耐摩耗性皮膜及びこれを備えた工具、並びに耐摩耗性皮膜の製造装置
【課題】高温であっても耐摩耗性を発揮することができる耐摩耗性皮膜およびこれを備えた工具、並びに、高温での耐摩耗性に優れた皮膜を製造するための装置を提供する。
【解決手段】基材上に形成され、金属窒化物とされた表層を備えた耐摩耗性皮膜であって、前記表層上に該表層を皮膜する最表層が設けられ、該最表層が、炭素が固溶された少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物であることを特徴とする耐摩耗性皮膜。
【解決手段】基材上に形成され、金属窒化物とされた表層を備えた耐摩耗性皮膜であって、前記表層上に該表層を皮膜する最表層が設けられ、該最表層が、炭素が固溶された少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物であることを特徴とする耐摩耗性皮膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摩耗性皮膜及びこれを備えた工具、並びに耐摩耗性皮膜を製造するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、歯車を機械加工する歯切加工では、大量生産に適し、環境面で優れていることから、切削油を用いずに加工を行うドライカット加工が多用されている。このようなドライカット加工では、工具が加工熱により高温となっても耐摩耗性を発揮するように、高速度工具鋼の基材表面にＴｉＡｌＮコーティングやＡｌＣｒＳｉＮコーティングを施したものが知られている。しかし、上記のコーティングを施した工具でも更なる加工の高速要求に対して十分対応できず、高速加工では加工熱によってコーティングが酸化されて微細脱落が発生するので、寿命が短いという問題があった。
【０００３】
切削工具の耐摩耗性を更に向上させるために、ＴｉＡｌＮコーティングなどの最表部に、より高温での耐摩耗性に優れる酸化物セラミックコーティングを形成して、ＴｉＡｌＮコーティングなどの酸化を防止することにより、耐摩耗性を向上させている。例えば特許文献１には、Ｔｉを主成分とする金属窒化膜の最表面に、イットリウムを含有するアルミナ膜をＣＶＤ法により形成した工具が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１１５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１のようにアルミナ膜を最表層に形成した工具でも、高速加工に用いるにはアルミナ膜の硬度や耐摩耗性が不十分であった。また、アルミナは潤滑性が悪いので高速加工により加工熱が発生しやすく、加工により工具が高温となって表層が酸化され工具寿命が短くなるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記問題を鑑みなされたものであり、高温であっても耐摩耗性を発揮することができる耐摩耗性皮膜及びこれを備えた工具、並びに、高温での耐摩耗性に優れた皮膜を製造するための装置を提供することを目的とする。
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明にかかる耐摩耗性皮膜は、基材上に形成され、金属窒化物とされた表層を備えた耐摩耗性皮膜であって、前記表層上に該表層を皮膜する最表層が設けられ、該最表層が、炭素が固溶された少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物であることを特徴とする。
【０００７】
ＬｉとＡｌとを含む複合酸化物は高い硬度と耐酸化性を有し、これを最表層に形成することで皮膜の耐磨耗性を向上させ、最表層の剥離または割れを防止する。また、複合酸化物内に炭素を固溶させることで最表層に潤滑性を付与し、加工時に発生する摩擦熱を低減する。その結果、表層の酸化を防止して耐磨耗性皮膜の欠落を防止することができる。
【０００８】
本発明の耐摩耗性皮膜は、前記最表層に固溶された炭素が、０．１〜１０ａｔ％であることを特徴とする。
【０００９】
最表層に固溶される炭素が０．１ａｔ％未満であると、十分な潤滑性が発揮されない。最表層に固溶される炭素が１０ａｔ％を超えると、最表層内に内部応力が発生し、最表層の割れが発生する。
【００１０】
更に、本発明の耐摩耗性皮膜は、最表層の厚さが、０．５〜２μｍであることを特徴とする。最表層の厚さが０．５μｍ以上あれば、表層の酸化を防止するのに十分な厚さとなり、また、加工に耐え得る十分な皮膜強度が得られるので最表層に割れが発生しにくくなる。一方、厚さが２μｍを超えると最表層の内部応力が大きくなり、最表層に微細な割れが発生する。
【００１１】
本発明の耐摩耗性皮膜では、前記金属窒化物が、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＺｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、及びＴｉＮから選択されるいずれか一つであることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明の耐摩耗性皮膜では、前記基材と前記表層との間に、ＣｒＮ又はＴｉＮ層の中間層を設けたことが好ましい。これにより、基材と表層との接着強度を向上させることができる。
【００１３】
更に、本発明の耐摩耗性皮膜は、有機金属錯体を用いたＣＶＤ法によって形成されることが好ましい。有機金属錯体は炭素を含むため、複合酸化物内に炭素を容易に固溶させることが可能となる。
【００１４】
また、本発明の工具は、上記のいずれかに記載された耐磨耗性皮膜が、加工面に形成されていることを特徴とする。これにより、耐摩耗性に優れた工具を提供することができる。
【００１５】
更に、本発明の工具は、切削油を用いずに切削を行うドライカット加工に用いることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の工具を用いて、ドリルや金属用鋸刃などの切削部が構成されている切削装置は、切削部の耐摩耗性に優れ、切削油を使用しないドライカット加工に好適である。
【００１７】
本発明の耐摩耗性皮膜を形成するための装置は、少なくとも、前記有機金属錯体を気化させるための複数の気化器と、該複数の気化器で気化された前記有機金属錯体と添加ガスとを混合するための混合槽と、該混合槽で混合された前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスを成膜炉内へと噴射するためのノズルと、該ノズルから噴射された前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスとを大気圧で反応させて、前記基材上に形成された前記表層上に前記最表層を設けるための成膜炉とを備えることを特徴とする。
【００１８】
本発明の装置は、複数の気化器を備えるので、複合酸化膜原料の蒸発温度が異なっていても各原料の蒸発量を確実に制御することができ、複合酸化膜の組成制御が容易となる。また、混合槽で気化原料と添加ガスとを混合した後にノズルから成膜炉へと噴射するので、複合酸化物の組成制御が容易になるとともに、気化原料と添加ガスとを均一に混合でき、均一な組成の複合酸化物を得ることができる。また、本発明の装置は、大気圧で成膜を行うので真空容器や真空ポンプなど真空での成膜に必要な装置を省略することができ、装置コストが大幅に低減される。
【００１９】
本発明により、上記の装置を用い、前記有機金属錯体を前記複数の気化器で気化し、該気化した有機金属錯体と添加ガスとを前記混合槽内で混合し、前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスをノズルから成膜炉内へと噴射し、前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスとを大気圧で反応させて、炭素が固溶された少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物からなる前記最表層を、前記基材上に形成された前記表層上に設けることを特徴とする耐摩耗性皮膜の製造方法が提供される。
【００２０】
これにより、所定の組成の複合酸化膜を精度良く成膜することが可能となる。また、好適な量の炭素を複合酸化物中に確実に添加することができる。さらに、大気圧で成膜を行うため、成膜時に成膜炉を真空に維持する必要がない。従って、真空成膜に比べて成膜に要する時間を大幅に削減することができるので、成膜コストが減少する。
【００２１】
また、本発明の耐摩耗性皮膜を形成するための装置は、少なくとも、前記有機金属錯体を気化させるための複数の気化器と、該複数の気化器で前記気化された有機金属錯体と添加ガスとを成膜炉内へと噴射するためのノズルと、該ノズルから噴射された前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスとを大気圧で反応させて、前記基材上に形成された前記表層上に前記最表層を設けるための成膜炉とを備えることを特徴とする。
【００２２】
本発明の装置は、複数の気化器を備えるので、複合酸化膜の各原料の蒸発温度が異なる場合でも、目的の組成に応じて原料の蒸発量を制御することで、複合酸化膜の組成を容易に制御できる。原料毎に添加ガスと混合しノズルから成膜炉へと噴射するので、組成制御を高精度で行うことができ、また、混合層を別途設ける必要がないので装置が簡素となる。また、大気圧で成膜を行うので真空容器や真空ポンプなど真空での成膜に必要な装置を省略することができ、装置コストが大幅に低減される。
【００２３】
本発明により、上記の装置を用い、前記有機金属錯体を前記複数の気化器で気化し、該気化された有機金属錯体と添加ガスとをノズルから成膜炉内へと噴射し、前記気化された有機金属錯体と添加ガスとを大気圧で反応させて、炭素が固溶された少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物からなる前記最表層を、前記基材上に形成された前記表層上に設けることを特徴とする耐摩耗性皮膜の製造方法が提供される。
【００２４】
これにより、所定の組成の複合酸化膜を高精度で成膜することが可能となる。また、大気圧で成膜を行うため、成膜時に成膜炉を真空に維持する必要がなく、真空成膜に比べて成膜に要する時間を大幅に削減することができるので、成膜コストを減少させることができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、本発明の耐摩耗性皮膜は、高い硬度と優れた耐酸化性を有する少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物を最表層とするので、最表層の割れや剥離を防止することができる。また、複合酸化物中に炭素を固溶させるので、潤滑性に優れた皮膜となり、加工時に発生する摩擦熱を低減することができる。そのため、表層の酸化による欠落を防止した耐摩耗性に優れた皮膜となり、加工の高速要求を十分に満たすものとなる。
また、上記皮膜を形成するための装置は、組成制御性や組成均一性に優れ、製造コストの低い装置となる。本発明の製造装置を用いれば、高精度で組成を制御した複合酸化物を有する耐摩耗性皮膜を低コストで製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、基材上に本発明の耐摩耗性皮膜を施した場合の一実施形態の断面図を示す。基材１０上に、中間層１１、表層１２、最表層１３の順に積層されている。
【００２７】
基材１０は、高速度工具鋼（ＳＫＨ）や超硬工具鋼などとすることができる。
【００２８】
表層１２としては、金属窒化物が用いられる。具体的には、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＺｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、及びＴｉＮから選択されるいずれか一つとされる。表層５の厚さは、３〜５μｍが好適である。この表層により耐摩耗性が発揮され、ドライカット加工に適した工具が提供される。
【００２９】
中間層１１は、下地層と、この下地層上に成膜された組成傾斜層とを備えている。
下地層としては、表層１２との密着性を考慮して、ＴｉＮ又はＣｒＮが用いられる。例えば、表層１２にＴｉＡｌＮが用いられる場合は下地層としてＴｉＮを用い、表層１２にＡｌＣｒＳｉＮが用いられる場合にはＣｒＮを用いると好適である。
組成傾斜層は、下方の下地層および上方の表層の組成に応じた組成を有する。例えば、表層１２にＡｌＣｒＳｉＮが用いられ、下地層にＣｒＮが用いられる場合には、ＡｌＣｒＳｉＮとＣｒＮとが一様に混ざり合った層となる。組成傾斜層の組成比は、表層１２の組成成分に対する下地層の組成成分の量比で、１：５〜５：１の範囲で調整される。
【００３０】
最表層１３は、炭素が固溶された少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物で形成される。例えば、ＬｉとＡｌとを含む酸化物、ＬｉとＡｌとＭｇとを含む酸化物などが挙げられる。このような複合酸化物は、硬度が高く、酸化開始温度が１３００度前後と優れた耐酸化性を示し、高い耐磨耗性を有する。
【００３１】
上記のように、炭素が固溶された少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物は、高い硬度と優れた耐酸化性及び耐磨耗性を有し、良好な潤滑性を示す。そのため、最表層１３に割れや剥離が生じるのを防止するとともに、工具と加工物との間の摩擦を小さくして加工時に発生する摩擦熱を低減させて表層１２の酸化を防止し、耐摩耗性に優れた皮膜となる。
【００３２】
最表層１２に固溶される炭素は、０．１〜１０ａｔ％であることが好ましい。０．１ａｔ％未満であると、十分な潤滑性が発揮されず、加工時に最表層１３の剥離が発生する。一方、１０ａｔ％を超えると、最表層１３内に内部応力が発生し、最表層１３の割れが発生する。より好ましくは０．１〜３ａｔ％とされる。
【００３３】
また、最表層１３の厚さは、０．５〜２μｍの範囲であることが好ましい。０．５μｍ未満だと、表層１２の酸化を防止するのに十分な厚さを得ることができず、また加工時や大きな外力が加わったときに最表層１３に割れが発生するなど、十分な皮膜強度を得ることができない。また厚さが２μｍを超えると、最表層１３の内部応力が大きくなり、微細な割れが発生しやすくなる。
【００３４】
最表層に発生した割れや剥離から酸素が表層１２に到達し、表層１２の酸化を進行させてしまうので、上記のように最表層に固溶される炭素の比率や最表層の厚さを調整することが好ましい。
【００３５】
上記の複合酸化物は、有機金属錯体を用いたＣＶＤ法により形成されることが好ましい。原料である有機金属錯体は構造中に炭素を含むため、有機金属錯体を酸化させて酸化物を基材上に成膜する際に原料由来の炭素が膜中に残留する。従って、有機金属錯体を用いたＣＶＤ法は、複合酸化物中に炭素を容易に固溶させることできるという利点がある。
【００３６】
次に、本発明の耐摩耗性皮膜を製造するためのＣＶＤ装置を説明する。
図２のＣＶＤ装置２０は、複数の気化器２１ａ，２１ｂ，２１ｃと、複数の気化器それぞれに接続するキャリアガス供給装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃと、混合層２３と、噴射ノズル２４と、成膜炉２５とを備える。
【００３７】
気化器２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、最表層の原料となる有機金属錯体を蒸発させて気化させるものである。なお、図２の装置２０は気化器を３つ備えているが、使用する蒸発原料の数に対応させて気化器を備えることができる.
【００３８】
各気化器２１ａ，２１ｂ，２１ｃの上流には、それぞれキャリアガス供給装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃが接続されている。キャリアガス供給装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃから供給されたキャリアガスによって、蒸発した原料が混合槽２３に送られる。
【００３９】
混合槽２３で、各気化原料と、添加ガス供給装置（図示せず）から供給された添加ガスとを混合する。
【００４０】
ノズル２４から、気化原料と添加ガスの混合ガスを成膜炉２５内に噴射する。成膜炉２５内には、工具などの被成膜物２６を配置する固定台３１が設置される。固定台３１はモータ３２によって回転可能になっている。モータ３２下部に設置された油圧リフタなどの固定台昇降機構（図示せず）によって、固定台３１の出し入れを行う。キャリアガス、余剰の気化原料及び添加ガスなどは、排気口３３より成膜炉外に排出される。
【００４１】
図２のＣＶＤ装置を用いた耐摩耗性皮膜の製造方法は以下の通りである。
中間層１１及び表層１２は、基材１０に対して、アーク式イオンプレーティングや高周波スパッタリングなどを施して成膜される。
例えば、アーク式イオンプレーティングによって成膜する場合、真空容器内に、基材１０を保持するホルダと、このホルダに対向する位置に設けたターゲットとを配置し、ホルダとターゲットとの間に直流電圧を印可してプラズマを発生させた上で、窒素ガスを供給することによってアーク放電を生じさせ、これにより基材１０上に成膜を行う。中間層１１及び表層１２の組成に応じて、ターゲットの種類および数を変更する。例えば、中間層１１の下地層としてＣｒＮを成膜する場合には、ターゲットに純クロム（Ｃｒ：１００％）を用い、表層１２としてＡｌＣｒＳｉＮを成膜する場合には、Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉからなる合金を用いる。
【００４２】
上記の方法で成膜した表層１２上に、図２に示す大気圧ＣＶＤ装置２０によって、最表層１３を成膜する。以下では、最表層１３としてＬｉＭｇＡｌＯ系複合酸化物を形成する場合を例に挙げて説明する。
【００４３】
被成膜物２６を固定台３１に設置し成膜炉２５内に導入する。成膜炉２５の周囲に配置されたヒータ３０により成膜炉内を加熱する。
【００４４】
気化器２１ａ，２１ｂ，２１ｃを、有機金属錯体の気化温度付近までヒータ（図示せず）によって加熱する。気化器の温度が設定値まで到達した後、気化器２１ａ，２１ｂ，２１ｃに、複合酸化膜の原料である有機金属錯体を入れる。例えば、気化器２１ａには、リチウムジピバロイルメタネート、ｔ−ブトキシリチウム、リチウムアセチルアセトナートなどのＬｉを含む有機金属錯体を入れる。気化器２１ｂには、アルミニウムアセチルアセトナート、アルミニウムイソプロポキシド、アルミニウムトリジピバロイルメタネートなどのＡｌを含む有機金属錯体を入れる。気化器２１ｃには、マグネシウムビスアセチルアセトナート、マグネシウムビスジピバロイルメタネートなどのＭｇを含む有機金属錯体を入れる。
【００４５】
気化された各原料は、キャリアガス供給装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃから供給されるキャリアガスとしてのＮ２ガスまたはＡｒガスによって、混合槽２３へ搬送される。気化器の温度及びキャリアガス流量を調整することにより、ＬｉとＡｌとＭｇが所定のモル比となる複合酸化物を得ることができる。キャリアガス流量は、流量計２８ａ，２８ｂ，２８ｃで制御する。ここで、配管２７ａ、２７ｂ、２７ｃを、各気化器の設定温度より１０℃程度高く加熱しておくと、搬送途中に原料が配管内側に凝縮するのを防止することができる。
【００４６】
混合槽２３内で、搬送された気化原料と、添加ガス供給装置（図示せず）から供給された添加ガスとを混合する。添加ガスには、Ｏ２ガス、水蒸気または空気が用いられる。所定の酸素モル比となり、所定量の炭素が複合酸化物中に含有されるように、流量計２９で添加ガス流量を調整する。
【００４７】
混合された気化原料と添加ガスは、ノズル２４に搬送され、ノズル２４から成膜炉２５内へと噴射される。成膜炉２５内で原料ガスが添加ガスと反応し、被成膜物２６表面にＬｉＭｇＡｌＯ系複合酸化物が成膜される。このとき、有機金属錯体の官能基全てが分解し酸素と反応しないので、複合酸化物中に原料由来の炭素が残留する。
【００４８】
所定の膜厚まで成膜した後、原料ガスの供給を停止して成膜を終了する。Ｎ２ガス雰囲気で炉内を冷却後、成膜炉２５から被成膜物２６を取り出す。
【００４９】
次に、本発明の耐摩耗性皮膜を製造するための別のＣＶＤ装置を説明する。
図３のＣＶＤ装置４０は、複数の気化器４１ａ，４１ｂ，４１ｃと、複数の気化器それぞれに接続するキャリアガス供給装置４２ａ，４２ｂ，４２ｃと、ノズル４４と、成膜炉４５とを備える。図２のＣＶＤ装置と比較すると、図３のＣＶＤ装置は混合槽が無く、ノズルと気化器との間で、蒸発させた原料をそれぞれ添加ガスと混合する構成になっている。
【００５０】
図３のＣＶＤ装置を用いた耐摩耗性皮膜の製造方法は以下の通りである。
中間層１１及び表層１２は、上記の製造方法と同様に、アーク式イオンプレーティングによって基材１０上に成膜される。
【００５１】
上記の方法で成膜した表層１２上に、図３に示す大気圧ＣＶＤ装置４０によって、最表層１３を成膜する。以下では、最表層１３をＬｉＭｇＡｌＯ系複合酸化物とした場合を例に挙げて説明する。
【００５２】
気化器４１ａ，４１ｂ，４１ｃを、ヒータ（図示せず）によって各有機金属錯体の気化温度付近まで加熱する。その後、上記に列挙した有機金属錯体を気化器４１ａ，４１ｂ，４１ｃに入れ、有機金属錯体を気化させる。
【００５３】
気化された各原料は、キャリアガス供給装置４２ａ，４２ｂ，４２ｃから供給されるキャリアガスとしてのＮ２ガスまたはＡｒガスによって、ノズル４４へ搬送される。気化器の温度、及び流量計４８ａ，４８ｂ，４８ｃによりキャリアガス流量を調整し、ＬｉとＭｇとＡｌが所定のモル比となる複合酸化物を得ることができる。ここで、気化器４１ａ，４１ｂ，４１ｃからノズル４４まで原料が搬送される配管４７ａ、４７ｂ、４７ｃを、各気化器の設定温度より１０℃程度高く加熱し、原料が配管内側に凝縮するのを防止する。
【００５４】
気化器４１ａ，４１ｂ，４１ｃとノズル４４との間で、添加ガス供給装置（図示せず）から供給された添加ガスと気化器４１ａ，４１ｂ，４１ｃで気化された原料とをそれぞれ混合する。所定の酸素モル比となり、所定量の炭素が複合酸化物に含まれるように、流量計４９ａ，４９ｂ，４９ｃにより添加ガス流量を調整する。
【００５５】
混合した気化原料と添加ガスを、ノズル４４から成膜炉４５内へと噴射する。成膜炉内で気化原料が添加ガスと反応し、被成膜物４６表面にＬｉＭｇＡｌＯ系複合酸化物が成膜される。このとき、複合酸化物中に原料由来の炭素が残留する。
【００５６】
所定の膜厚まで成膜した後、原料ガスの供給を停止して成膜を終了する。Ｎ２ガス雰囲気で炉内を冷却後、成膜炉４５から被成膜物４６を取り出す。
【実施例】
【００５７】
（実施例１）
高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）上に、アーク式イオンプレーティング装置によりＴｉＮを１μｍ、次いで同装置で連続してＴｉＡｌＮを４μｍ成膜した。成膜は、Ｎ２ガス圧力２．７Ｐａ、基板温度４００℃、バイアス電圧−４０Ｖで実施した。
【００５８】
次いで、図２のＣＶＤ装置を用いてＬｉとＡｌを含む複合酸化物からなる最表層を成膜した。
〔成膜条件〕
基材：高速度工具鋼の表面にＴｉＡｌＮを成膜したもの
大きさ：２０ｍｍ×２０ｍｍ×３ｍｍ
基材温度：４５０℃
成膜圧力：大気圧
膜原料：リチウムジピバロイルメタネート（気化器２１ａ）、アルミニウムアセチルアセトナート（気化器２１ｂ）
気化器温度：３５０℃（気化器２１ａ）、２３０℃（気化器２１ｂ）
キャリアガス：窒素ガス（Ｎ２）
キャリアガス流量：２〜５０Ｌ／ｍｉｎ
添加ガス：酸素ガス（Ｏ２）
添加ガス流量：０〜１０Ｌ／ｍｉｎ
【００５９】
〔成膜手順〕
（１）Ｎ２ガス雰囲気の成膜炉２５内で、中間層１１及び表層１２を形成した基材１０をヒータ３０により４５０℃まで加熱した。
（２）気化器２１ａを３５０℃まで、気化器２１ｂを２３０℃まで加熱した。
（３）ガスが供給される配管２７ａ，２７ｂを、それぞれ気化器２１ａ及び２１ｂの設定温度＋１０℃まで加熱した。
（４）基材の温度、気化器２１ａ及び２１ｂの温度、及び成膜炉２５内の温度がそれぞれの目標温度に到達したら、リチウムジピバロイルメタネートを気化器２１ａ内に、アルミニウムアセチルアセトナートを気化器２１ｂ内に入れ、複合酸化物が所定の組成比となるように、キャリアガス供給装置２２ａ，２２ｂから各気化器に所定の流量のＮ２ガスを流入させた。
（５）混合槽２３にＯ２ガスを、所定の組成比となる流量で供給した。
（６）ノズル２４から原料ガスとＯ２ガスの混合ガスを成膜炉内に噴射し、炭素１ａｔ％固溶ＬｉＡｌＯ２を基材上に成膜した。
（７）ＬｉＡｌＯ２を１μｍまで成膜した後、原料ガスの供給を停止した。Ｎ２ガス雰囲気で２００℃まで炉冷後、成膜容器から取り出し、耐摩耗性皮膜が形成された基材を得た。
【００６０】
（実施例２）
実施例１と同様にして、炭素１ａｔ％固溶ＬｉＡｌ２．３３Ｏ４を成膜した。
【００６１】
（実施例３）
実施例１と同様にして、高速度工具鋼上にＴｉＮ及びＴｉＡｌＮを成膜した。
次いで、図２のＣＶＤ装置を用いてＬｉとＭｇとＡｌとを含む複合酸化物からなる最表層を成膜した。成膜条件及び成膜手順は、実施例１及び２の場合に加えて、気化器２１ｃの温度を１４０℃とし、膜原料としてマグネシウムビスアセチルアセトナートを気化器２１ｃに入れて気化させて、炭素１ａｔ％固溶ＬｉＭｇ０．２５Ａｌ１．５Ｏ３を１μｍまで成膜した。
【００６２】
（実施例４）
実施例３と同様にして、炭素１ａｔ％固溶ＬｉＭｇ０．２５Ａｌ２Ｏ４を成膜した。
【００６３】
実施例１から４の耐摩耗性皮膜の硬度を、マイクロビッカース硬度計を用い、１０ｇ、１０秒にて測定した。
酸化開始温度は、大きさが１２×５×０．０５ｍｍの白金板上にＴｉＡｌＮと実施例１から実施例４に記載の複合酸化膜を成膜し、示差熱天秤（ＴＧ−ＤＴＡ）を用い、酸化による重量増加と発熱が開始する温度を分析し、決定した。測定条件は、最高加熱温度１４００℃、昇温温度１０℃／ｍｉｎとした。
【００６４】
実施例１から４に記載の複合酸化膜を最表層に形成した耐摩耗性皮膜の硬度、酸化開始温度、計算により算出された摩擦係数を表１に示す。
【表１】
実施例１から４の複合酸化膜を最表層に形成した耐摩耗性皮膜は、３０００〜３６００Ｈｖと非常に高い硬度を有するので割れが発生しにくい。また、酸化開始温度が１３００℃前後と高温である。そのため、耐摩耗性に優れ、高速加工時に切削温度が上昇しても表層が酸化されて剥離が生じにくい皮膜となる。さらに、摩擦係数が０．２０〜０．２３と小さく、加工時に発生する摩擦熱が小さいので、高速加工を行っても皮膜の温度上昇を抑えることができ、表層の酸化を防止することができる。
【００６５】
従って、本発明の耐摩耗性皮膜を加工面に備えたドライカット工具、及びこのドライカット工具を用いた切削装置は、高速加工に使用しても耐摩耗性皮膜に割れや剥離が発生しにくいので、工具寿命を長くなる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態にかかる耐摩耗性皮膜を基材上に施した場合の断面図である。
【図２】本発明の耐摩耗性皮膜を製造するための装置である。
【図３】本発明の耐摩耗性皮膜を製造するための別の装置である。
【符号の説明】
【００６７】
１０ 基材 １１ 中間層 １２ 表層 １３ 最表層
２０，４０ ＣＶＤ装置 ２１，４１ 気化器 ２２，４２ キャリアガス供給装置
２３ 混合槽 ２４，４４ 噴射ノズル ２５，４５ 成膜炉
２６，４６ 被成膜物 ２７，４７ 配管 ２８，２９，４８，４９ 流量計
３０，５０ ヒータ ３１，５１ 固定台 ３２，５２ モータ
３３，５３ 排気口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摩耗性皮膜及びこれを備えた工具、並びに耐摩耗性皮膜を製造するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、歯車を機械加工する歯切加工では、大量生産に適し、環境面で優れていることから、切削油を用いずに加工を行うドライカット加工が多用されている。このようなドライカット加工では、工具が加工熱により高温となっても耐摩耗性を発揮するように、高速度工具鋼の基材表面にＴｉＡｌＮコーティングやＡｌＣｒＳｉＮコーティングを施したものが知られている。しかし、上記のコーティングを施した工具でも更なる加工の高速要求に対して十分対応できず、高速加工では加工熱によってコーティングが酸化されて微細脱落が発生するので、寿命が短いという問題があった。
【０００３】
切削工具の耐摩耗性を更に向上させるために、ＴｉＡｌＮコーティングなどの最表部に、より高温での耐摩耗性に優れる酸化物セラミックコーティングを形成して、ＴｉＡｌＮコーティングなどの酸化を防止することにより、耐摩耗性を向上させている。例えば特許文献１には、Ｔｉを主成分とする金属窒化膜の最表面に、イットリウムを含有するアルミナ膜をＣＶＤ法により形成した工具が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１１５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１のようにアルミナ膜を最表層に形成した工具でも、高速加工に用いるにはアルミナ膜の硬度や耐摩耗性が不十分であった。また、アルミナは潤滑性が悪いので高速加工により加工熱が発生しやすく、加工により工具が高温となって表層が酸化され工具寿命が短くなるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記問題を鑑みなされたものであり、高温であっても耐摩耗性を発揮することができる耐摩耗性皮膜及びこれを備えた工具、並びに、高温での耐摩耗性に優れた皮膜を製造するための装置を提供することを目的とする。
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明にかかる耐摩耗性皮膜は、基材上に形成され、金属窒化物とされた表層を備えた耐摩耗性皮膜であって、前記表層上に該表層を皮膜する最表層が設けられ、該最表層が、炭素が固溶された少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物であることを特徴とする。
【０００７】
ＬｉとＡｌとを含む複合酸化物は高い硬度と耐酸化性を有し、これを最表層に形成することで皮膜の耐磨耗性を向上させ、最表層の剥離または割れを防止する。また、複合酸化物内に炭素を固溶させることで最表層に潤滑性を付与し、加工時に発生する摩擦熱を低減する。その結果、表層の酸化を防止して耐磨耗性皮膜の欠落を防止することができる。
【０００８】
本発明の耐摩耗性皮膜は、前記最表層に固溶された炭素が、０．１〜１０ａｔ％であることを特徴とする。
【０００９】
最表層に固溶される炭素が０．１ａｔ％未満であると、十分な潤滑性が発揮されない。最表層に固溶される炭素が１０ａｔ％を超えると、最表層内に内部応力が発生し、最表層の割れが発生する。
【００１０】
更に、本発明の耐摩耗性皮膜は、最表層の厚さが、０．５〜２μｍであることを特徴とする。最表層の厚さが０．５μｍ以上あれば、表層の酸化を防止するのに十分な厚さとなり、また、加工に耐え得る十分な皮膜強度が得られるので最表層に割れが発生しにくくなる。一方、厚さが２μｍを超えると最表層の内部応力が大きくなり、最表層に微細な割れが発生する。
【００１１】
本発明の耐摩耗性皮膜では、前記金属窒化物が、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＺｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、及びＴｉＮから選択されるいずれか一つであることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明の耐摩耗性皮膜では、前記基材と前記表層との間に、ＣｒＮ又はＴｉＮ層の中間層を設けたことが好ましい。これにより、基材と表層との接着強度を向上させることができる。
【００１３】
更に、本発明の耐摩耗性皮膜は、有機金属錯体を用いたＣＶＤ法によって形成されることが好ましい。有機金属錯体は炭素を含むため、複合酸化物内に炭素を容易に固溶させることが可能となる。
【００１４】
また、本発明の工具は、上記のいずれかに記載された耐磨耗性皮膜が、加工面に形成されていることを特徴とする。これにより、耐摩耗性に優れた工具を提供することができる。
【００１５】
更に、本発明の工具は、切削油を用いずに切削を行うドライカット加工に用いることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の工具を用いて、ドリルや金属用鋸刃などの切削部が構成されている切削装置は、切削部の耐摩耗性に優れ、切削油を使用しないドライカット加工に好適である。
【００１７】
本発明の耐摩耗性皮膜を形成するための装置は、少なくとも、前記有機金属錯体を気化させるための複数の気化器と、該複数の気化器で気化された前記有機金属錯体と添加ガスとを混合するための混合槽と、該混合槽で混合された前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスを成膜炉内へと噴射するためのノズルと、該ノズルから噴射された前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスとを大気圧で反応させて、前記基材上に形成された前記表層上に前記最表層を設けるための成膜炉とを備えることを特徴とする。
【００１８】
本発明の装置は、複数の気化器を備えるので、複合酸化膜原料の蒸発温度が異なっていても各原料の蒸発量を確実に制御することができ、複合酸化膜の組成制御が容易となる。また、混合槽で気化原料と添加ガスとを混合した後にノズルから成膜炉へと噴射するので、複合酸化物の組成制御が容易になるとともに、気化原料と添加ガスとを均一に混合でき、均一な組成の複合酸化物を得ることができる。また、本発明の装置は、大気圧で成膜を行うので真空容器や真空ポンプなど真空での成膜に必要な装置を省略することができ、装置コストが大幅に低減される。
【００１９】
本発明により、上記の装置を用い、前記有機金属錯体を前記複数の気化器で気化し、該気化した有機金属錯体と添加ガスとを前記混合槽内で混合し、前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスをノズルから成膜炉内へと噴射し、前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスとを大気圧で反応させて、炭素が固溶された少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物からなる前記最表層を、前記基材上に形成された前記表層上に設けることを特徴とする耐摩耗性皮膜の製造方法が提供される。
【００２０】
これにより、所定の組成の複合酸化膜を精度良く成膜することが可能となる。また、好適な量の炭素を複合酸化物中に確実に添加することができる。さらに、大気圧で成膜を行うため、成膜時に成膜炉を真空に維持する必要がない。従って、真空成膜に比べて成膜に要する時間を大幅に削減することができるので、成膜コストが減少する。
【００２１】
また、本発明の耐摩耗性皮膜を形成するための装置は、少なくとも、前記有機金属錯体を気化させるための複数の気化器と、該複数の気化器で前記気化された有機金属錯体と添加ガスとを成膜炉内へと噴射するためのノズルと、該ノズルから噴射された前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスとを大気圧で反応させて、前記基材上に形成された前記表層上に前記最表層を設けるための成膜炉とを備えることを特徴とする。
【００２２】
本発明の装置は、複数の気化器を備えるので、複合酸化膜の各原料の蒸発温度が異なる場合でも、目的の組成に応じて原料の蒸発量を制御することで、複合酸化膜の組成を容易に制御できる。原料毎に添加ガスと混合しノズルから成膜炉へと噴射するので、組成制御を高精度で行うことができ、また、混合層を別途設ける必要がないので装置が簡素となる。また、大気圧で成膜を行うので真空容器や真空ポンプなど真空での成膜に必要な装置を省略することができ、装置コストが大幅に低減される。
【００２３】
本発明により、上記の装置を用い、前記有機金属錯体を前記複数の気化器で気化し、該気化された有機金属錯体と添加ガスとをノズルから成膜炉内へと噴射し、前記気化された有機金属錯体と添加ガスとを大気圧で反応させて、炭素が固溶された少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物からなる前記最表層を、前記基材上に形成された前記表層上に設けることを特徴とする耐摩耗性皮膜の製造方法が提供される。
【００２４】
これにより、所定の組成の複合酸化膜を高精度で成膜することが可能となる。また、大気圧で成膜を行うため、成膜時に成膜炉を真空に維持する必要がなく、真空成膜に比べて成膜に要する時間を大幅に削減することができるので、成膜コストを減少させることができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、本発明の耐摩耗性皮膜は、高い硬度と優れた耐酸化性を有する少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物を最表層とするので、最表層の割れや剥離を防止することができる。また、複合酸化物中に炭素を固溶させるので、潤滑性に優れた皮膜となり、加工時に発生する摩擦熱を低減することができる。そのため、表層の酸化による欠落を防止した耐摩耗性に優れた皮膜となり、加工の高速要求を十分に満たすものとなる。
また、上記皮膜を形成するための装置は、組成制御性や組成均一性に優れ、製造コストの低い装置となる。本発明の製造装置を用いれば、高精度で組成を制御した複合酸化物を有する耐摩耗性皮膜を低コストで製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、基材上に本発明の耐摩耗性皮膜を施した場合の一実施形態の断面図を示す。基材１０上に、中間層１１、表層１２、最表層１３の順に積層されている。
【００２７】
基材１０は、高速度工具鋼（ＳＫＨ）や超硬工具鋼などとすることができる。
【００２８】
表層１２としては、金属窒化物が用いられる。具体的には、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＺｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、及びＴｉＮから選択されるいずれか一つとされる。表層５の厚さは、３〜５μｍが好適である。この表層により耐摩耗性が発揮され、ドライカット加工に適した工具が提供される。
【００２９】
中間層１１は、下地層と、この下地層上に成膜された組成傾斜層とを備えている。
下地層としては、表層１２との密着性を考慮して、ＴｉＮ又はＣｒＮが用いられる。例えば、表層１２にＴｉＡｌＮが用いられる場合は下地層としてＴｉＮを用い、表層１２にＡｌＣｒＳｉＮが用いられる場合にはＣｒＮを用いると好適である。
組成傾斜層は、下方の下地層および上方の表層の組成に応じた組成を有する。例えば、表層１２にＡｌＣｒＳｉＮが用いられ、下地層にＣｒＮが用いられる場合には、ＡｌＣｒＳｉＮとＣｒＮとが一様に混ざり合った層となる。組成傾斜層の組成比は、表層１２の組成成分に対する下地層の組成成分の量比で、１：５〜５：１の範囲で調整される。
【００３０】
最表層１３は、炭素が固溶された少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物で形成される。例えば、ＬｉとＡｌとを含む酸化物、ＬｉとＡｌとＭｇとを含む酸化物などが挙げられる。このような複合酸化物は、硬度が高く、酸化開始温度が１３００度前後と優れた耐酸化性を示し、高い耐磨耗性を有する。
【００３１】
上記のように、炭素が固溶された少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物は、高い硬度と優れた耐酸化性及び耐磨耗性を有し、良好な潤滑性を示す。そのため、最表層１３に割れや剥離が生じるのを防止するとともに、工具と加工物との間の摩擦を小さくして加工時に発生する摩擦熱を低減させて表層１２の酸化を防止し、耐摩耗性に優れた皮膜となる。
【００３２】
最表層１２に固溶される炭素は、０．１〜１０ａｔ％であることが好ましい。０．１ａｔ％未満であると、十分な潤滑性が発揮されず、加工時に最表層１３の剥離が発生する。一方、１０ａｔ％を超えると、最表層１３内に内部応力が発生し、最表層１３の割れが発生する。より好ましくは０．１〜３ａｔ％とされる。
【００３３】
また、最表層１３の厚さは、０．５〜２μｍの範囲であることが好ましい。０．５μｍ未満だと、表層１２の酸化を防止するのに十分な厚さを得ることができず、また加工時や大きな外力が加わったときに最表層１３に割れが発生するなど、十分な皮膜強度を得ることができない。また厚さが２μｍを超えると、最表層１３の内部応力が大きくなり、微細な割れが発生しやすくなる。
【００３４】
最表層に発生した割れや剥離から酸素が表層１２に到達し、表層１２の酸化を進行させてしまうので、上記のように最表層に固溶される炭素の比率や最表層の厚さを調整することが好ましい。
【００３５】
上記の複合酸化物は、有機金属錯体を用いたＣＶＤ法により形成されることが好ましい。原料である有機金属錯体は構造中に炭素を含むため、有機金属錯体を酸化させて酸化物を基材上に成膜する際に原料由来の炭素が膜中に残留する。従って、有機金属錯体を用いたＣＶＤ法は、複合酸化物中に炭素を容易に固溶させることできるという利点がある。
【００３６】
次に、本発明の耐摩耗性皮膜を製造するためのＣＶＤ装置を説明する。
図２のＣＶＤ装置２０は、複数の気化器２１ａ，２１ｂ，２１ｃと、複数の気化器それぞれに接続するキャリアガス供給装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃと、混合層２３と、噴射ノズル２４と、成膜炉２５とを備える。
【００３７】
気化器２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、最表層の原料となる有機金属錯体を蒸発させて気化させるものである。なお、図２の装置２０は気化器を３つ備えているが、使用する蒸発原料の数に対応させて気化器を備えることができる.
【００３８】
各気化器２１ａ，２１ｂ，２１ｃの上流には、それぞれキャリアガス供給装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃが接続されている。キャリアガス供給装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃから供給されたキャリアガスによって、蒸発した原料が混合槽２３に送られる。
【００３９】
混合槽２３で、各気化原料と、添加ガス供給装置（図示せず）から供給された添加ガスとを混合する。
【００４０】
ノズル２４から、気化原料と添加ガスの混合ガスを成膜炉２５内に噴射する。成膜炉２５内には、工具などの被成膜物２６を配置する固定台３１が設置される。固定台３１はモータ３２によって回転可能になっている。モータ３２下部に設置された油圧リフタなどの固定台昇降機構（図示せず）によって、固定台３１の出し入れを行う。キャリアガス、余剰の気化原料及び添加ガスなどは、排気口３３より成膜炉外に排出される。
【００４１】
図２のＣＶＤ装置を用いた耐摩耗性皮膜の製造方法は以下の通りである。
中間層１１及び表層１２は、基材１０に対して、アーク式イオンプレーティングや高周波スパッタリングなどを施して成膜される。
例えば、アーク式イオンプレーティングによって成膜する場合、真空容器内に、基材１０を保持するホルダと、このホルダに対向する位置に設けたターゲットとを配置し、ホルダとターゲットとの間に直流電圧を印可してプラズマを発生させた上で、窒素ガスを供給することによってアーク放電を生じさせ、これにより基材１０上に成膜を行う。中間層１１及び表層１２の組成に応じて、ターゲットの種類および数を変更する。例えば、中間層１１の下地層としてＣｒＮを成膜する場合には、ターゲットに純クロム（Ｃｒ：１００％）を用い、表層１２としてＡｌＣｒＳｉＮを成膜する場合には、Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉからなる合金を用いる。
【００４２】
上記の方法で成膜した表層１２上に、図２に示す大気圧ＣＶＤ装置２０によって、最表層１３を成膜する。以下では、最表層１３としてＬｉＭｇＡｌＯ系複合酸化物を形成する場合を例に挙げて説明する。
【００４３】
被成膜物２６を固定台３１に設置し成膜炉２５内に導入する。成膜炉２５の周囲に配置されたヒータ３０により成膜炉内を加熱する。
【００４４】
気化器２１ａ，２１ｂ，２１ｃを、有機金属錯体の気化温度付近までヒータ（図示せず）によって加熱する。気化器の温度が設定値まで到達した後、気化器２１ａ，２１ｂ，２１ｃに、複合酸化膜の原料である有機金属錯体を入れる。例えば、気化器２１ａには、リチウムジピバロイルメタネート、ｔ−ブトキシリチウム、リチウムアセチルアセトナートなどのＬｉを含む有機金属錯体を入れる。気化器２１ｂには、アルミニウムアセチルアセトナート、アルミニウムイソプロポキシド、アルミニウムトリジピバロイルメタネートなどのＡｌを含む有機金属錯体を入れる。気化器２１ｃには、マグネシウムビスアセチルアセトナート、マグネシウムビスジピバロイルメタネートなどのＭｇを含む有機金属錯体を入れる。
【００４５】
気化された各原料は、キャリアガス供給装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃから供給されるキャリアガスとしてのＮ２ガスまたはＡｒガスによって、混合槽２３へ搬送される。気化器の温度及びキャリアガス流量を調整することにより、ＬｉとＡｌとＭｇが所定のモル比となる複合酸化物を得ることができる。キャリアガス流量は、流量計２８ａ，２８ｂ，２８ｃで制御する。ここで、配管２７ａ、２７ｂ、２７ｃを、各気化器の設定温度より１０℃程度高く加熱しておくと、搬送途中に原料が配管内側に凝縮するのを防止することができる。
【００４６】
混合槽２３内で、搬送された気化原料と、添加ガス供給装置（図示せず）から供給された添加ガスとを混合する。添加ガスには、Ｏ２ガス、水蒸気または空気が用いられる。所定の酸素モル比となり、所定量の炭素が複合酸化物中に含有されるように、流量計２９で添加ガス流量を調整する。
【００４７】
混合された気化原料と添加ガスは、ノズル２４に搬送され、ノズル２４から成膜炉２５内へと噴射される。成膜炉２５内で原料ガスが添加ガスと反応し、被成膜物２６表面にＬｉＭｇＡｌＯ系複合酸化物が成膜される。このとき、有機金属錯体の官能基全てが分解し酸素と反応しないので、複合酸化物中に原料由来の炭素が残留する。
【００４８】
所定の膜厚まで成膜した後、原料ガスの供給を停止して成膜を終了する。Ｎ２ガス雰囲気で炉内を冷却後、成膜炉２５から被成膜物２６を取り出す。
【００４９】
次に、本発明の耐摩耗性皮膜を製造するための別のＣＶＤ装置を説明する。
図３のＣＶＤ装置４０は、複数の気化器４１ａ，４１ｂ，４１ｃと、複数の気化器それぞれに接続するキャリアガス供給装置４２ａ，４２ｂ，４２ｃと、ノズル４４と、成膜炉４５とを備える。図２のＣＶＤ装置と比較すると、図３のＣＶＤ装置は混合槽が無く、ノズルと気化器との間で、蒸発させた原料をそれぞれ添加ガスと混合する構成になっている。
【００５０】
図３のＣＶＤ装置を用いた耐摩耗性皮膜の製造方法は以下の通りである。
中間層１１及び表層１２は、上記の製造方法と同様に、アーク式イオンプレーティングによって基材１０上に成膜される。
【００５１】
上記の方法で成膜した表層１２上に、図３に示す大気圧ＣＶＤ装置４０によって、最表層１３を成膜する。以下では、最表層１３をＬｉＭｇＡｌＯ系複合酸化物とした場合を例に挙げて説明する。
【００５２】
気化器４１ａ，４１ｂ，４１ｃを、ヒータ（図示せず）によって各有機金属錯体の気化温度付近まで加熱する。その後、上記に列挙した有機金属錯体を気化器４１ａ，４１ｂ，４１ｃに入れ、有機金属錯体を気化させる。
【００５３】
気化された各原料は、キャリアガス供給装置４２ａ，４２ｂ，４２ｃから供給されるキャリアガスとしてのＮ２ガスまたはＡｒガスによって、ノズル４４へ搬送される。気化器の温度、及び流量計４８ａ，４８ｂ，４８ｃによりキャリアガス流量を調整し、ＬｉとＭｇとＡｌが所定のモル比となる複合酸化物を得ることができる。ここで、気化器４１ａ，４１ｂ，４１ｃからノズル４４まで原料が搬送される配管４７ａ、４７ｂ、４７ｃを、各気化器の設定温度より１０℃程度高く加熱し、原料が配管内側に凝縮するのを防止する。
【００５４】
気化器４１ａ，４１ｂ，４１ｃとノズル４４との間で、添加ガス供給装置（図示せず）から供給された添加ガスと気化器４１ａ，４１ｂ，４１ｃで気化された原料とをそれぞれ混合する。所定の酸素モル比となり、所定量の炭素が複合酸化物に含まれるように、流量計４９ａ，４９ｂ，４９ｃにより添加ガス流量を調整する。
【００５５】
混合した気化原料と添加ガスを、ノズル４４から成膜炉４５内へと噴射する。成膜炉内で気化原料が添加ガスと反応し、被成膜物４６表面にＬｉＭｇＡｌＯ系複合酸化物が成膜される。このとき、複合酸化物中に原料由来の炭素が残留する。
【００５６】
所定の膜厚まで成膜した後、原料ガスの供給を停止して成膜を終了する。Ｎ２ガス雰囲気で炉内を冷却後、成膜炉４５から被成膜物４６を取り出す。
【実施例】
【００５７】
（実施例１）
高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）上に、アーク式イオンプレーティング装置によりＴｉＮを１μｍ、次いで同装置で連続してＴｉＡｌＮを４μｍ成膜した。成膜は、Ｎ２ガス圧力２．７Ｐａ、基板温度４００℃、バイアス電圧−４０Ｖで実施した。
【００５８】
次いで、図２のＣＶＤ装置を用いてＬｉとＡｌを含む複合酸化物からなる最表層を成膜した。
〔成膜条件〕
基材：高速度工具鋼の表面にＴｉＡｌＮを成膜したもの
大きさ：２０ｍｍ×２０ｍｍ×３ｍｍ
基材温度：４５０℃
成膜圧力：大気圧
膜原料：リチウムジピバロイルメタネート（気化器２１ａ）、アルミニウムアセチルアセトナート（気化器２１ｂ）
気化器温度：３５０℃（気化器２１ａ）、２３０℃（気化器２１ｂ）
キャリアガス：窒素ガス（Ｎ２）
キャリアガス流量：２〜５０Ｌ／ｍｉｎ
添加ガス：酸素ガス（Ｏ２）
添加ガス流量：０〜１０Ｌ／ｍｉｎ
【００５９】
〔成膜手順〕
（１）Ｎ２ガス雰囲気の成膜炉２５内で、中間層１１及び表層１２を形成した基材１０をヒータ３０により４５０℃まで加熱した。
（２）気化器２１ａを３５０℃まで、気化器２１ｂを２３０℃まで加熱した。
（３）ガスが供給される配管２７ａ，２７ｂを、それぞれ気化器２１ａ及び２１ｂの設定温度＋１０℃まで加熱した。
（４）基材の温度、気化器２１ａ及び２１ｂの温度、及び成膜炉２５内の温度がそれぞれの目標温度に到達したら、リチウムジピバロイルメタネートを気化器２１ａ内に、アルミニウムアセチルアセトナートを気化器２１ｂ内に入れ、複合酸化物が所定の組成比となるように、キャリアガス供給装置２２ａ，２２ｂから各気化器に所定の流量のＮ２ガスを流入させた。
（５）混合槽２３にＯ２ガスを、所定の組成比となる流量で供給した。
（６）ノズル２４から原料ガスとＯ２ガスの混合ガスを成膜炉内に噴射し、炭素１ａｔ％固溶ＬｉＡｌＯ２を基材上に成膜した。
（７）ＬｉＡｌＯ２を１μｍまで成膜した後、原料ガスの供給を停止した。Ｎ２ガス雰囲気で２００℃まで炉冷後、成膜容器から取り出し、耐摩耗性皮膜が形成された基材を得た。
【００６０】
（実施例２）
実施例１と同様にして、炭素１ａｔ％固溶ＬｉＡｌ２．３３Ｏ４を成膜した。
【００６１】
（実施例３）
実施例１と同様にして、高速度工具鋼上にＴｉＮ及びＴｉＡｌＮを成膜した。
次いで、図２のＣＶＤ装置を用いてＬｉとＭｇとＡｌとを含む複合酸化物からなる最表層を成膜した。成膜条件及び成膜手順は、実施例１及び２の場合に加えて、気化器２１ｃの温度を１４０℃とし、膜原料としてマグネシウムビスアセチルアセトナートを気化器２１ｃに入れて気化させて、炭素１ａｔ％固溶ＬｉＭｇ０．２５Ａｌ１．５Ｏ３を１μｍまで成膜した。
【００６２】
（実施例４）
実施例３と同様にして、炭素１ａｔ％固溶ＬｉＭｇ０．２５Ａｌ２Ｏ４を成膜した。
【００６３】
実施例１から４の耐摩耗性皮膜の硬度を、マイクロビッカース硬度計を用い、１０ｇ、１０秒にて測定した。
酸化開始温度は、大きさが１２×５×０．０５ｍｍの白金板上にＴｉＡｌＮと実施例１から実施例４に記載の複合酸化膜を成膜し、示差熱天秤（ＴＧ−ＤＴＡ）を用い、酸化による重量増加と発熱が開始する温度を分析し、決定した。測定条件は、最高加熱温度１４００℃、昇温温度１０℃／ｍｉｎとした。
【００６４】
実施例１から４に記載の複合酸化膜を最表層に形成した耐摩耗性皮膜の硬度、酸化開始温度、計算により算出された摩擦係数を表１に示す。
【表１】
実施例１から４の複合酸化膜を最表層に形成した耐摩耗性皮膜は、３０００〜３６００Ｈｖと非常に高い硬度を有するので割れが発生しにくい。また、酸化開始温度が１３００℃前後と高温である。そのため、耐摩耗性に優れ、高速加工時に切削温度が上昇しても表層が酸化されて剥離が生じにくい皮膜となる。さらに、摩擦係数が０．２０〜０．２３と小さく、加工時に発生する摩擦熱が小さいので、高速加工を行っても皮膜の温度上昇を抑えることができ、表層の酸化を防止することができる。
【００６５】
従って、本発明の耐摩耗性皮膜を加工面に備えたドライカット工具、及びこのドライカット工具を用いた切削装置は、高速加工に使用しても耐摩耗性皮膜に割れや剥離が発生しにくいので、工具寿命を長くなる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態にかかる耐摩耗性皮膜を基材上に施した場合の断面図である。
【図２】本発明の耐摩耗性皮膜を製造するための装置である。
【図３】本発明の耐摩耗性皮膜を製造するための別の装置である。
【符号の説明】
【００６７】
１０ 基材 １１ 中間層 １２ 表層 １３ 最表層
２０，４０ ＣＶＤ装置 ２１，４１ 気化器 ２２，４２ キャリアガス供給装置
２３ 混合槽 ２４，４４ 噴射ノズル ２５，４５ 成膜炉
２６，４６ 被成膜物 ２７，４７ 配管 ２８，２９，４８，４９ 流量計
３０，５０ ヒータ ３１，５１ 固定台 ３２，５２ モータ
３３，５３ 排気口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上に形成され、金属窒化物とされた表層を備えた耐摩耗性皮膜であって、前記表層上に該表層を皮膜する最表層が設けられ、該最表層が、炭素が固溶された少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物であることを特徴とする耐摩耗性皮膜。
【請求項２】
前記最表層に固溶された炭素が、０．１〜１０ａｔ％であることを特徴とする請求項１記載の耐摩耗性皮膜。
【請求項３】
前記最表層の厚さが、０．５〜２μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の耐摩耗性皮膜。
【請求項４】
前記金属窒化物が、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＺｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、及びＴｉＮから選択されるいずれか一つであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の耐摩耗性皮膜。
【請求項５】
前記基材と前記表層との間に、更にＣｒＮ又はＴｉＮ層の中間層を設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の耐摩耗性皮膜。
【請求項６】
前記最表層が、有機金属錯体を用いたＣＶＤ法によって形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の耐摩耗性皮膜。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載された耐摩耗性皮膜が、加工面に形成されていることを特徴とする工具。
【請求項８】
切削油を用いずに切削を行うドライカット加工に用いられることを特徴とする請求項７記載の工具。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載の切削工具を用いて切削部が構成されていることを特徴とする切削装置。
【請求項１０】
前記請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の耐摩耗性皮膜を形成するための装置であって、少なくとも、前記有機金属錯体を気化させるための複数の気化器と、該複数の気化器で気化された前記有機金属錯体と添加ガスとを混合するための混合槽と、該混合槽で混合された前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスを成膜炉内へと噴射するためのノズルと、該ノズルから噴射された前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスとを大気圧で反応させて、前記基材上に形成された前記表層上に前記最表層を設けるための成膜炉とを備えることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置を用い、前記有機金属錯体を前記複数の気化器で気化し、該気化した有機金属錯体と添加ガスとを前記混合槽内で混合し、前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスをノズルから成膜炉内へと噴射し、前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスとを大気圧で反応させて、炭素が固溶された少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物からなる前記最表層を、前記基材上に形成された前記表層上に設けることを特徴とする耐摩耗性皮膜の製造方法。
【請求項１２】
前記請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の耐摩耗性皮膜を形成するための装置であって、少なくとも、前記有機金属錯体を気化させるための複数の気化器と、該複数の気化器で前記気化された有機金属錯体と添加ガスとを成膜炉内へと噴射するためのノズルと、該ノズルから噴射された前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスとを大気圧で反応させて、前記基材上に形成された前記表層上に前記最表層を設けるための成膜炉とを備えることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の装置を用い、前記有機金属錯体を前記複数の気化器で気化し、該気化された有機金属錯体と添加ガスとをノズルから成膜炉内へと噴射し、前記気化された有機金属錯体と添加ガスとを大気圧で反応させて、炭素が固溶された少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物からなる前記最表層を、前記基材上に形成された前記表層上に設けることを特徴とする耐摩耗性皮膜の製造方法。
【請求項１】
基材上に形成され、金属窒化物とされた表層を備えた耐摩耗性皮膜であって、前記表層上に該表層を皮膜する最表層が設けられ、該最表層が、炭素が固溶された少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物であることを特徴とする耐摩耗性皮膜。
【請求項２】
前記最表層に固溶された炭素が、０．１〜１０ａｔ％であることを特徴とする請求項１記載の耐摩耗性皮膜。
【請求項３】
前記最表層の厚さが、０．５〜２μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の耐摩耗性皮膜。
【請求項４】
前記金属窒化物が、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＺｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、及びＴｉＮから選択されるいずれか一つであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の耐摩耗性皮膜。
【請求項５】
前記基材と前記表層との間に、更にＣｒＮ又はＴｉＮ層の中間層を設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の耐摩耗性皮膜。
【請求項６】
前記最表層が、有機金属錯体を用いたＣＶＤ法によって形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の耐摩耗性皮膜。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載された耐摩耗性皮膜が、加工面に形成されていることを特徴とする工具。
【請求項８】
切削油を用いずに切削を行うドライカット加工に用いられることを特徴とする請求項７記載の工具。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載の切削工具を用いて切削部が構成されていることを特徴とする切削装置。
【請求項１０】
前記請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の耐摩耗性皮膜を形成するための装置であって、少なくとも、前記有機金属錯体を気化させるための複数の気化器と、該複数の気化器で気化された前記有機金属錯体と添加ガスとを混合するための混合槽と、該混合槽で混合された前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスを成膜炉内へと噴射するためのノズルと、該ノズルから噴射された前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスとを大気圧で反応させて、前記基材上に形成された前記表層上に前記最表層を設けるための成膜炉とを備えることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置を用い、前記有機金属錯体を前記複数の気化器で気化し、該気化した有機金属錯体と添加ガスとを前記混合槽内で混合し、前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスをノズルから成膜炉内へと噴射し、前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスとを大気圧で反応させて、炭素が固溶された少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物からなる前記最表層を、前記基材上に形成された前記表層上に設けることを特徴とする耐摩耗性皮膜の製造方法。
【請求項１２】
前記請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の耐摩耗性皮膜を形成するための装置であって、少なくとも、前記有機金属錯体を気化させるための複数の気化器と、該複数の気化器で前記気化された有機金属錯体と添加ガスとを成膜炉内へと噴射するためのノズルと、該ノズルから噴射された前記気化された有機金属錯体と前記添加ガスとを大気圧で反応させて、前記基材上に形成された前記表層上に前記最表層を設けるための成膜炉とを備えることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の装置を用い、前記有機金属錯体を前記複数の気化器で気化し、該気化された有機金属錯体と添加ガスとをノズルから成膜炉内へと噴射し、前記気化された有機金属錯体と添加ガスとを大気圧で反応させて、炭素が固溶された少なくともＬｉとＡｌとを含む複合酸化物からなる前記最表層を、前記基材上に形成された前記表層上に設けることを特徴とする耐摩耗性皮膜の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−８４６５４（Ｐ２００９−８４６５４Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５７８１１（Ｐ２００７−２５７８１１）
【出願日】平成１９年１０月１日（２００７．１０．１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月１日（２００７．１０．１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]