專(zhuān)利名稱(chēng)：：具有優(yōu)異耐久性的硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種具有優(yōu)異耐久性的硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件，該構(gòu)件最適于作為例如(l)塑性加工用模具，所述塑性加工用模具用于鍛造、壓制等，并且需要具有耐磨性，和(2)鑄造構(gòu)件，所述鑄造構(gòu)件用于與熔融金屬接觸，例如用于壓鑄或鑄造的模具、芯桿、在壓鑄用注入機(jī)中使用的活塞環(huán)等。
背景技術(shù)：
：通過(guò)使用金屬或鋼，例如冷模具鋼、熱模具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金等，作為基底材料所獲得的模具已經(jīng)被用于塑性加工例如鍛造或壓制。以上加工方法可分類(lèi)為冷加工，其中是在室溫附近進(jìn)行加工的；以及溫或熱加工(以下也稱(chēng)為溫-熱加工)，其中在40(TC或更高的溫度加熱被加工的材料。使用于這些加工方法的任一種中的模具需要在它的工作平面上具有耐磨性。近年來(lái)，隨著被加工的材料強(qiáng)度的增加、產(chǎn)品精密度的增加以及成形周期速度的增加，已經(jīng)增加了模具表面上的負(fù)荷。因此，具有通過(guò)化學(xué)氣相沉積(以下也稱(chēng)為CVD法)，用硬質(zhì)材料例如TiC或TiN被覆的工作平面的模具已經(jīng)迅速增加。然而，作為模具所需要的特性，已經(jīng)需要的不但有耐磨性，而且還有模具本身的增加的精密度。因此，使用l,OO(TC或更高被覆溫度的CVD法已經(jīng)變得不能充分滿(mǎn)足以上需求，因?yàn)槟＞咴诒桓财陂g顯著變形，并且鋼-基模具材料遇到了熱處理變形的問(wèn)題，該熱處理變形由在被覆以后進(jìn)行熱處理例如淬火和回火所引起。在這樣的情形下，已經(jīng)經(jīng)常采用物理蒸氣沉積法(以下也稱(chēng)為PVD法)，該方法允許在低于模具材料的回火溫度的溫度下進(jìn)行被覆。例如，存冷加工的情況，已經(jīng)提出對(duì)在具體組成范圍內(nèi)的模具用基底材料進(jìn)行氮化處理，然后通過(guò)PVD法形成TiN被覆層的方法(專(zhuān)利文件l);以及通過(guò)PVD法，用主要包含V的氮化物、碳化物或碳氮化物被覆模具的表面的方法(專(zhuān)利文件2)。在熱加工的情況，已經(jīng)提出規(guī)定用于PVD法的預(yù)處理，并且在氮化處理以后用CrN或TiAlN進(jìn)行被覆的方法(專(zhuān)利文件3和4);以及形成含有Al和W的CrAlWN被覆膜的方法(專(zhuān)利文件5)。另一方面，鋼例如熱模具鋼、高速鋼、不銹鋼等已經(jīng)被使用在通過(guò)鑄造熔融金屬來(lái)成形的鑄造構(gòu)件中。最經(jīng)常用于通過(guò)鑄造來(lái)成形的被模制的金屬是鋁合金。對(duì)于上述在鑄造構(gòu)件如模具中使用的鋼材料，與鋁合金接觸的鑄造構(gòu)件部分中的鋼材料由于熔化到鋁合金的熔體中而被耗損，以致增加了鋁合金熔體的鐵含量并且劣化了鑄造產(chǎn)品的質(zhì)量。而且，由于模具熔化等耗損會(huì)引起各種操作問(wèn)題。作為預(yù)防以上問(wèn)題的措施，經(jīng)常在鑄造構(gòu)件的工作平面上進(jìn)行氮化，因?yàn)樗x予深的硬化層，并且可以以非常低的成本進(jìn)行。然而，為了增加鑄件的強(qiáng)度的目的，將高熔融鋁合金作為被模制的材料的使用已經(jīng)變得頻繁，有鑒于此，氮化具有以下缺點(diǎn)硬化層中的N易于在高溫下擴(kuò)散進(jìn)入到鋁熔體中，使得由于硬化層的消失而惡化了對(duì)由于熔化而耗損的抵抗性，導(dǎo)致了由于熔化而耗損(waste-by-melting)的現(xiàn)象的迅速發(fā)展。為了解決這樣的問(wèn)題，已經(jīng)變得頻繁的是，使用具有被覆有陶瓷的工作平面的模具，該陶瓷通過(guò)物理蒸氣沉積法(以下也稱(chēng)為PVD法)被覆，并且?guī)缀醪慌c熔融金屬反應(yīng)。已經(jīng)提出的是，例如對(duì)模具用基底材料進(jìn)行碳化或氮化，然后通過(guò)PVD法形成TiC、TiN等的被覆層的方法(專(zhuān)利文件6);以及將模具的表面被覆Ti中間層，然后被覆TiAlN的方法(專(zhuān)利文件7)。還提出了將CrN用作被覆層的方法(專(zhuān)利文件8和9)。專(zhuān)利文件l:JP-A-58-031066專(zhuān)利文件2:JP-A-2002-371352專(zhuān)利文件3:JP-A-11-092909專(zhuān)利文件4:JP-A-2003-245738專(zhuān)利文件5:JP-A-2005-008920專(zhuān)利文件6:JP-A-61-033734專(zhuān)利文件7:JP-A-07-112266專(zhuān)利文件8:JP-A-10-137915專(zhuān)利文件9:JP-A-2001-011599關(guān)于塑性加工用模具，通過(guò)CVD法形成的TiC或TiN層具有高的硬度和約10pm的相對(duì)大的厚度，因此具有令人滿(mǎn)意的特性，但是由于由高的被覆溫度所導(dǎo)致的模具的形變，因此具有這樣的被覆層的模具的精密度不令人滿(mǎn)意。另一方面，已經(jīng)在專(zhuān)利文件1至5的任一篇中提出的通過(guò)PVD法形成的被覆層對(duì)模具給予了令人滿(mǎn)意的精密度，但是比通過(guò)CVD法形成的被覆層的附著力差。因此，當(dāng)試圖通過(guò)增加層的厚度來(lái)對(duì)模具賦予充分的耐久性時(shí)，被覆層變得易于剝離。因此，被覆層的功能不能充分地滿(mǎn)足在用于鍛造或壓制的模具的使用環(huán)境中的需求，所述使用環(huán)境已經(jīng)逐年變得苛刻。關(guān)于鑄造構(gòu)件，由于新近增加的鑄造周期速度，鋁合金熔體是在相對(duì)高的溫度下鑄造的。因此，用于與熔體接觸的構(gòu)件如鑄造模具的使用環(huán)境己經(jīng)變得更加苛刻。即，已經(jīng)顯著地導(dǎo)致了下列問(wèn)題鑄造期間由于熔融金屬所導(dǎo)致的模具或其它構(gòu)件的熱膨脹；以及模具或構(gòu)件由于它們的收縮所導(dǎo)致的撓曲，所述收縮由在被加工的材料固化以后應(yīng)用脫模劑，或由被加工的材料的固化和收縮所導(dǎo)致。結(jié)果，在使用含有具有專(zhuān)利文件6至9中所建議的組成的被覆層的構(gòu)件的期間，該被覆層剝離，并且熔融金屬穿過(guò)剝離的部分而滲入到構(gòu)件中，與恰在該構(gòu)件的表面處理層下的基底材料中的鐵反應(yīng)，從而形成合金。當(dāng)恰在表面被覆層以下的部分由于合金的形成而膨脹時(shí)，可以觀察到以下現(xiàn)象處理層立刻剝離，使得由熔化造成的構(gòu)件的耗損迅速進(jìn)行。近年來(lái)，鋁合金或鎂合金的壓鑄產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始用作硬盤(pán)、個(gè)人電腦、移動(dòng)電話(huà)等的盒體，所述盒體需要減少重量。因此，已經(jīng)減小了這樣的鑄造產(chǎn)品的厚度。為了減少鑄造產(chǎn)品的厚度，必須增加熔體注入到模具中的速度。以上建議的被覆層對(duì)由于熔體的磨耗不具有足夠的抵抗性。以下通過(guò)以鑄造模具為例給出解釋。由于在接近熔體以高速?gòu)?qiáng)擠入模具的模具鑄口的區(qū)域中，被覆層被流體所磨耗掉，因此縮短了模具修補(bǔ)周期和模具壽命，并且鑄造產(chǎn)品的形狀不令人滿(mǎn)意。本發(fā)明意欲提供一種硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件，該構(gòu)件由于它的被覆膜在各種使用環(huán)境中的優(yōu)異的附著力而具有優(yōu)異的耐久性。具體地，本發(fā)明意欲提供一種硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件，該構(gòu)件最適合作為用于金屬塑性加工的塑性加工用模具，例如冷或溫-熱鍛造或壓制，并且該構(gòu)件沒(méi)有以上需要具有耐磨性的模具所涉及的問(wèn)題。此外，本發(fā)明意欲提供一種硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件，該構(gòu)件最適合作為沒(méi)有以上問(wèn)題的鑄造構(gòu)件，該鑄造構(gòu)件用于在高溫下將它的工作平面與熔融金屬接觸的情況下使用，例如壓鑄模具或芯桿。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明人嚴(yán)密地研究了被覆層的組成、層結(jié)構(gòu)和膜形成條件對(duì)用于上述目的的硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件的耐久性的影響。所述影響如下。在通過(guò)PVD法被覆有硬質(zhì)材料的塑性加工用模具的情況，指出了它的磨耗的發(fā)展機(jī)理，并且研究了對(duì)形成在前述模具的工作平面上的被覆層的附著力和耐磨性的影響。在鑄造構(gòu)件的情況，指出了它的問(wèn)題出現(xiàn)的機(jī)理，并且研究形成在前述構(gòu)件的工作平面(與熔體接觸的平面)上的被覆層對(duì)由于熔化而耗損的抵抗性以及耐磨性的影響。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)的是，通過(guò)以復(fù)合層形式形成能夠在從基底材料的表面至與被加工的材料接觸的工作平面的區(qū)域中發(fā)揮作用的被覆層，在復(fù)合層中根據(jù)涂布層的硬度分布而將它們分類(lèi)；并且通過(guò)調(diào)節(jié)這些層的厚度值之間的關(guān)系，就可以對(duì)用于塑性加工如鍛造或壓制的模具賦予非常良好的耐磨性，此外，可以對(duì)鑄造構(gòu)件賦予非常良好的對(duì)由于熔化而耗損的抵抗性以及耐磨性。通過(guò)這些結(jié)果，可以確定的是，即使當(dāng)增加被覆層的厚度以對(duì)塑性加工用模具賦予充分的耐久性，而不論該模具是用于冷加工還是溫-熱加工時(shí)，被覆層也發(fā)揮作用而不剝離，從而顯著地增加了塑性加工用模具的壽命。此外，通過(guò)以上結(jié)果，可以確定的是，在用于鋁合金的壓鑄的芯桿中，可以充分抑制芯桿的由于熔化的耗損，所述耗損由在鑄造產(chǎn)品的固化和收縮期間的芯桿的撓曲而剝離被覆層所導(dǎo)致，并且可以充分抑制熔體在高速下與芯桿相碰撞所導(dǎo)致的芯桿的磨耗，從而顯著地增加了作為鑄造構(gòu)件的芯桿的壽命。艮P，本發(fā)明的第一方面涉及一種具有優(yōu)異耐久性的硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件，該構(gòu)件含有作為基底材料的金屬，并且具有通過(guò)物理蒸氣沉積法而至少形成在它的工作平面上的被覆層，所述構(gòu)件的特性在于以下方面形成至少三個(gè)層作為被覆層，即，作為最外層的層a;剛好在基底材料以上的層c;以及在層a和層c之間的層b;以硬度符號(hào)(hardnesssymbol)HV0.025計(jì)，這些層的硬度值如下2500〉(層a的硬度)〉1000，3500>(層b的硬度)>2300，2500〉(層c的硬度)〉1000，(500+層a的硬度)〈(層b的硬度)，禾口(500+層c的硬度)<(層b的硬度)；層b的厚度小于層c的厚度；并且被覆層的總的厚度為5至15pm。所述構(gòu)件優(yōu)選是用于塑性加工的模具或鑄造構(gòu)件。作為上述最外層的層a和剛好在基底材料以上的層c各自?xún)?yōu)選由氮化物、碳化物和碳氮化物中的任何一種組成，其金屬元素部分主要由Ti或Cr組成；并且作為在最外層a和剛好在基底材料以上的層c之間的被覆層的層b優(yōu)選由氮化物、碳化物和碳氮化物中的任何一種組成，其金屬元素部分主要由選自Ti、Cr和Al的一種或多種元素組成。作為最外層的層a的厚度優(yōu)選為1至5pm，層b的厚度優(yōu)選為1至5pm，并且剛好在基底材料以上的層c的厚度優(yōu)選為2至7pm。另外，具有形成于其上的被覆層的基底材料優(yōu)選在距該基底材料的最外表面25pm深度處具有這樣的硬度，以硬度符號(hào)HV0.2計(jì)，所述硬度比在距該基底材料的最外表面500pm深度處的硬度高100或更多。常規(guī)的通過(guò)物理蒸氣沉積法被覆有TiN、VCN、CrN、TiAlN或CrAlWN的模具已經(jīng)變得不能具有足夠的壽命來(lái)應(yīng)對(duì)近年來(lái)己經(jīng)變得苛刻的使用環(huán)境。通過(guò)將根據(jù)本發(fā)明的具有表面被覆層結(jié)構(gòu)的構(gòu)件用作模具，可以增強(qiáng)模具的工作平面的耐磨性，從而可以大大增加塑性加工用模具的壽命。常規(guī)的被覆有TiN、TiCN或CrN的鑄造構(gòu)件已經(jīng)變得不能具有足夠的壽命來(lái)應(yīng)對(duì)近年來(lái)已經(jīng)變得苛刻的使用環(huán)境。通過(guò)將根據(jù)本發(fā)明的具有表面被覆層結(jié)構(gòu)的構(gòu)件用作鑄造構(gòu)件，可以增強(qiáng)模具和其它構(gòu)件對(duì)由于熔化而耗損的抵抗性以及耐磨性，從而可以大大增加模具和其它構(gòu)件的壽圖1是表示在使用洛氏硬度計(jì)的附著力評(píng)價(jià)試驗(yàn)中的用于估計(jì)剝離程度的判據(jù)的圖。圖2是顯示對(duì)本發(fā)明試樣3的附著力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的顯微像片(洛氏凹痕(Rockwdldent)附近的狀態(tài))。圖3是顯示對(duì)本發(fā)明試樣4的附著力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的顯微像片(洛氏凹痕附近的狀態(tài))。圖4是顯示對(duì)比較試樣13的附著力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的顯微像片(洛氏凹痕附近的狀態(tài))。圖5是顯示對(duì)常規(guī)試樣23的附著力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的顯微像片(洛氏凹痕附近的狀態(tài))。圖6是顯示在實(shí)施例5中使用的芯桿的形狀的圖。具體實(shí)施方式僅通過(guò)注意硬質(zhì)材料的最外層特性如它的硬度和抗氧化性，來(lái)研究將在模具的工作平面上形成為被覆層的硬質(zhì)材料是不夠的。即，當(dāng)然必須通過(guò)考慮被覆層對(duì)基底材料的附著力來(lái)研究它們的總的特性。因此，在本發(fā)明中以復(fù)合被覆層的形式來(lái)使用被覆層，從而可以盡可能多地給出所需要的被覆層的特性。在本發(fā)明中的被覆層的情況，被覆層的硬度值之間的關(guān)系對(duì)于對(duì)鍛造或壓制用模具賦予充分的耐磨性是非常重要的。上述還可應(yīng)用于要在鑄造構(gòu)件的工作平面上形成的硬質(zhì)被覆膜。僅通過(guò)注意被覆膜對(duì)于要與被覆膜接觸的熔體的特性來(lái)研究該被覆膜是不夠的。即，當(dāng)然必須通過(guò)考慮被覆膜對(duì)基底材料的親和力來(lái)研究它的總的特性。因此，使用復(fù)合被覆層作為本發(fā)明中的被覆膜，所述復(fù)合被覆層可以盡可能多地給出要接觸到熔體的最外表面的所需特性，以及對(duì)于基底材料的所需特性。本發(fā)明中使用的最外層的主要作用是，對(duì)鑄造構(gòu)件賦予對(duì)由于熔化而耗損的抵抗性和耐磨性。因而，最外層的存在是非常重要的。因此，本發(fā)明中的被覆膜必須具有高度的良好平衡的以上特性?；诒景l(fā)明人的研究結(jié)果，在構(gòu)件的工作平面上通過(guò)物理蒸氣沉積法形成至少三個(gè)層作為被覆層，例如，作為最外層的層a;剛好在基底材料以上的層c;以及在層a和層c之間的層b。關(guān)于三個(gè)層之間的邊界，根據(jù)它們的硬度特性來(lái)將這些層分類(lèi)。可以確定的是，特別是在增強(qiáng)被覆層的附著力方面，非常重要的是使用這樣的結(jié)構(gòu)，其中三個(gè)層以硬度符號(hào)HV0.025計(jì)的硬度值如下2500〉(層a的硬度)〉1000，3500〉(層b的硬度)>2300，2500〉(層c的硬度)〉1000，(500+層a的硬度)〈(層b的硬度)，禾口(500+層c的硬度)<(層b的硬度)。術(shù)語(yǔ)"硬度符號(hào)HV0.025"是指在JIS-Z-2244中規(guī)定的維氏硬度試驗(yàn)方法中的在0.2452N的試驗(yàn)負(fù)荷的硬度值。硬質(zhì)材料中相對(duì)軟的材料對(duì)被加工的材料(鑄造產(chǎn)品)的侵襲性質(zhì)(attackingproperties)隨它們的硬度的減小而降低，并且相對(duì)軟的材料在使用過(guò)程中不太可能受到?jīng)_擊，而且不太可能由于加熱周期或構(gòu)件的撓曲而在鑄造構(gòu)件的被覆層中發(fā)生破裂。此外，在物理蒸氣沉積法的情況，作為被覆材料的相對(duì)軟的材料的附著力是令人滿(mǎn)意的。因此，盡管最外層必須具有某種程度的硬度，但是將相對(duì)軟的材料的層a用作最外層允許了對(duì)被加工的材料的侵襲性質(zhì)的降低，即，通過(guò)被覆層抑制了由于擦刮(scmtching)而在被加工的材料上造成的初始突發(fā)擦傷(initialsuddenscoring)。另外，由于獲得了這樣的結(jié)構(gòu)，其中被覆層覆蓋有不易破裂的相對(duì)軟的材料，因此在塑性加工用模具中可以抑制從裂紋開(kāi)始的擦傷和剝離，并且在鑄造構(gòu)件中可以抑制剝離和由于熔化的耗損。結(jié)果，增強(qiáng)了被覆層整體的附著力。在此情況下，盡管正好在基底材料以上的層c類(lèi)似地必須具有某種程度的硬度，也將相對(duì)軟的材料用于層c的原因在于，需要增強(qiáng)基底材料和被覆層之間的必需附著力。另一方面，層b是由具有大于2300HV0.025的硬度的相對(duì)硬的材料形成的，并且是為了增強(qiáng)耐磨性而形成的。與上述相對(duì)軟的材料對(duì)比，具有高的硬度的材料的附著力隨它們的硬度的增加而劣化。在此情形中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將層b保持在相對(duì)軟的材料的層a和層c之間時(shí)，該層b不易剝離。此外，可以確定盡管在塑性加工用模具磨耗顯著或鑄造構(gòu)件的由于熔體而磨耗顯著的區(qū)域中優(yōu)先磨損掉作為最外層的層a，但是硬質(zhì)層b從層a下面露出，使得被覆層在需要增強(qiáng)耐磨性的區(qū)域中表現(xiàn)出它們的增強(qiáng)耐磨性的功能。關(guān)于各個(gè)層的厚度，當(dāng)硬質(zhì)層b比層c厚時(shí)，層的特性之間的平衡被擾亂，導(dǎo)致了層b的附著力的劣化。因此，層b和層c的厚度值之間的關(guān)系為層b〈層c。當(dāng)被覆層的總的厚度小于5pm時(shí)，不能達(dá)到塑性加工用模具的充分耐磨性，或鑄造構(gòu)件的對(duì)由于熔化而耗損的充分抵抗性。當(dāng)被覆層的總的厚度大于15pm時(shí)，它們的附著力極端劣化。因此，將被覆層的總的厚度調(diào)節(jié)到5至15pm，優(yōu)選7至12nm。將物理蒸氣沉積法指定為本發(fā)明構(gòu)件的被覆方法。采用物理蒸氣沉積法是為了減少對(duì)要用硬質(zhì)材料被覆的基底材料的熱影響，以及抑制在構(gòu)件中引起的熱扭變、形變等。這是因?yàn)楫?dāng)采用物理蒸氣沉積法時(shí)，在不高于例如作為基底材料的熱模具鋼或高速鋼的回火溫度的溫度下，或者在塑性加工用模具的情況，在不高于冷模具鋼等的回火溫度的溫度下，可以形成膜，從而可以將壓縮應(yīng)力保留在被覆膜中。盡管對(duì)物理蒸氣沉積法的種類(lèi)沒(méi)有具體限制，但是優(yōu)選采用其中將偏壓施加至要被覆的基底材料的物理蒸氣沉積法方法，例如電弧離子電鍍法或?yàn)R射法。對(duì)作為基底材料的金屬材料沒(méi)有具體規(guī)定，并且如上所述，可以使用例如冷模具鋼、熱模具鋼、高速鋼和硬質(zhì)合金。至于這些金屬，還可以使用改良金屬種類(lèi)，所述改良金屬種類(lèi)為常規(guī)建議作為用于與熔體接觸的模具或構(gòu)件而使用的鋼種，包括在JIS等中規(guī)定的金屬種類(lèi)(鋼種)。在本發(fā)明的硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件的工作平面上，層a(作為形成在工作平面上的被覆層中的最外層)和層c(剛好在基底材料以上)滿(mǎn)足它們的硬度和厚度與層b的硬度和厚度之間的關(guān)系是足夠的。然而，取決于構(gòu)件的使用目的，層a和層c各自?xún)?yōu)選由氮化物、碳化物和碳氮化物中的任何一種組成，其金屬元素部分主要由Ti或Cr組成。關(guān)于主要成分Ti或Cr，基于除氮和碳原子以外的金屬(包括半金屬)原子的總的數(shù)目，Ti或Cr的比例優(yōu)選為70(原子％)或更多，更優(yōu)選為90(原子％)或更多(包括基本上IOO(原子％))。另外，在本發(fā)明的硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件的工作平面上，形成在層a和層c之間的層b優(yōu)選由氮化物、碳化物和碳氮化物中的任何一種組成，其金屬元素部分主要由選自Ti、Cr和Al的一種或多種元素組成。關(guān)于該一種或多種的主要成分，它們的比例與上述層a和c的情況相同，即，優(yōu)選為70(原子％)或更多，更優(yōu)選為90(原子％)或更多(包括基本上IOO(原子%))。在此情況下，為了滿(mǎn)足層b的硬度與層a和c的硬度之間的關(guān)系，以下是必須的例如，當(dāng)層a和層c各自為T(mén)iN時(shí)，將比TiN硬的TiAlN類(lèi)硬質(zhì)材料選作層b，并且通過(guò)使用滿(mǎn)足各個(gè)層的硬度值之間關(guān)系的組分Ti和Al之間的比率或膜形成條件，形成為被覆層；或在滿(mǎn)足各個(gè)層的硬度值之間的關(guān)系的膜形成條件下，類(lèi)似地將比TiN硬的碳化物或碳氮化物(例如TiC或TiCN)形成為被覆層。從根據(jù)本發(fā)明的層a、層b和層c之間的附著力的觀點(diǎn)看，這些層中的每一個(gè)優(yōu)選包含主要由該三個(gè)層所共有的金屬組成的化合物。例如，在含有Cr的氮化物的情況，以下結(jié)構(gòu)是優(yōu)選的層a包含CrN;層b包含CrAlN;以及層c包含CrN。將以上結(jié)構(gòu)描述為一個(gè)實(shí)例。盡管層a和層c各自的金屬元素部分主要是由Ti或Cr組成的，但是如果需要，可以以10原子％或更少的量少量包含其它的金屬(半金屬)元素，例如IVB、VB和VIB族的元素、Al、Si、B等。盡管層b的金屬元素部分主要是由選自Ti、Cr和Al的一種或多種元素組成的，但是如果需要，它可以以10原子％或更少的量少量包含其它的金屬(半金屬)元素，例如IVB、VB和VIB族的元素、Si、B等。以下描述在本發(fā)明中組成復(fù)合被覆層的各個(gè)層的厚度。在本發(fā)明中作為最外層的層a的厚度優(yōu)選為l至5pm。當(dāng)厚度小于ljum時(shí)，層a的耐磨性和對(duì)由于熔化而耗損的抵抗性不足，因此在早期消失，從而在一些情況下不能獲得對(duì)于初始突發(fā)擦傷的抑制效果，即，該層的作用之一。另一方面，當(dāng)厚度大于5pm時(shí)，取決于使用條件，層a在一些情況下在早期剝離。因此，在本發(fā)明中，在形成在工作平面上的被覆層中作為最外層的層a的厚度優(yōu)選為1至5pm。作為在作為最外層的層a和正好在基底材料以上的層c之間的被覆層的層b的厚度優(yōu)選為1至5jam。當(dāng)厚度小于1pm時(shí)，層b在一些情況下耐磨性不足，所述耐磨性是用層b被覆的目的。另一方面，當(dāng)厚度大于5)im時(shí)，層b附著力不良，因此在一些情況下會(huì)在早期剝離。因此，在本發(fā)明中，層b的厚度優(yōu)選為1至5pm。在本發(fā)明中，正好在基底材料以上的層-層c的厚度優(yōu)選為2至7pm。取決于使用條件，當(dāng)厚度小于2nm時(shí)，層c過(guò)薄，因此幾乎不具有對(duì)基底材料的充分附著力。另一方面，當(dāng)厚度大于7pm時(shí)，不改變對(duì)附著力的增強(qiáng)效果，此外，取決于使用條件，在一些情況下層c會(huì)在早期剝離。因此，在本發(fā)明中，正好在基底材料以上的層-層c的厚度優(yōu)選為2至7nm。此外，在本發(fā)明的構(gòu)件的情況，為了進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)由于熔化而耗損的抵抗性和耐磨性的目的，具有形成于其上的被覆層的基底材料優(yōu)選是這樣的基底材料，以JIS-Z-2244中定義的維氏硬度計(jì)，所述基底材料在距該基底材料的最外表面25pm的深度處的硬度優(yōu)選比在距該基底材料的最外表面500nm的深度處的硬度高100HV0.2或更多。硬度符號(hào)HV0.2是指維氏硬度試驗(yàn)方法中在1.961N的試驗(yàn)負(fù)荷的硬度值。作為用于實(shí)現(xiàn)以上目的的具體處理實(shí)例，優(yōu)選利用擴(kuò)散例如氮化或滲碳預(yù)先進(jìn)行表面硬化處理。在此情況下，通過(guò)氮化形成的化合物層如稱(chēng)為白層的氮化物層或在滲碳的情況所發(fā)現(xiàn)的碳化物層，成為了使正好在基底材料以上的層c的附著力劣化的原因，因此優(yōu)選通過(guò)控制處理?xiàng)l件或通過(guò)拋光去除等來(lái)抑制該化合物層的形成。實(shí)施例通過(guò)參考以下實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，所述實(shí)施例不應(yīng)解釋為是對(duì)本發(fā)明的范圍的限制。在不背離本發(fā)明的要點(diǎn)的情況下，可以適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行變化，并且所有的所述變化均包含于本發(fā)明的技術(shù)范圍之內(nèi)。實(shí)施例1制備在JIS中規(guī)定的高速鋼SKH51，通過(guò)在真空中加熱以維持在1，180°C，通過(guò)氮?dú)饫鋮s淬火，然后在540至58(TC回火以進(jìn)行熱調(diào)質(zhì)處理至64HRC。其后，將如此處理的材料加工成為具有5mm厚度和每邊30mm長(zhǎng)度的板狀試樣。通過(guò)PVD法將每個(gè)試樣作為基底材料被覆。關(guān)于用于被覆的方法，使用電弧離子電鍍裝置。首先，在Ar氣氛(壓力0.5Pa)中將-400V的偏壓施加于每個(gè)基底材料，并且通過(guò)熱絲進(jìn)行等離子體清潔60分鐘。然后，使用各種金屬靶作為金屬組分的蒸氣的源，以及由作為基礎(chǔ)的N2氣和任選的CH4氣所組成的反應(yīng)氣體，在500°C的基底材料溫度、3.0Pa的反應(yīng)氣體壓力和-50V的偏壓下形成膜。在上述PVD被覆處理前通過(guò)在一些基底材料上形成氮化物層所獲得的樣品的情況，將在PVD被覆處理前的基底材料在以下條件下進(jìn)行離子氮化處理。即，在PVD被覆前，通過(guò)將基底材料在500°C，在5%流量比的N2氣氛(平衡H2)中保持5小時(shí)來(lái)進(jìn)行離子氮化處理。然后，通過(guò)拋光將每個(gè)基底材料的試驗(yàn)表面拋光。在以下所述的條件下，通過(guò)PVD法被覆拋光后的基底材料的表面。對(duì)于如此獲得的試樣，進(jìn)行被覆表面上的每個(gè)層的厚度的測(cè)量，并且利用洛氏硬度試驗(yàn)進(jìn)行硬度試驗(yàn)和附著力評(píng)價(jià)試驗(yàn)。以下描述該測(cè)量和試驗(yàn)的方法。(1)層的厚度的測(cè)量在厚度的方向上切割試樣，使得可以露出它的復(fù)合被覆層的截面。將所得的試樣包埋在樹(shù)脂中并且拋光用于觀察結(jié)構(gòu)，并且在光學(xué)顯微鏡(1,000放大率)下測(cè)量每個(gè)層的厚度。(2)硬度試驗(yàn)使用與用于測(cè)量層的厚度的試樣相同的試樣，通過(guò)Microvickers試驗(yàn)器(HM-115，由MitutoyoCorporation制造)測(cè)量每個(gè)層的截面的硬度。已經(jīng)確定的是，在所有通過(guò)對(duì)在PVD被覆前的基底材料進(jìn)行氮化處理所獲得的試樣的情況，在氮化處理和通過(guò)拋光精整后，距表面25nm的深度處的硬度，比距表面500iam的深度處的硬度高100HV0.2或更多。(3)附著力評(píng)價(jià)試驗(yàn)通過(guò)洛氏硬度試驗(yàn)器(AR-10，由MitsutoyoCorporation制造)在C標(biāo)度上、在被覆表面(30mmX30mm)上形成凹痕，此后，在光學(xué)顯微鏡下觀察凹痕的附近，并且根據(jù)圖1中所示的判據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)在凹痕周?chē)鶎?dǎo)致的剝離。表1顯示了本發(fā)明試樣和比較試樣的被覆層的細(xì)節(jié)(金屬(半金屬)部分中的下位系數(shù)為原子比的值)和評(píng)價(jià)結(jié)果。由于常規(guī)試樣不具有用于本發(fā)明中的被覆層結(jié)構(gòu)，因此對(duì)它們的最外層、正好在基底材料以上的層和中間層的定義是困難的。因此，將常規(guī)試樣表示于表2中。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>由表1中所示可知，盡管層的厚度大，但是所有的本發(fā)明試樣都具有非常優(yōu)異的層的附著力，因?yàn)樗鼈兊谋桓矊咏Y(jié)構(gòu)在本發(fā)明中規(guī)定的范圍之內(nèi)。圖2和3分別是顯示對(duì)本發(fā)明試樣3和4的附著力評(píng)價(jià)試驗(yàn)的結(jié)果的顯微像片(洛氏凹痕附近的狀態(tài))。甚至在被覆層比本發(fā)明其它試樣的被覆層更厚的本發(fā)明試樣4中，也獲得了足夠優(yōu)異的附著力。另一方面，關(guān)于對(duì)比較試樣和常規(guī)試樣的評(píng)價(jià)結(jié)果，比較試樣11滿(mǎn)足本發(fā)明對(duì)于每個(gè)層的硬度的要求，但是層的附著力非常差，因?yàn)樗膶觔和層c過(guò)薄。比較試樣12和15沒(méi)有滿(mǎn)足本發(fā)明對(duì)于層的硬度值之間的關(guān)系的要求，并且層的附著力差，因?yàn)閷又g的硬度平衡被相對(duì)硬的被覆層的形成所擾亂，所述相對(duì)硬的被覆層為正好在基底材料以上的層和最外層。比較試樣13和14在層的附著力方面優(yōu)于其它的比較試樣，但是它們?cè)趯拥母街Ψ矫媪佑诒景l(fā)明的試樣，因?yàn)樵诒容^試樣13和14中，層c比層b薄。圖4顯示了對(duì)比較試樣13的附著力評(píng)價(jià)試驗(yàn)的結(jié)果的顯微像片(洛氏凹痕附近的狀態(tài))。具有不同于在本發(fā)明中所使用的基本被覆結(jié)構(gòu)的常規(guī)試樣21和23，在如本發(fā)明中的層的厚度相對(duì)大的區(qū)域內(nèi)的層的附著力非常差。圖5是顯示對(duì)常規(guī)試樣23的附著力評(píng)價(jià)試驗(yàn)的結(jié)果的顯微像片(洛氏凹痕附近的狀態(tài))。在具有相對(duì)軟的CrN的被覆層的常規(guī)試樣22中，盡管被覆層的厚度大，該被覆層的附著力優(yōu)異，但是當(dāng)將該試樣用作模具時(shí)，由于它的非常低的硬度，它可能會(huì)在早期被磨耗掉。實(shí)施例2其次，由SKH51(硬度64HRC)制備用于模制杯的冷鍛模具，所述冷鍛模具具有分別等于表1中的本發(fā)明的試樣3和8以及表2中常規(guī)試樣23的表面被覆層結(jié)構(gòu)。將模具作為實(shí)際模具來(lái)評(píng)價(jià)它們的壽命。首先，將SKH51以退火狀態(tài)粗加工成為與鍛造模具的形狀相類(lèi)似的形狀，此后，通過(guò)在真空中加熱將它維持在1,180°C，用氮?dú)饫鋮s淬火，然后在540至580'C回火以進(jìn)行熱調(diào)質(zhì)處理至64HRC。其后，在對(duì)要在被覆前進(jìn)行離子氮化處理的試樣的情況進(jìn)行離子氮化處理，此后，進(jìn)行拋光處理，并且在與實(shí)施例1中相同的條件下通過(guò)PVD方法形成層，以獲得上述的每個(gè)模具。以上制備的模具具有30mm的直徑和250mm的高度，并且在頂部具有作為用于模制杯的模具的加工部分。作為被加工的材料，將S50C用每個(gè)模具進(jìn)行冷鍛。表3顯示了每個(gè)模具的壽命。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>根據(jù)本發(fā)明所獲得的冷鍛模具具有增加的壽命，為常規(guī)模具壽命的三倍以上。根據(jù)本發(fā)明制備的模具的壽命最終由于磨耗而終止。另一方面，由于頂部的被覆層的早期剝離和隨后卡住以后的破裂，常規(guī)模具壽命終止?？梢源_定的是，如上所述，當(dāng)將本發(fā)明應(yīng)用于冷鍛模具時(shí)，模具的壽命大大增加。實(shí)施例3制備用于模制杯的溫鍛沖頭，所述沖頭分別具有與表1中的本發(fā)明試樣4和5以及表2中的常規(guī)試樣22相等的表面被覆層結(jié)構(gòu)，然后作為實(shí)際模具來(lái)評(píng)價(jià)它們的壽命。首先，將由作為基底的高速鋼組成并且具有表4所示化學(xué)組成的韌性改善材料作為基底材料而粗加工成為與模具的形狀相類(lèi)似的形狀，此后，對(duì)它從1,08(TC進(jìn)行油淬火，然后通過(guò)在60(TC回火而熱調(diào)質(zhì)至56HRC。其后，進(jìn)行拋光處理，并且在與實(shí)施例1中相同的條件下進(jìn)行氮化處理和通過(guò)PVD方法進(jìn)行膜的形成，以獲得上述的每個(gè)沖頭。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>以上制備的模具具有110mm的直徑和300mm的高度，并且在頂部具有作為用于模制杯的模具的加工部分。使用鍛壓機(jī)，將在85(TC加熱的S45C工件用每個(gè)沖頭溫鍛。表5顯示了每個(gè)沖頭的壽命。表5<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>根據(jù)本發(fā)明所獲得的沖頭具有增加的壽命，是常規(guī)沖頭壽命的兩倍以上。根據(jù)本發(fā)明所獲得的兩個(gè)沖頭的壽命的終止歸因于磨耗所造成的損壞。另一方面，常規(guī)沖頭的壽命終止歸因于以局部的洞的形式的損壞的發(fā)展，所述以局部洞形式的損壞在沖頭頂部的彎曲表面部分的早期擦傷以后形成?？梢源_定的是，如上所述，當(dāng)將本發(fā)明應(yīng)用于熱鍛用沖頭時(shí)，大大增加的沖頭的壽命。實(shí)施例4制備在JIS中規(guī)定的熱模具鋼SKD61，并且對(duì)其從1,03(TC進(jìn)行油淬火，然后通過(guò)在550至63(TC回火而熱調(diào)質(zhì)至47HRC。其后，將如此處理的材料加工成為以下的試樣具有10mm的直徑和100mm的長(zhǎng)度的柱狀試樣，所述柱狀試樣用于評(píng)價(jià)對(duì)由于熔化而耗損的抵抗性；具有3mm的厚度和30mm的每個(gè)邊的長(zhǎng)度的板狀試樣，所述板狀試樣用于評(píng)價(jià)附著力。作為基底材料，對(duì)上述試樣進(jìn)行了被覆處理。在被覆處理前，在以下條件下對(duì)所有的試樣進(jìn)行作為表面硬化處理的離子氮化處理。除將離子氮化處理的維持時(shí)間改變至10小時(shí)以外，被覆處理前的表面硬化處理與實(shí)施例1中的相同。采用與實(shí)施例1中相同的被覆方法。對(duì)于如此獲得的試樣，進(jìn)行被覆表面上的每個(gè)層的厚度的測(cè)量、進(jìn)行利用洛氏硬度試驗(yàn)的硬度試驗(yàn)、附著力評(píng)價(jià)試驗(yàn)，以及進(jìn)行對(duì)由于熔化而耗損的抵抗性的評(píng)價(jià)。以下描述用于測(cè)量、試驗(yàn)和評(píng)價(jià)的方法。(1)層的厚度的測(cè)量與實(shí)施例1中相同。(2)硬度試驗(yàn)與實(shí)施例1中相同。通過(guò)在PVD被覆前對(duì)基底材料進(jìn)行氮化處理而獲得的所有試樣中，在距通過(guò)氮化處理和拋光精整以后的表面25pm的深度處的硬度為680HV0.2，由此事實(shí)可以確定的是，在25iim深度處的硬度比在500nm深度處的硬度47HRC(=471HV0.2)高100HV0.2或更多。(3)附著力評(píng)價(jià)試驗(yàn)與實(shí)施例1中相同。(4)對(duì)在熔融金屬中的熔化而耗損的抵抗性的評(píng)價(jià)試驗(yàn)進(jìn)行這樣的試驗(yàn)，其中，在75(TC的鋁合金AC4C的熔體中，將每個(gè)試樣以30mm的振幅上下移動(dòng)90次/分鐘達(dá)3小時(shí)。根據(jù)試樣在試驗(yàn)以前和以后的質(zhì)量值之間的比率來(lái)評(píng)價(jià)對(duì)由于熔化而耗損的抵抗性。表6顯示了每個(gè)本發(fā)明的試樣和比較試樣(除所有的這些試樣均進(jìn)行了氮化處理外，與表1中相同)的被覆層的細(xì)節(jié)以及評(píng)價(jià)的結(jié)果。由于常規(guī)試樣不具有使用于本發(fā)明中的被覆層結(jié)構(gòu)，因此對(duì)它們的最外層、正好在基底材料以上的層和中間層的定義是困難的。因此，將這些試樣顯示于表7中(除所有的這些試樣均進(jìn)行了氮化處理外，它們的被覆層的細(xì)節(jié)與表2中相同)。表6<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>如表6中所示可見(jiàn)，盡管層的厚度大，但是所有的本發(fā)明試樣31至39都具有非常優(yōu)異的層的附著力，因?yàn)樗鼈兊谋桓矊拥慕Y(jié)構(gòu)在本發(fā)明規(guī)定的范圍之內(nèi)。還可見(jiàn)的是，由于令人滿(mǎn)意的附著力，它們?nèi)窟€具有對(duì)由于熔化而耗損的優(yōu)異抵抗性。另一方面，關(guān)于對(duì)比較試樣和常規(guī)試樣的評(píng)價(jià)結(jié)果，層的附著力差的比較試樣41、42和45對(duì)由于熔化的抵抗性差。甚至比較試樣43和44在層的附著力方面也劣于本發(fā)明的試樣。常規(guī)試樣51和53在層的附著力方面非常差。被覆層具有非常低的硬度的常規(guī)試樣52在層的附著力方面優(yōu)異，但是會(huì)在早期被磨耗掉。實(shí)施例5其次，制備壓鑄用芯桿，所述芯桿分別具有與表6中本發(fā)明的試樣34和35以及表7中常規(guī)試樣52相等的表面被覆層結(jié)構(gòu)，然后作為實(shí)際模具來(lái)評(píng)價(jià)它們的壽命。首先，將由作為基底的高速鋼組成并且具有表4所示化學(xué)組成的韌性改善材料作為模具的基底材料，所述韌性改善材料是與實(shí)施例4中所使用的相同的材料，以退火狀態(tài)粗加工成為與芯桿的形狀相類(lèi)似的形狀，并且，對(duì)其從1，080'C進(jìn)行油淬火，然后通過(guò)在60(TC回火而熱調(diào)質(zhì)至55HRC。其后，進(jìn)行精整處理，并且在與實(shí)施例4中相同的條件下進(jìn)行被覆處理，以獲得上述的每個(gè)芯桿。在被覆處理前沒(méi)有進(jìn)行表面硬化處理。在每個(gè)如此獲得的芯桿中，在被覆處理以前和以后，將距它的基底材料的最外表面25pm和500pm的深度處的兩個(gè)硬度值維持在上述熱調(diào)質(zhì)硬度55HRC(=595HV0.2)。以上制備的芯桿具有示于圖6中的形狀。釆用300t的壓鑄機(jī)，通過(guò)使用在70(TC熔化溫度的鋁合金AC4C進(jìn)行鑄造。表8顯示了各種芯桿的壽命。表8<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>與常規(guī)芯桿相比，根據(jù)本發(fā)明所獲得的芯桿的模具的壽命增加了兩倍以上。最后，根據(jù)本發(fā)明獲得的芯桿的壽命由于卡住的發(fā)生而終止。另一方面，常規(guī)芯桿在它的尖端被磨耗掉，然后它的壽命由于破裂而最終終止?？梢源_定的是，如上所述，本發(fā)明對(duì)壓鑄用芯桿的應(yīng)用大大增加了所述芯桿的壽命。工業(yè)適用性?xún)?yōu)選將本發(fā)明的硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件用作塑性加工用模具，所述塑性加工用模具用于金屬的塑性加工例如冷或溫-熱鍛造或壓制，并且需要具有耐磨性。然而，考慮到構(gòu)件的被覆層的附著力和它的耐磨性，所述構(gòu)件不僅可以用于鐵類(lèi)金屬的塑性加工，而且取決于使用條件還可以用于鈦、鋁和它們的合金的塑性加工。此外，本發(fā)明的硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件還優(yōu)選用于與熔融金屬接觸的鑄造構(gòu)件，例如用于壓鑄或鑄造的模具、芯桿、在壓鑄用注入機(jī)中使用的活塞環(huán)等。然而，熔融金屬(鑄造材料)并不限于鋁和鋁合金，并且該構(gòu)件可以用于鑄造鎂合金。權(quán)利要求1.一種具有優(yōu)異耐久性的硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件，所述硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件包括作為基底材料的金屬，并且具有通過(guò)物理蒸氣沉積法至少形成在它的工作平面上的被覆層，其中形成至少三個(gè)層作為被覆層，即，作為最外層的層a、正好在基底材料以上的層c以及在層a和層c之間的層b；以硬度符號(hào)HV0.025計(jì)，這些層的硬度值如下2500＞(層a的硬度)＞1000，3500＞(層b的硬度)＞2300，2500＞(層c的硬度)＞1000，(500+層a的硬度)＜(層b的硬度)，和(500+層c的硬度)＜(層b的硬度)；層b的厚度小于層c的厚度；并且被覆層的總的厚度為5至15μm。2.按照權(quán)利要求1所述的具有優(yōu)異耐久性的硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件，其中層a和層c各自由氮化物、碳化物和碳氮化物中的任一種組成，其金屬元素部分主要由Ti或Cr組成，并且層b由氮化物、碳化物和碳氮化物中的任一種組成，其金屬元素部分主要由選自Ti、Cr和Al的一種或多種元素組成。3.按照權(quán)利要求1所述的具有優(yōu)異耐久性的硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件，其中所述層a的厚度為1至5)Lim;所述層b的厚度為1至5jam;以及所述層c的厚度優(yōu)選為2至7pm。4.按照權(quán)利要求1所述的具有優(yōu)異耐久性的硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件，其中上面形成有被覆層的所述基底材料在距所述基底材料最外表面25jim的深度處具有這樣的硬度，以硬度符號(hào)HV0,2計(jì)，所述硬度比在距所述最外表面500|im的深度處的硬度高100或更多。5.按照權(quán)利要求1至4中的任何一項(xiàng)所述的具有優(yōu)異耐久性的硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件，所述構(gòu)件為塑性加工用模具。6.按照權(quán)利要求1至4中的任何一項(xiàng)所述的具有優(yōu)異耐久性的硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件，所述構(gòu)件為鑄造用構(gòu)件。全文摘要本發(fā)明的目的是提供一種具有優(yōu)異耐久性的硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件，所述硬質(zhì)材料被覆的構(gòu)件包括作為基底材料的金屬，并且具有通過(guò)物理蒸氣沉積法至少形成在它的工作平面上的涂布層，其中形成至少三個(gè)層作為被覆層，即，作為最外層的層a、正好在基底材料以上的層c以及在層a和層c之間的層b；以硬度符號(hào)HV0.025計(jì)，這些層的硬度值如下2500＞(層a的硬度)＞1000，3500＞(層b的硬度)＞2300，2500＞(層c的硬度)＞1000，(500+層a的硬度)＜(層b的硬度)，和(500+層c的硬度)＜(層b的硬度)；層b的厚度小于層c的厚度；并且被覆層的總的厚度為5至15μm。文檔編號(hào)B32B33/00GK101152780SQ2007101543公開(kāi)日2008年4月2日申請(qǐng)日期2007年9月26日優(yōu)先權(quán)日2006年9月27日發(fā)明者井上謙一,本多史明申請(qǐng)人:日立金屬株式會(huì)社