(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｖ（１−Ｘ）ＣＸから成り、かつ前記Ｘは原子％で７０ａｔ％超９５ａｔ％以下であるバナジウム含有被膜が被覆された鉄系合金製パンチ工具であって、前記パンチ工具と前記バナジウム含有被膜との間に複合被膜が被覆されており、前記複合被膜は前記パンチ工具から近い順にＶ被膜、Ｖ（１−Ｙ）ＣＹ被膜（ただし、Ｙは原子％で４０ａｔ％以上６０ａｔ％以下）から成る被膜であることを特徴とするバナジウム含有被膜を被覆した鉄系合金製パンチ工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｖ（バナジウム）を含む被膜を被覆した鉄系合金製パンチ工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般産業機器の中でも、摺動を伴う機械部品には耐摩耗性や耐久性が求められており、それらの機械部品表面には様々なコーティング（被膜）が施されている。特にＴｉＮ（窒化チタン）被膜やＣｒＮ（窒化クロム）被膜は、被膜硬度が高いため耐摩耗性に優れており、金型に広く用いられている。また、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）被膜も他の被膜に比べて摩擦係数が低く、耐摩耗性に優れているため、金型や工具などに多用されている。
【０００３】
しかし、ＴｉＮ被膜やＣｒＮ被膜を被覆した金型や工具は、被膜の内部応力が高いため厚膜にして金型や工具へ被覆した場合、被膜が剥離しやすいという問題があった。特にＤＬＣ被膜は、その内部応力が他の被膜と比較して大きいために被膜単体での厚膜化が困難である。そのため金型や工具表面とＤＬＣ被膜との間に中間層を挟んで応力緩和を行う等の工夫がなされているが、やはりＤＬＣ被膜が剥離しやすいという問題は解決されていない。
【０００４】
そこで、耐摩耗性や耐久性を有しており、厚膜にしても剥離し難い被膜の１つとして、ＶＣ（炭化バナジウム）などの被膜が考案された。例えば、特許文献１ではＶＣを含む被膜を金型や工具に被覆することで、被膜の密着性と優れた耐摩耗性が得られた旨が開示されている。また、特許文献２ではＶＮ（窒化バナジウム）被膜やＶＣＮ（炭窒化バナジウム）被膜を被覆した工具は高温加熱による変形や厚膜による形状変化を抑制できる旨が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３９０９６５８号公報
【特許文献２】特開２００５−４６９７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１および特許文献２に示された表面の被膜がＶＣ、ＶＮおよびＶＣＮの場合、金型による成型加工や工具による切削加工等を行うと、接触する材料（相手材）である被成型材や被削材の表面と凝着し、相手材表面から離れる時に被膜の一部が消失（摩耗）する結果、金型や工具表面が露出するという問題があった。
【０００７】
また、ＶＣやＶＮなどの被膜は金属光沢を有しているため、使用中に被膜の摩耗が生じた結果、金型や工具表面が露出しても金型や工具などが鉄系合金製基材である場合には、ＶＣやＶＮなどの被膜と鉄系合金製基材とは共に金属光沢を有しているために被膜の摩耗の有無が判断できない。そのため、被膜が摩耗したまま金型や工具を使用し続ける結果、金型や工具などの損傷を招くという問題もあった。
【０００８】
さらに、特許文献２の特許請求の範囲では、ＸおよびＹをＶ（バナジウム）およびＣ（炭素）の原子％（ａｔ％）とすると、ＶＸ（ＣＹＮ１−Ｙ）１−Ｘから成る被膜においては、Ｖの原子％の範囲Ｘを３０ａｔ％以上８０ａｔ％以下と限定している。つまり当該被膜にＮを含まないとした場合、Ｃの原子％の範囲を２０ａｔ％以上７０ａｔ％以下と限定することになるが、その理由や根拠は明細書中に何ら開示されていない。また、実施例においてもＶＣ、ＶＮおよびＶＣ３Ｎ７の三態様の被膜の実施例しか開示されておらず、他の被膜態様についての効果は不明である。
【０００９】
本発明の課題は、前述した問題点に鑑みて、パンチ工具による成型加工を行っても相手材表面との摩耗を低減できる被膜を被覆した鉄系合金製パンチ工具を提供することである。また、万一に被膜の摩耗が生じても鉄系合金製パンチ工具の損傷を未然に防止できる被膜を被覆した鉄系合金製パンチ工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、鋭意研究の結果、鉄系合金製パンチ工具に被覆されるＶ（１−Ｘ）ＣＸから成る被膜のＣの組成比率であるＸ（原子％）はＸの値によって被膜の摩擦係数が変化し、その変化点は従来のＸの範囲である４０ａｔ％以上６０ａｔ％以下の範囲を超えたところに存在することを知得した。また、Ｃの組成比率Ｘが７０ａｔ％を超えて９５ａｔ％以下の被膜の摩擦係数は、７０ａｔ％以下の被膜に比べて、摩擦係数がさらに低下して優れた潤滑性を示すことも知得した。
【００１１】
これらの知得により、本発明においては、Ｖ（１−Ｘ）ＣＸから成り、かつＸは原子％で７０ａｔ％超９５ａｔ％以下であるバナジウム含有被膜が被覆された鉄系合金製パンチ工具であって、パンチ工具とバナジウム含有被膜との間に複合被膜が被覆されており、当該複合被膜はパンチ工具から近い順にＶ被膜、Ｖ（１−Ｙ）ＣＹ被膜（ただし、Ｙは原子％で４０ａｔ％以上６０ａｔ％以下）から成る被膜であるバナジウム含有被膜が被覆された鉄系合金製パンチ工具を提供することにより前述した課題を解決した。
【００１２】
鉄系合金製パンチ工具上にＶＣ被膜に代表されるＶ（１−Ｙ）ＣＹ被膜（ただし、Ｙは原子％で４０ａｔ％以上６０ａｔ％以下）を直接被覆した場合、ＶＣ被膜同様にＶ（１−Ｙ）ＣＹ被膜は剥離しやすい。そのため、鉄系合金製パンチ工具上にＶ被膜を被覆した後、Ｖ（１−Ｙ）ＣＹ被膜を被覆することで、鉄系合金製パンチ工具に対するＶ（１−Ｙ）ＣＹ被膜の密着性が高まる。
【００１３】
また、Ｖ（１−Ｙ）ＣＹ被膜は鉄系合金と同様に金属光沢を有しているが、Ｖ（１−Ｘ）ＣＸ被膜（Ｘは原子％で７０ａｔ％超９５ａｔ％以下）の外観は灰色もしくは黒色を呈している。そのため、Ｖ（１−Ｙ）ＣＹ被膜上にＶ（１−Ｘ）ＣＸ被膜を被覆すると、Ｖ（１−Ｘ）ＣＸ被膜が摩耗した時点で金属光沢を有するＶ（１−Ｙ）ＣＹ被膜が現れる。
【００１４】
またはＶ（１−Ｙ）ＣＹ被膜がＶ（１−Ｘ）ＣＸ被膜と共に摩耗しても、その部分はパンチ工具が鉄系合金製で金属光沢を有するため、結果としてＶ（１−Ｘ）ＣＸ被膜の摩耗を容易に目視確認できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明においては、Ｖ（１−Ｘ）ＣＸから成り、かつＸは原子％で７０ａｔ％超９５ａｔ％以下であるバナジウム含有被膜が被覆された鉄系合金製パンチ工具であって、パンチ工具とバナジウム含有被膜との間に複合被膜が被覆されており、複合被膜はパンチ工具から近い順にＶ被膜、Ｖ（１−Ｙ）ＣＹ被膜（ただし、Ｙは原子％で４０ａｔ％以上６０ａｔ％以下）から成る被膜であるバナジウム含有被膜が被覆された鉄系合金製パンチ工具とすることで、Ｖ（１−Ｘ）ＣＸ（Ｘは原子％で７０ａｔ％超９５ａｔ％以下）被膜の摩擦係数が低く、優れた潤滑性を有するので、成型加工を行っても相手材表面との摩耗を低減できる。同時に、Ｖ（１−Ｘ）ＣＸ（Ｘは原子％で７０ａｔ％超９５ａｔ％以下）被膜は摩擦係数が低く優れた潤滑性を有するので離型性も向上する。
【００１６】
また、灰色もしくは黒色のＶ（１−Ｘ）ＣＸ被膜が摩耗した時点で金属光沢を有するＶ（１−Ｙ）ＣＹ被膜が現れるので、その部分を容易に目視確認できる。そのため、パンチ工具の使用を即時に中止することできて、パンチ工具表面が露出した状態での使用によるパンチ工具の損傷も未然に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る鉄系合金製パンチ工具上にバナジウム含有被膜を被覆する際に用いる溶融蒸発型イオンプレーティング装置１０の縦断面図である。
【図２】円盤状試験片にＶ被膜を被覆した後、Ｖ（１−Ｘ）ＣＸから成るバナジウム含有被膜（Ｘは原子％で３２〜９５ａｔ％）を被覆してピンオンディスク試験を行った被膜の摩擦係数の測定結果を示すグラフである。
【図３】実施例において耐摩耗性試験で用いた鉄系合金製パンチ工具（十字パンチ）２１の外観写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施の形態の一例を、図面を用いて説明する。図１は本発明に係る鉄系合金製パンチ工具上にバナジウム含有被膜を被覆する際に用いる溶融蒸発型イオンプレーティング装置１０の縦断面図である。溶融蒸発型イオンプレーティング装置１０は、被覆処理を行う真空チャンバー１と、同チャンバー１外部に取り付けられた集束コイル２と、同チャンバー内でプラズマを形成するホロカソード式電子銃３と、プラズマの原料となる溶解材料を設置する坩堝４と、プラズマとなった溶解材料を被覆処理する基材（被処理物）を保持する基材保持器５とから構成されている。
【００１９】
溶融蒸発型イオンプレーティング装置１０内の基材保持器５に、被覆処理する基材（鉄系合金製パンチ工具）を装着して、真空チャンバー１内を５×１０−３Ｐａ以下の圧力まで真空ポンプを用いて真空排気を行う。その後、坩堝４内の金属バナジウム等の溶解材料をホロカソード式電子銃３によりプラズマ状態としながら、図示しない反応ガス導入口より真空チャンバー１内に導入したアセチレンやエチレンなどの炭化水素系ガスと反応させて、鉄系合金製パンチ工具上にバナジウム含有被膜を被覆できる。
【００２０】
次に、本発明に係る鉄系合金製パンチ工具に被覆されるＶ（１−Ｘ）ＣＸ被膜のＣの組成比率Ｘ（原子％）を７０ａｔ％超９５ａｔ％以下の範囲に限定した理由を説明する。その理由は、バナジウム含有被膜におけるＣの組成比率による摩擦係数の変化を確認するため、摩擦摩耗試験を行い、摩擦係数の値が低下する範囲を選択することでＣの組成比率の範囲を限定した。
【００２１】
当該摩擦摩耗試験は、図１に示す装置１０にてアセチレンガスを使用して、円盤状試験片にＶ（バナジウム）被膜を被覆した後、Ｖ（１−Ｘ）ＣＸから成るバナジウム含有被膜（Ｘは原子％で３２〜９５ａｔ％）を被覆して、当該試験片をピンオンディスク試験により行った。  
【００２２】
図２は、上述のピンオンディスク試験にて円盤状試験片にＶ被膜を被覆後、Ｖ（１−Ｘ）ＣＸから成るバナジウム含有被膜のＣの組成比率Ｘを３２〜９５ａｔ％の範囲で変化させた被膜を被覆した時の摩擦係数の測定結果を示す。図２に示すように、Ｃの組成比率Ｘが３０〜３５ａｔ％である被膜の摩擦係数はおよそ０．８であり、Ｘが５２ａｔ％〜５４ａｔ％まで増加した被膜はおよそ０．６〜０．７前後の値であった。また、Ｘがおよそ６０ａｔ％まで増加すると、摩擦係数は約０．２〜０．３まで低下した。
【００２３】
これに対してＣの組成比率Ｘが７０ａｔ％を超えると被膜の摩擦係数は０．２を下回り、Ｘが９５ａｔ％まで増加しても、摩擦係数は０．２未満を示す結果となった。以上より、Ｖ（１−Ｘ）ＣＸから成るバナジウム含有被膜（Ｘは原子％で７０ａｔ％超９５ａｔ％以下）は、Ｃの組成比率Ｘが７０ａｔ％以下である他の被膜に比べて、摩擦係数が小さかった。これは、Ｖ（１−Ｘ）ＣＸ被膜（Ｘは原子％で７０ａｔ％超９５ａｔ％以下）が優れた潤滑性を有していることを示す。
【実施例】
【００２４】
次に、前述の被覆方法により高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）製のパンチ工具（十字パンチ）表面にバナジウム含有被膜等を被覆して耐摩耗性試験を行った。その結果を表１に示す。表１は、後述する３種類の金型を用いてステンレス鋼製の十字穴付き皿小ねじを被加工物としてパンチ加工（十字穴の加工）を行った耐摩耗試験結果である。また、図３は上述の耐摩耗性試験で用いた鉄系合金製パンチ工具（十字パンチ）２１の外観写真を示す。
【００２５】
【表１】
0005392662.tif 000002
【００２６】
本試験で用いた図３に示す鉄系合金製パンチ工具２１は、窒化処理を施した上に、（１）何ら被膜のないパンチ工具（以下、パンチＡとする）、（２）Ｖ被膜を最下層に被覆した上で、Ｖ５０Ｃ５０被膜を被覆したパンチ工具（以下、パンチＢとする）、（３）Ｖ被膜を最下層に被覆した上でＶ５０Ｃ５０被膜、Ｖ５Ｃ９５から成る被膜の順に被覆したパンチ工具（以下、パンチＣとする）、の計３種類を使用した。また、本試験の限界ショット数（加工数）は、被膜の摩耗が目視確認できるか、鉄系合金製パンチ工具２１表面の損傷が目視で認められるまで連続使用できる回数を以って判断した。
【００２７】
表１に示すように、何ら被膜のない従来のパンチＡは、限界ショット数が１５０００個であり、他のパンチＢおよびＣを含めて加工数が最少であった。また、パンチＡには被膜が被覆されていないため、パンチ表面が損傷を受けて凹みが生じた時点を以って限界ショット数に達したと判断した。また、従来のパンチＢは限界ショット数が２６０００個であり、パンチＡに比べて加工数が増加したが、Ｖ５０Ｃ５０被膜の摩耗が目視で確認できなかったため、パンチＡと同様にパンチ表面が損傷を受けて凹みが生じた時点を以って限界ショット数に達したと判断した。
【００２８】
これに対して本発明に係るパンチＣは限界ショット数が５００００個であり、他のパンチＡおよびＢを含めて加工数が最多であった。また、パンチＣについては本試験の途中で灰色のＶ５Ｃ９５被膜が摩耗して、その下層に金属光沢を有するＶ５０Ｃ５０被膜が目視確認できたため、パンチ表面の損傷を受ける前に本試験を終了できた。
【００２９】
以上の結果から、Ｖ被膜を最下層に被覆した上で、Ｖ５０Ｃ５０被膜、Ｖ５Ｃ９５から成るバナジウム含有被膜の順に鉄系合金製パンチ工具に被覆することで、従来のパンチ工具に比べて加工数を増やすことができた。また、鉄系合金製パンチ工具に被覆した被膜の摩耗が目視確認できたので、パンチ工具表面の損傷を受ける前に使用を中止し、パンチ工具の損傷を未然に防止できた。
【符号の説明】
【００３０】
２１    鉄系合金製パンチ工具（十字パンチ）
【図１】
0005392662.tif 000003
【図２】
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【図３】
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