JPH02155531A - 鍛造用金型及びその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は鍛造用金型およびその製法に関し、より詳しく
はダイナミックミキシング法によりイオンが注入された
鍛造用金型およびその製法に関する。

［従来の技術］ 一般に、鍛造加工は被加工物に繰り返し衝撃を加えるこ
とによって所望の形状に成形する方法であり、用いる金
型には苛酷な加圧状態が課されることとなる。とくに、
冷間鍛造は被加工物をＩｉ的に加熱することなく室温ま
たは室温に近い温度で行うため、被加工物の変形抵抗が
高く、冷間鍛造用金型には極めて苛酷な条件が課される
こととなる。つまり、用いられる金型には衝撃を伴う動
的で、単位体積当たり高い荷重がかかり、格別強度の高
い材質のものが要求される。

そのため、鍛造用金型とりわけ冷間鍛造用金型としては
、熱処理技術の改良と相まってこれまで種々の合金鋼の
開発あるいは粉末冶金技術からの産物である超硬合金の
応用などといった材料面からの改良がなされてきた。

他方、より一層生産性の高い優れた工具材料を開発する
ため、材料表面に種々の金属間化合物をコーティングす
る技術が発達してきた。たとえば、真空蒸着法、イオン
スパッタリング法、イオンブレーティング法などのいわ
ゆるＰＶＤ法や、気相めっき法ともいうべきＣＶＤ法な
どによって工具表面にＴｉＮなどの金属間化合物をコー
ティングすることにより、工具寿命を延長させる試みで
ある。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、ＰＶＤ法によるコーティング層は材料表
面における密着性が悪く、苛酷な動的荷重のかかる鍛造
用金型表面に施しても到底耐えられるものではなかった
。

後者のＣＶＤ法による場合は、ＰＶＤ法よりも材料表面
におけるコーティング層の密着性は幾分改善されるが、
この場合も、材料表面に明確に識別されるコーティング
層を形成することとなるので、苛酷な動的加圧条件では
依然としてコーティング層が剥離するという問題があっ
た。

さらに、ＣＶＤ法では金型を高温に加熱する必要がある
（たとえば、ＴｉＮあるいはＴｉＣをコーティングする
場合、１０００″Ｃ程度に加熱する）ので、金型の焼入
れ処理が焼戻されて金型基質そのものの強度的な低下を
きたしたり、熱歪による寸法精度の狂いが生じたりして
金型として不都合である。この不都合を解消するために
は、材料に著しく制約を課す必要があって実用的ではな
かった。

上記従来技術の課題に鑑み、本発明の目的は、苛酷な動
的高荷重にも耐えられ強度が高く、かつ生産性に優れた
鍛造用金型、およびその製法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明にかかる鍛造用金型の
特徴構成は、少なくとも被加工物と接する表面に、ダイ
ナミックミキシング法により非晶質金属層を備えたミキ
シング層が形成された点にある。

さらに、本発明にかかる鍛造用金型の製法の特徴構成は
、少なくとも被加工物と接する表面に、ダイナミックミ
キシング法により非晶質金属層を備えたミキシング層を
形成する点にある。

ダイナミックミキシング法により鍛造用金型の表層にミ
キシングされるイオンは、例えば、元素周期律表におけ
る第■族〜第■族および第”−族に属する元素の１種ま
たは２種以上であることが望ましい。

このうち、とくに好ましいミキシング元素は、ＴａＣ，
ＴｉＣＶＣ，ＢＮ、ＴｉＮ、Ｆｅ２Ｎなどである。

各イオンの好ましいミキシング量は、５〜７×１０１６
個／Ｃｍ２である。

［代用　効果］ つぎに、本発明にかかる鍛造用金型およびその製法の作
用・効果を説明する。

鍛造用金型の表面が、ダイナミックミキシング法により
ミキシング装置を用いてイオン注入され非晶質金属層を
備えたミキシング層が形成されることにより、耐摩耗性
に優れた表層を備えることとなる。しかも、その表層は
イオンによる金属もしくは金属間化合物が材料基質と一
体的にミキシングされて形成されているので、このよう
な金型の表層は、ＰＶＤ法やＣＶＤ法によって形成され
るような明確な２層に分離されることがなく、金型基質
とコーティング層とが混然一体となっていて、苛酷な動
的加圧条件にも表層か剥離するといったことがなく、極
めて強度の高い金型を実現できた。

本発明が、注入する元素の選択が容易であり、目的に応
じて各種の表層を形成することができるのみならず、各
元素がイオン状態であることから極めて活性であるとい
うイオン注入技術を利用しているので、注入された基質
との一体性が良く、２種以上のイオンをミキシングした
としても基質に確実に所望の金属間化合物層を形成させ
ることができるのである。

さらに、本発明による方法によれば、ＣＶＤ法によるよ
うな加熱の必要がないので、必要な熱処理を行った後に
表層改質処理を行うことかできる。

その結果、金型の強度を損なったり、寸法精度に狂いを
生じたりすることがなく、精度が良く、かつ強度が高く
て長寿命な、鍛造生産性に優れた鍛造用金型が得られた
。

上記イオン注入されミキシングされた表層は非晶質層を
備えていて、この非晶質層は溶融状すから急冷して製造
される非晶質金属と異なり、熱的に安定性が高く、した
がって鍛造による加熱に際しても表層が変質し劣化する
ことがない。

［実施例］ 以下に、本発明にかかる鍛造用金型およびその製法の一
実施例を図面を参照して詳細に説明する。

鍛造用金型としては、テーパーローラーベアリング用テ
ーパーローラの製造に用いられ、とくに苛酷な条件が要
求される冷間鍛造用金型を例にとった。第１図は、金型
の継断面を示す。この金型（１）は、雄型（パンチ側）
　（ｌａ）と雌型（ｌｂ）とからなる組合せダイスで構
成されていて、ヘッダーマシン（図示せず）によって切
断された鋼線片が被加工物たるテーパーローラ用素材（
２）として両型間に配置されるようになっている。この
ときの鋼線片の寸法は、たとえば長さ２２ｍｍ、直径１
０ｎｌ　ｍであった。第１図に示した金型形状のうち、
とくにコーナ部分に苛酷な動的荷重がかかり、割れ、欠
けなどの損傷を生じやすい。そこで、コーナ部分を始め
として素材（２）と金型とが接する部分にイオン注入を
行った０図中（３）は、イオン注入されミキシングされ
たミキシング層である。

次に、このミキシング層の形成方法を説明する。

この方法はダイナミックミキシング法あるいはＩ　Ｖ　
Ｄ　（Ｉｏｎ　ａｎｄ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉ
ｏｎ）法と称されるもの（ｌＪ、５ａｔｏｕ、に、Ｆｕ
ｋｕｉ　ａｎｄ　Ｆ、Ｆｕｊｉｍｏｔｏ、Ｐｒｏｃ、５
ｔｈＳｙａ＋ｐ、　ｌ５ＩＡＴ、　３４９頁、１９８２
年）であって、通常のイオン注入法より低いイオン加速
エネルギーを用い、真空蒸着とイオン注入とを同時に行
なうものである。ミキシング層形成の初期段階では、蒸
着原子の一部はイオンとの衝突による反跳て基質内に侵
入するが、それと同時に入射イオンも基質に注入され基
質との間にミキシング層が形成されることとなる。した
がって、予め試料表面に蒸着その他の方法によりコーテ
ィング層を形成した後イオンを注入する方法とは、原理
的にも効果の点でも異なる。

第２図に、用いたイオン注入装置の概略構成を示す、こ
の装置は、イオン源（５）として冷陰衝型イオン源を用
い　このイオン源（５）から出たイオンは質量分析系（
６）によって注入したいイオンのみを取り出して試料台
（１７）に載置された試ｆ４（７）に注入するようにな
っている。したがって、予定していない不純物元素は質
量分析系（６）によってふるい分けられ、試料（７）に
は不純物元素が混入しないのである。さらに、遷択した
イオンの電流密度を制御することによって、試料表層で
形成される１ヒ合物薄層の組成比を制御できるようにな
っている。

図中（１４）はバルブであり、（８）は試料（７）に照
射されるイオン電流を正確に知るための追い返し電子で
、これに試料（７）における電流密度および均買な照射
領域を得るためのレンズ作用を持たせたものである０図
中（９）は、試料（７）に照射されるイオン電流を測定
するための電流積算計である。

他方、イオン源（５）からのイオンととともに、試＄−
４（７）の表層に別元素をミキシングさせるため、チャ
ンバー（１０）内に電子ビーム蒸着装置（１１）を設面
しである。電子ビーム蒸着装！　（１１）を用いれば、
蒸着速度を電子ビーム電流の調整により容易に制御でき
て都合がよい、チャンバー（１０）内には、電子ビーム
蒸着装置（１１）による試料表層の蒸着膜を測定するた
め、石英板を備えた水晶振動型膜厚計（１２）も設置さ
れている。これは水晶振動子の振動数変化によって蒸着
膜厚を正確に測定できるのである０図中（１３）は、チ
ャンバー（１０）内を排気するための軸流分子ポンプ（
図示せず）に接続する排気口である。もっとも、別イオ
ンを混合させるための蒸着装置は、上記のように電子ビ
ーム蒸着装置に限られず、通常の蒸着装置でもよい。

試料である金型（７）をイオン注入装置に挿入（７てイ
オン注入するに当たり、まず、被加工物と当接すること
となる金型の表面部分を、イオン注入方向に向けて試料
台（１７）に設置する。しかる後、所定条件で注入処理
（イオン注入と同時に蒸着を行なう）を実施する。

このときの注入条件は、次のようである。

イオン種・・・・・・・・・・・・・・・Ｎ　（Ｎ２　
）加速電圧（ＫｅＶ）・・・・・−・・・５〜４０Ｎ２
イオン注入量（個／ｃｍ　）・・５〜７×１０到達真空
度（Ｐａ）　　　・・・・・・・・・３ｘｌＯ”（薄層
形成時（Ｐａ）　　・・・・・・・・約１０　）蒸着元
素・・・・・・・Ｔｉ Ｔｉは高純度チタンを用いた。

蒸着速度（Ａ／５ｅｃ）・・・・・・・・約１０蒸着時
の電流値（ｍＡ）・・・・・・・・　３上記条件によれ
ば、金属表層に非晶質層が形成されることとなる。この
非晶質層は、試料基質の結晶配向による影響を遮断する
役割りを有し、表層が機械的に優れた性質を備える要因
ともなっている。

上記のミキシング処理を行った金型を用い、第１図に示
した素材を基にテーパーローラーベアリング用テーパー
ローラを製造した。そして、この金型について、ミキシ
ング処理を行わなかった金型の場合と寿命を比較した。

このときの寿命は、製品に損傷を与えるなど、金型とし
て使用不能となるまでの製造個数とした。その結果を第
１表に示す。

なお、金型の素材としては、現在一般に冷間鍛造用金型
として用いられている工具鋼用のＪＩＳＳＫＤ−１１，
５ＫＩ−（−９および超硬合金（ＮＫ−１５）の３種の
ものを用いた。

第１表に見るように、５ＫＤ−１１および５ＫＨ−９製
金型ではミキシング処理した方が３倍口上の寿命となり
、超硬合金製金型では２倍以上の寿命となった。

ミキシングするイオン種としては、上記ＴｉＮの他、Ｔ
ａＣ，ＴｉＣ，ＶＣ，ＢＮ、ＴｉＮ、Ｆｅ２Ｎなど元素
周期律表における第■族〜第π族および第四族に属する
元素を単独あるいは２種辺上を組合せて用いるようにし
てもよい。

ミキシング処理としては種々の条件が考えられ、イオン
注入量、注入源さなどを変えて、目的に応じた処理を行
うことができる。

なお、本発明を熱間鍛造用金型に適用してもよいことは
いうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる鍛造用金型の一実施例を表す縦
断面図、 第２図は本発明の実施に用いたイオン注入装置の概略構
成図である。 （２）・・・・・被加工物、（３）・・・・・・ミキシ
ング層第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも被加工物（２）と接する表面に、ダイナ
   ミックミキシング法により非晶質金属層を備えたミキシ
   ング層（３）が形成された鍛造用金型。 ２、少なくとも被加工物（２）と接する表面に、ダイナ
   ミックミキシング法により非晶質金属層を備えたミキシ
   ング層（３）を形成する鍛造用金型の製法。