JP4827204B2 - Coated mold for plastic working and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、鍛造、プレス加工等に使用される耐摩耗性が必要とされる塑性加工用金型およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a mold for plastic working that requires wear resistance used for forging, press working, and the like, and a method for manufacturing the same.

従来、鍛造、プレス加工といった塑性加工には、冷間ダイス鋼、熱間ダイス鋼、高速度鋼といった工具鋼に代表される鋼や、超硬合金等の金属を母材とする金型が用いられてきた。上記加工方法は、室温付近で加工を行う冷間加工と、被加工材が400℃以上に加熱される温間加工や熱間加工(以下、温熱間加工とも記す)に分類され、何れの金型も作業面には耐摩耗性が要求される。   Conventionally, for plastic working such as forging and pressing, steel typified by tool steel such as cold die steel, hot die steel, and high-speed steel, and dies made of metal such as cemented carbide are used. Has been. The above processing methods are classified into cold processing in which processing is performed near room temperature, warm processing in which the workpiece is heated to 400 ° C. or higher, and hot processing (hereinafter also referred to as hot processing). The mold also requires wear resistance on the work surface.

近年、被加工材の高強度化、製品の高精度化、潤滑剤フリー、ならびに成形サイクルの高速化により、金型表面への負荷が増大していることから、その作業面にはTiCやTiNといった硬質材料を化学蒸着法(以下、CVD法とも記す)によって作業面に被覆した「被覆金型」が急速に増加してきた。しかしながら、金型への要求特性は作業面の耐摩耗性のみに留まらず、金型自体の高精度化も要求されるようになったため、被覆温度が1000℃以上のCVD法では上記の被覆時に金型の変形が大きくなる。そして特に、工具鋼に代表される鋼系型材の場合では、被覆後に行う焼入れ焼戻しといった熱処理で発生する熱処理歪みが問題となり、CVD法では要求を十分に満たすことが困難となった。   In recent years, the load on the mold surface has increased due to the increased strength of workpieces, higher product accuracy, lubricant-free, and faster molding cycles. The number of “coating molds” in which hard surfaces are coated on the work surface by chemical vapor deposition (hereinafter also referred to as CVD) has been rapidly increasing. However, the required characteristics of the mold are not limited to the wear resistance of the work surface, and the mold itself is required to have high accuracy. Mold deformation increases. In particular, in the case of steel-based molds represented by tool steel, heat treatment distortion generated by heat treatment such as quenching and tempering performed after coating becomes a problem, and it has become difficult to satisfy the requirements sufficiently by the CVD method.

このような背景から、最近では、上記の被覆作業を型材の焼戻し温度以下で行える物理蒸着法(以下、PVD法とも記す)の適用が増加している。例えば、冷間加工用金型においては、特定成分範囲の金型母材の表面に窒化処理を施した後に、PVD法にてTiNの被覆層を適用する手法が提案されている(特許文献1)。また、熱間加工用金型においては、PVD法の前処理を規定し、窒化処理後にCrNもしくはTiAlNを被覆する手法が提案されている(特許文献2,3)。   Against this background, recently, the application of a physical vapor deposition method (hereinafter also referred to as PVD method) in which the above-described coating operation can be performed at a temperature lower than the tempering temperature of the mold material is increasing. For example, in a cold working mold, a method of applying a TiN coating layer by a PVD method after nitriding the surface of a mold base material in a specific component range has been proposed (Patent Document 1). ). In addition, for hot working molds, a method for pre-processing the PVD method and coating CrN or TiAlN after nitriding has been proposed (Patent Documents 2 and 3).

さらには、1000℃以上でも高い耐久性を示す硬質皮膜として、AlCrの窒化物やAlCrSiの窒化物をイオンプレーティング法で形成する手法が提案されている(特許文献4、5)。そして、低摩擦係数の硬質皮膜として、表面がアモルファスカーボンを含有するAlCrの窒化物をスパッタリング法で形成する手法(特許文献6)が提案されている。   Furthermore, a method of forming an AlCr nitride or an AlCrSi nitride by an ion plating method as a hard film exhibiting high durability even at 1000 ° C. or higher has been proposed (Patent Documents 4 and 5). As a hard coating having a low friction coefficient, a method (Patent Document 6) has been proposed in which an AlCr nitride whose surface contains amorphous carbon is formed by a sputtering method.

特開昭58−031066号公報JP 58-031066 A 特開平11−092909号公報JP-A-11-092909 特開2003−245738号公報JP 2003-245738 A 特開平10−025566号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-025566 特開2003−321764号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-321764 特開2000−144378号公報JP 2000-144378 A

しかしながら、鍛造およびプレス金型の使用環境は年々過酷化し、成形時の面圧は高くなっていることから、特許文献1〜6に提案されている皮膜の機能では、様々な要求を十分に満たすことができなくなった。   However, since the working environment of forging and pressing dies is becoming more severe year by year and the surface pressure during molding is higher, the functions of the coating proposed in Patent Documents 1 to 6 sufficiently satisfy various requirements. I can't do it.

そこで本発明は、冷間ならびに温熱間における鍛造およびプレス加工といった金属の塑性加工に使用され、耐カジリ性や耐摩耗性が必要される金型において、上記の問題を解消した塑性加工用被覆金型およびその製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention is used for plastic working of metals such as cold and warm forging and press working, and in a metal mold that requires galling resistance and wear resistance, the covering metal for plastic working which has solved the above problems. It aims at providing a type | mold and its manufacturing method.

本発明者らは、上記の塑性加工に使用される金型の耐久性を向上させる手段について鋭意研究した。その結果、金型の作業面に被覆した皮膜は、その高い硬度と耐熱性を有すると同時に、表面が極めて平滑な状態であることが特に有効であることを突き止めた。そこで、上記の要件を満たした具体的な皮膜構成を明確にしたことで、この皮膜を被覆した塑性加工用金型は耐カジリ性や耐摩耗性が向上し、耐久性が格段に向上することから、本発明に至った。   The present inventors diligently researched means for improving the durability of the mold used for the above-mentioned plastic working. As a result, it has been found that it is particularly effective that the film coated on the working surface of the mold has a high hardness and heat resistance, and at the same time the surface is extremely smooth. Therefore, by clarifying the specific film configuration that satisfies the above requirements, the plastic working mold coated with this film has improved galling resistance and wear resistance, and the durability is greatly improved. Thus, the present invention has been reached.

すなわち本発明は、金型基材の表面に、AlCrSi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ことを特徴とする塑性加工用被覆金型である。好ましくは、該硬質皮膜は、厚さが3〜20μmである。 That is, according to the present invention, Al x Cr y Si z nitride (where x, y, z indicates an atomic ratio, x + y + z = 100, and x, y, z ≠ 0) is formed on the surface of the mold base. And 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 hard coating having a maximum height Rz of 1.0 μm or less. It is a coating mold. Preferably, the hard coating has a thickness of 3 to 20 μm.

また、該硬質皮膜は、以下要件のいずれか1つ以上を満たすことが好ましい。
[要件1] 金型基材から該皮膜の表面に向かって、立方晶が六方晶に移行する複合結晶構造を有していること。
[要件2] 金型基材から該皮膜の表面に向かって、x値が増加するとともにy値が減少する傾斜組成構造を有していること。
[要件3] 金型基材から該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。
[要件4] 金型基材から該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、z1≠0)からなる中間層、Alx2Cry2Siz2の窒化物(但し、x2>x1、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。
In addition, the hard coating preferably satisfies any one or more of the following requirements.
[Requirement 1] It has a composite crystal structure in which cubic crystal transitions to hexagonal crystal from the mold base toward the surface of the coating.
[Requirement 2] It has a gradient composition structure in which the x value increases and the y value decreases from the mold base toward the surface of the coating.
[Requirement 3] From the mold base toward the surface of the coating, the bottom layer made of Cr nitride, Al x1 Cr y1 Si z1 nitride (provided that x1 ≦ y1 and x1, y1, z1 ≠ 0 And a multilayer structure of an uppermost layer made of a nitride of Al x2 Cr y2 Si z2 (where x2> y2 and x2, y2, z2 ≠ 0).
[Requirement 4] From the mold base toward the surface of the coating, the lowermost layer made of Cr nitride, and the intermediate layer made of nitride of Al x1 Cr y1 Si z1 (x1, y1, z1 ≠ 0) Al x2 Cr y2 Si z2 nitride (provided that x2> x1, x2> y2 and x2, y2, z2 ≠ 0).

ここで要件3および/または4のとき、上記の最下層と中間層と最上層の厚さの比はそれぞれ0〜10%、50〜90%、10〜50%であることがより好ましい。あるいはさらに、中間層は、厚さ0.001〜0.1μmの最下層の成分と厚さ0.001〜0.1μmの最上層の成分が交互に積み重なって被覆されてなる厚さ1μm以上の層であることがより好ましい。   Here, when the requirements 3 and / or 4 are satisfied, it is more preferable that the thickness ratios of the lowermost layer, the intermediate layer, and the uppermost layer are 0 to 10%, 50 to 90%, and 10 to 50%, respectively. Alternatively, the intermediate layer has a thickness of 1 μm or more, which is formed by alternately stacking the components of the lowermost layer having a thickness of 0.001 to 0.1 μm and the components of the uppermost layer having a thickness of 0.001 to 0.1 μm. More preferably, it is a layer.

また、硬質皮膜は、AlCrSi(Wおよび/またはNb)αの窒化物(但し、x、y、z、αは原子比を示し、x+y+z+α=100、かつx、y、z、α≠0)で示されるNbとWのうちの1種以上を、α≦0.1×xの関係を満たして含むことが好ましい。あるいはさらに、該硬質皮膜の直上には、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以下の炭素皮膜を被覆することが好ましく、該炭素皮膜は炭化タングステンを含むことがより好ましい。 Further, the hard film is made of Al x Cr y Si z (W and / or Nb) α nitride (where x, y, z, α represents an atomic ratio, x + y + z + α = 100, and x, y, z, It is preferable to include one or more of Nb and W represented by α ≠ 0) while satisfying the relationship of α ≦ 0.1 × x. Alternatively, a carbon 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 directly on the hard film. It is preferable that the carbon film contains tungsten carbide.

さらに、本発明の塑性加工用被覆金型の製造方法は、ターゲットを用いたスパッタリング法により、金型基材の表面にAlCrSi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)からなる硬質皮膜を被覆する方法であって、該ターゲットに投入されるスパッタ電力を5kW以上、金型基材に印可するバイアス電圧を−100V以上の負側に大きくすることを特徴とする。 Furthermore, in the method for manufacturing a plastic working coated mold according to the present invention, Al x Cr y Si z nitride (where x, y, and z are atoms) is formed on the surface of the mold base by a sputtering method using a target. A bias voltage that applies a sputtering power of 5 kW or more applied to the target to the mold substrate, and a hard coating comprising x + y + z = 100 and x, y, z ≠ 0) Is increased to the negative side of −100V or more.

そして、本発明の塑性加工用被覆金型の好ましい製造方法は、窒素雰囲気中でCrターゲットおよびAlCrSi合金ターゲットを用いた反応性スパッタリング法により、金型基材の表面にAlCrSi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)からなる硬質皮膜を被覆する方法であって、
(1)Crターゲットに5kW以上のスパッタ電力を投入して、金型基材の表面にCrの窒化物である最下層を被覆し、
(2)CrターゲットおよびAlCrSi合金ターゲットに、それぞれ5kW以上のスパッタ電力を投入して、前記最下層の上にAlx1Cry1Siz1の窒化物(但し、x1≦y1、かつx1、y1、z1≠0)からなる中間層を被覆し、
(3)AlCrSi合金ターゲットに5kW以上のスパッタ電力を投入して、前記中間層の上にAlx2Cry2Siz2の窒化物(但し、x2>y2、かつx2、y2、z2≠0)からなる最上層を被覆することを特徴とする。
And the preferable manufacturing method of the coating metal mold | die for plastic working of this invention is a reactive sputtering method using a Cr target and an AlCrSi alloy target in nitrogen atmosphere, and the surface of a mold base material is made of Al x Cr y Si z . A method of coating a hard film made of nitride (where x, y, z represents an atomic ratio, x + y + z = 100, and x, y, z ≠ 0),
(1) Sputter power of 5 kW or more is applied to the Cr target, and the surface of the mold base is coated with the lowermost layer, which is a nitride of Cr,
(2) Sputtering power of 5 kW or more is applied to the Cr target and the AlCrSi alloy target, respectively, and an Al x1 Cr y1 Si z1 nitride (x1 ≦ y1 and x1, y1, z1) is formed on the lowermost layer. ≠ 0)
(3) Sputtering power of 5 kW or more is applied to the AlCrSi alloy target, and the intermediate layer is made of a nitride of Al x2 Cr y2 Si z2 (where x2> y2 and x2, y2, z2 ≠ 0). It is characterized by covering the top layer.

あるいはさらに、窒素雰囲気中でCrターゲットおよびAlCrSi合金ターゲットを用いた反応性スパッタリング法により、金型基材の表面にAlCrSi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)からなる硬質皮膜を被覆する方法であって、
(1)Crターゲットに5kW以上のスパッタ電力を投入して、金型基材の表面にCrの窒化物である最下層を被覆し、
(2)CrターゲットおよびAlCrSi合金ターゲットに、それぞれ5kW以上のスパッタ電力を投入して、前記最下層の上にAlx1Cry1Siz1の窒化物(但し、x1、y1、z1≠0)からなる中間層を被覆し、
(3)AlCrSi合金ターゲットに5kW以上のスパッタ電力を投入して、前記中間層の上にAlx2Cry2Siz2の窒化物(但し、x2>x1、x2>y2、かつx2、y2、z2≠0)からなる最上層を被覆することを特徴とする。
Or, further, a reactive sputtering method using a Cr target and an AlCrSi alloy target in a nitrogen atmosphere, and Al x Cr y Si z nitride (where x, y, and z are atomic ratios) Wherein x + y + z = 100 and x, y, z ≠ 0).
(1) Sputter power of 5 kW or more is applied to the Cr target, and the surface of the mold base is coated with the lowermost layer, which is a nitride of Cr,
(2) Sputtering power of 5 kW or more is applied to the Cr target and the AlCrSi alloy target, respectively, and the Al x1 Cr y1 Si z1 nitride (however, x1, y1, z1 ≠ 0) is formed on the lowermost layer. Cover the intermediate layer,
(3) Sputtering power of 5 kW or more is applied to the AlCrSi alloy target, and Al x2 Cr y2 Si z2 nitride (x2> x1, x2> y2, and x2, y2, z2 ≠ on the intermediate layer 0)) is covered.

上記の製造方法においては、硬質皮膜は、AlCrSi(Wおよび/またはNb)αの窒化物(但し、x、y、z、αは原子比を示し、x+y+z+α=100、かつx、y、z、α≠0)で示されるNbとWのうちの1種以上を、α≦0.1×xの関係を満たして含むことができる。そして、この場合においては、中間層および最上層の被覆に用いるAlCrSi合金ターゲットはWおよび/またはNbを含むことができる。 In the above manufacturing method, the hard coating is formed of Al x Cr y Si z (W and / or Nb) α nitride (where x, y, z, α represents an atomic ratio, x + y + z + α = 100, and x , Y, z, α ≠ 0), and can include one or more of Nb and W satisfying the relationship of α ≦ 0.1 × x. In this case, the AlCrSi alloy target used for covering the intermediate layer and the uppermost layer can contain W and / or Nb.

また、上記の製造方法においては、該硬質皮膜を被覆した後には、炭素ターゲットを用いたスパッタリング法により、最上層の直上に炭素皮膜を被覆することが好ましい。そして、この炭素皮膜は、WCを含むことが、より好ましい。   In the above manufacturing method, after the hard coating is coated, it is preferable to coat the carbon coating directly on the uppermost layer by a sputtering method using a carbon target. And it is more preferable that this carbon film contains WC.

従来のPVD法によるTiN、CrN、TiAlN、AlCrN、AlCrSiNに代表される窒化物膜、およびこれらの積層膜が被覆された金型では、近年における使用環境の過酷化に対し、十分な寿命が得られなくなってきた。本発明では、高い硬度と耐熱性を有する皮膜種を適用して、これが同時には極めて平滑な状態でかつ、金型の損傷形態に対し最適な構造を有して被覆されていることから、金型作業面の耐カジリ性、耐摩耗性を大幅に改善できる。よって、塑性加工用金型の耐久性が格段に向上することから、実用化にとって欠くことのできない技術となる。   A conventional PVD method TiN, CrN, TiAlN, AlCrN, AlCrSiN nitride film, and a metal mold coated with these laminated films have a sufficient life against the severe use environment in recent years. It has become impossible. In the present invention, a film type having high hardness and heat resistance is applied, and this is simultaneously coated in an extremely smooth state and having an optimum structure for the damage form of the mold. The galling resistance and wear resistance of the mold work surface can be greatly improved. Therefore, the durability of the metal mold for plastic working is remarkably improved, and this is an indispensable technique for practical use.

本発明例1の皮膜表面の走査型電子顕微鏡写真であり、本発明の塑性加工用被覆金型の一例を示す図である。It is a scanning electron micrograph of the film | membrane surface of this invention example 1, and is a figure which shows an example of the coating metal mold | die for plastic working of this invention. 従来例9の皮膜表面の走査型電子顕微鏡写真であり、従来の塑性加工用被覆金型の一例を示す図である。It is a scanning electron micrograph of the film | membrane surface of the prior art example 9, and is a figure which shows an example of the conventional coating metal mold | die for plastic working. 従来例10の皮膜表面の走査型電子顕微鏡写真であり、従来の塑性加工用被覆金型の一例を示す図である。It is a scanning electron micrograph of the film | membrane surface of the prior art example 10, and is a figure which shows an example of the conventional coating metal mold | die for plastic working. 本発明例1の表面粗さプロファイルであり、本発明の塑性加工用被覆金型の一例を示す図である。It is a surface roughness profile of the example 1 of this invention, and is a figure which shows an example of the coating metal mold | die for plastic working of this invention. 本発明例2の表面粗さプロファイルであり、本発明の塑性加工用被覆金型の一例を示す図である。It is a surface roughness profile of the example 2 of this invention, and is a figure which shows an example of the coating metal mold | die for plastic working of this invention. 従来例9の表面粗さプロファイルであり、従来の塑性加工用被覆金型の一例を示す図である。It is a surface roughness profile of the prior art example 9, and is a figure which shows an example of the conventional coating metal mold | die for plastic working. 従来例10の表面プロファイルであり、従来の塑性加工用被覆金型の一例を示す図である。It is the surface profile of the prior art example 10, and is a figure which shows an example of the conventional coating metal mold | die for plastic working. 本発明例3の皮膜組成であり、本発明の塑性加工用被覆金型の一例を示す図である。It is a film composition of the example 3 of this invention, and is a figure which shows an example of the coating metal mold | die for plastic working of this invention.

本発明の特徴は、高硬度かつ優れた耐熱性を同時に達成し得る皮膜種を選定して、それを塑性加工用金型の表面に、極めて平滑に、しかも金型の損傷形態に対し最適な構造にて被覆したことで、耐久性に優れた同金型を達成できたところにある。以下、上記の皮膜が被覆された本発明の塑性加工用被覆金型について、その構成要件毎に説明していく。   The feature of the present invention is that a film type capable of simultaneously achieving high hardness and excellent heat resistance is selected, and it is optimally applied to the surface of the mold for plastic working, and to the damage form of the mold. By coating with the structure, the same mold with excellent durability can be achieved. Hereinafter, the coating mold for plastic working of the present invention coated with the above-mentioned film will be described for each constituent requirement.

[A] 金型基材の表面には、AlCrSi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)からなる硬質皮膜を被覆する。
本発明に適用する硬質皮膜の成分構成は、もとより高い硬度と優れた耐熱性を備え得るAlCrSiNを基本とする。具体的には、その皮膜の全体に亘っては、AlCrSi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)の組成式で表される皮膜である。そして好ましくは、x>50、z>1、y<50である。なお、上記では窒化物としているが、窒化物を主体とし、炭素、酸素、硼素、硫黄等が窒素に対して20原子%以内で存在しても、同様に本発明の特徴は発揮されるものである。
[A] The surface of the mold base is made of a nitride of Al x Cr y Si z (where x, y, z indicate an atomic ratio, x + y + z = 100, and x, y, z ≠ 0). Cover with a hard coating.
The component composition of the hard coating applied to the present invention is based on AlCrSiN, which can have high hardness and excellent heat resistance. Specifically, over the entire film, a nitride of Al x Cr y Si z (where x, y, z indicates an atomic ratio, x + y + z = 100, and x, y, z ≠ 0). It is a film | membrane represented by the compositional formula. Preferably, x> 50, z> 1, and y <50. In the above description, nitride is used, but the characteristics of the present invention are also exhibited even if nitride is the main component and carbon, oxygen, boron, sulfur, etc. are present within 20 atomic% with respect to nitrogen. It is.

上記の基本成分構成においては、AlCrNも高硬度かつ耐熱性に優れた硬質皮膜である。しかし、塑性加工用被覆金型の損傷形態は、その硬質皮膜の粒子が脱落することによる損耗であることから、この防止にはSiを添加することが特に有効である。つまり、AlCrNにSiを添加することで、皮膜中の結晶粒径は格段に微細化され、しかもAlCrNが柱状破断面組織であることに対して、それが粒状破断面組織へと移行する。その結果、皮膜組織の微細化および粒状化がされたAlCrSiNは、上記の脱落の単位がAlCrNよりも小さく、脱落面積が小さくなることから、耐久性が改善される。   In the above basic component configuration, AlCrN is also a hard film having high hardness and excellent heat resistance. However, since the damage form of the coating mold for plastic working is wear due to the particles of the hard coating falling off, it is particularly effective to add Si to prevent this. That is, by adding Si to AlCrN, the crystal grain size in the film is remarkably refined, and in addition to AlCrN having a columnar fracture surface structure, it shifts to a granular fracture surface structure. As a result, AlCrSiN with a refined and granulated film structure has a smaller drop-off unit than AlCrN and a smaller drop-off area, so that the durability is improved.

[B] 硬質皮膜は、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以下である。
塑性加工用被覆金型では、その作業面に硬質皮膜を単純に被覆したところで、皮膜の表面が粗いと、該凹凸が損傷の起点となって、耐カジリ性、耐摩耗性の大幅な改善には至らない。そこで、本発明用途の金型にとってこそは、その作業面に被覆した硬質皮膜の表面を、Raで0.06μm以下に、そしてRzで1.0μm以下に制御するものである。この表面粗さを満たした本発明の被覆金型は、上記の皮膜成分との相乗効果によって、過酷化する鍛造およびプレス金型等の耐久性を格段に向上させる。
[B] The hard coating has 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.
In the coating mold for plastic working, when the work surface is simply coated with a hard film, if the surface of the film is rough, the unevenness becomes the starting point of damage, which greatly improves galling resistance and wear resistance. Is not reached. Therefore, for the mold for use in the present invention, the surface of the hard coating coated on the work surface is controlled to 0.06 μm or less for Ra and 1.0 μm or less for Rz. The coated mold of the present invention satisfying this surface roughness greatly improves the durability of forging and press molds that become severe due to a synergistic effect with the above film components.

ここで、一般的にアークイオンプレーティング法により得られる皮膜中には、その成膜時に不可避的に混入する数ミクロン程度のドロップレット(溶融粒子)が存在する。そして、このドロップレットは、皮膜表面を粗くする要因となることから、耐摩耗性等の向上に悪影響を及ぼす。また、ドロップレットは金属粒子であるため、皮膜組成本来の特性が発動できず、これもカジリの起点となり得る。よって、本発明の平滑な表面粗さを達成するにおいては、このドロップレットへの対策を十分に行っておくことが重要となる。   Here, in the film generally obtained by the arc ion plating method, there are droplets (molten particles) of about several microns which are inevitably mixed during the film formation. And since this droplet becomes a factor which roughens the film | membrane surface, it has a bad influence on improvement, such as abrasion resistance. In addition, since the droplets are metal particles, the inherent properties of the film composition cannot be activated, which can also be a starting point for galling. Therefore, in order to achieve the smooth surface roughness of the present invention, it is important to take sufficient measures against the droplets.

例えば、特許文献4、5のようなアークイオンプレーティング法を実際の金型製作に適用すれば、その被覆後の皮膜表面はドロップレットによる凸部が多い、つまり表面粗さ値の大きい、耐カジリ性、耐摩耗性の不足したものとなる。したがって、皮膜の平滑化のためには、エメリー紙やダイヤモンド粒子を含有した研磨材によりそれらを研磨除去することとなるが、ドロップレットは粒子状であることから研磨時に脱落し易い。よって、凸部が除去された研磨後の皮膜表面も、見かけ上は平滑であるが(Ra値は小さいが)、実は凸部の除去と同時に凹部が形成された、Rz値は大きいものであり、この凹部を起点としたカジリを誘発する欠点を残す。   For example, if the arc ion plating method as described in Patent Documents 4 and 5 is applied to actual mold production, the coated film surface has many convex portions due to droplets, that is, has a high surface roughness value. The galling and wear resistance will be insufficient. Therefore, in order to smooth the film, they are removed by polishing with emery paper or an abrasive containing diamond particles. However, since the droplets are in the form of particles, they easily fall off during polishing. Therefore, the surface of the film after polishing from which the convex portions have been removed is also apparently smooth (although the Ra value is small), but in fact, the concave portions are formed simultaneously with the removal of the convex portions, and the Rz value is large. The defect that induces galling starting from this recess remains.

一方、特許文献6のようなスパッタリング法によって得られる皮膜は、ドロップレットを含み難いため、比較的平滑な皮膜表面を得やすい。しかしながら、その達成される平滑度は、まだ不十分であり、本発明程の表面粗さ値を達成するまでには至らなかった。そして、イオンプレーティング法に比べて、基材との密着強度が大幅に劣るところに欠点を有しているので、殊、過酷な使用環境下にある塑性加工用金型の適用となると、その実用化には至っていないのが現状であった。そこで、この成立の困難であった皮膜表面が平滑な塑性加工用被覆金型の開発においては、本発明では、スパッタリング法にある上記の欠点を解決し、後述する製造方法をも確立したことで、その達成に至った。   On the other hand, since the film obtained by sputtering as disclosed in Patent Document 6 hardly contains droplets, it is easy to obtain a relatively smooth film surface. However, the smoothness achieved is still inadequate and has not reached the surface roughness value of the present invention. And since it has a defect in the adhesion strength with the substrate is significantly inferior compared with the ion plating method, especially when it is applied to a mold for plastic working under severe use environment, At present, it has not been put into practical use. Therefore, in the development of a coating die for plastic working with a smooth coating surface, which was difficult to establish, the present invention solved the above-mentioned drawbacks in the sputtering method and established a manufacturing method described later. , Has reached its achievement.

よって、硬質皮膜の表面粗さは、皮膜表面に存在する(あるいは存在していた)ドロップレットによっても大きく左右される。そこで、本発明においては、JIS規格に従って規定した上記の表面粗さ値に、ドロプレット(凸部)またはドロップレットが脱落した痕跡(凹部)の面積率の管理も合わせることが有効である。すなわち、本発明の塑性加工用被覆金型は、その硬質皮膜の表面から任意に選択される面積100μmの部位を例えば走査型電子顕微鏡(以下、SEMとも記す)により観察したときに、ドロプレットからなる凸部またはドロップレットが脱落した凹部の面積率が合計で5%以下であることが好ましい。該面積率は1%以下であることがより好ましい。 Therefore, the surface roughness of the hard coating is greatly affected by the droplets present (or existed) on the coating surface. Therefore, in the present invention, it is effective to match the management of the area ratio of the droplets (convex portions) or the traces (recessed portions) from which the droplets have dropped off with the above-mentioned surface roughness value defined according to the JIS standard. That is, the plastic working metal mold according to the present invention is obtained from a droplet when an area of an area of 100 μm 2 arbitrarily selected from the surface of the hard film is observed with, for example, a scanning electron microscope (hereinafter also referred to as SEM). It is preferable that the total area ratio of the convex portions or the concave portions from which the droplets are dropped is 5% or less. The area ratio is more preferably 1% or less.

なお、ドロップレット自体は、粒子状、かつ金属粒子であるが、最大径が概ね0.5μm以上のもので特定してよい。あるいは、皮膜表面に確認されるマクロパーティクル部を組成分析しても、それがドロップレットであるのかどうかは、健全な硬質皮膜の部分と容易に区別できる。そして、ドロップレットの痕跡については、皮膜表面に確認される凹部のうち、その深さが基準面(ドロップレットを含むマクロパーティクルの確認されない健全な平滑場所)に対して0.3μm以上のもので特定すればよい。   The droplets themselves are particulate and metal particles, but may be specified with a maximum diameter of approximately 0.5 μm or more. Or even if it analyzes a composition of the macro particle part confirmed on the film | membrane surface, it can be easily distinguished from the part of a healthy hard film | membrane whether it is a droplet. And about the trace of a droplet, the depth is 0.3 micrometer or more with respect to a reference plane (a healthy smooth place where the macro particle containing a droplet is not confirmed) among the recessed parts confirmed on the membrane | film | coat surface. You just have to specify.

一方、皮膜表面に存在するドロップレットは、研磨等により、たとえその全てを除去できたとしても、今度はその痕跡が残留し得ることは、述べた通りである。よって、本発明にかかる硬質皮膜の表面は、ドロップレットの痕跡だけであっても、そのような凹部も低減すべきである。すなわち、本発明の塑性加工用被覆金型は、その硬質皮膜の表面から任意に選択される長さ2mmの線部位を接触式面粗さ測定したときに、上記で定義される凹部の密度が2個/mm未満であることが好ましい。該密度は1個/mm未満であることがより好ましい。なお、面粗さ測定は、3回測定した平均値とするとよい。   On the other hand, as described above, the droplets existing on the surface of the film can remain, even if all of them can be removed by polishing or the like. Therefore, even if the surface of the hard film according to the present invention is only a trace of droplets, such a recess should be reduced. In other words, the coated mold for plastic working of the present invention has a density of recesses as defined above when a contact surface roughness measurement is performed on a 2 mm long line portion arbitrarily selected from the surface of the hard coating. It is preferably less than 2 pieces / mm. The density is more preferably less than 1 piece / mm. The surface roughness measurement is preferably an average value measured three times.

[C] 硬質皮膜は、厚さが3〜20μmであることが好ましい。
平滑な表面粗さ値を有する本発明の硬質皮膜にとっては、その皮膜全体の厚さも薄い方が、Ra、Rz値を低く制御するのに有利である。しかし、該厚さが3μm未満では、耐摩耗性が低下する傾向にある。一方、膜厚が大きくなると、金型使用時の成形中衝撃で硬質皮膜が破壊または剥離する傾向にある。よって、本発明の上記膜厚は3〜20μmであることが好ましい。そして、硬質皮膜の破壊または剥離、基材との密着強度、表面の平滑性に加えては、金型自体の耐久性をも考慮すれば、これらを総じて、6〜20μmがより好ましく、8〜16μmがさらに好ましい。
[C] The hard coating preferably has a thickness of 3 to 20 μm.
For the hard coating of the present invention having a smooth surface roughness value, it is advantageous to control the Ra and Rz values to be low if the thickness of the entire coating is also thin. However, when the thickness is less than 3 μm, the wear resistance tends to decrease. On the other hand, when the film thickness increases, the hard coating tends to be broken or peeled off due to impact during molding when using a mold. Therefore, the film thickness of the present invention is preferably 3 to 20 μm. In addition to the destruction or peeling of the hard coating, the adhesion strength with the base material, and the smoothness of the surface, the total of these is more preferably 6 to 20 μm, considering the durability of the mold itself. 16 μm is more preferable.

なお、本発明の硬質皮膜は、スパッタリング法で成膜すれば、その皮膜内の残留圧縮応力は0〜2GPa程度であり、アークイオンプレーティング法に比べ、半分以下と低い値を示すので、剥離の抑制に有効である。また、PVD法による成膜では、その膜厚を増加させる場合、放電時間を長くすることになるが、アークイオンプレーティング法だと、上記の通り、その硬質皮膜内に残留するドロップレットが増加して、表面粗さ値が急激に大きくなる。しかし、スパッタリング法であれば、そのスパッタ放電時間が長くなっても表面粗さ値が大幅に上がることがない。よって、後述する本発明の製造方法も含め、スパッタリング法によって成膜することで、上記の膜厚は6μm以上であっても、十分に剥離の抑制された硬質皮膜を達成でき、耐摩耗性と平滑性を両立した塑性加工用被覆金型が得られる。   In addition, if the hard film of the present invention is formed by a sputtering method, the residual compressive stress in the film is about 0 to 2 GPa, and shows a low value of less than half compared to the arc ion plating method. It is effective in suppressing In addition, in the film formation by the PVD method, when the film thickness is increased, the discharge time is lengthened. However, in the case of the arc ion plating method, as described above, the number of droplets remaining in the hard film increases. As a result, the surface roughness value increases rapidly. However, if the sputtering method is used, the surface roughness value does not increase significantly even if the sputtering discharge time is increased. Therefore, including the manufacturing method of the present invention to be described later, even when the film thickness is 6 μm or more, it is possible to achieve a hard film sufficiently prevented from being peeled off and to have wear resistance. A coated mold for plastic working having both smoothness can be obtained.

[D] 硬質皮膜は、金型基材から該皮膜の表面に向かって、立方晶が六方晶に移行する複合結晶構造を有していることが好ましい。
本発明では、そのAlCrSiNの成分構成からなる硬質皮膜の結晶構造が、該皮膜の表面に向かって立方晶から六方晶に移行する「複合結晶構造」を有している。つまり、本発明の硬質皮膜は、その成分構成の面においては、Siの添加により結晶構造を粒状破断面組織へ移行させ、皮膜粒子の耐脱落性を向上させていることは、前記の通りである。しかし、その一方では、金型基材との密着性の向上を考えれば、その皮膜中の少なくとも基材近傍部分は、柱状破断面組織であることが望ましい。よって、皮膜の全体に亘ってはAlCrSiNの成分構成であるとしても、その一部では各元素のバランスを調整することで、金型基材側の結晶構造は立方晶に制御することで、柱状破断面組織を示した複合結晶構造とすれば、基材との密着強度が高く、同時に高硬度の耐摩耗性に優れた硬質皮膜とできる。
[D] It is preferable that the hard coating has a composite crystal structure in which cubic crystal transitions to hexagonal from the mold base toward the surface of the coating.
In the present invention, the crystal structure of the hard film composed of the component composition of AlCrSiN has a “composite crystal structure” in which the crystal structure moves from cubic to hexagonal toward the surface of the film. That is, the hard coating of the present invention, in terms of its component structure, has the crystal structure transferred to the granular fractured surface structure by the addition of Si, and has improved the drop-off resistance of the coating particles as described above. is there. However, on the other hand, considering the improvement in adhesion to the mold base, it is desirable that at least the vicinity of the base in the coating has a columnar fracture surface structure. Therefore, even if the entire coating is composed of components of AlCrSiN, the crystal structure on the mold substrate side is controlled to be cubic by adjusting the balance of each element in a part of the coating. A composite crystal structure exhibiting a fracture surface structure can provide a hard film having high adhesion strength to the substrate and at the same time having high hardness and excellent wear resistance.

そして、硬質皮膜のそれこそ作業面においては、やはり各元素のバランスを調整することで、結晶構造を六方晶に制御しておけば、六方晶のAlCrSiN膜は結晶粒子が微細な粒状破断面組織を示すことから、深さ方向に進行する粒子脱落型の摩耗に対して有効である。本発明の硬質皮膜を以上の複合結晶構造とすることによって、耐摩耗効果と耐脱落摩耗効果が同時に発現され、塑性加工用被覆金型の耐久性が向上する。   And in the work surface of the hard film, if the crystal structure is controlled to be hexagonal by adjusting the balance of each element, the hexagonal AlCrSiN film has a granular fracture surface structure with fine crystal grains. From the above, it is effective against particle-dropping wear that proceeds in the depth direction. By making the hard film of the present invention have the above-mentioned composite crystal structure, the wear resistance effect and the drop-off wear resistance effect are exhibited at the same time, and the durability of the coating die for plastic working is improved.

上記の通り、本発明のAlCrSiN皮膜の複合結晶構造の制御は、そのAlCrSiの組成式における原子比x、y、z値により制御する。具体的には、立方晶のAlCrSiN皮膜は、その高硬度化による耐摩耗性の付与も勘定すれば、50<x<55、45<y<50、0.1<z<1の、Crに対しては若干Alの多い原子比とすることが好ましい。そして、スパッタリング法による成膜を行うとなれば、その際の成膜条件のうちの特に金型基材に印可するバイアス電圧は、−100〜−300Vの範囲に制御することが望ましい。なお、金型基材に接触する皮膜部位については、密着性を最優先に考慮すれば、x<yのAlCrSiNや、それこそ最下部位は立方晶のCrN(y=100)でもよい。 As described above, the control of the composite crystal structure of the AlCrSiN film of the present invention is controlled by the atomic ratio x, y, z value in the composition formula of Al x Cr y Si z . Specifically, a cubic AlCrSiN film can be applied to Cr with 50 <x <55, 45 <y <50, and 0.1 <z <1 if the addition of wear resistance due to its increased hardness is taken into account. On the other hand, it is preferable that the atomic ratio is slightly higher in Al. If film formation is performed by sputtering, it is desirable to control the bias voltage to be applied to the mold base material among the film formation conditions at that time in the range of −100 to −300V. In addition, as for the film | membrane site | part which contacts a metal mold | die base material, when considering adhesiveness first, AlCrSiN of x <y may be sufficient, and the lowermost site | part may be cubic CrN (y = 100).

そして、六方晶のAlCrSiN皮膜は、55<x<90、1<z<20、10<y<45の、Crに対してはAlが主体を占める原子比とすることが好ましい。そして、スパッタリング法による成膜の際には、特に上記のバイアス電圧を−30〜−100Vの範囲に制御することが望ましい。   The hexagonal AlCrSiN film preferably has an atomic ratio of 55 <x <90, 1 <z <20, 10 <y <45 with Al as the main component of Cr. When forming a film by sputtering, it is particularly desirable to control the bias voltage in the range of −30 to −100V.

[E] 硬質皮膜は、金型基材から該皮膜の表面に向かって、上記のx値が増加するとともにy値が減少する傾斜組成構造を有していることが好ましい。
これについては、[D]で述べた通りである。そして、xの値が増加、yの値が減少する「傾斜組成構造」とすることで、皮膜表面(被加工材との接触面)に向かって結晶構造が傾斜的に変化していくところ、その変化のコントラストを緩くし(明確な境界なく連続的に変化させ)、層間の密着強度が向上するため、好ましい。
[E] The hard coating preferably has a gradient composition structure in which the x value increases and the y value decreases from the mold base toward the surface of the coating.
This is as described in [D]. And, by adopting an “gradient composition structure” in which the value of x increases and the value of y decreases, the crystal structure changes in a gradient toward the coating surface (contact surface with the workpiece), It is preferable because the contrast of the change is relaxed (continuously changed without a clear boundary) and the adhesion strength between layers is improved.

[F] 硬質皮膜は、金型基材から該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が好ましい。
前記[D]で述べた事項をも参酌すれば、本発明の硬質皮膜は、基材との密着強度、耐摩耗性、耐脱落摩耗性を確保するために、金型基材から該皮膜の表面に向かって、CrNの最下層、Crに対してはAlの少ないAlCrSiNの中間層、そしてAlが主体となるAlCrSiNの最上層からなる「多層構造」とすることも有効である。但し、中間層においては、そのCrに対するAl原子数が最上層のそれよりも少ないのであれば(つまり、x2>x1)、x1とy1の大小関係は問わず、x1、y1、z1≠0のAlCrSiNに変更してもよい。
[F] The hard coating consists of a lowermost layer made of a nitride of Cr and a nitride of Al x1 Cr y1 Si z1 (provided that x1 ≦ y1 and x1, y1, It is preferable to have an intermediate layer composed of z1 ≠ 0) and an uppermost multilayer structure composed of nitrides of Al x2 Cr y2 Si z2 (where x2> y2 and x2, y2, z2 ≠ 0).
In consideration of the matters described in [D] above, the hard coating of the present invention can be applied to the base material from a mold base material in order to ensure adhesion strength with the base material, wear resistance, and anti-drop-off resistance. It is also effective to have a “multi-layer structure” consisting of a CrN bottom layer, an AlCrSiN intermediate layer with little Al for Cr, and an AlCrSiN top layer mainly composed of Al toward the surface. However, in the intermediate layer, if the number of Al atoms relative to Cr is smaller than that of the uppermost layer (that is, x2> x1), x1, y1, z1 ≠ 0 regardless of the magnitude relationship between x1 and y1. You may change to AlCrSiN.

なお、[F]の硬質皮膜においては、最下層と中間層と最上層の厚さの比が、それぞれ0〜10%、50〜90%、10〜50%であることが好ましい。CrNの最下層を省略しても、基材との密着強度を確保することは可能である。しかしながら、より苛酷な使用環境化では、この最下層を用いることにより、密着強度が改善される。そして、最下層を成膜する場合、その硬質皮膜全体に占める厚さ比は10%以下とすることが好ましい。最下層の機能は、基材との密着強化が主であることもあって、硬度は低く、10%を越えて厚くすると耐摩耗性が低下する傾向となる。好ましい厚さ比は5%以下である。   In the [F] hard coating, the thickness ratios of the lowermost layer, the intermediate layer, and the uppermost layer are preferably 0 to 10%, 50 to 90%, and 10 to 50%, respectively. Even if the lowermost layer of CrN is omitted, it is possible to ensure adhesion strength with the substrate. However, in a more severe use environment, the adhesion strength is improved by using this lowermost layer. And when forming a lowermost layer, it is preferable that the thickness ratio which occupies for the whole hard film shall be 10% or less. The function of the lowermost layer is mainly to strengthen the adhesion with the base material, and the hardness is low. When the thickness exceeds 10%, the wear resistance tends to decrease. A preferred thickness ratio is 5% or less.

これに対して、最下層と最上層の混合組成からなる中間層は、基材との密着強化の一方では、耐摩耗性を発揮する層でもあるため、その硬質皮膜全体に占める厚さ比は50〜90%であることが好ましい。そして、Alが主体となる最上層は、その耐摩耗性は中間層よりも劣るが、上記の通りの破断面組織が粒状を呈していることから、耐カジリ性に優れかつ、付着物の脱落による損傷を低減する作用を有する。この作用効果のためには、硬質皮膜全体に占める厚さ比を10〜50%とすることが好ましい。   On the other hand, the intermediate layer composed of the mixed composition of the lowermost layer and the uppermost layer is a layer that exhibits wear resistance on the one hand while strengthening the adhesion with the base material. It is preferable that it is 50 to 90%. And, the uppermost layer mainly composed of Al is inferior in wear resistance to the intermediate layer, but the fracture surface structure as described above is granular, so that it is excellent in galling resistance and the deposits fall off. It has the effect of reducing damage caused by. For this function and effect, the thickness ratio of the entire hard coating is preferably 10 to 50%.

また、[F]の硬質皮膜においては、中間層が、厚さ0.001〜0.1μmの最下層の成分と厚さ0.001〜0.1μmの最上層の成分が交互に積み重なって被覆されてなる、厚さ1μm以上の層であることが好ましい。つまり、中間層においては、その全体からの見かけ上は最下層と最上層の混合組成であるものの、実は最下層と最上層が超微細に積み重なった構造とすることで、優れた耐摩耗効果に合わせては、使用中の金型基材の変形にも追従し得る変形能の高い、高硬度かつ高靭性の硬質皮膜とできる。そして、中間層を微細に構成する最下層および最上層の各厚さについては、それぞれが0.1μmを超えると両微細層間の密着強度が低下して、硬度と靭性が逆に低下する傾向となる。なお、それぞれを0.001μm未満に制御することは、製造上困難である。   In the [F] hard coating, the intermediate layer is coated with the lowermost layer component having a thickness of 0.001 to 0.1 μm and the uppermost layer component having a thickness of 0.001 to 0.1 μm alternately stacked. It is preferable that the layer has a thickness of 1 μm or more. In other words, in the intermediate layer, although the overall appearance is a mixed composition of the lowermost layer and the uppermost layer, in fact, the structure in which the lowermost layer and the uppermost layer are superfinely stacked has an excellent wear resistance effect. In addition, a hard film having high deformability, high hardness and high toughness that can follow the deformation of the mold base in use can be obtained. And about each thickness of the lowermost layer and uppermost layer which comprise an intermediate | middle layer finely, when each exceeds 0.1 micrometer, the adhesive strength between both fine layers falls, and the tendency for hardness and toughness to fall conversely, Become. Note that it is difficult to control each of them to be less than 0.001 μm.

[G] 以上の硬質皮膜は、AlCrSi(Wおよび/またはNb)αの窒化物(但し、x、y、z、αは原子比を示し、x+y+z+α=100、かつx、y、z、α≠0)で示されるNbとWのうちの1種以上を、α≦0.1×xの関係を満たして含むことが好ましい。
これによって、本発明の硬質皮膜は、結晶粒径が微細化されて高硬度化し、同時には耐熱性も向上する。但し、NbとWの添加量は、その合計で、上記のxに対し10%以下の原子比にとどめることが、硬質皮膜の高硬度化において重要である。
[G] The above hard coating is Al x Cr y Si z (W and / or Nb) α nitride (where x, y, z, α represents an atomic ratio, x + y + z + α = 100, and x, y , Z, α ≠ 0), and preferably includes at least one of Nb and W satisfying the relationship of α ≦ 0.1 × x.
As a result, the hard coating of the present invention has a finer crystal grain size and higher hardness, and at the same time, improved heat resistance. However, it is important for increasing the hardness of the hard coating that the total amount of Nb and W be 10% or less with respect to the above x.

[H] 以上の硬質皮膜の直上には、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以下の炭素皮膜を被覆したことが好ましい。
本発明の硬質皮膜は、優れた耐摩耗性を発揮するものの、金型の初期なじみ性を向上させるためには、その直上に炭素皮膜を被覆することが好ましい。つまり、硬質皮膜の初期チッピングの抑制に有効であることから、本発明の硬質皮膜自体の特性が発揮され易くなり、その結果、金型の耐久性が向上する。ここで、炭素皮膜の表面は極めて平滑であることから、望ましくは0.1〜2ミクロン程度の層厚で被覆することにより、平滑に制御された硬質皮膜自体の表面粗さ(Raで0.06μm以下、Rzで1.0μm以下)を害することがない。
[H] Directly above the hard film is coated with a carbon 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. It is preferred that
Although the hard film of the present invention exhibits excellent wear resistance, in order to improve the initial conformability of the mold, it is preferable to coat the carbon film directly thereon. That is, since it is effective for suppressing the initial chipping of the hard coating, the characteristics of the hard coating itself of the present invention are easily exhibited, and as a result, the durability of the mold is improved. Here, since the surface of the carbon film is extremely smooth, the surface roughness of the hard film itself (Ra of 0. 0 is preferably controlled) is preferably controlled by coating with a layer thickness of about 0.1 to 2 microns. 06 μm or less and Rz 1.0 μm or less).

本発明の炭素皮膜は、例えば後述の、グラファイトを含むターゲットを用い、スパッタリング法で被覆する、所謂ダイヤモンドライクカーボン(以下、DLCとも記す)のような比較的軟質で変形能の高い構造がよい。また、炭素皮膜の耐熱性を向上させるため、WC結合を有する炭化タングステン(以下、WCと表記)を含む炭素皮膜とすることが好ましい。   The carbon film of the present invention preferably has a relatively soft and highly deformable structure such as so-called diamond-like carbon (hereinafter also referred to as DLC), which is coated by sputtering using a target containing graphite, which will be described later. In order to improve the heat resistance of the carbon film, a carbon film containing tungsten carbide having a WC bond (hereinafter referred to as WC) is preferable.

以上、本発明の塑性加工用被覆金型について説明した。本発明の該金型は、その基材となる金属材質について特段に定めるものではない。そして、例えば上記の通りの、冷間ダイス鋼、熱間ダイス鋼、高速度鋼および超硬合金等が使用できる。これについては、JIS等による規格金属種(鋼種)を含め、従来金型への使用が可能な鋼種として提案のされてきた改良金属種も適用できる。   In the above, the covering metal mold | die for plastic working of this invention was demonstrated. The metal mold of the present invention is not particularly defined with respect to the metal material used as the base material. For example, cold die steel, hot die steel, high speed steel, cemented carbide and the like as described above can be used. In this regard, improved metal types that have been proposed as steel types that can be used in conventional molds, including standard metal types (steel types) according to JIS and the like, can also be applied.

その他、必要に応じては、被覆前の基材表面には金属層を被覆してもよい。また、硬質皮膜においては、その上には更に極薄い機能層を被覆してもよい。そして、硬質皮膜を形成する窒化物中の窒素に対しては、酸素、硼素、硫黄、炭素等を、その合計で20%以下、好ましくは10%以下の原子比の範囲で添加しても、本発明の効果は発揮される。   In addition, if necessary, the surface of the base material before coating may be coated with a metal layer. Moreover, in a hard film, you may coat | cover a very thin functional layer on it. And for nitrogen in the nitride forming the hard film, oxygen, boron, sulfur, carbon, etc. may be added in a total atomic ratio of 20% or less, preferably 10% or less. The effect of the present invention is exhibited.

次に、本発明の塑性加工用被覆金型の製造方法について述べる。本発明の同金型を達成する上では、その被覆に用いるPVD法には、平滑な皮膜表面が得られ易いスパッタリング法の適用が有利であることは、上述の通りである。しかし一方では、基材との密着強度が弱いところに欠点があったことも述べた通りである。そこで、本発明では、この密着強度を大幅に改善し得るスパッタリング法をも確立したことで、上述の塑性加工用被覆金型の製造方法を達成した。   Next, the manufacturing method of the metal mold | die for plastic working of this invention is described. As described above, in order to achieve the same mold according to the present invention, the PVD method used for coating is advantageously applied by a sputtering method in which a smooth coating surface can be easily obtained. However, on the other hand, as described above, there was a drawback in that the adhesion strength with the substrate was weak. Therefore, in the present invention, the above-described method for producing a coating die for plastic working has been achieved by establishing a sputtering method capable of greatly improving the adhesion strength.

従来、公知のアークイオンプレーティング法で皮膜を被覆した場合、その被覆ままの状態での表面粗さ値は、Ra値で小さくても0.1μm程度、Rz値に至っては2.0μmを超える粗いものであった。そして、被覆後には研磨することで、Ra値こそ0.1μm以下にできたとしても、ドロップレットの脱落による凹部が形成されることで、Rz値を1.0μm以下にすることは事実上困難である。   Conventionally, when a film is coated by a known arc ion plating method, the surface roughness value in the as-coated state is about 0.1 μm even if the Ra value is small, and exceeds 2.0 μm when reaching the Rz value. It was rough. And even if the Ra value can be reduced to 0.1 μm or less by polishing after coating, it is practically difficult to reduce the Rz value to 1.0 μm or less by forming recesses due to dropout of the droplets. It is.

一方、スパッタリング法は、例えば特許文献6には被覆後のAlCrN皮膜のRa値が0.02μmであると記載されている通り、表面の平滑な皮膜を得るには有利な手法であるが、さらに平滑な表面となると改善の余地があり、何よりも基材との密着性に劣ることは上述の通りである。そこで、本発明は、特許文献6に比しても、遥かに高いスパッタエネルギーを投入した成膜条件を設定することで、硬質皮膜と基材の密着強度を高めることに成功した。以下、製造方法について、その構成要件毎に説明していく。   On the other hand, the sputtering method is an advantageous technique for obtaining a film having a smooth surface as described in Patent Document 6, for example, that the Ra value of the coated AlCrN film is 0.02 μm. If it becomes a smooth surface, there is room for improvement, and it is as above-mentioned that it is inferior to adhesiveness with a base material above all. Therefore, the present invention succeeded in increasing the adhesion strength between the hard coating and the base material by setting the film forming conditions with much higher sputtering energy compared to Patent Document 6. Hereinafter, the manufacturing method will be described for each constituent requirement.

[I] ターゲットを用いたスパッタリング法において、該ターゲットに投入されるスパッタ電力を5kW以上、金型基材に印可するバイアス電圧を−100V以上(マイナス側である)とする。
例えば、特許文献6に記載されるように、従来のAlCr系の窒化物皮膜を被覆するときの、ターゲットに投入されるスパッタ電力は300W程度である。これに対し、本発明のそれは5kW以上という高電力値に設定する。スパッタ電力が高いと、AlCrSiN皮膜の粒子の成長方向が変わり、粒子形態が粒状または柱状へと変化するため、緻密な皮膜組織が得られる。また、スパッタ電力が低い場合、その成膜時のエネルギーは低いことから、粒子が縦方向に成長する傾向となり、得られる皮膜表面は個々の粒子の凹凸、すなわち針状の表面形態となる。そこで、本発明においては、上記のスパッタ電力を高値に設定することで、皮膜の基材との密着強度、さらには表面平滑度が格段に向上し、塑性加工用被覆金型に要求される諸特性を満足する。
[I] In the sputtering method using a target, the sputtering power input to the target is 5 kW or more, and the bias voltage applied to the mold base is −100 V or more (on the negative side).
For example, as described in Patent Document 6, the sputtering power applied to the target when coating a conventional AlCr-based nitride film is about 300 W. On the other hand, that of the present invention is set to a high power value of 5 kW or more. When the sputtering power is high, the growth direction of the particles of the AlCrSiN coating changes, and the particle morphology changes to a granular shape or a columnar shape, so that a dense coating structure can be obtained. Further, when the sputtering power is low, the energy at the time of film formation is low, so that the particles tend to grow in the vertical direction, and the obtained coating surface has irregularities of individual particles, that is, needle-like surface morphology. Therefore, in the present invention, by setting the above sputtering power to a high value, the adhesion strength of the film to the base material and the surface smoothness are remarkably improved, and various requirements for the coating die for plastic working are required. Satisfy the characteristics.

さらに、本発明の製造方法においては、そのスパッタ中の金型基材に印加するバイアス電圧も重要である。すなわち、基材表面に被覆されたAlCrSiN皮膜は、負に印可したバイアス電圧によって、成膜と同時にスパッタガスイオンでボンバードされる。このとき、バイアス電圧が−100V未満(−100Vよりもプラス側である)では、ボンバード効果が弱く、上記に同様、AlCrSiN皮膜の粒子は針状に成長する。そこで、本発明においては、このバイアス電圧を−100V以上のマイナス側に大きくすることで、表面平滑度を向上させるものである。   Furthermore, in the manufacturing method of the present invention, the bias voltage applied to the mold base during sputtering is also important. That is, the AlCrSiN film coated on the substrate surface is bombarded with sputter gas ions simultaneously with the film formation by a negatively applied bias voltage. At this time, when the bias voltage is less than −100 V (on the positive side of −100 V), the bombard effect is weak, and the particles of the AlCrSiN film grow like needles as described above. Therefore, in the present invention, the surface smoothness is improved by increasing the bias voltage to the minus side of −100 V or more.

そして特には、上記した[F]の硬質皮膜を被覆するにあたっては、窒素雰囲気中でCrターゲットおよびAlCrSi合金ターゲットを用いた反応性スパッタリング法により、
(1)Crターゲットに5kW以上のスパッタ電力を投入して、金型基材の表面にCrの窒化物である最下層を被覆し、
(2)CrターゲットおよびAlCrSi合金ターゲットにそれぞれ5kW以上のスパッタ電力を投入して、前記最下層の上にAlx1Cry1Siz1の窒化物(但し、x1≦y1、かつx1、y1、z1≠0)からなる中間層を被覆し、
(3)AlCrSi合金ターゲットに5kW以上のスパッタ電力を投入して、前記中間層の上にAlx2Cry2Siz2の窒化物(但し、x2>y2、かつx2、y2、z2≠0)からなる最上層を被覆することが好ましい。
And in particular, in coating the hard film of [F] described above, by a reactive sputtering method using a Cr target and an AlCrSi alloy target in a nitrogen atmosphere,
(1) Sputter power of 5 kW or more is applied to the Cr target, and the surface of the mold base is coated with the lowermost layer, which is a nitride of Cr,
(2) Sputtering power of 5 kW or more is applied to each of the Cr target and the AlCrSi alloy target, and Al x1 Cr y1 Si z1 nitride (x1 ≦ y1 and x1, y1, z1 ≠ on the lowermost layer) 0) covering the intermediate layer consisting of
(3) Sputtering power of 5 kW or more is applied to the AlCrSi alloy target, and the intermediate layer is made of a nitride of Al x2 Cr y2 Si z2 (where x2> y2 and x2, y2, z2 ≠ 0). It is preferred to coat the top layer.

つまり、最下層であるCrの窒化物においては、5kW以上のスパッタ電力で被覆することによって、特に基材との密着性の改善および、その上に被覆される高硬度層の応力をも緩和でき、優れた機械的特性を発揮するために有効である。次に、5kW以上のスパッタ電力を投入して得られた中間層は、結晶性が高く、高硬度かつ高靭性であり、皮膜全体としての耐摩耗性を改善する。そして、5kW以上のスパッタ電力を投入して得られた最上層は、その結晶粒径が微細であり、上記した脱落摩耗の抑制に効果を発揮する。中間層においては、そのCrに対するAl原子数が最上層のそれよりも少ないのであれば(つまり、x2>x1)、x1とy1の大小関係は問わず、x1、y1、z1≠0のAlCrSiNに変更してもよいことは、上記の[F]に同様である。   In other words, the Cr nitride, which is the lowermost layer, can be coated with a sputtering power of 5 kW or more, particularly to improve the adhesion to the substrate and to relieve the stress of the high hardness layer coated thereon. It is effective for exhibiting excellent mechanical properties. Next, the intermediate layer obtained by applying a sputtering power of 5 kW or more has high crystallinity, high hardness and high toughness, and improves the wear resistance of the entire film. The uppermost layer obtained by applying a sputtering power of 5 kW or more has a fine crystal grain size, and is effective in suppressing the above-described drop-off wear. In the intermediate layer, if the number of Al atoms with respect to Cr is smaller than that of the uppermost layer (that is, x2> x1), regardless of the magnitude relationship between x1 and y1, AlCrSiN of x1, y1, z1 ≠ 0 What may be changed is the same as [F] above.

そして、本発明の硬質皮膜がNbとWのうちの1種以上を含んでもよいことは、これも前記の通りである。よって、これに従っては、本発明の製造方法は、その中間層および最上層の被覆に用いるAlCrSi合金ターゲットがWおよび/またはNbを含むことができる。   As described above, the hard coating of the present invention may contain one or more of Nb and W. Therefore, according to this, in the manufacturing method of the present invention, the AlCrSi alloy target used for covering the intermediate layer and the uppermost layer can contain W and / or Nb.

[J] 硬質皮膜を被覆した後に、炭素ターゲットを用いたスパッタリング法により、最上層の直上に炭素皮膜を被覆することが好ましい。
炭素皮膜は、上述した通りの、所謂DLCのような比較的軟質で変形能の高い構造がよい。そして、このような炭素皮膜をターゲットを用いたスパッタリング法で被覆する場合は、その炭素ターゲットに印可するスパッタ電力は4kW以上が好ましい。
[J] After coating the hard coating, it is preferable to coat the carbon coating directly on the uppermost layer by sputtering using a carbon target.
The carbon film has a relatively soft and highly deformable structure such as so-called DLC as described above. When such a carbon film is coated by a sputtering method using a target, the sputtering power applied to the carbon target is preferably 4 kW or more.

また、耐熱性を向上させるためには、WCを含む炭素皮膜とすることが好ましいことも上記の通りである。WCを含む炭素皮膜は、例えばWCとグラファイトの複合ターゲットを用いたスパッタリング法により被覆することができる。このとき、複合ターゲットにおけるWCとグラファイトの比率は、グラファイト成分の方が多くなるように、そのターゲットを作成することが好ましい。より具体的には、WC:グラファイト=10〜40:60〜90(但し、化学式WC:C原子による比率)である。   Further, as described above, in order to improve heat resistance, it is preferable to use a carbon film containing WC. The carbon film containing WC can be coated by, for example, a sputtering method using a composite target of WC and graphite. At this time, it is preferable to create the target so that the ratio of WC and graphite in the composite target is larger for the graphite component. More specifically, WC: graphite = 10-40: 60-90 (however, the chemical formula WC: ratio by C atom).

<評価用試料の作成>
ここでは、塑性加工用被覆金型に要求される機械的特性(すなわち、表面粗さ、皮膜の硬度、密着性)を評価するための試料を作製した。基材にはJISに規定される高速度鋼SKH51を用意し、これを真空中1180℃の加熱保持から窒素ガス冷却により焼入れ後、540〜580℃での焼戻しにより64HRCに調質したものを用いた。基材の寸法は、厚さ5mm、直径20mmの円筒状である。
<Preparation of sample for evaluation>
Here, a sample for evaluating mechanical properties (that is, surface roughness, film hardness, adhesion) required for a plastic working coating mold was prepared. For the base material, high-speed steel SKH51 specified by JIS is prepared, and this is tempered at 180 to 580 ° C. by tempering at 540 to 580 ° C. after quenching by heating at 1180 ° C. in a vacuum and cooling with nitrogen gas. It was. The substrate has a cylindrical shape with a thickness of 5 mm and a diameter of 20 mm.

次に、上記の円筒状基材の表面を♯1000、♯1500の研摩紙により磨いた後、エアロラップ機により平滑化して、表面粗さをRaで0.05μm、Rzで0.5μmに整えた。そして、炭化水素系の溶剤中で超音波洗浄し、脱脂したものにつき、以下の表面処理を施して、本発明例および従来例となる評価用試料を作製した。   Next, after polishing the surface of the cylindrical base material with # 1000 and # 1500 abrasive paper, it is smoothed by an aero lapping machine, and the surface roughness is adjusted to 0.05 μm for Ra and 0.5 μm for Rz. It was. Then, the following surface treatment was applied to those subjected to ultrasonic cleaning in a hydrocarbon-based solvent and degreased to prepare samples for evaluation that are examples of the present invention and conventional examples.

[本発明例1]
成膜手段には、基材にバイアス電圧を印加するスパッタリング法を採用し、最下層、中間層、最上層、炭素皮膜を同一チャンバー内で連続して成膜した。成膜装置については、まずスパッタ電源とバイアス電源には直流電源を用いた。そして、独立したアノードを設けて電子の移動距離を長くし、プラズマを活性化する工夫を施して、通常のスパッタリング装置よりもイオン化率を高める手段を採用している。これにより、皮膜の結晶性が向上して、高硬度化することができる。
[Invention Example 1]
As the film forming means, a sputtering method in which a bias voltage was applied to the substrate was adopted, and the lowermost layer, the intermediate layer, the uppermost layer, and the carbon film were successively formed in the same chamber. Regarding the film forming apparatus, first, a DC power source was used as a sputtering power source and a bias power source. Then, an independent anode is provided to increase the distance of electron movement and to devise a means for activating the plasma, thereby adopting means for increasing the ionization rate as compared with a normal sputtering apparatus. Thereby, the crystallinity of the film is improved and the hardness can be increased.

真空排気は、ターボ分子ポンプとロータリーポンプにて行う。同装置内には、スパッタリング蒸発源を4基搭載する。そして、カソード1:Crターゲット、カソード2:WC7030ターゲット(化学式WC:C原子による比率)、カソード3および4:Al60Cr37Siターゲット(原子比)設置した。導入ガスは、Ar、Kr、Nを用い、ガス供給ポートから導入する。 Vacuum evacuation is performed with a turbo molecular pump and a rotary pump. Four sputtering evaporation sources are mounted in the apparatus. Then, cathode 1: Cr target, cathode 2: WC 70 C 30 target (chemical formula WC: ratio by C atom), cathode 3 and 4: Al 60 Cr 37 Si 3 target (atomic ratio) were installed. The introduced gas is Ar, Kr, or N 2 and is introduced from the gas supply port.

バイアス電源は、基材に接続され、独立して基材に負のバイアス電圧を印加する。基材は、毎分2回転で自転しかつ、固定冶具とサンプルホルダーを介して公転する。基材とターゲット表面間の距離は50mmとした。   The bias power source is connected to the substrate and independently applies a negative bias voltage to the substrate. The substrate rotates at two revolutions per minute and revolves through a fixing jig and a sample holder. The distance between the substrate and the target surface was 50 mm.

成膜条件については、まず成膜装置内のヒーターにより基材温度が500℃になった状態で90分間の加熱を行い、真空容器(チャンバー)内の圧力が4×10−3Paに達した後、Arガスを真空容器内に導入した。そして、基材に−650Vのパルスバイアス電圧を印加し、Arイオンによる基材のクリーニングを15分間実施した。その後、基材に−200Vの直流バイアス電圧を印加した。このとき、独立したアノードとカソード間に1500Wの電力を供給して、Arのプラズマ密度を高め、Arイオンによる基材のクリーニングを30分間実施した。 Regarding the film forming conditions, first, heating was performed for 90 minutes in a state where the substrate temperature was 500 ° C. by the heater in the film forming apparatus, and the pressure in the vacuum container (chamber) reached 4 × 10 −3 Pa. After that, Ar gas was introduced into the vacuum vessel. Then, a pulse bias voltage of −650 V was applied to the substrate, and the substrate was cleaned with Ar ions for 15 minutes. Thereafter, a DC bias voltage of −200 V was applied to the substrate. At this time, power of 1500 W was supplied between the independent anode and cathode, the plasma density of Ar was increased, and the substrate was cleaned with Ar ions for 30 minutes.

次に、容器内の圧力を1×10−3Paに真空排気して、基材の温度を450℃の一定とし、一定流量のArガス500mlのもとで、容器内の圧力が580mPaになるようにNガスを導入した。そして、基材のクリーニング時と同様に、バイアス電圧を−120V、アノード電圧を−110Vに設定し、カソード1(Crターゲット)に5kWのスパッタ電力を供給して、10分間保持し、厚さ約0.5μmのCrN最下層を被覆した。 Next, the pressure inside the container is evacuated to 1 × 10 −3 Pa, the base material temperature is kept constant at 450 ° C., and the pressure inside the container becomes 580 mPa under a constant flow rate of Ar gas of 500 ml. N 2 gas was introduced as described above. As in the case of cleaning the substrate, the bias voltage is set to -120 V, the anode voltage is set to -110 V, the sputtering power of 5 kW is supplied to the cathode 1 (Cr target), and held for 10 minutes. A 0.5 μm CrN bottom layer was coated.

続いて、カソード1へは電力を供給した状態で、カソード3、4(Al60Cr37Siターゲット:数値は原子比)にそれぞれ5kWのスパッタ電力を供給して、まず10分間の被覆処理を行った。そして、10分毎にカソード3、4に印可するスパッタ電力を1kWづつ上昇させて、9kWに達した後、60分間保持し、厚さ約5μmのAlCrSiN中間層を被覆した。 Subsequently, with the power supplied to the cathode 1, a sputtering power of 5 kW is supplied to each of the cathodes 3 and 4 (Al 60 Cr 37 Si 3 target: numerical values are atomic ratios), and a coating treatment for 10 minutes is first performed. went. Then, the sputtering power applied to the cathodes 3 and 4 was increased by 1 kW every 10 minutes, reached 9 kW, held for 60 minutes, and coated with an AlCrSiN intermediate layer having a thickness of about 5 μm.

そして、カソード1への電力供給を中断することで、あとはカソード3、4のみで、厚さ約2μmのAlCrSiN最上層を被覆した。そして最後には、カソード3、4への電力供給と、窒素の供給を停止し、Arガスは500mlの一定流量を維持して、カソード2(WC7030ターゲット)に4kWの電力を供給し、厚さ約1μmのWCを含むDLC層を被覆した。この被覆試料(基体−CrN最下層−AlCrSiN中間層−AlCrSiN最上層−DLC層)を150℃以下に冷却後、容器内から取り出した。図1は、本発明例1の皮膜表面を示すSEM写真である。 Then, the power supply to the cathode 1 was interrupted, and the AlCrSiN uppermost layer having a thickness of about 2 μm was covered only with the cathodes 3 and 4 after that. Finally, the supply of power to the cathodes 3 and 4 and the supply of nitrogen are stopped, the Ar gas is maintained at a constant flow rate of 500 ml, and 4 kW of power is supplied to the cathode 2 (WC 70 C 30 target). A DLC layer containing about 1 μm thick WC was coated. The coated sample (substrate—CrN bottom layer—AlCrSiN intermediate layer—AlCrSiN top layer—DLC layer) was cooled to 150 ° C. or lower and then taken out from the container. FIG. 1 is a SEM photograph showing the surface of the film of Example 1 of the present invention.

[本発明例2]
以下に示す成膜条件以外は、本発明例1の試料作成方法と同一である。すなわち、クリーニング後の基材に対しては、カソード1は使用せずに、カソード3、4(Al60Cr37Siターゲット)にそれぞれ5kWのスパッタ電力を供給して、10分間の被覆処理を行った。そして、10分毎にカソード3、4に印可するスパッタ電力を1kWづつ上昇させて、9kWに達した後、60分間保持し、中間層に相当する厚さ約5μmのAlCrSiN層からなる皮膜を被覆した。この被覆試料(基体−AlCrSiN単層)を、150℃以下に冷却後、容器内から取り出した。
[Invention Example 2]
Except for the film forming conditions described below, the sample preparation method of Example 1 of the present invention is the same. That is, for the substrate after cleaning, the cathode 1 is not used, and a sputtering power of 5 kW is supplied to each of the cathodes 3 and 4 (Al 60 Cr 37 Si 3 target) to perform a coating process for 10 minutes. went. Then, the sputtering power applied to the cathodes 3 and 4 is increased by 1 kW every 10 minutes, and after reaching 9 kW, it is held for 60 minutes to cover a film made of an AlCrSiN layer having a thickness of about 5 μm corresponding to the intermediate layer. did. The coated sample (substrate-AlCrSiN single layer) was cooled to 150 ° C. or lower and then taken out from the container.

[本発明例3]
本発明例1の試料作成方法に対しては、そのAlCrSiN最上層までを被覆した後には、DLC層を被覆せずに、容器内から取り出した被覆試料(基体−CrN最下層−AlCrSiN中間層−AlCrSiN最上層)である。
[Invention Example 3]
For the sample preparation method of Example 1 of the present invention, after coating up to the uppermost layer of AlCrSiN, the coated sample taken out from the container without coating the DLC layer (substrate-CrN lowermost layer-AlCrSiN intermediate layer- AlCrSiN top layer).

[本発明例4]
カソード3、4をAl60Cr35Siターゲット(原子比)に変更した以外は、本発明例1と同一の試料作成方法によった被覆試料(基体−CrN最下層−AlCrSiN中間層−AlCrSiN最上層−DLC層)である。
[Invention Example 4]
The coated sample (substrate-CrN bottom layer-AlCrSiN intermediate layer-AlCrSiN bottom layer) according to the same sample preparation method as Example 1 except that the cathodes 3 and 4 were changed to Al 60 Cr 35 Si 5 targets (atomic ratio). Upper layer-DLC layer).

[本発明例5]
カソード3、4をAl75Cr15Si10ターゲット(原子比)に変更した以外は、本発明例1と同一の試料作成方法によった被覆試料(基体−CrN最下層−AlCrSiN中間層−AlCrSiN最上層−DLC層)である。
[Invention Example 5]
A coated sample (substrate-CrN bottom layer-AlCrSiN intermediate layer-AlCrSiN bottom layer) according to the same sample preparation method as Example 1 except that the cathodes 3 and 4 were changed to Al 75 Cr 15 Si 10 targets (atomic ratio). Upper layer-DLC layer).

[本発明例6]
カソード3、4をAl60Cr25Nb10Siターゲット(原子比)に変更した以外は、本発明例1と同一の試料作成方法によった被覆試料(基体−CrN最下層−AlCrNbSiN中間層−AlCrNbSiN最上層−DLC層)である。
[Invention Example 6]
A coated sample according to the same sample preparation method as that of Example 1 of the present invention except that the cathodes 3 and 4 were changed to Al 60 Cr 25 Nb 10 Si 5 target (atomic ratio) (substrate—CrN bottom layer—AlCrNbSiN intermediate layer— AlCrNbSiN top layer-DLC layer).

[本発明例7]
カソード3、4をAl60Cr2510Siターゲット(原子比)に変更した以外は、本発明例1と同一の試料作成方法によった被覆試料(基体−CrN最下層−AlCrWSiN中間層−AlCrWSiN最上層−DLC層)である。
[Invention Example 7]
A coated sample (substrate-CrN bottom layer-AlCrWSiN intermediate layer-) according to the same sample preparation method as Example 1 except that the cathodes 3 and 4 were changed to Al 60 Cr 25 W 10 Si 5 target (atomic ratio). AlCrWSiN top layer-DLC layer).

[本発明例8]
以下に示す成膜条件以外は、本発明例1の試料作成方法と同一である。すなわち、カソード3、4(Al60Cr37Siターゲット)にそれぞれ5kWのスパッタ電力を供給して10分間の被覆処理を行った後には、50分毎にカソード3、4に印可するスパッタ電力を1kWづつ上昇させ、9kWに達した後に240分間保持することで厚さ約18μmのAlCrSiN中間層を被覆し、そして最上層を被覆した皮膜構成(基体−CrN最下層−AlCrSiN中間層−AlCrSiN最上層−DLC層)である。これにより、本発明例8の、炭素皮膜を除いた硬質皮膜の厚さは、合計で約20μmとなる。
[Invention Example 8]
Except for the film forming conditions described below, the sample preparation method of Example 1 of the present invention is the same. That is, after supplying a sputtering power of 5 kW to each of the cathodes 3 and 4 (Al 60 Cr 37 Si 3 target) and performing a coating treatment for 10 minutes, the sputtering power applied to the cathodes 3 and 4 every 50 minutes is applied. The film structure is formed by coating the AlCrSiN intermediate layer having a thickness of about 18 μm by raising it by 1 kW and holding for 240 minutes after reaching 9 kW. -DLC layer). Thereby, the thickness of the hard film of the invention example 8 excluding the carbon film is about 20 μm in total.

[従来例9]
上記の円筒状基材に対しては、公知のアークイオンプレーティング法により、厚さ約5μmのAlCrSiN皮膜を被覆した試料である。図2は、従来例9の皮膜表面を示すSEM写真である。
[Conventional Example 9]
The cylindrical substrate is a sample coated with an AlCrSiN film having a thickness of about 5 μm by a known arc ion plating method. FIG. 2 is an SEM photograph showing the surface of the film of Conventional Example 9.

[従来例10]
従来例9の被覆試料に対しては、その皮膜の表面に確認される凸部(ドロップレット)を#1000、#1500のエメリー紙を用いて研摩除去し、さらに、その表面全体をエアロラップにより平滑化した試料である。図3は、従来例10の皮膜表面を示すSEM写真である。
[Conventional Example 10]
For the coated sample of Conventional Example 9, the protrusions (droplets) confirmed on the surface of the film are polished and removed using # 1000 and # 1500 emery paper, and the entire surface is further aero-wrapped. This is a smoothed sample. FIG. 3 is an SEM photograph showing the coating surface of Conventional Example 10.

[従来例11]
上記の円筒状基材に対しては、公知の製造方法として、例えば特許文献6に記載された前処理および成膜条件に従った300Wのスパッタリング出力で被覆した、厚さ約5μmのAlCrSiN皮膜を有する試料である。
[Conventional Example 11]
For the above cylindrical substrate, as a known manufacturing method, for example, an AlCrSiN film having a thickness of about 5 μm coated with a sputtering output of 300 W according to the pretreatment and film formation conditions described in Patent Document 6 is used. It is a sample having.

<皮膜の組成分析>
本発明例1〜8および、従来例9〜11の被覆試料について、その皮膜の組成を電子プローブマイクロアナライザー(EPMA;日本電子(株)製JXA−8900R)を用いて分析した。分析は、皮膜の最表面に対し試験片を5度傾けた皮膜断面を鏡面研磨後、その研磨面にある最下層、中間層、最上層の各層内では、できるだけ広範囲の平均値となるように、各層の分析領域を選定した。そして分析値は、加速電圧15kV、試料電流0.2μA、計数時間10秒とした測定を5回実施し、その平均値とした。分析結果を表1に示す。
<Coating composition analysis>
About the coating sample of this invention example 1-8 and the conventional examples 9-11, the composition of the film | membrane was analyzed using the electron probe microanalyzer (EPMA; JEOL Co., Ltd. JXA-8900R). Analysis is such that the cross-section of the film with the specimen tilted 5 degrees with respect to the outermost surface of the film is mirror-polished, and the average value is as wide as possible in the lowermost layer, intermediate layer, and uppermost layer on the polished surface. The analysis area of each layer was selected. The analysis value was measured five times with an acceleration voltage of 15 kV, a sample current of 0.2 μA, and a counting time of 10 seconds, and the average value was obtained. The analysis results are shown in Table 1.

本発明例1および3〜8においては、その中間層は、カソード1と同3、4の2成分のターゲットを同時に作動させて成膜したものである。よって厳密には、この中間層は、カソード1の金属成分からなる窒化物層と、同3(および4)の金属成分からなる窒化物層が、お互いに極薄い層厚で積層された構造となっている。そして、各層の厚さは、その成膜時の基材回転数、スパッタ電力、ガス圧等によって異なるが、本発明例1の場合、その中間層は、厚さが0.005〜0.02μmの範囲のCrN層と、同0.005〜0.07μmの範囲のAlCrSiN層が積み重なった層であった。なお、各層の厚さは、その断面を透過型電子顕微鏡により観察し、実測した。   In Inventive Examples 1 and 3 to 8, the intermediate layer is formed by simultaneously operating the three-component and four-component targets as in the cathode 1. Therefore, strictly speaking, this intermediate layer has a structure in which a nitride layer made of the metal component of the cathode 1 and a nitride layer made of the metal component 3 (and 4) are stacked with an extremely thin layer thickness. It has become. The thickness of each layer varies depending on the substrate rotation speed, sputtering power, gas pressure, etc. at the time of film formation, but in the case of the present invention example 1, the intermediate layer has a thickness of 0.005 to 0.02 μm. And a CrN layer in the range of 0.005 to 0.07 μm. The thickness of each layer was measured by observing the cross section with a transmission electron microscope.

また、本発明例3については、高周波グロー放電発光分析によって、その深さ方向の組成分析も行った。その結果を図8に示す。最表面(スパッタリング時間0秒)より基材側に向かって、本発明の最上層、中間層、最下層の存在が確認される。そして、中間層は、その表面側に向かっては、Cr含有量は連続的に減少し、AlとSiの含有量が連続的に増加する、最下層と最上層の混合成分でなる傾斜組成構造である。特に、この傾斜組成構造によって層間の密着強度が向上することから、本発明の塑性加工用被覆金型の耐カジリ性は大きく向上する。   Moreover, about the example 3 of this invention, the composition analysis of the depth direction was also performed by the high frequency glow discharge emission analysis. The result is shown in FIG. From the outermost surface (sputtering time 0 seconds) toward the substrate side, the presence of the uppermost layer, intermediate layer, and lowermost layer of the present invention is confirmed. The intermediate layer has a gradient composition structure composed of a mixed component of the lowermost layer and the uppermost layer, with the Cr content continuously decreasing and the Al and Si content increasing continuously toward the surface side. It is. In particular, since the adhesion strength between layers is improved by this gradient composition structure, the galling resistance of the coating die for plastic working of the present invention is greatly improved.

<機械的特性の評価>
[硬度の評価]
エリオニクス製のナノインデンテーション装置を用いて、皮膜の硬度を測定した。本評価装置は、微小荷重で測定できることから、測定対象に形成される圧痕も微小であり、よって積層構造膜の各層の硬度を測定することができる。そして、各層の硬度を測定するためには、皮膜の最表面に対し試験片を5度傾けた皮膜断面を鏡面研磨後、皮膜の研磨面内で最大押し込み深さが各層厚の略1/10未満となる領域を選定した。なおこのとき、最大押し込み深さは略1/5程度でも基材からの影響はなかった。
<Evaluation of mechanical properties>
[Evaluation of hardness]
The hardness of the film was measured using a nanoindentation device manufactured by Elionix. Since this evaluation apparatus can measure with a minute load, the indentation formed on the measurement object is also minute, and thus the hardness of each layer of the laminated structure film can be measured. Then, in order to measure the hardness of each layer, the cross section of the film in which the test piece is inclined by 5 degrees with respect to the outermost surface of the film is mirror-polished, and then the maximum indentation depth is about 1/10 of the thickness of each layer in the polishing surface of the film An area that would be less than 1 was selected. At this time, even if the maximum indentation depth was about 1/5, there was no influence from the base material.

そして、押込み荷重9.8mN、最大荷重保持時間1秒、荷重負荷後の除去速度0.098mN/秒の測定条件で、各層につき10点測定し、その平均値を求めた。なお、本測定方法による皮膜硬度は、圧子の微細形状、測定時の温度、湿度、試料の表面状態に左右され易く、得られる数値は必ずしもその定量値としての扱いができない点で、ビッカース硬さとは異なる。そこで、一方では単結晶Siの基準試料を準備して、これの硬度も同時に測定したことで(15GPaであった)、この測定結果をもとに相対比較することができる。本発明例1、3〜8においては、最下層は薄いことから、中間層と最上層の硬度を測定した。結果を表1に示す。   Then, 10 points were measured for each layer under the measurement conditions of an indentation load of 9.8 mN, a maximum load holding time of 1 second, and a removal rate after loading of 0.098 mN / second, and the average value was obtained. The film hardness by this measurement method is easily influenced by the fine shape of the indenter, the temperature, humidity at the time of measurement, and the surface condition of the sample, and the obtained numerical values cannot be treated as quantitative values. Is different. Therefore, on the other hand, a single crystal Si reference sample was prepared, and its hardness was measured simultaneously (it was 15 GPa), so that a relative comparison can be made based on the measurement result. In Invention Examples 1 and 3 to 8, since the lowermost layer was thin, the hardness of the intermediate layer and the uppermost layer was measured. The results are shown in Table 1.

本発明例1の最上層と従来例11は同一組成の皮膜であるが、本発明の製造方法(成膜条件)で被覆した本発明例1は、組織が緻密であることから硬度が高く、スパッタリング法でありながらも、アークイオンプレーティング法と同等以上の硬度が得られている。これは、従来に比しては本発明のスパッタ電力が1桁以上異なる“高出力”であることに加えては、成膜時のプラズマ密度も高かったことから、皮膜の結晶性化が促進されたためと考えられる。   The uppermost layer of Invention Example 1 and Conventional Example 11 are films having the same composition, but Invention Example 1 coated with the production method (film formation conditions) of the present invention has high hardness because the structure is dense, Although it is a sputtering method, a hardness equal to or higher than that of the arc ion plating method is obtained. This is because the sputtering power of the present invention is higher than that of the conventional one by “high power”, and in addition, the plasma density at the time of film formation is high, so the crystallization of the film is promoted. It is thought that it was because it was done.

[密着性の評価]
皮膜の密着性(基材と膜、層間)を評価するために、CSM社製スクラッチ試験機(REVETEST)を用い、皮膜の剥離荷重を測定した。測定条件は以下の通りである。
測定荷重 :0.9〜120N、
荷重スピード :99.25N/min、
スクラッチスピード:10mm/min、
スクラッチ距離 :12mm、
AE感度 :5、
圧子 :ロックウェル、ダイヤモンド、
先端半径 :2μm、
ハードウェア設定 :Fnコンタクト0.9N、
Fnスピード :5N/s、
Fn除去スピード :10N/s、
アプローチスピード:2%/s
剥離荷重は、皮膜の最表面(炭素皮膜があるものは、その最表面)からスクラッチしたときの、その試験後のスクラッチ痕を光学顕微鏡で観察することで、スクラッチ痕底部の膜が基材から剥がれた時(つまり、スクラッチ痕底部の基材が完全に露出した時)の荷重とした。結果を表3に示す。
[Evaluation of adhesion]
In order to evaluate the adhesion of the film (substrate and film, interlayer), the peel load of the film was measured using a CSM scratch tester (REVETEST). The measurement conditions are as follows.
Measurement load: 0.9 to 120 N,
Load speed: 99.25 N / min,
Scratch speed: 10 mm / min,
Scratch distance: 12 mm,
AE sensitivity: 5,
Indenter: Rockwell, diamond,
Tip radius: 2 μm,
Hardware setting: Fn contact 0.9N,
Fn speed: 5 N / s
Fn removal speed: 10 N / s
Approach speed: 2% / s
The peeling load is determined by observing the scratch mark after the test with an optical microscope when the scratch is scratched from the outermost surface of the film (the surface where the carbon film is present). The load when peeled (that is, when the base material at the bottom of the scratch mark was completely exposed) was used. The results are shown in Table 3.

本発明例1〜8は剥離荷重は何れも80N以上であり、アークイオンプレーティング法により被覆した皮膜と同等以上の、高い密着強度を示した。なお、公知のスパッタリング法によった従来例11は、密着強度が極めて低い結果であった。   Invention Examples 1 to 8 each had a peel load of 80 N or higher, and showed high adhesion strength equal to or higher than that of a film coated by the arc ion plating method. In addition, the conventional example 11 by the well-known sputtering method was a result with very low adhesive strength.

[表面粗さの評価]
東京精密製SURFCOM480Aの接触式面粗さ測定器で、皮膜表面のRa、Rzを測定した。測定条件は、下記とした。
評価長さ :2mm又は4mm、
測定速度 :0.3mm/s、
カットオフ値 :0.8mm、
フィルター種別:ガウシアン、
測定レンジ :±40μm、
傾斜補正 :直線、
カットオフ比 :300、
そして、得られたプロファイルからRa、Rzを測定した。測定値は、3回測定したときの、その平均値とする(図4、5、6、7は、それぞれ本発明例1、2および、従来例9、10の皮膜表面のプロファイルの一例である)。
[Evaluation of surface roughness]
Ra and Rz of the coating surface were measured with a contact type surface roughness measuring instrument of SURFCOM 480A manufactured by Tokyo Seimitsu. The measurement conditions were as follows.
Evaluation length: 2 mm or 4 mm,
Measurement speed: 0.3 mm / s,
Cut-off value: 0.8mm,
Filter type: Gaussian,
Measurement range: ± 40 μm
Tilt correction: Straight line,
Cut-off ratio: 300,
And Ra and Rz were measured from the obtained profile. The measured value is the average value when measured three times (FIGS. 4, 5, 6, and 7 are examples of the coating surface profiles of Examples 1 and 2 of the present invention and Conventional Examples 9 and 10, respectively. ).

また、皮膜の表面に確認される凹部も測定した。つまり、アークイオンプレーティング法で成膜し、表面を研磨仕上げした従来例10の皮膜においては、その図7のプロファイルでも確認されるドロップレットの脱落痕跡である。そして、各試料のプロファイルの基準線(平滑な皮膜表面)に対しては、300nmよりも深い凹部をカウントした結果、例えば図7では2mmの測定長さに対し7個の凹部が存在し、これは約3個/mmの密度である。   Moreover, the recessed part confirmed on the surface of a film | membrane was also measured. That is, in the film of Conventional Example 10 formed by the arc ion plating method and polished to the surface, it is a drop-off trace of the droplets also confirmed in the profile of FIG. For the reference line (smooth film surface) of the profile of each sample, as a result of counting the recesses deeper than 300 nm, for example, in FIG. 7, there are 7 recesses for the measurement length of 2 mm. Is a density of about 3 pieces / mm.

さらに、上記にかかっては、皮膜の表面に確認される凸部も観察して、その凹部との面積率の合計を測定した。つまり、凸部においては、倍率1000倍のSEM写真を撮影することで、例えばアークイオンプレーティング法で成膜した従来例9の皮膜(図2)では多く確認される、最大径0.5μm以上の粒子(ドロップレット)を画像処理して、面積率を算出した。また、凹部においては、同じくSEM写真を撮影することで、例えば従来例10の皮膜(図3)では黒く確認される粒子状ドロップレットの脱落または除去痕跡等も測定対象とし、これらの凹部を画像処理し、面積率を算出した。以上の結果を表4にまとめて示す。   Furthermore, when it applied to the above, the convex part confirmed on the surface of a membrane | film | coat was observed, and the total of the area ratio with the concave part was measured. That is, at the convex portion, by taking an SEM photograph at a magnification of 1000 times, for example, the maximum diameter of 0.5 μm or more, which is often confirmed in the film of Conventional Example 9 (FIG. 2) formed by the arc ion plating method, The particles (droplets) were subjected to image processing, and the area ratio was calculated. In addition, by taking SEM photographs in the recesses, for example, dropouts or removal traces of particulate droplets that are confirmed to be black in the film of Conventional Example 10 (FIG. 3) are also measured, and these recesses are imaged. The area ratio was calculated after processing. The above results are summarized in Table 4.

本発明例1〜8は、Raで0.06μm以下、Rzで1.0μm以下の、平滑な皮膜表面を達成している。一方、アークイオンプレーティング法で成膜した従来例9は、図2に示すように、皮膜表面にはドロップレットが多数存在しており、表面が粗い。また、従来例9の皮膜表面を平滑にすべく、研磨仕上げを施した従来例10であっても、その皮膜表面には替わってドロップレットの痕跡が見られ、Rz値の改善には至らない。   Inventive Examples 1 to 8 achieve a smooth coating surface with Ra of 0.06 μm or less and Rz of 1.0 μm or less. On the other hand, in the conventional example 9 formed by the arc ion plating method, as shown in FIG. 2, a large number of droplets are present on the coating surface, and the surface is rough. Further, even in the case of the conventional example 10 in which the polishing finish is applied to smooth the coating surface of the conventional example 9, traces of droplets are seen instead of the coating surface, and the Rz value is not improved. .

[耐酸化性の評価]
各試料を1000℃の大気中で6時間保持した後に、皮膜表面のRa値を、上記に同様の接触式面粗さ計にて測定した。結果を表5に示す。
[Evaluation of oxidation resistance]
After each sample was held in the air at 1000 ° C. for 6 hours, the Ra value of the coating surface was measured with the same contact surface roughness meter as described above. The results are shown in Table 5.

表面の平滑な本発明例1〜8は、その酸化の起点となる凹凸が少ないことから、耐酸化性に優れる。そして特に、本発明例4、5、7は、酸化による損傷が少なく、上記酸化環境では表層部が変色しているのみで、基材の酸化は全く確認されなかった。これは本発明例4、5、7の硬質皮膜の最上層が、後に示すX線回折結果では六方晶(hcp)の結晶構造を有していることから、結晶粒径が微細であるためと考えられる。このような硬質皮膜は、1000℃以上でも優れた耐酸化性を有する。   Inventive Examples 1 to 8 having a smooth surface are excellent in oxidation resistance because there are few irregularities as starting points of oxidation. In particular, Examples 4, 5, and 7 of the present invention showed little damage due to oxidation, and only the surface layer portion was discolored in the above oxidizing environment, and no oxidation of the substrate was confirmed. This is because the uppermost layers of the hard coatings of Invention Examples 4, 5, and 7 have a hexagonal crystal structure (hcp) in the X-ray diffraction results shown later, so that the crystal grain size is fine. Conceivable. Such a hard film has excellent oxidation resistance even at 1000 ° C. or higher.

一方、表面の粗い従来例9および10は、ドロップレットが多く存在することに合わせては、そのドロップレットが脱落したピンホールからも基材の酸化が確認された。従来例11は、その皮膜表面が針状の粗い形態であったことから、粒界より酸素が侵入して、酸化が進行した。   On the other hand, in the conventional examples 9 and 10 having a rough surface, in addition to the presence of many droplets, the oxidation of the base material was also confirmed from the pinhole from which the droplets were dropped. In Conventional Example 11, the surface of the film was in a needle-like rough form, so oxygen entered from the grain boundary and oxidation progressed.

[結晶性の評価]
各試料の皮膜にX線回折を行い、それらの結晶構造を調べた。使用した設備はリガク社製X線回折装置であり、管電圧120kV、管電流40μm、X線源Cukα、X線入射角5度、X線入射スリット0.4mm、2θを20〜90度の条件で測定した。これらの結果を表6に示す。なお、各層から2種以上の結晶構造の存在が同定された場合は、存在が同定された結晶構造のうち、最大強度を示す結晶構造のみを表6に記載している。本発明例1〜8の皮膜においては、その中間層が硬度と密着性のバランスに優れた立方晶(fcc)構造となっていた。
[Evaluation of crystallinity]
The film of each sample was subjected to X-ray diffraction, and their crystal structure was examined. The equipment used was an X-ray diffractometer manufactured by Rigaku Corporation, tube voltage 120 kV, tube current 40 μm, X-ray source Cukα, X-ray incident angle 5 degrees, X-ray incident slit 0.4 mm, 2θ 20-90 degrees. Measured with These results are shown in Table 6. In addition, when the presence of two or more kinds of crystal structures is identified from each layer, only the crystal structure showing the maximum intensity is listed in Table 6 among the crystal structures whose existence is identified. In the films of Invention Examples 1 to 8, the intermediate layer had a cubic (fcc) structure with an excellent balance between hardness and adhesion.

<実金型の作製>
SKH51(硬さ64HRC)製カップ成形用冷間鍛造金型を作製して、本発明の実金型における寿命評価を行った。この金型は、直径30mm、高さ250mmの寸法で、その先端部にカップ成型のための作業面が加工されている。まず、焼鈍状態にて素材を金型形状に粗加工した。そして、これを真空中1180℃の加熱保持より窒素ガス冷却により焼入れ後、540〜580℃で焼戻して、64HRCに調質した。そして、最後に仕上げ加工(磨き+エアロラップ)を行うことで最終形状に整えた金型の作業面に、実施例1で評価した本発明例1〜8および従来例9〜11の皮膜を被覆した。
<Production of real mold>
A cold forging die for cup molding made of SKH51 (hardness 64HRC) was produced, and the life evaluation in the real die of the present invention was performed. The mold has a diameter of 30 mm and a height of 250 mm, and a working surface for cup molding is processed at the tip. First, the raw material was roughly processed into a mold shape in the annealed state. And after quenching by nitrogen gas cooling from heating and holding at 1180 ° C. in a vacuum, it was tempered at 540 to 580 ° C. and tempered to 64 HRC. Finally, the working surfaces of the molds that are finished to the final shape by finishing (polishing + aero lapping) are coated with the coatings of Invention Examples 1-8 and Conventional Examples 9-11 evaluated in Example 1. did.

<耐久性の評価>
JISに規定される機械構造用炭素鋼S50Cを被加工材として、上記で作製したカップ成形用冷間鍛造金型により、これに冷間鍛造を行った。そして、製品に縦キズが発生したときのショット数で、金型の耐久性を評価した。表7に各金型のショット数を示す。
<Durability evaluation>
Cold forging was performed on the cold forging die for cup forming produced above using the carbon steel for mechanical structure S50C defined in JIS as a workpiece. The durability of the mold was evaluated based on the number of shots when vertical flaws occurred in the product. Table 7 shows the number of shots for each mold.

従来例の金型に比べて、本発明例の金型は3倍以上の寿命であり、優れた耐久性を有する。特に本発明例1、4、5、7の金型は安定した加工を実現しており、10000ショットの時点でも縦キズによる不良率が0%であった。そして、10000ショットに達するまでには製品に数個の不良が発生した本発明例2、3、6、8の金型であっても、10000ショットまでは十分に継続して使用できる状態であった。   Compared to the mold of the conventional example, the mold of the present invention has a life of three times or more and has excellent durability. In particular, the molds of Examples 1, 4, 5, and 7 of the present invention realized stable processing, and the defect rate due to vertical scratches was 0% even at the time of 10,000 shots. Even with the molds of Examples 2, 3, 6, and 8 of the present invention in which several defects occurred in the product before reaching 10,000 shots, they were in a state where they could be used continuously until 10,000 shots. It was.

一方、従来例9の金型は、100ショットに達する前には縦スジによる製品の不良率が急増し、継続して成形することができなかった。そして、従来例10の金型も同様、その作業面の凹部を起点としたカジリの発生によって、もはや500ショット以降継続して使用することができなかった。従来例11の金型は、その鍛造初期から剥離した皮膜が製品に張り付き、全く使用することができなかった。   On the other hand, the mold of Conventional Example 9 could not be continuously molded because the defective rate of products due to vertical stripes increased rapidly before reaching 100 shots. Similarly, the mold of Conventional Example 10 could no longer be used continuously after 500 shots due to the occurrence of galling starting from the concave portion of the work surface. The mold of Conventional Example 11 could not be used at all because the film peeled off from the beginning of forging stuck to the product.

本発明は、冷間ならびに温熱間における鍛造およびプレス加工といった金属の塑性加工に使用され、耐摩耗性が必要とされる塑性加工用被覆金型について述べたものである。そして、その優れた耐摩耗性、耐酸化性、耐カジリ性、密着性を考慮すると、使用条件によっては、鉄系に限らず、チタニウム、アルミニウム、ならびにそれらの合金の塑性加工にも適用が可能である。また、本発明の塑性加工用被覆金型は、ダイカストおよび鋳造に使用される金型、もしくは鋳抜きピンや、ダイカストの射出機に使用されるピストンリング等の、溶融金属に接して使用される鋳造用部材としても、転用が可能である。   The present invention describes a metal mold for plastic working that is used for metal plastic working such as cold and warm forging and press working and requires wear resistance. And considering its excellent wear resistance, oxidation resistance, galling resistance, and adhesion, it can be applied to plastic working of titanium, aluminum, and their alloys, depending on the usage conditions, not limited to iron It is. Further, the coating mold for plastic working of the present invention is used in contact with a molten metal such as a die used for die casting and casting, or a casting pin or a piston ring used for an injection machine for die casting. Diversion is also possible as a casting member.

Claims (18)

金型基材の表面に、AlCrSi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ことを特徴とする塑性加工用被覆金型。 Al x Cr y Si z nitride on the surface of the mold base (where x, y, z indicates an atomic ratio, x + y + z = 100, and x, y, z ≠ 0), and JIS− A coating die for plastic working, characterized in that a hard coating having a surface roughness according to 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. 硬質皮膜は、厚さが3〜20μmであることを特徴とする請求項1に記載の塑性加工用被覆金型。   The coating die for plastic working according to claim 1, wherein the hard coating has a thickness of 3 to 20 μm. 硬質皮膜は、金型基材から該皮膜の表面に向かって、立方晶が六方晶に移行する複合結晶構造を有していることを特徴とする請求項1または2に記載の塑性加工用被覆金型。   The coating for plastic working according to claim 1 or 2, wherein the hard film has a composite crystal structure in which cubic crystals shift to hexagonal crystals from the mold base toward the surface of the film. Mold. 硬質皮膜は、金型基材から該皮膜の表面に向かって、x値が増加するとともにy値が減少する傾斜組成構造を有していることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の塑性加工用被覆金型。   The hard coating has a gradient composition structure in which the x value increases and the y value decreases from the mold base toward the surface of the coating. The coating mold for plastic working as described. 硬質皮膜は、金型基材から該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を特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の塑性加工用被覆金型。 The hard coating is a lowermost layer made of a nitride of Cr from the mold substrate toward the surface of the coating, and a nitride of Al x1 Cr y1 Si z1 (where x1 ≦ y1 and x1, y1, z1 ≠ 0 And a multilayer structure of an uppermost layer made of a nitride of Al x2 Cr y2 Si z2 (where x2> y2 and x2, y2, z2 ≠ 0). 5. A metal mold for plastic working according to any one of 1 to 4. 硬質皮膜は、金型基材から該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、z1≠0)からなる中間層、Alx2Cry2Siz2の窒化物(但し、x2>x1、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を特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の塑性加工用被覆金型。 The hard coating is a lowermost layer made of Cr nitride and an intermediate layer made of Al x1 Cr y1 Si z1 nitride (x1, y1, z1 ≠ 0) from the mold base toward the surface of the coating. 2. A multilayer structure of an uppermost layer made of a nitride of Al x2 Cr y2 Si z2 (where x2> x1, x2> y2, and x2, y2, z2 ≠ 0). The covering metal mold | die for plastic working in any one of thru | or 5. 硬質皮膜は、最下層と中間層と最上層の厚さの比が、それぞれ0〜10%、50〜90%、10〜50%であることを特徴とする請求項5または6に記載の塑性加工用被覆金型。   7. The plasticity according to claim 5, wherein the hard coating has a thickness ratio of the lowermost layer, the intermediate layer, and the uppermost layer of 0 to 10%, 50 to 90%, and 10 to 50%, respectively. Coating mold for processing. 硬質皮膜は、中間層が、厚さ0.001〜0.1μmの最下層の成分と厚さ0.001〜0.1μmの最上層の成分が交互に積み重なって被覆されてなる厚さ1μm以上の層であることを特徴とする請求項5ないし7のいずれかに記載の塑性加工用被覆金型。   The hard coating has a thickness of 1 μm or more, in which the intermediate layer is coated by alternately stacking the lowermost layer component having a thickness of 0.001 to 0.1 μm and the uppermost layer component having a thickness of 0.001 to 0.1 μm. The coating die for plastic working according to any one of claims 5 to 7, wherein the coating die is for plastic working. 硬質皮膜は、AlCrSi(Wおよび/またはNb)αの窒化物(但し、x、y、z、αは原子比を示し、x+y+z+α=100、かつx、y、z、α≠0)で示されるNbとWのうちの1種以上を、α≦0.1×xの関係を満たして含むことを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の塑性加工用被覆金型。 The hard film is made of Al x Cr y Si z (W and / or Nb) α nitride (where x, y, z, α represents an atomic ratio, x + y + z + α = 100, and x, y, z, α ≠ The metal-plating cover for plastic working according to any one of claims 1 to 8, comprising at least one of Nb and W represented by 0) satisfying a relationship of α ≦ 0.1 × x. Type. 硬質皮膜の直上に、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以下の炭素皮膜を被覆したことを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の塑性加工用被覆金型。   A carbon film having a surface roughness according to JIS-B-0601 (2001) of 0.06 μm or less in terms of arithmetic mean roughness Ra and a maximum height Rz of 1.0 μm or less is coated directly on the hard film. The covering metal mold | die for plastic working in any one of Claim 1 thru | or 9. 硬質皮膜の直上にある炭素皮膜は、炭化タングステンを含むことを特徴とする請求項10に記載の塑性加工用被覆金型。   The coating die for plastic working according to claim 10, wherein the carbon coating immediately above the hard coating contains tungsten carbide. ターゲットを用いたスパッタリング法により、金型基材の表面にAlCrSi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)からなる硬質皮膜を被覆する方法であって、該ターゲットに投入されるスパッタ電力を5kW以上、金型基材に印可するバイアス電圧を−100V以上の負側に大きくすることを特徴とする塑性加工用被覆金型の製造方法。 By sputtering using a target, Al x Cr y Si z nitride (where x, y, z indicates an atomic ratio, x + y + z = 100, and x, y, z ≠ 0) is formed on the surface of the mold base. ), And the bias power applied to the mold base is increased to the negative side of −100 V or higher. A method for manufacturing a coated mold for processing. 窒素雰囲気中でCrターゲットおよびAlCrSi合金ターゲットを用いた反応性スパッタリング法により、金型基材の表面にAlCrSi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)からなる硬質皮膜を被覆する方法であって、
(1)Crターゲットに5kW以上のスパッタ電力を投入して、金型基材の表面にCrの窒化物である最下層を被覆し、
(2)CrターゲットおよびAlCrSi合金ターゲットに、それぞれ5kW以上のスパッタ電力を投入して、前記最下層の上にAlx1Cry1Siz1の窒化物(但し、x1≦y1、かつx1、y1、z1≠0)からなる中間層を被覆し、
(3)AlCrSi合金ターゲットに5kW以上のスパッタ電力を投入して、前記中間層の上にAlx2Cry2Siz2の窒化物(但し、x2>y2、かつx2、y2、z2≠0)からなる最上層を被覆する
ことを特徴とする請求項12に記載の塑性加工用被覆金型の製造方法。
By reactive sputtering using a Cr target and an AlCrSi alloy target in a nitrogen atmosphere, Al x Cr y Si z nitride (where x, y, z indicates an atomic ratio, and x + y + z = 100, and x, y, z ≠ 0).
(1) Sputter power of 5 kW or more is applied to the Cr target, and the surface of the mold base is coated with the lowermost layer, which is a nitride of Cr,
(2) Sputtering power of 5 kW or more is applied to the Cr target and the AlCrSi alloy target, respectively, and an Al x1 Cr y1 Si z1 nitride (x1 ≦ y1 and x1, y1, z1) is formed on the lowermost layer. ≠ 0)
(3) Sputtering power of 5 kW or more is applied to the AlCrSi alloy target, and the intermediate layer is made of a nitride of Al x2 Cr y2 Si z2 (where x2> y2 and x2, y2, z2 ≠ 0). The uppermost layer is coated, The method for producing a coating die for plastic working according to claim 12.
窒素雰囲気中でCrターゲットおよびAlCrSi合金ターゲットを用いた反応性スパッタリング法により、金型基材の表面にAlCrSi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)からなる硬質皮膜を被覆する方法であって、
(1)Crターゲットに5kW以上のスパッタ電力を投入して、金型基材の表面にCrの窒化物である最下層を被覆し、
(2)CrターゲットおよびAlCrSi合金ターゲットに、それぞれ5kW以上のスパッタ電力を投入して、前記最下層の上にAlx1Cry1Siz1の窒化物(但し、x1、y1、z1≠0)からなる中間層を被覆し、
(3)AlCrSi合金ターゲットに5kW以上のスパッタ電力を投入して、前記中間層の上にAlx2Cry2Siz2の窒化物(但し、x2>x1、x2>y2、かつx2、y2、z2≠0)からなる最上層を被覆する
ことを特徴とする請求項12または13に記載の塑性加工用被覆金型の製造方法。
By reactive sputtering using a Cr target and an AlCrSi alloy target in a nitrogen atmosphere, Al x Cr y Si z nitride (where x, y, z indicates an atomic ratio, and x + y + z = 100, and x, y, z ≠ 0).
(1) Sputter power of 5 kW or more is applied to the Cr target, and the surface of the mold base is coated with the lowermost layer, which is a nitride of Cr,
(2) Sputtering power of 5 kW or more is applied to the Cr target and the AlCrSi alloy target, respectively, and the Al x1 Cr y1 Si z1 nitride (however, x1, y1, z1 ≠ 0) is formed on the lowermost layer. Cover the intermediate layer,
(3) Sputtering power of 5 kW or more is applied to the AlCrSi alloy target, and Al x2 Cr y2 Si z2 nitride (x2> x1, x2> y2, and x2, y2, z2 ≠ on the intermediate layer The method for producing a coating die for plastic working according to claim 12 or 13, wherein the uppermost layer comprising 0) is coated.
硬質皮膜は、AlCrSi(Wおよび/またはNb)αの窒化物(但し、x、y、z、αは原子比を示し、x+y+z+α=100、かつx、y、z、α≠0)で示されるNbとWのうちの1種以上を、α≦0.1×xの関係を満たして含むことを特徴とする請求項12に記載の塑性加工用被覆金型の製造方法。 The hard film is made of Al x Cr y Si z (W and / or Nb) α nitride (where x, y, z, α represents an atomic ratio, x + y + z + α = 100, and x, y, z, α ≠ The method for producing a coated metal mold for plastic working according to claim 12, comprising at least one of Nb and W represented by 0) satisfying a relationship of α ≦ 0.1 × x. 硬質皮膜は、AlCrSi(Wおよび/またはNb)αの窒化物(但し、x、y、z、αは原子比を示し、x+y+z+α=100、かつx、y、z、α≠0)で示されるNbとWのうちの1種以上を、α≦0.1×xの関係を満たして含み、AlCrSi合金ターゲットがWおよび/またはNbを含むことを特徴とする請求項13または14に記載の塑性加工用被覆金型の製造方法。 The hard film is made of Al x Cr y Si z (W and / or Nb) α nitride (where x, y, z, α represents an atomic ratio, x + y + z + α = 100, and x, y, z, α ≠ Or Nb and W represented by 0) satisfying the relationship of α ≦ 0.1 × x, and the AlCrSi alloy target contains W and / or Nb. 14. A method for producing a metal mold for plastic working according to item 14. 硬質皮膜を被覆した後には、炭素ターゲットを用いたスパッタリング法により、最上層の直上に炭素皮膜を被覆することを特徴とする請求項12ないし16のいずれかに記載の塑性加工用被覆金型の製造方法。   The coated metal mold for plastic working according to any one of claims 12 to 16, wherein after the hard film is coated, the carbon film is coated directly on the uppermost layer by a sputtering method using a carbon target. Production method. 硬質皮膜の直上にある炭素皮膜は、炭化タングステンを含むことを特徴とする請求項17に記載の塑性加工用被覆金型の製造方法。   The method for producing a coating die for plastic working according to claim 17, wherein the carbon film immediately above the hard film contains tungsten carbide.
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