(57)【要約】【課題】  高温であっても耐摩耗性を発揮することができ、低コストにて提供が可能な耐摩耗性皮膜を提供することを目的とする。【解決手段】  基材３上に形成され、金属窒化物とされた表層５を備えた耐摩耗性皮膜であって、表層５上には、表層５を皮膜する最表層１０が設けられ、最表層１０は、炭素が固溶されたアルミナとされていることを特徴とする。【選択図】      図１
2008126334.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上に形成され、金属窒化物とされた表層を備えた耐摩耗性皮膜であって、
前記表層上には、該表層を皮膜する最表層が設けられ、
該最表層は、炭素が固溶されたアルミナとされていることを特徴とする耐摩耗性皮膜。
【請求項２】
前記最表層に固溶された炭素は、０．１〜１０ａｔ％とされていることを特徴とする請求項１記載の耐摩耗性皮膜。
【請求項３】
前記最表層の厚さは、０．１〜３μｍとされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の耐摩耗性皮膜。
【請求項４】
前記金属窒化物は、TiAlN、AlCrSiN、AlCrN、及びTiNから選択されるいずれか一つとされることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の耐摩耗性皮膜。
【請求項５】
前記基材と前記表層との間には、CrN又はTiN層の中間層を設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の耐摩耗性皮膜。
【請求項６】
前記最表層は、有機金属を用いたＣＶＤ法によって形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の耐摩耗性皮膜。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載された耐摩耗性皮膜が、加工面に形成されていることを特徴とする工具。
【請求項８】
切削油を用いずに切削を行うドライカット加工に用いられることを特徴とする請求項７記載の工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摩耗性皮膜およびこれを備えた工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、歯車を機械加工する歯切加工では、大量生産に適し、環境面で優れていることから、切削油を用いずに加工を行うドライカット加工が多用されている。このようなドライカット加工では、工具が加工熱により高温となっても耐摩耗性を発揮するように、高速度工具鋼の基材表面にTiAlNコーティングを施されたものが知られている。しかし，このTiAlNコーティングを施した工具は、寿命が比較的短いという問題がある。
そこで、特許文献１では、TiAlNコーティングに代えて、AlCrSiNコーティングが提案されている。このAlCrSiNコーティングにより、硬度が上昇するとともに、加工熱によるコーティングの酸化を抑制することで微細脱落が減少するので、工具寿命を飛躍的に延はすことができる。
【０００３】
一方、特許文献２には、Tiを主成分とする金属窒化膜の最表面に、イットリウムを含有するアルミナ（Al2O3）膜が形成された工具が開示されている。この技術は、イットリウムを結晶粒界に含有させることにより、結晶粒間の密着性を改善し、耐摩耗性を高めるものである。
【０００４】
【特許文献１】特許第３６２１９４３号公報
【特許文献２】特開２００４−１１５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に示されたAlCrSiNコーティングを施した工具においても、さらなる加工の高速要求に対しては十分に対応できず、300M/MIN程度の高速加工では、実用に耐えうる寿命が実現できないという問題がある。
また、特許文献２に示された工具では、比較的高価なイットリウムを用いる必要があり、コスト面で採用が困難という問題がある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、高温であっても耐摩耗性を発揮することができ、低コストにて提供が可能な耐摩耗性皮膜およびこれを備えた工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の耐摩耗性皮膜およびこれを備えた工具は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる耐摩耗性皮膜は、基材上に形成され、金属窒化物とされた表層を備えた耐摩耗性皮膜であって、前記表層上には、該表層を皮膜する最表層が設けられ、該最表層は、炭素が固溶されたアルミナとされていることを特徴とする。
【０００８】
耐摩耗性を発揮する金属窒化物の酸化を防止するために、アルミナを主成分とする最表層を皮膜する。この最表層には、炭素が固溶されているので、最表層に潤滑性を付与することができる。これにより、最表層の剥離または割れを防止することができ、結果として最表層によって皮膜された表層の酸化を防止することができる。
【０００９】
さらに、本発明の耐摩耗性皮膜では、前記最表層に固溶された炭素は、０．１〜１０ａｔ％とされていることを特徴とする。
【００１０】
最表層に固溶される炭素が０．１ａｔ％未満となると、潤滑性が発揮されず、最表層の剥離が発生する。
最表層に固溶される炭素が１０ａｔ％を超えると、最表層内に内部応力が発生し、最表層の割れが発生する。
最表層に固溶される炭素は、好ましくは０．１〜１．０ａｔ％、より好ましくは０．１〜０．５ａｔ％とされる。
【００１１】
さらに、本発明の耐摩耗性皮膜では、前記最表層の厚さは、０．１〜３μｍとされていることを特徴とする。
【００１２】
最表層の厚さが０．１μｍ未満となると、皮膜欠陥および皮膜強度不足により、大きな外力が加わった場合に割れが生じるおそれがある。また、最表層の厚さが０．１μｍ未満では、最表層によって皮膜された表層の酸化を防止するのに十分な厚さが得られない。
最表層の厚さが３μｍを超えると、最表層の内部応力が大きくなり、微細な割れが発生する。この微細な割れから酸素が表層へと到達し、表層の酸化を進行させてしまう。
【００１３】
さらに、本発明の耐摩耗性皮膜では、前記金属窒化物は、TiAlN、AlCrSiN、AlCrN、及びTiNから選択されるいずれか一つとされることが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明の耐摩耗性皮膜では、前記基材と前記表層との間に、CrN又はTiN層の中間層を設けることが好ましい。これにより、基材と表層との接着強度を向上させることができる。
【００１５】
さらに、本発明の耐摩耗性皮膜では、前記最表層は、有機金属を用いたＣＶＤ法によって形成されていることを特徴とする。
当該ＣＶＤ法に用いられる有機金属としては、アルミニウムアセチルアセトナートが好ましい。
【００１６】
また、本発明の工具は、上記のいずれかに記載された耐摩耗性皮膜が、加工面に形成されていることを特徴とする。これにより、耐摩耗性に優れた工具を提供することができる。
【００１７】
さらに、本発明の工具は、切削油を用いずに切削を行うドライカット加工に用いられて好適である。
【発明の効果】
【００１８】
アルミナに対して炭素を固溶した最表層によって耐摩耗性を発揮する表層を皮膜することとしたので、表層の酸化を防止できるだけでなく、潤滑性を有する最表層を実現することによって最表層の剥離または割れを防止することができる。
また、比較的安価な炭素をアルミナに添加するだけで最表層を成膜することとしたので、低コストにて製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、基材上に、本実施形態にかかる耐摩耗性皮膜を施した状態を示す断面が示されている。本実施形態にかかる耐摩耗性皮膜は、切削油を用いずに切削を行うドライカット加工の工具の加工面に形成されて好適なものである。
【００２０】
図１に示すように、基材３上には、基材３上に成膜された中間層４と、この中間層４上に成膜された表層５と、この表層５上に成膜された最表層１０とが積層されている。
【００２１】
基材３としては、高速度工具鋼（SKH）が用いられる。なお、高速度工具鋼に代えて、超硬工具鋼を用いても良い。
【００２２】
表層５としては、金属窒化物が用いられる。具体的には、TiAlN、AlCrSiN、AlCrN、及びTiNから選択されるいずれか一つとされる。表層５の厚さは、３〜５μｍが好適である。この表層５により、耐摩耗性が発揮され、ドライカット加工に適した工具が提供される。
【００２３】
中間層４は、下地層と、この下地層上に成膜された組成傾斜層とを備えている。
下地層としては、表層５との密着性を考慮して、TiN又はCrNが用いられる。例えば、表層５にTiAlNが用いられる場合は下地層としてTiNを用い、表層５にAlCrSiNが用いられる場合にはCrNを用いると好適である。
組成傾斜層は、下方の下地層および上方の表層５の組成に応じた組成を有する。例えば、表層５にAlCrSiNが用いられ、下地層にCrNが用いられる場合には、AlCrSiNとCrNとが一様に混ざり合った層となる。組成傾斜層の組成比は、表層５の組成成分に対する下地層の組成成分の量比で、１：５〜５：１の範囲で調整される。
【００２４】
最表層１０は、炭素（C）が固溶されたアルミナ（Al2O3）とされている。この最表層１０には、炭素が固溶されているので、最表層１０に潤滑性を付与することができる。これにより、最表層１０の剥離または割れを防止することができ、結果として最表層１０によって皮膜された表層５の酸化を防止することができる。
アルミナに固溶された炭素の濃度は、０．１〜１０ａｔ％（原子％）が好適である。固溶される炭素が０．１ａｔ％未満となると、潤滑性が発揮されず、最表層の剥離が発生するからである。一方、固溶される炭素が１０ａｔ％を超えると、最表層１０内に内部応力が発生し、最表層の割れが発生するからである。なお、最表層１０に固溶される炭素は、好ましくは０．１〜１．０ａｔ％、より好ましくは０．１〜０．５ａｔ％とされる。
最表層１０の厚さは、０．１〜３μｍの範囲が好ましい。最表層１０の厚さが０．１μｍ未満となると、皮膜欠陥および皮膜強度不足により、大きな外力が加わった場合に割れが生じるおそれがあるからである。また、最表層１０の厚さが０．１μｍ未満では、最表層１０によって皮膜された表層５の酸化を防止するのに十分な厚さが得られない。一方、最表層１０の厚さが３μｍを超えると、最表層１０の内部応力が大きくなり、微細な割れが発生するからである。この微細な割れから酸素が表層５へと到達し、表層５の酸化を進行させてしまう。
【００２５】
次に、図１に示した耐摩耗性皮膜の製造方法について説明する。
中間層４及び表層５は、基材３に対して、アーク式イオンプレーティングによって成膜される。すなわち、真空容器内に、基材３を保持するホルダと、このホルダに対向する位置に設けたターゲットとを配置し、ホルダとターゲット間に直流電圧を印可してプラズマを発生させた上で、窒素ガスを供給することによってアーク放電を生じさせ、これにより基材３上に成膜を行う。中間層４及び表層５の組成に応じて、ターゲットの種類および数を変更する。例えば、中間層４の下地層としてCrNを成膜する場合には、ターゲットを純クロム（Cr：100％）を用い、表層５としてAlCrSiNを成膜する場合には、Al，Cr，Siからなる合金を用いる。
【００２６】
このように成膜した表層５上に、図２に示した大気ＣＶＤ装置１００によって、最表層１０を成膜する。
大気ＣＶＤ装置１００は、気化器１１と、添加ガス供給装置１６と、反応容器１３とを備えている。
【００２７】
気化器１１は、最表層１０の原料１２となる有機金属化合物、例えばアルミナ有機金属錯体の一つであるアルミニウムアセチルアセトナート（Ａｌ（Ｃ５Ｈ８Ｏ２）３）を蒸発させて気化するものである。
気化器１１の上流側には、キャリアガスタンク１４が接続されている。キャリアガスタンク１４内に充填されたキャリアガスとしてのＮ２ガス１４ａによって、気化器１１で蒸発したアルミニウムアセチルアセトナートガス１２ａが反応容器１３に送り込まれる。
【００２８】
添加ガス供給装置１６は、酸素ガス１６ａを反応容器１３へと供給する。添加ガス供給装置１６から供給される酸素ガス１６ａによって、アルミニウムアセチルアセトナートガス１２ａが酸化され、アルミニウム酸化物を生成させる。添加ガス供給装置１６から供給される酸素ガス１６ａは、気化器１１と反応容器１３とを接続する配管の中途位置で合流するようになっている。
【００２９】
反応容器１３は、上部空間１３ａと下部空間１３ｂとを仕切る多孔板１７を備えている。この上部空間１３ａに対して、上述の気化器１１及び添加ガス供給装置１６が接続されている。
上部空間１３ａにて混合した酸素ガス１６ａとアルミニウムアセチルアセトナートガス１２ａの混合ガス１７ａは、多孔板１７から反応容器１３の下部空間１３ｂ内へと吹き出されるようになっている。下部空間１３ｂには、反応後のガスを排出する排気口（図示せず）が設けられている。
反応容器１３の底部１３ｃには、温度調節が可能なホットプレート１８が備えられ、このホットプレート１８上に、表層５及び中間層４が成膜された基材３が載置される。
【００３０】
この大気ＣＶＤ装置１００によって、耐摩耗性皮膜の成膜は以下のように行なわれる。
気化器１１において図示省略のヒータによって原料１２となるアルミニウムアセチルアセトナートを気化温度まで加熱し、アルミニウムアセチルアセトナートガス１２ａをＮ２ガス１４ａによって反応容器１３の上部空間１３ａに送り込む。
Ｎ２ガス１４ａによって搬送されるアルミニウムアセチルアセトナートガス１２ａに対して、添加ガス供給装置１６から酸素ガス１６ａを送り込む。これにより、上部空間１３ａでは、アルミニウムアセチルアセトナートガス１２ａに対し所定のモル比となるように酸素が混合された混合ガスが形成される。そして、この混合ガスは、多孔板１７から下部空間１３ｂへと一様に吹き出される。
一方、反応容器１３の下部空間１３ｂでは、ホットプレート１８により、表層５及び中間層４が成膜された基材３が加熱されており、アルミニウムアセチルアセトナートガス１２ａの酸化分解反応温度以上である３００〜６００℃に保持されている。
アルミニウムアセチルアセトナートガス１２ａは、酸化分解反応温度未満に維持されたまま下部空間１３ｂに送り込まれるので、アルミニウムアセチルアセトナートガス１２ａは基材３表面上で酸化分解し、炭素が固溶されたアルミナ層となる最表層１０が成膜される。
【実施例】
【００３１】
次に、本発明の実施例について説明する。
高速度工具鋼の表面に、上述のアーク式イオンプレーティングによってTiAlN（表層）を成膜した。その後、図２に示した大気ＣＶＤ装置を用い、以下の条件によって、炭素が固溶されたアルミナ層（最表層）を成膜した。
【００３２】
［実験条件］
先ず、高速度工具鋼上へ金属窒化物層を成膜する成膜方法を説明する。
SKH51基材を用い、アークイオンプレーティング装置によりTiNを１μm、次いで同装置で連続してTiAlNを４μｍ成膜した。成膜は、N2ガス圧力2.7Pa、基板温度673K、バイアス電圧−40Vで実施した。
次に、最表層のアルミナ成膜について説明する。
原料：アルミニウムアセチルアセトナート（Ａｌ（Ｃ５Ｈ８Ｏ２）３）
基材：高速度工具鋼（SKH）の表面にアーク式イオンプレーティングによりTiAlNを成膜したもの
大きさ：20mm×20mm×3ｍｍ
基材温度：450℃
気化器温度：230〜250℃
キャリアガス：窒素ガス（Ｎ２）
流量：5〜50 Ｌ／ｍｉｎ
添加ガス：酸素ガス（Ｏ２）
流量：０〜2000  mＬ／ｍｉｎ
加熱方法（ホットプレート）：ヒータ加熱
加熱方法（気化器）：ヒータ加熱
【００３３】
［操作手順］
（１）Ａｒガス雰囲気の反応容器１３内で、基材３をホットプレート１８により４５０℃まで加熱する。
（２）気化器１１を、230〜250℃まで加熱する。
（３）ガスが供給される配管を、気化器１１の設定温度＋１０℃まで加熱する。
（４）基材３の温度、気化器１１の温度、および反応容器１３の温度がそれぞれの目標温度に到達したら、原料（アルミニウムアセチルアセトナート）１２を気化器１１中に入れ、Ｎ２ガス（キャリアガス）１４ａを流入させる。
（５）酸素ガス１６ａを、アルミニウムアセチルアセトナートガス１２ａと所定のモル比になるように供給する。
（６）アルミナ層の成膜を行う。
（８）アルミナ層を１μｍまで成膜した後、基材３を反応容器１３外へ取り出し冷却する。
【００３４】
以上により得られたアルミナ層は下表の通りである。
【表１】
2008126334.tif 000003
【００３５】
上表におけるアルミナ層中の炭素濃度（at％）は、Ｘ線光電子分光法(ESCA)にて測定した。アルミナ層表面の影響を避けるために，1μm程度エッチングし、光電子スペクトルを測定した。バックグラウンド補正した後、Al，O，Cの面積積分強度を用いて，以下の式(1)より半定量分析を行った。
【数１】
2008126334.tif 000004
ここで、Nは原子濃度[at%]、Iは光電子面積強度、Sは相対感度定数である。但し、Sは各メーカの装置に応じた値となる。
【００３６】
次に、得られた各試料に対して、大気雰囲気の電気炉にて、８００℃で１０時間の酸化処理を施した。その後、最表層であるアルミナ層によって被覆されたTiAlNの酸化被膜の厚さを測定した。酸化被膜の厚さの測定は、オージェ分析によって行った。分析結果は下表の通りである。
【００３７】
【表２】
2008126334.tif 000005
【００３８】
上表に示したように、アルミナ層に固溶された炭素が0.05ａｔ％の場合、TiAlNの酸化皮膜厚さは０．４μｍとなり、アルミナ層が酸化防止の役割を十分に果たしていない上に、最表層であるアルミナ層の剥離が生じた。剥離が発生した原因としては、本方法ではC量を減少させるために添加ガスである酸素の供給量を多くしており、そのため基材／アルミナ層界面にスケールが成長し、密着性が低下したためであると考えられる。
また、アルミナ層に固溶された炭素が15ａｔ％の場合、TiAlNの酸化皮膜厚さは0.35μｍとなり、アルミナ層が酸化防止の役割を十分に果たしていない上に、アルミナ層の割れが生じた。割れの発生原因としては、C量が増加することによりアルミナ層中の内部応力が増加したことが考えられる。
したがって、アルミナ層に固溶される炭素は、0.1〜10at％が好適であると考えられる。特に、炭素濃度が0.1〜5at％では、TiAlNの酸化皮膜厚さが0.16〜0.20μｍと低く抑えられているので好適である。さらには、TiAlNの酸化皮膜厚さが0.16〜0.18μｍに抑えられた炭素濃度が0.1〜0.5at％の範囲が好ましい。
【００３９】
以上の通り、本実施形態によれば、アルミナに対して炭素を固溶した最表層によって耐摩耗性を発揮する表層を皮膜することとしたので、表層の酸化を防止できるだけでなく、潤滑性を有する最表層を実現することによって最表層の剥離または割れを防止することができる。
したがって、本実施形態にかかる耐摩耗性皮膜を備えたドライカット工具によれば、さらなる高速加工および長寿命を実現できる。
また、アルミナに対して比較的安価な炭素を添加するだけで最表層を成膜することとしたので、低コストにて製造することができる。
【００４０】
なお、本実施形態では、中間層４を設けることとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、中間層４を省略して、基材３に対して表層５を直接成膜することとしてもよい。
また、最表層１０の成膜方法として、大気ＣＶＤ法を用いて説明したが、熱ＣＶＤ法やＰＶＤ法によって成膜することとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態にかかる耐摩耗性皮膜を基材上に施した状態を示す断面図である。
【図２】図１の最表層を成膜する大気ＣＶＤ装置を示した概略構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
３  基材
４  中間層
５  表層（耐摩耗層）
１０  最表層（炭素が固溶されたアルミナ層）
【図１】
2008126334.tif 000006
【図２】
2008126334.tif 000007