JP2010001547A - 硬質皮膜被覆部材および成形用冶工具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】硬質皮膜被覆部材は、Crを含有する鉄基合金からなる基材と、基材の表面に膜厚1〜10μmで形成された第1皮膜層と、第1皮膜層の表面に膜厚2〜10μmで形成された第2皮膜層とを備え、第1皮膜層が、Cr1−a−bMaBb(CcN1−c)からなり、MがW、V、Mo、Nb、Ti、Alから選ばれる1種以上の元素であり、a、b、cが原子比であるときに、0≦a≦0.7、0≦b≦0.15、0≦c≦0.5、0.3≦1−a−bを満足し、第2皮膜層が、Nb1−d−e−fCrdAleLf(CgN1−g)からなり、LがSi、Y、Bから選ばれる1種以上の元素であり、d、e、f、gが原子比であるときに、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を満足する。
【選択図】図1
Description
前記構成によれば、前記の硬質皮膜被覆部材を有することによって、成形用冶工具の耐摩耗性および密着性が向上する。
図1(a)に示すように、硬質皮膜被覆部材1aは、基材2と、基材2の表面に形成された第1皮膜層3と、第1皮膜層3の表面に形成された第2皮膜層4とを備える。
なお、図1(a)では、基材2の片側に第1皮膜層3および第2皮膜層4を備える構成を示したが、基材2の両側に第1皮膜層3および第2皮膜層4を備える構成であってもよい。
基材2は、Crを含有する鉄基合金からなる。Crを含有する鉄基合金としては、JIS規定のSKD61、SKD11等の金型用鋼、または、SKH51等の高速度工具用鋼等が挙げられる。なお、Cr含有量としては3mass%程度以上が好ましい。
第1皮膜層3は、一般式(1):Cr1−a−bMaBb(CcN1−c)からなり、MがW、V、Mo、Nb、Ti、Alから選ばれる1種以上の元素であり、a、b、cが原子比であるときに、
0≦a≦0.7
0≦b≦0.15
0≦c≦0.5
0.3≦1−a−b
を満足する。そして、第1皮膜層3の膜厚は1〜10μmである。
前記第2皮膜層4は、一般式(2):Nb1−d−e−fCrdAleLf(CgN1−g)からなり、LがSi、Y、Bから選ばれる1種以上の元素であり、d、e、f、gが原子比であるときに、
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
を満足する。そして、第2皮膜層4の膜厚は2〜10μmである。
前記した硬質皮膜被覆部材1aは、以下の構成の第1皮膜層3、第2皮膜層4を備えることが好ましい。基材2については同様であるので、説明を省略する。
第1皮膜層3が、CrNからなる。これは、前記一般式(1):Crl−a−bMaBb(CcN1−c)において、Mの原子比(a)、Bの原子比(b)およびCの原子比(c)を0とし、Crの原子比(1−a−b)およびNの原子比(1−c)を1としたものである。このように、第1皮膜層3をCrNに限定することで、基材2との高い密着性が確保される。また、第1皮膜層3の膜厚は前記と同様に1〜10μmである。
第2皮膜層4が、一般式(3):Nb1−d−eCrdAleNからなり、
0.1≦1−d−e≦0.3
0.1≦d≦0.3
0.5≦e≦0.6
を満足する。また、第2皮膜層4の膜厚は前記と同様に2〜10μmである。
第1皮膜層3が、CrNからなる。これは、前記一般式(1):Crl−a−bMaBb(CcN1−c)において、Mの原子比(a)、Bの原子比(b)およびCの原子比(c)を0とし、Crの原子比(1−a−b)およびNの原子比(1−c)を1としたものである。このように、第1皮膜層3をCrNに限定することで、基材2との高い密着性が確保される。また、第1皮膜層3の膜厚は前記と同様に1〜10μmである。
第2皮膜層4が、一般式(4):Nb1−d−e−fCrdAleSifNからなり、
0.1≦1−d−e−f≦0.3
0.1≦d≦0.3
0.5≦e≦0.6
0.01≦f≦0.05
を満足する。また、第2皮膜層4の膜厚は前記と同様に2〜10μmである。
図1(b)に示すように、硬質皮膜被覆部材1bは、基材2の表面に形成された第1皮膜層3と第2皮膜層4との間に積層膜7を備える。
ここで、基材2、第1皮膜層3および第2皮膜層4は、前記硬質皮膜被覆部材1aと同様であるので説明を省略し、以下では、積層膜7について説明する。
積層膜7は、第3皮膜層5と第4皮膜層6とが交互に積み重ねられて形成されたものである。そして、第3皮膜層5は、前記第1皮膜層3と同様な組成Cr1−a−bMaBb(CcN1−c)からなり、第1皮膜層3と同一または異なる原子比を有すると共に、第1皮膜層3より薄い膜厚を有するものである。また、第4皮膜層6は、前記第2皮膜層4と同様な組成Nb1−d−e−fCrdAleLf(CgN1−g)からなり、第2皮膜層4と同一または異なる原子比を有すると共に、第2皮膜層6より薄い膜厚を有するものである。
拡散層8は、基材2を窒化、浸炭または窒化浸炭することによって形成する。そして、拡散層8の形成によって基材2のマトリックス部分が硬化するため、基材2の表面硬度が高まる。その結果、基材2のCr析出炭化物とマトリックスとの機械的特性の差違が最小化し、外部応力下における基材2の変形(第1皮膜層3の剥離)が抑制され、基材2と第1皮膜層3との密着性が向上する。また、窒化、浸炭または窒化浸炭はブラズマを利用した処理方法が好ましい。この拡散層8の深さとしては、10μm以上が好ましい。また、硬質皮膜被覆部材1cを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2の深部に及ぶため、拡散層8の深さは50μm以上がより好ましく、さらに負荷の高い場合には100μm以上が必要である。
成形用冶工具は、図示しないが、前記硬質皮膜被覆部材1a、1b、1cを有するものである。成形用冶工具は、硬質皮膜被覆部材1a、1b、1cを有するため、耐摩耗性および密着性に優れ、金型等の成形用冶工具として好適に用いることができ、それらの耐久性が向上する。また、金型としては、プレス金型、鍛造型などの塑性加工型、打ち抜きパンチ、トリム等のせん断型あるいはダイカスト型などを挙げることができる。
複数のアーク蒸発源を有する成膜装置(図2参照)を用いて表1〜3に示す組成の皮膜層を作製した。なお、基材としてはSKD11基板(熱処理して硬度をHRC60としたもの)を使用した。
表1〜3に示す基材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イオンを用いてスパッタクリーニングを実施した。この後、φ100mmのターゲット(蒸発源)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。基材への印加バイアスは−70Vである。この成膜に際しては、先ず第1皮膜層の組成を有するターゲットを使用して基材(基板)上に第1皮膜層を形成した後、蒸発源を切り替えて第2皮膜層の組成を有するターゲットにより、第2皮膜層を第1皮膜層上に形成した。
このとき、皮膜層の組成は、EPMAにより測定した。皮膜層の密着性は、先端半径200μmRのダイヤモンド圧子をサンプル表面に押しつけて、後記するスクラッチ試験で評価した。皮膜層の硬度については、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秒の条件で測定した。皮膜層の摩耗深さは、後記する高温下における摺動試験で評価した。
・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)
・評価基準(密着性評価基準):100N以上を合格
・装置:ベーンオンディスク型摺動試験装置
・ベーン:SKD61(HRC50)
・ディスク:SKD11(HRC60)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℃
・評価基準:摩耗深さ4μm以下を合格
複数のアーク蒸発源を有する成膜装置(図2参照)を用いて表4に示す組成の皮膜層を作製した。なお、基材としては、SKD11基板(熱処理して硬度をHRC60としたもの)を用いた。
表4に示す基材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イオンを用いてスパッタクリーニングを実施した。この後、φ100mmのターゲット(蒸発源)を用い、アーク電流150Aとし、全圧力4PaのN2雰囲気中にて成膜を実施した。基材への印加バイアスは−70Vとした。
複数のアーク蒸発源を有する成膜装置(図2参照)を用いて表5に示す組成の皮膜層を作製した。表5に示す基材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イオンを用いてスパッタクリーニングを実施した。この後、φ100mmのターゲット(蒸発源)を用い、アーク電流150Aとし、全圧力4PaのN2雰囲気にて成膜を実施した。基材への印加バイアスは−70Vとした。なお、基材において、SKD11(生)は熱処理を行わず硬度がHRC30のもの、SKD11は熱処理を行い硬度をHRC60としたものである。
・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)
・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)
複数のアーク蒸発源を有する成膜装置(図2)を用いて皮膜層を作製した。なお、基材としては、SKD11基板(熱処理して硬度をHRC60としたもの)を使用した。
表6に示す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イオンを用いてスパッタクリーニングを実施した。この後、φ100mmのターゲット(蒸発源)を用い、アーク電流150Aとし、表6に示すバイアス電圧、窒素圧条件にて種々の皮膜層を形成した。
2 基材
3 第1皮膜層
4 第2皮膜層
5 第3皮膜層
6 第4皮膜層
7 積層膜
8 拡散層
Claims (11)
- Crを含有する鉄基合金からなる基材と、前記基材の表面に膜厚1〜10μmで形成された第1皮膜層と、前記第1皮膜層の表面に膜厚2〜10μmで形成された第2皮膜層とを備え、
前記第1皮膜層が、Cr1−a−bMaBb(CcN1−c)からなり、MがW、V、Mo、Nb、Ti、Alから選ばれる1種以上の元素であり、a、b、cが原子比であるときに、
0≦a≦0.7
0≦b≦0.15
0≦c≦0.5
0.3≦1−a−b
を満足し、
前記第2皮膜層が、Nb1−d−e−fCrdAleLf(CgN1−g)からなり、LがSi、Y、Bから選ばれる1種以上の元素であり、d、e、f、gが原子比であるときに、
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
を満足することを特徴とする硬質皮膜被覆部材。 - 前記第1皮膜層が、Cr1−a−bMaBb(CcN1−c)においてa=0、b=0、c=0としたCrNからなり、
前記第2皮膜層が、Nb1−d−e−fCrdAleLf(CgN1−g)においてf=0、g=0としたNb1−d−eCrdAleNからなり、
0.1≦1−d−e≦0.3
0.1≦d≦0.3
0.5≦e≦0.6
を満足することを特徴とする請求項1記載の硬質皮膜被覆部材。 - 前記第2皮膜層の結晶構造が、立方晶岩塩型構造のみからなる単相、または、立方晶岩塩型構造と六方晶型構造とが混合した複相であって、
前記複相の場合には、X線回析装置で測定した立方晶の(111)面および(200)面のピーク強度の大きい方のピーク強度を立方晶ピーク強度(Ic)、六方晶の(100)面、(002)面および(101)面のピーク強度のうち最も大きいピーク強度を六方晶ピーク強度(Ih)とした際に、ピーク強度比(Ih/Ic)≦1を満足することを特徴とする請求項2に記載の硬質皮膜被覆部材。 - 前記第2皮膜層の結晶構造が立方晶岩塩型構造を含み、X線回析装置で測定した立方晶の(111)面および(200)面のピーク強度の大きい方のピーク強度を立方晶ピーク強度(Ic)とした際に、金属Nbの(110)面のピーク強度(In)と比較して、ピーク強度比(In/Ic)≦1を満足することを特徴とする請求項2に記載の硬質皮膜被覆部材。
- 前記第2皮膜層が、カソード放電型アークイオンプレーティング蒸発法により形成され、前記第2皮膜層を形成する際、前記カソード放電型アークイオンプレーティング蒸発法に使用される装置内に設置された前記基板のバイアス電圧が−30〜−200Vであることを特徴とする請求項2に記載の硬質皮膜被覆部材。
- 前記第2皮膜層が、カソード放電型アークイオンプレーティング蒸発法により形成され、前記第2皮膜層を形成する際、前記カソード放電型アークイオンプレーティング蒸発法に使用される装置内の窒素圧が2〜10Paであることを特徴とする請求項2に記載の硬質皮膜被覆部材。
- 前記第1皮膜層が、Cr1−a−bMaBb(CcN1−c)においてa=0、b=0、c=0としたCrNからなり、
前記第2皮膜層が、Nb1−d−e−fCrdAleLf(CgN1−g)においてg=0、LをSiとしたNb1−d−e−fCrdAleSifNからなり、
0.1≦1−d−e−f≦0.3
0.1≦d≦0.3
0.5≦e≦0.6
0.01≦f≦0.05
を満足することを特徴とする請求項1に記載の硬質皮膜被覆部材。 - 前記第1皮膜層と前記第2皮膜層との間に、第3皮膜層と第4皮膜層とが交互に積み重ねられて形成された積層膜をさらに備え、
前記第3皮膜層が、Cr1−a−bMaBb(CcN1−c)からなり、前記第3皮膜層の膜厚が前記第1皮膜層の膜厚より薄く、
前記第4皮膜層が、Nb1−d−e−fCrdAleLf(CgN1−g)からなり、前記第4皮膜層の膜厚が前記第2皮膜層の膜厚より薄く、
前記積層膜の積層周期が300nm以下、前記積層膜の合計膜厚が0.05μm以上であることを特徴とする請求項1から請求項7のうちのいずれか一項に記載の硬質皮膜被覆部材。 - 前記基材がCr含有析出炭化物を含有し、前記基材のロックウエル硬度がHRC50以上であることを特徴とする請求項1から請求項8のうちのいずれか一項に記載の硬質皮膜被覆部材。
- 前記基材と前記第1皮膜層との間に、前記基材の窒化、浸炭または窒化浸炭によって形成された拡散層をさらに備えることを特徴とする請求項9に記載の硬質皮膜被覆部材。
- 請求項1から請求項10のうちのいずれか一項に記載の硬質皮膜被覆部材を有することを特徴とする成形用冶工具。
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