JPH02303637A - 成形用金型およびその製法 - 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］ 本発明は成形用金型およびその製法に関する。

［従来の技術］ 一般に、打抜き、絞りなどの成形加工は被加工物に繰り
返し加工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。このような成形加工は、通常被加工物を積極
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、成形用金型には極め
て苛酷な条件が課されることとなる。しかも、より高い
生産性の要求から、金型寿命の長いものが益々強く求め
られるようになっている。

そのため、成形用金型としては、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
めっき法ともいラベき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成形
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４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、Ｔ　ｉ　ＮあるいはＴｉＣをコーティング
する場合、１０００℃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
ときたしたり一？Ｉ！、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、苛酷な成
形加工にも耐えられ強度が高く、かつ工具寿命の長い生
産性に優れた成形用金型、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、本発明にかかる成形用金型の
特徴構成は、成形加工の際少なくとも被加工物が当接す
る表面に、イオン注入と真空蒸着を同時に行うことによ
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、本発明にかかる成形用金型の製法の特徴構成は
、成形加工の際少なくとも被加工物が当接する表面に、
イオン注入と真空蒸着を同時に行うことにより非晶質金
属層を備えたミキシング層を形成する点にある。

このミキシング層を形成する方法により成形用金型の表
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■Ｉ族〜第Ｖｌ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、ミキシング層の形成を、Ｎイオンの注入とＴ
ｉの蒸着により行うことが、とくに好ましい。

その他、ミキシング元素として、ＴａＣ，ＴｉＣ，ＶＣ
，ＢＮ、ＴｉＮ、Ｆｅｚ　Ｎなどを用いることができる
。

［作用・効果コ つぎに、本発明にかかる成形用金型およびその製法の作
用・効果を説明する。

成形用金型の表面が、イオン注入と真空蒸着を同時に行
うことによるミキシング装置を用いて非晶質金属層を備
えたミキシング層が形成されることにより、耐窄粍性に
優れた表層を備えることとなる。しかも、その表層はイ
オンに上る金属ら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
加圧条件にも表層が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。

上記ミキシング法として代表的なものにダイナミックミ
キシング法が挙げられる。この方法は、Ｉ　Ｖ　Ｄ　（
Ｉｏｎ　ａｎｄ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）
法とも称されるもの（Ｍ、５ａｔｏｕ、に、Ｆｕｋｕｉ
　ａｎｄ　Ｆ、Ｆｕｊｉｍｏｔｏ、Ｐｒｏｃ、５ｔｈ　
ｓｙ鳳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で基質内に侵入する
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池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。

更に１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。

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
処理を行うことができる。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、成形加工品の生
産性に優れた成形用金型が得られた。

上記イオン注入されミキシングされた表層は機械的特性
に優れた非晶質層を備えていて、この非晶質層は溶融状
態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、したがって連続的な成形加工による加熱
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成形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。

成形用金型としては、変圧器などに使用されるモーター
コア打抜き用金型を用い、この金型の材質は高速度工具
＊５ＫＨ９である。この場合のブランクとしては、厚み
０．８ａｍ　、幅６０ｍｍの帯状をしたＪＩＳ　５ＰＣ
ＣＩ板を用いた。金型形状は、第１図（ａ）、　（ｂ）
に示すように、上型（１）と下型（２）とからなってい
て、この両型間に被加工物たるブランクを挿入しながら
打抜きプレスを用いて連続的に第２図に示す形状の製品
（３）を形成するようにしたものである。

成形用金型の表面のうち、ブランクが当接する打抜き箇
所周辺（４）にダイナミックミキシング処理を行ないミ
キシング層を形成した。このミキシング層の形成方法を
以下に説明する。

第３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）として冷陰極型イオン源を用
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収り出して試料台
（１７）に載置された試料（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、選択したイ
オンのｔＪＭ密度を制御することによって、試料表層で
形成される化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極で
、これに試料（ア）における電流密度および均質な照射
領域を得るためのレンズ作用を持たせたものである９図
中（Ｑ）は、試料（７）に照射されるイオンを流分測定
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　とともに、試料（
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）を設置しで
ある。を子ビーム蒸着装置（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露台
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量を測定するため１
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してイオ
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。

ダイナミックミキシング処理は、下記条件によって行っ
た（括弧内は実施する上で好ましい範囲を示す）。

イオ刈１−＋＋・−−−＋＋−＋＋＋　　Ｎ　：　Ｎ２
加速電圧（Ｋｅｙ）・・・・・・・・３０（好ましくは
１〜１００、より好才しくは５〜４０） Ｎ２イオン電流密度・・・・・・０．４（０，１〜０．
７　ｍＡ／ａｍ　２） Ｎ２イオン注入量°゛°゛°°約６Ｘ１０１６（５〜７
Ｘ１０Ｉ６個／Ｃ＋１１２） 到達真空度（Ｐａ）　　　・・・・・・３　Ｘ　１０−
５（薄層形成時（Ｐａ）　　・・・・約１０弓）蒸着元
素・・・・・・・・・・・・・　ＴｉＴｉは高純度チタ
ンを用いた。　　　・蒸着速度・・・・・・・・・・・
・約１０（３〜５０Ａ　／　ｓｅｃ　） 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。

なお、良好なミキシング層を得るためには、Ｎイオンａ
人量（Ｎイオン′ｒ４流密度：　ｍＡ／ｃ＋ｓ　２）　
ＸとＴｉの蒸着量（蒸着速度＋　Ａ／ｓｅｅ　）　Ｙが
下記の関係にあることが好ましい。

１０Ｘ≦Ｙ≦２５０Ｘ より好ましくは、下記の関係にあることである。

２５Ｘ≦Ｙ≦１００Ｘ 上記のミキシング処理を行った金型を用い、第２図に示
した打抜き製品を製造した。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。

第　１　表　（打抜き個数、子細） 第１表に見るように、５ＫＨ９製金型ではミキシング処
理した方が５倍の寿命となった。

ミキシングするイオン種としては、上記Ｔ　ｉ　Ｎの他
、ＴａＣ，ＴｉＣ，ＶＣ，ＢＮ、ＴｉＮ、Ｆｅ２Ｎなど
元素周期律表における第■族〜第■族および第１族に属
する元素を単独あるいは２種以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。

被ミキシング処理物に対しては、ミキシングを効果的に
行うための工夫、例えば、電気的な極性を与えるなどの
処置を施してもよい。

尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にする為
に番号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造
に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、　（ｂ）は本発明にかかる成形用金型の
一実施例を表す上型および下型の平面図、第２図は第１
図の金型により打抜いた製品の平面図、 第３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。 （４）・・・・・・加工の際被加工物が当接する金型表
面

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、成形加工の際少なくとも被加工物が当接する表面（
   ４）に、イオン注入と真空蒸着を同時に行うことにより
   非晶質金属層を備えたミキシング層が形成された成形用
   金型。 ２、成形加工の際少なくとも被加工物と接する表面（４
   ）に、イオン注入と真空蒸着を同時に行うことにより非
   晶質金属層を備えたミキシング層を形成する成形用金型
   の製法。 ３、前記ミキシング層の形成を、Ｎイオンの注入とＴｉ
   の蒸着により行う請求項２記載の成形用金型の製法。