(57)【要約】【課題】耐熱亀裂性及び耐酸化性を同時に向上させる表面被膜を有する長寿命の金型等を提供することである。【解決手段】超硬合金、セラミックス、鋼又は鋳鉄からなる金型母材又は鋳型母材の表面に、窒化チタンクロム及び窒化アルミニウムの薄層が交互に少なくとも１０回繰り返して積層され、その膜厚が０．３〜５０μｍで、残留応力の平均値が０．５〜８ＧＰａの圧縮応力である被膜が形成された表面被膜を有する金型又は鋳型を用いる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金、セラミックス、鋼又は鋳鉄からなる金型母材又は鋳型母材の表面に、窒化チタンクロム及び窒化アルミニウムの薄層が交互に少なくとも１０回繰り返して積層され、その膜厚が０．３〜５０μｍで、残留応力の平均値が０．５〜８ＧＰａの圧縮応力である被膜が形成された表面被膜を有する金型又は鋳型。
【請求項２】
超硬合金、セラミックス、鋼又は鋳鉄からなる金型母材又は鋳型母材の表面に、窒化クロムアルミニウム及び窒化チタンの薄層が交互に１回又は少なくとも２回繰り返して積層され、その膜厚を０．３〜５０μｍで、残留応力の平均値が０．５〜８ＧＰａの圧縮応力である被膜が形成された表面被膜を有する金型又は鋳型。
【請求項３】
鋼又は鋳鉄からなる金型母材又は鋳型母材の表面に、窒素を拡散浸透させることにより、厚みが５０〜５００μｍで、上記表面から深さ１０μｍにわたっての残留応力の平均値が０．２〜１．５ＧＰａの圧縮応力である窒化処理層を形成してなる請求項１又は２に記載の表面被膜を有する金型又は鋳型。
【請求項４】
上記金型母材又は鋳型母材と上記被膜との間に、窒化チタン又は窒化クロムのいずれかによって形成される硬質被膜中間層が設けられる請求項１乃至３のいずれかに記載の表面被膜を有する金型又は鋳型。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の表面被膜を有する金型又は鋳型を用いて形成される、鉄系部品の温間若しくは熱間鍛造加工用、アルミニウム合金の鋳造用、マグネシウム合金の鋳造若しくはチクソ成形用、又は、溶融ガラスの成形用の金型又は鋳型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、表面被膜を有する金型又は鋳型に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車部品、機械部品、家電製品用部品等の鉄系部品又はアルミニウム合金部品やマグネシウム合金部品を、温間若しくは熱間で鍛造する際に、又は、鋳造する際に使用される金型や鋳型（以下、「金型等」と略する。）は、使用中に金型等表面が受ける高温（一般に、５００℃以上の高温である。）のために、金型等表面の酸化による損傷、繰り返し熱応力による疲労亀裂の発生等が生じ、ヒートチェックとよばれる「はだあれ」の現象が生じる。特に、アルミニウムの鋳造においては、金型等の表面がアルミニウムにより侵食され、「はだあれ」が生じる。この「はだあれ」は、加工数の増大によって進行し、寸法精度の維持が困難になった時点で金型等の寿命とされる。また、溶融ガラスを金型に封じ込めて金型形状を転写し成形する際に用いられる金型についても同様に、溶融ガラスから金型表面が受ける高温によって類似の損傷を生じる。さらに、溶融アルミニウム、溶融（又は半溶融）マグネシウム、又は、溶融ガラスと金型等の表面が反応するために、アルミニウムやガラスが溶着し、金型等に貼り付く現象が問題となる。このような被加工物と金型との溶着現象は、作業能率の低下を招く。
【０００３】
上記のような金型の損傷を少しでも遅らせるために、現在の鍛造又は鋳造された金型等には、タフトライト処理、ガス窒化処理、イオン窒化処理、浸硫窒化処理等の窒化処理が幅広く行われている。これらの窒化処理の特徴は、鋼からなる金型等母材表面に窒素を主成分とする元素を拡散浸透させ、表面硬度の増大、表面圧縮応力の導入等を図り、ヒートチェックに対する金型表面の耐久性を向上させている。
【０００４】
しかし、窒化処理では、金型等表面の耐酸化性を向上させることはできない。このため、金型等の表面が酸化され、この酸化スケールが成長し、脱落し、再度酸化が生じる。このようなサイクルにより、金型等の表面が酸化により損傷する。
【０００５】
窒化処理以外の表面処理法としては、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、物理蒸着法（ＰＶＤ法）等により、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン等のセラミックス被膜を形成させる方法があげられる。また、ＴＲＤ法、ＴＤ法と呼ばれる熱反応・析出法により炭化バナジウム被膜を形成させる方法もあげられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、炭窒化チタン、炭化バナジウム等は、それ自身の耐酸化性が５００〜６００℃付近で失われ、金型表面の酸化抑制に顕著な効果は見られない。
【０００７】
また、ガラス成形金型においては、金属素材の表面に硬質合金を肉盛り溶接したり、耐熱金属被膜を形成したりすることにより、耐熱性、耐酸化性、高温硬度等を改善することが行われいるが、金属又は合金をベースとした材料となるため、材料硬度は、ビッカーズ硬度で７００ｋｇ／ｍｍ２程度と低く、硬質粒子の噛み込み等による金型の損傷を防ぐには不十分であった。
【０００８】
これらの欠点を克服するために、上記の窒化処理等の表面硬化処理と、上記蒸着法等の被膜形成処理を組み合わせた方法が開示されている。例えば、特開昭６２−１０３３６８号公報には、金属基材の表面に窒化物層を形成し、セラミックコーティング層を被覆したセラミックコーティング金属が提案されている。この場合の被膜形成方法としては、ＣＶＤ法が用いられている。また、特開平２−１２５８６１号公報には、イオン窒化処理とイオンプレーティングを同一真空槽内で連続して行い、金属の窒化物、炭化物、炭窒化物、炭窒酸化物、酸化物等の膜を一層又は多層形成する方法が開示されている。さらに、特開平５−９８４２２号公報には、真空容器内で高周波電源を用いてプラズマを発生させ、窒素イオンを被処理物に衝突させて硬化層を作り、そのまま直ちにセラミックスコーティングする連続処理法が開示されている。さらにまた、特開平８−３５０７５号公報には、金属部材をアンモニアガス及び水素ガスの雰囲気下でグロー放電を行ってイオン窒化させ、次に、このイオン窒化層の上にＰＶＤ法により硬質被膜を形成させる方法が開示されている。
【０００９】
これらの先行技術は、いずれも処理方法を単に開示しただけか、あるいは材料系を開示したに止まっており、耐熱亀裂性と耐酸化性を同時に満足させる材料系と、その材料系が満足すべき機械的特性を示したものではなかった。
【００１０】
そこで、この発明は、耐熱亀裂性及び耐酸化性を同時に向上させる表面被膜を有する長寿命の金型等を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、超硬合金、セラミックス、鋼又は鋳鉄からなる金型母材又は鋳型母材の表面に、（Ｔｉ（１−ｘ−ｙ）ＣｒｘＡｌｙ）Ｎ（式中、ｘ及びｙは、０．０２≦ｘ＜１．０、０．０２≦ｙ≦０．７を満たす値である。）によって構成され、その膜厚が０．３〜５０μｍで、残留応力の平均値を０．５〜８ＧＰａの圧縮応力である被膜を形成することにより上記の課題を解決したのである。
【００１２】
上記の被膜は、耐熱亀裂性及び耐酸化性に優れており、この被膜を有する金型又は鋳型を用いて温間若しくは熱間での鍛造や鋳造を行っても、金型等表面の酸化による損傷や疲労亀裂を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、耐熱亀裂性及び耐酸化性に優れた被膜を有する金型又は鋳型が得られ、金型又は鋳型の表面の酸化による損傷や疲労亀裂を抑制することができる。これにより、金型又は鋳型の寿命向上が達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明の実施形態を説明する。この発明にかかる表面被膜を有する金型又は鋳型の第１の実施形態は、金型母材又は鋳型母材（以下、「金型等母材」と略する。）の表面に、チタン、クロム及びアルミニウムの合金の窒化物によって構成される被膜を形成したものである。
【００１５】
上記金型等母材としては、超硬合金、セラミックス、鋼又は鋳鉄等をあげることができる。上記のチタン、クロム及びアルミニウムの合金の窒化物は、下記式〔１〕で表すことができる。
【００１６】
（Ｔｉ（１−ｘ−ｙ）ＣｒｘＡｌｙ）Ｎ  〔１〕
このとき、クロムの含有割合、すなわち、式〔１〕中のｘは、０．０２≦ｘ＜１．０を満たすのがよい。また、アルミニウムの含有割合、すなわち、式〔１〕中のｙは、０．０２≦ｙ≦０．７を満たすのがよい。さらに、チタンの含有割合、すなわち、式〔１〕中の１−ｘ−ｙは、正の値を示せばよい。
【００１７】
窒化チタンにクロムとアルミニウムを添加することにより、被膜の耐酸化性を向上させることができる。これは、被膜中のクロムとアルミニウムが金型使用時の高温大気雰囲気下で酸化し、被膜表面に酸化クロムと酸化アルミニウムとからなる強固な保護膜を形成するためである。このような緻密な酸化被膜は、窒化チタン被膜の酸化の進行を大幅に抑制する効果を有しており、金型表面の酸化摩耗を大きく抑制する。
【００１８】
クロムの組成比ｘが１以上であると、上記被膜が脆くなりやすい。また、ｘが０．０２未満であると、耐酸化性向上の効果を得にくくなる。さらに、アルミニウムの組成比ｙが０．７を越えると、上記被膜の硬度が極端に低下する場合がある。また、ｙが０．０２未満であると、耐酸化性向上の効果を得にくくなる。
【００１９】
上記被膜の膜厚は０．３〜５０μｍがよい。０．３μｍ未満だと、被膜の効果が得にくい。また５０μｍを越えると、使用時の衝撃によって被膜が破壊する場合が生じる。
【００２０】
また、上記被膜には、残留応力として圧縮応力が存在しているのがよい。残留応力は、Ｘ線回折法（ｓｉｎ２ψ法）で測定されるものである。上記被膜の残留応力は、その平均値が０．５〜８ＧＰａの圧縮応力であるのがよい。この残留応力が０．５ＧＰａより小さい圧縮応力である場合、又は、引張りの残留応力となっている場合は、熱亀裂の発生抑制効果が得られず、好ましくない。また、残留応力が８ＧＰａを越える圧縮応力である場合は、逆に亀裂発生を促進するので、好ましくない。
【００２１】
上記被膜を上記金型等表面に形成する方法としては、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法等のＰＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等のＣＶＤ法等の方法を採用することができる。
【００２２】
これらの要件を満たすことにより、耐熱亀裂性と耐酸化性を有する被膜を有する金型等が得られる。
【００２３】
この発明にかかる表面被膜を有する金型等の第２の実施形態は、上記第１の実施形態のうち、被膜の構造のみが異なり、母材の種類、被膜の膜厚や残留応力の条件、被膜の形成方法等、被膜構造以外は第１の実施形態の場合と同様である。
【００２４】
第２の実施形態における被膜は、金型等母材表面に形成されたものであり、チタン、クロム及びアルミニウムの合金の窒化物によって構成されたものである。また、この被膜は、上記金型等母材の表面から被膜表面に向けて、連続的又は段階的にＣｒ又はＡｌの組成比を増大させた組成の被膜である。
【００２５】
上記のチタン、クロム及びアルミニウムの合金の窒化物は、上記式〔１〕で表すことができ、ｘ、ｙは上記の範囲を有する。
【００２６】
この被膜を傾斜組成とするには、上記金型等母材の表面から被膜表面に向けて、クロムリッチ又はアルミニウムリッチになるように蒸発源の合金組成を調整して、連続的に変化させていく方法、段階的に変化させていく方法、特定組成の薄膜を積層していく方法等があげられる。
【００２７】
窒化チタンにクロムとアルミニウムを添加する効果は上記のとおりであるが、この実施形態のように被膜表面に向かってクロムリッチ又はアルミニウムリッチになるようにすると、被膜表面側の耐酸化性を特に向上させることができる。
【００２８】
この発明にかかる表面被膜を有する金型等の第３の実施形態は、上記第１の実施形態のうち、被膜の構造のみが異なり、母材の種類、被膜の膜厚や残留応力の条件、被膜の形成方法等、被膜構造以外は第１の実施形態の場合と同様である。
【００２９】
第３の実施形態における被膜は、金型等母材表面に形成されたものであり、窒化チタン、窒化クロム及び窒化アルミニウムの薄層を交互に少なくとも１０回繰り返して積層した被膜である。窒化チタン薄層、窒化クロム薄層及び窒化アルミニウム薄層の順番は任意でよいが、所定の順番で３つの薄層が交互に積層される。このような積層構造とすることにより、外側の一層が摩耗して消失しても、次の層が表出し、耐酸化性が維持される。
【００３０】
この積層被膜は、各薄層毎に蒸発源の合金組成を調整することにより積層することができる。
【００３１】
この発明にかかる表面被膜を有する金型等の第４の実施形態は、上記第１の実施形態のうち、被膜の構造のみが異なり、母材の種類、被膜の膜厚や残留応力の条件、被膜の形成方法等、被膜構造以外は第１の実施形態の場合と同様である。
【００３２】
第４の実施形態における被膜は、金型等母材表面に形成されたものであり、窒化チタンアルミニウム及び窒化クロムの薄層を交互に１回又は少なくとも２回繰り返して積層した被膜である。窒化チタンアルミニウムの薄層は、チタンとアルミニウムの合金を蒸発源として用い、窒化物の薄層を形成させたものである。このような積層構造とすることにより、外側の一層が摩耗して消失しても、次の層が表出し、耐酸化性が維持される。
【００３３】
この積層被膜は、各薄層毎に蒸発源の合金組成を調整することにより積層することができる。
【００３４】
この発明にかかる表面被膜を有する金型等の第５の実施形態は、上記第１の実施形態のうち、被膜の構造のみが異なり、母材の種類、被膜の膜厚や残留応力の条件、被膜の形成方法等、被膜構造以外は第１の実施形態の場合と同様である。
【００３５】
第５の実施形態における被膜は、金型等母材表面に形成されたものであり、窒化チタンクロム及び窒化アルミニウムの薄層を交互に少なくとも１０回繰り返して積層した被膜である。窒化チタンクロムの薄層は、チタンとクロムの合金を蒸発源として用い、窒化物の薄層を形成させたものである。このような積層構造とすることにより、外側の一層が摩耗して消失しても、次の層が表出し、耐酸化性が維持される。
【００３６】
この積層被膜は、各薄層毎に蒸発源の合金組成を調整することにより積層することができる。
【００３７】
この発明にかかる表面被膜を有する金型等の第６の実施形態は、上記第１の実施形態のうち、被膜の構造のみが異なり、母材の種類、被膜の膜厚や残留応力の条件、被膜の形成方法等、被膜構造以外は第１の実施形態の場合と同様である。
【００３８】
第６の実施形態における被膜は、金型等母材表面に形成されたものであり、窒化クロムアルミニウム及び窒化チタンの薄層を交互に１回又は少なくとも２回繰り返して積層した被膜である。窒化クロムアルミニウムの薄層は、クロムとアルミニウムの合金を蒸発源として用い、窒化物の薄層を形成させたものである。このような積層構造とすることにより、外側の一層が摩耗して消失しても、次の層が表出し、耐酸化性が維持される。
【００３９】
この積層被膜は、各薄層毎に蒸発源の合金組成を調整することにより積層することができる。
【００４０】
この発明にかかる表面被膜を有する金型等の第７の実施形態は、鋼又は鋳鉄からなる金型等母材の表面に窒化処理層を形成させ、この金型等母材を用いて上記の被膜を形成し、上記第１〜第６の実施形態のいずれかの表面被覆を有する金型等を作製したものである。
【００４１】
上記窒化処理層は、上記金型等母材の表面に窒素を拡散浸透させることにより窒化処理層を形成させたものである。この窒化処理法としては、タフトライド処理、ガス窒化処理、イオン窒化処理等、多数の窒化処理法が適用できる。但し、上記の多くの処理法では、窒化処理後の金型等母材表面に、化合物層又は脆化層と呼ばれる脆い化合物である、γ’−Ｆｅ4 Ｎ又はγ’−Ｆｅ2-3 Ｎの層が発生する。このため、このような化合物層を研磨することにより除去する必要がある。なお、イオン窒化処理法を用いれば、上記の化合物層を形成させることなく、窒化処理が可能となる。
【００４２】
この窒化処理層の厚み、すなわち、この窒化処理層が形成される上記金型等母材の表面からの深さは、５０〜５００μｍがよい。５０μｍ未満では、窒化処理層の効果を十分に発揮することができない。また、５００μｍを越える場合は、この厚さの窒化処理層を形成させるために著しく長時間の窒化処理が必要となり、経済的でない。
【００４３】
この窒化処理層を形成させることにより、耐熱亀裂性向上という優れた効果がもたらされる。さらに、この窒化処理層に圧縮残留応力を与えるのがよい。この圧縮残留応力は、上記と同様のＸ線回折法で測定することができる。上記金型等母材の表面から深さ１０μｍにわたっての残留応力は、平均値で０．２〜１．５ＧＰａの圧縮応力がよい。０．２ＧＰａ未満の圧縮応力、又は、引張りの残留応力となっている場合は、熱亀裂の発生抑制効果が得られにくい。また、１．５ＧＰａを越えるの圧縮応力の場合は、逆に亀裂発生を促進してしまう。
【００４４】
この発明にかかる表面被膜を有する金型等の第８の実施形態は、上記第１〜第６の実施形態で使用される金型等母材、又は、第７の実施形態で使用される表面に窒化処理層が施された金型等母材の表面と、上記第１〜第６の実施形態で形成されるいずれかの被膜との間に、硬質被膜中間層を設けたものである。
【００４５】
この硬質被膜中間層は、窒化チタン又は窒化クロムのいずれかによって形成される。この硬質被膜中間層を設けることにより、上記の金型等母材と上記被膜との密着性を向上させることができる。特に、第７の実施形態で使用される金型等母材を用いる場合、被膜との密着性をより向上させることができる。
【００４６】
上記の第１〜第７の実施形態の表面被膜を有する金型又は鋳型は、耐熱亀裂性及び耐酸化性を合わせもった金型又は鋳型なので、これらの金型又は鋳型を、鉄系部品の温間若しくは熱間鍛造加工用、アルミニウム合金の鋳造用、マグネシウム合金の鋳造若しくはチクソ成形用、又は、溶融ガラスの成形用の金型母材又は鋳型として使用することができる。
【実施例】
【００４７】
以下に、この発明の実施例を説明する。なお、各実施例及び比較例において使用した処理を下記に示す。
【００４８】
〔母材表面の窒化処理〕
処理（１）：タフトライド処理
温度５５０℃、時間３０分〜２０時間、塩浴中で母材を保持し、表面に深さ２５〜４５０μｍの硬化層を得た。この表面に生成した深さ５〜１０μｍの化合物層を研磨除去し、表面粗さ（Ｒｚ）を０．３μｍ以下とした。
【００４９】
処理（２）：イオン窒化処理
温度５００℃、時間１５分〜２時間、窒素ガス６０流量％、水素ガス４０流量％、処理槽内待機圧力２Ｔｏｒｒ、基材（母材）に印加した直流電圧−１００Ｖ、同高周波電力（１３．５６ＭＨｚ）１０００Ｗの条件で、表面に４０〜１５０μｍの硬化層を得た。この表面には有害な化合物層は生成しなかったが、プラズマ処理によって荒らされた表面を軽くラッピングし、表面粗さ（Ｒｚ）を０．３μｍ以下とした。
【００５０】
〔被膜の形成〕
処理（３）：（Ｔｉ（１−ｘ−ｙ）ＣｒｘＡｌｙ）Ｎ被膜の形成
アークイオンプレーティング法を用いて、目標とする組成ｘ及びｙで決まるチタン−クロム−アルミニウム合金（Ｃｒ組成ｘ、或いはＡｌ組成ｙは、それぞれ１００×ｘ原子％、１００×ｙ原子％）で作製された蒸発源を用いて、アーク電流１００Ａ、基材（母材）温度４５０℃、窒素雰囲気中、真空槽内圧力３０ｍＴｏｒｒ、基材（母材）に印加した直流電圧−２００Ｖの条件で、処理時間を変えて、厚み０．２〜５５μｍの（Ｔｉ（１−ｘ−ｙ）ＣｒｘＡｌｙ）Ｎ被膜を形成した。また、基材（母材）温度或いは基材（母材）に印加した直流電圧を変化させて、被膜中の残留応力を変化させたものも用意した。
【００５１】
処理（４）：ＴｉＮ／ＣｒＮ／ＡｌＮ積層被膜の形成
純チタン（不可避不純物を０．５重量％以下を含む。）、純クロム（不可避不純物を０．５重量％以下を含む。）、純アルミニウム（不可避不純物を０．５重量％以下を含む。）のそれぞれで作製された蒸発源を各１個ずつ用いて、これら３つの蒸発源を真空槽内壁に隣接するように配置した。３つの蒸発源の中心に回転テーブルを配置し、そこに基材（母材）を取り付けた。アークイオンプレーティング法を用いて、それぞれの蒸発源のアーク電流１００Ａ、基材（母材）温度４５０℃、窒素雰囲気中、真空槽内圧力３０ｍＴｏｒｒ、基材に印加した直流電圧−２００Ｖ、テーブルの回転数１ｒｐｍ、処理時間２０分の条件で、厚み約５μｍのＴｉＮ／ＣｒＮ／ＡｌＮ積層被膜を形成した。積層の繰り返し回数は２５回であった。また、テーブル回転数を変化させ、積層の繰り返し回数を９〜５００回とした試料も作製した。
【００５２】
処理（５）：窒化チタンアルミニウム／窒化クロム積層被膜の形成
上記の処理（４）に準ずる方法で行った。すなわち、所望の組成からなるチタンアルミニウム合金（不可避不純物を０．５重量％以下を含む。）と純クロム（不可避不純物を０．５重量％以下を含む。）のそれぞれで作製された蒸発源を各１個ずつ、真空槽内壁に対抗させて設置した。テーブルの回転数は０．８ｒｐｍとした。その他の条件は、上記処理（４）に記載の方法と同様であり、厚み５〜６μｍの窒化チタンアルミニウム／窒化クロム積層被膜を形成した。積層の繰り返し回数は２５回であった。また、テーブル回転数を変化させ、積層の繰り返し回数を５００回としたものも作製した。さらに、積層の繰り返し回数が１回又は２回のサンプルについては、基材（母材）をそれぞれの蒸発源の正面で所定の時間静止させて、狙いとする繰り返し回数となるようにした。
【００５３】
処理（６）：窒化チタンクロム／窒化アルミニウム積層被膜の形成
所望の組成からなるチタンクロム合金（不可避不純物を０．５重量％以下を含む。）と純アルミニウム（不可避不純物を０．５重量％以下を含む。）のそれぞれで作製された蒸発源を用いた以外は、上記処理（５）と同様な方法を用いて積層被膜を形成した。
【００５４】
処理（７）：窒化クロムアルミニウム／窒化チタン積層被膜の形成
所望の組成からなるクロムアルミニウム合金（不可避不純物を０．５重量％以下を含む。）と純チタン（不可避不純物を０．５重量％以下を含む。）のそれぞれで作製された蒸発源を用いた以外は、上記処理（５）と同様な方法を用いて積層被膜を形成した。
【００５５】
処理（８）：（Ｔｉ（１−ｘ−ｙ）ＣｒｘＡｌｙ）Ｎ傾斜組成被膜の形成
（Ｔｉ（１−ｘ１−ｙ１）Ｃｒｘ１Ａｌｙ１）Ｎ→（Ｔｉ（１−ｘ２−ｙ２）Ｃｒｘ２Ａｌｙ２）Ｎ傾斜組成被膜を下記の方法で形成した。アークイオンプレーティング法を用いて、目標とするｘ１、ｙ１で決まるチタン−クロム−アルミニウム合金（Ｃｒ組成ｘ１、或いはＡｌ組成ｙ１は、それぞれ１００×ｘ１原子％、１００×ｙ１原子％）で作製された蒸発源と、ｘ２、ｙ２で決まるチタン−クロム−アルミニウム合金（Ｃｒ組成ｘ２、或いはＡｌ組成ｙ２は、それぞれ１００×ｘ２原子％、１００×ｙ２原子％）で作製された蒸発源とを、距離３００ｍｍの間隔を開けて２基平行に配置し、アーク電流１００Ａ、基材（母材）温度４５０℃、窒素雰囲気中、真空槽内圧力３０ｍＴｏｒｒ、基材（母材）に印加した直流電圧−２００Ｖ、処理時間６０分の条件で、基材（母材）を２つの蒸発源の間をゆっくりと平行移動させることにより、厚み２μｍの２段階のＴｉ（１−ｘ１−ｙ１）Ｃｒｘ１Ａｌｙ１）Ｎ→（Ｔｉ（１−ｘ２−ｙ２）Ｃｒｘ２Ａｌｙ２）Ｎ傾斜組成被膜を形成した。
【００５６】
〔硬質被膜中間層の形成〕
処理（９）：ＴｉＮ被膜又はＣｒＮ被膜の形成
処理（３）に準ずる方法で行った。すなわち、チタン又はクロムで作製された蒸発源を用いて、処理（３）の方法と同じ条件で厚み２μｍのＴｉＮ被膜又はＣｒＮ被膜を形成した。この方法で硬質被膜中間層を形成したが、この中間層の上に被膜を設ける場合は、それぞれの被膜の形成にあたっては、本法に引き続き、上記「〔被膜の形成〕」の各手法を行うことにより実施した。
【００５７】
〔残留応力の測定〕
金型等母材の表面近傍及び被膜の残留応力の測定は、ｓｉｎ２ψ法によるＸ線回折法を用いて実施した。ｓｉｎ２ψ法におけるψという角度は、Ｘ線回折における傾角ψである。材料（母材）表面の法線を基準にした方位を意味しており、ψ＝０°であれば材料（母材）表面に対する法線の法線の向きを、ψ＝９０°であれば材料（母材）表面と平行な向きを示す。材料表面に平行な向き（ψ＝９０°）の圧縮応力は、同じ向きに材料を最も大きく縮ませ、垂直な方向（ψ＝０°）に材料を最も大きく膨らませる。このときの材料の膨張・収縮の程度を材料を構成する結晶格子の面間隔の変化に置き換えると、面間隔の変化（歪み）とψとは以下のように関係付けられる。
面間隔の変化＝（ヤング率とポアソン比で決まる定数）×応力×ｓｉｎ２ψ
そこで、Ｘ線回折時にψを変化させながら特定の結晶面の格子定数を計測し、ｓｉｎ２ψを横軸に、面間隔を縦軸にしてグラフを書くと、測定した点は概ね直線上に乗る。この直線の傾きは材料固有のヤング率及びポアソン比で決まる定数と、応力との積であるから、傾きより応力の値が計算できる。
【００５８】
〔実施例及び比較例に使用する試料及び比較試料の作製〕
ＪＩＳ鋼種ＳＫＤ６１からなるφ４０×ｈ３０の円筒形状のブロックを作り、焼き入れ、焼き戻しによる熱処理を施して、ロックウェルＣスケール硬度５２の母材を作製した。この母材のφ４０の一方の面を表面粗さ（Ｒｚ）０．３μｍ以下に研磨した。この母材の研磨面に、上記の各処理法に従い、表１〜３に記載の表面処理、被膜形成等を行い、試料１〜３０を作製した。また、同様にして、比較試料１〜１０を作製した。なお、表１〜３に記載されている母材の残留応力、及び、被膜の残留応力は、いずれも、上記の測定法により測定した圧縮応力の値を示す。
【００５９】
【表１】
2008150712.tif 000002
【００６０】
【表２】
2008150712.tif 000003
【００６１】
【表３】
2008150712.tif 000004
【００６２】
（実施例１、比較例１）
上記各試料及び比較試料を用い、６００℃大気中で６０秒間加熱し、次いで、水中で６０秒間急冷する操作を繰り返し、熱負荷をかけた。この熱負荷サイクルを１００回単位で作用させた後の被膜表面、又は母材表面の損傷を光学顕微鏡で観察し、亀裂発生開始サイクル数を評価した。その結果を表４〜６に示す。表４〜６から明らかなように、本発明においては、熱亀裂の発生が大幅に抑制されていることが確認された。
【００６３】
（実施例２、比較例２）
試料１、４、８、９、１４、２１、２４、２８と、比較試料１、３、６、８に行った各処理を、温間鍛造用の金型パンチ（ＪＩＳ鋼種ＳＫＨ５１、ロックウェルＣスケール硬度５３）にそれぞれ行い、実際に温間鍛造時の金型寿命評価を行った。鍛造時には、金型表面は７００℃まで加熱されていた。寿命の判定は、被加工材の寸法精度が規定の範囲を外れた時点とした。寿命評価結果を表４〜６に示す。表４〜６から明らかなように、本発明においては、金型の寿命が大きく向上していることが確認された。
【００６４】
（実施例３、比較例３）
試料１、４、８、９、１４、２１、２４、２８と、比較試料１、３、６、８に行った各処理を、アルミニウム合金鋳造用の鋳抜きピン（ＪＩＳ鋼種ＳＫＤ６１、ロックウェルＣスケール硬度５１）にそれぞれ行い、実際にアルミニウム合金の鋳造時の鋳抜きピンの寿命評価を行った。鋳造方法は重力鋳造とし、鋳抜きピン表面は６７０℃まで加熱されていた。寿命の判定は、被加工材の寸法精度が規定の範囲を外れた時点とした。寿命評価結果を表４〜６に示す。表４〜６から明らかなように、本発明においては、鋳抜きピンの寿命が大きく向上していることが確認された。
【００６５】
（実施例４、比較例４）
試料１、４、８、９、１４、２１、２４、２８と、比較試料１、３、６、８に行った各処理を、超硬合金製のガラスレンズ成形金型、又は、アルミナ−炭化チタン系セラミックス製のガラスレンズ成形金型にそれぞれ行い、実際にガラスレンズの成形を行った。但し、金型母材には窒化処理が適用できなかったので、被膜部のみに上記の各処理を適用した。成形方法は、プレス成形とし、金型表面のうちガラス素材が最初に接触する部位は８００℃まで加熱されていた。各種試作品の評価においては、離型性が低下して継続使用ができなくなったときを金型の寿命と定めた。結果を表４〜６に示す。表４〜６から明らかなように、本発明においては、金型寿命が大幅に伸びることが確認された。
【００６６】
（実施例５、比較例５）
試料１、４、８、９、１４、２１、２４、２８と、比較試料１、３、６、８に行った各処理をマグネシウム合金のチクソ成形金型（ＪＩＳ鋼種ＳＫＤ６１、ロックウェルＣスケール硬度５１）にそれぞれ行い、実際にチクソ成形を行った時の金型寿命評価を行った。成形方法はマグネシウム合金（ＡＺ９１Ｄ）を５８０℃に加熱して半溶融状態にし、２５０℃に保たれた金型内部に射出成形する「チクソ成形法」を採用した。金型表面には毎ショット毎に離型剤をスプレー塗付した。各種試作品の評価は、金型表面にマグネシウム合金が焼き付き、継続して成形が困難になったときを金型の寿命と定めた。結果を表４〜６に示す。表４〜６から明らかなように、本発明品においては、金型寿命が大幅に伸びることが確認された。
【００６７】
【表４】
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【００６８】
【表５】
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【００６９】
【表６】
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