JP6806304B2 - 被覆冷間用金型 - Google Patents

Description

本発明は、金型の基材に物理蒸着法等により成膜した硬質皮膜について、耐クラック性と耐剥離性を向上させることにより耐摩耗性を向上させて、金型寿命が格段に改善された冷間用金型に関するものである。

従来から、超硬合金、高速度工具鋼等の金属を基材とする切削工具や、プレス、鍛造用金型、打ち抜きパンチ等の塑性加工用の治工具において、耐摩耗性を向上させることを目的として、物理蒸着法や化学蒸着法によって、治工具の表面に所定の組成を有する硬質皮膜を被覆することが行われている。特に、切削工具では、その切れ刃部の表面にＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＳｉＮ等の硬質皮膜を被覆（形成）することが広く実用化されている。

例えば、特許文献１（特開２００３−７１６１０号公報）には、高速・高能率切削が可能で耐摩耗性に優れた切削工具用の硬質皮膜であって、組成が（Ｔｉ_ａ、Ａｌ_ｂ、Ｃｒ_ｃ）（Ｃ_１−ｄＮ_ｄ）で表される式からなり、０．０２≦ａ≦０．３０、０．５５≦ｂ≦０．７６５、０．０６≦ｃ、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０．５≦ｄ≦１（ａ、ｂ、ｃはそれぞれＴｉ、Ａｌ、Ｃｒの原子比を示し、ｄはＮの原子比を示す。）とした硬質皮膜に関する発明が提案されている。この特許文献１に記載されている切削工具用の硬質皮膜は、従来から実施されているＴｉＡｌＮからなる皮膜にＣｒを添加することによって皮膜の硬度および耐酸化性を向上させ、その結果として耐摩耗性を飛躍的に向上させたものである。また、特許文献１に記載されている硬質皮膜は、相互に異なる硬質皮膜を２層以上形成することも提案されている。

特許文献２（特開２０００−３３４６０６号公報）には、従来から実施されているＴｉＡｌＮ皮膜に対して耐酸化性、耐摩耗性を改善するために、硬質皮膜をＴｉＳｉ系窒化物などからなるａ層と、ＴｉＡｌ系窒化物などからなるｂ層を、それぞれ一層以上交互に被覆するとともに、ｂ層の皮膜を母材の表面直上に形成した硬質皮膜被覆工具が提案されている。
具体的には、切削加工の乾式化、高速化に対応する硬質皮膜被覆工具として、高速度鋼、超硬合金、サーメット、セラミックスの何れかを母材とし、硬質皮膜のａ層は、金属成分のみの原子％で、Ｓｉが１０％以上６０％以下、Ｂ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０％未満、残りＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかで、Ｓｉ_３Ｎ_４およびＳｉが独立した相として化合物中に存在し、ｂ層は金属成分のみの原子％が、Ａｌ：４０％越え７５％以下、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０％未満、残りＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであり、ａ層、ｂ層がそれぞれ一層以上交互に被覆され、かつ、ｂ層が母材表面直上に形成されている硬質皮膜被覆工具である。

特許文献３（特開２００６−２９９３９９号公報）には切削工具や金型等に被覆する硬質皮膜において、Ａｌ及びＣｒを必須成分とした硬質皮膜を優れた耐熱性並びに潤滑特性を有した状態で高硬度化して、硬質皮膜被覆部材の耐摩耗性を改善した硬質皮膜が提案されている。
特許文献３に記載の硬質皮膜被覆部材は、基体表面から、最下層、中間積層部、最上層からなる硬質皮膜から構成されている。そして、この最下層はＡｌを５０原子％以上含有し、残部がＴｉ、Ｃｒ，Ｓｉから選択される１種もしくは２種以上の窒化物主体の硬質皮膜からなり、中間積層部は金属成分の組成が（Ａｌ_ＷＣｒ_ＸＴｉ_ＹＳｉ_Ｚ）、但し、組成は原子％で、Ｗ＋Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００、の窒化物、ホウ化物、炭化物及び酸化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物からなるＡ層とＢ層とが、Ａ層は７０＜Ｗ＋Ｘ＜１００、Ｂ層は３０＜Ｙ＜１００で層厚方向に交互に積層され、さらに、最上層はＴｉ又はＴｉとＳｉの窒化物、炭化物、硫化物、硼化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物から構成された硬質皮膜であって、潤滑性と皮膜硬度を向上させるための皮膜とされている。

特許文献４（特開２００９−６１４６５号公報）には、冷間鍛造用金型の表面に形成された硬質被膜の摩耗や剥離を防止することにより、冷間鍛造用金型により鍛造される成形品のかじりを抑制できる冷間鍛造用金型が提案されている。特許文献４に記載の硬質被膜の特徴は、金型意匠面に４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上を含む炭化物、窒化物若しくは炭窒化物、及び、４Ａ族（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、５Ａ族（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）、６Ａ族（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）金属の一種又は二種以上とＳｉ及びＡｌの一種又は二種とを含む窒化物からなる群から選ばれる一種又は二種以上からなる単層又は多層の被膜を備えている。さらに、この冷間鍛造用金型に形成した被膜は、表面粗さＲａがいずれの方向から測定しても０．０５μｍ以上０．５０μｍ以下にすることにより、潤滑材の保持力を向上させるようにしている。

特開２００３−７１６１０号公報 特開２０００−３３４６０６号公報 特開２００６−２９９３９９号公報 特開２００９−６１４６５号公報

特許文献１には、切削工具用の硬質皮膜であってその組成が（Ｔｉ_ａ、Ａｌ_ｂ、Ｃｒ_ｃ）（Ｃ_１−ｄＮ_ｄ）で表され、この組成に含まれる元素の原子比を規定することにより硬質皮膜の耐摩耗性と耐酸化性を向上させることを特徴としているが、硬質皮膜としてＴｉとＳｉの窒化物又は炭化物を含む皮膜を形成すること、特に最上（表面）層の皮膜としてＴｉとＳｉの窒化物又は炭化物を含む皮膜を形成することについては開示されていない。

特許文献２には、切削工具に被覆する硬質皮膜をＴｉＳｉ系窒化物などからなるａ層と、ＴｉＡｌ系窒化物などからｂ層を、それぞれ一層以上交互に被覆し、さらにｂ層が母材の表面直上に形成された硬質皮膜である。

特許文献１及び特許文献２に開示されている硬質皮膜は、いずれもその組成に含まれる元素の原子比を規定することにより硬質皮膜の耐摩耗性と耐酸化性を向上させているが、その用途は切削工具用の硬質皮膜である。

切削工具に対して、過酷な環境で使用される冷間用金型は、塑性加工を行うときに、閉鎖域で、しかも高速（毎分５０ショット以上）で金型の基材（母材）に引張応力と圧縮応力が繰り返して与えられる。このため、冷間用金型は切削工具や他用途の金型に比べて、金型表面に微細なクラックが発生し易い。また、冷間の塑性加工時に金型表面に作用する応力分布は、切削工具の切れ刃エッジに作用する応力に比べても格段に高く、しかも、冷間用金型の基材は切削工具に使用される基材（例えば超硬合金、ハイス、ダイス鋼等）の硬度よりも低く弾性変形し易い。
また、冷間用金型に形成する硬質皮膜において、硬度の高いＳｉを含有した硬質皮膜を被覆した場合、冷間用金型は上記したように過酷な環境で使用されるために切削工具に比べてこの硬質皮膜は剥離し易い。そのため、金型表面に成膜した硬質皮膜は、その特性のうち、特に繰返し応力を受けた時の耐クラック性や耐摩耗性に加えて、硬度の高い硬質皮膜が塑性加工時に剥離しないこと、つまり耐剥離性が特に強く要求されている。

特許文献３に開示されている硬質皮膜被覆部材は切削工具、金型、軸受け、ダイス、ロールなど高硬度が要求される耐摩耗工具等に被覆して耐摩耗性を向上させるために、基体表面から、最下層、中間積層部、最上層の３層を形成した硬質皮膜を備えている。さらに、中間積層部をＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉを必須成分とした積層構造とし、最上層をＴｉ又はＴｉとＳｉの窒化物、炭化物、硫化物、硼化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物とした硬質皮膜被覆部材である。
しかしながら、特許文献３には特許文献１及び２と同様に、基材の表面に生じる微細なクラックの発生を防止するための硬質皮膜の構成などについては開示されていない。特に、特許文献３に記載されている硬質皮膜被覆部材を冷間用金型に適用した場合には、Ｓｉを含有した中間積層部は脆くなるため、最上層であるＴｉ又はＴｉとＳｉの窒化物を含む硬質皮膜はその耐剥離性を十分に発揮することができなくなる。その結果、特許文献３に開示されている硬質皮膜被覆部材を冷間用金型に適用すると冷間用金型の耐久性（金型寿命）向上が不十分になると考えられる。

特許文献４には、冷間鍛造用金型の表面に被覆した硬質皮膜の摩耗や剥離を防止させるために、所定の元素の炭化物又は窒化物からなる単層又は多層の硬質皮膜が提案されているが、硬質皮膜の元素と面粗度を規定するものであって、硬質皮膜を積層構造にすることについては開示されていない。さらに、冷間鍛造用金型の表面に微細なクラックの発生を防止するための手段や硬質皮膜の耐剥離性の向上に対する対策は開示されていない。

本発明の発明者は、冷間用金型の耐久性を改善するために、冷間用金型の表面に被覆する硬質皮膜（以下、硬質皮膜層と記載する）の耐剥離性と耐クラック性の向上について鋭意研究した。その結果、冷間用金型は切削工具に比べて面圧が高い塑性加工で使用されるため、硬質皮膜層の特性の中でも特に靱性と耐剥離性が要求される。前記した特許文献に記載されている切削工具などの耐久性を改善した硬質皮膜層では、冷間用金型の耐久性を向上させることができないことが明らかとなった。
冷間用金型に被覆した硬質皮膜層の靱性と耐剥離性を向上させるためには、硬質皮膜層の組成、および硬質皮膜層の構成、特に、この硬質被膜層の基本構成として硬質被膜層を２種の皮膜層から形成するとともに、これら２種の皮膜層（硬質被膜層）を基材の表面に形成して配置する順序、所定の皮膜層を多層構造、又は積層構造にすることが重要であることを各種の試作実験により見出した。

そして、各種の試作実験の結果、冷間用金型に被覆する硬質皮膜層の耐剥離性と耐クラック性の双方を向上させるためには、基材の表面に被覆する硬質皮膜層の組成の基本構成はＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなる硬質皮膜層とするとともに、この硬質皮膜層は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物又は炭窒化物からなる硬質皮膜層（下部皮膜層）と、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなる硬質皮膜層（表面皮膜層）の２種から構成し、さらに、下部皮膜層は表面皮膜層よりも基材の表面側に成膜して形成した構成にすることにより、硬質皮膜層の靱性と耐剥離性を格段に向上させることが可能になることを見出した。

本発明はこのような従来技術の不具合に鑑みてなされたものであって、その目的は、切削工具に比べて面圧の高い塑性加工で使用される冷間用金型について、耐久性（金型寿命）を向上させることにある。特に、本発明は、硬度が高く耐摩耗性に優れた硬質皮膜層について、金型基材からの耐剥離性と耐クラック性を向上させた硬質皮膜層を被覆した被覆冷間用金型とすることにより、金型寿命を格段に向上させた被覆冷間用金型を提供することにある。

本発明の請求項１に記載の発明は、基材の表面に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなる硬質皮膜層を被覆した被覆冷間用金型であって、
前記硬質皮膜層は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物又は炭窒化物からなる下部皮膜層と、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなる表面皮膜層を備え、前記下部皮膜層は、前記表面皮膜層よりも前記基材の表面側に成膜されている被覆冷間用金型において、
前記下部皮膜層は、その組成が一般式：ＴｉａＣｒｂＡｌｃ（ＣｕＮｖ）（ただし、ａ、ｂ、ｃ、ｕ、ｖは、それぞれＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃ、Ｎの原子比を示す）で表され、
前記ａ、ｂ、ｃ、ｕ、ｖは下記の条件：
０＜ａ≦０．６、
０＜ｂ≦０．３、
０．３＜ｃ＜０．７、
０≦ｕ≦０．５、
０＜ｖ≦１、
ａ＋ｂ＋ｃ＝１、
ｕ＋ｖ＝１、を満たしているとともに、
前記下部皮膜層は、前記基材の表面側から前記表面皮膜層側に向けて、順次、Ｔｉ、Ｃｒ 、Ａｌ、の原子比が異なる皮膜層を少なくとも２層以上有する多層構造をなしていることを特徴としている。

本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の被覆冷間用金型において、前記多 層構造は、前記基材の表面側から前記表面皮膜層側に向けて、順次、第１層、第２層、第 ３層からなる３つの皮膜層から構成されており、
前記第１層のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比を、それぞれａ１、ｂ１、ｃ１、
前記第２層のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比を、それぞれａ２、ｂ２、ｃ２、
前記第３層のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比を、それぞれａ３、ｂ３、ｃ３、としたときに、 前記Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比は、
ａ１＞ａ２＞ａ３、
ｂ３＞ｂ２＞ｂ１、
ｃ３＞ｃ２＞ｃ１
を満たしていることを特徴としている。

本発明の請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の被覆冷間用金型において、前記多 層構造をなす前記第２層は、Ｄ層とＦ層からなる皮膜層を交互に積層した積層構造をなし 、
前記Ｄ層及び前記Ｆ層は、０．０２μｍ未満の膜厚を有しているとともに、
前記Ｄ層のＴｉの原子比をａ（Ｄ）、前記Ｆ層のＴｉの原子比をａ（Ｆ）、としたときに 、
ａ（Ｄ）＞ａ（Ｆ）
を満たしていることを特徴としている。

本発明の請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の被覆冷間用金型において、前記Ｄ 層の膜厚は、前記Ｆ層の膜厚と同じ、もしくは、前記Ｆ層の膜厚よりも厚くなるように成 膜されていることを特徴としている。

本発明の被覆冷間用金型に形成した硬質皮膜層は、冷間用金型の基材に被覆され、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物又は炭窒化物からなる下部皮膜層と、この下部皮膜層の上に被覆され、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなる表面皮膜層から構成したことにより、硬質皮膜層の耐剥離性と耐クラック性を格段に向上させることが可能になる。これにより、金型寿命を著しく向上させた冷間用金型を提供することができる。
さらに、本発明は、下部皮膜層を多層構造、あるいはこの多層構造のうちの特定の皮膜層（第２層）を、２つの皮膜層を交互に積層した積層構造とすることにより、靱性、耐剥離性、及び耐摩耗性を格段に向上させて、金型寿命をさらに一段と向上させた冷間用金型を提供することが可能になる。

本発明の被覆冷間用金型について、硬質皮膜層の第１の実施形態の構成を説明するための断面模式図である。 本発明の被覆冷間用金型について、硬質皮膜層の第２の実施形態の構成を説明するための断面模式図である。 本発明の被覆冷間用金型について、硬質皮膜層の第３の実施形態の構成を説明するための断面模式図である。 本発明の被覆冷間用金型の一例となるパンチの構成を説明するための平面図である。 図４に示すパンチについて、先端部の構成を説明するための一部拡大平面図である。 本発明の被覆冷間用金型の一例となるダイスの構成を説明するための断面図である。 硬質皮膜層を成膜するための成膜装置の構成を説明するための図である。 本発明の被覆冷間用金型を用いた冷間鍛造装置により、被加工物に対して後方押し出し成形による塑性加工を行う手順を説明するための図であって、（ａ）はパンチ、ダイスにより塑性加工を実施する前の状態を示し、（ｂ）は塑性加工を開始したときの状態を示し、（ｃ）は被加工物に塑性加工を実施しているときの状態を示す。 図７に示す成膜装置において、ダイスを構成するニブに硬質皮膜層を成膜するときに、ニブを成膜装置の基材ステージに取付ける位置についてその一例を示す図である。

以下、本発明の被覆冷間用金型の構成、特にこの金型に被覆する硬質皮膜層の構成とその特徴を図面に基づいて説明する。図１〜図３は本発明の被覆冷間用金型の基材に硬質皮膜層を被覆したときに、この硬質皮膜層の構成を説明するための図であって、図１は硬質皮膜層の基本構成（第１の実施形態）を示す断面図、図２は同じく硬質皮膜層の第２の実施形態を示す断面図、図３は同じく第３の実施形態を示す断面図である。

［硬質皮膜層の基本構成（第１の実施形態）］
図１は、本発明に係る被覆冷間用金型１について、その基材２に被覆した硬質皮膜層３の基本構成（第１の実施形態）を示す部分断面図である。以下の説明において冷間用金型１の基材（「母材」と呼ぶ場合もある）２のことを単に「基材２」と記載して説明する。また、本発明の被覆冷間用金型１のことを「冷間用金型１」と記載する場合もある。
基材２は、冷間で各種の金属に対して塑性加工を行うための金型であって、各種の成形用金型を示す。本発明が適用できる各種の冷間用金型としては、前方押出し成形用金型、据込み加工用金型、打ち抜き加工用金型、圧印加工用金型、各種のプレス成型用金型等に用いるパンチやダイス等を挙げることができる。

基材２の材質としては、超硬合金、金属炭化物を有する鉄基合金、高速度工具鋼、セラミックス、等を用いることができるが、これらに限定されるものではなく、治工具等の部材に適用できるものであれば、いかなる材質でもよい。本発明の被覆冷間用金型１の基材２の材質としてはＣｒを含有する超硬合金であって、ＷＣ（炭化タングステン）の平均粒度が０．８〜３μｍ、Ｃｏ含有量が６〜２５重量％からなる基材が特に好適であり、切削工具に適用される超硬合金よりもＷＣの平均粒度も大きく、Ｃｏ含有量も多くなっている。

図１に示す第１の実施形態においては、硬質皮膜層３は基材２の表面に被覆された下部皮膜層４と、この下部皮膜層４の上に被覆された表面皮膜層５から構成されている。下部皮膜層４はＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物又は炭窒化物からなる皮膜層から構成され、表面皮膜層５はＴｉ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなる皮膜層から構成されている。
このように、本発明の被覆冷間用金型１は、基材２の表面に被覆（成膜又は形成）された硬質皮膜層３として、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物又は炭窒化物からなる下部皮膜層４と、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなる表面皮膜層５とを備え、下部皮膜層４は表面皮膜層５よりも基材２の表面側に成膜されているとともに、表面皮膜層５の直下に下部皮膜層４が成膜されていることを基本構成としている。図１においては、下部皮膜層４は基材２の表面の直上に成膜している例を示しているが、基材２の表面と下部皮膜層４との間に他の皮膜層、例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌから選択される１種以上の窒化物又は炭窒化物を含む皮膜層を成膜してもよい。

なお、上記した「下部皮膜層４はＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物又は炭窒化物からなる」とは、下部皮膜層４はＴｉとＣｒ及びＡｌの窒化物、又はＴｉとＣｒ及びＡｌの炭窒化物からなる皮膜層から構成される場合と、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物又は炭窒化物であって、これら３種の元素の窒化物と炭窒化物のうち、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌを含む３種の窒化物や炭窒化物からなる皮膜層から構成される場合を含む。
同様に、「表面皮膜層５はＴｉ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなる」とは、表面皮膜層５はＴｉとＳｉの窒化物、又はＴｉとＳｉの炭窒化物からなる皮膜層から構成される場合と、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物であって、これら２種の元素の窒化物と炭窒化物のうち、Ｔｉ、Ｓｉを含む２種の窒化物や炭窒化物からなる皮膜層から構成される場合を含む。

Ｔｉ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなる表面皮膜層５は硬度は高いが、特に冷間用金型に適用される基材（母材）上では靱性および耐剥離性に乏しい欠点を有する。この欠点を改善するためには、表面皮膜層５の直下に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物又は炭窒化物からなる下部皮膜層４を形成することが重要であることが各種の試作実験により明らかになった。本発明は、このような技術思想に基づいて各種の試作実験を行った結果得られたものである。

本発明において、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物又は炭窒化物からなる下部皮膜層４は、表面皮膜層５の耐剥離性と耐クラック性を同時に向上させ、表面皮膜層５の効果を最大限に発揮する作用を行うことができる。また、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物又は炭窒化物からなる下部皮膜層４は、被覆冷間用金型１の耐摩耗性向上にも欠かせない硬質皮膜層になる。本発明の被覆冷間用金型１は、上記した下部皮膜層４と表面皮膜層５とを組み合わせた構成、すなわち、表面皮膜層５の直下に下部皮膜層４を形成した構成にすることにより、被覆冷間用金型１の耐久性（金型寿命）を向上させることができたのである。さらに、後記するように、下部皮膜層４を多層構造あるいは積層構造を有する皮膜層で構成することにより、被覆冷間用金型１の耐久性を格段に向上させることができたのである。

続いて、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物又は炭窒化物からなる下部皮膜層４の組成について説明する。
下部皮膜層４の組成は、一般式：Ｔｉ_ａＣｒ_ｂＡｌ_ｃ（Ｃ_ｕＮ_ｖ）（ただし、ａ、ｂ、ｃ、ｕ、ｖはそれぞれ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃ、Ｎの原子比を示す）で表され、前記ａ、ｂ、ｃ、ｕ、ｖ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１、ｕ＋ｖ＝１）は下記の条件を満たすことが好ましい。
０＜ａ≦０．６、
０＜ｂ≦０．３、
０．３＜ｃ＜０．７、
０≦ｕ≦０．５、
０＜ｖ≦１、
ａ＋ｂ＋ｃ＝１、
ｕ＋ｖ＝１。

上記した下部皮膜層４の組成の一般式において、原子比ａ、ｂ、ｃ、ｕ、ｖ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１、ｕ＋ｖ＝１）を、上記条件を満たすように設定することが好ましい理由を説明すると次のようになる。
Ｔｉの原子比ａを０＜ａ≦０．６の範囲に設定することが好ましい理由は、下部皮膜層４がＴｉを含有しない場合、下部皮膜層４と基材２との十分な密着性が得られないばかりではなく、下部皮膜層４の耐摩耗性が低下することに加え、硬度と弾性係数が低くなり、表面皮膜層５との強度（硬度と弾性係数）差が大きくなり過ぎてしまい、表面皮膜層５の耐剥離性と耐クラック性が低下する。一方、Ｔｉの原子比が０．６を超えると、下部皮膜層４の耐熱性、硬度、靱性が低下することで耐摩耗性が劣化し、また弾性係数が高くなる傾向になり、その結果として、表面皮膜層５の耐剥離性と耐クラック性が低下するからである。

Ｃｒの原子比ｂを０＜ｂ≦０．３の範囲に設定することが好ましい理由は次の通りである。Ｃｒを含有しない場合、下部皮膜層４の基材２との十分な密着性が得られないばかりではなく、下部皮膜層４の靱性が低下、また弾性係数が高くなり、さらに結晶粒が粗大化する傾向にあり、その結果、表面皮膜層５との強度と結晶粒の連続性が低下するため、表面皮膜層５の耐剥離性と耐クラック性が低下する。一方、Ｃｒの原子比ｂが０．３を超えると、下部皮膜層４の硬度と弾性係数が急激に低下する傾向になり、下部皮膜層４の耐摩耗性が低下することに加え、表面皮膜層５との強度（硬度と弾性係数）差が大きくなり過ぎてしまい、表面皮膜層５の耐剥離性と耐クラック性が低下する場合がある。

Ａｌの原子比ｃを０．３＜ｃ＜０．７の範囲に設定することが好ましい理由は、Ａｌの原子比ｃが０．３以下の場合、下部皮膜層４の耐熱性と硬度が低下することで耐摩耗性が低下し、さらに結晶粒が粗大化することで、表面皮膜層５との密着性が低下し、耐剥離性が低下する場合がある。一方、Ａｌの原子比ｃが０．７以上になると、下部皮膜層４の結晶粒が微細化する傾向になり、硬度が著しく低下し、表面皮膜層５との強度（硬度と弾性係数）差が大きくなり過ぎてしまい、その結果として、表面皮膜層５の耐剥離性と耐クラック性が低下するからである。

Ｃの原子比ｕを０≦ｕ≦０．５の範囲に設定することが好ましい理由は次の通りである。硬質皮膜にＣを含有させると、下部皮膜層４の組織が微細化して、下部皮膜層４を高硬度化することができる。さらに、下部皮膜層４の摩擦係数の低下に貢献し、耐付着性を向上させることができ、その結果として、下部皮膜層４の耐摩耗性が向上する。冷間用金型においては、耐付着性が向上すると、被加工材の面粗度が向上する。また、Ｃは含有しなくとも良く、冷間用金型の使用環境によって選択されるべきである。なお、Ｃの原子比ｕが０．５を超えて含有する場合は、下部皮膜層４の硬度が急激に低下することから、下部皮膜層４の耐摩耗性が劣化することになる。

ｖはＮの原子比であるが、Ｃを含有する場合を考慮して、Ｎの原子比ｖは０を超え１以下の範囲に設定した。なお、下部皮膜層４にＣを含有させない場合には、下部皮膜層４はＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物で構成する。

［硬質皮膜層の第２の実施形態］
続いて、硬質皮膜層３の第２の実施形態について詳細に説明する。図２は、本発明の被覆冷間用金型１について第２の実施形態の構成を示す部分断面図である。第２の実施形態は、図１に示す第１の実施形態と比較してより好ましい実施形態になる。
図２に示すように第２の実施形態は、下部皮膜層４を３つの皮膜層からなる第１層６、第２層７、第３層８からなる多層構造とし、第１層６は基材２の直上、すなわち、基材２と接する側に形成することが望ましい。そして、基材２の直上（表面）側から表面皮膜層５方向に向けて、順次、第１層６、第２層７、第３層８を形成した例を示している。

下部皮膜層４を構成する第１層６は、基材２の表面と接する側に成膜すると、基材２との密着強度を最大限に担保する機能を発揮する。第２層７は表面皮膜層５の耐クラック性を高める効果と、第１層６と第３層８のそれぞれを密着性が高い状態に保持する機能を発揮するために設けている。第３層８は表面被覆層５との密着性が高い状態に保持して、表面皮膜層５の耐剥離性と耐クラック性を高める効果を発揮する。

さらに、本発明においては、第１層６、第２層７、第３層８のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの含有量（原子比）がそれぞれ異なった窒化物または炭窒化物で構成していることに特徴がある。これにより、下部皮膜層４内において硬度と弾性係数の異なる層が積層されることとなり、表面皮膜層５に作用する応力の緩和やクラック進展の抑制に効果を発揮すると推察される。また、第１層６、第２層７、第３層８の硬度と弾性係数が異なった状態で積層されても、相互に結晶粒の連続性を保った状態を維持することができ、各層間の密着性が高い状態を維持することができる効果も発揮する。下部皮膜層４を上記した３層の多層構成にすることにより、基材２と硬質皮膜層３との密着強度、第２層７と第３層８の耐クラック性、第３層の耐剥離性の効果を著しく発揮することが可能になる。

下部皮膜層４を第１層６、第２層７、第３層８の３層で構成する場合、その最適な膜厚は、下部皮膜層４の総膜厚を２〜６μｍ、第１層６を１〜３μｍ、第２層７を１〜２μｍ、第３層８を０．１〜２μｍにすることが好ましく、膜厚をこれらの範囲に成膜すれば、表面皮膜層５の耐クラック性、及び耐剥離性と硬質皮膜層３の耐摩耗性が最大となる。

下部皮膜層４に形成した第１層６、第２層７、第３層８の組成は、前記した下部皮膜層４の組成である、
Ｔｉ_ａＣｒ_ｂＡｌ_ｃ（Ｃ_ｕＮ_ｖ）（ただし、ａ、ｂ、ｃ、ｕ、ｖは、それぞれＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃ、Ｎの原子比を示す）で表され、
前記ａ、ｂ、ｃ、ｕ、ｖは下記の条件：
０＜ａ≦０．６、０＜ｂ≦０．３、０．３＜ｃ＜０．７、０≦ｕ≦０．５、
０＜ｖ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、ｕ＋ｖ＝１、
を満たしているが、さらに、下記の条件を満たすように設定することが好ましい。
すなわち、第１層のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比をａ１、ｂ１、ｃ１、第２層のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比をａ２、ｂ２、ｃ２、第３層のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比をａ３、ｂ３、ｃ３としたときに、
ａ１＞ａ２＞ａ３、
ｂ３＞ｂ２＞ｂ１、
ｃ３＞ｃ２＞ｃ１、
を満たすように設定することが望ましい。

第１層６、第２層７、第３層８の各元素の原子比が上記の条件を満たすように、下部皮膜層４を３層の多層構造から構成することにより、前記した各層に期待する効果がそれぞれ発揮されることになる。
なお、各層におけるＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの組成は、上記したように、第１層６のＴｉの原子比を他の層より高く設定し、第３層８のＣｒとＡｌの原子比を他の層より高く設定し、さらに、第２層７のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比は、ともに第１層６と第３層８の原子比の中間となる値に設定することで、下部皮膜層４を第１層６、第２層７、第３層８の結晶粒が連続した状態となり、各層がそれぞれ密着性の高い状態が維持され、また硬度と弾性係数が表面皮膜層５に向かって連続的に傾斜する構造となり、表面皮膜層５の耐クラック性と耐剥離性を発揮することになる。

上記した第１層６について、より好ましいＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比は、０．５≦ａ１０．６、０＜ｂ１≦０．１、０．３＜ｃ１≦０．５であり、第３層８のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比は、０＜ａ３＜０．５、０．１＜ｂ３≦０．３、０．５＜ｃ３＜０．７であり、第２層７は第１層６と第３層８の略中間組成比にすることである。

図２に示す第２の実施形態は、下部皮膜層４を３つの皮膜層からなる第１層６、第２層７、第３層８から構成した例を示しているが、下部皮膜層４を、上記した組成と条件を満足する、２つ、４つ、もしくは５つの皮膜層からなる多層の皮膜層（第１層、第２層、又は第１層、第２層、第３層、第４層、・・・）から構成してもよい。このように、下部皮膜層４を組成が異なる少なくとも２層以上の多層構造にすることにより、基材２と硬質皮膜層３との密着強度、耐クラック性、及び耐剥離効果を強く発揮することが可能になる。本発明においては、下部皮膜層４を多層構造で構成する場合には、３層（前記した第１層、第２層、第３層）から構成するのが最も好ましい。この理由は、次の通りである。

本発明は、下部皮膜層４によって表面皮膜層５の耐クラック性と耐剥離性を最大限に発揮させ、硬質皮膜層３が優れた耐摩耗性を発揮するものである。そのために、下部皮膜層４に少なくとも３つの機能を持たせることが特に重要である。
その第１の機能は、基材２との密着性を確保する機能であって、この機能は第１層６が有している。第２の機能は、表面皮膜層５と下部皮膜層４との密着性を確保する機能であって、この機能は第３層８が有している。そして、第３の機能は、第１層６と第３層８の特性と各層（第１層６〜第３層８）を密着性が高い状態で連結する機能であって、この機能を第２層７が有している。これにより、下部皮膜層４の多層構造は３つの皮膜層、すなわち、第１層６、第２層７、第３層８から構成するのが最も好ましい。この３つの機能を有した下部皮膜層４が表面皮膜層５の耐クラック性と耐剥離性を最大限に高めることになる。

なお、多層構造とした下部皮膜層４を２つの皮膜層、すなわち基材２側から第１層と第２層から構成した場合に、第１層のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比をａ１、ｂ１、ｃ１、第２層のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比をａ２、ｂ２、ｃ２としたときに、
ａ１＞ａ２、
ｂ２＞ｂ１、
ｃ２＞ｃ１、
を満たすように設定する。

なお、図２に示す第２の実施形態においては、基材２の表面の直上に下部皮膜層４を成膜した例を示しているが、基材２の表面と下部皮膜層４との間に他の皮膜層、例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌから選択される１種以上の窒化物又は炭窒化物を含む皮膜層を成膜してもよい。

［硬質皮膜層の第３の実施形態］
続いて、硬質皮膜層３の第３の実施形態を、図３を参照して説明する。第３の実施形態は、図２に示す第２の実施形態と比較してより好ましい実施形態となる。
第３の実施形態は、図２に示す第２の実施形態の下部皮膜層４が備えている第２層７を、組成が異なるＤ層７ａとＦ層７ｂからなる２つの皮膜層を、少なくとも交互に２つ以上積層した積層構造にするとともに、Ｄ層７ａとＦ層７ｂの各皮膜層（単一層）の膜厚を０．０２μｍ未満としたことに特徴がある。

図３に示すように、硬質皮膜層３の第３の実施形態においては、下部皮膜層４が備えている第２層７を、組成が異なるＤ層７ａとＦ層７ｂからなる２層を一対として、少なくともＤ層７ａとＦ層７ｂを交互に２つ以上積層した積層構成にしている。
このように第２層７を、Ｄ層７ａとＦ層７ｂを交互に２つ以上積層した構成にすることにより、第１層６と第３層８の結晶粒の連続性がさらに高い状態となり、各層がそれぞれ密着性の高い状態が維持され、また硬度と弾性係数が表面皮膜層５に向かって連続的に傾斜する構造でありながら、Ｄ層７ａとＦ層７ｂの交互積層による接合界面の増加によって、表面皮膜層５の応力緩和とクラック進展を抑制する効果がより高くなる。これにより、表面皮膜層５の耐クラック性と耐剥離性を発揮させることになる。その結果として、下部皮膜層４の第２層７の耐クラック性と耐摩耗性を高め、硬質皮膜層３全体の耐剥離性と耐クラック性を高める効果を発揮することが可能になる。この第３の実施形態は、本発明の被覆冷間用金型１において最適な実施形態になる。

なお、Ｄ層７ａとＦ層７ｂの膜厚のそれぞれが０．０２μｍ以上になるように形成すると、Ｄ層７ａとＦ層７ｂの交互積層による接合界面の増加による表面皮膜層５の応力緩和とクラック進展を抑制する効果が見られなくなり、第２層７の耐クラック性と耐摩耗性、硬質皮膜層３の耐剥離性と耐クラック性の改善効果が乏しくなるので、Ｄ層７ａとＦ層７ｂのそれぞれの膜厚は０．０２μｍ未満になるように設定することが望ましい。

（Ｄ層とＦ層の組成と膜厚）
続いて、第２層７において積層構成をなすＤ層７ａとＦ層７ｂの組成について説明する。Ｄ層７ａのＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比をそれぞれａ（Ｄ）、ｂ（Ｄ）、ｃ（Ｄ）、Ｆ層７ｂのＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比をそれぞれａ（Ｆ）、ｂ（Ｆ）、ｃ（Ｆ）としたときに、Ｄ層７ａとＦ層７ｂの組成（原子比）は、
ａ（Ｄ）＞ａ（Ｆ）、
を満たすようにする、つまり、Ｄ層７ａはＦ層７ｂよりもＴｉ含有量を多くするとともに、Ｄ層７ａを第１層６側に成膜することが望ましい。この理由は、Ｄ層７ａを第１層６側と接するように成膜すると、ａ（Ｄ）＞ａ（Ｆ）にしていることにより、第１層６とＤ層７ａとの密着性が向上すると考えられるからである。但し、Ｄ層７ａと第１層６が略同一組成となる場合は、第１層６とＤ層７ａが区別できないため、Ｆ層７ｂが第１層６側に成膜することになる。
さらに、Ｄ層７ａのＣｒとＡｌの含有量（原子比）はＦ層７ｂよりも少ない組成を有する構造、すなわち、
ｂ（Ｆ）＞ｂ（Ｄ）、
ｃ（Ｆ）＞ｃ（Ｄ）、
を満たすようにすることが好ましい。Ｄ層７ａとＦ層７ｂの組成を、
ａ（Ｄ）＞ａ（Ｆ）、かつ、
ｂ（Ｆ）＞ｂ（Ｄ）、
ｃ（Ｆ）＞ｃ（Ｄ）、
に設定することにより、第２層７の耐クラック性と耐摩耗性、及び硬質皮膜層３の耐剥離性と耐クラック性をより高くすることが可能になる。特に、Ｄ層７ａとＦ層７ｂからなる積層構造を、冷間用金型の硬質皮膜層３に適用した場合には、金型の耐久性を向上させるための最適な硬質皮膜になる。

第３の実施形態においては、上記したようにＤ層７ａとＦ層７ｂの各層の厚みを０．０２μｍ未満に設定しているが、さらに、Ｄ層７ａの単一（単一層）の膜厚は、Ｆ層７ｂの単一（単一層）の膜厚と同じか、もしくは厚くなるように構成することにより、第２層７の靭性が向上し、表面皮膜層５の応力緩和とクラック進展を抑制する効果が一段と高くなり、冷間用金型の耐久性をより一層向上させることが可能になる。
なお、第２層７において、Ｄ層７ａとＦ層７ｂを積層させて成膜する順序、すなわち、第１層６と接する側および第３層８と接する側にＤ層７ａとＦ層７ｂのいずれを配置するかについては、上記ではＤ層７ａを第１層６側と接するように成膜することが好ましいと記載したが、必ずしもこの順序に限定されない。Ｄ層７ａ及びＦ層７ｂの膜厚は、透過型電子顕微鏡による断面観察によって測定することができる。

上記した硬質皮膜層３の第３の実施形態においては、下部被覆層４を多層構造となる第１層６、第２層７、第３層８の３層から構成するとともに、第２層７をＤ層７ａとＦ層７ｂを交互に積層させた積層構造にする例について説明した。本発明においては、前記硬質皮膜層の第２の実施形態で説明したように、下部被覆層４を２層（第１層と第２層）からなる多層構成とした場合には、この第２層の皮膜層を上記したＤ層７ａとＦ層７ｂを交互に積層させた積層構造にしてもよい。
なお、図３に示す第３の実施形態においては、基材２の表面の直上に下地皮膜層４を成膜した例を示しているが、基材２の表面と下部皮膜層４との間に前記した他の皮膜層（Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌから選択される１種以上の窒化物又は炭窒化物を含む皮膜層）を成膜してもよい。

［表面皮膜層］
続いて、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなる表面皮膜層５の構成について説明する。
Ｔｉ及びＳｉの窒化物又は炭窒化物は硬度が高く靭性に乏しい特性を有しているが、本発明においては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物又は炭窒化物からなる下部皮膜層４の上（直上）に表面皮膜層５を形成することにより、冷間用金型に形成した硬質皮膜層３の耐剥離性と耐クラック性を格段に向上させ、剥離やクラックによる異常摩耗を抑制することを可能にしている。すなわち、表面皮膜層５は冷間用金型に優れた耐摩耗性を保持させることを可能にしている。表面皮膜層５の膜厚は、０．５μｍ〜５μｍの範囲になるように成膜すればよい。
なお、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなる表面皮膜層５において、Ｔｉ、Ｓｉの原子比は、表面皮膜層５の硬度と耐摩耗性を考慮すると、Ｓｉの原子比はＴｉとＳｉの合計の原子比に対して１０〜２０％の範囲に設定することが好ましい。

［冷間用金型の実施形態］
続いて、上記した硬質皮膜層３を被覆した本発明に係る被覆冷間用金型の実施形態について説明する。冷間用金型のうち、特に過酷な環境で使用される冷間鍛造用金型は、閉鎖域（塑性加工時に余肉を逃す場所がない）で、しかも高速（毎分５０ショット以上）で金型の基材２に対して引張応力と圧縮応力を繰り返して与えることから、他用途の金型に比べて、金型表面に微細なクラックが発生し易い。
そのため、金型表面に成膜した硬質皮膜層には、特に、繰返し応力に対する耐クラック性が要求され、同時に耐摩耗性も要求される。このような過酷な用途の冷間鍛造用金型に対して、前記した硬質皮膜層３を被覆した本発明の冷間用金型は、格段に金型の耐久性を向上させることが可能になる。なかでも、各種の冷間鍛造用金型のうち、後方押出成形に使用される金型、特に、パンチやダイスに上記した硬質皮膜層３を被覆することで、冷間用金型の耐久性の向上、すなわち、金型寿命の向上がより顕著になる。
以下、本発明に係る被覆冷間用金型の実施形態として、冷間鍛造用金型として用いられるパンチとダイスを例にして説明する。

図４は、冷間鍛造用金型の一例としてパンチの平面図を示している。図４に示すパンチ２０は略円柱形状をなしている。略円柱形状をなすパンチ２０は、冷間鍛造装置に把持させるための把持部２１、機能部２２、機能部２２の端面となる上端部２３を備えている。パンチ２０の長手（軸）方向に対して機能部２２は長さＬ１を有し、把持部２１は同じく長さＬ２を有している。上端部２３を含む機能部２２は、被加工物に対して塑性加工による冷間鍛造に寄与する箇所になるので、鏡面磨きがなされている。本発明に係る冷間鍛造用金型においては、機能部２２（冷間鍛造用金型の基材となる部分）の表面に上記した硬質皮膜層３が被覆（形成）される。

図５は、図４に示しているパンチ２０の上端部２３を含む先端部分の拡大部分図であって、パンチ２０の長手方向の上側部分の一部を示している。図５に示しているように、パンチ２０の先端部分は、上端部２３、ベアリング部２４、径縮小部２５、逃げ部２６から構成されている。ベアリング部２４から逃げ部２６にかけては、逃し角αの勾配でパンチ２０の径を減少させた径縮小部２５を設け、その一方の端部（頂点）である逃し稜線部２７において径縮小部２５はベアリング部２４と一体に繋がった構成になっている。

また、上端部２３は、パンチ２０の長手方向と直交する平面に対して先端角βの勾配をもって上端部２３の中心部方向に緩やかに傾斜する円錐形状をなす面を備えている。そして、この円錐形状面をなす上端部２３のベアリング部２４側の外周縁部は、全周にわたって円弧形状面をなす円弧形状面部２８が形成され、この円弧形状面部２８はベアリング部２４と一体に繋がっている。なお、ベアリング部２４と径縮小部２５、径縮小部２５と逃げ部２６の繋ぎ部は、図示していないがそれぞれ滑らかな微小な円弧形状で連結させても良い。
上記したパンチ２０において、先端角βは０°、すなわち、上端部２３の端面は平面形状をなす面を備えている構成としてもよい。この場合においても、上端部２３の外周縁部は、全周にわたって円弧形状面部２８を設けるようにする。

上記パンチ２０において、円弧形状面部２８の円弧半径は１ｍｍ以下に設定することが望ましい。この理由は、円弧形状面部２８の円弧半径を１ｍｍ以下とすることで、パンチ２０に形成した硬質層皮膜層３に対する耐クラック性と耐摩耗性のバランスが最適になると考えられるからである。これに対して、円弧形状面部２８の円弧半径が１ｍｍを超えるような、比較的に摺動抵抗が高くなるようにすると、冷間鍛造時において、円弧形状面部２８、またはその近傍の硬質層皮膜層３を起点とした異常摩耗が生じ易くなる場合がある。

図６は、冷間鍛造用金型の一例としてダイスの断面図を示す。図６に示すダイス３０は中空部を備えた略円筒形状をなしている。略円筒形状をなすダイス３０は、機能部を有するニブ３１と、ニブ３１を保持するケース３２から構成されている。図６に示す符号３３は中空形状をなすニブ内周部を示している。ニブ内周部３３が機能部３５になり、鏡面磨きがなされている。被加工物に対して冷間鍛造を行うときには、このニブ内周部３３の空間部３４にパンチ２０がショット動作として高速度で繰り返して挿入されて、被加工物の塑性加工が行われる。
ニブ３１はケース３２に圧入や焼嵌め等によって挿入される。ニブ３１の基材の内周部３３に鏡面加工を行った後、ニブ内周部３３の表面に硬質皮膜層３が成膜される。なお、ニブ内周部３３の形状は、それぞれ鍛造製品の形状に対応させた適切な形状を備えている。

［冷間用金型への硬質皮膜層の成膜］
続いて、本発明の冷間用金型の一例である図４に示すパンチ２０に、硬質皮膜層３を成膜する方法について説明する。パンチ２０の機能部２２の表面に硬質皮膜層３を成膜するときは、上端部２３の膜厚がベアリング部２４、径縮小部２５、逃げ部２６よりも厚くなるように硬質皮膜層３を成膜する。これにより、パンチ２０の耐久性、特に上端部２３の耐久性を一段と向上させることができる。例えば、逃げ部２６に対する上端部２３の膜厚比が１を超え２．５未満（上端部２３の膜厚を逃げ部２６の膜厚の１倍を超え、２．５倍未満）とすることで、最も優れた耐久性が得られる。

硬質皮膜層３をパンチ、ダイス等の金型へ成膜するときには、硬質皮膜層３を構成する各層の組成を正確に制御する必要がある。このため、硬質皮膜層３の成膜は、成膜装置のうち、固体の蒸発源を使用したアークイオンプレーティング法を用いることが最も好ましい。アークイオンプレーティング法は、ターゲットに含まれる各原子の蒸発時のイオン化率が高く、金型の基材に印加したバイアス電圧により緻密な皮膜を形成することができるからである。

パンチ、ダイスの基材の機能部上に硬質皮膜層３を形成するためには、まず前処理として、所定サイズのパンチ、ダイスの基材について超音波脱脂洗浄を実施する。次に、超音波脱脂洗浄済みの基材を成膜装置内の所定の位置に挿入して固定した後、この基材を４００〜５００℃の所定温度に保持して、アークイオンプレーティング法でパンチ、又はダイスの基材上に硬質皮膜層３を形成する。これにより、所定の組成と積層構造等を有する硬質皮膜層３を形成した冷間用金型のパンチ、ダイスを製造することができる。

続いて、図７に示す成膜装置４０を用いてパンチに硬質皮膜層３を成膜する手順の概要について説明する。成膜装置４０のチャンバー（真空容器）４１内に設けられているカソード４２ａ、カソード４２ｂ、カソード４２ｃ、カソード４２ｄに、各種合金、あるいは金属のターゲットを取り付け、さらに、回転する基材ステージ４３上の図示していない支持台上に被処理体となるパンチの基材４４を取り付ける。また、基材ステージ４３に取り付けたパンチの基材４４は、回転する基材ステージ４３上でさらに回転する回転機構（図示せず）を備えた成膜装置４０を用いて、いわゆる「自公転処理」機能を利用して成膜処理を行っても良い。

次に、チャンバー４１内を真空引き（５×１０^−３Ｐａ以下に排気）し、真空状態にする。続いて、基材ステージ４３をＲ方向に回転させるとともに、チャンバー４１内に設置されているヒータ（図示せず）を作動させてパンチの基材４４の温度を約５００℃に加熱して、フィラメントからの熱電子放出によるイオン源により、Ａｒガスイオンによるエッチングを５分間程度実施する。
続いて、アーク電源装置４５を作動させてそのアーク電流を１５０Ａとし、全圧力３．２ＰａのＮ_２ガス雰囲気にて、アーク式蒸発源による上記ターゲットを用いたアークイオンプレーティングにより、上記ターゲット成分の窒化物皮膜等をパンチの基材４４の表面に成膜する。このとき、炭窒化物の皮膜を成膜する場合には、Ｎ_２ガスに加えて、炭素を含有するガスを加えた雰囲気中で、同様にアークイオンプレーティングにより上記ターゲット成分の炭窒化物皮膜を成膜する。図７に示す符号「４６」は、バイアス電源装置である。

なお、複数のカソード４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄに異なる組成のターゲットを取り付け、回転する基材ステージ４３の支持台上にパンチの基材４４を載置して、成膜中にパンチの基材４４を基材ステージ４３とともに回転させることによって積層された硬質皮膜層を形成することができる。このとき、パンチの基材４４は基材ステージ４３の回転に伴い、異なる組成のターゲットを取り付けた蒸発源の前を交互に通過するときに、各々の蒸発源のターゲット組成に対応した皮膜が交互にパンチの基材４４の表面に形成される。これにより、積層構造を備えた硬質皮膜層３を形成することが可能になる。

また、硬質皮膜層３において、多層構造や積層構造を構成する各皮膜層などの膜厚は、パンチの基材４４とターゲット表面間の距離、各蒸発源（アーク電源装置４５）への投入電力、基材ステージ４３の回転速度及び回転数の累計値、等に基づいて制御することができる。例えば、基材ステージ４３の回転速度が速くなるように制御すると、基材ステージ４３の１回転あたりの成膜される皮膜層の厚さは薄くなる。

パンチの基材４４への成膜において、前記したパンチの上端部２３の膜厚を、パンチの長手方向に向く周面（側面）となる逃げ部２６等に対して厚くなる皮膜を形成する方法は、パンチの基材４４がターゲットの前面を通過するときに、この上端部２３をターゲット面に向けた姿勢になるようパンチの基材４４を基材ステージ４３に載置することにより可能になる。

上記した手順に基づいて硬質皮膜層３を被覆したパンチの基材４４は、成膜時に不可避的に混入するドロップレットと呼ばれる金属粒子等の付着や、皮膜層の結晶粒径、パンチの基材４４の凹凸によって、硬質皮膜層３の表面粗度は被覆前よりも悪化する。そのため、硬質皮膜層３を形成した後に、ダイヤモンド粒子等の硬質粒子を含有したバフ等で、硬質皮膜層３の表面をバフ研磨して所定の表面粗さを有する平滑化された硬質皮膜層３を得るようにする。これにより、硬質皮膜層３が形成されたパンチ２０を製造することができる。上記した成膜手順に基づいて、パンチの基材４４の表面に前記した多層構造又は積層構造を有する下部皮膜層４、及び表面皮膜層５を形成することができる。

ダイスのニブ３１のニブ内周面３３（図８に示す５２ａ１）に硬質皮膜層３を成膜する方法は、上記したパンチの基材４４の成膜手順とほぼ同様の手順で行うことができる。すなわち、図９に示すように、ニブ５２ａの空間部（図６に示す空間部３４）５２ｃがカソードを通過するときに、この空間部３４の開口部がカソードと対面するようにニブ５２ａ（３１）を基材ステージ４３に取り付けるようにする。なお、図９は、成膜装置４０でパンチの基材４４とニブ５２ａとを同時に成膜する場合であって、成膜装置４０の基材ステージ４３にパンチの基材４４とニブ５２ａとを取付けた例を示している。

以下、本発明に係る被覆冷間用金型の試作と耐久試験の実験を行った実施例と、その結果について説明する。この試作実験においては、２４種の冷間鍛造用パンチと４種の冷間鍛造用ダイスを試作してその機能部の表面に硬質皮膜層を成膜（被覆）した。そして、硬質皮膜層を成膜した冷間鍛造用パンチとダイスについて、その耐久性となる金型寿命（鍛造寿命）を評価するために、試作した冷間鍛造用パンチとダイスのそれぞれについて、冷間鍛造により被加工物を繰り返して製造することにより鍛造寿命を評価する実験を行った。
試作したパンチの材質は、いずれも超硬合金製でＣＩＳ規格のＶＭ３０（ＣＩＳ０１９Ｄ分類）を使用した。この超硬合金からなる素材に、研削及び切削加工を施して所定の形状を有するパンチの基材（以下、「パンチ基材」と記載する）を製作した。なお、このパンチ基材は、被加工物に対して冷間鍛造を行う時に被加工物との接触部となる機能部（図４に示す長さＬ１の機能部２２）の表面を鏡面研磨し、機能部の表面粗さ（Ｒａ）を０．０２μｍ以下に、表面粗さ（Ｒｙ）を０．２μｍ以下にした。

試作したダイスのうち、ニブの材質は、いずれも超硬合金製でＣＩＳ規格のＶＣ５０（ＣＩＳ０１９Ｄ分類）を使用した。そして、ＳＫＤ６１を４８ＨＲＣに調質したケース内に焼嵌めによりニブを挿入し、一体になったダイスの基材に研削及び切削加工を施して、図６に示すような所定の形状を有するダイスの基材（以下、「ダイス基材」と記載する）を製作した。なお、このダイス基材は、鍛造成形時に被加工物との接触部（鍛造する被加工物との接触部）となるダイスの機能部３５（図６に示すニブ内周部３３）の表面を鏡面研磨し、機能部３５の表面粗さ（Ｒａ）を０．０２μｍ以下に、表面粗さ（Ｒｙ）を０．２μｍ以下にした。

試作した２４種のパンチの形状は図４（図５）に示す通りとし、その具体的な形状に関する仕様は次の通りである。パンチ基材の先端部分の形状は、先端ベアリング部２４の径を１８．３５ｍｍ、逃げ部２６の径を１８．１５ｍｍ、円弧形状面部２８の円弧半径を０．５ｍｍ、逃し角αを５°、先端部の先端角βを４°とし、ベアリング部２４と径縮小部２５とが滑らかに繋がった構成からなる仕様とした。
また、試作したダイス基材のニブ内周部３３の内径部分の径を２６．５ｍｍとして、ストレートな内径形状を備えているようにした。

上記仕様を有する２４種のパンチ基材と４種のダイス基材について、その機能部の表面に複数のアーク蒸発源を有する成膜装置４０を用いて、硬質皮膜層を成膜して試作パンチと試作ダイスを製造した。以下の説明において、パンチ基材とダイス基材、及び試作パンチと試作ダイスの各部位の名称と符号は、図１〜図６の説明で使用した名称と符号使用する場合がある。

（成膜実験１）
成膜実験１では、表１に示す試料番号１〜７の７種のパンチ基材に対して硬質被覆層３を構成する下部皮膜層４と表面皮膜層５を成膜した。この成膜実験１では、下部被覆層４は基本的な構成、すなわち、多層構造又は積層構造を有していない、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物又は炭窒化物からなる下部皮膜層４を成膜した。
成膜装置４０を用いて下部皮膜層４と表面皮膜層５を成膜する方法は、次の手順で実施した。下部皮膜層４と表面皮膜層５の組成となるターゲットを、成膜装置４０のカソード４２ａおよびカソード４２ｂに取り付けて、試作パンチ基材を載置した基材ステージ４３をＲ方向に回転させた。そして、まず、下部皮膜層４のターゲット（カソード４２ａ）のみ、前記した窒素ガス等を含む所定の雰囲気中で単独で放電させ、試作パンチ基材にバイアス電圧を−４０Ｖ印加して、膜厚が４μｍの下部皮膜層４を試作パンチ基材の表面に形成した。

次に、表面皮膜層５の組成となるターゲット（カソード４２ｂ）を窒素ガスの雰囲気中で放電させ、パンチ基材にバイアス電圧を−４０Ｖ印加して、下部皮膜層４の上に膜厚が２μｍの表面皮膜層５を形成した。このとき、７種の全試料番号について表面皮膜層５のＴｉとＳｉの原子比率はＴｉ／Ｓｉ＝８５／１５とし、試料番号４以外は、ＴｉとＳｉの窒化物からなる皮膜層を成膜した。
なお、パンチ基材に成膜した膜厚はベアリング部２４の膜厚とした。成膜処理が完了したパンチ基材は、基材の温度が２００℃以下となった後にチャバー４１から取り出した。成膜実験１は、試料番号１〜７のパンチ基材に下部皮膜層４を１層からなる皮膜層として成膜し、この下部皮膜層４の直上に表面皮膜層５を成膜している。この成膜実験１で成膜した下部皮膜層４の組成と膜厚を表１に、表面皮膜層５の組成と膜厚を表２に示している。

表２には表面皮膜層５の組成と膜厚を全試料番号となる試料番号１〜２４ごとに示しているが、このうち、試料番号１〜７が成膜実験１に該当する７種の試作パンチになる。表２に示す「ｄ」はＳｉの原子比を示し、ａ＋ｄ＝１、ｕ＋ｖ＝１になる。また、表１、表２の試料番号の欄には、試作パンチの試料番号が本発明例に該当するか比較例に該当するかも表示している。表２に示す試料番号１〜４は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比ａ、ｂ、ｃは前記した下部皮膜層４の組成の一般式を満足し、原子比ａ、ｂ、ｃ、ｕ、ｖについては、
０＜ａ≦０．６、
０＜ｂ≦０．３、
０．３＜ｃ＜０．７、
０≦ｕ≦０．５、
０＜ｖ≦１、
ａ＋ｂ＋ｃ＝１、
ｕ＋ｖ＝１、
の条件を満たしているので本発明例に相当する。試料番号５〜６は、下部皮膜層４にＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの３種の元素の全てを含んでいない比較例である。なお、後記するが表２〜表５に記載の試料番号欄にも本発明例に該当するか比較例に該当するかを表示している。

表１に示すように、本発明例となる試料番号１〜３は、下部皮膜層４として、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物を含む皮膜層を成膜し、試料番号４はＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの炭窒化物を含む皮膜層を成膜した。
これに対して、比較例となる試料番号５は下部皮膜層としてＣｒを含まないで、ＴｉとＡｌの窒化物を含む皮膜層を成膜した。同じく試料番号６はＴｉを含まないで、ＣｒとＡｌの窒化物を含む皮膜層を成膜し、同じく試料番号７は、ＣｒとＡｌを含まないで、Ｔｉの窒化物を含む皮膜層を成膜した。

この成膜実験１においては、２種のダイス基材についても、それぞれ表１の試料番号１と試料番号５に示す下部皮膜層の組成からなり、膜厚が４μｍの下部皮膜層４と、この下部皮膜層の直上に膜厚が２μｍからなる表面皮膜層５を成膜した試作ダイスを製作した。また、試作ダイスにおける上記した膜厚は、ニブ内周部３３の入口側付近の厚さとした。
なお、ダイス基材に下部皮膜層４を成膜した後、パンチ基材と同様に表２に示すように、下部皮膜層４の上に膜厚が２μｍで、ＴｉとＳｉの原子比率がＴｉ／Ｓｉ＝８５／１５となる表面皮膜層５を成膜した。この２種のダイス基材に成膜した表面皮膜層５の組成（原子比）と膜厚は、表２の試料番号１と試料番号５に記載の通りである。

（成膜実験２）
試料番号８〜１６の９種のパンチ基材について、硬質皮膜層３を構成する下部皮膜層４が図２に示すように、第１層６、第２層７、第３層８の３層の多層構造からなる皮膜層を成膜する実験を行った。この３層の多層構造からなる下部皮膜層３の成膜については、成膜装置４０を次のように作動させた。
下部皮膜層４のうち第１層６を成膜するターゲットをカソード４２ａに、同じく第２層７を成膜するターゲットをカソード４２ｃに、同じく第３層８を成膜するターゲットをカソード４２ｄに取り付けて、表３の試料番号８〜１３に記載の組成と膜厚となるように、成膜装置４０の制御装置を制御して、パンチ基材の表面に第１層６、第２層７、第３層８の順に窒化物からなる下部皮膜層４を成膜した。その他の成膜制御となる各成膜用ターゲットと３層の多層構造とするための条件以外の成膜条件は、成膜実験１と同様とした。また、第１層６〜第３層８の皮膜層を成膜した後、第３層８の直上に表面被覆層５を成膜するターゲットをカソード４２ｂに取り付けて窒化物からなる表面被覆層５を成膜した。この表面被覆層５の成膜条件、放電条件は成膜実験１と同様にした。

この成膜実験２では、試料番号８〜１３では多層構造を第１層〜第３層の３つの皮膜層からなる多層構造の皮膜層を形成したが、試料番号１４〜１６では、多層構造が２つの皮膜層からなる構成とした。本成膜実験２で成膜した試料番号８〜１６の試作パンチについて、下部被覆層４の第１層６〜第３層８の組成と膜厚を表３に、同じく、表面被覆層５の組成と膜厚を表２に示している。なお、成膜実験２において試料番号８〜１６に成膜した表面皮膜層５のＴｉとＳｉの原子比率は、Ｔｉ／Ｓｉ＝８５／１５になるように、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物からなる表面皮膜層５を成膜した。

成膜実験２でパンチ基材に成膜した試料番号８〜１３は、下地硬質層４は各皮膜層の膜厚が０．１〜３μｍとし、２層以上の多層構造、すなわち３層の皮膜層を有し、この多層構造をなす各皮膜層の組成は異なっているとともに、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比ａ、ｂ、ｃは、前記した下部皮膜層４の組成の一般式と原子比ａ、ｂ、ｃに関する条件を満している。さらに、表面皮膜層５もＴｉ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなる表面皮膜層を備えている。さらに、３層からなる多層構造の各層のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比ａ１〜ａ３、ｂ１〜ｂ３、ｃ１〜ｃ３は、
ａ１＞ａ２＞ａ３、
ｂ３＞ｂ２＞ｂ１、
ｃ３＞ｃ２＞ｃ１、
を満たしているので本発明例に相当する。

成膜実験２では、１種の試作ダイス基材について、表３の試料番号８に示す第１層６、第２層７、第３層８からなる下部皮膜層４を成膜した。この下部皮膜層４の組成と膜厚は表３の試料番号８に示す通りである。また、この試作ダイスに成膜した表面皮膜層５の組成と膜厚は表２の試料番号８の欄に示している。成膜実験２において、各成膜用ターゲットと成膜条件は成膜実験１と同様とし、表面被覆層５の成膜条件、放電条件も成膜実験１と同様とした。

（成膜実験３）
成膜実験３では、試料番号１７〜２４の８種のパンチ基材に形成する硬質皮膜層３のうち、図３に示すように、多層構造からなる下部皮膜層４の第２層７を、Ｄ層７ａとＦ層７ｂを交互に積層した積層構造からなる皮膜層を形成するための成膜実験を行った。この成膜実験３においては、成膜装置４０を次のように作動させた。

第１層６を成膜するターゲット、Ｄ層７ａを成膜するターゲットをカソード４２ａに、Ｆ層７ｂを成膜するターゲット、第３層８を成膜するためのターゲットをカソード４２ｃに取り付けた。そして、カソード４２ａを放電させて窒化物からなる第１層６をパンチ基材の表面に成膜した後、第２層７を積層構造からなる皮膜層として形成するために、カソード４２ａとカソード４２ｃを同時に放電させて、回転する基材ステージ４３上のパンチ基材にＤ層７ａとＦ層７ｂを交互に積層した。
Ｄ層７ａとＦ層７ｂを交互に積層した積層構造からなる窒化物と、第２層７を成膜した後に、カソード４２ｃのみを放電させて窒化物から構成される下部皮膜層４のうちの第３層８を成膜した。第３層８を成膜した後、表面皮膜層５を成膜するターゲットをカソード４２ｂに取り付けて、パンチ基材に窒化物からなる表面皮膜層５を第３層８の直上に成膜した。成膜実験３において、各成膜用ターゲットと積層条件以外の成膜条件は成膜実験２と同様とし、表面皮膜層５の成膜条件、放電条件は成膜実験１と同様にした。
なお、成膜実験３において成膜装置４０への各種ターゲットの取り付け、及び成膜制御方法は上記した方法に限定されるものではなく、成膜装置の構成、成膜の効率性を考慮して最適な手段を採用するとよい。

この成膜実験３で成膜した試料番号１７〜２４について下部皮膜層４の第１層６から第３層８の組成と膜厚を表４に示している。さらに、表４には、Ｄ層７ａとＦ層７ｂについてその単一層の膜厚を「ｎｍ」単位で示している。
表４に示すように、試料番号１７〜２４の全てについて第１層６の膜厚は１．５μｍ、第２層７の膜厚は２μｍ、第３層の膜厚は０．５μｍになるように成膜した。また、交互に形成されるＤ層７ａとＦ層７ｂのうち、Ｄ層７ａが第１層６側になるように成膜した。なお、成膜実験３において試料番号１７〜２４に成膜した表面皮膜層５の組成と膜厚を表２に示している。試料番号１７〜２４に成膜した表面皮膜層５のＴｉとＳｉの原子比率は、Ｔｉ／Ｓｉ＝８５／１５になるように、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物からなる表面皮膜層５を成膜した。

表４に示しているように試料番号１７〜２４について、第１層６、第２層７、第３層８の膜厚は０．１〜３μｍの範囲、すなわち、それぞれ１．５μｍ、２μｍ、０．５μｍの厚さを有するように成膜されているとともに、下部皮膜層４の多層構造は２層以上の皮膜層を有し、多層とした第１層と第３層のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの組成（原子比）は同一の試料番号内において異なっているとともに、前記した下部皮膜層４の組成の一般式と原子比ａ、ｂ、ｃに関する条件を満足している。また、表面皮膜層５もＴｉ、Ｓｉの窒化物からなる表面皮膜層を備えている。

ここで、試料番号１７〜１９において、Ｄ層７ａとＦ層７ｂの膜厚比を変化させることで、鍛造寿命に及ぼすＤ層７ａとＦ層７ｂの膜厚比の影響を比較した。さらに、試料番号１７、２３、２４において、Ｄ層７ａとＦ層７ｂの単一の膜厚を変化させることで、鍛造寿命に及ぼすＤ層７ａとＦ層７ｂの単一の膜厚の影響を比較した。さらに、試料番号１７、２０〜２２において、Ｄ層７ａとＦ層７ｂを交互に積層した積層構造の組成を変化させることで、鍛造寿命に及ぼす皮膜層の組成に対する影響を比較した。

なお、上記したＤ層７ａとＦ層７ｂを交互に積層構造にするための具体的な成膜制御方法は、次の手段を採用することができる。
すなわち、Ｄ層７ａおよびＦ層７ｂに対応する成膜用ターゲットに印加するアーク放電電流を、例えば、８０〜１５０Ａの範囲で変化させること、さらに、基材ステージ４３の回転速度、回転数の累計値に基づいて成膜した皮膜の膜厚、等を所定の値になるように制御した。例えば、パンチ基材とターゲットとの基材間距離Ｌ３を長くすること、ターゲットに印加するアーク放電電流を低くすること、基材ステージ４３の回転速度を早くすることにより、Ｄ層７ａおよびＦ層７ｂの単一の膜厚が薄くなるように制御することができる。

成膜実験３では１種のダイス基材について、表４の試料番号１７に示す組成と膜厚を有する下部皮膜層４をダイス基材の表面に成膜した後、この下部皮膜層４の直上に表面皮膜層５を成膜した。この表面皮膜層５の組成と膜厚は表２の試料番号１７に示す通りである。

上記手順により硬質皮膜層の成膜を行ったパンチ基材とダイス基材について、機能部の表面を再度鏡面研磨し、機能部の表面粗さ（Ｒａ）を０．０５μｍ以下、表面粗さ（Ｒｙ）を０．５μｍ以下とされた試料番号１〜２４の試作パンチと４種の試作ダイスを製作した。
上記した成膜実験１〜３で製作した試作パンチ及びダイスに成膜した硬質皮膜層３の組成の測定は、エネルギー分散型Ｘ線分析により測定した。また、下部皮膜層４のうち第２層を構成するＤ層７ａ及びＦ層７ｂの組成は、各々の単一層を上記した同一の成膜条件で２μｍ以上被覆した試料を別途作成し、この別途作成した試料についてエネルギー分散型Ｘ線分析で分析して求めた。

［冷間鍛造の実験］
続いて、上記手順で硬質皮膜層を成膜した試作パンチ及びダイスについて、耐久性を評価するために、冷間鍛造装置を使用してこの試作パンチ及び試作ダイスを冷間鍛造用の金型として使用する冷間鍛造の実験を行った。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、この冷間鍛造の実験方法を説明するための図である。以下、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に基づいてこの冷間鍛造の実験方法について説明する。

図８は、冷間鍛造方法のうち、後方押し出し成形工程（以下、「後方押出し成形」と記載する）を実施する冷間鍛造装置５０の概略構成と、被加工物に対して後方押出し成形を行う手順の概要を示している。後方押出し成形を行う冷間鍛造装置５０は、冷間加工（鍛造）用金型として上記した手順に基づいて硬質皮膜層３を成膜した試作パンチ５１と試作ダイス５２、下受けパンチ５３、枠体５４等を少なくとも備えている。図８に示す符号５２ａ、５２ｂは、それぞれ試作ダイス５２のニブ、ケースを示している。ニブ５２ａのニブ内周部５２ａ１の表面には前記した成膜実験１〜３で成膜した硬質皮膜層が形成されている。
なお、図８（ａ）は、被加工物５６に対して後方押出し成形により塑性加工する前の状態を示し、図８（ｂ）は被加工物５６に対して後方押出し成形による塑性加工を開始したときの状態を示し、図８（ｃ）は同じく後方押出し成形による塑性加工を実施しているときの状態を示している。

被加工物５６に対して後方押出し成形を行うときには、図８（ａ）に示すように、試作パンチ５１を上下ショット駆動の上端部に停止させた状態で、試作ダイス５２のニブ内周部５２ａ１の内側に形成されている空間部５２ｃ内に、例えば、円柱形状をなす被加工物５６を挿入して下受けパンチ５３の上端部に載置する。続いて、図８（ｂ）に示すように、試作パンチ５１をＳ方向に高速で上下動させる駆動、すなわち、試作パンチ５１を試作ダイス５２の空間部５２ｃ内で高速でショット駆動させて被加工物５６に対して後方押出し成形による冷間鍛造（塑性加工）を行って、被加工物５６を図８（ｃ）に示すように底付円筒形状からなる押出し成形品５５に加工した。なお、被加工物５６の材質はＳ４５Ｃ（機械構造用炭素鋼）とした。

なお、この被加工物５６については、この被加工物の素材への線引時に焼鈍及びボンデ処理（リン酸塩処理）を施した後、パーツフォーマーを用いて切断し、切端面の矯正及び絞り加工を行う工程を実施した。
また、この冷間鍛造による塑性加工では、被加工物５６の断面減少率が７０％、成形深さが直径の略５倍の後方押し出しからなる塑性加工を実施して、図８（ｃ）に示すように、円筒部５５ａと底部５５ｂを有する底付き円筒形状の鍛造成形品（押出し成形品）５５を順次繰り返して成形しながら、累計ショット回数を計測して、試作パンチ５１と試作ダイス５２の耐久性を評価した。
また、上記した後方押出し成形においては、試作パンチ５１の上端部２３の表面および試作ダイス５２の内径部、すなわちニブ内周部５２ａ１（３３）の表面に作用する鍛造成形応力（負荷）は２５００ＭＰａ程度、１分間あたりのショット回数は６０ショットに設定し、潤滑油は硫黄系の極圧添加剤を含有した不水溶性の鍛造油を試作パンチ５１の表面に直接供給した。

試作パンチ５１、試作ダイス５２について、それぞれの耐久性の評価は、次の手順に基づいて実施した。すなわち、一つの試作パンチ５１又は試作ダイス５２について繰り返しの冷間鍛造を実施しながら、試作パンチ又は試作ダイスの表面の機能部に形成した硬質皮膜層が損耗し、パンチ（ダイス）基材の表面が露出した時点、または試作パンチのベアリング部２４の径が０．０１ｍｍ減少した時点の累計ショット回数をその試作パンチの金型寿命、すなわち、試作パンチの損傷による鍛造寿命と判定した。
一方、４種の試作ダイス５２の評価は、次の手順に基づいて実施した。すなわち、４種の試作ダイスのそれぞれについて、繰り返しの冷間鍛造により、ニブ内周部の機能部に成膜した硬質皮膜層が損耗し、基材の表面が露出した時点、またはダイス内径（ニブ内周部３３の径）が０．０１ｍｍ増加した時点の累計ショット回数を金型寿命、すなわち、その試作ダイスの損傷による鍛造寿命と判定した。

上記した成膜実験１〜成膜実験３によりそれぞれの硬質皮膜層を成膜した試作パンチ２４種（試料番号１〜２４）の冷間鍛造による評価には、公知のＴｉＡｌＮ皮膜を成膜したダイスを用いて冷間鍛造を行った。そして、ダイス内径部（ニブ内周部３３）に焼付きや損耗が生じた場合には、ダイスを新品に交換又は焼き付きを除去してこの試作パンチの耐久性を継続して評価した。
また、硬質皮膜層を成膜した４種の試作ダイス５２の冷間鍛造による評価には、公知のＴｉＡｌＮ皮膜を成膜したパンチを用いて冷間鍛造を行って、パンチのベアリング径が０．０１ｍｍ減少した時点でこのパンチを新品に交換して試作ダイスの耐久性を継続して評価した。

上記した２４種の試作パンチ及び４種の試作ダイスについて、試料番号ごとに耐久性評価の実験を行った結果を表５に示している。表５には、耐久性となる鍛造寿命を累計ショット回数として示している。なお、表５の鍛造寿命欄に示す記号「−」は鍛造寿命を評価していないことを示している。表５の「鍛造寿命（万ショット）」の欄には、前記したように冷間鍛造を実施したときの鍛造寿命を累計ショット回数として示しているが、この回数の単位は万ショットを単位として、１万ショット以下を切り捨てた数値で記載している。また、表５の「鍛造寿命（万ショット）」欄には、試作パンチの鍛造寿命をパンチ欄に、試作ダイスの鍛造寿命をダイス欄に示している。

［試作パンチの耐久性についての考察］
前記した試作パンチの冷間鍛造の実験で得た鍛造寿命を表５に試料番号ごとに示しているが、この表５に示す鍛造寿命に基づいて、下部皮膜層の組成と皮膜層の構成等が鍛造寿命に影響する関係について考察してみた。その結果、下記（１）〜（４）に記載の事項が明らかになった。

（１）表５に示すように、本発明例の試料番号１〜４の試作パンチは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物又は炭窒化物を含む下部皮膜層４を１層からなる基本構成とした例であるが、その鍛造寿命は４〜７万ショットであった。これに対して、Ｔｉ又はＣｒを含まない比較例となる試料番号５と試料番号６、及びＣｒとＡｌを含まない比較例となる試料番号７の鍛造寿命は２万ショット以下であった。これら比較例の試作パンチでは、鍛造時の繰返し応力によって円弧形状面部の円弧半径からベアリング部にかけて硬質皮膜層（下部皮膜層や表面皮膜層）にクラックや剥離が生じ、このクラックや剥離を起点としたベアリング部の異常摩耗が生じていた。この異常摩耗により、鍛造寿命が２万ショット以下になったと考えられる。
このように、試料番号１〜４の試作パンチは、比較例となる試料番号５〜７と比較して２倍以上の鍛造寿命が得られた。また、試料番号１〜４の試作パンチの２万ショットにおける損傷形態の観察結果から、円弧形状面部の円弧半径からベアリング部にかけて硬質皮膜層（下部皮膜層や表面皮膜層）にクラックや剥離が生じておらず、ベアリング部の硬質皮膜層３に均一な円周状の摩耗が生じているのみであった。

さらに、試料番号１〜３において、下部皮膜層４のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの含有量が鍛造寿命に及ぼす影響を比較してみると、次のことが明らかになった。
試料番号１〜３の下部皮膜層４においてＣｒの原子比は、表１に表示されているように、それぞれ０．０５、０．１５、０．２５であり、これら試料番号１〜３の鍛造寿命はそれぞれ、試料番号１は４万ショット、試料番号２、３は７万ショットであった。これより、表面皮膜層５直下の下部皮膜層４においてＣｒ含有量が高いほど、硬質皮膜層３のクラックや剥離が減少し、鍛造寿命が長くなる傾向がみられた。

一方、Ｃｒの原子比が０．０５である試料番号４は、下部皮膜層４と表面皮膜層５が炭窒化物からなる試料（表１、表２参照）であるが、試料番号１に比べて鍛造寿命は７万ショットであった。試料番号４の試作パンチで冷間鍛造した押出し成形品５５の円筒部５５ａの内径部には光沢が観察されており、炭窒化物を含んでいることから耐付着性が向上して、パンチの耐久性である鍛造寿命が７万ショットになったと推測される。

上記した耐久性評価の実験結果から、金型表面にＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物又は炭窒化物からなる下部皮膜層４を形成し、この下部皮膜層４の直上にＴｉ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなる表面皮膜層５を被覆したパンチとすることで、硬質皮膜層３の耐クラック性と耐剥離性が向上し、その結果として耐摩耗性が向上した冷間用金型が得られることが判明した。特に、表面皮膜層５の直下に被覆された下部皮膜層４にＣｒを一定量含んでいることが鍛造寿命の向上に重要であることが推測された。

（２）本発明例の試料番号８〜１３は、下部皮膜層４を多層構造である第１層、第２層、第３層の３層から構成し、これら各層の組成または膜厚を変化させて成膜した試作パンチである。これら試料番号８〜１３の試作パンチは、表５に示すように１０〜１８万ショットの鍛造寿命が得られた。下部皮膜層４を第１層、第２層、第３層の３層からなる多層構造とし、さらに各層は所定の組成を有する多層構造とすることで、硬質皮膜層３の耐クラック性と耐剥離性が向上し、異常摩耗の発生がさらに抑制され耐摩耗性も向上して、試料番号１〜４の試作パンチと比較してさらに鍛造寿命が向上することが判明した。
特に、第１層６のＣｒ含有量がＴｉ、Ａｌ含有量に比べて低いほど、また第３層８のＣｒ含有量が第１層６のＣｒ含有量、第３層８のＴｉ含有量よりも高く、かつ、Ａｌ含有量が高いほど、さらに、第２層７は第１層６と第２層８の略中間組成とした皮膜層とすることにより試作パンチの鍛造寿命が長くなり、好ましい組成構成であることが判った。つまり、第１層６のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比は、０．５≦ａ１≦０．６、０＜ｂ１≦０．１、０．３＜ｃ１≦０．５であり、第３層８のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比は、０＜ａ３＜０．５、０．１＜ｂ３≦０．３、０．５＜ｃ３＜０．７であり、第２層７は第１層６と第３層８の略中間組成比であることがより好ましい組成構成である。

（３）試料番号１４の試作パンチは、下部皮膜層４を２層の多層構造から構成した試料であるが、下部皮膜層４を３層の多層構造にした試料番号８（鍛造寿命：１８万ショット）と比較して鍛造寿命が８万ショットに低下している。おなじく、試料番号１５の試作パンチは、２層の多層構造から構成した試料であるが、試料番号８の鍛造寿命１８万ショットと比較し鍛造寿命が低下している。同様に、試料番号１６の試作パンチも２層の多層構造から構成した試料であるが、試料番号８と比較して鍛造寿命が低下している。しかしながら、試料番号１４〜１６の試作パンチは、比較例となる試料番号５〜６の試作パンチと比較して２倍以上の鍛造寿命が得られた。
上記した試料番号１〜４、及び試料番号８〜１３の試作パンチの鍛造寿命の結果から、下部皮膜層４を第１層、第２層、第３層の３層からなる多層構造として、各層を所定の成分と膜厚とすることにより、２層の多層構造とした下部皮膜層４と比較して、さらに耐摩耗性が向上し、格段に優れた冷間用金型が得られることが判明した。

（４）試料番号１７〜２４は、３層の多層構造からなる下部皮膜層４のうち、第２層７をＤ層７ａとＦ層７ｂを交互に積層した積層構造からなる試作パンチであって、Ｄ層７ａとＦ層７ｂの組成または膜厚を変化させて成膜した試料である。これら試料番号１７〜２４の鍛造寿命は、表５に示すように、下部皮膜層４を３層の多層構造とした試料番号８〜１３の鍛造寿命が１０〜１８万ショットであることと比較して、２０〜３５万ショットの鍛造寿命となり、さらに優れた耐久性を示した。

（４ａ）：試料番号１７、２３、２４において、Ｄ層７ａとＦ層７ｂの単一の膜厚を変化させることで、鍛造寿命に及ぼすＤ層７ａとＦ層７ｂの単一の膜厚の影響を比較した。Ｄ層７ａとＦ層７ｂの単一の膜厚が０．０２μｍ未満からなる試料番号１７はより損傷形態が安定しており鍛造寿命が格段に良い結果となった。試料番号２３、２４はＤ層７ａの単一の膜厚が６４ｎｍ、１２８ｎｍであるが、略同一組成の試料番号８と比較して、Ｄ層７ａとＦ層７ｂの皮膜層を交互に積層した積層構造による鍛造寿命の改善効果が得られていないことから、Ｄ層７ａとＦ層７ｂの単一の膜厚を０．０２μｍ未満とすることが本発明の好ましい構成であることが判明した。

（４ｂ）：試料番号１７〜１９において、Ｄ層７ａとＦ層７ｂの単一の膜厚を０．０２μｍ未満とし、Ｄ層７ａとＦ層７ｂの膜厚比を変化させることで、鍛造寿命に及ぼすＤ層７ａとＦ層７ｂの膜厚比の影響を比較してみた。その結果、Ｄ層７ａの単一の膜厚がＦ層７ｂの単一の膜厚よりも厚い試料番号１７が３５万ショット、Ｄ層７ａとＦ層７ｂの単一の膜厚が同程度の試料番号１８が２７万ショット、Ｄ層７ａの単一の膜厚がＦ層７ｂの単一の膜厚よりも薄い試料番号１９が２４万ショットとなり、Ｄ層７ａの単一の膜厚をＦ層７ｂの単一の膜厚よりも厚くすることがより好ましい構成であることが判明した。

（４ｃ）：試料番号１７、２０〜２２において、Ｄ層７ａとＦ層７ｂを交互に積層した積層構造の組成を変化させることで、鍛造寿命に及ぼす皮膜組成の影響を比較した。Ｄ層７ａのＴｉの原子比をａ（Ｄ）、Ｆ層７ｂのＴｉの原子比をａ（Ｆ）としたとき、ａ（Ｄ）＞ａ（Ｆ）を見たし、さらにａ（Ｄ）／ａ（Ｆ）値が高いほど、鍛造寿命が良く、且つ、Ｆ層７ｂのＣｒとＡｌ含有量が高い試料番号１７が特に鍛造寿命が良い結果となった。

以上のことから、下部皮膜層４を３層の多層構造とし、その多層構造うち、第２層７をＤ層７ａとＦ層７ｂからなる交互の積層構造とすることにより、試作パンチの鍛造寿命をさらに格段に向上させることが判明した。

［試作ダイスの耐久性についての考察］
試料番号８、試料番号５、試料番号８、及び試料番号１７の４種の試作ダイスについてその耐久性評価（鍛造寿命）の結果を表５に示している。この４種の試作ダイスの鍛造寿命から次の事項が判明した。

（１）試料番号１に記載の下部皮膜層４を成膜した試作ダイスは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物からなる下部皮膜層４を被覆した本発明例に係る試料であって、鍛造寿命が８万ショットになり、Ｃｒを含有しない比較例となる試料番号５の試作ダイスに比べて２倍以上の鍛造寿命が得られた。

（２）試料番号８の試作ダイスは、下部皮膜層４を３層の多層構造となる第１層６、第２層７、第３層８を有する皮膜層として成膜した試料であるが、上記した試料番号１の試作ダイスと比べて、３倍以上の鍛造寿命となる２５万ショットが得られ、より好ましい本発明に係るダイスの被覆構造であることが判明した。このことから、下部皮膜層４を多層構造とした試作ダイスは、前記した試作パンチと同様に、下部皮膜層４を１層から構成した試作ダイスと比較して、その鍛造寿命が一段と向上することが判明した。

（３）本発明例に係る試料番号１７の試作ダイスは、下部皮膜層４のうち第２層をＤ層７ａとＦ層７ｂの交互積層構造として成膜した試料であるが、本発明例となる試料番号８に係る試作ダイスと比較して、さらに２倍以上の鍛造寿命となる６２万ショットが得られ、一段と好ましい本発明の実施形態であることが判明した。

以上に説明した本発明の実施形態及び実施例においては、本発明に係る硬質皮膜層を形成した冷間用金型の例として、冷間鍛造用金型に使用するパンチであって、長手方向と直交す方向の断面形状が円形をなし、その先端部に、被加工物に対して塑性加工の圧縮応力を集中して作用させるための上端部（円錐状部）を備えた、後方押出し成形用のパンチを例にして説明した。
本発明に係る硬質皮膜層を形成した被覆冷間用金型は、後方押出し成形用金型の他に、前方押出し成形用金型、据込み加工用金型、打ち抜き加工用金型、圧印加工用金型、各種のプレス成型用金型や、各種のパンチやダイスも含む。例えば、本発明の冷間用金型は、断面形状が四角形、六角形等の多角形状や、楕円形状、ギヤ型の形状等の鍛造成形製品の内径形状に応じたパンチも含むものである。断面形状が六角形をなすパンチやダイスは、ボルトやナット等の成形用パンチとして使用できる。

このように、本発明に係る硬質皮膜層を形成した冷間用金型は、上記した各種のパンチ、ダイスに限定されるものではなく、一般にポンチやピンといわれている塑性加工用治具、これらパンチ、ポンチ、ピンと組み合せて使用されるダイス、又はダイ等を含むものである。また、その材質は鉄基合金、高速度工具鋼、超硬合金等、各種のセラミックス等を利用することができる。

なお、上記した本発明の実施形態及び実施例においては、下部皮膜層４をパンチ及ダイスの基材の表面の直上に成膜する例について説明したが、下部皮膜層４と金型の基材との密着性を向上させる等のために、パンチ及ダイスの基材の表面直上に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、の１種又は２種以上の窒化物又は炭窒化物からなる皮膜層を１層以上形成し、この皮膜層の直上に下部皮膜層４を成膜してもよい。さらには、表面皮膜層５の直上に、外観色調整や表面皮膜層５より耐酸化性の高い皮膜層として、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｂの１種又は２種以上の窒化物又は炭窒化物からなる皮膜層を１層以上形成しても良い。

１：被覆冷間用金型
２：基材
３：硬質皮膜層
４：下部皮膜層
５：表面皮膜層
６：第１層
７：第２層、７ａ：Ｄ層、７ｂ：Ｆ層
８：第３層
２０：パンチ
２２：機能部
２３：上端部
２４：ベアリング部
２５：径縮小部
２６：逃げ部
２８：円弧形状面部
３０：ダイス
３１：ニブ
３２：ケース
３３：ニブ内周部
３４：空間部
３５：機能部
４０：成膜装置
４１：チャンバー
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ：カソード
４３：基材ステージ
４４：パンチの基材
４５：アーク電源装置
４６：バイアス電源装置
５０：冷間鍛造装置
５１：試作パンチ
５２：試作ダイス、５２ａ：ニブ、５２ａ１：ニブ内周部、５２ｂ：ケース、５２ｃ：空 間部
５３：下受けパンチ
５５：押出し成形品、５５ａ：円筒部、５５ｂ：底部
５６：被加工物

Claims (4)

1. 基材の表面に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなる硬質皮膜層を被覆した冷間用金型であって、前記硬質皮膜層は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物又は炭窒化物からなる下部皮膜層と、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなる表面皮膜層を備え、前記下部皮膜層は、前記表面皮膜層よりも前記基材の表面側に成膜されている被覆冷間用金型において、
   前記下部皮膜層は、その組成が一般式：ＴｉａＣｒｂＡｌｃ（ＣｕＮｖ）（ただし、ａ、ｂ、ｃ、ｕ、ｖは、それぞれＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃ、Ｎの原子比を示す）で表され、
   前記ａ、ｂ、ｃ、ｕ、ｖは下記の条件：
   ０＜ａ≦０．６、
   ０＜ｂ≦０．３、
   ０．３＜ｃ＜０．７、
   ０≦ｕ≦０．５、
   ０＜ｖ≦１、
   ａ＋ｂ＋ｃ＝１、
   ｕ＋ｖ＝１、を満たしているとともに、
   前記下部皮膜層は、前記基材の表面側から前記表面皮膜層側に向けて、順次、Ｔｉ、Ｃｒ 、Ａｌの原子比が異なる皮膜層を少なくとも２層以上有する多層構造をなしていることを特徴とする被覆冷間用金型。
2. 請求項１に記載の被覆冷間用金型において、前記多層構造は、前記基材の表面側から前 記表面皮膜層側に向けて、順次、第１層、第２層、第３層からなる３つの皮膜層から 構成 されており、
   前記第１層のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比を、それぞれａ１、ｂ１、ｃ１、
   前記第２層のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比を、それぞれａ２、ｂ２、ｃ２、
   前記第３層のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比を、それぞれａ３、ｂ３、ｃ３、としたときに、 前記Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの原子比は、
   ａ１＞ａ２＞ａ３、
   ｂ３＞ｂ２＞ｂ１、
   ｃ３＞ｃ２＞ｃ１、
   を満たしていることを特徴とする被覆冷間用金型。
3. 請求項２に記載の被覆冷間用金型において、前記多層構造をなす前記第２層は、Ｄ層と Ｆ層からなる皮膜層を交互に積層した積層構造をなし、
   前記Ｄ層及び前記Ｆ層は、０．０２μｍ未満の膜厚を有しているとともに、前記Ｄ層のＴ ｉの原子比をａ（Ｄ）、前記Ｆ層のＴｉの原子比をａ（Ｆ）、としたときに、
   ａ（Ｄ）＞ａ（Ｆ）、
   を満たしていることを特徴とする被覆冷間用金型。
4. 請求項３に記載の被覆冷間用金型において、前記Ｄ層の膜厚は、前記Ｆ層の膜厚と同じ 、もしくは、前記Ｆ層の膜厚よりも厚くなるように成膜されていることを特徴とする被覆冷間用金型。

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