耐烧结性及耐磨耗性优良的中高温加工用被覆工具制造技术

本发明专利技术提供一种耐烧结性、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。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及在中温-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。本专利技术拟解决的课题然而，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。本专利技术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专利技术人对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，本专利技术的第1专利技术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，是硫化物的本专利技术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。在这些本专利技术的被覆层时，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Rz4～15m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。附图的简单说明附图说明图1示出作为本专利技术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示出本专利技术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是本专利技术No.32表面SEM图像，本专利技术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。本专利技术实施方案首先，本专利技术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。本专利技术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。在本专利技术中，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，通过本专利技术人的研究，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，以本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：井上谦一，
申请(专利权)人：日立金属株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]