JP2005138209A - 耐摩耗性部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に高温での耐摩耗性を向上させ、切削工具、耐摩工具、機械部品、摺動部品、電気、電子部品等に対して好適に用いることができる耐摩耗性部材を提供する。
【解決手段】 本発明は、単層または複層のＡｌ₂Ｏ₃層を有し、さらにＡｌ₂Ｏ₃層と基材との間に単層または複層の（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層を形成させた耐摩耗性部材に関する。基材とＡｌ₂Ｏ₃層との間に形成される（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層は非晶質構造を有することが好ましい。（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層のうち少なくとも１層について、ｘ＝０．６〜０．９５、ｙ＝０〜０．６の範囲内であることが好ましい。Ａｌ₂Ｏ₃層は結晶性、特にα−Ａｌ₂Ｏ₃構造またはγ−Ａｌ₂Ｏ₃構造を有するものが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、耐摩耗性、耐熱性および耐溶着性、特に高温での耐摩耗性および耐溶着性を向上させ、切削工具、耐摩工具、機械部品、摺動部品、電気、電子部品等に対して好適に用いられる耐摩耗性部材に関する。

近年、切削工具の耐摩耗性、耐熱性、および潤滑性を向上させるために、基材上にＰＶＤ法（物理蒸着法）やＣＶＤ法（化学蒸着法）でＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃からなる化合物層を１層または複層として形成し、基材表面をこれらの化合物層で被覆することが一般的に行なわれている。

たとえば、特許文献１においては、チタン−アルミニウム合金の第一の層と、物理蒸着法によって第一の層に直接付着されるアルミナの層とを含むコーティング構成を有する切削工具が提案されている。

また、特許文献２においては、Ｓｉが１０％以上６０％以下であるａ層と、Ａｌが４０％越え７５％以下であるｂ層が、それぞれ１層以上交互に被覆され、さらにＴｉを主体とする窒化物からなるｃ層が母材表面直上に形成され、ｃ層直上がｂ層である硬質皮膜被覆工具が提案されている。これらの硬質皮膜は特に物理蒸着法で形成される。

しかし、従来のＰＶＤ法によって形成させたＴｉＮやＴｉＣＮからなる被膜の耐熱性は十分でなく、また、比較的高い耐熱性を有するＴｉＡｌＮやＴｉＳｉＮからなる被膜についても、高温環境下や高速切削および高速摺動時における耐熱性は必ずしも十分でないという問題がある。

一方、Ａｌ₂Ｏ₃からなる被膜は耐熱性に優れるため、Ａｌ₂Ｏ₃被膜を用いることは、十分な耐熱性および耐摩耗性を有する被膜を得る方法としては最も良いと言える。Ａｌ₂Ｏ₃層は、通常ＴｉＣＮ−Ａｌ₂Ｏ₃の複層として用いられる場合が多いが、Ａｌ₂Ｏ₃層を形成するためには、熱ＣＶＤ法においては１０００℃以上、ＰＶＤ法においても５００〜８００℃という基材温度が必要とされる。基材温度が高い場合、Ａｌ₂Ｏ₃層を形成させるための酸素がＴｉＣＮ層等の下地層をも通過して、基材表面または基材と被膜との界面に達する場合がある。基材表面または基材と被膜との界面が酸素によって酸化されると脆い酸化物層が形成され、基材と被膜との密着力が低下するために、十分な耐摩耗性および耐熱性が得られないという問題が生じる。

より低温でＡｌ₂Ｏ₃層を形成する方法として、特許文献３には、中間層としてＡｌ₂Ｏ₃層と同じコランダム構造を有する酸化物被膜を形成させることによって、３００〜７００℃の低温でコランダム構造のＡｌ₂Ｏ₃層を形成させる方法が提案されている。しかし、被膜形成を低温で行なうことによって成膜時の基材の酸化は抑制できたとしても、切削時等の使用時には、耐摩耗性被膜の刃先が高温になることによって大気中の酸素が基材に達し、基材の酸化が生じるため、基材と被膜との間の密着力低下によって十分な耐摩耗性および耐熱性が得られないという問題は依然解決されていない。
特開平９−１９２９０６号公報 特開２０００−３２６１０７号公報 特開２００２−５３９４６号公報

本発明は、上記の課題を解決し、特に高温での耐摩耗性を向上させ、切削工具、耐摩工具、機械部品、摺動部品、電気、電子部品等に対して好適に用いることができる耐摩耗性部材を提供することを目的とする。

本発明は、単層または複層のＡｌ₂Ｏ₃層と単層または複層の（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層（但し、０＜ｘ＜１、かつ０≦ｙ＜１、以下同じ）とを含む耐摩耗性被膜、および基材を含み、該（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層が該Ａｌ₂Ｏ₃層と該基材との間に形成されている耐摩耗性部材に関する。

本発明において基材とＡｌ₂Ｏ₃層との間に形成される（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層は、非晶質構造、または、非晶質相の中に１〜５０ｎｍの範囲内の結晶質相を有するナノコンポジット構造を有することが好ましい。また結晶質相が、特に粒径が１〜５０ｎｍの範囲内の柱状組織からなることも好ましい。

（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層のうち少なくとも１層は、ｘ＝０．６〜０．９５、ｙ＝０〜０．６の範囲内となるものであることが好ましい。

本発明はまた、形成されるＡｌ₂Ｏ₃層が結晶性である耐摩耗性部材に関する。特にＡｌ₂Ｏ₃層がα−Ａｌ₂Ｏ₃構造を有するものが好ましい。

本発明において、耐摩耗性被膜全体の膜厚は、好ましくは０．５〜１５μｍの範囲内に設定される。また、Ａｌ₂Ｏ₃層のうち少なくとも１層の膜厚は０．１〜１０μｍの範囲内、（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層のうち少なくとも１層の膜厚は０．２〜１０μｍの範囲内に設定されることがそれぞれ好ましい。

本発明はさらに、（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層と基材との間に単層または複層の密着層を形成した耐摩耗性部材に関する。該密着層は、Ｔｉおよび／またはＡｌの炭化物、窒化物、炭窒化物、窒酸化物、もしくはＴｉのうち１種以上を含み、密着層全体の膜厚が０．１〜１０μｍの範囲内となるように形成されることが好ましい。

本発明はさらに、（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層とＡｌ₂Ｏ₃層との間に単層または複層の中間層を有する耐摩耗性部材に関する。該中間層は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌから選択される１種以上の元素の炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、窒酸化物のうち１種以上を含み、中間層全体の膜厚が０．２〜１０μｍの範囲内であることが好ましい。

本発明はさらに、最表面に単層または複層の表面層を形成した耐摩耗性部材に関する。該表面層は、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、窒酸化物のうち１種以上を含み、表面層全体の膜厚が０．０５〜５μｍの範囲内であることが好ましい。

本発明に用いられる耐摩耗性被膜において、各層の形成方法に限定はないが、少なくともＡｌ₂Ｏ₃層、好ましくは（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層およびＡｌ₂Ｏ₃層、さらに好ましくは耐摩耗性被膜を構成する層のすべてをＰＶＤ法によって形成させる方法が好適である。

本発明はさらに、基材の少なくとも一部を耐摩耗性被膜で被覆した耐摩耗性部材に関する。基材としては、高速度鋼、超硬合金、サーメット、ｃＢＮ焼結体、ダイヤ焼結体、ＴｉＣ−Ａｌ₂Ｏ₃焼結体、Ｓｉ₃Ｎ₄焼結体が使用可能であり、特に高速度鋼が好ましく用いられる。

本発明の耐摩耗性部材は、切削工具、耐摩工具、機械部品、摺動部品、電気、電子部品等に対して使用可能であるが、特に切削加工用の切削工具に対して好適に使用できる。

本発明の耐摩耗性部材は、特に高温での耐摩耗性に優れ、切削工具、耐摩工具、機械部品、摺動部品、電気、電子部品等に対して好適に用いることができる。

本発明における耐摩耗性部材は、耐摩耗性被膜を超硬合金、サーメット、ｃＢＮ焼結体、ダイヤ焼結体、ＴｉＣ−Ａｌ₂Ｏ₃焼結体、Ｓｉ₃Ｎ₄焼結体、高速度鋼等の基材に被覆することにより提供される。

図１は、本発明に係る耐摩耗性部材の構成の一例を示す断面図である。本発明の耐摩耗性部材１２は、基材１３の表面に、（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層１５を介在させてＡｌ₂Ｏ₃層１７を形成して得られることを特徴とする。図１は本発明の特に好ましい態様を示しており、基材１３と（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層１５との間に密着層１４、（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層１５とＡｌ₂Ｏ₃層１７との間に中間層１６、Ａｌ₂Ｏ₃層１７の表面に表面層１８が、それぞれ形成され、耐摩耗性被膜１１が構成されている。このようにして得られた耐摩耗性被膜１１を基材１３の表面に形成し、耐摩耗性部材１２を得る。

本発明の耐摩耗性部材は、単層または複層のＡｌ₂Ｏ₃層と、Ａｌ₂Ｏ₃層と基材との間に形成される単層または複層の（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層を含むことを特徴とする。

物理的および化学的に安定で高硬度のＡｌ₂Ｏ₃の層を存在させると、耐摩耗性部材全体の耐熱性を大きく向上させることができるが、基材上にＡｌ₂Ｏ₃層を形成した場合、Ａｌ₂Ｏ₃層形成時に酸素原子がＡｌ₂Ｏ₃層を拡散、透過して基材に拡散し、基材表面に脆い酸化物層が形成されることによって、基材と耐摩耗性被膜との密着力が低下する。特に高温環境下では基材の酸化、および基材と耐摩耗性被膜との密着力低下の発生は顕著であり、耐摩耗性部材として十分な耐摩耗性および耐熱性を維持することが困難である。

本発明においては、Ａｌ₂Ｏ₃層と基材との間に（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層を介在させる。ＴｉＳｉＣＮは単体で耐酸化性に優れる化合物であり、高温で酸素を共存させても酸化され難い。したがって、Ａｌ₂Ｏ₃層形成時および耐摩耗性部材の使用時には、Ａｌ₂Ｏ₃層と基材との間に存在する（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層によって、Ａｌ₂Ｏ₃層から基材への酸素原子の拡散が抑制される。

酸素原子が被膜内において拡散する機構としては、被膜に存在する結晶粒内部における被膜の酸化を伴う拡散と、粒界において被膜の酸化とは無関係に生じる拡散とが挙げられる。（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層を形成することで、結晶粒内部における酸素原子の拡散が生じ難くなるため、Ａｌ₂Ｏ₃層から基材への酸素原子の拡散を抑制できるが、（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層内の粒界における酸素原子の拡散を抑制する手段によって、（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層の酸素原子の拡散抑制効果をさらに向上させることができる。

（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層の結晶粒内部および粒界における酸素原子の拡散を抑制する方法としては、たとえば、ＴｉとＳｉとの量比、および層の形成条件を調整することによって（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層の膜質を制御する方法が挙げられる。たとえば（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層が非晶質構造を有する場合、粒界が少ないために結晶粒内および粒界における酸素原子の拡散が抑制され好ましい。

一方、（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層が結晶質相を有する場合、連続した粒界がほとんど存在しないように膜質を制御することによって、（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層における酸素原子の拡散を効果的に抑制できる。具体的には、Ｓｉ−ＮまたはＳｉリッチなＴｉＳｉＣＮ相が非晶質の母相を形成し、その中に１〜５０ｎｍの粒径を有するＴｉＮまたはＴｉリッチなＴｉＳｉＮ結晶質相を含有するナノコンポジット構造を形成させる方法等が採用できる。この場合、形成した層の表面側から基材表面へと繋がる連続した粒界がほとんど生成しないため、粒界による酸素原子の拡散を効果的に防止できる。なお、結晶質相の粒径が１ｎｍ以上であれば微結晶の存在によって（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層は良好な耐摩耗性および耐熱性を示し、５０ｎｍ以下であれば粒界が連続して生成しにくく、酸素原子の拡散が防止できる。

さらに（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層は、粒径が１〜５０ｎｍの範囲内の微細な柱状組織を有しても良い。この場合、（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層は良好な機械的特性を有するとともに、緻密な粒界が存在することにより酸素原子の拡散防止効果に優れる。

（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層の結晶質／非晶質構造、結晶質相の粒径、柱状組織の形成等の膜質は、Ｔｉに対するＳｉの組成比、成膜温度、成膜圧力、基材温度、バイアス電圧、反応ガス等につき、（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層形成時に最適条件を選択することによって制御できる。

本発明に用いる（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層においては、組成と成膜条件の制御によって所望の物性および耐熱性を確保することができる。したがって組成は成膜条件との関係で調整されるが、（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層の少なくとも１層が、ｘ＝０．６〜０．９５、さらにｘ＝０．７〜０．９の範囲内となるようにＳｉを含有することが好ましい。ｘが０．６以上である場合、ＴｉとＳｉとが適正な組成比で存在することによって所望の膜硬度が得られ、高温条件下での酸化の進行を防止できる。またｘが０．９５以下である場合、Ｓｉを一定量以上含有することによって（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層としての良好な耐熱性が得られる。

なお、組成式（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）において、ｙ＝０〜０．６、さらにｙ＝０〜０．３の範囲内である場合、Ｎを一定量以上含有することにより（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層の耐熱性が確保されるため好ましい。

特に、組成式（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）において、ｘ＝０．７〜０．９、かつｙ＝０〜０．３の範囲内となる組成とした場合には、比較的広範な成膜条件で良好な耐摩耗性および耐熱性を有する（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層が得られる。

単層または複層の（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層において、少なくとも１層の厚みは０．４〜１０μｍ、さらに０．５〜５μｍの範囲内であることが好ましい。０．４μｍ以上であれば酸素原子の拡散抑制効果が十分得られる一方、１０μｍ以下であれば他層との密着性を確保でき、剥離が防止できる。

本発明の耐摩耗性部材には、単層または複層のＡｌ₂Ｏ₃層を形成する。Ａｌ₂Ｏ₃層は、特に高い面負荷がかかり、高温環境になる切削工具の刃先部分、機械部品、摺動部品においては結晶性であることが好ましい。この場合Ａｌ₂Ｏ₃層はα−Ａｌ₂Ｏ₃あるいはγ−Ａｌ₂Ｏ₃の結晶構造を有するが、α−Ａｌ₂Ｏ₃の結晶構造は熱的に安定であるため好ましい。Ａｌ₂Ｏ₃層が結晶性である場合、非晶質の場合と比べて高温安定性および硬度の点で優れるため、耐摩耗性部材の耐熱性、耐摩耗性を向上させることができる。

単層または複層のＡｌ₂Ｏ₃層において、少なくとも１層の厚みは０．１〜１０μｍ、さらに０．２〜５μｍの範囲内に設定されることが好ましい。厚みが０．１μｍ以上であればＡｌ₂Ｏ₃層は耐熱性を十分に発揮でき、１０μｍ以下であれば他層との密着性および耐摩耗性に優れる。

Ａｌ₂Ｏ₃層の結晶構造は、成膜時の圧力、基材温度、スパッタ電力、酸素流量を最適条件に調整することで制御できる。

本発明の耐摩耗性部材において、基材と（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層との間には、単層または複層の密着層を形成させても良い。特に、密着層が、Ｔｉおよび／またはＡｌの炭化物、窒化物、炭窒化物、窒酸化物、もしくはＴｉのうちいずれか１種以上を含む場合、基材と（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層との密着性が向上し、耐剥離性が良好になるため好ましい。密着層の厚みは、密着層全体で０．１〜１０μｍ、さらに０．２〜５μｍの範囲内となることが好ましい。膜厚が０．１μｍ以上であれば十分な密着性向上の効果が得られ、１０μｍ以下であれば耐摩耗性部材全体としての耐摩耗性が低下したり剥離が発生する危険性が少ない。

本発明においては、（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層とＡｌ₂Ｏ₃層との間に単層または複層の中間層を配置しても良い。中間層は、（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層とＡｌ₂Ｏ₃層との密着力を強化して両層の界面における層間剥離を防止したり、中間層に耐摩耗性の高い層を選択した場合には、耐摩耗性部材全体としての耐摩耗性の向上に寄与するという効果を有する。

中間層を形成するための材料としては、Ｔｉを主成分とする元素の炭化物、窒化物、炭窒化物等が好ましく、これらを用いることによって密着力の高い向上効果が得られる。特に、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉを含むＴｉの炭化物、窒化物、炭窒化物は、高硬度で耐摩耗性の向上効果にも優れるため好ましい。

一方、Ａｌおよび／またはＳｉを主成分とする元素の窒化物、および各種元素の窒酸化物も、（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層およびＡｌ₂Ｏ₃層に対する密着性が高い点で良好である。窒酸化物とする元素は、特にＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉのいずれかを主成分とすることができる。

また各種元素の酸化物を用いた場合には、Ａｌ₂Ｏ₃層との密着性の向上効果が高い上、耐熱性も向上させることができる。この場合、特にＡｌおよび／またはＳｉを主成分とする元素の酸化物は好適である。

中間層を形成するためのこれらの材料は単独で用いても良いが、これらを適宜組み合わせて複層とすることによって（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層とＡｌ₂Ｏ₃層との密着性をより向上させることが可能である。

中間層の膜厚は、全体で０．００１〜１０μｍ、さらに０．１〜５μｍの範囲内であることが好ましい。０．００１μｍ以上であれば密着性向上の効果が十分得られ、１０μｍ以下であれば中間層内での剥離による密着力低下を防止できる。

この他、本発明の耐摩耗性被膜の最表面には、たとえば表面の潤滑性を向上させる目的で表面層を形成させても良い。表面層に用いられ得る材料としては、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）やＭｏＳ₂、ＷＣ（炭化タングステン）等の潤滑性の高いものが好適である。これらの材料からなる表面層を形成させることにより、初期の摺動特性を向上させることができる。また、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、窒酸化物のうち少なくとも１種からなる単層または複層の表面層を配置すれば、耐摩耗性を維持しつつ潤滑性を向上させることができる。

表面層の膜厚は、表面層全体で０．０５〜５μｍ、さらに０．１〜２μｍの範囲内であることが好ましい。０．０５μｍ以上であれば最表面を十分に被覆することができるため潤滑性向上の効果が発揮でき、５μｍ以下であれば表面層自体の剥離を防止できる。

本発明のＡｌ₂Ｏ₃層は、ＣＶＤ法（化学蒸着法）、ＰＶＤ法（物理蒸着法）のいずれによっても形成可能であるが、ＣＶＤ法を用いる場合には、基板温度を１０００〜１１００℃程度に保持する必要がある。一方ＰＶＤ法では、基板温度を５００〜８００℃の比較的低温に保持すれば良い。したがって、基材表面または基材と耐摩耗性被膜との界面における酸化を抑制できる点では、より低温での形成が可能なＰＶＤ法が有利である。また、ＰＶＤ法で形成されたＡｌ₂Ｏ₃膜は膜内に圧縮残留応力を有する。したがって、切削工具や機械部品等において、衝撃が加わることにより万一亀裂が生じても、亀裂が伸展し難く、耐欠損性、耐チッピング性において優れるという利点も有する。

本発明においては、Ａｌ₂Ｏ₃層のみをＰＶＤ法で形成しても良いが、（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層およびＡｌ₂Ｏ₃層、さらに耐摩耗性被膜を構成する層のすべてをＰＶＤ法で形成した場合、基材表面または基材と耐摩耗性被膜との界面における酸化の抑制効果、耐欠損性および耐チッピング性の向上効果がさらに顕著なものとなる。

本発明に適用されるＰＶＤ法の詳細は限定されるものではないが、イオンプレーティング法、スパッタリング法等は好適に用いられ得る。特に、冷陰極アーク式のイオンプレーティング法、アンバランストマグネトロンスパッタ法、デュアルマグネトロンスパッタ法等により（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層、Ａｌ₂Ｏ₃層を形成する場合、より高いエネルギーを持つ粒子によって緻密な層が形成されるため好ましい。

また、密着層、中間層、表面層としてのＴｉＮ層およびＴｉＣＮ層を、比較的低い基材温度で層の形成が可能なＭＴ−ＣＶＤ法で形成した場合にも、基材表面または基材と耐摩耗性被膜との界面における酸化を抑制し、耐摩耗性および耐熱性を向上させることは可能である。

本発明の耐摩耗性部材の典型的な構成としては、基材上に密着層、（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層、中間層、Ａｌ₂Ｏ₃層、表面層がこの順に積層されたものが挙げられる。各層は単層または複層とすることができるが、各々の層の層間、または複層の場合には層内に、さらに別の層を形成させても良い。また、基材上、または基材上に形成した密着層上に、（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層とＡｌ₂Ｏ₃層とを複数回繰り返して形成する方法等によって、基材表面または基材とＡｌ₂Ｏ₃層との界面の酸化を防止して耐摩耗性を向上させつつ、より優れた耐熱性を有する耐摩耗性部材を得ることができる。

本発明の耐摩耗性部材は以上のような構成を有することができるが、耐摩耗性被膜全体としての膜厚は０．５〜１５μｍの範囲内であることが好ましい。膜厚が０．５μｍ以上であれば耐摩耗性が十分得られ、１５μｍ以下であれば基材と耐摩耗性被膜との密着性低下による剥離を効果的に防止することができる。さらに、より環境の厳しい切削工具や摺動部品においては、耐摩耗性被膜全体の膜厚が１〜５μｍの範囲内であることが特に好ましい。

なお、本発明において形成される各々の層の膜厚は、ＣＶＤ法またはＰＶＤ法を用いた場合、蒸着条件の調整によって制御できる。すなわち蒸発源の放電による成膜時の圧力、放電時間等の蒸着条件は、材料組成および所望の膜厚に応じて最適な条件を選択すれば良い。

形成された層の層厚および膜構造は、断面のＳＥＭ観察およびＴＥＭ観察によって評価することができる。また結晶構造は、Ｘ線入射角を１°に固定した薄膜法によって得られるＸ線回折パターン、およびＴＥＭ装置を用いた電子線回折パターンによって評価することができる。

＜実施例＞
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１〜１２）
基材として、組成がＪＩＳ規格Ｐ３０、形状がＪＩＳ−ＳＮＧ４３２である超硬合金製切削チップを用い、基材表面に冷陰極アーク式のイオンプレーティングおよびアンバランストマグネトロンスパッタ、または、デュアルマグネトロンスパッタ法を用いて耐摩耗性被膜を形成した。

図２は、本発明に好適に適用されるデュアルマグネトロンスパッタ法について説明する図である。成膜装置には、アーク蒸発源２１、２２およびスパッタ蒸発源２３、２４を配置し、蒸発源間の中心点を中心として、これらの蒸発源間で回転する基材保持具２５に、基材２６として切削チップを装着した。

アーク蒸発源２１に密着層の材料である金属材料またはセラミックス材料、アーク蒸発源２２に（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層の材料であるＴｉＳｉ（チタンシリコン）、スパッタ源２３に中間層の材料である金属材料またはセラミックス材料、スパッタ源２４にＡｌ₂Ｏ₃層の材料であるＡｌ（アルミニウム）を、それぞれセットした。

成膜装置内を真空度１×１０^-3Ｐａ以下に真空引きし、ガス導入口２７からＡｒ（アルゴン）ガスを導入した。真空度を３Ｐａに保持し、基材を５００℃まで加熱して１時間保持した。切削チップに１０００Ｖの電圧を印加し、Ａｒガス中でグロー放電させて、Ａｒイオンによる基材表面のクリーニングを行なった後、Ａｒガスを排気した。

次に、所定の反応ガスを成膜装置に導入し、切削チップに対して所定の基板バイアス電圧を印加した後に、アーク蒸発源２１を真空アーク放電させて、金属材料またはセラミックス材料の蒸発源をイオン化させることにより、切削チップ上に密着層を形成した。

続いて、所定の反応ガスを成膜装置内に導入し、アーク蒸発源２２を放電させて（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層を形成させた。

次に、Ａｒおよび所定の反応ガスを成膜装置内に導入し、スパッタ源２３を放電させて切削チップ上に中間層を形成した。同様に、ＡｒガスおよびＯ₂ガスを成膜装置内に導入し、基材を所定の成膜温度にした後、スパッタ源２４を放電させてＡｌ₂Ｏ₃層を形成した。最後に、成膜装置内に所定の反応ガスを導入し、アーク蒸発源２１を再び放電させて表面層を形成し、表面被覆切削チップ試料を得た。

なお、本発明の実施例および比較例を通じ、反応ガスとしては、炭化物、窒化物、炭窒化物の形成にはＮ₂ガスおよびＣＨ₄ガス、炭窒化物の形成にはＮ₂ガス、ＣＨ₄ガスおよびＣＯ₂ガス、窒酸化物の形成にはＮ₂ガスおよびＯ₂ガスを用いた。

蒸着源の放電条件、放電時の圧力、基材温度、反応ガスの導入流量等は、形成させる層の組成、層厚によって最も適した条件を採用した。代表的な成膜条件として、実施例１についての成膜条件を表１に示す。

形成させた各層の組成、膜厚および膜構造を表１〜表３に示す。各層の組成はＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）によって測定した。また膜厚、組織構造、結晶質相の粒径は、断面のＳＥＭ観察およびＴＥＭ観察によって評価し、結晶構造は、Ｘ線入射角を１°に固定した薄膜法によって得られるＸ線回折パターン、およびＴＥＭ装置を用いた電子線回折パターンによって評価した。

（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層の結晶構造については、非晶質のものを「ａｍｏ．」、ナノコンポジット構造のものを「ｎｃ」、柱状組織を有するものを「柱状」と表記し、結晶質相を有するものについては該結晶質相の粒径を示した。

Ａｌ₂Ｏ₃層の結晶構造については、非晶質のものを「ａｍｏ．」、α−Ａｌ₂Ｏ₃構造のものを「α」、γ−Ａｌ₂Ｏ₃構造のものを「γ」と表記した。

（比較例１）
（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層を形成せず、従来法である熱ＣＶＤ法によって耐摩耗性被膜を形成し、表面被覆切削チップ試料を得た。形成させた各層の組成、膜厚および膜構造を表４に示す。

（比較例２）
Ａｌ₂Ｏ₃層を形成せず、従来法である冷陰極アーク式のイオンプレーティング法でＴｉＡｌＮ層を形成し、耐摩耗性被膜を切削チップ上に被覆し、表面被覆切削チップ試料を得た。形成させた各層の組成、膜厚および膜構造を表４に示す。

（比較例３）
基材上にＡｌ₂Ｏ₃層を形成し、その上に（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層を形成して得られた耐摩耗性被膜を、切削チップ上に被覆した。なお密着層と（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層は冷陰極アーク法、Ａｌ₂Ｏ₃層はアンバランストスパッタ法で、それぞれ形成し、表面被覆切削チップ試料を得た。形成させた各層の組成、膜厚および膜構造を表４に示す。

形成した表面被覆切削チップ試料について、被覆材としてＳＣＭ４３５を用い、表５の切削条件にて連続切削試験と断続切削試験をそれぞれ行ない、切れ刃のニゲ面摩耗幅を測定した。結果を表６に示す。

表６の結果より、本発明に係る実施例１〜１２では、比較例１〜３と比べて、連続切削試験と断続切削試験の少なくとも一方についてニゲ面摩耗幅が小さく、特に実施例５、８〜１１に関しては、連続切削試験および断続切削試験の両方でニゲ面摩耗幅が小さい。よって、本発明の耐摩耗性部材が良好な耐摩耗性および耐熱性を有することが分かる。

（実施例１３〜１８）
基材となる市販の切削チップとして、サーメットまたは立方晶窒化ホウ素焼結体をセットし、成膜装置のアーク蒸発源を３基、アンバランストマグネトロンスパッタ源を３基とし、実施例１〜１２と同様の方法で表面被覆切削チップ試料を得た。なお中間層１、２および（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層はアーク蒸着源を用い、密着層１、２およびＡｌ₂Ｏ₃層はアンバランストマグネトロンスパッタ源を用いてそれぞれ形成した。形成させた層の組成、膜厚および膜構造を表７および表８に示す。

（比較例４）
実施例１３〜１８と同様の基材を用いた他は比較例１と同様の方法で、表面被覆切削チップ試料を得た。形成させた各層の組成、膜厚および膜構造を表９に示す。

（比較例５）
実施例１３〜１８と同様の基材を用いた他は比較例２と同様の方法で、表面被覆切削チップ試料を得た。形成させた各層の組成、膜厚および膜構造を表９に示す。

（比較例６）
実施例１３〜１８と同様の基材を用いた他は比較例３と同様の方法で、表面被覆切削チップ試料を得た。形成させた各層の組成、膜厚および膜構造を表９に示す。

形成した表面被覆切削チップ試料について、被覆材としてＳＣＭ４３５を用い、表１０の切削条件にて連続切削試験と溝を有する丸棒切削試験をそれぞれ行ない、切れ刃のニゲ面摩耗幅を測定した。結果を表１１に示す。

表１１の結果より、比較例４〜６では、連続切削試験および溝を有する丸棒切削試験の両方でニゲ面摩耗幅が大きいのに対し、本発明に係る実施例１３〜１８では、連続切削試験および溝を有する丸棒切削試験の少なくとも一方でニゲ面摩耗幅が小さく、特に実施例１６〜１８では連続切削試験および溝を有する丸棒切削試験の両方におけるニゲ面摩耗幅が小さい。よって、本発明の耐摩耗性部材は良好な耐摩耗性と耐欠損性を示すことが分かる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明によれば、超硬合金、サーメット、ｃＢＮ焼結体、ダイヤ焼結体、ＴｉＣ−Ａｌ₂Ｏ₃焼結体、Ｓｉ₃Ｎ₄焼結体等の基材の表面に、単層または複層の（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層を介在させ、さらに単層または複層のＡｌ₂Ｏ₃層を形成することにより、優れた耐摩耗性、耐熱性、耐剥離性、耐欠損性を有する耐摩耗性部材が得られる。本発明の耐摩耗性部材を切削工具や機械部品等として用いた場合、良好な耐摩耗性、耐熱性などの特性を長期にわたって維持することが可能である。

本発明に係る耐摩耗性部材の構成の一例を示す断面図である。 本発明に好適に適用されるデュアルマグネトロンスパッタ法について説明する図である。

符号の説明

１１ 耐摩耗性被膜、１２ 耐摩耗性部材、１３ 基材、１４ 密着層、１５ （Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層、１６ 中間層、１７ Ａｌ₂Ｏ₃層、１８ 表面層、２１，２２ アーク蒸着源、２３，２４ スパッタ源、２５ 基材保持具、２６ 基材、２７ ガス導入口。

Claims (17)

1. 単層または複層のＡｌ₂Ｏ₃層と、単層または複層の（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層（但し、０＜ｘ＜１、かつ０≦ｙ＜１）とを含む耐摩耗性被膜、および基材を含み、前記（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層が前記Ａｌ₂Ｏ₃層と前記基材との間に配置された耐摩耗性部材。
2. 前記（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層（但し、０＜ｘ＜１、かつ０≦ｙ＜１）のうち少なくとも１層が非晶質構造を有する、請求項１に記載の耐摩耗性部材。
3. 前記（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層（但し、０＜ｘ＜１、かつ０≦ｙ＜１）のうち少なくとも１層が、非晶質相の中に粒径が１〜５０ｎｍの範囲内である結晶質相を有するナノコンポジット構造からなる、請求項１に記載の耐摩耗性部材。
4. 前記（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層（但し、０＜ｘ＜１、かつ０≦ｙ＜１）のうち少なくとも１層が、粒径が１〜５０ｎｍの範囲内である柱状組織を有する、請求項１に記載の耐摩耗性部材。
5. 前記（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層（但し、０＜ｘ＜１、かつ０≦ｙ＜１）のうち少なくとも１層において、ｘ＝０．６〜０．９５、かつｙ＝０〜０．６の範囲内である、請求項１に記載の耐摩耗性部材。
6. 前記Ａｌ₂Ｏ₃層のうち少なくとも１層がα−Ａｌ₂Ｏ₃構造またはγ−Ａｌ₂Ｏ₃構造を有する結晶性のＡｌ₂Ｏ₃層である、請求項１に記載の耐摩耗性部材。
7. 前記（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層（但し、０＜ｘ＜１、かつ０≦ｙ＜１）と基材との間に単層または複層の密着層を有する、請求項１に記載の耐摩耗性部材。
8. 前記密着層のうち少なくとも１層が、Ｔｉおよび／またはＡｌの炭化物、窒化物、炭窒化物、窒酸化物、もしくはＴｉのうち１種以上を含み、前記密着層全体の膜厚が０．１〜１０μｍの範囲内である、請求項７に記載の耐摩耗性部材。
9. 前記（Ｔｉ_xＳｉ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）層（但し、０＜ｘ＜１、かつ０≦ｙ＜１）と前記Ａｌ₂Ｏ₃層との間に単層または複層の中間層を有する、請求項１に記載の耐摩耗性部材。
10. 前記中間層のうち少なくとも１層が、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌから選択される１種以上の元素の炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、窒酸化物のうち１種以上を含み、前記中間層全体の膜厚が０．２〜１０μｍの範囲内である、請求項９に記載の耐摩耗性部材。
11. 最表面に表面層を有する、請求項１に記載の耐摩耗性部材。
12. 前記表面層のうち少なくとも１層は、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、窒酸化物のうち１種以上を含み、前記表面層全体の膜厚が０．０５〜５μｍの範囲内である、請求項１１に記載の耐摩耗性部材。
13. 少なくとも前記Ａｌ₂Ｏ₃層がＰＶＤ法で形成された、請求項１に記載の耐摩耗性部材。
14. 前記基材の少なくとも一部が前記耐摩耗性被膜で被覆されてなる、請求項１に記載の耐摩耗性部材。
15. 前記基材が、超硬合金、サーメット、ｃＢＮ焼結体、ダイヤ焼結体、ＴｉＣ−Ａｌ₂Ｏ₃焼結体、Ｓｉ₃Ｎ₄焼結体から選択される、請求項１に記載の耐摩耗性部材。
16. 前記基材が高速度鋼である、請求項１に記載の耐摩耗性部材。
17. 切削工具に対して用いられる、請求項１に記載の耐摩耗性部材。

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