JP6489412B2 - Hard coating layer and cold plastic working mold - Google Patents

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本発明は、物理蒸着法等により基材に成膜した硬質皮膜について、さらに耐クラック性と耐摩耗性を向上させた硬質皮膜層、及びこの硬質皮膜層が形成された冷間塑性加工用金型に関するものである。  The present invention relates to a hard coating layer formed on a substrate by physical vapor deposition or the like, further improved in crack resistance and wear resistance, and a cold plastic working gold on which the hard coating layer is formed. It relates to types.

従来、超硬合金、高速度工具鋼等の金属を基材とする切削工具や、プレス、鍛造用金型、打ち抜きパンチ等の治工具において耐摩耗性を向上させることを目的として、物理蒸着法や化学蒸着法によって、TiN、TiC、TiCN、TiAlN、TiAlCrN、TiAlCrCN、TiAlCrSiBCN、TiCrAlSiBN、CrAlSiBYN、AlCrN等の硬質皮膜を被覆することが行われている。  Conventionally, a physical vapor deposition method is used to improve wear resistance in cutting tools based on metals such as cemented carbide and high-speed tool steel, and jigs and tools such as presses, forging dies, and punching punches. Further, a hard film such as TiN, TiC, TiCN, TiAlN, TiAlCrN, TiAlCrCN, TiAlCrSiBCN, TiCrAlSiBN, CrAlSiBYN, and AlCrN is coated by chemical vapor deposition.

例えば、特許文献1(特開2003−71610号公報)には、高速・高能率切削が可能で耐摩耗性に優れた切削工具用の硬質皮膜であって、組成が(Ti、Al、Cr)(C1−d)で表される式からなり、0.02≦a≦0.30、0.55≦b≦0.765、0.06≦c、a+b+c=1、0.5≦d≦1(a、b、cはそれぞれTi、Al、Crの原子比を示し、dはNの原子比を示す。)とした硬質皮膜に関する発明が提案されている。For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-71610) discloses a hard film for a cutting tool that can perform high-speed and high-efficiency cutting and has excellent wear resistance, and has a composition (Ti a , Al b , Cr c ) (C 1-d N d ), 0.02 ≦ a ≦ 0.30, 0.55 ≦ b ≦ 0.765, 0.06 ≦ c, a + b + c = 1, 0 An invention relating to a hard coating in which .ltoreq.5.ltoreq.d.ltoreq.1 (a, b, and c represent the atomic ratio of Ti, Al, and Cr, respectively, and d represents the atomic ratio of N) has been proposed.

特許文献2(特開2003−71611号公報)には、高速・高能率切削が可能で耐摩耗性に優れた切削工具用の硬質皮膜であって、組成が(Ti1−b−c−d、Al、Cr、Si、B)(C1−e)で表される式からなり、0.5≦a≦0.8、0.06≦b、0≦c≦0.1、0≦d≦0.1、0.01≦c+d≦0.1、a+b+c+d<1、0.5≦e≦1(a、b、c、dは、それぞれAl、Cr、Si、Bの原子比を示し、eはNの原子比を示す)とした硬質皮膜に関する発明が提案されている。さらに、同文献には上記要件を満たし、相互に異なる硬質皮膜が2層以上形成すること(請求項7、表6及び段落(0084)〜(0087))が記載されている。Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-71611) discloses a hard film for a cutting tool that is capable of high-speed and high-efficiency cutting and has excellent wear resistance, and has a composition of (Ti 1- bcd). , Al a , Cr b , Si c , B d ) (C 1-e N e ), 0.5 ≦ a ≦ 0.8, 0.06 ≦ b, 0 ≦ c ≦ 0 0.1, 0 ≦ d ≦ 0.1, 0.01 ≦ c + d ≦ 0.1, a + b + c + d <1, 0.5 ≦ e ≦ 1 (a, b, c, d are Al, Cr, Si, B, respectively) The invention relating to a hard coating is proposed, wherein e represents the atomic ratio of N and e represents the atomic ratio of N. Further, this document describes that two or more hard coatings satisfying the above-described requirements are formed (claim 7, table 6 and paragraphs (0084) to (0087)).

特許文献3(特開2012−97303号公報)には、切削工具、摺動部材、成形用金型等に被覆する硬質皮膜の耐摩耗性を向上させることを目的として、硬質皮膜形成部材に関する発明が提案されている。この硬質皮膜形成部材は、組成がTiCrAlSi(B)で表される式からなり、前記a、b、c、d、e、u、v、wが原子比であるときに、
0.05≦a、0.05≦b、0.2≦a+b≦0.55、0.4≦c≦0.7、0.02≦d≦0.2、0≦e≦0.1、0≦u≦0.1、0≦v≦0.3、a+b+c+d+e=1、u+v+w=1、を満足するA層と、
組成がTiCrAl(B)で表される式からなり、前記f、g、h、x、y、zが原子比であるときに、
0≦f、0.05≦g、0.25≦f+g≦0.6、0.4≦h≦0.75、0≦x≦0.1、0≦y≦0.3、f+g+h=1、x+y+z=1、を満足するB層と、を備え、
前記A層と前記B層が交互に積層され、前記A層と前記B層の1組の積層構造を1単位としたときに、この1単位の厚さが10〜50nmであり、かつ、前記硬質皮膜の膜厚が1〜5μmとされている。さらに、A層とB層の膜厚比は、1:5〜5:1が好ましい、ことが記載されている(段落(0035))。
Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2012-97303) discloses an invention relating to a hard film forming member for the purpose of improving the wear resistance of a hard film coated on a cutting tool, a sliding member, a molding die or the like. Has been proposed. The hard coating member consists formula composition expressed by Ti a Cr b Al c Si d Y e (B u C v N w), wherein a, b, c, d, e, u, v, When w is atomic ratio,
0.05 ≦ a, 0.05 ≦ b, 0.2 ≦ a + b ≦ 0.55, 0.4 ≦ c ≦ 0.7, 0.02 ≦ d ≦ 0.2, 0 ≦ e ≦ 0.1, A layer satisfying 0 ≦ u ≦ 0.1, 0 ≦ v ≦ 0.3, a + b + c + d + e = 1, u + v + w = 1,
When the composition is composed of a formula represented by Ti f Cr g Al h (B x C y N z ), and f, g, h, x, y, z are atomic ratios,
0 ≦ f, 0.05 ≦ g, 0.25 ≦ f + g ≦ 0.6, 0.4 ≦ h ≦ 0.75, 0 ≦ x ≦ 0.1, 0 ≦ y ≦ 0.3, f + g + h = 1, B layer satisfying x + y + z = 1,
When the A layer and the B layer are alternately laminated, and a set of the laminated structure of the A layer and the B layer is one unit, the thickness of the one unit is 10 to 50 nm, and The film thickness of the hard coating is 1 to 5 μm. Furthermore, it is described that the film thickness ratio between the A layer and the B layer is preferably 1: 5 to 5: 1 (paragraph (0035)).

特許文献4(特開2011−80101号公報)には、冷間プレス用金型又はパンチ用金型に被覆して耐摩耗性を向上させた硬質皮膜に関する発明が提案されている。この特許文献4の請求項2に記載の硬質皮膜は、組成が(TiCrAl)(B)で表される式からなり、前記LはSi及びYのうちの少なくとも1種であり、前記Mは第4族元素(Tiを除く)、第5族元素、第6族元素(Crを除く)、及び希土類元素のうちの少なくとも1種であり、前記a、b、c、d、e、x、y、zが原子比であるときに、
0.1≦a<0.3、0.3<b<0.6、0.2≦c<0.35、0.01≦d<0.1、0.01≦e≦0.1、a+b+c+d+e=1、x≦0.1、y≦0.1、0.8≦z≦1、x+y+z=1、を満足するものである。
Patent Document 4 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-80101) proposes an invention relating to a hard coating in which a cold press die or a punch die is coated to improve wear resistance. The hard film according to claim 2 of Patent Document 4 has a composition represented by (Ti a Cr b Al c L d Me ) (B x C y N z ), where L is Si and At least one of Y, and M is at least one of Group 4 elements (excluding Ti), Group 5 elements, Group 6 elements (excluding Cr), and rare earth elements, When a, b, c, d, e, x, y, z are atomic ratios,
0.1 ≦ a <0.3, 0.3 <b <0.6, 0.2 ≦ c <0.35, 0.01 ≦ d <0.1, 0.01 ≦ e ≦ 0.1, a + b + c + d + e = 1, x ≦ 0.1, y ≦ 0.1, 0.8 ≦ z ≦ 1, and x + y + z = 1.

特許文献5(特開2005−226117号公報)には、切削工具や摺動部材について耐摩耗性を向上させるための硬質皮膜に関する発明が提案されている。この硬質皮膜は、基材表面に、層Aおよび層Bが交互に積層されて形成された皮膜において、層Aおよび層Bの厚みをそれぞれdA、dBとしたとき、dB/dA≦0.5、0.5nm≦dB、dA≦200nm、を満たし、
層Aの組成は、(Cr1−αα)(BbN1−b−c、で表される式からなり、(ただし、XはTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、AlおよびSiよりなる群から選択される1種又は2種以上の元素であり、0≦α≦0.9、0≦a≦0.15、≦b≦0.3,0≦c≦0.1、2≦e≦1.1、αはXの原子比を示し、a、b、cはそれぞれB、C、Oの原子比を示す)、
層Bの組成は、B1−s−t、で表される式(ただし、0≦s≦0.25、(1−s−t)/t≦1.5、s、tはそれぞれC、Nの原子比を示す)からなる硬質皮膜である。
Patent Document 5 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-226117) proposes an invention related to a hard coating for improving wear resistance of a cutting tool or a sliding member. This hard film is a film formed by alternately laminating layers A and B on the surface of a base material, and when the thicknesses of layer A and layer B are dA and dB, respectively, dB / dA ≦ 0.5 0.5 nm ≦ dB, dA ≦ 200 nm,
The composition of the layer A consists of a formula represented by (Cr 1−α X α ) (B a C b bN 1−b−c O c ) e , where X is Ti, Zr, Hf, V , Nb, Ta, Mo, W, Al and Si, one or more elements selected from the group consisting of 0 ≦ α ≦ 0.9, 0 ≦ a ≦ 0.15, ≦ b ≦ 0 .3, 0 ≦ c ≦ 0.1, 2 ≦ e ≦ 1.1, α represents the atomic ratio of X, and a, b, and c represent the atomic ratio of B, C, and O, respectively)
The composition of the layer B is expressed by the formula B 1−s−t C s N t , where 0 ≦ s ≦ 0.25, (1−s−t) /t≦1.5, s, t Are hard films made of C and N, respectively.

特許文献6(特開2001−259777号公報)には、工具先端面の亀裂による損耗を防止する手段を備えた押出し工具に関する発明が提案されている。この押出し工具は、押出し工具のベアリング部の周囲にPVD法、CVD法によってTiN、TiC又はTiCNからなる表面改質層を形成して内側よりも更に硬度を高め、ブランクに相対的に衝突する先端面にはこの表面改質層は存在しないようにした鍛造・圧造用の前方、後方押出し工具である。また、同特許文献には、母材よりも硬質の表面改質層を形成した後、鍛造・圧造用ブランクに衝突する先端面を研削して、先端面の表面改質層を除去することが記載されている。  Patent Document 6 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-259777) proposes an invention relating to an extrusion tool provided with means for preventing wear due to cracks on the tool tip surface. This extrusion tool has a surface modified layer made of TiN, TiC, or TiCN formed around the bearing part of the extrusion tool by PVD or CVD, further increasing the hardness from the inside, and tip that collides relatively with the blank This is a front and rear extrusion tool for forging and heading in which this surface modification layer does not exist on the surface. In addition, in this patent document, after forming a surface modified layer that is harder than the base material, the tip surface that collides with the forging / forging blank is ground to remove the surface modified layer on the tip surface. Have been described.

特開2003−71610号公報JP 2003-71610 A 特開2003−71611号公報JP 2003-71611 A 特開2012−97303号公報JP 2012-97303 A 特開2011−80101号公報JP 2011-80101 A 特開2005−226117号公報JP 2005-226117 A 特開2001−259777号公報JP 2001-259777 A

特許文献1及び特許文献2に開示されている硬質皮膜は、その組成に含まれる元素の原子比を規定することにより硬質皮膜の耐摩耗性と耐酸化性を向上させているが、その用途は切削工具用の硬質皮膜である。
一方、特に過酷な環境で使用される冷間鍛造用の金型は、閉鎖域で、しかも高速(毎分50ショット以上)で金型母材に引張応力と圧縮応力を繰り返して与えられることから、切削工具や他用途の金型に比べて、金型表面に微細なクラックが発生し易い。そのため、金型表面に成膜した硬質皮膜は、その特性のうち、特に繰返し応力を受けた時の耐クラック性が要求され、同時に耐摩耗性も要求されている。
The hard coatings disclosed in Patent Literature 1 and Patent Literature 2 improve the wear resistance and oxidation resistance of the hard coating by defining the atomic ratio of the elements contained in the composition, It is a hard coating for cutting tools.
On the other hand, cold forging dies used in particularly harsh environments can be repeatedly applied with tensile stress and compressive stress in the die base material at a high speed (more than 50 shots per minute) in a closed region. Compared with cutting tools and other application molds, fine cracks are likely to occur on the mold surface. Therefore, the hard film formed on the mold surface is required to have crack resistance when subjected to repeated stress, and at the same time, wear resistance.

特許文献3に開示されている硬質皮膜形成部材は切削工具、摺動部材、成形用金型等に被覆してその耐摩耗性を向上させために、皮膜の組成に含まれる元素の原子比を規定したA層とB層が交互に積層された積層構造を備えるとともに、A層とB層の1組の積層構造を1単位としたときに、この1単位の厚さを10〜50nmとし、さらに、硬質皮膜の膜厚を1〜5μmとし、膜厚比を1:5〜5:1が好ましいとされた硬質皮膜である。
しかしながら特許文献3には、特許文献1及び2と同様に金型表面に微細なクラックの発生を防止するための硬質皮膜の構成や手段については開示されていない。特に、A層および又はB層のAl含有量が多過ぎるため面粗度が悪くなり、冷間塑性加工用金型に適用した場合に耐久性に劣る。AlおよびSiは、硬質皮膜層の硬度と耐酸化性を向上させるために添加する重要な元素であり、かつ、その原子比も用途に応じて適切な範囲に規定する必要がある。
The hard film forming member disclosed in Patent Document 3 is applied to a cutting tool, a sliding member, a molding die, etc., and the atomic ratio of elements contained in the film composition is increased in order to improve its wear resistance. While having a laminated structure in which the prescribed A layer and B layer are alternately laminated, and when one unit of the laminated structure of the A layer and the B layer is 1 unit, the thickness of this 1 unit is 10 to 50 nm, Furthermore, it is a hard film in which the film thickness of the hard film is 1 to 5 μm and the film thickness ratio is preferably 1: 5 to 5: 1.
However, as in Patent Documents 1 and 2, Patent Document 3 does not disclose the configuration and means of a hard coating for preventing the occurrence of fine cracks on the mold surface. Particularly, since the Al content in the A layer and / or the B layer is too large, the surface roughness is deteriorated, and the durability is inferior when applied to a cold plastic working die. Al and Si are important elements that are added to improve the hardness and oxidation resistance of the hard coating layer, and the atomic ratio thereof needs to be specified in an appropriate range depending on the application.

特許文献4には、冷間プレス用金型又はパンチ用金型に被覆して耐摩耗性を向上させた硬質皮膜が開示されているが、皮膜の組成に含まれる元素の原子比を規定するのもであって、硬質皮膜は積層構造を備えておらず、さらに、金型表面に微細なクラックの発生を防止するための手段については開示されていない。  Patent Document 4 discloses a hard coating that is coated on a cold pressing die or a punching die to improve wear resistance, but defines the atomic ratio of elements contained in the coating composition. Therefore, the hard coating does not have a laminated structure, and further, no means for preventing the occurrence of fine cracks on the mold surface is disclosed.

特許文献5に開示されている硬質皮膜は、切削工具や摺動部材に所定の組成を有する層Aと層Bを交互に積層するとともに、層Aの厚みをdA、層Bの厚みをdBとしたとき、dB/dA≦0.5、とし、さらに、0.5nm≦dB、dA≦200nm、とした硬質皮膜である。しかし、層Bの組成は、式:B1−s−t、(ただし、0≦s≦0.25、(1−s−t)/t≦1.5、s、tはそれぞれC、Nの原子比を示す)で表され、Bの炭窒化物のみから構成されている。従って、金型表面に層Aと層Bを相互に積層した皮膜を形成しても、繰返し応力を受けた時に十分な耐クラック性を備えた硬質皮膜を得ることができないと考えられる。The hard coating disclosed in Patent Document 5 is formed by alternately laminating layers A and B having a predetermined composition on a cutting tool or a sliding member, and the thickness of layer A is dA and the thickness of layer B is dB. In this case, the hard film has dB / dA ≦ 0.5, and further 0.5 nm ≦ dB and dA ≦ 200 nm. However, the composition of layer B has the formula B 1−s−t C s N t , where 0 ≦ s ≦ 0.25, (1−s−t) /t≦1.5, s, t are Each of which represents an atomic ratio of C and N), and is composed only of B carbonitride. Therefore, it is considered that a hard film having sufficient crack resistance cannot be obtained even when a film obtained by laminating layers A and B on the mold surface is subjected to repeated stress.

特許文献6に記載されている鍛造・圧造用の前、後方押出し工具は、TiN、TiC又はTiCNからなる硬質皮膜(表面改質層)を工具母材の表面に被覆するが、押出し工具の先端部は打込みの衝撃力によって変形し、しかも母材の内側部分は弾性変形するが先端部の表面は弾性力がないので亀裂が生じ、この亀裂が内側に成長して押出し工具の早期損耗の要因になる。そこで、この亀裂の発生を防止するために、工具の先端部には硬質皮膜(表面改質層)を形成しないという手段を採用した工具である。
しかしながら、TiN、TiC又はTiCNからなる硬質皮膜は、従来から採用されている皮膜であって、現在ではこれらの皮膜より一段と耐摩耗性に優れた硬質皮膜が開発されているので、押出し工具の先端部にも硬質皮膜を被覆して押出し工具の早期損耗を防止する手段を採用することが望ましい。
The front and back extrusion tools described in Patent Document 6 have a hard coating (surface modified layer) made of TiN, TiC or TiCN coated on the surface of the tool base material, but the tip of the extrusion tool. The part is deformed by the impact force of driving, and the inner part of the base metal is elastically deformed, but the surface of the tip part has no elastic force, so that a crack occurs, and this crack grows inward, causing the early wear of the extrusion tool. become. Therefore, in order to prevent the occurrence of this crack, the tool adopts a means that does not form a hard film (surface modified layer) at the tip of the tool.
However, hard coatings made of TiN, TiC, or TiCN are conventionally used coatings. Currently, hard coatings with much higher wear resistance than these coatings have been developed. It is desirable to employ a means for covering the part with a hard film to prevent premature wear of the extrusion tool.

本発明はこのような従来技術の不具合に鑑みてなされたものであって、その目的は、上記従来の硬質皮膜よりも耐摩耗性に優れ、しかもクラックの発生を抑制した硬質皮膜層と、この硬質皮膜層を基材に被覆することによって、耐摩耗性と耐クラック性を備えた、耐久性(金型寿命)を格段に向上させた冷間塑性加工用金型を提供することにある。  The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and its purpose is to provide a hard coating layer that is superior in wear resistance and suppresses the occurrence of cracks than the conventional hard coating, and this An object of the present invention is to provide a die for cold plastic working that has a wear resistance and a crack resistance, and has improved durability (mold life) by coating a base material with a hard coating layer.

本発明者は、硬質皮膜(以下、「硬質皮膜層」と記載する)の耐クラック性の向上について鋭意研究した結果、硬質皮膜層の厚さ方向の断面において、任意に選択された径が1μmの範囲内における組成は所定の成分組成を有する硬質皮膜層とし、かつ、この硬質皮膜層所定の成分組成を有するA層と、所定の成分組成を有するB層とを交互に組み合わせ積層構造とし、かつ、このA層とB層との膜厚と膜厚比を規定することによって、特に冷間塑性加工用金型に被覆する硬質皮膜層として耐クラック性と耐摩耗性の双方を向上させることができることを見出した。As a result of earnest research on the improvement of crack resistance of a hard coating (hereinafter referred to as “hard coating layer”), the present inventor has found that the arbitrarily selected diameter is 1 μm in the cross section in the thickness direction of the hard coating layer. The composition within the range is a hard coating layer having a predetermined component composition , and this hard coating layer is a laminated structure in which an A layer having a predetermined component composition and a B layer having a predetermined component composition are alternately combined . In addition, by defining the film thickness and film thickness ratio between the A layer and the B layer, both crack resistance and wear resistance are improved, especially as a hard coating layer that covers a cold plastic working mold. I found out that I can make it.

すなわち、A層およびB層の各層において所定元素の原子比を規定、また、各層の層厚を規定、また、各層の層厚比をそれぞれ単独で規定しただけでは、冷間塑性加工用金型に被覆する硬質皮膜層の耐クラック性と耐摩耗性が十分に向上しない。しかしながら、硬質皮膜層の成分組成、硬質皮膜層を構成するA層とB層の膜厚、そしてその膜厚比を同時に制御することで、冷間塑性加工用金型に被覆する硬質皮膜層の耐クラック性と耐摩耗性の双方が向上し、もって、特に冷間塑性加工用金型のパンチにこの硬質皮膜層を被覆することにより金型の耐久性を向上させることができることを見出した。  That is, the die for cold plastic working is determined only by specifying the atomic ratio of the predetermined element in each layer of the A layer and the B layer, specifying the layer thickness of each layer, and specifying the layer thickness ratio of each layer independently. Crack resistance and wear resistance of the hard coating layer to be coated are not sufficiently improved. However, by simultaneously controlling the component composition of the hard coating layer, the film thicknesses of the A layer and the B layer constituting the hard coating layer, and the film thickness ratio, the hard coating layer of the cold plastic working mold It has been found that both crack resistance and wear resistance are improved, and in particular, the durability of the mold can be improved by coating the hard coating layer on the punch of a cold plastic working mold.

本発明の請求項1に記載の発明は、基材上に積層される硬質皮膜層であって、前記硬質皮膜層の膜厚が1〜5μmであり、
前記硬質皮膜層の組成は、一般式:TiaCrbAlcSidMe(BuCvNw)(ただし、MはNb、Vのうちの1種以上の元素、a、b、c、d、e、u、v、wはそれぞれ、Ti、Cr、Al、Si、M、B、C、Nの原子比を示す)で表され、
前記硬質皮膜層の厚さ方向の断面において、任意に選択された径が1μmの範囲内における組成は下記の条件:
0.3<a≦0.6、
0<b≦0.2、
0.2≦c<0.5、
0<d≦0.1、
0≦e≦0.2、
0≦u≦0.1、
0≦v≦0.3、
0<w≦1、
a+b+c+d+e=1、
u+v+w=1、
を満たし、
前記硬質皮膜層は、組成が前記一般式を構成しその構成元素のうち、Ti、Cr、Siの原子比について、
下記の条件:
0≦b≦0.1、
0≦d≦0.01、
b<a、
を満足する組成からなるA層と、
同じく、前記構成元素のうち、Ti、Cr、Al、Siの原子比について、
下記の条件:
0≦a<0.3、
0.1<b≦0.3、
0.3≦c<0.7、
0.01<d≦0.1、
b>a、
を満足する組成からなるB層を、それぞれ前記A層とB層の膜厚を50nm以下として、複数以上の前記A層と前記B層を交互に積層させた積層構造からなり、
前記A層の厚みをdA、前記B層の厚みをdBとしたときに、(dB/dA)値が、
dB/dA=0.1〜0.5、
になされていることを特徴としている。
Invention of Claim 1 of this invention is a hard film layer laminated | stacked on a base material, Comprising: The film thickness of the said hard film layer is 1-5 micrometers,
The composition of the hard coating layer has a general formula: TiaCrbAlcSidMe (BuCvNw) (where M is Nb, one or more elements of V, a, b, c, d, e, u, v, w are It represents the atomic ratio of Ti, Cr, Al, Si, M, B, C, N),
In the cross section in the thickness direction of the hard coating layer , the composition in the range of arbitrarily selected diameter of 1 μm is as follows :
0.3 <a ≦ 0.6,
0 <b ≦ 0.2,
0.2 ≦ c <0.5,
0 <d ≦ 0.1,
0 ≦ e ≦ 0.2,
0 ≦ u ≦ 0.1,
0 ≦ v ≦ 0.3,
0 <w ≦ 1,
a + b + c + d + e = 1,
u + v + w = 1,
The filling,
The hard coating layer is composed of the above general formula and, among its constituent elements, the atomic ratio of Ti, Cr, Si,
The following conditions:
0 ≦ b ≦ 0.1,
0 ≦ d ≦ 0.01,
b <a,
A layer comprising a composition satisfying
Similarly, among the constituent elements, regarding the atomic ratio of Ti, Cr, Al, Si,
The following conditions:
0 ≦ a <0.3,
0.1 <b ≦ 0.3,
0.3 ≦ c <0.7,
0.01 <d ≦ 0.1,
b> a,
B layer composed of a composition satisfying the above, each having a thickness of 50 nm or less of the A layer and the B layer, and having a laminated structure in which a plurality of the A layer and the B layer are alternately laminated,
When the thickness of the A layer is dA and the thickness of the B layer is dB, the (dB / dA) value is
dB / dA = 0.1-0.5,
It is characterized by being made.

本発明の請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の硬質皮膜層において、前記基材の表面と前記硬質皮膜層との間に形成された下地層を備え、前記下地層の組成は前記A層の組成からなっていることを特徴としている。  The invention according to claim 2 of the present invention is the hard coating layer according to claim 1, further comprising an underlayer formed between the surface of the substrate and the hard coating layer, and the composition of the underlayer Is characterized by comprising the composition of the A layer.

本発明の請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の硬質皮膜層において、前記硬質皮膜層の表面に形成された表面層を備え、前記表面層は前記A層又は前記B層の組成からなっていることを特徴としている。  The invention according to claim 3 of the present invention is the hard coating layer according to claim 1 or 2, further comprising a surface layer formed on a surface of the hard coating layer, wherein the surface layer is the A layer or It is characterized by comprising the composition of the B layer.

本発明の請求項4に記載の発明は、請求項1から請求項3のいずれかに記載の硬質皮膜層が金型の表面に形成されていることを特徴とする冷間塑性加工用金型である。
ある。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a cold plastic working mold characterized in that the hard coating layer according to any one of the first to third aspects is formed on the surface of the mold. It is.
is there.

本発明の請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の冷間塑性加工用金型において、前記冷間塑性加工用金型は、ベアリング部と一体に繋がり、ショット駆動により被加工物と衝突して前記被加工物を塑性加工するための上端部を備えたパンチであることを特徴としている。  According to a fifth aspect of the present invention, in the cold plastic working die according to the fourth aspect, the cold plastic working die is integrally connected to a bearing portion, and is driven by shot driving. And a punch having an upper end for plastic working of the workpiece.

本発明の請求項6に記載の発明は、請求項5に記載のパンチにおいて、前記上端部に形成された前記硬質皮膜層の膜厚は、前記パンチの他の部分に形成された前記硬質皮膜層の膜厚より大きく形成されていることを特徴としている。  According to a sixth aspect of the present invention, in the punch according to the fifth aspect, the film thickness of the hard film layer formed on the upper end is the same as that of the hard film formed on the other part of the punch. It is characterized by being formed larger than the thickness of the layer.

本発明の請求項7に記載の発明は、請求項5又は請求項6に記載のパンチにおいて、前記上端部の外周縁部と前記ベアリング部とは円弧形状部を介して繋がり、前記円弧形状部の円弧半径は1mm以下になされていることを特徴としている。  According to a seventh aspect of the present invention, in the punch according to the fifth or sixth aspect, the outer peripheral edge portion of the upper end portion and the bearing portion are connected via an arc shape portion, and the arc shape portion Is characterized in that the arc radius is 1 mm or less.

本発明の請求項8に記載の発明は、請求項5から請求項7のいずれかに記載のパンチは、後方押出加工用の金型に用いるパンチであることを特徴としている。  The invention described in claim 8 of the present invention is characterized in that the punch described in any of claims 5 to 7 is a punch used for a die for backward extrusion.

本発明に係る硬質皮膜層は、その組成が一般式:TiaCrbAlcSidMe(BuCvNw)(a、b、c、d、e、u、v、wは所定の原子比)からなり、この一般式の原子比を耐摩耗性と耐クラック性を向上させるために、積層構造をなすA層とB層の組成を構成する各元素の原子比を適切に設定したこと、及び、A層の膜厚dAとB層の膜厚dBをそれぞれ50nm以下にしてA層とB層を積層構造にしていること、及び、(dB/dA)値を0.1〜0.5に設定したことによる相乗効果により、耐クラック性と耐摩耗性を著しく向上させることができる。これにより、本発明の硬質皮膜層を形成した冷間塑性加工用金型の寿命を各段に向上させることが可能になる。  The composition of the hard coating layer according to the present invention consists of a general formula: TiaCrbAlcSidMe (BuCvNw) (a, b, c, d, e, u, v, and w are predetermined atomic ratios). In order to improve the wear resistance and crack resistance, the atomic ratio of each element constituting the composition of the A layer and B layer forming the laminated structure was appropriately set, and the film thicknesses dA and B of the A layer The layer thickness dB of each layer is 50 nm or less so that the A layer and the B layer have a laminated structure, and the (dB / dA) value is set to 0.1 to 0.5. Cracking and wear resistance can be significantly improved. Thereby, it becomes possible to improve the lifetime of the cold plastic working mold in which the hard coating layer of the present invention is formed in each step.

本発明の硬質皮膜層について、第1の実施形態の構成を説明するための断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating the structure of 1st Embodiment about the hard film layer of this invention. 本発明の硬質皮膜層について、第2の実施形態の構成を説明するための断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating the structure of 2nd Embodiment about the hard film layer of this invention. 本発明の硬質皮膜層について、第3の実施形態の構成を説明するための断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating the structure of 3rd Embodiment about the hard film layer of this invention. 本発明に係る冷間塑性加工用金型の一実施形態を示すパンチの平面図である。It is a top view of the punch which shows one Embodiment of the metal mold | die for cold plastic working which concerns on this invention. 図4に示すパンチにおいて、E部の拡大図である。FIG. 5 is an enlarged view of an E portion in the punch shown in FIG. 4. 本発明に係る硬質皮膜層を成膜するための成膜装置の一例を示す上面概略図である。1 is a schematic top view showing an example of a film forming apparatus for forming a hard coating layer according to the present invention. 本発明の冷間塑性加工用金型を使用した後方押出し工程の概要を示す図であって、(a)は押出し成形品を塑性加工する前の状態、(b)は押出し成形品を塑性加工した後の状態を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the back extrusion process using the metal mold | die for cold plastic working of this invention, Comprising: (a) is the state before carrying out plastic working of an extrusion molded product, (b) is plastic working of an extrusion molded product. It is a figure which shows the state after having performed. 本発明に係る冷間塑性加工用金型(パンチ)を試作して、冷間塑性加工の実験を行った実施例において、試料番号3の試作パンチについてその鍛造寿命時におけるパンチの上端部の周縁部付近の写真図である。In an example in which a cold plastic working die (punch) according to the present invention was prototyped and an experiment of cold plastic working was performed, the peripheral edge of the upper end of the punch at the forging life of the prototype punch of sample number 3 FIG. 同じく、試料番号1の試作パンチについて鍛造寿命時におけるパンチの上端部の周縁部付近の写真図である。Similarly, it is the photograph figure of the peripheral part vicinity of the upper end part of a punch at the time of a forge life about the trial manufacture punch of the sample number 1. FIG. 同じく、試料番号8の試作パンチ(比較例)について鍛造寿命時におけるパンチの上端部の周縁部付近の写真図である。Similarly, it is a photograph figure of the peripheral part of the upper end part of the punch at the time of a forge life about the trial manufacture punch (comparative example) of the sample number 8. FIG. 同じく、試料番号8の試作パンチについて鍛造寿命時におけるパンチの上端部の周縁部付近の拡大写真図である。Similarly, it is an enlarged photograph figure near the peripheral part of the upper end part of a punch at the time of a forge life about a trial manufacture punch of sample number 8. 同じく、試料番号9の試作パンチ(比較例)について鍛造寿命時におけるパンチの上端部の周縁部付近の拡大写真図である。Similarly, it is an enlarged photograph figure near the peripheral part of the upper end part of the punch at the time of a forge life about the trial manufacture punch of sample number 9 (comparative example). 図12に示されている硬質被覆層の表面の拡大写真図である。It is an enlarged photograph figure of the surface of the hard coating layer shown by FIG. 同じく、試料番号10の試作パンチ(比較例)について鍛造寿命時におけるパンチの上端部の周縁部付近の拡大写真図である。Similarly, it is an enlarged photograph figure near the peripheral part of the upper end part of the punch at the time of a forge life about the trial manufacture punch of the sample number 10 (comparative example).

本発明の硬質皮膜層の構成とその特徴を図1に基づいて説明する。図1は本発明の硬質皮膜層を冷間塑性加工用金型などの基材に被覆したときに、この硬質皮膜層の構成を説明するための図である。  The configuration and characteristics of the hard coating layer of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram for explaining the structure of a hard coating layer when the hard coating layer of the present invention is coated on a base material such as a cold plastic working die.

(硬質皮膜部材の第1の実施形態)
図1は、本発明の硬質皮膜層について第1の実施形態を示し、基材1の表面に成膜(形成)した硬質皮膜層2の断面を示している。基材1は、例えば、冷間塑性加工用の金型であって、冷間鍛造用の金型、各種の成形用金型、等を示す。硬質皮膜層2は、所定の元素を所定量含有するA層3と、所定の元素を所定量含有するB層4とを備え、さらに、A層3とB層4が交互に複数積層された積層構造5から構成されている。図1に示す符号「6」は基材1の表面に形成された下地層、符号「7」は硬質皮膜層2の表面に形成された表面層である。積層構造5をなす硬質皮膜層2、下地層6、表面層7は、例えば、アークイオンプレーティング法により成膜される。なお、上記した下地層6と表面層7については後述する。
(First embodiment of hard coating member)
FIG. 1 shows a first embodiment of the hard coating layer of the present invention, and shows a cross section of the hard coating layer 2 formed (formed) on the surface of the substrate 1. The base material 1 is, for example, a cold plastic working die, and shows a cold forging die, various forming dies, and the like. The hard coating layer 2 includes an A layer 3 containing a predetermined amount of a predetermined element and a B layer 4 containing a predetermined amount of the predetermined element, and a plurality of A layers 3 and B layers 4 are alternately laminated. It is composed of a laminated structure 5. Reference numeral “6” shown in FIG. 1 is an underlayer formed on the surface of the substrate 1, and reference numeral “7” is a surface layer formed on the surface of the hard coating layer 2. The hard coating layer 2, the base layer 6, and the surface layer 7 that form the laminated structure 5 are formed by, for example, an arc ion plating method. The underlayer 6 and the surface layer 7 described above will be described later.

本発明の硬質皮膜層2においては、積層構造をなすA層3の単一の厚みとなる層厚(dA)と、同じくB層4の単一の厚みとなる層厚(dB)は、それぞれ50nm以下にされており、さらにB層4の層厚をA層3の厚みで除した層厚比(膜厚比)となる(dB/dA)値は、0.1〜0.5になるように成膜し、積層構造からなる硬質皮膜層2の膜厚は1〜5μmにされている。  In the hard coating layer 2 of the present invention, the layer thickness (dA) that is a single thickness of the A layer 3 that forms the laminated structure and the layer thickness (dB) that is also the single thickness of the B layer 4 are respectively The thickness is 50 nm or less, and the layer thickness ratio (film thickness ratio) obtained by dividing the layer thickness of the B layer 4 by the thickness of the A layer 3 (dB / dA) is 0.1 to 0.5. Thus, the film thickness of the hard coating layer 2 having a laminated structure is set to 1 to 5 μm.

本発明に係る冷間塑性加工用金型の基材1としては、超硬合金、金属炭化物を有する鉄基合金、セラミックス、高速度工具鋼等を用いることができるが、これらに限定されるものではなく、治工具等の部材に適用できるものであれば、いかなる材質からなる基材でもよい。特に、Crを含有する超硬合金であって、WC(炭化タングステン)の平均粒度が0.8〜3μm、Co含有量が8〜15重量%からなる基材が冷間塑性加工用金型として好適である。  As the base material 1 of the cold plastic working die according to the present invention, a cemented carbide, an iron-based alloy having a metal carbide, ceramics, high-speed tool steel, or the like can be used, but is not limited thereto. Instead, any material can be used as long as it can be applied to members such as jigs and tools. In particular, a cemented carbide containing Cr having a WC (tungsten carbide) average particle size of 0.8 to 3 μm and a Co content of 8 to 15% by weight is used as a cold plastic working die. Is preferred.

(硬質皮膜層の膜厚と組成)
本発明の硬質皮膜層2は、次の特徴を備えている。
[膜厚]
上記したように、A層3とB層4とを交互に積層した積層構造からなる硬質皮膜層2の膜厚(積層構造5の膜厚)は1〜5μmにしている。
[組成]
硬質皮膜層2の組成は、一般式「TiCrAlSi(B)で表されている。ただし、MはNb、Vのうち1種以上であり、上記a、b、c、d、e、u、v、wは、それぞれ元素Ti、Cr、Al、Si、M、B、C、Nの原子比である。
[硬質皮膜層2の厚さ方向の断面において、任意に選択された径が1μmの範囲内における組成
上記一般式で表される組成を有する硬質皮膜層2の厚さ方向の断面において、任意に選択された径が1μmの範囲内における組成は、下記の条件式を満たすようにしている。
0.3<a≦0.6、
0<b≦0.2、
0.2≦c<0.5、
0<d≦0.1、
0≦e≦0.2、
0≦u≦0.1、
0≦v≦0.3、
0<w≦1、
a+b+c+d+e=1、
u+v+w=1
(Hard film layer thickness and composition)
The hard coating layer 2 of the present invention has the following characteristics.
[Film thickness]
As described above, the film thickness of the hard coating layer 2 having a laminated structure in which the A layers 3 and the B layers 4 are alternately laminated (the film thickness of the laminated structure 5) is 1 to 5 μm.
[composition]
The composition of the hard coating layer 2 is represented by the general formula "Ti a Cr b Al c Si d M e (B u C v N w). However, M is at least one of Nb, V, The a, b, c, d, e, u, v, and w are atomic ratios of the elements Ti, Cr, Al, Si, M, B, C, and N, respectively.
[ Composition in the range in which the diameter arbitrarily selected in the cross section in the thickness direction of the hard coating layer 2 is 1 μm ]
In the cross section in the thickness direction of the hard coating layer 2 having the composition represented by the above general formula, the composition within a range of an arbitrarily selected diameter of 1 μm satisfies the following conditional expression.
0.3 <a ≦ 0.6,
0 <b ≦ 0.2,
0.2 ≦ c <0.5,
0 <d ≦ 0.1,
0 ≦ e ≦ 0.2,
0 ≦ u ≦ 0.1,
0 ≦ v ≦ 0.3,
0 <w ≦ 1,
a + b + c + d + e = 1,
u + v + w = 1 .

[A層とB層の組成]
A層3の組成は、硬質皮膜層2の組成を示す上記一般式を構成する構成元素のうち、Ti、Cr、Siの原子比について、下記の条件式を満足するようにしている。
0≦b≦0.1、
0≦d≦0.01、
b<a、
また、B層4の組成は、同じく、硬質皮膜層2の組成を示す上記一般式を構成する構成元素のうち、Ti、Al、Cr、Siの原子比について、下記の条件式を満足するようにしている。
0≦a<0.3、
0.1<b≦0.3、
0.3≦c<0.7、
0.01<d≦0.1、
b>a、
[Composition of layer A and layer B]
The composition of the A layer 3 satisfies the following conditional expression with respect to the atomic ratio of Ti, Cr, and Si among the constituent elements constituting the above general formula indicating the composition of the hard coating layer 2.
0 ≦ b ≦ 0.1,
0 ≦ d ≦ 0.01,
b <a,
Similarly, the composition of the B layer 4 satisfies the following conditional expression with respect to the atomic ratio of Ti, Al, Cr, and Si among the constituent elements constituting the above general formula indicating the composition of the hard coating layer 2. I have to.
0 ≦ a <0.3,
0.1 <b ≦ 0.3,
0.3 ≦ c <0.7,
0.01 <d ≦ 0.1,
b> a,

[A層とB層の層厚と層厚比]
A層3とB層4の層厚はそれぞれ50nm以下として、複数以上のA層3とB層4を交互に積層した積層構造からなり、A層3の層厚(厚み)をdA、B層4の層厚(厚み)をdBとしたときに、層厚比(dB/dA)値は、
dB/dA=0.1〜0.5、
になされている。
[Layer thickness and layer thickness ratio of layer A and layer B]
Each of the A layer 3 and the B layer 4 has a thickness of 50 nm or less, and has a stacked structure in which a plurality of A layers 3 and B layers 4 are alternately stacked. The layer thickness (thickness) of the A layer 3 is dA and B layers. When the layer thickness (thickness) of 4 is dB, the layer thickness ratio (dB / dA) value is
dB / dA = 0.1-0.5,
Has been made.

本発明の硬質皮膜層2について、その厚さ方向の断面において、任意に選択された径が1μmの範囲内における組成を上記した式を満足するように設定した理由について説明すると次のようになる。Regarding the hard coating layer 2 of the present invention, the reason why the composition within the range of the diameter of 1 μm arbitrarily selected in the cross section in the thickness direction is set so as to satisfy the above formula is as follows. .

(Ti:0.3<a≦0.6、Cr:0<b≦0.2、(a+b+c+d+e=1))について
TiおよびCrは、硬質皮膜層2のAlとSi添加による柱状組織の微細化を抑制し、硬度と靱性のバランスを保つために添加する元素である。つまり、TiおよびCrの添加量が多過ぎると硬度が低下するため耐摩耗性が低下する。一方、TiおよびCrの添加量が少な過ぎると柱状組織が微細化され、靱性が低下するため、耐クラック性が低下する。TiおよびCr添加の効果を発揮するためには、Tiの原子比であるaが0.3を超え0.6以下、Crの原子比であるbが0を超え0.2以下とする必要がある。
(Ti: 0.3 <a ≦ 0.6, Cr: 0 <b ≦ 0.2, (a + b + c + d + e = 1)) Ti and Cr are used to refine the columnar structure of the hard coating layer 2 by adding Al and Si. It is an element to be added in order to suppress the balance and maintain the balance between hardness and toughness. That is, if the addition amount of Ti and Cr is too large, the hardness is lowered and the wear resistance is lowered. On the other hand, when the addition amount of Ti and Cr is too small, the columnar structure is refined and the toughness is lowered, so that the crack resistance is lowered. In order to exhibit the effect of adding Ti and Cr, it is necessary that a, which is the atomic ratio of Ti, exceeds 0.3 and 0.6 or less, and b, which is the atomic ratio of Cr, exceeds 0 and is 0.2 or less. is there.

(Al:0.2≦c<0.5、Si:0<d≦0.1、(a+b+c+d=1))について
AlおよびSiは、硬質皮膜層2の硬度と耐酸化性を向上させるために添加する元素である。つまり、AlおよびSiの添加量が多過ぎると柱状組織が微細化され、硬質皮膜層が脆化し、剥離や異常な摩耗が生じる傾向にある。一方、AlおよびSiの添加量が少な過ぎると硬度が低下する傾向にあり、従って耐摩耗性が低下する。AlおよびSi添加の効果を発揮するために、Alの原子比であるcが0.2以上、0.5未満、Siの原子比であるdが0を超え0.1以下とする必要がある。また、Al含有量の増加は皮膜の面粗度を劣化させ冷間塑性加工用金型に適用した場合に、耐摩耗性が劣化するため、Alの原子比であるcは硬質皮膜層2の厚さ方向の断面において、任意に選択された径が1μmの範囲内における組成においては0.5を超えないようにする必要がある。
About (Al: 0.2 ≦ c <0.5, Si: 0 <d ≦ 0.1, (a + b + c + d = 1)) Al and Si are used to improve the hardness and oxidation resistance of the hard coating layer 2. It is an element to be added. That is, when the amount of Al and Si added is too large, the columnar structure becomes finer, the hard coating layer becomes brittle, and there is a tendency that peeling or abnormal wear occurs. On the other hand, if the addition amount of Al and Si is too small, the hardness tends to decrease, and therefore the wear resistance decreases. In order to exert the effect of addition of Al and Si, it is necessary that c, which is the atomic ratio of Al, is 0.2 or more and less than 0.5, and d, which is the atomic ratio of Si, is more than 0 and less than 0.1. . In addition, since the increase in Al content deteriorates the surface roughness of the film and the wear resistance deteriorates when applied to a cold plastic working die, the atomic ratio c of the hard film layer 2 In the cross section in the thickness direction, it is necessary that the arbitrarily selected diameter does not exceed 0.5 in the composition in the range of 1 μm .

(M:0≦e≦0.2、(a+b+c+d+e=1))について
Mは、NbとVのうち1種以上であり、含有しなくともよいが、Nbおよび又はVの添加による主たる効果は、TiおよびCrと同様である。つまり、硬質皮膜層2がAlとSi添加によって柱状組織が微細化されることを抑制するものであり、硬度と靱性のバランスを保つために添加する元素である。一方、Mを添加することで、A層3の硬度が若干向上し、耐摩耗性向上にも寄与する。Nbおよび又はVの添加量が多過ぎると硬度が低下するため耐摩耗性が低下する。一方、Nbおよび又はVの添加量が少な過ぎると柱状組織が微細化され、靱性が低下するため、耐クラック性が低下する。Nbおよび又はV添加の効果を発揮するために、Nbおよび又はVの原子比であるeを0.2以下とする必要がある。
(M: 0 ≦ e ≦ 0.2, (a + b + c + d + e = 1)) M is one or more of Nb and V, and may not be contained, but the main effect of adding Nb and / or V is Similar to Ti and Cr. That is, the hard coating layer 2 is an element added to prevent the columnar structure from being refined by the addition of Al and Si and to maintain a balance between hardness and toughness. On the other hand, the addition of M slightly improves the hardness of the A layer 3 and contributes to the improvement of wear resistance. If the amount of Nb and / or V added is too large, the hardness will decrease and the wear resistance will decrease. On the other hand, if the addition amount of Nb and / or V is too small, the columnar structure is refined and the toughness is lowered, so that the crack resistance is lowered. In order to exhibit the effect of adding Nb and / or V, e, which is the atomic ratio of Nb and / or V, needs to be 0.2 or less.

(B:0≦u≦0.1、C:0≦v≦0.3、N:0<w≦1、(u+v+w=1))について
BおよびCは、添加により硬質皮膜層2を高硬度化、かつ低摩擦化させることができる。ただし、Bが原子比で0.1を超えると、柱状組織が粗大化し硬度が低下する。また、Cが原子比で0.3を超えると、硬質皮膜層2が非晶質化して硬度が低下する。したがって、B、Cは、原子比で、各々0.1、0.3以下添加しても良い。Nは、金属元素と結合して、本発明における硬質皮膜層2の窒化物を形成する役割を果たすことから原子比で0.6以上は必要である。
About (B: 0 ≦ u ≦ 0.1, C: 0 ≦ v ≦ 0.3, N: 0 <w ≦ 1, (u + v + w = 1)) B and C add high hardness to the hard coating layer 2 And low friction. However, when B exceeds 0.1 in atomic ratio, the columnar structure becomes coarse and the hardness decreases. On the other hand, if C exceeds 0.3 in atomic ratio, the hard coating layer 2 becomes amorphous and the hardness decreases. Therefore, B and C may be added in an atomic ratio of 0.1 or 0.3, respectively. Since N plays a role of forming a nitride of the hard coating layer 2 in the present invention by combining with a metal element, an atomic ratio of 0.6 or more is necessary.

(積層構造)
前記したように、積層構造5からなる硬質皮膜層2は、A層3とB層4がそれぞれ50nm以下の層厚で交互に積層された積層構造からなり、このA層3とB層4のそれぞれの単一の厚みをdAとdBとしたときの層厚比(膜厚比)である(dB/dA)値を0.1〜0.5に設定していることに特徴がある。
(Laminated structure)
As described above, the hard coating layer 2 having the laminated structure 5 has a laminated structure in which the A layer 3 and the B layer 4 are alternately laminated with a layer thickness of 50 nm or less. A characteristic is that the (dB / dA) value, which is the layer thickness ratio (film thickness ratio) when the single thicknesses of each are dA and dB, is set to 0.1 to 0.5.

硬質皮膜部層2をこのような層厚比を備えた積層構造にすることにより、A層3の高靱性な特性によってB層4の結晶性が良くなり硬質皮膜層2の靱性が向上する。さらに、B層4の高硬度な特性によって、A層3の耐摩耗性が向上する。このように、A層3とB層4自体が本来備えている特性を生かしながら、積層構造にすることによりそれぞれの層の欠点が補完される。これにより、本発明の硬質皮膜層2を冷間塑性加工用金型の表面に形成した場合に、この硬質皮膜層2が備えている耐クラック性と耐摩耗性により、金型の耐久性(寿命)を格段に向上させることが可能になる。また、B層4の微細な柱状組織によって、A層3の硬度が向上し、冷間塑性加工用金型に形成した硬質皮膜層2の耐摩耗性が格段に向上する。  By forming the hard coating layer 2 in a laminated structure having such a layer thickness ratio, the crystallinity of the B layer 4 is improved by the high toughness characteristics of the A layer 3 and the toughness of the hard coating layer 2 is improved. Further, the high hardness characteristic of the B layer 4 improves the wear resistance of the A layer 3. Thus, the defects of the respective layers are complemented by using a laminated structure while taking advantage of the characteristics inherent to the A layer 3 and the B layer 4 themselves. As a result, when the hard coating layer 2 of the present invention is formed on the surface of the cold plastic working mold, the durability of the mold (due to the crack resistance and wear resistance of the hard coating layer 2) (Lifetime) can be remarkably improved. Further, the fine columnar structure of the B layer 4 improves the hardness of the A layer 3 and significantly improves the wear resistance of the hard coating layer 2 formed on the cold plastic working mold.

なお、A層3とB層4のそれぞれの層厚が50nmを超えると、A層3又はB層4のそれぞれ固有の特性、つまり、A層3の耐摩耗性に乏しい特性、B層4の靱性に乏しい特性によって、冷間塑性加工用金型の耐久性が向上しない。(dB/dA)値が0.1よりも小さいとA層3の耐摩耗性に乏しい特性が強くあらわれ、冷間塑性加工用金型の耐久性が向上しない。一方、(dB/dA)値が0.5よりも大きいと、B層4の靱性に乏しい特性が強くあらわれ、硬質皮膜層に異常摩耗が生じ、冷間塑性加工用金型の耐久性が向上しない。従って、本発明においては、(dB/dA)値を0.1〜0.5に設定している。なお、(dB/dA)値は0.1〜0.3に設定することがより望ましく、冷間塑性加工用金型の耐久性をより向上させることが可能になる。A層3とB層4の層厚(膜厚)は、透過型電子顕微鏡による断面観察によって測定することができる。  In addition, when each layer thickness of A layer 3 and B layer 4 exceeds 50 nm, the characteristic of each of A layer 3 or B layer 4, that is, the characteristic of A layer 3 having poor wear resistance, Due to the poor toughness, the durability of the cold plastic working mold is not improved. When the (dB / dA) value is smaller than 0.1, the characteristic of the A layer 3 having poor wear resistance appears strongly, and the durability of the cold plastic working die is not improved. On the other hand, if the (dB / dA) value is larger than 0.5, the characteristics of the B layer 4 that are poor in toughness appear strongly, abnormal wear occurs in the hard coating layer, and the durability of the cold plastic working mold is improved. do not do. Therefore, in the present invention, the (dB / dA) value is set to 0.1 to 0.5. The (dB / dA) value is more preferably set to 0.1 to 0.3, and the durability of the cold plastic working die can be further improved. The layer thickness (film thickness) of the A layer 3 and the B layer 4 can be measured by cross-sectional observation with a transmission electron microscope.

(硬質皮膜層の膜厚)
本発明において、積層構造をなす硬質皮膜層2の膜厚は1〜5μmにしている。この理由は、膜厚が1μm未満では冷間塑性加工用金型の耐久性の向上に対する効果が乏しくなり、一方、5μmを超えると基材1から硬質皮膜層2が剥離し易くなるからである。従って、硬質皮膜層2の膜厚は1〜5μmにすることが好ましい。
(Hard film layer thickness)
In the present invention, the thickness of the hard coating layer 2 having a laminated structure is 1 to 5 μm. The reason for this is that when the film thickness is less than 1 μm, the effect of improving the durability of the cold plastic working mold is poor, while when it exceeds 5 μm, the hard coating layer 2 is easily peeled off from the substrate 1. . Therefore, the film thickness of the hard coating layer 2 is preferably 1 to 5 μm.

[A層の組成]
A層3は、組成が前記した硬質皮膜層一般式:TiCrAlSi(B)からなり、前記a、b、c、d、e、u、v、wがそれぞれ元素Ti、Cr、Al、Si、M、B、C、Nの原子比であるときに、下記の条件、
0.3<a≦0.6、
0≦b≦0.1、
b<a、
0.2≦c<0.5、
0≦d≦0.01、
0≦e≦0.2、
0≦u≦0.1、
0≦v≦0.3、
0<w≦1、
a+b+c+d+e=1、
u+v+w=1、
を満足する皮膜である。
[Composition of layer A]
A layer 3, the hard coating layer formula composition described above: Ti a Cr b Al c Si d M consists e (B u C v N w ), wherein a, b, c, d, e, u, v , W is the atomic ratio of the elements Ti, Cr, Al, Si, M, B, C, N, respectively, the following conditions:
0.3 <a ≦ 0.6,
0 ≦ b ≦ 0.1,
b <a,
0.2 ≦ c <0.5,
0 ≦ d ≦ 0.01,
0 ≦ e ≦ 0.2,
0 ≦ u ≦ 0.1,
0 ≦ v ≦ 0.3,
0 <w ≦ 1,
a + b + c + d + e = 1,
u + v + w = 1,
It is a film that satisfies

上記の組成を有するA層3は、前記したように、B層4と交互に所定の積層数を備えた積層構造にすることで、A層3を高硬度化し、同時にB層4の結晶性を高めて高靱性化し、その結果、硬質皮膜層2の耐クラック性と耐摩耗性を同時に向上させる機能を有する。ここで、積層数(積層回数)は一つのA層と一つのB層の組合せを1積層回数としたときの総積層回数は、例えば硬質被覆層2の膜厚を2μm形成した場合では、100〜400回程度が硬質被覆層2の耐クラック性と耐摩耗性において好適である。
なお、A層3のうち、前記した硬質皮膜層2の厚さ方向の断面において、任意に選択された径が1μmの範囲内における組成の範囲と異なる元素は、Crの原子比b、Siの原子比dである。このようにA層3の組成が硬質皮膜層2の厚さ方向の断面において、任意に選択された径が1μmの範囲内における組成と異なるようにした理由は下記の通りである。
As described above, the A layer 3 having the above composition has a laminated structure having a predetermined number of layers alternately with the B layer 4 to increase the hardness of the A layer 3 and at the same time, the crystallinity of the B layer 4. To increase the toughness, and as a result, it has a function of simultaneously improving the crack resistance and wear resistance of the hard coating layer 2. Here, the total number of laminations (number of laminations) is 100 when the combination of one A layer and one B layer is one lamination number, for example, when the thickness of the hard coating layer 2 is 2 μm. About 400 times is preferable in terms of crack resistance and wear resistance of the hard coating layer 2.
In addition, in the cross section in the thickness direction of the hard coating layer 2 in the layer A 3 described above, an element different from the composition range in the range of the arbitrarily selected diameter of 1 μm is Cr atomic ratio b, Si Atomic ratio d. The reason why the composition of the A layer 3 is different from the composition in the range of 1 μm in the diameter selected in the cross section in the thickness direction of the hard coating layer 2 is as follows.

Crの原子比bが0.1を超えると、硬質皮膜層2の柱状組織が粗大化し、硬度が低下するため、冷間塑性加工用金型の耐久性が低下する。Siの原子比dが0.01を超えると、硬質皮膜層2の柱状組織が過度に微細化し、耐クラック性が低下するため、冷間塑性加工用金型の耐久性が低下する。
また、Tiの原子比aとCrの原子比bとの関係では、Tiの原子比aが多くなるようにしている。この理由は、Crの原子比bがTiの原子比aよりも多くなると硬質皮膜層2の硬度が低下して耐摩耗性が低下するため、その結果、冷間塑性加工用金型の耐久性が低下することになるからである。
When the atomic ratio b of Cr exceeds 0.1, the columnar structure of the hard coating layer 2 becomes coarse and the hardness is lowered, so that the durability of the cold plastic working die is lowered. When the atomic ratio d of Si exceeds 0.01, the columnar structure of the hard coating layer 2 is excessively refined and crack resistance is lowered, so that the durability of the cold plastic working die is lowered.
In addition, in the relationship between the atomic ratio a of Ti and the atomic ratio b of Cr, the atomic ratio a of Ti is increased. The reason for this is that if the Cr atomic ratio b is greater than the Ti atomic ratio a, the hardness of the hard coating layer 2 decreases and wear resistance decreases, and as a result, the durability of the cold plastic working mold is reduced. This is because of the decrease.

前記したように、A層3はTi、Al、Nを必須の成分とし、Cr、Nb、V、Si、B、Cは任意の成分であることから、A層3の組成に関する組み合わせは、TiAlN、TiAlCrN、TiAlNbN、TiAlVN、TiAlSiN、等が挙げられる。なお、Nは(CN)、(BCN)、(BN)のいずれかにしてもよい。  As described above, since the A layer 3 includes Ti, Al, and N as essential components, and Cr, Nb, V, Si, B, and C are optional components, the combination related to the composition of the A layer 3 is TiAlN. TiAlCrN, TiAlNbN, TiAlVN, TiAlSiN, and the like. N may be any one of (CN), (BCN), and (BN).

[B層の組成]
B層4は、組成が前記した一般式:TiCrAlSi(B)からなり、前記a、b、c、d、e、u、v、wが原子比であるときに、
0≦a≦0.3、
0.1<b≦0.3、
b>a、
0.3≦c<0.7、
0.01<d≦0.1、
0≦e≦0.2、
0≦u≦0.1、
0≦v≦0.3、
0<w≦1、
a+b+c+d+e=1、
u+v+w=1、
を満足する皮膜である。このB層4は、A層3と交互に前記した所定の積層構造で積層することで、B層4の結晶性を高め、高靱性化し、同時に、A層3を高硬度化し、硬質皮膜層2の耐摩耗性と耐クラック性を向上させる機能を発揮する。
[B layer composition]
The B layer 4 is composed of the above-described general formula: Ti a Cr b Al c Si d Me (B u C v N w ), and the a, b, c, d, e, u, v, and w are When the atomic ratio is
0 ≦ a ≦ 0.3,
0.1 <b ≦ 0.3,
b> a,
0.3 ≦ c <0.7,
0.01 <d ≦ 0.1,
0 ≦ e ≦ 0.2,
0 ≦ u ≦ 0.1,
0 ≦ v ≦ 0.3,
0 <w ≦ 1,
a + b + c + d + e = 1,
u + v + w = 1,
It is a film that satisfies The B layer 4 is alternately laminated with the A layer 3 in the above-described predetermined laminated structure, thereby improving the crystallinity of the B layer 4 and increasing the toughness. At the same time, increasing the hardness of the A layer 3, the hard coating layer 2 exhibits the function of improving wear resistance and crack resistance.

上記したB層4の組成のうち、硬質皮膜層2の厚さ方向の断面において、任意に選択された径が1μmの範囲内における組成の範囲と異なる元素はTiの原子比aと、Crの原子比bと、Alの原子比cと、Siの原子比dである。Tiは含まずとも良いが、硬度が必要とされる場合は含有させることが有効で、その上限を0.3とすることで、硬質皮膜層2の靱性を阻害しない範囲で冷間塑性加工用金型の耐摩耗性が向上する。Crの原子比bが0.1以下となると、硬質皮膜層2の耐摩耗性が低下し、Crの原子比bが0.3を超えると、耐クラック性が低下するため、冷間塑性加工用金型の耐久性が低下する。Alの原子比cが0.3未満となると、硬質皮膜層2の耐熱性が低下することから冷間塑性加工用金型の耐摩耗性が低下し、Alの原子比cが0.7以上となると、硬度が低下することから冷間塑性加工用金型の耐摩耗性が低下する。
また、Siの原子比dが0.01より低くなると、硬質皮膜層2の耐摩耗性が低下し、Siの原子比dが0.1を超えると、硬質皮膜層2の柱状組織が過度に微細になるので、Siの原子比dを、0.01<d≦0.1、に規定することによりB層の耐摩耗性を向上させることができる。
また、Tiの原子比aとCrの原子比bの関係ではCrの原子比bを多くしている。この理由は、Tiの原子比aがCrの原子比bよりも多くなると硬質皮膜層2の耐摩耗性が低下するため、冷間塑性加工用金型の耐久性が低下するからである。
Among the compositions of the B layer 4 described above, in the cross section in the thickness direction of the hard coating layer 2, the elements different from the composition range within the range of the arbitrarily selected diameter of 1 μm are Ti atomic ratio a and Cr The atomic ratio b, the atomic ratio c of Al, and the atomic ratio d of Si. Ti does not need to be included, but it is effective to include it when hardness is required. By setting the upper limit to 0.3, it is for cold plastic working within a range that does not impair the toughness of the hard coating layer 2 The wear resistance of the mold is improved. When the atomic ratio b of Cr is 0.1 or less, the wear resistance of the hard coating layer 2 decreases, and when the atomic ratio b of Cr exceeds 0.3, the crack resistance decreases. The durability of the mold is reduced. When the atomic ratio c of Al is less than 0.3, the heat resistance of the hard coating layer 2 is lowered, so the wear resistance of the cold plastic working mold is lowered, and the atomic ratio c of Al is 0.7 or more. Then, since the hardness is lowered, the wear resistance of the cold plastic working die is lowered.
Moreover, when the atomic ratio d of Si is lower than 0.01, the wear resistance of the hard coating layer 2 is lowered, and when the atomic ratio d of Si exceeds 0.1, the columnar structure of the hard coating layer 2 is excessive. Since it becomes finer, the wear resistance of the B layer can be improved by defining the atomic ratio d of Si to 0.01 <d ≦ 0.1.
Further, in the relationship between the atomic ratio a of Ti and the atomic ratio b of Cr, the atomic ratio b of Cr is increased. This is because the wear resistance of the hard coating layer 2 is lowered when the atomic ratio a of Ti is larger than the atomic ratio b of Cr, so that the durability of the cold plastic working die is lowered.

前記したように、B層4においては、Cr、Al、Si、Nは必須の成分であり、Ti、Nb、V、B、Cは任意の成分であることから、B層4の組成に関する組み合わせは、TiCrAlSiN、TiCrAlSiNbN、TiAlCrAlSiVN、AlCrNbSiN等が挙げられる。Nは(CN)、(BCN)、(BN)のいずれかにしてもよい。  As described above, in the B layer 4, Cr, Al, Si, and N are essential components, and Ti, Nb, V, B, and C are optional components. Are TiCrAlSiN, TiCrAlSiNbN, TiAlCrAlSiVN, AlCrNbSiN, and the like. N may be any one of (CN), (BCN), and (BN).

(下地層と表面層)
図1に示す本発明の硬質皮膜層2に係る第1の実施形態においては、金型基材1の表面に下地層6を形成し、この下地層6の上(表面)に硬質皮膜層2を形成し、さらに、硬質皮膜層2の表面に表面層7を形成している例を示している。本発明においては、この下地層6の組成は前記したA層3の組成を有するようにしている。
本発明の硬質皮膜層2は、A層3とB層4を交互に積層した積層構造で構成されているが、金型基材1と硬質皮膜層2との密着強度にバラツキが生じ、冷間塑性加工用金型における異常損傷の要因となる場合がある。しかしながら、金型基材1の表面にA層からなる下地層6を被覆することにより、金型基材1と硬質皮膜層2との密着性を向上させることが可能になる。A層3からなる下地層6の層厚は、0.3〜3μmの範囲にすることにより冷間塑性加工用金型の耐久性を一層向上させることが可能になる。
(Underlayer and surface layer)
In the first embodiment relating to the hard coating layer 2 of the present invention shown in FIG. 1, the base layer 6 is formed on the surface of the mold base 1, and the hard coating layer 2 is formed on the surface (surface) of the base layer 6. Further, an example in which the surface layer 7 is formed on the surface of the hard coating layer 2 is shown. In the present invention, the composition of the base layer 6 is the composition of the A layer 3 described above.
The hard coating layer 2 of the present invention has a laminated structure in which the A layer 3 and the B layer 4 are alternately laminated. However, the adhesion strength between the mold base 1 and the hard coating layer 2 varies, and the cold coating layer 2 is cooled. It may cause abnormal damage in the mold for interplastic working. However, the adhesion between the mold base 1 and the hard coating layer 2 can be improved by coating the surface of the mold base 1 with the base layer 6 made of the A layer. The durability of the cold plastic working die can be further improved by setting the layer thickness of the underlayer 6 made of the A layer 3 in the range of 0.3 to 3 μm.

硬質皮膜層2の表面に形成する表面層7の組成は、A層3又はB層4と同一の組成でよく、その層厚は0.1〜2μm程度にすることが最も好ましい。表面層7を形成することが望ましい理由は次の通りである。
すなわち、本発明の硬質皮膜層2は、A層3とB層4の積層構造により構成されていることから、硬質皮膜層2の最表面はA層3又はB層4が被覆されるため、硬質皮膜層2に色ムラが生じやすい。この色ムラは、品質管理上好ましくないと共に、冷間塑性加工用金型の耐久性にバラツキが生じる可能性が考えられる。このため、硬質皮膜層2の表面には、図1に示すように表面層7を被覆することが好ましい。
The composition of the surface layer 7 formed on the surface of the hard coating layer 2 may be the same as that of the A layer 3 or the B layer 4, and the layer thickness is most preferably about 0.1 to 2 μm. The reason why it is desirable to form the surface layer 7 is as follows.
That is, since the hard coating layer 2 of the present invention is composed of a laminated structure of the A layer 3 and the B layer 4, the outermost surface of the hard coating layer 2 is covered with the A layer 3 or the B layer 4, Color unevenness is likely to occur in the hard coating layer 2. This color unevenness is not preferable in terms of quality control, and there is a possibility that the durability of the cold plastic working mold may vary. For this reason, it is preferable to coat the surface of the hard coating layer 2 with a surface layer 7 as shown in FIG.

(硬質皮膜層の第2及び第3の実施形態)
図1に示す硬質皮膜層2の第1の実施形態においては、下地層6と表面層7の双方を形成した例を示しているが、図2に示すように下地層6のみを形成して、表面層7は形成しなくてもよい(硬質皮膜層の第2の実施形態)。また、図3に示すように、下地層6は形成せずに表面層7のみを形成してもよい(硬質皮膜層の第3の実施形態)。
これら第2及び第3の実施形態においても、図1に示す硬質皮膜層2の第1の実施形態と同様に、下地層6の組成はA層3と同一とし、その膜厚は0.3〜3μmにすることが望ましい。同様に、表面層7の組成はA層3又はB層4と同一にし、その膜厚は0.1〜2μmにすることが望ましい。
なお、本発明の硬質皮膜層2を被覆した冷間塑性加工用金型の耐久性をより向上させるためには、図1に示すように、下地層6と表面層7の双方を形成することが望ましい。
(Second and third embodiments of the hard coating layer)
In the first embodiment of the hard coating layer 2 shown in FIG. 1, an example in which both the base layer 6 and the surface layer 7 are formed is shown, but only the base layer 6 is formed as shown in FIG. The surface layer 7 may not be formed (second embodiment of the hard coating layer). Moreover, as shown in FIG. 3, you may form only the surface layer 7 without forming the base layer 6 (3rd Embodiment of a hard film layer).
Also in these second and third embodiments, the composition of the underlayer 6 is the same as that of the A layer 3 as in the first embodiment of the hard coating layer 2 shown in FIG. It is desirable to make it ~ 3 μm. Similarly, the composition of the surface layer 7 is preferably the same as that of the A layer 3 or the B layer 4 and the film thickness is preferably 0.1 to 2 μm.
In order to further improve the durability of the cold plastic working mold coated with the hard coating layer 2 of the present invention, both the base layer 6 and the surface layer 7 are formed as shown in FIG. Is desirable.

(冷間塑性加工用金型への実施形態)
続いて、本発明の硬質皮膜層2を被覆した冷間塑性加工用金型の実施形態について説明する。冷間塑性加工用金型のうち、特に過酷な環境で使用される冷間鍛造用金型は、閉鎖域で、しかも高速(毎分50ショット以上)で金型母材(金型基材)に引張応力と圧縮応力を繰り返して与えることから、他用途の金型に比べて、金型表面に微細なクラックが発生し易い。そのため、金型表面に成膜した硬質皮膜層には、その特性のうち、特に繰返し応力に対する耐クラック性が要求され、同時に耐摩耗性も要求されている。このような用途の金型に、本発明の硬質皮膜層2を被覆することにより、格段に金型の耐久性を向上させることが可能になる。なかでも、冷間鍛造用金型のうちの後方押出成形に使用される金型、特に、パンチに硬質皮膜層2を被覆することで、金型の耐久性の向上がより顕著になる。
以下に、本発明に係る冷間塑性加工用金型の実施形態として、冷間鍛造用金型として用いられるパンチを例にして説明する。
(Embodiment to cold plastic working mold)
Next, an embodiment of a cold plastic working die coated with the hard coating layer 2 of the present invention will be described. Among the cold plastic working dies, the cold forging dies used in particularly harsh environments are in a closed area and at a high speed (more than 50 shots per minute). Since a tensile stress and a compressive stress are repeatedly applied to the metal, fine cracks are likely to be generated on the mold surface as compared with a mold for other uses. Therefore, the hard coating layer formed on the mold surface is required to have crack resistance against repetitive stress, and at the same time, wear resistance. By covering the mold for such use with the hard coating layer 2 of the present invention, the durability of the mold can be remarkably improved. Especially, the durability improvement of a metal mold | die becomes more remarkable by coat | covering the metal film | membrane used for back extrusion molding among the metal mold | die for cold forging, especially the hard film layer 2 to a punch.
Hereinafter, as an embodiment of a cold plastic working die according to the present invention, a punch used as a cold forging die will be described as an example.

図4は冷間鍛造用金型の一例としてパンチ10の平面図を示し、図5は図4に示すE部分の拡大図を示している。図4(図5)に示すパンチ10は略円柱形状をなしている。略円柱形状をなすパンチ10は、鍛造装置に把持させるための把持部11、機能部12、機能部12の端面となる上端部13を備えている。パンチ10の長手(軸)方向に対して機能部12は長さL1を有し、把持部11は同じく長さL2を有している。上端部13を含む機能部12が被加工物に対して冷間鍛造に寄与する箇所になるので、この機能部12の表面に本発明の硬質皮膜層2が形成(被覆)される。4 shows a plan view of the punch 10 as an example of a cold forging die, and FIG. 5 shows an enlarged view of a portion E shown in FIG. The punch 10 shown in FIG. 4 (FIG. 5) has a substantially cylindrical shape. The punch 10 having a substantially cylindrical shape includes a gripping part 11 for causing a forging device to grip, a function part 12, and an upper end part 13 serving as an end face of the function part 12. The functional part 12 has a length L1 with respect to the longitudinal (axial) direction of the punch 10, and the gripping part 11 has a length L2. Since the functional part 12 including the upper end part 13 is a part that contributes to cold forging on the workpiece, the hard coating layer 2 of the present invention is formed (covered) on the surface of the functional part 12.

図5は、図4に示しているパンチ10の先端部分14におけるE部分の拡大図であって、パンチ10の長手方向の上側部分の一部を示している。図5に示しているように、パンチ10の先端部分14は、上端部13、ベアリング部15、径縮小部16、逃げ部17から構成されている。ベアリング部15から逃げ部17にかけては、逃し角αの勾配でパンチ10の径を減少させた径縮小部16を設け、その一方の端部(頂点)である逃し稜線部18において径縮小部16はベアリング部15と一体に繋がった構成になっている。また、上端部13は、パンチ10の長手方向と直交する平面に対して先端角βの勾配をもって上端部13の中心部方向に緩やかに傾斜する円錐形状をなす面としている。そして、この円錐形状面をなす上端部13の外周縁部13aは、全周にわたって円弧形状部19が形成され、この円弧形状部19はベアリング部15と一体に繋がっている。また、ベアリング部15、径縮小部16、逃げ部17の各繋ぎ部は、図示していないがそれぞれ滑らかな円弧形状で連結されても良い。
なお、上記した先端角βは0°、すなわち、上端部13は平面形状をなす面を備えているようにしてもよい。この場合においても、上端部13の外周縁部13aは、全周にわたって円弧形状部19は設けるようにする。
FIG. 5 is an enlarged view of a portion E in the tip portion 14 of the punch 10 shown in FIG. 4 and shows a part of the upper portion of the punch 10 in the longitudinal direction. As shown in FIG. 5, the tip portion 14 of the punch 10 includes an upper end portion 13, a bearing portion 15, a diameter reducing portion 16, and a relief portion 17. A diameter reduced portion 16 in which the diameter of the punch 10 is reduced by a gradient of the relief angle α is provided from the bearing portion 15 to the relief portion 17, and the diameter reduced portion 16 is provided at the relief ridge line portion 18 that is one end (vertex) thereof. Is configured to be integrally connected to the bearing portion 15. Further, the upper end portion 13 is a surface having a conical shape that is gently inclined in the direction of the central portion of the upper end portion 13 with a gradient of the tip angle β with respect to a plane orthogonal to the longitudinal direction of the punch 10. The outer peripheral edge portion 13 a of the upper end portion 13 forming the conical surface is formed with an arc-shaped portion 19 over the entire circumference, and the arc-shaped portion 19 is integrally connected to the bearing portion 15. Further, the connecting portions of the bearing portion 15, the diameter reducing portion 16, and the relief portion 17 may be connected in a smooth circular arc shape although not shown.
The tip angle β described above may be 0 °, that is, the upper end portion 13 may have a plane surface. Even in this case, the outer peripheral edge portion 13a of the upper end portion 13 is provided with the arc-shaped portion 19 over the entire circumference.

本発明に係るパンチ10においては、上記した円弧形状部19の円弧半径は1mm以下に設定することが望ましい。この理由は、円弧形状部19の円弧半径を1mm以下とすることで、硬質層皮膜層2に対する耐クラック性と耐摩耗性のバランスが最適となると考えられるからである。これに対して、円弧形状部19の円弧半径が1mmを超えるような、比較的に摺動抵抗が高くなるようにすると、冷間鍛造時において、円弧形状部19、またはその近傍の硬質層皮膜層2を起点とした異常摩耗が生じ易くなる場合がある。  In the punch 10 according to the present invention, the arc radius of the arc-shaped portion 19 is preferably set to 1 mm or less. This is because it is considered that the balance between the crack resistance and the wear resistance with respect to the hard coating layer 2 is optimized by setting the arc radius of the arc-shaped portion 19 to 1 mm or less. On the other hand, when the sliding resistance is relatively high such that the arc radius of the arc-shaped portion 19 exceeds 1 mm, the arc-shaped portion 19 or a hard layer coating in the vicinity thereof during cold forging. Abnormal wear may easily occur starting from the layer 2.

(冷間塑性加工用金型への硬質皮膜層の成膜)
本発明の硬質皮膜層2を図4(図5)に示すパンチ10の機能部12の表面に成膜するときは、上端部13の膜厚がベアリング部15、径縮小部16、逃げ部17よりも厚くなるように被覆する。これにより、パンチ10の耐久性、特に上端部13の耐久性を一段と向上させることができる。
一般的に、特許文献6に記載されているように、高硬度な皮膜層を逃げ部17等よりも上端部13に被覆すると、この上端部13の皮膜層にクラックが生じてパンチに異常摩耗が生じ易くなっていた。しかし、本発明の硬質皮膜層2は、前記したように、優れた耐摩耗性に加え、耐クラック性も兼ね備えており、上端部13に成膜する硬質皮膜層2の膜厚を逃げ部17、ベアリング15及び径縮小部16よりも厚くなるように被覆しても、このような異常摩耗が抑制される。特に、逃げ部17に対する上端部13の膜厚比が1を超え2.5未満(上端部13の膜厚を逃げ部17の膜厚の1倍を超え、2.5倍未満)とすることで、最も優れた耐久性が得られる。
(Hard film formation on cold plastic working mold)
When the hard coating layer 2 of the present invention is formed on the surface of the functional portion 12 of the punch 10 shown in FIG. 4 (FIG. 5), the film thickness of the upper end portion 13 is the bearing portion 15, the diameter reducing portion 16, and the relief portion 17. Cover to be thicker. Thereby, the durability of the punch 10, particularly the durability of the upper end portion 13 can be further improved.
Generally, as described in Patent Document 6, when a high hardness coating layer is coated on the upper end portion 13 rather than the relief portion 17 or the like, the coating layer on the upper end portion 13 is cracked to cause abnormal wear on the punch. It was easy to occur. However, as described above, the hard coating layer 2 of the present invention also has crack resistance in addition to excellent wear resistance, and the thickness of the hard coating layer 2 formed on the upper end portion 13 is reduced by the relief portion 17. Even if the bearing 15 and the diameter-reduced portion 16 are coated so as to be thicker, such abnormal wear is suppressed. In particular, the thickness ratio of the upper end portion 13 to the relief portion 17 is more than 1 and less than 2.5 (the thickness of the upper end portion 13 is more than 1 and less than 2.5 times the thickness of the relief portion 17). The most excellent durability can be obtained.

(硬質皮膜層の形成方法)
本発明に係る硬質皮膜層2をパンチ10等の金型への形成(成膜)については、硬質皮膜層2は積層構造を構成しているA層3及びB層4が多くの元素を含有しているので、その各層の組成を正確に制御する必要がある。このため、硬質皮膜層2の成膜は、固体の蒸発源を使用したアークイオンプレーティング法を用いることが最も好ましい。アークイオンプレーティング法は、ターゲットに含まれる各原子の蒸発時のイオン化率が高く、基材に印加したバイアス電圧により緻密な皮膜を形成することができるからである。
(Method for forming hard coating layer)
Regarding the formation (film formation) of the hard coating layer 2 according to the present invention on a mold such as a punch 10, the hard coating layer 2 contains many elements in the A layer 3 and the B layer 4 constituting the laminated structure. Therefore, it is necessary to accurately control the composition of each layer. For this reason, it is most preferable to form the hard coating layer 2 using an arc ion plating method using a solid evaporation source. This is because the arc ion plating method has a high ionization rate when each atom contained in the target is evaporated, and a dense film can be formed by a bias voltage applied to the substrate.

パンチ10の基材上に硬質皮膜層を形成するには、まず前処理として、所定サイズのパンチ10の基材について超音波脱脂洗浄を実施する。次に、超音波脱脂洗浄済みパンチ10の基材を成膜装置内の所定の位置に挿入して固定した後、この基材を400〜550℃の所定温度に保持して、アークイオンプレーティング法でパンチ10の基材上に硬質皮膜層を形成する。これにより、所定の組成と積層構造を有する硬質皮膜層を形成した冷間塑性加工用金型のパンチを製造することができる。  In order to form a hard coating layer on the base material of the punch 10, ultrasonic degreasing cleaning is first performed on the base material of the punch 10 having a predetermined size as a pretreatment. Next, after inserting the base material of the ultrasonic degreased and washed punch 10 at a predetermined position in the film forming apparatus, the base material is held at a predetermined temperature of 400 to 550 ° C., and arc ion plating is performed. A hard coating layer is formed on the base material of the punch 10 by the method. Thereby, it is possible to manufacture a punch for a cold plastic working mold in which a hard coating layer having a predetermined composition and a laminated structure is formed.

具体的な成膜方法について説明すると次のようになる。成膜装置のカソードに、各種合金、あるいは金属のターゲットを取り付け、さらに、回転する基材ステージ35(図6参照)上の支持台上に被処理体となるパンチ10の基材を取り付ける。また、被処理体となるパンチ10の固定は、回転する基材ステージ35上でさらに回転する、いわゆる自公転処理としても良い。  A specific film forming method will be described as follows. Various alloys or metal targets are attached to the cathode of the film forming apparatus, and further, the base material of the punch 10 serving as an object to be processed is attached on a support base on the rotating base material stage 35 (see FIG. 6). Further, the fixing of the punch 10 as the object to be processed may be a so-called self-revolution process that further rotates on the rotating substrate stage 35.

次に、チャンバー(真空容器)内を真空引き(5×10−3Pa以下に排気)し、真空状態にする。次に、チャンバー内に設置されているヒータで被処理体の温度を約500℃に加熱し、フィラメントからの熱電子放出によるイオン源により、Arイオンによるエッチングを5分間程度実施する。
続いて、アーク電流を150Aとし、全圧力3.2PaのN雰囲気にて、アーク式蒸発源による上記ターゲットを用いたアークイオンプレーティングにより、上記ターゲット成分の窒化物皮膜を成膜する。このとき、炭窒化物皮膜とする場合には、Nガスに加えて、炭素を含有するガスを加えた雰囲気中で、同様にアークイオンプレーティングにより上記ターゲット成分の炭窒化物皮膜を成膜する。さらに、ホウ素を含有した皮膜とする場合には、ホウ素を含有するターゲットを用いて、同様にアークイオンプレーティングによりホウ素を含有する窒化物又は炭窒化物皮膜を成膜する。
Next, the inside of the chamber (vacuum container) is evacuated (exhaust to 5 × 10 −3 Pa or less) to be in a vacuum state. Next, the temperature of the object to be processed is heated to about 500 ° C. with a heater installed in the chamber, and etching with Ar ions is performed for about 5 minutes by an ion source by thermionic emission from the filament.
Subsequently, a nitride film of the target component is formed by arc ion plating using the target with an arc evaporation source in an N 2 atmosphere with an arc current of 150 A and a total pressure of 3.2 Pa. At this time, when the carbonitride film is used, the carbonitride film of the target component is similarly formed by arc ion plating in an atmosphere in which a gas containing carbon is added in addition to N 2 gas. To do. Further, when a boron-containing film is used, a boron-containing nitride or carbonitride film is similarly formed by arc ion plating using a boron-containing target.

なお、複数の蒸発源に異なる組成のターゲットを取り付け、回転する基材ステージの支持台上にパンチ10の基材を載置して、成膜中にパンチ10の基材を基材ステージとともに回転させることによって積層された硬質皮膜層を形成することができる。このとき、パンチ10の基材は基材ステージの回転に伴い、異なる組成のターゲットを取り付けた蒸発源の前を交互に通過するときに、各々の蒸発源のターゲット組成に対応した皮膜が交互にパンチ10の基材の表面に形成される。これにより、積層構造を備えた硬質皮膜層を形成することが可能になる。  In addition, the target of a different composition is attached to a plurality of evaporation sources, the base material of the punch 10 is placed on the support base of the rotating base material stage, and the base material of the punch 10 is rotated together with the base material stage during film formation. By laminating, it is possible to form a laminated hard coating layer. At this time, when the base material of the punch 10 alternately passes in front of the evaporation source to which the target having a different composition is attached as the substrate stage rotates, the coating corresponding to the target composition of each evaporation source is alternately It is formed on the surface of the base material of the punch 10. This makes it possible to form a hard coating layer having a laminated structure.

また、積層構造をなすA層3、B層4の各々の層厚は、パンチ10の基材とターゲット表面間の距離、各蒸発源への投入電力(蒸発量)、基材ステージの回転速度及び回転数の累計値に基づいて制御することができる。なお、基材ステージの回転速度が速くなるように制御すると、基材ステージの1回転あたりの皮膜の厚みは薄くなる。  The layer thicknesses of the A layer 3 and the B layer 4 constituting the laminated structure are the distance between the base material of the punch 10 and the target surface, the input power (evaporation amount) to each evaporation source, and the rotational speed of the base material stage. And it can control based on the accumulated value of the rotation speed. In addition, if it controls so that the rotational speed of a base material stage may become high, the thickness of the membrane | film | coat per rotation of a base material stage will become thin.

なお、パンチ10の基材への成膜において、上端部13の膜厚を、パンチ10の長手方向に向く周面となる逃げ部17等に対して厚くなる皮膜を形成する方法は、パンチ10の基材がターゲットの前面を通過するときに、この上端部13をターゲット面に向けた姿勢にしてパンチ10を基材ステージに載置することにより得られる。  In the film formation on the base material of the punch 10, a method of forming a film in which the film thickness of the upper end portion 13 is thicker than the relief portion 17 that is a peripheral surface facing the longitudinal direction of the punch 10 is the punch 10. When the base material passes through the front surface of the target, the punch 10 is placed on the base material stage with the upper end portion 13 facing the target surface.

上記した手順に基づいて硬質皮膜層を被覆したパンチ10の基材は、成膜時に不可避的に混入するドロップレットと呼ばれる金属粒子等の付着や、皮膜層の結晶粒径、基材表面の凹凸によって、硬質皮膜層の表面粗度は被覆前よりも悪化する。そのため、硬質皮膜層を形成した後に、ダイヤモンド粒子等の硬質粒子を含有したバフ等で、硬質皮膜層の表面をバフ研磨して所定の表面粗さを有する平滑化された硬質皮膜層2を得るようにする。これにより、硬質皮膜層2が形成されたパンチ10を製造することができる。
なお、上記した成膜手順に基づいて、パンチ10の基材の表面に前記した下地層6を、硬質皮膜層2の表面に表面層7を形成することができる。
The base material of the punch 10 coated with the hard coating layer based on the above-described procedure is the adhesion of metal particles called droplets inevitably mixed during film formation, the crystal grain size of the coating layer, the unevenness of the substrate surface Thus, the surface roughness of the hard coating layer is worse than that before coating. Therefore, after the hard coating layer is formed, the surface of the hard coating layer is buffed with a buff containing hard particles such as diamond particles to obtain a smoothed hard coating layer 2 having a predetermined surface roughness. Like that. Thereby, the punch 10 in which the hard coating layer 2 is formed can be manufactured.
In addition, based on the above-described film forming procedure, the above-described underlayer 6 can be formed on the surface of the base material of the punch 10, and the surface layer 7 can be formed on the surface of the hard coating layer 2.

以下、本発明の実施例について説明する。本発明に係る硬質皮膜層2と、この硬質皮膜層2を被覆した冷間塑性加工用金型を試作してその耐久性を評価するための実験を行った。この実験を行うために、冷間塑性加工用金型として、パンチとダイスからなる金型のうちのパンチについて、硬質皮膜層を形成した本発明例、及び比較例となる25種の冷間鍛造用パンチを試作した。試作したパンチの材質は、いずれも超硬合金製でCIS規格のVM30(CIS019D分類)を使用した。そして、この超硬合金からなる素材に研削及び切削加工を施して所定の形状を有するパンチ基材(以下、「パンチ基材34」と記載する)を製作した。なお、このパンチ基材34は、鍛造成形時に被加工物との接触部(鍛造する被加工物との接触部)となるパンチ機能部(図4に示す長さL1の機能部12)の表面を鏡面研磨し、機能部の表面粗さ(Ra)を0.03μmに、表面粗さ(Ry)を0.3μmにした。  Examples of the present invention will be described below. An experiment for evaluating the durability of the hard coating layer 2 according to the present invention and a cold plastic working mold coated with the hard coating layer 2 was performed. In order to perform this experiment, as a cold plastic working die, the punch of the die composed of a punch and a die, the present invention example in which a hard coating layer was formed, and 25 kinds of cold forgings as comparative examples A prototype punch was made. The prototype punches were made of cemented carbide and used CIS standard VM30 (CIS019D classification). And the punch base material (henceforth "the punch base material 34") which gave the shape which gave grinding and cutting to the raw material which consists of this cemented carbide alloy was manufactured. In addition, this punch base material 34 is a surface of a punch function part (function part 12 having a length L1 shown in FIG. 4) that becomes a contact part (contact part with the work to be forged) at the time of forging. The surface roughness (Ra) of the functional part was 0.03 μm, and the surface roughness (Ry) was 0.3 μm.

パンチ基材34の先端部分の形状は、ベアリング部の径を12.35mm、逃げ部の径を12.15mm、円弧形状部(図4に示す円弧形状部19)の円弧半径を0.5mm、逃し角αを5°、先端部の先端角βを4°とし、ベアリング部15と径縮小部16とが滑らかに繋がった構成からなる仕様とした。また、パンチの機能部12の長さ(L1)を105mm、パンチの把持部11の長さ(L2)を30mmとした。  The shape of the tip portion of the punch base 34 is such that the diameter of the bearing portion is 12.35 mm, the diameter of the escape portion is 12.15 mm, the arc radius of the arc-shaped portion (arc-shaped portion 19 shown in FIG. 4) is 0.5 mm, The relief angle α is 5 °, the tip angle β of the tip is 4 °, and the bearing portion 15 and the diameter reducing portion 16 are smoothly connected. The length (L1) of the punch functional part 12 was set to 105 mm, and the length (L2) of the punch holding part 11 was set to 30 mm.

上記仕様を有するパンチ基材34の25種について、その表面に、すなわち、図4に示すパンチ10の機能部12の表面に、複数のアーク蒸発源を有する成膜装置を用いて、表1に示す仕様を備えた硬質皮膜層を成膜した試作パンチを製造した。以下の説明において、パンチ基材34及び試作パンチの各部位の符号と名称は、図4及び図5に示す符号とその名称を用いて説明する。  For the 25 types of punch base material 34 having the above specifications, a film forming apparatus having a plurality of arc evaporation sources on the surface thereof, that is, on the surface of the functional unit 12 of the punch 10 shown in FIG. A prototype punch with a hard coating layer having the specifications shown was manufactured. In the following description, the reference numerals and names of each part of the punch base material 34 and the prototype punch will be described using the reference numerals and names shown in FIGS. 4 and 5.

図6に本実験に使用した成膜装置30の概略構成を示している。以下、成膜装置30を使用して、パンチ基材34に硬質皮膜層を成膜した手順について説明する。
まず、成膜装置30の真空容器31内に設けたカソード(A)32とカソード(B)33に、各種合金、あるいは金属のターゲット(図示せず)を取り付けた。そして、炭化水素系溶剤中にて超音波脱脂洗浄を行ったパンチ基材34を、基材ステージ35上の支持台(図示せず)上に取り付けた。このとき、パンチ基材34の上端部13(図4に示す上端部13)をターゲットに向けて基材ステージ35上の支持台(図示せず)上に取り付けた。
続いて、真空容器31内を真空引き(5×10−3Pa以下に排気)して真空状態にし、次に、図示していないヒータによりパンチ基材34の温度を500℃に加熱した後、パンチ基材34の表面をクリーニングするために、図示していないフィラメントからの熱電子放出によるイオン源によってArをイオン化し、基材ステージ35にバイアス電圧を印加することで、パンチ基材34の表面をArイオンで5分程度エッチングした。
FIG. 6 shows a schematic configuration of the film forming apparatus 30 used in this experiment. Hereinafter, a procedure for forming a hard coating layer on the punch base material 34 using the film forming apparatus 30 will be described.
First, various alloys or metal targets (not shown) were attached to the cathode (A) 32 and the cathode (B) 33 provided in the vacuum container 31 of the film forming apparatus 30. And the punch base material 34 which performed ultrasonic degreasing washing | cleaning in the hydrocarbon-type solvent was attached on the support stand (not shown) on the base-material stage 35. As shown in FIG. At this time, the upper end portion 13 (upper end portion 13 shown in FIG. 4) of the punch base material 34 was mounted on a support base (not shown) on the base material stage 35 so as to face the target.
Subsequently, the inside of the vacuum vessel 31 is evacuated (evacuated to 5 × 10 −3 Pa or less) to be in a vacuum state, and then the temperature of the punch base 34 is heated to 500 ° C. by a heater (not shown), In order to clean the surface of the base material 34, Ar is ionized by an ion source generated by thermionic emission from a filament (not shown), and a bias voltage is applied to the base material stage 35. Etching was performed with Ar ions for about 5 minutes.

続いて、窒素ガス、必要に応じて炭素を含有するガスを窒素ガスに加えた混合ガスを真空容器31に導入して、真空容器31内の圧力が3.5Paに達するとアーク蒸発源であるカソード(A)32とカソード(B)33に放電電流150Aを印加し、基材ステージ35をR方向に所定の回転速度で回転させながら、バイアス電圧を印加することで、パンチ基材34に所定厚さの硬質皮膜層を形成した。なお、図6に示す符号「36」、「37」はアーク電源装置、符号「38」はバイアス電源装置である。  Subsequently, a mixed gas obtained by adding nitrogen gas and, if necessary, a gas containing carbon to nitrogen gas is introduced into the vacuum vessel 31, and when the pressure in the vacuum vessel 31 reaches 3.5 Pa, it is an arc evaporation source. A discharge current 150A is applied to the cathode (A) 32 and the cathode (B) 33, and a bias voltage is applied while rotating the substrate stage 35 in the R direction at a predetermined rotation speed, whereby a predetermined voltage is applied to the punch substrate 34. A hard coating layer having a thickness was formed. Note that reference numerals “36” and “37” shown in FIG. 6 are arc power supply apparatuses, and reference numeral “38” is a bias power supply apparatus.

積層構造からなる硬質皮膜層の形成については、A層3およびB層4の組成となるターゲットをカソード(A)32およびカソード(B)33に取り付けて、パンチ基材34を載置した基材ステージ35をR方向に回転させた。そして、まず、A層3のターゲットのみ、前記した窒素ガス等を含む所定の雰囲気中で単独で放電させ、パンチ基材34にバイアス電圧を−40V印加し、厚さ0.5μmの下地層6を形成した。その後、A層3およびB層4の組成となるターゲットを同時に放電させ、パンチ基材34にバイアス電圧を−40V印加して基材ステージ35を回転させながら、A層3とB層4とがこの順に交互に積層された積層構造5を有する硬質皮膜層をパンチ基材34の表面に成膜した。なお、この成膜では、パンチ基材34に形成した硬質皮膜層の総膜厚は、2μm、2.5μm、又は3μmとなるようにした。  For the formation of a hard coating layer having a laminated structure, a base material on which a punch base material 34 is mounted by attaching a target having the composition of the A layer 3 and the B layer 4 to the cathode (A) 32 and the cathode (B) 33. The stage 35 was rotated in the R direction. First, only the target of the A layer 3 is discharged alone in a predetermined atmosphere containing the nitrogen gas described above, a bias voltage of −40 V is applied to the punch base material 34, and the base layer 6 having a thickness of 0.5 μm. Formed. Thereafter, the target having the composition of the A layer 3 and the B layer 4 is discharged at the same time, and a bias voltage of −40 V is applied to the punch base material 34 and the base material stage 35 is rotated. A hard film layer having a laminated structure 5 laminated alternately in this order was formed on the surface of the punch base 34. In this film formation, the total film thickness of the hard coating layer formed on the punch base material 34 was set to 2 μm, 2.5 μm, or 3 μm.

上記した硬質皮膜層の成膜において、A層3の層厚とB層4の層厚比である、(dB/dA)値の制御方法は、図6に示すターゲットとパンチ基材34との距離(ターゲット基材間距離)L3と、A層3およびB層4に対応する成膜用ターゲットに印加するアーク放電電流を80〜150Aの範囲で変化させること、さらに、基材ステージ35の回転速度、回転数の累計値に基づいて制御した。すなわち、ターゲット基材間距離L3を長くすること、ターゲットに印加するアーク放電電流を低くすること、基材ステージ35の回転速度を早くすることにより、A層3およびB層4の単一の膜厚を薄くすることができる。
なお、本実施例では、表1に示す試料番号9と10を除き、A層およびB層の単一の膜厚が50nm以下となるように、ターゲット基材間距離L3、ターゲットに印加するアーク放電電流、基材ステージ35の回転速度を制御した。パンチ基材34に硬質皮膜層を形成した後、引き続いて、硬質皮膜層の表面にA層又はB層の組成を有する表面層7を厚さ1μm被覆する成膜も行った。そして、成膜処理が完了したパンチ基材34の温度が200℃以下となった後に、このパンチ基材34を真空容器31から取り出した。
In the film formation of the hard coating layer described above, the method for controlling the (dB / dA) value, which is the layer thickness ratio of the A layer 3 and the B layer 4, is as follows. Changing the distance (distance between target substrates) L3 and the arc discharge current applied to the deposition targets corresponding to the A layer 3 and the B layer 4 in the range of 80 to 150 A, and further rotating the substrate stage 35 Control was based on the cumulative value of speed and rotation speed. That is, by increasing the distance L3 between the target substrates, decreasing the arc discharge current applied to the target, and increasing the rotation speed of the substrate stage 35, a single film of the A layer 3 and the B layer 4 is obtained. The thickness can be reduced.
In this example, except for sample numbers 9 and 10 shown in Table 1, the distance L3 between the target substrates and the arc applied to the target so that the single film thickness of the A layer and the B layer is 50 nm or less. The discharge current and the rotation speed of the substrate stage 35 were controlled. After the hard coating layer was formed on the punch base material 34, film formation was performed by subsequently coating the surface of the hard coating layer with the surface layer 7 having the composition of A layer or B layer having a thickness of 1 μm. Then, after the temperature of the punch base material 34 for which the film forming process was completed became 200 ° C. or less, the punch base material 34 was taken out from the vacuum vessel 31.

上記手順により硬質皮膜層の成膜を行ったパンチ基材34については、パンチ基材34の機能部12の表面を再度鏡面研磨し、機能部12の表面粗さ(Ra)を0.05μm以下、表面粗さ(Ry)を0.5μm以下とされた試作パンチ41を25種(表1に示す試料番号1〜25)製作した。  For the punch base material 34 on which the hard coating layer was formed by the above procedure, the surface of the functional part 12 of the punch base material 34 is mirror-polished again, and the surface roughness (Ra) of the functional part 12 is 0.05 μm or less. 25 types of prototype punches 41 (sample numbers 1 to 25 shown in Table 1) having surface roughness (Ry) of 0.5 μm or less were produced.

パンチ基材34に成膜した硬質皮膜層の厚さ方向の断面において、任意に選択された径が1μmの範囲内における組成の測定は、エネルギー分散型X線分析により測定した。また、硬質皮膜層を構成するA層およびB層の組成は、各々の単一層を上記した同一の成膜条件で2μm以上被覆した試料を別途作成し、同様にエネルギー分散型X線分析で分析した。In the cross section in the thickness direction of the hard coating layer formed on the punch base material 34, the measurement of the composition in the range of the arbitrarily selected diameter of 1 μm was performed by energy dispersive X-ray analysis. In addition, the composition of the A layer and B layer constituting the hard coating layer was separately prepared by coating each single layer with 2 μm or more under the same film formation conditions described above, and similarly analyzed by energy dispersive X-ray analysis. did.

(冷間鍛造の実験)
続いて、上記手順で硬質皮膜層を成膜した試作パンチ41の耐久性を評価するために、このパンチを冷間鍛造用の金型として使用する冷間鍛造の実験を行った。図7(a)、図7(b)は、この冷間鍛造の実験方法を説明するための図を示している。以下、図7に基づいてこの冷間鍛造の実験方法について説明する。
(Cold forging experiment)
Subsequently, in order to evaluate the durability of the trial punch 41 having a hard coating layer formed by the above-described procedure, an experiment of cold forging using this punch as a die for cold forging was performed. FIG. 7A and FIG. 7B are diagrams for explaining the cold forging experimental method. Hereinafter, an experimental method for cold forging will be described with reference to FIG.

図7において、符号「40」は冷間鍛造方法のうち、後方押し出し成形工程(以下、「後方押出し成形工程40」と記載する)の概略図を示している。後方押出し成形工程40は、冷間加工用金型として上記した手順に基づいて硬質皮膜層を成膜した試作パンチ41と、下受けパンチ42と、ダイス43と、枠体44を少なくとも備えている。なお、図7の(a)は、試作パンチ41で押出し成形品を塑性加工する前の状態、(b)は試作パンチ41で押出し成形品を塑性加工した後の状態を示す図である。  In FIG. 7, reference numeral “40” indicates a schematic diagram of a backward extrusion molding process (hereinafter referred to as “backward extrusion molding process 40”) in the cold forging method. The backward extrusion molding process 40 includes at least a prototype punch 41 in which a hard coating layer is formed based on the above-described procedure as a cold working mold, a base punch 42, a die 43, and a frame body 44. . 7A shows a state before the extrusion punched product is plastically processed with the prototype punch 41, and FIG. 7B shows a state after the extrusion molded product is plastic processed with the prototype punch 41. FIG.

被加工物に対して後方押出し成形を行うときには、図7(a)に示すように、ダイス43の穴部43aに、例えば、円柱形状をなす被加工物45を挿入して下受けパンチ42上に載置し、続いて、試作パンチ41をF方向に上下動させる駆動、すなわち、試作パンチ41をダイス43の穴部43a内でショット駆動させて被加工物45に対して冷間鍛造による塑性加工(塑性加工による成形)を実施して、被加工物45を底付円筒形状からなる押出し成形品に加工した。  When backward extrusion molding is performed on the workpiece, as shown in FIG. 7A, for example, a workpiece 45 having a cylindrical shape is inserted into the hole 43 a of the die 43, so that Next, driving for moving the prototype punch 41 up and down in the F direction, that is, driving the prototype punch 41 in the hole 43a of the die 43 by shot and plasticizing the workpiece 45 by cold forging. Processing (molding by plastic processing) was performed to process the workpiece 45 into an extruded product having a bottomed cylindrical shape.

なお、この後方押出し成形において、被加工物45の材質はS45C(機械構造用炭素鋼)とした。また、この被加工物45は、この被加工物の素材への線引時に焼鈍及びボンデ処理(リン酸塩処理)を施した後、パーツフォーマーを用いて切断、切端面矯正及び絞り加工を行う工程を経て製造した。  In this backward extrusion molding, the material of the workpiece 45 was S45C (carbon steel for machine structure). Further, the workpiece 45 is subjected to annealing and bond treatment (phosphate treatment) at the time of drawing the workpiece to the raw material, and then cutting, cutting edge correction and drawing using a parts former. It manufactured through the process to perform.

この冷間鍛造による塑性加工では、被加工物45の断面減少率が70%、成形深さが直径の略5倍の後方押し出し工程からなる塑性加工を実施して、図7(b)に示すように、円筒部46aと底部46bを有する円筒形状をなす鍛造成形品(押出し成形品)46を順次繰り返して成形しながら、試作パンチ41の耐久性を評価した。
なお、この後方押出し成形においては、試作パンチ41の上端部13の表面に作用する鍛造成形応力は2500MPa程度、1分間あたりのショット回数は60ショット、潤滑油は硫黄系の極圧添加剤を含有した不水溶性の鍛造油を試作パンチ41に直接供給した。
In this plastic working by cold forging, plastic working consisting of a backward extrusion process in which the cross-section reduction rate of the work piece 45 is 70% and the forming depth is about 5 times the diameter is performed, and is shown in FIG. 7B. As described above, the durability of the prototype punch 41 was evaluated while sequentially forming a forged molded product (extruded product) 46 having a cylindrical shape having a cylindrical portion 46a and a bottom portion 46b.
In this backward extrusion molding, the forging molding stress acting on the surface of the upper end portion 13 of the prototype punch 41 is about 2500 MPa, the number of shots per minute is 60 shots, and the lubricating oil contains a sulfur-based extreme pressure additive. The water-insoluble forging oil thus prepared was directly supplied to the trial punch 41.

試作パンチ41の耐久性の評価は、次の手順に基づいて実施した。すなわち、25種の試作パンチ41を順次用いて、被加工物45を前記した後方押出し成形により塑性加工したときに、押出し成形品46の円筒部46aの内側表面に対して縦スジ発生の有無を判定した。そして、この縦スジが顕著に生じてこの縦スジにより、押出し成形品46の内径寸法が目標寸法に対して±0.01mmの誤差が生じているか否かを測定し、±0.01mmの誤差が生じた時点の累計ショット回数を鍛造寿命、すなわち、試作パンチ41の損傷による寿命と判定した。  The durability of the prototype punch 41 was evaluated based on the following procedure. That is, when 25 workpiece prototype punches 41 are sequentially used and the workpiece 45 is plastically processed by the backward extrusion molding described above, whether or not vertical stripes are generated on the inner surface of the cylindrical portion 46a of the extruded product 46. Judged. This vertical streak is prominently generated, and it is determined whether or not the vertical streak causes an error of ± 0.01 mm in the inner diameter dimension of the extruded product 46 with respect to the target dimension. The cumulative number of shots at the time when this occurred was determined as the forging life, that is, the life due to damage of the prototype punch 41.

上記した25種の試作パンチ41について、耐久性評価の実験を行った結果を表1及び表2に示している。
表1には、試作した25種の試作パンチ(試料番号1〜25)ごとに、成膜した硬質皮膜層の厚さ方向の断面において、任意に選択された径が1μmの範囲内における組成(原子比)を示している。また、表2には25種の試作パンチ(試料番号1〜25)ごとに、硬質皮膜層を構成するA層とB層の組成(原子比)と、A層の膜厚(dA)とB層の膜厚(dB)、積層回数、硬質皮膜層の膜厚、(dB/dA)値、下地層及び表面層の皮膜種(A層かB層かの区別)、鍛造寿命(万ショット)、に関する項目の情報を記載している。このうち、積層回数は一つのA層と一つのB層の組合せを1積層回数としたときの総積層回数である。また、硬質皮膜層の膜厚は、下地層及び表面層を含まない硬質皮膜層自体の膜厚を示している。
Tables 1 and 2 show the results of durability evaluation experiments for the 25 types of prototype punches 41 described above.
Table 1 shows the composition of each of the 25 prototype punches (sample numbers 1 to 25) in the range of 1 μm in the diameter selected arbitrarily in the cross section in the thickness direction of the hard coating layer formed. Atomic ratio). Table 2 shows the composition (atomic ratio) of the A and B layers constituting the hard coating layer, the thickness of the A layer (dA), and B for each of the 25 prototype punches (sample numbers 1 to 25). Layer thickness (dB), number of laminations, hard coating layer thickness, (dB / dA) value, coating type of base layer and surface layer (distinguish between A layer and B layer), forging life (10,000 shots) Information on items related to, is described. Of these, the number of laminations is the total number of laminations when the combination of one A layer and one B layer is one. The film thickness of the hard coating layer indicates the film thickness of the hard coating layer itself that does not include the base layer and the surface layer.

なお、表2の試料番号ごとのA層及びB層に含有されている各元素の組成(原子比)を記載した縦方向の欄において、記号「↑」が表示されている場合は、その上段の試料番号の組成と同一であることを、及び同一組成のターゲットを使用したことを示している。また、各元素の組成値が記載されている試料番号は、ターゲットを替えて成膜したことを示している。また、表2においてA層及びB層の元素記号の欄に記号「−」が記載されている場合は、A層又はB層を形成していないことを示し、この試料番号には(dB/dA)値が存在しないので(dB/dA)欄にも「−」を記載している。下地層及び表面層の欄に「−」が記載されている場合は、下地層又は表面層を形成していないことを示す。  In addition, when the symbol “↑” is displayed in the vertical column in which the composition (atomic ratio) of each element contained in the A layer and the B layer for each sample number in Table 2 is displayed, the upper row It is shown that the same composition as that of the sample number is used, and that the target having the same composition was used. Moreover, the sample number in which the composition value of each element is described indicates that the film was formed by changing the target. In Table 2, when the symbol “-” is written in the element symbol column of the A layer and the B layer, it indicates that the A layer or the B layer is not formed, and this sample number has (dB / Since there is no dA) value, “-” is also written in the (dB / dA) column. When "-" is described in the column of the underlayer and the surface layer, it indicates that the underlayer or the surface layer is not formed.

上記した表1及び表2に示す項目のうち、硬質皮膜層の厚さ方向の断面において、任意に選択された径が1μmの範囲内における組成と、硬質皮膜層を構成するA層とB層の組成は、各皮膜層に含有されている元素Ti、Cr、Al、Si、Nb、Vの原子比を示し、原子比の総計は1である。また、A層の膜厚(dA)とB層の膜厚(dB)は、それぞれ単一層の膜厚である。硬質皮膜層の膜厚は、試作パンチの逃げ部17の膜厚を示し、(dB/dA)値は小数点2位以下を四捨五入した値を記載している。なお、試作パンチ41の先端部13における硬質皮膜層の膜厚は、前記したように、逃げ部17の膜厚の1倍を超え、2.5倍未満の範囲になっている。Among the items shown in Table 1 and Table 2 above, in the cross section in the thickness direction of the hard coating layer, the composition within the range of the diameter of 1 μm arbitrarily selected, and the A layer and B layer constituting the hard coating layer The composition of represents the atomic ratio of elements Ti, Cr, Al, Si, Nb, V contained in each coating layer, and the total of the atomic ratio is 1. The film thickness (dA) of the A layer and the film thickness (dB) of the B layer are each a single layer film thickness. The film thickness of the hard coating layer indicates the film thickness of the relief portion 17 of the prototype punch, and the (dB / dA) value is a value obtained by rounding off the second decimal place. Note that, as described above, the film thickness of the hard coating layer at the tip portion 13 of the prototype punch 41 is in the range of more than 1 time and less than 2.5 times the film thickness of the relief portion 17.

また、表2に示す鍛造寿命(万ショット)は、前記したように累計ショット回数を示すが、この回数の単位は万ショットを単位として、1万ショット以下を切り捨てた数値で記載している。なお、表1(表2)の試料番号の欄には、試料番号に対応させてこの試料番号に対応する試作パンチが本発明例か、比較例かのいずれのパンチに相当するかを記載している。  Further, the forging life (10,000 shots) shown in Table 2 indicates the cumulative number of shots as described above, and the unit of this number is indicated by a numerical value obtained by discarding 10,000 shots or less with 10,000 shots as a unit. In the sample number column of Table 1 (Table 2), it is described whether the prototype punch corresponding to this sample number corresponds to the sample number, which corresponds to the punch of the present invention example or the comparative example. ing.

続いて、各試作パンチ41に成膜した硬質皮膜層に関する仕様を表1、表2に基づいて説明する。
(1)試料番号1〜8は、(dB/dA)値を0.1〜2.0の範囲で変化させて硬質皮膜層を成膜した試料とした。試料番号9は、A層のみを所定膜厚で成膜した試料とした。試料番号10は、B層のみを所定膜厚で成膜した試料とした。
(2)試料番号11は、下地層をA層とし、表面層をB層とした試料である。
(3)試料番号12〜17、22は、A層の組成を変化させた試料とし、試料番号18〜21は、B層の組成を変化させた試料とした。
(4)試料番号23、24は、下地層又は表面層の一方を被覆しない試料とした。
(5)試料番号25は、A層及びB層に含まれるSi含有量を多くした試料とした。
Next, specifications regarding the hard coating layer formed on each prototype punch 41 will be described based on Tables 1 and 2.
(1) Sample numbers 1 to 8 were samples in which the hard coating layer was formed by changing the (dB / dA) value in the range of 0.1 to 2.0. Sample No. 9 was a sample in which only the A layer was formed with a predetermined film thickness. Sample No. 10 was a sample in which only the B layer was formed with a predetermined film thickness.
(2) Sample No. 11 is a sample in which the base layer is an A layer and the surface layer is a B layer.
(3) Sample numbers 12 to 17 and 22 were samples in which the composition of the A layer was changed, and sample numbers 18 to 21 were samples in which the composition of the B layer was changed.
(4) Sample numbers 23 and 24 were samples that did not cover either the base layer or the surface layer.
(5) Sample number 25 was a sample in which the Si content contained in the A layer and the B layer was increased.

[試作パンチの耐久性の評価]
試料番号1〜25に係る試作パンチ41について、前記した冷間鍛造の実験条件に基づいて冷間鍛造の実験を実施した結果を表2の「鍛造寿命(万ショット)」欄に示している。この鍛造寿命の結果から次の(1)〜(5)に記載の事項が明らかになった。
[Evaluation of durability of prototype punch]
The results of the cold forging experiment conducted on the prototype punches 41 according to the sample numbers 1 to 25 based on the above-described cold forging experimental conditions are shown in the “Forging life (10,000 shots)” column of Table 2. From the results of this forging life, the matters described in the following (1) to (5) became clear.

(1)試料番号1〜8について、(dB/dA)値が鍛造寿命に及ぼす影響を比較検討した。(dB/dA)値が0.1〜0.5である本発明例となる試料番号1〜5の鍛造寿命が12〜26万ショットであったことに対し、(dB/dA)値が0.7〜2.0である試料番号6〜8(比較例)は鍛造寿命が5万ショット以下であった。また、比較例となる試料番号9はA層の単一層、比較例となる試料番号10はB層の単一層を被覆した場合であるが、いずれも2万ショット以下の鍛造寿命であった。  (1) For sample numbers 1 to 8, the influence of the (dB / dA) value on the forging life was compared. The forging life of Sample Nos. 1 to 5 which is an example of the present invention having a (dB / dA) value of 0.1 to 0.5 was 1260 to 260,000 shots, whereas the (dB / dA) value was 0. Sample Nos. 6 to 8 (Comparative Example) having a thickness of 0.7 to 2.0 had a forging life of 50,000 shots or less. Sample No. 9 as a comparative example is a case where a single layer of A layer is coated, and Sample No. 10 as a comparative example is a case where a single layer of B layer is coated, both of which have a forging life of 20,000 shots or less.

図8に(dB/dA)値が0.3からなる本発明例の試料番号3の鍛造寿命時における試作パンチについてその上端部13の先端点(上端部の外周縁部13aとなる円弧形状部19)付近の上方視からの顕微鏡写真図を、図9に(dB/dA)値が0.5からなる本発明例の試料番号1の鍛造寿命時における試作パンチについて同じく上端部の先端点付近の上方視からの顕微鏡写真図を示している。さらに、図10に(dB/dA)値が2.0からなる比較例の試料番号8の鍛造寿命時における試作パンチについて同じく上端部の先端点付近の上方視による顕微鏡写真図を示している。なお、図8〜図10において、緩やかな円弧形状をなしている箇所が試作パンチの上端部の先端点、すなわち、図5に示す円弧形状部19に該当し、いずれの写真図も倍率を80倍として撮像した。FIG. 8 shows a sample punch 3 having a (dB / dA) value of 0.3 in the trial forging life of the sample No. 3 at the tip end of the upper end portion 13 (the arc-shaped portion serving as the outer peripheral edge portion 13a of the upper end portion). 19) A microphotograph of the vicinity from above, FIG. 9 shows the vicinity of the tip of the upper end of the prototype punch during the forging life of Sample No. 1 of the present invention example having a (dB / dA) value of 0.5. The micrograph figure from above is shown. Further, FIG. 10 shows a microphotograph of the prototype punch during the forging life of the sample number 8 of the comparative example having a (dB / dA) value of 2.0 , as viewed from the upper portion near the tip end of the upper end portion. 8 to 10, the portion having a gentle arc shape corresponds to the tip of the upper end of the prototype punch, that is, the arc shape portion 19 shown in FIG. Imaged as double.

図8〜図10から明らかなように、(dB/dA)値が増加するに伴い、特に、比較例となる試料番号8の試作パンチにおいては図10に示すように、上端部の先端点付近における硬質皮膜層が異常損傷していることが分かる。
さらに、図11に比較例となる試料番号8の鍛造寿命時における上端部の先端点付近の側面視による顕微鏡写真図(倍率300倍)を示している。図11に示されているように、硬質皮膜層の表面には試作パンチの軸直角方向に多数のマイクロクラックが観察された。このことから、(dB/dA)値が0.5を超えて増加するに伴って硬質皮膜層にマイロクラックが発生し、このマイクロクラックがパンチに早期の損傷を発生させる原因になると考えられる。
As apparent from FIGS. 8 to 10, as the (dB / dA) value increases, in particular, in the prototype punch of sample number 8 as a comparative example, as shown in FIG. It can be seen that the hard coating layer at is abnormally damaged.
Further, FIG. 11 shows a micrograph (magnification 300 times) in a side view of the vicinity of the tip of the upper end at the forging life of sample number 8 as a comparative example. As shown in FIG. 11, many microcracks were observed on the surface of the hard coating layer in the direction perpendicular to the axis of the prototype punch. From this, it is considered that as the (dB / dA) value increases beyond 0.5, a microcrack occurs in the hard coating layer, and this microcrack causes early damage to the punch.

図12に、比較例となる試料番号9の鍛造寿命時における試作パンチについて、その上端部の先端点付近の側面視による顕微鏡写真図(倍率60倍)を示している。B層を被覆していない試料番号9は図12に示されるように、試作パンチの上端部の先端点付近の硬質皮膜層が剥離して、試作パンチの基材表面が露出していた。
さらに、図13に、図12に表示されている上端部の先端点(円弧形状部)付近の顕微鏡写真図(倍率500倍)を示しているように、試作パンチの軸方向に多数のマイクロクラックが観察された。これらのマイクロクラックは粒界を起点とした硬質皮膜層の破壊であると認められた。
図14にA層を被覆していない比較例となる試料番号10の鍛造寿命時における試作パンチについて、その上端部の先端点付近の側面視による顕微鏡写真図(倍率80倍)を示しているが、先端点付近の硬質皮膜層に異常損傷が観察された。
FIG. 12 shows a photomicrograph (magnification 60 times) of the prototype punch at the forging life of sample number 9 as a comparative example, as viewed from the side near the tip of the upper end. As shown in FIG. 12, sample No. 9 not coated with the B layer had the hard coating layer in the vicinity of the tip of the upper end of the trial punch peeled off, and the base material surface of the trial punch was exposed.
Further, FIG. 13 shows a micrograph (magnification 500 times) in the vicinity of the tip point (arc-shaped portion) of the upper end portion displayed in FIG. Was observed. These micro cracks were recognized as the destruction of the hard coating layer starting from the grain boundary.
FIG. 14 shows a micrograph (magnification: 80 times) of the prototype punch at the forging life of sample number 10 as a comparative example not coated with the A layer, as viewed from the side near the tip of the upper end. Abnormal damage was observed in the hard coating layer near the tip.

以上の試作パンチの耐久性の実験結果から、所定の成分組成を有するA層とB層とを積層構造とし、さらにA層とB層の膜厚比である(dB/dA)値を0.1〜0.5とすることで、硬質皮膜層の耐衝撃性と耐摩耗性が向上し、格段に優れた冷間用金型が得られることが判明した。また、表2に示す各鍛造寿命の数値から、(dB/dA)値は0.1〜0.3の範囲に設定することがより好ましいと判断できる。  From the above experimental results of durability of the prototype punch, the A layer and the B layer having a predetermined component composition are formed into a laminated structure, and the thickness ratio (dB / dA) of the A layer and the B layer is set to 0. It has been found that the impact resistance and wear resistance of the hard coating layer are improved by setting it to 1 to 0.5, and a remarkably excellent cold mold is obtained. Moreover, it can be judged from the numerical value of each forge life shown in Table 2 that it is more preferable to set (dB / dA) value in the range of 0.1-0.3.

(2)試料番号11(本発明例)は、表面層にB層を被覆した場合の本発明例を示すが、表面層にA層を被覆した試料番号3と同様に、20万ショット以上の鍛造寿命が得られた。
試料番号12(本発明例)は、A層の組成をなすTi、Cr、Alの原子比をそれぞれ0.55、0.05、0.40とした本発明例を示すが、30万ショットの鍛造寿命が得られた。
試料番号13(本発明例)は、A層の組成をなすTi、Cr、Alの原子比をそれぞれ0.50、0.10、0.40とした本発明例を示すが、32万ショットの鍛造寿命が得られた。
試料番号14(本発明例)は、A層の組成をなすTi、Cr、Al、Siの原子比をそれぞれ0.55、0.05、0.39、0.01とした本発明例を示すが、30万ショットの鍛造寿命が得られた。
試料番号15(本発明例)は、A層の組成をなすTi、Al、Nbの原子比をそれぞれ0.55、0.35、0.10とした本発明例を示すが、35万ショットの鍛造寿命が得られた。
試料番号16(本発明例)は、A層の組成をなすTi、Al、Nbの原子比がそれぞれ0.45、0.35、0.20とした本発明例を示すが、26万ショットの鍛造寿命が得られた。
試料番号17(本発明例)は、A層の組成をなすTi、Al、Vの原子比がそれぞれ0.50、0.40、0.10とした本発明例を示すが、24万ショットの鍛造寿命が得られた。
試料番号22(本発明例)は、A層の組成をなすTi、Cr、Alの原子比をそれぞれ0.35、0.10、0.55とし、B層の組成を試料番号21と同様にした場合の本発明例を示すが、20万ショットの鍛造寿命が得られた。
(2) Sample No. 11 (Example of the present invention) shows an example of the present invention when the surface layer is coated with the B layer. Like Sample No. 3 where the surface layer is coated with the A layer, 200,000 shots or more are obtained. A forging life was obtained.
Sample No. 12 (example of the present invention) shows an example of the present invention in which the atomic ratios of Ti, Cr, and Al constituting the A layer are 0.55, 0.05, and 0.40, respectively. A forging life was obtained.
Sample No. 13 (example of the present invention) shows an example of the present invention in which the atomic ratio of Ti, Cr, and Al constituting the A layer is 0.50, 0.10, and 0.40, respectively. A forging life was obtained.
Sample No. 14 (example of the present invention) shows an example of the present invention in which the atomic ratios of Ti, Cr, Al, and Si constituting the A layer were 0.55, 0.05, 0.39, and 0.01, respectively. However, a forging life of 300,000 shots was obtained.
Sample No. 15 (example of the present invention) shows an example of the present invention in which the atomic ratios of Ti, Al, and Nb constituting the A layer are 0.55, 0.35, and 0.10, respectively. A forging life was obtained.
Sample No. 16 (example of the present invention) shows an example of the present invention in which the atomic ratios of Ti, Al, and Nb constituting the A layer are 0.45, 0.35, and 0.20, respectively. A forging life was obtained.
Sample No. 17 (Example of the present invention) shows an example of the present invention in which the atomic ratios of Ti, Al, and V constituting the composition of the A layer are 0.50, 0.40, and 0.10, respectively. A forging life was obtained.
Sample No. 22 (example of the present invention) has Ti, Cr and Al atomic ratios of 0.35, 0.10 and 0.55, respectively, and the composition of B layer is the same as sample No. 21. In this example, the forging life of 200,000 shots was obtained.

上記した本発明例となる試料番号11〜17、22の結果から、所定の成分組成を有するB層と、TiとAlに加え、Cr、Nb、V、Siを所定量添加したA層を積層構造とし、さらにA層とB層の膜厚比である(dB/dA)値を0.1〜0.5とすることで、被覆層の耐衝撃性と耐摩耗性が向上し、格段に優れた冷間用金型が得られることが判明した。  From the results of Sample Nos. 11 to 17 and 22, which are examples of the present invention described above, a B layer having a predetermined component composition and an A layer added with a predetermined amount of Cr, Nb, V, and Si in addition to Ti and Al are laminated. With the structure, and the (dB / dA) value, which is the film thickness ratio of the A layer and the B layer, is 0.1 to 0.5, the impact resistance and wear resistance of the coating layer are improved. It has been found that an excellent cold mold can be obtained.

(3)試料番号18(本発明例)は、A層の組成が試料番号12と同様で、B層の組成をなすCr、Al、Si、Nbの原子比をそれぞれ0.12、0.63、0.10、0.15とした本発明例を示すが、25万ショットの鍛造寿命が得られた。
試料番号19(本発明例)は、A層の組成が試料番号12と同様で、B層の組成をなすTi、Cr、Al、Siの原子比をそれぞれ0.15、0.20、0.55、0.10とした本発明例を示すが、32万ショットの鍛造寿命が得られた。
試料番号20(本発明例)は、A層の組成が試料番号12と同様で、B層の組成をなすTi、Cr、Al、Siの原子比をそれぞれ0.24、0.28、0.38、0.10とした本発明例を示すが、32万ショットの鍛造寿命が得られた。
試料番号21(本発明例)は、A層の組成が試料番号12と同様で、B層の組成をなすTi、Cr、Al、Siの原子比をそれぞれ0.25、0.30、0.37、0.08とした本発明例を示すが、36万ショットの鍛造寿命が得られた。
(3) Sample No. 18 (example of the present invention) has the same composition of the A layer as the sample No. 12, and the atomic ratios of Cr, Al, Si, and Nb constituting the composition of the B layer are 0.12 and 0.63, respectively. , 0.10 and 0.15, the forging life of 250,000 shots was obtained.
Sample No. 19 (example of the present invention) has the same composition of the A layer as that of the sample No. 12, and the atomic ratios of Ti, Cr, Al, and Si constituting the B layer are 0.15, 0.20,. Examples of the present invention with 55 and 0.10 are shown, but a forging life of 320,000 shots was obtained.
Sample No. 20 (example of the present invention) has the same composition of the A layer as the sample No. 12, and the atomic ratios of Ti, Cr, Al and Si constituting the composition of the B layer are 0.24, 0.28,. Examples of the present invention with 38 and 0.10 are shown, and a forging life of 320,000 shots was obtained.
Sample No. 21 (example of the present invention) has the same composition of the A layer as that of the sample No. 12, and the atomic ratios of Ti, Cr, Al, and Si constituting the B layer are 0.25, 0.30,. Examples of the present invention with 37 and 0.08 are shown, and a forging life of 360,000 shots was obtained.

上記した本発明例となる試料番号18〜21の結果から、A層とB層に含まれるTi、Al、Cr、Nb、V、Siを所定量添加したA層およびB層を積層構造とし、さらにA層とB層の膜厚比である(dB/dA)値を0.1〜0.5とすることで、硬質皮膜層の耐衝撃性と耐摩耗性が向上し、格段に優れた冷間用金型が得られることが判明した。  From the results of the sample numbers 18 to 21 as the above-described examples of the present invention, the A layer and the B layer added with a predetermined amount of Ti, Al, Cr, Nb, V, and Si contained in the A layer and the B layer have a laminated structure, Furthermore, by setting the (dB / dA) value, which is the film thickness ratio of the A layer and the B layer, to 0.1 to 0.5, the impact resistance and wear resistance of the hard coating layer are improved, which is remarkably excellent. It has been found that a cold mold can be obtained.

(4)試料番号23は、下地層を被覆していない本発明例を示すが、15万ショットの鍛造寿命が得られたが、試作パンチの上端部の先端点付近に異常損傷が確認され、これによって製品に縦スジが生じた。試料番号24は、表面層を被覆していな本発明例を示すが、16万ショットの鍛造寿命が得られたが、同じく試作パンチの上端部の先端点付近に異常損傷が確認され、これによって製品に縦スジが生じた。  (4) Sample No. 23 shows an example of the present invention in which the underlayer is not coated, but a forging life of 150,000 shots was obtained, but abnormal damage was confirmed near the tip of the upper end of the prototype punch, This caused vertical streaks in the product. Sample No. 24 shows an example of the present invention in which the surface layer is not coated, but a forging life of 160,000 shots was obtained, but abnormal damage was also confirmed near the tip of the upper end of the prototype punch. Vertical streaks occurred in the product.

以上の試料番号23及び試料番号24の結果から、硬質皮膜層に対して下地層と表面層の双方を被覆することで、試作パンチの上端部の先端点付近における硬質皮膜層の異常損傷が減少し、安定して長い鍛造寿命が得られることが判明した。  From the results of Sample No. 23 and Sample No. 24 described above, the hard coating layer is coated with both the base layer and the surface layer to reduce abnormal damage to the hard coating layer near the tip of the upper end of the prototype punch. It has been found that a long forging life can be obtained stably.

(5)試料番号25は、硬質皮膜層のSi含有量の原子比が硬質皮膜層の厚さ方向の断面において、任意に選択された径が1μmの範囲内における組成において0.12、A層において0.1、B層において0.15とした比較例を示すが、硬質皮膜層が剥離する剥離型の損傷を示して、耐クラック性が低下したために鍛造寿命は2万ショットと低い回数になった。(5) Sample No. 25 is 0.12 in the composition in which the atomic ratio of the Si content of the hard coating layer is within a range of an arbitrarily selected diameter of 1 μm in the cross section in the thickness direction of the hard coating layer. Comparative example with 0.1 and 0.15 in B layer shows peeling type damage that peels hard coating layer, and crack resistance is reduced, so forging life is as low as 20,000 shots became.

上記した試料番号25の結果から、Si含有量はその原子比を0.1以下とすることで、硬質皮膜層の耐クラック性が向上し、安定して長い鍛造寿命が得られると判断できる。  From the results of Sample No. 25 described above, it can be determined that by setting the Si content to an atomic ratio of 0.1 or less, the crack resistance of the hard coating layer is improved and a stable long forging life can be obtained.

さらに、元素Bを含有する硬質皮膜層を形成した試作パンチについても鍛造寿命を測定する冷間鍛造の実験を行ってみた。この実験では、A層の組成が表2の試料番号3に示すA層の組成になるようにBを含有するターゲット(組成:Ti、Al、Bの原子比がそれぞれ、55、40、5)を用い、B層は同じく試料番号3に示すB層の組成になるようなターゲットを用いて成膜を行った。このときの硬質皮膜層の膜厚は2μm、(dB/dA)値は0.3、下地層及び表面層としてA層を成膜した。このBを含有する硬質皮膜層を形成した試作パンチの鍛造寿命は、30万ショットであった。  Furthermore, a cold forging experiment was also conducted to measure the forging life of a prototype punch on which a hard coating layer containing element B was formed. In this experiment, a target containing B so that the composition of the A layer becomes the composition of the A layer shown in Sample No. 3 of Table 2 (composition: atomic ratios of Ti, Al, and B are 55, 40, and 5, respectively) The B layer was formed using a target having the same composition as the B layer shown in Sample No. 3. At this time, the film thickness of the hard coating layer was 2 μm, the (dB / dA) value was 0.3, and an A layer was formed as an underlayer and a surface layer. The forging life of the prototype punch on which the hard coating layer containing B was formed was 300,000 shots.

以上に説明した本発明の実施形態及び実施例においては、本発明に係る硬質皮膜層2を形成した冷間塑性加工用金型の例として、冷間鍛造用金型に使用するパンチであって、長手方向と直交す方向の断面形状が円形をなし、その先端部に、被加工物に対して塑性加工の圧縮応力を作用させるための上端部(円錐状部)を備えた、後方押出し成形用のパンチを例にして説明した。
本発明に係る硬質皮膜層2を形成した冷間塑性加工用金型は、前方押出し成形用金型、据込み加工用金型、打ち抜き加工用金型、圧印加工用金型、各種のプレス成型用金型等のパンチも含む。例えば、本発明の冷間塑性加工用金型は、断面形状が四角形、六角形等の多角形状や、楕円形状、ギヤ型の形状等の鍛造成形製品の内径形状に応じたパンチも含むものである。断面形状が六角形をなすパンチは、ボルトやナット等の成形用パンチとして使用できる。さらに、これらパンチと協同して冷間塑性加工を行うためのダイスにも本発明の硬質皮膜層を形成することにより、ダイスの耐久性を向上させることも可能になる。
In the embodiment and examples of the present invention described above, as an example of a cold plastic working mold in which the hard coating layer 2 according to the present invention is formed, a punch used for a cold forging mold. The cross-sectional shape in the direction orthogonal to the longitudinal direction is circular, and the tip is provided with an upper end (conical portion) for applying a compressive stress of plastic working to the workpiece, backward extrusion molding An example of a punch for use has been described.
The mold for cold plastic working formed with the hard coating layer 2 according to the present invention includes a forward extrusion mold, an upsetting mold, a punching mold, a coining mold, and various press moldings. Includes punches such as metal molds. For example, the cold plastic working die of the present invention includes a punch corresponding to the inner diameter shape of a forged product such as a polygonal shape such as a quadrilateral or hexagonal cross-sectional shape, an elliptical shape, or a gear shape. Punches having a hexagonal cross-sectional shape can be used as molding punches for bolts and nuts. Further, by forming the hard coating layer of the present invention on a die for performing cold plastic working in cooperation with these punches, it is possible to improve the durability of the die.

このように、本発明に係る硬質皮膜層を形成した冷間塑性加工用金型は、上記した各種のパンチに限定されるものではなく、一般にポンチやピンといわれている塑性加工用治具、これらパンチ、ポンチ、ピンと組み合せて使用されるダイス、又はダイ等を含むものである。また、その材質は鉄基合金、高速度工具鋼、超硬合金等、各種のセラミックス等を利用することができる。  As described above, the cold plastic working mold formed with the hard coating layer according to the present invention is not limited to the various punches described above, and plastic working jigs generally referred to as punches or pins, these It includes dies used in combination with punches, punches, pins, or dies. In addition, various ceramics such as iron-base alloy, high-speed tool steel, and cemented carbide can be used as the material.

1:基材(金型基材)
2:硬質皮膜層
3:A層
4:B層
5:積層構造
6:下地層
7:表面層
10:パンチ
11:把持部
12:機能部
13:上端部、13a:外周縁部
14:パンチの先端部分
15:ベアリング部
16:径縮小部
17:逃げ部
18:逃し稜線部
19:円弧形状部
30:成膜装置
31:真空容器
32:カソード(A)
33:カソード(B)
34:パンチ基材
35:基材ステージ
36、37:アーク電源装置
38:バイアス電源装置
40:後方押出し工程
41:試作パンチ
42:下受けパンチ
43:ダイス、43a:穴部
44:枠体
45:被加工物
46:鍛造成形品(押出し成形品)、46a:円筒部、46b:底部
L1:パンチの機能部の長さ
L2:パンチの把持部の長さ
L3:ターゲットと試作パンチとの距離(ターゲット基材間距離)
α :逃し角
β :先端角
1: Base material (mold base material)
2: Hard coating layer 3: A layer 4: B layer 5: Laminated structure 6: Underlayer 7: Surface layer 10: Punch 11: Gripping part 12: Functional part 13: Upper end part, 13a: Outer peripheral edge part 14: Punch Tip portion 15: Bearing portion 16: Diameter reducing portion 17: Escape portion 18: Escape ridge portion 19: Arc shape portion 30: Film forming device 31: Vacuum vessel 32: Cathode (A)
33: Cathode (B)
34: Punch substrate 35: Substrate stage 36, 37: Arc power supply device 38: Bias power supply device 40: Backward extrusion process 41: Trial punch 42: Base punch 43: Die, 43a: Hole 44: Frame 45: Workpiece 46: Forged molded product (extrusion molded product), 46a: Cylindrical portion, 46b: Bottom portion L1: Length of punch functional portion L2: Length of punch gripping portion L3: Distance between target and prototype punch ( Target substrate distance)
α: Clearance angle β: Tip angle

Claims (8)

基材上に積層される硬質皮膜層であって、前記硬質皮膜層の膜厚が1〜5μmであり、
前記硬質皮膜層の組成は、一般式:TiCrAlSi(B)(ただし、MはNb、Vのうちの1種以上の元素、a、b、c、d、e、u、v、wはそれぞれ、Ti、Cr、Al、Si、M、B、C、Nの原子比を示す)で表され、
前記硬質皮膜層の厚さ方向の断面において、任意に選択された径が1μmの範囲内における組成は下記の条件:
0.3<a≦0.6、
0<b≦0.2、
0.2≦c<0.5、
0<d≦0.1、
0≦e≦0.2、
0≦u≦0.1、
0≦v≦0.3、
0<w≦1、
a+b+c+d+e=1、
u+v+w=1、
を満たし、
前記硬質皮膜層は、組成が前記一般式を構成しその構成元素のうち、Ti、Cr、Siの原子比について、
下記の条件:
0≦b≦0.1、
0≦d≦0.01、
b<a、
を満足する組成からなるA層と、
同じく、前記構成元素のうち、Ti、Cr、Al、Siの原子比について、
下記の条件:
0≦a<0.3、
0.1<b≦0.3、
0.3≦c<0.7、
0.01<d≦0.1、
b>a、
を満足する組成からなるB層を、それぞれ前記A層とB層の膜厚を50nm以下として、複数以上の前記A層と前記B層を交互に積層させた積層構造からなり、
前記A層の厚みをdA、前記B層の厚みをdBとしたときに、(dB/dA)値が、
dB/dA=0.1〜0.5、
になされていることを特徴とする硬質皮膜層。
It is a hard coating layer laminated on a substrate, and the film thickness of the hard coating layer is 1 to 5 μm,
The composition of the hard coating layer has the general formula: Ti a Cr b Al c Si d M e (B u C v N w) ( however, M is Nb, 1 or more elements of the V, a, b, c, d, e, u, v, and w are respectively represented by the atomic ratio of Ti, Cr, Al, Si, M, B, C, and N).
In the cross section in the thickness direction of the hard coating layer , the composition in the range of arbitrarily selected diameter of 1 μm is as follows :
0.3 <a ≦ 0.6,
0 <b ≦ 0.2,
0.2 ≦ c <0.5,
0 <d ≦ 0.1,
0 ≦ e ≦ 0.2,
0 ≦ u ≦ 0.1,
0 ≦ v ≦ 0.3,
0 <w ≦ 1,
a + b + c + d + e = 1,
u + v + w = 1,
The filling,
The hard coating layer is composed of the above general formula and, among its constituent elements, the atomic ratio of Ti, Cr, Si,
The following conditions:
0 ≦ b ≦ 0.1,
0 ≦ d ≦ 0.01,
b <a,
A layer comprising a composition satisfying
Similarly, among the constituent elements, regarding the atomic ratio of Ti, Cr, Al, Si,
The following conditions:
0 ≦ a <0.3,
0.1 <b ≦ 0.3,
0.3 ≦ c <0.7,
0.01 <d ≦ 0.1,
b> a,
B layer composed of a composition satisfying the above, each having a thickness of 50 nm or less of the A layer and the B layer, and having a laminated structure in which a plurality of the A layer and the B layer are alternately laminated,
When the thickness of the A layer is dA and the thickness of the B layer is dB, the (dB / dA) value is
dB / dA = 0.1-0.5,
Hard coating layer characterized by being made to.
請求項1に記載の硬質皮膜層において、前記基材の表面と前記硬質皮膜層との間に形成された下地層を備え、前記下地層の組成は前記A層の組成からなっていることを特徴とする硬質皮膜層。  2. The hard coating layer according to claim 1, further comprising an underlayer formed between a surface of the substrate and the hard coating layer, wherein the composition of the underlayer is composed of the composition of the A layer. Characteristic hard coating layer. 請求項1又は請求項2に記載の硬質皮膜層において、前記硬質皮膜層の表面に形成された表面層を備え、前記表面層は前記A層又は前記B層の組成からなっていることを特徴とする硬質皮膜層。  3. The hard coating layer according to claim 1, further comprising a surface layer formed on a surface of the hard coating layer, wherein the surface layer is composed of the composition of the A layer or the B layer. Hard coating layer. 冷間塑性加工用金型の表面に、請求項1から請求項3のいずれかに記載の硬質皮膜層が形成されていることを特徴とする冷間塑性加工用金型。  A cold plastic working mold, wherein the hard coating layer according to any one of claims 1 to 3 is formed on a surface of the cold plastic working mold. 請求項4に記載の冷間塑性加工用金型において、前記冷間塑性加工用金型は、ベアリング部と一体に繋がり、ショット駆動により被加工物と衝突して前記被加工物を塑性加工するための上端部を備えたパンチであることを特徴とする冷間塑性加工用金型。  5. The cold plastic working die according to claim 4, wherein the cold plastic working die is integrally connected to a bearing portion, and collides with the work piece by shot driving to plastically process the work piece. A die for cold plastic working, characterized by being a punch provided with an upper end for the purpose. 請求項5に記載のパンチにおいて、前記上端部に形成された前記硬質皮膜層の膜厚は、前記パンチの他の部分に形成された前記硬質皮膜層の膜厚より大きく形成されていることを特徴とする冷間塑性加工用金型。  6. The punch according to claim 5, wherein the film thickness of the hard coating layer formed on the upper end is larger than the film thickness of the hard coating layer formed on the other part of the punch. Features a die for cold plastic working. 請求項5又は請求項6に記載のパンチにおいて、前記上端部の外周縁部と前記ベアリング部とは円弧形状部を介して繋がり、前記円弧形状部の円弧半径は1mm以下になされていることを特徴とする冷間塑性加工用金型。  The punch according to claim 5 or 6, wherein the outer peripheral edge portion of the upper end portion and the bearing portion are connected via an arc shape portion, and the arc radius of the arc shape portion is 1 mm or less. Features a die for cold plastic working. 請求項5から請求項7のいずれかに記載のパンチは、後方押出加工用の金型に用いるパンチであることを特徴とする冷間塑性加工用金型。  The punch according to any one of claims 5 to 7, wherein the punch is a punch used for a backward extrusion mold.
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