专利名称：温热锻造模具及其制造方法
技术领域：
本发明涉及温热锻造模具及其制造方法；尤其涉及耐磨性优异、并且抗氧化性以 及热疲劳性(如耐热裂纹性)优异的温热锻造模具，以及其制造方法。
背景技术：
在切割工具、冷锻模具等中，期望通过表面硬化处理(例如，氮化处理和喷丸处 理)来提高其耐磨性。随着目前对处理精度更高的需求，人们已需要在耐磨性方面更优异 的表面硬化处理。作为其中之一，已经进行了这样的表面硬化处理将通过PVD法获得的高 硬度表面涂层赋予到待处理材料上。例如，专利文献JP-A-7-20536 1描述了由PVD法形成的铝氧化物涂层具有非常优 异的耐磨性，但是难以形成稳定的涂层。另一方面，其还描述了虽然Ti、Hf、^ 等的氮化物 可以形成稳定的涂层，但是它们的耐磨性较差，特别是在高速切割应用中的耐磨性较差。基 于此，专利文献1公开了在待处理材料上提供多层涂层，该多层涂层是通过采用PVD法，在 0. 4nm至50nm的层压循环条件下，在第二层(其由包含两种特定金属元素(包括Al和Si) 的合金的氮化物、氧化物、碳化物、碳氮化物和/或硼化物构成)上层压第一层(其由特定 金属元素(包括Al和Si)的氮化物、氧化物、碳化物、碳氮化物和硼化物中的至少一种化合 物组成)而获得的。根据描述，这种多层涂层可以通过PVD法稳定地形成，其具有高硬度从 而赋予良好的耐磨性，此外，因为这种多层涂层具有优异的界面一致性，所以很少出现剥离 现象，结果能够赋予待处理材料更优异的耐磨性。如专利文献JP-A-7-205361中所述，通常通过采用PVD法给工具钢提供多层涂层， 来抑制已经在表面上或多层涂层中出现的裂纹在多层界面中沿层压方向蔓延，使得与单层 涂层相比，多层涂层可以提高耐冲击性等。也就是说，可以抑制在用作工具时因施加冲击而 出现的涂层断裂或剥离，从而能够赋予更好的耐磨性。例如，专利文献JP-A-6-136514公开了用于工作工具的耐磨涂层，该耐磨 涂层是采用PVD法将由TiCxNh (0彡χ彡0. 6)构成的第一层和由(AlyTih) (NzC1^z) (0. 56彡y彡0. 75，0. 6彡ζ彡1)构成的第二层交替相邻地层压成四层或更多层而获得的， 并且总涂层厚度为0. 6 μ m至12 μ m。据描述，可以通过这种多层涂层结构来降低或抑制在 表面附近出现的裂纹的生长，从而可以抑制涂层的断裂或剥离，因此能够赋予良好的耐磨 性。此外，通过离子镀法(其是PVD法的一种)获得的涂层是致密的、并具有高硬度， 因此据称该涂层具有更好的耐磨性。另一方面，例如，专利文献JP-A-10-76407描述了当涂 层具有一定程度以上的厚度时，因为其高的残余压应力，所以这种致密涂层对待处理材料 的粘附性降低，导致难以以平衡的方式形成具有某一实际厚度从而提高耐磨性的涂层。基 于此，专利文献JP-A-10-76407公开了一种通过离子镀法而提供有多层涂层的工具，其中 通过以不同的取向将由Ti的氮化物(或碳氮化物)组成的第一层和由AlTi的氮化物(或 碳氮化物)组成的第二层交替层压、并且在第一层和第二层之间设置特定中间层来获得该多层涂层。据描述，可以通过层压两种取向不同的涂层在不提高残余压应力的情况下形成 具有实际厚度的致密且高硬度的涂层，从而可以在不削弱对待处理材料的粘附性的情况下 得到具有高耐磨性的涂层。顺便提及，在专利文献JP-A-10-76407中，提到了在晶体生长时获得了优先的生 长取向，这就是由离子镀法获得的涂层具有高的残余压应力的原因。也就是说，形成具有柱 状晶体结构的涂层，并且一个柱状晶粒形成内部缺陷非常少的单晶。这些晶体连续地形成 涂层，并且残余压应力随着涂层厚度的增加而增加。另外，类似于切割工具等，在温热锻造模具中也会遇到锻造时机械磨损的问题。为 了抑制锻造时的磨损，对于每次锻造过程，在将润滑剂反复施加到模具的设计表面之后使 用该模具。另一方面，由于对模具的设计表面反复地加热(由于与待锻造的高温材料接触 而加热)和冷却(由于施加润滑剂而冷却)，从而发生热疲劳裂缝(例如，热裂纹(heat check)或热裂缝(heat crack))，这会引起模具大的断裂或破裂。因此人们已经研究了对 这种温热锻造模具、尤其是对该模具的设计表面进行表面硬化处理。例如，专利文献JP-A-2008-223122公开了一种温热锻造模具，该温热锻造模具通 过下列方法获得在热作模具合金钢(例如，SKD 61)上喷洒磨料和压缩空气，以在热作模 具合金钢表面附近的表层上形成没有层状加工组织的纳米晶体组织，之后通过等离子氮化 使氮气在表层下扩散，并且进一步在最上表面上通过PVD法(包括离子镀法)形成包含氮 化铬(CrN)等的硬陶瓷层。据描述，通过赋予没有层状加工组织的纳米晶体组织，获得了高 硬度并提高了韧性，从而抑制了模具设计表面的磨损深度以及热疲劳裂缝的形成。顺便提 及，包含氮化铬(CrN)的硬陶瓷层不是耐机械磨损的耐磨涂层，而是主要具有耐腐蚀性的 涂层。另外，在温热锻造模具中，随着对更高加工精度的需求，人们已经研究了将由PVD 法获得的高硬度表面涂层提供到待处理材料上的表面硬化处理。另外，此处，人们已经要求 能够抑制由热疲劳裂缝引起的模具的大的断裂或破裂，以及锻造时的机械磨损。
发明内容
鉴于这种情况而进行本发明，本发明的一个目的是提供一种在耐久性方面优异的 温热锻造模具及其制造方法，该温热锻造模具可以通过抑制热疲劳裂缝(例如，热裂纹)和 锻造时的机械磨损来抑制模具大的断裂或破裂。本发明人推进了对于氮化物涂层(例如，AlCrN涂层和TiAlN涂层，与在普通的 耐磨涂层中所使用的TiN和CrN的抗氧化温度相比，它们具有更高的抗氧化温度(1，OOO0C 以上)，并且由于具有高硬度，因此具有优异的耐磨性)的研究。为了赋予对于热疲劳裂缝 (例如，热裂纹)以及锻造时磨损的耐久性，本发明人想到可以通过形成多层涂层(其中上 述氮化物涂层彼此交替地层压)来获得具有更优异的耐磨性的涂层。因此发明人研究了如 何构造该多层涂层，以将该涂层适用于温热锻造模具应用(与常规的工具应用相比，就使 用环境、尤其是使用温度环境而言，该温热锻造模具的应用环境更严酷)，从而实现本发明。本发明提供一种温热锻造模具，其包括设置在所述模具的设计表面上的耐磨涂 层，其中所述耐磨涂层是采用离子镀法将由(AlxCivx)N(其中0 < χ < 1)组成的第一层和 由(TiyAlh)N(其中0 < y < 1)组成的第二层彼此交替层压而形成的多层涂层，彼此相邻的所述第一层和所述第二层的厚度均为15nm或更小，并且所述多层涂层的总涂层厚度是 1 μ m 至 20 μ m0根据本发明，可以抑制热疲劳裂缝以及锻造时的机械磨损，并且还可以抑制模具 大的断裂或破裂，从而能够提供耐久性优异的温热锻造模具。这里，(AlxCivx)N(其即使在 温热锻造时的400°C至1，000°C的宽温度范围内也具有高硬度)尤其在锻造加工时产生高 的耐磨性。此外，(AlxCivx)N和(TiyAlh)N(其即使在上述的温度范围内在氧化气氛下也 是稳定的)可以降低由氧化所导致的表面不平(表面不平可以引起热疲劳裂缝)，从而抑 制由热疲劳裂缝引起的模具大的断裂或破裂。换句话说，通过将这些(AlxCivx) N涂层和 (TiyAlh)N涂层组合而形成多层涂层、并且各层彼此层压使得每个层的尺寸都不会发展为 大的裂纹(即，厚度为15nm或更小)，从而降低了具有这种尺寸的潜在裂纹的发生率，这使 得可以抑制模具大的断裂或破裂。此外，将总涂层厚度调节至使得同时具有耐磨性和粘附 性的范围，即，厚度为1 μ m至20 μ m。可以通过上述方法来抑制热疲劳裂缝以及锻造时的磨 损，并且可以抑制模具大的断裂或破裂。从而，可以提供具有优异耐久性的温热锻造模具。在上面所述的发明中，上述耐磨涂层的基层可以包含氮扩散层。根据本发明，提高 了所述耐磨涂层与所述基层之间的粘附性，并且可以降低在耐磨涂层内部生成的残余压应 力，从而可以抑制在锻造时涂层发生断裂或剥离，并且可以抑制在涂层中以及其表面上产 生裂纹。即，可以提供具有优异耐久性的温热锻造模具。顺便提及，当部分地形成了化合物 (其为由包含在模具材料中的元素与氮所形成的化合物)层时，优选的是，通过磨削等除去 该化合物层。本发明还提供一种制造温热锻造模具的方法，其中通过离子镀法在模具的设计表 面上设置耐磨涂层，该方法包括在真空室中形成氮的反应性气氛的步骤，布置由AIxCivx(其中0 < X < 1)构成的第一靶材和由TiyAIh(其中 < y < D 构成的第二靶材，使得它们彼此相对，并且在各个靶材的前面分别独立地形成第一气氛区 和第二气氛区的步骤，其中在所述第一气氛区和所述第二气氛区中，靶材的组成原子被离 子化，以及堆积步骤，使得所述模具的设计表面转动，从而交替地通过所述第一气氛区和所
述第二气氛区。根据本发明，可以抑制热疲劳裂缝以及锻造时的磨损，并且可以抑制模具大的断 裂或破裂。因此，可以稳定地提供具有优异耐久性的温热锻造模具。此外，根据上述的本发明，该方法还可以包括氮化处理步骤，S卩，在采用离子镀法 提供所述耐磨涂层之前向所述模具的设计表面提供氮扩散层。根据本发明，提高了耐磨涂 层和基层之间的粘附性，并且可以降低在耐磨涂层内部生成的残余压应力，从而可以抑制 在锻造时涂层发生断裂或剥离，并抑制在涂层中以及其表面上发生裂纹。从而，可以稳定地 提供具有优异耐久性的温热锻造模具。附图简要说明
图1是示出在本发明的证实测试中使用的试样的立体图。图2是示出在根据本发明的制造方法中使用的装置的图。图3是示出在本发明的证实测试中使用的装置的视图。
图4是示出在本发明的证实测试中使用的试样的侧视图。图5是示出本发明的证实测试中的锻造方法的视图。图6是示出在本发明的证实测试中使用的试样的测量部位的视图。图7是示出本发明的证实测试的测试数据图。图8是在本发明的证实测试中的典型结构的透射电镜图。参考数字和符号的说明1 试样10 转台11，12:靶材20 重复加热-冷却测试装置(热裂纹测试装置)30 冲头试样本发明的最佳实施方式参考图1至图8以及表1至表3，对在与本发明实施例的温热锻造模具相同的条件 下被赋予了涂层的试样(实例1至7)中的测试、以及作为比较例的试样(比较例1至16) 中的测试进行说明。如图1所示，在各实施例和比较例中，试样1由厚度为5mm的板材构成，该板材是 通过将相当于日本工业标准中所限定的SKD-61材料精炼为48 HRC而获得的，并且该样品 是环状体，其中在外径为15mm的圆盘中心设置内径为3. 5mm的通孔la。制备多个试样1， 并且在20体积％的NH3气和80体积％的H2气的混合气氛中，在500 °C下加热实施例7的 试样1，并保持10小时以进行等离子氮化处理。接下来，如图2所示，将每个试样1置于设置在离子镀装置的反应室5中的转台10 上并将其固定。另一方面，沿着反应室的壁(未示出)布置靶材11和12以使它们隔着转台 10而彼此相对。顺便提及，除了一些试样外，为了形成氮化物，将氮气引入到反应室中直至 分压为11 至5Pa。使用由Nissin Electric株式会社制造的多弧PVD系统(M500C_600(商 品名))对各个试样进行离子镀。在表1中总结了靶材11和12、以及每个试样的离子镀的 条件。表 权利要求
1.一种温热锻造模具，包含设置在所述模具的设计表面上的耐磨涂层，其中所述耐磨涂层是通过采用离子镀法将由(AlxCivx)N(其中ο < χ < 1)构成的第一 层和由(TiyAlh)N(其中0 < y < 1)构成的第二层彼此交替层压而形成的多层涂层，彼此 相邻的所述第一层和所述第二层的厚度均为15nm或更小，并且所述多层涂层的总涂层厚 度为 lymg20ym。
2.根据权利要求1所述的温热锻造模具，其中所述耐磨涂层的基层包含氮扩散层。
3.—种制造温热锻造模具的方法，其中采用离子镀法在所述模具的设计表面上设置耐 磨涂层，所述方法包括在真空室中形成氮的反应性气氛的步骤；布置由AlxCivx(其中0 <x < 1)构成的第一靶材和由TiyAlh(其中0 < y < 1)构 成的第二靶材使得它们彼此相对，并且在各个靶材的前面分别独立地形成第一气氛区和第 二气氛区的步骤，其中在所述第一气氛区和所述第二气氛区中所述靶材的组成原子被离子 化；以及堆积步骤，即，使所述模具的所述设计表面转动，从而交替地通过所述第一气氛区和所述第二气氛区。
4.根据权利要求3所述的制造温热锻造模具的方法，还包括氮化步骤，即，在采用所述 离子镀法设置所述耐磨涂层之前，向所述模具的所述设计表面提供氮扩散层。
全文摘要
本发明提供一种温热锻造模具，其包括设置在所述模具的设计表面上的耐磨涂层，其中所述耐磨涂层是通过采用离子镀法将由(AlxCr1-x)N(其中0＜x＜1)构成的第一层和由(TiyAl1-y)N(其中0＜y＜1)构成的第二层彼此交替地层压而形成的多层涂层，彼此相邻的第一层和第二层的厚度均为15nm或更小，并且所述多层涂层的总涂层厚度为1μm至20μm。所述温热锻造模具可以用下列方法制造，该方法包括在真空室中形成氮的反应性气氛的步骤；布置由AlxCr1-x(其中0＜x＜1)构成的第一靶材和由TiyAl1-y(其中0＜y＜1)构成的第二靶材使得它们彼此相对，并且在各个靶材的前面分别独立地形成第一气氛区和第二气氛区的步骤，其中在第一气氛区和第二气氛区中所述靶材的组成原子被离子化；以及使模具的设计表面转动、从而交替地通过第一气氛区和第二气氛区的堆积步骤。
文档编号C23C14/06GK102127733SQ20111002311
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月19日 优先权日2010年1月19日
发明者井上幸一郎, 北川利博, 增田哲也, 小林喜一, 清水崇行, 渡边哲也, 石井孝也 申请人:大同特殊钢株式会社, 日新电机株式会社