JP3109428B2 - 高温耐酸化性に優れた窒化層をもつダイス及びその製造方法 - Google Patents
高温耐酸化性に優れた窒化層をもつダイス及びその製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ
2 ，ＭｇＯの１種又は２種以上を混合した薄膜のコーテ
ィングによって窒化層の高温耐酸化性を向上させたダイ
ス及びその製造方法に関する。
2 ，ＭｇＯの１種又は２種以上を混合した薄膜のコーテ
ィングによって窒化層の高温耐酸化性を向上させたダイ
ス及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】Ａｌ，Ａｌ合金等の押出し加工に使用さ
れるダイスは、耐摩耗性を向上させるため、窒化処理に
よってベアリング面を表面硬化させている。硬質皮膜
は、ダイスの繰返し使用に伴ってダイス基材から剥離す
る。そのため、所定回数の繰返し使用後に再度の窒化処
理を施し、ダイスを再生している。しかし、再処理の回
数が増えるに従って、押出し形材の品質に悪影響を及ぼ
す欠けや白層等の剥離がベアリング面に生じる。白層
は、窒化層の最表面にあるＦｅ−Ｎ系の化合物層であ
り、この層が剥離することによって硬質皮膜本来の機能
が損なわれる。白層の剥離は、アルミの押出しに際して
押出し用ダイスを４００〜５００℃の押出し温度まで予
熱する段階で生じる酸化に原因がある。また、窒化処理
したダイス鋼を操業条件下の温度範囲に保持すると、窒
化鉄が減少し、酸化鉄が増加するといった変質が窒化層
自体に生じる。そのため、ダイス鋼の表面硬度が不安定
化し、一定した条件下で表面性状の良好な押出し製品が
得られない。白層の酸化や窒化層の変質は、白層と拡散
層との界面における接合強度及び硬度を低下させ、白層
が剥離，脱落する原因となる。その結果、ダイス寿命や
押出し形材の表面品質に悪影響が現れる。
れるダイスは、耐摩耗性を向上させるため、窒化処理に
よってベアリング面を表面硬化させている。硬質皮膜
は、ダイスの繰返し使用に伴ってダイス基材から剥離す
る。そのため、所定回数の繰返し使用後に再度の窒化処
理を施し、ダイスを再生している。しかし、再処理の回
数が増えるに従って、押出し形材の品質に悪影響を及ぼ
す欠けや白層等の剥離がベアリング面に生じる。白層
は、窒化層の最表面にあるＦｅ−Ｎ系の化合物層であ
り、この層が剥離することによって硬質皮膜本来の機能
が損なわれる。白層の剥離は、アルミの押出しに際して
押出し用ダイスを４００〜５００℃の押出し温度まで予
熱する段階で生じる酸化に原因がある。また、窒化処理
したダイス鋼を操業条件下の温度範囲に保持すると、窒
化鉄が減少し、酸化鉄が増加するといった変質が窒化層
自体に生じる。そのため、ダイス鋼の表面硬度が不安定
化し、一定した条件下で表面性状の良好な押出し製品が
得られない。白層の酸化や窒化層の変質は、白層と拡散
層との界面における接合強度及び硬度を低下させ、白層
が剥離，脱落する原因となる。その結果、ダイス寿命や
押出し形材の表面品質に悪影響が現れる。
【０００３】白層の酸化や窒化層の変質を抑制する手段
としては、ダイス加熱温度を可能な限り低く設定するこ
と，保持時間を短くすること等の操業管理が従来から採
用されている。また、窒化処理されたダイス鋼の熱処理
中に酸化防止を図るため、耐熱塗膜剤を塗布すること，
大気に替えて窒素雰囲気で予熱することも特願平７−１
９１１９３号として提案されている。更に、特開昭５９
−１７８１２２号公報，特開昭５９−１９３７１３号公
報等では、ＴｉＮ，ＢＮ，Ｓｉ3 Ｎ4 等のセラミックス
コーティングをイオンプレーティング，ＣＶＤ等で施す
ことが紹介されている。これらの方法で用意されたダイ
スは、疲労した硬質薄膜を剥離し、同様な方法で硬質薄
膜を形成することにより、ダイス基材等に悪影響を与え
ることなく何回でも繰返し使用できる。
としては、ダイス加熱温度を可能な限り低く設定するこ
と，保持時間を短くすること等の操業管理が従来から採
用されている。また、窒化処理されたダイス鋼の熱処理
中に酸化防止を図るため、耐熱塗膜剤を塗布すること，
大気に替えて窒素雰囲気で予熱することも特願平７−１
９１１９３号として提案されている。更に、特開昭５９
−１７８１２２号公報，特開昭５９−１９３７１３号公
報等では、ＴｉＮ，ＢＮ，Ｓｉ3 Ｎ4 等のセラミックス
コーティングをイオンプレーティング，ＣＶＤ等で施す
ことが紹介されている。これらの方法で用意されたダイ
スは、疲労した硬質薄膜を剥離し、同様な方法で硬質薄
膜を形成することにより、ダイス基材等に悪影響を与え
ることなく何回でも繰返し使用できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】窒化処理によってダイ
ス鋼の表面に形成される窒化鉄は、極めて不安定な物質
であり、分解温度が６８０℃とされているものの、４０
０〜５００℃の加熱によっても分解・消失する傾向を示
す。そのため、予熱温度，保持時間等の操業条件を管理
するだけでは、窒化層の変質を防止できない。耐熱塗膜
剤の塗布によっても、窒化層の変質を満足できる程度に
抑制することはできない。他方、特願平７−１８６３１
号で提案したイオンビーム支援蒸着法は、ダイス鋼表面
に形成されている窒化層を保護するため、耐熱・耐酸化
性に優れたセラミックス皮膜でコーティングしている。
セラミックス皮膜は、窒化層の分解消失による剥離・脱
落を防止し、耐久性に優れた押出し用ダイス等の窒化処
理鋼製部品を得ることを可能にする。しかし、イオンビ
ーム支援蒸着法では、照射するイオンビームの径が制限
される。制限されたイオンビーム径の範囲では非常に有
効な方法であるが、大きな径をもつダイスや複雑形状部
品用のダイス等ではイオンビームの照射が困難になる。
しかも、ビーム径が大きくなるに従って、装置コストが
上昇し、結果として処理コストが高くなる。
ス鋼の表面に形成される窒化鉄は、極めて不安定な物質
であり、分解温度が６８０℃とされているものの、４０
０〜５００℃の加熱によっても分解・消失する傾向を示
す。そのため、予熱温度，保持時間等の操業条件を管理
するだけでは、窒化層の変質を防止できない。耐熱塗膜
剤の塗布によっても、窒化層の変質を満足できる程度に
抑制することはできない。他方、特願平７−１８６３１
号で提案したイオンビーム支援蒸着法は、ダイス鋼表面
に形成されている窒化層を保護するため、耐熱・耐酸化
性に優れたセラミックス皮膜でコーティングしている。
セラミックス皮膜は、窒化層の分解消失による剥離・脱
落を防止し、耐久性に優れた押出し用ダイス等の窒化処
理鋼製部品を得ることを可能にする。しかし、イオンビ
ーム支援蒸着法では、照射するイオンビームの径が制限
される。制限されたイオンビーム径の範囲では非常に有
効な方法であるが、大きな径をもつダイスや複雑形状部
品用のダイス等ではイオンビームの照射が困難になる。
しかも、ビーム径が大きくなるに従って、装置コストが
上昇し、結果として処理コストが高くなる。
【０００５】また、特願平７−２１６７７４号で提案し
たように、通常のＰＶＤ，ＣＶＤ等で金属アルミニウム
膜を窒化層の上に形成することにより、ダイス表面に形
成されている窒化層を保護し、予熱時の酸化，分解，消
失等に起因した窒化層の剥離や脱落が防止される。その
結果、耐久性に優れた押出し用等のダイスが安価に且つ
容易な製造方法で提供される。しかし、この方法では、
予熱温度が高々４５０℃であり、それ以上の温度になる
とコーティングしたアルミニウム膜が熱的に不安定とな
り、窒化層の酸化が抑制できなくなる場合がある。本発
明は、このような問題を解消すべく案出されたものであ
り、５００℃以上の高温雰囲気に曝されても熱的に安定
なＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ等の酸化物薄膜を通常
のＰＶＤ，ＣＶＤ等で窒化層の上に形成することによ
り、ダイス表面に形成されている窒化層を保護し、予熱
時の酸化，分解，消失等に起因した窒化層の剥離や脱落
を防止し、高温での耐久性に優れた押出し用等のダイス
を安価に且つ容易な製造方法で提供することを目的とす
る。
たように、通常のＰＶＤ，ＣＶＤ等で金属アルミニウム
膜を窒化層の上に形成することにより、ダイス表面に形
成されている窒化層を保護し、予熱時の酸化，分解，消
失等に起因した窒化層の剥離や脱落が防止される。その
結果、耐久性に優れた押出し用等のダイスが安価に且つ
容易な製造方法で提供される。しかし、この方法では、
予熱温度が高々４５０℃であり、それ以上の温度になる
とコーティングしたアルミニウム膜が熱的に不安定とな
り、窒化層の酸化が抑制できなくなる場合がある。本発
明は、このような問題を解消すべく案出されたものであ
り、５００℃以上の高温雰囲気に曝されても熱的に安定
なＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ等の酸化物薄膜を通常
のＰＶＤ，ＣＶＤ等で窒化層の上に形成することによ
り、ダイス表面に形成されている窒化層を保護し、予熱
時の酸化，分解，消失等に起因した窒化層の剥離や脱落
を防止し、高温での耐久性に優れた押出し用等のダイス
を安価に且つ容易な製造方法で提供することを目的とす
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明のダイスは、その
目的を達成するため、基材としての熱間工具鋼の表面に
形成された窒化層と、該窒化層を被覆するＡｌ2 Ｏ3 ，
ＳｉＯ2 ，ＭｇＯの１種又は２種以上を混合した薄膜を
備えていることを特徴とする。このダイスは、たとえば
アルミニウム押出し加工用ダイスとして使用される。こ
の場合、ダイスのベアリング面をコーティングしている
Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2，ＭｇＯ等の酸化物薄膜により、
ダイスの高温での耐久性が著しく向上すると共に、表面
性状の良好な押出し形材が得られる。本発明に従ったダ
イスは、窒化処理した後、真空蒸着法，イオンプレーテ
ィング法，ＣＶＤ法等でＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ
の１種又は２種以上を混合した薄膜でコーティングする
ことにより製造される。窒化処理としては、それ自体従
来から知られている塩浴窒化，ガス窒化，ガス軟窒化，
流動層熱処理等が採用される。
目的を達成するため、基材としての熱間工具鋼の表面に
形成された窒化層と、該窒化層を被覆するＡｌ2 Ｏ3 ，
ＳｉＯ2 ，ＭｇＯの１種又は２種以上を混合した薄膜を
備えていることを特徴とする。このダイスは、たとえば
アルミニウム押出し加工用ダイスとして使用される。こ
の場合、ダイスのベアリング面をコーティングしている
Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2，ＭｇＯ等の酸化物薄膜により、
ダイスの高温での耐久性が著しく向上すると共に、表面
性状の良好な押出し形材が得られる。本発明に従ったダ
イスは、窒化処理した後、真空蒸着法，イオンプレーテ
ィング法，ＣＶＤ法等でＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ
の１種又は２種以上を混合した薄膜でコーティングする
ことにより製造される。窒化処理としては、それ自体従
来から知られている塩浴窒化，ガス窒化，ガス軟窒化，
流動層熱処理等が採用される。
【０００７】
【作用】ダイスの特にベアリング面に形成された窒化層
をＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ等の酸化物薄膜でコー
ティングするとき、これらの生成自由エネルギーが鉄酸
化物（Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 ）より小さいため窒化層
の酸化が防止される。すなわち、押出し加工に先立つ予
熱等の際に熱的に安定なＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ
等の酸化物薄膜は、ダイス表面に形成された窒化層の酸
化を抑制する保護膜として作用する。また、金属アルミ
ニウム膜に比較して、より高温、たとえば５００℃以上
の加熱に対しても窒化層を剥離から防止する作用を呈す
る。したがって、ダイス鋼を短時間の予熱で使用する
際、高温で加熱する必要が生じた場合等に、アルミニウ
ム膜に代わる方法として効果を発揮する。このような作
用を呈するＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ等の酸化物薄
膜は、通常のＰＶＤ，ＣＶＤ等の容易に製膜できる。た
とえば、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ等の粉末材料を
真空中で電子ビーム等によって加熱・溶融することで、
蒸気を発生させ、該蒸気から酸化物薄膜を蒸着できる。
これらの酸化物薄膜は、押出し加工段階まで窒化層を健
全な状態に維持する機能をもてば十分であり、窒化層に
対する強い密着力は要求されない。そのため、イオンビ
ーム支援蒸着法に限らず、ＰＶＤ，ＣＶＤ等の安価で容
易な方法で形成されたものであっても、十分な作用を呈
する。ＰＶＤ，ＣＶＤ等で形成された酸化物薄膜は、窒
化層に対する密着力が弱いため、押出し初期に摩擦によ
り剥離し易い。その結果、被押出し材であるビレットと
の摩耗は、酸化から保護された健全な白層で維持され
る。このとき、白層から剥離したＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ
2 ，ＭｇＯ等の酸化物薄膜は、その成分が６０６３等の
Ａｌ合金と同じものであるため、仮に押出し中のビレッ
トに巻込まれることがあっても異物として悪影響を及ぼ
すことがない。
をＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ等の酸化物薄膜でコー
ティングするとき、これらの生成自由エネルギーが鉄酸
化物（Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 ）より小さいため窒化層
の酸化が防止される。すなわち、押出し加工に先立つ予
熱等の際に熱的に安定なＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ
等の酸化物薄膜は、ダイス表面に形成された窒化層の酸
化を抑制する保護膜として作用する。また、金属アルミ
ニウム膜に比較して、より高温、たとえば５００℃以上
の加熱に対しても窒化層を剥離から防止する作用を呈す
る。したがって、ダイス鋼を短時間の予熱で使用する
際、高温で加熱する必要が生じた場合等に、アルミニウ
ム膜に代わる方法として効果を発揮する。このような作
用を呈するＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ等の酸化物薄
膜は、通常のＰＶＤ，ＣＶＤ等の容易に製膜できる。た
とえば、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ等の粉末材料を
真空中で電子ビーム等によって加熱・溶融することで、
蒸気を発生させ、該蒸気から酸化物薄膜を蒸着できる。
これらの酸化物薄膜は、押出し加工段階まで窒化層を健
全な状態に維持する機能をもてば十分であり、窒化層に
対する強い密着力は要求されない。そのため、イオンビ
ーム支援蒸着法に限らず、ＰＶＤ，ＣＶＤ等の安価で容
易な方法で形成されたものであっても、十分な作用を呈
する。ＰＶＤ，ＣＶＤ等で形成された酸化物薄膜は、窒
化層に対する密着力が弱いため、押出し初期に摩擦によ
り剥離し易い。その結果、被押出し材であるビレットと
の摩耗は、酸化から保護された健全な白層で維持され
る。このとき、白層から剥離したＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ
2 ，ＭｇＯ等の酸化物薄膜は、その成分が６０６３等の
Ａｌ合金と同じものであるため、仮に押出し中のビレッ
トに巻込まれることがあっても異物として悪影響を及ぼ
すことがない。
【０００８】
実施例１：ダイス予熱の際の白層の密着力に及ぼす酸化
アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）膜の影響を調査するため、
熱間工具鋼ＳＫＤ６１を窒化処理した後、Ａｌ2 Ｏ3 蒸
着したものとＡｌ2 Ｏ3 蒸着なしのものとを４５０℃及
び４９０℃でそれぞれ５時間大気中の加熱試験に供し
た。窒化処理には、通常使用されているＫＣＮ＋ＫＣＮ
Ｏを主成分とした塩浴を使用し、塩浴に浸漬した熱間工
具の試験片を５７０℃に２．５時間加熱する塩浴窒化を
採用した。Ａｌ2 Ｏ3 蒸着では、〜１０-3Ｐａ以下に排
気した真空容器中に試験片をセットし、電子ビームで溶
融したペレット状Ａｌ2 Ｏ3 粉末を窒化層の表面に蒸着
させた。蒸着条件としては電子ビームの投入パワーを１
０ＫＶ，１００〜２００ｍＡとし、窒化層をコーティン
グするＡｌ2 Ｏ3 膜の膜厚を２．５μｍに設定した。
アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）膜の影響を調査するため、
熱間工具鋼ＳＫＤ６１を窒化処理した後、Ａｌ2 Ｏ3 蒸
着したものとＡｌ2 Ｏ3 蒸着なしのものとを４５０℃及
び４９０℃でそれぞれ５時間大気中の加熱試験に供し
た。窒化処理には、通常使用されているＫＣＮ＋ＫＣＮ
Ｏを主成分とした塩浴を使用し、塩浴に浸漬した熱間工
具の試験片を５７０℃に２．５時間加熱する塩浴窒化を
採用した。Ａｌ2 Ｏ3 蒸着では、〜１０-3Ｐａ以下に排
気した真空容器中に試験片をセットし、電子ビームで溶
融したペレット状Ａｌ2 Ｏ3 粉末を窒化層の表面に蒸着
させた。蒸着条件としては電子ビームの投入パワーを１
０ＫＶ，１００〜２００ｍＡとし、窒化層をコーティン
グするＡｌ2 Ｏ3 膜の膜厚を２．５μｍに設定した。
【０００９】窒化処理後の試験片は、図１（ａ）に示す
ように拡散層の上に白層が形成された表面層をもってい
た。この試験片を４５０℃に大気中で５時間加熱した後
では、図１（ｂ）に示すように白層と拡散層との間に隙
間が見られ、白層が剥離し易い状態になっていた。他
方、窒化層をＡｌ2 Ｏ3 膜でコーティングした試験片
は、同じ条件下で加熱した後においても、図１（ｃ）に
みられるように加熱試験前とほぼ同じ表面層を維持して
いた。また、４９０℃の高温で同様な加熱試験を行った
結果、Ａｌ2 Ｏ3 膜をコーティングしていないと、図２
（ａ）に示すように白層の一部が剥離・脱落していた。
これに対し、Ａｌ2 Ｏ3 膜を窒化層表面に蒸着したもの
では、図２（ｂ）に示すように、白層の剥離・脱落は全
く観察されず、均一な窒化層が維持されていることが確
認された。Ａｌ2 Ｏ3 膜による保護作用を更に確かめる
ため、図２（ｂ）の表面状態をＳＥＭ観察した。その結
果、図３に示すように、白層の上にＡｌ2 Ｏ3 膜が形成
され、これにより４９０℃×５時間の加熱後も白層が保
護されている様子が窺われる。
ように拡散層の上に白層が形成された表面層をもってい
た。この試験片を４５０℃に大気中で５時間加熱した後
では、図１（ｂ）に示すように白層と拡散層との間に隙
間が見られ、白層が剥離し易い状態になっていた。他
方、窒化層をＡｌ2 Ｏ3 膜でコーティングした試験片
は、同じ条件下で加熱した後においても、図１（ｃ）に
みられるように加熱試験前とほぼ同じ表面層を維持して
いた。また、４９０℃の高温で同様な加熱試験を行った
結果、Ａｌ2 Ｏ3 膜をコーティングしていないと、図２
（ａ）に示すように白層の一部が剥離・脱落していた。
これに対し、Ａｌ2 Ｏ3 膜を窒化層表面に蒸着したもの
では、図２（ｂ）に示すように、白層の剥離・脱落は全
く観察されず、均一な窒化層が維持されていることが確
認された。Ａｌ2 Ｏ3 膜による保護作用を更に確かめる
ため、図２（ｂ）の表面状態をＳＥＭ観察した。その結
果、図３に示すように、白層の上にＡｌ2 Ｏ3 膜が形成
され、これにより４９０℃×５時間の加熱後も白層が保
護されている様子が窺われる。
【００１０】以上の結果から、Ａｌ2 Ｏ3 膜は、窒化層
の酸化を抑制する保護膜として機能し、酸化に起因した
白層の密着力低下を防止する上で有効なことが判る。そ
の結果、白層が剥離・脱落する頻度が著しく減少し、ダ
イスの寿命を長くすると共に、品質が安定した押出し形
材が得られる。同様な現象は、ＳｉＯ2 ，ＭｇＯの蒸着
膜についても観察された。更に、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ
2 ，ＭｇＯを２種以上混合した場合についても、同様な
酸化に対する保護膜の機能が発揮されていることが確認
された。なお、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯの２種以
上の混合膜を作製するに際しては、２個又は３個のルツ
ボにＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯの各蒸着材料を装入
し、これらルツボに電子ビームを振らせて照射すること
により、各材料を別々に蒸発させて混合膜を作製した。
更に、白層の密着力に及ぼすＡｌ2 Ｏ3 膜の影響を調査
するため、引張り試験によって密着強度を測定した。窒
化処理されたままの窒化層は、７２．１Ｎ／ｍｍ2 の密
着強度をもっていた。この窒化層を大気中で４５０℃×
５時間加熱すると、窒化層の密着強度が５．５Ｎ／ｍｍ
2 に低下し、４９０℃×５時間加熱後は更にこの値より
低くなった。これに対し、窒化層をＡｌ2 Ｏ3 膜でコー
ティングしたものでは、４５０℃×５時間の加熱後にお
いても６１．３Ｎ／ｍｍ2 の密着強度を呈し、非加熱状
態での密着強度にほとんど変わらない値であった。ま
た、４９０℃で加熱した場合も、表１に示すようにＡｌ
2 Ｏ3 膜をコーティングすることにより、白層は、密着
強度の低下がほとんどなく、予熱時の酸化による劣化か
ら保護され、拡散層との密着力を保持していた。この結
果からも、Ａｌ2 Ｏ3膜は、窒化層の密着性を確保する
上で効果的であることが判る。
の酸化を抑制する保護膜として機能し、酸化に起因した
白層の密着力低下を防止する上で有効なことが判る。そ
の結果、白層が剥離・脱落する頻度が著しく減少し、ダ
イスの寿命を長くすると共に、品質が安定した押出し形
材が得られる。同様な現象は、ＳｉＯ2 ，ＭｇＯの蒸着
膜についても観察された。更に、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ
2 ，ＭｇＯを２種以上混合した場合についても、同様な
酸化に対する保護膜の機能が発揮されていることが確認
された。なお、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯの２種以
上の混合膜を作製するに際しては、２個又は３個のルツ
ボにＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯの各蒸着材料を装入
し、これらルツボに電子ビームを振らせて照射すること
により、各材料を別々に蒸発させて混合膜を作製した。
更に、白層の密着力に及ぼすＡｌ2 Ｏ3 膜の影響を調査
するため、引張り試験によって密着強度を測定した。窒
化処理されたままの窒化層は、７２．１Ｎ／ｍｍ2 の密
着強度をもっていた。この窒化層を大気中で４５０℃×
５時間加熱すると、窒化層の密着強度が５．５Ｎ／ｍｍ
2 に低下し、４９０℃×５時間加熱後は更にこの値より
低くなった。これに対し、窒化層をＡｌ2 Ｏ3 膜でコー
ティングしたものでは、４５０℃×５時間の加熱後にお
いても６１．３Ｎ／ｍｍ2 の密着強度を呈し、非加熱状
態での密着強度にほとんど変わらない値であった。ま
た、４９０℃で加熱した場合も、表１に示すようにＡｌ
2 Ｏ3 膜をコーティングすることにより、白層は、密着
強度の低下がほとんどなく、予熱時の酸化による劣化か
ら保護され、拡散層との密着力を保持していた。この結
果からも、Ａｌ2 Ｏ3膜は、窒化層の密着性を確保する
上で効果的であることが判る。
【００１１】
【００１２】実施例２：窒化層上にコーティングしたＡ
ｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯの各薄膜が押出し加工用ダ
イスのベアリング面及び押出し形材の品質に及ぼす影響
を調査するため、窒化層をＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，Ｍｇ
Ｏの各薄膜でコーティングしたダイス及び窒化処理まま
の窒化層をもつダイスを使用し、Ａｌ合金ＪＩＳＡ６０
６３を押出し加工した。押出し条件は、スリットサイズ
４０ｍｍ×３ｍｍ，ベアリング長さ５ｍｍのダイスを用
い、押出し速度４０ｍ／分，ダイス温度４５０℃とし
た。押出し長さを１００ｍとし、押出し前後のベアリン
グ面の表面粗さを測定した結果、窒化処理したままの窒
化層をもつダイスでは、押出し後の表面粗さがＲma x ６
μｍを超えていた。これに対し、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ
2 ，ＭｇＯの各薄膜をコーティングしたダイスでは、表
面粗さの変化率が大幅に低下し、１００ｍ押出し後にお
いてもＲmax ４μｍ程度に止まっていた。このことか
ら、アルミニウム膜は、ダイスを長寿命化する上で有効
なことが判る。また、押出し長さに対する押出し形材の
表面粗さの推移を測定した結果、本発明に従ってＡｌ2
Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯの各薄膜をコーティングしたダ
イスを使用して得られた押出し形材は、窒化処理したま
まのダイスを使用して得られる押出し形材に比較して、
表面粗さが小さく、その押出し長さに対する変化率も小
さくなっている。すなわち、本発明に従ったダイスは、
品質が良好な押出し形材を長期間にわたって製造できる
ものといえる。
ｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯの各薄膜が押出し加工用ダ
イスのベアリング面及び押出し形材の品質に及ぼす影響
を調査するため、窒化層をＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，Ｍｇ
Ｏの各薄膜でコーティングしたダイス及び窒化処理まま
の窒化層をもつダイスを使用し、Ａｌ合金ＪＩＳＡ６０
６３を押出し加工した。押出し条件は、スリットサイズ
４０ｍｍ×３ｍｍ，ベアリング長さ５ｍｍのダイスを用
い、押出し速度４０ｍ／分，ダイス温度４５０℃とし
た。押出し長さを１００ｍとし、押出し前後のベアリン
グ面の表面粗さを測定した結果、窒化処理したままの窒
化層をもつダイスでは、押出し後の表面粗さがＲma x ６
μｍを超えていた。これに対し、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ
2 ，ＭｇＯの各薄膜をコーティングしたダイスでは、表
面粗さの変化率が大幅に低下し、１００ｍ押出し後にお
いてもＲmax ４μｍ程度に止まっていた。このことか
ら、アルミニウム膜は、ダイスを長寿命化する上で有効
なことが判る。また、押出し長さに対する押出し形材の
表面粗さの推移を測定した結果、本発明に従ってＡｌ2
Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯの各薄膜をコーティングしたダ
イスを使用して得られた押出し形材は、窒化処理したま
まのダイスを使用して得られる押出し形材に比較して、
表面粗さが小さく、その押出し長さに対する変化率も小
さくなっている。すなわち、本発明に従ったダイスは、
品質が良好な押出し形材を長期間にわたって製造できる
ものといえる。
【００１３】以上の結果は、従来の窒化処理されたダイ
スを予熱するときに剥離・脱落し易い状態にあった白層
をＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ膜でコーティングする
ことにより、押出し加工に先立つ予熱時の酸化に起因し
た窒化層の劣化が防止されることに由来する。すなわ
ち、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ膜で覆った白層は、
剥離・脱落することがなく、押出し時に窒化直後と同様
な状態に保たれているため、ベアリング面が安定した性
状を呈する。そのため、得られた押出し形材の粗さ変化
が少なく、高品質の押出し形材が得られる。これに対
し、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ膜のない窒化層で
は、予熱時に白層が剥離・脱落し易い状態に劣化し、押
出し時の剥離の摩擦により剥離・脱落し、ベアリング面
精度を粗くする。また、剥離した白層が押出し形材に巻
込まれ、形材の品質にも悪影響を及ぼす。このような白
層の相違が、ダイスの表面粗さ変化及び押出し形材の表
面粗さ変化となって現れているものと推察される。
スを予熱するときに剥離・脱落し易い状態にあった白層
をＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ膜でコーティングする
ことにより、押出し加工に先立つ予熱時の酸化に起因し
た窒化層の劣化が防止されることに由来する。すなわ
ち、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ膜で覆った白層は、
剥離・脱落することがなく、押出し時に窒化直後と同様
な状態に保たれているため、ベアリング面が安定した性
状を呈する。そのため、得られた押出し形材の粗さ変化
が少なく、高品質の押出し形材が得られる。これに対
し、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ膜のない窒化層で
は、予熱時に白層が剥離・脱落し易い状態に劣化し、押
出し時の剥離の摩擦により剥離・脱落し、ベアリング面
精度を粗くする。また、剥離した白層が押出し形材に巻
込まれ、形材の品質にも悪影響を及ぼす。このような白
層の相違が、ダイスの表面粗さ変化及び押出し形材の表
面粗さ変化となって現れているものと推察される。
【００１４】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明のダイス
は、窒化処理で形成した硬質の窒化層をＡｌ2 Ｏ3 ，Ｓ
ｉＯ2 ，ＭｇＯの１種又は２種以上を混合した薄膜でコ
ーティングすることにより、予熱時の酸化等による窒化
層の劣化を防止し、長期間にわたってダイス鋼表面を健
全な硬質状態に維持する。また、特願平７−２１６７７
４号で提案した窒化層をコーティングするアルミニウム
膜を備えているダイスに比較して、本発明では更に高温
での加熱においても窒化層の酸化が抑制されるため、予
熱温度を高めに設定しても窒化層の保護が図られると共
に、予熱時間も短縮され、結果として生産効率も改善さ
れる。このような効果が発現されるのは、Ａｌ2 Ｏ3 ，
ＳｉＯ2 ，ＭｇＯの各物質はその生成自由エネルギーが
鉄酸化物（Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 ）より低く熱的に安
定であるため、鉄酸化物が優先的に酸化され、窒化層の
酸化進行が抑制されるためである。更に、Ａｌ2 Ｏ3 ，
ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ等の薄膜は、押出し当初の被押出し材
との摩擦によってダイス表面から剥離するため、白層の
機能が十分に発揮され、品質の良好な押出し形材が得ら
れる。また、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ等の薄膜は
高い密着力が要求されないことから、ＰＶＤ，ＣＶＤ等
の簡便な方法で製膜でき、高性能のダイスが容易に作製
できる。
は、窒化処理で形成した硬質の窒化層をＡｌ2 Ｏ3 ，Ｓ
ｉＯ2 ，ＭｇＯの１種又は２種以上を混合した薄膜でコ
ーティングすることにより、予熱時の酸化等による窒化
層の劣化を防止し、長期間にわたってダイス鋼表面を健
全な硬質状態に維持する。また、特願平７−２１６７７
４号で提案した窒化層をコーティングするアルミニウム
膜を備えているダイスに比較して、本発明では更に高温
での加熱においても窒化層の酸化が抑制されるため、予
熱温度を高めに設定しても窒化層の保護が図られると共
に、予熱時間も短縮され、結果として生産効率も改善さ
れる。このような効果が発現されるのは、Ａｌ2 Ｏ3 ，
ＳｉＯ2 ，ＭｇＯの各物質はその生成自由エネルギーが
鉄酸化物（Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｆｅ3 Ｏ4 ）より低く熱的に安
定であるため、鉄酸化物が優先的に酸化され、窒化層の
酸化進行が抑制されるためである。更に、Ａｌ2 Ｏ3 ，
ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ等の薄膜は、押出し当初の被押出し材
との摩擦によってダイス表面から剥離するため、白層の
機能が十分に発揮され、品質の良好な押出し形材が得ら
れる。また、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯ等の薄膜は
高い密着力が要求されないことから、ＰＶＤ，ＣＶＤ等
の簡便な方法で製膜でき、高性能のダイスが容易に作製
できる。
【図１】 ダイスの表面層を示し、窒化処理したままの
金属組織（ａ），窒化処理したものを大気中で４５０℃
に加熱した後の金属組織（ｂ）及びＡｌ2 Ｏ3 コーティ
ングした窒化層を大気中で４５０℃に加熱した後の金属
組織（ｃ）の写真
金属組織（ａ），窒化処理したものを大気中で４５０℃
に加熱した後の金属組織（ｂ）及びＡｌ2 Ｏ3 コーティ
ングした窒化層を大気中で４５０℃に加熱した後の金属
組織（ｃ）の写真
【図２】 ダイスの表面層を示し、窒化処理したものを
大気中で４５０℃に加熱した後の金属組織（ａ）及びＡ
ｌ2 Ｏ3 コーティングした窒化層を大気中で４５０℃に
加熱した後の金属組織（ｂ）の写真
大気中で４５０℃に加熱した後の金属組織（ａ）及びＡ
ｌ2 Ｏ3 コーティングした窒化層を大気中で４５０℃に
加熱した後の金属組織（ｂ）の写真
【図３】 図２（ｂ）のダイス表面の金属組織を示すＳ
ＥＭ写真
ＥＭ写真
Claims (7)
- 【請求項１】 基材としての熱間工具鋼の表面に形成さ
れた窒化層と、該窒化層を被覆するＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ
2 ，ＭｇＯの１種又は２種以上を混合した薄膜を備えて
いることを特徴とする高温耐酸化性に優れた窒化層をも
つダイス。 - 【請求項２】 請求項１記載の酸化物薄膜が０．２〜３
μｍの膜厚をもつダイス。 - 【請求項３】 請求項１又は２記載のダイス鋼で作られ
たアルミニウム押出し加工用ダイス。 - 【請求項４】 請求項３記載のダイスから押出されたア
ルミニウム押出し形材。 - 【請求項５】 基材としての熱間工具鋼を窒化処理した
後、生成した窒化層をＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯの
１種又は２種以上を混合した薄膜でコーティングするこ
とを特徴とする高温耐酸化性に優れた窒化層をもつダイ
スの製造方法。 - 【請求項６】 請求項５記載の窒化処理が塩浴窒化，ガ
ス窒化，ガス軟窒化又は流動層熱処理であるダイスの製
造方法。 - 【請求項７】 請求項５記載のＡｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＯ2 ，
ＭｇＯの１種又は２種以上の混合膜を真空蒸着法，イオ
ンプレーティング法又はＣＶＤ法で形成するダイスの製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07310072A JP3109428B2 (ja) | 1995-11-02 | 1995-11-02 | 高温耐酸化性に優れた窒化層をもつダイス及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07310072A JP3109428B2 (ja) | 1995-11-02 | 1995-11-02 | 高温耐酸化性に優れた窒化層をもつダイス及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09125226A JPH09125226A (ja) | 1997-05-13 |
| JP3109428B2 true JP3109428B2 (ja) | 2000-11-13 |
Family
ID=18000842
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07310072A Expired - Fee Related JP3109428B2 (ja) | 1995-11-02 | 1995-11-02 | 高温耐酸化性に優れた窒化層をもつダイス及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3109428B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100300850B1 (ko) * | 1999-06-14 | 2001-09-22 | 이장무 | 알루미늄 나이트라이드의 표면 개질 방법 |
| KR100693297B1 (ko) * | 2004-07-05 | 2007-03-13 | 주식회사 플라티코리아 | 금속제품의 표면처리방법 |
-
1995
- 1995-11-02 JP JP07310072A patent/JP3109428B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09125226A (ja) | 1997-05-13 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |