(57)【要約】【課題】  従来のＰＶＤ硬質被膜では、切削加工、塑性加工やしゅう動材における寿命延長の要求に対応できなくなっている。本発明は、ＷＮの特長を活かしつつ、硬さ，耐摩耗性を大幅に向上させた（Ｔｉ，Ｗ）Ｎ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０．３〜３０μｍ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以上の厚みでなるチタンとタングステンと窒素とからなる立方晶構造の複合窒化物であり、該複合窒化物は組成式：（Ｔｉ1-xＷx）Ｎzにおいて０．１≦ｘ≦０．８，０．６≦ｚ≦１．０を満足する被膜を被覆する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面に０．３〜３０μｍ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３０μｍ以下の厚みでなるチタンとタングステンと窒素とからなる立方晶構造の複合窒化物であり、該複合窒化物は組成式：（Ｔｉ1-xＷx）Ｎzにおいて０．１≦ｘ≦０．８，０．６≦ｚ≦１．０を満足する耐摩耗性被覆部材。
【請求項２】
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。
【請求項３】
上記硬質膜が多層でなり、上記複合窒化物層は上記基材に最隣接する請求項１または２記載の耐摩耗性被覆部材。
【請求項４】
上記硬質膜が多層でなり、上記複合窒化物層は最表面に存在する請求項１，２または３いずれか記載の耐摩耗性被覆部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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ＴｉＮ系膜にＷを添加することにより、硬さと耐摩耗性を改善すると共に、膜強度，潤滑性，基材との密着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。
【背景技術】
【０００２】
工具に使用されるＰＶＤ被膜として近年、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｃｒ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｓｉ）ＮなどがＴｉ系の複合窒化物膜が実用化されており、高硬度で耐摩耗性，耐酸化性，耐溶着性などにも優れるものの、膜自体が脆弱で基材との密着性に劣る。また、従来のＴｉＮは、硬さ，耐摩耗性，耐酸化性などに劣るものの、耐剥離性に優れるために多層膜の下地層や美麗な黄金色であるために最外層として多用されている。一方、窒化タングステン（立方晶のＷ2Ｎと六方晶のＷＮ）は、潤滑性，耐溶着性，耐クラック性，耐剥離性などに特長を有するため、工具や耐摩耗部品，しゅう動部材用の被膜として種々提案されている。
【０００３】
窒化タングステン膜に関する従来技術として、イオンプレーティング法によりＷＮを被覆した被覆工具がある（例えば、特許文献１参照。）。この被覆工具は、０．０５μｍ〜２．０μｍのＺｒＮ，ＨｆＮ，ＮｂＮ，ＴａＮ，ＭｏＮ，ＷＮからなる固体潤滑性被膜の１種以上を被覆したもので、切削速度が２０ｍ／ｍｉｎ以下で使用するものと記載されている。この被覆工具におけるＷＮ膜は、潤滑性を有するものの硬さが低いために、耐摩耗性に劣ると言う問題がある。
【０００４】
また、ＷＮをＴｉＮと複合化して（Ｔｉ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ）膜とした耐摩耗性被覆部材がある（例えば、特許文献２参照。）。この耐摩耗性被覆部材は、基材上に（Ｔｉa，Ｍb）（ＣX，ＮY）Rで表わされる非化学量論組成の炭窒化物が被覆されているもので、非化学量論組成（１．８≧Ｒ≧１．０１）とすることによって硬さを向上させたものではあるが、ＭがＷでなる場合にはＲを１．０１以上とすることが非常に困難であり、またＣの混入によって脆弱になり耐クラック性，耐溶着性も低下すると言う問題がある。
【０００５】
さらに、ＶＮと複合化した硬質膜をイオンプレーティング法により被覆した摺動部材がある（例えば、特許文献３参照。）。この摺動部材での硬質被膜は、Ｖ，ＷおよびＮからなり、結晶構造がＷ2ＮとＶＮを含むもので、ＶＮ添加によって硬さは向上するものの、低硬度で耐酸化性に劣るＷ2Ｎを含有するために耐摩耗性が不十分であると言う問題がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１７９５３３公報
【特許文献２】特開平０５−３４４４５０号公報
【特許文献３】特開２００２−２５６９６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
切削加工や塑性加工分野における高速化，難削材化，高精度化に伴って、被覆工具には寿命延長を基本とした対応が求められている。しかし、上述のような問題を有する従来の硬質被膜では、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、ＷＮの特長を活かしつつ、硬さ，耐摩耗性を大幅に向上させた（Ｔｉ，Ｗ）Ｎ膜を被覆した耐摩耗性被覆部材の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、長年に亘り潤滑性，耐溶着性，耐剥離性などに優れたＷＮ膜の耐摩耗性改善について検討していた所、所定量以上のＴｉＮを添加・固溶させると六方晶から立方晶に結晶構造が変わり、かつ硬さが急増して耐摩耗性が向上し、さらに耐剥離性も改善されることによって、各種用途において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。
【０００９】
すなわち、本発明の耐摩耗性被覆部材は、基材の表面に０．３〜３０μｍ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３０μｍ以下の厚みでなるチタンとタングステンと窒素とからなる立方晶構造の複合窒化物であり、該複合窒化物は組成式：（Ｔｉ1-xＷx）Ｎzにおいて０．１≦ｘ≦０．８，０．６≦ｚ≦１．０を満足するものである。
【００１０】
本発明の耐摩耗性被覆部材における複合窒化物は、組成式：（Ｔｉ1-xＷx）Ｎzにおいて０．１≦ｘ≦０．８，０．６≦ｚ≦１．０を満足するものである。ｘは、０．１未満では相対的にＴｉＮが多くなってＷＮの持つ潤滑性，耐クラック性，耐剥離性などが低下する共に、硬さ，耐摩耗性も低下し、逆に０．８を超えて大きくなると六方晶で低硬度のＷＮが析出して硬さ，耐摩耗性が低下するために、０．１≦ｘ≦０．８と定めた。最高硬度を示す０．３＜ｘ＜０．６の範囲が好ましい。また、ｚは、０．６未満ではＮ不足による硬さ低下が著しく、逆に１．０を超えて大きくすることは非常に困難であるために、０．６≦ｚ≦１．０と定めた。
【００１１】
本発明の耐摩耗性被覆部材における硬質膜は、０．３〜３０μｍの単層または多層からなり、少なくとも１層が０．３μｍ以上３０μｍ以下の厚みを有する複合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窒化物以外の層は、具体的には、ＴｉＣ，ＴｉＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ），（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ，（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ，（Ａｌ、Ｃｒ）（Ｎ，Ｂ），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種からなることが切削工具に用いる場合には好ましい。
【００１２】
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未満では潤滑性，耐溶着性，耐クラック性，耐剥離性などに劣り、３０μｍを超えて大きくなると使用時に膜のチッピングや剥離を生じ易くなって寿命が低下するために、０．３〜３０μｍと定めた。また、硬質膜が多層でなる場合には、（ＴｉＷ）Ｎの複合窒化物層が基材に最隣接すると、基材と硬質膜との密着性を改善して耐剥離性が向上するので好ましい。さらに、複合窒化物層が硬質膜の最表面に存在すると、潤滑性，耐クラック性が向上するので好ましい。
【００１３】
本発明の耐摩耗性被が覆部材における基材は、具体的には、超硬合金，サーメット，セラミックス，高速度鋼，金型鋼などの工具用硬質材料を挙げることがでる。
【００１４】
本発明の耐摩耗性被覆部材は、基材上に被覆した（Ｔｉ，Ｗ）Ｎ膜が潤滑性，耐溶着性，耐クラック性，耐剥離性を向上させる作用をし、結果とし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。
【発明の効果】
【００１５】
従来のＷＮ，Ｗ2ＮやＴｉＮなどの硬質膜よりも、硬さが高く、耐摩耗性，潤滑性，耐クラック性，耐剥離性に優れるために、摩擦係数や摩耗量が小さく、鋼の高速断続切削において工具寿命が顕著に長くなるという効果がある。
【実施例１】
【００１６】
基材として、９０．０ＷＣ−０．６Ｃｒ3Ｃ2−９．４Ｃｏ（重量％）の組成、ＨＲＡ＝９１．３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１〜８と比較品１〜６を得た。得られた硬質膜のＸ線回折結果、およびマイクロビッカース硬さ，スクラッチテスト（基材からの剥離を生じない限界荷重）の測定結果を表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｛（Ａｌ1-xＣｒx）Ｎzにおけるｘ， zの値｝を表３に示す。
【００１７】
【表１】
2005330540.tif 000002
【００１８】
【表２】
2005330540.tif 000003
＊ｃ−は立方晶、ｈ−は六方晶を意味する。
【００１９】
【表３】
2005330540.tif 000004
【００２０】
表２の結果から、本発明品の硬質膜はいずれも立方晶の（Ｔｉ，Ｗ）Ｎ層を有し、比較品より高硬度で耐剥離性に優れることが分かる。
【実施例２】
【００２１】
次に、実施例１で得られた本発明品５〜８および比較品４〜６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。この結果から、本発明品は鋼の高速断続旋削において比較品より長寿命であり、特に基材からの耐剥離性と耐溶着性に優れることが分かる。
【００２２】
【表４】
2005330540.tif 000005
【実施例３】
【００２３】
市販の金型鋼素材（ＳＫＤ１１，ＨＲＣ＝６０）を用い、切断と研磨加工により３０×３０×８ｍｍのブロックを製作し、片平面を１０００＃のダイヤモンド砥石で仕上げした。そして、実施例１と同様な条件を用いて硬質膜を被覆し本発明品９〜１２と比較品７〜９を得た。こうして得た被覆ブロックを使用してディスクオンリング式での摩擦試験を実施した。具体的な条件は、被覆ブロックの仕上げ加工面とベアリング鋼（ＳＵＪ２製でφ２５−φ２０×３０ｍｍのリング端面を接触させ、荷重：５００Ｎ，摩擦速度：３０ｍ／ｍｉｎ，摩擦時間：１２０ｍｉｎ，雰囲気：大気中である。表４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。この結果によれば、本発明は従来の被膜に比べて摩擦係数が同等以下で、耐摩耗性では優れている。
【００２４】
【表５】
2005330540.tif 000006