JP2007131927A - 表面被覆部材及びその製造方法ならびに工具及び工作装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 AlならびにZr、Hf、Pd、Ir及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を主成分とする複合窒化物を含有するコーティング層(2)を基材(1)上に形成する。
【選択図】 図1
Description
すなわち、本発明の表面被覆部材は、基材と、前記基材上に形成された高硬度皮膜とを備え、前記高硬度皮膜はAlならびにZr、Hf、Pd、Ir及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を主成分とする複合窒化物を含有するコーティング層を有する。
この表面被覆部材の高硬度皮膜は、高い硬度と優れた耐酸化性とを兼ね備えている。
この表面被覆部材の高硬度皮膜は、高い硬度と優れた耐酸化性に加え、優れた耐磨耗性をも兼ね備えている。
Zrの含有量が10%未満の場合は、十分な硬度が得られないことがあるので好ましくない。また、Zrの含有量が50%を超えると、耐酸化性が低下することがあるので好ましくない。
Siの含有量が1%未満の場合は、コーティング層の密着性が低下するので、耐磨耗性の向上効果が低い。また、Siの含有量が30%を超えると、耐酸化性が不十分となり、また、密着性もかえって低下するために耐磨耗性も不十分となることがあるので、好ましくない。
このような結合層を設けることにより、前記基材と前記コーティング層との密着性が高まり、前記コーティング層が剥離しにくくなるので、本発明の表面被覆部材における高硬度皮膜の耐磨耗性が向上する。
このような中間層を設けることにより、前記結合層と前記コーティング層との密着性が高まり、前記コーティング層がさらに剥離しにくくなるので、本発明の表面被覆部材における高硬度皮膜の耐磨耗性がさらに向上する。
このように基材として高速度工具鋼または超硬合金を用いた場合、本発明の表面被覆部材は高い硬度と優れた耐酸化性を有する工具として好適に用いることができる。
物理蒸着法により形成される皮膜は密着性に優れるので、耐磨耗性に優れた高硬度皮膜が得られる。特にアークイオンプレーティング法により高硬度皮膜を形成すると、より優れた皮膜の密着性が得られるので、さらに好ましい。
この製造方法により、高い硬度と優れた耐酸化性とを兼ね備えた高硬度皮膜を有する表面被覆部材が製造される。
このコーティング層形成用ターゲットを用いた場合、高い硬度と優れた耐酸化性に加え、優れた耐磨耗性をも兼ね備えた高硬度皮膜を有する表面被覆部材が製造される。
Zrの含有量が10%未満の場合は、十分な硬度を有する皮膜が形成できないことがあるので好ましくない。また、Zrの含有量が50%を超えると、耐酸化性の低い皮膜が形成されることがあるので好ましくない。
Siの含有量が1%未満の場合は、コーティング層の密着性が低下するので、形成される高硬度皮膜の耐磨耗性の向上効果は低い。また、Siの含有量が30%を超えると、形成される高硬度皮膜の耐酸化性が不十分となり、また、密着性もかえって低下するために耐磨耗性も不十分となることがあるので、好ましくない
このような結合層を形成する工程を設けることにより、前記基材と前記コーティング層との密着性が高まり、剥離しにくいコーティング層が形成されるので、耐磨耗性の優れた高硬度皮膜を有する表面被覆部材を製造できる。
このような中間層を形成する工程を設けることにより、前記結合層と前記コーティング層との密着性が高まり、さらに剥離しにくいコーティング層が形成されるので、より耐磨耗性の優れた高硬度皮膜を有する表面被覆部材を製造できる。
この工具は、その表面に前記高硬度皮膜が形成されているので、高い硬度と優れた耐酸化性を兼ね備えている。特に高硬度皮膜のコーティング層中の複合窒化物にSiが含まれている場合は、この工具は優れた耐磨耗性も兼ね備えている。
特に、本発明の工具を切削工具として適用した場合は、高い切削速度での加工、長寿命化が達成できる。また、切削油を用いないドライカット加工用の工具として好適に用いることができる。本発明の切削工具は、ホブカッター、ピニオンカッター、ブローチ等の歯切り工具として好適に用いることができる。
この切削装置は、切削工具に高い硬度、優れた耐酸化性及び優れた耐磨耗性が要求される切削加工に好適に用いられる。従って、高い切削速度での加工を可能とし、加工能率が高い工作機械とすることができる。また、この切削装置は、切削油を用いないドライカット加工を行う切削装置として好適に用いることができる。また、本発明の切削装置は、ホブ盤等の歯切り装置として好適に用いることができる。
本発明の表面被覆部材の製造方法によれば、高い硬度と優れた耐酸化性とを兼ね備えた高硬度皮膜を有する表面被覆部材が製造される。従って、本発明の表面被覆部材の製造方法は、工具や金型の製造に好適に採用される。また、本発明の表面被覆部材の製造方法によれば、高い硬度と優れた耐酸化性に加え、優れた耐磨耗性をも兼ね備えた高硬度皮膜を有する表面被覆部材が製造される。従って、本発明の表面被覆部材の製造方法は、切削油を用いないドライカット加工用の切削工具の製造に好適に採用される。特に本発明の表面被覆部材の製造方法は、ホブカッター等の歯切り工具の製造に好適に採用することができる。前記切削工具は、ドライカット加工用の切削装置に取り付けられる切削工具として好適であり、このような切削装置は切削油を用いないので、環境保全及びコストの点で優れている。
図1は、本発明の表面被覆部材の第1の実施形態を示す概略断面図である。
この実施形態の表面被覆部材は、被処理物である基材1と、この基材1の表面に形成された高硬度皮膜10として、Al及びZrまたはAl、Zr及びSiを主成分とする複合窒化物を含有するコーティング層2とを有している。基材1としては、高速度工具鋼または例えばタングステンカーバイド(WC)等の超硬合金が用いられる。AlZrN系皮膜やAlZrSiN系皮膜は、従来の高硬度皮膜のように高温で分解し易いCrNのような成分を含まないので、酸化開始温度が1250℃以上となる。
Siは皮膜の密着性を向上させる際には必要である。この場合、Si含有量は1%以上30%以下が好ましい。Si含有量が1%未満では、密着性が不十分であり、膜が剥離し易くなる。Si含有量が30%を超えると、脆くなり、衝撃に対し弱くなり剥離の原因となる。
第2の実施形態の表面被覆部材においては、上記第1の実施形態のコーティング層2と基材1との間に、Zr、Ti及びCr等のうちの少なくとも1種の元素の窒化物からなる層が結合層3として設けられている。この結合層3は、前記窒化物に代えて、炭化物、炭窒化物またはこれらの混合相としても この第2の実施形態においては、基材1の上に結合層3を物理蒸着法で成膜し、その上に複合窒化物からなるコーティング層2を成膜して、高硬度皮膜11を完成させている。結合層3は、基材1とコーティング層2の密着性を向上させる作用を有し、高硬度皮膜11に高負荷がかかった時に、高硬度皮膜11が剥離するのを防止する。
ケーシング22の室内32には、室内32を真空にするための真空ポンプ24が制御バルブ33を介して接続されている。また、室内32には、室内32の不活性ガスを供給するためのアルゴンのガス源25が制御バルブ34を介して接続されている。さらに、室内32には、室内32に窒素を供給するための窒素ガス源26が制御バルブ35を介して接続されている。
そして、ホルダー27上に基材1を載置し、制御バルブ33〜35のうち、初めに制御バルブ33,34を開き、室内32にアルゴンガスを供給するとともに、室内32を真空引きする。真空引きが完了し、室内32がアルゴン雰囲気になったら、モータ28によりホルダー27を回転させる。次いで、制御バルブ33,34を閉じてターゲット23とホルダー27間に直流電圧を印加させて、プラズマを発生して室内32の温度を上昇させる。室内32の温度が一定温度に達したときに、制御バルブ35を開き窒素ガス源26から室内32へ窒素を供給してアーク放電を生じさせる。これにより、基材1の表面に各層が形成されて、耐高温酸化に優れた高硬度皮膜10,11,12が得られる。
なお、上記実施形態において、結合層3はZr、Ti及びCr等のうちの少なくとも1種の元素の窒化物からなる層としたが、これに代えて同様の元素の炭化物もしくは炭窒化物または窒化物、炭化物及び炭窒化物のうちの2種以上を含有する混合相からなる層としても同様の効果が得られると考えられる。この場合、結合層3を形成するには、窒素の供給に代えてまたは窒素の供給とともに炭化水素を室内32に供給すればよい。
以下、実施例及び比較例により、本発明をさらに詳細に説明する。
ビッカース硬度:
(試料番号A1〜A12、S1及びR1〜R3)
陽性元素の組成比が表1に示した値となるように、AlN、ZrN、Si3N4、TiN及びCrNから選択される窒化物粉末を量り取って混合した。この窒化物粉末混合物を窒素雰囲気中1200℃で5時間熱処理し、複合窒化物仮焼体を作製した。高周波スパッタ法を用いて、この仮焼体をターゲットとし、基材温度250℃で超硬合金(TH−10)基材上に膜厚約4μmの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。ビッカース硬度計により複合窒化物皮膜のビッカース硬度(Hv)を測定した。結果を表1に示す。
陽性元素の組成比が表1に示した値となるように、Al、Pd及びSi粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度250℃で基材上に膜厚約4μmの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。ビッカース硬度計により複合窒化物皮膜のビッカース硬度(Hv)を測定した。結果を表1に示す。
陽性元素の組成比が表1に示した値となるように、Al、Ir及びSi粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度250℃で基材上に膜厚約4μmの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。ビッカース硬度計により複合窒化物皮膜のビッカース硬度(Hv)を測定した。結果を表1に示す。
陽性元素の組成比が表1に示した値となるように、Al、Er及びSi粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度250℃で基材上に膜厚約4μmの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。ビッカース硬度計により複合窒化物皮膜のビッカース硬度(Hv)を測定した。結果を表1に示す。
陽性元素の組成比が表1に示した値となるように、Al、Ho及びSi粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度250℃で基材上に膜厚約4μmの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。ビッカース硬度計により複合窒化物皮膜のビッカース硬度(Hv)を測定した。結果を表1に示す。
陽性元素の組成比が表1に示した値となるように、Al、Dy及びSi粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度250℃で基材上に膜厚約4μmの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。ビッカース硬度計により複合窒化物皮膜のビッカース硬度(Hv)を測定した。結果を表1に示す。
(試料番号A1〜A11、S1及びR1〜R3)
陽性元素の組成比が表1に示した値となるように、AlN、ZrN、Si3N4、TiN及びCrNから選択される窒化物粉末を量り取って混合した。この窒化物粉末混合物を窒素雰囲気中1200℃で5時間熱処理し、複合窒化物仮焼体を作製した。高周波スパッタ法を用いて、この仮焼体をターゲットとし、基材温度250℃でPt薄板基材(10×5×0.1mm)上に膜厚約4μmの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。得られた試験片(複合窒化物皮膜が形成されたPt基材)を10℃/分の昇温速度で熱重量天秤を用いて1400℃まで加熱し、加熱による重量変化を測定し、酸化開始温度を測定した。結果を表1に示す。
陽性元素の組成比が表1に示した値となるように、Al、Pd及びSi粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度250℃でPt薄板基材(10×5×0.1mm)上に膜厚約4μmの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。得られた試験片(複合窒化物皮膜が形成されたPt基材)を10℃/分の昇温速度で熱重量天秤を用いて1400℃まで加熱し、加熱による重量変化を測定し、酸化開始温度を測定した。結果を表1に示す。
陽性元素の組成比が表1に示した値となるように、Al、Ir及びSi粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度250℃でPt薄板基材(10×5×0.1mm)上に膜厚約4μmの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。得られた試験片(複合窒化物皮膜が形成されたPt基材)を10℃/分の昇温速度で熱重量天秤を用いて1400℃まで加熱し、加熱による重量変化を測定し、酸化開始温度を測定した。結果を表1に示す。
陽性元素の組成比が表1に示した値となるように、Al、Er及びSi粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度250℃でPt薄板基材(10×5×0.1mm)上に膜厚約4μmの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。得られた試験片(複合窒化物皮膜が形成されたPt基材)を10℃/分の昇温速度で熱重量天秤を用いて1400℃まで加熱し、加熱による重量変化を測定し、酸化開始温度を測定した。結果を表1に示す。
陽性元素の組成比が表1に示した値となるように、Al、Ho及びSi粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度250℃でPt薄板基材(10×5×0.1mm)上に膜厚約4μmの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。得られた試験片(複合窒化物皮膜が形成されたPt基材)を10℃/分の昇温速度で熱重量天秤を用いて1400℃まで加熱し、加熱による重量変化を測定し、酸化開始温度を測定した。結果を表1に示す。
陽性元素の組成比が表1に示した値となるように、Al、Dy及びSi粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度250℃でPt薄板基材(10×5×0.1mm)上に膜厚約4μmの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。得られた試験片(複合窒化物皮膜が形成されたPt基材)を10℃/分の昇温速度で熱重量天秤を用いて1400℃まで加熱し、加熱による重量変化を測定し、酸化開始温度を測定した。結果を表1に示す。
また、Zrの一部をPd、Ir、Er、Ho、またはDyに置換しても、良好なビッカース硬度及び酸化開始温度が得られることが分かる。
また、HfNの生成自由エネルギーはZrNよりわずかに大きいので、HfNはZrNよりも安定である。このため、ZrをHfに置換したHf含有窒化物の酸化開始温度は、Zr含有窒化物よりも高くなることが期待され、硬度と酸化開始温度ともに優れていることが期待される。
2 コーティング層
3 結合層
4 中間層
10,11,12 高硬度皮膜
22 ケーシング(容器)
23 ターゲット(コーティング層形成用ターゲット、結合層形成用ターゲット)
27 ホルダー
Claims (17)
- 基材と、前記基材上に形成された高硬度皮膜とを備え、前記高硬度皮膜はAlならびにZr、Hf、Pd、Ir及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を主成分とする複合窒化物を含有するコーティング層を有することを特徴とする表面被覆部材。
- 前記コーティング層中の複合窒化物が、その陽性元素成分において、前記Zr、Hf、Pd、Ir及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を10原子%以上50原子%以下含有し、残りがAl及び不可避的不純物であることを特徴とする請求項1に記載の表面被覆部材。
- 基材と、前記基材上に形成された高硬度皮膜とを備え、前記高硬度皮膜はAl、SiならびにZr、Hf、Pd、Ir及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を主成分とする複合窒化物を含有するコーティング層を有することを特徴とする表面被覆部材。
- 前記コーティング層中の複合窒化物が、その陽性元素成分において、前記Zr、Hf、Pd、Ir及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を10原子%以上50原子%以下、Siを1原子%以上30原子%以下含有し、残りがAl及び不可避的不純物であることを特徴とする請求項3に記載の表面被覆部材。
- 前記基材と前記コーティング層との間に、Zr、Ti及びCrからなる群より選択される少なくとも1種の元素の、窒化物、炭化物及び炭窒化物のうちの少なくとも1種を含有する結合層を有することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の表面被覆部材。
- 前記結合層と前記コーティング層との間に、前記結合層の成分と前記コーティング層の成分とを含有する中間層を有することを特徴とする請求項5に記載の表面被覆部材。
- 前記基材は、高速度工具鋼または超硬合金であることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の表面被覆部材。
- 密閉可能な容器内に配置されたホルダーにより、基材を前記容器内に支持し、
AlならびにZr、Hf、Pd、Ir及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を主成分とする合金またはその窒化物を含有するコーティング層形成用ターゲットを前記容器内に配置し、
前記容器中に窒素を供給し、
前記コーティング層形成用ターゲットを陽極とし、前記ホルダーを陰極として、該コーティング層形成用ターゲットと該ホルダー間に放電を生じさせて前記基材上にコーティング層を形成することにより、前記基材と前記コーティング層とを備えた表面被覆部材を得ることを特徴とする表面被覆部材の製造方法。 - 前記コーティング層中の複合窒化物が、その陽性元素成分において、前記Zr、Hf、Pd、Ir及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を10原子%以上50原子%以下含有し、残りがAl及び不可避的不純物であることを特徴とする請求項8に記載の表面被覆部材の製造方法。
- 密閉可能な容器内に配置されたホルダーにより、基材を前記容器内に支持し、
Al、SiならびにZr、Hf、Pd、Ir及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を主成分とする合金またはその窒化物を含有するコーティング層形成用ターゲットを前記容器内に配置し、
前記容器中に窒素を供給し、
前記コーティング層形成用ターゲットを陽極とし、前記ホルダーを陰極として、該コーティング層形成用ターゲットと該ホルダー間に放電を生じさせて前記基材上にコーティング層が形成することにより、前記基材と前記コーティング層とを備えた表面被覆部材を得ることを特徴とする表面被覆部材の製造方法。 - 前記コーティング層中の複合窒化物が、その陽性元素成分において、前記Zr、Hf、Pd、Ir及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を10原子%以上50原子%以下、Siを1原子%以上30原子%以下含有し、残りがAl及び不可避的不純物であることを特徴とする請求項10に記載の表面被覆部材の製造方法。
- Zr、Ti及びCrからなる群より選択される少なくとも1種の元素を主成分として含有する結合層形成用ターゲットを前記容器内に配置し、
前記容器中に窒素及び炭化水素のうちの少なくとも1種を供給し、
前記結合層形成用ターゲットを陽極とし、前記ホルダーを陰極として、該結合層形成用ターゲットと該ホルダー間に放電を生じさせて、前記ホルダーにより支持された前記基材上に結合層を形成し、
前記結合層上に前記コーティング層を形成することを特徴とする請求項8から請求項11のいずれかに記載の表面被覆部材の製造方法。 - 前記結合層を形成した後に、
前記結合層用ターゲット及び前記コーティング層用ターゲットを陽極とし、前記ホルダーを陰極として、該結合層用ターゲット及び該コーティング層用ターゲットのそれぞれと該ホルダーとの間に放電を生じさせて、前記結合層上に中間層を形成し、
前記中間層上に前記コーティング層を形成することを特徴とする請求項12に記載の表面被覆部材の製造方法。 - 工具用基材と、前記工具用基材上に形成された高硬度皮膜とを備え、前記高硬度皮膜はAlならびにZr、Hf、Pd、Ir及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を主成分とする複合窒化物を含有するコーティング層を有することを特徴とする工具。
- 工具用基材と、前記工具用基材上に形成された高硬度皮膜とを備え、前記高硬度皮膜はAl、SiならびにZr、Hf、Pd、Ir及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を主成分とする複合窒化物を含有するコーティング層を有することを特徴とする工具。
- 工具用基材と、前記工具用基材上に形成された高硬度皮膜とを備えた工具を設けた工作装置であって、前記高硬度皮膜はAlならびにZr、Hf、Pd、Ir及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を主成分とする複合窒化物を含有するコーティング層を有することを特徴とする工作装置。
- 工具用基材と、前記工具用基材上に形成された高硬度皮膜とを備えた工具を設けた工作装置であって、前記高硬度皮膜はAl、SiならびにZr、Hf、Pd、Ir及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を主成分とする複合窒化物を含有するコーティング層を有することを特徴とする工作装置。
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