(57)【要約】      （修正有）【課題】金型の表面に靭性と耐焼き付き性の高い皮膜を形成した耐久性に優れた冷間鍛造用金型を提供する。【解決手段】金型基材１の表面に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌから選択される窒化物、炭窒化物からなる皮膜２を成膜した冷間鍛造用金型であって、この皮膜２は、金型の表面側から皮膜表面側方向に、最下層２ａ、中間層２ｂ、最表層２ｃの順に形成された３層の皮膜から構造され、最下層２ａはＣｒの窒化物又は炭窒化物を主成分とし、中間層２ｂはＡｌとＴｉとＣｒの窒化物又は炭窒化物を主成分とし、最表層２ｃはＡｌとＴｉの窒化物又は炭窒化物を主成分としており、最表層２ｃに含有されるＡｌとＴｉの総原子比を１００としたとき、最表層２ｃのＡｌの原子比は５５を超え８０以下としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材となる金型基材の表面に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌから選択される窒化物又は炭窒化物からなる皮膜を被覆した冷間鍛造用金型において、
前記皮膜は、前記金型基材の表面側から順次、最下層、中間層、最表層が形成された皮膜層から構成され、
前記最下層はＣｒの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜、前記中間層はＡｌとＴｉとＣｒの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜、前記最表層はＡｌとＴｉの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜から構成されており、
前記最表層に含有されるＡｌとＴｉの総原子比を１００としたとき、前記最表層のＡｌの原子比は５５を超え８０以下であることを特徴とする冷間鍛造用金型。
【請求項２】
前記中間層に含有されるＡｌとＴｉとＣｒの総原子比を１００としたときに、前記中間層のＣｒの原子比は５０以下、Ａｌの原子比は４５以上６５以下、Ｔｉの原子比は１０以上３５以下であることを特徴とする請求項１に記載の冷間鍛造用金型。
【請求項３】
前記中間層と前記最表層の双方又はいずれか一方はＳｉを含有し、前記Ｓｉを含有する中間層又は前記最表層においてＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ及びＳｉの総原子比を１００としたときに、Ｓｉの原子比は２以上１０以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷間鍛造用金型。
【請求項４】
前記中間層に含有されるＳｉの原子比は、前記最表層に含有されるＳｉの原子比よりも多いことを特徴とする請求項３に記載の冷間鍛造用金型。
【請求項５】
前記中間層は、前記最下層と最表層に含まれる窒化物又は炭窒化物を含む混合皮膜から構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷間鍛造用金型。
【請求項６】
前記中間層は、前記最下層に含まれる窒化物又は炭窒化物を含む皮膜と、前記最表層に含まれる窒化物又は炭窒化物を含む皮膜とを積層した積層皮膜から構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷間鍛造用金型。
【請求項７】
前記最表層の膜厚は、前記皮膜層全体の膜厚の５０％以上であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の冷間鍛造用金型。
【請求項８】
前記最下層と前記中間層との間に、前記最下層と前記中間層に含有される窒化物又は炭窒化物を含む皮膜を介在させ、
前記中間層と前記最表層の間に、前記中間層と前記最表層に含有される窒化物又は炭窒化物を含む皮膜を介在させたことを特徴する請求項１から請求項７のいずれかに記載の冷間鍛造用金型。
【請求項９】
前記最表層の表面に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選択される１種以上の窒化物又は炭窒化物からなる外観色調整用被覆層を備えていることを特徴する請求項１から請求項８のいずれかに記載の冷間鍛造用金型。
【請求項１０】
前記冷間鍛造用金型は、冷間鍛造成形に使用するパンチであることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の冷間鍛造用金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、冷間鍛造用の金型、特にこの金型の表面に被覆される皮膜について、その靱性と耐焼き付き性を高くすることにより、耐久性に優れた冷間鍛造用金型に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来から、金属加工用の治工具（以下、「金型」という）は、その素材等に窒化処理を施すことにより耐摩耗性及び耐焼き付き性の改善がなされてきた。近年では、窒化処理に加えて、ＰＶＤ等の気相コーティングにより、金型の表面にＴｉやＣｒの窒化物又は炭窒化物、ＴｉとＡｌやＣｒとＡｌの窒化物又は炭窒化物等の皮膜を被覆し、耐摩耗性ならびに耐焼き付き性の改善が検討されている。【０００３】  金型の耐久性を向上（長寿命化）させるために、金型の表面にＴｉ、Ａｌ、Ｃｒ、等の窒化物や炭窒化物からなる皮膜を被覆した金型については、従来から各種の技術が提案されている。例えば、下記の特許文献１〜６に記載の発明が提案されている。【０００４】  特許文献１（特開２００３−３２１７６４号公報）には、高温に曝される部品、工具、金型等に被覆する皮膜であって、耐酸化性を１０００℃以上有し、耐摩耗性が良好な高硬度皮膜に関する発明が提案されている。特許文献１に記載の耐摩耗性皮膜は、Ａｌ、Ｃｒ、及びＳｉを主成分とした窒化物である。また、同文献には、皮膜を金属成分のみの原子％でＣｒが２０％以上７５％以下、Ｓｉが１％以上３０％以下、残りがＡｌとしたこと、及び、Ａｌ、Ｃｒ、及びＳｉを主成分とする窒化物の皮膜ａ層と、ＴｉとＡｌを主成分とする窒化物でその金属成分のみの原子％がＡｌが２５％以上７５％以下、残りがＴｉであるｂ層を交互にそれぞれ１層以上形成し、ａ層を最外層に形成すること、さらに、皮膜と基材との間にＴｉ又はＣｒの窒化物からなる層を設けること、等が開示されている。【０００５】  特許文献２（特開２００８−１７４７８２号公報）には、耐摩耗性、耐焼き付き性に優れる被覆部材及び成形用冶工具に関する発明が提案されている。特許文献２に記載の成形用冶工具は、Ｃｒを含有する鉄基合金基材表面に、Ｃｒ１−ＸＭｘ（ＢａＣｂＮ１−ａ−ｂ）からなる皮膜層Ａ（膜厚１〜１０μｍ）が形成され、その上にＴｉ１−Ｘ−ＹＣｒＸＡｌＹＬＺ（ＢＢＣＡＮ１−Ａ−Ｂ）からなる皮膜層Ｂ（膜厚２〜１０μｍ）が形成されている成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材、但し、０≦ｘ≦０．７、０≦ａ≦０．２、０≦ｂ≦０．５、ＭはＷ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌの１種以上、０≦１−Ｘ−Ｙ≦０．５、０＜Ｘ≦０．５、０．４≦Ｙ≦０．７、０≦Ｚ≦０．１５、０≦Ａ≦０．５、０≦Ｂ≦０．２、ＬはＳｉ、Ｙの１種以上、である。【０００６】  特許文献３（特開２０１０−２０２９１７号公報）には、金型及び摺動部材に被覆する硬質皮膜であって、耐熱性及び機械的性質を改善した硬質皮膜に関する発明が提案されている。
特許文献３に記載の硬質皮膜は、下記の一般式（１−ａ）、（１−ｂ）及び（１−ｃ）で示される窒化膜であって、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）の金属比を膜が立方晶を維持する相変態近傍の組成とした硬質窒化物膜である。
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ・・・・・・・・・・・・・（１−ａ）
（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ・・・・・・・・・・・・・（１−ｂ）
（Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ・・・・・・・・・・（１−ｃ）
また、同文献の段落００２９には、試料作成について、合金又は金属膜（中間層）の堆積と、窒化物の堆積の２工程を実施したことが記載されている。さらに、同文献の段落００３０の表１には、実施形態として（Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ）Ｎの組成としてａｔ％でＴｉ：Ｃｒ：Ａｌ：Ｓｉを２０：２０：５５：５としたときに、硬度値（ＧＰａ）として３２が得られたことが開示されている。【０００７】  特許文献４（特開２０１０−２８４７１０号公報）には、鍛造及びプレス加工などの塑性加工に使用される金型について、耐カジリ性、耐摩耗性を向上させた塑性加工用被覆金型に関する発明が提案されている。特許文献４に記載の塑性加工用被覆金型は、金型基材の表面に、ＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ≠０）からなり、かつＪＩＳ−Ｂ−０６０１（２００１）による表面粗さが算術平均粗さＲａで０．０６μｍ以下、最大高さＲｚが１．０μｍ以下の硬質皮膜を被覆した塑性加工用被覆金型である。
さらに、特許文献４には、この硬質皮膜は金型基材から皮膜の表面に向かって、Ｃｒの窒化物からなる最下層、Ａｌｘ１Ｃｒｙ１Ｓｉｚ１の窒化物（但し、ｘ１≦ｙ１、かつｘ１、ｙ１、ｚ１≠０）からなる中間層、Ａｌｘ２Ｃｒｙ２Ｓｉｚ２の窒化物（但し、ｘ２＞ｙ２、かつｘ２、ｙ２、ｚ２≠０）からなる最上層の多層構造を有していることも開示されている。【０００８】  特許文献５（特開２０１２−１３６７７５号公報）には、耐付着性に優れた被覆金型に関する発明が提案されている。ここで、この「耐付着性」とは、被加工材が金型表面に付着することを防止する性質（同文献の段落０００７参照）を示している。
特許文献５に記載の金型は、表面に硬質皮膜をスパッタリング法で被覆した被覆金型であって、この硬質皮膜は、金型基材側に被覆したＴｉまたはＴｉの窒化物、炭化物、炭窒化物の何れかからなるａ層と、金型表面側に被覆したＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ＞ｙ、かつ３≦ｚ＜２０）からなり、硬度が３５ＧＰａ以上であるｂ層と、ａ層とｂ層の間に配置され、ａ層側からｂ層側に向かってＴｉ比率が減少するＴｉと、ａ層側からｂ層側に向かってｂ層のＳｉ比率に近づくように増加するＳｉと、を含むＡｌｖＣｒｗの窒化物（但し、ｖ、ｗは原子比を示し、ｖ＞ｗ）からなる中間層と、を有している。さらに、この硬質皮膜は、その表面粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以下、最大高さ（Ｒｚ）を０．８μｍ以下とされている。【０００９】  特許文献６（特開２００５−４２１４６号公報）には、１０００℃以上でも優れた耐酸化性を有し、耐摩耗性が良好な高硬度皮膜に関する発明が提案されている。
特許文献６に記載の高硬度皮膜は、工具、金型などの被処理物となる基材に被覆する皮膜であって、基材の外側表面に形成される金属窒化物からなるコーティング層と、このコーティング層と被処理物の間にＴｉ又はＣｒの窒化物からなる下地層と、これらコーティング層と下地層との界面に設けられる中間層であってこの中間層に接するコーティング層の組成と下地層の組成との混合組成からなる中間層と、を備えた皮膜である。さらに、このコーティング層が、Ａｌ、ＣｒおよびＳｉを主成分とする金属窒化物で構成した皮膜であり、中間層が０．１〜２μｍの膜厚を有することが開示されている。
さらに、同文献には、コーティング層が、Ａｌ、ＣｒおよびＳｉを主成分とする窒化物のコーティングａ層と、ＴｉおよびＡｌを主成分とする窒化物でありその金属成分のみの原子％でＡｌが２５％〜７５％、残りがＴｉであるコーティングｂ層と、を交互にそれぞれ１層以上形成し、ａ層を最外層に形成することも開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】  特開２００３−３２１７６４号公報
【特許文献２】  特開２００８−１７４７８２号公報
【特許文献３】  特開２０１０−２０２９１７号公報
【特許文献４】  特開２０１０−２８４７１０号公報
【特許文献５】  特開２０１２−１３６７７５号公報
【特許文献６】  特開２００５−４２１４６号公報（特許第３６２１９４３号公報）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】  近年、特に過酷な環境で使用される冷間鍛造用の金型（以下、「冷間鍛造用金型」と記載する）は、閉鎖域で、しかも高速（毎分５０ショット以上）で金型母材に引張と圧縮を繰り返して与えられることから、他用途の金型に比べて、金型表面に微細なクラックが発生し易い。そのため、金型表面に成膜した皮膜は、その特性のうち、特に耐衝撃性である靱性が要求される。また、この金型表面のクラックは殆どの場合、皮膜表面から発生することから、金型表面に成膜した皮膜において最表層の靱性が重要となる。【００１２】  また別の形態として、冷間鍛造用金型は閉鎖域で高速でショットを繰り返して被加工物を鍛造成形するために使用されるので、金型の表面温度は、他の用途、例えばプレス成形に使用される金型に比べて高くなり、潤滑剤と成形粉による反応物（異物）が強固に金型表面に固着（付着）する傾向にある。この固着（付着）物により、成形荷重が増加し、やがて製品（被加工物）に寸法不良が発生することになる。この寸法不良発生の対策としては、金型の表面に成膜した皮膜の特性のうち、特に異物に対する耐付着性が重要となる。【００１３】  特許文献１（特開２００３−３２１７６４号公報）に開示されている高硬度皮膜は、耐酸化性を１０００℃以上に有するようにするために、Ａｌ、Ｃｒ、及びＳｉを主成分とした窒化物から構成した２層（ａ層とｂ層）からなる皮膜であって、この皮膜はＡｌ、Ｃｒ、及びＳｉを主成分とする窒化物の皮膜ａ層と、ＴｉとＡｌを主成分とする窒化物でその金属成分のみの原子％が、Ａｌが２５％以上７５％以下、残りがＴｉであるｂ層と、を交互にそれぞれ１層以上形成し、ａ層を最外層に形成すること、さらに、皮膜と基材との間にＴｉ又はＣｒの窒化物からなる層を設けた高硬度皮膜である。【００１４】  この特許文献１に記載されている皮膜は、最表層となる上記ａ層はＳｉと多くのＣｒを同時に含有した層で構成されているため、冷間鍛造用金型に適用した場合、以下のような不具合がある。まず、最表層にＳｉを含有することで、皮膜は高硬度で耐摩耗性が高くなる反面、最表層の靱性を低下させ、皮膜表面からのクラックが生じ易くなるため、剥離や異常摩耗等が生じ易くなる。次に、最表層にＣｒを多く含有（金属成分の原子％で２０％以上７５％以下）することで、金型表面の熱伝導が低下し、これにより、高面圧で金属の塑性加工を実施すると、金型表面の温度が上昇して前記した異物の付着量が増加して製品の寸法異常等が生じ易くなる。このように、Ｓｉと多くのＣｒを同時に含有した最表層とすることで、上記の不具合がより顕著となり、冷間鍛造用金型の耐久性向上には限界がある。
また、ａ層はＴｉを含有していない（段落００１５（表３）参照）。最表層をＡｌとＴｉの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜を形成すると、上記した特許文献１に記載されているＣｒを含有する窒化物又は炭窒化物からなる皮膜に比べ、鍛造成形中において金型表面への付着物の付着を減少させることが可能になる。【００１５】  特許文献２（特開２００８−１７４７８２号公報）に開示のＣｒを含有する鉄基合金基材表面に、Ｃｒ１−ｘＭｘ（ＢａＣｂＮ１−ａ−ｂ）からなる皮膜層Ａ（膜厚１〜１０μｍ）が形成され、その上にＴｉ１−Ｘ−ＹＣｒＸ  ＡｌＹＬＺ（ＢＢＣＡＮ１−Ａ−Ｂ）からなる皮膜層Ｂ（膜厚２〜１０μｍ）が形成されていることを特徴とする成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材も同様に、冷間鍛造用金型へ適用した場合、皮膜の靱性と耐焼き付き性に乏しく、金型の耐久性の改善には限界がある。【００１６】  特許文献３（特開２０１０−２０２９１７号公報）に開示されている硬質皮膜は、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）の金属比を膜が立方晶を維持する相変態近傍の組成とした硬質窒化物膜も、同様に、冷間鍛造用金型へ適用した場合、皮膜の靱性と耐焼き付き性に乏しく、金型の耐久性の改善には限界がある。【００１７】  特許文献４（特開２０１０−２８４７１０号公報）に開示の塑性加工用被覆金型は、金型基材の表面に、ＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ≠０）からなり、かつＪＩＳ−Ｂ−０６０１（２００１）による表面粗さが算術平均粗さＲａで０．０６μｍ以下、最大高さＲｚが１．０μｍ以下の硬質皮膜を被覆した金型であって、面粗度に優れ耐摩耗性は幾分改善されるものの、皮膜の靱性および耐焼き付き性に乏しく、冷間鍛造用金型の耐久性の向上には限界がある。【００１８】  特許文献５（特開２０１２−１３６７７５号公報）に開示の被覆金型は、金型基材側に被覆したＴｉまたはＴｉの窒化物、炭化物、炭窒化物の何れかからなるａ層と、金型表面側に被覆したＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ＞ｙ、かつ３≦ｚ＜２０）からなり、硬度が３５ＧＰａ以上であるｂ層と、ａ層とｂ層の間に配置され、ａ層側からｂ層側に向かってＴｉ比率が減少するＴｉと、ａ層側からｂ層側に向かってｂ層のＳｉ比率に近づくように増加するＳｉと、を含むＡｌｖＣｒｗの窒化物（但し、ｖ、ｗは原子比を示し、ｖ＞ｗ）からなる中間層とからなる皮膜を備えている。しかし、このような皮膜を冷間鍛造用金型へ適用した場合、皮膜の靱性と耐焼き付き性は乏しく、金型の耐久性の改善には限界がある。【００１９】  特許文献６（特開２００５−４２１４６号公報）に開示の高硬度皮膜は、被処理物となる基材の外側表面に形成される金属窒化物からなるコーティング層と、このコーティング層と基材の間にＣｒの窒化物からなる下地層と、これらコーティング層と下地層との界面に設けられる中間層であってこの中間層に接するコーティング層の組成と下地層の組成との混合組成からなる中間層と、を備えた皮膜であるが、皮膜の靱性および耐焼き付き性に乏しく、冷間鍛造用金型の耐久性の向上には限界がある。【���０２０】  上記した特許文献に提案されている皮膜に関する技術は、特に、ハイテン材（高張力鋼材）の曲げ加工や絞り加工をプレス成形するようなプレス金型の用途であり、冷間鍛造用金型に特有の、金型表面のクラックや異物の付着に対するする課題を解決するための皮膜は未だ実用化されておらず、さらなる冷間鍛造用金型の耐久性向上が強く望まれている。【００２１】  本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、冷間鍛造用金型において、上記従来の皮膜を有する金型よりも、クラックの発生を抑制し、冷間鍛造成形中における異物の付着を抑制することができる皮膜を金型表面に成膜し、もって金型の耐久性（寿命）を示すショット回数を従来の１００００〜１２０００程度から、１５０００以上、さらには、２００００以上に向上させることができる冷間鍛造用金型を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】  本発明の請求項１に係る発明は、母材となる金型基材の表面に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌから選択される窒化物又は炭窒化物からなる皮膜を被覆した冷間鍛造用金型において、
前記皮膜は、前記金型基材の表面側から順次、最下層、中間層、最表層を形成した皮膜層から構成され、
前記最下層はＣｒの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜、前記中間層はＡｌとＴｉとＣｒの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜、前記最表層はＡｌとＴｉの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜から構成されており、
前記最表層に含有されるＡｌとＴｉの総原子比を１００としたとき、前記最表層のＡｌの原子比は５５を超え８０以下であることを特徴としている。【００２３】  本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の冷間鍛造用金型に係り、前記中間層に含有されるＡｌとＴｉとＣｒの総原子比を１００としたときに、前記中間層のＣｒの原子比は５０以下、Ａｌの原子比は４５以上６５以下、Ｔｉの原子比は１０以上３５以下であることを特徴としている。【００２４】  本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の冷間鍛造用金型に係り、前記中間層と前記最表層の双方又はいずれか一方はＳｉを含有し、前記Ｓｉを含有する中間層又は前記最表層においてＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ及びＳｉの総原子比を１００としたときに、Ｓｉの原子比は２以上１０以下であることを特徴としている。【００２５】  本発明の請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の冷間鍛造用金型に係り、前記中間層に含有されるＳｉの原子比は、前記最表層に含有されるＳｉの原子比よりも多いことを特徴としている。【００２６】  本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷間鍛造用金型に係り、前記中間層は、前記最下層と最表層に含まれる窒化物又は炭窒化物を含む混合皮膜から構成されていることを特徴としている。【００２７】  本発明の請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷間鍛造用金型に係り、前記中間層は、前記最下層に含まれる窒化物又は炭窒化物を含む皮膜と、前記最表層に含まれる窒化物又は炭窒化物を含む皮膜とを積層した積層皮膜から構成されていることを特徴としている。【００２８】  本発明の請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の冷間鍛造用金型に係り、前記最表層の膜厚は、前記皮膜層全体の膜厚の５０％以上であることを特徴としている。【００２９】  本発明の請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の冷間鍛造用金型に係り、前記最下層と前記中間層との間に、前記最下層と前記中間層に含有される窒化物又は炭窒化物を含む皮膜を介在させ、
前記中間層と前記最表層の間に、前記中間層と前記最表層に含有される窒化物又は炭窒化物を含む皮膜を介在させたことを特徴としている。【００３０】  本発明の請求項９に記載の発明は、請求項１から請求項８のいずれかに記載の冷間鍛造用金型に係り、前記最表層の表面に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選択される１種以上の窒化物又は炭窒化物からなる外観色調整用被覆層を備えていることを特徴としている。【００３１】  本発明の請求項１０に記載の発明は、請求項１から請求項９のいずれかに記載の冷間鍛造用金型に係り、この冷間鍛造用金型は、被加工物の冷間鍛造成形に使用するパンチであることを特としている。
【発明の効果】
【００３２】  本発明に係る冷間鍛造用金型は、金型表面に被覆する皮膜のうち最表層に靱性と耐付着性に優れた皮膜を備え、従来の冷間鍛造用金型の表面に被覆する皮膜よりも、皮膜表面から発生するクラックが抑制され、さらに金型表面への異物の付着が抑制されたことにより、耐久性を格段に改善した冷間鍛造用金型として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】  本発明の冷間鍛造用金型について、その金型表面に形成した皮膜の構成例を説明するための断面図である。
【図２】  本発明例と比較例の金型となる冷間鍛造用パンチを試作して冷間鍛造を実施してその耐久性を評価した実施例において、試作した冷間鍛造用パンチの形状を説明するための正面図である。
【図３】  試作した冷間鍛造用パンチを冷間鍛造装置に装着して、被加工物に冷間鍛造を実施する前の状態を説明するための模式図である。
【図４】  図３において、被加工物に冷間鍛造による成形を実施しているときの状態を説明するための模式図である。
【図５】  本発明例と比較例のパンチを試作して冷間鍛造を実施してその耐久性を評価した実施例において、本発明に係る試料番号２のパンチについて１２０００ショットの冷間鍛造を実施したときにこのパンチの表面の状態を示す写真図である。
【図６】  図５に示す１２０００ショットの冷間鍛造を実施した本発明に係るパンチのベアリング部を走査型電子顕微鏡で撮像したときのＳＥＭ写真図であって、（ａ）は二次電子像、（ｂ）は反射電子像を示す。
【図７】  同じく、本発明例と比較例のパンチを試作して冷間鍛造を実施してその耐久性を評価した実施例において、比較例に係る試料番号７のパンチについて５０００ショットの冷間鍛造を実施したときにこのパンチのベアリング部を走査型電子顕微鏡で撮像したときのＳＥＭ写真図であって、（ａ）は二次電子像、（ｂ）は反射電子像を示す。
【図８】  同じく、本発明例と比較例のパンチを試作して冷間鍛造を実施してその耐久性を評価した実施例において、比較例に係る試料番号１９のパンチについて１２０００ショットの冷間鍛造を実施したときにこのパンチに付着した付着物の状態を示す写真図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】  本発明に係る冷間鍛造用金型は、母材となる金型基材の表面にＴｉ、Ｃｒ、Ａｌから選択される金属の窒化物、炭窒化物を主成分とした皮膜を被覆した冷間鍛造用金型である。図１に示すように、本発明の冷間鍛造用金型は、その母材となる金型基材１の表面に皮膜（皮膜層）２を形成しており、この皮膜２は、金型基材１の表面から皮膜層２の表面方向に向かって、最下層２ａ、中間層２ｂ、最表層２ｃの皮膜を順に積層した構成にしている。最表層２ｃが皮膜２の最も外側（表面側）に形成（成膜）された皮膜になる。なお、皮膜２は、冷間鍛造用金型の少なくともその機能部、すなわち、少なくとも冷間鍛造時に被加工物と接触して鍛造成形に寄与する箇所（表面部など）に形成される。
【００３５】  本発明の冷間鍛造用金型は、この皮膜２のうち、最下層２ａはＣｒの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜、中間層２ｂはＡｌとＴｉとＣｒの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜、最表層２ｃはＡｌとＴｉの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜から構成し、さらに、最表層２ｃは、ＡｌとＴｉの総原子比を１００としたとき、Ａｌの原子比が５５を超え８０以下にしたことに、基本的な特徴を備えている。
【００３６】  本発明の冷間鍛造用金型は、その金型基材１の表面に上記した最下層２ａ、中間層２ｂ、最表層２ｃの３層からなる皮膜２を形成したことにより、冷間鍛造用金型の表面に形成した皮膜２の靱性を向上させ、かつ、耐焼き付き性を高めることを可能とし、これにより耐久性を格段に向上させた冷間鍛造用金型を提供するものである。
【００３７】  以下、本発明が備えている皮膜２の特徴について詳細に説明する。
冷間鍛造、特に、被加工物に対する断面減少率が５０％を超えるような過酷な鍛造成形では、冷間鍛造用金型の表面に発生したクラックと、この金型の表面に付着する付着物が、成形した製品寸法の不良や金型寿命をばらつかせる要因となる。従って、このような過酷な冷間鍛造によって製品を製造するときには、金型表面に形成した皮膜の耐クラック性（靱性）と耐付着性（耐焼き付き性）を改善することが極めて重要な技術課題になっている。
なお、上記した付着物とは、冷間鍛造用の潤滑剤と鍛造成形（鍛造加工）時に被加工物から生じる粉末等が固形化、又は半固形化した異物であって、以下の説明において「付着物」とはこの異物を示す。また、上記した金型寿命のことを以下の説明において「鍛造寿命」と記載する場合がある。
【００３８】  皮膜２を備えている本発明の冷間鍛造用金型において、皮膜２の最外層となる最表層２ｃは、ＡｌとＴｉの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜、さらにＡｌとＴｉの総原子比を１００としたとき、Ａｌの原子比が５５を超え８０以下になるような皮膜とすることで、金型表面のクラック発生と付着物の付着を抑制し、さらに耐熱性も向上させることができた。これによって被加工物の鍛造成形時の変形抵抗を減少させ、冷間鍛造用金型の耐久性（鍛造寿命）を向上させることが可能になった。
【００３９】  具体的には、本発明が備えている皮膜２の最表層２ｃにおいて、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒの含有量が、冷間鍛造用金型の表面に対するクラック発生状態、及び付着物の付着量に及ぼす影響について実験した結果、ＡｌとＴｉの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜は、Ｃｒを含有する窒化物又は炭窒化物からなる皮膜に比べ、被加工物の鍛造成形中において金型表面への付着物の付着が減少する傾向にあった。さらに、最表層２ｃのＡｌとＴｉの総原子比を１００としたとき、Ａｌの原子比が５５を超え８０以下になるような皮膜とすることで金型表面のクラックが大幅に抑制され、さらに付着物の付着も減少し、冷間鍛造用金型の耐久性が向上することを見出すことができた。これは、Ｃｒを含有した皮膜は熱伝導性が悪く、つまり放熱性が劣っていることにより、高面圧下による冷間鍛造中においては、皮膜表面で温度が上昇し易くなり、これが原因になって金型表面に付着物が付着するためであると推察した。
【００４０】  また、最表層２ｃを、Ａｌの原子比が５５を超え８０以下になるような皮膜で構成すると、上記した最表層２ｃにおけるＣｒ含有量の抑制による、鍛造成形中の皮膜表面の温度上昇の抑制効果に加え、Ａｌと窒素の結合比率向上により、さらなる放熱性向上が発揮される。
さらに、最表層２ｃを、Ａｌの原子比が５５を超え８０以下になるような皮膜で構成することによりクラックの発生が抑制された理由は、最表層２ｃの皮膜組織の微細化と耐酸化性が向上し、これにより耐クラック性が向上したと推察された。
【００４１】  また、最表層２ｃが備えている耐クラック性である靱性を最大限に発揮するには、最表層２ｃの皮膜硬度を押し込み硬さ法による測定で２０〜３０ＧＰａの範囲とすることが好ましく、硬度が３０ＧＰａを超えると皮膜の靱性が低下する傾向にあり、皮膜の剥離が生じる場合があり、２０ＧＰａ未満では耐摩耗性が十分ではない。最表層２ｃの皮膜硬度を制御するには、最表層２ｃのＡｌ含有量に加え、成膜条件のうち、金型基材に印可するバイアス電圧によって制御することができる。
【００４２】  本発明において、最表層２ｃは、Ａｌの原子比が５５を超え８０以下にした皮膜であるが、ＴｉとＡｌの窒化物又は炭窒化物からなる皮膜は、Ａｌ含有量と成膜条件によって、立方晶と六方晶の結晶構造となる。本発明においては、ＴｉとＡｌの窒化物又は炭窒化物からなる皮膜においてＡｌの含有量が重要であって、結晶構造は立方晶と六方晶のどちらでも良い。
【００４３】  以上の理由から、最表層２ｃはＣｒ含有量を抑制し、ＴｉとＡｌの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜で、その含有量、より好ましくは皮膜硬度も考慮して、Ａｌの原子比を上記した原子比の範囲になるように制御することが、冷間鍛造用金型の耐久性改善に極めて有効となる。
【００４４】  上記したように、最表層２ｃは、ＡｌとＴｉの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜から構成され、さらに、ＡｌとＴｉの総原子比を１００としたとき、Ａｌの原子比が５５を超え８０以下になるような皮膜である。最表層２ｃにおいて、Ａｌ含有量を原子比で５５以下にすると、最表層２ｃの硬度が高くなり、被加工物の鍛造成形中に最表層２ｃにクラックが生じ易くなり、冷間鍛造用金型の耐久性を向上させることができなくなる。一方、Ａｌ含有量が原子比で８０を超えると、皮膜２（最表層２ｃ）のドロップレットが増加して面粗度（表面粗さ）が急激に粗くなって、逆に耐焼き付き性が低下し、冷間鍛造用金型の耐久性を向上させることができなくなる。
さらに、本発明において皮膜２を構成する最下層２ａは、Ｃｒの窒化物又は炭窒化物を主成分とした皮膜で構成することにより、金型基材１と皮膜２の密着性を向上させると同時に、最表層２ｃのクラック発生をさらに抑制する作用を発揮する。
【００４５】  本発明の冷間鍛造用金型は、上記した皮膜２を備えていること、特に最表層２ｃを備えていることにより、最表層２ｃの機能、すなわち、耐焼付き性、靱性（耐クラック性）、耐熱性を向上させてクラックが生じ難い皮膜２を形成していることに特徴がある。
【００４６】  本発明が備えている皮膜２のうち中間層２ｂは、最下層２ａと最表層２ｃの間に形成された皮膜層であって、最下層２ａと最表層２ｃとを密着性が良くなるように接合する機能と、皮膜２の耐摩耗性を補完するための機能を有している。
【００４７】  本発明において、中間層２ｂの成分はＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒを主成分とし、ＡｌとＴｉとＣｒの総原子比を１００としたときに、Ｃｒの原子比が５０以下、Ａｌの原子比が４５以上６５以下、Ｔｉの原子比が１０以上３５以下であることが好ましい。
冷間鍛造用金型に成膜した皮膜の摩耗は、最表層２ｃから進行し、最表層２ｃの一部が摩耗により露出すると、中間層２ｂが皮膜２の摩耗を抑制する効果を発揮する。
【００４８】  なお、中間層２ｂは、その成膜時に、最下層２ａと最表層２ｃを構成する金属の窒化物又は炭窒化物の成分を含む合金ターゲットを用いた成膜により形成された皮膜（混合皮膜）としても良い。中間層２ｂをこの合金ターゲットを用いて混合皮膜で構成する他の成膜方法としては、例えば、成膜装置において最下層２ａの成膜用ターゲットと最表層２ｃの成膜用ターゲットを同時に放電して、金型基材１を回転させながら成膜することにより、双方のターゲットに含まれる成分が混合した混合皮膜を形成する方法を採用することができる。
【００４９】  中間層２ｂにおいて、ＡｌとＴｉとＣｒの総原子比を１００としたときに、Ｃｒの原子比が５０を超えると、皮膜２の摩耗の進行を早め、金型の鍛造寿命が短くなる傾向になる。また、中間層２ｂにおけるＡｌの原子比を４５未満にすると、中間層２ｂの耐熱性が低下するため、同様に皮膜２の摩耗の進行を早め、鍛造寿命が短くなる。一方、中間層２ｂのＡｌの原子比が６５を超えると、同様に皮膜２の摩耗の進行を早め、金型の鍛造寿命が短くなる傾向になる。
また、中間層２ｂにおけるＴｉの原子比が１０未満、及び３５を超えると、最表層２ｃの耐剥離性が低下し、金型の鍛造寿命が短くなる傾向になる。このことから、より好ましい中間層２ｂの成分は、ＡｌとＴｉとＣｒの総原子比を１００としたとき、Ｃｒの原子比が３０以下、Ａｌの原子比が５０以上６０以下、Ｔｉの原子比が１０以上２０以下にすることが望ましい。
【００５０】  さらに、本発明においては、中間層２ｂと最表層２ｃの双方、又はいずれか一方にＳｉを含有させることが望ましい。Ｓｉを含有させた場合には、中間層２ｂと最表層２ｃに含まれるＡｌとＴｉとＣｒとＳｉの総原子比を１００としたときに、Ｓｉの原子比は２以上１０以下にすることが好ましい。このように、中間層２ｂと最表層２ｃの双方、又はいずれか一方にＳｉを含有させることにより、中間層２ｂと最表層２ｃの結晶粒径をさらに微細化することができ、中間層２ｂと最表層２ｃの硬度が向上すると同時に、被加工物の鍛造成形時に、皮膜の組織粒界に集中する応力を分散させる作用が生じ、冷間鍛造用金型の耐久性を向上させる効果が発生する。
なお、最表層にＳｉを含有させた場合には、ＡｌとＴｉとＣｒとＳｉの総原子比を１００としたときに、Ｃｒの原子比を５以下、より好ましくは１以下とすることで、Ｓｉ含有による最表層２ｃの靱性低下を抑制することができる。
【００５１】  なお、上記した中間層２ｂと最表層２ｃの双方、又はいずれか一方にＳｉを含有させた場合に、各層のＡｌとＴｉとＣｒとＳｉの総原子比を１００としたときに、Ｓｉの原子比を２未満とした場合には、上記したＳｉを含有させた効果、すなわち、結晶粒径を微細化する効果を顕著に得ることができなくなる。一方、Ｓｉの原子比が１０を超えると、皮膜の靱性が極端に低下するため、逆にクラック発生の進展を早めてしまい、冷間鍛造用金型の耐久性が低下する。
【００５２】  さらに、中間層２ｂに含まれるＳｉの含有量（原子比）は最表層２ｃに含まれるＳｉの原子比よりも多くなるように構成することにより、最表層２ｃの表面における耐焼き付き性と中間層２ｂによる耐摩耗性のバランスが最適となり、冷間鍛造用金型の耐久性が大幅に向上し、本発明において特に好ましい皮膜２の実施形態になる。
【００５３】  さらに、本発明において、最表層２ｃの膜厚（層厚）は、皮膜２全体の膜厚の５０％以上にすることが好ましい。なお、最表層２ｃの膜厚が皮膜２全体の膜厚に占める上限値は７５％以下にすることが望ましい。このように、最表層２ｃの膜厚を皮膜２全体の膜厚の５０％以上にすることにより、最表層２ｃはその靭性の向上などの効果が最大限に発揮され、冷間鍛造用金型の耐久性が格段に向上する。さらには、最下層２ａの膜厚を最も薄くする。具体的には、最下層２ａの膜厚は皮膜２全体の膜厚の１５％以下とし、中間層２ｂの膜厚は皮膜２全体の膜厚の４０％以下とすることにより、耐久性が最も優れた冷間鍛造用金型を得ることができる。
【００５４】  なお、本発明において最表層２ｃにＣｒを含有させる場合には、Ｃｒの含有量は、最表層２ｃにおけるＡｌとＴｉとＣｒの総原子比を１００としたとき、Ｃｒの原子比が５以下であることが好ましい。原子比が５を超えて多く含有すると、耐焼き付き性が低下し、鍛造成形時に金型表面に付着物が付着する傾向が増加し、鍛造寿命のバラツキおよび製品寸法の異常発生により鍛造寿命が短くなる傾向になる。
【００５５】  また、本発明において最下層２ａに、Ｃｒの他にＴｉ及びＡｌを含有させる場合には、最下層２ａのＴｉ及びＡｌの含有量は、ＡｌとＴｉとＣｒの総原子比を１００としたとき、Ｔｉ及びＡｌの原子比はそれぞれ５以下にすることが好ましい。この理由は皮膜２全体の靱性の低下を抑制するためである。
【００５６】  本発明においては、前記した皮膜２を構成する最下層２ａ、中間層２ｂ、最表層２ｃの各層間に、夫々の前記した混合皮膜やその他の層を適宜形成しても良い。例えば、最下層２ａと中間層２ｂの間に、最下層２ａと中間層２ｂに含まれる成分を含有する混合皮膜となる第１中間混合層を形成し、中間層２ｂと最表層２ｃの間に、中間層２ｂと最表層２ｃに含まれる成分を含有する混合皮膜となる第２中間混合層を形成してもよい。このように、第１中間混合層、第２中間混合層からなる皮膜を設けると、皮膜２の靭性を一層向上させることが可能になる。
【００５７】  また、本発明の冷間鍛造用金型において、金型の外観色を調整する目的のために、最表層２ｃの上層に、０．３μｍ以下の膜厚であって、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選択される１種以上の窒化物又は炭窒化物からなる外観色調整用被覆層を被覆してもよい。
この外観色調整用被覆層は、Ｃｒを主成分とする場合は銀色系となり、Ａｌ及びまたはＳｉを主成分とする場合は濃い青色系となり、Ｔｉを主成分とする場合は金色系となり、また、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉの含有量によっても、上記色の中間的な外観色等に調整することができる。さらには、Ｃｒを主成分とした銀色系の皮膜の上にＡｌ及びまたはＳｉを主成分とする濃い色の皮膜を０．０５μｍ程度に被覆した場合は干渉色をなしている。外観色調整用被覆層は、金型の表面に皮膜層２を形成しているか否かの表面処理実施の有無、及びこの金型を既に鍛造成形に使用したか否かの識別にも有効になる。
【００５８】  続いて、本発明に係る冷間鍛造用金型において、皮膜２の表面の面粗度（表面粗さ）について説明する。本発明が備えている皮膜２の最表層２ｃの表面の表面粗さ（Ｒａ）は０．１μｍ以下に、同じく最大高さ（Ｒｙ）は１μｍ以下であることが好ましい。
算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以下、最大高さ（Ｒｙ）を１μｍ以下にすることが好ましい理由は、次の通りである。
皮膜２内部のドロップレットと呼ばれる粒子状欠陥は、脱落後、応力集中によりクラックが発生する起点となり、金型の耐久性に大きな影響を及ぼす。このため、最表層２ｃの表面粗さ（Ｒａ）及び（Ｒｙ）の値を上記したように規定することにより、冷間鍛造用金型の耐久性を向上させることができる。また、ドロップレットの面積率は、２％以下であることが好ましい。なお、ドロップレットの面積率は、走査型電子顕微鏡等により最表層２ｃの表面を倍率３０００倍程度で観察したときの凹凸の面積率を測定することにより得ることができる。
【００５９】  前記したように、皮膜２を構成する中間層２ｂの形成は、成膜装置において最下層２ａと最表層２ｃの金属組成からなる２種のターゲットを同時に放電させ、成膜装置内で回転する金型基材１の表面に皮膜を形成することにより、最下層２ａの金属成分の窒化物又は炭窒化物を含む皮膜と、最表層２ｃの金属成分の窒化物又は炭窒化物を含む皮膜が積層された構成からなる混合皮膜（以下、「積層皮膜」という）を形成してもよい。この場合、中間層２ｂにおいて、最下層２ａの金属成分を含む層（２ｂ１）と最表層２ｃの金属成分を含む層（２ｂ２）の積層順序は特に限定するものではなく、交互に一対もしくは複数対の層が積層されていれば良い。
【００６０】  上記した混合皮膜の実施形態となる積層皮膜を形成する方法は、成膜装置により、最下層２ａの金属成分の窒化物又は炭窒化物を含む皮膜と、最表層２ｃの金属成分の窒化物又は炭窒化物を含む皮膜の夫々の厚さが０．３μｍ以下となるように放電電流および金型基材１の回転数を制御して、これら最下層２ａの金属成分の窒化物又は炭窒化物を含む単位層と、最表層２ｃの金属成分の窒化物又は炭窒化物を含む単位層が順次積層された組成の積層構造を備えた中間層２ｂを形成することができる。このとき、積層された積層構造の夫々の単位層の組成は、ＡｌとＴｉとＣｒとＳｉの総原子比を１００としたとき、Ｃｒの原子比が５０以上の単位層（２ｂ１）と、Ａｌの原子比が５０以上の組成からなる単位層（２ｂ２）とを交互に積層して、中間層２ｂの組成と膜厚が所定の値になるように形成することが好ましい。このような積層（周期）構造を備えた中間層２ｂを形成すると、皮膜２の靱性をさらに高めることができ、耐久性が向上した冷間鍛造用金型を得ることが可能になる。
【００６１】  この積層構造からなる中間層２ｂにおいて、特に好ましい単位層の層厚（膜厚）は０．１μｍ未満である。ここで、Ｃｒの原子比が５０以上の単位層は組織が柱状晶、Ａｌの原子比が５０以上からなる単位層の組織は微細であるので、この積層構造をなす中間層２ｂでは、組織の粒径の異なる単位層が交互に積層されている。このため、積層構造をなす中間層２ｂは耐クラック性が向上するので、冷間鍛造用金型の耐久性の向上に寄与することが可能になる。
なお、この積層構造をなす組織は、透過型電子顕微鏡による断面観察により確認することできる。
【００６２】  本発明の冷間鍛造用金型においては、金型基材１の表面に上記した皮膜２を形成する前に、金型基材の表面に窒化処理を行うことが好ましい。この理由は、冷間鍛造用金型に形成する皮膜２の耐剥離性を向上させるためには、予め、金型基材１の表面に窒化処理を行うことが好ましいからである。なお、金型基材１の表面に窒化処理を行う場合には、窒化による化合物層が形成され難いプラズマ窒化処理が好ましく、窒化処理の深さは金型基材１の表面から内部方向へ５０μｍ以下とすることが好ましい。
【実施例】
【００６３】［試作した金型］
続いて、本発明の冷間鍛造用金型について、性能を評価するための金型を試作して、冷間鍛造の実験を行ってその耐久性を評価した実施例について説明する。この耐久性評価用の金型としては、冷間鍛造用のパンチを３０種試作し、その耐久性について評価した。試作したパンチの材質は、金型用素材であるマトリックス系ハイス（ＪＩＳ相当）とし、焼き入れ温度を１１５０℃、焼き戻し温度を５２０℃で３回処理し、硬度を６５ＨＲＣに調整した。そして、熱処理後のパンチ（金型）基材についてその表面形状及び表面部の性状のバラツキを低減させるために、研削および切削加工を施して所定の形状にした後、鍛造成形時に被加工物との接触部（鍛造する被加工物との接触部）となるパンチ基材の機能部を鏡面研磨し、機能部の表面粗さ（Ｒａ）を０．０３μｍ、表面粗さ（Ｒｙ）を０．３μｍに調整した。【００６４】  図２は、試作したパンチ（パンチ基材）３の形状を示す平面図であって、パンチ３は円柱形状をなし、その軸心（長手）方向に沿って、ストレート部３ａと、ストレート部３ａの下端部に一体に形成されたベアリング部３ｂを備えている。また、ベアリング部３ｂの直径は、ストレート部３ａの直径より若干大きくなるように形成された外周面３ｃと底部３ｄを備えている。このため、ストレート部３ａとベアリング部３ｂとは、図２には示していないが、テーパ部を介して一体に形成されている。また、外周面３ｃと底部３ｄとが交差する稜線部には微小なＲ形状部を形成している。
通常の冷間鍛造用パンチは上記した形状を有しているので、ベアリング部３ｂがストレート部３ａよりも損傷しやすい部位になる。特に、ベアリング部３ｂの外周面部３ｃが損傷しやすい部位になる。
図２に示すＬは、パンチ３の機能部となるストレート部３ａとベアリング部３ｂの長手方向（軸心方向）の長さを示す。なお、図２に示すストレート部３ａの長手方向の上方部は、パンチ３を鍛造装置に把持させるための把持部になる。【００６５】  試作した各冷間鍛造用のパンチ基材３の表面に、すなわち、図２に示すパンチ基材３のストレート部３ａ、テーパ部（図示せず）、およびベアリング部３ｂ（外周面３ｃと底部３ｄ）の表面に、複数のアーク蒸発源を有する成膜装置を用いて、表１に示す仕様を備えた皮膜を形成（成膜）した。
なお、以下の実施例の説明において「パンチ基材」と記載した場合にはパンチ基材の機能部（ストレート部３ａ、テーパ部、およびベアリング部３ｂ）に皮膜を形成していない試作パンチを示し、単に「パンチ」と記載した場合にはこの機能部に皮膜を形成した試作パンチ（パンチ３）を示す。【００６６】  表１には、試作した３０種のパンチ基材（試料番号１〜３０）に成膜した皮膜の仕様として、最下層２ａ、中間層２ｂ、最表層２ｃに含まれるＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉの含有量となる原子比、すなわち、これら元素の総原子比を１００としたときの原子比の値と、成膜した最下層２ａと中間層２ｂと最表層２ｃの各層の膜厚（μｍ）と、最表層（最外層）２ｃの表面の面粗さ（面粗度）を示す表面粗さ（Ｒａ）と（Ｒｙ）を示している。
また、試料番号の欄には、試料番号に対応させてこの試料番号が本発明例、比較例、従来例のいずれのパンチに相当するかを記載している。さらに、表１には、試作したパンチの耐久性の評価結果である鍛造寿命（ショット回数）を示している。【００６７】
【表１】
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【００６８】  表１に示すように、本発明例と比較するために試作した比較例のパンチは、最下層と中間層と最表層のうち、１層のみ、２層のみ、及び３層の皮膜を形成した例が含まれ、同じく試作した従来例のパンチについては、皮膜を形成しなかったパンチ例と従来から実施されている１層のみの皮膜を形成したパンチ例が含まれている。【００６９】  表１の最右欄に示す「鍛造寿命」とは、試作したパンチの耐久性について冷間鍛造の成形実験を行って得たショット回数を示しており、この鍛造寿命（ショット回数）は次のように定義した。
すなわち、試作したパンチ３を用いて図３に示す被加工物（被加工素材）４を、冷間鍛造により成形（後方押し出し成形）したときに、冷間鍛造成形により得た製品（図４に示す鍛造成形品）５の内側表面（内周面）５ａに縦スジ発生の有無を判定し、この縦スジが  顕著に生じ
てこの縦スジにより、製品５の内径寸法が目標寸法に対して±０．０１ｍｍの誤差が生じた時点の累計ショット回数を鍛造寿命とした。表１に示す鍛造寿命の欄には、累計のショット回数の値が１０００より小さい値は「０００」として切り捨てた回数で示しており、このショット回数の値が試作した金型（パンチ３）の寿命（鍛造寿命）を示すものとしている。【００７０】  試作したパンチ３について冷間鍛造の実験条件とその実験結果の評価方法について、さらに詳細に説明する。
冷間鍛造を行う被加工物４はその材質をＳ４５Ｃ（機械構造用炭素鋼）とし、この被加工物について線引時に焼鈍及びボンデ処理（リン酸塩処理）を施した。そして、市販のパーツフォーマーを用い、切断、端面矯正、絞りの各工程の作業を行って円柱形状の被加工物４とした後、図３に示すダイス６の孔部６ａからこの被加工物４を下受けパンチ７上に挿入し、試作したパンチ３をＦ方向にダイス６の孔部６ａ内を上下にショット駆動させて、被加工物４に冷間鍛造による成形を実施した。この冷間鍛造成形では、被加工物４の断面減少率が７０％、成形深さが直径の２．５倍の後方押し出し工程からなる鍛造成形を実施して、底部５ｂを有し円筒形状をなす鍛造成形品５（図４参照）を順次繰り返して成形しながら、前記した内周面５ａへの縦スジの発生状況の測定に基づいてパンチの耐久性を評価した。この後方押し出し工程においては、成形荷重は１５０ｋｇｆ／ｍｍ２、１分間あたりのショット回数は６０ショット、潤滑油は硫黄系の極圧添加剤を含有した不水溶性の鍛造油を前工程でパンチに直接供給した。図３（図４）に示す符号８は、冷間鍛造の枠体を示している。【００７１】  続いて、試作したパンチ３の皮膜に関する仕様を表１に基づいて説明する。試料番号２〜５、試料番号８〜１６、試料番号２０〜２４は、本発明例が備えている最下層２ａと中間層２ｂと最表層２ｃからなる皮膜を形成し、かつ、これらの各皮膜に含まれる元素の原子比は本発明が規定している範囲内に含まれている本発明例のパンチを示している。また、試料番号１３、１４、１５、２１は、中間層と最表層の双方又は一方にＳｉを含有する皮膜を形成した本発明例のパンチを示している。【００７２】  試料番号１は、本発明例が備えている最表層の１層のみの皮膜を成膜（Ｔｉ、Ａｌの原子比が４０、６０）した比較例である。また、試料番号６、７は、最下層、中間層、最表層からなる皮膜を備えているが、最表層に含まれるＡｌの原子比が本発明に規定している範囲内に含まれていない比較例を示している。また、試料番号１７は、本発明が備えている最下層と最表層に相当する元素の原子比を有しているが、中間層を備えていない比較例を示し、試料番号１８は最下層と中間層と最表層からなる皮膜を備えているが、最表層に含まれるＡｌの原子比が本発明で規定している範囲内に含まれていない比較例を示す。さらに、試料番号１９は、最下層と中間層と最表層からなる皮膜を備えているが、最下層のＣｒの原子比を１００とし、中間層のＴｉの原子比を５、Ｃｒの原子比を６５、Ａｌの原子比を３０とし、最表層のＴｉの原子比を１０、Ｃｒの原子比を３０、Ａｌの原子比を６０とした比較例を示している。【００７３】  試料番号２５は、パンチ基材の機能部の表面に皮膜を形成していない従来例のパンチを示し、試料番号２６〜３０は、それぞれ従来から実施されているＣｒＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮからなる皮膜の１層を成膜した従来例のパンチを示している。【００７４】  試作した各パンチ基材への皮膜の形成は、成膜装置のチャンバー内に回転機構を有した基材ホルダーを設け、この基材ホルダーに試作したパンチ基材を設置した。そして、成膜装置のチャンバー内を真空引き（１×１��−３Ｐａ以下に排気）した後、パンチ基材を約４３０℃まで加熱した後、Ａｒイオンを用いてスパッタクリーニングを実施した。この後、アーク蒸発源による成膜の場合は、φ１００ｍｍのターゲットを用い、アーク電流は８０〜１５０Ａの範囲とし、パンチ基材に印可するバイアス電圧をマイナス４５Ｖ、全圧力４ＰａのＮ２雰囲気、あるいは（Ｎ２＋Ｃ２Ｈ２）の混合ガス中にて、パンチ基材の表面に、窒化物の皮膜又は炭窒化物からなる皮膜を成膜した。パンチ基材の回転数は毎分４回転とした。【００７５】  この成膜に際しては、表１の中間層「製法」欄に「−」と記載している本発明例と比較例の試料番号については、まず、最下層の金属組成を有するターゲット（蒸発源）を使用してパンチ基材上に最下層を形成した後、蒸発源を切り替えて中間層を形成し、中間層を形成した後に、最表層の金属組成を有するターゲットにより最表層を形成した。【００７６】  表１の中間層の「製法」欄に記載している「混合」とは、中間層が前記した「混合皮膜」の実施形態となる積層皮膜から構成されていることを示している。なお、表１の中間層の欄に「混合」と記載している本発明例と比較例の試料番号については、最下層の金属組成を有するターゲットを使用してパンチ基材上に最下層の皮膜を形成した後に、最下層の組成を有するターゲットと最表層の組成を有するターゲットを同時に使用して混合皮膜、すなわち、前記した組成の積層構造を備えた中間層２ｂを形成したことを示している。そして、中間層２ｂを形成した後に最表層の組成を有するターゲットにより最表層を形成した。【００７７】  中間層を上記した積層構造として形成する場合は、前記したように、中間層は厳密には成膜装置の回転機構に設置したパンチ基材の表面に、最下層成膜用ターゲットと最表層成膜用ターゲットのそれぞれの金属成分の窒化物又は炭窒化物からなる皮膜が交互に積層される。中間層をこの積層構造として形成するためには、成膜装置の制御に基づいて最下層成膜用ターゲットと最表層成膜用ターゲットを同時に放電させ、アーク電流を８０〜１５０Ａの範囲で変化させながら、かつ、積層構造を構成する単位層の厚さとその組成を所定の値にするように各単位層を形成するための回転機構の回転数を制御するようにする。【００７８】  なお、試料番号１〜３０（試料番号２５は除く）のパンチ基材３の機能部（ストレート部３ａ、テーパ部およびベアリング部３ｂ）に、表１の膜厚欄に示す最下層、中間層、最表層に対応する膜厚を有する皮膜を成膜した後に、パンチ基材の機能部表面を再度鏡面研磨し、表１に示すように、機能部の表面における皮膜の表面粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以下となる０．０５μｍに、表面粗さ（Ｒｙ）を１μｍ以下となる０．６μｍに調整して、３０種の試作パンチを製造した。【００７９】［試作したパンチによる鍛造成形実験の結果］
続いて、試作した試料番号１〜３０に係るパンチについて、前記した冷間鍛造の実験条件に基づいて冷間鍛造の成形実験を実施した。その結果を、表１の「鍛造寿命（ショット回数）」欄に示している。この鍛造寿命の結果から次の事項が明らかになった。【００８０】  （１）本発明例となる試料番号２〜５、試料番号８〜１６、試料番号２０〜２４については、その鍛造寿命を示すショット回数は１５０００〜５８０００の値が得られた。図５は、本発明例となる試料番号２のパンチについて、ショット回数が１２０００に達したときに撮像した写真図、図６（ａ）、（ｂ）は同じくこの試料番号２のパンチについて、ショット回数が１２０００に達したときのベアリング部の外周面を走査型電子顕微鏡で観察したときのＳＥＭ写真図（倍率６５）であって、それぞれ二次電子像と反射電子像を示している。図５、図６に示すように、本発明例となる試料番号２のパンチのストレート部３ａとベアリング部３ｂの外周面３ｃには皮膜の剥離などの損傷は生じていなかった。【００８１】  これに対して、比較例となる試料番号１、試料番号６〜７、試料番号１７〜１９についてその鍛造寿命を示すショット回数は、本発明例と比較して低い値となる７０００〜１２０００が得られた。図７（ａ）、（ｂ）は、比較例となる試料番号７のパンチについて、ショット回数が５０００に達したときのベアリング部の外周面を走査型電子顕微鏡で観察したときのＳＥＭ写真図（倍率１５０）であって、それぞれ二次電子像と反射電子像を示している。なお、図７（ａ）、（ｂ）において、紙面の縦方向がパンチの軸心方向（鍛造方向）を示している。【００８２】  図７（ａ）、（ｂ）において紙面の横方向に延びている黒色の部位（符号「８」）は、ベアリング部３ｂの外周面３ｃに発生しているクラックを示しており、クラック８の周辺部の白色で表示されている部分は、成膜した皮膜が剥離してパンチの基材が露出していること、すなわち、クラック８を含む周辺部には微小な凹凸が発生していることを示している。比較例となる試料番号７のパンチは、ベアリング部３ｂの外周面３ｃに発生したこれらクラック８を含む周辺部の微小な凹凸が鍛造ショットの回数の増加に伴って拡大し、その鍛造寿命が１００００のショット回数と判定された。
また、従来例のパンチ（試料番号２５〜３０）の鍛造寿命を示すショット回数は、表１に示すようにいずれも１００００以下であった。【００８３】  これにより、本発明例のパンチはその基材に、前記したＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、またはＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選択される窒化物又は炭窒化物からなる皮膜を３層、すなわち、最下層、中間層、最表層の３層からなる皮膜２を形成するとともに、これら各３層の皮膜に含まれるこれら元素の原子比を前記した範囲に規定すると、試料番号１等の比較例のパンチと比較して鍛造寿命が２倍〜４．８倍向上することが明らかになった。
特に、本発明例となる試料番号２〜５、試料番号１０、試料番号１３〜１６、試料番号２１、２３については、鍛造寿命を示すショット回数は２００００以上の値が得られ、従来から実施されている従来例の試料番号２５〜３０と比較して、少なくとも鍛造寿命が２倍〜１０倍向上することが明らかになった。このように、本発明例の鍛造寿命が向上した理由は、最表層のＡｌ含有量を原子比で５５を超え８０以下、より好ましくは６０〜８０の範囲に設定したことにより、前記したように最表層２ｃのクラック発生が抑制されたことによるものと推測できる。【００８４】  （２）また、本発明例となる試料番号３は、最表層にＣｒを原子比で５含有する場合であるが、本発明例の試料番号２と比較して、鍛造寿命が低下した。これは、試料番号３のパンチの摩耗量は少なかったものの、パンチ表面に堆積した付着物が試料番号２と比べて多くなっていることが観察された。このため、鍛造成形した製品の表面にこの付着物によるキズが発生し製品としての許容範囲を超えた。さらに、比較例となる試料番号１９は、最表層にＣｒを３０含有する場合であるが、本発明例に比べ鍛造寿命が１２０００と短く、従来例と比べても耐久性の大きな向上は確認できなかった。これは、試料番号３と同様にパンチの摩耗量は少なかったものの、パンチ表面に堆積した付着物が本発明例と比べて著しく多く観察されたためである。このため、鍛造成形した製品の表面にもこの付着物によるキズが多く発生し、製品としての許容範囲を超えた。よって、最表層にＣｒを含有させる場合にはＣｒ含有量は原子比でその上限値を５以下とすることが好ましい。【００８５】  （３）また、本発明例となる試料番号２〜５、８〜１２は中間層におけるＣｒ含有量を原子比で１０〜７５の範囲内のいずれかに設定した場合であるが、Ｃｒ含有量を原子比で１０とした試料番号４、及びＣｒ含有量を原子比で２０とした試料番号５では、鍛造寿命となるショット回数が３５０００以上の高い値が得られた。これに対して、Ｃｒ含有量を原子比で３０〜７５とした本発明例の試料番号８〜１０ではパンチの摩耗量が多くなったため、鍛造寿命となるショット回数が１６０００〜２４０００に低下した。このことから、中間層にＴｉ、Ｃｒ、Ａｌを含有させた場合には、Ｃｒ含有量の原子比を１０〜２０以下にすることがより好ましいといえる。【００８６】  （４）本発明例となる試料番号１１、１２、２０は、最下層にＣｒ以外にＴｉ又はＡｌの窒化物又は炭窒化物を含有させた場合であるが、本発明例となる試料番号２と比べて鍛造寿命となるショット回数が低下した。これは、試料番号１１、１２、２０、特に試料番号２０は異常摩耗によって製品の寸法許容範囲を維持できなかったためである。従って、最下層にＣｒ以外にＴｉ又はＡｌの窒化物又は炭窒化物を含有させる場合には、最下層におけるＴｉ又はＡｌの原子比は５未満と少なくした方が良いといえる。しかし、試料番号１１、１２、２０は、従来例となる試料番号２５〜３０に比べて１．３倍以上の鍛造寿命が得られ、その効果は顕著ではないものの、従来例２５〜３０に比べ鍛造寿命が長いといえる。【００８７】  （５）本発明例となる試料番号１３〜１５と２１のように、中間層と最���層の双方又はその一方に原子比でＳｉを５以上１０以下の範囲内で含有させると、鍛造寿命を示すショット回数は４００００以上になり、他の本発明例と比較して鍛造寿命が著しく向上した。このことは、中間層と最上層の双方、又はその一方に原子比でＳｉを５以上１０以下含有させると、Ｓｉ添加による結晶粒径を微細化する作用により皮膜の耐摩耗性が向上し、ショット回数が著しく向上したと考えられる。特に、試料番号１５と２１に示す、中間層のＳｉの原子比が最表層よりも多くなるように構成すると、鍛造寿命を示すショット回数は５２０００〜５８０００となり、より好ましいといえる。
なお、試料番号１６は、中間層を中間層成膜用のターゲットを用いて成膜した場合であるが、中間層を混合皮膜として成膜した場合と同様に優れた鍛造寿命を示した。【００８８】  （６）本発明例となる試料番号２２、２３、２４は、最下層、中間層及び最表層の膜厚を変化させた場合であるが、試料番号２２と２４の鍛造寿命が１５０００と１７０００であることに対し、試料番号２と試料番号２３の鍛造寿命が２５０００と２２０００となり、最表層の膜厚比が皮膜２全体の厚さの５０％を超え、７５％未満にすると鍛造寿命がより長くなるといえる。これは最下層、中間層及び最表層の特性のバランスが鍛造寿命に影響を及ぼすことを示唆するものであり、皮膜２全体の膜厚に対して最表層の膜厚比が５０％を超え、７５％未満にすることが本発明の好ましい膜厚の構造といえる。さらには、各層の膜厚比は、最下層の膜厚が最も薄く皮膜２全体の膜厚の１５％以下とし、中間層の膜厚は皮膜２全体の膜厚の４０％以下とすることが好ましいといえる。【００８９】  （７）比較例となる試料番号１は、最下層と中間層を成膜していない１層の皮膜からなるため、部分的にこの皮膜が剥離し、剥離部を起点とした皮膜の異常摩耗により比較的早い段階（ショット回数７０００）で鍛造成形した製品の表面に皮膜の剥離に起因するスジの発生が確認され、製品としての許容範囲を超えたため、冷間鍛造用金型の耐久性を改善するには至らなかった。
また、最表層におけるＡｌ含有量が原子比で５５及び４０とした比較例となる試料番号６、７は、鍛造寿命となるショット回数が１２０００及び１００００となり、本発明の鍛造寿命より少ない値になった。試料番号７について、鍛造後のパンチ表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果、前記したが図７（ａ）、（ｂ）に示すように、鍛造方向と直角の方向に多数のクラック８が観察され、これによって製品の許容寸法範囲を維持できなかったものである。この結果から、最表層におけるＡｌ含有量は原子比で５５を超える値にすることが重要であるといえる。【００９０】  試料番号７のパンチは、皮膜の最表層２ｃにおけるＡｌ含有量が原子比で４０とした比較例であるが、ショット回数が５０００に達した時点において、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、鍛造方向と直角の方向に多数のクラック８が観察され、このクラック８によりベアリング部（３ｂ）に異常な摩耗を生じ鍛造寿命が短くなった。鍛造方向と直角の方向に発生するクラック８は、鍛造時に母材表面が圧縮と引張により弾性変形を繰り返すことによって、皮膜表面に被覆した皮膜にクラック８が生じたものであり、このクラック８の発生は特に最表層におけるＡｌ含有量に依存しており、原子比で５５以下の試料番号のパンチ表面に観察された。【００９１】  （８）比較例となる試料番号１７は、中間層を設けていないために、最表層の効果を発揮する前に、最表層が剥離等により異常な摩耗が発生し、鍛造寿命となるショット回数は１２０００と低い値になった。同様に比較例となる試料番号１８は、最下層、中間層及び最表層の３層からなる皮膜を成膜したが、最表層におけるＡｌ含有量を原子比で５０としたために、鍛造方向と直角の方向に多数のクラックが観察され、そのために製品の寸法異常となり、鍛造寿命となるショット回数は１２０００と低い値になった。同様に、比較例となる試料番号１９は、最表層におけるＣｒ含有量を原子比で３０としたために、パンチ表面の付着物が増加した。このため、鍛造成形した製品の表面にもこの付着物によるキズが多く発生し、鍛造ショット回数が１２０００で製品としての許容範囲を超え、継続することができなかった。【００９２】  図８は、比較例となる試料番号１９について、鍛造ショット回数が１２０００に達したときのパンチの状態を示す写真図である。試料番号１９は、最表層におけるＣｒ含有量を原子比で３０としたことにより、冷間鍛造時にパンチのストレート部３ａに付着物９が多量に固着し、この付着物９により被加工物である製品５の内周面５ａにキズが発生した。この付着物９の付着量は最表層のＣｒの含有量に大きく依存していた。【００９３】  （９）従来例となる試料番号２５〜３０においては、いずれも鍛造寿命となるショット回数が１００００以下になった。試料番号２６と３０は、特にパンチ表面に堆積した付着物が本発明例と比べて多くなっていることが観察され、このことで鍛造成形した製品５の内周面５ａにこの付着物によるキズが発生し、鍛造製品としての許容範囲を超えた。試料番号２７と２８は、パンチ表面の機能部の母材が部分的に露出していたことから、本発明例に比べて耐摩耗性に劣る。試料番号２９は、鍛造後のパンチ表面に鍛造方向と直���の方向に多数のクラックが観察され、これによって製品の許容寸法範囲を維持できなかったもので、本発明例に比べクラックが生じ易い結果であった。【００９４】  なお、上記した実施例において、本発明の冷間鍛造用金型（パンチ）に形成した皮膜の最表層に、外観色を調整するためにＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉから選択される１種以上の窒化物又は炭窒化物からなる外観色調整用被覆を被覆しても、鍛造寿命に大きな相違は確認できなかった。
また、本発明においては、例えば、図３（図４）に示す冷間鍛造用金型を構成するダイス６の孔部６ａの内周面にも耐摩耗性を向上させるための皮膜、例えば、従来から実施されているＣｒＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等からなる皮膜を形成することが好ましい。【００９５】  以上の実施例の結果（１）〜（９）に記載したように、本発明に係る最下層と中間層と最表層の３層からなる皮膜を備えた冷間鍛造用パンチは、従来例や比較例の皮膜を有するパンチと比べて、パンチ表面（機能部）への異物の付着による焼き付きが格段に少なく、少なくとも１．５倍以上の鍛造寿命となるショット回数（耐久性）が向上することが確認できた。
なお、上記した実施例では、後方押し出し加工による冷間鍛造を実施してパンチの表面に成膜した皮膜の耐久性を確認した例について説明したが、本発明は、パンチとダイスを含む各種の冷間鍛造用金型に適用して、その耐久性を向上させる金型を提供することができる。特に本発明は、冷間鍛造用金型に特有の皮膜表面から発生するクラックの抑制と焼き付きによる金型表面の耐付着性を向上させたもので、断面減少率が５０〜８０％以上で使用される金型であって、前方押し出し成形、後方押し出し成形、据え込み成形、絞り成形に使用される冷間鍛造用金型に好適である。【００９６】  本発明の冷間鍛造用金型に適用可能な金型の材質は、例えば、ダイス鋼、マトリックスハイス鋼、高速度工具鋼、超硬合金、等である。また、本発明の冷間鍛造用金型に皮膜を形成するための成膜装置としては、ＰＶＤ法（イオンプレーティング、スパッタ、イオンビームスパッタ、等）を適用した装置を使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】  本発明に係る冷間鍛造用金型は、従来の表面被覆金型層よりも、皮膜の靱性が高く、かつ皮膜の耐剥離性、耐焼き付き性に優れ、耐久性を向上させた冷間鍛造用金型として有用である。
【符号の説明】
【００９８】１  ：金型基材
２  ：皮膜（皮膜層）
２ａ：最下層
２ｂ：中間層
２ｃ：最表層
３  ：パンチ
３ａ：ストレート部
３ｂ：ベアリング部
３ｃ：外周面（外周部）
３ｄ：底部（底面部）
４  ：被加工物（被加工素材）
５  ：鍛造成形品（製品）
５ａ：内周面
６  ：ダイス
６ａ：孔部
７  ：下受けパンチ
８  ：クラック
９  ：付着物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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