JP3347247B2 - 高靭性被膜被覆体 - Google Patents
高靭性被膜被覆体Info
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Description
ラミックス焼結体の基体上に、ＴｉとＡｌとの化合物に
金属または合金を含有してなる高靭性被膜を被覆してな
る高靭性被膜被覆体に関し、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
適な高靭性被膜被覆体に関する。
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種以上の多層で
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
なる高靭性被膜被覆体の提供を目的とする。
の基体上にＴｉと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との
化合物に、さらに第３の金属および／または合金を含め
た被膜とし、かつ第３の金属および／または合金の含有
量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。
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
覆した被覆体において、該被膜は単層または多層の高靱
性被膜層，もしくは該高靱性被膜層と他の膜層との積層
膜でなり、該高靱性被膜層はＴｉとＡｌとを含む複合窒
化物，複合炭窒化物，複合窒酸化物，複合炭窒酸化物の
中の１種でなる第１物質と金属または合金でなる第２物
質とでなり、該高靱性被膜層に含有する該第２物質が１
０原子％以下であることを特徴とするものである。
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。
被膜を構成する第１物質は、具体的には、例えば（Ｔｉ
Ａｌ）Ｎ，（ＴｉＡｌ）ＣＮ，（ＴｉＡｌ）ＮＯ，（Ｔ
ｉＡｌ）ＣＮＯの中の１種でなり、これらは化学量論組
成または非化学量論組成でなる場合でもよく、特に、
（Ｔｉa，Ａｌb）ＣyＮ1-y の式［但し、式中のＴｉは
チタン、Ａｌはアルミニウム、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≦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種以上でなる場合が耐摩耗性および高
靭性から好ましい。
る第２物質は、具体的には、例えば周期律表の４ａ，５
ａ，６ａ族金属，鉄族金属，Ａｌ，Ｍｎ，Ｙ，Ｓｉおよ
びこれらの相互合金の中の１種以上の金属または合金を
挙げることができる。これらのうちＮｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，
Ｍｎ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｙの中の１種以上の金属または合金
でなる場合には、密着性に優れることから、特に好まし
いことである。
る高靭性被膜は、具体的には、例えば（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ
−Ｎｉ、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ−Ｎｉ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ
−Ｃｏ、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ−Ｃｏ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ
−Ｆｅ，（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ−Ｍｎ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ−
Ｙ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ−Ｃｏ−Ｎｉ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ
−Ｃｏ−Ｆｅ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ−Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ−Ｍｎ−Ｎｉ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ−Ｎ
ｉ−Ｆｅ、および（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ−Ｔｉ−Ａｌを挙げ
ることができる。この高靭性被膜は、耐剥離性から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。
ｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｙの中の少なくと
も１種の金属または合金でなる第２物質を１０原子％以
下含有してなる単層または２層以上の多層からなること
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。
構成は、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
種以上の多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
種以上の多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種以上の多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種以上の多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。
販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，Ｓｉ3Ｎ4系焼結体，サイアロン系焼結体，Ｚｒ
Ｏ2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。
イオンプレ−ティング法で作製する場合について、さら
に詳述すると、金属源としては第１物質を構成する金属
チタン、金属アルミニウムおよび第２物質となる金属を
それぞれ独立して用いてもよく、またはＴｉとＡｌの元
素を含有している合金と第２物質となる金属とを使用し
てもよい。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。特に、高靭性
被膜を形成するためには、第１物質を構成するための金
属源と、第２物質を構成するための金属源とのイオン化
に時間差をつけることが重要である。
膜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体
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、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｍｎの金属（表中、Ｘと表示）を
約０．５分間放電させた後、さらに放電と中止とを断続
的に行って表１に記載のＸ分間を合計放電時間としなが
ら、Ｔｉ−Ａｌ合金を約３０分間放電させて、本発明品
１〜５を得た。比較として、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｍｎの金属放
電のみ削除し、他は略同様に処理を行い比較品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）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／ｍ
ｉｎ、送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ、切込み：２．０ｍ
ｍ、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
ーク放電プラズマ法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１．１×１０-5〜１．５×１０-5Ｔｏｒｒ
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２．１×１０-2Ｔｏｒｒのガス圧に保持し、基
体を約６００℃に加熱した。最初に電流を約８００Ａに
保持しながら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１００
Ａ，Ｎ2流量：９５（ＳＣＣＭ），ＣＨ4流量：８５（Ｓ
ＣＣＭ），基体バイアス：−１００Ｖに保ち、Ｃｏ金属
を約０．５分間放電させた後、さらにＣｏ金属を０．５
分間放電させながらＴｉ−Ａｌ合金を約３０分間放電さ
せて本発明品１１を得た。また、Ｎ2流量：１００（Ｓ
ＣＣＭ），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
ｉ0.5，Ａｌ0.5）Ｃ0.6Ｎ0.4−２ａｔｍ％Ｃｏ，被膜厚
さ：３．８μｍ，被膜硬さ：３０１０（ＨＶ−０．０
５），被膜スクラッチ強度：９０Ｎ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−０．０５），被膜
スクラッチ強度：６５Ｎであった。
（ＴｉＡｌ）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、本発明の高靭性被膜被覆体は、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体であることから、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 (7)
- 【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体において、該被
膜は単層または多層の高靱性被膜層，もしくは該高靱性
被膜層と他の膜層との積層膜でなり、該高靱性被膜層は
ＴｉとＡｌとを含む複合窒化物，複合炭窒化物，複合窒
酸化物，複合炭窒酸化物の中の１種でなる第１物質と金
属または合金でなる第２物質とでなり、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
徴とする高靱性被膜被覆体。 - 【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請求項１
記載の高靭性被膜被覆体。 （Ｔｉa，Ａｌb）ＣyＮ1-y −−−−（Ａ） ［但し、（Ａ）式中のＴｉはチタン、Ａｌはアルミニウ
ム、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≦ｙ≦０．９５の関係にある］ - 【請求項３】 上記第２物質は、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｍ
ｎ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｙの中の少なくとも１種の金属または
これらの合金でなることを特徴とする請求項１または２
記載の高靭性被膜被覆体。 - 【請求項４】 上記高靭性被膜は、ＴｉとＡｌとを含む
窒化物または炭窒化物でなる第１物質とＮｉでなる第２
物質とからなることを特徴とする請求項１または２記載
の高靭性被膜被覆体。 - 【請求項５】 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種以上の多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とからなることを特徴とする
請求項１，２，３または４記載の高靭性被膜被覆体。 - 【請求項６】 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１，２，３，４または
５記載の高靭性被膜被覆体。 - 【請求項７】 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１，２，３，４，
５または６記載の高靭性被膜被覆体。
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Applications Claiming Priority (1)
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-
1995
- 1995-11-02 JP JP31011095A patent/JP3347247B2/ja not_active Expired - Fee Related
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