KR101875593B1 - 프레스 성형용 금형 및 프레스 성형 금형용 보호막의 제조방법 - Google Patents

프레스 성형용 금형 및 프레스 성형 금형용 보호막의 제조방법 Download PDF

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니혼 고슈하 고교 가부시끼가이샤
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Abstract

프레스 성형용 금형은 적어도 피성형체에 접촉하는 성형면 위에, 프레스 성형시의 눌어붙음을 방지하기 위한 보호막이 형성되어 있다. 이 보호막은 PVD법에 의해 형성되어 있고, 그 표면으로부터 선발된 임의의 선택구간을 복수의 개별구간으로 분할하고, 그 분할수를 N으로 하고, 선택구간의 단부로부터 n번째의 분할점에 있어서의 표면의 기울기를 (dZn/dXn)으로 했을 때에, 하기 수식으로부터 산출되는 자승 평균 평방근(RΔq)이 0.032 이하이다. 이것에 의해, PVD법에 의해 형성된 보호막을 갖는 프레스 성형용 금형의 내눌어붙음성을 향상시킬 수 있다.

Description

프레스 성형용 금형 및 프레스 성형 금형용 보호막의 제조방법{PRESS FORMING DIE, AND METHOD OF MANUFACTURING PRESS FORMING DIE PROTECTION FILM}
본 발명은 프레스 성형되는 피성형체에 접촉하는 면 위에 눌어붙음(燒付, seizure) 방지용의 보호막이 형성된 프레스 성형용 금형 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히, PVD법에 의해 형성된 보호막의 내눌어붙음성을 향상시킨 프레스 성형용 금형 및 그 제조방법에 관한 것이다.
프레스 성형용의 금형은 피성형체에 대하여 전단 가공 및 굽힘 가공을 반복하는 용도로 사용되므로, 피성형체의 금속재료와의 사이에 마찰이 생기고, 금형의 표면에는, 마찰열에 의한 눌어붙음이 발생하기 쉽다. 이 눌어붙음을 방지하기 위하여, 윤활제를 사용한 경우에 있어서는, 프레스 가공 후의 피성형체에 탈지 처리 등을 시행할 필요가 있기 때문에, 프레스 성형 후의 후처리가 번잡하게 된다고 하는 문제점이 있다.
이 문제점을 해결하기 위하여, 최근의 프레스 성형용의 금형에는, 피성형체에 접촉하는 성형면 위에, 눌어붙음 방지용의 보호막을 형성하는 것이 행해지고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는, CVD법(화학증착법) 또는 PVD법(물리증착법) 등에 의해, DLC(다이아몬드 라이크 카본) 등의 윤활성을 갖는 경질 보호막을 금형의 표면에 형성하는 기술이 개시되어 있다. 이 특허문헌 1에서는, 보호막의 표면거칠기를 최대 높이(Ry)에서 8㎛ 이하로 하면, 공구의 내구성이 향상되는 것이 개시되어 있고, 보호막의 표면거칠기(Ry)를 작게 하기 위하여, 다이아몬드 래핑 등에 의해 연마하는 것이 개시되어 있다(특허문헌 1의 단락 0035, 0047 등).
특허문헌 2에는, 금형 등의 내마모성이 필요하게 되는 공구의 제조방법이 개시되어 있고, 공구의 기체(基體) 표면에, PVD법 중 하나인 아크식 이온도금법에 의해 보호막을 형성하면, 음극의 금속재료의 일부가 비산하여 보호막에 부착되고, 직경이 1 내지 5㎛의 구 형상의 매크로 입자에 의해, 공구 수명이 저하되는 것이 개시되어 있다. 이 매크로 입자는 드라플릿(droplet)이라고 불리고 있다. PVD법에 의해 보호막을 형성하는 경우에는, CVD법 등의 경우에 비해, 보호막은 표면이 매끄럽게 되도록 형성된다. 따라서, 일반적으로, 드라플릿은 제거되지 않고, 드라플릿을 제거하는 처리를 행하면, 국소적으로 공구의 기체 표면이 노출되어, 보호막의 효과가 얻어지지 않게 된다고 하는 문제점이 있다. 특허문헌 2에서는, 드라플릿을 래핑 처리 등에 의해 기계적으로 제거한 후, 래핑 처리 후의 보호막 위에, 제2층째의 피막을 더 형성함으로써, 드라플릿이 제거됨으로써 형성된 오목부를 메우고 있다(특허문헌 2의 단락 0002 내지 0016).
특허문헌 3에는, Co 및 Ni의 일방 또는 쌍방을 함유하는 보호막이 개시되어 있고, 보호막에 Co 및 Ni를 첨가함으로써, 보호막이 윤활제를 흡착하는 능력이 향상되고, 이것에 의해, 보호막 표면의 마찰계수를 낮게 할 수 있는 것이 개시되어 있다. 또한 특허문헌 2와 마찬가지로, 특허문헌 3에도, PVD법에 의해 보호막을 형성한 경우에, 드라플릿이 부착되는 것이 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌 3에서는, 보호막에 부착된 드라플릿은 적당한 밀도로 존재하는 경우에는, 피성형체에 접촉함으로써 차례로 탈락되어서, 보호막 표면의 최종적인 마찰계수는 작아진다고 기재되어 있다. 한편, 특허문헌 3에는, 보호막의 표면거칠기가 최대 높이(Ry)에서 0.6㎛를 초과한 경우, 보호막을 설치한 효과가 작아지는 것이 기재되어 있고, 이것을 방지하기 위하여, 래핑에 의해 드라플릿을 제거하는 것도 개시되어 있다. 이 경우에는, 특허문헌 2와 마찬가지로, 래핑 처리 후의 보호막 위에, 제2층째의 피막을 더 형성하고 있다(특허문헌 3의 단락 0029 내지 0035 등).
일본 특개 2005-305510호 공보 일본 특개 2005-28544호 공보 일본 특개 2008-31011호 공보
(발명의 개시)
(발명이 해결하고자 하는 과제)
그렇지만, 상기 종래의 기술에는 이하에 나타내는 문제점이 있다. 특허문헌 1에서는, 보호막의 표면거칠기가 거친 경우에, 표면을 래핑함으로써, 금형의 내눌어붙음성은 개선되었다. 그러나, 보호막의 표면거칠기를 최대 높이(Ry)에서 관리하고 있기 때문에, 도 8(a) 및 도 8(b)에 도시하는 바와 같이, 돌출부의 선단(101)만이 래핑에 의해 제거된다. 따라서, 래핑 후에는, 오목부(102)가 남고, 이것에 의해, 오목부가 노치로서 작용하여 충격파괴 또는 피로파괴되기 쉽다고 하는 문제점이 있다. 또한 래핑 후에도, 돌출부의 측부에는 경사가 가파른 사면(斜面)(103)이 남고, 이것에 의해, 돌출부 사이에 연마 찌꺼기가 응착되기 쉽다고 하는 문제점이 있다. 또한, 보호막의 표면거칠기를 JIS B0601에 규정된 10점 평균 거칠기(Rz) 및 산술평균 거칠기(Ra)로 관리한 경우에도 동일하다.
또한, JIS B0601의 표면거칠기의 규정에서는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 표면의 요철부 사이의 사면(103)의 경사가 가파른 경우(도 9(a))와 완만한 경우(도 9(b))에서, 동일한 평균 거칠기가 산출되기 때문에, 양자에는 동일한 높이로 되는 것과 같은 래핑이 시행된다. 따라서, 도 9에 도시하는 바와 같이, 내마모성에 크게 영향을 미치는 요철부의 사면의 경사에 차이가 생겨, 금형의 내눌어붙음성에 편차가 생긴다고 하는 문제점이 있다.
특허문헌 2에서는, 드라플릿을 제거한 후, 래핑 처리 후의 보호막 위에 피막을 형성함으로써, 보호막의 내마모성의 저하를 방지하고 있다. 그렇지만, 특허문헌 2에서는, 제2층째의 피막의 두께 및 표면거칠기를 관리하는 기술은 전혀 개시되어 있지 않다. 따라서, 피성형체에 직접 접촉하는 보호막 표면의 표면 상태가 불분명하다.
특허문헌 3에서도, 특허문헌 1과 마찬가지로, 보호막의 표면거칠기를 최대 높이(Ry)에서 관리하고 있기 때문에, 금형이 충격파괴 또는 피로파괴되기 쉬워져, 연마 찌꺼기가 응착되기 쉽다고 하는 문제점이 있다. 또한, 특허문헌 3에서는, 제2층째의 피막에 의해, 원하는 표면거칠기가 확보된다고 기재되어 있지만, 피성형체에 직접 접촉하는 제2층째의 피막에 대해서는, 연마하고 있지 않다. 즉, 특허문헌 3에서는, 제2층째의 피막에 소정의 표면거칠기(최대 높이(Ry))를 얻기 위해서는, 실제로 보호막을 형성하는 금형과는 별도로 설치된 시험편에 의해, 소정의 표면거칠기가 얻어지는 피막 두께를 검토할 필요가 있고, 또한 제2층째의 피막에 있어서의 표면거칠기에 편차가 생길 우려도 있어, 생산성이 낮다고 하는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, PVD법에 의해 형성된 보호막을 갖는 프레스 성형용 금형에 있어서, 높은 내눌어붙음성을 갖는 프레스 성형용 금형 및 프레스 성형 금형용 보호막의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 프레스 성형용 금형은, 적어도 피성형체에 접촉하는 성형면 위에, 프레스 성형시의 눌어붙음을 방지하기 위한 보호막이 형성된 프레스 성형용 금형에 있어서, 상기 보호막은 PVD법에 의해 형성되어 있고, 그 선발된 골라내어진 임의의 선택구간을 복수의 개별구간으로 분할하고, 그 분할수를 N으로 하고, 상기 선택구간의 단부로부터 n번째의 분할점이 n-1번째의 분할점으로부터 상기 선택구간이 연장되는 방향으로 dXn, 높이 방향으로 dZn 이동한 위치에 있다고 하고, 상기 n번째의 분할점에 있어서의 표면의 기울기를 (dZn/dXn)이라고 했을 때에, 하기 수식 1로부터 산출되는 자승 평균 평방근(RΔq)이 0.032 이하인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 프레스 성형용 금형은 보호막의 표면거칠기가 각 분할점에 있어서의 표면의 기울기로부터 산출된 자승 평균 평방근(RΔq)에 의해 관리되고 있다. 즉, JIS B0601(1994년, 이하 동일) 및 JIS B0031(1994년, 이하 동일)의 규정으로부터, 각 분할점에 있어서의 표면의 기울기로부터 자승 평균 평방근(RΔq)이 산출되고, 이 값 RΔq를 0.032 이하로 함으로써, 내눌어붙음성이 향상된다.
[수 1]
Figure 112013081810927-pct00001
본 발명에 따른 프레스 성형용 금형에 있어서, 예를 들면, 상기 보호막은 전(前) Al을 50원자% 이상 함유하는 금속재를 음극으로 하는 PVD법에 의해 형성된 것이다.
상기 보호막은, 예를 들면, 상기 피성형체에 접촉하는 쪽이 TiAlN계의 재료로 이루어지는 제 1 박막이 형성된 것이다. 이 경우에, 예를 들면, 상기 보호막은 상기 성형면 위로 형성된 CrN계의 재료로 이루어지는 제 2 박막이 형성되어, 이 제 2 박막 위에 상기 제 1 박막이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 프레스 성형 금형용 보호막의 제조방법은, 프레스 성형용 금형의 적어도 피성형체에 접촉하는 성형면 위에, 프레스 성형시의 눌어붙음을 방지하기 위한 보호막을 형성하는 프레스 성형 금형용 보호막의 제조방법에 있어서, 반응 가스 분위기 중에서, 상기 보호막으로 되는 금속재료를 음극으로 하여, 상기 성형면 위에 PVD법에 의해 보호막을 형성하는 공정과, 이 보호막의 표면을 연마하는 공정을 갖고, 상기 보호막의 표면을 연마하는 공정은 상기 보호막의 표면으로부터 선발된 임의의 선택구간을 복수의 개별구간으로 분할하고, 그 분할수를 N으로 하고, 상기 선택구간의 단부로부터 n번째의 분할점이 n-1번째의 분할점으로부터 상기 선택구간이 연장되는 방향으로 dXn, 높이 방향으로 dZn 이동한 위치에 있다고 하고, 상기 n번째의 분할점에 있어서의 표면의 기울기를 (dZn/dXn)이라고 했을 때에, 하기 수식으로부터 산출되는 자승 평균 평방근(RΔq)을 0.032 이하로 되도록 연마하는 것을 특징으로 한다.
[수2]
Figure 112013081810927-pct00002
본 발명의 프레스 성형용 금형은 PVD법에 의해 금형의 표면에 형성된 보호막이, 임의의 선택구간에서, 패러미터(RΔq)에 의해 그 표면거칠기가 규정되어 있다. 이 패러미터(RΔq)는 임의의 선택구간이 복수의 개별구간으로 분할되고, 각 분할점에 있어서의 표면의 기울기에 의해 산출되기 때문에, 최대 높이 등에 의한 표면거칠기에 비해, 보호막의 표면상태를 정밀도 좋게 관리할 수 있다. 그리고, 이 패러미터(RΔq)를 0.032 이하로 하면, 프레스용 금형에 높은 내눌어붙음성을 얻을 수 있다.
또한 본 발명에서는, 보호막의 표면상태가 복수로 분할된 각 분할구간의 경사에 의해 관리되고, 연마 후의 보호막은 그 경사가 작다. 따라서, 래핑 후의 오목부를 노치로 하는 금형의 충격파괴 및 피로파괴를 방지할 수 있고, 연마 찌꺼기의 응착도 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 프레스용 금형의 수명을 비약적으로 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 프레스 성형 금형용 보호막에 의하면, 프레스 성형용 금형의 내눌어붙음성을 높여, 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 프레스 성형용 금형에 있어서의 보호막의 표면을 나타내는 SEM 사진(500배)이다.
도 2는 래핑 후의 표면거칠기가 큰 보호막의 표면을 나타내는 SEM 사진(500배)이다.
도 3은 종래의 래핑 후의 보호막의 표면을 나타내는 SEM 사진(500배)이다.
도 4(a) 내지 (c)는 본 발명의 프레스 성형용 금형에 있어서의 보호막의 표면거칠기의 조절방법을 종래의 표면거칠기의 조정방법과 비교하여 나타내는 도면이다.
도 5는 패러미터(RΔq)에 대한 프레스 성형용 금형의 샷(shot) 가능수의 변화를 나타내는 그래프도이다.
도 6은 판재의 프레스 성형을 나타내는 모식도이다.
도 7(a) 내지 (d)는 본 발명의 실시예에 있어서의 각 시험편의 표면거칠기의 측정결과를 나타내는 도면이다.
도 8(a), (b)는 표면거칠기를 최대 높이에서 규정한 경우에 있어서의 래핑 전후의 보호막의 표면을 일례로서 나타내는 도면이다.
도 9(a), (b)는 표면거칠기를 종래의 기준에 의해 규정한 경우에 있어서의 표면상태를 나타내는 모식도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 본 발명의 실시형태에 따른 프레스 성형용 금형에 대하여 설명한다. 본 발명에 있어서의 프레스 성형용 금형은, 예를 들면, 도 6에 도시하는 바와 같은 프레스 성형기(10)에 있어서의 다이(11) 및 펀치(12) 등이며, 이하와 같이 사용된다. 즉, 펀치(12) 위에 피성형체의, 예를 들면, 판재(2)를 재치한 후, 예를 들면, 탄성 부재에 의해, 패드(13) 등을 통하여 탄성력을 인가함으로써, 판재(2)를 펀치(12) 위에 고정한다. 이 상태에서 판재(2)의 위로부터 다이(11)를 하강시켜, 다이(11)와 펀치(12) 사이에 판재(2)를 끼움으로써, 판재(2)를 소정의 형상으로 프레스 성형한다.
이 도 6에 도시하는 예에서는, 다이(11) 및 펀치(12)에는, 판재(2)에 전단 가공 및 굽힘 가공을 반복하기 때문에, 판재(2)에 접촉하는 부분에는, 마찰이 발생하여, 마찰열이 생기고, 이것에 의해, 다이(11) 및 펀치(12)의 표면에 눌어붙음이 생겨, 사용할 수 없게 된다.
이 눌어붙음을 방지하기 위하여, 본 발명의 프레스 성형용 금형은, 적어도 피성형체에 접촉하는 성형면 위에, 눌어붙음 방지용의 보호막이 형성되어 있다. 본 발명에서는, 보호막은, 예를 들면, 이온도금 등의 PVD법에 의해 형성되어 있다.
이 보호막은, 예를 들면, Al을 50원자% 이상 함유하는 금속재를 음극(타깃)으로 하는 PVD법에 의해 형성된 것이다. 즉, 타깃이 되는 금속재는, 예를 들면, 52 내지 55원자%의 Al을 함유한다. 금속재는, Al 이외에, 예를 들면, Ti: 20 내지 22원자%, Cr: 20 내지 22원자% 및 Si: 5원자% 정도를 함유한다.
그리고, 본 발명에 있어서의 보호막은, 예를 들면, N을 프로세스 가스로 하여, 상기 금속재가 금형의 표면이 증착됨으로써, TiAlN계의 재료로 이루어지는 박막(제 1 박막)이, 예를 들면, 1 내지 5㎛의 두께로 형성된 것이다. 이 TiAlN계의 보호막은 종래부터 보호막으로서 사용되고 있고, PVD법에 의해 형성됨으로써, 그 표면에는, 증발원의 음극 금속의 일부가 증발했을 때에, 이온화할 수 없었던 금속이 비산하여 부착된 드라플릿이 형성된다. 보호막 위에 드라플릿이 부착된 채 프레스 성형을 행하는 것은, 프레스 성형용 금형의 눌어붙음의 원인이 되기 때문에, 본 발명에서는, 드라플릿은 연마에 의해 제거되고 있다. 이때, 본 발명에서는, 종래 사용되고 있는 표면거칠기의 기준 대신에, JIS B0601 및 JIS B0031에 규정된 자승 평균 평방근(RΔq)을 사용하고, 이 패러미터(RΔq)가 0.032 이하가 되도록 관리되고 있다. 즉, 패러미터(RΔq)는 보호막의 표면의 임의의 구간을 선택하고, 그것을 복수의 개별 구간으로 분할하고, 분할수를 N으로 하고, 선택구간의 단부로부터 n번째의 분할점이 n-1번째의 분할점으로부터 선택구간이 연장되는 방향으로 dXn, 높이 방향으로 dZn 이동한 위치에 있다고 하고, 상기 n번째의 분할점에 있어서의 표면의 기울기를 (dZn/dXn)이라고 했을 때에, 각 분할점에 있어서의 기울기의 자승 평균값의 평방으로서 하기 수식 3에 의해 산출된다. 예를 들면 1 내지 4mm의 구간을 1668 내지 6667 분할하고, 패러미터(RΔq)가 산출된다.
[수3]
Figure 112013081810927-pct00003
도 1은 본 발명에 따른 프레스 성형용 금형에 있어서의 보호막의 표면을 나타내는 SEM 사진, 도 2는 래핑 후의 표면거칠기가 큰 보호막의 표면을 나타내는 SEM 사진, 도 3은 종래의 래핑 후의 보호막의 표면을 나타내는 SEM 사진이다. 또한, 이것들의 도 1 내지 3에 있어서의 확대배율은 각각 500배이다. 종래, 드라플릿을 래핑할 때는, 래핑 후의 보호막의 표면거칠기를 JIS B0601에 규정된 최대 높이(Ry), 10점 평균 거칠기(Rz) 또는 산술평균 거칠기(Ra)로 관리하고 있기 때문에, 도 4(b)에 도시하는 바와 같이, 표면의 요철부의 선단만이 래핑에 의해 제거되어, 보호막의 표면에는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 볼록부의 선단 및 오목부에는, 예리한 코너부가 남는다. 그렇다면, 보호막이 충격파괴 또는 피로파괴되기 쉬워지거나, 연마 찌꺼기가 응착하여 금형의 수명이 짧아진다고 하는 문제점이 있거나, 보호막 표면의 요철부 사이의 사면의 경사가 가파른 경우와 완만한 경우에서 금형의 내눌어붙음성에 편차가 생긴다고 문제점이 있다. 그렇지만, 본 발명에서는, 상기한 바와 같이, 패러미터(RΔq)에 의해, 각 분할점에 있어서의 경사에 의해 표면의 거칠기가 관리되고, 패러미터(RΔq)가 0.032 이하가 되도록 연마됨으로써, 도 4(c)에 도시하는 바와 같이, 표면의 요철은 균일하게 평활하게 되도록 연마되고, 도 1에 도시하는 바와 같이, 보호막의 표면에는 예리한 부분은 남겨져 있지 않다. 이것에 의해, 본 발명에서는, 상기와 같은 문제는 발생하지 않아, 프레스 성형되는, 예를 들면, 금속판과 보호막 사이의 마찰을 크게 저감할 수 있어, 금형의 눌어붙음이 방지됨으로써, 프레스 성형용 금형의 수명을 비약적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 보호막의 표면거칠기를 패러미터(RΔq)에 의해 관리한 경우에도, RΔq가 0.032를 초과하고 있는 경우에는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 보호막의 표면에는 오목부가 잔류하여, 본 발명의 효과를 충분히 얻을 수 없다.
여기에서, 본 발명에 있어서의 패러미터(RΔq)의 수치 한정 이유에 대하여, 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는 패러미터(RΔq)에 대한 프레스 성형용 금형의 샷 가능수의 변화를 나타내는 그래프도이다. 또한, 그래프도 중의 각 플롯은 후술하는 실시예의 시험결과를 나타내고, 흰 동그라미의 플롯은 TiAlN계의 보호막을 아크 이온도금법에 의해 형성한 경우, 검은 동그라미의 플롯은 TiC계의 보호막을 아크 이온도금법에 의해 형성한 경우, 삼각형의 플롯은 VC계의 보호막을 용융염 침지법에 의해 형성한 경우, 사각형의 플롯은 TiN계의 보호막을 아크 이온도금법에 의해 형성한 경우를 나타낸다. 그리고, 도 5의 실선은 TiAlN계의 보호막에 있어서의 내구시험 결과를 기초로 산출된 RΔq에 대한 프레스 성형용 금형의 샷 가능수의 관계를 나타낸다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 패러미터(RΔq)가 0.032를 초과한 영역에 있어서는, 프레스 성형용 금형의 샷 가능수는 300회 미만이며, 금형의 수명이 짧다. 그러나, 패러미터(RΔq)가 0.032 이하가 되면, 샷 가능수가 비약적으로 증가하여, 샷 가능수는 1000회 이상이 되고, 패러미터(RΔq)가 0.030에서, 샷 가능수는 6000회가 된다. 이와 같이, 보호막의 표면거칠기의 관리에 패러미터(RΔq)를 사용함으로써, 금형의 내구 수명을 비약적으로 향상시킬 수 있다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 패러미터(RΔq)는 0.032 이하이면 되고, 0.030 이하인 것이 바람직하다. 그러나, 이들 수치에 한정되지 않고, 패러미터(RΔq)는 작으면 작을수록 좋다. 또한, 도 5에 도시하는 바와 같이, VC계의 보호막을 용융염 침지법에 의해 형성한 경우에서는, 패러미터(RΔq)가 0.02 정도까지 작아져도, 프레스 성형용 금형의 샷 가능수는 2000회 정도이며, 아크 이온도금법 등의 PVD법에 비해, 수명 향상의 효과는 작다. 따라서, 본 발명에서는, 보호막은 아크 이온도금법 등의 PVD법에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 박막과 기재인 금형과의 밀착성의 향상 및 보호막 전체의 내압성의 향상을 목적으로 하여, 금형의 표면에는, 예를 들면, CrN계의 재료로 이루어지는 바탕이 되는 보호막(제 2 박막)이, 예를 들면, 2 내지 5㎛의 두께로 형성되어 있어도 된다.
다음에 본 발명의 프레스 성형 금형용 보호막의 제조방법에 대하여 설명한다. 우선, 프로세스 가스의, 예를 들면, 질소 가스가 공급되어 있는 챔버 내에 보호막 형성 대상의 금형을 도입한다. 그리고, 예를 들면, 바이어스 전원에 접속된, 예를 들면, 로터리 테이블 위에 금형을 재치한다. 진공 챔버의 측벽에는, 아크 전원에 접속된, 예를 들면, 평판 형상의 타깃이 설치되어 있다. 타깃은, 예를 들면, 52 내지 55원자%의 Al을 함유하고, 또한 Ti: 20 내지 22원자%, Cr: 20 내지 22원자% 및 Si: 5원자% 정도를 함유하는 금속판이며, 쌍방의 전원으로부터 전력을 공급하면, 금형과 타깃 사이에 아크방전이 발생하고, 타깃의 표면에는, 아크 스폿이 형성된다. 이 아크 스폿에 집중하는 전기에너지에 의해, 금속재 중의 Al, Ti, 및 Cr 등의 성분이 순간적으로 증발·이온화하여, 진공 챔버 내로 비산한다. 그리고, 각 이온화한 금속입자는 프로세스 가스의, 예를 들면, N과 반응하여, 금형의 면에 박막 형상으로 부착되어, 보호막이 형성된다. 금형의 표면에 보호막이 소정의 두께로 형성되면, 진공 챔버로부터 보호막 부착된 금형을 취출한다.
다음에 금형의 표면에 형성된 보호막을 연마한다. 종래의 래핑에서는, 예를 들면, 회전식 공구에 의한 핸드래핑을 실시하거나, 표면거칠기의 번수가 작은, 예를 들면, 600번 이하의 스폰지 형상 연마재를 사용하여 래핑을 시행하고 있다. 즉, 종래는, 보호막의 표면을 지나치게 연마하는 것을 두려워하여, 연질의 연마재를 사용하고 있었다. 그렇지만, 본 발명에서는, 예를 들면, 펠트를 고형화한 비교적 경질의 연마재에, 예를 들면, 표면거칠기가 3000번 정도가 되도록 다이아몬드 페이스트를 도포하여 래핑을 실시한다. 이것에 의해, 종래의 연마방법에 의한 드라플릿의 연마부족을 해소하여, 충분히 보호막의 표면을 연마할 수 있다.
보호막의 연마시에는, 그 표면거칠기의 관리에 패러미터(RΔq)를 사용한다. 즉, RΔq는 보호막의 표면의 임의의 구간을 선택하고, 그것을 복수의 개별구간으로 분할하고, 분할수를 N으로 하고, 선택구간의 단부로부터 n번째의 분할점이 n-1번째의 분할점으로부터 선택구간이 연장되는 방향으로 dXn, 높이 방향으로 dZn 이동한 위치에 있다고 하고, 상기 n번째의 분할점에 있어서의 표면의 기울기를 (dZn/dXn)이라고 했을 때에, 각 분할점에 있어서의 기울기의 자승 평균값의 평방으로서 하기 수식 4에 의해 산출된다. 예를 들면 1 내지 4mm의 구간을 1668 내지 6667 분할하여, 패러미터(RΔq)가 산출된다.
[수4]
Figure 112013081810927-pct00004
본 발명에서는, 표면거칠기의 패러미터(RΔq)가 0.032 이하가 되도록 연마함으로써, 표면의 요철은 균일하게 평활하게 되도록 연마되어, 도 1에 도시하는 바와 같이, 보호막의 표면에는 예리한 부분은 남겨지지 않는다. 따라서, 보호막이 충격파괴 또는 피로파괴되기 쉬워지거나, 연마 찌꺼기가 응착하여 금형의 수명이 짧아지거나, 또는 금형의 내눌어붙음성에 편차가 생긴다고 하는 문제점은 발생하지 않는다. 또한 프레스 성형되는, 예를 들면, 금속판과 보호막 사이의 마찰을 크게 저감할 수 있어, 금형의 눌어붙음이 방지됨으로써, 프레스 성형용 금형의 수명을 비약적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 금형의 표면에, 예를 들면, CrN계의 재료로 이루어지는 바탕이 되는 보호막(제 2 박막)을 형성하는 경우에서는, 상기 제 1 박막의 형성에 앞서, 타깃으로서 금속 Cr과 50원자% 이하의 4족, 5족 또는 6A족의 금속 원소를 함유하는 타깃을 사용하여, 아크 이온도금에 의해 형성하면 된다.
(실시예)
이하, 본 발명의 구성에 의한 효과에 대하여, 그 실시예를 비교예와 비교하여 설명한다. 우선, 프레스 성형용의 금형의 표면에, 보호막을 형성했다. 본 실시예에 있어서의 금형은 SＫD11 상당의 강을 경도가 60HRC가 조질한 다이 및 펀치이다. 보호막의 형성은 용융염 침지(TD)법 또는 아크 이온도금법에 따른다. 용융염 침지법에서는, VC계의 염욕 중에 금형을 침지하여 표면에 VC계의 보호막을 형성한 후, 담금질·뜨임 처리를 시행하고, 그 후, 래핑 처리를 시행함으로써, 보호막을 8㎛의 두께로 형성했다. 또한 아크 이온도금법에서는, 타깃(음극)재로서 Ti: 50원자% 및 Al: 50원자%(단, 각 성분 중에는 불가피적 불순물도 포함됨)를 사용하여, 챔버 중에 도입하는 프로세스 가스로서 질소 가스 또는 질소와 메탄 등의 탄화수소와의 혼합 가스를 사용하고, 각 프로세스 가스 분위기 중에서 아크 이온도금법에 의해, 금형의 표면에 TiC계, TiN계 또는 TiAlN계의 보호막을 여러 두께로 형성했다.
그 후, 각 보호막을 연마했다. 연마시에는, 각 보호막의 표면을, 표면거칠기 측정기(도쿄세미츠사제, 제품명: HANDYSURF E-35B, 높이 방향의 분해능 0.01㎛)에 설치된 촉침식 변위형 픽업(선단 형상: 원추형, 선단 직경: 5㎛)으로 트레이스하고, 트레이스 결과를 해석 소프트(도쿄세미츠사제, 제품명: TiMS Light)에 의해 해석하고, JIS B0601 및 JIS B0031에 준거하여 패러미터(RΔq)를 산출함으로써 관리했다. 이때, 측정결과의 컷오프 값(λc)은 0.8mm로 하고, 측정장(ln)은 4.0mm로 했다. 동시에, 각 실시예 및 비교예에서, JIS B0601에 규정된 산술평균 거칠기(Ra) 및 최대 높이(Ry)를 산출했다. 각 실시예 및 비교예의 보호막이 형성된 다이(11) 및 펀치(12)를, 도 6에 도시하는 바와 같이, 프레스 성형기(10)에 설치하고, 펀치(12) 위에 금속판(2)을 올려놓은 후, 예를 들면, 탄성 부재에 의해, 패드(13) 등을 통하여 탄성력을 인가함으로써, 판재(2)를 펀치(12) 위에 고정했다. 이 상태에서, 판재(2)의 위로부터 다이(11)를 하강시켜, 다이(11)와 펀치(12) 사이에 판재(2)를 끼움으로써, 판재(2)를 프레스 성형했다. 금속판(2)으로서는 판 두께가 3.2mm의 열간압연 연강판(SPH590)을 사용하여, 윤활유 없이(워크재의 방청재만) 프레스 성형했다. 또한, 가공속도는 40spm(shot per minute), 아이어닝률(판 두께 감소량/원래의 판 두께)을 7%로 했다. 각 실시예 및 비교예에서의 샷 가능수의 측정결과를 표 1에 나타낸다. 또한 실시예 No.3, 비교예 No.4, No.7 및 No.8에 대해서는, 상기 표면거칠기 측정기로 트레이스하고, 트레이스 결과를 상기 해석에 의해 해석했다. 해석한 보호막의 표면거칠기 곡선을 각각 도 7(a) 내지 (d)에 나타낸다.
Figure 112013081810927-pct00005
표 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 구성을 만족하는 실시예 No.1 내지 3은 용융염 침지법에 의해 보호막을 형성한 비교예 No.4, 및 패러미터(RΔq)가 0.032를 초과한 비교예 No.5 내지 8에 비해, 샷 가능수가 비약적으로 향상되어, 3000샷에서도 눌어붙음이 발생하지 않았다.
표 1에 있는 바와 같이, 동일한 TiAlN계 피막의 실시예 No.1, 2, 3 및 비교예 No.7, 8을 비교하면, 샷 가능수와 RΔq에는 명확한 상관성이 확인되는 것을 알 수 있다. 또한 산술평균 거칠기(Ra)가 거의 동일한 값을 갖는 실시예 No.2 및 비교예 No.8과, 최대 높이(Ry)가 거의 동일한 실시예 No.1 및 비교예 No.8에 있어서, 각각, 샷 가능수가 크게 상이하므로, 금형의 수명은 RΔq와 강한 상관성을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 또한 실시예 No.3와 비교예 No.4를 비교하면, 비교예 No.4쪽이 RΔq가 작은데도 불구하고, 샷 수명이 실시예 No.3 쪽이 커져 있는데, 이것은 PVD법으로 형성한 TiAlN 피막쪽이 장수명인 것을 나타내고 있다. 또한 도 7(a)(비교예 No.7) 및 도 7(b)(비교예 No.8)에 나타내는 바와 같이, RΔq가 0.032를 초과한 경우에 있어서는, 보호막의 표면은 요철의 쌍방이 크고, RΔq의 감소와 함께, 요철이 작아진다. 그리고, 패러미터(RΔq)가 0.032 이하가 되면, 도 7(c) (실시예 No.3)에 도시하는 바와 같이, 보호막의 표면의 요철은 대단히 작아진다. 따라서, 본 발명에 의하면, 패러미터(RΔq)에 의해, 표면거칠기를 관리하면서 연마를 실시함으로써, 프레스 성형용 금형의 수명을 확실하게 향상시킬 수 있다. 또한, 도 7(d)(비교예 No.4)는 용융염 침지법에 의해 보호막을 형성하고 있으므로, 드라플릿의 부착은 없고, 본 발명의 패러미터(RΔq)에 의해 표면거칠기를 관리하는 효과가 작아져 있다.
(산업상의 이용가능성)
본 발명은 PVD법에 의해 형성된 보호막을 갖는 프레스 성형용 금형의 내눌어붙음성을 향상시킬 수 있어, 프레스 성형용 금형의 내마모성의 향상에 기여한다.
10 프레스 성형기
11 다이
12 펀치
13 패드
2 판재(금속판)

Claims (5)

  1. 적어도 피성형체에 접촉하는 성형면 위에, 프레스 성형시의 눌어붙음을 방지하기 위한 보호막이 형성된 프레스 성형용 금형에 있어서,
    상기 보호막은 TiAlN계의 보호막을 아크 이온도금법에 의해 형성한 것이고, 그 표면으로부터 선발된 임의의 선택구간을 복수의 개별 구간으로 분할하고, 그 분할수를 N으로 하고, 상기 선택구간의 단부로부터 n번째의 분할점이, n-1번째의 분할점으로부터 상기 선택구간이 연장되는 방향으로 dXn, 높이 방향으로 dZn 이동한 위치에 있다고 하고, 상기 n번째의 분할점에 있어서의 표면의 기울기를 (dZn/dXn)이라고 했을 때에, 하기 수식으로부터 산출되는 자승 평균 평방근(RΔq)이 0.032 이하인 것을 특징으로 하는 프레스 성형용 금형.
    Figure 112015123155096-pct00006
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보호막은 Al을 50원자% 이상 함유하는 금속재를 음극으로 하는 PVD법에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 프레스 성형용 금형.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 보호막은 상기 피성형체에 접촉하는 쪽에 TiAlN계의 재료로 이루어지는 제 1 박막이 형성된 것인 것을 특징으로 하는 프레스 성형용 금형.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 보호막은 상기 성형면 위에 형성된 CrN계의 재료로 이루어지는 제 2 박막이 형성되고, 이 제 2 박막 위에 상기 제 1 박막이 형성된 것을 특징으로 하는 프레스 성형용 금형.
  5. 프레스 성형용 금형의 적어도 피성형체에 접촉하는 성형면 위에, 프레스 성형시의 눌어붙음을 방지하기 위한 보호막을 형성하는 프레스 성형 금형용 보호막의 제조방법에 있어서,
    반응 가스 분위기 중에서, 상기 보호막으로 되는 금속재료를 음극으로 하고, 상기 성형면 위에 아크 이온도금법에 의해 TiAlN계의 상기 보호막을 형성하는 공정과, 이 보호막의 표면을 연마하는 공정을 가지고,
    상기 보호막의 표면을 연마하는 공정은, 상기 보호막의 표면으로부터 선발된 임의의 선택구간을 복수의 개별구간으로 분할하고, 그 분할수를 N이라고 하고, 상기 선택구간의 단부로부터 n번째의 분할점이 n-1번째의 분할점으로부터 상기 선택구간이 연장되는 방향으로 dXn, 높이 방향으로 dZn 이동한 위치에 있다고 하고, 상기 n번째의 분할점에 있어서의 표면의 기울기를 (dZn/dXn)이라고 했을 때에, 하기 수식으로부터 산출되는 자승 평균 평방근(RΔq)을 0.032 이하로 되도록 연마하는 것을 특징으로 하는 프레스 성형 금형용 보호막의 제조방법.
    Figure 112015123155096-pct00007
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