JPH10204610A - 温熱間用部材およびその製造方法ならびにこれを用いた温熱間用金型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温間ないし熱間で使用される摺動部を有する
機械部品などの温熱間用部材、およびその製造方法、な
らびにこれを用いた温熱間用金型を提供する。 【解決手段】 部材の表層部に硫化鉄と酸化鉄を主体と
する窒素を含む混合物層を有し、前記混合物層中の硫黄
と酸素の重量濃度比（Ｓ／Ｏ）が０．５＜Ｓ／Ｏ＜１０
の式を満足する領域を有する温熱間用部材であり、部材
本体側には少なくとも窒化層が形成される。上記部材は
温熱間用金型に好適である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温間ないし熱間で
使用される温熱間用部材、およびその製造方法、ならび
にこれを用いた温熱間用金型に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば温熱間鍛造用金型（以下、
金型と記す）には、主にＪＩＳに規定されるＳＫＤ６
１，ＳＫＴ４に代表される熱間工具鋼が用いられてお
り、特に耐久性を要求される用途には、これらよりも高
温強度の高いＳＫＤ７，ＳＫＤ８，高速度鋼あるいはこ
れらの改良鋼が用いられている。近年、被加工製品の高
精度化や加工能率の向上の要求に呼応して、金型の靭性
を保持するとともに、金型表面に耐摩耗性、耐焼付性を
付与する目的から、一般に表面処理が施されるようにな
ってきた。このような金型に対して実施される表面処理
方法としては、イオン法、塩浴法、ガス法等による単一
窒化処理が主流である。

【０００３】例えば、特開平７−１３８７３３号には、
金型の耐ヒートクラック性および塑性流動を軽減するた
めに、イオン窒化処理後に９５０℃まで昇温させて高周
波加熱により最表面の脆弱な、白層と呼ばれている高濃
度窒素化合物の低減と、窒素拡散層を３．０ｍｍまで深
くする方法が提案されている。また、特開昭５７−５４
５５１号には金型芯部の靭性を保持しながら、同時に焼
付き防止を目的として、低温（３５０〜４５０℃）でイ
オン窒化する熱間加工用金型を提案しているが、これら
の効果は従来手法の窒化処理材と比較して金型寿命は２
〜３割程度の金型寿命の向上であり、飛躍的な金型寿命
改善の手法とは必ずしも言えない面があった。

【０００４】近年のニアネットシェイプ化は、製品の形
状が複雑で、加工時に被加工材の肉流れが大きくなり、
金型作業面との摩擦が過大となり、摩擦熱による金型表
面部の軟化がより進行し、金型自身の変態点（７００〜
９００℃）を越えてしまうほど高温になる場合がある。
その結果、金型自身が本来持つべき特性を失わせ、高温
特性が著しく低下し、金型の損耗現象が加速されて短寿
命となる。また現在、表面処理の主流として実施されて
いるイオン窒化など、単一の窒化処理を施した金型で
は、形成させた窒化物の一部が過熱のため分解してしま
い、その効果が十分に発揮できなくなるという問題があ
った。

【０００５】単一窒化処理以外の手法としては、特開平
４−２２８５５７号には、建設機械の油圧ポンプおよび
モータなどに使用されるピストン、シリンダ等の潤滑油
保有性向上を目的として、油中で使用される冷間摺動部
材に対してガス浸硫窒化方法および装置が提案されてい
る。また、特開昭６０−３９１５５号の提案では、硫化
アンモニウムの分解ガスとアンモニアガスを導入し、鉄
系製品の表面に主に硫化第２鉄（ＦｅＳ₂）からなる第
一層を形成させ、第二層としてＦｅ₄Ｎの窒化鉄を形成
させた構造としている。

【０００６】さらに片桐等（日本金属学会第５１巻、第
１０号（１９８７），Ｐ．９３０〜９３４）は、無色硫
化アンモニウム溶液を用い、硫化水素濃度１５０ｐｐ
ｍ、アンモニア濃度７５％、処理温度５８０℃、処理時
間１〜６時間の条件で鉄鋼材料に浸硫窒化処理を施すこ
とにより、最表面に多孔質の硫化第１鉄（ＦｅＳ）層が
形成され、これに酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）が共存した表面層
を得たことが報告されている。その他、特公平７−４２
５６６号では、軟鋼、鋳鉄からなるボルト、ナットなど
地下埋設下での防食、または地上部の防錆や美観向上を
目的として四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）を母材に形成させる
酸化鉄形成方法などが提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】一般に、高温の被加工
材を塑性加工する際の金型の損耗は、下記に示す経過に
より進行する。金型表面部は、次のような被加工材との
接触により熱的衝撃を受ける。すなわち、高温の被加工
材の表面は、金型作業面上に強く押し付けられ、型彫面
に沿って流動し、摩擦熱の発生と塑性変形による発熱を
伴いながら塑性加工を受ける。この作業中に金型表面部
は、急激に昇温して膨張する。作業が終了すると被加工
材は、素早く金型から離型される。金型表面部は、被加
工材が離型するのと同時に冷却し始め、収縮が起る。

【０００８】上記のような被加工材の塑性加工が繰り返
される結果、金型表面部には膨張と収縮による熱疲労を
受けるだけでなく、熱影響により軟化した金型表面部
は、加工応力や膨張・収縮に伴って発生する応力に対す
る抵抗力が低下しており、金型表層部でヒートクララッ
クや塑性流動が生じ易くなり、摩耗などの損耗が進行す
る。この際、特に金型表面と被加工材が直接接触すると
焼付現象が発生し易くなる。焼付が発生すると被加工材
から金型表面部への熱伝達が容易となり、金型の損耗が
より急速に進行する。

【０００９】このため、通常の作業では、１サイクル毎
に金型表面に潤滑剤あるいは離型剤が塗布され、これら
が金型表面と被加工材との間に、フィルム状に介在し、
金型作業面と被加工材が直接接触しない利点がある。反
面、昇温した金型表面部は、上記の冷剤が塗布されるた
め冷却速度が大きくなり、単位時間内の収縮量が大きく
なる弊害を伴う。前述したように通常の熱間鍛造用金型
には、単一窒化処理されたものが使用されている他、従
来から室温付近の比較的低温側で使用される摺動部を有
する機械部品等に浸硫窒化処理が施されている。特開平
４−２２８５５７号に開示された内容は、潤滑油保有性
の高いＦｅＳ₂を２００〜３５０℃で二次加熱処理を行
なって、鉄鋼部材の最表面に硫化第２鉄（ＦｅＳ₂）を
形成させて潤滑効果を高めたものである。ところが、例
えばこのような処理を施した金型を本発明が対象とする
６００℃以上に加熱された被加工材を高圧のもとで成形
すると、硫化第２鉄の結合力が弱いために容易に剥離や
脱落が起り、温熱間用金型としては使用に耐えないもの
である。

【００１０】また、特開昭６０−３９１５５号に提案さ
れた各層は多孔質であるため、金型に適用した場合に
は、６００℃以上の被加工材を高圧のもとで成形する
と、ヒートクラックの起点または伝搬通路となり易く使
用に適さない。さらに片桐等によって提案された方法
は、供給原料として無色硫化アンモニウム溶液を用いて
いるため、得られた表層部の硫黄と酸素の重量濃度比
（Ｓ／Ｏ）が０．５未満となり、金型表面と被加工材と
の摩擦係数を十分下げることができず、また上述したよ
うに多孔質層に起因するヒートクラックの起点または伝
播の通路となり易く、高温の被加工材を高圧下で塑性加
工する金型の用途には必ずしも適したものとは言えな
い。これら従来の浸硫窒化法によって鉄鋼材料の表面に
形成される層は、本発明が対象の一つとする金型のよう
に高温に加熱された被加工材を塑性加工する場合には、
多孔質層に起因するヒートクラックの起点や伝播の通路
となり易く、十分機能できなかったのである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】発明者は、例えば金型と
して使用する場合、高温に加熱された被加工材の熱や塑
性変形による発熱等の熱をどうすれば直接金型表面に伝
達されずに遮断でき、金型の寿命を大幅に向上すること
ができるかについて検討した。その結果、金型自身の表
面を改質して、金型表面と被加工材との間に焼付が起こ
りにくく、かつ潤滑効果と断熱効果とを兼備できる緻密
な表面処理皮膜を形成することができれば、摩擦熱の発
生を抑制し、さらに熱伝達による金型表面部の軟化防止
となり、ひいては金型の寿命向上が可能となることがわ
かった。発明者が部材の表層部に形成される各種皮膜に
ついて、実験を重ねた結果、硫化鉄と酸化鉄を主体とす
る窒素を含む混合物層を形成させ、特に前記混合物層中
の硫黄と酸素の重量濃度比（Ｓ／Ｏ）を高目の特定範囲
内に限定すると、非常に効果が高くなることを見出し
た。

【００１２】すなわち、本発明の第１発明は、部材の表
層部に硫化鉄と酸化鉄を主体とする窒素を含む混合物層
を有し、前記混合物層中の硫黄と酸素の重量濃度比（Ｓ
／Ｏ）が０．５＜Ｓ／Ｏ＜１０の式を満足する領域を有
することを特徴とする温熱間用部材である。また、第２
発明は、部材の表層部に硫化鉄と酸化鉄を主体とする窒
素を含む混合物層を有し、前記混合物層中の硫黄と酸素
の重量濃度比（Ｓ／Ｏ）が０．５＜Ｓ／Ｏ＜１０の式を
満足する領域を有し、かつ前記混合物層の部材本体側に
少なくとも窒化層が形成され、前記窒化層は白層と窒素
拡散層からなることを特徴とする温熱間用部材である。

【００１３】第３発明は、部材の表層部に硫化鉄と酸化
鉄を主体とする窒素を含む混合物層を有し、前記混合物
層中の硫黄と酸素の重量濃度比（Ｓ／Ｏ）が０．５＜Ｓ
／Ｏ＜１０の式を満足する領域を有し、かつ前記混合物
層の部材本体側に少なくとも窒化層が形成され、前記窒
化層は窒素拡散層からなることを特徴とする温熱間用部
材である。上記混合物層中のＳの濃度は、重量％で５〜
３０とするのが好ましい。また、上記混合物層の厚さは
０．１〜２０μｍの緻密な層であることが望ましく、さ
らに上記窒化層の最高硬さは９００ＨＶ以上とするのが
よい。

【００１４】上記温熱間用部材を製造する第４発明は、
ガス発生容器内に無色硫化アンモニウム溶液と黄色硫化
アンモニウム溶液を６：１ないし１：１の割合で供給
し、発生する液面上ガスと窒素ガスまたはアルゴンガス
からなる搬送用ガスとの混合ガス中の硫化水素ガス濃度
を１００〜６００ｐｐｍ、アンモニアガス濃度を０．１
〜１．０％に調整して、温熱間用部材を配置して４６０
〜６００℃に加熱された反応炉に導入するとともに、別
容器から供給する窒素ガスとアンモニアガスにより前記
反応炉内のアンモニア濃度を１０〜７０％に調整して、
ガス浸硫窒化処理をすればよい。

【００１５】なお、少なくとも部材本体側に形成させる
窒化層に、白層と窒素拡散層とを含有させるには、第４
発明の反応炉の加熱温度を高めの５００〜６００℃と
し、かつ前記反応炉内のアンモニア濃度を高めの２０〜
７０％にするのがよい。さらに、少なくとも部材本体側
に形成させる窒化層に窒素拡散層のみ含有させるには、
第４発明の反応炉の加熱温度を低めの４６０〜５５０℃
とし、かつ前記反応炉内のアンモニア濃度を低めの１０
〜４０％にするのがよい。また、上記第１ないし第３発
明で構成される温熱間用部材は温熱間用金型として好ま
しい。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の温熱間用部材の特徴の一
つは、部材の表層部に硫化鉄と酸化鉄を主体とする窒素
を含む混合物層を有し、該混合物層中の硫黄と酸素の重
量濃度比（Ｓ／Ｏ）を０．５＜Ｓ／Ｏ＜１０に限定した
点にある。前記混合物層中の硫黄と酸素の濃度比（Ｓ／
Ｏ）が０．５以下では、機械部品などの摺動部や金型作
業面と被加工材との摩擦係数を十分低減することができ
ず、逆に１０以上の場合には、部材や金型本体または前
記混合物層の部材や金型本体側に形成される窒化層との
密着性が不十分となり、剥離や脱落が容易となり、長期
使用に耐えられなくなるため１０未満とする。

【００１７】また他の特徴は、上記混合物層が形成され
た部材や金型本体側には、少なくとも窒化層が形成さ
れ、前記窒化層が白層と窒素拡散層からなるか、または
窒素拡散層からなる点にある。前記窒化層は、比較的高
温で摺動する相手材を有する部材や被加工材が高圧下で
塑性加工される金型の場合、部材や金型本体の表面部の
強度不足を補う効果を有する他、長期使用後に上記混合
物層が部分的に磨滅した際、耐焼付性が短時間に低下す
るのを防止する効果を有する。なお上記窒化層は、例え
ば金型の型彫面が比較的起伏の少ない形状か、または塑
性加工が容易な被加工材の場合には白層と称されるε−
Ｆｅ₂〜₃Ｎおよび窒素拡散層と呼ばれるγ′−Ｆｅ₄Ｎ
からなる白層と窒素拡散層とを形成させるのがよい。

【００１８】また、型彫面の起伏が大きく、鋭角状の突
起や谷部を施した金型、または起伏が小さくても被加工
材が難加工性の場合には、上記の硬質の白層が存在する
とクラックの発生起点となり易いため、白層のない窒素
拡散層だけの窒化層とするのがよい。上述した本発明の
第１発明ないし第３発明の構成要件を満足する混合物層
中のＳの濃度は、同じ理由から重量％で５〜３０とする
のが良く、また混合物層の厚さは上記効果を発揮させる
ために０．１μｍが必要であり、逆に２０μｍを越える
と剥離しやすくなるため０．１〜２０μｍの緻密な層と
することが望ましい。さらに望ましくは、上記窒化層の
硬さを、部材や金型本体の強度を補うために９００ＨＶ
以上とするのが良い。本発明が対象とする温熱間用部材
は、例えばアルミホイールの成形用ロール、レールやガ
イドなどの摺動部材、押出ピン、コアピン、中子ピンな
ど温熱間で使用されるピン類、さらに押出ダイスの他、
ギア、バルブ成形用型、鍛造またはプレス成形用型の温
熱間用金型など、特に２５０℃以上の温度に晒される部
材として好適である。

【００１９】上記構成要件を満足させる本発明の温熱間
用部材、特に温熱間用金型を製造するには、例えば浸硫
と酸化の供給源に硫化アンモニウム溶液を用いる方法が
ある。この方法では、部材表層部に硫化鉄と酸化鉄を主
体とする窒素を含む緻密な混合物層中の硫黄と酸素の重
量濃度比（Ｓ／Ｏ）を０．５より多く形成させるのに好
都合である。

【００２０】すなわち、予めガス発生容器内に硫化水素
濃度が低く水分の多い無色硫化アンモニウム溶液（ＪＩ
Ｓ Ｋ８９４３）と、硫化水素濃度が高く水分の少ない
黄色硫化アンモニウム溶液（ＪＩＳ Ｋ８９４２）とを
加えて混合溶液とし、発生する液面上ガスを搬送用ガス
である窒素ガスまたはアルゴンガスと混合した状態で硫
化水素ガス濃度を１００〜６００ｐｐｍ、アンモニアガ
ス濃度を０．１〜１．０％に調整して、被処理部材を配
置して４６０〜６００℃に加熱された反応炉に導入する
とともに、例えばボンベ等の別容器から供給する窒素ガ
スとアンモニアガスにより、反応炉内のアンモニア濃度
を１０〜７０％に調整して所定時間の浸硫窒化処理を行
なえばよい。

【００２１】ここで無色硫化アンモニウム溶液の液面上
ガス（ヘッドガス）中のＨ₂Ｓの濃度は２５℃において
３０ｐｐｍ、黄色硫化アンモニウム溶液の液面上ガス中
のＨ₂Ｓ濃度は１２５０ｐｐｍであるので、上記部材表
層部に形成する構成要件を満足させるためには、無色硫
化アンモニウム溶液と黄色硫化アンモニウム溶液の割合
を６：１ないし１：１の範囲とし、液面上ガス中のＨ₂
Ｓ濃度を１００ｐｐｍないし６００ｐｐｍの範囲とす
る。

【００２２】上記浸硫窒化処理のうち、少なくとも部材
本体側に形成させる窒化層に、白層と窒素拡散とを含有
させるには、反応炉の加熱温度を高めにして窒素の拡散
効率を高めるとともに、窒化の供給源となる前記反応炉
内のアンモニア濃度を高めるのが望ましい。そのために
反応炉の加熱温度を５００〜６００℃、反応炉内のアン
モニア濃度を２０〜７０％にするのがよい。また、少な
くとも部材本体側に形成させる窒化層が窒素拡散層のみ
含有させるには、反応炉の加熱温度を低めにして窒素の
拡散を抑制するとともに、窒化の供給源となる前記反応
炉内のアンモニア濃度を低めとするのが望ましい。その
ためには、反応炉の加熱温度を４６０〜５５０℃、反応
炉内のアンモニア濃度を１０〜４０％にするのがよい。

【００２３】なお、硫化アンモニウム溶液以外に、浸硫
と酸化の供給源として、亜硫酸アンモニウム−水和物、
亜硫酸アンモニウム溶液などを用いることもできる。温
間ないし熱間で使用される部材または金型の表層部は、
形態上は多孔質でなく緻密であること、構成上は摩擦係
数が小さく、かつ断熱効果が高く、特に温熱間用金型の
場合には耐焼付性の向上に寄与する硫化鉄を多めに存在
させることが重要である。一方、本発明の温熱間用金型
に用いられる金型母材は、ＪＩＳ規格に規定されるＳＫ
Ｄ６１，ＳＫＴ４に代表される高温強度と靭性を有する
熱間工具鋼が好適であり、これらよりも高温強度の高い
ＳＫＤ７，ＳＫＤ８，高速度鋼あるいはこれらの改良鋼
に対しても必要に応じて適用することができる。

【００２４】

【実施例】以下に実施例に基づいて詳細に説明する。 （実施例１）表１に示す組成の鋼を準備し、焼入れ焼戻
しにより鋼１および鋼２とも４８ＨＲＣに調質した。そ
の後、直径５ｍｍ、長さ２０ｍｍの形状を持つ丸棒試験
片を作製し、その端面は砥石で仕上げた。これらの試験
片に表２に示す種々の表面処理を施したものを用いて熱
間焼付試験を行なった。熱間焼付試験は、試験片の一端
部をボール盤のチャックに取付け１５４０ｒｐｍで回転
させ、６００℃に加熱したＳＮＣＭ４３９製のブロック
に試験片の他端を押し付け、３０秒間摩擦摺動させるも
ので、押し付け荷重は０．３１〜１．７０ＫＮとし、焼
付が発生した押し付け荷重を断面積で除した値を焼付限
界面圧（ＭＰａ）として耐焼付性を評価した。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】表３に、各種表面処理後の表面構造と試験
結果を示す。本発明部材の焼付限界面圧は６９．９〜８
６．６ＭＰａの範囲にあり、イオン窒化と比較して２．
２〜２．７倍、塩浴浸硫窒化Ａおよび無色硫化アンモニ
ウム溶液を用いたガス浸硫窒化と比較して１．２〜１．
４倍、塩浴浸硫窒化Ｂと比較して１．８〜２．３倍であ
る。このように本発明部材は、比較部材と比較して焼付
限界面圧が大幅に改善されていることがわかる。なお、
焼付限界面圧に至った後の試験片端部を切り出してミク
ロ組織観察したところ、これらはいずれも再焼入れ組織
を呈しており、鋼のＡＣ₁変態点を越える温度に昇温し
ていることが認められ、大きな摩擦発熱があったことが
認められた。これにより、本発明部材は摩擦発熱を著し
く抑制できることがわかる。

【００２８】

【表３】

【００２９】なお、表３のうち試料Ｎｏ．６と試料Ｎ
ｏ．８（いずれも比較部材に相当）、試料Ｎｏ．１２と
試料Ｎｏ．２０（いずれも本発明部材に相当）と同じ処
理を行なった試験片表面部の断面組織観察およびＥＰＭ
Ａ（微少部Ｘ線分析装置）による線分析を行ない、その
結果を図１、図２、図３および図４にそれぞれ示す。図
１は、本発明部材の対象外である塩浴浸硫窒化Ａのもの
で、表面処理層の最上部の混合物層中のＳの最大濃度が
２．２ｗｔ％、混合物層中の硫黄と酸素の濃度比（Ｓ／
Ｏ）が０．２９で、混合物層の厚さは２２μｍであっ
た。図２も本発明部材の対象外である塩浴浸硫窒化Ｂの
もので、混合物中のＳの最大濃度が１．１ｗｔ％、混合
物層中の硫黄と酸素の濃度比（Ｓ／Ｏ）が０．０３で、
混合物層の厚さは５μｍであった。

【００３０】これに対して、本発明部材に相当する表面
処理層の混合物層のＳの最大濃度は、図３に示すように
２１ｗｔ％で硫黄と酸素の濃度比（Ｓ／Ｏ）が１．２４
で、混合物層の厚さは３μｍ、また図４ではＳの最大濃
度が２０ｗｔ％、硫黄と酸素の濃度比（Ｓ／Ｏ）が１．
１８で、混合物層の厚さは３．５μｍであった。このよ
うに本発明部材の試料Ｎｏ．１２（図３）および試料Ｎ
ｏ．２０（図４）は高濃度のＳ濃度を有し、混合物層中
のＳ／Ｏも従来部材よりも大きいことがわかる。

【００３１】次に前述の混合物層および部材本体側の窒
化層の構造を光学顕微鏡組織で説明する。本発明部材の
試料Ｎｏ．１２および試料Ｎｏ．２０を図３および図４
に示す。図３は前述の３μｍ厚さを有する混合物層の部
材本体側に窒化層を有し、窒化層は窒素拡散層単独で形
成され、その厚さは０．０８ｍｍであった。図４は前述
の３．５μｍ厚さを有する混合物層より形成され、その
厚さはそれぞれ白層が５μｍおよび窒素拡散層は０．１
４ｍｍであった。なお、混合物層および窒化層の構成物
質については実施例３のＸ線解析で詳しく述べる。

【００３２】（実施例２）表３に示した試料Ｎｏ．５か
ら試料Ｎｏ．１０（比較部材に相当）、試料Ｎｏ．１１
から試料Ｎｏ．１２および試料Ｎｏ．１９から試料Ｎ
ｏ．２０（本発明部材に相当）と同じ処理を行なった試
験片表面部の断面について表面より２５μｍ毎に荷重１
００ｇを付加して硬さを測定し、それぞれの最高硬さを
測定した結果を表４に示す。本発明部材の試料Ｎｏ．１
１および試料Ｎｏ．１２の最高硬さは他の試料と比較し
て最も軟らかい硬さを示したが、最高硬さは９００ＨＶ
以上であった。また、本発明部材の試料Ｎｏ．１９およ
び試料Ｎｏ．２０の最高硬さはそれぞれ１０３３ＨＶお
よび１０４２ＨＶであり、最高硬さは９００ＨＶ以上で
あった。

【００３３】

【表４】

【００３４】（実施例３）表３に示した試料Ｎｏ．６お
よび試料Ｎｏ．８（比較部材に相当）、試料Ｎｏ．１２
および試料Ｎｏ．２０（本発明部材に相当）と同じ処理
を行なった試験片表面部について、最表面よりＸ線回折
装置を用いてＸ線解析を行なった結果を図５に示す。Ｘ
線回折条件は、Ｃｏターゲットを用いて印加電圧４０Ｋ
Ｖ、印加電流２００ｍＡの条件で回折角（２θ）は３０
°より１２０°まで測定した。図５の試料Ｎｏ．６およ
び試料Ｎｏ．８の定性分析結果は酸化鉄がＦｅ₃Ｏ₄およ
び窒化鉄はＦｅ₃ＮおよびＦｅ₄Ｎであり、硫化鉄は検出
されなかった。図５の試料Ｎｏ．１２の定性分析結果
は、硫化鉄がＦｅＳ、酸化鉄がＦｅ₃Ｏ₄および窒化鉄は
Ｆｅ₄Ｎであった。図５の試料Ｎｏ．２０の定性分析結
果は硫化鉄がＦｅＳ、酸化鉄がＦｅ₃Ｏ₄および窒化鉄は
Ｆｅ₃ＮとＦｅ₄Ｎであった。

【００３５】以上のことから実施例１で示した混合物層
のＥＰＭＡの結果と総合的に考えると、試料Ｎｏ．６お
よび試料Ｎｏ．８の混合物層は、少量のＳをそれぞれ
２．５ｗｔ％と１．１ｗｔ％含んではいるが、実質的に
はＦｅ₃Ｏ₄とＦｅ₃Ｎより形成されることが確認され
た。また、混合物層の部材本体側の窒化層は、光学顕微
鏡の結果と総合的に考えるとＦｅ₃Ｎ（白層）およびＦ
ｅ₄Ｎ（窒素拡散層）であることが確認された。次に試
料Ｎｏ．１２および試料Ｎｏ．２０の混合物層は、実質
的にはＦｅＳとＦｅ₃Ｏ₄を主体としてＦｅ₃Ｎを含むこ
とが確認された。また、混合物層の部材本体側の窒化層
は試料Ｎｏ．１２はＦｅ₄Ｎ（窒素拡散層）単独より形
成され、試料Ｎｏ．２０はＦｅ₃Ｎ（白層）およびＦｅ₄
Ｎ（窒素拡散層）より形成されることが確認された。

【００３６】（実施例４）表３に示した試料Ｎｏ．６お
よび試料Ｎｏ．８（比較部材に相当）、試料Ｎｏ．１２
および試料Ｎｏ．２０（本発明部材に相当）と同じ処理
を行なった試験片表面部について表面より連続加重式表
面性測定機にて混合物層と窒化層界面での密着性を評価
するため、引っ掻き抵抗力を測定した結果を表５に示
す。連続加重式表面性測定機の測定条件は、３０μのダ
イヤモンド引掻針を用い、移動速度 ０．２ｍｍ／ｓｅ
ｃ、垂直荷重のフルスケールが５００ｇを用いた。

【００３７】

【表５】

【００３８】本発明部材の試料Ｎｏ．１２および試料Ｎ
ｏ．２０の引っ掻き抵抗力は、比較部材と比べて引っ掻
き抵抗力が大きいことが確認された。このことより、本
発明の混合物層の密着性は比較部材と比べて密着性が良
好であると言える。さらに表層部の形態より試料Ｎｏ．
６および試料Ｎｏ．８の混合物層は多孔質形態であるの
に対し、本発明部材の試料Ｎｏ．１２および試料Ｎｏ．
２０の混合物層は緻密な形態であり、例えば高温鍛造作
業で金型に負荷される熱応力に対して、多孔質で密着性
が乏しい比較部材は、多孔質に起因するヒートクラック
の起点または伝播の通路となり易いのに対して本発明部
材は密着性の改善と緻密な形態を有しているので、温熱
間用金型として使用した場合に寿命向上が予想できる。

【００３９】（実施例５）表３の試料Ｎｏ．２，４，
６，８，１０，１２，１８および２０の表層部の構造を
有するリングプレッシャー成形に使用する熱間鍛造金型
を用意した。金型の寸法は直径１４８ｍｍ、高さ６６ｍ
ｍである。鋼２の鋼を金型近似寸法に荒加工し、焼入
れ、焼戻しにより４８ＨＲＣに調質し、上記の寸法に仕
上げ加工後、所定の表層部の構造が得られるようにそれ
ぞれ表面処理を行なった。鍛造は１６００ｔｏｎの鍛造
プレスを用い、１２００℃に高周波加熱したＳＣＭ４２
０Ｈワークをアップセット加工後１４秒おきに鍛造し
た。表６に金型の寿命を示す。

【００４０】

【表６】

【００４１】金型はいずれも摩耗による損傷で寿命とな
った。本発明金型は従来の金型である比較金型に比べ
て、いずれも金型寿命が比較金型に比べて約２倍向上
し、耐摩耗性に優れた金型であることがわかる。

【００４２】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明の表層部の
構造を有する温熱間用部材や温熱間用金型は、主として
硫化鉄が摩擦熱による熱負荷の抑制効果と断熱効果によ
り、金型の寿命を向上させることが可能となり、しかも
主として酸化鉄は金型に使用中に生成されるＦｅ₂Ｏ₃や
ＦｅＯにより混合物層が厚くなるのを防止する効果や、
混合物層の形態が緻密であり、混合物層と窒化層の密着
性が向上していることから使用中の混合物層の剥離やク
ラックの起点または伝播の通路になりにくくなる利点が
あり、長期使用に効果の高いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】比較部材の試料Ｎｏ．６の混合物層の構造を示
す電子顕微鏡写真とＥＰＭＡによる線分析チャートおよ
び混合物層の部材本体側の窒化層の構造を示す光学顕微
鏡写真である。

【図２】比較部材の試料Ｎｏ．８の混合物層の構造を示
す電子顕微鏡写真とＥＰＭＡによる線分析チャートおよ
び混合物層の部材本体側の窒化層の構造を示す光学顕微
鏡写真である。

【図３】本発明部材の試料Ｎｏ．１２の混合物層の構造
を示す電子顕微鏡写真とＥＰＭＡによる線分析チャート
および混合物層の部材本体側の窒化層の構造を示す光学
顕微鏡写真である。

【図４】本発明部材の試料Ｎｏ．２０の混合物層の構造
を示す電子顕微鏡写真とＥＰＭＡによる線分析チャート
および混合物層の部材本体側の窒化層の構造を示す光学
顕微鏡写真である。

【図５】比較部材の試料Ｎｏ．６および試料Ｎｏ．８と
本発明部材の試料Ｎｏ．１２および試料Ｎｏ．２０のＸ
線回折図である。

【手続補正書】

【提出日】平成９年２月７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】

【表１】 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成９年７月２４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】

【表１】

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 部材の表層部に硫化鉄と酸化鉄を主体と
   する窒素を含む混合物層を有し、前記混合物層中の硫黄
   と酸素の重量濃度比（Ｓ／Ｏ）が０．５＜Ｓ／Ｏ＜１０
   の式を満足する領域を有することを特徴とする温熱間用
   部材。
2. 【請求項２】 部材の表層部に硫化鉄と酸化鉄を主体と
   する窒素を含む混合物層を有し、前記混合物層中の硫黄
   と酸素の重量濃度比（Ｓ／Ｏ）が０．５＜Ｓ／Ｏ＜１０
   の式を満足する領域を有し、かつ前記混合物層の部材本
   体側に少なくとも窒化層が形成され、前記窒化層は白層
   と窒素拡散層からなることを特徴とする温熱間用部材。
3. 【請求項３】 部材の表層部に硫化鉄と酸化鉄を主体と
   する窒素を含む混合物層を有し、前記混合物層中の硫黄
   と酸素の重量濃度比（Ｓ／Ｏ）が０．５＜Ｓ／Ｏ＜１０
   の式を満足する領域を有し、かつ前記混合物層の部材本
   体側に少なくとも窒化層が形成され、前記窒化層は窒素
   拡散層からなることを特徴とする温熱間用部材。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の混
   合物層中のＳの濃度が重量％で５〜３０である温熱間用
   部材。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかに記載の混
   合物層の厚さが０．１〜２０μｍの緻密な層である温熱
   間用部材。
6. 【請求項６】 請求項２または３に記載の窒化層の最高
   硬さが９００ＨＶ以上である温熱間用部材。
7. 【請求項７】 ガス発生容器内に無色硫化アンモニウム
   溶液と黄色硫化アンモニウム溶液を６：１ないし１：１
   の割合で供給し、発生する液面上ガスと窒素ガスまたは
   アルゴンガスからなる搬送用ガスとの混合ガス中の硫化
   水素ガス濃度を１００〜６００ｐｐｍ、アンモニアガス
   濃度を０．１〜１．０％に調整して、温熱間用部材を配
   置して４６０〜６００℃に加熱された反応炉に導入する
   とともに、別容器から供給する窒素ガスとアンモニアガ
   スにより前記反応炉内のアンモニア濃度を１０〜７０％
   に調整して、ガス浸硫窒化処理することを特徴とする温
   熱間用部材の製造方法。
8. 【請求項８】 反応炉の加熱温度が５００〜６００℃で
   あり、前記反応炉内のアンモニア濃度が２０〜７０％で
   ある請求項７に記載の温熱間用部材の製造方法。
9. 【請求項９】 反応炉の加熱温度が４６０〜５５０℃で
   あり、前記反応炉内のアンモニア濃度が１０〜４０％で
   ある請求項７に記載の温熱間用部材の製造方法。
10. 【請求項１０】 請求項１ないし６のいずれかに記載の
    温熱間用部材で構成したことを特徴とする温熱間用金
    型。