JP4844874B2 - プレス成形品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に、プレス成形用パンチやダイ等、プレス金型による、プレス成形品の製造方法に関するものである。

従来、使用中の摺動を伴うプレス金型等においては、マトリックスの硬さとＣｒ系特殊炭化物を含有することで、高硬度、且つ優れた耐摩耗性を有するＳＫＤ１１等が適用されていた。しかし、近年、金型における難加工材の成形やプレス金型等における摺動環境の過酷化により、ＳＫＤ１１等に窒化、ＰＶＤ、ＣＶＤ、塩浴処理等の表面処理を施して使用している。

上述したものは高硬度化による耐摩耗性向上の技術であるが、一方、近年、酸化物の自己潤滑性に着目した技術開発がなされるようになってきている。例えば、アルミナ基板上にＣｕ−Ｍｏをイオンビーム蒸着した時の、種々の温度におけるＣｕ、Ｍｏ、Ｏの結合状態の研究と、その種々の試験温度での摩擦試験を行ったものについての報告がある（非特許文献１）。これによると、３００℃以上においてＣｕＯ＋ＭｏＯ_３の複合酸化物が生成し、さらに高温になるに伴って多くなることから、６００℃における摩擦試験では摩擦係数が低くなり、優れた摺動特性が得られるということが報告されている。
Ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ８９，１９９７年，ｐ．２４５−２５１

摺動特性の付与手法として、上述したＳＫＤ１１等の硬質物質による対策では、その素材自体を金型形状に加工する際の被削性に悪影響を及ぼすという問題があった。また、表面処理を施すと、母材とコーティング膜との密着性が悪く、剥離してしまう問題や、さらには、コーティングをする手間、及びコストがかかるという問題があった。

一方、優れた摺動特性が得られるＣｕ−Ｍｏの複合コーティングを施した材料においては、耐摩耗性の観点から母材は高硬度である必要がある。また同様、母材とコーティング膜の密着性が悪く、膜が剥離してしまう問題や、さらには、コーティングをする手間、及びコストがかかるという問題があった。

本発明の目的は、上記の課題を解決した、優れた自己潤滑特性を有するプレス金型による、プレス成形品の製造方法を提供することである。

本発明者は、上記の課題を検討した結果、上記使用環境下でのプレス金型において、潤滑特性、及び耐摩耗性に優れ、長寿命化するためには、コーティングをしなくても、それ自体が優れた潤滑特性、及び耐摩耗性を有するプレス金型こそが最適であることを突きとめた。それ故、優れた自己潤滑特性を有するＣｕとＭｏの複合酸化物を、内部酸化により、マルテンサイト系鋼の母材の最表面に自己生成している状態のプレス金型を目標にすることで、本発明を開発するに至った。

すなわち、本発明は、質量％で、Ｃ：０．７〜１．６％未満、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜３．０％未満、Ｐ：０．０５％未満（０％を含む）、Ｓ：０．０１〜０．１２％、Ｃｒ：７．０〜１３．０％、Ｍｏの１種またはＭｏとＷの２種を（Ｍｏ＋Ｗ／２）：０．５〜１．７％、Ｖ：０．７％未満（０％を含む）、Ｎｉ：０．３〜１．５％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、Ａｌ：０．１〜０．７％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物でなるマルテンサイト系鋼からなるプレス金型によって、被加工材をプレス成形する、プレス成形品の製造方法において、プレス成形中の金型と被加工材が摺動するときの、金型と被加工材との最大加工速度が０．３７ｍ／ｓを超える条件下でプレス成形することを特徴とするプレス成形品の製造方法である。なお、本発明で言う最大加工速度とは、プレス成形中において金型と被加工材の摺動する速度が最大の時の、その加工速度である。

そして、本発明のプレス成形品の製造方法が使用する、優れた自己潤滑特性を有するプレス金型は、質量％で、０．３％以下のＮｂを含有してもよい。

本発明によれば、コーティングをすることなく、優れた自己潤滑特性を有するプレス金型によるプレス成形品の製造方法を提供することにより、金型の低コスト、且つ長寿命化が図れることから、特に摺動環境にあるプレス金型等の分野において欠くことのできない技術となる。

上述したように、本発明の重要な特徴は、母材とコーティング膜との密着性の問題があり、さらに手間、及びコストのかかるコーティングをすることなく、優れた潤滑特性、及び耐摩耗性を有するプレス金型によるプレス成形品の製造方法を達成したことにある。具体的には、プレス成形中に、ＣｕとＭｏの複合酸化物（以下、Ｃｕ−Ｍｏ複合酸化物とも記す）を最表面に自己生成している状態を目標とした、プレス金型である。

まず、Ｃｕ−Ｍｏ複合酸化物の優れた潤滑機構特性について説明する。
Ｃｕ−Ｍｏ複合酸化物は、ＣｕおよびＭｏ存在下での、３００℃以上の環境においてＣｕＯ＋ＭｏＯ_３の複合酸化物の形態として生成されるものである。そして、高温になるに伴って多く生成される。この複合酸化物は、二硫化モリブデンやグラファイト等固体潤滑剤のように層状構造を持ち、特定の結晶面または分子間の結合力が弱く、小さい摩擦係数を与える自己潤滑特性を持っている。

本発明のプレス金型にとっては、母材自身の内部酸化によるＣｕ−Ｍｏ複合酸化膜が最表面に自己形成されることで、優れた潤滑特性を有すると思われるが、その母材自体も耐摩耗性に優れることで総括的な摺動特性の向上が達成される。そこで、本発明を構成する母材は、本発明の根幹であるＣｕ−Ｍｏ複合酸化物を自己形成するための、ＣｕおよびＭｏの内部酸化が進行するものとして、それぞれ３．０質量％以下のＭｏおよびＣｕを含む高硬度のマルテンサイト系鋼であることが好ましい。

そして、本発明のプレス金型は、その使用条件として、プレス加工中の被加工材との最大加工速度が０．３７ｍ／ｓを超えることが好ましい。０．３７ｍ／ｓ以下であると、摺動による発熱が少なく、Ｃｕ−Ｍｏ複合酸化膜の自己形成が不十分であると推測される。よって、最大加工速度は０．３７ｍ／ｓを超える条件が好ましい。好ましくは、０．５６ｍ／ｓを超える最大加工速度である。

そして、本発明を構成する母材は、質量％で、Ｃ：０．７〜１．６％未満、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜３．０％未満、Ｐ：０．０５％未満（０％を含む）、Ｓ：０．０１〜０．１２％、Ｃｒ：７．０〜１３．０％、Ｍｏの１種またはＭｏとＷの２種を（Ｍｏ＋Ｗ／２）：０．５〜１．７％、Ｖ：０．７％未満（０％を含む）、Ｎｉ：０．３〜１．５％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、Ａｌ：０．１〜０．７％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物でなる鋼であり、上記の内部酸化が円滑に進むことの期待されるマルテンサイト系鋼である。０．３％以下のＮｂを含有してもよい。

以下、本発明のプレス金型にとっての、上記母材の成分組成について説明する。なお、各元素の含有量を示す％の表記は、質量％である。
Ｃは一部が基地中に固溶して強度を付与し、一部は炭化物を形成することで耐摩耗性や耐焼付き性を高める重要な元素である。ここで、鋼中のＣが固溶Ｃと炭化物になる割合は主にＣｒとの相互作用で決まるため、ＣはＣｒとの相互作用を認識して同時に規定することが望ましい。よって、被削性と熱処理変形安定性の両者をバランスよく満たす実用的な母材とするためにも、Ｃの成分範囲は下記のＣｒ量をも鑑みて０．７〜１．６％未満がよい。好ましくは、０．９〜１．３％である。

Ｓｉは本発明の母材にとって重要な元素である。Ｓｉは通常、脱酸剤として０．３％程度が添加されるが、本発明では焼入れ時の膨張を抑えた成分設計を好ましいとしている結果として焼入れ硬さの低下が懸念されるので、焼戻し時の４９０℃付近までの軟化現象を抑制するために通常よりも高い０．５％以上とすることが望ましい。なお、過多の含有はデルタフェライトの形成を起こすため、上限は３．０％がよい。より好ましくは、０．９〜２．０％である。

ＭｎもＳｉと同様、脱酸剤として使用され、この場合、最低でも０．１％を含有する。しかし、過度に含有すると切削性を阻害するので、上限を３．０％に規定することが望ましい。より好ましくは、０．１〜１．０％である。

Ｓは被削性を向上させる場合に有益な元素である。しかし、過多に含有すると靭性を低下させるので、多くとも０．１２％以下が望ましく、添加するとすれば０．０１〜０．１２％がよい。好ましくは、０．０３〜０．０９％である。

Ｃｒは、母材の焼入れ性を高めるとともに、炭化物を形成するのに欠かせない元素である。ここで、Ｃの時に同様、鋼中のＣｒが固溶Ｃｒと炭化物になる割合はＣとの相互作用によって決まるため、やはりその含有量はＣとの相互作用を認識して同時に規定することが望ましい。よって、被削性と熱処理変形安定性の両者をバランスよく満たす実用的な摺動部材とするためにも、Ｃｒの成分範囲は上記のＣ量をも鑑みて７．０〜１３．０％がよい。好ましくは、８．０〜１１．０％である。

Ｍｏは、３．０％以下を含むことで本発明の自己潤滑機構特性の発揮が期待される必須元素であるが、母材としての機械的特性を調整する上では、ＭｏとＷは同様の作用効果を付与し、その程度は原子量の関係から（Ｍｏ＋Ｗ／２）で規定することができる。Ｍｏ，Ｗは工具鋼の二次硬化を担う元素とされ、特にバイト、ドリル等の小物製品への適用で高硬度を必要とする高速度工具鋼に多く添加される。本発明においても、Ｍｏ，Ｗは二次硬化を発揮するマトリックス状態に大きく寄与するものとして添加が可能であるが、０．５％より少ないと十分な効果が得られず、一方、これらの元素は変寸を助長することから、冷間金型等の大物製品にとって過多の添加はよくない。よって、本発明のプレス金型では、母材はＭｏの１種またはＭｏとＷの２種を（Ｍｏ＋Ｗ／２）で０．５〜１．７％が好ましい。より好ましくは、０．７５〜１．５％である。

Ｎｉは、後述のＡｌと結合してＮｉ−Ａｌ系金属間化合物を形成・析出し、二次硬化と変寸の抑制を同時に達成する、本発明にとっては含有の好ましい元素である。また、後述のＣｕを含有する場合、赤熱脆性を抑える有益な元素でもある。しかし、０．３％より少ないと十分な効果は得られず、一方、１．５％を越える過多の含有はＦｅ中のＣの固溶限を上げ、焼鈍状態の加工性を阻害するため、０．３〜１．５％が好ましい。より好ましくは、０．４〜１．５％、さらに好ましくは、０．５〜１．３％である。

Ｃｕは、Ｍｏに同様、３．０％以下を含むことで本発明の自己潤滑機構特性の発揮が期待される必須元素であるが、その適量の含有によっては、Ｃｕ金属相が約４８０℃以上から析出し始め、これが金属間化合物の析出核になることから、本来はより高温で析出する上記のＮｉ−Ａｌ系金属間化合物をちょうど工具鋼の二次硬化温度付近で析出させることを可能にする。よって、Ｎｉ−Ａｌ系金属間化合物の析出による変寸相殺効果および二次硬化を最大限に発揮するには含有の好ましい元素である。しかし、Ｃｕは多量に添加すると赤熱脆性が起こるため、本発明では０．１〜１．０％に規定することが好ましい。より好ましくは、０．２〜０．８％である。

Ａｌは、上記の通り、Ｎｉと結合してＮｉ_３ＡｌもしくはＮｉＡｌといったＮｉ−Ａｌ系金属間化合物を形成し、析出による二次硬化を担う。また、この析出反応によりマトリックスが収縮するため、工具鋼における二次硬化時の膨張反応を相殺し、その結果、変寸を抑制する、本発明にとっての含有が好ましい元素である。しかし、０．１％より少ないと十分な効果は得られず、一方、０．７％を超える過多のＡｌは著しいデルタフェライトの形成を起こすので、０．１〜０．７％に規定することが好ましい。より好ましくは、０．１〜０．５％、さらに好ましくは、０．１５〜０．４５％である。

Ｎｂは組織中の炭化物の分布を均一化し、熱処理変形を小さくする働きがあることから、本発明のプレス金型にとっては、その母材に含有の好ましい元素である。特に０．０３％以上の含有が好ましいが、その含有により形成されるＭＸ化合物の量が多すぎると被削性を害するので、０．３％以下の含有が望ましい。

また、以下の元素は下記の範囲内であれば本発明の母材に含まれてもよい。
Ｐは靭性を阻害する元素であることから、０．０５％未満、好ましくは０．０２％以下に規制する。Ｖは焼入れ性の向上の上で添加することができるが、被削性を阻害する元素であることから、含有する場合であっても０．７％未満、好ましくは０．５％以下に制限する。

本発明の母材は、好ましくは、以上を満たす成分組成であって、残部を実質的にＦｅとする鋼とすることができる。例えば上述の元素種以外はＦｅと他の元素は総計で２０％以下、１０％以下、５％以下といった鋼や、残部はＦｅおよび不可避的不純物で構成される鋼であれば、優れた自己潤滑機構特性が期待され、さらに変寸抑制特性と二次硬化をも同時に達成した、機械的特性の優れるプレス金型となる。

本実施例１では、実際にプレス成形に使用される時の金型温度を想定し、内部酸化によるＣｕ−Ｍｏ複合酸化物の自己生成について評価する。
まず、真空溶解後の造塊によって得た鋼塊を熱間加工して、表１に示す化学成分（質量％）の、残部Ｆｅ、及び不可避的不純物でなるマルテンサイト系鋼の試料（寸法は１５×１５×３ｍｍ）を準備した。そして、これら試料に焼入れ（１０３０℃×１ｈ）、焼戻し（５００℃×１ｈを２回）を施した後、鏡面研磨を行い、その後、使用中の実金型温度を想定した、５００℃の熱処理（酸化雰囲気）を施して、評価試料とした。そして、得た試料の表面状態（自己生成膜の構成）をＸ線光電子分光分析装置（ＥＳＣＡ）により測定し、評価した。

ＥＳＣＡ測定は、表面スパッタを、積算で０（最表面），３，６，９，１２，１５，３０，４５，６０，７５，９０，１０５，１２０分行い、それぞれのスパッタ時間に相当する、最表面、及び深さ方向位置の成分状態について評価した。試料Ｎｏ．１については、図１にスパッタ０分、及び３分後のＣｕの結合状態を、図２にスパッタ０分、及び１２０分後のＭｏの結合状態を示しておく。

試料Ｎｏ．１の場合、図１より、スパッタ３分後の深さ部位においては、オージェピークが不明瞭のため、Ｃｕの状態は判断できないが、スパッタ０分の最表面には、ＣｕＯが形成されていることがわかる。また、図２より、Ｍｏはスパッタ０分の最表面でＭｏＯ_３を形成しており、スパッタ１２０分後の深さ位置ではＭｏの状態にある。

一方、試料Ｎｏ．２の場合、ＣｕＯ、ＭｏＯ_３共に検出されなかった。

上述した結果より、試料Ｎｏ．１においてのみ、その最表面にＣｕＯ−ＭｏＯ_３の複合酸化膜が生成していることがわかる。

本実施例２では、前記実施例１の試験結果に基づいての、表２に示す部材Ｎｏ．３，４をプレス金型に適用して、それによるプレス成形を行った時の焼付き性の評価をする。

本評価では、部材Ｎｏ．３，４の金型を用いての、図３に示す成形条件による焼付き性評価試験を実施した。リンク機構によりパンチが上下運動する図３の装置においては、そのパンチ先端がワーク（被加工材）に当接する瞬間に、パンチとワークが接触している条件下においてパンチが最大加工速度に達する。

一方、このプレス成形中において、ワークに発生する“しわ”を抑制するためには、ワーク端部を固定する“しわ押さえ力”を大きくすることが有効であるが、この力が大きくなればなる程、逆に焼付きが発生しやすくなる。そこで、本試験では、一定の最大加工速度でのパンチ成形において、その焼付きなしにプレス成形が可能な“最大しわ押さえ力”を測定した。つまり、ワーク端部を押さえる力が、最大しわ押さえ力を超えると焼付きが発生することから、この最大しわ押さえ力を大きくできるものである程、耐焼付き性に優れ、しわが発生せず、様々な形状の高速成形が可能である。

図４に試験結果を示す。なお、図３の装置においては、その加工速度は、成形速度［単位分当たりの成形ショット回数（ｓｐｍ）］をもって制御するので、その際の成形速度も併記しておく。

図４より、本発明のプレス金型である部材Ｎｏ．３は、焼付きがなく成形できる最大しわ押さえ力が、加工速度を上げる程に、１．２ｋｇｆ／ｃｍ^２から１．４ｋｇｆ／ｃｍ^２へ上がった。部材Ｎｏ．３は、その金型使用前には、Ｃｕ−Ｍｏ複合酸化膜を自己生成させるような加熱処理はしておらず、成形開始時には該酸化膜は生成していないが、成形時の発熱によって徐々にＣｕ−Ｍｏ複合酸化膜が自己生成することが期待される。よって、加工速度が遅い時の最大しわ押さえ力は少し小さいが、加工速度が速くなると、発熱によるＣｕ−Ｍｏ複合酸化膜の自己生成が促進され、耐焼付き性が向上するので、最大しわ押さえ力が大きくなると思われる。

一方、部材Ｎｏ．４においては、焼付きがなく成形できる最大しわ押さえ力は、加工速度を上げる程、１．０ｋｇｆ／ｃｍ^２から０．４ｋｇｆ／ｃｍ^２へと下がった。これについては、母材の鋼にＣｕが添加されていないため、成形時の発熱によってもＣｕ−Ｍｏ複合酸化膜が形成されることがない。したがって、成形速度を上げて使用環境が苛酷になるに伴って、耐焼付き性が劣化し、最大しわ押さえ力は小さくなる。

本発明組成の鋼を加熱酸化処理した時の、表面の電子結合状態を示す図であり、本発明の効果の一例を説明する図である。 本発明組成の鋼を加熱酸化処理した時の、表面の電子結合状態を示す図であり、本発明の効果の一例を説明する図である。 本発明の実施例で用いた、焼付き評価試験装置の模式図である。 本発明例、及び比較例のプレス金型の、焼付き評価試験の結果を示す図である。

Claims (2)

1. 質量％で、Ｃ：０．７〜１．６％未満、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜３．０％未満、Ｐ：０．０５％未満（０％を含む）、Ｓ：０．０１〜０．１２％、Ｃｒ：７．０〜１３．０％、Ｍｏの１種またはＭｏとＷの２種を（Ｍｏ＋Ｗ／２）：０．５〜１．７％、Ｖ：０．７％未満（０％を含む）、Ｎｉ：０．３〜１．５％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、Ａｌ：０．１〜０．７％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物でなるマルテンサイト系鋼からなるプレス金型によって、被加工材をプレス成形する、プレス成形品の製造方法において、
   プレス成形中の金型と被加工材が摺動するときの、金型と被加工材との最大加工速度が０．３７ｍ／ｓを超える条件下でプレス成形することを特徴とするプレス成形品の製造方法。
2. プレス金型は、質量％で、０．３％以下のＮｂを含有する鋼であることを特徴とする請求項１に記載のプレス成形品の製造方法。