JPH02307631A - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は成形用金型およびその製法に関し、より詳しく
は成形加工の際少なくとも被加工物と当接する表面に、
イオンの注入と真空蒸着を同時に行うことにより形成さ
れたミキシング層を備えた成形用金型およびその製法に
関する。

［従来の技術］ −ｉ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て行う
ため、被加工物の変形抵抗か高く、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１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なと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な
。

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、Ｔ　ｉ　ＮあるいはＴ　ｉ　Ｃ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、苛酷な成
形加工にも耐えられ強度が高く、がっ工具寿命の長い生
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と当接す
る表面に、イオンの注入と真空蒸着を同時に行うことに
より形成されたミキシング層を備える成形用金型であっ
て、前記イオンの注入量（イオン電流密度：ｍＡ／ｃｍ
２　）　Ｘと金属元素の蒸着量〈蒸着速度・’：Å／ｓ
ｅｃ　）　Ｙが１０Ｘ　≦Ｙ≦　２５０　Ｘ の関係にある点にある。

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と当接する表面に、
イオンの注入と真空蒸着を同時に行うことにより形成さ
れたミキシング層を形成して成形用金型の表層を改質す
る成形用金型の製法であって、前記ミキシング層の形成
を、イオンの注入量（イオン電流密度：ｍＡ／ｃｍ２）
　Ｘと金属元素の蒸着Ｉ（蒸着速度：　：Å／ｓｅｃ　
）　Ｙか１０Ｘ≦Ｙ≦２５０Ｘ の関係により行う点にある。

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１ＩＩ族〜第ＶＩ族および第■族に属する元
素の１種または２種以上であることか望ましい５ このうち、ミキシングをＮイオンの注入とＴ１の蒸着に
より行うと、とくに好ましいミキシング層が得られる。

その他にもミキシング元素として、ＴａＣ，ＴｉＣ，Ｖ
Ｃ，ＢＮ、ＴｉＮ、Ｆｅ２Ｎなどを用いることができる
。

［作用・効果］ 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。

成形用金型の表面に、イオンの注入と真空蒸着を同時に
行うことによってミキシング層が形成され、このミキシ
ング層が、イオンの注入量（イオン電流密度　：ｍＡ／
ｃｍ２　）　Ｘと金属元素の蒸着量（ｆ着速度：Å／ｓ
ｅｃ　）　Ｙが １０Ｘ≦Ｙ≦２５０Ｘ の関（系により形成されるので、耐摩耗性に優れた表層
を備えさせることがてきる。しかも、その表層は、イオ
ンによる金属もしくは金属間（ヒ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、Ｐ　Ｖ　Ｄ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ｒトにも表層か剥離するといったことかなく
、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にタイナミ・ンクミ
キシンク法かある。この方法は、■ＶＤ（１０「１ａｎ
ｄ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法とも称され
るもの（Ｍ、５ａｔｏｔ１．に、Ｆｕｋｕｉ　ａｎｄ　
Ｆ、Ｆｕｊｉｍｏｔ、ｏ、Ｐｒｏｃ、５ｔｈ　Ｓｙｍｐ
、　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１・是入するが、
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。したかつて、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
の点ても異なる。

更に、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す
、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て、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１ヒ合物層を形
成させることができるのである。

Ｎイオン注入量（Ｎイオン電流密度・ｍＡ／ｃｍ２）Ｘ
とＴ　ｉの蒸着量（蒸着速度　：Å／ｓｅｃ　）　Ｙの
関係において、Ｔｉ蒸着量かＩＯＸ未満または２５０Ｘ
を越えると好ましいミキシング層が得られない。

本発明による方法によれは、ＣＶＤ法によるような加熱
の必要かないので、必要な熱処理を行った陵に表層改質
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
度か良く、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か得られた。

上記イオン注入されミキンンクされたに層は機械的特性
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、したかつて連続的な成形加工による加熱
に際しても表層か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
鋼Ｓ　Ｋ　＋−１９である。この場合のフランクとして
は、厚み０．８ｍｍ　、幅６（１ｍｍの帯状をしたＪＩ
Ｓ　５ＰＣＣ鋼板を用いた。金型形状は、第１図＜ａ）
、　（ｂ）に示すように、上型と下型とからなっていて
、この両型間に１皮加工物たるフランクを挿入しながら
、打抜きブレスを用いて連続的に第２図に示す形状の製
品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、ブランクと接する打抜き箇所
周辺にタイナミツクミキシンク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取り出して試料台
り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
不純物元素か混入しないのである。さらに、選択したイ
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）はバルブてあり、（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（７）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。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（ｌＯ）内に電子ビーム蒸着装置（１１）を設置しで
ある。電子ビーム蒸着装置（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量を測定するため、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。図中（１３）は、チャンバ
ー（ｌＯ）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）。

イオン種・・・・・・・・・・・　Ｎ：Ｎ２加速電圧（
ＫｅＶ）・・・・・・・・３０（好ましくは１〜１００
、より好ましくは５〜４０） Ｎ２イオン電流密度・・・・・０４ （０，１〜０．７　ｍＡ／　ｃｍ２　）Ｎ２イオン注入
量・・・・・・・約６Ｘ１０１６（５〜７×１０＋６個
／ｃｍ２　） 到達真空度（Ｐａ）　　　・・・・・・３Ｘ１０−５（
薄層形成時（Ｐａ）　　・・・約１０−”）蒸着元素・
・・　　　・・・・　Ｔ　ｉＴｉは高純度チタンを用い
た。

蒸着速度・・・・・・・・・・・・・約１０（３〜５０
　：Å／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イオン注
入量（Ｎイオン電流密度）ＸとＴｉの蒸着量（蒸着速度
：Ａ／５ｅｅ）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≦　１００　ｘ 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、子側） 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Ｖ＋族および第■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と当接する表面（
   ４）に、イオンの注入と真空蒸着を同時に行うことによ
   り形成されたミキシング層を備える成形用金型であって
   、前記イオンの注入量（イオン電流密度：ｍＡ／ｃｍ＾
   ２）Ｘと金属元素の蒸着量（蒸着速度：Å／ｓｅｃ）Ｙ
   が１０Ｘ≦Ｙ≦２５０Ｘ の関係にあることを特徴とする成形用金型。 ２、成形加工の際少なくとも被加工物と当接する表面に
   、イオンの注入と真空蒸着を同時に行うことによりミキ
   シング層を形成して成形用金型の表層を改質する成形用
   金型の製法であって、前記ミキシング層の形成を、イオ
   ンの注入量（イオン電流密度：ｍＡ／ｃｍ＾２）Ｘと金
   属元素の蒸着量（蒸着速度：Å／ｓｅｃ）Ｙが１０Ｘ≦
   Ｙ≦２５０Ｘ の関係により行うことを特徴とする成形用金型の製法。 ３、前記ミキシングを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。