JP3130734B2 - 耐熱性被覆部材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ステンレス鋼，高速度
鋼，ダイス鋼，Ｔｉ合金，Ａｌ合金，耐熱合金に代表さ
れる金属材料、または超硬合金，サーメットに代表され
る焼結合金、もしくはＡｌ₂Ｏ₃系焼結体，ＺｒＯ₂系焼
結体，ＳｉＣ系焼結体，Ｓｉ₃Ｎ₄系焼結体に代表される
セラミックス焼結体の基材上に、チタン・アルミニウム
炭窒酸化物の硬質層を被覆してなる被覆部材に関し、具
体的には、例えば旋削工具，フライス工具，エンドミ
ル，ドリルに代表される切削工具、スリッター，製缶工
具，金型に代表される耐摩耗工具、または釣具，ゴルフ
クラブ、時計用部品，メガネの枠，タイピン，ブロー
チ，イヤリングに代表されるスポーツ用部材や装飾用部
材として適する耐熱性被覆部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属材料，焼結合金またはセラミックス
焼結体の基材上に、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属
の炭化物，窒化物，炭酸化物，窒酸化物およびこれらの
相互固溶体または酸化アルミニウムの中の１種の単層、
もしくは２種以上の複層の被膜を被覆してなる被覆部材
が多数提案されており、これらの中の１部の被覆部材に
ついては、切削工具，耐摩耗工具，スポーツ用部材，装
飾用部材などに実用されている。

【０００３】これらの従来の被覆部材の内、Ｔｉ化合物
の被膜が被覆された被覆部材は、切削工具や耐摩耗工具
に用いた場合に満足できるような耐摩耗性を示さず、比
較的短時間で寿命に至るという問題があり、この問題を
解決しようとした代表的なものに、特開昭６２−５６５
６５号公報がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】特開昭６２−５６５６
５号公報には、基材の表面にＴｉとＡｌの炭化物，窒化
物，および炭窒化物のうちの１種の単層または２種以上
の複層でなる硬質被覆層を０．５〜１０μｍ厚さで形成
した耐摩耗性にすぐれた表面被覆硬質部材について記載
されている。

【０００５】同公報に記載されている表面被覆硬質部材
は、耐摩耗性の向上したすぐれた被覆硬質部材ではある
が、例えば切削工具として用いた場合に、高速切削また
は重切削のように、より高温の条件で使用すると、硬質
被覆層の酸化，摩耗の進行が速く、耐熱衝撃性に劣り、
相手材である被削材との溶着も生じやすくなり短寿命に
なるという問題がある。

【０００６】本発明は、上述のような問題点を解決した
もので、具体的には、低温領域から高温領域に至るまで
の広い領域において、耐摩耗性，耐酸化性，耐熱衝撃
性，耐欠損性および耐溶着性に優れる耐熱性被覆部材の
提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、超硬合金
の基材上にＴｉとＡｌとの化合物の被膜を被覆した被覆
部材が低温領域で使用すると割合にすぐれた効果を発揮
するのに対し、高温領域で使用するとその効果が低減さ
れるという問題を検討していた所、ＴｉとＡｌとの化合
物被膜中に酸素元素を微量含有させると低温領域から高
温領域まで耐摩耗性の低減が生じなく、諸特性がバラン
スよくすぐれて顕著に寿命が向上するという知見を得
て、本発明を完成するに至ったものである。

【０００８】すなわち、本発明の耐熱性被覆部材は、金
属材料，焼結合金またはセラミックス焼結体の基材上
に、次式（Ａ）で表されるチタン・アルミニウム炭窒酸
化物の硬質層が０．１〜１５μｍの膜厚で被覆されてい
ることを特徴とする。 （Ｔｉ_a，Ａｌ_b）（Ｃ_XＮ_YＯ_Z）_Rーーーーーーーーーーー（Ａ） ｛但し、（Ａ）式中のＴｉはチタン、Ａｌはアルミニウ
ム、Ｃは炭素、Ｎは窒素、Ｏは酸素を示し、aおよびｂ
は金属元素であるＴｉとＡｌのそれぞれの原子比を表
し、Ｘ，ＹおよびＺは非金属元素であるＣとＮとＯのそ
れぞれの原子比を表し、ＲはＴｉとＡｌとを合計した金
属元素に対するＣとＮとＯとを合計した非金属元素の原
子比を表し、それぞれはa＋ｂ＝１、０．９５≧a≧０．
０５、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、０．８９≧Ｘ≧０．１、０．８
９≧Ｙ≧０．１、０．２５≧Ｚ≧０．０１、１．１０≧
Ｒ≧０．８０の関係にある｝

【０００９】本発明の被覆部材における基材は、硬質層
を被覆するときに加熱する温度に耐えることができる金
属材料，焼結合金またはセラミックス焼結体からなり、
具体的には例えばステンレス鋼，高速度鋼，ダイス
鋼，，チタン合金，Ａｌ合金，耐熱合金の金属材料、ま
たは超硬合金，サーメットの焼結合金、Ａｌ₂Ｏ₃系焼結
体，Ｓｉ₃Ｎ₄系焼結体，サイアロン系焼結体，ＺｒＯ₂
系焼結体のセラミックス焼結体を挙げることができる。
これらの内、切削工具または耐摩耗工具として用いる場
合には、超硬合金，窒素含有ＴｉＣ系サーメットもしく
はセラミックス焼結体の基材が特に好ましい。

【００１０】この基材上に被覆される硬質層は、基材に
直接隣接して被覆させる場合には基材材質により、特に
硬質層中の酸素元素の含有量が変動していることも好ま
しく、具体的には、例えば、焼結合金の基材では、硬質
層の表面から基材側に向って酸素元素が漸減しているこ
とが好ましく、逆にセラミックス焼結体の基材では、硬
質層の表面から基材側に向って酸素元素が漸増している
ことが硬質層と基材との密着性の点で好ましいことであ
る。この硬質層は、化学量論的組成または非化学量論的
組成であってもよいが、特に（Ｔｉａ，Ａｌｂ）
（Ｃ_X，Ｎ_Y，Ｏ_Z）_Rと表わしたときに、〔但し、Ｔｉは
チタン、Ａｌはアルミニウム、Ｃは炭素、Ｎは窒素、Ｏ
は酸素を示し、ａおよびｂは金属元素であるＴｉとＡｌ
のそれぞれの原子比を表わし、Ｘ，ＹおよびＺは非金属
元素であるＣとＮとＯのそれぞれの原子比を表わし、Ｒ
はＴｉとＡｌとを合計した金属元素に対するＣとＮとＯ
とを合計した非金属元素の原子比を表わす）ａ＋ｂ＝
１、０．９５≧ａ≧０．０５、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、０．８
９≧Ｘ≧０．１、０．８９≧Ｙ≧０．１、０．２５≧Ｚ
≧０．０１、１．１０≧Ｒ≧０．８０の条件を満足する
チタン・アルミニウム炭窒酸化物でなる場合が強度，耐
摩耗性，耐溶着性から特に好ましいものである。

【００１１】また、本発明の被覆部材における被膜構成
としては、上述した基材と硬質層との間に、基材と硬質
層との主として密着性を高める内層を介在させることも
好ましく、この内層としては、具体的には、例えばＴ
ｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの金
属，ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，
Ｃｒ₃Ｃ₂，Ｍｏ₂Ｃ ，ＷＣ，ＴｉＮ，ＺｒＮ，ＣｒＮ，
Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），Ｔｉ（Ｃ，Ｏ），Ｔｉ（Ｎ，Ｏ），Ｔ
ｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ），（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｚ）
Ｎ，（Ｔｉ，Ｚ）（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ，（Ｔ
ｉ，Ｗ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ）（ＣＮ），（Ｔｉ，Ｔ
ａ，Ｗ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｔａ）Ｃを挙げることがで
きる。これらの内層は、基材の材質によって選定するこ
とが好ましく、基材が焼結合金の場合には、例えばＴｉ
Ｃ，ＴｉＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），Ｔｉ（Ｃ，Ｏ），Ｔｉ
（Ｎ，Ｏ），Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ），（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｃ，
（Ｔｉ，Ｈｆ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｖ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｎｂ）
Ｃ，（Ｔｉ，Ｃｒ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｍｏ）Ｃ，（Ｔｉ，
Ｗ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｖ）Ｎ，（Ｔｉ，
Ｃｒ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｚｒ）（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ｚｒ）
（Ｃ，Ｏ），（Ｔｉ，Ｚｒ）（Ｎ，Ｏ），（Ｔｉ，Ｚ
ｒ）（Ｃ，Ｎ，Ｏ）の１種の単層または２種以上の多層
でなることが基材と硬質層の密着性の媒介性、被覆部材
としての耐摩耗性および耐欠損性から特に好ましいこと
である。

【００１２】さらに、硬質層に隣接して外層を形成する
被膜構成とすることも好ましく、外層が酸化アルミニウ
ムでなる場合には、高温における耐溶着性，耐酸化性，
耐摩耗性にすぐれることから、好ましいことである。こ
れらの被覆層の最表面、具体的には、硬質層の表面また
は酸化アルミニウムの外層の表面に、さらに窒化チタ
ン，窒酸化チタン，炭窒酸化チタンの外層を被覆する
と、装飾的効果，使用前後の判別の容易性効果または色
むら防止効果にもなって好ましいことである。

【００１３】本発明の被覆部材における被膜構成の内、
硬質層のみの構成でなる場合には、被膜厚さが０．１〜
１５μｍでなるもので、０．１μｍ未満の厚さになる
と、硬質層の効果が弱く、耐摩耗性の低下が著しく、逆
に１５μｍを超えた厚さになると、被膜の剥離が生じや
すくなる。硬質層の厚さは、好ましくは０．５〜１０μ
ｍ、特に成膜時間などを含めた工業的製造上から０．５
〜８μｍが好ましい。この硬質層の他に、内層を介在さ
せる構成でなる場合には、内層の厚さが０．１〜５μｍ
であることが好ましく、さらに外層を形成させる構成で
なる場合には、外層の厚さが０．１〜５μｍであること
が好ましく、内層と硬質層または内層と硬質層と外層と
いう被膜の総厚さが０．５〜１５μｍでなることが好ま
しいことである。

【００１４】本発明の被覆部材は、市販または従来から
提案されている各種の基材を用いて、従来から行われて
いる化学蒸着法（ＣＶＤ法）や物理蒸着法（ＰＶＤ法）
を応用することにより作製することができる。具体的に
は、ＣＶＤ法の場合には、プラズマＣＶＤ法が好まし
く、このプラズマＣＶＤ法やＰＶＤ法におけるガス圧の
調整、特に酸素元素を供給するためのガス圧の調整が重
要である。また、イオンプレーティング法やスパッタ法
のＰＶＤ法により成膜すると、被膜に大きな圧縮応力を
残留させることができて、耐欠損性が顕著にすぐれるこ
とから好ましいことである。

【００１５】

【作用】本発明の被覆部材は、基材上に被覆されたチタ
ン・アルミニウム炭窒酸化物の硬質層が耐熱性を高める
作用をし、その結果、高温における耐摩耗性，耐溶着性
および耐酸化性を向上させる作用をしていること、特に
焼結合金の基材でなる場合には、硬質層に大きな圧縮応
力を残留させる作用が生じ、その結果被膜の強度および
耐摩耗性を高める間接的作用となっている。

【００１６】

【実施例１】イオンプレーティング装置の反応容器内
に、市販の超硬合金（ＪＩＳ規格、Ｐ３０相当材種、Ｓ
ＤＫＮ４２ＺＴＮ形状）の基材を設置した後、加熱工
程、Ａｒのエッチング工程および被覆工程を施して、本
発明品１〜５と比較品１〜３を得た。この内、本発明品
１〜５は、基材を設置した電子加熱式反応容器内を１×
１０^-5Ｔｏｒｒの高真空状態まで排気した後、Ａｒガス
を導入し、２×１０^-3Ｔｏｒｒの圧力状態とし、本発明
品１〜３については出力１０ｋｗ，６０分間加熱して基
材を４００℃保持、本発明品４，５については出力１２
ｋｗ，６０分間加熱して基材を４２０℃保持による加熱
を行った。次に、反応容器内の圧力を１×１０^-3Ｔｏｒ
ｒまで変化させて、基材側に−３００Ｖの電圧を印加
し、反応容器と基材間にグロー放電を発生させて基材表
面を３０分間Ａｒイオンボンバード処理によるＡｒエッ
チングを行った。次いで、表１に示した被覆条件（窒素
ガス純度５Ｎを使用）による被覆を行って、本発明品１
〜５を得た。

【００１７】一方、比較品１〜３は、基材を設置した抵
抗加熱式反応容器内を１×１０^-4Ｔｏｒｒに真空排気し
た後、Ａｒガスを導入し、４×１０^-4〜１×１０^-4Ｔｏ
ｒｒの圧力状態で出力２０ｋｗ，６０分間加熱して基材
を５００℃保持による加熱を行った。次に，反応容器内
の圧力を８×１０^-2ＴｏｒｒのＡｒガス中、基材側に直
流電圧−６００Ｖ印加し、基材表面を１０分間Ａｒイオ
ンボンバード処理によるＡｒエッチングを行った。次い
で、表１に示した被覆条件による被覆を行って、比較品
１〜３を得た。

【００１８】こうして得た本発明品１〜５および比較品
１〜３のそれぞれの被膜組成成分は、Ｘ線回折装置およ
びグロー放電発光分析装置により解析し、表２に示し
た。また、それぞれの被膜厚さは、走査型電子顕微鏡で
調べ、さらにそれぞれの被膜表面からＣｕ−Ｋα線によ
るＸ線回折法でもって被膜の残留応力を求めて表２に併
記した。

【００１９】次に、本発明品１〜５および比較品１〜３
を用いて、被削材：ＳＣＭ４４０、工具形状：ＳＤＫＮ
４２ＺＴＮ、切削速度：１６１ｍ／ｍｉｎ、切込み：２
ｍｍ、送り：０．２ｍｍ／刃、乾式フライス切削による
条件で１００×１５０ｍｍ²面を２０パス切削後の平均
逃げ面摩耗量を求めて、表２に併記した。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】

【実施例２】市販の超硬合金（ＪＩＳ規格、Ｋ１０相当
材種）に基材を用いた以外は、本発明品６〜１０の硬質
層の形成は、実施例１の本発明品１〜５と略同様にし
（反応ガス組成，ガス圧力を主として調整）、比較品４
〜６の硬質層の形成は、実施例１の比較品１〜３と略同
様にして行い、内層の形成は従来から行われているイオ
ンプレーティング法の条件でもって行った。

【００２３】本発明品６〜１０および比較品４〜６のそ
れぞれの被膜組成成分は、実施例１と同様にして求め
て、その結果を表３に示した。表３に示した本発明品６
〜１０および比較品４〜６を用いて、被削材：Ｓ４８
Ｃ、切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、切込み：１．５ｍ
ｍ、送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、切削時間：３０ｍｉ
ｎ、乾式旋削による第１切削条件と、被削材：ＦＣ３
５、切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、切込み：１．５ｍ
ｍ、送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、切削時間：１０ｍｉ
ｎ、乾式旋削による第２切削条件でもって切削試験を行
い、そのときのそれぞれの平均逃げ面摩耗量を求めて、
表３に示した。

【００２４】

【表３】

【００２５】

【実施例３】市販の超硬合金（ＪＩＳ規格Ｐ３０相当材
種、ＳＮＭＧ１２０４０８形状）を基材として用いて、
基材上に内層と硬質層と外層とを被覆して本発明品１１
〜１６を作製し、基材上に第１層〜第４層を順次被覆し
て比較品７，８を作製した。本発明品における内層と外
層、および比較品の被膜は、従来から行われているプラ
ズマ熱ＣＶＤ法で被覆し、本発明品１１〜１４の硬質層
は、実施例１の本発明品１〜５と略同様にし、（反応ガ
ス組成，ガス圧力，を主として調整）本発明品１５，１
６の硬質層は、ＴｉＣｌ：４０ｃｃ／ｍｉｎ、ＡｌＣｌ
₃：３０〜３５ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃：１５０〜２００ｃ
ｃ／ｍｉｎ、Ｈ₂：２０００ｃｃ／ｍｉｎ、ＣＨ₄：２５
０ｃｃ／ｍｉｎ、Ｏ₂：４０ｃｃ／ｍｉｎの反応ガス組
成、炉内圧力１．０Ｔｏｒｒ、バイアス電圧−５００
Ｖ、被覆時間４５分でもって被覆した。

【００２６】こうして得た本発明品１１〜１６および比
較品７，８のそれぞれの被膜組成成分は、実施例１と同
様にして求めて、その結果を表４に示した。表４に示し
た本発明品１１〜１６および比較品７，８を用いて、被
削材：Ｓ４５Ｃ（Ｈ_B１９０）、切削速度：３００ｍ／
ｍｉｎ、送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ、切込み：２．０ｍ
ｍ、切削時間：６０ｍｉｎの条件でもって旋削試験を行
い、その結果を表４に併記した。また、本発明品１１〜
１６および比較品７，８の被膜表面から引掻き硬さ試験
機に相当する機器でもってスクラッチ強度試験を行い、
そのときの被膜が剥離しない最大荷重を求めて表４に併
記した。さらに、本発明品１１〜１６および比較品７，
８の被膜の残留応力を実施例１と同様にして求めて、そ
の結果を表４に併記した。

【００２７】

【表４】

【００２８】

【発明の効果】本発明の耐熱被覆部材は、チタン・アル
ミニウム炭窒化物被膜が被覆された従来の被覆部材に比
べて、被膜に残留する圧縮応力が高く、被膜の耐剥離性
が優れており、その結果、切削工具として用いた場合に
おける耐摩耗性（被膜の剥離および微小チッピング含む
摩耗）が約３〜４倍も優れているという顕著な効果があ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｃ２３Ｃ 16/34 Ｃ２３Ｃ 16/34 // Ｃ２３Ｃ 30/00 30/00 Ｃ 審査官 宮澤 尚之 (56)参考文献 特開 平７−180071（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 C23C 16/00 - 16/56 C23C 30/00 B23B 27/14 C04B 41/87 C22C 29/04

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属材料，焼結合金またはセラミックス焼
   結体の基材上に、次式（Ａ）で表されるチタン・アルミ
   ニウム炭窒酸化物の硬質層が０．１〜１５μｍの膜厚で
   被覆されていることを特徴とする耐熱性被覆部材。 （Ｔｉ_a，Ａｌ_b）（Ｃ_XＮ_YＯ_Z）_Rーーーーーーーーーーー（Ａ） ｛但し、（Ａ）式中のＴｉはチタン、Ａｌはアルミニウ
   ム、Ｃは炭素、Ｎは窒素、Ｏは酸素を示し、aおよびｂ
   は金属元素であるＴｉとＡｌのそれぞれの原子比を表
   し、Ｘ，ＹおよびＺは非金属元素であるＣとＮとＯのそ
   れぞれの原子比を表し、ＲはＴｉとＡｌとを合計した金
   属元素に対するＣとＮとＯとを合計した非金属元素の原
   子比を表し、それぞれはa＋ｂ＝１、０．９５≧a≧０．
   ０５、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、０．８９≧Ｘ≧０．１、０．８
   ９≧Ｙ≧０．１、０．２５≧Ｚ≧０．０１、１．１０≧
   Ｒ≧０．８０の関係にある｝
2. 【請求項２】上記基材と上記硬質層との間に、周期律表
   の４ａ，５ａ，６ａ族金属並びにこれらの炭化物，窒化
   物，炭酸化物，窒酸化物およびこれらの相互固溶体また
   はこれらの混合物の中から選ばれた１種の単層もしくは
   ２種以上の多層でなる内層が被覆されていることを特徴
   とする請求項１に記載の耐熱性被覆部材。
3. 【請求項３】上記基材は、焼結合金でなり、上記内層
   は、Ｔｉの炭化物，窒化物，炭窒化物，炭酸化物，窒酸
   化物，炭窒酸化物、またはＺｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔ
   ａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの中の少なくとも１種の元素とＴｉ
   との複合炭化物，複合窒化物，複合炭窒化物，複合炭酸
   化物，複合窒酸化物，複合炭窒酸化物の中から選ばれた
   １種の単層または２種以上の多層でなることを特徴とす
   る請求項２に記載の耐熱性被覆部材。
4. 【請求項４】上記硬質層に隣接して酸化アルミニウム，
   窒化チタン，炭窒化チタン，窒酸化チタン，炭窒酸化チ
   タンの中の１種の単層または２種以上の多層でなる外層
   が被覆されていることを特徴とする請求項１，２または
   ３に記載の耐熱性被覆部材。
5. 【請求項５】上記硬質層は、該硬質層の表面から上記基
   材側に向かって酸素元素が漸減していることを特徴とす
   る請求項１，２，３または４に記載の耐熱性被覆部材。