JP2006299422A - 表面被覆体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】付着力が高く、優れた耐摩耗性を発揮する硬質膜を具備した表面被覆体の製造方法を提供する。
【解決手段】基体と、当該基体の表面に少なくとも1層被覆された硬質膜とを備える表面被覆体の製造方法において、無機物粉末を含む成形体を焼成することにより硬質合金からなる基体を作製する焼成工程と、前記基体の表面に、イオンプレーティング法を用いて硬質膜を形成する成膜工程とを含み、前記成膜工程は、窒素:不活性ガス元素(He、Ne、Ar、Kr、Xe)=2:1〜30:1の比率の混合ガス雰囲気中において、バイアス電圧を初期の10〜50Vとし、その後、150〜300Vに変化させる。
【選択図】図1
【解決手段】基体と、当該基体の表面に少なくとも1層被覆された硬質膜とを備える表面被覆体の製造方法において、無機物粉末を含む成形体を焼成することにより硬質合金からなる基体を作製する焼成工程と、前記基体の表面に、イオンプレーティング法を用いて硬質膜を形成する成膜工程とを含み、前記成膜工程は、窒素:不活性ガス元素(He、Ne、Ar、Kr、Xe)=2:1〜30:1の比率の混合ガス雰囲気中において、バイアス電圧を初期の10〜50Vとし、その後、150〜300Vに変化させる。
【選択図】図1
Description
本発明は、基体の表面にTiを含む窒化物、窒酸化物、炭窒化物、炭窒酸化物の1種以上で構成される硬質膜で被覆した表面被覆体の製造方法に関する。
従来より、金属切削工具の耐摩耗性、耐欠損性を改善するために物理蒸着(PVD)法や化学蒸着(CVD)法によりTiC、TiN、TiCN等の硬質膜を被覆する手法が一般的に広く用いられている。
また、近年、加工コスト削減のために高速加工や高送り加工への対応要求が増すとともに、ステンレス鋼やニッケル基合金などの難削材への対応が要求されてきている。特に耐欠損性と耐摩耗性のバランスに優れ、使用量が年々増加してきているPVDコーティング工具用の硬質膜としては、最も普及したTiN、TiCをはじめ、Ti(C,N)、(Ti,Al)N膜等が商品化されている。
かかる切削工具に使用される硬質膜に関して、特許文献1では、Ti(C、N)成膜時に窒素とメタンやアセチレン等の鎖状炭化水素とアルゴン(Ar)の混合ガスを用い、混合ガス中のArガス流量比を変化させることによりTi(C、N)膜の炭素濃度が変化した膜を確実に作製できることが記載されている。
また、本出願人は、特許文献2において、硬質膜中に特定量の希ガス元素を添加することにより、膜の表面に高い圧縮応力を生ぜしめて高硬度で基体との密着性に優れた硬質膜を作製できることを提案した。
特開平6−25836号公報
特開平6−248420号公報
しかしながら、特許文献1に記載されているように成膜中に所定量の希ガス成分を添加する方法では、硬質膜の硬度を高めて膜の耐摩耗性を向上することはできるものの、膜の耐欠損性が十分でなく、例えば切削工具として用いた場合には、切削初期から硬質膜の切刃部分にチッピングや欠損が発生して加工面精度が悪化したり、摺動性が悪くて切屑処理に問題があった。また、特許文献2に記載されている硬質膜被覆部材では、耐欠損性が必ずしも十分ではなかった。
本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、高い耐摩耗性を有すると共に、高い耐欠損性および摺動性を有する表面被覆体の製造方法を提供することである。
本発明者が上記問題に対して考察した結果、窒素と不活性ガス元素との比率を調整した混合ガス雰囲気中で、バイアス電圧を制御することにより、硬質膜の耐チッピング性および摺動性が向上し、被覆体としての耐欠損性および耐摩耗性が向上することを知見した。
すなわち、基体と、当該基体の表面に少なくとも1層被覆された硬質膜とを備える表面被覆体の製造方法において、無機物粉末を含む成形体を焼成することにより硬質合金からなる基体を作製する焼成工程と、前記基体の表面に、イオンプレーティング法を用いて硬質膜を形成する成膜工程とを含み、前記成膜工程は、窒素:不活性ガス元素(He、Ne、Ar、Kr、Xe)=2:1〜30:1の比率の混合ガス雰囲気中において、バイアス電圧を初期の10〜50Vとし、その後、150〜300Vに変化させることを特徴とする。
本発明によれば、窒素と不活性ガス元素との比率を調整した混合ガス雰囲気中で、バイアス電圧を制御することによって、硬質膜の耐衝撃性および膜表面の摺動性を向上させることができる。これにより、耐チッピング性が向上し、被覆体としての耐欠損性および耐摩耗性が向上する。
以下、本発明の表面被覆体を切削工具に適用した場合について説明する。図1は、本発明の一実施形態にかかる被覆切削工具(以下、単に工具と略すことがある)を示す部分概略断面図である。図1に示す被覆切削工具1は、基体2の表面に、少なくともTiを含む窒化物、窒酸化物、炭窒化物および炭窒酸化物から選ばれる1種以上で構成される硬質膜3を、少なくとも1層被覆したものである。
硬質膜3は、不活性ガス元素(He、Ne、Ar、Xe、Kr、Rn)の少なくとも1種以上を0.01質量%〜1質量%含有するとともに、X線回折法(XRD)で検出されたピークのうち、結晶の(111)面に起因するピークの強度が最大であることを特徴としている。これによって、硬質膜3の耐衝撃性を高めて工具1の耐欠損性を向上させることができるので、膜のチッピングや工具損傷を防ぐことができる。
硬質膜3に含有される不活性ガスの量は0.01〜1.0質量%であることが結晶成長方向の制御が可能であり、かつ硬質膜の硬度と耐衝撃性を両立できる点で望ましく、特に0.05〜0.5質量%の範囲であることが望ましい。硬質膜3中の不活性ガスの定量は、EPMA(電子プローブ微小分析)や、XPS(X線光電子分光分析)、AES(オージェ電子分光分析)などで行うことが可能である。
また、硬質膜3のX線回折法で検出されたピークのうち、2番目に強い強度を持つピークが(200)面に起因するものであることが、硬質膜3の摺動性を高め、耐摩耗性、切屑処理性、加工精度を向上することができるため望ましい。
さらに、X線回折法で検出されたピークのうち、(111)面に起因するピーク強度Aと(200)面に起因するピーク強度Bとの比を1.1<(A/B)<10.0に制御することによって、硬質膜3の付着力を低下させることなく高い硬度を得ることができ、耐摩耗性を向上させることができるため望ましい。
また、硬質膜3中にArおよびKrの少なくとも一方を必須として含有することによって、被膜の固溶強化が図られ、具体的には硬度と被膜破壊強度が向上するという効果を得ることができるため望ましい。特に、Krを必須として含有することで硬質膜3の硬度および被膜破壊強度がより向上するため望ましい。さらに、上記ArやKrに加えて、HeおよびNeから選ばれた不活性ガス元素を1種以上含むことが、さらに硬質膜3の付着力を高めることができ、被膜剥離に起因するチッピングや異常摩耗等の工具損傷を防ぐ効果があるため望ましい。
さらに、硬質膜3の表面から硬質膜3の膜厚の10%内部での位置(図1の線L)の不活性ガスの量Xと、硬質膜3と基体2の界面から硬質膜3の膜厚の10%内部での位置(図1の線M)の不活性ガスの量Yとの比率X/Yが0.5〜1.5の範囲にあるのが好ましい。すなわち、硬質膜3の表面から硬質膜3の膜厚の10%に相当する厚み分だけ内部の位置における不活性ガスの量Xと、硬質膜3と基体2の界面から硬質膜3の膜厚の10%に相当する厚み分だけ内部の位置における不活性ガスの量Yとの比率X/Yが0.5〜1.5であるのが好ましい。このように硬質膜3中の不活性ガス元素の分布をほぼ均一にすることにより硬質膜3の付着強度が低下することなく安定した高い付着力を得る効果がある。比率X/Yの特に望ましい範囲は0.7〜1.2である。
また、硬質膜3と基体2の界面から硬質膜3の膜厚の10%内部の位置から、硬質膜3と基体2の界面に向かって、不活性ガスの含有量が漸次減少しているのが好ましい。すなわち、硬質膜3と基体2の界面から硬質膜3の膜厚の10%に相当する厚み分だけ内部の位置から、硬質膜3と基体2の界面に向かって、不活性ガスの含有量が漸次減少するのが好ましい。これにより、不活性ガスを導入したことによる基体2と硬質膜3との密着力の低下を防ぎ、膜剥離を防止することができるため望ましい。硬質膜3の特定位置における不活性ガス量は、被膜断面から微小領域の測定が可能なEPMA、XPS、AESなどで測定が可能である。また、TEM(透過型電子顕微鏡)を使っても測定することができる。
硬質膜3は、さらにAlを含有するものであることが、耐酸化性が高く、かつ耐摩耗性が高い点で望ましく、中でもTiとAlの窒化物である(Ti,Al)Nを用いることが耐摩耗性、耐欠損性および高温での硬度、耐酸化性に優れるため望ましい。
また、硬質層3の膜厚は0.1〜10μm、特に、0.5〜5μmとするのが好ましい。これにより、膜の付着力を損ねることなく十分な耐摩耗性を得ることができる。
基体2は、WCを主成分とした硬質相とCoを主成分とした結合相からなる超硬合金、Tiの炭化物、窒化物、炭窒化物などを主成分としたサーメット、窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム等を主体とするセラミックス、多結晶ダイヤモンドまたは立方晶窒化ホウ素を硬質相とし、Co,Ni等の金属や窒化チタン、炭化チタン等のセラミックスを結合相として超高圧焼成した超高圧焼結体、金属や合金などからなる。
なお、上記実施形態では表面被覆体を切削工具に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、掘削工具、刃物等の他の工具、摺動部品や金型等の耐摩部品、耐衝撃部品等の各種用途へ応用可能である。中でも切削工具として用いた場合には上述した優れた効果を発揮することができるものである。
(製造方法)
本発明の一実施形態である上記切削工具の製造方法の一例について説明する。
本発明の一実施形態である上記切削工具の製造方法の一例について説明する。
まず、上述した基体を焼成によって形成しうる金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等の無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末等を適宜添加、混合し、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の工具形状に成形する。その後、この成形体を真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成することによって上述した硬質合金からなる基体2が得られる。なお、基体2は金属または合金であってももちろんよい。
ついで、基体2の表面に、例えばイオンプレーティング法を用いて硬質膜3を成膜する。硬質膜3の成膜条件は、硬質膜3を構成する材料に応じて適宜設定すればよい。例えば、(Ti、Al)N膜を成膜する基本的な条件は、成膜時のガス圧力を1〜10Pa、バイアス電圧を10〜300V、成膜温度を500〜600℃に制御するのがよい。
特に、本発明では、成膜時のバイアス電圧を初期1分間程度のみ10〜50Vとし、その後の成膜においてはバイアス電圧を150〜300Vへと変化させることによって、硬質膜3中の不活性ガス含有量を所定の範囲内に制御することができるとともに、硬質膜3のX線回折法で検出されたピークのうち、結晶の(111)面に起因するピークの強度を最大とすることができる。
また、成膜時のバイアス電圧を低電圧から高電圧へ漸次変更することにより、硬質膜内に存在する不活性ガスの量を制御することができる。この場合、前記硬質膜と基体の界面から被膜の表面に向かって不活性ガスの含有量が漸次増加する。
また、特に、成膜時に導入する反応ガスとしては、窒素と不活性ガスとの流量比率が、窒素:不活性ガス=2:1〜30:1、好ましくは2:1〜10:1となるように混合した窒素と不活性ガスの混合ガスを使用するのがよい。この混合ガスをプラズマが発生した真空チャンバー内に導入することで、硬質膜中に安定して不活性ガスを含有させることができる。また、不活性ガスを複数種類使用する場合は、窒素の流量と不活性ガスの合計流量の比率を上記比率に調整する。
また、使用するターゲットは、(Tix,Al1−x)からなる組成(x:0.4〜0.7)のチタンアルミ合金を用いるのがよい。
なお、上記実施形態では、本発明を切削工具に適用する場合について説明したが、本発明の表面被覆体は、上記実施形態に限定されるものではなく、耐摩耗性、耐欠損性、摺動性などが要求される種々の用途に適用可能である。また、本発明では、基体の表面に被覆される硬質膜が基体全体に被覆されていてもよく、耐摩耗性、耐欠損性、摺動性などが要求される基体の一部にのみ被覆されていてもよい。
平均粒径0.7μmのWC粉末87質量%、Co粉末10質量%、TiC粉末2質量%、NbC粉末1質量%を粉砕、混合し、得られた混合粉末をプレス成形にてCNMA120408形状に成形し、真空雰囲気で焼成して超硬合金基体を作製した。得られた超硬合金基体をカソードアーク方式のイオンプレーティング装置に入れて、基体温度500℃、アーク定常電流を150Aとして表1に示す条件でアーク電流を変化させて厚さ2μmの(Ti,Al)N組成からなる硬質膜を成膜し、スローアウェイチップを得た。なお、表中の初期バイアス電圧をかけた時間は1分、定常状態バイアス電圧をかけた時間は20分で一定とした。
また、得られたチップを切断し、そのチップの切刃近傍における断面の硬質膜について、WDS(波長分散)方式の分析装置を使用しEPMA法を用いて、含有される不活性ガス量を定量した。結果は表2に示した。また、表面から膜厚の10%内部の位置での不活性ガスの量Xと、基体と硬質膜の界面から膜厚の10%内部の位置での不活性ガス量Yとを微小領域AESで測定し、不活性ガス量の比率X/Yを算出した。また、同時に、硬質膜と基体の界面から硬質膜の膜厚の10%に相当する厚み分だけ内部の位置から、硬質膜と基体の界面に向かって、不活性ガスの含有量が漸次減少する傾斜組成であるかどうかの確認を行った。結果は表2に示した。GDS(GD−OES:高周波グロー放電発光表面分析装置)等を用いても深さ方向に元素分布プロファイルを測定することが可能である。
さらに、チップのすくい面にX線回折分析(XRD)を行い、硬質膜の検出ピークを確認した。検出結果より、(111)面を示すピークの強度をA、(200)面を示すピークの強度をBとしたときのA/Bの値を求めた。結果は表2に示した。
また、得られたチップにて下記条件で切削テストを行った。結果は表3に示した。
(摩耗試験)
<切削条件>
切削方法:旋削
被削材 :S45C材
切削速度:250m/分
送り :0.4mm/rev
切り込み:2mm
切削状態:乾式切削
評価方法:10分間切削した際のフランク摩耗、ノーズ摩耗の測定
(断続評価)
<切削条件>
切削方法:旋削
被削材 :S45C 4本溝つき
切削速度:200m/分
送り :0.4m/rev
切り込み:2mm
切削状態:湿式
評価方法:刃先が欠損した際の被削材溝による衝撃回数を測定。
<切削条件>
切削方法:旋削
被削材 :S45C材
切削速度:250m/分
送り :0.4mm/rev
切り込み:2mm
切削状態:乾式切削
評価方法:10分間切削した際のフランク摩耗、ノーズ摩耗の測定
(断続評価)
<切削条件>
切削方法:旋削
被削材 :S45C 4本溝つき
切削速度:200m/分
送り :0.4m/rev
切り込み:2mm
切削状態:湿式
評価方法:刃先が欠損した際の被削材溝による衝撃回数を測定。
表2、3より、硬質膜中に不活性ガス元素が検出されなかった試料No.7、9では、早期に硬質膜が剥離してしまい、チッピング等によって欠損してしまった。
一方、硬質膜中に不活性ガス元素が過剰に含有されている試料No.8では、耐摩耗性、耐欠損性が共に悪かった。
他方、硬質膜中に不活性ガス元素が検出されたが最強ピークが(111)面となっていない試料No.10では、耐摩耗性が悪く、工具寿命の短いものであった。
これに対し、本発明の範囲内であり、不活性ガス元素(He、Ne、Ar、Xe、Kr、Rn)の1種類以上を0.01質量%〜1質量%含むとともに、X線回折法で検出されたピークのうち、結晶の(111)面に起因するピークの強度が最大である試料No.1〜6では、硬質膜にチッピングや膜剥離が発生せず、かつ、高い耐摩耗性を有し、非常に長寿命な工具となった。
1:表面被覆体
2:基体
3:硬質膜
L:表面から前記硬質膜の厚みの10%内部での位置
M:硬質膜と基体の界面から硬質膜厚みの10%内部での位置
2:基体
3:硬質膜
L:表面から前記硬質膜の厚みの10%内部での位置
M:硬質膜と基体の界面から硬質膜厚みの10%内部での位置
Claims (4)
- 基体と、当該基体の表面に少なくとも1層被覆された硬質膜とを備える表面被覆体の製造方法において、
無機物粉末を含む成形体を焼成することにより硬質合金からなる基体を作製する焼成工程と、
前記基体の表面に、イオンプレーティング法を用いて硬質膜を形成する成膜工程とを含み、
前記成膜工程は、窒素:不活性ガス元素(He、Ne、Ar、Kr、Xe)=2:1〜30:1の比率の混合ガス雰囲気中において、
バイアス電圧を初期の10〜50Vとし、その後、150〜300Vに変化させることを特徴とする表面被覆体の製造方法。 - 前記成膜工程は、成膜時のガス圧力を1〜10Paで行なうことを特徴とする請求項1に記載の表面被覆体の製造方法。
- 前記成膜工程は、成膜時の成膜温度を500〜600℃で行うことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の表面被覆体の製造方法。
- 前記成膜工程は、初期のバイアス電圧を約1分間保持した後、漸次電圧を上げていくことを特徴とする請求項1乃至3に記載の表面被覆体の製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2006195931A JP2006299422A (ja) | 2004-10-26 | 2006-07-18 | 表面被覆体の製造方法 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008254116A (ja) * | 2007-04-04 | 2008-10-23 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 表面被覆切削工具 |
JP2011500959A (ja) * | 2007-10-10 | 2011-01-06 | インテリジェント システム インク. | 電圧可変型薄膜蒸着方法及び装置 |
-
2006
- 2006-07-18 JP JP2006195931A patent/JP2006299422A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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