JPH08302461A - セラミックス被覆部材とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐摩耗性、耐剥離性が大きいセラミックス被
覆部材とその製造方法を提供する。 【構成】 超硬合金、鉄鋼等の母材の表面を、Ｔｉ、Ｚ
ｒ、Ｈｆ、Ａｌの炭酸窒化物で２層以上で多層に被覆さ
れたセラミックス被覆部材であって、各層の界面の内、
少なくとも１つの界面において、炭素：窒素：酸素＝
ｐ：ｑ：ｒ、ｐ＋ｑ＋ｒ＝１のとき０．２≦ｒ≦０．６
を満たす領域が０．１μｍ以上存在することを特徴とす
るセラミックス被覆部材である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス被覆部材
に係わり、特に耐摩耗性、耐剥離性が大きく、セラミッ
クス被覆部材の性能を十分に発揮し得るセラミックス被
覆部材とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＰＶＤ法やＣＶＤ法によるセラミックス
被覆は、被覆された皮膜の硬度が高く、耐摩耗性、耐食
性に優れているため、広く工業的に利用されている。

【０００３】特にＰＶＤ法ではＣＶＤ法に比べ数百℃と
いった低温での被覆処理が可能である。

【０００４】そのため、基材材料の選択がより自由であ
ることや、皮膜に圧縮残留応力が存在することによる高
い耐欠損性などの特徴を有しており、これを活かした用
途に用いられている。

【０００５】例えば工具鋼からなる剪断用刃物や、機械
的衝撃を受ける断続切削用の切削工具への適用がよく行
われている。通常は基材上にＴｉＣＮやＴｉＮなど４ａ
族の窒化物及び炭窒化物の数種の化合物を多層に被覆し
たものが用いられているが、近年では、使用環境がより
過酷になってきたために、さらに部材を長寿命化させる
ことが望まれている。

【０００６】このようなＴｉＣＮ系多層皮膜は、低温処
理によって残留する高い圧縮応力のため、数ミクロンオ
ーダーの皮膜粒子が皮膜から脱落または突出したモルフ
ォロジーを有している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このような脱落部や突
出部が存在するため、摩擦係数の増加による温度上昇が
起きたり、脱落部や突出部にかかる高い応力による皮膜
の欠損が発生したりする。これが耐摩耗性の向上を阻害
するという欠点を有していた。

【０００８】この問題を解決するため、圧縮応力を緩和
することを目的として、多層皮膜と基材の界面や、層界
面に金属層を導入することも試みられている。

【０００９】これには一定の寿命改善効果があることが
知られているが、被覆部材の硬度を減少させるため、著
しく耐摩耗性を向上させるには至っていない。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者はこの欠点を解
消すべく鋭意研究を続けた結果、鉄鋼、セラミックス、
サーメット、または超硬合金よりなる母材上に形成され
た、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｌの窒化物及び炭窒化物から
なる多層皮膜の層の界面を、それぞれの酸窒化物及び炭
酸窒化物とすることで、層界面の密着性を向上させ、耐
摩耗性を飛躍的に高めることが可能であることを見いだ
し、本発明を完成させたものである。

【００１１】すなわち、Ｍ（Ｃ_pＮ_qＯ_r） なる化合物群
から０．０≦ｒ≦０．１を満たす２種以上の化合物を多
層に形成させるとき、各層の界面の内少なくとも１つに
０．２≦ｒ≦０．６なる領域を０．１μｍ以上形成させ
ればよい。

【００１２】請求項２に記載の発明は、上述の発明を下
に、内層である４ａ族金属の窒化物の厚さを０．５μｍ
以上２．０μｍ以下とし、中間層である４ａ族金属の炭
窒化物の厚さを０．５μｍ以上５．０μｍ以下とし、外
層である４ａ族金属の窒化物の厚さを０．５μｍ以上
２．０μｍ以下とし、さらに全体の厚さが２．０μｍ以
上６．０μｍ以下であることを特徴とするセラミックス
被覆部材に以下の改良を加えたものである。

【００１３】すなわち、２つの窒化物と炭窒化物の界面
において、窒化物層と炭窒化物層の各々に０．３μｍ以
下の酸窒化物層と炭酸窒化物層とをそれぞれ導入し、内
層・中間層・外層の３層構造を界面層を含んだ７層構造
で、厚さを請求項２のような範囲とすることでセラミッ
クス被覆部材の耐摩耗性を飛躍的に高めることが可能と
なったのである。

【００１４】界面層を酸窒化物および炭酸窒化物とする
ことで界面層における密着性を向上させ、残留圧縮応力
のため発生する、数ミクロンオーダーの皮膜粒子の脱落
部分または突出部分を低減させる。

【００１５】これにより、摩擦係数の増加による温度上
昇や、脱落部や突出部にかかる高い応力による皮膜の欠
損の発生を抑制できる。これにより耐摩耗性の向上を図
るものである。

【００１６】ここで、内層・中間層・外層の３層構造の
各層の厚さについて、内層の厚さは０．５μｍ以上でな
いと十分な密着性が得られず、２．０μｍ以上では密着
性向上の効果は上がらず、また、皮膜全体の高硬度化を
妨げる。

【００１７】中間層の厚さは０．５μｍ以上でないと皮
膜全体の高硬度化ができず、また、５．０μｍより大き
いと皮膜の剥離が発生し不適当である。

【００１８】外層の厚さは０．５μｍ以上でないと被削
材や部材が接する材料との反応を低減する効果が現れ
ず、２．０μｍより大きくしても前記の反応性低減の効
果は向上しなく、また、皮膜全体の高硬度化ができず適
当でない。

【００１９】皮膜全体の厚さは２．０μｍ未満では耐摩
耗性が小さく、６．０μｍより大きい場合は皮膜全体が
剥離しやすくなり、不適当である。

【００２０】さらに、内層・中間層・外層の３層構造を
界面層を導入して７層構造とする際に、界面層の厚さは
０．１μｍ以上でないと内層・中間層・外層の３層構造
の各層間の密着性を高める効果が不十分であり、０．３
μｍを越えると逆に内層・中間層・外層の３層構造の各
層間の密着性向上を阻害する。

【００２１】当該セラミックス被覆部材を得るにあたっ
て、アーク放電を利用したイオンプレーティング法を利
用し、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｌの蒸発原子のイオン化率
を４５％以上に制御して、ＭとしてＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、
Ａｌである一般式Ｍ（Ｃ_pＮ_qＯ_r）なる化合物の当該被
覆層を形成させるものである。

【００２２】ここでイオン化率とは、蒸発原子総数に占
めるイオン化した蒸発原子の占める割合をいう。

【００２３】アーク放電を利用したイオンプレーティン
グ法により当該セラミックス被覆部材を得るにあたっ
て、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｌの蒸発原子のイオン化率を
４５％以上に制御することで、緻密、高密着、かつ高硬
度の皮膜を得ることができる。

【００２４】同じ皮膜構造を得る場合、このような条件
で皮膜を形成すると耐摩耗性が著しく高くなる。

【００２５】特に、鉄鋼の被覆などで低温（鋼種にもよ
るが例えば５００℃以下）で被覆処理を行う際には、基
材を熱変形させることがない。

【００２６】またＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｌの窒化物、炭
化物または炭窒化物を形成するときには、真空槽内に、
例えば窒素ガス、アセチレンガス、または窒素ガスとア
セチレンガスの混合ガスを、それぞれ導入すればよい。

【００２７】基材／ＴｉＮ／ＴｉＣＮ／ＴｉＮなるセラ
ミックス被覆部材を得る場合、Ｔｉを蒸発させながら、
まず窒素ガス、続いて窒素ガスとアセチレンガスの混合
ガス、そして窒素ガスを、順次真空槽内に導入し、所望
の膜厚のそれぞれの層を形成させればよい。

【００２８】Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｌの組み合わせとし
てはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの内いずれか一つとＡｌを選び、
Ａｌを原子比で１／３程度以下混合させることが好まし
い。

【００２９】このようなセラミックス被覆部材によっ
て、切削工具、剪断用刃物や圧延用ロール、圧延成型用
ロール、搬送用ロールの長寿命化が可能であることが、
本発明の発明者による多くの実験によって確認された。

【００３０】本発明の効果および本発明セラミックス被
覆部材の製造方法を明らかにするために、本発明の実施
例を以下説明する。

【００３１】

【実施例１】ＷＣおよびＣｏからなる超硬合金の基材を
真空槽に設置し、５００℃に加熱した。蒸発源であるＴ
ｉを電子銃で溶解し、アーク放電によりイオン化させ
た。Ｃ、Ｎ、Ｏの比はアセチレンガスと窒素ガス酸素ガ
スの流量比で制御した。

【００３２】Ｔｉ（Ｃ_pＮ_qＯ_r）について、（１）Ｔｉ
（Ｃ_0.55Ｎ_0.35Ｏ_0.05）を２．０μｍ、（２）Ｔｉ（Ｃ
_0.3Ｎ_0.2Ｏ_0.4）を０．１μｍ、（３）Ｔｉ（Ｃ_0.05Ｎ
_0.55Ｏ_0.4）を０．１μｍ、（４）Ｔｉ（Ｃ_0.05Ｎ_0.9Ｏ
_0.05）を０．８μｍ、として各層を順次生成させた。こ
の場合、蒸発チタニウム原子のイオン化率は４５％とし
た。

【００３３】ＪＩＳ規格Ｓ４５Ｃを被削材とした旋削
（切削速度１８０ｍ／ｍｉｎ、切り込み１．３ｍｍ、送
り０．２ｍｍ／回転）による８分間の切削において、前
記本発明品は、平均逃げ面摩耗幅Ｖ_B０．２２ｍｍ、最
大摩耗幅Ｖ_max０．２７ｍｍであり、剥離は見られなか
った。

【００３４】上記と同様な成膜条件で、Ｍを原子比でＴ
ｉ：Ａｌ＝２：１とした皮膜にして同様の試験を行った
場合、平均逃げ面摩耗幅Ｖ_B０．２０ｍｍ、最大摩耗幅
Ｖ_max０．２５ｍｍであり、剥離は見られなかった。

【００３５】界面層である酸窒化物、炭酸窒化物層を持
たない、（１）Ｔｉ（Ｃ_0.55Ｎ_0.35Ｏ_0.05）を２．１μ
ｍ、（２）Ｔｉ（Ｃ_0.05Ｎ_0.9Ｏ_0.05）を０．９μｍ、
生成させた本発明の範囲外のものの場合、平均逃げ面摩
耗幅Ｖ_B０．２８ｍｍ、最大摩耗幅Ｖ_max０．３１ｍｍで
あった。但し、成膜中のチタニウムのイオン化率はすべ
て４５％とした。

【００３６】

【実施例２】ＷＣおよびＣｏからなる超硬合金の基材を
真空槽に設置し、５００℃に加熱した。蒸発源であるＨ
ｆを電子銃で溶解し、アーク放電によりイオン化させ
た。Ｃ、Ｎ、Ｏの比はアセチレンガスと窒素ガス酸素ガ
スの流量比で制御した。

【００３７】Ｈｆ（Ｃ_pＮ_qＯ_r）について、（１）Ｈｆ
（Ｃ_0.05Ｎ_0.9Ｏ_0.05）を０．５μｍ、（２）Ｈｆ（Ｃ
_0.05Ｎ_0.55Ｏ_0.4）を０．３μｍ、（３）Ｈｆ（Ｃ_0.3Ｎ
_0.2Ｏ_0.4）を０．３μｍ、（４）Ｈｆ（Ｃ_0.55Ｎ_0.35Ｏ
_0.05）を１．０μｍ、（５）Ｈｆ（Ｃ_0.3Ｎ_0.2Ｏ_0.4）
を０．３μｍ、（６）Ｈｆ（Ｃ_0.05Ｎ_0.55Ｏ_0.4）を
０．３μｍ、（７）Ｈｆ（Ｃ_0.05Ｎ_0.9Ｏ_0.05）を０．
５μｍ、として各層を順次生成させた。この場合、蒸発
ハフニウム原子のイオン化率は４５％とした。

【００３８】ＪＩＳ規格Ｓ４５Ｃを被削材とした旋削
（切削速度１８０ｍ／ｍｉｎ、切り込み１．３ｍｍ、送
り０．２ｍｍ／回転）による８分間の切削において、前
記本発明品は、平均逃げ面摩耗幅Ｖ_B０．１６ｍｍ、最
大摩耗幅Ｖ_max０．２３ｍｍであり、剥離は見られなか
った。

【００３９】上記と同様な成膜条件で、Ｍを原子比でＨ
ｆ：Ａｌ＝２：１とした皮膜にして同様の試験を行った
場合、平均逃げ面摩耗幅Ｖ_B０．１６ｍｍ、最大摩耗幅
Ｖ_max０．２２ｍｍであり、剥離は見られなかった。

【００４０】界面層である酸窒化物炭酸窒化物層を持た
ない、（１）Ｈｆ（Ｃ_0.05Ｎ_0.9Ｏ_0.05）を０．８μ
ｍ、（２）Ｈｆ（Ｃ_0.55Ｎ_0.35Ｏ_0.05）を１．６μｍ、
（３）Ｈｆ（Ｃ_0.05Ｎ_0.9Ｏ_0.05）を０．８μｍ、生成
させた、本発明の範囲外のものの場合、平均逃げ面摩耗
幅Ｖ_B０．２１ｍｍ、最大摩耗幅Ｖ_max０．２７ｍｍであ
った。但し、成膜中のハフニウムのイオン化率はすべて
４５％とした。

【００４１】

【実施例３】実施例１と同様な製造方法で、合金工具鋼
（ＪＩＳ規格ＳＫＨ５１、焼き戻し温度５７０℃）の基
材に、Ｚｒ（Ｃ_pＮ_qＯ_r）について、（１）Ｚｒ（Ｃ
_0.05Ｎ_0.9Ｏ_0.05）を１．２μｍ、（２）Ｚｒ（Ｃ_0.05
Ｎ_0.55Ｏ_0.4）を０．３μｍ、（３）Ｚｒ（Ｃ_0.3Ｎ_0.2
Ｏ_0.4）を０．３μｍ、（４）Ｚｒ（Ｃ_0.55Ｎ_0.35Ｏ
_0.05）を２．４μｍ、（５）Ｚｒ（Ｃ_0.3Ｎ_0.2Ｏ_0.4）
を０．３μｍ、（６）Ｚｒ（Ｃ_0.05Ｎ_0.55Ｏ_0.4）を
０．３μｍ、（７）Ｚｒ（Ｃ_0.05Ｎ_0.9Ｏ_0.05）を１．
２μｍ、生成させた。

【００４２】その際、蒸発ジルコニウム原子のイオン化
率を５０％に制御した。基材は径４００ｍｍ、厚さ２０
ｍｍの剪断用丸刃とした。

【００４３】この丸刃を２枚上下に組み合わせ厚さ１．
２ｍｍの冷延鋼板を通板速度４４０ｍ／分で剪断した。

【００４４】剪断後の板の剪断部分のかえりが１ｍｍと
なったところで寿命に達したと判断し、そのときの通板
量（ｔｏｎ）を被覆なしの剪断丸刃が寿命に達する通板
量で除した値Ｒで特性を評価した。

【００４５】前記本発明品の場合、Ｒは３．９であっ
た。上記と同様な成膜条件で、原子比でＺｒ：Ａｌ＝
２：１とした皮膜にして同様の試験を行った場合、Ｒは
４．１であった。

【００４６】界面層である酸窒化物炭酸窒化物層を持た
ない、（１）Ｚｒ（Ｃ_0.05Ｎ_0.9Ｏ_0.05）を１．５μ
ｍ、（２）Ｚｒ（Ｃ_0.55Ｎ_0.35Ｏ_0.05）を３．０μｍ、
（３）Ｚｒ（Ｃ_0.05Ｎ_0.9Ｏ_0.05）を１．５μｍ生成さ
せた、本発明の範囲外のものの場合、Ｒは２．９であっ
た。

【００４７】

【実施例４】実施例１と同様な製造方法で、合金工具鋼
（ＪＩＳ規格ＳＫＨ５１、焼き戻し温度５７０℃）の基
材に、Ｔｉ（Ｃ_pＮ_qＯ_r）について、（１）Ｔｉ（Ｃ
_0.05Ｎ_0.9Ｏ_0.05）を０．７μｍ、（２）Ｔｉ（Ｃ_0.05
Ｎ_0.55Ｏ_0.4）を０．３μｍ、（３）Ｔｉ（Ｃ_0.3Ｎ_0.2
Ｏ_0.4）を０．３μｍ、（４）Ｔｉ（Ｃ_0.55Ｎ_0.35Ｏ
_0.05）を１．２μｍ、（５）Ｔｉ（Ｃ_0.3Ｎ_0.2Ｏ_0.4）
を０．３μｍ、（６）Ｔｉ（Ｃ_0.05Ｎ_0.55Ｏ_0.4）を
０．３μｍ、（７）Ｔｉ（Ｃ_0.05Ｎ_0.9Ｏ_0.05）を０．
７μｍ、生成させた。

【００４８】その際、蒸発チタニウム原子のイオン化率
を５０％に制御した。基材は径１００ｍｍ、厚さ１０ｍ
ｍの円盤とした。

【００４９】被覆円盤とＪＩＳ規格Ｓ４５Ｃ鋼からなる
円盤（径１５０ｍｍ、厚さ１２ｍｍ，クラウンの半径
７．５ｍｍ）とを８ｋｇの荷重で押しつけ、被覆円盤の
回転速度７００ｒｐｍで転動摩耗試験を行った。

【００５０】被覆円盤の転動摩耗部の最大摩耗深さＴ
（μｍ）で特性を評価した。前記本発明品の場合、転動
回数が２万回のときのＴは４．２μｍであった。

【００５１】上記と同様な成膜条件で、原子比でＴｉ：
Ａｌ＝２：１とした皮膜にして同様の試験を行った場
合、転動回数が２万回のときのＴは４．０μｍであっ
た。

【００５２】界面層である酸窒化物炭酸窒化物層を持た
ない、（１）Ｔｉ（Ｃ_0.05Ｎ_0.9Ｏ_0.05）を１．０μ
ｍ、（２）Ｔｉ（Ｃ_0.55Ｎ_0.35Ｏ_0.05）を１．８μｍ、
（３）Ｔｉ（Ｃ_0.05Ｎ_0.9Ｏ_0.05）を１．０μｍ、生成
させた、本発明の範囲外のものの場合、転動回数が２万
回のときのＴは４．７μｍであった。

【００５３】さらに、本発明の発明者は前記実施例以外
にも、本願特許請求の範囲に示された母材、内層、中間
層、外層の組み合わせに対して中間層の被覆を適用した
実験を行い、そのすべてにおいて本発明の効果があるこ
とを確認した。

【００５４】

【発明の効果】以上の実施例において、本発明セラミッ
クス被覆部材は、比較のための本発明の範囲外の部材に
比べて、切削工具、剪断用刃物、圧延・成型・搬送用ロ
ールとして用いた場合の耐摩耗性および被覆層の耐剥離
性が優れており、本発明の効果が現れていた。

【００５５】本発明は切削工具用チップの用途、剪断用
刃物の用途、及び、圧延・成型・搬送用ロールの用途に
好適なセラミックス被覆部材を提供し、また他の用途に
もセラミックス被覆部材の応用範囲を拡げる可能性を高
めるものであって、本発明の工業的価値は大きい。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超硬合金、セラミックス、サーメット、
   または鉄鋼よりなる母材の表面を、ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｈ
   ｆ、Ａｌの１種または２種以上を、Ｃ、Ｎ、Ｏはそれぞ
   れ炭素、窒素、酸素を、ｐ、ｑ、ｒはそれぞれＣ、Ｎ、
   Ｏの原子比を、ｘはＭとＣ、Ｎ、Ｏの合計との原子比を
   示し、これらは０．５≦ｘ≦１．３、ｐ＋ｑ＋ｒ＝１、
   なる条件を満足するとき、一般式Ｍ（Ｃ_pＮ_qＯ_r）_xで表
   される化合物からなる群の内から選ばれた２種以上の化
   合物で２層以上で多層に被覆されたセラミックス被覆部
   材であって、各層は０．０≦ｒ≦０．１を満たし、各層
   の界面の内、少なくとも１つの界面において、０．２≦
   ｒ≦０．６なる領域が０．１μｍ以上存在することを特
   徴とするセラミックス被覆部材。
2. 【請求項２】 超硬合金、セラミックス、サーメット、
   または鉄鋼よりなる母材の表面を、請求項１記載の一般
   式Ｍ（Ｃ_pＮ_qＯ_r）_xで表される化合物で被覆されたセラ
   ミックス被覆部材であって、母材表面から０．０≦ｐ≦
   ０．１、０．０≦ｒ≦０．１、を満たす前記化合物を膜
   厚が０．５μｍ以上１．７μｍ以下で形成した第１層
   と、０．０≦ｐ≦０．１、０．２≦ｒ≦０．６、を満た
   す前記化合物を膜厚が０．１μｍ以上０．３μｍ以下で
   形成した第２層と、０．３≦ｐ≦０．７、０．２≦ｒ≦
   ０．６、を満たす前記化合物を膜厚が０．１μｍ以上
   ０．３μｍ以下で形成した第３層と、０．３≦ｐ≦０．
   ７、０．０≦ｒ≦０．１、を満たす前記化合物を膜厚が
   ０．５μｍ以上４．４μｍ以下で形成した第４層と、
   ０．３≦ｐ≦０．７、０．２≦ｒ≦０．６、を満たす前
   記化合物を膜厚が０．１μｍ以上０．３μｍ以下で形成
   した第５層と、０．０≦ｐ≦０．１、０．２≦ｒ≦０．
   ６、を満たす前記化合物を膜厚が０．１μｍ以上０．３
   μｍ以下で形成した第６層と、０．０≦ｐ≦０．１、
   ０．０≦ｒ≦０．１、を満たす前記化合物を膜厚が０．
   ５μｍ以上１．７μｍ以下で形成した第７層とを、順次
   被覆してなる構造を有することを特徴とするセラミック
   ス被覆部材。
3. 【請求項３】 アーク放電を利用したイオンプレーティ
   ング法を利用し、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｌの蒸発原子の
   イオン化率を４５％以上に制御して、請求項１又は請求
   項２記載の被覆層を形成させることを特徴とするセラミ
   ックス被覆部材の製造方法。