JPH0860340A - 高硬度被覆部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 化学量論組成に近似した被膜を有する従来の
チタン・アルミニウム炭窒化物被膜に比べて、高硬度な
被膜を有し、被膜と基材との諸特性を最大限に引き出
し、両者のシナジー効果でもって耐摩耗性，耐熱衝撃
性，耐欠損性，耐溶着性をより一段と向上させて、長寿
命を達成させた高硬度被覆部材を提供する。 【構成】 基材上に、金属元素に対して非金属元素の多
い非化学量論組成でなるチタン・アルミニウム炭窒化物
の硬質層が被覆されていることを特徴とする高硬度被覆
部材。 【効果】 化学量論組成に近似したチタン・アルミニウ
ム炭窒化物またはチタン・アルミニウムの炭化物，窒化
物が被覆された従来の被覆部材に比べて、高硬度な被膜
を有する被覆部材であり、特に耐摩耗性に優れ、切削工
具として用いた場合に、１．４〜２．８倍も寿命が向上
するという顕著な効果がある

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ステンレス鋼，高速度
鋼，ダイス鋼，Ｔｉ合金，Ａｌ合金，耐熱合金に代表さ
れる金属材料、または超硬合金，サーメットに代表され
る焼結合金、もしくはＡｌ₂Ｏ₃系焼結体，ＺｒＯ₂系焼
結体，ＳｉＣ系焼結体，Ｓｉ₃Ｎ₄系焼結体に代表される
セラミックス焼結体の基材上に、チタン・アルミニウム
炭窒酸化物の硬質層を被覆してなる被覆部材に関し、具
体的には、例えば旋削工具，フライス工具，エンドミ
ル，ドリルに代表される切削工具、スリッター，製缶工
具，金型に代表される耐摩耗工具、または釣具，ゴルフ
クラブ、時計用部品，メガネの枠，タイピン，ブロー
チ，イヤリングに代表されるスポーツ用部材や装飾用部
材として適する高硬度被覆部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属材料，焼結合金またはセラミックス
焼結体の基材上に、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属
の炭化物，窒化物，炭酸化物，窒酸化物およびこれらの
相互固溶体または酸化アルミニウムの中の１種の単層、
もしくは２種以上の複層の被膜を被覆してなる被覆部材
が多数提案されており、これらの中の１部の被覆部材に
ついては、切削工具，耐摩耗工具，スポーツ用部材，装
飾用部材などに実用されている。

【０００３】これらの従来の被覆部材の内、Ｔｉ化合物
の被膜が被覆された被覆部材は、切削工具や耐摩耗工具
に用いた場合に未だ満足できるに至っていない領域、例
えば切削工具における低速領域や湿式切削領域において
は比較的短時間で寿命に至るという問題がある。これら
の問題に対して、ＴｉとＡｌの炭化物，窒化物および炭
窒化物のうちの１種の単層または２種以上の複層でなる
硬質層でもって解決しようとしているものがあり、その
代表的なものに、特開昭６２−５６５６５号公報，特開
平１−２５２３０４号公報，特開平２−１９４１５９号
公報，および特開平４−２２４１０４号公報がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＴｉとＡｌの炭化物，
窒化物および炭窒化物のうちの１種の単層または２種以
上の複層でなる硬質層が被覆された被覆部材についての
先行技術の内、特開昭６２−５６５６５号公報には、化
学量論組成でなる（Ｔｉ，Ａｌ）Ｃ，（Ｔｉ，Ａｌ）
Ｎ ，（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ ，Ｎ ） の被膜を０．５〜１０μ
ｍ厚さで被覆した被覆部材について開示されており、特
開平１−２５２３０４号公報には、膜厚０．５〜１０μ
ｍでなるＴｉＣ，ＴｉＮ ，Ｔｉ（Ｃ ，Ｎ ）の付着強化層
の被膜を介して、化学量論組成でなる（Ｔｉ，Ａｌ）
Ｃ，（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ ，（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ ，Ｎ ） の被
膜を０．５〜５μｍ厚さで被覆した被覆部材について開
示されており、特開平２−１９４１５９号公報には、
（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ ，Ｎ ） の被膜におけるＡｌとＮの含
有量を制限した化学量論組成の窒化物，炭窒化物の被膜
をアーク放電方式により形成する方法について開示され
ており、特開平４−２２４１０４号公報には、１〜１０
μｍ膜厚でなる単一相の結晶性（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ ，
Ｎ ） の被膜におけるＴｉとＣの含有量を制限した化学量
論組成の炭窒化物について開示されている。

【０００５】これら４件の公報に記載されているＴｉと
Ａｌとの炭窒化物被膜は、従来の炭化チタン，窒化チタ
ン，炭窒化チタンの被膜に比べて、耐摩耗性に優れると
いう効果を発揮しているものであるが、両者における被
膜の硬さは殆ど差がなく、例えば、長時間の連続切削で
刃先が高温になると急激に摩耗が進行し、短寿命になる
という問題がある。

【０００６】本発明は、上述のような問題点を解決した
もので、具体的には、低温領域から高温領域に至るまで
の広い領域において、従来の化学量論組成でなるＴｉと
Ａｌとの炭窒化物被膜に対して、耐熱衝撃性，耐欠損
性，耐溶着性などの諸特性を同等もしくは少し向上させ
ると共に、特に耐摩耗性をより一段と向上させて、長寿
命化を達成させた高硬度被覆部材の提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、超硬合金
の基材上にＴｉとＡｌとの炭窒化物の被膜を被覆した被
覆部材が炭化チタン，窒化チタン，炭窒化チタンのチタ
ン化合物の被膜に比べて、低温領域において割合優れた
効果を発揮することを確認し、その原因を検討していた
ところ、ＴｉとＡｌとの含有比、および炭素と窒素との
含有比にも影響されるが、ＴｉとＡｌとを合計した金属
元素に対し、炭素と窒素とを合計した非金属元素を多く
含有させると、結晶の格子内に歪が生じ、高硬度な被膜
となること、このときのＴｉとＡｌとの比によって被膜
の結晶構造が変化し、この結晶構造の選定により一段と
高硬度な被膜にすることができるという知見を得て、本
発明を完成するに至ったものである。

【０００８】本発明の高硬度被覆部材は、金属材料，焼
結合金またはセラミックス焼結体の基材上に、（Ｔｉ
ａ，Ａｌｂ）（Ｃ_X，Ｎ_Y）_R〔但し、Ｔｉはチタン、Ａ
ｌはアルミニウム、Ｃは炭素、Ｎは窒素を示し、ａおよ
びｂは金属元素であるＴｉとＡｌのそれぞれの原子比を
表わし、ＸおよびＹは非金属元素であるＣとＮのそれぞ
れの原子比を表わし、ＲはＴｉとＡｌとを合計した金属
元素に対するＣとＮとを合計した非金属元素の原子比を
表わし、それぞれはａ＋ｂ＝１，０．８≧ａ≧０．２，
Ｘ＋Ｙ＝１，０．９≧Ｘ≧０．１，１．５０≧Ｒ＞１．
００の関係にある〕で表わされる非化学量論組成でなる
チタン・アルミニウム炭窒化物の硬質層が被覆されてい
ることを特徴とする。

【０００９】本発明の被覆部材における基材は、硬質層
を被覆するときに加熱する温度に耐えることができる金
属材料，焼結合金またはセラミックス焼結体からなり、
具体的には例えばステンレス鋼，高速度鋼，ダイス
鋼，，チタン合金，Ａｌ合金，耐熱合金の金属材料、ま
たは超硬合金，サーメットの焼結合金、Ａｌ₂Ｏ₃系焼結
体，Ｓｉ₃Ｎ₄系焼結体，サイアロン系焼結体，ＺｒＯ₂
系焼結体のセラミックス焼結体を挙げることができる。
これらの内、切削工具または耐摩耗工具として用いる場
合には、超硬合金，窒素含有ＴｉＣ系サーメットもしく
はセラミックス焼結体の基材が特に好ましい。

【００１０】この基材上に被覆される硬質層は、基材の
材質，被覆部材の用途や形状によって種々の配置構成と
することができる。具体的には、基材に直接隣接して硬
質層が被覆される第１の構成、基材に直接隣接して硬質
層が被覆され、硬質層の表面に外層が被覆される第２の
構成、基材と硬質層との間に内層が被覆される第３の構
成、基材と硬質層との間に内層が被覆され、硬質層の表
面に外層が被覆される第４の構成が代表的な配置構成で
ある。

【００１１】本発明の被覆部材における（Ｔｉａ，Ａｌ
ｂ）（Ｃ_X，Ｎ_Y）_Rで表わされる非化学量論組成の硬質
層は、Ｔｉの原子比を表わすａが０．８を超えて多くな
ると、相対的にＡｌの原子比を表わすｂが０．２未満と
なり、耐酸化性の低下が顕著となり、逆にａが０．２未
満となると、相対的にＡｌの原子比を表わすｂが０．８
を超えて多くなり、その結果六方晶構造の結晶が多くな
り硬さおよび耐摩耗性の低下が顕著となる。また、硬質
層の非金属元素中の炭素原子比を表わすＸが０．９を超
えて多くなると、相対的に窒素原子比を表わすＹが０．
１未満となり、逆にＸが０．１未満になると、相対的に
炭素原子比を表わすＹが０．９を超えて多くなり、それ
ぞれの場合には耐酸化性および耐摩耗性の低下が顕著と
なる。さらに、硬質層中のＴｉとＡｌを合計した金属元
素に対する炭素と窒素を合計した非金属元素の原子比Ｒ
が１以下になると硬さが低く、耐摩耗性の低下が顕著と
なり、逆にＲが１．５０を超えて多くなると製造上の困
難さと共に、それ以上の効果も期待できないことによ
る。

【００１２】また、本発明の被覆部材における被膜構成
の内、上述した基材と硬質層との間に、基材と硬質層と
の主として密着性を高める内層としては、具体的には、
例えばＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍ
ｏ，Ｗの金属，ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＶＣ，Ｎｂ
Ｃ，ＴａＣ，Ｃｒ₃Ｃ₂，Ｍｏ₂Ｃ ，ＷＣ，ＴｉＮ，Ｚｒ
Ｎ，ＣｒＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），Ｔｉ（Ｃ，Ｏ），Ｔｉ
（Ｎ，Ｏ），Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ），（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｃ，
（Ｔｉ，Ｚ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｚ）（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ｔ
ａ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ）（Ｃ
Ｎ），（Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｔａ）Ｃ
を挙げることができる。これらの内層は、基材の材質に
よって選定することが好ましく、基材が焼結合金の場合
には、例えばＴｉＣ，ＴｉＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），Ｔｉ
（Ｃ，Ｏ），Ｔｉ（Ｎ，Ｏ），Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ），
（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｈｆ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｖ）
Ｃ，（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｃｒ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｍ
ｏ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ，（Ｔｉ，
Ｖ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｃｒ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｚｒ）（Ｃ，
Ｎ），（Ｔｉ，Ｚｒ）（Ｃ，Ｏ），（Ｔｉ，Ｚｒ）
（Ｎ，Ｏ），（Ｔｉ，Ｚｒ）（Ｃ，Ｎ，Ｏ）の１種の単
層または２種以上の多層でなることが基材と硬質層の密
着性の媒介性、被覆部材としての耐摩耗性および耐欠損
性から特に好ましいことである。

【００１３】さらに、硬質層に隣接して外層を形成する
被膜構成の内、外層が酸化アルミニウムでなる場合に
は、高温における耐溶着性，耐酸化性，耐摩耗性にすぐ
れることから、好ましいことである。これらの被覆層の
最表面、具体的には、硬質層の表面または酸化アルミニ
ウムの外層の表面に、さらに窒化チタン，窒酸化チタ
ン，炭窒酸化チタンの外層を被覆すると、装飾的効果，
使用前後の判別の容易性効果または色むら防止効果にも
なって好ましいことである。

【００１４】本発明の被覆部材における被膜構成の内、
硬質層のみの構成でなる場合には、被膜厚さが０．１〜
１５μｍでなることが好ましく、さらに、好ましくは
０．５〜１０μｍ、特に成膜時間などを含めた工業的製
造上から０．５〜８μｍが好ましい。この硬質層の他
に、内層を介在させる構成でなる場合には、内層の厚さ
が０．１〜５μｍであることが好ましく、さらに外層を
形成させる構成でなる場合には、外層の厚さが０．１〜
５μｍであることが好ましく、内層と硬質層または内層
と硬質層と外層という被膜の総厚さが０．５〜１５μｍ
でなることが好ましいことである。

【００１５】本発明の被覆部材は、市販または従来から
提案されている各種の基材を用いて、従来から行われて
いる化学蒸着法（ＣＶＤ法）や物理蒸着法（ＰＶＤ法）
を応用することにより作製することができる。特に、硬
質層を形成するための具体的な方法としては、ＣＶＤ法
の場合には、プラズマＣＶＤ法が好ましく、このプラズ
マＣＶＤ法の場合には、活性化反応を促進させることが
重要であり、そのためにＨ₂ガス流量、反応炉内の全ガ
ス圧量および基材へ印加するバイアス電圧量を特に調整
する必要がある。また、ＰＶＤ法の場合には、硬質層中
の非金属元素のソースとしては固体物質を用いることが
重要であり、固体物質のターゲットをスパッターして硬
質層を形成するスパッッター法、または固体物質をアー
ク放電等で蒸発させると共に、蒸発イオンを加速させて
硬質層を形成するイオンプレーティング法で行うことが
重要である。これらの他、窒素イオンや炭素イオンをイ
オン注入する方法もあるが、上述のスパッター法が硬質
層の組成成分の調整に簡易であることから好ましい。

【００１６】

【作用】本発明の被覆部材は、非化学量論組成でなるチ
タン・アルミニウム炭窒化物の硬質層が高硬度で、耐摩
耗性，耐溶着性を特に高める作用をし、基材が焼結合金
でなる場合には、基材の強度と硬質層の高硬度とのシナ
ジー効果がより強く作用し、その結果使用領域の拡大ま
たは長寿命化となっているものである。

【００１７】

【実施例１】スパッター装置の反応容器内に、市販の超
硬合金（ＪＩＳ規格、Ｐ３０相当材種、ＳＮＧＮ１２０
４０８形状）の基材を設置した後、反応容器内を５．０
×１０^-6Ｔｏｒｒに予備排気を行い、加熱工程、Ａｒの
エッチング工程およびＡｒガス圧２．０×１０^-3Ｔｏｒ
ｒ中で被覆工程を施して、本発明品１〜５と比較品１〜
３を得た。このときの被膜は、表１に示した各条件で行
い、被膜組成成分は、用いたターゲットの材質でもって
調整した。

【００１８】また、イオンプレーティング装置を用い
て、Ｔｉ−Ａｌの蒸発源で反応炉内ガス組成を調整し
て、従来と略同様な被覆部材である比較品４〜６を得
た。この比較品４〜６を得たときの被覆条件を表１に併
記した。

【００１９】こうして得た本発明品１〜５および比較品
１〜６のそれぞれの被膜組成成分は、Ｘ線回折装置およ
びグロー放電発光分析装置により解析し、表２に示し
た。また、それぞれの被膜の硬さおよび被膜厚さについ
ては、マイクロビッカース硬度計および走査型電子顕微
鏡で調べて、その結果を表２に併記した。

【００２０】次に、本発明品１〜５および比較品１〜６
を用いて、被削材：Ｓ４８Ｃ（直径２５０ｍｍの丸
棒）、切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、送り：０．３ｍｍ
／ｍｉｎ、切り込み：１．５ｍｍ，水溶性切削油による
湿式切削条件で切削試験を行い、平均逃げ面摩耗幅が
０．３ｍｍになったときの切削時間を求めて、その結果
を表２に併記した。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】

【実施例２】イオンプレーティング装置の反応容器内
に、市販の超硬合金（ＪＩＳ規格Ｋ１０相当、８ｍｍ径
の２枚刃ソリッドエンドミル）の基材を設置した後、１
×１０ ^-4Ｔｏｒｒに予備排気し、次にＡｒガスを導入
し、４×１０^-4〜１×１０^-4Ｔｏｒｒの圧力状態で出力
１２ｋｗ，６０分間加熱して基材を４２０℃に保持し
た。次いで、反応容器内の圧力を１×１０^-3Ｔｏｒｒと
し、基材側に−３００Ｖの電圧を印加、反応容器と基材
間にグロー放電を発生させて基材表面を３０分間Ａｒイ
オンボンバード処理によるＡｒエッチングを行った。そ
の後、内層と外層の形成は従来から行われている被覆処
理方法にて被覆し、硬質層は、表３に示したイオンプレ
ーティング条件にて被覆し、特に蒸発源のカーボンが蒸
発したときにイオン加速器でもってカーボンイオンを加
速させて硬質層を形成するようにして本発明品６〜８を
得た。

【００２４】比較として、本発明品６〜８と同一形状お
よび材質の基材を用いて、実施例１の比較品４と同様の
被覆条件でもって被覆して比較品７〜９を得た。

【００２５】こうして得た本発明品６〜８と比較品７〜
９を用いて、被削材：ＳＫＤ６１（ＨＲＣ４１）、送
り：０．０８ｍｍ／ｒｅｖ、切込み：Ａｄ＝１２ｍｍ，
Ｒｄ＝０．８ｍｍ、切削速度：６０ｍ／ｍｉｎ、水溶性
切削条件でもって切削試験を行い、切削長５０ｍ時にお
ける逃げ面摩耗幅を調べて、その結果を表４に示した。
また、被膜の組成成分および被膜厚さは、実施例１と同
様にして求めて、その結果を表４に併記した。

【００２６】

【表３】

【００２７】

【表４】

【００２８】

【発明の効果】本発明の高硬度被覆部材は、化学量論組
成に近似したチタン・アルミニウム炭窒化物またはチタ
ン・アルミニウムの炭化物，窒化物が被覆された従来の
被覆部材に比べて、高硬度な被膜を有する被覆部材であ
り、特に耐摩耗性に優れ、切削工具として用いた場合
に、１．４〜２．８倍も寿命が向上するという顕著な効
果がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２３Ｃ 16/36 16/50

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属材料，焼結合金またはセラミックス
   焼結体の基材上に、次式（Ａ）で表わされる非化学量論
   組成でなるチタン・アルミニウム炭窒化物の硬質層が被
   覆されていることを特徴とする高硬度被覆部材。 （Ｔｉａ，Ａｌｂ）（Ｃ_X，Ｎ_Y，）_R‥‥‥‥‥（Ａ） 〔但し、（Ａ）式中のＴｉはチタン、Ａｌはアルミニウ
   ム、Ｃは炭素、Ｎは窒素を示し、ａおよびｂは金属元素
   であるＴｉとＡｌのそれぞれの原子比を表わし、Ｘおよ
   びＹは非金属元素であるＣとＮのそれぞれの原子比を表
   わし、ＲはＴｉとＡｌとを合計した金属元素に対するＣ
   とＮとを合計した非金属元素の原子比を表わし、それぞ
   れはａ＋ｂ＝１、０．８≧ａ≧０．２、Ｘ＋Ｙ＝１、
   ０．９≧Ｘ≧０．１、１．５０≧Ｒ＞１．００の関係に
   ある〕
2. 【請求項２】 上記硬質層は、０．５〜１０μｍの膜厚
   さでなることを特徴とする請求項１記載の高硬度被覆部
   材。
3. 【請求項３】 上記基材と上記硬質層との間に、Ｔｉの
   炭化物，窒化物，炭窒化物，炭酸化物，窒酸化物，炭窒
   酸化物、またはＺｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍ
   ｏ，Ｗの中の少なくとも１種の元素とＴｉとの複合炭化
   物，複合窒化物，複合炭窒化物，複合炭酸化物，複合窒
   酸化物，複合炭窒酸化物の中から選ばれた１種の単層ま
   たは２種以上の多層でなる内層が被覆されていることを
   特徴とする請求項１または２記載の高硬度被覆部材。
4. 【請求項４】 上記内層は、０．１〜５μｍの膜厚さで
   なることを特徴とする請求項３記載の高硬度被覆部材。
5. 【請求項５】 上記硬質層に隣接して酸化アルミニウ
   ム，窒化チタン，炭窒化チタン，窒酸化チタン，炭窒酸
   化チタンの中の１種の単層または２種以上の多層でなる
   外層が被覆されていることを特徴とする請求項１，２ま
   たは３記載の高硬度被覆部材。
6. 【請求項６】 上記外層は、０．１〜５μｍの膜厚さで
   なることを特徴とする請求項５記載の高硬度被覆部材。