JPWO2014192730A1 - 冷間加工用金型の製造方法 - Google Patents

Abstract

冷間加工用金型としての最低限の使用可能硬さを満足しつつ硬質皮膜の密着性に優れるプリハードン鋼を用いた冷間加工用金型の製造方法を提供することを目的とする。質量％で、Ｃを０．６％以上１．２％以下、Ｃｒを３．０％以上９．０％以下を含む鋼材を焼入れ焼戻しして硬さ５５ＨＲＣ以上のプリハードン鋼に調整する工程と、前記調整したプリハードン鋼を機械加工して金型の作業面を形成する工程と、前記機械加工した作業面に窒化処理する工程と、前記窒化処理した後の作業面に物理蒸着法によって硬質皮膜を被覆する工程とを有する冷間加工用金型の製造方法である。

Description

本発明は、硬質皮膜を有する冷間加工用金型の製造方法に関するものである。

近年、室温での板材の曲げ、絞り、抜きなどのプレス成形に用いられる冷間加工用金型の作業面に様々な表面処理を施しておくことで、作業面の耐摩耗性や耐カジリ性を高める手法が広く実施されてきている。なかでもコーティングによる手法は、ビッカース硬度（ＨＶ）の値が１０００を超える硬質皮膜を被覆できるため、硬質皮膜を被覆した冷間加工用金型の寿命は大きく向上する。硬質皮膜の被覆手法のうち、物理蒸着法（以下「ＰＶＤ法」ともいう。）は、一般的に、被覆時の温度が鋼の焼戻し温度よりも低温であるため、被覆による軟化が少ないため変形や変寸が生じ難い。

ところで、通常、プレス成形に用いられる冷間加工用金型には、硬さの低い焼鈍状態で供給され、これに粗加工を行った後に、焼入れ焼戻しを行い使用硬さに調整される通常鋼材（特許文献１、２）が適用されている。しかしながら、通常鋼材を適用する場合、前記焼入れ焼戻しにより熱処理変形が生じるため、前記使用硬さへの調整後にはその変形分を修正するための再度の仕上げ切削加工を施して最終形状に整える必要があることから作製工程が多くなる。
これに対して、あらかじめ使用硬さに調整して供給されるプリハードン鋼も提案されている（引用文献３、４）。プリハードン鋼を適用した場合、上記のような再度の仕上げ加工を省略することが可能であり変寸の課題はない。

特開２００９−１３２９９０号公報 特開２００６−１９３７９０号公報 特開２００８−１８９９８２号公報 国際公開番号ＷＯ２０１２／１１５０２４号公報

プリハードン鋼の硬度が高くなると、満足した被削性が得られ難い。一方、プリハードン鋼の硬さが低くなると被削性は改善される傾向にあるが、ＰＶＤ法で被覆した硬質皮膜の密着性が低下する傾向にあることを確認した。
本発明はこのような事情に鑑みてされたものであり、冷間加工用金型としての最低限の使用可能硬さを満足しつつ硬質皮膜の密着性に優れるプリハードン鋼を用いた冷間加工用金型の製造方法を提供するものである。

本発明は、質量％で、Ｃを０．６％以上１．２％以下、Ｃｒを３．０％以上９．０％以下を含む鋼材を焼入れ焼戻しして硬さ５５ＨＲＣ以上のプリハードン鋼に調整する工程と、
前記調整したプリハードン鋼を機械加工して冷間加工用金型の作業面を形成する工程と、
前記機械加工した作業面に窒化処理する工程と、
前記窒化処理した後の作業面に物理蒸着法によって硬質皮膜を被覆する工程とを有する冷間加工用金型の製造方法である。

前記窒化処理により、窒化層を４０μｍ以上形成することが好ましい。
前記鋼材が、質量％で、Ａｌを０．０１％以上０．３％未満、Ｍｎを０．３％以上２．０％以下、Ｓを０．０２％以上０．１％以下を含むことが好ましい。更には、質量％で、Ａｌを０．０４％以上０．１５％以下を含むことがより好ましい。
前記硬質皮膜は窒化物を含むことをが好ましい。更には、前記窒化物はＡｌとＣｒを含有することが好ましい。

本発明によれば、冷間加工用金型としての使用可能硬さである５５ＨＲＣ以上を満足しつつ、硬質皮膜の密着性に優れた冷間加工用金型をプリハードン鋼を用いて製造することができる。また、プリハードン鋼を用いることにより、機械加工して作業面が形成された冷間加工用金型に対し、焼入れ焼戻し工程を省略することができる。また、物理蒸着法を用いて硬質皮膜を被覆するため、被覆処理による冷間加工用金型の変形や変寸の発生を抑制できる。したがって、総合的な製造効率を向上させた上で、機械的特性が優れる冷間加工用金型を製造することができる。

本発明者等は、プリハードン鋼を使用して冷間加工用金型を製造することを検討した。そして、冷間加工用金型としての最低限の使用可能硬さを満足しつつ硬質皮膜の密着性を高めるためには、鋼材のＣとＣｒの組成範囲を調整した上で硬質皮膜の被覆前に窒化処理を施すことが有効であることを見出して本発明の製造方法に到達した。以下、本発明の詳細について説明する。

本発明では、冷間加工用金型として最低限必要な耐摩耗性を付与するために、硬さ５５ＨＲＣ以上のプリハードン鋼を用いて冷間加工用金型を製造する。これよりも低硬度になると耐摩耗性が低下するため冷間加工用金型として適用し難くなる。一方、プリハードン鋼の硬度が高くなり過ぎると鋼材の組成によっては機械加工が困難となり満足した被削性が得られ難い。そのため、優れた被削性を確保する上では６２ＨＲＣ以下であることが好ましい。より好ましくは６０ＨＲＣ以下である。更に好ましくは６０ＨＲＣ未満である。
なお、本発明における機械加工とは、冷間加工用金型の作業面を形成するために用いられているドリル、タップ、インサート、エンドミル等の一般的な切削工具を用いた加工、研磨剤等を用いて冷間加工用金型の作業面を磨く研磨等である。

上記「ＨＲＣ」は、押し込み硬さを表す尺度であるロックウェル硬さＨＲ（Rockwell Hardness）を表しており、圧子：１２０°円錐形ダイアモンド、試験荷重：１５０ｋｇｆの条件でＪＩＳ Ｂ７７２６に準拠して下記式により求められる値である。
ＨＲ＝１００−５００ｈ
（ｈ：基準荷重（１０ｋｇｆ）時を零点とした時の実際のへこみ深さ［ｍｍ］）

冷間加工用金型の使用環境においては、成形中に発生する摩耗粉やワークのしわ寄せなど、局所的に面圧が高くなる部位が存在する。特に面圧が高い場合には、母材がその面圧に耐えられず塑性変形を起こし易い。冷間加工用金型の表面にセラミックス等の高い硬度を有する硬質皮膜を被覆する場合、鋼材の硬さが低くなると、母材の塑性変形に硬質皮膜が追随できず硬質皮膜の内部にクラックが発生して剥離が発生し易くなる。
本発明者等は、冷間加工用金型としての最低限の使用可能硬さにおいても硬質皮膜の高い密着性を得るため、硬質皮膜の被覆前に窒化処理をすることを検討した。窒化処理によって、鋼表層からの深さ数十ミクロンまで窒素が浸透して鋼表面が硬化されれば高い面圧に対しても塑性変形し難くなるため硬質皮膜の密着性を向上することができる。また、窒化処理によって鋼表層に圧縮応力が付与されることで、母材と硬質皮膜の界面に存在する極端な応力差を緩和できるため、高い残留圧縮応力が付与されるＰＶＤ法で被覆した硬質皮膜の密着性が改善される傾向にある。

そして、本発明者等は窒化処理によって硬質皮膜の密着性を高めるためには、鋼材のＣｒ量を一定量以下に制限することが重要であることを知見した。但し、Ｃｒ量を低減し過ぎると、焼入れ焼戻し後の組織中に形成されるＭ_７Ｃ_３炭化物量が少なくなるため、硬さが低くなり冷間加工用金型の耐摩耗性が低下する。そこで、本発明では、Ｃｒ量を制御することで低下する鋼材の硬さを補うために固溶Ｃを利用するべく、鋼材に含まれるＣとＣｒの含有量を検討した。Ｃは、鋼中に炭化物を形成する一方で、冷間加工用金型に硬さを付与する重要な元素である。Ｃが少なすぎると固溶量が不足し、冷間加工用金型の耐摩耗性が低下する。一方、Ｃを過多に含有すると、炭化物が増加するため焼入れ焼戻し後の機械加工が困難となる。
本発明では上述した効果を得るため、質量％で、Ｃを０．６％以上１．２％以下、Ｃｒを３．０％以上９．０％以下を（以下、単に％と表記）含む鋼材をプリハードン鋼として用いる。冷間加工用金型の耐摩耗性を高めるためにはＣは０．７％以上とすることが好ましい。更には、Ｃｒを４．０％以上とすることが好ましい。
プリハードン鋼の被削性をより改善するにはＣを１．０％以下とすることが好ましく、更には、Ｃを０．９％以下とすることがより好ましい。
窒化処理によって硬質皮膜の密着性を高めるためにはＣｒを８．０％以下とすることが好ましい。

窒化層を２０μｍ以上形成することで密着性がより高まり好ましい。更には３０μｍ以上であることが好ましい。更には４０μｍ以上であることが好ましい。窒化層が厚く形成されると金型が割れるリスクが高まるため８０μｍ以下とすることが好ましい。更には７０μｍ以下である。
窒化処理には、ガス窒化、プラズマ窒化等の従来知られている手法を適宜選択して利用することができる。窒化処理の温度が高くなり過ぎると、機械加工した冷間加工用金型の硬さが低下する恐れがある。そのため、窒化処理は６００℃以下で実施することが好ましい。更には、５５０℃以下で実施することが好ましい。また、窒化処理の温度が低くなり過ぎると窒化層が形成され難い。そのため、窒化処理は４００℃以上で実施することが好ましい。
なお、窒化処理の条件によっては白層といわれる窒化物層が形成される場合がある。白層は硬質皮膜の密着性を低下させる原因となるので、窒化処理の制御により形成されないようにするか、あるいは研磨等により除去することが好ましい。

窒化処理前の冷間加工用金型の作業面の表面粗さは、算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ−Ｂ−０６０１−２００１に準拠）、最大粗さ高さＲｚ（ＪＩＳ−Ｂ−０６０１−２００１に準拠）で測定した場合に、Ｒａが０．１μｍ以下、Ｒｚが１．０μｍ以下にすることが好ましい。作業面をより平滑な表面状態にすることで硬質皮膜の密着性が向上する。Ｒａが０．０８μｍ以下、Ｒｚが０．８μｍ以下にすることがより好ましい。Ｒａが０．０４μｍ以下、Ｒｚが０．２μｍ以下にすることが更に好ましい。

本発明に係る鋼材は、従来の方法等により準備することができる。例えば、インゴットケースを使用した普通造塊法の他に、連続鋳造法や、一旦鋳造後の鋼塊に実施する真空アーク再溶解法やエレクトロスラグ再溶解法等により鋼塊を得て、それを分塊圧延や鍛造等の熱間加工によって、スラブ、ブルーム、ビレット等の鋼片の形状に整えた鋼材を準備すればよい。

本発明で適用するＰＶＤ法の処理温度は、一般的に、鋼の焼入れ焼戻し温度よりも低温であるため、高温処理である化学蒸着法やＴＤ処理に比べて被覆後の冷間加工用金型の熱処理変寸が発生し難い。ＰＶＤ法としては、ターゲットに衝突するイオンによってターゲット成分を弾き飛ばすスパッタ現象を利用するスパッタリング法や、アーク放電を利用してターゲット表面を蒸発させるアークイオンプレーティング法等を適用することができる。ＰＶＤ法の中でも硬質皮膜の密着性が優れるアークイオンプレーティング法で被覆することが好ましい。アークイオンプレーティング法で硬質皮膜を被覆した後には、ドロップレットを除去するために硬質皮膜の表面を研磨することが好ましい。
冷間加工用金型に高い耐摩耗性を付与するためには、ビッカース硬さ（ＨＶ０．０２５）が２０００ＨＶ以上の硬質皮膜を被覆することが好ましい。また、窒化物の硬質皮膜は耐熱性に優れる傾向にあり、冷間加工用金型の耐久性を向上させる上で特に好ましい。窒化物の硬質皮膜の中でも、金属（半金属を含む）部分がＡｌとＣｒを含有する窒化物の硬質皮膜は耐摩耗性および耐熱性が優れるため好ましい。特に、前記金属（半金属を含む）部分においてＡｌとＣｒの合計の含有比率（原子％）が９０％以上の窒化物の硬質皮膜を被覆することが好ましい。
硬質皮膜は単層皮膜であっても、多層皮膜であってもよいが、冷間加工用金型の耐久性をより向上させるためには、硬質皮膜のトータルの膜厚は３μｍ以上とすることが好ましい。４μｍ以上がより好ましい。

硬質皮膜を被覆する工程では、基材に印加する負のバイアス電圧を−２２０Ｖ以上−７０Ｖ以下とすることが好ましい。基材に印加する負のバイアス電圧が−７０Ｖよりも大きくなると硬質皮膜の緻密化が十分でなく密着性が低下する場合がある。また、基材に印加する負のバイアス電圧が−２２０Ｖよりも小さくなると成膜が安定し難い傾向にある。更には、硬質皮膜を被覆する工程では、基材に印加する負のバイアス電圧は−２００Ｖ以上−９０Ｖ以下とすることが好ましい。

本発明に係る鋼材の成分組成は特別なものに限られず、例えばＪＩＳ−Ｇ−４４０４（合金工具鋼材）に規定されるＳＫＤ１２等や、特許文献４に係る鋼材等の公知の冷間工具鋼を用いることができる。また、これらの冷間工具鋼を改良した新規な冷間工具鋼を用いても良い。

本発明に係る鋼材は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗ等を添加してもよい。Ｍｎは、鋼中に固溶して、焼入れ性を付与するのに効果的な元素である。Ｓｉは、鋼中に固溶して、硬さを付与するのに効果的な元素である。Ｍｏ、Ｗは、微細な炭化物を形成して、焼戻し硬さを付与するのに効果的な元素である。さらに、本発明に係る鋼材は、Ａｌ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｕ等を添加することもできる。ＡｌおよびＳは、プリハードン鋼を機械加工するときの機械加工性の向上に寄与する。また、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕは、冷間加工用金型の硬度や靱性の向上に寄与する。さらに、一次炭化物の微細分散化のために、適量のＣａ、Ｔｉ、Ｚｒ、希土類金属元素を添加することもできる。

Ｖ、Ｎｂは、焼入れ焼戻し後の組織中に一次炭化物であるＭＣ炭化物を形成して、硬さ５５ＨＲＣ以上の冷間工具鋼金型を達成するのに効果的な元素である。しかし、ＭＣ炭化物は非常に硬い。よって、Ｖ、Ｎｂを過多に含有すると、ＭＣ炭化物が多く形成されて、プリハードン鋼の被削性が低下する。また、ＶとＮｂは、上記の点において同様の効果を有するが、その効果の程度は、同一の含有量において、ＶのそれがＮｂの概ね半分である。したがって、これらの含有量は（Ｎｂ＋１／２Ｖ）の関係で総合的に扱うことができる。そして、その（Ｎｂ＋１／２Ｖ）の関係式で、ＶおよびＮｂの１種または２種を１．０質量％以下含有することが好ましい。より好ましくは０．８質量％以下である。

そして、本発明に係る鋼材には、そのプリハードン鋼としての被削性をより向上させるために、切削加工時の熱により切削工具の表面に高融点酸化物であるＡｌ_２Ｏ_３と、高延性介在物であるＭｎＳとからなる複合潤滑保護皮膜を十分に形成できるように成分調整した鋼材を適用することが好ましい。この複合潤滑保護皮膜は、広範囲の切削温度に対応して効果が変動せず、しかもＮｂやＶといった硬質のＭＣ炭化物を形成する元素を添加した場合でも良好な被削性を確保できる。工具刃先に複合潤滑保護皮膜を十分に形成して被削性をより向上させるために、本発明に係る鋼材は、質量％で、Ａｌを０．０１％以上０．３％未満、Ｍｎを０．３％以上２．０％以下、Ｓを０．０２％以上０．１％以下を含有することが好ましい。

Ａｌは、切削加工時に高融点酸化物であるＡｌ_２Ｏ_３を切削工具表面に形成し、保護皮膜として機能する。そして、０．０１％以上を含有することで、十分な厚さの保護皮膜が形成され、工具寿命が改善されるので好ましい。より好ましくは０．０４％以上である。更には、０．０５％以上である。しかし、Ａｌを多量に添加した場合は、鋼素材中にＡｌ_２Ｏ_３が介在物として多く形成されるため、鋼素材の被削性がかえって低下する。このため、Ａｌ添加量の上限は０．３％未満とすることが好ましい。より好ましくは０．１５％以下である。

Ｍｎは、切削工具表面に形成されたＡｌ_２Ｏ_３保護皮膜上で良好な潤滑皮膜として作用する。そして、オーステナイト形成元素であり、鋼中に固溶して焼入れ性を向上する。しかし、添加量が多すぎると焼入れ焼戻し後に残留オーステナイトが多く残り、工具使用時の経年変寸の原因となる。また、ＦｅやＣｒと低融点酸化物を形成しやすいため、Ａｌ_２Ｏ_３保護皮膜の機能を阻害する要因となる。よって、Ｍｎの含有量は０．３％以上２．０％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．４％以上である。また、より好ましくは１．５％以下である。

Ｓは、切削工具表面に形成されたＡｌ_２Ｏ_３保護皮膜上で良好な潤滑皮膜として作用する。このような潤滑作用が十分に発揮されるためには０．０２％以上の添加が好ましいが、Ｓは鋼の靱性を劣化させるため、上限は０．１％とすることが好ましい。より好ましくは０．０３％以上である。より好ましくは０．０８％以下である。

表１の成分組成を有した鋼塊Ｎｏ．１〜４を作製した。これらの鋼塊に対して、鍛造比が１０程度になるように熱間鍛造を行い、冷却後、８６０℃で焼鈍を行った。そして、これらの焼鈍材につき鋼塊Ｎｏ．１、３、４は１０３０℃から、鋼塊Ｎｏ．２は９６０℃からの空冷による焼入れ処理を行った。そして、前記焼入れ処理後に、５００〜５４０℃で２回の焼戻し処理により、それぞれの鋼塊につき、６０ＨＲＣと５６ＨＲＣの２種の硬さに調整した。
なお、表１中鋼塊Ｎｏ．１は特許文献４のプリハードン鋼相当材である。Ｎｏ．２はＪＩＳ−Ｇ−４４０４（合金工具鋼材）に規定されるＳＫＤ１２相当材、Ｎｏ．３はＳＫＤ１１相当材である。

作業面を形成するための機械加工に対する適性を評価するために、以下の機械加工条件で、上記それぞれのプリハードン鋼に切削試験を実施し、そのときの工具寿命を評価した。
＜切削試験＞
工具：高送りラジアスミル
φ３２×５枚刃（日立ツール株式会社製）
カッター型番：ＡＳＲＳ２０３２Ｒ−５
インサート型番：ＥＰＭＴ０６０３ＴＮ−８
切削方法：底面切削
切込み：軸方向０．５ｍｍ、径方向１５ｍｍ
刃数：１
切削速度：１２０ｍｍ／ｍｉｎ
テーブル送り：３６７ｍｍ／ｍｉｎ
切削油：エアーブロー
逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに到達するまでの時間を工具寿命とした（数値が大きい程、被削性に優れる）。結果を表２に示す。

鋼塊Ｎｏ．１は、鋼中の炭化物を低減するためＣ量を調整したものである。そして、硬さが５６ＨＲＣの場合、工具寿命に達するまでの時間が約８０分に達した。更に、鋼塊Ｎｏ．１は、切削加工中の工具の刃先に複合潤滑保護皮膜が形成するよう特に好ましく組成調整したものである。そのため、硬さが６０ＨＲＣの高硬度の場合にも、工具損傷が抑制されて工具寿命に達するまでの時間が約５０分と長寿命となった。これにより、鋼塊Ｎｏ．１は、硬さ５５ＨＲＣ以上のプリハードン鋼として冷間加工用金型の作業面を機械加工するのに適していることが分かった。

鋼塊Ｎｏ．２も、鋼中の炭化物を低減するためＣ量を調整したものである。そして、硬さが５６ＨＲＣの場合において、工具寿命に達するまでの時間が約２０分に達した。そして、硬さが６０ＨＲＣの場合、工具寿命に達するまでの時間は約５分であった。これにより、鋼塊Ｎｏ．２は、硬さを５５ＨＲＣ以上とし、かつ６０ＨＲＣ未満のプリハードン鋼とする範囲で、冷間加工用金型の作業面を機械加工するのに適していることが分かった。

鋼塊Ｎｏ．３は、Ｃ量が多いため鋼中の炭化物が多いものである。そして、５６ＨＲＣおよび６０ＨＲＣのいずれの硬さにおいても、工具逃げ面の摩耗幅が０．２ｍｍに到達する前に、早期に工具破壊が発生して、切削試験を中止した。これにより、鋼塊Ｎｏ．３は、プリハードン鋼として冷間加工用金型の作業面を機械加工するのに適していないことが分かった。

鋼塊Ｎｏ．４もまた、鋼中の炭化物を低減するためＣ量を調整したものである。そして、硬さが５６ＨＲＣの場合、工具寿命に達するまでの時間が約４０分に達した。そして、更に切削加工中の工具刃先に複合潤滑保護皮膜が形成するよう組成調整したことによって、硬さが６０ＨＲＣの高硬度の場合でも工具が早期損傷せずに、工具寿命に達するまでの時間は約１５分となった。これにより、鋼塊Ｎｏ．４は、プリハードン鋼として冷間加工用金型の作業面を機械加工するのに適していることが分かった。

以上のとおり、Ｃ量を調整して鋼中の炭化物を低減し、更に切削加工中の工具刃先に複合潤滑保護皮膜が形成し易くなるよう組成調整した鋼塊Ｎｏ．１、４においては、６０ＨＲＣの高硬度の場合でも優れた被削性を示した。このような鋼塊をプリハードン鋼として適用する場合には、冷間加工用金型としての最低限必要な硬さ５５ＨＲＣ付近までに硬度を低下させなくても被削性を十分に確保することができる。特に、Ａｌ含有量を調整して複合潤滑保護皮膜が十分に形成できるようにした鋼塊Ｎｏ．１では６０ＨＲＣの場合でも極めて優れた被削性を示すことが確認された。
また、Ｃ量を調整して炭化物を低減した一方では、前記複合潤滑保護皮膜を形成しない成分組成の鋼塊Ｎｏ．２であっても、冷間加工用金型としての最低限必要な硬さ５５ＨＲＣ付近までに硬度を低下させることで、あるいは、切削時の加工条件を緩和することで、優れた被削性を十分に確保することができる。
一方、もとより、Ｃ量が多く鋼中に炭化物が多くある鋼塊Ｎｏ．３では、硬さを５５ＨＲＣ付近にまで低下させたとしても、被削性は極めて悪い。そのため、鋼塊Ｎｏ．３のようにＣ量が多い鋼材をプリハードン鋼に適用すると、被削性が極めて悪くなるため冷間加工用金型の製造が困難となる。

上記したプリハードン鋼を加工して２０ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍの試料片を準備した。そして、試料片の表面を冷間加工用金型の作業面と見立てて、前記作業面に硬質皮膜を被覆し、硬質皮膜の密着性の評価を実施した。
まず、各試料（試料Ｎｏ．１〜１２、各試料と鋼塊Ｎｏ、鋼材硬さとの関係は表４に記載する）の平面を、算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ−Ｂ−０６０１−２００１に準拠）、最大粗さ高さＲｚ（ＪＩＳ−Ｂ−０６０１−２００１に準拠）で測定した場合に、Ｒａが０．０１μｍ以下、Ｒｚが０．０５μｍ以下になるよう研磨してアルカリ洗浄を実施した。
次に、窒化処理を施す試料（試料Ｎｏ．１〜７、１０）については、炉内寸法Φ７００ｍｍ×１２００ｍｍ（炉内有効寸法Φ６００ｍｍ×６００ｍｍ）のプラズマ窒化炉を用いて窒化処理を実施した。窒化処理の前には、炉内を真空下で４１０℃まで加熱し、Ｎ_２：Ｈ_２：Ａｒ＝６：９１：３のガス比率で試料表面をガスエッチングした後に以下の条件で窒化処理をした。窒化条件Ａとして、４５０℃×２０ｍｉｎ、Ｎ_２：Ｈ_２＝５０：５０のガス比率で窒化処理した。窒化条件Ｂとして、４９０℃×１２０ｍｉｎ、Ｎ_２：Ｈ_２＝１：９９のガス比率で窒化処理を行った。
なお、試料Ｎｏ．８、９、１１、１２は窒化処理をせず、直接、後述するアークイオンプレーティング法で硬質皮膜を被覆した。

そして、硬質皮膜の被覆には、チャンバー容積が１．４ｍ^３（処理品の挿入空間は０．３ｍ^３）のアークイオンプレーティング装置を用いた。炉内に各試料を設置し、温度７７３Ｋ、１×１０^−３Ｐａの真空中で加熱脱ガスを行った後、７２３Ｋの温度においてＡｒプラズマによるクリーニングを行った。そして装置内に反応ガスを導入し、ターゲット上にアーク放電を発生させて、７２３Ｋのもとでコーティングを行った。
いずれの試料も、Ａｌ６０Ｃｒ４０ターゲット（数字は原子比である。）を用い、ターゲットに印加する投入電流は１５０Ａ、反応ガス圧力は３Ｐａ、テーブル回転数は３ｒｐｍ、反応ガスはＮ_２とし、被覆時には基材に‐１００Ｖのバイアス電圧を印加して、膜厚が４μｍになるように成膜時間を調整してＡｌＣｒＮ皮膜を形成した。なお、皮膜表面から測定した硬質皮膜のビッカース硬さ（ＨＶ０．０２５）は、３０００ＨＶであった。

窒化層の深さを測定するため、試料を切断して、ＪＩＳ−Ｇ−０５６２（鉄鋼の窒化層深さ測定方法）の手順で試料表面からのビッカース硬さ（ＨＶ０．０５）を測定した。表面から０．２ｍｍの硬さを内部硬さとし、内部硬さよりもビッカース硬さＨＶが５０以上高くなる表面からの深さを窒化層の深さとした。表３に各試料のビッカース硬さの測定結果を示す。試料Ｎｏ．２、４、５、６、７では、表面からの深さ０．０１０ｍｍのビッカース硬さＨＶが９００ＨＶ以上であり、表面から０．０１０ｍｍの硬さは内部硬さよりも２００ＨＶ以上高硬度であった。試料Ｎｏ．２、４、６、７は、表面からの深さ０．０２０ｍｍのビッカース硬さＨＶが９００ＨＶ以上であった。表２のビッカース硬さから求めた各試料の窒化層の深さを表４に示す。

密着性の評価は、スクラッチ試験機（ＣＳＭ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製 ＲＥＶＥＴＥＳＴ）を用い、ダイヤモンドＣスケールの圧子による引っ掻き試験にて評価した。スクラッチ試験条件は、荷重０Ｎ〜１２０Ｎ、負荷速度１Ｎ／ｓ、スクラッチ距離１２ｍｍ、スクラッチ速度１ｍｍ／ｓの条件で行った。
スクラッチ試験において、スクラッチ痕の外観に損傷が確認された初期荷重を初期臨界荷重値とした。また、基材が露出した荷重値を臨界荷重値とした。表４に密着性の試験結果について示す。

本発明例である試料Ｎｏ．１〜４は、硬さ５６ＨＲＣであるが初期臨界荷重値が４０Ｎ以上、臨界荷重値が１００Ｎ以上であり優れた密着性を示した。また、本発明例の中でも試料Ｎｏ．５〜７は、硬さが高く密着性が優れる傾向にあった。
比較例の試料Ｎｏ．８、９は窒化処理をしていないため初期臨界荷重値及び臨界荷重値が本発明例よりも低く、密着性が低下した。
比較例の試料Ｎｏ．１０は、鋼材のＣｒ含有量が多いため、本発明例である試料Ｎｏ．１、３、５と同じ窒化処理をしているが窒化層が十分に形成されなかった。そのため、初期臨界荷重値及び臨界荷重値が低く密着性が低下した。
比較例である試料Ｎｏ．１１、１２は、硬さ６０ＨＲＣであるが窒化処理をしていないため、本発明よりも初期臨界荷重値及び臨界荷重値が低く、密着性が低下した。

Claims (6)

1. 質量％で、Ｃを０．６％以上１．２％以下、Ｃｒを３．０％以上９．０％以下を含む鋼材を焼入れ焼戻しして硬さ５５ＨＲＣ以上のプリハードン鋼に調整する工程と、
   前記調整したプリハードン鋼を機械加工して冷間加工用金型の作業面を形成する工程と、
   前記機械加工した作業面に窒化処理する工程と、
   前記窒化処理した後の作業面に物理蒸着法によって硬質皮膜を被覆する工程とを有することを特徴とする冷間加工用金型の製造方法。
2. 前記窒化処理により、窒化層を４０μｍ以上形成することを特徴とする請求項１に記載の冷間加工用金型の製造方法。
3. 前記鋼材が、質量％で、Ａｌを０．０１％以上０．３％未満、Ｍｎを０．３％以上２．０％以下、Ｓを０．０２％以上０．１％以下を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の冷間加工用金型の製造方法。
4. 前記鋼材が、質量％で、Ａｌを０．０４％以上０．１５％以下を含むことを特徴とする請求項３に記載の冷間加工用金型の製造方法。
5. 前記硬質皮膜は窒化物を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の冷間加工用金型の製造方法。
6. 前記窒化物はＡｌとＣｒを含有することを特徴とする請求項５に記載の冷間加工用金型の製造方法。