JP2008240079A

JP2008240079A - 被覆部材

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Publication number: JP2008240079A
Application number: JP2007083320A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Kobata; 護木幡
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2008-10-09

Abstract

【課題】高速度切削、高送り切削、被削材の高硬度化などの厳しい切削加工条件において長寿命を実現できる被覆部材の提供を目的とする。
【解決手段】基材と基材の表面に被覆された被膜とからなり、被膜の少なくとも１層はＰＶＤ法により被覆されたＭＸ_Z（但し、ＭはＣｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｖ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｙ，Ｎｂ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｂ，Ｓｉ，Ｓの中から選ばれた２種以上の元素を表し、ＸはＣ，Ｎ，Ｏの中から選ばれた少なくとも１種の非金属元素を表し、ＺはＭに対するＸの原子比を表し、０．９５≦Ｚ≦１．１０を満足する。）で表される硬質膜であり、硬質膜はＸ線回折における最高ピーク強度を（２２０）面に示す被覆部材。
【選択図】図１

Description

本発明は、焼結合金、セラミックス、ｃＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体などの基材の表面に被膜を被覆した被覆部材に関する。その中でも、特にチップ、ドリル、エンドミルに代表される切削工具や各種の耐摩耗工具、耐摩耗部品に好適な被覆部材に関する。

焼結合金、セラミックス、ｃＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体などの基材の表面にＰＶＤ法によりＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、Ａｌ₂Ｏ₃などの被膜を被覆してなる被覆部材は、基材の高強度、高靱性と被膜の優れた耐摩耗性、耐酸化性、潤滑性、耐溶着性などを兼備しているため、切削工具、耐摩耗工具、耐摩耗部品として多用されている。これらの性能向上のために被膜の硬さや耐酸化性などが改良されてきた。

ＰＶＤ法により被覆された硬質皮膜の従来技術としては、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ）（Ｃ，Ｎ）からなる切削工具用硬質皮膜がある（例えば、特許文献１参照。）。また、耐酸化性に優れた皮膜として、Ａｌ−Ｃｒ−Ｎ系皮膜がある（例えば、非特許文献１参照。）。しかしながら、被削材、切削条件などの変化から、これらの皮膜を被覆した切削工具では、長寿命が得られないという問題があった。

特開２００３−７１６１０号公報井手ら、まてりあ第４０巻第９号、２００１年、p.８１５−８１６

近年、切削加工において高速度、高送り、被削材の高硬度化など厳しい加工条件が増えている。従来の被覆部材からなる切削工具では、近年の厳しい加工要求に応えられなくなってきた。本発明はこのような事情を鑑みてなされたものであり、切削加工において長寿命化を実現する被覆部材の提供を目的とする。

従来のＰＶＤ法により被覆された（ＴｉＡｌ）Ｎ、（ＣｒＡｌ）Ｎ、（ＴｉＡｌＣｒ）Ｎなどの立方晶の硬質膜は、（１１１）面または（２００）面に配向していた。本発明者は、ＰＶＤ法で被覆された（ＴｉＡｌ）Ｎ、（ＣｒＡｌ）Ｎ、（ＴｉＡｌＣｒ）Ｎ、（ＴｉＡｌＳｉ）Ｎ、（ＣｒＡｌＢ）Ｎ、（ＴｉＡｌＣｒＳｉ）Ｎなどの立方晶の硬質膜を被覆した被覆部材の切削性能の向上に取り組んできたところ、立方晶の硬質膜を（２２０）面に配向させることで、硬さが高くなり、高温における耐摩耗性が向上するとともに、耐酸化性が向上するという知見を得ることができた。本発明の硬質膜を被覆した被覆部材は、耐摩耗性および耐酸化性に優れるため、切削工具として用いると長寿命化を実現できることを見出した。

請求項１に係る被覆部材は、基材と基材の表面に被覆された被膜とからなり、被膜の少なくとも１層は、ＰＶＤ法により被覆されたＭＸ_Z（但し、ＭはＣｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｖ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｙ，Ｎｂの中から選ばれた２種以上の金属元素を表し、ＸはＣ，Ｎ，Ｏの中から選ばれた少なくとも１種の非金属元素を表し、ＺはＭに対するＸの原子比を表し、０．９５≦Ｚ≦１．１０を満足する。）で表される硬質膜であり、硬質膜はＸ線回折における最高ピーク強度を（２２０）面に示すものである。

請求項５に係る被覆部材は、基材と基材の表面に被覆された被膜とからなり、被膜の少なくとも１層は、ＰＶＤ法により被覆された（Ｍ_AＬ_D）Ｘ_R（但し、ＭはＣｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｖ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｙ，Ｎｂの中から選ばれた２種以上の金属元素を表し、ＬはＭｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｂ，Ｓｉ，Ｓの中から選ばれた少なくとも１種の添加元素を表し、ＸはＣ，Ｎ，Ｏの中から選ばれた少なくとも１種の非金属元素を表し、ＡはＭとＬの合計に対するＭの原子比を表し、ＤはＭとＬの合計に対するＬの原子比を表し、ＲはＭとＬの合計に対するＸの原子比を表し、０．９０≦Ａ≦０．９９、０．０１≦Ｄ≦０．１０、Ａ＋Ｄ＝１、０．９５≦Ｒ≦１．１０を満足する。）で表される硬質膜であり、硬質膜はＸ線回折における最高ピーク強度を（２２０）面に示すものである。

本発明の被覆部材の基材として、焼結合金、セラミックス、ｃＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体などを挙げることができる。その中でも焼結合金は耐欠損性と耐摩耗性に優れるため好ましく、その中でも超硬合金とサーメットがさらに好ましく、その中でも超硬合金がさらに好ましい。

請求項１に係る被覆部材の被膜の少なくとも１層は、ＰＶＤ法により被覆されたＭＸ_Z（但し、ＭはＣｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｖ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｙ，Ｎｂの中から選ばれた２種以上の金属元素を表し、ＸはＣ，Ｎ，Ｏの中から選ばれた少なくとも１種の非金属元素を表し、ＺはＭに対するＸの原子比を表し、０．９５≦Ｚ≦１．１０を満足する。）で表される立方晶系のＮａＣｌ型構造の硬質膜からなる。

Ｚが０．９５未満になると、非晶質の金属相が偏析して耐酸化性や硬さが低下し、Ｚが１．１０を超えても、被膜の硬さが急速に低下するので、Ｚは０．９５≦Ｚ≦１．１０の範囲とした。硬質膜として具体的には、（ＴｉＡｌ）Ｎ_1.00、（ＣｒＡｌ）Ｎ_0.95、（ＴｉＡｌＣｒ）Ｎ_1.05、（ＴｉＡｌ）（ＣＮ）_1.00、（ＣｒＡｌ）（ＣＮ）_1.05、（ＴｉＡｌ）（ＣＮＯ）_1.10などを挙げることができる。その中でも硬質膜は、組成の異なる平均膜厚１〜１００ｎｍの薄膜が積層された積層膜であると、被膜の硬さが高くなり耐摩耗性が向上するので、さらに好ましい。

請求項５に係る被覆部材の被膜の少なくとも１層は、ＰＶＤ法により被覆された（Ｍ_AＬ_D）Ｘ_R（但し、ＭはＣｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｖ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｙ，Ｎｂの中から選ばれた２種以上の金属元素を表し、ＬはＭｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｂ，Ｓｉ，Ｓの中から選ばれた少なくとも１種の添加元素を表し、ＸはＣ，Ｎ，Ｏの中から選ばれた少なくとも１種の非金属元素を表し、ＡはＭとＬの合計に対するＭの原子比を表し、ＤはＭとＬの合計に対するＬの原子比を表し、ＲはＭとＬの合計に対するＸの原子比を表し、０．９０≦Ａ≦０．９９、０．０１≦Ｄ≦０．１０、Ａ＋Ｄ＝１、０．９５≦Ｒ≦１．１０を満足する。）で表される立方晶系のＮａＣｌ型構造の硬質膜からなる。

Ａが０．９０未満になると耐摩耗性が低下し、Ａが０．９９を超えると耐酸化性が低下するので、Ａは０．９０≦Ａ≦０．９９の範囲とした。Ｄが０．０１未満になると耐酸化性が低下し、Ｄが０．１０を超えると耐摩耗性が低下するので、Ｄは０．０１≦Ｄ≦０．１０の範囲とした。Ｒが０．９５未満になると非晶質の金属相が偏析して耐酸化性と硬さが低下し、Ｒが１．１０を超えると被膜の硬さが急速に低下するので、Ｒは０．９５≦Ｒ≦１．１０の範囲とした。硬質膜として具体的には、（（ＴｉＡｌ）_0.95Ｂ_0.05）Ｎ_1.00、（（ＴｉＡｌ）_0.96Ｍｎ_0.04）Ｎ_1.00、（（ＴｉＡｌ）_0.97Ｓ_0.03）Ｎ_1.00、（（ＴｉＡｌ）_0.95Ｓｉ_0.05）Ｎ_1.00、（（ＴｉＣｒ）_0.95Ｂ_0.05）Ｎ_1.00、（（ＣｒＡｌ）_0.97Ｂ_0.03）Ｎ_1.06、（（ＣｒＡｌ）_0.95Ｓｉ_0.05）Ｎ_1.00、（（ＣｒＡｌ）_0.98Ｓ_0.02）Ｎ_0.98、（（ＣｒＡｌ）_0.90Ｙ_0.10）Ｎ_0.95、（（ＣｒＺｒ）_0.96Ｂ_0.04）Ｎ_1.07、（（ＴｉＡｌＣｒ）_0.95Ｓｉ_0.05）Ｎ_1.00、（（ＴｉＡｌＶ）_0.95Ｓｉ_0.05）Ｎ_1.09、（（ＴｉＡｌＺｒ）_0.95Ｓｉ_0.05）Ｎ_1.00、（（ＣｒＡｌＺｒ）_0.90Ｂ_0.10）Ｎ_1.09、（（ＣｒＡｌＺｒ）_0.95Ｓｉ_0.05）Ｎ_1.00、（（ＣｒＡｌＷ）_0.95Ｓ_0.05）Ｎ_1.00、（（ＴｉＡｌＺｒＹ）_0.90Ｂ_0.10）Ｎ_1.00などを挙げることができる。その中でも硬質膜は、組成の異なる平均膜厚１〜１００ｎｍの薄膜が積層された積層膜であると被膜の硬さが高くなり耐摩耗性が向上するので、さらに好ましい。

本発明の硬質膜は、Ｘ線回折における最高ピーク強度を（２２０）面に示すので、従来の被膜よりも、硬さが高く、高温において優れた耐摩耗性を示すとともに、優れた耐酸化性を示す。

本発明の被膜は、本発明の硬質膜のみからなる単層膜、または、Ｃｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｖ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｙ，Ｓｉ，Ｂの炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる膜と本発明の硬質膜とを被覆した多層膜からなる。なお本発明の硬質層とともに多層化する膜として具体的には、ＴｉＮ，ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃などを挙げることができる。また、本発明の硬質層とともに多層化する膜は、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法により被覆することができる。その中でもＰＶＤ法は、本発明の硬質膜と連続的に被覆され膜間の密着性に優れるので、さらに好ましい。

本発明の被膜の平均膜厚が０．５μｍ以上であると耐摩耗性と耐酸化性が向上し、本発明の被膜の平均膜厚が１５．０μｍを超えて厚くなると耐欠損性が低下するため、本発明の被膜の平均膜厚は０．５〜１５．０μｍの範囲が好ましい。

本発明の被膜の組成は、二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）、エネルギー分散元素分析装置（ＥＤＳ）、グロー放電型分析装置（ＧＤＳ）などの元素分析装置を使って測定することができる。

本発明の硬質膜はＰＶＤ法により被覆される。本発明の硬質膜を被覆した被覆部材は耐欠損性に優れるので、特に耐欠損性が要求されるフライス工具、ドリルなどの転削工具に使用すると好ましい。ＰＶＤ法としてアークイオンプレーティング法、スパッタリング法などを挙げることができる。その中でも被膜と基材との密着性に優れるアークイオンプレーティング法がさらに好ましい。

従来のアークイオンプレーティング装置（以下、ＡＩＰ装置という。）では、被膜を被覆する場合、炉内の圧力を２．５〜５．０Ｐａとし、アーク放電の制御は電流値を一定とする定電流制御を行っていた。定電流制御とは炉内の放電抵抗が変わると電圧が変化して放電電流が一定になるように制御する方式である。一方、本発明の硬質膜の被覆条件は、炉内の圧力を従来の方式よりも高真空側の領域である０．５〜２．０Ｐａとし、さらにアーク放電の制御を電圧一定とする定電圧制御とし、アーク放電電圧を高くした。すなわち、アーク放電を高い電圧で一定にして、炉内の圧力を下げると、本発明の（２２０）面に配向した硬質膜を得ることができる。なおアーク放電を高電圧にするとアーク放電の電流値が上昇し、基材およびＡＩＰ装置の温度が上昇する。その場合、温度上昇を防ぐためにアーク放電を間欠にするパルス制御と定電圧制御を組み合わせた電圧制御を用いても好ましい。

ＡＩＰ装置を用いた本発明の硬質膜の被覆条件として、具体的には、基材を５７３〜９７３Ｋまで加熱した後、炉内の圧力：０．５〜２．０Ｐａ、アーク放電電圧：ＤＣ変調３０〜１５０Ｖ（定電圧制御）、基材のバイアス電圧：−３０〜−２００Ｖにて被覆する条件を挙げることができる。

本発明の被覆部材は、耐摩耗性および耐酸化性に優れる。本発明の被覆部材は切削工具の長寿命化を実現する。その中でも特に、高速度加工、高送り加工、硬さの高い被削材の加工など加工条件が厳しい切削加工において長寿命化を実現する。

基材として形状がＳＤＫＮ１２０３ＡＥＴＮのＫ２０相当超硬合金製チップを用意した。メタルボンバード用電極を含めて６極のターゲットを着装することが可能なＡＩＰ装置内に、用意した基材を装入して圧力：１×１０^-3Ｐａまで真空排気を行った後、ＡＩＰ装置内のヒーターで７７３Ｋまで基材を加熱した。メタルボンバードは、圧力：１×１０^-2Ｐａ、基材のバイアス電位：−６００Ｖ、アーク電流：１００Ａ、時間：６分というボンバード条件で行った後、発明品１〜１０は表１に示す膜構成の被膜を被覆した。被膜は、各膜の金属元素と添加元素の成分比を持つターゲットを用い、Ｎ₂を反応ガスとして導入し、圧力：０．６〜２．０Ｐａ、アーク放電電圧：ＤＣ変調３０〜７０Ｖ（定電圧制御）、基材のバイアス電圧：−３０〜−８０Ｖというコーティング条件で被覆した。このとき、発明品１〜１０は、基材側から第１層、第２層、第３層、再び第１層、第２層、第３層と繰り返して薄膜を積層した。

比較品１〜６は、基材をＡＩＰ装置に入れて加熱した後、発明品１〜１０と同じ条件でメタルボンバードを行った後、圧力：３．０Ｐａ、アーク電流：１２０Ａ（定電流制御）、基材のバイアス電圧：−３０Ｖというコーティング条件で表２に示す膜構成の被膜を被覆した。なお、比較品３〜５は、基材側から第１層、第２層、再び第１層、第２層と繰り返して薄膜を積層した。

得られた試料についてＸ線回折装置を用いて、Ｃｕｋα１線による２θ＝１０〜１２０度のＸ線回折測定を行い、被膜は立方晶系のＮａＣｌ構造であることを確認し、被膜の最高ピーク強度を示す結晶面を測定した。その結果は、表３、４に示した。発明品１〜１０の被膜のＸ線回折ピーク強度は（２２０）面が最も高かった。比較品１〜６の被膜のＸ線回折ピーク強度は、（１１１）面または（２００）面が最も高かった。

得られた試料について、松沢精機株式会社製マイクロビッカース硬度計を用いて印加荷重５０ｇｆでの被膜の硬さを測定した。得られた値は表３、４に併記した。表３、４から発明品１〜１０は比較品１〜６に比べて硬さが高いことが分かる。

次に、得られた試料を用いて、被削材：ＳＣＭ４４０、切削速度：２１２ｍ／ｍｉｎ、切り込み：２．０ｍｍ、送り：０．２ｍｍ／ｔｏｏｔｈの条件で乾式フライス試験を行った。工具寿命は、逃げ面摩耗量ＶＢ＝０．３ｍｍを目安とした。切削長６ｍまでに逃げ面摩耗量ＶＢ＝０．３ｍｍに達しない場合は、切削長６ｍ時の逃げ面摩耗量ＶＢを測定した。これらの結果を表５に示す。

寿命判定：ＶＢ＝０．３ｍｍ

表５に示されるように、発明品１〜１０は同じ切削長でも比較品１〜６よりも逃げ面摩耗量ＶＢが小さい。これは耐摩耗性に優れることを示す。また、表５から発明品１〜１０は、比較品１〜６よりも寿命が長いことが分かる。

市販のモリブデン基板に発明品１〜５と比較品１〜５の被膜を被覆した。被膜の耐酸化性を評価するために、大気中にて６００℃から９００℃まで加熱して、結晶構造の変化をＸ線回折法により調べた。その結果は表６に示す。

表６に示されるように、発明品１〜５の被膜は９００℃までほとんど変化が見られなった。一方、比較品１〜５の被膜は８００℃以上になると被膜のＸ線回折ピーク強度が低下し、ＴｉＯ₂、Ｃｒ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃などの酸化物のＸ線回折ピークが確認された。

本発明の被覆部材のＸ線回折測定結果の一例従来の被覆部材のＸ線回折測定結果の一例

Claims

基材と基材の表面に被覆された被膜とからなり、被膜の少なくとも１層はＰＶＤ法により被覆されたＭＸ_Z（但し、ＭはＣｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｖ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｙ，Ｎｂの中から選ばれた２種以上の金属元素を表し、ＸはＣ，Ｎ，Ｏの中から選ばれた少なくとも１種の非金属元素を表し、ＺはＭに対するＸの原子比を表し、０．９５≦Ｚ≦１．１０を満足する。）で表される硬質膜であり、硬質膜はＸ線回折における最高ピーク強度を（２２０）面に示す被覆部材。
硬質膜は、組成の異なる平均膜厚１〜１００ｎｍの薄膜が積層された積層膜である請求項１に記載の被覆部材。
被膜の平均膜厚は、０．１μｍ〜１５μｍである請求項１または２に記載の被覆部材。
硬質膜は、アークイオンプレーティング法により被覆された請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆部材。
基材と基材の表面に被覆された被膜とからなり、被膜の少なくとも１層はＰＶＤ法により被覆された（Ｍ_AＬ_D）Ｘ_R（但し、ＭはＣｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｖ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｙ，Ｎｂの中から選ばれた２種以上の金属元素を表し、ＬはＭｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｂ，Ｓｉ，Ｓの中から選ばれた少なくとも１種の添加元素を表し、ＸはＣ，Ｎ，Ｏの中から選ばれた少なくとも１種の非金属元素を表し、ＡはＭとＬの合計に対するＭの原子比を表し、ＤはＭとＬの合計に対するＬの原子比を表し、ＲはＭとＬの合計に対するＸの原子比を表し、０．９０≦Ａ≦０．９９、０．０１≦Ｄ≦０．１０、Ａ＋Ｄ＝１、０．９５≦Ｒ≦１．１０を満足する。）で表される硬質膜であり、硬質膜はＸ線回折における最高ピーク強度を（２２０）面に示す被覆部材。
硬質膜は、組成の異なる平均膜厚１〜１００ｎｍの薄膜が積層された積層膜である請求項５に記載の被覆部材。
被膜の平均膜厚は、０．１μｍ〜１５μｍである請求項５または６に記載の被覆部材。
硬質膜は、アークイオンプレーティング法により被覆された請求項５〜７のいずれか１項に記載の被覆部材。