CN1384218A - 耐烧结性及耐磨耗性优良的中高温加工用被覆工具 - Google Patents

耐烧结性及耐磨耗性优良的中高温加工用被覆工具 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种耐烧结性、耐磨耗性优良的中高温加工用被覆工具。它是以高温模具钢或高速钢作为基材,至少在作业面上有被覆层的中高温加工用工具,在基材上该被覆层是选自Ti、V、Cr、Al、Si中的至少1种的金属元素作为主体的氮化物、碳化物、碳氮化物的1种或以上所构成的a层,在该a层上,有硫化物b层以原子%表示仅金属组成为,选自Ti、Cr的1种或2种其总计在50%以下(包括0%),实际上其余为Mo,层厚0.5～10μm。还有,被覆层的最外层,也可以是b层,优选是有表面粗糙度Rz:4～15μm的c层,该c层是以选自Ti、V、Cr、Al、Si、Cu中的至少1种金属元素为主体,层厚2～15μm。

Description

耐烧结性及耐磨耗性优良的 中高温加工用被覆工具
技术领域
本发明涉及在中温-高温间，在伴随着金属彼此滑动的环境中使用的锻造用金属模具等的中高温加工用被覆工具。
现有技术
此前，在中高温加工用工具中广泛使用的主要是JIS规定的SKD 61、SKT4等高温金属模具用钢，在特别要求耐久性的场合下，则使用比其高温强度好的SKD 7、SKD 8、高速工具钢或它们的改良钢。
例如，在中高温锻造用金属模具(下面称作金属模具)中，近来，为了对加工效率的提高、被加工制品的高精度设计、精密网络定形设计(near-net-shape design)，在保持金属模具韧性的同时，还要求提高金属模具作业面的耐磨耗性、耐烧磨性、耐热裂性，鉴于上述目的，采用等离子体法、盐浴法、气体法等进行氮化处理，使采用电孤放电式离子喷镀法等物理蒸镀法(下面称作PVD)保护膜结合氮化处理，是合适的。
在特开平11-92909号中提出，为了提高金属模具基料和PVD保护膜的粘合性，作为使用CrN或TiAlN等PVD被覆的前处理，采用金刚石糊等被覆基材进行表面粗糙度的调整、使用真空气体进行氮化处理，用电解法进行洗涤。另外，在特开平11-152583号中，为了提高金属模具的耐热裂性、耐氧化性、提出组合使用氮化处理和PVD的TiC、CrN、TiCrN。
本发明拟解决的课题
然而，特开平11-92909号、特开平11-152583号提案的效果，与原来的工具相比，其使用寿命提高2～3成，但仍未达到工具寿命的跳跃性改善，对加工效率的提高、被加工制品的高精度要求、精密网络定形化等要求仍不能充分满足。
特别是，被加工制品的精密网络定形化，由于制品形状复杂，在加工时，不仅被加工材料的塑性流速变快，而且，金属作业面上的负荷应力也加大，在金属模具作业面和被加工材料的界面，产生过早的烧结、磨损。这被认为是起因于锻造条件过分苛刻使润滑剂破坏的重要原因之一。
这种烧结、磨损等的发生，是由于金属模具作业面和被加工材料的界面，在过大的摩擦力作用下，产生显著的摩擦热。结果是，在金属模具材料的表面部分，在热的作用下，基料发生极端软化，保护膜容易剥离，金属模具的耐磨耗性极低。取决于制品形状，上述摩擦热在超过金属模具本身的转换点(700～900℃)时，则成为高温场合，金属模具就处于非常苛刻的环境。
另外，由于被加工制品的精密网络定形化而造成制品形状的复杂性，所以，被加工材料的塑性流动，取决于金属模具的区域而产生很大变化。即，金属模具的表面温度在不稳定的锻造初期，由于被加工材料的滑动发热，致使金属模具的表面温度也因区域的不同而变化很大。
在中高温锻造中，在每次锻造时喷雾润滑剂，然而，润滑剂具有在任意的金属模具表面温度具有最易附着的特性。即，上述金属模具的表面温度取决于区域而有很大的不同，所以，润滑剂的附着量也随着金属模具的区域有大的变化，润滑剂产生适量附着的区域和不附着的区域。当然，在润滑剂附着量低的部位，易于使加工材料发生过早的烧结、磨损等。
现在，作为中高温金属模具用而提出的PVD保护膜，主要为了改善主体中金属模具基材和保护膜的粘合性，当在上述润滑剂附着性产生偏移的环境或在摩擦热显著发生的环境中使用时，由于过早的烧结和磨损等，其效果不能充分发挥，产生剥离的问题。
本发明的目的是提供一种可以解决上述问题的，耐烧结性、耐磨耗性优良的中高温加工用被覆工具。
用于解决本课题的办法
本发明人对PVD保护膜的组成、层结构及成膜条件对中高温加工用工具中的润滑剂附着性、耐烧结性及耐磨损性的影响进行了详细探讨。
结果发现，直接在基材上，形成选自Ti、V、Cr、Al、Si中的至少1种以上的金属元素为主体的氮化物、碳化物、碳氮化物中的1种或以上的被覆层，并且，在其上形成硫化物层，从而可以得到作为中高温加工用的极好的耐烧结性及耐磨耗性。由此结果可以确认，例如在高温锻造用金属模具中，可以充分抑制锻造初期的局部烧结和锻造中期以后的被加工材料的滑动发热，从而显著提高作为高温锻造金属模具的使用寿命。
即，本发明的第1发明是提供一种耐烧结性及耐磨耗性优良的中高温加工用被覆工具，该被覆工具是以高温模具钢或高速钢作为基材，至少在作业面上有被覆层的中高温加工用工具，该被覆层是选自Ti、V、Cr、Al、Si中的至少1种的金属元素为主体的氮化物、碳化物、碳氮化物的1种或以上所构成的a层，它处于基材上，并且，在该a层上，有硫化物b层。
还有，是硫化物的本发明b层，由含有以原子％计，仅金属组成为Ti、Cr的1种或2种，总计在50％以下(包括0％)，实际上其余为Mo，层厚0.5～10μm是优选的。
在这些本发明的被覆层时，例如，其最外表层为硫化物b层时，可以具有优良的耐烧结性及耐磨耗性，所以，采用把最外表层的表面粗糙度调整到规定值的手段，可以提高润滑剂的附着性，特别是在工具表面温度不稳定的使用初期可以发挥其效果。
即，在该被覆层的最外表层，优选存在表面粗糙度Rz：4～15m的c层，该c层是选自Ti、V、Cr、Al、Si、Cu中的至少1种的金属元素作为主体，层厚2～15μm的层。
而且，优选采用物理蒸镀法把上述被覆层加以被覆，被覆基材离基材最外表面深达25μm深处的硬度，与离基材最外表面深达500μm的硬度相比，优选高200HV 0.2以上。
附图的简单说明
图1示出作为本发明中高温加工用被覆工具之一例的作业面被覆层结构的形式简图。
图2示出本发明的中高温加工用被覆工具之一例的作业面被覆层结构的形式简图。
图3是本发明No.32表面SEM图像，本发明之一例的显微镜照片。
图4是表示各表面处理的试验片的加热温度与润滑剂附着量的关系图。
图5是表示在试验片加热温度300℃，表面粗糙度Rz和润滑剂附着量的关系图。
本发明实施方案
首先，本发明的中高温加工用被覆工具，作为形成该被覆层的基材，采用高温强度优良的材料。作为该材料，例如，只要是原来适用于中高温工具的钢材即可，例如，JIS规定的高温模具钢和高速钢，而它们的改良钢也可以。关于权利要求所述的b层结构的必要条件加以详细说明。
按照TiN、CrN、TiAlN等PVD法制成的保护膜，与氮化层相比，具有显著高的硬度，所以，广泛用作于主体的切削工具。例如，氮化层的硬度，也取决于被处理材料的组成，然而，相对于1000～1100HV的氮化层，TiN为2000～2200HV，CrN为1800～2000HV，TiAlN为2400～2700HV，其硬度比氮化层约高2倍以上。
本发明人对中高温加工用金属模具的使用环境和表面处理必要的特性进行种种深入研究的结果确认，此前适用的PVD保护膜，在中高温加工用金属模具中，作为非常重要的特性的耐烧结性是不充分的。
在本发明中，作为硫化物的b层，在后述的硬质层a层上被覆是重要的。一般的硫化物，已知是作为冷加工使用的滑动部件中降低摩擦系数的固体润滑材料，然而，通过本发明人的研究，即使在高温时，它仍可以确认对耐烧结性有显著的效果。
表1给出加工成JIS规定的SKH51(硬度60HRC)、直径5mm、长度20mm的圆柱状试验片，用PVD在直径5mm的试验部分被覆各种保护膜，进行高温烧结评价试验的结果。高温烧结试验，是把试验片的一端安装在钻床的卡盘上，在以1540rpm使其旋转的同时，将作为对照材料加热至600℃的SNCM439制成的30mm×30mm、厚度20mm的块上，以规定的表面压力压紧被覆面，使最高达40秒钟摩擦滑动。此时，试验片由于摩擦发热而压曲，把对照材料的烧结面压作为烧结界限面压进行评价。
                          表1
    保护膜结构 烧结的界限面压MPa(最大200PMa)
    TiN单层 90
    CrN单层 95
    TiAlN单层 90
    基体侧TiN+最外表层MoS2 170
    基体侧CrN+最外表层MoS2 180
    基体侧TiAlN+最外表层MoS2 165
由表1可见，与用电孤放电式离子喷镀法成膜的TiN、CrN、TiAlN等PVD保护膜相比，代表性硫化物MoS2，用溅射法在TiN、CrN、TiAlN上形成的保护膜，具有显著高的烧结界限面压。因此，原来，在冷加工时对滑动摩擦确认有效的硫化物，在高温加工时也确认有充分的效果。从这个理由考虑，在本发明中把硫化物的b层被覆在硬质层的a层上是必要的。
另外，作为硫化物的本发明b层，以原子％表示的仅金属组成为Ti、Cr的1种或2种总计为50％以下(包括0％)，实际上优选的其余部分为Mo。详细地说，优选是作为金属元素的Mo是作为主体(实际上包括100原子％)为二硫化物。Ti、Cr含在Mo的硫化物中，所以，对硫化物硬度提高是有效的。然而，以原子％表示的仅金属组成当Ti、Cr含量总计超过50％时，Mo硫化物的耐烧结性的提高效果下降。因此，作为硫化物的本发明b层，以原子％表示时，仅金属组成Ti、Cr中的1种或2种总计在50％以下(包括0％)，实际上优选的其余部分为Mo。
而且，优选的是b层层厚在0.5～10μm。当层厚小于0.5μm时，高温的耐烧结性的提高效果得不到，反之，当成膜大于10μm时，导致发生早期剥离的可能性增高。因此，本发明的b层，优选的层厚为0.5～10μm。更优选的层厚是1～5μm。
本发明的b层，只适用于主体的耐烧结特性的提高，作为中高温加工用金属模具的耐磨耗性不充分。因此，选自Ti、V、Cr、Al、Si中的至少1种的金属元素作为主体的氮化物、碳化物、硫氮化物的1种或以上所构成的硬质层a层，它处在b层下，在基材上成膜是必要的。
本发明的a层，可以举出，例如在氮化物中，在采用TiN、CrN、VN、CrN等金属元素中的1种的场合，以及采用TiVN、TiAlN、TiSiN、CrSiN、CrAlN、TiAlSiN等金属元素的2种以上的场合。金属模具的形状是极复杂的，在凸部中易于集中非常大的应力的场合，在上述氮化物中，残留应力较小，粘合性优良，TiN、CrN、VN、TiVN等保护膜的应用是优选的，在锻造温度高、对保护膜要求耐氧化性的场合，优选使用TiAlN、TiSiN、CrAlN、CrSiN等含Al、Si的保护膜。
作为实例举出的所述氮化物，有关碳化物、碳氮化物也有同样的效果，另外，选自Ti、V、Cr、Al、Si作为主体(以原子％计的仅金属元素实际上含100％)，根据需要，可以添加微量的IVa、Va、VIa属的金属元素及B等，用以原子％表示的仅金属元素在30％以下，最好在10％以下。另外，选择2种以上不同组成的氮化物、碳化物、碳氮化物，也可以用作多层膜。
作为这些硫化物的b层，是作为在硬质a层上形成的本发明被覆层的一个实施例，例如，如把该b层作为工具的最外层，可以达到优良的耐烧结性以及耐磨耗性。通过采用把最外表面层的表面粗糙度调至规定值的手段，可以提高润滑剂的附着性，特别是在工具的表面温度不稳定的使用初期可以发挥效果。
即，本发明的中高温加工用被覆工具，优选在该被覆层的最外表面层被覆表面粗糙度Rz：4～15μm的c层。如上所述，在中高温加工用金属模具内，润滑剂的附着性也是重要的特性之一。原来的PVD保护膜，与氮化层相比，可以确认其特性已极恶化。
图4示出，把预先进行过表面处理的试验片在100～350℃的任意温度加热，以调整至10％深度的白色润滑剂(大同化学株式会社制造，商品名ホツトアクアルブ#300TK)水溶液，在距离470mm、喷雾量2.0ml/s条件下喷雾2秒时附着在试片表面的润滑剂单位面积的重量。此时，当试验片不进行表面处理时，可以采用盐浴氮化材料以及用PVD法(电孤放电式离子喷镀法)被覆CrN的材料。
根据这个结果可知，盐浴氮化材料比无处理材料的润滑剂的附着量要多，特别是难以附着本润滑剂的试验片，在加热温度250～350℃时，该倾向更加显著。此时，CrN被覆材料的润滑剂附着性与无处理材料同等，或比它低的效果，显然，PVD保护膜的润滑剂附着性，与其他的表面处理相比要差。这样的PVD保护膜的润滑剂附着性差，从这一点可以推测，在实际的中高温加工用金属模具中，特别是表面温度因金属模具的区域不同而表面温度不同的复杂形状的情况下，由于显著表现，产生局部的润滑剂难以附着的部位，诱发烧结及磨损。
对上述试验后的试片，从进行润滑剂附着状况的详细观察结果可以确认，润滑剂在试片表面形成微小的凹凸并加以凝固的状态，该凝固单位愈细，润滑剂的附着量愈增加。
控制PVD法的成膜条件，制作被覆层表面粗糙度种种不同的试片，用同样的试验方法，调查表面粗糙度和润滑剂附着量的关系。此时，试片加热温度设定在难以附着润滑剂的300℃。
另外，在用PVD法被覆时，采用纯Cr制成的靶子，在被覆材料温度50℃，在氩气氛中，选择3～25Pa压力进行成膜。表面粗糙度，是通过成膜中的压力加以控制。在成膜初期的5分钟内，把偏电压设定在-100V，在其后的30分钟设定在0V。试片被覆面的面粗糙度，在长5mm的区域内，用オリンパス光学株式会社制造的扫描型激光显微镜OLS 1000进行测定。
从图5中示出的结果可知，润滑剂的附着量，在面粗糙度Rz(JIS-B-0601：十点平均粗糙度)增大到4μm附近时，可以改善与图4所示的盐浴氮化材料相等或更高。另外，当面粗糙度Rz达到16μm以上时，PVD保护膜在成膜后的时间产生剥离，难以适用于实际模具。
本发明的c层，在金属模具表面温度不稳定作业时，对润滑剂的附着量的提高起主要的作用，在金属模具形状极端复杂的场合等，在润滑剂的附着性极不均匀时，优选采用。为了发挥该效果，表面粗糙度必须大于4μm，然而，当大于15μm时，保护膜的粘合性剧烈下降。因此，本发明的c层，表面粗糙度Rz为4～15μm。
本发明的c层，对其组成和结构不作特别设定，但以选自Ti、V、Cr、Al、Si、Cu中的至少一种或的金属元素作为主体，其理由如下。
关于上述组成中的Ti、V、Cr、Al、Si，在本发明的中高温加工用被覆工具中，必须按下述被覆，和选自Ti、V、Cr、Al、Si中的1种或2种或以上的金属元素作为主体的氮化物、碳化物、碳氮化物中的1种或以上所构成的a层进行成膜有关。例如，在适用PVD法中的溅射法、电孤放电式离子喷镀法的场合，构成a层和c层的金属元素不同，意指必要准备同样种类的不同金属靶子。这将导致由于昂贵的靶子种类增加，结果使成膜的成本增加，是不希望的。
因此，在c层的优选构成元素中举出Cu的理由是，由于采用导热率高的Cu，润滑剂的干燥时间短，润滑剂的附着量显著增加。这是与Ti、V、Cr、Al、Si等其他金属相比，其效果极大，在润滑剂极难附着的环境下是有效的。由于上述理由，本发明的c层优选是以Ti、V、Cr、Al、Si、Cu中的1种或2种或以上的金属元素为主体。
还有，关于该主体的元素，例如，选自上述元素的总计为50(原子％)以上，特别是考虑到有优选效果的Cu的选择，总计70(原子％)以上，而且也可以达到90(原子％)(实际上包括100(原子％))，因此，为了降低该膜的成本，要与a层结合起来决定，对此已在上述。
另外，本发明的c层，其层厚优选为2～15μm。当层厚小于2μm时，在加工时负荷极高时，发生早期消失，而无效果。反之，当成膜大于15μm时，根据成膜条件，有时发生早期剥离。因此，本发明c层的层厚优选为2～15μm。
本发明的c层，通过使其表面粗糙度适度粗化，使润滑剂的附着性提高，特别是作为提高锻造初期必要的润滑剂附着性的层，可起到防止烧结的作用。然而，即使在锻造中期的由于磨耗而消失的时间，通过c层直接下面被覆的硫化物b层和连着的作为硬化层的a层，可以达到优良的耐烧结性和耐磨损性。
上述本发明的中高温加工用被覆工具，以高温模具钢或高速钢作为基材，是至少在作业面上具有上述构成的被覆层的中高温加工用工具，为了得到该效果，作为最优选的一个具体实例，在基材上形成本发明的a层，在该a层上形成，例如作为最外表层的本发明b层。
另外，a层在基材的上面，而在该a层上有作为硫化物的b层的本发明被覆层的构成，如果在其上部再形成一层，除具有优良的耐烧结性及耐磨耗性以外，而与其相符合的效果得不到。作为其一个例子，作为润滑剂附着困难而附近位置易于作业的优选具体实例，在基材上形成本发明的a层，在该a层上形成本发明的b层，而在该b层上，形成作为最外表层的表面粗糙度为Rz：4～15μm的本发明c层。
本发明的中高温加工用被覆工具，对其被覆方法未作特别限定，当考虑被覆基材的热影响、工具的疲劳强度、保护膜的粘合性等时，作为被覆基材的高温模具钢或高速钢，可在回火温度下成膜，压缩应力残留在电孤放电式离子喷镀法或溅射法的保护膜中被覆基材一侧施加偏电压进行物理蒸镀法是优选的。
而且，本发明的被覆基材，在目的是更高地提高耐磨耗性时，离基体最表面深度25μm处的硬度，与离基体最表面深度500μm处的硬度相比，为200HV 0.2以上(JIS-Z-2244)，即，作为其具体例子，优选是预先利用氮化处理、渗碳处理等扩散的表面硬化处理。此时，氮化处理形成于称作白层的氮化物层，以及以渗碳形成的碳化物层所构成的化合物层，由于其是使a层粘合性下降的原因，所以，优选通过控制处理条件使其不形成，或通过研磨将其除去。
图1及图2是作为含有上述本发明的中高温加工用被覆工具，构成其作业面被覆层的形式简图。图1是在进行表面硬化处理的被覆基材上形成作为本发明硬质层的a层，在其上形成作为本发明硫化物的b层的形态，而图2是在图1的b层上再形成作为本发明粗化层c层的形式。
实施例
下面按照实施例详细说明本发明，然而，本发明又不受下列实施例的限制，在不脱离本发明原则的范围内可任意加以变更，它们的任何一点都包括在本发明的技术范围内。
实施例1
准备JIS规定的SKD 61，用1030℃进行油淬火后，于550～630℃进行回火，调质成47 HRC。然后，加工成高温烧结性评价用的直径5mm、长20mm的圆柱状试片。
其次，在流量比5％N2(其余为H2)气氛中，于550℃、保持10小时的条件下，进行离子氮化处理。得到的试片，通过研磨其各个试面而加工成镜面。还有，已确认加工后离表面深达25μm处的硬度，比全部试片深达500μm处的硬度高200HV 0.2以上。然后，对加工后的基材表面，依下列所示条件用PVD法进行被覆。
基材上面的a层，用小型电孤放电式离子喷镀装置，在压力0.5Pa的Ar气氛中，往被覆基材施加-400V的偏电压，用60分的热灯丝进行等离子体清洗后，采用作为金属成分蒸发源的各种金属制成的靶子以及作为反应气体的N2气，在被覆基材温度500℃、反应气压力3.0Pa、-70V的偏电压下成膜，层厚5μm。
另外，关于b层的被覆，在小型的溅射装置上，以硫化物靶子作为保护膜源，于被覆材料温度300℃、Ar气氛0.8Pa压力下，对靶子施加4KW的电力，对被覆材料施加偏电压-100V，进行成膜，其层厚4μm。
另外，作为原来的实例，是在上述离子氮化处理后，在与上述a层被覆相同的条件下成膜TiN、CrN、(Ti0.45Al0.55)N。
高温烧结试验，系把上述圆柱状试片的一端安装在钻床的卡头上，一边使其以1540rpm旋转一边把对照材料加热至600℃，在JIS SNCM 439制成的30mm×30mm、厚度20mm的块上，以规定的面压压紧，使最高达到40秒的摩擦滑动。此时，供试部件由于摩擦发热而弯曲，以对照材料的烧结面压作为烧结界限面压进行评价。各试片的被覆层详细资料和高温烧结试验结果示于表2。
表2
    No.         a层              b层   烧结的界限面压MPa(最大200MPa)
  本发明例     1    (Ti0.45Al0.55)N        (Mo0.80Cr0.20)S2       200以上
    2          CrN              MoS2       200以上
    3          TiN     (Mo0.60Ti0.25Cr0.15)S2         170
    4    (Ti0.85Si0.15)N        (Mo0.80Ti0.20)S2       200以上
    5    (Cr0.97Si0.03)N              MoS2       200以上
    6    (Ti0.45Al0.55)N        (Mo0.80Ti0.20)S2       200以上
    7          TiN              MoS2       200以上
    8          CrN        (Mo0.80Cr0.20)S2       200以上
    9    (Ti0.45Al0.55)N              MoS2       200以上
    10    (Cr0.97Si0.03)N        (Mo0.80Ti0.20)S2       200以上
    11          TiN        (Mo0.80Ti0.20)S2       200以上
    12          CrN        (Mo0.80Ti0.20)S2       200以上
    13    (Ti0.50V0.50)N              MoS2       200以上
    14    (Ti0.50V0.50)N     (Mo0.60Ti0.25Cr0.15)S2         170
    15    (Ti0.85Si0.15)N              MoS2       200以上
  原来例     21          TiN               -         95
    22          CrN               -         100
    23    (Ti0.45Al0.55)N               -         95
如表2所示，本发明例由于被覆层的构成满足本发明的规定范围，所以，在高温烧结试验中，烧结界面的面压，任何一种都显著优异。另一方面，不被覆本发明b层的原来实例，烧结界限荷重极低。由上述可见，为了提高高温下的耐烧结性能，必须满足本发明的要求。
实施例2
制作与表2中的No.2、No.7、No.12、No.13、原来例No.21、No.22同样的表面被覆构成的齿轮成型用高温锻造用模具，用实际金属模具的寿命进行评价。
把表3所示化学成分的JIS SKD 61的改良材料粗加工成近似金属模具的形状，进行1030℃的油淬火，通过550～630℃的回火，调质成50HRC。然后，进行精加工，每个在和实施例1同样的条件下一边进行氮化处理一边用PVD法成膜。还有，从氮化·精加工后的表面深达25μm处的硬度，比该深达500μm处的硬度高200HV 0.2以上，可以确认已被硬化。
表3
                          化学组成/质量％
    C    Si    Mn    Cr    Mo     V    Fe
金属模具基体   0.34   0.30   0.60   5.20   2.60   0.70   其余
用上述方法制成的金属模具，其尺寸为直径176mm、高84mm，在其一个端面，施以齿轮成型用的刻模。然后，用1000t的锻造压力机，把加热至1200℃的JIS SCM 420工件加以高温锻造成型。各金属模具的使用寿命示于表4。
表4
    No.   工具寿命/个    寿命原因
   本发明例      2     23,900      磨耗
     7     22,600
    12     24,300
    13     22,800
   原来例     21      6,500
    22      7,300
金属模具，通过任何磨耗均将损伤使用寿命，然而，本发明例与原来例相比，任何一种金属模具的使用寿命均提高3倍以上。即，在本发明运用的高温锻造用金属模具的场合，由于耐烧结性、耐磨损性提高，从而可以抑制摩擦发热引起的型材的软化，结果是由于改善了耐磨耗性，金属模具的使用寿命飞跃性增加。
实施例3
下面对本发明c层的效果进行评价。
与实施例1同样，准备JIS规定的SKD 61。于1030℃进行油淬火后，于550～630℃进行回火，调质成47HRC。然后，加工成高温烧结性评价用的直径5mm、长20mm的圆柱状试片以及润滑剂附着性评价用的厚度3mm、一边30mm的板状试片。
其次，在与实施例1及2相同的条件下，进行离子氮化处理、表面研磨，而且，用PVD法被覆a层(但，成膜时的偏电压为-50V)、b层后，被覆形成最外表层的c层，用小型电弧放电式离子喷镀装置，在蒸发源中使用纯Cu靶或a层成膜时使用的靶，在被覆材料温度500℃时，在成膜初期的5分钟，偏压为-100V，在后30分钟，偏压为0V，进行成膜，使保护膜的层厚达到5μm。此时，在使用纯Cu靶的场合，使用N2气氛，而在靶用于a层成膜时，在Ar气氛中进行成膜，在本发明例No.47、No.48、No.49被覆时，使用3Pa压力，而在其他的c层被覆时使用13Pa的压力。
另外，作为原来例，在上述离子氮化处理后把TiN、CrN、(Ti0.50Al0.50)N以与上述a层被覆同样的条件下进行成膜。
所得到的试片，用オリンパス光学株式会社制造的扫描型激光显微镜OLS 1000，测定板状试片试面长3mm区域的面粗糙度。然后，实施润滑剂附着性评价以及高温烧结试验。润滑剂附着性评价是把试片加热至300℃，用浓度调至10％的白色润滑剂(大同化学株式会社制造的ホツトアクアルブ#300TK)水溶液，距离470mm，以喷雾量2.0ml/s喷雾2秒时，用试片表面附着的润滑剂的单位面积重量进行评价。高温烧结试验，用与上述实施例1同样的方法进行评价。
各试片被覆层的详细情况和润滑剂附着性评价以及高温烧结试验结果示于表5。还有，在不同于本发明被覆层构成的原来例中，对其成膜的a、b、c层难以进行定义，然而，为易于与本发明进行比较，也方便地示于表5中。
表5
  No.         a层              b层   c层  表面粗糙度Rzμm  润滑剂附着量×10-3mg/mm2  烧结的界限面压MPa(最大200MPa)
本发明例   31   (Ti0.50Al0.50)N       (Mo0.75Cr0.25)S2   Cu     8.1     3.85    200以上
  32         CrN             MoS2   Cu     8.3     3.88    200以上
  33         TiN    (Mo0.60Ti0.30Cr0.10)S2   Ti     6.5     3.05      185
  34   (Ti0.75Si0.25)N       (Mo0.70Ti0.30)S2   Cu     8.0     3.79    200以上
  35   (Cr0.95Si0.05)N             MoS2   Cu     8.4     3.86    200以上
  36   (Ti0.50Al0.50)N       (Mo0.70Ti0.30)S2   TiAl     7.8     3.43    200以上
  37         TiN             MoS2   Cu     8.3     3.82    200以上
  38         CrN       (Mo0.75Cr0.25)S2   Cr     7.8     3.21    200以上
  39   (Ti0.50Al0.50)N             MoS2   Cu     8.2     3.75    200以上
  40   (Cr0.95Si0.05)N       (Mo0.70Ti0.30)S2   Cu     8.1     3.68    200以上
  41         TiN       (Mo0.70Ti0.30)S2   Cu     8.3     3.81    200以上
  42         CrN       (Mo0.70Ti0.30)S2   Cr     7.7     3.15    200以上
  43   (Ti0.50V0.50)N             MoS2   Cu     8.0     3.76    200以上
  44         CrN       (Mo0.70Ti0.30)S2   Cu     8.2     3.85    200以上
  45   (Ti0.50V0.50)N    (Mo0.60Ti0.30Cr0.10)S2   TiV     6.8     3.01      190
  46   (Ti0.75Si0.25)N             MoS2   Cu     8.3     3.77    200以上
  47   (Ti0.50Al0.50)N             MoS2   Cu     2.1     1.14    200以上
  48         CrN             MoS2   Cu     2.3     1.05    200以上
  49         CrN       (Mo0.70Ti0.30)S2   Cr     2.2     0.69    200以上
  50   (Ti0.50Al0.50)N             MoS2   -     2.4     0.66    200以上
  51         CrN             MoS2   -     2.3     0.53    200以上
比较例   61         CrN              -   Cu     8.2     3.84      110
原来例   71         TiN              -   -     2.4     0.32      90
  72         CrN              -   -     2.4     0.47      100
  73   (Ti0.50Al0.50)N              -   -     2.6     0.35      100
如表5所示，被覆层的构成满足本发明要求的本发明例，在高温烧结试验中，烧结的界限面压高，耐烧结性优良。然而，本发明例中，表面粗糙度满足本发明的优选的规定范围，在高温烧结试验中，不仅烧结界限面压，而且润滑剂的附着性也显著优良。
另一方面，比较例No.61，由于c层的表面粗糙度包括在本发明优选的条件中，所以，润滑剂的附着性优良，但由于不存在b层(硫化物层)，烧结界限荷重极低。原来例的润滑剂附着性及烧结界限面压均比本发明例差很多。
还有，图3是在c层被覆后，本发明例No.32的表面SEM图像，可以确认由粒径约1μm的瘤状粒子覆盖表面。
实施例4
制作与表5中的本发明例No.31、No.32、No.41、No.44、原来例No.72、No.73相同的表面被覆层构成的杯状成型用高温锻造冲头，用实际的金属模具中的寿命进行评价。
首先，把表6中所示化学成分的高速钢基的韧性改良材料粗加工成近似金属模具的形状，于1080℃进行油淬火，通过600℃进行回火，调质成55HRC。然后，进行精加工，各个以在实施例3同样的条件下，采用氮化处理及PVD法进行成膜。还有，从氮化加工后的表面深达25μm深处的硬度，比其500μm深处的硬度高200HV 0.2以上。
表6
                                  化学组成/质量％
   C    Si    Mn    Cr     W    Mo    V    Co   Fe
冲头基体  0.50   0.15   0.45   4.20   1.50   2.00   1.20   0.75  其余
上面制成的金属模具，其尺寸为直径110mm、高300mm，对其顶端加工成杯成型用冲头。然后，用1600t的锻造压力机，把加热至750℃的JIS S45C工件进行高温锻造成型。各冲头的寿命示于表7。
表7
    No.   工具寿命/个     寿命原因
   本发明例     31     15,900     磨耗
    32     16,600
    41     16,300
    44     17,800
   原来例     72     5,100     局部被挖
    73     3,500
适于本发明的冲头，与原来例使用的冲头相比，工具寿命提高了三倍。另外，本发明适用的冲头，任何一种均因磨耗损伤寿命，而原来例适用的冲头，早期在冲头顶端曲面部分发生磨损后，使局部像被挖那样损伤寿命。如上所述，通过采用本发明的中温锻造用冲头，使冲击的寿命飞跃性提高。
还有，在实施例中，a层为氮化物的所示实例，而当a层为碳化物或碳氮化物时，即使其构成再含有这些物质，也可以得到同样的效果。
发明的效果
如上所述，通过采用本发明规定的表面被覆层结构，可以显著提高耐烧结性和耐磨损性。结果是，作为中高温加工用工具，由于耐磨耗性得到改善，工具寿命可得到飞跃性上升。

Claims (7)

1.一种耐烧结性及耐磨耗性均优良的中高温加工用被覆工具，其是以高温模具钢或高速钢作为基材，至少在作业面上有被覆层的中高温加工用工具，该被覆层是选自Ti、V、Cr、Al、Si中的至少1种的金属元素作为主体的氮化物、碳化物、碳氮化物的1种或以上所构成的a层，在基材上，并且在该a层上有硫化物的b层。
2.权利要求1所述的具有优良的耐烧结性及耐磨耗性的中高温加工用被覆工具，其特征是，硫化物的该b层，以原子％表示仅金属组成，为选自Ti、Cr的1种或2种，其总计在50％以下(包括0％)，实际上其余部分为Mo，层厚0.5～10μm。
3.权利要求1或2所述的耐烧结性及耐磨耗性优良的中高温加工用被覆工具，其特征是，该被覆层的最外表层是硫化物b层。
4.权利要求1或2所述的耐烧结性及耐磨耗性优良的中高温加工用被覆工具，其特征是，该被覆层的最外表层是表面粗糙度为Rz：4～15μm的c层。
5.权利要求4所述的耐烧结性及耐磨耗性优良的中高温加工用被覆工具，其特征是，该c层是以选自Ti、V、Cr、Al、Si、Cu的至少1种金属元素作为主体，层厚2～15μm。
6.权利要求1～5的任何一项所述的耐烧结性及耐磨耗性优良的中高温加工用被覆工具，其特征是，被覆层是用物理蒸镀法被覆的。
7.权利要求1～6的任何一项所述的耐烧结性及耐磨耗性优良的中高温加工用被覆工具，其特征是，离被覆基材的最外表面深达25μm处的硬度，与离基体最外表面深达500μm处的硬度相比，高200HV 0.2以上。
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