(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量比でＣ：０．５〜０．６％、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｍｏ：２．０〜４．０％、Ｗ：１．０〜３．０％、Ｖ：０．５〜２．０％、Ｃｏ：０．５〜１．５％を含み残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる金型基材の表面を面粗度調整し、一次素材を得る第一工程と、
該一次素材の表面に真空ガス法により窒化層を形成し、二次素材を得る第二工程と、
該二次素材の表面を洗浄し、三次素材を得る第三工程と、
該三次素材の表面に物理蒸着法により窒素を含有する硬化膜を形成し、熱間および温間鍛造用金型を得ることを特徴とする熱間又は温間加工用金型の複合表面処理方法。
【請求項２】
前記硬化膜は窒化クロム又は窒化チタンアルミからなることを特徴とする請求項１記載の熱間又は温間加工用金型の複合表面処理方法。
【請求項３】
金型基材はロックウェル硬さが５０以上であり、面粗度調整は表面あらさがＲｚ＝６．３以下まで行い、窒化層の厚みは２０μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の熱間又は温間加工用金型の複合表面処理方法。
【請求項４】
洗浄は電解法により行うことを特徴とする請求項１、２又は３記載の熱間又は温間加工用金型の複合表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間又は温間鍛造等に用い得る熱間又は温間加工用金型の複合表面処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特公平３−１７８９１号公報に冷間加工用金型が開示されている。この冷間加工用金型は、冷間工具鋼からなる金型基材を用意し、この金型基材の表面に金型基材の焼きもどし温度よりも低い温度で窒化層を形成した後、窒化層の表面に物理蒸着法により窒化チタン（ＴｉＮ）等からなる硬化層を形成することにより得られる。
【０００３】
こうして得られた金型では、冷間加工において、優れた強度、圧縮変形抵抗、耐摩耗性、耐かじり性及び耐焼付性を発揮しつつ、後加工を削減できるという効果を奏することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記金型は、被加工物の再結晶温度以下の温度で用いられる冷間加工用のものであり、それ以上の温度の熱間又は温間では用いることができない。仮にこの金型をそのまま熱間又は温間加工に用いるとすれば、金型基材が冷間加工用の例えばＪＩＳ−ＳＫＨ９からなるため、金型基材が熱によって軟化して強度低下を生じるか又はヒートクラックにより割れてしまう。また、最表面の硬化層自身も熱によって酸化しやすいため、脆くなったり、やはり剥離したりしやすい。他方、金型基材を熱間又は温間加工用とすべく、仮に例えばＪＩＳ−ＳＫＤ６１からなる金型基材を採用し、他は上記公報記載の方法で金型を得るとすると、その金型でも、最表面の硬化層は依然として酸化しやすいものであるため、やはり脆くなったり、剥離したりしやすい。このため、これらの場合には、頻繁に金型を交換する必要を生じ、型費の増加と稼働率の低下とから製品コストの高騰化を生じるとともに、製品品質劣化等のおそれもある。
【０００５】
本発明は、上記従来の実状に鑑みてなされたものであって、熱間又は温間で用いる場合において、金型の延命化を実現し、型費の低減と稼働率の向上とから製品コストの低廉化を図り得るとともに、製品品質を向上可能な金型を製造せんとすることを解決課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱間又は温間加工用金型の複合表面処理方法は、重量比でＣ：０．５〜０．６％、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｍｏ：２．０〜４．０％、Ｗ：１．０〜３．０％、Ｖ：０．５〜２．０％、Ｃｏ：０．５〜１．５％を含み残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる金型基材の表面を面粗度調整し、一次素材を得る第一工程と、
該一次素材の表面に真空ガス法により窒化層を形成し、二次素材を得る第二工程と、
該二次素材の表面を洗浄し、三次素材を得る第三工程と、
該三次素材の表面に物理蒸着（ＰＶＤ；Ｐｈｙｓｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により窒素を含有する硬化膜を形成し、熱間および温間鍛造用金型を得ることを特徴とする。
【０００７】
本発明者らの試験結果によれば、上記各工程を行うことにより、窒化層が金型基材と強力に密着するとともに硬化層が窒化層と強力に密着する。このため、最表面の硬化層が剥離しにくい。かかる理由は、（１）金型基材が重量比でＣ：０．５〜０．６％、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｍｏ：２．０〜４．０％、Ｗ：１．０〜３．０％、Ｖ：０．５〜２．０％、Ｃｏ：０．５〜１．５％を含み残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる工具鋼であることから、金型基材が熱によって軟化しにくくて強度低下を生じにくいこと、（２）金型基材の表面を適度な面粗度に調整することにより、硬化膜の密着性及び金型使用時の潤滑剤の保持力を確保すること、（３）一次素材の表面に形成された窒化層と、三次素材の表面に形成された硬化膜とが共に窒素を含有し、窒化層と硬化層とが一体になりやすいこと、（４）窒化層の表面を洗浄するため、表面が活性化されること、（５）ＰＶＤ法により硬化膜を形成するため、緻密に硬化膜を形成できるとともに、硬化膜に圧縮応力を付与して金型を保護すること等にあると考えられる。
【０００８】
したがって、得られた金型を熱間又は温間で用いれば、金型の延命化を実現し、型費の低減と稼働率の向上とから製品コストの低廉化を図り得ると共に、製品品質を向上させることができる。
金型基材を構成する熱間又は温間工具鋼としては、重量比でＣ：０．５〜０．６％、Ｃｒ：３．０〜５．０％、Ｍｏ：２．０〜４．０％、Ｗ：１．０〜３．０％、Ｖ：０．５〜２．０％、Ｃｏ：０．５〜１．５％を含み残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる工具鋼を用いる。
【０００９】
窒化層を形成する方法には、プラズマ法、塩浴法、ガス法、真空ガス法などがあるが、真空ガス法を用いる。要求される物性としては、層の深さ、硬度等がある。そして、この方法で窒化層を形成すれば、窒素イオンが一次素材に拡散し、窒化層が一次素材との間で強力に密着する。
【００１０】
硬化膜としては、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタンアルミ（ＴｉＡｌＮ）、窒化クロム（ＣｒＮ）を採用することができる。特に、金型基材がクロム（Ｃｒ）を含有し、硬化膜が窒化クロムからなることが好ましい。こうであれば、窒化層が一次素材との間に窒化クロムを形成し、さらに窒化層が硬化膜の窒化クロムと一体になりやすいと考えられる。つまり、この場合には、金型基材、窒化層及び硬化層で成分が傾斜することから、硬化層が窒化層を介して強力に金型基材と密着すると考えられる。また、窒化クロムからなる硬化層は熱によって酸化しにくいため、酸化による脆さ及び剥離しやすさを防止することができる。窒化アルミチタンからなる硬化膜も熱によって酸化しにくいため、酸化による脆さ及び剥離しやすさを防止することができる。その他の物性として、窒化クロムは、すべり性が良好であるとともに、内部応力が低く、優れた密着性が得られる。さらに、窒化クロムは、厚膜化が可能であり、断熱効果も期待できる。また、窒化クロムは、化学的安定性が高く、高温の無機物にさらされても、密着性が安定している。窒化チタンアルミは、耐熱性に優れ、膜硬度も高い。したがって、窒化クロム及び窒化チタンアルミが硬化膜として望ましい。
【００１１】
金型基材はロックウェル硬さ（ＨＲＣ）が５０以上であり、面粗度調整は表面あらさがＲＺ（十点平均あらさ）＝６．３以下まで行い、窒化層の厚みは２０μｍ以上であることが好ましい。発明者らの試験結果によれば、かかる範囲において、本発明の効果が大きい。すなわち、金型基材がＨＲＣ＝５０以上であれば、金型基材が強度低下を生じにくいため、硬化層の密着力が大きく向上する。また、表面あらさがＲＺ＝６．３以下まで面粗度調整を行えば、硬化層の密着力が大きく向上する。なお、窒化層の厚みが２０μｍ以上であれば熱間加工時の硬度低下を抑制できる。
【００１２】
洗浄を行う場合、塩酸、硫酸、硝酸、フッ酸等の活性化液を用いた電解法やイオンボンバード法は窒化層の表面を活性化し、密着性を上げるために不可欠である。
ＰＶＤ法としては、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等を採用することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施例を試験により説明する。
【００１４】
【実施例１】
（第一工程）
まず、熱間工具鋼として、ＨＲＣ＝５８であり、表１に重量％で成分を示すＹＸＲ３３相当のインゴッドを用意する。
【００１５】
【表１】
0003562941.tif 000002
このインゴッドを所定形状に切削加工して金型素材とする。
【００１６】
次いで、金型基材の表面をダイヤモンドペースト（＃３，０００）にて面粗度調整し、表面あらさをＲＺ＝６．３以下とした一次素材を得る。
（第二工程）
一次素材の表面に真空ガス法により厚み２０μｍの窒化層を形成し、二次素材を得る。真空ガス法の条件は以下の通りである。
【００１７】
ガス圧；０．５Ｔｏｒｒ
使用ガス；Ｎ２＋ＮＨ３＋Ｏ２＋Ｎ−（活性窒素）
温度、時間；５３０°Ｃ×５時間
（第三工程）
二次素材の表面を通常のアルカリ脱脂後、３５％塩酸を３００ｍｌ／ｌに調整した活性化液に室温で３０秒間浸漬し、三次素材を得る。
（第四工程）
三次素材の表面にマルチアーク法によりＣｒＮ（原子比１：１）からなる硬化膜を５μｍ形成する。マルチアーク法の条件は以下の通りである。
【００１８】
ガス圧；１０〜４０ｍＴｏｒｒ
アーク電流；１００〜２００Ａ
基板電圧；２０〜３００Ｖ
こうして、図１に示すように、金型基材１と、この金型基材１の表面に形成された窒化層２と、窒化層２の表面に形成された硬化膜３とからなる熱間鍛造用金型を得る。
「試験１」
硬化膜として、実施例１のＣｒＮの他、ＴｉＮ（原子比１：１）、ＴｉＣＮ（原子比１：１：１）、ＴｉＣ（原子比１：１）、ＴｉＡｌＮ（原子比１：１：１）を用い、比較試験を行った。評価は、白金板にこれらを実施例１と同様に５μｍ形成し、酸化雰囲気の電気炉において１時間加熱した後の重量増加により行った。結果を図２に示す。
【００１９】
図２より、ＣｒＮ及びＴｉＡｌＮは熱によって酸化しにくいため、酸化による脆さ及び剥離しやすさを防止できることがわかる。発明者らの試験結果によれば、ＣｒＮでは表面に緻密で安定なクロム酸化膜が形成され、それ以上内部に酸化が進行しにくいからであると考えられる。これは金型の耐熱性を高めることも意味する。
「試験２」
上記各硬化膜について硬度を比較した。評価は、白金板にこれらを実施例１と同様に１０μｍ形成し、マイクロビッカース硬度計（（株）明石製作所製）により硬度を測定した。結果を図３に示す。
【００２０】
図３より、ＣｒＮは、Ｈｖ１５００程度であって超硬合金程度の硬度を示してはいるが、比較的軟らかいため、衝撃に対して優れた靱性を発揮し、被加工物に対するダメージが小さいことがわかる。
「試験３」
上記各硬化膜のうち、ＣｒＮとＴｉＮとについて、ヤング率を測定した。ＣｒＮのヤング率は２５０００ｋｇｆ／ｍｍ２であるのに対し、ＴｉＮのヤング率は４３０００ｋｇｆ／ｍｍ２であった。
【００２１】
このため、ＣｒＮは形成時に発生する内部応力が小さいため、自己破壊的な力が作用せず、高い密着力を発揮できることがわかる。また、このため、ＣｒＮは高膜厚化が可能であり、これによって金型の断熱による保護を実現できる。
「試験４」
上記各硬化膜のうち、ＣｒＮとＴｉＮとＴｉＣＮとについて、摩擦係数を測定した。ＣｒＮの摩擦係数は０．２７であるのに対し、ＴｉＮの摩擦係数は０．４５であり、ＴｉＣＮの摩擦係数は０．３７であった。
【００２２】
このため、ＣｒＮは比較的滑り易い硬化膜となり、被加工物に対するダメージを小さくできる。
【００２３】
【実施例２】
ＨＲＣ＝５０のＹＸＲ３３相当からなる金型基材を採用し、他は上記実施例１と同様の方法で金型を得る。
【００２４】
【実施例３】
ＨＲＣ＝５５のＪＩＳ−ＳＫＤ６１からなる金型基材を採用し、他は上記実施例１と同様の方法で金型を得る。
「試験５」
実施例１〜３の金型について、金型基材の硬度と硬化膜の密着力との関係を求めた。密着力は、先端径０．２ｍｍのダイヤモンド圧子で各金型の表面を連続的に荷重を変化させながら引っ掻き、生じる溝に硬化膜の剥離がどの荷重で生じるかにより測定した。結果を図４に示す。
【００２５】
図４より、金型基材がＨＲＣ＝５０以上であれば硬化膜は充分な密着力が得られることがわかる。
「試験６」
金型基材の表面あらさの程度を異ならせ、他の条件は実施例１と同様として、表面あらさと硬化膜の密着力との関係を求めた。密着力は試験５と同様に測定した。ここで、ＲＺ＝１００はミーリング法、ＲＺ＝２５はワイヤーカット放電法、ＲＺ＝６．３はグラインダー法、ＲＺ＝１．３５は研磨材（＃２４０）、ＲＺ＝０．８は研磨材（＃４００）、ＲＺ＝０．４は研磨材（＃６００）、ＲＺ＝０．２は研磨材（＃１，２００）、ＲＺ＝０．１は研磨材（＃３，０００）により、面粗度調整したものである。結果を図５に示す。図中、エッジにおける密着力はハッチングまでの高さで示し、溝における密着力は白い部分を加算した高さで示す。
【００２６】
図５より、表面あらさがＲＺ＝６．３以下まで面粗度調整を行えば、硬化層の密着力が大きく向上することがわかる。
「試験７」
窒化層の厚みを異ならせ、他の条件は実施例１と同様として、窒化層の厚みと硬化膜の密着力との関係を求めた。密着力は試験５と同様に測定した。結果を図６に示す。
【００２７】
図６より、窒化層の厚みが２０μｍ以上であれば硬化層の密着力にほとんど差異を生じないことがわかる。
以上より、本発明で得られた金型を熱間又は温間で用いれば、金型の延命化を実現し、型費の低減と稼働率の向上とから製品コストの低廉化を図り得るとともに、製品品質を向上させることができることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の金型の断面図である。
【図２】試験１に係り、硬化膜と酸化増加量との関係を示すグラフである。
【図３】試験２に係り、硬化膜と硬度との関係を示すグラフである。
【図４】試験５に係り、実施例１〜３の金型における硬化膜の密着力を示すグラフである。
【図５】試験６に係り、表面あらさと金型における硬化膜の密着力との関係を示すグラフである。
【図６】試験７に係り、窒化層の厚みと金型における硬化膜の密着力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…金型基材
２…窒化層
３…硬化膜
【図１】
0003562941.tif 000003
【図２】
0003562941.tif 000004
【図３】
0003562941.tif 000005
【図４】
0003562941.tif 000006
【図５】
0003562941.tif 000007
【図６】
0003562941.tif 000008