JP2012144766A - 被覆部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 被覆層の耐チッピング性に優れて、耐欠損性に優れる切削工具等の被覆部材を提供する。
【解決手段】 基体の表面を被覆層で被覆した被覆部材であって、前記被覆層はＴｉＣＮ層とＡｌ_２Ｏ_３層が順に積層されており、１００μｍ^２領域で観察した際に、前記ＴｉＣＮ層は、平均粒子幅が３〜６μｍで、各粒子の粒径分布が標準偏差σで前記平均粒子幅の０．３倍以下のＴｉＣＮ粒子からなり、前記Ａｌ_２Ｏ_３層は、粒径３〜６μｍのＡｌ_２Ｏ_３巨大粒子が１０−３０面積％と、粒径０．３〜１．５μｍのＡｌ_２Ｏ_３微細粒子が７０−９０面積％とからなる切削工具１等の被覆部材である。
【選択図】 図２

Description

本発明は基体の表面に被覆層が形成されている被覆部材に関する。

現在、切削工具や耐摩部材、摺動部材といった耐摩耗性や摺動性、耐欠損性を必要とする部材では、超硬合金やサーメット等の基体の表面に被覆層を成膜して、耐摩耗性、摺動性、耐欠損性を向上させる手法が使われている。

例えば、特許文献１では、超硬合金やサーメット等の基体の表面に、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、Ａｌ_２Ｏ_３層を順に積層した切削工具が開示されている。また、特許文献２では、ＴｉＣＮ等の柱状結晶層において水平方向の結晶粒径が粗い粒子と細かい粒子が混在した組織とすることが開示されている。

特表２０００−５１７２５２号公報 特開２００１−２７７００５号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２の構成では、高速切削加工のように切刃が高温になるとＡｌ_２Ｏ_３層が部分的に剥離しやすくなり、耐摩耗性が低下するということがわかった。

そこで、本発明では、高速切削加工のように接触部が高温になってもＡｌ_２Ｏ_３層の剥離を抑制できる切削工具等の被覆部材を提供することを目的とする。

本発明の被覆部材は、基体の表面を被覆層で被覆した被覆部材であって、前記被覆層はＴｉＣＮ層とＡｌ_２Ｏ_３層が順に積層されており、被覆層を幅２０μｍの領域で観察した際に、ＴｉＣＮ層は、平均粒子幅が０．３〜１．５μｍで、各粒子の粒径分布が標準偏差σで前記平均粒子幅の０．３倍以下のＴｉＣＮ粒子からなり、Ａｌ_２Ｏ_３層は、粒径２〜１０μｍのＡｌ_２Ｏ_３巨大粒子が１０〜３０面積％と、粒径０．３〜１．５μｍのＡｌ_２Ｏ_３微細粒子が７０〜９０面積％とからなる。

ここで、前記被覆層の断面視で、前記Ａｌ_２Ｏ_３巨大粒子は前記基体側を起点として前記被覆層が成長する方向に拡がる三角形からなるものであってもよい。

また、前記Ａｌ_２Ｏ_３巨大粒子は、該Ａｌ_２Ｏ_３巨大粒子以外が存在する前記被覆層の表面から平均０．５〜２μｍの高さで突出しているものであってもよい。

本発明の被覆部材によれば、ＴｉＣＮ層とＡｌ_２Ｏ_３層の組織を上記範囲に制御することによって、Ａｌ_２Ｏ_３層の耐剥離性を高めることができて、被覆部材の耐欠損性が向上する。

本発明の被覆部材の好適例である切削工具の一例についての（ａ）概略斜視図、（ｂ）被覆層の構成を説明するための概略断面図である。 図１の切削工具の被覆層についての走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真であり、（ａ）要部断面写真、（ｂ）表面写真である。

本発明の被覆部材の好適例である切削工具の一例について、図１の（ａ）概略斜視図、（ｂ）被覆層の構成を説明するための概略断面図、および図２の被覆層の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を基に説明する。

図１のように、本発明の切削工具１は、すくい面２と逃げ面３との交差稜線部が切刃４を構成しているとともに、基体５の表面に被覆層６が形成されている。被覆層６はＴｉＣＮ層７とＡｌ_２Ｏ_３層８が順に積層されており、図１によれば、基体５とＴｉＣＮ層７との間にはＴｉＮからなる下地層９が、ＴｉＣＮ層７とＡｌ_２Ｏ_３層８との間にはＴｉ（ＣｘＮｙＯｚ）（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる中間層１０が、Ａｌ_２Ｏ_３層８の表面にはＴｉ（ＣｘＮｙＯｚ）（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる表面層１１が形成されている。

そして、図２に示すように、被覆層６を幅２０μｍの領域で観察した際に、ＴｉＣＮ層７は、平均粒子幅が０．３〜１．５μｍで、各粒子の粒径分布が標準偏差σで前記平均粒子幅の０．３倍以下のＴｉＣＮ粒子７ａからなり、Ａｌ_２Ｏ_３層８は、粒径２〜１０μｍのＡｌ_２Ｏ_３巨大粒子８ａが１０〜３０面積％と、粒径０．３〜１．５μｍのＡｌ_２Ｏ_３微細粒子８ｂが７０〜９０面積％とからなる。これによって、Ａｌ_２Ｏ_３層８の耐剥離性を高めることができて、切削工具１の耐欠損性が向上する。なお、Ａｌ_２Ｏ_３巨大粒子８ａの望ましい粒径の範囲は２〜６μｍであり、Ａｌ_２Ｏ_３微細粒子８ｂの望ましい粒径の範囲は０．５〜１．０μｍである。また、Ａｌ_２Ｏ_３巨大粒子８ａおよびＡｌ_２Ｏ_３微細粒子８ｂはα型結晶構造からなることが、被覆層６の耐摩耗性を高める点で望ましく、そのためには、上述の中間層１０が酸素を含有する（ｚ＞０である）ことが望ましい。

ここで、各層の厚みおよび各層を構成する結晶の性状は、切削工具１の断面における電子顕微鏡写真（走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真または透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真）を観察することにより、測定することが可能である。

ここで、図２に示すように、被覆層６の断面視で、Ａｌ_２Ｏ_３巨大粒子８ａは基体５側を起点として被覆層６が成長する方向に拡がる三角形からなるものであることが、被覆層６に内在する引っ張り応力を緩和してＡｌ_２Ｏ_３層８の耐チッピング性を高めることができる点で望ましい。

また、Ａｌ_２Ｏ_３巨大粒子８ａは、Ａｌ_２Ｏ_３巨大粒子８ａ以外が存在する被覆層６の表面（Ａｌ_２Ｏ_３微小粒子８ｂの上部）から平均０．５〜２μｍの高さで突出しているものであることが、厚み１μｍ以下と薄い表面層１１が早期に消滅することを抑制できる点で望ましい。なお、表面層１１の耐溶着性を向上するためには、酸素を含有する（ｚ＞０である）ことが望ましい。

ここで、ＴｉＣＮ層７は、耐摩耗性および耐欠損性の向上を目的として形成される。ＴｉＣＮ層７は、アセトニトリル（ＣＨ_３ＣＮ）ガスを原料として含み成膜温度が７８０〜９００℃と比較的低温で成膜した柱状結晶からなる、いわゆるＭＴ−ＴｉＣＮ層と、成膜温度が９５０〜１１００℃と高温で成膜した、いわゆるＨＴ−ＴｉＣＮ層とが順に成膜された構成であることが望ましい。さらに、ＭＴ−ＴｉＣＮ層は、平均結晶幅が０．５μｍ未満と微細な微細柱状結晶からなる微細ＭＴ−ＴｉＣＮ層と、平均結晶幅が０．５〜２μ
ｍと比較的大きい粗大柱状結晶からなる粗大ＭＴ−ＴｉＣＮ層（７ａ）との積層からなることが望ましい。これによって、Ａｌ_２Ｏ_３層８との密着力が高まり、被覆層６の剥離やチッピングを抑えることができる。

なお、ＴｉＣＮ粒子７ａの粒子幅の測定は各粒子の高さの中間位置における結晶幅としてそれぞれ測定する。上記のようにＴｉＣＮ層７が多層で構成される場合には、Ａｌ_２Ｏ_３層８に最も近いＴｉＣＮ層７の各粒子の結晶幅をそれぞれ測定する。

また、ＨＴ−ＴｉＣＮ層は、成膜工程で酸化されて、Ｔｉ原子を４０〜５５原子％と、酸素（Ｏ）を１５〜２５原子％と、炭素（Ｃ）を２５〜４０原子％と、残部が窒素（Ｎ）とのＴｉＣＮＯ層に変化して、厚み０．０５〜０．５μｍの中間層１０を形成していることが望ましい。これによって、Ａｌ_２Ｏ_３微小粒子８ｂが粒径０．３〜１．５μｍのα型結晶構造のＡｌ_２Ｏ_３結晶からなるα型Ａｌ_２Ｏ_３層８をより容易に作製することができる。

さらに、Ａｌ_２Ｏ_３層８の上層に、表面層１１としてＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮＯ層、ＴｉＣＯ層、ＴｉＮＯ層の群から選ばれる少なくとも１層（他のＴｉ系被覆層）を形成することによって、切削工具１の摺動性の向上や外観等の調整が可能となる。表面層１１としてＴｉＮ層やＴｉＣＮ層を用いた場合には、切削工具１の表面が有色となり、切削工具１を使用したときに表面層１１が摩耗して使用済みかどうかの判別がつきやすく、また、摩耗の進行を容易に確認できる。なお、表面層１１は、摺動性を高めるためにＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）層やＣｒＮ層を表面層１１として形成しても良い。ＴｉＣＮＯ等の酸素を含有するＴｉ化合物ならば切削加工時に表面層１１の表面にベラーグが形成されて被削材の付着を抑制できる効果が期待できる。

一方、切削工具１の基体５は、炭化タングステン（ＷＣ）と、所望により周期表第４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種と、からなる硬質相を、コバルト（Ｃｏ）やニッケル（Ｎｉ）等の鉄属金属からなる結合相にて結合させた超硬合金やＴｉ基サーメット、またはＳｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）等のセラミックスのいずれかが好適に使用できる。中でも、切削工具１として用いる場合には、基体５は、超硬合金またはサーメットからなることが耐欠損性および耐摩耗性の点で望ましい。また、用途によっては、基体５は炭素鋼、高速度鋼、合金鋼等の金属からなるものであっても良い。

さらに、上記記載では切削工具１について説明したが、摺動部品や金型等の耐摩部品、掘削工具、刃物等の工具、耐衝撃部品等の各種の用途への応用も可能である。特に、切削工具１を高速切削条件で加工した場合に優れた切削性能を示す。つまり、α型Ａｌ_２Ｏ_３層８が高温になっても、本実施形態によれば、α型Ａｌ_２Ｏ_３層８がＴｉＣＮ層７ｂと強固に結合しているので、α型Ａｌ_２Ｏ_３層８がチッピングしたり欠損したりすることを抑制することができる。もちろん、鋼の切削加工においても、従来の工具に対して優れた耐欠損性および耐摩耗性を示すことができる。

（製造方法）
また、本実施形態の切削工具１の一例である上述した表面被覆切削工具の製造方法の一実施形態について説明する。

まず、上述した硬質合金を焼成によって形成しうる金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等の無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末等を適宜添加、混合し、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の工具形状に成形する。その後、得られた成形体を真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成することに
よって上述した硬質合金からなる基体５を作製する。そして、上記基体５の表面に所望によって研磨加工や切刃部のホーニング加工を施す。

次に、得られた基体５の表面に化学気相蒸着（ＣＶＤ）法によって被覆層を形成する。まず、基体５の直上に第１層としてＴｉＮ層を形成する。ＴｉＮ層の成膜条件としては、混合ガス組成として四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスを０．５〜１０体積％、窒素（Ｎ_２）ガスを１０〜６０体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を８００〜９４０℃（チャンバ内）、圧力を８〜５０ｋＰａにて成膜される。

次に、第２層としてＴｉＣＮ層７ｂを形成する。ここでは、ＴｉＣＮ層７ｂが、平均結晶幅が小さい微細柱状結晶層と、この層よりも平均結晶幅が大きい粗柱状結晶層とのＭＴ−ＴｉＣＮ層と、ＨＴ−ＴｉＣＮ層との３層にて構成する場合の成膜条件について説明する。

ＭＴ−ＴｉＣＮ層のうちの微細柱状結晶層の成膜条件は、四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスを０．５〜１０体積％、窒素（Ｎ_２）ガスを１０〜６０体積％、アセトニトリル（ＣＨ_３ＣＮ）ガスを０．１〜０．４体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を７８０〜９００℃、圧力を５〜２５ｋＰａとする。ＭＴ−ＴｉＣＮ層のうちの粗柱状結晶層の成膜条件は、四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスを０．５〜４．０体積％、窒素（Ｎ_２）ガスを０〜４０体積％、アセトニトリル（ＣＨ_３ＣＮ）ガスを０．４〜２．０体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を７８０〜９００℃、圧力を５〜２５ｋＰａとする。

ＨＴ−ＴｉＣＮ層の成膜条件は、四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスを０．１〜３体積％、メタン（ＣＨ_４）ガスを０．１〜１０体積％、窒素（Ｎ_２）ガスを０〜１５体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を９５０〜１１００℃、圧力を５〜４０ｋＰａとして成膜する。そして、チャンバ内を９５０〜１１００℃、５〜４０ｋＰａとし、四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスを１〜５体積％、メタン（ＣＨ_４）ガスを４〜１０体積％、窒素（Ｎ_２）ガスを１０〜３０体積％、一酸化炭素（ＣＯ）ガスを４〜８体積％、残りが水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に１０〜６０分導入して成膜した後、続いて体積％で二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスを０．５〜４．０体積％、残りが窒素（Ｎ_２）ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、成膜温度を９５０〜１１００℃、５〜４０ｋＰａにて、二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスを０．５〜１０体積％、残りが窒素（Ｎ_２）ガスからなる混合ガスを反応チャンバ内に１０〜６０分導入することによって、ＨＴ−ＴｉＣＮ層を酸化させてＴｉＣＮＯ層に変化させながら中間層を成膜する。なお、このＣＯガスを含む混合ガスを流す工程を経ることなく中間層を形成することもできるが、α型Ａｌ_２Ｏ_３層８を構成する結晶を微細なものとするためには、ＣＯガスを含む混合ガスを流す工程を経ることが望ましい。

そして、引き続き、α型Ａｌ_２Ｏ_３層８を形成する。α型Ａｌ_２Ｏ_３層８の成膜条件としては、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）ガスを０．５〜５．０体積％、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを０．５〜３．５体積％、二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスを０．５〜５．０体積％、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）ガスを０．０５〜０．５体積％、塩化クロム（ＣｒＣｌ_２）ガスを０．００５〜０．０２５体積％、残りが水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を９５０〜１１００℃、圧力を５〜１０ｋＰａとして成膜することが望ましい。

本発明によれば、α型Ａｌ_２Ｏ_３層８の成膜初期には、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）ガスを流さず、キャリアガスである水素（Ｈ_２）ガスの流量をその後の定常状態における水素（Ｈ_２
）ガスの流量に比べて２〜５倍と増して２０〜４０分間保持することにより、所定のＡｌ_２Ｏ_３粗大粒子を含有するＡｌ_２Ｏ_３層を形成することができる。

さらに、α型Ａｌ_２Ｏ_３層８の上層に表面層１１としてＴｉＣＮＯ層を形成する。四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスを０．１〜１０体積％、窒素（Ｎ_２）ガスを５〜６０体積％、メタン（ＣＨ_４）ガスを０．１〜１０体積％、、二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスを０．１〜１０体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスを反応チャンバ内に導入し、チャンバの温度を９６０〜１１００℃、圧力を１０〜８５ｋＰａとして成膜する。

そして、所望により、形成した被覆層の表面の少なくとも切刃部を研磨加工する。この研磨加工により、切刃部が平滑に加工され、被削材の溶着を抑制して、さらに耐欠損性に優れた切削工具となる。

平均粒径１．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を６質量％の割合で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＡ１２０４１２）に成形した。得られた成形体について、脱バインダ処理を施し、０．５〜１００Ｐａの真空中、１４００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。さらに、作製した超硬合金に対して、ブラシ加工にてすくい面側について刃先処理（Ｒホーニング）を施した。

次に、上記超硬合金に対して、ＣＶＤ法により表１に示す条件で下地層としてＴｉＮ層を０．５μｍ成膜し、続いて表１の成膜条件で表２に示す各種の被覆層を成膜し、最後に表１の条件で表面層としてＴｉＣＮＯ層を０．５μｍ成膜した。なお、試料Ｎｏ．７、８についてはＡｌ_２Ｏ_３初期条件の成膜を省略して成膜した。そして、被覆層３の表面をすくい面側から３０秒間ブラシ加工して試料Ｎｏ．１〜８の表面被覆切削工具を作製した。

得られた工具について、被覆層の断面の走査型電子顕微鏡観察を行い、各層を構成する粒子の形状、各粒子の高さの中間位置に基体の表面と平行な直線を引いてこの直線の粒子の一端から他端までの長さを粒径（粒子幅）としてそれぞれ粒径（または結晶幅）および平均粒径（平均結晶幅）、厚みを見積もった。結果は表２に示した。

次に、このスローアウェイチップを用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表３に示した。
切削方法：外周加工
被削材 ：ＦＣＤ７００
切削速度：３００ｍ/分
送り ：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２．０ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：チップが欠損するまでの衝撃回数と各衝撃回数における切刃の状態

表１〜３に示される結果から、成膜条件が合わずに、ＴｉＣＮ層を構成するＴｉＣＮ粒子の平均粒子幅が１．５μｍを超える試料Ｎｏ．１１、ＴｉＣＮ層を構成するＴｉＣＮ粒子の標準偏差が０．３倍を超える試料Ｎｏ．６、Ａｌ_２Ｏ_３層の粗大粒子が存在しないか、存在比率が１０面積％より少ない試料Ｎｏ．７、８、巨大粒子の存在割合が３０面積％を超える試料Ｎｏ．９、巨大粒子の最大径が１０μｍを超える試料Ｎｏ．１０では、いずれもＡｌ_２Ｏ_３層の剥離によるチッピングが発生しやすく、工具寿命が短いものであった。

これに対し、ＴｉＣＮ層とＡｌ_２Ｏ_３層の粒子構成が本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１〜５では、チッピングが発生しにくく、その結果、工具寿命が長いものであった。

１ 切削工具
２ すくい面
３ 逃げ面
４ 切刃
５ 基体
６ 被覆層
７ ＴｉＣＮ層
７ａ ＴｉＣＮ粒子
８ Ａｌ_２Ｏ_３層
８ａ 粗大Ａｌ_２Ｏ_３粒子
８ｂ 微細Ａｌ_２Ｏ_３粒子
９ 下地層
１０ 中間層
１１ 表面層

Claims (3)

1. 基体の表面を被覆層で被覆した被覆部材であって、前記被覆層はＴｉＣＮ層とＡｌ_２Ｏ_３層が順に積層されており、被覆層を幅２０μｍの領域で観察した際に、
   ＴｉＣＮ層は、平均粒子幅が０．３〜１．５μｍで、各粒子の粒径分布が標準偏差σで前記平均粒子幅の０．３倍以下のＴｉＣＮ粒子からなり、
   Ａｌ_２Ｏ_３層は、粒径２〜１０μｍのＡｌ_２Ｏ_３巨大粒子が１０〜３０面積％と、粒径０．３〜１．５μｍのＡｌ_２Ｏ_３微細粒子が７０〜９０面積％とからなる被覆部材。
2. 前記被覆層の断面視で、前記Ａｌ_２Ｏ_３巨大粒子は前記基体側を起点として前記被覆層が成長する方向に拡がる三角形からなる請求項１記載の被覆部材。
3. 前記Ａｌ_２Ｏ_３巨大粒子は、該Ａｌ_２Ｏ_３巨大粒子以外が存在する前記被覆層の表面から平均０．５〜２μｍの高さで突出している請求項１または２記載の被覆部材。