JP2024061966A - Metal plastic processing die and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

【課題】複合硬さを評価・制御することで、被膜の耐久性を高める。【解決手段】金型基材の表面に、Ti、Al、Crの少なくとも1種を含む窒化物または炭窒化物のいずれかを含む硬質被膜を被覆した塑性加工用金型であって、前記硬質被膜の膜厚は1μm以上であり、金型基材の表面に形成された硬質被膜に対して、JIS Z 2244-1に規定された硬さ記号HV0.1に従う荷重条件にて、硬さ試験を実施したときのビッカース硬さを複合硬さと定義したときに、複合硬さが800HV0.1以上であることを特徴とする被膜の耐久性に優れた金属塑性加工用金型。【選択図】図1[Problem] The durability of the coating is improved by evaluating and controlling the composite hardness. [Solution] A metal plastic processing die having excellent durability of a coating, the surface of which is coated with a hard coating containing either a nitride or a carbonitride containing at least one of Ti, Al, and Cr, the hard coating having a thickness of 1 μm or more, and the composite hardness being defined as the Vickers hardness when a hardness test is carried out on the hard coating formed on the surface of the die base material under loading conditions according to the hardness symbol HV0.1 specified in JIS Z 2244-1, the composite hardness being 800 HV0.1 or more. [Selected Figure] Figure 1

Description

プレス加工、鍛造加工等に使用され耐摩耗性が必要とされる塑性加工用金型に関するものである。 This relates to dies for plastic processing, which are used in press processing, forging processing, etc. and require wear resistance.

鍛造やプレス加工といった塑性加工には、冷間ダイス鋼、熱間ダイス鋼、高速度工具鋼及び超硬合金等の金属・鋼を母材とする金型が用いられてきた。上記加工方法は、室温付近で加工を行う冷間加工と、被加工材が400℃以上に加熱される温間加工や熱間加工に分類される。いずれの金型でも被加工材との凝着摩耗が問題となり、作業面の耐摩耗性が要求される。 Dies made of metals or steels such as cold die steel, hot die steel, high-speed tool steel, and cemented carbide have been used for plastic processing such as forging and pressing. The above processing methods are classified into cold processing, in which processing is performed at around room temperature, and warm processing or hot processing, in which the workpiece is heated to 400°C or higher. With any type of die, adhesive wear with the workpiece can be an issue, and wear resistance is required for the working surface.

近年、被加工材の高強度化と表面改質技術の向上に伴い、金型表面に硬質被膜を形成し、耐摩耗性を向上させた金型が種々提案されている。硬質被膜の施工方法にはCVD(化学蒸着法)、PVD(物理蒸着法)、TRD法(熱反応析出拡散法)、PCVD法(プラズマ化学蒸着法)等がある。特にPVD法やPCVD法は、施工温度が500℃以下と比較的低温に抑えられているため、金型の変寸が少なく、被膜施工後の熱処理が不要であることから、広く普及している。 In recent years, with the increasing strength of workpiece materials and improvements in surface modification technology, various dies have been proposed that have hard coatings formed on the die surface to improve wear resistance. Methods for applying hard coatings include CVD (chemical vapor deposition), PVD (physical vapor deposition), TRD (thermal reactive deposition diffusion), and PCVD (plasma chemical vapor deposition). In particular, the PVD and PCVD methods are widely used because the application temperature is kept relatively low at 500°C or less, which results in little dimensional change in the die and does not require heat treatment after coating.

このような被膜加工を施した金型では、主に被膜の剥離によって金型寿命となる。被膜剥離は、被膜が金型基材の変形に追随できないことに起因し、き裂の発生や剥離に至る。例えば、特許文献1には、膜組成、膜構造、膜厚、母材との硬度差を制御した耐久性の優れた硬質材料被覆塑性加工用金型が開示されている。特許文献2には、金型の作業面の表面粗さ、膜種を制御することで、良好な耐凝着性と平滑性を併せ持つ金型が開示されている。 In dies that have been subjected to such coating processing, the die life is mainly due to peeling of the coating. Coating peeling occurs because the coating cannot follow the deformation of the die base material, leading to the occurrence of cracks and peeling. For example, Patent Document 1 discloses a durable hard material coated die for plastic processing in which the film composition, film structure, film thickness, and hardness difference from the base material are controlled. Patent Document 2 discloses a die that combines good adhesion resistance and smoothness by controlling the surface roughness and film type of the working surface of the die.

特許第4771223号Patent No. 4771223 特許第7029646号Patent No. 7029646

上述したように、金型使用環境下で表面に付与される応力により、被膜が基材の変形に追随できないことに起因して、き裂の発生及び被膜剥離に至り、金型寿命となる。したがって、いかに金型表面を凹みにくくするかが重要である。しかしながら、従来は、金型表面の凹みにくさの明確な指針とその制御因子について何らの検討もなく、改善の余地あった。また、金型表面が凹みにくくても、硬質被膜と金型基材の密着性が低い場合には、硬質被膜が早期に剥離して、金型寿命となる。 As mentioned above, the stress applied to the surface in the environment in which the mold is used causes the coating to be unable to follow the deformation of the substrate, leading to the generation of cracks and peeling of the coating, which then brings about the end of the mold's life. Therefore, it is important to make the mold surface as resistant to dents as possible. However, in the past, there was no clear guideline for the dent resistance of the mold surface, nor any consideration of the factors that control it, leaving room for improvement. Furthermore, even if the mold surface is resistant to dents, if the adhesion between the hard coating and the mold substrate is poor, the hard coating will peel off early, bringing about the end of the mold's life.

本発明は、金型基材と硬質被膜の複合硬さと、金型基材と硬質被膜の密着性を評価・制御することで、被膜の耐久性を高めたものである。 The present invention improves the durability of the coating by evaluating and controlling the combined hardness of the mold substrate and the hard coating, and the adhesion between the mold substrate and the hard coating.

上記課題を解決するために、本願発明に係る金属塑性加工用金型は、(1)金型基材の表面に、Ti、Al、Crの少なくとも1種を含む窒化物または炭窒化物のいずれかの硬質被膜を被覆した塑性加工用金型であって、前記硬質被膜の膜厚は1μm以上であり、金型基材の表面に形成された硬質被膜に対して、JIS Z 2244-1に規定された硬さ記号HV0.1に従う荷重条件にて、硬さ試験を実施したときのビッカース硬さを複合硬さと定義したときに、複合硬さが800HV0.1以上であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the metal plastic processing die of the present invention is (1) a metal plastic processing die having a surface of a die base material coated with a hard coating of either a nitride or a carbonitride containing at least one of Ti, Al and Cr, the hard coating having a thickness of 1 μm or more, and a composite hardness of 800 HV 0.1 or more, when the composite hardness is defined as the Vickers hardness measured when a hardness test is carried out on the hard coating formed on the surface of the die base material under loading conditions in accordance with the hardness symbol HV 0.1 specified in JIS Z 2244-1.

(2)金型基材の表面粗さがRa<0.1μm、Rz<0.5μmであることを特徴とする上記(1)に記載の被膜の耐久性に優れた金属塑性加工用金型。 (2) A metal plastic processing die having excellent durability of the coating described in (1) above, characterized in that the surface roughness of the die base material is Ra<0.1 μm, Rz<0.5 μm.

(3)金型基材は、Cを0.9mass%以下、Crを9mass%以下含み、残部がFeを主体とする冷間ダイス鋼で構成されていることを特徴とする上記(1)または(2)に記載の被膜の耐久性に優れた金属塑性加工用金型。 (3) A metal plastic processing die having excellent durability of the coating described in (1) or (2) above, characterized in that the die base material is composed of cold die steel containing 0.9 mass% or less of C, 9 mass% or less of Cr, and the balance being mainly Fe.

(4)金型基材は、Cを1.0~1.3mass%、Crを9mass%以下含み、残部がFeを主体とする粉末高速度工具鋼で構成された上記(1)または(2)に記載の被膜の耐久性に優れた金属塑性加工用金型。 (4) A metal plastic processing die having excellent durability of the coating described in (1) or (2) above, in which the die base material is made of powdered high-speed tool steel containing 1.0 to 1.3 mass% C, 9 mass% or less Cr, and the remainder being mainly Fe.

(5)金型基材の表面が窒化処理された上記(3)に記載の被膜の耐久性に優れた金属塑性加工用金型。 (5) A metal plastic processing die in which the surface of the die base material is nitrided and the coating described in (3) above has excellent durability.

(6)金型基材の表面が窒化処理された上記(4)に記載の被膜の耐久性に優れた金属塑性加工用金型。 (6) A metal plastic processing die in which the surface of the die base material is nitrided and the coating described in (4) above has excellent durability.

(7)本願発明に係る塑性加工用金型の製造方法は、金型基材の表面に、Ti、Al、Crの少なくとも1種を含む窒化物または炭窒化物のいずれかの硬質被膜を被覆した塑性加工用金型の製造方法であって、金型基材の表面に形成された硬質被膜に対して、JIS Z 2244-1に規定された硬さ記号HV0.1に従う荷重条件にて、硬さ試験を実施したときのビッカース硬さを複合硬さと定義したとき、予め、前記硬質被膜の膜厚を1μm以上とする条件にて、複合硬さが800HV0.1以上となるように、金型基材及び前記硬質被膜の製造条件を決定する製造条件決定ステップと、決定した前記製造条件に基づき、前記塑性加工用金型を製造することを特徴とする。 (7) The manufacturing method of a die for plastic processing according to the present invention is a manufacturing method of a die for plastic processing in which a surface of a die base material is coated with a hard coating of either a nitride or a carbonitride containing at least one of Ti, Al, and Cr, and is characterized in that, when the Vickers hardness obtained when a hardness test is performed on the hard coating formed on the surface of the die base material under loading conditions in accordance with the hardness symbol HV0.1 specified in JIS Z 2244-1, the composite hardness is defined as the composite hardness, and the manufacturing conditions for the die base material and the hard coating are determined in advance so that the composite hardness is 800 HV0.1 or more under conditions in which the film thickness of the hard coating is 1 μm or more, and the die for plastic processing is manufactured based on the determined manufacturing conditions.

(8)前記製造条件決定ステップにおいて、金型基材の表面粗さをRa<0.1μm、Rz<0.5μmとすることを特徴とする上記(7)に記載の塑性加工用金型の製造方法。 (8) The method for manufacturing a die for plastic processing described in (7) above, characterized in that in the manufacturing condition determination step, the surface roughness of the die base material is set to Ra<0.1 μm and Rz<0.5 μm.

(9)前記製造条件決定ステップにおいて、Cを0.9mass%以下、Crを9mass%以下含み、残部がFeを主体とする冷間ダイス鋼を、金型基材の素材として決定することを特徴とする上記(7)又は(8)に記載の塑性加工用金型の製造方法。 (9) The method for manufacturing a die for plastic working described in (7) or (8) above, characterized in that in the manufacturing condition determination step, a cold die steel containing 0.9 mass% or less C, 9 mass% or less Cr, and the remainder mainly composed of Fe is determined as the material for the die base material.

(10)前記製造条件決定ステップにおいて、Cを1.0~1.3mass%、Crを9mass%以下含み、残部がFeを主体とする粉末高速度工具鋼を、金型基材の素材として決定することを特徴とする上記(7)又は(8)に記載の塑性加工用金型の製造方法。 (10) The method for manufacturing a die for plastic processing described in (7) or (8) above, characterized in that in the manufacturing condition determination step, a powder high-speed tool steel containing 1.0 to 1.3 mass% C, 9 mass% or less Cr, and the remainder mainly Fe is determined as the material for the die base material.

(11)前記製造条件決定ステップにおいて、 金型基材の表面に窒化処理することを決定する、上記(9)に記載の塑性加工用金型の製造方法。 (11) The method for manufacturing a die for plastic processing described in (9) above, in which, in the manufacturing condition determination step, it is determined that the surface of the die base material is to be nitrided.

(12)前記製造条件決定ステップにおいて、 金型基材の表面に窒化処理することを決定する、上記(10)に記載の塑性加工用金型の製造方法。 (12) The method for manufacturing a die for plastic processing described in (10) above, in which, in the manufacturing condition determination step, it is determined that the surface of the die base material is to be nitrided.

本発明によれば、金型基材及び硬質被膜の複合硬さと、密着性と、を高めることによって、金型表面が凹みにくく、被膜剥離が抑制され、被膜の耐久性が高い金型を得ることができる。 According to the present invention, by increasing the combined hardness and adhesion of the mold substrate and hard coating, it is possible to obtain a mold in which the mold surface is less likely to be dented, coating peeling is suppressed, and the coating has high durability.

複合硬さの試験装置の模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a composite hardness testing device.

本発明の実施形態について説明する。本実施形態の金型は、プレス加工、鍛造加工等に使用される、耐摩耗性が必要とされる塑性加工用金型(以下、金型と略す場合がある)である。金型は、金型基材及び硬質被膜からなる。 An embodiment of the present invention will be described. The die of this embodiment is a die for plastic processing (hereinafter sometimes abbreviated as die) that is used for press processing, forging processing, etc. and requires wear resistance. The die is composed of a die base material and a hard coating.

(金型基材について)
金型基材には、高強度な工具鋼が好ましく、冷間ダイス鋼、熱間ダイス鋼、高速度工具鋼及び粉末高速度工具鋼がより好ましい。焼戻時に二次硬化する冷間ダイス鋼、熱間ダイス鋼、高速度工具鋼及び粉末高速度工具鋼を用いることにより、被膜施工時の軟化を抑制することができる。
(About mold base material)
The die substrate is preferably a high-strength tool steel, more preferably a cold die steel, a hot die steel, a high-speed tool steel, or a powdered high-speed tool steel. By using cold die steel, hot die steel, high-speed tool steel, or powdered high-speed tool steel that undergoes secondary hardening during tempering, softening during coating can be suppressed.

ここで、ダイス鋼とは、クロム、マンガン、モリブデン、バナジウムなどを含み、金型等使用時に焼入焼戻処理が行われたものであり、硬度、耐摩耗性が良好で、焼き入れ歪などが少なく、更に靭性に優れた材料である。冷間ダイス鋼は、熱間ダイス鋼よりも炭素をより多く含有しており、熱間ダイス鋼よりも熱を加えたときに硬度が下がりやすい。 Here, die steel is a material that contains chromium, manganese, molybdenum, vanadium, etc., and is quenched and tempered when used in dies, etc., and has good hardness and wear resistance, little quenching distortion, and excellent toughness. Cold die steel contains more carbon than hot die steel, and is more likely to lose hardness when heated than hot die steel.

高速度工具鋼とは、切削工具や汎用工具に使用されており、ハイス鋼ともいう。ハイス鋼は、粉末ハイス鋼(粉末高速度工具鋼)であってもよいし、溶解ハイス鋼であってもよい。粉末ハイス鋼は、粉末状の材料を加圧しながら焼結して、成形したものであり、靭性及び耐摩耗性に優れる。溶解ハイス鋼は、電気炉で溶解した材料を圧延して成形したものであり、耐摩耗性やコスト面に優れる。 High-speed tool steel is used in cutting tools and general-purpose tools, and is also called high-speed steel. High-speed steel may be powdered high-speed steel (powdered high-speed tool steel) or molten high-speed steel. Powdered high-speed steel is made by sintering powdered material under pressure and molding it, and has excellent toughness and wear resistance. Molten high-speed steel is made by rolling material melted in an electric furnace and molding it, and has excellent wear resistance and cost.

これらの工具鋼の中で靭性が高い工具鋼を用いることによって、金型の割れやチッピングを抑制することができる。かかる観点から、Cを0.9mass%以下、Crを9mass%以下含むFeを主体とした冷間ダイス鋼、Cを1.0~1.3mass%、Crを9mass%以下含みFeを主体とした粉末高速度工具鋼を使用することが望ましい。当該冷間ダイス鋼は、一次炭化物が少ないため、靭性に優れる。また、当該冷間ダイス鋼において、Cを0.6mass%以上とすること、Crを5mass%以上とすることがより望ましい。当該粉末高速度工具鋼は、一次炭化物のサイズが1~2μmと小さいため、靭性に優れる。当該粉末高速度工具において、Crを3.5mass%以上とすることがより望ましい。 Among these tool steels, the use of tool steels with high toughness can suppress cracking and chipping of the die. From this viewpoint, it is desirable to use cold die steels mainly made of Fe containing 0.9 mass% or less C and 9 mass% or less Cr, or powder high-speed tool steels mainly made of Fe containing 1.0 to 1.3 mass% C and 9 mass% or less Cr. The cold die steels have excellent toughness because they contain few primary carbides. It is more desirable to set the C content to 0.6 mass% or more in the cold die steels and the Cr content to 5 mass% or more. The powder high-speed tool steels have excellent toughness because the size of the primary carbides is small, at 1 to 2 μm. It is more desirable to set the Cr content to 3.5 mass% or more in the powder high-speed tool steels.

(表面粗さについて)
金型基材に対して、形状加工工程を実施することにより、所定の表面粗さを付与しておくことが望ましい。表面粗さは、好ましくはRa<0.1μm、Rz<0.5μmであり、より好ましくはRa<0.05μm、Rz<0.3μmである。かかる範囲に表面粗さを調整しておくことにより、被膜と金型基材との密着性を高めることができる。
(Surface roughness)
It is desirable to give a predetermined surface roughness to the mold substrate by performing a shape processing process. The surface roughness is preferably Ra<0.1 μm, Rz<0.5 μm, and more preferably Ra<0.05 μm, Rz<0.3 μm. By adjusting the surface roughness to this range, the adhesion between the coating and the mold substrate can be improved.

表面粗さは、金型基材の表面に対して、研削加工、研磨加工、切削加工及び放電加工などを施すことにより、調整できる。ここで、形状加工工程は、複数の工程を組み合わせてもよく、例えば研削加工で荒加工した後、研磨による仕上げ加工を施すことによって、表面粗さを調整してもよい。所望の表面粗さを確実に得るために、ダイヤモンドペーストを用いたバフ研磨を実施してもよい。 The surface roughness can be adjusted by subjecting the surface of the mold substrate to grinding, polishing, cutting, electrical discharge machining, etc. Here, the shape processing step may be a combination of multiple steps, and the surface roughness may be adjusted, for example, by rough processing by grinding followed by finishing by polishing. Buffing using diamond paste may be performed to ensure that the desired surface roughness is obtained.

(窒化処理について)
表面粗さの調整後、金型基材の表面に対して、窒化処理を施すことが望ましい。窒化処理を施すことにより、複合硬さを向上させることができる。窒化処理は、好ましくは、イオン窒化処理、ラジカル窒化処理である。イオン窒化処理、ラジカル窒化処理は、処理時に化合物層が形成されにくいため、化合物層が形成されることによる表面粗さの増大によって、密着力が低下することを防止できる。
(Regarding nitriding)
After adjusting the surface roughness, it is desirable to perform a nitriding treatment on the surface of the mold base material. By performing the nitriding treatment, the composite hardness can be improved. The nitriding treatment is preferably an ion nitriding treatment or a radical nitriding treatment. Since the ion nitriding treatment and the radical nitriding treatment are unlikely to form a compound layer during the treatment, it is possible to prevent a decrease in adhesion due to an increase in surface roughness caused by the formation of a compound layer.

イオン窒化処理(プラズマ窒化処理)は、窒化性ガスに窒素及び水素を使用し、真空雰囲気下で金型基材と窒化炉の炉壁との間に直流電圧を印加してグロー放電を生じさせ、このグロー放電により得られた窒素イオンと水素イオンの基材表面に対する衝突作用を利用して窒化処理を行う方法である。真空雰囲気における圧力は、好ましくは、13Pa以上1.3kPa以下である。直流電圧は、数百ボルト程度が好ましい。 Ion nitriding (plasma nitriding) is a method in which nitrogen and hydrogen are used as nitriding gases, a DC voltage is applied between the mold substrate and the wall of the nitriding furnace in a vacuum atmosphere to generate a glow discharge, and the nitrogen ions and hydrogen ions obtained by this glow discharge collide with the substrate surface to perform the nitriding process. The pressure in the vacuum atmosphere is preferably 13 Pa or more and 1.3 kPa or less. The DC voltage is preferably about several hundred volts.

ラジカル窒化処理は、ガス流量・処理圧力・プラズマ出力などを高精度に制御して得られる窒化作用の高いラジカルを効率よく利用して窒化処理を行う方法であり、窒化処理中のイオンとラジカルの生成量を調整することにより、化合物層の生成を抑制し得る方法である。 Radical nitriding is a method of nitriding that efficiently uses radicals with high nitriding properties obtained by controlling gas flow rate, processing pressure, plasma output, etc. with high precision, and can suppress the formation of a compound layer by adjusting the amount of ions and radicals generated during the nitriding process.

ただし、イオン窒化処理及びラジカル窒化処理以外の窒化処理(例えば、ガス窒化処理)を採用してもよい。この場合、窒化処理後に、化学物層を除去することが望ましい。これにより、所望の表面粗さを得ることができる。 However, nitriding processes other than ion nitriding and radical nitriding (for example, gas nitriding) may be used. In this case, it is desirable to remove the chemical layer after the nitriding process. This allows the desired surface roughness to be obtained.

(硬質被膜について)
硬質被膜は、Ti、Al、Crの少なくとも1種を含む窒化物または炭窒化物から構成されている。AlやCrを主成分とする硬質被膜の場合、被膜の耐酸化性が高く、酸化による硬度の低下と被膜剥離が抑制されるため、金型表面の温度が増加する場合には特に好ましい。なお、本発明の効果を阻害しない範囲で、Siが硬質被膜に含まれていてもよい。Siを添加することによって、硬質被膜の耐酸化性を向上させることができる。ここで、窒化物は、好ましくはTiNであり、より好ましくは、CrN、AlCrNである。また、炭窒化物は、好ましくはTiCNである。窒化物は、一種の窒化物で構成してもよいし、二種以上の窒化物で構成してもよい。例えば、CrN、TiN、AlCrN及びTiCNのうち1種のみで硬質皮膜を構成してもよいし、複数種で硬質皮膜を構成してもよい。
(About hard coating)
The hard coating is composed of a nitride or carbonitride containing at least one of Ti, Al, and Cr. In the case of a hard coating mainly composed of Al or Cr, the oxidation resistance of the coating is high, and the decrease in hardness and peeling of the coating due to oxidation are suppressed, so that it is particularly preferable when the temperature of the mold surface increases. In addition, Si may be contained in the hard coating within a range that does not impair the effects of the present invention. By adding Si, the oxidation resistance of the hard coating can be improved. Here, the nitride is preferably TiN, and more preferably CrN or AlCrN. In addition, the carbonitride is preferably TiCN. The nitride may be composed of one type of nitride, or may be composed of two or more types of nitrides. For example, the hard coating may be composed of only one type of CrN, TiN, AlCrN, and TiCN, or may be composed of multiple types of hard coatings.

硬質被膜の成膜方法は、好ましくは、CVD法(化学蒸着法)、PVD法(物理蒸着法)、TRD法(熱反応析出拡散法)、PCVD法(プラズマ化学蒸着法)であり、より好ましくは、PVD法、PCVD法である。PVD法及びPCVD法は、施工温度が500℃以下であるため、施工時の金型の変寸が少なく、被膜施工後の熱処理が不要であることから、好適に用いることができる。 The hard coating is preferably formed by CVD (chemical vapor deposition), PVD (physical vapor deposition), TRD (thermal reactive deposition diffusion), or PCVD (plasma chemical vapor deposition), more preferably PVD or PCVD. The PVD and PCVD methods are preferably used because the application temperature is 500°C or less, there is little dimensional change in the mold during application, and no heat treatment is required after application of the coating.

PVD法には、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングが含まれる。適用部材の広さや金型の寸法精度の観点からイオンプレーティングが好ましい。寸法精度と硬度の観点から、処理温度は500℃以下が好ましい。 PVD methods include vacuum deposition, sputtering, and ion plating. Ion plating is preferred from the standpoint of the range of applicable parts and the dimensional accuracy of the mold. From the standpoint of dimensional accuracy and hardness, the processing temperature is preferably 500°C or less.

硬質被膜の膜厚は、1μm以上であり、好ましくは2μm以上である。膜厚を1μm以上に設定することにより、所望の耐摩耗性効果及び複合硬さが得られるからである。複合硬さは、金型表面の凹みにくさを定量的に表す評価指標であり、複合硬さが高いほど凹みにくい金型となる。 The thickness of the hard coating is 1 μm or more, and preferably 2 μm or more. By setting the thickness to 1 μm or more, the desired wear resistance effect and composite hardness can be obtained. Composite hardness is an evaluation index that quantitatively expresses the resistance of the mold surface to dents, and the higher the composite hardness, the less likely the mold is to be dented.

ここで、複合硬さとは、硬質被膜及び金型基材からなる複合体の硬さのことであり、金型基材の表面に形成された硬質被膜に対して、JIS Z 2244-1に規定された硬さ記号HV0.1に従う荷重条件にて、硬さ試験を実施したときのビッカース硬さのことである。 Here, composite hardness refers to the hardness of the composite consisting of the hard coating and the mold base material, and is the Vickers hardness when a hardness test is carried out on the hard coating formed on the surface of the mold base material under loading conditions in accordance with the hardness symbol HV0.1 specified in JIS Z 2244-1.

複合硬さは、800HV0.1以上であり、好ましくは850HV0.1以上であり、より好ましくは900HV0.1以上である。HVの右側に表記された下付きの0.1は、硬さ試験時の荷重(0.98N)を表している。 The composite hardness is 800HV 0.1 or more, preferably 850HV 0.1 or more, and more preferably 900HV 0.1 or more. The subscript 0.1 to the right of HV indicates the load (0.98N) during the hardness test.

(実施例1)
本発明について、実施例を示しながら詳細に説明する。
Example 1
The present invention will now be described in detail with reference to examples.

表1に示す試料について、表面粗さ測定、複合硬さ測定、膜厚測定、スクラッチ試験(密着性評価)を実施した。試料には、冷間ダイスおよび粉末高速度工具鋼を素材とする板状試験片を使用した。冷間ダイス鋼は、大気中で1030~1050℃の温度で空冷焼入し、500~600℃の温度で焼戻した後、板状(一辺が40mm、他辺が50mm、厚みが7mm)に加工し、試験面を研削加工した。粉末高速度工具鋼は、1130~1150℃の温度で油冷焼入し、560~600℃の温度で焼戻した後、板状(一辺が40mm、他辺が50mm、厚みが7mm)に加工し、試験面を研削加工した。なお、各板状試験片については、JISZ2245に基づき、ロックウェル硬さ(HRC)も測定した。
なお、基材の成分は表1に示す通りであり、基材に含まれるFe以外の成分を記載している。
For the samples shown in Table 1, surface roughness measurement, composite hardness measurement, film thickness measurement, and scratch test (adhesion evaluation) were performed. Plate-shaped test pieces made of cold die and powdered high-speed tool steel were used as the samples. The cold die steel was air-cooled and quenched at a temperature of 1030 to 1050 ° C. in the atmosphere, tempered at a temperature of 500 to 600 ° C., processed into a plate (one side 40 mm, the other side 50 mm, and the thickness 7 mm), and the test surface was ground. The powdered high-speed tool steel was oil-cooled and quenched at a temperature of 1130 to 1150 ° C., tempered at a temperature of 560 to 600 ° C., processed into a plate (one side 40 mm, the other side 50 mm, and the thickness 7 mm), and the test surface was ground. The Rockwell hardness (HRC) of each plate-shaped test piece was also measured based on JIS Z2245.
The components of the substrate are as shown in Table 1, which lists the components other than Fe contained in the substrate.

研削加工後の試験面(つまり、硬質被膜形成前)について、サーフコム1400D―3DF(東京精密)を用いて表面粗さ(Ra、Rz)を測定した。測定長さは5mm、カットオフ値は0.8mm、フィルタはフィルタ種別ガウシアン、測定速度は0.3mm/sとした。 The surface roughness (Ra, Rz) of the test surface after grinding (i.e., before the formation of the hard coating) was measured using a Surfcom 1400D-3DF (Tokyo Seimitsu). The measurement length was 5 mm, the cutoff value was 0.8 mm, the filter type was Gaussian, and the measurement speed was 0.3 mm/s.

一部の窒化する試料(試料No.6)に関しては、表面粗さ(Ra、Rz)の測定後に、500℃、2hourの条件にて、イオン窒化処理を実施した。窒化後の性状を確認したところ、化合物層がなく、拡散層は約30μmであった。 For some of the samples to be nitrided (sample No. 6), the surface roughness (Ra, Rz) was measured, and then ion nitriding was carried out at 500°C for 2 hours. When the properties after nitriding were checked, there was no compound layer, and the diffusion layer was about 30 μm.

PVD法により、各板状試験片の試験面にAlCrN(市販品)、TiN(市販品)、TiCN(市販品)及びCrN(市販品)の1種からなる硬質被膜を形成した。一部の窒化した試料は窒化後に硬質被膜を形成した。硬質被膜の膜厚は、カロテスト法により評価した。具体的には、オートクレーター(ナノテック社)を用いて、ボール直径30mm、モーター速度400rpm、テスト時間30秒及びダイヤモンドスラリー1μmの条件にて、ダイヤモンドスラリーを滴下しながら、回転する鋼球で試料表面を研磨した後、研磨痕と鋼球半径に基づき算出した。 A hard coating consisting of one of AlCrN (commercial product), TiN (commercial product), TiCN (commercial product) and CrN (commercial product) was formed on the test surface of each plate-shaped test piece by the PVD method. A hard coating was formed on some of the nitrided samples after nitriding. The thickness of the hard coating was evaluated by the Calotest method. Specifically, using an Autocrater (Nanotech Co., Ltd.), the sample surface was polished with a rotating steel ball while dropping diamond slurry under the conditions of ball diameter 30 mm, motor speed 400 rpm, test time 30 seconds and diamond slurry 1 μm, and then the thickness was calculated based on the polishing marks and the radius of the steel ball.

図1の模式図に示す通り、マイクロビッカース硬さ試験機(フューチャーテックFM-700)を用いて、硬質被膜の表面に圧子を圧入してビッカース硬さHV0.1(試験荷重:0.98N)を求めた。各板状試験片について、同様のビッカース硬さ試験を5回実施し、その平均値を表1に記載した。 As shown in the schematic diagram of Figure 1, a micro Vickers hardness tester (Future Tech FM-700) was used to press an indenter into the surface of the hard coating to determine the Vickers hardness HV0.1 (test load: 0.98 N). The same Vickers hardness test was carried out five times for each plate-shaped test piece, and the average values are shown in Table 1.

スクラッチ試験により、硬質被膜の密着力を評価した。スクラッチ試験は、テーブルの上に固定した試料にダイヤモンド圧子を密着させ、徐々に荷重を加えていき、同時にテーブルを一定の速度で移動させることで膜の密着性を測定する試験である。CSR1000(レスカ製)を使用し、圧子半径を200μm、初期荷重を1N、最終荷重を121N及び圧子走査速度を10mm/minに設定して、試験を実施した。臨界荷重は摩擦力が急激に立ち上がる荷重とした。 The adhesion of the hard coating was evaluated by a scratch test. In the scratch test, a diamond indenter is pressed against a sample fixed on a table, and a load is gradually applied while the table is moved at a constant speed to measure the adhesion of the film. The test was carried out using a CSR1000 (manufactured by Rhesca) with an indenter radius of 200 μm, an initial load of 1 N, a final load of 121 N, and an indenter scanning speed of 10 mm/min. The critical load was set to the load at which the frictional force rises sharply.

試料No.9では、硬質被膜の膜厚が1μm以下であるため、複合硬さが800HV0.1未満となった。試料No.10では、炭素及びクロムが過剰であるため、複合硬さが800HV0.1未満となった。試料No.11では、表面粗さRa,Rzが過度に大きいため、複合硬さは800HV0.1以上になったものの、臨界荷重が低く、密着性が不良であった。試料No.1,6を比較して、窒化処理を施すことによって、複合硬さ及び臨界荷重が高まることがわかった。 In sample No. 9, the thickness of the hard coating was 1 μm or less, so the composite hardness was less than 800 HV 0.1 . In sample No. 10, the carbon and chromium were excessive, so the composite hardness was less than 800 HV 0.1 . In sample No. 11, the surface roughnesses Ra and Rz were excessively large, so the composite hardness was 800 HV 0.1 or more, but the critical load was low and the adhesion was poor. Comparing samples No. 1 and 6, it was found that the composite hardness and critical load were increased by applying the nitriding treatment.

(実施例2)
表1の試料No.2,10の板状試験片を用いて、直径30mm、高さ250mmのカップ成型用金型を作製して、実金型における寿命で評価を行った。硬質被膜の形成処理は、各板状試験片をカップ状に成型した後に実施した。そして、被加工材に、S55Cを用い、冷間鍛造を行った。金型の寿命は、目視で被膜剥離が生じたときの成型個数(カップ状成型品の個数)を被膜寿命とした。その結果を、表2に示す。
Example 2
Using plate-shaped test pieces of samples No. 2 and No. 10 in Table 1, cup-molding dies with a diameter of 30 mm and a height of 250 mm were fabricated, and the life of the actual dies was evaluated. The hard coating was formed after each plate-shaped test piece was molded into a cup shape. Then, S55C was used as the workpiece, and cold forging was performed. The life of the die was determined as the number of molded pieces (the number of cup-shaped molded products) when coating peeling occurred visually. The results are shown in Table 2.



Claims (12)

金型基材の表面に、Ti、Al、Crの少なくとも1種を含む窒化物または炭窒化物のいずれかの硬質被膜を被覆した塑性加工用金型であって、
前記硬質被膜の膜厚は1μm以上であり、金型基材の表面に形成された硬質被膜に対して、JIS Z 2244-1に規定された硬さ記号HV0.1に従う荷重条件にて、硬さ試験を実施したときのビッカース硬さを複合硬さと定義したときに、複合硬さが800HV0.1以上であることを特徴とする被膜の耐久性に優れた金属塑性加工用金型。
A die for plastic working, comprising a die base material having a surface coated with a hard coating of either a nitride or a carbonitride containing at least one of Ti, Al, and Cr,
A metal plastic processing die having excellent durability of a coating, characterized in that the hard coating has a thickness of 1 μm or more, and when the Vickers hardness measured when a hardness test is carried out on the hard coating formed on the surface of the die base material under loading conditions in accordance with the hardness symbol HV0.1 specified in JIS Z 2244-1 is defined as the composite hardness, the composite hardness is 800 HV0.1 or more.
金型基材の表面粗さがRa<0.1μm、Rz<0.5μmであることを特徴とする請求項1に記載の被膜の耐久性に優れた金属塑性加工用金型。 A metal plastic processing die having excellent durability of the coating according to claim 1, characterized in that the surface roughness of the die base material is Ra<0.1 μm, Rz<0.5 μm. 金型基材は、Cを0.9mass%以下、Crを9mass%以下含み、残部がFeを主体とする冷間ダイス鋼で構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の被膜の耐久性に優れた金属塑性加工用金型。 The metal plastic processing die having excellent durability of the coating according to claim 1 or 2, characterized in that the die base material is made of cold die steel containing 0.9 mass% or less of C, 9 mass% or less of Cr, and the balance being mainly Fe. 金型基材は、Cを1.0~1.3mass%、Crを9mass%以下含み、残部がFeを主体とする粉末高速度工具鋼で構成された請求項1または2に記載の被膜の耐久性に優れた金属塑性加工用金型。 The metal plastic processing die according to claim 1 or 2, in which the die base material is made of powdered high-speed tool steel containing 1.0 to 1.3 mass% C, 9 mass% or less Cr, and the remainder being mainly Fe, has excellent durability as a coating. 金型基材の表面が窒化処理された請求項3に記載の被膜の耐久性に優れた金属塑性加工用金型。 A metal plastic processing die having excellent durability of the coating according to claim 3, in which the surface of the die base material is nitrided. 金型基材の表面が窒化処理された請求項4に記載の被膜の耐久性に優れた金属塑性加工用金型。 A metal plastic processing die having excellent durability of the coating according to claim 4, in which the surface of the die base material is nitrided. 金型基材の表面に、Ti、Al、Crの少なくとも1種を含む窒化物または炭窒化物のいずれかの硬質被膜を被覆した塑性加工用金型の製造方法であって、
金型基材の表面に形成された硬質被膜に対して、JIS Z 2244-1に規定された硬さ記号HV0.1に従う荷重条件にて、硬さ試験を実施したときのビッカース硬さを複合硬さと定義したとき、
予め、前記硬質被膜の膜厚を1μm以上とする条件にて、複合硬さが800HV0.1以上となるように、金型基材及び前記硬質被膜の製造条件を決定する製造条件決定ステップと、
決定した前記製造条件に基づき、前記塑性加工用金型を製造することを特徴とする塑性加工用金型の製造方法。
A method for manufacturing a die for plastic working, comprising: coating a surface of a die base material with a hard coating of either a nitride or a carbonitride containing at least one of Ti, Al, and Cr, comprising:
When a hardness test is performed on a hard coating formed on the surface of a mold base material under a load condition in accordance with the hardness symbol HV0.1 specified in JIS Z 2244-1, the Vickers hardness is defined as the composite hardness.
A manufacturing condition determination step of determining manufacturing conditions for a mold base material and the hard coating in advance so that the hard coating has a thickness of 1 μm or more and a composite hardness of 800 HV 0.1 or more;
A method for manufacturing a die for plastic working, comprising manufacturing the die for plastic working based on the determined manufacturing conditions.
前記製造条件決定ステップにおいて、金型基材の表面粗さをRa<0.1μm、Rz<0.5μmとすることを特徴とする請求項7に記載の塑性加工用金型の製造方法。 The method for manufacturing a die for plastic processing according to claim 7, characterized in that in the manufacturing condition determination step, the surface roughness of the die base material is set to Ra < 0.1 μm and Rz < 0.5 μm. 前記製造条件決定ステップにおいて、Cを0.9mass%以下、Crを9mass%以下含み、残部がFeを主体とする冷間ダイス鋼を、金型基材の素材として決定することを特徴とする請求項7又は8に記載の塑性加工用金型の製造方法。 The method for manufacturing a die for plastic working according to claim 7 or 8, characterized in that in the manufacturing condition determination step, a cold die steel containing 0.9 mass% or less C, 9 mass% or less Cr, and the remainder mainly Fe is determined as the material for the die base material. 前記製造条件決定ステップにおいて、Cを1.0~1.3mass%、Crを9mass%以下含み、残部がFeを主体とする粉末高速度工具鋼を、金型基材の素材として決定することを特徴とする請求項7又は8に記載の塑性加工用金型の製造方法。 The method for manufacturing a die for plastic processing according to claim 7 or 8, characterized in that in the manufacturing condition determination step, a powder high-speed tool steel containing 1.0 to 1.3 mass% C, 9 mass% or less Cr, and the remainder mainly Fe is determined as the material for the die base material. 前記製造条件決定ステップにおいて、 金型基材の表面に窒化処理することを決定する、請求項9に記載の塑性加工用金型の製造方法。 The method for manufacturing a die for plastic processing according to claim 9, wherein in the manufacturing condition determination step, it is determined that the surface of the die base material is to be nitrided. 前記製造条件決定ステップにおいて、 金型基材の表面に窒化処理することを決定する、請求項10に記載の塑性加工用金型の製造方法。




The method for manufacturing a die for plastic working according to claim 10, wherein in the manufacturing condition determination step, it is determined that a nitriding treatment is to be performed on a surface of the die base material.




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