[发明专利]耐烧结性及耐磨耗性优良的中高温加工用被覆工具

说明书

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。