(57)【要約】  本発明により開示されたＣｒＳｉＮ被覆の熱間成形工具は、強化された耐摩耗性、耐酸化性および耐付着摩耗性を有するため、より長い寿命およびより優れた性能を示す。このＣｒＳｉＮ被膜は、被加工物がＡｌＳｉ被覆の金属板および/または１５００ＭＰａ以上の強度を有する金属板である場合に、金属板熱間成形プロセスの性能を向上させるのに、特に有用である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣｒＳｉＮ硬質被膜を有する金属板熱間成形工具。
【請求項２】
前記ＣｒＳｉＮ硬質被膜は、薄膜におけるＳｉの含量が０より大きくかつ１５ａｔ％以下であって、好ましくは２〜１０ａｔ％、より好ましくは３〜８ａｔ％であることを特徴とする、請求項１に記載の工具。
【請求項３】
前記工具の基材は、熱伝導性のある熱間成形鋼または窒化鋼または浸炭窒化鋼または任意の他の種類の表面前処理鋼である、請求項１および２に記載の工具。
【請求項４】
前記工具の基材は非窒化鋼である、請求項１および２に記載の工具。
【請求項５】
前記ＣｒＳｉＮ硬質被膜は、アークイオンプレーティングにより形成される、請求項１から４に記載の工具。
【請求項６】
被加工物を処理するための金属板熱間成形プロセスであって、請求項１から５に記載の工具を使用する、金属板熱間成形プロセス。
【請求項７】
前記被加工物は、ＡｌＳi被覆の金属板である、請求項６に記載の金属板熱間成形プロセス。
【請求項８】
前記被加工物は、約１５００ＭＰａ以上の強度を有する金属板である、請求項６から７に記載の金属板熱間成形プロセス。
【請求項９】
金属板熱間成形工具の被膜としてのＣｒＳｉＮ硬質被膜の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
近年、新たな部品、特に自動車部品を製造するために、金属板熱間成形プロセスの使用は、大幅に増加している。よって、このようなプロセスにより生じた課題に注目する必要がある。本発明は、熱間成形工具の寿命および性能を向上させることのできるＣｒＳｉＮ被膜システムの使用に関する。また、それによって、このような作業における摩擦の度合いを非常によく制御することも達成した。
【背景技術】
【０００２】
従来技術
近年、自動車の軽量化を図るため、高強度の鋼板が自動車部品を製造するのにますます使用され、それによって、環境問題を軽減するとともに衝突安全性を向上させている。多くの自動車部品および構造部材は、それらの製造に使用される高強度鋼板の厚さを減少させることによって大幅に軽量化することができる。欧州では、１５００ＭＰａ程度の強度を有する自動車用構造部材を製造するために、たとえば金型焼入れ、熱間成形、熱間スタンピングまたは熱間プレスと呼ばれる金属板熱間成形方法が使用される。この方法により、鋼板をオーステナイト温度範囲内の温度、たとえば約９００℃まで加熱した後、焼入れをすることにより、鋼板の強度を増加させる。加熱された鋼板が、加熱炉から取出され、プレス機に移され、室温に保たれた金属板熱間成形工具を用いて所定の形状に成形され、それによって焼入れされる。成形作業において、プレス機は、鋼板の全体が十分に焼入れされるまで、下死点に維持される（Ｓｅｎｕｍａ，Ｔ．：ＩＳＩＪ  Ｉｎｔ.  ４１，５２０（２００１））。
【０００３】
一般的に、鋼板は、その強度が高くなるにつれて、成形性が悪くなる。この問題を克服するために、さまざまな種類の高強度鋼板製品が開発されている。たとえば、制御された微細構造を有する高強度鋼板、または、Ｚｎ被膜、ＡｌＺｎ被膜もしくはＡｌＳｉ被膜を有する高強度鋼板が開発されている。しかしながら、このような努力にもかかわらず、鋼板の強度が約１５００ＭＰａまで高くなると、複雑な形状のプレス成形は困難である（Ｓｅｎｕｍａ，Ｔ．：ＩＳＩＪ  Ｉｎｔ.  ４１，５２０（２００１））。
【０００４】
このような応用に応えるために、欧州では、ＵＳＩＢＯＲ  １５００（ＡｌＳｉ被覆）と呼ばれるアルミニウム処理された鋼板製品が開発された。この鋼板製品は、優れた熱間プレス特性および耐食特性を有する。
【０００５】
しかしながら、金属被覆鋼板は、この非常に有望な特性にもかかわらず、軟質金属被膜が工具の表面に付着する傾向が強いため、成形作業中多くの潤滑を必要とする。いくつかの連続成形サイクル後、付着物は、成形された製品に擦り傷をもたらし、最終的にクラックを引起す可能性がある。この問題は、しばしば焼付きと呼ばれている。
【０００６】
さらに、必要とされた潤滑は、作業場の環境を悪化させる虞があり、また、成形された部品から潤滑油を除去するために、健康に悪い脱脂剤が必要とされる。
【０００７】
被覆金属板を用いる金属板熱間成形プロセスの現行性能を改善するための１つの発想は、低摩擦／高耐摩耗性のＰＶＤ被膜を金属板熱間成形工具上に適用することである。文献（Ｃｌａｒｙｓｓｅ，Ｆ．など：Ｗｅａｒ  ２６４（２００８）４００〜４０４）によれば、基本的には、２つの異なるタイプのＰＶＤ被膜、すなわち、窒化物系被膜（たとえば、ＣｒＮおよびＴｉＡｌＮ）、および、炭素系層またはＭｏＳ２系層などの固体潤滑剤（たとえば、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）および金属−ＭｏＳ２複合物）が知られている。
【０００８】
さらに、Ｆｒａｎｃｉｓ  Ｃｌａｒｙｓｓｅなど（Ｃｌａｒｙｓｓｅ，Ｆ．など：Ｗｅａｒ  ２６４（２００８）４００〜４０４）は、焼付きに対する被膜の反応をテストするために特別に設計された試験において、異なる被膜システムの挙動を調べた。彼らは、炭素系複合層（ＤＬＣタイプおよびＷＣ／Ｃ）が焼付きに対して優れた耐性を有することを観察した。したがって、彼らは、ＣｒＮ、ＴｉＮおよびＣｒＮ／ＴｉＣｒＮなどの典型的な硬質被膜の代わりに、このような種類の工具被膜を使用することを薦めている。
【０００９】
金属板熱間成形工具の性能を向上させ、それによって製造された部品の表面品質を向上させるための他の既知の発想は、金属板熱間成形工具の窒化および浸炭窒化を行うとともに、プラズマ処理および微細構造などのような他の種類の表面処理を金属板熱間成形工具に対して行うことである。
【００１０】
しかしながら、上述した発想を用いて得られた金属板熱間成形工具のより優れた性能は、金属板熱間成形プロセスによって被覆された高強度金属板の加工品質を十分に改善していない。特に、ＵＳＩＢＯＲ  １５００のようなＡｌＳｉ被覆の高強度鋼板を使用する際に、焼付き現象が十分に低減されず、引続き問題となっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
発明の目的
本発明の目的は、工具の金型寿命および性能を十分に向上させる被膜を有する金属板熱間成形工具を提供することである。この被膜は、十分な耐研磨摩耗性、十分な耐付着摩耗性および十分な温度安定性を与えるであろう。基本的には、この被膜は、現在使用されている被膜と比較して、金属板熱間形成作業後にＡｌＳｉ被覆鋼板で観察された焼付きに対する保護を改善するであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明の説明
本発明によれば、熱間成形工具は、ＣｒＳｉＮ被膜で被覆されている。本発明の発明者らは、ＣｒＳｉＮ被膜が金属板熱間成形プロセスに使用された金属板熱間成形工具の耐用寿命および性能を大幅に向上させることを観察した。
【００１３】
今までは、ＣｒＳｉＮ被膜は、作業の要求および総体応力が熱間成形工具用の保護被膜とは全く異なる場合、または、前述したように、たとえばＡｌＳｉ被覆鋼板を被加工物として使用するときに生じる焼付き現象が１つの重大な問題となっている場合の、ドライ加工用工具の保護被膜として使用されることが知られている（ＪＰ２００５１８６１８４）。
【００１４】
本発明に従って適用されたＣｒＳｉＮ被膜は、非常に良好な耐研磨摩耗性、優れた温度安定性および金属板熱間成形工具表面上のＡｌＳｉ付着を減少する極めて優れた性能を示し、したがって、ＡｌＳｉ被覆鋼板から金属板熱間成形作業を介して製造された部品の表面に通常見られる焼付き問題の非常に良い解決策となる。好ましくは、４μｍ〜８μｍの膜厚を有するＣｒＳｉＮが基材上に塗布される。
【００１５】
本発明によれば、ＣｒＳｉＮ被膜は、物理蒸着（ＰＶＤ）法、特にリアクティブアークイオンプレーティングにより金属板熱間成形工具上に堆積される。異なる含量のＣｒおよびＳｉにより合金されたＣｒ：Ｓｉ目的物が、ＣｒＳｉＮ被膜の堆積材料源として使用された。この目的物は、窒素雰囲気中で活性化され、工具表面上にＣｒＳｉＮ被膜を形成した。
【００１６】
基材（試料および金属板熱間成形工具または熱間スタンピング工具）を被膜するために、バルザース（Ｂａｌｚｅｒｓ）社のイノーバ（Ｉｎｎｏｖａ）コーティング機を使用した。窒化鋼および非窒化鋼からなる金属板熱間成形または熱間スタンピング工具ならびに異種の金属からなる試料は、アークイオンプレーティングＰＶＤ工程により、コーティング機の真空チャンバ内で加熱され、エッチングされおよび被覆された。堆積中、基材は連続して回転させられた。被覆工程では、窒素が真空チャンバ内に導入され圧力を約２×１０−２ミリバールに維持し、６つの、組成が９５：５ａｔ％であるＣｒ：Ｓｉ合金ターゲットが活性化され、４０ＶのＤＣバイアス電圧が印加された。
【００１７】
なお、アーク蒸発プロセスは、ＣｒＳｉＮ層におけるいわゆる液滴をもたらす。これらの液滴は、反応性ガス、本実施形態ではたとえば窒素と完全に反応しなかった金属成分を含む粒子である。本発明の発明者らは、アーク蒸発によって板熱間成形工具にＣｒＳｉＮ被膜を形成することが好ましいということを見出した。その理由は、被膜に存在しても限られた数の液滴にある可能性がある。
【００１８】
ＣｒＳｉＮ被覆の熱間スタンピング工具は、膜厚約３０μｍのＡｌ−Ｓｉ系被膜を有する細粒子ホウ素入り鋼に存在しているＵｓｉｂｏｒ  １５００Ｐ（登録商標、アルセロール社）の金属板熱間成形により検証された。
【００１９】
Ｕｓｉｂｏｒ  １５００  Ｐ（登録商標）の金属板熱間成形によって得られたＣｒＳｉＮ被膜の耐付着特性は、同一の成形プロセスで使用され、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、ＡｌＣｒＮおよびＡｌＣｒＳｉＮのような異なる被膜システムで被覆された同一の工具によって観察された特性よりも、明らかに良好であった。
【００２０】
ＣｒＳｉＮ被膜の追加湿潤性および格子定数も測定された。
被膜に含まれる非金属元素を金属元素として計算に取入れると、本発明に係る熱間成形工具上に堆積されたＣｒＳｉＮ被膜の元素組成物は、原子百分率で次のような組成を示した。
【００２１】
ＣｒｘＳｉｙＮｚ
式中、ｘ：４０〜６９ａｔ％、ｙ：１〜２０ａｔ％、およびｚ：３０〜４０ａｔ％である。
【００２２】
このように堆積されたＣｒＳｉＮ被膜の構造を、Ｘ線回折（ＸＲＤ）、走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）および透過型電子顕微鏡法（ＴＥＭ）の検査により調べた。堆積されたすべての被膜に対して、結晶構造の形成が確認された。堆積されたすべての被膜は好ましい面心立方格子を示した。堆積されたＣｒＳｉＮ被膜のＸＲＤパターンでは、格子面（１１１）および（２００）の優越方位に対応するピークが観察された。また、これらのピークは、化学組成、粒径および残留応力の変更により被膜におけるＳｉ濃度を変化させることによってシフトされるということは、観察された。本発明の好適な実施形態に係る被膜は、純粋のＣｒＮ被膜の対応する面のピークと比べてシフトされている格子面（１１１）および（２００）の優越方位に対応するピークを示した。シフトされた度合いは、被膜に組込まれたＳｉの量を示す。
【００２３】
ＡｌＳｉ被覆の金属板に対して、ＣｒＳｉＮ被膜におけるＳｉ含有量とその格子定数、湿潤性および耐付着挙動との間の重要な依存性が観察された。
【００２４】
本発明の以下の好ましい実施形態において、ＣｒＳｉＮ被膜におけるＳｉ含量の値は、被覆における金属元素のみを考慮して計算されたと見なされるべきである。すなわち、ＣｒおよびＳｉのみを考慮する。
【００２５】
本発明に係る好ましい実施形態は、０より大きくかつ１５ａｔ％以下のＳｉ含量を有するＣｒＳｉＮ被膜を用いることによって得られる。
【００２６】
本発明に係るさらに好ましい実施形態は、２〜１０ａｔ％のＳｉ含量を有するＣｒＳｉＮ被膜を用いて得られる。
【００２７】
本発明に係る最も好ましい実施形態は、３〜８ａｔ％のＳｉ含量を有するＣｒＳｉＮ被膜を用いることによって得られる。
【００２８】
本発明によれば、ＣｒＳｉＮ被膜は熱間成形工具の被膜として用いられる。本発明は、ＣｒＳｉＮ硬質被膜を有する金属板熱間成形工具を開示している。上記ＣｒＳｉＮ硬質被膜は特に、原子百分率で上記Ｓｉ含量を計算するときに金属元素のみを考慮した場合、薄膜におけるＳｉの含量が０より大きくかつ１５ａｔ％以下であって、好ましくは２〜１０ａｔ％、より好ましくは３〜８ａｔ％である。
【００２９】
本発明に係るさらに好ましい実施形態は、熱伝導性のある熱間成形鋼（ＨＴＣＳ）または窒化鋼または浸炭窒化鋼を工具の基材として、または任意他の種類の表面前処理鋼を工具の基材として用いることによって得られる。
【００３０】
本発明は、本発明に従ってＣｒＳｉＮ被覆された金属板熱間成形工具を開示している。前述のＣｒＳｉＮ硬質被膜は、アークイオンプレーティング法により形成される。
【００３１】
本発明は、本発明に従ってＣｒＳｉＮ被覆された工具を用いる金属板熱間成形プロセスを開示している。このプロセスは、熱間成形工具の耐用寿命および全体的な性能を向上させることによって、このプロセスにより製造された金属板の品質を向上させる。
【００３２】
特に、本発明は、ＡｌＳｉ被覆の金属板を形成および／または約１５００ＭＰａ以上の強度を有する金属板を形成するために、本発明に従って被覆された工具を用いる金属板熱間成形プロセスに関する。
【国際調査報告】
2014509262.tif 000002
2014509262.tif 000003
2014509262.tif 000004