JP2014015636A - Hard film, metal mold and tool coated with the hard film - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hard film having TiC film excellent in properties such as hardness and elastic modulus as well as adhesion with reduced droplets.SOLUTION: The hard film 112 comprises a metal nitride layer 113, a titanium carbonitride layer 114 and a titanium carbide layer 115 successively laminated from the side of base material 111. The titanium carbide layer 115 has (200) crystal plane and (111) crystal plane and fulfills the conditions of h(200)/h(111)≥1.0, 0<d(200)≤1.5 and 0<d(111)≤1.0, where h(200) and h(111) are peak heights corresponding to each crystal plane obtained by X-ray diffraction of the surface of the titanium carbide layer 115 and d(200) and d(111) are half-peak widths of the peaks corresponding to each crystal plane.

Description

本発明は硬質皮膜、硬質皮膜を有する金型及び工具に関する。   The present invention relates to a hard coating, a mold having a hard coating, and a tool.

近年、自動車製造の分野において、安全性の向上や、車体の軽量化を目的として高張力鋼板が多用される傾向にある。   In recent years, in the field of automobile manufacture, high-tensile steel sheets tend to be frequently used for the purpose of improving safety and reducing the weight of a vehicle body.

高張力鋼板は高張力、高強度を有するために、従来用いられてきたプレス鋼板に比べて、プレス成形加工時に高い加圧力が必要となる。従って、高張力鋼板のプレス加工においては、プレス用金型にかかる負担が著しく大きくなるために、金型が摩耗しやすく、金型寿命が短いという問題がある。   Since a high-tensile steel plate has high tension and high strength, a higher pressing force is required during press forming as compared with conventionally used pressed steel plates. Therefore, in the press working of a high-tensile steel plate, the burden on the press die is remarkably increased, so that there is a problem that the die is easily worn and the die life is short.

金型の摩耗を抑制し、金型寿命を延ばす方法として、金型表面に硬質被膜を形成することにより、金型の表面硬度を高める方法が知られている。炭化チタン(TiC)被膜は、硬度が高く金型の表面に形成する被膜として期待されている。   As a method for suppressing the wear of the mold and extending the mold life, a method of increasing the surface hardness of the mold by forming a hard coating on the mold surface is known. Titanium carbide (TiC) coating has high hardness and is expected as a coating formed on the surface of a mold.

TiC膜の形成方法として化学気相堆積(CVD)法と物理気相堆積(PVD)法とが知られている。CVD法により形成されたTiC膜は、密着性に優れているとされている。しかし、CVD法の場合には1000℃程度の温度で成膜を行う必要があるため、金型母材に歪みや熱変形が生じるという問題がある。PVD法は、比較的低温で成膜を行うことができるが、CVD法の場合と比べてTiC膜の密着性が低くなる。   As a method for forming a TiC film, a chemical vapor deposition (CVD) method and a physical vapor deposition (PVD) method are known. A TiC film formed by a CVD method is said to have excellent adhesion. However, in the case of the CVD method, since it is necessary to form a film at a temperature of about 1000 ° C., there is a problem that distortion and thermal deformation occur in the mold base material. The PVD method can form a film at a relatively low temperature, but the adhesion of the TiC film is lower than that of the CVD method.

PVD法においてTiC膜と金型母材との密着性を向上させる方法として、TiC膜と金型母材との間に窒化チタン(TiN)膜及び炭窒化チタン(TiCN)膜を形成する方法が検討されている(例えば、特許文献1を参照。)。   As a method of improving the adhesion between the TiC film and the mold base material in the PVD method, there is a method of forming a titanium nitride (TiN) film and a titanium carbonitride (TiCN) film between the TiC film and the mold base material. (For example, refer to Patent Document 1).

特開2008−207219号公報JP 2008-207219 A

しかしながら、プレス用金型の表面に形成する被膜には、金型母材との密着性だけでなく、硬度及び弾性率等の特性も必要とされる。前記従来の方法により、TiC膜と金型母材との密着性は向上するが、最表面のTiC膜の硬度及び弾性率等をさらに向上させることが求められている。   However, the coating film formed on the surface of the press mold requires not only adhesion to the mold base material but also characteristics such as hardness and elastic modulus. Although the adhesion between the TiC film and the mold base material is improved by the conventional method, it is required to further improve the hardness, elastic modulus and the like of the outermost TiC film.

また、PVD法の場合にはドロップレットと呼ばれる数μm〜数十μのパーティクルが発生し、被膜の中に取り込まれる現象が発生しやすい。ドロップレットが発生すると、被膜の硬度及び弾性率等が低下したり、表面粗度が大きくなったりする。   Further, in the case of the PVD method, particles of several μm to several tens of μm called droplets are generated, and a phenomenon of being taken into the film is likely to occur. When droplets are generated, the hardness and elastic modulus of the coating are decreased, and the surface roughness is increased.

これらの問題は、プレス用金型だけでなく、硬度及び耐摩耗性が要求される工具等においても生じうる。   These problems may occur not only in press dies but also in tools that require hardness and wear resistance.

本発明は、PVD法を用いてTiC膜を形成する場合に生じるおそれがあるこれらの問題を解決し、母材との密着性だけでなく硬度及び弾性率等の特性に優れ且つドロップレットを低減した硬質被膜並びに硬質被膜を有する金型及び工具等を実現できるようにすることを目的とする。   The present invention solves these problems that may occur when a TiC film is formed using the PVD method, and is excellent not only in adhesion to the base material but also in properties such as hardness and elastic modulus and reducing droplets. An object of the present invention is to realize a hard coating and a mold and a tool having the hard coating.

本発明に係る硬質皮膜は、母材の表面に形成され、母材側から順次設けられた金属窒化物層と、炭窒化チタン層と、炭化チタン層とを備え、炭化チタン層は、(200)結晶面と、(111)結晶面とを有し、下記の式1〜3を満たす。
h(200)/h(111)≧1.0・・・式1
0<d(200)≦1.5・・・式2
0<d(111)≦1.0・・・式3
但し、h(200)は、TiC層の表面をX線回析した際に得られる、(200)結晶面のピーク高さであり、h(111)は(111)結晶面のピーク高さであり、d(200)は(200)結晶面のピークの半価幅であり、d(111)は(111)結晶面のピークの半価幅である。
The hard film according to the present invention includes a metal nitride layer, a titanium carbonitride layer, and a titanium carbide layer that are formed on the surface of the base material and are sequentially provided from the base material side. ) Crystal plane and (111) crystal plane and satisfy the following formulas 1 to 3.
h (200) / h (111) ≧ 1.0 Formula 1
0 <d (200) ≦ 1.5 Formula 2
0 <d (111) ≦ 1.0 Formula 3
However, h (200) is the peak height of the (200) crystal plane obtained when X-ray diffraction is performed on the surface of the TiC layer, and h (111) is the peak height of the (111) crystal plane. D (200) is the half width of the peak of the (200) crystal plane, and d (111) is the half width of the peak of the (111) crystal plane.

本発明の硬質皮膜は、母材との密着性に優れているだけでなく、(200)結晶面の配向比が高く、且つ(200)結晶面及び(111)結晶面における結晶性に優れたTiC膜を備えている。このため、TiC膜の硬度及び弾性率が大きく、金型及び工具等の耐久性を大きく向上させることができる。   The hard coating of the present invention not only has excellent adhesion to the base material, but also has a high orientation ratio of (200) crystal plane and excellent crystallinity in (200) crystal plane and (111) crystal plane. A TiC film is provided. For this reason, the hardness and elastic modulus of the TiC film are large, and the durability of the mold and the tool can be greatly improved.

本発明の硬質皮膜は、硬度が30GPa以上で、弾性率が310GPa以上であってもよい。   The hard coating of the present invention may have a hardness of 30 GPa or more and an elastic modulus of 310 GPa or more.

本発明の硬質皮膜は、表面に存在する面積が5μm2以上のドロップレットが90個/mm2以下であってもよい。 The hard coating of the present invention may have 90 droplets / mm 2 or less of droplets having an area on the surface of 5 μm 2 or more.

本発明の硬質皮膜において、金属窒化物層は、窒化チタン層又は窒化クロム層としても、母材側から順に設けられた窒化クロム層及び窒化チタン層としてもよい。   In the hard coating of the present invention, the metal nitride layer may be a titanium nitride layer or a chromium nitride layer, or may be a chromium nitride layer and a titanium nitride layer sequentially provided from the base material side.

本発明のプレス用金型は、本発明の硬質皮膜を有している。   The press die of the present invention has the hard coating of the present invention.

本発明の工具は、本発明の硬質皮膜を有している。   The tool of the present invention has the hard coating of the present invention.

本発明に係る硬質皮膜、硬質皮膜を有する金型及び工具によれば、母材との密着性だけでなく硬度及び弾性率等の特性に優れ且つドロップレットを低減した硬質皮膜及びTiC膜を有する金型及び工具を実現できる。   According to the hard coating, the mold and the tool having the hard coating according to the present invention, the hard coating and the TiC film having excellent properties such as hardness and elastic modulus as well as adhesion to the base material and reduced droplets are included. Molds and tools can be realized.

本実施形態のプレス用金型の一部分を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of press die of this embodiment. 本実施形態のプレス用金型の一部分を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of press die of this embodiment. 磁場分布の評価するための座標系を示す図である。It is a figure which shows the coordinate system for evaluating magnetic field distribution. ビード引き抜き試験に用いる金型を示す図である。It is a figure which shows the metal mold | die used for a bead pull-out test. ビード引き抜き試験の実施方法を示す図である。It is a figure which shows the implementation method of a bead pull-out test. 磁場分布の測定モデルを示す図である。It is a figure which shows the measurement model of magnetic field distribution.

以下の実施形態においては、プレス用金型を例に説明を行うが、本実施形態の硬質被膜は、プレス用金型の表面に形成するだけでなく、工具等の表面に形成することもできる。   In the following embodiments, a press mold will be described as an example, but the hard coating of the present embodiment can be formed not only on the surface of the press mold but also on the surface of a tool or the like. .

図1は、本実施形態のプレス用金型の断面構成を示している。本実施形態のプレス用金型は、金型母材111の表面に、硬質被膜112が形成されている。   FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a press mold according to the present embodiment. In the press mold of this embodiment, a hard coating 112 is formed on the surface of a mold base material 111.

金型母材111には、プレス用金型として従来から用いられている各種材料を用いることができる。具体的には、SKD11及びSKD61等のダイス鋼、SKH51等の高速度鋼、SK5及びSKS3等の各種工具鋼、超硬材、並びにSUS440C、SUS420J2及びSUS304等のステンレス鋼材等を用いることができる。これらの中では、特に、高温焼き戻しにより、2次硬化が起こるSKD11等のダイス鋼及びSKH51等の高速度鋼が高い硬度が得られバックアップ力強化による耐摩耗性向上の点から好ましい。   As the mold base material 111, various materials conventionally used as a press mold can be used. Specifically, die steels such as SKD11 and SKD61, high speed steels such as SKH51, various tool steels such as SK5 and SKS3, carbide materials, and stainless steel materials such as SUS440C, SUS420J2, and SUS304 can be used. Among these, a die steel such as SKD11 and a high speed steel such as SKH51 in which secondary hardening occurs due to high-temperature tempering are particularly preferable from the viewpoint of obtaining high hardness and improving wear resistance by strengthening backup force.

また、金型母材111における硬質被膜112が形成される表面は、算術平均表面粗度Raが0.1μm以下であることが好ましい。物理気相堆積(PVD)法により形成した硬質被膜112は、緻密で平滑性の高い被膜であるため、金型母材111表面の表面状態が硬質被膜112の表面状態として反映されやすい。このため、金型母材111の表面粗度をこのような範囲とすることにより、硬質被膜112の表面における滑り性をより向上させることができる。   The surface of the mold base 111 on which the hard coating 112 is formed preferably has an arithmetic average surface roughness Ra of 0.1 μm or less. Since the hard coating 112 formed by the physical vapor deposition (PVD) method is a dense and highly smooth coating, the surface state of the surface of the mold base 111 is easily reflected as the surface state of the hard coating 112. For this reason, by making the surface roughness of the mold base material 111 into such a range, the slipperiness on the surface of the hard coating 112 can be further improved.

硬質被膜112は、図1に示すように、金型母材111側から順次形成された金属窒化物層113、窒炭化チタン(TiCN)層114及び炭化チタン(TiC)層115を有している。金属窒化物層113は、窒化チタン(TiN)層又は窒化クロム(CrN)層等とすることができる。   As shown in FIG. 1, the hard coating 112 has a metal nitride layer 113, a titanium nitride carbide (TiCN) layer 114, and a titanium carbide (TiC) layer 115 that are sequentially formed from the mold base material 111 side. . The metal nitride layer 113 can be a titanium nitride (TiN) layer, a chromium nitride (CrN) layer, or the like.

金型母材111側に金属窒化物層113を設け、金属窒化物層113とTiC層115との間にTiCN層114を設けることにより硬質被膜112全体としての密着性が向上する。金属窒化物層113とTiC層115との間のTiCN層114は、TiCxy(但し、x+y=1、x<1、xはTiN層表面から遠ざかるにつれて1に近づくように徐々に増大する)からなることが好ましい。TiCN層114をCとNとの比率が徐々に変化する傾斜組成を有する層とすることにより、金属窒化物層113とTiC層115との密着性をより向上させることができる。 By providing the metal nitride layer 113 on the mold base material 111 side and providing the TiCN layer 114 between the metal nitride layer 113 and the TiC layer 115, the adhesion of the hard coating 112 as a whole is improved. The TiCN layer 114 between the metal nitride layer 113 and the TiC layer 115 is TiC x N y (where x + y = 1, x <1, x gradually increases so as to approach 1 as the distance from the TiN layer surface increases. ). By making the TiCN layer 114 a layer having a gradient composition in which the ratio of C and N gradually changes, the adhesion between the metal nitride layer 113 and the TiC layer 115 can be further improved.

金属窒化物層113は、図2に示すように金型母材111側から順次形成されたCrN層113aとTiC層113bとの積層体としてもよい。   The metal nitride layer 113 may be a laminate of a CrN layer 113a and a TiC layer 113b that are sequentially formed from the mold base material 111 side as shown in FIG.

硬質被膜112の厚さは、特に限定されないが、被膜の内部応力バランスを維持してより高い密着力を確保する観点から、12μm以下であることが好ましく、8μm以下であることがより好ましい。また、金属窒化物層113及びTiCN層114の厚さの合計は、硬質被膜112の密着性をより高く維持する観点から、2μm〜8μm程度とすることが好ましく、3〜5μm程度とすることがより好ましい。また、金属窒化物層113及びTiCN層114の厚さの合計は、硬質被膜112の密着性をより高く維持する観点から、2μm〜8μm程度とすることが好ましく、3〜5μm程度とすることがより好ましい。TiC層115の膜厚も特に限定されないが、1μm以上であることが好ましい。   The thickness of the hard coating 112 is not particularly limited, but is preferably 12 μm or less, and more preferably 8 μm or less from the viewpoint of maintaining a higher adhesive force while maintaining the internal stress balance of the coating. Further, the total thickness of the metal nitride layer 113 and the TiCN layer 114 is preferably about 2 μm to 8 μm, and preferably about 3 to 5 μm from the viewpoint of keeping the adhesion of the hard coating 112 higher. More preferred. Further, the total thickness of the metal nitride layer 113 and the TiCN layer 114 is preferably about 2 μm to 8 μm, and preferably about 3 to 5 μm from the viewpoint of keeping the adhesion of the hard coating 112 higher. More preferred. The thickness of the TiC layer 115 is not particularly limited, but is preferably 1 μm or more.

なお、図1及び図2において硬質被膜112を構成する各層の境界を明確に記載しているが、製法及び膜厚等によっては、各層の境界が明確には特定できない場合もある。また、TiCN層114は、CとNの比率が連続的に変化している方が、膜内における剥離等が生じにくくなり好ましい。しかし、ステップ状に変化していてもよい。   1 and 2 clearly show the boundaries between the layers constituting the hard coating 112, but the boundaries between the layers may not be clearly specified depending on the manufacturing method, film thickness, and the like. In the TiCN layer 114, it is preferable that the ratio of C and N is continuously changed because peeling in the film is less likely to occur. However, it may change stepwise.

プレス用金型の耐久性は硬質被膜112の最表面に設けられたTiC層115の特性により大きく変化する。TiC膜の特性は、TiCの結晶面により影響を受ける。本願発明者らは、TiC膜の硬度及び弾性率に、(200)面の(111)面に対する結晶配向比((200)/(111))及び結晶性が与える影響について検討した。その結果、(200)/(111)が大きく、且つ(200)面及び(200)面の結晶性が良好な場合に、TiC膜の硬度及び弾性率が大きくなることを見出した。   The durability of the press mold greatly varies depending on the characteristics of the TiC layer 115 provided on the outermost surface of the hard coating 112. The characteristics of the TiC film are affected by the crystal plane of TiC. The inventors of the present application examined the influence of the crystal orientation ratio ((200) / (111)) and crystallinity of the (200) plane to the (111) plane on the hardness and elastic modulus of the TiC film. As a result, it was found that the hardness and elastic modulus of the TiC film increase when (200) / (111) is large and the crystallinity of the (200) plane and (200) plane is good.

具体的には、以下の式1〜3を満たすTiC層115を形成することにより、TiC層115の硬度及び弾性率を大きく改善でき、プレス用金型の耐久性を向上させることができる。   Specifically, by forming the TiC layer 115 satisfying the following formulas 1 to 3, the hardness and elastic modulus of the TiC layer 115 can be greatly improved, and the durability of the press mold can be improved.

h(200)/h(111)≧1.0 ・・・ 式1
0<d(200)≦1.5 ・・・ 式2
0<d(111)≦1.0 ・・・ 式3
但し、h(200)は(200)X線解析により得られる結晶面のピーク高さであり、h(111)は(111)結晶面のピーク高さであり、d(200)は(200)結晶面のピークの半価幅であり、d(111)は(111)結晶面のピークの半価幅である。h(200)、h(111)、d(200)及びd(111)は、実施例において詳細に説明するX線回折法により求めることができる。
h (200) / h (111) ≧ 1.0 Formula 1
0 <d (200) ≦ 1.5 Formula 2
0 <d (111) ≦ 1.0 Formula 3
However, h (200) is the peak height of the crystal plane obtained by (200) X-ray analysis, h (111) is the peak height of the (111) crystal plane, and d (200) is (200). The half width of the peak of the crystal plane, and d (111) is the half width of the peak of the (111) crystal plane. h (200), h (111), d (200), and d (111) can be obtained by the X-ray diffraction method described in detail in Examples.

h(200)/h(111)は、大きい方がよい。具体的には、h(200)/h(111)は、1.2以上であることが好ましく、1.5以上であることがより好ましい。また、上限は特に限定されない。d(200)は、1.2以下であることが好ましく、1.0以下であることがより好ましい。d(111)は、0.9以下であることが好ましく、0.5以下であることがより好ましい。半価幅の下限は特に限定されないが、理論的に0よりも大きくなる。   The larger h (200) / h (111) is better. Specifically, h (200) / h (111) is preferably 1.2 or more, and more preferably 1.5 or more. The upper limit is not particularly limited. d (200) is preferably 1.2 or less, and more preferably 1.0 or less. d (111) is preferably 0.9 or less, and more preferably 0.5 or less. The lower limit of the half width is not particularly limited, but theoretically becomes larger than 0.

プレス用金型として十分な耐久性を示すために、TiC層115は十分な硬度と弾性率を有していることが好ましい。具体的に、TiC層115の硬度は、30GPa以上であることが好ましい。TiC層115の弾性率は280GPa以上であることが好ましく、290GPa以上であることがより好ましく、300GPa以上であることがさらに好ましい。硬度及び弾性率は、実施例において詳細に説明するナノインデンテーション法により測定することができる。   In order to exhibit sufficient durability as a press mold, the TiC layer 115 preferably has sufficient hardness and elastic modulus. Specifically, the hardness of the TiC layer 115 is preferably 30 GPa or more. The elastic modulus of the TiC layer 115 is preferably 280 GPa or more, more preferably 290 GPa or more, and further preferably 300 GPa or more. The hardness and elastic modulus can be measured by the nanoindentation method described in detail in the examples.

また、TiC層115の表面は十分に平滑であることが好ましい。具体的には、TiC層115の表面における最大粗さは10nm未満であることが好ましく、8nm以下であることがより好ましく、5nm以下であることがさらに好ましい。最大粗さは、実施例において詳細に説明する走査型プローブ顕微鏡(SPM)を用いた方法により測定することができる。   In addition, the surface of the TiC layer 115 is preferably sufficiently smooth. Specifically, the maximum roughness on the surface of the TiC layer 115 is preferably less than 10 nm, more preferably 8 nm or less, and further preferably 5 nm or less. The maximum roughness can be measured by a method using a scanning probe microscope (SPM) described in detail in Examples.

さらに、TiC層115はできるだけドロップレットが発生していないことが好ましい。具体的には、TiC層115の1mm2あたりにおける面積が5μm2以上のドロップレットの数は90個以下であることが好ましく、70個以下であることがより好ましく、50以下であることがさらに好ましい。ドロップレットの数は、実施例において詳細に説明する実体顕微鏡を用いた方法により測定することができる。 Furthermore, it is preferable that the TiC layer 115 has as few droplets as possible. Specifically, the number of droplets having an area per 1 mm 2 of the TiC layer 115 of 5 μm 2 or more is preferably 90 or less, more preferably 70 or less, and further preferably 50 or less. preferable. The number of droplets can be measured by a method using a stereomicroscope described in detail in the examples.

硬質被膜112は金型母材111と十分な密着性を有していることが好ましい。具体的には、硬質被膜112のスクラッチ強度は30Nよりも大きいことが好ましく、35N以上であることがより好ましく、40N以上であることがさらに好ましい。スクラッチ強度は、実施例において詳細に説明するスクラッチ試験により測定することができる。   The hard coating 112 preferably has sufficient adhesion to the mold base material 111. Specifically, the scratch strength of the hard coating 112 is preferably greater than 30N, more preferably 35N or more, and even more preferably 40N or more. The scratch strength can be measured by a scratch test described in detail in Examples.

硬質被膜112を形成した金型は十分なビード引き抜き特性を有していることが好ましい。具体的には、ビード引き抜き破断加圧荷重が30kNよりも大きいことが好ましく、31N以上であることがより好ましく、33kN以上であることがさらに好ましい。ビード引き抜き破断加圧荷重は、実施例において詳細に説明するビード引き抜き試験により測定することができる。   The mold on which the hard coating 112 is formed preferably has sufficient bead drawing characteristics. Specifically, the bead drawing break pressure load is preferably greater than 30 kN, more preferably 31 N or more, and even more preferably 33 kN or more. The bead pull breaking pressure load can be measured by a bead pull test described in detail in the examples.

硬質被膜112は、金型母材111の熱による歪み及び変形の発生を抑えるために、金型母材111が高温に曝されることがない条件において形成する。高速度鋼又はダイス鋼等により形成された金型母材111の焼き戻し温度以下で形成できることが好ましい。従って、硬質被膜112は物理気相堆積(PVD)法により形成する。特に、イオン源にカソーディックアーク装置を用いるカソーディックアークイオンプレーティング法が好ましい。   The hard coating 112 is formed under the condition that the mold base 111 is not exposed to a high temperature in order to suppress the occurrence of distortion and deformation of the mold base 111 due to heat. It is preferable that the mold base material 111 formed of high-speed steel or die steel can be formed at a temperature lower than the tempering temperature. Therefore, the hard coating 112 is formed by a physical vapor deposition (PVD) method. In particular, a cathodic arc ion plating method using a cathodic arc apparatus as an ion source is preferable.

成膜装置は、例えばチャンバーと、チャンバー内に設けられた、カソードと、アノードと、ワークホルダとを有している。カソードはターゲットホルダであり、その表面にはターゲットが固定されている。アノードはカソードの周りを囲むように設けられている。ワークホルダは回転テーブルであり、ワークホルダの上にはワーク(基板)が載置されている。チャンバー内にヒーターが設置されており、載置したワークを任意の温度に加熱することができる。   The film forming apparatus includes, for example, a chamber, a cathode, an anode, and a work holder provided in the chamber. The cathode is a target holder, and a target is fixed on the surface thereof. The anode is provided so as to surround the cathode. The work holder is a rotary table, and a work (substrate) is placed on the work holder. A heater is installed in the chamber, and the placed workpiece can be heated to an arbitrary temperature.

カソードとアノードとの間にはアーク電源が接続されており、カソードとアノードとの間にアーク放電を発生させることができる。ワークホルダにはバイアス電源が接続されており、ワークにバイアス電圧を印加することができる。アーク放電を発生させることにより、ターゲットを蒸発させイオン化することができる。ワークに印加されたバイアス電圧によりイオンを加速させてワークの表面に被着させることができる。   An arc power source is connected between the cathode and the anode, and arc discharge can be generated between the cathode and the anode. A bias power source is connected to the work holder, and a bias voltage can be applied to the work. By generating arc discharge, the target can be evaporated and ionized. Ions can be accelerated by a bias voltage applied to the workpiece and deposited on the surface of the workpiece.

カソードには磁力発生源である磁石又は電磁コイルが設けられている。磁石又は電磁コイルによりカソードからワークまで延びる磁力線が形成されている。アーク放電により発生した電子(e)の一部は、磁力線に巻き付くように運動を行い、この電子がチャンバー内のガス分子と衝突することにより、チャンバー内に導入されたガスがプラズマ化する。磁力線がワークまで延びているため、発生したイオンを効率良くワークまで到達させることができる。ターゲットをチタンとし、チャンバー内に窒素ガスを導入すれば、TiN膜を形成できる。チャンバー内を窒素ガスと炭化水素ガスとの混合ガスとすればTiCN膜を形成できる。チャンバー内を炭化水素ガスとすればTiC膜を形成できる。ターゲットをクロムとし、チャンバー内に窒素ガスを導入すれば、CrN膜を形成できる。   The cathode is provided with a magnet or an electromagnetic coil which is a magnetic force generation source. Magnetic lines of force extending from the cathode to the workpiece are formed by a magnet or electromagnetic coil. A part of the electrons (e) generated by the arc discharge moves so as to be wound around the magnetic field lines, and the electrons introduced into the chamber are turned into plasma by colliding with the gas molecules in the chamber. Since the magnetic lines of force extend to the workpiece, the generated ions can efficiently reach the workpiece. If the target is titanium and nitrogen gas is introduced into the chamber, a TiN film can be formed. If the inside of the chamber is a mixed gas of nitrogen gas and hydrocarbon gas, a TiCN film can be formed. If the inside of the chamber is a hydrocarbon gas, a TiC film can be formed. If the target is chromium and nitrogen gas is introduced into the chamber, a CrN film can be formed.

ワークの表面に密度が高い被膜を形成するためには、ワークの表面に供給された原子に、安定した原子配列を形成するために十分なエネルギーを供給することが重要である。ワークの表面において原子に十分なエネルギーを供給する方法として、ワークの温度を高くすることが考えられる。しかし、プレス用金型の場合には、金型母材であるワークの熱変形等を抑える必要があり、ワークの温度を十分に高くすることは困難である。ワークの加熱以外に十分なエネルギーを供給する方法として、ワークに到達するイオンのエネルギーを大きくすることが考えられる。ワークに到達するイオンのエネルギーを大きくする方法として、カソードからワークへ向かう磁場(垂直磁場)の強度を大きくすることが考えられる。垂直磁場の強度を大きくすることにより、ワークに到達するイオンの密度が向上し、ワークに到達したイオンのエネルギーの指標である基板電流密度も大きくなる。   In order to form a film having a high density on the surface of the workpiece, it is important to supply sufficient energy for forming a stable atomic arrangement to the atoms supplied to the surface of the workpiece. As a method for supplying sufficient energy to atoms on the surface of the workpiece, it is conceivable to increase the temperature of the workpiece. However, in the case of a press die, it is necessary to suppress thermal deformation or the like of a workpiece that is a die base material, and it is difficult to sufficiently raise the temperature of the workpiece. As a method of supplying sufficient energy other than heating the workpiece, it is conceivable to increase the energy of ions that reach the workpiece. As a method for increasing the energy of ions reaching the workpiece, it is conceivable to increase the strength of the magnetic field (vertical magnetic field) from the cathode toward the workpiece. By increasing the strength of the vertical magnetic field, the density of ions reaching the workpiece is improved, and the substrate current density, which is an index of the energy of ions reaching the workpiece, is also increased.

このように成膜においては、ターゲット中心からワーク方向への磁場強度を高めることが好ましい。しかし、発生した磁力線は反対極側へ戻ろうとする性質がある。この傾向は磁力発生源の中心から外側に位置するほど、顕著となり磁力線は短い軌跡で反対極へ戻ろうとする。従って、ターゲットの周囲ではワーク方向からそれていき、ワークへ届くイオン量が減少し、基板電流密度を高めることができない。   Thus, in the film formation, it is preferable to increase the magnetic field strength from the center of the target to the workpiece direction. However, the generated magnetic field lines have the property of returning to the opposite pole side. This tendency becomes more conspicuous as the position is more outward from the center of the magnetic force generation source, and the magnetic lines of force try to return to the opposite pole with a short trajectory. Accordingly, the amount of ions reaching the workpiece decreases from the workpiece direction around the target, and the substrate current density cannot be increased.

本願発明者らは、水平磁場を制御することにより、ワーク方向への磁束密度を2〜4倍向上させることを見出した。図3に示すような、ターゲットの主面と直交し、ワーク側に延びる方向をX方向(垂直方向)とし、ターゲットの動径方向をr方向(水平方向)とする座標系を考える。ターゲットの中心をX=0,r=0とし、ターゲットの半径をRとし、Xのプラス側にワークがあるとする。X=2R,r=2Rの位置における磁束密度を1.8mT以上、10mT以下で、r方向の磁力ベクトル(r成分磁力ベクトル)のX方向の磁力ベクトル(X成分磁力ベクトル)に対するベクトル比(|Z/r|)を2.5以下とすれば、カソードから発生したイオンを拡散させることなく、ワーク方向へ導くことが可能となる。これにより、基板電流密度を高めることが可能となり、密度が高い被膜を形成することができる。また、h(200)/h(111)を大きくし、且つd(200)及びd(111)の値も小さく抑えることができる。   The inventors of the present application have found that the magnetic flux density in the workpiece direction is improved 2 to 4 times by controlling the horizontal magnetic field. Consider a coordinate system as shown in FIG. 3 in which the direction orthogonal to the main surface of the target and extending toward the workpiece is the X direction (vertical direction) and the radial direction of the target is the r direction (horizontal direction). Assume that the center of the target is X = 0, r = 0, the radius of the target is R, and the workpiece is on the plus side of X. When the magnetic flux density at the position of X = 2R and r = 2R is 1.8 mT or more and 10 mT or less, the vector ratio of the r-direction magnetic force vector (r-component magnetic force vector) to the X-direction magnetic force vector (X-component magnetic force vector) (| If Z / r |) is 2.5 or less, ions generated from the cathode can be guided in the work direction without diffusing. As a result, the substrate current density can be increased, and a coating film having a high density can be formed. Further, h (200) / h (111) can be increased and the values of d (200) and d (111) can be suppressed to be small.

カソード電流の値は高い方が好ましく、120A以上とすることが好ましく、130A以上とすることがより好ましく、140A以上とすることがさらに好ましい。カソード電流が高い方が、カソードから発生したイオンを拡散させることなくワーク方向に向かわせる効果が大きく、ドロップレットの生成量に対するイオンの生成量が相対的に多くなり、被膜を占めるドロップレットの割合を抑えることができる。一方、ワークの温度上昇を500℃以下に抑えるためにはカソード電流を高くしすぎないことが好ましい。このため、カソード電流を300A以下とすることが好ましく、280A以下とすることがより好ましい。ワークの電流密度はワークに到達するイオンのエネルギーによって決まるが、高い方が好ましい。具体的には、1.0mA/cm2以上とすることが好ましく、1.2mA/cm2以上とすることがより好ましい。 The cathode current value is preferably higher, preferably 120 A or more, more preferably 130 A or more, and even more preferably 140 A or more. The higher the cathode current, the greater the effect of directing the ions generated from the cathode toward the workpiece without diffusing, and the amount of ions generated relative to the amount of droplets generated is relatively large, and the proportion of droplets occupying the film Can be suppressed. On the other hand, it is preferable not to make the cathode current too high in order to suppress the temperature rise of the workpiece to 500 ° C. or less. For this reason, the cathode current is preferably 300 A or less, and more preferably 280 A or less. The current density of the workpiece is determined by the energy of ions reaching the workpiece, but is preferably higher. Specifically, it is preferably 1.0 mA / cm 2 or more, and more preferably 1.2 mA / cm 2 or more.

チャンバー内の圧力がある程度高い方がイオンの密度が上昇し、h(200)/h(111)が大きくなると期待される。しかし、d(200)及びd(111)の低下を抑えるためには、高くしすぎない方が好ましい。このため、チャンバー内の圧力は、2.0Pa以上が好ましく、2.5Pa以上がより好ましい。また、3.5Pa以下が好ましく、3.0Pa以下がより好ましい。   It is expected that the higher the pressure in the chamber, the higher the ion density and h (200) / h (111) will be. However, in order to suppress the decrease in d (200) and d (111), it is preferable not to make it too high. For this reason, the pressure in the chamber is preferably 2.0 Pa or more, and more preferably 2.5 Pa or more. Moreover, 3.5 Pa or less is preferable and 3.0 Pa or less is more preferable.

TiC層を成膜する際にチャンバー内に導入する炭化水素ガスは、特に限定されないが、メタン(CH4)、エタン(C26)、プロパン(C38)、ブタン(C410)、ペンタン(C512)、ヘキサン(C614)、ヘプタン(C716)、オクタン(C818)、ノナン(C920)、デカン(C1022)などのCnn+2の化学式で表記できるアルカン、エチレン(C24)、プロピレン(C36)、ブテン(C48)、ペンテン(C510)、ヘキセン(C612)などのCn2n(n≧2)の化学式で表記できるアルケン、アセチレン(C22)、プロピン(C34)などのCn2n(n≧2)の化学式で表記できるアルキン、及びベンゼン(C66)、トルエン(C65CH3)、ジメチルベンゼン(C6426)、トリメチルベンゼン(C6339)等の芳香族炭化水素等を用いることができる。これらの炭化水素は単独で用いてもよく、混合して用いてもよい。 The hydrocarbon gas introduced into the chamber when forming the TiC layer is not particularly limited, but methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ), butane (C 4 H) 10), pentane (C 5 H 12), hexane (C 6 H 14), heptane (C 7 H 16), octane (C 8 H 18), nonane (C 9 H 20), decane (C 10 H 22) alkane can be represented by C n H n + 2 of the formula such as, ethylene (C 2 H 4), propylene (C 3 H 6), butene (C 4 H 8), pentene (C 5 H 10), hexene (C 6 H 12) C n H 2n (n alkenes that can be represented by the chemical formula of ≧ 2), acetylene such (C 2 H 2), propyne (C 3 H 4) C n H 2n (n ≧ 2) of the formula such as in alkynes can be expressed, and benzene (C 6 H 6), toluene (C 6 H 5 CH 3) , dimethylbenzene C 6 H 4 C 2 H 6 ), can be used aromatic hydrocarbons such as trimethylbenzene (C 6 H 3 C 3 H 9). These hydrocarbons may be used alone or in combination.

本実施形態においては、母材がプレス用金型の金型母材である例を示した。しかし、母材は、耐摩耗性及び硬度等が要求される、パンチ、ドリル、エンドミル、タップ、転造ダイス等の冷間成型工具、カッター、裁断刃、打ち抜き等の工具及び加工装置等の母材であってもよい。焼き入れ等により硬度の調整を行う工具等の母材についても、母材を高温に曝すことなく形成できる本実施形態の硬質被膜は非常に有用である。工具の母材の表面に本実施形態の硬質皮膜を形成することにより、被膜の剥離が生じにくく且つ磨耗等が生じにくい工具が実現できる。   In the present embodiment, an example in which the base material is a die base material of a press mold is shown. However, the base material is a base for cold forming tools such as punches, drills, end mills, taps, and rolling dies, cutters, cutting blades, punching tools, and processing devices that require wear resistance and hardness. It may be a material. The hard coating of this embodiment that can be formed without exposing the base material to a high temperature is also very useful for a base material such as a tool that adjusts the hardness by quenching or the like. By forming the hard film of the present embodiment on the surface of the base material of the tool, a tool that hardly peels off the coating and hardly wears out can be realized.

(評価方法)
−結晶構造−
被膜の結晶構造は、X線回折装置(リガク社製:RINT2500 VHF)を用いて測定した。X線入射角は2°とし、回折角(2θ)は20°〜120°の範囲でX線回折スペクトルを測定した。ターゲットには銅を用いた。TiCの(200)面のピーク強度をh(200)、半価幅をd(200)とし、(111)面のピークの強度をh(111)、半価幅をd(111)とした。
(Evaluation method)
-Crystal structure-
The crystal structure of the coating was measured using an X-ray diffractometer (Rigaku Corporation: RINT2500 VHF). An X-ray diffraction spectrum was measured with an X-ray incident angle of 2 ° and a diffraction angle (2θ) of 20 ° to 120 °. Copper was used for the target. The peak intensity of the (200) plane of TiC was h (200), the half width was d (200), the peak intensity of the (111) plane was h (111), and the half width was d (111).

−物理特性−
被膜の硬度及び弾性率(ヤング率)は、ナノインデンテーション装置(Hysitron社製:TI-950 Triboindenter)により測定した。ダイヤモンドの圧子は稜線角が115°の三角錐のBerkovich型とし、ダイヤモンド圧子の押し込み加重を1000μNとして荷重−変位曲線を求め、得られた荷重−変位曲線から硬度及び弾性率を算出した。
-Physical properties-
The hardness and elastic modulus (Young's modulus) of the coating were measured with a nanoindentation device (Hysitron: TI-950 Triboindenter). The diamond indenter was a triangular pyramid Berkovich type with a ridge angle of 115 °, the indentation load of the diamond indenter was 1000 μN, the load-displacement curve was obtained, and the hardness and elastic modulus were calculated from the obtained load-displacement curve.

−粗さ形状−
被膜の粗さ形状はナノインデンテーション装置(Hysitron社製:TI-950 Triboindenter)を走査型プローブ顕微鏡として用いて測定した。プローブの荷重を70nNとし、成膜後に1〜10μmの粒子径のダイヤモンドを用いラッピングを行った試料について、0.01〜3Hzのスキャン速度で走査した。10μmの範囲について往復の走査を行い、往路と復路との平均値から最大粗さを求めた。
−Roughness shape−
The roughness of the coating was measured using a nanoindentation device (Hysitron: TI-950 Triboindenter) as a scanning probe microscope. The sample was lapped with diamond having a particle diameter of 1 to 10 μm after film formation at a probe load of 70 nN, and scanned at a scan speed of 0.01 to 3 Hz. A reciprocating scan was performed in the range of 10 μm, and the maximum roughness was obtained from the average value of the forward and return paths.

−スクラッチ特性−
被膜のスクラッチ特性は、スクラッチ試験装置(CSEM社製:Revetest Scratch Tester)により測定した。試験は、日本機械学会基準JSME S010(1996)に準拠して行った。
−Scratch characteristics−
The scratch properties of the coating were measured with a scratch tester (CSEM Co .: Revetest Scratch Tester). The test was performed in accordance with the Japan Society of Mechanical Engineers standard JSME S010 (1996).

−ビード引き抜き特性−
被膜を形成したプレス用金型のビード引き抜き特性は、以下のようにして測定した。図4に示すオス側金型311及びメス側金型312からなるプレス用金型310を準備した。図5に示すように、20×300×1.4mmの高張力鋼材SPFC980Y(100k級ハイテン)からなる鋼板315を、プレス用金型310に挟み込んだ。鋼板315を挟み込んだプレス用金型310を小型プレス機にセットし、徐々に加圧しながら、挟み込まれた鋼板315の一端を500mm/minの一定速度で引っ張った。鋼板315が破断した際の小型プレス機の加圧荷重Pを破断加圧荷重とした。
-Bead pulling characteristics-
The bead pulling characteristics of the press mold on which the film was formed were measured as follows. A press mold 310 including a male mold 311 and a female mold 312 shown in FIG. 4 was prepared. As shown in FIG. 5, a steel plate 315 made of a high-tensile steel material SPFC980Y (100k class high tensile) of 20 × 300 × 1.4 mm was sandwiched between press dies 310. The press mold 310 sandwiching the steel plate 315 was set in a small press machine, and one end of the sandwiched steel plate 315 was pulled at a constant speed of 500 mm / min while gradually pressurizing. The pressurizing load P of the small press when the steel plate 315 broke was taken as the breaking pressurizing load.

−ドロップレット−
被膜表面のドロップレットは、実体顕微鏡(Leica社製: M165C)を用いて目視により測定した。測定範囲は1.6mm×1mmの範囲とし、投影面積が5μm2以上のものをドロップレットとしてカウントした。
-Droplet-
The droplets on the coating surface were measured visually using a stereomicroscope (Leica: M165C). The measurement range was 1.6 mm × 1 mm, and those with a projected area of 5 μm 2 or more were counted as droplets.

−磁場の分布−
ターゲットにおける磁場の分布は、図6に示すように、X軸、Y軸、Z軸における磁場をガウスメーター(電子磁気工業社製:GM−301)により測定することにより求めた。測定値からX、Y、Zの各成分磁力ベクトルを算出した。Z軸成分をr方向成分に置き換えた。Y成分の占める割合は3%以下であるため、磁束密度Bは、((X成分磁力ベクトル)2+(r成分磁力ベクトル)20.5とした。
-Magnetic field distribution-
As shown in FIG. 6, the distribution of the magnetic field in the target was determined by measuring the magnetic fields in the X axis, Y axis, and Z axis with a gauss meter (manufactured by Electronic Magnetic Industry: GM-301). X, Y, and Z component magnetic force vectors were calculated from the measured values. The Z-axis component was replaced with the r-direction component. Since the proportion of the Y component is 3% or less, the magnetic flux density B was set to ((X component magnetic force vector) 2 + (r component magnetic force vector) 2 ) 0.5 .

(実施例1)
まず、図6に示した形状及び寸法で、その表面がRa=0.05μm程度に鏡面仕上げされたSKD11からなるオス側金型母材及びメス側金型母材のセットを準備した。
Example 1
First, a set of a male side die base material and a female side die base material made of SKD11 having the shape and dimensions shown in FIG. 6 and having a mirror-finished surface of about Ra = 0.05 μm was prepared.

オス側金型母材及びメス側金型母材の表面に、アークイオンプレーティングを用いた成膜装置を用いて、アークイオンプレーティング法により被膜を形成した。具体的にはまず、成膜装置のワークホルダの上に、オス側金型母材及びメス側金型母材を載置した。ターゲットには純チタン(JIS2種)を用いた。続いて、チャンバー内を3×10-3Paまで減圧した。オス側金型母材及びメス側金型母材の温度はヒーターによりそれぞれ450℃とした。続いて、ガス導入口からアルゴン(Ar)ガスを供給しつつ、排気することによりチャンバー内の圧力を所定の圧力に維持し、ワークとチャンバーの間で放電させることにより、アルゴンボンバードを行い、金型母材の表面をクリーニングした。 A coating film was formed on the surfaces of the male side die base material and the female side die base material by an arc ion plating method using a film forming apparatus using arc ion plating. Specifically, first, the male mold base and the female mold base were placed on the work holder of the film forming apparatus. Pure titanium (JIS type 2) was used as a target. Subsequently, the pressure in the chamber was reduced to 3 × 10 −3 Pa. The temperature of the male side mold base material and the female side mold base material was set to 450 ° C. by a heater. Subsequently, while supplying argon (Ar) gas from the gas inlet, the pressure in the chamber is maintained at a predetermined pressure by exhausting, and argon bombarding is performed by discharging between the workpiece and the chamber, and gold The surface of the mold base material was cleaned.

次に、Arガスの供給を止めた後、供給ガスを窒素ガスとし、圧力は2.7Paに維持した。同時に、アーク放電を発生させ、Tiからなるターゲットを蒸発させた。蒸発したTi及び窒素は、アーク放電によりイオン化し、バイアス電圧が印加されたオス側金型母材及びメス側金型母材に向けて供給され、それぞれの表面にTiN層を形成した。TiN層の成膜後、供給ガスを徐々に窒素ガスからメタンガスに切り換え、TiCN層を形成した。TiCN層の成膜後に供給ガスをメタンガスのみとし、TiC層の形成を行った。得られた被膜のTiN層の厚さは約1μmであり、TiCN層の厚さは約2μmであり、TiC層の厚さは約1μmであった。   Next, after the supply of Ar gas was stopped, the supply gas was changed to nitrogen gas, and the pressure was maintained at 2.7 Pa. At the same time, arc discharge was generated to evaporate the target made of Ti. The evaporated Ti and nitrogen were ionized by arc discharge and supplied toward the male mold base and the female mold base to which a bias voltage was applied, and a TiN layer was formed on each surface. After the formation of the TiN layer, the supply gas was gradually switched from nitrogen gas to methane gas to form a TiCN layer. After the TiCN layer was formed, the supply gas was changed to only methane gas, and the TiC layer was formed. The obtained coating had a TiN layer thickness of about 1 μm, a TiCN layer thickness of about 2 μm, and a TiC layer thickness of about 1 μm.

成膜の際のカソード電流は160Aとした。X成分磁力ベクトルは1.3mT、Y成分磁力ベクトルは0mT、Z成分(r方向成分)磁力ベクトルは2.7mTとし、磁束密度は3.0mTとし、ベクトル比は2.08とした。なお、磁力ベクトルのプラスの値はN極、マイナスの値はS極を表す。   The cathode current during film formation was 160 A. The X component magnetic force vector was 1.3 mT, the Y component magnetic force vector was 0 mT, the Z component (r direction component) magnetic force vector was 2.7 mT, the magnetic flux density was 3.0 mT, and the vector ratio was 2.08. The positive value of the magnetic force vector represents the N pole, and the negative value represents the S pole.

TiC層を成膜する際におけるワーク側電流密度は1.3mA/cm2であった。得られた被膜のh(200)/h(111)は2.4であり、d(200)は0.94、d(111)は0.38であった。また、硬度は34.5GPa、弾性率は315.8GPaであり、最大粗さは4nmであった。スクラッチ試験により膜剥がれが生じた荷重は41.3Nであり、ビード引き抜き試験における破断荷重は33kNであった。ドロップレットの数は38個/mm2であった。 The work-side current density when forming the TiC layer was 1.3 mA / cm 2 . H (200) / h (111) of the obtained film was 2.4, d (200) was 0.94, and d (111) was 0.38. The hardness was 34.5 GPa, the elastic modulus was 315.8 GPa, and the maximum roughness was 4 nm. The load at which film peeling occurred in the scratch test was 41.3 N, and the breaking load in the bead pull-out test was 33 kN. The number of droplets was 38 / mm 2 .

(実施例2)
チャンバー内の圧力を3.0Paとした以外は、実施例1と同様にして被膜の形成を行った。TiC層を成膜する際におけるワーク側電流密度は1.0mA/cm2であった。得られた被膜のh(200)/h(111)は1.2であり、d(200)は1.1、d(111)は0.90であった。また、硬度は30.3GPa、弾性率は290.0GPaであり、最大粗さは8nmであった。
(Example 2)
A film was formed in the same manner as in Example 1 except that the pressure in the chamber was 3.0 Pa. The work-side current density when forming the TiC layer was 1.0 mA / cm 2 . H (200) / h (111) of the obtained film was 1.2, d (200) was 1.1, and d (111) was 0.90. The hardness was 30.3 GPa, the elastic modulus was 290.0 GPa, and the maximum roughness was 8 nm.

(比較例1)
成膜の際のカソード電圧を150Aとし、X成分磁力ベクトルは0.6mT、Y成分磁力ベクトルは0.1mT、Z成分磁力ベクトルは1.6mTとし、磁束密度は1.7mTとし、ベクトル比は2.67とした。他の条件は実施例1と同じにして被膜の形成を行った。TiC層を成膜する際におけるワーク側電流密度は0.5mA/cm2であった。得られた被膜のh(200)/h(111)は0.8であり、d(200)は1.7、d(111)は1.6であった。また、硬度は29.8GPa、弾性率は277.5GPaであり、最大粗さは16nmであった。スクラッチ試験により膜剥がれが生じた荷重は29.6Nであり、ビード引き抜き試験における破断荷重は30kNであった。ドロップレットの数は95個/mm2であった。
(Comparative Example 1)
The cathode voltage during film formation is 150 A, the X component magnetic force vector is 0.6 mT, the Y component magnetic force vector is 0.1 mT, the Z component magnetic force vector is 1.6 mT, the magnetic flux density is 1.7 mT, and the vector ratio is It was set to 2.67. Other conditions were the same as in Example 1 to form a film. The work-side current density when forming the TiC layer was 0.5 mA / cm 2 . H (200) / h (111) of the obtained film was 0.8, d (200) was 1.7, and d (111) was 1.6. The hardness was 29.8 GPa, the elastic modulus was 277.5 GPa, and the maximum roughness was 16 nm. The load at which film peeling occurred in the scratch test was 29.6 N, and the breaking load in the bead pull-out test was 30 kN. The number of droplets was 95 / mm 2 .

(比較例2)
チャンバー内の圧力を4.0Paとし、カソード電圧を160Aとした以外は、比較例1と同様にして被膜の形成を行った。TiC層を成膜する際におけるワーク側電流密度は0.6mA/cm2であった。得られた被膜のh(200)/h(111)は0.90であり、d(200)は2.2、d(111)は2.0であった。また、硬度は13.3GPa、弾性率は130.0GPaであり、最大粗さは11nmであった。
(Comparative Example 2)
A coating was formed in the same manner as in Comparative Example 1 except that the pressure in the chamber was 4.0 Pa and the cathode voltage was 160 A. The work-side current density when forming the TiC layer was 0.6 mA / cm 2 . H (200) / h (111) of the obtained film was 0.90, d (200) was 2.2, and d (111) was 2.0. The hardness was 13.3 GPa, the elastic modulus was 130.0 GPa, and the maximum roughness was 11 nm.

(比較例3)
チャンバー内の圧力を3.5Paとし、カソード電流を160Aとした以外は、実施例1と同様にして被膜の形成を行った。TiC層を成膜する際におけるワーク側電流密度は0.8mA/cm2であった。得られた被膜のh(200)/h(111)は1.0であり、d(200)は1.3、d(111)は1.1であった。また、硬度は22.1GPa、弾性率は199.2GPaであり、最大粗さは10nmであった。
(Comparative Example 3)
A coating was formed in the same manner as in Example 1 except that the pressure in the chamber was 3.5 Pa and the cathode current was 160 A. The work-side current density when forming the TiC layer was 0.8 mA / cm 2 . H (200) / h (111) of the obtained coating was 1.0, d (200) was 1.3, and d (111) was 1.1. The hardness was 22.1 GPa, the elastic modulus was 199.2 GPa, and the maximum roughness was 10 nm.

各実施例及び実施形態における評価結果を表1にまとめて示す。h(200)/h(111)が大きく、d(200)及びd(111)が小さい被膜を形成した実施例1、2は、比較例と比べて硬度及び弾性率が大きく、プレス用金型として適している。また、最大粗さも小さくなった。さらに、ドロップレットも少なく、スクラッチ試験、ビード引き抜き試験の結果も優れていた。   The evaluation results in each example and embodiment are summarized in Table 1. In Examples 1 and 2 in which a film having a large h (200) / h (111) and a small d (200) and d (111) was formed, the hardness and elastic modulus were larger than those of the comparative example, and the press mold Suitable as The maximum roughness was also reduced. Furthermore, there were few droplets and the results of the scratch test and bead pull-out test were also excellent.

Figure 2014015636
Figure 2014015636

本発明に係る硬質皮膜、硬質皮膜を有する金型及び工具は、硬質被膜と母材との密着性が優れているだけでなく硬度及び弾性率等の特性に優れており、金型及び工具等の分野において有用である。   The hard coating according to the present invention, a mold and a tool having a hard coating, not only have excellent adhesion between the hard coating and the base material, but also have excellent properties such as hardness and elastic modulus. It is useful in the field of

111 金型母材
112 被膜
113 金属窒化物層
113a CrN層
113b TiN層
114 TiCN層
115 TiC層
310 プレス用金型
311 オス側金型
312 メス側金型
315 鋼板
111 Mold base material 112 Coating 113 Metal nitride layer 113a CrN layer 113b TiN layer 114 TiCN layer 115 TiC layer 310 Pressing die 311 Male die 312 Female die 315 Steel plate

Claims (7)

母材の表面に形成され、前記母材側から順次設けられた金属窒化物層と、炭窒化チタン層と、炭化チタン層とを備え、
前記炭化チタン層は、(200)結晶面と、(111)結晶面とを有し、下記の式1〜3を満たすことを特徴とする硬質皮膜。
h(200)/h(111)≧1.0 ・・・ 式1
0<d(200)≦1.5 ・・・ 式2
0<d(111)≦1.0 ・・・ 式3
但し、h(200)は、前記炭化チタン層の表面をX線回析した際に得られる、前記(200)結晶面のピーク高さであり、h(111)は前記(111)結晶面のピーク高さであり、d(200)は前記(200)結晶面のピークの半価幅であり、d(111)は前記(111)結晶面のピークの半価幅である。
A metal nitride layer formed on the surface of the base material and sequentially provided from the base material side, a titanium carbonitride layer, and a titanium carbide layer,
The titanium carbide layer has a (200) crystal plane and a (111) crystal plane, and satisfies the following formulas 1 to 3.
h (200) / h (111) ≧ 1.0 Formula 1
0 <d (200) ≦ 1.5 Formula 2
0 <d (111) ≦ 1.0 Formula 3
However, h (200) is the peak height of the (200) crystal plane obtained when X-ray diffraction is performed on the surface of the titanium carbide layer, and h (111) is the (111) crystal plane. The peak height, d (200) is the half width of the peak of the (200) crystal plane, and d (111) is the half width of the peak of the (111) crystal plane.
硬度が30GPa以上で、弾性率が310GPa以上であることを特徴とする請求項1に記載の硬質皮膜。   The hard film according to claim 1, wherein the hardness is 30 GPa or more and the elastic modulus is 310 GPa or more. 表面に存在する面積が5μm2以上のドロップレットが90個/mm2以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の硬質皮膜。 3. The hard coating according to claim 1, wherein the number of droplets having an area of 5 μm 2 or more on the surface is 90 / mm 2 or less. 前記金属窒化物層は、窒化チタン層又は窒化クロム層であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の硬質皮膜。   The hard film according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal nitride layer is a titanium nitride layer or a chromium nitride layer. 前記金属窒化物層は、前記母材側から順に設けられた窒化クロム層及び窒化チタン層であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の硬質皮膜。   The hard film according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal nitride layer is a chromium nitride layer and a titanium nitride layer provided in order from the base material side. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の硬質皮膜が設けられていることを特徴とするプレス用金型。   A press mold, wherein the hard film according to any one of claims 1 to 5 is provided. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の硬質皮膜が設けられていることを特徴とする工具。   A tool provided with the hard coating film according to any one of claims 1 to 5.
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