JPH04297568A - 耐摩耗性のすぐれた表面被覆部材及び皮膜形成方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加工工具や機械部品等
の基材表面に、耐摩耗性皮膜を形成した表面被覆部材及
びその皮膜を形成する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ハイス鋼や超硬合金によって工具を製作
する場合、耐摩耗性を高め、より高い性能を実現するた
め、工具基材表面にＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＣ等の硬質
の皮膜を形成することが行われている。このような皮膜
は、その硬度を生かして機械部品の表面へのコーティン
グにも利用されている。

【０００３】基材表面に耐摩耗性皮膜を形成する方法と
しては、従来よりＣＶＤ法（化学的蒸着法）及びＰＶＤ
法（物理的蒸着法）が知られている。しかし前者の方法
では母材が高温処理に曝されるため母材特性が劣化する
おそれがあり、母材特性も重要視される工具の場合は後
者の方法が好まれ、例えばＰＶＤ法によるＴｉＮ皮膜等
が汎用されていた。ＴｉＮ皮膜は耐熱性が良好であって
、切削時の加工熱や摩擦熱による工具すくい面のクレー
タ摩耗を抑制する機能を発揮する。

【０００４】しかしながら近年、切削速度の一層の高速
化が要望されており、切削条件がより過酷化する傾向に
あるため、上記したような従来のＴｉＮ皮膜程度ではこ
の要請に応えきれなくなっている。そこで耐熱性や硬度
が更に優れた皮膜として、イオンプレーティング法やス
パッタリング法によるＴｉＡｌＮ，ＴｉＡｌＣ，或いは
ＴｉＡｌＣＮ等の皮膜が提案された（特開昭６２−５６
５６５）。

【０００５】このような皮膜を形成するにあたっては、
ＴｉとＡｌが一定比で混合した蒸気を生成する必要があ
るが、混合比を一定にできる点及び蒸気のイオン化率が
高く反応性に富む点から、真空アーク蒸着法　（アーク
放電方式イオンプレーティング法）　を用いると有利で
ある点が指摘されている。（特開平　２−１９４１５９
）　。前記真空アーク蒸着法を用いるとＴｉとＡｌの合
金又は粉末焼結体を陰極に取り付け、真空アーク放電で
蒸発させＴｉＡｌＮ，ＴｉＡｌＣ，ＴｉＡｌＣＮ等の皮
膜を安定に形成でき、ＴｉＮ等従来用いられてきた皮膜
よりすぐれた特性を得ることができた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
このような皮膜は、基材との密着力がＴｉＮ等のよく用
いられる皮膜に比べ弱く、剥離等の欠陥が比較の上で出
やすいという問題があった。この問題の原因は完全に解
明されておらず、以下の１つの理由に限定するわけでは
ないが、定性的には次のように考えられる。

【０００７】すなわち、真空アーク蒸着法の一般的な行
程では、真空排気の後、皮膜形成をはじめる前に「メタ
ルイオンボンバード」と言われる基材のクリーニング行
程を実施する。この行程では、基材に通常−６００　〜
−１５００Ｖの範囲のバイアス電圧を印加する一方で真
空アーク放電により蒸発源陰極を蒸気化、イオン化し、
このメタルイオンを基材に印加した負電圧で加速して高
エネルギーで基材に衝突させ、基材表面をそのスパッタ
リング効果によりエッチングし、その清浄化の作用によ
って基材と後に形成する皮膜との密着性を向上させる。

【０００８】このメタルイオンボンバードの効果を決定
する重要な要因の１つに蒸発した蒸気のイオン化率が挙
げられる。真空アーク蒸着法でＴｉを蒸発させた場合の
イオン化率は８０％といわれ、この高イオン化率がメタ
ルイオンボンバードの有効性をささえていた。ところが
、このイオン化率は蒸発させる金属の低融点化により低
下する傾向にあり、Ａｌでは５０〜６０％に低下すると
いわれる。ＴｉＡｌ蒸気の場合には当然Ａｌの混入量が
増加するにつれ、イオン化率は低下し、ひいてはメタル
イオンボンバードの効果を弱め、密着力が低下すると考
えられる。

【０００９】このため、ＴｉＡｌＮ，ＴｉＡｌＣ，Ｔｉ
ＡｌＣＮ皮膜の形成にあっては、ＴｉＮ等の皮膜形成に
比べ、よりきびしい操業条件の管理が要求されていた。 本発明の目的は、ＴｉＡｌＮ，ＴｉＡｌＣ，ＴｉＡｌＣ
Ｎと同様にＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＣＮに比べ高い硬度と
耐圧耗性を有すると共に、真空アーク蒸着法により効果
的なメタルイオンボンバードが行え、ＴｉＮ等と同等以
上の密着力が得られる皮膜を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、基材表面に真空アーク蒸着法によってＴｉ
とＣｒの窒化物、炭化物、炭窒化物の１種の単層または
２種以上の複層からなる皮膜が形成されてなる表面被覆
部材として構成し、更に前記皮膜を形成する方法として
、ＴｉとＣｒの合金、焼結体又は複合体をターゲットと
して、該ターゲットから真空アーク放電により発生させ
たメタルイオンにより基材表面をボンバードして清浄化
させた後、反応性ガス中でＴｉとＣｒの窒化物、炭化物
、炭窒化物の皮膜を形成するという構成を採用した。

【００１１】

【作用】本発明のＴｉＣｒＮ，ＴｉＣｒＣ，ＴｉＣｒＣ
Ｎ皮膜は、ＴｉＡｌＮ等の皮膜に比べ高い皮膜密着性を
有している。この詳細な機構は完全には解明されておら
ず、以下の理由のみに限定するわけではないが、定性的
には次の説明が可能である。

【００１２】すなわち、本発明ではＴｉＣｒＮ，ＴｉＣ
ｒＣ，ＴｉＣｒＣＮを皮膜組成とするため、真空アーク
蒸着法で形成する場合に、蒸発源の蒸発材料としてはＴ
ｉＣｒ合金やＴｉＣｒ焼結体などの複合材料が用いられ
る。ＴｉやＣｒはそれぞれ約８０％、　１００％のイオ
ン化率を有する高融点金属のため、Ａｌが混った場合の
ようなイオン化率の低下がなく、メタルイオンボンバー
ド行程において十分なエッチング、基板清浄化効果が得
られるため、良好な密着性が得られると考えられる。

【００１３】次に、本発明のＴｉＣｒＮ，ＴｉＣｒＣ，
ＴｉＣｒＣＮ皮膜はＴｉＡｌＮ等の皮膜と同等の高い皮
膜性能が得られる。すなわち、一般に皮膜組成を合金化
した場合、おそらくは組成端化合物が相互に固溶する際
に生じる結晶歪によって、組成端化合物より高い硬度を
得る可能性があるが、本発明の皮膜である化合物もＴｉ
やＣｒの窒化物や炭化物、炭窒化物に比べ高い硬度が実
現可能である。なお、後述の実施例で明らかになるが、
例えば、ＴｉＣｒＮ皮膜は組成端のＴｉＮやＣｒＮ皮膜
に比べはるかに高い硬度を示し、ＴｉＡｌＮ皮膜よりも
高い硬度を示した。皮膜硬度は耐摩耗性の良い指標とな
ることから、本発明の皮膜はＴｉＡｌ　（ＣｘＮｙ）と
同等以上の耐摩耗性を持っていることがわかる。

【００１４】次に本発明の皮膜を適用する場合に適切な
膜厚範囲について説明する。この膜厚範囲はその用途に
より異なることは勿論であるが、例えば、切削工具類へ
の適用の場合は、０．５　μｍ　〜１０μｍ　の範囲で
適用するのが良い。このさい　０．５μｍ　未満の厚み
では耐摩耗性向上の効果が少なく、一方１０μｍ　超の
厚みをつけても工具寿命のそれ以上の向上がなく経済性
の面で有利でない。特に好ましい範囲は　１〜５　μｍ
　であり、一般にはこの範囲で適用するとよい。

【００１５】機械部品等への適用で摺動部へ使用する場
合は、要求される寿命に応じ、　１〜３０μｍ　の範囲
で適用するとよい。時計ケース等の部材への装飾目的の
被覆の場合には、それほど強力な耐摩耗性は必要ではな
く、０．１　〜２　μｍ　程度の膜厚で十分である。こ
のさい　２μｍ　以上の膜厚は経済的でないばかりか、
真空アーク蒸着法特有のマクロパーティクルの影響で外
観に曇りを生じることがあり装飾用途への適用は望まし
くない。

【００１６】また、皮膜構造の面では、本発明の皮膜を
ＴｉＣｒ（ＣｘＮｙ）のＣ，Ｎ混合比の異なる皮膜を重
ね多層構造としたり、Ｃ，Ｎ混合比を連続的に変化させ
傾斜組成皮膜とすることもより高い耐摩耗性を得る上で
有効であり、当然本発明の技術的範囲に含まれる。さら
に、皮膜組成の面では、ＩＶａ　族のＺｒ，Ｈｆは窒化
物、炭化物、炭窒化物としたとき、同族のＴｉと同じよ
うな結晶構造、性質をもった化合物を形成するので、Ｚ
ｒとＣｒ又はＨｆとＣｒの合金の窒化物、炭化物、炭窒
化物も上記の皮膜と同様にすぐれた耐摩耗性、密着力を
得ることができると考えられる。

【００１７】

【実施例】次に、本発明の表面被覆部材及び皮膜形成方
法を実施例と比較例により具体的に説明する。 （実施例１）表面を鏡面に研摩した超硬チップを基材と
して、いったん高真空に排気した後、ヒータで約　３０
０℃に予備加熱後、基材に−７００　Ｖのバイアス電圧
を印加し、窒素ガス圧　１ｍＴｏｒｒ　のもとで、Ｔｉ
：Ｃｒが原子量比で５０％：５０％のターゲットを陰極
として、真空アーク放電を　１００Ａの電流で発生させ
、　１分間のボンバード工程を実施した。その後、窒素
ガス圧を１０ｍＴｏｒｒ　にまで上昇させ、−５０、−
１００　、−２００　、−３００　Ｖの基材バイアス電
圧で３０分間のコーティング処理を行いＴｉＣｒＮ皮膜
を形成し、試験材とした。こゝで前記の皮膜をＴｉ５０
Ｃｒ５０Ｎと呼ぶことにする。このさい前記皮膜の膜厚
は　４．６〜３．１　μｍ　であり、ＥＰＭＡにて計測
した組成をＴｉ／（Ｔｉ＋Ｃｒ）で表すと４９〜５８％
であった。

【００１８】（実施例２）次に、Ｔｉ：Ｃｒが原子量比
で７５％：２５％のターゲットを用いた他は、上記と全
く同様にして、ＴｉＣｒＮ皮膜を形成し、試験材とした
。この皮膜をＴｉ７５Ｃｒ２５Ｎと呼ぶ。膜厚は４．０
　〜３．３　μｍ　、組成はＴｉ／（Ｔｉ＋Ｃｒ）で７
５〜９１％であった。

【００１９】（比較例１）又、比較材として、Ｔｉ：Ａ
ｌが原子量比で５０％：５０％のターゲットを用いた他
は全く同様にしてＴｉＡｌＮ皮膜を形成したものを作成
した。膜厚は４．４　〜２．８　μｍ　、組成はＴｉ／
（Ｔｉ＋Ａｌ）で表すと５５〜６５％であった。 （比較例２，３）さらに、比較材として、上記とほぼ同
じ条件で作成した３〜４μｍ　の厚みのＴｉＮ及びＣｒ
Ｎ皮膜を準備した。

【００２０】以上の皮膜に対し、２０ｇ　の荷重でビッ
カース硬度を計測した。得られた硬度を図１に示す。図
より明らかなように、本発明により得られた実施例１及
び２の皮膜は比較例２のＴｉＮや比較例３のＣｒＮより
はるかに高く、また、比較例１のＴｉＡｌＮ皮膜と同等
以上の高い硬度を有しており、すぐれた耐摩耗性を有す
ることが判った。

【００２１】次に、上記皮膜中、ターゲット中に同量の
Ｔｉ以外の元素を含んだ、Ｔｉ５０Ｃｒ５０Ｎ膜とＴｉ
ＡｌＮ膜につき、最高硬度を示したサンプルを選び、皮
膜密着力を調査した。皮膜密着力の指標としては、荷重
を増加させながらスクラッチ試験を実施し、皮膜剥離が
発生する荷重を用いた結果を下表に示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】さらに、剥離発生点での状況をＳＥＭ観察
したところ、従来のＴｉＡｌＮ皮膜はスクラッチ痕の周
囲約０．１　〜０．２ｍｍ　の範囲で大きく剥離してい
るのに対し、本発明の皮膜はごくわずかな範囲の剥離に
とどまっており、剥離発生荷重が高いこととあいまって
密着性が従来のＴｉＡｌＮ皮膜に比較し良好であること
がわかった。

【００２４】（実施例３）基材を超硬チップ（ＪＩＳ　
　Ｍ２０相当）　として、Ｔｉ：Ｃｒが５０％：５０％
のターゲットを陰極として、実施例１と同一条件でＴｉ
５０Ｃｒ５０Ｎ皮膜を形成した。但し、蒸着時間は膜厚
が　３μｍ　となるように調整し、コーティング中のバ
イアス電圧は−３００　Ｖとした。これを実施例材３と
する。

【００２５】（実施例４）同様にして、Ｔｉ：Ｃｒが７
５％：２５％のターゲットを用いて、同様にＴｉ７５Ｃ
ｒ２５Ｎ皮膜を超硬チップ上に形成し、これを実施例材
４とした。 （実施例４，５）比較材としては、ＴｉＡｌＮ皮膜（Ｔ
ｉ：Ａｌ＝５０％：５０％ターゲット使用）とＴｉＮ皮
膜を　３μｍ　形成した超硬チップを準備した。

【００２６】ついで、これらの被覆切削チップについて
、 被削材　　：Ｓ５５Ｃ 切削速度：１７０ｍ／ｍｉｎ 送り　　　　：０．３ｍｍ／ｒｅｖ 切込み　　：１．５ｍｍ の条件で１０分間の切削試験を実施し、フランク摩耗量
を測定した結果を下表に示す。

【００２７】

【表２】

【００２８】この結果から、本発明の皮膜は、ＴｉＮ膜
よりはるかにすぐれた耐摩耗性を有し、従来用いられた
ＴｉＡｌＮ膜に相当する性能を有することが判った。

【００２９】

【発明の効果】本発明の表面被覆部材に形成されたＴｉ
とＣｒの窒化物、炭化物、炭窒化物の１種または２種以
上の複層からなる皮膜は、従来、ＴｉＮより高性能な皮
膜として用いられたＴｉＡｌＮ，ＴｉＡｌＣ，ＴｉＡｌ
ＣＮ膜に相当する耐摩耗性を有しており、しかも、ター
ゲット材に低融点金属を含まず、真空アーク蒸着法を用
いた場合のイオン化率がＴｉＡｌＮ，ＴｉＡｌＣ，Ｔｉ
ＡｌＣＮ皮膜形成時より高くなり、メタルイオンボンバ
ード行程が有効に行え、すぐれた皮膜密着性が得られる
。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例材と比較例材の皮膜のビッカース硬度を
示したグラフ図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基材表面に真空アーク蒸着法によって
   ＴｉとＣｒの窒化物、炭化物、炭窒化物の１種の単層ま
   たは２種以上の複層からなる皮膜が形成されてなること
   を特徴とする耐摩耗性のすぐれた表面被覆部材。
2. 【請求項２】　　ＴｉとＣｒの合金、焼結体又は複合体
   をターゲットとして、該ターゲットから真空アーク放電
   により発生させたメタルイオンにより基材表面をボンバ
   ードして清浄化させた後、反応性ガス中でＴｉとＣｒの
   窒化物、炭化物、炭窒化物の皮膜を形成することを特徴
   とする耐摩耗性のすぐれた皮膜形成方法。