JP5534765B2 - 表面被覆部材 - Google Patents

Description

本発明は基体の表面に被覆層が成膜されている表面被覆部材に関する。

現在、切削工具や耐摩部材、摺動部材といった耐摩耗性や摺動性、耐欠損性を必要とする部材では、超硬合金やサーメット等の焼結合金、ダイヤモンドやｃＢＮ（立方晶窒化硼素）の高硬度焼結体、アルミナや窒化珪素等のセラミックスからなる基体の表面に被覆層を成膜して、耐摩耗性、摺動性、耐欠損性を向上させる手法が使われている。中でも、セラミック工具は安価で耐摩耗性に優れることから高硬度材料の切削に用いられている。

例えば、特許文献１では、チャンファホーニングをつけたＡｌ_２Ｏ_３質セラミック基体の表面に、公知の化学蒸着法により第１層としてＡｌ_２Ｏ_３層を設けた被覆セラミック工具が開示されている。

一方、被覆層についても種々の開発が進められており、特許文献２ではｃＢＮ基体の表面に種々の配向性指数Ｔｃを有するＡｌ_２Ｏ_３層を被覆した切削工具が開示され、Ｔｃ（１１６）が１．０以上の被覆層が記載されている。また、特許文献３では、超硬合金基体の表面に、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣおよびＴｉＢ_２等からなる内層を形成し、その内層の上面にＡｌ_２Ｏ_３層を成膜した構成が開示され、Ａｌ_２Ｏ_３層の配向性指数ＴＣａ（１１６）が１．６でＴＣａ（１０４）が１．３の被覆層が記載されている。

特開平５−１６９３０２号公報 特開２０００−４４３７０号公報 特開平１１−１２４６７２号公報

しかしながら、Ａｌ_２Ｏ_３質セラミック基体の表面に公知の化学蒸着法にてＡｌ_２Ｏ_３層を第１層として設けた特許文献１の構成では、鋳鉄等の難削材を切削加工するとＡｌ_２Ｏ_３層が部分的に剥離してしまい、満足する耐摩耗性を得られないという課題があった。

また、特許文献２や特許文献３のように、ｃＢＮ基体や超硬合金基体の表面に第１層として様々な結晶面の配向性指数を有するＡｌ_２Ｏ_３層を被覆する構成において、（１１６）面の配向性指数が高いＡｌ_２Ｏ_３層が他に比べて高い切削性能を示すものでもなかった。

特に、高硬度の被削材に対して高速で切削加工するような過酷な切削に用いた場合には、切刃においてＡｌ_２Ｏ_３層が剥離したり、チッピング（フレーキング）したりして、工具性能は不十分であった。しかも、セラミック基体の表面は高硬度で靭性に劣ることから被覆層に衝撃がかかると初期段階で欠損してしまうおそれがあった。

そこで、本発明の表面被覆部材は、Ａｌ_２Ｏ_３質セラミックスを基体として、さらに長寿命な切削工具を提供することを目的とする。

本発明の表面被覆部材は、Ａｌ_２Ｏ_３質セラミックスからなる基体の表面に第１層としてＡｌ_２Ｏ_３層を被覆した構成からなり、前記Ａｌ_２Ｏ_３層がα型結晶構造で、かつ前記Ａｌ_２Ｏ_３層の表面から測定したＸ線回折分析において（１１６）面に帰属されるピークが最強ピークであるとともに、上記構成において、下記式で表される組織化係数Ｔｃ（１１６）が１．５〜１．８であることが重要である。
Ｔｃ（１１６）＝{Ｉ（１１６）／Ｉ _０ （１１６）}／{（１／６）Σ〔Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ
_０ （ｈｋｌ）〕}
ただし、
（ｈｋｌ）面：（０１２）、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（０２４）および（１１６）面
Ｉ（ｈｋｌ） ：（ｈｋｌ）面に帰属されるＸ線回折ピークのピーク強度の測定値
Ｉ _０ （ｈｋｌ）：ＪＣＰＤＳカード番号１０−１７３の（ｈｋｌ）面における標準Ｘ線回折ピーク強度
Σ［Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ _０ （ｈｋｌ）］：（０１２）、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（０２４）、（１１６）面における［Ｘ線回折ピーク強度測定値／標準Ｘ線回折ピーク強度］の値の合計

また、上記構成において、前記Ａｌ_２Ｏ_３質セラミックスにＺｒＯ_２が１０〜３０質量％の割合で含まれていることが望ましい。

さらに、上記構成において、前記Ａｌ_２Ｏ_３層を表面から観察したときのＡｌ_２Ｏ_３粒子の平均粒径が０．３〜１μｍであることが望ましい。

本発明の表面被覆部材によれば、Ａｌ_２Ｏ_３質セラミックスからなる基体の表面に直接Ａｌ_２Ｏ_３層を被覆しており、しかも、このＡｌ_２Ｏ_３層がα型結晶構造で、かつ表面に対して（１１６）面に配向した構成となっている。この構成によって、理由は不明であるが、Ａｌ_２Ｏ_３層は密着性に優れるとともに、耐摩耗性に優れたものとなる。特に、上記式で表される組織化係数Ｔｃ（１１６）が１．５〜１．８であることが、基体との密着性および耐摩耗性の向上の点で重要である。

ここで、上記構成において、Ａｌ_２Ｏ_３質セラミックスにＺｒＯ_２が１０〜３０質量％の割合で含まれていると、Ａｌ_２Ｏ_３層を構成するＡｌ_２Ｏ_３粒子の粒径が小さくなる傾向にある。その結果、Ａｌ_２Ｏ_３層の硬度および強度が向上することから、工具としての耐摩耗性および耐チッピング性が向上する。このとき、Ａｌ_２Ｏ_３層を表面から観察したときのＡｌ_２Ｏ_３粒子の平均粒径は０．３〜１μｍであることが、耐摩耗性および耐欠損性の向上の点で望ましい。

本発明の表面被覆部材の好適例である切削工具の一例を示し、（ａ）概略斜視図および（ｂ）概略断面図である。 本発明の表面被覆工具を構成するＡｌ_２Ｏ_３層を表面から観察した一例を示す走査型電子顕微鏡写真である。

本発明の表面被覆部材の好適例である切削工具の一例について、図１の（ａ）概略斜視図および（ｂ）概略断面図を基に説明する。

図１（ａ）のように、本発明の切削工具１は、すくい面２と逃げ面３との交差稜線が切刃４である形状をなし、かつ図１（ｂ）に示すように、Ａｌ_２Ｏ_３質セラミックスからなる基体（以下、単に基体と略す。）６の表面にＡｌ_２Ｏ_３層７を第１層とする被覆層８を被覆した構成となっている。

基体６をなすＡｌ_２Ｏ_３質セラミックスは、Ａｌ_２Ｏ_３粒子のマトリックス中に、所望により、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｙおよび希土類元素の酸化物、Ｔｉ、Ｓｉの炭化物、窒化物、炭窒化物および炭窒酸化物のいずれか１種以上を含有してなる。

ここで、上記組成において、Ａｌ_２Ｏ_３質セラミックスにはＺｒＯ_２が１０〜３０質量％の割合で含まれていることが、Ａｌ_２Ｏ_３層を構成するＡｌ_２Ｏ_３粒子の粒径が小さくなる傾向にあり、Ａｌ_２Ｏ_３層７の硬度および強度が向上して、切削工具１としての耐摩耗性および耐チッピング性が向上するために望ましい。このとき、図２の走査型電子顕微鏡写真に示すように、Ａｌ_２Ｏ_３層７を表面から観察したときのＡｌ_２Ｏ_３粒子の平均粒径は０．３〜１μｍであることが、耐摩耗性および耐欠損性の向上の点で望ましい。

なお、基体６であるＡｌ_２Ｏ_３質セラミックス中に含有されるＡｌ_２Ｏ_３粒子の平均粒径は、耐摩耗性、強度の点から０．０５〜３μｍ、望ましくは０．１〜０．５μｍの範囲にあることが望ましい。なお、Ａｌ_２Ｏ_３粒子や他の化合物粒子の粒径測定は、ＣＩＳ−０１９Ｄ−２００５に規定された超硬合金の平均粒径の測定方法に準じて測定する。

一方、被覆層８は、基体６の表面に、α型結晶構造で、かつ表面から測定したＸ線回折分析において（１１６）面に帰属されるピークが最強ピークであるＡｌ_２Ｏ_３層７が第１層として被覆されている。この構成によって、Ａｌ_２Ｏ_３層７は密着性に優れるとともに、耐摩耗性に優れたものとなる。特に、下記式で表される組織化係数Ｔｃ（１１６）が１．５〜１．８であることが、基体６との密着性および耐摩耗性の向上の点で重要である。Ｔｃ（１１６）＝{Ｉ（１１６）／Ｉ_０（１１６）}／{（１／６）Σ〔Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ
_０（ｈｋｌ）〕}
ただし、
（ｈｋｌ）面：（０１２）、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（０２４）および（１１６）面
Ｉ（ｈｋｌ） ：（ｈｋｌ）面に帰属されるＸ線回折ピークのピーク強度の測定値
Ｉ_０（ｈｋｌ）：ＪＣＰＤＳカード番号１０−１７３の（ｈｋｌ）面における標準Ｘ線回折ピーク強度
Σ［Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ_０（ｈｋｌ）］：（０１２）、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（０２４）、（１１６）面における［Ｘ線回折ピーク強度測定値／標準Ｘ線回折ピーク強度］の値の合計
なお、Ａｌ_２Ｏ_３層７の膜厚の望ましい範囲は０．５〜５μｍである。ここで、Ａｌ_２Ｏ_３層７を表面から観察したときのＡｌ_２Ｏ_３粒子の平均粒径は０．３〜１μｍであることが、耐摩耗性および耐欠損性の向上の点で望ましい。なお、平均粒径の算出に際しては、顕微鏡写真から各粒子の形状を特定し、画像解析法にて各粒子の面積を求める。そして、各粒子が円であると仮定した時の粒径を算出し、その平均値を平均粒径とする。

さらに、被覆層８は、Ａｌ_２Ｏ_３層７の上層として、周期表第４、５および６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物のうち１つから選ばれる他の被覆層９を被覆した多層構造としてもよい。なお、被覆層８の総厚みは、０．５〜１０μｍ、特に１〜７μｍであることが、被覆層８の膜剥離やチッピングを防止し、十分な耐摩耗性を維持することができるため望ましい。
特に、高速荒切削加工用の切削工具として用いる場合には被覆層８の厚みが１．０μｍ〜５．０μｍであり、鋳鉄加工用の切削工具として用いる場合には被覆層８の厚みが２．０μｍ〜７．０μｍであることが望ましい。

また、本発明の表面被覆部材は上記切削工具に限定されず、耐摩部材、摺動部材といった耐摩耗性、耐欠損性を必要とする部材においても好適に使用可能である。

（製造方法）
次に、上述した工具の製造方法について説明する。

例えば、原料粉末として０．２〜３μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＡｌ_２Ｏ_３原料粉末、平均粒径０．１〜２μｍのＺｒＯ_２粉末等の添加物原料粉末を特定の組成に秤量し粉砕混合する。

そして、上記混合粉末を所定形状に成形する。成形には、プレス成形、射出成形、鋳込み成形、押し出し成形等の周知の成形手段を用いることができる。その後、前記成形体を脱バインダ処理した後、大気中または非酸化性雰囲気、望ましくはアルゴン（Ａｒ）ガス等の非酸化性減圧雰囲気中にて１５００〜１７５０℃で焼成する。所望により、得られたＡｌ_２Ｏ_３質セラミックスからなる基体６の表面を研削加工し、所望により、切刃部分にチャンファホーニングやＲホーニング加工を施す。

また、加工した基体は、酸溶液やアルカリ溶液を用いて洗浄した後、純水やアルコールで濯いでおくことが望ましい。

次に、基体６の表面に被覆層８を成膜する。Ａｌ_２Ｏ_３層７の成膜方法として、まず、基体６を化学蒸着装置内にセットし、チャンバ内をＨ_２、またはＡｒ雰囲気に置換した状態で、９８０〜１０５０℃まで昇温する。このとき、チャンバ内が１０℃以内で均熱となるまで温度を保持する。

そして、上記チャンバ内に、水素（Ｈ_２）および塩化水素（ＨＣｌ）ガスを３〜１０分間流す。それから、チャンバ内の水素（Ｈ_２）および塩化水素（ＨＣｌ）ガスを水素（Ｈ_２）および塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）ガスに代える。この工程によって、基体６の表面に均一で微細なＡｌ_２Ｏ_３層の核が形成される。

その後、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）ガスを０．５〜５．０体積％、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを０．５〜３．５体積％、二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスを０．５〜５．０体積％、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）ガスを０.０〜０．５体積％、残りが水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を９５０〜１１００℃、圧力を５〜１０ｋＰａとして、Ａｌ_２Ｏ_３層７を成膜する。

平均粒０．５μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末、平均粒径１．０μｍのＺｒＯ_２粉末、ＭｇＯ粉末、ＳｉＣ粉末、ＴｉＣＮ粉末、ＴｉＣ粉末およびＣｏ粉末を用いて表１のように調合し、この粉体を、アルミナ製ボールを用いたボールミルで７２時間混合した。

次に混合した粉体を圧力９８ＭＰａでＪＩＳ・ＣＮＧＡ１２０４０８のスローアウェイチップ形状にプレス成形した。この成形体を脱バインダ処理した後、アルゴン（Ａｒ）ガス０．０４ＭＰａの非酸化性雰囲気中、１６５０℃で焼成してＡｌ_２Ｏ_３質セラミックスを得た。このアルミナ質セラミックス基体の両主面を研削加工するとともに、基体の切刃部分に対してダイヤモンドホイールを用いて刃先処理を施して、切刃に０．２ｍｍ×２０°のチャンファホーニングを形成した。

このようにして作製した基体に対して、酸溶液およびアルカリ溶液にて洗浄し、純水およびアルコールにて濯いだ後、化学蒸着（ＣＶＤ）法により被覆層の成膜を行った。具体的な成膜方法は、表２に示す前処理条件で前処理した後、表１に示す成膜温度で成膜した。なお、各層の成膜においては、ＡｌＣｌ_３：１．５体積％，ＨＣｌ：２体積％，ＣＯ_２：４体積％，Ｈ_２Ｓ：０．３体積％，Ｈ_２：残の混合ガスを流してＡｌ_２Ｏ_３層を、ＴｉＣｌ_４：５．０体積％，Ｎ_２：２０体積％，ＣＨ_４：９体積％，Ｈ_２：残の混合ガスでＴｉＣＮ層を、ＴｉＣｌ_４：３．０体積％，Ｎ_２：３０体積％，Ｈ_２：残の混合ガスでＴｉＮ層をそれぞれ成膜した。

得られたスローアウェイチップについて、被覆層の表面からＸ線回折測定を行い、Ａｌ_２Ｏ_３層の結晶構造および回折ピークを同定して、（１１６）面に帰属されるピークのピーク強度から組織化係数Ｔｃ（１１６）を算出した。また、被覆層の表面および断面について走査型電子顕微鏡で観察して、Ａｌ_２Ｏ_３層を表面から見たときのＡｌ_２Ｏ_３粒子の平均粒径および被覆層の厚みを算出した。なお、２層積層した構成に被覆層について１層目の平均粒径を測定する際には、上層を研磨除去した研磨面についてＥＢＳＤ(EBS Diffraction)法による結晶方位測定により各粒子のカラーマッピングを撮り、各粒子の粒子径を見積もって画像解析法から結晶を円に仮定した時の平均粒径を算出した。結果は表３に示した。

次に、このスローアウェイチップを用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表３に合わせて示した。
切削方法：外周加工
被削材 ：ＳＫＤ１１
切削速度：１５０ｍ／分
送り ：０．５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：０．５ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：フランク摩耗が０．３ｍｍ以上となる時間

表１〜３に示される結果から、Ａｌ_２Ｏ_３層がα型結晶構造でない試料Ｎｏ．７は耐摩耗性が悪い結果となった。また、Ａｌ_２Ｏ_３層の最強ピークが（１１６）面に帰属されるピークでない試料Ｎｏ．８では、切削中にフレーキングが発生して工具寿命は短かった。さらに、ＴｉＣＮ層を第１層として構成した試料Ｎｏ．６では、被覆層の密着性が低下して層剥離が発生した。

これに対し、硬質層の組成が本発明の範囲内の試料Ｎｏ．１〜５では、優れた耐摩耗性を発揮するとともに耐欠損性も良好であり、その結果、工具寿命が長いものであった。

１ 切削工具
２ すくい面
３ 逃げ面
４ 切刃
６ 基体
７ Ａｌ_２Ｏ_３層
８ 被覆層
９ 他の被覆層

Claims (3)

1. Ａｌ_２Ｏ_３質セラミックスからなる基体の表面に、第１層としてＡｌ_２Ｏ_３層を被覆した構成からなり、前記Ａｌ_２Ｏ_３層がα型結晶構造で、かつ前記Ａｌ_２Ｏ_３層の表面から測定したＸ線回折分析において（１１６）面に帰属されるピークが最強ピークであるとともに、下記式で表される組織化係数Ｔｃ（１１６）が１．５〜１．８である表面被覆部材。
   Ｔｃ（１１６）＝{Ｉ（１１６）／Ｉ _０ （１１６）}／{（１／６）Σ〔Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ
   _０ （ｈｋｌ）〕}
   ただし、
   （ｈｋｌ）面：（０１２）、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（０２４）および（１１６）面 Ｉ（ｈｋｌ） ：（ｈｋｌ）面に帰属されるＸ線回折ピークのピーク強度の
   測定値 Ｉ _０ （ｈｋｌ）：ＪＣＰＤＳカード番号１０−１７３の（ｈｋｌ）面における標準Ｘ線回折ピーク強度 Σ［Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ _０ （ｈｋｌ）］：（０１２）、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（０２４）、（１１６）面における［Ｘ線回折ピーク強度測定値／標準Ｘ線回折ピーク強度］の値の合計
2. 前記Ａｌ_２Ｏ_３質セラミックスにＺｒＯ_２が１０〜３０質量％の割合で含まれている請求項１記載の表面被覆部材。
3. 前記Ａｌ_２Ｏ_３層を表面から観察したときのＡｌ_２Ｏ_３粒子の平均粒径が０．３〜１μｍである請求項２記載の表面被覆部材。