(57)【要約】【課題】かじりを抑制することができる冷間鍛造用金型を提供すること。【解決手段】本発明に係る冷間鍛造用金型１は、金型基材ＫＫの表面に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷから選ばれる１種若しくは２種以上の金属からなる被膜、又は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷから選ばれる１種若しくは２種以上の金属を含む窒化物、炭化物、又は、炭窒化物からなる被膜を形成する被膜形成工程と、  大気酸化、酸化雰囲気炉での酸化、塩浴酸化、又は、ホモ処理酸化により前記被膜を酸化して酸化被膜ＳＨを形成する酸化被膜形成工程とを行って製造されることを特徴とする。金型基材ＫＫと酸化被膜ＳＨとの間には、中間層ＣＳを付与してもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型基材の表面に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷから選ばれる１種若しくは２種以上の金属からなる被膜、又は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷから選ばれる１種若しくは２種以上の金属を含む窒化物、炭化物、又は、炭窒化物からなる被膜を形成する被膜形成工程と、
大気酸化、酸化雰囲気炉での酸化、塩浴酸化、又は、ホモ処理酸化により前記被膜を酸化して酸化被膜を形成する酸化被膜形成工程と、
を行って製造されることを特徴とする冷間鍛造用金型。
【請求項２】
前記被膜形成工程を行う前に、
前記金型基材の表面に４Ａ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）及び６Ａ族（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ）からなる群から選ばれた金属の１種又は２種以上を含む窒化物、炭化物、及び／又は、炭窒化物の単層又は複層を中間層としてイオンプレーティング法により形成する中間層形成工程を行う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】
前記被膜形成工程又は前記中間層形成工程を行う前に、
前記金型基材の表面を窒化処理することにより、硬化層深さ２００μｍ以下の窒化部を形成する窒化部形成工程を行う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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷間鍛造用金型に関し、更に詳しくは、耐かじり性に優れた酸化被膜を金型表面に形成することで、冷間鍛造用金型の金型寿命を改善する金型表面処理技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷間鍛造用金型は、自動車の車体部品等を製造するため多用されているが、その被加工材（ワーク）として高張力鋼板が多用されている。その理由は、自動車の車体部品等の軽量化や高剛性化のためである。従来の冷間鍛造用金型は、その金型表面に生じる「かじり」と呼ばれる筋状縦縞の欠陥から保護するために、その金型表面には潤滑剤や防錆剤が塗布されている。
また、このような「かじり」を抑制するために、金型表面にＦｅと親和性の低い硬質膜（窒化物や炭化物、炭窒化物）を形成する技術も数多く知られている。
【０００３】
その他にも、この種の従来の技術として、金型表面を酸化することにより硬質膜を形成する表面処理技術が特許文献１〜３に開示されている。特許文献１は、アルミ鋳造において使用する金型表面の溶損トラブルを改善できる耐アルミ浸食性材料を開示する。この耐アルミ浸食性材料は、鋳造用金型への使用を目的として開発されたものであり、（１）熱間工具用金型鋼（JIS SKD-4等）からなる金型基材表面をＣｒＮが主体となるように窒化し、（２）その窒化済みの基材を酸化性ガスを導入することにより、金型基材表面にマグネタイトやヘマタイトが形成されるように酸化して製造される。
【０００４】
特許文献２は、溶融金属（例えば、アルミニウム合金）に対する耐食性を有し、離型性等を改善したダイカスト用金型を開示する。このダイカスト用金型は、（１）熱間工具用金型鋼（JIS SKD61等）からなる金型基材表面にＣＶＤ法を用いてＴｉＮ膜及びＴｉＡｌＮ膜（窒化中間層）を被覆し、（２）その窒化中間層の表面を酸素イオン注入やイオンプレーティングによって酸化処理することによって製造される。
【０００５】
特許文献３は、Ａｌの冷間加工用途として、Ａｌと親和性が低く、かじりを抑制する複合耐摩耗性硬質被膜として、Ｃｒ系被膜をプラズマ処理により酸化させたＣｒ酸化物からなる被膜を開示する。この複合耐摩耗性硬質被膜は、（１）冷間加工用工具鋼等の鋼材表面にイオンプレーティングによってＣｒを含む窒化物や炭窒化物からなる積層化合物被膜を形成し、（２）酸素プラズマによって酸化処理を行うことにより得られる。
【０００６】
更に、かじりを抑制する別の方法としては、特許文献４に開示されているように、金型表面に微細な凹凸をショットピーニング等で形成することにより、潤滑剤が保持されるようにした技術が知られている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−０２８３９８
【特許文献２】特開２００１−３００７１１
【特許文献３】特開２００９−１６７４８８
【特許文献４】特開２００９−０６１４６５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のように潤滑剤や防錆剤が金型表面に塗布された冷間鍛造用金型を用いて高張力鋼板を加工しようとすれば、高張力鋼板は高強度であるため、被加工材（ワーク）は金型表面と激しい摩擦や圧接を起こす。そして、金型表面に塗布された潤滑剤や防錆剤の油膜切れが生じ、その金型表面に被加工材（ワーク）がくっついて（微少焼付き）、筋状縦縞の欠陥（かじり）がその金型表面に発生する。従って、潤滑剤や防錆剤の塗布は、高張力鋼板等の高強度な素材を被加工材（ワーク）とする場合には、かじりの抑制に殆ど効果が無いという問題がある。また、潤滑剤は、環境問題への配慮に欠けるという問題が指摘されている（特に、特許文献４）。
【０００９】
また、上記従来の窒化物や炭化物、炭窒化物のような硬質膜では、Ｆｅとの非親和性が十分でないため、高張力鋼板の加工のように金型表面と激しい摩擦を起こす場合には、かじりの抑制に十分な効果を発揮できないという問題がある。
【００１０】
特許文献１の耐アルミ浸食性材料は、鋳造用金型へ適用されるため、６００℃以上の高温下で金型と溶湯金属が化学的に反応し、侵食されることを抑制するための硬質膜である。これに対し、冷間鍛造用金型の場合に望まれる硬質膜は、工業的な加熱温度である４００℃以下での使用による金型と成形品との激しい摩擦による金型表面への焼付きを抑制しうるものである。従って、鋳造用金型へ適用したものをそのまま損傷のメカニズムや使用温度が異なる冷間鍛造用金型へ適用することはできない。
また、冷間鍛造用金型は、その使用時における工業的な加熱温度が４００以下であるため、その使用中にその表面にかじりの抑制に効果のある酸化膜が形成されることはほとんどない。
【００１１】
上記のように、特許文献１の耐アルミ浸食性材料（鋳造用）や、特許文献２のダイカスト用金型は、熱間工具用金型鋼（JIS SKD4、SKD5、SKD6、SKD7、SKD8、SKD61、SKD62等）が使用される。これに対して、冷間鍛造用金型は、高張力鋼板等の被加工材（ワーク）を加工する目的でより高硬度な冷間工具鋼（JIS  SKD11等）やハイス鋼（JIS SKH51等）が用いられる。これらの鋼材は、５５０℃以下の熱処理で硬さを満たすように使用されており、それ以上の温度に加熱すると、硬度が急激に低下する恐れがある。一方で、大気酸化や塩浴酸化等で均一な酸化膜を金型表面に形成するためには５５０℃以上の高温下での処理が必要とされることが多い。そのため、冷間鍛造用金型の表面に酸化被膜を形成することは、あまり行われていない。すなわち、鋳造用金型においては、炭化物、炭窒化物等の硬質膜を金型表面へ被膜することによる金型寿命向上は図られているが、冷間鍛造用金型において、成形品とのかじりを抑制する目的で酸化膜が形成された例は従来知られていない。
【００１２】
確かに、特許文献３のように冷間加工用に酸化膜を形成する技術もあるが、特許文献３の硬質被膜は、Ａｌの冷間加工に使用するためにＣｒ系酸化被膜が有効であるというものである。
【００１３】
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、本発明は、かじりを抑制することができる冷間鍛造用金型を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明者等は、冷間鍛造用金型の表面のかじりを抑制する表面技術について鋭意研究を行ったところ、Ｆｅと親和性の低い硬質被膜を形成すれば、かじりを抑制できることに想到するに至った。そして、本発明者等は更に鋭意研究を行い、高張力鋼板等の高強度の鋼を被加工材（ワーク）として冷間鍛造加工する場合には、冷間鍛造用金型の表面にＣｒ系酸化物以外の所定の金属（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ）系酸化物を特定の酸化方法で施すことにより、硬質被膜を形成することが有効であるとの知見を得た。本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明に係る冷間鍛造用金型は、
金型基材の表面に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷから選ばれる１種若しくは２種以上の金属からなる被膜、又は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷから選ばれる１種若しくは２種以上の金属を含む窒化物、炭化物、又は、炭窒化物からなる被膜を形成する被膜形成工程と、
大気酸化、酸化雰囲気炉での酸化、塩浴酸化、又は、ホモ処理酸化により前記被膜を酸化して酸化被膜を形成する酸化被膜形成工程と、
を行って製造されることを要旨とする。
【００１６】
この場合に、前記被膜形成工程を行う前に、
前記金型基材の表面に４Ａ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）及び６Ａ族（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ）からなる群から選ばれた金属の１種又は２種以上を含む窒化物、炭化物、及び／又は、炭窒化物の単層又は複層を中間層としてイオンプレーティング法により形成する中間層形成工程を行ってもよい。
【００１７】
この場合に、前記被膜形成工程を行う前又は中間層形成工程を行う前に、
前記金型基材の表面を窒化処理することにより、硬化層深さ２００μｍ以下の窒化部を形成する窒化部形成工程を行ってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る冷間鍛造用金型は、金型基材の表面に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷから選ばれる１種若しくは２種以上の金属からなる被膜、又は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷから選ばれる１種若しくは２種以上の金属を含む窒化物、炭化物、又は、炭窒化物からなる被膜を形成する被膜形成工程と、
大気酸化、酸化雰囲気炉での酸化、塩浴酸化、又は、ホモ処理酸化により前記被膜を酸化して酸化被膜を形成する酸化被膜形成工程とを行って得られる。従って、本発明に係る冷間鍛造用金型は、金型表面に所定の金属、又は、所定の金属を含む窒化物、炭化物、又は、炭窒化物からなるＦｅと親和性の低い硬質の酸化被膜が形成されるため、かじりを抑制することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】冷間鍛造用金型１の断面模式図を示し、同図（ａ）は中間層ＣＳがない場合、同図（ｂ）は中間層ＣＳが１層からなる場合、同図（ｃ）は中間層ＣＳが２層からなる場合、同図（ｄ）は中間層ＣＳが任意の複数層からなる場合を示す。
【図２】曲げしごき試験を説明するための概念図である。
【図３】実施例３の試験片（パンチ）の組成分析結果を示すグラフである。
【図４】試験片にかじりが発生した状態を示す拡大写真である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（冷間鍛造用金型）
以下に図面を参照して本発明の一実施形態に係る冷間鍛造用金型について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る冷間鍛造用金型１の断面模式図を示す。図１（ａ）〜（ｄ）に示すように、冷間鍛造用金型１は、金型基材ＫＫと、酸化被膜ＳＨとを備える。また、図１（ｂ）〜（ｄ）に示すように、冷間鍛造用金型１は、中間層ＣＳを備えてもよく、中間層ＣＳは、金型基材ＫＫと酸化被膜ＳＨとの間に単層（単一又は複数の元素からなる１種類の層）又は複層（組成の異なる２種以上の層の積層体）からなる構成とすればよい。冷間鍛造用金型１は、高張力鋼板等の高強度の鋼材を被加工材（ワーク）とする。
【００２１】
金型基材ＫＫの材料は、特に限定されないが、冷間工具鋼（JIS SKD11等）やハイス鋼（JIS SKH51等）が好適であり、焼入れ焼戻しを行い、５５０℃以下の熱処理で硬さを調質した状態（ＨＲＣ５８〜６２）、又は、その後更に窒化処理を行って硬化層深さ２００μｍ以下の窒化部を形成させた状態のものが好ましい。
【００２２】
窒化処理を行っておくと、金型表面の硬度を高めることができるとともに、金型表面硬度に傾斜を持たせることができる。これにより、金型表面の熱膨張係数が低下するので、各層の密着性を高めることができ、中間層ＣＳ及び／又は酸化被膜ＳＨの剥離や亀裂の発生が抑制される。尚、窒化処理の方法については、後述する。窒化部の厚さは、硬化層深さ２００μｍ以下が好ましいが、その理由は、処理時間等、製造上の都合による。
【００２３】
中間層ＣＳは、金型基材ＫＫの表面に形成される。すなわち、酸化被膜ＳＨと金型基材ＫＫの表面との間に形成される。中間層ＣＳは、金型基材ＫＫの表面の全面にわたって形成したものでもよいし、金型基材ＫＫの表面の少なくとも一部分、例えば、かじりの発生が懸念される部分に形成したものでもよい。
【００２４】
中間層ＣＳは、４Ａ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）及び６Ａ族（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ）からなる群から選ばれた金属の１種又は２種以上を含む窒化物、炭化物、及び／又は、炭窒化物の単層又は複層からなるものであればよい。ここで、中間層となる「窒化物、炭化物、及び／又は、炭窒化物」は、後述する硬度の観点からＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＶＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣが好ましい。特に、Ｔｉ系中間層が好ましいが、その理由は、金型基材の表面に形成する被膜として硬度が高いＴｉＮ等を用いた場合、その硬さに追従し、金型表面層の硬度に適度な傾斜を持たせることができるからである。
【００２５】
中間層を形成するのは、金型表面層の硬度に傾斜を持たせることにより金型表面に形成される各層全体の密着性を高めるためである。特に、中間層ＣＳを複層とすると、密着性を高めると同時に、加工時の衝撃で表面に発生しうるクラックが積層方向に進展するのを抑制する効果が見込まれる。そのため、中間層ＣＳを形成すると、膜の割れや剥離を抑制でき、かじりの発生の抑制にも寄与する。
【００２６】
中間層ＣＳの硬さは、マイクロビッカース硬さで１２００ＨＶ〜３０００ＨＶが好ましい。酸化被膜ＳＨの硬度よりも若干低い硬度とすることにより適度な硬度傾斜を持たせるためである。尚、中間層ＣＳの硬さが高くなりすぎると、中間層ＣＳの靭性不足による割れが発生し、膜全体が早期に剥離しやすくなるという問題があり、その硬さが低くなりすぎると、酸化被膜ＳＨの硬度とかけ離れ、鍛造加工時の衝撃により、中間層ＣＳ部から膜全体の剥離が発生しやすくなるという問題がある。
【００２７】
酸化被膜ＳＨは、金型基材ＫＫ（中間層ＣＳがない場合）又は中間層ＣＳの表面に形成される。すなわち、冷間鍛造用金型１の最表面に形成される。酸化被膜ＳＨは、金型基材ＫＫ又は中間層ＣＳの表面の全面にわたって形成したものでもよいし、これらの表面の少なくとも一部分、例えば、かじりの発生が懸念される部分に形成したものでもよい。
【００２８】
酸化被膜ＳＨは、金属基材ＫＫの表面又は中間層ＣＳが形成される場合には中間層ＣＳの表面に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷから選ばれる１種若しくは２種以上の金属からなる被膜、又は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷから選ばれる１種若しくは２種以上の金属を含む窒化物、炭化物、又は、炭窒化物からなる被膜を、イオンプレーティング法により形成させた後（被膜形成工程）、その被膜を大気酸化、酸化雰囲気炉での酸化、塩浴酸化、又は、ホモ処理酸化により酸化することにより（酸化被膜形成工程）、形成される。
【００２９】
ここで、形成される被膜である「窒化物、炭化物、又は、炭窒化物」は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＺｒＮ、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＺｒＣ、ＨｆＮ、ＶＮ、ＶＣ、ＮｂＮ、ＮｂＣ、ＴａＮ、Ｍｏ２Ｃ、ＷＣが好ましい。特に、Ｔｉ系被膜が好ましいが、その理由は、酸化開始温度が低いためである。
また、被膜は厚さ１〜２０μｍで形成することが好ましい。１μｍ以下であると早期に磨耗しやすくなり、２０μｍ以上であると膜の内部に発生する圧縮応力により早期に割れや剥離が生じてしまうためである。
酸化被膜ＳＨの酸化層は、上記被膜が酸化されたものであり、Ｔｉ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｈｆ酸化物、Ｖ酸化物、Ｎｂ酸化物、Ｔａ酸化物、Ｍｏ酸化物、Ｗ酸化物からなる。
本実施形態においては、被膜及び酸化被膜にＣｒを含まないことが重要である。その理由は、Ｃｒを含むとＦｅとの非親和性が十分ではないため、かじりの抑制に効果がなくなるからである。
【００３０】
被膜の酸化方法は、大気酸化、酸化雰囲気炉での酸化、塩浴酸化、又は、ホモ処理酸化が好ましい。詳細は後述するが、酸化温度は、好ましくは、４００〜６００℃、より好ましくは、５５０℃以下であり、処理時間は、０．５〜１０ｈが好ましい。
【００３１】
（冷間鍛造用金型１の製造方法）
次に、本発明の一実施の形態に係る冷間鍛造用金型の製造方法について説明する。本実施形態に係る冷間鍛造用金型の第一の製造方法は、
（１）金型基材ＫＫの作製・準備、
（２）酸化により酸化被膜ＳＨとなる被膜の形成工程、
（３）被膜の酸化による酸化被膜ＳＨの形成工程からなる。
【００３２】
以下、これら（１）〜（３）の各工程について説明する。
（１）金型基材ＫＫの作製・準備
冷間工具鋼（JIS SKD11等）やハイス鋼（JIS SKH51等）を金型基材として、焼入れ焼戻しを行い、硬さを調質した状態、又は、その後更に窒化処理を行って窒化部を形成させた状態のものを作製又は準備する。
【００３３】
窒化処理を行う場合における窒化処理方法は、特に、限定されるものではなく、目的に応じて種々の方法を用いることができる。窒化処理方法としては、具体的には、ガス窒化法、液体窒化法、イオン窒化法、プラズマ窒化法等を用いることができる。
窒化処理を行って窒化部を形成すると、金型基材の表面硬さが増して摩耗を抑制することができる。また、金型表面層の硬度を傾斜させることができ、熱膨張係数を低下させ、密着性を向上させることができる。これらは、かじりの抑制にも寄与する。
【００３４】
窒化処理においては、硬化層深さ２００ｍｍ以下の窒化がなされるように行うが、硬化層深さは処理時間で調整することができる。工業的に硬化層深さ２００μｍ以上の窒化は現実的ではなく、金型基材の種類や処理条件にもよるが、硬化層深さ１５０μｍ以上の窒化の場合でも２０時間以上の処理となる。
【００３５】
（２）酸化により酸化被膜ＳＨとなる被膜の形成工程（被膜形成工程）
金属基材ＫＫの表面又は中間層ＣＳが形成される場合には中間層ＣＳの表面には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷから選ばれる１種若しくは２種以上の金属からなる被膜、又は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷから選ばれる１種若しくは２種以上の金属を含む窒化物、炭化物、又は、炭窒化物からなる被膜が、イオンプレーティング法により形成される（被膜形成工程）。
【００３６】
被膜の組成は、蒸着材や雰囲気（ガス導入）等により制御することができる。被膜の層厚は、アーク電流及び処理時間等を調節することにより制御することができる。被膜の硬さは、組成やイオンプレーティング装置の制御手法の最適化等により制御することができる。
【００３７】
（３）被膜の酸化による酸化被膜ＳＨの形成工程（酸化被膜形成工程）
酸化被膜ＳＨは、被膜を酸化処理することにより形成される。酸化方法は大気酸化、酸素雰囲気炉での酸化、塩浴酸化、ホモ処理が好ましい。酸化膜を均一に形成できるからである。従って、本実施形態では、ＣＶＤやＰＶＤでは均一な酸化膜の形成が難しいため採用できない。また、プラズマ処理による酸化は得られる酸化膜が極めて薄いため採用できない。
【００３８】
被膜の酸化処理方法としては、本実施形態においては、具体的には、
（ａ）４００〜６００℃の大気炉内で所定時間、試料を保持する方法、
（ｂ）４００〜８００℃の酸化性雰囲気の炉内・ホモ処理炉で所定時間、試料を保持する方法、
（ｃ）４００〜６００℃のソルト炉（例えば、塩浴窒化炉）内で所定時間、試料を浸漬する方法、を用いることができる。酸化処理によって冷間鍛造用金型の硬度が低下した場合には、再度調質を行えばよい。
【００３９】
本実施形態に係る冷間鍛造用金型１の第二の製造方法は、（１）金型基材ＫＫの作製・準備、（２）中間層ＣＳの形成工程、（３）酸化被膜ＳＨとなる被膜の形成工程、及び、（４）被膜の酸化による酸化被膜ＳＨの形成工程からなる。第一の製造方法と異なるのは中間層ＣＳの形成工程であるため、これについて以下に説明する。
【００４０】
（２）中間層ＣＳの形成方法（中間層形成工程）
中間層ＣＳとして、金型基材ＫＫの表面に４Ａ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）及び６Ａ族（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ）からなる群から選ばれた金属の１種又は２種以上を含む窒化物、炭化物、及び／又は、炭窒化物の単層又は複層を、イオンプレーティング法により形成する。
【００４１】
中間層ＣＳの組成は、蒸着材や雰囲気（ガス導入）等により制御することができる。中間層ＣＳの層厚は、アーク電流及び処理時間を調節することにより制御することができる。中間層ＣＳの硬さは、組成やイオンプレーティング装置の制御手法の最適化等により制御することができる。中間層ＣＳを複層にするには、既形成の中間層ＣＳの上に同様の処理を行えばよい。
【実施例】
【００４２】
以下に本発明の実施例及び比較例について説明する。
以下の（１）〜（４）の手順で試験片を作製したのでこれについて説明する。下記の表１及び表２に、実施例及び比較例について、基材窒化の有無、中間層の組成及び積層数、酸化被膜の被膜組成（酸化前）・硬さ・酸化層被膜組成・酸化方法、並びに、曲げしごき試験結果をまとめて示す。
【００４３】
（試験片の作製）
（１）試験片（パンチ）の作製
円柱状の鋼材（JIS SKD11）を供試材として用意し、焼入れ及び焼戻しを施すことにより硬さをＨＲＣ６０に調質した。その後、図２に示すパンチ形状（被加工材（ワーク）との接触部分に丸みをもたせた形状）になるように精加工を行い、試験片を得た。一部の試験片（表１の実施例２３，２４参照）に対してプラズマ窒化処理を施し窒化部を形成させた。プラズマ窒化処理は、２０ｖｏｌ％ＮＨ３ガス−８０ｖｏｌ％Ｈ２ガス中で、５００℃×３ｈｒ実施した。
【００４４】
（２）中間層の形成等（中間層形成工程）
次に、イオンプレーティング装置（日新電機（株）製マルチアークＰＶＤ装置Ｍ５００Ｃ−６００）のターゲットとしてＴｉ等のターゲットを用いて、一部の試験片（実施例１６〜２２，２４のみ）の表面にイオンプレーティングし、反応容器内に反応ガス（メタン、窒素等）を導入することで表１の積層数で中間層として炭化物、窒化物又は炭窒化物を形成させた。反応ガスの分圧は、１〜１０Ｐａとした。各層厚は、アーク電流及び処理時間を調節することにより制御した。
【００４５】
（３）被膜の形成（被膜形成工程）
上記中間層形成工程（２）と同様に、イオンプレーティング装置（日新電機（株）製マルチアークＰＶＤ装置Ｍ５００Ｃ−６００）を用い表１の被膜組成の欄に示す炭化物、窒化物、炭窒化物を形成させた。
なお、Ｔｉ等の金属からなる被膜を形成させる場合には、上記と同様の装置でアルゴン雰囲気条件下にて行えば良い。
【００４６】
（４）被膜の酸化処理（酸化被膜形成工程）
表１及び表２に示す条件で、大気炉、酸化雰囲気炉、ホモ処理炉、又は、ソルトバス中で実施例１〜２４及び比較例１０の各試験片の酸化処理を行った。これにより、各試験片の被膜表面に酸化被膜として酸化層を形成させた。酸化条件は、表１及び表２に示すように、大気酸化（４００〜６００℃、保持１〜５ｈ）、酸素雰囲気炉での酸化（４００〜８００℃、保持１〜５ｈ）、ホモ処理（４００〜８００℃、保持１〜５ｈ）、ソルト炉（４００〜６００℃、保持１〜５ｈ）、とした。尚、実施温度によって、金型基材の硬度に影響を及ぼすため、金型基材の硬度が低下した場合には、酸化被膜を付与した後、再熱処理（調質）した。
【００４７】
比較例９，１２の各試験片については、コーティング装置にて真空排気後、水素ガス・アルゴンガス・酸素ガスの混合ガスを０．５〜５Ｐａ供給し、約５００℃でグロー放電させ、酸素プラズマによる酸化を実施した。酸化処理によって、試験片（パンチ）の硬度が低下した場合には、酸化被膜を形成させた後、真空炉にて再熱処理した。
比較例１３の試験片については、スパッタリング法により、酸化物（Ｔｉ酸化物）を被膜の上にコーティングした。この時、原料となるターゲットにはＴｉＯ２を用い、炉内にアルゴンと酸素の混合ガスを導入した。反応ガスの分圧は０．１〜１Ｐａとした。
比較例１〜８，１１の各試験片については、酸化処理を行わなかった。
【００４８】
（各種測定・試験）
（元素分析）
実施例及び比較例について、株式会社堀場製作所製高周波グロー放電分光分析装置（ＧＤ−ＯＥＳ）ＰＲＯＦＩＬＥＲ２を使用して最表層からの組成分析（金属濃度、窒素濃度、酸素濃度の分析）を行った。組成分析の結果に基づいて、酸化被膜ＳＨや中間層ＣＳの組成を判断した。単層膜の分析結果を元に、多層膜は推定した。
【００４９】
図３は、実施例３の試験片についての組成分析結果の一例を示す。同図は、酸化被膜ＳＨに含まれる各元素量をその表面からの距離との関係で示したグラフであり、下側のグラフは、上側のグラフの楕円点線部分を拡大して示したものである。同図に示すように、酸素の検出強度が表層側で大きくなっていることから、表層が酸化されていることが確認できる。最表層よりも若干内側へ入ったところＯ濃度が高くなっているのは、内部に酸素が拡散しているからである。他の実施例及び比較例についても同様に表層酸化等が確認できた（グラフは省略）。
なお、図３及び実施例３の試験結果から推察すると、酸化被膜ＳＨとして形成される部分の厚さは、０．５〜１．５μｍであると好ましいことがわかる。
【００５０】
（膜硬度）
膜硬度は、MTS  Systems Corpration社製 Nano Indenter XPを使用して、押し込み深さ３００ｎｍで測定した。その測定値［ＧＰａ］をＨＶ硬さに換算した
【００５１】
（曲げしごき試験）
図２に示すパンチ及びダイ、並びに、被加工材（ワーク）として高張力鋼板を用いて、以下の試験条件で曲げしごき試験を行った。曲げしごき試験は、被加工材（ワーク）にかじりが発生するまで（図４で矢示する白く見える筋状部分を参照）、順送プレスを用いて連続的に行った。
＜試験条件＞
（１）ワーク：７８０ＭＰａ級高張力鋼板、１．２ｍｍ厚、表面処理無し
（２）プレス速度：５０ｓｐｍ（ショット／分）
（３）潤滑剤：なし
（４）パンチとダイとのクリアランス：板厚の１５％
（５）冷間鍛造用金型（パンチ及びダイ）の素材：JIS SKD11
曲げしごき試験においては、５００ショット毎にワークへのかじりの発生の有無を目視により確認した。ワークにかじりが発生したショット数を寿命とした。
【００５２】
【表１】
2011125911.tif 000003
【００５３】
【表２】
2011125911.tif 000004
【００５４】
（試験結果及び考察）
（酸化被膜の効果について）
実施例１〜２４は、酸化被膜が形成され、かじりが発生するまでの寿命ショット数が、被膜組成が同じ比較例との比較によれば、比較的多かった。これに対して、比較例１〜８は、酸化被膜が形成されていないため、比較例１〜８の最表層が実施例の酸化前の被膜と同じものと比較すると、その寿命ショット数は、実施例の寿命ショット数に比べて極めて小さく、短寿命に終わった。従って、実施例は、酸化被膜を形成したため、かじりの抑制に効果があったといえる。尚、比較例１１は、金型基材に硬質膜を全く形成しない場合であるが、連続的に試験を行う前にかじりが発生した。
【００５５】
（被膜の組成について）
比較例１０は、イオンプレーティングにより最表層にＣｒＮ被膜を形成して、大気酸化により酸化被膜を形成した例である。実施例のうちで大気酸化を実施したものは、寿命ショット数が最低でも３０００回と比較的多く、殆どが８０００回を超えた。実施例に共通することは、最表層の被膜にＣｒを含まない窒化物、炭化物、炭窒化物を使用したことである。このことから、最表層の被膜としてＣｒを含む被膜は好ましくないことが確認できた。その理由は、Ｃｒ酸化物は、Ｆｅとの非親和性が十分ではないと考えられるからである。
【００５６】
尚、比較例９もまた、比較例１０と同様にイオンプレーティングにより最表層にＣｒＮ被膜を形成したものであるが、酸素プラズマにより酸化被膜を形成したところが比較例１０と異なる。本発明においては、酸素プラズマが好適ではない点は後述の通りであるが、比較例９，１０のＣｒ酸化物の場合には、大気酸化でも酸素プラズマでも寿命ショット数が極めて少なかった。このことからも、最表層の被膜としてＣｒを含む被膜は好ましくないことが確認できた。
【００５７】
（酸化方法について）
比較例１２は、酸素プラズマによって酸化被膜を形成した点以外は、実施例１〜３と同様であるが、寿命ショット数が実施例１〜３に比べて極めて少なく短寿命に終わった。従って、酸化被膜を形成するのに酸素プラズマによる酸化は好ましくないことが分かった。その理由であるが、酸素プラズマは表層のみ酸化されるため他の酸化方法に比べて酸化膜が薄く早期に摩耗・剥離し、そのため、寿命ショット数が少なかったと考えられる。従って、実施例で採用した酸化方法が好ましいことが確認できた。
【００５８】
（酸化被膜の直接コーティングについて）
比較例１３は、実施例のように被膜を酸化することにより酸化被膜を形成したものではなく、スパッタリング法により酸化被膜を直接コーティングした場合の一例である。比較例１３では、スパッタリングによって形成されたＴｉ酸化物の膜が早期に摩耗・剥離して、寿命ショット数が少なかった。ＴｉＮ等からなる被膜を酸化して酸化被膜を形成した実施例では、良好な結果が得られたことから、スパッタリング法による酸化被膜の直接コーティングは好ましくないことがわかった。その理由であるが、スパッタリング法では、イオンプレーティング法のような緻密な膜が形成されずに、ポーラス（小さな空孔が無数に存在する状態）な膜が形成されたためと考えられる。
【００５９】
（中間層付与について）
中間層を付与した実施例１６〜２２と、実施例１〜１５のうちで酸化前の被膜組成が同じもの（比較対象としては酸化方法も同じがより好ましい）とを比較すると（実施例１６〜１９と実施例１、実施例２０〜２１と実施例１０、実施例２２と実施例５）、中間層を付与したものの方が寿命ショット数が多かった。その理由であるが、（１）中間層を付与すると金型の表面硬度を上げることができ金型基材の磨耗が抑制されたため、及び、（２）金型表面層の硬度を傾斜させることにより膜（酸化被膜、中間層、金型基材）の密着性が向上したためと考えられる。これらが結果的にかじりの抑制に寄与したものと考えられる。
中間層の積層数のみが異なる実施例（実施例１８と実施例１９、実施例２０と実施例２１）どうしを比較すると、積層数を増やすと寿命ショット数が多くなった。その理由は、中間層を付与し、更に、積層数を増加させることにより、膜内部の欠陥発生が抑制され硬度や密着性が更に向上するためと考えられる。
【００６０】
（金型基材の窒化について）
金型基材を窒化した実施例２３，２４と、それ以外は同条件である実施例１，１８とをそれぞれ比較すると、下地窒化を付与するだけで飛躍的に寿命ショット数が増加した。その理由であるが、金型表面層の硬度を傾斜させることにより膜（中間層、窒化部、金型基材）の密着性が向上したためと考えられる。これらが結果的にかじりの抑制に寄与したものと考えられる。
【００６１】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。本発明は、上記実施形態を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明に係る冷間鍛造用金型は、高張力鋼板等の高強度な被加工材（ワーク）を対象としながら、かじりを抑制して金型長寿命化を図ることができるため、例えば、自動車用の車体部品等の製造現場で実用可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１  冷間鍛造用金型
ＫＫ  金型基材
ＣＳ  中間層
ＳＨ  酸化被膜
【図１】
2011125911.tif 000005
【図２】
2011125911.tif 000006
【図３】
2011125911.tif 000007
【図４】
2011125911.tif 000008