JP2001254187A - 硬質皮膜被覆部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆部材において
耐摩耗性、耐酸化性、潤滑性の特性を向上させることを
目的とする。 【構成】硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆部材におい
て、該硬質皮膜は少なくともＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎ、Ｏ
を含有する皮膜を１層乃至２層以上、被覆したことを特
徴とする硬質皮膜被覆部材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体潤滑性に優れる
とともに高い耐摩耗性、耐酸化性を有する耐摩耗性部材
に関する。

【０００２】

【従来の技術】工具や金型及び機械部品において耐摩耗
性、耐酸化性、潤滑性を付与するために各種硬質皮膜を
被覆することが一般的になっている。代表的なＴｉＮ、
ＴｉＣＮ皮膜は耐摩耗性は優れるものの、耐酸化性に問
題を有する。また、特開昭６２−５６５６５などによっ
て提案されたＴｉＡｌＮ系皮膜は耐摩耗性、耐酸化性に
優れるものの潤滑性は低い。ＣｒＮ、ＣｒＣＮ系皮膜は
潤滑性は優れるものの皮膜硬度が低く耐摩耗性に劣る。
このように従来の皮膜は耐摩耗性、耐酸化性、潤滑性の
いずれかが劣り、各用途において何らかの問題点を有す
る結果であるのが現状である。また潤滑性を付与するた
めに硬質皮膜表面に潤滑性に優れるＭｏＳ系皮膜を被覆
する提案が特開平５−２３９６１８などでなされてはい
るが、密着性が悪く十分な結果を得るには至っていな
い。このように従来の皮膜では何らかの問題点があり、
それを解決するためにＭｏＳ系以外において、特開平１
１−１５６９９２に示されるようにＴｉＡｌＮ系皮膜の
上層にＣｒＮ系皮膜を被覆する提案もなされているが、
全体の膜厚はある程度の制限があるためＴｉＡｌＮ皮膜
の膜厚が十分でなく耐摩耗性の点で満足されるものでは
ない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は耐摩耗性、耐
酸化性、潤滑性のいずれをも劣化させることなく、これ
らの特性を向上させることを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明は、硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆部材に
おいて、該硬質皮膜は少なくともＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、
Ｎ、Ｏを含有する皮膜を１層乃至２層以上、被覆する。
また、本発明のより優れた実施態様として、硬質皮膜を
構成する各層の組成は、（Ａｌ_ａＴｉ_ｂＣｒ_ｃ）（Ｎ_ｗ
Ｏ_１−ｗ）、 但し、３０≦ａ≦７０、３０≦ｂ≦７
０、０．５≦ｃ≦２０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、０．７≦
ｗ≦０．９９とすし、その層数は３〜１０００層とす
る、各層の膜厚は５ｎｍ〜２０００ｎｍとする、硬質皮
膜は酸素含有量の少ないＡ層と酸素含有量の多いＢ層で
構成したものとする、Ａ層の酸素含有量は１〜１０原子
％、Ｂ層の酸素含有量は１０〜３０原子％とする、各層
の一部もしくは各層全体に亘り酸素含有量は傾斜組成と
する、硬質皮膜の結晶構造はＮａＣｌ型とする、硬質皮
膜のＸ腺回折における（２００）面の回折強度をＩ（２
００）、同（１１１）面の回折強度をＩ（１１１）とし
た時、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値は１以上とす
る、硬質皮膜結晶形態は微細柱状結晶もしくは非晶質形
態とする、微細柱状結晶の粒径は硬質皮膜と基体の界面
から１０００ｎｍ〜１５００ｎｍの位置において２５０
ｎｍ以下とする、硬質皮膜に残留する圧縮応力は３．５
Ｇｐａ以下とする、などが挙げられる。本発明はＴｉと
ＡｌとＣｒとＮを必須成分とし、これに酸素を添加した
硬質皮膜を採用するものである。当然ながら、ＴｉとＡ
ｌが耐摩耗性成分として寄与し、Ｃｒが潤滑性を付与す
る成分として寄与するわけであるが、これだけでは十分
でなく、これに酸素を添加することにより、いっそう耐
酸化性、潤滑性を付与する結果となる。

【０００５】

【作用】ＴｉＡｌＮを基本とし、これにＣｒを添加する
効果については、第一に特に切削工具において耐酸化性
のさらなる向上が挙げられる。ＴｉＡｌＮの場合、酸化
に伴い皮膜内部でＡｌが表面に拡散し、Ａｌの酸化物を
形成することにより酸素の外部からの浸入を抑制し、耐
酸化性が向上することは周知の事実である。しかしこの
場合Ａｌの酸化物の直下には、非常にポーラスなＴｉの
酸化物が形成されるため、特に切削工具などの衝撃が加
わるような場合、Ａｌの酸化物は容易に脱落してしま
い、その効果を継続して発揮することが難しい。金型等
の場合でも同様である。Ｃｒの添加によりＡｌの酸化物
直下に形成されるポーラスなＴｉの酸化物がＴｉＣｒの
酸化物となり、この酸化物は非常に緻密な層を形成する
ことが明らかとなった。従って、最表層に形成されるＡ
ｌの酸化物は密着性が保たれ、結果耐酸化性が向上する
ことになる。

【０００６】Ｃｒ添加の第二の効果はＣｒそのものが有
する優れた潤滑性をＴｉＡｌＮ皮膜に付与することであ
る。ＴｉＡｌＮの鋼との摩擦係数は０．７−０．８であ
るが、Ｃｒ添加に伴い０．３−０．６に改善される。こ
の摩擦係数はＣｒの添加量に依存する。ただしＣｒの添
加量が多すぎると皮膜硬度が低下し、耐摩耗性が悪くな
るため、添加量には上限を設定することが好ましい。

【０００７】Ｃｒ添加のみでも上述のようにＴｉＡｌＮ
系皮膜の潤滑性、耐酸化性を向上せしめる効果が確認さ
れるが、Ｃｒのみでは十分ではなく、これに酸素を添加
することにより、さらに一層の改善が認められる。酸素
の添加効果については第一に耐酸化性の飛躍的向上、潤
滑性の飛躍的向上が挙げられる。耐酸化性の飛躍的向上
に対しては、皮膜内部に酸素を添加することに伴い、皮
膜の結晶が微細化し皮膜そのものが緻密になると同時に
結晶粒界も緻密になることにより、外部からの酸素の浸
入に対する酸素拡散速度が著しく抑制されることが理由
と考えられる。潤滑性に関しては、十分に解明されては
いないが、酸素添加により鋼との親和性が低下すること
が理由であると考えられる。

【０００８】酸素添加効果の第二は皮膜の残留圧縮応力
が低下し、皮膜の密着性が向上することに起因する耐摩
耗性の向上が挙げられる。特に重切削条件下や鍛造金型
分野においては皮膜の密着性が極めて重要な要素とな
る。皮膜の微小剥離により摩耗が進行する傾向にあると
ともに、大きな剥離が発生すると突発的寿命となる。Ｔ
ｉＡｌＣｒＮ系の皮膜のスクラッチテストによる剥離臨
界荷重は６０−８０Ｎであるのに対し、これに酸素を添
加することによりその強度は１００Ｎ以上に改善され
る。

【０００９】しかしながら、酸素の添加量増加に伴い、
上述の耐酸化性、潤滑性、密着性向上に起因する耐磨耗
性は向上するものの、一方皮膜硬度そのものが軟化して
しまいアブレッシブ摩耗性が劣化する結果となる。従っ
て耐酸化性、潤滑性に寄与するための最適組成層と、ア
ブレッシブ磨耗に寄与する最適組成層の多層化すること
が重要で、より好ましく、多層化により双方の利点が複
合化される結果となる。

【００１０】次に数値を限定した理由を説明する。Ａｌ
は３０原子％未満であると皮膜の耐酸化性が劣化し７０
原子％を超えると皮膜中にｈｃｐ構造を有するＡｌＮが
形成され皮膜強度が劣化するため好ましくない。Ｔｉは
３０原子％未満であると皮膜の耐摩耗性が劣化し、７０
原子％を超えると皮膜の耐酸化性が劣化するため好まし
くない。Ｃｒは０．５原子％未満ではポーラスなＴｉ酸
化物が形成され耐酸化性向上に寄与せず、２０原子％を
超えると皮膜の硬度が軟化し耐摩耗性が劣化し好ましく
ない。酸素は窒素に対し１原子％未満では、耐酸化性、
潤滑性、密着性の向上に寄与せず、３０原子％を超える
と皮膜硬度の軟化を来すため好ましくない。

【００１１】多層における皮膜数は３層未満であると、
それぞれの効果は発揮するものの、上述したようにどち
らかの欠点が顕著となり複合効果が認められず、１００
０層を超えると各層の膜厚が薄く同じく複合効果が認め
られなくなるとともに残留応力が増加し皮膜の密着性を
損なう傾向があるため好ましくない。各層の膜厚も同様
であり、５ｎｍ未満では各層の有する利点の効果が薄
れ、２０００ｎｍを超えるとせいぜい３層程度の被覆し
か現実性がなくなり好ましくない。

【００１２】低酸素含有層と高酸素含有層を多層にする
目的は上述のように、低酸素皮膜は硬度低下が少なく耐
アブレッシブ摩耗に寄与し、高酸素含有皮膜は皮膜硬度
が低下する傾向にあるものの耐酸化、潤滑性に寄与する
効果が大きく、これらを多層に被覆することにより双方
の効果が複合化され好ましい結果となる。低酸素含有層
において、酸素含有量が１原子％未満では、高酸素含有
層との密着性が劣化し、１０原子％を超えると耐アブレ
ッシブ摩耗性が劣化するため好ましくない。一方高酸素
含有皮膜においては、酸素含有量が１０原子％未満では
耐酸化性、潤滑性の向上に寄与が薄く、３０原子％を超
えると著しく硬度が軟化し耐摩耗性を劣化させ好ましく
ない。

【００１３】この低酸素含有皮膜と高酸素含有皮膜は単
純な多層でも何ら問題はないが、各層において酸素含有
量を傾斜化させ界面における酸素含有量の変化をできる
だけ少なくするか、酸素含有量をサイン曲線のごとく連
続化させることにより、各層の密着性がさらに向上する
結果となる。

【００１４】結晶形態においては、ＮａＣｌ型が多数の
すべり面を有するため、高温での皮膜硬度においてＨＶ
３０００程度の上限値が存在し、これ以上の高硬度化は
難しいものの、反面靭性に優れ、チッピングの発生、衝
撃が加わった場合等における皮膜中のマイクロクラック
の発生が少なく、安定した寿命が達成される。

【００１５】皮膜の結晶配向は被覆条件に依存し、比較
的低エネルギーで成膜すると（２００）面に強く配向
し、高エネルギーで成膜すると（１１１）面に配向する
傾向を有する。低エネルギーで成膜した場合が皮膜の成
膜速度は遅くなるが、皮膜密度が向上し、耐酸化性、耐
磨耗性に優れた結果となることが確認された。従って
（２００）面回折強度が（１１１）面回折強度より強い
場合、さらに優れた耐酸化性、耐摩耗性を発揮し、より
好ましいと考えられる。尚、潤滑性においては結晶配向
は大きな影響を及ぼすものではなかった。

【００１６】皮膜の結晶粒径は破面ＳＥＭにて決定し、
基体表面から１０００ｎｍ〜１５００ｎｍの位置におい
て基体に平行な腺を設定し、これに交わる粒界の数より
規定する。この場合皮膜結晶粒径が２５０ｎｍを超えて
粗大化すると耐摩耗性、皮膜強度が劣化し好ましくな
い。ここで非晶質状というのは実際には非晶質ではない
が、破面観察上明確な結晶粒界が観察されない場合をい
う。このような場合特に耐酸化性の著しい向上が確認さ
れている。

【００１７】皮膜に残留する圧縮応力は主に被覆条件に
依存するが、３．５Ｇｐａを超えると密着性が劣化して
しまうため、好ましくない。尚、本発明の皮膜はアーク
イオンプレーティング方式、スパッタリング方式、電子
銃蒸発方式、プラズマアシストＣＶＤ方式のいずれであ
っても傾向は同様であり、またこれら各方式の組み合わ
せであってもよい。

【００１８】

【実施例】次に本発明の好ましい実施例を比較例ととも
に説明する。アークイオンプレーティング方式により本
発明例と比較例の皮膜を作成した。ＡｌＴｉＣｒの組成
は蒸発源であるカソードターゲットの金属組成を調整す
ることにより調整した。酸素含有量は窒素と酸素の混合
ガスを使用しその混合比を調整することにより調整する
とともに、ガスの切り替えにより多層化した。結晶配向
上は基本的には被覆条件で調整し、（２００）配向皮膜
は被覆条件を基体に印可するバイアス電圧を７０Ｖ反応
圧力を１Ｐａとし、（１１１）配向皮膜はバイアス電圧
を２００Ｖ反応圧力を０．５Ｐａとすることにより作成
した。Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）比はこの他皮膜組
成、酸素含有量にも多少依存するものである。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１に本発明例と比較例の詳細を示す。尚
皮膜の厚さは今回本発明例及び比較例においてすべて３
０００ｎｍ〜３２００ｎｍで統一した。

【００２１】

【表２】

【００２２】表２に表１で示した本発明例及び比較例の
耐酸化性、潤滑性及び耐摩耗性に寄与すべき皮膜硬度等
の測定結果を示す。耐酸化性は大気中９００℃において
保持した場合の酸化による単位時間あたりの重量増を測
定した。潤滑性は炭素鋼との摩擦係数を測定することに
より評価した。硬度はナノインデンターを用い１ｇ荷重
における圧子侵入深さよりビッカース硬さを算出した。
本発明例はいずれにおいても比較例より優れる結果であ
ることが明らかである。

【００２３】

【表３】

【００２４】表３に表１に示した例を以下の条件下でエ
ンドミル切削を実施した時の工具寿命を示す。 基体組成 ９０ＷＣ−９．５Ｃｏ−０．５Ｃｒ、ＷＣ
粒径０．８μｍ 工具 ６枚刃、径８ｍｍエンドミル 被削材 ＳＫＤ１１（ＨＲＣ６３） 切削速度 １００ｍ／ｍｉｎ 切り込み量 ８ｍｍ ｘ ０．８ｍｍ 送り量 ５０μｍ／刃 乾式・湿式 乾式切削 寿命判定基準はエンドミルが折れる時点とした。いずれ
においても本発明例は長寿命でありＴｉＡｌＮ系にＣｒ
と酸素を添加した多層構造の効果が明らかである。

【００２５】表３に表１に示した本発明例及び比較例に
おいて以下に示す条件で穴明け加工した場合の結果を併
記する。スラスト力は切削初期１０穴目において測定し
た結果である。寿命はドリルが折損した時の穴数で評価
した。 基体組成 ９１、５ＷＣ−８Ｃｏ−０．５Ｃｒ、ＷＣ
粒径０．８μｍ 被削材 ＳＫＤ６１（ＨＲＣ４２） ドリル径 ８ｍｍ 切削速度 ８０ｍ／ｍｉｎ 送り量 ０．２ｍｍ／ｒｅｖ 穴深さ ３２ｍｍ 乾式・湿式 乾式切削 本発明例は極めてスラスト力が低く、結果長寿命である
ことが明らかである。

【００２６】次に超硬インサートにて本発明例及び比較
例を試作し、以下の切削条件で切削を実施した。その結
果を表３に併記する。本切削条件は正面フライス切削で
は切削速度が速く工具の耐酸化性が重要となる条件であ
る。 基体 Ｐ３０グレード超硬合金 インサート ＳＥＥ４２ＴＮ（２０°逃げ） 被削材 ＳＫＤ６１（ＨＲＣ２２） 切削速度 ４００ｍ／ｍｉｎ 切り込み １ｍｍ 送り ０．１ｍｍ／刃 乾式・湿式 乾式切削 寿命判定は逃げ面平均摩耗が０．４ｍｍに達するまでの
切削時間とした。表３から明らかなように、本発明例で
は著しい寿命向上が確認された。

【００２７】

【効果】ＴｉＡｌＮ系皮膜にＣｒと酸素を添加したＴｉ
ＡｌＣｒＯＮ系多層膜は耐酸化性を向上せしめるのみで
なく、耐摩耗性の劣化なく潤滑性を付与すること、並び
に、低応力化による皮膜密着性の向上が可能であり高速
乾式切削において優れた特性を発揮することが可能であ
る。また熱間鍛造の用途等においてもその効果は同様で
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3C046 FF10 FF11 FF16 FF25 4K029 BA41 BA58 BB02 BB08 BB10 BC00 BC02 BD05 CA04 CA13 DD06 EA01 4K030 BA02 BA06 BA18 BA35 BA38 BB04 BB05 BB12 BB13 FA01 JA01 JA06 LA01 LA22 4K044 AA09 AB10 BA12 BA18 BB02 BC01 BC02 BC06 CA13 CA14

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆部材にお
   いて、該硬質皮膜は少なくともＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎ、
   Ｏを含有する皮膜を１層乃至２層以上、被覆したことを
   特徴とする硬質皮膜被覆部材。
2. 【請求項２】請求項１記載の硬質皮膜被覆部材におい
   て、該硬質皮膜を構成する層の組成は、 （Ａｌ_ａＴｉ_ｂＣｒ_ｃ）（Ｎ_ｗＯ_１−ｗ）、 但し、３０≦ａ≦７０、３０≦ｂ≦７０、０．５≦ｃ≦
   ２０、 ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、０．７≦ｗ≦０．９９、であるこ
   とを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
3. 【請求項３】請求項１乃至２記載の硬質皮膜被覆部材に
   おいて、該層数は３〜１０００層であることを特徴とす
   る硬質皮膜被覆部材。
4. 【請求項４】請求項１乃至３記載の硬質皮膜被覆部材に
   おいて、該層の膜厚は５ｎｍ〜２０００ｎｍであること
   を特徴とする硬質皮膜被覆部材。
5. 【請求項５】請求項１乃至３記載の硬質皮膜被覆部材に
   おいて、硬質皮膜を酸素含有量の少ないＡ層と酸素含有
   量の多いＢ層で構成したことを特徴とする硬質皮膜被覆
   部材。
6. 【請求項６】請求項５記載の硬質皮膜被覆部材におい
   て、該Ａ層の酸素含有量は１〜１０原子％、該Ｂ層の酸
   素含有量は１０〜３０原子％であることを特徴とする硬
   質皮膜被覆部材。
7. 【請求項７】請求項５乃至６記載の硬質皮膜被覆部材に
   おいて、該Ａ層及び／又はＢ層の一部もしくは全体に亘
   り、酸素含有量が傾斜組成を有することを特徴とする硬
   質皮膜被覆部材。
8. 【請求項８】請求項１乃至７記載の硬質皮膜被覆部材に
   おいて、該硬質皮膜の結晶構造がＮａＣｌ型であること
   を特徴とする硬質皮膜被覆部材。
9. 【請求項９】請求項１乃至８記載の硬質皮膜被覆部材に
   おいて、該硬質皮膜のＸ腺回折における（２００）面の
   回折強度をＩ（２００）、同（１１１）面の回折強度を
   Ｉ（１１１）とした時、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の
   値が１以上であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
10. 【請求項１０】請求項１乃至９記載の硬質皮膜被覆部材
    において、該硬質皮膜結晶形態が微細柱状結晶もしくは
    非晶質であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
11. 【請求項１１】請求項１乃至１０記載の硬質皮膜被覆部
    材において、該微細柱状結晶の粒径が、硬質皮膜と基体
    の界面から１０００ｎｍ〜１５００ｎｍの位置におい
    て、２５０ｎｍ以下であることを特徴とする硬質皮膜被
    覆部材。
12. 【請求項１２】請求項１乃至１１記載の硬質皮膜被覆部
    材において、該硬質皮膜に残留する圧縮応力が３．５Ｇ
    Ｐａ以下であることを特徴とする硬質皮膜被服部材。