JP2005330539A

JP2005330539A - 耐摩耗性被覆部材

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Publication number: JP2005330539A
Application number: JP2004149999A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kobayashi; 正樹小林; Toshiyuki Watanabe; 敏行渡邊
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】従来のＰＶＤ硬質被膜では、切削加工における高速化，難削材化，寿命延長に対応できなくなっている。本発明は、耐酸化性，耐溶着性などＡｌ−Ｃｒ―Ｎ系材料の特長を改善しつつ、耐摩耗性を向上させた（Ａｌ，Ｃｒ）（Ｎ，Ｂ）膜を被覆した耐摩耗性被覆部材の提供を目的とする。
【解決手段】基材の表面に０．３〜１０μｍの単層または多層からなる硬質膜を被覆した部材において、該硬質膜の少なくとも１層は、０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚みでなるアルミニウムとクロムと窒素とホウ素とからなる立方晶構造を有する複合ホウ窒化物であり、該複合ホウ窒化物は組成式：（Ａｌ_1-xＣｒ_x）（Ｎ_1-yＢ_y）_zにおいて０．３５≦x≦０．６５，０．０３≦y≦０．３，０．８≦z≦１．２を満足する被膜を被覆する。
【選択図】なし

Description

本発明は、チップ，ドリル，エンドミルに代表される切削工具、金型，切断刃などの耐摩耗用工具、軸受，ライナーなどしゅう動部材に使用される硬質被膜に関し、具体的には、ＰＶＤ法で作製される（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ系膜にＢを添加し、かつそれらの組成を特定範囲に制御することにより、耐摩耗性，耐溶着性，耐酸化性などを向上させて寿命を大幅に延長した耐摩耗性被覆部材に関する。

工具に使用されるＰＶＤ被膜として、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｃｒ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎなどが多元系の複合窒化物膜が実用化されている。これらチタン窒化物を含有した硬質膜は耐摩耗性（硬さ）や耐酸化性が不十分なために、過酷な使用条件では寿命が短いと言う問題がある。そこで、耐酸化性や耐溶着性に優れたＣｒを主要成分とした（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ系被膜が種々提案されているが、硬度が劣るため高硬度被削材加工などでは耐摩耗性が劣ると言う問題がある。

（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ系被膜に関する従来技術として、イオンプレーティング法を用いたＡｌ−Ｃｒ−Ｎ系複合硬質膜がある（例えば、特許文献１参照。）。この耐高温酸化特性に優れた複合硬質膜の形成方法は、ＡｌとＣｒの混合蒸気と窒素との反応により（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ膜を形成するもので、Ａｌ２５〜７５原子％、Ｃｒ７５〜２５原子％のターゲットが好ましいと記載されている。この（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ膜は、耐酸化性に優れるものの硬さが低いために、工具に用いた場合には耐摩耗性が不十分と言う問題がある。

また、ＡｌとＸ（Ｘ：Ｃｒ、Ｖ、Ｍｇの一種）の複合窒化物、複合炭化物、複合ホウ化物、複合炭窒化物、複合ホウ窒化物、複合炭ホウ化物または複合炭窒ホウ化物からなり、そのＡｌとＸの組成が、（Ａｌ_1-yＸ_y）但し、Ｘ：Ｃｒ、Ｖ、Ｍｇの一種０＜ｙ≦０．３で示される組成からなることを特長とする硬質皮膜がある（例えば、特許文献２参照。）。この硬質皮膜は、耐酸化性に優れたＡｌＮに特定元素の所定量を添加し、結晶系を六方晶から立方晶に変えることによって、硬さを高めて高速切削に対応できる耐摩耗性を確保したものである。しかし、Ｘの添加量が少ないために硬さ上昇が少なく、特にＣｒでは立方晶が不安定なために高速切削での耐摩耗性が不十分であると言う問題がある。

さらに、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ａｌの１種以上より選択された元素と、非金属元素としてＮ，Ｃ，Ｏのうち１種以上より選択された元素とＢ元素を含むＢ含有皮膜を１層以上被覆してなる硬質皮膜被覆切削工具がある（例えば、特許文献３参照。）。このＢ含有皮膜は、Ｂ含有量が多いＢ高濃度粒子を皮膜内に介在させることによって、潤滑性を維持しつつ硬質皮膜の強度を高めたものである。しかし、皮膜中のＢ含有量が比較的少なく、かつＢ高濃度粒子を形成させる結果として、皮膜素地でのＢ含有量が少なくなるために硬さ（耐摩耗性），耐酸化性，耐溶着性が不十分となると言う問題がある。

特開平０８−１８３８５８号公報特開平９−４１１２７号公報特開２００３−２６０６０６号公報

切削加工における高速化，難削材化，寿命延長に対応するため、被覆工具への改善要求が高まっている。上述のような問題を有する従来硬質被膜では、こうした要求に応えられなくなってきた。そこで、本発明は、耐酸化性，耐溶着性などＡｌ−Ｃｒ―Ｎ系材料の特長を改善しつつ、耐摩耗性を向上させた（Ａｌ，Ｃｒ）（Ｎ，Ｂ）膜を被覆した耐摩耗性被覆部材の提供を目的とする。

本発明者らは、長年に亘り耐酸化性，耐溶着性に優れたＡｌ−Ｃｒ―Ｎ系硬質膜の耐摩耗性改善について検討していた所、ＡｌとＣｒが所定範囲の比率を有する複合窒化物膜に、所定量のＢを添加して（Ａｌ，Ｃｒ）（Ｎ，Ｂ）系の複合ホウ窒化物膜にすると、硬さが向上して耐摩耗性が改善されると共に、耐酸化性、耐溶着性がさらに向上することによって、工具寿命が大幅に改善されると言う知見を得て本発明を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明の耐摩耗性被覆部材は、基材の表面に０．３〜１０μｍの単層または多層からなる硬質膜を被覆した部材において、該硬質膜の少なくとも１層は、０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚みでなるアルミニウムとクロムと窒素とホウ素とからなる立方晶構造を有する複合ホウ窒化物であり、該複合ホウ窒化物は組成式：（Ａｌ_1-xＣｒ_x）（Ｎ_1-yＢ_y）_zにおいて０．３５≦x≦０．６５，０．０３≦y≦０．３，０．８≦z≦１．２を満足するものである。

本発明の耐摩耗性被覆部材における複合ホウ窒化物は、組成式：（Ａｌ_1-xＣｒ_x）（Ｎ_1-yＢ_y）_zにおいて０．３５≦ｘ≦０．６５，０．０３≦ｙ≦０．３，０．８≦z≦１．２を満足するものである。金属成分の割合を示すｘは、０．３５未満ではＡｌが過多となって結晶系が立方晶から六方晶に変態するために、硬さの低下が著しく、逆に０．６５を超えて大きくなるとＡｌが過少となって硬さ，耐溶着性が低下するために、０．３５≦ｘ≦０．６５と定めた。また、非金属成分の割合を示すｙは、０．０３未満ではＢ添加による硬さと耐酸化性の向上効果が少なく、逆に０．３を超えて大きくなると立方晶が不安定となってホウ化物（例えば、ＣｒＢ₂，ＡｌＢ₂）が析出して脆化するために、０．０３≦ｙ≦０．３と定めた。さらに、金属成分と非金属成分の割合を示すｚは、０．８未満では硬さの低下が著しく、逆に１．２を超えて大きくなると立方晶が不安定となってＡｌＮやＣｒ₂Ｂ，ＡｌＢ₂などが析出して脆化するために、０．８≦z≦１．２と定めた。

本発明の耐摩耗性被覆部材における硬質膜は、０．３〜１０μｍの単層または多層からなり、少なくとも１層が０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有する複合ホウ窒化物からなるものである。多層からなる場合における複合ホウ窒化物以外の層は、具体的には、ＴｉＣ，ＴｉＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），Ｔｉ（Ｃ，Ｏ），Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ），（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ，（Ｔｉ、Ａｌ）（Ｃ，Ｎ，Ｏ），Ａｌ₂Ｏ₃，ダイヤモンド，ダイヤモンド状カーボン，ｃＢＮなどを挙げることができる。これらの中でもＰＶＤ法により被覆するＴｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉの窒化物およびこれらの複合窒化物中の少なくとも１種からなることが好ましい。

本発明の耐摩耗性被覆部材における硬質膜の膜厚は、０．３μｍ未満では耐摩耗性に劣り、１０μｍを超えて大きくなるとチッピングや膜剥離を生じ易くなって寿命が低下するために、０．３〜１０μｍと定めた。また、硬質膜が多層でなる場合は、基材表面に最近接する硬質層がＴｉＮまたは（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎであると、基材との密着性が向上するために膜剥離よる寿命低下が少なくなるので望ましい。

本発明の耐摩耗性被覆部材の製造方法は、超硬合金，サーメット，セラミックス，高速度鋼などの工具用硬質材料からなる基材の表面に、ＰＶＤ法（特に、アークイオンプレーティング）により被覆するものである。ターゲット材としてＡｌ−Ｃｒ−Ｂ系の合金を用い、減圧で窒素ガスをフローして行うと良い。

本発明の耐摩耗性被覆部材は、用途の一つとして切削工具を挙げることができる。その中でも特に、鋼の高速切削や穴明け加工用の工具が好ましい。

本発明の耐摩耗性被覆部材は、基材上に被覆した（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ系膜が耐酸化性，耐溶着性を向上させる作用をし、含有されたＢが硬さと耐摩耗性を向上させる作用をし、それぞれが独立ではなく、本発明で開示した組成式：（Ａｌ_1-xＣｒ_x）（Ｎ_1-yＢ_y）_zにおいて０．３５≦ｘ≦０．６５，０．０３≦ｙ≦０．３，０．８≦z≦１．２を満足することによって切削工具や耐摩耗部品に使用した場合に長寿命を発揮させる作用をしているものである。

従来の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎなどの硬質膜よりも、硬さと耐酸化性，耐溶着性が高いため、鋼の高速切削や穴明け加工において工具寿命が顕著に長くなるという効果がある。

基材として、８２ＷＣ−４ＴｉＣ−６ＴａＣ−６Ｃｏ（重量％）の組成、ＨＲＡ＝９１．０の硬さを有する超硬チップ（ＩＳＯ規格でＳＮＧＮ１２０４０８）をアークイオンプレーティング装置に挿入して１ｘ１０−４〜３Ｘ１０−５Ｐａの真空とした後、超硬チップを５００℃に加熱し、Ａｒガスを導入しながら−１０００Ｖのバイアス電圧をかけることにより、チップ表面を十分に洗浄した後、脱気を行った。次いで、表１に示したターゲット組成，Ｎ₂ガスの流量，バイアス電圧，処理時間の組み合わせ条件でもって順次アーク放電させ、チップ表面に硬質膜を蒸着することよって、本発明品１〜7と比較品１〜５を得た。得られた硬質膜のＸ線回折結果と硬さを表２に示す。また、各層ごと厚みと組成、および組成から算出した指数｛（Ａｌ_1-xＣｒ_x）（Ｎ_1-yＢ_y）_zにおけるｘ，ｙ， zの値｝を表３に示す。

＊ｃ−は立方晶、ｈ−は六方晶を意味する。

表２の結果から、本発明品の硬質膜はいずれも立方晶の（Ａｌ，Ｃｒ）（Ｎ，Ｂ）層を有し、比較品より高硬度であることが分かる。

次に、実施例１で得られた本発明品３，４，５，６および比較品１，２，３，５の各被覆チップを用いて被削材：Ｓ４８Ｃ（４本溝入り），切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ，切込み：２．０ｍｍ，送り：０．２０ｍｍ／ｒｅｖの条件で乾式断続旋削試験を行い、切刃のチッピング，刃先の破損および平均逃げ面摩耗幅が０．２０ｍｍとなるまでの平均寿命時間を求めた。その結果を表４に示す。

さらに、実施例１で得られた本発明品３，４，５および比較品１，２，５の各被覆チップを用いて摩擦試験を実施した。摩擦条件は、摩擦面：被覆チップのすくい面、相手材：φ６ｍｍのＳＵＪ２ボール、雰囲気：大気中の乾式、荷重：４．９Ｎ、しゅう動速度：５ｍ／ｍｉｎ、摩擦時間：２０ｍｉｎで行った。表５に平均摩擦係数と粗さ計による摩擦痕の断面積から算出した摩耗体積を示す。

市販されている超硬合金製ソリッドドリル（６．０φｍｍ，組成：ＷＣ−１０ｗｔ％Ｃｏ，硬さ：ＨＲＡ＝９１．５）を基材として用い、実施例１と同様の条件で硬質膜を被覆することによって、本発明品８〜１１と比較品６〜８の被覆ドリルを得た。そして、被削材：４５Ｃ，切削外周速度：８０ｍ／ｍｉｎ，穴深さ：４０ｍｍ，乾式加工の条件で穴明け加工を連続して行った。刃先のチッピング発生、折損あるいは切り屑詰まりによる急激なトルク上昇が発生するまでの加工可能な穴数を表５に示す。４００穴加工まで正常であった場合には、刃先の平均逃げ面摩耗量を併記した。

表４，６の結果から、本発明品は鋼の高速断続旋削およびドリルによる穴明け加工において比較品より長寿命であり、耐摩耗性，耐溶着性，耐酸化性に優れることが分かる。また、表５の結果から、本発明品は比較品よりも摩擦係数と摩耗量が小さいことから、耐摩耗部品やしゅう動部材への応用が期待できる。

Claims

基材の表面に０．３〜１０μｍの単層または多層からなる硬質膜を被覆した部材において、該硬質膜の少なくとも１層は、０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚みでなるアルミニウムとクロムと窒素とホウ素とからなる立方晶構造を有する複合ホウ窒化物であり、該複合ホウ窒化物は、
組成式：（Ａｌ_1-xＣｒ_x）（Ｎ_1-yＢ_y）_zにおいて０．３５≦x≦０．６５，０．０３≦y≦０．３，０．８≦z≦１．２を満足する耐摩耗性被覆部材。
上記硬質膜が多層でなり、上記複合ホウ窒化物層を除く層は、チタン，ジルコニウム，バナジウム，クロム，アルミニウム，シリコンの窒化物およびこれらの複合窒化物中の少なくとも１種からなる請求項１記載の耐摩耗性被覆部材。