JP2002292442A

JP2002292442A - 潤滑剤付着性および耐摩耗性に優れた温熱間加工用被覆工具

Info

Publication number: JP2002292442A
Application number: JP2001098588A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Inoue; 謙一井上
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2002-10-08
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: JP4547656B2

Abstract

(57)【要約】【課題】耐焼付き性、耐摩耗性に優れる温熱間加工用
被覆工具を提供する。【解決手段】熱間ダイス鋼もしくは高速度鋼を母材と
する、少なくとも作業面に被覆層を有す温熱間加工用工
具であって、該被覆層の最表層は、表面粗さがRz:4〜15
μmのa層であり、a層の直下には硫化物であるb層が存在
し、かつTi、V、Cr、Al、Siから選んだ1種もしくは2種
以上の金属元素が主体の窒化物、炭化物、炭窒化物の1
種以上からなるc層が、母材直上にある温熱間加工用工
具である。該a層は、Ti、V、Cr、Al、Si、Cuの1種もし
くは2種以上の金属元素を主体とし、層厚を2〜15μmと
することが望ましく、また、該b層は、金属組成のみの
原子%で、Ti、Crの1種もしくは2種が合計で50%以下、実
質的に残部Moであり、層厚を0.5〜10μmとすることが望
ましい。被覆層は物理蒸着法により被覆されたことが望
ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温間ないしは熱間
で金属同士の摺動を伴う環境にて使用される鍛造用金型
等の温熱間加工用被覆工具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、温熱間加工用工具には、主にＪＩ
Ｓに規定されるＳＫＤ６１、ＳＫＴ４といった熱間金型
用鋼が広く用いられており、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、ＳＫＤ
８、高速度工具鋼あるいはこれらの改良鋼が使用されて
いる。

【０００３】例えば、温熱間鍛造用金型（以下、金型と
記す）においては、近年の、加工効率の向上、被加工製
品の高精度化、ニアネットシェイプ化の要求に対し、金
型の靭性を保持するとともに、金型作業面の耐摩耗性、
耐焼付き性、耐ヒートクラック性を向上させる目的で、
プラズマ法、塩浴法、ガス法等による窒化処理や、アー
クイオンプレーティング法等の物理蒸着法（以下、ＰＶ
Ｄ法と記す）による皮膜が窒化処理と組み合わされて適
用されるようになってきた。

【０００４】特開平１１−９２９０９号には、金型母材
とＰＶＤ皮膜の密着性を向上させるために、ＣｒＮまた
はＴｉＡｌＮといったＰＶＤによる被覆の前処理とし
て、ダイアモンドペースト等による被覆母材の表面粗さ
の調整、真空ガス窒化処理の適用、電解法による洗浄が
提案されている。また、特開平１１−１５２５８３号に
は、金型の耐ヒートクラック性、耐酸化性の向上を目的
に、窒化処理とＰＶＤ法によるＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣ
ｒＮの併用が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
１１−９２９０９号、特開平１１−１５２５８３号の提
案による効果は、従来工具と比較して、２〜３割程度の
寿命向上であり、飛躍的な工具寿命の改善は達成でき
ず、加工効率の向上、被加工製品の高精度化、ニアネッ
トシェイプ化といった要求に対しては十分に満足できる
ものではなかった。

【０００６】特に被加工製品のニアネットシェイプ化
は、製品形状が複雑となるため、加工時には金型作業面
への負荷応力も大きくなるだけでなく、被加工材の肉流
れ速度が金型の場所によって大きく異なる。つまり、金
型の表面温度が不安定な鍛造初期においては、被加工材
との摺動発熱による金型の表面温度も場所によって大き
く異なることとなる。

【０００７】一般に温熱間鍛造においては、鍛造毎に潤
滑剤を噴霧するが、潤滑剤はある任意の金型表面温度で
最も付着しやすくなる特性を有している。このため、金
型の表面温度が場所により大きく異なるということは、
潤滑剤の付着量も金型の場所により大きく変化し、潤滑
剤が適量付着する場所と、付着しない場所が生ずる。当
然、潤滑剤の付着量が低下する部位においては、早期に
被加工材との焼付き、かじり等が発生しやすくなる。

【０００８】この被加工材との焼付き、かじりについて
は、鍛造条件の過酷さに起因する潤滑剤の途切れも要因
の一つと考えられる。このような焼付き、かじり等の発
生は、金型作業面と被加工材との界面で、過大な摩擦力
を働かせることとなり、著しい摩擦熱が発生する。その
結果、金型材表面部では熱により母材が極端に軟化する
ため、皮膜は容易に剥離してしまい、金型の耐摩耗性は
極端に低下してしまう。製品形状によっては、上記摩擦
熱が、金型材自身の変態点（７００〜９００℃）を上回
るほど高温になる場合があり、金型がさらされる環境
は、非常に厳しいものとなる。

【０００９】現在、温熱間金型用として提案されている
ＰＶＤ皮膜は、金型母材と皮膜の密着性向上を主体に改
善が行われているため、先述の潤滑剤付着性にバラツキ
が生じる環境ならびに摩擦熱が著しく発生する環境で使
用すると、早期に焼付き、かじり等が発生してしまい、
その効果を十分に発揮する間もなく剥離してしまうとい
う問題があった。

【００１０】本発明の目的は、上記のような問題を解消
した耐焼付き性、耐摩耗性に優れる温熱間加工用被覆工
具を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、温熱間加工
用工具における潤滑剤の付着性および耐焼付き性、耐か
じり性に及ぼす、ＰＶＤ皮膜の組成、層構造ならびに成
膜条件の影響について詳細な検討を行った。

【００１２】その結果、最表層に粗さを特定値内に規定
した層を適用し、その層の直下には硫化物層を形成さ
せ、かつ、母材直上には、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ
から選んだ１種もしくは２種以上の金属元素が主体の窒
化物、炭化物、炭窒化物の１種以上を形成することで温
熱間加工用工具として極めて良好な潤滑剤付着性ならび
に耐焼付き性が得られることを見いだした。この結果に
より、例えば熱間鍛造用金型においては、鍛造初期の局
部的な焼付きと、鍛造中期以降の被加工材との摺動発熱
は十分に抑制され、熱間鍛造金型として著しく寿命が向
上するということを確認した。

【００１３】すなわち、本発明の第１発明は、熱間ダイ
ス鋼もしくは高速度鋼を母材とする、少なくとも作業面
に被覆層を有す温熱間加工用工具であって、該被覆層の
最表層は、表面粗さがＲｚ：４〜１５μｍのａ層であ
り、ａ層の直下には硫化物であるｂ層が存在し、かつＴ
ｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選んだ１種もしくは２種
以上の金属元素が主体の窒化物、炭化物、炭窒化物の１
種以上からなるｃ層が、母材直上にあることを特徴とす
る潤滑剤付着性および耐摩耗性に優れた温熱間加工用被
覆工具である。

【００１４】なお、本発明のａ層は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、
Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｕの１種もしくは２種以上の金属元素を
主体とし、層厚を２〜１５μｍとすることが望ましく、
また、硫化物である本発明のｂ層は、金属組成のみの原
子％で、Ｔｉ、Ｃｒの１種もしくは２種が合計で５０％
以下、実質的に残部Ｍｏであり、層厚を０．５〜１０μ
ｍとすることが望ましい。

【００１５】更に上記被覆層は物理蒸着法により被覆さ
れたことが望ましく、被覆母材は母材最表面から２５μ
ｍの深さにおける硬さが、母材最表面から５００μｍの
深さにおける硬さに比べ、２００ＨＶ０．２以上高いこ
とが望ましい。

【００１６】

【発明実施の形態】まず、本発明の温熱間加工用被覆工
具は、その被覆層が形成される母材として、熱間強度に
優れる材料を適用する。この材料としては、例えば従来
よりその温熱間工具として適用されている鋼素材であれ
ばよく、例えばＪＩＳに規定される熱間ダイス鋼や高速
度鋼、そしてそれらの改良鋼であってもよい。はじめに
請求項中記載のａ層に関し、その構成要件について詳し
く述べる。

【００１７】ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮといったＰＶ
Ｄ法による皮膜は、窒化層に比べ著しく硬さは高いこと
から、切削工具を主体に適用が広がっている。例えば窒
化層の硬さは、被処理材の組成にもよるが、１０００〜
１１００ＨＶであるのに対して、ＴｉＮでは２０００〜
２２００ＨＶ、ＣｒＮでは１８００〜２０００ＨＶ、Ｔ
ｉＡｌＮでは２４００〜２７００ＨＶと、窒化層に比べ
約２倍以上の硬さが得られる。このため、本来耐摩耗性
はＰＶＤによる皮膜の方が優れているはずである。

【００１８】そこで発明者は温熱間加工用金型の使用環
境と表面処理に必要とされる特性について種々検討を重
ねた結果、従来より適用されてきたＰＶＤ皮膜は、温熱
間加工用金型において、非常に重要な特性である潤滑剤
の付着性が、窒化層に比べ極端に劣るということを確認
した。

【００１９】図１は、予め表面処理を施したテストピー
スを１００〜３５０℃の任意の温度で加熱し、１０％の
濃度に調整した白色系潤滑剤（大同化学株式会社製ホッ
トアクアルブ＃３００ＴＫ）水溶液を、距離４７０ｍ
ｍ、噴霧量２．０ｍｌ／ｓで２秒噴霧した際の、試験片
表面に付着した潤滑剤の単位面積あたりの重量を示した
ものである。この時、テストピースは、表面処理を施さ
ないものと、塩浴窒化材、ならびにＰＶＤ法（アークイ
オンプレーティング法）によるＣｒＮを被覆したものを
用いた。

【００２０】この結果によると、塩浴窒化材について
は、無処理材に比べ潤滑剤の付着量が多く、特に本潤滑
剤が付着し難くなる試験片加熱温度２５０〜３５０℃に
おいて、その傾向は顕著になる。この時、ＣｒＮ被覆材
の潤滑剤付着性は、無処理材と同等もしくはそれ以下の
結果であり、明らかにＰＶＤ皮膜の潤滑剤付着性は、他
の表面処理に比べ劣っていることがわかる。このような
ＰＶＤ皮膜の潤滑剤付着性に劣る点が、実際の温熱間加
工用金型において、特に金型の場所によって表面温度が
異なるような複雑な形状の場合では、顕著に現れるた
め、局部的に潤滑剤の付着し難い部位が発生し、焼付き
やかじりを誘発するものと推察された。

【００２１】そこで、上記試験後のテストピースについ
て、潤滑剤付着状況の詳細な観察を行った結果、潤滑剤
はテストピース表面の微小な凹凸を核にして凝固してい
る様子が認められ、この凝固単位が微細なものほど潤滑
剤の付着量は増加するということが確認された。

【００２２】そこでＰＶＤ法の成膜条件を制御して、被
覆層の表面粗さが種々異なるテストピースを作製し、同
様の試験方法により表面の面粗さと潤滑剤付着量の関係
を調査した。このとき、試験片加熱温度は、潤滑剤が付
着し難い３００℃に設定した。

【００２３】また、ＰＶＤ法による被覆には、純Ｃｒ製
ターゲットを用い、被覆材温度５００℃、アルゴン雰囲
気中３〜２５Ｐａの圧力を選択し成膜を行った。表面粗
さは成膜中の圧力により制御した。成膜初期の５分間に
ついてはＢｉａｓ電圧を−１００Ｖにし、後半の３０分
間は０Ｖにした。テストピース被覆面の面粗さは、長さ
５ｍｍの領域について、オリンパス光学株式会社製走査
型レーザー顕微鏡ＯＬＳ１０００を用いて測定した。

【００２４】図２に結果を示すが、潤滑剤の付着量は、
面粗さＲｚ（ＪＩＳ−Ｂ−０６０１：十点平均粗さ）で
４μｍ付近を境に大きく増加し、図１で示した塩浴窒化
材と同等以上に改善されることがわかった。また、面粗
さＲｚが１６μｍ以上になると、ＰＶＤ皮膜は成膜直後
の時点で剥離が生じてしまい、実型への適用は困難であ
ることが認められた。

【００２５】本発明のａ層は、金型の表面温度が不安定
な鍛造初期において、潤滑剤の付着量を向上させること
が主な役割であり、その存在は極めて重要である。この
効果を発揮するためには、表面粗さＲｚで４μｍ以上必
要であるが、１５μｍを越えると皮膜の密着性が極端に
低下する。よって本発明のａ層は、表面粗さＲｚで４〜
１５μｍとする。本発明のａ層は、特にその組成・構成
の規定を設けないが、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃ
ｕの１種もしくは２種以上の金属元素を主体とすること
が、以下の理由により、望ましい。

【００２６】上記組成の中でもＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、
Ｓｉについては、本発明の温熱間加工用被覆工具におい
て、下記必須となる、被覆母材直上にＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、
Ａｌ、Ｓｉから選んだ１種もしくは２種以上の金属元素
が主体の窒化物、炭化物、炭窒化物の１種以上からなる
ｃ層を成膜することと関連している。例えば、ＰＶＤ法
の中でもスパッタリング法、アークイオンプレーティン
グ法を適用した場合、ａ層とｃ層を構成する金属元素が
異なることは、同様に種類の異なる金属ターゲットを用
意する必要がある。このことは、高価なターゲットの種
類が増加することとなり、結果的に成膜のコストを増加
させてしまうため望ましくない。

【００２７】ただし、ａ層の望ましい構成元素にＣｕを
挙げる理由については例外で、熱伝導率の高いＣｕを適
用することにより、潤滑剤の乾燥時間が早まり、潤滑剤
の付着量は著しく増加するためである。これはＴｉ、
Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉといった他の金属に比べ、その効
果が絶大であり、潤滑剤が極めて付着し難い環境下では
有効である。以上のような理由から、本発明のａ層は、
Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｕの１種もしくは２種
以上の金属元素を主体とすることが望ましい。

【００２８】なお、その主体とすることについては、例
えば上記より選ばれた元素種の合計にて５０（原子％）
以上、特に効果の期待できるＣｕの選択も鑑みれば合計
にて７０（原子％）以上、更には９０（原子％）とすれ
ばよいが（実質１００（原子％）を含む）、これについ
ては、その成膜コスト低減の上での、後に述べるｃ層と
の兼合いにて決定されればよいことは、上記の通りであ
る。

【００２９】更に本発明のａ層は、その層厚が２〜１５
μｍであることが望ましい。層厚が２μｍ未満である
と、加工時の負荷が極めて高い場合に、早期に滅失して
しまい効果のない場合がある。逆に１５μｍを越えて成
膜すると、成膜条件によっては、早期に剥離してしまう
場合があるためである。よって、本発明のａ層の層厚
は、２〜１５μｍであることが望ましい。

【００３０】本発明のａ層は、その表面粗さを適度に粗
化することで潤滑剤の付着性を向上させ、焼付きを防止
するが、ａ層自体はその粗化によって耐摩耗性に優れて
いない。つまり、鍛造初期においては潤滑剤付着性を向
上させる層として焼付き防止の役割は果たすものの、鍛
造中期になると摩耗によって滅失してしまい、結果、耐
焼付き性に劣るものとなる。そのため鍛造中期に被加工
材との耐焼付き性、耐かじり性を向上させるためには、
硫化物のｂ層を、ａ層直下に被覆することが必要であ
る。

【００３１】一般に硫化物は冷間で使用される摺動部品
等において摩擦係数を低下させる固体潤滑材として知ら
れているが、発明者の研究によると熱間においても、耐
焼付き性という点で著しい効果が認められた。

【００３２】表１はＪＩＳに規定されるＳＫＨ５１（硬
さ６０ＨＲＣ）を直径５ｍｍ、長さ２０ｍｍの円柱状テ
ストピースに加工し、直径５ｍｍの試験部にＰＶＤ法に
て各種皮膜を被覆し、熱間焼付き評価試験を行った結果
を示したものである。熱間焼付き試験は、テストピース
の一端部を、ボール盤のチャックに取り付け、１５４０
ｒｐｍで回転させながら、相手材である６００℃に加熱
したＳＮＣＭ４３９製の３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚み２０
ｍｍのブロックに、被覆面をある所定の面圧で押付け、
最高４０秒間摩擦摺動させた。この時、テストピースが
摩擦発熱により座屈し、相手材に焼付いた面圧を焼付き
限界面圧と見なし評価するものである。

【００３３】

【表１】

【００３４】表１より、アークイオンプレーティング法
にて成膜したＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮといったＰＶ
Ｄ皮膜に比べ、代表的な硫化物であるＭｏＳ_２をスパッ
タリング法でＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮの上に適用し
た皮膜の方が、著しく高い焼付き限界面圧を有している
ことがわかる。このように、従来は冷間での摺動摩擦で
しか効果が確認されていなかった硫化物が、熱間におい
ても十分に効果的であることが認められた。このような
理由から、本発明においては、硫化物のｂ層を、ａ層直
下に被覆することが必要である。

【００３５】また、硫化物である本発明のｂ層は、金属
組成のみの原子％で、Ｔｉ、Ｃｒの１種もしくは２種が
合計で５０％以下であり、実質的に残部Ｍｏであること
が望ましい。詳しくは金属元素としてＭｏを主体（実質
１００（原子％）を含む）とする二硫化物であることが
望ましい。Ｔｉ、Ｃｒは、Ｍｏの硫化物中に含有させる
ことで、硫化物の硬さを向上させる効果がある。しかし
ながら、金属組成のみの原子％で、Ｔｉ、Ｃｒの合計が
５０％を越えて含有すると、Ｍｏ硫化物の耐焼付き性を
向上させる効果が低下する。そのため、硫化物である本
発明のｂ層は、金属組成のみの原子％で、Ｔｉ、Ｃｒの
１種もしくは２種が合計で５０％以下であり、実質的に
残部Ｍｏであることが望ましい。

【００３６】更にｂ層は、層厚が０．５〜１０μｍであ
ることが望ましい。層厚が０．５μｍ未満であると、熱
間における耐焼付き性の向上効果が十分に得られず、逆
に１０μｍを越えて成膜すると、早期に剥離してしまう
可能性が高くなる。よって、本発明のｂ層は、層厚が
０．５〜１０μｍであることが望ましい。更に望ましい
層厚は、１〜５μｍである。

【００３７】本発明のａ層ならびにｂ層は、それらの機
構は異なるものの、いずれも耐焼付き性という特性の向
上を主体に適用されているのみであり、温熱間加工用金
型としての耐摩耗性は十分ではない。そのため、Ｔｉ、
Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選んだ１種もしくは２種以上
の金属元素が主体の窒化物、炭化物、炭窒化物の１種以
上からなるｃ層を、母材直上に成膜することが必要であ
る。

【００３８】ここで本発明のｃ層は、例えば窒化物にお
いては、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＣｒＮといった金属元
素が１種の場合や、ＴｉＶＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉ
Ｎ、ＣｒＳｉＮ、ＣｒＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮといった
金属元素が２種類以上の場合が挙げられる。金型の形状
が極めて複雑で、凸部において非常に応力が集中しやす
い場合では、上記窒化物の中でも比較的残留応力が小さ
く、密着性に優れる、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＴｉＶＮ
といった皮膜の適用が好ましく、鍛造温度が高く、皮膜
に耐酸化性が求められる場合には、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳ
ｉＮ、ＣｒＡｌＮ、ＣｒＳｉＮといったＡｌ、Ｓｉを含
む皮膜が望ましい。

【００３９】上記は窒化物を例として挙げたが、炭化
物、炭窒化物についても同様の効果であり、また、Ｔ
ｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉからの選択を主体（金属元素
のみの原子％で実質１００％を含む）とするも、必要に
応じてIVａ、Vａ、VIａ属の金属元素ならびにＢ等を、
金属元素のみの原子％で３０％以下、更には１０％以下
微量添加してもよい。更に異なる組成の窒化物、炭化
物、炭窒化物を２種以上選択し、多層膜として適用して
もよい。

【００４０】以上、本発明の温熱間加工用被覆工具は、
熱間ダイス鋼もしくは高速度鋼を母材とする、少なくと
も作業面に、上記構成の被覆層を有す温熱間加工用工具
であって、その効果を得るに好ましい一具体例として
は、母材直上に本発明のｃ層を形成し、該ｃ層の上に本
発明のｂ層を、そして、その上に最表層となる本発明の
ａ層を形成するものである。

【００４１】本発明の温熱間加工用被覆工具は、その被
覆方法について特に限定されるものではないが、被覆母
材の熱影響、工具の疲労強度、皮膜の密着性等を考慮す
ると、被覆母材である熱間ダイス鋼もしくは高速度鋼の
焼戻し温度以下で成膜でき、皮膜に圧縮応力が残留する
アークイオンプレーティング法もしくはスパッタリング
法といった被覆母材側にＢｉａｓ電圧を印可する物理蒸
着法であることが望ましい。

【００４２】更に本発明の被覆母材は、より耐摩耗性の
向上を目的に、母材最表面から２５μｍの深さにおける
硬さが、母材最表面から５００μｍの深さにおける硬さ
に比べ、２００ＨＶ０．２以上高いこと、つまりその具
体例として、窒化処理、浸炭処理等と言った拡散を利用
した表面硬化処理を予め適用することが望ましい。この
時、窒化処理で形成される白層と呼ばれる窒化物層や、
浸炭で認められる炭化物層と言った化合物層は、ｃ層の
密着性を低下させる原因となるため、処理条件の制御に
より形成させないようにするか、研磨等により除去する
ことが望ましい。

【００４３】

【実施例】次に実施例に基づき詳細に説明するが、本発
明は下記実施例によって限定を受けるものではなく、本
発明の要旨を逸脱しない範囲で任意に変更が可能であ
り、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。

【００４４】（実施例１）ＪＩＳに規定されるＳＫＤ６
１を用意し、１０３０℃より油焼入れ後、５５０〜６３
０℃での焼戻しにより４７ＨＲＣに調質した。その後、
熱間焼付き性評価用に直径５ｍｍ、長さ２０ｍｍの円柱
状テストピースと、潤滑剤付着性の評価用に厚み３ｍ
ｍ、一辺が３０ｍｍの板状テストピースの加工を行っ
た。

【００４５】次に、流量比５％Ｎ_２（残Ｈ_２）雰囲気中
で、５５０℃、１０時間保持の条件でイオン窒化処理を
施した後、それぞれの試験面を研磨によって鏡面に仕上
げた。なお、仕上げ後の表面より２５μｍの深さにおけ
る硬さは、全テストピースにて、その５００μｍの深さ
における硬さより２００ＨＶ０．２以上に硬化されてい
ることを確認済みである。そして、仕上げ後の母材表面
に対し、次に示す条件にてＰＶＤ法による被覆を行っ
た。

【００４６】母材直上のｃ層は、小型アークイオンプレ
ーティング装置にて、圧力０．５ＰａのＡｒ雰囲気中
で、被覆母材に−４００ＶのＢｉａｓ電圧を印可し、６
０分の熱フィラメントによるプラズマクリーニングを行
った後、金属成分の蒸発源である各種金属製ターゲット
ならびに反応ガスとしてＮ_２ガスを用い、被覆母材温度
５００℃、反応ガス圧力３．０Ｐａ、−５０ＶのＢｉａ
ｓ電圧にて層厚が５μｍとなるよう成膜した。

【００４７】また、ｂ層を被覆するものについては、小
型スパッタリング装置にて、皮膜源に硫化物ターゲット
を用い、被覆材温度３００℃、Ａｒ雰囲気中０．８Ｐａ
の圧力で、ターゲットへの投入電力を４ｋＷにし、被覆
材にＢｉａｓ電圧を−１００Ｖ印可し、層厚が４μｍに
なるように成膜を行った。

【００４８】更に最表層を形成するａ層を被覆するもの
については、小型アークイオンプレーティング装置に
て、蒸発源に純Ｃｕターゲットもしくはｃ層の成膜に使
用したターゲットを用い、被覆材温度５００℃で、成膜
初期の５分間についてはＢｉａｓ電圧を−１００Ｖに
し、後の３０分間は０Ｖにして、皮膜の層厚が５μｍと
なるよう成膜を行った。この時、純Ｃｕターゲットを使
用する場合にはＮ_２雰囲気、ｃ層の成膜に使用したター
ゲットを使用する場合はＡｒ雰囲気中で成膜を行い、比
較例Ｎｏ．２２、Ｎｏ．２３、Ｎｏ．２４の被覆には３
Ｐａ、本発明例ならびに比較例Ｎｏ．２１の被覆には１
３Ｐａの圧力を用いた。

【００４９】また、従来例としては、前記イオン窒化処
理後にＴｉＮ、ＣｒＮ、（Ｔｉ_０． _５０Ａｌ_０．５０）
Ｎを、前記ｃ層の被覆と同じ条件で成膜したものを用意
した。

【００５０】得られたテストピースは、オリンパス光学
株式会社製走査型レーザー顕微鏡ＯＬＳ１０００を用
い、板状テストピース試験面の長さ３ｍｍの領域につい
て面粗さを測定した。その後、潤滑剤付着性の評価なら
びに熱間焼付き試験を実施した。潤滑剤付着性の評価
は、テストピースを３００℃に加熱し、１０％の濃度に
調整した白色系潤滑剤（大同化学株式会社製ホットアク
アルブ＃３００ＴＫ）水溶液を、距離４７０ｍｍ、噴霧
量２．０ｍｌ／ｓで２秒噴霧した際の、試験片表面に付
着した潤滑剤の単位面積あたりの重量にて評価を行っ
た。

【００５１】熱間焼付き試験は、前述の円柱状テストピ
ース一端部を、ボール盤のチャックに取り付け、１５４
０ｒｐｍで回転させながら、相手材である６００℃に加
熱したＳＮＣＭ４３９製の３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚み２
０ｍｍのブロックに、ある所定の面圧で押付け、最高４
０秒間摩擦摺動させた。この時、供試部材が摩擦発熱に
より座屈し、相手材に焼付いた面圧を焼付き限界面圧と
見なし評価した。

【００５２】表２に各テストピースの被覆層の詳細と、
潤滑剤付着性評価および熱間焼付き試験の結果を示す。
なお、本発明の被覆層構成を満たさない比較例および従
来例においては、その成膜されたａ、ｂ、ｃ層の定義が
し難いものではあるが、本発明との比較を分かり易くす
るための便宜上、表２の通りに示すものである。

【００５３】

【表２】

【００５４】表２に示すように、本発明例は、被覆層の
構成ならび表面粗さが本発明の規定範囲を満足している
ため、潤滑剤の付着性、熱間焼付き試験における焼付き
限界面圧は、いずれも著しく優れていることがわかる。

【００５５】一方、比較例Ｎｏ．２１は、ａ層の表面粗
さが本発明に含まれるものであるため、潤滑剤の付着性
には優れるものの、ｂ層（硫化物層）が存在しないため
に焼付き限界荷重は極めて低い値となった。また、比較
例Ｎｏ．２２、２３、２４は、ａ層は存在しているもの
の、その表面粗さが本発明の規定範囲を外れるものであ
るため、比較例Ｎｏ．２５、２６は、ａ層（粗化面）が
存在していないために、いずれも潤滑剤の付着性が著し
く劣る結果となった。言うまでもなく、従来例の潤滑剤
付着性ならびに焼付き限界面圧は、本発明例に比べ大幅
に劣る。以上のことから、潤滑剤の付着性ならびに熱間
における耐焼付き性の両特性を兼備するには、本発明を
満足しなければならないことがわかる。

【００５６】なお、図３はａ層被覆直後における本発明
例Ｎｏ．２の表面ＳＥＭ像であり、粒径で約１μｍのこ
ぶ状粒子によって表面が覆われていることが認められ
る。

【００５７】（実施例２）次に、表２中の本発明例Ｎ
ｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１４、従来例Ｎ
ｏ．３２、Ｎｏ．３３と同等の表面被覆層構成であるカ
ップ成型用温間鍛造パンチを作製し、実金型における寿
命で評価を行った。

【００５８】まず、表３に示す化学成分の高速度鋼ベー
スの靭性改良材を、金型近似形状に粗加工し、１０８０
℃の油焼入れを行い、６００℃の焼戻しにより５５ＨＲ
Ｃに調質した。その後、仕上げ加工を行い、それぞれ実
施例１と同様の条件で窒化処理ならびにＰＶＤ法による
成膜を施した。なお、窒化・仕上げ後の表面より２５μ
ｍの深さにおける硬さが、その５００μｍの深さにおけ
る硬さより２００ＨＶ０．２以上に硬化されていること
は確認済みである。

【００５９】

【表３】

【００６０】上記にて作製された金型は、直径１１０ｍ
ｍ、高さ３００ｍｍの寸法で、その先端部にカップ成型
用パンチに加工が施されている。そして、１６００ｔの
鍛造プレスを用い、７５０℃に加熱したＳ４５Ｃワーク
を温間鍛造成形した。表４に各パンチの寿命を示す。

【００６１】

【表４】

【００６２】本発明を適用したパンチは、従来例適用の
パンチに比べ、工具寿命は３倍以上に向上した。また、
本発明適用のパンチは、いずれも摩耗による損傷で寿命
となったが、従来例適用のパンチは、早期にパンチ先端
曲面部にかじりを発生した後、局部的にえぐれたように
損傷が進行し寿命となった。以上のように、本発明を温
間鍛造用パンチに適用することで、パンチの寿命は飛躍
的に向上することが確認された。

【００６３】なお、実施例１および２においては、ｃ層
が窒化物の場合を例にして示したが、ｃ層が炭化物もし
くは炭窒化物、さらにはそれらを含む構成であっても、
同様の効果が得られる。

【００６４】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明で規定した
表面被覆層構造を適用することにより、耐焼付き性、耐
かじり性は著しく向上する。その結果、温熱間加工用工
具として、耐摩耗性の改善が達成できるため、工具寿命
を飛躍的に向上させることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】各表面処理の試験片加熱温度と潤滑剤付着量の
関係を示す図である。

【図２】試験片加熱温度３００℃における表面粗さＲｚ
と潤滑剤付着量の関係を示す図である。

【図３】本発明例Ｎｏ．２の表面ＳＥＭ像であり、本発
明の一例を示す顕微鏡写真である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱間ダイス鋼もしくは高速度鋼を母材と
する、少なくとも作業面に被覆層を有す温熱間加工用工
具であって、該被覆層の最表層は、表面粗さがＲｚ：４
〜１５μｍのａ層であり、ａ層の直下には硫化物である
ｂ層が存在し、かつＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選
んだ１種もしくは２種以上の金属元素が主体の窒化物、
炭化物、炭窒化物の１種以上からなるｃ層が、母材直上
にあることを特徴とする潤滑剤付着性および耐摩耗性に
優れた温熱間加工用被覆工具。
【請求項２】該ａ層は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓ
ｉ、Ｃｕの１種もしくは２種以上の金属元素を主体と
し、層厚が２〜１５μｍであることを特徴とする請求項
１に記載の潤滑剤付着性および耐摩耗性に優れた温熱間
加工用被覆工具。
【請求項３】硫化物である該ｂ層は、金属組成のみの
原子％で、Ｔｉ、Ｃｒの１種もしくは２種が合計で５０
％以下、実質的に残部Ｍｏであり、層厚が０．５〜１０
μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の
潤滑剤付着性および耐摩耗性に優れた温熱間加工用被覆
工具。
【請求項４】被覆層は物理蒸着法により被覆したこと
を特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の潤滑
剤付着性および耐摩耗性に優れた温熱間加工用被覆工
具。
【請求項５】被覆母材最表面から２５μｍの深さにお
ける硬さが、母材最表面から５００μｍの深さにおける
硬さに比べ、２００ＨＶ０．２以上高いことを特徴とす
る請求項１ないし４のいずれかに記載の潤滑剤付着性お
よび耐摩耗性に優れた温熱間加工用被覆工具。