JPH06220608A - 表面被覆硬質部材及びその製造方法 - Google Patents
表面被覆硬質部材及びその製造方法Info
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Abstract
硬質部材を提供する。これは切削工具、耐摩工具用とし
ての適性が極めて高いものである。 【構成】 WC基超硬合金、サーメット、セラミックス
などから成る母材の表面にIVa族、Va族、VIa族金属
元素及びAl、Siから選んだ2種以上の元素から成る
合金の窒化物、酸化物、炭化物、炭窒化物又はホウ化物
の被膜を物理的蒸着法で設ける。この被膜を50nm以
下の粒子径で構成される膜としたので耐摩耗性が著しく
向上し、靭性も高まる。
Description
CN系を始めとする各種サーメット、セラミックス、高
速度鋼などで構成された母材の表面に特定の各種硬質物
質を被覆して母材の特性(耐欠損性等)を維持したまま
耐摩耗性を著しく向上させた表面被覆硬質部材とその製
造方法に関する。なお、この硬質部材は、切削工具、耐
摩工具用として特に適するものである。
せるため、その表面にPVD法やCVD法によりTi、
Hf、Zrの炭化物、窒化物、炭窒化物、およびAlの
酸化物の膜を単層もしくは複層形成した表面被覆硬質部
材が広く実用に供されている。特にPVD法による被覆
硬質部材は母材強度の劣化なしに耐摩耗性を向上できる
という特長があり、ドリル、エンドミル、フライス切削
用スローアウェイチップなど強度の要求される切削用途
に利用されている。
化物を安定して被覆することが困難であり、従ってAl
酸化膜については実用化に至っておらず、現状ではT
i、Hf、Zr等の窒化物が用いられているが、これ等
の窒化物膜は特に高速用途での耐摩耗性が不足し、工具
寿命の飛躍的向上が望めない。なお、耐摩耗性が不足す
る原因の1つは、コーティングの過程で窒化物が粒成長
し、被膜の構成粒子が過大になることにある。
びAl、Siから選ばれた2種類以上の金属からなる合
金の窒化物、酸化物、炭化物、炭窒化物又はホウ化物の
被膜を形成した表面被覆硬質部材は優れた切削工具、耐
摩工具となり得ることが知られているが、これらの膜を
形成するためには、上記2種類以上の合金の蒸発源を使
用しなければならない。この合金の蒸発源を作るための
コストが非常に大きい。このコスト増に見合う寿命向上
効果が従来の被膜組織では望めず、そのため、IVa、V
a、VIa族金属元素およびAl、Siから2種類以上の
金属からなる合金の窒化物、酸化物、炭化物、炭窒化物
或いはホウ化物の被膜は優れた耐摩耗性をもつことがわ
かっていながらなかなか実用化されるに至っていないの
が実情である。
る本発明の表面被覆硬質部材は、WC基超硬合金、サー
メット、セラミックス、高速度鋼等から成る母材の表面
に、IVa、Va、VIa族金属元素およびAl、Siから
選んだ2種類以上の元素からなる合金の窒化物、酸化
物、炭化物、炭窒化物又はホウ化物を物理的蒸着法によ
り50nm以下の粒子径で構成した被膜(その膜厚は
0.1〜15μmが好ましい)を持つものである。
族、VIa族金属元素及びAl、Siの群より選ばれた2
種類以上の純金属、又は2種類以上の元素から成る合金
の蒸発源を使用し、真空容器中に当該蒸発源を対面ある
いは並列に配置し、蒸発源に正対する位置に配置した母
材を高速回転させることにより前述の50nm以下の超
微粒子から成る被膜を真空アーク蒸着法で形成する方法
を用いて製造する。
る。従って、ここで云う合金には、単一金属にSiが混
ざり合ったものも含まれる。
びAl、Siから選ばれた2種類以上の金属からなる合
金の窒化物、酸化物、炭化物、炭窒化物及びホウ化物の
被膜をさらに研究開発した結果、物理蒸着法において大
きなアノードをもつ真空炉中ならば蒸発源として上記金
属を純金属で使用でき、また、この時母材(被着物)を
2種金属蒸発源のあいだで高速回転させれば、母材には
2種の蒸発金属の窒化物、酸化物、炭化物、炭窒化物或
いはホウ化物の被膜を形成できることを見い出した。
物、炭窒化物或いはホウ化物の被膜は、母材の回転速度
と蒸発金属量およびガス圧を変える事によりその構成粒
子系が変わり、その構成粒子が50nm以下の微粒であ
る場合に特に優れた耐摩耗性を示すことを発見した。こ
のようにこの被膜は、構成粒子径が小さいほど良い耐摩
耗性を示す傾向があるが、1nm以下の微粒子の膜を作
る事は困難である。そこで、生産性まで考慮すると実用
的には粒子径が10nm程度の粒子径のものが優れてい
る。
材の界面または、被膜の最表面にIVa族金属元素中でも
好ましくはTiの窒化物、炭窒化物、炭化物、酸化物の
膜を形成しておくと、さらに良好な耐摩耗性を得ること
ができるという知見を得た。このほか、界面の膜は0.
05〜5μm、最表面の膜は0.1〜5μmの膜厚が好
ましいことも見い出した。
のコストアップの問題が生じるが、本発明の表面被覆硬
質部材は寿命の延長効果が著しいので合金を用いても不
利になることはない。
体的に説明する。母材として、組成がJIS規格P30
の超硬合金と、サーメットと、セラミックスを用意し
た。これ等の母材は、形状がJIS・SNG432の切
削チップである。この切削チップの表面に公知の真空ア
ーク蒸着法によりターゲットとしてTiとAl、Zrと
Hf、及びTiとTaの三種類を用いて被覆を行なっ
た。
にTiターゲットを設置し、その向い側にAlターゲッ
トを設置し、それ等の中央で切削チップが一分間に50
回転するように調節した後、Alガス1×10-2Tor
rの真空度に保ち、切削チップに−2000Vの電圧を
かけて洗浄を行い、500℃まで加熱後、Alを排気
し、N2 ガスを300CC/minの割合で導入した。
ここで真空アーク放電によりTiターゲット、Alター
ゲットを蒸発、イオン化させると切削チップがTiとA
lの混合蒸気の中を通過することになるが、このとき切
削チップを高速回転させることで表面に合金化していな
いAlNとTiNが交互に形成されてしまうことを防ぐ
ことができる。被膜の全体の膜厚は被覆時間によって制
御した。以上の方法にて表1〜表3に示される層構成、
膜厚の表面硬質被覆層を形成して目的とする表面被覆切
削チップに仕上げた。
および反応ガスとしてCH4 を使用して表4に示す(H
fZr)Cの被膜を形成した。また、Tiターゲットと
Taターゲットを用いて前述の合金を用いた被膜と母材
との界面、最表面及び界面と最表面の双方にTiNおよ
びHfCNを形成した表面被覆切削チップ(表1〜4の
No.4、5、6)を製造した。
様な表面被覆切削チップを用意した。以上のチップ(各
表中のNo.1〜No.6)はいずれも本発明品であ
る。
として同じ装置にて表面にTi、Hfの窒化物、炭化
物、炭窒化物のうちの1種類の単層、もしくは2種類以
上の複層を形成した表面被覆切削チップA〜Cをそれぞ
れ製造し、一般によく用いられているCVD法にてコー
ティングした従来常用されている表面被覆切削チップD
Eも用意した。さらに、通常良く知られている合金の蒸
発源を使用してTiAlN膜、HfZrC膜を形成した
表面被覆切削チップFを用意した。これ等も表1〜5に
まとめて示している。
す条件での連続切削試験及び断続切削試験に供し、切れ
刃の逃げ面摩耗量を測定した。その測定結果を表1〜表
5に併せて示す。
は、比較品A〜Fとほぼ同じ被膜材料を使用し、被膜厚
みもほぼ同じ、母材は全く同一としたにも拘らず、比較
品に比べてはるかに優れる耐欠損性、耐摩耗性を発揮し
ている。チップに限らず、他の切削工具(ドリル、エン
ドミル等)に利用しても結果は同じであり、長期に渡っ
て良好な切削性能を持ち続ける。
質部材は、極めて優れた耐摩耗性と靭性を兼ね備えてい
るので、切削工具や耐摩工具として使用すると寿命の延
長効果が著しく、特に効果的である。
の被膜をもつ本発明の表面被覆硬質部材は、本発明の方
法によってその製造が可能になるが、この製造方法のう
ち、純金属を蒸発源として蒸着の過程で合金にするもの
は、蒸発源のコスト低減にも大きく寄与する。
Claims (9)
- 【請求項1】 WC基超硬合金、サーメット、セラミッ
クス、高速度鋼等から成る母材の表面に、IVa、Va、
VIa族金属元素およびAl、Siから選んだ2種類以上
の元素からなる合金の窒化物、酸化物、炭化物、炭窒化
物又はホウ化物を物理的蒸着法により50nm以下の粒
子径で構成した被膜を持つことを特徴とする表面被覆硬
質部材。 - 【請求項2】 前記被膜の膜厚を0.1〜15μmとし
た請求項1記載の表面被覆硬質部材。 - 【請求項3】 前記母材と前記被膜との界面にIVa族金
属元素の窒化物、炭化物又は炭窒化物から成る第一層膜
を配した請求項1又は2記載の表面被覆硬質部材。 - 【請求項4】 前記第一層膜の膜厚を0.05〜5μm
とした請求項3記載の表面被覆硬質部材。 - 【請求項5】 前記被膜の表面にIVa族金属元素の窒化
物、炭化物又は炭窒化物から成る外層膜を設けた請求項
1乃至4のいずれかに記載の表面被覆硬質部材。 - 【請求項6】 前記外層膜の膜厚を0.1〜5μmとし
た請求項5記載の表面被覆硬質部材。 - 【請求項7】 請求項1乃至6のいずれかの表面被覆硬
質部材で形成されている切削工具又は耐摩工具。 - 【請求項8】 IVa、Va、VIa族金属元素およびA
l、Siの群より選ばれた2種類以上の元素からなる合
金の蒸発源を使用し、真空容器中に当該蒸発源を対面あ
るいは、並列に配置し、蒸発源に正対する位置に配置し
たWC基超硬合金、サーメット、セラミックス、高速度
鋼等から成る母材を高速回転させることにより、この母
材の表面に50nm以下の粒子からなる蒸発合金の窒化
物、酸化物、炭化物、炭窒化物又はホウ化物の被膜を真
空アーク蒸着法で形成することを特徴とする表面被覆硬
質部材の製造方法。 - 【請求項9】 IVa、Va、VIa族金属元素およびA
l、Siの群より選ばれた2種類以上の純金属の蒸発源
を使用し、真空容器中に当該蒸発源を対面あるいは、並
列に配置し、蒸発源に正対する位置に配置したWC基超
硬合金、サーメット、セラミックス、高速度鋼等から成
る母材を高速回転させることにより、この母材の表面に
50nm以下の粒子からなる蒸発金属の合金の窒化物、
酸化物、炭化物、炭窒化物又はホウ化物の被膜を真空ア
ーク蒸着法で形成することを特徴とする表面被覆硬質部
材の製造方法。
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1993
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