NACHITECHNICALREPORT
Machining

22A2Vol.

March/2011■ 寄稿・論文・報文・解説

マシニング事業「DLCコーティング金型によるマグネシウム合金板のドライ絞り加工」
Dry-Drawing of Magnesium Alloy Sheetswith DLC Coated Metal Mold
〈キーワード〉DLC・金型・マグネシウム合金・ドライ・絞り加工

工具事業部／ラウンドツール製造所／技術部／コーティング開発

野城 淳一

Junichi NOSHIRO

熊本県産業技術センター

濱嶋 英樹

Hideki HAMASHIMA

福井工業大学／工学部／機械工学科教授

神 田 一 隆 Kazutaka KANDA

パナテック

基 昭夫

Akio MOTOI

「DLCコーティング金型によるマグネシウム合金板のドライ絞り加工」

要旨

種々の優れた特性を有する。また環境保護の観点におい特性と適用の現状てもリサイクル性の良さなどから広範な分野での適用が期

DLC（Diamond-like Carbon）は、高硬度、低摩待されている。DLCコーティングもまた、高硬度、低摩擦、擦、耐摩耗性など優れた機械的特性を有することが耐摩耗性など多くの優れた機械的特性を有することでそ知られている。また、優れた赤外・可視光透過性、電の実用化がすすめられている。

気絶縁性、化学的安定性などを示すことから広範なマグネシウム合金は軽量で比強度が高いことをはじめ、

１）

ここではマグネシウム合金板の温間絞り加工において、分野において注目され、実用化がすすめられている。

耐熱潤滑剤が使用されることにより発生するコストおよびDLCの構造は、図1に示すように炭素と水素から構その代替としてのDLCコーティ
環境負荷の低減を図るため、グラファイト結合（sp 結合）とダイヤモ成されており、ングの可能性を調査した。DLCとして水素フリー、水素含有、ンド結合（sp 結合）を有するアモルファス（非晶質）

これらを絞り加工およびフッ素含有の3種類の膜を選び、構造である。その製法としては一般的にスパッタリン用金型のダイスとブランクホルダーにコーティングした。この

グやイオンプレーティングなどのPVD法やプラズマ金型を用いて温間で3種類のマグネシウム合金板を無潤CVD法が用いられ、製法やその条件により水素含滑で絞り加工したところ、いずれも限界絞り比2.1以上の有量やsp 結合とsp 結合の比率が変化し、性質も加工が可能であった。これによりDLCコーティングのマグ変わることから、図2に示す分類図によって定義するネシウム合金のドライ絞り加工への実用可能性を提示した。

提案がなされている 。最近では、基材との密着性

Abstract
Starting with characteristics of light weightand high specific strength, Magnesium alloy has
various, excellent characteristics. It is also expected to be used in wide-ranging fields because ofgood recyclability in terms of environmental protection. DLC coating also has many superb,
mechanical characteristics such as high hardness
level, low friction and friction resistance, thus it isin the process of practical application.
Based on our investigation, we will discuss
the possibility of use of DLC coating as an alternative method for reduction of cost and environmental burden that may incur associated with useof heat-resistant lubricant in warm-drawing ofmagnesium-alloyed plate. Three types of films,
hydrogen-free, hydrogen-contained and fluoridecontained films were selected as DLC and were
coated on dies for drawing and blank holders.
Then, using these dies, three types of magnesium-alloyed plates were warm-drawn with no lubricant. In all these cases, the drawing was possible with the limiting drawing ratios above 2.1.
Thus, the result indicated the possibility for practical application of DLC coating in the dry-drawing of magnesium-alloyed plates.
11. DLCコーティングの23232）と高圧DCパルスを重を高めるために高周波（RF）畳させたPBII法（Plasma Based Ion Implantation）など新しい製法も開発されている。また異種元素を添加し、新たな特性を持たせた金属添加DLCやフッ素添加DLCなども開発され、応用分野の拡大が期待されている。
一方、世界的に環境保護への意識が高まるにつれて、機械加工の分野では、潤滑油を使用しないドライ加工化の動きがすすめられている。アルミニウム合金は、その延性や凝着性のためTiNやTiAlNなどの一般的なコーティング工具ではドライ加工が困難とされてきた。DLCコーティングはアルミニウムに対してアルミニウム合低摩擦であり凝着性が低いことから、金のドライ加工用としてドリル、エンドミルなどの切削工具に、いち早く実用化された。塑性加工工具においても、DLCは広く採用されており、衛生面の観点からドライ加工が行なわれるアルミ缶金型、鏡面精度や平行度が要求される光ディスク金型にも効果をあげている。
しかしながら、DLC膜は耐熱性が十分とはいえず、その市場は限定されている。これが改善されれば飛躍的な市場拡大が予想される。

:アモルファスカーボン
a-C
a-C:H : 水素化アモルファスカーボン: テトラヘドラルアモルファスカーボン
ta-C
ta-C:H :水素化テトラヘドラルアモルファスカーボン

- C
- H

sp3
ダイヤモンドa）ダイヤモンド

ta-C

ta-C:H

a-C:H
有機ポリマーa-C

No films（炭化水素ガス）

グラファイトグラッシーカーボン
パイロカーボンb）DLCc）
グラファイト図1

DLCの構造sp2

図2

DLCの分類図

H2. マグネシウム合金加工の現状
マグネシウム合金は、工業的に使用されている金点からも問題となっている。また、その材料となる板属の中で最も小さい比重でありながら高強度であり、材についても製造プロセスの改善によりコストダウン

軽量材料として自動車をはじめとする輸送機械分を図る試みも報告されている が、温間での圧延加野で広範な実用化が検討されている。また、マグネ工となるため現状は高価である。

3）

シウム合金は電磁波シールド性に優れることから携これらを解決するため、本研究ではプレス加工時帯電話機やパソコンの筐体など、様々な情報家電におけるコスト改善および環境負荷低減を図り、耐分野でも用途が拡大している。さらには、資源が豊熱潤滑剤を使用しないプレス加工のドライ化の検討

リサイクル性にも優れていることから、環境富であり、を行なってきた。そして、従来の潤滑剤の代替とし負荷低減のため注目されている材料でもある。これてマグネシウムとの間で安定炭化物を生成しないとらの利点から鉄やプラスチックに替わる材料としてされる炭素材料を金型にコーティングする方策に着材料コストと加工コストに課題が残っ期待されているが、目した。これまでの成果としてCVDダイヤモンドコーティていることから、広範な適用には至っていないのがング金型によるドライ絞り加工を試み、十分な耐久性、現状である。

耐摩耗性、潤滑性を示すことを確認している 。
しか4）

マグネシウム合金の加工としては、鋳造法と塑性ダイヤし、ダイヤモンドコーティングはコストが高いうえ、加工法に大別される。現在は複雑形状品を低コスト

モンド特有の粗い結晶性の表面形状を有し、金型とで加工できるダイキャストなどの鋳造法が主流となっして使用するには後工程として研磨を必要とするたているが、高生産性、高品質、高強度が得られる連め、金型製造コストに課題がある。また、
コーティング

しかし、マグネシウ続プレス加工が期待されている。

できる面積も小さいという課題もある。そこで、大面ム合金は常温での延性に乏しく温間にて加工しな積コーティングが可能で、表面平滑性に優れて研磨また潤滑油や二硫化モリブデン、テフ
くてはならず、を必要としないDLC膜に着目し、マグネシウム合金ロンシートなどの耐熱潤滑剤も必要とするため、金型板材AZ31、AZ61および難燃性のAMX602 を用いのメンテナンスが煩雑であり、製品洗浄などの工程もドライ温間絞り加工実験を行ない、マグネシウムて、これら増えコストアップの要因となっている。さらに、合金に対するDLCコーティング金型の適用可能性

潤滑剤の使用は、温間加工時のオイルミスト発生にについて検討した。

5）

よる作業環境の劣悪化や、環境や衛生適応性の観

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「DLCコーティング金型によるマグネシウム合金板のドライ絞り加工」

3. DLCコーティング金型によるマグネシウム合金板のドライ絞り加工

6）1）供試材および実験方法
供試材には板厚0.8mmのマグネシウム合金AZ31、クホルダーに施した。ダイス構造は肩部組込み型とおよび板厚0.6mmのAZ61を用いた。主AMX602、肩部一体型があり、ここで用いるコーティング名称はと90°方向
要化学成分を表1に、圧延方向に対し、0°ダイス肩部に施した膜とする。なお、水素含有DLCの表面粗さを表2に示す。使用したDLCコーティング

膜およびダイヤモンド膜のコーティングには組込み型

フッ素含有
膜は水素フリーDLC、水素含有DLC、ダを用い、水素含有DLCでは肩部基材にSKD11、DLCの3種類で、比較のためダイヤモンド膜をコーティ

イヤモンド膜には超硬合金を用いた。

ングした金型も使用した。使用したコーティング金型

試験温度においては、通常AZ31は180℃前後、を表3に示す。試験装置はインナー最大荷重790kN、AZ61は200℃以上で、難燃性のAMX602は280℃

アウターおよびダイクッション最大荷重490kNの油圧以上でプレス加工が行なわれているため、180〜350式プレス装置（アミノコーポレーション社製：TMO80K）℃の間で温度条件を変えて試験を実施した。また、を用いた。

加熱保持時間はAZ31、AZ61は1分間、AMX602は図3にマグネシウム合金板の温間ドライ絞り加工2分間とした。試験はいずれもドライ条件下（無潤滑）部およびダイス構造の模式図を示す。図に示すようで行なった。その試験条件を表4に示す。に各種コーティングは超硬合金製ダイスおよびブラン

表１ マグネシウム合金材の主要成分表
供試材

Al
3.22
6.115.85

AZ31AZ61
AMX602Zn
0.80
0.970.02

Mn
0.370
0.267
0.420

表2
供試材

Ca−−
2.0Si
0.040
0.025
0.031

Cu
0.00050.00170.0016

Fe0.0016
0.00210.0022Be−−0.0012

Mg
残残残（Mass％）

供試材の圧延方向による表面粗さ

AZ31

AZ61

AMX602

板材外観および
表面拡大写真

10mm

10mm

10mm

圧延方向
0°

90°100μm
表面粗さ
Rz[μm]

4.44（0°）11.09（90°）100μm

100μm1.75（0°）13.77（90°）

2.87（0°）4.87（90°）（3）内は圧延方向に対する角度

表3 コーティング金型の種類
試験名称
（肩部）

ブランクホルダー

水素フリーDLC
水素含有DLC
フッ素含有DLC
ダイヤモンド

水素フリーDLC
水素フリーDLC
フッ素含有DLC
水素フリーDLC

ダイス構造
一体型
組込み型
一体型
組込み型

ダイス
金型平面
ダイ肩R（mm）
6.0
水素フリーDLC
4.0
水素フリーDLC
4.0
フッ素含有DLC
4.0
水素フリーDLC

ダイ肩R部
水素フリーDLC
水素含有DLC
フッ素含有DLC
ダイヤモンド表4 ドライ絞り加工条件
項 目

仕 様
AZ31、AZ61、AMX602
48、50 mm
AZ31、AMX602 : 0.8 mm、AZ61 : 0.6 mm
180、200、250、280、300、350℃
DLCコーティング膜、ダイヤモンド膜
25.0 mm
4.0、6.0 mm
SUS 304
4.0 mm
23.0 mm
20℃ 水冷5 mm/min

材質
直径
板厚

供試材
試験温度
ダイス

パンチ

加工部表面ダイス径
肩 R
材質
肩 R
パンチ径
温度

加工速度

ダイ肩R部
金型平面
断熱材
ヒーター

DLC膜
ダイス
マグネシウム
合金板

組込み型

金型平面

水打抜き力（PF）

ダイ肩R部

ブランク
ホルダー

板押え力
（BHF)
一体型

図3 ドライ絞り加工金型およびダイス構造の模式図

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「DLCコーティング金型によるマグネシウム合金板のドライ絞り加工」

2）
ドライ絞り加工実験結果
ドライ絞り加工の結果を表5にまとめて示す。また、成形加工したAZ61材の加工面は、0°方向の表優れた成形性を示した水素フリーDLC金型を用い（ JIS B0601:2001準拠）が供面粗さRz（ 最大高さ）た加工後の成形カップの外観と、円筒部の表面写試材より7μm程度大きくなっているが、表6に示したと90°方向の表真ならびにその絞り方向に対して0°ように圧延時のロール目が認められ、加工による凝面粗さの測定値を表6に示す。

着痕などは認められない。従って、高温ドライ環境下

AZ31材においては、絞り比2.2まですべてのDLCにおいてもDLCが潤滑膜、耐凝着膜として機能したコーティング金型で成形可能であった。AZ61材にお、90°それといえる。AMX602材においては、Rzは0°

いては、水素フリー、水素含有DLCコーティング金型

ぞれ供試材より4μm、2μm程度大きくなっているが、ダイヤモンドおよびフッ素含有DLCコー
では絞り比2.2、平坦な外観を示しており、圧延時のロール目は認めティング金型では絞り比2.1まで成形可能であった。

られない。このことから、マグネシウム合金の凝着をダイヤモン
AMX602材においては、水素フリーDLC、防止できたとしてもAMX602材加工におけるLDRはドコーティング金型で絞り比2.1まで成形可能であった。

ロール目が残るAZ31材より大きくはならないと考えら

水素フリーDLC金型のダイ肩Rは他のダイスに対しれる。てRが大きい6mmを用いたため、塑性加工性が他以上のように、DLCコーティング金型、特に水素フのマグネシウム合金よりも劣るAMX602材の成形がリーDLCは優れた耐凝着性を示した。また、材種に可能であったと考えられる。

対しては、AMX602材が難加工性を示したが、AZ31、

なお、本試験では装置の制約により限界絞り比

AZ61材では比較的良好な成形性を示した。これより、

以下LDR）が2.1と2.2の（Limiting Drawing Ratio，

温間絞り加工金型にDLC膜をコーティングすること試験となったが、AZ31材は潤滑剤を用いた場合はによって、潤滑剤使用相当のドライ加工実現の可能

テフロンシートを用いるとLDR2.8まで加工
LDR2.5、性を示した。

7）

可能であり 、LDR2.3以上の加工の可能性も考えられる。
表6 ドライ絞り加工後の表面粗さ
供試材

AZ31

AZ61

AMX602

加工後外観および表面拡大写真

10mm10mm10mm

圧延方向
0°

90°

表面粗さ
Rz[μm]

100μm

100μm

4.44 ⇒ 3.54（0°）
11.09 ⇒ 4.56（90°）

1.75 ⇒ 8.70（0°）
13.77 ⇒ 8.97（90°）

100μm2.87 ⇒ 6.64（0°）
4.87 ⇒ 6.79（90°）（5）内は圧延方向に対する角度

表5 ドライ絞り加工結果
試験温度（℃）
250
280

300

350

−

−

−

−

−

−

−

50（2.2）

−

−−

−

−

フッ素含有DLC
R450（2.2）

−

−

−

−

−

水素フリーDLC
R650（2.2）

−

−

−

−

−

48（2.1）−−−−50（2.2）−−−48（2.1）−50（2.2）−50（2.2）−48（2.1）−50（2.2）−−

水素含有DLC
R448（2.1）−−−

ダイヤモンド
R448（2.1）−−−

フッ素含有DLC
R448（2.1）−−

R部膜

ブランク径（絞り比）

水素フリーDLC
R650（2.2）

水素含有DLC
R450（2.2）

ダイヤモンド
R4供試材

180200−AZ31−

水素含有DLCR4AZ61−−

ダイヤモンドR4フッ素含有DLC
R4−−−−−−−

水素フリーDLCR6AMX602

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−

−−−−

64. DLCコーティングの今後の展望
今回、DLCコーティング金型を用いた無潤滑下で間加工のように高温環境下における潤滑剤の代替の温間絞り加工の可能性を調べるために、各種マとしてもニーズが高まっているDLCコーティングであグネシウム合金板を用いてドライ絞り加工試験を試

さらなる高温領域では耐熱限界の問題で実用るが、みた。マグネシウム合金板の材料コスト改善と安定化が容易ではないのが現状である。こういった課題供給の確保ならびにDLCコーティングのさらなる最をひとつずつ解決し、DLCコーティングが製造コスト適化など、実用化、量産化への課題はあるが、金型低減や、環境負荷低減などの社会貢献に繋げられにコーティングされたDLC膜はマグネシウム合金のるよう努めていく。

温間ドライ絞り加工の可能性を提示したといえる。温5. 謝辞
本研究は発表連名者のほか以下の研究メンバー

協会）、深川和良講師（鹿児島大学）、野村博郎氏（松佐藤富雄氏、上野英俊氏（独で実施した。坂本満氏、山技研株式会社）、神雅彦教授（日本工業大学）。

、
道野隆二氏（熊立行政法人 産業技術総合研究所）

また、AZ61材をご提供いただいた権田金属工業株

本県産業技術センター）、高橋孝誠氏（熊本県溶接式会社殿に感謝いたします。

参考文献
１）斎藤秀俊・大竹尚登・中東孝浩：DLC膜ハンドブック、P.40〜42,P.188〜206（2006）２）A. C. Ferrari and J. Robertson：Interpretation of Raman spectra ofdisordered and amorphous carbon, Physical Review, 61（20）, 14095（2000）
３）吉本隆志・松永卓・和田敏秋：NACHI TECHNICAL REPORT、13（B3）、
P.1〜7（2007）４）坂本満・基昭夫・神田一隆・高橋孝誠・深川和良・神雅彦：アルトピア、38（8）、P.17〜21（2008）
５）坂本満・秋山茂・萩尾剛・大城桂作：鋳造工学、69（3)、P.227（1997）
６）濱嶋英樹・道野隆二・深川和良・野村博郎・野城淳一・神雅彦：平成21年
度塑性加工学会春季講演会論文集、P.277〜P.278（2009）７）古閑伸裕：塑性加工、44（506）、P.56（2003）

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Vol.22A2 March / 2011〈発行〉 2011年3月10日
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