(57)【要約】      （修正有）【課題】鍛造加工時における摩耗とともに、熱疲労亀裂を抑制し金型の大きな割れや欠けを防止でき、耐久性に優れた温熱間鍛造用金型及びその製造方法を提供する。【解決手段】金型意匠面に耐摩耗性皮膜を与えた温熱間鍛造用金型である。耐摩耗性皮膜は、イオンプレーティング法により、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ）Ｎからなる第１層（０＜ｘ＜１）と、（ＴｉｙＡｌ１−ｙ）Ｎからなる第２層（０＜ｙ＜１）と、を交互に積層させた多層皮膜であって、隣り合う前記第１層及び前記第２層の各層の厚さが少なくとも１５ｎｍ以下であるとともに、前記多層皮膜の総被膜厚さは１μｍ以上２０μｍ以下である。【選択図】図１０
2011147946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型意匠面に耐摩耗性皮膜を与えた温熱間鍛造用金型であって、
前記耐摩耗性皮膜は、イオンプレーティング法により、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ）Ｎからなる第１層（但し、０＜ｘ＜１）と、（ＴｉｙＡｌ１−ｙ）Ｎからなる第２層（但し、０＜ｙ＜１）と、を交互に積層させた多層皮膜であり、隣り合う前記第１層及び前記第２層の各層の厚さが少なくとも１５ｎｍ以下であるとともに、前記多層皮膜の総皮膜厚さは１μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする温熱間鍛造用金型。
【請求項２】
前記耐摩耗性皮膜の下地に窒素拡散層を含むことを特徴とする請求項１記載の温熱間鍛造用金型。
【請求項３】
金型意匠面にイオンプレーティング法による耐摩耗性皮膜を与えた温熱間鍛造用金型の製造方法であって、
真空チャンバー内にＮの反応性ガス雰囲気を形成するステップと、
前記真空チャンバー内において、ＡｌｘＣｒ１−ｘからなる第１のターゲット材（但し、０＜ｘ＜１）及びＴｉｙＡｌ１−ｙからなる第２のターゲット材（但し、０＜ｙ＜１）を対向させて配置し、それぞれの前部に前記ターゲット材の構成原子をイオン化させた第１の雰囲気ゾーン及び第２の雰囲気ゾーンをそれぞれ独立して形成させるステップと、
前記第１の雰囲気ゾーン及び前記第２の雰囲気ゾーンを一定間隔毎に交互に通過するように前記金型意匠面を周回運動させる堆積ステップと、を含むことを特徴とする温熱間鍛造用金型の製造方法。
【請求項４】
イオンプレーティング法による耐摩耗性皮膜の付与に先立って、前記金型意匠面に窒素拡散層を与える窒化処理ステップを含むことを特徴とする請求項３記載の温熱間鍛造用金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温熱間鍛造用金型及びその製造方法に関し、特に、耐摩耗性に優れるとともに、耐酸化性及び耐ヒートチェック性などの熱疲労特性にも優れた温熱間鍛造用金型及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削工具や冷間金型などにおいて、窒化処理やショットピーニングなどの表面硬化処理によってその耐摩耗性の向上が図られている。近年、より高い加工精度への要求に伴って、より耐摩耗性に優れた表面硬化処理が求められ、その１つとして、ＰＶＤ法による高い硬さの表面皮膜を被処理材に与える表面硬化処理が行われている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、ＰＶＤ法によって形成されたＡｌの酸化物による皮膜は耐摩耗性に非常に優れるものの、安定した皮膜の形成が難しく、他方、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ等の窒化物は安定した皮膜を形成できるものの、耐摩耗性、特に、高速切削用途での耐摩耗性が不足すると述べている。その上で、同文献では、Ａｌ、Ｓｉを含む所定の金属元素の窒化物、酸化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物のうちの１つ以上の化合物からなる第１層と、Ａｌ、Ｓｉを含む所定の金属元素のうちの２種の金属元素からなる合金の窒化物、酸化物、炭化物、炭窒化物及び／若しくはホウ化物からなる第２層と、をＰＶＤ法により、積層周期０．４ｎｍ〜５０ｎｍで積層し、全体の皮膜厚さを０．５〜１０μｍとした多層皮膜を被処理材に与えることを開示している。かかる多層皮膜は、安定してＰＶＤ法によって形成できるとともに、高い硬さを有し良好な耐摩耗性を与え、しかも界面の整合性に優れるから剥離の少ない皮膜であって、結果的に、被処理材により優れた耐摩耗性を与え得ると述べている。
【０００４】
上記した特許文献１のように、一般的に、工具鋼にＰＶＤ法によって多層皮膜を与えることで、表面若しくは多層皮膜中に発生したクラックが多層界面において積層方向へ伝搬することを抑制されるから、単層皮膜よりも耐衝撃性などを高め得る。つまり、工具としての使用時に受ける衝撃に対して皮膜の割れや剥離の発生を防止でき、結果として、より優れた耐摩耗性を与え得る。
【０００５】
例えば、特許文献２では、ＰＶＤ法により、ＴｉＣｘＮ１−ｘ（０≦ｘ≦０．６）からなる第１層と、（ＡｌｙＴｉ１−ｙ）（ＮｚＣ１−ｚ）（０．５６≦ｙ≦０．７５，０．６≦ｚ≦１）からなる第２層とが交互に隣接して４層以上積層し、且つ、多層皮膜の総皮膜厚さが０．６〜１２μｍである工作工具の耐摩耗皮膜が開示されている。上記したように、多層皮膜構造により、表面近傍で発生したクラックの成長を緩和・阻止できて、皮膜の割れや剥離の発生を防止し、優れた耐摩耗性を与え得ると述べている。
【０００６】
更に、ＰＶＤ法の一種であるイオンプレーティング法による皮膜は、緻密であって高い硬さであるため耐摩耗性により優れるとされている。一方で、例えば、特許文献３では、このような緻密な皮膜は高い残留圧縮応力を有するから、皮膜をある程度以上に厚く形成すると被処理材との密着性が低下し、バランス良く耐摩耗性を向上せしめるような実用的な厚さの皮膜を形成することは困難であると述べている。その上で、同文献では、Ｔｉ窒化物（若しくは、炭窒化物）からなる第１層とＴｉＡｌの窒化物（若しくは、炭窒化物）からなる第２層とについて、配向性を異にしながら交互に積層させるとともに第１層と第２層との間に所定の中間層を配置した多層皮膜をイオンプレーティング法で与えた工具を開示している。配向性の異なる２種の皮膜を積層させることで、緻密で高い硬さの実用的な厚さの皮膜を残留圧縮応力を高めることなく形成できて、故に、被処理材との密着性を損なわず耐摩耗性の高い皮膜を与え得ると述べている。
【０００７】
なお、同文献では、イオンプレーティング法による皮膜が高い残留圧縮応力を有する理由として、結晶成長で優先成長方位が与えられることを挙げている。すなわち、柱状の結晶構造を持つ皮膜が形成されるが、１つの柱状の結晶粒子は内部欠陥の極めて少ない単結晶となり、かかる結晶が連続して皮膜を形成して、皮膜の厚さの増加に伴い残留圧縮応力が増加する、と述べている。
【０００８】
ところで、切削工具などと同様に、温熱間鍛造用金型においても鍛造時の機械的な摩耗が問題となっている。この鍛造時の摩耗を抑制するため、鍛造工程毎に金型意匠面に繰り返し潤滑材を塗布して金型を使用している。一方で、金型意匠面には、高温の被鍛造材との接触による加熱と、潤滑材の塗布による冷却とを繰り返し与えられることから、熱応力によってヒートチェックやヒートクラックなどの熱疲労亀裂が生じ、金型の大きな割れや欠けの原因になるといった問題が生じていた。そこでこのような温熱間鍛造用金型の特に金型意匠面に表面硬化処理を施すことが検討された。
【０００９】
例えば、特許文献４では、ＳＫＤ６１などの熱間金型用合金鋼に研磨材を圧縮空気とともに噴射して、表面近傍の表層に層状加工組織を伴わないナノ結晶組織を生成させた後に、プラズマ窒化で表層下方に窒素を拡散させ、更に、イオンプレーティング法を含むＰＶＤ法により最表面に窒化クロム（ＣｒＮ）等からなる硬質セラミックス層を形成した温熱間鍛造用金型を開示している。層状加工組織を伴わないナノ結晶組織の付与により高い硬さ及び靱性の向上を達成し、金型意匠面の摩耗損失や熱疲労亀裂の生成を抑止すると述べている。なお、窒化クロム（ＣｒＮ）からなる硬質セラミックス層は、機械的な摩耗に対する耐摩耗性皮膜ではなく、主に耐溶損性を付与するための皮膜である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平７−２０５３６１号公報
【特許文献２】特開平６−１３６５１４号公報
【特許文献３】特開平１０−７６４０７号公報
【特許文献４】特開２００８−２２３１２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
温熱間鍛造用金型においても、より高い加工精度への要求に伴って、ＰＶＤ法による高い硬さの表面皮膜を金型材に与える表面硬化処理が検討されている。ここでも、鍛造加工時における機械的な摩耗とともに、熱疲労亀裂を起因とする金型の大きな割れや欠けを防止できることも求められる。
【００１２】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、鍛造加工時における摩耗とともに、ヒートチェックなどの熱疲労亀裂を抑制し金型の大きな割れや欠けを防止でき、耐久性に優れた温熱間鍛造用金型及びその製造方法の提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、耐酸化温度が１０００度以上と一般的な耐摩耗性皮膜に使用されているＴｉＮやＣｒＮよりも高く、高い硬さを有する故に耐摩耗性に優れるＡｌＣｒＮ膜やＴｉＡｌＮ膜などの窒化皮膜について研究を進めていた。鍛造加工時における摩耗に加え、ヒートチェックなどの熱疲労亀裂に対しても耐久性を与えるには、前記した窒化皮膜を交互に積層させた多層皮膜を形成して、より耐摩耗性に優れる皮膜を与えられるのではないかと考えた。そこで、一般的な工具用途に比べ、使用環境、特に使用温度環境において過酷な温熱間鍛造用金型の用途に適用するには多層皮膜をどう構成すべきかを検討し、本発明に至った。
【００１４】
そこで、本発明による温熱間鍛造用金型は、金型意匠面に耐摩耗性皮膜を与えた温熱間鍛造用金型であって、前記耐摩耗性皮膜は、イオンプレーティング法により、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ）Ｎからなる第１層（但し、０＜ｘ＜１）と、（ＴｉｙＡｌ１−ｙ）Ｎからなる第２層（但し、０＜ｙ＜１）と、を交互に積層させた多層皮膜であり、隣り合う前記第１層及び前記第２層の各層の厚さが少なくとも１５ｎｍ以下であるとともに、前記多層皮膜の総皮膜厚さは１μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１５】
かかる発明によれば、鍛造加工時における摩耗とともに、熱疲労亀裂を抑制し金型の大きな割れや欠けを防止でき、耐久性に優れた温熱間鍛造用金型を提供できるのである。ここで、温熱間鍛造時の４００℃から１０００℃以上といった広い温度範囲でも高い硬さを有する（ＡｌｘＣｒ１−ｘ）Ｎは特に鍛造加工時における高い耐摩耗性を与える。また、同温度範囲の酸化雰囲気であっても安定な（ＡｌｘＣｒ１−ｘ）Ｎや（ＴｉｙＡｌ１−ｙ）Ｎは熱疲労亀裂の原因となり得る酸化による表面の凹凸を減じ得て、熱疲労亀裂を起因とする金型の大きな割れや欠けを防止する。つまり、これら（ＡｌｘＣｒ１−ｘ）Ｎ及び（ＴｉｙＡｌ１−ｙ）Ｎ皮膜を組み合わせて多層皮膜を形成した上で、大きなクラックに進展し得る大きさ程度以下、すなわち１５ｎｍ以下で各層を積層させることで、このような大きさの潜在クラックの発生を低減し、金型の大きな割れや欠けを阻止できる。また、総皮膜厚さを磨滅耐久性と密着性の両立を与える範囲、すなわち１μｍ以上２０μｍ以下の総皮膜厚さとする。以上により、鍛造加工時における摩耗とともに、熱疲労亀裂を抑制し金型の大きな割れや欠けを防止でき、耐久性に優れた温熱間鍛造用金型を提供できるのである。
【００１６】
上記した発明において、前記耐摩耗性皮膜の下地に窒素拡散層を含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、耐摩耗性皮膜と下地との密着性を向上せしめるとともに、耐摩耗性皮膜の内部に生じる残留圧縮応力を低減できて、鍛造加工時における皮膜の割れや剥離、また皮膜及びその表面でのクラックの発生を防止できるのである。つまり耐久性に優れた温熱間鍛造用金型を提供できるのである。なお、窒素拡散層において、金型材料中の元素と窒素との化合物層が一部形成された場合には、研摩等によりその化合物層を除去することが好ましい。
【００１７】
本発明による温熱間鍛造用金型の製造方法は、金型意匠面にイオンプレーティング法による耐摩耗性皮膜を与えた温熱間鍛造用金型の製造方法であって、真空チャンバー内にＮの反応性ガス雰囲気を形成するステップと、前記真空チャンバー内において、ＡｌｘＣｒ１−ｘからなる第１のターゲット材（但し、０＜ｘ＜１）及びＴｉｙＡｌ１−ｙからなる第２のターゲット材（但し、０＜ｙ＜１）を対向させて配置し、それぞれの前部に前記ターゲット材の構成原子をイオン化させた第１の雰囲気ゾーン及び第２の雰囲気ゾーンをそれぞれ独立して形成させるステップと、前記第１の雰囲気ゾーン及び前記第２の雰囲気ゾーンを一定間隔毎に交互に通過するように前記金型意匠面を周回運動させる堆積ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１８】
かかる発明によれば、上記したような、鍛造加工時における摩耗とともに、熱疲労亀裂を抑制し金型の大きな割れや欠けを防止でき、耐久性に優れた温熱間鍛造用金型を安定して提供できるのである。
【００１９】
更に、上記した発明において、イオンプレーティング法による耐摩耗性皮膜の付与に先立って、前記金型意匠面に窒素拡散層を与える窒化処理ステップを含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、耐摩耗性皮膜と下地との密着性を向上せしめるとともに、耐摩耗性皮膜の内部に生じる残留圧縮応力を低減できて、鍛造加工時における皮膜の割れや剥離、また皮膜及びその表面でのクラックの発生を防止でき、耐久性に優れた温熱間鍛造用金型を安定して提供できるのである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実証試験に用いた試験片の斜視図である。
【図２】本発明による製造方法で使用した装置の図である。
【図３】本発明の実証試験に用いた装置の図である。
【図４】本発明の実証試験に用いた試験片の側面図である。
【図５】本発明の実証試験での鍛造工程を示す図である。
【図６】本発明の実証試験に用いた試験片の測定部位の図である。
【図７】本発明の実証試験の諸条件及び試験データを示す図である。
【図８】本発明の実証試験の試験データを示す図である。
【図９】本発明の実証試験の試験データのグラフである。
【図１０】本発明の実証試験における代表的な組織の透過電子顕微鏡写真である。
【図１１】本発明の実証試験の試験データを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明による実施例としての温熱間鍛造用金型と同様の製造条件で皮膜を付与した試験片（実施例１〜７）及び比較例としての試験片（比較例１〜１６）における試験について、図１乃至図１１を用いて説明する。
【００２２】
図１に示すように、実施例及び比較例とも、試験片１はＪＩＳ規格に定めるＳＫＤ６１相当材を４８ＨＲＣに調質した厚さ５ｍｍの板材からなり、外径１５ｍｍの円板の中央に内径３．５ｍｍの貫通孔１ａを設けた環状体である。試験片１は複数個用意され、後述する実施例７の試験片１に対しては、ＮＨ３ガスを２０ｖｏｌ％、Ｈ２ガスを８０ｖｏｌ％の混合雰囲気の中で５００℃に加熱し、そのまま１０時間保持するプラズマ窒化処理を施した。
【００２３】
次いで、図２に示すように、イオンプレーティング装置の反応チャンバ内５にある回転ステージ１０の上に試験片１を載せて固定する。一方、ここでは回転ステージ１０を挟んで対向するように図示しない反応チャンバの壁面に沿ってターゲット１１及び１２を配置する。なお、一部の試験片を除いて、窒化物を生成させるために反応チャンバ内に１〜５Ｐａの分圧となるように窒素ガスを導入した。この各試験片１のイオンプレーティング処理には、日新電機（株）製マルチアークＰＶＤ装置Ｍ５００Ｃ−６００（製品名）を用いた。各試験片毎のターゲット１１及び１２、イオンプレーティングの諸条件については図７にまとめた。
【００２４】
イオンプレーティングの詳細は省略するが、処理を開始すべく真空アーク放電を発生させると、ターゲット１１及び１２の構成原子が蒸発してイオン化し、それぞれの前方に雰囲気ゾーンを形成する。回転ステージ１０を回転させると（図２のＲ１を参照）、試験片１は、この雰囲気ゾーンを交互に通過して行く。なお、本発明による実施例としての温熱間鍛造用金型においては、試験片１の処理面がその金型意匠面に対応し、金型意匠面が雰囲気ゾーンを通過していく。なお、図２のＲ２のように、回転ステージ１０に対して試験片１の処理面を更に回転させてもよい。イオンプレーティング処理後の試験片１は、回転ステージ１０から取り外され、イオンプレーティング装置の反応チャンバ５から取り出される。
【００２５】
図３に示すように、イオンプレーティング処理後の試験片１は、繰り返し加熱・冷却試験装置（ヒートチェック試験装置）２０に移される。すなわち、試験片１の貫通孔１ａに支持部２２の細径部を挿入し、試験片１の上下からホルダ２３に挟んで固定する。この状態において、試験片１の外周面に対し、高周波コイル２１により７００℃まで急速に加熱する。続いて、図示しない放水口から冷却水２４を噴射して急速に室温まで冷却する。この加熱及び冷却のサイクルを合計１０００回繰り返す。繰り返し加熱・冷却後の試験片１は、試験装置２０から取り外し、中心軸に垂直な平面に沿って切断した。
【００２６】
上記した切断した試験片１の一方については、樹脂埋めして切断面を研磨し、切断面を光学顕微鏡（１００倍）で観察した。全周に亘ってクラックの数と各クラックの長さとを測定し、これを図８に示した。また、図９には、実施例１乃至３と比較例１３で観察されたクラックの数について示した。なお、長いクラックの数が多いほど耐ヒートチェック性が劣る、すなわち熱疲労特性が劣ると判断される。
【００２７】
更に、試験片１における多層被膜を横切る断面の透過電子顕微鏡観察を行った。特に、図１０には、図７の実施例１で示される条件で得られた多層皮膜を横切る断面の透過電子顕微鏡写真を示した。ここでは、灰色と白の濃淡のコントラストの多層皮膜が観察されるが、元素組成分析の結果から、灰色に見える部分が（ＡｌｘＣｒ１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１、以下、「（Ａｌ−Ｃｒ）系の窒化物層」と称する）であり、白色に見える部分が（ＴｉｙＡｌ１−ｙ）Ｎ（０＜ｙ＜１、以下、「（Ｔｉ−Ａｌ）系の窒化物層」と称する）であった。
【００２８】
また、別途イオンプレーティング処理した試験片について、その処理被膜についての元素組成分析及び硬さ測定を行った。元素組成分析は、株式会社堀場製作所製の高周波グロー放電分光分析装置（ＧＤ−ＯＥＳ）ＰＲＯＦＩＬＥＲ２（製品名）を使用して行った。また、硬さ測定は、ＭＴＳ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｃｏｒｐｒａｔｉｏｎ製のＮａｎｏ  Ｉｎｄｅｎｔｅｒ  ＸＰ（製品名）を使用して、押し込み深さ３００ｎｍで測定し、この測定値［ＧＰａ］をＨＶ硬さに換算した。これらの結果も図７に併せて示した。
【００２９】
ここで、図７において、「組成」、「組成１」及び「組成２」とあるのはいずれもターゲット１１又は１２の組成を表している。比較例１乃至６は、１つのターゲット１１だけを用いた場合であって、同一組成の皮膜が複数層形成されている。なお、以下において、このような皮膜を「単一組成皮膜」と称する。一方、実施例１乃至７、及び、比較例７乃至１５は、２種類のターゲット１１及び１２を用いた場合であって、異組成の皮膜が複数層形成されている。なお、以下において、このような皮膜を「異組成多層皮膜」と称する。また、比較例１６はイオンプレーティング処理を行わず、被処理材ままで表面被膜を有さない。
【００３０】
ところで、イオンプレーティング処理において、試験片１が上記した反応チャンバ内５の雰囲気ゾーンを通過するたびに１つの層が形成されると予測される。ここでは、回転ステージ１０が１周すると、２つのターゲット１１及び１２による雰囲気ゾーンを通過するから、２つの層が形成される。すなわち、［被膜の種類（ここではターゲット１１及び１２を由来とする２種類）］×［１分間あたりの回転回数］×［イオンプレーティング処理時間（分）］で多層皮膜を構成する膜数を求められる。これについては、図１０のような透過電子顕微鏡像からも確認できた。
【００３１】
そこで、図７における１層の厚さは次のように求めている。例えば、上記した試験片１の断面の光学顕微鏡観察や電子顕微鏡観察により、異組成多層皮膜全体の厚さが測定できる。例えば、実施例１の試験片１であれば、約４．４μｍ（４４００ｎｍ、図１０を参照）であった。イオンプレーティング処理において、回転ステージ１０は５ｒｐｍで回転し、７０分間処理を行っている。故に、異組成多層皮膜の膜数を上記したように計算すると、２×５×７０＝７００層と求まる。つまり、異組成多層皮膜の厚さをこれで割ると、４４００÷７００＝６．３ｎｍとなる。
【００３２】
これに対して、図１０の透過電子顕微鏡写真から皮膜を構成する灰色及び白色の１組の層の厚さを測定すると１２．４ｎｍである。この灰色及び白色の各層の厚さが等しいなら、［（（Ａｌ−Ｃｒ）系の窒化物層の厚さ＋（Ｔｉ−Ａｌ）系の窒化物層の厚さ）／２］＝６．２ｎｍであって、上記した異組成多層皮膜全体の厚さとイオンプレーティング処理の条件とから求めた値とほぼ一致する。故に、図７における１層の厚さは、後者の異組成多層皮膜全体の厚さとイオンプレーティング処理の条件（試験片１の回転回数等）から求めている。
【００３３】
ところで、上記とは別に、図４に示すようなパンチ試験片３０により、パンチ摩耗試験を行った。パンチ試験片３０は、ＪＩＳ  ＳＫＤ６１を５０ＨＲＣに調質した棒材からなり、これに上記したと同様に、特にパンチ先端部３０ａについて図７に示したと同様のプラズマ窒化処理及びイオンプレーティング処理を施し作成した。パンチ摩耗試験は、このパンチ試験片３０のパンチ先端部３０ａを８２０℃に加熱したＳ５３Ｃからなるワーク３２に打ち付けて、孔３３を加工する熱間加工を５０００回繰り返した後に、パンチ先端部３０ａの摩耗量α（図６を参照）を計測して行った。加工は、横型高速鍛造機を用い、鍛造速度８５ｓｐｍ、潤滑油量３Ｌ／ｍｉｎで行った。なお、図５に示すように、Ｓ５３Ｃからなるからなる加工材３２ａはまず第一段の鍛造を行って、その後に、パンチ試験片３０を打ち付けて孔３３を加工する二工程加工（鍛造）とした。
【００３４】
図６に示すように、５０００回の加工後のパンチ試験片３０は、パンチ先端部３０ａの最先端から０．２ｍｍの位置の摩耗量α（ｍｍ）を周方向に沿って９０°間隔で４点測定した。図１１に示す摩耗量αは、４点の平均値である。
【００３５】
次に、図７の皮膜の製造条件、構成及び硬さの測定、図８の耐ヒートチェック性に関するクラック長さの測定、図１１の耐摩耗性に関する摩耗量αの測定の各結果について説明する。
【００３６】
Ｔｉ系又はＣｒ系の窒化物又は炭窒化物を主とする１種類のターゲットのみを用いた単一組成皮膜を形成した比較例１、２及び６において、図７に示すように、硬さは実施例１乃至７に比べて相対的に低く、図１１に示すように、摩耗量αも相対的に大きい傾向にある。
【００３７】
一方、（Ｔｉ−Ａｌ）系の窒化物又は（Ａｌ−Ｃｒ）系の窒化物を主とする１種類のターゲットのみを用いた単一組成皮膜を形成した比較例３乃至５において、図１１に示すように、比較例１、２及び６に対して、摩耗量αを大幅に低減できる。特に、比較例３の皮膜は、図８に示すように、比較例３及び４の皮膜に比べて、クラック数が非常に少ない。すなわち、きわめて高い耐ヒートチェック性を与える。このように、（Ｔｉ−Ａｌ）系の窒化物を主とする１種類のターゲットのみを用いた単一組成皮膜は、（Ａｌ−Ｃｒ）系の窒化物を主とする１種類のターゲットのみを用いた単一組成皮膜に比べて、耐ヒートチェック性により優れている。これは、前者が高い耐酸化性と後者に比べて低い硬さによる高い靱性を有することにより、クラックがより発生しにくいからであると考える。また、比較例４及び５の皮膜は、図７に示すように、比較例３に比べて、硬さが高く、図１１に示すように、より小さい摩耗量αを与える。  
【００３８】
ところで、イオンプレーティング法による多層皮膜は緻密な皮膜故に高い耐摩耗性を与え得るものの、一方で、高い残留圧縮応力により、熱疲労や鍛造時の衝撃力などによってクラックが成長し、また皮膜が剥離しやすい。上記した比較例１乃至６のような単一組成皮膜では、残留圧縮応力が皮膜内で連続し一度に剥離してしまいやすい。そこで、上記したターゲットから２種類を選択して組み合わせて用い、異組成多層皮膜を形成することで、残留応力が層間で不連続となって剥離しづらく、仮に剥離をするにしても１層ずつが剥離を繰り返し、結果として摩耗量はより小さくなると考えられる。そこで、以下のように、異組成多層皮膜を形成した。
【００３９】
Ｃｒ系の窒化物と、Ｔｉ系の窒化物との２種類のターゲットを用いて異組成多層皮膜を形成した比較例７及び８において、図８に示すように、相対的にクラック数が多くその長さも長い傾向にある。また、図１１に示すように、摩耗量αも相対的に大きい傾向にある。つまり、比較例７及び８の皮膜は、耐ヒートチャック性及び鍛造加工時における耐摩耗性の双方で不十分であることが予測される。
【００４０】
Ｃｒ系の窒化物と、（Ｔｉ−Ａｌ）系の窒化物との２種類のターゲットを用いて異組成多層皮膜を形成した比較例９乃至１１において、図８に示すように、相対的にクラック数が多くその長さも長い傾向にある。一方、図１１に示すように、摩耗量αは比較例７及び８よりも相対的に小さい傾向にあり、比較例９において非常に小さい。
【００４１】
また、Ｃｒ系の窒化物と、（Ａｌ−Ｃｒ）系の窒化物との２種類のターゲットを用いて異組成多層皮膜を形成した比較例１２において、図８に示すように、相対的にクラック数が多くその長さも長い傾向にある。一方、図１１に示すように、摩耗量αは比較例９と同様に非常に小さい。つまり、比較例９乃至１２の皮膜は、鍛造加工時における耐摩耗性では良好であるが、耐ヒートチャック性で不十分であることが予測される。
【００４２】
そこで、（Ｔｉ−Ａｌ）系の窒化物と、（Ａｌ−Ｃｒ）系の窒化物との２種類のターゲットを用いて異組成多層皮膜を形成した実施例１乃至７において、図８に示すように、相対的にクラック数が非常に小さく、図１０に示すように、摩耗量αも相対的に小さい傾向に出来ることが判る。
【００４３】
詳細には、実施例１乃至３と比較例１３において、一層厚さを変化させると、図９に示すように、１５ｎｍ程度を境に急激にクラック数が増加する。つまり、多層皮膜の各１層あたりの厚さが１５ｎｍ以下であれば、耐ヒートチェック性が大幅に向上する。これは、（Ｔｉ−Ａｌ）系の窒化物や、（Ａｌ−Ｃｒ）系の窒化物のような硬質皮膜中においては、大きなクラックに進展し得るクラックの大きさ程度以下、すなわち１５ｎｍ以下で各層を積層させることで、このような大きさの潜在クラックの発生が低減でき、観察されるような大きさのクラックの数を低減できて、結果として、金型の大きな割れや欠けを阻止できると考える。
【００４４】
更に、実施例２と比較例１４及び１５において、総皮膜厚さを変化させると、図８及び１１に示すように、１０μｍ程度を中心に、薄すぎても厚すぎてもクラック数が大幅に増加し、摩耗量も増加する。これは、比較例１４のように皮膜が薄いと、皮膜がすぐに磨滅し、例えば、比較例１６と同様の皮膜を与えられていない状態となってしまう。また、厚すぎれば、内部に生じる残留圧縮応力が高く皮膜の剥離の確率が上昇し、皮膜が完全に剥離すれば、やはり比較例１６と同様になってしまう。すなわち、総皮膜厚さは、磨滅耐久性と密着性の両立を与える範囲、すなわち１μｍ以上２０μｍ、好ましくは、２μｍから８μｍ未満にすることで、鍛造加工時における摩耗とともに、熱疲労亀裂を抑制し、金型の大きな割れや欠けを防止でき、耐久性に優れた温熱間鍛造用金型を提供できる。
【００４５】
また、１つの実施例として、Ａｌ０．７Ｃｒ０．３ターゲットを用いてＡｒ雰囲気中で被処理材（金型）の上にＡｌ０．７Ｃｒ０．３層を与えた上で、実施例３と同様の異組成多層皮膜を与えた、すなわち、異組成多層皮膜と被処理材との間にＡｌ０．７Ｃｒ０．３層を与えた実施例６において、図８に示すように、特に長いクラックが減る傾向が見られる。
【００４６】
また、異組成多層皮膜の下地の被処理材に窒素拡散層を与える窒化処理を施した実施例７において、図８に示すように、クラック数がより減少しその長さも短くなる傾向が見られる。これは、窒化されていない被処理材の内部から表面にかけて、硬さを増加させ且つ熱膨張係数を低下させた傾斜部を形成することで、加熱・冷却の繰り返しによる熱疲労に対する皮膜／下地界面でのクラック発生を防止できるからである。つまり、皮膜と下地との密着性を高め得るのである。また、未窒化の下地の被処理材に被膜を形成するよりも、被膜の内部に発生する圧縮残留応力を小さくできて、クラック発生及び進展を抑制できるのである。
【００４７】
以上、上記した実施例１乃至７による異組成多層皮膜を温熱間鍛造用金型の特に金型意匠面に適用することで、高い耐摩耗性及び耐酸化性を与え、耐ヒートチェック性などの熱疲労特性にも優れる金型を提供できる。すなわち、温熱間鍛造用金型での一般的な仕様用途において、従来よりも薄い皮膜でも十分な耐用性を与え得る。
【００４８】
以上のことから、本実施例における金型意匠面に耐摩耗性皮膜を与えた温熱間鍛造用金型は、イオンプレーティング法により、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ）Ｎからなる第１層（０＜ｘ＜１）と、（ＴｉｙＡｌ１−ｙ）Ｎからなる第２層（０＜ｙ＜１）と、を交互に積層させた多層皮膜を与えられ、隣り合う第１層及び第２層の各層の厚さが少なくとも１５ｎｍ以下であるとともに、多層皮膜の総皮膜厚さは１μｍ以上２０μｍ以下である。これにより、鍛造加工時における摩耗とともに、熱疲労亀裂を抑制し金型の大きな割れや欠けを防止でき、耐久性に優れた温熱間鍛造用金型を提供できるのである。
【００４９】
また、１つの実施例として、耐摩耗性皮膜の下地に窒素拡散層を与えることで、耐摩耗性皮膜と下地との密着性を向上せしめるとともに、耐摩耗性皮膜の内部に生じる残留圧縮応力を低減できて、鍛造加工時における皮膜の割れや剥離、また皮膜及びその表面でのクラックの発生を防止できるのである。つまり耐久性に優れた温熱間鍛造用金型を提供できるのである。
【００５０】
一方、本実施例における金型意匠面にイオンプレーティング法による耐摩耗性皮膜を与えた温熱間鍛造用金型の製造方法は、真空チャンバー内にＮの反応性ガス雰囲気を形成するステップと、前記真空チャンバー内において、ＡｌｘＣｒ１−ｘからなる第１のターゲット材（０＜ｘ＜１）及びＴｉｙＡｌ１−ｙからなる第２のターゲット材（０＜ｙ＜１）を対向させて配置し、それぞれの前部に前記ターゲット材の構成原子をイオン化させた第１の雰囲気ゾーン及び第２の雰囲気ゾーンをそれぞれ独立して形成させるステップと、前記第１の雰囲気ゾーン及び前記第２の雰囲気ゾーンを一定間隔毎に交互に通過するように前記金型意匠面を周回運動させる堆積ステップと、を含む。これにより、温熱間鍛造時の４００℃から１０００℃といった広い温度範囲において、鍛造加工時における摩耗とともに、熱疲労亀裂を抑制し金型の大きな割れや欠けを防止でき、耐久性に優れた温熱間鍛造用金型を安定して提供できるのである。
【００５１】
更に、１つの実施例として、イオンプレーティング法による耐摩耗性皮膜の付与に先立って、前記金型意匠面に窒素拡散層を与える窒化処理ステップを含む。これによれば、耐摩耗性皮膜と下地との密着性を向上せしめるとともに、耐摩耗性皮膜の内部に生じる残留圧縮応力を低減できて、鍛造加工時における皮膜の割れや剥離、また皮膜及びその表面でのクラックの発生を防止でき、耐久性に優れた温熱間鍛造用金型を安定して提供できるのである。
【００５２】
ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく変形例について説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではない。当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるだろう。
【符号の説明】
【００５３】
１          試験片
１０        回転ステージ
１１、１２  ターゲット
２０        繰り返し加熱・冷却試験装置（ヒートチェック試験装置）
３０        パンチ試験片
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図９】
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【図１０】
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