JP5510773B2

JP5510773B2 - 多層皮膜被覆冷間加工用工具

Info

Publication number: JP5510773B2
Application number: JP2009025532A
Authority: JP
Inventors: 三郎大谷; 泰成野山
Original assignee: Nakanishi Metal Works Co Ltd
Current assignee: Nakanishi Metal Works Co Ltd
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2029-02-06
Also published as: JP2010179341A

Description

本発明は金属部品の冷間加工に用いられる硬質皮膜を被覆したパンチやダイ等冷間加工用工具に関する。

金属製の自動車部品やベアリング部品の冷間加工に用いられるパンチやダイあるいは金型等冷間加工用工具は、寿命を向上させ、また、加工能率向上を図るため、その表面にTiまたは Crの窒化物または炭窒化物皮膜が被覆されてきた。

最近、切削工具分野において、TiまたはCrの窒化物または炭窒化物にSiを含ませた(Ti_xSi_1-x)または(Cr_xSi_1-x)、で示される組成の窒化物または炭窒化物皮膜が、高温での摩擦係数が低く、優れた切削性能を発揮することが特許文献１や特許文献２において報告されている。また、特許文献３では、Siを含むCrの窒化物または炭窒化物と高温での耐酸化性に優れたTiAlNを多層膜化することによって、一層の切削性能を発揮することが報告されている。

また、特許文献２や特許文献４において、イオンプレーティング等PVD法で形成された(Ti_xSi_1-x)または(Cr_xSi_1-x) で示される組成の窒化物または炭窒化物皮膜が、結晶質のTiあるいはCrの窒化物または炭窒化物とSiを多く含む非晶質相からなり、非常に高硬度であることが開示されている。

特開2002-337005号公報特開2002-331408号公報特開2002-28804号公報特開2002-274916号公報

しかしながら、大きな衝撃を受けることが多い、金属の冷間加工に用いられるパンチやダイ等の冷間加工用工具に対して、高硬度の(Ti_xSi_1-x)または(Cr_xSi_1-x)の窒化物または炭窒化物皮膜を被覆して用いようとすると、これら皮膜に内在する高い圧縮内部応力によって、皮膜が剥離あるいは破損する可能性が高かった。上述した特開2002-337005や特開2002-331408は切削工具を対象としたものである。切削工具においては、切削工具表面を切りくずが擦過する際の摩耗に対応することが重要であり、パンチ等の冷間加工工具にくらべて、衝撃荷重を受けることが少ない。

また、特開2002-274916は、ピストンリングやカムシム等の自動車部品を対象にしたもので、パンチ等の冷間加工工具にくらべて、衝撃荷重を受けることが少ない。こうした用途においては、皮膜剥離の危険性は少なく、高硬度の皮膜が効果を発揮しやすいものと考えられる。

また、高硬度の皮膜とより硬度の低い皮膜との多層膜化も提案されているが、これまでの多層膜は、層の数が数層に留まっている上、層と層の境界部が相変わらず、異物質間の界面として存在しており、各層の内部応力がそれぞれの界面に大きく集中して、界面から破壊が生じる恐れが高かった。

本発明は、高い硬度を持つ（ＴｉｘＳｉ１−ｘ）または（ＣｒｘＳｉ１−ｘ）、但しｘ＝０．９５〜０．８０、の窒化物あるいは炭窒化物皮膜を含む多層硬質皮膜を、両層の混合組成層を介して交互に５０周期以上積み重ねることによって、高硬度を維持しながら、大きな衝撃を受けても剥離し難い皮膜を有する冷間加工用のパンチおよびダイを提供するものである。

イオンプレーティング法で形成された(Ti_xSi_1-x)または(Cr_xSi_1-x)の窒化物あるいは炭窒化物皮膜は、Siの窒化物あるいは炭窒化物が、イオンプレーティング法で形成される温度域では結晶化できず、TiやCrの窒化物あるいは炭窒化物の結晶粒界に非晶質相として分布する。この非晶質相が事実上結晶粒界を広げる効果を有するため、応力を受けた際に、転位が結晶粒界を超えて伝わり難くなるため、Hv3000kg/mm²を超える高硬度を示す。転位の伝播を遮る効果は、Siが5at%で十分であり、Siが20at%を超えると、皮膜が脆くなってくるため、5〜20at%が望ましい。

本発明では、この高硬度の(Ti_xSi_1-x)または(Cr_xSi_1-x)の窒化物あるいは炭窒化物層を10〜50nm程度の薄い層に分割して、１層毎の内部応力を小さいものとする。この層を内部応力が比較的高くないTiあるいはCrの窒化物あるいは炭窒化物層と、両皮膜組成の混合層を介して積み重ねる。

TiやCrの窒化物あるいは炭窒化物は、これまで冷間加工用工具に用いられてきた実績がある上、(Ti_xSi_1-x)または(Cr_xSi_1-x)の窒化物あるいは炭窒化物より、圧縮の内部応力が小さため、これらと多層化することによって、(Ti_xSi_1-x)または(Cr_xSi_1-x)の窒化物あるいは炭窒化物単層膜より界面への内部応力を緩和される。特に、Crの窒化物あるいは炭窒化物は、内部応力が非常に小さいため、Tiの窒化物あるいは炭窒化物と多層膜化した場合よりも一層効果的に、皮膜全体の内部応力を軽減することができる。

皮膜が高硬度を維持するためには、(Ti_xSi_1-x)または(Cr_xSi_1-x)の窒化物あるいは炭窒化物層厚さは、10nm以上の厚さが必要である。一方、この層厚さが50nmを超えてくると、内部応力が大きくなってきて、界面に応力が集中してきて剥離の危険性が増してくる。Tiまたは Crの窒化物または炭窒化物層は、(Ti_xSi_1-x)または(Cr_xSi_1-x)の窒化物あるいは炭窒化物層の内部応力を緩和する働きをする。このため、5nm以上の層厚さが必要であるが、40nmを超えてくると、多層皮膜全体の硬度の低下をもたらす。

更に、各層の界面に圧縮応力が集中するのを軽減するため、各層間に両皮膜組成が連続して変化する混合層を介在させる。こうすれば層間には急激に組成や結晶構造が変化する急峻な界面がなくなり、界面に加わる応力を分散して、界面から破壊が生じるのを防ぐ。
通常の層界面の厚さは、結晶粒界と同程度の厚さと見られ、数原子層、即ち、1nm程度までであるが、混合層の厚さを2〜3nm以上とすれば、界面に集中する応力を大幅に分散させることができる。

こうした多層皮膜を50周期以上繰り返して、全体で、1〜5μm厚さとする多層皮膜を形成する。この多層皮膜は、(Ti_xSi_1-x)または(Cr_xSi_1-x)の窒化物あるいは炭窒化物単体の皮膜硬度より若干低くなるものの、TiあるいはCrの窒化物あるいは炭窒化物皮膜よりはるかに高い硬度を維持している。

また、本発明の多層皮膜を、パンチやダイに適用する場合には、基材の表面硬度をHRc62以上の高硬度にしておくことが有効である。本皮膜は高い硬度を有している半面、皮膜の延性が小さい。金属を加工する際に受ける衝撃荷重によって、基材の表面が凹む。その凹みよって本皮膜も変形を受け、大きい場合には皮膜に亀裂が入り、剥離しやすくなる。基材の表面硬度が大きいほど、荷重を受けた際の凹みは小さくて済み、皮膜に与える変形も小さくて済む。このHRC62以上の硬度は、パンチ等に多用されているダイス鋼では達成し難く、W等合金成分を多く含むハイス鋼を焼き入れ焼き戻し処理することによって得られる。また、パンチやダイの基材に用いられるダイス鋼やハイス鋼には、炭化物粒を多数含んでいるが、本皮膜を適用する場合には、この炭化物粒を起点として応力が集中して皮膜が破壊しないことを狙って、粗大な炭化物粒を含まないよう微細に均一に分散させた基材を採用することが重要である。

従来の多層膜は、TiやCrあるいは(Ti_xSi_1-x)または(Cr_xSi_1-x)等の金属ターゲットに供給するアーク放電電力を加えたり止めたりして所定の金属の窒化物または炭窒化物の多層皮膜を得ていた。電力の変化は瞬時に起こるため、層間に組成の異なる急峻な界面が生成される。

これに対し、本発明では、両側面に原料の金属ターゲットを備えたイオンプレーティング装置を用い、両側の金属ターゲット間で回転するテーブル上に、パンチや金型を取り付けて成膜を行う。一方の側面にTiまたはCrを取り付け、他方の側面に(Ti_xSi_1-x)または(Cr_xSi_1-x)を取り付ける。これらの窒化物あるいは炭窒化物を形成するため、所定の量の窒素ガスあるいは窒素ガスに加えてメタン等の炭化水素ガスを炉内に供給して、所定の圧力に制御する。多層膜を作るため、従来のように処理中、アーク放電のための電力供給を加えたり止めたりすることはなく、所定の電力を継続して供給する。

パンチ等冷間加工用工具は両ターゲット間で回転するテーブル上に載って回転しているため、TiまたはCrターゲットに近いところでは、TiまたはCrの窒化物あるいは炭窒化物が生成され、(Ti_xSi_1-x)または(Cr_xSi_1-x)ターゲットに近いところではこれらの窒化物あるいは炭窒化物が生成される。また、中間位置では(Ti_xSi_1-x)または(Cr_xSi_1-x)の混合組成の皮膜が形成される。従って、TiまたはCrの窒化物あるいは炭窒化物と(Ti_xSi_1-x)または(Cr_xSi_1-x)の窒化物あるいは炭窒化物およびその間にこれら金属の混合組成の窒化物あるいは炭窒化物が積み重なった多層皮膜を形成することができる。テーブルは連続して回転移動するため、混合組成は連続して変化し、従来の多層膜におけるような、異なる組成の急峻な界面は形成されない。

皮膜の形成速度は、ターゲットの正面に近いところで形成されるほど大きい。従ってTiまたはCrと(Ti_xSi_1-x)または(Cr_xSi_1-x)の混合組成の窒化物あるいは炭窒化物の層は、ターゲット正面より離れたところで形成されるため薄い。このため、パンチが両ターゲットから離れた中間位置にある時、両ターゲットからのイオンビームが遮られないように留意しなければならない。このためには回転テーブルに取り付けるパンチの数や治具を多くしてはいけない。望ましくは通常取り付け可能な数量の半分以下にすることが望ましい。また、テーブル上に衝立になるようなものは避けなければならない。

TiまたはCrの窒化物あるいは炭窒化物と(Ti_xSi_1-x)または(Cr_xSi_1-x)の窒化物あるいは炭窒化物の層厚さは、これらターゲットに加える放電電力の値と、テーブルの回転速度によって制御する。

本発明により、パンチや金型等冷間加工用工具の寿命を大幅に向上することができ、生産コストを低減できることに加えて、パンチや金型の取り換え時間を少なくでき、生産性の向上に寄与できる。

両側面に金属ターゲットを備えたアークイオンプレーティング装置を用いて、自動車部品の冷間加工や打ち抜き加工に使用されるパンチやダイ表面に多層硬質皮膜を被覆した。当該イオンプレーティング装置内に、両側面の金属ターゲット間で回転するテーブルを備えており、その回転テーブルの上に、パンチやダイあるいは金型を取り付ける。回転テーブルは自転する130mmφの小テーブルが６個付いた公転テーブルからなっている。5x10^-3Pa以下の真空に引いた後、装置内に設けられた加熱ヒーターで、パンチやダイ、金型等の被処理物を450℃に60〜120分間加熱した。その後、Arガスを装置内に導入し、金属イオンによるスパッタリングを利用するボンバードクリーニングを行った。
その後、Arガスを止め、窒素ガスを装置内に供給して、2Paから4Paの真空度とし、金属ターゲットに放電電力を供給してアーク放電を生じさせて、ターゲット元素の窒化物皮膜の形成を行った。また、炭窒化物皮膜は窒素ガスに加えて、CH₄ガスを入れて成膜した。

以下に具体的な実施例を述べる。

実施例１寸法が10mmφx50mmの自動車部品用打ち抜き加工用パンチ、45本を前述のイオンプレーティング装置を用いて、多層皮膜を被覆した。被処理物のパンチはハイス鋼を焼入れ焼戻しして、表面硬度がHRc64に調質されている。当該パンチを自転しながら公転する回転テーブル上に取り付ける。当該パンチ45本は当該装置に取り付け可能な本数、100本、の45%に相当する。公転テーブルの回転数は毎分2〜3.5回転させながら、35〜60分間コーティング処理を行った。当該装置の一方の壁に、Crターゲットが取り付けられ、また、他方の壁に、Ti-5at%Siターゲットを取り付けて本発明の多層皮膜を形成した。1周期の厚さおよび全体の厚さは、テーブルの回転数と処理時間を変えることによって調整した。また、比較として、両側共、Crターゲットとしたものおよび両側共Ti-5at%Siターゲットして、これらの窒化物からなる単層皮膜を形成した。いずれも全体の皮膜厚さは2.0〜3.5μmであった。こうして形成された皮膜の表面硬度、密着強度と自動車部品を打ち抜き加工した時の寿命までの加工数を表１に示す。表１の中で、本発明の多層膜はCrN/TiSiNとしているが、これはCrN薄層と(Ti_0.95Si_0.05)N薄層の多層構造の皮膜であることを意味する。次に述べる表２及び３においても同様である。本発明の皮膜は従来使用されてきたCrNの1.5倍の高い表面硬度を維持しながらCrNと同様の高い密着強度を示した。また、本発明の皮膜を被覆したパンチは、CrNより数倍の加工が可能であった。一方、(Ti_0.95Si_0.05)Nは、CrNより高い表面硬度を有していたが、高い内部応力のため密着強度が低く、金属の打ち抜き加工時において、早期に剥離してしまった。

実施例２外形88mmφ、内径38mm、長さ75mmの自動車部品用絞り加工用ダイを前述のイオンプレーティング装置を用いて、多層硬質皮膜を被覆した。被処理物のパンチはハイス鋼を焼入れ焼戻しして、表面硬度がHRc62に調質している。当該パンチを実施例１と同様、自転しながら公転する回転テーブル上に取り付け、毎分2.2〜3回転させながら、50〜60分間コーティング処理を行った。当該装置の一方の壁に、Tiターゲットを取り付け、また、他方の壁に、Ti-10at%Siターゲットを取り付けている。また、比較として、両側面共、Tiターゲットとしたものおよび両側共Ti-10at%Siターゲットとして、これらの窒化物からなる単層皮膜を形成した。また、本発明Eは、窒素ガスに加えてCH₄ガスを炉内に導入して、炭窒化物の多層膜を形成したものである。いずれも全体の皮膜厚さは2.0〜3.5μmであった。こうして形成された皮膜の表面硬度、密着強度と自動車部品を打ち抜き加工した時の寿命までの加工数を表2に示す。本発明の皮膜は従来使用されてきたTiNの1.5倍前後の高い表面硬度を維持しながらTiNと同様の高い密着強度を示した。また、本発明の皮膜を被覆したパンチは、TiNより数倍の加工が可能であった。一方、(Ti_0.9Si_0.1)Nは、TiNより高い表面硬度を有していたが、高い内部応力のため密着強度が低く、金属の絞り加工において早期に剥離してしまった。

実施例３寸法が16mmφx63mmの自動車部品用打ち抜き加工用パンチを前述のイオンプレーティング装置を用いて、多層皮膜を被覆した。被処理物のパンチはハイス鋼およびダイス鋼を焼入れ焼戻しして、表面硬度をHRc56〜64に調質したものである。当該パンチを自、公転する回転テーブル上に取り付け、毎分2.5回転公転させながら、60分間コーティング処理を行った。当該装置の一方の壁に、Crターゲットを取り付け、また、他方の壁に、Cr-15at%Siターゲットを取り付けて本発明の多層皮膜を形成した。1周期の厚さは22nmで全体の厚さは、3.3μmであった。こうして形成された皮膜の表面硬度、密着強度と自動車部品を打ち抜き加工した時の寿命までの加工数を表3に示す。いずれも20万個以上の加工ができ、表１，２に示した従来のTiNやCrN皮膜より多くの加工が可能となったが、中でもハイス鋼を基材とし、表面硬度をHRc62以上とした皮膜を被覆したものはすぐれた寿命性能を示した。

本発明はダイスやパンチ等冷間加工用工具に関するものであるが、大きな力が加わり耐摩耗性が求められる金型や機械部品にも適用が可能である。

Claims

ＴｉまたはＣｒの窒化物または炭窒化物と、（ＴｉｘＳｉ１−ｘ）または（ＣｒｘＳｉ１−ｘ）、但しｘ＝０．９５〜０．８０、の窒化物または炭窒化物を両層の混合組成層を介して５０層以上積み重ねたことを特徴とした多層皮膜被覆冷間加工用パンチおよびダイ。
イオンプレーティング装置の真空槽両側面の一方にＴｉまたはＣｒのターゲットを、他方に（ＴｉｘＳｉ１−ｘ）または（ＣｒｘＳｉ１−ｘ）、但しｘ＝０．９５〜０．８０、のターゲットを設置し、両ターゲットの間に、被処理材を載せるテーブルを回転させることによって成膜することを特徴とする請求項１に記載の多層構造の皮膜を被覆したことを特徴とした冷間加工用パンチおよびダイ。