JPH0317251A - 耐摩耗性皮膜 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［ａ業上の利用分野］ 本発明は、フライス加工．切削加工，穿孔加工等の加工
に使用される工作工具の表面コーテインる。

［従来の技術］ 高速度工具鋼や超硬合金工具鋼等を製作する場合は、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
膜を形戒することが行なわれている． 基材表面に耐摩耗性皮膜を形成する方法としては、従来
よりＣＶＤ法（化学的蒸着法）およびＰＶＤ法（物埋的
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九母材特性が劣化するねそれがあり
、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。

そこで比較的低温条件でコーティング処理することので
きる高周波放電プラズマＣＶＤ法，反応性イオンブレー
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。

工具等の耐摩耗性皮膜としてはイオンプレーティング法
によるＴｉＮやＴｉＣが汎用されており、特は高温耐酸
化性〈耐熱性）の優れたＴｔＮ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Ｔｉ
ＮはＴｉｃに比べて低硬度である鳥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． 近年、切削速度の一層の高速化が要望されており、切削
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． そこで耐熱性や硬度が更に優れた皮膜として、イオンブ
レーティング法やスパッタリング法によるＴｉＡＩＮ，
ＴｉＡＩＣ，或はＴｉＡＩＣＮ等の皮膜が提案された［
特開昭６２−５６５６５，Ｊ．　Ｖａｃ．　Ｓｃｌ．　
Ｔｅｃｈｎｏｌ．　Ａ第４　（６　）　＠，　１９８１
ｉ年１第２７ｌ７頁．およびＪ．　ｏｆ　Ｓｏｌｌｄ　
Ｓｔａｔｅｆｔ＋ｅｍ１ｓｔｒｙ，７０．　１９８７年
．第３１８　〜３２２頁］。

［発明が解決しようとする課題］ ＰＶＤ法はイオンのエネルギーを利用した低温被覆法で
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法によって形戒さ
れた皮膜に比べて密着性が劣るのが一般的である。

一方最近では耐摩耗性を改善して寿命延長を図るという
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ＩｉＩ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
、（ＡＩ，Ｔｔ）（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、ＴｔＮ皮
膜を形成する場合よりもできるだけ薄い＠厚を形成して
実用されている。

こうしたことから、特に（ＡＩ，Ｔｉ）（Ｎ，Ｃ）系皮
膜等の優れた特性を十分に発揮し得る様な、皮膜形戒技
術の改善が望まれている．本発明はこうした事情に着目
してなされたものであって、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。

［課題を解決する為の手段］ 上記目的を達成し得た本発明とは、ＴｉＣｘＮｌ−．（
但しＯ≦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、（Ａ　Ｉ　，　Ｔ　ｉ　＋−ｙ）（Ｎエｃ＋−ｉ
（但し０．０５≦ｙ≦０．７５，　０．６≦Ｚ≦１）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。

［作用］ 本発明は上述の如く構成されるが、要するにＴ　ｉ　Ｃ
．　Ｎｌ−．　　（但し０≦Ｘ≦０．６　）　テ示され
る化学組戊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、（Ａ　
Ｉ，Ｔｉ　ｔ−ｙＮ　Ｎｚ　ｃ．−．）（但し０．０５
≦ｙ≦０．７５，　０．６≦Ｚ≦１）で示される化学ｍ
戊からなる皮ｌｌｉ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６いて
は、上記２つの皮ｌｌｌ層の間に、夫々の皮膜層組戒を
構戒する戒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。

上述の各皮膜層を形成するに当たっては、カソードを蒸
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、即ちイオンブレーテイ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ブレーティング法で行
なう場合を？表的に取り上げて説明する。

この方法は、前記の様にイオン化した金属戊分をＮ２雰
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（Ａｔ，Ｔｉ）（Ｃ．Ｎ）系皮膜
の形成を目的とするときはＴｉおよびＡＩ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Ａ
Ｉ．Ｔｉ．■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。

各合金戒分の蒸発は、数十アンペア以上の大電流域で行
なわれるため、カソード物質の組戒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。

尚形威された皮膜のＣ固溶量はＸ線分析やオージェ分析
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．本発明において、基材表面に形威され
る皮膜層の組成は（以下第１皮膜層と呼ぶことがある）
は、ＴｔＣ．Ｎ１−．（但しＯ≦Ｘ≦Ｏ．Ｉｉ　）　テ
アルことが必要である．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、（ＡＩ，Ｔｔ）（Ｎ，Ｃ）皮膜
よりも低い内部応力を有するＴｉＮ（ｘ＝Ｏのとき）で
も５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Ｉ１ｉ（ｘ≠Ｏのと
＠）であることが望ましい．その理由は次の通りである
。

ＴｉＣは常温硬度（Ｈｖ）が３　１　０　０　ｋｇ／ａ
ｍ”と高い反面、耐熱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｛量れ、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２０００ｋｇ／ｍｍ２以下と
やや低い難点がある。

これに対し一般式ＴｔＣＸＮ＋−ｘで示される化学組成
のＴｆＮ−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ＴｌＣの高硬度
をも得ることができる。即ち上記第１皮Ｕは、ＴｉＮの
特性を備えつつＣ固溶量が増加するに従って（×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ｒＦＡ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、Ｃｉ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。また戒膜速度は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、木発明ではＸの範囲を０
〜０．６　と定めた。

尚第１皮膜層の厚さは０３〜６μｍにする必要がある．
層厚が０．３μｍ未満では最上層に形成される皮１１Ｉ
Ｆｊの内部応力を適切に緩和することができず、一方Ｐ
ＪＪｇが６μｍを超えると膜自体の強度が低下する。

次に、最上層に形成される皮膜層（以下表面層というこ
とがある）の化学組成は、 （Ａ　Ｉ，　Ｔｉ＋−ｙＨ　Ｎｔ　Ｃ，−，）但し　０
．０５≦ｙ≦０．７５ ０．６≦２≦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。

上記表面層組成からなる固溶体について、窒化物系で代
表して説明する。この固溶体はＡＩＮ−ＴｉＮｆｔ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Ｔ　
ｔ　Ｎ（７）１．９　ｘ　１　０　”ｄｙｎｅ／ｃｍ’
に比べて（Ａ　ｌ　ｙ　Ｔ　！　ｉ−ｙ）Ｎ　（　：Ｊ
が０．０５以上）　テハｙ＝０．６　１　テハ平均４．
７　ｘ　１　０　Ｉ０ｄｙｎｅ／ｃｍ’もの値を示すこ
とが分かる。更にＡＩＮ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（Ｂ１４ＩＩｌｌ造）からＺｎＳ　（ウル
ツアイト型）ニ変化して内部応力は２．８　ｘ　１　０
　”ｄｙｎｅ／ｃｍ”となる。

第２図は（Ａ　１　ｙ　Ｔ　ｉ　ｔ−ｙ）Ｎ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であ
る。

第２図から明らかな様に、ｙが０から大きくなるにつれ
てＴｉＮのＨ　Ｖ　４　２　０　０　０　ｋｇ／ｍ＠”
から硬度が増大し、ｙが０．６ノときにＨ’ｖ　’ｖ　
３　０　０　０ｋｇ／ａｍ’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．モしてｙが０．７５になるとＴｉ
Ｈ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ＡＩＮ固溶度（ｙ）が０．
７５を超える場合は、皮膜層組戒がＡＩＮ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。

以上の結果から、本発明においては耐摩耗性および内部
応力の両者を考慮し、ｙの値（Ａ　Ｉ　Ｎ固熔度）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。

また本発明では炭窒化物を形威することによってＴｉｃ
の高硬度性（常温硬度Ｈｖ：約３１００ｋｇ／ｍｎ＋２
）を発揮させるものである。即ち本発明の組成式におい
て２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。

第３図は、超硬チップ（ｗｅ−ｔｏ％Ｃｏを主戊分とす
る）に（Ａ　１　ｏ．ａｓＴ　ｌ　Ｏ．３５）（Ｎ−　
ＣＩ−ｚ　）　　［但しＺ冨０．４　，　０．６　，　
０．８　，０．９．１］を３μｍ被覆し、被削材Ｓ５０
Ｃを切削速度１　７　０　ｍ／　ａ＋Ｉｎ　，送り速度
０．２５ｎ＋＋ｏ／　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。

この結果にみられるように２が０．６未満になると耐酸
化性が低下してクレータ摩耗を起こし易くなる．２≧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２の範囲は０．６〜１．０と定めた． 尚後述する実施例で明らかにするが、表面層の層厚が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０．６〜８μ
ｍと定めた， 本発明においては、第１皮膜層と表面層の間に、両皮膜
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ＡＩ，Ｔｉ．，製
カソードを設け、Ｎ２またはＮ２／ＣＨ．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ＩＩＩ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、Ｔ　Ｉ　Ｉ
−ｙ　Ｎ　ｔ　Ｃ　＋−ｇ単一皮膜を形戒するよりも全
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。

尚後述する実施例から明らかな様に、中間層の層厚は、
０．２　μｍ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。

以下実施例について説明するが、本発明は下記の実施例
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。

［実施例］ 実施例ｌ Ｔｉカソード電極およびＡ　Ｉ　ｙ　Ｔ’ｔ　ｒ−ｙ　
　（ｙ　＝０．０５〜ＯＬ７５）の組成のカソード電極
を用い、カソードアーク方式イオンブレーティング装置
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。尚木装置には、耐摩耗性
皮膜形成状態の均一性を確保する九の基材回転機構等及
びヒータを設置した．成膜に当たっては、ヒータによっ
て基材温度を４５０℃に加熱保持したまま、基材に−７
０Ｖ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　ｘ　１０−”Ｔｏｒｒまで導入し、アー
ク放電を開始し、基材表面にＴ　Ｉ　（ＣＸ　Ｎｌ　−
＊　）系皮膜層（第１皮膜層），中間層および（Ａ　１
ｙＴ　ｔ　＋−ｙＮ　ＮＩＬ　ｃ，−，）系皮ｇ層（表
面層）の順に積層して各種の皮膜を形成した．層厚の測
定は、基板ホルダーに同時に取り付けた基材の内の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Ｔ　ｉ　／　Ａ　ｌはカソード成分比とずれがな
く殆んど同一といえた。

得られた各皮膜につい′Ｃ５下記の切削条件により２５
分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。

切削条件： 被削材　　　　Ｓ５０Ｃ 切削速度　　　１　７０，２００ｍ／Ｉｌｉｎ送り速度
　　　０．２５　ｍｍ／ｒｅｖ切り込み　　　０．１　
ｍｍ その結果を各層の組戒および層厚と共に第１表に示す。

尚第１表には比較の烏、実施例１で示した手段と同様に
して（ＡＩ，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、その組戒，
層膜およびフランク摩耗幅を示した。

第１表より明らかな様に、比較例に比べて本発明例はい
ずれも耐摩耗性に優れていた。

次に超硬ドリルへの適用例を以下に示す。

実施例２ ６１φの（ＷＣ−９．５％Ｃｏを主成分とする）超硬ド
リルに実施例１と同様に各種の皮膜を形成した。

得られた各皮膜について、下記の条件にて切削を行なっ
た。

切削条件； 被削材　　　　３５０Ｃ，１３ｍｍ’ （Ｈ　Ｂ　２　３　０〜２５０） 切削速度　　　８０ｍ／ｎｉｎ 送り速度　　　０．２　ｍＩＩＩ／ｒｅｖ潤　滑　　　
　エマルジＢンによる このときの穴明け個数の結果を、各皮膜層の組成および
層厚と共に第２表に示す。

第２表より明らかな様に本発明方法で得られた工具は、
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． 次にハイスドリルへの適用例を以下に示す。

実施例３ ６ｍＩＩｌφハイスドリルに実施例１と同じ様にして各
種皮膜を形成した。

得られた各皮膜について、下記の条件にて切削を行なっ
た。

切削条件： 被剛材　　　　Ｓ５０Ｃ，１０ｍｍｔ 切削速度　　　３０ｍ／のｉｎ 送り速度　　　０．１８ｍｍ／ｒｅｖ 潤滑　　　　　エマルジョンによる このときの穴明け個数の結果を、各皮膜層の組戒および
層厚と共に第３表に示す。

第３表より明らかな様に本発明方法で得られた工具は、
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。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されているので、ＴｉＮを基本
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、ＩＩＩ　ｂ族の窒化物であ
るＡＩＮにＴｔが固溶した皮膜層である為、耐熱性．熱
伝導性等に関し、ＡＩＮに近似した優れた特性が発揮さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は（Ａ　ｌｙ　Ｔ　ｉ　＋−ｙ　）　Ｎ系皮膜層
においてｙを変化させた場合の内部応力の変化を示すグ
ラフ、第２図は（Ａ　１　ｙ　Ｔ　ｉ　＋　−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（　Ａ　１　ｏ．　ｓｓＴ　ｊ　
０．　３５）（Ｎ−　ＣＩ−ｘ　）系皮膜において２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
壜皮膜のオージエ分折結果例を示すグラフである。 第１ 図 キ ＴｉＮ （Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ中のＡＩＮ　（ｍｏｌ％）乎 ＡＩＮ 第３図 Ｚ （Ａｌｏ．６５Ｔｉｏ３５）　（Ｎ２Ｃ１−２）にち・
けるＺ固溶度第２図 ＴｉＮ ＡＩＮ スパツタ時間 （ｍｉｎ） ヌバツタ時間 （ｒｒｏ　ｎ　）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　ＴｉＣ＿ｘＮ＿１＿−＿ｘ（但し０≦ｘ≦０．
   ６）で示される化学組成からなり、層厚が０．３〜６μ
   ｍの皮膜層が基材表面に形成されると共に、 （Ａｌ＿ｙＴｉ＿１＿−＿ｙ）（Ｎ＿ｚＣ＿１＿−＿ｚ
   ）（但し０．０５≦ｙ≦０．７５，０．６≦ｚ≦１）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。
2. （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。