JPH1081949A

JPH1081949A - 母材表面皮膜形成方法およびプレス用金型

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Publication number: JPH1081949A
Application number: JP23625096A
Authority: JP
Inventors: Saburo Kuwano; 野三郎桑; Yoshinori Ito; 藤芳典伊; Isato Otomo; 友勇人大; Shunji Hirozumi; 住俊次広; Shozo Murata; 田省三村
Original assignee: Murata Boring Giken Co Ltd
Current assignee: Murata Boring Giken Co Ltd
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 1998-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマ溶射により形成された皮膜の母材と
の密着性を向上させ、母材の超硬度や高い耐摩耗性を得
る。【解決手段】プラズマ溶射ガンにより所定の条件下で
母材表面１０４に中間層および超硬皮膜を形成する。中
間層の溶射材料粉末は、Ｎｉ(80%)-Ｃｒ (20%)を用い、
超硬皮膜ではＷＣ−１２％Ｃｏを用いる。その後、１０
００℃×１．５時間（Ｎ₂ 冷却）の後に、５００℃×１
時間（Ｎ₂ 冷却）の真空熱処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶射技術により形
成された皮膜の母材との密着力を熱処理により強化し
て、処理皮膜と母材との高い密着力を要求される、例え
ばプレス用深絞り金型などの表面改質に適用可能とする
表面改質技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近の溶射技術の進歩はめざましく、減
圧プラズマ溶射、Jet-Kote法あるいはD-Gun 法などの新
しい溶射技術が次々と開発され、それに伴って溶射皮膜
の特性も飛躍的に改善されたため、材料の表面改質への
溶射技術の適用範囲は著しく広がってきている。

【０００３】溶射技術は、極めて短時間に数百μ mの厚
膜が形成できる、大面積の材料表面に溶射可能であるな
ど、他の膜形成法にはない特徴を持っている。したがっ
て、プレス用金型などの表面改質にこのような溶射技術
を応用したいという要求が近年著しく増えている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、溶射技
術の最大の欠点は、従来に比べれば改善されたとはい
え、硬質クロムめっき、拡散浸透処理、PVD 、CVD など
の方法に比べて母材との密着性に劣ることであり、この
ことがこの分野での応用を阻んでいる最大の理由であ
る。

【０００５】例えばプレス用金型の場合には、プレス機
械での金型交換作業は、容易ではなく、手間と時間がか
なり必要となる。したがって、金型の寿命が短ければそ
れだけ金型の交換作業を頻繁に行わなければならず、プ
レス機械の稼働時間が短くなってしまい、製造コストを
押し上げる結果ともなる。

【０００６】また、熱ＣＶＤによる硬質皮膜処理法もあ
るが、熱処理温度が１２００℃程度にもなってしまい、
使用する材料も限定されてしまう。すなわち、金型材料
として一般的に用いられるＳＫＤ１１には、熱ＣＶＤに
よる硬質皮膜処理法を用いることができない。

【０００７】本発明は、かかる課題に着目したものであ
り、新しい溶射技術のひとつである減圧プラズマ溶射技
術を、例えばプレス用金型等の母材の表面改質に応用す
ることにより、容易かつ低コストで、超硬度や高い耐摩
耗性の皮膜またはその皮膜が形成されたプレス用金型を
得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載された発
明では、超硬度が求められる母材表面に、予め定められ
た条件下で減圧プラズマ溶射により超硬皮膜を形成する
ことを特徴とする母材表面皮膜形成方法である。ここに
いう条件は、減圧チャンバ−内の圧力値が６．７×１０
³ Ｐａ、溶射電流値が５００Ａ、溶射距離が４００ｍｍ
である。プラズマ溶射は、大気から遮断した減圧チャン
バ−内でなされるため、種々の利点がある。すなわち、
溶射材料の酸化や窒化が防止され、清浄な皮膜が形成で
きること、活性金属や炭化物などの無酸化溶射が可能で
あること、気孔が少なく、高密度の皮膜形成が可能であ
ること、母材表面を酸化せずに十分予熱できるので、密
着性の良い皮膜が形成できること等である。

【０００９】図１０は、チャンバ−圧力と溶射電流の組
み合わせが硬質皮膜の硬さに与える影響を表したもので
ある。縦軸がビッカ−ス硬さで、横軸がチャンバ−圧力
値を示しており、溶射電流を４００Ａから７００Ａまで
変化させた場合の変化状態を表している。この図から明
らかなように、最も硬い皮膜を形成するためには、上述
の減圧チャンバ−内の圧力値と溶射電流値との組み合わ
せが最適である。

【００１０】図１１は、チャンバ−圧力が６．７×１０
³ Ｐａ、溶射電流が５００Ａの場合における溶射距離が
硬質皮膜の硬さに与える影響を表したものである。縦軸
がビッカ−ス硬さで、横軸が溶射距離を示している。こ
の図から明らかなように、最も硬い皮膜を形成するため
には、溶射距離は４００ｍｍが最適である。

【００１１】なお、超硬皮膜を形成する方法として、プ
ラズマ溶射の他に、高速フレ−ム溶射もあるが、後者の
場合には、上述の条件と異なってくる。

【００１２】請求項２に記載された発明では、耐摩耗性
が求められる母材表面に、減圧プラズマ溶射によりWC-C
o 超硬皮膜を形成した後、前記母材と前記超硬皮膜との
密着力を強化するための予め定められた内容の熱処理を
行うことを特徴とする母材表面皮膜形成方法である。

【００１３】ここにいう熱処理の内容は、真空熱処理で
あり、真空度は１．０６×１０^-2Ｐａである。このよう
に真空熱処理を行うことにより、硬質皮膜の酸化が防止
される。

【００１４】熱処理は、上述の真空下において、１００
０℃で１．５時間経過後にＮ₂ ガスで冷却し、さらに、
５００℃で１時間経過後にＮ₂ ガスで冷却する。この熱
処理により、硬質皮膜との境界面に拡散層が形成され、
硬質皮膜との結合力が向上する。この熱処理は、焼き入
れおよび焼き戻しの意義もある。

【００１５】請求項３に記載された発明では、プレス用
金型のポンチ部表面には、複合皮膜が形成され、この複
合皮膜は、予め定められたそれぞれの条件下で減圧プラ
ズマ溶射により形成された中間層および超硬皮膜で構成
され、また、予め定められた内容の熱処理がなされるも
のであり、この超硬皮膜は、WC-Co 超硬皮膜であること
を特徴とするプレス用金型である。具体的な条件および
内容は以下のものである。

【００１６】この中間層の溶射粉末としては、Ｎｉ(80
%) −Ｃｒ(20%) を用いている場合である。Ｎｉ(95%)
−Ａｌ(5%)を用いる場合よりも硬さおよび耐摩耗性が優
れているからである。ポンチ部表面に中間層を形成する
ことにより、ポンチ部表面と硬質皮膜とのサ−マルスト
レスを緩和させることができる。

【００１７】ポンチ部は、３００℃で予熱されており、
チャンバ−圧力が１０．０×１０³Ｐａ、溶射電流が７
００Ａ、溶射距離が４００ｍｍという条件で中間層を形
成する。その際のプラズマ溶射ガン中の主ガスとして、
Ａｒガスを５０リットル／ｍｉｎの流量で導入し、補助
ガスとして、Ｈ₂ ガスを１０リットル／ｍｉｎの流量で
導入する。これが中間層の最適条件である。

【００１８】中間層の上から硬質皮膜を形成する。硬質
皮膜の溶射粉末は、ＷＣ−Ｃｏであり、Ｃｏの比率は限
定されないが、例えば１２％を採用しても良い。硬質皮
膜の溶射のときは、請求項１のときの条件と同様、チャ
ンバ−圧力が６．７×１０³Ｐａ、溶射電流が５００
Ａ、溶射距離が４００ｍｍである。また、プラズマ溶射
ガン中の主ガスと補助ガスは、中間層の場合と同様、Ａ
ｒガスの流量が５０リットル／ｍｉｎ、Ｈ₂ ガス流量が
１０リットル／ｍｉｎである。このような処理により、
一般に超硬皮膜といわれる皮膜硬度Ｈｖ１２００程度の
WC-Co 皮膜が形成される。

【００１９】また、熱処理の内容は、真空度１．０６×
１０^-2Ｐａの真空熱処理であり、１０００℃で１．５時
間熱処理してＮ₂ ガスで冷却した後、５００℃で１時間
熱処理してＮ₂ ガスで冷却するものである。本発明は、
上記の新しい溶射技術の中の減圧プラズマ溶射法によ
り、サーマルストレスを緩和するためのアンダーコート
層として母材にNi-Cr 合金層を形成し、この層の上にWC
-Co のトップコート層を積層して複合皮膜を形成した
後、真空熱処理により母材と皮膜との密着力を強化し
て、皮膜の硬さがHv１２００程度の表面改質層を形成す
るものである。本発明の特徴は、溶射後の熱処理により
母材／アンダーコート層／トップコート層の各界面に拡
散層が形成されるため、母材と複合皮膜との密着力が著
しく強化され、従来適用不可能であったプレス用深絞り
金型やその他の広範な分野における材料の耐摩耗性の表
面改質に適用が可能となった点である。

【００２０】すなわち、プレス用金型材料が、焼き入れ
温度が１０００℃近くの高温で、しかも空気焼き入れが
可能なものであれば、本発明を実施することができる。
したがって、プレス用金型材料として最も多く使用され
ているＳＫＤ１１材料を用いることができる。また、本
発明のように、溶射技術と熱処理技術との複合処理をす
ることにより、プレスの深絞り加工のようなしごきの厳
しい加工の金型の表面改質が可能となる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の第一の実施形態につい
て、図面を参照しつつ説明する。プラズマ溶射ガンの概
略図を図１に示す。これは、水冷した銅製のノズルを陽
極１０１、タングステンを陰極１０２とした溶射ガンで
あり、この溶射ガン中に主ガスとしてＡｒガス、補助ガ
スとしてＨ₂ ガスを導入し、両極間にア−ク放電を起こ
してプラズマを発生させる。ノズルは水冷水１０３によ
り水冷されているので、プラズマはサ−マルピンチ効果
によって急激な体積膨張を起こしてジェット流となり噴
出する。高温のプラズマ中に溶射材料粉末を供給する
と、粉末は溶融もしくは半溶融状態でジェット流によっ
て飛行し、母材表面１０４に吹きつけられて凝固積層し
て皮膜１０５を形成する。このようにしてプラズマ溶射
がなされる。減圧プラズマ溶射は、このプラズマ溶射を
減圧チャンバ−内で大気から遮断した減圧下で行うもの
である。

【００２２】まず、プラズマ溶射ガンを用いて母材表面
１０４にアンダ−コ−ト層（中間層）を形成する。ここ
で、アンダ−コ−ト層（中間層）を形成するのは、硬質
皮膜を母材に直接溶射すると、両者の熱膨張率が違うた
めに、サ−マルストレスが発生し、密着性の優れた硬質
皮膜が形成されないからである。

【００２３】中間層の溶射粉末としては、Ｎｉ(80%) −
Ｃｒ(20%) 、Ｎｉ(95%) −Ａｌ(5%)を用いており、超硬
皮膜の溶射粉末としては、ＷＣ−１２％Ｃｏを用いてい
る。このように、中間層と硬質皮膜により複合皮膜が構
成される。良好な特性を有する超硬皮膜を形成するため
には、原料粉末が溶融して緻密な膜を形成するに十分な
熱を与えることであるが、しかしWCが熱分解してW-Co炭
化物に変質するほどの熱を与えてはならない。この点を
十分に検討して絞りこんだ条件が以下の結果である。

【００２４】すなわち、基板予熱は、Ｎｉ(80%) −Ｃｒ
(20%) のときは３００℃、Ｎｉ(95%)−Ａｌ(5%)のとき
は５００℃であり、溶射ガン中の主ガスとしてＡｒガス
を流量５０リットル／ｍｉｎ、補助ガスとしてＨ₂ ガス
を流量１０リットル／ｍｉｎで溶射ガンに導入する。

【００２５】この状態の下で中間層の形成を行う。プラ
ズマ溶射は１０．０×１０³ Ｐａの減圧チャンバ−内で
大気から遮断した減圧下で行う。また、溶射電流は７０
０Ａ、溶射距離は４００ｍｍで行う。

【００２６】また、硬質皮膜は、ＷＣ−１２％Ｃｏの溶
射粉末を用いて、チャンバ−圧力が６．７×１０³ Ｐａ
で、溶射電流が５００Ａ、溶射距離が４００mmという条
件で形成される。中間層と硬質皮膜とで構成される複合
皮膜をこの条件で形成すると、皮膜硬度Ｈｖ１２００程
度のＷＣ−Ｃｏ硬質皮膜が形成される。

【００２７】耐摩耗性が必要となる場合には、更に以下
の内容の熱処理を行う。すなわち、真空度１．０６×１
０^-2Ｐａで、１０００℃×１．５時間でＮ₂ ガスで冷却
し、更に５００℃×１時間でＮ₂ ガスで冷却する内容の
熱処理をすれば、耐摩耗性が向上する。

【００２８】ここで、減圧チャンバー内で図１のプラズ
マ溶射ガンにより上述の条件でSKD11 （２５×２５×３
mm）の母材に形成した溶射皮膜を、１０００℃×１h
（N₂冷却）の真空熱処理を行い、母材／中間層／超硬皮
膜の各界面に拡散層が形成されていることをEPMAにより
確認した結果を図２〜図４に示す。図２は溶射皮膜のＣ
ｒ−Ｋαについて調べた結果であり、図３はＦｅ−Ｋα
の場合、図４はＮｉ−Ｌαの場合である。

【００２９】この結果から、CrとNiがアンダーコート層
（中間層）からトップコート層（超硬皮膜）と母材側に
拡散し、また、母材からアンダーコート層側へFeが拡散
してそれぞれ拡散層を形成して、母材と複合皮膜との密
着力が強化されていると推定される。

【００３０】このことを実証するために、上述の熱処理
を行った熱処理試験片とas-spray試験片について、大越
式摩耗試験機により、相手材をSCM415として、苛酷な摩
耗条件を想定して、凝着摩耗が始まる摩擦速度４．３９
m/s 、最終荷重１８４N の摩耗条件で摩擦摩耗試験を行
った結果を図５に示す。試験を行った全ての摩擦距離に
おいて熱処理膜はas-spray膜よりも比摩耗量は少ない傾
向にあり、耐摩耗性が熱処理により向上していることが
実証された。光学顕微鏡による組織観察では、９００〜
１１００℃の熱処理温度においては、皮膜中のＷＣ炭化
物がas-spray膜に比べて微細化しており、これが耐摩耗
性を向上させた理由と考えられる。

【００３１】次に、本発明の第二の実施形態について説
明する。この実施形態は、プレス用深絞り金型のポンチ
のものであり、略円柱形をしたポンチの形状を図６に示
す。ポンチの材質は、金型として一般的に用いられるＳ
ＫＤ１１（非熱処理材）であり、その先端部６０１の周
囲は、他の部分よりも深さ０．１５ｍｍだけ深く切削さ
れている。先端部６０１では、上述した第一の実施形態
の条件で厚さ０．２５ｍｍの複合皮膜を形成するが、後
述するように、熱処理後に０．１ｍｍ研磨している。

【００３２】その後、所定の熱処理を行う。すなわち、
真空度１．０６×１０^-2Pa、１０００℃×１．５h （N₂
冷却）・５００℃×１h （N₂冷却）の真空熱処理を行っ
た後、所定の寸法に研削加工後にダイヤモンドラップ
（＃４００、８００、１２００）で鏡面仕上げを行って
実機試験に供した。被プレス材は板厚２mmの熱間圧延材
で、絞り加工により図７のように成形される。プレス加
工は図８の模式図に示したトランスファープレスによ
り、絞り荷重２３．７GPa 、ショット数２５〜２８／mi
n の実際の生産条件で実施した。８０１はダイ、８０２
はポンチ、８０３はポンチを保持するポンチホルダ、８
０４は図７に示した被プレス材である。

【００３３】図９に示したように、as-sprayのポンチの
寿命は僅か約５０ショットであったが、熱処理を行った
ポンチは３００，０００ショットの加工後も異常は見ら
れず、as-sprayのポンチとは桁違いの耐久性を示した。
また、硬質クロムめっきのポンチの寿命８０００〜９０
００ショットに比べても６倍近くの耐久性を示し、溶射
と熱処理を併用した複合表面改質技術の有効性が実証さ
れた。

【００３４】

【発明の効果】請求項１に記載された発明によれば、母
材表面が超硬度になる表面改質処理が低コストで達成さ
れる。

【００３５】請求項２に記載された発明によれば、母材
表面の耐摩耗性が向上する表面改質処理を用いることが
できる材料の範囲が広くなり、例えばＳＫＤ１１にも用
いることができる。また、この表面改質処理が低コスト
で達成される。

【００３６】請求項３に記載された発明によれば、プレ
ス用金型の硬度が向上するとともに、容易な内容の熱処
理によりプレス用金型の耐摩耗性が飛躍的に向上し、プ
レス機械の金型交換作業頻度を少なくさせることがで
き、プレス機械による製造コストを低減することができ
る。また、プレス用金型として一般的に用いられている
ＳＫＤ１１にも、この内容の熱処理を行うことが可能と
なるため、金型自体の製造コストをも低減することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で使用するプラズマ溶射ガンの原理図で
ある。

【図２】Cr-Kα 線のEPMAによる濃度マッピングであ
る。

【図３】Ni-Lα 線のEPMAによる濃度マッピングであ
る。

【図４】Fe-Kα 線のEPMAによる濃度マッピングであ
る。

【図５】as-spray膜と熱処理膜の摩耗試験結果を示した
図である。

【図６】実機試験に適用したプレス用深絞り金型のポン
チの模式図である。

【図７】プレス成形品の模式図である。

【図８】プレス加工の模式図である。

【図９】各ポンチの耐久性を示すショット数である。

【図１０】硬質皮膜の硬さに及ぼすチャンバ−圧力の影
響を表した説明図である。

【図１１】硬質皮膜の硬さに及ぼす溶射距離の影響を表
した説明図である。

【符号の説明】１０１陽極１０２陰極１０３冷却水１０４母材表面１０５皮膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村田省三静岡県静岡市北丸子１−30−45 村田ボ− リング技研株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超硬度が求められる母材表面に、予め定
められた条件下で減圧プラズマ溶射により超硬皮膜を形
成することを特徴とする母材表面皮膜形成方法。
【請求項２】耐摩耗性が求められる母材表面に、減圧
プラズマ溶射によりWC-Co 超硬皮膜を形成した後、前記
母材と前記超硬皮膜との密着力を強化するための予め定
められた内容の熱処理を行うことを特徴とする母材表面
皮膜形成方法。
【請求項３】プレス用金型のポンチ部表面には、複合
皮膜が形成され、この複合皮膜は、予め定められたそれぞれの条件下で減
圧プラズマ溶射により形成された中間層および超硬皮膜
で構成され、また、予め定められた内容の熱処理がなさ
れるものであり、この超硬皮膜は、WC-Co 超硬皮膜であることを特徴とす
るプレス用金型。