JP5287395B2 - 耐熱性、耐久性に優れる耐摩耗性工具部材 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1においては、工具基体の上にTiN膜、TiCN膜、TiAlN膜を形成し、この上にDLC膜を単層で形成した工具部材が開示され、特許文献2においては、工具基体の上に、Si、Ge、SiC、SiO2、Al2O3のバッファ層を介して、DLC膜を交互に積層形成した耐摩耗性部材、摺動部材が開示されている。
ところで、近年の切削加工技術の高性能化はめざましく、その一方で、切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は一段と過酷な条件下で行われる傾向にあり、同時に、各種の被削材の切削加工に対応できるような切削工具の汎用化も求められているが、上記従来の摺動部材、耐摩耗性部材を切削工具として用いたような場合には、DLC膜の耐熱温度が450℃程度であることから、快削鋼等の長時間切削加工では、高熱負荷によりDLC膜の特性が失われ、摩耗が急激に進行するようになり、比較的短時間で使用寿命に至り、硬質皮膜としてのDLC膜の特性が十分に生かされていないのが現状である。
まず、耐摩耗性工具部材における基本的な膜構成を、工具基体(例えば、炭化タングステン基超硬合金等)上に形成したTiN硬質膜、この上に形成したAl含有DLC膜、さらにこの上に形成したAl2O3膜としたところ、Al含有DLC膜の耐熱温度は500〜550℃前後となるため、熱負荷に対してもある程度の耐用性(耐摩耗性)を示すようになったが、例えば、これを快削鋼の長時間切削に使用した場合には、切削加工時の高熱負荷によって、耐摩耗性も不十分であるばかりか、硬質膜の欠損等も生じやすくなるという問題が発生した。
「(1) 工具基体上に、工具基体表面側から順に、膜厚0.5〜5μmのTiN硬質膜、膜厚0.2〜2μmのAl含有ダイヤモンドライクカーボン膜および膜厚0.2〜2μmのAl2O3膜を形成した耐摩耗性工具部材において、
上記Al含有ダイヤモンドライクカーボン膜におけるAl含有割合は、5〜30原子%であって、かつ、該Al含有ダイヤモンドライクカーボン膜におけるAl含有割合は、TiN硬質膜側からAl2O3膜側へ向かうにしたがって次第に増加する傾斜組成を有することを特徴とする潤滑性に優れる耐摩耗性工具部材。
(2) 上記Al含有ダイヤモンドライクカーボン膜におけるAl含有割合は、TiN硬質膜との界面部分では5〜15原子%、また、上記Al2O3膜との界面部分では20〜30原子%であって、かつ、TiN硬質膜側からAl2O3膜側へ向かうにしたがってAl含有割合が次第に増加する傾斜組成を有することを特徴とする前記(1)に記載の潤滑性に優れる耐摩耗性工具部材。」
を特徴とするものである。
工具基体の表面に形成するTiN硬質膜は、それ自身の有する硬さにより、耐摩耗性工具部材の耐摩耗性向上に寄与すると同時に、Al含有DLC膜と工具基体間の密着接合性(耐剥離性)を確保する密着膜としての作用を有する。
TiN硬質膜は、例えば、図1に示される成膜装置において、スパッタリングターゲットとしてTiを使用し、Ar−N2混合ガス(例えば、Ar流量:40sccm,N2流量:40sccm)中、成膜圧力0.1Paの条件にて、スパッタリング法により成膜することができる。
ただ、TiN硬質膜の膜厚が0.5μm未満では、Al含有DLC膜と工具基体間の密着性確保が十分ではなく、一方、その膜厚が5μmあれば、快削鋼の長時間切削においても、Al含有DLC膜と工具基体間での剥離等を招くことなく安定して密着性を確保し得ることから、TiN硬質膜の膜厚は、0.5〜5μmと定めた。
本発明では、TiN硬質膜上にAl含有DLC膜をスパッタリングで形成するが、例えば、図1に示される成膜装置において、スパッタリングターゲットとして金属Alおよびカーボンを使用し、Ar雰囲気中(例えば、Ar流量:80sccm)、成膜圧力0.1Pa、工具基体温度200℃の条件にて、スパッタリング法で成膜することができる。
成膜に際し、Al含有DLC膜中に含有されるAl量が所望のAl含有割合になるようにAlターゲットのパワーを調整し、膜厚方向に沿って(即ち、TiN硬質膜側からAl2O3膜側へ向かうにしたがって)、次第にAl含有割合が増加する傾斜組成構造を有するAl含有DLC膜を形成する。
好ましくは、TiN硬質膜側ではAl含有割合が5〜15原子%であり、Al2O3膜側へ向かうにしたがってAl含有割合が増加し、Al2O3膜と接する界面領域ではAl含有割合が20〜30原子%であるAl濃度傾斜組成構造を有するAl含有DLC膜を形成する。
具体的には、Al含有DLC膜のAl含有割合が5原子%未満であると、DLC膜がAlを含有したことによる耐熱性向上効果が少なく、特に、快削鋼の長時間切削等における高熱負荷に対して満足できる耐熱性を発揮することができず、その結果、耐摩耗性が不十分になり、一方、Al含有DLC膜のAl含有割合が30原子%を超えると、最表面のAl2O3膜との密着性にはすぐれるものの、下地膜のTiN硬質膜との密着性が劣化し、Al含有DLC膜の剥離等が生じやすくなることから、Al含有DLC膜のAl含有割合は5〜30原子%と定めることが必要である。
前記した如く、Al含有割合が5%以上であれば、耐熱性向上効果を期待できるとともに、また、Al含有割合が5〜15%を大きく上回らなければ、下地膜であるTiN硬質膜との密着強度を確保できることから、TiN硬質膜との界面を形成する領域のAl含有DLC膜中のAl含有割合を5〜15原子%とし、一方、快削鋼の長時間切削等による高熱負荷に対しての十分な耐熱性を付与し、さらに、最表面のAl2O3膜との密着性を高めるため、Al2O3膜との界面を形成する領域のAl含有DLC膜中のAl含有割合を20〜30原子%とする傾斜組成構造を有するAl含有DLC膜を形成することが望ましい。
Al含有DLC膜の上に形成されるAl2O3膜は、耐熱性、耐摩耗性に優れ、高熱負荷条件におけるAl含有DLC膜の耐熱性をより一層向上させる。
Al2O3膜の成膜は、基本的には、TiN硬質膜の成膜と同様であり、例えば、図1に示される成膜装置において、金属Alをスパッタリングターゲットとして用い、TiN硬質膜の上にAl含有DLC膜の形成された工具基体(図1では基板として示す)に対して、Ar−O2雰囲気(Ar流量:40sccm,O2流量:40sccm)中、成膜圧力0.1Pa、成膜温度室温にてスパッタリングにより成膜することができる。
ただ、Al2O3膜の膜厚が0.2μm未満では、Al2O3膜の有する優れた耐熱性、耐摩耗性を十分に発揮できず、一方、その膜厚が2μmを超えると、剥離等を生じやすくなることから、Al2O3膜の膜厚は、0.2〜2μmと定めた。
ここでは、快削鋼の長時間切削用のインサートとして用いた場合の例を示すが、本発明はこれに限定されるものではなく、エンドミル、ドリル等の各種の耐摩耗性工具部材に適用可能である。
(b)上記の超硬基体A−1〜A−10を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、前記装置内に自転公転自在に支持装着し、
(c)ついで、装置内を真空排気して0.01Paの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を300℃に加熱した後、Arガスを装置内に導入して0.5Paの圧力のAr雰囲気とし、この状態で前記回転テーブル上で自転しながら回転する前記超硬基体に−800Vのバイアス電圧を印加して前記超硬基体表面を20分間Arガスボンバード洗浄し、
(d)ついで、前記装置内の基板温度を300℃とした状態で、反応ガスとしてN2とArを、N2:40sccm、Ar:40sccmの割合で導入して、0.1Paの成膜圧力とし、Tiターゲットのカソード電極(蒸発源)には出力:12kW(周波数:40kHz)のスパッタ電力を印加し、一方上記超硬基体には、−100Vのバイアス電圧を印加した条件でグロー放電を発生させることにより、前記超硬基体の表面に表2に示される目標膜厚のTiN硬質膜を形成し、
(e)ついで、装置内の基板温度を200℃とした状態で、反応ガスとしてArを80sccmの割合で導入して、0.1Paの成膜圧力とし、カーボン源としてのカーボンターゲットには出力:12kW(周波数:40kHz)のスパッタ電力を、また、Al源としてのAlターゲットには、出力:0.3〜1.8kW(周波数:40kHz)の範囲内で、所望のAl含有割合に応じたスパッタ電力を印加し、さらに、上記超硬基体に、−100Vのバイアス電圧を印加した条件でグロー放電を発生させることにより、前記TiN硬質膜の表面に、表2に示される目標膜厚、目標組成のAl含有DLC膜を成膜し、
(f)ついで、前記装置内の基板温度を室温に下げた状態で、雰囲気ガスとしてArとO2を、Ar流量:40sccm,O2流量:40sccmの割合で導入して、0.1Paの成膜圧力とし、Alターゲットのカソード電極(蒸発源)には出力:12kW(周波数:40kHz)のスパッタ電力を印加し、一方上記超硬基体には、−100Vのバイアス電圧を印加した条件でグロー放電を発生させることにより、前記超硬基体の表面に表2に示される目標膜厚のAl2O3膜を形成する。
以上、(a)〜(f)により、本発明耐摩耗工具部材としての本発明インサ−ト1〜10を製造した。
また、本発明インサ−トと同様なTiN硬質膜、Al2O3膜を備え、かつ、Al含有DLC膜のAl含有割合は5〜30原子%であるが、膜中のAl含有割合が均一組成であって、傾斜組成構造を持たないものを比較例インサート3、4、8、9として製造した。
さらに、本発明インサ−トと同様なTiN硬質膜、傾斜組成構造を有するAl含有DLC膜を備えるものの、Al含有DLC膜の上にAl2O3膜を形成しなかったものを比較例インサート5、10として製造した。
表3に、比較例インサート1〜10の膜構成を一覧にして示す。
さらに、上記の各膜の膜厚を、走査型電子顕微鏡を用いて測定(縦断面測定)したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚(5点測定の平均値)を示した。
被削材:JIS・SUM22の丸棒、
切削速度: 60 m/min.、
切り込み: 1.0 mm、
送り: 0.05 mm/rev.、
切削時間: 50 分、
の条件(切削条件Aという)での硫黄快削鋼の乾式連続切削加工試験、
上記の本発明インサート6〜10および比較例インサート6〜10を工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、
被削材:JIS・S45Cの丸棒、
切削速度: 50 m/min.、
切り込み: 1.0 mm、
送り: 0.05 mm/rev.、
切削時間: 100 分、
の条件(切削条件Bという)での炭素鋼の乾式連続切削加工試験、
を行なった。
いずれの切削加工試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
この測定結果を表4に示した。
これに対して、比較例の工具部材(比較例インサート1〜10)は、耐摩耗性が劣るものであり、また、被膜の剥離が生じたり、長時間切削に耐えることができず、耐摩耗性工具部材としては満足できる特性を備えるものであるといえないことは明らかである。
Claims (2)
- 工具基体上に、工具基体表面側から順に、膜厚0.5〜5μmのTiN硬質膜、膜厚0.2〜2μmのAl含有ダイヤモンドライクカーボン膜および膜厚0.2〜2μmのAl2O3膜を形成した耐摩耗性工具部材において、
上記Al含有ダイヤモンドライクカーボン膜におけるAl含有割合は、5〜30原子%であって、かつ、該Al含有ダイヤモンドライクカーボン膜におけるAl含有割合は、TiN硬質膜側からAl2O3膜側へ向かうにしたがって次第に増加する傾斜組成を有することを特徴とする潤滑性に優れる耐摩耗性工具部材。 - 上記Al含有ダイヤモンドライクカーボン膜におけるAl含有割合は、TiN硬質膜との界面部分では5〜15原子%、また、上記Al2O3膜との界面部分では20〜30原子%であって、かつ、TiN硬質膜側からAl2O3膜側へ向かうにしたがってAl含有割合が次第に増加する傾斜組成を有することを特徴とする請求項1に記載の潤滑性に優れる耐摩耗性工具部材。
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