JP2017043813A - 硬質皮膜及び硬質皮膜被覆部材 - Google Patents
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Abstract
【課題】チタン系金属を被加工物とする治工具類における耐摩耗コーティングに適した硬質皮膜及びこれを備えた硬質皮膜被覆部材を提供する。【解決手段】硬質皮膜1は、基材3上に形成される硬質皮膜1である。硬質皮膜1は、第1の層11を有している。第1の層11は、組成式がZr1−a−bHfaMgb(BxCyN1−x−y)である。この組成式においてa、b、x、yはHf、Mg、B、Cの各原子比であり、かつ、0≦a≦0.95、0.05≦b≦0.30、0<1−x−yの関係式が満たされる。【選択図】図2
Description
本発明は、硬質皮膜及びこれを備えた硬質皮膜被覆部材に関する。
従来、切削工具や金型等の治工具類において、寿命向上のために耐摩耗コーティングとして硬質皮膜を形成することが知られている。このような硬質皮膜の形成に関する技術が下記特許文献1及び2に開示されている。下記特許文献1には、ジルコニムやハフニウムを含む窒化物からなる硬質皮膜を化学気相蒸着法によりサーメット母材上に形成する技術が開示されている。下記特許文献2には、双晶構造を持つジルコニウム含有膜を工具表面に硬質皮膜として形成する技術が開示されている。
上記特許文献1及び2に開示された硬質皮膜は、切削工具の耐久性や耐摩耗性の向上に寄与する。しかし、これらの硬質皮膜は、純チタンやチタン合金などのチタン系金属を被削材とする切削工具の表面に形成されたときに耐摩耗性を十分に向上させることができず、耐摩耗コーティングとして十分に機能することができない。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、チタン系金属を被加工物とする治工具類における耐摩耗コーティングに適した硬質皮膜及びこれを備えた硬質皮膜被覆部材を提供することである。
本発明の一局面に係る硬質皮膜は、基材上に形成される硬質皮膜であって、組成式がZr1−a−bHfaMgb(BxCyN1−x−y)であり、前記組成式においてa、b、x、yはHf、Mg、B、Cの各原子比であり、0≦a≦0.95、0.05≦b≦0.30及び0<1−x−yの関係式を満たす第1の層を有する。
本発明者は、チタン系金属を被加工物とする治工具類に用いられる優れた耐摩耗コーティング層を提供するため、工具表面上に形成される硬質皮膜の組成について鋭意検討を行った。その結果、本発明者は、チタン(Ti)と固溶しない適量のマグネシウム(Mg)を硬質皮膜中に導入することにより、硬質皮膜と被加工物との凝着が抑制され、硬質皮膜の耐摩耗性が著しく向上することを見出し、本発明に想到した。
上記硬質皮膜には、原子比bが0.05以上となるようにMgが導入されている。これにより、硬質皮膜中のMgと被加工物中のTiとが固溶せず、硬質皮膜と被加工物との凝着を抑制することができる。その結果、当該凝着に起因した硬質皮膜の摩耗を抑制することができる。原子比bは、0.08以上であることが好ましく、0.10以上であることがより好ましい。
上記硬質皮膜には、原子比bが0.30以下となるようにMgが導入されている。これにより、Mgが過度に含まれることで皮膜が軟化し、耐摩耗性が低下することを抑制することができる。原子比bは、0.25以下であることが好ましく、0.20以下であることがより好ましい。
上記硬質皮膜は、Zr及びHfの少なくともいずれか一方を含む。Zr及びHfは、Tiと同じ周期表第4族の遷移金属元素であるが、Tiに比べて熱力学的により安定な窒化物(ZrN、HfN)、酸化物を生成する。TiNを含む硬質皮膜では、加工中に被加工物の表面に形成される活性な新生面においてTiNが反応してしまう。これに対して、上記硬質皮膜では、ZrNやHfNが安定な化合物であるため、上記新生面における反応が抑制され、耐摩耗性の低下を抑制することができる。Zr及びHfの導入量は、上記Mgの導入量より決定され、0.70≦(Zr+Hf)≦0.95、となる。なお、Zr及びHfのいずれか一方が0であってもよいが、(Zr+Hf)>0となる。
本発明の他局面に係る硬質皮膜は、基材上に形成される硬質皮膜であって、組成式がZr1−a−b−cHfaMgbMc(BxCyN1−x−y)であり、前記組成式においてMはW、Mo、Nb及びVからなる群より選択される一種以上の元素であり、a、b、c、x、yはHf、Mg、M、B、Cの各原子比であり、0≦a≦0.95、0.05≦b≦0.30、0<c、0<1−x−yの関係式を満たし、Zr及びHfの少なくともいずれか一方を含む第1の層を有する。
本発明者は、チタン系金属を被加工物とする工具表面上に耐摩耗コーティングとして形成される硬質皮膜の耐摩耗性をより改善するため、硬質皮膜の組成についてさらに詳細な検討を行った。その結果、本発明者は、潤滑性を有する酸化物を生成する元素M(タングステン(W)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、バナジウム(V))をさらに硬質皮膜中に導入することを見出し、本発明に想到した。
上記硬質皮膜には、W、Mo、Nb及びVからなる群より選択される一種以上の元素Mが導入されている。これらの元素は、加工中に摩耗面に潤滑性を有する酸化物を生成するため、被加工物に対する硬質皮膜の耐凝着性を向上させることができる。その結果、当該凝着に起因した硬質皮膜の摩耗を抑制することができる。元素Mは、W、Mo、Nb及びVからなる群より選択される一種の元素でもよいし、2種以上の元素でもよい。
上記硬質皮膜では、前記第1の層において、0<c≦0.50の関係式が満たされてもよい。上記の通り、元素Mを導入することにより(原子比cを0<cとすることにより)、潤滑性を有する酸化物が生成され、硬質皮膜の耐凝着性が向上する。この効果を十分に発揮させるため、0.10≦cであることが好ましく、0.15≦cであることがより好ましく、0.20≦cであることがさらに好ましい。
一方、元素Mの原子比cが0.50を超える場合には、安定な化合物であるZrN及びHfNの量が相対的に減少し、皮膜の摩耗速度が速くなる。このため、原子比cは、c≦0.50であり、c≦0.40であることが好ましく、c≦0.30であることがより好ましい。
上記硬質皮膜は、組成式がM(BxCyN1−x−y)であり、前記組成式においてMはW、Mo、Nb及びVからなる群より選択される一種以上の元素であり、x、yはB、Cの各原子比であり、0<1−x−yの関係式を満たす第2の層をさらに有していてもよい。
W、Mo、Nb及びVは、潤滑性を有する酸化物を生成する元素である。このため、これらの元素のうち一種以上である元素Mを含む第2の層を第1の層とは別に設けることにより、硬質皮膜の潤滑性をより向上させ、その結果硬質皮膜の耐凝着性をより向上させることができる。また第1及び第2の層の多層化により、皮膜の硬度をより向上させることができる。
元素Mは、W、Mo、Nb及びVからなる群より選択される一種の元素でもよいし、2種以上の元素でもよい。Bの原子比xは0≦x≦0.20であり、0.05≦xであることが好ましく、x≦0.15であることが好ましい。Cの原子比yは0≦y≦0.30であり、0.03≦yであることが好ましく、y≦0.20であることが好ましく、y≦0.15であることがより好ましい。
上記硬質皮膜において、前記第2の層の厚みが前記第1の層の厚み以下であってもよい。
上記第2の層は、潤滑性を有する酸化物を生成する元素Mを含み、Zr及びHfを含まないため、第1の層に比べて強度が小さくクラックなどが生じやすい層である。このため、強度に劣る第2の層を第1の層よりも薄く形成することにより、第2の層による潤滑性能を発揮させつつ、硬質皮膜全体の強度低下を抑制することができる。
上記硬質皮膜において、前記第1の層の厚みが1nm以上150nm以下であり、かつ、前記第2の層の厚みが1nm以上150nm以下であってもよい。
上記第1及び第2の層の各厚みが1nm未満である場合には、多層化による十分な硬度増加が得られず、また各層の機能を十分に発揮させることができないため、耐摩耗性が低下してしまう。このため、各層の厚みは、1nm以上であり、2nm以上であることが好ましく、5nm以上であることがより好ましい。
一方、各層の厚みが150nmを超える場合にも皮膜の硬度が低下するため、耐摩耗性が低下してしまう。このため、各層の厚みは、150nm以下であり、50nm以下であることが好ましく、30nm以下であることがより好ましい。
上記第1及び第2の層の各厚みは、上記範囲における任意の値であり、互いに異なる値であってもよいし、同じ値であってもよい。しかし、上記の通り、第2の層の厚みを第1の層の厚み以下とすることで、硬質皮膜の強度低下を抑制することができる。
上記硬質皮膜では、前記第1の層において、0≦x≦0.20の関係式が満たされてもよい。
Bの原子比xを0以上とすることにより、皮膜中においてBとNとが結合して固体潤滑剤である窒化ホウ素(BN)が形成される。その結果、皮膜の耐凝着性をより向上させることができる。この効果を十分に発揮させるため、原子比xは0.05≦xであることが好ましい。
一方、Bの原子比xが0.20を超える場合には、皮膜が非晶質化し、耐摩耗性が低下してしまう。このため、原子比xは、x≦0.20であり、x≦0.15であることが好ましい。
上記硬質皮膜では、前記第1の層において、0≦y≦0.30の関係式が満たされてもよい。
Cの原子比yを0以上とすることにより、金属窒化物に比べて摩擦係数がより低減された金属炭化物が皮膜中に形成されるため、皮膜の耐摩耗性をより向上させることができる。原子比yは、0.03≦yであることが好ましい。
一方、原子比yが0.30を超える場合には、皮膜中の遊離炭素が増加し、皮膜の硬さが低下するため、耐摩耗性が低下する。このため、原子比yは、y≦0.30であり、y≦0.20であることが好ましく、y≦0.15であることがより好ましい。
本発明の他局面に係る硬質皮膜被覆部材は、切削工具の刃先部又は金型である基材と、前記基材上に形成された上記硬質皮膜と、を備えている。
上記硬質皮膜被覆部材では、チタン系金属の被加工物に対して優れた耐凝着性を有する上記硬質皮膜が基材上に形成されている。このため、チタン系金属の加工において硬質皮膜と被加工物との凝着を抑制し、耐摩耗性を向上させることができる。
本発明によれば、チタン系金属を被加工物とする治工具類における耐摩耗コーティングに適した硬質皮膜及びこれを備えた硬質皮膜被覆部材を提供することができる。
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態につき詳細に説明する。
(実施形態1)
[硬質皮膜被覆部材]
まず、本発明の実施形態1に係る硬質皮膜被覆部材10について、図1及び図2を主に参照して説明する。図1は、硬質皮膜被覆部材10の全体構造を示す斜視図である。図2は、硬質皮膜被覆部材10の部分断面図である。
[硬質皮膜被覆部材]
まず、本発明の実施形態1に係る硬質皮膜被覆部材10について、図1及び図2を主に参照して説明する。図1は、硬質皮膜被覆部材10の全体構造を示す斜視図である。図2は、硬質皮膜被覆部材10の部分断面図である。
硬質皮膜被覆部材10は、純チタンやチタン合金などのチタン系金属からなる被削材を切削加工するための切削工具の刃先部(インサート)であり、切削工具の柄部(シャンク)(図示しない)の先端部に取り付けて使用される。硬質皮膜被覆部材10は、平面形状が四角形の基材3と、当該基材3の表面にコーティングされた硬質皮膜1と、を有している。
基材3は、超硬合金、金属炭化物を有する鉄基合金、サーメット又は高速度工具鋼などの材料からなる。基材3は、被削材に食い込んですくい上げる部分であるすくい面31と、被削材との接触を避けるために逃がされた部分である逃げ面32と、を有している。当該すくい面31が逃げ面32と繋がる部分が切れ刃33となっている。
図3は、硬質皮膜被覆部材10をインサートとして用いたときの被削材100の切削加工の様子を示している。図3に示すように、切れ刃33を被削材100の表面に食い込ませるようにインサートを移動させることで被削材100の表面が切削される。これにより生じた切り屑101は、すくい面31上を通過する。インサートの切れ刃33は、被削材100との接触により負荷を受ける部分であり、温度上昇が大きくなる。このため、当該切れ刃33においては、基材3上にコーティング層として形成された硬質皮膜1の摩耗が進行しやすくなる。
[硬質皮膜]
次に、本発明の実施形態1に係る硬質皮膜1について、図2を参照して説明する。硬質皮膜1は、耐摩耗コーティングとして基材3の表面上に形成されている。硬質皮膜1は、アークイオンプレーティング(AIP)やスパッタリングなどの物理蒸着(PVD)法により基材3の表面上に形成されている。
次に、本発明の実施形態1に係る硬質皮膜1について、図2を参照して説明する。硬質皮膜1は、耐摩耗コーティングとして基材3の表面上に形成されている。硬質皮膜1は、アークイオンプレーティング(AIP)やスパッタリングなどの物理蒸着(PVD)法により基材3の表面上に形成されている。
硬質皮膜1は、基材3上に形成された第1の層11からなる。第1の層11は、耐摩耗コーティングとして有効に機能するために、0.5μm以上の厚みT1を有している。また、厚みが大きくなり過ぎて切削中に膜の欠損や剥離が生じることを抑制するために、第1の層11の厚みT1は、10μm以下であることが好ましく、5μm以下であることがより好ましく、3μm以下であることがさらに好ましい。しかし、第1の層11の厚みT1は、上記範囲に限定されるものではない。なお、上記硬質皮膜1は、第1の層11のみからなる単層皮膜であるため、第1の層11の厚みT1は硬質皮膜1全体の厚みと同じである。
第1の層11は、その組成式がZr1−a−bHfaMgb(BxCyN1−x−y)である。この組成式において、aはHfの原子比であり、bはMgの原子比であり、xはホウ素(B)の原子比であり、yは炭素(C)の原子比である。Zr、Hf及びMgの原子比の合計、及びB、C及び窒素(N)の原子比の合計はそれぞれ1となっている。このため、Zrの原子比は1−a−bとなり、Nの原子比は1−x−y(>0)となる。以下、各元素の導入量の範囲及び導入による効果について説明する。
Mgは、原子比bが0.05以上となるように導入されている(0.05≦b)。Mgは、Tiと固溶しない金属である。このため、図3に示したように、チタン系金属からなる被削材100を上記硬質皮膜被覆部材10により切削加工する場合において、硬質皮膜1と被削材100との凝着を抑制することができる。その結果、当該凝着に起因した硬質皮膜1の摩耗を抑制することができる。このように、硬質皮膜1の被削材100に対する耐凝着性を向上させる観点から、Mgの原子比bは0.08以上であることがより好ましく(0.08≦b)、0.10以上であることがさらに好ましい(0.10≦b)。
Mgは、原子比bが0.30以下となるように導入されている(b≦0.30)。これにより、Mgが過度に含まれることで皮膜が軟化し、耐摩耗性が低下することを抑制することができる。このように、皮膜の軟化を効果的に抑制する観点から、Mgの原子比bは0.25以下であることがより好ましく(b≦0.25)、0.20以下であることがさらに好ましい(b≦0.20)。
上記硬質皮膜1は、Zr及びHfの少なくともいずれか一方を含み、かつNを含む。Zr及びHfは、Tiと同じ周期表第4族の遷移金属元素であり、Tiに比べて熱力学的により安定な窒化物(ZrN、HfN)及び酸化物(ZrO2、HfO2)を生成する。具体的には、ZrN及びHfNは、TiNに比べて標準生成自由エネルギーが小さく、TiNに比べてより反応性の低い化合物となっている。このため、図3に示したように、チタン系金属からなる被削材100を上記硬質皮膜被覆部材10により切削加工する場合において、被削材100の表面に露出した活性な新生面において硬質皮膜1中のZrNやHfNが反応することが抑制され、当該硬質皮膜1の摩耗を抑制することができる。
Hfの原子比aは、0以上0.95以下となっている(0≦a≦0.95)。Zr及びHfの合計の原子比((1−a−b)+a))は、Zr、Hf及びMgの合計の原子比(1)とMgの原子比(0.05≦b≦0.30)とを考慮して、0.70以上0.95以下となる。Zr及びHfのいずれか一方の原子比が0であってもよいし、両方の原子比が0でなくてもよい。つまり、Zr及びHfのうちZrのみが硬質皮膜1に含まれてもよいし、Hfのみが硬質皮膜1に含まれてもよいし、Zr及びHfの両方が硬質皮膜1に含まれてもよい。
Bは、原子比xが0以上、好ましくは0.05以上となるように導入されている。これにより、皮膜中においてBとNとが結合して固体潤滑剤である窒化ホウ素(BN)が形成される。その結果、硬質皮膜1の被削材100に対する耐凝着性がさらに向上し、耐摩耗性がさらに向上する。一方、Bが過度に導入されないようにするため、原子比xは0.20以下となっている(x≦0.20)。これにより、Bが過度に含まれることにより皮膜が非晶質化し、耐摩耗性が低下することを抑制することができる。このように、皮膜の非晶質化を効果的に抑制する観点から、Bの原子比xは0.15以下であることがより好ましい(x≦0.15)。また、Bは、硬質皮膜1において必須の元素ではなく、導入されなくてもよい(x=0)。
Cは、原子比yが0以上、好ましくは0.03以上となるように導入されている。これにより、金属窒化物に比べて摩擦係数がより小さい金属炭化物が皮膜中に形成されるため、皮膜の耐摩耗性をより向上させることができる。一方、Cの導入量が過度にならないようにするため、原子比yは0.30以下となっている(y≦0.30)。これにより、皮膜中において遊離炭素が増加することで硬さが低下し、耐摩耗性が低下することを抑制することができる。このように、遊離炭素の増加による硬度低下を効果的に抑制する観点から、Cの原子比yは0.20以下であることがより好ましく(y≦0.20)、0.15以下であることがさらに好ましい(y≦0.15)。なお、Cも、Bと同様に硬質皮膜1において必須の元素ではなく、導入されなくてもよい(y=0)。
[硬質皮膜の成膜方法]
次に、基材3上に硬質皮膜1を成膜する手順について、図4を参照して説明する。図4は、硬質皮膜1の成膜に用いられる成膜装置4の装置構成を示している。まず、成膜装置4の構成について、図4を参照して説明する。
次に、基材3上に硬質皮膜1を成膜する手順について、図4を参照して説明する。図4は、硬質皮膜1の成膜に用いられる成膜装置4の装置構成を示している。まず、成膜装置4の構成について、図4を参照して説明する。
成膜装置4は、チャンバー11と、複数(2つ)のアーク電源12及びスパッタ電源13と、基材ステージ14と、バイアス電源15と、ヒータ16と、放電用直流電源17と、フィラメント加熱用交流電源18と、を有している。チャンバー11には、当該チャンバー11内を真空排気するためのガス排気口11Aと、当該チャンバー11内に成膜ガス及び希ガスを供給するためのガス供給口11Bと、が設けられている。アーク電源12には、ターゲットが配置されるアーク蒸発源12Aが接続されている。スパッタ電源13には、ターゲットが配置されるスパッタ蒸発源13Aが接続されている。基材ステージ14は、回転可能に構成され、成膜対象である基材3を支持するための支持面を有する。バイアス電源15は、基材ステージ14を通して基材3に負バイアスを印加する。ヒータ16は、チャンバー11内において複数(4つ)配置され、基材3の加熱に用いられる。
次に、基材3上への硬質皮膜1の成膜手順について説明する。まず、基材3が準備される。次に、基材3がエタノールなどの洗浄液中において洗浄される。その後、図4に示すように、洗浄後の基材3がチャンバー11内の基材ステージ14上にセットされる。一方、Zr、Hf、Mgが所定の比率で混合された成膜用ターゲットがアーク蒸発源12Aにセットされる。
次に、ガス排気口11Aから排気することによりチャンバー11内が所定の圧力にまで減圧され、真空状態とされる。次に、ガス供給口11BからArガスがチャンバー11内に導入され、またヒータ16により基材3が所定の温度にまで加熱される。そして、基材3の表面がArイオンにより所定時間エッチングされる。これにより、基材3の表面に形成された酸化皮膜等が除去され、基材3に対する硬質皮膜1の密着性が向上する。
次に、ガス供給口11Bから窒素ガス、窒素ガスとメタンガスとの混合ガス、窒素ガスとフッ化ホウ素ガスとの混合ガス、又は窒素ガスとメタンガスとフッ化ホウ素との混合ガスがチャンバー11内に導入される。そして、所定のアーク電流を流すことによりアーク蒸発源12Aにセットされたターゲットを蒸発させると共に、基材ステージ14を所定の回転速度で回転させる。これにより、蒸発したターゲットが基材3の表面上に付着し、硬質皮膜1が成膜される。成膜時において、基材3には、バイアス電源15から所定の負バイアスが印加される。硬質皮膜1の成膜速度は、アーク電流の条件や基板ステージ14の回転速度の条件により調整され、硬質皮膜1の膜厚が所望の値に達するように成膜時間が調整される。なお、Bを含む硬質皮膜1を成膜する場合において、上述のようにフッ化ホウ素がホウ素源として用いられてもよいがこれに限定されず、Bを含む成膜用ターゲットが用いられてもよい。
そして、硬質皮膜1の膜厚が所望の値に達した後、アーク電流の供給及び基材ステージ14の回転が停止される。その後、チャンバー11内が大気開放され、成膜後の基材3がチャンバー11の外に取り出される。以上のような手順により、基材3上への硬質皮膜1の成膜が行われる。
(実施形態2)
次に、本発明の実施形態2に係る硬質皮膜被覆部材20及び硬質皮膜2について、図5を参照して説明する。実施形態2に係る硬質皮膜被覆部材20は、上記実施形態1と同様に、切削工具の刃先部であって、超硬合金等からなる基材3と、基材3上に形成された硬質皮膜2と、を有している。また硬質皮膜2は、上記実施形態1と同様に、成膜装置4(図4)を用いて蒸発させたターゲットを基材3上に堆積させることにより形成される。しかし、実施形態2に係る硬質皮膜2は、以下に説明するように、Zr、Hf、Mgに加えて、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、バナジウム(V)などの潤滑性の酸化物を生成する金属元素(M)をさらに含む点で、上記実施形態1の硬質皮膜1とは組成が異なっている。
次に、本発明の実施形態2に係る硬質皮膜被覆部材20及び硬質皮膜2について、図5を参照して説明する。実施形態2に係る硬質皮膜被覆部材20は、上記実施形態1と同様に、切削工具の刃先部であって、超硬合金等からなる基材3と、基材3上に形成された硬質皮膜2と、を有している。また硬質皮膜2は、上記実施形態1と同様に、成膜装置4(図4)を用いて蒸発させたターゲットを基材3上に堆積させることにより形成される。しかし、実施形態2に係る硬質皮膜2は、以下に説明するように、Zr、Hf、Mgに加えて、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、バナジウム(V)などの潤滑性の酸化物を生成する金属元素(M)をさらに含む点で、上記実施形態1の硬質皮膜1とは組成が異なっている。
硬質皮膜2は、基材3上に形成された第1の層21からなる。第1の層21は、上記実施形態1における第1の層11と同じ厚みT1を有する。第1の層21は、その組成式がZr1−a−b−cHfaMgbMc(BxCyN1−x−y)である。この組成式において、「M」は、W、Mo、Nb及びVからなる群より選択される一種以上の元素である。aはHfの原子比であり、bはMgの原子比であり、cはMの原子比であり、xはBの原子比であり、yはCの原子比である。Zr、Hf、Mg及びMの原子比の合計、及びB、C及びNの原子比の合計は、それぞれ1となっている。このため、Zrの原子比は1−a−b−cとなり、Nの原子比は1−x−y(>0)となる。元素Mは、硬質皮膜2中において均一に固溶されている。
Hf、Mg、B、Cの各原子比a、b、x、yは、上記実施形態1の場合と同じ範囲に調整されており(0≦a≦0.95、0.05≦b≦0.30、0≦x≦0.20、0≦y≦0.30)、これらの元素の導入による効果も上記実施形態1で説明した通りである。また上記実施形態1の場合と同様に、第1の層21は、Zr及びHfの少なくともいずれか一方を含み、かつNを含む。以下、元素「M」の導入量の範囲及びその効果について説明する。
M(W、Mo、Nb、V)は、原子比cが0を超えるように導入されている(0<c)。W、Mo、Nb、Vは、潤滑性を有する酸化物を生成する元素である。このため、上記硬質皮膜被覆部材20を用いて被削材100を切削加工する場合には、硬質皮膜2の摩耗面において潤滑性を有する上記酸化物が生成される。これにより、硬質皮膜2と被削材100との凝着が抑制され、当該硬質皮膜2の摩耗がさらに抑制される。このように、硬質皮膜2の潤滑性を上げて耐凝着性を向上させるため、原子比cは0.10以上であることが好ましく(0.10≦c)、0.15以上であることがより好ましく(0.15≦c)、0.20以上であることがさらに好ましい(0.20≦c)。
またMは、原子比cが0.50以下となるように導入されている(c≦0.5)。Mが過度に含まれると、安定な化合物であるZrN及びHfNの量が相対的に減少して皮膜の摩耗速度が速くなるのに対し、原子比cを0.50以下にすることでこれを抑制することができる。このように、安定な窒化物(ZrN、HfN)の量を確保して摩耗速度が過剰になることを抑制する観点から、原子比cは、0.40以下であることが好ましく(c≦0.40)、0.30以下であることがより好ましい(c≦0.30)。
Mは、W、Mo、Nb及びVのうち一種の元素であってもよいし、2種以上の元素であってもよい。またW、Mo、Nb及びVは、それぞれ酸化物の融点が異なる。このため、Mの種類は、切削時に切削工具が受ける負荷及び温度上昇を考慮して選択されることが好ましい。具体的には、Vの酸化物は、W、Mo及びNbの酸化物に比べて融点が低いため、切削時に切削工具が受ける負荷が小さく、かつ刃先温度の上昇が小さい場合には、Vを含む硬質皮膜2が用いられてもよい。一方、切削時に切削工具が受ける負荷が大きく、かつ刃先温度の上昇が大きい場合には、酸化物の融点が高いW、Mo、Nbを含む硬質皮膜2が用いられてもよい。特に、チタン系金属からなる被削材100の切削加工においては、刃先温度の上昇が大きいため、W、Mo、Nbを含む硬質皮膜2を用いることが好ましい。
(変形例)
[実施形態1の変形例]
次に、上記実施形態1の変形例に係る硬質皮膜被覆部材10A及び硬質皮膜1Aについて、図6を参照して説明する。硬質皮膜被覆部材10Aは、上記実施形態1と同様に、基材3上に硬質皮膜1Aが形成された構造を有する。この変形例に係る硬質皮膜1Aは、第1の層11に加えて第2の層12をさらに有し、図6に示すように第1及び第2の層11,12が交互に積層された積層型硬質皮膜である。このような交互積層構造により、皮膜の硬さをより向上させることができる。
[実施形態1の変形例]
次に、上記実施形態1の変形例に係る硬質皮膜被覆部材10A及び硬質皮膜1Aについて、図6を参照して説明する。硬質皮膜被覆部材10Aは、上記実施形態1と同様に、基材3上に硬質皮膜1Aが形成された構造を有する。この変形例に係る硬質皮膜1Aは、第1の層11に加えて第2の層12をさらに有し、図6に示すように第1及び第2の層11,12が交互に積層された積層型硬質皮膜である。このような交互積層構造により、皮膜の硬さをより向上させることができる。
第2の層12は、その組成式がM(BxCyN1−x−y)である。この組成式において、xはBの原子比であり、yはCの原子比である。またB、C及びNの原子比の合計は1であるため、Nの原子比は1−x−y(>0)となる。
第2の層12は、B、Cの各原子比x、yが第1の層11と同じ範囲に調整されており(0≦x≦0.20、0≦y≦0.30)、かつNを含む。「M」は、W、Mo、Nb及びVからなる群より選択される一種以上の元素である。つまり、Mは、W、Mo、Nb及びVのうち一種の元素であってもよいし、二種以上の元素であってもよい。このように、潤滑性を有する酸化物を生成するMを含む第2の層12をさらに有することにより皮膜の耐凝着性がより向上し、また第1及び第2の層11,12の多層化により単層皮膜の場合に比べて皮膜の硬度がより向上する。
第2の層12の厚みT2は、第1の層11の厚みT1と異なっており、具体的には第1の層11の厚みT1以下となっている。第2の層12は、潤滑性を有する酸化物を生成する元素Mを含み、Zr及びHfを含まないため、第1の層11に比べて強度が小さくクラックなどが生じやすい層である。このため、強度に劣る第2の層12を第1の層11よりも薄く形成することにより、第2の層12による潤滑性能を発揮させつつ、硬質皮膜1A全体の強度低下を抑制することができる。
図7は、切れ刃33(図3)における切削加工中の硬質皮膜1Aの摩耗の様子を示している。図7に示すように、切削加工中において硬質皮膜1Aは斜め方向に摩耗されるため、第1及び第2の層11,12の積層断面13が露出する。これにより、第2の層12においてW、Mo、Nb、Vの酸化が進行し易くなる。このため、第2の層12の厚みT2が大き過ぎると、酸化により脆くなった第2の層12においてクラックが発生し、硬質皮膜1A全体の強度が低下してしまう。これを防止するため、第2の層12の厚みT2は、第1の層11の厚みT1以下となっている。
第1及び第2の層11,12の厚みT1,T2は、1nm以上150nm以下である。第1及び第2の層11,12の厚みT1,T2が1nm未満である場合には、多層化による十分な硬度増加が得られず、また各層の機能を十分に発揮させることができないため、耐摩耗性が低下してしまう。このため、第1及び第2の層11,12の厚みT1,T2は、1nm以上であり、2nm以上であることがより好ましく、5nm以上であることがさらに好ましい。また第1及び第2の層11,12の厚みT1,T2が150nmを超える場合にも皮膜の硬度が低下するため、同様に耐摩耗性が低下してしまう。このため、上記第1及び第2の層11,12の厚みT1,T2は、150nm以下であり、50nm以下であることがより好ましく、30nm以下であることがさらに好ましい。
図6に示すように第1の層11が基材3に接触するように形成されてもよいし、また第2の層12が基材3に接触するように形成されてもよい。また硬質皮膜1Aの最表面(基材3と反対側の表面)には、基材3に接触する層と同じ層(図6では第1の層11)が形成されてもよいし、基材3に接触する層と異なる層が形成されてもよい。
また硬質皮膜1Aは、上記態様だけでなく、目的に応じて様々な積層構造を採用することができる。例えば、硬質皮膜1Aは、第1及び第2の層11,12からなる多層構造に限定されず、第1及び第2の層11,12と異なる組成を有する第3の層をさらに有し、第1〜第3の層からなる多層構造を有していてもよい。
硬質皮膜1A全体の厚みTは、上記実施形態1における第1の層11の厚みT1と同様に、0.5μm以上であり、かつ10μm以下に調整されている。硬質皮膜1Aにおける第1及び第2の層11,12の積層回数は、各層の厚みを考慮し、硬質皮膜1A全体の厚みTが上記範囲となるように設計される。ここで、「積層回数」は、一つの第1の層11と一つの第2の層12とを積層したときに1回と数えられる。また積層状態において第1及び第2の層11,12の各機能を最大限に発揮させるため、積層回数は2回以上であることが好ましい。つまり、第1及び第2の層11,12の各厚みを薄くして積層回数を増やすことが好ましい。
次に、基材3上に硬質皮膜1Aを成膜する手順について、図4を参照して説明する。硬質皮膜1Aは、基本的には上記実施形態1と同様の手順により成膜されるが、第1及び第2の層11,12が交互積層される点が異なっている。
まず、基材3が洗浄され、洗浄後の基材3が基材ステージ14上にセットされる。また、アーク蒸発源12AにZrなどの下地層用ターゲットがセットされる。また、アーク蒸発源12A及びスパッタ蒸発源13Aの一方にZr、Hf、Mgが所定の比率で混合された第1のターゲットがセットされ、他方にNb、V、Mo、Wの単体又はこれらが所定の比率で混合された第2のターゲットがセットされる。
次に、チャンバー11内が所定の圧力に減圧され、その後、Arガスがチャンバー11内に供給される。また、ヒータ16により基材3が所定の温度にまで加熱される。そして、基材3の表面に対してArイオンにより所定時間エッチング処理が行われる。
次に、窒素ガス、メタンガス、フッ化ホウ素などの成膜ガスが所定の圧力になるまでチャンバー11内に導入される。そして、所定のアーク電流の条件で下地層用ターゲットを蒸発させると共に、基材ステージ14を回転させる。これにより、基材3上に所定の厚みの下地層(ZrN)が成膜される。この下地層は、基材3と第1及び第2の層11,12の積層膜との密着性を向上させるために成膜される。
次に、基材3の温度とガス圧力が保持された状態で、アーク蒸発源12A及びスパッタ蒸発源13Aを同時放電させて第1及び第2のターゲットを蒸発させると共に、基材ステージ14を回転させる。これにより、基材3は、第1及び第2のターゲットがセットされたアーク蒸発源12A及びスパッタ蒸発源13Aを交互に通過し、基材3上に第1及び第2の層11,12が交互積層される。このような手順により、基材3上に硬質皮膜1Aが形成される。
[実施形態2の変形例]
次に、上記実施形態2の変形例に係る硬質皮膜被覆部材20A及び硬質皮膜2Aについて、図8を参照して説明する。硬質皮膜被覆部材20Aは、上記実施形態2と同様に、基材3上に硬質皮膜2Aが形成された構造を有する。この変形例に係る硬質皮膜2Aは、第1の層21に加えて第2の層22をさらに有し、図8に示すように第1及び第2の層21,22が交互に積層された積層型硬質皮膜である。つまり、硬質皮膜2Aは、上記実施形態1の変形例と同様に、第1の層21と第2の層22との交互積層膜であり、第1の層21の組成以外において基本的に上記実施形態1の変形例(図6)と同様の構成を有し、同様に成膜される。
次に、上記実施形態2の変形例に係る硬質皮膜被覆部材20A及び硬質皮膜2Aについて、図8を参照して説明する。硬質皮膜被覆部材20Aは、上記実施形態2と同様に、基材3上に硬質皮膜2Aが形成された構造を有する。この変形例に係る硬質皮膜2Aは、第1の層21に加えて第2の層22をさらに有し、図8に示すように第1及び第2の層21,22が交互に積層された積層型硬質皮膜である。つまり、硬質皮膜2Aは、上記実施形態1の変形例と同様に、第1の層21と第2の層22との交互積層膜であり、第1の層21の組成以外において基本的に上記実施形態1の変形例(図6)と同様の構成を有し、同様に成膜される。
第2の層22は、上記実施形態1の変形例と同様に、その組成式がM(BxCyN1−x−y)である。この組成式において、xはBの原子比であり、yはCの原子比である。またB、C及びNの原子比の合計は1であるため、Nの原子比は1−x−y(>0)となる。
第2の層22は、B、Cの各原子比x、yが第1の層21と同じ範囲に調整されており(0≦x≦0.20、0≦y≦0.30)、かつNを含む。Mは、W、Mo、Nb及びVからなる群より選択される一種以上の元素であり、当該群より選択される一種の元素であってもよいし、二種以上の元素であってもよい。このように、潤滑性を有する酸化物を生成するMを含み、かつZr及びHfを含まない第2の層22をさらに有することにより皮膜の耐凝着性がさらに向上し、また第1及び第2の層21,22の多層化により単層皮膜の場合に比べて皮膜の硬度がより向上する。
第2の層22の厚みは、上記実施形態1の変形例と同様に、第1の層21の厚み以下となっている。また第1及び第2の層21,22の厚みは、上記実施形態1の変形例と同様に、1nm以上150nm以下の範囲となっている。
上記実施形態1,2及びこれらの変形例では、硬質皮膜被覆部材の基材が切削工具の刃先部(インサート)である場合について説明したがこれに限定されず、プレス用金型、鍛造用金型、成形用金型などの他の治工具類であってもよい。
(実施例)
硬質皮膜の耐摩耗性について本発明の効果を確認するため、以下の実験を行った。
硬質皮膜の耐摩耗性について本発明の効果を確認するため、以下の実験を行った。
[実施例1]
はじめに、下記表1に示すNo.1の組成を有する硬質皮膜を以下の手順で作製した。まず、切削工具及び断面評価用の鏡面の超硬試験片(13mm平方、厚み5mm)をエタノール中にて超音波洗浄し、成膜装置4内にセットした。また、No.1の組成に調整された成膜用のターゲットをアーク蒸発源12Aにセットした。
はじめに、下記表1に示すNo.1の組成を有する硬質皮膜を以下の手順で作製した。まず、切削工具及び断面評価用の鏡面の超硬試験片(13mm平方、厚み5mm)をエタノール中にて超音波洗浄し、成膜装置4内にセットした。また、No.1の組成に調整された成膜用のターゲットをアーク蒸発源12Aにセットした。
次に、チャンバー11内を5×10−3Paにまで真空排気した。次に、チャンバー11内にArガスを導入し、ヒータ16により基材3を500℃まで加熱した後、基材3の表面をArイオンにより2分間エッチングした。
その後、チャンバー11内の圧力が4Paになるまで、窒素ガスを導入した。そして、アーク電流150Aで運転すると共に基材3を回転速度5rpmで回転させることにより、基材3上に硬質皮膜を成膜した。成膜時には、バイアス電源15から基材3に対して−30Vのバイアスを印加した。また硬質皮膜全体の厚みが3μmとなるように成膜時間を調整した。
またNo.1と同様に、No.2〜36の組成を有する硬質皮膜も同様の手順により作製した。成膜用のターゲットとしては、C、N以外の元素であるZr、Hf、Mgを含み、一部の実施例ではさらにM、Bを含むものを用いた。また比較例として、TiAlNのターゲットも準備した。成膜ガスとしては、窒素ガス又は窒素ガスとメタンガスとの混合ガスを用いた。なお、表1のNo.31〜34におけるMの原子比は、複数種の元素の原子比の合計値である。
切削工具としては、インサートを用いた。被削材としては、Ti−6Al−4Vを用いた。硬質皮膜を成膜したインサートを用いて以下の条件で切削試験を行い、摩耗量の評価を行った。
摩耗量の評価は、摩耗幅の測定を1000mで実施することにより行った。摩耗幅の測定は、逃げ面と対物レンズとが平行になるようにインサートを設置し、光学顕微鏡で撮影し(倍率:300倍)、1視野において5箇所で測定を行い、その平均値(μm)を算出することにより行った。
<切削条件>
被削材:Ti−6Al−4V
工具:CNMG432、材質K313
切削速度:45m/分
送り:0.15mm/REV
深さ切り込み:2.0mm
潤滑:湿式(エマルジョン)
被削材:Ti−6Al−4V
工具:CNMG432、材質K313
切削速度:45m/分
送り:0.15mm/REV
深さ切り込み:2.0mm
潤滑:湿式(エマルジョン)
次に、No.13〜21の実験結果について説明する。No.13〜21では、Zr、Hf、Mgの原子比を固定し、C、B、Nの原子比を変化させた。No.13〜15(B原子比:0〜0.2)では、No.16(B原子比:0.3)に比べて、摩耗幅が小さくなった。これは、No.16ではBが過度に含まれるため、皮膜の硬度が低下し、耐摩耗性が低下したためである。一方、No.17、18(C原子比:0〜0.3)では、No.19(C原子比:0.4)に比べて、摩耗幅が小さくなった。これは、No.19ではCが過度に含まれるため、皮膜が軟化し、耐摩耗性が低下したためである。
次に、No.22〜35の実験結果について説明する。No.22〜27では、元素MとしてNbを使用し、Nbの原子比を変化させた。No.28〜30では、元素MとしてNb以外の元素を使用した。No.31〜34では、元素Mとして2種以上の元素を組み合わせた。No.35では、Bを包含させた。No.27では、Nbが過度に含まれているため(M原子比:0.6)、ZrN及びHfNの量が減少し、皮膜の熱的安定性が失われ、No.22〜26(M原子比:0〜0.50)に比べて摩耗幅が増加した。また、No.10とNo.22〜No.26との比較から明らかなように、硬質皮膜中に元素Mをさらに導入することにより、耐摩耗性が改善された。
[実施例2]
はじめに、下記表2に示すNo.1の組成を有する硬質皮膜を以下の手順で作製した。まず、切削工具及び断面評価用の鏡面の超硬試験片(13mm平方、厚み5mm)をエタノール中にて超音波洗浄し、成膜装置4内にセットした。また、アーク蒸発源12AにZrを下地層用ターゲットとしてセットした。また、アーク蒸発源12A及びスパッタ蒸発源13Aの一方にNo.1の第1の層の組成を有する第1のターゲットをセットし、他方にNo.1の第2の層の組成を有する第2のターゲットをセットした。
はじめに、下記表2に示すNo.1の組成を有する硬質皮膜を以下の手順で作製した。まず、切削工具及び断面評価用の鏡面の超硬試験片(13mm平方、厚み5mm)をエタノール中にて超音波洗浄し、成膜装置4内にセットした。また、アーク蒸発源12AにZrを下地層用ターゲットとしてセットした。また、アーク蒸発源12A及びスパッタ蒸発源13Aの一方にNo.1の第1の層の組成を有する第1のターゲットをセットし、他方にNo.1の第2の層の組成を有する第2のターゲットをセットした。
次に、チャンバー11内を5×10−3Paにまで真空排気した。次に、チャンバー11内にArガスを導入し、ヒータ16により基材3を500℃まで加熱した後、基材3の表面をArイオンにより2分間エッチングした。
その後、チャンバー11内の圧力が4Paになるまで窒素ガスを導入した。そして、AIPによりアーク電流150Aで運転すると共に基材ステージ14を回転させることにより、基材3上に下地層としてZrN層(100nm)を成膜した。
次に、基材3の温度とガス圧力を保持した状態で、アーク蒸発源12A及びスパッタ蒸発源13Aを同時放電させて第1のターゲット及び第2のターゲットを蒸発させると共に、基材ステージ14を回転させた。これにより、基材3上において第1及び第2の層が交互積層された硬質皮膜を成膜した(厚み3μm)。成膜ガスとしては、窒素ガス又は窒素ガスとメタンガスとの混合ガスを使用し、基材3の回転速度は5rpmとし、成膜時に基材3に印加するバイアスは−30Vとした。
またNo.1と同様に、No.2〜26の組成を有する硬質皮膜も同様の手順により作製した。第1のターゲットとしては、C,N以外の元素であるZr、Hf、Mgを含み、一部の実施例ではさらにBを含むものを用いた。第2のターゲットとしては、Mを含み、一部の実施例ではさらにBを含むものを用いた。
切削工具としては、インサートを用いた。被削材としては、Ti−6Al−4Vを用いた。硬質皮膜を成膜したインサートを用いて以下の条件で切削試験を行い、摩耗量の評価を行った。
摩耗量の評価は、摩耗幅の測定を1000mで実施することにより行った。摩耗幅の測定は、逃げ面と対物レンズとが平行になるようにインサートを設置し、光学顕微鏡で撮影し(倍率:300倍)、1視野において5箇所で測定を行い、その平均値(μm)を算出することにより行った。
<切削条件>
被削材:Ti−6Al−4V
工具:CNMG432、材質K313
切削速度:45m/分
送り:0.15mm/REV
深さ切り込み:2.0mm
潤滑:湿式(エマルジョン)
被削材:Ti−6Al−4V
工具:CNMG432、材質K313
切削速度:45m/分
送り:0.15mm/REV
深さ切り込み:2.0mm
潤滑:湿式(エマルジョン)
No.2〜7(膜厚:2〜50nm)では、積層皮膜における各層の性能が十分に発揮され、かつ硬度の低下が小さいため、No.1及びNo.8〜10よりも摩耗量が改善された。またNo.6とNo.14〜16との対比により、第2の層の厚みを第1の層の厚み以下とすることにより、摩耗量がさらに改善された。
今回開示された実施形態及びその変形例並びに実施例は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
1,1A,2,2A 硬質皮膜、3 基材、10、10A,20,20A 硬質皮膜被覆部材、11,21 第1の層、12,22 第2の層、T,T1,T2 厚み
Claims (12)
- 基材上に形成される硬質皮膜であって、
組成式がZr1−a−bHfaMgb(BxCyN1−x−y)であり、前記組成式においてa、b、x、yはHf、Mg、B、Cの各原子比であり、0≦a≦0.95、0.05≦b≦0.30及び0<1−x−yの関係式を満たす第1の層を有することを特徴とする、硬質皮膜。 - 組成式がM(BxCyN1−x−y)であり、前記組成式においてMはW、Mo、Nb及びVからなる群より選択される一種以上の元素であり、x、yはB、Cの各原子比であり、0<1−x−yの関係式を満たす第2の層をさらに有することを特徴とする、請求項1に記載の硬質皮膜。
- 前記第2の層の厚みが前記第1の層の厚み以下であることを特徴とする、請求項2に記載の硬質皮膜。
- 前記第1の層の厚みが1nm以上150nm以下であり、かつ、前記第2の層の厚みが1nm以上150nm以下であることを特徴とする、請求項2又は3に記載の硬質皮膜。
- 基材上に形成される硬質皮膜であって、
組成式がZr1−a−b−cHfaMgbMc(BxCyN1−x−y)であり、前記組成式においてMはW、Mo、Nb及びVからなる群より選択される一種以上の元素であり、a、b、c、x、yはHf、Mg、M、B、Cの各原子比であり、0≦a≦0.95、0.05≦b≦0.30、0<c、0<1−x−yの関係式を満たし、Zr及びHfの少なくともいずれか一方を含む第1の層を有することを特徴とする、硬質皮膜。 - 前記第1の層において、0<c≦0.50の関係式が満たされることを特徴とする、請求項5に記載の硬質皮膜。
- 組成式がM(BxCyN1−x−y)であり、前記組成式においてMはW、Mo、Nb及びVからなる群より選択される一種以上の元素であり、x、yはB、Cの各原子比であり、0<1−x−yの関係式を満たす第2の層をさらに有することを特徴とする、請求項5又は6に記載の硬質皮膜。
- 前記第2の層の厚みが前記第1の層の厚み以下であることを特徴とする、請求項7に記載の硬質皮膜。
- 前記第1の層の厚みが1nm以上150nm以下であり、かつ、前記第2の層の厚みが1nm以上150nm以下であることを特徴とする、請求項7又は8に記載の硬質皮膜。
- 前記第1の層において、0≦x≦0.20の関係式が満たされることを特徴とする、請求項1〜9の何れか1項に記載の硬質皮膜。
- 前記第1の層において、0≦y≦0.30の関係式が満たされることを特徴とする、請求項1〜10の何れか1項に記載の硬質皮膜。
- 切削工具の刃先部又は金型である基材と、
前記基材上に形成された請求項1〜11の何れか1項に記載の硬質皮膜と、を備えた、硬質皮膜被覆部材。
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