JP4900839B2 - 多層皮膜被覆部材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本願発明は、高速切削や被加工物の高硬度化により温度が上昇するような摩耗環境下においても、密着性が良いので、長期に亘り耐摩耗性と耐熱性が発揮できる。その理由は、本願発明の第1硬質皮膜は、耐熱性に優れ、温度が上昇する環境下においてその効果を発揮するからである。また、第1硬質皮膜は高温環境下における摩擦係数が低く、基材への熱影響を低減するからである。高温環境下において摩擦係数が低くなる理由は、摩耗環境下においてSiO2とB2O3を形成することによる。また、SiO2とB2O3は450℃程度の低温でSiO2とB2O3を含む低融点の液相を形成する。これが、切削工具への被覆の場合には、刃先近傍の潤滑特性を向上させ、刃先への被加工物の付着を抑制して、刃先の安定性を向上させるのである。実用環境下において、第1硬質皮膜のみでは基材との密着強度、耐摩耗性に課題を有しているため、少なくとも第2硬質皮膜と組み合わせた多層硬質皮膜とすることが重要である。
本願発明の第1硬質皮膜の膜厚は、50nm以上、1000nm以下、より好ましくは100nm以上、600nm以下である。第2硬質皮膜の膜厚は、100nm以上、5000nm以下、より好ましくは100nm以上、3000nm以下である。また、下部層は、第1硬質皮膜と接している層であり、図1の場合には第2硬質皮膜のことである。しかし、用途に応じては第2硬質皮膜と第1硬質皮膜の間に中間層を持たせる場合もあり、その場合は第1硬質皮膜と接する中間層が下部層となることもある。この他の皮膜構造は、図2に示すように第2硬質皮膜が複数の層構造となるものが考えられる。例えば、図2において(TiAl)N/(TiSi)Nのように、複層構造を有しても良い。第1硬質皮膜と(AlTi)Nの間に(TiSi)Nを中間層として入れることで耐摩耗性及び密着性が向上する。中間層も組み合わせた望ましい第2硬質皮膜としては、(TiAl)N/(TiSi)N、(AlCrSi)N/(TiSi)N、(TiAl)N/(CrSi)BNが挙げられる。また、図3に示すように第1硬質皮膜が複数の層構造となるものなどが考えられる。第1硬質皮膜及び第2硬質皮膜の双方が複数の層構造となるものも考えられる。基材は、切削工具、金型、燃焼機関用の摩耗部材が挙げられる。例えば、切削工具には超硬合金、サーメット、高速度鋼、窒化硼素焼結体、セラミックスが、金型には金型用鋼材が、また燃焼機関用部材である耐熱合金にはチタン合金、インコネル、アルミニウム合金等が挙げられる。
該第3の工程は、該第2の工程と同時に処理が進行させ、ターゲット表面に付着したOも膜中に取り込まれる為、予備放電によってターゲット表面のクリーニングを実施する。
該第4の工程の該第1硬質皮膜の該低酸素濃度域は、スパッタリング法を用い、基材温度T(℃)をT≦400としたのは、第1硬質皮膜の密着強度低下を回避するためである。即ち、本願発明の第1硬質皮膜は、耐摩耗性と耐熱性の特性を付与するためにSi、硼素、C、N、Oを必須成分としており、特にSi、硼素、Cは酸化物を形成しやすい元素であり、成膜初期に上記の酸化物が基材表面に成膜されると、密着強度が低下するためである。そのため、該第1硬質皮膜を成膜する際は、T値がSiO2とB2O3の共晶温度の450℃を超えないように温度制御するのである。皮膜に含有される元素で特にSiと硼素の酸化物が密着強度低下に影響が大きい。Siの代表的な酸化物のSiO2は1700℃程度まで安定であるが、硼素の代表的な酸化物のB2O3は500℃程度で液相化する。更に、SiO2とB2O3は共晶反応を有しており、450℃程度で共晶融液を生成し、この融液が生成されて密着強度が劣化するのである。次に、界面から厚さ5nmまでの該低酸素濃度域の被覆は、スパッタリング出力値P(W)をP≦2500、すなわち、低出力の100W程度、即ち成膜速度は時間当たり0.25nm以下とすることが望ましい。更に、所定時間経過後、漸次P値をP>2500へ増加させ、第1硬質皮膜を被覆する。以上を実施することで、f値が、f≦0.05に制限される。以下、本願発明を実施例に基づいて説明する。
本発明例1は、Co含有量が重量%で8%の超硬合金の基材2を、基材ホルダー13にセットした後、第1の工程は、500℃に加熱し、負の電圧が200V、正の電圧が30V、周波数が20kHz、パルス/ポーズ比が4のパルスバイアス電圧を印加してイオンクリーニングを約30分間処理した。その間、各ソースのシャッターは全て閉じた。
第2の工程は、第1の工程のクリーニング後、AIP法被覆ソース8、10のシャッター17と19を開き、第2硬質皮膜である(AlTi)Nを被覆した。成膜時に印加するDCバイアス電圧値は、約10Vから400Vが好ましい。
第3の工程は、第2の工程の途中で、シャッター17と19は閉じた状態でSP法被覆ソース7、9を稼動させ、ターゲット表面の酸化物などの不純物を除去した。更に、第2硬質皮膜の成膜途中から温度制御した。
第4の工程は、第2硬質皮膜の成膜完了後、SP法被覆ソース7、9のシャッター16と18を開き、成膜を開始した。SP法被覆ソース7、9はSiC、BNをターゲットとして用い、SiC対BNのモル混合比が3対1とした。SP法は、RFバイアスに加えて、負の電圧が50VのDCバイアスを付加することによって、RFバイアスとDCバイアスの併用した。第4の工程、第1硬質皮膜の厚さ5nmまでの成膜初期におけるP値は、低出力の100Wとし、その後漸次P値を増加させて、最終的に5000Wまで増加させた。本発明例1の層構造は、第2硬質皮膜(AlTi)Nが約2μm、第1硬質皮膜が920nm、第1硬質皮膜の低酸素濃度域5nm、SP法の出力を高めた第1硬質皮膜915nm、硬質皮膜の厚さを約3μmとした。
本発明例2から35、比較例36、37、従来例38、39は、ことわりのない限り本発明例1の被覆方法に準拠して作成し、第1硬質皮膜の膜厚は1000nm程度になるように成膜条件を調整して成膜を実施した。
本発明例2から10、14から22及び25から35は、第2硬質皮膜の組成が異なるものである。本発明例11から13は、第1硬質皮膜の成膜時に、反応ガスとして夫々窒素ガス、酸素ガス、アセチレンガスを用いた。そして、プロセスガスのアルゴンと反応ガスの混合ガスとして用いて成膜した。プロセスガスと反応ガスの比率は、反応ガス/プロセスガスの比を、0.025程度とした。但し、本発明例12、14は、第1硬質皮膜の表層近傍を成膜する際に、反応ガスとして酸素ガスを追加したものである。酸素ガスなどのプロセスガスが吸気管14を通って減圧容器12に供給することによって、Oを含有させた。本発明例25は、第1硬質皮膜の膜厚を500nm程度、総膜厚を3μm程度になるように成膜条件を調整して成膜を実施した。本発明例23、24は、第2硬質皮膜をDCバイアスのSP法で成膜し、第1硬質皮膜をRFバイアスのSP法で成膜した。
比較例36は、第1硬質皮膜を成膜する際に、成膜初期より反応ガスとして酸素ガスを用いて、f値が0.05を超えるように成膜したもの、比較例37は、SP法被覆の際のT値が500℃以上になるように温度調整し、第1硬質皮膜の成膜初期の5nmまでのRF出力を500Wと設定したものである。従来例38は、第1硬質皮膜を成膜する際のT値が500℃程度になるように温度調整し、第1硬質皮膜の成膜初期の5nmまでのRF出力を4000Wと設定して成膜したもの、従来例39は、ターゲットのSiCとBNの比率を変え、SiC対BNのモル混合比が1対1のものを用いて成膜したものである。
次に、得られた皮膜の評価について、組成分析は電子プローブマイクロアナライザー(以下、EPMAと記す。)を用いて測定を行った。夫々被覆条件と組成分析結果を表1に示す。
一方、比較例36は、400nmまでの範囲のf値が0.05を超え、500nm以降の範囲のf値が0.05を超えていないものであり、密着強度は劣った。500nmまでの範囲で1度でもf値が0.05を超えてしまうと密着強度は劣った。比較例37は、500nmまで範囲のf値が0.05を超え、従来例38と39は皮膜の厚さ方向の全範囲に渡ってf値が0.05を超えていた為に、いずれも密着強度は劣った。
これら結果より、該第1硬質皮膜が下部層と接している界面から、該第1硬質皮膜の表層側へ向う方向に少なくとも500nmの範囲におけるf値が、0<f≦0.05、であることにより密着強度が向上することを確認した。
2:基材
3:第2硬質皮膜
4:第1硬質皮膜
5:界面
6:低酸素濃度域
7:SP法被覆ソース
8:AIP法被覆ソース
9:SP法被覆ソース
10:AIP法被覆ソース
11:DCバイアス電源もしくはRFバイアス電源
12:減圧容器
13:基材ホルダー
14:ガス導入口もしくは排気管
15:被覆装置
16:SP法被覆ソース7のシャッター
17:AIP法被覆ソース8のシャッター
18:SP法被覆ソース9のシャッター
19:AIP法被覆ソース10のシャッター
Claims (2)
- 基材の表面に硬質皮膜を2層以上被覆した多層皮膜被覆部材において、該硬質皮膜は外層である第1硬質皮膜と、内層である第2硬質皮膜を有し、該第1硬質皮膜は、SiaBbNcCdOeで示され、但し、a、b、c、d、eは原子比を示し、a+b+c+d+e=1を満たし、0.1≦a≦0.5、0.01≦b≦0.2、0.05≦c≦0.6、0.1≦d≦0.7、0<e≦0.2、であり、該第2硬質皮膜は、金属成分がAl、Ti、Cr、Nb、W、Si、V、Zr、Moから選択される2種以上、非金属成分がNと、硼素、C、O、Sから選択される1種以上を有し、該第1硬質皮膜と該第2硬質皮膜との界面から少なくとも500nmまでの該第1硬質皮膜を低酸素濃度域とし、該低酸素濃度域における酸素含有量を原子比でfとしたとき、0<f≦0.05、且つ、該低酸素濃度域におけるB−O結合を示すピークから求めた面積をXとし、B−N結合を示すピークから求めた面積をYとし、比をX/Yとしたとき、X/Y≦0.2であることを特徴とする多層皮膜被覆部材。
- 請求項1記載の多層皮膜被覆部材の製造方法において、該製造方法の工程は、該第1硬質皮膜、第2硬質皮膜の被覆ソース毎に備えたシャッターを閉じ、該基材をイオンクリーニングする第1の工程、第2硬質皮膜の被覆ソース毎に備えたシャッターを開き該第2硬質皮膜を被覆する第2の工程、該第1硬質皮膜被覆用ターゲット表面をクリーニングする第3の工程、及び、第1硬質皮膜の被覆ソース毎に備えたシャッターを開き該第1硬質皮膜を被覆する第4の工程とからなり、該第3の工程は、該第2の工程と同時に処理が進行し、該第4の工程の該第1硬質皮膜の該低酸素濃度域は、スパッタリング法を用い、基材温度T(℃)をT≦400とし、少なくとも該低酸素濃度域の厚さ5nmまではスパッタリング出力値P(W)をP≦2500とし、その後、漸次P値をP>2500へ増加させ該低酸素濃度域を含む第1硬質皮膜を被覆したことを特徴とする多層皮膜被覆部材の製造方法。
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