JP2580330B2 - 耐摩耗性皮膜 - Google Patents
耐摩耗性皮膜Info
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Description
工に使用される工作工具の表面コーティング材として有
用な耐摩耗性皮膜に関するものである。
耐摩耗性等の性能をより優れたものとする目的で、工具
基材の表面にTi等の窒化物や炭化物よりなる耐摩耗性皮
膜を形成することが行なわれている。
来よりCVD法(化学的蒸着法)およびPVD法(物理的蒸着
法)が知られている。しかし前者の方法では母材が高温
処理に曝される為母材特性が劣化するおそれがあり、母
材特性も重要視される工具の場合は後者の方法が好まれ
る傾向がある。
できる高周波放電プラズマCVD法,反応性イオンプレー
ティング法,スパッタリング法等が採用されるに至って
いる。
法によるTiNやTiCが汎用されており、特に高温耐酸化性
(耐熱性)の優れたTiN膜が広く実用化されている。即
ちTiNはTiCより耐熱性に優れている為、切削時の加工熱
や摩擦熱によって昇温する工具すくい面をクレータ摩耗
から保護する機能を発揮する。しかしTiNはTiCに比べて
低硬度である為被削材と接する逃げ面に発生するフラン
ク摩耗に対してはむしろ脆弱であり、フランク摩耗に対
してはTiCの方が高い耐久性を示す。
削条件がより過酷化する傾向にある為、上記した様な従
来のTiN皮膜程度ではこの要請に応えきれなくなってい
る。
プレーティング法やスパッタリング法によるTiAlN,TiAl
C,或はTiAlCN等の皮膜が提案された[特開昭62−56565,
J.Vac.Sci.Technol.A第4(6)巻,1986年,第2717頁,
およびJ.of Solid State Chemistry,70,1987年,第318
〜322頁]。
あるので、基材表面と皮膜間には、CVD法において見ら
れた様な熱による拡散層は存在しない。従ってPVD法に
よって形成された皮膜は、CVD法によって形成された皮
膜に比べて密着性が劣るのが一般的である。
う観点から、皮膜を厚膜化する傾向が見られるが、厚膜
化するにつれて皮膜の内部応力が増大し、皮膜にクラッ
クが発生したり膜密着性が低下して皮膜剥離の原因にな
る。尚TiN皮膜に代わり得る高耐摩耗性皮膜として、(A
l,Ti)(N,C)系皮膜が提案されていることは上述した
通りであるが、これらの皮膜はTiN皮膜に比べて内部応
力が2倍以上も高くなるので、TiN皮膜を形成する場合
よりもできるだけ薄い膜厚を形成して実用されている。
優れた特性を十分に発揮し得る様な、皮膜形成技術の改
善が望まれている。
て、比較的低温条件で製膜することができると共にそれ
にもかかわらず、密着性や膜強度に優れ、しかもクレー
タ摩耗やフランク摩耗に対する抵抗力の優れた耐摩耗性
皮膜を提供することを目的とするものである。
≦X≦0.6)で示される化学組成からなり、層厚が0.3〜
6μmの皮膜層が基材表面に形成されると共に、(AlyT
i1-y)(NzC1-z)(但し0.05≦y≦0.75,0.6≦z≦1)
で示される化学組成からなり、層厚が0.6〜8μmの皮
膜層が最上層に形成され、少なくとも2層からなる点に
要旨を有する耐摩耗性皮膜である。
(但し0≦X≦0.6)で示される化学組成からなる皮膜
層を基材表面に形成することによって基材表面との密着
性が達成されると共に、(AlyTi1-y)(NzC1-z)(但し
0.05≦y≦0.75,0.6≦z≦1)で示される化学組成から
なる皮膜層を最上層に形成することによって、膜強度に
おいて優れた耐摩耗性皮膜が実現できることを見出し、
本発明を完成した。尚本発明の皮膜においては、上記2
つの皮膜層の間に、夫々の皮膜層組成を構成する成分を
混合した化学組成、または2つの皮膜層組成に亘って連
続的に変化した化学組成の中間層を介在することが好ま
しく、この中間層を介在させることによって本発明の効
果がより一層顕著になる。
蒸発源とするアーク放電によって金属成分をイオン化す
る方法、即ちイオンプレーティング法やスパッタリング
法等に代表されるPVD法によって行なうことができる。
これらの方法のうち例えばイオンプレーティング法で行
なう場合を代表的に取り上げて説明する。
囲気又はN2/CH4雰囲気中で反応させて窒化物や窒炭化物
を被覆するものである。カソードとしては、Ti(C,N)
系皮膜の形成を目的とするときはTiを使用すればよく、
一方(Al,Ti)(C,N)系皮膜の形成を目的とするときは
TiおよびAlを夫々個別に使用することもできるが、目的
組成そのものからなるAlXTi1-Xをターゲットとすれば、
皮膜組成のコントロールが容易である。
行なわれるため、カソード物質の組成ずれは殆んど生じ
ない。しかもイオン化効率が高くて反応性に富み、基板
にバイアス電圧を印加することによって密着性の優れた
皮膜が得られる。
析等によって求めることができ、該分析値とCH4流量の
相関を知ることにより、より一層正確な組成制御を行な
うことができる。
(以下第1皮膜層と呼ぶことがある)は、TiCXN1-X(但
し0≦X≦0.6)であることが必要である。第1皮膜層
の化学組成を上記の様に限定したのは、基材表面との密
着性を考慮した為である。尚第1皮膜層は、(Al,Ti)
(N,C)皮膜よりも低い内部応力を有するTiN(x=0の
とき)でも、本発明の効果は達成されるが、更に高耐摩
耗性を発揮させる為にはTi(C,N)系皮膜(x≠0のと
き)であることが望ましい。その理由は次の通りであ
る。
性に欠け酸化され易いという欠点があり、一方TiNは高
温での耐酸化性に優れ、且つ比較的低温条件でも密着性
のよい皮膜層を容易に形成することができるが、Hvが20
00kg/mm2以下とやや低い難点がある。
−TiC固溶体系皮膜層においては、C固溶量(x)を適
切に調整することにより、密着性が良く耐酸化性にも優
れたTiNの特性を備えつつTiCの高硬度をも得ることがで
きる。即ち上記第1皮膜層は、TiNの特性を備えつつC
固溶量が増加するに従って(xが増加するに従って)硬
度が増し、耐フランク摩耗の面でも優れた性能を発揮す
るものである。xが増加するに伴って皮膜層は高硬度化
し、フランク摩耗は解消されると共に、膜の色調は金色
から赤味を帯びはじめ、C量の増加につれてさらに赤色
から金色に変化し、密着性および耐酸化性についてはこ
れを満足する性能を維持する。一方xが0.6を超えると
密着性と耐酸化性が劣化して、工具部材等のエッジ部分
に微小な膜の剥離が発生し、クレータ摩耗を起こし易く
なる。また成膜速度はC固溶量の増加に伴なって低下
し、xが0.6を超える領域では低下が著しい。上記理由
から、本発明ではxの範囲を0〜0.6と定めた。
る。層厚が0.3μm未満では最上層に形成される皮膜層
の内部応力を適切に緩和することができず、一方層厚が
6μmを超えると膜自体の強度が低下する。
ことがある)の化学組成は、 (AlyTi1-y)(NzC1-z) 但し 0.05≦y≦0.75 0.6≦z≦1 であることが必要であり、好ましくは0.6≦y≦0.7であ
る。
代表して説明する。この固溶体はAlN−TiNを端組成とす
る固溶体であり、種々の成分範囲について調べた結果、
第1図に示すように内部応力(圧縮応力)はTiNの1.9×
1010dyne/cm2に比べて(AlyTi1-y)N(yが0.05以上)
ではy=0.6までは平均4.7×1010dyne/cm2もの値を示す
ことが分かる。更にAlN成分が増加すると、それにつれ
て内部応力の低下が認められ、y=0.7で結晶構造がNaC
l型(Bl構造)からZnS(ウルツァイト型)に変化して内
部応力は2.8×1010dyne/cm2となる。
た場合の硬度の変化を示すグラフである。
れてTiNのHv≒2000kg/mm2から硬度が増大し、yが0.6の
ときにHv≒3000kg/mm2程度の最大値を示し、yが0.6か
ら更に大きくなるにつれて結晶構造の変化に伴なう硬度
低下を示す。そしてyが0.75になるとTiNの硬度とほぼ
等しくなり、0.75を超えるとTiNの硬度よりも低下す
る。即ちAlN固溶度(y)が0.75を超える場合は、皮膜
層組成がAlNに近似してくる結果、皮膜層の軟質化を招
き、十分な硬度が得られなくなり、フランク摩耗を容易
に引き起す。
部応力の両者を考慮し、yの値(AlN固溶度)は0.05〜
0.75と定めた。尚yのより好ましい範囲は0.6〜0.7であ
る。
の高硬度性(常温硬度Hv:約3100kg/mm2)を発揮させる
ものである。即ち本発明の組成式においてzの値が減少
するにつれて硬度が大となり耐摩耗性は向上する。
に(Al0.65Ti0.35)に(NzC1-z)[但しz=0.4,0.6,0.
8,0.9,1]を3μm被覆し、被削材S50Cを切削速度170m/
min,送り速度0.25mm/rev,切り込み0.1mmで切削した時の
15分後のクレータ摩耗量を測定した結果を示す。
化性が低下してクレータ摩耗を起こし易くなる。z≧0.
6の範囲では耐酸化性の顕著な低下はみられない。従っ
て本発明ではzの範囲は0.6〜1.0と定めた。
0.6μm未満の場合は第1皮膜層による効果のみが主体
となって耐摩耗性が不十分となり、一方8μmを超える
と膜自体にクラックが発生し易くなり、強度が不十分と
なる。従って本発明では、表面層の層厚は0.6〜8μm
と定めた。
膜層成分の混合または傾斜した組成の中間層を介在する
のが好ましい。この中間層は、真空槽内に第1皮膜層形
成用Ti製カソードおよび表面層形成用AlyTi1-y製カソー
ドを設け、N2またはN2/CH4雰囲気中で、同時にまたは出
力を制御しつつアーク放電を生じさせることによって形
成することができる。この様な中間層を、第1皮膜層と
表面層の間に介在させることによって、表面層の内部応
力を緩和しつつ基材との密着性が優れた耐摩耗性皮膜が
実現できる。またこの様な構成を採用することによっ
て、(AlyTi1-y)(NzC1-z)単一皮膜を形成するよりも
全層厚を大きくすることができ、耐熱性や耐摩耗性がよ
り優れた皮膜となる。
は、0.2μm程度で応力緩和の効果が認められ、最大で
も0.5μmあれば十分である。
例に限定されるものではなく、前・後記の趣旨に徴して
適宜設計変更することは本発明の技術的範囲に含まれ
る。
組成のカソード電極を用い、カソードアーク方式イオン
プレーティング装置の基板ホルダーに超硬合金製チップ
(WC−10%Coを主成分とする)を取付けた。尚本装置に
は、耐摩耗性皮膜形成状態の均一性を確保する為の基材
回転機構等及びヒータを設置した。
に加熱保持したまま、基材に−70Vのバイアス電圧を印
加すると共に、装置内に高純度N2ガスを5×10-2Torrま
で導入し、アーク放電を開始し、基材表面にTi(C
xN1-x)系皮膜層(第1皮膜層),中間層および(AlyTi
1-y)(NzC1-z)系皮膜層(表面層)の順に積層して皮
膜を形成した。
の内の1個を破断し、層断面を走査型電子顕微鏡で観察
して測定したものである。さらに層組成の定量は、同じ
く同時に取り付けた基材につきオージェ分光分析法によ
り層深さ方向の分析を行なった。その結果第1皮膜層お
よび表面層の厚さ方向には濃度変化がなく一定であっ
た。その分析結果の一例は、前記第4図の通りであっ
た。膜中の金属成分比Ti/Alはカソード成分比とずれが
なく殆んど同一といえた。
間の切削試験に供したときのフランク摩耗幅を測定し
た。
す。尚第1表には比較の為、実施例1で示した手段と同
様にして(Al,Ti)(C,N)系単層膜を形成したときのも
の(No.8〜10)、および第1皮膜層が本発明の範囲外の
もの(No.11)についても、その組成,層膜およびフラ
ンク摩耗幅を示した。
いずれも耐摩耗性に優れていた。
実施例1と同様に各種の皮膜を形成した。
った。
び層厚と共に第2表に示す。
は、比較例に比べて加工個数の大幅な増加が認められ、
耐摩耗性が良好であった。
膜を形成した。
った。
び層厚と共に第3表に示す。
は、比較例に比べて加工個数の大幅な増加がみられ、耐
摩耗性が良好であった。
としたTi(C,N)系皮膜元来の良好な基材密着性を有す
ると共に、表面層が、IIIb族の窒化物であるAlNにTiが
固溶した皮膜層である為、耐熱性,熱伝導性等に関し、
AlNに近似した優れた特性が発揮される。
た場合の内部応力の変化を示すグラフ、第2図は(AlyT
i1-y)N系皮膜層においてyを変化させた場合の硬度の
変化を示すグラフ、第3図は(Al0.65Ti0.35)(N
zC1-z)系皮膜においてzを変化させたときの硬度チッ
プの切削時のクレータ摩耗量を示すグラフ、第4図は
(a),(b)は本発明の皮膜のオージエ分析結果例を
示すグラフである。
Claims (2)
- 【請求項1】TiCXN1-X(但し0≦X≦0.6)で示される
化学組成からなり、層厚が0.3〜6μmの皮膜層が基材
表面に形成されると共に、 (AlyTi1-y)(NzC1-z)(但し0.05≦y≦0.75,0.6≦z
≦1) で示される化学組成からなり、層厚が0.6〜8μmの皮
膜層が最上層に形成され、少なくとも2層からなること
を特徴とする耐摩耗性皮膜。 - 【請求項2】前記2つの皮膜層の間に、夫々の皮膜層組
成を混合した化学組成、または2つの皮膜層組成に亘っ
て連続的に変化した中間層が介在されてなる請求項
(1)に記載の耐摩耗性皮膜。
Priority Applications (1)
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