JP7116860B2 - 転造ダイス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、転造ダイス及びその製造方法に関し、特に窒化処理が施された成形面の耐久性を向上できる転造ダイス及びその製造方法に関するものである。
転造ダイスは、複数の加工歯が形成された成形面を被加工物に押し付けて被加工物を塑性変形させ、成形面に応じた所定形状を被加工物に転造する。成形面の摩耗や欠けを抑制して成形面の耐久性を向上するために、成形面に窒化処理を施して窒化層を形成することが知られている。特許文献１では、転造ダイスの成形面への窒化処理としてイオン窒化処理を用いている。
しかしながら、複数の加工歯が形成された成形面にイオン窒化処理を施す場合、加工歯の山頂にイオンが集中し易く、加工歯の谷底にイオンが当たり難い。そのため、加工歯の山頂における窒化層が深くなり易く、加工歯の谷底における窒化層が浅くなり易い。そうすると、窒化層の深さのばらつきによって成形面の耐久性を十分に向上できないおそれがある。そこで、さらなる成形面の耐久性の向上が望まれている。
本発明は、上述した要求に応えるためになされたものであり、窒化処理が施された成形面の耐久性を向上できる転造ダイス及びその製造方法を提供することを目的としている。
この目的を達成するために本発明の転造ダイスは、複数の加工歯が形成された成形面を有して鋼製の工具基材からなるものであって、前記工具基材内に窒素が拡散した窒化層が、前記成形面から深さ２０～７０μｍの位置まで設けられ、前記成形面の表面硬さが１１００ＨＶ以上であり、前記加工歯の山頂の前記深さに対する前記加工歯の谷底の前記深さの変化率（（山頂の窒化層の深さ－谷底の窒化層の深さ）／山頂の窒化層の深さ×１００）が３０％以内である。
本発明の転造ダイスの製造方法は、複数の加工歯が形成された成形面を有して鋼製の工具基材からなる転造ダイスを製造する方法であって、前記成形面にガス窒化処理またはラジカル窒化処理を施し、前記成形面の表面硬さが１１００ＨＶ以上になると共に、前記成形面からの深さが２０～７０μｍとなるように窒化層を形成する窒化工程と、前記窒化工程後の前記成形面にショットピーニング処理を施して前記成形面に圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程と、を備えている。
請求項１記載の転造ダイスによれば、表面硬さが１１００ＨＶ以上となるように成形面に窒化層が形成され、成形面からの窒化層の深さが２０～７０μｍであるので、成形面の耐摩耗性や強度を確保できる。さらに、成形面に形成された加工歯の山頂の窒化層の深さに対する加工歯の谷底の窒化層の深さの変化率が３０％以内である。そのため、谷底における窒化層の深さを確保しつつ、山頂における窒化層が深くなり過ぎることを防止できる。これにより、谷底の耐摩耗性を確保しつつ、山頂近傍における加工歯の内部の靭性を確保して加工歯の欠けを抑制できる。その結果、窒化処理が施された成形面の耐久性を向上できる。
表面硬さが１１００ＨＶ以上の窒化層によって成形面が硬くなることで、成形面の靭性が低下するおそれがある。しかし、成形面の圧縮残留応力が－１５００～－１０００ＭＰａであるので、成形面の靭性を確保できる。これにより、成形面の耐久性を向上できる。
窒化層のうち成形面からの深さが０．５～５μｍの部位に、工具基材を酸化したＦｅ３Ｏ４を主成分とする酸化被膜が形成されている。この酸化被膜により成形面の耐溶着性や耐焼付性を向上できる。
請求項４記載の転造ダイスによれば、請求項１記載の転造ダイスの奏する効果に加え、次の効果を奏する。酸化被膜の酸化鉄はＦｅ３Ｏ４のみからなるので、５００℃程度の水蒸気雰囲気中で工具基材を加熱して酸化させる水蒸気酸化処理ではなく、アルカリ性水溶液に工具基材を浸漬させて酸化するアルカリ黒色処理によって酸化被膜が形成されたことが分かる。アルカリ黒色処理は約１６０℃以下の比較的低温で工具基材を加熱するので、酸化被膜の形成時に、予め成形面に付与された圧縮残留応力を解放され難くできる。これにより、酸化被膜が形成された成形面の圧縮残留応力を－１５００～－１０００ＭＰａにするために、酸化被膜の形成前に成形面に予め付与する圧縮残留応力を低減できる。その結果、転造ダイスを製造し易くできる。
請求項５記載の転造ダイスの製造方法は、複数の加工歯が形成された成形面を有して鋼製の工具基材からなる転造ダイスを製造する方法である。窒化工程では、成形面にガス窒化処理またはラジカル窒化処理を施し、成形面の表面硬さが１１００ＨＶ以上になると共に、成形面からの深さが２０～７０μｍとなるように窒化層を形成する。複数の加工歯が形成された成形面にガス窒化処理またはラジカル窒化処理を施すことで、加工歯の山頂の窒化層の深さに対する加工歯の谷底の窒化層の深さの変化率を小さくできる。これにより、谷底における窒化層の深さを確保しつつ、山頂における窒化層が深くなり過ぎることを防止できる。その結果、窒化処理が施された成形面の耐久性を向上できる。
窒化工程後のショットピーニング工程では、成形面にショットピーニング処理を施して成形面に圧縮残留応力を付与する。窒化処理によって成形面が硬くなることで成形面の靭性が低下するところ、成形面への圧縮残留応力の付与によって成形面の靭性を確保できる。これにより、成形面の耐久性を向上できる。
ショットピーニング工程後の酸化工程では、１３０～１６０℃のアルカリ性水溶液に工具基材を浸漬させて酸化するアルカリ黒色処理によって、成形面にＦｅ３Ｏ４を主成分とする酸化被膜を形成する。この酸化被膜により成形面の耐溶着性や耐焼付性を向上できる。さらに、５００℃程度の水蒸気雰囲気中で転造ダイスを加熱する水蒸気酸化処理によって酸化被膜を形成する場合と比べ、アルカリ黒色処理は低温下で酸化被膜を形成している。これにより、ショットピーニング処理により付与された圧縮残留応力を、酸化被膜形成時の加熱に伴って解放され難くできる。その結果、酸化被膜による成形面の耐溶着性や耐焼付性の向上と、圧縮残留応力の付与による成形面の靭性の確保とを両立できるので、成形面の耐久性をより一層向上できる。
請求項７記載の転造ダイスの製造方法によれば、請求項５記載の転造ダイスの製造方法の奏する効果に加え、次の効果を奏する。ショットピーニング工程および酸化工程は、酸化工程後の成形面の圧縮残留応力が－１５００～－１０００ＭＰａとなる条件で行われる。これにより、成形面の靭性を十分に確保できるので、成形面の耐久性をより一層向上できる。
以下、好ましい実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１（ａ）は転造ダイス１の平面図である。図１（ｂ）は転造ダイス１の側面図である。図２は図１（ａ）のＩＩ－ＩＩ線における転造ダイス１の断面図である。なお、図１（ａ）及び図１（ｂ）では、理解を容易にするため、複数の加工歯１０を模式的に図示している。また、図２では、理解を容易にするため、窒化層１５や酸化被膜１６の深さＤ１，Ｄ２，Ｄ３を誇張して図示している。
転造ダイス１は、円柱状の被加工物の外周面を塑性変形させてスプラインや歯車を転造するための工具であって、転造平ダイスである。転造ダイス１は、合金工具鋼または高速度工具鋼等の鋼製の工具基材からなり、略直方体状に形成される。特に冷間ダイス鋼製の工具基材によって転造ダイス１を形成することが好ましい。
転造ダイス１は、その上面（図１（ｂ）紙面上側）に成形面２が設けられている。この成形面２には、複数の加工歯１０が左右方向（図１（ｂ）紙面左右方向）に連続して形成されている。この加工歯１０が形成された成形面２を被加工物に押し付けながら成形面２上を左右方向に転がすことで、成形面２に応じた所定形状を被加工物に転造する。複数の加工歯１０は、左右方向（転造方向）に対してねじれを有さずに形成されている。即ち、複数の加工歯１０は、リード角が略９０°で刻設されている。
図２に示すように、加工歯１０は、転造ダイス１から上方へ突出する突起であり、側面視において略台形状に形成される。加工歯１０は、転造方向および上下方向（加工歯１０の高さ方向）に直行する幅方向（図１（ａ）紙面上下方向）に延びている。
加工歯１０は、上方の先端部分である山頂１１と、山頂１１の転造方向の両側から下降傾斜する一対のフランク１２と、を備える。複数の加工歯１０の間の部分が谷底１３である。隣接する加工歯１０のフランク１２に谷底１３がそれぞれ接続されている。この複数の山頂１１、フランク１２、谷底１３が連続して形成された表面部分が成形面２である。
なお、被加工物にスプラインや歯車を転造するための転造ダイス１では、加工歯１０を「歯」、山頂１１を「歯の頂部」、フランク１２を「歯面」、谷底１３を「歯底」という。また、被加工物にねじ山を転造する転造ダイスに本発明を適用しても良く、その場合には、加工歯１０を「ねじ山」、山頂１１を「山の頂」、フランク１２を「フランク」、谷底１３を「谷底」という。
転造ダイス１には、成形面２から所定の深さまで窒化層１５が形成されている。さらに、窒化層１５の成形面２側の一部には酸化被膜１６が形成されている。また、成形面２には、ショットピーニング処理が施され、成形面２の圧縮残留応力が大きくなっている。
窒化層１５は、後述する窒化処理を成形面２に施すことによって転造ダイス１の工具基材内に窒素を拡散させた部位である。工具基材内に窒素が侵入拡散することで、成形面２から離れた部位（窒素が侵入しない部位）の靭性を確保しつつ、成形面２の近傍（窒化層１５）を硬くできる。これにより、成形面２の耐摩耗性を向上できると共に、成形面２の欠けを抑制できる。
成形面２の全体に亘って、成形面２の表面硬さ（ビッカース硬さ）が１１００ＨＶ以上、成形面２から深さ２０～７０μｍの位置まで窒化層１５が形成されている場合には、成形面２の耐摩耗性や強度を十分に確保できる。窒化層１５の深さが２０μｍ未満である場合には、成形面２の耐摩耗性が十分に得られない。窒化層１５の深さが７０μｍを超えると、成形面２近傍における工具基材内部の靭性が低下し、成形面２の強度が低下する。
また、成形面２の表面硬さが１４００ＨＶ以下であることが好ましい。転造ダイス１の工具基材が合金工具鋼または高速度工具鋼である場合、特に工具基材が冷間ダイス鋼である場合、成形面２の表面硬さを１４００ＨＶより硬くすることが困難であるため。成形面２の表面硬さを１４００ＨＶ以下とすることで、転造ダイス１を製造し易くできる。
なお、成形面２の表面硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（ＩＳＯ ６５０７－１及びＩＳＯ ６５０７－４）に規定される試験方法に基づいて（ビッカース硬さ試験機を用いて）測定する。また、窒化層１５の深さは、ＪＩＳ Ｇ ０５６２に準拠して測定する。具体的には、まず成形面２に垂直に転造ダイス１を切断する。その切断面を研磨後、硝酸アルコール溶液などで切断面を腐食させて窒化層１５を着色する。その後、内部の工具基材と異なる色に着色された窒化層１５の深さを顕微鏡で観察して測定する。
窒化処理では、先端部分に窒素が侵入拡散し易いので、谷底１３の窒化層１５よりも山頂１１の窒化層１５が深くなり易い。本実施形態では、山頂１１の窒化層１５の深さＤ１に対する谷底１３の窒化層１５の深さＤ２の変化率（（Ｄ１－Ｄ２）／Ｄ１×１００）が３０％以内となるように調整されている。なお、山頂１１の窒化層１５の深さＤ１は、山頂１１のうち、加工歯１０が並んだ方向の中央位置で測定する。谷底１３の窒化層１５の深さＤ２は、谷底１３のうち、加工歯１０が並んだ方向の中央位置で測定する。
深さＤ１に対する深さＤ２の変化率が３０％以内であるので、谷底１３の耐摩耗性の確保のために谷底１３の窒化層１５の深さＤ２を確保しつつ、山頂１１における窒化層１５が深くなり過ぎることを防止できる。その結果、谷底１３の耐摩耗性を確保しつつ、山頂１１近傍の加工歯１０の内部の靭性を確保して山頂１１近傍の加工歯１０の欠けを抑制できる。よって、窒化処理が施されて窒化層１５が形成された成形面２の耐久性を均質化でき、成形面２の耐久性を向上できる。
成形面２の表面硬さが１１００ＨＶ以上の窒化層１５により成形面２が硬くなると、成形面２の靭性が低下するおそれがある。しかし、本実施形態では、後述するショットピーニング処理によって圧縮残留応力が成形面２に加わっている。その圧縮残留応力は、Ｘ線回折装置を利用したＸ線応力測定法により測定される。
成形面２の圧縮残留応力は、－１５００～－１０００ＭＰａであることが好ましい。この値の絶対値が大きい程、成形面２の圧縮残留応力が大きいことを示している。この範囲の圧縮残留応力が成形面２に付与されているので、成形面２の表面硬さが１１００ＨＶ以上となる窒化層１５が形成されていても、成形面２の靭性を確保できる。その結果、成形面２の靭性の低下に伴って成形面２が欠け易くなることを抑制でき、成形面２の耐久性を向上できる。
酸化被膜１６は、後述するアルカリ黒色処理によって工具基材の成形面２近傍を酸化して形成される部位である。酸化被膜１６は、工具基材中の鉄を酸化したＦｅ３Ｏ４（四酸化三鉄）を主成分とする黒色の被膜である。なお、酸化被膜１６の酸化鉄は、Ｆｅ３Ｏ４のみからなり、Ｆｅ２Ｏ３（酸化第二鉄）が含まれていない。酸化被膜１６は、成形面２からの深さＤ３が０．５～５μｍの部位にまで形成されている。酸化被膜１６の深さＤ３は、成形面２に垂直に転造ダイス１を切断し、その切断面を研磨後、黒色部分の深さを顕微鏡で観察して測定する。
このような酸化被膜１６が成形面２に形成されることで、成形面２の耐溶着性や耐焼付性を向上できる。この深さＤ３が０．５μｍ未満では、成形面２の耐溶着性や耐焼付性が十分に得られなくなる。深さＤ３が５μｍを超えると、酸化被膜１６の形成に時間がかかるだけで、成形面２の耐溶着性や耐焼付性に影響は殆どない。酸化被膜１６の深さＤ３を０．５～５μｍの範囲とすることで、成形面２の耐溶着性や耐焼付性を十分に確保しながら、酸化被膜１６の形成にかかる時間を短くできる。
次に転造ダイス１の製造方法（表面処理方法）について説明する。まず、複数の加工歯１０が形成された成形面２を有する鋼製の工具基材からなる転造ダイス１の中間体を用意する。その中間体（工具基材）の成形面２に窒化処理を施して窒化層１５を形成する（窒化工程）。次いで、窒化処理が施された成形面２にショットピーニング処理を施す（ショットピーニング工程）。最後に、成形面２を酸化させる酸化処理を施して酸化被膜１６を形成すること（酸化工程）で、転造ダイス１が製造される。
窒化処理は、窒素を含む雰囲気中に工具基材（中間体）を暴露し、加熱することで、工具基材の表層部に窒素を侵入拡散させて硬化させる公知の処理である。本実施形態では、ガス窒化処理またはラジカル窒化処理を用いることが好ましい。
ガス窒化処理は、工具基材を約５００～５５０℃のアンモニアガス気流中で加熱し、アンモニアの分解時の窒素を成形面２に侵入拡散させることで、窒化層１５を形成する。窒化層１５の深さは、アンモニアガス濃度と処理時間とに応じて変化する。本実施形態では、窒化層１５の深さが２０～７０μｍになる条件でガス窒化処理を行う。
アンモニアガス濃度が高いと、窒化層１５の表面に、多孔質状の脆い窒素化合物層が形成され易くなり、成形面２の耐久性が低下する。また、この脆い窒素化合物層が厚く形成された成形面２にショットピーニング処理を施しても、窒素化合物層の一部が除去されるだけで、成形面２に圧縮残留応力を十分に付与できなくなることがある。そこで、ショットピーニング処理前であってガス窒化処理後の窒素化合物層の厚さが１．５μｍ以下になるように、既知のガス窒化処理の条件を設定することが好ましい。
ラジカル窒化処理は、例えば、反応炉内の真空中にて工具基材を４００～５５０℃程度に加熱し、アンモニアと水素との混合ガスを反応炉内に導入して成形面２にプラズマを発生させる。このプラズマによって発生するＮＨラジカルにより、窒素を成形面２に侵入拡散させることで、窒化層１５を形成する。ガス窒化処理と同様に、窒化層１５の深さが２０～７０μｍになる条件でラジカル窒化処理を行う。ラジカル窒化処理では、窒素化合物層が形成され難いため、所望の厚さの窒化層１５を短時間で形成できる。なお、ラジカル窒化処理よりもガス窒化処理の方が処理設備を簡易にできる。
なお、窒化処理には、窒素および水素の混合ガス雰囲気の真空炉中でグロー放電によりイオンを発生し、そのイオンを成形面２に衝突させることで窒化層１５を形成するイオン窒化処理がある。このイオン窒化処理では、イオンが衝突し易い山頂１１の窒化層１５の深さＤ１が深くなり易く、イオンが衝突し難い谷底１３の窒化層１５の深さＤ２が浅くなり易い。
これに対し、ガス窒化処理およびラジカル窒化処理では、山頂１１の窒化層１５の深さＤ１に対する谷底１３の窒化層１５の深さＤ２の変化率を低くできる。特に、その変化率が３０％以内であれば、即ち、変化率が３０％以内となる条件でガス窒化処理およびラジカル窒化処理を行うことで、上述した通り、成形面２の耐久性を均質化でき、成形面２の耐久性を向上できる。
ショットピーニング処理は、複数の微小鋼球などの投射材を所定の投射圧力で成形面２に投射する処理である。投射材が衝突した部分の成形面２が凹むことで、成形面２に圧縮残留応力が付与される。ショットピーニング処理の直後における成形面２の圧縮残留応力が－１５５０～－１０５０ＭＰａ程度になるように処理条件を設定する。
酸化処理は、窒化処理およびショットピーニング処理が施された工具基材を、１３０～１６０℃のアルカリ性水溶液に浸漬させて酸化するアルカリ黒色処理（黒染め）である。この処理によって、工具基材中の鉄を酸化したＦｅ３Ｏ４を主成分とする酸化被膜１６が成形面２に形成される。酸化被膜１６の深さＤ３が０．５～５μｍとなるようにアルカリ黒色処理の処理条件が設定される。
アルカリ黒色処理に用いられるアルカリ性水溶液とは、既知ものであって、例えば、高濃度の苛性ソーダ溶液と小量の酸化剤との混合溶液である。添加する酸化剤としては、亜硝酸ソーダ、青化ソーダ、リン酸ソーダ、酸化鉛、チオ硫酸ソーダ等が用いられる。
酸化処理には、アルカリ黒色処理以外に、５００℃程度の水蒸気雰囲気中で工具基材を加熱して酸化被膜１６を形成する水蒸気酸化処理がある。しかし、この水蒸気酸化処理では、成形面２が高温になるため、ショットピーニング処理による圧縮残留応力が解放され易い。これに対し、アルカリ黒色処理では、成形面２が１３０～１６０℃程度までしか加熱されないので、ショットピーニング処理による圧縮残留応力を解放され難くできる。その結果、酸化被膜１６による成形面２の耐溶着性や耐焼付性の向上と、圧縮残留応力の付与による成形面２の靭性の確保とを両立できるので、成形面２の耐久性をより一層向上できる。
なお、ショットピーニング処理および酸化処理は、酸化処理後の成形面２の圧縮残留応力が－１５００～－１０００ＭＰａとなる条件で行われる。成形面２を１３０～１６０℃程度まで加熱するアルカリ黒色処理を３０分未満で行い、酸化被膜１６を５μｍ以下とした場合、アルカリ黒色処理時に解放される圧縮残留応力が約５０ＭＰａ以下となる。ショットピーニング処理の直後における成形面２の圧縮残留応力が－１５５０～－１０５０ＭＰａ程度となるようにショットピーニング処理の処理条件を設定することで、酸化処理後の成形面２の圧縮残留応力を－１５００～－１０００ＭＰａにできる。
ショットピーニング処理後に窒化処理を行う場合には、窒化処理時の加熱によって圧縮残留応力が解放されてしまう。また、酸化処理後にショットピーニング処理を行う場合には、投射材の衝突によって酸化被膜１６が除去されることがある。よって、窒化処理、ショットピーニング処理、酸化処理の順番で工具基材に各処理を施す必要がある。
また、転造ダイス１の製造方法を確認しなくても、各処理後の転造ダイス１を確認することで、下記の通りその製造方法が分かる。まず、成形面２の表面硬さが１１００ＨＶ以上となる窒化層１５の深さが２０～７０μｍであり、山頂１１の窒化層１５の深さＤ１に対する谷底１３の窒化層１５の深さＤ２の変化率が３０％以内であれば、工具基材の成形面２にガス窒化処理またはラジカル窒化処理が施されて転造ダイス１が製造されたことが分かる。
特に、合金工具鋼または高速度工具鋼製の工具基材からなる転造ダイス１において、成形面２の表面硬さが１１００ＨＶ以上であれば、転造ダイス１を切断して窒化層１５を確認しなくても、窒化処理が施されて転造ダイス１が製造されたことが分かる。これは、合金工具鋼または高速度工具鋼製の工具基材において、窒化処理を施していない状態で成形面２の表面硬さが１１００ＨＶ以上となることがないためである。
合金工具鋼または高速度工具鋼製の工具基材からなる転造ダイス１が上記の窒化層１５を有すると共に、成形面２の圧縮残留応力が－１５００～－１０００ＭＰａであれば、ガス窒化処理またはラジカル窒化処理後にショットピーニング処理を施して転造ダイス１が製造されたことが分かる。これは、ショットピーニング処理による圧縮残留応力が窒化処理時の加熱によって解放されていないためである。さらに、合金工具鋼または高速度工具鋼製の工具基材において、窒化処理のみが施されて、ショットピーニング処理が施されていない場合、成形面２の圧縮残留応力が－１５００～－１０００ＭＰａとなることはないためである。
さらに、合金工具鋼または高速度工具鋼製の工具基材からなる転造ダイス１の成形面２の圧縮残留応力が－１５００～－１０００ＭＰａであると共に、深さＤ３が０．５～５μｍの酸化被膜１６が形成されている場合には、ショットピーニング処理後にアルカリ黒色処理を施して転造ダイス１が製造されたことが分かる。これは、ショットピーニング処理による圧縮残留応力が酸化処理（アルカリ黒色処理）時の加熱によって殆ど解放されていないためである。
また、水蒸気酸化処理によって酸化被膜１６を形成した場合、その酸化被膜１６の酸化鉄にはＦｅ３Ｏ４及びＦｅ２Ｏ３の両方が含まれる。一方、アルカリ黒色処理によって酸化被膜１６を形成した場合には、酸化被膜１６の酸化鉄がＦｅ３Ｏ４のみからなる。そこで、Ｘ線回折装置を用いたＸＲＤ測定で酸化被膜１６の成分を測定した結果、酸化被膜１６がＦｅ３Ｏ４のみからなる場合には、アルカリ黒色処理によって酸化被膜１６が形成されたことが分かる。上述した通り、水蒸気酸化処理と比べてアルカリ黒色処理では、酸化被膜１６の形成時に、予め成形面２に付与された圧縮残留応力を解放され難くできる。アルカリ黒色処理によって酸化被膜１６が形成されていれば、酸化被膜１６が形成された成形面２の圧縮残留応力を－１５００～－１０００ＭＰａにするために、酸化被膜１６の形成前に成形面に予め付与する圧縮残留応力を低減できる。その結果、転造ダイス１を製造し易くできる。
次に上述した転造ダイスを用いて行った耐久試験について説明する。この耐久試験は、転造ダイスの成形面２に施す表面処理を異ならせた一対の第１～４サンプルを用いて転造加工を行った場合に、連続して加工可能なねじの総数（以下「耐久寿命数」と称す）を測定する試験である。具体的に、耐久寿命数は、転造加工により形成されたねじを１０００本毎にねじゲージを用いて検査したときに、そのねじが規格外になるまでの本数である。また、転造加工は、一対の各サンプルのうち一方を固定して他方を移動させて行う。
この耐久試験で使用される各サンプルは、移動側の長さ（図１（ａ）左右方向寸法）が１４０ｍｍ、固定側の長さが１２５ｍｍ、厚さ（図１（ｂ）上下方向寸法）が４０ｍｍ、高さ（幅、図１（ａ）上下方向）が３２ｍｍ、呼び寸法がＭ８×１．２５、鋼種がＳＫＤ１１の転造平ダイスである。また、転造加工が施される被加工物は２０ＨＲＣ（ロックウェル硬さ）のＳＵＳである。耐久試験は、１分で６０本の被加工物を加工する。
第１サンプルは、成形面２にガス窒化処理、ショットピーニング処理、アルカリ黒色処理を順に施したものである。第２サンプルは、成形面２にイオン窒化処理、ショットピーニング処理、水蒸気酸化処理を順に施したものである。第３サンプルは、成形面２にガス窒化処理、ショットピーニング処理を順に施したものである。第４サンプルは、成形面２にイオン窒化処理、ショットピーニング処理を順に施したものである。
第２サンプル及び第４サンプルにおけるイオン窒化処理の条件は、窒素ガスと水素ガスとの混合比（容積比）が約３：７、加熱温度が５００℃、加熱時間が３時間である。この処理条件は、イオン窒化処理後の成形面２の表面硬さが約１２００ＨＶとなるようにしている。第１サンプル及び第３サンプルにおけるガス窒化処理の条件は、ガス窒化処理後の成形面２の表面硬さが約１２００ＨＶとなり、ガス窒化処理後の窒素化合物層の厚さが第２サンプル及び第４サンプルにおけるイオン窒化処理後の窒素化合物層の厚さと同等になるように設定している。
各サンプルのショットピーニング処理は、各サンプルを回転テーブルに同心に取り付けて２５００ｍｍ／分の回転速度で回転させ、各サンプルの周囲に等角度間隔に成形面２から１５０ｍｍ離れるように配置した３本のノズルから投射材を噴射させて行われる。各ノズルからは０．５ＭＰａの圧力エアによって、粒度が＃３００で鋼製の投射材を噴射する。
アルカリ黒色処理は、まず第１サンプルを脱脂、水洗し、塩酸１５％且つｐＨ（水素イオン指数）２～３の酸洗槽で第１サンプルを２０～３０秒洗う。その後、水洗し、１３８±３℃のアルカリ性水溶液に第１サンプルを２０～２５分間浸漬させる。その後、第１サンプルを水洗し、水置換防錆油槽に第１サンプルを入れて防錆する。アルカリ性水溶液の成分は、この加熱条件で、第１サンプルの酸化被膜１６の深さＤ３が約２．０μｍとなるようにする。第２サンプルへの水蒸気酸化処理は、第２サンプルの酸化被膜１６の深さＤ３が約１．０μｍとなるように行う。
表１に各サンプルにおける、表面処理、成形面２の圧縮残留応力（ＭＰａ）、成形面２の表面硬さ（ＨＶ０．３（試験力２．９４２Ｎにおけるビッカース硬さ））を示す。表２に各サンプルにおける、山頂１１の窒化層１５の深さＤ１（μｍ）、谷底１３の窒化層１５の深さＤ２（μｍ）、山頂１１の酸化被膜の深さＤ３（μｍ）、耐久寿命数を示す。
サンプル２，４の比較から、ショットピーニング処理後に水蒸気酸化処理を施すことで、成形面２の圧縮残留応力が約－１２００から約－５００と半分以下になっている。そして、サンプル４の耐久寿命数１０１０００に対して、サンプル２の耐久寿命数が８１０００となり、水蒸気酸化処理により耐久寿命数が低下していることが分かる。
サンプル１，３の比較から、ショットピーニング処理後にアルカリ黒色処理を施しても成形面２の圧縮残留応力は、約－１２００から約－１１５０となり殆ど変化しない。そして、サンプル３の耐久寿命数１０３０００に対して、サンプル１の耐久寿命数が１８００００となり、酸化被膜１６が形成されたことにより、耐久寿命数が増えていることが分かる。よって、ショットピーニング処理後にアルカリ黒色処理を施して酸化被膜１６を形成することで、転造ダイスの成形面２の耐久性をより向上できることが分かる。
次に、サンプル１，２に対して呼び寸法をＮｏ．４－４０ＵＮＣ（ユニファイ並目ねじ）用に変更したサンプル５，６を用意する。このサンプル１，２，５，６における山頂１１の窒化層１５の深さＤ１、谷底１３の窒化層１５の深さＤ２、深さＤ１に対する深さＤ２の変化率（（Ｄ１－Ｄ２）／Ｄ１×１００）（％）を表３に示す。なお、詳細な値は記載しないが、サンプル６の耐久寿命数よりもサンプル５の耐久寿命数が多くなったことが確認されている。
これに対し、成形面２にガス窒化処理を施した場合、深さＤ１に対する深さＤ２の変化率がサンプル１で１２．５％、サンプル５で２３．３％となる。即ち、成形面２にガス窒化処理を施す場合、加工歯１０が小さくなる程、その変化率が大きくなることが分かる。規格されている他のねじ用の加工歯１０の大きさを考慮しても、成形面２にガス窒化処理を施す場合、深さＤ１に対する深さＤ２の変化率が３０％以内になることが推察される。よって、その変化率が３０％を超えたサンプル２，６の耐久寿命数よりも、変化率が３０％以内のサンプル１，５の耐久寿命数が多いので、変化率が３０％以内であれば転造ダイスの成形面２の耐久性を向上できることが分かる。
以上、実施形態に基づき説明したが、本発明は上記形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。例えば、加工歯１０の形状や寸法を適宜変更しても良い。
また、上記形態における窒化処理、ショットピーニング処理、酸化処理の処理条件は、転造ダイス１の工具基材が合金工具鋼または高速度工具鋼、特に冷間ダイス鋼である場合に適した条件である。上記形態に示した所望の特性が得られるよう、工具基材の種類などに応じて各処理条件を適宜変更しても良い。
上記形態では、転造ダイス１が転造平ダイスである場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。転造丸ダイスに本発明を適用しても良い。また、扇状のセグメントダイスに本発明を適用しても良い。また、被加工物の外周面にスプラインや歯車を転造する転造ダイス１に限らず、被加工物の外周面にねじ山を転造する転造ダイスに本発明を適用しても良い。即ち、加工歯１０のリード角を９０°から変更しても良い。
上記形態では、所定の窒化層１５及び酸化被膜１６を有し、成形面２の圧縮残留応力が－１５００～－１０００ＭＰａである転造ダイス１について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。深さＤ３が０．５～５μｍの酸化被膜１６を形成する酸化処理を必ずしも成形面２に施さなくても良い。また、成形面２の圧縮残留応力が－１５００～－１０００ＭＰａとなるように成形面２にショットピーニング処理を必ずしも施さなくても良い。これにより、転造ダイス１の製造工程を簡素化できると共に、転造ダイス１の製品コストを削減できる。
１ 転造ダイス
２ 成形面
１０ 加工歯
１１ 山頂
１３ 谷底
１５ 窒化層
１６ 酸化被膜
２ 成形面
１０ 加工歯
１１ 山頂
１３ 谷底
１５ 窒化層
１６ 酸化被膜
Claims (7)
- 複数の加工歯が形成された成形面を有して鋼製の工具基材からなる転造ダイスにおいて、
前記工具基材内に窒素が拡散した窒化層が、前記成形面から深さ２０～７０μｍの位置まで設けられ、
前記成形面の表面硬さが１１００ＨＶ以上であり、
前記加工歯の山頂の前記深さに対する前記加工歯の谷底の前記深さの変化率が３０％以内であり、
前記成形面の圧縮残留応力が－１５００～－１０００ＭＰａであり、
前記窒化層のうち前記成形面からの深さ０．５～５μｍの部位に、前記工具基材を酸化したＦｅ３Ｏ４を主成分とする酸化被膜が形成されていることを特徴とする転造ダイス。 - （削除）
- （削除）
- 前記酸化被膜の酸化鉄は、Ｆｅ３Ｏ４のみからなることを特徴とする請求項１記載の転造ダイス。
- 複数の加工歯が形成された成形面を有して鋼製の工具基材からなる転造ダイスの製造方法において、
前記成形面にガス窒化処理またはラジカル窒化処理を施し、前記成形面の表面硬さが１１００ＨＶ以上になると共に、前記成形面からの深さが２０～７０μｍとなるように窒化層を形成する窒化工程と、
前記窒化工程後の前記成形面にショットピーニング処理を施して前記成形面に圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程と、を備え、
前記ショットピーニング工程の後、１３０～１６０℃のアルカリ性水溶液に前記工具基材を浸漬させて酸化するアルカリ黒色処理によって、前記成形面にＦｅ３Ｏ４を主成分とする酸化被膜を形成する酸化工程を備えていることを特徴とする転造ダイスの製造方法。 - （削除）
- 前記ショットピーニング工程および前記酸化工程は、前記酸化工程後の前記成形面の圧縮残留応力が－１５００～－１０００ＭＰａとなる条件で行われることを特徴とする請求項５記載の転造ダイスの製造方法。
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