JP2009061464A - 温熱間鍛造用金型及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】金型表面の摩耗を抑制することができ、これにより、金型寿命を延ばし、製造コストを低廉化することができる温熱間鍛造用金型及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】温熱間鍛造用金型１は、金型意匠面２に４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上を含む炭化物、窒化物若しくは炭窒化物、及び、４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上とＳｉ及びＡｌの一種又は二種とを含む窒化物からなる群から選ばれる一種又は二種以上からなる単層又は多層の硬質被膜３を備え、硬質被膜３は、表面粗さＲａがいずれの方向から測定しても０．１μｍ以上０．６μｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、温熱間鍛造用金型及びその製造方法に関し、更に詳しくは、温熱間鍛造用金型の摩耗を抑制することにより金型寿命を改善する技術に関する。

一般に、温熱間鍛造用金型は、金型表面に窒化処理が施され、窒化された金型表面は、窒化化合物層により細かな凹凸が形成されている。そして、温熱間鍛造時においては、金型の摩耗を抑制するために、その金型表面に潤滑材が塗布される。潤滑材は、黒鉛やＢＮ等の固体潤滑作用を有する粉末を水で希釈したものからなり、潤滑材の金型表面への塗布は、温熱間鍛造時に金型へ吹き付けることによりなされる。
窒化化合物層による細かな凹凸には塗布された潤滑材が入り込むが、この凹凸に入り込んだ潤滑材によって潤滑作用が保持され金型の摩耗が抑制される。また、窒化化合物層が剥がれても鍛造中の熱で金型表面が酸化されると、酸化された表面にも窒化化合物層と同様に細かな凹凸が形成され、この凹凸によって潤滑材が保持される。従って、窒化化合物層が剥がれても金型の摩耗が抑制される。

しかしながら、窒化化合物層による凹凸の場合、摩耗の抑制効果が十分ではないという問題があった。そのため、近年では、金型の摩耗を抑制するために、窒化化合物層よりも硬い硬質被膜（ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ等）を金型表面にコーティングする技術が開発実用化されている。

ＣｒＮ被膜を形成した技術としては、例えば、特許文献１に、金型基材の表面をダイヤモンドペースト（＃３０００メッシュ）にて面粗度調整した後、窒化層を形成し、洗浄後、マルチアーク法によりＣｒＮからなる硬化層を形成した熱間又は温間加工用金型が開示されている。また、特許文献２に、溶融金属を注入するためのキャビティの内壁にＣｒＮよりなる表面処理膜が形成された鋳造用金型が開示されている。
また、金型の寿命延長等を可能とする他の表面処理技術として、ショットピーニングを行う技術が提案されている。
例えば、特許文献３には、熱処理（窒化処理、浸炭窒化処理も含む意味）をした金型（ＳＫＤ，ＳＫＨ）に鉄系投射材と同等の比重の一般的なショットピーニングサイズの投射材（粒子径１２５μｍ）を６０〜１００ｍ／秒で投射することにより、平滑な金型表面を得るとともに、最大の残留圧縮応力値を得る技術が開示されている。
また、特許文献４には、マンドレルや成形金型等の工具に窒化層やＴｉＮ硬質被膜を形成し、その上からショット粒径を４０〜２００μｍとし、ショットの噴射速度を１００ｍ／秒以上としてショットピーニングすることにより、マンドレルの摩耗やヘアクラックを抑制して長寿命化を図る技術が開示されている。

特開平１１−０９２９０９ 特開平１０−１３７９１５ 特開２００３−１９１１６６ 特開２００３−２５３４２２

しかしながら、上記従来の金型の摩耗を抑制するための硬質被膜（ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ等）は、下地の金型に均一にコーティングされるため、コーティング後の表面粗さが機械加工又はラップ加工された金型の表面粗さとほぼ同じ（つるつるの状態）であった。従って、潤滑材のノリが悪く、潤滑材が流れてしまい、潤滑材の保持力が低かった。また、この硬質被膜は、耐酸化性が高いため被膜が酸化されにくい。従って、金型表面に微細な凹凸が発生せず、潤滑材の保持力が低く、潤滑不足で却って摩耗が促進されるという問題があった。
また、特許文献１に開示の温間又は熱間鍛造用金型は、硬化膜の剥離を防止して密着性を高めることを主目的としてＣｒＮ硬化層を設けたものである。密着力を高めるには、できるだけ表面に凹凸が無く、平らであればあるほどよいため、密着力を高めるための硬質被膜の形成の仕方では、耐摩耗性という観点では、やはり潤滑材の保持力が低く、潤滑不足で却って摩耗が促進されるという問題が解消されなかった。
更に、特許文献２に開示の鋳造用金型は、鋳物材料の付着や堆積を低減し、鋳物を離型するときの引抜力を低減することを主目的として、離型材の代わりにＣｒＮ被膜を形成し、優れた離型性を得ようとしたものである。離型性を高めるには、できるだけ表面に凹凸が無く、平らであることが望ましい。そもそも、鋳造用金型は鍛造用金型とでは用途が全く異なる。
また、特許文献３及び４に開示のショットピーニング技術は、いずれも、金型表面に窒化処理等の硬質層を形成させた後でショットピーニングを行うものである。そして、特許文献３及び４のショットピーニング技術は、圧縮残留応力付与により表面亀裂発生を抑制し、疲労強度を向上させようとするものである。従って、潤滑材の保持力を良好に維持できる凹凸を形成することを目的として、特許文献３及び４に開示のショットピーニング技術を用いて硬質層の上からショットピーニングを行うと、窒化処理等により形成した硬質層が割れるという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、金型表面の摩耗を抑制することができる温熱間鍛造用金型及びその製造方法を提供することにある。本発明の他の目的は、金型表面の摩耗を抑制することにより、金型寿命を延ばし、温熱間鍛造用金型及びこれにより製造される各種製品の製造コストを低廉化することにある。

上記課題を解決するために、本発明者は、金型表面の摩耗を抑制するための手法を研究し、金型意匠面を硬質被膜で被覆すると金型表面が硬くなるという知見を得た。また、本発明者は、硬質被膜の被覆前に、ショットピーニングにより金型意匠面に凹凸を形成しておくと、その上から硬質被膜を被覆したときにその凹凸形状が硬質被膜に反映されて、その硬質被膜にも凹凸ができ、その凹凸が摩耗でなくなりにくいという知見を得た。そして、本発明者は、そのような硬質被膜による凹凸が長期間にわたって潤滑材の保持力を維持することができ、温熱間鍛造時の金型の摩耗を大幅に抑制することができるという知見を得た。

本発明は、この知見に基づいてなされたものであり、本発明に係る温熱間鍛造用金型は、金型意匠面に４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上を含む炭化物、窒化物若しくは炭窒化物、及び、４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上とＳｉ及びＡｌの一種又は二種とを含む窒化物からなる群から選ばれる一種又は二種以上からなる単層又は多層の被膜を備え、前記被膜は、表面粗さＲａがいずれの方向から測定しても０．１μｍ以上０．６μｍ以下であることを要旨とする。

この場合に、前記被膜は、膜厚が１μｍ以上２０μｍ以下であるとよい。

上記いずれの場合においても、前記金型意匠面は、硬化層深さ２００μｍ以下の窒化が施されていてもよい。

上記いずれの場合においても、ショットピーニングにより前記金型意匠面に凹凸を形成した後に前記被膜が形成されていることが望ましい。
そして、前記ショットピーニング時におけるメディアは、投射速度１００ｍ／秒以下で投射されたものであるとよい。

上記課題を解決するために、本発明に係る温熱間鍛造用金型の製造方法は、
ショットピーニングにより金型意匠面に表面粗さＲａがいずれの方向から測定しても０．１μｍ以上０．６μｍ以下になるように凹凸を形成する凹凸形成工程と、
前記凹凸形成工程を行った後に、ＰＶＤ法により前記金型意匠面に４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上を含む炭化物、窒化物若しくは炭窒化物、及び、４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上とＳｉ及びＡｌの一種又は二種とを含む窒化物からなる群から選ばれる一種又は二種以上からなる単層又は多層の被膜を形成する被膜形成工程とを備えたことを要旨とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る他の温熱間鍛造用金型の製造方法は、
ショットピーニングにより金型意匠面に凹凸を形成する被覆前凹凸形成工程と、
前記被覆前凹凸形成工程を行った後に、ＰＶＤ法により前記金型意匠面に４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上を含む炭化物、窒化物若しくは炭窒化物、及び、４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上とＳｉ及びＡｌの一種又は二種とを含む窒化物からなる群から選ばれる一種又は二種以上からなる単層又は多層の被膜を形成する被膜形成工程と、
前記被膜形成工程を行った後に、ショットピーニングにより前記被膜に表面粗さＲａがいずれの方向から測定しても０．１μｍ以上０．６μｍ以下になるように凹凸を形成する被覆後凹凸形成工程とを備えたことを要旨とする。

本発明に係る温熱間鍛造用金型は、金型意匠面に所定の表面粗さＲａの凹凸が形成された硬質被膜を備えたものであるため、硬質被膜からなる凸部は、硬く、且つ、所定の表面粗さＲａであるため摩耗しにくい。また、凹凸部は、所定の表面粗さＲａであるため潤滑材の保持力が良好である。従って、その硬質被膜からなる凹凸は、長期間に亘って潤滑材の保持力を維持することができるため、金型摩耗を抑制することができる。すなわち、本発明に係る温熱間鍛造用金型は、硬質被膜と表面粗さＲａ（凹凸）との相乗効果により、金型摩耗を抑制でき、金型寿命を延ばすことができ、当該温熱間鍛造用金型及びこれにより製造される各種製品の製造コストを低廉化することができる。

本発明に係る温熱間鍛造用金型の製造方法は、上記構成を備えたものであるから、金型表面の表面粗さＲａをいずれの方向から測定しても０．１μｍ以上０．６μｍ以下とすることができる。この方法により得られる温熱間鍛造用金型は、本発明に係る温熱間鍛造用金型と同様の効果が得られる。
また、本発明に係る温熱間鍛造用金型の製造方法は、ショットピーニングを硬質被膜の形成前に行うものであるため、硬質被膜を形成してからショットピーニングする場合に比べて硬質被膜が割れないという効果がある。

以下に図面を参照して本発明の一実施形態について詳細に説明する。
（温熱間鍛造用金型）
図１に示す本発明の一実施形態に係る温熱間鍛造用金型１は、ＪＩＳ ＳＫＤ６１に代表される熱間ダイス鋼及びその改良鋼からなるものであればよいが、材質は、特に限定されるものではない。
温熱間鍛造用金型１は、金型意匠面２に４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上を含む炭化物、窒化物若しくは炭窒化物、及び、４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上とＳｉ及びＡｌの一種又は二種とを含む窒化物からなる群から選ばれる一種又は二種以上からなる単層又は多層の硬質被膜３を備える。硬質被膜３をこのような材質としたのは、単に金型意匠面２を窒化するよりも硬いため、摩耗しにくい、すなわち、耐摩耗性に優れるからである。

金型意匠面２は、硬化層深さ２００μｍ以下の窒化が施されていても良い。金型意匠面２もまた、表面粗さＲａがいずれの方向から測定しても０．１μｍ以上０．６μｍ以下である。金型意匠面２の表面粗さＲａをこの範囲としたのは、この表面粗さＲａを「金型意匠面２の表面に形成される硬質被膜３の表面粗さＲａ」に反映させるためであり、反映された硬質被膜３の表面粗さＲａが、０．１μｍ未満では潤滑材の十分な保持力が得られず、摩耗を抑制する効果があまりなく、０．６μｍ超では金型表面４の凹凸が大きすぎるために、特に凸部が摩耗し、却って金型の摩耗を促進させる。そこで、金型意匠面２の表面粗さＲａをこの範囲とした。もっとも、硬質被膜３の表面粗さＲａをこの範囲にすることができるならば、金型意匠面２の表面粗さＲａは、０．１μｍ以上０．６μｍ以下に限定されない。

硬質被膜３は、温熱間鍛造時に被鍛造材と接触する面であり、表面粗さＲａがいずれの方向から測定しても０．１μｍ以上０．６μｍ以下である。硬質被膜３の表面粗さＲａをこの範囲としたのは、０．１μｍ未満では潤滑材の十分な保持力が得られず、摩耗を抑制する効果があまりないからであり、０．６μｍ超では金型表面４の凹凸が大きすぎるために、特に凸部が摩耗し、却って金型の摩耗を促進させるからである。

硬質被膜３の膜厚は、単層多層に拘わらず全体で１μｍ以上２０μｍ以下が好ましい。硬質被膜３の膜厚をこの範囲としたのは、１μｍ未満では効果が小さく、２０μｍ超ではコーティング時間が長くなり、経済的に不利だからである。硬質被膜３を多層で構成する場合には、その積層順は特に限定されない。

（温熱間鍛造用金型の製造方法）
本発明の一実施形態に係る温熱間鍛造用金型１は、例えば、ＪＩＳ ＳＫＤ６１に代表される熱間ダイス鋼及び改良鋼からなる金型を用いて、以下の（１）凹凸形成工程及び（２）被膜形成工程をこの順序で行うことにより製造することができる。尚、下記の（１）凹凸形成工程は、後述する（３）被覆後凹凸形成工程を行う場合には、特に、被覆前凹凸形成工程ともいう。
（１）凹凸形成工程（被覆前凹凸形成工程）
凹凸形成工程では、ショットピーニングにより金型意匠面２に表面粗さＲａがいずれの方向から測定しても０．１μｍ以上０．６μｍ以下になるように凹凸を形成する。この凹凸は、旋盤加工面のように一方向からは凹凸があるが、他方向からは凹凸がないようなものでは効果が得られない。そこで、いずれの方向から測定しても所定の表面粗さＲａになるように凹凸を形成する。そのためには、ショットピーニングは、金属製のメディアを投射速度（面に当たるときの直前の速度）１００ｍ／秒以下で投射することにより行うとよく、あるいは、金属製の直径１００μｍ以下のメディアを投射圧（投射しはじめの圧）０．１ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下、投射距離１００ｍｍ以上３００ｍｍ以下で投射することにより行うとよい。これにより、金型摩耗を抑制するための適度なサイズの凹凸が金型意匠面２に形成され得る。

凹凸形成工程が被覆前凹凸形成工程に該当する場合（後述する（３）被覆後凹凸形成工程を行う場合）には、被覆後凹凸形成工程において表面粗さＲａが０．１μｍ以上０．６μｍ以下になればよいため、被覆前凹凸形成工程を行ったときの表面粗さＲａは、特に限定されないが、０．１μｍ以上０．６μｍ以下が好ましい。従って、ショットピーニングは、金属製のメディアを投射速度１００ｍ／秒以下で投射することにより行うとよく、あるいは、金属製の直径１００μｍ以下のメディアを投射圧０．１ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下、投射距離１００ｍｍ以上３００ｍｍ以下で投射することにより行うことが好ましい。

尚、上記いずれの場合においても、投射速度１００ｍ／秒以下としたのは、表面粗さＲａを過度に粗くすることなく最適化し、摩耗や潤滑材の保持力を悪化させないようにするためである。ちなみに、投射速度１００ｍ／秒超の条件は、疲労強度向上に寄与できても、表面粗さＲａが過度に粗くなる。
また、ショットピーニングを行う前に、予め、金型意匠面２には、硬化層深さ２００μｍ以下の窒化を施しておいてもよい。その理由は、金型表面を硬化させて、被膜の密着性を向上させるためである。

（２）被膜形成工程
次の被覆形成工程では、ＰＶＤ法又はＣＶＤ法により金型意匠面２に４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上を含む炭化物、窒化物若しくは炭窒化物、及び、４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上とＳｉ及びＡｌの一種又は二種とを含む窒化物からなる群から選ばれる一種又は二種以上からなる単層又は多層の硬質被膜３を形成する。硬質被膜３は、既にショットピーニングにより凹凸が形成された金型意匠面２に形成されるため、金型意匠面２の凹凸形状が硬質被膜３の表面形状として反映される。従って、硬質被膜３は、表面粗さＲａが０．１μｍ以上０．６μｍ以下となる。あるいは、硬質被膜３は、後述する（３）被覆後凹凸形成工程を行う場合には、この工程を行った後の表面粗さＲａが０．１μｍ以上０．６μｍ以下になるような表面粗さＲａとなる。
従って、硬質被膜３は、凸部が硬く、且つ、所定の表面粗さＲａであるため摩耗しにくい。また、凹凸部は、所定の表面粗さＲａであるため潤滑材の保持力が良好である。従って、硬質被膜の摩耗や剥離を防ぐことができ、その硬質被膜からなる凹凸は、長期間に亘って潤滑材の保持力を維持することができる。

硬質被膜３を形成するために行われるＰＶＤ法としては、真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタ蒸着のいずれでもよいが、特に、イオンプレーティングが好ましい。イオンプレーティング法は、蒸発させた金属をイオン化し、この金属イオンを反応性ガス雰囲気下で電界により加速して処理品表面（金型意匠面２）に付着させるものであるが、金属を蒸発させる方法としてはカソードアーク放電を用いる方法やホロカソード式のいずれでもよい。イオンプレーティングが好ましいのは、ＣＶＤ法に比べて低温で処理できるため、温熱間鍛造用金型１の熱影響による軟化を防止でき、熱による歪みを小さくできるためである。尚、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、分子線エピタキシー法を用いても良い。

イオンプレーティング法により硬質被膜３を形成する場合には、イオン化した金属を加速する電界電圧は１０〜５００Ｖが好ましい。また、反応性ガスとしては窒素、メタン等の炭化水素系ガスを使用し、その圧力は０．１〜１０Ｐａのうちから選択すればよい。
このとき、硬質被膜３は、単層の場合、膜厚が１μｍ以上２０μｍ以下になるように形成するのが好ましく、多層の場合も膜厚が合計で１μｍ以上２０μｍ以下になるように形成するのが好ましい。多層の場合には、下層側から上層側へ順番に種類を変更して繰返しＰＶＤ法を行えばよい。

尚、硬質被膜３の形成に先立って金型意匠面２にイオン照射を行ってもよい。この場合は、４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属等の金属イオンやＡｒイオンを用いて行い、このイオン照射の時にイオンを加速する電界電圧は５００〜２０００Ｖが好ましい。

上記（１）及び（２）の工程を行って得られる温熱間鍛造用金型１に、更に、以下の（３）被覆後凹凸形成工程を行ってもよい。
（３）被覆後凹凸形成工程
次の被覆後凹凸形成工程では、ショットピーニングにより硬質被膜３に表面粗さＲａがいずれの方向から測定しても０．１μｍ以上０．６μｍ以下になるように凹凸を形成する。この凹凸は、旋盤加工面のように一方向からは凹凸があるが、他方向からは凹凸がないようなものでは効果が得られない。そこで、いずれの方向から測定しても所定の表面粗さＲａになるように凹凸を形成する。そのために、ショットピーニングは、セラミック製又はガラス製のメディアを投射速度１００ｍ／秒以下で投射することにより行うとよく、あるいは、セラミック製又はガラス製の直径１００μｍ以下のメディアを投射圧０．１ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下、投射距離１００ｍｍ以上３００ｍｍ以下で投射することにより行えばよい。ここで、金属製のメディアではなく、セラミック製又はガラス製のメディアを使用するのは、硬質被膜３は硬質ではあるが脆いため、金属製のメディアでは硬質被膜３が割れるおそれがあるためである。また、メディアを投射速度１００ｍ／秒以下で投射するのは、上記と同様の理由によるものである。

被覆後凹凸形成工程においても、更に、ショットピーニングを行う理由は、微細な凹凸（表面粗さＲａにして０．１μｍ以上０．６μｍ以下）の形成を促進させるとともに、金型意匠面２及び硬質被膜３の表面に圧縮残留応力を付与することにより硬質被膜３の密着性を向上させ、更に、温熱間鍛造用金型１の金型寿命を改善するためである。
また、次の理由もある。被膜形成工程でイオンプレーティングをすると、蒸発せずに液体のまま硬質被膜３の表面に半球状のドロップレットというものが付着する。このドロップレットは、油溜まりとしては作用しないため、これをなくすためには、硬質被膜３を形成した後にもショットピーニングを行うとよい。

（作用）
上記製造方法によれば、ショットピーニングにより金型意匠面２に表面粗さＲａがいずれの方向から測定しても０．１μｍ以上０．６μｍ以下になるように凹凸が形成され、その上にＰＶＤ法により硬質被膜３が形成される。従って、金型意匠面２の凹凸形状が硬質被膜３の表面形状として反映され、硬質被膜３は表面粗さＲａが０．１μｍ以上０．６μｍ以下となる。このようにして製造された温熱間鍛造用金型１は、硬質被膜３からなる凸部が硬く、且つ、所定の表面粗さＲａであるため摩耗しにくい。また、凹凸部は、所定の表面粗さＲａであるため潤滑材の保持力が良好である。従って、硬質被膜の摩耗や剥離を防ぐことができ、潤滑材の保持力は、硬質被膜３からなる凹凸により長時間に亘って維持される。これにより、温熱間鍛造用金型１は、金型摩耗が抑制され、金型寿命が延びる。

硬質被膜３が形成された温熱間鍛造用金型１に、更に、ショットピーニングを施せば、硬質被膜３の表面粗さＲａが０．１μｍ以上０．６μｍ以下となるような凹凸形成が更に促進され、圧縮残留応力の付与により密着性が高まる他、ドロップレットが除去される。これにより、温熱間鍛造用金型１は、金型摩耗が更に抑制され、金型寿命が延びる。

以下、本発明の実施例及び比較例について説明する。
（試験片パンチの作製）
実施例１〜１１及び比較例１〜５について、５０ＨＲＣに調質されたＪＩＳ ＳＫＤ６１を図２に示す形状のパンチに加工したものを用意し、実施例１，２以外の各々に全硬化層厚さ０．１ｍｍのプラズマ窒化処理を施した。

次に、実施例１〜１１及び比較例４の各パンチの表面にショットピーニングにより微小な凹凸を付与した。このとき、ショットピーニングは、実施例１〜１１については、スチール製で粒径が１００μｍ以下のメディアを用いて、投射速度１００ｍ／秒で行った。このとき、投射圧は、０．１ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下、投射距離は、１００ｍｍ以上３００ｍｍ以下となった。比較例４については、スチール製で粒径が５００μｍのメディアを用いて、投射速度１５０ｍ／秒で行った。このとき、投射圧は、０．１ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下、投射距離は、１００ｍｍ以上３００ｍｍ以下となった。

次に、実施例１〜１１及び比較例１〜４の各パンチの表面に、イオンプレーティング法で表１に示す各種被膜を被覆した。このとき、アルゴンイオンボンバードを実施する電界電圧は５００〜１０００Ｖ、被覆を実施する電界電圧は５０〜３００Ｖ、反応性ガスの圧力は１〜１０Ｐａとした。各実施例及び各比較例の具体的な条件は、表１に示す被膜種類等に応じて、これらの中から選択した。多層の場合には、繰返しイオンプレーティング法を行った。

次に、実施例１、２、４〜８、１０、１１及び比較例４の各パンチの表面には、再度、ショットピーニングにより表面に微小な凹凸を付与した。このとき、ショットピーニングは、各実施例については、セラミック製で粒径が１００μｍ以下のメディアを用いて、投射速度１００ｍ／秒で行った。このとき、投射圧は、０．１ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下、投射距離は、１００ｍｍ以上３００ｍｍ以下となった。比較例４については、セラミック製又はガラス製で粒径が５００μｍのメディアを用いて、投射速度１５０ｍ／秒で行った。このとき、投射圧は、０．１ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下、投射距離は、１００ｍｍ以上３００ｍｍ以下となった。

以上の手順で実施例１〜１１及び比較例１〜５の試験片パンチを得た。そして、実施例１〜１１及び比較例１〜５の被膜厚さ（μｍ）、表面粗さＲａ（μｍ）を測定した。表面粗さＲａは、任意の直交する二方向から測定した結果である。結果を表１にまとめて示す。

（鍛造試験）
実施例１〜１１及び比較例１〜５について、横型高速鍛造機を用いて、鍛造速度８５ｓｐｍ、潤滑油量３Ｌ／ｍｉｎ、ワーク材質Ｓ５３Ｃ、ワーク加熱温度８２０℃（温間）という条件で、図３に示す二工程鍛造を実施した。各試験片パンチに対して５０００ショット鍛造を行った後に、図４に示す位置の各試験片パンチの摩耗量（ｍｍ）を測定した。摩耗量は、９０°間隔で４点測定した結果（平均値）である。結果を表１にまとめて示す。

（評価）
実施例１〜１１は、比較例１〜５より摩耗量が少なかった。
これについて考察する。まず、比較例１〜５によれば、比較例１〜４のように硬質被膜を形成すると、それらの表面粗さＲａに関わらず、比較例５の単なる窒化のみに比べ、摩耗量が減ることがわかった。そのため、硬質被膜の形成が摩耗しにくくする、すなわち、耐摩耗性を高めるのに効果があることがわかった。
しかしながら、比較例１は、機械加工をした状態のままであるため、測定方向により表面粗さＲａにバラツキがあり、ある方向では適度な凹凸があったが、別の方向では凹凸が小さすぎた。そのため、比較例１は、凹凸での潤滑材の保持力が低くなり、硬質被膜及びその厚さが実施例１と同じでもその磨耗量が多かったといえる。このことから、測定方向によって表面粗さＲａに差があり、一方でも適度な範囲から外れていると摩耗を抑制する効果が低いことがわかった。

比較例２及び３は、機械加工及びラップ加工により表面を磨いて密着性をあげたものであるため、表面粗さＲａが非常に細かすぎ潤滑材をはじいた。そのため、比較例２及び３は、測定方向によらず表面粗さＲａがほぼ揃っていても摩耗が大きくなったといえる。このことから、硬質被膜を形成しても凹凸が細かすぎると摩耗を抑制する効果が低いことがわかった。
比較例４は、実施例５等と同様に硬質被膜を形成し、更に、ショットピーニングを行ったものであるが、ショットピーニングの強さを実施例に比べて強くしたため表面粗さＲａが粗すぎて凸部の摩耗が促進され、結果的に摩耗量が大きかった。このことから、硬質被膜を形成しても凹凸が粗すぎると摩耗を抑制する効果が低いことがわかった。また、このような結果になったのは、比較例４の投射速度を１５０ｍ／秒としたことも原因であると考えられる。

これに対し、実施例１〜１１は、硬質被膜からなる凹凸を形成し、凸部は、硬く、且つ、所定の表面粗さＲａ（０．１μｍ以上０．６μｍ以下）であるため摩耗しにくくなった（耐摩耗性が高まった）といえる。また、実施例１〜１１は、凹凸部が少なくとも任意の二方向から測定した場合に所定の表面粗さＲａ（０．１μｍ以上０．６μｍ以下）に収まっていたため、潤滑材の保持力が良好であったといえる。従って、実施例１〜１１は、硬質被膜と表面粗さＲａ（凹凸）との相乗効果により、比較例１〜５よりも、金型摩耗を抑制でき、潤滑材の保持力を維持することができたことがわかった。また、実施例１，５，９，１１は、表面粗さＲａが０．１μｍ以上０．３μｍ以下の範囲にあったが、いずれも摩耗量が０．１０ｍｍ以下であった。このことから、表面粗さＲａを０．１μｍ以上０．３μｍ以下とすると、金型摩耗を抑制する効果が高いことがわかった。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明に係る温熱間鍛造用金型及びその製造方法は、金型寿命を改善できるものであるから、金型メーカーや金型を用いて各種製品を製造するメーカーにとって産業上の利用価値がきわめて高い。

温熱間鍛造用金型１の表面部分の断面を示す図である。 試験片パンチの形状を示す図である。 試験片パンチを用いた二工程鍛造の工程を示す図である。 試験片パンチの摩耗量の測定位置を示す図である。

符号の説明

１ 温熱間鍛造用金型
２ 金型意匠面
３ 硬質被膜
４ 金型表面

Claims (7)

1. 金型意匠面に４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上を含む炭化物、窒化物若しくは炭窒化物、及び、４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上とＳｉ及びＡｌの一種又は二種とを含む窒化物からなる群から選ばれる一種又は二種以上からなる単層又は多層の被膜を備え、
   前記被膜は、表面粗さＲａがいずれの方向から測定しても０．１μｍ以上０．６μｍ以下であることを特徴とする温熱間鍛造用金型。
2. 前記被膜は、膜厚が１μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の温熱間鍛造用金型。
3. 前記金型意匠面は、硬化層深さ２００μｍ以下の窒化が施されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の温熱間鍛造用金型。
4. ショットピーニングにより前記金型意匠面に凹凸を形成した後に前記被膜が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の温熱間鍛造用金型。
5. 前記ショットピーニング時におけるメディアは、投射速度１００ｍ／秒以下で投射されたことを特徴とする請求項４に記載の温熱間鍛造用金型。
6. ショットピーニングにより金型意匠面に表面粗さＲａがいずれの方向から測定しても０．１μｍ以上０．６μｍ以下になるように凹凸を形成する凹凸形成工程と、
   前記凹凸形成工程を行った後に、ＰＶＤ法により前記金型意匠面に４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上を含む炭化物、窒化物若しくは炭窒化物、及び、４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上とＳｉ及びＡｌの一種又は二種とを含む窒化物からなる群から選ばれる一種又は二種以上からなる単層又は多層の被膜を形成する被膜形成工程とを備えたことを特徴とする温熱間鍛造用金型の製造方法。
7. ショットピーニングにより金型意匠面に凹凸を形成する被覆前凹凸形成工程と、
   前記被覆前凹凸形成工程を行った後に、ＰＶＤ法により前記金型意匠面に４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上を含む炭化物、窒化物若しくは炭窒化物、及び、４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上とＳｉ及びＡｌの一種又は二種以上からなる単層又は多層の被膜を形成する被膜形成工程と、
   前記被膜形成工程を行った後に、ショットピーニングにより前記被膜に表面粗さＲａがいずれの方向から測定しても０．１μｍ以上０．６μｍ以下になるように凹凸を形成する被覆後凹凸形成工程とを備えたことを特徴とする温熱間鍛造用金型の製造方法。

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