JP4547656B2

JP4547656B2 - 潤滑剤付着性および耐摩耗性に優れた温熱間加工用被覆工具

Info

Publication number: JP4547656B2
Application number: JP2001098588A
Authority: JP
Inventors: 謙一井上
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: JP2002292442A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温間ないしは熱間で金属同士の摺動を伴う環境にて使用される鍛造用金型等の温熱間加工用被覆工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、温熱間加工用工具には、主にＪＩＳに規定されるＳＫＤ６１、ＳＫＴ４といった熱間金型用鋼が広く用いられており、特に耐久性を要求される用途には、これらよりも高温強度の高いＳＫＤ７、ＳＫＤ８、高速度工具鋼あるいはこれらの改良鋼が使用されている。
【０００３】
例えば、温熱間鍛造用金型（以下、金型と記す）においては、近年の、加工効率の向上、被加工製品の高精度化、ニアネットシェイプ化の要求に対し、金型の靭性を保持するとともに、金型作業面の耐摩耗性、耐焼付き性、耐ヒートクラック性を向上させる目的で、プラズマ法、塩浴法、ガス法等による窒化処理や、アークイオンプレーティング法等の物理蒸着法（以下、ＰＶＤ法と記す）による皮膜が窒化処理と組み合わされて適用されるようになってきた。
【０００４】
特開平１１−９２９０９号には、金型母材とＰＶＤ皮膜の密着性を向上させるために、ＣｒＮまたはＴｉＡｌＮといったＰＶＤによる被覆の前処理として、ダイアモンドペースト等による被覆母材の表面粗さの調整、真空ガス窒化処理の適用、電解法による洗浄が提案されている。また、特開平１１−１５２５８３号には、金型の耐ヒートクラック性、耐酸化性の向上を目的に、窒化処理とＰＶＤ法によるＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣｒＮの併用が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１１−９２９０９号、特開平１１−１５２５８３号の提案による効果は、従来工具と比較して、２〜３割程度の寿命向上であり、飛躍的な工具寿命の改善は達成できず、加工効率の向上、被加工製品の高精度化、ニアネットシェイプ化といった要求に対しては十分に満足できるものではなかった。
【０００６】
特に被加工製品のニアネットシェイプ化は、製品形状が複雑となるため、加工時には金型作業面への負荷応力も大きくなるだけでなく、被加工材の肉流れ速度が金型の場所によって大きく異なる。つまり、金型の表面温度が不安定な鍛造初期においては、被加工材との摺動発熱による金型の表面温度も場所によって大きく異なることとなる。
【０００７】
一般に温熱間鍛造においては、鍛造毎に潤滑剤を噴霧するが、潤滑剤はある任意の金型表面温度で最も付着しやすくなる特性を有している。このため、金型の表面温度が場所により大きく異なるということは、潤滑剤の付着量も金型の場所により大きく変化し、潤滑剤が適量付着する場所と、付着しない場所が生ずる。
当然、潤滑剤の付着量が低下する部位においては、早期に被加工材との焼付き、かじり等が発生しやすくなる。
【０００８】
この被加工材との焼付き、かじりについては、鍛造条件の過酷さに起因する潤滑剤の途切れも要因の一つと考えられる。このような焼付き、かじり等の発生は、金型作業面と被加工材との界面で、過大な摩擦力を働かせることとなり、著しい摩擦熱が発生する。その結果、金型材表面部では熱により母材が極端に軟化するため、皮膜は容易に剥離してしまい、金型の耐摩耗性は極端に低下してしまう。製品形状によっては、上記摩擦熱が、金型材自身の変態点（７００〜９００℃）を上回るほど高温になる場合があり、金型がさらされる環境は、非常に厳しいものとなる。
【０００９】
現在、温熱間金型用として提案されているＰＶＤ皮膜は、金型母材と皮膜の密着性向上を主体に改善が行われているため、先述の潤滑剤付着性にバラツキが生じる環境ならびに摩擦熱が著しく発生する環境で使用すると、早期に焼付き、かじり等が発生してしまい、その効果を十分に発揮する間もなく剥離してしまうという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、上記のような問題を解消した耐焼付き性、耐摩耗性に優れる温熱間加工用被覆工具を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、温熱間加工用工具における潤滑剤の付着性および耐焼付き性、耐かじり性に及ぼす、ＰＶＤ皮膜の組成、層構造ならびに成膜条件の影響について詳細な検討を行った。
【００１２】
その結果、最表層に粗さを特定値内に規定した層を適用し、その層の直下には硫化物層を形成させ、かつ、母材直上には、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選んだ１種もしくは２種以上の金属元素が主体の窒化物、炭化物、炭窒化物の１種以上を形成することで温熱間加工用工具として極めて良好な潤滑剤付着性ならびに耐焼付き性が得られることを見いだした。この結果により、例えば熱間鍛造用金型においては、鍛造初期の局部的な焼付きと、鍛造中期以降の被加工材との摺動発熱は十分に抑制され、熱間鍛造金型として著しく寿命が向上するということを確認した。
【００１３】
すなわち、本発明の第１発明は、熱間ダイス鋼もしくは高速度鋼を母材とする、少なくとも作業面に被覆層を有す温熱間加工用工具であって、該被覆層の最表層は、表面粗さがＲｚ：４〜１５μｍのａ層であり、ａ層の直下には硫化物であるｂ層が存在し、かつＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選んだ１種もしくは２種以上の金属元素が主体の窒化物、炭化物、炭窒化物の１種以上からなるｃ層が、母材直上にあることを特徴とする潤滑剤付着性および耐摩耗性に優れた温熱間加工用被覆工具である。
【００１４】
なお、本発明のａ層は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｕの１種もしくは２種以上の金属元素を主体とし、層厚を２〜１５μｍとすることが望ましく、また、硫化物である本発明のｂ層は、金属組成のみの原子％で、Ｔｉ、Ｃｒの１種もしくは２種が合計で５０％以下、実質的に残部Ｍｏであり、層厚を０．５〜１０μｍとすることが望ましい。
【００１５】
更に上記被覆層は物理蒸着法により被覆されたことが望ましく、被覆母材は母材最表面から２５μｍの深さにおける硬さが、母材最表面から５００μｍの深さにおける硬さに比べ、２００ＨＶ０．２以上高いことが望ましい。
【００１６】
【発明実施の形態】
まず、本発明の温熱間加工用被覆工具は、その被覆層が形成される母材として、熱間強度に優れる材料を適用する。この材料としては、例えば従来よりその温熱間工具として適用されている鋼素材であればよく、例えばＪＩＳに規定される熱間ダイス鋼や高速度鋼、そしてそれらの改良鋼であってもよい。はじめに請求項中記載のａ層に関し、その構成要件について詳しく述べる。
【００１７】
ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮといったＰＶＤ法による皮膜は、窒化層に比べ著しく硬さは高いことから、切削工具を主体に適用が広がっている。例えば窒化層の硬さは、被処理材の組成にもよるが、１０００〜１１００ＨＶであるのに対して、ＴｉＮでは２０００〜２２００ＨＶ、ＣｒＮでは１８００〜２０００ＨＶ、ＴｉＡｌＮでは２４００〜２７００ＨＶと、窒化層に比べ約２倍以上の硬さが得られる。このため、本来耐摩耗性はＰＶＤによる皮膜の方が優れているはずである。
【００１８】
そこで発明者は温熱間加工用金型の使用環境と表面処理に必要とされる特性について種々検討を重ねた結果、従来より適用されてきたＰＶＤ皮膜は、温熱間加工用金型において、非常に重要な特性である潤滑剤の付着性が、窒化層に比べ極端に劣るということを確認した。
【００１９】
図１は、予め表面処理を施したテストピースを１００〜３５０℃の任意の温度で加熱し、１０％の濃度に調整した白色系潤滑剤（大同化学株式会社製ホットアクアルブ＃３００ＴＫ）水溶液を、距離４７０ｍｍ、噴霧量２．０ｍｌ／ｓで２秒噴霧した際の、試験片表面に付着した潤滑剤の単位面積あたりの重量を示したものである。この時、テストピースは、表面処理を施さないものと、塩浴窒化材、ならびにＰＶＤ法（アークイオンプレーティング法）によるＣｒＮを被覆したものを用いた。
【００２０】
この結果によると、塩浴窒化材については、無処理材に比べ潤滑剤の付着量が多く、特に本潤滑剤が付着し難くなる試験片加熱温度２５０〜３５０℃において、その傾向は顕著になる。この時、ＣｒＮ被覆材の潤滑剤付着性は、無処理材と同等もしくはそれ以下の結果であり、明らかにＰＶＤ皮膜の潤滑剤付着性は、他の表面処理に比べ劣っていることがわかる。このようなＰＶＤ皮膜の潤滑剤付着性に劣る点が、実際の温熱間加工用金型において、特に金型の場所によって表面温度が異なるような複雑な形状の場合では、顕著に現れるため、局部的に潤滑剤の付着し難い部位が発生し、焼付きやかじりを誘発するものと推察された。
【００２１】
そこで、上記試験後のテストピースについて、潤滑剤付着状況の詳細な観察を行った結果、潤滑剤はテストピース表面の微小な凹凸を核にして凝固している様子が認められ、この凝固単位が微細なものほど潤滑剤の付着量は増加するということが確認された。
【００２２】
そこでＰＶＤ法の成膜条件を制御して、被覆層の表面粗さが種々異なるテストピースを作製し、同様の試験方法により表面の面粗さと潤滑剤付着量の関係を調査した。このとき、試験片加熱温度は、潤滑剤が付着し難い３００℃に設定した。
【００２３】
また、ＰＶＤ法による被覆には、純Ｃｒ製ターゲットを用い、被覆材温度５００℃、アルゴン雰囲気中３〜２５Ｐａの圧力を選択し成膜を行った。表面粗さは成膜中の圧力により制御した。成膜初期の５分間についてはＢｉａｓ電圧を−１００Ｖにし、後半の３０分間は０Ｖにした。テストピース被覆面の面粗さは、長さ５ｍｍの領域について、オリンパス光学株式会社製走査型レーザー顕微鏡ＯＬＳ１０００を用いて測定した。
【００２４】
図２に結果を示すが、潤滑剤の付着量は、面粗さＲｚ（ＪＩＳ−Ｂ−０６０１：十点平均粗さ）で４μｍ付近を境に大きく増加し、図１で示した塩浴窒化材と同等以上に改善されることがわかった。また、面粗さＲｚが１６μｍ以上になると、ＰＶＤ皮膜は成膜直後の時点で剥離が生じてしまい、実型への適用は困難であることが認められた。
【００２５】
本発明のａ層は、金型の表面温度が不安定な鍛造初期において、潤滑剤の付着量を向上させることが主な役割であり、その存在は極めて重要である。この効果を発揮するためには、表面粗さＲｚで４μｍ以上必要であるが、１５μｍを越えると皮膜の密着性が極端に低下する。よって本発明のａ層は、表面粗さＲｚで４〜１５μｍとする。本発明のａ層は、特にその組成・構成の規定を設けないが、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｕの１種もしくは２種以上の金属元素を主体とすることが、以下の理由により、望ましい。
【００２６】
上記組成の中でもＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉについては、本発明の温熱間加工用被覆工具において、下記必須となる、被覆母材直上にＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選んだ１種もしくは２種以上の金属元素が主体の窒化物、炭化物、炭窒化物の１種以上からなるｃ層を成膜することと関連している。例えば、ＰＶＤ法の中でもスパッタリング法、アークイオンプレーティング法を適用した場合、ａ層とｃ層を構成する金属元素が異なることは、同様に種類の異なる金属ターゲットを用意する必要がある。このことは、高価なターゲットの種類が増加することとなり、結果的に成膜のコストを増加させてしまうため望ましくない。
【００２７】
ただし、ａ層の望ましい構成元素にＣｕを挙げる理由については例外で、熱伝導率の高いＣｕを適用することにより、潤滑剤の乾燥時間が早まり、潤滑剤の付着量は著しく増加するためである。これはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉといった他の金属に比べ、その効果が絶大であり、潤滑剤が極めて付着し難い環境下では有効である。以上のような理由から、本発明のａ層は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｕの１種もしくは２種以上の金属元素を主体とすることが望ましい。
【００２８】
なお、その主体とすることについては、例えば上記より選ばれた元素種の合計にて５０（原子％）以上、特に効果の期待できるＣｕの選択も鑑みれば合計にて７０（原子％）以上、更には９０（原子％）とすればよいが（実質１００（原子％）を含む）、これについては、その成膜コスト低減の上での、後に述べるｃ層との兼合いにて決定されればよいことは、上記の通りである。
【００２９】
更に本発明のａ層は、その層厚が２〜１５μｍであることが望ましい。層厚が２μｍ未満であると、加工時の負荷が極めて高い場合に、早期に滅失してしまい効果のない場合がある。逆に１５μｍを越えて成膜すると、成膜条件によっては、早期に剥離してしまう場合があるためである。よって、本発明のａ層の層厚は、２〜１５μｍであることが望ましい。
【００３０】
本発明のａ層は、その表面粗さを適度に粗化することで潤滑剤の付着性を向上させ、焼付きを防止するが、ａ層自体はその粗化によって耐摩耗性に優れていない。つまり、鍛造初期においては潤滑剤付着性を向上させる層として焼付き防止の役割は果たすものの、鍛造中期になると摩耗によって滅失してしまい、結果、耐焼付き性に劣るものとなる。そのため鍛造中期に被加工材との耐焼付き性、耐かじり性を向上させるためには、硫化物のｂ層を、ａ層直下に被覆することが必要である。
【００３１】
一般に硫化物は冷間で使用される摺動部品等において摩擦係数を低下させる固体潤滑材として知られているが、発明者の研究によると熱間においても、耐焼付き性という点で著しい効果が認められた。
【００３２】
表１はＪＩＳに規定されるＳＫＨ５１（硬さ６０ＨＲＣ）を直径５ｍｍ、長さ２０ｍｍの円柱状テストピースに加工し、直径５ｍｍの試験部にＰＶＤ法にて各種皮膜を被覆し、熱間焼付き評価試験を行った結果を示したものである。熱間焼付き試験は、テストピースの一端部を、ボール盤のチャックに取り付け、１５４０ｒｐｍで回転させながら、相手材である６００℃に加熱したＳＮＣＭ４３９製の３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚み２０ｍｍのブロックに、被覆面をある所定の面圧で押付け、最高４０秒間摩擦摺動させた。この時、テストピースが摩擦発熱により座屈し、相手材に焼付いた面圧を焼付き限界面圧と見なし評価するものである。
【００３３】
【表１】

【００３４】
表１より、アークイオンプレーティング法にて成膜したＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮといったＰＶＤ皮膜に比べ、代表的な硫化物であるＭｏＳ_２をスパッタリング法でＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮの上に適用した皮膜の方が、著しく高い焼付き限界面圧を有していることがわかる。このように、従来は冷間での摺動摩擦でしか効果が確認されていなかった硫化物が、熱間においても十分に効果的であることが認められた。このような理由から、本発明においては、硫化物のｂ層を、ａ層直下に被覆することが必要である。
【００３５】
また、硫化物である本発明のｂ層は、金属組成のみの原子％で、Ｔｉ、Ｃｒの１種もしくは２種が合計で５０％以下であり、実質的に残部Ｍｏであることが望ましい。詳しくは金属元素としてＭｏを主体（実質１００（原子％）を含む）とする二硫化物であることが望ましい。Ｔｉ、Ｃｒは、Ｍｏの硫化物中に含有させることで、硫化物の硬さを向上させる効果がある。しかしながら、金属組成のみの原子％で、Ｔｉ、Ｃｒの合計が５０％を越えて含有すると、Ｍｏ硫化物の耐焼付き性を向上させる効果が低下する。そのため、硫化物である本発明のｂ層は、金属組成のみの原子％で、Ｔｉ、Ｃｒの１種もしくは２種が合計で５０％以下であり、実質的に残部Ｍｏであることが望ましい。
【００３６】
更にｂ層は、層厚が０．５〜１０μｍであることが望ましい。層厚が０．５μｍ未満であると、熱間における耐焼付き性の向上効果が十分に得られず、逆に１０μｍを越えて成膜すると、早期に剥離してしまう可能性が高くなる。よって、本発明のｂ層は、層厚が０．５〜１０μｍであることが望ましい。更に望ましい層厚は、１〜５μｍである。
【００３７】
本発明のａ層ならびにｂ層は、それらの機構は異なるものの、いずれも耐焼付き性という特性の向上を主体に適用されているのみであり、温熱間加工用金型としての耐摩耗性は十分ではない。そのため、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選んだ１種もしくは２種以上の金属元素が主体の窒化物、炭化物、炭窒化物の１種以上からなるｃ層を、母材直上に成膜することが必要である。
【００３８】
ここで本発明のｃ層は、例えば窒化物においては、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＣｒＮといった金属元素が１種の場合や、ＴｉＶＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、ＣｒＳｉＮ、ＣｒＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮといった金属元素が２種類以上の場合が挙げられる。金型の形状が極めて複雑で、凸部において非常に応力が集中しやすい場合では、上記窒化物の中でも比較的残留応力が小さく、密着性に優れる、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＴｉＶＮといった皮膜の適用が好ましく、鍛造温度が高く、皮膜に耐酸化性が求められる場合には、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、ＣｒＡｌＮ、ＣｒＳｉＮといったＡｌ、Ｓｉを含む皮膜が望ましい。
【００３９】
上記は窒化物を例として挙げたが、炭化物、炭窒化物についても同様の効果であり、また、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉからの選択を主体（金属元素のみの原子％で実質１００％を含む）とするも、必要に応じてIVａ、Vａ、VIａ属の金属元素ならびにＢ等を、金属元素のみの原子％で３０％以下、更には１０％以下微量添加してもよい。更に異なる組成の窒化物、炭化物、炭窒化物を２種以上選択し、多層膜として適用してもよい。
【００４０】
以上、本発明の温熱間加工用被覆工具は、熱間ダイス鋼もしくは高速度鋼を母材とする、少なくとも作業面に、上記構成の被覆層を有す温熱間加工用工具であって、その効果を得るに好ましい一具体例としては、母材直上に本発明のｃ層を形成し、該ｃ層の上に本発明のｂ層を、そして、その上に最表層となる本発明のａ層を形成するものである。
【００４１】
本発明の温熱間加工用被覆工具は、その被覆方法について特に限定されるものではないが、被覆母材の熱影響、工具の疲労強度、皮膜の密着性等を考慮すると、被覆母材である熱間ダイス鋼もしくは高速度鋼の焼戻し温度以下で成膜でき、皮膜に圧縮応力が残留するアークイオンプレーティング法もしくはスパッタリング法といった被覆母材側にＢｉａｓ電圧を印可する物理蒸着法であることが望ましい。
【００４２】
更に本発明の被覆母材は、より耐摩耗性の向上を目的に、母材最表面から２５μｍの深さにおける硬さが、母材最表面から５００μｍの深さにおける硬さに比べ、２００ＨＶ０．２以上高いこと、つまりその具体例として、窒化処理、浸炭処理等と言った拡散を利用した表面硬化処理を予め適用することが望ましい。この時、窒化処理で形成される白層と呼ばれる窒化物層や、浸炭で認められる炭化物層と言った化合物層は、ｃ層の密着性を低下させる原因となるため、処理条件の制御により形成させないようにするか、研磨等により除去することが望ましい。
【００４３】
【実施例】
次に実施例に基づき詳細に説明するが、本発明は下記実施例によって限定を受けるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意に変更が可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４４】
（実施例１）
ＪＩＳに規定されるＳＫＤ６１を用意し、１０３０℃より油焼入れ後、５５０〜６３０℃での焼戻しにより４７ＨＲＣに調質した。その後、熱間焼付き性評価用に直径５ｍｍ、長さ２０ｍｍの円柱状テストピースと、潤滑剤付着性の評価用に厚み３ｍｍ、一辺が３０ｍｍの板状テストピースの加工を行った。
【００４５】
次に、流量比５％Ｎ_２（残Ｈ_２）雰囲気中で、５５０℃、１０時間保持の条件でイオン窒化処理を施した後、それぞれの試験面を研磨によって鏡面に仕上げた。なお、仕上げ後の表面より２５μｍの深さにおける硬さは、全テストピースにて、その５００μｍの深さにおける硬さより２００ＨＶ０．２以上に硬化されていることを確認済みである。そして、仕上げ後の母材表面に対し、次に示す条件にてＰＶＤ法による被覆を行った。
【００４６】
母材直上のｃ層は、小型アークイオンプレーティング装置にて、圧力０．５ＰａのＡｒ雰囲気中で、被覆母材に−４００ＶのＢｉａｓ電圧を印可し、６０分の熱フィラメントによるプラズマクリーニングを行った後、金属成分の蒸発源である各種金属製ターゲットならびに反応ガスとしてＮ_２ガスを用い、被覆母材温度５００℃、反応ガス圧力３．０Ｐａ、−５０ＶのＢｉａｓ電圧にて層厚が５μｍとなるよう成膜した。
【００４７】
また、ｂ層を被覆するものについては、小型スパッタリング装置にて、皮膜源に硫化物ターゲットを用い、被覆材温度３００℃、Ａｒ雰囲気中０．８Ｐａの圧力で、ターゲットへの投入電力を４ｋＷにし、被覆材にＢｉａｓ電圧を−１００Ｖ印可し、層厚が４μｍになるように成膜を行った。
【００４８】
更に最表層を形成するａ層を被覆するものについては、小型アークイオンプレーティング装置にて、蒸発源に純Ｃｕターゲットもしくはｃ層の成膜に使用したターゲットを用い、被覆材温度５００℃で、成膜初期の５分間についてはＢｉａｓ電圧を−１００Ｖにし、後の３０分間は０Ｖにして、皮膜の層厚が５μｍとなるよう成膜を行った。この時、純Ｃｕターゲットを使用する場合にはＮ_２雰囲気、ｃ層の成膜に使用したターゲットを使用する場合はＡｒ雰囲気中で成膜を行い、比較例Ｎｏ．２２、Ｎｏ．２３、Ｎｏ．２４の被覆には３Ｐａ、本発明例ならびに比較例Ｎｏ．２１の被覆には１３Ｐａの圧力を用いた。
【００４９】
また、従来例としては、前記イオン窒化処理後にＴｉＮ、ＣｒＮ、（Ｔｉ_０．５０Ａｌ_０．５０）Ｎを、前記ｃ層の被覆と同じ条件で成膜したものを用意した。
【００５０】
得られたテストピースは、オリンパス光学株式会社製走査型レーザー顕微鏡ＯＬＳ１０００を用い、板状テストピース試験面の長さ３ｍｍの領域について面粗さを測定した。その後、潤滑剤付着性の評価ならびに熱間焼付き試験を実施した。潤滑剤付着性の評価は、テストピースを３００℃に加熱し、１０％の濃度に調整した白色系潤滑剤（大同化学株式会社製ホットアクアルブ＃３００ＴＫ）水溶液を、距離４７０ｍｍ、噴霧量２．０ｍｌ／ｓで２秒噴霧した際の、試験片表面に付着した潤滑剤の単位面積あたりの重量にて評価を行った。
【００５１】
熱間焼付き試験は、前述の円柱状テストピース一端部を、ボール盤のチャックに取り付け、１５４０ｒｐｍで回転させながら、相手材である６００℃に加熱したＳＮＣＭ４３９製の３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚み２０ｍｍのブロックに、ある所定の面圧で押付け、最高４０秒間摩擦摺動させた。この時、供試部材が摩擦発熱により座屈し、相手材に焼付いた面圧を焼付き限界面圧と見なし評価した。
【００５２】
表２に各テストピースの被覆層の詳細と、潤滑剤付着性評価および熱間焼付き試験の結果を示す。なお、本発明の被覆層構成を満たさない比較例および従来例においては、その成膜されたａ、ｂ、ｃ層の定義がし難いものではあるが、本発明との比較を分かり易くするための便宜上、表２の通りに示すものである。
【００５３】
【表２】

【００５４】
表２に示すように、本発明例は、被覆層の構成ならび表面粗さが本発明の規定範囲を満足しているため、潤滑剤の付着性、熱間焼付き試験における焼付き限界面圧は、いずれも著しく優れていることがわかる。
【００５５】
一方、比較例Ｎｏ．２１は、ａ層の表面粗さが本発明に含まれるものであるため、潤滑剤の付着性には優れるものの、ｂ層（硫化物層）が存在しないために焼付き限界荷重は極めて低い値となった。また、比較例Ｎｏ．２２、２３、２４は、ａ層は存在しているものの、その表面粗さが本発明の規定範囲を外れるものであるため、比較例Ｎｏ．２５、２６は、ａ層（粗化面）が存在していないために、いずれも潤滑剤の付着性が著しく劣る結果となった。言うまでもなく、従来例の潤滑剤付着性ならびに焼付き限界面圧は、本発明例に比べ大幅に劣る。以上のことから、潤滑剤の付着性ならびに熱間における耐焼付き性の両特性を兼備するには、本発明を満足しなければならないことがわかる。
【００５６】
なお、図３はａ層被覆直後における本発明例Ｎｏ．２の表面ＳＥＭ像であり、粒径で約１μｍのこぶ状粒子によって表面が覆われていることが認められる。
【００５７】
（実施例２）
次に、表２中の本発明例Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１４、従来例Ｎｏ．３２、Ｎｏ．３３と同等の表面被覆層構成であるカップ成型用温間鍛造パンチを作製し、実金型における寿命で評価を行った。
【００５８】
まず、表３に示す化学成分の高速度鋼ベースの靭性改良材を、金型近似形状に粗加工し、１０８０℃の油焼入れを行い、６００℃の焼戻しにより５５ＨＲＣに調質した。その後、仕上げ加工を行い、それぞれ実施例１と同様の条件で窒化処理ならびにＰＶＤ法による成膜を施した。なお、窒化・仕上げ後の表面より２５μｍの深さにおける硬さが、その５００μｍの深さにおける硬さより２００ＨＶ０．２以上に硬化されていることは確認済みである。
【００５９】
【表３】

【００６０】
上記にて作製された金型は、直径１１０ｍｍ、高さ３００ｍｍの寸法で、その先端部にカップ成型用パンチに加工が施されている。そして、１６００ｔの鍛造プレスを用い、７５０℃に加熱したＳ４５Ｃワークを温間鍛造成形した。表４に各パンチの寿命を示す。
【００６１】
【表４】

【００６２】
本発明を適用したパンチは、従来例適用のパンチに比べ、工具寿命は３倍以上に向上した。また、本発明適用のパンチは、いずれも摩耗による損傷で寿命となったが、従来例適用のパンチは、早期にパンチ先端曲面部にかじりを発生した後、局部的にえぐれたように損傷が進行し寿命となった。以上のように、本発明を温間鍛造用パンチに適用することで、パンチの寿命は飛躍的に向上することが確認された。
【００６３】
なお、実施例１および２においては、ｃ層が窒化物の場合を例にして示したが、ｃ層が炭化物もしくは炭窒化物、さらにはそれらを含む構成であっても、同様の効果が得られる。
【００６４】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明で規定した表面被覆層構造を適用することにより、耐焼付き性、耐かじり性は著しく向上する。その結果、温熱間加工用工具として、耐摩耗性の改善が達成できるため、工具寿命を飛躍的に向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】各表面処理の試験片加熱温度と潤滑剤付着量の関係を示す図である。
【図２】試験片加熱温度３００℃における表面粗さＲｚと潤滑剤付着量の関係を示す図である。
【図３】本発明例Ｎｏ．２の表面ＳＥＭ像であり、本発明の一例を示す顕微鏡写真である。

Claims

熱間ダイス鋼もしくは高速度鋼を母材とする、少なくとも作業面に被覆層を有す温熱間加工用工具であって、該被覆層の最表層は、表面粗さがＲｚ：４〜１５μｍのａ層であり、ａ層の直下には硫化物であるｂ層が存在し、かつＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選んだ１種もしくは２種以上の金属元素が主体の窒化物、炭化物、炭窒化物の１種以上からなるｃ層が、母材直上にあることを特徴とする潤滑剤付着性および耐摩耗性に優れた温熱間加工用被覆工具。
該ａ層は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｕの１種もしくは２種以上の金属元素を主体とし、層厚が２〜１５μｍであ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摩耗性に優れた温熱間加工用被覆工具。
硫化物である該ｂ層は、金属組成のみの原子％で、Ｔｉ、Ｃｒの１種もしくは２種が合計で５０％以下、実質的に残部Ｍｏであり、層厚が０．５〜１０μｍ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摩耗性に優れた温熱間加工用被覆工具。
被覆層は物理蒸着法により被覆した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摩耗性に優れた温熱間加工用被覆工具。
被覆母材最表面から２５μｍの深さにおける硬さが、母材最表面から５００μｍの深さにおける硬さに比べ、２００ＨＶ０．２以上高い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摩耗性に優れた温熱間加工用被覆工具。