JP4975481B2

JP4975481B2 - プレス用金型

Info

Publication number: JP4975481B2
Application number: JP2007046935A
Authority: JP
Inventors: 浩司藤原; 一郎上場; 正高野
Original assignee: Toyo Advanced Technologies Co Ltd
Current assignee: Toyo Advanced Technologies Co Ltd
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2027-02-27
Also published as: CN101254515A; US20080203272A1; JP2008207219A; CN101254515B; US8087918B2; HK1116725A1

Description

本発明は高張力鋼板のような高強度の鋼板のプレス加工に好ましく用いられうるプレス用金型に関する。

近年、自動車製造の分野において、安全性の向上や、車体の軽量化を目的として高張力鋼板が多用される傾向にある。

高張力鋼板は高張力、高強度を有するために、従来用いられてきたプレス鋼板に比べて、プレス成形加工時に高い加圧力が必要となる。従って、高張力鋼板のプレス加工においては、プレス金型に掛かる負担が著しく大きくなるために、金型が摩耗しやすく、金型寿命が短いという問題があった。

金型の摩耗を抑制し、金型寿命を延ばす一般的な方法としては、例えば、金型表面にＴｉＣ（炭化チタン）被膜や、ＴｉＣＮ（炭窒化チタン）のような硬質被膜を形成することにより、金型の表面硬度を高める方法が知られている（例えば、特許文献１）。
特開平６−１４５９６０号公報

上記ＴｉＣ被膜のような硬質薄膜の形成方法としては、ＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition：化学的蒸着法）やＰＶＤ法（Physical Vapor Deposition）が知られている。

ＣＶＤ法により形成された被膜は、ＰＶＤ法により形成された被膜に比べて密着性が高いことが知られている。従って、基材との密着性が乏しいＴｉＣ被膜の形成には、従来からＣＶＤ法が用いられていた。

しかしながら、ＣＶＤ法による被膜形成においては、１０００℃程度の処理温度でコーティング処理する必要があるために、コーティング処理時に金型母材の歪みや熱変形が生じる。そのために、被膜の形成後に、金型寸法を修正する必要があり、コーティングしたものをそのまま使用することができなかった。

一方、ＰＶＤ法による被膜形成によれば、コーティングの際には高速度鋼の焼戻し温度以下、ダイス鋼においては高温焼戻し温度以下である５００℃以下のような温度でもコーティング処理することができるために金型母材の歪みや熱変形は小さく、そのために、被膜の形成後の金型寸法の修正等を要せず、そのまま使用できるという利点がある。しかしながら、ＰＶＤ法により形成されたＴｉＣ被膜は、密着力が不充分であるために、被膜が剥離しやすく、耐久性が不充分であるという問題があった。また、ＰＶＤ法により形成される硬質被膜としては、ＴｉＣ被膜に比べて密着性のよい、ＴｉＣＮ被膜も知られているが、ＴｉＣＮ被膜はＴｉＣ被膜よりは密着性に優れるものの、滑り性が低いために摩耗しやすいという問題があった。

プレス用金型表面に形成された被膜の耐久性、滑り性等の被膜特性を総合的に評価する方法としては、後述する実施例において詳しく説明するような、ビード引抜き特性が知られている。ビード引抜き特性とは、図４に示すように、オス側金型３０とメス側金型３１との間に鋼板を挟み、オス側金型３０とメス側金型３１を徐々に押し付けてプレスしていくときに、鋼板を定速で引き抜き、鋼板が破断したときのプレスの押付荷重Ｐ及び引抜荷重Ｆで評価される特性であり、金型表面に形成された被膜の耐久性や滑り性を判断する目安になる。前記プレスの押付荷重Ｐ及び引抜荷重Ｆが高いほど、被膜の滑り性が優れ、また、被膜の耐久性にも優れているといえる。

従来のＰＶＤ法により硬質薄膜が形成されたプレス用金型においては、ビード引抜き特性が低いという問題があった。

本発明は、ＰＶＤ法により硬質薄膜が形成されるプレス用金型において、各種鋼板、特に、高張力鋼板等をプレス加工するのに好ましく用いられうる、被膜の硬度、密着性、滑り性及びビード引抜き特性に優れたプレス用金型を提供することを目的とする。

本発明のプレス用金型は被加工材料をプレス加工するためのプレス用金型であって、少なくともプレス加工の際に被加工材料と接触する部分の金型母材表面にＰＶＤ法により被膜が形成されており、前記被膜が前記金型母材表面に形成されたＴｉＮ層、前記ＴｉＮ層表面に形成されるＴｉ（ＣｘＮｙ）層（但し、ｘ+ｙ＝１，ｘ＜１で、前記ＴｉＮ層表面から遠ざかるにつれてｘが１に近づくように徐々に増大する）、及び前記Ｔｉ（ＣｘＮｙ）層表面に形成されたＴｉＣ層からなるものである。ＰＶＤ法により形成される被膜において、プレス用金型の被加工材料と接触する表面に、上記のように金型表面側からＴｉＮ層、徐々に炭素濃度が増大するＴｉＣＮ層及びＴｉＣ層からなる被膜を形成することにより、被膜の硬度、密着性、滑り性及びビード引抜き特性に優れた、被膜の耐久性が高いプレス用金型が得られる。また、前記プレス用金型表面に形成される被膜は、ＰＶＤ法により形成されるために、被膜形成後の金型修正等を省略することができるために、金型の製造コストを低減できる点においても優れている。

本発明のプレス用金型は、被膜の硬度、密着性、滑り性及びビード引抜き特性に優れたものである。このようなプレス用金型は、高張力鋼板のプレス加工に好ましく用いられる。

図１は、本発明の実施形態のプレス用金型に形成された被膜の構成を示す断面模式図であり、金型母材１の表面に、被膜２が形成されている様子を模式的に示している。被膜２はＰＶＤ法により形成された硬質薄膜であり、金型母材１表面に形成されたＴｉＮ層２ａ、ＴｉＮ層２ａ表面に形成されるＴｉ（ＣｘＮｙ）層２ｂ（但し、ｘ+ｙ＝１，ｘ＜１で、前記ＴｉＮ層表面から遠ざかるにつれてｘが１に近づくように徐々に増大する）、及びＴｉ（ＣｘＮｙ）層２ｂ表面に形成されたＴｉＣ層２ｃから形成されている。本発明のプレス用金型においては、金型母材１表面とＴｉＣ層２ｃとの間に、ＴｉＮ層２ａ及びＴｉ（ＣｘＮｙ）層２ｂを介在させているために、ＴｉＣからなる被膜を金型母材表面に直接形成する場合に比べて、著しく密着性が向上する。そのために、最表面にＴｉＣ層を有する被膜をＰＶＤ法により製造しても、充分な密着強度を維持することができる。

金型母材１としては、プレス用金型として従来から用いられている各種材料、具体的には、例えば、ＳＫＤ１１，ＳＫＤ６１等のダイス鋼、ＳＫＨ５１等の高速度鋼や、ＳＫ５，ＳＫＳ３等の各種工具鋼、超硬材、或いはＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ４２０Ｊ２、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼材等から形成される金型母材が挙げられる。これらの中では、特に、ＳＫＤ１１等のダイス鋼やＳＫＨ５１等の高速度鋼がバックアップ力強化による耐摩耗性向上の点から好ましい。

また、金型母材１の被膜２が形成される表面の表面粗さとしては、Ｒａ＝０．１μｍ以下であることが好ましい。金型母材の表面に被膜を形成する場合に、表面の粗さが上記のような範囲の場合には、滑り性が特に良くなる。ＰＶＤ法により被膜を形成する場合においては、緻密で平滑性の高い被膜が得られるために、金型母材表面の表面状態が被膜に反映されやすいためである。

被膜２は、金型母材１表面に形成されたＴｉＮ層２ａ、ＴｉＮ層２ａ表面に形成され、ＴｉＮ層２ａ表面から遠ざかるにつれて炭素濃度が徐々に増大するＴｉ（ＣｘＮｙ）層２ｂ、及びＴｉ（ＣｘＮｙ）層２ｂ表面に形成されたＴｉＣ層２ｃから形成されている。

このように金型母材１の表面に金型母材１と密着性のよいＴｉＮ層２ａを形成し、そして、ＴｉＮ層２ａ中の窒素原子を徐々に炭素に置換するように炭素濃度が徐々に増大するＴｉ（ＣｘＮｙ）層２ｂを形成し、金型表面の最表層に硬度及び滑り性に優れたＴｉＣ層２ｃを形成することにより、硬度、密着性、滑り性及びビード引抜き特性に優れた被膜２が形成される。

被膜２の厚みは、特に限定されないが、５μｍ以下、さらには、４μｍ以下であることが、被膜の内部応力バランスを維持してより高い密着力を確保できる点から好ましい。また、ＴｉＮ層２ａ及びＴｉ（ＣｘＮｙ）層２ｂの合計膜厚は、２〜４μｍ程度、好ましくは３μｍ程度であることが被膜２の密着性をより高く維持することができる点から好ましい。また、ＴｉＣ層２ｃの膜厚も特に限定されないが、１μｍ以上であることが好ましい。なお、前記各層は、製法や膜厚によっては、層の境界が明確には特定できないものもある。

金型母材１に形成される被膜２は、例えば、アークイオンプレーティング法等のイオンプレーティング法や、マグネトロンスパッタリング法等の反応性スパッタリング法等の物理蒸着法（ＰＶＤ法）等により形成される。これらの中では、特に、以下に詳しく説明するアークイオンプレーティング法で形成されたものが大物プレス金型においても高い密着力を確保できる点から好ましい。

アークイオンプレーティング法により前記被膜を形成する方法の一例について、図２を参照して説明する。

図２はアークイオンプレーティング法によるアーク式真空成膜装置の一例を示す。

はじめに、真空チャンバ１０内の回転テーブル１１に金型母材１を載置する。そして、真空チャンバ１０内を、２５０〜５５０℃に昇温し、さらに、１０^−２〜１０^−３Ｐａ程度にまで減圧した後、ガス導入口１２ａからアルゴン（Ａｒ）ガスを導入する。なお、金型母材１は密着性を向上させるために、４００〜５００℃程度に加熱されていることが好ましい。そして、金型母材１にバイアス電圧を印加することによりＡｒイオンを衝突させ、金型母材１表面を活性化させる。

そして、アーク電源１３ａ、１４ａによりアーク放電を発生させ、チタン蒸発源１３，１４のチタンを蒸発させる。同時に、ガス導入口１２ａから、例えば、窒素ガスを窒素源として、供給する。そして、アーク放電により発生したプラズマ中で、窒素及びチタンをイオン化し、バイアス電圧によりイオンを加速させることにより、上記イオン化物を金型母材１表面に被着させ、ＴｉＮ膜を形成する。次に、ガス導入口１２から、炭素源である炭化水素ガスを供給することにより、ＴｉＣＮ膜を形成する。このとき、徐々に窒素ガスの供給を減少させ、炭化水素ガスの供給を増加させていく。そして、最後は窒素ガスの供給を止め、炭化水素ガスのみを供給する。このように、系内に供給する原料ガスとして、初期には窒素ガスを多く供給し、徐々に、窒素ガスを炭化水素ガスに置き換えていくことにより、金型母材表面にＴｉＮ膜を形成させ、次に、徐々に膜中の窒素量が減少し、また、炭素量が増大するようにＴｉ（ＣｘＮｙ）層を形成させ、最後に、最外層にＴｉＣ層を形成させる。このように、密着性に優れたＴｉＮ層を金型表面に接触するように形成し、徐々に、窒素を炭素に置き換えるように層厚方向の組成を変化させ、その表面に滑り性と摩耗性に優れたＴｉＣ層を形成することにより、耐久性に優れた硬質膜を金型表面に形成することができる。

このように形成される被膜が形成されたプレス用金型の表面硬度（ビッカース硬度）としては、３０００〜４０００ＨＶ程度であることが被膜の耐摩耗性が高い点から好ましい。

このような被膜が形成されたプレス用金型は、ビード引抜き特性に優れたものになる。従って、このようなプレス用金型は、各種鋼板のプレス加工、特に、高張力鋼板のプレス加工に好ましく用いられる。

実施例により、本発明を具体的に説明する。なお、本発明は実施例により何ら限定されるものではない。
（実施例）
はじめに、図３に示したような形状及び寸法であって、その表面がＲａ＝０．０５μｍ程度に鏡面仕上げされたＳＫＤ１１製のオス側金型母材３０ａ及びメス側金型母材３１ａの一組のセットを作製した。

オス側金型母材３０ａ及びメス側金型母材３１ａの表面に、図２に示したようなアーク式真空成膜装置を用いて、アークイオンプレーティング法により被膜を形成した。

被膜の形成は、はじめに、回転テーブル１１上に、オス側金型母材３０ａ及びメス側金型母材３１ａを載置した。そして、真空チャンバ１０内を３×１０^−３Ｐａにまで減圧した。オス側金型母材３０ａ及びメス側金型母材３１ａそれぞれの温度は図略のヒータにより４５０℃になるように制御した。次に、ガス導入口１２ａからＡｒガスを供給する一方、排気口から排気することにより内圧を２．７Ｐａに維持した。

次に、Ａｒガスの供給を止めた後、窒素ガスを３０００ｍＬ／ｍｉｎの流量で７分間供給した。このときも内圧を２．７Ｐａに維持していた。また、同時に、チタン蒸発源１３，１４にアーク放電することにより、チタンを蒸発させた。アーク放電により発生したプラズマ中で、窒素及びチタンはイオン化され、オス側金型母材３０ａ及びメス側金型母材３１ａに印加されたバイアス電圧によりイオンが加速されて、それぞれの表面にＴｉＮ膜が形成された。

次に、窒素ガスの供給とメタンガスの供給量において、徐々に窒素ガスの供給量が減少し、メタンガスの供給量が増加するように制御しながら、窒素ガス及びメタンガスを内圧を２．７Ｐａに維持しながら２０分間供給した。そして、最終的には、窒素ガスの供給を止め、メタンガスのみを２０分間供給した。

上記のような方法により、オス側金型母材３０ａ及びメス側金型母材３１ａそれぞれの表面に約１μｍのＴｉＮ層と、前記ＴｉＮ層表面に約２μｍのＴｉ（ＣｘＮｙ）層と、前記Ｔｉ（ＣｘＮｙ）層表面に約１μｍのＴｉＣ層を形成させた。

なお、形成された各層の厚さは、ボールテスタによる研磨痕を作製し、光学顕微鏡により研磨痕の所定の部分の長さを測定して算出される、精密膜厚測定器（簡易精密膜厚測定器カロテスト、ＣＳＥＭ社製）を用いた方法により測定した。なお、このとき得られた顕微鏡写真を図５に示す。

このようにして被膜が形成されたオス側金型３０及びメス側金型３１表面のマイクロビッカース硬度、密着性、及びビード引抜き特性を評価した。密着性は、ＣＳＥＭ社製のスクラッチ試験機（Automatic Scratch Tester REVETEST）を用いたスクラッチ測定値により評価した。また、ビード引抜き特性は、以下の方法により、評価した。
［ビード引抜き特性］
図４に示すように、２０×３００×１．４ｍｍの高張力鋼材ＣＲ９８０Ｙ（１００ｋ級ハイテン）からなる鋼板４０を、表面に被膜が形成されたオス側金型３０及びメス側金型３１に挟み込んだ。そして、鋼板４０を挟み込んだオス側金型３０及びメス側金型３１からなるプレス用金型を固定された小型プレス機にセットした。そして、小型プレス機によりオス側金型３０及びメス側金型３１を徐々に加圧しながら、挟み込まれた鋼板４０の一端を定速（５００ｍｍ／ｍｉｎ）で引っ張った。そして、鋼板４０が破断したときの引抜荷重Ｆ及び小型プレス機の押付荷重Ｐを測定した。

また、引張初期及び破断時の引抜荷重Ｆ及び押付荷重Ｐから、「摩擦係数μ＝引抜荷重Ｆ／押付荷重Ｐ」の式より摩擦係数を測定した。

結果を表１に示す。
（比較例）
実施例において、Ａｒの供給を止めた後、窒素ガスのみを内圧２．７Ｐａに維持しながら１５分供給した。その後、窒素ガスとメタンガスのそれぞれの流量比が９０分後に１：１となる様にメタンガスの流量を直線的に増加させて供給した。この間、内圧を２．７Ｐａに維持した。その後、メタンガスの流量を直線的に増加させながら１０分間で窒素ガスとメタンガスの流量比が１：２で内圧が１．３Ｐａとなる様に変化させた後、窒素ガスとメタンガスの流量比が１：２、内圧１．３Ｐａの状態を維持して１０分間供給した。また、これらの工程では同時にチタン蒸発源１，２にアーク放電することにより、チタンを蒸発させた。アーク放電により発生したプラズマ中で、窒素、炭素及びチタンはイオン化され、オス側金型母材３０ａ及びメス側金型母材３１ａに印加されたバイアス電圧によりイオンが加速されて、最表面にＴｉ（ＣｘＮｙ）層を有する被膜が形成された。

上記のような方法により、オス側金型母材３０ａ及びメス側金型母材３１ａそれぞれの表面にＴｉＮ層とＴｉ（ＣｘＮｙ）層からなる約４μｍの被膜を形成させた。なお、形成された被膜のボールテスタ研磨痕の顕微鏡写真を図６に示す。

そして、得られたプレス用金型のマイクロビッカース硬度、密着性、及びビード引抜き特性を評価した。

結果を表１に示す。

ＰＶＤ法により最表面にＴｉ（ＣｘＮｙ）層を有する被膜が形成された比較例のプレス用金型のマイクロビッカース硬度が２０７０Ｎであるのに比べて、本発明に係る実施例のプレス用金型のマイクロビッカース硬度は３７０９Ｎであり、本発明によるプレス用金型表面に形成された膜の硬度が高いことが分かる。また、比較例の金型のスクラッチテストによる密着性が２９．３Ｎであるのに比べて、実施例のプレス用金型の密着性は５４．５Ｎであり、本発明によるプレス用金型表面に形成された膜は密着性にも優れていることが分かる。

そして、ビード引抜特性評価においては、比較例の引抜荷重が２６ｋＮであるのに対して、実施例では３０ｋＮと高く、また、比較例の押付荷重が６ｋＮであるのに対して、実施例では２３ｋＮと高く、本発明によるプレス用金型表面に形成された膜はビード引抜特性にも優れていることが分かる。なお、ビード引抜特性評価において測定された、初期摩擦係数及び破断時摩擦係数のいずれにおいても、比較例のプレス用金型よりも実施例のプレス用金型の方が低く、滑り性にも優れていることが分かる。

図１は、本発明の実施形態のプレス用金型に形成された被膜の構成を示す断面模式図である。図２は、本発明の実施形態で用いたイオンプレーティング装置の概念図である。図３は、ビード引抜き特性の試験金型の形状の説明図である。図４は、ビード引抜き特性の評価方法の説明図である。図５は、実施例で得られたプレス用金型に形成された被膜の顕微鏡写真である。図６は、比較例で得られたプレス用金型に形成された被膜の顕微鏡写真である。

符号の説明

１金型母材
２被膜
２ａＴｉＮ層
２ｂＴｉ（ＣｘＮｙ）層
２ｃＴｉＣ層
１０真空チャンバ
１１回転テーブル
１２ａガス導入口
１２ｂガス排気口
１３，１４チタン蒸発源
１３ａ，１４ａアーク電源
１５バイアス電源
１６陽極
３０オス側金型
３０ａオス側金型母材
３１メス側金型
３１ａメス側金型母材
４０鋼板

Claims

被加工材料をプレス加工するためのプレス用金型であって、
金型母材と、少なくともプレス加工の際に被加工材料と接触する部分の前記金型母材表面にＰＶＤ法により形成された被膜とからなり、
前記被膜が前記金型母材表面に直接形成されたＴｉＮ層、前記ＴｉＮ層表面に形成されるＴｉ（ＣｘＮｙ）層（但し、ｘ+ｙ＝１，ｘ＜１で、前記ＴｉＮ層表面から遠ざかるにつれてｘが１に近づくように徐々に増大する）、及び前記Ｔｉ（ＣｘＮｙ）層表面に形成されたＴｉＣ層からなり、
前記被膜の膜厚が、５μｍ以下であり、
前記金型母材表面の表面粗さＲａが、０．１μｍ以下であり、
前記被膜が形成された前記プレス用金型の表面硬度が、ビッカース硬度で３０００〜４０００ＨＶであることを特徴とするプレス用金型。
前記ＴｉＮ層及び前記Ｔｉ（ＣｘＮｙ）層の合計膜厚が、２〜４μｍであり、前記ＴｉＣ層の膜厚が、１μｍ以上である請求項１に記載のプレス用金型。