JP2005290517A

JP2005290517A - 表面処理に適した冷間金型用鋼および冷間金型

Info

Publication number: JP2005290517A
Application number: JP2004110425A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Shimizu; 敬介清水
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】表面処理に適した冷間金型用鋼および冷間金型を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．７％超〜１．１％、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：５．５〜８．５％、Ｓ：０．０６０％未満、ＭｏおよびＷのうちの１種または２種を、Ｍｏ＋１／２Ｗ：１．５〜４．０％、ＶおよびＮｂのうちの１種または２種を、Ｖ＋１／２Ｎｂ：０．４〜１．０％含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、ミクロ組織中のＭ₇Ｃ₃系炭化物を大きさ：５〜２０μｍ、面積率：５〜１５％であり、焼入、焼戻によって硬度を６０〜６５ＨＲＣとしたことを特徴とする表面処理に適した冷間金型用鋼および冷間金型。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷間塑性加工用の工具、プレス金型において、耐焼付性、耐かじり性および耐摩耗性に適されるダイヤモンドライクカーボン膜の基材として最適な冷間金型用鋼または冷間塑性加工用の工具、プレス金型および冷間鍛造用のパンチに関するものである。

近年、自動車産業におけるハイテン適用の拡大に代表される被加工材の高強度化、および冷間塑性加工技術の進歩によるネットシェイプ化や工程集約の流れを受け、冷間塑性加工用金型への負荷がさらに高まっている。このような高負荷環境では、金型や工具と被加工材の潤滑不足による焼付きが問題となり、各種表面処理による改善がなされてきた。最近では、硬質膜自体の潤滑係数が最も低いダイヤモンドライクカーボン膜が注目されてきている。

例えば、特開２００１−２７９４６６号公報（特許文献１）に開示されているように、基材とダイヤモンド状炭素膜の間にスパッタ法でＴａ、Ｓｉなどの中間層を介在させることで両者の密着性を向上させる方法が提案されている。また、特開２００３−１１２２２９号公報（特許文献２）には、ステンレス用圧造工具にダイヤモンドライクカーボン膜を被覆することで、被覆しない場合に比べて工具寿命が１．５〜５倍に改善されたというものが開示されている。

また、特開２０００−５８１１号公報（特許文献３）に開示されているように、アルミ押出金型のベアリング面を鏡面仕上げした後、ダイヤモンドライクカーボン膜を形成することで表面性状が良いアルミ形材が得られ、押出し速度を早めることが出来るだけでなく、手直し無しで長時間使用することが出来る方法が提案されている。また、特開平１１−１５２５６０号公報（特許文献４）に開示されているように、表面硬さが３００ＨＶ以上の鋼の表面にダイヤモンドライクカーボン膜を施すことで摩擦係数を小さくした摺動部を有する機械部品が提案されている。さらには、月刊トライボロジＮｏ．１２７：ｐ２９〜３１（非特許文献１）や表面技術Ｖｏｌ．５２、Ｎｏ．８：ｐ５４８〜５５２（非特許文献２）に開示されているように、アルミニウム打抜き金型、リードフレーム曲げ型、マグネシウム深絞り金型など軟質金型の塑性加工金型に実用化されている。

特開２００１−２７９４６６号公報特開２００３−１１２２２９号公報特開２０００−５８１１号公報特開平１１−１５２５６０号公報月刊トライボロジＮｏ．１２７：ｐ２９〜３１表面技術Ｖｏｌ．５２、Ｎｏ．８：ｐ５４８〜５５２

しかしながら、上述した特許文献１の開示されている、中間層を介在させるものであるが、中間層成膜における設備面での制限やコスト面での問題があるし、また、対象とするダイヤモンドライクカーボン膜は硬度が４５００ＨＶ以上の高いものである。また、特許文献２については工具材質については全く言及されていない。また、特許文献３および特許文献４や非特許文献１および非特許文献２にも開示されているように、ダイヤモンドライクカーボン膜は非晶質炭素膜の総称であり、その結晶化の状態を制御することによって、１０００〜７０００ＨＶの幅広い硬質で形成することができる。

３０００ＨＶ以上の非常に硬質なダイヤモンドライクカーボン膜の場合、塑性変形に対する膜自体の割れ感受性が高いため、ヤング率の高い超硬を基材とした方が耐剥離性に対して有利である。従って、ダイヤモンドライクカーボン膜の基材としては、超硬（タングステン炭化物）が最適であるとされているが、その難加工性と高コストのためダイヤモンドライクカーボン膜の工具や金型への適用拡大の妨げとなっている。また、超硬を基材とした場合、靱性不足による割れ、欠けの発生や、硬質膜の早期剥離という問題がある。

上述のような問題を解消するため、発明者らは鋭意研究を重ねた結果、コスト削減と加工性向上、さらに靱性改善による割れ軽減および密着性改善によるダイヤモンドライクカーボン膜の剥離回避を狙い、化学組織とミクロ組織の最適化を図ることで、ダイヤモンドライクカーボン基材として超硬と同等の性能を有する冷間金型用鋼を提供することを目的とするものである。

その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：０．７％超〜１．１％、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：５．５〜８．５％、Ｓ：０．０６０％未満、ＭｏおよびＷのうちの１種または２種を、Ｍｏ＋１／２Ｗ：１．５〜４．０％、ＶおよびＮｂのうちの１種または２種を、Ｖ＋１／２Ｎｂ：０．４〜１．０％含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、ミクロ組織中のＭ₇Ｃ₃系炭化物を大きさ：５〜２０μｍ、面積率：５〜１５％であり、焼入、焼戻によって硬度を６０〜６５ＨＲＣとしたことを特徴とする表面処理に適した冷間金型用鋼。

（２）前記（１）に記載の冷間金型用鋼により作製した工具または金型の表面に膜厚：０．５〜５μｍ、硬度：１０００〜３０００ＨＶのダイヤモンドライクカーボン膜を形成させた耐摩耗性、耐焼付き性に優れたことを特徴とする冷間金型。
（３）前記（２）に記載の冷間金型用鋼により作製した工具または金型がプレス金型または冷間鍛造用パンチであることを特徴とする冷間金型である。

以上述べたように、本発明により冷間塑性加工用途でダイヤモンドライクカーボン膜を適用する金型や工具における基材を、高コストかつ切削加工が困難な超硬から、本発明の金型用鋼にすることで、高負荷環境下で耐摩耗性と耐焼付き性に優れた工具、プレス金型、パンチを低コストで提供することができる優れた効果を奏するものである。

以下、本発明について詳細に説明する。
冷間塑性加工中の高面圧環境下において、ダイヤモンドライクカーボン膜直下で粗大炭化物やその凝集部が存在すると、その部分で応力が集中し、ダイヤモンドライクカーボン膜にクラックが生じ、早期剥離の原因となる。そこで、一次炭化物を大きさや面積率を最適化することで、高面圧をなるべく均一に分散させ、マトリックスの局所的な塑性変形を緩和することで、ダイヤモンドライクカーボン膜のクラック発生を抑制する。さらに、超硬に比べて硬度やヤング率の低い工具鋼を基材とした場合に、高面圧環境下では弾性および塑性変形は避けられないものであり、むしろダイヤモンドライクカーボン膜の追従できうる範囲の基材強度を確保することで、ダイヤモンドライクカーボン膜と基材との密着性を改善でき、そのためには基材の剛性に応じてダイヤモンドライクカーボン膜の選択が重要であり、低硬度で、薄めの膜が適していることを見出した。

図１は、基材とダイヤモンドライクカーボン膜の関係を示す図である。この図に示すように、縦軸に基材のヤング率を、横軸にダイヤモンドライクカーボン膜の硬さを示した場合に、従来技術として実用化されている範囲は、基材のヤング率が高い超硬で、かつダイヤモンドライクカーボン膜の硬い部分に当たる右上部分に相当する領域である。また、基材のヤング率が高く、かつダイヤモンドライクカーボン膜の軟らかい部分に当たる左上部分に相当する領域では、超硬採用のコストに見合うダイヤモンドライクカーボン膜の寿命が得られない。また、基材のヤング率が低く、かつダイヤモンドライクカーボン膜の硬い部分に当たる右下部分に相当する領域では、硬度差が大きく、基材の変形に膜が追従することができず亀裂が発生し剥離に至る。ただ、中間層適用として一部実用化はされている。さらに、基材のヤング率が低く、かつダイヤモンドライクカーボン膜の軟らかい部分に当たる左下部分に相当する領域が本発明に該当する部分である。

以下、本発明に係る成分組成の限定理由について説明する。
Ｃ：０．７％超〜１．１％
Ｃは、十分な焼入性を確保するための元素であり、析出硬化で高硬度を得るために、０．７％超必要であるが、１．１％を超えると焼入時の残留オーステナイト量が増加し、硬度が低下する。
Ｓｉ：０．５〜１．５％
Ｓｉは、製鋼での脱酸効果、焼入性確保、およびダイヤモンドライクカーボン膜の密着性向上のために、０．５％以上必要である。しかし、焼戻し時の二次硬化促進のために、１．５％までとした。

Ｍｎ：０．１〜１．０％
Ｍｎは、焼入性のために添加する。しかし、０．１％未満ではその効果が不十分である。また、１．０％を超える添加は加工性を低下させることから、その範囲を０．１〜１．０％とした。
Ｃｒ：５．５〜８．５％
Ｃｒは、焼入性のために添加する。しかし、５．５％未満ではその効果が不十分である。また、過剰に添加すると一次炭化物の粗大化、凝集部が形成されやすくなるためダイヤモンドライクカーボン膜の密着性を劣化させる。従って、上限を８．５％とした。

Ｍｏ＋１／２Ｗ：１．５〜４．０％
Ｍｏ、Ｗは、焼入性、二次硬化に寄与する析出炭化物を得るために１．５％以上必要であるが、４．０％を超える過剰添加ではダイヤモンドライクカーボン膜の密着性を劣化させる。従って、上限を４．０％とした。
Ｖ＋１／２Ｎｂ：０．４〜１．０％
Ｖ、Ｎｂは、焼戻時に微細かつ硬質な析出炭化物を得るために、０．４％以上必要であるが、１．０％を超える過剰添加するとダイヤモンドライクカーボン膜の密着性を低下させる。従って、上限を１．０％とした。

Ｓ：０．０６０％未満
Ｓは、金型の切削性を改善するために添加する。しかし、過剰添加では熱間加工性の悪化や機械的特性を劣化させるため、０．０６０％未満とした。
また、高面圧をなるべく均一に分散させ、マトリックスの局所的な塑性変形を緩和することで、ダイヤモンドライクカーボン膜のクラック発生を抑制できる。そのため光学顕微鏡において観察できる１μｍ以上のＭ₇Ｃ₃系炭化物の総個数のうち、９０％に当たる炭化物の大きさを５〜２０μｍ、面積率を５〜１５％とする。そして、高面圧環境下では基材に工具鋼は弾性もしくは塑性変形を余儀なくされるが、ダイヤモンドライクカーボン膜で追従できうる基材強度を得るためには、基材を焼入焼戻によって６０〜６５ＨＲＣを確保する必要がある。さらに、超硬に比べヤング率の低い工具鋼を基材として密着性向上を図るためには、ダイヤモンドライクカーボン膜自体の剛性も低くする必要がある。すなわち、ダイヤモンドライクカーボン膜は１０００〜３０００ＨＶ、膜厚を０．５〜５μｍとした。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１に示す鋼種Ａ〜Ｆを、それぞれ１ｔ真空溶解炉にて出鋼し、鍛造、圧延によってφ３０の丸棒を製造した。これらを熱処理して、表２に示す硬さを得た後、ミクロ組織観察による炭化物サイズと面積率の測定を行い、様々な硬さのダイヤモンドライクカーボン膜をコーティングした。これらのダイヤモンドライクカーボン膜の形成にはＰＶＤ法（物理蒸着法）を用いた。この方法では、６０Ｐａ以下にまで減圧したチャンバー内でメタン、アセチレン、ベンゼンを導入して、アノード電圧１００〜５００Ｖ、カソード電圧１０〜１００ｍＡで基板温度１５０〜３００℃で成膜した。

また、これらのダイヤモンドライクカーボン膜の密着性を評価するためスクラッチ試験を行い、その臨界荷重を測定した。スクラッチ試験は試験片表面のダイヤモンドライクカーボン膜に圧子を押し付け、荷重を増加させながら引っ掻き、膜の割れが生じる臨界荷重を測定する試験である。本発明例では４０Ｎ以上の臨界荷重が得られ、比較例よりも大幅に密着性が改善されていることがわかる。また、実機テストとして、表３に示すように、コールドピルガーマンドレル、冷間圧延鋼板（ＳＰＦＣ）の曲げ型および打抜きパンチによる実機評価を行った。

コールドピルガーによる加工法は、素管の中にテーパー付きのマンドレルを挿入して外側から特殊孔型をもったロールダイスで冷間圧延を行うものである。この実機テストではＳＵＪ２の母管の減面率７８％で圧延し、マンドレル表面のダイヤモンドライクカーボン膜剥離による疵転写が確認された圧延本数で型寿命を評価した。その結果、本発明例では比較例に比べて、２〜３倍に型寿命が改善された。さらに、表２に示した基材とダイヤモンドライクカーボン膜の組合せの４発明例について曲げ型と打抜きパンチを作製し、厚さ１．３ｍｍのＳＰＦＣを被加工材として５００ｔプレス機により加工を行い、表面のダイヤモンドライクカーボン膜が剥離に至るまでの型寿命を評価した。その結果、絞りと打抜きのいずれの実機テストにおいても本発明例では比較例に比べて大幅に型寿命が改善された。

基材とダイヤモンドライクカーボン膜の関係を示す図である。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．７％超〜１．１％、
Ｓｉ：０．５〜１．５％、
Ｍｎ：０．１〜１．０％、
Ｃｒ：５．５〜８．５％、
Ｓ：０．０６０％未満、
ＭｏおよびＷのうちの１種または２種を、Ｍｏ＋１／２Ｗ：１．５〜４．０％、ＶおよびＮｂのうちの１種または２種を、Ｖ＋１／２Ｎｂ：０．４〜１．０％含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、ミクロ組織中のＭ₇Ｃ₃系炭化物を大きさ：５〜２０μｍ、面積率：５〜１５％であり、焼入、焼戻によって硬度を６０〜６５ＨＲＣとしたことを特徴とする表面処理に適した冷間金型用鋼。
請求項１に記載の冷間金型用鋼により作製した工具、または金型の表面に膜厚：０．５〜５μｍ、硬度：１０００〜３０００ＨＶのダイヤモンドライクカーボン膜を形成させた耐摩耗性、耐焼付き性に優れたことを特徴とする冷間金型。
請求項２に記載の冷間金型用鋼により作製した工具、またはプレス金型または冷間鍛造用パンチであることを特徴とする冷間金型。