滑动特性优异的被覆构件的制作方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供部件使用时的初期阶段中的突发性咬伤被抑制、滑动特性优异的被覆构件。一种滑动特性优异的被覆构件，该被覆构件在作业面具有硬质覆膜，所述硬质覆膜包括：A层，其中交替层叠有a1层和a2层，所述a1层包含按金属（包括半金属。以下相同）部分的原子比率计铬为30%以上的氮化物、碳氮化物或氮氧化物，所述a2层包含按金属部分的原子比率计钒为60%以上的氮化物、碳氮化物或氮氧化物；以及B层，其位于该A层的上层，包含按金属部分的原子比率计钒为60%以上的氮化物、碳氮化物或氮氧化物，所述A层中a1层和a2层各层的膜厚为50nm以下、且a2层的膜厚厚于a1层的膜厚，所述B层的膜厚为0.1μm以上。
【专利说明】滑动特性优异的被覆构件
【技术领域】
[0001]本发明涉及例如构成各种机械的滑动部件或者用于压制加工、锻造的模具等的在与被加工材料的滑动环境中要求有耐磨耗性、耐咬伤性等滑动特性的被覆构件。
【背景技术】
[0002]近年来，通过对模具的作业面实施各种表面处理而提高作业面的耐磨耗性、耐咬伤性的方法被广泛实施。其中，利用涂布(被覆)的方法可以被覆维氏硬度(HV)值超过1000的硬质覆膜，且与基材表面的密合性优异，因此应用该方法的被覆模具的寿命大幅提高。
[0003]关于上述硬质覆膜，例如用化学蒸镀法(CVD法)被覆的钛碳化物(按照元素构成表示为TiC。以下相同)、用盐浴法被覆的VC、以及用物理蒸镀法(PVD法)被覆的TiCN、TiC、VCN、VC、CrN、CrAlN、AlCrN等覆膜已经被实际应用。在各种被覆方法中，被覆时的温度可以为回火温度以下的低温的PVD法在模具的被覆处理方面是有效的。
[0004]而且，推进被加工材料的高强度化、加工制品的高精度化、成型周期的高速化的塑性加工用模具中，其作业面承受的负荷明显增大，因此大多使用作业面上形成有硬质覆膜的被覆模具，尤其是冷加工用途使用了高硬度且摩擦系数低的TiCN、TiC。
[0005]为了能够应对被加工材料的进一步高强度化、模具的复杂形状化以及温热加工，对于最近的模具还要求有优异的耐热性。对此，作为模具上的使用PVD法的硬质覆膜，有以耐磨耗性和耐氧化性优异的上述AlCr系的氮化物覆膜为基础、在其中添加第三元素的例如AlCrSi系的氮化物覆膜(专利文献1、2)。
[0006]另一方面，在切削工具的领域公开了 CrN与选自耐磨耗性和耐热性优异的周期表的4a族元素、5a族元素、6a族元素、Al和Si中的至少一种元素的氮化物层叠而成的硬质覆膜(专利文献3)。
[0007]此外，作为适合于切削工具和滑动构件的硬质覆膜，公开了铬系的氮化物与VN交替层叠而成的硬质覆膜(专利文献4)。
[0008]通过在模具的表面设置专利文献I?4的硬质覆膜，预计有一定的寿命改善。然而，尤其是使用到身处于剧烈的滑动环境中用于压制加工、锻造的模具等塑性加工用模具时，作业面与被加工材料滑动，所以磨耗、咬伤等损耗特别显著，滑动特性有改善的余地。
[0009]作为改善滑动特性的手段，本 申请人:提出了一种被覆工具，该被覆工具在工具基材的表面被覆有AlCrSi系的氮化物与V的氮化物交替层叠而成的硬质覆膜，所述硬质覆膜的膜厚为3 μ m以上，表面粗糙度Ra〈0.2 μ m、Rz<2.0 μ m、Rsk〈0 (专利文献5)。
[0010]现有技术文献
[0011]专利文献
[0012]专利文献1:日本特开2005-042146号公报
[0013]专利文献2:日本特开2003-321764号公报
[0014]专利文献3:日本特开2007-111815号公报
[0015]专利文献4:日本特开2005-256081号公报[0016]专利文献5:日本特开2011-183545号公报
【发明内容】
[0017]发明要解决的问题
[0018]本 申请人:等提出的专利文献5中记载的被覆工具，在硬质覆膜中包含滑动特性优异的V的氮化物，此外是减少了作为攻击被加工材料的起点的覆膜表面的凸部的平滑的覆膜结构，滑动特性优异。然而，根据使用条件，在模具使用的初期阶段，由于模具与被加工材料的磨合不充分，因此存在发生颤振而出现突发性咬伤的情况，有时无法充分发挥模具寿命。其中，模具的咬伤是指模具表面的局部咬死。模具的咬死是指下述现象:模具表面与被加工物滑动的过程中，由于润滑不充分等而导致摩擦生热，由此使金属表面龟裂、摩擦面彼此熔接。
[0019]本发明人等深入研究了被覆模具在严酷的使用环境下的损伤形态，结果发现，硬质覆膜的损耗有时因被加工材料局部性附着而产生，有时因滑动中生成的磨耗粉而产生。而且查明，以往的被覆模具存在下述情况:被加工材料容易在局部附着，覆膜表面上的滑动阻力变得不均一，发生突发性咬伤、咬死，在初期阶段出现损伤。另外发现，被加工材料为铁系时，由被加工材料产生的磨耗粉即铁氧化物损伤覆膜表面，因而在初期阶段容易出现损伤。
[0020]本发明鉴于上述问题，目的在于提供初期阶段的突发性咬伤被抑制、滑动特性优异的被覆构件。尤其是目的在于提供在从冷到温热的使用环境下滑动特性优异的、最适于塑性加工用途的被覆模具。
[0021]用于解决问题的方案
[0022]本发明人等对抑制初期阶段的突发性咬伤、此外即使长时间使用也能够发挥优异的滑动特性的手段进行了研究，结果发现存在用来体现该效果的最适合的元素构成和覆膜结构。
[0023]S卩，本发明是滑动特性优异的被覆构件，该被覆构件在作业面具有硬质覆膜，所述硬质覆膜包括:
[0024]A层，其中交替层叠有al层和a2层，所述al层包含按金属(包括半金属。以下相同)部分的原子比率计铬为30%以上的氮化物、碳氮化物或氮氧化物，所述a2层包含按金属部分的原子比率计钒为60%以上的氮化物、碳氮化物或氮氧化物；以及
[0025]B层，其位于该A层的上层，包含按金属部分的原子比率计钒为60%以上的氮化物、碳氮化物或氮氧化物，
[0026]所述A层中al层和a2层各层的膜厚为50nm以下、且a2层的膜厚厚于al层的膜厚，
[0027]所述B层的膜厚为0.1 μπι以上。
[0028]另外，a2层的膜厚优选是al层的膜厚的1.5倍以上。此外，a2层的膜厚优选是al层的膜厚的2.0倍以上且4.0倍以下。
[0029]另外，A层和B层的总膜厚优选为4 μ m以上且20 μ m以下。此外，A层和B层的总膜厚优选为8μηι以上。
[0030]另外，优选的是，B层的表面粗糙度Ra〈0.2 μ m、Rz<2.0 μ m、Rsk〈0。[0031]另外，B层的膜厚优选为0.2μπι以上。此外，B层的膜厚优选为8μπι以下。
[0032]另外，al层优选按金属部分的原子比率计含有10%以上的铝。
[0033]另外，al层优选按金属(包括半金属)部分的原子比率计含有I?10%的硅。
[0034]另外，被覆构件优选是模具。
[0035]发明的效果
[0036]根据本发明，例如模具使用时的初期阶段中的咬伤被抑制，在从冷作到热作的使用范围中滑动特性优异，且模具的磨耗被抑制。因此，可以飞跃性提高模具等被覆构件的寿命O
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1所示为本发明编号I的摩擦系数相对于滑动距离的波动幅度的一个例子。
[0038]图2所示为比较例编号5的摩擦系数相对于滑动距离的波动幅度的一个例子。
[0039]图3所示为本发明编号12的往复滑动试验后的滑动面轮廓图。
[0040]图4所示为比较例编号21的往复滑动试验后的滑动面轮廓图。
【具体实施方式】
[0041]作为改善滑动特性的覆膜结构，本发明人等发现如下的构成是有效的:将含有一定量铬的化合物和以钒为主体的化合物，控制各自的膜厚并使它们以纳米级别层叠，进而在该相互层叠覆膜的上层被覆以钒为主体的化合物的厚膜。以下对于该构成的细节进行说明。
[0042]首先，对于包含按金属部分的原子比率计铬为30%以上的氮化物、碳氮化物或氮氧化物的al层与包含按金属部分的原子比率计钒为60%以上的氮化物、碳氮化物或氮氧化物的a2层交替层叠而成的A层进行说明。
[0043]迄今广泛应用于切削工具、模具的CrN或在其中添加了效果元素的CrAIN、CrSiN等铬系化合物的耐磨耗性和耐热性优异。
[0044]尤其是在滑动中摩擦生热的高负荷环境下使用的模具中，应用含有一定量铬的覆膜对于提高部件的寿命是有效的。在本发明中，为了兼顾耐热性和耐磨耗性，在层叠结构的一侧应用包含按金属部分的原子比率计铬为30%以上的氮化物、碳氮化物或氮氧化物的al层。铬的含量比这少时，缺乏耐热性和耐磨耗性，另外滑动特性趋向于降低。
[0045]从制造成本方面考虑，优选应用使用单纯的金属靶成膜的铬的氮化物、碳氮化物或氮氧化物。
[0046]另一方面，关于以钒为主体的化合物，在使用温度范围25?200°C下由于钒在该温度范围内被适度氧化，因此其以薄的氧化层形式形成在基材表面，与配合件(被加工材料)的亲和性降低。因此，在其使用中可以减少被加工材料在覆膜表面上的附着。而且，被加工材料为铁系时，钒的氧化物与被加工材料的表面、作为磨耗粉的铁氧化物反应，使铁氧化物软化，因此减低了对覆膜的攻击性。
[0047]另外，钒的氧化物使被加工材料的铁氧化物软化的效果趋向于在滑动中抑制磨耗粉的产生，可以在压制成型中的作业面上抑制局部划伤、咬伤。
[0048]在本发明中，为了充分生成滑动特性优异的钒的氧化物，在层叠结构的一侧应用包含按金属部分的原子比率计钒为60%以上的氮化物、碳氮化物或氮氧化物的a2层。更优选为70原子％以上，进一步为80原子％以上。
[0049]从制造成本方面考虑，优选应用使用单纯金属靶成膜的钒的氮化物、碳氮化物或氮氧化物。
[0050]本发明为了有效地体现耐磨耗性和耐热性优异的al层以及滑动特性优异的a2层这两种特性，将它们的层叠覆膜中各层的膜厚设定为50nm以下。如此通过控制层叠覆膜中各层的膜厚，形成平衡性良好地兼备上述各种特性的被覆构件。而且，使用中的各温度环境下均能够抑制覆膜滑动面出现凹凸，且对被加工材料的攻击性低，因此抑制了滑动时发生的咬伤等损伤，可以改善构件的寿命。特别优选应用于身处模具的作业面与被加工材料剧烈滑动的环境中的塑性加工用模具。各层的膜厚更优选低于30nm，进一步低于10nm。
[0051]层叠覆膜中各层的膜厚可以通过控制施加于靶的输入功率、用于成膜的装置的腔容积以及工作台转速等来调整。
[0052]此外，在本发明中，为了在严酷的使用环境下也能够获得充分的滑动特性，使a2层的膜厚厚于al层的膜厚。此外，如果是1.5倍以上，则充分生成提高滑动特性的钒的氧化物，因此是更优选的。进一步优选为2.0倍以上。
[0053]另外，在达到大约300°C以上的使用温度范围时，以钒为主体的化合物的氧化进一步进行，从而形成了过剩的氧化物，因此耐磨耗性有时根据使用环境而降低。因此，a2层的膜厚优选为al层的膜厚的4.0倍以下。
[0054]al层和a2层为氮化物时，耐磨耗性和耐热性更优异，因此是优选的。另外，如果氮化物为主体，则其一部分中含有碳化物、氧化物等也可发挥优异的耐磨耗性和耐热性。
[0055]为了发挥A层的效果，A层的膜厚优选为3μπι以上。更优选为5μπι以上。
[0056]为了确保密合性，可以在基材与A层之间被覆金属、碳化物、碳氮化物或氮化物等的硬质覆膜。
[0057]为了在更严酷的使用环境下兼顾耐磨耗性和耐热性，al层按金属部分的原子比率计优选含有10%以上的铝。此外，更优选为30原子％以上。al层的铝的添加量增多时，脆弱的六方晶结构容易成为主体。为了将al层的晶体结构维持为立方晶结构，将铝的含量设定为70原子％以下，进而更优选设定为65原子％以下。
[0058]al层通过按金属部分的原子比率计含有I?10%的硅，覆膜的硬度提高，进一步改善了例如模具的耐磨耗性，因此是优选的。
[0059]al层通过含有Si，可以使A层的维氏硬度为2000HV1(I以上。此外，可以达到2500HV10以上的高硬度，因此是优选的。
[0060]硅的含量少于上述时，硬度的提高不充分。另外，硅的含量多于上述时，覆膜的韧性趋向于降低。
[0061]接着，对于作为本发明的最重要特征的位于A层的上层的、包含钒为主体的氮化物、碳氮化物或氮氧化物的B层进行说明。
[0062]如上所述，以钒为主体的化合物因滑动中的热而适度氧化，起着润滑层的作用。因此，通过使耐磨耗性和耐热性优异的al层与滑动特性优异的a2层以纳米级别相互层叠，确保了一定程度的滑动特性。然而，如果光是这样，工具使用的初期阶段中模具与工件的磨合仍是不充分的，有可能在初期阶段发生突发性咬伤。[0063]因此，通过在A层的上层设置比相互层叠的各a2层的膜厚更厚的、0.1 μ m以上的钒为主体的化合物，润滑效果优异的钒的氧化物自模具使用时的初期起充分生成，因此初期的突发性咬伤被抑制。更优选为0.2 μ m以上。
[0064]比上述薄时，初期阶段中模具与被加工材料的磨合不充分，容易发生突发性咬伤。另外，复杂形状的模具中模具部位处容易出现覆膜成分、色调不均一。膜厚变得过厚时，成膜费时、生产率变差，因此B层的膜厚优选为8 μ m以下。另外，覆膜整体的耐磨耗性有时根据使用环境而降低，因此更优选为5 μ m以下。进一步为3 μ m以下。
[0065]在本发明中，为了充分生成滑动特性优异的钒的氧化物，B层应用按金属部分的原子比率计钒为60%以上的氮化物、碳氮化物或氮氧化物。钒的含量更优选为70原子％以上，进一步优选为80原子％以上。
[0066]从制造成本方面考虑，优选应用使用单纯金属靶成膜的钒的氮化物、碳氮化物或氮氧化物。
[0067]B层通过设置在A层的紧邻上方，使覆膜结构变得简单、容易制造，因此是优选的。
[0068]B层优选设为耐磨耗性和耐热性更优异的钒的氮化物。另外，如果氮化物为主体，则其一部分中含有碳化物、氧化物等也可发挥优异的耐磨耗性和耐热性。
[0069]在本发明中，A层和B层的总膜厚优选为4 μ m以上且20 μ m以下。
[0070]例如，在用于压制成型的模具中，由于从覆膜表面施加的力很大，因此覆膜比上述薄时，覆膜强度不足，覆膜容易损伤。尤其是在高负荷环境下，很大的力施加在覆膜与基材的界面，因此根据覆膜与基材的弹性变形量的不同，容易发生覆膜剥离、覆膜损伤，膜厚对模具寿命的影响增大。
[0071]在高负荷环境下，A层和B层的总膜厚优选为8 μ m以上。更进一步优选为10 μ m以上。
[0072]另外，硬质覆膜的总膜厚过厚时，有时容易发生覆膜剥离，总膜厚优选为15μπι以下。另外，A层的膜厚优选比B层厚。
[0073]在本发明中，B层的表面粗糙度优选为Ra〈0.2 μ m、Rz<2.0 μ m、Rsk〈0。
[0074]硬质覆膜的表面上包含熔滴(droplet)、覆膜缺陷、杂质等，不适合作为模具使用，因此优选使其变平滑。特别是形成厚膜的情况，由于熔滴、覆膜缺陷蓄积，表面粗糙度降低，因此优选使覆膜表面变平滑。
[0075]另外，在滑动环境下，覆膜表面的凸部成为起点，攻击被加工材料，产生磨耗粉，从而发生覆膜剥离、磨耗。
[0076]因此，除了常规的表面粗糙度Ra、Rz (IS04287-1997)以外，为了把握凸部的频率，优选控制Rsk。
[0077]表面粗糙度Rsk值(IS04287-1997)是表示相对于振幅分布曲线的中心线的对称性的参数。例如，表面上凹部多的覆膜表面的情况下，显示Rsk〈0 ;凸部多的情况下，显示Rsk>0，可以管理凸部和凹部的频率。在本发明中，优选凸部少，优选Rsk〈0。
[0078]而且，通过将表面粗糙度控制在上述范围，在模具的使用环境下形成于基材表面的钒的氧化物自初期阶段起就均等地形成，所以滑动特性提高，因此是优选的。尤其是被加工材料为铁系的情况下，在钒的氧化物上铁氧化物薄薄地、均匀地附着于整个覆膜，因而能够使得铁氧化物自身也有助于滑动特性的提高，从而发挥优异的滑动特性，因此是优选的。[0079]为了达成本发明的优选的表面粗糙度，涂布后的抛光方法变得重要。采用以往的涂层的抛光方法的、利用研磨纸的抛光、照射由树脂和金刚石颗粒构成的介质的抛光可以减低以Ra、Rz为指标的表面粗糙度，但可靠地减少凸部却是不容易的。另一方面，如果实施使用金刚石研磨膏(diamond paste)的抛光研磨,容易获得平滑且凸部减少的表面，因此是优选的。
[0080]对本发明的基材没有特别限定，可以使用冷作模具用合金工具钢、热作模具用合金工具钢、高速工具钢或超硬合金等。
[0081]另外，本发明的硬质覆膜采用PVD法进行被覆时，可以在比冷作模具钢、热作模具钢或高速钢等基材的回火温度更低的温度下被覆处理，能够抑制基材尺寸的变动。另外，对于硬质覆膜可以赋予压缩残余应力，还能够改善硬质覆膜的机械特性，因此是优选的。在PVD法中，优选采用覆膜密合性优异的电弧离子镀法进行被覆。
[0082]基材还可以预先应用氮化处理或渗碳处理等利用扩散的表面硬化处理。
[0083]实施例1
[0084]在实施例1中，通过球盘(ball-on-disc)试验来评价覆膜组成所具有的特性。
[0085]作为处理基材，准备JIS中规定的高速钢SKH51的圆盘状试验片(直径20mm X厚度5_)。它们经过从真空中1180°C的加热保持到氮气冷却进行淬火之后在560°C下回火而调质为64HRC。所有基材均在对平面进行镜面机械研磨之后进行超声波碱洗。
[0086]成膜方法使用电弧离子镀法。该成膜使用构造如下的PVD装置来进行，所述构造为基材在多个靶所围中心处旋转。而且，将基材设置在具有旋转机构的平板上，该平板是在腔内的、具有行星机构的夹具工作台上。需要说明的是，工作台与工作台上的平板各自独立地旋转。
[0087]接着，在腔容积1.4m3 (处理品的插入空间为0.3m3)的电弧离子镀装置内，在温度773K、1X KT3Pa的真空中进行加热脱气之后，在723K的温度下利用Ar等离子体进行清洗。
[0088]然后，在装置内导入反应气体，在各种靶上产生电弧放电，在723K下进行涂布。
[0089]试样编号I?4使用Cr靶和V祀，施加于Cr靶的输入电流为100A、施加于V靶的输入电流为150A，反应气体压力为3Pa，工作台转速为3rpm，反应气体为N，对于涂布时的基材施加-100V的偏压进行成膜。另外，试样编号3使用N和甲烷作为反应气体进行成膜。
[0090]调整成膜时间，使得各试样的总膜厚为10 μπι。试样编号5仅使用Cr祀,在输入电流150Α下进行成膜。
[0091]试样在涂布后的表面抛光中通过进行使用粒径3 μ m的金刚石研磨膏的抛光研磨而调整为优选的表面粗糙度。
[0092]各试样的覆膜表面粗糙度值使用触针式粗糙度计(东京精密株式会社制造，SURFC0M480A)，采用评定长度4mm、测定速度0.3mm/s、截止值0.8mm的条件进行测定。表I中示出了覆膜构成和表面粗糙度。
[0093]总膜厚和设置在相互层叠覆膜的紧邻上方的VN或VCN的膜厚(B层)使用光学显微镜来测定。相互层叠覆膜中各层的膜厚通过电子显微镜观察来测定。
[0094]试样编号I?4中，相互层叠覆膜中VN或VCN各层的膜厚均为约6nm、CrN或CrCN各层的膜厚均为约3nm。
[0095][表 I]
【权利要求】
1.一种滑动特性优异的被覆构件，其特征在于，该被覆构件在作业面具有硬质覆膜，所述硬质覆膜包括: A层，交替层叠有al层和a2层，所述al层包含按金属(包括半金属，以下相同)部分的原子比率计铬为30%以上的氮化物、碳氮化物或氮氧化物，所述a2层包含按金属部分的原子比率计钒为60%以上的氮化物、碳氮化物或氮氧化物；以及 B层，位于该A层的上层，包含按金属部分的原子比率计钒为60%以上的氮化物、碳氮化物或氮氧化物， 所述A层中al层和a2层各层的膜厚为50nm以下、且a2层的膜厚厚于al层的膜厚， 所述B层的膜厚为0.1 μπι以上。
2.根据权利要求1所述的滑动特性优异的被覆构件，其特征在于，a2层的膜厚是al层的膜厚的1.5倍以上。
3.根据权利要求2所述的滑动特性优异的被覆构件，其特征在于，a2层的膜厚是al层的膜厚的2.0倍以上且4.0倍以下。
4.根据权利要求1?3的任一项所述的滑动特性优异的被覆构件，其特征在于，A层和B层的总膜厚为4μπι以上且20 μ m以下。
5.根据权利要求4所述的滑动特性优异的被覆构件，其特征在于，A层和B层的总膜厚为8 μ m以上。
6.根据权利要求1?5的任一项所述的滑动特性优异的被覆构件，其特征在于，B层的表面粗糖度 Ra<0.2 μ m、Rz<2.0 μ m、Rsk〈0。
7.根据权利要求1?6的任一项所述的滑动特性优异的被覆构件，其特征在于，B层的膜厚为0.2μπι以上。
8.根据权利要求1?7的任一项所述的滑动特性优异的被覆构件，其特征在于，B层的膜厚为8 μ m以下。
9.根据权利要求1?8的任一项所述的滑动特性优异的被覆构件，其特征在于，al层按金属部分的原子比率计含有10%以上的铝。
10.根据权利要求1?9的任一项所述的滑动特性优异的被覆构件，其特征在于，al层按金属(包括半金属)部分的原子比率计含有I?10%的硅。
11.根据权利要求1?10的任一项所述的滑动特性优异的被覆构件，其特征在于，被覆构件是模具。
【文档编号】C23C14/06GK103826773SQ201280046447
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年9月26日 优先权日:2011年9月28日
【发明者】本多史明, 井上谦一 申请人:日立工具股份有限公司, 日立金属株式会社