JP3159572B2 - 高強度被覆物体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物理蒸着法で形成され
た酸化アルミニウムの被膜が被覆された高強度被覆物体
に関し、具体的には、例えば切削工具，耐摩耗工具，耐
衝撃工具に代表される構造用材料に適する高強度被覆物
体に関する。

【０００２】

【従来の技術】タングステンやモリブデン等の金属、高
速度鋼，ダイス鋼，ステンレス鋼，超硬合金，サーメッ
ト等の合金、酸化アルミニウム，酸化ジルコニウム，窒
化ケイ素または炭化ケイ素等を主成分としたセラミック
ス焼結体からなる基材の表面に、化学蒸着法（ＣＶＤ
法）または物理蒸着法（ＰＶＤ法）でもって、周期律表
の４ａ，５ａ，６ａ族の金属の炭化物，窒化物およびこ
れらの相互固溶体、Ａｌの酸化物の中の１種の単層また
は２種以上の複層からなる被膜を被覆した被覆物体は、
切削工具等の工具に多用され、多数の提案がなされてい
る。

【０００３】これらの被覆物体の内、被膜の中の１つの
層が酸化アルミニウムの層で形成された被覆物体は、耐
摩耗性，耐溶着性，耐酸化性等に優れていることから、
特に多用されており、提案されている代表的なものに、
特開昭４８−５９１０６号公報，特開昭５５−１１３８
７４号公報，特開昭５７−１２０６６７号公報および潤
滑，２６，２（１９８１）４８〜５４がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】被膜の中の１つの層が
酸化アルミニウムの層で形成された被覆物体の内、特開
昭４８−５９１０６号公報には、超硬合金の基材の表面
に気体相から付着された酸化アルミニウムの外層とＴ
ｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｓ
ｉおよび／またはＢの炭化物および／または窒化物の１
種またはそれ以上の内層とが形成された硬物質体につい
て記載されている。

【０００５】また、特開昭５５−１１３８７４号公報に
は、超硬合金の基材の表面に非金属化合物の中間層を介
して、１〜２０μｍ厚さのαー酸化アルミニウムの被膜
が被覆された被覆超硬合金について記載されている。

【０００６】これら両公報に記載されている酸化アルミ
ニウムの被膜は、ＣＶＤ法で被覆されているものであ
り、ＣＶＤ法による成膜は比較的高温で行われるために
αー酸化アルミニウムの結晶構造になり易く、耐摩耗性
に優れるものの、膜自体の強度および破壊靭性値が低
く、かつ膜に引張応力が残留しているために、衝撃が加
わると、被膜の剥離，チッピングまたは欠損が生じやす
いという問題がある。

【０００７】特開昭５７−１２０６６７号公報には、鋼
または超硬合金の基材表面に、厚さ５０００Å以下のチ
タン化合物の被膜と厚さ５０００Å以下の酸化アルミニ
ウムの被膜を形成し、この２重被膜を順次繰返して１
０，０００Å〜１００，０００Å（１〜１０μｍ）の厚
さの積層構造とした積層コーティング材料について記載
されており、このときの酸化アルミニウムの被膜がイオ
ンビーム蒸着法またはイオンプレーティング法により形
成されていることが開示されている。

【０００８】同公報に記載されているイオンビーム蒸着
法またはイオンプレーティング法による酸化アルミニウ
ムの被膜は、成膜条件の詳細が記載されてないことから
明確ではないが、同公報の出願時前におけるこれらの従
来技術からして非晶質の酸化アルミニウムであり、結晶
質の酸化アルミニウムが混在していたとしても少量であ
って、非晶質の酸化アルミニウムを主成分とする被膜で
あるために、ＣＶＤ法で成膜された酸化アルミニウムの
被膜に比べて耐摩耗性が顕著に劣るという問題がある。

【０００９】潤滑，２６，２（１９８１）４８〜５４に
は、超硬合金の基材表面にスパッタ法でもって酸化アル
ミニウムの被膜を形成させた工具について記載されてい
るが、記載されている成膜条件およびその効果から判断
すると、上述の特開昭５７−１２０６６７号公報におけ
る酸化アルミニウムの被膜と同様であり、やはりＣＶＤ
法で成膜された酸化アルミニウムの被膜に比べて耐摩耗
性が顕著に劣るという問題がある。

【００１０】本発明は、上述のような問題点を解決した
もので、具体的には、金属，鋼，焼結合金またはセラミ
ックス焼結体の基材の表面に、他の化合物でなる第１被
膜とＰＶＤ法によるαー酸化アルミニウムおよび／また
はγー酸化アルミニウムを主成分とする第２被膜が被覆
されており、該第１被膜と該第２被膜はそれぞれに０．
１ＧＰａ以上の残留圧縮応力が付与されて、耐摩耗性，
耐欠損性，耐チッピング性，被膜の耐剥離性に優れる高
強度被覆物体の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、基材の表
面にＣＶＤ法でもって酸化アルミニウムの被膜を被覆し
た切削工具は、耐チッピング性，耐欠損性に劣り、断続
切削またはフライス切削用としては実用し難く、基材の
表面にＰＶＤ法でもって酸化アルミニウムの被膜を被覆
した切削工具は、耐摩耗性に劣ることから、これら両方
の長所を兼ね備えた酸化アルミニウムの被膜が被覆され
た切削工具を得るための検討をしていた所、従来の各種
のＰＶＤ法で成膜されている酸化アルミニウムの被膜
は、非晶質の酸化アルミニウムまたは少量の結晶質の酸
化アルミニウムが含まれた非晶質の酸化アルミニウムで
あること、ＰＶＤ法の中でもスパッタ法でもって、基材
温度を高温領域で処理すると結晶質の高い酸化アルミニ
ウムの被膜が形成されること、ＰＶＤ法でもって結晶質
の高い酸化アルミニウムの被膜を形成させた切削工具
は、耐摩耗性，耐欠損性，耐チッピング性に優れるこ
と、特に被膜に残留圧縮応力を付与するとその傾向が高
くなるという知見を得て、本発明を完成するに至ったも
のである。

【００１２】すなわち、本発明の高強度被覆物体は、金
属，合金またはセラミックス焼結体でなる基材の表面
に、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族の金属およびＡｌの
炭化物，窒化物，炭酸化物，窒酸化物およびこれらの相
互固溶体の中から選ばれた１種以上の単層または多層で
なる第１被膜と、酸化アルミニウムの単層もしくは多層
でなる第２被膜とが被覆された被覆物体であって、該第
２被膜は物理蒸着法で形成された酸化アルミニウムでな
り、かつ該酸化アルミニウムがαー酸化アルミニウムお
よび／またはγー酸化アルミニウムを主成分としてお
り、該第１被膜と該第２被膜はそれぞれに０．１ＧＰａ
以上の残留圧縮応力が付与されていることを特徴とする
ものである。

【００１３】本発明の高強度被覆物体における基材は、
具体的には、例えば周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族の金
属，Ｓｉ，Ａｌ，Ｃｕの金属、高速度鋼，ダイス鋼，ス
テンレス鋼等の合金鋼、超硬合金，サーメット等の焼結
合金、酸化アルミニウム基セラミックス，酸化ジルコニ
ウム基セラミックス，窒化ケイ素基セラミックス，炭化
ケイ素基セラミックス等のセラミックス焼結体を挙げる
ことができる。

【００１４】この基材の表面に被覆される被膜の内、第
１被膜は、具体的には、例えばＴｉＣ，ＺｒＣ，Ｈｆ
Ｃ，ＴａＣ，ＮｂＣ，ＶＣ，ＷＣ，Ｃｒ₃Ｃ₂，Ｍｏ
₂Ｃ，ＴｉＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｏ），Ｔｉ（Ｎ，Ｏ），Ｔｉ
（Ｃ，Ｎ），Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ），ＡｌＮ，Ａｌ（Ｎ，
Ｏ），Ａｌ（Ｃ，Ｎ，Ｏ），（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，（Ｔ
ｉ，Ａｌ）（Ｎ，Ｏ），（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ，
Ｏ），（Ｔｉ，Ａｌ）Ｃ，（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｎ，Ｃ）を
挙げることができる。もう１つの被膜である第２被膜
は、αーＡｌ₂Ｏ₃，γーＡｌ₂Ｏ₃またはこれらの混晶、
もしくはκーＡｌ₂Ｏ₃，βーＡｌ₂Ｏ₃，非晶質酸化アル
ミニウム等の他の結晶系の酸化アルミニウムが微量混在
している場合もあるが、９０体積％以上がαーＡｌ
₂Ｏ₃，γーＡｌ₂Ｏ₃またはこれらの混晶でなることが好
ましい。これらの第１被膜および第２被膜は、化学量論
組成または非化学量論組成に形成されていてもよく、実
際には非金属元素比の少なくなった亜化学量論組成の被
膜からなっている。

【００１５】これらの第１被膜と第２被膜の構成は、種
々の組合わせにすることが可能であり、第１被膜と第２
被膜との膜厚は、それぞれを０．１〜１０μｍ、合計
０．２〜２０μｍとして使用することも可能であるが、
基材の表面に第１被膜を形成し、第１被膜の表面に第２
被膜を形成するという膜構成とし、それぞれの膜厚を
０．２〜５μｍ、合計０．４〜１０μｍとすることが膜
の強度および耐剥離性から好ましく、このときの第１被
膜がＴｉの炭化物，窒化物または炭窒化物からなると、
第１被膜と第２被膜との付着性に優れることから好まし
いものである。

【００１６】ＣＶＤ法で成膜した酸化アルミニウムの膜
がガスにより変色しているのに対し、本発明の高強度被
覆物体における第２被膜は、白色透明で外観的にも優れ
ており、鋼との耐溶着性にも優れることから、上述のよ
うに第２被膜が最外層による膜構成も好ましいが、さら
に第２被膜の表面にＴｉの窒化物，炭窒化物，窒酸化物
または炭窒酸化物の第１被膜を形成して、外観的には黄
金色系の色彩にすることも品質管理上および使用管理上
から、好ましいことである。

【００１７】また、これらの第１被膜と第２被膜のそれ
ぞれに圧縮応力が残留されていると、被膜の強度および
破壊靭性値が高くなり、耐欠損性，耐チッピング性に優
れることから好ましく、特に第１被膜と第２被膜のそれ
ぞれに０．１ＧＰａ以上の残留圧縮応力が付与されてい
ることが好ましいことである。

【００１８】本発明の高強度被覆物体を作製するには、
従来から用いられているイオンプレーティング装置また
はスパッタ装置に代表されるＰＶＤ装置でもって行うこ
とができる。作製条件は、従来の条件に比べて、特に基
材温度をできるだけ高温領域側に設定する必要がある。

【００１９】また、被膜に付与する圧縮応力は、基材に
バイアスを印加する方法，ガス圧力の制御，特にスパッ
タ法においては、ターゲットと基材との距離，ターゲッ
トに印加する電圧の制御，および基材加熱温度の制御で
もってコントロールできる。

【００２０】

【作用】本発明の高強度被覆物体は、引張応力ではな
く、逆に圧縮応力が残留されるように形成したＰＶＤ法
による酸化アルミニウムの第２被膜が被膜の強度および
破壊靭性値を高める作用をし、この酸化アルミニウムの
第２被膜の結晶構造がαー酸化アルミニウムおよび／ま
たはγー酸化アルミニウムからなることにより、耐摩耗
性を高める作用をしているものである。

【００２１】

【実施例１】市販の超硬合金（ＩＳＯ規格のＳＮＧＮ１
２０４０８形状，Ｐ３０相当材質）を基材とし、Ｔｉ，
Ｚｒ，Ｈｆ，Ａｌの金属のターゲットおよびαー酸化ア
ルミニウムを主成分とした焼結体のターゲットを用い
て、スパッタ法でもって、表１に示した第１被膜と第２
被膜を基材表面に被覆した。（基材表面から順次第１
層，第２層，第３層として被覆）スパッタ条件として
は、第１被膜の内、窒化物の成膜は、アルゴンガスと窒
素ガスの混合中で行い、炭化物の成膜は、アルゴンガス
とメタンガスの混合中で行い、炭窒化物の成膜は、アル
ゴンガスと窒素ガスとメタンガスの混合中で行い、炭酸
化物の成膜は、アルゴンガスと酸素ガスの混合中で行
い、第２被膜の成膜は、表２に示したアルゴンガス圧お
よび基材温度の条件でそれぞれ被覆した。

【００２２】こうして得た本発明品１〜１１および比較
品１〜３の被膜成分，被膜内応力をＸ線回折により求め
て、表１に併記し、膜厚を顕微鏡で観察し、その平均値
を表１に併記した。本発明品２，１０のγーＡｌ₂Ｏ₃被
膜中には、αーＡｌ₂Ｏ₃が混在しており、比較品１〜３
の酸化アルミニウムの被膜は、非晶質（ａーＡｌ₂Ｏ₃）
であった。

【００２３】次に、本発明品１〜１１，比較品１〜３お
よびＣＶＤ法によるＴｉＮ被膜とαーＡｌ₂Ｏ₃被膜を成
膜した比較品４を用いて、以下の（Ａ）耐摩耗性切削試
験条件と（Ｂ）耐欠損性切削試験条件で切削試験を行
い、その結果を表２に併記した。

【００２４】 （Ａ）耐摩耗性切削試験条件 被削材 ： Ｓ４８Ｃ（硬さＨＢ２４０，φ２５０ｍｍの丸棒） 切削速度 ： ３００ｍ／ｍｉｎ 送り ： ０．３ｍｍ／ｒｅｖ 切込み ： １．５ｍｍ 切削油 ： 水溶性 評価 ： 工具すくい面摩耗深さＫＴ＝１００μｍで寿命とし、 このときまでの切削時間 （Ｂ）耐欠損性切削試験条件 被削材 ： Ｓ４５Ｃ（硬さＨＢ２３０，φ１２０ｍｍの丸棒を 圧延方向と平行に幅１０ｍｍの溝を等間隔に４本つ けた。） 切削速度 ： １５０ｍ／ｍｉｎ 送り ： ０．３５ｍｍ／ｒｅｖ 切込み ： １．５ｍｍ 切削油 ： 水溶性 評価 ： 工具刃先がチッピングまたは欠損するまでの 衝撃回数

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】

【実施例２】市販されている各種の粉末を用いて、表３
の成分組成に配合し、従来の粉末冶金法と同様に、混合
粉砕，乾焼，粉末圧粉成形体および焼結工程を経てサー
メット焼結合金（ＩＳＯ規格ＳＮＧＮ１２０４０８形
状）を作製した。

【００２８】これらのサーメット焼結合金を基材とし、
実施例１の本発明品１の成膜条件の内、成膜時間および
酸化アルミニウムの被膜作製時のＡｒガス圧を０．０６
Ｐａとした以外は、本発明品１とほぼ同様に行って、基
材表面に平均１．９μｍ膜厚のＴｉＮの第１被膜と平均
１．７μｍ膜厚のαー酸化アルミニウムの第２被膜を作
製し、本発明品１２〜１４を得た。

【００２９】比較として、成膜時間以外は、実施例１の
比較品３とほぼ同様に行って、サーメット焼結合金の基
材表面に平均１．９μｍ膜厚のＴｉＮ被膜と平均１．７
μｍ膜厚の非晶質の酸化アルミニウム被膜を作製し、比
較品５〜７を得た。

【００３０】こうして得た本発明品１２〜１４および比
較品５〜７を実施例１と同様にして調べた所、それぞれ
の被膜の残留応力は、本発明品１２〜１４が実施例１の
本発明品１とほぼ同様であり、比較品５〜７が実施例１
の比較品３とほぼ同様であった。また、本発明品１２〜
１４および比較品５〜７を用いて、実施例１の（Ａ）条
件および（Ｂ）条件による切削試験を行い、その結果を
表３に併記した。

【００３１】

【表３】

【００３２】

【実施例３】市販されているＳｉ₃Ｎ₄基セラミックス焼
結体を基材とした以外は、実施例２の本発明品１３とほ
ぼ同様に行って、この基材表面にＴｉＮの第１被膜とα
ーＡｌ₂Ｏ₃の第２被膜を作製し、本発明品１５を得た。

【００３３】比較として、Ｓｉ₃Ｎ₄基セラミックス焼結
体を基材とした以外は、実施例２の比較品５とほぼ同様
に行って、この基材表面にＴｉＮの被膜と非晶質の酸化
アルミニウムの被膜を作製し、比較品８を得た。

【００３４】こうして得た本発明品１５および比較品８
を用いて、被削材：ＦＣ３５，切削速度：３００ｍ／ｍ
ｉｎ，切込み：１．０ｍｍ，送り：０．３ｍｍ／ｒｅ
ｖ，水溶性切削油による旋削試験を行った所、本発明品
１５は、３０分間切削後も被膜の剥離が生じなく、正常
な摩耗形態であったのに対し、比較品８は、１５分間切
削後に摩耗量が大きく、微小剥離も伴って寿命となっ
た。

【００３５】

【発明の効果】本発明の高強度被覆物体は、従来のＰＶ
Ｄ法でもって、非晶質の酸化アルミニウムの被膜が形成
された被覆物体に比べて、切削試験における耐摩耗性に
おいて約３倍、耐欠損性において約２倍〜７倍も向上す
るという顕著な効果があり、従来のＣＶＤ法でもって、
αー酸化アルミニウムの被膜が形成された被覆物体に比
べて、切削試験における耐摩耗性においては、同等〜約
７０％の向上、耐欠損性においては、約４倍〜７倍も向
上するという、特に耐欠損性において顕著な効果があ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 28/04 C23C 14/08 C23C 16/30

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属，合金またはセラミックス焼結体で
   なる基材の表面に、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族の金
   属およびＡｌの炭化物，窒化物，炭酸化物，窒酸化物お
   よびこれらの相互固溶体の中から選ばれた１種以上の単
   層または多層でなる第１被膜と、酸化アルミニウムの単
   層もしくは多層でなる第２被膜とが被覆された被覆物体
   であって、該第２被膜は物理蒸着法で形成された酸化ア
   ルミニウムでなり、かつ該酸化アルミニウムがαー酸化
   アルミニウムおよび／またはγー酸化アルミニウムを主
   成分としており、該第１被膜と該第２被膜はそれぞれに
   ０．１ＧＰａ以上の残留圧縮応力が付与されていること
   を特徴とする高強度被覆物体。
2. 【請求項２】 上記第１被膜は、Ｔｉの炭化物，窒化物
   または炭窒化物からなり、該第１被膜の表面に上記第２
   被膜が形成されており、該第１被膜および該第２被膜の
   膜厚さがそれぞれ０．２〜５μｍであることを特徴とす
   る請求項１に記載の高強度被覆物体。
3. 【請求項３】 上記第２被膜は、９０体積％以上がαー
   酸化アルミニウム，γー酸化アルミニウムまたはこれら
   の混晶であることを特徴とする請求項１または２に記載
   の高強度被覆物体。