WO2008102663A1 - 表面被膜部材及びその製造方法並びに切削工具及び工作機械 - Google Patents

Abstract

高い硬度と優れた耐酸化性を有する表面被覆部材及びその製造方法並びに切削工具及び切削装置を提供する。Ｌｉを含み、少なくともAlとの複合酸化物を主成分とする耐酸化被膜層が、硬質材料からなる基材表面に直接若しくは高硬度被膜層を介して被膜されている。また、表面被膜部材の製造方法において、密閉可能な容器内に配置されたホルダーにより、前記基材そのまま若しくは、前記基材表面に高硬度被膜層が被覆された高硬度被膜層被覆材を前記容器内に支持し、Ｌｉと少なくともAlを主成分として形成された複合酸化物形成用ターゲットを該容器内に配置し、前記容器中に酸素を供給し、前記耐酸化被膜層形成用ターゲットを陽極とし、前記ホルダーを陰極として、該耐酸化被膜層形成用ターゲットと該ホルダー間に放電を生じさせて、前記基材上若しくは高硬度被膜層被覆材の表面に耐酸化被膜層を形成する。

Description

明 細 書 表面被膜部材及びその製造方法並びに切削工具及び工作機械 技術分野

本発明は、 硬質材料からなる基材に直接若しくは間接的に被膜されて形成され た表面被膜部材及びその製造方法並びに切削工具及び切削装置に関する。 背景技術

近年、 環境問題に対する意識が高まってきているなか、 切削に関する分野にお いてもこの問題に対する意識が高まってきており、 潤滑油に対する環境不適合性 が強く指摘されている。 そこで環境への悪影響を低減し、 また同時にコスト削減 の観点から、 潤滑油を全く使用しないドライ切削技術に対するニーズが高まって いる。

ドライ切削加工における利点は、 切削油剤や添加物による環境問題の発生がな くなること、 リサイクルが容易になること、 潤滑油剤の使用や処理にかかるコス トの削減などが挙げられる。 しかし一方で、 潤滑油を使わないことで、 切削工具 及び被削材の潤滑、 冷却等の潤滑油による効果がなくなるために、 厳しい切削条 件が求められている。

ドライ切削加工に対応できるように、 物理蒸着技術により基材上に高硬度被膜 を成膜する技術が開発され、 T i N系被膜や T i A 1 N系被膜にみられるように 工具などに適用されていた。 しかし、 T i N系被膜は約 5 0 0 °C、 T i A I N系 被膜は約 8 0 0 °Cで酸化され始めるので、 高温下での切削条件の工具には使用で きない問題点を有している。

その後、 特許文献 1 (特開平 1 0— 2 5 5 6 5号公報） に開示された T i A 1 N系被膜が開発された。 特許文献 1に記載の T i A 1 N系被膜は、 約 1 0 0 0 °C から 1 2 0 0 °Cで酸化され始めるので、 高温下での切削条件にも対応出来るよう になった。

しかしながら、 特許文献 1に記載の T i A 1 N系被膜は、 高温下での切削条件 に対応できるが、 剥離が起こりやすい。 また、 より高温に曝された条件下で用い た場合、 耐酸化性が十分ではない。 発明の開示

従って、 本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、 高い硬度と優れた耐酸化性を 有する表面被覆部材及びその製造方法並びに切削工具及び切削装置を提供するこ とを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、 L iを含み、 少なくとも A1 との複合 酸化物を主成分とする耐酸化被膜層が、 硬質材料からなる基材表面に直接若しく は高硬度被膜層を介して被膜されていることを特徴とする表面被膜部材にある。

L iを含み、 少なくとも A1 との複合酸化物を主成分とする耐酸化被膜層を具 えた表面被膜部材は、 高い硬度と優れた耐酸化性に加え、 摩擦係数が小さく発熱 しにくいため温度上昇を抑制する効果があり、 優れた耐摩耗性をも兼ね備えてい る。また、本発明の表面被膜部材において、基材は超硬合金もしくは高速度鋼（高 速度工具鋼も含む） 等の硬質材料が好ましい。

又本発明による表面被膜部材は、 高い硬度と優れた耐酸化性を兼ね備えている ので、 工具や金型の表面処理用の皮膜材料として好適に用いられ、 工業上の利用 価値が高い。 更に本発明は高い硬度耐酸ィ匕性に加え、 高い密着性により優れた耐 摩耗性を有するので、 切削油を用いないドライカット加工 （切削液を用いない切 削加工） 用の切削工具の皮膜材料として好適に用いられる

また、 かかる発明において、 L iと他の金属の酸化物を含んで形成された複合 酸化物からなる耐酸化被膜層が、 前記硬質材料からなる基材上に形成された高硬 度被膜層の表面に被膜されていることを特徴とする。

そしてより好ましくは前記複合酸化物が、 L iと Al、 L iと A1と Mg若しくは Si金属の酸化物を含んで形成された複合酸化物であるのがよい。

さらに、 上記した表面被膜部材において、 前記高硬度被膜層は、 Aし S iに 加えて、 Z r、 H f , P d、 I r及び希土類元素からなる群より選択される少な くとも 1種の元素の窒化物を含有することを特徴とする。

また、 前記高硬度被膜層は、 A l、 S iに加えて、 C r、 T iの少なくとも 1 種の元素の窒化物を含有することを特徴とする。

また、 上記した表面被膜部材において、 前記耐酸化被膜層の膜厚を Aとし、 前 記高硬度被膜層の膜厚を Bとした場合、 A≤Bであることを特徴とする。

耐酸化被膜層に含まれる L iは、 高硬度被膜層に含まれる窒化物に対する親和 性が大きく、 窒化物との結晶構造の統合性をあわせている。 そのため、 耐酸化被 膜層と高硬度被膜層との密着性が高まり、 剥離しにくくなる。

また、上記した表面被膜部材において、前記基材と前記高硬度被膜層との間に、 A l、 T i、 C rからなる群より選択される少なくとも 1種の元素の窒化物、 炭 化物及び炭窒化物のうちの少なくとも 1種を含有する中間層を有することを特徴 とする。

このような中間層を設けることにより、 基材と高硬度被膜層との密着性が高ま り、高硬度被膜層が剥離しにくくなるので、耐酸化被膜層の耐摩耗性が向上する。 また、 本発明における表面被膜部材の製造方法において、 密閉可能な容器内に 配置されたホルダーにより、 硬質材料からなる基材そのまま若しくは、 前記基材 表面に高硬度被膜層が被覆された高硬度被膜層被覆材を前記容器内に支持し、

L iと少なくとも A1を主成分として形成された複合酸化物形成用ターゲット を該容器内に配置し、 前記容器中に酸素を供給し、

前記表面耐酸化被膜層形成用夕一ゲットを陽極とし、 前記ホルダーを陰極とし て、 該表面耐酸化被膜層形成用ターゲットと該ホルダー間に放電を生じさせて、 前記基材上若しくは、 高硬度被膜層被覆材の表面に表面耐酸化被膜層を形成する ことにより、 前記表面被膜部材を得ることを特徴とする。

この製造方法により、 高い硬度と優れた耐酸ィ匕性に加え、 優れた耐摩耗性を有 する表面被膜部材が形成される。

また、 本発明の切削工具は、 前記基材が鋼にクロム、 タングステン、 モリブデ ン、 バナジウムからなる金属成分を添加して、 焼入れ等の熱処理を施した高速度 鋼（高速度工具鋼も含む)、若しくは硬質の金属炭化物の粉末を焼結して作られる 超硬合金のいずれかの工具基材であり、 該工具用基材、 若しくは前記工具用基板 上に形成された高硬度被膜層の表面に、 L iを含み、 少なくとも A1 との複合酸 化物を主成分とする耐酸化被膜層を被膜した表面被膜部材を用いたことを特徴と する。

これにより、 高い硬度と優れた耐酸化性及び耐摩耗性を有する切削工具が得ら れる。

また、 前記切削工具は、 ドライカット加工 （切削液を用いない切削加工） にて ワークを加工してなることを特徴とする工作機械、 特に好適にはホブカツ夕、 ピ 二オンカツタ、 若しくはブローチを含む歯切り工具として構成し、 該構成した歯 切り工具により目的とするワークを加工してなることを特徴とする歯切り用工作 機械に適用するのがよい。

この切削装置は、 切削工具に高い硬度と優れた耐酸化性及び耐摩耗性が要求さ れる切削加工に、 特にドライカット加工 （切削液を用いない切削加工） 用の切削 加工に用いられるために、 環境保全及びコストの点で優れる。

なお、 以上述べた各構成は、 本発明の趣旨を逸脱しない限り、 互いに組み合わ せることが可能である。

以上記載のごとく本発明の表面被膜部材は、 高い硬度と優れた耐酸化性を有し ているので、 工具や金型として好適に用いられる。 さらに、 窒化物を含有する高 硬度被膜層との密着性が高く剥離しにくく、 耐摩耗性も優れているので、 切削油 を用いないドライ切削加工用の切削工具や切削装置にも好適に用いられる。 また本発明では、 高い硬度と優れた耐酸ィ匕性に加え、 優れた耐摩耗性を有する 表面被膜部材が製造できる。

特に本発明によれば物理蒸着法により高い硬度と優れた耐酸化性を兼ね備えて いるので、 工具や金型の表面処理用の皮膜材料として好適に用いられ、 工業上の 利用価値が高い。 更に本発明は高い硬度耐酸ィ匕性に加え、 高い密着性により優れ た耐摩耗性を有するので工具や金型の製造に好適に用いられるのみならず、 切削 油を用いないドライカット加工 （切削液を用いない切削加工） 用の切削工具の皮 膜材料として好適に用いられる

特に好適にはホブカツ夕、 ピニオンカツ夕、 若しくはブローチを含む歯切り工具 に好適に用いられる。 図面の簡単な説明

第 1図は、 本発明の実施形態 1を示す概略断面図である。

第 2図は、 本発明の実施形態 2を示す概略断面図である。

第 3図は、 本発明の実施形態 3を示す概略断面図である。

第⁴図は、 基材若しくは高硬度被膜層被覆材に耐酸化被膜層を形成する成膜装 置の概略図である。

第 5図は、 高硬度被膜層 （窒化物） 及び耐酸化被膜層 （酸化物） ターゲット組 成を変えた比較例及び実施例 1〜 6の成膜試験結果を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。 但し この実施例に記載されている構成部品の寸法、 材質、 形状、 その相対的配置等は 特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、 単なる説明例に過ぎない。

(実施形態 1 )

図 1は、 本発明の実施形態 1を示す概略断面図である。 実施形態 1の表面被膜 部材は、 基材 1と、 L iと他の金属の酸化物を含んで形成された複合酸化物から なる耐酸化被膜層 2を有している。 ここで、 基材 1は超硬合金もしくは高速度鋼

(高速度工具鋼も含む） 等の硬質材料が用いられる。

(実施形態 2 )

図 2は、 本発明の実施形態 2を示す概略断面図である。 実施形態 2の表面被膜 部材は、 基材 1上に形成された高硬度被膜層 3の表面に、 耐酸化被膜層 2が被膜 されてなる。

このとき、 耐酸化被膜層 2の膜厚は、 少なくとも高硬度被膜層 3の膜厚よりも 小であることが好ましいが、 諸条件によっては、 耐酸化被膜層 2と高硬度被膜層 3の膜厚を等しくすることも可能である。

(実施形態 3 )

図 3は、 本発明の実施形態 3を示す概略断面図である。 実施形態 3の表面被膜 部材は、 基材 1上に、 A l、 T i、 C rからなる群より選択される少なくとも 1 種の元素の窒化物、 炭化物及び炭窒化物のうちの少なくとも 1種を含有する中間 層 4を成膜する。 そして、 中間層の表面に高硬度被膜層 3を形成し、 その後耐酸 化被膜層 2を形成してなる。

上記実施形態 2及び実施形態 3において、 高硬度被膜層 3と中間層 4は、 密着 性が高くなり、 耐摩耗性に優れた表面被膜部材が形成できるように、 高周波スパ ッ夕リングゃイオンプレーティングなどの物理蒸着法により形成することが好ま しい。

図 4は、 基材若しくは高硬度被膜層被覆材に耐酸化被膜層を形成する成膜装置 の概略図である。

成膜装置 1 0は、 大気と気密なケーシング 1 2を設け、 その天井部にはターゲ ット 1 3を配設し、 ケーシング 1 2の室内 2 0にはテーブル状のホルダー 1 7が 配設されている。 ホルダー 1 7は回転軸 1 9を介してモーター 1 8と連結され、 ホルダー 1 7はその周方向に回転が可能である。 そして、 ターゲット 1 3とホル ダー 1 7の間には直流の電源 1 1が接続され、 ターゲット 1 3は電源 1 1の +側 と接続され、 ホルダー 1 7は電源 1 1の一側に接続されている。

図 4では、 ターゲット 1 3が 1つの場合を模式的に示しているが、 必要に応じ てターゲット 1 3は 2つ以上設けることが可能である。 その場合には、 ホルダー 1 7から略同じ距離に 2つ以上の夕一ゲット 1 3を設置する。

ケーシング 1 2の室内 2 0には、 室内 2 0を真空にするための真空ポンプ 1 4 が制御バルブ 2 2を介して接続されている。 また、 室内 2 0には、 室内 2 0の不 活性ガスを供給するためのアルゴンのガス源 1 5が制御バルブ 2 3を介して接続 されている。 さらに、 室内 2 0には、 室内 2 0に酸素を供給するための酸素ガス 源 1 6が制御バルブ 2 4を介して接続されている。

上記各実施形態では、 基材若しくは高硬度被膜層被覆材 2 1に形成する層によ つて、 夕一ゲット 1 3の種類及び数を調整して成膜する。

成膜装置 1 0は、 ホルダー 1 7上に基材そのまま若しくは、 前記基材表面に高 硬度被膜層が被覆された高硬度被膜層被覆材 2 1を載置し、 始めに制御バルブ 2 2及び 2 3を開き、 室内 2 0にアルゴンガスを供給するとともに、 室内 2 0を真 空引きする。 真空引きが完了し、 室内 2 0がアルゴン雰囲気になったら、 モーター 1 8によ りホルダー 1 7を回転させる。 次に、 制御バルブ 2 2及び 2 3を閉じてターゲッ 卜 1 3とホルダー 1 7間に直流電圧を印加させて、 プラズマを発生して室内 2 0 の温度を上昇させる。 室内 2 0の温度が一定温度に達したとき、 制御バルブ 2 4 を開き、 酸素ガス源 1 6から室内 2 0へ酸素を供給して放電を生じさせる。 これにより、 前記基材表面、 若しくは前記基材上に高硬度被膜層が被覆された 高硬度被膜層被覆材の表面に耐酸化被膜層が形成されて、 高い硬度と優れた耐酸 化性及び耐摩耗性を有する表面被膜部材が得られる。

本実施形態の表面被膜部材は、 超硬合金 （WC) を基板として、 基板上に耐酸 化被膜層 （酸化物） を形成する単層構造であるか、 または基板上に形成された高 硬度被膜層 （窒化物） の表面に酸化物皮膜を成膜した多層膜構造である。

耐酸化被膜層 （酸化物） は、 硬質な高硬度被膜層 （窒化物） の表面に摩擦係数 や酸ィ匕開始温度などの特性改善のため成膜するものである。 単層構造の場合は耐 酸化被膜層を約 3 m成膜し、 多層膜構造の場合は高硬度被膜層を約 3 . 5 m 成膜後、 その上に耐酸化被膜層を約 1 m成膜した。

図 5は、 高硬度被膜層 （窒化物） 及び耐酸化被膜層 （酸化物） ターゲット組成 を変えた比較例及び実施例 1〜 6の成膜試験結果を示す図である。

ここで窒化物の成膜は、 直径 4インチの A I Nターゲット上に窒ィ匕物原料粉末 の円盤状成型体 （直径 5 0 mm、 厚さ約 3 mm) を設置し、 高周波スパッタ法を 用いて行った。 窒化物成膜の成型体の仕込み組成は、 高い硬度と酸化開始温度が 得られる A 1 0 . ₇ Z r 0. ₂ S i 0. を使用した。

酸化物皮膜の成膜は、直径 4インチの A 1 ₂0₃ターゲット上に酸化物原料粉末 の円盤状成型体 （直径 5 0 mm、 厚さ約 3 mm) を設置し、 高周波スパッ夕法を 用いて行った。成膜に用いた基板は、サイズ約 1 2 X 1 2 X 5 mmの超硬合金（W C) である。

スパッタ用の窒化物成型体は、 A 1 N、 Z r N、 S i ₃N₄原料粉末を所定の組 成に混合し、 内径 5 0 mmの金型で成型して作製した。 同様に酸化物成型体は、 L i A 1〇₂、 M g O、 A 1 ₂0₃、 C r ₂0₃、 S i O ₂等の原料粉末を所定の組成 に混合し、 内径 5 0 mmの金型で成型して作製した。 L i A 1 0 2粉末について は、 L i C0₃と A 1₂0₃原料粉末を 1250 で 2時間仮焼し合成を行った。 また、 実施例において、 L iと A 1の混合比は L i A 1 yOzとしたとき、 yZx=0. 9〜40とした。 y/x=0. 9以下になると、 L i ₂0の単独の 層が形成される可能性があるので好ましくない。

例えば実施例 7のように、 膜組成 Li₂.₅Mg₀.sAl₃₇O₅₉.₇の酸ィ匕層をスパッ夕法で作 成して実施例 7の （窒化物/酸化物）： (Alo.7Zro.2Sio.1N/Lio.17Mgo.05Al2.804) の夕 —ゲット組成体を得ることができた。

成膜後の表面被膜部材の硬度は、 マイクロビッカース硬度計を用いて 10 g、 10 s e cの荷重条件にて測定した。

また、 表面被膜部材の酸化開始温度は、 サイズ約 12 X 5 X 0. 05111111の？ t板上に成膜した窒化物皮膜を示差熱天秤 （TG— DTA) 中で加熱し、 酸化に ともなう重量増加と発熱が起こり始める温度を分析して決定した。 T G— D T A 分析時の最高加熱温度は 1400° (：、 昇温速度は 10°CZm i nである。 皮膜の 結晶構造は X線回折により測定を行った。

ここでは代表例な下層の窒化物層として A 1 Z r S i N系の窒化物を用いて試 験を行った。 図 5に示した表面被膜部材の硬度と酸化開始温度の測定結果から、 L iと他の金属の酸化物を含んで形成された複合酸化物からなる耐酸化被膜層 (実施例 1〜6) は、 L iを含まない耐酸化被膜層 （比較例 1) に比べて剥離し にくいことがわかった。

また、 S iを加えた実施例 6は、実施例 1の摩擦係数の値をほぼ維持したまま、 窒化物との密着性を向上できることがわかる。

以上の効果は他の窒ィヒ物、 例えば Aし C r、 S iからなる窒化物や、 A 1、 T i、 S iからなる窒ィ匕物の膜上に、 本発明の酸ィ匕物コーティングを行っても、 同様に低摩擦係数で長寿命のコーティングが得られる。

また酸化開始温度は、 比較例 1が 1200°Cであるのに対し、 例えば実施例 1 では 1310°C、 実施例 2では 1350°Cとより高温となる。 よって、 切削温度 が上昇しても酸ィ匕しにくく、 切削工具等の寿命が長くなる。 さらにまた、 摩擦係 数も比較例 1が 0. 3であるのに対し、 例えば実施例 1では 0. 2、 実施例 2で は 0. 23とより小さくなるため、 摩擦による熱量が小さくなる。 そのため、 切 削速度 （回転数） を速くしても切削工具等の寿命が長くなる。

又実施例 7では酸化開始温度は、 1 3 4 0 °Cとより高温となる。 よって、 切削 温度が上昇しても酸化しにくく、 切削工具等の寿命が長くなる。 さらにまた、 摩 擦係数も比較例 1が 0 . 3であるのに対し、実施例 1の 0 . 2より更に低く、 0 . 1 6 5と非常に低い。 これは比較例 1 ( 0 . 3 ) の 2ノ 3以下であり、 ほぼ 1 Z 2であり、 窒ィヒホウ素に匹敵する低摩擦係数により、 長寿命の工具コ一テングが 提供される。

したがって、 前記 iと他の金属の酸化物を含んで形成された複合酸化物から なる耐酸化被膜層を形成することにより、 酸化開始温度が上昇し、 高温において も酸ィ匕されにくく、 また低摩擦係数となり、 剥離しにくいことがわかった。 ここ で窒化物層の代表例として用いた A 1 Z r S i N系化合物中の Z rに代えて、 C r、 T i、 H f , P d、 I r及び希土類元素などを用いても格子定数は大きく変 化しないため結果は同様である。 産業上の利用可能性

本発明によれば、 高い硬度と優れた耐酸化性に加え、 優れた耐摩耗性を有する 表面被膜部材とその製造方法が提供できる。 表面被膜部材は、 その特性を活かし て切削工具や切削装置としての使用も可能である。

Claims

請 求 の 範 囲

1. L iを含み、少なくとも A1との複合酸化物を主成分とする耐酸化被膜層が、 硬質材料からなる基材表面に直接若しくは高硬度被膜層を介して被膜されている ことを特徴とする表面被膜部材。

2. 前記高硬度被膜層は、 A l、 S iに加えて、 Z r、 H f P d、 I r及び希 土類元素からなる群より選択される少なくとも 1種の元素の窒化物を含有するこ とを特徴とする請求項 2記載の表面被膜部材。

3. 前記耐酸化被膜層の膜厚を Aとし、前記高硬度被膜層の膜厚を Bとした場合、 A≤ Bであることを特徴とする請求項 2記載の表面被膜部材。

4. 前記基材と前記高硬度被膜層との間に、 A 1、 T i、 C rからなる群より選 択される少なくとも 1種の元素の窒化物、 炭化物及び炭窒化物のうちの少なくと も 1種を含有する中間層を有することを特徴とする請求項 1記載の表面被膜部材。

5. 前記高硬度被膜層は、 A 1、 S iに加えて、 C r、 T iの少なくとも 1種の 元素の窒化物を含有することを特徴とする請求項 1記載の表面被膜部材。

6. 請求項 1記載の表面被膜部材の製造方法において、

密閉可能な容器内に配置されたホルダーにより、 硬質材料からなる基材その まま若しくは、 前記基材表面に高硬度被膜層が被覆された高硬度被膜層被覆材を 前記容器内に支持し、

L iと少なくとも A1を主成分として形成された複合酸化物形成用ターゲット を該容器内に配置し、 前記容器中に酸素を供給し、

前記耐酸化被膜層形成用ターゲットを陽極とし、 前記ホルダーを陰極として、 該耐酸化被膜層形成用ターゲットと該ホルダ一間に放電を生じさせて、 前記基材 上若しくは、 高硬度被膜層被覆材の表面に耐酸化被膜層を形成することにより、 前記表面被膜部材を得ることを特徴とする表面被膜部材の製造方法。

7. 前記基材が鋼にクロム、 タングステン、 モリブデン、 バナジウムからなる 金属成分を添加して、焼入れ等の熱処理を施した高速度鋼 (高速度工具鋼も含む)、 若しくは硬質の金属炭化物の粉末を焼結して作られる超硬合金のいずれかの工具 基材であり、 該工具用基材、 若しくは前記工具用基板上に形成された高硬度被膜 11 層の表面に、 L iを含み、 少なくとも A1 との複合酸化物を主成分とする耐酸ィ匕 被膜層を被膜した表面被膜部材を用いたことを特徴とする切削工具。

8. 前記耐酸化被膜層が、 L iを含み A1のみ、 A1と Mg若しくは A1と Si金 属の酸化物を含んで形成された複合酸ィヒ物であることを特徴とする請求項 1記載 の切削工具。

9. 請求項 7記載の切削工具はドライカツト加工（切削液を用いない切削加工） にてワークを加工してなることを特徴とする工作機械。

10. 請求項 7記載の切削工具は、 ホブカツ夕、 ピニオンカツ夕、 若しくはプロ ーチを含む歯切り工具として構成し、 該構成した歯切り工具により目的とするヮ ークを加工してなることを特徴とする歯切り用工作機械。