JP3822655B2 - 耐摩耗性に優れた硬質皮膜および硬質皮膜被覆部材 - Google Patents
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【０００１】
【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に関し、更には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部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高速度工具や超硬合金工具など高い耐摩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。
【０００３】
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ＴｉＣ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良好な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。
【０００４】
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せいぜい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せいぜい２０００程度であり、いずれについても耐摩耗性の一層の改善が望まれていた。
【０００５】
そこで例えば特開平２−１９４１５９には、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と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２５００程度まで改善されている。
【０００６】
また本発明者らはＡｌおよびＴｉとＮとの化合物をベースとして、一部の元素を他の元素と置換することにより、高い硬度と良好な耐酸化性を有して優れた耐摩耗性を発揮する硬質皮膜を開発して先に出願を済ませている。例えば（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）膜（特願平６−１００１５４）は、酸化開始温度は約１０００℃であり、ビッカース硬さは３１００程度である。
【０００７】
さらに特開平４−１２０２６５号公報には、Ｈｖ３５００以上という高い硬度を有するｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）を、耐摩耗性基材に密着性よく形成することは困難であるという問題点を解決する技術として、基材とｃＢＮ皮膜の間にＴｉＮなどの中間層を形成することによってｃＢＮ皮膜を密着性よく被覆する発明が開示されている。確かにＴｉＮなどからなる中間層は基材との密着性に優れており、更に上記中間層とｃＢＮ皮膜の密着性も高いので、ｃＢＮ皮膜が容易に剥離することはない。しかしながら、ｃＢＮ皮膜はＨｖ３５００以上という高い硬度を有しているにもかかわらず、ＴｉＮなどの中間層の上に形成される場合には中間層の硬度が低いことからｃＢＮ皮膜に期待される程の高い硬度は得られず、しかも耐酸化性も不充分であった。
【０００８】
この様な状況のもと、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る。
【０００９】
【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、これまでに開発してきた硬質皮膜の優れた特性を生かしつつ、一段と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しており、更には高い耐摩耗性が要求される部材に上記硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆部材を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成した本発明に係る硬質皮膜とは、基材表面に形成される硬質皮膜であって、第１層および第２層を有し、上記第１層は基材側に形成されて、
（Ａｌx Ｔｉ1-x-y Ｓｉy ）（Ｃz Ｎ1-z ）
但し、０．０５≦ｘ≦０．７５
０．０１≦ｙ≦０．１
０≦ｚ≦０．４
で示される化学組成からなり、前記第２層は表面側に積層されたＢＮであることを要旨とするものである。尚、上記の変数ｘ，ｙ，ｚはいずれも、原子量比である。
【００１１】
上記硬質皮膜の厚さは、第１層および第２層共に０．１〜２０μｍにすることが好ましく、上記硬質皮膜を基材表面に形成すれば耐摩耗性に優れた硬質皮膜被覆部材を得ることができる。
【００１２】
【作用】
本発明者らは上記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜の耐摩耗性をより一層向上させることを目的として検討を重ねた結果、上記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜の表面にＢＮ膜を保護層として密着性よく形成することによって、硬質皮膜全体としての硬度および耐酸化性を高めることができ、硬質皮膜の耐摩耗性を大幅に向上できることを突き止めた。
【００１３】
本発明の硬質皮膜が従来の硬質皮膜に比べて優れた耐摩耗性を発揮できる様になった理由は十分に解明されたわけではないが、以下の様に考えられる。即ち、硬度が高く且つ耐酸化性に優れしかも摩擦係数が小さいＢＮ膜を、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜上に表面層として密着性よく形成することによって、皮膜全体のビッカース硬さを４０００以上と高硬度にすることができると共に、その下層の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜表面に形成されＡｌ酸化物からなる保護皮膜を著しく緻密化するためであると考えられる。
【００１４】
尚、ＢＮ皮膜は、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜と優れた親和性および反応性を有しているので、下地の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜に密着性良く形成することができ、しかも（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜と基材との密着性を損なうこともないので、切削工具やその他の耐摩耗部材の表面に適用した場合であっても、各界面における剥離の問題を生ずることが少なく、硬質皮膜の優れた耐摩耗性を十分に発揮する硬質皮膜被覆部材を得ることができる。
【００１５】
本発明におけるＢＮ皮膜が下地（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜に密着性良く形成することができる理由については、未解明の部分を残しているが、例えばJOURNAL OF HARD MATERIALS(Vol.2,No.3-4,1991,P233〜243)によると、ｃＢＮ−ＴｉＡｌＮ複合材料の界面には、ＡｌＮ，ＴｉＮ，ＴｉＢ2 等の反応層が形成される様であり、本発明の場合においても（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）とＢＮの界面に同様の反応層が形成され、これによって密着性が著しく高まるものであると考えている。
【００１６】
本発明に係る硬質皮膜において、基材上に形成される第１層は下記の化学組成からなることが必要である。
（Ａｌx Ｔｉ1-x-y Ｓｉy ）（Ｃz Ｎ1-z ）
但し、０．０５≦ｘ≦０．７５
０．０１≦ｙ≦０．１
０≦ｚ≦０．４
【００１７】
（Ａｌx Ｔｉ1-x-y Ｓｉy ）（Ｃz Ｎ1-z ）が優れた耐摩耗性を発揮するには、金属元素の成分組成Ａｌx Ｔｉ1-x-y Ｓｉy においてｘ，ｙの値は夫々０．０５≦ｘ≦０．７５，０．０１≦ｙ≦０．１という条件を満足することが必要である。ｘの値が０．０５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、０．５６以上であることがより望ましい。ｘの上限値としては０．７が好ましい。ｙの好ましい下限値は０．０２であり、一方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。
【００１８】
また本発明に係る硬質皮膜の第１層は、上記金属元素の窒化物であっても炭・窒化物であっても優れた耐摩耗性を発揮する。但し、Ｃz Ｎ1-z においてｚの値が０．４を超えると皮膜の耐酸化性が低下してしまうので、０≦ｚ≦０．４を満足することが望ましい。尚、ｚの値が０．２以下であると耐酸化性がより良好となる。
【００１９】
本発明は第２層として形成するＢＮ皮膜の組成または結晶構造を限定するものではないが、硬度がＨｖ３５００以上であるｃＢＮや硬質ＢＮを第１層に積層すれば、高い耐摩耗性が得られるので好ましい。
【００２０】
次に本発明に係る硬質皮膜の厚さとしては、第１層および第２層共に、０．１μｍ以上２０μｍ以下であることが望まれる。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るからである。
【００２１】
なお、本発明に係る硬質皮膜を切削工具に被覆する場合には、工具基材本来の切れ刃の特性を生かしつつ、同時に硬質皮膜の優れた耐摩耗性を発揮させることが望まれる。このような観点から本発明に係る硬質皮膜の厚さは、第１層および第２層共に、１μｍ以上とすることが好ましく、２μｍ以上がより好ましい。また上限については１２μｍ以下とすることが好ましく、８μｍ以下がより望ましい。
【００２２】
また、本発明は硬質皮膜を被覆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て優れた耐摩耗性を発揮させるためには、超硬合金，高速度工具鋼，ダイス鋼，サーメットまたはセラミック等の硬質物質が適している。
【００２３】
尚、本発明に係る硬質皮膜を基材表面に被覆するにあたって、まず第１層の形成方法としては、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金属成分（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）をイオン化させ、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窒化物および／または炭化物を基材上に形成することができる。更に、目的とする皮膜組成と同一の金属組成のターゲットを用いれば、組成のずれを生じることが少なく安定した組成の皮膜を得ることが容易となる。また基材にバイアス電位を印加しながらイオンプレーティングを行えば、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。
【００２４】
さらに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、１×１０-3〜５×１０-2Ｔｏｒｒ程度が好ましく、ガス圧をこの範囲内に設定す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。
【００２５】
また本発明はＢＮ皮膜を形成する方法を限定するものでもなく、前述のイオンプレーティング法やイオンアシストデポジション法等を用いればよい。イオンプレーティング法を採用する場合には、Ｂからなるターゲットを用い、イオン化させたＢをＮ2 雰囲気中で反応させることによって基材上にＢＮ皮膜を形成することができる。またイオンアシストデポジション法を採用する場合には、坩堝に入れたＢに電子ビームを同時に照射してＢを蒸発させ窒素イオンを反応させることにより、基材上にＢＮを被覆することができる。このとき、基材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。
【００２６】
以下実施例について説明するが、本発明は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。
【００２７】
【実施例】
実施例１
まず、寸法１０ｍｍ×２５ｍｍの白金箔からなる基材をイオンプレーティング装置に装着し、以下の方法により第１層を形成した。上記基材を４００℃に加熱した後、第１層を構成する元素のうちＮ以外の元素を組成成分とするカソードを蒸発させると共に、反応ガスとしてＮ2 ガスを導入して、７×１０-3Ｔｏｒｒの雰囲気とし、且つ上記基材に−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第１層皮膜を５μｍ被覆した試験片を製作した。なお、皮膜の組成は誘導結合型アルゴンプラズマ発光分析法およびオージェ電子分光法により確認した。
【００２８】
第２層としてＢＮ皮膜を積層するにあたっては、第１層の皮膜を形成した後、上記イオンプレーティング装置内の電子ビーム銃を起動し、坩堝に入れたＢに電子ビームを照射してＢを蒸発させ、装置内の真空度が５×１０-4ＴｏｒｒになるようにしてＢの蒸気に５００ｅＶの出力で窒素イオンビームをあて反応させると共に、基材に−１５０Ｖの電位を印加することによって３μｍの厚さのＢＮ皮膜を形成した。なお、皮膜の組成は電子プルーブＸ線マイクロアナリシスおよびオージェ電子分光法により確認した。
【００２９】
この様にして得られた試験片を用いて下記条件の酸化試験を行ったところ、表１に示す結果を得た。
（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
【００３０】
【表１】
【００３１】
第２層としてＢＮ膜が形成されていない従来例（Ｎｏ．１）と該従来例の皮膜に第２層としてＢＮ膜が形成された実施例（Ｎｏ．５）とを比較すると、本発明に係る硬質皮膜は酸化開始温度が１段と高くなっていることから耐酸化性が向上していることが分かる。
【００３２】
Ｎｏ．２は、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜を第１層として形成することなく、ＢＮ皮膜が形成された比較例である。基材との密着性が乏しいことからＢＮ皮膜本来の特性を発揮できず、酸化開始温度が低い。
【００３３】
Ｎｏ．３，４は、ＴｉＮまたは（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎを第１層として、ＢＮを第２層として形成した従来例であり、本発明に係る硬質皮膜に比べると耐酸化性に劣ることが分かる。
【００３４】
実施例２
基材として超硬チップを用い、皮膜の厚みを各々１０μｍにする以外は、実施例１と同じ方法で試験片を製作した。これらの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、前記表１に併記する結果が得られた。
表１から明らかな様に、従来例（Ｎｏ．１）と該従来例の皮膜に第２層としてＢＮ膜が形成された実施例（Ｎｏ．５）とを夫々比較すると、本発明に係る硬質皮膜はマイクロビッカース硬さが１０００以上も高くなっていることから硬度が著しく高くなっていることが分かる。
【００３５】
Ｎｏ．２は、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜を第１層として形成することなく、ＢＮ皮膜が形成された比較例である。基材との密着性が乏しいことからＢＮ皮膜本来の特性を発揮できず、マイクロビッカース硬さが低い。
Ｎｏ．３，４は、ＴｉＮまたは（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎを第１層として、ＢＮを第２層として形成した従来例であり、本発明に係る硬質皮膜に比べると硬度が低いことが分かる。
【００３６】
実施例３
超硬合金を基材として用いて、外径１０ｍｍの２枚刃エンドミルを製作し、夫々のエンドミルの刃部表面に基材と皮膜厚さ以外は実施例１と同じ方法で表２に示す硬質皮膜を形成した。この場合、皮膜厚さは第１層および第２層を形成する場合は夫々４μｍおよび２μｍとし、第１層または第２層のみ形成する場合は６μｍとした。
【００３７】
得られた表面被覆エンドミルを用いて、下記の条件により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ところ、表２に併記する結果を得た。
（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／ｍｉｎ）
切削油 ：エアーブロー
切削長 ：５０ｍ
【００３８】
【表２】
【００３９】
表２からも明らかな様に、本発明に係る硬質皮膜被覆エンドミル（Ｎｏ．５）は、従来例（Ｎｏ．１〜４）と比べて逃げ面摩耗量が小さく耐摩耗性に優れていることが分かる。
【００４０】
実施例４
基材としてＪＩＳ規格ＳＫＨ５１相当の高速度鋼を用いて、外径１０ｍｍのＪＩＳ規格ドリルを製作し、これらを基材として用いる以外は実施例３と同じ方法で、夫々のドリル刃部表面に表３に示す硬質皮膜を形成した。
【００４１】
得られた表面被覆ドリルを用いて、下記の条件により切削試験を行ない切削寿命を調べたところ、表３に併記する結果を得た。
（切削条件）
切削方法：穴あけ加工、各５本切削
被削材 ：Ｓ５５Ｃ（硬さＨＢ２２０）
切削速度：３０ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切削長さ：２５ｍｍ（貫通穴）
切削油 ：水溶性エマルジョン型切削油
【００４２】
【表３】
【００４３】
表３からも明らかな様に、本発明に係る硬質皮膜被覆ドリル（Ｎｏ．５）は、従来例（Ｎｏ．１〜４）と比べて平均穴あけ個数が多く切削寿命が長いことが分かる。
【００４４】
実施例５
ＪＩＳ規格ＳＫＤ６１相当の金型材を用いて、寸法４０×２０×５ｍｍの基材を製作し、第１層および第２層の合計の皮膜厚さを１０μｍとする以外は実施例４と同じ方法で表４に示す硬質皮膜を形成して試験片とした。
【００４５】
得られた試験片を用いて、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ところ、表４に併記する結果を得た。
（熱サイクル試験条件）
高温槽温度、保持時間：８００℃、１５０秒
低温槽温度、保持時間：水冷、１０秒
【００４６】
【表４】
【００４７】
表４からも明らかな様に、本発明に係る硬質皮膜を被覆した試験片（Ｎｏ．３）は、従来例（Ｎｏ．１，２）と比べてクラック発生までのサイクル数が大きく改善されており、優れた耐熱サイクル性を示している。
【００４８】
実施例６
超硬チップを基材として用いて、基材の種類が異なること以外は実施例３と同じ方法で、夫々のチップの刃部表面に表５に示す硬質皮膜を形成した。
得られた表面被覆チップを用いて、下記の条件により切削試験を行ないチップ切れ刃逃げ面の摩耗量を測定したところ、表５に併記する結果を得た。
（切削条件）
被削材 ：Ｓ４５Ｃ
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切込み ：２ｍｍ
切削油 ：乾式
切削時間：４０ｍｉｎ
【００４９】
【表５】
【００５０】
表５からも明らかな様に、本発明に係る硬質皮膜被覆チップ（Ｎｏ．５）は、従来例（Ｎｏ．１〜４）と比べて逃げ面摩耗量が小さく耐摩耗性が優れていることが分かる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されているので、これまでに開発してきた硬質皮膜の優れた特性を生かしつつ、一段と優れた耐摩耗性を発揮する硬質皮膜を提供することが可能となり、更には高い耐摩耗性が要求される部材に上記硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆部材が提供できることとなった。
【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に関し、更には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部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高速度工具や超硬合金工具など高い耐摩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。
【０００３】
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ＴｉＣ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良好な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。
【０００４】
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せいぜい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せいぜい２０００程度であり、いずれについても耐摩耗性の一層の改善が望まれていた。
【０００５】
そこで例えば特開平２−１９４１５９には、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と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２５００程度まで改善されている。
【０００６】
また本発明者らはＡｌおよびＴｉとＮとの化合物をベースとして、一部の元素を他の元素と置換することにより、高い硬度と良好な耐酸化性を有して優れた耐摩耗性を発揮する硬質皮膜を開発して先に出願を済ませている。例えば（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）膜（特願平６−１００１５４）は、酸化開始温度は約１０００℃であり、ビッカース硬さは３１００程度である。
【０００７】
さらに特開平４−１２０２６５号公報には、Ｈｖ３５００以上という高い硬度を有するｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）を、耐摩耗性基材に密着性よく形成することは困難であるという問題点を解決する技術として、基材とｃＢＮ皮膜の間にＴｉＮなどの中間層を形成することによってｃＢＮ皮膜を密着性よく被覆する発明が開示されている。確かにＴｉＮなどからなる中間層は基材との密着性に優れており、更に上記中間層とｃＢＮ皮膜の密着性も高いので、ｃＢＮ皮膜が容易に剥離することはない。しかしながら、ｃＢＮ皮膜はＨｖ３５００以上という高い硬度を有しているにもかかわらず、ＴｉＮなどの中間層の上に形成される場合には中間層の硬度が低いことからｃＢＮ皮膜に期待される程の高い硬度は得られず、しかも耐酸化性も不充分であった。
【０００８】
この様な状況のもと、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る。
【０００９】
【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、これまでに開発してきた硬質皮膜の優れた特性を生かしつつ、一段と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しており、更には高い耐摩耗性が要求される部材に上記硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆部材を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成した本発明に係る硬質皮膜とは、基材表面に形成される硬質皮膜であって、第１層および第２層を有し、上記第１層は基材側に形成されて、
（Ａｌx Ｔｉ1-x-y Ｓｉy ）（Ｃz Ｎ1-z ）
但し、０．０５≦ｘ≦０．７５
０．０１≦ｙ≦０．１
０≦ｚ≦０．４
で示される化学組成からなり、前記第２層は表面側に積層されたＢＮであることを要旨とするものである。尚、上記の変数ｘ，ｙ，ｚはいずれも、原子量比である。
【００１１】
上記硬質皮膜の厚さは、第１層および第２層共に０．１〜２０μｍにすることが好ましく、上記硬質皮膜を基材表面に形成すれば耐摩耗性に優れた硬質皮膜被覆部材を得ることができる。
【００１２】
【作用】
本発明者らは上記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜の耐摩耗性をより一層向上させることを目的として検討を重ねた結果、上記（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜の表面にＢＮ膜を保護層として密着性よく形成することによって、硬質皮膜全体としての硬度および耐酸化性を高めることができ、硬質皮膜の耐摩耗性を大幅に向上できることを突き止めた。
【００１３】
本発明の硬質皮膜が従来の硬質皮膜に比べて優れた耐摩耗性を発揮できる様になった理由は十分に解明されたわけではないが、以下の様に考えられる。即ち、硬度が高く且つ耐酸化性に優れしかも摩擦係数が小さいＢＮ膜を、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜上に表面層として密着性よく形成することによって、皮膜全体のビッカース硬さを４０００以上と高硬度にすることができると共に、その下層の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜表面に形成されＡｌ酸化物からなる保護皮膜を著しく緻密化するためであると考えられる。
【００１４】
尚、ＢＮ皮膜は、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜と優れた親和性および反応性を有しているので、下地の（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜に密着性良く形成することができ、しかも（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜と基材との密着性を損なうこともないので、切削工具やその他の耐摩耗部材の表面に適用した場合であっても、各界面における剥離の問題を生ずることが少なく、硬質皮膜の優れた耐摩耗性を十分に発揮する硬質皮膜被覆部材を得ることができる。
【００１５】
本発明におけるＢＮ皮膜が下地（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜に密着性良く形成することができる理由については、未解明の部分を残しているが、例えばJOURNAL OF HARD MATERIALS(Vol.2,No.3-4,1991,P233〜243)によると、ｃＢＮ−ＴｉＡｌＮ複合材料の界面には、ＡｌＮ，ＴｉＮ，ＴｉＢ2 等の反応層が形成される様であり、本発明の場合においても（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）とＢＮの界面に同様の反応層が形成され、これによって密着性が著しく高まるものであると考えている。
【００１６】
本発明に係る硬質皮膜において、基材上に形成される第１層は下記の化学組成からなることが必要である。
（Ａｌx Ｔｉ1-x-y Ｓｉy ）（Ｃz Ｎ1-z ）
但し、０．０５≦ｘ≦０．７５
０．０１≦ｙ≦０．１
０≦ｚ≦０．４
【００１７】
（Ａｌx Ｔｉ1-x-y Ｓｉy ）（Ｃz Ｎ1-z ）が優れた耐摩耗性を発揮するには、金属元素の成分組成Ａｌx Ｔｉ1-x-y Ｓｉy においてｘ，ｙの値は夫々０．０５≦ｘ≦０．７５，０．０１≦ｙ≦０．１という条件を満足することが必要である。ｘの値が０．０５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、０．５６以上であることがより望ましい。ｘの上限値としては０．７が好ましい。ｙの好ましい下限値は０．０２であり、一方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。
【００１８】
また本発明に係る硬質皮膜の第１層は、上記金属元素の窒化物であっても炭・窒化物であっても優れた耐摩耗性を発揮する。但し、Ｃz Ｎ1-z においてｚの値が０．４を超えると皮膜の耐酸化性が低下してしまうので、０≦ｚ≦０．４を満足することが望ましい。尚、ｚの値が０．２以下であると耐酸化性がより良好となる。
【００１９】
本発明は第２層として形成するＢＮ皮膜の組成または結晶構造を限定するものではないが、硬度がＨｖ３５００以上であるｃＢＮや硬質ＢＮを第１層に積層すれば、高い耐摩耗性が得られるので好ましい。
【００２０】
次に本発明に係る硬質皮膜の厚さとしては、第１層および第２層共に、０．１μｍ以上２０μｍ以下であることが望まれる。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るからである。
【００２１】
なお、本発明に係る硬質皮膜を切削工具に被覆する場合には、工具基材本来の切れ刃の特性を生かしつつ、同時に硬質皮膜の優れた耐摩耗性を発揮させることが望まれる。このような観点から本発明に係る硬質皮膜の厚さは、第１層および第２層共に、１μｍ以上とすることが好ましく、２μｍ以上がより好ましい。また上限については１２μｍ以下とすることが好ましく、８μｍ以下がより望ましい。
【００２２】
また、本発明は硬質皮膜を被覆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て優れた耐摩耗性を発揮させるためには、超硬合金，高速度工具鋼，ダイス鋼，サーメットまたはセラミック等の硬質物質が適している。
【００２３】
尚、本発明に係る硬質皮膜を基材表面に被覆するにあたって、まず第１層の形成方法としては、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金属成分（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）をイオン化させ、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窒化物および／または炭化物を基材上に形成することができる。更に、目的とする皮膜組成と同一の金属組成のターゲットを用いれば、組成のずれを生じることが少なく安定した組成の皮膜を得ることが容易となる。また基材にバイアス電位を印加しながらイオンプレーティングを行えば、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。
【００２４】
さらに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、１×１０-3〜５×１０-2Ｔｏｒｒ程度が好ましく、ガス圧をこの範囲内に設定す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。
【００２５】
また本発明はＢＮ皮膜を形成する方法を限定するものでもなく、前述のイオンプレーティング法やイオンアシストデポジション法等を用いればよい。イオンプレーティング法を採用する場合には、Ｂからなるターゲットを用い、イオン化させたＢをＮ2 雰囲気中で反応させることによって基材上にＢＮ皮膜を形成することができる。またイオンアシストデポジション法を採用する場合には、坩堝に入れたＢに電子ビームを同時に照射してＢを蒸発させ窒素イオンを反応させることにより、基材上にＢＮを被覆することができる。このとき、基材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。
【００２６】
以下実施例について説明するが、本発明は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。
【００２７】
【実施例】
実施例１
まず、寸法１０ｍｍ×２５ｍｍの白金箔からなる基材をイオンプレーティング装置に装着し、以下の方法により第１層を形成した。上記基材を４００℃に加熱した後、第１層を構成する元素のうちＮ以外の元素を組成成分とするカソードを蒸発させると共に、反応ガスとしてＮ2 ガスを導入して、７×１０-3Ｔｏｒｒの雰囲気とし、且つ上記基材に−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第１層皮膜を５μｍ被覆した試験片を製作した。なお、皮膜の組成は誘導結合型アルゴンプラズマ発光分析法およびオージェ電子分光法により確認した。
【００２８】
第２層としてＢＮ皮膜を積層するにあたっては、第１層の皮膜を形成した後、上記イオンプレーティング装置内の電子ビーム銃を起動し、坩堝に入れたＢに電子ビームを照射してＢを蒸発させ、装置内の真空度が５×１０-4ＴｏｒｒになるようにしてＢの蒸気に５００ｅＶの出力で窒素イオンビームをあて反応させると共に、基材に−１５０Ｖの電位を印加することによって３μｍの厚さのＢＮ皮膜を形成した。なお、皮膜の組成は電子プルーブＸ線マイクロアナリシスおよびオージェ電子分光法により確認した。
【００２９】
この様にして得られた試験片を用いて下記条件の酸化試験を行ったところ、表１に示す結果を得た。
（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
【００３０】
【表１】
第２層としてＢＮ膜が形成されていない従来例（Ｎｏ．１）と該従来例の皮膜に第２層としてＢＮ膜が形成された実施例（Ｎｏ．５）とを比較すると、本発明に係る硬質皮膜は酸化開始温度が１段と高くなっていることから耐酸化性が向上していることが分かる。
【００３２】
Ｎｏ．２は、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜を第１層として形成することなく、ＢＮ皮膜が形成された比較例である。基材との密着性が乏しいことからＢＮ皮膜本来の特性を発揮できず、酸化開始温度が低い。
【００３３】
Ｎｏ．３，４は、ＴｉＮまたは（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎを第１層として、ＢＮを第２層として形成した従来例であり、本発明に係る硬質皮膜に比べると耐酸化性に劣ることが分かる。
【００３４】
実施例２
基材として超硬チップを用い、皮膜の厚みを各々１０μｍにする以外は、実施例１と同じ方法で試験片を製作した。これらの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、前記表１に併記する結果が得られた。
表１から明らかな様に、従来例（Ｎｏ．１）と該従来例の皮膜に第２層としてＢＮ膜が形成された実施例（Ｎｏ．５）とを夫々比較すると、本発明に係る硬質皮膜はマイクロビッカース硬さが１０００以上も高くなっていることから硬度が著しく高くなっていることが分かる。
【００３５】
Ｎｏ．２は、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）（Ｃ，Ｎ）系皮膜を第１層として形成することなく、ＢＮ皮膜が形成された比較例である。基材との密着性が乏しいことからＢＮ皮膜本来の特性を発揮できず、マイクロビッカース硬さが低い。
Ｎｏ．３，４は、ＴｉＮまたは（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎを第１層として、ＢＮを第２層として形成した従来例であり、本発明に係る硬質皮膜に比べると硬度が低いことが分かる。
【００３６】
実施例３
超硬合金を基材として用いて、外径１０ｍｍの２枚刃エンドミルを製作し、夫々のエンドミルの刃部表面に基材と皮膜厚さ以外は実施例１と同じ方法で表２に示す硬質皮膜を形成した。この場合、皮膜厚さは第１層および第２層を形成する場合は夫々４μｍおよび２μｍとし、第１層または第２層のみ形成する場合は６μｍとした。
【００３７】
得られた表面被覆エンドミルを用いて、下記の条件により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ところ、表２に併記する結果を得た。
（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／ｍｉｎ）
切削油 ：エアーブロー
切削長 ：５０ｍ
【００３８】
【表２】
表２からも明らかな様に、本発明に係る硬質皮膜被覆エンドミル（Ｎｏ．５）は、従来例（Ｎｏ．１〜４）と比べて逃げ面摩耗量が小さく耐摩耗性に優れていることが分かる。
【００４０】
実施例４
基材としてＪＩＳ規格ＳＫＨ５１相当の高速度鋼を用いて、外径１０ｍｍのＪＩＳ規格ドリルを製作し、これらを基材として用いる以外は実施例３と同じ方法で、夫々のドリル刃部表面に表３に示す硬質皮膜を形成した。
【００４１】
得られた表面被覆ドリルを用いて、下記の条件により切削試験を行ない切削寿命を調べたところ、表３に併記する結果を得た。
（切削条件）
切削方法：穴あけ加工、各５本切削
被削材 ：Ｓ５５Ｃ（硬さＨＢ２２０）
切削速度：３０ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切削長さ：２５ｍｍ（貫通穴）
切削油 ：水溶性エマルジョン型切削油
【００４２】
【表３】
表３からも明らかな様に、本発明に係る硬質皮膜被覆ドリル（Ｎｏ．５）は、従来例（Ｎｏ．１〜４）と比べて平均穴あけ個数が多く切削寿命が長いことが分かる。
【００４４】
実施例５
ＪＩＳ規格ＳＫＤ６１相当の金型材を用いて、寸法４０×２０×５ｍｍの基材を製作し、第１層および第２層の合計の皮膜厚さを１０μｍとする以外は実施例４と同じ方法で表４に示す硬質皮膜を形成して試験片とした。
【００４５】
得られた試験片を用いて、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ところ、表４に併記する結果を得た。
（熱サイクル試験条件）
高温槽温度、保持時間：８００℃、１５０秒
低温槽温度、保持時間：水冷、１０秒
【００４６】
【表４】
表４からも明らかな様に、本発明に係る硬質皮膜を被覆した試験片（Ｎｏ．３）は、従来例（Ｎｏ．１，２）と比べてクラック発生までのサイクル数が大きく改善されており、優れた耐熱サイクル性を示している。
【００４８】
実施例６
超硬チップを基材として用いて、基材の種類が異なること以外は実施例３と同じ方法で、夫々のチップの刃部表面に表５に示す硬質皮膜を形成した。
得られた表面被覆チップを用いて、下記の条件により切削試験を行ないチップ切れ刃逃げ面の摩耗量を測定したところ、表５に併記する結果を得た。
（切削条件）
被削材 ：Ｓ４５Ｃ
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切込み ：２ｍｍ
切削油 ：乾式
切削時間：４０ｍｉｎ
【００４９】
【表５】
表５からも明らかな様に、本発明に係る硬質皮膜被覆チップ（Ｎｏ．５）は、従来例（Ｎｏ．１〜４）と比べて逃げ面摩耗量が小さく耐摩耗性が優れていることが分かる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されているので、これまでに開発してきた硬質皮膜の優れた特性を生かしつつ、一段と優れた耐摩耗性を発揮する硬質皮膜を提供することが可能となり、更には高い耐摩耗性が要求される部材に上記硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆部材が提供できることとなった。
Claims (4)
- 基材表面に形成される硬質皮膜であって、
第１層および第２層を有し、
上記第１層は基材側に形成されて、
（Ａｌx Ｔｉ1-x-y Ｓｉy ）（Ｃz Ｎ1-z ）
但し、０．０５≦ｘ≦０．７５
０．０１≦ｙ≦０．１
０≦ｚ≦０．４
で示される化学組成からなり、
前記第２層は表面側に積層されたＢＮであることを特徴とする耐摩耗性に優れた硬質皮膜。 - 前記第１層の厚さが、０．１〜２０μｍである請求項１に記載の硬質皮膜。
- 前記第２層の厚さが、０．１〜２０μｍである請求項１または２に記載の硬質皮膜。
- 請求項１〜３のいずれかに記載の硬質皮膜を、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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