WO2017038556A1 - 皮膜、熱間成形用金型及び熱間成形方法 - Google Patents

皮膜、熱間成形用金型及び熱間成形方法 Download PDF

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兼司 山本
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株式会社神戸製鋼所
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    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325—Electric arc evaporation

Definitions

  • the present invention relates to a film, a hot forming mold, and a hot forming method.
  • Patent Document 1 a coating layer made of a metal ceramic composite material is formed on the surface for the purpose of improving wear resistance and thermal shock resistance.
  • Patent Document 1 a base layer made of any one metal layer of titanium (Ti), zirconium (Zr), and hafnium (Hf) on the surface of a base material of a mold used for hot forming, (Ti) It is disclosed that a surface layer composed of a composite nitride layer represented by a composition formula of 1-x Al x ) N is sequentially laminated.
  • the surface layer and the base material are formed by forming a base layer having an intermediate thermal conductivity between the base material and the surface layer having greatly different thermal conductivities. Heat transfer between the two is relieved, and the occurrence of cracks can be suppressed.
  • the mold is used for hot forming of a molded body made of steel, there is a problem that sufficient wear resistance cannot be obtained by a surface layer made of a composite nitride of Ti and Al.
  • An object of the present invention is to provide a film that functions as an excellent wear-resistant layer in a hot forming mold for steel, a hot forming mold having the film, and a hot forming in which the hot forming mold is used. Is to provide a method.
  • the film according to one aspect of the present invention is a film formed as a wear-resistant layer in a mold used for hot forming of a molded body made of steel.
  • the coating is characterized by comprising tungsten carbide and 3 wt% or more and 15 wt% or less of cobalt.
  • the film according to the present embodiment is a film formed as a wear-resistant layer in a mold used for hot forming of a molded body made of steel.
  • the coating is characterized by comprising tungsten carbide and 3 wt% or more and 15 wt% or less of cobalt.
  • Hot forging methods other than hot pressing include hot forging.
  • an oxide layer mainly composed of iron oxide is formed on the steel surface.
  • the scale varies depending on the steel composition and molding conditions, but has a thickness of several ⁇ m to several tens of ⁇ m.
  • the scale mainly includes FeO in the inner layer and Fe 2 O 3 and Fe 3 O 4 in the outer layer.
  • the inventor pays attention to the fact that when the steel produced by the scale is molded by a mold, the mold is damaged by wear due to sliding between the scale and the mold, and for preventing the damage.
  • the present inventor has remarkable wear resistance when using a coating containing tungsten carbide (WC) as a main component and containing 3 wt% or more and 15 wt% or less of cobalt (Co) as the wear resistant layer. I found it to be improved.
  • WC tungsten carbide
  • the film according to the present embodiment is composed of WC and 3 to 15% by weight of the remaining Co, and functions as an excellent wear-resistant layer in a steel hot forming mold.
  • the Co content is less than 3% by weight, the film becomes brittle, and the film is chipped and damaged during molding.
  • the Co content exceeds 15% by weight, the wear rate increases because too much soft Co is present in the coating.
  • the Co content is in the range of 3 wt% to 15 wt%, and preferably in the range of 5 wt% to 10 wt%.
  • the film is made of WC and the balance Co, but may contain impurities that are inevitably mixed.
  • the thickness of the film is preferably 10 ⁇ m or more, more preferably 50 ⁇ m or more, and further preferably 100 ⁇ m or more from the viewpoint of ensuring durability.
  • the above film may be formed by a thermal spraying method. Further, when the cross section of the film is observed at a magnification of 2000 times, 95% or more of tungsten carbide particles contained in the film may be included in a circle having a diameter of 10 ⁇ m.
  • the molded body may be made of steel containing 0.5% by weight or more and 3% by weight or less of silicon. Moreover, the said to-be-molded body may consist of steel containing 0.05 weight% or more and 1.0 weight% or less chromium.
  • the contents of Si and Cr are defined within the above range from the characteristics of the steel constituting the molded body. As the content of Si and Cr increases, the scale components of Fe 2 O 3 and Fe 3 O 4 increase, and the wear amount of the mold increases. When the Cr content is 0.05% by weight or more, there is an effect on the scale composition, and particularly when the Cr content is 0.1% by weight or more, the effect on the scale composition becomes significant.
  • the molded body may be made of steel containing 0.15 wt% or more and 0.35 wt% or less of carbon.
  • the content of carbon (C) is defined within the above range from the characteristics of the steel constituting the molded body, similarly to Si and Cr.
  • the steel may contain manganese (Mn), phosphorus (P), sulfur (S), titanium (Ti), boron (B), or Al as other elements of C, Si and Cr.
  • the content of these elements may be several weight percent or less.
  • the hot forming mold according to the present embodiment is a hot forming mold used for hot forming of a molded body made of steel.
  • the hot molding die includes a base material having a molding surface and a film according to the present embodiment formed on the molding surface.
  • the above-mentioned film composed of WC and 3 to 15% by weight of the remaining Co is formed on the substrate. For this reason, even when hot forming of a molded object made of steel is performed, it is possible to prevent the mold from being worn and damaged by the scale formed on the surface of the steel.
  • the hot forming method according to the present embodiment includes a step of heating a molded body made of steel and a step of molding the heated molded body.
  • the molding target is molded using the hot molding die according to the present embodiment.
  • the object to be formed is formed using the hot forming mold on which the film made of WC and 3 to 15% by weight of the remaining Co is formed. For this reason, it can suppress that a metal mold
  • FIG. 1 shows a state in which a steel plate 10 which is a molded body is installed in a hot forming mold 1.
  • the hot forming die 1 is a die used for hot forming of the steel plate 10, and has an upper die 1A and a lower die 1B which are arranged apart from each other in the vertical direction (arrow in FIG. 1). is doing.
  • the upper mold 1A has a convex part 1C
  • the lower mold 1B has a concave part 1D that fits into the convex part 1C.
  • the upper mold 1A and the lower mold 1B can be displaced so as to approach each other or away from each other by a driving force from a driving source (not shown).
  • the upper mold 1A is lowered without taking time so that the steel plate temperature does not decrease. Thereby, the steel plate 10 is pressed by the convex portion 1C, and the steel plate 10 can be formed into a shape along the concave portion 1D of the lower mold 1B.
  • Each of the upper mold 1A and the lower mold 1B has a base material 11 and a coating 12 formed on the base material 11.
  • the base material 11 is a metal member that constitutes the main body of the hot forming mold 1, and has a forming surface 11 ⁇ / b> A that is a surface that presses the steel plate 10 during hot forming.
  • the convex portion 1C is a portion protruding to the lower mold 1B side on the molding surface 11A of the upper mold 1A
  • the concave portion 1D is a portion recessed to the opposite side of the upper mold 1A on the molding surface 11A of the lower mold 1B.
  • the coating 12 is formed on the molding surface 11 as a wear-resistant layer of the hot molding die 1.
  • the film 12 is composed of WC and the remainder Co which is a binder (binder) that binds the particles of WC. From the viewpoint of ensuring the durability of the film, the film 12 preferably has a thickness T1 of 10 ⁇ m or more, more preferably has a thickness T1 of 50 ⁇ m or more, and further preferably has a thickness T1 of 100 ⁇ m or more.
  • the film 12 is formed by depositing a sintered body in which WC and Co are mixed on the molding surface 11A by a physical vapor deposition (PVD) method or a thermal spraying method.
  • PVD physical vapor deposition
  • thermal spraying method plasma spraying or high-speed flame spraying (HVOF: High Velocity Oxygen Flame) can be used.
  • HVOF High Velocity Oxygen Flame
  • a coating 12 is formed by spraying a sintered powder of WC and Co onto the substrate 11 at a high speed. This method is suitable for forming a thick film having a thickness T1 of 50 ⁇ m or more because the film forming speed is high.
  • tungsten carbide is formed using a powdery raw material as described above.
  • 95% or more of the WC particles finally contained in the film 12 are contained in a circle having a diameter of 10 ⁇ m. That is, in 95% or more of the WC particles contained in the coating 12, the maximum length in each direction is 10 ⁇ m or less.
  • an observation method using a scanning electron microscope (SEM) or the like can be employed.
  • the film 12 can be cut in the thickness direction, and the cross section can be observed in a field of view of about 100 ⁇ m ⁇ 100 ⁇ m at a magnification of about 2000 using an SEM or the like.
  • grain in the said visual field can be measured.
  • a thick film having a thickness T1 of 50 ⁇ m or more can be formed as described above.
  • the individual WC particles constituting the coating 12 are large, the WC particles fall off during sliding between the hot forming mold 1 and the steel plate 10, and wear due to particle omission on the sliding surface occurs.
  • at least 95% or more of WC particles must be included in a circle having a diameter of 10 ⁇ m. More preferably, at least 95% or more of WC particles are contained in a circle having a diameter of 5 ⁇ m or less.
  • the Co content is adjusted to 3 wt% (wt%) or more.
  • the Co content is less than 3 wt%, the coating 12 becomes brittle, and the coating 12 may be chipped during hot forming of the steel sheet 10 to cause damage to the coating 12.
  • the Co content is 3 wt% or more, more preferably 4 wt% or more, and further preferably 5 wt% or more.
  • the Co content is adjusted to 15 wt% or less.
  • the Co content exceeds 15 wt%, the amount of soft Co in the coating 12 becomes excessive, and the wear rate of the coating 12 increases.
  • the Co content is 15 wt% or less, more preferably 12 wt% or less, and even more preferably 10 wt% or less.
  • the Co content in the film 12 can be measured by using EDX (Energy Dispersion X-ray Spectroscopy) analysis or the like.
  • the steel plate 10 is a body to be hot-formed using the hot-forming die 1.
  • the steel sheet 10 contains 0.15 wt% or more and 0.35 wt% or less of C, 0.5 wt% or more and 3 wt% or less of Si, and 0.05 wt% or more and 1.0 wt% or less of Cr, and the balance iron And impurities.
  • the content of Si may be 1 wt% or more, 1.5 wt% or more, or 2.5 wt% or more.
  • the Cr content may be 0.1 wt% or more, or 0.5 wt% or more.
  • the steel sheet 10 is not limited to those having the above component composition, and may contain no Cr and the Si content may be in the above range, or may not contain Si and the Cr content in the above range. It may be that which does not contain any component element of C, Si and Cr. Further, it may further contain other component elements such as Mn, P, S, Ti, B or Al, and the content thereof may be several wt% or less.
  • the steel plate 10 is heat-treated in the atmosphere in a heating furnace (not shown) before being installed in the hot forming mold 1 as shown in FIG. At this time, the iron component constituting the steel plate 10 is oxidized by oxygen in the atmosphere, and a scale (oxide layer) 10A is thinly formed on the surface of the steel plate 10.
  • the scale 10A mainly contains iron oxides such as FeO, Fe 2 O 3 , and Fe 3 O 4. FeO is mainly present on the inside, and Fe 2 O 3 and Fe 3 O are on the outside. 4 exists mainly.
  • the steel sheet 10 contains the constituent elements of Si and Cr, the steel sheet 10 generates a scale 10A containing more Fe 2 O 3 and Fe 3 O 4 than those not containing Si and Cr.
  • Fe 2 O 3 and Fe 3 O 4 are oxides having higher hardness than FeO.
  • the scale 10A formed on the surface of the steel plate 10 and the surface of the hot forming die 1 come into contact with each other and slide.
  • a film 12 as an abrasion resistant layer is formed on the base material 11. That is, at the time of hot forming of the steel plate 10, the base material 11 is not in direct contact with the scale 10A, and the coating 12 and the scale 10A are in contact with each other, so that the base material 11 is worn and damaged by sliding with the scale 10A. This can be suppressed.
  • FIG. 2 shows an apparatus configuration of the film forming apparatus 2 used for forming the film 12. First, the configuration of the film forming apparatus 2 will be described with reference to FIG.
  • the film forming apparatus 2 includes a chamber 21, a plurality (two) of arc power supplies 22 and a sputtering power supply 23, a substrate stage 24, a bias power supply 25, a plurality of (four) heaters 26, and a DC power supply for discharge. 27 and a filament heating AC power supply 28.
  • the chamber 21 is provided with a gas exhaust port 21 ⁇ / b> A for evacuating and a gas supply port 21 ⁇ / b> B for supplying gas into the chamber 21.
  • the arc power source 22 is connected to an arc evaporation source 22A where a target is disposed.
  • the sputtering power source 23 is connected to a sputtering evaporation source 23A where a target is disposed.
  • the substrate stage 24 is configured to be rotatable and has a support surface for supporting the substrate 11 that is a film formation target.
  • the bias power source 25 applies a negative bias to the substrate 11 through the substrate stage 24.
  • the substrate 11 is prepared and set on the substrate stage 24.
  • a WC—Co sintered body having a Co content adjusted to 3 wt% or more and 15 wt% or less is prepared, and set in the arc evaporation source 22A as a film formation target.
  • the inside of the chamber 21 is depressurized to a predetermined pressure from the gas exhaust port 21A and is brought into a vacuum state.
  • Ar gas is introduced into the chamber 21 from the gas supply port 21 ⁇ / b> B, and the substrate 11 is heated to a predetermined temperature by the heater 26. Then, the surface of the substrate 11 is etched by Ar ions for a predetermined time. Thereby, the oxide film etc. which were formed in the surface of the base material 11 are removed.
  • the target set in the arc evaporation source 22A is evaporated, and the substrate stage 24 is rotated at a predetermined rotation speed.
  • the evaporated target adheres on the base material 11, and the membrane
  • the film formation speed is adjusted according to the arc current condition and the rotation speed condition of the substrate stage 24, and the film formation time is adjusted to reach a desired film thickness.
  • the supply of arc current and the rotation of the substrate stage 24 are stopped. Thereafter, the inside of the chamber 21 is opened to the atmosphere, and the substrate 11 after film formation is taken out of the chamber 21.
  • the film 12 is formed on the base material 11 by the procedure as described above.
  • a WC—Co sintered body whose Co content is adjusted to 3 wt% or more and 15 wt% or less is set as a target in the sputter evaporation source 23A. Then, the target 12 is evaporated by applying a predetermined power to the sputtering evaporation source 23A, and the substrate 12 is rotated to form the coating 12.
  • Hot forming method a hot forming method carried out using the hot forming mold 1 in which the film 12 is formed as an abrasion resistant layer will be described with reference to the flowchart of FIG.
  • the hot forming method is performed by a hot press (die quench) method in which the forming of the steel sheet 10 and quench hardening by cooling are simultaneously performed.
  • step S10 for heating the workpiece is performed.
  • step S10 first, as a molding to be hot-molded, 0.15 wt% or more and 0.35 wt% or less of C, 0.5 wt% or more and 3 wt% or less of Si, 0.05 wt% or more and 1.
  • a steel plate 10 containing 0 wt% or less of Cr and made of steel consisting of the remaining iron and impurities and processed into a flat plate shape is prepared.
  • the steel plate 10 is placed in a heating furnace (not shown) and heated at a predetermined temperature (about 900 ° C.) until it becomes austenite in the atmosphere.
  • a scale 10A mainly containing iron oxide such as FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 is formed on the surface of the steel plate 10 (FIG. 1).
  • step S20 of molding the object to be molded is performed.
  • the steel plate 10 heated in the above step S10 is conveyed to the hot forming die 1 by a predetermined conveying means (not shown), and is set on the lower die 1B.
  • the upper mold 1A is lowered toward the lower mold 1B by a driving force from a drive source (not shown).
  • the steel plate 10 is pressed by the convex portion 1C of the upper die 1A, and the steel plate 10 is press-formed into a shape along the concave portion 1D of the lower die 1B.
  • the steel sheet 10 is rapidly cooled to a temperature below the Ms point (martensitic transformation point) by being held for a predetermined time in contact with the hot forming die 1 and hardened by hardening. .
  • the scale 10A formed on the surface of the steel plate 10 comes into contact with the hot forming die 1 in order to perform press forming of the steel plate 10.
  • the base material 11 may be worn by sliding with the hard scale 10A, and the base material 11 may be damaged.
  • the coating 12 with the Co content adjusted to an appropriate amount is formed as a wear-resistant layer on the molding surface 11A of the substrate 11, the substrate by sliding with the scale 10A. 11 and the occurrence of damage due to this can be suppressed.
  • the steel plate 10 is formed and quenched and hardened, and the hot forming method according to this embodiment is completed.
  • the film 12 is a film formed on the substrate 11 as a wear-resistant layer in the hot forming mold 1 used for hot forming of a molded body (steel plate 10) made of steel.
  • the film 12 is composed of WC and the remaining Co of 3 wt% or more and 15 wt% or less.
  • the hot molding die 1 includes a base material 11 having a molding surface 11A and the film 12 formed on the molding surface 11A.
  • the hot forming method includes a step S10 for heating the steel plate 10 and a step S20 for forming the steel plate 10 heated in the step S10 using the hot forming die 1.
  • the film 12 is composed of WC and 3 to 15 wt% of remaining Co, and functions as an excellent wear-resistant layer in the hot forming mold 1.
  • the Co content is less than 3 wt%, the coating becomes brittle, and the coating is chipped during hot forming, so that damage proceeds.
  • the Co content exceeds 15 wt%, too much soft Co is present in the film, so that the wear rate is increased.
  • the coating 12 can function as an excellent wear-resistant layer in the hot molding die 1 by adjusting the Co content to an appropriate amount. That is, even when hot forming of the steel sheet 10 is performed using the hot forming mold 1, the mold is prevented from being worn and damaged by the scale 10 ⁇ / b> A formed on the surface of the steel sheet 10. Can do. Further, according to the hot forming method using the hot forming mold 1, the durability of the mold can be improved by suppressing the damage due to the wear of the mold. It becomes possible to widen and hot forming can be performed efficiently.
  • the film 12 may be formed by a thermal spraying method.
  • 95% or more of the tungsten carbide particles contained in the coating 12 are included in a circle having a diameter of 10 ⁇ m.
  • the steel plate 10 includes 0.5 wt% or more and 3 wt% or less of Si and 0.05 wt% or more and 1.0 wt% or less of Cr, and is made of steel composed of the remaining iron and impurities.
  • Si and Cr are contained in the steel plate 10
  • the components of Fe 2 O 3 and Fe 3 O 4 become richer than FeO in the scale 10A formed on the steel plate 10. Since these scale components are harder components than FeO, in the hot forming of the steel sheet 10 containing Si and Cr, the amount of wear of the mold by the scale 10A tends to be larger.
  • the hot forming mold 1 in which the film 12 is formed as an abrasion resistant layer an increase in wear amount can be prevented even in hot forming of the steel sheet 10 containing Si and Cr. .
  • the said embodiment demonstrated the case where the membrane
  • a WC—Co sintered body whose Co content is adjusted to 3 wt% or more and 15 wt% or less is used as a thermal spray material, and a thermal spraying method in which the thermal spray material is heated and sprayed on the base material 11 at a high speed is used.
  • flame spraying may be used in which a thermal spray material is melted using a combustion flame of oxygen and fuel gas as a heat source, or plasma spraying using plasma generated by discharge between electrodes as a heat source. May be used.
  • the film formation rate can be further increased as compared with the PVD method. Therefore, even when the thickness T1 is large (for example, 50 ⁇ m or more), the coating 12 is efficiently formed in a short time. be able to.
  • the hot forming mold 1 is not limited to the shape shown in FIG. 1, and various types can be used according to the forming shape of the steel plate 10. Moreover, a to-be-molded body is not limited to the steel plate 10, The various steel materials processed by hot forming can be used.
  • a ball made of JIS SKD11 (diameter 10 mm, HRC60) was prepared, and No. 1 in the following Table 1 was formed on the surface thereof. Films 1 to 11 were formed. No. In 1, no film was formed. No. In No. 2, a film made of TiAlN was formed. No. In No. 3, a film made of WC containing no C Cincinnati was formed. No. In 4 to 11, a film composed of 1 to 20 wt% Co and WC was formed. No. Nos. 2 and 11 were formed by PVD method. Films 3 to 10 were formed by thermal spraying.
  • a steel sheet containing 0.22 wt% C and 1.2 wt% Si is prepared, and the steel sheet is heated to 950 ° C. in the air, and then allowed to cool in the air, whereby a scale is formed on the steel sheet. Generated.
  • Example 2 A ball made of JIS SKD11 is prepared, and a coating (coating thickness of 100 ⁇ m) made of Co (7 wt%) and WC is formed on the surface by a thermal spraying method, or a coating made of TiAlN (coating thickness of 10 ⁇ m) is formed by a PVD method. did.
  • No. in Table 2 below As shown in 1 to 11, steel plates having different contents of Si and Cr were prepared, and scales were generated on the steel plates by heating at high temperature in the atmosphere as in Example 1 above. And the sliding test with a ball
  • the wear part of the coating increases with the content of Si and Cr in both the case where the coating made of Co (7 wt%) and WC is formed and the case where the coating made of TiAlN is formed.
  • the Si content is 0.5 to 3 wt% and the Cr content is 0 wt% (No. 3 to 7)
  • the Si content is 1 wt%
  • the Cr content is 0.5 to 1 wt% (Nos. 9 and 10)
  • the wear area increased to 0.3 mm 2 or more, whereas a film composed of Co (7 wt%) and WC was formed. It was found that the wear area was suppressed to 0.3 mm 2 or less, and excellent wear resistance was exhibited.
  • Example 3 No. in Table 3 below. As shown in 1 to 6, the particle size (maximum particle size ( ⁇ m)) of the WC powder used as a raw material during thermal spraying was changed, and the surface of the ball made of JIS standard SKD11 was changed to WC- A Co film was formed by thermal spraying. The thickness of the WC—Co film was 100 ⁇ m.
  • the formed WC-Co film was cut in the thickness direction, embedded with resin, and the cut surface was polished. Then, the cross section of the WC—Co film was observed with an SEM at a magnification of 2000 times. And the maximum length of each WC particle in an observation visual field was measured. Based on the measurement results, the ratio (%) of the number of WC particles contained in a circle having a diameter of 10 ⁇ m was calculated with respect to the total number of WC particles in the observation visual field.

Abstract

皮膜１２は、鋼板１０の熱間成形に用いられる熱間成形用金型１において耐摩耗層として形成される皮膜である。皮膜１２は、タングステンカーバイドと、３重量％以上１５重量％以下の残部コバルトと、からなることを特徴とする。熱間成形用金型１は、鋼板１０の熱間成形に用いられる熱間成形用金型であって、成形面１１Ａを有する基材１１と、成形面１１Ａ上に形成された皮膜１２と、を備えている。熱間成形方法は、鋼板１０を加熱する工程と、加熱された鋼板１０を上記熱間成形用金型１を用いて成形する工程と、を備えている。

Description

皮膜、熱間成形用金型及び熱間成形方法
　本発明は、皮膜、熱間成形用金型及び熱間成形方法に関する。
　従来、熱間成形に用いられる金型において、耐摩耗性や耐熱衝撃性の向上を目的として、金属セラミックス複合材からなる皮膜層を表面に形成することが知られている。この種の技術が下記特許文献１に開示されている。下記特許文献１には、熱間成形に用いられる金型の基材表面において、チタン（Ｔｉ）、ジルコニム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）のいずれか一種の金属層からなる下地層と、（Ｔｉ１－ｘＡｌｘ）Ｎの組成式により表される複合窒化物層からなる表面層と、を順に積層して形成することが開示されている。
　下記特許文献１に開示された金型では、熱伝導率が大きく異なる基材と表面層との間において、その中間的な熱伝導率を有する下地層を形成することにより、表面層と基材との間での急激な熱伝達が緩和され、クラックの発生を抑制することができる。しかし、上記金型は、鋼からなる被成形体の熱間成形に使用された場合において、Ｔｉ、Ａｌの複合窒素化物からなる表面層によって十分な耐摩耗性が得られないという問題がある。
特開２０１３－１４６７７８号公報
　本発明の目的は、鋼の熱間成形用金型において優れた耐摩耗層として機能する皮膜、当該皮膜を有する熱間成形用金型、及び当該熱間成形用金型が用いられる熱間成形方法を提供することである。
　本発明の一局面に係る皮膜は、鋼からなる被成形体の熱間成形に用いられる金型において耐摩耗層として形成される皮膜である。上記皮膜は、タングステンカーバイドと、３重量％以上１５重量％以下のコバルトと、からなることを特徴とする。
本発明の実施形態に係る熱間成形用金型の構成を示す模式図である。 上記熱間成形用金型における皮膜の成膜装置を示す模式図である。 上記熱間成形用金型を用いて実施される熱間成形方法の流れを示すフローチャートである。
　以下、図面に基づいて、本発明の実施形態につき詳細に説明する。
　まず、本発明の実施形態に係る皮膜、熱間成形用金型及び熱間成形方法の概要について説明する。
　本実施形態に係る皮膜は、鋼からなる被成形体の熱間成形に用いられる金型において耐摩耗層として形成される皮膜である。上記皮膜は、タングステンカーバイドと、３重量％以上１５重量％以下のコバルトと、からなることを特徴とする。
　本発明者は、鋼の熱間成形用金型に用いられる優れた耐摩耗層を提供するために鋭意検討を行った結果、以下の知見を得て、本発明に想到した。
　鋼を加熱成形する工法の一つとして、鋼が高温加熱された後、当該鋼が金型により成形されると共に冷却により焼入されるホットプレス（ダイクエンチ）法があり、本実施形態では以下ホットプレス法に使用される金型を鋼の熱間成形法の一例として説明を行う。ホットプレス以外の熱間成型方法としては熱間鍛造などがある。ここで、高温加熱時において、鋼の表面には鉄酸化物を主体とする酸化物層（スケール）が生成する。スケールは、鋼の組成や成形条件により変化するが厚さが数μｍ～数十μｍであり、内層にＦｅＯ、外層にＦｅ２Ｏ３及びＦｅ３Ｏ４を主に有している。本発明者は、当該スケールが生成した鋼を金型により成形するとき、当該スケールと金型との摺動により金型が摩耗により損傷してしまうことに着目し、当該損傷を防止するための方策について検討した。その結果、本発明者は、タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とし、３重量％以上１５重量％以下のコバルト（Ｃｏ）を含有する皮膜を耐摩耗層として用いた場合に、耐摩耗性が著しく改善されることを見出した。
　上記本実施形態に係る皮膜は、ＷＣと３重量％以上１５重量％以下の残部Ｃｏと、からなっており、鋼の熱間成形用金型において優れた耐摩耗層として機能する。Ｃｏの含有量が３重量％未満である場合には、皮膜が脆くなり、成形時に皮膜が欠けて損傷が進行する。一方で、Ｃｏの含有量が１５重量％を超える場合には、皮膜中において軟質なＣｏが多く存在し過ぎるため、摩耗速度が速くなる。このため、Ｃｏの含有量は、３重量％以上１５重量％以下の範囲内となっており、５重量％以上１０重量％以下の範囲内であることが好ましい。
　上記皮膜は、ＷＣと残部Ｃｏとからなるものであるが、不可避的に混入される不純物を含んでいてもよい。
　上記皮膜の厚みは、耐久性を確保する観点から、１０μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であることがより好ましく、１００μｍ以上であることがさらに好ましい。
　上記皮膜は、溶射法により形成されたものであってもよい。また倍率２０００倍で前記皮膜の断面観察を行ったときに、前記皮膜に含有されるタングステンカーバイドの粒子の９５％以上が直径１０μｍの円内に含まれる大きさであってもよい。
　皮膜を構成する個々のタングステンカーバイドの粒子が大きい場合、皮膜と被成形体との摺動中においてタングステンカーバイドの粒子が脱落し、摺動表面の粒子欠落による摩耗が発生する。これに対して、９５％以上のタングステンカーバイドの粒子を直径１０μｍの円内に収まる大きさにすることで、摺動中における粒子の脱落を防ぐことができる。
　上記皮膜において、前記被成形体は、０．５重量％以上３重量％以下のシリコンを含有する鋼からなっていてもよい。また前記被成形体は、０．０５重量％以上１．０重量％以下のクロムを含有する鋼からなっていてもよい。
　鋼の成分中にシリコン（Ｓｉ）及びクロム（Ｃｒ）の元素が含まれる場合には、スケールの成長速度が遅くなり、スケールが全体的に薄く形成され、Ｆｅ２Ｏ３やＦｅ３Ｏ４のスケール成分がリッチになる。これらのスケール成分は、ＦｅＯに比べて硬質な成分であるため、Ｓｉ及びＣｒを含む鋼の熱間成形においては金型の摩耗量がより大きくなる傾向がある。これに対して、上記本実施形態に係る皮膜を耐摩耗層として用いることで、従来の皮膜を用いた場合に比べて、Ｓｉ及びＣｒを含む鋼の熱間成形においても摩耗量の増加を防ぐことができる。
　Ｓｉ及びＣｒの含有量は、被成形体を構成する鋼の特性から上記範囲内に規定されている。Ｓｉ及びＣｒは、その含有量が増加するのに伴いＦｅ２Ｏ３やＦｅ３Ｏ４のスケール成分が増加し、金型の摩耗量が増加する。Ｃｒの含有量が０．０５重量％以上である場合には、スケール組成への影響があり、特に０．１重量％以上である場合にはスケール組成への影響が顕著になる。
　上記皮膜において、前記被成形体は、０．１５重量％以上０．３５重量％以下の炭素を含有する鋼からなっていてもよい。
　炭素（Ｃ）の含有量は、Ｓｉ及びＣｒと同様に、被成形体を構成する鋼の特性から上記範囲内に規定されている。また当該鋼は、Ｃ、Ｓｉ及びＣｒの他の元素として、マンガン（Ｍｎ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、チタン（Ｔｉ）、ホウ素（Ｂ）又はＡｌを含有していてもよい。これらの元素の含有量は、数重量％以下であってもよい。
　本実施形態に係る熱間成形用金型は、鋼からなる被成形体の熱間成形に用いられる熱間成形用金型である。上記熱間成形用金型は、成形面を有する基材と、前記成形面上に形成された上記本実施形態に係る皮膜と、を備えている。
　上記熱間成形用金型では、ＷＣと３重量％以上１５重量％以下の残部Ｃｏとからなる上記皮膜が基材上に形成されている。このため、鋼からなる被成形体の熱間成形を行った場合でも、当該鋼の表面に形成されるスケールにより金型が摩耗して損傷することを抑制することができる。
　本実施形態に係る熱間成形方法は、鋼からなる被成形体を加熱する工程と、加熱された前記被成形体を成形する工程と、を備えている。前記成形する工程では、上記本実施形態に係る熱間成形用金型を用いて前記被成形体を成形する。
　上記熱間成形方法では、ＷＣと３重量％以上１５重量％以下の残部Ｃｏとからなる上記皮膜が形成された上記熱間成形用金型を用いて被成形体が成形される。このため、被成形体を加熱する工程において生成したスケールにより金型表面が摩耗し、損傷することを抑制することができる。これにより、金型の耐久性が向上するため、熱間成形中において金型のメンテナンス間隔を広くすることができるなどの利点がある。
　［熱間成形用金型］
　次に、本発明の実施形態に係る熱間成形用金型１について、図１を参照して説明する。図１は、熱間成形用金型１において被成形体である鋼板１０が設置された状態を示している。
　熱間成形用金型１は、鋼板１０の熱間成形に用いられる金型であって、上下方向（図１中矢印）において互いに離れて配置された上金型１Ａ及び下金型１Ｂを有している。上金型１Ａは凸部１Ｃを有し、下金型１Ｂは当該凸部１Ｃと嵌め合う凹部１Ｄを有している。上金型１Ａ及び下金型１Ｂは、不図示の駆動源からの駆動力によって互いに接近するように又は互いに離れるように変位可能となっている。図１に示すように、加熱された鋼板１０が下金型１Ｂ上に設置された状態で、鋼板温度が低下しないように、時間をおかずに上金型１Ａを下降させる。これにより、凸部１Ｃによって鋼板１０がプレスされ、鋼板１０を下金型１Ｂの凹部１Ｄに沿った形状に成形することができる。
　上金型１Ａ及び下金型１Ｂの各々は、基材１１と、基材１１上に形成された皮膜１２と、を有している。基材１１は、熱間成形用金型１の本体を構成する金属製の部材であり、熱間成形時において鋼板１０を押圧する面である成形面１１Ａを有している。凸部１Ｃは上金型１Ａの成形面１１Ａにおいて下金型１Ｂ側に出っ張った部分であり、凹部１Ｄは下金型１Ｂの成形面１１Ａにおいて上金型１Ａと反対側に凹んだ部分である。皮膜１２は、当該成形面１１上において熱間成形用金型１の耐摩耗層として形成されている。
　上記皮膜１２は、ＷＣと、ＷＣの粒子同士を結合する結合剤（バインダー）である残部Ｃｏと、からなっている。皮膜１２は、膜の耐久性を確保する観点から、１０μｍ以上の厚みＴ１を有することが好ましく、５０μｍ以上の厚みＴ１を有することがより好ましく、１００μｍ以上の厚みＴ１を有することがさらに好ましい。
　上記皮膜１２は、ＷＣとＣｏとを混合した焼結体を物理蒸着（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法又は溶射方法により、成形面１１Ａ上に成膜することにより形成されている。ＰＶＤ法としては、スパッタリング法やアークイオンプレーティング法を用いることができる。また溶射方法としては、プラズマ溶射や高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ：Ｈｉｇｈ　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｏｘｙｇｅｎ　Ｆｌａｍｅ）を用いることができる。溶射方法では、ＷＣとＣｏの焼結体粉末が高速で基材１１に吹き付けられることにより皮膜１２が成膜される。この方法は、成膜速度が速いため、厚みＴ１が５０μｍ以上の厚膜の形成に適している。
　溶射法により皮膜１２が形成される場合、上記のようにタングステンカーバイド（ＷＣ）は粉末状の原料を用いて形成される。ここで、最終的に皮膜１２中に含有されるＷＣ粒子は、９５％以上が直径１０μｍの円内に含まれる。すなわち、皮膜１２中に含有されるＷＣ粒子の９５％以上において、各方向における最大長さが１０μｍ以下となっている。ＷＣ粒子の大きさを観察する方法としては、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＥＭ）などを用いた観察方法を採用することができる。具体的には、皮膜１２を厚さ方向に切断し、その断面をＳＥＭなどにより倍率２０００倍程度で１００μｍ×１００μｍ程度の視野内において観察することができる。そして、当該視野内における個々のＷＣ粒子の大きさを計測することができる。
　溶射法は成膜レートが速いことから、上記のように５０μｍ以上の厚みＴ１を有する厚膜を形成することができる。しかし、皮膜１２を構成する個々のＷＣ粒子が大きい場合、熱間成形用金型１と鋼板１０との摺動中においてＷＣ粒子が脱落し、摺動表面の粒子欠落による摩耗が発生する。これを防ぐため、上記のように皮膜１２の断面観察を行ったときに、少なくとも９５％以上のＷＣ粒子が直径１０μｍの円内に含まれる必要がある。また、少なくとも９５％以上のＷＣ粒子が直径５μｍ以下の円内に含まれることがより好ましい。
　上記皮膜１２において、Ｃｏの含有量は３重量％（ｗｔ％）以上に調整されている。Ｃｏの含有量が３ｗｔ％未満である場合には、皮膜１２が脆くなり、鋼板１０の熱間成形時において皮膜１２に欠けが発生して皮膜１２の損傷が進行する場合がある。これを防止する観点から、Ｃｏの含有量は、３ｗｔ％以上となっており、４ｗｔ％以上であることがより好ましく、５ｗｔ％以上であることがさらに好ましい。
　上記皮膜１２において、Ｃｏの含有量は１５ｗｔ％以下に調整されている。Ｃｏの含有量が１５ｗｔ％を超える場合には、皮膜１２中において軟質なＣｏの量が過大になり、皮膜１２の摩耗速度が速くなる。このため、Ｃｏの含有量は、１５ｗｔ％以下となっており、１２ｗｔ％以下であることがより好ましく、１０ｗｔ％以下であることがさらに好ましい。
　上記皮膜１２におけるＣｏの含有量は、ＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　Ｘ－ｒａｙ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析などを用いて測定することができる。
　鋼板１０は、熱間成形用金型１を用いて熱間成形される被成形体である。鋼板１０は、０．１５ｗｔ％以上０．３５ｗｔ％以下のＣと、０．５ｗｔ％以上３ｗｔ％以下のＳｉと、０．０５ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下のＣｒと、を含有し、残部鉄及び不純物からなっている。Ｓｉの含有量は、１ｗｔ％以上であってもよく、１．５ｗｔ％以上であってもよく、２．５ｗｔ％以上であってもよい。またＣｒの含有量は、０．１ｗｔ％以上であってもよく、０．５ｗｔ％以上であってもよい。
　鋼板１０は、上記成分組成を有するものに限定されず、Ｃｒを含有せずＳｉの含有量が上記範囲のものであってもよいし、Ｓｉを含有せずＣｒの含有量が上記範囲のものであってもよいし、Ｃ、Ｓｉ及びＣｒのいずれの成分元素も含有しないものであってもよい。また、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｔｉ、Ｂ又はＡｌなどの他の成分元素をさらに含有するものであってもよく、その含有量は数ｗｔ％以下であってもよい。
　鋼板１０は、図１に示すように熱間成形用金型１に設置される前において、不図示の加熱炉において大気下で加熱処理される。このとき、鋼板１０を構成する鉄成分が大気中の酸素によって酸化され、当該鋼板１０表面にスケール（酸化物層）１０Ａが薄く形成される。スケール１０Ａは、ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４などの鉄酸化物を主に含有しており、その内側にはＦｅＯが主に存在し、外側にはＦｅ２Ｏ３及びＦｅ３Ｏ４が主に存在している。特に、鋼板１０は、Ｓｉ及びＣｒの成分元素を含有するため、Ｓｉ及びＣｒを含有しないものに比べてＦｅ２Ｏ３及びＦｅ３Ｏ４を多く含むスケール１０Ａを生成する。Ｆｅ２Ｏ３及びＦｅ３Ｏ４は、ＦｅＯに比べて硬度がより大きい酸化物である。
　鋼板１０の熱間成形時においては、鋼板１０の表面に形成されたスケール１０Ａと熱間成形用金型１の表面とが接触し、摺動する。当該摺動による金型の摩耗を抑制するため、本実施形態に係る熱間成形用金型１では、基材１１上において耐摩耗層としての皮膜１２が形成されている。つまり、鋼板１０の熱間成形時には、基材１１がスケール１０Ａと直接接触せず、皮膜１２とスケール１０Ａとが接触するため、基材１１がスケール１０Ａとの摺動により摩耗し、損傷を受けることを抑制することができる。
　［皮膜の成膜方法］
　次に、上記皮膜１２の成膜手順について説明する。図２は、皮膜１２の成膜に用いられる成膜装置２の装置構成を示している。まず、成膜装置２の構成について、図２を参照して説明する。
　成膜装置２は、チャンバー２１と、複数（２つ）のアーク電源２２及びスパッタ電源２３と、基材ステージ２４と、バイアス電源２５と、複数（４つ）のヒータ２６と、放電用直流電源２７と、フィラメント加熱用交流電源２８と、を有する。チャンバー２１には、真空排気するためのガス排気口２１Ａと、チャンバー２１内にガスを供給するためのガス供給口２１Ｂと、が設けられている。アーク電源２２には、ターゲットが配置されるアーク蒸発源２２Ａが接続されている。スパッタ電源２３には、ターゲットが配置されるスパッタ蒸発源２３Ａが接続されている。基材ステージ２４は、回転可能に構成され、成膜対象である基材１１を支持するための支持面を有する。バイアス電源２５は、基材ステージ２４を通して基材１１に負バイアスを印加する。
　次に、基材１１上への皮膜１２の成膜手順について説明する。本実施形態では、アークイオンプレーティング法により皮膜１２が成膜される場合について説明する。
　まず、基材１１が準備され、基材ステージ２４上にセットされる。一方、Ｃｏ含有量が３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下に調整されたＷＣ－Ｃｏ焼結体が準備され、成膜用のターゲットとしてアーク蒸発源２２Ａにセットされる。
　次に、ガス排気口２１Ａよりチャンバー２１内が所定の圧力まで減圧され、真空状態とされる。次に、ガス供給口２１ＢからＡｒガスがチャンバー２１内に導入され、ヒータ２６により基材１１が所定の温度に加熱される。そして、基材１１の表面がＡｒイオンにより所定時間エッチングされる。これにより、基材１１の表面に形成された酸化皮膜などが除去される。
　次に、所定のアーク電流を流すことによりアーク蒸発源２２Ａにセットされたターゲットを蒸発させると共に、基材ステージ２４を所定の回転速度で回転させる。これにより、蒸発したターゲットが基材１１上に付着し、皮膜１２が成膜される。成膜速度は、アーク電流の条件や基材ステージ２４の回転速度の条件により調整され、所望の膜厚に達するように成膜時間が調整される。
　そして、所望の膜厚に達した後、アーク電流の供給及び基材ステージ２４の回転が停止される。その後、チャンバー２１内が大気開放され、成膜後の基材１１がチャンバー２１の外に取り出される。以上のような手順により、基材１１上に皮膜１２が成膜される。
　また、スパッタリング法によって皮膜１２が成膜される場合には、Ｃｏ含有量が３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下に調整されたＷＣ－Ｃｏ焼結体がスパッタ蒸発源２３Ａにおいてターゲットとしてセットされる。そして、スパッタ蒸発源２３Ａに所定の電力を投入することによりターゲットを蒸発させ、かつ基材ステージ２４を回転させることにより皮膜１２が成膜される。
　［熱間成形方法］
　次に、上記皮膜１２が耐摩耗層として形成された上記熱間成形用金型１を用いて実施される熱間成形方法について、図３のフローチャートに沿って説明する。上記熱間成形方法は、鋼板１０の成形と冷却による焼入硬化とが同時に実施されるホットプレス（ダイクエンチ）法によって実施される。
　まず、被成形体を加熱する工程Ｓ１０が実施される。この工程Ｓ１０では、まず、熱間成形を行う被成形体として、０．１５ｗｔ％以上０．３５ｗｔ％以下のＣと、０．５ｗｔ％以上３ｗｔ％以下のＳｉと、０．０５ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下のＣｒと、を含有し、残部鉄及び不純物からなる鋼によって構成され、平板状に加工された鋼板１０が準備される。
　次に、鋼板１０が加熱炉（図示しない）内に配置され、大気下においてオーステナイトになるまで所定の温度（９００℃程度）で加熱される。この加熱によって、鋼板１０の表面には、ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４などの鉄酸化物を主に含むスケール１０Ａが形成される（図１）。
　次に、被成形体を成形する工程Ｓ２０が実施される。この工程Ｓ２０では、図１に示すように、上記工程Ｓ１０で加熱された鋼板１０が所定の搬送手段（図示しない）によって熱間成形用金型１に搬送され、下金型１Ｂ上に設置される。次に、駆動源（図示しない）からの駆動力によって上金型１Ａを下金型１Ｂに向かって下降させる。これにより、上金型１Ａの凸部１Ｃによって鋼板１０が押圧され、鋼板１０が下金型１Ｂの凹部１Ｄに沿った形状にプレス成形される。このプレス成形と同時に、鋼板１０は、熱間成形用金型１と接触した状態で所定時間保持されることによりＭｓ点（マルテンサイト変態点）以下の温度にまで急冷され、焼入硬化される。
　この工程（Ｓ２０）では、鋼板１０のプレス成形を行うため、鋼板１０の表面に形成されたスケール１０Ａが熱間成形用金型１と接触する。ここで、基材１１上に皮膜１２が形成されていない場合には、硬質なスケール１０Ａとの摺動により基材１１が摩耗し、基材１１が損傷を受ける場合がある。これに対して、本実施形態では、基材１１の成形面１１Ａ上においてＣｏ含有量が適量に調整された皮膜１２が耐摩耗層として形成されているため、スケール１０Ａとの摺動による基材１１の摩耗及びこれによる損傷の発生を抑制することができる。以上の手順により、鋼板１０が成形及び焼入硬化され、本実施形態に係る熱間成形方法が完了する。
　［作用効果］
　次に、上記本実施形態に係る皮膜１２、熱間成形用金型１及び熱間成形方法の特徴及びその作用効果について説明する。
　上記皮膜１２は、鋼からなる被成形体（鋼板１０）の熱間成形に用いられる熱間成形用金型１において耐摩耗層として基材１１上に形成される皮膜である。皮膜１２は、ＷＣと、３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下の残部Ｃｏと、からなっている。上記熱間成形用金型１は、成形面１１Ａを有する基材１１と、成形面１１Ａ上に形成された上記皮膜１２と、を備えている。上記熱間成形方法は、鋼板１０を加熱する工程Ｓ１０と、上記工程Ｓ１０において加熱された鋼板１０を上記熱間成形用金型１を用いて成形する工程Ｓ２０と、を備えている。
　上記皮膜１２は、ＷＣと３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下の残部Ｃｏとからなっており、熱間成形用金型１において優れた耐摩耗層として機能する。Ｃｏの含有量が３ｗｔ％未満である場合には、皮膜が脆くなり、熱間成形時に皮膜が欠けて損傷が進行する。一方で、Ｃｏの含有量が１５ｗｔ％を超える場合には、皮膜中において軟質なＣｏが多く存在し過ぎるため、摩耗速度が速くなる。上記皮膜１２は、Ｃｏ含有量が適量に調整されることにより、熱間成形用金型１において優れた耐摩耗層として機能することができる。つまり、上記熱間成形用金型１を用いて鋼板１０の熱間成形を行った場合でも、当該鋼板１０の表面に形成されるスケール１０Ａによって金型が摩耗して損傷することを抑制することができる。また上記熱間成形用金型１を用いた熱間成形方法によれば、金型の摩耗による損傷を抑制することで金型の耐久性を向上させることができるため、金型のメンテナンス間隔を広くすることが可能となり、効率的に熱間成形を行うことができる。
　上記皮膜１２は、溶射法により形成されていてもよい。そして、倍率２０００倍で皮膜１２の断面観察を行ったときに、皮膜１２に含有されるタングステンカーバイドの粒子の９５％以上が直径１０μｍの円内に含まれる大きさとなっている。これにより、皮膜１２と鋼板１０との摺動による粒子の脱落を防ぎ、耐摩耗性をより向上させることができる。
　上記鋼板１０は、０．５ｗｔ％以上３ｗｔ％以下のＳｉと、０．０５ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下のＣｒと、を含有し、残部鉄及び不純物からなる鋼によって構成されている。鋼板１０中にＳｉ及びＣｒが含まれる場合には、当該鋼板１０に形成されるスケール１０ＡにおいてＦｅ２Ｏ３やＦｅ３Ｏ４の成分がＦｅＯに比べてリッチになる。これらのスケール成分は、ＦｅＯに比べて硬質な成分であるため、Ｓｉ及びＣｒを含む鋼板１０の熱間成形においてはスケール１０Ａによる金型の摩耗量がより大きくなる傾向がある。これに対して、上記皮膜１２が耐摩耗層として形成された上記熱間成形用金型１によれば、Ｓｉ及びＣｒを含む鋼板１０の熱間成形においても摩耗量の増加を防ぐことができる。
　［その他の実施形態］
　上記実施形態では、アークイオンプレーティング法やスパッタリング法により皮膜１２が成膜される場合について説明したが、これに限定されない。例えば、Ｃｏ含有量が３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下に調整されたＷＣ－Ｃｏ焼結体が溶射材として使用され、当該溶射材を加熱して基材１１に対して高速で吹き付ける溶射方法が用いられてもよい。より具体的には、酸素と燃料ガスの燃焼炎を熱源として利用して溶射材を溶融させるフレーム溶射が用いられてもよいし、電極間の放電により発生させたプラズマを熱源として利用したプラズマ溶射が用いられてもよい。このような溶射方法によれば、ＰＶＤ法に比べて成膜速度をより速くすることができるため、厚みＴ１が大きい場合（例えば５０μｍ以上）でも、皮膜１２を短時間で効率的に成膜することができる。
　上記実施形態において、熱間成形用金型１は図１の形状に限定されず、鋼板１０の成形形状に応じて種々のものを用いることができる。また被成形体は鋼板１０に限定されず、熱間成形によって加工される種々の鋼材を用いることができる。
　［実施例１］
　スケールが形成された鋼材に対する耐摩耗性を評価する実験を行った。
　ＪＩＳ規格ＳＫＤ１１製のボール（直径１０ｍｍ、ＨＲＣ６０）を準備し、その表面に下記表１のＮｏ．１～１１に示す皮膜を形成した。Ｎｏ．１では、皮膜を形成しなかった。Ｎｏ．２では、ＴｉＡｌＮからなる皮膜を形成した。Ｎｏ．３では、Ｃоを含有しないＷＣからなる皮膜を形成した。Ｎｏ．４～１１では、１～２０ｗｔ％のＣｏとＷＣとからなる皮膜を形成した。Ｎｏ．２，１１はＰＶＤ法により成膜し、Ｎｏ．３～１０は溶射法により成膜した。
　一方、０．２２ｗｔ％のＣと１．２ｗｔ％のＳｉとを含む鋼板を準備し、当該鋼板を大気中において９５０℃まで加熱し、その後大気中において放冷することにより、鋼板上にスケールを生成させた。
　下記表１に示すＮｏ．１～１１の皮膜が形成されたボールとスケールが生成した鋼板とを摺動させ、その接触部分に形成される摩耗部分の面積を測定することにより摺動試験を行った。この摺動試験では、垂直荷重を５Ｎ、摺動速度を０．１ｍ／ｓ（摺動幅３０ｍｍの往復動）、摺動距離を７２ｍとし、摩耗部分の面積を測定することにより耐摩耗性を評価した。表１にその測定結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　表１から明らかなように、Ｃｏ含有量が３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下である皮膜が形成された場合（Ｎｏ．５～８，１１）では、摩耗面積が０．３ｍｍ２以下となり、スケールが生成した鋼板に対して良好な耐摩耗性を示すことが分かった。また、ＰＶＤ法を用いた場合には１０μｍ程度が膜厚の上限であるのに対し（Ｎｏ．２，１１では膜厚５μｍ）、溶射法では１００μｍ以上の膜厚を有する皮膜を形成することが可能であり（Ｎｏ．３～１０では膜厚１００μｍ）、膜厚が大きい皮膜を形成することで、皮膜の寿命をより長くすることができる。
　［実施例２］
　ＪＩＳ規格ＳＫＤ１１製のボールを準備し、その表面にＣｏ（７ｗｔ％）とＷＣからなる皮膜（膜厚１００μｍ）を溶射法により形成し、又はＴｉＡｌＮからなる皮膜（膜厚１０μｍ）をＰＶＤ法により形成した。また、下記表２のＮｏ．１～１１に示すように、Ｓｉ及びＣｒの含有量が異なる鋼板を準備し、上記実施例１と同様に大気中で高温加熱することにより鋼板上にスケールを生成させた。そして、ボールと鋼板との摺動試験を行い、皮膜の耐摩耗性に対する鋼板の組成の影響について調査した。表２にその結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 　表２から明らかなように、Ｃｏ（７ｗｔ％）とＷＣからなる皮膜を形成した場合、及びＴｉＡｌＮからなる皮膜を形成した場合のいずれにおいても、Ｓｉ及びＣｒの含有量の増加と共に皮膜の摩耗部分における面積は増加した。しかし、ＴｉＡｌＮからなる皮膜を形成した場合では、Ｓｉ含有量が０．５～３ｗｔ％でかつＣｒ含有量が０ｗｔ％である場合（Ｎｏ．３～７）、及びＳｉ含有量が１ｗｔ％でかつＣｒ含有量が０．５～１ｗｔ％である場合（Ｎｏ．９，１０）において、摩耗面積が０．３ｍｍ２以上にまで増加したのに対し、Ｃｏ（７ｗｔ％）とＷＣからなる皮膜を形成した場合には、摩耗面積が０．３ｍｍ２以下に抑えられ、優れた耐摩耗性が発揮されることが分かった。
　［実施例３］
　下記の表３のＮｏ．１～６に示すように、溶射時の原料として用いたＷＣ粉末の粒径（最大粒径（μｍ））を変化させ、上記実施例１と同様にＪＩＳ規格ＳＫＤ１１製のボールの表面にＷＣ－Ｃｏ皮膜を溶射法により形成した。ＷＣ－Ｃｏ皮膜の厚さは、１００μｍとした。
　次に、成膜したＷＣ－Ｃｏ皮膜を厚さ方向に切断し、樹脂埋め込みを行い、切断面に対して研磨処理を行った。そして、ＷＣ－Ｃｏ皮膜の断面をＳＥＭにより倍率２０００倍で観察した。そして、観察視野内における個々のＷＣ粒子の最大長さを計測した。この計測結果に基づいて、観察視野内における全ＷＣ粒子の数に対して、直径１０μｍの円内に含まれるＷＣ粒子の数の比率（％）を算出した。
　その後、下記の表３のＮｏ．１～６の各サンプルについて、上記実施例１と同様の条件で摺動試験を行い、摩耗量（ｍｍ２）を比較した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 　表３から明らかなように、直径１０μｍの円内に含まれるＷＣ粒子の比率が９５％以上である場合（Ｃｏ量が６ｗｔ％又は８ｗｔ％）、当該比率が９５％未満である場合に比べて摩耗面積（ｍｍ２）が小さくなり、耐摩耗性が向上することが分かった。これは、皮膜を構成する個々のＷＣ粒子を小さくすることにより、皮膜の摺動表面におけるＷＣ粒子の脱落を防ぐことができるためであると考えられる。

Claims (7)

  1. 　鋼からなる被成形体の熱間成形に用いられる金型において耐摩耗層として形成される皮膜であって、
    　タングステンカーバイドと、３重量％以上１５重量％以下のコバルトと、からなることを特徴とする、皮膜。
  2. 　溶射法により形成され、
    　倍率２０００倍で前記皮膜の断面観察を行ったときに、前記皮膜に含有されるタングステンカーバイドの粒子の９５％以上が直径１０μｍの円内に含まれる大きさであることを特徴とする、請求項１に記載の皮膜。
  3. 　前記被成形体は、０．５重量％以上３重量％以下のシリコンを含有する鋼からなる、請求項１又は２に記載の皮膜。
  4. 　前記被成形体は、０．０５重量％以上１．０重量％以下のクロムを含有する鋼からなる、請求項１又は２に記載の皮膜。
  5. 　前記被成形体は、０．１５重量％以上０．３５重量％以下の炭素を含有する鋼からなる、請求項１又は２に記載の皮膜。
  6. 　鋼からなる被成形体の熱間成形に用いられる熱間成形用金型であって、
    　成形面を有する基材と、
    　前記成形面上に形成された請求項１又は２に記載の皮膜と、を備えた、熱間成形用金型。
  7. 　鋼からなる被成形体を加熱する工程と、
    　加熱された前記被成形体を成形する工程と、を備え、
    　前記成形する工程では、請求項６に記載の熱間成形用金型を用いて前記被成形体を成形する、熱間成形方法。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3962673A1 (en) * 2019-04-29 2022-03-09 Autotech Engineering S.L. A hot press forming apparatus and a method for hot press forming a blank

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0537963U (ja) * 1991-10-30 1993-05-21 サンアロイ工業株式会社 耐火れんが用成形金型
JPH1081949A (ja) * 1996-09-06 1998-03-31 Murata Boring Giken Kk 母材表面皮膜形成方法およびプレス用金型
JP2001025843A (ja) * 1999-07-13 2001-01-30 Maizuru:Kk 鍛造品の製法およびそれに用いる鍛造用金型
JP2014145114A (ja) * 2013-01-29 2014-08-14 Kobe Steel Ltd 軟質金属に対する耐凝着性に優れた硬質皮膜

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62130748A (ja) * 1985-11-29 1987-06-13 Toshiba Corp 耐摩耗性水冷モ−ルド部品
JP3863874B2 (ja) * 2003-10-02 2006-12-27 新日本製鐵株式会社 金属板材の熱間プレス成形装置及び熱間プレス成形方法
CN101210325B (zh) * 2007-12-25 2010-06-09 浙江工业大学 一种用于热锻模具的纳米复合耐磨涂层组合物及其应用
CN102416652A (zh) * 2011-07-13 2012-04-18 新嘉理（江苏）陶瓷有限公司 挤出成型陶板模具

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0537963U (ja) * 1991-10-30 1993-05-21 サンアロイ工業株式会社 耐火れんが用成形金型
JPH1081949A (ja) * 1996-09-06 1998-03-31 Murata Boring Giken Kk 母材表面皮膜形成方法およびプレス用金型
JP2001025843A (ja) * 1999-07-13 2001-01-30 Maizuru:Kk 鍛造品の製法およびそれに用いる鍛造用金型
JP2014145114A (ja) * 2013-01-29 2014-08-14 Kobe Steel Ltd 軟質金属に対する耐凝着性に優れた硬質皮膜

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