JP4441494B2 - 硬質皮膜被覆部材 - Google Patents
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更に、最上層に、耐熱性改善に有効である(AlSi)N又は(AlSi)(NO)の硬質皮膜で、且つ、金属元素の含有量の和を1とした場合の原子%で、Si量を10≦β<40を用いて、該中間積層部は、該最下層と該最上層の構成成分のAl、Siの2種以上の金属元素からなる酸窒化物、ホウ酸窒化物、炭酸窒化物からなる少なくとも2層以上の積層部であり、該中間積層部の金属元素は、少なくともAl及びSi量を、層厚方向に、0.5nm以上、50nm未満の周期で変動させて、(Al+Si)量で、30%以上、70%未満の最小部と、70%以上、99%未満の最大部を有していることを特徴とする硬質皮膜被覆部材とすることにより、硬質皮膜全体を高硬度化し、同時に積層する硬質皮膜が夫々優れた密着強度を有している。そのため、2層間の剥離が起こり難く、高硬度を有しながら耐剥離性、耐チッピング性に優れ、異常摩耗が発生し難く、優れた耐摩耗性を発揮することができる。
本願発明により、皮膜の剥離や異常摩耗を抑制することを可能になり、優れた耐摩耗性を発揮する硬質皮膜被覆部材を提供することができる。中間積層部の酸素含有量Xは、非金属元素の含有量の和を1とした場合の原子%で、0<X<14であることが好ましい。
図1より、硬質皮膜の層構造は、基体に物理蒸着法により組成が異なる複数層の硬質皮膜を積層しており、硬質皮膜は基体表面に被覆される最下層と、硬質皮膜の最表面に被覆される最上層と、最下層と最上層とに接する中間積層部とから構成される。高硬度、耐熱性、潤滑性等の優れた機能を発揮する最上層が存在しない場合には、耐摩耗効果を発揮することができない。最下層が存在しない場合、その上層の中間積層部並びに最上層の残留応力を吸収することができず、剥離や異常摩耗が先行した摩耗状態となり、安定した耐摩耗性の改善には至らない。中間積層部が存在しない場合には、最上層の特性を十分に発揮することができない。
請求項1記載の本願発明の重要な点は、最上層は、(TiSi)N、(TiSi)(NO)、(TiSi)CN、(TiSi)(BN)及び、(TiMoSi)(SN)の何れかの硬質皮膜で、且つ、金属元素の含有量の和を1とした場合の原子%で、Si量を10≦β<40、で40GPa以上の高硬度を有する硬質皮膜の場合に、最適な層構造を有していることである。中間積層部は、該最下層と該最上層の構成成分のAl、Si、Tiの3種以上の金属元素からなる酸窒化物、ホウ酸窒化物、炭酸窒化物からなる少なくとも2層以上の積層部であり、該中間積層部の金属元素は、少なくともAl及びSi量を、層厚方向に、0.5nm以上、50nm未満の周期で変動させていることである。この条件を満たす事によって、本願発明の最下層と最上層との硬度、密着性、潤滑性、強度のバランスが最適となる。この場合は、硬質皮膜被覆部材の中でも例えば、刃数が少なく断続性が強い切削工具として、特にボールエンドミルに好適である。また、最上層を更に高硬度化でき、最下層並びに最上層との密着強度にも優れ、硬質皮膜全体の強度のバランスが最適となり好ましい。
本願発明の中間積層部において、層厚方向にAl及びSi量を、0.5nm以上、50nm未満の周期で変動する場合とは、中間積層部が少なくともAl及びSiを含有する層であり、Al及びSi含有量の多い層と少ない層とが0.5nm以上、50nm未満の周期で交互に積層されることを意味する。これにより、優れた耐熱性並びに硬度を有した状態で積層され、本願発明の最上層の特性を改善することができる。中間積層部が最上層の特性を更に改善することは、以下に示す第1から第4の機能によって実現される。
第1の機能は、残留圧縮応力の緩和機能である。最上層が極めて高硬度を有する硬質皮膜の場合、最上層は大きな残留応力を有する。そこで中間積層部はその残留圧縮応力の緩和機能により、最上層の剥離を回避し、耐摩耗性の改善に寄与することができる。
第2の機能は、耐熱性を有する機能である。最上層が優れた耐熱性を有する硬質皮膜の場合、その直下の中間積層部も耐熱性を有することによって、最上層の効果を十分に発揮することができる。
第3の機能は、皮膜強度を有する機能である。最上層が優れた潤滑特性を発揮する硬質皮膜の場合、その直下の中間積層部も皮膜強度を有することによって、最上層の効果を十分に発揮することができる。
第4の機能は、密着強度を有する機能である。中間積層部内の組成にAlとSiを必須成分とすることにより、耐熱性並びに皮膜硬度を著しく改善し、更に優れた密着強度を有している。
上記、第1から第4の機能によって、最上層の特性を改善できる。
一方、中間積層部が最下層構成成分と最上層構成成分とを単純に積層しただけの場合、耐摩耗性の改善効果は確認されない。むしろ耐摩耗性は劣化する。例えば、最下層と最上層との共通構成成分がAlとSiであった場合、中間積層部の結晶粒径が著しく微細化され、過剰な応力を有した状態となって耐剥離性に乏しくなる。そこで本願発明は、この欠点を補うための工夫を施している。即ち、該中間積層部は、該最下層と該最上層の構成成分のAl、Siを含む3種以上として、Ti、Cr、Nb、Yから選択される1種以上の金属元素からなる酸窒化物、ホウ酸窒化物、炭酸窒化物からなる少なくとも2層以上の積層部としたのである。この場合、中間積層部内の結晶粒が連続的に成長し易くなる。その結果として、中間積層部の残留圧縮応力の低減を図ることが出来る。また最下層並びに最上層との密着強度にも優れていることを確認した。上記のように、本願発明の最下層と中間積層部とから構成される硬質皮膜を被覆することにより、最上層に、例えば硬度Hが、40GPa≦H≦80GPaの高硬度な硬質皮膜を被覆しても、剥離や異常摩耗を著しく抑制することが可能である。
中間積層部は酸素を含有することによって、耐高温酸化性おび耐摩耗性、並びに密着性を向上させる効果を有する。酸素が結晶粒内より結晶粒界に多く存在するように制御することによって、外部からの皮膜内への酸素の拡散を制御して耐酸化性を改善し、高硬度でありながら残留圧縮応力を低減させ、密着性を改善する。中間積層部の酸素含有量Xが、非金属元素の含有量の和を1とした場合の原子%で、0<X<14である場合が好ましい。X値が14%以上の場合は積層部の硬度が低下し、耐摩耗性に乏しくなるからである。この範囲に制御することにより、中間積層部の結晶連続性と残留圧縮応力の低減に有効であり、最下層と中間積層部との層間、中間積層部と最上層との層間や、中間積層部内の層間の密着強度が大幅に改善される。更に、残留圧縮応力の低減に有効であり、最上層の皮膜硬度を一段と高めることができる。ここで、中間積層部の非金属元素の定性分析について、酸素、硼素、炭素、硫黄等の定性分析は、PHI社製1600S型X線光電子分光分析装置を用い、X線源をマグネシウムKα、出力:400Wとし、分析を行った。
最上層は、(TiSi)N、(TiSi)(NO)、(TiSi)CN、(TiSi)(BN)及び、(TiMoSi)(SN)の何れかの硬質皮膜で、且つ、Si量を10≦β<40、の高硬度を有する硬質皮膜あることが好ましい。更に、最上層は、金属元素の含有量の和を1とした場合の原子%で、Ti含有量をα、Si含有量をβ、Mo含有量をγ、とした時、α≧50、10≦β<40、0≦γ<40、を含有する炭窒化物又は硫窒化物又は硼窒化物が主体であり、層厚が0.01μm以上、3μm未満であることが好ましい。特に、高硬度を有する硬質皮膜の場合は、βを10≦β≦30、の場合が好ましい。最上層の硬質皮膜が非晶質相を含む場合、更に高硬度を有する硬質皮膜が得られる。最上層の硬度Hが、ナノインデンテーションによる硬度測定において、40GPa≦H≦80GPa未満であることが好ましい。40GPa未満では耐摩耗性の効果が発揮されず、また80GPaを超えると耐剥離性が急激に低下するからである。例えば最上層が切削工具に使用され、特に耐摩耗性の要求される高硬度材の高速切削加工に使用される場合は、優れた耐摩耗性の改善効果を発揮する。最上層は酸素を含有し、最表面から膜厚方向に100nm以内の深さ領域で酸素濃度の最大値を有することが好ましい。これにより、硬質皮膜表面への被加工物の凝着抑制に効果的である。
上記硬質皮膜をスパッタリング法及び/又はAIP法により被覆し、被覆方法において、硬質皮膜の被覆時に使用する金属製ターゲットの組成は、最上層被覆用と最下層被覆用とが異なり、中間積層部の被覆時は最上層被覆用のターゲットを装着した蒸着源と、最下層被覆用のターゲットを装着した蒸着源とを同時に稼動して被覆することである。この被覆方法を採用することにより、比較的容易に優れた耐摩耗性を発揮することができる硬質皮膜被覆部材を得ることができる。上記被覆方法の1例として、まず最下層の被覆について、最下層構成元素からなる金属製ターゲット1による被覆を行い、次に最上層構成元素からなる金属製ターゲット2による放電を開始し、金属ターゲット1と金属ターゲット2とにより同時に中間積層部を被覆する。次に、金属ターゲット1による被覆を停止し、金属ターゲット2により最上層を被覆するのである。以下、本願発明を実施例に基づいて説明する。
本願発明の硬質皮膜の被覆には、AIP装置を用いた。図2に装置の概略図を示す。図2より、装置構成は、減圧容器3と絶縁された複数のAIP蒸発源4、5、6、7、基体ホルダー8よりなる。蒸発源4から7に硬質皮膜の金属成分となるターゲット1及び2を装着し、各蒸発源に所定の電流を供給してターゲット1及び2上でアーク放電を行い、金属ターゲット成分を蒸発しイオン化させ、減圧容器3と基体ホルダー8との間に負に印加したバイアス電圧により、基体9に被覆した。基体9は回転機構10を有しており、1回転/分から15回転/分の範囲で回転させた。即ち、ターゲット1の前面に基体9が対向した場合にターゲット1を含有した硬質皮膜が被覆され、ターゲット2の前面に基体9が対向した場合にターゲット2を含有した硬質皮膜が被覆される。本願発明の硬質皮膜の特性を評価するために、基体組成が質量%で、Co含有量13.5%、残りWC及び不可避不純物からなる超硬合金とし、JIS規格SNGA432の基体を用いた。この基体を脱脂洗浄し、基体ホルダー8に装填した。減圧容器3に設置された加熱用ヒーターにより、基体は550℃に加熱され、この状態を30分間保持することにより加熱及び脱ガス処理を行った。次に、減圧容器3にArガスを導入し、減圧容器3に設置された熱フィラメントにより、Arのイオン化を行った。基体に印加したバイアス電圧により、基体をArイオンによるクリーニング処理を30分間行った。次いで、硬質皮膜への炭素、酸素、窒素、硼素成分の添加方法は、反応ガスであるN2ガス、CH4ガス、C2H2ガス、Arガス、O2ガス、COガス等から目的の皮膜組成が得られるようにガス種を選択し、被覆工程時に減圧容器3へ導入することによるか、予め金属ターゲットに添加することによっても可能である。
最下層は、蒸発源4、6に25V、100Aの電力を供給し、負バイアス電圧を50V、反応ガス圧力を5Pa、被覆基体温度を500℃とし、基体ホルダー8を3回転/分とし、基体表面に約200nmの窒化物膜を被覆した。ターゲットの組成がAl55Ti45に対し、硬質皮膜の組成は、Al52Ti48の窒化物であった。
中間積層部は、蒸発源4、6に25V、100Aの電力を供給し、蒸発源5、7に20V、60Aの電力を供給し、窒化膜の被覆を開始した。そして、窒化膜の成膜条件を連続的に変化させていった。即ち、蒸発源5、7に供給する電流を被覆時間の経過と伴に60Aから段階的に100Aまで増加させ、同時に蒸発源4、6の電流を被覆時間の経過と伴に100Aから段階的に60Aまで変化させて被覆を行った。被覆の間は、基体にはパルスバイアス電圧を印加した。その条件は負バイアス電圧を60V、正バイアス電圧を10V、周波数を20kHz、振幅を負側に80%、正側に20%、とした。全圧力は7Pa、基体温度は525℃とし、被覆基体を保持する冶具は、6回転/分で回転させ、中間積層部を約1300nm被覆した。
最上層は、蒸発源4、6への電力供給を止め、成膜条件を段階的に変化させた。パルスバイアス電圧の条件は、負バイアス電圧を80V、正バイアス電圧を0V、周波数を10kHz、振幅を負側に95%、正側に5%、とした。全圧力を5Pa、基体温度を500℃、基体回転数を3回転/分に設定変更し、蒸発源5、7による窒化物ベースの皮膜を約1500nm被覆した。本発明例2として、上記と同様な製造成膜方法で、最上層被覆用ターゲットとして、Al75Si25をAIP蒸発源5、7に装着し、被覆した。本発明例1、2の中間積層部の層厚、皮膜構造、組成、結晶構造を確認した。オージェ電子分光(以下、AESと言う。)分析により、マクロ領域における膜厚深さ方向の組成分析と、透過電子顕微鏡(以下、TEMと言う。)によるナノ領域の解析を行った。AES分析によるマクロ領域の膜厚深さ方向の組成分析方法に使用した装置は、PHI社製670Xi型、走査型AES装置であり、加速電圧10kV、試料電流15nA、電子線プローブ径を0.1μm以下に設定し、Arイオン銃により試料をエッチングしながら、マクロ領域の膜厚深さ方向の組成分析を行った。図3に、本発明例1の硬質皮膜について、AES分析によるマクロ領域の膜厚深さ方向の組成分析結果を示す。図3より、本発明例1の中間積層部のSi含有量が層厚方向に異なり、中間積層部に約50nmから100nmの層厚で組成が異なっていた。このような比較的大きな組成の異なる層厚の変化は、成膜装置におけるターゲット配置に影響を受けるものである。本発明例1は表面側になる程Si含有量が多くなっていた。特に本発明において制約するものではないが、本発明を達成するための好ましい構造である。これは、中間積層部の密着強度、硬度、強度の膜厚方向の傾向が、硬質皮膜全体の密着強度、耐摩耗性の改善に有効となるからである。
実施例1と略同様な手法を用い、表3に示す各種ターゲットを用いて硬質皮膜を被覆し、皮膜の評価及び、硬質皮膜を切削工具に適用した場合の評価を行った。硬質皮膜の評価結果を表4、5に示し、硬質皮膜を切削工具に適用した場合の評価結果を表5に併記した。
従来例35から44について述べる。従来例による被覆は、従来技術に記載された被覆条件を参考にした。従来例35は、TiNを最下層とし、その上層側に(TiAl)N系皮膜を被覆した場合を示す。従来例36は、(TiAl)N皮膜の単一層の場合を示す。従来例37は、(AlCrSi)N系皮膜の単一層の場合を示す。従来例38は、(TiSi)N系皮膜単一層の場合を示す。従来例39は、(AlSi)N系皮膜単一層の場合を示す。これらの従来例は何れも切削初期に硬質皮膜の剥離が認められ、最大逃げ面摩耗幅は大きくなった。従来例40は、(TiAl)N系皮膜の上層側に(TiSi)N系皮膜を被覆した場合を示す。(TiAl)N系単一層の場合に比べ、耐摩耗性が改善されているものの、約70mで最大逃げ面摩耗幅が0.1mmに達した。従来例41は、(TiAl)N系皮膜の上層側に(TiSi)N系皮膜を被覆した場合を示す。(TiSi)N系皮膜が自己破壊を起こさない程度に負バイアス電圧を高くし、(TiSi)N系皮膜の硬度を向上させた場合である。ボールエンドミルによる耐摩耗性の評価では、従来例40に比べ、硬度向上の効果が確認された。従来例42は、TiNを最下層とし、その上層側に(TiSi)N系皮膜と(TiCr)N系皮膜を積層周期5nmで被覆した積層皮膜の場合を示す。従来例43は、(TiAl)N系の積層皮膜の場合を示す。従来例44は、(TiAlSi)N系皮膜と(TiSi)N系皮膜の積層膜の場合を示す。これらの従来例は何れの場合も、切削長100m前後で、最大逃げ面摩耗幅が0.1mmに達した。
2:被覆用のターゲット
3:減圧容器
4:蒸発源
5:蒸発源
6:蒸発源
7:蒸発源
8:基体ホルダー
9:基体
10:回転機構
Claims (3)
- 基体表面から、最下層、中間積層部、最上層とからなる硬質皮膜被覆部材において、該最下層は、Alと、Ti、Cr、Si、Nb、Yから選択される1種以上の金属元素からなる窒化物主体の硬質皮膜で、該最上層は、(TiSi)N、(TiSi)(NO)、(TiSi)CN、(TiSi)(BN)及び、(TiMoSi)(SN)の何れかの硬質皮膜で、且つ、金属元素の含有量の和を1とした場合の原子%で、Si量を10≦β≦30、該中間積層部は、該最下層と該最上層の構成成分のAl、Si、Tiの3種以上の金属元素からなる酸窒化物、ホウ酸窒化物、炭酸窒化物からなる少なくとも2層以上の積層部であり、該中間積層部の金属元素は、少なくともAl及びSi量を、層厚方向に、0.5nm以上、50nm未満の周期で変動させて、(Al+Si)量で、35%未満の最小部と、35%以上、65%未満の最大部を有していることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
- 基体表面から、最下層、中間積層部、最上層とからなる硬質皮膜被覆部材において、該最下層は、Alと、Ti、Cr、Si、Nb、Yから選択される1種以上の金属元素からなる窒化物主体の硬質皮膜で、該最上層は、(AlSi)N又は(AlSi)(NO)の硬質皮膜で、且つ、金属元素の含有量の和を1とした場合の原子%で、Si量を10≦β<40、該中間積層部は、該最下層と該最上層の構成成分のAl、Siの2種以上の金属元素からなる酸窒化物、ホウ酸窒化物、炭酸窒化物からなる少なくとも2層以上の積層部であり、該中間積層部の金属元素は、少なくともAl及びSi量を、層厚方向に、0.5nm以上、50nm未満の周期で変動させて、(Al+Si)量で、30%以上、70%未満の最小部と、70%以上、99%未満の最大部を有していることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
- 請求項1又は2に記載の硬質皮膜被覆部材において、該中間積層部の酸素含有量Xが、非金属元素の含有量の和を1とした場合の原子%で、0<X<14であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
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