JPH11156992A

JPH11156992A - 固体潤滑性および非親和性を有する複合耐摩耗性硬質皮膜、並びに皮膜付き物品

Info

Publication number: JPH11156992A
Application number: JP34212797A
Authority: JP
Inventors: Naoto Kanbara; 直人神原
Original assignee: NIPPON COATING CENTER KK; TAIHEI SERVICE KK
Current assignee: NIPPON COATING CENTER KK; TAIHEI SERVICE KK
Priority date: 1997-11-27
Filing date: 1997-11-27
Publication date: 1999-06-15
Anticipated expiration: 2017-11-27
Also published as: JP3891520B2

Abstract

(57)【要約】【目的】耐摩耗性硬質皮膜、およびそのような皮膜が
施された物品を提供する。【構成】耐摩耗性硬質皮膜は、周期律表ＩＶａ族、Ｖ
ａ族、ＶＩａ族金属元素及びＡｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃから選
択される一種以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏから選択さ
れる一種以上の元素とによって構成される単層または２
種以上の積層化合物皮膜である高硬度皮膜の上に、金属
クロム、またはＣｒと、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏから選択される
一種以上の元素によって構成される単層または２種以上
の積層化合物皮膜の固体潤滑皮膜で構成される。また、
物品に施される耐摩耗性硬質皮膜は、高硬度皮膜の下地
層と固体潤滑皮膜の表面層とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体潤滑性および
非親和性を有する複合耐摩耗性硬質皮膜、並びに皮膜付
き物品に関する。

【０００２】

【従来の技術】工具や金型、機械部品などの金属材料の
表面に耐摩耗性を向上させるためにイオンプレーティン
グ法などにより、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮなどを
被覆することは知られている。また、ＣｒＮなどの金属
クロムあるいはそれらの窒化物、酸化物などは、耐熱
性、摺動特性、非親和性が優れており、その結果、固体
潤滑性に優れていることが見い出されている。従来、Ｃ
ｒ系の皮膜は固体潤滑性に優れるものの、膜硬度が低
く、耐摩耗性硬質皮膜としては不向きである。よって、
従来は、最外層がＴｉＮ、ＴｉＣＮなどＣｒ系以外の高
硬度皮膜で構成された皮膜が主に用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最外層
がＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮで構成された皮膜は、
皮膜自身の硬度は高いものの、被切削材との親和性が高
いという欠点があった。そのため、構成刃先の成長が大
きい、切粉の排出性が悪い、摺動抵抗が高く発熱する、
表面にワーク材が溶着するなどの現象が生じ、膜の早期
脱落、剥離、摩耗などが起き、工具の寿命を縮ませてい
る。このように、これら従来の最外層がＴｉＮ、ＴｉＣ
ＮなどのＣｒ系以外の高硬度皮膜で構成された皮膜では
満足のいく寿命は得られなかった。

【０００４】さらに、工具を例にとり具体的に説明する
と、エンドミル、ドリル、タップ、リーマ、サイドカッ
タ、メタルソー、チップ、面取り、パンチ、シャー刃、
切削工具の切り刃は、図３、図４に示すように、すくい
面と逃げ面（ランド部、マージン部も含む）で構成され
ている。なお、図３はドリルを例にとった場合の斜視図
であり、図４は、リーマを例にとった場合の断面図であ
る。また、図３、図４中には、以下に記載する摩耗が生
ずる箇所を指示している。

【０００５】すくい面では、切削中に発生した切り粉に
よる摩耗、構成刃先による損傷及びそれらによる温度上
昇等により、一般にクレータ状の摩耗が発生する。逃げ
面では、被切削物との摩耗や構成刃先の脱落による摩
耗、損傷及び温度上昇等により、すきとり摩耗が発生す
る。同様にマージン部を持つドリル、タップ、リーマで
は被切削材とマージン部との摩耗が著しく、温度上昇が
激しい。特にハイス工具の場合、著しい温度上昇により
硬度低下が発生しエッジだれが起こる。従来の技術で
は、高硬度皮膜より刃先先端の保護は可能であるが、固
体潤滑性が低いため、切り粉、被切削物および構成刃先
による摩耗及びそれらによる温度上昇に対しては、期待
どおりの効果を上げることができなかった。

【０００６】また、金属塑性加工用のダイ、機械部品
（例えば、摺動軸受け）等の場合、図５に示すように、
角Ｒ部は被加工物、摺動物により、摩耗し、面部は凝着
し、焼き付き等が生じ易かった。なお、図５はダイを例
にとった断面図である。また、図５には、摩耗及び付着
が生じる箇所を指示している。従来の技術では、高硬度
皮膜により角部の保護は可能であるが、固体潤滑性が低
いため、凝着や焼き付き、摩耗等に対しては、期待どお
りの効果を上げることができなかった。

【０００７】したがって、本発明の目的は、上記問題を
解決するために、固体潤滑性および非親和性を有する複
合耐摩耗性硬質皮膜、並びに皮膜付き物品を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、周期律表ＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族金
属元素及びＡｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃから選択される一種以上
の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏから選択される一種以上の元
素とによって構成される単層または２種以上の積層化合
物皮膜である高硬度皮膜の上に、金属クロム、またはＣ
ｒと、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏから選択される一種以上の元素に
よって構成される単層または２種以上の積層化合物皮膜
の固体潤滑皮膜で構成されることを特徴とする固体潤滑
性および非親和性を有する複合耐摩耗性硬質皮膜を採用
するものである。

【０００９】本発明は、また、高硬度皮膜の下地層と固
体潤滑皮膜の表面層とからなる複合耐摩耗性硬質皮膜が
施された物品を採用するものであり、ここで、前記高硬
度皮膜は周期律表ＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族金属元素
及びＡｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃから選択される一種以上の元素
と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏから選択される一種以上の元素とに
よって構成される単層または２種以上の積層化合物皮膜
からなり、前記固体潤滑皮膜は金属クロム、またはＣｒ
と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏから選択される一種以上の元素によ
って構成される単層または２種以上の積層化合物皮膜か
らなることが好ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】従来、耐摩耗性、密着性などを高
めるあまり、母材側から傾斜的に硬度が高くなるような
膜構造にして最外層を最も硬くしていた。そのため、ワ
ーク材との非親和性は犠牲になっていた。これに対し
て、本発明者は、従来の高硬度皮膜の上に金属クロム、
またはＣｒと、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏから選択される一種以上
の元素によって構成される単層または２種以上の積層化
合物皮膜を施すことにより、最外層が下地層より低い固
体潤滑性や非親和性等を持つ膜構造が得られ、そのよう
な複合皮膜が切削工具等を含む各種の工具に優れた特性
を有することを見い出したものである。

【００１１】本発明を実施すると、工具等を使用してい
くに従い、例えば、図２に示すように、エッジやコーナ
部の最外層積層化合物の固体潤滑皮膜３は次第に摩耗
し、下地層の積層化合物のうちの高硬度皮膜２が現れて
くる。結果として、エッジやコーナ部等は下からＴｉ
Ｎ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ等の高硬度皮膜が現れ、母材
１を保護し、耐摩耗性に効果を発揮し、面部は、金属ク
ロム、ＣｒＮ等の固体潤滑性皮膜が残り、摺動特性が維
持でき、切粉の掃けや溶着、焼き付き防止等の固体潤滑
性や非親和性等に効果が上がる。個々の性能向上はもと
より、両方の相乗効果により、工具、金型、機械部品等
において飛躍的に寿命を延ばすことができるようになっ
た。

【００１２】本発明は内側の高硬度皮膜と外側の固体潤
滑性の優れた皮膜を金属材料に施したものといえる。さ
らに具体的には、切削、摺動等の作業によって摩耗した
場合、内側の高硬度皮膜と外側の固体潤滑性に優れた皮
膜が表面に共存し、それによって、切削、摺動等の作業
に適した工具、部品にあるといえる。

【００１３】本発明の対象となる金属材料には、例え
ば、Ｓ１５Ｃ等の肌焼き鋼、Ｓ４５Ｃ等の構造用鋼、Ｓ
ＵＰ１０等のバネ鋼、ＳＵＪ２等の軸受け鋼、ＳＫＤ６
等の熱間加工用工具鋼、ＳＫＤ１１等の冷間加工用工具
鋼、ＳＫＨ５１等の高速度工具鋼等の鋼材や超硬合金、
またはＡｌ合金、Ｃｕ合金、Ｔｉ合金等の非鉄金属があ
る。

【００１４】本発明の皮膜はイオンプレーティング法、
スパッタリング法等の公知の方法を用いて成膜すること
ができる。２種類以上の金属イオンを供給し、かつ耐摩
耗性などの強固な付着力を要求される皮膜に対しては、
特に、強固な付着力が得られるイオンプレーティング法
が好ましい。以下に説明する実施例では、真空アーク放
電型イオンプレーティング装置を使用したが、真空ホロ
ーカソード型イオンプレーティング装置等を用いてもよ
い。

【００１５】反応性ガスとしては、窒化物を生成するた
めの反応性ガスの場合、Ｎ₂、アンモニアまたはこれら
の混合ガスを用いるのが好ましい。窒化物生成後、窒化
物の表面を酸化物に置き換える場合、Ｏ₂あるいは大気
を用いるのが好ましい。

【００１６】

【実施例】次に、本発明の好ましい実施例を比較例と共
に説明する。

【００１７】（実施例１）最初に、本発明を実施する装
置として真空アーク放電型イオンプレーティング装置を
使用した。皮膜を形成させるための金属蒸発源として溶
解法で作成したＴｉターゲット及びＣｒターゲットを用
いた。被覆する金属材料として、ＳＫＨ５１からなる直
径８ｍｍのドリルを用いた。この鋼材を有機溶剤により
洗浄後、真空反応槽内にセットし、この真空槽内の圧力
を１×１０^-5Ｔｏｒｒまでの真空にした後、Ｔｉイオン
衝撃による洗浄、加熱を行って、ＴｉＮの成膜を開始す
る。

【００１８】成膜条件は反応ガスとしてＮ₂を２０ｃｃ
／分の速度で反応槽内に導入し、圧力を３０×１０^-3と
した。上記金属蒸発源に９０Ａの電流を流すことにより
Ｔｉターゲットから真空アーク放電によりＴｉイオンを
放出させ、一方、上記鋼材には−５００Ｖのバイアス電
圧を印加した。このような条件下で鋼材上にＴｉＮを生
成させた。約４０分の成膜反応後、その上に同様な方法
でＣｒＮをイオンプレーティング法により生成させた。
約４０分の成膜反応後、ＴｉＮである下地層２μの皮
膜、ＴｉＮ／ＣｒＮである中間層０．２μの皮膜、Ｃｒ
Ｎである最外層３μの皮膜が得られた。

【００１９】この皮膜の機械的特性の評価方法として次
のような方法を採用した。即ち、このようにして得られ
た表面被覆ドリルの性能をドリル切削加工により形成で
きた穴の数によって評価した。切削条件は非削材が銅板
厚さ２Ｔ、切削速度５０ｍ／分、送り０．２ｍｍ／ＲＰ
Ｍ、貫通穴とした。その結果、切削回数２．５００回を
越えた時点から、下地層であるＴｉＮが現れ，全体とし
ての切削加工可能回数は１０，５００回であった。

【００２０】（比較例１）特に表面処理を施してない未
コートのドリルを用いたときの切削可能回数は実施例１
と同じ切削条件で２，０００回に過ぎなかった。

【００２１】（比較例２）表面にＴｉＮを３μコーティ
ングのみ施したドリルを用いたときの切削可能回数は実
施例１と同じ条件で３，１００回に過ぎなかった。

【００２２】（比較例３）表面にＣｒＮを４μコーティ
ングのみ施したドリルを用いたときの切削可能回数は実
施例１と同じ条件で５，０００回に過ぎなかった。

【００２３】（実施例２）被覆する金属材料として、Ｓ
ＫＨ５１からなる直径８ｍｍのドリルを用いた。このド
リルを、Ａｌターゲットを追加することを除いては、実
施例１と同じ方法で成膜し、ＴｉＡｌＮである下地層２
μの皮膜、ＴｉＡｌＮ／ＣｒＮである中間層０，２μの
皮膜、ＣｒＮである最外層３μの皮膜が得られた。

【００２４】この皮膜の機械的特性の評価方法として次
のような方法を採用した。即ち、このようにした得られ
た表面被覆ドリルの性能をドリル切削加工により形成で
きた穴の数によって評価した。切削条件は非削材がＳＣ
Ｍ４４０、ドリル回転数１，５００回転／分、送り０，
１５ｍｍ／ＲＰＭ、切り込み深さ２０ｍｍとした。その
結果、切削回数が１５０回を越えた時点から、下地層で
あるＴｉＡｌＮが現れ、全体として切削加工可能回数は
５４０回であった。

【００２５】（実施例３）下地層にＴｉＮを０，５μ成
膜した上に、ＴｉＡｌＮとＣｒＮを実施例２と同様にコ
ーティングを施したドリルを用いたときの切削可能回数
は実施例２と同じ条件で５８０回であった。

【００２６】（実施例４）下地層にＴｉＮを０，５μ成
膜した上に、ＴｉＡｌＮを３μ成膜し、最外層としてＣ
ｒＮを３μ、Ｃｒ₂Ｎを１μ、実施例２と同じ方法でコ
ーティングを施したドリルを用いたときの切削可能回数
は実施例２と同じ条件で６００回であった。

【００２７】（比較例４）表面にＴｉＡｌＮコーティン
グのみ施したドリルを用いたとき、切削可能回数は実施
例２と同じ条件で３６０回に過ぎなかった。

【００２８】（比較例５）表面にＣｒＮコーティングの
み施したドリルを用いたときの切削可能回数は実施例２
と同じ条件で１３０回に過ぎなかった。

【００２９】（実施例５）被覆する金属材料として、Ｓ
ＫＤ１１からなる外径４５ｍｍ、内径２０ｍｍ、高さ４
０ｍｍのプレス絞り用ダイを用いた。このダイを実施例
１と同じ条件で成膜し、ＴｉＮである下地層２μの皮膜
及びＣｒＮである最外層３μの皮膜が得られた。

【００３０】この皮膜の機械的特性の評価方法として次
のような方法を採用した。即ち、このようにして得られ
た表面被覆ダイの性能をアルミニウム絞り加工によりで
きた製品の数により評価した。被加工材料がＡ１１００
アルミニウム板厚さ０，７Ｔ、切削油は強粘性プレス油
を使用し、加工速度は３０ｓｐｍで加工した。その結
果、２０，０００個加工した時点で下地層であるＴｉＮ
が現れ、全体として加工製品数は３０，０００個を優に
越え、ダイの溶着は見られず、継続して加工可能であっ
た。

【００３１】（実施例６）下地層にＴｉＮを３μ成膜し
た上に、Ｃｒを蒸着で５μコーティングを施したダイを
用いたとき、加工可能製品数は実施例５と同じ加工条件
で、約１，０００加工した時点でＲ部にごく微量の剥離
が見られたものの、ダイへのアルミニウムの付着がな
く、全体として１５，０００個まで継続加工が可能であ
った。

【００３２】（実施例７）下地層にＴｉＮを３μ成膜し
た上に、ＣｒＮをイオンプレーティングで５μコーティ
ングを施し、大気若しくは酸化雰囲気中で加熱し表面に
Ｃｒ₂Ｏ₃を生成させたダイを用いたときの加工可能製
品数は、実施例５と同じ加工条件で、２１，０００加工
した時点で下地層であるＴｉＮが現れ、全体として加工
製品数は３０，０００個を優に越え、ダイへの溶着は見
られず、継続して加工可能であった。また、金属粉や固
化したプレス油などの除去が大変容易であった。

【００３３】（比較例６）特に表面処理を施してない未
コートのダイを用いたときの加工可能製品数は実施例５
と同じ加工条件でダイへのアルミニウムの付着が激しく
５０個に過ぎなかった。

【００３４】（比較例７）表面にＴｉＮコーティングの
み施したダイを用いたときの加工可能製品数は実施例５
と同じ加工条件で１００個前後から面部に比較例６と同
様な付着が見られ、１，１００個に過ぎなかった。

【００３５】（比較例８）表面にＣｒＮコーティングの
み施したダイを用いたときの加工可能製品数は実施例５
と同じ加工条件で、２，０００個前後からＣｒＮ膜摩擦
部分であるＲ部終端に比較例６と同様の付着が見られ、
２，８００個に過ぎなかった。

【００３６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、エッジや角Ｒ部等は下からＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ｔ
ｉＡｌＮ等の高硬度皮膜が現れ、耐摩耗性に効果を発揮
し、面図は金属クロム、ＣｒＮ等固体潤滑皮膜が残り、
摺動特性が維持でき、切粉の掃けや溶着、焼き付き防止
等固体潤滑性や非親和性等に効果が上がる。個々の性能
向上はもとより、両方の相乗効果により、工具、金型、
機械部品等において、飛躍的に寿命を延ばすことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の成膜直後の状態を示す断面図
である。

【図２】図２は、本発明の使用中の状態を示す断面図で
ある。

【図３】図３は、ドリルの摩耗状態を示す斜視図であ
る。

【図４】図４は、リーマの摩耗状態を示す断面図であ
る。

【図５】図５は、ダイの摩耗及び付着状態を示す断面図
である。

【符号の説明】

１母材２高硬度皮膜３固体潤滑皮膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周期律表ＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族金
属元素及びＡｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃから選択される一種以上
の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏから選択される一種以上の元
素とによって構成される単層または２種以上の積層化合
物皮膜である高硬度皮膜の上に、金属クロム、またはＣ
ｒと、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏから選択される一種以上の元素に
よって構成される単層または２種以上の積層化合物皮膜
の固体潤滑皮膜で構成されることを特徴とする固体潤滑
性および非親和性を有する複合耐摩耗性硬質皮膜。
【請求項２】請求項１記載の複合耐摩耗性硬質皮膜に
おいて、前記積層化合物皮膜をイオンプレーティング法
で成膜することを特徴とする複合耐摩耗性硬質皮膜。
【請求項３】請求項２記載の複合耐摩耗性硬質皮膜に
おいて、前記イオンプレーティング中、反応性ガスとし
てＮ₂あるいはアンモニアまたはこれらの混合ガスを用
いて成膜することを特徴とする複合耐摩耗性硬質皮膜。
【請求項４】高硬度皮膜の下地層と固体潤滑皮膜の表
面層とからなる複合耐摩耗性硬質皮膜が施された物品。
【請求項５】請求項４記載の物品において、前記高硬
度皮膜は周期律表ＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族金属元素
及びＡｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃから選択される一種以上の元素
と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏから選択される一種以上の元素とに
よって構成される単層または２種以上の積層化合物皮膜
からなり、前記固体潤滑皮膜は金属クロム、またはＣｒ
と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏから選択される一種以上の元素によ
って構成される単層または２種以上の積層化合物皮膜か
らなることを特徴とする物品。
【請求項６】請求項４記載の物品において、前記物品
は、エンドミル、ドリル、タップ、リーマ、サイドカッ
タ、メタルソー、チップ、面取り、パンチ、シャー刃、
切削工具、ダイ、または摩耗部分を持つ機械部品のうち
から選ばれた物品であることを特徴とする物品。