KR102460884B1 - 핫스탬핑용 피복 금형 - Google Patents

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Abstract

핫스탬핑 용도에 있어서 초기 가공 단계의 내응착성과, 중기 가공 단계의 내마모성의 양쪽이 우수한 피복 금형을 제공하는 것을 목적으로 한다. 작업면에 경질 피막을 갖는 핫스탬핑용 피복 금형으로서, 상기 경질 피막은 반금속을 포함하는 금속 부분의 원자 비율에서 크롬이 30% 이상인 질화물로 이루어지는 a1층과, 반금속을 포함하는 금속 부분의 원자 비율에서 바나듐이 50% 이상인 질화물로 이루어지는 a2층이 교대로 적층된 교대 적층부를 갖고, 상기 a1층 및 a2층의 두께를 각각 ta1 및 ta2라고 하고, 상기 교대 적층부의 기재측 영역에 있어서의 이웃하는 a1층과 a2층의 막두께의 비율 ta2/ta1을 막두께 비율 Xb, 상기 교대 적층부의 최표면측 영역에 있어서의 이웃하는 a1층과 a2층의 막두께의 비율 ta2/ta1을 막두께 비율 Xt라고 했을 때, Xt>Xb인 핫스탬핑용 피복 금형.

Description

핫스탬핑용 피복 금형
본 발명은 핫스탬핑용의 금형에 적용되는 경질 피막이 피복된 피복 금형에 관한 것이다.
종래, 단조, 프레스 가공이라는 소성 가공에는 냉간 다이스강, 열간 다이스강, 고속도강이라는 공구강에 대표되는 강이나, 초경합금 등을 모재로 하는 금형이 사용되어 있다. 이러한 프레스 가공용이나 단조용의 금형을 사용한 소성 가공에서는 금형의 작업면과 피가공재가 슬라이딩함으로써 금형의 작업면에 마모나 골링 등의 손모가 발생하기 쉬워 금형 수명의 향상이 요망되고 있다. 특히, 벤딩 다이나 드로잉 다이는 높은 성형압이 가해져 피가공재와 금형의 슬라이딩에 의해 골링이 발생하기 쉬워진다. 여기에서 말하는 골링이란 서로 슬라이딩하는 부재 중 어느 것 또는 양쪽의 작업면에 있어서 화학적으로 활성한 표면이 형성되고, 그것이 상대측에 강하게 응착해서 고착되거나, 그것에 의해 어느 면의 구성 물질이 분리되어 상대측의 면에 이착하거나 하는 현상을 가리킨다. 따라서, 벤딩 다이나 드로잉 다이에 사용하는 금형에는 특히 높은 수준인 강도 및 내골링성이 요구된다.
금형의 내골링성을 향상시키는 방법으로서 표면 처리에 의한 질화물이나 탄화물로 이루어지는 경질 피막의 형성이 유효하다. 표면 처리에는 용융염 침지법(이하, TRD법이라고 한다)이나 화학적 증착법(이하, CVD법이라고 한다), 물리적 증착법(이하, PVD법이라고 한다) 등이 사용된다. TRD법이나 CVD법은 강을 모재로 하는 금형의 담금질 온도에 가까운 온도에서의 처리를 행한 후 조질(일부는 그 전에 재담금질)해서 사용되지만 고온 처리에 기인하는 금형의 변형이나 치수 변화가 문제가 되는 케이스가 있다. 또한, 이들 처리는 반복해서 사용되지만 TRD법이나 CVD법은 금형 모재의 강재 중의 탄소를 사용하여 막을 제작하므로 반복 처리를 행하면 금형의 표면 근방의 탄소가 적어져 경도의 저하나 막과의 밀착성의 저하를 초래할 가능성이 있다. 한편, PVD법은 각종 피복 형성 수단 중에서도 피복 온도가 강의 조질 온도보다 저온이기 때문에 피복에 의한 금형의 연화가 적어 금형의 변형이나 치수 변화가 발생하기 어렵다. 금형의 내마모성을 향상시키는 PVD 피막으로서는 TiN, TiCN, TiAlN 등의 Ti계 피막이나, CrN, CrAlN, AlCrN 등의 Cr계 피막, VCN, VC 등의 V계 피막 등이 종래 실시되어 있다.
상기 피막을 적용한 피복 금형에 대해서는 종래 여러 가지 검토가 이루어져 있다. 예를 들면, 출원인은 특허문헌 1에 있어서 피가공재와의 슬라이딩 환경에 있어서 내마모성이나 내골링성이라는 슬라이딩 특성을 향상시키는 것을 목적으로 AlCrSi의 질화물과, V의 질화물이 교대로 적층된 경질 피막을 피복한 피복 공구에 대해서 제안하고 있다. 또한, 출원인은 특허문헌 2에 있어서 금형의 내마모성이나 내골링성을 향상시키는 것을 목적으로 피막의 금속 부분이 원자 비율에서 크롬이 30% 이상인 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 a1층과, 금속 부분의 원자 비율에서 바나듐이 60% 이상인 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 a2층이 교대로 적층한 A층과, 상기 A층의 상층에 있어서 금속 부분의 원자 비율에서 바나듐이 60% 이상인 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 B층을 포함하는 슬라이딩 특성이 우수한 피복 부재에 대해서 제안하고 있다.
일본 특허공개 2011-183545호 공보 국제공개 제2013/047548호
최근에는 자동차에 대한 환경 성능과 충돌 안전 성능의 양립이 강하게 요구되고 있으며, 차체에 사용되는 강판으로서 인장 강도 1㎬를 초과하는 것 같은 초고장력 강판(이하, 초하이텐재라고도 기재한다)의 적용이 증가하고 있다. 초하이텐재는 고강도이기 때문에 프레스 성형면압이 국소적으로 높아지기 쉬워 금형으로의 부하가 증대되기 때문에 상술한 표면 처리를 실시하고 있어도 충분한 수명이 얻어지지 않을 경우가 있다. 또한, 초하이텐재는 스프링백이 크기 때문에 프레스 성형 시의 형상 유지가 어려워지는 경향이 있다. 그 때문에 프레스로 냉간 성형할 수 있는 인장 강도에는 상한이 있었다. 그래서 이러한 초하이텐재의 성형에는 피가공재를 가열해서 프레스 성형과 담금질을 동시에 행하는 핫스탬핑법을 적용하는 것이 유효하다. 그러나 피가공재가 고강도일 경우나, 금형의 작업면(금형과 피가공재가 접촉하여 슬라이딩하는 면)에 형성되는 경질 피막의 슬라이딩성이 낮을 경우 피가공재가 국소적으로 부착됨으로써 골링이 발생하고, 금형 수명의 대폭적인 저하를 야기할 가능성이 있다. 또한, 핫스탬핑 가공이 진행되면 금형의 온도도 올라 가고, 피가공재 표면의 산화가 촉진되기 쉬워 생성 산화물과의 슬라이딩에 의해 마모가 진행되기 쉬운 환경이 되기 때문에 추가적인 내마모성의 향상이 필요하다. 특허문헌 1, 2에 기재된 발명은 피막의 내응착성을 높임으로써 초기 단계에 발생하는 돌발적인 골링를 억제할 수 있는 우수한 발명이지만 가공이 진행되어 금형이 고온이 되었을 때의 내마모성에 대해서는 기재되어 있지 않아 추가적인 검토의 여지가 남겨져 있다. 특히, V 함유 피막은 피가공재의 부착을 억제할 수는 있지만 V의 비율이 클 경우 고온화에서의 가공에 의해 피막의 산화가 지나치게 진행됨으로써 내마모성이 열화될 가능성도 생각된다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 핫스탬핑 용도에 있어서 내골링성과, 내마모성의 양쪽이 우수한 피복 금형을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 핫스탬핑의 가공 환경하에 있어서의 피복 금형의 손모 형태를 해석했다. 그 결과, 가공의 초기 단계에 있어서 금형 온도가 낮은 상태에서는 금형의 작업면에 형성되는 경질 피막과 피가공재의 내골링성을 중시하고, 가공의 중기 단계에 있어서 금형 온도가 안정된 상태에서는 피가공재 기인의 생성 산화물에 대한 내마모성을 중시함으로써 금형이 장수명이 되는 경향이 있는 것을 지견했다. 그리고 내골링성과 내마모성 양쪽의 특성을 향상할 수 있는 피막 구성이 있는 것을 발견하여 본 발명에 상도했다.
즉, 본 발명은 작업면에 경질 피막을 갖는 핫스탬핑용 피복 금형으로서,
상기 경질 피막은 반금속을 포함하는 금속 부분의 원자 비율에서 크롬이 30% 이상인 질화물로 이루어지는 a1층과, 반금속을 포함하는 금속 부분의 원자 비율에서 바나듐이 50% 이상인 질화물로 이루어지는 a2층이 교대로 적층한 교대 적층부를 갖고,
상기 a1층 및 a2층의 두께를 각각 ta1 및 ta2로 하고,
상기 교대 적층부의 기재측 영역에 있어서의 이웃하는 a1층과 a2층의 막두께의 비율 ta2/ta1을 막두께 비율 Xb, 상기 교대 적층부의 최표면측 영역에 있어서의 이웃하는 a1층과 a2층의 막두께의 비율 ta2/ta1을 막두께 비율 Xt라고 했을 때,
Xt>Xb인 핫스탬핑용 피복 금형이다.
바람직하게는 상기 Xt가 1.2 이상이며, 상기 Xb가 1.2 미만이다.
바람직하게는 상기 경질 피막의 총 막두께는 6㎛ 이상이다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면 핫스탬핑 용도에 있어서 내골링성과, 내마모성 양쪽이 우수한 피복 금형을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 기재측에 있어서의 교대 적층부의 일례를 나타내는 시료 No.1의 단면 사진이다.
도 2는 본 발명의 최표층측에 있어서의 교대 적층부의 일례를 나타내는 시료 No.2의 단면 사진이다.
도 3은 본 발명의 효과를 설명하기 위한 시료 No.2의 25℃에 있어서의 응착성 평가 시험 후의 시료 표면 사진이다.
도 4는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 시료 No.1의 25℃에 있어서의 응착성 평가 시험 후의 시료 표면 사진이다.
도 5는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 시료 No.1의 400℃에 있어서의 응착성 평가 시험 후의 시료 표면 사진이다.
도 6은 핫스탬핑용 금형의 온도 변화예를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명예 및 비교예의 내마모성 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
이하에 본 발명의 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은 본 실시형태에 한정되지 않는다.
본 실시형태의 피복 금형은 작업면에 경질 피막을 갖는다. 이 경질 피막은 반금속을 포함하는 금속 부분의 원자 비율에서 크롬이 30% 이상인 질화물로 이루어지는 a1층과, 반금속을 포함하는 금속 부분의 원자 비율에서 바나듐이 50% 이상인 질화물로 이루어지는 a2층이 교대로 적층한 교대 적층부를 갖는다. 이하, 크롬 및 바나듐의 원자 비율이란 반금속을 포함하는 금속 부분에 있어서의 원자 비율이다.
본 실시형태에 있어서의 a1층은 크롬이 원자 비율에서 30% 이상인 질화물(이후, CrN계 피막이라고도 기재한다)로 이루어진다. CrN계 피막은 내열성과 내마모성이 우수하고, 고부하 환경에 있어서의 금형 수명의 향상에 기여한다. 이 CrN계 피막은 크롬이 30% 이상이면 a1층의 효과를 저해하지 않는 범위에서 크롬 이외의 4, 5, 6족 천이 금속의 적어도 일종을 포함해도 좋다. 물론, 크롬이 100%이어도 좋다. 예를 들면, CrN계 피막은 CrN, CrTiN, CrVN, CrSiN, CrBN, CrSiBN, CrTiSiN, CrVSiN, AlCrN, AlTiCrN, AlVCrN, AlCrSiN, AlTiCrSiN, AlVCrSiN으로부터 선택함으로써 핫스탬핑용 금형에 있어서의 온도 영역에서의 내마모성을 향상시킬 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, a1층에 바나듐을 함유할 경우 함유량은 50% 미만인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 AlCrSiN을 적용한다. 크롬의 함유량이 30%보다 낮을 경우 상술한 내열성이나 내마모성의 향상 효과가 얻어지기 어려워지는 경향이 있다. 크롬 함유량의 상한은 특별히 한정되지 않고, 피막의 종류나 용도에 의해 적당히 변경하는 것이 가능하다. 예를 들면, AlCrSiN을 적용했을 경우 내열성이나 내마모성의 향상 효과를 얻어지기 쉽게 하기 위해서 크롬의 함유량을 원자 비율에서 80% 이하로 설정해도 좋다. AlCrSiN을 적용할 경우 AlxCrySiz의 조성식에 있어서 20≤x<70, 30≤y<75, 0<z<10이 되도록 제어함으로써 취약한 육방정 구조가 주체가 되는 것을 억제하여 입방정 구조를 주체로 하고, 내마모성이나 내열성을 안정되게 향상시킬 수 있기 때문에 바람직하다. 상기 결정 구조는, 예를 들면 X선 회절법에 의해 확인할 수 있고, 입방정 구조의 피크가 최대 강도로 되어 있으면 다른 결정 구조를 포함하고 있어도 입방정 구조가 주체라고 간주할 수 있다.
본 실시형태에 있어서의 a2층은 바나듐이 원자 비율에서 50% 이상인 질화물(이후, VN계 피막이라고도 기재한다)로 이루어진다. 이 VN계 피막은 핫스탬핑 가공의 초기 단계의 환경에 있어서 적당하게 산화해서 산화층을 형성하고, 피가공재 성분을 포함하는 저융점의 복산화물을 형성한다. 그 때문에 피가공재로부터의 응착을 방지하고, 가공 초기 단계에 있어서의 국소적인 골링이나 응착 마모를 억제할 수 있다. 바나듐이 50% 미만일 경우 골링이나 응착 마모의 억제 효과를 충분히 발휘할 수 없을 가능성이 있다. 또한, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에서 바나듐 이외의 4, 5, 6족 천이 금속의 적어도 일종을 포함해도 좋다. 금속 부분의 원자 비율에서 바나듐이 60% 이상인 질화물인 것이 바람직하고, 바나듐이 70% 이상인 것이 보다 바람직하다. 물론, 바나듐이 100%이어도 좋다.
본 실시형태의 경질 피막은 상술한 a1층과 a2층이 교대로 적층한 구조를 갖는다. 이 구조를 가짐으로써 CrN계 피막이 갖는 내마모성, 내열성과, VN계 피막이 갖는 내골링성, 내응착성을 서로 저해하는 일 없이 효과적으로 발휘할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는 이웃하는 a1층과 a2층의 막두께의 비율을 막두께 비율 X(a2/a1)라고 했을 때 교대 적층부의 기재측 영역(금형의 모재측)에 있어서의 막두께 비율 Xb와, 최표층측에 있어서의 막두께 비율 Xt의 관계가 Xt>Xb로 되어 있는 것이 중요하다(이후, a1층의 막두께를 ta1, a2층의 막두께를 ta2, a1층에 대한 a2층의 막두께의 비율을 ta2/ta1이라고도 기재한다. 또한, ta2/ta1은 막두께 비율 X이다). 도 6에 핫스탬핑 가공에 있어서의 금형의 온도 변화예를 나타낸다. 일정 간격으로 핫스탬핑을 행했을 경우 금형의 온도는 도 6에 나타내는 바와 같이 가열된 피가공재와의 접촉에 의한 승온과, 내부 및 또는 외부로부터의 수냉에 의한 강온을 반복하면서 가공이 진행됨에 따라 전체적인 온도가 상승하고, 어느 일정 가공 단계에서 전체적인 온도 상승이 멈추는 것 같은 거동을 나타낸다. 또한, 본 명세서에서는 전체적인 온도 상승이 진행되어 있는 단계(도 6의 A 영역)를 초기 단계, 전체적인 온도 상승이 정지된 이후의 단계(도 6의 B 영역)를 중기 단계라고 하고 있다. 이러한 온도 환경을 고려하면 핫스탬핑용 금형의 피막에는 가공의 초기 단계에서는 양호한 내응착성을 발휘하고, 고온 환경에서 마모가 진행되기 쉬운 가공의 중기 단계에서는 우수한 내마모성을 발휘하는 것 같은 구성이 장수명화에 적합하다고 할 수 있다. 본 실시형태에서는 경질 피막의 교대 적층부의 기재측의 막두께 비율 Xb(ta2/ta1)와 최표면측의 막두께 비율 Xt(ta2/ta1)의 관계를 Xt>Xb로 함으로써 가공의 초기 단계에 있어서는 내응착성, 내골링성이 우수한 바나듐 함유 막인 a2층이 주체가 되는 층구성이 되며, 표층측이 마모된 가공의 중기 단계 이후에는 내마모성이 우수한 CrN계 피막인 a1층의 비율이 초기 단계보다 증가한 층구성으로 할 수 있기 때문에 핫스탬핑용 금형의 수명을 대폭 향상시키는 것이 가능하다. 또한, 본 실시형태에 있어서의 교대 적층부의 「기재측 영역」이란 기재와 교대 적층부의 계면, 또는 교대 적층부의 바로 아래(기재측)에 형성되는 다른 피막과 교대 적층부의 계면으로부터 두께 방향으로 교대 적층부 총 두께의 1/4의 두께 영역을 나타낸다. 또한, 본 실시형태에 있어서의 교대 적층부의 「최표면측 영역」이란 교대 적층부의 최표면(기재와 반대측), 또는 교대 적층부의 바로 위(표면측)에 형성되는 다른 피막과 교대 적층부의 계면으로부터 두께 방향으로 교대 적층부 총 두께의 1/4의 두께 영역을 나타낸다.
본 실시형태는 막두께 비율 X(ta2/ta1)를 경질 피막의 기재측에 대하여 최표면측을 증가시키기 위해서 a2층의 두께를 표층을 향해 증가시켜도 좋고, a1층의 두께를 표층측을 향해 감소시켜도 좋다. 또한, 두께의 변동도 경사적 또는 단계적으로 해도 효과를 발휘하는 것이 가능하며, 목적에 따라서 적당히 선택하면 좋다. 예를 들면, 단계적으로 변화시키는 경우에는 일반적인 PVD 장치에서도 용이하게 제작 가능하며, 경사적으로 변화시키는 경우에는 피막 내부의 응력 분포가 안정화되어 층간에서의 박리가 일어나기 어려워진다. 여기에서 「경사적으로 변화」란 a1층 및 a2층의 적어도 일방이 1층마다 변동하는 것을 나타낸다. 「단계적으로 변화」란 a1층 및 a2층에 있어서 2층 이상 동일한 두께의 층이 포함되는 것을 나타낸다. 또한, ta2/ta1의 하한은 특별히 한정되지 않고, 목적에 맞춰 적당히 설정하는 것이 가능하다. 예를 들면, 기재측에 ta2/ta1이 충분히 작은 피막(바나듐에 의한 내응착성의 효과를 감한 피막)을 형성시키고, 굳이 핫스탬핑의 중기 단계 이후에서 피가공재 성분을 응착시킴으로써 피막의 손모(수명)를 검지하는 것이 가능해지며, 손모가 기재에까지 미치는 것을 억제할 수 있다. 이것에 의해 금형 보수의 수고를 생략할 수 있다. 이 ta2/ta1의 하한은, 예를 들면 0.1로 설정할 수 있다.
여기에서 막두께 비율 ta2/ta1을 단계적으로 증가시킬 경우, 예를 들면 기재측에 ta2/ta1이 1.2 미만, 바람직하게는 1.0 이하의 교대 적층부(A부)와, 최표층측이 되는 A부 상층에 형성되는 ta2/ta1이 1.2 이상, 바람직하게는 1.4 이상인 교대 적층부(B부)를 가지면 좋다. 이때 A부의 두께는 총 막두께의 60% 이상인 것이 바람직하다. 이것은 내마모성이 우수한 A부가 두꺼울수록 고온 가공 시의 수명을 길게 연장시키기 때문이다. 한편, 총 막두께에 대한 A부의 막두께가 지나치게 두꺼우면 내응착성 효과가 저하되는 경향이 있으므로 A부의 상한은 총 막두께의 90%로 설정할 수 있다. 또한, B부의 두께에 관해서는 총 막두께의 40% 미만으로 설정하는 것이 바람직하다. 이것은 B부가 가장 효과를 발휘하는 것은 가공의 초기 단계이기 때문에 총 막두께에 대하여 B부가 지나치게 두꺼우면 고온 환경인 가공의 중기 단계에 있어서 내마모성을 확보하는 본 발명의 목적이 달성되지 않을 가능성이 있다. 또한, B부의 두께는 총 막두께의 10% 이상인 것이 바람직하다. 이상, ta2/ta1이 상이한 교대 적층부를 2개 갖는 실시예에 대해서 설명했지만 교대 적층부의 기재측에 있어서의 막두께 비율 Xb와, 최표층측에 있어서의 막두께 비율 Xt의 관계가 Xt>Xb로 되어 있으면 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 막두께 비율이 상이한 영역을 3개 이상 형성하는 등 적당히 변경하는 것이 가능하다. 교대 적층부에 있어서 막두께 비율이 상이한 영역이 3개 이상 존재할 경우 기재측으로부터 최표층측에 걸쳐서 막두께 비율 ta2/ta1이 단계적으로 증가하는 경향이 되도록 구성하는 것이 바람직하다. 막두께 비율이 상이한 영역이 3개 이상 존재하는 예로서는 기재측에 ta2/ta1이 0.8 미만인 교대 적층부(A부)와, A부의 표층측에 형성되는 ta2/ta1이 0.8 이상 1.2 미만인 B부와, B부의 표층측에 형성되는 ta2/ta1이 1.2 이상인 C부를 갖는 피복 구조를 적용할 수 있다.
또한, 가공의 중기 단계 이후에 있어서의 내마모성을 보다 한층 강화하기 위해서 상술한 교대 적층부의 바로 아래에 이것과는 다른 CrN계 피막을 형성하는 것이 바람직하다. 이 이유는 상술한 바와 같이 CrN계 피막만으로는 충분한 내응착성 효과를 발휘할 수 없을 우려가 있지만 기재측에서 굳이 응착시킴으로써 피막의 손모를 검지하는 것이 가능해지며, 손모가 기재에까지 미치는 것을 억제할 수 있기 때문이다. 또한, CrN계 피막은 상술한 a1층과 동 성분을 갖는 질화물층이 공업 생산상 합리적이기 때문에 바람직하지만 a1층과는 상이한 성분을 갖는 층이어도 좋다. 이 CrN계 피막은 소망의 특성에 맞춰 단층 또는 2층 이상의 복층(교대 적층 구조를 포함한다) 구조로 할 수 있다. 특히, CrN계 피막을 교대 적층 구조로 했을 경우, 막의 파괴 시에 크랙이 적층 계면을 경유하도록 되기 때문에 크랙의 진전 경로가 복잡해져 급속한 진전이 억제되는 결과, 막의 내파괴성을 향상시킬 수 있기 때문에 바람직하다. 여기에서 교대 적층부 바로 아래의 CrN계 피막에 b1층과 b2층의 교대 적층 구조를 선택했을 경우 b1층 및 b2층은 CrN, CrTiN, CrVN, CrSiN, CrBN, CrSiBN, CrTiSiN, CrVSiN, AlCrN, AlTiCrN, AlVCrN, AlCrSiN, AlTiCrSiN, AlVCrSiN으로부터 선택하는 것이 가능하다. 바람직하게는 b1층을 AlCrSiN, CrSiBN으로부터 선택하고, b2층을 CrSiBN, CrN으로부터 선택한다. 보다 바람직하게는 b1층에 AlCrSiN, b2층에 CrN을 선택한다.
교대 적층부 바로 아래에 형성되는 CrN계 피막의 총 두께는 0.5㎛ 이상인 것이 바람직하고, 50㎛ 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직한 CrN계 피막의 두께는 40㎛ 이하이며, 또한 바람직한 CrN계 피막의 두께는 30㎛ 이하, 20㎛ 이하, 10㎛ 이하로 설정할 수 있다. 또한, b1층과 b2층의 교대 적층 구조를 선택했을 경우 b1층 및 b2층의 막두께는 각각 0.002㎛~0.1㎛인 것이 바람직하다. 그리고 이 교대 적층부 바로 아래에 형성되는 CrN계 피막은 a1층의 1.2배 이상 두껍게 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 가공의 초기 단계에 있어서의 금형과 피가공재의 친숙성을 보다 한층 향상시키고, 돌발적인 골링를 억제하기 위해서 교대 적층부의 바로 위에 이것과는 다른 VN계 피막(단층)을 형성시키는 것이 바람직하다. VN계 피막도 a2층과 동 성분을 갖는 질화물층이 공업 생산상 합리적이기 때문에 바람직하지만 이것에 한정되지 않고, a2층과 상이한 성분을 갖는 층이어도 좋다.
교대 적층부 바로 위의 VN계 막의 두께는 0.1㎛ 이상인 것이 바람직하고, 0.2㎛ 이상인 것이 보다 바람직하다. 두께의 상한은 특별히 한정되지 않지만 막두께가 지나치게 두꺼워지면 성막에 시간이 걸려 생산성이 나빠지므로 8㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 사용 환경에 따라서는 피막 전체의 내마모성이 저하될 경우가 있기 때문에 보다 바람직한 막두께는 5㎛ 이하이며, 더 바람직하게는 3㎛ 이하이다. 또한, 이 교대 적층부 바로 위의 VN계 피막은 a2층의 1.2배 이상으로 두껍게 형성하는 것이 바람직하다.
본 실시형태에 있어서 a1층의 막두께는 0.002㎛~0.1㎛인 것이 바람직하다. 이 범위 내에 수용함으로써 a2층과의 교대 적층에 의해 내마모성과 내응착성을 양립시키는 것에 효과적이다. a1층의 막두께가 지나치게 얇으면 내마모성 향상 효과를 발휘하기 어려워진다. 한편, a1층의 막두께가 지나치게 두꺼울 경우 a1층이 표면의 대부분에 노출됨으로써 피가공재가 응착하기 쉬워지는 경향이 있다.
본 실시형태에 있어서 a2층의 막두께는 0.002㎛~0.08㎛인 것이 바람직하다. 이 범위 내에 수용함으로써 a1층과의 교대 적층에 의해 내마모성과 내응착성을 양립시키는 것에 효과적이다. a2층의 막두께가 지나치게 얇으면 내응착성 향상 효과를 발휘하기 어려워진다. 한편, a2층의 막두께가 지나치게 두꺼울 경우 a1층이 표면의 대부분에서 결핍됨으로써 피막이 마모되기 쉬워지는 경향이 있다.
본 실시형태의 교대 적층부의 총 두께는 5㎛~80㎛인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 10㎛~50㎛이다. 지나치게 얇으면 핫스탬핑의 가혹한 마모 환경에 견딜 수 없어 피막이 조기에 손모되는 경향이 있으며, 지나치게 두꺼우면 금형의 치수 공차를 초과하여 성형면에 있어서의 클리어런스가 부족하고, 과도한 드로잉 가공이 되어 성형 부하가 증대할 가능성이 있기 때문이다.
본 발명의 금형에 사용되는 재료(모재, 기재)는 특별히 정해지는 것은 아니지만 냉간 다이스강, 열간 다이스강, 고속도강이라는 공구강 또는 초경합금 등을 적당히 사용할 수 있다. 금형은 질화 처리 또는 침탄 처리 등이라는 확산을 이용한 표면 경화 처리를 미리 적용한 것이어도 좋다. 또한, 상술한 본 발명의 경질 피막의 효과를 저해하지 않는 범위에서 금형 표면 상에 경질 피막과는 다른 종의 피막을 형성시켜도 좋다.
본 발명에 의한 경질 피막의 제조 방법은 기존의 성막 방법을 사용할 수 있지만 금형의 조질 온도보다 저온에서 피복 처리가 가능해지며, 금형의 치수의 변동을 억제할 수 있는 아크 이온 플레이팅법이나, 스퍼터링법 등의 물리 증착법(PVD)을 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 평활하며, 슬라이딩 특성이 우수한 경질 피막을 얻기 위해서 피복 도중이나 피복 후에 경질 피막의 표면을 연마해도 좋다.
(실시예)
(실시예 1)
우선, 핫스탬핑 가공의 초기 단계를 모의하고, 내응착성 평가를 행했다.
기재는 고속도강 SKH51(21㎜×17㎜×2㎜)의 경면 연마, 탈지 세정 완료된 것을 준비하고, 준비한 기재를 복수의 타깃이 둘러싸는 중심에서 기재가 회전하는 구조의 아크 이온 플레이팅 장치 내에 설치했다. a1층용의 타깃에는 Al60Cr37Si3 타깃을 사용하고, a2층용의 타깃에는 바나듐 타깃을 사용했다. 그 후 초기 공정으로서 장치 내에서 기재를 450℃에서 가열 탈가스한 후 Ar 가스를 도입하고, 기재 표면의 플라스마 클리닝 처리(Ar 이온 에칭)를 행했다.
계속해서 플라스마 클리닝 처리 후의 기재에 질소 가스를 도입하면서 피복을 행하고, 시료 No.1, 시료 No.2를 제작했다. 시료 No.1, 시료 No.2 모두 AlCrSiN(at%)과 VN의 교대 적층 구조(이하, AlCrSiN/VN이라고도 기재한다)로 이루어지는 피막(교대 적층부)을 형성하고 있으며, 시료 No.1은 ta2/ta1이 시료 No.2보다 작아지도록 조정했다. 시료 No.1의 교대 적층부의 단면 사진을 도 1에, 시료 No.2의 교대 적층부의 단면 사진을 도 2에 나타낸다. 도 1, 도 2에 있어서 부호 1은 AlCrSiN막을, 부호 2는 VN막을 나타낸다. 성막 후 시료 No.1의 AlCrSiN/VN 각각의 막두께를 측정한 결과 AlCrSiN: 19㎚, VN: 15㎚(ta2/ta1=0.79)인 것을 확인했다. 마찬가지로 시료 No.2의 교대 적층부 각각의 막두께는 AlCrSiN: 10㎚, VN: 15㎚(ta2/ta1=1.5)이었다. 시료 No.1 및 시료 No.2의 교대 적층부의 총 막두께는 각각 10.5㎛, 17.6㎛이었다.
제작한 시료에 대하여 내응착성 시험을 행했다. 시험에는 볼 온 디스크 시험기(CSM Instruments사제 Tribometer)를 사용했다. 시험 환경은 핫스탬핑의 초기 단계를 상정한 25℃의 대기중과, 참고로서 중기 단계를 상정해서 400℃의 대기중인 2종류로 하고, 교대 적층부에 SUJ2제의 베어링 볼(직경 6㎜의 경면 연마된 구, 경도 60HRC)을 2N의 하중으로 압박하면서 무윤활하에 의해 시료를 10㎝/초의 속도로 일정 방향으로 100m 연속 슬라이딩시켰다. 시험 후, 시료의 슬라이딩부 표면을 관찰했다. 결과, 25℃의 환경에 있어서 시료 No.1은 도 4에 나타내는 바와 같이 상대재의 응착(부호 A)이 대부분 보였지만 시료 No.2에 관해서 도 3에 나타내는 바와 같이 상대재의 응착은 확인되지 않았다. 이것은 바나듐에 의한 내응착성의 효과가 핫스탬핑 초기를 모의한 환경하에서는 VN이 비교적 적은 교대 적층부(ta2/ta1=0.79)에 있어서 한정적이었기 때문이라고 생각된다. 한편, 400℃의 환경에 있어서의 응착(부호 A)은 도 5에 나타내는 바와 같이 시료 No.1의 응착량이 대폭 저감되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 핫스탬핑 중기를 모의한 고온 환경하에서는 VN의 산화가 촉진되기 때문에 VN이 비교적 적은 교대 적층부(ta2/ta1=0.79)이어도 바나듐에 의한 내응착성의 효과가 발휘되는 데에 충분했기 때문으로 생각된다.
(실시예 2)
계속해서 핫스탬핑 가공의 중기 단계를 모의하고, 내마모성 평가를 행했다. 평가 대상의 시료는 실시예 1의 시료 No.1과 시료 No.2에 추가하여 AlCrSiN: 19㎚, VN: 10㎚(ta2/ta1=0.52)로 더 조정하고, 교대 적층부의 총 막두께를 19㎛로 하고, 그 외의 제조 방법은 시료 No.1과 동일한 시료 No.3과, 비교예로서 V를 함유하지 않는 AlCrSiN과 CrN의 교대 적층(AlCrSiN: 23㎚, CrN: 26㎚의 교대 적층, 총 두께 4.1㎛)인 시료 No.4를 준비했다. 시험에는 볼 온 디스크 시험기(CSM Instruments사제 Tribometer)를 사용했다. 시험 환경은 핫스탬핑의 중기 가공을 상정해서 400℃의 대기중으로 하고, 피막에 매트릭스 하이스제의 핀(선단 지름 6㎜의 경면 연마된 반구, 경도 64HRC)을 10N의 하중으로 압박하면서 슬라이딩 직경 8.5㎜로 무윤활하에 의해 시료를 20㎝/초의 속도로 일정 방향으로 연속 슬라이딩시켰다. 슬라이딩 거리는 1000m로 했다. 시험 후 슬라이딩부의 슬라이딩 원주 상에 형성된 홈의 체적을 마모 체적으로 하여 구하고, 시험 조건인 시험 하중 10N, 슬라이딩 길이 1000m로 나누어 단위 슬라이딩 길이, 단위 하중당 마모 체적을 비마모량으로 하여 평가했다. 홈 체적은 이하의 방법으로 구했다. 비접촉 표면 형상 측정기(Zygo사 Newview7300)에 의해 시료 No.1~4에 있어서의 각 슬라이딩부의 홈 깊이를 상기 슬라이딩 원의 내경측으로부터 외경측까지 0.2㎜ 간격의 동심원상에서 측정하고, 각 동심원의 홈 깊이의 평균값과 측정 간격을 적합(積和)하여 평균의 홈 단면적을 구했다. 홈 단면적에 슬라이딩 원주 길이를 적산해서 홈 체적이라고 했다. 시료 No.1~4의 비마모량의 결과를 도 7(비마모량의 막대 그래프)에 나타낸다.
도 7의 결과로부터 비마모량은 시료 No.4, 시료 No.1, 시료 No.2, 시료 No.3의 순서대로 작아지며, 특히 No.4의 피막은 비마모량이 시료 No.1~3에 비해서 매우 큰 것을 확인했다. 이것은 No.4의 피막의 경우 애당초 바나듐에 의한 내응착성의 효과가 얻어지지 않는 것에 기인하여 VN의 산화가 촉진되는 고온 환경하이어도 응착 마모가 진행된 것에 의한다. 또한, 시료 No.1~3 중에서는 ta2/ta1의 값이 작을수록 핫스탬핑의 가공의 중기 단계에 있어서 내마모성이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
이상의 결과로부터 ta2/ta1=0.79 또는 0.52의 교대 적층막보다 상측에 ta2/ta1=1.5의 교대 적층막을 형성시키는 본 발명예의 피막 구성은 핫스탬핑 가공의 전체 가공 단계에 있어서 피막의 내마모성, 내응착성을 향상시킬 수 있고, 금형 수명의 향상에 유효한 것을 확인할 수 있었다.

Claims (3)

  1. 작업면에 경질 피막을 갖는 핫스탬핑용 피복 금형으로서,
    상기 경질 피막은 반금속을 포함하는 금속 부분의 원자 비율에서 크롬이 30% 이상인 질화물로 이루어지는 a1층과, 반금속을 포함하는 금속 부분의 원자 비율에서 바나듐이 50% 이상인 질화물로 이루어지는 a2층이 교대로 적층된 교대 적층부를 갖고,
    상기 a1층 및 a2층의 두께를 각각 ta1 및 ta2라고 하고,
    상기 교대 적층부의 기재측 영역에 있어서의 이웃하는 a1층과 a2층의 막두께의 비율 ta2/ta1을 막두께 비율 Xb, 상기 교대 적층부의 최표면측 영역에 있어서의 이웃하는 a1층과 a2층의 막두께의 비율 ta2/ta1을 막두께 비율 Xt라고 했을 때,
    Xt>Xb이고,
    상기 기재측 영역은, 상기 교대 적층부와 기재의 계면으로부터 두께 방향으로, 미리 설정된 값만큼의 두께 영역을 포함하고, 상기 최표면측 영역은, 상기 교대 적층부의, 상기 기재와 반대측의 최표면으로부터 두께 방향으로, 미리 설정된 값만큼의 두께 영역을 포함하는 핫스탬핑용 피복 금형.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 Xt가 1.2 이상이며, 상기 Xb가 1.2 미만인 핫스탬핑용 피복 금형.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 교대 적층부의 총 막두께는 6㎛ 이상인 핫스탬핑용 피복 금형.
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