JP2793773B2 - 耐摩耗性に優れた硬質皮膜、硬質皮膜被覆工具及び硬質皮膜被覆部材 - Google Patents
耐摩耗性に優れた硬質皮膜、硬質皮膜被覆工具及び硬質皮膜被覆部材Info
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Description
工,穿孔加工等の加工に使用される切削工具の表面被覆
材、或は金型,軸受け,ダイス,ロールなど高硬度が要
求される耐摩耗部材の表面被覆材、もしくは成形機用ス
クリューやシリンダ等の耐熱・耐食部材の表面被覆材と
して有用な硬質皮膜、及び該硬質皮膜を被覆することに
よって優れた耐摩耗性を発揮する硬質皮膜被覆工具及び
硬質皮膜被覆部材に関するものである。
耗性が要求される切削工具は、工具の基材表面にTiN
やTiC等の硬質皮膜を形成することにより耐摩耗性の
向上が図られている。上記TiNとTiCの耐摩耗性を
比較すると、TiNは高温域における耐酸化性の点でT
iCより優れており、切削時の加工熱や摩擦熱によって
生じる工具すくい面のクレータ摩耗に対して耐摩耗性を
発揮する。しかもTiNは母材との密着性にも優れてい
る。一方TiCはTiNより硬度が高く、被削材と接す
る逃げ面のフランク摩耗に対して高い耐久性を有してい
る。しかしながら耐酸化性に優れたTiNであっても酸
化開始温度は600℃程度であり、また高い硬度を有す
るTiCであってもそのビッカース硬さは2000程度
であり、耐摩耗性の一層の改善が望まれていた。
は、TiNやTiCの耐酸化性や硬度の向上を目的とし
て、Tiの一部をAlに置換したAl,Tiの複合窒化
物や複合炭窒化物[以下(Al,Ti)(C,N)と示
す]が開示されており、酸化開始温度は約800℃、ビ
ッカース硬さは約2500kg/mm2 という特性を示
す硬質皮膜が開発されている。但し一層の高能率化が要
求されている切削加工などの分野では、より優れた耐摩
耗性を有する硬質皮膜の開発が期待されていた。
に着目してなされたものであって、TiN皮膜の有する
母材密着性を損なうことなく、(Al,Ti)(C,
N)より耐酸化性に優れしかも高硬度を有して優れた耐
摩耗性を発揮する硬質皮膜を提供することを目的とする
ものである。
発明に係る耐摩耗性に優れた硬質皮膜とは、基材表面に
形成される皮膜であって、 (Alx Ti1-x-y Siy )(Nz C1-z ) 但し、0.05≦x≦0.75 0.01≦y≦0.1 0.6≦z≦1 で示される化学組成からなることを要旨とするものであ
る。
にすることが好ましく、また上記硬質皮膜を、アーク放
電方式イオンプレーティング法により基材表面に形成す
れば耐摩耗性に優れた硬質皮膜被覆工具及び硬質皮膜被
覆部材を得ることができる。
耗性をより一層向上させることを目的として、耐摩耗性
向上に有効な添加元素を検索した結果、(Al,Ti)
(C,N)にSiを微量含有させた炭・窒化物は硬度が
高く、しかも酸化開始温度も高くなることを見出し、硬
質皮膜の組成が(Alx Ti1-x-y Siy)(NzC1-z)
で示される化学式において0.05≦x≦0.75,
0.01≦y≦0.1,0.6≦z≦1を満足する場合
は、高硬度で耐酸化性の良好な硬質皮膜となり優れた耐
摩耗性を発揮することを突き止め、本発明を完成させ
た。
する優れた基材密着性も損なうことがないので、金型や
工具および耐摩耗部材等の基材表面に適用した場合も剥
離の問題が生じず、皮膜の耐摩耗性を十分発揮する硬質
皮膜被覆工具及び硬質皮膜被覆部材を得ることができ
る。
優れた耐摩耗性を発揮する理由としては十分に解明され
たわけではないが、Siを第3の金属元素として含有さ
せることにより高温時におこるTiの酸化を抑制した
り、Al酸化物からなる保護皮膜を著しく緻密化するか
らであると考えられる。
成は、(Alx Ti1-x-y Siy )においてx,yが夫
々0.05≦x≦0.75,0.01≦y≦0.1とい
う条件式を満足することが必要である。xの値が0.0
5未満であるか、またはyの値が0.01未満では十分
な耐酸化性の向上効果を得ることができない。またxの
値が0.75を超えるか、またはyの値が0.1を超え
ると皮膜の結晶構造が立方晶から六方晶へ変化してしま
い、皮膜硬さが低下して十分な耐摩耗性が得られない。
なお、xの下限値としては0.25が好ましく、0.5
6以上であることがより望ましい。xの上限値としては
0.75が好ましく、0.7以下であることがより望ま
しい。yの下限値としては0.01が好ましく、0.0
2以上であることがより望ましい。yの上限値としては
0.08が好ましく、0.05以下であることがより望
ましい。
ても炭・窒化物であっても優れた耐摩耗性を発揮する
が、炭・窒化物の場合、窒素の原子比率が60%以上で
あることが必要である。即ちNz C1-z で0.6≦z≦
1を満足することが必要であり、zの値が0.6未満の
場合は皮膜の耐酸化性が低下してしまう。尚、zの値が
0.8以上であると耐酸化性がより良好となる。
ては、0.1μm以上20μm以下であることが好まし
い。0.1μm未満であると耐摩耗性が十分発揮でき
ず、一方20μmを超えると衝撃力によって硬質皮膜に
クラックが入ることがあり、望ましくない。なお、切削
工具に適用する場合、工具基材本来の切れ刃の特性を生
かし且つ優れた耐摩耗性を得るには、硬質皮膜の厚さを
好ましくは1μm以上、更に好ましくは2μm以上、ま
た上限について12μm以下、更に好ましくは、8μm
以下が望まれる。また本発明は硬質皮膜を形成する基材
の材質を限定するものではないが、基材表面に密着性よ
く被覆し、優れた耐摩耗性を発揮させるためには超硬合
金や高速度工具鋼、ダイス鋼、サーメット、セラミック
等の硬質物質が適している。
する方法としては、イオンプレーティング法やスパッタ
リング法等に代表されるPVD法が挙げられるが、例え
ばアーク放電式イオンプレーティング法を採用する場合
には以下に例示する方法を用いればよい。即ち、アーク
放電により蒸発源であるカソードからイオン化させたA
l,TiおよびSiの金属成分を、N2 雰囲気および/
またはCH4 雰囲気中でイオンプレーティングすること
によって得ることができ、目的とする皮膜組成と同一金
属組成のターゲットを使用すれば、安定した組成の皮膜
が得られ易い。また基板にバイアス電位を印加すると、
皮膜の密着性を一段と高めることができるので好まし
い。尚、本発明はイオンプレーティング時のガス圧も特
に限定するものではないが、1×10-3〜5×10-2T
orr程度が好ましく、この範囲内であれば耐摩耗性の
一段と優れた高結晶性の緻密な硬質皮膜が得られ易い。
下記の実施例に限定されるものではなく、前・後記の趣
旨に徴して適宜変更することは本発明の技術的範囲に含
まれる。
白金箔からなる基材をアーク放電方式イオンプレーティ
ング装置に装着して400℃に加熱し、表1に示す種々
の組成のカソードから金属元素を蒸発させると共に、反
応ガスとしてN 2 ガスあるいはN2 /CH4 混合ガスを
導入して7×10-3Torrの雰囲気とし、且つ基材に
−150Vの電位を印加することによって表1に示す種
々の組成の皮膜を5μmの厚さで被覆した試験片を作製
した。
びオージェ電子分光法により皮膜の組成を求めると共
に、下記条件で酸化試験を行った。結果は表1に示す。 (酸化試験の条件) 温度範囲:室温〜1300℃ 昇温速度:10℃/min 雰囲気 :乾燥空気、大気圧 空気流量:150cc/min
l,Ti)N皮膜(No.1)は、820℃で酸化が開始
するのに対し、本発明に係る硬質皮膜(No.3〜7)の
酸化開始温度はいずれも870℃以上であり、耐酸化性
が向上している。No.2はSi量が少ない場合の比較例
であり、酸化開始温度が低く耐酸化性の向上が認められ
ない。
する以外は、実施例1と同じ方法で試験片を作製した。
試験片に形成された皮膜のマイクロビッカース硬さを荷
重100gで測定したところ、表1に併記する結果が得
られた。表1より明らかなように、本発明に係る皮膜
(No.3〜7)は従来例である(Al,Ti)N皮膜
(No.1)と比較してより高い硬度を示している。一
方、No.8はSi量が多過ぎる場合の比較例であり、
皮膜の結晶構造が立方晶から六方晶へ変化している為、
皮膜硬さが著しく低下している。
を作製し、夫々のエンドミルの刃部表面に表2に示す組
成の硬質皮膜を4μmの厚さで形成した。硬質皮膜の形
成方法としては、No.2だけはるつぼ蒸着方式のイオ
ンプレーティング法を用い、それ以外の硬質皮膜はアー
ク放電方式イオンプレーティング法により形成した。ア
ーク放電方式の成膜条件としてはいずれも、基板温度を
400℃とし、バイアス電圧を−150V印加し、反応
ガスは7×10-3Torrで成膜した。
て、下記条件の切削試験を行ない、エンドミル切れ刃逃
げ面の摩耗量を測定した。結果は表2および図1に示
す。 (切削条件) 切削方法:側面切削ダウンカット 被削材 :SKD11(硬さHB219) 切込み :Rd 1mm×Ad 10mm 切削速度:60m/min 送り :0.07mm/tooth(270mm/m
in) 切削油 :エアーブロー 切削長 :20m
に、本発明に係る硬質皮膜被覆エンドミル(No.3〜
6)は、従来例(No.1,2)と比較して逃げ面摩耗
量が少なくフランク摩耗に対する耐摩耗性が優れてい
る。No.7はSi量が多過ぎる場合の比較例であり、
逃げ面摩耗量が多く、耐摩耗性が十分でない。
外径10mmのJIS規格ドリルを作製し、実施例3と
同じ方法でドリル刃部表面に表3に組成を示す硬質皮膜
を形成した。
記条件の切削試験を行ない切削寿命を調べた。結果は表
3に示す。 (切削条件) 切削方法:穴明け加工、各5本切削 被削材 :S55C(硬さHB220) 切削速度:30m/min 送り :0.15mm/rev 切削長さ:30mm(貫通穴) 切削油 :水溶性エマルジョン型切削油
係る硬質皮膜被覆ドリル(No.3〜6)は、従来例
(No.1,2)と比較して平均穴明け個数が多く切削
寿命が長い。No.7はSi量が多過ぎる場合の比較例
であり、平均穴明け個数が少なく、切削寿命が短い。
×20×5mmの基材(No.1〜3)を作製し、夫々
の基材に実施例1と同様の方法で厚さ5μmの硬質皮膜
を形成した。表4に示すとおり、No.1の基材にはT
iN皮膜を形成し、No.2の基材には(Al0.5 Ti
0.5 )N皮膜を形成し、No.3の基材には(Al0.58
Ti0.39Si0.03)N皮膜を形成し、下記の条件で熱サ
イクル試験を行ない耐久性を調査した。結果は表4に示
す。 (熱サイクル試験条件) 高温槽:800℃ − 保持時間:110秒 低温槽: 水冷 − 保持時間: 10秒
る硬質皮膜(No.3)は従来例の硬質皮膜(No.
1,2)と比較して熱サイクルに対しても優れた特性を
示す。
来のTiN皮膜や(Ti,Al)N皮膜と比較しても優
れた耐摩耗性および耐酸化性を示す硬質皮膜が得られる
こととなり、さらに上記硬質皮膜を部材表面に被覆する
ことにより優れた耐摩耗性及び耐酸化性を発揮する高硬
度部材が提供できることとなった。
削長の関係を表すグラフである。
Claims (4)
- 【請求項1】 基材表面に形成される皮膜であって、 (Alx Ti1-x-y Siy )(Nz C1-z ) 但し、0.05≦x≦0.75 0.01≦y≦0.1 0.6≦z≦1 で示される化学組成からなることを特徴とする耐摩耗性
に優れた硬質皮膜。 - 【請求項2】 皮膜の厚さが0.1〜20μmである請
求項1記載の硬質皮膜。 - 【請求項3】 請求項1または2記載の硬質皮膜を、ア
ーク放電方式イオンプレーティング法により基材表面に
形成してなることを特徴とする耐摩耗性に優れた硬質皮
膜被覆工具。 - 【請求項4】 請求項1または2記載の硬質皮膜を、ア
ーク放電方式イオンプレーティング法により基材表面に
形成してなることを特徴とする耐摩耗性に優れた硬質皮
膜被覆部材。
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