JP2012115869A - 塑性加工用金型およびその製造方法、ならびにアルミニウム材の鍛造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面性状の制御により、耐焼付き性に優れた塑性加工用金型およびその製造方法を提供する。
【解決手段】塑性加工用金型は、基材の表面をショットブラスト法を用いて粗面化して算術平均粗さＲａ：１μｍを超え２μｍ以下に調整する基材粗面化工程と、この表面を研磨してＲａ：０．３μｍ以上を保持しつつスキューネスＲｓｋを０以下に調整する基材研磨工程と、この基材の表面に硬質皮膜を形成する成膜工程と、を行って製造され、硬質皮膜の表面が算術平均粗さＲａ：０．３μｍ以上２μｍ以下、スキューネスＲｓｋ：０以下であることを特徴とする。凹部に偏らない凹凸形状に調整することで、潤滑剤が溜まる凹部の容積を抑えて凸部の表面にも潤滑剤が十分に付着される。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属材料の塑性加工用金型に関し、特にアルミニウム材の温間鍛造または熱間鍛造に用いられる塑性加工用金型に関する。

一般的に、鍛造品を製造するための金型は、耐久性を高くするための耐摩耗性や、鍛造品表面との摺動による摩耗を抑えるための摩擦係数を低減した摺動特性が要求されるため、その表面に硬質皮膜を形成している。近年、鍛造品の軽量化のために、アルミニウム材（アルミニウム合金材を含む、以下同じ）の適用が増えているが、アルミニウム材は軟質であることから、熱間鍛造や温間鍛造においては鍛造中の変形が大きく、新生面が露出して金型に接触することにより、鍛造品の表面に焼付きが生じ易い。

温熱間鍛造においては、焼付きを防止する（耐焼付き性を付与する）ために、金型表面に潤滑剤を噴霧等により付着させ、金型と鍛造品とが直接に接触しないようにする。そこで、表面に付着した潤滑剤を保持できるように、表面性状を規定した金型が開発されている。特許文献１では、Ｔｉ，Ｃｒ等の窒化物または炭窒化物からなる硬質皮膜を被覆し、表面の算術平均粗さＲａを０．１〜０．６μｍの範囲に規定した温熱間鍛造用金型が開示されている。特許文献２では、Ｔｉのホウ化物（ＴｉＢ₂）からなる層を被覆したその上にさらにＡｌを主とする金属の窒化物からなる層を積層し、表面の算術平均粗さＲａを０．０５μｍ以下に規定した鍛造用金型が開示されている。特許文献３では、Ｔｉ，Ｃｒ等の窒化物または炭窒化物からなる層を被覆したその上にさらにＴｉ，Ｃｕ等の金属層を積層し、表面の十点平均粗さＲｚを４〜１５μｍの範囲に規定した温熱間加工用工具が開示されている。

特開２００９−６１４６４号公報 特開２０１０−９９７３５号公報 特開２００２−３０７１２９号公報

しかしながら、Ｒａ，Ｒｚ等の表面の凹凸の高さ（深さ）や高低差の規定だけでは潤滑剤を保持するには不十分であり、特にアルミニウム材等の軟質金属の塑性加工においては、鍛造中の高面圧下により焼付きを生じる虞がある。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、耐焼付き性に優れた塑性加工用金型を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明者は、金型の表面性状の指標について、凹部と凸部との非対称度（歪度：スキューネス）に着目し、潤滑剤の保持に優れるのは、凸部を構成する部分の方が大きくなる形状であることを知得した。

前記課題を解決するために、本発明に係る塑性加工用金型は、金属からなる基材に硬質皮膜が形成され、この硬質皮膜の表面が、算術平均粗さＲａが０．３μｍ以上２μｍ以下、スキューネスＲｓｋが０以下であることを特徴とする。

このような塑性加工用金型によれば、表面の潤滑剤の保持に優れるため、耐焼付き性が得られる。

本発明に係る塑性加工用金型は、前記硬質皮膜が、膜厚１μｍ以上１２μｍ以下であることが好ましく、ＡｌとＴｉ，Ｃｒの少なくとも１種とを含有する窒化物、炭窒化物、炭化物のいずれかであることが好ましい。

このように膜厚を限定された硬質皮膜を形成した塑性加工用金型によれば、表面性状を制御し易い。また、このような材料で硬質皮膜を形成した塑性加工用金型によれば、耐熱性および耐酸化性に優れ、特に硬質な皮膜が表面に形成されているため、耐久性に優れる。

本発明に係る塑性加工用金型は、アルミニウム材の温間鍛造または熱間鍛造に用いられることが好ましい。

また、本発明に係る塑性加工用金型の製造方法は、金属からなる基材の表面をショットブラスト法を用いて粗面化する基材粗面化工程と、この表面を研磨する基材研磨工程と、研磨した基材の表面に硬質皮膜を形成する成膜工程と、を行って、硬質皮膜の表面の算術平均粗さＲａ：０．３μｍ以上２μｍ以下、スキューネスＲｓｋ：０以下である塑性加工用金型を製造する。そして、前記粗面化処理工程においては、基材の表面を、算術平均粗さＲａ：１μｍを超え２μｍ以下となるように調整し、前記研磨工程においては、Ｒａ：０．３μｍ以上２μｍ以下、スキューネスＲｓｋ：０以下となるように調整することを特徴とする。

このように、基材について粗面化と研磨とを行って表面を調整するため、容易に適正な表面性状の硬質皮膜を形成できる。

本発明に係るアルミニウム材の鍛造方法は、前記塑性加工用金型を、表面に潤滑剤を塗布して用いて、アルミニウム材を温間鍛造または熱間鍛造することを特徴とする。

本発明に係る塑性加工用金型によれば、表面の潤滑剤の保持に優れた硬質皮膜を備えるので、特に耐焼付き性を要求されるアルミニウム材の温熱間鍛造においても焼付きを防止できる。本発明に係る塑性加工用金型の製造方法によれば、容易に適正な表面性状に調整でき、耐焼付き性に優れた塑性加工用金型を得られる。本発明に係るアルミニウム材の鍛造方法によれば、焼付きのない鍛造品を得られる。

塑性加工用金型の表面性状による潤滑剤の付着状態を説明する断面の部分拡大図であり、（ａ）はスキューネスＲｓｋが０未満のモデル、（ｂ）はスキューネスＲｓｋが０超のモデルである。

〔塑性加工用金型〕
本発明に係る塑性加工用金型について説明する。
本発明に係る塑性加工用金型は、金属材料の塑性加工、例えば鍛造に用いられる成型用金型であり、金属からなる基材に硬質皮膜を被覆したものである。基材および硬質皮膜はそれぞれ一般的な金型に適用される公知の材料で形成できる。例えば基材は、熱間工具鋼ＳＫＤ６１、冷間工具鋼ＳＫＤ１１、高速度工具鋼ＳＫＨ５１のような合金工具鋼、あるいは超硬合金等が挙げられる。硬質皮膜はＡｌ，Ｔｉ等の窒化物、炭窒化物、炭化物、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）等の単層膜または２種以上の膜を積層した多層膜が挙げられる。本発明に係る塑性加工用金型（以下、適宜金型という）は、硬質皮膜が形成された表面（以下、金型の表面という）の形状を、次のように規定する。

（算術平均粗さＲａ：０．３μｍ以上２μｍ以下）
金型の表面は、粗くなると摩擦係数が大きくなり、潤滑剤が付着されていても耐焼付き性が得られないため、高さ・深さ方向の振幅平均パラメータである算術平均粗さＲａは２μｍ以下とし、１μｍ以下が好ましい。一方、表面が過剰に平滑になって凹凸の高低差が小さくなると、潤滑剤が溜まる凹部の容積が小さ過ぎて、潤滑剤が鍛造中に保持されない。本発明においては、後記スキューネスＲｓｋを０以下として凹部の容積比が抑制されているため、算術平均粗さＲａは０．３μｍ以上とし、０．４μｍ以上が好ましい。

（スキューネスＲｓｋ：０以下）
スキューネスＲｓｋは、凸部と凹部との非対称度（歪度）であり、Ｒｓｋ＝０のとき、断面の粗さ曲線の平均線（図１に一点鎖線で示す）に対する凸部と凹部とが体積的に対称となる。図１に示す金型の断面の部分拡大図は、Ｒｓｋによる違いをわかり易く示すために、凹凸形状を均一に表す。Ｒｓｋ＞０では、図１（ｂ）に示すように深さ方向に偏った凹凸形状となる。したがって、凹部の容積が比較的大きくなって、金型の表面に付着した潤滑剤の多くが凹部に溜まって、その分、凸部の表面に付着する潤滑剤の層が薄くなる。そのため、凹凸の高さの突出した箇所や金型形状によっては、潤滑剤の付着していない領域が出現する虞がある。本発明においては、図１（ａ）に示すように、凹部の容積比を抑制して、凸部の表面に付着する潤滑剤を確保するために、スキューネスＲｓｋを０以下とし（図１（ａ）ではＲｓｋ＜０を示す）、Ｒｓｋ＜−０．２が好ましい。スキューネスＲｓｋの下限は特に規定しないが、Ｒｓｋ＜−１になると、凹部の容積が凸部に対して小さ過ぎて、潤滑剤が鍛造中に十分に保持されないため、スキューネスＲｓｋは−１を超えて高さ方向に偏らないようにすることが好ましい。

金型の表面の算術平均粗さＲａおよびスキューネスＲｓｋは、ＪＩＳ Ｂ０６０１（２００１年）に規定された表面性状パラメータであり、それぞれの測定方法は同規格に準拠し、公知の測定装置にて測定できる。また、Ｒａ，Ｒｓｋがそれぞれ前記範囲になるように表面を調整するためには、後記製造方法にて説明するように、基材の表面を調整した後に、硬質皮膜を被覆し、さらに必要に応じて硬質皮膜の表面を調整することが好ましい。

さらに本発明に係る塑性加工用金型は、表面を被覆する硬質皮膜を以下のように構成することが好ましく、これにより、温間鍛造または熱間鍛造、特にアルミニウム材の鍛造に好適に用いることができる。

本発明に係る塑性加工用金型の硬質皮膜は、膜厚１μｍ以上１２μｍ以下であることが好ましい。硬質皮膜は、膜厚が１μｍ未満では、硬質皮膜材料や用途（鍛造条件等）にもよるが、金型に耐摩耗性を付与するためには不十分な場合がある。一方、硬質皮膜の膜厚を厚くすると、当該硬質皮膜の表面性状が下地である基材の表面性状から大きく変化する。後記製造方法にて説明するように、基材の表面を金型の所望の表面性状にある程度合わせて調整した後に、硬質皮膜を被覆する。そのため、硬質皮膜の表面性状が基材に対して大きく変化すると、表面を再度調整する必要が生じるが、凹凸の変化量を多く調整することは生産上の効率に劣り、また変化量に限界があるために金型の表面性状を適正とすることが困難となる。したがって、硬質皮膜の膜厚は１２μｍ以下とすることが好ましい。さらに、アルミニウム材の温熱間鍛造に用いる金型については、被加工材が軟質であるので、鍛造による金型（硬質皮膜）の摩耗は比較的少なく、硬質皮膜はそれほど厚く形成しなくてよく、膜厚は７μｍ以下がより好ましく、５μｍ以下がさらに好ましい。

本発明に係る塑性加工用金型の硬質皮膜は、ＡｌとＴｉ，Ｃｒの少なくとも１種とを含有する窒化物、炭窒化物、炭化物のいずれかからなることが好ましい。熱間鍛造は、比較的低融点のアルミニウム材でも被加工材が５００℃以上に達する場合が多く、さらに大気中で実施されることから、酸化開始温度５００〜６００℃以上の材料を硬質皮膜に適用することが好ましい。窒化物、炭窒化物、炭化物は、一般的にこの順序で、形成時の自由エネルギーが負の大きな値を取ることから耐酸化性、耐熱性に優れている。中でも、Ａｌの窒化物（ＡｌＮ）を基とし、Ｔｉ，Ｃｒを添加した窒化物や炭窒化物、すなわち、組成式Ａｌ_1-x-yＴｉ_xＣｒ_y(Ｃ_zＮ_1-z)_w（ｘ≧０、ｙ≧０、０＜ｘ＋ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｗ＞０）で示される材料が耐酸化性に優れる。また、Ｔｉ，Ｃｒを添加されていることで硬さが増大する。なお、前記組成式におけるｗ、すなわちＡｌ，Ｔｉ，Ｃｒの原子数の合計に対するＣ，Ｎの原子数の合計の比は、各原子の原子数（ｘ，ｙ，ｚの値）に伴い変化する値であり、以下においては省略する。さらに硬質皮膜は、前記の窒化物等にＳｉやＹを添加した材料が好ましく、またＮｂ，Ｔａ等を添加されてもよいが、ＡｌやＳｉ等の金属元素および半金属元素のすべての原子数の合計に対するＡｌ，Ｔｉ，Ｃｒの３種の原子数の合計の比が、０．７以上であることが好ましい。これらの材料からなる硬質皮膜は、アルミニウム材の温熱間鍛造に十分な耐久性を付与するために、前記範囲の膜厚とすることがより好ましい。

〔塑性加工用金型の製造方法〕
本発明に係る塑性加工用金型の製造方法は、金型の形状に成形した基材について、その表面を粗面化する基材粗面化工程と、粗面化した表面を研磨する基材研磨工程と、基材の表面に硬質皮膜を形成する成膜工程と、を行う。そして、金型の表面すなわち硬質皮膜の表面を前記範囲の表面性状（Ｒａ：０．３〜２μｍ、Ｒｓｋ：０以下）とするために、基材粗面化工程および基材研磨工程のそれぞれにおいては、基材を以下の所定の範囲の表面性状に調整する。以下、各工程について詳細に説明する。

（基材粗面化工程：１μｍ＜Ｒａ≦２μｍ）
基材粗面化工程は、ショットブラスト法を用いた粗面化処理により基材の表面を粗面化する。後続の基材研磨工程により基材の表面の算術平均粗さＲａがある程度減少するため、基材粗面化工程においては、Ｒａ＞１μｍとなるように表面を調整する。装置や投射材（ブラスト材）は、金属材の表面処理に一般的に使用されるものを適用でき、ブラスト材を投射する空気圧は通常５〜１０ｋｇ／ｃｍ²程度である。ブラスト材としては、アルミナ（コランダム）やＳｉＣ（アランダム）で形成された粒子で、粒径が平均で２０〜４００μｍ程度のものが使用できる。平均粒径が大きいブラスト材を使用すると、短時間で表面の形状を粗面化することができ、またＲａも大きくなるが、スキューネスＲｓｋが凹部に（深さ方向に）大きく偏る（Ｒｓｋ＞＞０）ために、後続の基材研磨工程の研磨時間を長くする必要がある。なお、ショットブラスト法による粗面化処理では、ブラスト材の粒径や投射密度等の条件による差はあるが、粗面化された表面のスキューネスＲｓｋは凹部に偏る（Ｒｓｋ＞０、図１（ｂ）参照）傾向がある。Ｒａが２μｍを超えるように表面が粗面化されると、凹部に過大に偏り、すなわちＲｓｋが大きくなり過ぎて、基材研磨工程にてＲｓｋを０以下に調整することが困難となる。したがって、Ｒａ≦２μｍとなるように表面を調整する。

（基材研磨工程：０．３μｍ≦Ｒａ≦２μｍ、Ｒｓｋ≦０）
基材研磨工程は、基材粗面化工程で粗面化した基材の表面を研磨して、スキューネスＲｓｋを０以下に調整する。詳しくは、粗面化により形成した凹凸における凸部の頂部が比較的多く研磨にて除去されることで、算術平均粗さＲａが減少すると同時に、研磨前は凹部に対して小さかった凸部（Ｒｓｋ＞０）の大きさが凹部と同等以上（Ｒｓｋ≦０）になる。このような微小な研磨量で研磨するために、研磨材として、鏡面仕上げに使用される平均粒径４〜８μｍのダイヤモンド粒子（砥粒）が挙げられる。さらに、金型の複雑な形状に成形された基材の表面を研磨するために、研磨装置は基材粗面化工程と同様に投射型の装置を適用することが好ましい。ただし、前記の微小な研磨材を直接に投射することは困難であるため、弾力性のある樹脂からなる粒径１〜２ｍｍ程度の粒子の表面に前記ダイヤモンド砥粒を付着させたものを投射材とする。このような投射材を用いる装置として、エアロラップ（登録商標、(株)ヤマシタワークス）が挙げられる。このような研磨処理により、基材粗面化工程で形成した凹凸をある程度残して、金型の表面性状に近い表面性状に調整できる。

（成膜工程）
硬質皮膜はＣＶＤ法およびＰＶＤ法により形成することができるが、低温で処理可能なＰＶＤ法による成膜が好ましく、特に反応性スパッタリングやイオンプレーティングが推奨される。これらの方法によれば、例えばアルミニウム材の熱間鍛造用の金型とするために好ましい硬質皮膜として、Ｔｉを添加したＡｌの窒化物（(Ａｌ_1-xＴｉ_x)Ｎ）の膜を形成する場合は、（Ａｌ_1-xＴｉ_x）の組成の合金からなるターゲットを用いて、処理室に所定の圧力となる範囲で窒素（Ｎ₂）を供給することにより、所望の組成の硬質皮膜を形成することができる。炭窒化物の膜を形成する場合は、メタン（ＣＨ₄）等の炭化水素のようなＣを含有する気体を、炭窒化物のＣ，Ｎ比に合わせた分圧でＮ₂と共に供給すればよい。

（表面仕上げ工程）
成膜工程の後、さらに表面仕上げ工程を行って、硬質皮膜の表面性状を調整してもよい。硬質皮膜の膜厚や成膜条件、あるいは下地である基材の表面性状によっては、硬質皮膜の表面性状は基材の表面性状に対して粗くなる（算術平均粗さＲａが増大する）場合がある。また、アーク式イオンプレーティング（ＡＩＰ）による成膜では、ターゲットからパーティクルが基材へ飛散するため、硬質皮膜自体の表面が粗くなる。そこで、硬質皮膜の表面を微小な研磨量で研磨して、所望の表面性状に調整する。硬質皮膜の研磨は、前記の基材研磨工程と同様の方法で行うことができる。以上の方法により、本発明に係る塑性加工用金型を製造することができる。

〔アルミニウム材の鍛造方法〕
本発明に係るアルミニウム材の鍛造方法は、前記の本発明に係る塑性加工用金型を用いて、アルミニウム材を温間鍛造または熱間鍛造する。その際、金型は、表面に潤滑剤を塗布して用いる。潤滑剤およびその他鍛造条件は、アルミニウム材の温熱間鍛造における公知のものを適用できる。熱間鍛造方法の一例としては、所望の成分のアルミニウム材（またはアルミニウム合金材）の鋳塊を均質化熱処理し、そのままあるいは冷却して再加熱により鋳塊を所定範囲の開始温度とし、一方、鍛造プレス装置に取り付けられた金型を所定温度に加熱して、この鍛造プレス装置にて鍛造することができる。アルミニウム材（鋳塊、鍛造材）の鍛造開始温度、鍛造終了温度は、成分によりそれぞれ設定される。本発明に係る塑性加工用金型を用いることにより、金型表面に塗布した潤滑剤が金型とアルミニウム材との間に鍛造完了まで保持されて、焼付きのないアルミニウム鍛造品を得られる。

以上、本発明を実施するための形態について述べてきたが、以下に、本発明の効果を確認した実施例を、本発明の要件を満たさない比較例と比較して具体的に説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

（基材）
基材は、ＳＫＤ６１（ＨＲＣ５０）を、直径２２０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの円板形状に機械加工して使用した。

（基材粗面化工程）
基材の表面に、ショットブラストを空気圧１０ｋｇ／ｃｍ²で実施して粗面化した。ブラスト材はコランダム粒子を用い、表１に示すように、＃２０（平均粒径４００μｍ）、＃５０（平均粒径３００μｍ）、＃８０（平均粒径１８０μｍ）、＃３００（平均粒径２０μｍ）を使用し、基材表面の算術平均粗さＲａが１μｍ超２μｍ以下の範囲になるように、それぞれ投射時間を調整した。粗面化した表面の算術平均粗さＲａおよびスキューネスＲｓｋを、表面粗さ測定機（テーラーホブソン社製、フォームタリサーフイントラ）にて測定し、表１に示す。なお、供試材Ｎｏ．５の基材についてはショットブラストを実施しなかった。

（基材研磨工程）
供試材Ｎｏ．５〜１０の基材の表面に、投射型の研磨装置（エアロラップＹＴ−１００、(株)ヤマシタワークス製）にて平均粒径４〜８μｍのダイヤモンド砥粒を表面に付着させた樹脂粒子を投射して、表面のスキューネスＲｓｋが０以下になるように、かつ算術平均粗さＲａが０．３μｍ未満とならないように（供試材Ｎｏ．５を除く）研磨した。粗面化後と同様に、表面のＲａ，Ｒｓｋを測定し、表１に示す。

（成膜工程）
基材の表面に、アーク式イオンプレーティング（ＡＩＰ）を有する成膜装置により、(Ａｌ_0.55Ｔｉ_0.2Ｃｒ_0.2Ｓｉ_0.05)Ｎからなる硬質皮膜を膜厚４μｍで形成した。基材を装置の処理室に導入して、処理室を１×１０^-3Ｐａ以下に排気し、基材を約４００℃に加熱後、Ａｒイオンを用いてスパッタクリーニングを５分間実施した。硬質皮膜に合わせてＴｉ，Ｃｒ，Ｓｉを添加したＡｌ合金ターゲット（φ１００ｍｍ）を用い、アーク電流１５０Ａとし、基材に−７０Ｖでバイアス印加し、処理室に窒素（Ｎ₂）を供給して４Ｐａで成膜をした。

（表面仕上げ工程）
硬質皮膜の表面を基材の研磨と同様に研磨することにより、表面に付着したパーティクルを除去し、金型の供試材（Ｎｏ．１〜１０）とした。硬質皮膜の表面のＲａ，Ｒｓｋを測定し、表１に示す。

（リング圧縮試験）
供試材表面への潤滑剤の付着状態を評価するため、リング圧縮試験を行って摩擦係数μを測定した。リング圧縮試験は、鍛造プロセスを模擬した圧縮行程において、リング形状の被加工材の内径の変化率から摩擦係数と圧下率の関係を求めるための試験である。６０００系のＡｌ合金材を外径６０ｍｍ、内径３０ｍｍ、高さ２０ｍｍのリング形状に機械加工して、被加工材とした。供試材に黒鉛系の潤滑剤を塗布し、２枚１組として、加熱した被加工材を挟んで、被加工材５００℃、供試材４００℃の温度にて、圧下率７０％で圧縮した。同じ供試材について、リング圧縮試験を、その度潤滑剤を塗布し、新たな被加工材に替えて１０回繰り返し行った。５〜１０回目の各リング圧縮試験による摩擦係数μを測定し、その平均を算出した。摩擦係数μの平均値を表１に示す。摩擦係数μの平均値が０．４以上の場合は、リング圧縮試験において供試材表面が潤滑剤を保持できず、被加工材に直接に接触して摩擦係数μが上昇したとみなし、合格基準は摩擦係数μの平均値が０．４未満とした。

表１の供試材Ｎｏ．１〜４に示すように、ショットブラスト法による粗面化処理だけではブラスト材を変えても、基材表面について、スキューネスＲｓｋが０以下にならず、凹部に大きく偏った凹凸形状となり、この形状が硬質皮膜の表面性状に影響した。その結果、凸部の表面に付着した潤滑剤が不十分となって、耐摩耗性が低下したと推察される。これに対して、粗面化処理の後に研磨処理を施した供試材Ｎｏ．６〜１０は、算術平均粗さＲａを本発明の範囲に保持しつつＲｓｋが０以下に調整されたため、リング圧縮試験において潤滑剤が付着した状態が保持され、耐摩耗性が得られた。一方、研磨処理のみを行った供試材Ｎｏ．５は、Ｒａが不足した鏡面状態でかつＲｓｋが０未満であるために、凹部の容積が小さく、十分な潤滑剤が表面に保持されなかったために耐摩耗性が低下したと推察される。

また、供試材Ｎｏ．１〜４を比較すると、ブラスト材の平均粒径が大きいほどＲａが大きく（粗く）かつＲｓｋが正に大きく（凹部に偏って大きく）なる傾向が観察された。これらの供試材に対してそれぞれ同じ条件で研磨処理を施した供試材Ｎｏ．６〜９は、概ね同程度にＲａが低減し、かつＲｓｋが低減して負に転じた。そこで、粗面化処理後のＲｓｋが比較的小さい供試材Ｎｏ．３について、供試材Ｎｏ．８よりも基材への研磨処理時間を短縮して供試材Ｎｏ．１０を作製した結果、Ｒａの低減が抑制され、かつそれであってもＲｓｋは十分に小さくなっていた。そのため、供試材Ｎｏ．１０は、潤滑剤の付着状態が良好となる表面性状が得られ、耐摩耗性が特に優れていた。

実施例１にて最も良好な（摩擦係数μが最小の）供試材Ｎｏ．１０について、同じ条件で表面処理を施した基材にて、硬質皮膜の組成および膜厚を変化させて比較した。

実施例１と同じ材料および形状の基材について、供試材Ｎｏ．１０と同じ条件で基材粗面化工程および基材研磨工程を行った。これらの基材に、表２に示す組成の硬質皮膜を、その組成に合わせた金属ターゲットまたは合金ターゲットを用いて実施例１と同様にＡＩＰにて形成した。炭窒化物はメタン（ＣＨ₄）を当該硬質皮膜の組成に合わせた分圧にてＮ₂と共に供給して圧力４Ｐａで、炭化物はＣＨ₄を供給して圧力１．３Ｐａで、それぞれ形成した。また、成膜時間を変化させて表２に示す膜厚とした。なお、供試材Ｎｏ．２３については、アンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）装置にて、Ｃターゲットを用い、Ａｒ雰囲気にＣＨ₄を１０体積％供給し、圧力０．６Ｐａで放電させて、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を形成した。形成した硬質皮膜の表面を実施例１と同様に研磨し、金型の供試材（Ｎｏ．１１〜２３）とした。硬質皮膜の表面のＲａ，Ｒｓｋを実施例１と同様に測定し、表２に示す。なお、比較例として、硬質皮膜を形成しない（成膜工程および表面仕上げ工程を行わない）基材のみからなる供試材Ｎｏ．２４も作製した。

実施例１と同様に、リング圧縮試験にて摩擦係数μを求め、表２に示す。なお、供試材Ｎｏ．１０の結果も表２に併記する。

（硬質皮膜の膜厚による評価）
基材の表面性状を良好なものとしたことにより、供試材Ｎｏ．１１〜２４のすべてについて、供試材の表面性状は本発明の範囲となった。ただし、供試材Ｎｏ．２４は、硬質皮膜を形成しなかったため、表面性状は本発明の範囲であっても、基材は耐酸化性を十分に備えないために、リング圧縮試験時の摺動による発熱で表面が酸化して摩耗、形状が変化し、被加工材に焼付きを生じて摩擦係数が上昇した。供試材Ｎｏ．１１は、摩擦係数は十分に低減されていたが、Ａｌ合金材の熱間鍛造用の金型としては硬質皮膜の膜厚が不足し、リング圧縮試験の１０回の繰り返しにより硬質皮膜が摩耗して、基材の一部が表面に露出した。これに対して、供試材Ｎｏ．１０，１２，１３は、硬質皮膜の膜厚が特に好ましい範囲であったため、硬質皮膜の表面性状が本発明の範囲となり、また、リング圧縮試験の１０回の繰り返しにおいても、良好な耐摩耗性が維持された。一方、供試材Ｎｏ．１４，１５は、硬質皮膜が厚く形成されたために、基材に対して表面性状が大きく変化し、本発明の範囲ではあるがＲｓｋが大きくなって（０に近付いて）、供試材Ｎｏ．１０，１２，１３よりも潤滑剤の保持に劣ったと推察され、耐摩耗性が低下した。

（硬質皮膜の組成による評価）
供試材Ｎｏ．１６〜１８は、供試材Ｎｏ．１０と同様に、硬質皮膜がＴｉ，Ｃｒを添加したＡｌ窒化物またはＡｌ炭窒化物で形成されたため、Ａｌ合金材の熱間鍛造用の金型として良好な耐摩耗性が得られた。これに対して、供試材Ｎｏ．１９〜２３は、Ａｌ合金材の熱間鍛造用の金型としては硬質皮膜の硬さが不足した。そのため、これらの供試材は、リング圧縮試験の１０回の繰り返しにより硬質皮膜が摩耗し、１０回目の試験後には硬質皮膜の表面に摩耗が目視にて確認され、さらに硬質皮膜の組成によっては摩耗によるものと推察される摩擦係数の上昇が観察された。

Claims (6)

1. 金属からなる基材に硬質皮膜が形成され、
   前記硬質皮膜の表面が、算術平均粗さＲａが０．３μｍ以上２μｍ以下、スキューネスＲｓｋが０以下であることを特徴とする塑性加工用金型。
2. 前記硬質皮膜の膜厚が１μｍ以上１２μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の塑性加工用金型。
3. 前記硬質皮膜がＡｌとＴｉ，Ｃｒの少なくとも１種とを含有する窒化物、炭窒化物、炭化物のいずれかであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の塑性加工用金型。
4. アルミニウム材の温間鍛造または熱間鍛造に用いられることを特徴とする請求項３に記載の塑性加工用金型。
5. 金属からなる基材の表面を、算術平均粗さＲａ：１μｍを超え２μｍ以下となるように、ショットブラスト法を用いて調整する基材粗面化工程と、
   前記基材の表面を、算術平均粗さＲａ：０．３μｍ以上２μｍ以下、スキューネスＲｓｋ：０以下となるように、研磨して調整する基材研磨工程と、
   前記基材の表面に硬質皮膜を形成する成膜工程と、を行って、前記硬質皮膜の表面の算術平均粗さＲａ：０．３μｍ以上２μｍ以下、スキューネスＲｓｋ：０以下である塑性加工用金型を製造する塑性加工用金型の製造方法。
6. 請求項３に記載の塑性加工用金型を、表面に潤滑剤を塗布して用いて、アルミニウム材を温間鍛造または熱間鍛造することを特徴とするアルミニウム材の鍛造方法。

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