JP2006111915A - 硬質被膜、硬質被膜被覆工具、および硬質被膜のコーティング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 超硬合金の母材にコーティングされるＷを含む硬質被膜の密着性および耐摩耗性を向上させる。
【解決手段】 超硬合金から成る工具母材１２の表面には、ＴｉＷＳｉ合金をターゲットとするアーク放電イオンプレーティング法により、そのＴｉＷＳｉ合金の炭化物（ＴｉＷＳｉＣ）、窒化物（ＴｉＷＳｉＮ）、或いは炭窒化物（ＴｉＷＳｉＣＮ）から成る単一の組成の硬質被膜１４が設けられているため、Ｔｉ、Ｗ、およびＳｉを別々のターゲットとして用いてコーティングする場合のようにＴｉ化合物、Ｗ化合物、Ｓｉ化合物が混在している場合に比較して、ＴｉＷＳｉ合金とＷＣとの親和性により、ＷＣを主成分とする超硬合金の工具母材１２に対する密着性が一層向上する。また、Ｓｉを含んでいるため、硬さがＨＶ０．０２５で３０００以上となり、優れた耐摩耗性が得られるようになる。
【選択図】 図１

Description

本発明は硬質被膜に係り、特に、ＷＣを含有している超硬合金等の母材に対して優れた密着性でコーティングされる耐摩耗性に優れた硬質被膜に関するものである。

切削工具等の超硬合金の母材の表面にコーティングする硬質被膜としてＴｉＷＣＮ膜を用いることが、例えば特許文献１に記載されている。超硬合金は、ＷＣ（タングステンカーバイト）を主成分として構成されているため、Ｗ（タングステン）を含むＴｉＷＣＮ膜とは親和性が高く、優れた密着性が得られることが期待される。
特許第３２４９２７７号公報

しかしながら、上記特許文献１では、アーク放電イオンプレーティング法によりＴｉのターゲットおよびＷのターゲットをそれぞれ所定の出力電圧でアーク放電させて蒸発させ、窒素ガス（Ｎ₂ ）およびアセチレンガス（Ｃ₂ Ｈ₂ ）と反応させて、超硬合金の母材上にＴｉＷＣＮ膜をコーティングしているため、微視的にはＴｉＣＮとＷＣＮとが混在した組成となり、ＴｉＣＮの存在により必ずしも期待通りの密着性が得られないという問題があった。すなわち、アーク放電イオンプレーティング装置は、一般に被コーティング部材（工具母材）を回転させながらコーティングする一方、２つのターゲットは被コーティング部材を挟んで反対側に配置されるため、ＴｉＣＮとＷＣＮとが交互に積層されて混在した状態となり、ＴｉＷＣＮという単一の組成の硬質被膜が設けられるわけではないのである。

一方、ＴｉＷＣＮ膜やＴｉＷＮ膜、ＴｉＷＣ膜は、ＴｉＷが合金か否かに拘らず硬さがＨＶ０．０２５で３０００未満であり、上記密着性だけでなく耐摩耗性の点でも未だ改善の余地があった。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、超硬合金等の母材にコーティングされるＷを含む硬質被膜の密着性および耐摩耗性を一層向上させることにある。

かかる目的を達成するために、第１発明は、所定の母材の表面にコーティングされる硬質被膜であって、ＴｉＷＳｉ系合金の炭化物、窒化物、および炭窒化物の何れかにて構成されていることを特徴とする。

第２発明は、第１発明の硬質被膜において、ＴｉＷＳｉ系合金のターゲットを用いて、アーク放電イオンプレーティング法により前記母材の表面にコーティングされることを特徴とする。

第３発明は、第１発明または第２発明の硬質被膜において、前記母材はＷＣを含有している超硬合金であることを特徴とする。

第４発明は、第１発明〜第３発明の何れかの硬質被膜において、（Ｔｉ_a Ｗ_b Ｓｉ_c )(Ｃ_x Ｎ_y ）〔但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１で０＜ａ＜１，０＜ｂ＜１，０＜ｃ＜１，ｘ＋ｙ＝１で０≦ｘ≦１〕の組成を有することを特徴とする。

第５発明は硬質被膜被覆工具に関するもので、ＷＣを含有している超硬合金の工具母材の表面に第１発明〜第４発明の何れかの硬質被膜がコーティングされていることを特徴とする。

第６発明は、所定の母材の表面に硬質被膜をコーティングする方法であって、ＴｉＷＳｉ系合金のターゲットを用いて、炭化物、窒化物、または炭窒化物とするための所定のガス雰囲気中で、アーク放電イオンプレーティング法による成膜処理を行い、前記母材の表面にそのＴｉＷＳｉ系合金の炭化物、窒化物、および炭窒化物の何れかから成る硬質被膜をコーティングすることを特徴とする。

第７発明は、第６発明の硬質被膜のコーティング方法において、前記母材はＷＣを含有している超硬合金であることを特徴とする。

このような硬質被膜においては、ＴｉＷＳｉ系合金の炭化物、窒化物、および炭窒化物の何れかにて構成されているため、Ｔｉ（チタン）やＷ（タングステン）、Ｓｉ（珪素）を別々のターゲットとして用いてコーティングする場合のようにＴｉ化合物、Ｗ化合物、Ｓｉ化合物が混在している場合に比較して、ＴｉＷＳｉ系合金とＷＣとの親和性により、ＷＣを主成分とする超硬合金等に対する密着性が一層向上する。また、このＴｉＷＳｉ系合金の炭化物や窒化物、炭窒化物は、Ｓｉを含んでいるため硬さが例えばＨＶ０．０２５で３０００以上となって優れた耐摩耗性が得られるようになり、密着性および耐摩耗性が共に要求される切削工具等の硬質被膜として特に好適に用いられる。硬質被膜被覆工具やコーティング方法に関する第５発明〜第７発明についても同様の効果が得られる。

本発明は、エンドミルやフライス、ドリル、バイト等の切削工具にコーティングされる硬質被膜に好適に適用されるが、転造加工用の工具など切削加工以外の加工工具にも適用され得る。それ等の工具に着脱可能に取り付けられて使用されるスローアウェイチップにも適用され得ることは勿論で、電子部品など工具以外の部材に硬質被膜をコーティングする場合にも適用され得る。

本発明の硬質被膜は、ＷＣを含有している超硬合金等にコーティングすることが望ましいが、ＷＣを含んでいない材料や超硬合金以外の金属材料等にコーティングすることも可能である。本発明の硬質被膜を中間層として用いて、その上に更にダイヤモンド被膜等の他の硬質被膜を積層して設けたり、本発明の硬質被膜を多層で積層したり、他の硬質被膜と交互に積層したりするなど、少なくとも母材に接するように本発明の硬質被膜がコーティングされる種々の態様が可能である。

本発明の硬質被膜の平均膜厚は、そのまま耐摩耗性の硬質被膜として使用するか中間層（下地）として用いるかなど、その使用態様によって適宜定められるが、超硬合金の切削加工用の工具母材に本発明の硬質被膜のみを単層でコーティングする場合には、例えば１μｍ〜５μｍ程度の範囲内（特に、２μｍ〜４μｍ程度）が適当である。中間層として用いる場合には、これより薄くても良く、例えば０．０１μｍ程度とすることもできる。

ＴｉＷＳｉ系合金は、Ｔｉ、Ｗ、およびＳｉを主成分として残りが不可避的不純物から成るＴｉＷＳｉ合金が好適に用いられ、ＴｉとＷとＳｉの原子比、すなわち第４発明におけるａ、ｂ、ｃは、例えばａ＝０．６７、ｂ＝０．２３、ｃ＝０．１０とするなど適宜定められる。

ＴｉＷＳｉ合金の炭化物、窒化物、炭窒化物は、ＴｉＷＳｉ合金に炭素や窒素が結合したもので、具体的にはＴｉＷＳｉＣ、ＴｉＷＳｉＮ、ＴｉＷＳｉＣＮである。ＴｉＷＳｉＣＮにおけるＣおよびＮの原子比、すなわち第４発明におけるｘ、ｙは、例えばアーク放電イオンプレーティング法においてチャンバ（反応炉）内に導入するアセチレンガス（Ｃ₂ Ｈ₂ ）や窒素ガス（Ｎ₂ ）等の反応ガスの流量を変更することによって調整できる。

本発明の硬質被膜の形成手段としては、アーク放電イオンプレーティング法が好適に用いられるが、その他のＰＶＤ法等の成膜技術を採用することもできる。アーク放電イオンプレーティング法において、硬質被膜をコーティングすべき母材に印加するバイアス電圧は、硬質被膜の組成や成膜条件等に応じて適宜定められるが、ＴｉＷＳｉＮ膜をコーティングする場合、例えば−３０Ｖ〜−３００Ｖ程度の範囲内（特に−１００Ｖ〜−２００Ｖ程度）が適当である。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明が適用された硬質被膜被覆工具としてのスローアウェイチップ１０を説明する図で、(a) は斜視図、(b) は表層部の断面図である。このスローアウェイチップ１０は、ホルダ等を介して旋盤の刃物台などに取り付けられて旋削加工等に使用されるもので、平面視において略菱形形状を成しており、平行な一対の辺が切れ刃２０として用いられるとともに、平面視の中央部には取付ボルトが挿通させられる取付穴２２が設けられている。また、上下反転して使用できるように、反対側の面（図１(a) における裏側の面）についても、平行な一対の辺が切れ刃２０として用いられるようになっている。

上記スローアウェイチップ１０は、ＷＣを主成分とする超硬合金製の工具母材１２を主体として構成されており、その工具母材１２の表面には、ＴｉＷＳｉ合金をターゲットとしてアーク放電イオンプレーティング法によりコーティングされた（Ｔｉ_a Ｗ_b Ｓｉ_c )(Ｃ_x Ｎ_y ）〔但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１で０＜ａ＜１，０＜ｂ＜１，０＜ｃ＜１，ｘ＋ｙ＝１で０≦ｘ≦１〕の硬質被膜１４が設けられている。すなわち、この硬質被膜１４は、ＴｉＷＳｉ合金に炭素Ｃが結合したＴｉＷＳｉＣ、ＴｉＷＳｉ合金に窒素Ｎが結合したＴｉＷＳｉＮ、或いはＴｉＷＳｉ合金に炭素Ｃおよび窒素Ｎが結合したＴｉＷＳｉＣＮから成る略均一な組成にて構成されているのである。また、硬質被膜１４は単層で、その平均膜厚は１μｍ〜５μｍの範囲内である。

図２は、上記アーク放電イオンプレーティング法によって硬質被膜１４を形成するアーク放電イオンプレーティング装置５０の一例を説明する概略構成図（模式図）で、多数のワークすなわち工具母材１２を保持しているワーク保持具５２、そのワーク保持具５２を略垂直な回転中心まわりに回転駆動する回転装置５４、工具母材１２に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源５６、工具母材１２などを内部に収容している処理炉としてのチャンバ５８、チャンバ５８内に所定の反応ガスを供給する反応ガス供給装置６０、チャンバ５８内の気体を真空ポンプなどで排出して減圧する排気装置６２、アーク電源６４等を備えている。反応ガス供給装置６０は、本実施例では炭化物、窒化物、或いは炭窒化物を形成するためにアセチレンガス（Ｃ₂ Ｈ₂ ）や窒素ガス（Ｎ₂ ）を供給するようになっている。また、アーク電源６４は、Ｔｉ、Ｗ、およびＳｉを主成分として残りが不可避的不純物から成るＴｉＷＳｉ合金のターゲット６８をカソードとして、アノード７０との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、そのターゲット６８からＴｉＷＳｉ合金を蒸発させるものである。ターゲット６８を構成しているＴｉＷＳｉ合金のＴｉとＷとＳｉの原子比は、本実施例では０．６７：０．２３：０．１０である。なお、ワーク保持具５２を挟んで反対側（図２の右側）など、ワーク保持具５２の回りにターゲット６８を複数配設し、それぞれアーク放電によりＴｉＷＳｉ合金を蒸発させるようにしても良い。

そして、予め排気装置６２で排気しながらチャンバ５８内が所定の圧力に保持されるように反応ガス供給装置６０からアセチレンガスおよび窒素ガスの何れか一方或いは両方を供給しつつ、バイアス電源５６により工具母材１２に所定のバイアス電圧を印加し、回転装置５４によりワーク保持具５２を所定の回転速度で回転させながら、アーク電源６４によりターゲット６８からＴｉＷＳｉ合金を蒸発させると、蒸発したＴｉＷＳｉ合金は正（＋）のイオンになって負（−）のバイアス電圧が印加されている工具母材１２の表面に付着するとともに、上記アセチレンガスや窒素ガスの炭素Ｃや窒素Ｎと化合してＴｉＷＳｉＣ、ＴｉＷＳｉＮ、或いはＴｉＷＳｉＣＮとなり、前記硬質被膜１４が形成される。すなわち、反応ガスとしてアセチレンガスのみを供給すればＴｉＷＳｉＣの硬質被膜１４が形成され、窒素ガスのみを供給すればＴｉＷＳｉＮの硬質被膜１４が形成され、アセチレンガスおよび窒素ガスの両方を供給すればＴｉＷＳｉＣＮの硬質被膜１４が形成されるのである。ＴｉＷＳｉＣＮにおけるＣおよびＮの原子比は、アセチレンガスおよび窒素ガスの流量を変更することによって調整できる。

このように、本実施例のスローアウェイチップ１０は、超硬合金から成る工具母材１２の表面に、ＴｉＷＳｉ合金をターゲット６８とするアーク放電イオンプレーティング法により、そのＴｉＷＳｉ合金の炭化物（ＴｉＷＳｉＣ）、窒化物（ＴｉＷＳｉＮ）、或いは炭窒化物（ＴｉＷＳｉＣＮ）から成る単一の組成の硬質被膜１４が設けられているため、ＴｉやＷ、Ｓｉを別々のターゲットとして用いてコーティングする場合のようにＴｉ化合物、Ｗ化合物、Ｓｉ化合物が混在している硬質被膜に比較して、ＴｉＷＳｉ系合金とＷＣとの親和性により、ＷＣを主成分とする超硬合金の工具母材１２に対する密着性が一層向上する。また、このＴｉＷＳｉ系合金の炭化物や窒化物、炭窒化物は、Ｓｉを含んでいるため硬さが例えばＨＶ０．０２５で３０００以上となり、優れた耐摩耗性が得られるようになる。これにより、高硬度のクロム鋼等に対してドライ加工で切削加工を行う場合でも、実用上満足できる工具寿命が得られるようになる。

図３は、７種類の試料No１〜No７を用意してスクラッチ試験および硬さ試験を行った結果である。図の「膜組成」は、工具母材の表面にコーティングされる硬質被膜の組成で、「膜厚」は、その硬質被膜の平均膜厚であり、工具母材は何れもＷＣを主成分とする超硬合金（Ｋ１０種）である。そして、「膜組成」がＴｉＷＳｉＮの試料No５〜No７は前記実施例と同じ本発明品で、試料No１〜No４は比較品である。本発明品の試料No５〜No７は、アーク放電イオンプレーティング法により硬質被膜（ＴｉＷＳｉＮ）をコーティングする際に工具母材に印加するバイアス電圧が相違し、試料No５は−３０Ｖで、試料No６は−１５０Ｖで、試料No７は−３００Ｖである。

スクラッチ試験は、硬質被膜の密着性（付着強度）を調べるためのもので、ダイヤモンドコーンに連続的に変化する荷重（Ｎ）を加えながら試験品に押し付けて引っ掻くとともに、硬質被膜が破壊したり剥離したりする際に発生するアコースティックエミッション（ＡＥ）を検出し、その検出信号が急激に立ち上がった時の荷重を臨界荷重として測定する。したがって、その臨界荷重が大きい程付着強度が高いことを意味し、本発明品（試料No５〜No７）は何れも１２０Ｎ以上で、比較品（試料No１〜No４）に比べて３０％以上高い付着強度が得られた。

被膜硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４４の「ビッカース硬さ試験方法」によるもので、試験荷重として０．２４５２Ｎの圧子を用いたＨＶ０．０２５の値であり、本発明品（試料No５〜No７）は何れも３５００程度で、従来から多用されているＴｉＡｌＮ膜（試料No２）やＴｉＶＮ膜（試料No４）に比べて１５％以上高い被膜硬さが得られた。

また、図４〜図５は、上記試料No１〜No７のスローアウェイチップと、被膜無し（超硬合金Ｋ１０種の母材のみ）のスローアウェイチップとを用いて、以下の加工条件で切削加工を行い、切削長さと最大逃げ面摩耗幅（ＶＢmax ）との関係を調べた結果である。
（加工条件）
被削材：ＳＣｒ４２０Ｈ（クロム鋼）
切削速度：Ｖ＝５．０ｍ／ｓ
送り速度：Ｓ＝０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み量：ａ＝０．１ｍｍ
潤滑方法：ドライ
切削方式：ＮＣ旋盤を用いた外周旋削加工

図４は、「膜組成」がＴｉＷＳｉＮでバイアス電圧が−１５０Ｖの本発明品（試料No６）と比較品（被膜無しを含む）とを比べたもので、本発明品は加工開始当初から摩耗が少なく、一般に工具寿命とされる最大逃げ面摩耗幅ＶＢmax ＝０．２ｍｍに達するまでに約１５０００ｍの切削加工が可能であり、比較品の中でも比較的耐久性に優れた試料No２（ＴｉＡｌＮ）やNo４（ＴｉＶＮ）と比較しても、約２倍の工具寿命（耐久性）が得られた。

図５は、本発明品（試料No５、No６、No７）同士を比較したもので、試料No５、No７は試料No６に比較して多少摩耗が多いものの、何れも最大逃げ面摩耗幅ＶＢmax ＝０．２ｍｍに達するまでに１００００ｍ以上の切削加工が可能である。バイアス電圧が−３０Ｖの試料No５は、加工開始当初の摩耗量が比較的大きく、最大逃げ面摩耗幅（ＶＢmax ）が０．１０ｍｍ程度までは、前記比較品（試料No２、No４）とそれ程大差ないが、ＶＢmax が０．１０ｍｍを越えても摩耗がそれ程進行せず、ＶＢmax ＝０．２ｍｍでは比較品（試料No２、No４）に比べて切削長さが１．５倍以上になり、優れた工具寿命（耐久性）が得られる。

なお、上例では本発明品としてＴｉＷＳｉ合金の窒化物であるＴｉＷＳｉＮ膜についてのみ試験したが、硬質被膜において窒化物の替わりに炭窒化物としたり炭化物としたりすることは周知の技術で、ＴｉＷＳｉＣＮ膜、ＴｉＷＳｉＣ膜についてもＴｉＷＳｉＮ膜と略同等の密着力や被膜硬さ、耐久性が得られるものと推定される。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。

本発明の硬質被膜を有するスローアウェイチップを説明する図で、(a) は斜視図、(b) は表層部の断面図である。 図１のスローアウェイチップの硬質被膜をコーティングする際に好適に用いられるアーク放電イオンプレーティング装置の一例を説明する概略構成図である。 本発明の効果を明らかにするために、本発明品（No５〜No７）および比較品（No１〜No４）を用いて密着性（臨界荷重）および被膜硬さを調べた結果を示す図である。 図３の試料を用いて切削加工を行った場合の切削長さと最大逃げ面摩耗幅との関係について、本発明品と比較品とを比較して示す図である。 図３の試料の本発明品（試料No５〜No７）について切削長さと最大逃げ面摩耗幅との関係を比較して示す図である。

符号の説明

１０：スローアウェイチップ（硬質被膜被覆工具） １２：工具母材 １４：硬質被膜 ５０：アーク放電イオンプレーティング装置 ６８：ターゲット

Claims (7)

1. 所定の母材の表面にコーティングされる硬質被膜であって、
   ＴｉＷＳｉ系合金の炭化物、窒化物、および炭窒化物の何れかにて構成されていることを特徴とする硬質被膜。
2. ＴｉＷＳｉ系合金のターゲットを用いて、アーク放電イオンプレーティング法により前記母材の表面にコーティングされる
   ことを特徴とする請求項１に記載の硬質被膜。
3. 前記母材はＷＣを含有している超硬合金である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の硬質被膜。
4. （Ｔｉ_a Ｗ_b Ｓｉ_c )(Ｃ_x Ｎ_y ）〔但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１で０＜ａ＜１，０＜ｂ＜１，０＜ｃ＜１，ｘ＋ｙ＝１で０≦ｘ≦１〕の組成を有する
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の硬質被膜。
5. ＷＣを含有している超硬合金の工具母材の表面に請求項１〜４の何れか１項に記載の硬質被膜がコーティングされていることを特徴とする硬質被膜被覆工具。
6. 所定の母材の表面に硬質被膜をコーティングする方法であって、
   ＴｉＷＳｉ系合金のターゲットを用いて、炭化物、窒化物、または炭窒化物とするための所定のガス雰囲気中で、アーク放電イオンプレーティング法による成膜処理を行い、前記母材の表面に該ＴｉＷＳｉ系合金の炭化物、窒化物、および炭窒化物の何れかから成る硬質被膜をコーティングする
   ことを特徴とする硬質被膜のコーティング方法。
7. 前記母材はＷＣを含有している超硬合金である
   ことを特徴とする請求項６に記載の硬質被膜のコーティング方法。

Images