JP2633622B2 - 工作工具用耐摩耗性複合部材 - Google Patents
工作工具用耐摩耗性複合部材Info
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- JP2633622B2 JP2633622B2 JP63120011A JP12001188A JP2633622B2 JP 2633622 B2 JP2633622 B2 JP 2633622B2 JP 63120011 A JP63120011 A JP 63120011A JP 12001188 A JP12001188 A JP 12001188A JP 2633622 B2 JP2633622 B2 JP 2633622B2
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- wear
- tin
- coating
- resistant composite
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- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、フライス加工，切削加工，穿孔加工等の機
械加工に使用される工作工具用耐摩耗性複合部材に関
し、殊に耐熱性に確保するとともに耐摩耗性に優れた工
作工具用耐摩耗性複合部材に関するものである。
械加工に使用される工作工具用耐摩耗性複合部材に関
し、殊に耐熱性に確保するとともに耐摩耗性に優れた工
作工具用耐摩耗性複合部材に関するものである。
［従来の技術］ 高速度工具鋼や超硬合金からなる各種工作工具におい
ては、基材の備えている耐摩耗性を更に高める目的でそ
の表面にTi等の窒化物や炭化物よりなる耐摩耗性膜被覆
を形成することが行なわれている。この様な耐摩耗性皮
膜の被覆方法には、化学的蒸着法（CVD法）及び物理的
蒸着法（PVD法）があるが、このうちCVD法では、四塩化
チタンガス等の熱分解を利用するので膜形成温度を900
〜1100℃の高温条件とする必要がある。その結果CVD法
を採用した場合には、母材も同じく高温に加熱され、母
材特性の劣化を招いたりあるいは極めて脆弱な脱炭層
（例えばW3Co3C等）の形成が避けられず、フライス加工
用工具等のコーティングに適用することができない。又
高速度工具鋼等からなる工具のコーティングにCVD法を
適用すると母材が軟質化して熱変形を起こすといった不
都合が生じ、殊に精密加工用工具としては到底適用し得
るものとは言えない。
ては、基材の備えている耐摩耗性を更に高める目的でそ
の表面にTi等の窒化物や炭化物よりなる耐摩耗性膜被覆
を形成することが行なわれている。この様な耐摩耗性皮
膜の被覆方法には、化学的蒸着法（CVD法）及び物理的
蒸着法（PVD法）があるが、このうちCVD法では、四塩化
チタンガス等の熱分解を利用するので膜形成温度を900
〜1100℃の高温条件とする必要がある。その結果CVD法
を採用した場合には、母材も同じく高温に加熱され、母
材特性の劣化を招いたりあるいは極めて脆弱な脱炭層
（例えばW3Co3C等）の形成が避けられず、フライス加工
用工具等のコーティングに適用することができない。又
高速度工具鋼等からなる工具のコーティングにCVD法を
適用すると母材が軟質化して熱変形を起こすといった不
都合が生じ、殊に精密加工用工具としては到底適用し得
るものとは言えない。
そこで上記欠点を露呈しない様な比較的低温条件でコ
ーティング処理することのできる高周波放電プラズマCV
D法，反応性イオンプレーティング法（EB加熱方式,HCD
加熱方式，アーク放電方式等がある），スパッタリング
法等が採用されるようになってきた。中でもイオンプレ
ーティング法によるTiN膜やTiC膜の形成が汎用されてお
り、例えば高温耐酸化性（耐熱性）の優れたTiN膜が広
く実用化されている。即ちTiNはTiCより耐熱性に優れて
いる為、切削時の加工熱や摩擦熱によって昇温し易いす
くい面をクレータ摩耗から保護する機能を発揮する。し
かしながらTiNはTiCに比べると硬度が低い為被削材と接
する逃げ面に発生するフランク摩耗に対してはむしろ脆
弱であり、フランク摩耗に対してはTiCの方が高い耐久
性を示す。
ーティング処理することのできる高周波放電プラズマCV
D法，反応性イオンプレーティング法（EB加熱方式,HCD
加熱方式，アーク放電方式等がある），スパッタリング
法等が採用されるようになってきた。中でもイオンプレ
ーティング法によるTiN膜やTiC膜の形成が汎用されてお
り、例えば高温耐酸化性（耐熱性）の優れたTiN膜が広
く実用化されている。即ちTiNはTiCより耐熱性に優れて
いる為、切削時の加工熱や摩擦熱によって昇温し易いす
くい面をクレータ摩耗から保護する機能を発揮する。し
かしながらTiNはTiCに比べると硬度が低い為被削材と接
する逃げ面に発生するフランク摩耗に対してはむしろ脆
弱であり、フランク摩耗に対してはTiCの方が高い耐久
性を示す。
一方、TiNは上記欠点にもかかわらず、基材に対する
密着性が優れており、且つ基材の種類の如何にかかわら
ず被覆膜を形成し易いという特徴があるので、これらの
点が評価されて、各種工作工具としては、イオンプレー
ティング法によりTiN膜を基材表面に被覆したものが多
く使用されている。
密着性が優れており、且つ基材の種類の如何にかかわら
ず被覆膜を形成し易いという特徴があるので、これらの
点が評価されて、各種工作工具としては、イオンプレー
ティング法によりTiN膜を基材表面に被覆したものが多
く使用されている。
［発明が解決しようとする課題］ 本発明はこうした事情に着目してなされたものであっ
て、基本的にはTiN膜の優れた耐熱性を生かしつつ、そ
の課題であるフランク摩耗に対する耐久性を高めること
より、耐摩耗性に優れた、工作工具用耐摩耗性複合部材
（以下、単に「耐摩耗性複合部材」と呼ぶ）を提供しよ
うとするものである。
て、基本的にはTiN膜の優れた耐熱性を生かしつつ、そ
の課題であるフランク摩耗に対する耐久性を高めること
より、耐摩耗性に優れた、工作工具用耐摩耗性複合部材
（以下、単に「耐摩耗性複合部材」と呼ぶ）を提供しよ
うとするものである。
［課題を解決するための手段］ しかして本発明の耐摩耗性複合部材は、 体積比で Ti2N又はTi2（CN） :10〜80％ α−Ti :5％以下 TiN又はTi（CN） ：残部 からなる皮膜を基材の表面に被覆してなる点に要旨を有
するものである。
するものである。
［作用］ 本発明者等の研究によると、TiNはN/Tiの原子比が1.0
〜0.7程度の広い組成範囲においてB1型結晶構造を有し
ており、Tiに対するＮの固溶幅の広い物質であるが、組
成比によって機械的性質や化学的性質がかなり変動す
る。そこで本発明者等は、Ti−Ｎ系における結晶相組成
と機械的性質等との関係を克明に調べた結果、主として
Ti2NとTiNの複合相からなる耐摩耗性皮膜を被覆した部
材は、従来のTi−Ｎ膜被覆部材に比べてフランク摩耗に
対する耐久性に優れていることを見出し、さらに検討を
重ねた結果、前記構成に示される本発明部材を完成する
に至った。
〜0.7程度の広い組成範囲においてB1型結晶構造を有し
ており、Tiに対するＮの固溶幅の広い物質であるが、組
成比によって機械的性質や化学的性質がかなり変動す
る。そこで本発明者等は、Ti−Ｎ系における結晶相組成
と機械的性質等との関係を克明に調べた結果、主として
Ti2NとTiNの複合相からなる耐摩耗性皮膜を被覆した部
材は、従来のTi−Ｎ膜被覆部材に比べてフランク摩耗に
対する耐久性に優れていることを見出し、さらに検討を
重ねた結果、前記構成に示される本発明部材を完成する
に至った。
ちなみに前記した様にTiN膜とTiC膜を比較すると、フ
ランク摩耗に対しては硬度の高いTiC膜の方が高い耐久
性を示す。そしてTi−Ｎ膜においても、硬度の改善と耐
フランク摩耗性の改善に相関性があり、Ti2NとTiNを主
とする耐摩耗性皮膜が耐フランク摩耗性に優れているの
もその硬度が高いからであると言うことができる。尚Ti
−Ｎ膜の組成を制御するに際しては、後記実施例にも示
す様に例えば成膜雰囲気のN2圧力を調整すればよいが、
他の手段で組成制御を行なうことも許される。又耐フラ
ンク摩耗性と硬度の相関性を考えると、上記組成制御に
加えて他の方法を併用することによって硬度を高めるこ
とができれば耐フランク摩耗性の一層の改善につながる
訳であり、その意味から本発明においてはTi−Ｎ膜をTi
−CN膜（炭窒化膜）に置き換えた構成をも併せて採用す
ることとした。
ランク摩耗に対しては硬度の高いTiC膜の方が高い耐久
性を示す。そしてTi−Ｎ膜においても、硬度の改善と耐
フランク摩耗性の改善に相関性があり、Ti2NとTiNを主
とする耐摩耗性皮膜が耐フランク摩耗性に優れているの
もその硬度が高いからであると言うことができる。尚Ti
−Ｎ膜の組成を制御するに際しては、後記実施例にも示
す様に例えば成膜雰囲気のN2圧力を調整すればよいが、
他の手段で組成制御を行なうことも許される。又耐フラ
ンク摩耗性と硬度の相関性を考えると、上記組成制御に
加えて他の方法を併用することによって硬度を高めるこ
とができれば耐フランク摩耗性の一層の改善につながる
訳であり、その意味から本発明においてはTi−Ｎ膜をTi
−CN膜（炭窒化膜）に置き換えた構成をも併せて採用す
ることとした。
第1,2図は、本発明を完成するに至った実験の結果を
示すグラフであり、N2雰囲気下でTiを一定速度で蒸発さ
せながらN2分圧を変化させて基板上に膜形成を行なった
場合のN2分圧と膜中の結晶構成の関係を示すのが第１図
であり、N2分圧と当該膜の硬度との関係を示すのが第２
図である。第１図に示す様にN2分圧の増加と共に結晶形
態はα−TiからTi2NさらにTiNへと変化することが分か
る。そして第１図と第２図の対比から、本発明部材の被
覆膜中に占めるTi2N量が10％未満では膜硬度はTiNとほ
ぼ同等であって、耐フランク摩耗性の向上もみられない
が、Ti2N量の増加と共に膜硬度が上昇して耐フランク摩
耗性の改善が著しくなることが分かる。一方耐熱性（耐
高温酸化性）の観点からすると、TiNは大気中において6
00℃で分解し始めてTi酸化物となり、さらに高温でTiO2
（ルチル）となる。そしてTi2Nの場合には分解温度はさ
らに低下する。即ち膜中のTi2N量が80％を超えると熱分
解温度が400℃を下回ることになり、フライス工具等と
して使用したときの使用温度に近づくことになるので耐
熱性に問題が生じる。これらの理由からTi−Ｎ膜におけ
るTi2N量は10〜80％とする必要がある。
示すグラフであり、N2雰囲気下でTiを一定速度で蒸発さ
せながらN2分圧を変化させて基板上に膜形成を行なった
場合のN2分圧と膜中の結晶構成の関係を示すのが第１図
であり、N2分圧と当該膜の硬度との関係を示すのが第２
図である。第１図に示す様にN2分圧の増加と共に結晶形
態はα−TiからTi2NさらにTiNへと変化することが分か
る。そして第１図と第２図の対比から、本発明部材の被
覆膜中に占めるTi2N量が10％未満では膜硬度はTiNとほ
ぼ同等であって、耐フランク摩耗性の向上もみられない
が、Ti2N量の増加と共に膜硬度が上昇して耐フランク摩
耗性の改善が著しくなることが分かる。一方耐熱性（耐
高温酸化性）の観点からすると、TiNは大気中において6
00℃で分解し始めてTi酸化物となり、さらに高温でTiO2
（ルチル）となる。そしてTi2Nの場合には分解温度はさ
らに低下する。即ち膜中のTi2N量が80％を超えると熱分
解温度が400℃を下回ることになり、フライス工具等と
して使用したときの使用温度に近づくことになるので耐
熱性に問題が生じる。これらの理由からTi−Ｎ膜におけ
るTi2N量は10〜80％とする必要がある。
他方第１図から理解される様にTi2Nを生成させる為の
条件はN2分圧の低い雰囲気即ちTi過剰な領域である為、
α−Ti相が同時に生成する。即ちN2分圧を低くしてTi2N
を増加させていくと、TiNは減少しα−Tiが増加する。
そしてTi2N,TiN及びTiの混合領域において、α−Ti生成
量が５％を超えるとTi2Nが存在しても膜全体では軟質化
し硬度が低下する。その結果所望の耐フランク摩耗性を
得ることができなくなるのでα−Ti量は５％以下に制限
する必要がある。
条件はN2分圧の低い雰囲気即ちTi過剰な領域である為、
α−Ti相が同時に生成する。即ちN2分圧を低くしてTi2N
を増加させていくと、TiNは減少しα−Tiが増加する。
そしてTi2N,TiN及びTiの混合領域において、α−Ti生成
量が５％を超えるとTi2Nが存在しても膜全体では軟質化
し硬度が低下する。その結果所望の耐フランク摩耗性を
得ることができなくなるのでα−Ti量は５％以下に制限
する必要がある。
本発明部材は上記構成からなる保護膜を基材表面に形
成してなるものであり、要は耐摩耗性に関してはTi2Nに
負担させ、一方耐熱性（耐高温酸化性）に関してはTiN
で確保するもので、換言すればTiN中にTi2Nを分散させ
ると共にα−Tiの生成を抑えた複合体高耐摩耗性膜を基
材表面に被覆してなる耐摩耗性膜被覆部材である。さら
に上記ではTi−Ｎ膜における各成分組成を定めたのであ
るが、前述した様にTiCの高硬度性（常温硬度Hv3100kg/
mm2以上）を付加することにより耐フランク摩耗性を更
に高めたTi−CN膜においても上記成分組成及びその限定
理由はそのまま当てはまる訳であり、この場合にはTi2N
をTi2（CN）に置換え、且つTiNをTi（CN）に置換えて考
えればよい。
成してなるものであり、要は耐摩耗性に関してはTi2Nに
負担させ、一方耐熱性（耐高温酸化性）に関してはTiN
で確保するもので、換言すればTiN中にTi2Nを分散させ
ると共にα−Tiの生成を抑えた複合体高耐摩耗性膜を基
材表面に被覆してなる耐摩耗性膜被覆部材である。さら
に上記ではTi−Ｎ膜における各成分組成を定めたのであ
るが、前述した様にTiCの高硬度性（常温硬度Hv3100kg/
mm2以上）を付加することにより耐フランク摩耗性を更
に高めたTi−CN膜においても上記成分組成及びその限定
理由はそのまま当てはまる訳であり、この場合にはTi2N
をTi2（CN）に置換え、且つTiNをTi（CN）に置換えて考
えればよい。
本発明に係る耐摩耗性複合部材において、Ti−Ｎ又は
Ti−CN被覆膜の膜厚については特に制限を設けるもので
はないが、好ましくは膜厚を0.5〜10μｍとすることが
推奨される。この理由は、当該膜厚が薄すぎる場合には
被覆効果が十分に得られないからであり、一方当該膜厚
が厚すぎると膜強度自体が劣化して耐摩耗性が却って低
下するからである。
Ti−CN被覆膜の膜厚については特に制限を設けるもので
はないが、好ましくは膜厚を0.5〜10μｍとすることが
推奨される。この理由は、当該膜厚が薄すぎる場合には
被覆効果が十分に得られないからであり、一方当該膜厚
が厚すぎると膜強度自体が劣化して耐摩耗性が却って低
下するからである。
又本発明においては上記Ti−Ｎ膜又はTi−CN膜被覆層
の外層にさらにTiN若しくはTiCNの単体膜を好ましくは
0.5〜８μｍの厚さで被覆することにより耐高温酸化性
を更に高めることができる。かかる被層膜被覆部材にお
いて、外層膜の厚さが薄すぎる場合には耐高温酸化性向
上効果が十分に得られず、一方外層膜の厚さが厚すぎる
と膜厚が厚すぎる場合の常として膜強度が劣化し、摩耗
し易くなる。
の外層にさらにTiN若しくはTiCNの単体膜を好ましくは
0.5〜８μｍの厚さで被覆することにより耐高温酸化性
を更に高めることができる。かかる被層膜被覆部材にお
いて、外層膜の厚さが薄すぎる場合には耐高温酸化性向
上効果が十分に得られず、一方外層膜の厚さが厚すぎる
と膜厚が厚すぎる場合の常として膜強度が劣化し、摩耗
し易くなる。
［実施例］ 実験１ A1合金（T6処理材）からなる基体部材をイオンプレー
ティング装置に装入して、150℃に予備加熱した後、蒸
発源よりTiを蒸発させると共にN2を導入して５×10-5〜
４×10-4Torrの雰囲気とし、且つ基材部材に−50Vの電
圧を印加して成膜を行なった。尚炭窒化膜を形成する場
合にはN2の代わりにN2／CH4混合ガスを導入し、N2の分
圧を上記範囲に制御した。
ティング装置に装入して、150℃に予備加熱した後、蒸
発源よりTiを蒸発させると共にN2を導入して５×10-5〜
４×10-4Torrの雰囲気とし、且つ基材部材に−50Vの電
圧を印加して成膜を行なった。尚炭窒化膜を形成する場
合にはN2の代わりにN2／CH4混合ガスを導入し、N2の分
圧を上記範囲に制御した。
上記で得られた被覆部材の表面にさらに外層膜を形成
する場合には、N2導入圧を７×10-3Torrに設定してTiN
膜を被覆した。このようにして得た被覆部材の膜組成を
Ｘ線回折法により確認した。
する場合には、N2導入圧を７×10-3Torrに設定してTiN
膜を被覆した。このようにして得た被覆部材の膜組成を
Ｘ線回折法により確認した。
上記方法により第１表に示す被覆膜組成の本発明材１
〜４を製作した。又比較例として同一の基体部材に、N2
導入圧７×10-3Torrの条件でTiN膜のみを被覆した従来
材を製作した。
〜４を製作した。又比較例として同一の基体部材に、N2
導入圧７×10-3Torrの条件でTiN膜のみを被覆した従来
材を製作した。
これらの試料を大越式摩耗試験機に供し、FC25鋼材を
摩耗相手材として被覆膜の比摩耗量を測定したところ第
１表に示す結果が得られた。尚摩耗試験は荷重2.2kgf、
摩擦速度3.5m/秒の条件下で行なった。
摩耗相手材として被覆膜の比摩耗量を測定したところ第
１表に示す結果が得られた。尚摩耗試験は荷重2.2kgf、
摩擦速度3.5m/秒の条件下で行なった。
実験２ 超合金製チップからなる基体部材をイオンプレーティ
ング装置に装入し、400℃に予備加熱した後、Tiを蒸発
させると共にN2導入圧を５×10-5〜４×10-4Torrに夫々
変化させ、且つ基体部材に−100Vの電圧を印加して成膜
を行なった。尚炭窒化膜の形成、TiN外層膜の形成、膜
組成の定量は実験１と同様にして行なった。
ング装置に装入し、400℃に予備加熱した後、Tiを蒸発
させると共にN2導入圧を５×10-5〜４×10-4Torrに夫々
変化させ、且つ基体部材に−100Vの電圧を印加して成膜
を行なった。尚炭窒化膜の形成、TiN外層膜の形成、膜
組成の定量は実験１と同様にして行なった。
上記方法により第２表に示す被覆膜組成の本発明材６
〜８を製作した。比較例として同一の基体部材に７×10
-3TorrのN2雰囲気下でTiN膜のみを被覆した従来材を製
作した。得られた試作部材を下記条件の切削試験に供し
たところ第２表に示す結果が得られた。
〜８を製作した。比較例として同一の基体部材に７×10
-3TorrのN2雰囲気下でTiN膜のみを被覆した従来材を製
作した。得られた試作部材を下記条件の切削試験に供し
たところ第２表に示す結果が得られた。
＜切削条件＞ 被削材 :S50C 切削速度:170m/min 送り速度:0.2mm/rev 切り込み:0.1mm 切削時間:15分 第1,2表に示す通り、本発明材は耐摩耗性に優れ、殊
に逃げ面に発生するフランク摩耗に対して優れた抵抗性
を示した。
に逃げ面に発生するフランク摩耗に対して優れた抵抗性
を示した。
［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、TiN膜の特長で
ある優れた耐熱性を確保しつつ、耐摩耗性殊にフランク
摩耗に対する抵抗性の優れた耐摩耗性複合部材を提供す
ることができた。
ある優れた耐熱性を確保しつつ、耐摩耗性殊にフランク
摩耗に対する抵抗性の優れた耐摩耗性複合部材を提供す
ることができた。
第１図はN2圧力と膜組成の関係を示すグラフ、第２図は
N2圧力と膜のマイクロビッカース硬度の関係を示すグラ
フである。
N2圧力と膜のマイクロビッカース硬度の関係を示すグラ
フである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−168857（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−164115（ＪＰ，Ａ) 真空，30［５］（1987），Ｐ．310− 313 窯業協会年会講演予稿集，［２ ］（1987）Ｐ．567−568
Claims (2)
- 【請求項１】体積比で Ti2N又Ti2（CN） :10〜80％ α−Ti :5％以下 TiN又はTi（CN） ：残部 からなる皮膜を基材の表面に被覆してなることを特徴と
する工作工具用耐摩耗性複合部材。 - 【請求項２】請求項（１）の皮膜の外層にさらにTiN皮
膜を被覆してなることを特徴とする工作工具用耐摩耗性
複合部材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63120011A JP2633622B2 (ja) | 1988-05-16 | 1988-05-16 | 工作工具用耐摩耗性複合部材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63120011A JP2633622B2 (ja) | 1988-05-16 | 1988-05-16 | 工作工具用耐摩耗性複合部材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01290784A JPH01290784A (ja) | 1989-11-22 |
| JP2633622B2 true JP2633622B2 (ja) | 1997-07-23 |
Family
ID=14775692
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63120011A Expired - Lifetime JP2633622B2 (ja) | 1988-05-16 | 1988-05-16 | 工作工具用耐摩耗性複合部材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2633622B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0776415B2 (ja) * | 1990-07-03 | 1995-08-16 | 大阪府 | Ｔｉ２Ｎ被覆層を有する物体の製造方法 |
| JP2699031B2 (ja) * | 1991-05-21 | 1998-01-19 | 株式会社不二越 | 複層コーティング工具 |
| CN103160793B (zh) * | 2011-12-16 | 2016-05-25 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 超厚TiN-TiCN多层复合薄膜材料的制备方法 |
| CN103668062B (zh) * | 2013-12-25 | 2016-08-17 | 大连远东工具有限公司 | 纳米多层复合膜及其制备方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4405849A (en) * | 1982-03-08 | 1983-09-20 | W. H. Brady Co. | Switching contact |
| JPH0663087B2 (ja) * | 1987-12-23 | 1994-08-17 | 工業技術院長 | 窒化チタン膜の形成方法 |
-
1988
- 1988-05-16 JP JP63120011A patent/JP2633622B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 真空，３０［５］（１９８７），Ｐ．３１０−３１３ |
| 窯業協会年会講演予稿集，［２］（１９８７）Ｐ．５６７−５６８ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01290784A (ja) | 1989-11-22 |
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