(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴｉまたはＴｉＡｌの窒化物または炭窒化物の化合物皮膜である単層の高硬度皮膜と、該高硬度皮膜上に施された、金属クロム、またはＣｒとＮとの化合物皮膜である単層の固体潤滑皮膜とから成ることを特徴とする固体潤滑性および非親和性を有する複合耐摩耗性硬質皮膜。
【請求項２】
請求項１記載の複合耐摩耗性硬質皮膜において、前記化合物皮膜をイオンプレーティング法で成膜することを特徴とする複合耐摩耗性硬質皮膜。
【請求項３】
高硬度皮膜の下地層と固体潤滑皮膜の表面層とからなる複合耐摩耗性硬質皮膜が施された物品であって、該複合耐摩耗性硬質皮膜はＴｉまたはＴｉＡｌの窒化物または炭窒化物の単層の化合物皮膜である高硬度皮膜と、該高硬度皮膜上に施された、金属クロム、またはＣｒとＮとの化合物皮膜である単層の固体潤滑皮膜とから成ることを特徴とする物品。
【請求項４】
請求項３記載の物品において、前記物品は、エンドミル、ドリル、タップ、リーマ、サイドカッタ、メタルソー、チップ、面取り、パンチ、シャー刃、切削工具、ダイ、または摩耗部分を持つ機械部品のうちから選ばれることを特徴とする物品。」
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体潤滑性および非親和性を有する複合耐摩耗性硬質皮膜、並びに皮膜付き物品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工具や金型、機械部品などの金属材料の表面に耐摩耗性を向上させるためにイオンプレーティング法などにより、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮなどを被覆することは知られている。また、ＣｒＮなどの金属クロムあるいはそれらの窒化物、酸化物などは、耐熱性、摺動特性、非親和性が優れており、その結果、固体潤滑性に優れていることが見い出されている。従来、Ｃｒ系の皮膜は固体潤滑性に優れるものの、膜硬度が低く、耐摩耗性硬質皮膜としては不向きである。よって、従来は、最外層がＴｉＮ、ＴｉＣＮなどＣｒ系以外の高硬度皮膜で構成された皮膜が主に用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最外層がＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮで構成された皮膜は、皮膜自身の硬度は高いものの、被切削材との親和性が高いという欠点があった。そのため、構成刃先の成長が大きい、切粉の排出性が悪い、摺動抵抗が高く発熱する、表面にワーク材が溶着するなどの現象が生じ、膜の早期脱落、剥離、摩耗などが起き、工具の寿命を縮ませている。このように、これら従来の最外層がＴｉＮ、ＴｉＣＮなどのＣｒ系以外の高硬度皮膜で構成された皮膜では満足のいく寿命は得られなかった。
【０００４】
さらに、工具を例にとり具体的に説明すると、エンドミル、ドリル、タップ、リーマ、サイドカッタ、メタルソー、チップ、面取り、パンチ、シャー刃、切削工具の切り刃は、図３、図４に示すように、すくい面と逃げ面（ランド部、マージン部も含む）で構成されている。なお、図３はドリルを例にとった場合の斜視図であり、図４は、リーマを例にとった場合の断面図である。また、図３、図４中には、以下に記載する摩耗が生ずる箇所を指示している。
【０００５】
すくい面では、切削中に発生した切り粉による摩耗、構成刃先による損傷及びそれらによる温度上昇等により、一般にクレータ状の摩耗が発生する。逃げ面では、被切削物との摩耗や構成刃先の脱落による摩耗、損傷及び温度上昇等により、すきとり摩耗が発生する。同様にマージン部を持つドリル、タップ、リーマでは被切削材とマージン部との摩耗が著しく、温度上昇が激しい。特にハイス工具の場合、著しい温度上昇により硬度低下が発生しエッジだれが起こる。従来の技術では、高硬度皮膜より刃先先端の保護は可能であるが、固体潤滑性が低いため、切り粉、被切削物および構成刃先による摩耗及びそれらによる温度上昇に対しては、期待どおりの効果を上げることができなかった。
【０００６】
また、金属塑性加工用のダイ、機械部品（例えば、摺動軸受け）等の場合、図５に示すように、角Ｒ部は被加工物、摺動物により、摩耗し、面部は凝着し、焼き付き等が生じ易かった。なお、図５はダイを例にとった断面図である。また、図５には、摩耗及び付着が生じる箇所を指示している。従来の技術では、高硬度皮膜により角部の保護は可能であるが、固体潤滑性が低いため、凝着や焼き付き、摩耗等に対しては、期待どおりの効果を上げることができなかった。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、上記問題を解決するために、固体潤滑性および非親和性を有する複合耐摩耗性硬質皮膜、並びに皮膜付き物品を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、ＴｉまたはＴｉＡｌの窒化物または炭窒化物の化合物皮膜である単層の高硬度皮膜と、該高硬度皮膜上に施された、金属クロム、またはＣｒとＮとの化合物皮膜である単層の固体潤滑皮膜とから成ることを特徴とする固体潤滑性および非親和性を有する複合耐摩耗性硬質皮膜を採用するものである。
【０００９】
本発明は、また、高硬度皮膜の下地層と固体潤滑皮膜の表面層とからなる複合耐摩耗性硬質皮膜が施された物品であって、該複合耐摩耗性硬質皮膜はＴｉまたはＴｉＡｌの窒化物または炭窒化物の単層の化合物皮膜である高硬度皮膜と、該高硬度皮膜上に施された、金属クロム、またはＣｒとＮとの化合物皮膜である単層の固体潤滑皮膜とから成ることを特徴とする物品を採用するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
従来、耐摩耗性、密着性などを高めるあまり、母材側から傾斜的に硬度が高くなるような膜構造にして最外層を最も硬くしていた。そのため、ワーク材との非親和性は犠牲になっていた。これに対して、本発明者は、従来の高硬度皮膜の上に金属クロム、またはＣｒと、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏから選択される一種以上の元素によって構成される単層または２種以上の積層化合物皮膜を施すことにより、最外層が下地層より低い固体潤滑性や非親和性等を持つ膜構造が得られ、そのような複合皮膜が切削工具等を含む各種の工具に優れた特性を有することを見い出したものである。
【００１１】
本発明を実施すると、工具等を使用していくに従い、例えば、図２に示すように、エッジやコーナ部の最外層積層化合物の固体潤滑皮膜３は次第に摩耗し、下地層の積層化合物のうちの高硬度皮膜２が現れてくる。結果として、エッジやコーナ部等は下からＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ等の高硬度皮膜が現れ、母材１を保護し、耐摩耗性に効果を発揮し、面部は、金属クロム、ＣｒＮ等の固体潤滑性皮膜が残り、摺動特性が維持でき、切粉の掃けや溶着、焼き付き防止等の固体潤滑性や非親和性等に効果が上がる。個々の性能向上はもとより、両方の相乗効果により、工具、金型、機械部品等において飛躍的に寿命を延ばすことができるようになった。
【００１２】
本発明は内側の高硬度皮膜と外側の固体潤滑性の優れた皮膜を金属材料に施したものといえる。さらに具体的には、切削、摺動等の作業によって摩耗した場合、内側の高硬度皮膜と外側の固体潤滑性に優れた皮膜が表面に共存し、それによって、切削、摺動等の作業に適した工具、部品にあるといえる。
【００１３】
本発明の対象となる金属材料には、例えば、Ｓ１５Ｃ等の肌焼き鋼、Ｓ４５Ｃ等の構造用鋼、ＳＵＰ１０等のバネ鋼、ＳＵＪ２等の軸受け鋼、ＳＫＤ６等の熱間加工用工具鋼、ＳＫＤ１１等の冷間加工用工具鋼、ＳＫＨ５１等の高速度工具鋼等の鋼材や超硬合金、またはＡｌ合金、Ｃｕ合金、Ｔｉ合金等の非鉄金属がある。
【００１４】
本発明の皮膜はイオンプレーティング法、スパッタリング法等の公知の方法を用いて成膜することができる。２種類以上の金属イオンを供給し、かつ耐摩耗性などの強固な付着力を要求される皮膜に対しては、特に、強固な付着力が得られるイオンプレーティング法が好ましい。以下に説明する実施例では、真空アーク放電型イオンプレーティング装置を使用したが、真空ホローカソード型イオンプレーティング装置等を用いてもよい。
【００１５】
反応性ガスとしては、窒化物を生成するための反応性ガスの場合、Ｎ2 、アンモニアまたはこれらの混合ガスを用いるのが好ましい。窒化物生成後、窒化物の表面を酸化物に置き換える場合、Ｏ2 あるいは大気を用いるのが好ましい。
【００１６】
【実施例】
次に、本発明の好ましい実施例を比較例と共に説明する。
【００１７】
（実施例１）
最初に、本発明を実施する装置として真空アーク放電型イオンプレーティング装置を使用した。皮膜を形成させるための金属蒸発源として溶解法で作成したＴｉターゲット及びＣｒターゲットを用いた。被覆する金属材料として、ＳＫＨ５１からなる直径８ｍｍのドリルを用いた。この鋼材を有機溶剤により洗浄後、真空反応槽内にセットし、この真空槽内の圧力を１×１０-5Ｔｏｒｒまでの真空にした後、Ｔｉイオン衝撃による洗浄、加熱を行って、ＴｉＮの成膜を開始する。
【００１８】
成膜条件は反応ガスとしてＮ2 を２０ｃｃ／分の速度で反応槽内に導入し、圧力を３０×１０-3とした。上記金属蒸発源に９０Ａの電流を流すことによりＴｉターゲットから真空アーク放電によりＴｉイオンを放出させ、一方、上記鋼材には−５００Ｖのバイアス電圧を印加した。このような条件下で鋼材上にＴｉＮを生成させた。約４０分の成膜反応後、その上に同様な方法でＣｒＮをイオンプレーティング法により生成させた。約４０分の成膜反応後、ＴｉＮである下地層２μの皮膜、ＴｉＮ／ＣｒＮである中間層０．２μの皮膜、ＣｒＮである最外層３μの皮膜が得られた。
【００１９】
この皮膜の機械的特性の評価方法として次のような方法を採用した。即ち、このようにして得られた表面被覆ドリルの性能をドリル切削加工により形成できた穴の数によって評価した。切削条件は非削材が銅板厚さ２Ｔ、切削速度５０ｍ／分、送り０．２ｍｍ／ＲＰＭ、貫通穴とした。その結果、切削回数２．５００回を越えた時点から、下地層であるＴｉＮが現れ，全体としての切削加工可能回数は１０，５００回であった。
【００２０】
（比較例１）
特に表面処理を施してない未コートのドリルを用いたときの切削可能回数は実施例１と同じ切削条件で２，０００回に過ぎなかった。
【００２１】
（比較例２）
表面にＴｉＮを３μコーティングのみ施したドリルを用いたときの切削可能回数は実施例１と同じ条件で３，１００回に過ぎなかった。
【００２２】
（比較例３）
表面にＣｒＮを４μコーティングのみ施したドリルを用いたときの切削可能回数は実施例１と同じ条件で５，０００回に過ぎなかった。
【００２３】
（実施例２）
被覆する金属材料として、ＳＫＨ５１からなる直径８ｍｍのドリルを用いた。このドリルを、Ａｌターゲットを追加することを除いては、実施例１と同じ方法で成膜し、ＴｉＡｌＮである下地層２μの皮膜、ＴｉＡｌＮ／ＣｒＮである中間層０，２μの皮膜、ＣｒＮである最外層３μの皮膜が得られた。
【００２４】
この皮膜の機械的特性の評価方法として次のような方法を採用した。即ち、このようにした得られた表面被覆ドリルの性能をドリル切削加工により形成できた穴の数によって評価した。切削条件は非削材がＳＣＭ４４０、ドリル回転数１，５００回転／分、送り０，１５ｍｍ／ＲＰＭ、切り込み深さ２０ｍｍとした。その結果、切削回数が１５０回を越えた時点から、下地層であるＴｉＡｌＮが現れ、全体として切削加工可能回数は５４０回であった。
【００２５】
（実施例３）（本発明の具体例ではない）
下地層にＴｉＮを０．５μ成膜した上に、ＴｉＡｌＮとＣｒＮを実施例２と同様にコーティングを施したドリルを用いたときの切削可能回数は実施例２と同じ条件で５８０回であった。
【００２６】
（実施例４）（本発明の具体例ではない）
下地層にＴｉＮを０．５μ成膜した上に、ＴｉＡｌＮを３μ成膜し、最外層としてＣｒＮを３μ、Ｃｒ２Ｎを１μ、実施例２と同じ方法でコーティングを施したドリルを用いたときの切削可能回数は実施例２と同じ条件で６００回であった。
【００２７】
（比較例４）
表面にＴｉＡｌＮコーティングのみ施したドリルを用いたとき、切削可能回数は実施例２と同じ条件で３６０回に過ぎなかった。
【００２８】
（比較例５）
表面にＣｒＮコーティングのみ施したドリルを用いたときの切削可能回数は実施例２と同じ条件で１３０回に過ぎなかった。
【００２９】
（実施例５）
被覆する金属材料として、ＳＫＤ１１からなる外径４５ｍｍ、内径２０ｍｍ、高さ４０ｍｍのプレス絞り用ダイを用いた。このダイを実施例１と同じ条件で成膜し、ＴｉＮである下地層２μの皮膜及びＣｒＮである最外層３μの皮膜が得られた。
【００３０】
この皮膜の機械的特性の評価方法として次のような方法を採用した。即ち、このようにして得られた表面被覆ダイの性能をアルミニウム絞り加工によりできた製品の数により評価した。被加工材料がＡ１１００アルミニウム板厚さ０，７Ｔ、切削油は強粘性プレス油を使用し、加工速度は３０ｓｐｍで加工した。その結果、２０，０００個加工した時点で下地層であるＴｉＮが現れ、全体として加工製品数は３０，０００個を優に越え、ダイの溶着は見られず、継続して加工可能であった。
【００３１】
（実施例６）
下地層にＴｉＮを３μ成膜した上に、Ｃｒを蒸着で５μコーティングを施したダイを用いたとき、加工可能製品数は実施例５と同じ加工条件で、約１，０００加工した時点でＲ部にごく微量の剥離が見られたものの、ダイへのアルミニウムの付着がなく、全体として１５，０００個まで継続加工が可能であった。
【００３２】
（実施例７）（本発明の具体例ではない）
下地層にＴｉＮを３μ成膜した上に、ＣｒＮをイオンプレーティングで５μコーティングを施し、大気若しくは酸化雰囲気中で加熱し表面にＣｒ２Ｏ３を生成させたダイを用いたときの加工可能製品数は、実施例５と同じ加工条件で、２１，０００加工した時点で下地層であるＴｉＮが現れ、全体として加工製品数は３０，０００個を優に超え、ダイへの溶着は見られず、継続して加工可能であった。また、金属粉や固化したプレス油などの除去が大変容易であった。
【００３３】
（比較例６）
特に表面処理を施してない未コートのダイを用いたときの加工可能製品数は実施例５と同じ加工条件でダイへのアルミニウムの付着が激しく５０個に過ぎなかった。
【００３４】
（比較例７）
表面にＴｉＮコーティングのみ施したダイを用いたときの加工可能製品数は実施例５と同じ加工条件で１００個前後から面部に比較例６と同様な付着が見られ、１，１００個に過ぎなかった。
【００３５】
（比較例８）
表面にＣｒＮコーティングのみ施したダイを用いたときの加工可能製品数は実施例５と同じ加工条件で、２，０００個前後からＣｒＮ膜摩擦部分であるＲ部終端に比較例６と同様の付着が見られ、２，８００個に過ぎなかった。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、エッジや角Ｒ部等は下からＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ等の高硬度皮膜が現れ、耐摩耗性に効果を発揮し、面図は金属クロム、ＣｒＮ等固体潤滑皮膜が残り、摺動特性が維持でき、切粉の掃けや溶着、焼き付き防止等固体潤滑性や非親和性等に効果が上がる。個々の性能向上はもとより、両方の相乗効果により、工具、金型、機械部品等において、飛躍的に寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の成膜直後の状態を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の使用中の状態を示す断面図である。
【図３】図３は、ドリルの摩耗状態を示す斜視図である。
【図４】図４は、リーマの摩耗状態を示す断面図である。
【図５】図５は、ダイの摩耗及び付着状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１    母材
２    高硬度皮膜
３    固体潤滑皮膜
【図１】
0003891520.tif 000002
【図２】
0003891520.tif 000003
【図３】
0003891520.tif 000004
【図４】
0003891520.tif 000005
【図５】
0003891520.tif 000006