JP2011127205A - Coated die having excellent lubricant adhesiveness and durability, and method for producing the same - Google Patents

Coated die having excellent lubricant adhesiveness and durability, and method for producing the same Download PDF

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Takashi Ishikawa
剛史 石川
Hideyuki Konishi
秀之 小西
Fumiaki Honda
史明 本多
Kenichi Inoue
謙一 井上
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Hitachi Tool Engineering Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a coated die which has excellent lubricant adhesiveness and durability even in the environments of forging, die casting or the like which have been made severe, and to provide a method for producing the coated die. <P>SOLUTION: The coated die is obtained by coating the surface of a die base material with a film by a sputtering process. The film is made of a hard film composed of one or more selected from nitrides, carbides and carbonitrides, and a lubricating film covered directly thereon, and made of one or more selected from nitrides, carbides and carbonitrides. The lubricating film has surface roughness of the arithmetic average roughness Ra: ≥0.08 μm, the maximum height Rz: ≥0.84 μm, and is composed of an acicular grains having grain boundaries in an almost vertical direction to the surface of the die base material. The above film can be achieved by controlling film deposition conditions upon its sputtering. For example, in the lubricating film, base material vias voltage upon coating is controlled to -0 to -60V. In the hard film, base material bias voltage is preferably controlled to >-60V and ≤-160V. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、ダイカスト、温熱間鍛造等に使用される耐焼付き性が必要とされる被覆金型およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a coated mold that is used for die casting, hot forging and the like and requires seizure resistance, and a method for producing the same.

従来、ダイカストや温熱間鍛造に使用される金型においては、その作業面に様々な表面処理が施された被覆金型が提案されている。そして、その被覆手段としては、金型基材の変寸や変形の少ない低温(A1変態点以下)で処理ができ、しかも皮膜には残留圧縮応力が付与されることで耐クラック性に優れた皮膜とできる、物理蒸着法(以下、PVD法)の適用が増加している。   Conventionally, in a mold used for die casting or hot forging, a coated mold having various surface treatments on its work surface has been proposed. And as the coating means, it can be processed at a low temperature (below the A1 transformation point) with little deformation and deformation of the mold base material, and the coating film is excellent in crack resistance by applying a residual compressive stress. Application of physical vapor deposition (hereinafter referred to as PVD method), which can be used as a film, is increasing.

一方、最近のダイカスト製品や鍛造製品の軽量化、高性能化、用途の多様化等に伴っては、その製品寸法形状に対する金型の精度、そして金型表面に負荷される熱応力条件は年々厳しくなっており、金型寿命が不安定化する傾向にある。特にダイカスト用金型は、その表面が活性な溶融金属と接するので、溶損や焼付き、または熱応力による疲労クラックの発生が顕著である。   On the other hand, with the recent weight reduction, high performance, and diversification of applications of die-cast and forged products, the accuracy of the mold for the product dimensions and the thermal stress conditions applied to the mold surface are increasing year by year. It is becoming strict and the mold life tends to become unstable. In particular, since the die casting mold has a surface in contact with an active molten metal, the occurrence of fatigue cracks due to melting, seizure, or thermal stress is significant.

上記の対策としては、以前より、その成形毎の金型表面に離型剤を噴霧している。つまり、この離型剤は、金型と被加工製品の離型性を向上させる他には、金型表面の冷却や潤滑剤としても作用することから、金型の耐溶損性や耐焼付き性の付与に大きく作用している。しかし、被覆金型の場合、その従来の皮膜では潤滑剤の付着性が十分ではないことから、潤滑剤の効果に加えては、皮膜自身の効果も十分に発揮されない。   As a countermeasure, a release agent has been sprayed on the mold surface for each molding. In other words, this mold release agent not only improves the mold releasability between the mold and the product to be processed, but also acts as a cooling and lubricant for the mold surface. It greatly affects the provision of However, in the case of a coated mold, the adhesion of the lubricant is not sufficient in the conventional film, so that the effect of the film itself is not sufficiently exhibited in addition to the effect of the lubricant.

そこで、窒化物等の硬質膜の上には、アークイオンプレーティング法によって表面粗さがRz:4〜15μmまたは15μm超〜40μmの金属膜を被覆したことで、その皮膜自体の耐久性と、潤滑剤の付着性を向上した温熱間加工用被覆工具が提案されている(特許文献1〜3)。また、窒化物でなる硬質膜の上には、5〜200nm未満の「突起状粒子」を有する窒化物を被覆したことで、やはり皮膜自体の耐摩耗性と潤滑剤の保持能力を増した被覆部材が提案されている(特許文献4)。特許文献4の皮膜は、スパッタリング法によって被覆される。そして、スパッタ時の基材バイアス電圧を−100Vとすることで、表面粗さがRy(JIS−B−0601(2001)による最大高さRzに相当)約0.5μm以下、かつRa約0.05μm以下の平滑性を維持しつつも、一般的に言うマクロパーテイクルとは異なる突起状粒子が付与できるとある。   Therefore, on the hard film such as nitride, a metal film having a surface roughness Rz: 4 to 15 μm or more than 15 μm to 40 μm is coated by an arc ion plating method. Coated tools for hot working with improved adhesion of the lubricant have been proposed (Patent Documents 1 to 3). In addition, a hard film made of nitride is coated with a nitride having “projection-like particles” of less than 5 to 200 nm, which also increases the wear resistance of the film itself and the retention capability of the lubricant. A member has been proposed (Patent Document 4). The film of Patent Document 4 is coated by a sputtering method. By setting the substrate bias voltage at the time of sputtering to −100 V, the surface roughness is about 0.5 μm or less for Ry (corresponding to the maximum height Rz according to JIS-B-0601 (2001)), and Ra is about 0.00. While maintaining a smoothness of not more than 05 μm, it is possible to provide protrusion-like particles different from the generally referred macroparticle.

特開2002−292442号公報JP 2002-292442 A 特開2002−307129号公報JP 2002-307129 A 特開2005−246468号公報JP 2005-246468 A 特開2007−084899号公報JP 2007-084899 A

上述した手法は、金型の性能向上に有効である。しかし、金型表面での潤滑剤の含浸性については、改善の余地がある。つまり、皮膜表面の粗化技術に係っては、例えば特許文献1〜3のような金属膜を利用したものだと、その軟質な特性から、過酷化する使用環境下では耐焼付き性の向上機能を十分に発揮し得ないことが考えられる。そして、皮膜を窒化物で構成した特許文献4では、その表面に突起状粒子を付与したとあっても、やはり平滑度が高く、適正量の潤滑剤を付着させるには課題が残る。   The above-described method is effective for improving the performance of the mold. However, there is room for improvement in the impregnation of the lubricant on the mold surface. In other words, regarding the roughening technique of the coating surface, for example, if a metal film as in Patent Documents 1 to 3 is used, the seizure resistance is improved in a severe use environment due to its soft characteristics. It is conceivable that the function cannot be fully exhibited. And in patent document 4 which comprised the film | membrane with the nitride, even if it has provided the protruding particle | grains on the surface, a smoothness is still high and the subject remains in adhering an appropriate amount of lubricants.

加えて、最近の被加工製品のニアネットシェイプ化は、その複雑な製品形状に成形加工する時の金型作業面への負荷応力を大きくする。そして、複雑形状の金型作業面には潤滑剤が適量付着する部位と、付着しない部位が生じ得るので、潤滑剤の付着量が少ない部位においては早期に被加工材との焼付き、かじり等が発生しやすい。   In addition, the recent trend toward near-net shape of products to be processed increases the stress applied to the work surface of the mold when it is formed into a complex product shape. In addition, there may be a site where an appropriate amount of lubricant adheres and a portion where the lubricant does not adhere to the complex-shaped mold work surface. Is likely to occur.

また、ダイカスト成形や鍛造の現場における作業性向上、そして作業コスト低減のためには、離型剤を極力使用しない「離型剤フリー」も要望されている。よって、離型剤(潤滑剤)を使用する場合であっても、その使用量はできるだけ少なくして、かつ金型の耐久性は向上させることが重要な課題である。   In addition, in order to improve workability at the site of die casting and forging, and to reduce work costs, “release agent-free” that does not use a release agent as much as possible is also desired. Therefore, even when a mold release agent (lubricant) is used, it is important to reduce the amount used as much as possible and improve the durability of the mold.

本発明の目的は、上記の問題を解消した潤滑剤付着性および耐久性に優れた被覆金型およびその製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a coating mold excellent in lubricant adhesion and durability, which solves the above problems, and a method for producing the same.

まず本発明者は、優れた耐焼付き性、耐かじり性を付与するための、潤滑剤の付着性を向上させる手段として、皮膜の物理的構造の詳細な検討を行った。その結果、該付着性の向上には、皮膜の表面粗さが関係するだけではなくて、潤滑剤が含浸することで極めて付着し易い内部構造もが存在することを突きとめた。また本発明者は、上記の潤滑剤付着性を優先した皮膜構造であっても、皮膜全体としては、別の皮膜を下層に組合せた複合構造とすることで、機械的特性も維持できる手法を見いだした。そして、これらの皮膜構造を達成できる成膜条件についても検討することで、本発明に到達した。   First, the present inventor conducted a detailed examination of the physical structure of the film as a means for improving the adhesion of the lubricant to impart excellent seizure resistance and galling resistance. As a result, it has been found that not only the surface roughness of the film is related to the improvement of the adhesion, but also an internal structure that easily adheres when the lubricant is impregnated. In addition, even if the inventor has a film structure that prioritizes the adhesion of the lubricant, the entire film has a composite structure in which another film is combined with the lower layer to maintain mechanical characteristics. I found it. Then, the present invention has been reached by studying film forming conditions that can achieve these film structures.

すなわち本発明は、金型基材の表面にスパッタリング法によって皮膜を被覆した被覆金型であって、該皮膜は、窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの1種以上でなる硬質膜と、その直上に被覆された窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの1種以上でなる潤滑膜からなり、該潤滑膜は、表面粗さが算術平均粗さRa:0.08μm以上、最大高さRz:0.84μm以上であり、金型基材の表面に対して略垂直方向に界面を有する針状粒子の集合体であることを特徴とする、潤滑剤付着性および耐久性に優れた被覆金型である。該硬質膜と潤滑膜は略同一組成でなることが好ましく、および/または、該潤滑膜の表面では、上記の針状粒子の突端は多角形状であることが好ましい。   That is, the present invention is a coated mold in which a film is coated on the surface of a mold base by a sputtering method, and the film includes a hard film made of at least one of nitride, carbide, and carbonitride, The lubricating film is composed of one or more of nitride, carbide, and carbonitride coated directly thereon, and the lubricating film has a surface roughness of arithmetic average roughness Ra: 0.08 μm or more and a maximum height. Rz: 0.84 μm or more, and is an aggregate of acicular particles having an interface in a direction substantially perpendicular to the surface of the mold base, and is excellent in lubricant adhesion and durability It is a mold. It is preferable that the hard film and the lubricating film have substantially the same composition, and / or, on the surface of the lubricating film, it is preferable that the protrusions of the needle-like particles have a polygonal shape.

さらに、潤滑膜は、結晶構造が立方晶であり、X線回折において(111)に最大強度を有することが好ましく、および/または、硬質膜は、結晶構造が立方晶であり、X線回折において(200)に最大強度を有することが好ましい。そして硬質膜および/または潤滑膜は、Ti、Cr、Al、Si、W、Nb、Mo、V、B、Hfから選択される1種以上の元素の窒化物、炭化物、炭窒化物のうち、その1種以上でなることが望ましい。   Further, the lubricating film preferably has a cubic crystal structure and preferably has a maximum intensity at (111) in X-ray diffraction, and / or the hard film has a cubic crystal structure and is in X-ray diffraction. Preferably it has a maximum strength at (200). The hard film and / or the lubricating film is made of a nitride, carbide, or carbonitride of one or more elements selected from Ti, Cr, Al, Si, W, Nb, Mo, V, B, and Hf. It is desirable to consist of at least one of them.

そして本発明は、金型基材の表面にスパッタリング法により皮膜を被覆した被覆金型の製造方法であって、該皮膜は、窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの1種以上でなる硬質膜と、その直上に被覆された窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの1種以上でなる潤滑膜からなり、該潤滑膜は、被覆時の基材バイアス電圧を−0V〜−60Vとするスパッタリング法によって被覆することを特徴とする、潤滑剤付着性および耐久性に優れた被覆金型の製造方法である。また、上記の硬質膜は、被覆時の基材バイアス電圧を−60V超〜−160Vとするスパッタリング法によって被覆することが好ましい。そして、硬質膜と潤滑膜は、略同一組成でなることが好ましい。   And this invention is a manufacturing method of the coating metal mold | die which coat | covered the film | membrane by sputtering method on the surface of a mold base material, Comprising: This film | membrane is hard which consists of 1 or more types of nitride, carbide, and carbonitride And a lubricating film made of at least one of nitride, carbide, and carbonitride coated on the film, and the lubricating film has a base material bias voltage of −0 V to −60 V at the time of coating. It is a method for producing a coated mold excellent in lubricant adhesion and durability, characterized by coating by a sputtering method. Further, the hard film is preferably coated by a sputtering method in which the substrate bias voltage at the time of coating is over -60V to -160V. The hard film and the lubricating film preferably have substantially the same composition.

本発明の金型によれば、その作業面に被覆された皮膜は優れた耐摩耗性と潤滑剤付着性を兼備する。よって、この被覆金型を使用することで、最近の過酷化するダイカスト成形や鍛造環境下においても、高い生産性を維持できる。また、離型剤の使用量を減らすことにも対応でき、金型性能の向上にとって欠くことのできない技術となる。   According to the mold of the present invention, the film coated on the work surface has both excellent wear resistance and lubricant adhesion. Therefore, by using this coating die, high productivity can be maintained even in recent severe die casting and forging environments. Moreover, it can respond also to reducing the usage-amount of a mold release agent, and becomes an indispensable technique for the improvement of mold performance.

本発明例3の皮膜表面および破断面の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the film | membrane surface of this invention example 3, and a torn surface. 本発明例4の皮膜表面および破断面の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the film | membrane surface of this invention example 4, and a torn surface. 比較例5の皮膜表面および破断面の走査型電子顕微鏡写真である。6 is a scanning electron micrograph of the coating surface and fracture surface of Comparative Example 5. 比較例6の皮膜表面および破断面の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the film surface and fracture surface of Comparative Example 6. 比較例7の皮膜表面および破断面の走査型電子顕微鏡写真である。6 is a scanning electron micrograph of the coating surface and fracture surface of Comparative Example 7. 比較例8の皮膜表面および破断面の走査型電子顕微鏡写真である。10 is a scanning electron micrograph of the coating surface and fracture surface of Comparative Example 8. 実施例のアルミニウム溶湯付着性試験で用いた評価基準を示す図である。It is a figure which shows the evaluation criteria used with the aluminum melt adhesion test of the Example.

本発明の被覆金型の特徴は、その作業面に被覆された皮膜の構造にある。つまり、耐摩耗性に優れた硬質膜の上には、優れた潤滑剤付着性を発現する特別な構造の潤滑膜が、好ましくは略同一組成をもって積層被覆されているところにある。以下、その構成要件ごとに説明する。   The feature of the coated mold of the present invention is the structure of the coating coated on the work surface. That is, a lubricating film having a special structure that exhibits excellent lubricant adhesion is preferably laminated and coated with substantially the same composition on a hard film having excellent wear resistance. Hereinafter, each component requirement will be described.

(1)金型基材の表面にスパッタリング法によって皮膜を被覆した被覆金型である。
本発明の金型に被覆される皮膜は、硬質膜と、その上にある潤滑膜の複層構造で構成される。そして潤滑膜については、それに優れた潤滑剤付着性を付与するための、表面粗さの調整と、それにも影響を与える「針状粒子」の集合体という、下述の表面および内部構造とする必要がある。そして、この2つの構造を達成するには、PVD法の中でもスパッタリング法が最適である。表面粗さの調整手法としては、アークイオンプレーティング法によるドロップレットの利用も知られるが、ドロップレットは皮膜の実体を構成しない付着粒子であるため、使用条件が過酷になると容易に脱落する恐れがある。
(1) A coated mold in which a surface of a mold base is coated with a film by a sputtering method.
The film coated on the mold of the present invention is composed of a multilayer structure of a hard film and a lubricating film thereon. The lubricating film has the surface and internal structure described below, which is an aggregate of “needle-like particles” that adjusts the surface roughness and gives it an effect to impart excellent adhesion to the lubricant. There is a need. In order to achieve these two structures, the sputtering method is the most suitable among the PVD methods. As a method for adjusting the surface roughness, the use of droplets by the arc ion plating method is also known. However, because the droplets are attached particles that do not constitute the substance of the film, they may easily fall off when the usage conditions become severe. There is.

そして、潤滑膜を上記のスパッタリング法で被覆するに伴っては、その下に被覆する硬質膜もスパッタリング法で被覆すれば、1バッチの処理で連続して本発明の皮膜を完成することができるため、効率がよい。よって、本発明では、その被覆手段にはスパッタリング法を使用する(好ましい製造方法については後述する)。   As the lubricating film is coated by the above sputtering method, if the hard film to be coated thereunder is also coated by the sputtering method, the coating of the present invention can be completed continuously in one batch. Therefore, efficiency is good. Therefore, in the present invention, a sputtering method is used for the covering means (a preferable manufacturing method will be described later).

(2)皮膜は、窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの1種以上でなる硬質膜と、その直上に被覆された窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの1種以上でなる潤滑膜からなる。
硬質膜を構成する窒化物、炭化物、炭窒化物の種類については、その成分組成等の具体的要件に別段の規定は要しない。つまり、硬度や耐摩耗性等の耐久性に優れた膜として従来より使用され、あるいは提案されている公知の硬質膜も適用できる。例えばTi、Cr、Al、Si、W、Nb、Mo、V、B、Hfから選択される1種以上の元素の窒化物、炭化物、炭窒化物であることが好ましい。そして本発明の場合、具体的にはTiとAlの窒化物、CrとAlの窒化物、CrとAlとSiの窒化物が、その硬度と耐酸化性のバランスがよく、特に優れた耐久性を発揮し、また量産性にも優れるので、好ましい。
(2) The film is a hard film made of at least one of nitride, carbide, and carbonitride, and a lubricating film made of at least one of nitride, carbide, and carbonitride coated directly thereon. Consists of.
For the types of nitrides, carbides, and carbonitrides that constitute the hard film, no special provision is required for the specific requirements such as the composition of the components. That is, a known hard film that has been conventionally used or proposed as a film having excellent durability such as hardness and wear resistance can also be applied. For example, a nitride, carbide, or carbonitride of one or more elements selected from Ti, Cr, Al, Si, W, Nb, Mo, V, B, and Hf is preferable. In the case of the present invention, specifically, nitrides of Ti and Al, nitrides of Cr and Al, and nitrides of Cr, Al, and Si have a good balance of hardness and oxidation resistance, and particularly excellent durability. And is excellent in mass productivity.

潤滑膜についても、その種類には別段の規定は要せず、窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの1種以上でなる公知の皮膜等が適用できる。例えばTi、Cr、Al、Si、W、Nb、Mo、V、B、Hfから選択される1種以上の元素の窒化物、炭化物、炭窒化物であることが好ましい。潤滑膜も、窒化物、炭化物、炭窒化物であるから、その物理的構造が下述の潤滑剤付着性を優先したものに制御されていても、機械的特性の維持が可能である。そして、その成分組成は、上記の硬質膜と略同一とすることが好ましい。これにより、潤滑膜も硬質膜と略同一の化合物組成を有した窒化物、炭化物、炭窒化物となることから、硬質膜に対する潤滑膜の密着強度を更に高く維持できるので、金型使用時の熱膨張による潤滑膜の剥離を抑制できる。   As for the lubricating film, there is no need for the type of the lubricating film, and a known film made of at least one of nitride, carbide and carbonitride can be applied. For example, a nitride, carbide, or carbonitride of one or more elements selected from Ti, Cr, Al, Si, W, Nb, Mo, V, B, and Hf is preferable. Since the lubricating film is also a nitride, carbide or carbonitride, the mechanical properties can be maintained even if the physical structure is controlled to give priority to the adhesion of the lubricant described below. The component composition is preferably substantially the same as that of the hard film. As a result, the lubricating film also becomes a nitride, carbide, carbonitride having substantially the same compound composition as the hard film, so that the adhesion strength of the lubricating film to the hard film can be maintained higher, so when using the mold The peeling of the lubricating film due to thermal expansion can be suppressed.

(3)潤滑膜は、表面粗さが算術平均粗さRa:0.08μm以上、最大高さRz:0.84μm以上であり、金型基材の表面に対して略垂直方向に界面を有する針状粒子の集合体である。
潤滑剤の付着性向上には、まず被加工材に接する皮膜表面自体の形態を調整する必要がある。つまり、潤滑膜の表面が平滑だと、被加工材との間に介在する潤滑剤の総量こそは十分であったとしても、それが表面全体で均一に保持されず、潤滑剤の部分的な不足が生じる。その結果、局部的な焼付きやかじりの他、金型表面の冷却ムラによる溶損やクラックの発生要因にもなる。また、加工後の成形体の離型性も悪くなる。よって、本発明の潤滑膜の表面粗さは、算術平均粗さRa:0.08μm以上かつ、最大高さRz:0.84μm以上とする。好ましくはRa:0.09μm以上および/またはRz:0.9μm以上である。なお、粗さ値が大きすぎると粒子の粗大化により耐摩耗性が低下するので、好ましくはRa:0.30μm以下および/またはRz:3.0μm以下とする。表面粗さの測定要領はJIS−B−0601(2001)に従えばよい。
(3) The lubricating film has an arithmetic average roughness Ra of 0.08 μm or more and a maximum height Rz of 0.84 μm or more, and has an interface in a direction substantially perpendicular to the surface of the mold base. It is an aggregate of acicular particles.
In order to improve the adhesion of the lubricant, it is first necessary to adjust the form of the coating surface itself in contact with the workpiece. In other words, if the surface of the lubricant film is smooth, even if the total amount of lubricant interposed between the workpiece and the workpiece is sufficient, it is not uniformly maintained over the entire surface, and the lubricant is partially retained. A shortage occurs. As a result, in addition to local seizure and galling, it also causes generation of melting damage and cracks due to uneven cooling of the mold surface. Moreover, the mold release property of the molded body after processing also deteriorates. Therefore, the surface roughness of the lubricating film of the present invention is arithmetic average roughness Ra: 0.08 μm or more and maximum height Rz: 0.84 μm or more. Preferably, Ra: 0.09 μm or more and / or Rz: 0.9 μm or more. If the roughness value is too large, the wear resistance is lowered due to the coarsening of the particles. Therefore, Ra is preferably 0.30 μm or less and / or Rz: 3.0 μm or less. The measuring procedure for the surface roughness may follow JIS-B-0601 (2001).

そして、本発明の潤滑膜は、その内部構造が金型基材の表面に対して略垂直方向に界面を有する「針状粒子」の集合体である(例えば図1の破断面)。つまり、上記の表面粗さに調整したことで、潤滑膜の表面では適量の潤滑剤を均一に保持できる上では、その内部構造をも潤滑剤の含浸性に優れる形態としたことで、トータルとしての該付着性が向上する。そこで本発明の、上記針状粒子の集合体である潤滑膜は、その個々の針状粒子の界面に潤滑剤が含浸しやすく、皮膜内部に亘って潤滑剤が保持されるので、優れた潤滑剤付着性を発現する。   The lubricating film of the present invention is an aggregate of “needle particles” whose internal structure has an interface in a direction substantially perpendicular to the surface of the mold base (for example, the fracture surface of FIG. 1). In other words, by adjusting the surface roughness as described above, an appropriate amount of lubricant can be held uniformly on the surface of the lubricating film, and the internal structure of the lubricant film is also excellent in the impregnation of the lubricant. The adhesion is improved. Therefore, the lubricating film which is an aggregate of the acicular particles according to the present invention is excellent in lubrication because the lubricant is easily impregnated in the interface between the individual acicular particles and the lubricant is retained throughout the film. Expresses agent adhesion.

上記の針状粒子は、それが皮膜表面に現れることで、その突端が本発明の鋭い表面粗さ値の達成にも寄与している。そして、この針状粒子は、その突端が現れる潤滑膜の表面において多角形状であることが好ましい(例えば図1の表面)。つまり、表面粗さ形状を構成するこの鋭利な突端が「かど」を有していることで、上記の潤滑剤付着性をさらに向上させることができる。   The above-mentioned acicular particles appear on the surface of the film, and the tips thereof contribute to the achievement of the sharp surface roughness value of the present invention. And it is preferable that this acicular particle is polygonal in the surface of the lubricating film where the tip appears (for example, the surface of FIG. 1). That is, since the sharp tip that forms the surface roughness shape has a “corner”, the adhesion of the lubricant can be further improved.

本発明の表面粗さ値を満たした針状粒子の集合体でなる上記の潤滑膜、さらにはその表面が多角形状の鋭利な起伏をなした上記の潤滑膜は、スパッタリング法の成膜条件を制御することで達成できる。そして、成膜条件の中でも特に重要な制御因子が、スパッタ時の金型基材に印可するバイアス電圧である。詳しくは後述するが、その成膜条件が適当でないと、表面粗さを構成する個々の因子が特許文献4にあるような平坦ドーム状の「突起状粒子」となり、その内部構造も潤滑剤の含浸し難い緻密なものとなって(例えば図3や図4)、本発明の潤滑剤付着性を得るのが困難となる。   The above-mentioned lubricating film composed of an aggregate of acicular particles satisfying the surface roughness value of the present invention, and further, the above-mentioned lubricating film whose surface has sharp undulations have the film forming conditions of the sputtering method. This can be achieved by controlling. A particularly important control factor among the film forming conditions is the bias voltage applied to the mold base during sputtering. Although details will be described later, if the film forming conditions are not appropriate, individual factors constituting the surface roughness are flat dome-like “projection-like particles” as described in Patent Document 4, and the internal structure of the lubricant is It becomes difficult to impregnate (for example, FIG. 3 and FIG. 4), and it becomes difficult to obtain the lubricant adhesion of the present invention.

また、特許文献1〜3にあるようなアークイオンプレーティング法でも、そのドロップレットによって皮膜表面の粗さ調整は可能である。しかし、その粗さ付与の仕組みは、本発明とは異なる「付着粒子」によるものであって(図6)、過酷な使用環境ではドロップレットが脱落しやすい。そして潤滑剤の含浸性にも乏しいことから、やはり本発明の潤滑剤付着性の達成は難しい。   Further, even with the arc ion plating method as described in Patent Documents 1 to 3, the coating surface roughness can be adjusted by the droplets. However, the mechanism for imparting roughness is based on “adhering particles” different from the present invention (FIG. 6), and the droplets are likely to fall off in a severe use environment. And since the impregnation property of the lubricant is poor, it is still difficult to achieve the lubricant adhesion of the present invention.

(4)潤滑膜は、結晶構造が立方晶であり、X線回折において(111)に最大強度を有することが好ましい。および/または、硬質膜は、結晶構造が立方晶であり、X線回折において(200)に最大強度を有することが好ましい。
潤滑膜は、上記要件を満たすことで、結晶性が高く、そして結晶粒径が大きくなり、該表面が既述の多角形状となりやすい。よって、本発明の潤滑剤付着性のさらなる向上に好ましい。一方、硬質膜は、上記要件を満たすことで、硬度が高くなり、被覆金型の耐久性向上に好ましい。これら両膜の好ましい要件は、本発明の被覆金型の用途に応じて採用することができる。なお、潤滑膜および/または硬質膜においては、その結晶構造は六方晶であってもよい。
(4) It is preferable that the lubricating film has a cubic crystal structure and has a maximum strength at (111) in X-ray diffraction. And / or the hard film preferably has a cubic crystal structure and has a maximum strength at (200) in X-ray diffraction.
By satisfying the above requirements, the lubricating film has high crystallinity and a large crystal grain size, and the surface tends to have the polygonal shape described above. Therefore, it is preferable for further improving the adhesion of the lubricant of the present invention. On the other hand, the hard film satisfies the above requirements, and thus has a high hardness and is preferable for improving the durability of the coating mold. These preferable requirements for both films can be adopted depending on the application of the coating mold of the present invention. Note that the lubricating film and / or the hard film may have a hexagonal crystal structure.

上記の結晶面は、後述する本発明の製造方法によれば、その基材バイアス電圧を制御することで、調整が可能である。すなわち、基材に印加する負バイアス電圧を小さくすることで、結晶面は(111)に配向する。好ましくは、実施例では採用した独立アノードを設けて、この負電圧をも小さくすれば、この傾向は大きくなる。一方、上記の基材バイアス電圧と、好ましくは独立アノード電圧を負側に大きくすることで、結晶面は(200)に配向する。   The crystal plane can be adjusted by controlling the substrate bias voltage according to the manufacturing method of the present invention described later. That is, by reducing the negative bias voltage applied to the substrate, the crystal plane is oriented to (111). Preferably, this tendency increases if the independent anode employed in the embodiment is provided and the negative voltage is reduced. On the other hand, by increasing the above substrate bias voltage and preferably the independent anode voltage to the negative side, the crystal plane is oriented to (200).

その他には、潤滑膜の平均結晶粒径は、硬質膜の平均結晶粒径よりも大きいことが好ましい。これは、もとより耐摩耗性に優れた硬質膜の平均結晶粒径に対しては、その上に形成する潤滑膜のそれを大きくすることで、皮膜の耐久性を維持したまま潤滑剤の付着効果を高めることができる。具体的には、硬質膜の平均結晶粒径が30nm未満であることに対して、潤滑膜のそれを30〜1000nmとすることが好ましい。なお、この結晶粒径の差によっては少なからず低下する両膜間の密着強度は、両膜を同種の化合物(窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの1種以上)としていること、さらにはそれを略同一成分としていることで十分に補償できる。そして、上記粒径差による両膜の境界については、その部位の粒径を連続的に変化させることで、さらに密着強度が補償できる。   In addition, it is preferable that the average crystal grain size of the lubricating film is larger than the average crystal grain size of the hard film. This is because the average grain size of the hard film with excellent wear resistance is increased by increasing the size of the lubricating film formed on the hard film, thereby maintaining the durability of the film while maintaining the durability of the film. Can be increased. Specifically, it is preferable that the lubricating film has an average crystal grain size of less than 30 nm and that of the lubricating film has a thickness of 30 to 1000 nm. Note that the adhesion strength between the two films, which is reduced to some extent due to the difference in crystal grain size, is that both films are made of the same kind of compound (one or more of nitride, carbide, carbonitride), and It can be sufficiently compensated by making it substantially the same component. And about the boundary of both films | membranes by the said particle size difference, adhesive strength can be further compensated by changing the particle size of the site | part continuously.

以上で説明した、硬質膜と潤滑膜でなる本発明の皮膜構造は、スパッタリング法の成膜条件を制御することで達成できる。すなわち、潤滑膜は、被覆時の基材バイアス電圧を−0V〜−60Vとするスパッタリング法によって達成できる。基材に印加する負バイアス電圧を下げる(つまり−0Vに近づける)ことで、潤滑膜の内部構造は緻密なものから本発明の特徴とする上記針状粒子の集合体へと移行する。そして、その結果として、潤滑膜の表面も、隙間のない平滑構造から本発明の特徴とする鋭利な突端による粗さ構造に移行する。よって、本発明の構造を有した潤滑膜を達成するには、基材に印加する負バイアス電圧を60V以下とする。好ましくは40V以下の負圧である。なお、潤滑膜の表面粗さが大きくなり過ぎると、粒子の粗大化により耐摩耗性が低下するので、好ましい負バイアス電圧は20V以上とする。   The film structure of the present invention composed of the hard film and the lubricating film described above can be achieved by controlling the film forming conditions of the sputtering method. That is, the lubricating film can be achieved by a sputtering method in which the substrate bias voltage at the time of coating is −0 V to −60 V. By lowering the negative bias voltage applied to the base material (that is, approaching −0 V), the internal structure of the lubricating film shifts from a dense structure to the above-described aggregate of acicular particles, which is a feature of the present invention. As a result, the surface of the lubricating film also shifts from a smooth structure without gaps to a rough structure with sharp tips, which is a feature of the present invention. Therefore, in order to achieve the lubricating film having the structure of the present invention, the negative bias voltage applied to the substrate is set to 60 V or less. The negative pressure is preferably 40 V or less. Note that if the surface roughness of the lubricating film becomes too large, the wear resistance is reduced due to the coarsening of the particles, so the preferred negative bias voltage is set to 20 V or more.

そして、上記の潤滑膜に先駆けて被覆する硬質膜は、基材バイアス電圧を−60V超〜−160Vとすることが好ましい。つまり、上記に従えば、耐久性に優れた緻密な硬質膜を得るには、その負の基材バイアス電圧は高く制御することが有効であり、潤滑膜を被覆時のそれより高くすることが好ましい。よって、硬質膜を被覆する時の基材バイアス電圧は60V超の負圧とする。望ましくは80V以上、より望ましくは100V以上である。一方、該バイアス電圧が高くなり過ぎると、被覆された皮膜が再スパッタされ、エッジ形状部の膜厚が薄くなる。また軽い元素がはじき出されることで組成差が生じ、目的とした組成とならない。よって、好ましい負バイアス電圧は160V以下とする。より好ましくは140V以下である。   The hard film to be coated prior to the lubricating film preferably has a base material bias voltage of more than −60V to −160V. That is, according to the above, in order to obtain a dense hard film having excellent durability, it is effective to control the negative substrate bias voltage to be high, and it is possible to make the lubricating film higher than that at the time of coating. preferable. Therefore, the substrate bias voltage when coating the hard film is a negative pressure exceeding 60V. Desirably, it is 80V or more, more desirably 100V or more. On the other hand, when the bias voltage becomes too high, the coated film is re-sputtered, and the film thickness of the edge shape portion becomes thin. Moreover, a compositional difference arises when a light element is ejected, and it does not become the target composition. Therefore, a preferable negative bias voltage is set to 160 V or less. More preferably, it is 140 V or less.

被覆前の金型基材においては、その表面粗さをRa:0.03μm以上、Rz:0.3μm以上に調整しておくことが、本発明の皮膜の表面粗さを確実に得る上で好ましい。より好ましくはRa:0.05μm以上、Rz:0.5μm以上である。ダイカスト成形や温熱間鍛造に使用される金型基材では、通常、その作業面が鏡面加工されることはないから、上記の表面粗さ域は満たし得るものである。   In the mold base before coating, adjusting the surface roughness to Ra: 0.03 μm or more and Rz: 0.3 μm or more ensures the surface roughness of the coating of the present invention. preferable. More preferably, Ra: 0.05 μm or more, Rz: 0.5 μm or more. In the die base material used for die-casting or hot forging, the work surface is usually not mirror-finished, so that the above surface roughness region can be satisfied.

<評価用試料の作成>
各種の皮膜を実際の金型に被覆する前には、その皮膜の形態を評価するための試料を作製した。基材にはJISに規定される高速度鋼SKD61を用意し、これを真空中1180℃の加熱保持から窒素ガス冷却により焼入れ後、540〜580℃での焼戻しにより43HRCに調質したものを用いた。基材の寸法は、厚さ5mm、直径20mmの円筒状である。この円筒状基材の表面を、表面粗さRa:0.05μm、Rz:0.5μmに整えた。そして、炭化水素系の溶剤中で超音波洗浄し、脱脂したものにつき、以下の表面処理を施して、本発明例および比較例となる評価用試料を作製した。
<Preparation of sample for evaluation>
Before coating various types of coatings on actual molds, samples for evaluating the form of the coatings were prepared. For the base material, high-speed steel SKD61 specified by JIS is prepared, and this is tempered to 43HRC by tempering at 540-580 ° C after quenching by heating with nitrogen gas cooling from heating at 1180 ° C in vacuum. It was. The substrate has a cylindrical shape with a thickness of 5 mm and a diameter of 20 mm. The surface of the cylindrical substrate was adjusted to have a surface roughness Ra: 0.05 μm and Rz: 0.5 μm. And what was ultrasonically cleaned and degreased in the hydrocarbon-type solvent was given the following surface treatment, and the sample for evaluation used as the example of this invention and a comparative example was produced.

[本発明例1]
成膜手段には、基材にバイアス電圧を印加するスパッタリング法を採用し、硬質膜、潤滑膜を同一チャンバー内で連続して成膜した。成膜装置については、まずスパッタ電源とバイアス電源には直流電源を用いた。なお、本実施例では、独立したアノードを設けて電子の移動距離を長くし、プラズマを活性化する工夫を施して、通常のスパッタリング装置よりもイオン化率を高める手段を採用している。本要件は、本発明の実施に必須なものではないが、結晶性の高い皮膜が得られ、皮膜の粒子形態の制御が比較的容易である。
[Invention Example 1]
As a film forming means, a sputtering method in which a bias voltage is applied to the base material was adopted, and a hard film and a lubricating film were continuously formed in the same chamber. Regarding the film forming apparatus, first, a DC power source was used as a sputtering power source and a bias power source. In this embodiment, an independent anode is provided to increase the distance of electron movement, and a means for activating the plasma is employed to increase the ionization rate as compared with a normal sputtering apparatus. Although this requirement is not essential to the practice of the present invention, a highly crystalline film can be obtained and the particle morphology of the film can be controlled relatively easily.

真空排気は、ターボ分子ポンプとロータリーポンプにて行う。同装置内には、スパッタリング蒸発源を4基搭載する。そして、カソード1、2にAl65Cr35ターゲット(原子比)、カソード3、4にAl60Cr37Siターゲット(原子比)を設置した。導入ガスはAr、Kr、Nを用い、ガス供給ポートから導入する。 Vacuum evacuation is performed with a turbo molecular pump and a rotary pump. Four sputtering evaporation sources are mounted in the apparatus. Then, Al 65 Cr 35 target (atomic ratio) was installed on the cathodes 1 and 2, and Al 60 Cr 37 Si 3 target (atomic ratio) was installed on the cathodes 3 and 4. Ar, Kr, and N 2 are used as the introduction gas and introduced from the gas supply port.

バイアス電源は、基材に接続され、独立して基材に負のバイアス電圧を印加する。基材は、毎分1回転で自転しかつ、固定冶具とサンプルホルダーを介して公転する。基材とターゲット表面間の距離は50mmとした。   The bias power source is connected to the substrate and independently applies a negative bias voltage to the substrate. The substrate rotates at one revolution per minute and revolves through a fixing jig and a sample holder. The distance between the substrate and the target surface was 50 mm.

成膜条件については、まず成膜装置内のヒーターにより基材温度が500℃になった状態で60分間の加熱を行い、真空容器(チャンバー)内の圧力が4×10−3Paに達した後、Arガスを真空容器内に導入した。そして、基材に−200Vの直流バイアス電圧を印加し、このとき独立したアノードとカソード間に1500Wの電力を供給して、Arのプラズマ密度を高め、Arイオンによる基材のクリーニングを30分間実施した。 Regarding the film forming conditions, first, heating was performed for 60 minutes in a state where the substrate temperature was 500 ° C. by the heater in the film forming apparatus, and the pressure in the vacuum container (chamber) reached 4 × 10 −3 Pa. After that, Ar gas was introduced into the vacuum vessel. Then, a DC bias voltage of −200 V is applied to the substrate, and at this time, 1500 W of electric power is supplied between the independent anode and cathode to increase the Ar plasma density, and the substrate is cleaned with Ar ions for 30 minutes. did.

次に、容器内の圧力を1×10−3Paに真空排気して、基材の温度を450℃の一定とし、一定流量のArガス300ml、Krガス200mlのもとで、容器内の圧力が600mPaになるようにNガスを導入した。そして、基材のクリーニング時と同様に、基材バイアス電圧を−120V、上記の独立したアノード電圧を−110Vに設定して、カソード1、2には4kWのスパッタ電力を供給、30分間保持し、カソード3、4には4kWのスパッタ電力を供給、60分間保持して、厚さ約3μmのAlCrSiN硬質膜を被覆した。 Next, the pressure in the container is evacuated to 1 × 10 −3 Pa, the temperature of the substrate is kept constant at 450 ° C., and the pressure in the container is kept under constant flow of 300 ml of Ar gas and 200 ml of Kr gas. N 2 gas was introduced so as to be 600 mPa. Similarly to the cleaning of the substrate, the substrate bias voltage is set to -120 V, the above independent anode voltage is set to -110 V, and 4 kW of sputtering power is supplied to the cathodes 1 and 2 and held for 30 minutes. The cathodes 3 and 4 were supplied with 4 kW of sputtering power and held for 60 minutes to coat an AlCrSiN hard film having a thickness of about 3 μm.

これに続いては、−0Vの基材バイアス電圧と−0Vのアノード電圧の両設定値に対して、上記の−120Vの基材バイアス電圧と−110Vのアノード電圧を毎分2Vの条件で連続的に傾斜減少させた。そして、両電圧が設定値に到達してから、その一定条件で45分間保持して潤滑膜を被覆し、本発明の皮膜を完成させた。   Subsequently, with respect to both the set values of the base bias voltage of −0V and the anode voltage of −0V, the base bias voltage of −120V and the anode voltage of −110V are continuously applied under the condition of 2V per minute. The inclination was reduced. And after both voltage reached | attained setting value, it hold | maintained on the fixed conditions for 45 minutes, the lubricating film was coat | covered, and the film | membrane of this invention was completed.

本発明例2〜4および比較例5〜7は、その成膜条件以外は、本発明例1の試料作製方法に同じである。すなわち、本発明に相当する硬質膜を被覆した後には、続く上記の基材バイアス電圧とアノード電圧の設定値を以下とした傾斜制御を行って、上層膜(潤滑膜)を被覆した。   Invention Examples 2 to 4 and Comparative Examples 5 to 7 are the same as the sample preparation method of Invention Example 1 except for the film forming conditions. That is, after coating the hard film corresponding to the present invention, the upper layer film (lubricating film) was coated by performing gradient control with the following set values of the substrate bias voltage and anode voltage as follows.

[本発明例2]
基材バイアス電圧を−20V、アノード電圧を−10Vとした。
[本発明例3]
基材バイアス電圧を−40V、アノード電圧を−30Vとした。図1に、皮膜表面と破断面の走査型電子顕微鏡(以下、SEM)写真を示す。
[本発明例4]
基材バイアス電圧を−60V、アノード電圧を−50Vとした。図2に、皮膜表面と破断面のSEM写真を示す。
[Invention Example 2]
The substrate bias voltage was set to -20V and the anode voltage was set to -10V.
[Invention Example 3]
The substrate bias voltage was −40V, and the anode voltage was −30V. In FIG. 1, the scanning electron microscope (henceforth SEM) photograph of a film surface and a fracture surface is shown.
[Invention Example 4]
The substrate bias voltage was −60V, and the anode voltage was −50V. FIG. 2 shows SEM photographs of the coating surface and fracture surface.

[比較例5]
基材バイアス電圧を−80V、アノード電圧を−70Vとした。図3に、皮膜表面と破断面のSEM写真を示す。
[比較例6]
基材バイアス電圧を−100V、アノード電圧を−90Vとした。図4に、皮膜表面と破断面のSEM写真を示す。
[比較例7]
基材バイアス電圧を−120V、アノード電圧を−110Vとした。図5に、皮膜表面と破断面のSEM写真を示す。
[Comparative Example 5]
The substrate bias voltage was −80V, and the anode voltage was −70V. FIG. 3 shows SEM photographs of the coating surface and fracture surface.
[Comparative Example 6]
The substrate bias voltage was −100 V, and the anode voltage was −90 V. FIG. 4 shows SEM photographs of the coating surface and fracture surface.
[Comparative Example 7]
The substrate bias voltage was -120V and the anode voltage was -110V. FIG. 5 shows SEM photographs of the coating surface and fracture surface.

[比較例8]
同様の基材に対しては、バイアス電圧を印加するアークイオンプレーティング法を採用した。成膜装置については、アーク電源とバイアス電源には直流電源を用いた。アーク蒸発源には、本発明例1と同組成のカソード1、2(Al65Cr35ターゲット)と、カソード3、4(Al60Cr37Siターゲット)の4基を搭載する。導入ガスにはNを使用する。基材は、毎分3回転で自転しかつ、上記と同様に公転する。基材とターゲット表面間の距離は150mmとした。そして、本発明例1の条件に従っては、−200Vの直流バイアス電圧の印加により基材クリーニングを行った後には、以下の条件で皮膜を被覆した。
[Comparative Example 8]
For the same base material, an arc ion plating method in which a bias voltage is applied was adopted. For the film forming apparatus, a DC power source was used for the arc power source and the bias power source. In the arc evaporation source, cathodes 1 and 2 (Al 65 Cr 35 target) having the same composition as Example 1 of the present invention and cathodes 3 and 4 (Al 60 Cr 37 Si 3 target) are mounted. N 2 is used as the introduced gas. The substrate rotates at 3 revolutions per minute and revolves in the same manner as described above. The distance between the substrate and the target surface was 150 mm. And according to the conditions of Example 1 of the present invention, after the substrate cleaning was performed by applying a DC bias voltage of -200 V, the film was coated under the following conditions.

容器内の圧力を1×10−3Paに真空排気して、基材の温度を450℃の一定とし、容器内の圧力が3PaになるようにNガスを導入した。そして、基材バイアス電圧を−120Vに設定して、カソード1、2には150Aのアーク電力を供給、30分間保持し、カソード3、4には150Aのアーク電力を供給、60分間保持して、本発明の硬質膜に相当する厚さ約3μmのAlCrSiN膜を被覆した。 The pressure in the container was evacuated to 1 × 10 −3 Pa, the base material temperature was kept constant at 450 ° C., and N 2 gas was introduced so that the pressure in the container was 3 Pa. Then, the substrate bias voltage is set to −120 V, 150 A arc power is supplied to the cathodes 1 and 2 and held for 30 minutes, 150 A arc power is supplied to the cathodes 3 and 4 and held for 60 minutes. The AlCrSiN film having a thickness of about 3 μm corresponding to the hard film of the present invention was coated.

そして、次膜を被覆するためのバイアス電圧である−40Vの設定値に対しては、上記−120Vのバイアス電圧を毎分2Vの条件で連続的に傾斜減少させた。そして、バイアス電圧が設定値に到達してから45分間保持して、本発明の潤滑膜に相当する皮膜を被覆し、比較例8の皮膜を完成させた。図6に、比較例8の皮膜表面と破断面のSEM写真を示す。   Then, with respect to the set value of −40 V, which is a bias voltage for covering the next film, the −120 V bias voltage was continuously decreased with a slope of 2 V per minute. Then, after the bias voltage reached the set value, the film was held for 45 minutes, and the film corresponding to the lubricating film of the present invention was coated to complete the film of Comparative Example 8. In FIG. 6, the SEM photograph of the film | membrane surface and fracture surface of the comparative example 8 is shown.

[本発明例9]
カソード1〜4の全てをTi50Al50ターゲット(原子比)に変更した以外は、本発明例3と同一のスパッタリングによる試料作製方法によった被覆試料(基材−TiAlN皮膜)である。
[Invention Example 9]
This is a coated sample (base material-TiAlN coating) according to the same sample preparation method by sputtering as Example 3 except that all of the cathodes 1 to 4 are changed to Ti 50 Al 50 targets (atomic ratio).

[本発明例10]
カソード1〜4の全てをAl60Cr3010ターゲット(原子比)に変更した以外は、本発明例3と同一のスパッタリングによる試料作製方法によった被覆試料(基材−AlCrVN皮膜)である。
[Invention Example 10]
This is a coated sample (base material-AlCrVN coating) according to the same sample preparation method by sputtering as Example 3 except that all of the cathodes 1 to 4 are changed to Al 60 Cr 30 V 10 targets (atomic ratio). .

[本発明例11]
カソード1〜4の全てをTiターゲットとし、導入ガスをアセチレン(C)に変更した以外は、本発明例3と同一のスパッタリングによる試料作製方法によった被覆試料(基材−TiC皮膜)である。
[Invention Example 11]
A coated sample (base material-TiC film) formed by the same sample preparation method by sputtering as Example 3 except that all of the cathodes 1 to 4 are Ti targets and the introduced gas is changed to acetylene (C 2 H 2 ). ).

[本発明例12]
硬質膜を被覆時の基材バイアス電圧を−140V、独立したアノード電圧を−130Vに設定した以外は、本発明例3と同一のスパッタリングによる試料作製方法によった被覆試料(基材−AlCrSiN皮膜)である。
[Invention Example 12]
A coated sample (base material-AlCrSiN film) formed by the same sputtering method as in Example 3 of the present invention, except that the substrate bias voltage when coating the hard film was set to -140 V and the independent anode voltage was set to -130 V. ).

[本発明例13]
カソード1〜4の全てをAl68Cr20Si12ターゲット(原子比)に変更し、そして硬質膜を被覆時の基材バイアス電圧を−140V、独立したアノード電圧を−130Vに設定した以外は、本発明例3と同一のスパッタリングによる試料作製方法によった被覆試料(基材−AlCrSiN皮膜)である。
[Invention Example 13]
All the cathodes 1 to 4 were changed to Al 68 Cr 20 Si 12 target (atomic ratio), and the substrate bias voltage when coating the hard film was set to −140 V, and the independent anode voltage was set to −130 V. It is the coating sample (base material-AlCrSiN film) by the same sample preparation method by sputtering as Example 3 of the present invention.

<皮膜の評価>
[構造の評価]
各試料の皮膜構造を比較する。図1に示す本発明例3(バイアス電圧−40V)は、その表面が鋭利な突端による多角形状の粗さ形態をしており、断面は基材表面に対して略垂直方向に界面を有する針状粒子の集合体である。そして、負バイアス電圧が上がるにつれて皮膜の表面は鋭さが緩和され、図2の本発明例4(バイアス電圧−60V)では表面の多角形状が薄れている。図3〜5の比較例5〜7(同−80V〜−120V)になると平坦ドーム状の形態に、さらにはそれ以上の平坦な形態に移行している。そして、アークイオンプレーティング法によって被覆した図6の比較例8は、表面にドロップレットによる凹凸が存在しているが、その他の表面領域は比較的平滑である。
<Evaluation of coating>
[Evaluation of structure]
The film structure of each sample is compared. Example 3 of the present invention shown in FIG. 1 (bias voltage −40V) has a polygonal roughness form with a sharp tip on the surface, and the needle has an interface in a direction substantially perpendicular to the substrate surface. It is an aggregate of particle-like particles. As the negative bias voltage increases, the sharpness of the surface of the film is reduced. In Example 4 of the present invention (bias voltage -60 V) in FIG. When it becomes Comparative Examples 5-7 (same -80V--120V) of FIGS. 3-5, it has changed to the flat dome shape form, and also the flat form beyond it. And the comparative example 8 of FIG. 6 coat | covered with the arc ion plating method has the unevenness | corrugation by a droplet on the surface, Other surface areas are comparatively smooth.

[組成の分析]
各試料について、その皮膜の組成を電子プローブマイクロアナライザー(EPMA;日本電子(株)製JXA−8900R)で分析した。分析は、皮膜の最表面に対し試験片を5度傾けた皮膜断面を鏡面研磨後、その研磨面にある各膜内では、できるだけ広範囲の平均値となるように、各膜の分析領域を選定した。そして分析値は、加速電圧15kV、試料電流0.2μA、計数時間10秒とした測定を5回実施し、その平均値とした。分析結果を表1に示す。
[Analysis of composition]
About each sample, the composition of the film | membrane was analyzed with the electronic probe microanalyzer (EPMA; JEOL Co., Ltd. JXA-8900R). For analysis, after mirror-polishing the film cross section with the test piece tilted 5 degrees with respect to the outermost surface of the film, select the analysis area of each film so that the average value is as wide as possible within each film on the polished surface. did. The analysis value was measured five times with an acceleration voltage of 15 kV, a sample current of 0.2 μA, and a counting time of 10 seconds, and the average value was obtained. The analysis results are shown in Table 1.

[表面粗さの測定]
東京精密製SURFCOM480Aの接触式面粗さ測定器で、皮膜表面のRa、Rzを測定した。測定条件は、下記とした。
評価長さ :2mm
測定速度 :0.3mm/s
カットオフ値 :0.8mm
フィルター種別:ガウシアン
測定レンジ :±40μm
傾斜補正 :直線
カットオフ比 :300
そして、得られたプロファイルからRa、Rzを測定した。測定値は、3回測定したときの、その平均値とする。結果を表2に示す。
[Measurement of surface roughness]
Ra and Rz of the coating surface were measured with a contact type surface roughness measuring instrument of SURFCOM 480A manufactured by Tokyo Seimitsu. The measurement conditions were as follows.
Evaluation length: 2 mm
Measurement speed: 0.3 mm / s
Cut-off value: 0.8mm
Filter type: Gaussian Measurement range: ± 40μm
Tilt correction: Straight line Cut-off ratio: 300
And Ra and Rz were measured from the obtained profile. The measured value is the average value when measured three times. The results are shown in Table 2.

本発明例1〜4および9〜13の皮膜は、その表面粗さがRaで0.08〜0.16μm、Rzで0.84〜1.32μmであった。それに対し、比較例5〜7の皮膜は、Raで0.08μmを満たし得るも、Rzが0.84未満であった。アークイオンプレーティング法により被覆した比較例8の皮膜は、Raで0.08μm、Rzで1.64μmであった。   The coatings of Invention Examples 1 to 4 and 9 to 13 had a surface roughness of Ra of 0.08 to 0.16 μm and Rz of 0.84 to 1.32 μm. In contrast, the coatings of Comparative Examples 5 to 7 could satisfy 0.08 μm with Ra, but Rz was less than 0.84. The film of Comparative Example 8 coated by the arc ion plating method had a Ra of 0.08 μm and a Rz of 1.64 μm.

[硬度の評価]
エリオニクス製のナノインデンテーション装置を用いて、皮膜の硬度を測定した。本評価装置は、微小荷重で測定できることから、測定対象に形成される圧痕も微小であり、よって積層構造膜の各層の硬度を測定することができる。まず、皮膜の最表面に対し試験片を5度傾けた皮膜断面を鏡面研磨した。そして、皮膜断面にある各層の研磨面に対し、押込み荷重9.8mN、最大荷重保持時間1秒、荷重負荷後の除去速度0.098mN/秒の測定条件で、各層につき10点測定し、その平均値を求めた。なお、本測定方法による皮膜硬度は、圧子の微細形状、測定時の温度、湿度、試料の表面状態に左右され易く、得られる数値は必ずしもその定量値としての扱いができない点で、ビッカース硬さとは異なる。そこで、一方では単結晶Siの基準試料を準備して、これの硬度も同時に測定したことで(15GPaであった)、この測定結果をもとに相対比較することができる。結果を表3に示す。
[Evaluation of hardness]
The hardness of the film was measured using a nanoindentation device manufactured by Elionix. Since this evaluation apparatus can measure with a minute load, the indentation formed on the measurement object is also minute, and thus the hardness of each layer of the laminated structure film can be measured. First, the cross section of the film in which the test piece was tilted by 5 degrees with respect to the outermost surface of the film was mirror polished. Then, with respect to the polished surface of each layer in the cross section of the film, 10 points were measured for each layer under the measurement conditions of an indentation load of 9.8 mN, a maximum load holding time of 1 second, and a removal rate after loading of 0.098 mN / second, The average value was obtained. The film hardness according to this measurement method is easily influenced by the fine shape of the indenter, the temperature and humidity at the time of measurement, and the surface condition of the sample, and the numerical value obtained cannot be treated as a quantitative value. Is different. Therefore, on the other hand, a single crystal Si reference sample was prepared, and its hardness was measured simultaneously (it was 15 GPa), so that a relative comparison can be made based on the measurement result. The results are shown in Table 3.

本発明例の皮膜は、その基材バイアス電圧の調整により、何れの硬質膜も高い硬度を有している。そして、潤滑膜も十分な硬度を維持している。これにより、本発明例の皮膜は優れた耐摩耗性を有し、その被覆金型としての耐久性に優れる。   In the film of the present invention, any of the hard films has a high hardness by adjusting the substrate bias voltage. The lubricating film also maintains sufficient hardness. Thereby, the membrane | film | coat of the example of this invention has the outstanding abrasion resistance, and is excellent in the durability as the coating metal mold | die.

[結晶性の評価]
各試料の皮膜にX線回折を行い、それらの結晶構造を調べた。使用した設備はリガク社製X線回折装置であり、管電圧120kV、管電流40μm、X線源Cukα、X線入射角5度、X線入射スリット0.4mm、2θを20〜90度の条件で測定した。結果、本発明例13を除く試料は、その皮膜の全体が硬度と密着性のバランスに優れた立方晶(fcc)構造となっていた。そして本発明例13は、その潤滑膜が六方晶(hcp)構造であった。なお、各層から2種以上の結晶構造の存在が同定された場合は、存在が同定された結晶構造のうち、その最大強度を示す結晶構造とした。そして、これらの結晶構造において、最大強度を示す結晶面を表4に示す。
[Evaluation of crystallinity]
The film of each sample was subjected to X-ray diffraction, and their crystal structure was examined. The equipment used was an X-ray diffractometer manufactured by Rigaku Corporation, tube voltage 120 kV, tube current 40 μm, X-ray source Cukα, X-ray incident angle 5 degrees, X-ray incident slit 0.4 mm, 2θ 20-90 degrees. Measured with As a result, the samples other than Example 13 of the present invention had a cubic (fcc) structure in which the entire film had an excellent balance between hardness and adhesion. In Invention Example 13, the lubricating film had a hexagonal (hcp) structure. In addition, when the presence of two or more types of crystal structures was identified from each layer, the crystal structure showing the maximum intensity was selected among the crystal structures whose presence was identified. Table 4 shows crystal planes showing the maximum strength in these crystal structures.

実施例1で被覆した皮膜を、その同じ成膜条件によって、以下の基材に被覆した。基材の詳細を以下に示す。
形状 :φ10mm×100mmL
材質 :JIS−SKD61(硬度45HRC)
仕上げ面:Ra:0.05μm、Rz:0.5μmに調整
The following substrate was coated with the film coated in Example 1 under the same film forming conditions. Details of the substrate are shown below.
Shape: φ10mm x 100mmL
Material: JIS-SKD61 (hardness 45HRC)
Finished surface: adjusted to Ra: 0.05 μm, Rz: 0.5 μm

そして、上記の被覆試料を用いて、アルミニウム溶湯の付着性試験を実施した。同試験の詳細を以下に示す。また、その結果を表5に示す。
溶湯材質:JIS−ADC12
溶湯温度:680℃
潤滑剤 :日本アチソン株式会社製DagCP−503を水で80倍に希釈。
試験方法:試料を潤滑剤に1秒間浸漬後、その潤滑剤をエアーで除去。
続けて溶湯に30秒間浸漬して、溶湯の付着状態(図7)で評価する。
And the adhesion test of molten aluminum was implemented using said coating | coated sample. Details of the test are shown below. The results are shown in Table 5.
Molten material: JIS-ADC12
Molten metal temperature: 680 ° C
Lubricant: DagCP-503 manufactured by Nippon Atchison Co., Ltd. diluted 80 times with water.
Test method: After immersing the sample in a lubricant for 1 second, the lubricant is removed with air.
Subsequently, it is immersed in the molten metal for 30 seconds, and evaluated by the adhesion state of the molten metal (FIG. 7).

表5より、本発明の表面および内部構造を有する皮膜は、耐溶湯付着性に優れる。その中でも、表面が鋭利な突端による多角形状の粗さ構造を有した皮膜は、特に潤滑剤(離型剤)の表面含浸性にも優れるため、アルミニウム溶湯の付着が認められない。   From Table 5, the film having the surface and internal structure of the present invention is excellent in molten metal adhesion. Among them, a film having a polygonal roughness structure with a sharp tip is particularly excellent in surface impregnation of a lubricant (release agent), and adhesion of molten aluminum is not recognized.

Claims (9)

金型基材の表面にスパッタリング法によって皮膜を被覆した被覆金型であって、該皮膜は、窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの1種以上でなる硬質膜と、その直上に被覆された窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの1種以上でなる潤滑膜からなり、該潤滑膜は、表面粗さが算術平均粗さRa:0.08μm以上、最大高さRz:0.84μm以上であり、金型基材の表面に対して略垂直方向に界面を有する針状粒子の集合体であることを特徴とする潤滑剤付着性および耐久性に優れた被覆金型。   A coating mold in which a film is coated on the surface of a mold substrate by a sputtering method, and the film is coated on a hard film made of at least one of nitride, carbide, and carbonitride, and directly thereon. The lubricating film is made of at least one of nitride, carbide, and carbonitride, and the lubricating film has a surface roughness of arithmetic average roughness Ra: 0.08 μm or more and maximum height Rz: 0.84 μm. A coated mold excellent in lubricant adhesion and durability, which is an aggregate of acicular particles having an interface in a direction substantially perpendicular to the surface of the mold base. 硬質膜と潤滑膜は、略同一組成でなることを特徴とする請求項1に記載の潤滑剤付着性および耐久性に優れた被覆金型。   The coated mold excellent in lubricant adhesion and durability according to claim 1, wherein the hard film and the lubricating film have substantially the same composition. 該潤滑膜の表面では、上記の針状粒子の突端は多角形状であることを特徴とする請求項1または2に記載の潤滑剤付着性および耐久性に優れた被覆金型。   3. The coated mold excellent in lubricant adhesion and durability according to claim 1 or 2, wherein the tip of the acicular particles has a polygonal shape on the surface of the lubricating film. 該潤滑膜は、結晶構造が立方晶であり、X線回折において(111)に最大強度を有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の潤滑剤付着性および耐久性に優れた被覆金型。   The lubricant film according to any one of claims 1 to 3, wherein the lubricant film has a cubic crystal structure and has a maximum strength at (111) in X-ray diffraction. Coated mold. 該硬質膜は、結晶構造が立方晶であり、X線回折において(200)に最大強度を有することを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の潤滑剤付着性および耐久性に優れた被覆金型。   The lubricant film according to any one of claims 1 to 4, wherein the hard film has a cubic crystal structure and has a maximum strength at (200) in X-ray diffraction. Coated mold. 硬質膜および/または潤滑膜は、Ti、Cr、Al、Si、W、Nb、Mo、V、B、Hfから選択される1種以上の元素の窒化物、炭化物、炭窒化物のうち、その1種以上でなることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の潤滑剤付着性および耐久性に優れた被覆金型。   The hard film and / or the lubricating film is made of a nitride, carbide, or carbonitride of at least one element selected from Ti, Cr, Al, Si, W, Nb, Mo, V, B, and Hf. The coated mold excellent in lubricant adhesion and durability according to any one of claims 1 to 5, wherein the coated mold is one or more kinds. 金型基材の表面にスパッタリング法により皮膜を被覆した被覆金型の製造方法であって、該皮膜は、窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの1種以上でなる硬質膜と、その直上に被覆された窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの1種以上でなる潤滑膜からなり、該潤滑膜は、被覆時の基材バイアス電圧を−0V〜−60Vとするスパッタリング法によって被覆することを特徴とする潤滑剤付着性および耐久性に優れた被覆金型の製造方法。   A method for producing a coated mold in which a surface of a mold base is coated with a film by a sputtering method, the film comprising a hard film made of at least one of nitride, carbide, and carbonitride, and immediately above The lubricating film is made of at least one of nitride, carbide, and carbonitride coated on the surface, and the lubricating film is coated by a sputtering method in which the substrate bias voltage at the time of coating is set to −0V to −60V. A method for producing a coated mold excellent in lubricant adhesion and durability. 該硬質膜は、被覆時の基材バイアス電圧を−60V超〜−160Vとするスパッタリング法によって被覆することを特徴とする請求項7に記載の潤滑剤付着性および耐久性に優れた被覆金型の製造方法。   8. The coated mold excellent in lubricant adhesion and durability according to claim 7, wherein the hard film is coated by a sputtering method in which the substrate bias voltage at the time of coating is over -60 V to -160 V. Manufacturing method. 硬質膜と潤滑膜は、略同一組成でなることを特徴とする請求項7または8に記載の潤滑剤付着性および耐久性に優れた被覆金型の製造方法。   The method for producing a coated mold excellent in lubricant adhesion and durability according to claim 7 or 8, wherein the hard film and the lubricating film have substantially the same composition.
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