JPH03197662A - 表面被覆超硬合金の製造方法、及び表面被覆鋼材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、表面被覆超硬合金及びその製造方法、並びに
表面被覆鋼材及びその製造方法に関し、特に、耐学耗性
に優れた被膜によって被覆された表面被覆超硬合金及び
その製造方法、並びに耐摩耗性に優れた被膜によって被
覆された表面被覆鋼材及びその製造方法に関する。

（従来の技術） Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの
炭化物、窒化物、酸化物の一種またはそれ以上の混合物
もしくは固溶体を主として鉄属金属で結合したいわゆる
超硬合金を母材として、表面に母材より耐摩耗性に富む
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物を数μｍ
の厚さに被覆したいわゆるコーティングチップは、母材
の靭性と、表面被覆層の耐摩耗性を兼ね備えており、切
削工具としては、従来の超硬合金より優れた切削性能を
有することは広く知られた事実である。

しかし、切削材及び切削方法の進歩にともなって更に高
性能、長寿命化を目的に改良された切削工具が要望され
ている。

これらの要求に対して、最近、炭化物及び窒化物の単層
膜を用いるのではなく、材料の特徴を活かした使い方が
なされている０例えば、ＴｉＣ被覆は、硬度が高いこと
から耐フランク摩耗はあるが、耐クレータ摩耗に対して
劣る欠点がある。また、ＴｉＮ被膜は、硬度が低いこと
から耐フランク摩耗に対して劣るが、化学的安定性が大
きいことから耐クレータ摩耗に優れている。おのおのの
特徴を活かすため、ＴｉＣ＋ＴｉＮ＋Ｔｉ　（Ｃ。

Ｎ）等の多層膜、複合被膜のコーティング材料が開発さ
れ、市場に出回っている。更に、コーティング材料とし
ては高温において安定なものが要求され、Ｔ　ｉ　Ｃ被
膜の上にＡ１□０３をコーティングしたチップもある。

　Ｔ　ｉ　Ｎ被膜は物理蒸着、化学蒸着の両方で行われ
ているが、多層膜、Ａｌ２Ｏ、のコーティングは化学蒸
着で行われている。

一方、超硬合金を母材とするものではなく、鋼材を母材
とした切削工具に関しては、そのような鋼材にセラミッ
ク被覆を施した切削工具は、母材の靭性と被膜の耐摩耗
性とにより寿命が著しく向上する。高速度工具鋼、熱間
加工用工具、または冷間加工用工具等においては、ＰＶ
Ｄ法、特にイオンプレーティング法により鋼材に窒化チ
タン（ＴｉＮ）被膜を被覆を形成した物がこの穐の硬質
被膜として普及している。

このような加工技術の分野においても、作業の省力化、
能率化の要請により高速送り、深切込み等による重切削
加工の必要性がますます高くなってきている。

（発明が解決しようとする課題） 前者の表面被覆超硬合金の欠点に関して説明すると、刃
先の鋭い超硬合金は、化学蒸着で被覆すると、刃先に被
膜が厚く付き切削特性を劣化させる原因となる。また、
化学蒸着によるコーティングでは超硬合金チップど被覆
界面に密着力を低下させるη相を作り易いため、η相の
析出を抑える組成のチップを用いる必要がある。さらに
は、化学蒸着で多層膜、Ａｌ２Ｏ，をコーティングする
には多数の種類のガスを用いるため、ガス管理、ガス制
御が複雑なものとなる。

そこで、刃先の鋭い超硬合金に対するコーティングには
プロセスが簡単で低温製膜可能なイオンプレーティング
法が用いられている。この方法では、ＴｉＮ膜を被覆し
ているが、従来の膜ではより厳しい切削条件に耐えられ
なくなってきている。

また、後者の表面被覆鋼材の欠点に関して説明すると、
重切削では、加工時の衝撃が大きくなり、これまでのＴ
ｉＮ被覆の場合、耐摩耗性等の工具としての性能は不十
分なものになってしまうという問題があった。

したがって、本発明の目的は、ＴｉＮ被膜を製膜するイ
オンプレーティング法を改良して、前述の欠点を解消し
た、表面被覆超硬合金及びその製造方法、並びに表面被
覆鋼材及びその製造方法、を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 前述の目的を達成するために、本発明は、金属チタンを
蒸発源とし、窒素ガス、アンモニアガスまたはこれらの
混合ガスを反応ガスとして、真空アーク放電型のイオン
プレーティング法により基盤の超硬合金上に窒化物被膜
を形成する方法において、蒸発源に供給する電流を８０
Ａ以上とし、上記超硬合金に一２Ｏ０Ｖ〜−３００Ｖの
バイアス電圧を印加し、製膜温度を４５０℃以上に維持
し、上記反応ガスの圧力を１０×１０−３Ｔｏｒｒ以上
にして行うことを特徴とする表面被覆超硬合金の製造方
法、を採用するものである。

イオンプレーティング法を前述の製膜条件下で行うと、
ＪＩＳ　　Ｚ８７０１に規定されるＸＹＺ表色系で０．
４７≦ｘ≦０．４９．０．３４≦ｙ≦０，３６に入る色
を有するＢｌ型構造を持つチタンの窒化物で被覆された
表面被覆超硬合金が得られる。なお、この膜の膜厚は、
０，２〜２０μｍが望ましい。

本発明は、また、金属チタンを蒸発源とし、窒素ガス、
アンモニアガスまたはこれらの混合ガスを反応ガスとし
て、真空アーク放電型のイオンプレーティング法により
基盤の鋼材上に窒化物被膜を形成する方法において、蒸
発源に供給する電流を８０Ａ〜１５０Ａとし、上記鋼材
に一２Ｏ０Ｖ〜−２００Ｖ〜−８００Ｖのバイアス電圧
を印加し、製膜温度を４５０℃〜５５０℃に維持し、上
記反応ガスの圧力を１０×１０−３Ｔｏｒｒ以上にして
行うことを特徴とする表面被覆鋼材の製造方法、を採用
するものである。

イオンプレーティング法を前述の製膜条件下で行うと、
ＪＩＳ　　Ｚ８７０１に規定されるＸＹＺ表色系で０．
４７≦ｘ≦０．４９．０．３４≦ｙ≦０．３６に入る色
を有するＢｌ型構造を持つチタンの窒化物で被覆された
表面被覆鋼材が得られる。なお、この膜の膜厚は、０．
２〜２０μｍが望ましい。

（作用） 本発明は、超硬合金または鋼材を母材としてイオンプレ
ーテング法によりＴｉＮ被膜をそれらの母材の上に製膜
するのであるが、金属チタンを蒸発源とし、窒素ガス、
アンモニアガスまたはこれらの混合ガスを反応ガスとし
て用いる真空アーク放電型のイオンプレーティング法に
おいて、特定のパラメータ（供給電流、バイアス電圧、
製膜温度、反応ガスの圧力）を成る特定の製膜条件の範
囲に設定して、被膜の格子欠陥等の微小な欠陥を減少さ
せるものである。

（実施例） 次に、図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明す
る。

第１図は、本発明に用いたイオンプレーテング装置の概
略図であり、第２図は、ＸＹＺ表色系を示す図であり、
第３図は、超硬チップを用いた切削性能試験の結果を示
すグラフであり、第４図は、鋼材のドリルを用いた切削
性能試験の結果を示すグラフである。

最初に、本発明の詳細な説明する。

本発明は、超硬合金または鋼材を母材としてイオンプレ
ーテング法によりＴｉＮ被膜をそれらの母材の上に製膜
する際、金属チタンを蒸発源とし、窒素ガス、アンモニ
アガスまたはこれらの混合ガスを反応ガスとして用いる
真空アーク放電型のイオンプレーティング法において、
特定のパラメータ（供給電流、バイアス電圧、製膜温度
、反応ガスの圧力）を、以下に説明するような成る特定
の製膜条件の範囲に設定して行うと、被膜の格子欠陥等
の微小な欠陥を減少できることを見い出した事実に基づ
くものである。なお、ここで言う欠陥は、単にチタンと
窒素の組成のずれによって生じるだけでなく、製膜条件
によって格子の乱れとしても導入されるものである。そ
して、これらの欠陥が窒化チタン膜の性能を低下させる
大きな要因になっている。また欠陥は色調と耐摩耗性に
密接に関連している。即ち、窒化チタン被膜は、一般に
金色を呈するが、この窒化チタン膜の色合いは、膜中に
含まれる欠陥の量により微妙に変化するので、耐摩耗性
の優れた欠陥の少ない膜は、一定の範囲の色調を呈する
。

したがって、本明細書では、このような欠陥の状態をＸ
ＹＺ表色系で表現される色調で特定している。

次に、製膜条件のパラメータについて説明する。

（１）供給電流：チタンの蒸発源への供給電流は８０Ａ
以上に設定する。この理由は、供給電流が８０Ａより低
いと、欠陥の量が多くなるからである。また、鋼材を母
材として用いる場合には、供給電流は１５０Ａ以下に設
定する。供給電流が１５ＯＡより大きくなると、製膜中
の温度が上昇し、鋼材が鈍ってしまうからである。なお
、超硬合金を母材として用いる場合には、超硬合金の性
質上このような制限は不要である。

（２１バイアス電圧：バイアス電圧は一２Ｏ０ｖ〜−２
００Ｖ〜−８００Ｖに設定する。この理由は、バイアス
電圧が一２Ｏ０Ｖより低いと、入射するＴｉイオンのエ
ネルギーが小さくなり、欠陥が導入され易くなり、一方
−３００ｖより大きくなると＝Ｔｉイオンの入射エネル
ギーが大きすぎて、逆に欠陥を導入してしまうからであ
る。

（３）製膜温度：製膜温度は４５０℃以上に設定する。

この理由は、製膜温度が４５０℃より低いと、基板表面
上でのイオンの運動が不十分で欠陥が生じてしまうから
である。また、鋼材の場合には、製膜温度は５５０℃以
下に設定する。この理由は、５５０℃より低いと、鋼材
（基板）の硬度が低下するからであり、なお、超硬合金
の場合には、硬度の低下がないので、この制限は不要で
ある。

（４）反応ガス圧カニ反応ガス圧は１０×１０−”Ｔｏ
ｒｒ以上に設定する。この理由は、反応ガス圧が１０Ｘ
　１０−’Ｔｏ　ｒ　ｒより低いと、未反応Ｔｉが膜中
に析出するようになり、耐摩耗性が著しく低下するから
である。

次に、真空アーク放電型のイオンプレーテング装置を用
いて、本発明の製造方法（表面被覆超硬合金の製造方法
及び表面被覆鋼材の製造方法）による製造、及び製造さ
れた表面被覆超硬合金及び表面被覆鋼材の例について説
明する。

［ 第１区は、本発明の製造方法を実施するのに用いた真空
放電型のイオンプレーテング装置を示す。

このイオンプレーテング装置は、反応容器１０に取付け
られて基板（超硬合金、または鋼材）１４を取付ける回
転可能なターンテーブル１２と、反応容器の周囲側壁に
設けた蒸発源１６と、反応ガスの供給口１８と、真空ポ
ンプへのボート２０と、から成るものである。

なお、このイオンプレーテング装置は、以下の例、比較
例の場合のすべてにおいて用いられた。

被覆すべき基板としてＰ３０型超硬合金チップ＜７２Ｗ
Ｃ−９Ｃｏ−８ＴｉＣ−１１ＴａＣ）を用いた。この超
硬合金チップを有機溶剤により洗浄後、真空反応容器内
にセットし、この反応容器内の圧力をｌＸｌ０’−’以
上まで真空にしたのち、Ｔｉイオン衝撃による洗浄、加
熱を行って窒化チタン被膜の形成を開始する。被膜を形
成すべき金属の蒸発源としてＴｉを用いるが、この例１
では、反応ガスとして窒素のみを導入し、その圧力を３
０Ｘ１０−１とした。蒸発源に９０Ａの電流を流すこと
により、Ｔｉターゲットから真空アーク放電によりＴｉ
イオンを放出させ、一方、チップに対して一５００Ｖの
バイアス電圧を印加した。この条件下でチップ表面に窒
化チタンを生成させた。

この結果、約１時間の製膜反応により膜厚が３μｍの被
膜が得られた。このようにして得られた被膜をＪＩＳ　
　ｚ８７０１に規定されるＸＹＺ表色系で測定したとこ
ろ、ｘ＝０．４７６９、ｙ＝０．３４８８であった。こ
の値はＸＹＺ表色系を示す第２図の・印に該当し、口で
示した範囲（０，４７≦ｘ≦０．４９．０．３４≦ｙ≦
０．３６）に入るものであった。

このように製造した表面被覆超硬合金チップに対して切
削性能試験を行った。切削条件は、以下の通りであった
。

被剛材　　　　　ＳＣＭ３ 切削速度　　　　１８０ｍ／ｍｉｎ 送り　　　　　　　０．３ｍｍ／ｒｅｖ切込み　　　　
　２．Ｑｍｍ 第３図はこの試験結果を示すものである。第３図は、切
削時間に対するフランク摩耗を示すものであり、この図
面から明らかなように、後述する従来の窒化チタンチッ
プを代表する比較例１の試験試験結果より飛躍的に性能
が向上している。

匠−１ 反応ガスとして、アンモニアガスを４５×１０−３Ｔｏ
ｒｒ導入した以外は例１と同様な手順で窒化チタン膜の
製膜を行った。得られた被膜をＸＹＺ表色系で測定した
ところ、ｘ＝０．４８８０、ｙ＝０．３５２７であり、
第２図の口の範囲内に入るものであった。この例２の場
合も、第３図に示す切削性能試験の結果は、例１と同様
に良好なものであった。

１１Ｌ 蒸発源への供給電流を５０Ａ、バイアス電圧を−４００
Ｖとした以外は例１と同様な製膜条件で窒化チタン膜を
形成した。得られた被膜をＸＹＺ表色系で測定したとこ
ろ、ｘ＝０．４４３３、ｙＯ，３８３９であり、第２図
の口の範囲外にあった。切削性能試験の結果は、従来通
りであった。

昨−Ｌ” 第１図に示すイオンプレーテング装置をやはり使用し、
また、被覆すべき基板ζして５ＫＨ５１材質の６ｍｍ径
ドリルを用いた。このドリルを有機溶剤により洗浄後、
真空反応容器内にセットし、この反応容器内の圧力を１
×１０１以上まで真空にしたのち、Ｔｉイオン衝撃によ
る洗浄、加熱を行って窒化チタン被膜の形成を開始する
。被膜を形成すべき金属の蒸発源としてＴｉを用いるが
、この例１′では、反応ガスとして窒素のみを導入し、
その圧力を３０×１０−３とした。蒸発源に９０Ａの電
流を流すことにより、Ｔｉターゲットから真空アーク放
電によりＴｉイオンを放出させ、一方、ドリルに対して
一３００■のバイアス電圧を印加した。この条件下でチ
ップ表面に窒化チタンを生成させた。この結果、約１時
間の製膜反応により膜厚が３μｍの被膜が得られた。こ
のようにして得られた被膜をＪＩＳ　　Ｚ８７０１に規
定されるＸＹＺ表色系で測定したところ、Ｘ＝０．４７
７２、ｙ＝Ｑ、３４８１であった。この値はＸＹＺ表色
系を示す第２図の口で示した範囲（０，４７≦　Ｘ　≦
　０　、　４９　、　０　、　３４　≦　ｙ　≦０．３
６）に入るものであった。得られたドリルについて切削
性能試験を行った。切削条件は、以下の通りであった。

被削材　　　　　８０Ｍ４４０ 回転数　　　　　１５００ｒｐｍ 送り速度　　　　０．４５ｍｍ／ｒｅｖ切込み深さ　　
　２０ｍｍ 第４図はこの試験結果を示すものである。第４図は、切
削可能回数を示すものであり、この図面から明らかなよ
うに、後述する従来の窒化チタンドリルを代表する比較
例１′の試験試験結果より５倍から６倍も向上している
。

匠−１′ 反応ガスとして、アンモニアガスを４５×１０１Ｔｏｒ
ｒ導入した以外は例１′と同様な手順で窒化チタン膜の
製膜を行った。得られた被膜をＸＹＺ表色系で測定した
ところ、ｘ＝０．４８８１、ｙ＝０．３５０９であり、
第２図の口の範囲内に入るものであった。この例２′の
場合も、第３図に示す切削性能試験の結果は、例１′と
同様に良好なものであった。

肛１叱二′ 蒸発源への供給電流を５ＯＡ、バイアス電圧を一４Ｏ０
Ｖとした以外は例１′と同様な製膜条件で窒化チタン膜
を形成した。得られた被膜をＸＹＺ表色系で測定したと
ころ、ｘ＝０．４４３３、ｙ＝０．３８３９であり、第
２図の口の範囲外にあった。切削性能試験の結果は、従
来通りであった。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、表面被覆超硬合
金及び表面被覆鋼材の耐摩耗性を大幅に改善することが
でき、より厳しい環境に耐えうる窒化チタン被膜を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に用いたイオンプレーテング装置の概
略図である。 第２図は、ＸＹＺ表色系を示す図である。 第３図は、超硬チップを用いた切削性能試験の結果を示
すグラフである。 第４図は、鋼材のドリルを用いた切削性能試験の結果を
示すグラフである。 １０・・・反応容器、 ２・・・ターンテーブル、 ４・・・基板、 ６・・・蒸発源、 ８・・・反応ガス供給口、 ０・・・真空ポンプへのボート。 第 図 第 図 第 図 切削時間（ｍｉｎ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　ＪＩＳ　Ｚ８７０１に規定されるＸＹＺ表色系
   で０．４７≦ｘ≦０．４９、０．３４≦ｙ≦０．３６に
   入る色を有するＢ１型構造を持つチタンの窒化物で被覆
   された表面被覆超硬合金。
2. （２）　金属チタンを蒸発源とし、窒素ガス、アンモニ
   アガスまたはこれらの混合ガスを反応ガスとして、真空
   アーク放電型のイオンプレーティング法により基盤の超
   硬合金上に窒化物被膜を形成する方法において、蒸発源
   に供給する電流を８０Ａ以上とし、上記超硬合金に−２
   ００Ｖ〜−８００Ｖのバイアス電圧を印加し、製膜温度
   を４５０℃以上に維持し、上記反応ガスの圧力を１０×
   １０＾−＾３Ｔｏｒｒ以上にして行うことを特徴とする
   表面被覆超硬合金の製造方法。
3. （３）　ＪＩＳ　Ｚ８７０１に規定されるＸＹＺ表色系
   で０．４７≦ｘ≦０．４９、０．３４≦ｙ≦０．３６に
   入る色を有するＢ１型構造を持つチタンの窒化物で被覆
   された表面被覆鋼材。
4. （４）　金属チタンを蒸発源とし、窒素ガス、アンモニ
   アガスまたはこれらの混合ガスを反応ガスとして、真空
   アーク放電型のイオンプレーティング法により基盤の鋼
   材上に窒化物被膜を形成する方法において、蒸発源に供
   給する電流を８０Ａ〜１５０Ａとし、上記鋼材に−２０
   ０Ｖ〜−８００Ｖのバイアス電圧を印加し、製膜温度を
   ４５０℃〜５５０℃に維持し、上記反応ガスの圧力を１
   ０×１０＾−＾３Ｔｏｒｒ以上にして行うことを特徴と
   する表面被覆鋼材の製造方法。