JP4202000B2 - リングローリング用マンドレル - Google Patents
リングローリング用マンドレルInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面処理により寿命を向上させたリングローリング用マンドレルに関する。本発明のマンドレルは、成形用ロールとともにリング状粗材を冷間、温間又は熱間で回転鍛造して、直径の大きなリングを成形するリングローリングに適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
リング状粗材の半径方向の厚み又は横断面積を減らして大きな直径のリングを鍛造成形する場合、回転鍛造の一種たるリングローリングが利用される。
【０００３】
このリングローリングは、リング状粗材の孔内にマンドレルを挿入するとともに、リング状粗材の外面に成形ロールを配設し、マンドレルと成形ロールとの間でリング状粗材を挟圧しつつ、マンドレル及び成形ロールを互いに逆方向に回転させることにより、リング状粗材を周方向に引き伸ばすように成形する。これにより、リング状粗材の半径方向厚み又は横断面積が減らされ、大きな直径のリングに成形される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記リングローリングにおいては、リング状粗材の孔内にマンドレルが挿入されることから、マンドレルの外径を大きくしてマンドレル自身の剛性や強度を向上させることには限界がある。
【０００５】
このため、特に径の小さなリング状粗材を成形しようとする場合に、剛性や強度の不足によるマンドレルの早期破損が問題となる。特に、冷間鍛造では成形荷重が比較的大きく、また鍛造型と材料間に生じる摩擦力が大きいことから、マンドレルの早期破損の問題が顕著となる。
【０００６】
かかるマンドレルの早期破損の原因は、素材との接触による傷や摩耗の発生と、繰り返し応力の増大による疲労強度不足とが考えられる。
【０００７】
そこで、マンドレルの疲労強度及び硬度を向上させるべく、粉末ハイスよりなるマンドレルとすることも考えられるが、粉末ハイスは疲労強度及び硬度の向上には寄与するが、その一方で靭性不足となり、一旦小さな傷が発生すると割れやすくなるため、効果的な対策とは言えない。
【０００８】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、安価で簡便な表面処理を利用することにより、リングローリング用マンドレルの早期折損を抑えてマンドレル寿命を向上させることを解決すべき技術課題とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明のリングローリング用マンドレルは、リング状粗材の孔内に挿入され、該粗材の外面に配設される成形ロールとで該粗材を回転鍛造するリングローリング用マンドレルにおいて、上記粗材に接触する成形部位の表面に窒化処理層が形成されるとともに、該窒化処理層の表面に、少なくとも該窒化処理層よりも硬度の高い硬質コーティング皮膜が形成されており、前記窒化処理層の最表面から２００μｍ深さまでの範囲において、白層部の占める面積率が５．０％以下であり、前記窒化処理層の深さが該窒化処理層の最表面から７５μｍ以下であることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明のリングローリング用マンドレルは、好適な態様において、前記窒化処理層の深さが該窒化処理層の最表面から５０μｍ未満である。
【００１２】
本発明のリングローリング用マンドレルは、好適な態様において、光学顕微鏡レベル（４００倍）の目視にて前記窒化処理層中に前記白層部が認められない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のリングローリング用マンドレルは、粗材に接触する成形部位の表面に、安価で簡便な表面処理たる窒化処理により窒化処理層が形成されており、表面硬度が向上している。また、この窒化処理層には、窒化処理層形成時の歪みに基づく圧縮残留応力が存在しており、その分だけ引張強度が向上している。このため、疲労強度及び耐摩耗性が向上し、ひいてはマンドレル寿命が向上する。
【００１４】
本発明のリングローリング用マンドレルは、形状及び大きさは特に限定されず、例えば、リング状粗材に接触する成形部位に環状の係合凹部（インプレッション部）又は係合凸部をもつものとすることができる。この係合凹部や係合凸部は、該係合凹部又は係合凸部に係合可能な粗材の被係合部と係合することにより、鍛造成形時にマンドレルと粗材との軸方向の相対移動を規制するためのものである。また、係合凹部とした場合は、この係合凹部内に粗材を納めることにより、該粗材の軸方向長さを規制しつつ成形することができる。この係合凹部や係合凸部の形状及び大きさは特に限定されない。
【００１５】
本発明のリングローリング用マンドレルのマンドレル母材の材質としては、特に限定されず、従来と同様、冷間ダイス鋼等とすることができるが、特に靭性の高いＳＫＤ１１改良鋼やマトリックスハイス等を用いることが好ましい。マンドレル母材の靭性が高ければ、それだけ損傷を抑えるのに有利となるからである。なお、本発明では窒化処理層の形成により表面硬化させることから、窒化処理により硬化させうるべく、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＴｉやＶ等から選ばれる少なくとも一種の窒化促進元素が添加されたマンドレル部材を用いる必要がある。
【００１６】
また、マンドレル母材の硬度は、５０〜６７ＨＲＣ（ロックウエル Ｃスケール硬さ）とすることが好ましく、５５〜６２ＨＲＣとすることが特に好ましい。マンドレル母材の硬度が低すぎると耐摩耗性が低下し、粗材との接触による傷が発生し易くなり、一方高すぎると靭性不足により脆くなる。
【００１７】
本発明のリングローリング用マンドレルには、粗材と接触するマンドレル母材の成形部位の表面に窒化処理層が形成されるとともに、この窒化処理層が形成された成形部位の表面に、少なくとも窒化処理層よりも硬度の高い硬質コーティング皮膜が形成されている。
【００１８】
この窒化処理層中には一般に白層部の存在が認められる。この白層部は、他の部分よりも硬くて脆い窒素化合物（ε−Ｆｅ2 - 3 （ＣＮ）、γ−Ｆｅ4 Ｎ）である。このため、窒化処理層中に白層部が存在すると、この白層部分から亀裂が発生し易く、また亀裂伝播を抑制するのに不利となる。したがって、窒化処理層中に存在する白層部の量は少ないほど好ましく、ほとんど又は全く無いことがより好ましい。具体的には、光学顕微鏡レベル（４００倍）の目視にて窒化処理層中に白層部が認められないことが好ましい。より具体的には、本発明のリングローリング用マンドレルは、窒化処理層の最表面から２００μｍ深さまでの範囲において、白層部の占める面積率が５．０％以下である。３．０％以下であることがより好ましい。
【００１９】
また、窒化処理層が形成された成形部位の表面に硬質コーティング皮膜を形成する場合の窒化処理層の深さは、マンドレル母材の最表面から１０〜１００μｍとすることが好ましく、２５〜７５μｍとすることがより好ましい。窒化処理層の深さが浅すぎると、処理時のバラツキにより略均一な窒化処理層の製造が困難となる。一方、窒化処理層はマンドレル母材と比較してき裂伝播速度が速いことから、窒化処理層に一旦き裂が発生すると窒化処理層の深さ方向の全体にき裂が伝播し易い。このため、窒化処理層が深すぎると、窒化処理層に一旦き裂が発生すれば、き裂伝播により大きな（より深い）き裂に発展してしまう。したがって、き裂伝播を抑制する観点から、本発明のリングローリング用マンドレルの窒化処理層の深さを窒化処理層の最表面から７５μｍ以下とする。５０μｍ未満とすることがより好ましい。
【００２０】
さらに、窒化処理層の硬さは、特に限定はされないが、６００〜１３００ＨＶ（ビッカース硬さ）程度とすることができる。窒化処理層の硬さが低すぎると、窒化処理層を形成することによる疲労強度及び耐摩耗性向上の効果が期待できなくなり、一方窒化処理層の硬さを必要以上に高くしても、上記効果の向上は期待できず、亀裂の発生、伝播が助長される。したがって、窒化処理層の硬さは７００〜１２００ＨＶすることが好ましく、８００〜１１００ＨＶとすることがより好ましい。
【００２１】
マンドレル母材の表面部に上記窒化処理層を形成するための窒化処理方法としては特に限定されず、ＮＨ3 ガスを用いる通常の窒化処理の他、Ｎ2 及びＨ2 を用いるイオン窒化処理、ＮＨ3 ガス及びＨ2 ガスを用いるラジカル窒化処理やシアン基浴を用いる塩浴窒化処理等を利用することができる。
【００２２】
また、窒化処理層における白層部を減らす又は無くすには、例えばガス混合比や加熱温度・時間を適宜調整することにより行うことができる。例えば、ＮＨ3 ガスを用いる通常の窒化処理の場合は処理温度：４００〜５００℃程度、処理時間：１〜５時間程度とすることができ、またイオン窒化処理の場合は処理温度：４００〜５００℃程度、処理時間：１〜５時間程度とすることができ、またラジカル窒化処理の場合は処理温度：４００〜５００℃程度、処理時間：２〜１０時間程度とすることができる。
【００２３】
上述のとおり、窒化処理層は、圧縮残留応力が存在する分だけ引張強度が向上しているが、マンドレル母材と比較してき裂伝播速度が速いことから、窒化処理層に一旦き裂が発生すると窒化処理層の深さ方向の全体にき裂が伝播し易い。このため、窒化処理層が表面に形成されたリングローリング用マンドレルは、粗材との接触により窒化処理層に一旦亀裂が発生すると、疲労強度が低下し易い傾向にある。
【００２４】
そこで、窒化処理層が形成されたマンドレル母材の成形部位の表面に、少なくとも該窒化処理層よりも硬度の高い硬質コーティング皮膜を形成する。
【００２５】
この硬質コーティング皮膜は、窒化処理層の保護膜として機能することにより、窒化処理層に亀裂が発生することを効果的に抑制することができる。また、硬質コーティング皮膜の形成時に歪みに基づく圧縮残留応力が窒化処理層に付与されることから、窒化処理層の引張強度がさらに向上している。さらに、硬質コーティング皮膜自体が高硬度であることから、粗材との接触により硬質コーティング皮膜自身に亀裂が発生することも効果的に抑制される。したがって、窒化処理層が形成された成形部位の表面にさらに硬質コーティング皮膜が形成されたリングローリング用マンドレルは、粗材との接触により硬質コーティング皮膜又は窒化処理層のいずれかに亀裂が発生することが効果的に抑制されるので、かかる亀裂の発生に起因する疲労強度の低下を効果的に抑制することが可能となる。
【００２６】
上記硬質コーティング皮膜は、少なくとも窒化処理層よりも高硬度であればよいが、窒化処理層の保護膜として効果的に機能しうるとともに、硬質コーティング皮膜自身に亀裂が発生することを効果的に抑制しうるように、窒化処理層よりも高硬度としつつ、１０００〜２５００ＨＶ程度の硬さとすることが好ましく、１３００〜２２００ＨＶとすることがより好ましい。なお、硬質コーティング皮膜の硬さと窒化処理層の硬さとの差が大きすぎると、両者の界面で亀裂が発生し易くなり、疲労強度の低下につながることから、両者の硬さの差は２００〜１２００ＨＶ程度とすることが好ましい。
【００２７】
また、上記硬質コーティング皮膜の厚さが薄すぎると、窒化処理層の保護膜としての機能を効果的に発揮することができない。一方、硬質コーティング皮膜の厚さが厚すぎると、剥離し易くなるとともに、硬質コーティング皮膜と窒化処理層との界面で亀裂が発生し易くなり、疲労強度の低下につながる。したがって、硬質コーティング皮膜の厚さは、２〜８μｍとすることが好ましく、３〜５μｍとすることがより好ましい。
【００２８】
上記硬質コーティング皮膜の種類は、窒化処理層よりも硬いものであれば特に限定されない。例えば、ＴｉＮ（硬さ：１７００〜２４００ＨＶ）、ＣｒＮ（硬さ：１７００〜２２００ＨＶ）、ＴｉＡｌＮ（硬さ：２１００〜２９００ＨＶ）やＴｉＣｒＮ（硬さ：１８００〜２１００ＨＶ）を採用することができる。
【００２９】
この硬質コーティング皮膜は、ＰＶＤ（物理蒸着）法により形成することができる。なお、高温処理を伴うＣＶＤ法では、窒化処理層が高温下で軟化するため、硬質コーティング皮膜の形成方法としてＣＶＤ法を採用することはできない。
【００３１】
ここに、マンドレル母材の成形部位の表面部に窒化処理層を形成することなく、そのまま硬質コーティング皮膜を形成する場合と、窒化処理層が形成された成形部位の表面にさらに硬質コーティング皮膜を形成した場合とにおける作用効果の違いについて、以下説明する。
【００３２】
まず、窒化処理層が形成されたマンドレル母材の成形部位の表面に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、膜の外部応力に対する変形量が小さく、無処理の成形部位の表面に硬質コーティング皮膜を形成した場合と比較して、硬質コーティング皮膜の耐剥離性が向上する。すなわち、窒化処理層は、硬質コーティング皮膜とマンドレル母材との接合性を高めるという下地層的な役割を果たす。
【００３３】
また、無処理のマンドレル母材に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、硬質コーティング皮膜とマンドレル母材との硬度差が大きく、両者間の界面で亀裂が発生し易くなる。このため、後述する実施例で示すように、粗材との接触がない場合における曲げ疲労強度が、硬質コーティング皮膜も窒化処理層も形成されていない無処理のマンドレルよりも低くなる。これに対し、窒化処理層が形成されたマンドレル母材の表面に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、窒化処理層による硬度のアップ分だけ、硬質コーティング皮膜とマンドレル母材との硬度差が小さくなり、その分上記界面における亀裂の発生を抑えることができる。このため、硬質コーティング皮膜の形成に伴う上記曲げ疲労強度の低下を、無処理のマンドレル母材に硬質コーティング皮膜を形成する場合よりも抑えることが可能となる。
【００３４】
また、粗材との接触がある場合における曲げ疲労強度についても、無処理のマンドレル母材に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、粗材との接触がない場合と比較して曲げ疲労強度が若干下がるのに対して、窒化処理層が形成されたマンドレル母材に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、粗材との接触がない場合における曲げ疲労強度とほぼ同等の値を維持する。このような違いが発生するのは、無処理のマンドレル母材に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、粗材との接触の影響により硬質コーティング皮膜の分断や剥離が起こるのに対し、窒化処理層が形成されたマンドレル母材に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、膜の破壊が抑制されるためと考えられる。
【００３５】
本発明のリングローリング用マンドレルは、冷間、温間又は熱間鍛造のいずれにも適用可能であるが、成形荷重が比較的大きく、マンドレルの破損が問題となり易い冷間鍛造に特に効果的に適用することができる。
【００３６】
【参考例および実施例】
以下、本発明のリングローリング用マンドレルの参考例および実施例について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００３７】
（参考例）
本参考例は、図１に示すように、マンドレル１、成形ロール２及び一対の受けロール３、３を用いて、リング状粗材４をリングローリングするものである。
【００３８】
このマンドレル１は、軸部１１と、外径が６０ｍｍの円筒部１２とからなり、円筒部１２を構成するマンドレル母材が冷間ダイス鋼よりなる。なお、この冷間ダイス鋼は８％Ｃｒ系ＳＫＤ１１改良鋼（硬さ：６０ＨＲＣ）である。
【００３９】
そして、円筒部１２の軸方向略中央部には、深さ７ｍｍ、軸方向長さ３０ｍｍのインプレッション部（環状の係合凹部）１３が凹設されている。
【００４０】
また、円筒部１２の外表面全体における表面部には窒化処理層１４が形成されている（図２参照）。この窒化処理層１４は、最表面からの深さが５０μｍであり、また、窒化処理層１４の最表面から２００μｍ深さまでの範囲において、白層部（図示せず）の占める面積率が０％である。
【００４１】
なお、窒化処理層１４の深さは、マイクロビッカース硬度測定機を用いて、窒化処理層１４の最表面からの硬さを測定し、マンドレル母材の硬さと同一硬さになる箇所を窒化処理層１４の深さとして求めたものである。
【００４２】
また、面積率の測定は、最表面を含む２００μｍ×２００μｍの測定範囲において、光学顕微鏡の４００倍で観察し（観察の際にビクラールでエッチングして白層部を判別できるようにする）、画像処理装置を用いて白層部の占める面積率を求めることにより行った。
【００４３】
上記窒化処理層１４は、ＮＨ3 ガス及びＨ2 ガスを用いるラジカル窒化装置により形成した。このときの処理条件は、温度：４００〜５００℃（本参考例では４４０℃）及び時間：２〜１０時間（本参考例では４時間）とした。
【００４４】
成形ロール２は、外径２００ｍｍの円筒状のもので冷間ダイス鋼よりなる。また、この成形ロール２の軸方向略中央部にも、マンドレル１の上記インプレッション部１３と同様のインプレッション部２１が凹設されている。
【００４５】
各受けロール３、３は、成形時にマンドレル１に作用する荷重を受けるためのもので、成形ロール２とは反対側でマンドレル１の両端側にそれぞれ配設されている。
【００４６】
なお、成形ロール２は図示しない回転駆動手段により回転駆動可能とされており、またマンドレル１は図示しない駆動手段により成形ロール２に対して近接・離反する方向に往復動可能とされている。
【００４７】
以下、リングローリングする様子について説明する。
【００４８】
まず、鋼材（Ｓ４５）から外径１１５ｍｍ、内径７０ｍｍ、軸方向長さ３０ｍｍのリング形状に鍛造成形し、その後焼きならし処理を施してリング状粗材４とした。
【００４９】
そして、このリング状粗材４の孔内にマンドレル１を挿入するとともに、リング状粗材４の外側に成形ロール２を配設した。このとき、マンドレル１及び成形ロール２の各インプレッション部１３及び２１にリング状粗材４を係合させて、リング状粗材４とマンドレル１及び成形ロール２との軸方向の相対移動が規制されるようにした。また、成形ロール２とは反対側の位置で、マンドレル１の円筒部１２両端に受けロール３、３をそれぞれ配設した。
【００５０】
この状態で、図示しない回転駆動手段により、マンドレル１と成形ロール２とを互いに逆方向に回転させながら、図示しない駆動手段によりマンドレル１を成形ロール２に対して近接する方向に移動させた。これにより、リング状粗材４を周方向に引き伸ばすように成形しながら、リング状粗材４の半径方向厚み又は横断面積を減らして大きな直径のリングに成形した。
【００５１】
なお、鍛造条件は、成形ロール回転数：１５０〜２００ｒｐｍ、圧延量：０．１〜０．３ｍｍ／ｒｅｖ、外径拡管率：約１．４とした。
【００５２】
（評価）
上記リングローリング用マンドレル１の寿命を評価した。これは、マンドレル１が折損に至るまでのリングの生産個数（マンドレル命数）を調べることにより、行った。
【００５３】
また、比較のため、窒化処理層１４を形成しないこと以外は、上記参考例と同様の比較例についても同様の評価をした。
【００５４】
その結果、マンドレル表面に窒化処理層１４が形成されていない比較例ではマンドレル命数が１２０００個程度であったのに対し、深さ及び白層部面積率が所定の窒化処理層１４が形成された本参考例ではマンドレル命数が６００００個程度に向上した。
【００５５】
（白層部の面積率とマンドレル命数との関係）
上記参考例において、ラジカル窒化装置の代わりにイオン窒化処理装置を用い、Ｎ2 ：Ｈ2 比を１：１〜１：４、処理温度を４００〜５５０℃、処理時間を１〜３０時間のそれぞれの範囲で種々変更することにより、窒化処理層１４の最表面から２００μｍ深さまでにおいて、白層部の占める面積率を種々変更し、この面積率とマンドレル命数との関係を調べた。なお、このときの窒化処理層１４の最表面からの深さは５０μｍである。
【００５６】
その結果を図３に示すように、最表面から２００μｍ深さまでにおける白層部の面積率を５％以下とすることにより、窒化処理層１４が形成されていない上記比較例におけるマンドレル命数（１２０００個程度）を超え、また面積率が３％以下となれば寿命が格段と向上することがわかる。
【００５７】
なお、白層部の面積率が５％を超えると、窒化処理層１４を形成したにもかかわらず、窒化処理層が形成されていない比較例よりも寿命が低下するのは、硬くて脆い白層部からき裂が発生するとともに、き裂伝播が白層部で促進されたためと考えられる。
【００５８】
（窒化処理層の深さとマンドレル命数との関係）
上記参考例において、ラジカル窒化処理の処理条件を温度：４００〜５５０℃、時間：２〜２０時間のそれぞれの範囲で種々変更することにより、窒化処理層１４の最表面からの深さを種々変更し、この窒化処理層１４の深さとマンドレル命数との関係を調べた。
【００５９】
その結果を図４に示すように、窒化処理層１４の深さを１７０μｍ以下とすることにより、窒化処理層１４が形成されていない上記比較例におけるマンドレル命数（１２０００個程度）を超え、また深さが２０〜１２０μｍの範囲でマンドレル命数が格段と向上し、さらに深さが５０〜１００μｍの範囲でマンドレル命数がほぼ最高値を示すことがわかる。
【００６０】
なお、窒化処理層１４の深さが１６０μｍ程度を超えると、窒化処理層１４を形成したにもかかわらず、窒化処理層が形成されていない比較例よりも寿命が低下するのは、マンドレル母材よりも硬くて脆い窒化処理層１４におけるき裂伝播の促進効果に因るものと考えられる。
【００６１】
（実施例）
本実施例は、図５に示すように、前記参考例のマンドレル１に対して、硬質コーティング皮膜１５をさらに形成したものである。
【００６２】
すなわち、このマンドレル１は、表面部に窒化処理層１４が形成された円筒部１２の外表面全体に、硬質コーティング皮膜１５がさらに形成されている。
【００６３】
この硬質コーティング皮膜１５は、ＴｉＮ（硬度：２０００ＨＶ）よりなる膜厚３μｍの皮膜で、ＰＶＤ法により形成した。なお、ＰＶＤ法による処理条件は、真空槽内で４６０℃、２時間保持とした。
【００６４】
その他の構成は、前記参考例と同様である。
【００６５】
したがって、本実施例のマンドレル１は、窒化処理層１４の上にさらに硬質コーティング皮膜１５が形成されていることから、マンドレル１の寿命が大幅に向上する。また、硬質コーティング皮膜１５の存在により、マンドレル１の摩耗が軽減するとともに、マンドレル１及びリング状粗材４間の摩擦が軽減することから、リング成形品の品質を向上させることも可能となる。
【００６６】
（ワーク接触がない場合における疲労強度の評価）
粉末ハイス鋼を平行部φ６ｍｍの試験片形状に加工後、熱処理を施して、母材硬さ６１〜６３ＨＲＣとした。そして、仕上げ加工を施して、表面処理無しの試料Ｎｏ．１の試験片とした。
【００６７】
上記試料Ｎｏ．１の試験片の表面に、ＴｉＮよりなる厚さ３μｍの硬質コーティング皮膜をＰＶＤ法（処理条件４６０℃、２時間保持）により形成して、硬質コーティング皮膜のみが形成された試料Ｎｏ．２の試験片とした。
【００６８】
上記試料Ｎｏ．１の試験片の表面部に、ＮＨ3 ガス及びＨ2 ガスを用いるラジカル窒化装置を用いて（処理温度：４８０℃、処理時間：６時間）、深さ６５μｍの白層を含まない窒化処理層を形成して、窒化処理層のみが形成された試料Ｎｏ．３の試験片とした。
【００６９】
上記試料Ｎｏ．３の試験片の表面に、ＴｉＮよりなる厚さ３μｍの硬質コーティング皮膜をＰＶＤ法により形成して、窒化処理層及び硬質コーティングが形成された試料Ｎｏ．４の試験片とした。
【００７０】
そして、上記試料Ｎｏ．１〜４の各試験片について、ワーク接触がない場合における曲げ疲労強度を評価した。これは、回転速度１５００ｒｐｍの回転曲げ疲労試験機を用いて、１０6 時間後の疲労強度を測定することにより行った。その結果を図６に示す。
【００７１】
図６から明らかなように、表面処理無しの試料Ｎｏ．１の試験片に硬質コーティング皮膜を形成することにより、疲労強度が低下することがわかる。
【００７２】
また、表面処理無しの試料Ｎｏ．１の試験片に窒化処理層を形成することにより、疲労強度が向上する一方で、窒化処理層が形成された試料Ｎｏ．３の試験片に硬質コーティング皮膜を形成しても、疲労強度が少ししか低下しないことがわかる。
【００７３】
（ワーク接触がある場合における疲労強度の評価）
前記試料Ｎｏ．１〜４の各試験片について、ワーク接触がある場合における曲げ疲労強度を評価した。これは、回転速度１５００ｒｐｍの回転曲げ疲労試験機を用いて、Ｓ３０Ｃの板を試験片に押し付けながら試験を行い、１０6 時間後の疲労強度を測定することにより行った。その結果を図７に示す。
【００７４】
図７から明らかなように、表面処理無しの試料Ｎｏ．１の試験片は、ワーク接触の影響が大きく、ワーク接触がない場合における疲労強度よりも大幅に低下した。
【００７５】
また、硬質コーティング皮膜のみを形成した試料Ｎｏ．２の試験片は、無処理の試料Ｎｏ．１ほどではないがワーク接触による影響があり、ワーク接触がない場合における疲労強度よりも低下した。
【００７６】
これに対し、窒化処理層及び硬質コーティング皮膜を形成した試料Ｎｏ．４の試験片は、ワーク接触による影響がほとんどなく、ワーク接触がない場合における疲労強度とほぼ同等の疲労強度だった。
【００７７】
（硬質コーティング皮膜を形成した場合における窒化処理層の深さと疲労強度との関係）
前記試料Ｎｏ．４、すなわち窒化処理層及び硬質コーティング皮膜が形成された試験片を作成する際、窒化処理層形成時におけるラジカル窒化処理の処理条件を温度４００〜５５０℃、時間：２〜２０時間のそれぞれの範囲で種々変更することにより、窒化処理層の最表面からの深さを種々変更し、硬質コーティング皮膜を形成した場合における窒化処理層の深さと疲労強度との関係を調べた。
【００７８】
なお、試験方法は、前述のワーク接触がある場合における疲労強度の試験方法と同様である。
【００７９】
結果を図８に示すように、窒化処理層及び硬質コーティング皮膜を形成した場合も、窒化処理層の深さが深すぎると、疲労強度が低下することがわかる。これは、窒化処理層が深くなると、窒化処理層と硬質コーティング皮膜との界面に一旦亀裂が発生すれことにより、より大きな亀裂に発展してしまうためと考えられる。
【００８０】
また、図８から、窒化処理層の深さは、１００μｍとすることが好ましく、７５μｍとすることがより好ましいことがわかる。
【００８１】
（マンドレル命数の評価）
前記参考例の窒化処理層１４のみを形成したマンドレル１と、前記実施例の窒化処理層１４及び硬質コーティング皮膜１５を形成したマンドレル１とにおいて、寿命を比較評価した。これは、マンドレル１が折損に至るまでのリングの生産個数（マンドレル命数）を調べることにより、行った。
【００８２】
その結果、窒化処理層１４のみを形成した参考例のマンドレル１ではマンドレル命数が６０，０００個であったのに対し、窒化処理層１４及び硬質コーティング皮膜１５を形成した実施例のマンドレル１ではマンドレル命数が４００，０００個程度に向上した。
【００８３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明のリングローリング用マンドレルは、安価で簡便な表面処理たる窒化処理により窒化処理層が形成されているので、コストの高騰を抑えつつ、マンドレル寿命を向上させることができる。
【００８４】
特に、窒化処理層における白層部の面積率や深さを特定の範囲としているので、マンドレル寿命を格段と向上させることができる。
【００８５】
また、窒化処理層の上にさらに硬質コーティング皮膜が形成されているので、マンドレル寿命を格段と向上させることができるとともに、リング成形品の品質性の向上にも貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例のマンドレルを用いてリングローリングする様子を模式的に示す断面図である。
【図２】 参考例のマンドレルの要部を模式的に示す部分断面図である。
【図３】 窒化処理層の最表面から２００μｍ深さまでにおいて、白層部が占める面積率とマンドレル寿命との関係を示すグラフである。
【図４】 窒化処理層の深さとマンドレル寿命との関係を示すグラフである。
【図５】 本実施例のマンドレルの要部を模式的に示す部分断面図である。
【図６】 ワーク接触がない場合における疲労強度の評価結果を示す図である。
【図７】 ワーク接触がある場合における疲労強度の評価結果を示す図である。
【図８】 硬質コーティング皮膜を形成した場合における窒化処理層の深さと疲労強度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…マンドレル
２…成形ロール
３…受けロール
４…リング状粗材
１３…インプレッション部（係合凹部）
１４…窒化処理層
１５…硬質コーティング皮膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面処理により寿命を向上させたリングローリング用マンドレルに関する。本発明のマンドレルは、成形用ロールとともにリング状粗材を冷間、温間又は熱間で回転鍛造して、直径の大きなリングを成形するリングローリングに適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
リング状粗材の半径方向の厚み又は横断面積を減らして大きな直径のリングを鍛造成形する場合、回転鍛造の一種たるリングローリングが利用される。
【０００３】
このリングローリングは、リング状粗材の孔内にマンドレルを挿入するとともに、リング状粗材の外面に成形ロールを配設し、マンドレルと成形ロールとの間でリング状粗材を挟圧しつつ、マンドレル及び成形ロールを互いに逆方向に回転させることにより、リング状粗材を周方向に引き伸ばすように成形する。これにより、リング状粗材の半径方向厚み又は横断面積が減らされ、大きな直径のリングに成形される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記リングローリングにおいては、リング状粗材の孔内にマンドレルが挿入されることから、マンドレルの外径を大きくしてマンドレル自身の剛性や強度を向上させることには限界がある。
【０００５】
このため、特に径の小さなリング状粗材を成形しようとする場合に、剛性や強度の不足によるマンドレルの早期破損が問題となる。特に、冷間鍛造では成形荷重が比較的大きく、また鍛造型と材料間に生じる摩擦力が大きいことから、マンドレルの早期破損の問題が顕著となる。
【０００６】
かかるマンドレルの早期破損の原因は、素材との接触による傷や摩耗の発生と、繰り返し応力の増大による疲労強度不足とが考えられる。
【０００７】
そこで、マンドレルの疲労強度及び硬度を向上させるべく、粉末ハイスよりなるマンドレルとすることも考えられるが、粉末ハイスは疲労強度及び硬度の向上には寄与するが、その一方で靭性不足となり、一旦小さな傷が発生すると割れやすくなるため、効果的な対策とは言えない。
【０００８】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、安価で簡便な表面処理を利用することにより、リングローリング用マンドレルの早期折損を抑えてマンドレル寿命を向上させることを解決すべき技術課題とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明のリングローリング用マンドレルは、リング状粗材の孔内に挿入され、該粗材の外面に配設される成形ロールとで該粗材を回転鍛造するリングローリング用マンドレルにおいて、上記粗材に接触する成形部位の表面に窒化処理層が形成されるとともに、該窒化処理層の表面に、少なくとも該窒化処理層よりも硬度の高い硬質コーティング皮膜が形成されており、前記窒化処理層の最表面から２００μｍ深さまでの範囲において、白層部の占める面積率が５．０％以下であり、前記窒化処理層の深さが該窒化処理層の最表面から７５μｍ以下であることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明のリングローリング用マンドレルは、好適な態様において、前記窒化処理層の深さが該窒化処理層の最表面から５０μｍ未満である。
【００１２】
本発明のリングローリング用マンドレルは、好適な態様において、光学顕微鏡レベル（４００倍）の目視にて前記窒化処理層中に前記白層部が認められない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のリングローリング用マンドレルは、粗材に接触する成形部位の表面に、安価で簡便な表面処理たる窒化処理により窒化処理層が形成されており、表面硬度が向上している。また、この窒化処理層には、窒化処理層形成時の歪みに基づく圧縮残留応力が存在しており、その分だけ引張強度が向上している。このため、疲労強度及び耐摩耗性が向上し、ひいてはマンドレル寿命が向上する。
【００１４】
本発明のリングローリング用マンドレルは、形状及び大きさは特に限定されず、例えば、リング状粗材に接触する成形部位に環状の係合凹部（インプレッション部）又は係合凸部をもつものとすることができる。この係合凹部や係合凸部は、該係合凹部又は係合凸部に係合可能な粗材の被係合部と係合することにより、鍛造成形時にマンドレルと粗材との軸方向の相対移動を規制するためのものである。また、係合凹部とした場合は、この係合凹部内に粗材を納めることにより、該粗材の軸方向長さを規制しつつ成形することができる。この係合凹部や係合凸部の形状及び大きさは特に限定されない。
【００１５】
本発明のリングローリング用マンドレルのマンドレル母材の材質としては、特に限定されず、従来と同様、冷間ダイス鋼等とすることができるが、特に靭性の高いＳＫＤ１１改良鋼やマトリックスハイス等を用いることが好ましい。マンドレル母材の靭性が高ければ、それだけ損傷を抑えるのに有利となるからである。なお、本発明では窒化処理層の形成により表面硬化させることから、窒化処理により硬化させうるべく、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＴｉやＶ等から選ばれる少なくとも一種の窒化促進元素が添加されたマンドレル部材を用いる必要がある。
【００１６】
また、マンドレル母材の硬度は、５０〜６７ＨＲＣ（ロックウエル Ｃスケール硬さ）とすることが好ましく、５５〜６２ＨＲＣとすることが特に好ましい。マンドレル母材の硬度が低すぎると耐摩耗性が低下し、粗材との接触による傷が発生し易くなり、一方高すぎると靭性不足により脆くなる。
【００１７】
本発明のリングローリング用マンドレルには、粗材と接触するマンドレル母材の成形部位の表面に窒化処理層が形成されるとともに、この窒化処理層が形成された成形部位の表面に、少なくとも窒化処理層よりも硬度の高い硬質コーティング皮膜が形成されている。
【００１８】
この窒化処理層中には一般に白層部の存在が認められる。この白層部は、他の部分よりも硬くて脆い窒素化合物（ε−Ｆｅ2 - 3 （ＣＮ）、γ−Ｆｅ4 Ｎ）である。このため、窒化処理層中に白層部が存在すると、この白層部分から亀裂が発生し易く、また亀裂伝播を抑制するのに不利となる。したがって、窒化処理層中に存在する白層部の量は少ないほど好ましく、ほとんど又は全く無いことがより好ましい。具体的には、光学顕微鏡レベル（４００倍）の目視にて窒化処理層中に白層部が認められないことが好ましい。より具体的には、本発明のリングローリング用マンドレルは、窒化処理層の最表面から２００μｍ深さまでの範囲において、白層部の占める面積率が５．０％以下である。３．０％以下であることがより好ましい。
【００１９】
また、窒化処理層が形成された成形部位の表面に硬質コーティング皮膜を形成する場合の窒化処理層の深さは、マンドレル母材の最表面から１０〜１００μｍとすることが好ましく、２５〜７５μｍとすることがより好ましい。窒化処理層の深さが浅すぎると、処理時のバラツキにより略均一な窒化処理層の製造が困難となる。一方、窒化処理層はマンドレル母材と比較してき裂伝播速度が速いことから、窒化処理層に一旦き裂が発生すると窒化処理層の深さ方向の全体にき裂が伝播し易い。このため、窒化処理層が深すぎると、窒化処理層に一旦き裂が発生すれば、き裂伝播により大きな（より深い）き裂に発展してしまう。したがって、き裂伝播を抑制する観点から、本発明のリングローリング用マンドレルの窒化処理層の深さを窒化処理層の最表面から７５μｍ以下とする。５０μｍ未満とすることがより好ましい。
【００２０】
さらに、窒化処理層の硬さは、特に限定はされないが、６００〜１３００ＨＶ（ビッカース硬さ）程度とすることができる。窒化処理層の硬さが低すぎると、窒化処理層を形成することによる疲労強度及び耐摩耗性向上の効果が期待できなくなり、一方窒化処理層の硬さを必要以上に高くしても、上記効果の向上は期待できず、亀裂の発生、伝播が助長される。したがって、窒化処理層の硬さは７００〜１２００ＨＶすることが好ましく、８００〜１１００ＨＶとすることがより好ましい。
【００２１】
マンドレル母材の表面部に上記窒化処理層を形成するための窒化処理方法としては特に限定されず、ＮＨ3 ガスを用いる通常の窒化処理の他、Ｎ2 及びＨ2 を用いるイオン窒化処理、ＮＨ3 ガス及びＨ2 ガスを用いるラジカル窒化処理やシアン基浴を用いる塩浴窒化処理等を利用することができる。
【００２２】
また、窒化処理層における白層部を減らす又は無くすには、例えばガス混合比や加熱温度・時間を適宜調整することにより行うことができる。例えば、ＮＨ3 ガスを用いる通常の窒化処理の場合は処理温度：４００〜５００℃程度、処理時間：１〜５時間程度とすることができ、またイオン窒化処理の場合は処理温度：４００〜５００℃程度、処理時間：１〜５時間程度とすることができ、またラジカル窒化処理の場合は処理温度：４００〜５００℃程度、処理時間：２〜１０時間程度とすることができる。
【００２３】
上述のとおり、窒化処理層は、圧縮残留応力が存在する分だけ引張強度が向上しているが、マンドレル母材と比較してき裂伝播速度が速いことから、窒化処理層に一旦き裂が発生すると窒化処理層の深さ方向の全体にき裂が伝播し易い。このため、窒化処理層が表面に形成されたリングローリング用マンドレルは、粗材との接触により窒化処理層に一旦亀裂が発生すると、疲労強度が低下し易い傾向にある。
【００２４】
そこで、窒化処理層が形成されたマンドレル母材の成形部位の表面に、少なくとも該窒化処理層よりも硬度の高い硬質コーティング皮膜を形成する。
【００２５】
この硬質コーティング皮膜は、窒化処理層の保護膜として機能することにより、窒化処理層に亀裂が発生することを効果的に抑制することができる。また、硬質コーティング皮膜の形成時に歪みに基づく圧縮残留応力が窒化処理層に付与されることから、窒化処理層の引張強度がさらに向上している。さらに、硬質コーティング皮膜自体が高硬度であることから、粗材との接触により硬質コーティング皮膜自身に亀裂が発生することも効果的に抑制される。したがって、窒化処理層が形成された成形部位の表面にさらに硬質コーティング皮膜が形成されたリングローリング用マンドレルは、粗材との接触により硬質コーティング皮膜又は窒化処理層のいずれかに亀裂が発生することが効果的に抑制されるので、かかる亀裂の発生に起因する疲労強度の低下を効果的に抑制することが可能となる。
【００２６】
上記硬質コーティング皮膜は、少なくとも窒化処理層よりも高硬度であればよいが、窒化処理層の保護膜として効果的に機能しうるとともに、硬質コーティング皮膜自身に亀裂が発生することを効果的に抑制しうるように、窒化処理層よりも高硬度としつつ、１０００〜２５００ＨＶ程度の硬さとすることが好ましく、１３００〜２２００ＨＶとすることがより好ましい。なお、硬質コーティング皮膜の硬さと窒化処理層の硬さとの差が大きすぎると、両者の界面で亀裂が発生し易くなり、疲労強度の低下につながることから、両者の硬さの差は２００〜１２００ＨＶ程度とすることが好ましい。
【００２７】
また、上記硬質コーティング皮膜の厚さが薄すぎると、窒化処理層の保護膜としての機能を効果的に発揮することができない。一方、硬質コーティング皮膜の厚さが厚すぎると、剥離し易くなるとともに、硬質コーティング皮膜と窒化処理層との界面で亀裂が発生し易くなり、疲労強度の低下につながる。したがって、硬質コーティング皮膜の厚さは、２〜８μｍとすることが好ましく、３〜５μｍとすることがより好ましい。
【００２８】
上記硬質コーティング皮膜の種類は、窒化処理層よりも硬いものであれば特に限定されない。例えば、ＴｉＮ（硬さ：１７００〜２４００ＨＶ）、ＣｒＮ（硬さ：１７００〜２２００ＨＶ）、ＴｉＡｌＮ（硬さ：２１００〜２９００ＨＶ）やＴｉＣｒＮ（硬さ：１８００〜２１００ＨＶ）を採用することができる。
【００２９】
この硬質コーティング皮膜は、ＰＶＤ（物理蒸着）法により形成することができる。なお、高温処理を伴うＣＶＤ法では、窒化処理層が高温下で軟化するため、硬質コーティング皮膜の形成方法としてＣＶＤ法を採用することはできない。
【００３１】
ここに、マンドレル母材の成形部位の表面部に窒化処理層を形成することなく、そのまま硬質コーティング皮膜を形成する場合と、窒化処理層が形成された成形部位の表面にさらに硬質コーティング皮膜を形成した場合とにおける作用効果の違いについて、以下説明する。
【００３２】
まず、窒化処理層が形成されたマンドレル母材の成形部位の表面に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、膜の外部応力に対する変形量が小さく、無処理の成形部位の表面に硬質コーティング皮膜を形成した場合と比較して、硬質コーティング皮膜の耐剥離性が向上する。すなわち、窒化処理層は、硬質コーティング皮膜とマンドレル母材との接合性を高めるという下地層的な役割を果たす。
【００３３】
また、無処理のマンドレル母材に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、硬質コーティング皮膜とマンドレル母材との硬度差が大きく、両者間の界面で亀裂が発生し易くなる。このため、後述する実施例で示すように、粗材との接触がない場合における曲げ疲労強度が、硬質コーティング皮膜も窒化処理層も形成されていない無処理のマンドレルよりも低くなる。これに対し、窒化処理層が形成されたマンドレル母材の表面に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、窒化処理層による硬度のアップ分だけ、硬質コーティング皮膜とマンドレル母材との硬度差が小さくなり、その分上記界面における亀裂の発生を抑えることができる。このため、硬質コーティング皮膜の形成に伴う上記曲げ疲労強度の低下を、無処理のマンドレル母材に硬質コーティング皮膜を形成する場合よりも抑えることが可能となる。
【００３４】
また、粗材との接触がある場合における曲げ疲労強度についても、無処理のマンドレル母材に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、粗材との接触がない場合と比較して曲げ疲労強度が若干下がるのに対して、窒化処理層が形成されたマンドレル母材に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、粗材との接触がない場合における曲げ疲労強度とほぼ同等の値を維持する。このような違いが発生するのは、無処理のマンドレル母材に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、粗材との接触の影響により硬質コーティング皮膜の分断や剥離が起こるのに対し、窒化処理層が形成されたマンドレル母材に硬質コーティング皮膜を形成した場合は、膜の破壊が抑制されるためと考えられる。
【００３５】
本発明のリングローリング用マンドレルは、冷間、温間又は熱間鍛造のいずれにも適用可能であるが、成形荷重が比較的大きく、マンドレルの破損が問題となり易い冷間鍛造に特に効果的に適用することができる。
【００３６】
【参考例および実施例】
以下、本発明のリングローリング用マンドレルの参考例および実施例について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００３７】
（参考例）
本参考例は、図１に示すように、マンドレル１、成形ロール２及び一対の受けロール３、３を用いて、リング状粗材４をリングローリングするものである。
【００３８】
このマンドレル１は、軸部１１と、外径が６０ｍｍの円筒部１２とからなり、円筒部１２を構成するマンドレル母材が冷間ダイス鋼よりなる。なお、この冷間ダイス鋼は８％Ｃｒ系ＳＫＤ１１改良鋼（硬さ：６０ＨＲＣ）である。
【００３９】
そして、円筒部１２の軸方向略中央部には、深さ７ｍｍ、軸方向長さ３０ｍｍのインプレッション部（環状の係合凹部）１３が凹設されている。
【００４０】
また、円筒部１２の外表面全体における表面部には窒化処理層１４が形成されている（図２参照）。この窒化処理層１４は、最表面からの深さが５０μｍであり、また、窒化処理層１４の最表面から２００μｍ深さまでの範囲において、白層部（図示せず）の占める面積率が０％である。
【００４１】
なお、窒化処理層１４の深さは、マイクロビッカース硬度測定機を用いて、窒化処理層１４の最表面からの硬さを測定し、マンドレル母材の硬さと同一硬さになる箇所を窒化処理層１４の深さとして求めたものである。
【００４２】
また、面積率の測定は、最表面を含む２００μｍ×２００μｍの測定範囲において、光学顕微鏡の４００倍で観察し（観察の際にビクラールでエッチングして白層部を判別できるようにする）、画像処理装置を用いて白層部の占める面積率を求めることにより行った。
【００４３】
上記窒化処理層１４は、ＮＨ3 ガス及びＨ2 ガスを用いるラジカル窒化装置により形成した。このときの処理条件は、温度：４００〜５００℃（本参考例では４４０℃）及び時間：２〜１０時間（本参考例では４時間）とした。
【００４４】
成形ロール２は、外径２００ｍｍの円筒状のもので冷間ダイス鋼よりなる。また、この成形ロール２の軸方向略中央部にも、マンドレル１の上記インプレッション部１３と同様のインプレッション部２１が凹設されている。
【００４５】
各受けロール３、３は、成形時にマンドレル１に作用する荷重を受けるためのもので、成形ロール２とは反対側でマンドレル１の両端側にそれぞれ配設されている。
【００４６】
なお、成形ロール２は図示しない回転駆動手段により回転駆動可能とされており、またマンドレル１は図示しない駆動手段により成形ロール２に対して近接・離反する方向に往復動可能とされている。
【００４７】
以下、リングローリングする様子について説明する。
【００４８】
まず、鋼材（Ｓ４５）から外径１１５ｍｍ、内径７０ｍｍ、軸方向長さ３０ｍｍのリング形状に鍛造成形し、その後焼きならし処理を施してリング状粗材４とした。
【００４９】
そして、このリング状粗材４の孔内にマンドレル１を挿入するとともに、リング状粗材４の外側に成形ロール２を配設した。このとき、マンドレル１及び成形ロール２の各インプレッション部１３及び２１にリング状粗材４を係合させて、リング状粗材４とマンドレル１及び成形ロール２との軸方向の相対移動が規制されるようにした。また、成形ロール２とは反対側の位置で、マンドレル１の円筒部１２両端に受けロール３、３をそれぞれ配設した。
【００５０】
この状態で、図示しない回転駆動手段により、マンドレル１と成形ロール２とを互いに逆方向に回転させながら、図示しない駆動手段によりマンドレル１を成形ロール２に対して近接する方向に移動させた。これにより、リング状粗材４を周方向に引き伸ばすように成形しながら、リング状粗材４の半径方向厚み又は横断面積を減らして大きな直径のリングに成形した。
【００５１】
なお、鍛造条件は、成形ロール回転数：１５０〜２００ｒｐｍ、圧延量：０．１〜０．３ｍｍ／ｒｅｖ、外径拡管率：約１．４とした。
【００５２】
（評価）
上記リングローリング用マンドレル１の寿命を評価した。これは、マンドレル１が折損に至るまでのリングの生産個数（マンドレル命数）を調べることにより、行った。
【００５３】
また、比較のため、窒化処理層１４を形成しないこと以外は、上記参考例と同様の比較例についても同様の評価をした。
【００５４】
その結果、マンドレル表面に窒化処理層１４が形成されていない比較例ではマンドレル命数が１２０００個程度であったのに対し、深さ及び白層部面積率が所定の窒化処理層１４が形成された本参考例ではマンドレル命数が６００００個程度に向上した。
【００５５】
（白層部の面積率とマンドレル命数との関係）
上記参考例において、ラジカル窒化装置の代わりにイオン窒化処理装置を用い、Ｎ2 ：Ｈ2 比を１：１〜１：４、処理温度を４００〜５５０℃、処理時間を１〜３０時間のそれぞれの範囲で種々変更することにより、窒化処理層１４の最表面から２００μｍ深さまでにおいて、白層部の占める面積率を種々変更し、この面積率とマンドレル命数との関係を調べた。なお、このときの窒化処理層１４の最表面からの深さは５０μｍである。
【００５６】
その結果を図３に示すように、最表面から２００μｍ深さまでにおける白層部の面積率を５％以下とすることにより、窒化処理層１４が形成されていない上記比較例におけるマンドレル命数（１２０００個程度）を超え、また面積率が３％以下となれば寿命が格段と向上することがわかる。
【００５７】
なお、白層部の面積率が５％を超えると、窒化処理層１４を形成したにもかかわらず、窒化処理層が形成されていない比較例よりも寿命が低下するのは、硬くて脆い白層部からき裂が発生するとともに、き裂伝播が白層部で促進されたためと考えられる。
【００５８】
（窒化処理層の深さとマンドレル命数との関係）
上記参考例において、ラジカル窒化処理の処理条件を温度：４００〜５５０℃、時間：２〜２０時間のそれぞれの範囲で種々変更することにより、窒化処理層１４の最表面からの深さを種々変更し、この窒化処理層１４の深さとマンドレル命数との関係を調べた。
【００５９】
その結果を図４に示すように、窒化処理層１４の深さを１７０μｍ以下とすることにより、窒化処理層１４が形成されていない上記比較例におけるマンドレル命数（１２０００個程度）を超え、また深さが２０〜１２０μｍの範囲でマンドレル命数が格段と向上し、さらに深さが５０〜１００μｍの範囲でマンドレル命数がほぼ最高値を示すことがわかる。
【００６０】
なお、窒化処理層１４の深さが１６０μｍ程度を超えると、窒化処理層１４を形成したにもかかわらず、窒化処理層が形成されていない比較例よりも寿命が低下するのは、マンドレル母材よりも硬くて脆い窒化処理層１４におけるき裂伝播の促進効果に因るものと考えられる。
【００６１】
（実施例）
本実施例は、図５に示すように、前記参考例のマンドレル１に対して、硬質コーティング皮膜１５をさらに形成したものである。
【００６２】
すなわち、このマンドレル１は、表面部に窒化処理層１４が形成された円筒部１２の外表面全体に、硬質コーティング皮膜１５がさらに形成されている。
【００６３】
この硬質コーティング皮膜１５は、ＴｉＮ（硬度：２０００ＨＶ）よりなる膜厚３μｍの皮膜で、ＰＶＤ法により形成した。なお、ＰＶＤ法による処理条件は、真空槽内で４６０℃、２時間保持とした。
【００６４】
その他の構成は、前記参考例と同様である。
【００６５】
したがって、本実施例のマンドレル１は、窒化処理層１４の上にさらに硬質コーティング皮膜１５が形成されていることから、マンドレル１の寿命が大幅に向上する。また、硬質コーティング皮膜１５の存在により、マンドレル１の摩耗が軽減するとともに、マンドレル１及びリング状粗材４間の摩擦が軽減することから、リング成形品の品質を向上させることも可能となる。
【００６６】
（ワーク接触がない場合における疲労強度の評価）
粉末ハイス鋼を平行部φ６ｍｍの試験片形状に加工後、熱処理を施して、母材硬さ６１〜６３ＨＲＣとした。そして、仕上げ加工を施して、表面処理無しの試料Ｎｏ．１の試験片とした。
【００６７】
上記試料Ｎｏ．１の試験片の表面に、ＴｉＮよりなる厚さ３μｍの硬質コーティング皮膜をＰＶＤ法（処理条件４６０℃、２時間保持）により形成して、硬質コーティング皮膜のみが形成された試料Ｎｏ．２の試験片とした。
【００６８】
上記試料Ｎｏ．１の試験片の表面部に、ＮＨ3 ガス及びＨ2 ガスを用いるラジカル窒化装置を用いて（処理温度：４８０℃、処理時間：６時間）、深さ６５μｍの白層を含まない窒化処理層を形成して、窒化処理層のみが形成された試料Ｎｏ．３の試験片とした。
【００６９】
上記試料Ｎｏ．３の試験片の表面に、ＴｉＮよりなる厚さ３μｍの硬質コーティング皮膜をＰＶＤ法により形成して、窒化処理層及び硬質コーティングが形成された試料Ｎｏ．４の試験片とした。
【００７０】
そして、上記試料Ｎｏ．１〜４の各試験片について、ワーク接触がない場合における曲げ疲労強度を評価した。これは、回転速度１５００ｒｐｍの回転曲げ疲労試験機を用いて、１０6 時間後の疲労強度を測定することにより行った。その結果を図６に示す。
【００７１】
図６から明らかなように、表面処理無しの試料Ｎｏ．１の試験片に硬質コーティング皮膜を形成することにより、疲労強度が低下することがわかる。
【００７２】
また、表面処理無しの試料Ｎｏ．１の試験片に窒化処理層を形成することにより、疲労強度が向上する一方で、窒化処理層が形成された試料Ｎｏ．３の試験片に硬質コーティング皮膜を形成しても、疲労強度が少ししか低下しないことがわかる。
【００７３】
（ワーク接触がある場合における疲労強度の評価）
前記試料Ｎｏ．１〜４の各試験片について、ワーク接触がある場合における曲げ疲労強度を評価した。これは、回転速度１５００ｒｐｍの回転曲げ疲労試験機を用いて、Ｓ３０Ｃの板を試験片に押し付けながら試験を行い、１０6 時間後の疲労強度を測定することにより行った。その結果を図７に示す。
【００７４】
図７から明らかなように、表面処理無しの試料Ｎｏ．１の試験片は、ワーク接触の影響が大きく、ワーク接触がない場合における疲労強度よりも大幅に低下した。
【００７５】
また、硬質コーティング皮膜のみを形成した試料Ｎｏ．２の試験片は、無処理の試料Ｎｏ．１ほどではないがワーク接触による影響があり、ワーク接触がない場合における疲労強度よりも低下した。
【００７６】
これに対し、窒化処理層及び硬質コーティング皮膜を形成した試料Ｎｏ．４の試験片は、ワーク接触による影響がほとんどなく、ワーク接触がない場合における疲労強度とほぼ同等の疲労強度だった。
【００７７】
（硬質コーティング皮膜を形成した場合における窒化処理層の深さと疲労強度との関係）
前記試料Ｎｏ．４、すなわち窒化処理層及び硬質コーティング皮膜が形成された試験片を作成する際、窒化処理層形成時におけるラジカル窒化処理の処理条件を温度４００〜５５０℃、時間：２〜２０時間のそれぞれの範囲で種々変更することにより、窒化処理層の最表面からの深さを種々変更し、硬質コーティング皮膜を形成した場合における窒化処理層の深さと疲労強度との関係を調べた。
【００７８】
なお、試験方法は、前述のワーク接触がある場合における疲労強度の試験方法と同様である。
【００７９】
結果を図８に示すように、窒化処理層及び硬質コーティング皮膜を形成した場合も、窒化処理層の深さが深すぎると、疲労強度が低下することがわかる。これは、窒化処理層が深くなると、窒化処理層と硬質コーティング皮膜との界面に一旦亀裂が発生すれことにより、より大きな亀裂に発展してしまうためと考えられる。
【００８０】
また、図８から、窒化処理層の深さは、１００μｍとすることが好ましく、７５μｍとすることがより好ましいことがわかる。
【００８１】
（マンドレル命数の評価）
前記参考例の窒化処理層１４のみを形成したマンドレル１と、前記実施例の窒化処理層１４及び硬質コーティング皮膜１５を形成したマンドレル１とにおいて、寿命を比較評価した。これは、マンドレル１が折損に至るまでのリングの生産個数（マンドレル命数）を調べることにより、行った。
【００８２】
その結果、窒化処理層１４のみを形成した参考例のマンドレル１ではマンドレル命数が６０，０００個であったのに対し、窒化処理層１４及び硬質コーティング皮膜１５を形成した実施例のマンドレル１ではマンドレル命数が４００，０００個程度に向上した。
【００８３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明のリングローリング用マンドレルは、安価で簡便な表面処理たる窒化処理により窒化処理層が形成されているので、コストの高騰を抑えつつ、マンドレル寿命を向上させることができる。
【００８４】
特に、窒化処理層における白層部の面積率や深さを特定の範囲としているので、マンドレル寿命を格段と向上させることができる。
【００８５】
また、窒化処理層の上にさらに硬質コーティング皮膜が形成されているので、マンドレル寿命を格段と向上させることができるとともに、リング成形品の品質性の向上にも貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例のマンドレルを用いてリングローリングする様子を模式的に示す断面図である。
【図２】 参考例のマンドレルの要部を模式的に示す部分断面図である。
【図３】 窒化処理層の最表面から２００μｍ深さまでにおいて、白層部が占める面積率とマンドレル寿命との関係を示すグラフである。
【図４】 窒化処理層の深さとマンドレル寿命との関係を示すグラフである。
【図５】 本実施例のマンドレルの要部を模式的に示す部分断面図である。
【図６】 ワーク接触がない場合における疲労強度の評価結果を示す図である。
【図７】 ワーク接触がある場合における疲労強度の評価結果を示す図である。
【図８】 硬質コーティング皮膜を形成した場合における窒化処理層の深さと疲労強度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…マンドレル
２…成形ロール
３…受けロール
４…リング状粗材
１３…インプレッション部（係合凹部）
１４…窒化処理層
１５…硬質コーティング皮膜
Claims (3)
- リング状粗材の孔内に挿入され、該粗材の外面に配設される成形ロールとで該粗材を回転鍛造するリングローリング用マンドレルにおいて、
上記粗材に接触する成形部位の表面に窒化処理層が形成されるとともに、該窒化処理層の表面に、少なくとも該窒化処理層よりも硬度の高い硬質コーティング皮膜が形成されており、
前記窒化処理層の最表面から２００μｍ深さまでの範囲において、白層部の占める面積率が５．０％以下であり、
前記窒化処理層の深さが該窒化処理層の最表面から７５μｍ以下であることを特徴とするリングローリング用マンドレル。 - 前記窒化処理層の深さは該窒化処理層の最表面から５０μｍ未満であることを特徴とする請求項１記載のリングローリング用マンドレル。
- 光学顕微鏡レベル（４００倍）の目視にて前記窒化処理層中に前記白層部が認められないことを特徴とする請求項１又は２記載のリングローリング用マンドレル。
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