(57)【要約】【課題】被加工物との凝着性、親和性及び耐欠損性を改善し、優れた耐摩耗性を有する被覆部材を提供することである。【解決手段】硬質皮膜を被覆した被覆部材において、該被覆部材は物理蒸着を用いて成膜された最表層を有し、該最表層は酸化アルミニウムとＮｂを含有することを特徴とする被覆部材であり、最表層と金属成分として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂから選択される２種以上を含有する窒化物、硼化物、炭化物及び酸化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物からなる硬質皮膜を具えた被覆部材である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質皮膜を被覆した被覆部材において、該被覆部材は物理蒸着を用いて成膜された最表層を有し、該最表層は酸化アルミニウムとＮｂを含有することを特徴とする被覆部材。
【請求項２】
請求項１記載の被覆部材において、該最表層は、Ｎｂの１部をＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｂ、から選択される１種以上で置換したことを特徴とする被覆部材。
【請求項３】
請求項１又は２記載の被覆部材において、該被覆部材は、最表層とは別の層が、金属成分として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂから選択される２種以上を含有する窒化物、硼化物、炭化物及び酸化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物からなる硬質皮膜を具えることを特徴とする被覆部材。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の被覆部材において、該最表層の面粗さＲａ、Ｒｙが（μｍ）で、Ｒａ≦０．０３、Ｒｙ≦０．５、であることを特徴とする被覆部材。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の被覆部材において、該最表層を機械的処理により平滑にしたことを特徴とする被覆部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、最表層に酸化アルミニウムとＮｂを含有する被覆部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化アルミニウム皮膜を最表層とした被覆工具の技術が特許文献１に開示されている。また、物理蒸着法により酸化アルミニウムなどの酸化物皮膜を被覆する技術が特許文献２、３に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２６２３５６号公報
【特許文献２】特開平５−５７５０７号公報
【特許文献３】特開２００５−１３８２１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１は、耐熱性に優れ、靭性と耐摩耗性を有する被覆工具として、固体蒸着源を用いて成膜した酸化物層を用いる技術を開示している。酸化物層の面粗さＲｍａｘ値は、０．３μｍ未満とし、また酸化物層は、Ａｌ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｂから選択される元素を含有することが記載されている。しかし、酸化物層の面粗さＲｍａｘ値は、最表面の値ではなく、被覆層断面から測定した値によって規定している。また被加工物との耐凝着性、耐溶着性についての改善は配慮されていない。特許文献２は、工具刃先部の耐溶着性を改善する目的で、最外層を酸化アルミニウム膜で構成し、面粗さＲａが０．４μｍ以下、工具刃先部を研磨加工で処理する技術を開示している。特許文献３の被覆切削工具は、被覆層が内層、外層を有し、内層は硬質皮膜、外層は酸化アルミニウムで構成する技術を開示している。酸化アルミニウムの一部は非晶質で圧縮応力を有し、物理蒸着法により被覆された被覆切削工具である。しかし、特許文献２、３の物理蒸着法により被覆された酸化アルミニウムは、結晶粒子が粗大であり、且つ突起状の形状を有しているため、その優れた特性を発揮する前に、結晶粒子の脱落や突起状を有した結晶粒子に被加工物が付着することにより、剥離や異常摩耗が発生する等の問題がある。
そこで本願発明の目的は、被加工物との凝着性、親和性及び耐欠損性を改善し、優れた耐摩耗性を有する被覆部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明の被覆部材は、物理蒸着を用いて成膜された最表層を有し、該最表層は酸化アルミニウムとＮｂを含有することを特徴とする被覆部材である。上記の構成を採用することによって、被加工物との凝着性、親和性及び耐欠損性を改善し、優れた耐摩耗性を有する被覆部材を提供することが可能となる。
【０００６】
本願発明の被覆部材の最表層は、Ｎｂの１部をＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｂ、から選択される１種以上で置換することが好ましい。最表層とは異なる別の少なくとも１層が、金属成分として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂから選択される２種以上を含有する窒化物、ホウ化物、炭化物及び酸化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物からなる硬質皮膜を具えることが好ましい。また、本願発明の被覆部材は、該最表層の面粗さＲａ、Ｒｙが（μｍ）で、Ｒａ≦０．０３、Ｒｙ≦０．５、であり、最表層を機械的処理により平滑にすることが有効である。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明により、被加工物との凝着性、親和性及び耐欠損性を改善し、優れた耐摩耗性を有する被覆部材を提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本願発明の被覆部材の最表層に、酸化アルミニウムとＮｂを含有することによって、被加工物との凝着性、親和性及び耐欠損性を改善し、優れた耐摩耗性を有する。Ｎｂの含有量は原子％で、０．１％から３０％の範囲であることが好ましい。この理由として、酸化アルミニウムにＮｂが０．１％から３０％の範囲で含有する場合、結晶粒径を微細化する効果のあることが考えられる。酸化アルミニウム皮膜表面の面粗さを小さい状態に制御することによって、被加工物の凝着を減少させることが可能となる。更に、摩耗特性を改善することができる。酸化アルミニウムの結晶粒径を微細化することで、表面を平滑にして、被加工物との凝着性、親和性及び耐欠損性を改善した。一方、Ｎｂが０．１％未満では、結晶粒径を微細化の効果を得ることができない。また、３０％を超えると酸化アルミニウム皮膜の耐摩耗性が劣るため、不都合である。本願発明の被覆は、物理蒸着（以下、ＰＶＤと記す。）であることが好ましい。この理由は、皮膜に圧縮残留応力を付与することができるからである。好ましいＰＶＤは、スパッタリング、アーク放電式イオンプレーティング（以下、ＡＩＰと記す。）がある。各種元素の添加には、ＰＶＤによる場合、予め添加元素であるＮｂを含有した金属ターゲット材を準備しておくことによって、容易に酸化アルミニウム皮膜に添加することができる。即ち、酸化アルミニウムターゲットを装着した蒸着源１と、添加元素を含有した金属ターゲットを装着した蒸着源２とが真空装置内で同時に稼動することより、元素添加が可能である。酸化アルミニウム皮膜の結晶構造は、α型、γ型、κ型、非晶質相が挙げられる。これらの何れかまたは混在する場合においても本願発明の効果が得られる。好ましい結晶構造は、α型酸化アルミニウムである。
【０００９】
本願発明の被覆部材の最表層は、Ｎｂの１部をＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｂ、から選択される１種以上で置換することによって、硬質皮膜の凝着性、耐摩耗性について一層の改善効果を有する。置換量はは原子％で、０．１％から３０％の範囲であることが好ましい。この理由は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｂの置換が酸化アルミニウムの結晶粒径の微細化に効果を有するためであると考えられる。更に、Ｔｉ、Ｓｉ元素は皮膜の高硬度化に効果的である。また、Ｃｒ、Ｂは凝着性の改善に効果的である。上記以外に、Ｗ、Ｖ元素の添加によっても結晶粒径の微細化に効果を有すると考えられる。一方、置換量が０．１％未満では、上記の効果を得ることができない。また、３０％を超えると酸化アルミニウム皮膜の耐摩耗性が劣るため、不都合である。
最表層とは異なる別の少なくとも１層が、金属成分として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂから選択される２種以上を含有する窒化物、ホウ化物、炭化物及び酸化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物のから構成されることによって、被覆部材の基材と皮膜との密着性を確保し、耐摩耗性を改善するために有効であり好ましい。これらの硬質皮膜は、酸化アルミニウム皮膜の下層に用い、酸化アルミニウム皮膜との密着強度に優れ、酸化アルミニウム皮膜の結晶粒子を微細化することができるため、好ましい層構造である。硬質皮膜は、例えば、（ＡｌＴｉ）Ｎ、（ＴｉＳｉ）Ｎ、（ＡｌＳｉ）Ｎ、（ＡｌＴｉＳｉ）Ｎ、（ＡｌＣｒ）Ｎ、（ＡｌＣｒＳｉ）Ｎ、（ＴｉＳｉＢ）Ｎ等が挙げられる。これらは酸化アルミニウム皮膜との密着強度に優れ、酸化アルミニウム層の結晶粒子を微細化することにとって好適である。
最表層のＲａ値、Ｒｙ値を、Ｒａ≦０．０３μｍ、Ｒｙ≦０．５μｍ、とすることが好ましい。この範囲に制御することによって、酸化アルミニウム皮膜表面の結晶粒子の凹凸が小さく、摩耗環境下において、被加工物の結晶粒子への付着を最小限に抑えることが可能となる。また剥離や結晶粒子の脱落を回避し、最表層に酸化アルミニウム皮膜を有する効果が十分に発揮される。一方、酸化アルミニウム層の面粗度が、Ｒａ＞０．０３μｍ、Ｒｙ＞０．５μｍの範囲では、摩耗環境下において、酸化アルミニウム皮膜を被覆する効果が得られない。この理由は、摩耗環境下において、酸化アルミニウム皮膜表面の結晶粒子の凹凸により、被加工物が結晶粒子に付着し、剥離や結晶粒子の脱落を誘発させるためである。そこで本願発明は、酸化アルミニウム皮膜表面を、Ｒａ≦０．０３μｍ、Ｒｙ≦０．５μｍ、にすることが好ましい。Ｒａ値、Ｒｙ値の測定方法は、ＪＩＳ規格に準ずる。測定装置は、接触式の面粗度測定器、非接触の三次元粗さ測定器、原子間力顕微鏡等により測定することができる。本願発明の面粗さを測定する部位は、摩耗環境下において被加工物と接触する部位が好ましい。例えば切削工具では、刃先の逃げ面が好ましい。
最表層の面粗さを、本願発明の好ましい値にするための手段として、酸化アルミニウム皮膜を被覆後、機械的処理することが好ましい。機械的処理としては、研削加工、研摩加工が挙げられる。特にダイヤモンド粒子を含有した投射材による鏡面加工が好適である。被覆後に機械的処理を行うことにより、酸化アルミニウム皮膜内に炭素、酸素等の非金属元素がナノメートルオーダーで含有され、耐摩耗性を改善する。特に、酸化アルミニウム表層から膜厚方向に１００ｎｍ以内の深さ領域で酸素及び／又は炭素濃度が最大となる場合、硬質皮膜表面への被加工物の凝着抑制に有効である。
【００１０】
本願発明の被覆部材の基材は、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体及びダイヤモンド焼結体のいずれかから構成される場合、優れた耐摩耗性を発揮するため好ましい。ＷＣ基超硬合金は、ＷＣの平均粒度が０．２μｍ以上、０．６μｍ未満が好ましく、Ｃｏ含有量としては、３から８重量％が本発明の効果を達成する上で好ましい。本願発明の被覆部材は、特に切削工具の摩耗抑制に対して有効であり、エンドミル、ドリル、タップ、インサート工具が挙げられる。本願発明を、例えば、切削工具に適用した場合、高速、ドライ加工など、温度が非常に高温、被加工物が凝着し易い環境下において優れた耐摩耗性を示し、長時間加工することができる。また、金型、軸受け、ダイス、ロールなど耐摩耗工具等へ適用した場合も、長寿命化が可能である。以下、実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００１１】
本願発明の硬質皮膜等の被覆は、ＡＩＰ法とアンバランスドマグネトロンスパッタ（以下、ＵＢＭＳと記す。）法で行った。成膜装置内に複数のＡＩＰ蒸発源及びＵＢＭＳ蒸発源を配置し、蒸発源の前面に回転可能な保持具に超硬合金の基材を装着した。基材は、ＷＣ基超硬合金製、ＷＣ粒度：０．６〜０．８μｍ、Ｃｏ含有量：８重量％、Ｃｒ、Ｔａを含有する直径１０ｍｍの２枚刃の刃先交換式ボールエンドミルとした。ＡＩＰ蒸発源に所定の金属ターゲット材をセットし、ＵＢＭＳ蒸発源に酸化アルミニウムをセットした。そして、成膜装置内を真空度５×１０−３Ｐａ以下に真空引きした後、基材を５００℃まで加熱して１時間保持した。ガス導入口よりＡｒガスを導入して成膜装置内を２Ｐａに保った状態で、基材に−３００Ｖの電圧を印加した。Ａｒガス中でグロー放電を発生させ、Ａｒイオンにより基材表面をクリーニングした。基材に所定のバイアス電圧を印加した後、ＡＩＰ蒸発源を真空アーク放電させて、ガス導入口より窒素ガス、又は必要に応じ、炭素又は酸素を含むガスを成膜装置内に導入して下層を形成した。ガス導入口よりＡｒ及び酸素ガスを成膜装置内に導入して、別々のＵＢＭＳ蒸発源からアルミニウム成分と他の金属成分とを同時放電することにより、酸化アルミニウム層にアルミニウム以外の金属元素を添加した。下層は層厚で約３μｍ被覆し、最表層の酸化アルミニウムとＮｂを含有する皮膜は約１μｍ被覆した。下層と最表層の酸化アルミニウム皮膜とが連続的に成長するように、下層の表面を十分に酸化させた後に酸化アルミニウム皮膜を形成した。なお、下層の被覆と酸化アルミニウム層の被覆は、必ずしも同一成膜装置で連続的に行う必要は無い。酸化アルミニウム皮膜の結晶の安定性を考慮すると、下層と酸化アルミニウム皮膜とを別々の成膜装置で処理することが好ましい場合もある。上記の方法によって、本発明例１から１７を作成した。本発明例１から１７の面粗さＲａ値、Ｒｙ値を接触式の面粗度測定器により測定した。必要に応じて被覆前の基材を鏡面加工し、Ｒａ値が０．０１μｍ以下とした。面粗さの調整には被覆後、機械的な手法により面粗さを調整した。採用した機械的手法は、ダイヤモンドを含有した投射材を硬質皮膜表面に投射した。表１に硬質皮膜組成、面粗さを示す。
【００１２】
【表１】
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【００１３】
本発明例１から１７は、最表層の酸化アルミニウム皮膜を被覆する際に、表１に示す金属成分を添加して、酸化アルミニウム皮膜にアルミニウム以外の金属元素を添加した場合を示す。図１は、機械的処理を施した本発明例１の電子顕微鏡写真を示す。突起状を有した酸化アルミニウムの結晶粒子が明確に確認されなかった。また、凸形状を有した酸化アルミニウムの結晶粒子もほとんど確認されなかった。図２は、機械的処理を行っていない比較例１８の電子顕微鏡写真を示す。突起状を有した酸化アルミニウムの結晶粒子が明瞭に確認された。
【００１４】
硬質皮膜を評価するために、切削工具に関して耐摩耗性の評価を行った。下記切削条件によって被加工物との凝着性、親和性、耐欠損性及び耐摩耗性の評価を実施した。寿命判定は、最大摩耗幅が０．１ｍｍに達するまでの切削長とした。但し、１０ｍ未満を切り捨てて表１に併記した。
（切削条件）
加工方法：ドライ加工、底面直線加工、ダウンカット加工
被加工物：ＦＣＤ４５０
切削速度：１６０ｍ／分
一刃当たりの送り量：０．３ｍｍ／刃
切り込み深さ：軸方向０．２５ｍｍ、ピックフィード０．５ｍｍ
本発明例は、比較例に比べ耐摩耗性に優れ、本願発明の効果が確認された。図３に、本発明例１、比較例１８、２０の耐摩耗性評価結果を示す。本発明例１は、酸化アルミニウム皮膜の剥離が無く、大幅な摩耗特性の改善が認められた。本発明例１から３より、面粗さの相違による耐摩耗性を比較した。Ｎｂ元素の添加に加え、Ｎｂの１部を他の元素で置換した方が、Ｒａ値、Ｒｙ値はより小さい値となり、耐摩耗性に優れる結果となった。本発明例１、本発明例４から６は、酸化アルミニウム皮膜の結晶構造が異なる場合を示す。何れの結晶構造においても優れた耐摩耗性を示した。本発明例７は、下層に（ＡｌＣｒ）Ｎを有する場合を示す。本発明例８は、（ＡｌＣｒＳｉ）Ｎ、本発明例９は、（ＡｌＴｉＳｉＮ）、本発明例１０は、（ＡｌＴｉ）Ｎと（ＳｉＴｉ）Ｎを被覆しその後、酸化アルミニウム皮膜を被覆した場合、本発明例１１は、（ＡｌＴｉ）Ｎと（ＡｌＣｒＳｉ）Ｎを被覆しその後、酸化アルミニウム皮膜を被覆した場合を示す。何れの場合も、耐摩耗性の改善効果が確認された。本発明例１２は、下層が（ＡｌＺｒ）Ｎの場合を示すが、下層にはＴｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂから選択される２種以上を含有する皮膜がより好まし結果となった。本発明例１３は、下層が（ＡｌＴｉＮｂ）Ｎを有する場合、本発明例１４は（ＡｌＴｉ）Ｎを有する場合、本発明例１５から本発明例１７は、酸化アルミニウム皮膜にＮｂＣｒ、ＮｂＶ、ＮｂＴｉＢの各元素を添加した場合を示し、何れも耐摩耗性に優れていた。
【００１５】
図４に比較例１８の切削初期における刃先近傍の電子顕微鏡写真を示す。比較例１８は切削初期に酸化アルミニウム層の剥離が認められた。この理由は、切削開始直後に突起状を有した酸化アルミニウムの結晶粒子に多数の被加工物から構成される凝着物の付着があったために、これら凝着物の成長に伴って剥離が発生したためである。従って、最表層の酸化アルミニウム皮膜は多数の凝着物を有し、下層から大きく剥離が発生して、酸化アルミニウム層が機能しなかった。比較例１８、１９は、比較例２０の酸化アルミニウム層が表面にない場合と同様に、耐摩耗性の改善が認められなかった。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明例１の表面電子顕微鏡写真を示す。
【図２】図２は、比較例１８の表面電子顕微鏡写真を示す。
【図３】図３は、摩耗曲線を示す。
【図４】図４は、比較例１８の刃先近傍の電子顕微鏡写真を示す。
【図３】
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【図１】
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【図２】
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【図４】
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