JP5584849B2 - 金型表面用保護膜 - Google Patents

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本発明は、金属加工用金型の表面に被覆する保護膜に関する。
冷間鍛造等に用いられる金属加工用金型の表面には、従来、TiN、(Ti,Al)N、Ti(C,N)、CrN、或いは窒化鋼などの遷移金属窒化物の窒化物からなる硬質な保護膜を形成してあった。ところが、上記の保護膜は硬質であるが、潤滑性が不十分なため、以下の問題があった。
深穴成形など鍛造加工の場合、加工数の増加に伴い被加工材である金属が金型表面に焼付き、製品の一部分に傷を付けたり寸法精度に問題が生じたりするので、被加工材のリン酸塩処理などによる潤滑性付与により焼付きを防止していた。また、金型表面に被加工金属が焼付いて凝着したり、凝着物が外れたりすることは、鍛造圧力のばらつきを増大させメンテナンス頻度を高くすることになった。
別の技術としては、温熱間加工用工具の耐焼付き性および耐摩耗性を向上させるため、金型表面にTiN、(Ti,Al)N、CrN、或いは窒化鋼などの遷移金属窒化物の保護膜を設け、さらにその上にMoS2を形成するものが存在する（特許文献１、２）。
特開２００２−２９２４４２号公報 特開２００２−３０７１２８号公報
MoS2の結晶構造、塑性変形硬さおよび蒸発源の費用を比較した結果を表１に示す。MoS2は六方晶構造であり、TiNより低い塑性変形硬さを示す。特許文献１、２のように、表面にTiN、(Ti,Al)N、CrN、或いは窒化鋼などの遷移金属窒化物の保護膜を設け、さらにその上にMoS2を形成した場合、加工初期は優れた耐焼付きを示すものの、MoS2の硬さが低い問題があった。また、通常、上記保護膜を形成する場合、気相薄膜形成法を用いるが、その際に必要なMoS2蒸発源の費用が高く、金型費用を大きく増大させる問題があった。
Figure 0005584849
金属加工金型の寿命向上のためには、上述の高い硬さ（高い塑性変形硬さ）、被加工材との焼付き性（低い摩擦係数低下と少ない凝着量）、のほかに、金型との密着性（高い剥離臨界荷重）も必要である。
本発明は上記事情を考慮しつつ、金属加工用金型を対象として開発されたもので、その目的は、金属加工金型の寿命向上のため、高い硬さ（高い塑性変形硬さ）を有しつつ金型との密着性（高い剥離臨界荷重）や被加工材との焼付き性（低い摩擦係数低下と少ない凝着量）を向上させる金型表面用保護膜を形成することである。また、気相薄膜形成法を用いて保護膜を形成する場合は、蒸発源の費用を抑えられることである。
本発明は、金属表面に形成される、（TiAl）a, Mob）N1-a-bからなる金型表面用保護膜であって、aおよびbは原子数比率を示す。1＞a＞0、1＞b＞0、1-a-b＞0である。（（TiAl）a,Mob）N1-a-bのMo含有比率；Mo/(Mo＋Ti＋Al)は40〜80at％である。
TiNや(Ti,Al)Nなどのチタン含有窒化物は、NaCl構造を有し耐摩耗性や耐熱性に優れているが、焼付け性に問題がある。一方、MoNなどのモリブデン窒化物は、チタン含有窒化物より密着性や耐焼付き性に優れるが、低い硬さを示すことから金型表面用保護膜として使用することは少ない。本発明は、(Ti,Al)Nのチタン含有窒化物とMoNなどのモリブデン窒化物を同時に生成させることにより、（（TiAl） a ,Mob）N1-a-bが得られ、TiNや(Ti,Al)Nと同等以上の硬さを有しつつ密着性および耐焼付き性を向上できるものである。
（Tia,Mob）N1-a-bの膜の含有比率と硬さ、密着性（スクラッチLc値；剥離臨界荷重）および耐焼付き性（摩擦摩耗試験結果）の関係をそれぞれ図１、図２および表２に示す。
Figure 0005584849
（（TiAl）a,Mob）N1-a-bの膜の含有比率と硬さ、密着性（スクラッチLc値；剥離臨界荷重）および耐焼付き性（摩擦摩耗試験結果）の関係をそれぞれ図３、図４および表３に示す。
Figure 0005584849
（Cra,Mob）N1-a-bの膜の含有比率と硬さ、密着性（スクラッチLc値；剥離臨界荷重）および耐焼付き性（摩擦摩耗試験結果）の関係をそれぞれ図５、図６および表４に示す。
Figure 0005584849
図１〜図６に基づいて判断すると、Mo含有比率を調整することにより保護膜の特性は変化し、（Tia,Mob）N1-a-bでは、Mo混合比率；Mo/（Mo+Ti）=50％の場合に最も優れた硬さ、密着性および耐焼付き性を示す。金型表面用保護膜は、硬さについて塑性変形硬さが30GPa以上、密着性について剥離臨界荷重が40N以上、さらに耐焼付き性について摩擦摩耗試験での凝着量（目視評価）が極わずか（○）であることのすべてを満足する必要があると本発明者は考えた。それぞれの特性の判断基準に用いた物性値は従来膜の物性値と同等以上の値であり、すべてを満足する（Tia,Mob）N1-a-bのMo含有比率；Mo/（Mo+Ti）は、20〜60％であり、（（TiAl）a,Mob）N1-a-bのMo含有比率；Mo/（Mo+Ti+Al）は、40〜80％であった。
金型の材料としては、高速度工具鋼、合金工具鋼、焼結合金等が挙げられる。
試料を大気中で加熱し、膜界面の酸化状態を観察した結果を表５に示す。大気加熱炉を用い、加熱温度は500℃、600℃および700℃とし、加熱時間は5時間とした。Mo含有量が増加するほど表面の酸化が進行する傾向があるものの、加熱温度500℃以下であれば、表面の酸化が進行しない。金型関係の適用範囲としては、鍛造用金型、プレス金型あるいは押出金型など、500℃以下で加工する金型が例示できる。
Figure 0005584849
上述した金型表面用保護膜を形成する場合は気相薄膜形成法を用いるが、その際に２つの蒸発源を用い、一方の蒸発源にはTi、Cr、又はTiAlを用い、他方の蒸発源の材料にはMoを用いる。
本発明の保護膜は金属加工用金型を被覆することにより、高い硬さを有しながら、金型との密着性が向上し、そのうえ金型と被加工材の間の潤滑性の向上により被加工金属の金型への焼付きを防止でき、被加工材の傷発生を抑制できる。従来の保護膜を被覆した場合に比べて、傷発生までの加工数を数倍に延長できることから、金型使用回数も延長でき、金型費用や金型交換に要する手間を削減できる。なお、気相薄膜形成法を用いた場合、Ti、Cr、又はTiAlの蒸発源の費用もMoS2蒸発源に比べて抑えられる。５００℃以下で加工する金型に適用すれば、保護膜表面の酸化が進行しない。
本発明の保護膜の特性評価を行うため、２つの実験を行った。第１の実験条件は次の通りである。純度99.9%のTi蒸発源を2枚、純度99.9%のMo蒸発源を1枚用いて同時スパッタするとともに、蒸発源に対向する基板を3rpmの回転速度で連続回転することで基板表面に保護膜を製作した。アルゴンと窒素の混合ガス(混合比2：1)を流し、ガス圧力0.5〜1.0Paの範囲で、Ti蒸発源には4kW、またMo蒸発源には0.5〜3kWの電力を投入することによってMo含有比率を変えた。基板には四角型テストピース(高速度工具鋼製、12.5mm×12.5mm×5mm)を用い、基板表面に厚さ約3μmの(Ti,Mo)Nの保護膜を施した。
純度99.5%のTiAl蒸発源を2枚、純度99.9%のMo蒸発源を1枚用いて同時スパッタするとともに、蒸発源に対向する基板を3rpmの回転速度で連続回転することで基板表面に保護膜を製作した。アルゴンと窒素の混合ガス(混合比2：1)を流し、ガス圧力0.5〜1.0Paの範囲で、TiAl蒸発源には3kW、またMo蒸発源には0.5〜3kWの電力を投入することによってMo含有比率を変えた。基板には四角型テストピース(高速度工具鋼製、12.5mm×12.5mm×5mm)を用い、基板表面に厚さ約3μmの(Ti,Al,Mo)Nの保護膜を施した。
上述した実施例１の保護膜を他の保護膜と比較したのが下記の表6である。比較例としては、実施例１と同一の基板を用い、スパッタ法によって厚さ3μmのTiN、(Ti,Al)N、MoNの保護膜を施したものと、アークイオンプレーティング法によって厚さ3μmのTiN、(Ti,Al)N、Ti(C,N)の保護膜を施したものを用いた。
得られた保護膜について、以下の試験を行った。微小硬さ試験機を用いて保護膜の塑性変形硬さを測定した。また、スクラッチ試験機を用いて保護膜の剥離臨界荷重を測定し、密着性を評価した。さらに、ボールオンディスク型摩擦摩耗試験機を用いて、保護膜を摩擦摩耗させ、損傷部分の摩耗量および凝着量を外観観察にて判定した。ボールオンディスク型摩擦摩耗試験の条件は、ボール：SUJ2、垂直荷重：5N、半径：6mm、速度：100mm/min、距離：50mとした。
Figure 0005584849
表６の結果より、実施例１の保護膜は、高い硬さと密着性を両立し、被加工材との耐焼付き性にも優れることが確認される。
本発明の保護膜の特性評価を行うための第２の実験条件は、次の通りである。純度99.9%のTi蒸発源を2枚、純度99.9%のMo蒸発源を1枚用いて同時スパッタするとともに、蒸発源に対向する基板を3rpmの回転速度で連続回転することにより基板表面に保護膜を製作した。アルゴンと窒素の混合ガス(混合比2：1)を流し、ガス圧力0.5〜1.0Paの範囲で、Ti蒸発源およびMo蒸発源にはDC電源を接続し、Ti蒸発源には4kW、またMo蒸発源には0.5〜3kWの電力を投入することによってMo含有比率を変えた。基板には冷間鍛造用金型(高速度工具鋼製、φ20mm×126mm)を用い、基板表面に厚さ約3μmの(Ti,Mo)Nの保護膜を施した。
上述した実施例２の保護膜を他の保護膜と比較したのが下記の表７である。比較例としては、実施例１と同一の基板を用い、スパッタ法によって厚さ3μmのTiNの保護膜を施したものと、アークイオンプレーティング法によって厚さ3μmのTiN、(Ti,Al)N、Ti(C,N)の保護膜を施したものを用いた。実施例２と比較例２の保護膜が付いた基板を炭素鋼(S15C)冷間鍛造用パンチとして用い、被加工材に傷が発生するまでの成形個数を調べた。
Figure 0005584849
表７の結果より、実施例２の保護膜は、比較材（TiN）に対し３．６倍も多い成形回数を示した。
本発明は、比較実験により上記した２つの実施例のいずれにおいても、良好な結果が得られ、金属加工金型の表面用保護膜として好適であるものと判断できる。
本発明の金型表面用保護膜は、高い硬さを有しつつ、基板との密着性や、被加工材との焼付け性が優れていることから、金属加工用金型に適用でき、それらの寿命を向上できる。
（Tia,Mob）N1-a-bの膜の含有比率と硬さの関係を示すグラフである。 （Tia,Mob）N1-a-bの膜の含有比率と密着性の関係を示すグラフである。 （（TiAl）a,Mob）N1-a-bの膜の含有比率と硬さの関係を示すグラフである。 （（TiAl）a,Mob）N1-a-bの膜の含有比率と密着性の関係を示すグラフである。 （Cra,Mob）N1-a-bの膜の含有比率と硬さの関係を示すグラフである。 （Cra,Mob）N1-a-bの膜の含有比率と密着性の関係を示すグラフである。

Claims (2)

  1. 金属表面に形成される（（TiAl）a,Mob）N1-a-bであって、aおよびbは原子比を示し、1＞a＞0、1＞b＞0、1-a-b＞0であって、Mo含有比率；Mo/(Mo＋Ti＋Al)が40〜80at％である金型表面用保護膜。
  2. 500℃以下で加工する金型に適用する、請求項１記載の金型表面用保護膜。
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