JP4105795B2

JP4105795B2 - 耐摩耗性、耐割れ性に優れる硬質皮膜と硬質皮膜被覆部材

Info

Publication number: JP4105795B2
Application number: JP11492998A
Authority: JP
Inventors: 兼司山本; 俊樹佐藤; 龍哉安永; 裕介田中; 夏樹一宮
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1998-04-24
Filing date: 1998-04-24
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2018-04-24
Also published as: JPH11302832A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性に優れる硬質皮膜に関し、詳細には切削工具あるいは機械部品、金型、塑性加工用治工具などの部材の耐摩耗性が要求される基材表面に被覆して用いられる硬質皮膜に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
切削工具あるいは機械部品等の摩耗摩擦環境で使用される部材を製作する場合には、部品の耐摩耗性性能を改善すべく、表面にチタン窒化物、クロム窒化物あるいは最近では耐摩耗性をさらに向上させるべく皮膜に添加元素を加えた複合窒化物、炭化物、炭窒化化合物などの硬度が高く耐摩耗性に優れる皮膜を形成することが頻繁に行われており、具体的にはTiAlCN系皮膜（特開平 8−209333号公報参照）、TiHfN 皮膜（特開昭62−207858号公報参照）、TiHfAlN 皮膜（特開平 9−104966号公報参照）等が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、切削工具の場合には被削材の高硬度化や切削速度の高速化、あるいは機械部品の場合には作動速度の高速化あるいは高面圧化により上記皮膜では性能が不十分な場合が多い。すなわち、上記皮膜は主として、添加元素の導入により皮膜の高硬度化あるいは高温環境下における耐久性を付与するために耐酸化性の向上を図り、皮膜の耐摩耗性の向上を図っているが、実際の切削あるいは使用環境では必ずしも硬度の高い方が耐摩耗性に優れる結果とはなっておらず、皮膜に要求される特性として、高硬度、耐酸化性以外の特性を具備することが必要であることが示唆されている。
【０００４】
本発明者等のこれまでの研究開発によれば、切削工具や種々の摺動部品の損傷形態を観察した結果、皮膜の損傷は以下の３つに大別できることが判明した。すなわち、皮膜の損傷は剥離、摩耗及び割れにより進行する。剥離は皮膜と基材界面の密着力が不十分であるために起こる現象で、皮膜前の洗浄工程や皮膜時におけるクリーニング処理に依存する。また、皮膜の摩耗は皮膜と相手材界面において生じる現象であり、皮膜上部より徐々に皮膜に損傷が生じることにより皮膜が消費され、皮膜の硬度や耐酸化性に依存することが知られている。これら剥離と摩耗の２損傷形態について公知であり、これを改善するために上記の特許に記述されたような、種々改善がなされている。
【０００５】
しかしながら、今日の高速、高面圧下で使用される耐摩耗部材においては、上記の２つの損傷形態を抑制しただけでは不十分であり、むしろ皮膜の割れによる損傷が、部材全体の寿命の律速となる場合がほとんどである。皮膜の割れは基材直上の皮膜部内部において割れが生じ、皮膜が損傷する現象であるが、従来は皮膜の剥離と明確な区別がなされていなかった。
【０００６】
本発明は、上記のごとき事情に基づいてなしたものであって、その目的は、耐摩耗性や硬度はもとより割れが発生しにくく、切削工具など広い用途の部品に適用し得る硬質皮膜を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係る硬質皮膜は、請求項１〜４に記載の耐摩耗性、耐割れ性に優れる硬質皮膜、部材及び切削工具としたもので、それは次のごとき構成である。
【０００８】
すなわち、請求項１に記載の耐摩耗性、耐割れ性に優れる硬質皮膜は、基材表面に耐摩耗性皮膜として形成される硬質皮膜であって、皮膜が化学組成の異なる２層以上の多層皮膜からなり、最下層の皮膜の化学組成が下記（１）からなる一方、最上層の皮膜の化学組成が下記（２）との組合せで構成されてなり、最上層の皮膜の硬度が、マイクロビッカース硬度計にて荷重 25gf 、保持時間 15sec で測定した時、下層よりも高い HV3000 以上の硬度を有し、かつ先端半径が 200 μ m のダイヤモンド針にて下記に示す引掻き試験条件にて引掻き試験を行った時、引掻き試験後の光学顕微鏡観察により定義される皮膜の割れ臨界荷重が 100N 以上を有することを特徴とする耐摩耗性、耐割れ性に優れる硬質皮膜。
（１）： Al ｘ Ti ｙ N 〔但し 0.4 ≦ｘ≦ 0.7 、残部ｙ（ｘ＋ｙ＝１）〕
（２）： Ti ｘ Nb ｙ Al ｚ N （但し 0.25 ≦ｚ≦ 0.65 、 0.05 ≦ｙ≦ 0.75 、 0 ＜ｘ＜ 0.6 、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）
引掻き試験条件
引掻き速度： 10mm ／ min
荷重増加速度： 100N ／ min
基材：超硬合金（硬度 HRA85 〜 95 ）
【００１０】
本発明者等はこれまでの研究開発で、皮膜の割れ性が請求項１記載のダイヤモンド針を利用した試験方法で評価可能であることを見出した。試験法自体は公知であるが、従来はこの試験法により検出される皮膜の損傷は皮膜と基材界面での剥離を示す密着性として捕らえられていた。本発明者等は詳細な試験後の皮膜の観察の結果、皮膜の引掻き試験による皮膜損傷は密着性が十分な場合には、まず基材／皮膜界面直上の皮膜内部においての割れが生じ、ついで皮膜／基材界面での剥離が生じることを解明し、この試験による現象が上記課題の項で説明した実部材における損傷形態と同一であることから、本試験方法が評価手法として有効であることを確認した。基材と皮膜界面直上で割れが生じる理由については、詳細は不明であるが、硬さやヤング率等の機械特性が異なる材料が接合されているため、外部応力が付加された場合、界面付近に応力集中が生じるものと考えられる。また基材に対する皮膜の密着性が極端に劣る場合には、皮膜に割れが生じる前に、皮膜剥離が生じることになる。
【００１１】
基材上に形成される皮膜を、化学組成の異なる２層以上の多層皮膜と規定したのは以下の理由による。上記に説明したように皮膜の耐久性を高めてやるためには硬度、耐酸化性、密着性及び割れに対する抵抗性を高めてやる必要があるが、実際にはこれらの全てを満足するような化学組成の皮膜を実現することは非常に困難である。例えば、耐摩耗性を向上させようとして硬度を高めると皮膜は非常に割れやすい皮膜となることがしばしばである。
【００１２】
そこで、本発明者等は、上記３つの皮膜損傷原因の内、摩耗による損傷は皮膜最表面よりの現象であること、また割れによる損傷は基材と皮膜の界面付近より生じる現象であることに着目し、層の上部と下部で別々の機能を付与することで、全体として耐久性が向上することを見出したものである。すなわち、皮膜上部は摩耗による皮膜損傷の進行を抑制すべく、硬度の高い皮膜とし、皮膜下部は割れに対する耐久性に高い膜とすることで、皮膜全体の耐久性を向上するものである。それぞれの部分に対する具体的な特性としては、上部では請求項１に記載の様にHV3000以上とすることで、少なくとも従来皮膜と同等以上の耐摩耗性が付与される。また、下部の特性としては、引掻き試験による臨界荷重が50N 以上あれば、割れに対する耐久性が十分であり、皮膜の割れが損傷の律速とはならないことが判明した。必要とされる臨界荷重値は被削材、切削条件等によっても異なるので、更に条件が厳しい場合には望ましくは70N 以上、またより望ましくは請求項１に記載したように100N 以上の臨界荷重が必要である。
【００１３】
また、特に限定するものではないが、皮膜全体の厚みは 1〜 5μm の範囲にあることが望ましい。その理由としては 1μm 以下では、皮膜が薄く耐摩耗性、耐割れ性を保持する効果に欠けること、また 5μm 以上では皮膜全体に作用する応力が大きくなり、皮膜剥離などの問題が生じるからである。更に望ましくは 2〜 4μm の範囲にあることが良い。また、皮膜上部のHV2800以上の硬度を有する部分の厚みは皮膜全体厚みの20〜90％の範囲にあることが望ましい。皮膜下層は全体の皮膜厚みの 5％〜50％の範囲にあることが望ましい。
【００１６】
すなわち、上記請求項１に係る硬質皮膜は、最上層の皮膜はいずれも請求の化学組成範囲においてHV3000以上を有する高硬度の皮膜となるが、割れ発生に到る臨界荷重値が低く単独の皮膜では切削時にも刃先などでチッピングが生じ、耐摩耗性が良好ではない。これに対して、最下層の膜種として挙げたものは、硬度はいずれもHV3000以下であるが、割れ発生荷重がいずれも100N以上と高く、最下層に配置したとき上述したメカニズムに基づく割れの発生を抑制できる。
【００１７】
次に、請求項２に記載の耐摩耗性、耐割れ性に優れる硬質皮膜は、上記請求項１に記載の硬質皮膜を、カソード放電型アークイオンプレーティング法を用いて形成するものである。
【００１８】
皮膜の手法を、上記のようにカソード放電型アークイオンプレーティング法（以下アーク法とも称す）に限定したのは次の理由による。すなわちアーク法は、ＣＶＤ法に比べて皮膜温度が低く、通常 500℃付近の焼戻し温度を有する鉄基材料への適用が容易であること。またＰＶＤ法の他の手法であるスパッタリング法、ホローカソードイオンプレーティング（ＨＣＤ）法に比べても、皮膜速度及び蒸着粒子のイオン化率が高く、緻密な皮膜が形成可能なこと、更には成膜前に質量数の大きな金属イオン（ターゲット物質）を当てるボンバードメント処理を行なうことにより、密着性に優れた皮膜が形成可能である。
【００１９】
また、上述した本発明に係る硬質皮膜は、特に耐摩耗性、耐割れ性に優れ、硬度、耐熱性（高温耐酸化性）などにも優れていることから、金型、ダイスやロールなどの塑性加工用治工具、ビット、ロッドなどの土木工具、機械部品類などの広い用途の部品の基材表面に被覆して用いることができ、特にバイト、エンドミルなどの切削工具の刃先に被覆して耐久性を高めて用いることができる。
【００２０】
【実施例】
以下に本発明の実施例を比較例とともに詳細に説明する。
（実施例１）
純窒素雰囲気中でカソード放電型アークイオンプレーティング法にて、基板としての鏡面超硬チップ（HRA90.6)及び超硬製エンドミル（６枚刃、直径10mm）に表１に示す化学組成の皮膜を形成した。この時の成膜条件は、基板温度 400℃、窒素圧力30mtorr 、基板への印加バイアス電圧−100 Ｖとし、成膜厚みは約 3μm とした。形成された皮膜のビッカース硬度（荷重25gf、保持時間15秒）、及び引掻き試験条件（引掻き速度：10mm／min 、荷重増加速度：100N／min ）の下での引掻き試験を行い、割れ臨界荷重を求めた。これらビッカース硬度及び割れ臨界荷重を併せて表１に示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
上記と同一条件のカソード放電型アークイオンプレーティング法により、鏡面超硬チップ（HRA90.6)及び超硬製エンドミル（６枚刃、直径10mm）に表２に示す化学組成の組合せの２層皮膜の形成を行った。膜厚は１層目（下層）、２層目（上層）ともに 1.5μm とした。そして、作製した試料の皮膜に対して上記と同様の引掻き試験（引掻き速度：10mm／min 、荷重増加速度：100N／min ）を行い、割れ臨界荷重を求めた。その割れ臨界荷重を併せて表２に示す。
【００２３】
【表２】

【００２４】
表２から明らかなように、下層（１層目）に表１の試料No.3及び5 のような割れ臨界荷重の大きなものの皮膜を形成することで、膜全体としての割れ臨界荷重を大きくすることができることが判る。
【００２５】
（実施例２）
上記実施例１と同様の条件で１層目（下層）と２層目（上層）間に中間層を形成した。この時の各層の膜厚は 1μm とした。作製した試料の皮膜に対して上記実施例１と同様の引掻き試験（引掻き速度：10mm／min 、荷重増加速度：100N／min ）を行い、割れ臨界荷重を求めた。その割れ臨界荷重を併せて表３に示す。
【００２６】
【表３】

【００２７】
表３から明らかなように、各試料の割れ臨界荷重はほぼ最下層となる皮膜種に依存し、中間層の存在にはあまり影響されないことが判る。
【００２８】
（比較例１）
実施例１と同様の条件で、皮膜の構成を実施例１の表２に示す構成と逆にした皮膜を形成した。そして、作製した試料の皮膜に対して実施例１と同様の引掻き試験（引掻き速度：10mm／min 、荷重増加速度：100N／min ）を行い、割れ臨界荷重を求めた。その割れ臨界荷重を併せて表４に示す。
【００２９】
【表４】

【００３０】
表４より明らかなように、下層（１層目）に表１の試料No.2及び4 のような割れ臨界荷重が比較的小さなものの皮膜を形成すると、上層（２層目）の皮膜種に関係なく、膜全体としての割れ臨界荷重が小さくなることが判る。
【００３１】
（比較例２）
スパッタリング法とホローカソードイオンプレーティング（ＨＣＤ）法を用いて鏡面超硬チップ（HRA90.6)と超硬製エンドミル（６枚刃、直径10mm）に表５に示す化学組成の成膜を行った。この時の成膜条件は、基板温度 400℃、アルゴンと窒素の混合ガス（Ar：N²＝ 5：1 ）雰囲気で全圧3mtorr、基板への印加電圧−100 Ｖとし、厚み約 3μm に成膜した。この後、鏡面超硬チップ上に形成した皮膜に対して、実施例１と同様のビッカース硬度（荷重25gf、保持時間15秒）、及び引掻き試験（引掻き速度：10mm／min 、荷重増加速度：100N／min ）を行った。これらビッカース硬度及び割れ臨界荷重を併せて表５にスパッタリング法の場合、表６にＨＣＤ法の場合を示す。
【００３２】
【表５】

【００３３】
【表６】

【００３４】
表５及び表６より明らかなように、スパッタリング法で形成した皮膜に関しては、硬度は表１に示すカソード放電型アークイオンプレーティング法（アーク法）に比較していずれも低く、また割れ臨界荷重の測定を行ったが、皮膜内部から割れが生じる以前に、皮膜と基板の界面で剥離を生じたため測定ができなかった。すなわち、スパッタリング法で形成した皮膜は硬度及び密着性ともアーク法で形成した皮膜に比較して著しく劣っていると判断される。またＨＣＤ法に関しては、密着性及び割れ臨界荷重に関してはほぼアーク法と同様であったが、皮膜硬度が低く耐摩耗性に劣ることが予想される。
【００３５】
スパッタリング法及びＨＣＤ法ではアーク法に比較して蒸着粒子のイオン化率が低いために、印加電圧による皮膜の緻密化が十分に行われず、上記のような結果になったと考えられる。
【００３６】
次に、実施例１の表１と表２、実施例２の表３、比較例１の表４及び比較例２の表５と表６に示す化学組成の皮膜を形成した超硬製エンドミルを用いて下記に示す切削条件で切削試験を行い、切削試験後の切れ刃の摩耗状況をＳＥＭ観察により調査した。切削後の切れ刃の膜が摩耗し、超硬素材が露出した部分の量から、各皮膜の耐摩耗性を比較した。その試験結果を表７に示す。なお、表７の発明例６、参考例8〜10、12と比較例13、15における多層皮膜の化学成分は、左側から下層／上層、又は下層／中層／上層の各化学成分を示す。
【００３７】
切削条件
切削材：ＪＩＳ−ＳＫＤ11鋼（焼入れ材、硬度ＨＲＣ60）
切込み：0.5mm ×10.0mm
送り：100mm ／分（0.026mm ／刃）
回転速度：637 回転／分
切削速度：20ｍ／分
切削長：40ｍ
その他：ダウンカット、エアブロー
【００３８】
【表７】

【００３９】
表７から明らかなように、本発明例６、参考例8〜10、12はいずれも摩耗量が0.024mm以下と少なく耐摩耗性に優れているのに対して、比較例１〜５及び13、15〜25はいずれも摩耗量が0.025mm以上と多く、特に従来より知られている化学組成の比較例１、16、20、21、25では耐摩耗性が劣ることが判る。
【００４０】
【発明の効果】
上述したように、本発明に係る硬質皮膜は耐摩耗性、耐割れ性に優れており、また硬度、耐熱性（高温耐酸化性）などにも優れていることから、バイト、エンドミルなどの切削工具はもとより金型、ダイスやロールなどの塑性加工用治工具、ビット、ロッドなどの土木工具、機械部品類などの広い用途の部品の耐摩耗性、耐割れ性が要求される基材表面に被覆して用いることができる。
【００４１】
また、本発明に係る硬質皮膜をカソード放電式アークイオンプレーティング法（アーク法）で成膜することにより、アーク法で形成された従来のTiN あるいはAlTiN 膜は言うまでもなく、スパッタリング法あるいはＨＣＤ法で形成した皮膜よりも耐摩耗性に優れた皮膜を形成させることができ、より耐摩耗性、耐割れ性に優れた硬質皮膜を得ることができる。

Claims

基材表面に耐摩耗性皮膜として形成される硬質皮膜であって、皮膜が化学組成の異なる２層以上の多層皮膜からなり、最下層の皮膜の化学組成が下記（１）からなる一方、最上層の皮膜の化学組成が下記（２）との組合せで構成されてなり、最上層の皮膜の硬度が、マイクロビッカース硬度計にて荷重 25gf 、保持時間 15sec で測定した時、下層よりも高い HV3000 以上の硬度を有し、かつ先端半径が 200 μ m のダイヤモンド針にて下記に示す引掻き試験条件にて引掻き試験を行った時、引掻き試験後の光学顕微鏡観察により定義される皮膜の割れ臨界荷重が 100N 以上を有することを特徴とする耐摩耗性、耐割れ性に優れる硬質皮膜。
（１）： Al ｘ Ti ｙ N 〔但し 0.4 ≦ｘ≦ 0.7 、残部ｙ（ｘ＋ｙ＝１）〕
（２）： Ti ｘ Nb ｙ Al ｚ N （但し 0.25 ≦ｚ≦ 0.65 、 0.05 ≦ｙ≦ 0.75 、 0 ＜ｘ＜ 0.6 、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）
引掻き試験条件
引掻き速度： 10mm ／ min
荷重増加速度： 100N ／ min
基材：超硬合金（硬度 HRA85 〜 95 ）
請求項１に記載の耐摩耗性、耐割れ性に優れる硬質皮膜が、カソード放電型アークイオンプレーティング法により形成されたものである耐摩耗性、耐割れ性に優れる硬質皮膜。
請求項１または 2 に記載の耐摩耗性、耐割れ性に優れる硬質皮膜を被覆して有する硬質皮膜被覆部材。
請求項１または２に記載の耐摩耗性、耐割れ性に優れる硬質皮膜を少なくとも刃先に被覆して有する硬質皮膜被覆切削工具。