WO2016171273A1 - 被覆金型およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、冷間から温熱間の使用領域に亘って、耐久性および耐凝着性に優れる被覆金型およびその製造方法を提供することを目的とする。　表面に硬質皮膜を有する被覆金型であって、前記硬質皮膜は、膜厚が５μｍ以上の窒化物からなるＡ層と、ダイヤモンドライクカーボン皮膜からなるＢ層とを含み、前記Ｂ層は前記Ａ層よりも外表面側にあり、前記Ｂ層の表面が、算術平均粗さＲａ≦０．２μｍ、最大高さＲｚ≦２．０μｍ、スキューネスＲｓｋ＜０であることを特徴とする被覆金型。

Description

被覆金型およびその製造方法

　本発明は、例えばプレス加工用や鍛造用の金型等に適用される硬質皮膜が被覆された被覆金型およびその製造方法に関するものである。

　従来、鍛造、プレス加工といった塑性加工には、冷間ダイス鋼、熱間ダイス鋼、高速度鋼といった工具鋼に代表される鋼や、超硬合金等を母材とする金型が用いられている。上記した塑性加工の方法は、室温付近で加工を行う冷間加工と、被加工材が４００℃以上に加熱されて加工を行う温間加工や熱間加工がある。プレス加工用や鍛造用の金型を用いた塑性加工では、金型の作業面と被加工材とが摺動することによって、金型の作業面に摩耗やカジリが生じ、金型の作業面の損耗が生じ易く、金型寿命の向上が望まれている。

　近年、金型寿命の向上のため、金型の作業面に物理蒸着法（以下、ＰＶＤ法という）により硬質皮膜が被覆された被覆金型が適用されている。物理蒸着法は、各種の被覆形成手段の中でも被覆温度が鋼の焼戻し温度より低温であるため、被覆による金型の軟化が少なく、金型の変形や変寸が生じ難い。
　例えば、特許文献１には、耐熱性と耐摩耗性に優れる膜種であるＡｌＣｒＳｉの窒化物を適用することが示されている。また、特許文献２は、潤滑特性に優れるＶの窒化物とＡｌＣｒＳｉの窒化物を交互に積層させた積層皮膜を設け、その表面粗さを一定範囲に制御した皮膜構造が示されている。

特開２００５－０４２１４６号公報 特開２０１１－１８３５４５号公報

　近年、自動車車体に使用される鋼板として、高張力鋼板が増加しており、その成形には被加工材を加熱してプレス成形と同時に焼入れを行うホットスタンプ法が適用される場合がある。特に、アルミや亜鉛がメッキされたメッキ鋼板をホットスタンプ法で加工する場合、金型表面に凝着が発生して早期に金型寿命に至る場合がある。
　本発明者の検討によると、負荷が大きい使用環境下や、ホットスタンプ法等でメッキ鋼板を加工する場合には、従来の被覆金型では金型寿命および耐凝着性に改善の余地があることを確認した。本発明は、耐摩耗性、耐熱性および耐凝着性に優れる被覆金型およびその製造方法を提供することを目的とする。

　本発明の一態様は、表面に硬質皮膜を有する被覆金型であって、前記硬質皮膜は、膜厚が５μｍ以上の窒化物からなるＡ層と、ダイヤモンドライクカーボン皮膜からなるＢ層とを含み、前記Ｂ層は前記Ａ層よりも外表面側にあり、前記Ｂ層の表面が、算術平均粗さＲａ≦０．２μｍ、最大高さＲｚ≦２．０μｍ、スキューネスＲｓｋ＜０である被覆金型である。前記Ａ層はクロムを含有する窒化物とバナジウムを含有する窒化物とが交互に積層された積層皮膜であることが好ましく、前記Ａ層の膜厚は、８μｍ以上であることが好ましい。

　本発明の他の一態様は、表面に硬質皮膜が被覆された被覆金型の製造方法であって、膜厚が５μｍ以上の窒化物からなるＡ層を被覆する工程と、前記Ａ層の表面を研磨し、前記Ａ層の表面粗さをＲａ≦０．２μｍ、Ｒｚ≦２．０μｍ、Ｒｓｋ＜０とする表面研磨工程と、前記Ａ層の表面研磨工程の後、ダイヤモンドライクカーボン皮膜からなるＢ層を被覆する工程と、を含み、前記Ｂ層の表面が、算術平均面粗さＲａ≦０．２μｍ、最大高さＲｚ≦２．０μｍ、スキューネスＲｓｋ＜０を満たす被覆金型の製造方法である。前記Ａ層は、８μｍ以上被覆することが好ましい。

　本発明によれば、冷間から温熱間の使用領域に亘って、耐久性に優れ、金型寿命を向上させることができる被覆金型を提供することができる。

本発明例のスクラッチ試験結果である。 本発明例の被膜断面を示す拡大写真である。 比較例の被膜断面を示す拡大写真である。 相手材がＺｎのときの、本発明例と比較例とのボールオンディスク試験結果である。 相手材がＡｌのときの、本発明例と比較例とのボールオンディスク試験結果である。 本発明例と比較例とのボールオンディスク試験による皮膜の損傷形態を示す、皮膜表面の拡大写真である。

　鍛造、プレス加工といった塑性加工に用いる金型では、表面に硬質皮膜が形成された被覆金型が用いられる。これらの用途に用いられる被覆金型では、硬質皮膜の表面に加えられる力が大きいため、皮膜が薄いと皮膜強度が乏しくなり皮膜が損傷し易くなる。特に、高負荷環境下では、皮膜と金型の界面に大きな力が加わるため、皮膜と金型の弾性変形量の違いから、皮膜剥離や皮膜損傷が発生し易くなる。このため、金型寿命に及ぼす硬質皮膜の膜厚の影響が極めて大きくなる。また、硬質皮膜自体の摺動特性が乏しい場合には、カジリが発生して早期に金型寿命に到達する傾向にある。
　本発明者は、高負荷の環境下において優れた耐久性を発揮するためには、硬質皮膜として、厚膜の窒化物からなる層（Ａ層）の上層（上層とは硬質皮膜が形成された被覆金型の外表面側を上とし、被覆金型の内部側を下とした場合の上側の層という意味である）にダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣとも記載する）皮膜からなる層（Ｂ層）を設けた皮膜構成が有効であり、更には、Ａ層のＢ層に対向する面を研磨することが重要であることを知見した。以下、詳細について説明する。なお本明細書における耐久性とは、耐摩耗性、耐熱性、耐凝着性の総称であり、優れた耐久性とは、上述した三種類の耐性において優れていることを意味する。

　窒化物からなる皮膜は、耐熱性と耐摩耗性に優れる膜種であり、金型である鋼等との密着性にも優れる傾向にある。そのため、窒化物の皮膜をより厚く形成することで被覆金型の耐久性をより高めることができる。本発明では、高負荷の使用環境下において優れた耐久性を発揮するために、５μｍ以上の厚膜とした窒化物からなるＡ層を設ける。但し、窒化物からなるＡ層は摺動特性に乏しい傾向にあり、初期にカジリや凝着が発生する場合がある。そのため、被覆金型に優れた摺動特性を付与するために、Ａ層の上層に摺動特性に優れる膜種であるダイヤモンドライクカーボン皮膜のＢ層を設ける。Ａ層の上層に摺動特性に優れる膜種であるダイヤモンドライクカーボン皮膜を設けることで、初期のカジリや凝着が抑制される傾向にあり耐凝着性を高めることができる。

ここで、Ｂ層が十分に効果を奏するためにはＡ層のＢ層に対向する面を研磨して、その後、Ｂ層を設けることが重要である。本発明ではＡ層を厚膜に制御しているため、Ａ層がドロップレットや皮膜欠陥を蓄積しやすく、皮膜を形成したままのＡ層の表面は粗い面となってしまう。そのため、粗い面となったＡ層の直上に非晶質を主体とするダイヤモンドライクカーボン皮膜であるＢ層をそのまま設けると、Ａ層の粗面（凹凸）に倣うようにＢ層表面にも凹凸が生じ、Ｂ層の表面状態が悪化する。このＢ層の表面の凹凸はＡ層の表面粗さに起因しているため、Ｂ層のみを研磨してもＢ層の表面粗さ（特に後述するスキューネスＲｓｋ）を改善することは困難である。さらにＡ層とＢ層との密着性が十分に確保され難く、剥離も起こりやすくなる傾向にある。そこで、Ａ層の表面を研磨してドロップレット等の表面欠陥を除去した上でＢ層を設けることで、Ａ層とＢ層の密着性が高まるとともに、Ｂ層の表面粗さを平滑な状態とすることができる。
　上記したＡ層への研磨を施すことにより、本発明におけるＢ層の表面は、算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ－Ｂ－０６０１－２００１に準拠）が０．２μｍ以下、最大高さＲｚ（ＪＩＳ－Ｂ－０６０１－２００１に準拠）が２．０μｍ以下、スキューネスＲｓｋ（ＪＩＳ－Ｂ－０６０１－２００１に準拠）が０未満とすることができる。
　硬質皮膜の表面に、ドロップレットや皮膜欠陥、不純物等が含まれると、金型として使用するのに適さない。そして、摺動環境下では、皮膜表面の凸部が起点となり、被加工材を攻撃し、摩耗粉を発生させることにより、皮膜剥離や摩耗が発生する。そのため、一般的な表面粗さである算術平均粗さＲａ、最大高さＲｚに加えては、凸部の頻度を把握するためにスキューネスＲｓｋを制御することが重要である。
　スキューネスＲｓｋは、振幅分布曲線の中心線に対する対象性を示すパラメータである。例えば、表面に凹部が多い皮膜表面の場合は、スキューネスＲｓｋが０未満を示し、凸部が多い場合にはスキューネスＲｓｋが０以上を示し、凸部と凹部の頻度を管理することが可能である。本発明では、凸部が少ないことが好ましく、スキューネスＲｓｋを０未満とすることがよい。

　研磨紙による磨きや、樹脂とダイヤモンド粒子からなるメディアを照射する磨きでは、算術平均粗さＲａや最大高さＲｚの表面粗さは低減できるが、凸部を確実に低減させることは容易ではなく、皮膜のスキューネスＲｓｋを０未満とするのは困難である。一方、ダイヤモンドペーストを用いたバフ研磨を実施すれば平滑かつ凸部の減少した表面が得られ易く、皮膜のスキューネスＲｓｋを０未満とするのに好ましい。

　Ａ層は窒化物であり、総膜厚が５μｍ以上であれば、単層であっても多層であってもよい。また、組成が異なる窒化物が交互に積層した積層皮膜であってもよい。
　Ａ層は研磨後の膜厚が８μｍ以上であることが好ましい。更には、Ａ層は１０μｍ以上であることが好ましい。但し、膜厚が厚くなり過ぎると、加工条件によっては皮膜剥離が発生し易くなる場合がある。そのため、Ａ層の膜厚は７０μｍ以下であることが好ましい。更には、６０μｍ以下であることが好ましい。更には、５０μｍ以下であることが好ましい。更には、４０μｍ以下であることが好ましい。

　Ａ層は、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の金属元素およびアルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、ホウ素（Ｂ）から選択される１種または２種以上の元素からなる窒化物であることが好ましい。これらの元素からなる窒化物は、耐熱性と耐摩耗性が高いため、耐久性に優れる。また、Ａ層の結晶構造は、耐久性がより優れる傾向にある面心立方格子（ｆｃｃ）構造とすることが好ましい。
　また過酷な使用環境においては、Ｂ層が磨滅する可能性も有り得る。よってＡ層が露出した状態でもある程度の耐久性を確保するために、Ａ層はクロム（Ｃｒ）を含有する窒化物を含むことが好ましい。具体的には例えば、ＣｒＮ、ＣｒＡｌＮ、ＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ等の硬質皮膜であることが好ましく、これらの硬質皮膜は耐摩耗性と耐熱性に優れる。また、硬質皮膜がクロムを含有することで加工中の金型表面に均一で緻密な酸化膜が形成され易くなり、損傷が抑制される傾向にある。そのため摺動中に摩擦熱が発生する高負荷環境で使用される金型においては、クロムを含有する窒化物を適用することで、被覆金型の寿命向上に有効であり好ましい。
　また、Ａ層はバナジウム（Ｖ）を含有する窒化物を含むことも好ましい。バナジウムを主体とする化合物は、２５～２００℃の使用温度域においてバナジウムが適度に酸化されるため、それが薄い酸化層として金型表面に形成され、相手材（被加工材）との親和性を低下させる。そのため、Ａ層が摺動特性に優れるバナジウムの窒化物を含有することで、硬質皮膜の全体が優れた摺動特性を有するものとなり、金型の使用中における皮膜表面への被加工材の付着を低減できる。そして、被加工材が鉄系の場合には、バナジウムの酸化物が、被加工材の表面や摩耗粉である鉄酸化物と反応して、鉄酸化物を軟化させるので、皮膜に摩耗粉が食い込むことにより進行するアブレシブ摩耗を抑制することができる。また、バナジウムの酸化物が被加工材の鉄酸化物を軟化させる効果は、摺動中に摩耗粉の発生を抑制する傾向にあり、プレス成型中の作業面にて局部的なスクラッチやカジリを抑えることができる。

　本発明のＡ層は単層の場合、クロム窒化物またはバナジウム窒化物であることが好ましい。このクロム窒化物は、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の金属元素およびアルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、ホウ素（Ｂ）から選択される１種または２種以上の元素を添加しているものも含む。

　上記のクロムとバナジウムの添加効果を効果的に得るために、Ａ層はクロムを含有する窒化物とバナジウムを含有する窒化物とが交互に積層された積層皮膜を含むことが好ましい。このような積層皮膜とすることで、硬質皮膜の主体である厚膜のＡ層に、優れた耐摩耗性と耐熱性が付与されると同時に優れた摺動特性も付与され、被覆金型の耐久性をより向上させることができる。
　クロムを含有する窒化物は、金属部分の原子比率でクロムが３０％以上の窒化物であることが好ましい。また、バナジウムを含有する窒化物は、金属部分の原子比率でバナジウムが６０％以上の窒化物であることが好ましい。より好ましくは７０％以上、更には８０％以上である。

　耐摩耗性と耐熱性に優れるクロムを含有する窒化物と、摺動特性に優れるバナジウムを含有する窒化物の両特性を効果的に発現させるには、積層皮膜の個々の膜厚を１００ｎｍ以下とすることが好ましい。積層皮膜の個々の膜厚を制御することで、上記の諸特性をバランスよく併せもった被覆金型となる。そして、使用中の各温度環境でも皮膜摺動面の凹凸発生が抑えられ、かつ被加工材への攻撃性も低いことから、摺動時に発生するカジリ等の損傷を抑制し、被覆金型の寿命を改善できる。より好ましい個々の膜厚は、５０ｎｍ未満、更には２０ｎｍ未満である。また、個々の膜厚は３ｎｍ以上であることが好ましい。

　更に、本発明では、過酷な使用環境下でも十分な摺動特性を再現するために、バナジウムを含有する窒化物の膜厚がクロムを含有する窒化物の膜厚よりも厚膜であることが好ましい。更に、バナジウムを含有する窒化物の膜厚がクロムを含有する窒化物の膜厚より１．５倍以上であれば、摺動特性を高めるバナジウムの酸化物が十分に生成されるのでより好ましい。より好ましくは２．０倍以上である。
　また、概ね３００℃以上の使用温度域になると、バナジウムを主体とする化合物の酸化が更に進行することから、過剰な酸化物が形成されるため、使用環境によっては、耐摩耗性が低下する場合がある。そのため、バナジウムを含有する窒化物の膜厚はクロムを含有する窒化物の膜厚の４．０倍以下とすることが好ましい。

　本発明のＡ層は多層の場合、クロム窒化物とバナジウム窒化物との積層被膜であることが好ましく、クロム窒化物とバナジウム窒化物とが交互に積層していることがさらに好ましい。またクロム窒化物は、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の金属元素およびアルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、ホウ素（Ｂ）から選択される１種または２種以上の元素が添加されていてもよい。

　Ｂ層は、ｓｐ^２結合、ｓｐ^３結合などの炭素原子同士の結合を有するカーボン、および/または炭素原子同士の結合を有していないフリーカーボンを含んだダイヤモンドライクカーボン皮膜であることが好ましい。より高い摺動特性を付与するためには、ｓｐ^３結合よりもｓｐ^２結合の含有量が多いダイヤモンドライクカーボン皮膜であることが好ましい。Ｂ層は、Ｂ層を構成する元素のうち炭素原子が最も多い範囲であれば、必要に応じて他の元素を含有してもよい。
　Ｂ層は、耐摩耗性や耐熱性等の特性を付与するために、金属（半金属を含む）元素を含有することが好ましい。Ｂ層に含まれる金属（半金属を含む）元素は、金属、合金、炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物、炭ホウ化物等の化合物の形態で含有すればよい。好ましくは金属（半金属を含む）元素の含有比率（原子％）は２％以上である。更には、５％以上であることが好ましい。但し、金属（半金属を含む）元素の含有比率が多くなると、摺動特性が低下する傾向にある。そのため、Ｂ層は、金属（半金属を含む）元素の含有比率（原子％）が２０％以下であることが好ましい。更には、１０％以下であることが好ましい。
　また、Ｂ層は、耐熱性を付与するために、窒素を含有したダイヤモンドライクカーボン皮膜であることが好ましい。ダイヤモンドライクカーボン皮膜が窒素を含有することで、皮膜により優れた耐熱性を付与することができる。好ましくは窒素の含有比率（原子％）は５％以上である。更には、１０％以上であることが好ましい。但し、窒素の含有量が多くなり過ぎると摺動特性が低下する傾向にある。そのため、Ｂ層は、優れた耐熱性を付与するために、窒素の含有比率（原子％）が２０％以下であることが好ましい。更には、１５％以下であることが好ましい。
　また、Ｂ層は、水素を含有するダイヤモンドライクカーボン皮膜であることが好ましい。ダイヤモンドライクカーボン皮膜が水素を含有することで、皮膜硬度が低下してより優れた摺動特性を付与することができる。好ましくは水素の含有比率（原子％）が５％以上である。更には、１０％以上であることが好ましい。但し、水素の含有量が多くなり過ぎると耐摩耗性が低下する傾向にある。そのため、Ｂ層は、水素の含有比率（原子％）が３０％以下であることが好ましい。更には、２５％以下であることが好ましい。
　Ｂ層は、金属（半金属を含む）元素、窒素、水素をそれぞれを単独で含有してもよいし、同時に含有してもよい。例えば、Ｂ層は、金属（半金属を含む）元素、窒素、水素を同時に含有してもよいし、窒素、水素のみを含有してもよいし、金属（半金属を含む）元素と窒素のみを含有してもよいし、金属（半金属を含む）元素と水素のみを含有してもよい。
　Ｂ層は単層であっても多層であってもよい。Ｂ層は、Ａｒ等の希ガスや酸素等を含みうる。

　Ｂ層は、膜厚が１μｍ以上であることが好ましい。更には、２μｍ以上であることが好ましい。但し、膜厚が厚くなり過ぎると、加工条件によっては皮膜剥離が発生し易くなる場合がある。そのため、Ｂ層の膜厚は１５μｍ以下であることが好ましい。更には、１２μｍ以下であることが好ましい。

　本発明の金型材料は特段に定めるものではないが、冷間ダイス鋼、熱間ダイス鋼、高速度工具鋼または超硬合金等を適宜使用することができる。金型は、窒化処理または浸炭処理等といった拡散を利用した表面硬化処理を予め適用したものでもよい。

　本発明に係る硬質皮膜は、ＰＶＤ法で被覆することで、冷間ダイス鋼、熱間ダイス鋼または高速度鋼等の金型材料の焼き戻し温度より低温で被覆処理が可能となり、金型の寸法の変動を抑制することができる。また、硬質皮膜に残留圧縮応力を付与することができ、硬質皮膜の機械特性も改善できるので好ましい。
　Ａ層は、ＰＶＤ法の中でも皮膜の密着性に優れるアークイオンプレーティング法で被覆することが好ましい。アークイオンプレーティング法でＡ層を被覆した後、炉内から試料を取出してＡ層の表面を研磨し、その後、スパッタリング法でＢ層を被覆することが好ましい。Ｂ層をスパッタリング法で被覆することでより平滑で摺動特性に優れるダイヤモンドライクカーボン皮膜を被覆することができる。Ｂ層の被覆では、グラファイトターゲットに電力を投入して、反応ガスとして炭化水素ガスと窒素ガスを用いてスパッタリング法で被覆することが好ましい。特に非平衡マグネトロンスパッタリング法を用いて被覆することが好ましい。また、Ｂ層の被覆では、プラズマＣＶＤを用いてもよい。プラズマＣＶＤを用いることで、より生産性が優れるので好ましい。
　Ｂ層の表面は、より平滑な表面状態にするため研磨しても良い。

　Ａ層の表面を研磨するには、次のような機械的研磨が好ましい。
　（１）ダイヤモンドペースト等の研磨剤を保持した研磨布で硬質皮膜の表面を磨く方法
　（２）ダイヤモンド粒子と含水した研磨剤を用い、金型に被覆された皮膜に研磨剤を高速で滑走させて、発生する摩擦力によって磨く、いわゆるエアロラップ（登録商標）等による研磨方法
　また本発明では上記の研磨方法に加えてエアーを使用せずに弾性と粘着性を持った研磨剤を噴射することで磨く、いわゆるスマップ（ＳＭＡＰ）（亀井鉄工所製の鏡面ショットマシンである）等による研磨を行ってもよく、これらの機械的研磨の後に３μｍ以下のダイヤモンドペースト磨きを行っても良い。これらにより、より好ましい平滑化が実現できる。
　これらの研磨によりＡ層の表面粗さを算術平均粗さＲａ≦０．２μｍ、最大高さＲｚ≦２．０μｍ、スキューネスＲｓｋ＜０とする。尚、算術平均粗さＲａを０．０５μｍ以下、最大高さＲｚを１．００μｍ以下としておくことが好ましい。

　金型とＡ層の間には、金型とＡ層との密着性を高めるために、必要に応じて、金属、炭化物、炭窒化物またはＡ層の組成と異なる窒化物等の硬質皮膜を被覆してもよい。
　また、Ａ層とＢ層の密着性を高めるために、必要に応じて、Ｂ層を被覆する前にＡ層の組成と異なる別の皮膜を設けてもよい。このとき、Ａ層の表面を研磨した後、金属、炭化物、炭窒化物またはＡ層の組成と異なる窒化物等の硬質皮膜を設けることが好ましい。
このＡ層とＢ層との間の皮膜は、より密着性を高めるために金属チタンを含有する皮膜であることがより好ましい。
　また、Ｂ層の上層には、必要に応じて、金属、炭化物、炭窒化物または窒化物等の硬質皮膜を被覆してもよい。

　本発明は、金型の作業面が被加工材と激しく摺動する環境にある塑性加工用金型に適用することが好ましい。特に、被加工材が４００℃以上に加熱される温間加工や熱間加工に適用される被覆金型に適用することで、寿命改善の効果が大きく好ましい。
　更には、被加工材を加熱してプレス成形と同時に焼入れを行うホットスタンプ用金型に適用することが好ましい。更には、アルミや亜鉛等をメッキしたメッキ鋼板を加工する金型に適用することが好ましい。

　Ａ層の被覆には、複数のターゲットが取り囲む中心で金型が回転する構造のアークイオンプレーティング装置を用いた。硬質皮膜の金属または合金成分を構成する金属ターゲットを粉末冶金法で作製し、この金属ターゲットをアークイオンプレーティング装置に装着した。金型には熱間ダイス鋼ＳＫＤ６１の鏡面仕上げ品を使用し、アークイオンプレーティング装置に入れる前に、十分に脱脂洗浄を行った。コーティング装置内における初期工程としては、チャンバーに設置された図示しない加熱用ヒーターにより、金型を４５０℃付近に加熱し、５０分間保持した。次に、Ａｒガスを導入し、金型には－２００Ｖ～－５００Ｖのバイアス電圧を印加して、２０分間のプラズマクリーニング処理（Ａｒイオンエッチング）を行った。
　続いて、金型には－８００Ｖのバイアス電圧を印加して、金属Ｔｉターゲットを用いて金属イオンエッチングを約５分間行った（金属イオンエッチング後の冷却を含む）。以下、各試料の被覆条件の詳細を説明する。

＜試料Ｎｏ．１＞
　金型のイオンエッチング後、窒素ガスを導入し、金型には－１３０Ｖのバイアス電圧を印加して、金型温度４５０℃、反応ガス圧力３．０Ｐａ、アーク電流１００Ａの条件で、約３．０～５．０μｍの膜厚になるようＣｒＮであるＡ層を被覆した。被覆工程中の金型の回転数は３ｒｐｍとした。
　その後、ＣｒＮの表面を平滑に研磨するため、金型をチャンバーから取り出して、ヤマシタワークス社製エアロラップ装置(ＡＥＲＯ　ＬＡＰ　ＹＴ-３００)を使用して表面研磨を行った。さらにその後、１μｍのダイヤモンドペーストにてポリッシング研磨し、算術平均粗さＲａが０．２μｍ以下、かつ最大高さＲｚが２.０μｍ以下、スキューネスＲｓｋが０未満となるように研磨した。

　Ｂ層の被覆には、スパッタリング装置を使用した。この装置には金属ＴｉターゲットとグラファイトＣターゲットを装着した。Ａ層が被覆された金型を十分に脱脂洗浄した後、スパッタリング装置内に設置した。スパッタリング装置内における初期工程としては、チャンバーに設置された加熱用ヒーターにて２００℃付近に加熱し、５０分保持した。次に、Ａｒガスを導入し、金型には－２００Ｖ～－５００Ｖのバイアス電圧を印加して、２０分間のプラズマクリーニング処理（Ａｒイオンエッチング）を行った。
　次に、金型には－５０Ｖのバイアス電圧を印加し、Ａｒガス、炭化水素ガス、窒素ガスを導入し、スパッタ電力０．５ｋＷ～１０ｋＷの条件で、金属チタンと炭素とからなる（炭化チタンを含む）中間層を被覆し、その上に、最表層である約４μｍ程度の膜厚を有するダイヤモンドライクカーボンのＢ層を被覆した。被覆工程中の金型の回転数は３ｒｐｍとした。

＜試料Ｎｏ．２、３＞
　Ａ層としてＡｌ６０Ｃｒ３７Ｓｉ３Ｎ（ａｔ％）とＶＮとの交互積層構造（以下、ＡｌＣｒＳｉＮ／ＶＮとも記載する。）からなる被膜を形成した。その他のＢ層の条件等は、試料Ｎｏ．１と同じとした。

＜試料Ｎｏ．１１＞
　Ａ層としてＣｒＮを被覆し、Ａ層表面研磨には、ヤマシタワークス社製エアロラップ装置(ＡＥＲＯ　ＬＡＰ　ＹＴ-３００)による研磨のみを実施した。その後のＢ層の成膜条件等は試料Ｎｏ．１と同じとした。

＜試料Ｎｏ．１２、１３＞
　試料Ｎｏ．１２はＡ層にＣｒＮ、試料Ｎｏ．１３はＡ層にＡｌＣｒＳｉＮ／ＶＮを被覆し、いずれもＡ層の表面研磨を実施せずに、Ｂ層を被覆した。Ｂ層の成膜条件は試料Ｎｏ．１と同じとした。

＜試料Ｎｏ．１４、１５、１６＞
　試料Ｎｏ．１４、１５、１６のいずれもＡ層にＣｒＮを被覆し、Ｂ層の被覆は行わなかった。試料Ｎｏ．１４はＡ層の表面研磨に、エアロラップによる研磨と、１μｍのダイヤモンドペーストによるポリッシング研磨とを実施した。試料Ｎｏ．１５はＡ層の表面研磨にエアロラップによる研磨のみを行い、試料Ｎｏ．１６はＡ層の表面研磨を実施しなかった。表１には各試料の試験条件を示す。また図２に本発明例である試料Ｎｏ．２の被膜断面の拡大写真を、図３に比較例である試料Ｎｏ．１４の被膜断面の拡大写真を示す。

　これらの試料について、その硬質皮膜の表面粗さ測定、スクラッチ試験、耐熱試験、ボールオンディスク試験を行った。各評価試験方法を以下に示す。

（表面粗さ測定）
　表面粗さの測定には、東京精密（株）製触針式粗さ計（サーフコム）を用いた。測定条件は評価長さ４ｍｍ、測定速度０．３ｍｍ/ｓ、カットオフ値０．８ｍｍ、フィルタ種別をガウシアンとした。測定結果を表２に示す。本発明例である試料Ｎｏ．１～３は、いずれもＲａ≦０．２ｍｍ、Ｒｚ≦２．０ｍｍ、Ｒｓｋ＜０という値を示しており、表面が平滑かつ凸部が少ないことが分かる。Ａ層表面をエアロラップ研磨のみで仕上げた比較例の試料Ｎｏ．１１と１５は、Ｒｓｋ＞０であり、狙いとする表面粗さを満足していない。Ａ層表面の研磨を実施していない他の比較例試料においても、Ｒｚ＞２．０、Ｒｓｋ＞０となっており、目標とする表面粗さを有していなかった。また、Ｎｏ．１４は、Ｂ層が形成されていなく、表２に示す表面粗さは、Ａ層の表面粗さであり、このＡ層の表面粗さがＲａ≦０．２ｍｍ、Ｒｚ≦２．０ｍｍ、Ｒｓｋ＜０となっている。このＮｏ．１４は、Ｎｏ．１～３と同じＡ層の研磨を行っている。つまり、Ｎｏ．１～３のＡ層の表面粗さもＲａ≦０．２ｍｍ、Ｒｚ≦２．０ｍｍ、Ｒｓｋ＜０となっていることがわかる。

（スクラッチ試験）
　続いて皮膜の密着性を評価するために、ＣＳＭ社製スクラッチ試験機（ＲＥＶＥＴＥＳＴ）を用い、皮膜の剥離荷重を測定した。
　測定条件は、測定荷重：０．９～１２０Ｎ、荷重スピード：９９．２５Ｎ／ｍｉｎ、スクラッチスピード：１０ｍｍ／ｍｉｎ、スクラッチ距離：１２ｍｍ、ＡＥ感度：５、圧子：ロックウェル、ダイヤモンド、先端半径：２００μｍ、ハードウェア設定：Ｆｎコンタクト０．９Ｎ、Ｆｎスピード：５Ｎ／ｓ、Ｆｎ除去スピード：１０Ｎ／ｓ、アプローチスピード：２％／ｓとした。皮膜の剥離臨界荷重値は、測定によって得られる摩擦力が変動した荷重値、または硬質皮膜が金型から全て剥がれた時の荷重とした。測定結果を表２および図１に示す。
　表２および図１より、いずれの試料も剥離臨界荷重値は９０Ｎ以上の高い密着性が得られている。これは被膜が５μｍ以上と非常に厚いためであり、その中でもＡ層の膜厚が９μｍと、他の試料よりも厚くなっている本発明例の試料Ｎｏ．３は、１２０Ｎの測定荷重においても剥離が発生しなかった。

　（耐熱試験）
　耐熱試験は被膜の耐酸化性を評価するために、各試料を恒温制御式の大気炉にて、４００℃×１ｈ加熱した後、被膜断面観察により、膜厚の減少や酸化層の形成の有無から、被膜の耐熱性を評価した。例えばＣ（炭素）からなるＤＬＣ被膜等の場合、酸化すると被膜のＣがＣＯ２ガスとなるため、膜厚の低減が発生する。窒化物被膜の場合は，酸化が進行すると窒化物が酸化物に置き換わり，その結果，低密度な酸化物被膜が形成する。測定結果を表２と図４に示す。いずれの試料も大気炉による加熱後は、被膜厚みの減少や、酸化層の形成は発生しておらず、耐熱性に問題はないことが確認できた。

（ボールオンディスク試験）
各試料について、相手材をＺｎおよびＡｌとしたときの摺動特性を評価した。試験条件は、ボールオンディスク試験機（ＣＳＭ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製Ｔｒｉｂｏｍｅｔｅｒ）を使用した。２５℃（常温）にて、コーティング皮膜に相手材となる先端径φ６のＺｎピン、またはφ６のＡｌボールを１０Ｎの荷重で押し付けながら、円盤状試験片を１０ｃｍ／秒の速度で回転させた。試験距離は、５０ｍとし、摩擦係数は全試験距離の平均値をとった。表３、図４および図５に各温度における各種皮膜の摩耗係数を示す。また、図６に摺動部の外観写真を示す。
本発明例の試料Ｎｏ．１～３は、相手材がＺｎおよびＡｌの場合において、摺動面への凝着は確認されなかった。また摩擦係数についても、Ｚｎに対して０．１５以下、Ａｌに対しては０．２５以下と低い値を示しており、安定した摩擦挙動を有していた。これに対して表面粗さが粗い比較例のＮｏ.１１～１３は、相手材がＺｎおよびＡｌの場合において凝着が多くなり、摩擦係数も大きくなっていた。Ｂ層を被覆していない比較例の試料Ｎｏ.１４～１６は、表面粗さに関係なく相手材が凝着していた。

 

Claims (5)

1. 　表面に硬質皮膜を有する被覆金型であって、前記硬質皮膜は、膜厚が５μｍ以上の窒化物からなるＡ層と、ダイヤモンドライクカーボン皮膜からなるＢ層とを含み、前記Ｂ層は前記Ａ層よりも外表面側にあり、前記Ｂ層の表面が、算術平均粗さＲａ≦０．２μｍ、最大高さＲｚ≦２．０μｍ、スキューネスＲｓｋ＜０を満たすことを特徴とする被覆金型。
2. 　前記Ａ層がクロムを含有する窒化物とバナジウムを含有する窒化物とが交互に積層された積層皮膜であることを特徴とする、請求項１に記載の被覆金型。
3. 　前記Ａ層の膜厚が８μｍ以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載の被覆金型。
4. 　表面に硬質皮膜を有する覆金型の製造方法であって、
   　膜厚が５μｍ以上の窒化物からなるＡ層を被覆する工程と、
   　前記Ａ層の表面を研磨し、前記Ａ層の表面粗さをＲａ≦０．２μｍ、Ｒｚ≦２．０μｍ、Ｒｓｋ＜０とする表面研磨工程と、
   前記Ａ層の表面研磨工程の後、ダイヤモンドライクカーボン皮膜からなるＢ層を被覆する工程と、を含み、
   前記Ｂ層の表面が、算術平均面粗さＲａ≦０．２μｍ、最大高さＲｚ≦２．０μｍ、スキューネスＲｓｋ＜０を満たすことを特徴とする被覆金型の製造方法。
5. 　前記Ａ層の膜厚が８μｍ以上であることを特徴とする、請求項４に記載の被覆金型の製造方法。

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