CN101224648A - 成形用工具用硬质皮膜被覆构件和成形用工具 - Google Patents

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Abstract

提供一种即使通过具有现有的表面被覆层，耐磨耗性、耐烧结性也优异的成形用工具用硬质皮膜被覆构件和成形用工具。一种成形用工具用硬质皮膜被覆构件等，其在含有Cr的铁基合金基材表面，形成有由Cr1－xMx(BaCbN1－a－b)构成的皮膜层A(膜厚1～10μm)，在其上形成由Ti1－X－YCrXAlYLZ(BBCAN1－A－B)构成的皮膜层B(膜厚2～10μm)。其中，0≤x≤0.7、0≤a≤0.2、0≤b≤0.5，M：W、V、Mo、Nb、Ti、Al的1种以上，0≤1－X－Y≤0.5、0＜X≤0.5、0.4≤Y≤0.7、0≤Z≤0.15、0≤A≤0.5、0≤B≤0.2，L：Si、Y的1种以上。x、a、b、X、Y、Z、A、B：均是原子比。

Description

成形用工具用硬质皮膜被覆构件和成形用工具
技术领域
本发明所属的技术领域涉及成形用工具用硬质皮膜被覆构件和成形用工具，特别是涉及耐磨耗性优异的成形用工具用硬质皮膜被覆构件和成形用工具。
背景技术
一直以来，金属模等的金属加工用的工具是通过氮化处理来改善耐磨耗性和耐烧结性。近年来，利用PVD等的气相涂敷来改善耐磨耗性，并改善耐烧结性，从而取代氮化处理的方法得到研究。例如特开2000-144376号公报中，公开有通过含有Cr、Al、Ti、V的2种以上的复合氮化物的形成来改善滑动性。在特开2002-307128号公报、特开2002-307129号公报中，公开了一种形成Ti、V、Al、Cr、Si的1种以上的氮化物、碳化物、碳氮化物，或再在其上形成含有Ti、Cr的、余量由Mo构成的硫化物层的耐磨耗性或耐烧结性优异的表面被覆金属模。特开2000-1768号公报中，公开了一种在硬质氮化物上形成有MoS2的耐磨耗性且耐烧结性优异的表面处理材料。
【专利文献1】特开2000-144376号公报
【专利文献2】特开2002-307128号公报
【专利文献3】特开2002-307129号公报
【专利文献4】特开2000-1768号公报
上述特开2000-144376号公报中所公开的含有Cr、Al、Ti、V的2种以上的复合氮化物有高硬度，虽然耐磨耗性优异，但是耐烧结性并不充分，在高面压下进行金属塑性加工等情况下，则不能经受严酷环境下的使用。特开2002-307128号公报所公开的Ti、V、Al、Cr、Si的1种以上的氮化物、碳化物、碳氮化物，虽然也同样有高硬度，但是耐烧结性差。为了改善耐烧结性，如特开2002-307129号公报和特开2000-1768号公报所公开的，在形成硫化物时，硫化物为软质，虽然使用初期滑动性优异，但会随着使用时间而逐步消失，在长期耐久性上存在问题。另外，在特开2000-1768号公报中提出有一种滑动性优异的皮膜，其由(XC、M1-C)(BaCbN1-a-b)〔X：4a、5a、6a、Al、Si、Fe、Co、Ni的1种以上，M：V、Mo、W的1种以上〕构成，但是与前述硫化物的情况相同，虽然使用初期滑动性优异，但长期耐久性差。此外另一个问题是，如果将从Ti、V、Al、Cr、Si的1种以上中选择的高硬度的氮化物、碳化物和碳氮化物直接形成在硬度低的铁系基材上，则由于其与基底的弹性和塑性变形举动的差异而容易产生剥离。
发明内容
本发明鉴于这样的情况而形成，其目的在于，提供一种与具有上述现有的表面被覆层相比，具有耐磨耗性、耐烧结性更优异的成形用工具用硬质皮膜被覆构件和成形用工具。
本发明者们为了达成上述目的而锐意研究，其结果直至完成本发明。根据本发明能够达成上述目的。
能够如此完成上述目的的本发明，涉及成形用工具用硬质皮膜被覆构件和成形用工具，是发明第一～第六项所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件(第一～六发明的成形用工具用硬质皮膜被覆构件)、发明第七项所述的成形用工具(第7发明的成形用工具)，其以如下方式构成。
即，发明第一项所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，是在含有Cr的铁基合金基材表面，以1～10μm的膜厚形成下述皮膜层A，在其上以2～10μm的膜厚形成下述的皮膜层B(第一发明)。
皮膜层A：
是由Cr1-xMx(BaCbN1-a-b)构成的皮膜层，满足下式(1A)～(3A)。
0≤x≤0.7…………………………式(1A)
0≤a≤0.2…………………………式(2A)
0≤b≤0.5…………………………式(3A)
其中，上述Cr1-xMx(BaCbN1-a-b)中，M是W、V、Mo、Nb、Ti、Al的1种以上，上述(1A)～(3A)中，x表示M的原子比，a表示B的原子比，b表示C的原子比。
皮膜层B：
是由Ti1-X-YCrXAlYLZ(BBCAN1-A-B)构成的皮膜层，满足下式(1B)～(6B)。
0≤1-X-Y≤0.5…………………………式(1B)
0＜X≤0.5    …………………………式(2B)
0.4≤Y≤0.7  …………………………式(3B)
0≤Z≤0.15   …………………………式(4B)
0≤A≤0.5    …………………………式(5B)
0≤B≤0.2    …………………………式(6B)
其中，在上述Ti1-X-YCrXAlYLZ(BBCAN1-A-B)中，L是Si、Y的1种以上，上式(1B)～(6B)中，X表示Cr的原子比，Y表示Al的原子比，Z表示L的原子比，A表示C的原子比，B表示B的原子比。
根据发明第一项所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，发明第二相所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，其所述皮膜层A是由CrN构成的皮膜层，所述皮膜层B由Ti1-X-YCrXAlYLZN构成的皮膜层，满足下式(1C)～(4C)(第二发明)。
0≤1-X-Y≤0.5 …………………………式(1C)
0＜X≤0.5     …………………………式(2C)
0.5≤Y≤0.6   …………………………式(3C)
0.01≤Z≤0.05 …………………………式(4C)
根据发明第二相所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，发明第三项所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，其所述皮膜层A是由CrN构成的皮膜层，所述皮膜层B由Ti1-X-YCrXAlYSiZN构成的皮膜层，满足式(1C)～(4C)(第三发明)。
根据发明第一～第三项中任一项所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，发明第四项所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，在所述皮膜层A和皮膜层B的界面，形成有由皮膜层C和皮膜层D构成的层叠膜，该层叠膜的层叠周期在300nm以下的范围，层叠膜合计厚度为0.1μm以上，所述皮膜层C以与所述皮膜A相同或不同的一般式表示，所述皮膜层D以与所述皮膜B相同或不同的一般式表示(第四发明)。
根据发明第四项所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，发明第五项所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，所述铁基合金基材具有含Cr的析出碳化物，洛式(Rockwell)硬度为HRC50以上(第五发明)。
根据发明第五项所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，发明第六项所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，在所述铁基合金基材的表面，形成有由氮化、渗碳或氮化渗碳形成的扩散层(第六发明)。
发明第七项是成形用工具，是具有发明第一～第六项中任一项所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件而构成的成形用工具(第七发明)。
本发明的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，与具有现有的表面被覆层的工具相比，其耐磨耗性、耐烧结性优异，能够适合用作耐金属模等的成形用工具的构件，其耐久性也随之提高。本发明的成形用工具，其耐磨耗性、耐烧结性优异，能够适合用作金属模等的成形用工具，其耐久性也随之提高。
附图说明
图1是显示本发明的实施例的皮膜的形成中使用的成膜装置的模式图。
具体实施方式
本发明的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，如前述，是在含有Cr的铁基合金基材表面，以1～10μm的膜厚形成下述皮膜层A，在其上以2～10μm的膜厚形成有下述的皮膜层B(第一发明)。
皮膜层A：
是由Cr1-xMx(BaCbN1-a-b)构成的皮膜层，满足下式(1A)～(3A)。
0≤x≤0.7…………………………式(1A)
0≤a≤0.2…………………………式(2A)
0≤b≤0.5…………………………式(3A)
其中，上述Cr1-xMx(BaCbN1-a-b)中，M是W、V、Mo、Nb、Ti、Al的1种以上，上述(1A)～(3A)中，x表示M的原子比，a表示B的原子比，b表示C的原子比。
皮膜层B：
是由Ti1-X-YCrXAlYLZ(BBCAN1-A-B)构成的皮膜层，满足下式(1B)～(6B)。
0≤1-X-Y≤0.5…………………………式(1B)
0＜X≤0.5    …………………………式(2B)
0.4≤Y≤0.7  …………………………式(3B)
0≤Z≤0.15   …………………………式(4B)
0≤A≤0.5    …………………………式(5B)
0≤B≤0.2    …………………………式(6B)
其中，Ti1-X-YCrXAlYLZ(BBCAN1-A-B)中，L是Si、Y的1种以上，上式(1B)～(6B)中，X表示Cr的原子比，Y表示Al的原子比，Z表示L的原子比，A表示C的原子比，B表示B的原子比。
上述皮膜层A是基底层。在该皮膜层A中，1-x是Cr的原子比，为0.3以上。这是为了提高其与含有Cr的铁基合金基材(以下，也称含有Cr铁基合金基材)的紧贴性。Cr原子比(1-x)低于0.3时，与含Cr铁基合金基材的紧贴性不充分。Cr原子比(1-x)优选为0.4以上。通过M(W、V、Mo、Nb、Ti、Al的1种以上)的添加，能够实现皮膜的高硬度化。若M的原子比x(M：2种以上的情况下，各元素的原子比的合计)变得过高，则Cr原子比(1-x)变小，从而不能使Cr原子比(1-x)为0.3以上，因此M的原子比x为0.7以下。
N是用于皮膜的高硬度化所必须的，N的原子量(1-a-b)为1以下。对于B、C来说，由于通过其添加能够使皮膜高硬度化，因此也可以分别以原子比计而添加0.2以下、0.5以下。从这一点出发，B的原子比a为0.2以下，C的原子比b为0.5以下。
当仅有皮膜层A时，硬度和耐氧化性低，产生因滑动时的发热造成的氧化磨耗，因此要在皮膜层A上形成皮膜层B作为耐磨耗层。在该皮膜层B中，为了赋予耐氧化性，Al量(Al的原子比Y)为0.4以上。若Al量多，则皮膜软质化，因此Al的原子比Y为0.7以下。即，Al的原子比Y为0.4～0.7。优选为0.5～0.6。仅有Al时，为了使皮膜的结晶构造成为软质的六方晶，一定需要添加Cr。但是，若过度地添加Cr，则Al量相对地减少，耐氧化性降低，因此Cr添加量(Cr的原子比X)的上限为0.5。Cr的原子比X优选为0.1以上、0.3以下。
在添加Cr的同时，优选添加Ti。这是由于若在添加Cr的同时添加Ti，则能够使硬度和耐氧化性兼备。在添加Cr的同时添加Ti时，若过剩地添加Ti，则Al量相对地减少，耐氧化物降低，因此Ti的添加量、即Ti的原子比(1-X-Y)为0.5以下。在添加Cr的同时添加Ti时，从进一步使上述的硬度和耐氧化性提高的观点出发，优选使Cr的原子比X为0.05％以上，并且使Ti的原子比(1-X-Y)为0.05％以上，此外进一步优选Cr的原子比X为0.1以上，并且Ti的原子比(1-X-Y)为0.15以上。
为了进一步使耐氧化性提高，能够添加L(Si、Y的1种以上)。这些Si、Y可以单独添加，也可以复合添加。若过度地添加L，则硬度降低，因此L的原子比Z(添加Si及Y时，Si原子比和Y原子比的合计)的上限为0.15。L的原子比Z优选为0.1以下，更优选0.05以下。
N是用于皮膜的高硬度化所必须的，N的原子比(1-A-B)为1以下。对于B、C来说，为了提高皮膜硬度，可以分别以原子比计而添加0.2以下、0.5以下。从这一点出发，B的原子比B为0.2以下，C的原子比A为0.5以下。
关于皮膜层A和皮膜层B的膜厚，对于皮膜层A来说，除了能起到确保与含Cr铁基合金基材的紧贴性的作用以外，还具有的另外一个作用是，其具有上层的硬质皮膜(皮膜层B)与含Cr铁基合金基材之间的机械特性(硬度、杨氏弹性模数)，可抑制因耐磨耗层(皮膜层B)与含Cr铁基合金基材的机械特征的差异导致的外部应力下的变形举动的差异，因此，需要皮膜A的膜厚为1μm以上，更优选为3μm以上。对于作为耐磨耗层的皮膜层B来说，为了使之维持耐磨耗性，需要膜厚为2μm以上，更优选为3μm以上。但是，若皮膜层A的膜厚超过10μm，则上述的变形举动抑制效果饱和，因此皮膜层A的膜厚优选为10μm以下。关于皮膜层B，其膜厚超过10μm时，膜应力过大，将容易发生皮膜的剥离，因此需要皮膜B的膜厚为10μm以下。
本发明的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，因为在含Cr铁基合金基材表面，如上所述形成有对组成和膜厚加以规定的皮膜层A和皮膜层B，所以，与具有现有的表面被覆层的工具相比，其耐磨耗性、耐烧结性优异，能够适用作金属模等的成形用工具的构件，其耐久性也随之提高。(第一发明)。
本发明的第二发明的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，是在上述本发明(第一发明)的成形用工具用硬质皮膜的被覆构件中，使皮膜层A的B的原子比a为0，使C的原子比b为0，使M的原子比x为0，使N的原子比(1-a-b)为1，并且使皮膜层B的Al的原子比Y为0.5～0.6，使L(Si、Y的1种以上)的原子比Z为0.01～0.05。即，将第一发明中的皮膜层A的Cr1-xMx(BaCbN1-a-b)限定为CrN，并且将皮膜层B的Al的原子比Y和L的原子比Z如上述限定在狭窄的范围内。通过对该Al的原子比Y的限定，可实现耐氧化性的高水准化，并且更高水准地抑制了皮膜的软质化。通过对该L的原子比Z的限定，可实现耐氧化性的高水准化，并且更高水准下抑制了硬度降低。
本发明的第三发明的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，是在上述第二发明的成形用工具用硬质皮膜被覆构件中，将皮膜层B的L(Si、Y的1种以上)限定为Si。
在本发明的第一～第三发明的成形用工具用硬质皮膜被覆构件中，若在皮膜层A和皮膜层B的界面，形成由皮膜层C和皮膜层D构成的层叠膜，该层叠膜其层叠周期在300nm以下的范围，层叠膜合计厚度为0.1μm，并且，所述皮膜层C以与所述皮膜A相同或不同的一般式表示，所述皮膜层D以与所述皮膜B相同或不同的一般式表示，则能够提高皮膜层A与皮膜层B之间的紧贴性，能够抑制在负荷外部应力时在剥离(第四发明)。若上述层叠膜的层叠周期超过300nm，则得不到上述紧贴性的提高效果。更优选将上述层叠膜的层叠周期作为100nm以下。另外，若上述层叠膜合计厚度低于0.1μm，则得不到上述剥离的抑制效果。更优选使上述层叠膜合计厚度作为0.5μm以上。但是，即使在层叠部分(上述层叠膜)的合计厚度超过5μm的情况下，紧贴性的改善效果与5μm以下的情况并没有差别，因此若考虑到效率，则层叠部分的厚度推荐为5μm以下。形成上述层叠膜的皮膜层C、皮膜层D的组成与皮膜层A和/或皮膜层B的组成相同时，其与皮膜层A和/或皮膜层B的紧贴性进一步提高，进而皮膜层A和皮膜层B之间的紧贴性进一步提高。
本发明的第四发明的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，在含Cr铁基合金基材具有含Cr的析出碳化物(以下也称为含Cr析出碳化物)时特别有效。这里，所谓含Cr析出碳化物，是指在M7C3(M：Fe、Cr)这样的析出碳化物中，Cr以碳化物的形态被包含。作为具有这样的含Cr析出碳化物的含Cr铁基合金基材，例如有JIS SKD11、SKD61、SKH51等。关于Cr量虽然没有特别限制，但是以5wt％以上为大抵目标。具有这样的含Cr析出碳化物的含Cr铁基合金基材，因其基体与含Cr析出碳化物的机械的特性(硬度、杨氏弹性模数)不同，所以在外部应力下弹塑性变形举动也有所不同，因此，在基材之上进行涂敷时，在析出碳化物与基体的界面会产生裂纹，容易引起涂敷层的剥离。可是，在本发明的第四发明的成形用工具用硬质皮膜被覆构件中，因为能够将外部应力对基材的影响限定在最小限度，所以，即使基材中具有含Cr析出碳化物时，也能够抑制因变形举动差异对皮膜造成的损伤。但是，基材本身柔软时，最终还是会受到外部应力的影响，因此基材硬度以洛氏硬度标尺计优选为50以上，更优选为55以上(第五发明)。
为了提高含Cr铁基合金基材的表面的硬度，使析出碳化物与基体的机械的特征在差异最小化，有效的方法是通过渗碳或渗碳氮化而使基体部分硬化。即，在含Cr铁基合金基材的表面通过氮化、渗碳或氮化渗碳形成扩散层是有效的(第六发明)。作为该扩散层的深度，优选为10μm以上，但使用在承受负荷的部分时，因为外部应力的影响会触及到基材的深部，所以更优选为100μm以上。
具有本发明的第一～第六发明的成形用工具用硬质皮膜被覆构件构成的成形用工具，耐磨耗性、耐烧结性优异，能够适用作为金属模等的成形用工具，其耐久性随之提高(第七发明)。
【实施例】
以下说明本发明的实施例和比较例。还有，本发明并不受该实施例限定，也可以在符合本发明的宗旨的范围内加以适当变更而实施，这些均包含在本发明的技术范围内。
(例1)
使用具有多个电弧蒸发源的成膜装置(图1)，制作表1～2所示的组成的皮膜。这时作为基材，在进行皮膜的组成、硬度、结晶结构的调查用的皮膜形成时，使用进行过镜面研磨的超硬合金基板，在进行高温下的滑动试验用的皮膜形成时，使用SKD11基板(硬度HRC60)。任一皮膜的形成时，都是将基板导入成膜装置的室内，对室内进行抽真空(排气至1×10-3Pa以下)后，将基材加热至大约400℃，之后利用Ar离子实施喷溅涂敷。其后，利用电弧蒸发源进行成膜时，使用100mm的靶，电弧电流为150A，在总压力4Pa的N2气氛或N2+CH4的混合气体中实施成膜。
在此成膜之时，首先使用具有皮膜层A的组成的靶，并在基材(基板)上形成皮膜层A后，替换蒸发源，通过具有皮膜层B的组成的靶，将皮膜层B形成在皮膜层A上。
对于如此形成的皮膜，进行皮膜的组成、硬度和结晶结构的调查，此外实施高温下的滑动试验，调查耐磨耗性和磨擦系数。这时，皮膜的组成利用EPMA进行测定从而进行调查。关于皮膜的硬度，则采用维氏微硬度计，在测定载荷0.25N、测定时间15秒的条件下进行测定，由此进行调查。高温下的滑动试验在下述高温滑动试验条件下进行。
另外，耐磨耗性皮膜的氧化开始温度，使用另行在白金上仅形成有耐磨耗性层的试样，并利用热天平进行调查。在干燥空气中、以4℃/分钟的速度边升温，边测定重量增加，将观察到急剧氧化增加的温度定义为氧化开始点。
(高温滑动试验条件)
●装置：叶片-盘式(vane on disk)滑动试验装置
●叶片：SKD 61钢(HRC 50)
●盘：在SKD 11钢(HRC 60)上形成了皮膜的
●滑动速度：0.2m/秒
●载荷：500N
●滑动距离：2000m
●试验温度：500℃
上述试验的结果显示在表1～2中。还有，在表1～2中，组成的栏中的值是以原子比计的值(下同)。如表1～2表明的，满足第一发明的要件的、即第一发明例(No.4～8、11～26、28、32～36、38～41、43～44、49～52)与不满足第一发明的要件的、即比较例(No.1～3、9～10、27、30～31、37、42、45～48、52～53)相比，磨耗量(深度)少，耐磨耗性优异。
(例2)
使用具有多个电弧蒸发源的成膜装置(图1)，制作表3所示的组成的皮膜。这时，作为基材，在进行皮膜的组成、硬度、结晶结构的调查用的皮膜形成时，使用进行过镜面研磨的超硬合金基板，在进行皮膜的紧贴性的调查用的皮膜形成时，使用SKD11基板(硬度HRC 60)。任一皮膜的形成时，都是将基板导入成膜装置的室内，对室内进行抽真空(排气至1×10-3Pa以下)后，将基材加热至大约400℃，之后利用Ar离子实施喷溅涂敷。其后，利用电弧蒸发源进行成膜时，使用100mm的靶，电弧电流为150A，在总压力4Pa的N2气氛或N2+CH4的混合气体中实施成膜。
在此成膜之时，首先使用具有皮膜层A的组成的靶，在基材(基板)上形成皮膜层A(厚度5μm)后，使皮膜层A形成用的蒸发源和皮膜层B形成用的蒸发源同时放电，形成由皮膜层A和皮膜层B构所层叠膜。还有，由该皮膜层A和皮膜层B构成层叠膜，相当于第四发明中的由皮膜层C和皮膜层D构成的层叠膜的1例。该层叠膜形成后，替换蒸发源，通过具有皮膜层B的组成的靶，将皮膜层B(厚度5μm)形成在层叠膜上。还有，层叠膜部分的层叠周期由基板的旋转速度控制，层的厚度由成膜时间控制。皮膜层A由CrN构成。皮膜层B由Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.05N构成。
对于如此形成的皮膜，进行皮膜的组成、硬度和结晶结构的调查，此外实施下述的划痕试验，调查皮膜的紧贴性。这时，对于皮膜的组成、硬度，根据与前述例1的情况相同的方法进行调查。
划擦试验
●压头：金刚石(前端半径200μmR)
●划擦速度：10mm/分钟
●载荷增加速度：100N/分钟
●划擦距离：20mm(0～200N)
上述试验的结果显示在表3中。如表3表明的，满足第四发明的要件的、即第四发明例(No.2A～8A、10A～13A)与其他的相比，皮膜的紧贴性优异。还有No.1A、9A、14A虽然满足第一发明的要件，但是不满足第四发明的要件。
(例3)
使用具有多个电弧蒸发源的成膜装置(图1)，制作表4所示的组成的皮膜。这时，作为基材，在进行皮膜的组成、硬度、结晶结构的调查用的皮膜形成时，使用进行过镜面研磨的超硬合金基板，在进行高温下的滑动试验用的皮膜形成时，使用表6所示的各种金属材料。任何皮膜的形成时，都是将基板导入成膜装置的室内，对室内进行抽真空(排气至1×10-3Pa以下)后，将基材加热至大约400℃，之后利用Ar离子实施喷溅涂敷。其后，利用电弧蒸发源进行成膜时，使用100mm的靶，电弧电流为150A，在总压力4Pa的N2气氛或N2+CH4的混合气体中实施成膜。
在此成膜之时，首先使用具有皮膜层A的组成的靶，在基材(基板)上形成皮膜层A(厚度5μm)后，使皮膜层A形成用的蒸发源和皮膜层B形成用的蒸发源同时放电，形成由皮膜层A和皮膜层B构所层叠膜。还有，由该皮膜层A和皮膜层B构成层叠膜，相当于第四发明中的由皮膜层C和皮膜层D构成的层叠膜的1例。该层叠膜形成后，替换蒸发源，通过具有皮膜层B的组成的靶，将皮膜层B(厚度5μm)形成在层叠膜上。还有，层叠膜部分的层叠周期由基板的旋转速度控制，层的厚度由成膜时间控制。皮膜层A由CrN构成。皮膜层B由Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.05N构成。
还有，对于几个基材，在下述的条件下实施等离子氮化或等离子渗碳的扩散处理，之后形成上述皮膜(No.9B～12B、No.13B～16B)。
(等离子氮化处理)
●温度：550℃
●时间：1～12小时
●气氛：氮-5％Ar
●压力：100Pa
●等离子源：直流DC等离子体(1500V)
(等离子渗碳处理)
●温度：950℃
●时间：1～12小时
●气氛：Ar-5％甲烷
●压力：100Pa
●等离子源：直流DC等离子体(1500V)
对于如上述形成的皮膜，进行皮膜的组成、硬度和结晶结构的调查，此外实施高温下的滑动试验，调查耐磨耗性。这时，对于皮膜的组成、硬度，根据与前述例1的情况相同的方法进行调查。关于高温下的滑动试验，在与前述例1的情况相同的高温滑动试验条件下进行。
上述试验的结果显示在表4中。如表4表明的，与含Cr铁基合金基材的洛氏硬度为HRC10的(No.4B、No.8B)相比，HRC50以上的(No.1B～3B、5B～7B、No.9B～16B)磨耗量少，耐磨耗性优异。在具有含Cr析出碳化物的基材的情况下，基材的洛氏硬度等同的基材彼此进行比较，比起在皮膜层A和皮膜层B的界面上没有层叠膜的(No.2B、1B、3B)，在皮膜层A和皮膜层B的界面上有层叠膜的(No.6B、5B、7B、No.9B～16B)其磨耗量更小，耐磨耗性优异。即使在基材具有含Cr析出碳化物时，可知在皮膜层A和皮膜层B的界面上有层叠膜的情况下，磨耗量仍很少，耐磨耗性优异。还有，基材的洛氏硬度同样的基材彼此相比较时，No.2B的硬度为HRC50，No.1B的硬度为HRC60，No.3B的硬度为HRC65，另一方面，No.6B的硬度为HRC50，No.5B和No.9B～16B的硬度为HRC60，No.7B的硬度为HRC65，因此严格地说，将No.2B与No.6B相比较，将No.1B与No.5B和No.9B～16B相比较，将No.3B与No.7B相比较即可。
【表1】
Figure S2007101927895D00131
【表2】
No. 基材  皮膜层A   皮膜层B   试验结果
Cr M B C N 厚度 Ti Cr Al Si Y B C N 厚度   皮膜层硬度   氧化开始温度   磨耗深度
种   量   μm   μm   GPa   ℃   μm
28 SKD11   1   0   0   0.2   1   5   0.2   0.2   0.55   0.05   0   0   0   1   5   30   1100   2.6
29 GKD11   1   0   0   0.6   1   5   0.2   0.2   0.55   0.05   0   0   0   1   5   30   1100   2.1
30 SKD11   1   0   0   0.7   1   5   0.2   0.2   0.55   0.05   0   0   0   1   5   30   1100   6.4
31 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.35   0.35   0.3   0   0   0   0   1   5   22   600   7.5
32 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.3   0.3   0.4   0   0   0   0   1   5   27   800   4.5
33 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.2   0.2   0.5   0   0   0   0   1   5   30   900   3
34 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.1   0.3   0.8   0   0   0   0   1   5   30   950   2.9
35 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.3   0.1   0.6   0   0   0   0   1   5   30   880   3.1
36 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.15   0.15   0.7   0   0   0   0   1   5   32   1000   4
37 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.1   0.1   0.8   0   0   0   0   1   5   26   1100   7.5
38 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.19   0.19   0.6   0.02   0   0   0   1   5   32   1050   1.2
39 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.18   0.18   0.6   0.05   0   0   0   1   5   35   1100   1
40 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.15   0.15   0.6   0.1   0   0   0   1   5   33   1150   2
41 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.13   0.13   0.6   0.15   0   0   0   1   5   32   1150   2.5
42 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.1   0.1   0.6   0.2   0   0   0   1   5   22   1200   7.3
43 SKD11   1   0   0   0   1   5   0   0.4   0.6   0   0   0   0   1   5   29   1000   4.1
44 SKD11   1   0   0   0   1   5   0   0.5   0.5   0   0   0   0   1   5   26   850   4
45 SKD11   1   0   0   0   1   5   0   0.7   0.3   0   0   0   0   1   5   22   700   8.1
46 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.4   0   0.6   0   0   0   0   1   5   29   950   4.7
47 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.5   0   0.5   0   0   0   0   1   5   27   800   4.6
48 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.7   0   0.3   0   0   0   0   1   5   23   650   8.2
49 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.2   0.2   0.55   0.03   0.02   0   0   1   5   32   1150   2.3
50 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.19   0.19   0.55   0.03   0.05   0   0   1   5   32   1200   2.4
51 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.16   0.16   0.55   0.03   0.1   0   0   1   5   30   1200   2.2
52 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.14   0.14   0.55   0.03   0.15   0   0   1   5   20   1250   3.7
53 SKD11   1   0   0   0   1   5   0.11   0.11   0.55   0.03   0.2   0   0   1   5   20   1250   7.5
【表3】
No. 基材     层叠周期     厚度     紧贴性
    nm     μm     N
  1A  SKD11     无     0     120
  2A  SKD11     50     0.1     150
  3A  SKD11     50     0.5     160
  4A  SKD11     50     1     170
  5A  SKD11     50     2     180
  6A  SKD11     50     5     180
  7A  SKD11     50     7     170
  8A  SKD11     50     10     160
  9A  SKD11     5     1.5     120
  10A  SKD11     10     1.5     150
  11A  SKD11     50     1.5     180
  12A  SKD11     100     1.5     170
  13A  SKD11     300     1.5     150
  14A  SKD11     500     1.5     120
(注)皮膜层A：CrN(5μm)
皮膜层B：Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.05N(5μm)
【表4】
No. 皮膜层A 层叠部分(层叠膜) 皮膜层B     基材 皮膜磨耗(μm)量(深度)
材种 扩散处理   扩散处理层厚(μm) 硬度(HRC) 析出碳化物
 1B Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.05N：10μm  SKD11   无   -   60   有     3
 2B Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.05N：10μm  SKD61   无   -   50   有     7
 3B Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.05N：10μm  SKH51   无   -   65   有     6
 4B Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.05N：10μm  SUS304   无   -   10   无     ＞10
 5B CrN：5μm 层叠周期50nm、厚度1.5μm Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.05N：5μm  SKD11   无   -   60   有     1.2
 6B CrN：5μm 层叠周期50nm、厚度1.5μm Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.05N：5μm  SKD61   无   -   60   有     1.5
 7B CrN：5μm 层叠周期50nm、厚度1.5μm Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.05N：5μm  SKH51   无   -   65   有     1
 8B CrN：5μm 层叠周期50nm、厚度1.5μm Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.05N：5μm  SUS304   无   -   10   无     4.5
 9B CrN：5μm 层叠周期50nm、厚度1.5μm Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.05N：5μm  SKD11   氮化处理   5   60   有     1.2
 10B CrN：5μm 层叠周期50nm、厚度1.5μm Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.05N：5μm  SKD11   氮化处理   10   60   有     0.8
 11B CrN：5μm 层叠周期50nm、厚度1.5μm Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.05N：5μm  SKD11   氮化处理   50   60   有     0.7
 12B CrN：5μm 层叠周期50nm、厚度1.5μm Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.05N：5μm  SKD11   氮化处理   100   60   有     0.7
 13B CrN：5μm 层叠周期50nm、厚度1.5μm Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.05N：5μm  SKD11   渗碳处理   100   60   有     1
 14B CrN：5μm 层叠周期50nm、厚度1.5μm Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.05N：5μm  SKD11   渗碳处理   500   60   有     0.8
 15B CrN：5μm 层叠周期50nm、厚度1.5μm Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.05N：5μm  SKD11   渗碳处理   1000   60   有     0.5
 16B CrN：5μm 层叠周期50nm、厚度1.5μm Ti0.2Cr0.2Al0.55Si0.06N：5μm  SKD11   渗碳处理   2000   60   有     0.5
产业上的利用可能性
本发明的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，即使通过具有现有的表面被覆层，其耐磨耗性、耐烧结性也优异，能够适合用作耐金属模等的成形用工具的构件，有助于其耐久性的提高。

Claims (7)

1.一种成形用工具用硬质皮膜被覆构件，其特征在于，在含有Cr的铁基合金基材表面，以1～10μm的膜厚形成下述皮膜层A，在该皮膜层A上以2～10μm的膜厚形成下述的皮膜层B，
皮膜层A：
是由Cr1-xMx(BaCbN1-a-b)构成的皮膜层，满足下式(1A)～(3A)，
0≤x≤0.7…………………………式(1A)
0≤a≤0.2…………………………式(2A)
0≤b≤0.5…………………………式(3A)
其中，在上述Cr1-xMx(BaCbN1-a-b)中，M是W、V、Mo、Nb、Ti、Al中的1种以上，在上述式(1A)～(3A)中，x表示M的原子比，a表示B的原子比，b表示C的原子比，
皮膜层B：
是由Ti1-X-YCrXAlYLZ(BBCAN1-A-B)构成的皮膜层，满足下式(1B)～(6B)，
0≤1-X-Y≤0.5…………………………式(1B)
0＜X≤0.5    …………………………式(2B)
0.4≤Y≤0.7  …………………………式(3B)
0≤Z≤0.15   …………………………式(4B)
0≤A≤0.5    …………………………式(5B)
0≤B≤0.2    …………………………式(6B)
其中，在Ti1-X-YCrXAlYLZ(BBCAN1-A-B)中，L是Si、Y中的1种以上，在上式(1B)～(6B)中，X表示Cr的原子比，Y表示Al的原子比，Z表示L的原子比，A表示C的原子比，B表示B的原子比。
2.根据权利要求1所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，其特征在于，所述皮膜层A由CrN构成，所述皮膜层B是由Ti1-X-YCrXAlYLZN构成的皮膜层，并满足下式(1C)～(4C)，
0≤1-X-Y≤0.5…………………………式(1C)
0＜X≤0.5      …………………………式(2C)
0.5≤Y≤0.6    …………………………式(3C)
0.01≤Z≤0.05  …………………………式(4C)。
3.根据权利要求2所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，其特征在于，所述皮膜层A由CrN构成，所述皮膜层B是由Ti1-X-YCrXAlYSiZN构成的皮膜层，并满足下式(1C)～(4C)，
0≤1-X-Y≤0.5  …………………………式(1C)
0＜X≤0.5      …………………………式(2C)
0.5≤Y≤0.6    …………………………式(3C)
0.01≤Z≤0.05  …………………………式(4C)。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，其特征在于，在所述皮膜层A和皮膜层B的界面形成由皮膜层C和皮膜层D构成的层叠膜，该层叠膜的层叠周期在300nm以下的范围，层叠膜的合计厚度为0.1μm以上，其中，所述皮膜层C由与所述皮膜层A相同或不同的一般式表示，所述皮膜层D由与所述皮膜层B相同或不同的一般式表示。
5.根据权利要求4所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，其特征在于，所述铁基合金基材具有含Cr的析出碳化物，洛式硬度为HRC50以上。
6.根据权利要求5所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件，其特征在于，在所述铁基合金基材的表面形成有由氮化、渗碳或氮化渗碳处理形成的扩散层。
7.一种成形用工具，其特征在于，具有权利要求1～6中任一项所述的成形用工具用硬质皮膜被覆构件而构成。
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