JP2020001056A - 金型及び金型の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性、及び金属溶湯に対する耐溶損性に優れた金型を提供する。【解決手段】鉄系の金型母材と、金型母材の上層に設けられた窒素拡散層と、窒素拡散層の上層に設けられた窒素化合物層と、窒素化合物層の上層に設けられた、最表層をなす鉄系酸化物層と、を備える金型である。この金型は、窒素拡散層の厚さＬNが１００μｍ以上であるとともに窒素拡散層の最大ビッカース硬さＨSが９００ＨＶ以上であり、かつ、鉄系酸化物層の厚さＬOが１μｍ以上１０μｍ未満である。【選択図】図１

Description

本発明は、金型、及び金型の製造方法に関する。

鋼材から形成された金型を用いた金属加工法としては、鋳造、鍛造、及び押出等の手法がある。これらの金属加工に使用される金型においては、金型母材の表面に、各種の表面処理を施すことが行われている。金型母材に対する表面処理としては、例えば、金型母材の表面に浸炭、窒化、及び酸化等の処理を施して表面改質層を形成させる方法や、化学的蒸着（Chemical Vapor Deposition；ＣＶＤ）法及び物理的蒸着（Physical Vapor Deposition；ＰＶＤ）法等により、金型母材の表面を窒化物、炭化物、及びホウ化物等の皮膜で被覆する方法がある。

例えば、被加工材を温間や熱間で鍛造する際に用いる金型（温熱間鍛造用金型）では、金型寿命の原因の多くは摩耗による損傷や熱疲労によるクラック発生（ヒートチェック）であることから、表面処理を施すことで、耐摩耗性や耐ヒートチェック性を向上させることが検討されている。特許文献１では、金型表面部に、Ｓｉ、Ｃｒの１種または２種が基地の濃度よりも濃厚な領域を有する鉄酸化物を主体とした１〜２０μｍの厚さの層が存在することを特徴とする耐摩耗性に優れる温熱間鍛造用金型が提案されている。また、特許文献２では、表層部に窒素が拡散浸透されることにより、表面から少なくとも１００μｍ深さまでの深さに、いずれの深さにおいても硬さが９００〜１１００ＨｖでかつＮ濃度が１．５重量％以上となる耐摩耗層が形成されている温熱間成形用金型が提案されている。

また、例えば、ダイカスト用金型では、金型寿命の原因の多くは熱疲労によるクラック発生（ヒートチェック）であることや、金属溶湯（溶融金属）と接する部分が金属溶湯により溶損を受けやすいことから、表面処理を施すことで、耐ヒートチェック性や耐溶損性を向上させることが検討されている。特許文献３では、鉄系の金型母材と、金型母材の上層に設けられた窒素拡散層と、窒素拡散層の上層に設けられた窒素化合物層と、窒素化合物層の上層に設けられた、最表層をなす特定厚さのリチウム鉄複合酸化物層とを備えることで、金属溶湯に対する耐溶損性に優れたダイカスト用金型が提案されている。

特開平９−２７９３２８号公報 特開２００９−０４１０６３号公報 特開２０１６−２２１５４２号公報

上述した特許文献３には、鉄系の金型母材の上層に、窒素拡散層、窒素化合物層、及び特定の厚さのリチウム鉄複合酸化物層を形成させたダイカスト用金型が、金属溶湯に対して優れた耐溶損性を示すことが開示されている。一方、面圧の高い押出用金型や鍛造用金型、さらには一部のダイカスト用金型の寿命向上には、耐溶損性のほか、耐摩耗性も重要である。耐摩耗性は深い硬化層によって得られると考えられるが、従来の方法で深い硬化層を得るためには長時間の処理が必要となり、長時間処理によって表層の剥離等が引き起こされるという懸念が生じる。つまり、従来の方法では、最適な厚さの鉄系酸化物層及び窒素化合物層を有しながら、深い硬化層を有する組織は形成し難く、一部の金型への適用には限界があるとの考えもあった。

そこで、本発明は、耐摩耗性、及び金属溶湯に対する耐溶損性に優れた金型を提供しようとするものである。

本発明者らは、耐摩耗性や耐面圧性が高レベルで要求される上記金型についても高寿命化できる、金型表面の最適な組織を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明によれば、鉄系の金型母材と、前記金型母材の上層に設けられた窒素拡散層と、前記窒素拡散層の上層に設けられた窒素化合物層と、前記窒素化合物層の上層に設けられた、最表層をなす鉄系酸化物層と、を備え、前記窒素拡散層の厚さＬ_Nが１００μｍ以上であるとともに前記窒素拡散層の最大ビッカース硬さＨ_Sが９００ＨＶ以上であり、かつ、前記鉄系酸化物層の厚さＬ_Oが１μｍ以上１０μｍ未満である、金型が提供される。

本発明によれば、耐摩耗性、及び金属溶湯に対する耐溶損性に優れた金型を提供することができる。

本発明の一実施形態の金型の表面側の層構造を模式的に示す断面図である。 本実施形態の金型（最表層をなす鉄系酸化物層）の表面からの厚さ（深さ）方向の距離（横軸）と、窒素拡散層から金型母材にかけてのビッカース硬さ（縦軸）との関係の一例を模式的に表した図である。 耐溶損性評価の試験方法を説明するための概略図である。

以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。

本発明の一実施形態の金型は、鉄系の金型母材と、金型母材の上層に設けられた窒素拡散層と、窒素拡散層の上層に設けられた窒素化合物層と、窒素化合物層の上層に設けられた、最表層をなす鉄系酸化物層とを備える。窒素拡散層の厚さＬ_Nは１００μｍ以上であるとともに窒素拡散層の最大ビッカース硬さＨ_Sは９００ＨＶ以上である。また、鉄系酸化物層の厚さＬ_Oは１μｍ以上１０μｍ未満である。これらの構成によって、その金型は、耐摩耗性、及び金属溶湯に対する耐溶損性に優れる。

以下、図１を参照しながら、本実施形態の金型の構成及び製造方法等に関して詳述する。図１は、本実施形態の金型の構成を説明するための図であり、本実施形態の一例の金型１の断面を模式的に示した図である。金型１は、鉄系の金型母材２、窒素拡散層３、窒素化合物層４、及び最表層をなす鉄系酸化物層５を備える。

鉄系酸化物層５は、金型１の最表面をなす層であり、窒素化合物層４の上層に形成されている。鉄系酸化物層５は、少なくとも鉄元素（Ｆｅ）及び酸素元素（Ｏ）を含む酸化物層である。鉄系酸化物層５は、金型１を製造する上で好適に採用し得る後述の製造方法における過程で形成することができる。

鉄系酸化物層５の厚さＬ_Oは、１μｍ以上１０μｍ未満である。この特定の厚さの鉄系酸化物層５が、特定の窒素拡散層３の上層に設けられた窒素化合物層４の上層に設けられていることにより、耐摩耗性及び耐溶損性を向上させることができる。耐溶損性の向上効果が十分に得られるように、鉄系酸化物層５の厚さＬ_Oを１μｍ以上とし、好ましくは２μｍ以上、より好ましくは４μｍ以上、さらに好ましくは５μｍ以上とする。一方、耐摩耗性の向上効果が十分に得られるように、鉄系酸化物層５の厚さＬ_Oを１０μｍ未満とし、好ましくは９．９μｍ以下、より好ましくは９．５μｍ以下、さらに好ましくは９μｍ以下とする。

鉄系酸化物層５の厚さＬ_Oは、例えば、金型１の製造に好適に採用し得る窒化処理や酸化処理の処理温度及び処理時間を調整すること等によって決定することができる。また、鉄系酸化物層５の厚さＬ_Oは、金型１の側面又は断面を光学顕微鏡又は電子顕微鏡で観察することにより測定することができ、３〜１０か所程度の厚さの平均値をとることができる。この厚さＬ_Oの測定は、後述する他の層においても同様である。

鉄系酸化物層５は、酸化鉄層、及び鉄以外の他の金属元素を含む複合鉄酸化物層のいずれでもよく、好ましくは複合鉄酸化物層である。鉄系酸化物層５は、それを構成する元素として、鉄（Ｆｅ）及び酸素（Ｏ）を含むほか、金型母材２の組成元素、及び金型１を製造する上で好適に採用し得る後述の製造方法で使用し得る塩浴由来の元素を含んでいてもよい。金型母材２の組成元素としては、Ｆｅのほか、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｗ、及びＳ等を挙げることができる。塩浴由来の好適な元素としては、例えばＬｉ等を挙げることができる。鉄系酸化物層５は、それを構成する元素として、Ｆｅ及びＯを含み、かつ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｗ、及びＳ、並びにＬｉからなる群より選ばれる１又は２以上の元素を含むことが好ましい。

鉄系酸化物層５としては、他の金属元素としてリチウムを含む、リチウム鉄複合酸化物層が好ましい。リチウム鉄複合酸化物は、（Ｌｉ，Ｆｅ）Ｏ、Ｌｉ₅Ｆｅ₅Ｏ₈、Ｌｉ₂Ｆｅ₃Ｏ₄、Ｌｉ₂Ｆｅ₃Ｏ₅、ＬｉＦｅ₅Ｏ₈、又はＬｉＦｅＯ₂の結晶構造を有する複合酸化物のいずれか又はその混合物として形成されていることがより好ましい。リチウム鉄複合酸化物層は、例えば、Ｌｉ⁺を添加した溶融塩浴を用いた塩浴軟窒化処理により、形成され得る。

窒素化合物層４は、鉄系酸化物層５の下層に形成されており、窒素拡散層３の上層に形成されている。窒素化合物層４は、少なくとも窒素元素（Ｎ）を含む化合物層である。窒素化合物層４は、金型１を製造する上で好適に採用し得る後述の製造方法における過程で形成することができる。

窒素化合物層４の厚さＬ_Cは、金型１の耐摩耗性及び耐溶損性を向上させる観点から、１μｍ以上２５μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以上２０μｍ以下であることがより好ましく、５μｍ以上１５μｍ以下であることがさらに好ましい。

また、前述の鉄系酸化物層５と窒素化合物層４の厚さの関係に関し、窒素化合物層４の厚さＬ_Cに対する鉄系酸化物層５の厚さＬ_Oの比（Ｌ_O／Ｌ_C）は、０．１以上５．０以下であることが好ましい。これにより、金型１の耐摩耗性及び耐溶損性の向上のほか、表面（鉄系酸化物層５の表面）の光沢ムラを抑えやすくすることが可能となる。この観点から、Ｌ_O／Ｌ_Cは、０．２以上であることがより好ましく、さらに好ましくは０．５以上であり、３．０以下であることがより好ましく、さらに好ましくは１．５以下である。

窒素化合物層４は、それを構成する元素として、窒素（Ｎ）を含むほか、炭素（Ｃ）、金型母材２の組成元素、及び金型１を製造する上で好適に採用し得る後述の製造方法で使用し得る塩浴由来の元素を含んでいてもよい。金型母材２の組成元素としては、前述の通り、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｗ、及びＳ等を挙げることができる。塩浴由来の好適な元素としては、例えばＬｉ等を挙げることができる。窒素化合物層４は、それを構成する元素として、Ｎ及びＣを含み、かつ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｗ、及びＳ、並びにＬｉからなる群より選ばれる１又は２以上の元素を含むことが好ましい。

窒素拡散層３は、窒素化合物層４の下層に形成され、金型母材２の上層に形成されている。窒素拡散層３は、金型１を製造する上で好適に採用し得る後述の製造方法における過程で形成することができ、少なくとも窒素元素が拡散することにより形成される。窒素拡散層３は、窒素に加えて、炭素及び酸素のうちのいずれか一方又は両方を拡散元素として含むように形成されていてもよい。窒素拡散層３は、それを構成する元素として、窒素（Ｎ）及び炭素（Ｃ）を含み、かつ、金型母材２の組成元素（Ｆｅ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｗ、及びＳ等）のうちの１又は２以上の元素を含むことが好ましい。

窒素拡散層３の厚さＬ_Nは、耐摩耗性に優れた金型とするために、１００μｍ以上であることを要する。金型１の耐摩耗性をさらに向上させる観点から、窒素拡散層３の厚さＬ_Nは、１１０μｍ以上であることが好ましく、１３０μｍ以上であることがより好ましく、１５０μｍ以上であることがさらに好ましい。窒素拡散層３の厚さＬ_Nの上限は、特に限定されないが、金型１の生産性の観点から、５００μｍ以下であることが好ましく、４００μｍ以下であることがより好ましい。

また、窒素拡散層３の最大ビッカース硬さＨ_Sは、耐摩耗性に優れた金型とするために、９００ＨＶ以上であることを要する。窒素拡散層３のビッカース硬さは、窒素拡散層３の厚さ（深さ）方向に応じて異なり、窒素拡散層３の厚さ（深さ）方向において、窒素化合物層４に近いほど高く、金型母材２に近いほど低い（後述の図２参照）。このことから、窒素拡散層３における窒素化合物層４との界面近傍（当該界面から窒素拡散層３における深さ１０μｍまでの領域内）でのビッカース硬さを、窒素拡散層３のビッカース硬さの最大とみなして、最大ビッカース硬さＨ_Sという。また、最大ビッカース硬さの位置を窒素拡散層３と窒素化合物層４との界面から窒素拡散層３における深さ１０μｍまでの領域内としたのは、当該界面近傍のビッカース硬さを測定可能な位置を想定したことによるものである。

金型１の耐摩耗性をさらに向上させる観点から、窒素拡散層３の最大ビッカース硬さＨ_Sは、９２０ＨＶ以上であることが好ましく、９５０ＨＶ以上であることがより好ましく、９８０ＨＶ以上であることがさらに好ましい。窒素拡散層３の最大ビッカース硬さＨ_Sの上限は、特に限定されず、例えば１５００ＨＶ以下とすることができる。また、窒素拡散層３の最大ビッカース硬さＨ_Sは、金型母材２の芯部のビッカース硬さＨ_Bよりも、３００ＨＶ以上高いこと（Ｈ_S−Ｈ_B≧３００）が好ましく、４００ＨＶ以上高いこと（Ｈ_S−Ｈ_B≧４００）がより好ましく、４２０ＨＶ以上高いこと（Ｈ_S−Ｈ_B≧４２０）がさらに好ましい。なお、窒素拡散層３のビッカース硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に記載の「マイクロビッカース硬さ試験」に準じた方法、又はＪＩＳ Ｇ ０５６２：１９９３に記載の「拡散層深さ測定方法」に準じた方法で、マイクロビッカース試験機によって測定される値である。

前述の通り、窒素拡散層３のビッカース硬さは、窒素拡散層３の厚さ（深さ）方向に依存する。図２は、金型１（最表層をなす鉄系酸化物層５）の表面からの厚さ（深さ）方向の距離（図２の横軸）と、窒素拡散層３から金型母材２にかけてのビッカース硬さ（図２の縦軸）との関係の一例を模式的に表した図である。図２に示すように、窒素拡散層３のビッカース硬さは、窒素拡散層３における窒素化合物層４側に近づくほど高い。一方、窒素拡散層３のビッカース硬さは、窒素拡散層３における金型母材２側に近づくほど低く、金型母材２のビッカース硬さＨ_Bと同等程度となる。

金型１の耐摩耗性及び耐溶損性をより向上させる観点から、窒素拡散層３における窒素化合物層４との界面側において、金型１の表面からの厚さ（深さ）方向の距離と、窒素拡散層３のビッカース硬さとの関係は、以下に述べるような関係にあるのが良い。まず、金型１の最表層（鉄系酸化物層５）の表面から窒素拡散層３における最大ビッカース硬さＨ_Sを示す位置までの深さをＤ_S（μｍ）とする。前述の通り、窒素拡散層３の最大ビッカース硬さＨ_Sは、窒素拡散層３における窒素化合物層４との界面から深さ１０μｍまでの領域内でのビッカース硬さであることから、上記深さＤ_S（μｍ）は、Ｌ_O＋Ｌ_C（μｍ）≦Ｄ_S≦Ｌ_O＋Ｌ_C＋１０（μｍ）である。また、金型１の最表層（鉄系酸化物層５）の表面から窒素拡散層３における上記深さＤ_S＋３０μｍまでの深さをＤ_X（μｍ）とし（Ｌ_O＋Ｌ_C＋３０（μｍ）≦Ｄ_X≦Ｌ_O＋Ｌ_C＋４０（μｍ））、窒素拡散層３における上記深さＤ_Xでのビッカース硬さをＨ_X（ＨＶ）とする。この場合に、下記式（１）を満たすことが好ましい（図２参照）。
０＜（Ｈ_S−Ｈ_X）／（Ｄ_X−Ｄ_S）＜４ ・・・（１）

上記の「（Ｈ_S−Ｈ_X）／（Ｄ_X−Ｄ_S）」は、窒素拡散層３における窒素化合物層４との界面から深さ３０〜４０μｍの位置までの領域の窒素拡散層３の深さとビッカース硬さとの関係を表し、図２中の当該領域における曲線の傾きを表す。（Ｈ_S−Ｈ_X）／（Ｄ_X−Ｄ_S）が上記式（１）で表される特定の範囲内であることは、窒素拡散層３における窒素化合物層４との界面から深さ３０μｍの位置までのビッカース硬さの変化（低下）が緩やかであることを表す。（Ｈ_S−Ｈ_X）／（Ｄ_X−Ｄ_S）の値（ＨＶ／μｍ）は、３以下であることがより好ましく、２以下であることがさらに好ましい。

また、窒素拡散層３の最大ビッカース硬さＨ_Sと金型母材２のビッカース硬さＨ_Bとの差（Ｈ_S−Ｈ_B）と、窒素拡散層３の厚さＬ_N、窒素化合物層４の厚さＬ_C、及び鉄系酸化物層５の厚さＬ_Oの和（Ｌ_N＋Ｌ_C＋Ｌ_O）とは、下記式（２）の関係を満たすことが好ましい。
０．３＜（Ｈ_S−Ｈ_B）／（Ｌ_N＋Ｌ_C＋Ｌ_O）＜４ ・・・（２）

（Ｈ_S−Ｈ_B）／（Ｌ_N＋Ｌ_C＋Ｌ_O）の値（ＨＶ／μｍ）が、上記式（２）で表される特定の範囲内であることにより、金型１の耐摩耗性及び耐溶損性をより高めることが可能となる。この観点から、（Ｈ_S−Ｈ_B）／（Ｌ_N＋Ｌ_C＋Ｌ_O）の値（ＨＶ／μｍ）は、０．５以上であってよく、３以下であることがより好ましく、２以下であることがさらに好ましい。

鉄系の金型母材２は、金型１の基材である。金型母材２の材質は、鉄系材料、具体的には鋼材である。好適な金型母材２の材質としては、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｇ４４０４：２００６）における熱間金型用鋼を挙げることができる。金型母材２の材質として、より好適にはＪＩＳ規格のＳＫＤ４材、ＳＫＤ５材、ＳＫＤ６材、ＳＫＤ６１材、ＳＫＤ６２材、ＳＫＤ７材、ＳＫＤ８材、ＳＫＴ３材、ＳＫＴ４材、及びＳＫＴ６材、並びにそれらに相当する鋼材等を挙げることができる。したがって、金型１は、温熱間成形用（例えば温熱間鍛造用や温熱間押出用等）又は鋳造用（例えばダイカスト用等）であることが好ましく、温熱間鍛造用又はダイカスト用であることがより好ましい。

金型１の製造方法は特に限定されない。金型母材２に対して、例えば、酸化を伴う塩浴軟窒化処理；酸化を伴うガス窒化処理；並びに窒化処理又は軟窒化処理と、酸化処理、又は酸化を伴う窒化処理若しくは軟窒化処理とを組み合わせた処理；等のいずれかの処理を行うことによって、金型１を製造することができる。これらの製造方法のなかでも、窒化処理又は軟窒化処理と、酸化処理又は酸化を伴う窒化処理若しくは軟窒化処理とを組み合わせた処理が好ましく、次に述べる製造方法がより好ましい。

本発明の一実施形態の金型の製造方法は、鉄系の金型母材にガス又は溶融塩浴を用いた窒化処理又は軟窒化処理を行う第１の工程と、第１の工程の後、酸化処理、又は酸化を伴う窒化処理若しくは軟窒化処理を行う第２の工程とを含む。この製造方法では、第１の工程及び第２の工程により、金型母材２に、厚さＬ_Nが１００μｍ以上であるとともに最大ビッカース硬さＨ_Sが９００ＨＶ以上である窒素拡散層３、窒素化合物層４、及び厚さＬ_Oが１μｍ以上１０μｍ未満である鉄系酸化物層５をこの順に形成する。

上記第１の工程及び第２の工程を含む金型１の製造方法によれば、金型母材２の表面を第１の工程及び第２の工程の二段階で窒化処理又は軟窒化処理（以下、軟窒化処理を含めて単に「窒化処理」と記載することがある。）を行うことができる。そのため、窒化処理の温度及び時間等の条件の精密な制御が容易化される。すなわち、上記第１の工程及び第２の工程によって、金型母材２に、厚さＬ_Nが１００μｍ以上であるとともに最大ビッカース硬さＨ_Sが９００ＨＶ以上である窒素拡散層３、窒素化合物層４、及び厚さＬ_Oが１μｍ以上１０μｍ未満である鉄系酸化物層５を形成し易い。

第１の工程における窒化処理に使用し得るガスとしては、従来からガス窒化処理に用いられているガスをいずれも用いることができる。好適なガスとしては、例えば、アンモニア（ＮＨ₃）ガス、窒素ガス、及びそれらの混合ガス、並びにＮＨ₃ガス、窒素ガス、水素ガス、及び二酸化炭素ガスの混合ガス等を挙げることができる。ガスを用いた窒化処理における処理温度としては、４３０〜５９０℃が好ましく、４８０〜５８０℃がより好ましい。また、その処理時間としては、６０分以上が好ましく、６００〜６０００分がより好ましい。

第１の工程における窒化処理に使用し得る溶融塩浴としては、従来から塩浴軟窒化処理に用いられている溶融塩浴をいずれも用いることができる。塩浴軟窒化処理としては、例えば、特開２００２−２２６９６３号公報、及び特開２００４−９１９０６号公報に開示された塩浴軟窒化処理に準じた方法を採ることができる。好適な溶融塩浴としては、シアン酸塩や炭酸塩を含む溶融塩浴を挙げることができる。より好適には、カチオン成分としてＬｉ⁺、Ｎａ⁺、及びＫ⁺のうちの１種以上を含むとともに、アニオン成分としてＣＮＯ^-、及びＣＯ₃ ^2-のうちの１種以上を含む溶融塩浴を挙げることができる。溶融塩浴を用いた窒化処理における処理温度としては、４８０〜６００℃が好ましく、５３０〜５８０℃がより好ましい。また、その処理時間としては、３０〜６００分が好ましく、６０〜１８０分がより好ましい。

第２の工程における酸化処理としては、硝酸ナトリウム及び硝酸カリウム等の硝酸塩や、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウム等のアルカリ金属の水酸化物、炭酸ナトリウム及び炭酸カリウム等の炭酸塩の溶融塩浴に、第１の工程による窒化処理済みの金型母材２を接触させる処理が好ましい。この処理温度としては、２８０〜６００℃がより好ましく、３５０〜５００℃がさらに好ましい。処理時間としては、１０〜１８０分が好ましく、２０〜１２０分がより好ましい。

第２の工程における酸化処理に窒化ガスを使用して、酸化を伴うガス窒化処理を行うこともできる。その処理に使用し得るガスとしては、従来からガス窒化処理に用いられているガスをいずれも用いることができる。好適なガスとしては、例えば、水蒸気、酸素ガス、窒素ガス、水素ガス、アンモニアガス、及びそれらの混合ガス等を挙げることができる。ガスを用いた酸化処理における処理温度としては、３５０〜６００℃が好ましく、５００〜５６０℃がより好ましい。また、その処理時間としては、３０〜６００分が好ましく、３０〜１２０分がより好ましい。

また、第２の工程における酸化を伴う窒化処理（軟窒化処理）としては、シアン酸塩、炭酸塩、及びリチウム塩を含有する溶融塩浴に、第１の工程による窒化処理済みの金型母材２を接触させる処理（軟窒化処理）が好ましい。この軟窒化処理の処理温度及び処理時間は、前述の第１の工程で採り得る窒化処理（軟窒化処理）で述べた処理温度及び処理時間の範囲内とすることができる。本実施形態では、金型母材２に、前述のガスを用いた窒化処理を行う第１の工程と、その第１の工程の後、酸化を伴う軟窒化処理を行う第２の工程とを含むことがより好ましい。

以上詳述した本実施形態の金型１は、金型母材２に、厚さ１００μｍ以上かつ最大ビッカース硬さ９００ＨＶ以上の窒素拡散層３と、窒素化合物層４と、厚さ１μｍ以上１０μ未満の鉄系酸化物層５をこの順に備えるため、耐摩耗性及び耐溶損性に優れる。したがって、金型１は、高寿命であり、その結果、金型１を使用して製造される金属製品の製造コストの減少に寄与することができる。

なお、本発明の一実施形態の金型は、以下の構成を採ることが可能である。
［１］鉄系の金型母材と、前記金型母材の上層に設けられた窒素拡散層と、前記窒素拡散層の上層に設けられた窒素化合物層と、前記窒素化合物層の上層に設けられた、最表層をなす鉄系酸化物層と、を備え、前記窒素拡散層の厚さＬ_Nが１００μｍ以上であるとともに前記窒素拡散層の最大ビッカース硬さＨ_Sが９００ＨＶ以上であり、かつ、前記鉄系酸化物層の厚さＬ_Oが１μｍ以上１０μｍ未満である、金型。
［２］前記窒素化合物層の厚さＬ_Cが１μｍ以上２５μｍ以下である上記［１］に記載の金型。
［３］前記窒素化合物層の厚さＬ_Cに対する前記鉄系酸化物層の厚さＬ_Oの比（Ｌ_O／Ｌ_C）が、０．１以上５．０以下である上記［１］又は［２］に記載の金型。
［４］前記最表層の表面から前記窒素拡散層における前記最大ビッカース硬さＨ_Sを示す位置までの深さをＤ_S（μｍ）とし、前記最表層の表面から前記窒素拡散層における前記Ｄ_S＋３０μｍまでの深さをＤ_X（μｍ）とし、前記窒素拡散層における前記Ｄ_Xでのビッカース硬さをＨ_X（ＨＶ）とした場合、下記式（１）を満たす上記［１］〜［３］のいずれかに記載の金型。
０＜（Ｈ_S−Ｈ_X）／（Ｄ_X−Ｄ_S）＜４ ・・・（１）
［５］前記窒素拡散層の前記最大ビッカース硬さＨ_Sと前記金型母材のビッカース硬さＨ_Bとの差（Ｈ_S−Ｈ_B）と、前記窒素拡散層の厚さＬ_N、前記窒素化合物層の厚さＬ_C、及び前記鉄系酸化物層の厚さＬ_Oの和（Ｌ_N＋Ｌ_C＋Ｌ_O）とが、下記式（２）の関係を満たす上記［１］〜［４］のいずれかに記載の金型。
０．３＜（Ｈ_S−Ｈ_B）／（Ｌ_N＋Ｌ_C＋Ｌ_O）＜４ ・・・（２）
［６］温熱間成形用又は鋳造用である上記［１］〜［５］のいずれかに記載の金型。
［７］鉄系の金型母材にガス又は溶融塩浴を用いた窒化処理又は軟窒化処理を行う第１の工程と、前記第１の工程の後、酸化処理、又は酸化を伴う窒化処理若しくは軟窒化処理を行う第２の工程と、を含み、前記第１の工程及び前記第２の工程により、前記金型母材に、厚さＬ_Nが１００μｍ以上であるとともに最大ビッカース硬さＨ_Sが９００ＨＶ以上である窒素拡散層、窒素化合物層、及び厚さＬ_Oが１μｍ以上１０μｍ未満である鉄系酸化物層をこの順に形成する金型の製造方法。

以下、本発明による効果を試験例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの試験例に限定されるものではない。なお、試験例中の「％」は、特に断らない限り質量基準（質量％）である。

＜試験例１〜１３＞
金型母材を想定した鋼材として、ＳＫＤ６１相当鋼（Ｃ：０．３７％、Ｓｉ：０．９７％、Ｍｎ：０．４３％、Ｃｒ：５．３０％、Ｍｏ：１．２２％、及びＶ：０．８１％を含み、残部が実質的に鉄からなる鋼材）に、調質処理（焼入れ及び焼戻し）を施し、ビッカース硬さ（Ｈ_B）を４８０ＨＶとした鋼材を用いた。この鋼材を、直径１６ｍｍ及び高さ１００ｍｍに加工した円柱状の母材試験片Ａを溶損試験に用い、直径３２ｍｍ及び高さ３ｍｍに加工した円板状の母材試験片Ｂを摩耗試験等に用いた。

試験例１〜１３では、それぞれ、上記母材試験片Ａ及びＢについて、以下の表１に示す窒化処理等を施し、試験片１〜１３（試験片Ａ−１〜１３及び試験片Ｂ−１〜１３）を作製した。表１中の「ガス窒化処理」は、上記母材試験片をアンモニアガス、窒素ガス及び水素ガスの混合ガス雰囲気中で加熱したことにより行った窒化処理である。「塩浴軟窒化処理」は、シアン酸塩、炭酸塩、及びリチウム塩を含有する溶融塩浴に上記母材試験片を浸漬させたことにより行った軟窒化処理である。「Ｌｉ無添加塩浴軟窒化処理」は、リチウム塩を含有せず、シアン酸塩及び炭酸塩を含有する溶融塩浴に上記母材試験片を浸漬させたことにより行った軟窒化処理である。「後酸化処理」は、窒化処理後に、ナトリウム及びカリウム等の硝酸塩並びにナトリウム及びカリウム等のアルカリ水酸化物の溶融塩浴に窒化処理済みの試験片を浸漬させたことにより行った酸化処理である。また、試験例８〜１１では、第１の工程として、表１に記載の条件の「ガス窒化処理」の後に、第２の工程として、同表に記載の条件の「塩浴軟窒化処理」を行った。

（表面処理層の種類及び厚さ（深さ））
作製した試験片Ｂ−１〜１３のそれぞれについて、試験片の断面を、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）で測定及び分析した。そのＸＲＤ測定により、各試験片について、窒化処理等によって形成された表面処理層の種類を確認した。また、光学顕微鏡観察により、各試験片について、鉄系酸化物層の厚さ（深さ）Ｌ_O（μｍ）、窒素化合物層の厚さ（深さ）Ｌ_C（μｍ）、及び窒素拡散層の厚さ（深さ）Ｌ_N（μｍ）を測定した。各層の厚さの測定は、各層における無作為に選択した３箇所について行い、それらの平均値をとった。それらの結果とＬ_O／Ｌ_Cを表２に示す。なお、表２において、厚さ（深さ）が「０．０μｍ」である箇所は、それに該当する層が確認されなかったことを表す。

（窒素拡散層の最大ビッカース硬さ）
作製した試験片Ｂ−１〜１３のそれぞれについて、試験片を切断後、試験片の断面を作製し、その断面において、窒素拡散層の最大ビッカース硬さＨ_S（ＨＶ）と、窒素拡散層における深さＤ_X（μｍ）でのビッカース硬さＨ_X（ＨＶ）を測定した。窒素拡散層の最大ビッカース硬さＨ_Sは、窒素拡散層の深さ方向において、窒素拡散層の最表層側から深さ１０μｍまでの領域内（試験片の最表層の表面からの深さＤ_S（Ｌ_O＋Ｌ_C（μｍ）≦Ｄ_S≦Ｌ_O＋Ｌ_C＋１０（μｍ））の位置）で測定した。また、ビッカース硬さＨ_Xは、窒素拡散層の深さ方向において、最大ビッカース硬さＨ_Sを測定した位置から深さ３０μｍの位置（試験片の最表層の表面からの深さＤ_X（Ｄ_X＝Ｄ_S＋３０μｍ）での位置）で測定した。ビッカース硬さの測定は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に記載の「マイクロビッカース硬さ試験」に準じた方法により、ビッカース硬さ試験機（ミツトヨ社製、商品名「マイクロビッカース硬さ試験機 ＨＭ−１０３」）を用いて、試験力０．９８０Ｎの条件で行った。最大ビッカース硬さＨ_S（ＨＶ）の測定値と、「（Ｈ_S−Ｈ_X）／（Ｄ_X−Ｄ_S）」の値、及び「（Ｈ_S−Ｈ_B）／（Ｌ_N＋Ｌ_C＋Ｌ_O）」の値を表２に示す。

（表面ムラ）
作製した試験片Ｂ−１〜１３のそれぞれについて、最表層を目視で確認することにより、表面光沢ムラ（表層の剥離や微細組織の差異）の有無を確認し、ムラが確認されなかったものを良好（○）、ムラが確認されたものを不良（×）と評価した。その結果を表２に示す。

（溶損率）
作製した試験片Ａ−１〜１３のそれぞれについて、アルミニウム合金溶湯に対する耐溶損性を評価する試験を行った。この試験では、図３に示すような試験装置１００を用いて、鉄製ポット１０１に収容した内径約９０ｍｍ及び深さ約２００ｍｍのアルミナ製るつぼ１０２中で、アルミニウム合金としてＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金である、ＪＩＳ規格ＡＤＣ１２（Ｓｉ：１１．４％、Ｃｕ：１．９％、残部：Ａｌ）を６８０℃に加熱溶解させ、その溶湯１０３中に、２本セットした各試験片１０４を約３０ｍｍ浸漬させた状態で約２００ｒｐｍで回転させながら１２０分間保持した。各試験片の溶損量（溶損率）は、試験片の試験前後の質量を測定し、式：（Ｗ₀−Ｗ₁）／Ｗ₀×１００（％）（Ｗ₀：試験前の試験片の質量、Ｗ₁：試験後の試験片の質量）から算出された値とした。この結果を表２に示す。なお、窒化処理等を何ら施していない上記母材試験片Ａについての溶損率を同様に測定したところ、母材試験片Ａの溶損率は、１１．６６７％であった。

（耐摩耗性）
作製した試験片Ｂ−１〜１３のそれぞれについて、耐摩耗性を評価する試験を行った。具体的には、ボールオンディスク式摩擦摩耗試験機（レスカ社製、型式「ＦＰＲ−２１００」）を用いて、乾式で、相手材：アルミボール（Ａ１０５０）、荷重：５０ｇ、速度：０．１ｍ／ｓ、及び試験時間：１時間の条件で試験を行った後、ディスク側（各試験片）の摩耗量（ｍ³）を測定した。この結果を表２に示す。

表２より、試験例６〜１０で得られた試験片６〜１０（特に試験例７〜１０で得られた試験片７〜１０）は、それら以外の他の試験例で得られた試験片に比べて、溶損率が低く、摩耗量が少ないことが確認された。よって、母材試験片に、厚さＬ_Nが１００μｍ以上で最大ビッカース硬さＨ_Sが９００ＨＶ以上である窒素拡散層、窒素化合物層、及び厚さＬ_Oが１μｍ以上１０μｍ未満の鉄系酸化物層を設けることで、耐摩耗性及び耐溶損性を向上できることが認められた。したがって、このような構成を採ることによって、耐摩耗性及び耐溶損性に優れた金型を提供し得ることが認められた。

１：金型
２：金型母材
３：窒素拡散層
４：窒素化合物層
５：鉄系酸化物層

Claims (7)

1. 鉄系の金型母材と、
   前記金型母材の上層に設けられた窒素拡散層と、
   前記窒素拡散層の上層に設けられた窒素化合物層と、
   前記窒素化合物層の上層に設けられた、最表層をなす鉄系酸化物層と、を備え、
   前記窒素拡散層の厚さＬ_Nが１００μｍ以上であるとともに前記窒素拡散層の最大ビッカース硬さＨ_Sが９００ＨＶ以上であり、かつ、前記鉄系酸化物層の厚さＬ_Oが１μｍ以上１０μｍ未満である、金型。
2. 前記窒素化合物層の厚さＬ_Cが１μｍ以上２５μｍ以下である請求項１に記載の金型。
3. 前記窒素化合物層の厚さＬ_Cに対する前記鉄系酸化物層の厚さＬ_Oの比（Ｌ_O／Ｌ_C）が、０．１以上５．０以下である請求項１又は２に記載の金型。
4. 前記最表層の表面から前記窒素拡散層における前記最大ビッカース硬さＨ_Sを示す位置までの深さをＤ_S（μｍ）とし、
   前記最表層の表面から前記窒素拡散層における前記Ｄ_S＋３０μｍまでの深さをＤ_X（μｍ）とし、
   前記窒素拡散層における前記Ｄ_Xでのビッカース硬さをＨ_X（ＨＶ）とした場合、
   下記式（１）を満たす請求項１〜３のいずれか１項に記載の金型。
   ０＜（Ｈ_S−Ｈ_X）／（Ｄ_X−Ｄ_S）＜４ ・・・（１）
5. 前記窒素拡散層の前記最大ビッカース硬さＨ_Sと前記金型母材のビッカース硬さＨ_Bとの差（Ｈ_S−Ｈ_B）と、前記窒素拡散層の厚さＬ_N、前記窒素化合物層の厚さＬ_C、及び前記鉄系酸化物層の厚さＬ_Oの和（Ｌ_N＋Ｌ_C＋Ｌ_O）とが、下記式（２）の関係を満たす請求項１〜４のいずれか１項に記載の金型。
   ０．３＜（Ｈ_S−Ｈ_B）／（Ｌ_N＋Ｌ_C＋Ｌ_O）＜４ ・・・（２）
6. 温熱間成形用又は鋳造用である請求項１〜５のいずれか１項に記載の金型。
7. 鉄系の金型母材にガス又は溶融塩浴を用いた窒化処理又は軟窒化処理を行う第１の工程と、
   前記第１の工程の後、酸化処理、又は酸化を伴う窒化処理若しくは軟窒化処理を行う第２の工程と、を含み、
   前記第１の工程及び前記第２の工程により、前記金型母材に、厚さＬ_Nが１００μｍ以上であるとともに最大ビッカース硬さＨ_Sが９００ＨＶ以上である窒素拡散層、窒素化合物層、及び厚さＬ_Oが１μｍ以上１０μｍ未満である鉄系酸化物層をこの順に形成する金型の製造方法。

Images