JP4350822B2 - 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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Description
【発明の属する技術分野】
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TiCN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】
またこれらの皮膜より一層優れた特性を示す皮膜材料として、Tiと、Ti以外の4a,5a,6a族金属元素の複合(炭)窒化物が提案されている(例えば、特開昭60−248879号,特開平4−221057号,特開平7−173608号)。具体的には、(Ti,M)(N,C)[但し、MはTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W]で示される硬質皮膜であり、これらの皮膜は耐摩耗性の上では非常に優れた特性を発揮するが、TiNやTiCNに比べると密着性が不十分であり、使用中に皮膜が剥離するという問題があった。
【0004】
更に最近では、高硬度材の切削や、高速切削に対応する硬質皮膜として、(Ti,Al)N膜が注目されている。但し、(Ti,Al)Nは、SKD61等の焼入れ鋼といった高硬度鋼材の切削においては上記(Ti,M)(N,C)膜より優れた耐摩耗性を示すが、S50C等の炭素鋼に代表される低硬度鋼材を切削する場合では、切削条件によっては逆に上記(Ti,M)(N,C)膜より耐摩耗性に劣ることが指摘されていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に着目してなされたものであって、耐摩耗性及び密着性に優れた硬質皮膜と、上記硬質皮膜が形成された硬質皮膜被覆部材を提供しようとするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成した本発明とは、基材表面に形成される硬質皮膜であって、
基材側に形成される第1層は、4a,5a,6a族の金属(Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W)からなり、
表面側に積層された第2層の組成は
(Vu Ti1-u )(Nv C1-v )
但し0.25≦u≦0.75,0.6≦v≦1
であることを要旨とするものである。
【0007】
前記第1層の厚さは、5〜500nmであることが望ましく、また前記第1層及び第2層の合計の厚さは、0.8〜20μmとすることが望ましい。
【0008】
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または硬質皮膜被覆工具を得ることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、耐摩耗性及び密着性に優れた硬質皮膜の開発を目的として、鋭意研究を重ねた。その結果、基材表面に形成される硬質皮膜において、
基材側に形成される第1層として、4a,5a,6a族の金属からなる皮膜を形成し、その上に第2層として、
(Vu Ti1-u )(Nv C1-v )
但し0.25≦u≦0.75,0.6≦v≦1
で示される組成を有する皮膜を形成した場合には、非常に耐摩耗性に優れた硬質皮膜を基材上に密着性良く形成できることを見出し、本発明に想到した。
【0010】
本発明に係る硬質皮膜が、優れた密着性を発揮する理由は、4a,5a,6a族の金属からなる層を、基材と(Vu Ti1-u )(Nv C1-v )膜の間に形成することにより応力が緩和されるからであると考えられる。
【0011】
本発明において、基材側に形成される第1層として4a,5a,6a族の金属を用いるのは、これらの金属は融点が1600℃以上と高いからであり、低融点の金属を用いると中間層形成時に溶融塊ができて平滑に薄膜を形成することができないが、上記の高融点金属を蒸発源として用いて中間層を形成すれば溶融塊が発生し難く平滑で均一な膜を得ることができ、高い密着力が得られるからである。
【0012】
本発明に係る硬質皮膜において、表面側に積層される第2層の組成は、
(Vu Ti1-u )(Nv C1-v )
但し0.25≦u≦0.75,0.6≦v≦1
であることが必要である。その理由は、uの値が0.25以上0.75以下の範囲において、(V,Ti)(N,C)膜の硬度が高くなり、(V,Ti)(N,C)膜を表面側に形成することによる優れた特性が発揮できるからであり、またVを添加することによる潤滑性と耐溶着性の向上効果が十分に得られるからである。なお、uの値は、高い硬度を得る上で0.30≦u≦0.70が望ましく、0.40≦u≦0.60がより望ましい。
【0013】
またvの値が0.6未満では、(V,Ti)(N,C)膜の靭性が低下し、十分な密着力が得られなくなるので、0.6≦v≦1であることが必要である。
【0014】
本発明に係る第1層の厚さは、薄過ぎると中間層としての十分な効果が得られないので5nm以上が望ましい。一方、本発明に係る第1層は第2層に比べると軟らかく、第1層が厚過ぎると、切削等による摩擦抵抗に耐え切れず剥離が発生する場合があるので、第1層は500nm以下とすることが望ましい。
【0015】
本発明に係る硬質皮膜の厚さは、薄過ぎると耐摩耗性が不十分となるので第1層と第2層の合計の厚さで0.8μm以上が望ましく、一方厚過ぎると膜自体にクラックが入り易くなって強度が不十分となるので第1層と第2層の合計の厚さは20μm以下とすることが望ましい。尚、本発明の硬質皮膜は切削工具の表面に形成することにより非常に優れた効果を発揮するが、皮膜が厚過ぎると切れ味が低下しチッピング等が発生するので、特に切削工具に適用する場合には、皮膜の厚さを20μm以下とすることが望ましい。
【0016】
また、本発明に係る硬質皮膜を形成する方法としては、アークイオンプレーティング法を採用することが推奨される。その理由は、イオン化効率を高くすることや反応性を高めること、又は基板にバイアス電圧を印加することなどによって一層密着性の優れた皮膜を得ることができるからである。またカソードとして目的とする組成比の合金ターゲットを用いれば、皮膜組成のコントロールが容易であり推奨される。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
【実施例】
実施例1
平坦な超硬基板をアークイオンプレーティング装置内に置き、真空排気を行い、ヒータによって炉内雰囲気温度を約400℃で60分間保持した。その後、ワークに−200〜−600Vのバイアス電圧を印加し、表1に示す種々の金属層を形成した。次いで、ワークに印加する電圧を−150Vとし、炉内に高純度のN2 ガスまたはN2 /CH4 混合ガスを7.0×10-3torrとなるまで導入し、種々の組成を有するTiVカソードを用いてアーク放電を行い、表1に示す組成の第2層を成膜した。皮膜の組成は、電子プローブX線マイクロアナリシス及びオージェ電子分光法により確認した。
【0020】
得られた試験片を用いてスクラッチテストを行い、夫々の皮膜の密着性を評価した。具体的には膜損傷時のAE信号の変化とテスト後の光学顕微鏡観察によって皮膜が損傷した荷重を密着力とした。結果は各サンプル3回のスクラッチテストの平均であり、表1に示す。
【0021】
【表1】
【0022】
本発明例であるNo.1〜8では臨界荷重が高く、超硬基板上に形成された硬質皮膜の密着性が非常に優れている。
【0023】
No.9は第1層の膜厚が厚過ぎる場合の比較例であり、No.10は第1層の膜厚が薄過ぎる場合の比較例、No.11は第2層の膜厚が厚過ぎる場合の比較例であり、いずれの比較例も本発明例より密着性が乏しいことが分かる。
【0024】
No.12,13は従来例であり、No.12では第1層が形成されておらず、またNo.13では第1層としてTiNが形成されている従来例であるが、いずれも本発明例に比べて硬質皮膜の密着性が大幅に劣ることが分かる。
【0025】
実施例2
耐摩耗性の評価を目的として、ボールオンディスク試験を実施した。ボールとしては、鏡面仕上げした直径10mmの超硬球の表面に実施例1と同様の方法により表2に示す組成及び層を有する皮膜を形成した超硬球を用い、S55C製のディスクに対し、荷重10N、摺動速度1m/sec 、温度500℃、摺動距離500mの条件で摺動試験を行い、摩耗量と摩擦係数を測定した。なお摩耗量は超硬球に生じた摺動痕の幅をとった。また、No.18に関しては、カソードとしてTiV合金を用いる代わりに、Al0.5 Ti0.5 合金を用いた。結果は表2に示す。
【0026】
【表2】
【0027】
No.1〜8は本発明例であり、No.9〜15は比較例、No.16〜18は従来例である。本発明例は比較例及び従来例に対し、摩耗量が非常に小さいことが分かる。これは本発明に係る硬質皮膜の密着性が優れるためであると考えられる。
【0028】
実施例3
超硬合金製ボールエンドミル(径5R)に対し、実施例2と同様の方法により表3に組成及び膜厚を示す硬質皮膜を形成し、切削試験を行った。切削試験に用いた被削材はS55Cであり、切削速度は98m/min、送りは1刃あたり0.05mm、切り込み量はピックフィード0.5mm、軸方向切り込みは4.0mmで、エアブローしながらダウンカットにて切削を行い、切削長50mを加工した後の先端部と境界部の摩耗量を測定した。結果は表3に示す。
【0029】
【表3】
【0030】
No.1〜8は本発明例であり、No.9〜15は比較例、No.16〜18は従来例である。本発明例は、先端部と境界部のいずれにおいても比較例及び従来例と比べて摩耗量が非常に小さく、優れた耐摩耗性を発揮することが分かる。
【0031】
実施例4
高速度鋼製JIS標準ストレートドリル(外径φ6.0mm)に対し、実施例2と同様の方法により表4に示す硬質皮膜を形成し、切削試験を行った。被削材としてはS50Cを用い、切削速度30m/min、送り0.18mm/rev.、切削油はエマルションという切削条件にて穴深さ16mmの貫通穴を穿孔し、寿命までの穴明け数を調べた。各皮膜につき3本の切削試験を行い、穴明け数の平均を算出した。結果は表4に示す。
【0032】
【表4】
【0033】
No.1〜8は本発明例であり、No.9〜15は比較例、No.16〜18は従来例である。本発明例は、比較例及び従来例と比べて大幅に寿命が改善されていることが分かる。これは、本発明に係る皮膜を形成したドリルでは、耐摩耗性及び密着性が非常に優れているからであると考えられる。
【0034】
実施例5
炭窒化チタン基サーメット製フライス加工用チップ(SDKN42,JISP10)に対し、実施例2と同様の方法により表5に示す硬質皮膜を形成し、切削試験を行った。切削試験に用いた被削材はS50Cであり、切削速度は200m/min、送りは1刃あたり0.15mm、切り込み量は2.0mm、乾式にて切削を行い、切削長50mでの逃げ面摩耗幅を測定した。結果は表5に示す。
【0035】
【表5】
【0036】
No.1〜8は本発明例であり、No.9〜15は比較例、No.16〜18は従来例である。本発明例は、比較例及び従来例と比べて逃げ面摩耗幅が非常に小さく、優れた耐摩耗性を発揮し、長寿命であることが分かる。
【0037】
実施例6
Al2 O3 −TiCセラミックス製の旋削加工用チップに対し、実施例2と同様の方法により表6に示す硬質皮膜を形成し、連続旋削加工での切削試験を行った。切削試験に用いた被削材はFCD45であり、切削速度は300m/min、送りは0.15mm/回転、切り込み量は0.3mm、乾式にて切削を行い、切削長50mでの逃げ面摩耗幅を測定した。結果は表6に示す。
【0038】
【表6】
【0039】
No.1〜8は本発明例であり、No.9〜15は比較例、No.16〜18は従来例である。本発明例は、比較例及び従来例と比べて逃げ面摩耗幅が非常に小さく、優れた耐摩耗性を発揮し、長寿命であることが分かる。
【0040】
【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及び密着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密着性良く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、
基材側に形成される第1層は、Wからなり、
表面側に積層された第2層の組成は
(Vu Ti1-u )(Nv C1-v )
但し0.30≦u≦0.70,0.6≦v≦1
であることを特徴とする耐摩耗性に優れた硬質皮膜。 - 第1層及び第2層の合計の厚さが、0.8〜20μmである請求項1に記載の硬質皮膜。
- 請求項1または2に記載の硬質皮膜が形成されてなる硬質皮膜被覆部材。
- 請求項1または2に記載の硬質皮膜が形成されてなる切削工具。
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