Warm working method of stainless steel foil and mold for warm working

本発明は、ステンレス鋼箔に対して絞り加工を行うステンレス鋼箔の温間加工方法及び温間加工用金型に関する。

従来用いられていたこの種のステンレス鋼箔の温間加工方法としては、下記の特許文献１に示されている構成を挙げることができる。 特許文献１には、厚さが８００〜１０００μｍ程度のオーステナイト系のステンレス鋼板に絞り加工を施す際に、パンチを０〜３０℃に冷却するとともに、板押えを６０〜１５０℃に加熱することが開示されている。

本発明者らは、特許文献１に記載されたような絞り加工を厚さが３００μｍ以下の薄いステンレス鋼箔に対して適用することを検討したが、以下の課題が生じた。 すなわち、特許文献１に記載された方法は、厚さが８００〜１０００μｍ程度の比較的厚いステンレス鋼板に対する加工方法であり、当該方法を厚さが３００μｍ以下の薄いステンレス鋼箔に単純に適用しても、割れが生じて深絞りが実現できない場合があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、厚さが３００μｍ以下の薄いステンレス鋼箔であっても、割れの発生を抑えることができ、より確実に深絞りを実現できるステンレス鋼箔の温間加工方法を提供することである。

本発明に係るステンレス鋼箔の温間加工方法は、厚さが３００μｍ以下のオーステナイト系のステンレス鋼箔をパンチに対向するように配置し、パンチの肩部が接触するステンレス鋼箔の環状領域を３０℃以下とするとともに、環状領域の外部領域を４０℃以上かつ１００℃以下の温度とした状態で、ステンレス鋼箔に対して絞り加工を施す。

また、本発明に係るステンレス鋼箔の温間加工用金型は、パンチと、パンチの外周位置に配置されたブランクホルダと、ブランクホルダと対向して配置されるダイとを備え、厚さが３００μｍ以下のオーステナイト系のステンレス鋼箔をブランクホルダ及びダイにより挟持した状態で、パンチとともにステンレス鋼箔をダイの内側に押し込むことでステンレス鋼箔に対して絞り加工を施すための金型であって、パンチには冷却手段が設けられており、ブランクホルダ及びダイには加熱手段が設けられており、パンチの肩部が接触するステンレス鋼箔の環状領域を３０℃以下とするとともに、ブランクホルダとダイとにより挟持される環状領域の外部領域を４０℃以上かつ１００℃以下の温度とした状態で、ステンレス鋼箔に対して絞り加工を施す。

本発明のステンレス鋼箔の温間加工方法によれば、パンチの肩部が接触するステンレス鋼箔の環状領域を３０℃以下とするとともに、環状領域の外部領域を４０℃以上かつ１００℃以下の温度とした状態で、ステンレス鋼箔に対して絞り加工を施すので、厚さが３００μｍ以下の薄いステンレス鋼箔であっても、割れの発生を抑えることができ、より確実に深絞りを実現できる。

本発明の実施の形態１によるステンレス鋼箔の温間加工方法の実施に用いられる温間加工用金型を示す構成図である。

板厚の違いによる限界絞り比の相違を示すグラフである。

板厚の違いによる温度上昇の相違を示すグラフである。

板厚の違いによる引張強さ変化の相違を示すグラフである。

本発明の実施の形態２によるステンレス鋼箔の温間加工方法の実施に用いられる温間加工用金型を示す構成図である。

断熱プレートの有無によるブランクホルダの温度分布の差異を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるステンレス鋼箔の温間加工方法の実施に用いられる温間加工用金型１を示す構成図である。 図に示すように、温間加工用金型１には、ステンレス鋼箔２を挟むように配置された下型１０及び上型１５が設けられている。 下型１０には、ベッド１１と、ベッド１１に固定されたパンチ１２と、パンチ１２の外周位置に配置されるとともにクッションピン１３を介してベッド１１に連結されたブランクホルダ１４とが設けられている。 上型１５には、スライド１６と、ブランクホルダ１４の上方に配置されるとともにスペーサ１７を介してスライド１６に固定されたダイ１８とが設けられている。

スライド１６には、図示しないサーボモータが接続されている。 スライド１６、スペーサ１７、及びダイ１８、すなわち上型１５は、サーボモータからの駆動力により、下型１０に対して近づく方向及び離れる方向に一体に駆動される。 ステンレス鋼箔２がパンチ１２に対向されるように配置された後に、上型１５が下型１０に対して近づく方向に変位されることで、パンチ１２がステンレス鋼箔２とともにダイ１８の内側に押し込まれ、ステンレス鋼箔２に対して絞り加工が施される。

パンチ１２には、図示しない外部冷媒系に接続された導入路１２ａと、導入路１２ａを通して冷媒が導入される冷却室１２ｂと、冷却室１２ｂからの冷媒を排出する排出路１２ｃとからなる冷却手段が設けられている。 すなわち、パンチ１２は、冷却室１２ｂへの冷媒の導入により冷却可能とされている。 この冷却されたパンチ１２がステンレス鋼箔２に接触されることにより、パンチ１２の肩部１２ｄが接触するステンレス鋼箔２の環状領域２ａが冷却される。 なお、ステンレス鋼箔２の冷却範囲は、少なくとも環状領域２ａが冷却されればよく、環状領域２ａだけでなく環状領域２ａの内側領域を含めて冷却してもよい。 本実施の形態では、パンチ１２によりステンレス鋼箔２を冷却するように構成しているため、環状領域２ａだけではなく、環状領域２ａの内部領域まで冷却される。

図示はしないが、スプリング等を介してスライドに連結されたカウンターパンチをパンチに対向する位置に配置するとともに、冷媒が導入される冷却室をカウンターパンチに設けることで、ステンレス鋼箔２の冷却効果をより高めることができる。

ブランクホルダ１４及びダイ１８には、これらブランクホルダ１４及びダイ１８を加熱するためのヒータ１４ａ，１８ａ（加熱手段）が内蔵されている。 これらの加熱されたブランクホルダ１４及びダイ１８によってステンレス鋼箔２が挟持されることにより、環状領域２ａの外部領域２ｂが加熱される。

ステンレス鋼箔２は、例えば樹脂層等の付加層が表裏両面に設けられていないオーステナイト系ステンレス鋼の裸材である。 ステンレス鋼箔２としては、厚さが３００μｍ以下の薄いものが用いられる。

次に、図１の温間加工用金型１を用いてのステンレス鋼箔２の温間加工方法について説明する。 まず、上型１５が下型１０から離間されている状態のときに、パンチ１２に対向するようにステンレス鋼箔２をパンチ１２及びブランクホルダ１４の上に載置して、その後にブランクホルダ１４及びダイ１８によりステンレス鋼箔２が挟持される位置まで上型１５を降下させる。 仮にパンチ１２が上方に配置されるとともにダイ１８が下方に配置されている場合には、ステンレス鋼箔２はダイ１８上に載置される。

このとき、パンチ１２を冷却するとともにブランクホルダ１４及びダイ１８を加熱することで、ステンレス鋼箔２の環状領域２ａを３０℃以下かつ０℃以上にするとともに、ステンレス鋼箔２の外部領域２ｂを４０℃以上かつ１００℃以下、好ましくは６０℃以上かつ８０℃以下とする。

環状領域２ａを３０℃以下としているのは、３０℃よりも高くすると、マルテンサイト変態による破断強度の上昇が十分に得られなくなるためである。 また、環状領域２ａを０℃以上としているのは、環状領域を０℃未満にすると、パンチ１２や環状領域に霜が付着して成型品の形状性を損なうためであるとともに、離型時に温度収縮により成型品が潰れるおそれがある。

外部領域２ｂを４０℃以上としているのは、外部領域２ｂの温度を４０℃未満にすると、マルテンサイト変態による硬質化を抑止する効果が十分に得られないためである。 また、外部領域２ｂを１００℃以下としているのは、外部領域２ｂの温度を１００℃よりも高くすると、外部領域２ｂの温度が環状領域２ａに伝わることで環状領域２ａの温度が高くなってしまい、マルテンサイト変態によるパンチ部の破断強度の上昇が十分に得られなくなるためである。

後述のように、外部領域２ｂの温度を６０℃以上かつ８０℃以下とすることで、より大きな絞り比（素材の直径／加工品の直径）での加工が可能となる。 ６０℃以上とすることで、マルテンサイト変態による硬質化を抑止する効果をより確実に得られるとともに、８０℃以下とすることで、環状領域２ａの温度上昇を抑えることができるためである。

また、外部領域２ｂの温度を４０℃以上かつ６０℃未満とすることで、深絞りを可能としつつ、温間加工用金型１の温度回復に必要とされる時間（ステンレス鋼箔２に接することで温度が下がったブランクホルダ１４及びダイ１８の温度を再び４０℃以上かつ６０℃未満の温度にするための時間）を短縮でき、加工効率を向上できる。

環状領域２ａ及び外部領域２ｂの温度を上述のような温度とした後に、上型１５をさらに降下させる。 これにより、パンチ１２がステンレス鋼箔２とともにダイ１８の内側に押し込まれ、絞り加工が実施されて、ステンレス鋼箔２がハット形状に成形される。 このような絞り加工の全体を通して、パンチ１２、ダイ１８及びステンレス鋼箔２に潤滑油を供給する。

次に、図２は板厚の違いによる限界絞り比の相違を示すグラフであり、図３は板厚の違いによる温度上昇の相違を示すグラフであり、図４は板厚の違いによる引張強さ変化の相違を示すグラフである。

本発明者らは、実施例として、厚さが１００μｍのステンレス鋼箔２の絞り加工を行った。 また、比較例として、厚さが８００μｍのステンレス鋼板の絞り加工も行った。 そして、ステンレス鋼箔２及びステンレス鋼板の直径を変えつつ、外部領域２ｂ（ブランクホルダ１４及びダイ１８）の温度を４０℃から１２０℃まで変化させ、割れが発生しない限界の絞り比（素材の直径／加工品の直径）を調査した。 なお、パンチ１２の直径は４０．０ｍｍとし、パンチ肩Ｒは２．５ｍｍとし、ダイ１８の内径は４０．４ｍｍとし、ダイ肩Ｒは２．０ｍｍとし、環状領域２ａ（パンチ１２）の温度は１０〜２０℃とした。

図２に示すように、厚さが１００μｍのステンレス鋼箔２の場合、外部領域２ｂの温度を４０℃以上かつ１００℃以下とすることで、十分な深絞りを実現できることが判った。 特に、外部領域２ｂの温度を６０℃以上かつ８０℃以下とすることで、より大きな絞り比の絞り加工が可能であることが判った。

一方で、厚さが８００μｍのステンレス鋼板の場合、上述の厚さが１００μｍのステンレス鋼箔２と同程度の深絞りを行うためには、外部領域２ｂの温度を８０℃以上かつ１６０℃以下とする必要があった。 すなわち、厚さが１００μｍのステンレス鋼箔２の最適な加工温度は、厚さが８００μｍのステンレス鋼板の最適な加工温度よりも低温側にシフトすることが判った。 この比較により、厚さが８００μｍのステンレス鋼板の加工方法を、厚さが１００μｍのステンレス鋼箔２に単純に適用しても深絞りが実現できないことが確認された。

なお、最適な加工温度が低温側にシフトするのは、以下の理由によるものと考えられる。 すなわち、図３に示すように、厚さが１００μｍのステンレス鋼箔２は、厚さが８００μｍのステンレス鋼板よりも熱伝導性が高い。 換言すれば、厚さが１００μｍのステンレス鋼箔２は、外部領域２ｂの熱が環状領域２ａに伝わり易いという特性を有する。 このため、厚さが１００μｍのステンレス鋼箔２において外部領域２ｂの温度を高くし過ぎると、環状領域２ａの温度が高くなってしまい、マルテンサイト変態による破断強度上昇という効果が十分に得られなくなってしまう。 従って、厚さが１００μｍのステンレス鋼箔２の場合、厚さが８００μｍのステンレス鋼板よりも低い温度でなければ加工性が低下してしまうため、最適な加工温度が低温側にシフトしていると考えられる。

また、図４に示すステンレス鋼箔２の引張強さ変化とステンレス鋼板の引張強さ変化とを比較すると、前者のほうが低温域での引張強さの変化が大きいことが判る。 このため、厚さが１００μｍのステンレス鋼箔２の場合、厚さが８００μｍのステンレス鋼板と比較して１／２以下の加熱量で、厚さが８００μｍのステンレス鋼板と同程度の強度差を得ることができる。 すなわち、厚さが１００μｍのステンレス鋼箔２の場合、厚さが８００μｍのステンレス鋼板よりも低い温度で軟化させることができるため、最適な加工温度が低温側にシフトしていると考えられる。

図２〜図３を用いた説明では、厚さが１００μｍのステンレス鋼箔２について述べているが、厚さが３００μｍ以下のステンレス鋼箔２であれば同じ温度域で十分な深絞りを実現できる。 これは、厚さが３００μｍ以下のステンレス鋼箔２であれば、引張強さ変化に対する熱影響度が厚さ１００μｍのステンレス鋼箔２と同じ傾向を示すためである。 なお、温間加工用金型１によって加工できるものであれば、厚さが５μｍ以下の極めて薄いステンレス鋼箔２についても同じ温度域で十分な深絞りを実現できる。

このようなステンレス鋼箔２の温間加工方法及び温間加工用金型１では、パンチ１２の肩部１２ｄが接触するステンレス鋼箔２の環状領域２ａを３０℃以下とするとともに、環状領域２ａの外部領域２ｂを４０℃以上かつ１００℃以下の温度とした状態で、ステンレス鋼箔２に対して絞り加工を施すので、ステンレス鋼箔に対して絞り加工を施すので、厚さが３００μｍ以下の薄いステンレス鋼箔であっても、割れの発生を抑えることができ、より確実に深絞りを実現できる。 このような温間加工方法は、重量を抑えつつ強度が必要となる例えば電池カバー等の容器を製造する際に特に有用である。

また、ステンレス鋼箔２に対して絞り加工を施す際に、外部領域２ｂの温度を６０℃以上かつ８０℃以下とするので、より大きな絞り比での加工が可能となる。

さらに、ステンレス鋼箔２に対して絞り加工を施す際に、外部領域２ｂの温度を４０℃以上かつ６０℃未満とするので、深絞りを実現しつつ温間加工用金型１の温度回復に必要とされる時間を短縮でき、加工効率を向上できる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２によるステンレス鋼箔の温間加工方法の実施に用いられる温間加工用金型１を示す構成図である。 図５に示すように、本実施の形態２の温間加工用金型１では、パンチ１２の外周面と対向するブランクホルダ１４の内周部に、主基材がガラス繊維、主材料がホウ酸塩系バインダにより構成される断熱プレート１９（断熱部材）が設けられている。 その他の構成は実施の形態１と同様である。

次に、図６は、断熱プレート１９の有無によるブランクホルダ１４の温度分布の差異を示す説明図であり、（ａ）は断熱プレート１９が設けられていない場合の温度分布を示し、（ｂ）は断熱プレート１９が設けられた場合の温度分布を示している。 図６の（ａ）及び（ｂ）のいずれも、設定温度を７０℃として３０分間放置した後のブランクホルダ１４の表面温度を接触式温度計により測定した結果を示している。

図６の（ａ）に示すように、断熱プレート１９が設けられていない構成では、ブランクホルダ１４の表面温度の偏りが最大で３０℃にも及んでいた。 なお、図中上部の温度が低いのは、同部分に制御用熱電対やヒータ１４ａの引出し部が設けられているためである。 一方で、図６の（ｂ）に示すように、ブランクホルダ１４の内周部に断熱プレート１９が設けられた構成では、温度分布が極めて小さくなっていた。 これは、内周部に断熱プレート１９が設けられていることで、ブランクホルダ１４の中央の孔部（パンチ１２が挿入される孔）にヒータ１４ａの熱が逃げずに、ヒータ１４ａの熱がブランクホルダ１４の全体に均一に拡がったためと考えられる。 この温度分布から、ブランクホルダ１４の内周部に断熱プレート１９が設けられることで、ブランクホルダ１４の熱がパンチ１２に伝わりにくくなることが分る。

次に、実施例を説明する。 本発明者は、図５の温間加工用金型１（断熱構造有り）と図１の温間加工用金型１（断熱構造無し）とを用いて、厚さが１００μｍのステンレス鋼箔２の絞り加工を３０秒間隔で連続的に実施した。 連続絞り加工では、外部領域２ｂ（ブランクホルダ１４及びダイ１８）の設定温度を７０℃とし、環状領域２ａ（パンチ１２）の設定温度を１０〜２０℃とした。 そして、連続プレス加工の可否を調査した。 その結果を下記の表１に示す。

なお、加工形状は角筒形状の成形高さ４０ｍｍとし、パンチ１２の形状は９９．６４×１４９．６４ｍｍとし、パンチ肩Ｒは３．０ｍｍとし、パンチコーナーＲは４．８２ｍｍとし、ダイ１８の形状は１００×１５０ｍｍとし、ダイ肩Ｒは３．０ｍｍとし、ダイコーナーＲは５．０ｍｍとしている。

表１に示すように、図５の温間加工用金型１（断熱構造有り）と図１の温間加工用金型１（断熱構造無し）との連続プレス加工の結果を比較すると、前者の方が連続プレス可能枚数が多いことが分かる。 これは、ブランクホルダ１４の内周部に断熱プレート１９を設けることで、ブランクホルダ１４の熱によりパンチ１２の温度が上昇することを回避して、環状領域２ａ及び外部領域２ｂの温度の関係をより適切に維持できるためと考えられる。 連続プレス前後でのパンチ１２の温度を実測したところ、図５の温間加工用金型１（断熱構造有り）の方が温度変化が少なく安定していた。

このようなステンレス鋼箔２の温間加工方法及び温間加工用金型１では、ランクホルダ１４の内周部に断熱プレート１９を設けるので、ブランクホルダ１４の熱によりパンチ１２の温度が上昇することを回避でき、短い間隔での連続的な絞り加工をより確実に行うことができる。

１ 温間加工用金型 ２ ステンレス鋼箔 ２ａ 環状領域 ２ｂ 外部領域 １２ パンチ １２ｄ 肩部 １９ 断熱プレート（断熱部材）