JP2007083370A - 被覆部材、被覆部材の被覆方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被覆部材の摺動特性、耐摩耗性を改善すること、またこの被覆部材の被覆方法を提供することである。
【解決手段】 被覆部材に被覆された皮膜は金属等の窒化物、炭化物、硫化物、硼化物、酸化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物であり、該皮膜表面にある粒子状付着物の組成は、（金属元素）ｘ（非金属元素）ｙ、但し（ｙ／ｘ）をＲとした時、０＜Ｒ≦０．４、であり、該粒子状付着物の面積率は、直径が０．１μｍ以上の該粒子状付着物につき、該皮膜表面の任意に選択される１０００μｍ^２の範囲内に５％以下であることを特徴とする被覆部材及びその被覆方法である。
【選択図】 なし

Description

本願発明は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、ダイス鋼等を基体とし、例えば金属等の窒化物、炭化物、硫化物、硼化物、酸化物を被覆した被覆部材、被覆部材の被覆方法に関する。

被覆過程で不可避的に混入するドロップレット若しくはマクロパーティクルの低減化技術は、特許文献１から５に開示されている。特許文献１は、コーティング層の表面に存在する直径５μｍ以上のマクロパーティクルが、１０個／ｍｍ２以下とする技術が開示されている。特許文献２は被覆穴あけ工具の外周マージン部の算術平均粗さＲａ値を規定する技術が開示されている。特許文献３は、粒子状付着物を機械的に除去し、皮膜表面の耐摩耗性を改善する技術が開示されている。特許文献４は、粒子状付着物が生じないような成膜方法として、ホロカソード法とマグネトロンスパッタ法を併用する技術が開示されている。特許文献５は、被膜の表面において、高さ０．５μｍ以上の突起の個数を規定した被覆工具に関する技術が開示されている。

特開２００４−３４５０７８号公報 特開２００５−２２０６４号公報 特開２００５−１０８８号公報 特開２００４−２８５４４０号公報 特許３６３３８３７号公報

物理蒸着被覆過程で不可避的に混入する粒子状付着物は、ドロップレット若しくはマクロパーティクルと呼ぶ場合もあるが、粒子状付着物は皮膜表面の面粗度を低下させ、皮膜の潤滑特性や摩耗特性を劣化させる。その結果、切り屑の排出性低下による工具の折損や局部摩耗を誘発し、近年の高精度加工に於いては問題点である。そこでこれら問題点に対して改善の検討がなされている。
しかし、摺動特性を改善するために、皮膜表面の粒子状付着物の制限、皮膜表面の面粗度の規定では十分に摺動特性を改善することができず、摩耗環境において耐摩耗性が改善されない。ここ言う、粒子状付着物はドロップレットもしくはマクロパーティクルと呼ぶ場合もある。また、被覆後に粒子状付着物を機械的に除去する方法では、効率が悪くなることに加え、被覆部材が複雑形状もしくは小型化、小径化することに対応できない課題を有する。更に、金属成分がリッチな粒子状付着物は、特に鉄系の被加工物との親和性が高いため、硬質皮膜表面への溶着が著しく、仕上げ面精度の低下や加工面の白濁が発生し易く、仕上げ加工品位の低下に課題を有する。この現象は皮膜の耐剥離性を低下させる要因である。皮膜の粒子状付着物の成分に関して言及された改善検討はなされてはいない。
本願発明の課題は、被覆部材の摺動特性、耐摩耗性を改善すること、またこの被覆部材の被覆方法を提供することである。

本願発明は、被覆部材に被覆された皮膜は金属等の窒化物、炭化物、硫化物、硼化物、酸化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物であり、該皮膜表面にある粒子状付着物の組成は、（金属元素）ｘ（非金属元素）ｙ、但し（ｙ／ｘ）をＲとした時、０＜Ｒ≦０．４、であり、該粒子状付着物の面積率は、直径が０．１μｍ以上の該粒子状付着物につき、該皮膜表面の任意に選択される１０００μｍ^２の範囲内に５％以下であることを特徴とする被覆部材である。本構成を採用することによって、被覆部材の摺動特性、耐摩耗性を改善することができる。

本願発明の被覆部材について、皮膜を構成する少なくとも１層が、金属元素としてＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｂ、Ｗの少なくとも２種以上を有し、皮膜表面の粒子状付着物の数は、直径が０．１μｍ以上の該粒子状付着物につき、該皮膜表面の任意に選択される１０００μｍ^２の範囲内に１００個未満であることが好ましい。被覆部材の被覆方法は、物理蒸着法を採用し、スパッタリング（以下、ＭＳ法と記す。）法により被覆することが好ましい。

本願発明の被覆部材は、皮膜表面の摺動特性、耐摩耗性を改善した。例えば本願発明の被覆部材を切削工具に適用した場合、被加工物の仕上げ精度向上、工具の折損、局部摩耗を著しく低減させることが可能であり、近年の高精度加工に於いても、飛躍的に工具寿命を改善することができ、生産性向上並びにコスト低減に有効である。

本願発明の被覆部材は、被覆された皮膜が金属等の窒化物、炭化物、硫化物、硼化物、酸化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物であり、該皮膜表面の金属元素を含有した粒子状付着物を制限することによって、基体と皮膜との密着性、摺動特性、耐摩耗性を改善することができる。皮膜表面の金属元素を含有した粒子状付着物のＲ値が、０＜Ｒ≦０．４、である場合、金属成分リッチな粒子状付着物となる。この粒子状付着物に対して、皮膜のＲ値は０．４を超えるものであり、０．４５以上である。金属リッチな粒子状付着物の面積率は、直径が０．１μｍ以上の該粒子状付着物につき、皮膜表面の任意に選択される１０００μｍ^２の範囲内に５％以下とすることによって、皮膜の密着性、摺動特性、耐摩耗性を改善する。例えば、摩擦環境下における鋼に対する摩擦係数は、安定して低い摩擦係数を示す。これは、皮膜表面の鉄の凝着が減少するためである。一方、金属リッチ粒子状付着物の面積率が５％を超える場合は、鉄の凝着が著しく摩擦係数が増加する。ここで、金属リッチな粒子状付着物の直径を０．１μｍ以上に規定する技術的な意味は、０．１μｍ未満の金属リッチな粒子状付着物は、耐摩耗性の観点からほとんど影響を及ぼさないことが確認されているためである。
本願発明の金属リッチな粒子状付着物の面積率を規定する部位は、被加工物に接する部材表面のうち、どの部位であってもその効果を発揮することができ、必ずしも部材全体にわたって本願発明を満足する必要もない。例えば、切削工具においては、逃げ面、すくい面の一部において満足する場合に効果がある。

本願発明の皮膜表面に存在する金属リッチ粒子状付着物の数は、直径が０．１μｍ以上について、皮膜表面の任意に選択される１０００μｍ^２の範囲に１００個未満である場合、特に優れた耐摩耗効果を発揮するため好ましい。皮膜表面の任意に選択される１０００μｍ^２の範囲に、１００個以上の場合、金属リッチ粒子状付着物の直径が小さくても、鉄の凝着が増加する傾向にあるからである。
本願発明の被覆部材は、エンドミル、ドリル、リーマ、ルーター、カッター、クリスマスカッター、ブローチ、刃先交換型切削インサート等の切削工具が好適である。これらの被覆部材は特に耐摩耗性の改善効果が大きく工具寿命が向上する。特に、該切削工具が転削工具であり、その部材直径が１ｍｍ未満の工具において、耐摩耗性の改善が著しく好ましい。本願発明の皮膜表面のうち、切れ刃近傍を機械的な方法により、平滑化することも切削工具のチッピングや異常摩耗抑制に効果があり好ましい。本願発明の物理蒸着による皮膜の被覆方法は、表面平滑性及び潤滑性の観点からＭＳ法であることが好ましい。フィルター方式アークイオンプレーティング法（以下、ＦＡＩＰ法と言う。）、プラズマ化学蒸着法（以下、ＰＣＶＤ法と言う。）との組み合せにより被覆することもできる。以下、本願発明を実施例に基づいて説明するが、本願発明は下記実施例に限定されるものではなく、使用分野により適宜変更することができる。

基体として、Ｃｏ含有量：８重量％、Ｃｒ含有量：０．７重量％、ＶＣ含有量：０．２重量％、硬度がＨＲＡ９４．２の超硬合金を用い、エンドミル、ドリルを作製した。基体は脱脂洗浄を実施し、ＭＳ装置の容器内の冶具に配置した。冶具は３回転／分で自公転する。基体の温度は５５０℃となるよう加熱及び排気を行った。Ａｒガスを容器内に導入し、容器内に設けられたカソード電極とアノード電極の間で放電することによってＡｒのイオン化を行った。同時に基体にパルス状のバイアス電圧を印加した。このパルス状のバイアス電圧は、負バイアス電圧が２００Ｖ、９０％、正バイアス電圧が０Ｖ、１０％、周波数を２０ｋＨｚとした。イオン化されたＡｒは基体に衝突し、基体のクリーニング、活性化処理を行った。この時、基体のクリーニング効率や活性度をより高めるためにＸｅ、Ｋｒ、Ｈ_２等を複合的に用いることも有効である。Ａｒ、Ｋｒ、反応ガスとして窒素を容器内に導入し、全体の圧力を０．６Ｐａ、バイアス電圧を−８０Ｖに設定した。容器内に複数配置したＭＳ蒸発源に設置された皮膜の金属成分となるターゲット１個あたり４ｋＷの電力を供給し、ターゲット上で放電を行い、パルス状のバイアス電圧が印加された基材に約３μｍの硬質皮膜の形成した。このとき必要に応じ組成の異なる層との積層膜とすることも可能である。Ｎ、Ｃ、Ｏ、Ｂ、Ｓを硬質皮膜内に含有させる手段としては、導入ガスとして添加する以外にも、ターゲットに添加する方法、成膜圧力レベル、窒素との混合ガスとして添加することも可能であり、ガスとして添加するよりも安定して硬質皮膜内へ添加することができる。ターゲットには、原子％比でＡｌ／Ｔｉ＝５５／４５のターゲットを設置し、（ＡｌＴｉ）Ｎを３μｍの皮膜を被覆し、これにより作成した試料を本発明例１とした。表１に本発明例１の皮膜組成、膜厚、成膜方法、Ｒ値、金属リッチ粒子状付着物の面積率、数、硬度、層構造等を示す。表１に示す様に、種々組成、膜厚等に変更を施した本発明例２から２６を作成した。これらは特に断りがない限り、本発明例１に準ずる方法により作成した。

比較例も表１に併記する。比較例のうちＡＩＰ法による被覆方法を述べる。上記ボールエンドミル、ドリルは脱脂洗浄を実施し、ＡＩＰ装置の容器内の冶具に配置した。冶具は３回転／分で自公転する。基体の温度は５５０℃となるよう加熱及び排気を行った。Ａｒガスを容器内に導入し、容器内に設けられたカソード電極とアノード電極の間で放電によってＡｒのイオン化を行った。同時に基体に２００Ｖの負バイアス電圧を印加した。イオン化されたＡｒは基体に衝突し、基体のクリーニング、活性化処理を行った。窒素ガスを容器内に導入し、全体の圧力を３Ｐａ、バイアス電圧を−７０Ｖに設定した。容器内に複数配置したＡＩＰ蒸発源に設置された耐摩耗皮膜の金属成分となるターゲット１つあたり１５０Ａの電流を供給し、ターゲット上でアーク放電を行い、バイアス電圧が印加された基材上に総厚で約３μｍの硬質皮膜の形成を行った。ターゲットには、原子％比でＡｌ／Ｔｉ＝５５／４５のターゲットを設置し、（ＡｌＴｉ）Ｎを３μｍの皮膜を被覆し、これを比較例２７とした。

金属リッチ粒子状付着物の面積率を規定する手法は、図１に本発明例６の（ＡｌＴｉ）Ｎ皮膜の任意に選択した１２１６μｍ^２の走査電子顕微鏡写真を示す。図１には複数の粒子状付着物が存在することが認められる。図１の視野において、粒子状付着物のうち、Ｒ値が０＜Ｒ≦０．４の範囲にあるものを決定するには、粒子状付着物を電子線プローブ微小部分析法、Ｘ線光電子分光分析法、エネルギー分散型Ｘ線分析法等により定性、定量分析することにより判定できる。本願発明では、金属リッチ粒子状付着物の面積率を決定するために、Ｍｅｄｉａ Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ，Ｌ．Ｐ．社製のＩｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ Ｔｈｅ Ｐｒｏｖｅｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｖｅｒｓｉｏｎ ３．０．０１．００ Ｆｏｒ Ｗｉｎｄｏｗｓ ９５／ＮＴ（登録商標）を用いた。
粒子状付着物の直径の算出方法は、以下の様にして求めた。第１に、走査電子顕微鏡写真に写された略円形状をした粒子状付着物について、その中心付近を通る直線を引いた。第２に、この直線が略円形状の輪郭線と交わる２点を求め、この２点間の距離を測定した。第３に、上記第１、第２の方法を同一の粒子状付着物について３回行い、その測定値の平均値から粒子状付着物の直径を算出した。このようにして求めた粒子状付着物の直径の値が０．１μｍ以上のものについて、その面積を測定した。図２に図１の走査電子顕微鏡写真における金属リッチ粒子状付着物を白抜きで示した。
本願発明の金属リッチ粒子状付着物の面積率、金属リッチ粒子状付着物の数、金属リッチ粒子状付着物の平均直径、該皮膜内の酸素含有量は被覆条件、ターゲット組成及び製法、被覆前処理により総合的に決定されるものである。本願発明においては、成膜中に不活性ガスとしてＡｒ以外にＫｒを用いた場合、及びパルス状のバイアス電圧を印加した場合に、金属リッチ粒子状付着物が減少する傾向にあった。またＡｒ、Ｋｒ、Ｎ２のガス圧比に関しては、金属リッチ粒子状付着物の平均直径に影響を及ぼした。

本発明例１から２６、比較例２７から３０の皮膜について、切削評価を実施した。切削評価条件を以下に示す。切削評価結果は、逃げ面摩耗幅が０．１ｍｍに達した時、もしくは不安定な加工状態に達した時の切削長、開口穴数を切削寿命として示した。ここで、不安定な加工状態とは、例えば火花発生、異音、加工面のむしれ、焼け、折損等などの状態になったことを言う。表１では、１０ｍ又は１０穴以下を切り捨てて表示した。
（切削試験１）
工具：Ｒ０．１ｍｍ、２枚刃ボールエンドミル
切削方法：底面超高速仕上げ加工
被削材：冷間ダイス鋼、ＨＲＣ６０
切り込み：軸方向、０．０１ｍｍ、径方向、０．０１ｍｍ
主軸回転数：５０ｋｍｉｎ^−１
テーブル送り：１ｍ／ｍｉｎ
切削油：無し、ドライ切削
（切削試験２）
工具：Ｒ５ｍｍ、２枚刃ボールエンドミル
切削方法：底面超高速仕上げ加工
被削材：冷間ダイス鋼、ＨＲＣ６０
切り込み：軸方向、０．０１ｍｍ、径方向、０．０１ｍｍ
主軸回転数：３０ｋｍｉｎ^−１
テーブル送り：５ｍ／ｍｉｎ
切削油：無し、ドライ切削
（切削試験３）
工具：φ６ｍｍ、２枚刃ソリッドドリル
切削方法：止まり穴加工
被削材：ＳＣＭ４４０、ＨＲＣ３０
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ^−１
送り速度：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切削油：水溶性切削液の外部給油

本発明例１と比較例２７、本発明例１０と比較例２８、本発明例１９と本発明例２９を比較する。これらはほぼ同一組成であるが、ＡＩＰで被覆した比較例２７、２８、２９は金属リッチ粒子状付着物の面積率が５％以上であった。また、その数も多く、面粗さの数値が大きくなった。その結果、摩擦抵抗が増大し、被加工物が皮膜表面に多数付着して耐摩耗性が劣る結果となった。一方、本発明例１、１０、２９は切削試験１の小径エンドミル及び切削試験３のドリル加工において顕著に工具寿命に優れる結果となった。本発明例１から本発明例５、比較例３０を比較する。皮膜表面の任意に選択される１０００μｍ^２の範囲に存在する０．１μｍ以上の直径を有した金属リッチ粒子状付着物の面積率が変化した場合の工具性能を比較することができる。特に切削試験１においては金属リッチ粒子状付着物の面積率が増加するに従い、皮膜表面に凝着が発生する傾向にあり加工面品位の低下し、切削寿命も急激に低下した。切削試験２及び３においても同様な傾向を示した。比較例３０のように面積率が５％を超えると、比較例２７に対して何ら改善の効果が無かった。これらに示すように、金属リッチ粒子状付着物の面積率を本願発明の範囲に設定することが重要であると同時に、皮膜表面の任意に選択される１０００μｍ^２の範囲に存在する０．１μｍ以上の直径を有した金属リッチ粒子状付着物の数についても重要である。本発明例１から５及び比較例２７、３０を比較すると、皮膜表面に存在する金属リッチ粒子状付着物の数は、皮膜表面の任意に選択される１０００μｍ^２の範囲に、１００個未満であることが好ましい。本発明例１と本発明例６を比較する。ここでは皮膜の酸素含有の有無について比較することができる。酸素を含有した方が切削寿命に優れ好ましい。
本発明例１、本発明例７、本発明例８を比較する。ここでは金属リッチ粒子状付着物の皮膜硬度について比較することができる。本発明例８の工具寿命が他より劣ることから、皮膜硬度が３０ＧＰａ以上、６０ＧＰａの範囲にあることが好ましい。本発明例９、本発明例１５は皮膜の組成が（ＴｉＳｉ）Ｎの場合、本発明例１０は（ＡｌＴｉＳｉ）Ｎの場合、本発明例１１は（ＡｌＣｒ）Ｎの場合、本願発明例１２は（ＡｌＣｒＳｉ）Ｎの場合、本発明例１３は（ＳｉＷ）Ｎの場合、本発明例１４は（ＳｉＣｒＴｉ）Ｎの場合、本発明例１６は（ＴｉＢ）（ＮＯ）の場合、本発明例１７は（ＳｉＢ）（ＣＮ）の場合、本発明例１８は、ＳｉＡｌＣｒＮＯの場合、本発明例１９の場合は（ＳｉＮｂ）Ｎの場合、本発明例２０は（ＳｉＣｒＢ）Ｎ）の場合、本発明例２１は（ＳｉＢ）（ＮＣＯ）の場合、本発明例２２は（ＳｉＡｌ）（ＮＯ）の場合、本発明例２３は（ＳｉＴｉＭｏ）（ＮＯＳ）の場合を示す。これらは何れも比較例２７、比較例２８、比較例２９に比べて、耐摩耗性に優れた効果を示した。特に本発明例２３の（ＳｉＴｉＭｏ）（ＮＯＳ）の被覆方法は、被覆装置内に複数配置したターゲットのうちＳｉＴｉターゲットとＭｏＳ２ターゲットを設置した蒸発源を同時に稼動させて、成膜を行った。この場合、ＳｉＴｉ組成が高濃度に含有する層と、ＭｏＳ組成が高濃度に含有する層の積層膜となっていると考えられる。本発明例２４は、基体にＶを含有しない場合を示す。本発明例１と比較すると、Ｖを含有した方が耐摩耗性に優れる結果を示した。本願発明の皮膜との密着性が向上することにより相乗効果が現れ、耐摩耗性を改善した結果である。基体のＶ含有量、Ｃｒ含有量が２．６重量％以上含有する場合は、切削初期でチッピングが発生し、耐摩耗性の評価ができなかった。本発明例２５は、ＦＡＩＰ法により被覆した場合、本発明例２６は、ＦＡＩＰ法とＰＣＶＤ法との複合プロセスにより被覆した場合を示す。同様に耐摩耗性に優れる結果となった。

図１は、本発明例６の走査電子顕微鏡写真を示す。 図２は、図１の金属リッチ粒子状付着物を白抜きで示した。

Claims (4)

1. 被覆部材に被覆された皮膜は金属等の窒化物、炭化物、硫化物、硼化物、酸化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物であり、該皮膜表面にある粒子状付着物の組成は、（金属元素）ｘ（非金属元素）ｙ、但し（ｙ／ｘ）をＲとした時、０＜Ｒ≦０．４、であり、該粒子状付着物の面積率は、直径が０．１μｍ以上の該粒子状付着物につき、該皮膜表面の任意に選択される１０００μｍ^２の範囲内に５％以下であることを特徴とする被覆部材。
2. 請求項１に記載の被覆部材において、該皮膜の少なくとも１層が、金属元素としてＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｂ、Ｗの少なくとも２種以上を有することを特徴とする被覆部材。
3. 請求項１、２の何れかに記載の被覆部材において、該皮膜表面の該粒子状付着物の数は、直径が０．１μｍ以上の該粒子状付着物につき、該皮膜表面の任意に選択される１０００μｍ^２の範囲内に１００個未満であることを特徴とする被覆部材。
4. 請求項１に記載の被覆部材において、該皮膜の被覆方法がスパッタリング法であることを特徴とする被覆部材の被覆方法。