CN101612822B - 硬质被膜覆盖部件和成形用工具 - Google Patents

硬质被膜覆盖部件和成形用工具 Download PDF

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Abstract

本发明提供耐磨损性及密合性优异的硬质被膜覆盖部件以及成形用工具。硬质被膜覆盖部件具备由含有Cr的铁基合金形成的基材、以1～10μm的膜厚形成于基材的表面的第1被膜层、以2～10μm的膜厚形成于第1被膜层的表面的第2被膜层，第1被膜层由Cr1-a-bMaBb(CcN1-c)构成，M为选自W、V、Mo、Nb、Ti、Al中的1种以上的元素，a、b、c为原子比时，满足0≤a≤0.7、0≤b≤0.15、0≤c≤0.5、0.3≤1-a-b，第2被膜层由Nb1-d-e-fCrdAleLf(CgN1-g)构成，L为选自Si、Y、B中的1种以上的元素，d、e、f、g为原子比时，满足0.05≤1-d-e-f≤0.5、0.05≤d≤0.5、0.4≤e≤0.7、0≤f≤0.15、0≤g≤0.5。

Description

硬质被膜覆盖部件和成形用工具
技术领域
本发明涉及表面被硬质被膜覆盖的硬质被膜覆盖部件以及使用该部件的成形用工具。
背景技术
以往，模具等的金属加工用的工具通过氮化处理来改善耐磨损性以及耐烧结性。近年来，研究用PVD等气相涂布代替氮化处理来改善耐磨损性以及耐烧结性。例如，在专利文献1中记载了通过形成含有Cr、Al、Ti、V中的2种以上的复合氮化物来改善耐磨损性的硬质被膜。在专利文献2、专利文献3中记载了形成由Ti、V、Al、Cr、Si中的1种以上的氮化物、碳化物、碳氮化物形成的被膜层，或在其上还形成含有Ti、Cr且剩余部分由Mo构成的硫化物层的耐磨损性或耐烧结性优异的温热加工用被膜工具。在专利文献4中记载了在高硬度被膜上具备以MoS2为主要成分的表面层的耐磨损性、耐烧结性优异的硬质被膜以及带被膜物品。此外，在专利文献5中记载了由(Xc、M1-c)(BaCbN1-a-b)构成、M为W、V中的1种以上、X为4A、5A族的元素、Al、Si、Fe、Co、Ni中的1种以上的硬质被膜及其形成方法。
专利文献1：日本专利特开2000-144376号公报
专利文献2：日本专利特开2002-307128号公报
专利文献3：日本专利特开2002-307129号公报
专利文献4：日本专利特开2000-1768号公报
专利文献5：日本专利特开2006-124818号公报
发明内容
但是，专利文献1中记载的由含有Cr、Al、Ti、V中的2种以上的复合氮化物形成的硬质被膜为高硬度，耐磨损性优异，但耐烧结性不足，不能用于在高表面压力下进行金属的塑性加工等苛刻的环境。另外，专利文献3中记载的由Ti、V、Al、Cr、Si中的1种以上的氮化物、碳化物、碳氮化物形成的被膜层也同样为高硬度，但耐烧结性不佳。
如专利文献2或专利文献4中所述那样在形成硫化物层的情况下，硫化物为软质，使用初期的滑动性(耐磨损性)优异，但伴随着使用时间的推移而磨减，无法长期维持耐磨损性。另外，专利文献5中记载的由(Xc、M1-c)(BaCbN1-a-b)构成的硬质被膜也与上述硫化物层的情况相同，使用初期的滑动性(耐磨损性)优异，但无法长期维持耐磨损性。
此外，专利文献2、专利文献3的由选自Ti、V、Al、Cr、Si中的1种以上的氮化物、碳化物以及碳氮化物形成的被膜层当在硬度低的铁类基材上直接形成时，存在以下问题：由于与基材的弹性以及塑性变形行为的差异，易产生剥离(密合性下降)。
本发明是为了解决上述问题而首创的发明，其目的在于提供耐磨损性及密合性优异的硬质被膜覆盖部件以及使用该部件的成形用工具。
为了解决上述技术问题，本发明的硬质被膜覆盖部件的特征在于，具备由含有Cr的铁基合金形成的基材、以1～10μm的膜厚形成于上述基材的表面的第1被膜层、以2～10μm的膜厚形成于上述第1被膜层的表面的第2被膜层，上述第1被膜层由Cr1-a-bMaBb(CcN1-c)构成，M为选自W、V、Mo、Nb、Ti、Al中的1种以上的元素，a、b、c为原子比时，满足0≤a≤0.7、0≤b≤0.15、0≤c≤0.5、0.3≤1-a-b，上述第2被膜层由Nb1-d-e-fCrdAleLf(CgN1-g)构成，L为选自Si、Y、B中的1种以上的元素，d、e、f、g为原子比时，满足0.05≤1-d-e-f≤0.5、0.05≤d≤0.5、0.4≤e≤0.7、0≤f≤0.15、0≤g≤0.5。
根据上述构成，通过在基材的表面具备由具有规定范围的原子比的Cr1-a-bMaBb(CcN1-c)(M为选自W、V、Mo、Nb、Ti、Al中的1种以上的元素)构成、具有规定的膜厚的第1被膜层，从而使含有密合性不佳的Al(AlN)的第2被膜层与基材的密合性提高。由于第1被膜层具有规定的膜厚，因此由第2被膜层与基材的机械特性的差异引起的在外部应力下的变形行为的差异减小，第2被膜层的剥离得到抑制，第1被膜层相对于第2被膜层的密合性提高。通过在第1被膜层的表面具备由具有规定范围的原子比的Nb1-d-e-f Crd AleLf(CgN1-g)(L为选自Si、Y、B中的1种以上的元素)构成、具有规定膜厚的第2被膜层，第2被膜层作为硬质被膜覆盖部件中的耐磨损层起作用，抑制在成形加工时的发热所致的氧化磨损、以及与被加工材料之间的滑动磨损。另外，由于第2被膜层具有规定的膜厚，因此第2被膜层的剥离得到抑制，密合性提高。
本发明的硬质被膜覆盖部件优选：上述第1被膜层由Cr1-a-b MaBb(CcN1-c)中a＝0、b＝0、c＝0时的CrN构成，上述第2被膜层由Nb1-d-e-f CrdAleLf(CgN1-g)中f＝0、g＝0时的Nb1-d-e Crd AleN构成，且满足0.1≤1-d-e≤0.3、0.1≤d≤0.3、0.5≤e≤0.6。
根据上述构成，由于第1被膜层由CrN构成，因此确保了基材与第1被膜层及第2被膜层之间的高密合性。而且，由于第2被膜层由具有规定范围的原子比的Nb1-d-e CrdAleN构成，因此能高水平地抑制第2被膜层的氧化磨损，而且第2被膜层不易软质化，高水平地抑制滑动磨损。
本发明的硬质被膜覆盖部件优选：上述第2被膜层的结晶结构为仅由立方晶岩盐型结构形成的单相、或混合了立方晶岩盐型结构和六方晶型结构的复相，在上述复相的情况下，当用X射线衍射装置测得的立方晶的(111)面以及(200)面的峰强度中较大的峰强度为立方晶峰强度(Ic)，六方晶的(100)面、(002)面以及(101)面的峰强度中的最大峰强度为六方晶峰强度(Ih)时，满足峰强度比(Ih/Ic)≤1。
根据上述构成，第2被膜层的结晶结构为仅由立方晶岩盐型结构形成的单相、或由立方晶岩盐型结构和六方晶型结构混合而成的复相，在复相的情况下，通过将用X射线衍射装置测得的立方晶峰强度(Ic)与六方晶峰强度(Ih)的峰强度比(Ih/Ic)限定在规定范围内，使立方晶中混合的六方晶的比例被限定，具体而言，软质且能使第2被膜层的耐磨损性下降的六方晶的混合比例变少。
本发明的硬质被膜覆盖部件优选：上述第2被膜层的结晶结构含有立方晶岩盐型结构，当用X射线衍射装置测得的立方晶的(111)面以及(200)面的峰强度中较大的峰强度为立方晶峰强度(Ic)时，与金属Nb的(110)面的峰强度(In)相比，满足峰强度比(In/Ic)≤1。
根据上述构成，第2被膜层的结晶结构含有立方晶岩盐型结构，通过将用X射线衍射装置测得的立方晶峰强度(Ic)与金属Nb峰强度(In)的峰强度比(In/Ic)限定在规定范围内，第2被膜层中含有的金属Nb粒子的量被限定，具体而言，软质且能使第2被膜层的耐磨损性下降的金属Nb粒子的量变少。
本发明的硬质被膜覆盖部件优选：上述第2被膜层采用阴极放电型电弧离子蒸镀法来形成，在形成上述第2被膜层时，设置在上述阴极放电型电弧离子蒸镀法中使用的装置内的上述基板的偏压为-30～-200V。
根据上述构成，在形成第2被膜层时，由于基板的偏压在规定范围内，因此用X射线衍射装置测得的第2被膜层的立方晶峰强度(Ic)与六方晶峰强度(Ih)的峰强度比(Ih/Ic)被控制在规定范围内，第2被膜层中的六方晶的比例变少。
本发明的硬质被膜覆盖部件优选：上述第2被膜层采用阴极放电型电弧离子蒸镀法来形成，在形成上述第2被膜层时，设置在上述阴极放电型电弧离子蒸镀法中使用的装置内的氮压为2～10Pa。
根据上述构成，在形成第2被膜层时，由于装置内的氮压在规定范围内，因此用X射线衍射装置测得的第2被膜层的立方晶峰强度(Ic)与金属Nb峰强度(In)的峰强度比(In/Ic)被控制在规定范围内，第2被膜层中含有的金属Nb粒子的量变少。
本发明的硬质被膜覆盖部件优选：上述第1被膜层由Cr1-a-b MaBb(CcN1-c)中a＝0、b＝0、c＝0时的CrN构成，上述第2被膜层由Nb1-d-e-f CrdAleLf(CgN1-g)中g＝0、L为Si时的Nb1-d-e-f CrdAleSifN构成，且满足0.1≤1-d-e-f≤0.3、0.1≤d≤0.3、0.5≤e≤0.6、0.01≤f≤0.05。
根据上述构成，由于第1被膜层由CrN构成，因此能确保基材与第1被膜层及第2被膜层之间的高密合性。由于第2被膜层由具有规定范围的原子比的Nb1-d-e-f Crd Ale SifN构成，因此不仅能高水平地抑制第2被膜层的氧化磨损，而且第2被膜层不易软质化，能高水平地抑制滑动磨损。
本发明的硬质被膜覆盖部件优选：在上述第1被膜层与上述第2被膜层之间，还具备由第3被膜层与第4被膜层交替层叠而成的层叠膜，上述第3被膜层由Cr1-a-b Ma Bb(CcN1-c)构成，上述第3被膜层的膜厚比上述第1被膜层的膜厚薄，上述第4被膜层由Nb1-d-e-f Crd Ale Lf(CgN1-g)构成，上述第4被膜层的膜厚比上述第2被膜层的膜厚薄，上述层叠膜的层叠周期为300nm以下，上述层叠膜的总膜厚为0.05μm以上。
根据上述构成，由于在第1被膜层与第2被膜层之间具备由第3被膜层与第4被膜层交替层叠而成的层叠膜，该第3被膜层由与第1被膜层同样的Cr1-a-bMaBb(CcN1-c)构成且具有与第1被膜层相同或不同的原子比，该第4被膜层由与第2被膜层同样的Nb1-d-e-f Crd Ale Lf(CgN1-g)构成且具有与第2被膜层相同或不同的原子比，且层叠膜的层叠周期和总膜厚在规定范围内，因此能抑制在外部应力下第2被膜层的剥离，提高第1被膜层与第2被膜层之间的密合性。
本发明的硬质被膜覆盖部件优选：上述基材含有含Cr析出碳化物，上述基材的洛氏硬度为HRC50以上。
根据上述构成，由于基材具有规定范围的洛式硬度，因此即使在基材中含有含Cr析出碳化物，由于基材的基质与含Cr析出碳化物的机械特性的差异最小化，使外部应力下的基质的变形行为与含Cr析出碳化物的变形行为接近，能抑制在基质与含Cr析出碳化物的界面产生裂缝等。其结果是，确保基材与第1被膜层之间的密合性。
本发明的硬质被膜覆盖部件优选：在上述基材与上述第1被膜层之间，还具备通过上述基材的氮化、浸碳或氮化浸碳形成的扩散层。
根据上述构成，通过在基材与第1被膜层之间具备扩散层，使基材的基质与含Cr析出碳化物的机械特性的差异最小化，因此外部应力下的基质的变形行为与含Cr析出碳化物的变形行为接近，能进一步抑制在基质与含Cr析出碳化物的界面产生裂缝等。其结果是，进一步确保基材与第1被膜层之间的密合性。
本发明的成形用工具的特征在于，具有上述硬质被膜覆盖部件。
根据上述构成，由于具有上述硬质被膜覆盖部件，使成形用工具的耐磨损性和密合性提高。
本发明的硬质被膜覆盖部件的耐磨损性和密合性优异，能优选用作模具等的成形用工具的部件，它们的耐久性提高。另外，本发明的成形用工具的耐磨损性以及密合性优异，能优选用作模具等的成形用工具，它们的耐久性提高。
附图说明
图1中(a)～(c)是表示本发明的硬质被膜覆盖部件的结构的截面图。
图2是成膜装置的概略图。
(符号说明)
1a、1b、1c硬质被膜覆盖部件(部件)
2基材
3第1被膜层
4第2被膜层
5第3被膜层
6第4被膜层
7层叠膜
8扩散层
18加热器
具体实施方式
参照附图，对本发明的硬质被膜覆盖部件(部件)的实施方式进行详细说明。图1(a)～(c)是表示硬质被膜覆盖部件的结构的截面图。
如图1(a)所示，硬质被膜覆盖部件1a具备基材2、形成于基材2的表面的第1被膜层3、形成于第1被膜层3的表面的第2被膜层4。
需要说明的是，图1(a)所示为在基材2的单侧具备第1被膜层3和第2被膜层4的结构，但也可以是在基材2的两侧具备第1被膜层3和第2被膜层4的结构。
(基材)
基材2由含有Cr的铁基合金形成。作为含有Cr的铁基合金，可以列举JIS规定的SKD 61、SKD 11等模具用钢、或SKH 51等高速工具钢等。另外，作为Cr含量，优选3质量％左右以上。
本发明中，当基材2含有含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，含Cr析出碳化物是指在M7C3(M：Fe、Cr)之类的析出碳化物中Cr以碳化物的形式含有的物质。具有这种含Cr析出碳化物的基材2由于其基质与含Cr析出碳化物的机械特性(硬度、杨式模量)不同，因此在外部应力下弹塑性变形行为各异。因此，当在基材2的表面具备被膜层时，会在含Cr析出碳化物与基质的界面产生裂缝，易在被膜层引起剥离。但是，在本发明中，由于具备硬度高于基材2的具有后述组成的第1被膜层3，因此第1被膜层3具有抑制基材2变形的作用，能使外部应力对基材2的影响为最小程度。其结果是，即使基材2含有含Cr析出碳化物，也能抑制基材2本身的变形，从而能抑制变形行为不同对第1被膜层3带来的损伤。但是，当基材2本身柔软时，依然会受到外部应力的影响，因此基材2的洛氏硬度优选为HRC 50以上，进一步优选为HRC55以上。
(第1被膜层)
第1被膜层3由通式(1)：Cr1-a-bMaBb(CcN1-c)构成，M为选自W、V、Mo、Nb、Ti、Al中的1种以上的元素，a、b、c为原子比时，满足下述关系：
0≤a≤0.7
0≤b≤0.15
0≤c≤0.5
0.3≤1-a-b。
第1被膜层3的膜厚为1～10μm。
如上述通式(1)所示，第1被膜层3含有Cr、N作为必须元素，含有M、B、C作为选择元素。后述的第2被膜层4含有原子比为0.4以上的Al、原子比为0.4以上的氮化物AlN。该AlN由于对铁基合金部件的密合性优异，因此为了改善与由铁基合金形成的基材2的密合性，设置第1被膜层3作为第2被膜层4的底层。
(1-a-b)是Cr的原子比，为0.3以上。这是为了提高与由含有Cr的铁基合金形成的基材2(以下也称为含Cr铁基合金基材)的密合性。若Cr的原子比(1-a-b)不足0.3，则与含Cr铁基合金基材2的密合性不足。Cr的原子比(1-a-b)优选为0.4以上。
(a)是M的原子比，为0.7以下。M为选自W、V、Mo、Nb、Ti、Al中的1种以上，可以单独添加，也可以复合添加。通过添加M，第1被膜层3高硬度化，第2被膜层4与基材2在外部应力下的变形行为的差异得到抑制，第2被膜层4的密合性提高。若M的原子比(a)(当M为2种以上时，为各元素的原子比的总和)超过0.7，则Cr的原子比(1-a-b)变小，无法为0.3以上。
(b)是B的原子比，为0.15以下。通过添加B，使第1被膜层3高硬度化，与上述M同样，第2被膜层4的密合性提高。若B的原子比(b)超过0.15，则第1被膜层3的高硬度化不充分。B的原子比(b)优选为0.1以下。
(c)是C的原子比，为0.5以下。通过添加C，第1被膜层3高硬度化，与上述M同样，第2被膜层4的密合性提高。若C的原子比(c)超过0.5，则第1被膜层3的高硬度化不充分。C的原子比(c)优选为0.3以下。
(1-c)是N的原子比，为0.5以上。N是通过使第1被膜层3高硬度化来提高第2被膜层4的密合性所必须的元素。若N的原子比(1-a)不足0.5，则第1被膜层3的高硬度化不充分。
第1被膜层3除了具有确保第1被膜层3与含Cr铁基合金基材2之间的密合性的作用以外，由于具有第2被膜层4与含Cr铁基合金基材2的中间机械特性(硬度、杨氏模量)，因而还具有如下作用：抑制因第2被膜层4与含Cr铁基合金基材2的机械特性差异引起的在外部应力下的变形行为差异，确保第2被膜层4的密合性。为了发挥这样的作用，第1被膜层3的膜厚必须在1μm以上，进一步优选为3μm以上。但是，当第1被膜层3的膜厚超过10μm时，上述变形行为抑制效果即饱和，因此从生产效率的观点出发，第1被膜层3的膜厚为10μm以下。
(第2被膜层)
上述第2被膜层4由通式(2)：Nb1-d-e-f CrdAleLf(CgN1-g)构成，L为选自Si、Y、B中的1种以上的元素，d、e、f、g为原子比时，满足下述关系：0.05≤1-d-e-f≤0.5
0.05≤d≤0.5
0.4≤e≤0.7
0≤f≤0.15
0≤g≤0.5。
第2被膜层4的膜厚为2～10μm。
如上述通式(2)所示，第2被膜层4含有Nb、Cr、Al、N为必须元素，含有L(Si、Y、B的1种以上)、C为选择元素。另外，第2被膜层4是耐磨损性优异的被膜，具有抑制因成形加工时的发热所致的氧化磨损以及与被加工材料之间的滑动磨损的效果。
(1-d-e-f)是Nb的原子比，为0.05～0.5。Nb是用于抑制第2被膜层4的氧化磨损来提高耐磨损性所必须的元素。若Nb的原子比(1-d-e-f)超过0.5，则Al量相对减少，不能抑制氧化磨损，因此耐磨损性下降。若不足0.05，则Al量相对增加，第2被膜层4软质化而无法抑制滑动摩损，因此耐磨损性下降。优选的范围为0.1～0.3。
(d)是Cr的原子比，为0.05～0.5。第2被膜层4若只有Al，则第2被膜层4的晶体结构为软质的六方晶，因此必须添加原子比为0.05以上的Cr，使第2被膜层4高硬度化，抑制滑动磨损。但是，若过度添加Cr，则Al量相对减少，无法抑制氧化磨损，因此Cr添加量按原子比(d)计，为0.5以下。Cr的原子比(d)优选为0.1～0.3。
(e)是Al的原子比，为0.4～0.7。Al是用于赋予第2被膜层4以耐磨损性所必须的元素。若Al原子比(e)不足0.4，则无法抑制第2被膜层4的氧化磨损，耐磨损性不足。若Al量增多，则第2被膜层4软质化而无法抑制滑动膜算，耐磨损性下降，因此Al的原子比(e)为0.7以下。Al的原子比(e)优选为0.5～0.6。
(f)是L的原子比，为0.15以下。L是为了抑制第2被膜层4的氧化磨损来进一步提高耐磨损性而添加的元素。L选自Si、Y、B中的1种以上，可以单独添加，也可以复合添加。若过度添加L，则第2被膜层4的硬度会下降，因此L的原子比(f)(当L为2种以上时，为各元素的原子比的总和)为0.15以下。L的原子比(f)优选为0.1以下，更优选为0.05以下。另外，为了充分发挥上述效果，L的原子比(f)优选为0.01以上。
(g)是C的原子比，为0.5以下。通过添加C，使第2被膜层4高硬度化，抑制滑动磨损，耐磨损性提高。若C的原子比(c)超过0.5，则第2被膜层4的硬度化不充分。C的原子比(c)优选为0.3以下。
(1-g)是N的原子比，为0.5以上。N是用于使第2被膜层4高硬度化来提高耐磨损性所必须的元素。若N的原子比(1-g)不足0.5，则第2被膜层4的硬度化不充分，无法抑制滑动磨损，耐磨损性降低。
关于第2被膜层4的膜厚，具有维持第2被膜层4的耐磨损性的作用。因此，第2被膜层4的膜厚必须为2μm以上，更优选为3μm以上。但是，当第2被膜层4的膜厚超过10μm时，膜应力过大，易出现第2被膜层4的剥离，因此第2被膜层4的膜厚为10μm以下。
接着，对本发明的硬质被膜覆盖部件的优选实施方式进行说明。
上述硬质被膜覆盖部件1a优选具备以下结构的第1被膜层3、第2被膜层4。基材2同上，因此省略说明。
(第1被膜层)
第1被膜层3由CrN构成。即，上述通式(1)：Cr1-a-bMaBb(CcN1-c)中M的原子比(a)、B的原子比(b)以及C的原子比(c)为0，Cr的原子比(1-a-b)以及N的原子比(1-c)为1时的组成。如上所述，将第1被膜层3限定于CrN，确保与基材2的高密合性。第1被膜层3的膜厚与上述同样，为1～10μm。
(第2被膜层)
第2被膜层4由通式(3)：Nb1-d-e CrdAleN构成，满足下述关系：
0.1≤1-d-e≤0.3
0.1≤d≤0.3
0.5≤e≤0.6。
第2被膜层4的膜厚与上述同样，为2～10μm。
通式(3)是上述通式(2)：Nb1-d-e-f CrdAleLf(CgN1-g)中L(选自Si、Y、B中的1种以上)的原子比(f)和C的原子比(g)为0、Nb的原子比(1-d-e-f)和Cr的原子比(d)为0.1～0.3、Al的原子比(e)为0.5～0.6、N的原子比(1-g)为1时的组成。如上所述，将第2被膜层4中的Nb、Cr、Al和N的原子比限定于小范围内，不仅能高水平地抑制第2被膜层4的氧化磨损，还能高水平地抑制第2被膜层4的软质化(滑动磨损)。
具有上述组成(Nb1-d-e Crd Ale N)的第2被膜层4的结晶结构优选为仅由立方晶岩盐型结构形成的单相、或由立方晶岩盐型结构和六方晶型结构混合而成的复相。而且，六方晶成分与立方晶成分相比为软质，因此含有六方晶成分无法抑制第2被膜层4的滑动磨损，耐磨损性趋于下降。因此，在复相的情况下，优选规定结晶结构中的六方晶成分的含量。
另外，当在结晶结构中含有六方晶成分时，在用X射线衍射装置测得的衍射图案中，可在(100)面、(002)面、(101)面等观察到衍射线。当在结晶结构中含有立方晶成分时，可在(111)面、(200)面观察到衍射线。衍射线的峰强度与结晶结构中的各成分(立方晶成分或立方晶成分)的含量成比例。
因此，本发明中，在结晶结构为复相的情况下，当用X射线衍射装置测得的立方晶的(111)面以及(200)面的峰强度中较大的峰强度作为立方晶峰强度(Ic)、将六方晶的(100)面、(002)面和(101)面的峰强度中最大的峰强度作为六方晶峰强度(Ih)时，优选满足峰强度比(Ih/Ic)≤1。更优选峰强度比(Ih/Ic)≤0.5。当峰强度比(Ih/Ic)＞1时，结晶结构中的六方晶成分增多，耐磨损性下降，因而不优选。第2被膜层4由于峰强度比(Ih/Ic)≤1，因此结晶结构中的六方晶成分和立方晶成分的比例合适，得到优异的耐磨损性。
例如通过控制第2被膜层4的形成条件，能实现第2被膜层4的峰强度比(Ih/Ic)≤1。具体而言，在利用阴极放电型电弧离子蒸镀法来形成第2被膜层4时，使用图2所示的装置(成膜装置10)，将设置在装置(成膜装置10)内的基材2的偏压控制在-30～-200V。偏压更优选为-50～-100V。若偏压超过-200V，则射入第2被膜层4的成膜中的离子的能量大，基材2的温度上升明显，与成膜(堆积)相比，蚀刻优先，第2被膜层4的膜厚非常薄，因而不优选。另外，若偏压低于-30V，则结晶结构中的六方晶成分增多，不优选。
对于第2被膜层4，有时高熔点金属的难蒸发的金属Nb粒子会进入第2被膜层4中。由于金属Nb粒子为软质，因此在第2被膜层4中摄入金属Nb，导致无法抑制第2被膜层4的滑动磨损，耐磨损性趋于下降。因此，优选规定在第2被膜层4中摄入的金属Nb粒子的量。金属Nb粒子的摄入量与上述六方晶成分的含量同样，与用X射线衍射装置测得的衍射图案中可在(110)面观察得到的衍射线的峰强度成比例。
因此，上述含有立方晶岩盐结构的第2被膜层4的结晶结构优选：当用X射线衍射装置测得的立方晶的(111)面和(200)面的峰强度中较大的峰强度为立方晶峰强度(Ic)时，与金属Nb的(110)面的峰强度(In)相比，满足峰强度比(In/Ic)≤1。更优选峰强度比(In/Ic)≤0.5。若峰强度比(In/Ic)＞1，则第2被膜层4中摄入的金属Nb粒子的量增多，耐磨损性下降，因而不优选。第2被膜层4由于峰强度比(In/Ic)≤1，因此第2被膜层4中摄入的金属Nb粒子变少，表面平滑性优异，并能得到优异的耐磨损性。
例如通过控制第2被膜层4的形成条件，能实现第2被膜层4的峰强度比(In/Ic)≤1。具体而言，在利用阴极放电型电弧离子蒸镀法、使用图2所示的装置(成膜装置10)来形成第2被膜层4时，由于使用NbCrAl靶作为靶(蒸发源)12，因此根据形成条件的不同，金属Nb粒子会从靶12飞散，进入形成于基材2上的第2被膜层4中。来自靶12的金属Nb粒子的飞散会对装置(成膜装置10)内的氮压产生较大影响。
本发明中发现：通过使装置(成膜装置10)内的氮压为2Pa以上，金属Nb粒子的飞散少，金属Nb粒子在第2被膜层4中的摄入量变少，能实现第2被膜层4的峰强度(In/Ic)≤1。氮压优选为2Pa以上，更优选为4Pa以上。但是，若氮压超过10Pa，则虽然金属Nb粒子在第2被膜层4中的摄入量减少，但第2被膜层4的形成速度下降，第2被膜层4的膜厚非常薄，因而不优选。氮压更优选为8Pa以下。
上述硬质被膜覆盖部件1a优选具备以下结构的第1被膜层3、第2被膜层4。对于基材2而言，与上述相同，因此省略说明。
(第1被膜层)
第1被膜层3由CrN构成。其是上述通式(1)：Cr1-a-bMaBb(CcN1-c)中M的原子比(a)、B的原子比(b)以及C的原子比(c)为0、Cr的原子比(1-a-b)以及N的原子比(1-c)为1时的组成。这样，通过将第1被膜层3限定于CrN，确保与基材2的高密合性。第1被膜层3的膜厚与上述同样为1～10μm。
(第2被膜层)
第2被膜层4由通式(4)：Nb1-d-e-fCrd Ale SifN构成，满足下述关系：
0.1≤1-d-e-f≤0.3
0.1≤d≤0.3
0.5≤e≤0.6
0.01≤f≤0.05。
第2被膜层4的膜厚与上述同样，为2～10μm。
通式(4)是上述通式(2)：Nb1-d-e-f CrdAleLf(CgN1-g)中C的原子比(g)为0、Nb的原子比(1-d-e-f)和Cr的原子比(d)为0.1～0.3、Al的原子比(e)为0.5～0.6、L限定于Si且原子比(f)为0.01～0.05、N的原子比(1-g)为1时的组成。这样，通过将第2被膜层4中的Nb、Cr、Al、Si和N的原子比限定在小范围内，不仅能高水平地抑制第2被膜层4的氧化磨损，还能高水平地抑制第2被膜层4的软质化(滑动磨损)。
接着，对本发明的硬质被膜覆盖部件的其他实施方式进行说明。
如图1(b)所示，硬质被膜覆盖部件1b在形成于基材2的表面的第1被膜层3与第2被膜层4之间具备层叠膜7。
层叠膜7由于存在于第1被膜层3和第2被膜层4之间，因而能提高第1被膜层3与第2被膜层4之间的密合性，能抑制在外部应力下的第1被膜层3和第2被膜层4的剥离，密合性提高。
这里，基材2、第1被膜层3以及第2被膜层4与上述硬质被膜覆盖部件1a相同，因此省略说明，以下对层叠膜7进行说明。
(层叠膜)
层叠膜7是由第3被膜层5和第4被膜层6交替层叠而成的膜。第3被膜层5由与上述第1被膜层3相同的组成Cr1-a-bMaBb(CcN1-c)构成，不仅具有与第1被膜层3相同或不同的原子比，且具有比第1被膜层3更薄的膜厚。第4被膜层6由与上述第2被膜层4相同的组成Nb1-d-e-fCrdAleLf(CgN1-g)构成，具有与第2被膜层4相同或不同的原子比，且具有比第2被膜层6更薄的膜厚。
层叠膜7的层叠周期为300nm以下，更优选为100nm以下。这里，层叠周期是指各一层第3被膜层5和第4被膜层6层叠时的层叠膜7的膜厚。若层叠周期超过300nm，则得不到提高第1被膜层3与第2被膜层4之间的密合性的效果。
层叠膜7的总膜厚为0.05μm以上，更优选为0.2μm以上。当总膜厚不足0.05μm时，无法抑制在外部应力下的第1被膜层3和第2被膜层4的剥离。但是，即使总膜厚超过5μm，第1被膜层3与第2被膜层4的密合性改善效果也与5μm以下时无差别，因此考虑靠生产效率，总膜厚优选为5μm以下。
如图1(c)所示，硬质被膜覆盖部件1c在上述硬质被膜覆盖部件1a、1b(参照图1(a)、(b))的基材2与第1被膜层3之间还具备扩散层8。基材2含有含Cr析出碳化物。需要说明的是，基材2、第1被膜层3、第2被膜层4、第3被膜层5以及第4被膜层6与上述同样，因此省略说明。
(扩散层)
扩散层8通过将基材2氮化、浸碳或氮化浸碳来形成。通过形成扩散层8使基材2的基质部分固化，因此基材2的表面硬度提高。其结果是，使基材2的Cr析出碳化物与基质的机械特性的差异最小化，抑制在外部应力下基材2的变形(第1被膜层3的剥离)，提高基材2和第1被膜层3之间的密合性。另外，氮化、浸碳或氮化浸碳优选利用了等离子体的处理方法。作为该扩散层8的深度，优选为10μm以上。将硬质被膜覆盖部件1c用于施加负荷的部分时，由于外部应力的影响会波及基材2的深部，因此扩散层8的深度更优选为50μm以上，在负荷更高的情况下，必须在100μm以上。
在上述硬质被膜覆盖部件1a、1b、1c中，第1被膜层3、第2被膜层4以及层叠膜7(第3被膜层5、第4被膜层6)优选利用电弧离子蒸镀法来形成，也可以用非平衡磁控溅射蒸发法来形成。作为采用电弧离子蒸镀法的成膜装置，例如采用以下的成膜装置。图2是成膜装置的概略图。
如图2所示，成膜装置10具备：具有进行真空排气的排气口和提供成膜气体和稀有气体的供气口15的腔室11；与电弧式蒸发源12连接的电弧电源13；支撑被处理体(基材2)的基板台16上的支撑台17；在该支撑台17与上述腔室11之间通过支撑台17对被处理体施加负的偏压的偏压电源14。另外，还具有加热器18、放电用直流电源19、灯丝加热用交流电源20、灯丝21等。在实施本发明时，从供气口15向腔室11内提供的气体根据成膜成分(被膜层的组成)，使用氮(N2)、甲烷(CH4)等成膜气体、它们与氩气等稀有气体的混合气体。
接着，对本发明的成形用工具进行说明。
成形用工具未图示，具有上述硬质被膜覆盖部件1a、1b、1c。成形用工具由于具有硬质被膜覆盖部件1a、1b、1c，因此耐磨损性及密合性优异，可优选用作模具等成形用工具，它们的耐久性提高。作为模具，可以列举冲压模、锻模等塑性加工模、冲孔、切边模等剪切模或压铸型等。
[实施例]
以下说明本发明的实施例和比较例。需要说明的是，本发明不限于该实施例，也可以在符合本发明主旨的范围内加以变更后实施，它们均属于本发明的技术范围。
[例1]
采用具有多个电弧蒸发源的成膜装置(参照图2)来制作表1～3所示组成的被膜层。另外，作为基材，使用SKD11基板(进行热处理使硬度为HRC60的基板)。
将表1～3所示的基材导入成膜装置的腔室内，将腔室内抽真空(排气至1×10-3Pa以下)后，将基材加热至约400℃，然后用Ar离子来实施溅射清洗。之后，使用φ100mm的靶(蒸发源)，在电弧电流150A、总压力4Pa的N2氛围气或N2+CH4的混合气体中实施成膜。施加于基材的偏压为-70V。在该成膜之际，首先使用具有第1被膜层的组成的靶，在基材(基板)上形成第1被膜层后，转换蒸发源，利用具有第2被膜层的组成的靶，在第1被膜层上形成第2被膜层。
对如此操作而形成了被膜层的样品，测定被膜层的组成、硬度、密合性以及磨损深度(耐磨损性)。其结果示于表1～3。
此时，利用EPMA来测定被膜层的组成。关于被膜层的密合性，通过在样品表面按压顶端半径为200μmR的金刚石压件，用后述的刮痕试验来评价。关于被膜层的硬度，采用显微维氏硬度计，在测定负荷0.25N、测定时间15秒的条件下测定。关于被膜层的磨损深度，通过后述的高温下的滑动试验来评价。
使用另外在铂金上只形成了第2被膜层的样品，采用热天平来测定第2被膜层的氧化起始温度。一边在干燥空气中以4℃/分钟的速度升温，一边测定氧化重量的增加，将观察到氧化重量急剧增加时的温度定义为开始氧化温度。
(刮痕试验)
·压件：金刚石(顶端半径200μmR)
·刮速：10mm/分钟
·负荷增加速度：100N/分钟
·刮距：20mm(0～200N)
·评价基准(密合性评价基准)：100N以上为合格
(高温下的滑动试验)
·装置：旋叶片与盘型滑动试验装置
·旋叶片：SKD61(HRC50)
·盘：在SKD11(HRC60)形成了被膜的盘
·滑动速度：0.2m/秒
·负荷：500N
·滑动距离：2000m
·试验温度：500℃
·评价基准：磨损深度4μm以下为合格
Figure G2009101494366D00171
Figure G2009101494366D00181
由表1～表3的结果可知：被膜层的组成和膜厚在规定范围内的实施例(No.4～18、20～26、28、29、32～36、39～42、45～50、52～56、58～61、63、64、66～68)与被膜层的组成和膜厚在规定范围外的比较例(No.1～3、19、27、30、31、37、38、43、44、51、57、62、65、69)相比，密合性和磨损深度(耐磨损性)优异。
[例2]
采用具有多个电弧蒸发源的成膜装置(参照图2)来制作表4所示组成的被膜层。另外，作为基材，使用SKD11基板(进行热处理使硬度为HRC60的基板)。
将表4所示的基材导入成膜装置的腔室内，将腔室内抽真空(排气至1×10-3Pa以下)后，将基材加热至约400℃，然后用Ar离子来实施溅射清洗。之后，使用φ100mm的靶(蒸发源)，在电弧电流150A、总压力4Pa的N2氛围气中实施成膜。施加于基材的偏压为-70V。
在该成膜之际，首先使用具有第1被膜层的组成的靶，在基材(基板)上形成第1被膜层(膜厚5μm)后，使第1被膜层形成用蒸发源和第2被膜层形成用蒸发源同时放电，形成由第3被膜层和第4被膜层构成的层叠膜。另外，在图2所示的成膜装置中，由于2个蒸发源的位置分离，只有当基材通过一个蒸发源前才形成被膜层，因此即使同时放电也不会形成混合被膜层。在该层叠膜形成后，转换蒸发源，利用具有第2被膜层的组成的靶，在层叠膜上形成第2被膜层(5μm)。另外，用基板的旋转速度来控制层叠膜部分的层叠周期(第3被膜层和第4被膜层的各自膜厚各一半)，用成膜时间来控制层叠膜的总膜厚。其结果示于表4。第1被膜层和第3被膜层由CrN构成。第2被膜层和第4被膜层由Nb0.2Cr0.2Al0.6N构成。
对如此操作而形成了被膜层的样品，在与[例1]相同的条件下实施刮痕试验和滑动试验，测定密合性和磨损深度(耐磨损性)。其结果示于表4。此时，对于被膜层的组成、层叠膜的组成，用与[例1]相同的方法来测定。
Figure G2009101494366D00211
由表4的结果可知：层叠膜的层叠周期和总膜厚在规定范围内的实施例(No.2A～13A)与层叠周期或总膜厚在规定范围外的实施例(No.1A、14A)相比，密合性和磨损深度(耐磨损性)提高。
[例3]
采用具有多个电弧蒸发源的成膜装置(参照图2)来制作表5所示组成的被膜层。将表5所示的基材导入成膜装置的腔室内，将腔室内抽真空(排气至1×10-3Pa以下)后，将基材加热至约400℃，然后用Ar离子来实施溅射清洗。之后，使用φ100mm的靶(蒸发源)，在电弧电流150A、总压力4Pa的N2氛围气中实施成膜。施加于基材的偏压为-70V。另外，关于基材，SKD11(生)为未进行热处理的硬度为HRC30的基材，SKD11为进行热处理使硬度为HRC60的基材。
在该成膜之际，首先使用具有第1被膜层的组成的靶，在基材(基板)上形成第1被膜层后，使第1被膜层形成用蒸发源和第2被膜层形成用蒸发源同时放电，形成由第3被膜层和第4被膜层构成的层叠膜。在该层叠膜形成后，转换蒸发源，利用具有第2被膜层的组成的靶，在层叠膜上形成第2被膜层。另外，用基板的旋转速度来控制层叠膜部分的层叠周期(第3被膜层和第4被膜层的各自膜厚各一半)，用成膜时间来控制总膜厚。其结果示于表5。第1被膜层和第3被膜层由CrN构成。第2被膜层和第4被膜层由Nb0.2Cr0.2Al0.6N构成。另外，对于一些基材，在第1被膜层形成前在下述条件下实施等离子体氮化或等离子体浸碳的扩散处理，然后形成第1被膜层。另外，也有不形成第1被膜层和层叠膜而在基材上形成第2被膜层的情况。
(等离子体氮化处理)
·温度：550℃
·时间：1～12小时
·氛围气：氮+5％Ar
·压力：100Pa
·等离子体源：直流DC等离子体(1500V)
(等离子体浸碳处理)
·温度：950℃
·时间：1～12小时
·氛围气：Ar+5％甲烷
·压力：100Pa
·等离子体源：直流DC等离子体(1500V)
对如此操作形成了被膜层的样品，在与[例1]相同的条件下实施刮痕试验和滑动试验，测定密合性和磨损深度(耐磨损性)。其结果示于表5。此时，对于被膜层的组成、层叠膜的组成、基材的硬度，用与[例1]和[例2]相同的方法来测定。
Figure G2009101494366D00241
由表5的结果可知：基材的硬度在规定范围内并进行了扩散处理的实施例(No.2B、4B、6B、13B～20B)与基材的硬度在规定范围外的实施例(No.8B、12B)、未进行扩散处理的实施例(No.10B)相比，密合性和磨损深度(耐磨损性)提高。另外，未形成第1被膜层和层叠膜的比较例(No.1B、3B、5B、7B、9B、11B)的密合性和磨损深度(耐磨损性)不佳。
[例4]
采用具有多个电弧蒸发源的成膜装置(图2)来制作被膜层。另外，作为基材，使用SKD11基板(进行热处理使硬度为HRC60的基板)。
将表6所示的基板导入成膜装置的腔室内，将腔室内抽真空(排气至1×10-3Pa以下)后，将基材加热至约400℃，然后用Ar离子来实施溅射清洗。之后，使用φ100mm的靶(蒸发源)，在电弧电流150A、表6所示的偏压、氮压条件下形成各种被膜层。
在该成膜之际，首先使用具有第1被膜层的组成的靶，在基材(基板)上形成第1被膜层(膜厚5μm)后，使第1被膜层形成用蒸发源和第2被膜层形成用蒸发源同时放电，形成由第3被膜层和第4被膜层构成的层叠膜。在该层叠膜形成后，转换蒸发源，利用具有第2被膜层的组成的靶，在层叠膜上形成第2被膜层(膜厚5μm)。另外，用基板的旋转速度来控制层叠膜部分的层叠周期，用成膜时间来控制总膜厚。第1被膜层和第3被膜层由CrN构成。第2被膜层和第4被膜层由Nb0.2Cr0.2Al0.6N构成。层叠膜的层叠周期为50nm(第3被膜层、第4被膜层的各自膜厚为其一半)，总膜厚为1μm。
对如此操作而形成了被膜层的样品，与[例1]和[例2]同样操作来测定被膜层和层叠膜的组成、被膜层的密合性、硬度、氧化起始温度、磨损深度。关于被膜层的结晶结构(峰强度比)，利用以Cukα为射线源的X射线衍射装置，用θ-2θ法测定归属于六方晶、立方晶和金属Nb的衍射线的峰强度，算出峰强度比(六方晶/立方晶、金属Nb/立方晶)。其结果示于表6。
由表6的结果可知：第2被膜层的峰强度比(偏压、氮压)在规定范围内的实施例(No.4C～8C、11C～14C、16C)与峰强度比(偏压、氮压)在规定范围外的实施例(No.1C～3C、10C)相比，密合性和磨损深度(耐磨损性)提高。
另外，关于表6的比较例(No.9C、15C)，由于偏压高，与堆积相比，蚀刻优先，或者由于氮压非常高，成膜速度慢，因此即使进行相同时间的成膜，也只能行形成非常薄的被膜层(第1被膜层和第2被膜层的膜厚在规定范围外)。

Claims (12)

1.一种硬质被膜覆盖部件，其特征在于，
具备由含有Cr的铁基合金形成的基材、以1～10μm的膜厚形成于所述基材的表面的第1被膜层、以2～10μm的膜厚形成于所述第1被膜层的表面的第2被膜层，
所述第1被膜层由Cr1-a-bMaBb(CcN1-c)构成，M为选自W、V、Mo、Nb、Ti、Al中的1种的元素，a、b、c为原子比时，满足0≤a≤0.7、0≤b≤0.15、0≤c≤0.5、0.3≤1-a-b，
所述第2被膜层由Nb1-d-e-fCrdAleLf(CgN1-g)构成，L为选自Si、Y、B中的1种以上的元素，d、e、f、g为原子比时，满足0.05≤1-d-e-f≤0.5、0.05≤d≤0.5、0.4≤e≤0.7、0≤f≤0.15、0≤g≤0.5。
2.根据权利要求1所述的硬质被膜覆盖部件，其特征在于，
所述第1被膜层由Cr1-a-bMaBb(CcN1-c)中a=0、b=0、c=0时的CrN构成，
所述第2被膜层由Nb1-d-e-fCrdAleLf(CgN1-g)中f=0、g=0时的Nb1-d-eCrdAleN构成，且满足0.1≤1-d-e≤0.3、0.1≤d≤0.3、0.5≤e≤0.6。
3.根据权利要求2所述的硬质被膜覆盖部件，其特征在于，
所述第2被膜层的结晶结构为仅由立方晶岩盐型结构形成的单相、或混合有立方晶岩盐型结构和六方晶型结构的复相，
为所述复相时，当用X射线衍射装置测得的立方晶的(111)面以及(200)面的峰强度中较大的峰强度为立方晶峰强度Ic，且六方晶的(100)面、(002)面以及(101)面的峰强度中的最大峰强度为六方晶峰强度Ih时，满足峰强度比Ih/Ic≤1。
4.根据权利要求2所述的硬质被膜覆盖部件，其特征在于，所述第2被膜层的结晶结构含有立方晶岩盐型结构，当用X射线衍射装置测得的立方晶的(111)面以及(200)面的峰强度中较大的峰强度为立方晶峰强度Ic时，与金属Nb的(110)面的峰强度In相比，满足峰强度比In/Ic≤1。
5.根据权利要求2所述的硬质被膜覆盖部件，其特征在于，所述第2被膜层由采用阴极放电型电弧离子蒸镀法而形成，在形成所述第2被膜层时，设置于在所述阴极放电型电弧离子蒸镀法中所使用的装置内的所述基材的偏压为-30～-200V。
6.根据权利要求2所述的硬质被膜覆盖部件，其特征在于，所述第2被膜层采用阴极放电型电弧离子蒸镀法而形成，在形成所述第2被膜层时，在所述阴极放电型电弧离子蒸镀法中所使用的装置内的氮压为2～10Pa。
7.根据权利要求1所述的硬质被膜覆盖部件，其特征在于，
所述第1被膜层由Cr1-a-bMaBb(CcN1-c)中a=0、b=0、c=0时的CrN构成，
所述第2被膜层由Nb1-d-e-f CrdAleLf(CgN1-g)中g=0、L为Si时的Nb1-d-e-fCrdAleSifN构成，且满足0.1≤1-d-e-f≤0.3、0.1≤d≤0.3、0.5≤e≤0.6、0.01≤f≤0.05。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的硬质被膜覆盖部件，其特征在于，
在所述第1被膜层与所述第2被膜层之间，还具备由第3被膜层与第4被膜层交替层叠而成的层叠膜，
所述第3被膜层由Cr1-a-bMaBb(CcN1-c)构成，所述第3被膜层的膜厚比所述第1被膜层的膜厚薄，
所述第4被膜层由Nb1-d-e-fCrdAleLf(CgN1-g)构成，所述第4被膜层的膜厚比所述第2被膜层的膜厚薄，
所述层叠膜的层叠周期为300nm以下，所述层叠膜的总膜厚为0.05μm以上，
其中，所述层叠周期是指各一层第3被膜层和第4被膜层层叠时的层叠膜的厚度。
9.根据权利要求1所述的硬质被膜覆盖部件，其特征在于，所述基材含有含Cr析出碳化物，所述基材的洛氏硬度为HRC50以上。
10.根据权利要求9所述的硬质被膜覆盖部件，其特征在于，在所述基材与所述第1被膜层之间，还具备通过所述基材的氮化、浸碳或氮化浸碳形成的扩散层。
11.根据权利要求1所述的硬质被膜覆盖部件，其特征在于，在所述第1被膜层中，所述M=0。
12.一种成形用工具，其特征在于，具有权利要求1～11中任一项所述的硬质被膜覆盖部件。
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