JP4138630B2

JP4138630B2 - 耐摩耗性硬質皮膜

Info

Publication number: JP4138630B2
Application number: JP2003377634A
Authority: JP
Inventors: 豊明安井; 勝保花中; 幸夫樹神; 容造中村; 雅信三▲崎▼; 佳宏和田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2023-11-07
Also published as: JP2005139515A

Description

本発明は、物理蒸着法を用いて基材上に成膜した密着性を飛躍的に向上させ長寿命とした耐摩耗性硬質皮膜に関する。

従来、イオンプレーティングに代表される物理蒸着法を用いて基板上に高硬度皮膜を形成する技術が開発され、ＴｉＮ皮膜はその中でも最も実用化が進んでおり、工具、金型、眼鏡等の装飾品等に適用されている。しかし、この皮膜は５００℃以上になると、皮膜の酸化が始まるため、高温に曝される部品、工具、金型等には適用出来ない。そこで、この改善策として、ＴｉＡｌＮ皮膜が開発され、この皮膜では約８００℃までの高温中でも酸化が抑制され使用が可能となったが、それ以上であると上記ＴｉＮと同様酸化による皮膜劣化で適用が困難である。さらに高温で使用可能な皮膜として、特許文献１に記載されたＡｌ−Ｃｒ−Ｎや、特許文献２に記載されたAl-Cr-Si-N又はN+Oなどが考案され、これらの皮膜ではさらに高温での使用が可能である。
しかしながら、密着性の点で問題があり、高荷重が負荷する製品、部品に対しては耐摩耗性の点で課題が残っていた。

特開平１０−２５５６６号公報特開２００２−３３７００７号公報

本発明者らは、上記問題点に鑑み、従来技術の課題を解決するため研究を進め、従来技術を飛躍的に向上した、密着性に優れかつ高耐酸化性の長寿命皮膜を開発すべく、鋭意検討した。すなわち、本発明は、高荷重負荷製品、部品に対し最も課題である、密着性を改善した耐酸化性・高硬度皮膜を提供することを目的とする。

本発明者らは、例えばドライ加工に使用するコーティング工具のごとく高温且つ高面圧状態に置かれる皮膜において、その皮膜自体の耐酸化性或いは硬度は無論であるがそれらの特性の向上のみでは、皮膜の微視的な剥離が生じ結果的にそれらの優れた特性を生かしきれないうちに寿命となることを発見した。そこで、この観点に立ち、本発明は、密着性を改善し、耐酸化・高硬度皮膜自体の特性を最大限に生かすことを特徴とする。
すなわち、本発明は、被処理物である基材表面に、Cr又はTiの窒化物からなる第１層（下地層）と、その上にCr若しくはTiとAlCrSiとの混合物の酸素を含有した窒化物からなる第２層（混合層）と、さらにその上にAlCrSiの酸素を含有した窒化物からなる第３層（上層）と、から構成される硬質層が被覆されていることを特徴とする耐摩耗性硬質皮膜を提供するものである。

より具体的には、本発明では密着性を改善するため、基材上にCr又はTiの窒化物を厚さ0.1〜2μm厚さ被覆し、さらにその上に後述する上層（第３層）組成と上記Cr若しくはTiの窒化物下地層（第１層）との混合組成の酸素を含有する窒化物を0.1〜1μｍ被覆し、さらにその上にAlCrSiの酸素を含有する窒化物を被覆することを特徴とする。上述の基材上のCr又はTiの窒化物である下地層（第１層）と上層（第３層）皮膜との間の混合組成皮膜（第２層）は、窒素に酸素を0.1容量%〜5容量%添加したチャンバー内雰囲気でコーティングするものである。
さらに上層（第３層）のAlCrSiは酸素含有窒化物である。この場合の酸素含有窒化物層も、窒素に酸素を0.1容量%〜5容量%添加したチャンバー内雰囲気でコーティングするものである。
以上により、本発明では、耐摩耗性硬質皮膜の密着性が飛躍的に向上する。
上層（第３層）の組成は金属成分のみで、Siが１原子％以上２０原子％以下、残りのAl,Crが Al/Cr原子％比で0.3〜3とすることが好ましい。
上記皮膜の形成方法としては、アークイオンプレーティング法などの物理蒸着法により形成することができる。

以上説明したように、本発明皮膜は密着性に優れ且つ高温での耐酸化性にも優れており、耐摩耗性は極めて良好であり、被覆した部材、製品の長寿命化が達成できる。よって、工具、金型や眼鏡等の装飾品の表面処理に幅広く適用が可能である。
以下、本発明を実施する最良の形態によって詳細に説明するが、本発明はこれらの実施の形態によって何ら限定されるものではない。

以下、本実施の形態による密着性に優れかつ耐酸化性高硬度皮膜について図面を参照しながら説明する。
初めに、本発明がなされた経緯について説明すると以下のとおりである。
ＴｉＡｌＮ皮膜は、高温大気中で使用されると８００℃程度で皮膜が酸化され皮膜強度及び密着性が低下する。この酸化状態を分析すると、皮膜成分のＡｌ及びＴｉが酸化されており、特にＴｉの酸化物は非常にポーラスであるため酸素の進入が容易であり厚くなる。このため、上述の皮膜強度及び密着性が低下し、皮膜の剥離に繋がる。一方、ＡｌＣｒＮ皮膜はこの点を改善した皮膜であり、ポーラスで厚く形成するＴｉ成分に代えＣｒとし、酸素の進入を防止し酸化皮膜を極薄く生成させこの酸化層によりその後の酸化を防止することにより、耐酸化性を向上している。しかしこの皮膜は、Ａｌ，Ｃｒの酸化物が脆いため、高荷重が負荷する例えば工具に使用した場合、剥離が生じ耐摩耗性の点で問題がある。

さらに、密着性を改善するため、例えばTi窒化物の下地層を形成し、その上にTiAlN層を設けることにより密着性を改善する方法が考案されているが、この方法に於いても高荷重が付加する条件下では十分でなく寿命の点で問題がある。
これらの現象を基に、以下本発明の詳細な内容を説明する。

先ず、密着性を改善する方法について説明する。
基材例えば高速度工具鋼上にTi又はCrの窒化物、その上に上層組成と上記Cr若しくはTiの窒化物下地層との混合組成の酸素を含有する窒化物を被覆し、さらにその上にAlCrSiの酸素を含有する窒化物を被覆することを特徴とする。混合層及び上層を被覆する場合は、酸素を0.1容量%〜5容量%添加した窒素雰囲気で実施する。
ここで、図２に示す混合組成層２０を設けることにより、下地層２１と上層コーティング２２との密着性が改善される。また、この混合層２０を酸素を含有する窒化物とすることによって、より一層の密着力向上が可能である。また、上層２２のAlCrSiの窒化物に酸素を含有することにより、その下の混合層２０との密着が改善される。下地層２１の厚さは、0.1〜２μmの範囲、混合層２０の厚さは、0.1〜１μmの範囲が良好である。

次に、耐酸化性向上について説明する。
上層皮膜に関し、大気からの酸素の進入を抑制する、すなわち耐酸化性を高めるため、Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉの窒化物に酸素を加え、高温酸化雰囲気に曝された場合、その初期段階においてＡｌ，Ｃｒ，Ｓｉの緻密な複合酸化皮膜、特にAlリッチの緻密な酸化物を形成し、その後の酸素の進入を防止し、酸化層厚さを極めて薄く保つことが可能となる。また、酸素添加により、皮膜の靭性が向上し、高温・高面圧下での耐割れ性が向上し、皮膜の微細欠落が防止できる。
上層の組成は金属成分のみで、Siが１原子％以上２０原子％以下、残りのAl,Crが Al/Cr原子％比で0.3〜3とすることが好ましい。
上記皮膜の形成方法としては、アークイオンプレーティング法などの物理蒸着法により形成することができる。

図１は、その密着性に優れかつ耐酸化性硬質皮膜を基材表面に形成するためのアークイオンプレーティング装置１を示す。このアークイオンプレーティング装置１は、大気と気密なチャンバー２を設け、その側面部には、下地コーティング用蒸着ターゲット３−１及び上層コーティング用蒸着ターゲット３−２を配設し、チャンバー２の室内１６にはテーブル状のホルダー７が配設されている。ホルダー７は、回転軸９を介してモータ８と連結され、ホルダー７はその周方向に回転が可能である。そして、ターゲット３−１、３−２には、直流電源１２−１、１２−２が接続され、ターゲット３−１、３−２は電源１１の―側と接続され、ホルダー７は電源１１の−側に接続されている。
チャンバー２の室内１６には、室内１６を真空にするための真空ポンプ４が制御バルブ１３を介して接続され、また、室内１６の不活性ガスを供給するためのアルゴンのガス源５が制御バルブ１５を介して接続され、さらに、室内１６に窒素のガス源６−１が制御バルブ１４−１を介して接続され、窒素又は窒素＋酸素を供給するためのガス源６−２が制御バルブ１４−２を介して接続されている。

本実施形態では、ターゲット３−１はＡｌ，Ｃｒ,Ｓiからなり、また、基材１０はＳＫＨ−５４を用いた。そして、ホルダー７上に基材１０を載置し、制御バルブ１３〜１５のうち、初めに制御バルブ１３を開き、室内１６を真空排気し、次に制御バルブ１５を開き、室内１６にアルゴンガスを供給するとともに、室内１６を３Pa程度の圧力とする。次にモータ８によりホルダー７を回転させる。次いで、遮断バルブ１５を閉じて、バルブ１４−１を開き窒素ガスを供給し、チャンバー内１６を窒素とする。

ターゲット３−１(Cr又はTi)と直流電圧を印加させて陰極アーク放電によりターゲット３−１物質を蒸発、イオン化し、直流負バイアス電圧を付加した基材１０表面に雰囲気の窒素との反応による窒化物を形成する。引き続き、バルブ６−２より酸素含有窒素を供給し、ターゲット３−２（AlCrSi）とターゲット３−１を同時に蒸発させ上述と同様に被覆する。この場合バルブ６−２の酸素含有窒素ガス供給のない、ガス源６−１の窒素のみのケースもある。さらに、ターゲット３−２（AlCrSi）のみの蒸着をする。この場合は、酸素含有窒素雰囲気である。なお、基材は、上述真空排気後には記載しないヒーターにより、４００℃程度に加熱保持しておく。以上により、基板１０の表面に密着性に優れた耐高温酸化性硬質皮膜が形成される。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例によって何ら制限されるものでない。

実施例１〜５、比較例１〜５および従来例１
図１に示すアークイオンプレーティング装置により、各種合金ターゲットを用い、高速度工具鋼（SKH-54）ホブ基材上にTiN又はCrNと、TiN又はCrNと上層皮膜の両者成分の混合層を合わせて１μｍの皮膜と、AlCrSiN上層硬質皮膜をそれぞれのケースで総厚４μm成膜した。成膜条件は、下記表１に示すとおりとした。

その後、切削速度１５０m/min、送り量2.0mm/revでS55C材を無潤滑で切削し摩耗量を測定した。摩耗量の測定は、切削後の逃げ面摩耗幅を測定することにより行った。
各実施例１〜５と各比較例１〜５及び従来例１の結果を下記表２に示すが、本発明の皮膜は摩耗量が小さく耐摩耗性に優れていることが判明した。

ここで、密着性向上について説明する。
基材上に下地層として、TiN又はCrNを施工し、その上に耐摩耗コーティングを施工することは通常実施されているが、この場合の密着力は、上層の耐摩耗コーティングと下地層の密着性が重要であり、いくら上層コーティングの特性が優れていても、上述下地層と上層コーティングの密着性が小さい場合は、表面保護の目的を十分果たすことができない。本発明は、ここに着目したもので、下地層と上層の間に傾斜組成化した混合層を設けることにより、両者間の密着性を向上させるものである。この場合、上層コーティングに酸素が含有することにより、その直下の混合層も酸素を添加した方がさらに両者間の密着性を向上させ、皮膜の長寿命化が達成できる。一方、下地層のCrN又はTiN層への酸素添加は、基材との密着性を低下させるため好ましくない。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形及び変更が可能である。
例えば、上記コーティング層の形成に当たっては、物理蒸着法が適用され、その金属蒸発方法であるスパッタリングによるもの、アーク放電によるもの等があるがこれらの方法には制約はない。

本発明の高硬度皮膜は、密着性に優れかつ高耐酸化性の長寿命皮膜であり、高荷重負荷製品、部品に対し最も課題である、密着性を改善したものである。よって、工具、金型、眼鏡等や装飾品等の皮膜として用いることができ、特に高温に曝される部品、工具、金型等には好適であり、産業上の意義は極めて大きい。

本発明の実施の形態による耐摩耗性硬質皮膜を基材に形成するためのアークイオンプレーティング装置の概略図である。本発明の耐摩耗性硬質皮膜の断面を示す図である。

符号の説明

１アークイオンプレーティング装置
２チャンバー
３−１、３−２ターゲット
４真空ポンプ
５ガス源（Ａｒ）
６−１ガス源（Ｎ₂）
６−２ガス源 (N₂+O₂）
７ホルダー
８モータ
９回転軸
１０基材
１１電源
１３、１４−１、１４−２、１５制御弁
２０混合層
２１下地層
２２上層

Claims

被処理物である基材表面に、Ｔｉの窒化物からなる第１層と、その上にＴｉとＡｌＣｒＳｉとの混合物の酸素を含有した窒化物からなる第２層と、さらにその上にＡｌＣｒＳｉの酸素を含有した窒化物からなる第３層と、から構成される硬質層が被覆されており、上記第２層および上記第３層のＡｌＣｒＳｉは、Ｓｉが１原子％以上３０原子％以下、残りのＡｌおよびＣｒがＡｌ／Ｃｒ原子％比で０．３以上３以下であり、上記第２層および上記第３層はそれぞれ、その成膜時のチャンバー内の雰囲気が窒素に酸素を０．１〜５．０容量％添加した条件で成膜されたものであることを特徴とする耐摩耗性硬質皮膜。
被処理物である基材表面に、Ｃｒの窒化物からなる第１層と、その上にＣｒとＡｌＣｒＳｉとの混合物の酸素を含有した窒化物からなる第２層と、さらにその上にＡｌＣｒＳｉの酸素を含有した窒化物からなる第３層と、から構成される硬質層が被覆されており、上記第２層および上記第３層のＡｌＣｒＳｉは、Ｓｉが１原子％以上３０原子％以下、残りのＡｌおよびＣｒがＡｌ／Ｃｒ原子％比で０．３以上３以下であり、上記第２層および上記第３層はそれぞれ、その成膜時のチャンバー内の雰囲気が窒素に酸素を０．１〜５．０容量％添加した条件で成膜されたものであることを特徴とする耐摩耗性硬質皮膜。
上記耐摩耗性硬質皮膜の第２層である酸素含有窒化物層において、皮膜厚さが０．１〜２μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の耐摩耗性硬質皮膜。
上記皮膜を物理蒸着法により形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の耐摩耗性硬質皮膜。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の耐摩耗性硬質皮膜を表面に設けたことを特徴とする耐摩耗性硬質被覆工具。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の耐摩耗性硬質皮膜を表面に設けた工具を取り付けたことを特徴とする工作機械。