專利名稱：溫熱鍛造模具及其制造方法
技術領域：
本發明涉及溫熱鍛造模具及其制造方法；尤其涉及耐磨性優異、并且抗氧化性以 及熱疲勞性(如耐熱裂紋性)優異的溫熱鍛造模具，以及其制造方法。
背景技術：
在切割工具、冷鍛模具等中，期望通過表面硬化處理(例如，氮化處理和噴丸處 理)來提高其耐磨性。隨著目前對處理精度更高的需求，人們已需要在耐磨性方面更優異 的表面硬化處理。作為其中之一，已經進行了這樣的表面硬化處理將通過PVD法獲得的高 硬度表面涂層賦予到待處理材料上。例如，專利文獻JP-A-7-20536 1描述了由PVD法形成的鋁氧化物涂層具有非常優 異的耐磨性，但是難以形成穩定的涂層。另一方面，其還描述了雖然Ti、Hf、^ 等的氮化物 可以形成穩定的涂層，但是它們的耐磨性較差，特別是在高速切割應用中的耐磨性較差。基 于此，專利文獻1公開了在待處理材料上提供多層涂層，該多層涂層是通過采用PVD法，在 0. 4nm至50nm的層壓循環條件下，在第二層(其由包含兩種特定金屬元素(包括Al和Si) 的合金的氮化物、氧化物、碳化物、碳氮化物和/或硼化物構成)上層壓第一層(其由特定 金屬元素(包括Al和Si)的氮化物、氧化物、碳化物、碳氮化物和硼化物中的至少一種化合 物組成)而獲得的。根據描述，這種多層涂層可以通過PVD法穩定地形成，其具有高硬度從 而賦予良好的耐磨性，此外，因為這種多層涂層具有優異的界面一致性，所以很少出現剝離 現象，結果能夠賦予待處理材料更優異的耐磨性。如專利文獻JP-A-7-205361中所述，通常通過采用PVD法給工具鋼提供多層涂層， 來抑制已經在表面上或多層涂層中出現的裂紋在多層界面中沿層壓方向蔓延，使得與單層 涂層相比，多層涂層可以提高耐沖擊性等。也就是說，可以抑制在用作工具時因施加沖擊而 出現的涂層斷裂或剝離，從而能夠賦予更好的耐磨性。例如，專利文獻JP-A-6-136514公開了用于工作工具的耐磨涂層，該耐磨 涂層是采用PVD法將由TiCxNh (0彡χ彡0. 6)構成的第一層和由(AlyTih) (NzC1^z) (0. 56彡y彡0. 75，0. 6彡ζ彡1)構成的第二層交替相鄰地層壓成四層或更多層而獲得的， 并且總涂層厚度為0. 6 μ m至12 μ m。據描述，可以通過這種多層涂層結構來降低或抑制在 表面附近出現的裂紋的生長，從而可以抑制涂層的斷裂或剝離，因此能夠賦予良好的耐磨 性。此外，通過離子鍍法(其是PVD法的一種)獲得的涂層是致密的、并具有高硬度， 因此據稱該涂層具有更好的耐磨性。另一方面，例如，專利文獻JP-A-10-76407描述了當涂 層具有一定程度以上的厚度時，因為其高的殘余壓應力，所以這種致密涂層對待處理材料 的粘附性降低，導致難以以平衡的方式形成具有某一實際厚度從而提高耐磨性的涂層。基 于此，專利文獻JP-A-10-76407公開了一種通過離子鍍法而提供有多層涂層的工具，其中 通過以不同的取向將由Ti的氮化物(或碳氮化物)組成的第一層和由AlTi的氮化物(或 碳氮化物)組成的第二層交替層壓、并且在第一層和第二層之間設置特定中間層來獲得該多層涂層。據描述，可以通過層壓兩種取向不同的涂層在不提高殘余壓應力的情況下形成 具有實際厚度的致密且高硬度的涂層，從而可以在不削弱對待處理材料的粘附性的情況下 得到具有高耐磨性的涂層。順便提及，在專利文獻JP-A-10-76407中，提到了在晶體生長時獲得了優先的生 長取向，這就是由離子鍍法獲得的涂層具有高的殘余壓應力的原因。也就是說，形成具有柱 狀晶體結構的涂層，并且一個柱狀晶粒形成內部缺陷非常少的單晶。這些晶體連續地形成 涂層，并且殘余壓應力隨著涂層厚度的增加而增加。另外，類似于切割工具等，在溫熱鍛造模具中也會遇到鍛造時機械磨損的問題。為 了抑制鍛造時的磨損，對于每次鍛造過程，在將潤滑劑反復施加到模具的設計表面之后使 用該模具。另一方面，由于對模具的設計表面反復地加熱(由于與待鍛造的高溫材料接觸 而加熱)和冷卻(由于施加潤滑劑而冷卻)，從而發生熱疲勞裂縫(例如，熱裂紋(heat check)或熱裂縫(heat crack))，這會引起模具大的斷裂或破裂。因此人們已經研究了對 這種溫熱鍛造模具、尤其是對該模具的設計表面進行表面硬化處理。例如，專利文獻JP-A-公開了一種溫熱鍛造模具，該溫熱鍛造模具通 過下列方法獲得在熱作模具合金鋼(例如，SKD 61)上噴灑磨料和壓縮空氣，以在熱作模 具合金鋼表面附近的表層上形成沒有層狀加工組織的納米晶體組織，之后通過等離子氮化 使氮氣在表層下擴散，并且進一步在最上表面上通過PVD法(包括離子鍍法)形成包含氮 化鉻(CrN)等的硬陶瓷層。據描述，通過賦予沒有層狀加工組織的納米晶體組織，獲得了高 硬度并提高了韌性，從而抑制了模具設計表面的磨損深度以及熱疲勞裂縫的形成。順便提 及，包含氮化鉻(CrN)的硬陶瓷層不是耐機械磨損的耐磨涂層，而是主要具有耐腐蝕性的 涂層。另外，在溫熱鍛造模具中，隨著對更高加工精度的需求，人們已經研究了將由PVD 法獲得的高硬度表面涂層提供到待處理材料上的表面硬化處理。另外，此處，人們已經要求 能夠抑制由熱疲勞裂縫引起的模具的大的斷裂或破裂，以及鍛造時的機械磨損。

發明內容
鑒于這種情況而進行本發明，本發明的一個目的是提供一種在耐久性方面優異的 溫熱鍛造模具及其制造方法，該溫熱鍛造模具可以通過抑制熱疲勞裂縫(例如，熱裂紋)和 鍛造時的機械磨損來抑制模具大的斷裂或破裂。本發明人推進了對于氮化物涂層(例如，AlCrN涂層和TiAlN涂層，與在普通的 耐磨涂層中所使用的TiN和CrN的抗氧化溫度相比，它們具有更高的抗氧化溫度(1，OOO0C 以上)，并且由于具有高硬度，因此具有優異的耐磨性)的研究。為了賦予對于熱疲勞裂縫 (例如，熱裂紋)以及鍛造時磨損的耐久性，本發明人想到可以通過形成多層涂層(其中上 述氮化物涂層彼此交替地層壓)來獲得具有更優異的耐磨性的涂層。因此發明人研究了如 何構造該多層涂層，以將該涂層適用于溫熱鍛造模具應用(與常規的工具應用相比，就使 用環境、尤其是使用溫度環境而言，該溫熱鍛造模具的應用環境更嚴酷)，從而實現本發明。本發明提供一種溫熱鍛造模具，其包括設置在所述模具的設計表面上的耐磨涂 層，其中所述耐磨涂層是采用離子鍍法將由(AlxCivx)N(其中0 < χ < 1)組成的第一層和 由(TiyAlh)N(其中0 < y < 1)組成的第二層彼此交替層壓而形成的多層涂層，彼此相鄰的所述第一層和所述第二層的厚度均為15nm或更小，并且所述多層涂層的總涂層厚度是 1 μ m 至 20 μ m0根據本發明，可以抑制熱疲勞裂縫以及鍛造時的機械磨損，并且還可以抑制模具 大的斷裂或破裂，從而能夠提供耐久性優異的溫熱鍛造模具。這里，(AlxCivx)N(其即使在 溫熱鍛造時的400°C至1，000°C的寬溫度范圍內也具有高硬度)尤其在鍛造加工時產生高 的耐磨性。此外，(AlxCivx)N和(TiyAlh)N(其即使在上述的溫度范圍內在氧化氣氛下也 是穩定的)可以降低由氧化所導致的表面不平(表面不平可以引起熱疲勞裂縫)，從而抑 制由熱疲勞裂縫引起的模具大的斷裂或破裂。換句話說，通過將這些(AlxCivx) N涂層和 (TiyAlh)N涂層組合而形成多層涂層、并且各層彼此層壓使得每個層的尺寸都不會發展為 大的裂紋(即，厚度為15nm或更小)，從而降低了具有這種尺寸的潛在裂紋的發生率，這使 得可以抑制模具大的斷裂或破裂。此外，將總涂層厚度調節至使得同時具有耐磨性和粘附 性的范圍，即，厚度為1 μ m至20 μ m。可以通過上述方法來抑制熱疲勞裂縫以及鍛造時的磨 損，并且可以抑制模具大的斷裂或破裂。從而，可以提供具有優異耐久性的溫熱鍛造模具。在上面所述的發明中，上述耐磨涂層的基層可以包含氮擴散層。根據本發明，提高 了所述耐磨涂層與所述基層之間的粘附性，并且可以降低在耐磨涂層內部生成的殘余壓應 力，從而可以抑制在鍛造時涂層發生斷裂或剝離，并且可以抑制在涂層中以及其表面上產 生裂紋。即，可以提供具有優異耐久性的溫熱鍛造模具。順便提及，當部分地形成了化合物 (其為由包含在模具材料中的元素與氮所形成的化合物)層時，優選的是，通過磨削等除去 該化合物層。本發明還提供一種制造溫熱鍛造模具的方法，其中通過離子鍍法在模具的設計表 面上設置耐磨涂層，該方法包括在真空室中形成氮的反應性氣氛的步驟，布置由AIxCivx(其中0 < X < 1)構成的第一靶材和由TiyAIh(其中 < y < D 構成的第二靶材，使得它們彼此相對，并且在各個靶材的前面分別獨立地形成第一氣氛區 和第二氣氛區的步驟，其中在所述第一氣氛區和所述第二氣氛區中，靶材的組成原子被離 子化，以及堆積步驟，使得所述模具的設計表面轉動，從而交替地通過所述第一氣氛區和所
述第二氣氛區。根據本發明，可以抑制熱疲勞裂縫以及鍛造時的磨損，并且可以抑制模具大的斷 裂或破裂。因此，可以穩定地提供具有優異耐久性的溫熱鍛造模具。此外，根據上述的本發明，該方法還可以包括氮化處理步驟，S卩，在采用離子鍍法 提供所述耐磨涂層之前向所述模具的設計表面提供氮擴散層。根據本發明，提高了耐磨涂 層和基層之間的粘附性，并且可以降低在耐磨涂層內部生成的殘余壓應力，從而可以抑制 在鍛造時涂層發生斷裂或剝離，并抑制在涂層中以及其表面上發生裂紋。從而，可以穩定地 提供具有優異耐久性的溫熱鍛造模具。附圖簡要說明

圖1是示出在本發明的證實測試中使用的試樣的立體圖。圖2是示出在根據本發明的制造方法中使用的裝置的圖。圖3是示出在本發明的證實測試中使用的裝置的視圖。
圖4是示出在本發明的證實測試中使用的試樣的側視圖。圖5是示出本發明的證實測試中的鍛造方法的視圖。圖6是示出在本發明的證實測試中使用的試樣的測量部位的視圖。圖7是示出本發明的證實測試的測試數據圖。圖8是在本發明的證實測試中的典型結構的透射電鏡圖。參考數字和符號的說明1 試樣10 轉臺11，12:靶材20 重復加熱-冷卻測試裝置(熱裂紋測試裝置)30 沖頭試樣本發明的最佳實施方式參考圖1至圖8以及表1至表3，對在與本發明實施例的溫熱鍛造模具相同的條件 下被賦予了涂層的試樣(實例1至7)中的測試、以及作為比較例的試樣(比較例1至16) 中的測試進行說明。如圖1所示，在各實施例和比較例中，試樣1由厚度為5mm的板材構成，該板材是 通過將相當于日本工業標準中所限定的SKD-61材料精煉為48 HRC而獲得的，并且該樣品 是環狀體，其中在外徑為15mm的圓盤中心設置內徑為3. 5mm的通孔la。制備多個試樣1， 并且在20體積％的NH3氣和80體積％的H2氣的混合氣氛中，在500 °C下加熱實施例7的 試樣1，并保持10小時以進行等離子氮化處理。接下來，如圖2所示，將每個試樣1置于設置在離子鍍裝置的反應室5中的轉臺10 上并將其固定。另一方面，沿著反應室的壁(未示出)布置靶材11和12以使它們隔著轉臺 10而彼此相對。順便提及，除了一些試樣外，為了形成氮化物，將氮氣引入到反應室中直至 分壓為11 至5Pa。使用由Nissin Electric株式會社制造的多弧PVD系統(M500C_600(商 品名))對各個試樣進行離子鍍。在表1中總結了靶材11和12、以及每個試樣的離子鍍的 條件。表 權利要求
1.一種溫熱鍛造模具，包含設置在所述模具的設計表面上的耐磨涂層，其中所述耐磨涂層是通過采用離子鍍法將由(AlxCivx)N(其中ο < χ < 1)構成的第一 層和由(TiyAlh)N(其中0 < y < 1)構成的第二層彼此交替層壓而形成的多層涂層，彼此 相鄰的所述第一層和所述第二層的厚度均為15nm或更小，并且所述多層涂層的總涂層厚 度為 lymg20ym。
2.根據權利要求1所述的溫熱鍛造模具，其中所述耐磨涂層的基層包含氮擴散層。
3.—種制造溫熱鍛造模具的方法，其中采用離子鍍法在所述模具的設計表面上設置耐 磨涂層，所述方法包括在真空室中形成氮的反應性氣氛的步驟；布置由AlxCivx(其中0 <x < 1)構成的第一靶材和由TiyAlh(其中0 < y < 1)構 成的第二靶材使得它們彼此相對，并且在各個靶材的前面分別獨立地形成第一氣氛區和第 二氣氛區的步驟，其中在所述第一氣氛區和所述第二氣氛區中所述靶材的組成原子被離子 化；以及堆積步驟，即，使所述模具的所述設計表面轉動，從而交替地通過所述第一氣氛區和所述第二氣氛區。
4.根據權利要求3所述的制造溫熱鍛造模具的方法，還包括氮化步驟，即，在采用所述 離子鍍法設置所述耐磨涂層之前，向所述模具的所述設計表面提供氮擴散層。
全文摘要
本發明提供一種溫熱鍛造模具，其包括設置在所述模具的設計表面上的耐磨涂層，其中所述耐磨涂層是通過采用離子鍍法將由(AlxCr1-x)N(其中0＜x＜1)構成的第一層和由(TiyAl1-y)N(其中0＜y＜1)構成的第二層彼此交替地層壓而形成的多層涂層，彼此相鄰的第一層和第二層的厚度均為15nm或更小，并且所述多層涂層的總涂層厚度為1μm至20μm。所述溫熱鍛造模具可以用下列方法制造，該方法包括在真空室中形成氮的反應性氣氛的步驟；布置由AlxCr1-x(其中0＜x＜1)構成的第一靶材和由TiyAl1-y(其中0＜y＜1)構成的第二靶材使得它們彼此相對，并且在各個靶材的前面分別獨立地形成第一氣氛區和第二氣氛區的步驟，其中在第一氣氛區和第二氣氛區中所述靶材的組成原子被離子化；以及使模具的設計表面轉動、從而交替地通過第一氣氛區和第二氣氛區的堆積步驟。
文檔編號C23C14/06GK102127733SQ20111002311
公開日2011年7月20日 申請日期2011年1月19日 優先權日2010年1月19日
發明者井上幸一郎, 北川利博, 增田哲也, 小林喜一, 清水崇行, 渡邊哲也, 石井孝也 申請人:大同特殊鋼株式會社, 日新電機株式會社