JP2008031517A - 被覆部材 - Google Patents

Abstract

【課題】
高速度切削、高送り切削、被削材の高硬度化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。
【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層は、（Ｍ_aＬ_b）Ｘ_c（但し、ＭはＣｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｖ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｙの中から選ばれた少なくとも１種の金属元素を示し、ＬはＭｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｂ，Ｓｉ，Ｓの中から選ばれた少なくとも１種の添加元素を示し、ＸはＣ，Ｎ，Ｏの中から選ばれた少なくとも１種の非金属元素を示し、ａはＭとＬとの合計に対するＭの原子比を示し、ｂはＭとＬとの合計に対するＬの原子比を示し、ｃはＭとＬとの合計に対するＸの原子比を示す。）と表され、ａ，ｂ，ｃは、それぞれ０．８５≦ａ≦０．９９、０．０１≦ｂ≦０．１５、ａ＋ｂ＝１、１．００＜ｃ≦１．２０を満足する硬質膜からなる被覆部材。
【選択図】図１

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。その中でも、特にチップ、ドリル、エンドミルに代表される切削工具や各種の耐摩耗工具、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、Ａｌ₂Ｏ₃などの被膜を被覆してなる被覆部材は、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。これまで被膜の特性を十分に発揮させるために、被膜の硬さや耐酸化性などについて改良されてきた。

硬質皮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、外３名、「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、高送り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、従来の被覆部材からなる切削工具では、近年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、硬さの高い被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。

本発明者は、（ＴｉＡｌ）Ｎ、（ＣｒＡｌ）Ｎ、（ＴｉＡｌＣｒ）Ｎなどの硬質膜を被覆した被覆部材の切削性能の向上に取り組んできたところ、硬質膜に、Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｂ，Ｓｉ，Ｓの中の少なくとも１種からなる添加元素を添加すると、硬質膜の結晶子の大きさが微細化して、結晶の安定性が増し、高温硬さが高くなり、耐摩耗性が向上するという知見とともに、硬質膜に含まれる非金属元素を多くすると耐酸化性が向上するという知見を得ることができた。本発明の硬質膜を被覆した被覆部材は、耐摩耗性および耐酸化性に優れるため、切削工具として用いると長寿命を実現できることを見出した。

すなわち、本発明の被覆部材は、基材の表面に、（Ｍ_aＬ_b）Ｘ_c（但し、ＭはＣｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｖ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｙの中から選ばれた少なくとも１種の金属元素を示し、ＬはＭｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｂ，Ｓｉ，Ｓの中から選ばれた少なくとも１種の添加元素を示し、ＸはＣ，Ｎ，Ｏの中から選ばれた少なくとも１種の非金属元素を示し、ａはＭとＬとの合計に対するＭの原子比を示し、ｂはＭとＬとの合計に対するＬの原子比を示し、ｃはＭとＬとの合計に対するＸの原子比を示す。）と表され、ａ，ｂ，ｃは、それぞれ０．８５≦ａ≦０．９９、０．０１≦ｂ≦０．１５、ａ＋ｂ＝１、１．００＜ｃ≦１．２０を満足する硬質膜を含む被膜を被覆したものである。

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、その中でも超硬合金がさらに好ましい。

本発明の硬質膜は、（Ｍ_aＬ_b）Ｘ_c（但し、ＭはＣｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｖ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｙの中から選ばれた少なくとも１種の金属元素を示し、ＬはＭｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｂ，Ｓｉ，Ｓの中から選ばれた少なくとも１種の添加元素を示し、ＸはＣ，Ｎ，Ｏの中から選ばれた少なくとも１種の非金属元素を示し、ａはＭとＬとの合計に対するＭの原子比を示し、ｂはＭとＬとの合計に対するＬの原子比を示し、ｃはＭとＬとの合計に対するＸの原子比を示す。）と表され、ａ，ｂ，ｃは、それぞれ０．８５≦ａ≦０．９９、０．０１≦ｂ≦０．１５、ａ＋ｂ＝１、１．０＜ｃ≦１．２を満足する。本発明の硬質膜は、耐摩耗性、耐酸化性に優れる。ａが０．８５未満になると耐酸化性が低くなり、ａが０．９９を超えると硬質膜の硬さが低下するので、０．８５≦ａ≦０．９９とした。ｂが０．０１未満になるとＬを添加する効果がなく結晶子が大きくなり硬質膜の硬さが低下し、ｂが０．１５を超えると耐酸化性が向上しないので、０．０１≦ｂ≦０．１５とした。ｃが１．００を超えて多くなると耐酸化性が向上し、ｃが１．２０を超えると硬質膜の硬さが低下するので、１．００＜ｃ≦１．２０とした。

本発明の硬質膜は、添加元素の効果により、結晶子の大きさが微細化しており、その結晶子の大きさが５〜１５ｎｍであると、耐摩耗性が向上するため、さらに好ましい。

なお、本発明の被膜は、本発明の硬質膜のみの単層膜、組成の異なる本発明の硬質膜を２層以上積層した複層膜、ＭはＣｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｖ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｙの炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなる膜と本発明の硬質膜とを積層した複層膜とすると耐摩耗性、耐酸化性に優れるため、好ましい。その中でも本発明の硬質膜を３層以上積層した複層膜とすると、さらに好ましい。本発明の被膜の平均膜厚は、０．０１μｍ以上になると耐摩耗性、耐酸化性が向上し、１０．０μｍを超えると耐欠損性が低下するため、０．０１〜１０．０μｍの範囲が好ましい。

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。

本発明の被膜および硬質膜は、アークイオンプレーティング装置（以下、ＡＩＰ装置という。）、スパッタリング装置などを用いて作製することができる。具体的には、基材の表面に、たとえばアークイオンプレーティングを使って基材温度２７３〜９７３Ｋ及び圧力０．５〜２．８Ｐａの雰囲気中で、アーク放電電圧２０〜１００Ｖ、基板バイアス−３０〜−２００Ｖという条件で硬質膜を被覆すると本発明の被覆部材が得られる。なお、硬質膜の膜質を向上させるためには、アーク電圧を高くして多価イオンを多く発生させることが有効である。アーク放電の制御方法としては、定電流制御と定電圧制御がある。定電流制御はアーク電圧を高くするとアーク電流も増加するため電源が大きくなるという問題がある。そのためアーク放電の制御方法は、定電圧制御が好ましい。

本発明の被覆部材は、耐摩耗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長寿命を実現するという効果を発揮する。その中でも高速度加工、高送り加工、硬さの高い被削材の加工など加工条件が厳しい切削加工において効果が高い。

基材として形状がＳＤＫＮ１２０３ＡＥＴＮのＫ２０相当超硬合金製チップを用意する。メタルボンバード用電極を含めて６極のターゲットを着装することが可能なＡＩＰ装置内に、基材を装入して圧力：１×１０^-3Ｐａまで真空排気を行った後、ＡＩＰ装置内のヒーターで７７３Ｋまで基材を加熱した。メタルボンバードは、圧力：１×１０^-2Ｐａ、基材のバイアス電位：−６００Ｖ、アーク電流：１００Ａ、時間：６分というボンバード条件で行った。表１〜３に示す膜構成の被膜を被覆した。被膜は、各膜の金属元素と添加元素の成分比を持つターゲットを用い、必要に応じてＮ₂、Ｏ₂、ＣＨ₄またはこれらの混合ガスを反応ガスとして導入し、圧力：０．６〜２．５Ｐａ、アーク電圧：ＤＣ変調３０〜７０Ｖ（定電圧制御）、基材バイアス電圧：−３０〜−８０Ｖというコーティング条件で被覆した。なお、比較品を作製する場合のメタルボンバードは発明品と同じボンバード条件とした。比較品は、圧力：３．０Ｐａ、アーク電流：１２０Ａ（定電流制御）、基材のバイアス電圧：−３０Ｖというコーティング条件で被覆した。

表１〜３に示した各被膜の化学組成に関しては、深さ方向の元素分析が迅速に出来るグロー放電型分析装置（ＧＤＳ）を使って測定した。なお、各被膜に含まれる金属元素と添加元素の合計に対する非金属元素の原子比については、熱ＣＶＤ法で作製した金属元素Ｔｉに対する非金属元素Ｎの原子比：Ｎ／Ｔｉ＝1のＴｉＮ膜（平均膜厚３μｍ）を基準にして算出した。

発明品１〜８、比較品１〜６の被覆超硬合金工具を用いて、被削材：ＳＣＭ４４０、切削速度：２１２ｍ／ｍｉｎ、切り込み：２．０ｍｍ、送り：０．２ｍｍ／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時の逃げ面摩耗量ＶＢを測定した。これらの結果を表４に示す。

寿命判定：ＶＢ＝０．３ｍｍ

表４に示されるように、発明品１〜８は、耐摩耗性に優れるため同じ切削長でも比較品１〜６よりも逃げ面摩耗量ＶＢが小さい。表４よりも発明品１〜８は、比較品１〜６よりも寿命が長いことが分かる。

被膜の結晶子の大きさを測定するために、５×５×０．１ｍｍの超硬合金基材を用意し、この基材の表面に発明品１と比較品１の被膜を被覆した試料を作製した。次にフォーカスイオンビーム（ＦＩＢ）を使って、試料の表面に対して垂直方向に切断して被膜断面を得た。得られた被膜断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を使って観察した。図１に発明品１の第２層(Ti_0.20Cr_0.20Al_0.57Si_0.03)N_1.09膜の透過型電子顕微鏡写真と、図２に比較品１の(Ti_0.50Al_0.50)N_1.00膜の透過型電子顕微鏡写真を示す。発明品１の第２層(Ti_0.20Cr_0.20Al_0.57Si_0.03)N_1.09膜の結晶子の大きさが５〜１５ｎｍであることと、比較品１の(Ti_0.50Al_0.50)N_1.00膜の結晶子の大きさが２０〜１００ｎｍであることを確認した。

市販のモリブデン基板に(Ti_0.20Cr_0.20Al_0.57Si_0.03)N_1.09膜を被覆して発明品９とした。また、市販のモリブデン基板に(Ti_0.50Al_0.50)N_1.00膜を被覆して比較品７とした。被膜の結晶構造の安定化を評価するために、大気中にて５００℃から１０００℃まで加熱し、Ｘ線回折法により結晶構造の変化を調べた。(Ti_0.20Cr_0.20Al_0.57Si_0.03)N_1.09膜を被覆した発明品９は、１０００℃まで立方晶のみが観察され、ほとんど変化が見られなった。一方、(Ti_0.50Al_0.50)N_1.00膜を被覆した比較品７は、８００℃以上になると立方晶のＸ線回折ピーク強度は低下し、軟質な六方晶のＸ線回折ピークが確認された。

発明品９と比較品７について１１００℃まで加熱可能な大気炉を用いて酸化試験を行った。化学天秤による重量変化、Ｘ線回折等による酸化物の生成、走査電子顕微鏡による被膜断面観察などから、酸化層の厚さを測定した。９００℃では、発明品９の(Ti_0.20Cr_0.20Al_0.57Si_0.03)N_1.09膜は酸化が見られず良好な状態を保持していた。一方、比較品７の(Ti_0.50Al_0.50)N_1.00膜の表面には、厚さ１μｍの酸化層が確認された。１０００℃では、発明品９の(Ti_0.20Cr_0.20Al_0.57Si_0.03)N_1.09膜の表面には、厚さ０．５μｍの酸化層が確認された。一方、比較品７の(Ti_0.50Al_0.50)N_1.00膜の表面には、厚さ２μｍの酸化層が確認され被膜の一部は剥離していた。１１００℃では、発明品９の(Ti_0.20Cr_0.20Al_0.57Si_0.03)N_1.09膜の表面にできた酸化層の厚さは１μｍになっていた。一方、比較品７は被膜全体が酸化し、被膜の一部はモリブデン基板から脱落していた。

発明品１の第２層(Ti_0.20Cr_0.20Al_0.57Si_0.03)N_1.09膜の透過型電子顕微鏡写真 比較品１の(Ti_0.50Al_0.50)N_1.00膜の透過型電子顕微鏡写真 真空中における被膜の押込み硬さに及ぼす温度の影響

Claims (2)

1. 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、（Ｍ_aＬ_b）Ｘ_c（但し、ＭはＣｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｖ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｙの中から選ばれた少なくとも１種の金属元素を示し、ＬはＭｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｂ，Ｓｉ，Ｓの中から選ばれた少なくとも１種の添加元素を示し、ＸはＣ，Ｎ，Ｏの中から選ばれた少なくとも１種の非金属元素を示し、ａはＭとＬとの合計に対するＭの原子比を示し、ｂはＭとＬとの合計に対するＬの原子比を示し、ｃはＭとＬとの合計に対するＸの原子比を示す。）と表され、ａ，ｂ，ｃは、それぞれ０．８５≦ａ≦０．９９、０．０１≦ｂ≦０．１５、ａ＋ｂ＝１、１．００＜ｃ≦１．２０を満足する硬質膜からなる被覆部材。
2. 硬質膜の結晶子の大きさが５〜１５ｎｍである請求項１に記載の被覆部材。
   

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