JPWO2010007958A1

JPWO2010007958A1 - 被覆部材

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Publication number: JPWO2010007958A1
Application number: JP2010520853A
Authority: JP
Inventors: 路陳; 護木幡
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2012-01-05
Anticipated expiration: 2029-07-13
Also published as: WO2010007958A1; EP2305405B1; KR20110033266A; EP2305405A4; CN102099138A; US20110117344A1; JP5056949B2; KR101245425B1; EP2305405A1; CN102099138B

Abstract

高速度加工、高送り加工、被削材の高硬度化、難削材切削などの厳しい切削加工条件において長寿命を実現できる切削工具用の被覆部材の提供を目的とする。基材の表面に被膜を被覆した被覆部材において、被膜の少なくとも１層は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの中から選ばれた少なくとも１種の金属元素ＭとＣ、Ｎ、Ｏの中から選ばれた少なくとも１種の元素Ｘとからなる立方晶の金属化合物の硬質膜であり、硬質膜の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布はα角７５〜９０度の範囲に最高強度を示し、硬質膜の（２２０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布はα角７５〜９０度の範囲に最高強度を示す被覆部材である。

Description

本発明は、焼結合金、セラミックス、ｃＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体などの基材の表面に被膜を被覆した被覆部材に関する。特に、チップ、ドリル、エンドミルに代表される切削工具、各種の耐摩耗工具、各種の耐摩耗部品に好適な被覆部材に関する。

焼結合金、セラミックス、ｃＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体などの基材の表面にＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、ＣｒＮなどの被膜を被覆した被覆部材は、基材の高強度、高靱性と、被膜の優れた耐摩耗性、耐酸化性、潤滑性、耐溶着性などを兼備しているため、切削工具、耐摩耗工具、耐摩耗部品として多用されている。

被膜の従来技術としては、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ）（Ｃ，Ｎ）からなる切削工具用硬質皮膜がある（例えば、特許文献１参照。）。また、耐酸化性に優れた皮膜として、Ａｌ−Ｃｒ−Ｎ系皮膜がある（例えば、非特許文献１参照。）。しかしながら、被削材、切削条件などの変化から、これらの皮膜を被覆した切削工具では、長寿命が得られないという問題があった。

特開２００３−７１６１０号公報井手幸夫、稲田和典、中村崇、高武勝彦、「耐高温酸化特性に優れたＡｌ−Ｃｒ−Ｎ系皮膜の開発」、「まてりあ」第４０巻第９号、２００１年、p.815-816

近年、切削加工において高速度加工、高送り加工などの過酷な切削条件や被削材の高硬度化など厳しい加工条件が増えており、被覆工具にはさらなる長寿命化が求められる傾向がある。このため、従来の被覆工具ではこれらの厳しい加工要求に応えられなくなってきた。本発明はこのような事情を鑑みてなされたものであり、高速度加工、高送り加工、難削材の加工など加工条件が厳しい切削加工において、長寿命を実現する被覆部材の提供を目的とする。

従来の切削加工において、基材の表面に（ＴｉＡｌ）Ｎ、（ＴｉＣｒ）Ｎ、（ＣｒＡｌ）Ｎ、（ＴｉＡｌＣｒ）Ｎなど立方晶の金属化合物からなる硬質膜を被覆した被覆部材からなる切削工具が用いられてきた。本発明者らは、基材の表面に（ＴｉＡｌ）Ｎ、（ＴｉＣｒ）Ｎ、（ＣｒＡｌ）Ｎ、（ＴｉＡｌＣｒ）Ｎなどを被覆した被覆部材の性能向上に取り組んできた。その結果、硬質膜の（１１１）面と（２２０）面についてＸ線回折の正極点図測定を行ったとき、硬質膜の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布はα角７５〜９０度の範囲に最高強度を示し、（２２０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布はα角７５〜９０度の範囲に最高強度を示すと、耐摩耗性が向上し、切削工具として使用すると長寿命になるという知見が得られた。このような配向性を備えた硬質膜は、著しく高電圧の基材直流バイアス電圧でアーク放電を行って硬質膜の配向を阻害する不純物を基材から除去する予備放電工程、次いで直流バイアス電圧を所定の電圧まで徐々に下げながらアーク放電を行って硬質膜の核発生を生じせしめる第一次放電工程、最後に所定の直流バイアス電圧でアーク放電を行って硬質膜を成膜する第二次放電工程、によって形成できる。特に、予備放電を行い、その上で、従来の直流バイアス電圧よりも高電圧で硬質膜を形成することが、切削工具にとって好ましい硬質膜を形成できる要件である。

すなわち、本発明の被覆部材は、基材の表面に被膜を被覆した被覆部材において、被膜の少なくとも１層は立方晶の金属化合物からなる硬質膜であり、硬質膜の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布はα角７５〜９０度の範囲に最高強度を示し、硬質膜の（２２０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布はα角７５〜９０度の範囲に最高強度を示す被覆部材である。

本発明者らは、正極点図測定により硬質膜を構成している立方晶の（１１１）面の傾きの角度分布と（２２０）面の傾きの角度分布とを調べ、それらを特定の範囲に制御することによって、従来の硬質膜よりも耐摩耗性を向上させることができた。

本発明の硬質膜にＸ線回折の正極点図測定を行ったとき、硬質膜の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布がα角７５〜９０度の範囲に最高強度を示し、（２２０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布がα角７５〜９０度の範囲に最高強度を示すことは、硬質膜を構成している立方晶の結晶の中で、（１１１）面と（２２０）面が被覆部材表面に対して共に平行に向いている結晶が多いことを示している。硬質膜の（１１１）面または（２２０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布がα角７５度未満の範囲に最高強度を示す被覆部材に比較して耐摩耗性を向上させることができた。その理由については明らかでないが、本発明の硬質膜は、被覆部材の表面に対して平行に向いている（１１１）面と（２２０）面が硬質膜の表面を多く占め、硬質膜に（１１１）面と（２２０）面との緻密な混合相を形成できるので、硬質膜の耐摩耗性を向上させる、と考えることができる。

本発明の硬質膜の（１１１）面および（２２０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布は、Schulzの反射法により測定することができる。Schulzの反射法は、図１に示すように２θを回折角として入射角と反射角がそれぞれθである等角度反射の光学系を使用し、試料面内のＡ軸を中心とするα回転と、試料面法線（Ｂ軸）を中心とするβ回転すなわち試料面内回転により、入射Ｘ線に対する試料の方向を変えて回折線の強度分布を測定する方法である。Ｂ軸が入射線と回折線とで決まる平面上にあるとき、α角を９０度と定義する。α角が９０度のときは、図２に示すように正極点図上で中心の点になる。具体的な測定方法として、例えば株式会社リガク製Ｘ線回折装置ＲＩＮＴ−ＴＴＲIIIの正極点測定プログラムを使用し、下記の測定条件および測定手法により、硬質膜の（１１１）面および（２２０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布を測定することができる。

［測定条件］
（１）ＴＴＲIII水平ゴニオメータ
（２）極点用多目的試料台
（３）走査方法：同心円
（４）β走査範囲：０〜３６０度／５度ピッチ
（５）βスキャンスピード：１８０度／ｍｉｎ
（６）γ振幅：０ｍｍ

［測定手法（Schulzの反射法）］
（１）固定角度：硬質膜の（１１１）面の回折角度を３６．７度とし、硬質膜の（２２０）面の回折角度を６２度とする。
（２）α走査範囲：２０〜９０度（５度ステップ）
（３）ターゲット：Ｃｕ、電圧：５０ｋＶ、電流：２５０ｍＡ
（４）発散スリット：１／４度
（５）散乱スリット：６ｍｍ
（６）発散縦制限スリット：５ｍｍ

（１１１）面および（２２０）面に関する正極点図の等高線からも最高強度を示すα角を読みとることができるが、（１１１）面および（２２０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布から、最高強度を示すα角を容易に求めることができる。

本発明の被覆部材の基材として、具体的には焼結合金、セラミックス、ｃＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体などを挙げることができる。その中でも、焼結合金は耐欠損性と耐摩耗性に優れるため好ましく、その中でもサーメット、超硬合金がより好ましく、その中でも超硬合金が特に好ましい。

本発明の被膜は、周期表４ａ、５ａ、６ａ族の金属元素およびＡｌ、Ｙ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｂ、Ｓｉ、Ｓ、Ｇｅ、Ｇａの金属、ならびにこれらの金属の合金、炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる被膜であり、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、（ＴｉＡｌ）Ｎ、（ＣｒＡｌ）Ｎ、Ａｌ₂Ｏ₃などを挙げることができる。被膜の少なくとも１層は、これらの金属の立方晶金属化合物からなる硬質膜である。本発明の被膜の平均膜厚は、０．１〜１５μｍの範囲が好ましく、０．５〜１０μｍの範囲がより好ましく、０．５〜８μｍの範囲が特に好ましい。被膜の平均膜厚が０．１μｍ以上であると耐摩耗性、耐酸化性が向上し、１５μｍ以下であると耐欠損性が低下することがない。なお、本発明における被膜の平均膜厚とは、基材表面に被膜を被覆した被覆部材の断面を光学顕微鏡または走査電子顕微鏡で３箇所写真撮影し、写真上で測定した膜厚の平均値をいう。

本発明の硬質膜は、上記金属の立方晶金属化合物からなる。その中でも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの中から選ばれた少なくとも１種の金属元素Ｍと、Ｃ、Ｎ、Ｏの中から選ばれた少なくとも１種の元素Ｘとからなる金属化合物であると、硬さが高く耐摩耗性に優れるので好ましい。具体的には、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯなどを挙げることができる。その中でも、金属元素Ｍが、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの中から選ばれた２種以上であると、耐摩耗性に優れるのでより好ましい。具体的には、（ＴｉＡｌ）Ｎ、（ＴｉＣｒ）Ｎ、（ＴｉＣｒＡｌ）Ｎ、（ＣｒＡｌ）Ｎ、（ＴｉＡｌＳｉ）Ｎ、（ＴｉＳｉ）Ｎなどを挙げることができる。また本発明の硬質膜は、（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布はα角７５〜９０度の範囲に最高強度を示し、（２２０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布はα角７５〜９０度の範囲に最高強度を示す。

本発明の硬質膜は、１層からなる単層膜、または、２層以上からなる多層膜のいずれであってもよい。その中でも、本発明の硬質膜は、組成の異なる厚さ１〜１００ｎｍの薄膜を交互に２層以上積層した交互積層膜であると、耐酸化性、耐摩耗性が向上するため、より好ましい。

本発明の被膜の組成に関しては、二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）、エネルギー分散元素分析装置（ＥＤＳ）、グロー放電型分析装置（ＧＤＳ）などの元素分析装置を使って測定することができる。

本発明の被膜は、基材の表面に対して垂直な方向に成長した柱状晶組織（長手方向が基材の表面に対して垂直な方向に向いている柱状晶組織）であると、高硬度で優れた耐摩耗性を発揮すると共に、基材との密着性が優れるので、より好ましい。

本発明の硬質膜は、（１）被覆装置内に基材を装入し、ヒーターにより基材温度を４００〜６５０℃まで加熱する工程、（２）不純物除去のための予備放電工程、（３）硬質膜の核発生のための第一次放電工程、（４）硬質膜成長のための第二次放電工程、を順次経て形成される。予備放電工程は、基材表面をＡｒガスボンバード後に、プラズマの衝突平均自由行程が小さくなるように、被覆装置内の圧力を高めにして基材の直流バイアス電圧：−６００〜−１０００Ｖ、アーク放電電流：１００〜１５０Ａの所定電圧、電流で１〜５分間放電行い、硬質膜の配向に阻害になる不純物を基材から取り除く。予備放電のときには、硬質膜はほとんど形成されない。第一次放電は、予備放電後、放電電流、基材温度、装置内の圧力を維持しながら、基材の直流バイアス電圧を−６００〜−１０００Ｖの所定電圧から−８０〜−１８０Ｖの所定電圧に１〜５分間かけて徐々に下げながらアーク放電を行う。このとき硬質膜の核発生が起きる。第二次放電は、第一次放電時の放電電流、基材温度、装置内の圧力を維持しながら、基材の直流バイアス電圧：−８０〜−１８０Ｖで放電を行い、所望の膜厚の硬質膜を成膜する。

さらに、本発明の硬質膜の製造には、例えばアークイオンプレーティング装置（以下、ＡＩＰ装置という。）を使用することができるが、他の装置、例えば、スパッタリング装置を使用することもできる。ＡＩＰ装置を使用する場合は、装置内に基材を装入し、ヒーターにより基材温度を４００〜６５０℃まで加熱し、基材に対して、Ａｒガスボンバードする。次いで、Ａｒ、Ｎ₂、Ｏ₂またはこれらの混合ガスをＡＩＰ装置に導入して、装置内の圧力を３〜６Ｐａとし、上記した基材の直流バイアス電圧、アーク電流等の条件下で、予備放電、第一次放電、第二次放電を行う。

本発明の硬質膜は、基材との密着性に優れ、耐摩耗性に優れる。本発明の被覆部材は耐摩耗性、耐欠損性および耐酸化性に優れる。本発明の被覆部材を切削工具として用いると工具寿命が長くなるという効果が得られる。特に高速度加工、高送り加工、硬さの高い被削材の加工、難削材の加工などの加工条件が厳しい切削加工において効果が高い。

Schulzの反射法の光学系を示す模式図である。 α角とβ角の位置を示した正極点図である。発明品１の硬質膜の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布を示す図である。発明品１の硬質膜の（２２０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布を示す図である。比較品１の硬質膜の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布を示す図である。比較品１の硬質膜の（２２０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布を示す図である。

基材として形状がＳＤＫＮ１２０３ＡＥＴＮのＫ２０相当超硬合金製チップを用意した。発明品については、ＡＩＰ装置のターゲットとして、表１、２に示す金属元素および添加元素の成分比を持つターゲットをＡＩＰ装置内に設置する。ＡＩＰ装置内に基材を装入し、ヒーターにより基材温度を６００℃まで加熱し、基材に対してＡｒガスボンバードした後、ＡＩＰ装置内にＡｒとＮ₂の混合ガスを導入して圧力を４〜５Ｐａに調整して基材の直流バイアス電圧：−６００〜−８００Ｖでアーク放電電流：１００Ａによる予備放電を２〜３分間行った。予備放電を終了した後、アーク放電電流と基材温度と圧力とを維持したまま、２分間かけて徐々に基材の直流バイアス電圧を−６００〜−８００Ｖから−８０〜−１２０Ｖに調整した。引き続き、基材の直流バイアス電圧：−８０〜−１２０Ｖ、アーク放電電流：１００Ａという条件で、単層膜の場合は１００〜１４０分間放電を行い、総膜厚３μｍの硬質膜を、交互積層膜の場合は、各層１〜１．５分間の放電を行い、膜厚１０または１５ｎｍの硬質膜を１５０または１００層、被覆した。

比較品については、表３、４に示す金属元素および添加元素の成分比を持つターゲットをＡＩＰ装置内に設置し、発明品と同じように基材をＡＩＰ装置内に装入し、ヒーターにより基材温度を６００℃まで加熱し、発明品と同様に基材に対してＡｒガスボンバードした後、ＡＩＰ装置内にＡｒとＮ₂の混合ガスを導入して圧力を２Ｐａに調整し、予備放電をせず、基材の直流バイアス電圧：−４０〜−８０Ｖ、アーク放電電流：１００Ａという条件で硬質膜を被覆した。アーク放電時間は発明品と同じであったが、比較品では、Ａｒガスボンバードの後、予備放電を行わず、基材の直流バイアス電圧を通常の−４０〜−６０Ｖにして、硬質膜を被覆した。

基材の表面に被覆された硬質膜の総膜厚については、各試料を切断して、断面を鏡面仕上げし得られた鏡面の断面を３視野光学顕微鏡で観察してその平均値を測定した。交互積層膜の薄膜の各膜厚については、透過型電子顕微鏡やＦＥ型走査電子顕微鏡を用いて、断面写真を３視野撮り、その膜厚の平均値を薄膜の膜厚とした。

各試料の硬質膜について、株式会社リガク製Ｘ線回折装置ＲＩＮＴ−ＴＴＲIIIを用いて、２θ／θスキャン法のＸ線回折測定を行ったところ、全試料の硬質膜は立方晶のＮａＣｌ型構造であることを確認した。また、発明品１〜６は、硬質膜の（１１１）面、（２００）面、（２２０）面のＸ線回折ピーク強度の中で、（１１１）面のＸ線回折ピーク強度が最も高かった。比較品１〜６は、硬質膜の（１１１）面、（２００）面、（２２０）面のＸ線回折ピーク強度の中で、（２００）面のＸ線回折ピーク強度が最も高かった。

さらに、株式会社リガク製Ｘ線回折装置ＲＩＮＴ−ＴＴＲIIIを用いて、下記に示す測定条件により全試料の硬質膜の（１１１）面と（２２０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布を測定した。

［測定手法（Schulzの反射法）］
（１）θ固定角度：硬質膜の（１１１）面の回折角度を３６．７度とし、硬質膜の（２２０）面の回折角度を６２度とする。
（２）α走査範囲：２０〜９０度（５度ステップ）
（３）ターゲット：Ｃｕ、電圧：５０ｋＶ、電流：２５０ｍＡ
（４）発散スリット：１／４度
（５）散乱スリット：６ｍｍ
（６）発散縦制限スリット：５ｍｍ

また、硬質膜の硬さは、松沢精機株式会社製マイクロビッカース硬度計を用い、印加荷重２５ｇｆ、保持時間１５秒の測定条件で測定した。これらの結果は表５に示した。

発明品１〜６、比較品１〜６の被覆超硬合金工具を用いて、被削材：大同特殊鋼（株）製プラスチック金型用鋼ＮＡＫ８０、切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、切り込み：２．０ｍｍ、送り：０．１５ｍｍ／ｔｏｏｔｈの条件で乾式フライス試験を行った。工具寿命は、逃げ面摩耗量ＶＢ＝０．３ｍｍを目安とした。切削長６ｍまでに逃げ面摩耗量ＶＢ＝０．３ｍｍに達しない場合は、切削長６ｍ時点の逃げ面摩耗量ＶＢを測定した。これらの結果を表６に示す。

表６に示されるように、発明品１〜６は、切削長６ｍまでの切削加工でも欠損せず、逃げ面摩耗量ＶＢが０．１７ｍｍ以下であり、優れた耐摩耗性と耐欠損性を有する。一方、比較品は切削長６ｍ時点の逃げ面摩耗量ＶＢが０．２４ｍｍ以上となっている。また、比較品６は切削長６ｍ時点で欠損を生じていた。

１…発散スリット（ＤＳ）
２…試料中心
３…発散縦制限スリット（Schulzスリット）
４…受光スリット（ＲＳ）
５…散乱スリット（ＳＳ）
６…カウンター

Claims

基材の表面に被膜を被覆した被覆部材において、被膜の少なくとも１層は立方晶の金属化合物からなる硬質膜であり、硬質膜の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布はα角７５〜９０度の範囲に最高強度を示し、硬質膜の（２２０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布はα角７５〜９０度の範囲に最高強度を示す被覆部材。
硬質膜が、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの中から選ばれた少なくとも１種の元素Ｍと、Ｃ、Ｎ、Ｏの中から選ばれた少なくとも１種の元素Ｘとからなる金属化合物である、請求項１に記載の被覆部材。
元素Ｍが、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの中から選ばれた２種以上である、請求項２に記載の被覆部材。
被膜の平均膜厚が０．１〜１５μｍである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆部材。
硬質膜が、組成の異なる厚さ１〜１００ｎｍの薄膜を交互に２層以上積層した交互積層膜からなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆部材。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆部材からなる被覆切削工具。
基材の表面に少なくとも１層が立方晶の金属化合物からなる硬質膜を被覆した被覆部材の製造方法であって、
（１）被覆装置内に基材を装入し、ヒーターにより基材温度を４００〜６５０℃まで加熱する工程、
（２）基材表面にＡｒガスボンバード後に、基材の直流バイアス電圧：−６００〜−１０００Ｖ、アーク放電電流：１００〜１５０Ａの所定電圧、電流で１〜５分間放電行う予備放電工程、
（３）アーク放電電流および基材温度を維持しながら、基材の直流バイアス電圧を−６００〜−１０００Ｖの所定電圧から−８０〜−１８０Ｖの所定電圧に１〜５分間かけて徐々に下げながらアーク放電する第一次放電工程、および
（４）アーク放電電流および基材温度を維持しながら、基材バイアス電圧：−８０〜−１８０Ｖで、所定の時間アーク放電を行い、所望の膜厚の硬質膜を得る第二次放電工程、
を順次行う、被覆部材の製造方法。