JP3891520B2 - 固体潤滑性および非親和性を有する複合耐摩耗性硬質皮膜、並びに皮膜付き物品 - Google Patents
固体潤滑性および非親和性を有する複合耐摩耗性硬質皮膜、並びに皮膜付き物品 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体潤滑性および非親和性を有する複合耐摩耗性硬質皮膜、並びに皮膜付き物品に関する。
【0002】
【従来の技術】
工具や金型、機械部品などの金属材料の表面に耐摩耗性を向上させるためにイオンプレーティング法などにより、TiN、TiCN、TiAlNなどを被覆することは知られている。また、CrNなどの金属クロムあるいはそれらの窒化物、酸化物などは、耐熱性、摺動特性、非親和性が優れており、その結果、固体潤滑性に優れていることが見い出されている。従来、Cr系の皮膜は固体潤滑性に優れるものの、膜硬度が低く、耐摩耗性硬質皮膜としては不向きである。よって、従来は、最外層がTiN、TiCNなどCr系以外の高硬度皮膜で構成された皮膜が主に用いられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最外層がTiN、TiCN、TiAlNで構成された皮膜は、皮膜自身の硬度は高いものの、被切削材との親和性が高いという欠点があった。そのため、構成刃先の成長が大きい、切粉の排出性が悪い、摺動抵抗が高く発熱する、表面にワーク材が溶着するなどの現象が生じ、膜の早期脱落、剥離、摩耗などが起き、工具の寿命を縮ませている。このように、これら従来の最外層がTiN、TiCNなどのCr系以外の高硬度皮膜で構成された皮膜では満足のいく寿命は得られなかった。
【0004】
さらに、工具を例にとり具体的に説明すると、エンドミル、ドリル、タップ、リーマ、サイドカッタ、メタルソー、チップ、面取り、パンチ、シャー刃、切削工具の切り刃は、図3、図4に示すように、すくい面と逃げ面(ランド部、マージン部も含む)で構成されている。なお、図3はドリルを例にとった場合の斜視図であり、図4は、リーマを例にとった場合の断面図である。また、図3、図4中には、以下に記載する摩耗が生ずる箇所を指示している。
【0005】
すくい面では、切削中に発生した切り粉による摩耗、構成刃先による損傷及びそれらによる温度上昇等により、一般にクレータ状の摩耗が発生する。逃げ面では、被切削物との摩耗や構成刃先の脱落による摩耗、損傷及び温度上昇等により、すきとり摩耗が発生する。同様にマージン部を持つドリル、タップ、リーマでは被切削材とマージン部との摩耗が著しく、温度上昇が激しい。特にハイス工具の場合、著しい温度上昇により硬度低下が発生しエッジだれが起こる。従来の技術では、高硬度皮膜より刃先先端の保護は可能であるが、固体潤滑性が低いため、切り粉、被切削物および構成刃先による摩耗及びそれらによる温度上昇に対しては、期待どおりの効果を上げることができなかった。
【0006】
また、金属塑性加工用のダイ、機械部品(例えば、摺動軸受け)等の場合、図5に示すように、角R部は被加工物、摺動物により、摩耗し、面部は凝着し、焼き付き等が生じ易かった。なお、図5はダイを例にとった断面図である。また、図5には、摩耗及び付着が生じる箇所を指示している。従来の技術では、高硬度皮膜により角部の保護は可能であるが、固体潤滑性が低いため、凝着や焼き付き、摩耗等に対しては、期待どおりの効果を上げることができなかった。
【0007】
したがって、本発明の目的は、上記問題を解決するために、固体潤滑性および非親和性を有する複合耐摩耗性硬質皮膜、並びに皮膜付き物品を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、TiまたはTiAlの窒化物または炭窒化物の化合物皮膜である単層の高硬度皮膜と、該高硬度皮膜上に施された、金属クロム、またはCrとNとの化合物皮膜である単層の固体潤滑皮膜とから成ることを特徴とする固体潤滑性および非親和性を有する複合耐摩耗性硬質皮膜を採用するものである。
【0009】
本発明は、また、高硬度皮膜の下地層と固体潤滑皮膜の表面層とからなる複合耐摩耗性硬質皮膜が施された物品であって、該複合耐摩耗性硬質皮膜はTiまたはTiAlの窒化物または炭窒化物の単層の化合物皮膜である高硬度皮膜と、該高硬度皮膜上に施された、金属クロム、またはCrとNとの化合物皮膜である単層の固体潤滑皮膜とから成ることを特徴とする物品を採用するものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
従来、耐摩耗性、密着性などを高めるあまり、母材側から傾斜的に硬度が高くなるような膜構造にして最外層を最も硬くしていた。そのため、ワーク材との非親和性は犠牲になっていた。これに対して、本発明者は、従来の高硬度皮膜の上に金属クロム、またはCrと、B、C、N、Oから選択される一種以上の元素によって構成される単層または2種以上の積層化合物皮膜を施すことにより、最外層が下地層より低い固体潤滑性や非親和性等を持つ膜構造が得られ、そのような複合皮膜が切削工具等を含む各種の工具に優れた特性を有することを見い出したものである。
【0011】
本発明を実施すると、工具等を使用していくに従い、例えば、図2に示すように、エッジやコーナ部の最外層積層化合物の固体潤滑皮膜3は次第に摩耗し、下地層の積層化合物のうちの高硬度皮膜2が現れてくる。結果として、エッジやコーナ部等は下からTiN、TiCN、TiAlN等の高硬度皮膜が現れ、母材1を保護し、耐摩耗性に効果を発揮し、面部は、金属クロム、CrN等の固体潤滑性皮膜が残り、摺動特性が維持でき、切粉の掃けや溶着、焼き付き防止等の固体潤滑性や非親和性等に効果が上がる。個々の性能向上はもとより、両方の相乗効果により、工具、金型、機械部品等において飛躍的に寿命を延ばすことができるようになった。
【0012】
本発明は内側の高硬度皮膜と外側の固体潤滑性の優れた皮膜を金属材料に施したものといえる。さらに具体的には、切削、摺動等の作業によって摩耗した場合、内側の高硬度皮膜と外側の固体潤滑性に優れた皮膜が表面に共存し、それによって、切削、摺動等の作業に適した工具、部品にあるといえる。
【0013】
本発明の対象となる金属材料には、例えば、S15C等の肌焼き鋼、S45C等の構造用鋼、SUP10等のバネ鋼、SUJ2等の軸受け鋼、SKD6等の熱間加工用工具鋼、SKD11等の冷間加工用工具鋼、SKH51等の高速度工具鋼等の鋼材や超硬合金、またはAl合金、Cu合金、Ti合金等の非鉄金属がある。
【0014】
本発明の皮膜はイオンプレーティング法、スパッタリング法等の公知の方法を用いて成膜することができる。2種類以上の金属イオンを供給し、かつ耐摩耗性などの強固な付着力を要求される皮膜に対しては、特に、強固な付着力が得られるイオンプレーティング法が好ましい。以下に説明する実施例では、真空アーク放電型イオンプレーティング装置を使用したが、真空ホローカソード型イオンプレーティング装置等を用いてもよい。
【0015】
反応性ガスとしては、窒化物を生成するための反応性ガスの場合、N2 、アンモニアまたはこれらの混合ガスを用いるのが好ましい。窒化物生成後、窒化物の表面を酸化物に置き換える場合、O2 あるいは大気を用いるのが好ましい。
【0016】
【実施例】
次に、本発明の好ましい実施例を比較例と共に説明する。
【0017】
(実施例1)
最初に、本発明を実施する装置として真空アーク放電型イオンプレーティング装置を使用した。皮膜を形成させるための金属蒸発源として溶解法で作成したTiターゲット及びCrターゲットを用いた。被覆する金属材料として、SKH51からなる直径8mmのドリルを用いた。この鋼材を有機溶剤により洗浄後、真空反応槽内にセットし、この真空槽内の圧力を1×10-5Torrまでの真空にした後、Tiイオン衝撃による洗浄、加熱を行って、TiNの成膜を開始する。
【0018】
成膜条件は反応ガスとしてN2 を20cc/分の速度で反応槽内に導入し、圧力を30×10-3とした。上記金属蒸発源に90Aの電流を流すことによりTiターゲットから真空アーク放電によりTiイオンを放出させ、一方、上記鋼材には−500Vのバイアス電圧を印加した。このような条件下で鋼材上にTiNを生成させた。約40分の成膜反応後、その上に同様な方法でCrNをイオンプレーティング法により生成させた。約40分の成膜反応後、TiNである下地層2μの皮膜、TiN/CrNである中間層0.2μの皮膜、CrNである最外層3μの皮膜が得られた。
【0019】
この皮膜の機械的特性の評価方法として次のような方法を採用した。即ち、このようにして得られた表面被覆ドリルの性能をドリル切削加工により形成できた穴の数によって評価した。切削条件は非削材が銅板厚さ2T、切削速度50m/分、送り0.2mm/RPM、貫通穴とした。その結果、切削回数2.500回を越えた時点から、下地層であるTiNが現れ,全体としての切削加工可能回数は10,500回であった。
【0020】
(比較例1)
特に表面処理を施してない未コートのドリルを用いたときの切削可能回数は実施例1と同じ切削条件で2,000回に過ぎなかった。
【0021】
(比較例2)
表面にTiNを3μコーティングのみ施したドリルを用いたときの切削可能回数は実施例1と同じ条件で3,100回に過ぎなかった。
【0022】
(比較例3)
表面にCrNを4μコーティングのみ施したドリルを用いたときの切削可能回数は実施例1と同じ条件で5,000回に過ぎなかった。
【0023】
(実施例2)
被覆する金属材料として、SKH51からなる直径8mmのドリルを用いた。このドリルを、Alターゲットを追加することを除いては、実施例1と同じ方法で成膜し、TiAlNである下地層2μの皮膜、TiAlN/CrNである中間層0,2μの皮膜、CrNである最外層3μの皮膜が得られた。
【0024】
この皮膜の機械的特性の評価方法として次のような方法を採用した。即ち、このようにした得られた表面被覆ドリルの性能をドリル切削加工により形成できた穴の数によって評価した。切削条件は非削材がSCM440、ドリル回転数1,500回転/分、送り0,15mm/RPM、切り込み深さ20mmとした。その結果、切削回数が150回を越えた時点から、下地層であるTiAlNが現れ、全体として切削加工可能回数は540回であった。
【0025】
(実施例3)(本発明の具体例ではない)
下地層にTiNを0.5μ成膜した上に、TiAlNとCrNを実施例2と同様にコーティングを施したドリルを用いたときの切削可能回数は実施例2と同じ条件で580回であった。
【0026】
(実施例4)(本発明の具体例ではない)
下地層にTiNを0.5μ成膜した上に、TiAlNを3μ成膜し、最外層としてCrNを3μ、Cr2Nを1μ、実施例2と同じ方法でコーティングを施したドリルを用いたときの切削可能回数は実施例2と同じ条件で600回であった。
【0027】
(比較例4)
表面にTiAlNコーティングのみ施したドリルを用いたとき、切削可能回数は実施例2と同じ条件で360回に過ぎなかった。
【0028】
(比較例5)
表面にCrNコーティングのみ施したドリルを用いたときの切削可能回数は実施例2と同じ条件で130回に過ぎなかった。
【0029】
(実施例5)
被覆する金属材料として、SKD11からなる外径45mm、内径20mm、高さ40mmのプレス絞り用ダイを用いた。このダイを実施例1と同じ条件で成膜し、TiNである下地層2μの皮膜及びCrNである最外層3μの皮膜が得られた。
【0030】
この皮膜の機械的特性の評価方法として次のような方法を採用した。即ち、このようにして得られた表面被覆ダイの性能をアルミニウム絞り加工によりできた製品の数により評価した。被加工材料がA1100アルミニウム板厚さ0,7T、切削油は強粘性プレス油を使用し、加工速度は30spmで加工した。その結果、20,000個加工した時点で下地層であるTiNが現れ、全体として加工製品数は30,000個を優に越え、ダイの溶着は見られず、継続して加工可能であった。
【0031】
(実施例6)
下地層にTiNを3μ成膜した上に、Crを蒸着で5μコーティングを施したダイを用いたとき、加工可能製品数は実施例5と同じ加工条件で、約1,000加工した時点でR部にごく微量の剥離が見られたものの、ダイへのアルミニウムの付着がなく、全体として15,000個まで継続加工が可能であった。
【0032】
(実施例7)(本発明の具体例ではない)
下地層にTiNを3μ成膜した上に、CrNをイオンプレーティングで5μコーティングを施し、大気若しくは酸化雰囲気中で加熱し表面にCr2O3を生成させたダイを用いたときの加工可能製品数は、実施例5と同じ加工条件で、21,000加工した時点で下地層であるTiNが現れ、全体として加工製品数は30,000個を優に超え、ダイへの溶着は見られず、継続して加工可能であった。また、金属粉や固化したプレス油などの除去が大変容易であった。
【0033】
(比較例6)
特に表面処理を施してない未コートのダイを用いたときの加工可能製品数は実施例5と同じ加工条件でダイへのアルミニウムの付着が激しく50個に過ぎなかった。
【0034】
(比較例7)
表面にTiNコーティングのみ施したダイを用いたときの加工可能製品数は実施例5と同じ加工条件で100個前後から面部に比較例6と同様な付着が見られ、1,100個に過ぎなかった。
【0035】
(比較例8)
表面にCrNコーティングのみ施したダイを用いたときの加工可能製品数は実施例5と同じ加工条件で、2,000個前後からCrN膜摩擦部分であるR部終端に比較例6と同様の付着が見られ、2,800個に過ぎなかった。
【0036】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、エッジや角R部等は下からTiN、TiCN、TiAlN等の高硬度皮膜が現れ、耐摩耗性に効果を発揮し、面図は金属クロム、CrN等固体潤滑皮膜が残り、摺動特性が維持でき、切粉の掃けや溶着、焼き付き防止等固体潤滑性や非親和性等に効果が上がる。個々の性能向上はもとより、両方の相乗効果により、工具、金型、機械部品等において、飛躍的に寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の成膜直後の状態を示す断面図である。
【図2】図2は、本発明の使用中の状態を示す断面図である。
【図3】図3は、ドリルの摩耗状態を示す斜視図である。
【図4】図4は、リーマの摩耗状態を示す断面図である。
【図5】図5は、ダイの摩耗及び付着状態を示す断面図である。
【符号の説明】
1 母材
2 高硬度皮膜
3 固体潤滑皮膜
Claims (4)
- TiまたはTiAlの窒化物または炭窒化物の化合物皮膜である単層の高硬度皮膜と、該高硬度皮膜上に施された、金属クロム、またはCrとNとの化合物皮膜である単層の固体潤滑皮膜とから成ることを特徴とする固体潤滑性および非親和性を有する複合耐摩耗性硬質皮膜。
- 請求項1記載の複合耐摩耗性硬質皮膜において、前記化合物皮膜をイオンプレーティング法で成膜することを特徴とする複合耐摩耗性硬質皮膜。
- 高硬度皮膜の下地層と固体潤滑皮膜の表面層とからなる複合耐摩耗性硬質皮膜が施された物品であって、該複合耐摩耗性硬質皮膜はTiまたはTiAlの窒化物または炭窒化物の単層の化合物皮膜である高硬度皮膜と、該高硬度皮膜上に施された、金属クロム、またはCrとNとの化合物皮膜である単層の固体潤滑皮膜とから成ることを特徴とする物品。
- 請求項3記載の物品において、前記物品は、エンドミル、ドリル、タップ、リーマ、サイドカッタ、メタルソー、チップ、面取り、パンチ、シャー刃、切削工具、ダイ、または摩耗部分を持つ機械部品のうちから選ばれることを特徴とする物品。」
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JP34212797A Expired - Lifetime JP3891520B2 (ja) | 1997-11-27 | 1997-11-27 | 固体潤滑性および非親和性を有する複合耐摩耗性硬質皮膜、並びに皮膜付き物品 |
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