JP2003165003A

JP2003165003A - 硬質皮膜被覆部材

Info

Publication number: JP2003165003A
Application number: JP2001361860A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Shima; 順彦島; Takashi Ishikawa; 剛史石川
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 2001-11-28
Filing date: 2001-11-28
Publication date: 2003-06-10

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は密着性に極めて優れ、耐摩耗性、耐
酸化性、潤滑性のいずれかが劣化することなく、これら
いずれの特性を向上させ、重切削でも安定した長寿命を
達成することを目的とする。【構成】硬質皮膜が被覆された硬質皮膜被覆部材にお
いて、硬質皮膜がＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎ、Ｏを含有する
皮膜であり、各元素の組成がＡｌａＴｉｂＣｒｃＮｗＯ
１−ｗとした時、３０≦ａ≦７０、３０≦ｂ≦７０、
０．５≦ｃ≦２０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、０．７≦ｗ≦
０．９９、であり、Ｘ線回折における（２００）面回折
ピークの半値幅が２θで０．４度以上０．７度以下より
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業状の利用分野】本願発明は固体潤滑性に優れると
ともに高い耐摩耗性、耐酸化性を有し、かつ密着性に極
めて優れる耐摩耗性部材に関する。

【０００２】

【従来技術】工具や金型及び機械部品において耐摩耗
性、耐酸化性、潤滑性を付与するために各種硬質皮膜を
被覆することが一般的になっている。代表的なＴｉＮ、
ＴｉＣＮ皮膜は耐摩耗性は優れるものの、耐酸化性に問
題を有する。また、ＴｉＡｌＮ系皮膜は耐摩耗性、耐酸
化性に優れるものの（例として、特開平７−３１０１７
３号公報）、潤滑性は低い。ＣｒＮ、ＣｒＣＮ系皮膜は
潤滑性は優れるものの皮膜硬度が低く耐摩耗性に劣る。
このように従来の皮膜は耐摩耗性、耐酸化性、潤滑性の
いずれかが劣り、各用途において何らかの問題点を有す
る結果であるのが現状である。また潤滑性を付与するた
めに硬質皮膜表面に潤滑性に優れるＭｏＳ系皮膜を被覆
する提案もなされてはいるが、この皮膜自体密着性が悪
く十分な結果を得るには至っていない。また従来の皮膜
においては、皮膜全体の密着性も今だ十分ではなく、重
切削で皮膜の剥離が発生し、安定した切削を実現するに
は至っていない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の皮膜
では何らかの問題点があり、それを解決するためにＭｏ
Ｓ系以外において、特開平１１−１５６９９２号公報に
示されるようにＴｉＡｌＮ系皮膜の上層にＣｒＮ系皮膜
を被覆する提案もなされているが、全体の膜厚はある程
度の制限があるため耐摩耗性の点で十分に満足されるも
のではない。本発明は密着性に極めて優れ、耐摩耗性、
耐酸化性、潤滑性のいずれかが劣化することなく、これ
らいずれの特性を向上させ、重切削でも安定した長寿命
を達成することを目的とする。

【０００４】

【発明を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明はＴｉとＡｌとＣｒとＮを必須成分とし、こ
れに酸素を添加した硬質皮膜を採用するものである。更
に、皮膜の成膜速度を最適化することにより、極めて優
れる密着性を有するものである。ここで組成面において
は、当然ながら、ＴｉとＡｌが耐摩耗性成分として寄与
し、Ｃｒが潤滑性を付与する成分として寄与するわけで
あるが、さらにこれに酸素を添加することにより、いっ
そう耐酸化性、潤滑性を付与する結果となる。さらに密
着性、耐摩耗性を改善するために、成膜速度を最適化す
ることにより、基体中に含有されるＷＣ粒子と皮膜との
結晶格子の連続的成長、いわゆるエピタキシャル成長を
可能にし、結果母材と極めて優れた密着性を有し、重切
削においても、より安定した長寿命切削を達成させるも
のである。

【０００５】

【発明の実施の形態】まず、皮膜組成の検討において
は、ＴｉＡｌＮを基本とし、これにＣｒを添加する効果
においては、第一に、切削工具において耐酸化性のさら
なる向上が挙げられる。ＴｉＡｌＮの場合、酸化に伴い
皮膜内部でＡｌが表面に拡散し、Ａｌの酸化物を形成す
ることにより酸素の外部からの浸入を抑制し、耐酸化性
が向上することは周知の事実である。しかし、この場合
Ａｌの酸化物の直下には、非常にポーラスなＴｉの酸化
物が形成されるため、特に切削工具などの衝撃が加わる
ような場合、Ａｌの酸化物は容易に脱落してしまい、そ
の効果を継続して発揮することが難しい。金型等の場合
でも同様である。Ｃｒの添加によりＡｌの酸化物直下に
形成されるポーラスなＴｉの酸化物がＴｉＣｒの酸化物
となり、この酸化物は非常に緻密な層を形成することが
明らかとなった。従って、最表層に形成されるＡｌの酸
化物は密着性が保たれ、結果耐酸化性が向上することに
なる。

【０００６】Ｃｒ添加の第二の効果は、Ｃｒそのものが
有する優れた潤滑性をＴｉＡｌＮ皮膜に付与することで
ある。ＴｉＡｌＮの鋼との摩擦係数は０．７−０．８で
あるが、Ｃｒ添加に伴い０．３−０．６に改善される。
この摩擦係数はＣｒの添加量に依存する。ただしＣｒの
添加量が多すぎると皮膜硬度が低下し、耐摩耗性が悪く
なるため、添加量には上限を設定することが好ましい。

【０００７】Ｃｒ添加のみでも上述のようにＴｉＡｌＮ
系皮膜の潤滑性、耐酸化性を向上せしめる効果が確認さ
れるが、Ｃｒのみでは十分ではなく、これに酸素を添加
することにより、さらに一層の改善が認められる。酸素
の添加効果については、第一に、耐酸化性の飛躍的向
上、潤滑性の飛躍的向上が挙げられる。耐酸化性の飛躍
的向上に対しては、皮膜内部に酸素を添加することに添
加に伴い、皮膜の結晶が微細化し皮膜そのものが緻密に
なると同時に結晶粒界も緻密になることにより、外部か
らの酸素の浸入に対する酸素拡散速度が著しく抑制され
ることが理由と考えられる。潤滑性に関しては、十分に
解明されてはいないが、酸素添加により鋼との親和性が
低下することが理由であると考えられる。

【０００８】酸素添加効果の第二は、皮膜の残留圧縮応
力が低下し、皮膜の密着性が向上することに起因する耐
摩耗性の向上が挙げられる。特に重切削条件下や鍛造金
型分野においては皮膜の密着性が極めて重要な要素とな
る。皮膜の微小剥離により摩耗が進行する傾向にあると
ともに、大きな剥離が発生すると突発的寿命となる。Ｔ
ｉＡｌＣｒＮ系の皮膜のスクラッチテストによる剥離臨
界荷重は６０−８０Ｎであるのに対し、これに酸素を添
加することによりその強度は１００Ｎ以上に改善され
る。

【０００９】しかしながら、酸素の添加量増加に伴い、
上述の耐酸化性、潤滑性、密着性向上に起因する耐摩耗
性は向上するものの、一方皮膜硬度そのものが軟化して
しまいアブレッシブ摩耗性が劣化する結果となる。従っ
て、耐酸化性、潤滑性に寄与するための最適組成層と、
アブレッシブ磨耗に寄与する最適組成層の多層化するこ
とがより好ましく、多層化により双方の利点が複合化さ
れる結果となる。多層化は酸素量の相違のみではなく、
Ｃｒ含有量の異なる層の多層化においても、潤滑性と耐
摩耗性の調整も可能である。

【００１０】しかし、極めて高い衝撃が発生するいわゆ
る重切削分野においては、これら組成面における改善で
は、密着性が十分とはいえず、十分に安定した切削が実
現できない場合がある。本発明者らは、特に本問題に対
し、鋭意研究を重ねた結果、皮膜の成膜速度が密着性に
大きな影響を及ぼす事実を確認するに至った。成膜速度
は出きる限り遅いほうが、望ましい。本発明者の観察結
果では、成膜速度が遅いほど母材中に含有されるＷＣ粒
子に対し、皮膜はエピタキシャルに成長することが透過
電子顕微鏡観察により確認された。これにより、基体に
含まれるＷＣ粒子と皮膜はファンデンワールス力で結合
され極めて強固な理論上最も優れる密着性を有する結果
となった。

【００１１】結晶組織の観点においては、通常の柱状結
晶が耐摩耗性に優れるが、より細かい柱状晶、もしくは
細かい柱状結晶が縦方向において分断されたいわゆるブ
ロック状結晶がより好ましい耐摩耗性を発揮する。また
成膜時間に伴う成膜温度調整により、皮膜の深さ方向で
の結晶粒径の制御が可能であり、成膜時間に伴う低温化
により、皮膜の表面に近いほど、微細化することが可能
である。前述のように、皮膜全体を微細化することによ
り耐摩耗を向上せしめることも可能であるが、皮膜全体
の残留圧縮応力も幾分増加する傾向にあるため、このよ
うな、皮膜の表面側ほど微細化させる手段は残留応力の
増加、すなわち、密着性の劣化を抑えながら耐摩耗性を
付与できる観点からより好ましい組織制御であるといえ
る。特に最表面を柱状結晶ではなく、非晶質のような形
態にすることにより、耐摩耗性が著しく向上するととも
に、大幅な耐酸化性の向上が可能である。これは粒界が
緻密で酸素が拡散し難いことにより、酸化進行が抑制さ
れることによるものである。

【００１２】次に、数値を限定した理由を説明する。成
膜速度は皮膜の半値幅と相関を有し、成膜速度がゆっく
りであるほど、皮膜の半値幅は小さくなる傾向にあっ
た。前述エピタキシャル成長が十分に達成されるために
は成膜速度は０．１μｍ／ｈｒから０．８μｍ／ｈｒの
範囲であり、それに対応する（２００）面半値幅が２θ
で０．４度から０．７度に対応する。０．８μｍ／ｈｒ
の成膜速度を越えると２θ値は０．７度を越え、エピタ
キシャル成長の確率が低く、密着性が十分でなくなる。
０．４度未満を得る極めて低成膜速度においては、所定
の厚さの皮膜を得るのに１日以上を有し、経済性、実用
性の観点から問題を残す結果となる。

【００１３】ここで、０．１μｍ／ｈｒから０．８μｍ
／ｈｒの範囲の成膜速度であっても、経済性、実用性の
観点においては十分ではないため、成膜初期はこの範囲
の成膜速度で基体ＷＣとエピタキシャル成長をさせ、成
膜途中から徐々に、もしくは段階的に成膜速度を高める
ことが、極めて優れる密着性を維持しつつ、経済性を解
決する最も好ましい方法といえる。

【００１４】組成面においては、Ａｌは３０原子％未満
であると皮膜の耐酸化性が劣化し７０原子％を超えると
皮膜中にｈｃｐ構造を有するＡｌＮが形成され皮膜強度
が劣化するため好ましくない。Ｔｉは３０原子％未満で
あると皮膜の耐摩耗性が劣化し、７０原子％を超えると
皮膜の耐酸化性が劣化するため好ましくない。Ｃｒは
０．５原子％未満ではポーラスなＴｉ酸化物が形成され
耐酸化性向上に寄与せず、２０原子％を超えると皮膜の
硬度が軟化し耐摩耗性が劣化し好ましくない。酸素は窒
素に対し１原子％未満では、耐酸化性、潤滑性、密着性
の向上に寄与せず、３０原子％を超えると皮膜硬度の軟
化を来すため好ましくない。

【００１５】層数における皮膜数は単層でも十分な性能
を発揮するが、２層以上の多層化することにより、いろ
いろな性質を有する層の複合効果が認められより優れた
性能を発揮する。１０００層を超えると各層の膜厚が薄
くなり、時には超格子を形成し、残留応力が高くなり、
密着性を損なう結果となり好ましくない。各層の膜厚も
同様であり、５ｎｍ未満では残留応力が高くなり、２０
００ｎｍを超えると単層と類似の性能となる。

【００１６】皮膜の結晶配向は被覆条件に依存し、比較
的低エネルギーで成膜すると（２００）面に強く配向
し、高エネルギーで成膜すると（１１１）面に配向する
傾向を有する。低エネルギーで成膜した場合が皮膜の成
膜速度は遅くなるが、皮膜密度が向上し、耐酸化性、耐
磨耗性に優れた結果となることが確認された。従って
（２００）面回折強度が（１１１）面回折強度より強い
場合、さらに優れた耐酸化性、耐摩耗性を発揮し、より
好ましいと考えられる。尚、潤滑性においては結晶配向
は大きな影響を及ぼすものではなかった。しかしなが
ら、（２００）面回折強度が（１１１）の回折強度の２
０倍を超えるような低エネルギーでは密着性は劣化する
傾向にある。

【００１７】皮膜に残留する圧縮応力は主に被覆条件に
依存するが、３．５Ｇｐａを超えると密着性が劣化して
しまうため、好ましくない。尚、本発明の皮膜はアーク
イオンプレーティング方式、スパッタリング方式、電子
銃蒸発方式、プラズマアシストＣＶＤ方式のいずれであ
っても傾向は同様であり、またこれら各方式の組み合わ
せであってもよい。以下、本発明の好ましい実施例を比
較例とともに説明する。

【００１８】

【実施例】アークイオンプレーティング方式により本発
明例１〜２７と、比較例２８〜４３の皮膜を作成した。
その組成、構造、層数等を表１に示す。尚、皮膜の厚さ
は本発明例及び比較例においてすべて３０００ｎｍ〜３
２００ｎｍで統一した。

【００１９】

【表１】

【００２０】本発明例のＡｌＴｉＣｒの組成は蒸発源で
あるカソードターゲットの金属組成を調整することによ
り調整した。酸素含有量は窒素と酸素の混合ガスを使用
しその混合比を調整することにより調整するとともに、
ガスの切り替えにより多層化した。異なる金属成分硬質
膜の多層化は異なる組成のカソードターゲットを設置し
行った。結晶配向上は基本的には被覆条件で調整し、
（２００）配向皮膜は被覆条件を基体に印可するバイア
ス電圧を７０Ｖ、反応圧力を１Ｐａとし、（１１１）配
向皮膜はバイアス電圧を２００Ｖ反応圧力を０．５Ｐａ
とすることにより作成した。Ｉ（２００）／Ｉ（１１
１）比はこの他皮膜組成、酸素含有量にも多少依存する
ものである。組織制御においては通常の柱状結晶をえる
には被覆温度４５０℃、２Ｐａ、微細柱状結晶をえるに
は４００℃、２Ｐａ、ブロック状を得るには４００℃、
０．５Ｐａ、非晶質状を得るには３５０℃、０．５Ｐａ
と被覆条件を制御することにより実施した。残留応力調
整は被覆温度４５０℃、反応圧２Ｐａにおいて、バイア
ス電圧を２０Ｖ〜２５０Ｖの範囲内で選定し、応力を変
化させた。また、本発明例においては、カソードターゲ
ットを蒸発させるためのアーク電流は５０〜７０Ａと低
い条件を用い成膜速度がおおむね０．２〜０．７μ／ｈ
ｒとなるように調整した。本発明例１６、１７において
は前半を低成膜速度、後半はアーク電流値を１２０Ａと
し、１．７μ／ｈｒの比較的速い成膜速度で被覆した。
半値幅の調整はアーク電流値を調整することにより調整
したが、その他の被覆条件により多少変化するものであ
る。比較例はいずれも被覆温度４５０℃、反応圧２Ｐ
ａ、バイアス電圧４０〜１００Ｖ、アーク電流１００Ａ
の一般的条件にて被覆した。

【００２１】表１で示した本発明例及び比較例の耐酸化
性、潤滑性及び耐摩耗性に寄与すべき皮膜硬度等の測定
結果及びＸ線回折結果を表２に示す。表２の耐酸化性
は、大気中９００℃において保持した場合の酸化による
単位時間あたりの重量増を測定した。潤滑性は炭素鋼と
の摩擦係数を測定することにより評価した。硬度はナノ
インデンターを用い１ｇ荷重における圧子侵入深さより
ビッカース硬さを算出した。

【００２２】

【表２】

【００２３】表２より、本発明例１〜２７は、いずれに
おいても比較例２８〜４３より優れる結果であることが
明らかである。

【００２４】表１に示した例を、以下の諸元下でのエン
ドミル切削の結果を寿命を表３に示す。母材組成：９０ＷＣ−９．５Ｃｏ−０．５ＣｒＷＣ粒径：０．８μｍ工具：６枚刃、刃径８ｍｍのエンドミル被削材：ＳＫＤ１１（ＨＲＣ６３）切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ切り込み：８ｍｍ×０．８ｍｍ送り：５０μｍ／刃乾式寿命判定基準はエンドミルが折れる時点とした。

【００２５】

【表３】

【００２６】表３より、いずれにおいても本発明例１〜
２７は、長寿命であり５０〜９１ｍ切削でき、ＴｉＡｌ
Ｎ系にＣｒと酸素を添加した多層構造の効果が明らかで
ある。

【００２７】表１に示した例を、以下に示す諸元で穴明
け加工した場合の結果を表３に併記する。スラスト力は
切削初期１０穴目において測定した結果である。寿命は
ドリルが折損した時の穴数で評価した。母材組成：９１、５ＷＣ−８Ｃｏ−０．５ＣｒＷＣ粒径：０．８μｍ被削材：ＳＫＤ６１（ＨＲＣ４２）ドリル径８ｍｍ切削速度：８０ｍ／ｍｉｎ送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ穴深さ：３２ｍｍ乾式

【００２８】表３より、本発明例１〜２７は、極めてス
ラスト力が低く、その結果、長寿命であることが明らか
である。

【００２９】次に、超硬インサートにて本発明例１〜２
７及び比較例２８〜４３を試作し、以下の切削諸元で切
削を実施した。その結果も表３に併記する。本切削諸元
は、正面フライス切削では切削速度が速く、工具の耐酸
化性が重要となる条件である。母材：Ｐ３０グレード超硬合金インサート：ＳＥＥ４２ＴＮ（２０°逃げ）被削材：ＳＫＤ６１（ＨＲＣ２２）切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ切り込み：１ｍｍ送り：０．１ｍｍ／刃乾式寿命判定は逃げ面平均摩耗が０．４ｍｍに達するまでの
切削時間とした。

【００３０】表３より、本発明例では著しい寿命向上が
確認された。

【００３１】

【発明の効果】ＴｉＡｌＮ系皮膜にＣｒと酸素を添加し
たＴｉＡｌＣｒＯＮ系多層膜は耐酸化性を向上せしめる
のみでなく、耐摩耗性の劣化なく潤滑性を付与するこ
と、並びに、低応力化による皮膜密着性の向上が可能で
あり高速乾式切削において優れた特性を発揮することが
可能である。さらに、成膜速度を調整することにより、
基体に含まれるＷＣ粒子と皮膜とのエピタキシャル成長
を実現し、極めて密着性に優れる被覆硬質部材を実現す
るものであり、重切削においても皮膜の剥離は発生しな
く、安定した切削を実現するものである。また、熱間鍛
造の用途等においてもその効果は同様である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】硬質皮膜が被覆された硬質皮膜被覆部材
において、硬質皮膜がＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎ、Ｏを含有
する皮膜であり、各元素の組成がＡｌａＴｉｂＣｒｃＮ
ｗＯ１−ｗとした時、３０≦ａ≦７０、３０≦ｂ≦７
０、０．５≦ｃ≦２０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、０．７≦
ｗ≦０．９９、であり、Ｘ線回折における（２００）面
回折ピークの半値幅が２θで０．４度以上０．７度以下
であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項２】請求項１記載の硬質皮膜被覆部材におい
て、該硬質被膜の層数が１層であることを特徴とする硬
質皮膜被覆部材。
【請求項３】請求項１記載の硬質皮膜被覆部材におい
て、該層数が２層以上１０００層以下の多層であること
を特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項４】請求項１乃至３記載の硬質皮膜被覆部材
において、該各層の膜厚が５ｎｍ以上２０００ｎｍ以下
であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項５】請求項１乃至４記載の硬質皮膜被覆部材
において、該硬質皮膜がＮａＣｌ型の結晶構造を有する
ことを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項６】請求項１乃至５記載の硬質皮膜被覆部材
において、（１１１）面からの回折ピークの回折強度を
Ｉ（１１１）、（２００）面からの回折ピークの回折強
度をＩ（２００）とした時、Ｉ（２００）／Ｉ（１１
１）の値が１以上２０以下であることを特徴とする硬質
皮膜被覆部材。
【請求項７】請求項１乃至６記載の硬質皮膜被覆部材
において、該硬質被膜の結晶粒が柱状結晶もしくは柱状
結晶が分断されたブロック状結晶であることを特徴とす
る硬質皮膜被覆部材。
【請求項８】請求項１乃至７記載の硬質皮膜被覆部材
において、該硬質被膜の皮膜結晶形態が母材表面側から
皮膜表面に向かい、結晶粒径が減少することを特徴とす
る硬質皮膜被覆部材。
【請求項９】請求項１乃至８記載の硬質皮膜被覆部材
において、該皮膜結晶形態が皮膜最表面側で非晶質状形
態であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項１０】請求項１乃至９記載の硬質皮膜被覆部
材において、該皮膜の残留圧縮応力が０．５Ｇｐａ以上
３．５Ｇｐａ以下であることを特徴とする硬質皮膜被覆
部材。
【請求項１１】請求項１乃至１０記載の硬質皮膜被覆
部材において、該母材表面の成膜速度が相対的に遅く、
皮膜表面側の成膜速度が相対的に速く被覆されたことを
特徴とする硬質皮膜被服部材。