JP2002146515A - 摺動性に優れる硬質膜およびその被覆工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 硬質膜表面に微細孔を適量設けた被覆工具あ
るいは部品に関し、加工液あるいは潤滑液を使用した際
に微細孔が液溜め効果を発揮し、チップ、ドリル、金型
などの工具や軸受けのなどのしゅう動部品において、過
酷な使用条件でも寿命を延長できる表面に微細孔を有す
る硬質膜およびその被覆工具の提供を目的とする。 【構成】 基材表面に被覆された硬質膜の表面に、深さ
が１．０μｍ以上、平均径が０．５〜５μｍ、硬質膜全
体の表面積に対する各開口部面積の総和の割合が０．０
２〜０．２０でなる微細孔が点在している。 【効果】 従来の同一硬質膜よりも、液溜め効果による
加工液あるいは潤滑液の供給によって潤滑性が確保され
るために、工具やしゅう動部品の寿命延長が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基材表面に被覆さ
れる硬質膜およびその硬質膜を被覆した工具に関するも
のであり、特にドリル、エンドミルなどの切削工具、絞
り金型などの耐摩耗用工具や軸受ブッシュなどで優れた
摺動性を示す硬質膜および被覆工具に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＣ，Ａｌ₂Ｏ₃，
（ＴｉＡｌ）Ｎなどの硬質膜が切削工具を始め、耐摩耗
工具部品やしゅう動部品に使用され、寿命延長に貢献し
ている。一般的に、加工液や潤滑液を使用するが、被削
材と加工条件あるいは相手材としゅう動条件によって
は、潤滑性あるいは冷却能が低下するために、摩擦力増
大による膜の剥離、発熱増大による焼き付きや基材の熱
変質，変形などによって、使用寿命の延長が困難である
と言う問題がある。

【０００３】この問題を解決するために、加工液中の
極圧添加剤あるいは固体潤滑剤の種類や量を調整、硬
質膜の表面状態（主に粗さ）を調整、硬質膜の種類を
選定、固体潤滑膜を被覆、などの手段が一般的にとら
れている。の粗さ調整として、一般にはラッピング処
理、ブラスト研磨などの平滑化処理が行われている。ま
た、表面に微細孔を設け、加工液を微細孔中に保持（液
溜め効果）することによって焼き付きを防ぐ方法があ
る。さらに、の硬質膜選定として、窒化クロム，酸化
クロム，窒化バナジウムなどの摩擦係数が比較的低い化
合物を被覆する方法がある。さらに、の固体潤滑膜と
して、二硫化モリブデン，二硫化タングステン，黒鉛，
ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などの固体潤滑
剤を硬質膜上に被覆する方法がある。

【０００４】具体的な先行技術の代表例として、平滑化
処理するものに特開平０７−１５７８６２号公報，微細
孔を設けるものに特開平７−２１６４９１号公報など、
硬質膜を選定するものに特開平０８−１３２３１０号公
報，特開２０００−１０７９０６号公報など、固体潤滑
膜を被覆するものに特開平２−２２１７１４号公報，特
開２０００−００１７６８号公報など、がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】 特開平０７−１５７
８６２号公報には、２種以上の金属元素を含む多成分系
の金属炭化物，金属窒化物，金属炭・窒化物膜からな
り、表面にマクロ粒子が実質的に突出しておらず、０．
２〜２μｍの深さのクレーターを有する硬質被膜を被覆
した耐摩耗性・耐溶着性硬質被膜被覆工具およびその製
造が記載されている。本公報に記載された硬質被膜は、
被膜表面に付着した１〜５μｍ程度のマクロ粒子を除去
することによって切削時での被削材の溶着を防止したも
ので、切削精度や工具寿命をある程度改善することは可
能であるが、加工液を使用した厳しい加工条件では潤滑
効果がないために、溶着を起こし易いと言う問題があ
る。すなわち、本公報に記載された硬質膜に形成された
クレーターは、マクロ粒子が除去される時に生じた凹部
であるために、液溜め効果が発揮できない形状となって
いる。

【０００６】特開平７−２１６４９１号公報には、本発
明者らによって、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａの酸化物，炭化物，
硫化物などでなる分散相を２〜３０体積％含有し、４
ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物，窒化物，ホウ化物を硬
質相、鉄族金属を結合相とした焼結硬質合金において、
表面から分散相が除去されて微細孔を形成した微細孔を
有する焼結体及びその製造方法が記載されている。本公
報に記載された焼結体は、表面に存在する微細孔の液溜
め効果により摩擦摩耗を低減できるが、分散相による強
度低下や硬質膜被覆品に比べて耐摩耗性が不十分と言う
問題がある。

【０００７】次に、特開平０８−１３２３１０号公報に
は、０．０５〜５．０μｍのＣｒＮx（０．３≦x≦１．
０）の硬質被膜上に、ＣｒＯy（０．３≦y≦１．５）か
らなる０．０１〜２．０μｍの硬質表面被覆がなされて
いる潤滑硬質膜被覆ドリルが記載されている。また、特
開２０００−１０７９０６号公報には、ＴｉとＡｌを主
成分とする窒化物，炭窒化物，炭酸窒化物を被覆した被
覆硬質合金の上に、さらにＶＣＮ又は（ＴｉＶ）ＣＮ被
膜被覆した被覆硬質工具が記載されている。

【０００８】これら両公報に記載された硬質多層膜は、
外層のＣｒ（Ｏ），Ｖ（ＣＮ）で潤滑性を、内層のＣｒ
（Ｎ），（ＴｉＡｌ）Ｎなどで耐摩耗性を向上させよう
としたものであるが、外層の潤滑性が不十分なため、あ
るいは外層が剥離し易いために、寿命延長効果が少ない
と言う問題がある。

【０００９】さらに、特開平２−２２１７１４号公報に
は、軸受けのしゅう動面にＴｉＣと金，銀，鉛などの軟
質金属あるいはＭｏＳ₂，ＷＳ₂などの層状固体潤滑剤と
の積層膜を被覆した固体潤滑軸受が記載されている。ま
た、特開２０００−００１７６８号公報には、周期律表
４，５，６族金属元素とＡｌ，Ｓｉ，Ｂ，Ｃから選択さ
れ一種以上の元素と、Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｏから選択される一
種以上とからなる高硬度被膜の下地層と、二硫化モリブ
デンを主成分とする表面層を持つ積層被膜において、表
面層には４，５，６族金属元素の一種以上が０．５ａｔ
％〜１０ａｔ％を含有した固体潤滑性を有する複合耐摩
耗性硬質被膜が記載されている。

【００１０】これら両公報に記載された潤滑性被膜は、
ＭｏＳ₂による潤滑性によって工具寿命の延長を図ろう
としたものであるが、ＭｏＳ₂が軟質であるために摩滅
あるいは下地膜から剥離するために、切削や厳しいしゅ
う動条件ではほとんど寿命延長効果がないと言う問題が
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】 本発明者らは、長年に
渡って耐摩耗性と摺動性・潤滑性という相反する特性を
同時に具備した特性を有する硬質膜について検討してい
たところ、硬質膜が開口した微細孔を有することにより
該微細孔が加工液を保持し、その加工液を保持した微細
孔により摩擦力が低減されることによって硬質膜の摩擦
・摩耗が著しく低減されるという知見を得たものであ
る。

【００１２】本発明の摺動性に優れる硬質膜およびその
被覆工具は、膜厚が１〜２０μｍの単層または２以上の
多層であって、周期率表の４ａ（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）、
５ａ（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）、６ａ（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ）族の
各元素、アルミニウムおよびシリコンの炭化物、窒化
物、酸化物、硼化物およびこれらの相互固溶体の中から
選ばれた１種以上からなる硬質膜において、該硬質膜中
に開口径が０．５〜５μｍの微細孔を有するものであ
る。

【００１３】該微細孔は、深さが１．０μｍであって、
かつ微細孔深さが該硬質膜の平均膜厚との比で０．０５
〜１．００を満足することにより、優れた摺動性が持続
される。また、微細孔の開口部の総面積（各微細孔開口
部面積の総和）が、硬質膜の総面積との比で０．０２〜
０．２０を満足するものである。

【００１４】また、微細孔部を除く硬質膜表面の面粗さ
は、Ｒａで０．２μｍ以下であることにより、初期の摩
擦係数を低減させ、微細孔との相乗効果が得られる。

【００１５】この発明の硬質膜を被覆した基材は、被覆
工具として優れた性能を発揮し、具体的な基材としては
超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素
焼結体、硬質鋼、ハイスの中の少なくとも１種からなる
ことを特徴とするもので、これらの基材では特に顕著な
効果が得られるものである。

【００１６】

【発明の実施の態様】本発明の摺動性に優れる硬質膜
は、周期率表の４ａ、５ａ、６ａ族元素、アルミニウ
ム、シリコンの炭化物、窒化物、酸化物、硼化物および
これらの相互固溶体の中から選ばれた１種以上からなる
硬質膜において、該硬質膜の膜厚が１〜２０μｍの単層
または２以上の多層であって、開口径が０．５〜５μｍ
である微細孔を有することを特徴とする摺動性に優れる
硬質膜である。具体的に例を挙げると、単層膜としては
ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＢ₂、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、Ｔ
ｉＢＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、ＣｒＮ、（ＴｉＡｌ）
Ｎ、（ＴｉＡｌ）ＣＮＯ、（ＺｒＶ）ＣＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、
Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｃｒ₂Ｏ₃などを挙げることができ
る。また多層膜は、これら単層膜種の組み合せであり、
具体的には、基材側からＴｉＮ／（ＴｉＡｌ）Ｎ、Ｔｉ
ＣＮ／ＴｉＢ₂、ＴｉＮ／（ＺｒＶ）ＣＮ／Ａｌ₂Ｏ₃な
どを挙げることができる。

【００１７】これらの中でも特に、硬質膜の最外層が物
理蒸着法によって被覆されたＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ
Ｂ₂、ＴｉＣＮ、（ＴｉＡｌ）Ｎ、（ＴｉＡｌ）ＣＮの
中の少なくとも１種であると、後工程で行う微細孔の形
成が容易であり、平滑な平面が得られやすいため好まし
い。

【００１８】該硬質膜の膜厚は、その厚みが１μｍより
薄い場合は耐摩耗性を向上させる効果が小さく、２０μ
ｍを越えて厚くなると、基材との熱膨張係数差に起因す
る残留応力が増大することによって膜の剥離や強度低下
を招くため、１〜２０μｍと定めた。

【００１９】微細孔は、その孔中に加工液が侵入・保持
されることで摩擦係数を低減させるものであるため、そ
の開口径が０．５μｍ未満では加工液が細孔中に侵入し
難いために潤滑性の効果が十分ではなく、５μｍを越え
て大きくなると、微細孔に侵入した加工液を流出しやす
くなり、加工液保持による液溜め効果が得られないため
０．５〜５μｍと定めた。

【００２０】微細孔の深さは、１μｍより浅い場合は所
望の潤滑性が得られないため１μｍ以上と限定し、かつ
硬質膜の全膜厚に対して、微細孔の深さが０．０５〜
１．００の比率で表される範囲に限られ、特に硬質膜厚
を越えた、つまり上記比率で言い換えると１を越えた深
さの微細孔を形成した場合は、基材全体の強度低下を招
くため０．０５〜１．００と定めた。

【００２１】微細孔の個々については上記により限定
し、微細孔開口部の総面積（個々の微細孔開口部面積の
総和）は、硬質膜全体の面積に対して０．０２〜０．２
０であることを定めた。これは、０．０２未満では液溜
め量が少ないために摩擦係数の低減効果が小さく、０．
２０を越えると相対的に摩擦に寄与する硬質膜表面積の
割合が低下するのに伴って耐摩耗性が低下するため、
０．０２〜０．２と定めた。微細孔開口部の総面積の測
定は、次のとおりに行う。硬質膜表面を光学顕微鏡によ
り３００〜１５００倍に拡大し、その画像データをデジ
タル化する。さらに、その画像データをコンピュータ画
像処理することによって、その画像中の総面積が得られ
るものである。

【００２２】また、硬質膜の表面粗さを制御することに
よって、微細孔の液溜め効果との相乗効果が得られ、微
細孔部を除いた硬質膜の表面粗さがＲａで０．２μｍ以
下である時に所望の潤滑性効果が得られるものである。

【００２３】基材にこれら硬質膜を被覆することによっ
て、耐摩耗性を有すると共に、相反する潤滑性の両方の
特性を具備した被覆工具が得られる。具体的な基材とし
ては、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒
化硼素焼結体、硬質鋼、ハイスの中の少なくとも１種か
らなることを特徴とするもので、これらの基材では特に
顕著な効果が得られるものである。

【００２４】微細孔の形成は、硬質膜被覆後に被膜中の
ドロップレットや、コーティング中に散布した異質粒子
を化学的または機械的な除去、もしくはレーザービーム
の照射によって得られる。ドロップレットが金属性の高
い粒状組織であれば、酸やアルカリ等に浸漬することに
よってドロップレットが除去された凹部が微細孔として
得られる。また、微粒のアルミナ粉が懸濁した水溶液を
膜表面に高圧力で噴射することによっても、ドロップレ
ットや異質粒子が除去され、微細孔を有する硬質膜が得
られる。また、ドロップレットや異質粒子が硬質膜より
も融点が一定以上低い条件においては、レーザービーム
の照射によって選択的に低融点部のみが除去されるた
め、微細孔が得られるものである。

【００２５】

【作用】本発明の摺動性に優れる硬質膜およびその被覆
工具は、硬質膜が耐摩耗性を向上させると共に、微細孔
が液溜め効果を有するため潤滑性として作用し、摩擦摩
耗を低減させ、焼き付きや膜の剥離を防止するものであ
る。

【００２６】

【実施例１】基材として、市販されている超硬合金製ソ
リッドドリル（８．０φｍｍ，組成：ＷＣ−１０ｗｔ％
Ｃｏ，硬さ：ＨＲＡ＝９１．５）を用意し、硬質被膜の
被覆装置として、４極のターゲット着装および処理物表
面への粉体散布が可能なアークイオンプレーティング装
置を使用した。まず、基材ドリルを装置内に挿入して約
１×１０^-3Ｐａの真空とした後、５００℃に加熱してＡ
ｒガスを導入しながら約０．１Ｐａとし、−６００Ｖの
バイアス電圧をかけて１０分間保持することにより、ド
リル表面をＡｒスパッターにより十分に洗浄した後、脱
気を行った。次いで、表１に示した被覆条件（ターゲッ
ト種類，ガス成分と流量，バイアス電圧，アーク電流，
処理時間）でもって被覆処理を順次行なうことよって、
Ａ〜Ｄの被覆ドリル素材を得た。

【００２７】

【表１】 ＊注） ＩＰ:イオンプレーティング（反応蒸着） ＰＤ:パーティクルデポジション（塊状粒子蒸着）

【００２８】次に、Ａ〜Ｄの被覆ドリル素材を表２に示
した表面処理を施して、本発明品１〜４と比較品１〜３
の表面に微細孔を有する被覆ドリルを得た。そして、前
処理後の被覆ドリルの刃先部を走査型電子顕微鏡で観察
し、被膜表面に形成された微細孔の平均径と全表面に対
する微細孔部の面積割合を求めた。また、刃先部の断面
組織から、膜構成（成分，膜厚）、微細孔の深さを測定
した。これらの観察・測定結果を表２に併記した。

【００２９】

【表２】 ＊注）液体ホーニング条件：#400アルミナ粉の懸濁液(3
0g/L)を0.2MPで噴射 浸漬条件：10%HCl中,10min 電解処理条件：5%H₂SO₄中,2.5V×0.05A/cm²×2.0min

【００３０】得られた本発明品１〜４と比較品１〜３の
被覆ドリルを用いて、被削材：Ｓ４５Ｃ，切削外周速
度：８０ｍ／ｍｉｎ，穴深さ：４０ｍｍ，湿式加工(エ
マルジョン型加工液使用)の条件で穴明け加工を連続し
て行った。刃先のチッピング発生、折損あるいは切り屑
詰まりによる急激なトルク上昇が発生するまでの加工可
能な穴数を表３に示す。４００穴加工まで正常であった
場合には、刃先の平均逃げ面摩耗量を併記した。

【００３１】

【表３】

【００３２】

【実施例２】耐摩耗工具用超硬合金素材（ＪＩＳでＶ３
０相当）を用い、全面を１４０＃と８００＃のダイヤモ
ンド砥石で粗研削と仕上げ研削加工して打抜き加工用の
パンチを作製した後、実施例１の本発明品３および比較
品３と同一の方法・条件で本発明５と比較品４の被覆パ
ンチを得た。これらを用いて、厚み：０．６ｍｍの亜鉛
鋼板を水溶性の加工液を使用して打ち抜き加工し、バリ
により不良品が発生するまでのショット数を測定した。
その結果、本発明品３が約１００万ショットであるのに
対し、比較品３は約５２万ショットであった。

【００３３】

【発明の効果】本発明の摺動性に優れる硬質膜およびそ
の被覆工具は、表３の結果で表されたように、微細孔が
液溜め効果を有するため潤滑性として作用し、摩擦摩耗
を低減させ、焼き付きや膜の剥離を防止するものであ
り、工具寿命の伸びは顕著であった。また、実施例２で
明らかなように加工液を使用した打ち抜き加工でのパン
チにおいても、約２倍の工具寿命をもたらした。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3C037 CC01 CC02 CC08 CC09 CC10 CC11 3C046 FF03 FF04 FF05 FF10 FF11 FF13 FF16 FF25 4K029 AA04 BA43 BA44 BA46 BA53 BA55 BA58 BB02 BC02 BD05 CA04 DC03 DC04 EA01 FA04

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】周期率表の４ａ、５ａ、６ａ族元素、アル
   ミニウム、シリコンの炭化物、窒化物、酸化物、硼化物
   およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた１種以上か
   らなる硬質膜において、該硬質膜の膜厚が１〜２０μｍ
   の単層または２以上の多層であって、開口径が０．５〜
   ５μｍである微細孔を有することを特徴とする摺動性に
   優れる硬質膜
2. 【請求項２】該微細孔が、深さが１．０μｍ以上であっ
   て、かつ微細孔深さが該硬質膜の平均膜厚との比で０．
   ０５〜１．００を満足することを特徴とする請求項１記
   載の摺動性に優れる硬質膜
3. 【請求項３】微細孔開口部の総面積が、硬質膜の総面積
   との比で０．０２〜０．２０であることを特徴とする請
   求項１または２記載の摺動性に優れる硬質膜
4. 【請求項４】硬質膜が、チタンの炭化物、窒化物、炭窒
   化物、およびチタンとアルミニウムとの複合窒化物、複
   合炭窒化物の少なくとも１種からなることを特徴とする
   請求項１、２または３記載の摺動性に優れる硬質膜
5. 【請求項５】微細孔部を除く硬質膜表面の面粗さが、Ｒ
   ａで０．２μｍ以下であることを特徴とする請求項１、
   ２、３または４記載の摺動性に優れる硬質膜
6. 【請求項６】基材に請求項１、２、３、４および５記載
   の硬質膜を被覆したことを特徴とする被覆工具
7. 【請求項７】上記基材が、超硬合金、サーメット、セラ
   ミックス、立方晶窒化硼素焼結体、硬質鋼、ハイスの中
   の少なくとも１種からなることを特徴とする請求項６記
   載の被覆工具