JP3764807B2

JP3764807B2 - プレス成形用複合金型材およびその製造方法、並びに該複合金型材からなるプレス成形用金型

Info

Publication number: JP3764807B2
Application number: JP20855897A
Authority: JP
Inventors: 秀一鴨田; 盛稲葉; 孝司牧; 保明石
Original assignee: Hokkaido Electric Power Co Inc; Hokkaido Prefecture
Current assignee: Hokkaido Electric Power Co Inc; Hokkaido Prefecture
Priority date: 1997-07-17
Filing date: 1997-07-17
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2017-07-17
Also published as: JPH1136005A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、プレス成形用複合金型材、とくに鉱石粉末原料から焼成タイルを作製する場合のプレス工程で使用される金型を構成するためのブロックとなる金型用材、およびその製造方法、並びに該金型用材料から形成されるプレス成形用金型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プレス成形用金型は、焼入れ、焼戻ししたダイス鋼（JIS SKD11 など) に代表される鋼製のものが多く使用されているが、プレス成形の対象物が鉱石粉体のように硬質な場合には、耐摩耗性の面で問題があるため、この問題を改善するために、結合相成分としてＣｏ、Ｎｉを含有させた炭化タングステン（ＷＣ）からなるＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−Ｎｉ系、その他の超硬合金プレートに、鋼材をろう付け接合したものが提案されている。
【０００３】
しかしながら、金型のように広い面積をろう付けする場合には、ろう切れの問題があり、超硬合金と鋼材の熱膨張係数が大きく相違するため、この熱膨張係数の差に起因して超硬合金側に応力が生じ、ろう付け温度からの冷却時あるいは使用中の温度変化や僅かな衝撃で、超硬合金に変形や割れが生じるという問題もある。また、ろう付けでは接合強度も低く信頼性に欠ける。
【０００４】
硬質なもののプレス成形に耐えるようにするために、金型用鋼材の表層部に、溶射、ＣＶＤ、ＰＶＤ、メッキなどの表面被覆法を利用して硬質材料を被覆し、高硬度とすることも提案されているが、溶射では気孔が生じ易く、ＣＶＤ、ＰＶＤでは被覆厚さに限界があり、メッキにおいては好適な硬質材料が存在せず、また、これらの表面被覆法では母材との密着性が十分でなく、プレス圧を受けた場合に亀裂、剥離が生じ易くなり、いずれも満足すべき効果を達成することができない。
【０００５】
これらの問題点を解決するために、表層部をＣｏなどの結合相成分の含有量の少ないＷＣ基超硬合金より形成し、内層部ほど結合相成分の含有量が多くなるよう、ＷＣ基超硬合金を層状に段階的に積層した後、通電焼結して一体の複合超硬合金焼結体を作製し、表層部は耐摩耗性を高め、結合相成分含有量が多い内層部はステンレス鋼や炭素鋼材への直接溶接を可能とした超硬合金材料が提案されている。（特開平7-300375号公報)
【０００６】
上記の超硬合金材料を金型材として適用した場合には、性能的には満足すべき結果を得ることができるが、この超硬合金材料に鋼材をろう付けあるいは溶接により接合した後に、これをさらに鋼材などからなる金型の裏板に、溶接、ボルト締結などの手段により固定しなければならないため、金型作製のための工程が長くなり、また、金型においては厳密な寸法公差を必要とするが、二度の接合工程を経るために、寸法面でも問題が生じ易い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の難点を解消するためになされたものであり、その目的は、プレス成形面の耐摩耗性が改善され、金型の裏板に溶接、ボルト締結などによって直接固定することができ、金型作製工程の短縮を可能とするプレス成形金型を構成するためのブロックとなる複合金型材およびその製造方法、並びに該複合金型ブロックから形成されるプレス成形用金型を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明による金型を構成するためのブロックとなるプレス成形用複合金型材は、炭化タングステン基超硬合金と鋼材とを一体に接合した金型材であって、表層部は結合相成分の含有量が少なく、表層部から内層部にかけて段階的に結合相成分の含有量を増加させた少なくとも３層の炭化タングステン基超硬合金の焼結体からなり、内層部に鋼材が拡散反応によって接合していることを構成上の第１の特徴とする。
【０００９】
また、上記の炭化タングステン基超硬合金の焼結体は、表層部が結合相成分を５〜１２％を含有する炭化タングステン基超硬合金、中間層が結合相成分を１０〜２０％含有する炭化タングステン基超硬合金、内層部が結合相成分を２０〜４０％含有する炭化タングステン基超硬合金の３層からなることを第２の特徴とする。
【００１０】
本発明によるプレス成形用金型は、上記のプレス成形用複合金型材が、表層部を上面、内層部に接合された鋼材を下面として所定形状に配列され、下面の鋼材が裏板と固定されて金型面を構成することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による金型を構成するためのブロックとなるプレス成形用複合金型材の製造方法は、粉末材料を成形ダイ中に装入し、上パンチおよび下パンチで圧縮して圧粉体とするとともに、該圧粉体にパンチを通して電圧を印加し通電焼結することにより焼結体とする方法において、成形ダイにセットした下パンチの上に所定形状に成形した鋼材を載置し、該鋼材上に、結合相成分の含有量が段階的に少なくなるよう調整した炭化タングステン基超硬合金の粉末を順に３層以上積層充填した後、上パンチをセットして、該粉末を圧縮、通電焼結して焼結体とするとともに、該焼結体と前記鋼材とを拡散反応により接合することを特徴とする。
【００１２】
本発明のプレス成形用複合金型材は、図１に示すように、炭化タングステン基超硬合金２と鋼材３とを一体に接合したものであって、炭化タングステン基超硬合金２は焼結体であり、表層部４は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅなどの結合相成分の含有量が少なく、表層部４から内層部６にかけて段階的に結合相成分の含有量を増加させた少なくとも表層部４、中間層部５、内層部６の３層からなり、内層部６に鋼材３が拡散反応によって接合している。
【００１３】
本発明においては、炭化タングステン基超硬合金として、ＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−Ｎｉ系、ＷＣ−Ｃｏ−Ｎｉ系、ＷＣ−Ｆｅ系などが使用可能である。炭化タングステン基超硬合金の焼結体２は少なくとも３層とする。この目的は、表層部４と内層部６との熱膨張係数の差を少なくし、熱膨張差に起因する応力発生を緩和するためで、層数は、結合相成分の種類、含有量、金型材の寸法などに応じて決定される。
【００１４】
３層とする場合には、表層部４が結合相成分を５〜１２％を含有する炭化タングステン基超硬合金、中間層５が結合相成分を１０〜２０％含有する炭化タングステン基超硬合金、内層部６が結合相成分を２０〜４０％含有する炭化タングステン基超硬合金とするのが好ましく、この構成により、表層部４と内層部６との熱膨張差を少なくして応力を減少させ、変形や割れの発生を抑制することができる。
【００１５】
本発明のプレス成形用複合金型材１は、金型面を構成するエレメントとなる小ブロックであり、図２に示すように、プレス成形用複合金型材１が、表層部４を上面、内層部６に接合された鋼材３を下面として所定形状に配列され、下面の鋼材３が鋼板などの裏板８と固定されて金型面７となる。
【００１６】
金型面７を構成する複合金型材のサイズを大きくすると、超硬合金部で撓みが生じ易く、割れに到る場合もあり、また超硬合金部の焼結が不均一になることもあるが、本発明では、複合金型材を小ブロックとし、このブロックを金型の形状に応じて組合わせ、裏板と固定する構成の金型面としたため、図２の１Ａに示すように、各ブロックを単独で修理、取り替えることが可能となる。また、金型の使用に際して、金型面がそれぞれ独立した小ブロックから構成されているため、プレス加工時の応力が分散して、プレス加工時の応力により金型面が損傷するなどのトラブルを回避することができる。
【００１７】
金型材ブロック１と裏板８の鋼板との固定は、溶接、ボルト締結などの手段により行われるが、複合金型材１の裏板８との固定側は鋼材３であるから、鋼同士の溶接となり、常法によりきわめて簡単に接合することができる。鋼材３に対するボルト孔の加工もきわめて容易であり、裏板鋼板とのボルト締結は簡単に行われる。なお、ボルト締結によった場合には、損傷した金型材ブロックを金型面から取り外し、その修理、取り替えをより簡単に実施することができるという利点がある。また、ボルト締結と、キー溝による位置決め方法を並用することにより、より精度の良い構成とすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の複合金型材の製造は、通電焼結により行われる。通電焼結は、図３にその装置構成の要部を示すように、真空容器（図示せず）内に設けられた焼結炉（図示せず）に成形ダイ９と成形ダイ９に挿入される上パンチ１０および下パンチ１１からなる成形型を配設し、成形ダイ９内に粉末材料Ｍを装入して、パンチ１０、１１に荷重Ｐとして、例えば、１００〜１０００ｋｇ／ｃｍ²の荷重を付加し、粉末材料Ｍを上下から圧縮するとともに、パンチ１０、１１を通して粉末材料Ｍに電圧を印加し通電することにより行われている。成形ダイは炭素材、超硬合金などからなり、パンチも同じく炭素材、超硬合金などから構成される。
【００１９】
本発明による複合金型材を製造するには、成形ダイ９に下パンチ１１をセットし、下パンチ１１に予め所定形状に成形加工した炭素鋼などの鋼材１２を載置し、鋼材１２上に、まず、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅなどの結合相成分の含有量の多い炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金粉末１３を充填し、さらに結合相成分の含有量が段階的に少なくなる炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金粉末１４、１５を積層充填した後、上パンチ１０をセットして軽く加圧して通電焼結機に装着し、パンチを作動して所定圧力まで加圧し、ついでパンチ１０、１１を通して通電し、超硬合金粉末を加熱焼結する。
【００２０】
通電により加熱焼結を行うことによって、結合相成分の含有量が異なる３層以上の炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金からなる超硬合金の焼結体に鋼材が一体に接合した複合金型材が得られる。鋼材と接合する超硬合金部（内層部）は、結合相成分を多く含有しており、靭性、鋼に対する接合性（ぬれ性）が高いから、焼結温度域で鋼材と拡散反応し冶金的に強固に接合する。一方、表層部は結合相成分の含有量が少ないから、耐摩耗性に優れた金型のプレス加工面を形成することができる。
【００２１】
焼結後の超硬合金における表層部、内層部などの各層の厚さは、使用条件に応じて、数ｍｍから数十ｍｍになるように調整する。鋼材の厚さは、プレス圧、裏板との固定法などに応じて、数ｍｍから数百ｍｍの範囲とする。なお、鋼材として低炭素鋼を使用する場合には、接合時に超硬合金側のＣ（炭素）量を減少させ、η相を形成させるため、０．６％以上の炭素量を含有する炭素鋼または合金鋼が好ましい。
【００２２】
プレス成形用金型には、滑り摩耗に耐え得る硬さが要求されるとともに、材料粉末の移動に対する耐アブレシブ摩耗、高負荷に耐える剛性、耐撓み性などが必要とされるが、本発明によれば、熱処理した鋼の数倍から数十倍の耐摩耗性をそなえ、プレス加工時の高圧負荷に十分に耐え得る金型を構成できる金型材を得ることができる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
実施例１
図３に示す装置構成を用い、外径５５ｍｍ、内径３０ｍｍの黒鉛製の円筒状成形ダイと、同じく黒鉛製の上パンチおよび下パンチを組合わせ、まず、成形ダイ内にセットされた下パンチ上に厚さ１０ｍｍの炭素鋼板を載置し、その上に、平均粒径１．５μｍのＷＣ粉末に、平均粒径１μｍのＣｏ粉末をそれぞれ、６％、１２％および２４％配合したＷＣ−Ｃｏ系超硬合金粉末を、Ｃｏ含有量が高い順に３段階に積層充填した。
【００２４】
上パンチをセットして、上記各充填層の厚さがそれぞれ５ｍｍとなるように、１００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で加圧した後、通電焼結機に装着し、さらに、５００ｋｇ／ｃｍ²の加圧力で圧縮成形するとともに通電（電流：２０００Ａ）して、１２００℃の温度に昇温し、１２０秒間保持することにより通電焼結し、径３０ｍｍ、高さ１７．５ｍｍ（鋼板部：１０ｍｍ厚さ）の複合焼結体を得た。
【００２５】
得られた複合焼結体を加圧方向に平行に半分に切断し、その一方について切断面を研磨し、切断面を顕微鏡で観察したところ、割れや気孔はみられず、各層の境界部が完全に拡散接合されているのが認められた。複合焼結体のＣｏ：６％を含有する表層部の硬さは、Ｈｖ１７５０ｋｇ／ｍｍ²であった。
【００２６】
切断した複合焼結体の他方を用いて、複合焼結体の鋼板部分を厚さ３０ｍｍのステンレス鋼板にＮｉ溶接棒を使用してアーク溶接したところ、鋼板同士の溶接のため、溶接は容易であり、溶接強度、衝撃強度の十分に高い接合部が形成された。
【００２７】
ついで、ステンレス鋼板に溶接した複合焼結体を用い、Ｃｏ：６％を含有する表層部について耐摩耗性試験を行った。耐摩耗試験はオルゼン型摩耗試験機により、研磨テーブル上に＃８０アルミナ砥粒を置き、研磨テーブルを５０ｒｐｍで回転させ、乾式で、複合焼結体の表層部を荷重４００ｋｇ／ｃｍ²で押し付け、６００回転後の摩耗量を測定したところ、摩耗体積は約３×１０^-4ｃｍ²（重量減：約５．１ｍｇ）であり、きわめて優れた耐摩耗性を有していた。
【００２８】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、超硬合金焼結体と鋼材とが冶金的に一体に接合された金型構成用ブロックが得られるから、金型の裏板への溶接、ボルト締結手段による固定が鋼材を介して容易に行われ、当該ブロックを配列することにより種々の形状のプレス成形用金型を作製することが可能となる。金型のプレス加工面となる超硬合金焼結体の表層部は耐摩耗性に優れた特性をそなえているから、耐久性を有する金型面が形成される。金型に損傷などが生じた場合にも、各ブロックを取り外して修理し、または取り替えることにより簡単に修復することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプレス成形用複合金型材（ブロック）を示す一部断面斜視図である。
【図２】本発明による複合金型材を裏板上に配列して形成した金型の金型面を示す斜視図である。
【図３】通電焼結における成形型の配置を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１複合金型材
1A 修理、取り替え用複合金型材
２複合焼結体
３鋼材
４表層部
５中間層部
６内層部
７金型
８裏板
９成形ダイ
10 上パンチ
11 下パンチ
12 鋼材
13 超硬合金粉末
14 超硬合金粉末
15 超硬合金粉末
Ｍ粉末材料

Claims

炭化タングステン基超硬合金と鋼材とを一体に接合した金型材であって、表層部は結合相成分の含有量が少なく、表層部から内層部にかけて段階的に結合相成分の含有量を増加させた少なくとも３層の炭化タングステン基超硬合金の焼結体からなり、内層部に鋼材が拡散反応によって接合していることを特徴とする金型を構成するためのブロックとなるプレス成形用複合金型材。
炭化タングステン基超硬合金の焼結体は、表層部が結合相成分を５〜１２％（ｍａｓｓ％、以下同じ）を含有する炭化タングステン基超硬合金、中間層が結合相成分を１０〜２０％含有する炭化タングステン基超硬合金、内層部が結合相成分を２０〜４０％含有する炭化タングステン基超硬合金の３層からなることを特徴とする請求項１記載のプレス成形用複合金型材。
請求項１または２記載のプレス成形用複合金型材が、表層部を上面、内層部に接合された鋼材を下面として所定形状に配列され、下面の鋼材が裏板と固定されて金型面を構成することを特徴とするプレス成形用金型。
粉末材料を成形ダイ中に装入し、上パンチおよび下パンチで圧縮して圧粉体とするとともに、該圧粉体にパンチを通して電圧を印加し通電焼結することにより焼結体とする方法において、成形ダイにセットした下パンチの上に所定形状に成形した鋼材を載置し、該鋼材上に、結合相成分の含有量が段階的に少なくなるよう調整した炭化タングステン基超硬合金の粉末を順に３層以上積層充填した後、上パンチをセットし、該粉末を圧縮、通電焼結して焼結体とするとともに、該焼結体と前記鋼材とを拡散反応により接合することを特徴とする金型を構成するためのブロックとなるプレス成形用複合金型材の製造方法。