JP5438665B2 - 硬質皮膜被覆部材、および、冶工具、並びに、ターゲット - Google Patents
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Description
本発明は、硬質皮膜が表面に被覆された硬質皮膜被覆部材、および、この部材を用いた冶工具、並びに、硬質皮膜を形成するためのターゲットに関するものである。
従来、切削工具等の摺動発熱による高温下で使用される冶工具類においては、耐熱性を高め、工具寿命を伸ばすために、ＴｉＡｌＮ等の硬質皮膜が適用されている。そして、これらの皮膜の耐酸化性を高めるために、Ｓｉ、Ｙ等を添加することが検討されている。
例えば、特許文献１には、（Ｔｉ１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ，Ａｌａ，Ｃｒｂ，Ｓｉｃ，Ｂｄ）（Ｃ１−ｅＮｅ）からなる硬質皮膜であって、０．５≦ａ≦０．８、０．０６≦ｂ、０≦ｃ≦０．１、０≦ｄ≦０．１、０．０１≦ｃ＋ｄ≦０．１、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＜１、０．５≦ｅ≦１（ａ，ｂ，ｃ，ｄは、それぞれＡｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｂの原子比を示し、ｅはＮの原子比を示す）であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜が開示されている。
また、例えば、特許文献２には、（Ｍ）aＣｒbＡｌcＳｉｄＢｅＹｆＺからなる硬質皮膜であって［但し、Ｍは、周期律表第４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素（Ｃｒを除く）から選択される少なくとも１種の元素であり、Ｚは、Ｎ、ＣＮ、ＮＯまたはＣＮＯのいずれかを示す］、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝１、０＜ａ≦０．３、０．０５≦ｂ≦０．４、０．４≦ｃ≦０．８、０≦ｄ≦０．２、０≦ｅ≦０．２、０．０１≦ｆ≦０．１、（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅおよびｆは、夫々Ｍ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ，ＢおよびＹの原子比を示す）であることを特徴とする耐酸化性に優れた硬質皮膜が開示されている。
しかしながら、このような硬質皮膜では、以下に示す問題がある。
従来の技術においては、所定元素を所定量添加することで、硬質皮膜の耐酸化性を向上させ、耐摩耗性の向上を図っている。
しかしながら、近年においては、切削工具等による切削速度が高速化してきているため、この高速化による摺動発熱の増大によって、使用する冶工具類が摩耗し易いという問題がある。そのため、このような切削速度の高速化に対応するために、さらに高い耐酸化性、すなわち、耐摩耗性が求められている。
従来の技術においては、所定元素を所定量添加することで、硬質皮膜の耐酸化性を向上させ、耐摩耗性の向上を図っている。
しかしながら、近年においては、切削工具等による切削速度が高速化してきているため、この高速化による摺動発熱の増大によって、使用する冶工具類が摩耗し易いという問題がある。そのため、このような切削速度の高速化に対応するために、さらに高い耐酸化性、すなわち、耐摩耗性が求められている。
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性に優れた硬質皮膜被覆部材、および、これを用いた冶工具、並びに、硬質皮膜を形成するためのターゲットを提供することを目的とする。
本発明に係る硬質皮膜被覆部材（以下、適宜、部材という）は、基材上に硬質皮膜（以下、適宜、皮膜という）を備えた硬質皮膜被覆部材であって、前記硬質皮膜は、組成が（ＴｉａＣｒｂＡｌｃＳｉｄＹｅＲｆ）（ＣｙＮｚ）からなり、前記ＲがＨｏ、Ｓｍ、Ｄｙから選ばれる１種以上の元素であるか、あるいは、前記ＲがＬａと、Ｈｏ、Ｓｍ、Ｄｙから選ばれる１種以上の元素とからなるものであり、前記ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｙ、ｚが原子比であるときに、０．０５≦ａ≦０．３、０．０５≦ｂ≦０．３、０．４≦ｃ≦０．６５、０≦ｄ≦０．０５、０≦ｅ≦０．０５、０．００５≦ｆ≦０．０５、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝１、０≦ｙ≦０．３、０．７≦ｚ≦１、ｙ＋ｚ＝１、を満足することを特徴とする。
このような構成によれば、皮膜がＴｉ，Ｎを所定量含有することで皮膜硬さが向上し、また、Ａｌを所定量含有することで、立方晶で安定なＴｉＮ，ＣｒＮ中にＡｌが固溶し、準安定な立方晶ＡｌＮとなって皮膜硬さが向上する。そして、これらにより耐摩耗性が向上する。さらに、Ｒ（Ｈｏ、Ｓｍ、Ｄｙから選ばれる１種以上の元素であるか、あるいは、Ｌａと、Ｈｏ、Ｓｍ、Ｄｙから選ばれる１種以上の元素とからなるもの、以下同じ）と、必要に応じてＳｉ，Ｙを所定量含有することで皮膜の耐酸化性が向上し、また、Ｃｒを所定量含有することで皮膜の結晶構造が立方晶に保たれ、皮膜の耐酸化性が向上する。そして、これらにより部材の耐摩耗性が向上する。また、必要に応じてＣを所定量含有することで、皮膜が炭窒化物の形態となる。
また、本発明に係る硬質皮膜被覆部材は、基材上に硬質皮膜を備えた硬質皮膜被覆部材であって、前記硬質皮膜は、組成が（ＴｉａＣｒｂＡｌｃＳｉｄＹｅＲｆＨｆｇ）（ＣｙＮｚ）からなり、前記ＲがＨｏ、Ｓｍ、Ｄｙから選ばれる１種以上の元素であるか、あるいは、前記ＲがＬａと、Ｈｏ、Ｓｍ、Ｄｙから選ばれる１種以上の元素とからなるものであり、前記ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｙ、ｚが原子比であるときに、０．０５≦ａ≦０．３、０．０５≦ｂ≦０．３、０．４≦ｃ≦０．６、０≦ｄ≦０．０５、０≦ｅ≦０．０５、０．００５≦ｆ≦０．０５、０＜ｇ≦０．３５、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１、０≦ｙ≦０．３、０．７≦ｚ≦１、ｙ＋ｚ＝１、を満足することを特徴とする。
このような構成によれば、前記のようにＴｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｒ，Ｎと、必要に応じてＳｉ，Ｙを所定量含有することで、皮膜硬さや、皮膜の耐酸化性が向上する。そして、さらにＨｆを所定量含有することで皮膜がより高硬度となり、部材の耐摩耗性がさらに向上する。そして、これにより部材の耐摩耗性がさらに向上する。また、必要に応じてＣを所定量含有することで、皮膜が炭窒化物の形態となる。
本発明に係る冶工具は、前記の硬質皮膜被覆部材を有することを特徴とする。
このような構成によれば、前記の部材を有することによって、冶工具の耐摩耗性が向上する。
このような構成によれば、前記の部材を有することによって、冶工具の耐摩耗性が向上する。
本発明に係るターゲットは、硬質皮膜をアークイオンプレーティングプロセスによって形成するためのターゲットであって、前記の硬質皮膜に含まれる金属元素および希土類元素を、前記硬質皮膜中の組成比で含有していることを特徴とする。
このような構成によれば、ターゲットが前記部材における皮膜の組成を有することで、アークイオンプレーティング蒸着法によって、前記組成の皮膜が容易かつ簡便に形成される。
このような構成によれば、ターゲットが前記部材における皮膜の組成を有することで、アークイオンプレーティング蒸着法によって、前記組成の皮膜が容易かつ簡便に形成される。
本発明に係る硬質皮膜被覆部材は、耐摩耗性に優れ、切削工具や金型等の冶工具の部材として好適に用いることができ、それらの耐久性が向上する。また、本発明に係る冶工具は、耐摩耗性に優れ、切削工具や金型等の成形用冶工具として好適に用いることができ、それらの耐久性が向上する。そして、本発明に係るターゲットは、これを用いることで、本発明に係る硬質皮膜被覆部材を構成する硬質皮膜を、アークイオンプレーティング蒸着法によって、容易かつ簡便に形成することができる。
次に、図面を参照して、本発明に係る硬質皮膜被覆部材について詳細に説明する。
≪硬質皮膜被覆部材≫
＜第１実施形態＞
図１に示すように、本発明に係る硬質皮膜被覆部材（部材）１（１ａ）は、基材２上に硬質皮膜（皮膜）３（３ａ）を備えたものである。
以下、具体的に説明する。
≪硬質皮膜被覆部材≫
＜第１実施形態＞
図１に示すように、本発明に係る硬質皮膜被覆部材（部材）１（１ａ）は、基材２上に硬質皮膜（皮膜）３（３ａ）を備えたものである。
以下、具体的に説明する。
（基材）
基材２としては、超硬合金、金属炭化物を有する鉄基合金、サーメット、高速度工具鋼等が挙げられる。しかし、基材２としては、これらに限定されるものではなく、チップ、ドリル、エンドミル等の切削工具や、プレス、鍛造金型、成型用金型、打ち抜きパンチ、トリム等の金型である冶工具等の部材に適用できるものであれば、どのようなものでもよい。
基材２としては、超硬合金、金属炭化物を有する鉄基合金、サーメット、高速度工具鋼等が挙げられる。しかし、基材２としては、これらに限定されるものではなく、チップ、ドリル、エンドミル等の切削工具や、プレス、鍛造金型、成型用金型、打ち抜きパンチ、トリム等の金型である冶工具等の部材に適用できるものであれば、どのようなものでもよい。
（硬質皮膜）
皮膜３ａは、組成が（ＴｉａＣｒｂＡｌｃＳｉｄＹｅＲｆ）（ＣｙＮｚ）からなり、前記ＲがＨｏ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｌａから選ばれる１種以上の元素であり、前記ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｙ、ｚが原子比であるときに、
０．０５≦ａ≦０．３
０．０５≦ｂ≦０．３
０．４≦ｃ≦０．６５
０≦ｄ≦０．０５
０≦ｅ≦０．０５
０．００５≦ｆ≦０．０５
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝１
０≦ｙ≦０．３
０．７≦ｚ≦１
ｙ＋ｚ＝１
を満足する。
皮膜３ａは、組成が（ＴｉａＣｒｂＡｌｃＳｉｄＹｅＲｆ）（ＣｙＮｚ）からなり、前記ＲがＨｏ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｌａから選ばれる１種以上の元素であり、前記ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｙ、ｚが原子比であるときに、
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０≦ｙ≦０．３
０．７≦ｚ≦１
ｙ＋ｚ＝１
を満足する。
このように、皮膜３ａの基本組成は、立方晶岩塩構造を有する（ＴｉＣｒＡｌ）Ｎであり、格子定数の異なるＴｉＮ（０．４２４ｎｍ）、ＣｒＮ（０．４１２ｎｍ）およびＡｌＮ（０．４１４ｎｍ）を混合することで、格子歪みにより皮膜硬さを向上させている。そして、この組成に、さらにＲ（Ｈｏ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｌａから選ばれる１種以上の元素）を添加させている。すなわち、本発明においては、まずＴｉを添加することで皮膜３ａ全体の硬さを増加させ、さらにＨｏ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｌａから選ばれる１種以上の元素を添加することで著しい耐酸化性の向上を実現している。
［Ｔｉ：ａ（０．０５≦ａ≦０．３，ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝１）］
（ａ）は、Ｔｉの原子比である。Ｔｉは皮膜硬さを向上させるため、０．０５以上添加する必要がある。しかし、０．３を超えて添加すると耐酸化性が低下することから、上限を０．３とする。より好ましくは０．１以上０．３以下である。
（ａ）は、Ｔｉの原子比である。Ｔｉは皮膜硬さを向上させるため、０．０５以上添加する必要がある。しかし、０．３を超えて添加すると耐酸化性が低下することから、上限を０．３とする。より好ましくは０．１以上０．３以下である。
［Ｃｒ：ｂ（０．０５≦ｂ≦０．３，ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝１）］
（ｂ）は、Ｃｒの原子比である。Ｃｒは皮膜３ａの結晶構造を立方晶に保ち、耐酸化性を増加させるために必要であり、０．０５以上が必要である。しかし、０．３を超えて添加すると皮膜３ａ全体の硬さが低下する傾向にあることから、上限を０．３とする。より好ましくは０．１以上０．３以下である。
（ｂ）は、Ｃｒの原子比である。Ｃｒは皮膜３ａの結晶構造を立方晶に保ち、耐酸化性を増加させるために必要であり、０．０５以上が必要である。しかし、０．３を超えて添加すると皮膜３ａ全体の硬さが低下する傾向にあることから、上限を０．３とする。より好ましくは０．１以上０．３以下である。
［Ａｌ：ｃ（０．４≦ｃ≦０．６５，ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝１）］
（ｃ）は、Ａｌの原子比である。ＡｌＮは、本来は六方晶の結晶構造で安定な化合物であるが、立方晶で安定なＴｉＮ，ＣｒＮ中に固溶することで準安定な立方晶ＡｌＮとなり、皮膜硬さが向上する。従って、Ａｌに関しては、添加することにより、最表面にＡｌリッチの酸化物を形成して耐酸化性を向上させることから、０．４以上は必要である。しかし、０．６５を超えて添加すると皮膜３ａの結晶構造が六方晶に変化し、皮膜硬さが低下することから、０．６５を上限とする。より好ましくは０．４５以上０．５５以下である。
（ｃ）は、Ａｌの原子比である。ＡｌＮは、本来は六方晶の結晶構造で安定な化合物であるが、立方晶で安定なＴｉＮ，ＣｒＮ中に固溶することで準安定な立方晶ＡｌＮとなり、皮膜硬さが向上する。従って、Ａｌに関しては、添加することにより、最表面にＡｌリッチの酸化物を形成して耐酸化性を向上させることから、０．４以上は必要である。しかし、０．６５を超えて添加すると皮膜３ａの結晶構造が六方晶に変化し、皮膜硬さが低下することから、０．６５を上限とする。より好ましくは０．４５以上０．５５以下である。
［Ｓｉ：ｄ（０≦ｄ≦０．０５，ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝１）］
［Ｙ：ｅ（０≦ｅ≦０．０５，ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝１）］
（ｄ）は、Ｓｉの原子比、（ｅ）は、Ｙの原子比である。Ｓｉ，Ｙは、両方とも添加しなくてもよいが、Ｓｉ，Ｙのいずれかを添加することで、さらに耐酸化性を向上させる効果がある。具体的には、「ｄ＋ｅ＞０．０１」であることが好ましい。また、Ｓｉ，Ｙの両方を添加すること（具体的には、ｄ＞０．０１、かつ、ｅ＞０．０１）がさらに好ましい。また、Ｓｉ、Ｙ共に、０．０５以下の添加で効果を示す。これを超えて添加すると皮膜３ａの結晶構造が変化し、皮膜硬さが低下することから、Ｓｉ、Ｙ共に、０．０５を上限とする。より好ましくは、Ｓｉ、Ｙ共に０．０３以下である。
［Ｙ：ｅ（０≦ｅ≦０．０５，ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝１）］
（ｄ）は、Ｓｉの原子比、（ｅ）は、Ｙの原子比である。Ｓｉ，Ｙは、両方とも添加しなくてもよいが、Ｓｉ，Ｙのいずれかを添加することで、さらに耐酸化性を向上させる効果がある。具体的には、「ｄ＋ｅ＞０．０１」であることが好ましい。また、Ｓｉ，Ｙの両方を添加すること（具体的には、ｄ＞０．０１、かつ、ｅ＞０．０１）がさらに好ましい。また、Ｓｉ、Ｙ共に、０．０５以下の添加で効果を示す。これを超えて添加すると皮膜３ａの結晶構造が変化し、皮膜硬さが低下することから、Ｓｉ、Ｙ共に、０．０５を上限とする。より好ましくは、Ｓｉ、Ｙ共に０．０３以下である。
［Ｒ：ｆ（０．００５≦ｆ≦０．０５，ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝１）］
（ｆ）は、Ｒの原子比である。耐酸化性を向上させるのに必要なＲ（Ｈｏ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｌａから選ばれる１種以上）は、０．００５以上添加する必要がある。しかし、０．０５を超えて添加すると却って耐酸化性が劣化する結果となることから、０．０５を上限とする。より好ましくは０．０１以上０．０３以下である。なお、前記の元素の中でも、特にＨｏ、Ｌａは耐酸化性を向上させる効果が大きく、添加元素として好ましい。
（ｆ）は、Ｒの原子比である。耐酸化性を向上させるのに必要なＲ（Ｈｏ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｌａから選ばれる１種以上）は、０．００５以上添加する必要がある。しかし、０．０５を超えて添加すると却って耐酸化性が劣化する結果となることから、０．０５を上限とする。より好ましくは０．０１以上０．０３以下である。なお、前記の元素の中でも、特にＨｏ、Ｌａは耐酸化性を向上させる効果が大きく、添加元素として好ましい。
ここでＲとしては、例えば、Ｈｏ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｌａの元素を単独で添加してもよい。また、例えば、Ｌａと、Ｈｏ、Ｓｍ、Ｄｙから選ばれる１種以上の元素とからなるもの、すなわちＬａと、Ｈｏ、Ｓｍ、Ｄｙのいずれか１種以上との組み合わせであってもよい。なお、Ｌａを添加せず、Ｈｏ、Ｓｍ、Ｄｙから選ばれる１種以上の元素を添加してもよい。上記の皮膜の耐酸化性を向上させる元素のうち、Ｓｉ、Ｙ、Ｈｏ、Ｓｍ、Ｄｙについては添加することで、表面に形成される酸化皮膜を緻密化することで耐酸化性を向上させるが、Ｌａについては添加することで皮膜中の元素の拡散を抑える効果により耐酸化性を向上させる。従って、これらの異なる耐酸化性向上メカニズムを有する元素を複合添加することで、一層の耐酸化性の向上が可能となる。
［Ｃ：ｙ（０≦ｙ≦０．３，ｙ＋ｚ＝１）］
（ｙ）は、Ｃの原子比である。本発明の化合物は窒化物としての形態だけではなく、成膜時にＣを含むガスを導入し、炭窒化物とすることも可能である。その場合、Ｃを０．３を超えて添加すると、耐酸化性、皮膜硬さが低下することから、０．３を上限とする。より好ましくは０．２以下である。
（ｙ）は、Ｃの原子比である。本発明の化合物は窒化物としての形態だけではなく、成膜時にＣを含むガスを導入し、炭窒化物とすることも可能である。その場合、Ｃを０．３を超えて添加すると、耐酸化性、皮膜硬さが低下することから、０．３を上限とする。より好ましくは０．２以下である。
［Ｎ：ｚ（０．７≦ｚ≦１，ｙ＋ｚ＝１）］
（ｚ）は、Ｎの原子比である。Ｎは、皮膜３ａを高硬度化して耐摩耗性を向上させるために必須の元素であり、０．７以上添加する必要がある。
（ｚ）は、Ｎの原子比である。Ｎは、皮膜３ａを高硬度化して耐摩耗性を向上させるために必須の元素であり、０．７以上添加する必要がある。
前記のとおり、Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｒ，Ｎは必須の成分であり、Ｓｉ，Ｙ，Ｃは任意の成分であることから、皮膜３ａの組成に関する組み合わせは、（ＴｉＣｒＡｌＲ）Ｎ、（ＴｉＣｒＡｌＳｉＲ）Ｎ、（ＴｉＣｒＡｌＹＲ）Ｎ、（ＴｉＣｒＡｌＳｉＹＲ）Ｎ、（ＴｉＣｒＡｌＲ）（ＣＮ）、（ＴｉＣｒＡｌＳｉＲ）（ＣＮ）、（ＴｉＣｒＡｌＹＲ）（ＣＮ）、（ＴｉＣｒＡｌＳｉＹＲ）（ＣＮ）等が挙げられる。
＜第２実施形態＞
図１に示すように、本発明に係る硬質皮膜被覆部材（部材）１（１ｂ）は、基材２上に硬質皮膜（皮膜）３（３ｂ）を備えたものである。
以下、具体的に説明する。なお、基材２については、第１実施形態における基材２と同様であるため、ここでは説明を省略する。
図１に示すように、本発明に係る硬質皮膜被覆部材（部材）１（１ｂ）は、基材２上に硬質皮膜（皮膜）３（３ｂ）を備えたものである。
以下、具体的に説明する。なお、基材２については、第１実施形態における基材２と同様であるため、ここでは説明を省略する。
（硬質皮膜）
皮膜３ｂは、組成が（ＴｉａＣｒｂＡｌｃＳｉｄＹｅＲｆＨｆｇ）（ＣｙＮｚ）からなり、前記ＲがＨｏ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｌａから選ばれる１種以上の元素であり、前記ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｙ、ｚが原子比であるときに、
０．０５≦ａ≦０．３
０．０５≦ｂ≦０．３
０．４≦ｃ≦０．６
０≦ｄ≦０．０５
０≦ｅ≦０．０５
０．００５≦ｆ≦０．０５
０＜ｇ≦０．３５
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１
０≦ｙ≦０．３
０．７≦ｚ≦１
ｙ＋ｚ＝１
を満足する。
皮膜３ｂは、組成が（ＴｉａＣｒｂＡｌｃＳｉｄＹｅＲｆＨｆｇ）（ＣｙＮｚ）からなり、前記ＲがＨｏ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｌａから選ばれる１種以上の元素であり、前記ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｙ、ｚが原子比であるときに、
０．０５≦ａ≦０．３
０．０５≦ｂ≦０．３
０．４≦ｃ≦０．６
０≦ｄ≦０．０５
０≦ｅ≦０．０５
０．００５≦ｆ≦０．０５
０＜ｇ≦０．３５
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１
０≦ｙ≦０．３
０．７≦ｚ≦１
ｙ＋ｚ＝１
を満足する。
第２実施形態の部材１ｂの皮膜３ｂは、第１実施形態の部材１ａの皮膜３ａの組成にＨｆを含有させたものである。また、これに対応して、Ａｌ量を０．６以下とする。その他の構成については、「ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１」とする以外は第１実施形態の皮膜３ａと同様であるため、ここでは説明を省略し、ＨｆおよびＡｌの上限値のみについて説明する。
［Ｈｆ：ｇ（０＜ｇ≦０．３５，ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１）］
［Ａｌ：ｃ（０．４≦ｃ≦０．６，ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１）］
（ｇ）は、Ｈｆの原子比である。皮膜３ｂ中に、より格子定数の大きいＨｆ（ＨｆＮ ０．４５２ｎｍ）を添加することで、より高硬度の皮膜３ｂとなる。このような効果を期待する場合には、０．０１以上の添加が好ましいが、０．３５を超えて添加すると皮膜３ｂの結晶構造が六方晶に変化しやすくなり、皮膜硬さが低下する。より好ましくは０．２以下、さらに好ましくは０．１５以下である。
また、Ｈｆを添加した場合には、結晶構造が六方晶に変化しやすくなることから、Ａｌ量の上限を０．６にする必要がある。
［Ａｌ：ｃ（０．４≦ｃ≦０．６，ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１）］
（ｇ）は、Ｈｆの原子比である。皮膜３ｂ中に、より格子定数の大きいＨｆ（ＨｆＮ ０．４５２ｎｍ）を添加することで、より高硬度の皮膜３ｂとなる。このような効果を期待する場合には、０．０１以上の添加が好ましいが、０．３５を超えて添加すると皮膜３ｂの結晶構造が六方晶に変化しやすくなり、皮膜硬さが低下する。より好ましくは０．２以下、さらに好ましくは０．１５以下である。
また、Ｈｆを添加した場合には、結晶構造が六方晶に変化しやすくなることから、Ａｌ量の上限を０．６にする必要がある。
前記のとおり、Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｒ，Ｈｆ，Ｎは必須の成分であり、Ｓｉ，Ｙ，Ｃは任意の成分であることから、皮膜３ｂの組成に関する組み合わせは、（ＴｉＣｒＡｌＲＨｆ）Ｎ、（ＴｉＣｒＡｌＳｉＲＨｆ）Ｎ、（ＴｉＣｒＡｌＹＲＨｆ）Ｎ、（ＴｉＣｒＡｌＳｉＹＲＨｆ）Ｎ、（ＴｉＣｒＡｌＲＨｆ）（ＣＮ）、（ＴｉＣｒＡｌＳｉＲＨｆ）（ＣＮ）、（ＴｉＣｒＡｌＹＲＨｆ）（ＣＮ）、（ＴｉＣｒＡｌＳｉＹＲＨｆ）（ＣＮ）等が挙げられる。
前記した部材１（１ａ，１ｂ）において、皮膜３（３ａ，３ｂ）の形成は、アークイオンプレーティング蒸発法によって形成することが好ましいが、アンバランスド・マグネトロン・スパッタリング蒸発法で形成してもよい。また、アークイオンプレーティング蒸発法を用いた成膜装置としては、例えば、以下のような成膜装置を用いる。
図２に示すように、成膜装置１０は、真空排気する排気口と、成膜ガスおよび希ガスを供給するガス供給口１５とを有するチャンバー１１と、アーク式蒸発源１２に接続されたアーク電源１３と、被処理体（基材２）を支持する基板ステージ１６上の支持台１７と、この支持台１７と前記チャンバー１１との間で支持台１７を通して被処理体に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源１４とを備えている。また、ヒータ１８、放電用直流電源１９、フィラメント加熱用交流電源２０、フィラメント２１等を備えている。本発明の部材を得るための成膜に際しては、ガス供給口１５からチャンバー１１内へ供給するガスは、成膜成分（皮膜の組成）に合わせて窒素（Ｎ２）、メタン（ＣＨ４）等の成膜ガスと、これらとアルゴン等の希ガスとの混合ガスを使用する。
そして、成膜方法の一例としては、まず、基材２を成膜装置１０に導入し、１×１０−３Ｐａ以下に排気した後、５５０℃まで基材２を加熱する。その後、Ａｒイオンを用いたスパッタクリーニングを実施し、窒素を４Ｐａまでチャンバー１１内に導入して、各種ターゲットを用いて１５０Ａの電流値でアーク放電を実施して基材２上に窒化物を形成する。なお、Ｃを皮膜中に含有させる場合には、０．１〜０．５Ｐａの範囲でメタンガスも導入する。また、成膜時のバイアス電圧は接地電位に対して−１００Ｖとする。
なお、皮膜３の組成は、一例として、ＥＤＸ（Energy DispersiveX-ray spectrometer：エネルギー分散形Ｘ線分析装置）によるＥＤＸ分析により測定することができる。
次に、本発明に係る冶工具について説明する。
≪冶工具≫
冶工具は、図示しないが、前記硬質皮膜被覆部材１（１ａ，１ｂ）を有するものである。冶工具は、部材１を有するため、耐摩耗性に優れ、切削工具や金型等の成形用冶工具として好適に用いることができ、それらの耐久性が向上する。切削工具としては、一例として、チップ、ドリル、エンドミル等を挙げることができ、金型としては、一例として、プレス金型、鍛造金型、成型用金型等の塑性加工型、打ち抜きパンチ、トリム等のせん断型あるいはダイカスト型等を挙げることができる。
≪冶工具≫
冶工具は、図示しないが、前記硬質皮膜被覆部材１（１ａ，１ｂ）を有するものである。冶工具は、部材１を有するため、耐摩耗性に優れ、切削工具や金型等の成形用冶工具として好適に用いることができ、それらの耐久性が向上する。切削工具としては、一例として、チップ、ドリル、エンドミル等を挙げることができ、金型としては、一例として、プレス金型、鍛造金型、成型用金型等の塑性加工型、打ち抜きパンチ、トリム等のせん断型あるいはダイカスト型等を挙げることができる。
次に、本発明に係るターゲットについて説明する。
≪ターゲット≫
ターゲットは、図示しないが、硬質皮膜、ここでは前記した硬質皮膜３（３ａ，３ｂ）をアークイオンプレーティングプロセスによって形成するためのものである。そして、このターゲットは、前記皮膜３（３ａ，３ｂ）に含まれる金属元素（半金属元素であるＳｉを含む）および希土類元素を、皮膜３（３ａ，３ｂ）中の組成比で含有している。すなわち、前記第１実施形態の皮膜３ａに含まれる金属元素（Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）および希土類元素（Ｙ，Ｈｏ，Ｓｍ，Ｄｙ、Ｌａ）を、皮膜３ａ中の組成比で含有しているか、あるいは、前記第２実施形態の皮膜３ｂに含まれる金属元素（Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｈｆ）および希土類元素（Ｙ，Ｈｏ，Ｓｍ，Ｄｙ、Ｌａ）を、皮膜３ｂ中の組成比で含有している。
≪ターゲット≫
ターゲットは、図示しないが、硬質皮膜、ここでは前記した硬質皮膜３（３ａ，３ｂ）をアークイオンプレーティングプロセスによって形成するためのものである。そして、このターゲットは、前記皮膜３（３ａ，３ｂ）に含まれる金属元素（半金属元素であるＳｉを含む）および希土類元素を、皮膜３（３ａ，３ｂ）中の組成比で含有している。すなわち、前記第１実施形態の皮膜３ａに含まれる金属元素（Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）および希土類元素（Ｙ，Ｈｏ，Ｓｍ，Ｄｙ、Ｌａ）を、皮膜３ａ中の組成比で含有しているか、あるいは、前記第２実施形態の皮膜３ｂに含まれる金属元素（Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｈｆ）および希土類元素（Ｙ，Ｈｏ，Ｓｍ，Ｄｙ、Ｌａ）を、皮膜３ｂ中の組成比で含有している。
ターゲットの製造方法については、特に限定されるものではないが、例えば、量比や粒径等を適切に調整した原材料のＴｉ粉末、Ｃｒ粉末、Ａｌ粉末、Ｓｉ粉末、Ｙ粉末、Ｈｆ粉末、元素Ｒの粉末等を、Ｖ型ミキサー等で均一に混合して混合粉末とした後、これに冷間静水圧加圧処理（ＣＩＰ（Cold Isostatic Pressing）処理）あるいは熱間静水圧加圧処理（ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing）処理）を施す粉末冶金法が本発明のターゲットを得る有効な方法として挙げられる。前記ＨＩＰ処理による方法（ＨＩＰ法）で成形する場合、焼結温度４００〜５５０℃、１０００気圧の条件でＨＩＰ処理することが好ましい。
これらの方法の他、熱間押出法や超高圧ホットプレス法、熱間鍛造法、温間鍛造法等によっても本発明のターゲットを製造することができる。さらには、前記のようにして混合粉末を調製した後、ホットプレス処理（ＨＰ）にてターゲットを製造する方法や、あるいは混合粉末を用いて製造する方法の他、予め合金化させた粉末を用いて、ＣＩＰ処理やＨＩＰ処理を行ったり、溶解・凝固させたりしてターゲットを得る方法も挙げられる。
本発明の実施例および比較例を以下に説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
図２に示す成膜装置であるカソード放電型のアークイオンプレーティング装置によって、粉末冶金法で作製した各種ターゲットを用い、鏡面研磨した超硬合金（ＪＩＳ−Ｐ種）基板、超硬合金製エンドミル（直径１０ｍｍ、６枚刃）および白金箔（３０×５×０．１ｍｍ厚み）を基材として、この基材上に皮膜を形成した。ターゲットの作製に当たってはＨＩＰ法を用い、焼結温度５００℃、１０００気圧で固化・緻密化を実施した。
まず、基材を装置に導入し、１×１０−３Ｐａ以下に排気した後、５５０℃まで基材を加熱した。その後、Ａｒイオンを用いたスパッタクリーニングを実施し、窒素を４Ｐａまでチャンバー内に導入して、前記した各種ターゲットを用いて１５０Ａの電流値でアーク放電を実施して基材上に窒化物を形成した。なお、Ｃを皮膜中に含有させる場合には、０．１〜０．５Ｐａの範囲でメタンガスも導入した。また、成膜時のバイアス電圧は接地電位に対して−１００Ｖとした。
成膜終了後、皮膜中の金属成分組成の分析、皮膜の硬度および酸化開始温度の測定を行うと共に、耐摩耗性について評価を行った。これらについて以下に説明すると共に、結果を表１〜３に示す。なお、表中、「−」は、成分を含有しないものであり、本発明の構成を満たさないものには、数値等に下線を引いて示す。
＜皮膜組成＞
成膜後の組成については、超硬合金基板における皮膜中の金属元素の成分組成を、ＥＤＸ分析により測定した。
成膜後の組成については、超硬合金基板における皮膜中の金属元素の成分組成を、ＥＤＸ分析により測定した。
＜硬度＞
皮膜の硬度については、超硬合金基板における皮膜のビッカース硬度（室温、荷重０．２５Ｎ、保持時間１５秒）を測定した。
皮膜の硬度については、超硬合金基板における皮膜のビッカース硬度（室温、荷重０．２５Ｎ、保持時間１５秒）を測定した。
＜酸化開始温度＞
酸化開始温度については、熱天秤を使用して、白金箔上に皮膜を形成した各サンプルを乾燥空気中で加熱し（昇温速度４℃／分）、酸化増量（酸化質量増加）を測定することにより、各皮膜の酸化開始温度を決定した。なお、急激に酸化質量増加が観察された温度を酸化開始温度と定義した。
酸化開始温度については、熱天秤を使用して、白金箔上に皮膜を形成した各サンプルを乾燥空気中で加熱し（昇温速度４℃／分）、酸化増量（酸化質量増加）を測定することにより、各皮膜の酸化開始温度を決定した。なお、急激に酸化質量増加が観察された温度を酸化開始温度と定義した。
＜耐摩耗性＞
耐摩耗性は、皮膜を形成した超硬合金製エンドミルを用い、以下の条件で切削試験を行って刃先逃げ面の摩耗量（摩耗幅）を測定することで評価した。摩耗量が１００μｍ以下のものを合格とした。
耐摩耗性は、皮膜を形成した超硬合金製エンドミルを用い、以下の条件で切削試験を行って刃先逃げ面の摩耗量（摩耗幅）を測定することで評価した。摩耗量が１００μｍ以下のものを合格とした。
［切削試験条件］
被削材：ＳＫＤ１１（ＨＲＣ６０）
切削速度：１５０ｍ／分
刃送り：０．０５ｍｍ／刃
軸切り込み：５ｍｍ
径方向切り込み：０．１ｍｍ
切削長：１００ｍ
その他：ダウンカット、ドライカット、エアブローのみ
被削材：ＳＫＤ１１（ＨＲＣ６０）
切削速度：１５０ｍ／分
刃送り：０．０５ｍｍ／刃
軸切り込み：５ｍｍ
径方向切り込み：０．１ｍｍ
切削長：１００ｍ
その他：ダウンカット、ドライカット、エアブローのみ
表１〜３に示すように、本発明の実施例あるいは参考例であるＮｏ．１〜３２は、本発明の要件を満たすため、あるいは参考例のため、本発明の要件を満たさない比較例であるＮｏ．３３〜４９に比べ、摩耗量が顕著に抑制されており、耐摩耗性が優れていた。中でも、Ｎｏ．１〜２５については、ＲとしてＨｏを含有し、Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｙ，Ｒ（Ｈｆを含有する場合はＨｆ）の含有量が全て好ましい範囲内のもの（Ｎｏ．２，６，７，８，１２，１４，１５，１６，１８，１９，２０，２２，２４，２５）は高い耐摩耗性（摩耗量３０μｍ以下）が得られ、特に、０．０１以上０．１５以下のＨｆを含有するもの（Ｎｏ．１８，１９，２４，２５）は、きわめて高い耐摩耗性（摩耗量１５μｍ以下）が得られた。
また、Ｎｏ．２６〜３２については、ＲとしてＬａを含有するもの（Ｎｏ．２６〜３２）も高い耐摩耗性（摩耗量２５μｍ以下）が得られた。また、ＬａとＨｏを複合添加させたもの（Ｎｏ．３０〜３２）は、特に高い耐摩耗性（摩耗量１８μｍ以下）が得られた。さらに、ＲとしてＬａを含有し、Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｙ，Ｒ（Ｈｆを含有する場合はＨｆ）の含有量が全て好ましい範囲内のもの（Ｎｏ．２９，３１，３２）は、きわめて高い耐摩耗性（摩耗量１５μｍ以下）が得られ、特に、０．０１以上０．１５以下のＨｆを含有するもの（Ｎｏ．３２）は、高い耐摩耗性（摩耗量８μｍ以下）が得られた。
一方、表３に示すように、比較例であるＮｏ．３３〜４９は、本発明の要件を満たさないため、耐摩耗性に劣った。すなわち、Ｎｏ．３３は、Ｔｉの含有量が上限値を超え、Ｃｒ、Ｒの含有量が下限値未満のため、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．３４は、Ｒの含有量が下限値未満のため、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．３５は、Ｒの含有量が上限値を超えるため、耐摩耗性に劣った。
Ｎｏ．３６は、Ｓｉの含有量が上限値を超えるため、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．３７は、Ｙの含有量が上限値を超えるため、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．３８は、Ｔｉ、Ｃｒの含有量が上限値を超え、Ａｌの含有量が下限値未満のため、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．３９は、Ａｌの含有量が上限値を超えるため、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．４０は、Ｔｉの含有量が下限値未満のため、耐摩耗性に劣った。
Ｎｏ．４１は、Ｔｉの含有量が上限値を超えるため、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．４２は、Ｃｒの含有量が下限値未満のため、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．４３は、Ｃｒの含有量が上限値を超えるため、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．４４は、Ｃの含有量が上限値を超え、Ｎの含有量が下限値未満のため、耐摩耗性に劣った。
Ｎｏ．４５は、Ｔｉ、Ｃｒの含有量が上限値を超え、Ａｌの含有量が下限値未満のため、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．４６は、Ｔｉの含有量が下限値未満のため、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．４７は、Ｈｆの含有量が上限値を超えるため、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．４８は、Ａｌの含有量が下限値未満のため、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．４９は、Ａｌの含有量が上限値を超えるため、耐摩耗性に劣った。
以上、本発明に係る硬質皮膜被覆部材、および、冶工具、並びに、ターゲットについて、実施の形態および実施例を示して詳細に説明したが、本発明の趣旨は前記した内容に限定されることなく、その権利範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈しなければならない。なお、本発明の内容は、前記した記載に基づいて広く改変・変更等することができることはいうまでもない。
１（１ａ，１ｂ） 硬質皮膜被覆部材（部材）
２ 基材
３（３ａ，３ｂ） 硬質皮膜（皮膜）
２ 基材
３（３ａ，３ｂ） 硬質皮膜（皮膜）
Claims (4)
- 基材上に硬質皮膜を備えた硬質皮膜被覆部材であって、
前記硬質皮膜は、組成が（ＴｉａＣｒｂＡｌｃＳｉｄＹｅＲｆ）（ＣｙＮｚ）からなり、前記ＲがＨｏ、Ｓｍ、Ｄｙから選ばれる１種以上の元素であるか、あるいは、前記ＲがＬａと、Ｈｏ、Ｓｍ、Ｄｙから選ばれる１種以上の元素とからなるものであり、前記ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｙ、ｚが原子比であるときに、
０．０５≦ａ≦０．３
０．０５≦ｂ≦０．３
０．４≦ｃ≦０．６５
０≦ｄ≦０．０５
０≦ｅ≦０．０５
０．００５≦ｆ≦０．０５
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝１
０≦ｙ≦０．３
０．７≦ｚ≦１
ｙ＋ｚ＝１
を満足することを特徴とする硬質皮膜被覆部材。 - 基材上に硬質皮膜を備えた硬質皮膜被覆部材であって、
前記硬質皮膜は、組成が（ＴｉａＣｒｂＡｌｃＳｉｄＹｅＲｆＨｆｇ）（ＣｙＮｚ）からなり、前記ＲがＨｏ、Ｓｍ、Ｄｙから選ばれる１種以上の元素であるか、あるいは、前記ＲがＬａと、Ｈｏ、Ｓｍ、Ｄｙから選ばれる１種以上の元素とからなるものであり、前記ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｙ、ｚが原子比であるときに、
０．０５≦ａ≦０．３
０．０５≦ｂ≦０．３
０．４≦ｃ≦０．６
０≦ｄ≦０．０５
０≦ｅ≦０．０５
０．００５≦ｆ≦０．０５
０＜ｇ≦０．３５
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１
０≦ｙ≦０．３
０．７≦ｚ≦１
ｙ＋ｚ＝１
を満足することを特徴とする硬質皮膜被覆部材。 - 請求項１または請求項２に記載の硬質皮膜被覆部材を有することを特徴とする冶工具。
- 硬質皮膜をアークイオンプレーティングプロセスによって形成するためのターゲットであって、
請求項１または請求項２に記載の硬質皮膜に含まれる金属元素および希土類元素を、前記硬質皮膜中の組成比で含有していることを特徴とするターゲット。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010270683A JP5438665B2 (ja) | 2010-02-16 | 2010-12-03 | 硬質皮膜被覆部材、および、冶工具、並びに、ターゲット |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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