JP2000024809A

JP2000024809A - 被覆工具

Info

Publication number: JP2000024809A
Application number: JP11046011A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Iyori; 裕介井寄
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 1998-02-28
Filing date: 1999-02-24
Publication date: 2000-01-25

Abstract

(57)【要約】【目的】物理蒸着法における酸化物被覆の密着性、靱
性等の問題点等を解決し、酸素を含有する皮膜の密着性
を著しく改善した被覆工具を提供する。【構成】硬質被覆層を被覆してなるハイス、超硬合
金、サーメット等の超硬質合金を基体とする工具で、前
記硬質被覆層はを周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族及びＡ
ｌの炭化物、窒化物、酸化物及びそれらの混合体または
固溶体の２種以上又は３種以上からなる層２０層以上積
層させ、かつ、各々の層は酸化物を含有する層と炭化
物、窒化物を含有する層を交互に積層させることにより
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、皮膜の耐酸化性、耐摩
耗性に優れた被覆工具に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等の皮膜が汎用
的に用いられ、また化学蒸着法ではアルミナが一般的に
用いられている。物理蒸着法でも特開平７−３３８８１
１号公報に提案されているように、酸化物を含む層を最
表層に被覆する例がある。特に、ＴｉＡｌＮ等の様にＡ
ｌを含有させた被膜を工具に用いると、切削により生じ
る熱により、ＴｉＡｌＮ等の一部が酸化の影響を受け、
一部Ｏを含有する化合物に変化することにより耐摩耗
性、耐酸化性を向上させることが特公平４−５３６４２
号公報に記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、化合物
そのものを酸素含有にすると酸化物自体は安定である
が、アルミナに見られるように多様な結晶構造が存在
し、非常に不安定なものしかできておらず、従来例にお
いても最表層のみで、内層には密着性に優れるＴｉＮ、
ＴｉＡｌＮ等の層を設けてその弊害が生じないようにし
ている。まず、耐酸化性を試験するため、実際の切削に
近似するようＴｉＡｌＮ被膜を大気中で加熱し酸化させ
るテストを行うと皮膜表面のＡｌが最表面に拡散しそこ
でアルミナを形成する。このことは、耐酸化性が向上す
る理由である。また、その破面を観察すると、最表面の
酸化物が生成した領域は、酸化による体積増加のため緻
密な被膜が粉状に変化している。更にその内側では、部
分的に熱の影響を受け、酸化が進行して物理蒸着法特有
の柱状晶組織がくずれる現象が生じる。このような特徴
に加えて実際の切削では切削そのものによる負荷が作用
するため、蒸着組織がくずれるような状態の皮膜ではこ
すり摩耗等により皮膜が容易に持ち去られてしまい、そ
の結果として寿命を延ばすことができない。特に、高速
切削等の普及により、工具自体の熱的影響を無視出来な
くなったため、高速切削時の耐摩耗性を向上させるには
解決しなければならない課題であった。

【０００４】

【本発明の目的】上記の如く、物理蒸着法における酸化
物被覆の密着性、靱性等の問題点等を解決し、酸素を含
有する皮膜の密着性を著しく改善した被覆工具を提供す
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは皮膜の耐酸
化性を改善すべく、内層中に薄い層として酸素を含有さ
せると、実際の切削により熱的影響を受ける部分の酸化
の進展をを防止することができ、表層部に酸素を含有す
る酸化層と相まって、酸化そのものの進展を著しく進ま
ないように改善することができることが分かった。その
ため、本願発明では、硬質被覆層を被覆してなるハイ
ス、超硬合金、サーメット等の超硬質合金を基体とする
工具において、前記硬質被覆層は周期律表の４ａ、５
ａ、６ａ族及びＡｌの炭化物、窒化物、酸化物及びそれ
らの混合体または固溶体の２種以上又は３種以上からな
る層を２０層以上積層させ、かつ、各々の層は酸化物を
含有する層と炭化物、窒化物を含有する層を交互に積層
させることを特徴とするものであり、更に、前記酸化物
を含有する層は、その酸素含有量はガス成分の比率で
０．００１〜０．５であり、前記炭化物、窒化物を含有
する層は窒素含有量をガス成分の比率で０．０１〜１．
０であることを特徴とし、また、その厚さは前記酸化物
を含有する層が１〜２０ｎｍであり、前記炭化物、窒化
物を含有する層が１０〜２００ｎｍであることを特徴と
するものである。また、最外層を酸化物を含有する層と
すると共に、その厚さを０．０１〜２μｍ程度設けても
良い。更に、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族及びＡｌの
一部を１〜３０原子％の範囲でＳｉ、Ｙ、Ｎｄの一種も
しくは二種以上で置き換えさらなる耐酸化性を向上させ
たものである。

【０００６】

【作用】まず、膜中の酸化の進行を防ぐには、酸化物層
自体、酸素の拡散に対しバリヤー効果が大きいため酸素
を含有させた皮膜を用いることが考えられる。そのた
め、内層にも酸素を含有させた皮膜を用いると、酸化そ
のものの進行を抑制させると共に、酸素を含有した状態
で緻密な膜としているため、酸化による体積変化を最小
とすることができ、物理蒸着皮膜の特徴であるアモルフ
ァス状の緻密な膜を維持し、切削による負荷が作用して
も十分な耐摩耗性を発揮することが出来る。更に、ある
程度切削が経過すると、最表面は摩耗によりすきとられ
るが、酸素を含有する皮膜で十分な耐酸化性を付与する
ことが可能である。さらに耐酸化性を向上すべく、種々
の第三成分の添加を試みた結果Ｓｉ、Ｙ、Ｎｄにおい
て、皮膜の耐酸化性が著しく向上する結果となった。こ
れらの成分はＴｉとＡｌの化合物の結晶粒界に偏析し粒
界での酸素の拡散を抑制するため、酸素の含有の効果と
いまって皮膜の耐酸化性を向上することが可能である。

【０００７】次に数値を限定した理由を述べる。積層を
２０層以上としたのは、酸素を含有させた皮膜を１０層
以上設けないと酸化の進展を十分防ぐことができず、ま
た、工具として用いるには１〜１０ミクロン程度の厚さ
が実用的に用いられており０．１ミクロン未満の間隔で
交互に積層させることが望ましい。更に、前記酸化物を
含有する層の酸素含有量をガス成分の比率で０．００１
〜０．５としたのは、酸化の進展を防ぐには、酸素は微
量でも効果が大きく、また酸素を大量に含有させること
は密着性そのものを劣化させるため０．００１〜０．５
とした。また、前記炭化物、窒化物を含有する層は窒素
含有量が０．０１〜１．０としたのは、物理蒸着法では
窒化物が多用されていることもあり、窒化物を主体とす
るもので良く、また炭化物との固溶体でも良い。

【０００８】その厚さを、前記酸化物を含有する層が１
〜２０ｎｍとしたのは、酸化物を含有させる層を２０ｎ
ｍを超えて厚く設けると、酸化物特有の不安定な形態が
生じやすくなり、また、１ｎｍ未満ではその効果が十分
でないため１〜２０ｎｍとした。また、前記炭化物、窒
化物を含有する層が１０〜２００ｎｍとしたのは、高速
切削時に酸化の影響を直接受ける膜の厚さを考慮して２
００ｎｍまでとし、また、１０ｎｍ未満ではその効果が
十分でないため１〜２０ｎｍとした。最外層は、酸化物
を含有する層としたほうが良く、また、その厚さも積層
部分より厚く設け０．０２〜２μｍとしたのは、耐酸化
性と切削による耐摩耗性に対し厚い膜が有利なためであ
り、０．０１μｍ未満では実質的に積層部分と同じ厚さ
であり、２μｍを超えると単層としての厚さが厚くなり
すぎるため０．０１〜２μｍとした。更に、Ｓｉ、Ｙ、
Ｎｄの添加量を１〜３０原子％としたのは、１％未満で
はその添加効果が十分ではなく、また３０％を超えると
その添加元素自体の有する他の特性の影響が大きくなる
ため１〜３０原子％とした。以下、実施例に基づいて本
発明を説明する。

【０００９】

【実施例】超硬合金ＪＩＳＰ３０相当の合金を用いた
スローアウエイチップに、小型アークイオンプレーティ
ング装置を用いて、本発明例、比較例のコーティングを
行い被覆超硬合金製スローアウェイチップを製作した。
尚、本発明例としてはスローアウエィチップを用いて説
明するが、これはスローアウェイチップがエンドミル、
ドリル等に比較して径が大きいため切削速度を上げるこ
とができるためであり、ソリッドのドリル、エンドミル
等においても十分な効果を有する。尚、蒸着時のコーテ
ィングパラメーターは、バイアス電圧−３００Ｖ、反応
ガス圧力４×１０^−２ｍｂｒとし、ターゲットにはＴｉ
５０％、Ａｌ５０％の焼結ターゲットを用い、反応系ガ
スとしは、窒化物成膜時の窒素ガス、炭化物成膜時にメ
タンガス、酸化物成膜時の酸素ガス又は水蒸気含有量を
コントロールしたガス等を主として用いるが、炭窒化物
成膜時には１酸化炭素ガス、窒化炭素ガスを、硼化物成
膜時にジボラン等を用いるか、または前掲のガスを組み
合わせて行うことができ、例えば、窒素ガスを一定量と
し、間欠的に他の複合系のガスを短時間流すことにより
成膜した。まず、窒素ガスと酸素ガスとを用いて、酸素
ガスを間欠的に一定時間流し、その流量を変化させるこ
とにより、Ｎ：Ｏの比率を様々に変化させた試料を作成
した。その結果を表１に示す。

【００１０】

【表１】

【００１１】得られた被覆ＴＡチップを用いて、耐酸化
性を試験するため、上記で説明したのと同様に大気中１
０００度Ｃで所定時間保持し、その破面を観察した。そ
の結果も表１に併記する。表１より明らかなように、酸
素を含有する層を介在させた例（試料番号１〜８）、単
層膜の例（試料番号１０）、ではその酸化の進展が全く
異なり、前者では最表面の酸化は進むものの膜の内側に
はほとんど酸化されておらず、熱による影響が観察され
るのみであったのに対し、後者ではほぼ半分まで酸化に
よる膜質の変化が観察された。

【００１２】更に、実施例と同様に、表２に示すコーテ
ュングパラメーターで同様に試験を実施し、酸素を含有
する層の厚さ、窒化物層の厚さを様々に変化させた。そ
の結果を表２に示す。

【００１３】

【表２】

【００１４】表２より、酸素の含有する層を厚くするこ
とにより耐酸化性への影響は、本試験のような所定時間
ではあまりその効果を確認できず、最表面の酸化のみ
で、膜内側への進展はほとんどないとが確認できた。ま
た、酸素を含有しない層の厚さを厚くしていくと、その
層の範囲で酸化が進展し、酸素含有層の効果が確認でき
た。

【００１５】次に、本発明例の試料番号１、４、５、１
４、１６及び１７と比較例の試料番号１０、１８及び２
０を用いて、次の切削諸元で切削を行い、１０ｍ切削後
の逃げ面摩耗量を測定した。被削材はＳＫＤ６１（ＨＲ
Ｃ４２で、巾１００ｍｍ×長さ２５０ｍｍ）、切削速度
２００ｍ／ｍｉｎ、送り量０．１５ｍ／刃、切込み量
１．５ｍｍで行った。その結果、本発明例の６試料は、
１０分切削後の逃げ面平均摩耗量が０．１８ｍｍ〜０．
２ｍｍで皮膜のチッピング、剥離等は観察されなかった
のに対し、比較例の試料番号１０は０．４ｍｍを超え、
同１８は剥離・チッピングにより０．６ｍｍと大きな値
となった。また、同２０は摩耗量が０．３８ｍｍと大き
かった。

【００１６】次に、最外層に酸化物を含有する層の厚膜
化に付いて同様に試験した。最外層部分のみガス系の時
間を長くすることにより酸素を含有する層を０．０２〜
４μｍまで様々に変化させて成膜した。同様に耐酸化性
の試験を行い、その結果を表３に示す。

【００１７】

【表３】

【００１８】表３より明らかなように、最外層に酸化物
を含有する層を設けることにより、耐酸化性は向上し、
また厚膜化によりその進行が食い止められていることが
分かる。また、これらのスローアウェイチップのうち試
料番号２１、２３、２５、２７及び比較例の２９を同様
な切削諸元で試験を行った。その結果、本発明例の４試
料では、１０分切削後の逃げ面平均摩耗量が０．１３ｍ
ｍ〜０．１５ｍｍで皮膜のチッピング、剥離等は観察さ
れなかったのに対し、比較例２９では最外層が剥離して
いた。

【００１９】次に、第３成分として、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｎ
ｄ、Ｚｒ、Ｙ、Ｓｉ等を添加するため、前実施例と同様
なパラメーターで、用いるターゲット中に所定量固溶体
化させて、酸素を含有する層を４ｎｍ、窒化物の層を４
０ｎｍとして、１００層積層させた。更に、同様に耐酸
化性の試験を行い、その結果を表４に示す。

【００２０】

【表４】

【００２１】表４より明らかなように、第３成分にＳ
ｉ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｎｄ、Ｚｒ、Ｙ等を添加した例では耐
酸化性に優れ、摩耗量が０．１２〜０．２０ｍｍといず
れも小さく、第三成分を添加することにより被膜の耐酸
化性、耐摩耗性が向上すると共に、皮膜の密着性が良好
で安定した切削を実現できた。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、酸素を含有する層と窒
化物等からなる層を積層をすることにより、酸化物を添
加した層の密着性が著しく改善され、また、膜の内層と
して用いることにより酸化をくい止めることが可能とな
り、被覆層が破壊、剥離しにくい長寿命の被覆工具とす
ることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２３Ｃ 14/06 Ｃ２３Ｃ 14/06 Ｐ 14/08 14/08 Ｎ 14/54 14/54 Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】硬質被覆層を被覆してなるハイス、超硬
合金、サーメット等の超硬質合金を基体とする工具にお
いて、前記硬質被覆層は周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族
及びＡｌの炭化物、窒化物、酸化物及びそれらの混合体
または固溶体の２種以上又は３種以上からなる層を２０
層以上積層させ、かつ、各々の層は酸化物を含有する層
と炭化物、窒化物を含有する層を交互に積層させること
を特徴とする被覆工具。
【請求項２】請求項１記載の被覆工具において、前記
酸化物を含有する層は、その酸素含有量をガス成分の比
率で０．００１〜０．５であり、前記炭化物、窒化物を
含有する層は窒素含有量をガス成分の比率で０．５〜
１．０であることを特徴とする被覆工具。
【請求項３】請求項１および２記載の被覆工具におい
て、前記被覆層の厚さが、前記酸化物を含有する層が１
〜２０ｎｍであり、前記炭化物、窒化物を含有する層が
１０〜２００ｎｍであることを特徴とする被覆工具。
【請求項４】請求項１乃至３記載の被覆工具におい
て、前記被覆層の最外層を酸化物を含有する層とすると
ともに、その厚さを０．０１〜２μｍとしたことを特徴
とする被覆工具。
【請求項５】請求項１乃至４記載の被覆工具におい
て、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族及びＡｌの一部を１
〜３０原子％の範囲でＳｉ、Ｙ、Ｎｄの一種もしくは二
種以上で置き換えたことを特徴とする被覆工具。