JPH07310174A - 耐摩耗性に優れた硬質皮膜、硬質皮膜被覆工具及び硬質皮膜被覆部材 - Google Patents

耐摩耗性に優れた硬質皮膜、硬質皮膜被覆工具及び硬質皮膜被覆部材

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JPH07310174A
JPH07310174A JP6100154A JP10015494A JPH07310174A JP H07310174 A JPH07310174 A JP H07310174A JP 6100154 A JP6100154 A JP 6100154A JP 10015494 A JP10015494 A JP 10015494A JP H07310174 A JPH07310174 A JP H07310174A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＴｉＮ皮膜の有する母材密着性を損なうこと
なく、（Ａｌ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ）より耐酸化性に優れし
かも高硬度を有して優れた耐摩耗性を発揮する硬質皮膜
を提供する。 【構成】 基材表面に形成される皮膜であって、 （Ａｌx Ｔｉ1-x-y Ｓｉy ）（Ｎz Ｃ1-z ） 但し、０．０５≦ｘ≦０．７５ ０．０１≦ｙ≦０．１ ０．６≦ｚ≦１ で示される化学組成からなる。尚上記硬質皮膜の厚さは
０．１〜２０μｍにすることが好ましく、また上記硬質
皮膜を、アーク放電方式イオンプレーティング法により
基材表面に形成すれば耐摩耗性に優れた硬質皮膜被覆工
具及び硬質皮膜被覆部材を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、フライス加工，切削加
工，穿孔加工等の加工に使用される切削工具の表面被覆
材、或は金型，軸受け，ダイス，ロールなど高硬度が要
求される耐摩耗部材の表面被覆材、もしくは成形機用ス
クリューやシリンダ等の耐熱・耐食部材の表面被覆材と
して有用な硬質皮膜、及び該硬質皮膜を被覆することに
よって優れた耐摩耗性を発揮する硬質皮膜被覆工具及び
硬質皮膜被覆部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】高速度工具や超硬合金工具など高い耐摩
耗性が要求される切削工具は、工具の基材表面にＴｉＮ
やＴｉＣ等の硬質皮膜を形成することにより耐摩耗性の
向上が図られている。上記ＴｉＮとＴｉＣの耐摩耗性を
比較すると、ＴｉＮは高温域における耐酸化性の点でＴ
ｉＣより優れており、切削時の加工熱や摩擦熱によって
生じる工具すくい面のクレータ摩耗に対して耐摩耗性を
発揮する。しかもＴｉＮは母材との密着性にも優れてい
る。一方ＴｉＣはＴｉＮより硬度が高く、被削材と接す
る逃げ面のフランク摩耗に対して高い耐久性を有してい
る。しかしながら耐酸化性に優れたＴｉＮであっても酸
化開始温度は６００℃程度であり、また高い硬度を有す
るＴｉＣであってもそのビッカース硬さは２０００程度
であり、耐摩耗性の一層の改善が望まれていた。
【０００３】そこで例えば特開平２−１９４１５９に
は、ＴｉＮやＴｉＣの耐酸化性や硬度の向上を目的とし
て、Ｔｉの一部をＡｌに置換したＡｌ，Ｔｉの複合窒化
物や複合炭窒化物［以下（Ａｌ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ）と示
す］が開示されており、酸化開始温度は約８００℃、ビ
ッカース硬さは約２５００ｋｇ／ｍｍ2 という特性を示
す硬質皮膜が開発されている。但し一層の高能率化が要
求されている切削加工などの分野では、より優れた耐摩
耗性を有する硬質皮膜の開発が期待されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこうした事情
に着目してなされたものであって、ＴｉＮ皮膜の有する
母材密着性を損なうことなく、（Ａｌ，Ｔｉ）（Ｃ，
Ｎ）より耐酸化性に優れしかも高硬度を有して優れた耐
摩耗性を発揮する硬質皮膜を提供することを目的とする
ものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明に係る耐摩耗性に優れた硬質皮膜とは、基材表面に
形成される皮膜であって、 （Ａｌx Ｔｉ1-x-y Ｓｉy ）（Ｎz Ｃ1-z ） 但し、０．０５≦ｘ≦０．７５ ０．０１≦ｙ≦０．１ ０．６≦ｚ≦１ で示される化学組成からなることを要旨とするものであ
る。
【０００６】尚上記硬質皮膜の厚さは０．１〜２０μｍ
にすることが好ましく、また上記硬質皮膜を、アーク放
電方式イオンプレーティング法により基材表面に形成す
れば耐摩耗性に優れた硬質皮膜被覆工具及び硬質皮膜被
覆部材を得ることができる。
【０００７】
【作用】本発明者らは（Ａｌ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ）の耐摩
耗性をより一層向上させることを目的として、耐摩耗性
向上に有効な添加元素を検索した結果、（Ａｌ，Ｔｉ）
（Ｃ，Ｎ）にＳｉを微量含有させた炭・窒化物は硬度が
高く、しかも酸化開始温度も高くなることを見出し、硬
質皮膜の組成が（Ａｌx Ｔｉ1-x-y Ｓｉy)（ＮzＣ1-z)
で示される化学式において０．０５≦ｘ≦０．７５，
０．０１≦ｙ≦０．１，０．６≦ｚ≦１を満足する場合
は、高硬度で耐酸化性の良好な硬質皮膜となり優れた耐
摩耗性を発揮することを突き止め、本発明を完成させ
た。
【０００８】さらに本発明に係る硬質皮膜はＴｉＮの有
する優れた基材密着性も損なうことがないので、金型や
工具および耐摩耗部材等の基材表面に適用した場合も剥
離の問題が生じず、皮膜の耐摩耗性を十分発揮する硬質
皮膜被覆工具及び硬質皮膜被覆部材を得ることができ
る。
【０００９】尚本発明の硬質皮膜が従来の皮膜に比べて
優れた耐摩耗性を発揮する理由としては十分に解明され
たわけではないが、Ｓｉを第３の金属元素として含有さ
せることにより高温時におこるＴｉの酸化を抑制した
り、Ａｌ酸化物からなる保護皮膜を著しく緻密化するか
らであると考えられる。
【００１０】本発明の硬質皮膜を構成する金属元素の組
成は、（Ａｌx Ｔｉ1-x-y Ｓｉy ）においてｘ，ｙが夫
々０．０５≦ｘ≦０．７５，０．０１≦ｙ≦０．１とい
う条件式を満足することが必要である。ｘの値が０．０
５未満であるか、またはｙの値が０．０１未満では十分
な耐酸化性の向上効果を得ることができない。またｘの
値が０．７５を超えるか、またはｙの値が０．１を超え
ると皮膜の結晶構造が立方晶から六方晶へ変化してしま
い、皮膜硬さが低下して十分な耐摩耗性が得られない。
なお、ｘの下限値としては０．２５が好ましく、０．５
６以上であることがより望ましい。ｘの上限値としては
０．７５が好ましく、０．７以下であることがより望ま
しい。ｙの下限値としては０．０１が好ましく、０．０
２以上であることがより望ましい。ｙの上限値としては
０．０８が好ましく、０．０５以下であることがより望
ましい。
【００１１】また本発明は上記金属元素の窒化物であっ
ても炭・窒化物であっても優れた耐摩耗性を発揮する
が、炭・窒化物の場合、窒素の原子比率が６０％以上で
あることが必要である。即ちＮz Ｃ1-z で０．６≦ｚ≦
１を満足することが必要であり、ｚの値が０．６未満の
場合は皮膜の耐酸化性が低下してしまう。尚、ｚの値が
０．８以上であると耐酸化性がより良好となる。
【００１２】基材に被覆する場合の硬質皮膜の厚さとし
ては、０．１μｍ以上２０μｍ以下であることが好まし
い。０．１μｍ未満であると耐摩耗性が十分発揮でき
ず、一方２０μｍを超えると衝撃力によって硬質皮膜に
クラックが入ることがあり、望ましくない。なお、切削
工具に適用する場合、工具基材本来の切れ刃の特性を生
かし且つ優れた耐摩耗性を得るには、硬質皮膜の厚さを
好ましくは１μｍ以上、更に好ましくは２μｍ以上、ま
た上限について１２μｍ以下、更に好ましくは、８μｍ
以下が望まれる。また本発明は硬質皮膜を形成する基材
の材質を限定するものではないが、基材表面に密着性よ
く被覆し、優れた耐摩耗性を発揮させるためには超硬合
金や高速度工具鋼、ダイス鋼、サーメット、セラミック
等の硬質物質が適している。
【００１３】尚本発明に係る硬質皮膜を基材表面に形成
する方法としては、イオンプレーティング法やスパッタ
リング法等に代表されるＰＶＤ法が挙げられるが、例え
ばアーク放電式イオンプレーティング法を採用する場合
には以下に例示する方法を用いればよい。即ち、アーク
放電により蒸発源であるカソードからイオン化させたＡ
ｌ，ＴｉおよびＳｉの金属成分を、Ｎ2 雰囲気および／
またはＣＨ4 雰囲気中でイオンプレーティングすること
によって得ることができ、目的とする皮膜組成と同一金
属組成のターゲットを使用すれば、安定した組成の皮膜
が得られ易い。また基板にバイアス電位を印加すると、
皮膜の密着性を一段と高めることができるので好まし
い。尚、本発明はイオンプレーティング時のガス圧も特
に限定するものではないが、１×１０-3〜５×１０-2Ｔ
ｏｒｒ程度が好ましく、この範囲内であれば耐摩耗性の
一段と優れた高結晶性の緻密な硬質皮膜が得られ易い。
【００１４】以下実施例について説明するが、本発明は
下記の実施例に限定されるものではなく、前・後記の趣
旨に徴して適宜変更することは本発明の技術的範囲に含
まれる。
【００１５】
【実施例】実施例１ 皮膜の耐酸化性を調べるため、寸法７ｍｍ×２５ｍｍの
白金箔からなる基材をアーク放電方式イオンプレーティ
ング装置に装着して４００℃に加熱し、表１に示す種々
の組成のカソードから金属元素を蒸発させると共に、反
応ガスとしてＮ 2 ガスあるいはＮ2 ／ＣＨ4 混合ガスを
導入して７×１０-3Ｔｏｒｒの雰囲気とし、且つ基材に
−１５０Ｖの電位を印加することによって表１に示す種
々の組成の皮膜を５μｍの厚さで被覆した試験片を作製
した。
【００１６】電子プルーブＸ線マイクロアナリシスおよ
びオージェ電子分光法により皮膜の組成を求めると共
に、下記条件で酸化試験を行った。結果は表１に示す。 （酸化試験の条件） 温度範囲：室温〜１３００℃ 昇温速度：１０℃／ｍｉｎ 雰囲気 ：乾燥空気、大気圧 空気流量：１５０ｃｃ／ｍｉｎ
【００１７】
【表１】
【００１８】表１から明らかなように、従来例の（Ａ
ｌ，Ｔｉ）Ｎ皮膜（Ｎo.１）は、８２０℃で酸化が開始
するのに対し、本発明に係る硬質皮膜（Ｎo.３〜７）の
酸化開始温度はいずれも８７０℃以上であり、耐酸化性
が向上している。Ｎo.２はＳｉ量が少ない場合の比較例
であり、酸化開始温度が低く耐酸化性の向上が認められ
ない。
【００１９】実施例２ 基材として超硬チップを用い、皮膜の厚みを１０μｍに
する以外は、実施例１と同じ方法で試験片を作製した。
試験片に形成された皮膜のマイクロビッカース硬さを荷
重１００ｇで測定したところ、表１に併記する結果が得
られた。表１より明らかなように、本発明に係る皮膜
（Ｎo.３〜７）は従来例である（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ皮膜
（Ｎｏ．１）と比較してより高い硬度を示している。一
方、Ｎｏ．８はＳｉ量が多過ぎる場合の比較例であり、
皮膜の結晶構造が立方晶から六方晶へ変化している為、
皮膜硬さが著しく低下している。
【００２０】実施例３ 超硬合金を基材として外径１０ｍｍの２枚刃エンドミル
を作製し、夫々のエンドミルの刃部表面に表２に示す組
成の硬質皮膜を４μｍの厚さで形成した。硬質皮膜の形
成方法としては、Ｎｏ．２だけはるつぼ蒸着方式のイオ
ンプレーティング法を用い、それ以外の硬質皮膜はアー
ク放電方式イオンプレーティング法により形成した。ア
ーク放電方式の成膜条件としてはいずれも、基板温度を
４００℃とし、バイアス電圧を−１５０Ｖ印加し、反応
ガスは７×１０-3Ｔｏｒｒで成膜した。
【００２１】得られた硬質皮膜被覆エンドミルを用い
て、下記条件の切削試験を行ない、エンドミル切れ刃逃
げ面の摩耗量を測定した。結果は表２および図１に示
す。 （切削条件） 切削方法：側面切削ダウンカット 被削材 ：ＳＫＤ１１（硬さＨＢ２１９） 切込み ：Ｒｄ １ｍｍ×Ａｄ １０ｍｍ 切削速度：６０ｍ／ｍｉｎ 送り ：０．０７ｍｍ／ｔｏｏｔｈ（２７０ｍｍ／ｍ
ｉｎ） 切削油 ：エアーブロー 切削長 ：２０ｍ
【００２２】
【表２】
【００２３】表２および図１の結果から明らかなよう
に、本発明に係る硬質皮膜被覆エンドミル（Ｎｏ．３〜
６）は、従来例（Ｎｏ．１，２）と比較して逃げ面摩耗
量が少なくフランク摩耗に対する耐摩耗性が優れてい
る。Ｎｏ．７はＳｉ量が多過ぎる場合の比較例であり、
逃げ面摩耗量が多く、耐摩耗性が十分でない。
【００２４】実施例４ ＪＩＳ規格ＳＫＨ５１相当の高速度工具鋼を基材として
外径１０ｍｍのＪＩＳ規格ドリルを作製し、実施例３と
同じ方法でドリル刃部表面に表３に組成を示す硬質皮膜
を形成した。
【００２５】得られた硬質皮膜被覆ドリルを用いて、下
記条件の切削試験を行ない切削寿命を調べた。結果は表
３に示す。 （切削条件） 切削方法：穴明け加工、各５本切削 被削材 ：Ｓ５５Ｃ（硬さＨＢ２２０） 切削速度：３０ｍ／ｍｉｎ 送り ：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ 切削長さ：３０ｍｍ（貫通穴） 切削油 ：水溶性エマルジョン型切削油
【００２６】
【表３】
【００２７】表３の結果から明らかなように、本発明に
係る硬質皮膜被覆ドリル（Ｎｏ．３〜６）は、従来例
（Ｎｏ．１，２）と比較して平均穴明け個数が多く切削
寿命が長い。Ｎｏ．７はＳｉ量が多過ぎる場合の比較例
であり、平均穴明け個数が少なく、切削寿命が短い。
【００２８】実施例５ ＪＩＳ規格ＳＫＤ６１相当の金型材を用いて、寸法４０
×２０×５ｍｍの基材（Ｎｏ．１〜３）を作製し、夫々
の基材に実施例１と同様の方法で厚さ５μｍの硬質皮膜
を形成した。表４に示すとおり、Ｎｏ．１の基材にはＴ
ｉＮ皮膜を形成し、Ｎｏ．２の基材には（Ａｌ0.5 Ｔｉ
0.5 ）Ｎ皮膜を形成し、Ｎｏ．３の基材には（Ａｌ0.58
Ｔｉ0.39Ｓｉ0.03）Ｎ皮膜を形成し、下記の条件で熱サ
イクル試験を行ない耐久性を調査した。結果は表４に示
す。 （熱サイクル試験条件） 高温槽：８００℃ − 保持時間：１１０秒 低温槽： 水冷 − 保持時間： １０秒
【００２９】
【表４】
【００３０】表４の結果から明らかな通り、本発明に係
る硬質皮膜（Ｎｏ．３）は従来例の硬質皮膜（Ｎｏ．
１，２）と比較して熱サイクルに対しても優れた特性を
示す。
【００３１】
【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、従
来のＴｉＮ皮膜や（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ皮膜と比較しても優
れた耐摩耗性および耐酸化性を示す硬質皮膜が得られる
こととなり、さらに上記硬質皮膜を部材表面に被覆する
ことにより優れた耐摩耗性及び耐酸化性を発揮する高硬
度部材が提供できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で得た表面被覆工具の逃げ面摩耗量と切
削長の関係を表すグラフである。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基材表面に形成される皮膜であって、 （Ａｌx Ｔｉ1-x-y Ｓｉy ）（Ｎz Ｃ1-z ） 但し、０．０５≦ｘ≦０．７５ ０．０１≦ｙ≦０．１ ０．６≦ｚ≦１ で示される化学組成からなることを特徴とする耐摩耗性
    に優れた硬質皮膜。
  2. 【請求項２】 皮膜の厚さが０．１〜２０μｍである請
    求項１記載の硬質皮膜。
  3. 【請求項３】 請求項１または２記載の硬質皮膜を、ア
    ーク放電方式イオンプレーティング法により基材表面に
    形成してなることを特徴とする耐摩耗性に優れた硬質皮
    膜被覆工具及び硬質皮膜被覆部材。
JP6100154A 1994-05-13 1994-05-13 耐摩耗性に優れた硬質皮膜、硬質皮膜被覆工具及び硬質皮膜被覆部材 Expired - Lifetime JP2793773B2 (ja)

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JP6100154A JP2793773B2 (ja) 1994-05-13 1994-05-13 耐摩耗性に優れた硬質皮膜、硬質皮膜被覆工具及び硬質皮膜被覆部材
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