JP4217027B2 - 被覆部材 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、チップ，ドリル，エンドミルに代表される切削工具、金型，切断刃などの耐摩耗工具、ライナー，軸受けブッシュなどの摺動部品に使用される被覆部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＣ，（ＴｉＡｌ）Ｎ，Ａｌ₂Ｏ₃などの硬質膜を被覆した被覆部材が、切削工具、耐摩耗工具、または摺動部品に使用され、寿命延長に貢献している。しかし、切削油あるいは潤滑油を使用しないドライ条件では、摩擦に伴う応力や熱の発生によって硬質膜が剥離や酸化を起こすために、寿命延長が困難であると言う問題がある。
【０００３】
そこで、摩擦係数の低下させるため、二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂），二硫化タングステン（ＷＳ₂）などの金属硫化物、黒鉛，ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などの炭素材，銀，鉛などの軟質金属、窒化ホウ素，窒化ケイ素などの窒化物、ガラス，酸化鉛、酸化モリブデンなどの低融点物質を、固体潤滑剤として被膜に含有させる、あるいは、潤滑剤の被膜と硬質膜とを多層化することにより、潤滑性，耐溶着性を付与して寿命延長を図った被覆工具あるいは部品が提案されている。これら被膜の潤滑性に関する先行技術の代表的なものに、特表平１１−５０９５８０号公報，特開２０００−１７６７０５号公報，特開２０００−２３３３２４号公報，および特開平０７−１６４２１０号公報がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特表平１１−５０９５８０号公報には、硫化金属の第一ターゲットと金属の第二ターゲットを持つスパッターイオンプレーティングシステムにより作製される０．１〜１０μｍの積層複合膜（ＭｏＳ₂／Ｔｉ，ＭｏＳ₂／ＴｉＮの混合物被膜）が記載されている。
【０００５】
前公報に記載された潤滑膜は、ＭｏＳ₂の潤滑性によって工具寿命の延長を図ろうとしたものであるが、ＭｏＳ₂は軟質で酸化され易い膜であり、摩滅あるいは下地膜から剥離するために、切削や厳しい摺動条件ではほとんど寿命延長効果がないという問題がある。
【０００６】
また、特開２０００−１７６７０５号公報には、基材界面にシリコン単体、その上にシリコン炭窒化物からなる中間層、最上層に２μｍ以下の硬質炭素（ＤＬＣ）でなる硬質炭素被膜を有する工具部材が記載されている。同公報に記載された硬質炭素系複合膜は、耐溶着性と耐反応性に優れるために、非鉄金属切削での工具寿命延長や耐摩耗性部品での摩擦摩耗の低減には効果的であるが、耐酸化性や高熱下での安定性に劣るために、高速で高荷重の条件や鉄系材料の切削には不向きであるという問題がある。
【０００７】
特開２０００−２３３３２４号公報には、各種基材上にＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮ．Ａｌ₂Ｏ₃などの硬質物質をコーティングした工具上に、０．０１〜２μｍからなる金属酸化物：ＭＯ_x（ＭはＳｉ，Ｚｒ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｒ、ｘは０．２≦ｘ＜２）を被覆したコーティング工具用固体潤滑膜が記載されている。
【０００８】
これらの公報に記載された酸化物被覆切削工具は、特定の金属酸化物の耐溶着性，潤滑性を利用したものではあるが、その効果は少なく寿命延長が困難であると言う問題がある。
【０００９】
特開平０７−１６４２１０号公報には、立方晶窒化ホウ素基焼結体を基材とし、厚さ３〜１００μｍのケイ素又はケイ素化合物被覆層が設けられたケイ素又はケイ素化合物被覆高硬度焼結体切削工具が記載されている。同公報記載の被覆焼結体切削工具は、超高速切削では刃先に酸化ケイ素の保護膜を形成して摩擦摩耗を低減できるが、１０００ｍ／ｍｉｎもの切削速度は現実的でないと言う問題がある。
【００１０】
本発明は、このような構成が有していた問題を解決するものであり、乾式切削加工、高速切削加工などの厳しい切削条件下で使用される切削チップ、ドリル、エンドミルなどの切削工具、または、高温環境で使用される耐摩耗工具、摺動部品等の寿命を延長させることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、長年に亘り潤滑性，耐酸化性，耐溶着性を改善しつつ、乾式，湿式条件ともに耐摩耗性を大幅に向上させた被覆部材について検討していた所、被膜にフッ化カルシウム，フッ化セリウムなどのフッ化物を含有させると潤滑性，耐溶着性，耐酸化性が改善されるために、耐摩耗性も改善されて長寿命になると言う知見を得て本発明を完成するに至ったものである。
【００１２】
すなわち、本発明のフッ化物含有膜は、マグネシウム，カルシウム，バリウム，ストロンチウム，セリウムの中から選ばれた１種または２種以上の元素のフッ化物：１０重量％以上（１００重量％を除く）と、アルミニウム，ケイ素，イットリウム，周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の酸化物，炭化物，窒化物，ホウ化物，およびこれらの固溶体の中から選ばれた１種または２種以上の補助物質：残部との混合物，固溶体，および／または非晶質相からなるフッ化物含有膜であることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明のフッ化物含有膜として、具体的には、フッ化マグネシウム，フッ化カルシウム，フッ化バリウム，フッ化ストロンチウム，フッ化セリウムなどを挙げることができる。その中でもフッ化マグネシウム，フッ化カルシウム，フッ化セリウムの中の１種であると、寿命改善効果が大きいので好ましい。特に、耐摩耗性が重視される用途には、上記のフッ化物と、アルミニウム，ケイ素，イットリウム，周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の酸化物，炭化物，窒化物，ホウ化物，およびこれらの固溶体の中から選ばれた１種または２種以上の補助物質とからなる混合物，固溶体，および／または非晶質相であるフッ化物含有膜も好ましい。フッ化物含有膜中のフッ化物含有量は、１０重量％未満では潤滑性，耐溶着性，耐酸化性の向上による耐摩耗性の改善効果が少ないので、１０重量％以上と定めた。
【００１４】
また、基材に被覆した被膜の全体厚みは、０．１μｍ未満では被覆による寿命改善効果が少なく、逆に２０μｍを超えて厚くなると被膜の剥離や被覆部材の強度低下が著しくなるので、０．１〜２０μｍが好ましい。
【００１５】
本発明のフッ化物含有膜は、上記のフッ化物と酸化アルミニウム，酸化ケイ素，酸化チタン，酸化ジルコニウム，酸化イットリウムの中から選ばれた1種または２種以上との混合物，固溶体，および／または非晶質相からなると、フッ化物を保持して強度低下や急減な摩滅，軟化を防止するので好ましい。具体的な含有形態として、ＣａＦ₂とＳｉＯ₂，ＴｉＯ₂，ＺｒＯ₂などとの混合物、ＳｉＯ₂−ＣａＦ₂系の非晶質相（ガラス相）、ＣａＦ₂を固溶したＡｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃を固溶したＣａＦ₂などを挙げることができる。ここで、酸化物が酸化アルミニウムおよび／または酸化ケイ素であると、改善効果が大きいので特に好ましい。
【００１６】
また、アルミニウム，ケイ素，イットリウム，ジルコニウムの酸化物，チタンの炭化物，窒化物，炭窒化物，酸化物の中から選ばれた１種または２種以上からなる膜厚０．０１〜０．５μｍの化合物膜と膜厚０．０１〜０．５μｍのフッ化物含有層とが隣接し、交互に２層以上積層した積層構造を有すると、フッ化物の耐溶着性，潤滑性がより発揮されて寿命が向上するので好ましい。フッ化物含有膜と化合物膜の厚みは共に、０．０１μｍ未満では製造が困難であり、０．５μｍを超えて厚くなると層間剥離を生じ易くなるので、０．０１〜０．５μｍが好ましい。具体的な膜構成として、ＣａＦ₂／Ａｌ₂Ｏ₃の各３層の交互積層した積層膜、ＣａＦ₂／Ａｌ₂Ｏ₃／ＺｒＯ₂の各２層の交互積層した積層膜などを挙げることができる。
【００１７】
被覆部材に被覆される被膜は、フッ化物含有膜以外に硬質層を有すると耐摩耗性が顕著に改善されるので好ましい。硬質層として、具体的には、ＴｉＣ，ＴｉＮ，Ｔｉ（ＣＮ），Ｔｉ（ＣＮＯ），（ＴｉＡｌ）Ｎ，（ＴｉＡｌ）（ＣＮＯ），Ａｌ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂などが挙げられ、さらに、これらの混合物や積層構造も挙げられる。
【００１８】
本発明の被覆部材における基材は、具体的には、ＷＣ−Ｃｏ系，ＷＣ−（ＷＴｉＴａ）Ｃ−Ｃｏ系，ＷＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系に代表される超硬合金、ＴｉＣ−Ｍｏ−Ｎｉ系，ＴｉＣＮ−ＷＣ−ＴａＣ−Ｎｉ−Ｃｏ系などのサーメット、Ａｌ₂Ｏ₃系，Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ系，Ｓｉ₃Ｎ₄系などのセラミックス、立方晶窒化ホウ素を主成分とする超高圧焼結体や高速度鋼，工具鋼を挙げることができる。
【００１９】
本発明の被膜を被覆する方法は、イオンプレーティング法，アークイオンプレーティング法，スパッター法，電子ビーム法，イオンミキシング法など種々の物理蒸着法を挙げることができるが、アークイオンプレーティング法による硬質膜形成とスパッター法あるいは電子ビーム法によるフッ化物含有膜形成の組合せが好ましい。
【００２０】
本発明の被覆部材は潤滑性、耐溶着性、耐酸化性に優れるため、切削チップ，ドリル，エンドミル，ブローチに代表される切削工具、金型，切断刃などの耐摩耗工具、ライナー，軸受けブッシュなどの摺動部品に使用されると効果が高く好ましい。
【００２１】
【実施例１】
基材として、市販されている超硬合金製ソリッドドリル（８．０φｍｍ，組成：ＷＣ−１０重量％Ｃｏ，硬さ：ＨＲＡ＝９１．５）を用意し、被覆には４極のターゲットが着装可能なアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）とアンバランストマグネトロンスパッター（ＵＢＭ）を併用できる装置を使用した。まず、基材ドリルを装置内に挿入して約１×１０^-3Ｐａの真空とした後、５００℃に加熱してＡｒガスを導入しながら約０．１Ｐａとし、−６００Ｖのバイアス電圧をかけて１０分間保持することにより、ドリル表面をＡｒスパッターにより十分に洗浄した後、脱気を行った。次いで、表１に示した被覆条件（方式、ターゲット種類，ガス成分と流量，バイアス電圧，処理時間）で被覆処理を順次行なうことよって、本発明品１〜７の被覆ドリルを得た。同様に表２に示した被覆条件によって、比較品１〜６の被覆ドリルを得た。
【００２２】
【表１】

注）* …は第２処理条件と第３処理条件または第３処理条件と第４処理条件の繰り返しを意味する
** 金属板もしくは粉末のホットプレス焼結体
【００２３】
【表２】

注）* …は第２処理条件と第３処理条件の繰り返しを意味する
** Ｃターゲットは黒鉛板、他は金属板もしくは粉末のホットプレス焼結体
【００２４】
得られた本発明品１〜７と比較品１〜６の被覆ドリルについて、先端マージン部付近でＸ線回折による成分同定を行なった後、輪切りに切断して研磨及びラップ仕上げして、被膜断面の顕微鏡観察による膜構成調査（種類と膜厚み）と電界放射型走査電子顕微鏡によるフッ化物含有膜（比較品では潤滑膜）の組成分析を行った。これらの結果を表３に示す。
【００２５】
【表３】

注） * ()内の−は固溶体あるいはガラス相、＋は混合物、／は積層をそれぞれ表す
【００２６】
そして、各被覆ドリルを用いて下記条件の乾式加工での穴明け試験を行った。刃先のチッピング発生、折損あるいは切り屑詰まりによる急激なトルク上昇が発生するまでの加工可能な穴数を表４に示す。さらに、所定穴数の加工まで正常であった場合には、刃先の平均逃げ面摩耗量も示した。
（Ａ）被削材：炭素鋼（Ｓ４５Ｃ），切削外周速度：６０ｍ／ｍｉｎ，送り；０．１０ｍｍ／ｒｅｖ，穴深さ：４０ｍｍ，所定穴数：４００穴
（Ｂ）アルミニウム合金（ＡＣ４Ｂ−Ｔ６），切削外周速度：５０ｍ／ｍｉｎ，送り；０．１０ｍｍ／ｒｅｖ，穴深さ：４０ｍｍ，所定穴数：２００穴
【００２７】
【表４】

【００２８】
【実施例２】
市販の金型鋼素材（ＳＫＤ１１，ＨＲＣ＝６０）を用い、切断と研磨加工により３０×３０×８０ｍｍのブロックを製作し、片平面を１０００＃のダイヤモンド砥石で仕上げした。そして、実施例１と同様な方法・条件を用いて表５に示した本発明品８〜１０と比較品７〜１１を得た。こうして得た被覆ブロックを使用してディスクオンリング式での高温摩擦試験を実施した。具体的な方法と条件は、被覆ブロックの仕上げ加工面とベアリング鋼（ＳＵＪ２）製でφ２５−φ２０×３０ｍｍのリング端面を接触させ、荷重：５００Ｎ，摩擦速度：３０ｍ／ｍｉｎ，雰囲気：大気中，温度；５００℃である。摩擦試験は、摩擦トルクを測定しながら行い、摩擦係数が０．４を超えるまでの摩擦時間（ただし、最大１００時間で停止）と平均摩擦係数を測定した。結果を表５に示す。
【００２９】
【表５】

【００３０】
表４および表５で明らかなように、本発明のフッ化物含有膜は、従来の潤滑膜に比べて優れた性能を発揮している。表４に示す乾式での穴明け試験では、フッ化物の優れた潤滑性と耐溶着性により、寿命を数倍以上に向上できる。表５に示す高温摩擦では、耐酸化性も向上し、摩擦摩耗を大幅に低減している。
【００３１】
【発明の効果】
上述したように本発明の被覆部材は、フッ化物含有膜中のフッ化物が潤滑性，耐溶着性，および／または耐酸化性を改善させ、切削工具、耐摩耗工具、または摺動部品として使用した場合に摩擦摩耗を低減して長寿命を発揮するものである。

Claims (6)

1. 超硬合金，サーメット，セラミックス，立方晶窒化ホウ素基焼結体，高速度鋼の中の少なくとも１種の基材表面に被膜を被覆した被覆部材において、該被膜の少なくとも１層は、マグネシウム，カルシウム，バリウム，ストロンチウム，セリウムの中から選ばれた１種または２種以上の元素のフッ化物：１０重量％以上（１００重量％を除く）と、酸化アルミニウム，酸化ケイ素，酸化チタン，酸化ジルコニウム，酸化イットリウムの中から選ばれた１種または２種以上の補助物質：残部との混合物，固溶体，および／または非晶質相からなるフッ化物含有膜である被覆部材。
2. 上記フッ化物は、フッ化マグネシウム，フッ化カルシウム，フッ化セリウムの中の１種である請求項１に記載の被覆部材。
3. 上記補助物質は、酸化アルミニウムおよび／または酸化ケイ素である請求項１または２に記載の被覆部材。
4. 上記被膜の少なくとも１層は、アルミニウム，ケイ素，イットリウム，ジルコニウムの酸化物，チタンの酸化物，炭化物，窒化物，炭窒化物の中から選ばれた１種または２種以上からなる膜厚０．０１〜０．５μｍの化合物膜と、膜厚０．０１〜０．５μｍの上記フッ化物含有膜とが隣接し、交互に２層以上積層してなる積層膜である請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆部材。
5. 上記被膜の少なくとも１層は、チタンの炭化物，窒化物，炭窒化物，炭窒酸化物、チタンとアルミニウムとの窒化物，炭窒化物，炭窒酸化物およびアルミニウム，ジルコニウムの酸化物の中の１種または２種以上からなる硬質膜である請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆部材。
6. 上記被覆部材を切削工具、耐摩耗工具、または摺動部品として用いる請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆部材。