JP2005288582A

JP2005288582A - 被覆部材

Info

Publication number: JP2005288582A
Application number: JP2004104538A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Watanabe; 敏行渡邊
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】乾式切削加工、高速切削加工などの厳しい切削条件下で使用される切削チップ、ドリル、エンドミルなどの切削工具、高温環境で使用される耐摩耗工具、摺動部品等の寿命を延長させる潤滑性に優れた被覆部材の提供を目的とする。
【解決手段】
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層を周期律表１ａ，２ａ族元素の中から選ばれた少なくとも１種と、周期律表７ｂ族元素の中から選ばれた少なくとも１種と、酸素とからなる潤滑膜とした被覆部材は、潤滑性に優れる。そのため、乾式切削加工、高速切削加工などの厳しい切削条件下で使用される切削チップ、ドリル、エンドミルなどの切削工具、高温環境で使用される耐摩耗工具、摺動部品等の寿命を延長することができる。

Description

本発明は、切削チップ、ドリル、エンドミルなどの切削工具、耐摩耗工具、摺動部品などに使用される被覆部材に関する。

ＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＣ，（ＴｉＡｌ）Ｎ，Ａｌ₂Ｏ₃などの硬質膜を被覆した被覆部材が、切削工具、耐摩耗工具または摺動部品に使用され、これらの寿命延長に貢献している。しかし、切削油あるいは潤滑油を使用しないドライ条件では、摩擦に伴う応力や熱の発生によって硬質膜が剥離や酸化を起こすために、寿命延長が困難であると言う問題がある。そこで潤滑膜を被覆することにより、摩擦係数の低下させ、潤滑性、耐溶着性を付与して寿命延長を図る被覆部材がある。潤滑膜を被覆した被覆部材の従来技術としては、基材表面にフッ化カルシウムなどのフッ化物含有膜を被覆した被覆部材がある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−３２１７６３号公報

基材表面にフッ化カルシウムなどのフッ化物含有膜を被覆した被覆部材は、高温下での潤滑性に優れるものの、摩耗やすく、被削材の仕上げ面品位が劣るという問題がある。本発明は、こうした問題を解決するものであり、乾式切削加工、高速切削加工などの厳しい切削条件下で使用される切削チップ、ドリル、エンドミルなどの切削工具、高温環境で使用される耐摩耗工具、摺動部品等の寿命を延長させる潤滑性に優れた被覆部材の提供を目的とする。

本発明者は、潤滑性にすぐれた被覆部材について研究を行った結果、基材の表面に被覆した周期律表１ａ、２ａ族元素のハロゲン化物膜に酸素を含有させると、耐摩耗性に優れ、切削工具として用いたとき被削材の仕上げ面に光沢が得られるという知見を得た。

すなわち、本発明は、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、周期律表１ａ，２ａ族元素の中から選ばれた少なくとも１種と、周期律表７ｂ族元素の中から選ばれた少なくとも１種と、酸素とからなる潤滑膜である被覆部材である。

本発明被覆部材の潤滑膜は、周期律表１ａ，２ａ族元素の中から選ばれた少なくとも１種と、周期律表７ｂ族元素の中から選ばれた少なくとも１種と、酸素とからなる。周期律表１ａ，２ａ族元素のハロゲン化物は潤滑性に優れるが、これらのハロゲン化物に酸素を添加することによって潤滑性を低下させずに耐摩耗性を向上させることができた。酸素を添加することで潤滑膜結晶を微細化して耐チッピング性を向上させる効果もある。本発明被覆部材を切削工具として用いた場合、被削材の仕上げ面に光沢が見られる。これは、被削材表面と潤滑膜が反応もしくは潤滑膜に含まれる周期律表１ａ、２ａ族元素が被削材表面に拡散して被削材の快削性を向上させるためと考えられる。本発明の潤滑膜として具体的には、Ｌｉ（Ｆ_0.9，Ｏ_0.1）_0.9，Ｃａ（Ｆ_0.9，Ｏ_0.1）_1.9，Ｍｇ（Ｆ_0.9，Ｏ_0.1）_1.9などを挙げることができる。本発明の潤滑膜の中でも、周期律表１ａ、２ａ族元素のハロゲン化物の中から選ばれた２種以上と、周期律表７ｂ族元素の中の１種以上と、酸素とからなる潤滑膜は、基材または下地膜との密着性に優れるため好ましい。潤滑膜の平均膜厚は０．０５〜５μｍが好ましい。これは、０．０５μｍ未満では潤滑性向上の効果が少なく、５μｍを超えると剥離しやすくなるためである。

本発明被覆部材の潤滑膜をＡ（Ｈａ_x，Ｏ_y）_zと表したとき、Ａは周期律表１ａ，２ａ族元素の中から選ばれた少なくとも１種を表し、Ｈａは周期律表７ｂ族元素の中から選ばれた少なくとも１種を表し、Ｏは酸素を表し、ｘは周期律表７ｂ族元素と酸素の合計に対する周期律表７ｂ族元素の原子比を表し、ｙは周期律表７ｂ族元素と酸素の合計に対する酸素の原子比を表し、ｚは周期律表１ａ，２ａ族元素に対する周期律表７ｂ族元素と酸素の合計の原子比を表し、ｘ、ｙ、ｚは、それぞれ、ｘ＋ｙ＝１、０．８０≦ｘ≦０．９５、０．０５≦y≦０．２０、０．８≦ｚ≦２．０を満足すると好ましい。ｙが０．０５以上になると酸素添加による耐摩耗性向上の効果が見られるが、ｙが０．２０を超えると潤滑膜内にボイド（空隙）が発生して耐摩耗性を低下させる。ｚが０．８未満になると金属成分（Ａ）と非金属成分（ＨａおよびＯ）との化学量論組成比から大きく外れて結晶性が低下して耐摩耗性を低下させ、ｚが２．０を超える被膜を作製することは実用上難しい。なお、Ａが周期律表１ａ族を主成分とするときは０．８≦ｚ≦１．０が好ましく、Ａが周期律表２ａ族を主成分とするときは１．６≦ｚ≦２．０が好ましい。

本発明被覆部材の潤滑膜は、立方晶からなる立方晶潤滑膜であり、Ｘ線回折測定における立方晶潤滑膜の（２００）面のＸ線回折ピークの半価幅は、０．４〜１．８度であると好ましい。潤滑膜が立方晶からなる立方晶潤滑膜であると硬さが高く耐摩耗性に優れる。潤滑膜の酸素含有量を増加させると半価幅が増加する。半価幅が０．４度以上を示すように酸素を添加させると耐摩耗性を向上させ、半価幅が１．８度を超えるほど酸素を添加させると潤滑膜内にボイドが発生して耐摩耗性を低下させる。

本発明被覆部材の被膜の少なくとも１層は、周期律表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少なくとも１種からなる硬質膜であると、耐摩耗性を高くできるため好ましい。硬質膜として具体的には、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ，Ｏ）、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、（Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂などを挙げることができる。基材に近い内層を硬質膜、表面側の外層を潤滑膜とすると、被膜の耐摩耗性を向上させるため、さらに好ましい。硬質膜の平均膜厚が１μｍ未満のとき耐摩耗性を向上させる効果は小さく、逆に２０μｍを超えて厚くなると被膜が剥離しやすくなるとともに、被覆部材の強度を低下させる。そのため硬質膜の平均膜厚は、１〜２０μｍが好ましい。また潤滑膜と接する硬質膜は、面心立方構造であり、かつ、Ｘ線回折測定における面心立方構造の硬質膜の（１１１）面のＸ線回折強度Ｉｈ（１１１）に対する面心立方構造の硬質膜の（２００）面のＸ線回折強度Ｉｈ（２００）の強度比（Ｉｈ（２００）／Ｉｈ（１１１））が２以上、実用上２〜３０であると、硬質膜と潤滑膜との密着性が高くなるため、特に好ましい。

本発明被覆部材の基材は、特に限定されないが、耐摩耗性を重視する用途には、耐摩耗性に優れた、ＷＣ−Ｃｏ系，ＷＣ−（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ−Ｃｏ系，ＷＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系に代表される超硬合金、ＴｉＣ−Ｍｏ−Ｎｉ系，ＴｉＣＮ−ＷＣ−ＴａＣ−Ｎｉ−Ｃｏ系などのサーメット、Ａｌ₂Ｏ₃系，Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ系，Ｓｉ₃Ｎ₄系などのセラミックス、立方晶窒化硼素焼結体、高速度鋼、工具鋼が好ましい。

本発明被覆部材の用途の一つとして、切削チップ、ドリル、エンドミルに代表される切削工具、耐摩耗工具、摺動部品などを挙げることができる。その中でも、本発明被覆部材を切削工具として用いると優れた潤滑性を示すため特に好ましい。焼結合金の切削加工などに利用されると非常に好ましい。

本発明被覆部材を切削工具として用いる場合には、切削工具の切れ刃稜線から１ｍｍ離れたすくい面における潤滑膜の平均膜厚をｄｒと表し、切削工具の切れ刃稜線から１ｍｍ離れた逃げ面における潤滑膜の平均膜厚をｄｆと表したとき、ｄｒに対するｄｆの膜厚比（ｄｆ／ｄｒ）は０．０５〜２０であると好ましい。（ｄｆ／ｄｒ）が０．０５未満、または、（ｄｆ／ｄｒ）が２０を超えると、切削加工時に、膜厚が薄いすくい面または膜厚が薄い逃げ面において被膜の摩耗が進行し、逃げ面とすくい面のバランスの欠いた摩耗により溶着と欠損が著しくなるためである。

本発明被覆部材の製造方法としては、例えば、基材に物理蒸着法または化学蒸着法によって潤滑膜を被覆する方法を挙げることができる。物理蒸着法によって潤滑膜を被覆する方法として具体的には、アンバランスドマグネトロン装置を用いて、Ａ（Ｈａ_x，Ｏ_y）_zで示される金属化合物をターゲットとし、これに直流パルス電圧、高周波電圧、もしくはマイクロ波電圧を印加して潤滑膜を被覆する方法、または、ＡＨａ_zで示される金属化合物をターゲットとし、酸素ガスを供給しながら、ターゲットに直流パルス電圧、高周波電圧、もしくはマイクロ波電圧を印加して潤滑膜を被覆する方法を挙げることができる。内層として硬質膜、外層に潤滑膜を被覆する場合、連続プロセスで成膜すると密着性を高めるため好ましい。連続プロセスで成膜する装置として具体的には、真空槽に硬質膜を形成するためのアーク式イオンプレーティング装置と、潤滑膜を形成するためのアンバランスドマグネトロン装置の両方を備えた被覆装置を挙げることができる。

本発明被覆部材は潤滑性と耐摩耗性に優れる。本発明被覆部材を切削工具として用いた場合、高速加工時でも潤滑性と耐摩耗性が低下しにくく、光沢のある被削材の仕上げ面を得ることができる。

基材として、市販の超硬合金製ソリッドドリル（φ８．０ｍｍ、Ｐ３０相当、組成：ＷＣ−８ｗｔ％Ｃｏ−１０ｗｔ％（Ｔａ、Ｔｉ）Ｃ，硬さ：ＨＲＡ＝９１．５）を準備した。硬質膜と本発明の潤滑膜を被覆処理するため、硬質膜を被覆するアーク式イオンプレーティング法のターゲット２極を装備し、かつ本発明の潤滑膜を被覆するアンバランスドマグネトロン法のターゲット１極を装備した複合型ＰＶＤ装置を用意した。

基材ドリルは、まず前処理として、スケールや汚れをブラシで除去した後、脱脂洗浄した。このドリルを清浄な治具に固定し、複合型ＰＶＤ装置内に挿入して１×１０^-3Ｐａまで予備排気し、真空中５００℃に加熱して表面に付着した水分を除去した。さらにＡｒガスを１Ｐａまで導入し、ドリルに対し、−６００Ｖのバイアス電圧をかけて３０分間保持することにより、ドリルをスパッタエッチングして、表面を清浄化した。次いで、表１に示した被覆条件（ガス成分と流量，バイアス電圧，処理時間）でもって内層に硬質膜、外層に潤滑膜を順次被覆処理することよって、本発明品１〜３と比較品１〜３のドリルを得た。

本発明品１〜３、比較品１〜３の外層潤滑膜をＡ（Ｈａ_x、Ｏ_y）_z（ただし、ｘ＋ｙ＝１）と表したとき、ＥＤＸ（Ｘ線エネルギー分散法）によって周期律表７ｂ族元素（ハロゲン元素）と酸素の合計に対する酸素の原子比ｙと、金属成分（周期律表１ａ，２ａ族元素）に対する非金属成分（周期律表７ｂ族元素と酸素）の原子比ｚを求めて、その値を表２に記載した。さらに本発明品１〜３、比較品１〜３について、切れ刃稜線から１ｍｍ離れたすくい面における硬質膜と潤滑膜の平均膜厚ｄを測定した。また、切れ刃稜線から１ｍｍ離れたにすくい面おける潤滑膜の膜厚ｄｒと逃げ面における潤滑膜の膜厚ｄｆを測定して膜厚比（ｄｆ／ｄｒ）を求めた。さらに、ＣｕＫα線を用いたＸ線回折測定を行い、潤滑膜の立方晶（２００）面（２θ：４４〜４６度）の半価幅（度）を測定した。次いで硬質膜の立方晶（２００）面のＸ線回折強度Ｉｈ（２００）と立方晶（１１１）面のＸ線回折強度Ｉｈ（１１１）をそれぞれ測定して、強度比（Ｉｈ（２００）／Ｉｈ（１１１））を求めた。これらの値は表２に記載した。

得られた本発明品１〜３と比較品１〜３のドリルを用いて、被削材：Ｓ４５Ｃ，切削外周速度：１００ｍ／ｍｉｎ，穴深さ：５０ｍｍ，乾式加工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。２００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。

酸素の原子比ｙが０．０２〜０．０６の本発明品１〜３は、比較品１〜３に比較して加工可能な穴数が３〜１３倍多い。

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、周期律表１ａ，２ａ族元素の中から選ばれた少なくとも１種と、周期律表７ｂ族元素の中から選ばれた少なくとも１種と、酸素とからなる潤滑膜である被覆部材。
潤滑膜は、Ａ（Ｈａ_x、Ｏ_y）_zと表され、Ａは周期律表１ａ，２ａ族元素の中から選ばれた少なくとも１種を表し、Ｈａは周期律表７ｂ族元素の中から選ばれた少なくとも１種を表し、Ｏは酸素を表し、ｘは周期律表７ｂ族元素と酸素の合計に対する周期律表７ｂ族元素の原子比を表し、ｙは周期律表７ｂ族元素と酸素の合計に対する酸素の原子比を表し、ｚは周期律表１ａ，２ａ族元素に対する周期律表７ｂ族元素と酸素の合計の原子比を表し、ｘ、ｙ、ｚは、それぞれ、ｘ＋ｙ＝１、０．８０≦ｘ≦０．９５、０．０５≦y≦０．２０、０．８≦ｚ≦２．０を満足する請求項１に記載の被覆部材。
潤滑膜は、立方晶潤滑膜であり、Ｘ線回折測定における立方晶潤滑膜の（２００）面のＸ線回折ピークの半価幅は、０．４〜１．８度である請求項１または２に記載の被覆部材。
被膜の少なくとも１層は、周期律表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少なくとも１種からなる硬質膜である請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆部材。
基材は、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、高速度鋼および工具鋼の中から選ばれた１種からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆部材。
被覆部材は、切削工具として用いられる請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆部材。
切削工具の切れ刃稜線から１ｍｍ離れたすくい面における潤滑膜の平均膜厚をｄｒと表し、切削工具の切れ刃稜線から１ｍｍ離れた逃げ面における潤滑膜の平均膜厚をｄｆと表したとき、ｄｒに対するｄｆの膜厚比（ｄｆ／ｄｒ）は０．０５〜２０である請求項６に記載の被覆部材。