KR102174803B1 - 피복 금형 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉간부터 온열간의 사용 영역에 걸쳐서, 내구성 및 내응착성이 우수한 피복 금형 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 표면에 경질 피막을 갖는 피복 금형이며, 상기 경질 피막은, 막 두께가 5㎛ 이상인 질화물을 포함하는 A층과, 다이아몬드 라이크 카본 피막을 포함하는 B층을 포함하고, 상기 B층은 상기 A층보다도 외표면측에 있고, 상기 B층의 표면이, 산술 평균 조도 Ra≤0.2㎛, 최대 높이 Rz≤2.0㎛, 스큐니스 Rsk<0인 것을 특징으로 하는 피복 금형.

Description

피복 금형 및 그 제조 방법

본 발명은 예를 들어 프레스 가공용이나 단조용의 금형 등에 적용되는 경질 피막이 피복된 피복 금형 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

종래, 단조, 프레스 가공과 같은 소성 가공에는, 냉간 다이스강, 열간 다이스강, 고속도강과 같은 공구강으로 대표되는 강이나, 초경합금 등을 모재로 하는 금형이 사용되고 있다. 상기한 소성 가공의 방법은, 실온 부근에서 가공을 행하는 냉간 가공과, 피가공재가 400℃ 이상으로 가열되어서 가공을 행하는 온간 가공이나 열간 가공이 있다. 프레스 가공용이나 단조용의 금형을 사용한 소성 가공에서는, 금형의 작업면과 피가공재가 미끄럼 이동함으로써, 금형의 작업면에 마모나 스커핑이 발생하여, 금형의 작업면의 손모가 발생하기 쉬워, 금형 수명의 향상이 요망되고 있다.

최근 들어, 금형 수명의 향상을 위하여, 금형의 작업면에 물리 증착법(이하, PVD법이라고 한다)에 의해 경질 피막이 피복된 피복 금형이 적용되어 있다. 물리 증착법은, 각종 피복 형성 수단 중에서도 피복 온도가 강의 템퍼링 온도보다 저온이기 때문에, 피복에 의한 금형의 연화가 적어, 금형의 변형이나 치수 변동이 발생하기 어렵다.

예를 들어, 특허문헌 1에는, 내열성과 내마모성이 우수한 막종인 AlCrSi의 질화물을 적용하는 것이 나타나 있다. 또한, 특허문헌 2는, 윤활 특성이 우수한 V의 질화물과 AlCrSi의 질화물을 교대로 적층시킨 적층 피막을 마련하고, 그 표면 조도를 일정 범위로 제어한 피막 구조가 나타나 있다.

일본 특허 공개 제2005-042146호 공보 일본 특허 공개 제2011-183545호 공보

최근 들어, 자동차 차체에 사용되는 강판으로서, 고장력 강판이 증가하고 있고, 그 성형에는 피가공재를 가열하여 프레스 성형과 동시에 ??칭을 행하는 핫 스탬프법이 적용되는 경우가 있다. 특히, 알루미늄이나 아연이 도금된 도금 강판을 핫 스탬프법으로 가공하는 경우, 금형 표면에 응착이 발생하여 조기에 금형 수명 종언에 이르는 경우가 있다.

본 발명자의 검토에 의하면, 부하가 큰 사용 환경 하에서나, 핫 스탬프법 등으로 도금 강판을 가공하는 경우에는, 종래의 피복 금형에서는 금형 수명 및 내응착성에 개선의 여지가 있음을 확인하였다. 본 발명은 내마모성, 내열성 및 내응착성이 우수한 피복 금형 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 형태는, 표면에 경질 피막을 갖는 피복 금형이며, 상기 경질 피막은, 막 두께가 5㎛ 이상인 질화물을 포함하는 A층과, 다이아몬드 라이크 카본 피막을 포함하는 B층을 포함하고, 상기 B층은 상기 A층보다도 외표면측에 있고, 상기 B층의 표면이, 산술 평균 조도 Ra≤0.2㎛, 최대 높이 Rz≤2.0㎛, 스큐니스 Rsk<0인 피복 금형이다. 상기 A층은 크롬을 함유하는 질화물과 바나듐을 함유하는 질화물이 교대로 적층된 적층 피막인 것이 바람직하고, 상기 A층의 막 두께는, 8㎛ 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 일 형태는, 표면에 경질 피막이 피복된 피복 금형의 제조 방법이며, 막 두께가 5㎛ 이상인 질화물을 포함하는 A층을 피복하는 공정과, 상기 A층의 표면을 연마하고, 상기 A층의 표면 조도를 Ra≤0.2㎛, Rz≤2.0㎛, Rsk<0으로 하는 표면 연마 공정과, 상기 A층의 표면 연마 공정 후, 다이아몬드 라이크 카본 피막을 포함하는 B층을 피복하는 공정을 포함하고, 상기 B층의 표면이, 산술 평균 면 조도 Ra≤0.2㎛, 최대 높이 Rz≤2.0㎛, 스큐니스 Rsk<0을 만족시키는 피복 금형의 제조 방법이다. 상기 A층은, 8㎛ 이상 피복하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 냉간부터 온열간의 사용 영역에 걸쳐서, 내구성이 우수하고, 금형 수명을 향상시킬 수 있는 피복 금형을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명예의 스크래치 시험 결과이다.
도 2는 본 발명예의 피막 단면을 도시하는 확대 사진이다.
도 3은 비교예의 피막 단면을 도시하는 확대 사진이다.
도 4는 상대재가 Zn인 때의, 본 발명예와 비교예의 볼 온 디스크 시험 결과이다.
도 5는 상대재가 Al인 때의, 본 발명예와 비교예의 볼 온 디스크 시험 결과이다.
도 6은 본 발명예와 비교예의 볼 온 디스크 시험에 의한 피막의 손상 형태를 도시하는, 피막 표면의 확대 사진이다.

단조, 프레스 가공과 같은 소성 가공에 사용하는 금형에서는, 표면에 경질 피막이 형성된 피복 금형이 사용된다. 이들 용도에 사용되는 피복 금형에서는, 경질 피막의 표면에 가해지는 힘이 크기 때문에, 피막이 얇으면 피막 강도가 부족하여 피막이 손상되기 쉬워진다. 특히, 고부하 환경 하에서는, 피막과 금형의 계면에 큰 힘이 가해지기 때문에, 피막과 금형의 탄성 변형량의 차이로, 피막 박리나 피막 손상이 발생하기 쉬워진다. 이 때문에, 금형 수명에 미치는 경질 피막의 막 두께의 영향이 매우 커진다. 또한, 경질 피막 자체의 미끄럼 이동 특성이 부족할 경우에는, 스커핑이 발생하여 조기에 금형 수명 종언에 도달하는 경향이 있다.

본 발명자는, 고부하의 환경 하에서 우수한 내구성을 발휘하기 위해서는, 경질 피막으로서, 후막이 질화물을 포함하는 층(A층)의 상층(상층이란 경질 피막이 형성된 피복 금형의 외표면측을 상으로 하고, 피복 금형의 내부측을 하로 한 경우의 상측의 층이라는 의미이다)에 다이아몬드 라이크 카본(이하, DLC라고도 기재한다) 피막을 포함하는 층(B층)을 마련한 피막 구성이 유효하고, 더욱이, A층의 B층에 대향하는 면을 연마하는 것이 중요한 것을 알아내었다. 이하, 상세에 대하여 설명한다. 또한 본 명세서에 있어서의 내구성이란, 내마모성, 내열성, 내응착성의 총칭이며, 우수한 내구성이란, 상술한 3종류의 내성에 있어서 우수한 것을 의미한다.

질화물을 포함하는 피막은, 내열성과 내마모성이 우수한 막종이며, 금형인 강 등과의 밀착성도 우수한 경향이 있다. 그 때문에, 질화물의 피막을 보다 두껍게 형성함으로써 피복 금형의 내구성을 보다 높일 수 있다. 본 발명에서는, 고부하의 사용 환경 하에서 우수한 내구성을 발휘하기 위해서, 5㎛ 이상의 후막으로 한 질화물을 포함하는 A층을 마련한다. 단, 질화물을 포함하는 A층은 미끄럼 이동 특성이 부족한 경향이 있어, 초기에 스커핑이나 응착이 발생하는 경우가 있다. 그로 인해, 피복 금형에 우수한 미끄럼 이동 특성을 부여하기 위해서, A층의 상층에 미끄럼 이동 특성이 우수한 막종인 다이아몬드 라이크 카본 피막의 B층을 마련한다. A층의 상층에 미끄럼 이동 특성이 우수한 막종인 다이아몬드 라이크 카본 피막을 마련함으로써, 초기의 스커핑이나 응착이 억제되는 경향이 있어 내응착성을 높일 수 있다.

여기서, B층이 충분히 효과를 발휘하기 위해서는 A층의 B층에 대향하는 면을 연마하고, 그 후, B층을 마련하는 것이 중요하다. 본 발명에서는 A층을 후막으로 제어하고 있기 때문에, A층이 액적이나 피막 결함을 축적하기 쉬워, 피막을 형성한 채의 A층 표면은 거친 면이 되어버린다. 그로 인해, 거친 면이 된 A층의 바로 위에 비정질을 주체로 하는 다이아몬드 라이크 카본 피막인 B층을 그대로 마련하면, A층의 조면(요철)에 따르도록 B층 표면에도 요철이 발생하고, B층의 표면 상태가 악화된다. 이 B층의 표면 요철은 A층의 표면 조도에 기인하고 있기 때문에, B층만을 연마해도 B층의 표면 조도(특히 후술하는 스큐니스 Rsk)를 개선하는 것은 곤란하다. 또한 A층과 B층의 밀착성이 충분히 확보되기 어려워, 박리도 일어나기 쉬워지는 경향이 있다. 그래서, A층의 표면을 연마하여 액적 등의 표면 결함을 제거한 뒤에 B층을 형성함으로써, A층과 B층의 밀착성이 높아짐과 함께, B층의 표면 조도를 평활한 상태로 할 수 있다.

상기한 A층에의 연마를 실시함으로써, 본 발명에 있어서의 B층의 표면은, 산술 평균 조도 Ra(JIS-B-0601-2001에 준거)가 0.2㎛ 이하, 최대 높이 Rz(JIS-B-0601-2001에 준거)가 2.0㎛ 이하, 스큐니스 Rsk(JIS-B-0601-2001에 준거)가 0 미만으로 할 수 있다.

경질 피막의 표면에, 액적이나 피막 결함, 불순물 등이 포함되면, 금형으로서 사용하기에 적합하지 않다. 그리고, 미끄럼 이동 환경 하에서는, 피막 표면의 볼록부가 기점이 되어, 피가공재를 공격하여, 마모분을 발생시킴으로써, 피막 박리나 마모가 발생한다. 그로 인해, 일반적인 표면 조도의 지표인 산술 평균 조도 Ra, 최대 높이 Rz에 더해서는, 볼록부의 빈도를 파악하기 위하여 스큐니스 Rsk를 제어하는 것이 중요하다.

스큐니스 Rsk는, 진폭 분포 곡선의 중심선에 대한 대칭성을 나타내는 파라미터이다. 예를 들어, 표면에 오목부가 많은 피막 표면의 경우에는, 스큐니스 Rsk가 0 미만을 나타내고, 볼록부가 많은 경우에는 스큐니스 Rsk가 0 이상을 나타내고, 볼록부와 오목부의 빈도를 관리하는 것이 가능하다. 본 발명에서는, 볼록부가 적은 것이 바람직하고, 스큐니스 Rsk를 0 미만으로 하는 것이 좋다.

연마지에 의한 연마나, 수지와 다이아몬드 입자를 포함하는 미디어를 분사하는 연마에서는, 산술 평균 조도 Ra나 최대 높이 Rz의 표면 조도는 저감할 수 있지만, 볼록부를 확실하게 저감시키는 것은 용이하지 않아, 피막의 스큐니스 Rsk를 0 미만으로 하는 것은 곤란하다. 한편, 다이아몬드 페이스트를 사용한 버프 연마를 실시하면 평활 또한 볼록부의 감소한 표면이 얻어지기 쉬워, 피막의 스큐니스 Rsk를 0 미만으로 하기에 바람직하다.

A층은 질화물이며, 총 막 두께가 5㎛ 이상이면, 단층이어도 되고 다층이어도 된다. 또한, 조성이 서로 다른 질화물이 교대로 적층된 적층 피막이어도 된다.

A층은 연마 후의 막 두께가 8㎛ 이상인 것이 바람직하다. 더욱이, A층은 10㎛ 이상인 것이 바람직하다. 단, 막 두께가 너무 두꺼워지면, 가공 조건에 따라서는 피막 박리가 발생하기 쉬워지는 경우가 있다. 그 때문에, A층의 막 두께는 70㎛ 이하인 것이 바람직하다. 더욱이, 60㎛ 이하인 것이 바람직하다. 더욱이, 50㎛ 이하인 것이 바람직하다. 더욱이, 40㎛ 이하인 것이 바람직하다.

A층은, 주기율표의 4a족, 5a족, 6a족의 금속 원소 및 알루미늄(Al), 규소(Si), 붕소(B) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소를 포함하는 질화물인 것이 바람직하다. 이들 원소를 포함하는 질화물은, 내열성과 내마모성이 높기 때문에, 내구성이 우수하다. 또한, A층의 결정 구조는, 내구성이 보다 우수한 경향이 있는 면심 입방 격자(fcc) 구조로 하는 것이 바람직하다.

또한 가혹한 사용 환경에 있어서는, B층이 마멸될 가능성도 있을 수 있다. 따라서 A층이 노출된 상태에서도 어느 정도의 내구성을 확보하기 위해서, A층은 크롬(Cr)을 함유하는 질화물을 포함하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 예를 들어, CrN, CrAlN, CrSiN, AlCrSiN 등의 경질 피막인 것이 바람직하고, 이들 경질 피막은 내마모성과 내열성이 우수하다. 또한, 경질 피막이 크롬을 함유함으로써 가공중의 금형 표면에 균일하고 치밀한 산화막이 형성되기 쉬워져, 손상이 억제되는 경향이 있다. 그 때문에 미끄럼 이동중에 마찰열이 발생하는 고부하 환경에서 사용되는 금형에 있어서는, 크롬을 함유하는 질화물을 적용함으로써, 피복 금형의 수명 향상에 유효하고 바람직하다.

또한, A층은 바나듐(V)을 함유하는 질화물을 포함하는 것도 바람직하다. 바나듐을 주체로 하는 화합물은, 25∼200℃의 사용 온도 영역에 있어서 바나듐이 적절하게 산화되기 때문에, 그것이 얇은 산화막을 금형 표면에 형성하고, 상대재(피가공재)와의 친화성을 저하시킨다. 그로 인해, A층이 미끄럼 이동 특성이 우수한 바나듐의 질화물을 함유함으로써, 경질 피막의 전체가 우수한 미끄럼 이동 특성을 갖는 것이 되어, 금형의 사용 중에 있어서의 피막 표면에의 피가공재의 부착을 저감할 수 있다. 그리고, 피가공재가 철계인 경우에는, 바나듐의 산화물이, 피가공재의 표면이나 마모분인 철 산화물과 반응하여, 철 산화물을 연화시키므로, 피막에 마모분이 침식하는 것에 의해 진행하는 어브레시브 마모를 억제할 수 있다. 또한, 바나듐의 산화물이 피가공재의 철 산화물을 연화시키는 효과는, 미끄럼 이동중에 마모분의 발생을 억제하는 경향이 있어, 프레스 성형중의 작업면에서 국부적인 스크래치나 스커핑을 억제할 수 있다.

본 발명의 A층은 단층인 경우, 크롬 질화물 또는 바나듐 질화물인 것이 바람직하다. 이 크롬 질화물은, 주기율표의 4a족, 5a족, 6a족의 금속 원소 및 알루미늄(Al), 규소(Si), 붕소(B) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소가 첨가되어 있는 것도 포함한다.

상기 크롬과 바나듐의 첨가 효과를 효과적으로 얻기 위해서, A층은 크롬을 함유하는 질화물과 바나듐을 함유하는 질화물이 교대로 적층된 적층 피막을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 적층 피막으로 함으로써, 경질 피막의 주체인 후막의 A층에, 우수한 내마모성과 내열성이 부여됨과 동시에 우수한 미끄럼 이동 특성도 부여되어, 피복 금형의 내구성을 보다 향상시킬 수 있다.

크롬을 함유하는 질화물은, 금속 부분의 원자 비율로 크롬이 30％ 이상인 질화물인 것이 바람직하다. 또한, 바나듐을 함유하는 질화물은, 금속 부분의 원자 비율로 바나듐이 60％ 이상인 질화물인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 70％ 이상, 더욱이 80％ 이상이다.

내마모성과 내열성이 우수한 크롬을 함유하는 질화물과, 미끄럼 이동 특성이 우수한 바나듐을 함유하는 질화물의 양쪽 특성을 효과적으로 발현시키기 위해서는, 적층 피막의 개개의 막 두께를 100nm 이하로 하는 것이 바람직하다. 적층 피막의 개개의 막 두께를 제어함으로써, 상기 여러 특성을 밸런스 좋게 겸비한 피복 금형이 된다. 그리고, 사용 중인 각 온도 환경에서도 피막 미끄럼 이동면의 요철 발생이 억제되고, 또한 피가공재에 대한 공격성도 낮기 때문에, 미끄럼 이동 시에 발생하는 스커핑 등의 손상을 억제하여, 피복 금형의 수명을 개선할 수 있다. 더 바람직한 개개의 막 두께는, 50nm 미만, 더욱이 20nm 미만이다. 또한, 개개의 막 두께는 3nm 이상인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는, 가혹한 사용 환경 하에서도 충분한 미끄럼 이동 특성을 재발현하기 위해서, 바나듐을 함유하는 질화물의 막 두께가 크롬을 함유하는 질화물의 막 두께보다도 후막인 것이 바람직하다. 또한, 바나듐을 함유하는 질화물의 막 두께가 크롬을 함유하는 질화물의 막 두께보다 1.5배 이상이면, 미끄럼 이동 특성을 높이는 바나듐의 산화물이 충분히 생성되므로 보다 바람직하다. 보다 바람직하게는 2.0배 이상이다.

또한, 대략 300℃ 이상의 사용 온도 영역이 되면, 바나듐을 주체로 하는 화합물의 산화가 더 진행되므로, 과잉의 산화물이 형성되기 때문에, 사용 환경에 따라서는, 내마모성이 저하하는 경우가 있다. 그로 인해, 바나듐을 함유하는 질화물의 막 두께는 크롬을 함유하는 질화물의 막 두께의 4.0배 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 A층은 다층인 경우, 크롬 질화물과 바나듐 질화물의 적층 피막인 것이 바람직하고, 크롬 질화물과 바나듐 질화물이 교대로 적층되어 있는 것이 더욱 바람직하다. 또한 크롬 질화물은, 주기율표의 4a족, 5a족, 6a족의 금속 원소 및 알루미늄(Al), 규소(Si), 붕소(B) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소가 첨가되어 있어도 된다.

B층은, sp² 결합, sp³ 결합 등의 탄소 원자끼리의 결합을 갖는 카본, 및/또는 탄소 원자끼리의 결합을 갖고 있지 않은 프리 카본을 포함한 다이아몬드 라이크 카본 피막인 것이 바람직하다. 더 높은 미끄럼 이동 특성을 부여하기 위해서는, sp³ 결합보다도 sp² 결합의 함유량이 많은 다이아몬드 라이크 카본 피막인 것이 바람직하다. B층은, B층을 구성하는 원소 중 탄소 원자가 가장 많은 범위라면, 필요에 따라 다른 원소를 함유해도 된다.

B층은, 내마모성이나 내열성 등의 특성을 부여하기 위해서, 금속(반금속을 포함한다) 원소를 함유하는 것이 바람직하다. B층에 포함되는 금속(반금속을 포함한다) 원소는, 금속, 합금, 탄화물, 질화물, 탄질화물, 탄산질화물, 탄붕화물 등의 화합물의 형태로 함유하면 된다. 바람직하게는 금속(반금속을 포함한다) 원소의 함유 비율(원자％)은 2％ 이상이다. 더욱이, 5％ 이상인 것이 바람직하다. 단, 금속(반금속을 포함한다) 원소의 함유 비율이 많아지면, 미끄럼 이동 특성이 저하되는 경향이 있다. 그 때문에, B층은, 금속(반금속을 포함한다) 원소의 함유 비율(원자％)이 20％ 이하인 것이 바람직하다. 더욱이, 10％ 이하인 것이 바람직하다.

또한, B층은, 내열성을 부여하기 위해서, 질소를 함유한 다이아몬드 라이크 카본 피막인 것이 바람직하다. 다이아몬드 라이크 카본 피막이 질소를 함유함으로써, 피막에 보다 우수한 내열성을 부여할 수 있다. 바람직하게는 질소의 함유 비율(원자％)은 5％ 이상이다. 더욱이, 10％ 이상인 것이 바람직하다. 단, 질소의 함유량이 너무 많아지면 미끄럼 이동 특성이 저하되는 경향이 있다. 그 때문에, B층은, 우수한 내열성을 부여하기 위해서, 질소의 함유 비율(원자％)이 20％ 이하인 것이 바람직하다. 더욱이, 15％ 이하인 것이 바람직하다.

또한, B층은, 수소를 함유하는 다이아몬드 라이크 카본 피막인 것이 바람직하다. 다이아몬드 라이크 카본 피막이 수소를 함유함으로써, 피막 경도가 저하되어서 보다 우수한 미끄럼 이동 특성을 부여할 수 있다. 바람직하게는 수소의 함유 비율(원자％)이 5％ 이상이다. 더욱이, 10％ 이상인 것이 바람직하다. 단, 수소의 함유량이 너무 많아지면 내마모성이 저하되는 경향이 있다. 그 때문에, B층은, 수소의 함유 비율(원자％)이 30％ 이하인 것이 바람직하다. 더욱이, 25％ 이하인 것이 바람직하다.

B층은, 금속(반금속을 포함한다) 원소, 질소, 수소를 각각을 단독으로 함유해도 되고, 동시에 함유해도 된다. 예를 들어, B층은, 금속(반금속을 포함한다) 원소, 질소, 수소를 동시에 함유해도 되고, 질소, 수소만을 함유해도 되고, 금속(반금속을 포함한다) 원소와 질소만을 함유해도 되고, 금속(반금속을 포함한다) 원소와 수소만을 함유해도 된다.

B층은 단층이어도 되고, 다층이어도 된다. B층은, Ar 등의 희가스나 산소 등을 포함할 수 있다.

B층은, 막 두께가 1㎛ 이상인 것이 바람직하다. 더욱이, 2㎛ 이상인 것이 바람직하다. 단, 막 두께가 너무 두꺼워지면, 가공 조건에 따라서는 피막 박리가 발생하기 쉬워지는 경우가 있다. 그로 인해, B층의 막 두께는 15㎛ 이하인 것이 바람직하다. 더욱이, 12㎛ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 금형 재료는 특단으로 정하는 것이 아니지만, 냉간 다이스강, 열간 다이스강, 고속도 공구강 또는 초경합금 등을 적절히 사용할 수 있다. 금형은, 질화 처리 또는 침탄 처리 등과 같은 확산을 이용한 표면 경화 처리를 미리 적용한 것이어도 된다.

본 발명에 따른 경질 피막은, PVD법으로 피복함으로써, 냉간 다이스강, 열간 다이스강 또는 고속도강 등의 금형 재료의 템퍼링 온도보다 저온에서 피복 처리가 가능하게 되어, 금형의 치수의 변동을 억제할 수 있다. 또한, 경질 피막에 잔류 압축 응력을 부여할 수 있고, 경질 피막의 기계 특성도 개선할 수 있으므로 바람직하다.

A층은, PVD법 중에서도 피막의 밀착성이 우수한 아크 이온 플레이팅법으로 피복하는 것이 바람직하다. 아크 이온 플레이팅법으로 A층을 피복한 후, 로 내에서 시료를 취출하여 A층의 표면을 연마하고, 그 후, 스퍼터링법으로 B층을 피복하는 것이 바람직하다. B층을 스퍼터링법으로 피복함으로써 보다 평활하고 미끄럼 이동 특성이 우수한 다이아몬드 라이크 카본 피막을 피복할 수 있다. B층의 피복에서는, 그래파이트 타깃에 전력을 투입하고, 반응 가스로서 탄화수소 가스와 질소 가스를 사용하여 스퍼터링법으로 피복하는 것이 바람직하다. 특히 비평형 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 피복하는 것이 바람직하다. 또한, B층의 피복에서는, 플라즈마 CVD를 사용해도 된다. 플라즈마 CVD를 사용함으로써 보다 생산성이 우수하므로 바람직하다.

B층의 표면은, 보다 평활한 표면 상태로 하기 위하여 연마해도 된다.

A층의 표면을 연마하기 위해서는, 다음과 같은 기계적 연마가 바람직하다.

(1) 다이아몬드 페이스트 등의 연마제를 보유한 연마포를 경질 피막의 표면을 연마하는 방법

(2) 다이아몬드 입자와 물 함유한 연마제를 사용하여, 금형에 피복된 피막에 연마제를 고속으로 활주시켜서, 발생하는 마찰력에 의해 연마하는, 소위 에어로 랩(등록 상표) 등에 의한 연마 방법

또한 본 발명에서는 상기 연마 방법에 추가로 에어를 사용하지 않고 탄성과 점착성을 가진 연마제를 분사함으로써 연마하는, 소위 스마프(SMAP)(가메이 뎃코죠제의 경면 샷 머신임) 등에 의한 연마를 행해도 되고, 이들 기계적 연마 후에 3㎛ 이하의 다이아몬드 페이스트 연마를 행해도 된다. 이들에 의해, 더 바람직한 평활화를 실현할 수 있다.

이들 연마에 의해 A층의 표면 조도를 산술 평균 조도 Ra≤0.2㎛, 최대 높이 Rz≤2.0㎛, 스큐니스 Rsk<0으로 한다. 또한, 산술 평균 조도 Ra를 0.05㎛ 이하, 최대 높이 Rz를 1.00㎛ 이하로 해 두는 것이 바람직하다.

금형과 A층 사이에는, 금형과 A층의 밀착성을 높이기 위해서, 필요에 따라, 금속, 탄화물, 탄질화물 또는 A층의 조성과 다른 질화물 등의 경질 피막을 피복해도 된다.

또한, A층과 B층의 밀착성을 높이기 위해서, 필요에 따라, B층을 피복하기 전에 A층의 조성과 상이한 다른 피막을 마련해도 된다. 이때, A층의 표면을 연마한 후, 금속, 탄화물, 탄질화물 또는 A층의 조성과 상이한 질화물 등의 경질 피막을 마련하는 것이 바람직하다.

이 A층과 B층 사이의 피막은, 보다 밀착성을 높이기 위하여 금속 티타늄을 함유하는 피막인 것이 보다 바람직하다.

또한, B층의 상층에는, 필요에 따라, 금속, 탄화물, 탄질화물 또는 질화물 등의 경질 피막을 피복해도 된다.

본 발명은 금형의 작업면이 피가공재와 격렬하게 미끄럼 이동하는 환경에 있는 소성 가공용 금형에 적용하는 것이 바람직하다. 특히, 피가공재가 400℃ 이상으로 가열되는 온간 가공이나 열간 가공에 적용되는 피복 금형에 적용함으로써, 수명 개선의 효과가 커서 바람직하다.

더욱이, 피가공재를 가열하여 프레스 성형과 동시에 ??칭을 행하는 핫 스탬프용 금형에 적용하는 것이 바람직하다. 더욱이, 알루미늄이나 아연 등을 도금한 도금 강판을 가공하는 금형에 적용하는 것이 바람직하다.

실시예 1

A층의 피복에는, 복수의 타깃이 둘러싸는 중심에서 금형이 회전하는 구조의 아크 이온 플레이팅 장치를 사용하였다. 경질 피막의 금속 또는 합금 성분을 구성하는 금속 타깃을 분말야금법으로 제작하고, 이 금속 타깃을 아크 이온 플레이팅 장치에 장착하였다. 금형에는 열간 다이스강 SKD61의 경면 마무리품을 사용하고, 아크 이온 플레이팅 장치에 넣기 전에, 충분히 탈지 세정을 행하였다. 아크 이온 플레이팅 장치 내에 있어서의 초기 공정으로서는, 챔버에 설치된 도시하지 않은 가열용 히터에 의해, 금형을 450℃ 부근으로 가열하고, 50분간 유지하였다. 이어서, Ar 가스를 도입하고, 금형에는 -200V∼-500V의 바이어스 전압을 인가하고, 20분간의 플라스마 클리닝 처리(Ar 이온 에칭)를 행하였다.

계속해서, 금형에는 -800V의 바이어스 전압을 인가하고, 금속 Ti 타깃을 사용하여 금속 이온 에칭을 약 5분간 행했다(금속 이온 에칭 후의 냉각 시간을 포함한다). 이하, 각 시료의 피복 조건의 상세를 설명한다.

<시료 No.1>

금형의 이온 에칭 후, 질소 가스를 도입하고, 금형에는 -130V의 바이어스 전압을 인가하고, 금형 온도 450℃, 반응 가스 압력 3.0Pa, 아크 전류 100A의 조건에서, 약 6㎛의 막 두께가 되도록 CrN인 A층을 피복하였다. 피복 공정중의 금형의 회전수는 3rpm으로 하였다.

그 후, CrN의 표면을 평활하게 연마하기 위해서, 금형을 챔버로부터 취출하고, 야마시타 워크스사제 에어로 랩 장치(AERO LAP YT-300)를 사용하여 표면 연마를 행하였다. 또한 그 후, 1㎛의 다이아몬드 페이스트로 폴리싱 연마하고, 산술 평균 조도 Ra가 0.2㎛ 이하, 또한 최대 높이 Rz가 2.0㎛ 이하, 스큐니스 Rsk가 0 미만으로 되도록 연마하였다.

B층의 피복에는 스퍼터링 장치를 사용하였다. 이 장치에는 금속 Ti 타깃과 그래파이트 C 타깃을 장착하였다. A층이 피복된 금형을 충분히 탈지 세정한 후, 스퍼터링 장치 내에 설치하였다. 스퍼터링 장치 내에 있어서의 초기 공정으로서는, 챔버에 설치된 가열용 히터로 상기 금형을 200℃ 부근으로 가열하고, 50분 유지하였다. 이어서, Ar 가스를 도입하고, 금형에는 -200V∼-500V의 바이어스 전압을 인가하여, 20분간의 플라스마 클리닝 처리(Ar 이온 에칭)를 행하였다.

이어서, 금형에는 -50V의 바이어스 전압을 인가하고, Ar 가스, 탄화수소가스, 질소 가스를 도입하고, 스퍼터 전력 0.5kW∼10kW의 조건에서, 금속 티타늄과 탄소를 포함하는(탄화티타늄을 포함하는) 중간층을 피복하고, 그 위에 최표층인 약 4㎛ 정도의 막 두께를 갖는 다이아몬드 라이크 카본의 B층을 피복하였다. 피복 공정중의 금형의 회전수는 3rpm으로 하였다.

<시료 No.2, 3>

A층으로서 Al₆₀Cr₃₇Si₃N(at％)과 VN의 교대 적층 구조(이하, AlCrSiN/VN이라고도 기재한다.)를 포함하는 피막을 형성하였다. 시료 3은 A층이 약 9㎛의 막 두께가 되도록 피복했다. 기타의 B층의 조건 등은, 시료 No.1과 동일하게 하였다.

<시료 No.11>

A층으로서 CrN을 피복하고, A층 표면 연마에는, 야마시타 워크스사제 에어로 랩 장치(AERO LAP YT-300)에 의한 연마만을 실시하였다. 그 후의 B층 성막 조건 등은 시료 No.1과 동일하게 하였다.

<시료 No.12, 13>

시료 No.12는 A층에 CrN, 시료 No.13은 A층에 AlCrSiN/VN을 피복하고, 모두 A층의 표면 연마를 실시하지 않고, B층을 피복하였다. B층의 성막 조건은 시료 No.1과 동일하게 하였다.

<시료 No.14, 15, 16>

시료 No.14, 15, 16 중 어느 것이든 A층에 CrN을 피복하고, B층의 피복은 행하지 않았다. 시료 No.14는 A층의 표면 연마로, 에어로 랩에 의한 연마와, 1㎛의 다이아몬드 페이스트에 의한 폴리싱 연마를 실시하였다. 시료 No.15는 A층의 표면 연마로 에어로 랩에 의한 연마만을 행하고, 시료 No.16은 A층의 표면 연마를 실시하지 않았다. 표 1에는 각 시료의 피복 조건을 나타낸다. 또한 도 2에 본 발명예인 시료 No.2의 피막 단면의 확대 사진을, 도 3에 비교예인 시료 No.14의 피막 단면의 확대 사진을 나타낸다.

이들 시료에 대해서, 그 경질 피막의 표면 조도 측정, 스크래치 시험, 내열 시험, 볼 온 디스크 시험을 행하였다. 각 평가 시험 방법을 이하에 나타내었다.

(표면 조도 측정)

표면 조도의 측정에는, 도쿄 세이미쯔(주)제 촉침식 조도계(서프콤)를 사용하였다. 측정 조건은 평가 길이 4mm, 측정 속도 0.3mm/s, 컷오프값 0.8mm, 필터 종별을 가우스로 하였다. 측정 결과를 표 2에 나타낸다. 본 발명예인 시료 No.1∼3은, 모두 Ra≤0.2㎛, Rz≤2.0㎛, Rsk<0와 같은 값을 나타내고 있고, 표면이 평활하고 또한 볼록부가 적음을 알 수 있다. A층 표면을 에어로 랩 연마만으로 마무리한 비교예의 시료 No.11과 15는, Rsk>0이며, 목적으로 하는 표면 조도를 충족하고 있지 않다. A층 표면의 연마를 실시하고 있지 않은 다른 비교예 시료에 있어서도, Rz>2.0, Rsk>0이 되어 있어, 목표로 하는 표면 조도를 갖고 있지 않았다. 또한, No.14는, B층이 형성되어 있지 않고, 표 2에 나타내는 표면 조도는, A층의 표면 조도이며, 이 A층의 표면 조도가 Ra≤0.2mm, Rz≤2.0mm, Rsk<0이 되어 있다. 이 No.14는, No.1∼3과 같은 A층의 연마를 행하고 있다. 즉, No.1∼3의 A층 표면 조도도 Ra≤0.2mm, Rz≤2.0mm, Rsk<0이 되어 있음을 알 수 있다.

(스크래치 시험)

계속하여 피막의 밀착성을 평가하기 위해서, CSM사제 스크래치 시험기(REVETEST)를 사용하여, 피막의 박리 하중을 측정하였다.

측정 조건은, 측정 하중: 0.9∼120N, 하중 스피드: 99.25N/min, 스크래치 스피드: 10mm/min, 스크래치 거리: 12mm, AE 감도: 5, 압자: 로크웰, 다이아몬드, 선단 반경: 200㎛, 하드웨어 설정: Fn 콘택트 0.9N, Fn 스피드: 5N/s, Fn 제거 스피드: 10N/s, 어프로치 스피드: 2％/s로 하였다. 피막의 박리 임계 하중값은, 측정에 의해 얻어지는 마찰력이 변동한 하중값, 또는 경질 피막이 금형으로부터 모두 박리되었을 때의 하중으로 하였다. 측정 결과를 표 2 및 도 1에 나타낸다.

표 2 및 도 1로부터, 어느 시료이든 박리 임계 하중값은 90N 이상의 높은 밀착성이 얻어지고 있다. 이것은 피막이 5㎛ 이상으로 매우 두껍기 때문이며, 그 중에서도 A층의 막 두께가 9㎛로, 다른 시료보다도 두꺼워져 있는 본 발명예의 시료 No.3은, 120N의 측정 하중에 있어서도 박리가 발생하지 않았다.

(내열 시험)

내열 시험은 피막의 내산화성을 평가하기 위해서, 각 시료를 항온 제어식의 대기로에서, 400℃×1h 가열한 후, 피막 단면 관찰에 의해, 막 두께의 감소나 산화층의 형성의 유무로부터, 피막의 내열성을 평가하였다. 예를 들어 C(탄소)를 포함하는 DLC 피막 등의 경우, 산화하면 피막의 C가 CO₂ 가스로 되기 때문에, 막 두께의 저감이 발생한다. 질화물 피막의 경우에는, 산화가 진행하면 질화물이 산화물로 치환되고, 그 결과, 저밀도의 산화물 피막이 형성한다. 결과를 표 2와 도 4에 도시한다. 어느 시료이든 대기로에 의한 가열 후에는 피막 두께의 감소나, 산화층의 형성은 발생하지 않아, 내열성에 문제는 없는 것을 확인할 수 있었다.

(볼 온 디스크 시험)

각 시료에 대해서, 상대재를 Zn 및 Al로 했을 때의 미끄럼 이동 특성을 평가하였다. 시험 조건은, 볼 온 디스크 시험기(CSM Instruments사제 Tribometer)를 사용하였다. 25℃(상온)에서, 코팅 피막에 상대재가 되는 선단 직경 φ6mm의 Zn 핀, 또는 φ6mm의 Al 볼을 10N의 하중으로 압박하면서, 원반상 시험편을 10cm/초의 속도로 회전시켰다. 시험 거리는, 50m로 하고, 마찰 계수는 전체 시험 거리의 평균값을 취하였다. 표 3, 도 4 및 도 5에 각 상대재에 있어서의 각종 피막의 마모 계수를 나타낸다. 또한, 도 6에 미끄럼 이동부의 외관 사진을 나타낸다.

본 발명예의 시료 No.1∼3은, 상대재가 Zn 및 Al인 경우에 있어서, 미끄럼 이동면에의 응착은 확인되지 않았다. 또한 마찰 계수에 대해서도, Zn에 대하여 0.15 이하, Al에 대해서는 0.25 이하로 낮은 값을 나타내고 있어, 안정된 마찰 거동을 갖고 있었다. 이에 비해 표면 조도가 거친 비교예의 시료 No.11∼13은, 상대재가 Zn 및 Al인 경우에 있어서 응착이 많아지고, 마찰 계수도 크게 되어 있었다. B층을 피복하고 있지 않은 비교예의 시료 No.14∼16은, 표면 조도에 관계없이 상대재가 응착되어 있었다.

Claims (6)

1. 표면에 경질 피막을 갖는 피복 금형이며, 상기 경질 피막은,
   막 두께가 5㎛ 이상인 질화물을 포함하는 A층과, 다이아몬드 라이크 카본 피막을 포함하는 B층을 포함하고, 상기 B층은 상기 A층보다도 상기 피복 금형의 외표면측에 있고, 상기 B층의 표면이, 산술 평균 조도 Ra≤0.2㎛, 최대 높이 Rz≤2.0㎛, 스큐니스 Rsk<0을 만족하고,
   상기 B층의 수소 함유 비율은, 원자％로 5％ 이상 30％ 이하이며,
   상기 B층의 질소 함유 비율은, 원자％로 5％ 이상 20％ 이하인 것을 특징으로 하는 피복 금형.
2. 제1항에 있어서, 상기 A층이 크롬을 함유하는 질화물과 바나듐을 함유하는 질화물이 교대로 적층된 적층 피막인 것을 특징으로 하는, 피복 금형.
3. 제2항에 있어서, 상기 크롬을 함유하는 질화물은, 금속 부분의 원자 비율로 크롬이 30％ 이상인 질화물이고, 상기 바나듐을 함유하는 질화물은, 금속 부분의 원자 비율로 바나듐이 60％ 이상인 질화물인, 피복 금형.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 A층의 막 두께가 8㎛ 이상 70㎛ 이하의 범위인 것을 특징으로 하는, 피복 금형.
5. 표면에 경질 피막을 갖는 피복 금형의 제조 방법이며,
   막 두께가 5㎛ 이상인 질화물을 포함하는 A층을 피복하는 공정과,
   상기 A층의 표면을 연마하고, 상기 A층의 표면 조도를 Ra≤0.2㎛, 최대 높이 Rz≤2.0㎛, 스큐니스 Rsk<0으로 하는 표면 연마 공정과,
   상기 A층의 표면 연마 공정 후, 다이아몬드 라이크 카본 피막을 포함하는 B층을 피복하는 공정을 포함하고,
   상기 B층의 표면이, 산술 평균 면 조도 Ra≤0.2㎛, 최대 높이 Rz≤2.0㎛, 스큐니스 Rsk<0을 만족시키는 것을 특징으로 하는 피복 금형의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 A층의 막 두께가 8㎛ 이상 70㎛ 이하의 범위인 것을 특징으로 하는, 피복 금형의 제조 방법.

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