JPH0331469A - 被覆工具鋼とその製造方法 - 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〕 この発明は、母材の表面に窒化チタン膜を形成した被覆
工具鋼に関する。

〔従来の技術〕

工具鋼の表面を窒化チタン膜で被覆すると、それによっ
て得られる被覆材料の耐磨耗性、切削性等の特性が向上
し、工具寿命を延長させることが知られている０例えば
、（１）「金属表面技術」（１９８５）、第３６巻第８
号、第３３０−３３４頁には、ＲＦイオンブレーティン
グによるステンレス板上への窒化チタン族の形成が、（
２）　’　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　５ｃｉｅｎｃｅａｎｄ
　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊ　（１９８６）、　Ｊａｎ
、　Ｖｏｌ、２．ｐ、５９−６８には、化学蒸着法（Ｃ
ＶＤ法）による０、０８％Ｃ工具鋼へのＴｉＮ１ｌの形
成が、（３）［真空Ｊ　（１９８６）、第２９巻第３号
、第１５２−１５９頁には、マグネトロンスパッタ法に
よる各種基板上への窒化チタン族の作製が、それぞれ報
告されている。

ところが、このような窒化チタン膜を形成する際、窒化
チタン膜の結晶配向性と、母材との密着性、あるいは耐
磨耗性については従来から検討されているものの、例え
ば成膜温度、イオン化方式といったような成膜条件の可
変性数、具体的にどのような結晶配向性のものが窒化チ
タン膜密着性や窒化チタン膜の機械的性質の向上にとく
に優れているか、あるいは配向性をどのように制御可能
とするかは特定されていなかった。

一方、被覆工具鋼の使用性能に関しては、安価で、かつ
その工具寿命延長とともに、さまざまな使用環境での適
用が望まれている。しかし、使用環境が苛酷な場合、切
削時の被切削材料との接触衝撃により被覆が剥離し、瞬
時にして被覆工具が使用不能という事態も起きている。

このため、密着性を高めるために成膜温度を高めると、
炭素工具鋼の被覆の場合には、母材の焼き戻し温度を越
え軟化するため、再び焼き入れ、焼き戻しが必要となり
、処理コストが上がるという問題があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

この発明は、焼き戻し温度が６００℃以下の安価な炭素
工具鋼または炭素合金工具鋼上に焼き戻し温度以下で窒
化チタン膜を形成し、さらにこの窒化チタン膜の好まし
い結晶配向性等を特定することによって、密着性、耐磨
耗性を向上させた窒化チタン膜を被覆した工具鋼を提供
するものである。

〔課題を解決するための手段〕

炭素を重量％で、０．４％以上、２．０％以下含む炭素
工具鋼あるいはそれに加えて１５％以下のＣｒ。

Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃｏの一種以上を含む合金屑表面
に、窒化チタン膜であって、結晶配向性が（１１１）面
に配向しているか、またはＣｕ−にα線を用いたＸ線回
折における当該膜の（１１１）面、（２２０）面、（２
００）面の回折ピーク強度比において、（１１１）面か
らの回折ピーク強度比が０．９以上であるものを形成し
て成ることを特徴とする。

安価で高性能な工具を提供するためには、母材に超硬合
金を使用せず、炭素工具鋼あるいは炭素合金鋼を使用す
る必要がある。上記組成は、このような炭素工具鋼、炭
素合金鋼の組成範囲である。

本発明は、これらの母材に被覆した窒化チタンが、（１
１１）面に配向していることに特徴がある。従来、炭素
工具鋼母材に形成されていた窒化チタンは、配向性がな
かった。

イオンブレーティング法により生成した窒化チタン膜の
結晶配向性と、基板への密着性、膜の耐磨耗性には一定
の関係があることを見いだした。

（１１０）面に配向した膜は、密着性が低く、（１１１
）面に配向した膜は密着性に優れ、耐磨耗性にも優れて
いる。　　（１１１，）面のＸ線回折強度比が、０．９
を越えると密着性が著しく向上する。第１表に実験結果
の一例を示すが、通常被覆工具に使われている被膜の剥
離荷重は、この試験では２ＯＮ程度であるので、この１
．５倍以上の密着性が得られたことになる。

上記窒化チタン膜は、例えばアーク放電型高真空イオン
ブレーティング装置によって成膜することができる。こ
の際、基板表面温度が４５０℃以上６００℃以下とする
ことが重要である。基板表面温度が４５０℃以下では（
１１１）面に配向せず、母材との密着性のある窒化チタ
ンは成膜しない、また、基板表面温度が６００℃を越え
ると、母材の焼き戻し温度を越え、母材自身が軟化して
しまう。

イオン化電圧はチタンをイオン化させるのに最低６Ｖ必
要である。また、高真空下でアーク放電を安定させるな
めに８０■を越えないことが重要である。このイオン化
電圧によって、チタン蒸気がイオン化または励起される
が、その際、イオン化を適正にするためイオン化電極に
流れる電流制御も重要である。イオン化電流が１０Ａ以
上であれば、チタン蒸気の一部はイオン化している。し
かし、１００Ａ以上では電子銃蒸発源から大量のチタン
蒸発が必要となり、また放電も安定しないので、１００
Ａ以下とする必要がある。これらの条件で真空放電状態
を得れば、イオン化率の高い状態でイオンブレーティン
グができ、このため、母材表面での反応やイオンや粒子
の移動が促進され、より密な充填状態つまり（ｊｌｌ）
面に配向するものと思われる。

バイアス電圧は一１００■でイオンブレーティングの効
果がでるが、−１３００Ｖ以下では、イオンの基板への
衝突が激しくなり、基板温度が急激に上昇したり、スパ
ッタリングが起こり、配向性をもつ緻密膜が成膜しにく
くなるので、バイアス電圧は−１５００Ｖ以上−ｔｏｏ
ｖ以下とする。

〔実施例〕

まず、装置の構成を第１図に示す、冷間合型用鋼組成Ｃ
；１．５ｗｔ％、Ｃｒ　；　１２．０ｗｔ％、Ｍｏ；０
．９０−　ｗｔ％、Ｖ　；　０．３０ｗＬ％（ＪＩＳ、
　５ＫＤｌｌ相当材）を基板７にして、これを鏡面研磨
したのち、アセトン中で超音波洗浄して供試した。前処
理として０．０５Ｔｏｒｒのアルゴン雰囲気中で２００
ＷのＲＦボンバードを行なった。

その後、蒸発金属をチタンとしたハースを使用し、基板
７と蒸発源５の間の距離を５５ｃｍとし、電子銃出力を
１０にＶ　　３００ｍ＾、反応ガス供給口６からの窒素
ガス圧力を４　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ、イオン化電極３
におけるイオン化電圧を４０Ｖ、イオン化電流を７ＯＡ
としてイオン化した。バイアス電圧は一５ｏｏｖとし、
基板温度を５００℃に保持した。この条件で、イオンブ
レーティングを４０分間行なった。

生成した窒化チタンは、Ｃｕ−Ｋａ線を用いたＸ線回折
における当該膜の（１１１）面、（２２０）面、（２０
０）面の回折ピーク強度比において、（１１１）面から
の回折ピーク強度が０．９３であった。被膜８は４．１
１μ鋤の窒化チタンから形成され、表面のビッカース硬
度１（ｖ（５０ｇｒ）は２１７８．０．２ｓｎｒのダイ
ヤモンドコーンによるスクラッチ剥離荷重は５２Ｎの高
密着性膜を得た。

上記のような方法によって得た窒化チタン膜８のＸ線回
折による結晶配向性の結果、西原式磨耗試験結果および
０．２鋤餉ｒのダイヤモンドコーンによるスクラッチ剥
離荷重値の結果等を第１表に示す。

磨耗量比はＳにＤｌｌに対する被覆材料の磨耗量比を示
す。

〔発明の効果〕

この発明によれば、切削中に剥離しに＜＜、耐磨耗性の
ある窒化チタン膜を表面に形成した被覆工具鋼の製造が
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はアーク放電型高真空イオンブレーティング装置
の原理図である。 １・・・ヒーター、　　　２・・・基板保持具、３・・
・イオン化電極、　４・・・熱電子放射電極、５・・・
ＥＢ蒸発源、　　６・・・反応ガス供給口、７・・・基
板、　　　　　８・・・被膜。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．炭素を重量％で、０．４％以上、２．０％以下含む
   炭素工具鋼あるいはそれに加えて１５％以下のＣｒ，Ｍ
   ｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｗ，Ｃｏの一種以上を含む合金鋼表面に
   、主たる結晶配向性が（１１１）面である窒化チタン膜
   を形成して成ることを特徴とする被覆工具鋼。
2. ２．被覆窒化チタン膜が、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回
   折における当該膜の（１１１）面、（２２０）面、（２
   ００）面の回折ピーク強度比において、前記（１１１）
   面からの回折ピーク強度比が０．９以上である請求項１
   記載の被覆工具鋼。
3. ３．イオンプレーティング装置によって、炭素工具鋼あ
   るいは合金鋼表面に窒化チタン被膜層を生成させる方法
   において、前記装置の基板表面温度を４５０℃以上６０
   ０℃以下、イオン化電圧を６Ｖ以上８０Ｖ以下、イオン
   化電流を１０Ａ以上１００Ａ以下、バイアス電圧を−１
   ５００Ｖ以上−１００Ｖ以下とすることを特徴とする被
   覆工具鋼の製造方法。