JP6232438B2 - 金属成形部材用耐疲労性コーティング - Google Patents

Description

本開示は一般に、金属成形用途に使用される治具及びダイに関する。本開示は詳しくは、耐疲労、耐摩耗及び耐摩擦複合コーティングに関し、かつ、当該コーティングが表面に配置された金属成形部材に関する。

関連出願の相互参照
本願は、２０１２年１０月２２日に出願された「金属成形部材用耐疲労性コーティング」との名称の、米国仮特許出願第６１／７１６９６５号の優先権の利益を主張する。その主題はその全体が参照として組み入れられる。

ダイ等のような金属成形部材は、高サイクル圧力及び高摩擦条件にさらされる。産業は近年、これまで用いられていた鋼合金よりもはるかに大きな引張り強さを示す先進高強度鋼合金（ＡＨＳＳ）を使用する方向に向かっている。典型的なＡＨＳＳ合金においては、７００ＭＰａを超える引張り強さが明らかとなっている。特定例において、引張り強さが９００〜１２００ＭＰａの範囲にある合金が、自動車等用の構造部材の製造に用いられている。ＡＨＳＳ鋼は、その高強度ゆえに成形するのが非常に難しく、その成形に使用されるダイは、高衝撃かつ高圧力の条件にさらされる。ダイの表面は、高衝撃かつ高圧力の条件に加え、使用時には非常に高い摩擦力を受ける。こうした高圧力、高摩擦の条件は、成形ダイ等に対して極度の摩耗を引き起こすので、その耐用年数が大きく損なわれる。

いくつかの例において、先行技術は、様々な処理工程によってダイの表面を硬化しようとした。しかしながら、その結果は、限られた成果をもたらしただけであった。他のアプローチでは、ダイは、窒化チタン、炭窒化チタン、窒化クロム、窒化チタンアルミニウム等を含む様々な高硬度かつ耐摩耗性のコーティングによってコーティングされている。他のアプローチでは、炭化バナジウムのような材料の熱拡散コーティング、及び炭化チタンのような化学蒸着（ＣＶＤ）コーティングが利用されている。これらの表面向上技術はそれぞれ、強度レベルが４００ＭＰａ未満の従来型合金を形成するべく使用されるダイの耐用年数を延ばすことに成功することを実証している一方、当該技術すべてが、ＡＨＳＳ合金に関与する成形作業の性能が不十分であることを証明している。

いくつかの例において、熱拡散及びＣＶＤコーティングは、ＡＨＳＳ合金の成形に使用されるダイの耐用年数を延ばすことがわかっている。しかしながら、これらの工程は双方とも、一般に使用される治具鋼ダイ材料の、蒸着及び熱処理中の結晶構造の変化から生じるダイの寸法変化をもたらす傾向がある。こうした寸法変化の程度は、成形ダイのユーザによって画定される寸法仕様から外れる場合が非常に多いので、かかる工程は一般に許容不可能となる。さらに、熱拡散コーティングは比較的高い摩擦係数を有するので、高張力ＡＨＳＳ材料の成形において発生する高レベルの摩擦力に適合しない。

プラズマ蒸着（ＰＶＤ）コーティングは、ＣＶＤコーティング及び熱拡散コーティングとは異なり、許容不能な寸法変化を成形ダイに引き起こすことはないが、かかるコーティングには、高張力材料成形用途での使用を制限する他の制約を有するものが多い。窒化クロム、窒化チタンアルミニウム等のようなＰＶＤコーティングは、その柱状構造ゆえに、引張り強さが４００ＭＰａを超える材料の成形に見出されるような高圧力／衝撃条件を受けると、クラックの影響を受けやすい。従来型ＰＶＤコーティングによるコーティングに先立ってダイの表面を外層硬化することによって、ダイの表面硬度が増してコーティングの変形及びクラックが防止されるので、ダイの性能には、ある程度の向上が達成される。しかしながら、このアプローチは、限られた成功をもたらすだけであって、有用となるのは、成形対象鋼合金の引張り強さが８００ＭＰａ未満である例に限られる。

以上の結果、ＡＨＳＳ合金材料の成形に関連して使用されるダイのような金属成形部材の耐用年数を改善するコーティング及び方法が必要とされている。かかるコーティングは、成形工程中に生じる非常に高い圧力及び高い摩擦条件下で耐久性を示す必要があり、かつ、ダイの寸法パラメータに悪影響を及ぼしてはならない。加えて、当該コーティングの適用工程は、簡潔、経済的、実装容易、かつ、再コーティング可能とする必要がある。本開示は、以下に詳細に説明されるように、上記目的を達成する金属成形部材用の複合コーティングを与える。

米国特許第６，２７４，２５７号明細書 米国特許出願公開第２００７−０１６３６５５（Ａ１）号明細書

本開示は、金属成形部材用の複合コーティングを与える。コーティングは、金属成形部材上に配置された第１層を含む。第１層は、少なくとも一つのドーパントがドーピングされた窒化クロムを含む。第１層の上には第２層が配置される。第２層は、低合金綱に当接させて測定された摩擦係数が０．２以下の潤滑性材料を含む。ドーパントは、Ｗ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｏ、Ｍｏ及びＴａの一以上からなる群から選択され得る。一例において、ドーパントはＷである。ドーパントは、１〜１０原子パーセント、例えば３〜７原子パーセントの範囲で存在し得る。特定例では、前記ドーパントは、近似的に５原子パーセントの量で存在する。第１層の厚さは、１〜１０マイクロメートルの範囲、例えば４〜６マイクロメートルの範囲にあり得る。第１層の硬度は、２〜５ＫＨｖ、例えば３〜４ＫＨｖ、特定例では３．６〜３．８ＫＨｖの範囲にある。

さらなる例において、第２層は、低合金綱に当接させて測定された摩擦係数が０．１〜０．１５の範囲にある。第２層の厚さは、０．５〜５マイクロメートルの範囲、特定例では１．２マイクロメートルであり得る。第２層は、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸窒化物、炭素系コーティング、モリブデン系固体潤滑膜コーティング、及びこれらの組み合わせの群から選択された少なくとも一つの材料を含み得る。なおもさらなる例において、第２層はＴｉＣＮを含む。

本開示はさらに、ここに記載されるいずれかの複合コーティングを含む金属成形部材を与える。金属成形部材はダイを含み得る。

本開示はさらに、金属成形部材をコーティングする方法であって、上述のコーティングのいずれか一つの複合コーティングを当該金属成形部材に適用することを含む方法を与える。複合コーティングの層の少なくとも一つは、プラズマ蒸着工程によって適用される。さらなる例において、本開示は、先進高強度鋼の基体を成形する方法を与える。方法は、ここに記載される金属成形部材の使用を含む。先進高強度鋼は、引張り強さが少なくとも７００ＭＰａ、例えば強さが少なくとも９００ＭＰａ、特定例では強さが少なくとも１０００ＭＰａであり得る。

以下の図面を参照することによって以下の詳細な説明が、最もよく理解される。

様々なコーティング材料の衝撃及び摺動摩耗の評価を行うべく使用された、休止位置にある（回転された位置を仮想鎖線で示す）一例の試験装置を例示する。 回転された位置にある図１Ａの一例の試験装置を例示する。 高圧力衝撃後の、先行技術の非ドーピングＣｒＮコーティング層の顕微鏡写真を例示する。 衝撃２００Ｎかつ摺動摩擦４００Ｎの条件下での、図１の装置におけるサイクル後の先行技術ＣｒＮ層の上面図を例示する。 図３と同様の試験処置後の、本開示に係るＣｒＷＮコーティングの顕微鏡写真を例示する。 ２２０結晶方位を示す先行技術のＣｒＮ膜のＸ線回折データを例示する。 本開示に係るタングステンドーピング済み材料のＸ線回折データを例示する。 本開示の複合コーティングが上に配置された物品の断面顕微鏡写真を例示する。 衝撃負荷４００Ｎかつ摺動負荷４００Ｎの条件下での図１の装置における１５００サイクル試験後の、図７のコーティングされた物品表面の顕微鏡写真を例示する。

本開示は、ダイ等のような金属成形部材用の複合コーティングに関する。コーティングは、金属加工部材の少なくとも成形表面上に配置され、かつ、ドーピング済み窒化クロムセラミックの第１層を含む。窒化クロムは高硬度材料であるが、基本材料の柱状の性質により、高圧力条件下ではクラックが明らかとなり得る。本開示によれば、例えば１〜１０原子パーセントの範囲にある比較的少量のドーパント材料を包含させることにより、当該材料にわたるクラックの形成及び／又は伝播が大幅に制限される。推測によって束縛されることを望むわけではないが、結晶マトリクスにおいてドーパント材料が窒化クロムを置換する結果、クラックの伝播が防止されると考えられる。ドーパントの例は、単独で又は組み合わせて使用されるＷ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｏ、Ｍｏ及びＴａを含むがこれらに限られない。いくつかの例において、Ｗがドーパントとして用いられる。上述したように、置換ドーピングと整合する１〜１０原子パーセントのドーパントレベルを用いることができる。特定例では、ドーパントレベルは、３〜７原子パーセントの範囲にあり、５原子パーセントが１つの特定ドーパントレベルである。

一例において、材料の第１層は一般に、厚さが１〜１０マイクロメートルの範囲にあり、特定例では近似的に４〜６マイクロメートルである。第１層の硬度は典型的に３０００〜４０００Ｈｖの範囲にあり、本開示において利用される１つの特定材料は、近似的に５原子パーセントのＷがドーピングされたＣｒＮを含み、かつ、３２００〜３８００Ｈｖの範囲の硬度を証明している。

第１層の上には、潤滑材料からなる第２層が配置される。本開示によれば、この第２層は、典型的には鋼に対して０．２未満の低い摩擦係数を有する必要がある。特定例では、第２層は、摩擦係数が０．１〜０．１５の範囲である。潤滑性材料の層の厚さは典型的に、ドーピング済み窒化クロムの層の厚さ未満となり、一般には０．５〜５マイクロメートルの範囲の厚さ、特定例では１〜３マイクロメートルの範囲の厚さとなる。潤滑層を成形するべく、一定数の材料を用いることができる。こうした材料は、その摩擦係数が０．２を超えることがなく、好ましくは０．２未満であるとの条件のもと、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸窒化物、炭素系コーティング、又はモリブデン系固体潤滑膜コーティング等を含み得る。一例において、本開示において利用される特定の材料はＴｉＣＮを含み、他のかかる材料も、当業者にとってすぐにわかるだろう。

置換ドーピングがされた窒化クロムと低摩擦係数潤滑層との組み合わせが、ＡＨＳＳ合金材料の使用において生じる高衝撃かつ高摩擦成形条件下で比較的長い耐用年数を与えることができる耐摩耗性コーティングを与えることが決定された。

本開示のコーティングは、当該層の少なくとも一つ、好ましくは双方が成形されるプラズマ蒸着（ＰＶＤ）工程によって調製されるのが有利である。かかる工程は、コスト効率がよく、かつ、金属成形ダイ等の複合表面上に均一かつ精密な層厚さをもたらすべく容易に制御することができる。かかるＰＶＤ工程は業界周知である。いくつかの例において、本開示の方法は、ダイ及びコーティングの性能を最大限する前処理及び後処理工程と組み合わせることができる。例えば、ダイ材料自体は、当業界周知の窒化、浸炭及びフェライト浸炭のような技術によって研摩し及び／又は外層硬化することができる。非常に高張力の合金を成形対象とする例では、かかる硬化工程が有利であることがわかっている。同様に、ダイ材料自体が比較的低強度の場合も硬化技術を用いることが有利である。さらに、いくつかの例において、コーティングされたダイ表面を研摩して焼き付き抵抗をさらに増大させることも有利である。

本開示において、主にドーピング済み窒化クロムに由来する衝撃抵抗と、主に第２層に由来する低摩擦係数との組み合わせにより、各層個別に達成される疲労抵抗と比べて優れた疲労抵抗が得られる。以下に詳述するが、複数層の組み合わせが相乗的に相互作用を起こすことにより、コーティングされたダイの、高圧力かつ高摩擦条件下での耐用年数が大幅に向上する。

実験

本開示の原理が、特定の一連の実験及び例を介して例示される。これらは、近似的に５原子パーセントのタングステンがドーピングされかつ厚さが４〜６ミクロンの範囲の高硬度窒化クロムの第１層と、炭窒化チタンからなる厚さが近似的に１〜２ミクロンの潤滑性の第２層とを含む複合コーティングに関する。このコーティングの全体的な硬度は３６００〜３８００Ｈｖの範囲にあり、その摩擦係数は０．１〜０．１５の範囲にある。

ここで図１Ａ〜１Ｂを参照すると、様々なコーティング材料の衝撃及び摺動摩耗の評価を実行するべく使用された試験装置が示される。この装置において、試料３は硬化炭化物球２による衝撃を受ける。硬化炭化物球２は空気シリンダ１によって駆動される。試料は、本開示に係る表面コーティングを含む鋼治具であり得る。試料３は、回転可能な揺れ腕５に取り付けられる。揺れ腕５は、ころ軸受７を介して剛性フレーム４に支持される。揺れ腕５は、戻りばねアセンブリ６によって付勢される。戻りばねアセンブリ６は、試料３上のコーティングに送達される力の量を制御する。球による試料の初期衝撃に引き続いて揺れ腕が枢動するので、当該球は、試験片の表面コーティングに沿いに摺動可能となる。揺れ腕５は図１Ａにおいて休止しており、図１Ｂにおいて回転されている。硬化球２が、表面がコーティングされた試料３に当接して異なる位置まで摺動する。鎖線は、図１Ａにおける衝撃中に揺れ腕５が回転するときの物体の動きを仮想的に表す。

図１Ａ〜１Ｂに示されるように、典型的な摩耗の傷跡は、頭部から尾部までの外見を表し得る。こうした例では、室温において試験が行われた。一特定例において、衝撃負荷は８０Ｎに保持され、摺動負荷は２００Ｎであった。他例において、衝撃負荷は約２００〜４００Ｎの間で適用され、摺動負荷は４００Ｎである。

図２は、高圧力衝撃後の、典型的な非ドーピングＣｒＮコーティング層の顕微鏡写真である。わかることだが、衝撃負荷８０Ｎかつ摺動負荷２００Ｎにおける近似的に１５００回の一連のサイクルの後に、一定数のクラックが形成され、かつ、ＣｒＮ層を通って伝播していた。図３は、衝撃２００Ｎかつ摺動摩擦４００Ｎの条件下での図１の装置におけるサイクル後のＣｒＮ層の上面図である。わかることだが、コーティングにはクラックの開始が示される。

図４は、同様の試験処置後の、本開示のＣｒＷＮコーティングの顕微鏡写真である。わかることだが、このコーティングにはクラックがなんら証明されていない。置換ドーパントを、この場合は５原子パーセントのタングステンを包含させることにより、合金のクラック抵抗が大幅に向上する。これは、図５及び６から明らかなように、材料の結晶方位が変化することに起因すると考えられる。図５は、２２０結晶方位を示すＣｒＮ膜のＸ線回折データを示す。図６は、本開示のタングステンドーピング済み材料の、対応するＸ線回折データを示す。わかることだが、この材料は２２０、１１１及び２００の方位を証明している。この多方向性の非柱状構造が、本開示のドーピング済み材料のクラック抵抗に関与すると考えられる。

一例において、複合構造が、本開示のドーピング済み窒化クロムを炭窒化チタンの潤滑層と組み合わせて利用することによって調製された。これは、全体的な硬度が３６００〜３８００Ｈｖかつ摩擦係数が０．１〜０．１５の複合構造をもたらした。図７は、例えば鋼製治具のような、本開示の複合コーティングが上に配置された物品の断面顕微鏡写真である。図８は、衝撃負荷４００Ｎかつ摺動負荷４００Ｎにおける図１の装置における１５００サイクル試験後の、図７のコーティングされた物品表面の顕微鏡写真である。わかることだが、こうした極端な条件下でも上側潤滑層を通る摩耗は見られなかった。何らかのクラックが衝撃部位において明らかではあるが、これは、コーティングを支持する基礎材料の過負荷及び変形に関連する。基体が外層硬化されている場合、このクラックは見られない。注目すべきなのは、材料の残りの部分にはクラックが見られないことである。

上述の一連の実験からわかることだが、本開示により、ＡＨＳＳ合金材料の成形中に生じる非常に高い圧力条件下での衝撃及び摺動摩擦に対する組み合わされた抵抗が、構成層が相乗的に相互作用をすることによって与えられる複合層コーティングが得られる。その結果、本開示のコーティングの使用によって、ダイ及び他の金属成形材料の耐用年数が大幅に延びる。これにより、設備コスト及びダウンタイムが最小限となる。

本開示がいくつかの特定の実施形態に関連して記載されてきたが、他の修正例及び変形例も実装できることも理解すべきである。例えば、追加の高硬度及び／又は潤滑層を、本発明の複合コーティングの構造に組み入れることができる。さらに、一連の実験はいくつかの特定組成に関するが、他の材料も同様に、複合コーティングにおいて用いることができることも理解すべきである。上述の図面、説明及び記載は、本願の特定の実施形態を例示するものであって、その実施の際の制限とはならない。すべての均等物を含む以下の特許請求の範囲こそが、本開示の範囲を画定する。

Claims (20)

1. 金属成形部材用の複合コーティングであって、
   前記金属成形部材に配置された第１層と、
   前記第１層の上に配置された第２層と
   を含み、
   前記第１層は、タングステンがドーピングされた窒化クロムを含み、
   前記第２層は、硬化炭化物球との摺動により測定された摩擦係数が０．２以下の、炭窒化チタンを有する潤滑性材料を含む複合コーティング。
2. 前記タングステンは１〜１０原子パーセントの範囲で存在する請求項１の複合コーティング。
3. 前記第１層の厚さは１〜１０マイクロメートルの範囲にある請求項１又は２の複合コーティング。
4. 前記第１層の硬度は２〜５ｋＨｖの範囲にある請求項１〜３いずれか一項の複合コーティング。
5. 前記第２層の厚さは０．５〜５マイクロメートルの範囲にある請求項１〜４いずれか一項の複合コーティング。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合コーティングを含む金属成形部材。
7. 金属成形部材をコーティングする方法であって、
   請求項１〜５のいずれか一項の複合コーティングを前記金属成形部材に適用することを含む方法。
8. 前記複合コーティングの層の少なくとも一方がプラズマ蒸着工程によって適用される請求項７の方法。
9. 先進高強度鋼の基体を成形する方法であって、
   請求項６の金属成形部材を使用することを含む方法。
10. 前記先進高強度鋼は、引張り強さが少なくとも７００ＭＰａである請求項９の方法。
11. 前記摩擦係数は０．１〜０．１５の範囲にある請求項１の複合コーティング。
12. 前記タングステンは３〜７原子パーセントの範囲で存在する請求項２の複合コーティング。
13. 前記タングステンは５原子パーセントで存在する請求項１２の複合コーティング。
14. 前記第１層の厚さは４〜６マイクロメートルの範囲にある請求項３の複合コーティング。
15. 前記第１層の硬度は３〜４ｋＨｖの範囲にある請求項４の複合コーティング。
16. 前記第１層の硬度は３．６〜３．８ｋＨｖの範囲にある請求項１５の複合コーティング。
17. 前記第２層の厚さは１．２マイクロメートルである請求項５の複合コーティング。
18. 前記金属成形部材はダイである請求項６に記載の金属成形部材。
19. 前記引張り強さは少なくとも９００ＭＰａである請求項１０の方法。
20. 前記引張り強さは少なくとも１０００ＭＰａである請求項１９の方法。