JP2014172091A - Cold-forging mold - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷間鍛造用の金型、特にこの金型の表面に被覆される皮膜について、その靱性と耐焼き付き性を高くすることにより、耐久性に優れた冷間鍛造用金型に関するものである。 The present invention relates to a die for cold forging, particularly a die for cold forging having excellent durability by increasing the toughness and seizure resistance of a coating coated on the surface of the die. It is.
従来から、金属加工用の治工具（以下、「金型」という）は、その素材等に窒化処理を施すことにより耐摩耗性及び耐焼き付き性の改善がなされてきた。近年では、窒化処理に加えて、ＰＶＤ等の気相コーティングにより、金型の表面にＴｉやＣｒの窒化物又は炭窒化物、ＴｉとＡｌやＣｒとＡｌの窒化物又は炭窒化物等の皮膜を被覆し、耐摩耗性ならびに耐焼き付き性の改善が検討されている。 Conventionally, jigs for metal working (hereinafter referred to as “molds”) have been improved in wear resistance and seizure resistance by nitriding the material. In recent years, in addition to nitriding treatment, coating of Ti or Cr nitride or carbonitride, Ti and Al, Cr and Al nitride or carbonitride, etc. on the mold surface by vapor phase coating such as PVD Improvements in wear resistance and seizure resistance have been studied.
金型の耐久性を向上（長寿命化）させるために、金型の表面にＴｉ、Ａｌ、Ｃｒ、等の窒化物や炭窒化物からなる皮膜を被覆した金型については、従来から各種の技術が提案されている。例えば、下記の特許文献１〜６に記載の発明が提案されている。 In order to improve the durability of the mold (prolong the life), various types of molds have been conventionally used in which the surface of the mold is coated with a film made of a nitride or carbonitride such as Ti, Al, Cr, etc. Technology has been proposed. For example, the inventions described in Patent Documents 1 to 6 below have been proposed.
特許文献１（特開２００３−３２１７６４号公報）には、高温に曝される部品、工具、金型等に被覆する皮膜であって、耐酸化性を１０００℃以上有し、耐摩耗性が良好な高硬度皮膜に関する発明が提案されている。特許文献１に記載の耐摩耗性皮膜は、Ａｌ、Ｃｒ、及びＳｉを主成分とした窒化物である。また、同文献には、皮膜を金属成分のみの原子％でＣｒが２０％以上７５％以下、Ｓｉが１％以上３０％以下、残りがＡｌとしたこと、及び、Ａｌ、Ｃｒ、及びＳｉを主成分とする窒化物の皮膜ａ層と、ＴｉとＡｌを主成分とする窒化物でその金属成分のみの原子％がＡｌが２５％以上７５％以下、残りがＴｉであるｂ層を交互にそれぞれ１層以上形成し、ａ層を最外層に形成すること、さらに、皮膜と基材との間にＴｉ又はＣｒの窒化物からなる層を設けること、等が開示されている。 Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-321864) discloses a film that covers parts, tools, molds, and the like that are exposed to high temperatures, has an oxidation resistance of 1000 ° C. or higher, and has good wear resistance. An invention related to a high hardness film has been proposed. The abrasion-resistant film described in Patent Document 1 is a nitride mainly composed of Al, Cr, and Si. In the same document, the atomic percentage of the metal component alone includes Cr of 20% to 75%, Si of 1% to 30%, the remainder being Al, and Al, Cr, and Si. Alternating film layer a nitride mainly composed of nitride and b layer composed of nitrides mainly composed of Ti and Al, in which atomic percent of only the metal component is 25% to 75% of Al and the rest is Ti It is disclosed that at least one layer is formed, the a layer is formed as the outermost layer, and further, a layer made of a nitride of Ti or Cr is provided between the film and the substrate.
特許文献２（特開２００８−１７４７８２号公報）には、耐摩耗性、耐焼き付き性に優れる被覆部材及び成形用冶工具に関する発明が提案されている。特許文献２に記載の成形用冶工具は、Ｃｒを含有する鉄基合金基材表面に、Ｃｒ１−ＸＭｘ（ＢａＣｂＮ１−ａ−ｂ）からなる皮膜層Ａ（膜厚１〜１０μｍ）が形成され、その上にＴｉ１−Ｘ−ＹＣｒＸＡｌＹＬＺ（ＢＢＣＡＮ１−Ａ−Ｂ）からなる皮膜層Ｂ（膜厚２〜１０μｍ）が形成されている成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材、但し、０≦ｘ≦０．７、０≦ａ≦０．２、０≦ｂ≦０．５、ＭはＷ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌの１種以上、０≦１−Ｘ−Ｙ≦０．５、０＜Ｘ≦０．５、０．４≦Ｙ≦０．７、０≦Ｚ≦０．１５、０≦Ａ≦０．５、０≦Ｂ≦０．２、ＬはＳｉ、Ｙの１種以上、である。Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-174782) proposes an invention relating to a covering member and a forming tool having excellent wear resistance and seizure resistance. The forming jig described in Patent Document 2 has a coating layer A (film thickness 1) made of Cr 1-X Mx (B a C b N 1-ab ) on the surface of an iron-based alloy substrate containing Cr. 10 .mu.m) is formed, thereon Ti 1-X-Y Cr X Al Y L Z (B B C a N 1-a-B) consisting of coating layer B (thickness 2 to 10 [mu] m) is formed Hard film covering member for forming tool, wherein 0 ≦ x ≦ 0.7, 0 ≦ a ≦ 0.2, 0 ≦ b ≦ 0.5, M is W, V, Mo, Nb, Ti, Al 1 or more of 0 ≦ 1-XY ≦ 0.5, 0 <X ≦ 0.5, 0.4 ≦ Y ≦ 0.7, 0 ≦ Z ≦ 0.15, 0 ≦ A ≦ 0.5 , 0 ≦ B ≦ 0.2, L is one or more of Si and Y.
特許文献３（特開２０１０−２０２９１７号公報）には、金型及び摺動部材に被覆する硬質皮膜であって、耐熱性及び機械的性質を改善した硬質皮膜に関する発明が提案されている。
特許文献３に記載の硬質皮膜は、下記の一般式（１−ａ）、（１−ｂ）及び（１−ｃ）で示される窒化膜であって、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）の金属比を膜が立方晶を維持する相変態近傍の組成とした硬質窒化物膜である。
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ・・・・・・・・・・・・・（１−ａ）
（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ・・・・・・・・・・・・・（１−ｂ）
（Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ・・・・・・・・・・（１−ｃ）
また、同文献の段落００２９には、試料作成について、合金又は金属膜（中間層）の堆積と、窒化物の堆積の２工程を実施したことが記載されている。さらに、同文献の段落００３０の表１には、実施形態として（Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ）Ｎの組成としてａｔ％でＴｉ：Ｃｒ：Ａｌ：Ｓｉを２０：２０：５５：５としたときに、硬度値（ＧＰａ）として３２が得られたことが開示されている。Patent Document 3 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-202917) proposes an invention related to a hard coating that is applied to a mold and a sliding member and has improved heat resistance and mechanical properties.
The hard film described in Patent Document 3 is a nitride film represented by the following general formulas (1-a), (1-b) and (1-c), and includes titanium (Ti), chromium (Cr), This is a hard nitride film in which the metal ratio of aluminum (Al) is a composition in the vicinity of a phase transformation where the film maintains cubic crystals.
(Ti, Al) N ... (1-a)
(Cr, Al) N ... (1-b)
(Ti, Cr, Al) N (1-c)
Also, paragraph 0029 of the same document describes that two steps of depositing an alloy or metal film (intermediate layer) and depositing nitride were performed for sample preparation. Further, in Table 1 of paragraph 0030 of the same document, when Ti: Cr: Al: Si is set to 20: 20: 55: 5 in an at% as a composition of (Ti, Cr, Al, Si) N as an embodiment, Discloses that a hardness value (GPa) of 32 was obtained.
特許文献４（特開２０１０−２８４７１０号公報）には、鍛造及びプレス加工などの塑性加工に使用される金型について、耐カジリ性、耐摩耗性を向上させた塑性加工用被覆金型に関する発明が提案されている。特許文献４に記載の塑性加工用被覆金型は、金型基材の表面に、ＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ≠０）からなり、かつＪＩＳ−Ｂ−０６０１（２００１）による表面粗さが算術平均粗さＲａで０．０６μｍ以下、最大高さＲｚが１．０μｍ以下の硬質皮膜を被覆した塑性加工用被覆金型である。
さらに、特許文献４には、この硬質皮膜は金型基材から皮膜の表面に向かって、Ｃｒの窒化物からなる最下層、Ａｌｘ１Ｃｒｙ１Ｓｉｚ１の窒化物（但し、ｘ１≦ｙ１、かつｘ１、ｙ１、ｚ１≠０）からなる中間層、Ａｌｘ２Ｃｒｙ２Ｓｉｚ２の窒化物（但し、ｘ２＞ｙ２、かつｘ２、ｙ２、ｚ２≠０）からなる最上層の多層構造を有していることも開示されている。Patent Document 4 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-284710) discloses an invention relating to a metal mold for plastic working such as forging and press working that has improved galling resistance and wear resistance. Has been proposed. The coated metal mold for plastic working described in Patent Document 4 is formed on the surface of a mold base with a nitride of Al x Cr y Si z (where x, y, z represents an atomic ratio, x + y + z = 100, and x, y, z ≠ 0), and a hard film having a surface roughness according to JIS-B-0601 (2001) of 0.06 μm or less in terms of arithmetic average roughness Ra and a maximum height Rz of 1.0 μm or less is coated. This is a plastic working coating die.
Further, Patent Document 4 discloses that this hard coating is a lowermost layer made of Cr nitride, nitride of Al x1 Cr y1 Si z1 (where x1 ≦ y1 and an intermediate layer composed of x1, y1, z1 ≠ 0) and an uppermost multilayer structure composed of nitride of Al x2 Cr y2 Si z2 (where x2> y2 and x2, y2, z2 ≠ 0) It is also disclosed.
特許文献５（特開２０１２−１３６７７５号公報）には、耐付着性に優れた被覆金型に関する発明が提案されている。ここで、この「耐付着性」とは、被加工材が金型表面に付着することを防止する性質（同文献の段落０００７参照）を示している。
特許文献５に記載の金型は、表面に硬質皮膜をスパッタリング法で被覆した被覆金型であって、この硬質皮膜は、金型基材側に被覆したＴｉまたはＴｉの窒化物、炭化物、炭窒化物の何れかからなるａ層と、金型表面側に被覆したＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ＞ｙ、かつ３≦ｚ＜２０）からなり、硬度が３５ＧＰａ以上であるｂ層と、ａ層とｂ層の間に配置され、ａ層側からｂ層側に向かってＴｉ比率が減少するＴｉと、ａ層側からｂ層側に向かってｂ層のＳｉ比率に近づくように増加するＳｉと、を含むＡｌｖＣｒｗの窒化物（但し、ｖ、ｗは原子比を示し、ｖ＞ｗ）からなる中間層と、を有している。さらに、この硬質皮膜は、その表面粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以下、最大高さ（Ｒｚ）を０．８μｍ以下とされている。Patent Document 5 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-136775) proposes an invention related to a coating mold having excellent adhesion resistance. Here, the “adhesion resistance” indicates a property for preventing the workpiece from adhering to the mold surface (see paragraph 0007 of the same document).
The mold described in Patent Document 5 is a coated mold in which a hard film is coated on the surface by a sputtering method, and this hard film is coated with Ti or Ti nitride, carbide, charcoal coated on the mold substrate side. A layer made of any of nitrides and nitride of Al x Cr y Si z coated on the mold surface side (where x, y, z indicate an atomic ratio, x + y + z = 100, and x> y, And b ≦ 3 ≦ z <20) and having a hardness of 35 GPa or more, Ti disposed between the a layer and the b layer, and Ti ratio decreasing from the a layer side toward the b layer side, Al v Cr w nitride containing Si increasing from the layer side toward the b layer side so as to approach the Si ratio of the b layer (provided that v and w indicate atomic ratios and v> w) And an intermediate layer. Further, the hard coating has a surface roughness (Ra) of 0.1 μm or less and a maximum height (Rz) of 0.8 μm or less.
特許文献６（特開２００５−４２１４６号公報）には、１０００℃以上でも優れた耐酸化性を有し、耐摩耗性が良好な高硬度皮膜に関する発明が提案されている。
特許文献６に記載の高硬度皮膜は、工具、金型などの被処理物となる基材に被覆する皮膜であって、基材の外側表面に形成される金属窒化物からなるコーティング層と、このコーティング層と被処理物の間にＴｉ又はＣｒの窒化物からなる下地層と、これらコーティング層と下地層との界面に設けられる中間層であってこの中間層に接するコーティング層の組成と下地層の組成との混合組成からなる中間層と、を備えた皮膜である。さらに、このコーティング層が、Ａｌ、ＣｒおよびＳｉを主成分とする金属窒化物で構成した皮膜であり、中間層が０．１〜２μｍの膜厚を有することが開示されている。
さらに、同文献には、コーティング層が、Ａｌ、ＣｒおよびＳｉを主成分とする窒化物のコーティングａ層と、ＴｉおよびＡｌを主成分とする窒化物でありその金属成分のみの原子％でＡｌが２５％〜７５％、残りがＴｉであるコーティングｂ層と、を交互にそれぞれ１層以上形成し、ａ層を最外層に形成することも開示されている。Patent Document 6 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-42146) proposes an invention relating to a high-hardness film having excellent oxidation resistance even at 1000 ° C. or higher and good wear resistance.
The high-hardness film described in Patent Document 6 is a film that coats a base material to be processed such as a tool or a mold, and a coating layer made of a metal nitride formed on the outer surface of the base material; An underlayer made of a nitride of Ti or Cr between the coating layer and the object to be processed, and an intermediate layer provided at the interface between the coating layer and the underlayer, and the composition of the coating layer in contact with the intermediate layer And an intermediate layer having a mixed composition with the composition of the formation. Furthermore, it is disclosed that this coating layer is a film composed of a metal nitride mainly composed of Al, Cr and Si, and the intermediate layer has a thickness of 0.1 to 2 μm.
Further, in the document, the coating layer is a coating a layer of nitride mainly composed of Al, Cr and Si, and a nitride mainly composed of Ti and Al, and the atomic percentage of only the metal component is Al. It is also disclosed that one or more coating b layers each having a thickness of 25% to 75% and the remainder being Ti are alternately formed, and the a layer is formed as the outermost layer.
近年、特に過酷な環境で使用される冷間鍛造用の金型（以下、「冷間鍛造用金型」と記載する）は、閉鎖域で、しかも高速（毎分５０ショット以上）で金型母材に引張と圧縮を繰り返して与えられることから、他用途の金型に比べて、金型表面に微細なクラックが発生し易い。そのため、金型表面に成膜した皮膜は、その特性のうち、特に耐衝撃性である靱性が要求される。また、この金型表面のクラックは殆どの場合、皮膜表面から発生することから、金型表面に成膜した皮膜において最表層の靱性が重要となる。 In recent years, molds for cold forging (hereinafter referred to as “cold forging molds”) used in particularly harsh environments are molds in a closed area and at a high speed (more than 50 shots per minute). Since the base material is repeatedly subjected to tension and compression, fine cracks are likely to occur on the mold surface as compared with molds for other uses. Therefore, the film formed on the mold surface is required to have toughness that is particularly impact-resistant among its characteristics. Further, since the cracks on the surface of the mold are mostly generated from the surface of the film, the toughness of the outermost layer is important in the film formed on the surface of the mold.
また別の形態として、冷間鍛造用金型は閉鎖域で高速でショットを繰り返して被加工物を鍛造成形するために使用されるので、金型の表面温度は、他の用途、例えばプレス成形に使用される金型に比べて高くなり、潤滑剤と成形粉による反応物（異物）が強固に金型表面に固着（付着）する傾向にある。この固着（付着）物により、成形荷重が増加し、やがて製品（被加工物）に寸法不良が発生することになる。この寸法不良発生の対策としては、金型の表面に成膜した皮膜の特性のうち、特に異物に対する耐付着性が重要となる。 As another form, the cold forging die is used for forging a workpiece by repeating shots at high speed in a closed region, so that the surface temperature of the die can be used for other purposes such as press molding. The reaction product (foreign matter) due to the lubricant and the molding powder tends to firmly adhere (adhere) to the mold surface. Due to this fixed (adhered) material, the molding load increases and eventually a dimensional defect occurs in the product (workpiece). As a countermeasure against the occurrence of dimensional defects, the adhesion resistance against foreign matters is particularly important among the characteristics of the film formed on the surface of the mold.
特許文献１（特開２００３−３２１７６４号公報）に開示されている高硬度皮膜は、耐酸化性を１０００℃以上に有するようにするために、Ａｌ、Ｃｒ、及びＳｉを主成分とした窒化物から構成した２層（ａ層とｂ層）からなる皮膜であって、この皮膜はＡｌ、Ｃｒ、及びＳｉを主成分とする窒化物の皮膜ａ層と、ＴｉとＡｌを主成分とする窒化物でその金属成分のみの原子％が、Ａｌが２５％以上７５％以下、残りがＴｉであるｂ層と、を交互にそれぞれ１層以上形成し、ａ層を最外層に形成すること、さらに、皮膜と基材との間にＴｉ又はＣｒの窒化物からなる層を設けた高硬度皮膜である。 The high-hardness film disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-321864) is a nitride mainly composed of Al, Cr, and Si in order to have oxidation resistance of 1000 ° C. or higher. A film composed of two layers (a layer and b layer), which is a nitride film a layer mainly composed of Al, Cr, and Si, and nitrided mainly composed of Ti and Al And at least one layer of the metal component alone is formed by alternately forming one or more layers each having a Al content of 25% or more and 75% or less and the remainder being Ti, and forming the a layer as the outermost layer. A high-hardness film in which a layer made of a nitride of Ti or Cr is provided between the film and the substrate.
この特許文献１に記載されている皮膜は、最表層となる上記ａ層はＳｉと多くのＣｒを同時に含有した層で構成されているため、冷間鍛造用金型に適用した場合、以下のような不具合がある。まず、最表層にＳｉを含有することで、皮膜は高硬度で耐摩耗性が高くなる反面、最表層の靱性を低下させ、皮膜表面からのクラックが生じ易くなるため、剥離や異常摩耗等が生じ易くなる。次に、最表層にＣｒを多く含有（金属成分の原子％で２０％以上７５％以下）することで、金型表面の熱伝導が低下し、これにより、高面圧で金属の塑性加工を実施すると、金型表面の温度が上昇して前記した異物の付着量が増加して製品の寸法異常等が生じ易くなる。このように、Ｓｉと多くのＣｒを同時に含有した最表層とすることで、上記の不具合がより顕著となり、冷間鍛造用金型の耐久性向上には限界がある。
また、ａ層はＴｉを含有していない（段落００１５（表３）参照）。最表層をＡｌとＴｉの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜を形成すると、上記した特許文献１に記載されているＣｒを含有する窒化物又は炭窒化物からなる皮膜に比べ、鍛造成形中において金型表面への付着物の付着を減少させることが可能になる。In the coating described in Patent Document 1, since the a layer, which is the outermost layer, is composed of a layer containing Si and a large amount of Cr, when applied to a cold forging die, There are problems like this. First, by containing Si in the outermost layer, the film has high hardness and high wear resistance, but on the other hand, the toughness of the outermost layer is lowered and cracks from the surface of the film are likely to occur. It tends to occur. Next, when the outermost layer contains a large amount of Cr (at least 20% and not more than 75% in terms of the atomic percentage of the metal component), the heat conduction on the mold surface is reduced, thereby enabling plastic processing of the metal at a high surface pressure. When implemented, the temperature of the mold surface rises and the amount of foreign matter attached increases, thus making it easy to cause abnormal product dimensions. Thus, by using the outermost layer containing Si and a large amount of Cr at the same time, the above-described problems become more prominent, and there is a limit to improving the durability of the cold forging die.
The a layer does not contain Ti (see paragraph 0015 (Table 3)). When the outermost layer is formed with a film mainly composed of nitrides and carbonitrides of Al and Ti, forging compared to the film made of nitride or carbonitride containing Cr described in Patent Document 1 described above It becomes possible to reduce adhesion of deposits on the mold surface during molding.
特許文献２（特開２００８−１７４７８２号公報）に開示のＣｒを含有する鉄基合金基材表面に、Ｃｒ１−ｘＭｘ（ＢａＣｂＮ１−ａ−ｂ）からなる皮膜層Ａ（膜厚１〜１０μｍ）が形成され、その上にＴｉ１−Ｘ−ＹＣｒＸ ＡｌＹＬＺ（ＢＢＣＡＮ１−Ａ−Ｂ）からなる皮膜層Ｂ（膜厚２〜１０μｍ）が形成されていることを特徴とする成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材も同様に、冷間鍛造用金型へ適用した場合、皮膜の靱性と耐焼き付き性に乏しく、金型の耐久性の改善には限界がある。Patent Document 2 iron-base alloy base material surface containing Cr as disclosed in (JP 2008-174782 JP), Cr 1-x Mx ( B a C b N 1-a-b) consists of coating layer A ( thickness 1 to 10 [mu] m) is formed, thereon Ti 1-X-Y Cr X Al Y L Z (B B C a N 1-a-B) consisting of coating layer B (thickness 2 to 10 [mu] m) is Similarly, a hard coating coated member for a forming tool, which is characterized by being formed, has poor film toughness and seizure resistance when applied to a cold forging die, and improves the durability of the die. Has its limits.
特許文献３（特開２０１０−２０２９１７号公報）に開示されている硬質皮膜は、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）の金属比を膜が立方晶を維持する相変態近傍の組成とした硬質窒化物膜も、同様に、冷間鍛造用金型へ適用した場合、皮膜の靱性と耐焼き付き性に乏しく、金型の耐久性の改善には限界がある。 The hard coating disclosed in Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-202917) has a metal ratio of titanium (Ti), chromium (Cr), and aluminum (Al) in the vicinity of the phase transformation where the film maintains a cubic crystal. Similarly, when the hard nitride film having the composition is applied to a cold forging die, the film has poor toughness and seizure resistance, and there is a limit to improving the durability of the die.
特許文献４（特開２０１０−２８４７１０号公報）に開示の塑性加工用被覆金型は、金型基材の表面に、ＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ≠０）からなり、かつＪＩＳ−Ｂ−０６０１（２００１）による表面粗さが算術平均粗さＲａで０．０６μｍ以下、最大高さＲｚが１．０μｍ以下の硬質皮膜を被覆した金型であって、面粗度に優れ耐摩耗性は幾分改善されるものの、皮膜の靱性および耐焼き付き性に乏しく、冷間鍛造用金型の耐久性の向上には限界がある。The plastic working coating mold disclosed in Patent Document 4 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-284710) is a nitride of Al x Cr y Si z on the surface of the mold base (where x, y, and z are atoms The surface roughness according to JIS-B-0601 (2001) is 0.06 μm or less in terms of arithmetic average roughness Ra, and the maximum height Rz is x + y + z = 100 and x, y, z ≠ 0) A mold coated with a hard coating of 1.0 μm or less, with excellent surface roughness and somewhat improved wear resistance, but with poor coating toughness and seizure resistance, durability of cold forging die There is a limit to the improvement of sex.
特許文献５（特開２０１２−１３６７７５号公報）に開示の被覆金型は、金型基材側に被覆したＴｉまたはＴｉの窒化物、炭化物、炭窒化物の何れかからなるａ層と、金型表面側に被覆したＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ＞ｙ、かつ３≦ｚ＜２０）からなり、硬度が３５ＧＰａ以上であるｂ層と、ａ層とｂ層の間に配置され、ａ層側からｂ層側に向かってＴｉ比率が減少するＴｉと、ａ層側からｂ層側に向かってｂ層のＳｉ比率に近づくように増加するＳｉと、を含むＡｌｖＣｒｗの窒化物（但し、ｖ、ｗは原子比を示し、ｖ＞ｗ）からなる中間層とからなる皮膜を備えている。しかし、このような皮膜を冷間鍛造用金型へ適用した場合、皮膜の靱性と耐焼き付き性は乏しく、金型の耐久性の改善には限界がある。The coating mold disclosed in Patent Document 5 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-136775) includes an a layer made of Ti or Ti nitride, carbide, or carbonitride coated on the mold base side, Al x Cr y Si z nitride coated on the mold surface side (where x, y, z indicate atomic ratio, x + y + z = 100, x> y, and 3 ≦ z <20), and the hardness is The b layer of 35 GPa or more, the Ti layer disposed between the a layer and the b layer, the Ti ratio decreasing from the a layer side to the b layer side, and the b layer from the a layer side to the b layer side An Al v Cr w nitride containing Si and increasing so as to approach the Si ratio (where v and w are atomic ratios and v> w) is provided with a coating film. However, when such a coating is applied to a cold forging die, the toughness and seizure resistance of the coating are poor, and there is a limit to improving the durability of the die.
特許文献６（特開２００５−４２１４６号公報）に開示の高硬度皮膜は、被処理物となる基材の外側表面に形成される金属窒化物からなるコーティング層と、このコーティング層と基材の間にＣｒの窒化物からなる下地層と、これらコーティング層と下地層との界面に設けられる中間層であってこの中間層に接するコーティング層の組成と下地層の組成との混合組成からなる中間層と、を備えた皮膜であるが、皮膜の靱性および耐焼き付き性に乏しく、冷間鍛造用金型の耐久性の向上には限界がある。 The high hardness film disclosed in Patent Document 6 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-42146) includes a coating layer made of a metal nitride formed on the outer surface of a base material to be processed, and the coating layer and the base material. An intermediate layer composed of a mixed composition of the composition of the underlayer composed of a nitride of Cr and an intermediate layer provided at the interface between the coating layer and the underlayer, the intermediate layer being in contact with the intermediate layer However, the film has poor toughness and seizure resistance, and there is a limit to improving the durability of the cold forging die.
上記した特許文献に提案されている皮膜に関する技術は、特に、ハイテン材（高張力鋼材）の曲げ加工や絞り加工をプレス成形するようなプレス金型の用途であり、冷間鍛造用金型に特有の、金型表面のクラックや異物の付着に対するする課題を解決するための皮膜は未だ実用化されておらず、さらなる冷間鍛造用金型の耐久性向上が強く望まれている。 The technology related to the coating proposed in the above-mentioned patent document is the use of a press die that press-forms bending or drawing of a high-tensile material (high-tensile steel material), especially for a cold forging die. A peculiar film for solving the problem of cracks on the mold surface and adhesion of foreign substances has not been put into practical use yet, and further improvement of the durability of the cold forging mold is strongly desired.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、冷間鍛造用金型において、上記従来の皮膜を有する金型よりも、クラックの発生を抑制し、冷間鍛造成形中における異物の付着を抑制することができる皮膜を金型表面に成膜し、もって金型の耐久性（寿命）を示すショット回数を従来の１００００〜１２０００程度から、１５０００以上、さらには、２００００以上に向上させることができる冷間鍛造用金型を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and the object thereof is to suppress the occurrence of cracks in a cold forging die as compared with the conventional die having a coating film, and perform cold forging. A film capable of suppressing the adhesion of foreign matters during molding is formed on the mold surface, and the number of shots indicating the durability (life) of the mold is increased from about 10,000 to 12000 from the conventional about 15000, The object is to provide a cold forging die that can be improved to 20000 or more.
本発明の請求項１に係る発明は、母材となる金型基材の表面に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌから選択される窒化物又は炭窒化物からなる皮膜を被覆した冷間鍛造用金型において、
前記皮膜は、前記金型基材の表面側から順次、最下層、中間層、最表層を形成した皮膜層から構成され、
前記最下層はＣｒの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜、前記中間層はＡｌとＴｉとＣｒの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜、前記最表層はＡｌとＴｉの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜から構成されており、
前記最表層に含有されるＡｌとＴｉの総原子比を１００としたとき、前記最表層のＡｌの原子比は５５を超え８０以下であることを特徴としている。The invention according to claim 1 of the present invention is a cold forging die in which a surface of a die base material as a base material is coated with a film made of nitride or carbonitride selected from Ti, Cr, and Al. In
The coating is composed of a coating layer that forms a lowermost layer, an intermediate layer, and an outermost layer sequentially from the surface side of the mold base,
The lowermost layer is a film mainly composed of a nitride or carbonitride of Cr, the intermediate layer is a film mainly composed of a nitride or carbonitride of Al, Ti and Cr, and the outermost layer is composed of Al and Ti. It is composed of a film mainly composed of nitride or carbonitride,
When the total atomic ratio of Al and Ti contained in the outermost layer is 100, the atomic ratio of Al of the outermost layer is more than 55 and not more than 80.
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の冷間鍛造用金型に係り、前記中間層に含有されるＡｌとＴｉとＣｒの総原子比を１００としたときに、前記中間層のＣｒの原子比は５０以下、Ａｌの原子比は４５以上６５以下、Ｔｉの原子比は１０以上３５以下であることを特徴としている。 The invention according to claim 2 of the present invention relates to the cold forging die according to claim 1, wherein when the total atomic ratio of Al, Ti and Cr contained in the intermediate layer is 100, The intermediate layer has a Cr atomic ratio of 50 or less, an Al atomic ratio of 45 to 65, and a Ti atomic ratio of 10 to 35.
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の冷間鍛造用金型に係り、前記中間層と前記最表層の双方又はいずれか一方はＳｉを含有し、前記Ｓｉを含有する中間層又は前記最表層においてＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ及びＳｉの総原子比を１００としたときに、Ｓｉの原子比は２以上１０以下であることを特徴としている。 The invention according to claim 3 of the present invention relates to the cold forging die according to claim 1 or 2, wherein both or one of the intermediate layer and the outermost layer contains Si, When the total atomic ratio of Al, Ti, Cr and Si is 100 in the intermediate layer containing Si or the outermost layer, the atomic ratio of Si is 2 or more and 10 or less.
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の冷間鍛造用金型に係り、前記中間層に含有されるＳｉの原子比は、前記最表層に含有されるＳｉの原子比よりも多いことを特徴としている。 The invention according to claim 4 of the present invention relates to the cold forging die according to claim 3, wherein the atomic ratio of Si contained in the intermediate layer is the number of Si atoms contained in the outermost layer. It is characterized by more than the ratio.
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷間鍛造用金型に係り、前記中間層は、前記最下層と最表層に含まれる窒化物又は炭窒化物を含む混合皮膜から構成されていることを特徴としている。 A fifth aspect of the present invention relates to the cold forging die according to any one of the first to fourth aspects, wherein the intermediate layer is a nitride contained in the lowermost layer and the outermost layer. Or it is comprised from the mixed film containing a carbonitride.
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷間鍛造用金型に係り、前記中間層は、前記最下層に含まれる窒化物又は炭窒化物を含む皮膜と、前記最表層に含まれる窒化物又は炭窒化物を含む皮膜とを積層した積層皮膜から構成されていることを特徴としている。 The invention according to claim 6 of the present invention relates to the cold forging die according to any one of claims 1 to 5, wherein the intermediate layer includes nitride or carbonitride contained in the lowermost layer. It is characterized by being comprised from the laminated film which laminated | stacked the film | membrane containing a thing and the film | membrane containing the nitride or carbonitride contained in the said outermost layer.
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の冷間鍛造用金型に係り、前記最表層の膜厚は、前記皮膜層全体の膜厚の５０％以上であることを特徴としている。 Invention of Claim 7 of this invention is related with the metal mold | die for cold forging in any one of Claim 1-6, The film thickness of the said outermost layer is the film thickness of the whole said film layer. It is characterized by being 50% or more.
本発明の請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の冷間鍛造用金型に係り、前記最下層と前記中間層との間に、前記最下層と前記中間層に含有される窒化物又は炭窒化物を含む皮膜を介在させ、
前記中間層と前記最表層の間に、前記中間層と前記最表層に含有される窒化物又は炭窒化物を含む皮膜を介在させたことを特徴としている。Invention of Claim 8 of this invention is related with the metal mold | die for cold forging in any one of Claim 1-7, Between said lowermost layer and said intermediate | middle layer, said lowermost layer and Interposing a film containing nitride or carbonitride contained in the intermediate layer,
A film containing a nitride or carbonitride contained in the intermediate layer and the outermost layer is interposed between the intermediate layer and the outermost layer.
本発明の請求項９に記載の発明は、請求項１から請求項８のいずれかに記載の冷間鍛造用金型に係り、前記最表層の表面に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選択される１種以上の窒化物又は炭窒化物からなる外観色調整用被覆層を備えていることを特徴としている。 The invention according to claim 9 of the present invention relates to the cold forging die according to any one of claims 1 to 8, wherein the surface of the outermost layer is selected from Ti, Cr, Al, and Si. It is characterized by having an outer color adjusting coating layer made of one or more nitrides or carbonitrides.
本発明の請求項１０に記載の発明は、請求項１から請求項９のいずれかに記載の冷間鍛造用金型に係り、この冷間鍛造用金型は、被加工物の冷間鍛造成形に使用するパンチであることを特としている。 The invention according to claim 10 of the present invention relates to the cold forging die according to any one of claims 1 to 9, wherein the cold forging die is cold forging of a workpiece. It is a punch that is used for molding.
本発明に係る冷間鍛造用金型は、金型表面に被覆する皮膜のうち最表層に靱性と耐付着性に優れた皮膜を備え、従来の冷間鍛造用金型の表面に被覆する皮膜よりも、皮膜表面から発生するクラックが抑制され、さらに金型表面への異物の付着が抑制されたことにより、耐久性を格段に改善した冷間鍛造用金型として好適に用いることができる。 The cold forging die according to the present invention is provided with a coating having excellent toughness and adhesion resistance on the outermost layer of the coating coated on the mold surface, and a coating coated on the surface of a conventional cold forging die. In addition, since cracks generated from the surface of the coating are suppressed, and adhesion of foreign matter to the surface of the mold is further suppressed, it can be suitably used as a cold forging mold having dramatically improved durability.
本発明に係る冷間鍛造用金型は、母材となる金型基材の表面にＴｉ、Ｃｒ、Ａｌから選択される金属の窒化物、炭窒化物を主成分とした皮膜を被覆した冷間鍛造用金型である。図１に示すように、本発明の冷間鍛造用金型は、その母材となる金型基材１の表面に皮膜（皮膜層）２を形成しており、この皮膜２は、金型基材１の表面から皮膜層２の表面方向に向かって、最下層２ａ、中間層２ｂ、最表層２ｃの皮膜を順に積層した構成にしている。最表層２ｃが皮膜２の最も外側（表面側）に形成（成膜）された皮膜になる。なお、皮膜２は、冷間鍛造用金型の少なくともその機能部、すなわち、少なくとも冷間鍛造時に被加工物と接触して鍛造成形に寄与する箇所（表面部など）に形成される。 The cold forging die according to the present invention is a cold forging in which the surface of a die base material as a base material is coated with a film mainly composed of a metal nitride or carbonitride selected from Ti, Cr, and Al. This is a mold for inter-forging. As shown in FIG. 1, the cold forging die of the present invention has a film (film layer) 2 formed on the surface of a mold base 1 as a base material. From the surface of the base material 1 toward the surface of the coating layer 2, the coating of the lowermost layer 2a, the intermediate layer 2b, and the outermost layer 2c is laminated in order. The outermost layer 2 c is a film formed (film-formed) on the outermost side (surface side) of the film 2. The coating 2 is formed on at least the functional portion of the cold forging die, that is, at a portion (surface portion or the like) that contributes to forging by contacting with the workpiece at least during cold forging.
本発明の冷間鍛造用金型は、この皮膜２のうち、最下層２ａはＣｒの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜、中間層２ｂはＡｌとＴｉとＣｒの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜、最表層２ｃはＡｌとＴｉの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜から構成し、さらに、最表層２ｃは、ＡｌとＴｉの総原子比を１００としたとき、Ａｌの原子比が５５を超え８０以下にしたことに、基本的な特徴を備えている。 In the cold forging die of the present invention, the lowermost layer 2a of the film 2 is a film mainly composed of a nitride or carbonitride of Cr, and the intermediate layer 2b is a nitride or charcoal of Al, Ti and Cr. The outermost layer 2c is composed of a nitride-based coating, the outermost layer 2c is composed of an Al and Ti nitride or carbonitride, and the outermost layer 2c has a total atomic ratio of Al and Ti of 100. In this case, the basic feature is that the atomic ratio of Al exceeds 55 and is 80 or less.
本発明の冷間鍛造用金型は、その金型基材１の表面に上記した最下層２ａ、中間層２ｂ、最表層２ｃの３層からなる皮膜２を形成したことにより、冷間鍛造用金型の表面に形成した皮膜２の靱性を向上させ、かつ、耐焼き付き性を高めることを可能とし、これにより耐久性を格段に向上させた冷間鍛造用金型を提供するものである。 The cold forging die of the present invention is for cold forging by forming the coating 2 composed of the lowermost layer 2a, the intermediate layer 2b, and the outermost layer 2c described above on the surface of the die base 1. It is possible to provide a die for cold forging which can improve the toughness of the coating film 2 formed on the surface of the die and can improve the seizure resistance, thereby greatly improving the durability.
以下、本発明が備えている皮膜２の特徴について詳細に説明する。
冷間鍛造、特に、被加工物に対する断面減少率が５０％を超えるような過酷な鍛造成形では、冷間鍛造用金型の表面に発生したクラックと、この金型の表面に付着する付着物が、成形した製品寸法の不良や金型寿命をばらつかせる要因となる。従って、このような過酷な冷間鍛造によって製品を製造するときには、金型表面に形成した皮膜の耐クラック性（靱性）と耐付着性（耐焼き付き性）を改善することが極めて重要な技術課題になっている。
なお、上記した付着物とは、冷間鍛造用の潤滑剤と鍛造成形（鍛造加工）時に被加工物から生じる粉末等が固形化、又は半固形化した異物であって、以下の説明において「付着物」とはこの異物を示す。また、上記した金型寿命のことを以下の説明において「鍛造寿命」と記載する場合がある。Hereinafter, the characteristics of the film 2 provided in the present invention will be described in detail.
In cold forging, especially in severe forging where the cross-section reduction rate of the workpiece exceeds 50%, cracks generated on the surface of the die for cold forging and deposits adhering to the surface of this die However, it becomes a factor that varies the defect of the molded product size and the mold life. Therefore, when manufacturing products by such severe cold forging, it is extremely important to improve the crack resistance (toughness) and adhesion resistance (seizure resistance) of the coating formed on the mold surface. It has become.
In addition, the above-mentioned deposit is a foreign substance obtained by solidifying or semi-solidizing a lubricant for cold forging and powder generated from a workpiece during forging (forging), and in the following description, The “attachment” indicates this foreign matter. In addition, the die life described above may be referred to as “forging life” in the following description.
皮膜２を備えている本発明の冷間鍛造用金型において、皮膜２の最外層となる最表層２ｃは、ＡｌとＴｉの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜、さらにＡｌとＴｉの総原子比を１００としたとき、Ａｌの原子比が５５を超え８０以下になるような皮膜とすることで、金型表面のクラック発生と付着物の付着を抑制し、さらに耐熱性も向上させることができた。これによって被加工物の鍛造成形時の変形抵抗を減少させ、冷間鍛造用金型の耐久性（鍛造寿命）を向上させることが可能になった。 In the cold forging die of the present invention having the coating 2, the outermost layer 2c, which is the outermost layer of the coating 2, is a coating composed mainly of nitrides or carbonitrides of Al and Ti, and further Al and Ti. When the total atomic ratio of 100 is taken as 100, by forming a film in which the atomic ratio of Al is more than 55 and 80 or less, cracks on the mold surface and adhesion of deposits are suppressed, and heat resistance is also improved. I was able to. As a result, deformation resistance during forging of the workpiece can be reduced, and the durability (forging life) of the cold forging die can be improved.
具体的には、本発明が備えている皮膜２の最表層２ｃにおいて、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒの含有量が、冷間鍛造用金型の表面に対するクラック発生状態、及び付着物の付着量に及ぼす影響について実験した結果、ＡｌとＴｉの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜は、Ｃｒを含有する窒化物又は炭窒化物からなる皮膜に比べ、被加工物の鍛造成形中において金型表面への付着物の付着が減少する傾向にあった。さらに、最表層２ｃのＡｌとＴｉの総原子比を１００としたとき、Ａｌの原子比が５５を超え８０以下になるような皮膜とすることで金型表面のクラックが大幅に抑制され、さらに付着物の付着も減少し、冷間鍛造用金型の耐久性が向上することを見出すことができた。これは、Ｃｒを含有した皮膜は熱伝導性が悪く、つまり放熱性が劣っていることにより、高面圧下による冷間鍛造中においては、皮膜表面で温度が上昇し易くなり、これが原因になって金型表面に付着物が付着するためであると推察した。 Specifically, in the outermost layer 2c of the film 2 provided by the present invention, the content of Ti, Al, and Cr affects the crack generation state on the surface of the cold forging die and the amount of deposits attached. As a result of experiments on the influence, a film mainly composed of nitrides or carbonitrides of Al and Ti has a mold during forging of a workpiece as compared with a film made of nitride or carbonitride containing Cr. There was a tendency for the adhesion of deposits to the surface to decrease. Furthermore, when the total atomic ratio of Al and Ti in the outermost layer 2c is 100, cracks on the mold surface are greatly suppressed by forming a film in which the atomic ratio of Al exceeds 55 and is 80 or less. It was found that adhesion of deposits was reduced and the durability of the cold forging die was improved. This is because the film containing Cr has poor thermal conductivity, that is, its heat dissipation is inferior, so that during cold forging under high surface pressure, the temperature tends to rise on the film surface, which is the cause. It was speculated that this was because the deposits adhered to the mold surface.
また、最表層２ｃを、Ａｌの原子比が５５を超え８０以下になるような皮膜で構成すると、上記した最表層２ｃにおけるＣｒ含有量の抑制による、鍛造成形中の皮膜表面の温度上昇の抑制効果に加え、Ａｌと窒素の結合比率向上により、さらなる放熱性向上が発揮される。
さらに、最表層２ｃを、Ａｌの原子比が５５を超え８０以下になるような皮膜で構成することによりクラックの発生が抑制された理由は、最表層２ｃの皮膜組織の微細化と耐酸化性が向上し、これにより耐クラック性が向上したと推察された。Further, when the outermost layer 2c is composed of a film in which the atomic ratio of Al exceeds 55 and is 80 or less, the temperature increase on the surface of the film during forging is suppressed by suppressing the Cr content in the outermost layer 2c. In addition to the effect, the heat dissipation is further improved by improving the binding ratio of Al and nitrogen.
Furthermore, the reason why the generation of cracks was suppressed by configuring the outermost layer 2c with a film in which the atomic ratio of Al is more than 55 and not more than 80 is that the film structure of the outermost layer 2c is refined and the oxidation resistance is increased. It was speculated that this improved crack resistance.
また、最表層２ｃが備えている耐クラック性である靱性を最大限に発揮するには、最表層２ｃの皮膜硬度を押し込み硬さ法による測定で２０〜３０ＧＰａの範囲とすることが好ましく、硬度が３０ＧＰａを超えると皮膜の靱性が低下する傾向にあり、皮膜の剥離が生じる場合があり、２０ＧＰａ未満では耐摩耗性が十分ではない。最表層２ｃの皮膜硬度を制御するには、最表層２ｃのＡｌ含有量に加え、成膜条件のうち、金型基材に印可するバイアス電圧によって制御することができる。 In order to maximize the toughness which is the crack resistance of the outermost layer 2c, it is preferable to set the film hardness of the outermost layer 2c to a range of 20 to 30 GPa as measured by an indentation hardness method. If it exceeds 30 GPa, the toughness of the film tends to decrease, and the film may peel off. If it is less than 20 GPa, the wear resistance is not sufficient. In order to control the film hardness of the outermost layer 2c, it can be controlled by the bias voltage applied to the mold substrate among the film forming conditions in addition to the Al content of the outermost layer 2c.
本発明において、最表層２ｃは、Ａｌの原子比が５５を超え８０以下にした皮膜であるが、ＴｉとＡｌの窒化物又は炭窒化物からなる皮膜は、Ａｌ含有量と成膜条件によって、立方晶と六方晶の結晶構造となる。本発明においては、ＴｉとＡｌの窒化物又は炭窒化物からなる皮膜においてＡｌの含有量が重要であって、結晶構造は立方晶と六方晶のどちらでも良い。 In the present invention, the outermost layer 2c is a film in which the atomic ratio of Al exceeds 55 and is 80 or less, but the film made of a nitride of Ti and Al or a carbonitride has an Al content and film formation conditions. It has a cubic and hexagonal crystal structure. In the present invention, the content of Al is important in a coating made of Ti and Al nitride or carbonitride, and the crystal structure may be either cubic or hexagonal.
以上の理由から、最表層２ｃはＣｒ含有量を抑制し、ＴｉとＡｌの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜で、その含有量、より好ましくは皮膜硬度も考慮して、Ａｌの原子比を上記した原子比の範囲になるように制御することが、冷間鍛造用金型の耐久性改善に極めて有効となる。 For the above reasons, the outermost layer 2c is a film mainly containing a nitride or carbonitride of Ti and Al, suppressing the Cr content, and considering its content, more preferably the film hardness, Controlling the atomic ratio to be in the above-described atomic ratio range is extremely effective for improving the durability of the cold forging die.
上記したように、最表層２ｃは、ＡｌとＴｉの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜から構成され、さらに、ＡｌとＴｉの総原子比を１００としたとき、Ａｌの原子比が５５を超え８０以下になるような皮膜である。最表層２ｃにおいて、Ａｌ含有量を原子比で５５以下にすると、最表層２ｃの硬度が高くなり、被加工物の鍛造成形中に最表層２ｃにクラックが生じ易くなり、冷間鍛造用金型の耐久性を向上させることができなくなる。一方、Ａｌ含有量が原子比で８０を超えると、皮膜２（最表層２ｃ）のドロップレットが増加して面粗度（表面粗さ）が急激に粗くなって、逆に耐焼き付き性が低下し、冷間鍛造用金型の耐久性を向上させることができなくなる。
さらに、本発明において皮膜２を構成する最下層２ａは、Ｃｒの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜で構成することにより、金型基材１と皮膜２の密着性を向上させると同時に、最表層２ｃのクラック発生をさらに抑制する作用を発揮する。As described above, the outermost layer 2c is composed of a film mainly composed of a nitride or carbonitride of Al and Ti, and when the total atomic ratio of Al and Ti is 100, the atomic ratio of Al is The film is over 55 and 80 or less. In the outermost layer 2c, when the Al content is 55 or less in atomic ratio, the hardness of the outermost layer 2c is increased, and cracks are likely to occur in the outermost layer 2c during forging of the work piece. It becomes impossible to improve the durability. On the other hand, when the Al content exceeds 80 in atomic ratio, the droplets of the coating 2 (the outermost layer 2c) increase and the surface roughness (surface roughness) becomes sharply rough. In addition, the durability of the cold forging die cannot be improved.
Furthermore, when the lowermost layer 2a constituting the film 2 in the present invention is formed of a film mainly composed of a nitride or carbonitride of Cr, the adhesion between the mold base 1 and the film 2 is improved. Simultaneously, the effect | action which suppresses further the crack generation of the outermost layer 2c is exhibited.
本発明の冷間鍛造用金型は、上記した皮膜２を備えていること、特に最表層２ｃを備えていることにより、最表層２ｃの機能、すなわち、耐焼付き性、靱性（耐クラック性）、耐熱性を向上させてクラックが生じ難い皮膜２を形成していることに特徴がある。 The cold forging die of the present invention is provided with the above-described coating 2, and in particular, with the outermost layer 2c, the function of the outermost layer 2c, that is, seizure resistance, toughness (crack resistance). The film 2 is characterized in that the heat resistance is improved and the coating 2 is less prone to cracks.
本発明が備えている皮膜２のうち中間層２ｂは、最下層２ａと最表層２ｃの間に形成された皮膜層であって、最下層２ａと最表層２ｃとを密着性が良くなるように接合する機能と、皮膜２の耐摩耗性を補完するための機能を有している。 The intermediate layer 2b of the film 2 provided by the present invention is a film layer formed between the lowermost layer 2a and the outermost layer 2c so that the adhesion between the lowermost layer 2a and the outermost layer 2c is improved. It has a function for joining and a function for complementing the wear resistance of the coating 2.
本発明において、中間層２ｂの成分はＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒを主成分とし、ＡｌとＴｉとＣｒの総原子比を１００としたときに、Ｃｒの原子比が５０以下、Ａｌの原子比が４５以上６５以下、Ｔｉの原子比が１０以上３５以下であることが好ましい。
冷間鍛造用金型に成膜した皮膜の摩耗は、最表層２ｃから進行し、最表層２ｃの一部が摩耗により露出すると、中間層２ｂが皮膜２の摩耗を抑制する効果を発揮する。In the present invention, the components of the intermediate layer 2b are mainly composed of Al, Ti, and Cr. When the total atomic ratio of Al, Ti, and Cr is 100, the atomic ratio of Cr is 50 or less, and the atomic ratio of Al is 45. It is preferable that the atomic ratio of Ti is 10 or more and 35 or less.
The wear of the film formed on the cold forging die proceeds from the outermost layer 2c. When a part of the outermost layer 2c is exposed due to wear, the intermediate layer 2b exerts an effect of suppressing the wear of the film 2.
なお、中間層２ｂは、その成膜時に、最下層２ａと最表層２ｃを構成する金属の窒化物又は炭窒化物の成分を含む合金ターゲットを用いた成膜により形成された皮膜（混合皮膜）としても良い。中間層２ｂをこの合金ターゲットを用いて混合皮膜で構成する他の成膜方法としては、例えば、成膜装置において最下層２ａの成膜用ターゲットと最表層２ｃの成膜用ターゲットを同時に放電して、金型基材１を回転させながら成膜することにより、双方のターゲットに含まれる成分が混合した混合皮膜を形成する方法を採用することができる。 The intermediate layer 2b is a film (mixed film) formed by film formation using an alloy target containing a metal nitride or carbonitride component constituting the lowermost layer 2a and the outermost layer 2c. It is also good. As another film forming method in which the intermediate layer 2b is composed of a mixed film using this alloy target, for example, the film forming target of the lowermost layer 2a and the film forming target of the outermost layer 2c are discharged simultaneously in a film forming apparatus. Thus, by forming the film while rotating the mold base 1, a method of forming a mixed film in which components contained in both targets are mixed can be employed.
中間層２ｂにおいて、ＡｌとＴｉとＣｒの総原子比を１００としたときに、Ｃｒの原子比が５０を超えると、皮膜２の摩耗の進行を早め、金型の鍛造寿命が短くなる傾向になる。また、中間層２ｂにおけるＡｌの原子比を４５未満にすると、中間層２ｂの耐熱性が低下するため、同様に皮膜２の摩耗の進行を早め、鍛造寿命が短くなる。一方、中間層２ｂのＡｌの原子比が６５を超えると、同様に皮膜２の摩耗の進行を早め、金型の鍛造寿命が短くなる傾向になる。
また、中間層２ｂにおけるＴｉの原子比が１０未満、及び３５を超えると、最表層２ｃの耐剥離性が低下し、金型の鍛造寿命が短くなる傾向になる。このことから、より好ましい中間層２ｂの成分は、ＡｌとＴｉとＣｒの総原子比を１００としたとき、Ｃｒの原子比が３０以下、Ａｌの原子比が５０以上６０以下、Ｔｉの原子比が１０以上２０以下にすることが望ましい。In the intermediate layer 2b, when the total atomic ratio of Al, Ti, and Cr is 100, if the atomic ratio of Cr exceeds 50, the progress of wear of the coating 2 is accelerated and the forging life of the mold tends to be shortened. Become. Further, if the atomic ratio of Al in the intermediate layer 2b is less than 45, the heat resistance of the intermediate layer 2b is lowered, so that the wear of the coating 2 is similarly accelerated and the forging life is shortened. On the other hand, when the atomic ratio of Al in the intermediate layer 2b exceeds 65, the progress of wear of the coating 2 is similarly accelerated and the forging life of the mold tends to be shortened.
Moreover, when the atomic ratio of Ti in the intermediate layer 2b is less than 10 and exceeds 35, the peel resistance of the outermost layer 2c is lowered, and the forging life of the mold tends to be shortened. From this, more preferable components of the intermediate layer 2b are as follows: when the total atomic ratio of Al, Ti and Cr is 100, the atomic ratio of Cr is 30 or less, the atomic ratio of Al is 50 or more and 60 or less, and the atomic ratio of Ti Is desirably 10 or more and 20 or less.
さらに、本発明においては、中間層２ｂと最表層２ｃの双方、又はいずれか一方にＳｉを含有させることが望ましい。Ｓｉを含有させた場合には、中間層２ｂと最表層２ｃに含まれるＡｌとＴｉとＣｒとＳｉの総原子比を１００としたときに、Ｓｉの原子比は２以上１０以下にすることが好ましい。このように、中間層２ｂと最表層２ｃの双方、又はいずれか一方にＳｉを含有させることにより、中間層２ｂと最表層２ｃの結晶粒径をさらに微細化することができ、中間層２ｂと最表層２ｃの硬度が向上すると同時に、被加工物の鍛造成形時に、皮膜の組織粒界に集中する応力を分散させる作用が生じ、冷間鍛造用金型の耐久性を向上させる効果が発生する。
なお、最表層にＳｉを含有させた場合には、ＡｌとＴｉとＣｒとＳｉの総原子比を１００としたときに、Ｃｒの原子比を５以下、より好ましくは１以下とすることで、Ｓｉ含有による最表層２ｃの靱性低下を抑制することができる。Furthermore, in the present invention, it is desirable to contain Si in both or one of the intermediate layer 2b and the outermost layer 2c. When Si is contained, when the total atomic ratio of Al, Ti, Cr and Si contained in the intermediate layer 2b and the outermost layer 2c is 100, the atomic ratio of Si should be 2 or more and 10 or less. preferable. Thus, by including Si in both or one of the intermediate layer 2b and the outermost layer 2c, the crystal grain size of the intermediate layer 2b and the outermost layer 2c can be further refined. At the same time as the hardness of the outermost layer 2c is improved, an effect of dispersing stress concentrated on the texture grain boundary of the film occurs during forging of the workpiece, and the effect of improving the durability of the cold forging die occurs. .
When Si is included in the outermost layer, when the total atomic ratio of Al, Ti, Cr and Si is 100, the atomic ratio of Cr is 5 or less, more preferably 1 or less. A decrease in toughness of the outermost layer 2c due to Si content can be suppressed.
なお、上記した中間層２ｂと最表層２ｃの双方、又はいずれか一方にＳｉを含有させた場合に、各層のＡｌとＴｉとＣｒとＳｉの総原子比を１００としたときに、Ｓｉの原子比を２未満とした場合には、上記したＳｉを含有させた効果、すなわち、結晶粒径を微細化する効果を顕著に得ることができなくなる。一方、Ｓｉの原子比が１０を超えると、皮膜の靱性が極端に低下するため、逆にクラック発生の進展を早めてしまい、冷間鍛造用金型の耐久性が低下する。 In the case where Si is contained in either or both of the intermediate layer 2b and the outermost layer 2c, when the total atomic ratio of Al, Ti, Cr, and Si in each layer is 100, Si atoms When the ratio is less than 2, the effect of containing Si, that is, the effect of refining the crystal grain size cannot be obtained significantly. On the other hand, if the atomic ratio of Si exceeds 10, the toughness of the film is extremely lowered, and conversely, the progress of crack generation is accelerated, and the durability of the cold forging die is lowered.
さらに、中間層２ｂに含まれるＳｉの含有量（原子比）は最表層２ｃに含まれるＳｉの原子比よりも多くなるように構成することにより、最表層２ｃの表面における耐焼き付き性と中間層２ｂによる耐摩耗性のバランスが最適となり、冷間鍛造用金型の耐久性が大幅に向上し、本発明において特に好ましい皮膜２の実施形態になる。 Further, by configuring the content (atomic ratio) of Si contained in the intermediate layer 2b to be larger than the atomic ratio of Si contained in the outermost layer 2c, seizure resistance on the surface of the outermost layer 2c and the intermediate layer are increased. The balance of wear resistance due to 2b is optimal, and the durability of the cold forging die is greatly improved, which makes the embodiment of the film 2 particularly preferable in the present invention.
さらに、本発明において、最表層２ｃの膜厚（層厚）は、皮膜２全体の膜厚の５０％以上にすることが好ましい。なお、最表層２ｃの膜厚が皮膜２全体の膜厚に占める上限値は７５％以下にすることが望ましい。このように、最表層２ｃの膜厚を皮膜２全体の膜厚の５０％以上にすることにより、最表層２ｃはその靭性の向上などの効果が最大限に発揮され、冷間鍛造用金型の耐久性が格段に向上する。さらには、最下層２ａの膜厚を最も薄くする。具体的には、最下層２ａの膜厚は皮膜２全体の膜厚の１５％以下とし、中間層２ｂの膜厚は皮膜２全体の膜厚の４０％以下とすることにより、耐久性が最も優れた冷間鍛造用金型を得ることができる。 Furthermore, in the present invention, the film thickness (layer thickness) of the outermost layer 2 c is preferably 50% or more of the film thickness of the entire film 2. The upper limit of the film thickness of the outermost layer 2c in the entire film 2 is preferably 75% or less. Thus, by making the film thickness of the outermost layer 2c 50% or more of the film thickness of the entire film 2, the outermost layer 2c exhibits the effects such as improvement of its toughness to the maximum, and a cold forging die Durability is greatly improved. Furthermore, the thickness of the lowermost layer 2a is made the thinnest. Specifically, the film thickness of the lowermost layer 2a is 15% or less of the film thickness of the entire film 2, and the film thickness of the intermediate layer 2b is 40% or less of the film thickness of the entire film 2 so that the durability is the highest. An excellent cold forging die can be obtained.
なお、本発明において最表層２ｃにＣｒを含有させる場合には、Ｃｒの含有量は、最表層２ｃにおけるＡｌとＴｉとＣｒの総原子比を１００としたとき、Ｃｒの原子比が５以下であることが好ましい。原子比が５を超えて多く含有すると、耐焼き付き性が低下し、鍛造成形時に金型表面に付着物が付着する傾向が増加し、鍛造寿命のバラツキおよび製品寸法の異常発生により鍛造寿命が短くなる傾向になる。 In the present invention, when Cr is contained in the outermost layer 2c, the Cr content is 5 or less when the total atomic ratio of Al, Ti, and Cr in the outermost layer 2c is 100. Preferably there is. If the atomic ratio exceeds 5 and the seizure resistance decreases, the tendency of deposits to adhere to the mold surface during forging increases, and the forging life is shortened due to variations in forging life and abnormal product dimensions. Tend to be.
また、本発明において最下層２ａに、Ｃｒの他にＴｉ及びＡｌを含有させる場合には、最下層２ａのＴｉ及びＡｌの含有量は、ＡｌとＴｉとＣｒの総原子比を１００としたとき、Ｔｉ及びＡｌの原子比はそれぞれ５以下にすることが好ましい。この理由は皮膜２全体の靱性の低下を抑制するためである。 In the present invention, when the lowermost layer 2a contains Ti and Al in addition to Cr, the Ti and Al content of the lowermost layer 2a is 100 when the total atomic ratio of Al, Ti and Cr is 100. The atomic ratio of Ti and Al is preferably 5 or less. The reason for this is to suppress a decrease in the toughness of the entire coating 2.
本発明においては、前記した皮膜２を構成する最下層２ａ、中間層２ｂ、最表層２ｃの各層間に、夫々の前記した混合皮膜やその他の層を適宜形成しても良い。例えば、最下層２ａと中間層２ｂの間に、最下層２ａと中間層２ｂに含まれる成分を含有する混合皮膜となる第１中間混合層を形成し、中間層２ｂと最表層２ｃの間に、中間層２ｂと最表層２ｃに含まれる成分を含有する混合皮膜となる第２中間混合層を形成してもよい。このように、第１中間混合層、第２中間混合層からなる皮膜を設けると、皮膜２の靭性を一層向上させることが可能になる。 In the present invention, the above-described mixed coating and other layers may be appropriately formed between the lowermost layer 2a, the intermediate layer 2b, and the outermost layer 2c constituting the coating 2. For example, a first intermediate mixed layer that forms a mixed film containing components contained in the lowermost layer 2a and the intermediate layer 2b is formed between the lowermost layer 2a and the intermediate layer 2b, and between the intermediate layer 2b and the outermost layer 2c. Alternatively, a second intermediate mixed layer that forms a mixed film containing the components contained in the intermediate layer 2b and the outermost layer 2c may be formed. As described above, when a film composed of the first intermediate mixed layer and the second intermediate mixed layer is provided, the toughness of the film 2 can be further improved.
また、本発明の冷間鍛造用金型において、金型の外観色を調整する目的のために、最表層２ｃの上層に、０．３μｍ以下の膜厚であって、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選択される１種以上の窒化物又は炭窒化物からなる外観色調整用被覆層を被覆してもよい。
この外観色調整用被覆層は、Ｃｒを主成分とする場合は銀色系となり、Ａｌ及びまたはＳｉを主成分とする場合は濃い青色系となり、Ｔｉを主成分とする場合は金色系となり、また、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉの含有量によっても、上記色の中間的な外観色等に調整することができる。さらには、Ｃｒを主成分とした銀色系の皮膜の上にＡｌ及びまたはＳｉを主成分とする濃い色の皮膜を０．０５μｍ程度に被覆した場合は干渉色をなしている。外観色調整用被覆層は、金型の表面に皮膜層２を形成しているか否かの表面処理実施の有無、及びこの金型を既に鍛造成形に使用したか否かの識別にも有効になる。Further, in the cold forging die of the present invention, for the purpose of adjusting the appearance color of the die, the upper layer of the outermost layer 2c has a thickness of 0.3 μm or less, and Ti, Cr, Al, You may coat | cover the coating layer for external color adjustment which consists of 1 or more types of nitride selected from Si, or carbonitride.
This appearance color adjusting coating layer is silver when Cr is the main component, dark blue when Al and / or Si is the main component, and gold when Ti is the main component, and Depending on the content of Ti, Cr, Al, and Si, the color can be adjusted to an intermediate appearance color between the above colors. Furthermore, when a dark-colored film mainly composed of Al and / or Si is coated on a silver-colored film mainly composed of Cr to a thickness of about 0.05 μm, an interference color is formed. The coating layer for appearance color adjustment is also effective for identifying whether or not the surface treatment is performed on whether or not the coating layer 2 is formed on the surface of the mold and whether or not the mold has already been used for forging. Become.
続いて、本発明に係る冷間鍛造用金型において、皮膜２の表面の面粗度（表面粗さ）について説明する。本発明が備えている皮膜２の最表層２ｃの表面の表面粗さ（Ｒａ）は０．１μｍ以下に、同じく最大高さ（Ｒｙ）は１μｍ以下であることが好ましい。
算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以下、最大高さ（Ｒｙ）を１μｍ以下にすることが好ましい理由は、次の通りである。
皮膜２内部のドロップレットと呼ばれる粒子状欠陥は、脱落後、応力集中によりクラックが発生する起点となり、金型の耐久性に大きな影響を及ぼす。このため、最表層２ｃの表面粗さ（Ｒａ）及び（Ｒｙ）の値を上記したように規定することにより、冷間鍛造用金型の耐久性を向上させることができる。また、ドロップレットの面積率は、２％以下であることが好ましい。なお、ドロップレットの面積率は、走査型電子顕微鏡等により最表層２ｃの表面を倍率３０００倍程度で観察したときの凹凸の面積率を測定することにより得ることができる。Next, the surface roughness (surface roughness) of the surface of the coating 2 in the cold forging die according to the present invention will be described. The surface roughness (Ra) of the surface of the outermost layer 2c of the coating 2 provided by the present invention is preferably 0.1 μm or less, and the maximum height (Ry) is preferably 1 μm or less.
The reason why the arithmetic average roughness (Ra) is preferably 0.1 μm or less and the maximum height (Ry) is preferably 1 μm or less is as follows.
Particulate defects called droplets inside the coating 2 become a starting point for cracking due to stress concentration after dropping, which greatly affects the durability of the mold. For this reason, the durability of the die for cold forging can be improved by defining the values of the surface roughness (Ra) and (Ry) of the outermost layer 2c as described above. Moreover, it is preferable that the area ratio of a droplet is 2% or less. The area ratio of the droplets can be obtained by measuring the area ratio of irregularities when the surface of the outermost layer 2c is observed at a magnification of about 3000 times with a scanning electron microscope or the like.
前記したように、皮膜２を構成する中間層２ｂの形成は、成膜装置において最下層２ａと最表層２ｃの金属組成からなる２種のターゲットを同時に放電させ、成膜装置内で回転する金型基材１の表面に皮膜を形成することにより、最下層２ａの金属成分の窒化物又は炭窒化物を含む皮膜と、最表層２ｃの金属成分の窒化物又は炭窒化物を含む皮膜が積層された構成からなる混合皮膜（以下、「積層皮膜」という）を形成してもよい。この場合、中間層２ｂにおいて、最下層２ａの金属成分を含む層（２ｂ１）と最表層２ｃの金属成分を含む層（２ｂ２）の積層順序は特に限定するものではなく、交互に一対もしくは複数対の層が積層されていれば良い。 As described above, the formation of the intermediate layer 2b constituting the film 2 is performed by simultaneously discharging two types of targets made of the metal composition of the lowermost layer 2a and the outermost layer 2c in the film forming apparatus and rotating the gold in the film forming apparatus. By forming a film on the surface of the mold substrate 1, a film containing a nitride or carbonitride of the metal component of the lowermost layer 2a and a film containing a nitride or carbonitride of the metal component of the outermost layer 2c are laminated. You may form the mixed film (henceforth "laminated film") which consists of the structure comprised. In this case, in the intermediate layer 2b, the stacking order of the layer (2b1) containing the metal component of the lowermost layer 2a and the layer (2b2) containing the metal component of the outermost layer 2c is not particularly limited. It is sufficient that the layers are laminated.
上記した混合皮膜の実施形態となる積層皮膜を形成する方法は、成膜装置により、最下層２ａの金属成分の窒化物又は炭窒化物を含む皮膜と、最表層２ｃの金属成分の窒化物又は炭窒化物を含む皮膜の夫々の厚さが０．３μｍ以下となるように放電電流および金型基材１の回転数を制御して、これら最下層２ａの金属成分の窒化物又は炭窒化物を含む単位層と、最表層２ｃの金属成分の窒化物又は炭窒化物を含む単位層が順次積層された組成の積層構造を備えた中間層２ｂを形成することができる。このとき、積層された積層構造の夫々の単位層の組成は、ＡｌとＴｉとＣｒとＳｉの総原子比を１００としたとき、Ｃｒの原子比が５０以上の単位層（２ｂ１）と、Ａｌの原子比が５０以上の組成からなる単位層（２ｂ２）とを交互に積層して、中間層２ｂの組成と膜厚が所定の値になるように形成することが好ましい。このような積層（周期）構造を備えた中間層２ｂを形成すると、皮膜２の靱性をさらに高めることができ、耐久性が向上した冷間鍛造用金型を得ることが可能になる。 The method for forming the laminated film as an embodiment of the above-described mixed film includes a film containing a nitride-containing or carbonitride-containing metal component of the lowermost layer 2a and a metal component nitride of the outermost layer 2c, The discharge current and the rotational speed of the mold base 1 are controlled so that the thickness of each coating containing carbonitride is 0.3 μm or less, and the nitride or carbonitride of the metal component of these lowermost layers 2a And an intermediate layer 2b having a laminated structure in which a unit layer containing a nitride or carbonitride of a metal component of the outermost layer 2c is sequentially laminated. At this time, the composition of each unit layer of the laminated structure is as follows: when the total atomic ratio of Al, Ti, Cr, and Si is 100, the unit layer (2b1) having an atomic ratio of Cr of 50 or more and Al Preferably, unit layers (2b2) having a composition having an atomic ratio of 50 or more are alternately stacked so that the composition and film thickness of the intermediate layer 2b have predetermined values. When the intermediate layer 2b having such a laminated (periodic) structure is formed, the toughness of the coating 2 can be further increased, and a cold forging die with improved durability can be obtained.
この積層構造からなる中間層２ｂにおいて、特に好ましい単位層の層厚（膜厚）は０．１μｍ未満である。ここで、Ｃｒの原子比が５０以上の単位層は組織が柱状晶、Ａｌの原子比が５０以上からなる単位層の組織は微細であるので、この積層構造をなす中間層２ｂでは、組織の粒径の異なる単位層が交互に積層されている。このため、積層構造をなす中間層２ｂは耐クラック性が向上するので、冷間鍛造用金型の耐久性の向上に寄与することが可能になる。
なお、この積層構造をなす組織は、透過型電子顕微鏡による断面観察により確認することできる。In the intermediate layer 2b having this laminated structure, the layer thickness (film thickness) of the particularly preferable unit layer is less than 0.1 μm. Here, since the unit layer having a Cr atomic ratio of 50 or more has a columnar crystal structure and the unit layer having an Al atomic ratio of 50 or more has a fine structure, in the intermediate layer 2b having this laminated structure, Unit layers having different particle sizes are alternately stacked. For this reason, since the intermediate layer 2b having a laminated structure has improved crack resistance, it is possible to contribute to improving the durability of the cold forging die.
In addition, the structure | tissue which makes this laminated structure can be confirmed by cross-sectional observation with a transmission electron microscope.
本発明の冷間鍛造用金型においては、金型基材１の表面に上記した皮膜２を形成する前に、金型基材の表面に窒化処理を行うことが好ましい。この理由は、冷間鍛造用金型に形成する皮膜２の耐剥離性を向上させるためには、予め、金型基材１の表面に窒化処理を行うことが好ましいからである。なお、金型基材１の表面に窒化処理を行う場合には、窒化による化合物層が形成され難いプラズマ窒化処理が好ましく、窒化処理の深さは金型基材１の表面から内部方向へ５０μｍ以下とすることが好ましい。 In the cold forging die of the present invention, it is preferable to perform nitriding treatment on the surface of the mold base before forming the above-described coating 2 on the surface of the mold base 1. This is because, in order to improve the peel resistance of the film 2 formed on the cold forging die, it is preferable to perform nitriding treatment on the surface of the die base 1 in advance. When nitriding is performed on the surface of the mold base 1, plasma nitridation is preferable, in which a compound layer is not easily formed by nitriding, and the depth of the nitriding is 50 μm from the surface of the mold base 1 to the inside. The following is preferable.
［試作した金型］
続いて、本発明の冷間鍛造用金型について、性能を評価するための金型を試作して、冷間鍛造の実験を行ってその耐久性を評価した実施例について説明する。この耐久性評価用の金型としては、冷間鍛造用のパンチを３０種試作し、その耐久性について評価した。試作したパンチの材質は、金型用素材であるマトリックス系ハイス（ＪＩＳ相当）とし、焼き入れ温度を１１５０℃、焼き戻し温度を５２０℃で３回処理し、硬度を６５ＨＲＣに調整した。そして、熱処理後のパンチ（金型）基材についてその表面形状及び表面部の性状のバラツキを低減させるために、研削および切削加工を施して所定の形状にした後、鍛造成形時に被加工物との接触部（鍛造する被加工物との接触部）となるパンチ基材の機能部を鏡面研磨し、機能部の表面粗さ（Ｒａ）を０．０３μｍ、表面粗さ（Ｒｙ）を０．３μｍに調整した。[Prototype mold]
Next, an example in which a die for evaluating the performance of the cold forging die according to the present invention is made as a prototype, and an experiment for cold forging is performed to evaluate its durability will be described. As the mold for durability evaluation, 30 types of cold forging punches were prototyped and their durability was evaluated. The material of the prototype punch was a matrix type HSS (equivalent to JIS), which is a mold material, and the quenching temperature was 1150 ° C., the tempering temperature was 520 ° C. three times, and the hardness was adjusted to 65 HRC. And, in order to reduce the variation in the surface shape and surface portion properties of the punch (die) substrate after the heat treatment, after grinding and cutting to a predetermined shape, The functional part of the punch base material that becomes the contact part (contact part with the workpiece to be forged) is mirror-polished, the surface roughness (Ra) of the functional part is 0.03 μm, and the surface roughness (Ry) is 0. Adjusted to 3 μm.
図２は、試作したパンチ（パンチ基材）３の形状を示す平面図であって、パンチ３は円柱形状をなし、その軸心（長手）方向に沿って、ストレート部３ａと、ストレート部３ａの下端部に一体に形成されたベアリング部３ｂを備えている。また、ベアリング部３ｂの直径は、ストレート部３ａの直径より若干大きくなるように形成された外周面３ｃと底部３ｄを備えている。このため、ストレート部３ａとベアリング部３ｂとは、図２には示していないが、テーパ部を介して一体に形成されている。また、外周面３ｃと底部３ｄとが交差する稜線部には微小なＲ形状部を形成している。
通常の冷間鍛造用パンチは上記した形状を有しているので、ベアリング部３ｂがストレート部３ａよりも損傷しやすい部位になる。特に、ベアリング部３ｂの外周面部３ｃが損傷しやすい部位になる。
図２に示すＬは、パンチ３の機能部となるストレート部３ａとベアリング部３ｂの長手方向（軸心方向）の長さを示す。なお、図２に示すストレート部３ａの長手方向の上方部は、パンチ３を鍛造装置に把持させるための把持部になる。FIG. 2 is a plan view showing the shape of a prototype punch (punch base material) 3. The punch 3 has a cylindrical shape, and a straight portion 3 a and a straight portion 3 a are formed along the axial center (longitudinal) direction. The bearing part 3b integrally formed in the lower end part of this is provided. Moreover, the diameter of the bearing part 3b is provided with the outer peripheral surface 3c and the bottom part 3d which were formed so that it might become a little larger than the diameter of the straight part 3a. For this reason, although not shown in FIG. 2, the straight part 3a and the bearing part 3b are integrally formed via the taper part. In addition, a minute R-shaped portion is formed at the ridgeline where the outer peripheral surface 3c and the bottom 3d intersect.
Since a normal cold forging punch has the above-described shape, the bearing portion 3b becomes a portion that is more easily damaged than the straight portion 3a. In particular, the outer peripheral surface portion 3c of the bearing portion 3b is easily damaged.
L shown in FIG. 2 indicates the length in the longitudinal direction (axial direction) of the straight portion 3 a and the bearing portion 3 b that are functional portions of the punch 3. In addition, the upper part of the longitudinal direction of the straight part 3a shown in FIG. 2 becomes a holding part for making the forging apparatus hold the punch 3.
試作した各冷間鍛造用のパンチ基材３の表面に、すなわち、図２に示すパンチ基材３のストレート部３ａ、テーパ部（図示せず）、およびベアリング部３ｂ（外周面３ｃと底部３ｄ）の表面に、複数のアーク蒸発源を有する成膜装置を用いて、表１に示す仕様を備えた皮膜を形成（成膜）した。
なお、以下の実施例の説明において「パンチ基材」と記載した場合にはパンチ基材の機能部（ストレート部３ａ、テーパ部、およびベアリング部３ｂ）に皮膜を形成していない試作パンチを示し、単に「パンチ」と記載した場合にはこの機能部に皮膜を形成した試作パンチ（パンチ３）を示す。On the surface of each prototype punch base 3 for cold forging, that is, the straight portion 3a, taper portion (not shown), and bearing portion 3b (outer peripheral surface 3c and bottom portion 3d) of the punch base 3 shown in FIG. The film having the specifications shown in Table 1 was formed (film formation) using a film forming apparatus having a plurality of arc evaporation sources.
In the following description of the embodiment, when “punch base material” is described, a prototype punch in which a film is not formed on the functional parts (straight part 3a, taper part, and bearing part 3b) of the punch base material is shown. When “punch” is simply described, a prototype punch (punch 3) in which a film is formed on this functional portion is shown.
表１には、試作した３０種のパンチ基材（試料番号１〜３０）に成膜した皮膜の仕様として、最下層２ａ、中間層２ｂ、最表層２ｃに含まれるＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉの含有量となる原子比、すなわち、これら元素の総原子比を１００としたときの原子比の値と、成膜した最下層２ａと中間層２ｂと最表層２ｃの各層の膜厚（μｍ）と、最表層（最外層）２ｃの表面の面粗さ（面粗度）を示す表面粗さ（Ｒａ）と（Ｒｙ）を示している。
また、試料番号の欄には、試料番号に対応させてこの試料番号が本発明例、比較例、従来例のいずれのパンチに相当するかを記載している。さらに、表１には、試作したパンチの耐久性の評価結果である鍛造寿命（ショット回数）を示している。Table 1 shows Ti, Cr, Al, Si contained in the lowermost layer 2a, the intermediate layer 2b, and the outermost layer 2c as the specifications of the film formed on the 30 types of prototype punch substrates (sample numbers 1 to 30). Ratio, that is, the value of the atomic ratio when the total atomic ratio of these elements is 100, and the film thickness (μm) of each layer of the lowermost layer 2a, intermediate layer 2b, and outermost layer 2c formed And surface roughness (Ra) and (Ry) indicating the surface roughness (surface roughness) of the surface of the outermost layer (outermost layer) 2c.
Also, in the column of the sample number, it is described which punch corresponds to the sample number, which corresponds to the punch of the example of the present invention, the comparative example, or the conventional example. Further, Table 1 shows the forging life (number of shots) which is an evaluation result of durability of the prototype punch.
表１に示すように、本発明例と比較するために試作した比較例のパンチは、最下層と中間層と最表層のうち、１層のみ、２層のみ、及び３層の皮膜を形成した例が含まれ、同じく試作した従来例のパンチについては、皮膜を形成しなかったパンチ例と従来から実施されている１層のみの皮膜を形成したパンチ例が含まれている。 As shown in Table 1, the punch of the comparative example made for comparison with the inventive example formed only one layer, only two layers, and three layers of the lowermost layer, the intermediate layer, and the outermost layer. Examples of conventional punches that are also prototyped include punch examples in which no film is formed and punch examples in which only one layer of film is conventionally formed.
表１の最右欄に示す「鍛造寿命」とは、試作したパンチの耐久性について冷間鍛造の成形実験を行って得たショット回数を示しており、この鍛造寿命（ショット回数）は次のように定義した。
すなわち、試作したパンチ３を用いて図３に示す被加工物（被加工素材）４を、冷間鍛造により成形（後方押し出し成形）したときに、冷間鍛造成形により得た製品（図４に示す鍛造成形品）５の内側表面（内周面）５ａに縦スジ発生の有無を判定し、この縦スジが 顕著に生じ
てこの縦スジにより、製品５の内径寸法が目標寸法に対して±０．０１ｍｍの誤差が生じた時点の累計ショット回数を鍛造寿命とした。表１に示す鍛造寿命の欄には、累計のショット回数の値が１０００より小さい値は「０００」として切り捨てた回数で示しており、このショット回数の値が試作した金型（パンチ３）の寿命（鍛造寿命）を示すものとしている。“Forging life” shown in the rightmost column of Table 1 indicates the number of shots obtained by performing a cold forging molding experiment on the durability of the prototype punch, and this forging life (number of shots) is as follows. Was defined as
That is, when the workpiece (workpiece material) 4 shown in FIG. 3 is formed by cold forging (rear extrusion molding) using the prototype punch 3, a product obtained by cold forging (see FIG. 4). The forged formed product 5) is judged whether or not vertical streaks are generated on the inner surface (inner peripheral surface) 5a of the inner surface 5a. The cumulative number of shots when an error of 0.01 mm occurred was defined as the forging life. In the column of forging life shown in Table 1, a value where the cumulative number of shots is less than 1000 is shown as the number of times rounded down as “000”, and the value of the number of shots is the value of the prototyped die (punch 3). The life (forging life) is shown.
試作したパンチ３について冷間鍛造の実験条件とその実験結果の評価方法について、さらに詳細に説明する。
冷間鍛造を行う被加工物４はその材質をＳ４５Ｃ（機械構造用炭素鋼）とし、この被加工物について線引時に焼鈍及びボンデ処理（リン酸塩処理）を施した。そして、市販のパーツフォーマーを用い、切断、端面矯正、絞りの各工程の作業を行って円柱形状の被加工物４とした後、図３に示すダイス６の孔部６ａからこの被加工物４を下受けパンチ７上に挿入し、試作したパンチ３をＦ方向にダイス６の孔部６ａ内を上下にショット駆動させて、被加工物４に冷間鍛造による成形を実施した。この冷間鍛造成形では、被加工物４の断面減少率が７０％、成形深さが直径の２．５倍の後方押し出し工程からなる鍛造成形を実施して、底部５ｂを有し円筒形状をなす鍛造成形品５（図４参照）を順次繰り返して成形しながら、前記した内周面５ａへの縦スジの発生状況の測定に基づいてパンチの耐久性を評価した。この後方押し出し工程においては、成形荷重は１５０ｋｇｆ／ｍｍ２、１分間あたりのショット回数は６０ショット、潤滑油は硫黄系の極圧添加剤を含有した不水溶性の鍛造油を前工程でパンチに直接供給した。図３（図４）に示す符号８は、冷間鍛造の枠体を示している。The experimental conditions for cold forging and the evaluation method for the experimental results of the prototype punch 3 will be described in more detail.
The workpiece 4 for cold forging was made of S45C (carbon steel for machine structure), and the workpiece was subjected to annealing and bond treatment (phosphate treatment) during drawing. Then, using a commercially available part former, the steps of cutting, end face correction, and drawing are performed to form a cylindrical workpiece 4, and then the workpiece is inserted from the hole 6a of the die 6 shown in FIG. 4 was inserted onto the receiving punch 7, and the prototype punch 3 was shot up and down in the hole 6a of the die 6 in the F direction to form the workpiece 4 by cold forging. In this cold forging, forging is performed by a backward extrusion process in which the cross-section reduction rate of the work piece 4 is 70% and the forming depth is 2.5 times the diameter, and a cylindrical shape having a bottom portion 5b is formed. The durability of the punch was evaluated based on the measurement of the state of occurrence of vertical stripes on the inner peripheral surface 5a while forming the forged molded product 5 (see FIG. 4) sequentially and repeatedly. In this rear extrusion process, the molding load is 150 kgf / mm 2 , the number of shots per minute is 60 shots, and the lubricating oil is a water-insoluble forging oil containing a sulfur-based extreme pressure additive used as a punch in the previous process. Directly supplied. The code | symbol 8 shown in FIG. 3 (FIG. 4) has shown the frame of cold forging.
続いて、試作したパンチ３の皮膜に関する仕様を表１に基づいて説明する。試料番号２〜５、試料番号８〜１６、試料番号２０〜２４は、本発明例が備えている最下層２ａと中間層２ｂと最表層２ｃからなる皮膜を形成し、かつ、これらの各皮膜に含まれる元素の原子比は本発明が規定している範囲内に含まれている本発明例のパンチを示している。また、試料番号１３、１４、１５、２１は、中間層と最表層の双方又は一方にＳｉを含有する皮膜を形成した本発明例のパンチを示している。 Next, the specifications regarding the film of the punch 3 that has been prototyped will be described with reference to Table 1. Sample Nos. 2 to 5, Sample Nos. 8 to 16, and Sample Nos. 20 to 24 form films composed of the lowermost layer 2a, the intermediate layer 2b, and the outermost layer 2c included in the present invention, and each of these films The atomic ratio of the elements contained in this indicates the punch of the present invention example included in the range defined by the present invention. Sample numbers 13, 14, 15, and 21 show punches of the present invention example in which a film containing Si is formed on both or one of the intermediate layer and the outermost layer.
試料番号１は、本発明例が備えている最表層の１層のみの皮膜を成膜（Ｔｉ、Ａｌの原子比が４０、６０）した比較例である。また、試料番号６、７は、最下層、中間層、最表層からなる皮膜を備えているが、最表層に含まれるＡｌの原子比が本発明に規定している範囲内に含まれていない比較例を示している。また、試料番号１７は、本発明が備えている最下層と最表層に相当する元素の原子比を有しているが、中間層を備えていない比較例を示し、試料番号１８は最下層と中間層と最表層からなる皮膜を備えているが、最表層に含まれるＡｌの原子比が本発明で規定している範囲内に含まれていない比較例を示す。さらに、試料番号１９は、最下層と中間層と最表層からなる皮膜を備えているが、最下層のＣｒの原子比を１００とし、中間層のＴｉの原子比を５、Ｃｒの原子比を６５、Ａｌの原子比を３０とし、最表層のＴｉの原子比を１０、Ｃｒの原子比を３０、Ａｌの原子比を６０とした比較例を示している。 Sample No. 1 is a comparative example in which a film having only one outermost layer provided in the example of the present invention was formed (atomic ratios of Ti and Al are 40 and 60). Sample Nos. 6 and 7 have a film composed of the lowermost layer, the intermediate layer, and the outermost layer, but the atomic ratio of Al contained in the outermost layer is not included in the range defined in the present invention. A comparative example is shown. Sample number 17 has an atomic ratio of elements corresponding to the lowermost layer and the outermost layer provided in the present invention, but shows a comparative example not provided with an intermediate layer, and sample number 18 is the lowermost layer. A comparative example is shown in which a film comprising an intermediate layer and an outermost layer is provided, but the atomic ratio of Al contained in the outermost layer is not included in the range defined in the present invention. Sample No. 19 has a coating composed of a lowermost layer, an intermediate layer, and an outermost layer. The atomic ratio of Cr in the lowermost layer is 100, the atomic ratio of Ti in the intermediate layer is 5, and the atomic ratio of Cr is A comparative example is shown in which 65, the atomic ratio of Al is 30, the atomic ratio of Ti of the outermost layer is 10, the atomic ratio of Cr is 30, and the atomic ratio of Al is 60.
試料番号２５は、パンチ基材の機能部の表面に皮膜を形成していない従来例のパンチを示し、試料番号２６〜３０は、それぞれ従来から実施されているＣｒＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮからなる皮膜の１層を成膜した従来例のパンチを示している。 Sample number 25 represents a conventional punch in which a film is not formed on the surface of the functional part of the punch base material, and sample numbers 26 to 30 are CrN, TiN, TiCN, TiAlN, and AlCrN, respectively, which have been conventionally performed. 1 shows a conventional punch in which one layer of a film made of
試作した各パンチ基材への皮膜の形成は、成膜装置のチャンバー内に回転機構を有した基材ホルダーを設け、この基材ホルダーに試作したパンチ基材を設置した。そして、成膜装置のチャンバー内を真空引き（１×１０−３Ｐａ以下に排気）した後、パンチ基材を約４３０℃まで加熱した後、Ａｒイオンを用いてスパッタクリーニングを実施した。この後、アーク蒸発源による成膜の場合は、φ１００ｍｍのターゲットを用い、アーク電流は８０〜１５０Ａの範囲とし、パンチ基材に印可するバイアス電圧をマイナス４５Ｖ、全圧力４ＰａのＮ２雰囲気、あるいは（Ｎ２＋Ｃ２Ｈ２）の混合ガス中にて、パンチ基材の表面に、窒化物の皮膜又は炭窒化物からなる皮膜を成膜した。パンチ基材の回転数は毎分４回転とした。For the formation of the film on each punch base material, a base material holder having a rotation mechanism was provided in the chamber of the film forming apparatus, and the prototype punch base material was placed on this base material holder. Then, after evacuating the inside of the chamber of the film forming apparatus (exhausting to 1 × 10 −3 Pa or less), the punch base was heated to about 430 ° C., and then sputter cleaning was performed using Ar ions. Thereafter, in the case of film formation with an arc evaporation source, a φ100 mm target is used, the arc current is in the range of 80 to 150 A, the bias voltage applied to the punch substrate is minus 45 V, and the N 2 atmosphere has a total pressure of 4 Pa. In a mixed gas of (N 2 + C 2 H 2 ), a nitride film or a carbonitride film was formed on the surface of the punch base material. The number of revolutions of the punch base was 4 revolutions per minute.
この成膜に際しては、表１の中間層「製法」欄に「−」と記載している本発明例と比較例の試料番号については、まず、最下層の金属組成を有するターゲット（蒸発源）を使用してパンチ基材上に最下層を形成した後、蒸発源を切り替えて中間層を形成し、中間層を形成した後に、最表層の金属組成を有するターゲットにより最表層を形成した。 In this film formation, for the sample numbers of the present invention example and the comparative example described as “-” in the “Manufacturing method” column of Table 1, first, the target (evaporation source) having the metal composition of the lowermost layer. Was used to form the lowermost layer on the punch substrate, and then the evaporation source was switched to form the intermediate layer. After the intermediate layer was formed, the outermost layer was formed with the target having the metal composition of the outermost layer.
表１の中間層の「製法」欄に記載している「混合」とは、中間層が前記した「混合皮膜」の実施形態となる積層皮膜から構成されていることを示している。なお、表１の中間層の欄に「混合」と記載している本発明例と比較例の試料番号については、最下層の金属組成を有するターゲットを使用してパンチ基材上に最下層の皮膜を形成した後に、最下層の組成を有するターゲットと最表層の組成を有するターゲットを同時に使用して混合皮膜、すなわち、前記した組成の積層構造を備えた中間層２ｂを形成したことを示している。そして、中間層２ｂを形成した後に最表層の組成を有するターゲットにより最表層を形成した。 “Mixing” described in the “Manufacturing method” column of the intermediate layer in Table 1 indicates that the intermediate layer is composed of a laminated film as an embodiment of the “mixed film” described above. In addition, about the sample number of this invention example and the comparative example which are described as "mixing" in the column of the intermediate | middle layer of Table 1, using the target which has a metal composition of a lowermost layer, a lowermost layer is put on a punch base material. After forming the film, it shows that the mixed film, that is, the intermediate layer 2b having the laminated structure described above was formed by using the target having the composition of the lowermost layer and the target having the composition of the outermost layer simultaneously. Yes. And after forming the intermediate | middle layer 2b, the outermost layer was formed with the target which has a composition of outermost layer.
中間層を上記した積層構造として形成する場合は、前記したように、中間層は厳密には成膜装置の回転機構に設置したパンチ基材の表面に、最下層成膜用ターゲットと最表層成膜用ターゲットのそれぞれの金属成分の窒化物又は炭窒化物からなる皮膜が交互に積層される。中間層をこの積層構造として形成するためには、成膜装置の制御に基づいて最下層成膜用ターゲットと最表層成膜用ターゲットを同時に放電させ、アーク電流を８０〜１５０Ａの範囲で変化させながら、かつ、積層構造を構成する単位層の厚さとその組成を所定の値にするように各単位層を形成するための回転機構の回転数を制御するようにする。 When the intermediate layer is formed as a laminated structure as described above, as described above, the intermediate layer is strictly formed on the surface of the punch base placed on the rotation mechanism of the film formation apparatus, and the lowermost layer target for film formation and the outermost layer formation. Films made of nitride or carbonitride of each metal component of the film target are alternately laminated. In order to form the intermediate layer as this laminated structure, the lowermost layer deposition target and the outermost layer deposition target are simultaneously discharged based on the control of the deposition apparatus, and the arc current is changed in the range of 80 to 150A. However, the number of rotations of the rotation mechanism for forming each unit layer is controlled so that the thickness of the unit layer constituting the laminated structure and the composition thereof have predetermined values.
なお、試料番号１〜３０（試料番号２５は除く）のパンチ基材３の機能部（ストレート部３ａ、テーパ部およびベアリング部３ｂ）に、表１の膜厚欄に示す最下層、中間層、最表層に対応する膜厚を有する皮膜を成膜した後に、パンチ基材の機能部表面を再度鏡面研磨し、表１に示すように、機能部の表面における皮膜の表面粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以下となる０．０５μｍに、表面粗さ（Ｒｙ）を１μｍ以下となる０．６μｍに調整して、３０種の試作パンチを製造した。 In addition, in the functional part (straight part 3a, taper part, and bearing part 3b) of the punch base material 3 of sample numbers 1 to 30 (excluding sample number 25), the lowermost layer, the intermediate layer, After forming a film having a film thickness corresponding to the outermost layer, the surface of the functional part of the punch base material is mirror-polished again, and as shown in Table 1, the surface roughness (Ra) of the film on the surface of the functional part is determined. Thirty types of trial punches were manufactured by adjusting the surface roughness (Ry) to 0.6 μm, which is 0.1 μm or less, and 0.05 μm, which is 0.1 μm or less.
［試作したパンチによる鍛造成形実験の結果］
続いて、試作した試料番号１〜３０に係るパンチについて、前記した冷間鍛造の実験条件に基づいて冷間鍛造の成形実験を実施した。その結果を、表１の「鍛造寿命（ショット回数）」欄に示している。この鍛造寿命の結果から次の事項が明らかになった。[Results of forging experiment using prototype punch]
Subsequently, a cold forging forming experiment was performed on the prototype punches according to sample numbers 1 to 30 based on the above-described cold forging experimental conditions. The results are shown in the “Forging life (number of shots)” column of Table 1. From the results of this forging life, the following matters became clear.
（１）本発明例となる試料番号２〜５、試料番号８〜１６、試料番号２０〜２４については、その鍛造寿命を示すショット回数は１５０００〜５８０００の値が得られた。図５は、本発明例となる試料番号２のパンチについて、ショット回数が１２０００に達したときに撮像した写真図、図６（ａ）、（ｂ）は同じくこの試料番号２のパンチについて、ショット回数が１２０００に達したときのベアリング部の外周面を走査型電子顕微鏡で観察したときのＳＥＭ写真図（倍率６５）であって、それぞれ二次電子像と反射電子像を示している。図５、図６に示すように、本発明例となる試料番号２のパンチのストレート部３ａとベアリング部３ｂの外周面３ｃには皮膜の剥離などの損傷は生じていなかった。 (1) For sample numbers 2 to 5, sample numbers 8 to 16, and sample numbers 20 to 24 serving as examples of the present invention, the number of shots indicating the forging life was 15000 to 58000. FIG. 5 is a photograph taken when the number of shots reaches 12000 for the punch of sample number 2 which is an example of the present invention. FIGS. 6A and 6B are shots of the punch of sample number 2 similarly. It is a SEM photograph figure (magnification 65) when the outer peripheral surface of a bearing part when the frequency | count reaches 12000 is observed with a scanning electron microscope, Comprising: The secondary electron image and the reflected electron image are each shown. As shown in FIG. 5 and FIG. 6, damage such as peeling of the film did not occur on the straight portion 3a of the punch of sample No. 2 and the outer peripheral surface 3c of the bearing portion 3b, which are examples of the present invention.
これに対して、比較例となる試料番号１、試料番号６〜７、試料番号１７〜１９についてその鍛造寿命を示すショット回数は、本発明例と比較して低い値となる７０００〜１２０００が得られた。図７（ａ）、（ｂ）は、比較例となる試料番号７のパンチについて、ショット回数が５０００に達したときのベアリング部の外周面を走査型電子顕微鏡で観察したときのＳＥＭ写真図（倍率１５０）であって、それぞれ二次電子像と反射電子像を示している。なお、図７（ａ）、（ｂ）において、紙面の縦方向がパンチの軸心方向（鍛造方向）を示している。 On the other hand, the number of shots showing the forging life of Sample No. 1, Sample No. 6 to 7 and Sample No. 17 to 19 serving as comparative examples is 7000 to 12000, which is lower than that of the present invention. It was. FIGS. 7A and 7B are SEM photographs of the outer peripheral surface of the bearing portion observed with a scanning electron microscope when the number of shots reaches 5000 for the punch of sample number 7 as a comparative example. And a secondary electron image and a reflected electron image, respectively. In FIGS. 7A and 7B, the vertical direction of the paper surface indicates the axial direction of the punch (forging direction).
図７（ａ）、（ｂ）において紙面の横方向に延びている黒色の部位（符号「８」）は、ベアリング部３ｂの外周面３ｃに発生しているクラックを示しており、クラック８の周辺部の白色で表示されている部分は、成膜した皮膜が剥離してパンチの基材が露出していること、すなわち、クラック８を含む周辺部には微小な凹凸が発生していることを示している。比較例となる試料番号７のパンチは、ベアリング部３ｂの外周面３ｃに発生したこれらクラック８を含む周辺部の微小な凹凸が鍛造ショットの回数の増加に伴って拡大し、その鍛造寿命が１００００のショット回数と判定された。
また、従来例のパンチ（試料番号２５〜３０）の鍛造寿命を示すショット回数は、表１に示すようにいずれも１００００以下であった。7A and 7B, black portions (reference numeral “8”) extending in the horizontal direction of the paper surface indicate cracks generated on the outer peripheral surface 3c of the bearing portion 3b. The white portion of the peripheral area shows that the film is peeled off and the base material of the punch is exposed, that is, minute irregularities are generated in the peripheral area including the crack 8. Is shown. In the punch of Sample No. 7, which is a comparative example, the minute unevenness in the peripheral portion including these cracks 8 generated on the outer peripheral surface 3c of the bearing portion 3b expands as the number of forging shots increases, and the forging life is 10,000. The number of shots was determined.
In addition, as shown in Table 1, the number of shots indicating the forging life of the conventional punches (sample numbers 25 to 30) was 10,000 or less.
これにより、本発明例のパンチはその基材に、前記したＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、またはＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選択される窒化物又は炭窒化物からなる皮膜を３層、すなわち、最下層、中間層、最表層の３層からなる皮膜２を形成するとともに、これら各３層の皮膜に含まれるこれら元素の原子比を前記した範囲に規定すると、試料番号１等の比較例のパンチと比較して鍛造寿命が２倍〜４．８倍向上することが明らかになった。
特に、本発明例となる試料番号２〜５、試料番号１０、試料番号１３〜１６、試料番号２１、２３については、鍛造寿命を示すショット回数は２００００以上の値が得られ、従来から実施されている従来例の試料番号２５〜３０と比較して、少なくとも鍛造寿命が２倍〜１０倍向上することが明らかになった。このように、本発明例の鍛造寿命が向上した理由は、最表層のＡｌ含有量を原子比で５５を超え８０以下、より好ましくは６０〜８０の範囲に設定したことにより、前記したように最表層２ｃのクラック発生が抑制されたことによるものと推測できる。As a result, the punch of the present invention example has three layers on the base material, that is, the above-mentioned film made of nitride or carbonitride selected from Ti, Cr, Al, or Ti, Cr, Al, Si. When the film 2 composed of the lower layer, the intermediate layer, and the outermost layer is formed, and the atomic ratio of these elements contained in each of these three layers is defined within the above-mentioned range, the punch of the comparative example such as sample number 1 It was revealed that the forging life was improved by 2 to 4.8 times as compared with the above.
In particular, for Sample Nos. 2 to 5, Sample No. 10, Sample Nos. 13 to 16, and Sample Nos. 21 and 23, which are examples of the present invention, the number of shots indicating the forging life is 20000 or more, which has been conventionally performed. It has been clarified that the forging life is improved at least 2 to 10 times as compared with the conventional sample numbers 25 to 30. As described above, the reason why the forging life of the example of the present invention is improved is that the Al content of the outermost layer is more than 55 in atomic ratio and not more than 80, more preferably in the range of 60 to 80, as described above. It can be inferred that this is due to the suppression of cracks in the outermost layer 2c.
（２）また、本発明例となる試料番号３は、最表層にＣｒを原子比で５含有する場合であるが、本発明例の試料番号２と比較して、鍛造寿命が低下した。これは、試料番号３のパンチの摩耗量は少なかったものの、パンチ表面に堆積した付着物が試料番号２と比べて多くなっていることが観察された。このため、鍛造成形した製品の表面にこの付着物によるキズが発生し製品としての許容範囲を超えた。さらに、比較例となる試料番号１９は、最表層にＣｒを３０含有する場合であるが、本発明例に比べ鍛造寿命が１２０００と短く、従来例と比べても耐久性の大きな向上は確認できなかった。これは、試料番号３と同様にパンチの摩耗量は少なかったものの、パンチ表面に堆積した付着物が本発明例と比べて著しく多く観察されたためである。このため、鍛造成形した製品の表面にもこの付着物によるキズが多く発生し、製品としての許容範囲を超えた。よって、最表層にＣｒを含有させる場合にはＣｒ含有量は原子比でその上限値を５以下とすることが好ましい。 (2) Sample No. 3, which is an example of the present invention, is a case where Cr is contained in the outermost layer in an atomic ratio of 5, but the forging life is reduced as compared with Sample No. 2 of the example of the present invention. Although the amount of wear of the punch of sample number 3 was small, it was observed that the amount of deposits deposited on the punch surface was larger than that of sample number 2. For this reason, the surface of the forged product was scratched by the deposits and exceeded the allowable range for the product. Furthermore, Sample No. 19, which is a comparative example, is a case where Cr is contained in the outermost layer, but the forging life is as short as 12000 compared to the present invention example, and a large improvement in durability can be confirmed even compared to the conventional example. There wasn't. This is because, although the amount of wear of the punch was small as in the case of Sample No. 3, significantly more deposits deposited on the surface of the punch were observed compared to the example of the present invention. For this reason, many flaws due to this deposit occurred on the surface of the forged product, which exceeded the allowable range as a product. Therefore, when Cr is contained in the outermost layer, the Cr content is preferably an atomic ratio with the upper limit being 5 or less.
（３）また、本発明例となる試料番号２〜５、８〜１２は中間層におけるＣｒ含有量を原子比で１０〜７５の範囲内のいずれかに設定した場合であるが、Ｃｒ含有量を原子比で１０とした試料番号４、及びＣｒ含有量を原子比で２０とした試料番号５では、鍛造寿命となるショット回数が３５０００以上の高い値が得られた。これに対して、Ｃｒ含有量を原子比で３０〜７５とした本発明例の試料番号８〜１０ではパンチの摩耗量が多くなったため、鍛造寿命となるショット回数が１６０００〜２４０００に低下した。このことから、中間層にＴｉ、Ｃｒ、Ａｌを含有させた場合には、Ｃｒ含有量の原子比を１０〜２０以下にすることがより好ましいといえる。 (3) Sample numbers 2 to 5 and 8 to 12 serving as examples of the present invention are cases in which the Cr content in the intermediate layer is set to any of the ranges of 10 to 75 in terms of atomic ratio. In Sample No. 4 with an atomic ratio of 10 and Sample No. 5 with a Cr content of 20 in atomic ratio, a high value of 35,000 or more shots for a forging life was obtained. On the other hand, in Sample Nos. 8 to 10 of the present invention example in which the Cr content was 30 to 75 in atomic ratio, the wear amount of the punch increased, so the number of shots for the forging life decreased to 16000 to 24,000. From this, when Ti, Cr, and Al are contained in the intermediate layer, it can be said that the atomic ratio of Cr content is more preferably 10 to 20 or less.
（４）本発明例となる試料番号１１、１２、２０は、最下層にＣｒ以外にＴｉ又はＡｌの窒化物又は炭窒化物を含有させた場合であるが、本発明例となる試料番号２と比べて鍛造寿命となるショット回数が低下した。これは、試料番号１１、１２、２０、特に試料番号２０は異常摩耗によって製品の寸法許容範囲を維持できなかったためである。従って、最下層にＣｒ以外にＴｉ又はＡｌの窒化物又は炭窒化物を含有させる場合には、最下層におけるＴｉ又はＡｌの原子比は５未満と少なくした方が良いといえる。しかし、試料番号１１、１２、２０は、従来例となる試料番号２５〜３０に比べて１．３倍以上の鍛造寿命が得られ、その効果は顕著ではないものの、従来例２５〜３０に比べ鍛造寿命が長いといえる。 (4) Sample Nos. 11, 12, and 20 that are examples of the present invention are cases where Ti or Al nitride or carbonitride is contained in the lowermost layer in addition to Cr, but sample numbers 2 that are examples of the present invention. The number of shots that resulted in the forging life decreased. This is because Sample Nos. 11, 12, and 20, especially Sample No. 20, could not maintain the dimensional tolerance of the product due to abnormal wear. Therefore, when Ti or Al nitride or carbonitride is contained in the lowermost layer in addition to Cr, it can be said that the atomic ratio of Ti or Al in the lowermost layer should be reduced to less than 5. However, Sample Nos. 11, 12, and 20 have a forging life 1.3 times or more that of Sample Nos. 25 to 30 as the conventional example, and the effect is not remarkable, but compared with that of Conventional Examples 25 to 30. It can be said that the forging life is long.
（５）本発明例となる試料番号１３〜１５と２１のように、中間層と最上層の双方又はその一方に原子比でＳｉを５以上１０以下の範囲内で含有させると、鍛造寿命を示すショット回数は４００００以上になり、他の本発明例と比較して鍛造寿命が著しく向上した。このことは、中間層と最上層の双方、又はその一方に原子比でＳｉを５以上１０以下含有させると、Ｓｉ添加による結晶粒径を微細化する作用により皮膜の耐摩耗性が向上し、ショット回数が著しく向上したと考えられる。特に、試料番号１５と２１に示す、中間層のＳｉの原子比が最表層よりも多くなるように構成すると、鍛造寿命を示すショット回数は５２０００〜５８０００となり、より好ましいといえる。
なお、試料番号１６は、中間層を中間層成膜用のターゲットを用いて成膜した場合であるが、中間層を混合皮膜として成膜した場合と同様に優れた鍛造寿命を示した。(5) As shown in Sample Nos. 13 to 15 and 21, which are examples of the present invention, when Si is contained in the intermediate layer and / or the uppermost layer in an atomic ratio within the range of 5 to 10, the forging life is increased. The number of shots shown is 40000 or more, and the forging life is remarkably improved as compared with other examples of the present invention. This means that if the intermediate layer and the uppermost layer, or one of them, contains Si in an atomic ratio of 5 or more and 10 or less, the wear resistance of the coating is improved by the action of refining the crystal grain size due to the addition of Si, It is believed that the number of shots has improved significantly. In particular, it is more preferable that the number of shots showing the forging life is 52000 to 58000 when the intermediate layer Si atomic ratio shown in sample numbers 15 and 21 is larger than that of the outermost layer.
Sample No. 16 was a case where the intermediate layer was formed using a target for forming the intermediate layer, and showed an excellent forging life similar to the case where the intermediate layer was formed as a mixed film.
（６）本発明例となる試料番号２２、２３、２４は、最下層、中間層及び最表層の膜厚を変化させた場合であるが、試料番号２２と２４の鍛造寿命が１５０００と１７０００であることに対し、試料番号２と試料番号２３の鍛造寿命が２５０００と２２０００となり、最表層の膜厚比が皮膜２全体の厚さの５０％を超え、７５％未満にすると鍛造寿命がより長くなるといえる。これは最下層、中間層及び最表層の特性のバランスが鍛造寿命に影響を及ぼすことを示唆するものであり、皮膜２全体の膜厚に対して最表層の膜厚比が５０％を超え、７５％未満にすることが本発明の好ましい膜厚の構造といえる。さらには、各層の膜厚比は、最下層の膜厚が最も薄く皮膜２全体の膜厚の１５％以下とし、中間層の膜厚は皮膜２全体の膜厚の４０％以下とすることが好ましいといえる。 (6) Sample Nos. 22, 23, and 24 serving as examples of the present invention are cases where the film thicknesses of the lowermost layer, the intermediate layer, and the outermost layer are changed, but the forging lifetimes of the sample numbers 22 and 24 are 15000 and 17000. On the other hand, the forging life of Sample No. 2 and Sample No. 23 becomes 25000 and 22000, and if the film thickness ratio of the outermost layer exceeds 50% of the thickness of the entire coating 2 and is less than 75%, the forging life is longer. It can be said. This suggests that the balance of properties of the lowermost layer, the intermediate layer and the outermost layer affects the forging life, and the film thickness ratio of the outermost layer exceeds 50% with respect to the film thickness of the entire coating 2, It can be said that less than 75% is a preferable film thickness structure of the present invention. Furthermore, the film thickness ratio of each layer is such that the film thickness of the lowest layer is the thinnest and is 15% or less of the film thickness of the entire film 2, and the film thickness of the intermediate layer is 40% or less of the film thickness of the entire film 2 It can be said that it is preferable.
（７）比較例となる試料番号１は、最下層と中間層を成膜していない１層の皮膜からなるため、部分的にこの皮膜が剥離し、剥離部を起点とした皮膜の異常摩耗により比較的早い段階（ショット回数７０００）で鍛造成形した製品の表面に皮膜の剥離に起因するスジの発生が確認され、製品としての許容範囲を超えたため、冷間鍛造用金型の耐久性を改善するには至らなかった。
また、最表層におけるＡｌ含有量が原子比で５５及び４０とした比較例となる試料番号６、７は、鍛造寿命となるショット回数が１２０００及び１００００となり、本発明の鍛造寿命より少ない値になった。試料番号７について、鍛造後のパンチ表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果、前記したが図７（ａ）、（ｂ）に示すように、鍛造方向と直角の方向に多数のクラック８が観察され、これによって製品の許容寸法範囲を維持できなかったものである。この結果から、最表層におけるＡｌ含有量は原子比で５５を超える値にすることが重要であるといえる。(7) Sample No. 1, which is a comparative example, consists of a single-layer film in which the lowermost layer and the intermediate layer are not formed. Therefore, this film partially peels off, and the film wears abnormally starting from the peeled portion. Due to the fact that the generation of streaks due to peeling of the film was confirmed on the surface of the forged product at a relatively early stage (number of shots: 7000), and the tolerance for the product was exceeded, the durability of the cold forging die was improved. It did not improve.
Sample numbers 6 and 7, which are comparative examples in which the Al content in the outermost layer is 55 and 40 in atomic ratio, have 12000 and 10,000 shots for the forging life, which is less than the forging life of the present invention. It was. As for the sample No. 7, the punch surface after forging was observed with a scanning electron microscope. As a result, as shown in FIGS. 7A and 7B, a large number of cracks 8 were observed in the direction perpendicular to the forging direction. As a result, the allowable dimension range of the product could not be maintained. From this result, it can be said that it is important that the Al content in the outermost layer is an atomic ratio exceeding 55.
試料番号７のパンチは、皮膜の最表層２ｃにおけるＡｌ含有量が原子比で４０とした比較例であるが、ショット回数が５０００に達した時点において、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、鍛造方向と直角の方向に多数のクラック８が観察され、このクラック８によりベアリング部（３ｂ）に異常な摩耗を生じ鍛造寿命が短くなった。鍛造方向と直角の方向に発生するクラック８は、鍛造時に母材表面が圧縮と引張により弾性変形を繰り返すことによって、皮膜表面に被覆した皮膜にクラック８が生じたものであり、このクラック８の発生は特に最表層におけるＡｌ含有量に依存しており、原子比で５５以下の試料番号のパンチ表面に観察された。 The punch of sample number 7 is a comparative example in which the Al content in the outermost layer 2c of the coating is 40 in terms of atomic ratio, and when the number of shots reaches 5000, it is shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b). Thus, many cracks 8 were observed in the direction perpendicular to the forging direction, and the cracks 8 caused abnormal wear on the bearing portion (3b), thereby shortening the forging life. The crack 8 generated in a direction perpendicular to the forging direction is a crack 8 generated in the coating coated on the coating surface by repeating the elastic deformation of the base material surface by compression and tension during forging. The generation particularly depends on the Al content in the outermost layer, and was observed on the punch surface having a sample number of 55 or less in atomic ratio.
（８）比較例となる試料番号１７は、中間層を設けていないために、最表層の効果を発揮する前に、最表層が剥離等により異常な摩耗が発生し、鍛造寿命となるショット回数は１２０００と低い値になった。同様に比較例となる試料番号１８は、最下層、中間層及び最表層の３層からなる皮膜を成膜したが、最表層におけるＡｌ含有量を原子比で５０としたために、鍛造方向と直角の方向に多数のクラックが観察され、そのために製品の寸法異常となり、鍛造寿命となるショット回数は１２０００と低い値になった。同様に、比較例となる試料番号１９は、最表層におけるＣｒ含有量を原子比で３０としたために、パンチ表面の付着物が増加した。このため、鍛造成形した製品の表面にもこの付着物によるキズが多く発生し、鍛造ショット回数が１２０００で製品としての許容範囲を超え、継続することができなかった。 (8) Since Sample No. 17 serving as a comparative example has no intermediate layer, the number of shots in which abnormal wear occurs due to peeling or the like on the outermost layer before the effect of the outermost layer is exerted, resulting in a forging life Became a low value of 12000. Similarly, Sample No. 18, which is a comparative example, formed a film consisting of three layers of a lowermost layer, an intermediate layer, and an outermost layer. However, since the Al content in the outermost layer was 50 in atomic ratio, it was perpendicular to the forging direction. A large number of cracks were observed in the direction of, so that the product dimension became abnormal, and the number of shots for the forging life was as low as 12000. Similarly, in Sample No. 19 serving as a comparative example, the Cr content in the outermost layer was set to 30 in atomic ratio, so that the deposit on the punch surface increased. For this reason, many flaws due to the deposits were generated on the surface of the forged product, and the number of forging shots exceeded the allowable range as a product at 12000, and could not be continued.
図８は、比較例となる試料番号１９について、鍛造ショット回数が１２０００に達したときのパンチの状態を示す写真図である。試料番号１９は、最表層におけるＣｒ含有量を原子比で３０としたことにより、冷間鍛造時にパンチのストレート部３ａに付着物９が多量に固着し、この付着物９により被加工物である製品５の内周面５ａにキズが発生した。この付着物９の付着量は最表層のＣｒの含有量に大きく依存していた。 FIG. 8 is a photograph showing the punch state when the number of forging shots reaches 12000 for sample number 19 as a comparative example. Sample No. 19 has a Cr content in the outermost layer of 30 as an atomic ratio, so that a large amount of deposit 9 adheres to the straight portion 3a of the punch during cold forging, and this deposit 9 is a workpiece. Scratches occurred on the inner peripheral surface 5a of the product 5. The adhesion amount of the deposit 9 greatly depended on the Cr content of the outermost layer.
（９）従来例となる試料番号２５〜３０においては、いずれも鍛造寿命となるショット回数が１００００以下になった。試料番号２６と３０は、特にパンチ表面に堆積した付着物が本発明例と比べて多くなっていることが観察され、このことで鍛造成形した製品５の内周面５ａにこの付着物によるキズが発生し、鍛造製品としての許容範囲を超えた。試料番号２７と２８は、パンチ表面の機能部の母材が部分的に露出していたことから、本発明例に比べて耐摩耗性に劣る。試料番号２９は、鍛造後のパンチ表面に鍛造方向と直角の方向に多数のクラックが観察され、これによって製品の許容寸法範囲を維持できなかったもので、本発明例に比べクラックが生じ易い結果であった。 (9) In Sample Nos. 25 to 30 which are conventional examples, the number of shots for a forging life is 10000 or less. In Sample Nos. 26 and 30, it was observed that the deposits deposited on the punch surface were particularly large compared to the examples of the present invention, and as a result, the inner peripheral surface 5a of the forged product 5 was scratched by the deposits. Occurred and exceeded the allowable range for forged products. Sample Nos. 27 and 28 are inferior in wear resistance as compared with the examples of the present invention because the base material of the functional part on the punch surface was partially exposed. In sample No. 29, many cracks were observed in the direction perpendicular to the forging direction on the punched surface after forging, and the allowable dimension range of the product could not be maintained. As a result, cracks were more likely to occur than in the present invention example. Met.
なお、上記した実施例において、本発明の冷間鍛造用金型（パンチ）に形成した皮膜の最表層に、外観色を調整するためにＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選択される１種以上の窒化物又は炭窒化物からなる外観色調整用被覆を被覆しても、鍛造寿命に大きな相違は確認できなかった。
また、本発明においては、例えば、図３（図４）に示す冷間鍛造用金型を構成するダイス６の孔部６ａの内周面にも耐摩耗性を向上させるための皮膜、例えば、従来から実施されているＣｒＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等からなる皮膜を形成することが好ましい。In the above-described embodiment, at least one selected from Ti, Cr, Al, and Si for adjusting the appearance color on the outermost layer of the coating formed on the cold forging die (punch) of the present invention. Even when a coating for appearance color adjustment made of a nitride or carbonitride was applied, no major difference in forging life could be confirmed.
Further, in the present invention, for example, a film for improving wear resistance on the inner peripheral surface of the hole 6a of the die 6 constituting the cold forging die shown in FIG. 3 (FIG. 4), for example, It is preferable to form a film made of CrN, TiN, TiCN or the like that has been conventionally used.
以上の実施例の結果（１）〜（９）に記載したように、本発明に係る最下層と中間層と最表層の３層からなる皮膜を備えた冷間鍛造用パンチは、従来例や比較例の皮膜を有するパンチと比べて、パンチ表面（機能部）への異物の付着による焼き付きが格段に少なく、少なくとも１．５倍以上の鍛造寿命となるショット回数（耐久性）が向上することが確認できた。
なお、上記した実施例では、後方押し出し加工による冷間鍛造を実施してパンチの表面に成膜した皮膜の耐久性を確認した例について説明したが、本発明は、パンチとダイスを含む各種の冷間鍛造用金型に適用して、その耐久性を向上させる金型を提供することができる。特に本発明は、冷間鍛造用金型に特有の皮膜表面から発生するクラックの抑制と焼き付きによる金型表面の耐付着性を向上させたもので、断面減少率が５０〜８０％以上で使用される金型であって、前方押し出し成形、後方押し出し成形、据え込み成形、絞り成形に使用される冷間鍛造用金型に好適である。As described in the results (1) to (9) of the above examples, the cold forging punch provided with the coating composed of three layers of the lowermost layer, the intermediate layer, and the outermost layer according to the present invention is a conventional example or Compared to the punch having the coating film of the comparative example, the number of shots (durability) at which the forging life is at least 1.5 times greater and the seizure due to the adhesion of foreign matter to the punch surface (functional part) is improved. Was confirmed.
In the above-described embodiment, an example was described in which the durability of the film formed on the surface of the punch was confirmed by performing cold forging by backward extrusion, but the present invention includes various types including a punch and a die. It can be applied to a cold forging die to provide a die that improves its durability. In particular, the present invention improves the adhesion resistance of the die surface by suppressing cracks generated from the coating surface peculiar to the die for cold forging and seizing, and is used at a cross-section reduction rate of 50 to 80% or more. The mold is suitable for a cold forging mold used for forward extrusion, backward extrusion, upsetting, and drawing.
本発明の冷間鍛造用金型に適用可能な金型の材質は、例えば、ダイス鋼、マトリックスハイス鋼、高速度工具鋼、超硬合金、等である。また、本発明の冷間鍛造用金型に皮膜を形成するための成膜装置としては、ＰＶＤ法（イオンプレーティング、スパッタ、イオンビームスパッタ、等）を適用した装置を使用することができる。 The material of the die applicable to the cold forging die of the present invention is, for example, die steel, matrix high speed steel, high speed tool steel, cemented carbide or the like. In addition, as a film forming apparatus for forming a film on the cold forging die of the present invention, an apparatus to which a PVD method (ion plating, sputtering, ion beam sputtering, etc.) is applied can be used.
本発明に係る冷間鍛造用金型は、従来の表面被覆金型層よりも、皮膜の靱性が高く、かつ皮膜の耐剥離性、耐焼き付き性に優れ、耐久性を向上させた冷間鍛造用金型として有用である。 The cold forging die according to the present invention has higher film toughness than the conventional surface-coated mold layer, and has excellent peeling resistance and seizure resistance of the film, and has improved durability. It is useful as a mold for use.
１ ：金型基材
２ ：皮膜（皮膜層）
２ａ：最下層
２ｂ：中間層
２ｃ：最表層
３ ：パンチ
３ａ：ストレート部
３ｂ：ベアリング部
３ｃ：外周面（外周部）
３ｄ：底部（底面部）
４ ：被加工物（被加工素材）
５ ：鍛造成形品（製品）
５ａ：内周面
６ ：ダイス
６ａ：孔部
７ ：下受けパンチ
８ ：クラック
９ ：付着物1: Mold base 2: Film (film layer)
2a: Lowermost layer 2b: Intermediate layer 2c: Outermost layer 3: Punch 3a: Straight part 3b: Bearing part 3c: Outer peripheral surface (outer peripheral part)
3d: bottom (bottom)
4: Work piece (work material)
5: Forged molded product (product)
5a: Inner peripheral surface 6: Die 6a: Hole 7: Underlay punch 8: Crack 9: Deposit
Claims (10)
前記皮膜は、前記金型基材の表面側から順次、最下層、中間層、最表層が形成された皮膜層から構成され、
前記最下層はＣｒの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜、前記中間層はＡｌとＴｉとＣｒの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜、前記最表層はＡｌとＴｉの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜から構成されており、
前記最表層に含有されるＡｌとＴｉの総原子比を１００としたとき、前記最表層のＡｌの原子比は５５を超え８０以下であることを特徴とする冷間鍛造用金型。In the cold forging die in which the surface of the die base material as a base material is coated with a film made of nitride or carbonitride selected from Ti, Cr, Al,
The coating is composed of a coating layer in which a lowermost layer, an intermediate layer, and an outermost layer are formed sequentially from the surface side of the mold base,
The lowermost layer is a film mainly composed of a nitride or carbonitride of Cr, the intermediate layer is a film mainly composed of a nitride or carbonitride of Al, Ti and Cr, and the outermost layer is composed of Al and Ti. It is composed of a film mainly composed of nitride or carbonitride,
A die for cold forging, wherein the atomic ratio of Al in the outermost layer is more than 55 and not more than 80 when the total atomic ratio of Al and Ti contained in the outermost layer is 100.
前記中間層と前記最表層の間に、前記中間層と前記最表層に含有される窒化物又は炭窒化物を含む皮膜を介在させたことを特徴する請求項１から請求項７のいずれかに記載の冷間鍛造用金型。Between the lowermost layer and the intermediate layer, interpose a film containing nitride or carbonitride contained in the lowermost layer and the intermediate layer,
The film according to any one of claims 1 to 7, wherein a film containing nitride or carbonitride contained in the intermediate layer and the outermost layer is interposed between the intermediate layer and the outermost layer. The cold forging die described.
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