JP6855864B2 - Titanium plate press die and titanium plate press molding method - Google Patents

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Description

本発明は、チタン板用のプレス金型及びチタン板のプレス成形方法に関する。 The present invention relates to a press die for a titanium plate and a press molding method for a titanium plate.

チタンは、耐食性に優れ、特に海水に対してはほぼ腐食しない特性であることから、海水熱交換器に使用されており、中でも板材はプレート式熱交換器に多く使用されている。この種のプレート式熱交換器は、波状に成形された複数のプレートが積層されて構成されている。伝熱効率を向上させるため、プレートの表面を凹凸形状にするためのプレス成形を行う。近年、より一層の伝熱効率向上のため、板厚の薄肉化、また表面凹凸形状の複雑化等のニーズにより、前記プレス成形時の局部的なくびれあるいは割れ防止の観点から、より成形性の優れたものが要求されるようになっている。また、チタンは、他の金属に対して凝着しやすい性質を有しており、プレス成形の際にチタン板に焼付痕が発生するおそれがあることから、金型との凝着を防止する必要もある。更には、金型の摩耗を抑制して金型寿命を向上させることも望まれている。 Titanium is used in seawater heat exchangers because it has excellent corrosion resistance and is not particularly corroded by seawater. Among them, plate materials are often used in plate heat exchangers. This type of plate heat exchanger is constructed by stacking a plurality of wavy plates. In order to improve the heat transfer efficiency, press molding is performed to make the surface of the plate uneven. In recent years, in order to further improve the heat transfer efficiency, due to needs such as thinning of the plate thickness and complication of the surface uneven shape, the moldability is more excellent from the viewpoint of preventing local constriction or cracking during the press molding. Is now required. In addition, titanium has the property of easily adhering to other metals, and there is a risk of seizure marks on the titanium plate during press molding, thus preventing adhesion to the mold. There is also a need. Further, it is also desired to suppress the wear of the mold and improve the life of the mold.

チタン板のプレス割れや凝着を防ぎ、更には金型の摩耗を防ぐためには、チタン板と金型との摩擦係数を低減する必要がある。摩擦係数の低減手段として、例えば、チタン板の表面の潤滑性を高めることが考えられる。この点について例えば特許文献1(特開昭63−174749号公報)に記載された方法が知られている。この方法では、潤滑剤キャリアの鉄、亜鉛合金層を形成させ、その後燐酸亜鉛処理して潤滑剤塗布といった多数の工程が必要であり、生産性が低い。
また、ミルボンドで代表される有機系の潤滑皮膜をチタン板の表面に形成させたのち、更に潤滑油を塗布した状態でプレス成形を行う方法もある。しかし、この方法では、ミルボンド溶液を塗布・乾燥させて潤滑皮膜を形成する必要があり、多数の工程が必要になり、生産性が低い。また、ミルボンド等の有機系の潤滑皮膜では、剥離したプレスかすが、プレス加工後の押し込み欠陥となり、加工後の成形品の外観品質を損なう場合がある。
In order to prevent press cracking and adhesion of the titanium plate and further prevent wear of the mold, it is necessary to reduce the friction coefficient between the titanium plate and the mold. As a means for reducing the coefficient of friction, for example, it is conceivable to improve the lubricity of the surface of the titanium plate. Regarding this point, for example, the method described in Patent Document 1 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-174949) is known. This method requires a large number of steps such as forming an iron-zinc alloy layer of the lubricant carrier and then treating with zinc phosphate to apply the lubricant, resulting in low productivity.
Further, there is also a method in which an organic lubricating film typified by Millbond is formed on the surface of the titanium plate, and then press molding is performed in a state where the lubricating oil is further applied. However, in this method, it is necessary to apply and dry the Millbond solution to form a lubricating film, which requires a large number of steps and low productivity. Further, in an organic lubricating film such as Millbond, the peeled press debris may cause a pressing defect after press working, which may impair the appearance quality of the molded product after processing.

更に、プレート式熱交換器に適した形状にチタン板を成形する際、チタン板の変形状態として平面ひずみ状態を含む場合がある。平面ひずみ状態とは、X軸方向またはY軸方向のいずれか一方の方向のみ歪み、一方の方向に直交する他方の歪み量が0である変形状態をいう。一般に、平面歪み状態を含む成形は材料にとって厳しい状態での成形であり、プレス割れが発生しやすいものとなっている。このため、チタン板と金型との間の摩擦係数の低減がより望まれている。 Further, when forming a titanium plate into a shape suitable for a plate heat exchanger, a plane strain state may be included as a deformed state of the titanium plate. The plane strain state is a deformation state in which distortion is caused only in one of the X-axis direction and the Y-axis direction, and the amount of distortion of the other orthogonal to one direction is 0. In general, molding including a plane strain state is molding in a severe state for the material, and press cracking is likely to occur. Therefore, it is more desired to reduce the coefficient of friction between the titanium plate and the mold.

特開昭63−174749号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-174949

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、プレス割れや焼付痕が発生することがなく、摩耗が少ないチタン板のプレス用金型を提供することを課題とする。また、プレス割れや焼付痕が発生することがなく、金型の摩耗に伴う成形品の形状不良が起こりにくく、加工後の外観品質に優れ、更には生産性にも優れたチタン板のプレス成形方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a press die for a titanium plate, which does not generate press cracks or seizure marks and has less wear. In addition, press cracking and seizure marks do not occur, shape defects of the molded product due to die wear are unlikely to occur, the appearance quality after processing is excellent, and press molding of a titanium plate with excellent productivity is also possible. The challenge is to provide a method.

本発明者らは、耐摩耗性及び耐凝着性に優れ、表面の摩擦係数が低い表面を有するチタン板のプレス成形用の金型を検討した結果、通常、金型の材質として用いられる合金工具鋼鋼材を基材とし、当該基材上にCrN皮膜を形成し、さらにその上にダイヤモンドライクカーボン膜を形成し、更にはCrN皮膜とダイヤモンドライクカーボン膜の間にCr膜と中間膜を配置することで、耐摩耗性、耐凝着性および表面の低摩擦性を向上させてチタン板の成形性を高め、かつ、金型の寿命を向上させることが可能になることを知見した。
本発明の要旨は以下の通りである。
As a result of studying a die for press molding of a titanium plate having a surface having a surface having excellent wear resistance and adhesion resistance and a low surface friction coefficient, the present inventors have conducted an alloy usually used as a material for the die. A tool steel is used as a base material, a CrN film is formed on the base material, a diamond-like carbon film is formed on the base material, and a Cr film and an intermediate film are arranged between the CrN film and the diamond-like carbon film. It was found that by doing so, it is possible to improve the wear resistance, the adhesion resistance and the low friction resistance of the surface, improve the moldability of the titanium plate, and improve the life of the mold.
The gist of the present invention is as follows.

[1] チタン板のプレス成形加工に用いるプレス用金型であって、
基材と、前記基材の表面に形成された表面処理皮膜とを備え、
前記基材は、質量%で、
C:1.00〜2.30%、
Si:0.10〜0.60%、
Mn:0.20〜0.80%、
P:0.030%以下、
S:0.030%以下、
Cr:4.80〜13.00%を含有し、
残部が鉄及び不純物からなる組成を有する鋼材からなり、
前記表面処理皮膜は、前記基材上に形成されたCrN皮膜と、CrN皮膜上に形成されたCr膜と、前記Cr膜上に形成された中間膜と、前記中間膜上に形成されたダイヤモンドライクカーボン膜とからなり、
前記CrN皮膜の厚さが0.5μm〜5μm(但し5μmを除く)であり、
前記中間膜はCr及び炭素を含み、Crと炭素の合計を100質量%としたとき、前記Cr膜側の界面におけるCr濃度が80質量%以上であり、前記ダイヤモンドライクカーボン膜側の界面におけるC濃度が80質量%以上であり、前記Cr膜側から前記ダイヤモンドライクカーボン膜側に向かう膜厚方向に沿ってCr濃度が徐々に減少する膜であり、
前記ダイヤモンドライクカーボン膜において、ラマン分光法により測定された波数1380cm−1における吸収強度I1380と、波数1540cm−1における吸収強度I1540との比I1380/I1540が、膜表面から膜厚の20%深さの範囲で0.5〜0.7、前記ダイヤモンドライクカーボン膜と前記中間膜との界面から20%深さの範囲で0.3〜0.5である、チタン板のプレス用金型。
[2] 前記ダイヤモンドライクカーボン膜において、膜表面から膜厚の20%深さの範囲のビッカース硬さが3000〜3500、前記ダイヤモンドライクカーボン膜と前記中間膜との界面から20%深さの範囲のビッカース硬さが2500〜3000である、[1]に記載のチタン板のプレス用金型。
[3] 前記ダイヤモンドライクカーボン膜の厚さが0.5μm〜2μmである、[1]または[2]に記載のチタン板のプレス用金型。
[4] 前記CrN皮膜のビッカース硬さが800〜2000である、[1]乃至[3]の何れか一項に記載のチタン板のプレス用金型。
] 前記Cr膜の厚さが5nm〜100nmである、[1]乃至[]の何れか一項に記載のチタン板のプレス用金型。
] 前記中間膜の厚さが30nm〜1000nmである、[1]乃至[]の何れか一項に記載のチタン板のプレス用金型。
] 前記基材の表面に窒化層が形成され、前記窒化層上に前記CrN皮膜が形成されている、[1]乃至[]の何れか一項に記載のチタン板のプレス用金型。
] 前記窒化層の厚さが0.5μm〜5μmである、[]に記載のチタン板のプレス用金型。
] 前記窒化層の平均窒素濃度が、0.10〜0.50質量%である、[]または[]に記載のチタン板のプレス用金型。
10] 前記窒化層における窒素の濃度分布が、前記窒化層表層から深さ方向に向かって減少する濃度勾配を有する、[]乃至[]の何れか一項に記載のチタン板のプレス用金型。
11] 前記窒化層のビッカース硬さが800〜1200である、[]乃至[10]の何れか一項に記載のチタン板のプレス用金型。
12] 前記基材が、さらに、質量%で、
Mo:0.70〜1.20%、
V:0.15〜1.00%、
W:0.60〜0.80%、
を含有する、[1]乃至[11]の何れか一項に記載のチタン板のプレス用金型。
13] 前記基材がパンチ及びダイである、[1]乃至[12]の何れか一項に記載のチタン板のプレス用金型。
14] [1]〜[13]の何れか一項に記載のチタン板のプレス用金型を用いて、チタン板をプレス成形する、チタン板のプレス成形方法。
15] 前記チタン板をプレス成形する際、チタン板の変形状態として平面ひずみ状態を含む、[14]に記載のチタン板のプレス成形方法。
[1] A press die used for press molding of a titanium plate.
A base material and a surface treatment film formed on the surface of the base material are provided.
The base material is by mass%
C: 1.00 to 2.30%,
Si: 0.10 to 0.60%,
Mn: 0.25 to 0.80%,
P: 0.030% or less,
S: 0.030% or less,
Cr: Containing 4.80 to 13.00%,
The balance is made of steel with a composition of iron and impurities.
The surface treatment film includes a CrN film formed on the substrate, a Cr film formed on the CrN film, an intermediate film formed on the Cr film, and diamond formed on the intermediate film. It consists of a like carbon film,
The thickness of the CrN film is 0.5 μm to 5 μm (excluding 5 μm).
The interlayer film contains Cr and carbon, and when the total of Cr and carbon is 100% by mass, the Cr concentration at the interface on the Cr film side is 80% by mass or more, and C at the interface on the diamond-like carbon film side. The film has a concentration of 80% by mass or more, and the Cr concentration gradually decreases along the film thickness direction from the Cr film side toward the diamond-like carbon film side.
In the diamond-like carbon film, the ratio I 1380 / I 1540 of the absorption intensity I 1380 at a wave number of 1380 cm-1 and the absorption intensity I 1540 at a wave number of 1540 cm-1 measured by Raman spectroscopy is the film thickness from the film surface. For pressing titanium plates, 0.5 to 0.7 in the 20% depth range and 0.3 to 0.5 in the 20% depth range from the interface between the diamond-like carbon film and the intermediate film. Mold.
[2] In the diamond-like carbon film, the Vickers hardness in the range of 20% depth from the film surface is 3000 to 3500, and the range of 20% depth from the interface between the diamond-like carbon film and the intermediate film. The Vickers hardness of the titanium plate according to [1], which has a Vickers hardness of 2500 to 3000.
[3] The titanium plate press die according to [1] or [2], wherein the diamond-like carbon film has a thickness of 0.5 μm to 2 μm.
[4] The titanium plate press die according to any one of [1] to [3], wherein the CrN film has a Vickers hardness of 800 to 2000.
[ 5 ] The titanium plate press die according to any one of [1] to [4 ], wherein the Cr film has a thickness of 5 nm to 100 nm.
[ 6 ] The titanium plate press die according to any one of [1] to [5 ], wherein the interlayer film has a thickness of 30 nm to 1000 nm.
[ 7 ] The press die for a titanium plate according to any one of [1] to [6 ], wherein a nitride layer is formed on the surface of the base material and the CrN film is formed on the nitride layer. Type.
[ 8 ] The titanium plate press die according to [7 ], wherein the nitrided layer has a thickness of 0.5 μm to 5 μm.
[ 9 ] The titanium plate press die according to [7 ] or [ 8 ], wherein the average nitrogen concentration of the nitrided layer is 0.10 to 0.50% by mass.
[ 10 ] The press of a titanium plate according to any one of [7 ] to [ 9 ], wherein the nitrogen concentration distribution in the nitrided layer has a concentration gradient that decreases from the surface layer of the nitrided layer in the depth direction. Mold.
[ 11 ] The titanium plate press die according to any one of [7 ] to [ 10 ], wherein the Vickers hardness of the nitrided layer is 800 to 1200.
[ 12 ] The base material is further increased in mass%.
Mo: 0.70 to 1.20%,
V: 0.15-1.00%,
W: 0.60 to 0.80%,
The titanium plate press die according to any one of [1] to [ 11], which comprises.
[ 13 ] The titanium plate press die according to any one of [1] to [12 ], wherein the base material is a punch and a die.
[ 14 ] A method for press-molding a titanium plate, wherein the titanium plate is press-molded using the titanium plate press die according to any one of [1] to [13].
[15] When press-molding the titanium plate, including the plane strain state as deformation of the titanium plate, [14] the press molding method of the titanium plate according to.

本発明によれば、プレス割れや焼付痕が発生することがなく、摩耗が少ないチタン板のプレス用金型を提供できる。また、本発明によれば、プレス割れや焼付痕が発生することがなく、金型の摩耗に伴う成形品の形状不良が起こりにくく、加工後の外観品質に優れ、更には生産性にも優れたチタン板のプレス成形方法を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a press die for a titanium plate, which does not generate press cracks or seizure marks and has less wear. Further, according to the present invention, press cracks and seizure marks do not occur, shape defects of the molded product due to wear of the mold are unlikely to occur, appearance quality after processing is excellent, and productivity is also excellent. It is possible to provide a press forming method for a titanium plate.

図1は本発明の実施形態に係るプレート式熱交換器の要部を示す側面模式図。FIG. 1 is a schematic side view showing a main part of a plate heat exchanger according to an embodiment of the present invention. 図2は本発明の実施形態に係るプレート式熱交換器の要部を示す分解斜視図。FIG. 2 is an exploded perspective view showing a main part of the plate heat exchanger according to the embodiment of the present invention. 図3は、本発明の実施形態であるチタン板のプレス成形方法を説明する工程図。FIG. 3 is a process diagram illustrating a press molding method for a titanium plate according to an embodiment of the present invention. 図4は、本発明の実施形態であるチタン板のプレス成形方法を説明する図であって、成形前のチタン板を示す模式図。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of press molding a titanium plate according to an embodiment of the present invention, and is a schematic view showing a titanium plate before molding. 図5は、本発明の実施形態であるチタン板のプレス成形方法を説明する図であって、成形後のチタン板を示す模式図。FIG. 5 is a diagram illustrating a method of press-molding a titanium plate according to an embodiment of the present invention, and is a schematic view showing a titanium plate after molding. 図6は、プレス成形時のパンチのストローク量とチタン板の板厚との関係を示すグラフ。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the stroke amount of the punch during press molding and the thickness of the titanium plate. 図7は、実施例1のプレス用金型のパンチにおける成分分析結果を示すグラフ。FIG. 7 is a graph showing the results of component analysis in the punch of the press die of Example 1. 図8は、実施例1のプレス用金型のパンチにおける成分分析結果を示すグラフ。FIG. 8 is a graph showing the results of component analysis in the punch of the press die of Example 1. 図9は、実施例1のプレス用金型のパンチにおける成分分析結果を示すグラフ。FIG. 9 is a graph showing the results of component analysis in the punch of the press die of Example 1. 図10(a)は、実施例1のパンチの表層の顕微鏡写真、図10(b)及び図10(c)は実施例1のパンチの表層のラマンスペクトル。10 (a) is a photomicrograph of the surface layer of the punch of Example 1, and FIGS. 10 (b) and 10 (c) are Raman spectra of the surface layer of the punch of Example 1. 図11(a)は、比較例1のパンチの表層の顕微鏡写真、図11(b)及び図11(c)は比較例1のパンチの表層のラマンスペクトル。FIG. 11 (a) is a photomicrograph of the surface layer of the punch of Comparative Example 1, and FIGS. 11 (b) and 11 (c) are Raman spectra of the surface layer of the punch of Comparative Example 1. 図12は、実施例1及び比較例1のプレス用金型を示す断面模式図。FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a press die of Example 1 and Comparative Example 1.

以下、本発明の実施形態であるチタン板用のプレス金型及びチタン板のプレス成形方法について説明する。
なお、本実施形態は、本発明のチタン板用のプレス金型及びチタン板のプレス成形方法の趣旨をより良く理解させるために詳細に説明するものであるから、特に指定の無い限り本発明を限定するものではない。
Hereinafter, a press die for a titanium plate and a press molding method for the titanium plate according to the embodiment of the present invention will be described.
In addition, since this embodiment is described in detail in order to better understand the purpose of the press die for the titanium plate and the press molding method of the titanium plate of the present invention, the present invention will be described unless otherwise specified. It is not limited.

図1に、本実施形態に係るプレート式熱交換器の要部を示し、図2には、プレート式熱交換器の要部の分解斜視図を示す。
図1及び図2に示すように、プレート式熱交換器は、波状に成形されたプレートが板厚方向に重ね合わされて構成されている。波状のプレートが重ねられることによって、各プレートの間に流体が流通する流路が形成される。各流路に高温の流体及び低温の流体が流れることにより、プレートを介して各流体の間で熱交換が行われる。プレートは、チタン板で構成されている。
FIG. 1 shows a main part of the plate heat exchanger according to the present embodiment, and FIG. 2 shows an exploded perspective view of the main part of the plate heat exchanger.
As shown in FIGS. 1 and 2, the plate heat exchanger is configured by stacking wavy plates in the plate thickness direction. By stacking the wavy plates, a flow path through which the fluid flows is formed between the plates. By flowing a high-temperature fluid and a low-temperature fluid through each flow path, heat exchange is performed between the respective fluids via the plate. The plate is made of a titanium plate.

より具体的に、図1に示すように、プレート式熱交換器は、チタン板からなるプレート1A〜1Eが、所定の間隔をあけて重ねられて構成されている。各プレート1A〜1Eはそれぞれ、平坦な原板(チタン板)が波状に成形された波板であり、波長及び振幅が一定の波板であってもよく、波長及び振幅が異なる波板であってもよい。図1に示す例では、各プレート1A〜1E同士の間で、波長及び振幅は同一となっている。また、各プレート1A〜1Eは重ねられた状態で図示略の締結ボルトによって締結されている。更に、各プレート1A〜1Eの外周部には、流体の流出防止のための図示略のガスケットが配設されている。 More specifically, as shown in FIG. 1, the plate heat exchanger is configured by stacking plates 1A to 1E made of titanium plates at predetermined intervals. Each of the plates 1A to 1E is a corrugated plate in which a flat original plate (titanium plate) is formed in a wavy shape, and may be a corrugated plate having a constant wavelength and amplitude, or corrugated plates having different wavelengths and amplitudes. May be good. In the example shown in FIG. 1, the wavelength and amplitude are the same between the plates 1A to 1E. Further, the plates 1A to 1E are fastened with fastening bolts (not shown) in a stacked state. Further, a gasket (not shown) for preventing the outflow of fluid is provided on the outer peripheral portion of each of the plates 1A to 1E.

以上の構成により、プレート1Aと1Bとの間に流路2Aが形成され、プレート1Bと1Cとの間に流路2Bが形成され、プレート1Cと1Dとの間に流路2Cが形成され、プレート1Dと1Eとの間には流路2Dが形成される。各流路2A〜2Dにおける流体の流れ方向は、図1に示すように隣接する流路同士の間で相互に逆方向になっている。そして、例えば、流路2A及び2Cに低温の流体(例えば海水)が流通され、流路2B及び2Dには高温の流体(例えば熱水若しくは水蒸気)が流通されることにより、各プレート1A〜1Eを介して高温の流体と低温の流体との間で熱交換がなされる。 With the above configuration, the flow path 2A is formed between the plates 1A and 1B, the flow path 2B is formed between the plates 1B and 1C, and the flow path 2C is formed between the plates 1C and 1D. A flow path 2D is formed between the plates 1D and 1E. As shown in FIG. 1, the flow directions of the fluids in the respective flow paths 2A to 2D are opposite to each other between the adjacent flow paths. Then, for example, a low-temperature fluid (for example, seawater) is circulated in the flow paths 2A and 2C, and a high-temperature fluid (for example, hot water or steam) is circulated in the flow paths 2B and 2D, so that the plates 1A to 1E are respectively. Heat exchange is performed between the hot fluid and the cold fluid via.

各プレート1A〜1Eは、チタン板をプレス成形することによって製造される。本実施形態におけるチタン板は特に制限はなく、純チタン板またはチタン合金板のいずれでもよい。例えば、以下の純チタン板またはチタン合金板を用いることができる。ただし、以下に挙げるチタン板はあくまで例示であり、下記に列挙する以外の純チタン板またはチタン合金板を用いてもよい。 Each plate 1A to 1E is manufactured by press-molding a titanium plate. The titanium plate in this embodiment is not particularly limited, and may be either a pure titanium plate or a titanium alloy plate. For example, the following pure titanium plate or titanium alloy plate can be used. However, the titanium plates listed below are merely examples, and pure titanium plates or titanium alloy plates other than those listed below may be used.

純チタン板として例えば、工業用純チタン板を用いることができる。工業用純チタンは、JIS規格の1種〜4種、およびそれに対応するASTM規格のGrade1〜4、DIN規格の3・7025、3・7035、3・7055で規定される工業用純チタンを含むものとする。すなわち、本発明で対象とする工業用純チタンは、質量%で、C:0.1%以下、H:0.015%以下、O:0.4%以下、N:0.07%以下、Fe:0.5%以下、残部Tiからなる。 As the pure titanium plate, for example, an industrial pure titanium plate can be used. Pure industrial titanium includes 1 to 4 types of JIS standard, and corresponding Grades 1 to 4 of ASTM standard, and pure titanium for industrial use specified by DIN standard 3.7025, 3.7035, 3.7055. It shall be. That is, the industrial pure titanium targeted in the present invention has a mass% of C: 0.1% or less, H: 0.015% or less, O: 0.4% or less, N: 0.07% or less, Fe: 0.5% or less, consisting of the balance Ti.

チタン合金板としては、α型チタン合金、α+β型チタン合金、β型チタン合金を用いることができる。
α型チタン合金としては、例えば高耐食性合金(ASTM Grade 7、11、16、26、13、30、33あるいはこれらに対応するJIS種や更に種々の元素を少量含有させたチタン材)、Ti−0.5Cu、Ti−1.0Cu、Ti−1.0Cu−0.5Nb、Ti−1.0Cu−1.0Sn−0.3Si−0.25Nb、Ti−0.5Al−0.45Si、Ti−0.9Al−0.35Si、Ti−3Al−2.5V、Ti−5Al−2.5Sn、Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Mo、Ti−6Al−2.75Sn−4Zr−0.4Mo−0.45Siなどがある。
As the titanium alloy plate, an α-type titanium alloy, an α + β-type titanium alloy, and a β-type titanium alloy can be used.
Examples of the α-type titanium alloy include highly corrosion-resistant alloys (ASTM Grade 7, 11, 16, 26, 13, 30, 33, or titanium materials containing a small amount of JIS species corresponding to these and various elements), Ti-. 0.5Cu, Ti-1.0Cu, Ti-1.0Cu-0.5Nb, Ti-1.0Cu-1.0Sn-0.3Si-0.25Nb, Ti-0.5Al-0.45Si, Ti- 0.9Al-0.35Si, Ti-3Al-2.5V, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0. There are 45Si and the like.

α+β型チタン合金としては、例えば、Ti−6Al−4V、Ti−6Al−6V−2Sn、Ti−6Al−7V、Ti−3Al−5V、Ti−5Al−2Sn−2Zr−4Mo−4Cr、Ti−6Al−2Sn−4Zr−6Mo、Ti−1Fe−0.35O、Ti−1.5Fe−0.5O、Ti−5Al−1Fe、Ti−5Al−1Fe−0.3Si、Ti−5Al−2Fe、Ti−5Al−2Fe−0.3Si、Ti−5Al−2Fe−3Mo、Ti−4.5Al−2Fe−2V−3Moなどがある。 Examples of the α + β type titanium alloy include Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-7V, Ti-3Al-5V, Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr, Ti-6Al. -2Sn-4Zr-6Mo, Ti-1Fe-0.35O, Ti-1.5Fe-0.5O, Ti-5Al-1Fe, Ti-5Al-1Fe-0.3Si, Ti-5Al-2Fe, Ti-5Al There are -2Fe-0.3Si, Ti-5Al-2Fe-3Mo, Ti-4.5Al-2Fe-2V-3Mo and the like.

さらに、β型チタン合金としては、例えば、Ti−11.5Mo−6Zr−4.5Sn,Ti−8V−3Al−6Cr−4Mo−4Zr,Ti−10V−2Fe−3Mo,Ti−13V−11Cr−3Al,Ti−15V−3Al−3Cr−3Sn,Ti−6.8Mo−4.5Fe−1.5Al、Ti−20V−4Al−1Sn、Ti−22V−4Alなどがある。 Further, examples of the β-type titanium alloy include, for example, Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn, Ti-8V-3Al-6Cr-4Mo-4Zr, Ti-10V-2Fe-3Mo, Ti-13V-11Cr-3Al. , Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn, Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al, Ti-20V-4Al-1Sn, Ti-22V-4Al and the like.

次に、本実施形態のチタン板の成形方法の一例を説明する。以下に示す例は、図1及び図2に示すプレート式熱交換器のプレート1A〜1Eを製造する例について説明するが、本発明はこれに限られるものではなく、チタン板のプレス成形方法に広く適用可能である。 Next, an example of the method for molding the titanium plate of the present embodiment will be described. The following examples describe examples of manufacturing the plates 1A to 1E of the plate heat exchangers shown in FIGS. 1 and 2, but the present invention is not limited to this, and the present invention is not limited to this. Widely applicable.

図3(a)に成形前のチタン板及びプレス用金型を示し、図3(b)には成形後のチタン板及びプレス用金型を示す。まず、図3(a)に示すように、チタン板11a及びプレス用金型21を用意する。プレス用金型21は、パンチ22と、ダイ23とからなる。パンチ22は、パンチプレート22aと、パンチプレート22aの下面に等間隔に取り付けられた複数の突起部22bとからなる。また、ダイ23は、ダイプレート23aと、ダイプレート23aの上面に等間隔に取り付けられた複数の突起部23bとからなる。そして、パンチ22が下死点に下降したときに、パンチ22の突起部22b同士の間にダイ23の突起部23bの先端が侵入し、ダイ23の突起部23b同士の間にパンチ22の突起部22bの先端が侵入するように、各突起部22b、23bが位置決めされている。突起部22b、23bは、本発明における基材であり、所定の成分の鋼材で構成され、また、突起部22b、23b(基材)の表面には表面処理皮膜が形成されている。表面処理膜は、CrN皮膜、Cr膜、中間膜及びダイヤモンドライクカーボン膜の積層膜からなる。基材及び表面処理皮膜については後述するが、突起部22b、23b(基材)に表面処理皮膜が形成されることにより、チタン板11aに対する摩擦係数が小さくなってプレス成形時のチタン板11aの潤滑性が向上する。 FIG. 3A shows a titanium plate and a press die before molding, and FIG. 3B shows a titanium plate and a press die after molding. First, as shown in FIG. 3A, a titanium plate 11a and a press die 21 are prepared. The press die 21 includes a punch 22 and a die 23. The punch 22 includes a punch plate 22a and a plurality of protrusions 22b attached to the lower surface of the punch plate 22a at equal intervals. Further, the die 23 includes a die plate 23a and a plurality of protrusions 23b attached to the upper surface of the die plate 23a at equal intervals. Then, when the punch 22 descends to the bottom dead center, the tip of the protrusion 23b of the die 23 penetrates between the protrusions 22b of the punch 22, and the protrusion of the punch 22 between the protrusions 23b of the die 23. The protrusions 22b and 23b are positioned so that the tip of the portion 22b penetrates. The protrusions 22b and 23b are the base materials in the present invention and are made of a steel material having a predetermined component, and a surface treatment film is formed on the surfaces of the protrusions 22b and 23b (base material). The surface treatment film is composed of a CrN film, a Cr film, an intermediate film, and a laminated film of a diamond-like carbon film. The base material and the surface-treated film will be described later, but by forming the surface-treated film on the protrusions 22b and 23b (base material), the friction coefficient with respect to the titanium plate 11a becomes small, and the titanium plate 11a during press molding Lubricity is improved.

図3(a)に示すように、パンチ22とダイ23の間に成形前のチタン板11aが配置される。チタン板11aは、板長さ方向(図中左右方向)の両端が図示しないしわ押さえによって拘束されている。また、チタン板11aは、板幅方向に拘束されてよく、拘束されなくてもよい。 As shown in FIG. 3A, the titanium plate 11a before molding is arranged between the punch 22 and the die 23. Both ends of the titanium plate 11a in the plate length direction (left-right direction in the drawing) are restrained by wrinkle presses (not shown). Further, the titanium plate 11a may or may not be constrained in the plate width direction.

次に、図3(b)に示すように、パンチ22をダイ23に向けて下降させ、ダイ23の突起部23b同士の間にパンチ22の突起部22bの先端を侵入させる。チタン板11aは、図中左右方向両端が拘束された状態でダイ23の突起部23aの上に位置しているところ、パンチ22の下降に伴いチタン板11aに各突起部22b、23bが当接し、更にチタン板11aに対して各突起部22b、23bが押し込まれることによってチタン板11aの複数箇所において曲げ変形がなされ、最終的に波状に成形されたチタン板11bが得られる。 Next, as shown in FIG. 3B, the punch 22 is lowered toward the die 23, and the tip of the protrusion 22b of the punch 22 is inserted between the protrusions 23b of the die 23. The titanium plate 11a is located on the protrusions 23a of the die 23 with both ends in the left-right direction constrained in the drawing, and the protrusions 22b and 23b come into contact with the titanium plate 11a as the punch 22 descends. Further, by pushing the protrusions 22b and 23b into the titanium plate 11a, bending deformation is performed at a plurality of positions of the titanium plate 11a, and finally a wavy titanium plate 11b is obtained.

なお、成形時には、通常のチタン板のプレス成形加工に用いられるエマルジョン系またはソリュブル油系の潤滑剤を用いることが好ましい。潤滑剤を用いることで、チタン板11aとプレス用金型21との間の摩擦が更に低減するので好ましい。潤滑性能及び製品に付着した潤滑剤の除去のし易さの観点から、水溶性切削油剤であるソリュブル油系潤滑剤が最も適している。 At the time of molding, it is preferable to use an emulsion-based or soluble oil-based lubricant used for ordinary press molding of titanium plates. It is preferable to use a lubricant because the friction between the titanium plate 11a and the press die 21 is further reduced. From the viewpoint of lubrication performance and ease of removing the lubricant adhering to the product, a soluble oil-based lubricant, which is a water-soluble cutting fluid, is most suitable.

図4に成形前のチタン板11aを示し、図5には成形後のチタン板11bを示す。図4及び図5では、チタン板11a、11bを平面図と側面図で示している。図4及び図5に示すように、成形後のチタン板11bの板幅w2は、成形前の板幅w1からほぼ変化していない。一方、チタン板11aは板長さ方向の両端が拘束を受けたまま複数箇所において曲げ変形を受けたため、成形後のチタン板11bの長手方向の表面に沿う長さL2は、成形前のチタン板11aの長手方向の表面に沿う長さL1に対して、波状に変形した分だけ長く伸ばされている。また、両端が拘束されたまま伸ばされたことで、板厚も部分的に減少している。すなわち成形後のチタン板11bは、波状に成形された際に、板長さ方向に沿って変形を受けて歪むが、板長さ方向に直交する板幅方向には変形を受けず歪み量が0となっており、所謂平面歪み状態になっている。 FIG. 4 shows the titanium plate 11a before molding, and FIG. 5 shows the titanium plate 11b after molding. In FIGS. 4 and 5, the titanium plates 11a and 11b are shown in a plan view and a side view. As shown in FIGS. 4 and 5, the plate width w2 of the titanium plate 11b after molding is substantially unchanged from the plate width w1 before molding. On the other hand, since the titanium plate 11a is bent and deformed at a plurality of locations while both ends in the plate length direction are restrained, the length L2 along the surface of the titanium plate 11b in the longitudinal direction after molding is the titanium plate before molding. With respect to the length L1 along the surface in the longitudinal direction of 11a, the length is extended by the amount of wavy deformation. In addition, the plate thickness is partially reduced because both ends are stretched while being restrained. That is, when the titanium plate 11b after molding is formed into a wavy shape, it is deformed and distorted along the plate length direction, but is not deformed in the plate width direction orthogonal to the plate length direction and the amount of distortion is large. It is 0, which is a so-called plane distortion state.

次に、本実施系形態に係るプレス用金型21に適用される基材及び表面処理皮膜について説明する。基材は、質量%で、C:1.00〜2.30%、Si:0.10〜0.60%、Mn:0.20〜0.80%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:4.80〜13.00%、を含有し、残部が鉄及び不純物から成る鋼組成を有する鋼材からなる。この基材からなる突起部22b、23bの表面に表面処理皮膜が備えられている。表面処理皮膜は、基材表面に形成されたCrN皮膜と、CrN皮膜上に形成されたCr膜と、Cr膜上に形成された中間膜と、中間膜上に形成されたダイヤモンドライクカーボン膜とがこの順に積層されている。基材表面に窒化膜を形成し、その上に表面処理皮膜を形成してもよい。ダイヤモンドライクカーボン膜においては、ラマン分光法により測定された波数1380cm−1における吸収強度I1380と、波数1540cm−1における吸収強度I1540との比I1380/I1540が、膜表面から膜厚の20%深さの範囲で0.5〜0.7となり、ダイヤモンドライクカーボン膜と中間膜との界面から20%深さの範囲では比I1380/I1540が0.3〜0.5となっている。 Next, the base material and the surface treatment film applied to the press die 21 according to the present embodiment will be described. The base material is mass%, C: 1.00 to 2.30%, Si: 0.10 to 0.60%, Mn: 0.25 to 0.80%, P: 0.030% or less, S. It is made of a steel material containing 0.030% or less, Cr: 4.80 to 13.00%, and having a steel composition in which the balance is composed of iron and impurities. A surface treatment film is provided on the surfaces of the protrusions 22b and 23b made of this base material. The surface treatment film includes a CrN film formed on the surface of the base material, a Cr film formed on the CrN film, an intermediate film formed on the Cr film, and a diamond-like carbon film formed on the intermediate film. Are stacked in this order. A nitride film may be formed on the surface of the base material, and a surface treatment film may be formed on the nitride film. In the diamond-like carbon film, the ratio I 1380 / I 1540 of the absorption intensity I 1380 at a wave number of 1380 cm-1 and the absorption intensity I 1540 at a wave number of 1540 cm-1 measured by Raman spectroscopy is the film thickness from the film surface. In the range of 20% depth, it becomes 0.5 to 0.7, and in the range of 20% depth from the interface between the diamond-like carbon film and the intermediate film, the ratio I 1380 / I 1540 becomes 0.3 to 0.5. ing.

[基材の組成]
まず、本実施形態の基材の成分組成に関し、各元素の限定理由について詳述する。なお、以下の説明においては、特に指定の無い限り、「%」は質量%を表すものとする。また、以下に示す基本成分及び選択元素の残部は、鉄及び不可避的不純物からなる。
[Structure of base material]
First, regarding the component composition of the base material of the present embodiment, the reasons for limiting each element will be described in detail. In the following description, unless otherwise specified, "%" represents mass%. In addition, the balance of the basic components and selected elements shown below consists of iron and unavoidable impurities.

(C:炭素) 1.00〜2.30%
Cは、炭化物の形成および基材の硬さの確保に必要な元素である。また、Cr、Mo、V等と結合して硬い炭化物を形成するので、焼入れ焼き戻し硬さを高め、耐摩耗性を構成させる元素として重要である。そのため、本実施形態ではCを1.00%以上含有させる。硬さの確保の観点から、1.4%以上含有させることが好ましい。
一方、C含有量が2.30%を超えると、靱性を著しく劣化させる。そこで、本実施形態では、C含有量は2.30%以下と限定する。なお、靭性確保の観点から、C含有量の上限は、2.20%であることが好ましく、2.00%以下であることがさらに好ましい。
(C: carbon) 1.00 to 2.30%
C is an element necessary for forming carbides and ensuring the hardness of the base material. Further, since it forms a hard carbide by combining with Cr, Mo, V and the like, it is important as an element that enhances quenching and tempering hardness and constitutes wear resistance. Therefore, in this embodiment, C is contained in an amount of 1.00% or more. From the viewpoint of ensuring hardness, it is preferable to contain 1.4% or more.
On the other hand, when the C content exceeds 2.30%, the toughness is significantly deteriorated. Therefore, in the present embodiment, the C content is limited to 2.30% or less. From the viewpoint of ensuring toughness, the upper limit of the C content is preferably 2.20%, more preferably 2.00% or less.

(Si:ケイ素) 0.10〜0.60%
Siは、脱酸剤として含有される。また、Siは、高温焼戻し中の軟化抵抗性を高める作用があるため含有される。これらの観点から、Siは0.10%以上含有させる。一方、Si含有量が0.60%を超えると、熱間加工性や靱性を低下させるほか、非金属介在物が増加するおそれがある。そのため、Si含有量は0.60%以下とする。なお、基材の靭性確保の観点から、Si含有量の上限は0.50%であることが好ましい。
(Si: Silicon) 0.10 to 0.60%
Si is contained as an antacid. Further, Si is contained because it has an effect of increasing softening resistance during high-temperature tempering. From these viewpoints, Si is contained in an amount of 0.10% or more. On the other hand, if the Si content exceeds 0.60%, the hot workability and toughness may be lowered, and non-metal inclusions may be increased. Therefore, the Si content is set to 0.60% or less. From the viewpoint of ensuring the toughness of the base material, the upper limit of the Si content is preferably 0.50%.

(Mn:マンガン) 0.20〜0.80%
Mnは、Siと同様に脱酸効果のある元素であり、焼入れ性を向上させると同時に、残留オーステナイトを増加させる元素である。この観点から、Mnは0.20%以上含有させる。なお、基材の硬度確保の観点から、0.30以上含有させることが好ましい。なお、靭性とのバランスを考慮し、本実施形態ではMn量の上限を0.8%とする。好ましくは、0.6%以下である。
(Mn: manganese) 0.25 to 0.80%
Mn is an element having a deoxidizing effect like Si, and is an element that improves hardenability and at the same time increases retained austenite. From this point of view, Mn is contained in an amount of 0.20% or more. From the viewpoint of ensuring the hardness of the base material, it is preferable to contain 0.30 or more. In consideration of the balance with toughness, the upper limit of the amount of Mn is set to 0.8% in this embodiment. Preferably, it is 0.6% or less.

(P:リン) 0.030%以下
(S:硫黄) 0.030%以下
P,Sともに、鋼中に存在しない方が好ましい不純物元素である。このことから、P,Sともに、その含有量を0.030%以下に制限する。なお好ましくは、0.020%以下に制限する。
(P: Phosphorus) 0.030% or less (S: Sulfur) 0.030% or less Both P and S are impurity elements that are preferably not present in steel. Therefore, the content of both P and S is limited to 0.030% or less. More preferably, it is limited to 0.020% or less.

(Cr:クロム) 4.80〜13.00%
CrはCと結合して、結合して炭化物を形成することにより、基材の耐摩耗性を向上させる需要な元素である。また、本実施形態ではプレス用金型21の基材上にCrN皮膜(硬質皮膜)を形成することから、当該CrN皮膜との密着性を確保する上でも非常に重要である。これらの観点から、Cr量は4.80%以上とし、好ましくは8.00%以上、さらに好ましくは11.00%以上とする。
一方、Crを過剰に添加すると、粗大な炭化物の生成によって靭性が劣化するおそれがあるので、Cr量の上限を13.00%とする。なお、好ましくは12.50%以下である。
(Cr: Chromium) 4.80 to 13.00%
Cr is a demanding element that improves the wear resistance of the base material by binding with C and forming carbides. Further, in the present embodiment, since the CrN film (hard film) is formed on the base material of the press die 21, it is very important for ensuring the adhesion with the CrN film. From these viewpoints, the amount of Cr is 4.80% or more, preferably 8.00% or more, and more preferably 11.00% or more.
On the other hand, if Cr is added excessively, the toughness may deteriorate due to the formation of coarse carbides, so the upper limit of the amount of Cr is set to 13.000%. It is preferably 12.50% or less.

なお、本実施形態では、上記成分組成にさらに、Mo:0.70〜1.20%及びV:0.15〜1.00%、を含有させてもよい。 In the present embodiment, Mo: 0.70 to 1.20% and V: 0.15 to 1.00% may be further contained in the above component composition.

(Mo:モリブデン) 0.70〜1.20%
Moは、焼戻し軟化抵抗性を向上させるとともに、炭化物の形成により基材に耐摩耗性を付与する効果も有する。これらの観点から、Moは0.70%以上含有させることが好ましく、より好ましくは0.80%以上である。
一方、Moを過剰に添加すると基材の靱性を劣化させるおそれがある。このことから、Moは1.20%以下含有させることが好ましく、より好ましくは1.10%以下である。
(Mo: molybdenum) 0.70 to 1.20%
Mo has the effect of improving the temper softening resistance and imparting wear resistance to the base material by forming carbides. From these viewpoints, Mo is preferably contained in an amount of 0.70% or more, more preferably 0.80% or more.
On the other hand, if Mo is added excessively, the toughness of the base material may be deteriorated. From this, it is preferable that Mo is contained in an amount of 1.20% or less, and more preferably 1.10% or less.

(V:バナジウム) 0.15〜1.00%
Vは、基材の焼入れ性向上、焼戻し軟化抑制さらには炭化物の微細化に有効である。そのため、Vは0.15%以上含有させることが好ましく、より好ましくは0.20%以上である。
一方、Vを過剰に添加すると、冷間加工性を阻害するおそれがあるため、Vは1.00%以下含有させることが好ましく、より好ましくは0.50%以下である。
(V: vanadium) 0.15-1.00%
V is effective for improving the hardenability of the base material, suppressing tempering and softening, and further refining the carbide. Therefore, V is preferably contained in an amount of 0.15% or more, more preferably 0.20% or more.
On the other hand, if V is added in excess, cold workability may be impaired. Therefore, V is preferably contained in an amount of 1.00% or less, more preferably 0.50% or less.

また、本実施形態では、上記成分組成にさらに、W:0.60〜0.80%を含有させてもよい。 Further, in the present embodiment, W: 0.60 to 0.80% may be further contained in the above component composition.

(W:タングステン) 0.60〜0.80%
Wは、Vと同様に、基材の焼入れ性向上、焼戻し軟化抑制さらには炭化物の微細化に有効である。そのため、Wは0.6%以上含有させることが好ましい。一方、Wを過剰に添加すると、冷間加工性を阻害するおそれがあるため、Wは0.80%以下含有させることが好ましい。
(W: Tungsten) 0.60 to 0.80%
Like V, W is effective in improving the hardenability of the base material, suppressing tempering and softening, and further miniaturizing carbides. Therefore, it is preferable that W is contained in an amount of 0.6% or more. On the other hand, if W is added in excess, cold workability may be impaired. Therefore, it is preferable that W is contained in an amount of 0.80% or less.

本実施形態においては、上記した元素以外の残部は実質的にFeからなり、不純物をはじめ、本発明の作用効果を害さない元素を微量に添加することができる。 In the present embodiment, the balance other than the above-mentioned elements is substantially composed of Fe, and a small amount of elements such as impurities that do not impair the action and effect of the present invention can be added.

なお、本実施形態のプレス用金型においては、基材の材質として上記成分組成を有するものを用いるが、その中でも、より安価でかつ耐摩耗性と耐凝着性をバランスよく確保する観点から、JIS G 4404にて規定されている、SKD1,SKD2,SKD10,SKD11もしくはSKD12(いずれも上記成分組成範囲内)を用いることが好ましく、これらの中でも特に、SKD11を用いることがより好ましい。 In the press die of the present embodiment, a material having the above-mentioned component composition is used as the material of the base material, but among them, from the viewpoint of being cheaper and ensuring a good balance between wear resistance and adhesion resistance. , JIS G 4404, SKD1, SKD2, SKD10, SKD11 or SKD12 (all within the above component composition range) are preferably used, and among these, SKD11 is more preferable.

[CrN皮膜]
上記成分組成を有するような基材の硬度は、ビッカース硬さで約500〜600程度である。つまり、上記基材上に皮膜等を形成せず、基材ままの状態でチタン板をプレス成形した場合、基材自体の硬度は確保できていることから耐摩耗性に関しては比較的良好な結果が得られるが、耐凝着性に関しては、チタン板の材料が基材に焼付いてしまう場合があり、プレス用金型に多数の疵が生じてしまうおそれがある。
[CrN film]
The hardness of the base material having the above-mentioned component composition is about 500 to 600 in Vickers hardness. That is, when the titanium plate is press-molded with the base material as it is without forming a film or the like on the base material, the hardness of the base material itself can be secured, so that the wear resistance is relatively good. However, with regard to adhesion resistance, the material of the titanium plate may be seized on the base material, which may cause a large number of defects in the press die.

そのため、本実施形態では、基材表面にCrN皮膜を形成することが重要であることを見出した。基材表面上にCrN皮膜を形成することにより、プレス用金型21とチタン板11aとの密着性を確保でき、耐凝着性を向上させることができる。 Therefore, in the present embodiment, it has been found that it is important to form a CrN film on the surface of the base material. By forming the CrN film on the surface of the base material, the adhesion between the press die 21 and the titanium plate 11a can be ensured, and the adhesion resistance can be improved.

CrN皮膜の厚さは特に限定しないが、0.5μm〜5μmとすることができる。CrN皮膜を薄くしすぎると、皮膜形成時にムラが生じ、耐凝着性が不十分となるおそれがある。また、CrN皮膜を過度に厚くすると、硬度は向上する一方で、皮膜にき裂(クラック)が生じやすくなり、脆くなるおそれがあるほか、経済的観点から製造コストが高くなり好ましくない。これらのことから、CrN皮膜の厚さは0.5μm〜5μmとすることが好ましい。 The thickness of the CrN film is not particularly limited, but can be 0.5 μm to 5 μm. If the CrN film is made too thin, unevenness may occur during film formation, resulting in insufficient adhesion resistance. Further, if the CrN film is made excessively thick, the hardness is improved, but cracks are likely to occur in the film, which may make the film brittle, and the manufacturing cost is high from an economical point of view, which is not preferable. From these facts, the thickness of the CrN film is preferably 0.5 μm to 5 μm.

CrN皮膜の成膜方法に関しては特に限定しないが、基材との密着性を確保でき、更に成膜した皮膜の硬度を向上させうることから、PVD法(物理蒸着法)を用いることが好ましい。他の蒸着法(例えばCVD法)によっても本実施形態に係るCrN皮膜は形成できるが、硬度が不十分であったり、CrN皮膜の膜厚が過度に厚くなったりするおそれがあるため、CrN皮膜の成膜法としてはPVD法を用いることが好ましい。 The method for forming the CrN film is not particularly limited, but it is preferable to use the PVD method (physical vapor deposition method) because the adhesion to the substrate can be ensured and the hardness of the formed film can be improved. Although the CrN film according to the present embodiment can be formed by another vapor deposition method (for example, a CVD method), the CrN film may have insufficient hardness or the CrN film may be excessively thick. It is preferable to use the PVD method as the film forming method.

また、CrN皮膜のビッカース硬さは800〜2000の範囲内とすることが好ましい。CrN皮膜の硬度は、プレス用金型21の耐摩耗性を向上させる観点から、高硬度とすることが好ましい。したがって、本実施形態では、CrN皮膜のビッカース硬さを800以上とすることが好ましく、1500以上とすることがより好ましい。一方、CrN皮膜の硬度の過度な上昇は、クラックの発生を招くおそれがあることから、CrN皮膜のビッカース硬さは2000以下とすることが好ましい。 The Vickers hardness of the CrN film is preferably in the range of 800 to 2000. The hardness of the CrN film is preferably high from the viewpoint of improving the wear resistance of the press die 21. Therefore, in the present embodiment, the Vickers hardness of the CrN film is preferably 800 or more, and more preferably 1500 or more. On the other hand, since an excessive increase in the hardness of the CrN film may cause cracks, the Vickers hardness of the CrN film is preferably 2000 or less.

なお、CrN皮膜は単層構造でもよく、2層以上積層する複層構造でもよい。しかし、上述したように、CrN皮膜の膜厚が厚くなりすぎるとクラックが生じるおそれがあるほか、複層構造とすることで、生産性の低下、製造コストの上昇を招くことから、CrN皮膜は単層構造とすることが好ましい。 The CrN film may have a single-layer structure or a multi-layer structure in which two or more layers are laminated. However, as described above, if the film thickness of the CrN film becomes too thick, cracks may occur, and the multi-layer structure causes a decrease in productivity and an increase in manufacturing cost. Therefore, the CrN film is used. It is preferable to have a single layer structure.

[Cr膜及び中間膜]
本実施形態では、CrN膜とダイヤモンドライクカーボン膜との間に、Cr膜及び中間膜を配置することが好ましい。ダイヤモンドライクカーボン膜はCrN膜に対して比較的高い密着性を有するものの、本実施形態のプレス用金型を用いてチタン板を繰り返しプレス成形すると、ダイヤモンドライクカーボン膜に繰り返し衝撃が加わり、これにより、ダイヤモンドライクカーボン膜がCrN膜から剥離するおそれがある。そこで、CrN膜上にCr膜を形成し、Cr膜上に中間膜を形成し、更にその上にダイヤモンドライクカーボン膜を形成することにより、繰り返し衝撃を受けた場合でもダイヤモンドライクカーボン膜の剥離を抑制する。また、中間膜を設けることで、CrからC単体への傾斜構造を持たせることができ、耐久性を高めることができる。
[Cr film and interlayer film]
In the present embodiment, it is preferable to arrange the Cr film and the intermediate film between the CrN film and the diamond-like carbon film. Although the diamond-like carbon film has relatively high adhesion to the CrN film, when the titanium plate is repeatedly press-molded using the press die of the present embodiment, the diamond-like carbon film is repeatedly impacted, which causes the diamond-like carbon film to be repeatedly impacted. , The diamond-like carbon film may peel off from the CrN film. Therefore, by forming a Cr film on the CrN film, forming an intermediate film on the Cr film, and further forming a diamond-like carbon film on the Cr film, the diamond-like carbon film can be peeled off even when repeatedly impacted. Suppress. Further, by providing the interlayer film, it is possible to have an inclined structure from Cr to C alone, and the durability can be improved.

Cr膜は、厚みが5nm〜100nmの範囲が好ましく、10nm〜100nmの範囲がより好ましく、10nm〜70nmの範囲が更に好ましく、10nm〜40nmの範囲が特に好ましい。Cr膜の厚みが薄すぎると、ダイヤモンドライクカーボン膜の剥離を抑制できなくなる。また、Cr膜の厚みが厚すぎると、DLC膜が剥離した際に焼き付きが起きてしまうので好ましくない。CrN膜とCr膜の界面は、厚さ方向のCr濃度分布を測定することで容易に判別できる。CrN膜におけるCr濃度は81質量%程度であり、Cr膜におけるCr濃度は100%であるので、厚さ方向のCr濃度を分析してCr濃度が急激に変化する位置を界面とすればよい。Cr濃度が相互に近いことから、Cr膜はCrN膜に対して高い密着性を示すものとなる。Crの分析手法としては、電子線が透過できる程度の厚みの薄膜試料を作成し、走査透過電子顕微鏡観察(STEM:SCANNING TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY)及び特性X線分析により分析を行う。 The thickness of the Cr film is preferably in the range of 5 nm to 100 nm, more preferably in the range of 10 nm to 100 nm, further preferably in the range of 10 nm to 70 nm, and particularly preferably in the range of 10 nm to 40 nm. If the thickness of the Cr film is too thin, it becomes impossible to suppress the peeling of the diamond-like carbon film. Further, if the thickness of the Cr film is too thick, seizure will occur when the DLC film is peeled off, which is not preferable. The interface between the CrN film and the Cr film can be easily identified by measuring the Cr concentration distribution in the thickness direction. Since the Cr concentration in the CrN film is about 81% by mass and the Cr concentration in the Cr film is 100%, the Cr concentration in the thickness direction may be analyzed and the position where the Cr concentration suddenly changes may be set as the interface. Since the Cr concentrations are close to each other, the Cr film exhibits high adhesion to the CrN film. As a Cr analysis method, a thin film sample having a thickness capable of transmitting electron beams is prepared, and analysis is performed by scanning transmission electron microscope observation (STEM: SCANNING TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY) and characteristic X-ray analysis.

中間膜は、Cr及び炭素を含み、Crと炭素の合計を100%としたとき、Cr膜側からダイヤモンドライクカーボン膜側に向かう膜厚方向に沿ってCr濃度が徐々に減少する膜である。この中間膜は、例えば、Cr膜との界面におけるCr量が80〜100質量%であり、ダイヤモンドライクカーボン膜との界面におけるCr量が0〜20質量%未満となっている。言い換えると、この中間膜は、Cr皮膜との界面におけるC量が0〜20質量%未満であり、ダイヤモンドライクカーボン膜との界面におけるC量が80〜100質量%となっている。中間膜中においてCr濃度及びC濃度は厚み方向に沿って徐々に変化している。Cr濃度及びC濃度の厚み方向の変化率は、各濃度が直線状に連続して変化してもよく、曲線状に連続して変化してもよく、階段状に不連続的に変化してもよい。 The intermediate film contains Cr and carbon, and when the total of Cr and carbon is 100%, the Cr concentration gradually decreases along the film thickness direction from the Cr film side to the diamond-like carbon film side. In this intermediate film, for example, the amount of Cr at the interface with the Cr film is 80 to 100% by mass, and the amount of Cr at the interface with the diamond-like carbon film is less than 0 to 20% by mass. In other words, this interlayer film has a C content of less than 0 to 20% by mass at the interface with the Cr film and an C content of 80 to 100% by mass at the interface with the diamond-like carbon film. In the interlayer film, the Cr concentration and the C concentration gradually change along the thickness direction. The rate of change of the Cr concentration and the C concentration in the thickness direction may change continuously in a linear shape, continuously in a curved line, or discontinuously in a stepped manner. May be good.

中間膜は、Cr膜との界面におけるCr量が80〜100質量%となっているため、100%CrからなるCr膜との親和性が高く、中間膜はCr膜に対して高い密着性を示す。また、中間膜は、ダイヤモンドライクカーボン膜との界面におけるCr量が0〜20質量%未満であり、C量が80〜100質量%となっているため、100%Cからなるダイヤモンドライクカーボン膜との親和性が高く、中間膜はダイヤモンドライクカーボン膜に対しても高い密着性を示す。このように中間膜は、Cr膜とダイヤモンドライクカーボン膜との間に介在してこれらの膜の密着性を高めている。 Since the amount of Cr at the interface with the Cr film is 80 to 100% by mass, the intermediate film has a high affinity with the Cr film composed of 100% Cr, and the intermediate film has high adhesion to the Cr film. Shown. Further, since the amount of Cr at the interface with the diamond-like carbon film is less than 0 to 20% by mass and the amount of C is 80 to 100% by mass, the intermediate film is a diamond-like carbon film made of 100% C. The interlayer film shows high adhesion to the diamond-like carbon film. As described above, the interlayer film is interposed between the Cr film and the diamond-like carbon film to enhance the adhesion of these films.

中間膜の厚みは30nm〜1000nmの範囲が好ましく、30nm〜500nmの範囲がより好ましく、50nm〜250nmの範囲が更に好ましく、60nm〜180nmの範囲が特に好ましい。中間膜の厚みが薄すぎると、厚み方向に沿ったCr濃度及びC濃度の変化が急激になり、Cr膜とダイヤモンドライクカーボン膜の密着性を確保できないおそれがある。また、中間膜の厚みが厚すぎると、膜が脆くなり、耐久性が低下するので好ましくない。 The thickness of the interlayer film is preferably in the range of 30 nm to 1000 nm, more preferably in the range of 30 nm to 500 nm, further preferably in the range of 50 nm to 250 nm, and particularly preferably in the range of 60 nm to 180 nm. If the thickness of the interlayer film is too thin, the Cr concentration and the C concentration change rapidly along the thickness direction, and there is a possibility that the adhesion between the Cr film and the diamond-like carbon film cannot be ensured. Further, if the thickness of the interlayer film is too thick, the film becomes brittle and the durability is lowered, which is not preferable.

中間膜とCr膜の界面は、厚さ方向のCr濃度分布を測定することで容易に判別できる。ここで、Cr膜のCr濃度はほぼ100質量%であり、中間膜ではダイヤモンドライクカーボン膜側に向かうに従ってCr濃度が減少するので、厚さ方向のCr濃度を測定してCr濃度が減少し始めた位置を界面とすればよい。
また、中間膜とダイヤモンドライクカーボン膜の界面についても、厚さ方向のCr濃度分布を測定することで容易に判別できる。中間膜ではダイヤモンドライクカーボン膜側に向かうに従ってCr濃度が減少し、ダイヤモンドライクカーボン膜ではCr濃度が0質量%になるので、厚さ方向のCr濃度を分析してCr濃度が0%になった位置を界面とすればよい。Crの分析手法は、Cr膜の場合と同様に、薄膜試料を用いた走査透過電子顕微鏡観察(STEM:SCANNING TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY)及び特性X線分析により分析を行う。
The interface between the intermediate film and the Cr film can be easily identified by measuring the Cr concentration distribution in the thickness direction. Here, the Cr concentration of the Cr film is approximately 100% by mass, and in the intermediate film, the Cr concentration decreases toward the diamond-like carbon film side. Therefore, the Cr concentration in the thickness direction is measured and the Cr concentration begins to decrease. The position may be the interface.
Further, the interface between the interlayer film and the diamond-like carbon film can also be easily identified by measuring the Cr concentration distribution in the thickness direction. In the intermediate film, the Cr concentration decreases toward the diamond-like carbon film side, and in the diamond-like carbon film, the Cr concentration becomes 0% by mass. Therefore, the Cr concentration in the thickness direction is analyzed and the Cr concentration becomes 0%. The position may be the interface. As in the case of the Cr film, the Cr analysis method is performed by scanning transmission electron microscopy (STEM: SCANNING TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY) using a thin film sample and characteristic X-ray analysis.

CrN膜上にCr膜及び中間膜を配置することで、プレス用金型21に繰り返し衝撃が加わった場合でもダイヤモンドライクカーボン膜の剥離が抑制される。 By arranging the Cr film and the intermediate film on the CrN film, peeling of the diamond-like carbon film is suppressed even when an impact is repeatedly applied to the press die 21.

Cr膜の成膜方法に関しては特に限定しないが、CrN皮膜との密着性を確保できることから、PVD法(物理蒸着法)を用いることが好ましい。
また、中間膜の成膜方法は、Cr膜と同様に、PVD法(物理蒸着法)を用いることが好ましい。この場合、Cr及び炭素のターゲットをそれぞれ用意してスパッタリング法により中間膜を成長させ、膜の成長途中で各ターゲットに対するスパッタリング条件を変化させることにより、Cr膜からダイヤモンドライクカーボン膜側に向かってCr濃度を減少させるとともにC濃度を増加させればよい。
The method for forming the Cr film is not particularly limited, but it is preferable to use the PVD method (physical vapor deposition method) because the adhesion with the CrN film can be ensured.
Further, as the method for forming the intermediate film, it is preferable to use the PVD method (physical vapor deposition method) as in the case of the Cr film. In this case, Cr and carbon targets are prepared respectively, the interlayer film is grown by a sputtering method, and the sputtering conditions for each target are changed during the growth of the film, so that Cr is formed from the Cr film toward the diamond-like carbon film side. The concentration may be decreased and the C concentration may be increased.

[ダイヤモンドライクカーボン膜(DLC膜)]
チタン板のプレス用金型21は、使用環境・使用条件が過酷であることから、耐摩耗性や耐凝着性は勿論のこと、チタン板に対する優れた低摩擦性が求められる。
そこで本実施形態では、低摩擦性を実現するため、CrN皮膜上にCr膜及び中間膜を積層し、更に、sp混成軌道の炭素(sp構造)とsp混成軌道の炭素(sp構造)からなる高硬度なダイヤモンドライクカーボン膜(DLC膜)を成膜する。
しかし、中間膜はCrと炭素を含む膜であるため、中間膜における炭素の結晶構造はDLC膜における炭素の結晶構造とは異なっており、中間膜はDLC膜に対して硬度が低くなっている。このため、中間膜上に高硬度なDLC膜を成膜しただけでは、中間膜とDLC膜との間(界面)で硬度格差(強度の不連続性)が生じ、中間膜とDLC膜との界面において応力が集中しやすくなる結果、中間膜とDLC膜との密着性が十分に確保できなくなり、チタン板のプレス成形中にDLC膜が剥離するおそれがある。
そのため、中間膜とDLC膜との間における硬度の格差を緩和させるようDLC膜の膜厚方向の硬度分布(硬度傾斜)を制御することが重要である。
[Diamond-like carbon film (DLC film)]
Since the titanium plate press die 21 is used in a harsh environment and conditions, it is required to have not only wear resistance and adhesion resistance but also excellent low friction resistance to the titanium plate.
Therefore, in the present embodiment, in order to realize low friction, a Cr film and an intermediate film are laminated on the CrN film, and further, carbon in the sp 2 hybrid orbital (sp 2 structure) and carbon in the sp 3 hybrid orbital (sp 3) are laminated. A high-hardness diamond-like carbon film (DLC film) made of (structure) is formed.
However, since the interlayer film is a film containing Cr and carbon, the crystal structure of carbon in the intermediate film is different from the crystal structure of carbon in the DLC film, and the intermediate film has a lower hardness than the DLC film. .. For this reason, simply forming a high-hardness DLC film on the interlayer film causes a hardness difference (strength discontinuity) between the intermediate film and the DLC film (intersection), and the intermediate film and the DLC film As a result of the stress being easily concentrated at the interface, the adhesion between the intermediate film and the DLC film cannot be sufficiently ensured, and the DLC film may be peeled off during press molding of the titanium plate.
Therefore, it is important to control the hardness distribution (hardness gradient) in the film thickness direction of the DLC film so as to alleviate the difference in hardness between the intermediate film and the DLC film.

具体的には、ダイヤモンドライクカーボン膜において、ラマン分光法におり測定された波数1380cm−1における吸収強度I1380と、波数1540cm−1における吸収強度I1540との比I1380/I1540を、膜表面から膜厚の20%深さの領域(上層領域)で0.5〜0.7、DLC膜と中間膜との界面から20%深さの領域(下層領域)で0.3〜0.5となるよう制御し、膜表面から中間膜側に向かってsp構造の割合が減少(硬度が減少)するような硬度傾斜を付与する。 Specifically, in a diamond-like carbon film, the ratio I 1380 / I 1540 of the absorption intensity I 1380 at a wave number of 1380 cm-1 and the absorption intensity I 1540 at a wave number of 1540 cm-1 measured by Raman spectroscopy is obtained. 0.5 to 0.7 in the region 20% deep from the surface (upper layer region), and 0.3 to 0 in the region 20% deep from the interface between the DLC film and the intermediate film (lower layer region). controls 5 and so as, the proportion of sp 3 structure toward the intermediate layer side to impart hardness gradient as decreasing (hardness decreases) from the film surface.

なお、前述のとおり、I1380とはラマン分光法におり測定された波数1380cm−1における吸収強度、いわゆる「Dバンド」であり、他方のI1540とはラマン分光法におり測定された波数1540cm−1における吸収強度、いわゆる「Gバンド」であり、I1380/I1540(D/G)を算出することでsp構造性の目安とすることができる。 As described above, I 1380 is the absorption intensity at a wave number of 1380 cm- 1 measured by Raman spectroscopy, the so-called “D band”, and the other I 1540 is a wave number of 1540 cm measured by Raman spectroscopy. It is the absorption intensity at -1, the so-called “G band”, and can be used as a guideline for sp 3 structure by calculating I 1380 / I 1540 (D / G).

ダイヤモンドライクカーボンは、sp混成軌道(ダイヤモンド構造)の炭素の割合が比較的多いものと、sp混成軌道(グラファイト構造)の炭素の割合が比較的多いものが混在したものである。つまりsp構造が多くなるとダイヤモンド寄りの性質(高硬度)となり、sp構造が多くなるとグラファイト寄りの性質(軟質)となる。 Diamond-like carbon are those as percentage of carbon of sp 3 hybrid orbital (diamond structure) is relatively large, those proportions of carbon sp 2 hybrid orbital (graphite structure) is relatively large mixed. That is, when the number of sp 3 structures increases, the property becomes closer to diamond (high hardness), and when the number of sp 2 structures increases, the properties become closer to graphite (soft).

したがって、中間膜側の下層領域は軟質、膜表面側である上層領域は硬質なものとなるよう、DLC膜におけるsp構造とsp構造の割合を制御することで、DLC膜の膜厚方向における硬度の傾斜をつけ、中間膜とDLC膜との間における硬度格差を緩和させることができる。
中間膜のDLC膜側の界面におけるビッカース硬度は1200〜2400程度であるので、DLC膜の下層領域はビッカース硬度で2500〜3000程度、上層領域は3000〜3500程度とすることが望ましい。
Therefore, as the lower region of the intermediate layer side is made soft, the upper region is a membrane surface side from that hard, by controlling the proportion of sp 3 structure and sp 2 structure in DLC film, the thickness direction of the DLC film The hardness difference between the interlayer film and the DLC film can be alleviated by increasing the hardness gradient in the film.
Since the Vickers hardness at the interface on the DLC film side of the intermediate film is about 1200 to 2400, it is desirable that the lower layer region of the DLC film has a Vickers hardness of about 2500 to 3000 and the upper layer region is about 3000 to 3500.

このように、DLC膜の上層領域をsp構造の割合を高めた硬質なものとすることで、チタン板に対し優れた耐摩耗性を発揮できる上、この上層領域はsp混成軌道(グラファイト構造)の炭素も多少含んでいることから低摩擦性をも確保できる。一方で、DLC膜の下層領域をsp構造の割合を抑えた軟質なものとすることで、中間膜との硬度格差を緩和でき、耐剥離性を確保できる。
さらに、DLC膜はチタンとの親和性が低いことから、チタン板に対する耐凝着性も良好なものとできる。
In this way, by making the upper layer region of the DLC film hard with an increased proportion of sp 3 structure, excellent wear resistance to the titanium plate can be exhibited, and this upper layer region is an sp 2 hybrid orbital (graphite). Since it also contains some carbon (structure), low friction can be ensured. On the other hand, the lower region of the DLC film by as soft with reduced proportion of sp 3 structure, can be relaxed hardness difference between the intermediate film, it can be secured peeling resistance.
Further, since the DLC film has a low affinity for titanium, the adhesion resistance to the titanium plate can be improved.

なお、I1380/I1540は、ラマン分光分析法によって測定できる。ラマン分光分析法は、試料表面にレーザー光等を照射し、それによって発せられるラマン散乱光を分光し、入射光とラマン散乱光との波長の差から試料表面の分子の構造および結合状態を明らかにする手法である。 In addition, I 1380 / I 1540 can be measured by Raman spectroscopy. Raman spectroscopic analysis irradiates the sample surface with laser light or the like, disperses the Raman scattered light emitted by it, and clarifies the structure and bonding state of the molecules on the sample surface from the difference in wavelength between the incident light and the Raman scattered light. It is a method to make.

DLC膜の膜厚については特に限定せず、0.5μm〜2.0μmの範囲内とすることが望ましいが、製法やその条件、プレス用金型の使用環境等により適宜決定してよい。 The film thickness of the DLC film is not particularly limited and is preferably in the range of 0.5 μm to 2.0 μm, but it may be appropriately determined depending on the manufacturing method, its conditions, the usage environment of the press die, and the like.

本実施形態に係るDLC膜は、プラズマCVD法によって成膜できる。
DLC膜におけるsp構造とsp構造の割合を上記のように制御するためには、プラズマCVD法の各条件(成膜条件)を調整すればよい。具体的には、反応ガスの種類や割合、基板温度、陰極電圧、真空度等を適宜調整することで、DLC膜におけるsp構造とsp構造の割合を調整できる。つまり、DLC膜の膜厚方向に上記のような硬度傾斜が付与されるのであれば、成膜条件を適宜調整しながら成膜してもよく、成膜開始から一定の条件の下で成膜してもよい。
The DLC film according to this embodiment can be formed by a plasma CVD method.
In order to control the ratio of the sp 3 structure and the sp 2 structure in the DLC film as described above, each condition (deposition condition) of the plasma CVD method may be adjusted. Specifically, the ratio of the sp 3 structure and the sp 2 structure in the DLC film can be adjusted by appropriately adjusting the type and ratio of the reaction gas, the substrate temperature, the cathode voltage, the degree of vacuum, and the like. That is, as long as the above-mentioned hardness gradient is given in the film thickness direction of the DLC film, the film may be formed while appropriately adjusting the film forming conditions, and the film is formed under certain conditions from the start of the film formation. You may.

反応ガスはCHとHの混合ガス、あるいはCHガスのみとすることができる。反応ガスとして混合ガスを用いる場合は、各ガスの流量を調整することでsp構造とsp構造の割合を調整でき、CHガスのみを用いる場合は他の各条件を調整すればよい。
また、本実施形態におけるDLC膜は、sp構造とsp構造を所望の割合とすることが重要であるため、膜中にH(水素)が多量に混入することは好ましくない。そのため、反応ガスとしてHは適当な量に抑えるほうがよい。
以上述べた成膜条件は、用いるプラズマCVD装置の種類、スペック等に影響されるため、生成させているDLC膜のラマンピークを調べながらsp構造とsp構造の割合を調整すればよい。
The reaction gas can be a mixed gas of CH 4 and H 2 , or only CH 4 gas. When a mixed gas as a reaction gas, by adjusting the flow rate of each gas can adjust the proportion of sp 3 structure and sp 2 structure, it may be adjusted each of the other conditions in the case of using only the CH 4 gas.
Further, since it is important that the DLC film in the present embodiment has a sp 3 structure and an sp 2 structure in a desired ratio, it is not preferable that a large amount of H (hydrogen) is mixed in the film. Therefore, it is better to suppress H 2 as a reaction gas to an appropriate amount.
Since the film forming conditions described above are affected by the type and specifications of the plasma CVD apparatus used, the ratio of the sp 3 structure and the sp 2 structure may be adjusted while examining the Raman peak of the DLC film being generated.

また、基材上に中間膜を成膜し、DLC膜を成膜するまでの間、中間膜表面に汚れが付着する場合がある。そのため本実施形態では、DLC膜を成膜する前に中間膜表面に対しプラズマクリーニングを施し、表面の汚れを分解・除去した上でDLC膜を成膜することが望ましい。これにより、中間膜とDLC膜との密着性をより向上させることができる。 In addition, dirt may adhere to the surface of the interlayer film until the interlayer film is formed on the substrate and the DLC film is formed. Therefore, in the present embodiment, it is desirable to perform plasma cleaning on the surface of the intermediate film before forming the DLC film to decompose and remove stains on the surface before forming the DLC film. Thereby, the adhesion between the interlayer film and the DLC film can be further improved.

[窒化層]
本実施形態に係るプレス用金型21は、基材上にCrN皮膜、Cr膜及び中間膜を成膜し、さらにその上に高硬度なダイヤモンドカーボン膜を成膜することで、プレス用金型21の耐摩耗性、耐凝着性、低摩擦性を確保する。しかしながら、高硬度のCrN皮膜と比較的軟質な基材との間(界面)では硬度格差(強度の不連続性)が生じ、CrN皮膜と基材との界面において応力が集中しやすくなる結果、CrN皮膜の厚みによってはCrN皮膜と基材との密着性が十分に確保できない場合がある。
そこで、本発明者らが検討した結果、高硬度なCrN皮膜と、比較的軟質な基材との間に、CrN皮膜と基材とを連結させうる別の層を設けることで、硬度格差を緩和させることができ、CrN皮膜と基材との密着性、及びプレス用金型の強度を両立させうることを知見した。
また、一般的に、最大せん断応力は最表面ではなく表面直下(表層)で最大となる「ヘルツの接触応力」の観点からも、プレス用金型の表面直下、すなわちCrN皮膜と基材との間にも高硬度の層をさらに設け、プレス用金型の耐摩耗性を確保することが好ましい。
[Nitriding layer]
The press die 21 according to the present embodiment is a press die by forming a CrN film, a Cr film and an intermediate film on a base material, and further forming a high-hardness diamond carbon film on the film. The wear resistance, adhesion resistance, and low friction resistance of 21 are ensured. However, a hardness difference (strength discontinuity) occurs between the high hardness CrN film and the relatively soft base material (interface), and as a result, stress tends to concentrate at the interface between the CrN film and the base material. Depending on the thickness of the CrN film, sufficient adhesion between the CrN film and the base material may not be ensured.
Therefore, as a result of the examination by the present inventors, the hardness difference is increased by providing another layer capable of connecting the CrN film and the base material between the high hardness CrN film and the relatively soft base material. It was found that it can be relaxed, and the adhesion between the CrN film and the substrate and the strength of the press die can be compatible with each other.
In general, the maximum shear stress is not the outermost surface but the maximum just below the surface (surface layer). From the viewpoint of "contact stress of Hertz", the maximum shear stress is directly below the surface of the press die, that is, between the CrN film and the base material. It is preferable to further provide a high hardness layer between them to ensure the wear resistance of the press die.

以上のことから、基材とCrN皮膜との間に、基材表層をプラズマ窒化処理することによって得られる窒化層を設けることが好ましい。このように、基材の表層に窒化層を形成することで、CrN皮膜と基材との間の硬度差を緩和することができ、応力の集中を抑制することができる。その結果、CrN皮膜と基材との密着性、ならびに強度を向上させることができ、CrN皮膜の剥離を低減し、耐凝着性を向上させることが可能となる。 From the above, it is preferable to provide a nitride layer obtained by plasma nitriding the surface layer of the base material between the base material and the CrN film. By forming the nitrided layer on the surface layer of the base material in this way, the difference in hardness between the CrN film and the base material can be alleviated, and stress concentration can be suppressed. As a result, the adhesion and strength between the CrN film and the base material can be improved, the peeling of the CrN film can be reduced, and the adhesion resistance can be improved.

窒化層の厚さは特に限定しないが、本実施形態では、0.5μm〜5μmとすることができる。
高硬度のCrN皮膜と比較的軟質な基材との間における強度の差を低減するためには、窒化層の厚みを0.5μm以上確保することが好ましい。より好ましくは1μm以上である。一方、窒化層の厚みを過度に厚くしすぎることは、プラズマ窒化処理に要する時間が長くなり生産性を低下させるほか、製造コストも高くなる。また、窒化層の厚みを過度に厚くすると、基材の表面粗度が大きくなってしまい、CrN皮膜の成膜前に基材表面を研磨する必要が生じる。これらの観点から、窒化層の厚みは5μm以下とすることが好ましい。
The thickness of the nitrided layer is not particularly limited, but in the present embodiment, it can be 0.5 μm to 5 μm.
In order to reduce the difference in strength between the high hardness CrN film and the relatively soft base material, it is preferable to secure a thickness of the nitrided layer of 0.5 μm or more. More preferably, it is 1 μm or more. On the other hand, if the thickness of the nitrided layer is made too thick, the time required for the plasma nitriding process becomes long, the productivity is lowered, and the manufacturing cost is also high. Further, if the thickness of the nitrided layer is excessively increased, the surface roughness of the base material becomes large, and it becomes necessary to polish the surface of the base material before forming the CrN film. From these viewpoints, the thickness of the nitrided layer is preferably 5 μm or less.

窒化層中の平均窒素濃度は、0.10〜0.50質量%とすることが好ましい。
窒化層中の窒素濃度が低すぎると、強度向上の効果が小さく、十分な耐摩耗性が得られないおそれがあるため、窒化層中の平均窒素濃度は0.10質量%以上とすることが好ましい。より好ましくは、0.20%以上である。
一方、窒化層中の窒素濃度が高すぎると、窒化層表面が脆化する傾向となりやすく、割れが生じるおそれがある。このことから、窒化層中の平均窒素濃度は0.50質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.40%以下である。
The average nitrogen concentration in the nitrided layer is preferably 0.10 to 0.50% by mass.
If the nitrogen concentration in the nitrided layer is too low, the effect of improving the strength is small and sufficient wear resistance may not be obtained. Therefore, the average nitrogen concentration in the nitrided layer may be 0.10% by mass or more. preferable. More preferably, it is 0.20% or more.
On the other hand, if the nitrogen concentration in the nitrided layer is too high, the surface of the nitrided layer tends to be embrittled and cracks may occur. For this reason, the average nitrogen concentration in the nitrided layer is preferably 0.50% by mass or less. More preferably, it is 0.40% or less.

また、窒化層における窒素の濃度分布が、窒化層表層から深さ方向に向かって減少するような濃度勾配を有することが好ましい。
上述したように、プレス用金型の内部で強度格差が生じることは、CrN皮膜と基材との密着性、及び強度の観点から好ましくない。従って、CrN皮膜、基材表層、基材内部それぞれの間の強度の格差、すなわち基材の深さ方向に沿った強度勾配は緩やかにすることが好ましい。そのためには、CrN皮膜と基材との間に形成する窒化層内の窒素の濃度分布を、窒化層表層から基材側に向かって減少するような濃度勾配となるよう制御することが好ましい。
Further, it is preferable that the nitrogen concentration distribution in the nitrided layer has a concentration gradient that decreases from the surface layer of the nitrided layer toward the depth direction.
As described above, it is not preferable that the strength difference occurs inside the press die from the viewpoint of the adhesion between the CrN film and the base material and the strength. Therefore, it is preferable that the difference in strength between the CrN film, the surface layer of the base material, and the inside of the base material, that is, the strength gradient along the depth direction of the base material is gentle. For that purpose, it is preferable to control the concentration distribution of nitrogen in the nitrided layer formed between the CrN film and the base material so as to have a concentration gradient that decreases from the surface layer of the nitrided layer toward the base material side.

なお、窒素の濃度分布を、窒化層表層から深さ方向に向かって減少する勾配となるよう制御するためには、窒化層を形成するための基材表層に対するプラズマ窒化処理を複数回に分け、かつ、各回の処理を異なる条件で行うことにより、窒化層内における窒素の濃度分布を調整すればよい。 In order to control the nitrogen concentration distribution so that the gradient decreases from the surface layer of the nitrided layer toward the depth direction, the plasma nitriding treatment on the surface layer of the base material for forming the nitrided layer is divided into a plurality of times. Moreover, the nitrogen concentration distribution in the nitrided layer may be adjusted by performing each treatment under different conditions.

なお、「窒化層」の判別(基材と「窒化層」との境界の判定)は、グロー放電発光分析装置(GDS)によって行うことができる。具体的には、まず、上記プラズマ窒化処理によって窒化させた基材表層において、分析領域を直径1mmとし、通常のグロー放電発光分析を行う。引き続き、深さ方向に分析を進め、分析領域の窒素量が母材(基材)の平均窒素濃度を超えているところまでの領域を「窒化層」とする。つまり、グロー放電発光分析を深さ方向に行い、窒素量が基材の平均窒素濃度まで下がった地点を基材と「窒化層」との境界の判定することとする。 The "nitriding layer" can be discriminated (determining the boundary between the base material and the "nitriding layer") by a glow discharge emission analyzer (GDS). Specifically, first, in the surface layer of the base material nitrided by the plasma nitriding treatment, the analysis region is set to 1 mm in diameter, and normal glow discharge emission analysis is performed. Continuing the analysis in the depth direction, the region up to the point where the amount of nitrogen in the analysis region exceeds the average nitrogen concentration of the base material (base material) is defined as the "nitriding layer". That is, the glow discharge emission analysis is performed in the depth direction, and the boundary between the base material and the "nitriding layer" is determined at the point where the amount of nitrogen drops to the average nitrogen concentration of the base material.

また、窒化層中の平均窒素濃度についても、GDSを用いて測定することができる。なお、本実施形態では、分析領域を直径1mmとし、GDSを用いて深さ方向に分析を行い、JIS K 0150に規定されているQDP(Quantitative Depth Profile)法を適用し、深さ50nmごとの窒素濃度を測定する。これにより、窒化層における窒素の濃度分布を得る事ができる。また、窒化層全体の平均窒素濃度は、深さ50nmごとの各窒素濃度の平均を算出することで求めることができる。 The average nitrogen concentration in the nitrided layer can also be measured using GDS. In this embodiment, the analysis region has a diameter of 1 mm, analysis is performed in the depth direction using GDS, and the QDP (Quantitative Depth Profile) method specified in JIS K 0150 is applied to each depth of 50 nm. Measure the nitrogen concentration. This makes it possible to obtain the nitrogen concentration distribution in the nitrided layer. Further, the average nitrogen concentration of the entire nitrided layer can be obtained by calculating the average of each nitrogen concentration at each depth of 50 nm.

以上、本実施形態に係るプレス用金型21及びチタン板のプレス成形方法について説明したが、上記CrN皮膜を成膜する前(プラズマ窒化処理を施す前)においては、基材の表面性状を良好なものとし、CrN皮膜の成膜性を確保するために、基材表面を鏡面研磨することが望ましい。これにより、CrN皮膜と基材との密着性を向上させることができ、結果、優れた耐凝着性を得ることが可能となる。 The press forming method of the press die 21 and the titanium plate according to the present embodiment has been described above, but before the CrN film is formed (before the plasma nitriding treatment is performed), the surface texture of the base material is good. Therefore, it is desirable to mirror-polish the surface of the base material in order to ensure the film-forming property of the CrN film. As a result, the adhesion between the CrN film and the base material can be improved, and as a result, excellent adhesion resistance can be obtained.

図6には、パンチのストローク量と、チタン板の板厚との関係をグラフで示す。図6のグラフは、図2に示すプレス用金型でチタン板をプレス成形した場合を簡易的に模擬した実験によって得られた結果である。板厚0.5mmの純チタン板の長手方向両端を拘束し、純チタン板の長手方向両端を2本のロールで下側から支持した状態で、チタン板の長手方向中央に1本のロールを上側から下降させて曲げ成形を行った場合の、チタン板の板厚の減少挙動を示したものである。加工後のチタン板は平面歪み状態になるようにしている。図6の横軸のパンチのストローク量は上側に配置したロールの下降量であり、縦軸の板厚は曲げ加工を受けた部位における最小板厚である。ロールの種類を変更することで、チタン板とロールとの静摩擦係数μを0.05と0.1に設定している。板厚が0.3mm(減少率40%)まで減少した時点のストローク量を見ると、静摩擦係数μが0.1の場合は4.3mmであるが、静摩擦係数μが0.05の場合は4.5mmまでストローク量が増加している。このように、金型とチタン板の静摩擦係数を高めて潤滑性を向上させることで、ストローク量を増加させることができ、割れを生じさせずに所望の形状に加工することが可能になる。 FIG. 6 graphically shows the relationship between the stroke amount of the punch and the thickness of the titanium plate. The graph of FIG. 6 is a result obtained by a simple simulation of a case where a titanium plate is press-molded with the press die shown in FIG. With both ends of the pure titanium plate with a thickness of 0.5 mm restrained in the longitudinal direction and both ends of the pure titanium plate in the longitudinal direction supported from below by two rolls, one roll is placed in the center of the titanium plate in the longitudinal direction. It shows the reduction behavior of the thickness of the titanium plate when it is bent and molded by lowering it from the upper side. The processed titanium plate is in a plane-distorted state. The stroke amount of the punch on the horizontal axis of FIG. 6 is the lowering amount of the roll arranged on the upper side, and the plate thickness on the vertical axis is the minimum plate thickness at the portion subjected to the bending process. By changing the type of roll, the coefficient of static friction μ between the titanium plate and the roll is set to 0.05 and 0.1. Looking at the stroke amount when the plate thickness is reduced to 0.3 mm (reduction rate 40%), it is 4.3 mm when the static friction coefficient μ is 0.1, but when the static friction coefficient μ is 0.05, it is 4.3 mm. The stroke amount has increased to 4.5 mm. In this way, by increasing the coefficient of static friction between the mold and the titanium plate to improve the lubricity, the stroke amount can be increased, and it becomes possible to process the mold into a desired shape without causing cracks.

本実施形態のチタン板のプレス用金型には、本実施形態に係る表面処理皮膜が形成されるため、表面処理皮膜を形成しない場合に比べて、チタン板とプレス用金型との間の潤滑性を大幅に高めることができる。これによりチタン板のプレス成形方法において、プレス成形時のチタン板の割れを抑制できるようになる。 Since the surface-treated film according to the present embodiment is formed on the titanium plate pressing die of the present embodiment, the space between the titanium plate and the pressing die is higher than that in the case where the surface-treated film is not formed. Lubricity can be greatly improved. This makes it possible to suppress cracking of the titanium plate during press molding in the titanium plate press molding method.

また、本実施形態のチタン板のプレス用金型によれば、基材上に、CrN皮膜、Cr膜、中間膜ならびにダイヤモンドライクカーボン膜(DLC膜)を形成することで、プレス用金型21の潤滑性、耐摩耗性及び耐凝着性を向上させることができる。またDLC膜において、DLC膜の膜厚方向に硬度の傾斜をつけることで、中間膜とDLC膜との間における硬度の格差を緩和させることができる。その結果、DLC膜の上層領域は、硬質なものとすることで、チタン板11aに対し優れた耐摩耗性を発揮できる上、sp混成軌道(グラファイト構造)の炭素も多少含んでおり低摩擦性を確保できる。一方の下層領域は軟質なものとすることで、中間膜との硬度格差を緩和でき、耐剥離性の確保できる。 Further, according to the press die of the titanium plate of the present embodiment, the press die 21 is formed by forming a CrN film, a Cr film, an intermediate film and a diamond-like carbon film (DLC film) on the base material. Lubricity, wear resistance and adhesion resistance can be improved. Further, in the DLC film, the difference in hardness between the intermediate film and the DLC film can be alleviated by inclining the hardness in the film thickness direction of the DLC film. As a result, by making the upper layer region of the DLC film hard, excellent wear resistance to the titanium plate 11a can be exhibited , and carbon of the sp 2 hybrid orbital (graphite structure) is also contained to some extent, resulting in low friction. Sex can be secured. By making one lower layer region soft, the hardness difference with the interlayer film can be alleviated, and peeling resistance can be ensured.

更に、基材とCrN膜との間に、窒化層を設けることで、高硬度のCrN皮膜と比較的軟質な基材との間での硬度格差(強度の不連続性)を解消させ、CrN皮膜と基材との密着性が十分に確保することができる。 Further, by providing a nitride layer between the base material and the CrN film, the hardness difference (strength discontinuity) between the high hardness CrN film and the relatively soft base material can be eliminated, and CrN can be eliminated. Sufficient adhesion between the film and the base material can be ensured.

また、本実施形態のチタン板のプレス成形方法は、成形後のチタン板の変形状態が平面ひずみ状態を含むものとなる場合でも、プレス成形後の割れ、チタン材料の凝着及び金型の摩耗を防止することができる。すなわち、本実施形態のチタン板のプレス成形方法では、表面処理皮膜によって突起部22b、23bとチタン板11aとの潤滑性が高まるので、チタン板11aを拘束したまま突起部22b、23bによって曲げ加工を行った場合でも、曲げ加工中にチタン板11aが突起部表面上を滑って凝着せず、チタン板11aは突起部22b、23bに拘束されずに伸ばされて、所望の形状に成形できる。また、パンチ22の下降により突起部22b、23bがチタン板11aに衝突して表面処理膜及び基材に衝撃が加わっても、表面処理皮膜にCr膜及び中間膜があるためDLC膜が剥離することなく、潤滑性、耐凝着性及び耐摩耗性を損なうことがない。これにより、成形後のチタン板の変形状態が平面ひずみ状態を含むものとなる場合でも、プレス成形後の割れ、チタン材料の凝着及び金型の摩耗を防止できる。 Further, in the press molding method of the titanium plate of the present embodiment, even if the deformed state of the titanium plate after molding includes a plane strain state, cracking after press molding, adhesion of the titanium material, and wear of the mold Can be prevented. That is, in the press forming method of the titanium plate of the present embodiment, the surface treatment film enhances the lubricity between the protrusions 22b and 23b and the titanium plate 11a, so that the protrusions 22b and 23b are bent while the titanium plate 11a is restrained. Even when the above is performed, the titanium plate 11a does not slide and adhere on the surface of the protrusions during the bending process, and the titanium plate 11a is stretched without being restricted by the protrusions 22b and 23b, and can be formed into a desired shape. Further, even if the protrusions 22b and 23b collide with the titanium plate 11a due to the lowering of the punch 22 and an impact is applied to the surface-treated film and the base material, the DLC film is peeled off because the surface-treated film has the Cr film and the intermediate film. Without impairing lubricity, adhesion resistance and wear resistance. As a result, even when the deformed state of the titanium plate after molding includes the plane strain state, it is possible to prevent cracking after press molding, adhesion of the titanium material, and wear of the mold.

また、チタン板を成形する際、潤滑剤をチタン板に塗布してからプレス成形することで、チタン板とプレス用金型との潤滑性をより高めることができる。 Further, when molding a titanium plate, by applying a lubricant to the titanium plate and then press-molding, the lubricity between the titanium plate and the press die can be further improved.

更に、本実施形態に係るプレス用金型によれば、金型の寿命を格段に向上でき、金型の交換頻度を低減でき、製造コストを大幅に削減できる。また、金型の交換頻度の低減によって、金型交換時の位置調整等に伴う歩留まり低下を防止し、また、成形寸法精度向上による歩留まり向上を達成できる。 Further, according to the press die according to the present embodiment, the life of the die can be remarkably improved, the frequency of die replacement can be reduced, and the manufacturing cost can be significantly reduced. Further, by reducing the frequency of mold replacement, it is possible to prevent a decrease in yield due to position adjustment at the time of mold replacement, and to improve the yield by improving molding dimensional accuracy.

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、チタン板のプレス成形に用いられる金型であれば、いかなる金型にも適用できる。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be applied to any mold as long as it is used for press molding of a titanium plate.

次に、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例で用いた条件に限定されるものではない。 Next, the present invention will be described in more detail by way of examples, but the present invention is not limited to the conditions used in the following examples.

<プレス用金型>
(実施例1)
まず、プレス用金型のダイ及びパンチの基材としてJIS G 4404にて規定されている工具鋼SKD11(C,Si,Mn,Cr,Mo,V,P,S,残部鉄及び不純物を本発明の範囲で含む鋼)を採用し、所定の形状に成形後、焼入れ及び焼戻し処理を行った。
次に、得られた基材表面に対して、窒化処理を行い、基材表層に、25μm厚、平均窒素濃度が0.20質量%である窒化層を形成した。
なお、窒化処理は、アンモニアと水素の混合ガス雰囲気中(NH、H、Ar)で直流グロー放電により生じた反応性の高い活性種を利用し窒化するラジカル窒化処理を用いた。処理温度は500℃とし3時間の処理を施した。
次に、窒化処理を施した基材表層(窒化層)上に、PVD蒸着法により、1.5μmのCrN皮膜(単層)を成膜した。
<Press die>
(Example 1)
First, the present invention uses the tool steel SKD11 (C, Si, Mn, Cr, Mo, V, P, S, residual iron and impurities specified in JIS G 4404 as the base material for the die and punch of the press die. (Steel included in the range of) was adopted, and after forming into a predetermined shape, quenching and tempering were performed.
Next, the obtained substrate surface was subjected to nitriding treatment to form a nitride layer having a thickness of 25 μm and an average nitrogen concentration of 0.20% by mass on the surface layer of the substrate.
As the nitriding treatment, a radical nitriding treatment was used in which a highly reactive active species generated by DC glow discharge was used in a mixed gas atmosphere of ammonia and hydrogen (NH 3 , H 2, Ar). The treatment temperature was set to 500 ° C., and the treatment was carried out for 3 hours.
Next, a 1.5 μm CrN film (single layer) was formed on the surface layer (nitrided layer) of the base material subjected to the nitriding treatment by a PVD vapor deposition method.

ダイ及びパンチにについて、CrN皮膜表面から深さ方向に、グロー放電発光分析装置(GDS)を用いて成分分析を行った。分析結果を図7〜9に示す。図7〜9における横軸は、CrN層表面からの深さ(μm)、縦軸は各成分の濃度(質量%)を示す。
図7及び図8に示すように、基材表層に、厚さ1.5μmのCrN層が形成されていることが分かる。また、図9は、微量に含有する元素の深さ方向への濃度挙動を確認するために、図7のグラフの縦軸範囲を変化させ表したグラフである。図9のグラフより、CrN皮膜と基材との間には、窒化層が形成されていることが分かる。また、グラフからも明らかなように、CrN皮膜側から基材側に向けて窒素濃度が緩やかに減少する勾配を示しており、窒化層内における深さ方向に対する硬さ変動も緩やかであることが分かる。なお、図7〜図9はパンチの分析結果であるが、ダイについても図7〜図9と同様な分析結果が得られた。
The components of the die and punch were analyzed from the surface of the CrN film in the depth direction using a glow discharge emission analyzer (GDS). The analysis results are shown in FIGS. 7 to 9. The horizontal axis in FIGS. 7 to 9 indicates the depth (μm) from the surface of the CrN layer, and the vertical axis indicates the concentration (mass%) of each component.
As shown in FIGS. 7 and 8, it can be seen that a CrN layer having a thickness of 1.5 μm is formed on the surface layer of the base material. Further, FIG. 9 is a graph showing the vertical range of the graph of FIG. 7 changed in order to confirm the concentration behavior of the element contained in a small amount in the depth direction. From the graph of FIG. 9, it can be seen that a nitride layer is formed between the CrN film and the base material. Further, as is clear from the graph, the nitrogen concentration gradually decreases from the CrN film side to the base material side, and the hardness fluctuation in the nitrided layer in the depth direction is also gradual. I understand. Although FIGS. 7 to 9 show the analysis results of the punch, the same analysis results as those of FIGS. 7 to 9 were obtained for the die.

次に、予め上記ダイ及びパンチの表面(CrN皮膜)に対してプラズマクリーニングを施し汚れを除去した上で、PVD法により、Cr膜及び中間膜を成膜した。Cr膜の厚みを10〜40nmとし、中間膜の厚みを60〜180nmとした。また、中間膜は、Cr濃度とC濃度の合計を100質量%としたときに、Cr膜との界面におけるCr濃度が100質量%となり、最表面(ダイヤモンドライクカーボン膜との界面になる面)におけるCr濃度が0質量%となるように、膜厚方向に沿ってCr濃度及びC濃度は直線的に変化するように成膜した。 Next, the surfaces of the die and punch (CrN film) were subjected to plasma cleaning in advance to remove stains, and then a Cr film and an intermediate film were formed by the PVD method. The thickness of the Cr film was 10 to 40 nm, and the thickness of the intermediate film was 60 to 180 nm. Further, when the total of the Cr concentration and the C concentration of the intermediate film is 100% by mass, the Cr concentration at the interface with the Cr film is 100% by mass, and the outermost surface (the surface that becomes the interface with the diamond-like carbon film). The film was formed so that the Cr concentration and the C concentration linearly changed along the film thickness direction so that the Cr concentration in the film was 0% by mass.

次いで、中間膜表面に対してプラズマクリーニングを施し汚れを除去した上で、中間膜上にダイヤモンドライクカーボン膜(DLC膜)を成膜した。膜厚は1.0μmとした。
DLC膜はプラズマCVD法によって成膜した。装置は容量結合型高周波プラズマCVD装置を用い、温度は500℃とした。プラズマ発生用電源には、13.56MHzの高周波電源を用いた。反応ガスとしては、CHとHの混合ガスを用いた。このとき、CHとHの混合ガスの混合比を変えることにより、中間膜との界面から表面に向かって膜の硬さが徐々に増加するようにした。
Next, the surface of the interlayer film was subjected to plasma cleaning to remove stains, and then a diamond-like carbon film (DLC film) was formed on the interlayer film. The film thickness was 1.0 μm.
The DLC film was formed by the plasma CVD method. A capacitively coupled high-frequency plasma CVD apparatus was used as the apparatus, and the temperature was set to 500 ° C. A high frequency power supply of 13.56 MHz was used as the power supply for plasma generation. As the reaction gas, a mixed gas of CH 4 and H 2 was used. At this time, by changing the mixing ratio of the mixed gas of CH 4 and H 2 , the hardness of the film gradually increased from the interface with the interlayer film toward the surface.

(比較例1)
実施例1で採用した工具鋼SKD11を基材とし、実施例1と同様に、窒化層およびCrN皮膜(単層)を形成した。次に、CrN皮膜上に、イオンプレーティング法によりダイヤモンドライクカーボン膜(DLC膜)を1.0μmの厚さで成膜した。このようにしてダイ及びパンチを製造した。
(Comparative Example 1)
Using the tool steel SKD11 used in Example 1 as a base material, a nitride layer and a CrN film (single layer) were formed in the same manner as in Example 1. Next, a diamond-like carbon film (DLC film) was formed on the CrN film by an ion plating method to a thickness of 1.0 μm. Dies and punches were manufactured in this way.

<ラマン分光法>
実施例1および比較例で得られたダイ及びパンチの表層の、sp混成軌道の炭素とsp混成軌道の炭素の割合(sp/sp)をラマン分光分析によって測定した。
結果を図10(a)〜(c)及び図11(a)〜(c)、表1、2に示す。
<Raman spectroscopy>
The ratio of carbon in the sp 2 hybrid orbital to carbon in the sp 3 hybrid orbital (sp 3 / sp 2 ) on the surface layers of the dies and punches obtained in Example 1 and Comparative Example was measured by Raman spectroscopy.
The results are shown in FIGS. 10 (a) to 10 (c) and 11 (a) to 11 (c), Tables 1 and 2.

図10(a)は、実施例1のパンチの表層の顕微鏡写真、図10(b)、10(c)は実施例1のパンチのDLC膜のラマンスペクトルを示す。図11(a)は比較例1のパンチの表層の顕微鏡写真、図11(b)、11(c)は比較例1のパンチのDLC膜のラマンスペクトルを示す。なお、図中の「表面付近」とはDLC膜の表層、「DLC膜内部」とはDLC膜の内部、「界面付近」とはDLC膜と中間膜との界面付近のラマンスペクトルである。
また表1に、実施例1のラマンバンドパラメータを、表2に比較例1のラマンバンドパラメータを示す。
FIG. 10 (a) shows a micrograph of the surface layer of the punch of Example 1, and FIGS. 10 (b) and 10 (c) show the Raman spectrum of the DLC film of the punch of Example 1. FIG. 11 (a) shows a micrograph of the surface layer of the punch of Comparative Example 1, and FIGS. 11 (b) and 11 (c) show the Raman spectrum of the DLC film of the punch of Comparative Example 1. In the figure, "near the surface" is the surface layer of the DLC film, "inside the DLC film" is the inside of the DLC film, and "near the interface" is the Raman spectrum near the interface between the DLC film and the intermediate film.
Table 1 shows the Raman band parameters of Example 1, and Table 2 shows the Raman band parameters of Comparative Example 1.

図10(a)〜(c)、表1から明らかなように、実施例1で得られたDLC膜は、中間膜からDLC膜に向かうにしたがい、I1380/I1540が大きくなっている。
つまり、中間膜からDLC膜に向かうにしたがい硬度が大きくなる硬度傾斜となっていることが分かる。
つまり、中間膜からDLC膜に向かうにしたがい硬度が大きくなる硬度傾斜となっていることが分かる。
As is clear from Tables 1 (a) to 10 (c), the DLC film obtained in Example 1 has an increase in I 1380 / I 1540 from the intermediate film toward the DLC film.
That is, it can be seen that the hardness slope increases as the hardness increases from the intermediate film to the DLC film.
That is, it can be seen that the hardness slope increases as the hardness increases from the intermediate film to the DLC film.

一方、図11(a)〜(c)、表2から明らかなように、比較例1で得られたDLC膜は、「表面付近」、「DLC膜内部」ともにI1380/I1540が大きく、膜厚方向において硬度傾斜が付与されていないことが分かる。
なお、図10〜図11はパンチの分析結果であるが、ダイについても図10〜図11と同様な分析結果が得られた。
On the other hand, as is clear from FIGS. 11A to 11C and Table 2, the DLC film obtained in Comparative Example 1 had a large I 1380 / I 1540 both “near the surface” and “inside the DLC film”. It can be seen that the hardness gradient is not imparted in the film thickness direction.
Although FIGS. 10 to 11 show the analysis results of the punch, the same analysis results as those of FIGS. 10 to 11 were obtained for the die.

次に、実施例1および比較例1で得られた窒化層、CrN皮膜、ならびにDLC膜のビッカース硬さについて測定した。基材および窒化層については、マイク口ビッ力一ス硬度計により測定した。また、CrN皮膜Cr膜、中間膜およびDLC膜については、ナノインデンテーション(押込み)法によって、極低荷重の押込み試験を行い、ビッ力一ス硬さに換算した。具体的には、ナノインデンテーション(押込み)法に従い、三角錐型圧子(パーコピッチ圧子)を用いて、0.005〜0.1mNの荷重を20秒負荷したとき(負荷20s、保持5s、除荷20s)の押し込み硬さをナノインデンテーション硬さとして求めた。このとき、押し込み深さの10倍以上になる条件で測定した。
また、面研削による測定と埋め込み研磨による側面(断面)押し込みを併用した。得られたナノインデンテーション硬さから、下記の換算式によってビッ力一ス硬さを求めた。
Hv=0.0945×HIT
ただし、上記式中のHvはビッ力一ス硬さを、HITはナノインデンテーション硬さをそれぞれ意味する。
Next, the Vickers hardness of the nitrided layer, the CrN film, and the DLC film obtained in Example 1 and Comparative Example 1 was measured. The base material and the nitrided layer were measured with a microphone mouth bit force hardness tester. Further, the CrN film, the Cr film, the intermediate film, and the DLC film were subjected to an extremely low load indentation test by a nanoindentation (indentation) method, and converted to bite hardness. Specifically, when a load of 0.005 to 0.1 mN is applied for 20 seconds using a triangular pyramidal indenter (perco-pitch indenter) according to the nanoindentation (pushing) method (load 20s, holding 5s, unloading). The indentation hardness of 20s) was determined as the nanoindentation hardness. At this time, the measurement was performed under the condition that the pushing depth was 10 times or more.
In addition, the measurement by surface grinding and the side (cross-section) pushing by embedded polishing were used together. From the obtained nanoindentation hardness, the biting hardness was calculated by the following conversion formula.
Hv = 0.0945 x H IT
However, the Hv in the formula the bit force Ichisu hardness, H IT means respectively nanoindentation hardness.

何れの層、膜においても、断面において3点測定しその平均をもって「ビッカース硬さ」とした。窒化層については基材との界面近傍(2μm深さまでの領域:内側領域)およびCrN皮膜との界面近傍(2μm深さまでの領域:外側領域)において測定した。DLC膜は、膜表面から0.20tまでの領域(表面付近)、DLC膜と中間膜との界面から0.20tまでの領域(界面付近)、およびDLC膜の膜厚方向中心部(DLC膜内部)の計3か所において測定した。
その結果を表3に示す。表3に示すように、実施例1では、各層・各膜の平均ビッカース硬さはそれぞれ、窒化層は1000、CrN皮膜は2000、Cr膜は1200(表3に記載せず)、中間膜は2000(表3に記載せず)、DLC膜の「界面付近」は2500、「DLC膜内部」は3000、DLC膜の「表面付近」は3500となり、Cr膜からDLC膜の膜厚方向において硬度傾斜が付与されていた。なお、表層における亀裂破壊を減少させるため、DLCは2000〜2400程度としてもよい。
For each layer and film, three points were measured in cross section and the average was taken as "Vickers hardness". The nitrided layer was measured near the interface with the substrate (region up to a depth of 2 μm: inner region) and near the interface with the CrN film (region up to a depth of 2 μm: outer region). The DLC film includes a region from the film surface to 0.20 t (near the surface), a region from the interface between the DLC film and the intermediate film to 0.20 t (near the interface), and the center of the DLC film in the film thickness direction (DLC film). Measurements were taken at a total of 3 locations (inside).
The results are shown in Table 3. As shown in Table 3, in Example 1, the average Vickers hardness of each layer and each film was 1000 for the nitrided film, 2000 for the CrN film, 1200 for the Cr film (not shown in Table 3), and the intermediate film was 2000 (not shown in Table 3), the "near the interface" of the DLC film is 2500, the "inside of the DLC film" is 3000, and the "near the surface" of the DLC film is 3500. The slope was given. The DLC may be about 2000 to 2400 in order to reduce crack fracture in the surface layer.

また、表3に示すように、比較例1で得られたDLC膜の「表面付近」、「DLC膜内部」、「界面付近」それぞれおいて実施例1と同様にビッカース硬度を測定したところ、「界面付近」は4000、「DLC膜内部」は4000、「界面付近」は4000となり、膜厚方向において均一な硬度分布であった。 Further, as shown in Table 3, the Vickers hardness was measured in the same manner as in Example 1 in each of the “near the surface”, “inside the DLC film”, and “near the interface” of the DLC film obtained in Comparative Example 1. "Near the interface" was 4000, "Inside the DLC film" was 4000, and "Near the interface" was 4000, and the hardness distribution was uniform in the film thickness direction.

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<プレス成形についての評価>
実施例1及び比較例1のダイ及びパンチを用いて、チタン板をプレス成形することにより、プレス成形性を評価した。
図12に、試験に用いたプレス用金型の断面模式図を示す。図12に示すプレス用金型は、パンチ21と、ダイ22と、しわ押さえパッド23とから構成された。パンチ21には、3つの突起部21aを等間隔に設けた。また、ダイ22には2つの突起部22a、22aを設けた。ダイ21及びパンチ22における突起部先端は、断面視した場合に曲率半径3.0mmの曲面とされた。パンチ21の突起部21a及びダイ22の突起部22aは、パンチ21が下死点に下降したときに各突起部21a、22a同士の隙間が1.5mmになるように位置決めされた。パンチ21の図中幅方向の寸法は36mmであり、パンチ21及びダイ22のそれぞれの突起部の高さは10mmであった。ダイ22の外周部の上方には、しわ押さえパッド23を配置した。ダイ22には、パンチ21を囲むように材料の流入防止ビード22bを設けた。これにより、成形加工を受けたチタン板は、平面ひずみ状態となる。
<Evaluation of press molding>
The press moldability was evaluated by press molding the titanium plate using the dies and punches of Example 1 and Comparative Example 1.
FIG. 12 shows a schematic cross-sectional view of the press die used in the test. The press die shown in FIG. 12 is composed of a punch 21, a die 22, and a wrinkle pressing pad 23. The punch 21 is provided with three protrusions 21a at equal intervals. Further, the die 22 is provided with two protrusions 22a and 22a. The tip of the protrusion on the die 21 and the punch 22 is a curved surface having a radius of curvature of 3.0 mm when viewed in cross section. The protrusions 21a of the punch 21 and the protrusions 22a of the die 22 are positioned so that the gap between the protrusions 21a and 22a becomes 1.5 mm when the punch 21 descends to the bottom dead center. The dimension of the punch 21 in the width direction in the drawing was 36 mm, and the height of each protrusion of the punch 21 and the die 22 was 10 mm. A wrinkle pressing pad 23 is arranged above the outer peripheral portion of the die 22. The die 22 is provided with a material inflow prevention bead 22b so as to surround the punch 21. As a result, the titanium plate that has undergone the molding process is in a plane strain state.

図12に示すプレス用金型を用いて、厚み0.5mmのチタン板のプレス成形を行った。チタン板は、JIS1種のチタンからなるチタン板を用いた。実施例1のプレス用金型を用いた場合は、チタン板に防錆油(商品名:ノックスラスト、パーカー興産株式会社製)のみを潤滑剤として塗布し、プレス成形した。また、比較例1のプレス用金型を用いた場合は、ミルボンドによって表面処理したチタン板に、実施例1と同じ潤滑剤を塗布して、プレス成形した。プレス成形によって、チタン板を図2に示すような波形状に成形加工した。このとき、波の振幅が狙い値で2.5mmになるようにポンチ21を押し込んだ。 Using the press die shown in FIG. 12, a titanium plate having a thickness of 0.5 mm was press-molded. As the titanium plate, a titanium plate made of JIS Class 1 titanium was used. When the press die of Example 1 was used, only rust preventive oil (trade name: Knoxlast, manufactured by Parker Kosan Co., Ltd.) was applied to the titanium plate as a lubricant, and press molding was performed. When the press die of Comparative Example 1 was used, the same lubricant as in Example 1 was applied to the titanium plate surface-treated by Millbond and press-molded. By press molding, the titanium plate was molded into a wavy shape as shown in FIG. At this time, the punch 21 was pushed in so that the amplitude of the wave was 2.5 mm at the target value.

プレス成形の結果、実施例1、比較例1とも、図2に示すような波形状に成形され、一方及び他方の突出部の断面の曲率半径が3.05〜3.11mmの範囲となり、振幅が4.8mmとなり、ほぼ狙い通りの形状が得られた。実施例1、比較例1との割れは生じなかった。
板厚の最小値は、実施例1で0.38mm、比較例1で0.37mmとなり、両者に大きな差はなかった。
このように、実施例1のプレス用金型を用いてプレス成形したチタン板は、ミルボンドの処理を行わないものであったが、比較例1と同様に割れを生じさせることなく、狙い通りの形状に成形が可能となった。
As a result of press molding, both Example 1 and Comparative Example 1 were formed into a wavy shape as shown in FIG. 2, and the radius of curvature of the cross section of one and the other protruding portion was in the range of 3.05 to 3.11 mm, and the amplitude was increased. Was 4.8 mm, and the shape almost as intended was obtained. No cracking with Example 1 and Comparative Example 1 occurred.
The minimum value of the plate thickness was 0.38 mm in Example 1 and 0.37 mm in Comparative Example 1, and there was no significant difference between the two.
As described above, the titanium plate press-molded using the press die of Example 1 was not subjected to the mill bond treatment, but as in Comparative Example 1, it did not cause cracks and was as intended. It has become possible to mold into a shape.

また、JIS Z 2247に規定するエリクセン試験のパンチに本発明の金型を適用して耐久試験を行った。すなわち、パンチの基材の形状をJIS Z 2247に規定された形状にしたこと以外は上記実施例1と同様にして、エリクセン試験用のパンチを製造した。そして、厚み0.5mmのJIS1種のチタン板を試験片とし、試験片に貫通割れが発生するまでパンチを押し込んだ。これを200回繰り返した。その結果、パンチの表面に形成されたDLC膜の膜厚がやや薄くなったものの、DLC膜そのものが剥がれることがなく、耐久性は良好だった。 Further, the durability test was performed by applying the mold of the present invention to the punch of the Eriksen test specified in JIS Z 2247. That is, a punch for the Eriksen test was manufactured in the same manner as in Example 1 above, except that the shape of the base material of the punch was the shape specified in JIS Z 2247. Then, a JIS 1 type titanium plate having a thickness of 0.5 mm was used as a test piece, and a punch was pushed into the test piece until a through crack was generated. This was repeated 200 times. As a result, although the film thickness of the DLC film formed on the surface of the punch was slightly reduced, the DLC film itself did not peel off, and the durability was good.

1A〜1E…プレート(チタン板)、11a、11b…チタン板、21…プレス用金型、22…パンチ、22a…パンチプレート、22b…突起部(基材)、23…ダイ、23a…ダイプレート、23b…突起部(基材)。 1A-1E ... Plate (titanium plate), 11a, 11b ... Titanium plate, 21 ... Press die, 22 ... Punch, 22a ... Punch plate, 22b ... Projection (base material), 23 ... Die, 23a ... Die plate , 23b ... Protrusion (base material).

Claims (15)

チタン板のプレス成形加工に用いるプレス用金型であって、
基材と、前記基材の表面に形成された表面処理皮膜とを備え、
前記基材は、質量%で、
C:1.00〜2.30%、
Si:0.10〜0.60%、
Mn:0.20〜0.80%、
P:0.030%以下、
S:0.030%以下、
Cr:4.80〜13.00%を含有し、
残部が鉄及び不純物からなる組成を有する鋼材からなり、
前記表面処理皮膜は、前記基材上に形成されたCrN皮膜と、CrN皮膜上に形成されたCr膜と、前記Cr膜上に形成された中間膜と、前記中間膜上に形成されたダイヤモンドライクカーボン膜とからなり、
前記CrN皮膜の厚さが0.5μm〜5μm(但し5μmを除く)であり、
前記中間膜はCr及び炭素を含み、Crと炭素の合計を100質量%としたとき、前記Cr膜側の界面におけるCr濃度が80質量%以上であり、前記ダイヤモンドライクカーボン膜側の界面におけるC濃度が80質量%以上であり、前記Cr膜側から前記ダイヤモンドライクカーボン膜側に向かう膜厚方向に沿ってCr濃度が徐々に減少する膜であり、
前記ダイヤモンドライクカーボン膜において、ラマン分光法により測定された波数1380cm−1における吸収強度I1380と、波数1540cm−1における吸収強度I1540との比I1380/I1540が、膜表面から膜厚の20%深さの範囲で0.5〜0.7、前記ダイヤモンドライクカーボン膜と前記中間膜との界面から20%深さの範囲で0.3〜0.5である、チタン板のプレス用金型。
A press die used for press molding of titanium plates.
A base material and a surface treatment film formed on the surface of the base material are provided.
The base material is by mass%
C: 1.00 to 2.30%,
Si: 0.10 to 0.60%,
Mn: 0.25 to 0.80%,
P: 0.030% or less,
S: 0.030% or less,
Cr: Containing 4.80 to 13.00%,
The balance is made of steel with a composition of iron and impurities.
The surface treatment film includes a CrN film formed on the substrate, a Cr film formed on the CrN film, an intermediate film formed on the Cr film, and diamond formed on the intermediate film. It consists of a like carbon film,
The thickness of the CrN film is 0.5 μm to 5 μm (excluding 5 μm).
The interlayer film contains Cr and carbon, and when the total of Cr and carbon is 100% by mass, the Cr concentration at the interface on the Cr film side is 80% by mass or more, and C at the interface on the diamond-like carbon film side. The film has a concentration of 80% by mass or more, and the Cr concentration gradually decreases along the film thickness direction from the Cr film side toward the diamond-like carbon film side.
In the diamond-like carbon film, the ratio I 1380 / I 1540 of the absorption intensity I 1380 at a wave number of 1380 cm-1 and the absorption intensity I 1540 at a wave number of 1540 cm-1 measured by Raman spectroscopy is the film thickness from the film surface. For pressing titanium plates, 0.5 to 0.7 in the 20% depth range and 0.3 to 0.5 in the 20% depth range from the interface between the diamond-like carbon film and the intermediate film. Mold.
前記ダイヤモンドライクカーボン膜において、膜表面から膜厚の20%深さの範囲のビッカース硬さが3000〜3500、前記ダイヤモンドライクカーボン膜と前記中間膜との界面から20%深さの範囲のビッカース硬さが2500〜3000である、請求項1に記載のチタン板のプレス用金型。 In the diamond-like carbon film, the Vickers hardness in the range of 20% depth from the film surface is 3000 to 3500, and the Vickers hardness in the range of 20% depth from the interface between the diamond-like carbon film and the intermediate film. The dies for pressing a titanium plate according to claim 1, wherein the dies are 2500 to 3000. 前記ダイヤモンドライクカーボン膜の厚さが0.5μm〜2μmである、請求項1または請求項2に記載のチタン板のプレス用金型。 The titanium plate press die according to claim 1 or 2, wherein the diamond-like carbon film has a thickness of 0.5 μm to 2 μm. 前記CrN皮膜のビッカース硬さが800〜2000である、請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載のチタン板のプレス用金型。 The press die for a titanium plate according to any one of claims 1 to 3, wherein the Vickers hardness of the CrN film is 800 to 2000. 前記Cr膜の厚さが5nm〜100nmである、請求項1乃至請求項の何れか一項に記載のチタン板のプレス用金型。 The press die for a titanium plate according to any one of claims 1 to 4 , wherein the Cr film has a thickness of 5 nm to 100 nm. 前記中間膜の厚さが30nm〜1000nmである、請求項1乃至請求項の何れか一項に記載のチタン板のプレス用金型。 The titanium plate press die according to any one of claims 1 to 5 , wherein the interlayer film has a thickness of 30 nm to 1000 nm. 前記基材の表面に窒化層が形成され、前記窒化層上に前記CrN皮膜が形成されている、請求項1乃至請求項の何れか一項に記載のチタン板のプレス用金型。 The press die for a titanium plate according to any one of claims 1 to 6 , wherein a nitride layer is formed on the surface of the base material, and the CrN film is formed on the nitride layer. 前記窒化層の厚さが0.5μm〜5μmである、請求項に記載のチタン板のプレス用金型。 The titanium plate press die according to claim 7 , wherein the nitrided layer has a thickness of 0.5 μm to 5 μm. 前記窒化層の平均窒素濃度が、0.10〜0.50質量%である、請求項または請求項に記載のチタン板のプレス用金型。 The titanium plate press die according to claim 7 or 8 , wherein the average nitrogen concentration of the nitrided layer is 0.10 to 0.50% by mass. 前記窒化層における窒素の濃度分布が、前記窒化層表層から深さ方向に向かって減少する濃度勾配を有する、請求項乃至請求項の何れか一項に記載のチタン板のプレス用金型。 Concentration distribution of nitrogen in the nitride layer has a concentration gradient that decreases along the depth direction from the nitride layer surface, a press die of the titanium plate as claimed in any one of claims 7 to 9 .. 前記窒化層のビッカース硬さが800〜1200である、請求項乃至請求項10の何れか一項に記載のチタン板のプレス用金型。 The Vickers hardness of the nitrided layer is 800 to 1200, a press mold for titanium plate according to any one of claims 7 to 10. 前記基材が、さらに、質量%で、
Mo:0.70〜1.20%、
V:0.15〜1.00%、
W:0.60〜0.80%、
を含有する、請求項1乃至請求項11の何れか一項に記載のチタン板のプレス用金型。
The base material is further increased in mass%.
Mo: 0.70 to 1.20%,
V: 0.15-1.00%,
W: 0.60 to 0.80%,
The titanium plate press die according to any one of claims 1 to 11, which comprises.
前記基材がパンチ及びダイである、請求項1乃至請求項12の何れか一項に記載のチタン板のプレス用金型。 The titanium plate press die according to any one of claims 1 to 12 , wherein the base material is a punch and a die. 請求項1〜13の何れか一項に記載のチタン板のプレス用金型を用いて、チタン板をプレス成形する、チタン板のプレス成形方法。 A method for press-molding a titanium plate, wherein the titanium plate is press-molded using the titanium plate press die according to any one of claims 1 to 13. 前記チタン板をプレス成形する際、チタン板の変形状態として平面ひずみ状態を含む、請求項14に記載のチタン板のプレス成形方法。 The method for press-molding a titanium plate according to claim 14 , wherein when the titanium plate is press-molded, a plane strain state is included as a deformed state of the titanium plate.
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