(57)【要約】【課題】  本願発明の課題は、被覆部材が耐熱性や潤滑性に優れた表面状態よなる被覆部材及び被覆部材の被覆方法を提供することである。【解決手段】  本願発明の被覆部材は、被覆された皮膜が金属等の窒化物、炭化物、硫化物、硼化物、酸化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物であり、該皮膜表面には該固溶体又は該混合物と略同一組成の粒子を有し、該粒子は該皮膜表面から５ｎｍ以上、２００ｎｍ未満の突起状粒子であることを特徴とする被覆部材及びその被覆方法である。【選択図】  図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆部材に被覆された皮膜は金属等の窒化物、炭化物、硫化物、硼化物、酸化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物であり、該皮膜表面には該固溶体又は該混合物と略同一組成の粒子を有し、該粒子は該皮膜表面から５ｎｍ以上、２００ｎｍ未満の突起状粒子であることを特徴とする被覆部材。
【請求項２】
請求項１に記載の被覆部材において、該皮膜の金属成分はＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｂ、Ｗから選択される少なくとも２種以上であることを特徴とする被覆部材。
【請求項３】
請求項１、２の何れかに記載の被覆部材において、該皮膜表面にある該突起状粒子は、非金属元素の原子％を金属元素の原子％で除した値をＲとしたとき、０．３≦Ｒ≦０．６の範囲にあることを特徴とする被覆部材。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れかに記載の被覆部材において、該皮膜表面の該突起状粒子の数は、該皮膜表面の任意に選択される１０μｍ２の範囲内に５０個以上、５００個未満であることを特徴とする被覆部材。
【請求項５】
請求項１に記載の被覆部材において、該皮膜の被覆方法がスパッタリング法であることを特徴とする被覆部材の被覆方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、ダイス鋼等を基体とし、例えば金属等の窒化物、炭化物、硫化物、硼化物、酸化物を被覆した被覆部材、被覆部材の被覆方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
皮膜の被覆過程で不可避的に混入するドロップレット若しくはマクロパーティクルの低減化技術は、特許文献１から５に開示されている。特許文献１は、コーティング層の表面に存在する直径５μｍ以上の突起状粒子が、１０個／ｍｍ２以下とする技術が開示されている。特許文献２は被覆穴あけ工具の外周マージン部の算術平均粗さＲａ値を規定する技術が開示されている。特許文献３は、突起状粒子を機械的に除去し、皮膜表面の耐摩耗性を改善する技術が開示されている。特許文献４は、突起状粒子が生じないような成膜方法として、ホロカソード法とマグネトロンスパッタ法を併用する技術が開示されている。特許文献５は、被膜の表面において、高さ０．５μｍ以上の突起の個数を規定した被覆工具に関する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３４５０７８号公報
【特許文献２】特開２００５−２２０６４号公報
【特許文献３】特開２００５−１０８８号公報
【特許文献４】特開２００４−２８５４４０号公報
【特許文献５】特許３６３３８３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
皮膜の被覆過程で不可避的に混入する突起状粒子は、ドロップレット若しくはマクロパーティクルと呼ぶ場合もある。この突起状粒子は皮膜表面の面粗度を低下させ、皮膜の潤滑性や摩耗特性を劣化させる。その結果、切り屑の排出性低下による工具の折損や局部摩耗を誘発し、近年の高精度加工に於いては問題点である。そこでこれら問題点に対して改善の検討がなされている。
しかし、これらの潤滑性を改善するための単純な皮膜表面の突起状粒子の制限、もしくは皮膜表面の面粗度の規定では十分に潤滑性を改善することができない。
そこで本願発明の課題は、被覆部材が耐熱性や潤滑性に優れた表面状態となる被覆部材及び被覆部材の被覆方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明は、被覆部材に被覆された皮膜の金属成分は窒化物、炭化物、硫化物、硼化物、酸化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物であり、該皮膜表面には該固溶体又は該混合物と略同一組成の粒子を有し、該粒子は該皮膜表面から５ｎｍ以上、２００ｎｍ未満の突起状粒子であることを特徴とする被覆部材である。本構成を採用することによって耐熱性や潤滑性に優れた表面状態となる被覆部材を提供することができる。
【０００６】
本願発明の被覆部材について、皮膜を構成する金属成分はＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｂ、Ｗから選択される少なくとも２種以上であること、また皮膜表面にある突起状粒子は、非金属元素の原子％を該金属元素の原子％で除した値をＲとしたとき、０．３≦Ｒ≦０．６の範囲にあることが好ましい。突起状粒子の数は、該皮膜表面の任意に選択される１０μｍ２の範囲内に５０個以上、５００個未満であることが好ましい。被覆部材の被覆方法には物理蒸着法を採用し、この物理蒸着法はスパッタリング法（以下、ＭＳ法と言う。）、により被覆することが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明によって、耐熱性や潤滑性に優れた表面状態となる被覆部材及び被覆部材の被覆方法を提供することができた。例えば切削工具に適用した場合、被加工物の仕上げ精度向上、工具の折損、局部摩耗を著しく低減させることが可能である。近年の高精度加工に於いて、部材寿命を改善した被覆部材及び被覆部材の被覆方法を提供することが可能となった。そして本願発明は生産性向上並びにコスト低減に極めて有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本願発明は、皮膜表面を５ｎｍ以上、２００ｎｍ未満の突起状粒子であって、皮膜組成と略同一組成を有する固溶体又は混合物の突起状粒子に制限することにより、平滑性を維持しつつ、皮膜残留応力を低い状態にすることを可能にした。更に膜と基体との密着性を改善することができる。例えば切削工具に適用した場合、被加工物とは点接触のため摩擦係数を低減させることができる。更に、潤滑油や潤滑材等を皮膜表面に保持する効果に優れ耐摩耗性を改良することができる。一方、単純に皮膜のマクロパーティクルを低減させると、皮膜内の残留応力が増加し、高硬度化する。この場合には硬くて脆い特性を有する皮膜が形成され、基体との密着強度が低下する。ここで言う、本願発明の突起状粒子と、一般的に言うマクロパーティクルとは異なる形態を示すものである。突起状粒子は皮膜そのもの、或いは皮膜組成と略同一組成を有する固溶体又は混合物である。即ち、突起状粒子を構成する成分のうち、非金属元素の原子％をＹとし、金属元素の原子％をＸとしたときのＹ／Ｘの値をＲとしたとき、Ｒ値が０．３≦Ｒ≦０．６の範囲で存在するものである。これに対して、マクロパーティクルは金属成分が主体であるため、Ｒ値は０．２以下のものであって区別される。
皮膜表面の５ｎｍ以上、２００ｎｍ未満の突起状粒子は摩耗環境下において、優れた耐摩耗性を発揮する。そのメカニズムは、ナノサイズから構成される突起状粒子が硬質皮膜表面の表面積を増加させ、摩耗環境下でその界面に潤滑層を形成するためである。更にこの特徴的な突起状粒子は、金属成分としてＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｂ、Ｗから選択される少なくとも２種以上の窒化物、炭化物、硫化物、硼化物、酸化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物で構成される場合に形成され、優れた耐摩耗効果を発揮するために好ましい。
【０００９】
本願発明の皮膜表面にある５ｎｍ以上、２００ｎｍ未満の突起状粒子は、皮膜表面の任意に選択される１０μｍ２の範囲に、５０個以上、５００個未満で構成される場合、優れた耐摩耗効果を発揮するため好ましい形態である。突起状粒子が任意に選択される１０μｍ２の範囲に、５０個未満の場合、耐摩耗性は改善されない。また５００個以上から構成される場合、皮膜が極めて脆くなり、耐剥離性が急激に低下し異常摩耗が進行する。但し、本願発明の突起状粒子は被加工物に接する部材表面のうち、どの部位であってもその効果を発揮することができ、必ずしも部材全体にわたって本願発明を満足する必要は無い。
【００１０】
被覆部材の用途は、切削工具、金型、軸受け、ダイス、ロール等、高硬度が要求される耐摩耗部材である。切削工具としてはエンドミル、ドリル、ホブ、リーマ、ルーター、カッター、クリスマスカッター、ブローチ、刃先交換型切削インサート等の切削工具が最適である。これらの被覆部材は特に耐摩耗性の改善効果が大きく工具寿命が向上する。特に切削工具が転削工具であり、その部材直径が１ｍｍ未満の工具において、耐摩耗性の改善が著しく好ましい。
本願発明の物理蒸着による皮膜の被覆方法は、表面平滑性及び潤滑性の観点からＭＳ法であることが好ましい。フィルター方式アークイオンプレーティング法（以下、ＦＡＩＰ法と言う。）、プラズマ化学蒸着法（以下、ＰＣＶＤ法と言う。）との組み合せにより被覆することもできる。以下、本願発明を実施例に基づいて説明するが、本願発明は下記実施例に限定されるものではなく、使用分野により適宜変更することができる。
【実施例】
【００１１】
基体として、Ｃｏ含有量：８重量％、Ｃｒ含有量：０．７重量％、ＶＣ含有量：０．２重量％、硬度がＨＲＡ９４．２の超硬合金を用い、Ｒ０．１ｍｍ、２枚刃ボールエンドミル、ドリルを作成した。基体は脱脂洗浄を実施し、ＭＳ装置の容器内の冶具に配置した。冶具は３回転／分で自公転する。基体の温度は５５０℃となるよう加熱、排気を行った。Ａｒガスを容器内に導入し、容器内に設けられたカソード電極とアノード電極の間で放電によってＡｒのイオン化を行った。同時に基体にパルス状のバイアス電圧を印加した。このパルス状のバイアス電圧は、負バイアス電圧が２００Ｖ、９０％、正バイアス電圧が０Ｖ、１０％、周波数を２０ｋＨｚとした。イオン化されたＡｒは基体に衝突し、基体のクリーニング及び活性化処理を行った。このとき、基体のクリーニング効率や活性度をより高めるためにＸｅ、Ｋｒ、Ｈ２等を複合的に用いることも有効である。Ａｒ及びもしくはその他のガス及び反応ガスとして窒素を容器内に導入し、全体の圧力を５８０ｍＰａ、バイアス電圧を−１００Ｖに設定した。容器内に複数配置したＭＳ蒸発源に設置された皮膜の金属成分となるターゲット１つあたり４ｋＷの電力を供給し、ターゲット上でスパッタ放電を行い、バイアス電圧が印加された基体上に層厚で約３μｍの皮膜の形成を行った。このとき必要に応じ最下層を形成した。Ｎ、Ｃ、Ｏ、Ｂ、Ｓを皮膜内に含有させる手段としては、導入ガスとして添加する以外にも、ターゲットに添加する方法、成膜圧力レベル、窒素との混合ガスとして添加することも可能である。
ターゲット１及びターゲット２には、原子％比でＴｉ／Ｓｉ＝７５／２５のターゲットを設置し、ターゲット３及びターゲット４には、原子％比でＡｌ／Ｔｉ＝５５／４５のターゲットを設置し、まず初めにターゲット３及びターゲット４により（ＡｌＴｉ）Ｎを２μｍ、続いてターゲット１及びターゲット２により（ＴｉＳｉ）Ｎを１μｍ積層した硬質皮膜を被覆し、これを本発明例１とした。表１、２に本発明例１の皮膜組成、膜厚、成膜方法、突起状粒子の凹凸、数、皮膜硬度、面粗さ、最下層の情報、層構造等を示す。最下層は、必要に応じて皮膜の下地層として採用した。
表１、２に示す様に、種々組成、膜厚等に変更を施した本発明例２から３０を作成した。これらは特に断りがない限り、本発明例１に準ずる方法により作成した。表１中に記載する基体は全てＣｒ：０．７重量％含有の基体を使用した。また、成膜方法の欄でＭＳはスパッタリング法、ＦＡＩＰはファイルターアークイオンプレーティング法、ＰＣＶＤはプラズマ化学蒸着を示す。最下層は、必要に応じて皮膜の下地層として採用した。
比較例も表１、２に併記する。比較例３１から３３は通常のＡＩＰ法、比較例３４、３５はＭＳ法により被覆を行った。
【００１２】
【表１】
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【００１３】
【表２】
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【００１４】
皮膜表面の突起状粒子の観察方法について述べる。図１は本発明例１、図２は比較例３１の皮膜表面の走査型電子顕微鏡写真を示す。本発明例１の皮膜表面にはマクロパーティクルはほとんど存在していない。一方、比較例３１の皮膜表面には複数のマクロパーティクルが存在していた。更に、図３は図１の拡大写真を、図４は図２の拡大写真を示す。本発明例１の皮膜表面は、複数の突起状粒子で構成され、本願発明の皮膜の特徴的な表面形態を示す。この突起状粒子は摩耗環境下において、優れた耐摩耗性を発揮する。一方、比較例３１の皮膜表面は、突起状粒子は存在していない。
皮膜表面の突起状粒子の測定方法について述べる。図５は図３に対応した箇所の原子間力顕微鏡写真を、図６は図４に対応した箇所の原子間力顕微鏡写真を示す。図５と図６の比較から、本発明例１の皮膜表面は突起状粒子で構成されていることが分かる。図７、図８は、図５の表面の凹凸を定量的に測定した結果を示す。本発明例１の皮膜表面には約１００ｎｍ未満の微細な凹凸が存在していた。一方、図９、図１０は、図６の表面の凹凸を定量的に示す。比較例３１の皮膜表面には２００ｎｍ未満の凹凸は存在していなかった。図１１は本発明例１の皮膜表面について倍率１万倍の拡大写真を示す。１０μｍ２範囲内にある突起状粒子の数は、写真内の任意の位置に１０μｍ２の領域を設け、その範囲内にある界面が存在する粒子の数を測定した。この方法により、突起状粒子の数が５０個以上、３５００個未満であることを確認した。ここで、本願発明の耐摩耗皮膜表面の５ｎｍ以上、２００ｎｍ未満の凹凸を有する突起状粒子の形成、１０μｍ２範囲の突起状粒子の数、表面粗さ、及び皮膜内の酸素含有量は被覆条件、ターゲット、被覆前処理により総合的に決定される。
【００１５】
本発明例１から３０、比較例３１から３５の皮膜を被覆工具に適用し、耐摩耗性を評価するために切削評価を実施した。切削評価条件を以下に示す。切削評価結果は、逃げ面摩耗幅が０．１ｍｍに達した時の切削長、もしくは不安定な加工状態として、例えば火花発生、異音、加工面のむしれ、焼け、折損等などの状態に達した時の切削長を切削寿命とした。表１中では１０ｍまたは１０穴以下を切り捨てて表示した。
（切削試験１）
工具：Ｒ０．１ｍｍ、２枚刃ボールエンドミル
切削方法：底面超高速仕上げ加工
被削材：冷間ダイス鋼、ＨＲＣ６０
切り込み：軸方向、０．０１ｍｍ、径方向、０．０１ｍｍ
主軸回転数：５０ｋｍｉｎ−１
テーブル送り：１ｍ／ｍｉｎ
切削油：無し、ドライ切削
（切削試験２）
工具：Ｒ５ｍｍ、２枚刃ボールエンドミル
切削方法：底面超高速仕上げ加工
被削材：冷間ダイス鋼、ＨＲＣ６０
切り込み：軸方向、０．０１ｍｍ、径方向、０．０１ｍｍ
主軸回転数：３０ｋｍｉｎ−１
テーブル送り：５ｍ／ｍｉｎ
切削油：無し、ドライ切削
（切削試験３）
工具：φ６ｍｍ、２枚刃ソリッドドリル
切削方法：止まり穴加工
被削材：ＳＣＭ４４０、ＨＲＣ３０
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ−１
送り速度：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切削油：水溶性切削液の外部給油
【００１６】
本発明例１と比較例３１を比較すると、皮膜組成ほぼ同一であが、ＡＩＰ法で被覆した比較例３１はマクロパーティクルが多数存在し、面粗さの数値が大きかった。また突起状粒子が存在しないため、耐摩耗性が劣っていた。同様に、本発明例１１に対する比較例３２、本発明例１９に対する比較例３３においても同じ現象が確認できた。ＭＳ法を採用した本発明例１から２８にＦＡＩＰ法を用いた本発明例２９及びＦＡＩＰ法とＰＣＶＤ法とを併用した複合プロセスの本発明例３０も含めると、ＡＩＰ法で被覆した比較例は何れも本発明例よりも劣る結果となった。また本願発明の構成を達成する上で、ＭＳ法が最適であった。本発明例１から本発明例６、比較例３４、比較例３５を比較した。突起状粒子の凹凸状態と個数について比較することができる。本発明例１から本発明例６は夫々の評価試験１から３について優れた結果を示した。また突起状粒子は、最上層の皮膜と略同一組成を有し、突起状粒子の凹凸は５ｎｍ以上、２００ｎｍ以下であった。これらの本発明例から、突起状粒子の個数を５０個以上、３５００個未満とする条件が適していることを確認した。一方、比較例３４は、突起状粒子の凹凸が５ｎｍよりも低くなる場合であり耐摩耗性の改善は認められなかった。比較例３５は、突起状粒子の凹凸が２５０ｎｍの場合であり耐摩耗性の改善は確認されなかった。本発明例７の皮膜硬度は７２ＧＰａ、本発明例８の皮膜硬度は２８ＧＰａの場合である。皮膜硬度としては７２ＧＰａでも許容範囲である。７５ＧＰａを超えると被覆後に剥離が生じ、耐摩耗性の評価ができない。皮膜硬度が２８ＧＰａの場合は、耐摩耗性が低下する傾向にある。好ましい皮膜硬度は３０ＧＰａ以上、７５ＧＰａ以下である。本発明例９、本発明例１０は、面粗度が本発明例１と比較するとやや劣る。本願発明の好ましい面粗度の範囲は、０．５μｍＲｙ以下、且つ０．０５μｍＲａ以下である。本発明例１２は、（ＴｉＳｉ）（ＮＯ）皮膜単一層の場合を示す。本発明例１と比較した場合、２層以上の積層膜として構成した方が、耐摩耗性に優れる結果となった。本発明例１４は、最下層を約２００ｎｍ被覆した後、膜厚が約２０００ｎｍまで最下層及び被覆層の両方の蒸発源を同時に稼動させ、被覆部材が回転機構を有していることから、実際にはナノ厚さの積層膜となっていた。その後、１０００ｎｍの最上層を被覆し、総膜厚を３０００ｎｍとした。混合積層膜を用いることにより、耐摩耗性を更に改善することが可能であり、好ましい本願発明の構成である。本発明例２１も本発明例１４と同様な成膜方法により作成した。本発明例２０と比較しても耐摩耗性に優れていた。  本発明例１５は、皮膜組成が（ＳｉＷ）Ｎ、本発明例１６は（ＳｉＣｒ）Ｎ、本発明例１７は（ＳｉＴｉ）Ｎ、本発明例１８は（ＳｉＡｌＣｒ）（ＮＯ）、本発明例２２は（ＳｉＮｂ）Ｎ、本発明例２３、本発明例２４は（ＳｉＣｒＢ）Ｎ、本願発明例２５は（ＳｉＢ）（ＮＯＣ）、本発明例２６は（ＳｉＡｌ）（ＮＯ）、本発明例２７は（ＳｉＴｉＭｏ）（ＮＯＳ）の場合を示した。これらは何れも比較例３１、比較例３２、比較例３３に比べて、耐摩耗性に優れていた。特に本発明例２７の（ＳｉＴｉＭｏ）（ＮＯＳ）の被覆方法は、被覆装置内に複数配置したターゲットのうちＳｉＴｉターゲットとＭｏＳ２ターゲットを設置した蒸発源を同時に稼動させて成膜を行った。この場合、ＳｉＴｉを高濃度で含有する層と、ＭｏＳを高濃度で含有する層との積層膜となっていると考えられる。本発明例２８は、基体にＶを含有しない場合を示す。本発明例１と比較すると、Ｖを含有した方が耐摩耗性に優れる結果となった。本願発明の皮膜と基体成分の相乗効果により、耐摩耗性を改善した結果である。基体のＶ含有量、Ｃｒ含有量が２．６重量％以上含有する場合は、切削初期でチッピングが発生し、耐摩耗性の評価ができなかった。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明例１の走査電子顕微鏡写真を示す。
【図２】図２は、比較例３１の走査電子顕微鏡写真を示す。
【図３】図３は、図１の拡大写真を示す。
【図４】図４は、図２の拡大写真を示す。
【図５】図５は、本発明例１の原子間力顕微鏡写真を示す。
【図６】図６は、比較例３１の原子間力顕微鏡写真を示す。
【図７】図７は、本発明例１の凹凸測定部を示す。
【図８】図８は、本発明例１の凹凸測定結果を示す。
【図９】図９は、比較例３１の凹凸測定部を示す。
【図１０】図１０は、比較例３１の凹凸測定結果を示す
【図１１】図１１は、本発明例１の突起状粒子測定例を示す。
【図８】
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【図１０】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１１】
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