JP4184147B2 - 窒化した工具、金型およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化処理を適用する冷間、熱間の鍛造型、プレス型などの金型全般、および工具や治具並びにそれらの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、冷間、温熱間用途における部品のニアネットシェイプ化に伴う金型負荷の増大に対応すべく、各種表面処理が実施されている。広くは、金型の耐摩耗性、耐焼付き性、耐ヒートチェック性を付与するために、イオン法、ガス法および塩浴法などによる単一の窒化処理が適用されている。例えば特開平２−２３２３５３号公報（特許文献１）に開示されているように、窒化処理後、高周波焼入れで所要部位を再硬化させる方法や、特開平３−２６７３５８号公報（特許文献２）に開示されているように、機械加工仕上げのされた金型の成形に用いる面にプラズマを作用させることで低温で表面をクリーニングし活性化する工程と、窒素を含んだガスをプラズマ化しこれを用いて金型表面を改質し窒化処理する工程と、窒素を含んだガスの他に少なくとも１種以上の成膜用ガスをプラズマ化しこれを窒化処理した金型の表面に作用させ、窒化層よりも硬さの大きい硬質膜を形成する工程とからなる金型の表面処理方法が提案されている。
【０００３】
さらに、特開平７−１３８７３３号公報（特許文献３）に開示されているように、窒化処理後の再加熱により、窒素化合物の消失および窒素の拡散・固溶を図り、深い硬化層を得る方法や特開２００３−１３１９９号公報（特許文献４）に開示されているように、鋼材表面に、一定温度で一定時間の窒化処理を行い、窒化層を形成させた後、さらに一定温度で一定時間の酸化処理を行い、鋼材表面の所定部の全域を均一な酸化皮膜により被覆し、鋼材に耐溶損性を付与した鋼材表面の改質方法が提案されている。
【０００４】
【引用文献】
（１）（特開平２−２３２３５３号公報）
（２）特許文献２（特開平３−２６７３５８号公報）
（３）特許文献３（特開平７−１３８７３３号公報）
（４）特許文献４（特開２００３−１３１９９号公報）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献１の方法は、硬度は得られるが、窒化層の脆化対策が不十分であり、また、特許文献２の方法では、用途と設備が限定され、Ａｌ窒化物で硬質膜形成がされる。また、特許文献３の方法では、窒化に伴う脆化物の消失が不十分である。さらに、特許文献４の方法では、窒化層の脆化対策は不十分で、金型の強度や靱性が低下するという問題がある。このように、従来の金型は焼入焼戻後に窒化処理を実施して、金型表面に硬化層を形成することで、金型寿命の向上に一定の改善効果を挙げている。しかしながら、窒化の際に窒化層中に生成・成長された脆弱な炭窒化物および表面付近で形成された化合物層により、早期割れに至るケースもあり、窒化による金型寿命の改善効果が充分に得られていないのが実状である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述したような問題を解消するために、発明者らは、安定した金型寿命の向上を目標とし、従来の窒化処理による窒化層の脆さについて調査検討を行なった結果、本発明は脱炭処理の後に窒化処理を行なう方法（以下、脱炭窒化処理という）により窒化層の脆さを改善できることを見出した。具体的には、鋼材を金型に仕上加工し、焼入焼戻を行い、一定温度で一定温度の脱炭処理を行なった後に、窒化処理を行なう方法である。本発明では、窒化の前処理として高温酸化雰囲気による脱炭処理を行い、窒化層相当部位の炭素を低減させて金型表面に脱炭層を形成することで、窒化時に窒化層中での窒素の固溶・拡散が容易にして、より深くまで高硬度が得られるようになる。さらに、窒化層中において、脆弱な炭窒化物の生成、成長が抑制され、金型使用中の割れや欠けが抑制できる製造方法を提供するものである。
【０００７】
その発明の要旨とするところは、
（１）工具の製造において、窒化処理前に９００〜１１００℃の酸化雰囲気で０．５〜２．０時間保持の脱炭処理を行った後窒化処理をすることを特徴とする工具の製造方法。
（２）金型の製造において、金型表面からの脱炭深さｄ＝３０〜５００μｍで９００〜１１００℃の酸化雰囲気で０．５〜２．０時間保持の脱炭処理を行った後窒化処理をすることを特徴とする金型の製造方法。
（３）前記（１）に記載の方法によって製造された窒化した工具。
（４）前記（２）に記載の方法によって製造された窒化した金型である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
上述したように、本発明は、窒化の前処理として高温酸化雰囲気による脱炭処理を行い、窒化層相当部位の炭素を低減させて金型表面に脱炭層を形成することで、窒化時に窒化層中での窒素の固溶・拡散が容易にして、より深くまで高硬度が得られるようになる。さらに、窒化層中において、脆弱な炭窒化物の生成、成長が抑制され、金型使用中の割れや欠けが抑制できる。従って、窒化処理を行なう前に、大気、酸素中で酸化処理を行い金型表面を脱炭処理しておくような、従来技術である酸窒化処理としての、酸素添加アンモニア雰囲気による窒素を活性化させ、窒化を迅速に行なうものとは方法が異なり、金型表面を脱炭させておくことで、窒化時の窒素の侵入・拡散が容易となり、より高硬度が得られるようになる。また、炭窒化物や化合物の生成・成長を抑制し、窒化層の脆化が抑えられるため、金型寿命の向上を大幅に向上させることがでる。
【０００９】
なお、脱炭処理は焼入焼戻を兼ねて行なうことも可能であり、この際焼入時の酸化雰囲気を制御することで、所定の脱炭層の深さや硬さを得ることができる。また、本発明の対象とする鋼材は、ＪＩＳで規定された炭素鋼、合金鋼、高速度鋼やその他改良鋼種に代表される、いわゆる一般的に工具鋼と呼ばれる鋼である。本発明において、金型表面からの脱炭深さｄ＝３０〜５００μｍで脱炭処理を行なう理由は、脱炭深さｄが３０μｍ未満では従来同様に、単一窒化と同じ程度にしか硬化しない。また、５００μｍを超えると脱炭し過ぎて、硬さ、疲労限が共に低下することから、その範囲を３０〜５００μｍとした。好ましくは、５０〜３００μｍとする。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１に示す鋼を１００ｋｇ真空誘導溶解炉を用いて溶解し、鋼塊に鋳造し、１０００〜１１５０℃に加熱し、φ３０ｍｍに圧鍛した鋼材を供試材とした。この試験片を小野式回転曲げ疲労試験片（ＪＩＳ Ｚ２２７４ １−８試験片）を作製し、１０３０℃、空冷による焼入れ、５３０℃、空冷×２回の焼戻し、引続いて９００〜１１００℃の酸化雰囲気で０．５〜２．０時間保持の脱炭処理を行い、その後窒化処理を行なった。
【００１１】
【表１】

【００１２】
図１は、脱炭窒化と従来窒化の硬さを比較した図である。この図１は、表１に示す鋼種Ａを焼入焼戻し、脱炭した場合、および従来の単一窒化処理と、本発明の脱炭窒化処理を行なった場合の表面付近の硬度分布を示したものである。すなわち、Ａ鋼について、脱炭させた後に、従来の単一窒化処理、および本発明の脱炭窒化処理を行なった硬度比較では、本発明に係る脱炭窒化処理が、より硬く、より深い窒化層が得られることが判る。この時、脱炭深さと硬度は、５％ＨＣｌ＋アルコールで腐食したミクロ組織の観察およびビッカース硬度計により測定した。
【００１３】
Ｂ鋼、Ｃ鋼についても、同様の処理を行い調査した結果および疲労試験の結果を、Ａ鋼と合わせて表２に示す。疲労限は、小野式回転曲げ試験機により、１０⁷ サイクル付近で疲労破壊に至る限界荷重を測定したものである。本発明の脱炭窒化処理によって、窒化層は、より硬く、深くなる傾向がいずれの鋼種でも見られ、疲労限も改善された。
【００１４】
【表２】

【００１５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による窒化処理の前に、脱炭処理を行なうことで、窒化層をより硬く、深くすることができ、同時に窒化層中の脆弱な炭窒化物の生成が抑制されるため、金型寿命が大幅に改善させる極めて優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】脱炭窒化と従来窒化の硬さを比較した図である。

Claims (4)

1. 工具の製造において、窒化処理前に９００〜１１００℃の酸化雰囲気で０．５〜２．０時間保持の脱炭処理を行った後窒化処理をすることを特徴とする工具の製造方法。
2. 金型の製造において、金型表面からの脱炭深さｄ＝３０〜５００μｍで９００〜１１００℃の酸化雰囲気で０．５〜２．０時間保持の脱炭処理を行った後窒化処理をすることを特徴とする金型の製造方法。
3. 請求項１に記載の方法によって製造された窒化した工具。
4. 請求項２に記載の方法によって製造された窒化した金型。

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