(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆部材において、該硬質皮膜は、少なくともＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎ、Ｏを含有し、該硬質皮膜の非金属成分は、（ＮｗＯ１００−ｗ）、但し、７０≦ｗ≦９９であり、酸素含有量が１以上１０原子％以下のＡ層と、酸素含有量が１０原子％を超え３０原子％以下のＢ層とで構成したことを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項２】
請求項１記載の硬質皮膜被覆部材において、該硬質皮膜の金属成分は、（ＡｌａＴｉｂＣｒｃ）、但し、３０≦ａ≦７０、３０≦ｂ≦７０、０．５≦ｃ≦２０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項３】
請求項１乃至２記載の硬質皮膜被覆部材において、該Ａ層とＢ層の層数は、３〜１０００層であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項４】
請求項１乃至３記載の硬質皮膜被覆部材において、該Ａ層、Ｂ層の膜厚は、５ｎｍ〜２０００ｎｍであることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項５】
請求項４記載の硬質皮膜被覆部材において、該Ａ層及び／又はＢ層の一部もしくは全体に亘り、酸素含有量が傾斜組成を有することを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項６】
請求項１乃至５記載の硬質皮膜被覆部材において、該硬質皮膜の結晶構造がＮａＣｌ型であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項７】
請求項６記載の硬質皮膜被覆部材において、該硬質皮膜のＸ腺回折における（２００）面の回折強度をＩ（２００）、同（１１１）面の回折強度をＩ（１１１）とした時、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値が１以上であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項８】
請求項７記載の硬質皮膜被覆部材において、該硬質皮膜結晶形態が微細柱状結晶であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項９】
請求項８記載の硬質皮膜被覆部材において、該微細柱状結晶の粒径が、硬質皮膜と基体の界面から１０００ｎｍ〜１５００ｎｍの位置において、２５０ｎｍ以下であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項１０】
請求項１記載の硬質皮膜被覆部材において、該硬質皮膜が非晶質であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項１１】
請求項１乃至１０記載の硬質皮膜被覆部材において、該硬質皮膜に残留する圧縮応力が３．５ＧＰａ以下であることを特徴とする硬質皮膜被服部材。
【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に優れるとともに高い耐摩耗性、耐酸化性を有する耐摩耗性部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工具や金型及び機械部品において耐摩耗性、耐酸化性、潤滑性を付与するために各種硬質皮膜を被覆することが一般的になっている。代表的なＴｉＮ、ＴｉＣＮ皮膜は耐摩耗性は優れるものの、耐酸化性に問題を有する。また、特開昭６２−５６５６５などによって提案されたＴｉＡｌＮ系皮膜は耐摩耗性、耐酸化性に優れるものの潤滑性は低い。ＣｒＮ、ＣｒＣＮ系皮膜は潤滑性は優れるものの皮膜硬度が低く耐摩耗性に劣る。このように従来の皮膜は耐摩耗性、耐酸化性、潤滑性のいずれかが劣り、各用途において何らかの問題点を有する結果であるのが現状である。また潤滑性を付与するために硬質皮膜表面に潤滑性に優れるＭｏＳ系皮膜を被覆する提案が特開平５−２３９６１８などでなされてはいるが、密着性が悪く十分な結果を得るには至っていない。このように従来の皮膜では何らかの問題点があり、それを解決するためにＭｏＳ系以外において、特開平１１−１５６９９２に示されるようにＴｉＡｌＮ系皮膜の上層にＣｒＮ系皮膜を被覆する提案もなされているが、全体の膜厚はある程度の制限があるためＴｉＡｌＮ皮膜の膜厚が十分でなく耐摩耗性の点で満足されるものではない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は耐摩耗性、耐酸化性、潤滑性のいずれをも劣化させることなく、これらの特性を向上させることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明は、硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆部材において、該硬質皮膜は、少なくともＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎ、Ｏを含有し、該硬質皮膜の非金属成分は、（ＮｗＯ１００−ｗ）、但し、７０≦ｗ≦９９であり、酸素含有量が１以上１０原子％以下のＡ層と、酸素含有量が１０原子％を超え３０原子％以下のＢ層とで構成したことを特徴とする硬質皮膜被覆部材である。また、本発明のより優れた実施態様として、硬質皮膜を構成する各層の組成は、（ＡｌａＴｉｂＣｒｃ）（ＮｗＯ１００−ｗ）、但し、３０≦ａ≦７０、３０≦ｂ≦７０、０．５≦ｃ≦２０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００とし、その層数は３〜１０００層とする、各層の膜厚は５ｎｍ〜２０００ｎｍとする、各層の一部もしくは各層全体に亘り酸素含有量は傾斜組成とする、硬質皮膜の結晶構造はＮａＣｌ型とする、硬質皮膜のＸ腺回折における（２００）面の回折強度をＩ（２００）、同（１１１）面の回折強度をＩ（１１１）とした時、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値は１以上とする、硬質皮膜は微細柱状結晶もしくは非晶質形態とする、微細柱状結晶の粒径は硬質皮膜と基体の界面から１０００ｎｍ〜１５００ｎｍの位置において２５０ｎｍ以下とする、硬質皮膜に残留する圧縮応力は３．５Ｇｐａ以下とする、などが挙げられる。本発明はＴｉとＡｌとＣｒとＮを必須成分とし、これに酸素を添加した硬質皮膜を採用するものである。当然ながら、ＴｉとＡｌが耐摩耗性成分として寄与し、Ｃｒが潤滑性を付与する成分として寄与するわけであるが、これだけでは十分でなく、これに酸素を添加することにより、いっそう耐酸化性、潤滑性を付与する結果となる。
【０００５】
【作用】
ＴｉＡｌＮを基本とし、これにＣｒを添加する効果については、第一に特に切削工具において耐酸化性のさらなる向上が挙げられる。ＴｉＡｌＮの場合、酸化に伴い皮膜内部でＡｌが表面に拡散し、Ａｌの酸化物を形成することにより酸素の外部からの浸入を抑制し、耐酸化性が向上することは周知の事実である。しかしこの場合Ａｌの酸化物の直下には、非常にポーラスなＴｉの酸化物が形成されるため、特に切削工具などの衝撃が加わるような場合、Ａｌの酸化物は容易に脱落してしまい、その効果を継続して発揮することが難しい。金型等の場合でも同様である。Ｃｒの添加によりＡｌの酸化物直下に形成されるポーラスなＴｉの酸化物がＴｉＣｒの酸化物となり、この酸化物は非常に緻密な層を形成することが明らかとなった。従って、最表層に形成されるＡｌの酸化物は密着性が保たれ、結果耐酸化性が向上することになる。
【０００６】
Ｃｒ添加の第二の効果はＣｒそのものが有する優れた潤滑性をＴｉＡｌＮ皮膜に付与することである。ＴｉＡｌＮの鋼との摩擦係数は０．７−０．８であるが、Ｃｒ添加に伴い０．３−０．６に改善される。この摩擦係数はＣｒの添加量に依存する。ただしＣｒの添加量が多すぎると皮膜硬度が低下し、耐摩耗性が悪くなるため、添加量には上限を設定することが好ましい。
【０００７】
Ｃｒ添加のみでも上述のようにＴｉＡｌＮ系皮膜の潤滑性、耐酸化性を向上せしめる効果が確認されるが、Ｃｒのみでは十分ではなく、これに酸素を添加することにより、さらに一層の改善が認められる。酸素の添加効果については第一に耐酸化性の飛躍的向上、潤滑性の飛躍的向上が挙げられる。耐酸化性の飛躍的向上に対しては、皮膜内部に酸素を添加することに伴い、皮膜の結晶が微細化し皮膜そのものが緻密になると同時に結晶粒界も緻密になることにより、外部からの酸素の浸入に対する酸素拡散速度が著しく抑制されることが理由と考えられる。潤滑性に関しては、十分に解明されてはいないが、酸素添加により鋼との親和性が低下することが理由であると考えられる。
【０００８】
酸素添加効果の第二は皮膜の残留圧縮応力が低下し、皮膜の密着性が向上することに起因する耐摩耗性の向上が挙げられる。特に重切削条件下や鍛造金型分野においては皮膜の密着性が極めて重要な要素となる。皮膜の微小剥離により摩耗が進行する傾向にあるとともに、大きな剥離が発生すると突発的寿命となる。ＴｉＡｌＣｒＮ系の皮膜のスクラッチテストによる剥離臨界荷重は６０−８０Ｎであるのに対し、これに酸素を添加することによりその強度は１００Ｎ以上に改善される。
【０００９】
しかしながら、酸素の添加量増加に伴い、上述の耐酸化性、潤滑性、密着性向上に起因する耐磨耗性は向上するものの、一方皮膜硬度そのものが軟化してしまいアブレッシブ摩耗性が劣化する結果となる。従って耐酸化性、潤滑性に寄与するための最適組成層と、アブレッシブ磨耗に寄与する最適組成層の多層化することが重要で、より好ましく、多層化により双方の利点が複合化される結果となる。
【００１０】
次に数値を限定した理由を説明する。
Ａｌは３０原子％未満であると皮膜の耐酸化性が劣化し７０原子％を超えると皮膜中にｈｃｐ構造を有するＡｌＮが形成され皮膜強度が劣化するため好ましくない。
Ｔｉは３０原子％未満であると皮膜の耐摩耗性が劣化し、７０原子％を超えると皮膜の耐酸化性が劣化するため好ましくない。
Ｃｒは０．５原子％未満ではポーラスなＴｉ酸化物が形成され耐酸化性向上に寄与せず、２０原子％を超えると皮膜の硬度が軟化し耐摩耗性が劣化し好ましくない。酸素は窒素に対し１原子％未満では、耐酸化性、潤滑性、密着性の向上に寄与せず、３０原子％を超えると皮膜硬度の軟化を来すため好ましくない。
【００１１】
多層における皮膜数は３層未満であると、それぞれの効果は発揮するものの、上述したようにどちらかの欠点が顕著となり複合効果が認められず、１０００層を超えると各層の膜厚が薄く同じく複合効果が認められなくなるとともに残留応力が増加し皮膜の密着性を損なう傾向があるため好ましくない。各層の膜厚も同様であり、５ｎｍ未満では各層の有する利点の効果が薄れ、２０００ｎｍを超えるとせいぜい３層程度の被覆しか現実性がなくなり好ましくない。
【００１２】
低酸素含有層と高酸素含有層を多層にする目的は上述のように、低酸素皮膜は硬度低下が少なく耐アブレッシブ摩耗に寄与し、高酸素含有皮膜は皮膜硬度が低下する傾向にあるものの耐酸化、潤滑性に寄与する効果が大きく、これらを多層に被覆することにより双方の効果が複合化され好ましい結果となる。低酸素含有層において、酸素含有量が１原子％未満では、高酸素含有層との密着性が劣化し、１０原子％を超えると耐アブレッシブ摩耗性が劣化するため好ましくない。一方高酸素含有皮膜においては、酸素含有量が１０原子％未満では耐酸化性、潤滑性の向上に寄与が薄く、３０原子％を超えると著しく硬度が軟化し耐摩耗性を劣化させ好ましくない。
【００１３】
この低酸素含有皮膜と高酸素含有皮膜は単純な多層でも何ら問題はないが、各層において酸素含有量を傾斜化させ界面における酸素含有量の変化をできるだけ少なくするか、酸素含有量をサイン曲線のごとく連続化させることにより、各層の密着性がさらに向上する結果となる。
【００１４】
結晶形態においては、ＮａＣｌ型が多数のすべり面を有するため、高温での皮膜硬度においてＨＶ３０００程度の上限値が存在し、これ以上の高硬度化は難しいものの、反面靭性に優れ、チッピングの発生、衝撃が加わった場合等における皮膜中のマイクロクラックの発生が少なく、安定した寿命が達成される。
【００１５】
皮膜の結晶配向は被覆条件に依存し、比較的低エネルギーで成膜すると（２００）面に強く配向し、高エネルギーで成膜すると（１１１）面に配向する傾向を有する。低エネルギーで成膜した場合が皮膜の成膜速度は遅くなるが、皮膜密度が向上し、耐酸化性、耐磨耗性に優れた結果となることが確認された。従って（２００）面回折強度が（１１１）面回折強度より強い場合、さらに優れた耐酸化性、耐摩耗性を発揮し、より好ましいと考えられる。尚、潤滑性においては結晶配向は大きな影響を及ぼすものではなかった。
【００１６】
皮膜の結晶粒径は破面ＳＥＭにて決定し、基体表面から１０００ｎｍ〜１５００ｎｍの位置において基体に平行な腺を設定し、これに交わる粒界の数より規定する。この場合皮膜結晶粒径が２５０ｎｍを超えて粗大化すると耐摩耗性、皮膜強度が劣化し好ましくない。ここで非晶質状というのは実際には非晶質ではないが、破面観察上明確な結晶粒界が観察されない場合をいう。このような場合特に耐酸化性の著しい向上が確認されている。
【００１７】
皮膜に残留する圧縮応力は主に被覆条件に依存するが、３．５Ｇｐａを超えると密着性が劣化してしまうため、好ましくない。
尚、本発明の皮膜はアークイオンプレーティング方式、スパッタリング方式、電子銃蒸発方式、プラズマアシストＣＶＤ方式のいずれであっても傾向は同様であり、またこれら各方式の組み合わせであってもよい。
【００１８】
【実施例】
次に本発明の好ましい実施例を比較例とともに説明する。アークイオンプレーティング方式により本発明例と比較例の皮膜を作成した。ＡｌＴｉＣｒの組成は蒸発源であるカソードターゲットの金属組成を調整することにより調整した。酸素含有量は窒素と酸素の混合ガスを使用しその混合比を調整することにより調整するとともに、ガスの切り替えにより多層化した。結晶配向上は基本的には被覆条件で調整し、（２００）配向皮膜は被覆条件を基体に印可するバイアス電圧を７０Ｖ反応圧力を１Ｐａとし、（１１１）配向皮膜はバイアス電圧を２００Ｖ反応圧力を０．５Ｐａとすることにより作成した。Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）比はこの他皮膜組成、酸素含有量にも多少依存するものである。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
表１に本発明例と比較例の詳細を示す。尚皮膜の厚さは今回本発明例及び比較例においてすべて３０００ｎｍ〜３２００ｎｍで統一した。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
表２に表１で示した本発明例及び比較例の耐酸化性、潤滑性及び耐摩耗性に寄与すべき皮膜硬度等の測定結果を示す。耐酸化性は大気中９００℃において保持した場合の酸化による単位時間あたりの重量増を測定した。潤滑性は炭素鋼との摩擦係数を測定することにより評価した。硬度はナノインデンターを用い１ｇ荷重における圧子侵入深さよりビッカース硬さを算出した。本発明例はいずれにおいても比較例より優れる結果であることが明らかである。
【００２３】
【表３】
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【００２４】
表３に表１に示した例を以下の条件下でエンドミル切削を実施した時の工具寿命を示す。
基体組成    ９０ＷＣ−９．５Ｃｏ−０．５Ｃｒ、ＷＣ粒径０．８μｍ
工具        ６枚刃、径８ｍｍエンドミル
被削材      ＳＫＤ１１（ＨＲＣ６３）
切削速度    １００ｍ／ｍｉｎ
切り込み量  ８ｍｍ  ｘ  ０．８ｍｍ
送り量      ５０μｍ／刃
乾式・湿式  乾式切削
寿命判定基準はエンドミルが折れる時点とした。いずれにおいても本発明例は長寿命でありＴｉＡｌＮ系にＣｒと酸素を添加した多層構造の効果が明らかである。
【００２５】
表３に表１に示した本発明例及び比較例において以下に示す条件で穴明け加工した場合の結果を併記する。スラスト力は切削初期１０穴目において測定した結果である。寿命はドリルが折損した時の穴数で評価した。
基体組成    ９１、５ＷＣ−８Ｃｏ−０．５Ｃｒ、ＷＣ粒径０．８μｍ
被削材      ＳＫＤ６１（ＨＲＣ４２）
ドリル径    ８ｍｍ
切削速度    ８０ｍ／ｍｉｎ
送り量      ０．２ｍｍ／ｒｅｖ
穴深さ      ３２ｍｍ
乾式・湿式  乾式切削
本発明例は極めてスラスト力が低く、結果長寿命であることが明らかである。
【００２６】
次に超硬インサートにて本発明例及び比較例を試作し、以下の切削条件で切削を実施した。その結果を表３に併記する。本切削条件は正面フライス切削では切削速度が速く工具の耐酸化性が重要となる条件である。
基体        Ｐ３０グレード超硬合金
インサート  ＳＥＥ４２ＴＮ（２０°逃げ）
被削材      ＳＫＤ６１（ＨＲＣ２２）
切削速度    ４００ｍ／ｍｉｎ
切り込み    １ｍｍ
送り        ０．１ｍｍ／刃
乾式・湿式  乾式切削
寿命判定は逃げ面平均摩耗が０．４ｍｍに達するまでの切削時間とした。表３から明らかなように、本発明例では著しい寿命向上が確認された。
【００２７】
【効果】
ＴｉＡｌＮ系皮膜にＣｒと酸素を添加したＴｉＡｌＣｒＯＮ系多層膜は耐酸化性を向上せしめるのみでなく、耐摩耗性の劣化なく潤滑性を付与すること、並びに、低応力化による皮膜密着性の向上が可能であり高速乾式切削において優れた特性を発揮することが可能である。
また熱間鍛造の用途等においてもその効果は同様である。