(57)【要約】【課題】高速、無潤滑切削に用いられる切削工具に適した、耐酸化性、耐熱性に優れたZr-Al-Si-N系の皮膜をPVD処理により基板上に形成するために、製作工程における金属間化合物形成による脆化やジルコニウム粉末の酸化による発火や爆発の危険性を防止して容易にかつ低コストで製造したPVD処理用のZr-Al-Si系ターゲット材を提供する。【解決手段】必要数のプラグ嵌合用の孔を加工したジルコニウム板材に、Al-Si合金で製作したプラグを嵌合し、ＰＶＤ処理用のZr-Al-Si系ターゲット材を製作する。【選択図】  図１
2009138212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理蒸着法により基体上にＡｌ、Ｚｒ、Ｓｉの窒化物の混合体よりなる耐熱性、耐酸化性に優れた皮膜を形成する工程において用いる、Ｚｒの基板にＡｌ−Ｓｉ合金よりなるプラグを嵌合してなることを特徴とする物理蒸着用のターゲット材料。
【請求項２】
請求項１における耐熱性、耐酸化性に優れた皮膜が、Ａｌ、Ｚｒの窒化物の混合体もしくはＡｌ、Ｚｒの窒化物及びホウ化物の混合体である場合、Ｚｒ基板にＡｌもしくはＡｌ−Ｂ合金よりなるプラグを嵌合してなることを特徴とする物理蒸着用のターゲット材料。
【請求項３】
請求項１において、Ｚｒ基板に嵌合するＡｌ−Ｓｉ合金が市販の耐熱Ａｌ合金あるいはＡｌ合金ダイカスト材料であることを特徴とする物理蒸着用のターゲット材料。
【請求項４】
請求項１〜３の物理蒸着法がスパッタリング又はアークイオンプレーティング法である耐熱、耐酸化コーティング皮膜形成方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかのターゲット材料を用い、請求項４の物理蒸着法で蒸着された耐熱性、耐酸化性に優れた皮膜を有することを特徴とする耐磨耗切削用工具及びプレス成形用金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は物理蒸着法による耐熱性、耐酸化性に優れた皮膜を形成する際に使用されるターゲット材料及び該ターゲットを用いた皮膜形成方法並びに該ターゲットを用いた該皮膜形成方法による耐熱性、耐酸化性に優れた皮膜を有することを特徴とする耐磨耗切削用工具及びプレス成形用金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属の切削加工は能率向上及び環境保全の点から高速化、無潤滑化し、このような高速無潤滑の切削加工条件では工具及び被切削材が発熱により高温にさらされるため、高い耐熱性や耐酸化性を有するTiNや、さらに高速、高温での切削に耐えうるTiAlNのような金属の窒化物皮膜を工具の表面にＰＶＤ（Physical Vapor Deposition、物理蒸着）処理によりコーティングを行う技術が開発されてきた。
【０００３】
近年、さらに高速、高温、無潤滑での切削に耐えうる皮膜としてAl-Cr-Si-N系皮膜やAl-Cr-Si-B-N系皮膜及びAl-Zr-Si-N系PVDコーティング皮膜等が開発されている（例えば特許文献１〜３）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３２１７６４号公報
【特許文献２】特開２００４−１０６１８３号公報
【特許文献３】特開２００７−１３１９２７号公報
【０００５】
また、プレス加工用の金型についても厳しい使用条件下での長寿命化を達成する手段として、同様に金属の窒化物皮膜を工具の表面にＰＶＤ（Physical Vapor Deposition、物理蒸着）処理によりコーティングを行う技術が開発されてきた。
【０００６】
上記のAl-Cr-Si-N系、Al-Cr-Si-B-N系及びAl-Zr-Si-N系のPVDコーティング皮膜はその優れた耐熱性、耐酸化性の点から、１，０００℃以上の高温においても酸化されず、高速・無潤滑の厳しい切削条件やプレス成形用金型の長寿命化に適合している。しかし、Crの使用は脱膜処理時に有害物質である６価のクロムを生成させる恐れがあり環境上問題がある。
【０００７】
Zrの使用は上記のような環境上の問題はないが、Zrは反応性に富んだ金属であるため、通常の溶製法による合金製造や粉末成形法による合金製造では容易にSiやAlと金属間化合物を形成し、そのため材料が脆化しAl-Zr-Si系の合金であるターゲット材の製造は極めて困難である。また、Zr金属粉末を用いて粉末冶金法によりAl-Zr-Si系合金を成形するのはZr金属粉末の大気中の酸素との急激な反応による発火や爆発の危険が大きく安全上にも問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の問題点に対し、環境上問題があると考えられるCrを用いず、Zrを用いてターゲット材料製造時に金属間化合物の形成による材料の延性、靭性の低下なしに、Zr粉末を用いることによる発火、爆発の危険性も避け、PVDコーティングにより耐熱性、耐酸化性に優れるAl-Zr-Si-N系あるいはAl-Zr-N系あるいはAl-Zr-B-N系のPVDコーティング皮膜を得ることができるPVDコーティング用のターゲット材料を開発することが大きな課題であった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは上記の課題に鑑み、Al-Zr-Si-N系あるいはAl-Zr-N系あるいはAl-Zr-B-N系のPVDコーティング皮膜を得ることができ、低コストで容易に製作できるAl-Zr-Si系あるいはAl-Zr系あるいはAl-Zr-B系のPVDコーティング用のターゲット材料の開発に鋭意取り組み本発明を完成するに至ったものである。
【００１０】
すなわち、本発明の骨子とするところはZrの板材にAlあるいはAl-B合金あるいはAl-Si合金をはめ込むための孔を複数加工し、その孔に別途溶製あるいは粉末成形等により製造したAlあるいはAl-B合金あるいはAl-Si合金の板状あるいは筒状のプラグをはめこむことにより、該ターゲット材の製造過程において金属間化合物の形成による脆化やZr粉末の爆発の危険性なしに、低コストで容易にAl-Zr-Si-N系あるいはAl-Zr-N系あるいはAl-Zr-B-N系のコーティング皮膜を得るためのPVDコーティング用のターゲット材料の製作及び提供を行うものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、耐酸化性、耐熱性に優れるAl-Zr-Si-N系あるいはAl-Zr-N系あるいはAl-Zr-B-N系のPVDコーティング皮膜を得るためのPVDコーティング用のターゲット材料を、製造過程における金属間化合物の形成による脆化や、Zr粉末の発火や爆発の危険性なしに低コストで容易に製作し提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
請求項に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。図１には、Al-Si合金でできたプラグを差し込む孔を必要数備えたジルコニウムの円板に、Al-Si合金でできたプラグを嵌合してなるターゲットの模式図を示す。
【００１３】
例えば、コーティング皮膜の組成が、陽性元素の原子％で（以下特に記載がなければ組成は原子％で表す）Zr(60)、Al(30)、Si(10)となる皮膜を形成する場合には、ジルコニウム板の表面の面積とAl-25%Si合金からなるプラグの表面の面積の合計が６：４の比率になるようにターゲットを製作すれば良い。
【００１４】
この場合、Al-25%Si合金は通常の溶製法で製作しても良く、Al及びSiの金属粉末を用いた粉末冶金法あるいは例えばAlとSiの薄板を積層する等の別の方法で製作しても良い。
【００１５】
あるいは請求項３に示すように、耐熱用Al合金であるAl-11.0〜13.5wt.%Si合金やAl合金ダイカスト用材料であるAl-10.5〜12.0 wt.%Si-1.5〜3.5 wt.%Cu合金(JISH5302：ADC12)やAl-7.5〜12.0 wt.%Si-1.5〜3.5 wt.%Cu合金(ADC10)等の市販のAl-Si系合金を用いても良い。
【００１６】
図２は、図１で示したターゲットの縦断面の１部分を示したものであり、図に示すようにプラグはジルコニウム板を貫通して、ターゲットの裏面に設置されている銅製の冷却板に接触していることがターゲットの冷却効率の点から望ましい。
【００１７】
図１ではターゲットの形状は円形としたが、図３に示すような矩形のターゲットでも構わない。
【００１８】
図２ではプラグの形状は円筒形としたが、ジルコニウムの板材に嵌合しやすいように、下に凸な円錐台形状としても良い。
【００１９】
また、図１及び図２ではプラグの形状は円筒形としたが、図３に示すようにその他のたとえば正方形や矩形あるいは三角形、六角形等の多角形断面の筒型形状あるいは多角錐台形状あるいは板形状であってもかまわない。
【００２０】
図４には、図１及び図２に示した円形のプラグではなく矩形のプラグの場合を示しているが、この場合にも円形のプラグの場合と同様に製作すれば良い。
【００２１】
上記のターゲットを用いて、Al-Zr-Si-N系あるいはAl-Zr-N系あるいはAl-Zr-B-N系のPVDコーティング皮膜を基板上に形成するには、請求項４に示すように合金の窒化物皮膜が健全に形成可能なアーク式イオンプレーティング法あるいはスパッタリング法により成膜するのが適切である。
【実施例１】
【００２２】
上記ターゲットを用いて、耐酸化性、耐熱性に優れたAl-Zr-Si-N系のPVDコーティング皮膜を超硬合金あるいは高速度鋼製の切削工具（エンドミル）の基板上への形成を行った。
【００２３】
Al-Zr-Si-N系のPVDコーティング皮膜を超硬合金あるいは高速度鋼製の切削工具の基板上に形成するために、ジルコニウムの板材に孔を必要数加工し、孔の部分の合計の表面の面積と残りの部分の表面の面積とが４：６の比率になるように加工した。
【００２４】
Al粉末とSi粉末とを原子％でAl(75)-Si(25)となるように混合し、焼結により成形した該合金のプラグを上記ジルコニウムに明けた孔に嵌合してPVDコーティング用のターゲットを作成した。
【００２５】
このときターゲットの製作過程において、AlとZrあるいはSiとZrの金属間化合物が形成されることはなく、したがってターゲット材が脆化することもなく健全な状態で請求項１に示すターゲットの製作が可能であった。
【００２６】
上記図１に示すターゲットを用いて、真空チャンバー内に窒素ガスを導入した状態によりアークイオンプレーティング法により、耐熱性、耐酸化性に優れたAl-Zr-Si-N皮膜を形成することができた。
【００２７】
このとき得られたPVD皮膜の組成は狙いとしていたとおり、原子％でZr(30)-Al(15) -Si(5)-N(50)であった。
【実施例２】
【００２８】
さらに、Zr板材にAl-B合金製のプラグを嵌合した上記図３に示すターゲットを用いて、真空チャンバー内に窒素ガスを導入した状態で超硬合金及び高速度鋼製の切削用工具（ドリル）の表面に、スパッタリング法により耐熱性、耐酸化性に優れたAl-Zr-B -N皮膜を形成することができた。
【００２９】
このとき得られたPVD皮膜の組成は狙いとしていたとおり、原子％でZr(30)-Al(20) -B(2)-N(48)であった。
【実施例３】
【００３０】
Zr板材にAl製のプラグを嵌合した上記図４に示すターゲットを用いて、真空チャンバー内に窒素ガスを導入した状態でSKD11製の金型にアークイオンプレーティング法により、耐熱性、耐酸化性に優れたAl-Zr-N皮膜を形成することができた。
【００３１】
このとき得られたPVD皮膜の組成は狙いとしていたとおり、原子％でZr(30)-Al(20) -N(50)であった。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明により、環境上問題となる可能性のあるCrを含有することなく、耐熱性、耐酸化性に優れたAl-Zr-Si-Nの皮膜をPVD法により形成するための、Al-Zr-Siターゲットを容易に、低コストで製作することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】円形プラグを嵌合した円形のターゲットの実施方法を示した正面図である。
【図２】円形プラグを嵌合した円形のターゲットの縦断面の一部を示した断面図である。
【図３】円形プラグを嵌合した矩形のターゲットの実施方法を示した正面図である。
【図４】矩形プラグを嵌合した矩形のターゲットの実施方法を示した正面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  プラグ
２  ジルコニウム板材
３  銅製冷却板
【図１】
2009138212.tif 000003
【図２】
2009138212.tif 000004
【図３】
2009138212.tif 000005
【図４】
2009138212.tif 000006