JPH08193261A

JPH08193261A - 金属加工治具及びその表面皮膜形成方法

Info

Publication number: JPH08193261A
Application number: JP337495A
Authority: JP
Inventors: Arata Kagiyama; 鍵山　　新; Kazuyoshi Terakado; 一佳寺門
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-01-12
Filing date: 1995-01-12
Publication date: 1996-07-30

Abstract

(57)【要約】【目的】表面皮膜の密着力の高い金属加工治具及びその
表面皮膜形成方法を提供するにある。【構成】基材１の表面に浸炭層３を形成し、中間層とし
てチタン層４を形成する。この浸炭層３により、基材１
からチタン中間層４へと炭素を拡散させ、炭化チタン層
を形成する。さらに、表面層５を形成する反応ガス濃度
を徐々に高めることにより、中間層であるチタン層４か
ら、表面層５である窒化チタンや炭窒化チタンへと傾斜
構造となり、密着力を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プレスなどの塑性加工
用やダイカストなどの鋳造用の金型若しくはドリル、エ
ンドミル、ホブ、切削チップなどの工具の金属加工治具
及びその表面皮膜形成方法に係り、特に、表面硬質皮膜
を有する金属加工治具及びその表面皮膜形成方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、一般プレス金型や、ダイカス
ト金型の場合には、型内工具鋼のＪＩＳ規格ＳＫＤ６１
などに、炭化チタンを化学蒸着法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ以下「ＣＶＤ」と
略す。）により、５〜６μｍ形成して、金型寿命向上を
はかっている。また、切削工具には、超硬やハイスチッ
プ上に、炭化チタンや窒化チタンの単相、あるいは複合
膜を物理蒸着法（ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ以下「ＰＶＤ」と略す。）や、ＣＶ
Ｄにより、２〜４μｍの厚さに形成して、刃具の寿命を
向上させている。

【０００３】しかし、ＣＶＤでは、９００℃〜１１００
℃と高温処理のため、型変形が大きく、また、表面粗さ
が粗く、ＰＶＤでは、低温処理（２５０℃〜５５０℃）
のため、型変形は少ないが、ＣＶＤに比べ基材との境界
面における密着力が弱いという欠点により、型寿命の低
下の原因となっている。なお、ＰＶＤでは、皮膜の摩耗
のみでなく、皮膜の剥離現象を生じていた。

【０００４】ＰＶＤの密着力の弱さを改善する技術とし
て、特開平５−４４０１６号公報に記載のように、基材
に炭素イオンを注入した後、チタンの中間層を形成し、
その上面に窒化チタンの皮膜を形成する方法が知られて
いる。窒化チタン皮膜形成時の成膜温度（約４００℃）
によって、中間層であるチタンが熱拡散によって炭化チ
タンへと変化する。この中間層である炭化チタンの働き
によって、基材と窒化チタン間の密着力を増そうとする
ものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法にお
いては、基材と中間層間では、炭素の熱拡散が起こるの
で、密着力は向上しているが、中間層である炭化チタン
と表面層である窒化チタン間では密着力の向上は期待出
来ないものである。

【０００６】本発明の目的は、密着力の高い表面皮膜を
有する金属加工治具を提供するにある。

【０００７】本発明の他の目的は、金属加工治具に密着
力の高い表面皮膜を形成する金属加工治具の表面皮膜形
成方法を提供するにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、基材の表面に表面皮膜を有する治具にお
いて、上記基材の表面に炭素若しくは窒素を拡散され若
しくは注入された表面処理層と、この表面処理層の上に
チタン若しくはクロムを被覆された中間層と、この中間
層の上にチタン若しくはクロムの化合物を傾斜構造にて
形成された表面層とを有し、更に、上記表面処理層中の
炭素若しくは窒素を上記中間層に拡散させるようにした
ものである。

【０００９】上記金属加工治具において、好ましくは、
上記表面層であるチタン若しくはクロムの化合物は、窒
化チタン、窒化クロム又は炭窒化チタンのいづれかとす
るようにしたものである。

【００１０】上記金属加工治具において、好ましくは、
上記表面処理層は、直流グロー放電を用いて形成された
浸炭層としたものである。

【００１１】上記金属加工治具において、好ましくは、
上記表面処理層は、直流グロー放電を用いて形成された
窒化層としたものである。

【００１２】上記金属加工治具において、好ましくは、
上記表面処理層は、炭素若しくは窒素をイオン注入され
たイオン注入層としたものである。

【００１３】上記金属加工治具において、好ましくは、
上記表面層の傾斜構造は、物理蒸着法により反応ガス濃
度を徐々に変えながら形成するようにしたものである。

【００１４】また、上記他の目的を達成するために、本
発明は、基材の表面に表面皮膜を形成する金属加工治具
の表面皮膜形成方法において、上記基材の表面に炭素若
しくは窒素を拡散し若しくは注入して表面処理層を形成
する工程と、この表面処理層の上にチタン若しくはクロ
ムを被覆して中間層を形成する工程と、この中間層の上
に反応ガスの濃度を徐々に変えながらチタンの窒化物若
しくは炭窒化物又はクロムの窒化物を傾斜構造にて形成
して表面層を形成する工程と、上記中間層に上記表面処
理層から炭素若しくは窒素を拡散させる工程とを有する
ようにしたものである。

【００１５】上記金属加工治具の表面皮膜形成方法にお
いて、好ましくは、上記表面層であるチタン若しくはク
ロムの化合物は、窒化チタン、窒化クロム又は炭窒化チ
タンのいづれかで形成するようにしたものである。

【００１６】上記金属加工治具の表面皮膜形成方法にお
いて、好ましくは、上記表面処理層は、直流グロー放電
を用いてを形成された浸炭層又は窒化層としたものであ
る。

【００１７】上記金属加工治具の表面皮膜形成方法にお
いて、好ましくは、上記表面処理層は、炭素若しくは窒
素をイオン注入されたイオン注入層としたものである。

【００１８】

【作用】本発明では、上記基材の表面に炭素若しくは窒
素を拡散され若しくは注入された表面処理層と、この表
面処理層の上にチタン若しくはクロムを被覆された中間
層と、この中間層の上にチタン若しくはクロムの化合物
を傾斜構造にて形成された表面層とを有し、更に、上記
表面処理層中の炭素若しくは窒素を上記中間層に拡散す
ることにより、基材と中間層の密着力が向上し、また、
中間層と表面層の密着力も向上し、基材と表面皮膜の密
着力が向上し得るものとなる。

【００１９】また、本発明では、上記表面層であるチタ
ン若しくはクロムの化合物は、窒化チタン、窒化クロム
又は炭窒化チタンのいづれかとすることにより、強固な
表面皮膜を実現し得るものとなる。

【００２０】また、本発明では、上記表面処理層は、直
流グロー放電を用いて形成された浸炭層とすることによ
り、皮膜の形成時間を短縮し得るものとなる。

【００２１】また、本発明では、上記表面処理層は、直
流グロー放電を用いてを形成された窒化層とすることに
より、公差の厳しい金属加工治具の表面皮膜を形成し得
るものとなる。

【００２２】また、本発明では、上記表面処理層は、炭
素若しくは窒素をイオン注入されたイオン注入層とする
ことにより、強固な表面皮膜を形成し得るものとなる。

【００２３】また、本発明では、上記表面層の傾斜構造
は、物理蒸着法により反応ガス濃度を徐々に変えながら
形成することにより、容易に表面層を形成し得るものと
なる。

【００２４】本発明では、上記基材の表面に炭素若しく
は窒素を拡散し若しくは注入して表面処理層を形成する
工程と、この表面処理層の上にチタン若しくはクロムを
被覆して中間層を形成する工程と、この中間層の上に反
応ガスの濃度を徐々に変えながらチタンの窒化物若しく
は炭窒化物又はクロムの窒化物を傾斜構造にて形成して
表面層を形成する工程と、上記中間層に上記表面処理層
から炭素若しくは窒素を拡散させる工程とを備えること
により、容易に密着力の向上した表面皮膜を形成し得る
ものとなる。

【００２５】また、本発明では、上記表面層であるチタ
ン若しくはクロムの化合物は、窒化チタン、窒化クロム
又は炭窒化チタンのいづれかで形成することにより、強
固な表面皮膜を実現し得るものとなる。

【００２６】また、本発明では、上記表面処理層は、直
流グロー放電を用いてを形成された浸炭層又は窒化層と
することにより、各工程を同一の反応容器内で進め得る
ものとなる。

【００２７】また、本発明では、上記表面処理層は、炭
素若しくは窒素をイオン注入されたイオン注入層とする
ことにより、強固な表面皮膜を形成し得るものとなる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を、図面を用いて説
明する。

【００２９】図１は、本発明の一実施例に係る金属加工
治具の中で塑性加工用金型としての冷間鍛造用のパンチ
の側面図を示している。大きさは、φ１０ｍｍ×５０ｍ
ｍの冷間鍛造用のパンチである。基材１の材質は、超硬
であり、その先端のφ６ｍｍ×２０ｍｍの塑性加工に用
いる部分には、表面皮膜２が形成されている。表面皮膜
２のコーテイング範囲は、最小２０ｍｍとしてある。

【００３０】図２は、本発明の一実施例の金型の硬質皮
膜となる表面処理を実施するイオンプレーティング装置
の構成図である。

【００３１】反応容器６内には、試料ホルダー７が取り
付けられており、この試料ホルダー７に、被処理物であ
る図１に示した金型の基材１が保持される。基材１の被
加工部材と接触する先端から２０ｍｍの範囲の直径φ６
ｍｍの部分にコーティングされるように、試料ホルダー
７に取り付けられている。

【００３２】この金型は、表面処理中（イオンプレーテ
イング処理中）、自公転される。反応容器６内には、ガ
ス導入口１４から反応ガスや不活性ガスが導入され、ガ
ス排出口１５から不要なガスが排出される。るつぼ１２
内には、表面皮膜２を形成するための蒸発物１３が収容
されている。ヒーター８により、反応容器６内を数百度
に加熱し、シャッター１１を開いて、電子銃９から放出
される電子ビームにより、蒸発物１３を蒸発させる。蒸
発された蒸発物は、イオン化電極１０のプラズマ空間に
よってイオン化される。イオン化された蒸発物は、イオ
ン化電極１０と試料ホルダー７の間に接続された電源に
よって、試料ホルダー７側が負にバイアスされており、
従って、イオンは試料ホルダー７に保持された被処理物
の表面に被覆し、表面皮膜を形成する。

【００３３】次に、図２並びに図３を用いて、本発明の
一実施例による表面皮膜の形成工程について説明する。

【００３４】図３は、基材１の表面に皮膜２を被覆した
サンプルの横断面を表している。このサンプルは、試料
ホルダー７に被処理物と同時に取り付けたφ６ｍｍ×２
０ｍｍのサンプルを横断面にして、表面部を断面のＥＰ
ＭＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏＡ
ｎａｌｙｓｉｓ）にて分析した結果、チタン中間層が
０．１μｍ、窒化チタンが２．０μｍ、合計２．１μｍ
の表面皮膜のコーティングが施されていることを確認し
た。なお、図３において、横軸方向のスケールはリニア
ではない。即ち、詳細は後述するが、浸炭層である表面
処理層３の厚さは、０．１ｍｍ乃至０．２ｍｍであり、
中間層４は、０．１μｍであり、表面層５は、２μｍで
ある。

【００３５】最初に、基材１に、表面処理層３が形成さ
れる。この表面処理層３は、浸炭層であり、基材１への
浸炭処理工程について説明する。

【００３６】浸炭処理工程において、反応容器６の内圧
は、ガス排出口１５により調整して、１．３３Ｐａ以下
とする。ガス導入口１４より導入する反応ガスとして、
Ｈ₂ガスおよびＣＨ₄ガスを使用し、不活性ガスとして、
Ａｒガスを使用する。反応温度は８５０℃とする。この
反応温度は、ヒーター８によって可変できるが、ここ
で、反応温度とは、ヒーター温度のことであるが、雰囲
気温度や被処理物の温度もほぼ同じに保たれる。

【００３７】電子銃９によりグロー放電を発生させ、Ｃ
Ｈ₄ガスから炭素イオンを分離し、炭素を基材１内に拡
散させる。この時の反応時間は１５分とする。通常の浸
炭処理では、反応時間は９０分程度は必要であるが、こ
こでは、後述する中間層４に浸炭された炭素を拡散すれ
ばよいため、反応時間は１５分で充分である。この１５
分間の反応時間で、０．１ｍｍ乃至０．２ｍｍの浸炭層
３が形成される。

【００３８】次に、この浸炭層３の上に形成される中間
層４の被覆工程について説明する。

【００３９】ここでは、中間層４としてチタン中間層を
被覆する。このチタン中間層の被覆は、浸炭層３の形成
に引き続いて反応容器６の中で行われる。反応容器６内
の反応ガスをガス排出口１５より排出した上で、チタン
中間層の被覆工程において、ガス導入口１４より不活性
ガスのＡｒガスが導入される。反応容器６の内圧は、ガ
ス排出口１５により調整して、１．３３×１０^-3Ｐａ以
下とする。

【００４０】るつぼ１２内には、チタン中間層を形成す
るための蒸発物１３として、チタンを収納してある。シ
ャッター１１を開き、電子銃９からの電子ビームを用い
て、るつぼ１２内の蒸発物（チタン）１３を蒸発させ、
イオン化電極１０によりチタンをイオン化し、試料ホル
ダー７に保持された金型の基材１の表面にチタン層をチ
タン中間層４として形成する。

【００４１】このとき、試料ホルダー７に保持された被
処理物である金型は、ヒーター８により３００℃〜５０
０℃に加熱する。加熱温度としては、特に、４５０℃〜
５００℃の範囲にすると、基材１との密着力が高く好ま
しいが、３００℃〜５００℃の範囲でも実用的に問題は
ない。５００℃以上となると、形成されたチタン中間層
４の表面が粗くなり、好ましくない。中間層の膜厚を
０．１μｍとするときの反応時間は５分とする。中間層
の厚さは、０．１μｍが好ましい。これが、余り厚い
と、基材１との密着力が低下し、余り薄いと、中間層と
しての役割を果たさなくなる。チタン中間層４の形成の
ための反応時間の５分が経過した後に表面層を形成する
ための反応ガスを流し始めた。

【００４２】なお、このチタン中間層４の形成の間とこ
の後の表面層の被覆に要する２時間の間に、表面処理層
３である浸炭層から炭素がこのチタン中間層４内に拡散
するが、この点については、後述する。

【００４３】つぎに、窒化チタンの表面層５の被覆工程
について説明する。

【００４４】表面層５の被覆工程は、チタン中間層の被
覆工程と連続で行い、反応容器６には、ガス導入口１４
より、反応ガスとしてＨ₂ガスおよびＮ₂ガスを導入し、
不活性ガスとしてＡｒガスを導入する。反応容器６のの
内圧は、ガス排出口１５により調整して、中間層を形成
する時と同様に、１．３３×１０^-3Ｐａ以下とする。ま
た、反応ガスと不活性ガスとの組成比は、ガス導入直
後、反応ガス：不活性ガス＝２：８とする。試料ホルダ
ー７に取り付けられた被処理物は、ヒーター８により約
５００℃に加熱する。シャッター１１を開いて、電子銃
９を用いてるつぼ１２内の蒸発物（チタン）１３を蒸発
させ、イオン化電極１０によりチタンをイオン化する。
また、プラズマ中でＮ₂ガスより窒素をイオン化し、窒
化チタンの皮膜を形成する。

【００４５】反応ガスと不活性ガスとの組成比は、ガス
導入直後の反応ガス：不活性ガス＝２：８から、徐々に
反応ガス濃度を増やし、約１時間後に反応ガス：不活性
ガス＝５：５となるようにする。従って、この１時間の
間に、表面層５中の窒素濃度は徐々に増加する。一方、
チタンの濃度は徐々に減少する。この様子は、図３中に
窒素濃度及びチタン濃度を表す曲線として表示してあ
る。従って、表面層５の内、基材１の側の１／２では、
チタン及び窒素の濃度が徐々に変化する傾斜構造を有す
ることになる。なお、図３において、傾斜構造の部分を
４層であるかのように示しているが、これは、傾斜構造
を模式的に表す都合上であり、実際には、その上にチタ
ンと窒素の濃度を表示してあるように、両者の比率が連
続的に変化する層である。

【００４６】反応時間は被覆する膜厚により異なるが、
２μｍの膜厚では約２時間として、２時間後にシャッタ
ー１１を閉じた。後半の１時間は、反応ガス：不活性ガ
ス＝５：５のまま一定とする。従って、表面層５の外側
の１／２の１μｍの範囲では、窒素及びチタンの濃度
は、図３に示すように一定である。なお、ここで、傾斜
構造のＴｉＮの膜厚が１μｍ、一定濃度のＴｉＮの膜厚
が１μｍとしたが、この比率は、多少変更してもよく、
傾斜構造として効果がある程度の厚さのＴｉＮの皮膜と
その外側の反応ガスと不活性ガスの比率を５：５として
形成したＴｉＮの皮膜が存在すればよい。表面層５の膜
厚は２μｍとして説明したが、これは、３μｍ程度の膜
厚までが、好ましい。これ以上厚くなると、基材１の表
面から剥がれ易くなる。

【００４７】次に、拡散工程について説明する。

【００４８】中間チタン層４の形成時の５分間と表面層
５の形成時の約２時間の間、被処理物は約５００℃の温
度にさらされる。従って、この間、表面処理層３である
浸炭層から炭素が中間層４の中に拡散し、チタンＴｉか
ら炭化チタンＴｉＣに反応し、炭化チタンが形成され
る。ここで、拡散される炭素の状態は、図３の炭素の濃
度分布から分かる。即ち、基材１では、表面処理層３で
ある浸炭層を除き、炭素の濃度は、本来の基材１の材料
である超硬の炭素濃度であるが、浸炭層中では、浸炭処
理により、炭素の濃度が高くなっている。更に、中間層
４の中にも、炭素が拡散処理により拡散し、基材１側が
高く、外側に向かって徐々に、減少する分布となってい
る。従って、この拡散された炭素によって形成される炭
化チタンの層も傾斜構造を有することになるが、ここ自
体では、傾斜構造である必要はなく、要するに、基材と
中間層の間に炭化チタンの層が形成され、その外側のチ
タン層の外側に窒化チタンの層が形成されればよい。

【００４９】炭素の拡散領域は、中間層４の厚みの内、
基材側に約１／２の位置までである。この拡散領域は、
中間層４の厚みの内、基材側に約２／３の位置までが好
ましい。これ以上拡散領域が厚くなると、中間層４と表
面層５の密着力が低下する。

【００５０】なお、表面処理層３の形成方法として、浸
炭処理を行うものとして説明したが、この表面処理層３
は、イオン注入により炭素を注入するものであってもよ
い。この場合、表面処理層３の形成と、中間層４及び表
面層５の形成は別工程とする必要がある。浸炭処理を行
う場合には、同一反応容器内で、表面処理層の形成から
中間層の形成及び表面層の形成までを一貫して行うこと
ができ、作業工程上、処理時間が短縮できる。

【００５１】なお、本実施例のイオンプレーテイング装
置では、電子ビームでチタンを蒸発させるものとした
が、アーク放電でプラズマ空間を作り、その中にるつぼ
を入れるタイプの装置であってもよい。

【００５２】図４は、本発明の一実施例の効果を表すグ
ラフである。

【００５３】図４において、ＴｉＮと記載されたもの
は、浸炭層を形成し、さらに、チタン中間層及び窒化チ
タンの表面層を形成した図１に記載のパンチを用いて、
被加工材には、変形抵抗が大きく難加工材のＪＩＳ規格
ＳＵＳ４２０Ｊ２の厚さ３．０ｍｍの板材の塑性加工打
抜きにおける寿命を示している。

【００５４】ここで、従来法とは、基材の上に直接窒化
チタンを被覆したパンチを用いたものであり、浸炭層お
よびチタン層は形成されていないものである。この窒化
チタンのみを被覆したパンチでは、２４，０００ショッ
トで窒化チタン被膜が剥離した。しかしながら、本発明
の一実施例に係る高質皮膜を被覆したパンチでは、寿命
は、表面層に窒化チタンを被覆したもので、７０，００
０ショットとなり、従来法より金型寿命向上が確認され
た。

【００５５】７０，０００ショットで寿命となった理由
は、皮膜の剥離ではなく皮膜の摩耗であることが外観の
顕微鏡観察により確かめられた。このように、本発明の
一実施例による金型は、従来の金型に比べて金型寿命が
約３倍延長することが明らかとなり、その結果、金型費
用が低減することや、型段取り回数やメンテナンス回数
が少なくなると共に塑性加工の安定生産や被加工物の品
質の安定化を促進するものである。

【００５６】本実施例によれば、中間層の中に浸炭層か
ら炭素が拡散するため、基材と中間層の密着力が向上
し、また、表面層の中も、チタンの濃度が徐々に変化す
る傾斜構造となるため、中間層と表面層の密着力が向上
する。従って、基材と皮膜の密着力が向上する。

【００５７】従って、金型費用が低減し、型段取り回数
やメンテナンス回数が少なくなると共に塑性加工の安定
生産や被加工物の品質の安定化を促進する。

【００５８】また、浸炭層形成から中間層及び表面層形
成まで、一貫して同一反応容器内で処理できるため、処
理時間が短縮できる。

【００５９】また、浸炭処理により表面処理層を形成す
るため、表面処理層の形成を短時間で行うことができ
る。

【００６０】本発明の他の実施例について、以下に説明
する。

【００６１】本実施例も、図１に示した冷間鍛造用のパ
ンチに皮膜２を施すものであるが、皮膜の材質の中で、
表面層を炭窒化チタンとするものである。図２に示すイ
オンプレーテイング装置を用いて浸炭層、チタン中間
層、炭窒化チタン表面層を形成する。

【００６２】最初に、基材１に、表面処理層３が形成さ
れる。この表面処理層は、浸炭層であり、基材１への浸
炭処理工程について説明する。

【００６３】浸炭処理工程おいて、反応容器６の内圧
は、１．３３Ｐａ以下とする。ガス導入口１４より導入
する反応ガスとして、Ｈ₂ガスおよびＣＨ₄ガスを使用
し、不活性ガスとして、Ａｒガスを使用する。反応温度
は８５０℃とする。電子銃９によりグロー放電を発生さ
せ、ＣＨ₄ガスから炭素イオンを分離し、炭素を基材１
内に拡散させる。この時の反応時間は１５分とする。こ
の１５分間の反応時間で、０．１ｍｍ乃至０．２ｍｍの
浸炭層３が形成される。

【００６４】次に、この浸炭層３の上に形成される中間
層４の被覆工程について説明する。

【００６５】ここでは、中間層４としてチタン中間層を
被覆する。このチタン中間層の被覆は、浸炭層３の形成
に引き続いて反応容器６の中で行われる。ガス導入口１
４より不活性ガスのＡｒガスが導入される。反応容器６
の内圧は、１．３３×１０^-3Ｐａ以下とする。るつぼ１
２内には、チタン中間層を形成するための、蒸発物１３
としてチタンを収納してある。シャッター１１を開き、
電子銃９を用いてるつぼ１２内の蒸発物（チタン）１３
を蒸発させ、イオン化電極１０によりチタンをイオン化
し、試料ホルダー７に保持された金型の基材１の表面に
チタン層をチタン中間層４として形成する。このとき、
試料ホルダー７に保持された被処理物である金型は、ヒ
ーター８により３００℃〜５００℃に加熱する。加熱温
度としては、特に、４５０℃〜５００℃の範囲にする
と、基材１との密着力が高く好ましいが、３００℃〜５
００℃の範囲でも実用的に問題はない。５００℃以上と
なると、形成されたチタン中間層４の表面が粗くなり、
好ましくない。中間層の膜厚を０．１μｍとするときの
反応時間は５分とする。中間層の厚さは、０．１μｍが
好ましい。これが、余り厚いと、基材１との密着力が低
下し、余り薄いと、中間層としての役割を果たさなくな
る。チタン中間層４の形成のための反応時間の５分が経
過した後に表面層を形成するための反応ガスを流し始め
た。

【００６６】なお、このチタン中間層４の形成の間とこ
の後の表面層の被覆に要する２時間の間に、表面処理層
３である浸炭層から炭素がこのチタン中間層４内に拡散
するが、この点については、後述する。

【００６７】つぎに、炭窒化チタンの表面層５の被覆工
程について説明する。

【００６８】表面層５の被覆工程においては、チタン中
間層の被覆工程と連続で行い、反応容器６には、ガス導
入口１４より反応ガスとしてＨ₂ガス、Ｎ₂ガス及びＣＨ
₄ガスを導入し、不活性ガスとして、Ａｒガスを導入す
る。反応容器６のの内圧は、中間層を形成する時と同様
に、１．３３×１０^-3Ｐａ以下とする。また、反応ガス
と不活性ガスとの組成比は、ガス導入直後、反応ガス：
不活性ガス＝２：８とする。反応ガス中、Ｎ₂ガスとＣ
Ｈ₄ガスの組成比は、１：１とし、この比率は、変えな
いものとする。試料ホルダー７に取り付けられた被処理
物は、ヒーター８により約５００℃に加熱する。シャッ
ター１１を開いて、電子銃９を用いてるつぼ１２内の蒸
発物（チタン）１３を蒸発させ、イオン化電極１０によ
りチタンをイオン化する。プラズマ中で、Ｎ₂ガス及び
ＣＨ₄ガスより窒素及び炭素をイオン化し、炭窒化チタ
ンの皮膜を形成する。

【００６９】反応ガスと不活性ガスとの組成比は、ガス
導入直後の反応ガス：不活性ガス＝２：８から、徐々に
反応ガス濃度を増やし、約１時間後に反応ガス：不活性
ガス＝５：５となるようにする。従って、この１時間の
間に、窒化チタンである表面層５中の窒素及び炭素の濃
度は徐々に増加する。一方、チタンの濃度は徐々に減少
する。従って、表面層５の内、基材１の側では、チタ
ン、炭素及び窒素の濃度が徐々に変化する傾斜構造を有
することになる。

【００７０】反応時間は被覆する膜厚により異なるが、
２μｍの膜厚では約２時間として、２時間後にシャッタ
ー１１を閉じた。後半の１時間は、反応ガス：不活性ガ
ス＝５：５のまま一定とする。従って、表面層５の外側
の１μｍの範囲では、窒素、炭素及びチタンの濃度は、
一定である。表面層５の膜厚は２μｍとして説明した
が、これは、３μｍ程度の膜厚までが、好ましい。これ
以上厚くなると、基材１の表面から剥がれ易くなる。

【００７１】なお、ここで、拡散工程について説明す
る。中間チタン層の形成時の５分間と表面層５の形成時
の約２時間の間、被処理物は約５００℃の温度にさらさ
れる。従って、この間、表面処理層３である浸炭層から
炭素が中間層の中に拡散し、チタンＴｉから炭化チタン
ＴｉＣに反応し、炭化チタンＴｉＣが形成される。ここ
で、拡散される炭素の状態は、図３の炭素の濃度分布と
同様となる。即ち、基材１では、表面処理層３である浸
炭層を除き、炭素の濃度は、本来の基材１の材料である
工具鋼の炭素濃度であるが、浸炭層中では、浸炭処理に
より、炭素の濃度が高くなっている。更に、中間層４の
中にも、炭素が拡散処理により拡散し、基材１側が高
く、徐々に、減少する分布となっている。炭素の拡散領
域は、中間層４の厚みの内、基材側に約１／２の位置ま
でである。この拡散領域は、中間層４の厚みの内、基材
側に約２／３の位置までが好ましい。これ以上拡散領域
が厚くなると、中間層４と表面層５の密着力が低下す
る。

【００７２】なお、表面処理層３の形成方法として、浸
炭処理を行うものとして説明したが、この表面処理層３
は、イオン注入により炭素を注入するものであってもよ
い。この場合、表面処理層３の形成と、中間層４及び表
面層５の形成は別工程とする必要がある。浸炭処理を行
う場合には、同一反応容器内で、表面処理層の形成から
中間層の形成及び表面層の形成までを一貫して行うこと
ができ、作業工程上、処理時間が短縮できる。

【００７３】本実施例の効果は、同じく図４のグラフに
示されている。

【００７４】図４において、ＴｉＮＣと記載されたもの
は、浸炭層を形成し、さらに、チタン中間層及び炭窒化
チタンの表面層を形成した図１に記載のパンチを用い
て、被加工材には、変形抵抗が大きく難加工材のＪＩＳ
規格ＳＵＳ４２０Ｊ２の厚さ３．０ｍｍの板材の塑性加
工打抜きにおける寿命を示している。

【００７５】本実施例に係る高質皮膜を被覆したパンチ
では、寿命は、表面層に炭窒化チタンを被覆したもの
で、５６，０００ショットとなり、従来法より金型寿命
向上が確認された。

【００７６】５６，０００ショットで寿命となった理由
は、皮膜の剥離ではなく皮膜の摩耗であることが外観の
顕微鏡観察により確かめられた。このように、本実施例
による金型は、従来の金型に比べて金型寿命が２倍以上
延長することが明らかとなり、その結果、金型費用が低
減することや、型段取り回数やメンテナンス回数が少な
くなると共に塑性加工の安定生産や被加工物の品質の安
定化を促進するものである。

【００７７】なお、本実施例では、金型に浸炭処理、チ
タン中間層及びチタン表面層の形成を行うものとした
が、工具に同様の処理を施してもよい。

【００７８】本実施例によれば、中間層の中に浸炭層か
ら炭素が拡散するため、基材と中間層の密着力が向上
し、また、表面層の中も、チタンの濃度が徐々に変化す
る傾斜構造となるため、中間層と表面層の密着力が向上
する。従って、基材と皮膜の密着力が向上する。

【００７９】従って、金型費用が低減し、型段取り回数
やメンテナンス回数が少なくなると共に塑性加工の安定
生産や被加工物の品質の安定化を促進する。

【００８０】また、浸炭層形成から中間層及び表面層形
成まで、一貫して同一反応容器内で処理できるため、処
理時間が短縮できる。

【００８１】本発明のその他の実施例について図５を用
いて説明する。

【００８２】図５は、本発明のその他の実施例に係る被
処理物として、金属加工治具の中で工具としてのドリル
の側面図を示している。大きさは、φ８ｍｍ×１００ｍ
ｍである。基材１の材質は、工具鋼であり、その先端の
φ６ｍｍ×６５ｍｍの切削加工に用いる部分には、表面
皮膜２が形成されている。表面皮膜２のコーテイング範
囲は、最小６５ｍｍとしてある。

【００８３】この基材１への表面皮膜の形成は、同じく
図２に示すイオンプレーテイング装置を用いて行われ
る。ドリルの基材１は、反応容器６内の試料ホルダー７
に保持される。

【００８４】最初に、基材１に、表面処理層３が形成さ
れる。この表面処理層は、窒化層であり、基材１への窒
化処理工程について説明する。

【００８５】窒化処理工程おいて、反応容器６の内圧
は、ガス排出口１５により調整して、１．３３Ｐａ×１
０^-1以下とする。ガス導入口１４より導入する反応ガス
として、Ｈ₂ガスおよびＮ₂ガスを使用し、不活性ガスと
して、Ａｒガスを使用する。反応温度は５００−５５０
℃とする。電子銃９によりグロー放電を発生させ、ＣＨ
₄ガスから窒素イオンを分離し、窒素を基材１内に拡散
させる。この時の反応時間は２時間とする。この２時間
の反応時間で、０．１ｍｍ乃至０．２ｍｍの表面処理層
３としての窒化層が形成される。

【００８６】次に、この窒化層３の上に形成される中間
層４の被覆工程について説明する。

【００８７】ここでは、中間層４としてクロム中間層を
被覆する。このクロム中間層の被覆は、窒化層３の形成
に引き続いて反応容器６の中で行われる。反応容器６内
の反応ガスをガス排出口１５より排出する上で、クロム
中間層の被覆工程において、ガス導入口１４より不活性
ガスのＡｒガスが導入される。反応容器６の内圧は、ガ
ス排出口１５により調整して、１．３３×１０^-3Ｐａ以
下とする。るつぼ１２内には、クロム中間層を形成する
ための、蒸発物１３としてクロムを収納してある。シャ
ッター１１を開き、電子銃９を用いてるつぼ１２内の蒸
発物（クロム）１３を蒸発させ、イオン化電極１０によ
りクロムをイオン化し、試料ホルダー７に保持された金
型の基材１の表面にクロム層をクロム中間層４として形
成する。このとき、試料ホルダー７に保持された被処理
物であるドリルは、ヒーター８により７００℃に加熱す
る。７００℃以上となると、形成されたクロム中間層４
の表面が粗くなり、好ましくない。中間層の膜厚を０．
１μｍとするときの反応時間は５分とする。中間層の厚
さは、０．１μｍが好ましい。これが、余り厚いと、基
材１との密着力が低下し、余り薄いと、中間層としての
役割を果たさなくなる。クロム中間層４の形成のための
反応時間の５分が経過した後に表面層を形成するための
反応ガスを流し始めた。

【００８８】なお、このクロム中間層４の形成の間とこ
の後の表面層の被覆に要する約２時間の間に、表面処理
層３である窒化層から窒素がこのクロム中間層４内に拡
散するが、この点については、後述する。

【００８９】つぎに、窒化クロムの表面層５の被覆工程
について説明する。

【００９０】表面層５の被覆工程においては、クロム中
間層の被覆工程と連続で行い、反応容器６には、ガス導
入口１４より反応ガスとしてＨ₂ガスおよびＮ₂ガスを導
入し、不活性ガスとして、Ａｒガスを導入する。反応容
器６のの内圧は、ガス排出口１５により調整して、中間
層を形成する時と同様に、１．３３×１０^-3Ｐａ以下と
する。また、反応ガスと不活性ガスとの組成比は、ガス
導入直後、反応ガス：不活性ガス＝２：８とする。試料
ホルダー７に取り付けられた被処理物は、ヒーター８に
より約７００℃に加熱する。シャッター１１を開いて、
電子銃９を用いてるつぼ１２内の蒸発物（クロム）１３
を蒸発させ、イオン化電極１０によりクロムをイオン化
する。

【００９１】反応ガスと不活性ガスとの組成比は、ガス
導入直後の反応ガス：不活性ガス＝２：８から、徐々に
反応ガス濃度を増やし、約１時間後に反応ガス：不活性
ガス＝５：５となるようにする。従って、この１時間の
間に、表面層５中のＮの濃度は徐々に増加する。一方、
クロムの濃度は徐々に減少する。従って、表面層５の
内、基材１の側では、クロム及び窒素の濃度が徐々に変
化する傾斜構造を有することになる。

【００９２】反応時間は被覆する膜厚により異なるが、
２μｍの膜厚では約２時間として、２時間後にシャッタ
ー１１を閉じた。後半の１時間は、反応ガス：不活性ガ
ス＝５：５のまま一定とする。従って、表面層５の外側
の１μｍの範囲では、窒素及びクロムの濃度は、一定で
ある。表面層５の膜厚は２μｍとして説明したが、これ
は、３μｍ程度の膜厚までが、好ましい。これ以上厚く
なると、基材１の表面から剥がれ易くなる。

【００９３】なお、ここで、拡散工程について説明す
る。中間クロム層の形成時の５分間と表面層５の形成時
の約２時間の間、被処理物は約７００℃の温度にさらさ
れる。従って、この間、表面処理層３である窒化層から
窒素が中間層の中に拡散し、クロムＣｒから窒化クロム
ＣｒＮに反応し、窒化クロムＣｒＮが形成される。ここ
で、拡散される窒素の状態は、基材１では、表面処理層
３である窒化層を除き、窒素の濃度は、０であるが、窒
化層中では、窒化処理により、窒素の濃度が高くなって
いる。更に、中間層４の中にも、窒素が拡散処理により
拡散し、基材１側が高く、徐々に、減少する分布となっ
ている。窒素の拡散領域は、中間層４の厚みの内、基材
側に約１／２の位置までである。この拡散領域は、中間
層４の厚みの内、基材側に約２／３の位置までが好まし
い。これ以上拡散領域が厚くなると、中間層４と表面層
５の密着力が低下する。

【００９４】なお、表面処理層３の形成方法として、窒
化処理を行うものとして説明したが、この表面処理層３
は、イオン注入により窒素を注入するものであってもよ
い。この場合、表面処理層３の形成と、中間層４及び表
面層５の形成は別工程とする必要がある。窒化処理を行
う場合には、同一反応容器内で、表面処理層の形成から
中間層の形成及び表面層の形成までを一貫して行うこと
ができ、作業工程上、処理時間が短縮できる。

【００９５】本実施例によれば、中間層の中に窒化層か
ら窒素が拡散するため、基材と中間層の密着力が向上
し、また、表面層の中も、クロム及び窒素の濃度が徐々
に変化する傾斜構造となるため、中間層と表面層の密着
力が向上する。従って、基材と皮膜の密着力が向上す
る。

【００９６】従って、工具寿命が向上する。

【００９７】また、窒化層形成から中間層及び表面層形
成まで、一貫して同一反応容器内で処理できるため、処
理時間が短縮できる。

【００９８】なお、上述の実施例では、工具に窒化処
理、クロム中間層及びクロム表面層の形成を行うものと
したが、これは、塑性加工用金型に適用してもよい。

【００９９】また、窒化表面処理を行った基材の表面
は、滑らかであるため、その上に形成したクロム中間層
やクロム表面層も滑らかであるため、公差の厳しい金型
に、例えば、公差が±３／１０００のようなものに適用
する場合には好適である。

【０１００】なお、表面処理層、中間層及び表面層にお
ける元素の組合せとしては、次のものが上がられる。

【０１０１】１）表面処理層：窒化層若しくは窒素イオ
ン注入、中間層：チタン、表面層：窒化チタン若しくは
炭窒化チタン２）表面処理層：浸炭層若しくは炭素イオン注入、中間
層：クロム、表面層：窒化クロムこれらの実施例についても、基材と中間層の密着力が向
上し、また、中間層と表面層の密着力が向上するため、
金型や工具の寿命を向上できる。

【０１０２】

【発明の効果】本発明によれば、表面皮膜を有する金属
加工治具の表面皮膜の密着力の向上することができる。

【０１０３】また、本発明によれば、金属加工治具の表
面皮膜形成方法により、密着力の向上した表面皮膜を容
易に形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を適用した高耐久金型の側面
図である。

【図２】本発明の一実施例の実施のために用いるイオン
プレーテイング装置の構成図である。

【図３】本発明の一実施例を適用した高耐久性金型の表
面皮膜付近の模式図である。

【図４】本発明の一実施例の効果を従来法と対比して示
すグラフである。

【図５】本発明のその他の実施例を適用した工具の側面
図である。

【符号の説明】

１……基材２……皮膜３……表面処理層４……中間層５……表面層６……反応容器７……試料ホルダー８……ヒーター９……電子銃１０……イオン化電極１１……シャッター１２……るつぼ１３……蒸発物（チタン）１４……ガス導入口１５……ガス排出口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基材の表面に表面皮膜を有する金属加工
治具において、上記基材の表面に炭素若しくは窒素を拡
散され若しくは注入された表面処理層と、この表面処理
層の上にチタン若しくはクロムを被覆された中間層と、
この中間層の上にチタン若しくはクロムの化合物を傾斜
構造にて形成された表面層とを有し、更に、上記表面処
理層中の炭素若しくは窒素を上記中間層に拡散させたこ
とを特徴とする金属加工治具。
【請求項２】請求項１記載の金属加工治具において、
上記表面層であるチタン若しくはクロムの化合物は、窒
化チタン、窒化クロム又は炭窒化チタンのいづれかであ
ることを特徴とする金属加工治具。
【請求項３】請求項１記載の金属加工治具において、
上記表面処理層は、直流グロー放電を用いて形成された
浸炭層であることを特徴とする金属加工治具。
【請求項４】請求項１記載の金属加工治具において、
上記表面処理層は、直流グロー放電を用いて形成された
窒化層であることを特徴とする金属加工治具。
【請求項５】請求項１記載の金属加工治具において、
上記表面処理層は、炭素若しくは窒素をイオン注入され
たイオン注入層であることを特徴とする金属加工治具。
【請求項６】請求項１記載の金属加工治具において、
上記表面層の傾斜構造は、物理蒸着法により反応ガス濃
度を徐々に変えながら形成することを特徴とする金属加
工治具。
【請求項７】基材の表面に表面皮膜を形成する金属加
工治具の表面皮膜形成方法において、上記基材の表面に
炭素若しくは窒素を拡散し若しくは注入して表面処理層
を形成する工程と、この表面処理層の上にチタン若しく
はクロムを被覆して中間層を形成する工程と、この中間
層の上に反応ガスの濃度を徐々に変えながらチタンの窒
化物若しくは炭窒化物又はクロムの窒化物を傾斜構造に
て形成して表面層を形成する工程と、上記中間層に上記
表面処理層から炭素若しくは窒素を拡散させる工程とを
有する金属加工治具の表面皮膜形成方法。
【請求項８】請求項７記載の金属加工治具の表面皮膜
形成方法において、上記表面層であるチタン若しくはク
ロムの化合物は、窒化チタン、窒化クロム又は炭窒化チ
タンのいづれかで形成されていることを特徴とする金属
加工治具の表面皮膜形成方法。
【請求項９】請求項７記載の金属加工治具の表面皮膜
形成方法において、上記表面処理層は、直流グロー放電
を用いてを形成された浸炭層又は窒化層であることを特
徴とする金属加工治具の表面皮膜形成方法。
【請求項１０】請求項７記載の金属加工治具の表面皮
膜形成方法において、上記表面処理層は、炭素若しくは
窒素をイオン注入されたイオン注入層であることを特徴
とする金属加工治具の表面皮膜形成方法。