JP2008075178A - 厚膜被覆部材及び厚膜被覆部材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】物理的蒸着による硬質皮膜は、Mex(NyCzOv)で表され、但し、Meは、周期律表4a、5a、6a族、Al、Si、B、Sから選択される2種以上の元素を有し、x、y、z、vは原子%で含有量を表し、x+y+z+v=100、0≦z≦10、0≦v≦10、であり、硬質皮膜の有するドロップレットを起点に結晶成長した化合物の結晶粒が皮膜表面に突き出しており、化合物の結晶粒の長手方向長さをh(μm)、硬質皮膜の膜厚T(μm)としたとき、6≦T≦30、0.1≦h/T≦1.2であることを特徴とする厚膜被覆部材である。
【選択図】図2
Description
本願発明の厚膜被覆部材の製造方法は、基体温度を550℃から800℃、反応圧力を5Paから15Paの範囲で成膜することが好ましい。また、バイアス電圧は20Vから200Vの範囲、パルス周期は5kHzから35kHz、であることが好ましい。
本願発明の厚膜被覆部材において、圧縮応力の低減化を図って硬質皮膜の厚膜化を可能とするためには、硬質皮膜に含有するドロップレットを起点として結晶成長する化合物の結晶粒をより巨大な柱状結晶粒へと成長させる必要がある。圧縮応力の低減化には、硬質皮膜に含まれる結晶の格子歪に起因する格子欠陥を減少させるのである。この理由は、格子欠陥が増大すると、結晶がその成長過程で分断され、粒界が発生しやすくなり、歪はこの粒界に多く存在し、残留圧縮応力を増大させるからである。粒界を多く発生させると、その部分に歪が集中するため、粒界間の接合強度は低く、厚膜被覆部材の断面組織は微細化し、更に外部から強い衝撃を受けたときに、その粒界部分から破壊しやすくなる傾向があり不都合である。即ち、圧縮応力の低減化は、硬質皮膜に含まれる結晶の格子歪を低減させることである。格子歪を低減させると、結晶構造が面心立方構造の厚膜被覆部材の場合、その組成にも依存するが、(111)面や(200)面へ強く配向するようになり、結晶成長過程において、歪による結晶の分断を減少させることができる。これによって、巨大な柱状結晶を含ませることが可能となる。本願発明の厚膜被覆部材は、この巨大な柱状結晶を含ませることが大切な要素となる。巨大な柱状結晶を含ませるには、硬質皮膜に含有するドロップレットを起点として結晶成長する化合物の結晶粒を、より巨大な柱状結晶粒へと成長させることによって可能となる。即ち、本願発明は、ドロップレットの制御と、その積極的活用を提案する。ここで言うドロップレットとは、成膜時に固体蒸発源から発生し、固体蒸発源組成の溶融金属が基体に付着するものである。従って、ガス成分と殆ど反応せずに皮膜に取り込まれる。その形状は、球状や液滴状のものが代表的である。
本願発明において、このドロップレットを起点として結晶成長した化合物の結晶粒を巨大な柱状結晶粒へと成長させることが重要であるとする理由は、第1に、ドロップレットを起点として巨大な柱状結晶粒を存在させることで、皮膜内の欠陥を減少させ、格子歪を低減させて圧縮応力の低減化を図ることができるからである。第2に、皮膜内欠陥の増大による機械的強度の劣化を回避することができるからである。通常は、硬質皮膜を厚膜に成膜すると、硬質皮膜中に含まれるドロップレット量も多くなり、厚膜にする程、皮膜内欠陥が増大し、硬質皮膜の機械的強度の劣化も生じてしまう。この様子を説明するため、硬質皮膜中に含まれるドロップレットの様子を模式的に図1に示す。ドロップレットが、硬質皮膜中に取り込まれたときの様子は、大きく4種類の場合に分類されると考えられる。中でも本願発明では、図1の(2)に示す巨大な柱状結晶粒を存在させるように制御することが重要である。これは(2)の場合、皮膜内の欠陥が減少し、これによる格子歪を低減させて圧縮応力の低減化を図ることができるからである。しかし、図1の(1)、(3)、(4)の状態は不都合な状態である。その理由として、(1)の場合は、成膜途中で基体又は硬質皮膜表面に付着したドロップレットが、化合物として結晶成長をしたものではないからである。特に硬質皮膜表面に付着したものは容易に脱落してしまう。その場合、ドロップレット脱落部分に隙間が発生する。隙間や空孔を含む形で硬質皮膜が形成されると、皮膜の使用中に外部から衝撃を受けたとき、破壊の起点となり、皮膜表面で結晶粒の脱落が発生しやすくなり、被削材との耐凝着性や耐溶着性を著しく劣化させ不都合である。(3)の場合は、ドロップレットが脱落せずに硬質皮膜中に取り込まれている。すると、ドロップレットが付着した周囲では、窒化物などの化合物結晶の成長にとって阻害要因となる。つまり、ドロップレットの外周面に隙間が残留し、化合物の結晶成長が行われなくなるからである。すると、ドロップレット周辺に隙間が出来る。その隙間に不純物が取り込まれやすくなり、欠陥となって硬質皮膜の機械的特性が劣化するため不都合である。(4)の場合は、化合物結晶粒の先端が皮膜表面に突き出さず、表面と水平方向に同じ高さにあることから、化合物結晶粒の先端周辺には隙間が発生して、機械的強度が低減するという不都合がある。そこで、硬質皮膜中に取り込まれるドロップレットの周囲に発生する隙間による皮膜欠陥を低減するためには、ドロップレット表面を起点として、硬質皮膜組成の化合物結晶を成長させ、(2)に示す巨大な柱状結晶粒を存在させるように制御することが重要である。
本願発明の厚膜被覆部材は、T値が6μm以上必要である。6μm未満では、アブレッシブ摩耗に耐える、優れた耐摩耗性が得られない。一方、30μmを超えると、厚膜被覆部材の圧縮応力が増大する。PVD法により厚膜被覆部材を6μm以上に被覆すると、厚膜に残留する圧縮応力が著しく増大し、厚膜の自己破壊発生や基体と皮膜間の密着強度への対策が必要である。圧縮応力は、膜厚に比例して増大する。この増大する理由は、厚膜被覆部材が堆積する際に歪が蓄積され、それが開放されないためである。このため、PVD法を使った被覆においては、圧縮応力の低減化が必要である。
硬質皮膜が有するドロップレットを起点に結晶成長した化合物の結晶粒が、皮膜表面に対し突き出している状態は、0.1≦h/T≦1.2の範囲に制御することによって実現できる。しかし、h/T値が1.2を超えて大きくなると、結晶粒が皮膜表面より極めて大きく突き出る形になり、それが障害となる。例えば切削工具に適用した場合、被削材との耐凝着性や耐溶着性を劣化させる。また、0.1未満のときは、ドロップレットを起点とした化合物の結晶粒が成長せず、皮膜内部に欠陥として残留し、耐欠損性などの機械的特性を劣化する欠点が現れる。
ドロップレットを起点とした結晶粒は、電界放出型透過型電子顕微鏡(日本電子製JEM−2010F型、加速電圧20kV、以下、FE−TEMと記す。)で確認することが可能である。また、電解放射走査型電子顕微鏡(日立製作所製S−4200、以下FE−SEMと記す。)でも確認可能である。
α値は、電子プローブマイクロアナライザー(日本電子(株)製JXA−8900R型、以下、EPMAと記す。)を用いて測定できる。硬質皮膜の垂直断面又は傾斜断面において、基体の影響を受けない位置で行い、加速電圧10kV、照射電流1.0μA、プローブ径を10μm程度に設定すれば測定可能である。硬質皮膜表面から測定する場合は、プローブ径を50μm程度に設定すれば測定可能である。
成膜温度を550℃以上にする理由は、高温状態にして硬質皮膜を構成する化合物の結晶の元となるイオンが、ドロップレット表面に到達した後、凝固して結晶成長の核を形成するまでの運動エネルギーを高めるためである。そしてドロップレットと化合物界面の格子縞に連続性を持たせるためである。550℃以上で成膜を行うと、化合物の結晶粒における核形成前の原子が、ドロップレット表面で動き回り、ドロップレットと化合物の結晶粒がヘテロエピタキシャルの状態を形成して強固に凝固し、そのドロップレットを起点として化合物の結晶粒が成長しやすくなる。また550℃以上では、核形成した後に成長する結晶粒の歪を緩和させながら成膜して、残留圧縮応力の過度な増大も抑制することが可能となる。しかし、550℃未満では、h/T値が0.1未満となり、ドロップレットを起点とした化合物の結晶成長も多少は発生するが、核を形成する際に必要な運動エネルギーが低いため、ドロップレットと化合物の結晶粒がヘテロエピタキシャル関係を形成しにくい。その結果、化合物結晶がドロップレット周囲の他の化合物結晶と分断されて存在し、機械的強度が低減する。一方、成膜温度が800℃を超えるとドロップレットを起点とした化合物結晶の成長は促進されるが、その成長は硬質皮膜内部で放射状となり、柱状結晶粒の成長時に膜厚方向に向かって周囲と干渉するため歪が発生しやすい。従って800℃以下であることが必要であり、750℃以下がより好ましい。また、800℃を超えると放射状に成長した化合物結晶粒は、h/Tが1.2を超え易くなってしまう。更に、化合物結晶の成長速度は、周囲よりドロップレット表面で成長する化合物結晶の方が遅くなり、周囲とドロップレット表面とで成長速度が異なることから、ドロップレットは周囲の化合物に囲まれるようになる。その結果、化合物結晶粒成長の起点となるドロップレットの根元部分に隙間が出来やすくなる。これは、外部からの衝撃に対する機械的強度が劣化する原因となる。また、ドロップレット上に成長した化合物結晶粒は、周囲の化合物結晶粒の硬さとほぼ同程度のため、硬質突起物として皮膜表面に存在する。この突起物が被加工物と接触した際に機械的な凝着現象を発生しやすくする。その結果、潤滑特性の優れる硬質皮膜を適用しても、その有効性が十分に発揮されない。
6μm以上の膜厚で、皮膜の残留圧縮応力であるσ値が0≦σ<6.0、の範囲に制御された厚膜被覆部材を得るためには、被覆時の基体温度条件を550℃から800℃の範囲であること、より好ましくは600℃から750℃の範囲に制御する。基体温度を高くすることで、厚膜被覆部材中への不可避不純物混入による歪の発生が抑制される。成膜時の温度を550℃未満にすると、基体表面でのイオンの運動エネルギーが低くなり、整合性が高まらず、密着性に大きく影響を及ぼす。また、800℃を超えると、厚膜被覆部材の圧縮応力が低減出来ても、基体を構成する元素が厚膜被覆部材に拡散して、部材全体の機械的特性が劣化する。
一方、X線回折の並傾法は、TiN、TiC、Ti(CN)、ZrN、CrN、AlNなどの単一層で、かつ一般的な組成の皮膜に対して、応力値の算出に適している。また、並傾法によって(TiAl)Nなどの厚膜被覆部材の応力値を算出する場合、TiNを基準とした相対的な応力値の算出となる。厚膜被覆部材の応力値を、X線回折の並傾法により次の化2を用いてσ2値の符号を求めることにより、ある程度の判別は可能である。
一方、比較例52から67には、ドロップレットを起点に巨大な柱状結晶粒の成長している様子は観察されなかった。例えば、比較例64を観察した結果を図3示す。これにも他の試料同様にドロップレットが含まれていた。この部分を更に詳細に観察すると、ドロップレットの表面では(TiAl)N結晶がほとんど成長しておらず、(TiAl)金属の塊が多く存在した。また、(TiAl)金属の塊の周囲を観察したところ、周囲の(TiAl)Nとの境界部に隙間が多く観察された。この理由は、反応ガス圧力が4.7Paと低いため、皮膜全体の成長速度が高く、ドロップレットの周囲を包み込むように成長することができず、結晶粒の根元部分の隙間を埋めることができなかったと考えられる。
また、バイアス電圧印加時に20kHzのパルス幅を設定した本発明例38の硬質皮膜断面を観察した結果を図4に示す。皮膜は柱状結晶粒を有しており、更に詳細を観察すると結晶粒は多層構造を有して、組成変調が見られた。その積層周期は1〜10nmであった。各層間の組成をFE−TEMに付設されるエネルギー分散型X線分光分析(以下、EDSと記す。)装置を用いて分析した結果、イオン半径の小さいAlの含有量が変調していることが確認された。更に多層構造における層間の格子縞は連続していることが確認された。これが、硬質皮膜の残留圧縮応力の低減化を実現したのである。
α値が1.01を示した比較例67の皮膜断面組織を図5に示す。皮膜の断面組織は微細化し粒界欠陥が多数観察された。α値が1.05未満になると、金属元素同士が結合する確率が増え、結晶格子歪が著しく大きくなり、結晶の格子縞の連続性が失われる。その結果、残留圧縮応力を増大させ、密着性は劣化したものと考えられる。
h/T値が0.04を示した比較例63の皮膜断面観察結果を図6、また表面観察結果を図7に示す。図6では、表面にはドロップレット脱落部分に空孔が発生していた。更に図7に示すように膜表面に多数の突起物も存在した。この空孔や突起物は皮膜破壊の起点となったり、被加工物が凝着したりするため不都合である。
(切削条件)
工具:バイト
インサート形状:SNMG120408タイプ、チップブレーカー付き形状
切削方法:長手方向の外径切削
被削材形状:直径160mm×長さ600mm、丸棒
被削材:S53C、硬さ、HB260、調質材
切込み量:2.0mm
切削速度:220m/min
1回転あたりの送り量:0.4mm/rev
切削油:なし
Claims (5)
- 物理的蒸着による硬質皮膜が被覆された部材において、該硬質皮膜は、Mex(NyCzOv)で表され、但し、Meは、周期律表4a、5a、6a族、Al、Si、B、Sから選択される2種以上の元素を有し、x、y、z、vは原子%で含有量を表し、x+y+z+v=100、0≦z≦10、0≦v≦10、であり、該硬質皮膜の有するドロップレットを起点に結晶成長した化合物の結晶粒が皮膜表面に突き出しており、該化合物の結晶粒の長手方向長さをh(μm)、該硬質皮膜の膜厚T(μm)としたとき、6≦T≦30、0.1≦h/T≦1.2、であることを特徴とする厚膜被覆部材。
- 請求項1に記載の厚膜被覆部材において、(y+z+v)/xの値をαとしたときに、1.05≦α≦1.25、であることを特徴とする厚膜被覆部材。
- 請求項1、2に記載の厚膜被覆部材において、該硬質皮膜が柱状結晶構造を有し、該柱状結晶は組成変調を有することを特徴とする厚膜被覆部材。
- 請求項1に記載の厚膜被覆部材において、該厚膜被覆部材の製造方法は、基体温度を550℃から800℃、反応圧力を5Paから15Pa、で成膜することを特徴とする厚膜被覆部材の製造方法。
- 請求項4に記載の厚膜被覆部材の製造方法において、バイアス電圧を20Vから200V、パルス周期を5kHzから35kHz、で成膜することを特徴とする厚膜被覆部材の製造方法。
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A521 | Written amendment |
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A02 | Decision of refusal |
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