JP6601616B2 - 温・熱間加工用潤滑剤および温・熱間加工方法 - Google Patents
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Description
温間もしくは熱間において金属材料を加工する際に使用される潤滑剤であって、固体質の潤滑剤とバインダ樹脂とを含み、シート状に形成された固体質潤滑剤シートと、ガラスとバインダ樹脂とを含み、シート状に形成されたガラスシートと、を積層することにより構成されている、潤滑剤。この構成によれば、ガラスシートの軟化温度の調整等を行うことにより、広い温度範囲に亘って優れた潤滑性能を発揮させることができるので、より潤滑特性を高くすることが容易となる。
前記固体質の潤滑剤は、黒鉛である、適用例1記載の潤滑剤。一般に、黒鉛は、層状構造をとるため潤滑性能および断熱性が高く、また、入手がより容易である。そのため、より、潤滑性能が高く、また、断熱性が高い潤滑剤シートを、より安価に製造することが可能となる。
温間もしくは熱間において金型を用いて金属材料を加工する加工方法であって、適用例1または2記載の潤滑剤を準備する工程と、前記潤滑剤を、前記金属材料と前記金型との間に、中空状態で配置する工程と、を備える、加工方法。潤滑剤を中空状態で配置することにより、成形直前まで潤滑剤が金型や被加工材である金属材料に接触することが抑制される。そのため、成形前の温度上昇等により、潤滑剤の潤滑特性の変化を抑えることができる。
A.実施形態:
A1.熱間鍛造:
A2.複合潤滑剤シートの製造工程:
B.実施例:
B1.実施例1:
B2.実施例2:
B3.実施例3:
B4.実施例4:
C.使用態様の変形例:
D.変形例:
図1は、本発明を適用して熱間鍛造を行う様子を示す説明図である。熱間鍛造を行うための鍛造装置900は、下型部910と上型部920とを有している。下型部910は、上面に転写形状が形成された金型911と、金型911の下部に配置された断熱材916と、断熱材916の下部に配置された基部918とを備えている。金型911は、断熱材916により熱的に基部918から分離された断熱金型912と、断熱金型912とかみ合い、断熱材916を貫通して基部918に固定されている固定金型914とを有している。このように、断熱金型912が基部918から熱的に分離されていることにより、金型911の温度を適宜調整することが容易となっている。上型部920も下型部910と同様に、下面に転写形状が形成され、断熱金型922および固定金型924からなる金型921と、断熱材926と、基部928とを備えている。そのため、下型部910と同様に、金型921の温度を適宜調整することが容易となっている。
複合潤滑剤シートを用いることによる潤滑性能の向上を確認するため、実施例としての複合潤滑剤シートと、比較例としての黒鉛シートおよびガラスシートを準備し、潤滑性能の評価を行った。なお、実施例としての複合潤滑剤シート、および、比較例としての黒鉛シートおよびガラスシートは、いずれも潤滑剤のシートであるので、以下では、潤滑剤シートとも総称する。
ガラス粉末100重量部と、PVAL3重量部を水50重量部に溶解したPVAL水溶液とを混合してガラスペーストを調製し、調製したガラスペーストを成形してガラスシートを作製した。ガラス粉末としては、平均粒径が40μmで、軟化温度が548℃のものを使用した。作製されたガラスシートの坪量(単位面積あたりの重量)は、1430g/m2であった。また、得られたガラスシートを2枚あるいは3枚重ね合わせることにより、坪量が2860g/m2および4300g/m2のガラスシートを得た。また、黒鉛粉末100重量部と、PVAL3重量部を水50重量部に溶解したPVAL水溶液とを混合して黒鉛ペーストを調製し、調製した黒鉛ペーストを成形して黒鉛シートを作製した。黒鉛粉末としては、平均粒径60μmの鱗状黒鉛を使用した。作製された黒鉛シートの坪量は、310g/m2であった。
このように準備された実施例および比較例の潤滑剤シートの潤滑性能を評価するため、リング圧縮試験を行った。リング圧縮試験とは、金型と被加工材との間の摩擦係数の評価を行う周知の試験方法であり、円環状の被加工材を軸方向に圧縮する鍛造(据え込み鍛造)を行うことによって行われる。摩擦係数が大きいと、鍛造時に被加工材が外方に向かって移動することが抑制されるので、鍛造後の被加工材の内径が縮小する。一方、摩擦係数が小さいと、鍛造時に被加工材が外方に向かって移動することが容易となるので、鍛造後の被加工材の内径が拡大する。そこで、鍛造による被加工材の厚みの低減率(据え込み率)と、鍛造による被加工材の内径の減少率(内径減少率)とを測定し、測定された据え込み率と内径減少率から摩擦係数を評価することができる。
[実施例および比較例のシートの準備]
ガラスシートを構成するガラスの軟化温度、および、黒鉛シートの厚さが潤滑性能に与える影響を評価した。具体的には、まず、ガラス100重量部と、PVAL3重量部を水50重量部に溶解したPVAL水溶液とを混合してガラスペーストを調製し、調製したガラスペーストを成形してガラスシートを作製した。ガラス粉末としては、平均粒径が40μmのものを使用した。また、ガラスの軟化温度は、373℃、426℃、538℃および583℃とした。作製されたガラスシートの坪量は、1600g/m2であった。
このように準備された実施例および比較例の潤滑剤シートの潤滑性能を評価するため、リング圧縮試験を行った。評価は、厚みが0.15mmの2枚の黒鉛シートに、軟化温度が373℃、426℃、538℃および583℃のガラスシートを挟み込んだ複合潤滑剤シートと、厚みが0.15mmの黒鉛シートを2枚積層したシートを用いて行った。また、比較のため、シートに替えて潤滑剤として市販されている黒鉛粉末を噴霧した状態(黒鉛粉末噴霧)、および、潤滑剤を使用しない状態(潤滑剤なし)でリング圧縮試験を行った。
次に、被加工材を大きく変形させる際(大変形時)の潤滑性能を評価した。大変形時の潤滑性能は、テーパカップ試験(例えば、特開2004−12296号公報参照)により行った。このテーパカップ試験では、外側が拘束された試験材料の上面に実施例および比較例の潤滑剤シートを配置し、先端近傍が前方に絞り込まれた形状のパンチにより後方押出し加工を行い、加工時の鍛造荷重および加工後の試験材料の形状により潤滑性能を評価する。
複合潤滑剤シートにおける黒鉛シートの厚みの影響を評価した。実施例としての複合潤滑剤シートは、黒鉛シートの厚さを0.25mm、0.5mmおよび0.7mmの3種としたとした点で実施例2と異なっている。また、実施例3では、ガラスシートとして、軟化温度が538℃のものを使用した。なお、黒鉛シートおよびガラスシートの作製工程は、実施例1および実施例2と同様である。
金型と被加工材との間の熱の伝達に対する、複合潤滑剤シートの使用が与える影響を評価した。具体的には、試験材として64チタンを900℃に加熱し、金型と試験材との間に複合潤滑剤シートを挿入して圧縮率50%の据え込み加工を行った。金型には、Inconel718(Inconelは登録商標)を使用した。この据え込み加工を行う際に、金型に埋め込んだ熱電対を用いて金型の温度を測定した。数値計算で解析することにより、計測された温度変化から、試験材から金型の内部に伝達される熱量を評価するとともに、試験材表面の温度と金型表面の温度を求めた。また、同様にして、金型材の上面に黒鉛粉末を噴霧した状態で据え込み加工を行い、潤滑剤として黒鉛粉末を噴霧した場合の試験材表面の温度と金型表面の温度変化を求めた。
図10は、複合潤滑剤シートの使用態様の変形例を示す説明図である。図10に示す鍛造装置800においては、下型部810と上型部820との間に、2枚の複合潤滑剤シート100a,100bが上下方向に間を開けて配置される。これらの複合潤滑剤シート100a,100bは、図1に示す鍛造装置900と同様に、バネ831〜843によって、下型部810に固定された保持部(図示しない)に取り付けられる。鍛造は、マニピュレータ851,852により被加工材WKaを2枚の複合潤滑剤シート100a,100bの間に搬送した後、上型部820を下型部810に向かって降下させることにより、被加工材WKaと、下型部810および上型部820の金型との間に複合潤滑剤シート100a,100bが挟み込まれる。これにより、被加工材WKaが金型に対して滑らかに流動し、被加工材WKaを良好な形状に成形することが可能となる。
なお、本発明は上記実施形態および実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
上記実施形態および実施例では、ガラスシートと黒鉛シートとを組み合わせて複合潤滑剤シートを構成しているが、黒鉛シートに替えて、種々の固体質の潤滑剤を含む固体質潤滑剤シートをガラスシートと組み合わせるものとしても良い。例えば、固体質の潤滑剤としては、二硫化モリブデン、二硫化タングステンあるいは窒化ホウ素を用いることができる。これらの固体質の潤滑剤を含む固体質潤滑剤シートを使用しても、黒鉛シートを使用した場合と同様に、高い潤滑性能を有する複合潤滑剤シートを得ることが可能となる。但し、固体質潤滑剤としては、層状構造をとるため潤滑性能および断熱性が高く、また、原料の入手がより容易である点で、黒鉛を用いるのが好ましい。
110…ガラスシート
120…黒鉛シート
800…鍛造装置
810…下型部
820…上型部
831〜843…バネ
851,852…マニピュレータ
900…鍛造装置
910…下型部
911…金型
912…断熱金型
914…固定金型
916…断熱材
918…基部
920…上型部
921…金型
922…断熱金型
924…固定金型
926…断熱材
928…基部
930…バネ
CP…黒鉛粉末
CT…黒鉛ペースト
GP…ガラス粉末
GT…ガラスペースト
PS…樹脂水溶液
WK,WKa…被加工材
Claims (3)
- 温間もしくは熱間において金属材料を加工する際に使用される潤滑剤であって、
固体質の潤滑剤とバインダ樹脂とを含み、シート状に形成された固体質潤滑剤シートと、ガラスとバインダ樹脂とを含み、シート状に形成されたガラスシートと、を積層することにより構成されている、潤滑剤。 - 前記固体質の潤滑剤は、黒鉛である、請求項1記載の潤滑剤。
- 温間もしくは熱間において金型を用いて金属材料を加工する加工方法であって、
請求項1または2記載の潤滑剤を準備する工程と、
前記潤滑剤を、前記金属材料と前記金型との間に、中空状態で配置する工程と、
を備える、加工方法。
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