JP3347244B2 - 高靭性被覆材料 - Google Patents
高靭性被覆材料Info
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Description
ラミックス焼結体の基体上にTiとAlと他の金属元素
との化合物でなる被膜を被覆してなる高靭性被覆材料に
関し、具体的には、金属、合金またはセラミックス焼結
体の基体上に高硬度、高靭性を有した被膜を被覆して、
例えば旋削工具,フライス工具,ドリル,エンドミルに
代表される切削用工具、スリッタ−などの切断刃,裁断
刃とダイス,パンチなどの型工具とノズルなどの耐腐食
耐摩耗部材として代表される耐摩耗用工具、ビットに代
表される土木建設用工具として最適な高靭性被覆材料に
関する。
に厚さが20μm以下のセラミックスの被膜を被覆し、
基体と被膜とのそれぞれの特性を有効に引き出して、長
寿命を達成しようとした被覆部材が多数提案されてい
る。この被覆部材に被膜を被覆する方法は、大別すると
化学蒸着法(CVD法)と物理蒸着法(PVD法)があ
る。これらのうち、特にPVD法により被覆された被膜
は、基体の強度を劣化させることなく耐摩耗性を高める
利点がある。そのために、一般に強度,耐欠損性を重要
視するドリル、エンドミル、フライス用スロ−アウェイ
チップに代表される被覆切削工具の被膜は、PVD法に
より被覆されているのが現状である。
チタンの被膜を被覆することはよく知られている。しか
しながら、窒化チタンを代表とする金属窒化物は高温で
酸化されやすく、耐摩耗性が著しく劣化するという問題
がある。この窒化チタン被膜の酸化の問題を改善しょう
として1980年代中頃から提案されたものに、(Ti
Al)Nの被膜,(TiAlV)Nの被膜および(Ti
AlCr)Nの被膜に代表される被覆部材に関するもの
があり、その代表的なものとして特開昭62−5656
5号公報,特開平2−138458号公報および特開平
4−128363号公報がある。その他、Tiの化合物
と金属との複合被膜に関するものとして特開昭64−7
9373号公報がある。
に関する先行技術としての特開昭62−56565号公
報には、基体の表面にTiとAlの炭化物,窒化物およ
び炭窒化物のうちの1種の単層または2種以上の複層で
なる硬質被覆層を0.5〜10μm厚さで形成した耐摩
耗性に優れた表面被覆硬質部材について記載されてい
る。
当初の通りにTi化合物の被膜に比べて耐酸化性および
耐摩耗性の向上した被覆硬質部材ではあるが、逆に機械
的性質が劣化し、工具、特に苛酷な条件で用いられる切
削工具へ適用した場合に切削性能が低下するという問題
がある。つまり、同公報に記載の表面被覆硬質部材は、
被膜中にAlを含有させることにより、Ti化合物の被
膜に比較して被膜表面の化学的性質の向上を達成した反
面、破壊靭性値が低下すること、特に高速切削用切削工
具として用いると、高温による被膜の酸化,急激な摩耗
の進行,熱衝撃性による劣化および被削材との溶着によ
り短寿命になるという問題がある。
は、基体上にAl量またはV量を段階的もしくは連続的
に増加させた(TiAlV)N系の組成構造を有する複
合被膜を被覆した複合硬質材料について開示されてい
る。また、特開平4−128363号公報には、基体の
表面に(TiAlCr)Nの被膜を被覆した複合材料に
ついて開示されている。
公報は、基体と被膜との熱膨張差による界面における応
力を考慮し、被膜の耐剥離性を高めようとしたものであ
り、後公報は、被膜の耐腐食性を高めようとしたもので
あるが、両公報共に膜生成が困難であること、膜自体が
脆性なために切削用工具のような苛酷な用途では剥離ま
たはチッピングを生じ易くて短寿命になるという問題が
ある。
は、基体上にNi−TiC複合被膜を析出させる方法に
ついて開示されている。同公報に記載の複合被膜は、基
体との密着性に優れており、耐剥離性に優れるという被
膜ではあるが、耐摩耗性、特に高温における耐摩耗性お
よび耐酸化性に劣るために切削用工具のような苛酷な用
途では短寿命になるという問題がある。
もので、具体的には、低温領域から高温領域に至るまで
の広い領域において、高靭性,高硬度性,耐摩耗性,耐
酸化性,耐熱衝撃性,耐欠損性,耐溶着性のある被膜お
よび耐剥離性の被膜を被覆したことにより一層長寿命と
なる高靭性被覆材料の提供を目的とする。
Alとの化合物の被膜を被覆した被覆部材が、低温領域
で使用すると割合に優れた効果を発揮するのに対し、高
温領域で使用するとその効果が低減されるという問題を
検討していたところ、TiとAlとさらに第3の金属元
素を含めた化合物でなる被膜とし、かつ第3の金属元素
を選定することにより、高靭性な被膜となること、また
低温から高温の領域に至るまで耐摩耗性の低減が生じな
く、寿命が向上するということを見出し、本発明を完成
するに至ったものである。
結合金またはセラミックス焼結体の基体上に被膜を被覆
した被覆部材において、該被膜は高靱性被膜層を含んで
おり、該高靱性被膜層はTi元素と、Al元素と、N
i,Co,Fe,Mn,Yの中の少なくとも1種の金属
元素とを含む複合窒化物,複合炭窒化物,複合窒酸化
物,複合炭窒酸化物でなる第1物質と、Ni,Co,F
e,Mn,Yの中の少なくとも1種の金属または合金で
なる第2物質とからなり、該高靱性被膜層に含有する該
第2物質が10原子%以下であることを特徴とするもの
である。
基体は、被膜を被覆するときに加熱する温度に耐えるこ
とができる金属部材,焼結合金またはセラミックス焼結
体でなり、具体的には、例えばステンレス鋼,耐熱合
金,高速度鋼,ダイス鋼,Ti合金,Al合金に代表さ
れる金属部材、超硬合金,サ−メット,粉末ハイスの焼
結合金、Al2O3系焼結体,Si3N4系焼結体,サイア
ロン系焼結体,ZrO2系焼結体のセラミックス焼結体
を挙げることができる。これらのうち、切削用工具また
は耐摩耗用工具として用いるときには、超硬合金,窒素
含有TiC系サ−メットもしくはセラミックス焼結体の
基体が好ましい。
は多層でなる上述の高靭性被膜のみでなる場合、もしく
は後述するように高靭性被膜と他の膜とを組合わせた積
層膜とすることも好ましいことである。この被膜の総膜
厚さは、0.5〜20μmからなることが好ましく、特
に耐剥離性および耐摩耗性から1.0〜10μmでなる
ことが好ましい。また、用途および形状により被膜の厚
さを選定することが好ましく、例えばエンドミル,ドリ
ル,フライス用切削工具に用いるときには被膜厚さを薄
くすることが好ましく、具体的には、例えば1.0〜5
μmの被膜厚さでなることが好ましい。
膜は、具体的には、例えば(Ti,Al,Ni)N−N
i、(Ti,Al,Ni)CN−Ni、(Ti,Al,
Co)N−Co、(Ti,Al,Co)CN−Co、
(Ti,Al,Fe)N−Fe,(Ti,Al,Mn)
N−Mn、(Ti,Al,Y)N−Ni、(Ti,A
l,Ni,Co)N−Co、(Ti,Al,Ni)N−
Co、(Ti,Al,Ni)N−Co−Ni、(Ti,
Al,Mn)N−Mn、および(Ti,Al,Ni,C
o)N−Co、を挙げることができる。この高靭性被膜
は、0.5〜10μmでなる膜厚さでなることが好まし
く、特に耐衝撃性を重要視する用途においては0.5〜
5μmでなる膜厚さでなることが好ましい。
は非化学量論組成でなる第1物質を含有している場合で
もよいが、特に、(Tia、Alb、X1-a-b)CyN1-y
の式[但し、式中のTiはチタン、Alはアルミニウ
ム、XはNi(ニッケル),Co(コバルト),Fe
(鉄),Mn(マンガン),Y(イットリウム)の中の
1種以上を示し、a、bはそれぞれTiおよびAlの原
子比を、yは炭素の原子比を表す。また、a+b<1、
0.05≦a≦0.75、0.05 ≦b≦0.90、
0≦y≦0.95の関係にある]で表わせる複合窒化
物および複合炭窒化物のなかの1種以上でなる第1物質
に、Ni,Co,Fe,Mn,Y,Al,Tiの中の少
なくとも1種の金属または合金でなる第2物質を10原
子%以下含有してなる単層または2層以上の複層からな
ることが好ましい。高靭性被膜中における第2物質の含
有量が10原子%を超えて多くなると耐摩耗性の低下が
顕著になること、より耐摩耗性を高めるためには高靭性
被膜中における第2物質の含有量は、特に、5原子%以
下でなることが好ましい。
成は、高靭性,高強度性,高耐摩耗性および優れた付着
性を有している高靭性被膜を、基体に隣接して直接形成
させる第1の構成とすること、または基体と高靭性被膜
との間に下地層および/または内層でなる他の膜を介在
させて積層でなる第2の構成とすること、さらには第1
の構成もしくは第2の構成でなる高靭性被膜の表面に外
層および/または最外層を形成した積層でなる第3の構
成とすることも好ましい。
と、基体上に順次被覆される被膜の構成が基体−高靭性
被膜でなる第1の構成、基体−下地層−高靭性被膜、基
体−内層−高靭性被膜、基体−下地層−内層−高靭性被
膜でなる第2の構成、基体−高靭性被膜−外層、基体−
高靭性被膜−外層−最外層、基体−下地層−高靭性被膜
−外層、基体−内層−高靭性被膜−外層、基体−内層−
高靭性被膜−外層−最外層、基体−下地層−内層−高靭
性被膜−外層でなる第3の構成を挙げることができる。
には、例えばTi,TiAl,Ti3Al,TiAl3,
W,に代表される金属または合金の1種の単層または2
種以上の複層でなるものを挙げることができる。また、
内層および外層は、具体的には、例えば周期律表の4
a,5a,6a族元素の炭化物,窒化物,炭酸化物,窒
酸化物およびこれらの相互固溶体の1種の単層または2
種以上の複層でなるものを挙げることができる。さら
に、最外層は、具体的には、例えば酸化アルミニウム,
(TiAl)N,(TiAl)CN,(TiAl)CN
Oの1種の単層または2種以上の複層でなるものを挙げ
ることができる。
接高靭性被膜を形成することも好ましく、また基体と高
靭性被膜との間にTiの炭化物,窒化物,炭窒化物,炭
酸化物,窒酸化物,炭窒酸化物の中の1種の単層または
2種以上の複層でなる内層を介在させることも特に好ま
しいことである。
されているステンレス鋼,耐熱合金,高速度鋼,ダイス
鋼,Ti合金,Al合金に代表される金属部材、超硬合
金,サ−メット,粉末ハイスの焼結合金、Al2O3 系
焼結体,Si3 N4系焼結体,サイアロン系焼結体,Z
rO2系焼結体のセラミックス焼結体を基体とし、好ま
しくはJIS規格B4053の超硬合金の使用選択基準
の中で分類されているP20〜P40,M20〜40お
よびK10〜K20相当の超硬合金材質、特に好ましく
はP30,M20,M30相当の超硬合金材質でなる基
体を用いればよい。この基体の表面を、必要に応じて研
磨し、超音波,有機溶剤などによる洗浄処理を行った
後、従来から行われている物理蒸着法(PVD法),化
学蒸着法(CVD法)またはプラズマCVD法により基
体上に被膜を被覆することにより作製することができ
る。
じて被覆する下地層を含めて、それぞれの膜質に応じて
PVD法,CVD法,またはプラズマCVD法を使い分
けることもできる。これらのうち、製造工程上から全て
の被膜を、イオンプレ−ティング法またはスパッタリン
グ法に代表されるPVD法で行うことが好ましく、この
中でもイオンプレ−ティング法、特にア−クイオンプレ
−ティング法で被覆処理することが好ましい。
オンプレ−ティング法で作製する場合について、さらに
詳述すると、金属源としては金属チタン、金属アルミニ
ウムおよびその他の金属(X元素)の3種類を独立して
用いてもよく、またはそれぞれの元素を含有している合
金を使用してもよい。また、高靭性被膜中の第2物質
は、基体に含有している金属が拡散されて生じる場合も
起こり得る。金属のイオン化の方法もア−ク放電の他、
グロ−放電または高周波加熱などのいずれでもよい。イ
オンプレ−ティング法で使用するガスは、窒化物を生成
するためのガス、すなわち窒素ガスの他、窒素を含んだ
アンモニアなどの化合物ガスを用いてもよい。この反応
ガスを炉内に導入し、金属源としての金属または合金を
イオン化し、基体に負のバイアスを印加して被膜を合成
することが好ましい。
全体の破壊靭性値および耐摩耗性を向上させる作用を
し、かつ基体と被膜との界面近傍に残留する応力を緩和
する作用をし、特に超硬合金でなる基体の場合には付着
性を高める作用をし、これらの全ての作用により被覆材
料全体に優れた特性を達成させているものである。
の超硬合金(JIS規格B4053のP30相当材質)
を基体とし、この基体表面を有機溶剤で洗浄した後、ア
ーク放電プラズマ装置のチャンバー内に設置し、(逃げ
面とすくい面へ同時に被覆できる治具を用いて設置)、
チャンバー内を1.0×10ー5〜3.0×10ー6To
rrの真空とした。次いでチャンバー内を表1に示すガ
ス組成およびガス圧に保持し、基体を600℃に加熱し
た。最初にTiイオンをアーク放電して、基体に2分間
ボンバードさせた。次に、アーク放電電流を約100A
に保ち、Ti−Al−Ni合金と表2の高靱性被膜欄に
おける各金属,合金を約30分間放電させて本発明品1
〜5を、表1のターゲット欄におけるTi−Al組成を
同様に処理して比較品1〜3を得た。
1〜3のそれぞれの被膜は、X線回折装置、電子顕微鏡
およびEDX装置により調べて(Ti、Al、X)化合
物および金属でなることを確認した。本発明品1〜5お
よび比較品1〜3の被膜組成成分は、X線回折装置およ
びグロー放電発光分析装置により解析し、また、それぞ
れの被膜厚さは走査型電子顕微鏡で調べて、表2に示し
た。次いで、本発明品1〜5および比較品1〜3を用い
て被削材:S45C(HB190)、切削速度300m
/min、送り:0.5mm/rev、切込み:2.0
mm、切削時間:60min、乾式切削試験による第1
切削条件と被削材:S48C、切削速度150m/mi
n、送り:0.3mm/rev、切込み:1.5mm、
切削時間:30min、乾式切削試験による第2切削条
件で、切削試験を行い、それぞれの平均逃げ面摩耗幅を
測定し、その結果を表2に併記した。
のM20相当の超硬合金製)を基体として用いた以外
は、実施例1の本発明品1〜5の製造条件と略同様に処
理し、それぞれ本発明品6〜10を得た。また、実施例
1の比較品1〜3の製造条件と略同様に処理し、それぞ
れ比較品4〜6を得た。こうして得た本発明品6〜10
および比較品4〜6のそれぞれの被膜を、実施例1と同
様にして調べて、その結果を表3に示した。
6を用いて被削材:SKD61(HRC41)、送り:
0.08/rev、切込み:Ad=12mm、Rd=
0.8mm、切削速度:20m/min、工具形状:8
mm径の2枚刃エンドミル、水溶性切削による第3切削
条件と、被削材:SUS304(HB180)、送り:
0.03/rev、切込み:Ad=7mm、Rd=1m
m、切削速度:50m/min、工具形状:5mm径の
2枚刃エンドミル、水溶性切削による第4切削条件とで
切削試験を行い、それぞれ切削長50m時における逃げ
面摩耗幅を測定し、その結果を表3に併記した。
の超硬合金(JIS規格B4053のP30相当材質)
を基体とし、この基体表面を有機溶剤で洗浄した後、ア
ーク放電プラズマ装置のチャンバー内に設置し、(逃げ
面とすくい面へ同時に被覆できる治具を用いて設置)、
チャンバー内を1.1×10ー5〜1.5×10ー5To
rrの真空とした。次いでチャンバー内をN2−CH4ガ
ス組成および2.1×10ー2Torrのガス圧に保持
し、基体を約600℃に加熱した。最初にTiイオンを
アーク放電して、基体に3分間ボンバードさせた。次
に、アーク放電電流を約100A,N2流量:90(S
CCM),CH4流量:90(SCCM),基体バイア
ス:ー100Vに保ち、実施例1の本発明品1〜5と同
様にTiーAlーNi合金などを約30分間放電させて
本発明品11を得た。また、N2流量:100(SCC
M),CH4流量:80(SCCM)としたこと、Ti
金属を用いたこと、および放電時間:50分間とした以
外は、本発明品11と同様に処理して比較品7を得た。
のそれぞれの被膜を、実施例1における方法と同様にし
て調べた結果、本発明品11は、被膜組成:(T
i0.28,Al0.67,Ni0.05)C0.6N0.4−2atm%
Ni,被膜厚さ:3.8μm,被膜硬さ:3030(H
V−0.05),被膜スクラッチ強度:85Nでなり、
比較品7は、被膜組成:Ti(C0.6,N0.4),被膜厚
さ:4.0μm,被膜硬さ:2530(HV−0.0
5),被膜スクラッチ強度:65Nであった。
iAl)N被膜を被覆した比較品に対比して、高硬度,
高靭性,耐摩耗性,耐酸化性,耐熱衝撃性,耐欠損性,
耐溶着性を有し、かつ被膜の耐剥離性により一層優れる
ことから、この分野での中速切削領域から高速切削領域
に相当する領域において、長寿命になるという効果があ
る。したがって、本発明の高靭性被覆材料は、従来の被
覆部材の領域である低速切削領域から高速切削領域に至
るまで広い領域で長寿命を達成できるという優れた効果
があること、特にエンドミルおよびドリルとして長寿命
が得られるという効果があること、また高靭性および高
硬度な被膜を被覆した被覆材料であることから、軽切削
領域から重切削領域においても優れた効果を発揮できる
ものである。
Claims (6)
- 【請求項1】 金属材料,焼結合金またはセラミックス
焼結体の基体上に被膜を被覆した被覆部材において、該
被膜は高靱性被膜層を含んでおり、該高靱性被膜層はT
i元素と、Al元素と、Ni,Co,Fe,Mn,Yの
中の少なくとも1種の金属元素とを含む複合窒化物,複
合炭窒化物,複合窒酸化物,複合炭窒酸化物でなる第1
物質と、Ni,Co,Fe,Mn,Yの中の少なくとも
1種の金属または合金でなる第2物質とからなり、該高
靱性被膜層に含有する該第2物質が10原子%以下であ
ることを特徴とする高靱性被覆部材。 - 【請求項2】 上記第1物質は、次式(A)で表わせる
窒化物または炭窒化物でなることを特徴とする高靭性被
覆材料。 (Tia、Alb、X1-a-b)CyN1-y −−−−(A) [但し、(A)式中のTiはチタン、Alはアルミニウ
ム、XはNi(ニッケル),Co(コバルト),Fe
(鉄),Mn(マンガン),Y(イットリウム)の中の
1種以上を示し、a、bはそれぞれTiおよびAlの原
子比を、yは炭素の原子比を表す。また、a+b<1、
0.05≦a≦0.75、0.05 ≦b≦0.90、
0≦y≦0.95の関係にある] - 【請求項3】 上記第1物質は、TiとAlとNiとを
含む窒化物または炭窒化物でなることを特徴とする請求
項1または2記載の高靭性被覆材料。 - 【請求項4】 上記被膜は、Tiの炭化物,窒化物,炭
窒化物,炭酸化物,窒酸化物,炭窒酸化物の中の1種の
単層または2種以上の複層でなる内層と該内層の表面に
被覆された上記高靭性被膜の層とからなることを特徴と
する請求項1,2または3記載の高靭性被覆材料。 - 【請求項5】 上記被膜は、総膜厚さが0.5〜20μ
mでなることを特徴とする請求項1,2,または3記載
の高靭性被覆材料。 - 【請求項6】 上記高靭性被膜は、膜厚さが0.5〜1
0μmでなることを特徴とする請求項1,2,3または
4記載の高靭性被覆材料。
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JP29621795A JP3347244B2 (ja) | 1995-10-18 | 1995-10-18 | 高靭性被覆材料 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JPH09111437A JPH09111437A (ja) | 1997-04-28 |
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JP4711106B2 (ja) * | 2004-04-09 | 2011-06-29 | 三菱マテリアル株式会社 | 難削材の高速断続切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆立方晶窒化硼素系焼結材料製切削工具 |
-
1995
- 1995-10-18 JP JP29621795A patent/JP3347244B2/ja not_active Expired - Fee Related
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