JPH0874029A - 母材との密着性に優れた耐摩耗性硬質皮膜被覆材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 硬質皮膜と母材との良好な密着性を達成する
ことによって、優れた耐摩耗性を発揮することのできる
耐摩耗性硬質皮膜被覆材料を提供する。 【構成】 母材表面に径および深さがいずれも平均０．
５〜８μｍの範囲内の大きさの凹部が多数形成されると
共に、該母材表面に耐摩耗性硬質皮膜が被覆されたもの
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フライス加工，切削加
工，穿孔加工等の加工に使用される耐摩耗性工具や、金
型、ダイス等の耐摩耗性部材の素材として有用な耐摩耗
性硬質皮膜被覆材料に関し、特に母材と該母材表面に被
覆される耐摩耗性硬質皮膜との密着性を向上した耐摩耗
性硬質皮膜被覆材料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高速度工具鋼や超硬合金工具鋼等によっ
て、上記の様な各種耐摩耗性材料を製作する場合は、耐
摩耗性等の性能をより優れたものとする目的で、前記工
具鋼からなる母材表面に、ＴｉＮ皮膜やＴｉＣ皮膜等の
耐摩耗性硬質皮膜を被覆することが行なわれている。ま
た耐熱性や硬度が更に優れた耐摩耗性硬質皮膜として、
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ皮膜も提案されている。

【０００３】ところで、上記の様な各種硬質皮膜を母材
表面に被覆するに場合には、鋼の焼戻し温度以下の低温
で処理が可能であるという理由によって、イオンプレー
ティング法やスパッタ法に代表される物理的蒸着法（Ｐ
ＶＤ法）が採用されるのが一般的である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記ＰＶ
Ｄ法では、化学的蒸着法（ＣＶＤ法）に比べて、被覆さ
れる硬質皮膜と母材との密着性が劣るという欠点があ
る。特に、上記の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ皮膜の場合は、Ｔｉ
Ｎ皮膜に比べて内部応力が２倍以上も高く、耐摩耗性を
改善する目的で厚膜化するにつれて皮膜の内部応力が増
大するので、膜の密着性の低下が顕著である。

【０００５】一方、近年では、上記の様な各種工具や部
材に、加工のより一層の高能率化や長寿命化が要望され
る様になってきている。従って、この要望に対応すると
いう観点からしても、硬質皮膜と母材との密着性を向上
させる技術の開発が期待されているのが実情である。

【０００６】硬質皮膜と母材の密着性向上を図る為の技
術として、例えば特公平４−２４４２４号に開示される
ような方法も提案されている。この方法は、母材の表面
を清浄にして硬質皮膜と母材との密着性の向上を達成し
ようとするものである。しかしながら、この方法におい
ては、母材となる工具鋼の表面に析出している炭化物が
膜の密着性を依然として阻害することになるので、良好
な密着性が達成されないという欠点があった。

【０００７】本発明はこうした事情に着目してなされた
ものであって、その目的は、硬質皮膜と母材との良好な
密着性を達成することによって、優れた耐摩耗性を発揮
することのできる耐摩耗性硬質皮膜被覆材料を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明とは、母材表面に径および深さがいずれも平均０．
５〜８μｍの範囲内の凹部が多数形成されると共に、該
母材表面に耐摩耗性硬質皮膜が被覆されたものである点
に要旨を有する耐摩耗性硬質皮膜被覆材料である。

【０００９】本発明の効果は、その表面に一次炭化物を
有する工具鋼を母材としたときに、特に顕著に発揮され
る。また前記耐摩耗性硬質皮膜は、物理的蒸着法によっ
て形成されたものであり、且つその膜厚が０．１〜２０
μｍであるときにその効果が最大限に発揮される。

【００１０】

【作用】本発明者らは、硬質皮膜と母材との良好な密着
性を達成するという観点から、特に両者の界面の構成に
ついて検討を重ねた。その結果、母材表面に径および深
さがいずれも平均０．５〜８μｍの範囲内の凹部を多数
形成すると共に、該母材表面に耐摩耗性硬質皮膜を被覆
してやれば、上記目的が見事に達成されることを見出
し、本発明を完成した。

【００１１】本発明の上記構成によって、硬質皮膜と母
材との良好な密着性が達成された理由は、次の様に考え
ることができる。即ち、母材の表面に凹部を形成するこ
とによって、この凹部に硬質皮膜の一部が埋まり、それ
によるアンカー効果によって硬質皮膜と母材との密着性
を向上させることができるもの考えられる。そして、こ
の場合、特に切削や摩擦により生じる硬質皮膜と母材の
界面における剪断に対して優れた密着性を発揮すること
になる。

【００１２】本発明の効果を発揮させる為には、母材表
面に形成される凹部の径および深さはいずれも平均０．
５〜８μｍの範囲内であることが必要である。即ち、径
または深さの少なくともいずれかが０．５μｍ未満であ
ると、凹部に硬質皮膜の一部が埋まっても、上記したよ
うなアンカー効果が発揮されない。また径または深さの
少なくともいずれかが８μｍを超えるような凹部を母材
表面に多数形成すると、母材の強度が低下してしまい、
工具として用いたときに欠損してしまうことになる。尚
上記凹部の形状は、円錐台状，円錐状，円柱の他、異形
状のいずれをも含む趣旨であるが、その径とは表面側の
最大径を意味する。上記径および深さのより好ましい範
囲は、平均２〜６μｍ程度である。また母材表面に上記
の様な凹部を形成する手段については、例えば母材表面
を化学エッチングする方法が挙げられる。

【００１３】本発明で用いる母材の種類については、特
に限定されるものではなく、超硬合金、高速度鋼、ダイ
ス鋼、サーエット、セラミックス等が挙げられるが、本
発明においては、表面に一次炭化物が存在することによ
って密着性が低下していた高速度鋼やダイス鋼等の鉄鋼
材料を母材として用いた場合であっても、優れた密着性
を達成することができ、優れた耐摩耗性を発揮させるこ
とができる。ここで上記「一次炭化物」とは、焼入れの
時オーステナイト中に溶け込まず残留した炭化物を意味
する。

【００１４】上記のような母材の表面に被覆される硬質
皮膜の種類についても、特に限定されるものではなく、
前述したＴｉＮ皮膜、ＴｉＣ皮膜および（Ｔｉ，Ａｌ）
Ｎ皮膜の他、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ皮膜も適用することが
できる。

【００１５】上記のような硬質皮膜を母材表面に被覆す
るに当たっては、例えばカソードを蒸発源とするアーク
放電によって金属成分をイオン化する方法、即ちイオン
プレーティング法やスパッタリング法等に代表されるＰ
ＶＤ法によって行なうことができる。即ち、本発明にお
いては、従来母材と皮膜の密着性が十分でないとされて
いたＰＶＤ法によっても、優れた密着性を達成すること
ができる。

【００１６】上記の方法のうち、例えばイオンプレーテ
ィング法で行なう場合は、前記の様にイオン化した金属
成分をＮ₂ 雰囲気中および／またはＣＨ₄ 雰囲気中で反
応させて炭・窒化物（炭化物、窒化物または炭窒化物）
を被覆するものである。このときカソードとしては、Ｔ
ｉ，Ａｌ等を個別に使用することができるが、目的組成
そのものからなるターゲット（Ｔｉターゲット若しくは
ＴｉＡｌターゲット）とすれば、皮膜組成のコントロー
ルが容易である。尚イオンプレーティングを適用すると
きのガス圧については、特に限定されるものではない
が、１×１０^-3〜５×１０^-2Ｔｏｒｒ程度が好ましく、
このような圧力範囲であると、耐摩耗性の一段と優れた
高結晶性の緻密な硬質皮膜が得られ易くなる。また、母
材にバイアス電位を印加しつつ硬質皮膜を被覆すれば、
硬質皮膜の密着性を更に高めることができるので、より
効果的である。

【００１７】上記硬質皮膜の膜厚についても、特に限定
されるものではないが、０．１〜２０μｍ程度が好まし
い。即ち、硬質皮膜の膜厚が０．１μｍ未満であると、
耐摩耗性付与効果が十分に達成されず、一方２０μｍを
超えると、却って硬質皮膜全体としての強度を低下さ
せ、衝撃力によって硬質皮膜に割れが入ることがある。
尚切削工具に適用する場合、工具本来の切れ刃の特性を
生かしつつ優れた耐摩耗性を発揮させるためには、硬質
皮膜の膜厚は少なくとも１μｍ以上であることが好まし
く、より好ましくは２μｍ以上である。またこのときの
膜厚の上限は、１２μｍ以下であることが好ましく、よ
り好ましくは８μｍ以下である。

【００１８】以下実施例について説明するが、本発明は
下記の実施例に限定されるものではなく、前・後記の趣
旨に徴して適宜設計変更することは本発明の技術的範囲
に含まれる。

【００１９】

【実施例】

実施例１ ＪＩＳ規格ＳＫＨ５５およびＳＫＨ１０相当の高速度鋼
を母材として用い（寸法：10mm×20mm×30mm）、これら
の母材表面を化学エッチングによって下記表１に示す形
状の凹部を多数形成した。このとき凹部の形成は、各母
材を村上試薬（組成：１０％ＫＯＨ＋１０％Ｋ₃ Ｆｅ
（ＣＮ）₆ ＋８０％Ｈ₂ Ｏ）に３０秒浸漬することによ
って行ない、凹部の大きさは走査型電子顕微鏡で観察し
た。

【００２０】凹部を形成した母材の表面に、イオンプレ
ーティング法によって下記表１に示す硬質皮膜を被覆
し、各種硬質皮膜被覆材料を得た。得られた材料につい
て、スクラッチ試験を行ない、硬質皮膜の密着性を評価
した。このとき、スクラッチ試験は、先端０．２ｍｍの
円錐型ダイヤモンド圧子を用い、荷重速度１００Ｎ／ｍ
ｍ、引掻速度１０ｍｍ／ｍｉｎの条件で行った。その結
果を、下記表１に併記する。尚表１には、比較例の一つ
として、母材表面に凹部を形成せずに、硬質皮膜を被覆
した部材（部材Ｎｏ．４）の結果についても示した。

【００２１】

【表１】

【００２２】表１から明らかな様に、本発明の要件を満
足するものは、硬質皮膜の密着性に優れていることが分
かる。特に、膜厚を適切にしたものは、その効果が顕著
である。

【００２３】実施例２ ＪＩＳ規格ＳＫＨ５５およびＳＫＨ５１相当の高速度鋼
をドリル（直径：１０ｍｍ）の母材として用い、実施例
１と同様にして各種硬質皮膜被覆材料（ドリル）を得
た。得られた材料について、下記の条件で切削試験を行
ない、硬質皮膜の密着性を評価した。その結果を、凹部
の大きさ、硬質皮膜の種類と共に、下記表２に示す。 ＜切削条件＞ 被削材 ：Ｓ５０Ｃ（ＨＶ２３０〜２４１） 切削速度 ：２０ｍ／ｍｉｎ（６３７ｒｅｖ） 送り速度 ：０．２ｍｍ／ｒｅｖ 切削油 ：エマルジョン 穴深さ ：１３ｍｍ貫通

【００２４】

【表２】

【００２５】表２から明らかな様に、本発明の要件を満
足するものは、硬質皮膜の密着性に優れていることが分
かる。特に、膜厚を適切にしたものは、その効果が顕著
である。

【００２６】実施例３ 下記表３に示す２種類の硬質皮膜被覆部材を用い、下記
の条件でホブの切削試験を行ない、外周刃、右切刃およ
び左切刃の夫々について、逃げ面摩耗量（１００個加工
時）を測定し、硬質皮膜の耐摩耗性を評価した。その結
果を、図１（ａ）（Ｎｏ．１３）および図１（ｂ）（Ｎ
ｏ．１４）に夫々示すが、硬質皮膜を適切な膜厚とする
ことが、耐摩耗性を良好に維持する上で有効であること
がわかる。 ＜切削条件＞ 被削材 ：ＳＣＲ４２０ 切削速度 ：１００ｍ／ｍｉｎ 送り速度 ：３．１ｍｍ／ｒｅｖ

【００２７】

【表３】

【００２８】実施例４ 下記表４に示す各種の硬質皮膜被覆材料を用い、下記の
条件でエンドミル（直径：１０ｍｍ）の切削試験を行な
い、二番面摩耗幅を測定し、硬質皮膜の耐摩耗性を評価
した。その結果を、図２に示すが、本発明の要件を満足
するものは、優れた耐摩耗性を示していることがわか
る。 ＜切削条件＞ 被削材 ：ＳＫＤ１１（ＨＢ２１９） 切削速度 ：２０ｍ／ｍｉｎ（６３７ｒｅｖ） 送り速度 ：０．０７ｍｍ／ｒｅｖ（８９ｍｍ／ｍｉ
ｎ） クーラント：エアーブロー 切込み ：Ｒｄ１ｍｍ×Ａｄ１０ｍｍ 切削方式 ：側面切削・ダウンカット 試験機 ：浦和Ｍ／Ｃ

【００２９】

【表４】

【００３０】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、母
材と硬質皮膜の密着性の優れた耐摩耗性硬質皮膜被覆材
料が実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例３におけるホブの切削試験結果を示すグ
ラフである。

【図２】実施例４におけるエンドミルの切削試験結果を
示す棒グラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 町田 正弘 兵庫県明石市魚住町金ケ崎西大池179番１ 株式会社神戸製鋼所明石工場内 (72)発明者 田中 裕介 兵庫県明石市魚住町金ケ崎西大池179番１ 株式会社神戸製鋼所明石工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 母材表面に径および深さがいずれも平均
   ０．５〜８μｍの範囲内の大きさの凹部が多数形成され
   ると共に、該母材表面に耐摩耗性硬質皮膜が被覆された
   ものであることを特徴とする母材との密着性に優れた耐
   摩耗性硬質皮膜被覆材料。
2. 【請求項２】 前記母材が、その表面に一次炭化物を有
   する工具鋼である請求項１に記載の耐摩耗性硬質皮膜被
   覆材料。
3. 【請求項３】 前記耐摩耗性硬質皮膜が、物理的蒸着法
   によって形成されたものであり、且つその膜厚が０．１
   〜２０μｍである請求項１または２に記載の耐摩耗性硬
   質皮膜被覆材料。