JP2012011393A - せん断用金型及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】長寿命化させたせん断用金型及びその製造方法を提供することにある。
【解決手段】本発明に係るせん断用金型１は、一対の基材の間に配置される板材２を当該基材によりせん断するせん断用金型１であって、前記基材の表面のうち、少なくとも、曲面の領域と、前記板材２の表面に対向するとともに前記曲面から前記基材の面に沿って３００μｍまでの領域とに、アークイオンプレーティング法により形成された硬質皮膜を備え、前記硬質皮膜は、Ａｌと、ＴｉおよびＣｒのうちの１種以上と、を含有するとともに、膜厚が１μｍ以上、５μｍ以下であり、さらに、前記曲面の領域と、前記曲面から前記基材の面に沿って３００μｍまでの領域と、に形成された前記硬質皮膜の表面において、長さ１０ｍｍの線分上に存在する直径２０μｍ以上の金属粒子の個数が２個以下であることを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係るせん断用金型１は、一対の基材の間に配置される板材２を当該基材によりせん断するせん断用金型１であって、前記基材の表面のうち、少なくとも、曲面の領域と、前記板材２の表面に対向するとともに前記曲面から前記基材の面に沿って３００μｍまでの領域とに、アークイオンプレーティング法により形成された硬質皮膜を備え、前記硬質皮膜は、Ａｌと、ＴｉおよびＣｒのうちの１種以上と、を含有するとともに、膜厚が１μｍ以上、５μｍ以下であり、さらに、前記曲面の領域と、前記曲面から前記基材の面に沿って３００μｍまでの領域と、に形成された前記硬質皮膜の表面において、長さ１０ｍｍの線分上に存在する直径２０μｍ以上の金属粒子の個数が２個以下であることを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、板材をせん断するためのせん断用金型及びその製造方法に関するものである。
高張力鋼材（ハイテン鋼材）等、金属材料の強度増加に伴い、当該金属材料からなる板材のせん断加工に用いられるせん断用金型について、寿命の短命化が問題となっている。そこで、当該問題を解消するために、現在、下記のような様々な硬質皮膜を金型の基材上に形成させる技術が創出されている。
例えば、特許文献１には、せん断用平刃の基材表面に、第４族の炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれかのセラミックスを形成させる技術が開示されている。また、特許文献２には、せん断用平刃の基材表面に、内層としてチタン窒化物のセラミックス、中間層としてチタン金属層、外層としてチタン窒化物のセラミックスを形成させる技術が開示されている。
また、特許文献３には、パンチプレス用金型の製造方法に関して、金型の基材に対し、熱処理、切削加工、放電加工等を行った後、当該金型の切刃部分又は当該金型の板材との接触部分に、イオン窒化による窒化層を形成し、その後、チタン蒸発粒子でイオンプレーティングを行うことにより、当該金型の表層部にチタンの窒化物、炭化物又は炭窒化物の膜を形成する技術が開示されている。
ここで、せん断用金型の損傷は、繰り返し加えられる衝撃による金型の疲労破壊、及びせん断した板材との擦れによる金型の切刃部分の磨耗が主原因であると考えられている。よって、特許文献１〜３に開示された高硬度の硬質皮膜をせん断用金型に適用することにより、せん断用金型の損傷をある程度まで低減することができる。
しかしながら、特許文献１〜３に開示された技術は、第４族の炭化物、窒化物、又は炭窒化物を、硬質皮膜として使用しているため、金型の硬度はＨＶ（ビッカース硬さ）２５００程度であり、十分な硬度ではない。よって、特許文献１〜３に開示された技術は、長寿命化の点において依然として課題が残っている。
さらに、特許文献３に開示された技術は、イオン窒化による基材の硬化処理後に硬質薄膜を形成させているが、基材自体が硬化されることで、かえって金型全体が脆くなり、金型の早期割れが促進されてしまう。
さらに、特許文献３に開示された技術は、イオン窒化による基材の硬化処理後に硬質薄膜を形成させているが、基材自体が硬化されることで、かえって金型全体が脆くなり、金型の早期割れが促進されてしまう。
加えて、せん断用金型は、曲げ、絞り金型のような塑性加工用金型とは異なり、通常、直角又は鋭角なせん断部分を有しており、金型に加わる応力も異なることから、せん断用金型に特有の表面処理技術が必要となる。
本発明は、前記の課題に鑑みてなされたものであり、その課題は、長寿命化させたせん断用金型及びその製造方法を提供することにある。
前記課題を解決するために、本発明に係るせん断用金型は、一対の基材の間に配置される板材を当該基材によりせん断するせん断用金型であって、前記基材は、鋼、超硬合金またはセラミックスからなり、前記板材をせん断するための曲面の形状の刃先と、前記曲面から連続するとともに、前記板材の表面に対向する面と、を備えるものであり、前記基材の表面のうち、少なくとも、前記曲面の領域と、前記板材の表面に対向するとともに前記曲面から前記基材の面に沿って３００μｍまでの領域とに、アークイオンプレーティング法により形成された硬質皮膜を備え、前記硬質皮膜は、Ａｌと、ＴｉおよびＣｒのうちの１種以上と、を含有するとともに、膜厚が１μｍ以上、５μｍ以下であり、さらに、前記曲面の領域と、前記曲面から前記基材の面に沿って３００μｍまでの領域と、に形成された前記硬質皮膜の表面において、長さ１０ｍｍの線分上に存在する直径２０μｍ以上の金属粒子の個数が２個以下であることを特徴とする。
このように、本発明に係るせん断用金型は、少なくとも、曲面の領域と、板材の表面に対向するとともに曲面から基材の面に沿って３００μｍまでの領域とに、硬質皮膜を形成させていることにより、板材をせん断する際、基材と接触する表面のうち、高い応力が加わる領域を適切に保護することができる。
また、本発明に係るせん断用金型の硬質皮膜は、Ａｌと、ＴｉおよびＣｒのうちの１種以上と、を含有することから、耐摩耗性、耐久性に優れた硬質皮膜によりせん断用金型を保護することができる。そして、本発明に係るせん断用金型の硬質皮膜の膜厚は、１μｍ以上、５μｍ以下であることから、基材と硬質皮膜との界面、又は、硬質皮膜内部において、皮膜の剥離や破壊の発生を回避することができる。
また、本発明に係るせん断用金型の硬質皮膜は、曲面の領域と、曲面から基材の面に沿って３００μｍまでの領域と、に形成された硬質皮膜中の金属粒子の個数を所定個数以下に制限することにより、板材をせん断する際における硬質皮膜の損傷を抑制することができる。
本発明に係るせん断用金型の硬質皮膜の表面は、表面粗さのパラメータである最大山高さ（Ｒｐ）が１．０μｍ以下であることが好ましい。
このように、本発明に係るせん断用金型の硬質皮膜は、最大山高さ（Ｒｐ）を１．０μｍ以下に制限することにより、硬質皮膜の損傷の原因となる表面の凹凸を減らすことができる。
このように、本発明に係るせん断用金型の硬質皮膜は、最大山高さ（Ｒｐ）を１．０μｍ以下に制限することにより、硬質皮膜の損傷の原因となる表面の凹凸を減らすことができる。
本発明に係るせん断用金型の硬質皮膜は、（ＴｉａＣｒｂＡｌｃＳｉｄ）（Ｃ１−ｘＮｘ）からなり、０≦ａ≦０．３、０．１≦ｂ≦０．５、０．３≦ｃ≦０．７、０≦ｄ≦０．２、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、０．７≦ｘ≦１、（ａはＴｉの原子比、ｂはＣｒの原子比、ｃはＡｌの原子比、ｄはＳｉの原子比、ｘはＮの原子比を示す。）を満たすことが好ましい。
このように、本発明に係るせん断用金型の硬質皮膜は、前記組成とすることにより、耐摩耗性や耐久性をさらに向上させることができる。
本発明に係るせん断用金型は、硬質皮膜と基材との間に、１μｍ以上、５μｍ以下のＣｒＮ膜をさらに備えていることが好ましい。
このように、本発明に係るせん断用金型は、ＣｒＮ膜を備えることにより、基材と硬質皮膜との密着性を向上させることができる。
このように、本発明に係るせん断用金型は、ＣｒＮ膜を備えることにより、基材と硬質皮膜との密着性を向上させることができる。
本発明に係るせん断用金型の製造方法は、一対の基材の間に配置される板材を当該基材によりせん断するせん断用金型の製造方法であって、前記基材は、鋼、超硬合金またはセラミックスからなり、前記板材をせん断するための曲面の形状の刃先と、前記曲面から連続するとともに、前記板材の表面に対向する面と、を備えるものであり、前記基材の表面のうち、少なくとも、前記曲面の領域と、前記板材の表面に対向するとともに前記曲面から前記基材の面に沿って３００μｍまでの領域とに、Ａｌと、ＴｉおよびＣｒのうちの１種以上と、を含有する硬質皮膜を、フィルタードアークイオンプレーティング法によって形成させる工程を含むことを特徴とする。
このように、本発明に係るせん断用金型の製造方法は、硬質皮膜をフィルタードアークイオンプレーティング法によって形成させることにより、基材表面に金属粒子の少ない硬質皮膜を形成させることができる。
本発明に係るせん断用金型によれば、基材表面の特定の領域に、耐摩耗性、耐久性に優れた硬質皮膜を形成させることにより、せん断用金型を長寿命化させることができる。また、本発明に係るせん断用金型の製造方法によれば、長寿命化させたせん断用金型を製造することができる。
以下、本発明に係るせん断用金型及びその製造方法を実施するための形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
≪せん断用金型≫
本発明に係るせん断用金型１は、せん断機（機械式、油圧式等）に取り付けられるものであり、板形状を呈する材料（板材）を応力（せん断応力）により分離するための金型である。そして、本発明に係るせん断用金型１は、図１、２に示すように、上下に配置された基材１ａ、１ａと、基材１ａ、１ａ表面に形成された硬質皮膜１ｂ、１ｂとから構成される。
なお、硬質皮膜１ｂは、上下に配置された基材１ａ、１ａの双方を保護するために、上下に配置された基材１ａ、１ａの双方に形成されていることが好ましい。
本発明に係るせん断用金型１は、せん断機（機械式、油圧式等）に取り付けられるものであり、板形状を呈する材料（板材）を応力（せん断応力）により分離するための金型である。そして、本発明に係るせん断用金型１は、図１、２に示すように、上下に配置された基材１ａ、１ａと、基材１ａ、１ａ表面に形成された硬質皮膜１ｂ、１ｂとから構成される。
なお、硬質皮膜１ｂは、上下に配置された基材１ａ、１ａの双方を保護するために、上下に配置された基材１ａ、１ａの双方に形成されていることが好ましい。
以下、本実施形態では、板材２に対向する面が、図１、２の紙面垂直方向に略真っ直ぐ延びる形状を呈するせん断用金型１（いわゆる直線刃）に本発明を適用した例について説明するが、せん断用金型１の形状は、当該形状に限られない。例えば、板材２に対向する面が、図１、２の紙面垂直方向に弧状に延びる形状を呈するせん断用金型１（いわゆる回転刃）等、せん断応力により板材をせん断する金型であれば、本発明を適用することができる。
次に、せん断用金型１の基材１ａについて説明する。
＜基材＞
せん断用金型１の基材１ａは、鋼、超硬合金またはセラミックスからなる。ここで、鋼とは、Ｆｅを主成分とする合金である。また、超硬合金とは、硬質の金属炭化物を焼結して作られる合金である。
＜基材＞
せん断用金型１の基材１ａは、鋼、超硬合金またはセラミックスからなる。ここで、鋼とは、Ｆｅを主成分とする合金である。また、超硬合金とは、硬質の金属炭化物を焼結して作られる合金である。
せん断用金型１の基材１ａは、板材２をせん断するための曲面の形状の刃先と、曲面から連続するとともに、板材２の表面に対向する面と、を備える。当該刃先とは、板材２をせん断させる基材１ａの端縁部分のことである。そして、当該刃先は、板材２のせん断時における損傷を低減させるために、断面が曲面の形状（図２参照）を呈している。
なお、１対のせん断用金型１、１のうち、一方の金型の刃先は曲面形状となっているが、他方の金型の刃先は曲面形状であってもよいし、曲面形状でなくてもよい。バリを抑制する観点からは、他方の金型の刃先は曲面形状でない方が好ましい。
なお、１対のせん断用金型１、１のうち、一方の金型の刃先は曲面形状となっているが、他方の金型の刃先は曲面形状であってもよいし、曲面形状でなくてもよい。バリを抑制する観点からは、他方の金型の刃先は曲面形状でない方が好ましい。
せん断用金型１の基材１ａの全体の形状は、前記のとおり、せん断応力により板材をせん断することが可能な形状であれば、特に限定されない。例えば、略直方体形状、略円盤形状等である。また、一対の基材１ａ、１ａは、同じ形状でなくてもよい。
また、せん断用金型１の基材１ａの刃先（板材２をせん断する端縁）は、図１、２に示すような直角を呈するものに限定されず、鋭角（９０°未満）を呈するものであってもよい。
次に、せん断用金型１の硬質皮膜１ｂについて説明する。
＜硬質皮膜＞
（硬質皮膜が設けられる領域）
せん断用金型１の硬質皮膜１ｂは、基材１ａの表面のうち、少なくとも、曲面の領域と、板材２の表面に対向するとともに曲面から基材１ａの面に沿って３００μｍまでの領域（以下、２つの前記領域を合わせて、保護領域という）とに、形成させる。
＜硬質皮膜＞
（硬質皮膜が設けられる領域）
せん断用金型１の硬質皮膜１ｂは、基材１ａの表面のうち、少なくとも、曲面の領域と、板材２の表面に対向するとともに曲面から基材１ａの面に沿って３００μｍまでの領域（以下、２つの前記領域を合わせて、保護領域という）とに、形成させる。
なぜなら、図２に示すように、せん断用金型１を用いて板材２のせん断を行う際、せん断用金型１と板材２とが接触する領域のうち、特に、保護領域に高い応力が加わるからである。
ここで、硬質皮膜１ｂを形成させる領域は、少なくとも、保護領域を含んでいればよいので、例えば、せん断用金型１の基材１ａ全体に硬質皮膜１ｂを設けてもよい。
ここで、硬質皮膜１ｂを形成させる領域は、少なくとも、保護領域を含んでいればよいので、例えば、せん断用金型１の基材１ａ全体に硬質皮膜１ｂを設けてもよい。
なお、図２は、せん断用金型１の基材１ａの端縁（板材２をせん断する端縁）における応力分布を示しており、高い応力の加わる範囲が、曲面の領域と曲面の終端から狭い範囲（曲面の終端から基材表面に沿って３００μｍ以内）となる。よって、少なくとも、保護領域に硬質皮膜１ｂを形成させることにより、基材１ａの端縁の角度が９０°以下のせん断用金型１について、耐摩耗性および耐久性の向上を確保することができる。
（硬質皮膜の材質）
硬質皮膜１ｂは、Ａｌと、ＴｉおよびＣｒのうちの１種以上と、を含有する。このように規定する理由は、Ａｌは、硬質皮膜１ｂの耐摩耗性を向上させるために必須の元素であるとともに、Ｔｉ、Ｃｒは、硬質皮膜１ｂの耐摩耗性、耐久性を向上させる元素だからである。
具体的には、硬質皮膜１ｂは、（Ｔｉ、Ａｌ）（ＣＮ）、（Ｃｒ、Ａｌ）（ＣＮ）、（Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ）（ＣＮ）あるいはこれらにＳｉを含有させた皮膜である。このなかでも好ましいのは、ＴｉとＣｒを同時に含有させたものである。
硬質皮膜１ｂは、Ａｌと、ＴｉおよびＣｒのうちの１種以上と、を含有する。このように規定する理由は、Ａｌは、硬質皮膜１ｂの耐摩耗性を向上させるために必須の元素であるとともに、Ｔｉ、Ｃｒは、硬質皮膜１ｂの耐摩耗性、耐久性を向上させる元素だからである。
具体的には、硬質皮膜１ｂは、（Ｔｉ、Ａｌ）（ＣＮ）、（Ｃｒ、Ａｌ）（ＣＮ）、（Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ）（ＣＮ）あるいはこれらにＳｉを含有させた皮膜である。このなかでも好ましいのは、ＴｉとＣｒを同時に含有させたものである。
さらに、硬質皮膜１ｂは、（ＴｉａＣｒｂＡｌｃＳｉｄ）（Ｃ１−ｘＮｘ）からなり、０≦ａ≦０．３、０．１≦ｂ≦０．５、０．３≦ｃ≦０．７、０≦ｄ≦０．２、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、０．７≦ｘ≦１（ａはＴｉの原子比、ｂはＣｒの原子比、ｃはＡｌの原子比、ｄはＳｉの原子比、ｘはＮの原子比を示す。）を満たすのが好ましい。硬質皮膜１ｂを、前記組成とすることにより、硬質皮膜１ｂの耐摩耗性や耐久性をさらに向上させることができる。
以下、前記組成を限定する詳細な理由を説明する。
以下、前記組成を限定する詳細な理由を説明する。
ＡｌとＣｒは、（Ａｌ、Ｃｒ）（ＣＮ）膜を形成することにより、硬質皮膜１ｂの耐摩耗性を向上させることから、前記組成式のＡｌの原子比ｃは、０．３≦ｃ≦０．７、Ｃｒの原子比ｂは、０．１≦ｂ≦０．５であることが好ましい。より好ましくは、Ａｌの原子比ｃは、０．４≦ｃ≦０．６、Ｃｒの原子比ｂが０．１５≦ｂ≦０．３である。
Ｔｉは、硬質皮膜１ｂを高硬度化させ耐摩耗性を向上させる元素であるが、含有量が多すぎると硬質皮膜１ｂを脆くしてしまう。よって、前記組成式のＴｉの原子比ａは、０≦ａ≦０．３であることが好ましい。
Ｓｉは、硬質皮膜１ｂ中の結晶を微細化させることにより、硬さ、高面圧性を向上させる元素であるが、含有量が多すぎると硬質皮膜１ｂが非晶質化してしまう。よって、前記組成式のＳｉの原子比ｄは、０≦ｄ≦０．２であることが好ましい。より好ましくは、Ｓｉの原子比ｄは、０≦ｄ≦０．１５である。
なお、Ｓｉ含有量の増加による硬質皮膜１ｂの非晶質化を考慮すると、前記組成式のＡｌの原子比ｃ、Ｓｉの原子比ｄについて、（ｃ＋ｄ）は０．６以下であることがさらに好ましい。
なお、Ｓｉ含有量の増加による硬質皮膜１ｂの非晶質化を考慮すると、前記組成式のＡｌの原子比ｃ、Ｓｉの原子比ｄについて、（ｃ＋ｄ）は０．６以下であることがさらに好ましい。
Ｃは、硬質皮膜１ｂの高硬度化させ耐摩耗性を向上させる元素であるが、含有量が多すぎると硬質皮膜１ｂの硬さが低下する。よって、前記組成式のＣの原子比（１−ｘ）は、０．３未満、つまり、０．７≦ｘ≦１であることが好ましい。
（硬質皮膜の膜厚）
後記するアークイオンプレーティング法（または、フィルタードアークイオンプレーティング法）により基材１ａ表面に硬質皮膜１ｂを形成させると、硬質皮膜１ｂに残留圧縮応力が発生する。特に、基材１ａの表面のうち、板材２をせん断する端縁に設けられた曲面に硬質皮膜１ｂを厚く形成させると、界面（基材１ａと硬質皮膜１ｂとの界面）、又は、硬質皮膜１ｂ内部において、剥離や破壊現象が発生してしまう。
したがって、硬質皮膜１ｂの膜厚は、１μｍ以上、５μｍ以下である必要がある。より好ましくは、１μｍ以上、３μｍ以下である。
なお、硬質皮膜１ｂの膜厚は、後記する皮膜形成方法により制御することができる。
後記するアークイオンプレーティング法（または、フィルタードアークイオンプレーティング法）により基材１ａ表面に硬質皮膜１ｂを形成させると、硬質皮膜１ｂに残留圧縮応力が発生する。特に、基材１ａの表面のうち、板材２をせん断する端縁に設けられた曲面に硬質皮膜１ｂを厚く形成させると、界面（基材１ａと硬質皮膜１ｂとの界面）、又は、硬質皮膜１ｂ内部において、剥離や破壊現象が発生してしまう。
したがって、硬質皮膜１ｂの膜厚は、１μｍ以上、５μｍ以下である必要がある。より好ましくは、１μｍ以上、３μｍ以下である。
なお、硬質皮膜１ｂの膜厚は、後記する皮膜形成方法により制御することができる。
（硬質皮膜中の金属粒子）
硬質皮膜１ｂ中に存在する直径２０μｍ以上の金属粒子は、硬質皮膜１ｂの損傷原因となる。また、せん断用金型１により板材２のせん断を行う際、最も大きな応力が加わる曲面の領域と、曲面から基材の面に沿って３００μｍまでの領域と、に形成された硬質皮膜１ｂ中の金属粒子の存在を抑制する必要がある。
硬質皮膜１ｂ中に存在する直径２０μｍ以上の金属粒子は、硬質皮膜１ｂの損傷原因となる。また、せん断用金型１により板材２のせん断を行う際、最も大きな応力が加わる曲面の領域と、曲面から基材の面に沿って３００μｍまでの領域と、に形成された硬質皮膜１ｂ中の金属粒子の存在を抑制する必要がある。
よって、曲面の領域と、曲面から基材の面に沿って３００μｍまでの領域と、に形成された硬質皮膜の表面において１０ｍｍの長さの線分上に存在する直径２０μｍ以上の金属粒子の個数を２個以下とすることにより、板材２をせん断する際における硬質皮膜１ｂの損傷を抑制することができる。より好ましくは、金属粒子の個数が０個の場合である。そして、直径２０μｍ以上の金属粒子の個数は、後記する皮膜形成方法により制御することができる。
なお、金属粒子とは、硬質皮膜１ｂ中に存在するＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ等の金属の塊である。
なお、金属粒子とは、硬質皮膜１ｂ中に存在するＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ等の金属の塊である。
ここで、１０ｍｍの長さの線分上に存在する金属粒子とは、当該線分により完全に切られる金属粒子のことである。
また、直径とは、金属粒子を硬質皮膜１ｂの膜面に対して垂直な方向から見た場合の金属粒子断面の直径であり、断面が円形以外の場合は、最も長い両端間（差し渡し）の長さとする。
なお、線分は、曲面の領域と、曲面から基材の面に沿って３００μｍまでの領域と、に形成された硬質皮膜１ｂの表面において、刃先（端縁）が延びる方向（稜線方向）と略同一方向に設けることが好ましい。
また、直径とは、金属粒子を硬質皮膜１ｂの膜面に対して垂直な方向から見た場合の金属粒子断面の直径であり、断面が円形以外の場合は、最も長い両端間（差し渡し）の長さとする。
なお、線分は、曲面の領域と、曲面から基材の面に沿って３００μｍまでの領域と、に形成された硬質皮膜１ｂの表面において、刃先（端縁）が延びる方向（稜線方向）と略同一方向に設けることが好ましい。
（硬質皮膜の膜表面形状）
せん断用金型１は、板材２との接触領域が大きい塑性加工用金型（曲げ、絞り金型等）と異なり、板材２との接触領域が端縁（刃先）近傍の狭い領域に集中することから、当該領域に加わる応力が非常に大きい。そして、当該応力は金型の表面に対して略垂直方向に作用することから、硬質皮膜１ｂの表面に凹凸を有する場合は、当該凸部分に応力が集中することにより、容易に皮膜損傷を引き起こしてしまう。
したがって、硬質皮膜１ｂの最大山高さ（Ｒｐ）は１μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、０．５μｍ以下である。
せん断用金型１は、板材２との接触領域が大きい塑性加工用金型（曲げ、絞り金型等）と異なり、板材２との接触領域が端縁（刃先）近傍の狭い領域に集中することから、当該領域に加わる応力が非常に大きい。そして、当該応力は金型の表面に対して略垂直方向に作用することから、硬質皮膜１ｂの表面に凹凸を有する場合は、当該凸部分に応力が集中することにより、容易に皮膜損傷を引き起こしてしまう。
したがって、硬質皮膜１ｂの最大山高さ（Ｒｐ）は１μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、０．５μｍ以下である。
最大山高さ（Ｒｐ）とは、基準長さにおける輪郭曲線の山高さの最大値である。最大山高さ（Ｒｐ）の測定は、例えば、Ｓｌｏａｎ社の触針式表面粗さ計Ｄｅｋｔａｋ６Ｍ（走査長さ１ｍｍ、走査速度１ｍｍ／１５秒、荷重２０ｍｇｆ）によって、任意の３箇所に対して測定を実施し、その平均を算出すればよい。
測定箇所については、硬質皮膜１ｂの表面のうちでも、板材２をせん断する曲面の領域、および、曲面から基材の面に沿って３００μｍまでの領域に形成されている硬質皮膜１ｂに対して実施するのが、より好ましい。
測定箇所については、硬質皮膜１ｂの表面のうちでも、板材２をせん断する曲面の領域、および、曲面から基材の面に沿って３００μｍまでの領域に形成されている硬質皮膜１ｂに対して実施するのが、より好ましい。
＜ＣｒＮ膜＞
硬質皮膜１ｂは、硬度を増加させるためにＡｌを含有しているが、そのために残留応力も増加しており、その結果、基材１ａと硬質皮膜１ｂとの密着性が低下する傾向がある。そこで、基材１ａと硬質皮膜１ｂとの密着性を向上させるために、基材１ａと硬質皮膜１ｂとの間にＣｒＮからなる中間層を形成させることが好ましい（図示省略）。また、ＣｒＮ膜の膜厚については、１μｍ未満では密着性向上、残留応力低減の効果は小さく、５μｍを超えるとこれらの効果が飽和する。よって、ＣｒＮ膜の膜厚は、１μｍ〜５μｍであることが好ましい。
硬質皮膜１ｂは、硬度を増加させるためにＡｌを含有しているが、そのために残留応力も増加しており、その結果、基材１ａと硬質皮膜１ｂとの密着性が低下する傾向がある。そこで、基材１ａと硬質皮膜１ｂとの密着性を向上させるために、基材１ａと硬質皮膜１ｂとの間にＣｒＮからなる中間層を形成させることが好ましい（図示省略）。また、ＣｒＮ膜の膜厚については、１μｍ未満では密着性向上、残留応力低減の効果は小さく、５μｍを超えるとこれらの効果が飽和する。よって、ＣｒＮ膜の膜厚は、１μｍ〜５μｍであることが好ましい。
なお、ＣｒＮ膜は、Ｃｒ、Ｎを主体（例えば、Ｃｒ、Ｎの原子％の合計が８０原子％以上、より好ましくは９０原子％以上）とするものである。
次に、せん断用金型１の製造方法について説明する。
≪せん断用金型の製造方法≫
せん断用金型１は、基材１ａの表面のうち、少なくとも、基材１ａの保護領域にアークイオンプレーティング法（以下、適宜、ＡＩＰ法という）により硬質皮膜１ｂを形成することにより製造される。ここで、ＡＩＰ法とは、アーク放電を利用して基材表面にイオン蒸発物質をコーティングさせる皮膜形成方法である。
ＡＩＰ法を用いることにより、基材１表面上に適切に硬質皮膜１ｂを形成させることができる。さらに、ＡＩＰ法により硬質皮膜１ｂを形成させた後、当該硬質皮膜１ｂの最大山高さ（Ｒｐ）が１μｍ以下となるように、研磨により表面を平滑化させることが好ましい。
≪せん断用金型の製造方法≫
せん断用金型１は、基材１ａの表面のうち、少なくとも、基材１ａの保護領域にアークイオンプレーティング法（以下、適宜、ＡＩＰ法という）により硬質皮膜１ｂを形成することにより製造される。ここで、ＡＩＰ法とは、アーク放電を利用して基材表面にイオン蒸発物質をコーティングさせる皮膜形成方法である。
ＡＩＰ法を用いることにより、基材１表面上に適切に硬質皮膜１ｂを形成させることができる。さらに、ＡＩＰ法により硬質皮膜１ｂを形成させた後、当該硬質皮膜１ｂの最大山高さ（Ｒｐ）が１μｍ以下となるように、研磨により表面を平滑化させることが好ましい。
さらに、ＡＩＰ法の中でも、フィルタードアークイオンプレーティング法（以下、適宜、フィルタードＡＩＰ法という）を適用することが好ましい。ここで、フィルタードＡＩＰ法とは、ＡＩＰ法の一種であり、金属粒子（ターゲットの溶融粒子）の基材１ａへの付着を防止しながら、イオン蒸発物質を基材１ａにコーティングさせる皮膜形成方法である。
フィルタードＡＩＰ法を用いることにより、通常のＡＩＰ法と比較して格段に金属粒子の少ない硬質皮膜１ｂを形成させることができるため、膜形成後の研磨を行うことなく（又は、最小限の研磨により）、最大山高さ（Ｒｐ）の小さな硬質皮膜１ｂを得ることができる。フィルタードＡＩＰ法による膜形成後の硬質皮膜１ｂのＲｐは２μｍ以下であり、膜形成後の硬質皮膜１ｂを研磨することによりＲｐは０．１μｍ以下となる。
フィルタードＡＩＰ法を用いることにより、通常のＡＩＰ法と比較して格段に金属粒子の少ない硬質皮膜１ｂを形成させることができるため、膜形成後の研磨を行うことなく（又は、最小限の研磨により）、最大山高さ（Ｒｐ）の小さな硬質皮膜１ｂを得ることができる。フィルタードＡＩＰ法による膜形成後の硬質皮膜１ｂのＲｐは２μｍ以下であり、膜形成後の硬質皮膜１ｂを研磨することによりＲｐは０．１μｍ以下となる。
高い応力を受けるせん断用金型１については、特に、フィルタードＡＩＰ法を用いることが有効である。
なぜなら、通常のＡＩＰ法を用いて、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ等を含有する硬質皮膜１ｂを形成させようとした場合、融点の異なる元素がターゲット中に含まれることから、アーク放電によりターゲットが蒸発すると同時に、金属粒子（ターゲットの溶融粒子）が飛散し、当該金属粒子が硬質皮膜１ｂ中に混入してしまう。その結果、硬質皮膜１ｂの表面に凹凸が形成されやすくなる。そこで、通常のＡＩＰ法を用いて膜形成を行った場合には、研磨により表面を平滑化させることが好ましいが、鋭角な端縁を有するせん断用金型１の場合には研磨が非常に困難な場合もある。よって、高い応力を受けるせん断用金型１については、膜形成後の研磨が不必要（又は、最小限）であるフィルタードＡＩＰ法が有効である。
なぜなら、通常のＡＩＰ法を用いて、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ等を含有する硬質皮膜１ｂを形成させようとした場合、融点の異なる元素がターゲット中に含まれることから、アーク放電によりターゲットが蒸発すると同時に、金属粒子（ターゲットの溶融粒子）が飛散し、当該金属粒子が硬質皮膜１ｂ中に混入してしまう。その結果、硬質皮膜１ｂの表面に凹凸が形成されやすくなる。そこで、通常のＡＩＰ法を用いて膜形成を行った場合には、研磨により表面を平滑化させることが好ましいが、鋭角な端縁を有するせん断用金型１の場合には研磨が非常に困難な場合もある。よって、高い応力を受けるせん断用金型１については、膜形成後の研磨が不必要（又は、最小限）であるフィルタードＡＩＰ法が有効である。
なお、ＣｒＮ膜を形成させる場合は、基材１ａ表面に、まず、ＣｒＮ膜を、ＡＩＰ法、又はフィルタードＡＩＰ法により形成させた後、硬質皮膜１ｂを同じ方法により形成させればよい。
以下、アークイオンプレーティング法とフィルタードアークイオンプレーティング法を図３、４、及び５を参照して詳細に説明する。
＜アークイオンプレーティング法＞
アークイオンプレーティング法は、図３の成膜装置１００を用いて行う。
＜アークイオンプレーティング法＞
アークイオンプレーティング法は、図３の成膜装置１００を用いて行う。
当該成膜装置１００は、図３に示すように、真空排気する排気口１１と、Ｎ２ガス、Ａｒガス、ＣＨ４ガス等を供給するガス供給口１２とを有するチャンバー１３と、アーク式蒸発源１４に接続されたアーク電源１５と、成膜対象である被処理体（図示省略）を支持する基材ステージ１６上の支持台１７と、この支持台１７と前記チャンバー１３との間で支持台１７を通して被処理体に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源１８とを備えている。また、その他、ヒータ１９、フィラメント２０、フィラメント放電電源２１、フィラメント加熱用電源２２等を備えている。
まず、成膜装置１００のアーク式蒸発源１４に、ターゲットを取り付けるとともに、回転する基材ステージ１６上の支持台１７上に被処理体（図示省略）として基材１ａを取り付け、チャンバー１３内を真空引き（１×１０−３Ｐａ以下に排気）し、真空状態にする。その後、チャンバー１３内にあるヒータ１９で被処理体の温度を約４００℃に加熱する。その後、全圧力４ＰａのＮ２雰囲気、Ａｒ雰囲気、ＣＨ４雰囲気、又はこれらの混合ガス雰囲気中にて、φ１００ｍｍのターゲットに対し、１５０Ａのアーク電流をアーク式蒸発源１４から供給し、基材１ａ表面上に硬質皮膜１ｂを形成させる。
＜フィルタードアークイオンプレーティング法＞
フィルタードＡＩＰ法は、図３の成膜装置１００のアーク式蒸発源１４部分が、図４、５に示した構成となっている装置（以下、適宜、フィルタード成膜装置という）を用いて行う。
フィルタードＡＩＰ法は、図３の成膜装置１００のアーク式蒸発源１４部分が、図４、５に示した構成となっている装置（以下、適宜、フィルタード成膜装置という）を用いて行う。
フィルタード成膜装置は、アーク式蒸発源１４前方に複数の電磁コイル４１から構成される磁気誘導機構を備えたダクトを有する。磁気誘導機構を備えたダクトを有することにより、ターゲット表面に対して小さな角度で放出されやすい金属粒子をダクトでトラップすることができる。その結果、イオン化したターゲット原子のみを磁場により基材１ａに誘導することができる。
アーク式蒸発源１４は、ダクトの形状が図４に示すように直線形状（直線型アーク式蒸発源）であってもよいし、図５に示すように９０°に湾曲する形状（９０°湾曲型アーク式蒸発源）であってもよい。また、９０°度以上に湾曲する形状であってもよい。
アーク式蒸発源１４は、ダクトの形状が図４に示すように直線形状（直線型アーク式蒸発源）であってもよいし、図５に示すように９０°に湾曲する形状（９０°湾曲型アーク式蒸発源）であってもよい。また、９０°度以上に湾曲する形状であってもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。
次に、本発明に係るせん断用金型及びその製造方法について、本発明の効果を確認した実施例（供試材Ｎｏ．２、４、６、８〜１０、１３〜２１、２３、２４、２６〜４６）を、本発明の要件を満たさない比較例（供試材Ｎｏ．１、３、５、７、１１、１２、２２、２５）と対比して具体的に説明する。
＜供試材の作製＞
図３に示す成膜装置（表では、通常アーク）、図４に示す直線型アーク式蒸発源を搭載する成膜装置（表では、フィルタード１）、図５に示す９０°湾曲型アーク式蒸発源を搭載する成膜装置（表では、フィルタード２）、又は、ホロカソード型成膜装置（表では、ＨＣＤ）を用いて、ダイス鋼（ＪＩＳ−ＳＫＤ１１、ＨＲＣ６０）からなる基材に、表１〜３に示す硬質皮膜を形成させた。
図３に示す成膜装置（表では、通常アーク）、図４に示す直線型アーク式蒸発源を搭載する成膜装置（表では、フィルタード１）、図５に示す９０°湾曲型アーク式蒸発源を搭載する成膜装置（表では、フィルタード２）、又は、ホロカソード型成膜装置（表では、ＨＣＤ）を用いて、ダイス鋼（ＪＩＳ−ＳＫＤ１１、ＨＲＣ６０）からなる基材に、表１〜３に示す硬質皮膜を形成させた。
膜形成方法としては、まず、基材を成膜装置に設置し、チャンバー内を１×１０−３Ｐａ以下となるように排気した後、４００℃まで基材を加熱した。その後、Ａｒイオンを用いたスパッタクリーニングを実施し、窒素を４Ｐａまでチャンバー中に導入した後、１５０Ａの電流値でアーク放電を実施して、硬質皮膜を基材上に形成させた。なお、硬質皮膜を形成後、一部の供試材については、研磨装置により研磨を施した。また、硬質皮膜を形成前、一部の供試材については、ＣｒＮ膜を形成させた。
膜形成後又は研磨終了後、硬質皮膜の組成、金属粒子数（個）、最大山高さ（Ｒｐ）、硬さ（ＧＰａ）の測定、及び、せん断試験を行った。
膜形成後又は研磨終了後、硬質皮膜の組成、金属粒子数（個）、最大山高さ（Ｒｐ）、硬さ（ＧＰａ）の測定、及び、せん断試験を行った。
＜測定方法＞
硬質皮膜の組成は、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）により測定した。
硬質皮膜の組成は、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）により測定した。
金属粒子数は、供試材（せん断用金型）の曲面の領域と、曲面から基材の面に沿って３００μｍまでの領域と、に形成された硬質皮膜の表面において、１０ｍｍの長さの線分を任意に１０箇所選択した。そして、当該線分から曲面に対して垂直方向に切断した硬質皮膜の断面を４００倍の光学顕微鏡写真を用いて観察し、当該断面に露出した直径２０μｍ以上の金属粒子をカウントした。そして、当該１０箇所における金属粒子数の平均値を算出し、当該平均値を金属粒子数とした。
硬さ（ビッカース硬さ）は、ビッカース圧子を用いて、荷重２５ｇｆ、保持時間１５秒という条件で測定した。
最大山高さ（Ｒｐ）は、Ｓｌｏａｎ社の触針式の表面粗度計（ＤＥＫＴＡＫ６Ｍ）を用い、走査距離１ｍｍにて計測した。
最大山高さ（Ｒｐ）は、Ｓｌｏａｎ社の触針式の表面粗度計（ＤＥＫＴＡＫ６Ｍ）を用い、走査距離１ｍｍにて計測した。
＜試験方法＞
前記方法で作製した供試材（直線刃）を用いて、引張強度９８０ＭＰａ、厚さ２ｍｍ、幅１００ｍｍのハイテン鋼板のせん断試験をおこなった。せん断試験は、鋼板の上下に配置された１対の供試材により鋼板をせん断するというものであり、ストローク数を９０ｓｐｍ、供試材のクリアランスを鋼板の板厚の１０％（０．２ｍｍ）という条件でおこなった。
なお、供試材のせん断面のサイズは、１５０ｍｍ（鋼材を切断する方向の長さ）×１００ｍｍであった。
前記方法で作製した供試材（直線刃）を用いて、引張強度９８０ＭＰａ、厚さ２ｍｍ、幅１００ｍｍのハイテン鋼板のせん断試験をおこなった。せん断試験は、鋼板の上下に配置された１対の供試材により鋼板をせん断するというものであり、ストローク数を９０ｓｐｍ、供試材のクリアランスを鋼板の板厚の１０％（０．２ｍｍ）という条件でおこなった。
なお、供試材のせん断面のサイズは、１５０ｍｍ（鋼材を切断する方向の長さ）×１００ｍｍであった。
＜評価方法＞
評価方法については、一定時間ごとにせん断面（鋼板が接触する部分全域）の損傷を観察し、当該箇所に２００μm以上の損傷が発生した時点を供試材の寿命と判断した。
評価方法については、寿命（損傷が発生するまでのストローク数）が３５０００以上の場合を良好と評価し、３５０００未満の場合を不良と評価した。
評価方法については、一定時間ごとにせん断面（鋼板が接触する部分全域）の損傷を観察し、当該箇所に２００μm以上の損傷が発生した時点を供試材の寿命と判断した。
評価方法については、寿命（損傷が発生するまでのストローク数）が３５０００以上の場合を良好と評価し、３５０００未満の場合を不良と評価した。
なお、表１に示す全ての供試材は、最大山高さ（Ｒｐ）が０．６〜０．８μｍとなるように研磨をおこなっている。また、表２に示す全ての供試材は、金属粒子数が２個以下となっている。また、表３に示す全ての供試材は、最大山高さ（Ｒｐ）が０．５μｍ以下となるように研磨をおこなっているとともに、金属粒子数が２個以下となっている。
表１に示すように、供試材Ｎｏ．２、４、６、８〜１０は、硬質皮膜の組成、硬質皮膜の膜厚、金属粒子数は、いずれも、本発明が規定する組成、又は本発明が規定する範囲内であったため、せん断用金型の寿命（ストローク数）が３５０００以上となり、良好という結果となった。
一方、供試材Ｎｏ．１、３、５、７は、金属粒子数が本発明の規定する範囲を超えていたので、せん断用金型の寿命が３５０００未満となり、不良という結果となった。
一方、供試材Ｎｏ．１、３、５、７は、金属粒子数が本発明の規定する範囲を超えていたので、せん断用金型の寿命が３５０００未満となり、不良という結果となった。
表２に示すように、供試材Ｎｏ．１３〜２１、２３、２４、２６は、硬質皮膜の組成、硬質皮膜の膜厚、金属粒子数は、いずれも、本発明が規定する組成、又は本発明が規定する範囲内であったため、せん断用金型の寿命が３５０００以上となり、良好という結果となった。
一方、供試材Ｎｏ．１１、１２は、硬質皮膜の組成が本発明の規定する組成ではなかったため、せん断用金型の寿命が３５０００未満となり、不良という結果となった。
また、供試材Ｎｏ．２２、２５は、硬質皮膜の膜厚が本発明の規定する範囲を超えていたので、せん断用金型の寿命が３５０００未満となり、不良という結果となった。
一方、供試材Ｎｏ．１１、１２は、硬質皮膜の組成が本発明の規定する組成ではなかったため、せん断用金型の寿命が３５０００未満となり、不良という結果となった。
また、供試材Ｎｏ．２２、２５は、硬質皮膜の膜厚が本発明の規定する範囲を超えていたので、せん断用金型の寿命が３５０００未満となり、不良という結果となった。
表３に示すように、供試材Ｎｏ．２７〜４６は、硬質皮膜の組成、硬質皮膜の膜厚、金属粒子数は、いずれも、本発明が規定する組成、又は本発明が規定する範囲内であったため、せん断用金型の寿命が３５０００以上となり、良好という結果となった。
以上の結果より、本発明に係るせん断用金型及びその製造方法によれば、せん断用金型を長寿命化できることがわかった。
１ せん断用金型
１ａ 基材
１ｂ 硬質皮膜
２ 板材
１１ 排気口
１２ ガス供給口
１３ チャンバー
１３ａ チャンバー壁
１４ アーク式蒸発源
１５ アーク電源
１６ 基材ステージ
１７ 支持台
１８ バイアス電源
１９ ヒータ
２０ フィラメント
２１ フィラメント放電電源
２２ フィラメント加熱用電源
４１ 電磁コイル
１００ 成膜装置
１ａ 基材
１ｂ 硬質皮膜
２ 板材
１１ 排気口
１２ ガス供給口
１３ チャンバー
１３ａ チャンバー壁
１４ アーク式蒸発源
１５ アーク電源
１６ 基材ステージ
１７ 支持台
１８ バイアス電源
１９ ヒータ
２０ フィラメント
２１ フィラメント放電電源
２２ フィラメント加熱用電源
４１ 電磁コイル
１００ 成膜装置
Claims (5)
- 一対の基材の間に配置される板材を当該基材によりせん断するせん断用金型であって、
前記基材は、鋼、超硬合金またはセラミックスからなり、前記板材をせん断するための曲面の形状の刃先と、前記曲面から連続するとともに、前記板材の表面に対向する面と、を備えるものであり、
前記基材の表面のうち、少なくとも、前記曲面の領域と、前記板材の表面に対向するとともに前記曲面から前記基材の面に沿って３００μｍまでの領域とに、アークイオンプレーティング法により形成された硬質皮膜を備え、
前記硬質皮膜は、Ａｌと、ＴｉおよびＣｒのうちの１種以上と、を含有するとともに、膜厚が１μｍ以上、５μｍ以下であり、さらに、前記曲面の領域と、前記曲面から前記基材の面に沿って３００μｍまでの領域と、に形成された前記硬質皮膜の表面において、長さ１０ｍｍの線分上に存在する直径２０μｍ以上の金属粒子の個数が２個以下であることを特徴とするせん断用金型。 - 前記硬質皮膜の表面は、表面粗さのパラメータである最大山高さ（Ｒｐ）が１．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のせん断用金型。
- 前記硬質皮膜は、（ＴｉａＣｒｂＡｌｃＳｉｄ）（Ｃ１−ｘＮｘ）からなり、
０≦ａ≦０．３
０．１≦ｂ≦０．５
０．３≦ｃ≦０．７
０≦ｄ≦０．２
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１
０．７≦ｘ≦１
（ａはＴｉの原子比、ｂはＣｒの原子比、ｃはＡｌの原子比、ｄはＳｉの原子比、ｘはＮの原子比を示す。）
を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のせん断用金型。 - 前記硬質皮膜と前記基材との間に、１μｍ以上、５μｍ以下のＣｒＮ膜をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のせん断用金型。
- 一対の基材の間に配置される板材を当該基材によりせん断するせん断用金型の製造方法であって、
前記基材は、鋼、超硬合金またはセラミックスからなり、前記板材をせん断するための曲面の形状の刃先と、前記曲面から連続するとともに、前記板材の表面に対向する面と、を備えるものであり、
前記基材の表面のうち、少なくとも、前記曲面の領域と、前記板材の表面に対向するとともに前記曲面から前記基材の面に沿って３００μｍまでの領域とに、Ａｌと、ＴｉおよびＣｒのうちの１種以上と、を含有する硬質皮膜を、フィルタードアークイオンプレーティング法によって形成させる工程を含むことを特徴とするせん断用金型の製造方法。
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