JPH09170068A - 結晶配向性高強度被覆部材 - Google Patents

結晶配向性高強度被覆部材

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JPH09170068A
JPH09170068A JP34830995A JP34830995A JPH09170068A JP H09170068 A JPH09170068 A JP H09170068A JP 34830995 A JP34830995 A JP 34830995A JP 34830995 A JP34830995 A JP 34830995A JP H09170068 A JPH09170068 A JP H09170068A
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哲也 鈴木
Kenji Fukano
賢治 深野
Mamoru Kobata
護 木幡
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 (TiAl)N被膜を被覆した従来の被覆部
材は、破壊靭性値が低下すること、特に高速切削用切削
工具として用いると、高温による被膜の酸化,急激な摩
耗の進行,熱衝撃性による劣化および被削材との溶着に
より短寿命になるという課題がある。また、Ti化合物
の被膜を被覆した従来の被覆部材は、膜自体が脆性なた
めに切削用工具のような苛酷な用途では剥離またはチッ
ピングを生じ易くて短寿命になるという課題がある。 【解決手段】基材上にチタンとアルミニウムとを含む複
合窒化物,複合炭窒化物,複合窒酸化物,複合炭窒酸化
物の中の1種以上の単層または多層でなる硬質膜が被覆
された被覆部材において、該基材と該硬質膜との間に周
期律表の4a,5a,6a族金属の炭化物,窒化物およ
びこれらの相互固溶体の中の1種の単層または2種以上
の多層でなる中間層を介在させて、該基材と該中間層と
の界面または/および該中間層と該硬質膜との界面がヘ
テロエピタキシャル関係を保つように被覆されているこ
とを特徴とする結晶配向性高強度被覆部材。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は金属、合金またはセ
ラミックス焼結体の基材上に(TiAl)の化合物でな
る被膜をヘテロエピタキシャル関係に被覆してなる結晶
配向性高強度被覆部材に関し、具体的には、金属、合金
またはセラミックス焼結体の基材上に耐剥離性に優れた
高硬度、高靭性の被膜を被覆して、例えば旋削工具,フ
ライス工具,ドリル,エンドミルに代表される切削用工
具、スリッタ−などの切断刃,裁断刃とダイス,パンチ
などの型工具とノズルなどの耐腐食耐摩耗部材として代
表される耐摩耗用工具、ビットに代表される土木建設用
工具として最適な結晶配向性高強度被覆部材に関する。
【0002】
【従来の技術】金属、合金およびセラミックスの基材上
に厚さが20μm以下のセラミックスの被膜を被覆し、
基材と被膜とのそれぞれの特性を有効に引き出して、長
寿命を達成しようとした被覆部材が多数提案されてい
る。この被覆部材に被膜を被覆する方法は、大別すると
化学蒸着法(CVD法)と物理蒸着法(PVD法)があ
る。これらのうち、特にPVD法により被覆された被膜
は、基材の強度を劣化させることなく耐摩耗性を高める
利点がある。そのために、一般に強度,耐欠損性を重要
視するドリル、エンドミル、フライス用スロ−アウェイ
チップに代表される被覆切削工具の被膜は、PVD法に
より被覆されているのが現状である。
【0003】従来から耐摩耗性を向上させるために窒化
チタンの被膜を被覆することはよく知られている。しか
しながら、窒化チタンを代表とする金属窒化物は高温で
酸化されやすく、耐摩耗性が著しく劣化するという問題
がある。この窒化チタン被膜の酸化の問題を改善しょう
として1980年代中頃から提案されたものに、(Ti
Al)化合物の被膜に代表される被覆部材に関するもの
があり、その代表的なものとして特開昭62−5656
5号公報,特開平6−210502号公報,特開平6−
210511号公報および特開平7−197235号公
報がある。
【0004】一方、基材の表面に被覆する被膜を結晶配
向させて、被膜の付着性を高めることが提案されてお
り、その代表的なものとして特開昭56−156767
号公報,特開平2−159363号公報,特開平5−2
87322号公報,特開平5−287323号公報およ
び特開平5−295517号公報がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】TiAl化合物の被膜
に関する先行技術としての特開昭62−56565号公
報,特開平6−210502号公報,特開平6−210
511号公報および特開平7−197235号公報に
は、基体の表面に(TiAl)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
る硬質被覆層を形成した耐摩耗性に優れた表面被覆硬質
部材について開示されている。
【0006】これらの公報に開示の表面被覆硬質部材
は、開発当初の通りにTi化合物の被膜に比べて耐酸化
性および耐摩耗性の向上した被覆硬質部材ではあるが、
逆に機械的性質が劣化し、工具、特に苛酷な条件で用い
られる切削工具へ適用した場合に切削性能が低下すると
いう問題がある。つまり、同公報に記載の表面被覆硬質
部材は、被膜中にAlを含有させることにより、Ti化
合物の被膜に比較して被膜表面の化学的性質の向上を達
成した反面、基材と被膜との界面における結晶構造的な
配慮がされていないことから、被膜の耐剥離性および強
度が劣り、表面被覆硬質部材の破壊靭性値および耐欠損
性が低下すること、特に高速切削用切削工具として用い
ると、高温による被膜の酸化,急激な摩耗の進行,熱衝
撃性による劣化および被削材との溶着により短寿命にな
るという問題がある。
【0007】一方、結晶配向された被膜に関する先行技
術としての特開昭56−156767号公報,特開平2
−159363号公報,特開平5−287322号公
報,特開平5−287323号公報および特開平5−2
95517号公報には、Ti化合物の被膜を結晶配向し
て基材の表面に被覆した被覆硬質部材について開示され
ている。
【0008】これらの結晶配向に関する公報のうち、前
2公報に開示の結晶配向性被覆硬質部材は、基材と被膜
との相互の界面においてヘテロエピタキシャル関係を保
たせていないことから、被膜の結晶配向性が弱くなり、
被膜の付着性および被膜の強度が劣るという問題があ
る。また、これらの公報のうち、後3公報に開示の結晶
配向性被覆硬質部材は、基材と被膜との界面における応
力を考慮した被膜層の構成になっていなく、かつ被膜自
体の機械的性質が低いことから、被膜の強度,硬度,耐
摩耗性,耐熱性および耐剥離性に未だ満足できないとい
う問題がある。
【0009】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、高靭性,高硬度性,耐摩耗性,耐
酸化性,耐熱衝撃性,耐欠損性,耐溶着性のある被膜お
よび耐剥離性の被膜を被覆したことにより一層長寿命と
なる結晶配向性高強度被覆部材の提供を目的とする。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、超硬合
金の基材上に(TiAl)の化合物の硬質膜を被覆した
被覆部材が、低温領域で使用すると割合に優れた効果を
発揮するのに対し、高温領域で使用するとその効果が低
減されるという問題を検討していたところ、基材上に被
覆する(TiAl)の化合物でなる硬質膜との間に、周
期律表の4a,5a,6a金属の化合物でなる中間層を
介在し、これらの基材と中間層と硬質膜とをヘテロエピ
タキシャル関係を保つように被覆すると、高強度な被膜
となること、また低温から高温の領域に至るまで耐摩耗
性の低減が生じなく、かつ中間層および硬質膜の耐剥離
性が顕著に向上し、寿命が延長するということを見出
し、本発明を完成するに至ったものである。
【0011】本発明の高強度被覆部材は、基材上にチタ
ンとアルミニウムとを含む複合窒化物,複合炭窒化物,
複合窒酸化物,複合炭窒酸化物の中の1種以上の単層ま
たは多層でなる硬質膜が被覆された被覆部材において、
該基材と該硬質膜との間に周期律表の4a,5a,6a
族金属の炭化物,窒化物およびこれらの相互固溶体の中
の1種の単層または2種以上の多層でなる中間層を介在
させて、該基材と該中間層との界面または/および該中
間層と該硬質膜との界面がヘテロエピタキシャル関係を
保つように被覆されていることを特徴とするものであ
る。
【0012】
【発明の実施の態様】本発明の高強度被覆部材における
基材は、被膜を被覆するときに加熱する温度に耐えるこ
とができる金属部材,焼結合金またはセラミックス焼結
体でなり、具体的には、例えばステンレス鋼,耐熱合
金,高速度鋼,ダイス鋼,Ti合金,Al合金に代表さ
れる金属部材、超硬合金,サ−メット,粉末ハイスの焼
結合金、Al23系焼結体,Si34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。これらのうち、切削用工具また
は耐摩耗用工具として用いるときには、超硬合金,窒素
含有TiC系サ−メットもしくはセラミックス焼結体の
基材が好ましい。
【0013】この基材上に直接被覆される中間層は、具
体的には、例えばTiC,ZrC,HfC,TaC,N
bC,VC,WC,Mo2C,Cr32,TiN,Zr
N,HfN,TaN,CrN,Ti(CN),(Ti
W)C,(TiTa)C,(TiTa)CN,(TiT
a)Nを挙げることができる。これらの中間層は、1種
の単層または2種以上の多層として形成することができ
る。特に、後述するように、基材界面の結晶構造が調整
し難い場合には、多層の中間層とすること、または中間
層と基材との間に、基材との親和性の高い下地層、例え
ばTi,TiAl,Ti3Al,TiAl3,W,に代
表される金属または合金,WC,Mo2C,Cr2N,T
aN,VB2,NbB2,TaB2,W25,MoB2,C
rB2の六方晶結晶構造でなるセラミックスの中から選
ばれた1種の単層または2種以上の複層でなる下地層を
形成することも好ましいことである。この中間層の膜厚
さは、中間層の表面に被覆される硬質膜がヘテロエピタ
キシャル関係を保ち、付着性を高めることができる膜厚
さであればよく、具体的には、例えば0.01〜5μm
厚さ、特に0.01〜1μm厚さでなることが好まし
い。
【0014】この中間層の表面に被覆される硬質膜は、
具体的には、例えば(Ti,Al)N、(Ti,Al)
CN、(Ti,Al)NO、(Ti,Al)CNO、を
挙げることができる。この硬質膜は、0.5〜10μm
でなる膜厚さでなることが好ましく、特に耐衝撃性を重
要視する用途においては0.5〜5μmでなる膜厚さで
なることが好ましい。
【0015】これらの硬質膜は、化学量論組成または非
化学量論組成でなる場合でもよいが、特に、(Tia
Alb)Cy1-y の式[但し、式中のTiはチタン、
Alはアルミニウムを示し、a、bはそれぞれTiおよ
びAlの原子比を、yは炭素の原子比を表す。また、a
+b=1、0.25≦a≦0.75、 0≦y≦0.9
5の関係にある]で表わせる複合窒化物および複合炭窒
化物の中の1種以上でなることが耐剥離性から好まし
い。特に、上述の式中におけるTiの原子比を表わすa
および炭素の原子比を表わすyがそれぞれ0.4≦a≦
0.6および0≦y≦0.2の関係にある硬質膜でなる
場合には、硬質膜の強度,耐摩耗性などの特性が優れて
いることから好ましい。
【0016】本発明の高強度被覆部材は、基材との界面
側における中間層面および/または硬質膜との界面側に
おける中間層面の結晶が配向されること、および中間層
との界面側における硬質膜面の結晶が配向されることで
ある。また、本発明の高強度被覆部材のさらに好ましい
構成は、上述の結晶配向の構成と伴に、中間層と隣接す
る基材面が結晶配向されていることである。
【0017】本発明の高強度被覆部材におけるヘテロエ
ピタキシャル関係は、中間層が窒化チタンおよび/また
は炭窒化チタンからなり、基材と接する中間層面の20
%以上の(1−11)結晶面が基材表面を構成する結晶
粒の(0001)結晶面と平行でなり、かつ中間層の<
110>結晶方向が基材の<11−20>結晶方向と平
行であり、中間層が上記硬質膜と接する面の20%以上
の(1−11)結晶面が硬質膜を構成する結晶粒の(1
−11)結晶面と平行でなり、かつ中間層の<110>
結晶方向が硬質膜の<110>結晶方向と平行であるこ
とが特に好ましい。
【0018】また、さらに好ましい本発明の高強度被覆
部材におけるヘテロエピタキシャル関係は、上述の中間
層面の結晶配向の他に、基材の表面における結晶構造が
主として六方晶で構成され、中間層と接する基材表面の
20%以上が(0001)結晶面でなり、基材表面の
(0001)結晶面が中間層を構成する結晶粒の(1−
11)結晶面と平行でなり、かつ基材表面の<11−2
0>結晶方向が中間層の<110>結晶方向と平行にな
ることである。
【0019】したがって、本発明の高強度被覆部材にお
ける基材は、六方晶炭化タングステンを主成分として含
有する超硬合金、または前述した金属,合金,セラミッ
クス焼結体の基材の表面に六方晶の薄膜でなる下地層、
具体的には、例えばWC,Mo2C,Cr2N,TaN,
VB2,NbB2,TaB2,W25,MoB2,CrB2
の1種以上の下地層を形成して用いることが好ましい。
【0020】本発明の高強度被覆部材は、従来から市販
されているステンレス鋼,耐熱合金,高速度鋼,ダイス
鋼,Ti合金,Al合金に代表される金属部材、超硬合
金,サ−メット,粉末ハイスの焼結合金、Al23系焼
結体,Si34系焼結体,サイアロン系焼結体,ZrO
2系焼結体のセラミックス焼結体を基材とし、好ましく
はJIS規格B4053の超硬合金の使用選択基準の中
で分類されているP20〜P40,M20〜40および
K10〜K20相当の超硬合金材質、特に好ましくはP
30,M20,M30相当の超硬合金材質でなる基材を
用いればよい。この基材の表面を、必要に応じて研磨
し、超音波,有機溶剤などによる洗浄処理を行った後、
従来から行われている物理蒸着法(PVD法),化学蒸
着法(CVD法)またはプラズマCVD法により基材上
に被膜を被覆することにより作製することができる。
【0021】基材上に被膜を被覆する場合は、必要に応
じて被覆する下地層を含めて、それぞれの膜質に応じて
PVD法,CVD法,またはプラズマCVD法を使い分
けることもできる。これらのうち、製造工程上から全て
の被膜を、イオンプレ−ティング法またはスパッタリン
グ法に代表されるPVD法で行うことが好ましく、この
中でもイオンプレ−ティング法、特にア−クイオンプレ
−ティング法で被覆処理することが好ましい。
【0022】本発明の高強度被覆部材における被膜をイ
オンプレ−ティング法で作製する場合について、さらに
詳述すると、金属源としては金属チタン、金属アルミニ
ウムの2種類を独立して用いてもよく、またはTi−A
l合金を使用してもよい。金属のイオン化の方法もア−
ク放電の他、グロ−放電または高周波加熱などのいずれ
でもよい。イオンプレ−ティング法で使用するガスは、
窒化物を生成するためのガス、すなわち窒素ガスの他、
窒素を含んだアンモニアなどの化合物ガスを用いてもよ
い。この反応ガスを炉内に導入し、金属源としての金属
または合金をイオン化し、基材に負のバイアスを印加す
ると膜の結晶配向が容易となることから好ましい。
【0023】
【作用】本発明の高強度被覆部材は、硬質膜が被膜全体
の破壊靭性値および耐摩耗性を向上させる作用をし、か
つ中間層が基材と被膜との界面近傍に残留する応力を緩
和する作用をし、特に超硬合金でなる基材の場合には付
着性を高める作用をし、これらのヘテロエピタキシャル
関係により被覆部材全体に優れた特性を付与させている
ものである。
【0024】
【実施例】市販されている形状SNGN120408の
超硬合金(JIS規格B4053のP30相当材質)を
基材とし、この基材表面を有機溶剤で洗浄した後、アー
ク放電プラズマ法のチャンバー内に設置し、(逃げ面と
すくい面へ同時に被覆できる治具を用いて設置)、チャ
ンバー内を1.0×10-6〜3.0×10-6Torrの
真空とした。次いで基材を約450℃、アーク放電電流
を約100Aに保持し、N2−H2ガス雰囲気中でTi金
属を放電してTiNの中間層を被覆した後、チャンバー
内を表1に示すガス組成およびガス圧に保持し、Ti−
Al合金を約30分間放電させて(TiAl)Nおよび
(TiAl)CNの硬質膜を合成した。蒸発源としての
Ti−Al合金は、表1に示す組成の異なるターゲット
を用いて本発明品1〜4および比較品1〜3を得た。本
発明品の被覆条件と異なる比較品の被覆条件は、被膜前
に水素処理をしなかったこと、ガス圧およびバイアス電
圧条件を従来から用いられている条件としたこと、並び
に本発明品の基材には(0001)面の成長した板状晶
WCを多量に含有させた超硬合金を用いたのに対し、比
較品の基材には本発明品と組成成分が同一である従来の
市販の超硬合金を用いたことである。
【0025】こうして得た本発明品1〜4および比較品
1〜3のそれぞれの被膜は、X線回折装置、電子顕微鏡
およびEDX装置により調べて、TiNの中間層と(T
i、Al)化合物の硬質膜でなることを確認した。本発
明品1〜4および比較品1〜3の硬質膜組成成分は、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
て表2に示した。また、それぞれの被膜厚さは走査型電
子顕微鏡で調べて、その結果を表2に併記した。
【0026】次いで、本発明品1〜4および比較品1〜
3を用いて、引っ掻き硬さ試験機に相当する装置により
被膜のスクラッチ試験を行い、被膜が剥離する臨界荷重
を求めて、その結果を表2に併記した。また、本発明品
1〜4および比較品1〜3を用いて、被削材:S45C
(HB190)、切削速度300m/min、送り:
0.5mm/rev、切込み:2.0mm、切削時間:
60min、乾式切削試験による切削試験を行い、それ
ぞれの平均逃げ面摩耗幅を測定し、その結果を表2に併
記した。
【0027】基材と中間層と硬質膜とのヘテロエピタキ
シャル関係については、電子線回折法を用いて確認した
ところ、本発明品1〜4は、基材と接する中間層面の2
0%以上の(1−11)結晶面が基材表面を構成する結
晶粒の(0001)結晶面と平行でなり、かつ中間層の
<110>結晶方向が基材の<11−20>結晶方向と
平行であり、中間層が硬質膜と接する面の20%以上の
(1−11)結晶面が硬質膜を構成する結晶粒の(1−
11)結晶面と平行でなり、かつ中間層の<110>結
晶方向が硬質膜の<110>結晶方向と平行であること
を確認した。これらの確認内容のうち各界面間の結晶配
向性(率)を表3に示した。
【0028】
【表1】
【0029】
【表2】
【0030】
【表3】
【0031】
【発明の効果】本発明の高強度被覆部材は、従来の(T
iAl)N被膜を被覆した比較品に対比して、被膜の耐
剥離性が優れており、かつ被膜自体が高硬度,高靭性,
耐摩耗性,耐酸化性,耐熱衝撃性,耐欠損性,耐溶着性
を有していることから、この分野での中速切削領域から
高速切削領域に相当する領域において、長寿命になると
いう効果がある。したがって、本発明の高強度被覆部材
は、従来の被覆部材の領域である低速切削領域から高速
切削領域に至るまで広い領域で長寿命を達成できるとい
う優れた効果があること、特にエンドミルおよびドリル
として長寿命が得られるという効果があること、また高
靭性および高硬度な被膜を被覆した被覆部材であること
から、軽切削領域から重切削領域においても優れた効果
を発揮できるものである。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基材上にチタンとアルミニウムとを含む
    複合窒化物,複合炭窒化物,複合窒酸化物,複合炭窒酸
    化物の中の1種以上の単層または多層でなる硬質膜が被
    覆された被覆部材において、該基材と該硬質膜との間に
    周期律表の4a,5a,6a族金属の炭化物,窒化物お
    よびこれらの相互固溶体の中の1種の単層または2種以
    上の多層でなる中間層を介在させて、該基材と該中間層
    との界面または/および該中間層と該硬質膜との界面が
    ヘテロエピタキシャル関係を保つように被覆されている
    ことを特徴とする結晶配向性高強度被覆部材。
  2. 【請求項2】 上記硬質膜は、実質的に次式(A)で表
    わされるチタンとアルミニウムとを含む複合窒化物,複
    合炭窒化物の1種以上の単層または多層でなることを特
    徴とする請求項1記載の結晶配向性高強度被覆部材。 (Tia、Alb)Cy1-y −−−−(A) [但し、(A)式中のTiはチタン、Alはアルミニウ
    ムを示し、a、bはそれぞれTiおよびAlの原子比
    を、yは炭素の原子比を表す。また、a+b=1、0.
    25≦a≦0.75、 0≦y≦0.95の関係にあ
    る]
  3. 【請求項3】 上記(A)式で表わされる硬質膜は、式
    中におけるaおよびyがそれぞれ0.4≦a≦0.6お
    よび0≦y≦0.2の関係を満足することを特徴とする
    請求項2記載の結晶配向性高強度被覆部材。
  4. 【請求項4】 上記硬質膜は、膜厚さが1〜10μmで
    なることを特徴とする請求項1,2または3記載の結晶
    配向性高強度被覆部材。
  5. 【請求項5】 上記中間層は、膜厚さが0.01〜1μ
    mでなることを特徴とする請求項1,2,3,または4
    記載の結晶配向性高強度被覆部材。
  6. 【請求項6】 上記中間層は、窒化チタンおよび/また
    は炭窒化チタンからなり、上記基材と接する該中間層面
    の20%以上の(1−11)結晶面が該基材表面を構成
    する結晶粒の(0001)結晶面と平行でなり、かつ該
    中間層の<110>結晶方向が該基材の<11−20>
    結晶方向と平行であり、該中間層が上記硬質膜と接する
    面の20%以上の(1−11)結晶面が該硬質膜を構成
    する結晶粒の(1−11)結晶面と平行でなり、かつ該
    中間層の<110>結晶方向が該硬質膜の<110>結
    晶方向と平行であることを特徴とする請求項1.2.
    3.4または5記載の結晶配向性高強度被覆部材。
  7. 【請求項7】 上記基材の表面は、主として六方晶の結
    晶で構成され、上記中間層と接する該基材表面の20%
    以上が(0001)結晶面でなり、該基材表面の(00
    01)結晶面が該中間層を構成する結晶粒の(1−1
    1)結晶面と平行でなり、かつ該基材表面の<11−2
    0>結晶方向が該中間層の<110>結晶方向と平行で
    あることを特徴とする請求項1,2,3,4,5または
    6記載の結晶配向性高強度被覆部材。
  8. 【請求項8】 上記基材は、炭化タングステンを主成分
    として含有する超硬合金からなることを特徴とする請求
    項1,2,3,4,5,6または7記載の結晶配向性高
    強度被覆部材。
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