DE602005002203T2

DE602005002203T2 - Beschichtetes Gießelement

Info

Publication number: DE602005002203T2
Application number: DE602005002203T
Authority: DE
Inventors: Kenichi Yasugi-shi Inoue; Ken Yonago-shi Inoue
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2025-07-22
Also published as: US20060032602A1; EP1626104A1; JP4513058B2; US7159640B2; JP2006051510A; DE602005002203D1; CN1733393A; ATE371754T1; CN100335674C; EP1626104B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gießelement zur Verwendung in Kontakt mit geschmolzenem Metall, zum Beispiel eine Form zum Druckgießen oder Gießen, einen Kernstift, einen in einer Spritzgießmaschine verwendeten Kolbenring oder dergleichen.
Stähle wie zum Beispiel Heißformstahl, Schnellarbeitsstahl, rostfreier Stahl und dergleichen sind für Gießelemente zum Formen eines geschmolzenen Metalls mittels Gießen verwendet worden. Ein Formmetall, das meist zum Formen mittels Gießen verwendet wird, ist eine Aluminiumlegierung. Im Fall der vorstehend genannten in Gießelementen wie zum Beispiel in Formen verwendeten Stahlmaterialien nutzt das Stahlmaterial in einem Teil des Gießelements in Kontakt mit der Aluminiumlegierung durch Schmelzen in einer Schmelze der Aluminiumlegierung ab, was den Eisengehalt der Aluminiumlegierungsschmelze erhöht und die Qualität eines Gussstücks verschlechtert. Darüber hinaus verursacht die Abnutzung durch Schmelzen der Formen und dergleichen verschiedene betriebliche Probleme.
Als eine Maßnahme gegen das vorstehende Problem ist oft ein Nitrieren der Arbeitsfläche eines Gießelements durchgeführt worden, weil dies eine gehärtete tiefe Lage ergibt und zu sehr niedrigen Kosten erfolgen kann. Weil jedoch die Verwendung einer hochschmelzenden Aluminiumlegierung als zu schmelzendes Material üblich geworden ist, um die Festigkeit eines Gussstücks zu erhöhen, weist das Nitrieren die folgenden Nachteile auf: N in der gehärteten Lage diffundiert bei einer hohen Temperatur leicht in eine Aluminiumschmelze, so dass die Beständigkeit gegen Abnutzung durch Schmelzen aufgrund des Verschwindens der gehärteten Lage abnimmt, was zu einem schnellen Fortschreiten des Phänomens der Abnutzung durch Schmelzen führt.
Um dieses Problem zu lösen, ist die Verwendung einer Form mit einer Arbeitsfläche üblich geworden, die durch physikalische Dampfabscheidung (im Folgenden als PVD-Verfahren bezeichnet) mit Keramik beschichtet ist, das kaum mit einem geschmolzenen Metall reagiert. So ist zum Beispiel ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem ein Basismaterial für eine Form einem Aufkohlen oder Nitrieren unterzogen wird und dann mit dem PVD-Verfahren eine Beschichtungslage aus TiC, TiN oder dergleichen gebildet wird ( JP-A-61-033734 ), und ein Verfahren, bei dem die Oberfläche einer Form mit einer Ti-Zwischenlage und danach mit TiAlN beschichtet wird ( JP-A-07-112266 ). Es sind auch Verfahren vorgeschlagen worden, bei denen CrN als Beschichtungslage verwendet wird ( JP-A-10-137915 und JP-A-2001-11599 ).
Die Einsatzbedingungen eines Elements, das in Kontakt mit einer Schmelze verwendet wird, zum Beispiel eine Gießform, sind wegen der kürzlichen Erhöhung der Geschwindigkeit des Gießzyklus und der Verringerung der Dicke einer Form aufgrund der Endformnähe sehr anspruchsvoll geworden. Das bedeutet, dass die nachfolgenden Probleme erkennbar verursacht werden: die Wärmeausdehnung einer Form oder anderer Elemente durch ein geschmolzene Metall beim Gießen und das Biegen der Form oder der Elemente aufgrund ihrer Schrumpfung durch das Aufbringen eines Formtrennmittels nach dem Erstarren eines zu verarbeitenden Materials oder durch das Erstarren und Schrumpfen des zu verarbeitenden Materials. Als Folge entstehen in den Beschichtungslagen mit den in Literatur 1 bis 4 vorgeschlagenen bekannten Zusammensetzungen beim Gebrauch eines Elements mit der Beschichtungslage feine Risse, und geschmolzenes Metall dringt durch die Risse in das Element ein und reagiert mit dem Eisen in einem Basismaterial direkt unter der Oberflächenbehandlungslage des Elements unter Bildung einer Legierung. Wenn ein Teil direkt unter der Oberflächenbeschichtungslage durch die Bildung der Legierung vergrößert wird, ist das folgende Phänomen zu beobachten: Die Behandlungslage löst sich ab, so dass die Abnutzung des Elements durch Schmelzen rasch fortschreitet.
Darüber hinaus weisen die vorstehend genannten vorgeschlagenen Beschichtungslagen keine ausreichende Beständigkeit gegen Fressen auf, um den Einsatzanforderungen gerecht zu werden, die in den vergangenen Jahren anspruchsvoller geworden sind. Erklärt am Beispiel einer Form kommt es zwischen der Arbeitsfläche der Form und einem Gussstück zum Zeitpunkt des Trennens des Gussstücks aus der Form in den ersten Phasen des Gebrauchs der Form zu einem Festfressen, was in Formkorrekturzyklen, einer Verringerung der Lebensdauer der Form und einer nicht zufriedenstellenden Form des Gussstücks resultiert.
Die vorliegende Erfindung soll ein Gießelement bereitstellen, das mit seiner Arbeitsfläche in Kontakt mit einem geschmolzenen Metall mit hoher Temperatur, zum Beispiel einer Druckgussform oder einem Kernstift, verwendet wird, wobei das Gießelement frei von den vorstehend beschriebenen Problemen ist.
US-A-5 246 787 beschreibt ein Werkzeug oder Instrument, das eine verschleißfeste Hartbeschichtung aus Titannitrid für die Bearbeitung von organischem Material aufweist. Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung ist in Anbetracht dieses Dokuments in zweiteiliger Form abgefasst.
JP 2002 307129 A beschreibt ein Werkzeug, das mit einer Lage aus Nitriden, Carbiden oder Kohlenstoffnitriden beschichtet ist.
JP 2004 202512 A beschreibt einen Druckstift für das Druckgießen. Der Stift ist mit einer Lage bestehend aus AlTiN oder CrN mit einer geringen Haftfestigkeit auf einer Aluminiumlegierung beschichtet.
JP 08 013134 A bezieht sich auf eine Metallform zum Formen von Kunststoff mit einer Plattierungsschicht zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit.
JP 05 209261 A beschreibt einen Artikel mit einer ersten und einer zweiten metallischen Schicht zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit des Artikels.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Anmelder der vorliegenden Erfindung haben den Mechanismus des Auftretens von Problemen in einem für den vorstehend beschriebenen Zweck verwendeten Gießelement bemerkt und ausführliche Untersuchungen zu den Einflüssen der Zusammensetzung, des Lagenaufbaus und der Formbedingungen einer Beschichtungslage auf der Arbeitsfläche (die Oberfläche, die mit einer Schmelze in Kontakt gebracht werden soll) des vorstehend genannten Elements auf die Beständigkeit gegen Abnutzung durch Schmelzen und die Beständigkeit gegen Fressen durchgeführt. Darüber hinaus wurde die Beständigkeit der Beschichtungslage gegen Rissbildung im Detail untersucht, um die Rissbildung aufgrund der Biegung des Elements zu verringern.
Als Ergebnis wurde festgestellt, dass dem Gießelement mit den in Anspruch 1 festgelegten Merkmalen eine sehr zufriedenstellende Beständigkeit gegen Abnutzung durch Schmelzen, Beständigkeit gegen Fressen und Beständigkeit gegen Rissbildung verliehen werden kann. Mit diesem Ergebnis wurde bestätigt, dass zum Beispiel ein Kernstift für das Druckgießen einer Aluminiumlegierung eine deutlich längere Lebensdauer als ein Gießelement aufweist, weil das lokale Fressen in den ersten Phasen des Gießens und die Bildung von Rissen in den Beschichtungslagen durch die Biegung des Stifts beim Erstarren und Schrumpfen eines Gussstücks hinreichend verhindert werden können.
Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen.
Die Grenzfläche zwischen der äußersten Lage und der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage ist vorzugsweise mit einer Zwischenlage aus Nitrid, Oxynitrid und/oder Carbonitrid beschichtet, die hauptsächlich V und Cr enthält.
Die Dicke der äußersten Lage beträgt zwischen 0,5 und 5,0 μm, und die Dicke der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage beträgt vorzugsweise zwischen 0,5 und 3,0 μm. Wenn die Zwischenlage gebildet ist, beträgt ihre Dicke vorzugsweise höchstens 1,0 μm.
Darüber hinaus wird jede der Beschichtungslagen vorzugsweise durch physikalische Dampfabscheidung gebildet. Außerdem ist die Härte des beschichteten Basismaterials in einer Tiefe von 25 μm von der äußersten Oberfläche des Basismaterials vorzugsweise um mindestens 100 HV 0,2 größer als in einer Tiefe von 500 μm von der äußersten Oberfläche des Basismaterials.
Herkömmliche mit TiN, TiCN oder CrN beschichtete Gießelemente sind nicht mehr in der Lage, eine ausreichende Lebensdauer zu bieten, um den Einsatzanforderungen gerecht zu werden, die in den vergangenen Jahren anspruchsvoller geworden sind. Durch Verwendung eines Gießelements mit dem Aufbau der Oberflächenbeschichtungslagen nach der vorliegenden Erfindung können die Beständigkeit gegen Fressen, die Beständigkeit gegen Rissbildung und die Beständigkeit gegen Abnutzung durch Schmelzen einer Form verbessert werden, so dass die Lebensdauer der Form deutlich verbessert werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Diagramm mit einem Kriterium zur Abschätzung des Umfangs der Rissbildung bei einer Prüfung zur Untersuchung der Beständigkeit gegen Rissbildung unter Verwendung eines Rockwelt-Härteprüfers.
2 zeigt eine mikrofotografische Aufnahme des Ergebnisses einer Prüfung zur Untersuchung der Beständigkeit des Prüfstücks Nr. 5 nach der vorliegenden Erfindung gegen Rissbildung (Zustand in der Nähe eines Rockwell-Eindrucks).
3 zeigt eine mikrofotografische Aufnahme des Ergebnisses einer Prüfung zur Untersuchung der Beständigkeit des Vergleichsprüfstücks Nr. 12 gegen Rissbildung (Zustand in der Nähe eines Rockwell-Eindrucks).
4 zeigt eine mikrofotografische Aufnahme des Ergebnisses einer Prüfung zur Untersuchung der Beständigkeit des herkömmlichen Prüfstücks Nr. 23 gegen Rissbildung (Zustand in der Nähe eines Rockwell-Eindrucks).
5 zeigt ein Diagramm mit der Form des in Beispiel 2 verwendeten Kernstifts.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es reicht nicht aus, dass ein auf der Arbeitsfläche eines Gießelements zu bildender harter Beschichtungsfilm untersucht wird, indem seine Eigenschaften nur für eine mit dem Beschichtungsfilm in Kontakt zu bringende Schmelze festgestellt werden. Das heißt, die Gesamteigenschaften des Beschichtungsfilms müssen untersucht werden, indem natürlich auch seine Affinität für das Basismaterial berücksichtigt wird. Daher wird als Beschichtungsfilm bei der vorliegenden Erfindung eine Verbundbeschichtungslage verwendet, der möglichst beide erforderliche Eigenschaften für die äußerste Oberfläche, die mit der Schmelze in Kontakt gebracht werden soll, und die erforderlichen Eigenschaften für das Basismaterial verliehen werden können. Die Hauptaufgabe der bei der vorliegenden Erfindung verwendeten äußersten Lage ist es, einem Gießelement Beständigkeit gegen Abnutzung durch Schmelzen, Beständigkeit gegen Fressen und Beständigkeit gegen Rissbildung zu verleihen. Daher ist das Vorhandensein der äußersten Lage sehr wichtig. Dementsprechend muss der Beschichtungsfilm bei der vorliegenden Erfindung die vorstehenden Eigenschaften in einem hohen Maße mit einem ausgewogenen Verhältnis aufweisen.
Mit dem Ergebnis der Untersuchungen der Anmelder der vorliegenden Erfindung wurde Folgendes bestätigt: Im Vergleich zu Ti- oder Cr-Nitriden verleihen Oxynitrid-Nitride und -Carbonitride, Nitride, Oxynitrid-Nitride und -Carbonitride, die hauptsächlich V enthalten, eine im Wesentlichen gleiche Beständigkeit gegen Abnutzung durch Schmelzen, aber eine höhere Beständigkeit gegen Fressen in einem Temperaturbereich (300 bis 600 °C) für die Verwendung eines Elements wie etwa einer Form beim Druckgießen einer Aluminiumlegierung oder dergleichen. Dies liegt daran, dass die Nitride, Oxynitrid-Nitride und Carbonitride, die hauptsächlich V enthalten, in dem vorstehenden Temperaturbereich ordnungsgemäß oxidiert werden, so dass die entstehende dünne Oxidschicht die Affinität für eine Schmelze verschlechtert. Folglich wird das Fressen an einem Gussstück unterbunden. Mit anderen Worten, weil alle Beschichtungslagen aus TiN, TiAlN und CrN, die bisher vorgeschlagen worden sind, eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit aufweisen, bleibt auch im Gebrauch eine relativ aktive Oberfläche erhalten, so dass ein Fressen an einem Gussstück auftreten kann.
Darüber hinaus konnte Folgendes bestätigt werden: Die Nitride, Oxynitride und Carbonitride, die hauptsächlich aus V bestehen, weisen eine höhere Zähigkeit als die Ti- oder Cr-Nitride, -Oxynitride und -Carbonitride auf, das heißt sie weisen eine Zusammensetzung auf, die eine ausreichende Verhinderung der Rissbildung einer Beschichtungslage aufgrund der Biegung eines Elements im Gebrauch ermöglicht. Aus den erwähnten Gründen besteht die äußerste Lage der Beschichtungslagen, die auf der Arbeitsfläche des Gießelements nach der vorliegenden Erfindung gebildet sind, aus Nitrid, Oxynitrid und/oder Carbonitrid, das hauptsächlich V enthält. Bezüglich des Hauptbestandteils V beträgt der Anteil von V vorzugsweise wenigstens 70 (Atom-%) und besonders bevorzugt wenigstens 90 (Atom-%) (einschließlich im Wesentlichen 100 (Atom-%)), bezogen auf die Gesamtzahl der Metall-Atome (Halbmetall-Atome) ausschließlich der Stickstoff-, Sauerstoff- und Kohlenstoffatome.
Als Nächstes besteht bei dem Gießelement nach der vorliegenden Erfindung die gerade über dem Basismaterial für das Gießelement gebildete Beschichtungslage (die gerade über dem Basismaterial befindliche Lage) aus Nitrid, Oxynitrid und/oder Carbonitrid, das hauptsächlich Cr enthält. Das hauptsächlich Cr enthaltende Nitrid, Oxynitrid oder Carbonitrid verleiht einer Beschichtungslage mit einer niedrigen Restdruckspannung eine ausgezeichnete Haftung auf dem Basismaterial und eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit. Wenn die Haftung der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage gering ist, löst sich die Beschichtungslage ab, bevor sie ihre Funktion ausüben kann.
Wenn im Falle des aus einer Verbundbeschichtungslage bestehenden Beschichtungsfilms nach der vorliegenden Erfindung die Oxidationsbeständigkeit der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage, die die Substratseite des Beschichtungsfilms bildet, niedrig ist, wird die niedrige Oxidationsbeständigkeit zu einer Ursache für das Ablösen des Beschichtungsfilms unabhängig von den Eigenschaften der äußersten Lage. Wenn zum Beispiel die Verbundbeschichtungslage nach der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen aus zwei Lagen gebildet ist, das heißt der vorstehend genannten äußersten Lage und der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage, tritt das folgende Problem auf, wenn die Oxidationsbeständigkeit der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage niedriger ist als die der äußersten Lage: Die Oxidation schreitet auf der Grenzfläche zwischen der äußersten Lage und der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage im Gebrauch fort, so dass sich der Beschichtungsfilm ablöst, bevor die Funktion der äußersten Lage wirksam werden kann. Mit Blick auf die Haftung und die Oxidationsbeständigkeit der Beschichtungslage besteht daher die gerade über dem Basismaterial befindliche Lage aus Nitrid, Oxynitrid und/oder Carbonitrid, das hauptsächlich Cr enthält. In diesem Fall beträgt bezüglich des Hauptbestandteils Cr der Anteil von Cr vorzugsweise wenigstens 50 (Atom-%) und besonders bevorzugt wenigstens 90 (Atom-%) (einschließlich im Wesentlichen 100 (Atom-%)), bezogen auf die Gesamtzahl nur der Metall- oder Halbmetall-Atome wie oben.
Obwohl die Verbundbeschichtungslage nach der vorliegenden Erfindung keine besonderen Bedingungen hinsichtlich des Vorhandenseins einer Zwischenlage zwischen der äußersten Lage und der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage erfüllen muss, ist vorzugsweise eine Zwischenlage, die die unterschiedlichen Eigenschaften der äußersten Lage und der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage miteinander in Einklang bringen kann, gebildet, auch um die ausgezeichneten Eigenschaften jeder dieser Lagen zu nutzen. Wenn zum Beispiel die Verbundbeschichtungslage nach der vorliegenden Erfindung aus zwei Lagen gebildet ist, das heißt der äußersten Lage und der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage, ist vorzugsweise eine Zwischenlage bestehend aus Nitrid, Oxynitrid und/oder Carbonitrid, das hauptsächlich V und Cr enthält, auf der Grenzfläche zwischen der äußersten Lage und der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage vorgesehen. Weil die äußerste Lage und die gerade über dem Basismaterial befindliche Lage eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen, ist mit dem Auftreten von Rissbildung aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen diesen beiden Beschichtungslagen in der Grenzfläche zwischen diesen unter Einsatzbedingungen zu rechnen, begleitet von einem spürbaren Wärmeimpuls oder Abschrecken. Daher ist vorzugsweise ein Zwischenlage bestehend aus Nitrid, Oxynitrid und/oder Carbonitrid, das hauptsächlich V und Cr enthält, auf der Grenzfläche zwischen der äußersten Lage und der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage vorgesehen, um die unterschiedlichen Eigenschaften zwischen diesen beiden Beschichtungslagen miteinander in Einklang zu bringen.
Als Nächstes wird die Dicke jeder der Lagen, die die Beschichtungslage nach der vorliegenden Erfindung bilden, beschrieben. Die Dicke der äußersten Lage nach der vorliegenden Erfindung beträgt vorzugsweise zwischen 0,5 und 5,0 μm. Beträgt die Dicke weniger als 0,5 μm, kann keine ausreichende Wirkung hinsichtlich der Beständigkeit gegen Abnutzung durch Schmelzen, der Beständigkeit gegen Fressen und der Beständigkeit gegen Rissbildung erreicht werden, und die äußerste Lage wird früh abgenutzt, vor allem aufgrund von Abnutzung durch Schmelzen. Wenn andererseits die äußerste Lage mit einer Dicke von mehr als 5,0 μm gebildet ist, löst sie sich je nach Einsatzbedingungen in manchen Fällen frühzeitig ab. Daher beträgt die Dicke der äußersten Lage der Beschichtungslagen auf der Arbeitsfläche nach der vorliegenden Erfindung vorzugsweise zwischen 0,5 und 5,0 μm.
Die Dicke der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage nach der vorliegenden Erfindung beträgt vorzugsweise zwischen 0,5 und 3,0 μm. Beträgt die Dicke weniger als 0,5 μm, ist diese Lage zu dünn, so dass eine ausreichende Haftung auf dem Basismaterial schwierig zu erreichen ist. Wenn andererseits diese Lage mit einer Dicke von mehr als 3,0 μm gebildet ist, wird die haftverbessernde Wirkung nicht verstärkt und es kann zur unerwünschten Rissbildung aufgrund der Biegung des Elements oder dergleichen von der gerade über dem Ba sismaterial befindlichen Lage kommen. Daher beträgt die Dicke der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage nach der vorliegenden Erfindung vorzugsweise zwischen 0,5 und 3,0 μm.
Wenn die vorstehend genannte Zwischenlage gebildet ist, beträgt die Dicke der Zwischenlage vorzugsweise höchstens 1,00 μm. Dies liegt daran, dass, auch wenn die Zwischenlage mit einer Dicke von mehr als 1,00 μm gebildet ist, keine erkennbare Wirkung dieser Bildung erzielt werden kann. Ist die Dicke jedoch zu gering, kann der Unterschied bezüglich der Eigenschaften zwischen der äußersten Lage und der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage nicht miteinander in Einklang gebracht werden. Daher beträgt die Dicke der Zwischenlage nach der vorliegenden Erfindung vorzugsweise mindestens 0,05 μm. Besonders bevorzugt beträgt die Dicke zwischen 0,10 und 0,50 μm.
Als Nächstes wird die Zusammensetzung jeder der Lagen, die die Beschichtungslage nach der vorliegenden Erfindung bilden, im Einzelnen beschrieben. Als die Zusammensetzung für das Nitrid, das die äußerste Lage nach der vorliegenden Erfindung bildet, sind beispielhafte Zusammensetzungen wie etwa VN, VTiN, VCrN, VBN und dergleichen denkbar, die hauptsächlich V enthalten. In gleicher Weise sind als die Zusammensetzung für das Nitrid, das die gerade über dem Basismaterial befindliche Lage bildet, beispielhafte Zusammensetzungen mit relativ guter Oxidationsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit wie etwa CrN, CrTiN, CrAlN, CrSiN, CrBN und dergleichen denkbar, die hauptsächlich Cr enthalten. Wenn die Form der Arbeitsfläche eines Elements wie zum Beispiel einer Form so kompliziert ist, dass sich Spannungen an Wölbungen konzentrieren können, wird vorzugsweise ein Beschichtungsfilm aus VN, VTiN oder dergleichen von den vorstehend genannten Nitriden, der eine relativ niedrige Restspannung und eine ausgezeichnete Haftung aufweist, als die äußerste Lage verwendet. Wenn wegen einer hohen Gießtemperatur ein oxidationsbeständiger Beschichtungsfilm erforderlich ist, ist ein Beschichtungsfilm aus VCrN oder dergleichen vorzuziehen.
Obwohl die vorstehende Beschreibung sich auf den Fall von Nitriden bezieht, kann dieselbe Wirkung wie vorstehend auch durch Verwendung von Oxynitriden oder Carbonitriden erreicht werden. Darüber hinaus kann, auch wenn die äußerste Lage und die gerade über dem Basismaterial befindliche Lage hauptsächlich V bzw. Cr enthalten, ein Metallelement aus der Gruppe IVa, Va oder VIa und Al, Si, B oder dergleichen zu der äußersten Lage in einem Anteil von höchstens 30 Atom-% und vorzugsweise höchstens 10 Atom-% bzw. zu der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage in einem Anteil von höchstens 50 Atom-% und vorzugsweise einem kleinen Anteil von höchstens 10 Atom-% zugegeben werden. Außerdem können zwei oder mehr Nitride, Oxynitride oder Carbonitride, die eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen, in Form eines mehrlagigen Films verwendet werden.
Das Beschichtungsverfahren zum Bilden der Beschichtungslage des Gießelements nach der vorliegenden Erfindung unterliegt keinen besonderen Einschränkungen. Unter Berücksichtigung der thermischen Einflüsse auf das zu beschichtende Basismaterial, der Ermüdungsfestigkeit der Werkzeuge, der Haftung des Beschichtungsfilms und dergleichen wird vorzugsweise die physikalische Dampfabscheidung angewendet, bei der eine Vorspannung an das zu beschichtende Basismaterial angelegt wird, zum Beispiel ein Lichtbogen-Ionenplattierungsverfahren oder ein Sputterverfahren, bei dem eine Filmbildung bei einer Temperatur möglich ist, die niedriger als eine Tempertemperatur für Heißformstahl oder Schnellarbeitsstahl als das zu beschichtende Basismaterial ist, und eine Druckspannung in dem Beschichtungsfilm verbleibt.
Außerdem ist im Falle des zu beschichtenden Basismaterials nach der vorliegenden Erfindung dessen Härte in einer Tiefe von 25 μm von der äußersten Oberfläche des Basismaterials vorzugsweise um mindestens 100 HV 0,2 höher als in einer Tiefe von 500 μm von der äußersten Oberfläche des Basismaterials bezogen auf die Vickers-Härte gemäß Definition in JIS-Z-2244, um die Verschleißfestigkeit weiter zu verbessern. Das heißt, als ein bestimmtes Beispiel einer Behandlung zur Erzielung des vorstehenden Zwecks wird vorzugsweise zuvor eine Oberflächenhärtungsbehandlung unter Verwendung von Diffusion durchgeführt, zum Beispiel ein Nitrieren oder Aufkohlen. In diesem Fall wird eine Verbundlage wie etwa eine als Weißschicht bezeichnete Nitridlage, die durch Nitrieren gebildet wird, oder eine Carbidlage im Falle des Aufkohlens zu einer Ursache für die Verschlechterung der Haftung der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage, und daher wird ihre Bildung vorzugsweise durch Kontrolle der Behandlungsbedingungen verhindert oder sie wird durch Polieren oder dergleichen entfernt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die vorliegende Erfindung wird ausführlich anhand der folgenden Beispiele beschrieben, die nicht als einschränkend für die Erfindung anzusehen sind. Änderungen können daran vorgenommen werden, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen, und sie alle sind im technischen Umfang der Erfindung enthalten.
Beispiel 1
SKD 61 gemäß der Spezifikation in JIS wurde hergestellt und einem Ölabschrecken von 1.030 °C und sodann einem Vergüten auf 47 HRC durch Tempern bei 550 bis 630 °C unterzogen. Anschließend wurde das so behandelte Material zu den folgenden Prüfstücken verarbeitet: zylindrische Prüfstücke mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Länge von 100 mm zur Untersuchung der Beständigkeit gegen Abnutzung durch Schmelzen, plattenförmige Prüfstücke mit einer Dicke von 3 mm und einer Länge von 30 mm an jeder Seite zur Untersuchung der Beständigkeit gegen Rissbildung und scheibenförmige Prüfstücke mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 5 mm zur Untersuchung der Beständigkeit gegen Fressen. Als Basismaterialien wurden die vorstehend beschriebenen Prüfstücke einer Beschichtungsbehandlung unterzogen. Von den Prüfstücken wurden die Prüfstücke, die einer Oberflächenhärtung unterzogen werden sollten, vor dem Beschichten einem Ionennitrieren unter folgenden Bedingungen unterzogen.
Als Oberflächenhärtung vor dem Beschichten wurde das Ionennitrieren durchgeführt, indem die Prüfstücke für 10 Stunden bei 500 °C in einer Atmosphäre von N₂ mit einem Strömungsanteil von 5 % (Rest: H₂) gehalten wurden. Danach wurde die Prüffläche jedes Prüfstücks durch Polieren endbearbeitet. Durch die Tatsache, dass die Härte in einer Tiefe von 25 μm von der Oberfläche nach der Endbearbeitung bei allen der Nitrierungsbehandlung unterzogenen Prüfstücken 680 HV 0,2 betrug, wurde bestätigt, dass die Härte in einer Tiefe von 25 μm um 100 HV 0,2 höher war als die Härte in einer Tiefe von 500 μm von 47 HRC (= 471 HV 0,2). Die Oberflächen der Basismaterialien nach der Endbearbeitung wurden zusammen mit den Oberflächen der anderen Prüfstücke dem Beschichten unter den folgenden Bedingungen unterzogen.
Das Beschichten wurde mit einer Lichtbogen-Ionenplattierungsvorrichtung wie folgt durchgeführt. Eine Vorspannung von –400 V wurde an jedes zu beschichtende Basismaterial in einer Ar-Atmosphäre (Druck: 0,5 Pa) angelegt, und eine Plasmareinigung mit einem Heißdraht wurde für 60 Minuten durchgeführt. Danach wurde mit verschiedenen Metalltargets als Quellen für Dämpfe von Metallkomponenten und einem Reaktionsgas aus N₂-Gas als Basis und wahlweise CH₄-Gas und N₂ + O₂-Mischgas bei einer Temperatur des zu beschichtenden Basismaterials von 500 °C, einem Reaktionsgasdruck von 3,0 Pa und einer Vorspannung von –50 V ein Film gebildet, so dass die Gesamtdicke aller Lagen etwa 5 μm betrug. Gleichzeitig wurde eine Zwischenlage durch Verwendung von Targets zum Bilden einer gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage und Targets zum Bilden einer äußersten Lage gebildet.
Für die so erhaltenen Prüfstücke wurden die Beständigkeit gegen Abnutzung durch Schmelzen, die Beständigkeit gegen Rissbildung und die Beständigkeit gegen Fressen der beschichteten Oberfläche jedes Prüfstücks untersucht.
Die Untersuchungs- und Prüfbedingungen für jede dieser Beständigkeiten sind nachstehend beschrieben.
(1) Prüfung zur Untersuchung der Beständigkeit gegen Abnutzung durch Schmelzen in einem geschmolzenen Metall
Jedes Prüfstück wurde für. 3 Stunden in eine Schmelze einer Aluminiumlegierung AC4C bei 750 °C eingetaucht, und die Beständigkeit gegen Abnutzung durch Schmelzen wurde anhand des Verhältnisses zwischen den Massewerten des Prüfstücks vor und nach der Prüfung bestimmt.
(2) Prüfung zur Untersuchung der Beständigkeit gegen Rissbildung
Auf der beschichteten Oberfläche (30 mm × 30 mm) wurde mit einem Rockwell-Härteprüfer (C-Skala) ein Eindruck erzeugt, und danach wurde die Umgebung des Eindrucks unter dem Lichtmikroskop untersucht. Die um den Eindruck herum gebildeten Risse wurden anhand des in 1 gezeigten Kriteriums beurteilt. Weil die Umgebung des Eindrucks vorsteht, kommt es bezüglich dieser Einschätzung zur Rissbildung, wie in 1 gezeigt, wenn die Beständigkeit der Beschichtungslage gegen Rissbildung gering ist.
(3) Prüfung zur Untersuchung der Beständigkeit gegen Fressen
Zur Untersuchung der Beständigkeit gegen Fressen wurde ein von CSM Instruments hergestelltes Kugel/Scheiben-Reibverschleiß-Prüfgerät verwendet. Mit einer Kugel aus reinem Aluminium als Partnermaterial wurde der Reibungskoeffizient jedes Prüfstücks auf einer Scheibenoberfläche mit einem Durchmesser von 20 mm als beschichtete Oberfläche bei den folgenden Bedingungen gemessen: Drehradius 3 mm, Umfangsgeschwindigkeit 150 mm/s, Last 2N, Reibstrecke 100 m, Prüftemperatur 500 °C und keine Schmierung. Für die Auswertung wurden die Werte für den Reibungskoeffizienten während der Prüfung in einen angeschlossenen Personalcomputer eingegeben, und der Durchschnitt dieser Werte wurde berechnet. Die so erhaltenen Durchschnittswerte wurden verglichen.

Tabelle 1 enthält die Einzelheiten zu den Beschichtungslagen jedes Prüfstücks und die Ergebnisse der Untersuchungen. Im Falle der Vergleichsprüfstücke und herkömmlichen Prüfstücke, die nicht den Beschichtungslagenaufbau nach der vorliegenden Erfindung aufwiesen, ist die Definition ihrer äußersten Lage, ihrer gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage und ihrer Zwischenlage schwierig. Diese Lagen sind wie in Tabelle 1 gezeigt angegeben, um das Verständnis des Vergleichs mit der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Vor und nach dem Beschichten gab es keine Änderung bei den vorstehend genannten, durch die Oberflächenhärtung vor dem Beschichten korrigierten Härtewerten des Basismaterials. Tabelle 1

	Nr.	Nitrieren	Lage gerade über dem Basismaterial (Dicke)	Zwischenlage (Dicke)	Äußerste Lage (Dicke)	Beständigkeit gegen Abnutzung durch Schmelzen (%)	Beständigkeit gegen Rissbildung*	Beständigkeit gegen Fressen Reibungskoeffizient
Prüfstück nach der vorliegenden Erfindung	1	Ja	(Cr_0.95B_0.05)ON (2,5) μm)	–	(V_0.75Ti_0.25)N (2,7 μm)	0,51	A	0,55
	2	–	(Cr_0.70Al_0.30)^N (1,5 μm)	VCrAlN (0,1 μm)	VN (3,5 μm	0,50	A	0,52
	3	–	CrN (2,2 μm)	–	VN (3,0 μm)	0,56	A	0,52
	4	Ja	(Cr_0.95Si_0.05)N (1,5 μm)	–	(V_0.85Cr_0.15)N (3,7 μm)	0,48	A	0,55
	5	–	CrN (2,3 μm)	CrVN (0,2 μm)	VN (2,6 μm)	0,54	A	0,51
	6	Ja	(Cr_0.70Al_0.30)CN (1,8 μm)	–	VCN (3,2 μm)	0,56	A	0,50
	7	–	(Cr_0.70Ti_0.30)N (2,1 μm)	CrVTiBN (0,3 μm)	(V_0.90B_0.10)N (2,8 μm)	0,55	A	0,48
	8	–	(Cr_0.95Si_0.05)N (1,8 μm)	CrVTiSiN (0,4 μm)	(V_0.75Ti_0.25)N (2,7 μm)	0,53	A	0,54
	9	Ja	CrN (2,0 μm)	CrVN (0,3 μm)	VON (2,7 μm)	0,51	A	0,51
Vergleichsprüfstück	11	–	CrN (2,5 μm)	–	(Ti_0.75V_0.25)N (2,7 μm)	0,54	C	0,82
	12	–	CrN (2,1 μm)	CrTiN (0,5 μm)	TiN (2,5 μm)	0,55	C	0,84
	13	–	TiN (2,7 μm)	–	CrN (2,2 μm)	0,52	C	Prüfung bei einer Reibstrecke von 65 m abgebrochen
	14	–	(Cr_0.70Ti_0.30)N (2,0 μm)	–	(Ti_0.50Al_0.50)N (3,2 μm)	0,67	D	Prüfung bei einer Reibstrecke von 45 m abgebrochen
	15	–	(Ti_0.75Cr_0.25)N (2,6 μm)	–	VN (2,6 μm)	0,56	C	0,52
	16	–	(Ti_0.50Al_0.05)N (2,1 μm)	VTiAlN (0,3 μm)	VN (2,5 μm)	1,05	D	0,50
Herkömmliches Prüfstück	21	–	TiN (5,1 μm)	–	–	0,55	C	0,85
	22	–	CrN (5,4 μm)	–	–	0,58	B	Prüfung bei einer Reibstrecke von 63 m abgebrochen
	23	–	(Ti_0.50Al_0.50)N (4,5 μm)	–	–	1,12	D	Prüfung bei einer Reibstrecke von 48 m abgebrochen

*) Erläuterungen zu Tabelle 1 A: Keine Rissbildung B: Rissbildung an weniger als 3/4 des Umfangs C: Rissbildung an 3/4 oder mehr des Umfangs (außer Ablösen rundum) D: Ablösen rundum

Wie in Tabelle 1 gezeigt, ist zu erkennen, dass alle Prüfstücke nach der vorliegenden Erfindung eine sehr gute Beständigkeit gegen Abnutzung durch Schmelzen, Beständigkeit gegen Rissbildung und Beständigkeit gegen Fressen aufweisen, weil der Aufbau ihrer Beschichtungslagen innerhalb des in der vorliegenden Erfindung angegebenen Bereichs lag.
Andererseits entsprachen bezüglich der Untersuchungsergebnisse für die Vergleichsprüfstücke und die herkömmlichen Prüfstücke die Ergebnisse der Untersuchung ihrer Beständigkeit gegen Abnutzung durch Schmelzen denen, die für die Prüfstücke nach der vorliegenden Erfindung erhalten wurden, und zwar bei allen Proben mit einer Beschichtungslage aus CrN- oder TiN-Material als Basis, als äußerste Lage oder als gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage, zum Beispiel bei den Vergleichsprüfstücken Nr. 11, 12, 13, 14 und 15 und den herkömmlichen Prüfstücken Nr. 21 und 22. Im Falle des Vergleichsprüfstücks Nr. 16 und des herkömmlichen Prüfstücks Nr. 23, die mit einer Beschichtungslage aus einem TiAlN-Material als eine gerade über dem Basismaterial befindliche Lage erhalten worden waren, war die Rate der Abnutzung durch Schmelzen erhöht, das heißt die Beständigkeit gegen Abnutzung durch Schmelzen war gering. Als Grund hierfür wird Folgendes vermutet: Weil die vorstehend genannte Beschichtungslage aus einem CrN- oder TiN-Material als Basis eine relativ gute Haftung aufwies, wurde sie nicht durch den Wärmeimpuls oder den Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen der Beschichtungslage und dem Basismaterial beim Eintauchen des Prüfstücks in die Schmelze der Aluminiumlegierung abgelöst.
Im Falle der Vergleichsprüfstücke Nr. 11, 12, 13 und 14 mit einer äußersten Lage, die nicht den Spezifikationen nach der vorliegenden Erfindung entsprach, und der herkömmlichen Prüfstücke Nr. 21, 22 und 23 mit einem grundlegend anderen Beschichtungsaufbau als bei der vorliegenden Erfindung war der Reibungskoeffizient mit Aluminium erhöht, was zu einer geringen Beständigkeit gegen Fressen geführt hat. Insbesondere bei den Vergleichsprüfstücken Nr. 13 und 14 mit einer Beschichtungslage aus einem CrN- oder TiAlN-Material als äußerste Lage und den herkömmlichen Prüfstücken Nr. 22 und 23 kam es bei der Reibungsprüfung an dem Aluminium als Partnermaterial zum Fressen, so dass die Prüfung abgebrochen wurde.
Bezüglich der Beständigkeit der Beschichtungslage gegen Rissbildung trat in der Beschichtungslage der Vergleichsprüfstücke Nr. 11, 12 und 13 Rissbildung auf, weil ihre äußerste Lage nicht den Spezifikationen nach der vorliegenden Erfindung entsprach, und auch in der Beschichtungslage der Vergleichsprüfstücke Nr. 15 und 16 kam es zu Rissbildung, weil ihre gerade über dem Basismaterial befindliche Lage nicht den Spezifikationen nach der vorliegenden Erfindung entsprach. Daher war die Beständigkeit gegen Rissbildung geringer als die nach der vorliegenden Erfindung erzielte Beständigkeit.
2, 3 und 4 zeigen Diagramme der Ergebnisse zur Untersuchung der Beständigkeit gegen Rissbildung (Zustand in der Nähe eines bei der Rockwell-Härteprüfung erzeugten Eindrucks) für das Prüfstück Nr. 5 nach der vorliegenden Erfindung, das Vergleichprüfstück Nr. 12 bzw. das herkömmliche Prüfstück Nr. 23. Bei dem Prüfstück nach der vorliegenden Erfindung in 2 wurde keine Rissbildung beobachtet (Einstufung A). In der Umgebung des Eindrucks in dem in 3 gezeigten Vergleichsprüfstück (Einstufung C) und dem in 4 gezeigten herkömmlichen Prüfstück (Einstufung D) wurde Rissbildung beobachtet.
Beispiel 2
Als Nächstes wurden Kernstifte zum Druckgießen mit einem Aufbau der Oberflächenbeschichtungslagen ähnlich dem der Prüfstücke Nr. 2, 3 und 5 nach der vorliegenden Erfindung bzw. dem herkömmlichen Prüfstück Nr. 22 hergestellt und dann hinsichtlich ihrer Lebensdauer in einer tatsächlichen Form untersucht.
Zunächst wurde ein in der Zähigkeit verbessertes Material aus Schnellarbeitsstahl als Basis und mit der in Tabelle 2 angegebenen chemischen Zusammensetzung im geglühten Zustand grob zu einer Form ähnlich der eines Kernstifts verarbeitet und einem Ölabschrecken bei 1.080°C und sodann einem Vergüten auf 55 HRC durch Tempern bei 600 °C unterzogen. Danach wurde die Endbearbeitung vorgenommen und das Beschichten unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt, um jeden der vorstehend beschriebenen Kernstifte zu erhalten. Vor dem Beschichten wurde keine Oberflächenhärtung durchgeführt. Bei jedem der so erhaltenen Kernstifte wurden deren Härtewerte in Tiefen von 25 μm und 500 μm von der äußersten Oberfläche ihres Basismaterials vor und nach dem Beschichten auf der vorstehend genannten Vergütungshärte von 55 HRC (= 595 HV 0,2) gehalten. Tabelle 2

Chemische Zusammensetzung (Masse-%)

Basismaterial für den Kernstift C Si Mn Cr W Mo V Co Fe

0,50 0,15 0,45 4,20 1,50 2,00 1,20 0,75 Rest
Die vorstehend hergestellten Kernstifte hatten die in 5 gezeigte Form.
Das Gießen erfolgte mit einer Druckgießmaschine von 300 t unter Verwendung einer Aluminiumlegierung AC4C bei einer Schmelzetemperatur von 700 °C.

Tabelle 3 zeigt die Lebensdauer der verschiedenen Kernstifte. Tabelle 3

	Nr.	Werkeuglebensdauer (Anzahl der Gussstücke)	Ursache für das Ende der Lebensdauer
Kernstift nach	Nr. 2	72.000	Fressen
der vorliegenden	Nr. 3	65.000
Erfindung	Nr. 5	69.000
Herkömmlicher Kernstift	Nr. 22	21.000	Bruch

Die Kernstifte nach der vorliegenden Erfindung verbesserten die Lebensdauer einer Form um den Faktor 3 oder mehr im Vergleich zu dem herkömmlichen Kernstift. Letztlich endete die Lebensdauer der Kernstifte nach der vorliegenden Erfindung aufgrund des Auftretens von Fressen. Andererseits trat bei dem herkömmlichen Kernstift sehr früh Fressen an seinem spitzen Ende auf, und später endete die Lebensdauer durch Bruch. Es wurde bestätigt, dass, wie vorstehend beschrieben, die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen Kernstift zum Druckgießen die Lebensdauer des Stifts deutlich verbessert.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gießelement zur Verwendung in Kontakt mit geschmolzenem Metall, zum Beispiel eine Form zum Druckgießen oder Gießen, einen Kernstift, einen in einer Spritzgießmaschine verwendeten Kolbenring oder dergleichen. Das geschmolzene Metall (ein Gießmaterial) ist nicht auf Aluminium und Aluminiumlegierungen beschränkt, und das Gießelement kann auch zum Gießen einer Magnesiumlegierung verwendet werden. In Anbetracht der Tatsache, dass die Beschichtungslage des Gießelements zum Beispiel eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Fressen mit Nichteisenmetallen aufweist, kann die vorliegende Erfindung auch auf Formen oder Werkzeuge zum Schmieden von zum Beispiel Aluminium, Magnesium und deren Legierungen angewendet werden.

Claims

Gießelement zur Verwendung in Kontakt mit geschmolzenem Metall, mit Heißformstahl oder Schnellarbeitsstahl als Basismaterial und Beschichtungslagen wenigstens auf dessen Arbeitsfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußerste Lage der Beschichtungslagen abgesehen von Verunreinigungen aus Nitrid, Oxynitrid und/oder Carbonitrid besteht, das wenigstens 70 Atom-% V bezogen auf die Gesamtzahl der Metall- oder Halbmetall-Atome ausschließlich der Stickstoff-, Sauerstoff- und Kohlenstoffatome aufweist, und eine weitere Beschichtungslage als eine gerade über dem Basismaterial befindliche Lage gebildet ist, die abgesehen von Verunreinigungen aus Nitrid, Oxynitrid und/oder Carbonitrid besteht, das wenigstens 50 Atom-% Cr bezogen auf die Gesamtzahl von Metall- oder Halbmetall-Atomen, ausschließlich der Stickstoff-, Sauerstoff- und Kohlenstoffatome aufweist.
Element nach Anspruch 1, wobei die Dicke der äußersten Lage zwischen 0,5 und 5,0 μm beträgt, und die Dicke der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage zwischen 0,5 und 3,0 μm beträgt.
Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Zwischenlage an der Grenze zwischen der äußersten Lage und der gerade über dem Basismaterial befindlichen Lage vorhanden ist, die abgesehen von Verunreinigungen aus Nitrid, Oxynitrid und/oder Carbonitrid besteht, das wenigstens V und Cr enthält.
Element nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Zwischenlage höchstens 1,00 μm beträgt.
Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jede der Beschichtungslagen durch physikalische Dampfabscheidung gebildet ist.
Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Härte des Basismaterials in einer Tiefe von 25 μm von der äußersten zu beschichtenden Oberfläche um mindestens 100 HV 0,2 größer ist als in einer Tiefe von 500 μm von der äußersten zu beschichtenden Oberfläche.