JP2008174782A

JP2008174782A - 成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材および成形用冶工具

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Publication number: JP2008174782A
Application number: JP2007008323A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yamamoto; 兼司山本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-01-17
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2027-01-17
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Abstract

【課題】従来の表面被覆層を有するものよりも耐摩耗性、耐焼き付き性に優れる成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材および成形用冶工具を提供する。
【解決手段】Ｃｒを含有する鉄基合金基材表面に、Ｃｒ_1-xＭ_x（Ｂ_aＣ_bＮ_1-a-b）からなる皮膜層Ａ（膜厚１〜１０μｍ）が形成され、その上にＴｉ_1-X-YＣｒ_XＡｌ_YＬ_Z（Ｂ_BＣ_AＮ_1-A-B）からなる皮膜層Ｂ（膜厚２〜１０μｍ）が形成されていることを特徴とする成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材等。但し、０≦ｘ≦０．７、０≦ａ≦０．２、０≦ｂ≦０．５、Ｍ：Ｗ，Ｖ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ａｌの１種以上、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の１種以上である。ｘ、ａ、ｂ、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂ：いずれも原子比である。
【選択図】図１

Description

本発明は、成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材および成形用冶工具に関する技術分野に属するものであり、特には、耐摩耗性に優れる成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材および成形用冶工具に関する技術分野に属するものである。

従来より金型などの金属加工用の治工具は窒化処理により耐摩耗性および耐焼き付き性の改善がなされてきた。近年では、窒化処理に代えて、PVD 等の気相コーティングによる耐摩耗性ならびに耐焼き付き性の改善が検討されている。例えば特開2000-144376 号公報には、Cr、Al、Ti、Ｖの２種以上を含む複合窒化物の形成による摺動性の改善が開示されている。特開2002-307128 号公報、特開2002-307129 号公報には、Ti、Ｖ、Al、Cr、Siの１種以上の窒化物、炭化物、炭窒化物を形成し、あるいは更にその上にTi、Crを含み残部Moより構成される硫化物層を形成した耐摩耗性あるいは耐焼き付き性に優れる表面被覆金型が開示されている。特開2000-1768 号公報には、硬質窒化物上にMoS₂を形成した耐摩耗性ならびに耐焼き付き性に優れる表面処理材料が開示されている。
特開2000-144376 号公報特開2002-307128 号公報特開2002-307129 号公報特開2000-1768 号公報

前記特開2000-144376 号公報に開示されているCr、Al、Ti、Ｖの２種以上を含む複合窒化物は、高硬度であり、耐摩耗性には優れるが、耐焼き付き性が十分ではなく、高面圧で金属の塑性加工をする場合など、過酷な環境の使用には耐え得ない。特開2002-307128 号公報に開示のTi、Ｖ、Al、Cr、Siの１種以上の窒化物、炭化物、炭窒化物も、同様に高硬度ではあるが、耐焼き付き性に劣る。耐焼き付き性改善のために特開2002-307129 号公報や特開2000-1768 号公報に開示されるように硫化物を形成した場合、硫化物は軟質であり、使用当初は摺動性に優れるが、使用時間と共に摩滅し、長期耐久性には問題がある。また、特開2006-124818 号公報には、（Ｘ_C, Ｍ_1-C）（Ｂ_aＣ_bＮ_1-a-b）〔Ｘ：４ａ、５ａ、６ａ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの１種以上、Ｍ：Ｖ、Ｍｏ、Ｗの１種以上〕からなる摺動性に優れる皮膜が提案されているが、前記硫化物の場合と同じく、使用当初は摺動性に優れるが、長期耐久性に劣る。さらに、Ti、Ｖ、Al、Cr、Siの１種以上より選ばれる高硬度の窒化物、炭化物ならびに炭窒化物を硬度の低い鉄系基材上に直接形成した場合には、下地との弾性および塑性変形挙動の差違により、剥離が生じやすくなるという問題点もあった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、上記従来の表面被覆層を有するものよりも耐摩耗性、耐焼き付き性に優れる成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材および成形用冶工具を提供しようとするものである。

本発明者らは、上記目的を達成するため、鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。本発明によれば上記目的を達成することができる。

このようにして完成され上記目的を達成することができた本発明は、成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材および成形用冶工具に係わり、請求項１〜６記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材（第１〜６発明に係る成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材）、請求項７記載の成形用冶工具（第７発明に係る成形用冶工具）であり、それは次のような構成としたものである。

即ち、請求項１記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材は、Ｃｒを含有する鉄基合金基材表面に、下記の皮膜層Ａが膜厚１〜１０μｍで形成され、その上に下記の皮膜層Ｂが膜厚２〜１０μｍで形成されていることを特徴とする成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材である〔第１発明〕。
皮膜層Ａ：
Ｃｒ_1-xＭ_x（Ｂ_aＣ_bＮ_1-a-b）からなる皮膜層であって下記の式(1A)〜(3A)を満たす皮膜層。
０≦ｘ≦０．７ --------------------- 式(1A)
０≦ａ≦０．２ --------------------- 式(2A)
０≦ｂ≦０．５ --------------------- 式(3A)
但し、上記Ｃｒ_1-xＭ_x（Ｂ_aＣ_bＮ_1-a-b）において、ＭはＷ，Ｖ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ａｌの１種以上であり、上記式(1A)〜(3A)において、ｘはＭの原子比、ａはＢの原子比、ｂはＣの原子比を示すものである。
皮膜層Ｂ：
Ｔｉ_1-X-YＣｒ_XＡｌ_YＬ_Z（Ｂ_BＣ_AＮ_1-A-B）からなる皮膜層であって下記の式(1B)〜(6B)を満たす皮膜層。
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)
但し、上記Ｔｉ_1-X-YＣｒ_XＡｌ_YＬ_Z（Ｂ_BＣ_AＮ_1-A-B）において、ＬはＳｉ，Ｙの１種以上であり、上記式(1B)〜(6B)において、ＸはＣｒの原子比、ＹはＡｌの原子比、ＺはＬの原子比、ＡはＣの原子比、ＢはＢの原子比を示すものである。

請求項２記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材は、前記皮膜層ＡがＣｒＮからなり、前記皮膜層ＢがＴｉ_1-X-YＣｒ_XＡｌ_YＬ_ZＮからなる皮膜層であって下記の式(1C)〜(4C)を満たす皮膜層である請求項１記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材である〔第２発明〕。
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)

請求項３記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材は、前記皮膜層ＡがＣｒＮからなり、前記皮膜層ＢがＴｉ_1-X-YＣｒ_XＡｌ_YＳｉ_ZＮからなる皮膜層であって下記の式(1C)〜(4C)を満たす皮膜層である請求項２記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材である〔第３発明〕。

請求項４記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材は、前記皮膜層Ａと皮膜層Ｂとの界面に、前記皮膜層Ａと同一または異なる一般式で示される皮膜層Ｃと前記皮膜層Ｂと同一または異なる一般式で示される皮膜層Ｄとからなる積層膜が積層周期３００ｎｍ以下の範囲で、積層膜合計厚み０．１μｍ以上で形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材である〔第４発明〕。

請求項５記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材は、前記鉄基合金基材がＣｒを含有する析出炭化物を有し、ロックウエル硬度がＨＲＣ５０以上の鉄基合金基材である請求項４記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材である〔第５発明〕。

請求項６記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材は、前記鉄基合金基材の表面に窒化、浸炭あるいは窒化浸炭による拡散層が形成されている請求項５記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材である〔第６発明〕。

請求項７記載の成形用冶工具は、請求項〜６のいずれかに記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材を有してなる成形用冶工具である〔第７発明〕。

本発明に係る成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材は、従来の表面被覆層を有するものよりも耐摩耗性、耐焼き付き性に優れ、金型等の成形用冶工具の部材として好適に用いることができ、それらの耐久性の向上がはかれる。本発明に係る成形用冶工具は耐摩耗性、耐焼き付き性に優れ、金型等の成形用冶工具として好適に用いることができ、それらの耐久性の向上がはかれる。

本発明に係る成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材は、前述のように、Ｃｒを含有する鉄基合金基材表面に、下記の皮膜層Ａが膜厚１〜１０μｍで形成され、その上に下記の皮膜層Ｂが膜厚２〜１０μｍで形成されていることを特徴とする成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材である（第１発明）。

皮膜層Ａ：
Ｃｒ_1-xＭ_x（Ｂ_aＣ_bＮ_1-a-b）からなる皮膜層であって下記の式(1A)〜(3A)を満たす皮膜層。
０≦ｘ≦０．７ --------------------- 式(1A)
０≦ａ≦０．２ --------------------- 式(2A)
０≦ｂ≦０．５ --------------------- 式(3A)
但し、上記Ｃｒ_1-xＭ_x（Ｂ_aＣ_bＮ_1-a-b）において、ＭはＷ，Ｖ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ａｌの１種以上であり、上記式(1A)〜(3A)において、ｘはＭの原子比、ａはＢの原子比、ｂはＣの原子比を示すものである。

皮膜層Ｂ：
Ｔｉ_1-X-YＣｒ_XＡｌ_YＬ_Z（Ｂ_BＣ_AＮ_1-A-B）からなる皮膜層であって下記の式(1B)〜(6B)を満たす皮膜層。
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)
但し、上記Ｔｉ_1-X-YＣｒ_XＡｌ_YＬ_Z（Ｂ_BＣ_AＮ_1-A-B）において、ＬはＳｉ，Ｙの１種以上であり、上記式(1B)〜(6B)において、ＸはＣｒの原子比、ＹはＡｌの原子比、ＺはＬの原子比、ＡはＣの原子比、ＢはＢの原子比を示すものである。

上記皮膜層Ａは下地層である。この皮膜層Ａにおいて、１−ｘはＣｒの原子比であり、０．３以上としている。これは、Ｃｒを含有する鉄基合金基材（以下、Ｃｒ含有鉄基合金基材ともいう）との密着性を向上させるためである。Ｃｒ原子比（１−ｘ）が０．３未満では、Ｃｒ含有鉄基合金基材との密着性が不充分である。Ｃｒ原子比（１−ｘ）は０．４以上とすることが好ましい。Ｍ（Ｗ，Ｖ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ａｌの１種以上）の添加により、皮膜の高硬度化をはかることができる。Ｍの原子比ｘ（Ｍ：２種以上の場合は、各元素の原子比の合計）が高くなり過ぎると、Ｃｒ原子比（１−ｘ）が小さくなり、Ｃｒ原子比（１−ｘ）を０．３以上とすることができなくなるので、Ｍの原子比ｘは０．７以下とする。

Ｎは皮膜の高硬度化のために必須であり、Ｎの原子比（１−ａ−ｂ）は１以下とする。Ｂ、Ｃに関しては、その添加により皮膜の高硬度化ができることから、各々原子比で０．２以下、０．５以下で添加しても良い。この点から、Ｂの原子比ａは０．２以下、Ｃの原子比ｂは０．５以下とする。

皮膜層Ａ単独では、硬度および耐酸化性が低く、摺動時の発熱による酸化摩耗が生じることから、皮膜層Ａの上に耐摩耗層として皮膜層Ｂを形成する。この皮膜層Ｂにおいて、耐酸化性を付与するためにＡｌ量（Ａｌの原子比Ｙ）は０．４以上とする。Ａｌ量が多くなると皮膜が軟質化することから、Ａｌの原子比Ｙは０．７以下とする。つまり、Ａｌの原子比Ｙは０．４〜０．７とする。好ましくは０．５〜０．６である。Ａｌ単独では皮膜の結晶構造が軟質な六方晶になるためにＣｒを必ず添加する必要がある。ただし、Ｃｒを過度に添加するとＡｌ量が相対的に減少して耐酸化性が低下することから、Ｃｒ添加量（Ｃｒの原子比Ｘ）の上限を０．５とする。Ｃｒの原子比Ｘは０．１以上０．３以下とすることが好ましい。

Ｃｒ添加と同時にＴｉを添加することが望ましい。Ｃｒ添加と同時にＴｉを添加すると硬度と耐酸化性を兼備させることが出来るからである。Ｃｒ添加と同時にＴｉを添加する場合、Ｔｉを過度に添加するとＡｌ量が相対的に減少して耐酸化性が低下することから、Ｔｉ添加量すなわちＴｉの原子比（１−Ｘ−Ｙ）は０．５以下とする。Ｃｒ添加と同時にＴｉを添加する場合、上記の硬度と耐酸化性をより向上させる観点から、Ｃｒの原子比Ｘを０．０５以上とすると共にＴｉの原子比（１−Ｘ−Ｙ）を０．０５以上とすることが望ましく、更に、Ｃｒの原子比Ｘを０．１以上とすると共にＴｉの原子比（１−Ｘ−Ｙ）を０．１５以上とすることがより一層望ましい。

耐酸化性を更に向上させるためにＬ（Ｓｉ，Ｙの１種以上）を添加することができる。これらＳｉ，Ｙは単独であってもよいし、複合添加でもよい。Ｌを過度に添加すると硬度が低下するため、Ｌの原子比Ｚ（Ｓｉ及びＹ添加の場合は、Ｓｉ原子比とＹ原子比との合計）の上限を０．１５とする。Ｌの原子比Ｚは０．１以下とすることが好ましく、更に、０．０５以下とすることが好ましい。

Ｎは皮膜の高硬度化のために必須であり、Ｎの原子比（１−Ａ−Ｂ）は１以下とする。Ｂ、Ｃに関しては、皮膜硬度を高めるために、各々、原子比で０．２以下、０．５以下で添加しても良い。この点から、Ｂの原子比Ｂは０．２以下、Ｃの原子比Ａは０．５以下とする。

皮膜層Ａおよび皮膜層Ｂの膜厚に関しては、皮膜層ＡについてはＣｒ含有鉄基合金基材との密着性を確保する役割に加えて、上層の硬質皮膜（皮膜層Ｂ）とＣｒ含有鉄基合金基材の中間の機械的特性（硬度、ヤング率）を有し、耐摩耗層（皮膜層Ｂ）とＣｒ含有鉄基合金基材の機械的特性の差異による外部応力下での変形挙動の差異を抑制する役目があることから、皮膜層Ａの膜厚は１μｍ以上であることが必要であり、より好ましくは３μｍ以上である。耐摩耗層である皮膜層Ｂについては耐摩耗性を維持させるために膜厚は２μｍ以上とすることが必要であり、より好ましくは３μｍ以上である。ただし、上記の変形挙動抑制効果は皮膜層Ａの膜厚が１０μｍが超えると飽和することから、皮膜層Ａの膜厚は１０μｍ以下とすることが好ましい。皮膜層Ｂに関しては、その膜厚が１０μｍ超の場合、膜応力が過大となり、皮膜の剥離が生じやすくなることから、皮膜層Ｂの膜厚は１０μｍ以下とする必要がある。

本発明に係る成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材は、Ｃｒ含有鉄基合金基材表面に、上記のように組成および膜厚が規定された皮膜層Ａおよび皮膜層Ｂが形成されているので、従来の表面被覆層を有するものよりも耐摩耗性、耐焼き付き性に優れており、金型等の成形用冶工具の部材として好適に用いることができ、それらの耐久性の向上がはかれる（第１発明）。

本発明の第２発明に係る成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材は、上記本発明（第１発明）に係る成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材において、皮膜層ＡでのＢの原子比ａを０、Ｃの原子比ｂを０、Ｍの原子比ｘを０とし、Ｎの原子比（１−ａ−ｂ）を１とすると共に、皮膜層ＢでのＡｌの原子比Ｙを０．５〜０．６とし、Ｌ（Ｓｉ，Ｙの１種以上）の原子比Ｚを０．０１〜０．０５としたものである。つまり、第１発明での皮膜層ＡのＣｒ_1-xＭ_x（Ｂ_aＣ_bＮ_1-a-b）をＣｒＮに限定すると共に、皮膜層ＢでのＡｌの原子比ＹおよびＬの原子比Ｚを上記のように狭い範囲に限定したものである。このＡｌの原子比Ｙの限定により、耐酸化性の高水準化がはかれると共に皮膜の軟質化がより高水準で抑制される。このＬの原子比Ｚの限定により、耐酸化性の高水準化がはかれると共に硬度低下がより高水準で抑制される。

本発明の第３発明に係る成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材は、上記第２発明に係る成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材において、皮膜層ＢでのＬ（Ｓｉ，Ｙの１種以上）をＳｉに限定したものである。

本発明の第１〜第３発明に係る成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材において、皮膜層Ａと皮膜層Ｂとの界面に、前記皮膜層Ａと同一または異なる一般式で示される皮膜層Ｃと前記皮膜層Ｂと同一または異なる一般式で示される皮膜層Ｄとからなる積層膜が積層周期３００ｎｍ以下の範囲で、積層膜合計厚み０．１μｍ以上で形成されていると、皮膜層Ａと皮膜層Ｂとの間の密着性を高めることができ、外部応力負荷時における剥離を抑制することができる〔第４発明〕。上記積層膜の積層周期が３００ｎｍ超であると、上記密着性の向上効果が得られない。より好ましくは、上記積層膜の積層周期を１００ｎｍ以下とすることである。また、上記積層膜合計厚みが０．１μｍ未満であると、上記剥離の抑制効果が得られない。より好ましくは、上記積層膜合計厚みを０．５μｍ以上とすることである。ただし、積層部分（上記積層膜）の合計厚みが５μｍを超えた場合でも、密着性の改善効果は５μｍ以下の場合と差がないことから、効率を考えると積層部分の厚みは５μｍ以下が推奨される。上記積層膜を形成する皮膜層Ｃ、皮膜層Ｄの組成が皮膜層Ａおよび／または皮膜層Ｂの組成と同様の場合、皮膜層Ａおよび／または皮膜層Ｂとの密着性がより向上し、ひいては皮膜層Ａと皮膜層Ｂとの間の密着性がより向上する。

本発明の第４発明に係る成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材は、Ｃｒ含有鉄基合金基材がＣｒを含有する析出炭化物（以下、Ｃｒ含有析出炭化物ともいう）を有する場合に、特に有効である。ここで、Ｃｒ含有析出炭化物とは、Ｍ₇Ｃ₃（Ｍ：Ｆｅ、Ｃｒ）のような析出炭化物中にＣｒが炭化物の形で含まれるもののことである。このようなＣｒ含有析出炭化物を有するＣｒ含有鉄基合金基材としては、例えば、JIS SKD11 、SKD61 、SKH51 等がある。Ｃｒ量に関しては、特に制限はないが、５ｗｔ％以上がその目安となる。このようなＣｒ含有析出炭化物を有するＣｒ含有鉄基合金基材は、そのマトリックスとＣｒ含有析出炭化物との機械的特性（硬度、ヤング率）が異なるので、外部応力下において弾塑性変形挙動が異なり、このため、基材の上にコーティングをした場合に、析出炭化物とマトリックスの界面でクラックが生じ、コーティング層の剥離が起きやすい。ところが、本発明の第４発明に係る成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材では、外部応力の基材への影響を最小限にとどめることができるので、基材にＣｒ含有析出炭化物がある場合でも、変形挙動の差違による皮膜への損傷を抑制することができる。ただし、基材そのものが柔らかい場合、やはり外部応力の影響を受けることから、基材硬度はロックウエルＣスケールで５０以上あることが望ましく、より好ましくは５５以上である〔第５発明〕。

Ｃｒ含有鉄基合金基材の表面の硬度を高め、析出炭化物とマトリックスの機械的特性の差違を最小化するためには、窒化、浸炭あるいは浸炭窒化によってマトリックス部分を硬化してやることが有効である。つまり、Ｃｒ含有鉄基合金基材の表面に窒化、浸炭あるいは窒化浸炭による拡散層を形成することが有効である〔第６発明〕。この拡散層の深さとしては、好ましくは１０μｍ以上であるが、負荷のかかる部分に使用する場合、外部応力の影響が基材の深部に及ぶため、１００μｍ以上がより好ましい。

本発明の第１〜第６発明に係る成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材を有してなる成形用冶工具は、耐摩耗性、耐焼き付き性に優れ、金型等の成形用冶工具として好適に用いることができ、それらの耐久性の向上がはかれる〔第７発明〕。

本発明の実施例および比較例を以下説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。

〔例１〕
複数のアーク蒸発源を有する成膜装置（図１）を用いて表１〜２に示す組成の皮膜を作製した。このとき、基材としては、皮膜の組成、硬度、結晶構造の調査用の皮膜形成の場合には鏡面研磨した超硬合金基板を使用し、高温下での摺動試験用の皮膜形成の場合には SKD11基板（硬度HRC 60）を使用した。いずれの皮膜の形成の場合にも、基板を成膜装置のチャンバー内に導入し、チャンバー内を真空引き（１×10^-3Pa以下に排気）した後、基材を約４００℃まで加熱し、この後、Ａｒイオンイオンを用いてスパッタクリーニングを実施した。この後、アーク蒸発源による成膜の場合は、φ100mm のターゲットを用い、アーク電流150Aとし、全圧力４PaのN₂雰囲気あるいはN₂+CH₄の混合ガス中にて成膜を実施した。

この成膜に際しては、先ず皮膜層Ａの組成を有するターゲットを使用して基材（基板）上に皮膜層Ａを形成した後、蒸発源を切り替えて皮膜層Ｂの組成を有するターゲットにより、皮膜層Ｂを皮膜層Ａ上に形成した。

このようにして皮膜形成されたものについて、皮膜の組成、硬度および結晶構造の調査を行い、更に高温下における摺動試験を実施し、耐摩耗性ならびに摩擦係数を調査した。このとき、皮膜の組成は、ＥＰＭＡにより測定することによって調査した。皮膜の硬度については、マイクロビッカース硬度計を用いて、測定荷重０．２５Ｎ、測定時間１５秒の条件で測定することによって調査した。高温下における摺動試験は下記高温摺動試験条件で行った。

また、耐摩耗性皮膜の酸化開始温度を、別途白金上に耐摩耗性層のみ形成したサンプルを使用して、熱天秤により調査した。乾燥空気中で４℃／分の速度で昇温しながら、酸化重量増加を測定し、急激に酸化増加が観察された温度を酸化開始点と定義した。

〔高温摺動試験条件〕
・装置：ベーンオンディスク型摺動試験装置
・ベーン：SKD 61鋼（HRC 50）
・ディスク：SKD 11鋼（HRC 60）に皮膜形成したもの
・摺動速度：０．２ｍ／秒
・荷重：５００Ｎ
・摺動距離：２０００ｍ
・試験温度：５００℃

上記試験の結果を表１〜２に示す。なお、表１〜２において、組成の欄での値は原子比での値である（以下、同様）。表１〜２からわかるように、第１発明の要件を満たすもの、即ち、第１発明例（No.4〜8, 11 〜26, 28, 32〜36, 38〜41, 43〜44, 49〜52）は、第１発明の要件を満たさないもの、即ち、比較例（No.1〜3, 9〜10, 27, 30〜31, 37, 42, 45〜48, 52〜53）に比較し、摩耗量（深さ）が少なくて耐摩耗性に優れている。

〔例２〕
複数のアーク蒸発源を有する成膜装置（図１）を用いて表３に示す組成の皮膜を作製した。このとき、基材としては、皮膜の組成、硬度、結晶構造の調査用の皮膜形成の場合、鏡面研磨した超硬合金基板を使用し、皮膜の密着性の調査用の皮膜形成の場合、 SKD11基板（硬度HRC 60）を用いた。いずれの皮膜の形成の場合にも、基板を成膜装置のチャンバー内に導入し、チャンバー内を真空引き（１×10^-3Pa以下に排気）した後、基材を約４００℃まで加熱し、この後、Ａｒイオンイオンを用いてスパッタクリーニングを実施した。この後、アーク蒸発源による成膜の場合は、φ100mm のターゲットを用い、アーク電流150Aとし、全圧力４PaのN₂雰囲気あるいはN₂+CH₄の混合ガス中にて成膜を実施した。

この成膜に際しては、先ず皮膜層Ａの組成を有するターゲットを使用して基材（基板）上に皮膜層Ａ（厚み５μｍ）を形成した後、皮膜層Ａ形成用の蒸発源と皮膜層Ｂ形成用の蒸発源を同時に放電させて、皮膜層Ａと皮膜層Ｂとからなる積層膜を形成した。なお、この皮膜層Ａと皮膜層Ｂとからなる積層膜は、第４発明での皮膜層Ｃと皮膜層Ｄからなる積層膜の１例に相当する。この積層膜の形成の後、蒸発源を切り替えて皮膜層Ｂの組成を有するターゲットにより、皮膜層Ｂ（厚み５μｍ）を積層膜上に形成した。なお、積層膜部分の積層周期は基板の回転速度で制御し、層の厚みは成膜時間で制御した。皮膜層Ａは、ＣｒＮからなるものである。皮膜層Ｂは、Ｔｉ_0.2Ｃｒ_0.2Ａｌ_0.55Ｓｉ_0.05Ｎからなるものである。

このようにして皮膜形成されたものについて、皮膜の組成、硬度および結晶構造の調査を行い、更に、下記のスクラッチ試験を実施し、皮膜の密着性を調査した。このとき、皮膜の組成、硬度については、前記例１の場合と同様の方法により調査した。

〔スクラッチ試験〕
・圧子：ダイヤモンド（先端半径２００μｍＲ）
・スクラッチ速度：１０ｍｍ／分
・荷重増加速度：１００Ｎ／分
・スクラッチ距離：２０ｍｍ（０〜２００Ｎ）

上記試験の結果を表３に示す。表３からわかるように、第４発明の要件を満たすもの、即ち、第４発明例（No.2A 〜8A, 10A 〜13A ）は、その他のもの（No.1A, 9A, 14A）に比較し、皮膜の密着性に優れている。なお、No.1A, 9A, 14Aは第１発明の要件を満たしているが、第４発明の要件を満たしていないものである。

〔例３〕
複数のアーク蒸発源を有する成膜装置（図１）を用いて表４に示す組成の皮膜を作製した。このとき、基材としては、皮膜の組成、硬度、結晶構造の調査用の皮膜形成の場合、鏡面研磨した超硬合金基板を使用し、高温下での摺動試験用の皮膜形成の場合、表６に示す各種金属材料を使用した。いずれの皮膜の形成の場合にも、基板を成膜装置のチャンバー内に導入し、チャンバー内を真空引き（１×10^-3Pa以下に排気）した後、基材を約４００℃まで加熱し、この後、Ａｒイオンイオンを用いてスパッタクリーニングを実施した。この後、アーク蒸発源による成膜の場合は、φ100mm のターゲットを用い、アーク電流150Aとし、全圧力４PaのN₂雰囲気あるいはN₂+CH₄の混合ガス中にて成膜を実施した。

なお、いくつかの基材についてはプラズマ窒化またはプラズマ浸炭の拡散処理を下記の条件で実施し、この後、上記皮膜形成をした（No.9B 〜12B, No.13B 〜16B ）。

〔プラズマ窒化処理〕
・温度：５５０℃
・時間：１〜１２時間
・雰囲気：窒素―５％Ａｒ
・圧力：１００Ｐａ
・プラズマ源：直流ＤＣプラズマ（１５００Ｖ）

〔プラズマ浸炭処理〕
・温度：９５０℃
・時間：１〜１２時間
・雰囲気：Ａｒ―５％メタン
・圧力：１００Ｐａ
・プラズマ源：直流ＤＣプラズマ（１５００Ｖ）

上記のようにして皮膜形成されたものについて、皮膜の組成、硬度および結晶構造の調査を行い、更に、高温下での摺動試験を実施し、耐摩耗性を調査した。このとき、皮膜の組成、硬度については、前記例１の場合と同様の方法により調査した。高温下での摺動試験については、前記例１の場合と同様の高温摺動試験条件で行った。

上記試験の結果を表４に示す。表４からわかるように、Ｃｒ含有鉄基合金基材のロックウエル硬度がＨＲＣ１０のもの（No.4B, No.8B）に比較し、ＨＲＣ５０以上のもの（No.1B 〜3B, 5B〜7B, No.9B〜16B ）は、摩耗量が少なくて耐摩耗性に優れている。Ｃｒ含有析出炭化物を有する基材の場合において、基材のロックウエル硬度が同一のもの同士で比較するに、皮膜層Ａと皮膜層Ｂの界面に積層膜を有していないもの（No.2B, 1B, 3B ）よりも、皮膜層Ａと皮膜層Ｂの界面に積層膜を有しているもの（No.6B, 5B, 7B, No.9B〜16B ）は、摩耗量が少なくて耐摩耗性に優れている。基材がＣｒ含有析出炭化物を有する場合であっても、皮膜層Ａと皮膜層Ｂの界面に積層膜を有している場合は、摩耗量が少なくて耐摩耗性に優れていることがわかる。なお、基材のロックウエル硬度が同一のもの同士での比較に際し、No.2B の硬度はＨＲＣ５０、No.1B の硬度はＨＲＣ６０、No.3B の硬度はＨＲＣ６５であり、一方、No.6B の硬度はＨＲＣ５０、No.5B や No.9B〜16B の硬度はＨＲＣ６０、No.7B の硬度はＨＲＣ６５であるので、厳密には、No.2B とNo.6B とを比較し、No.1B とNo.5B や No.9B〜16B とを比較し、No.3B とNo.7B とを比較すればよい。

本発明に係る成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材は、従来の表面被覆層を有するものよりも耐摩耗性、耐焼き付き性に優れ、金型等の成形用冶工具の部材として好適に用いることができ、それらの耐久性の向上がはかれて有用である。

本発明の実施例に係る皮膜の形成に用いた成膜装置を示す模式図である。

Claims

Ｃｒを含有する鉄基合金基材表面に、下記の皮膜層Ａが膜厚１〜１０μｍで形成され、その上に下記の皮膜層Ｂが膜厚２〜１０μｍで形成されていることを特徴とする成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材。
皮膜層Ａ：
Ｃｒ_1-xＭ_x（Ｂ_aＣ_bＮ_1-a-b）からなる皮膜層であって下記の式(1A)〜(3A)を満たす皮膜層。
０≦ｘ≦０．７ --------------------- 式(1A)
０≦ａ≦０．２ --------------------- 式(2A)
０≦ｂ≦０．５ --------------------- 式(3A)
但し、上記Ｃｒ_1-xＭ_x（Ｂ_aＣ_bＮ_1-a-b）において、ＭはＷ，Ｖ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ａｌの１種以上であり、上記式(1A)〜(3A)において、ｘはＭの原子比、ａはＢの原子比、ｂはＣの原子比を示すものである。
皮膜層Ｂ：
Ｔｉ_1-X-YＣｒ_XＡｌ_YＬ_Z（Ｂ_BＣ_AＮ_1-A-B）からなる皮膜層であって下記の式(1B)〜(6B)を満たす皮膜層。
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)
但し、上記Ｔｉ_1-X-YＣｒ_XＡｌ_YＬ_Z（Ｂ_BＣ_AＮ_1-A-B）において、ＬはＳｉ，Ｙの１種以上であり、上記式(1B)〜(6B)において、ＸはＣｒの原子比、ＹはＡｌの原子比、ＺはＬの原子比、ＡはＣの原子比、ＢはＢの原子比を示すものである。
前記皮膜層ＡがＣｒＮからなり、前記皮膜層ＢがＴｉ_1-X-YＣｒ_XＡｌ_YＬ_ZＮからなる皮膜層であって下記の式(1C)〜(4C)を満たす皮膜層である請求項１記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材。
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)
前記皮膜層ＡがＣｒＮからなり、前記皮膜層ＢがＴｉ_1-X-YＣｒ_XＡｌ_YＳｉ_ZＮからなる皮膜層であって下記の式(1C)〜(4C)を満たす皮膜層である請求項２記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材。
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)
前記皮膜層Ａと皮膜層Ｂの界面に、前記皮膜層Ａと同一または異なる一般式で示される皮膜層Ｃと前記皮膜層Ｂと同一または異なる一般式で示される皮膜層Ｄとからなる積層膜が積層周期３００ｎｍ以下の範囲で、積層膜合計厚み０．１μｍ以上で形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材。
前記鉄基合金基材がＣｒを含有する析出炭化物を有し、ロックウエル硬度がＨＲＣ５０以上の鉄基合金基材である請求項４記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材。
前記鉄基合金基材の表面に窒化、浸炭あるいは窒化浸炭による拡散層が形成されている請求項５記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材。
請求項〜６のいずれかに記載の成形用冶工具用硬質皮膜被覆部材を有してなる成形用冶工具。