱潤滑剤のテルミット反応性金属粉として、Ａｌ粉を用いた場合の模式図を示す。上型と下型の鍛造型の間に鍛造素材を配置し、所定の圧力で所定の形状に熱間鍛造する。この際、鍛造型の型表面上にテルミット反応性金属粉を含有する熱間型鍛造用油性潤滑剤を塗布する。鍛造中に、テルミット反応性金属粉が発生する多量のテルミット反応熱が、鍛造素材の温度の局所的な低下を抑制する。即ち、鍛造加工率の大きい角部などの部位においても温度低下が少なく、鍛造加工中及び加工後にも、鍛造品に蓄積される歪みを、従来に比べ小さくすることができる。

本発明の高温塑性加工用潤滑剤は好ましくは、基油及び／又は基グリースにテルミット反応性金属粉を含有する。所望により、固体潤滑剤を含有する。

本発明に使用される基油としては、鉱油（スピンドル油、マシン油、シリンダー油等）、合成エステル（脂肪酸オクチルエステル、トリメチロールプロパン脂肪酸エステル、ペンタエリスリトール脂肪酸エステル等）、油脂（なたね油、牛脂、豚脂等）、重合油脂（大豆重合油、菜種重合油、ヒマシ重合油等）等の１種又は２種以上の混合物が挙げられる。これらの基油は、いずれも鍛造素材と鍛造型の間に潤滑膜を形成し、摩擦係数を下げ、工具の肌荒れや、焼き付きを抑制する働きがある。

本発明に使用される基グリースとしては、リチウム石けんや、アルミニウム石けんなどの金属石けん系増ちょう剤や、ポリウレアや有機ベントナイトなどの非石けん系増ちょう剤の内、１種あるいは２種以上を増ちょう剤とし、鉱油及び、ジオクチルセバケートやペンタエリスリトールラウリン酸テトラエステルなどの合成油の内、１種あるいは２種以上を基油とするものが望ましい。これらの基グリースは、いずれも鍛造素材と鍛造型の間に潤滑膜を形成し、摩擦係数を下げ、工具の肌荒れや、焼き付きを抑制する働きがある。

本発明の潤滑剤において、基油及び／又は基グリースの添加量は、潤滑剤中１０.０重量％以上が望ましく、より好ましくは１０.０〜９９.０重量％である。尚、基グリースを潤滑剤に添加する場合、潤滑剤中に増ちょう剤が０.１重量％以上存在することが好ましい。

本発明に使用する固体潤滑剤としては、炭酸カルシウム、黒鉛、カーボンブラック、タルク、ガラス、窒化硼素、雲母、二硫化モリブデン、酸化鉄、フッ素化黒鉛等の粒子が挙げられ、好ましくはその粒径（長径）が、０．２０μｍ以下のものである。潤滑剤に添加分散する際、粒径が小さい程、安定に分散することが可能になるためである。最も好ましいものは、炭酸カルシウムであるが、これに限定されるものではない。本発明に使用する炭酸カルシウムとしては、公知の物質でよく、天然より得られる、重質炭酸カルシウム、あるいは、合成して得られる沈降性炭酸カルシウムのいずれでも良く、あるいはその混合物でも良い。この炭酸カルシウムの粒径は、好ましくは２０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下である。

本発明に使用する固体潤滑剤としては、金属系表面処理剤で粒子表面を処理したものも好ましく用いられる。このような金属系表面処理剤の具体例としては、チタン系及びアルミニウム系表面処理剤が挙げられる。チタン系表面処理剤で表面処理した固体潤滑剤と、アルミニウム系表面処理剤で表面処理した固体潤滑剤を混合使用することもできる。金属系表面処理剤は、官能基としてアルコキシ基、水酸基、アセテート基、ピロホスフェート基等の少なくとも１種を有するものが好ましい。

また、本発明では、油性潤滑剤中に、接着剤等の、通常用いられる成分を、固体潤滑剤の分散性及び塗膜形成性に悪影響を与えない範囲において含有させることができる。例えば、油性潤滑剤の分散性及び塗膜形成性を改善するため、油性潤滑剤中に、ノニオン系活性剤及び変性シリコンオイルを含有させることができる。かかるノニオン系活性剤としては、種々のものを用いることができ、例えば、アルキルベンゼンスルフォン酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエシレンアルキルフェノールエーテル、ソルビタン酸エステル等を挙げることができる。かかる変性シリコンオイルには、種々のものを用いることができ、例えば、ジメチルポリシロキサン、アルキル変性シリコン、メチルフェニルシリコン等を挙げることができる。

本発明の製造方法に用いる鍛造素材としてはアルミニウム合金が最も好ましく例示される。耐食性、高温強度、高弾性が好ましい特性を有する材料としてはＡ６０６１、Ａ２０１４、Ａ２２１８、Ａ６０８２、Ａ４０３２、Ａ７０７５を挙げることができる。Ａ６０６１、Ａ６０８２は耐食性、被アルマイト性が優れた特性を有し中程度の強度を有するため、各種特性をバランス良く満足するので好ましい。Ａ２０１４、Ａ２２１８は高強度、高弾性の特性を有するので、曲げや引っ張りの高い負荷が求められる成形品においては強度が向上するので好ましい。Ａ４０３２は耐摩耗性が優れ、高弾性である特性を有するので、耐摩耗性の必要な成形品においては耐摩耗性を向上させるので好ましい。Ａ７０７５は実用のアルミ合金では最高強度持つため、鉄並の強度必要な成形品において高い強度を得ることができるので好ましい。

次に、本発明の熱間型鍛造方法について説明する。本発明の熱間型鍛造方法は、下金型の鍛造面上に上記熱間型鍛造用潤滑剤を１〜３ｇ／ｃｍ^２程度塗布又は散布した後、加熱された鍛造素材を載せて鍛造する通常の鍛造を行う。熱間型鍛造用潤滑剤の塗布又は散布方法は、均一に塗布・散布できれば装置によってもよいし、人力によってもよい。

本発明により、アルミニウム合金鍛造を以下のように行ない、従来法と比較した。
［従来法］
ＪＩＳ６０６１合金（Ａｌ−１０．６０Ｓｉ−０．２８Ｃｕ−１．０Ｍｇ−０．２０Ｃｒ、不純物としてＦｅを０．３％含む）の組成にて、直径１００ｍｍの連続鋳造棒を作製した。これを切断して、直径１００ｍｍ×厚さ５０ｍｍの鍛造素材とした。鍛造素材には、５２０℃×７Ｈｒの均質化処理を施した。

この鍛造素材を、４６０℃に予熱し、３工程の熱間鍛造をした。すなわち、バスター（つぶし）後で厚さ５０ｍｍを２５ｍｍ（鍛造率５０％）に、ブロッカ（荒地）後で厚さ１５ｍｍ（鍛造率７０％）に、フィニッシャー（仕上げ）後で厚さ１０ｍｍ（鍛造率８０％）に鍛造した。

このとき、各鍛造型は１５０℃に予熱し、潤滑剤は下記表１に示す油性の黒鉛系潤滑剤を用いた。

その後、鍛造品には、Ｔ６処理を施した。すなわち、５４０℃×５Ｈｒの溶体化直後に、８０℃の水焼入れを施し、５ｍｉｎ以内に１８０℃×８Ｈｒの時効処理を施した。

［実施例］
従来法と同様に、鍛造素材に鍛造・Ｔ６処理を施した。ただし、潤滑剤は表１の油性の黒鉛系潤滑剤にテルミット性金属粉としてアルミニウム粉５ｗｔ％を混合したものを使用した。このとき、アルミニウム粉のサイズ（長径）は、φ０．０８ｍｍとした。

［両製造方法の比較］
両製造方法による鍛造品の、厚さ１０ｍｍ（鍛造率８０％）の部分から試験片を切り出し、室温・引張速度１ｍｍ／ｍｉｎにて、引張試験を実施した。従来法によるものの引張強さが２８８ＭＰａであるのに対して、テルミット性金属粉を含む実施例では引張強さが３３５ＭＰａであり、１６％向上した。なお、参考までに、テルミット性金属粉ではない長径φ０．０８ｍｍのアルミナ粉５ｗｔ％を混合したものを使用した場合では引張強さが２９０ＭＰａであった。この結果から、本発明のテルミット性金属粉による発熱反応の効果が実証された。即ち、実施例の引張強さの方が高く、機械的性質が優れていることが分かる。

［テルミット性金属粉の最適混合割合］
上記実施例においてテルミット性金属粉としてアルミニウム粉５ｗｔ％を混合したものに加えて、０〜１４ｗｔ％を混合して、潤滑剤中のアルミニウム粉の割合に対する引張強さの関係を調べた。図２に、テルミット性金属粉としてアルミニウム粉を０〜１４ｗｔ％混合した潤滑剤の引張強さを示す。

図２の結果より、アルミニウム粉１ｗｔ％付近より混合効果が現れ、２ｗｔ％から更に混合効果が著しい。しかし、８ｗｔ％を越えた付近からは潤滑剤の焼き付きが発生することも分かった。

［テルミット性金属粉のサイズの最適性］
上記実施例においてテルミット性金属粉として長径が０．０２〜０．２２ｍｍのアルミニウム粉５ｗｔ％を混合して、潤滑剤中のアルミニウム粉の長径に対する引張強さの関係を調べた。図３に、テルミット性金属粉として長径が０．０２〜０．２２ｍｍのアルミニウム粉を混合した潤滑剤の引張強さを示す。

図３の結果より、長径の小さなアルミニウム粉ほど効果が現れ、０．１２ｍｍを越えた付近からは引張強さに効果が現れなくなったことが分かった。これは、テルミット性金属粉微粉であるほど表面積が大きく、テルミット反応が起こりやすいことを示している。

［鋳造型の耐久性］
上記実施例及び従来法において、鋳造型の耐久性がどう違うかを調べた。図４に、実施例及び従来法の、鋳造ショット数に対する鋳造型の磨耗量の関係を示す。

図４の結果より、テルミット性金属粉としてアルミニウム粉５ｗｔ％を混合した本発明の実施例の方が、テルミット性金属粉を加えない従来法に比べて、磨耗量が少ないことが分かった。

本発明の熱間型鍛造用潤滑剤は、テルミット金属粉の酸化による発熱のために鍛造金型の表面が加熱されるので、鍛造素材の鍛造金型に接触する面が急冷されることがない。即ち、（１）鍛造後の熱処理時に、再結晶による結晶粒粗大化による機械的性質の低下を抑制することが可能となる。（２）鍛造品表面の耐摩耗性向上の効果が得られる。（３）鍛造型の摩耗量を低減でき、鍛造型の寿命向上に効果がある。これらにより、熱間型鍛造に広く適用される。

熱間型鍛造用断熱潤滑剤のテルミット反応性金属粉として、Ａｌ粉を用いた場合の模式図。 潤滑剤中のアルミニウム粉の割合に対する引張強さの関係を示すグラフ。 潤滑剤中のアルミニウム粉の長径に対する引張強さの関係を示すグラフ。 実施例及び従来法の、鋳造ショット数に対する鋳造型の磨耗量の関係を示すグラフ。

Claims (4)

1. 長径が０．１２ｍｍ以下のアルミニウム粉を油性潤滑剤中に１〜８ｗｔ％含有することを特徴とするアルミニウム合金の熱間型鍛造用油性潤滑剤。
2. 更に、黒鉛、炭酸カルシウム、カーボンブラック、タルク、ガラス、窒化硼素、雲母、二硫化モリブデン、酸化鉄、及びフッ素化黒鉛の粒子から選択される固体潤滑剤の１種以上が含有されることを特徴とする請求項１に記載の熱間型鍛造用油性潤滑剤。
3. 鍛造型の型表面上に請求項１又は２に記載の熱間型鍛造用油性潤滑剤を塗布する工程と、予熱した鍛造素材を該金型にて所定の形状に鍛造する工程とを含むことを特徴とする、アルミニウム合金の熱間型鍛造方法。
4. 鍛造型の型表面上に請求項１又は２に記載の熱間型鍛造用油性潤滑剤を塗布する工程と、予熱したアルミニウム合金を該金型にて所定の形状に鍛造する工程とを含む熱間型鍛造方法によって製造されたことを特徴とする熱間型鍛造品。

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