(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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する硬質皮膜層。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  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。
【背景技術】
【０００２】  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。【０００３】  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（Ｔｉａ、Ａｌｂ、Ｃｒｃ）（Ｃ１−ｄＮｄ）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。【０００４】  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、Ａｌａ、Ｃｒｂ、Ｓｉｃ、Ｂｄ）（Ｃ１−ｅＮｅ）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。【０００５】  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ＴｉａＣｒｂＡｌｃＳｉｄＹｅ（ＢｕＣｖＮｗ）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ＴｉｆＣｒｇＡｌｈ（ＢｘＣｙＮｚ）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））。【０００６】  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（ＴｉａＣｒｂＡｌｃＬｄＭｅ）（ＢｘＣｙＮｚ）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。【０００７】  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−αＸα）（ＢａＣｂｂＮ１−ｂ−ｃＯｃ）ｅ、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−ｔＣｓＮｔ、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。【０００８】  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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−７１６１０号公報
【特許文献２】特開２００３−７１６１１号公報
【特許文献３】特開２０１２−９７３０３号公報
【特許文献４】特開２０１１−８０１０１号公報
【特許文献５】特開２００５−２２６１１７号公報
【特許文献６】特開２００１−２５９７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  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。【００１１】  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。【００１２】  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。【００１３】  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−ｔＣｓＮｔ、（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。【００１４】  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。【００１５】  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。【００１６】  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、この硬質皮膜層は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た積層構造とし、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。【００１７】  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。
【課題を解決するための手段】
【００１８】  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。【００１９】  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。【００２０】  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。【００２１】  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。【００２２】  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。【００２３】  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。【００２４】  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。【００２５】  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。
【発明の効果】
【００２６】  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。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】図４に示すパンチにおいて、Ｅ部の拡大図である。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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。
【発明を実施するための形態】
【００２８】  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。
【００２９】（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。
【００３０】  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。
【００３１】  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。
【００３２】（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「ＴｉａＣｒｂＡｌｃＳｉｄＭｅ（ＢｕＣｖＮｗ）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。
【００３３】［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、
【００３４】［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。
【００３５】  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。
【００３６】（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。
【００３７】（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。
【００３８】（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。
【００３９】（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。
【００４０】（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。
【００４１】  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。
【００４２】  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。
【００４３】（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。
【００４４】［Ａ層の組成］
Ａ層３は、組成が前記した硬質皮膜層一般式：ＴｉａＣｒｂＡｌｃＳｉｄＭｅ（ＢｕＣｖＮｗ）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。
【００４５】  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。
【００４６】  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。
【００４７】  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。
【００４８】［Ｂ層の組成］
Ｂ層４は、組成が前記した一般式：ＴｉａＣｒｂＡｌｃＳｉｄＭｅ（ＢｕＣｖＮｗ）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。
【００４９】  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。
【００５０】  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。
【００５１】（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。
【００５２】  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。
【００５３】（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。
【００５４】（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。
【００５５】  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。
【００５６】  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。
【００５７】  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。
【００５８】（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。
【００５９】（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。
【００６０】  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。
【００６１】  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。
【００６２】  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Ｎ２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、Ｎ２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。
【００６３】  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。
【００６４】  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。
【００６５】  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。
【００６６】  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。
【実施例】
【００６７】  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。【００６８】  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。【００６９】  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。【００７０】  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。【００７１】  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。【００７２】  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。【００７３】  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。【００７４】  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。【００７５】  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。【００７６】（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。【００７７】  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。【００７８】  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。【００７９】  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。【００８０】  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。【００８１】  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。【００８２】  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。【００８３】  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。【００８４】
【表１】
0006489412.tif 000002
【００８５】
【表２】
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【００８６】  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。【００８７】  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。【００８８】  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。【００８９】［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。【００９０】  （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。【００９１】  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。【００９２】  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。【００９３】  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。【００９４】  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。【００９５】  （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。【００９６】  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。【００９７】  （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。【００９８】  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。【００９９】  （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。【０１００】  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。【０１０１】  （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。【０１０２】  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。【０１０３】  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。【０１０４】  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。【０１０５】  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。
【符号の説明】
【０１０６】  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
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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