被覆焼結体、被覆焼結体の製造方法
【課題】耐摩耗性部材の被膜層の圧縮残留応力を好適に制御する。
【解決手段】被覆焼結体２０は、焼結体からなる基材３０と、基材３０の外側に形成され、窒化チタンアルミからなる下地層４０と、下地層４０よりも外側に形成され、炭窒化チタンからなる表層５０とを備えている。Ｘ線回折によって測定される、下地層４０の（１１１）面と（２００）面とのピーク位置の回折角をそれぞれ２θ（１１１）、２θ（２００）とし、粉末Ｘ線回折強度データベースにおける、下地層４０の（１１１）面と（２００）面とのピーク位置の理論値の回折角をそれぞれＴ（１１１）、Ｔ（２００）とし、Ｓ（１１１）＝２θ（１１１）−Ｔ（１１１）、Ｓ（２００）＝２θ（２００）−Ｔ（２００）としたとき、Ｓ（２００）−Ｓ（１１１）≧０．１である。
【解決手段】被覆焼結体２０は、焼結体からなる基材３０と、基材３０の外側に形成され、窒化チタンアルミからなる下地層４０と、下地層４０よりも外側に形成され、炭窒化チタンからなる表層５０とを備えている。Ｘ線回折によって測定される、下地層４０の（１１１）面と（２００）面とのピーク位置の回折角をそれぞれ２θ（１１１）、２θ（２００）とし、粉末Ｘ線回折強度データベースにおける、下地層４０の（１１１）面と（２００）面とのピーク位置の理論値の回折角をそれぞれＴ（１１１）、Ｔ（２００）とし、Ｓ（１１１）＝２θ（１１１）−Ｔ（１１１）、Ｓ（２００）＝２θ（２００）−Ｔ（２００）としたとき、Ｓ（２００）−Ｓ（１１１）≧０．１である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結体に被膜層が形成された被覆焼結体に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削工具や自動車の摺動部品には、耐摩耗性部材が用いられる。こうした耐摩耗性部材として、基材の表面に耐摩耗性に優れた被膜層を形成したものが知られている。例えば、下記特許文献１では、基材の表面にイオンプレーティングによってＴｉＡｌＮの被膜層を形成する技術を開示している。
【０００３】
かかる被膜層は、被膜層の膜厚が大きくなるほど、耐摩耗性が向上する。被膜層の膜厚が大きくなるほど、圧縮残留応力が増加するからである。一方、圧縮残留応力が大きくなると、耐摩耗性が向上する反面、被膜層の密着性が低下する。このため、被膜層の膜厚を大きくして、耐摩耗性を向上させるには限界があった。そこで、下記特許文献２では、配向性の異なる被膜層を多層に形成し、被膜層を３層以上とする技術を開示している。かかる技術によれば、１層分の被膜層の膜厚が小さくなるので、１層分の圧縮残留応力を低減することができる。その結果、被膜層の密着性の低下を抑制しつつ、多層の被膜層全体の膜厚を確保することができる。
【０００４】
しかしながら、圧縮残留応力の大きさは、膜厚のみに依存するものではないので、その制御が難しかった。例えば、特許文献２のように、被膜層を３層以上とした場合であっても、圧縮残留応力が低減しないことや、逆に、圧縮残留応力が過剰に低減することがあった。このような場合、所望の密着性や耐摩耗性を得ることができなかった。かかる問題は、種々の耐摩耗性部材に広く共通する問題であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２０９３３３号公報
【特許文献２】特開平１０−７６４０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、耐摩耗性部材の被膜層の圧縮残留応力を好適に制御することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決することを目的とし、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］焼結体からなる基材と、該基材の外側に形成され、窒化チタンアルミからなる第１の被膜層と、該第１の被膜層よりも前記外側に形成され、炭窒化チタンからなる第２の被膜層とを備えた被覆焼結体であって、
Ｘ線回折によって測定される、前記第１の被膜層の（１１１）面と（２００）面とのピーク位置の回折角をそれぞれ２θ（１１１）、２θ（２００）とし、粉末Ｘ線回折強度データベースにおける、前記第１の被膜層の前記（１１１）面と前記（２００）面との前記ピーク位置の理論値の回折角をそれぞれＴ（１１１）、Ｔ（２００）とし、Ｓ（１１１）＝２θ（１１１）−Ｔ（１１１）、Ｓ（２００）＝２θ（２００）−Ｔ（２００）としたとき、
Ｓ（２００）−Ｓ（１１１）≧０．１
を満たすことを特徴とする被覆焼結体。
【０００９】
かかる構成の被覆焼結体によれば、第１の被膜層は、第１の被膜層の（１１１）面に比べて、（２００）面に大きな歪みを持たせることができるので、圧縮残留応力の制御の自由度を高めることができる。その結果、被膜層の密着性と耐摩耗性とを好適に確保することが可能となる。
【００１０】
［適用例２］適用例１記載の被覆焼結体であって、前記Ｘ線回折によって測定される、前記第２の被膜層の前記（１１１）面と前記（２００）面とのピーク位置の回折強度をそれぞれＩ（１１１）、Ｉ（２００）としたとき、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）≧１を満たすことを特徴とする被覆焼結体。
かかる構成の被覆焼結体によれば、第２の被膜層の硬度を高めることができる。
【００１１】
［適用例３］適用例１または適用例２記載の被覆焼結体であって、前記第１の被膜層の膜厚は、０．３μｍ以上かつ２．０μｍ以下であり、前記第２の被膜層の膜厚は、０．３μｍ以上かつ３．０μｍ以下であることを特徴とする被覆焼結体。
かかる構成の被覆焼結体によれば、第１の被膜層および第２の被膜層が適度な厚みを有するので、第１の被膜層および第２の被膜層の密着性を確保しつつ、好適な耐摩耗性を確保することができる。
【００１２】
［適用例４］前記被覆焼結体は、切削インサートであることを特徴とする適用例１ないし適用例３のいずれか記載の被覆焼結体。
かかる構成の被覆焼結体によれば、第１の被膜層および第２の被膜層の耐摩耗性と密着性とを好適に確保できる。したがって、被覆焼結体を切削インサートとして好適に利用することができる。
【００１３】
また、上述した適用例１の被覆焼結体は、適用例５の被覆焼結体としても特定することができる。
［適用例５］焼結体からなる基材と、該基材の外側に形成され、窒化チタンアルミからなる第１の被膜層と、該第１の被膜層よりも前記外側に形成され、炭窒化チタンからなる第２の被膜層とを備えた被覆焼結体であって、
前記第２の被膜層の組成は、前記第２の被膜層の内側から外側に向かう方向に沿って、窒素原子に対する炭素原子の比率が変化しており、
前記比率は、前記第２の被膜層の外側の表面において、前記第２の被膜層の内側の表面よりも大きく、
前記比率の変化は、前記第２の被膜層の外側の表面から前記第２の被膜層の内側の表面に向かって、少なくとも１回、減少する変化を含む
ことを特徴とする被覆焼結体。
【００１４】
また、本発明は、上述した被覆焼結体のほか、適用例６の被覆焼結体の製造方法としても実現することができる。
［適用例６］焼結体からなる基材を用意する第１の工程と、該基材の外側に窒化チタンアルミからなる第１の被膜層を形成する第２の工程と、該第１の被膜層よりも前記外側に炭窒化チタンからなる第２の被膜層を蒸着によって形成する第３の工程とを備えた被覆焼結体の製造方法であって、
前記第３の工程は、
窒素ガスと、炭素を含むカーボンガスとを供給して、前記蒸着を行う際に、前記窒素ガスの供給量に対する前記カーボンガスの供給量の比率を変化させ、
前記比率は、前記第３工程の開始時よりも終了時で大きく、
前記比率の変化は、前記開始時から前記終了時に至る途中で、少なくとも１回、前記比率を減少させる変化を含むことを特徴とする
被覆焼結体の製造方法。
【００１５】
かかる被覆焼結体の製造方法によれば、上述した適用例１または適用例５の被覆焼結体を好適に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の被覆焼結体の実施例としての被覆焼結体２０の概略断面形状を示す説明図である。
【図２】被覆焼結体２０の製造工程を示す工程図である。
【図３】被覆焼結体２０の製造工程における第２の被膜処理の制御内容を示す説明図である。
【図４】比較例１としての被覆焼結体２０ａの製造工程における第２の被膜処理の制御内容を示す説明図である。
【図５】比較例２としての被覆焼結体２０ｂの製造工程における第２の被膜処理の制御内容を示す説明図である。
【図６】第２の被膜処理における供給ガスのＣ／Ｎ比を示す説明図である。
【図７】Ｘ線回折による被覆焼結体２０の測定結果を示す説明図である。
【図８】Ｘ線回折による下地層４０の測定結果を示す図表である。
【図９】Ｘ線回折による表層５０の測定結果を示す図表である。
【図１０】被覆焼結体２０の摩耗量低減効果を示す図表である。
【図１１】被覆焼結体２０の摩耗量低減効果を示す図表である。
【図１２】第１の変形例としての被覆焼結体２０の製造工程における第２の被膜処理の制御内容を示す説明図である。
【図１３】第２の変形例としての被覆焼結体２０の製造工程における第２の被膜処理の制御内容を示す説明図である。
【図１４】第３の変形例としての被覆焼結体２０の製造工程における第２の被膜処理の制御内容を示す説明図である。
【図１５】第４の変形例としての被覆焼結体２０の製造工程における第２の被膜処理の制御内容を示す説明図である。
【図１６】第５の変形例としての被覆焼結体２０の製造工程における第２の被膜処理の制御内容を示す説明図である。
【図１７】第６の変形例としての被覆焼結体２０の製造工程における第２の被膜処理の制御内容を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
Ａ．実施例：
Ａ−１．被覆焼結体２０の概略構成：
本発明の実施形態について説明する。本発明の被覆焼結体の実施例としての被覆焼結体２０の概略断面構成を図１に示す。被覆焼結体２０は、焼結体の表面に被膜層を形成したスローアウェイチップ、すなわち、切削インサートである。この被覆焼結体２０は、切削工具の本体に着脱可能に装着される。被覆焼結体２０は、図１に示すように、略菱形の板状形状を有している。図１では、被覆焼結体２０の板状形状に沿った断面を示している。図示する被覆焼結体２０の形状は、ＩＳＯ規格で規定されたＤＣＧＴ１１Ｔ３の形状に該当する。ただし、被覆焼結体２０の形状は、適宜設定すればよく、例えば、略矩形の平板形状などであってもよい。
【００１８】
図１に示すように、被覆焼結体２０は、基材３０と被膜層６０とを備えている。基材３０は、焼結体によって形成されている。本実施例では、焼結体として、超硬合金を用いている。なお、焼結体は、サーメットなどであってもよい。基材３０の中央部には、貫通孔３５が形成されている。貫通孔３５は、被覆焼結体２０を切削工具の本体に装着する際にクランプネジを挿入して、被覆焼結体２０と本体とを固定するために形成されている。以下、図１における基材３０の内側の方向を単に内側ともいい、それと反対の方向、つまり、基材３０の外側の方向を単に外側ともいう。
【００１９】
被膜層６０は、被覆焼結体２０の耐摩耗性を向上させるために、基材３０の表面に形成される。被膜層６０は、下地層４０と表層５０とを備えている。つまり、被膜層６０は、本実施例では、２層構造を有している。基材３０の外側の表面には、下地層４０が形成されている。下地層４０は、窒化チタンアルミからなる被膜層である。また、下地層４０の外側の表面には、表層５０が形成されている。表層５０は、炭窒化チタンからなる被膜層である。なお、下地層４０は、請求項の第１の被膜層に該当する。また、表層５０は、請求項の第２の被膜層に該当する。
【００２０】
図１において、下地層４０および表層５０の膜厚は、図示の便宜上、実際の厚みよりも大きく表示している。本実施例では、下地層４０の膜厚を０．５μｍとし、表層５０の膜厚を１．０μｍとした。なお、下地層４０および表層５０の膜厚は適宜設定すればよく、例えば、下地層４０の膜厚を１．０μｍとし、表層５０の膜厚を２．０μｍとしてもよい。ただし、下地層４０の膜厚は、０．３μｍ以上とすることが望ましい。こうすれば、所定程度の耐摩耗性を確保することができる。さらに、下地層４０の膜厚は、２．０μｍ以下とすることが望ましい。こうすれば、下地層４０の密着性が低下することを抑制し、チッピングの発生を抑制できる。また、表層５０の膜厚は、０．３μｍ以上とすることが望ましい。こうすれば、所定程度の耐摩耗性を確保することができる。さらに、表層５０の膜厚は、３．０μｍ以下とすることが望ましい。こうすれば、表層５０の密着性が低下することを抑制し、下地層４０との間でチッピングの発生を抑制できる。なお、表層５０は、下地層４０と比べて、その材質に起因して密着性に優れているので、表層５０の膜厚は、下地層４０の膜厚よりも大きくすることができる。
【００２１】
Ａ−２．被覆焼結体２０の製造方法：
上述した被覆焼結体２０の製造方法の具体例について説明する。被覆焼結体２０の製造工程を図２に示す。図示するように、被覆焼結体２０の製造においては、まず、基材３０を用意する（ステップＳ１１０）。具体的には、まず、原料粉末としてＷＣ（炭化タングステン）およびＣｏ（コバルト）粉末を所定量用意する。次に、原料粉末を湿式混合し、乾燥した後、プレス成形して圧粉体を得る。次に、この圧粉体を真空中で温度１４００℃に１時間保持して焼結し、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金製の焼結体を得る。そして、得られた焼結体をＤＣＧＴ１１Ｔ３の形状に研磨することで、基材３０を得る。
【００２２】
こうして基材３０を用意すると、次に、第１の被膜処理によって、基材３０の表面に下地層４０を形成する（ステップＳ１２０）。本実施例では、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）、具体的には、イオンプレーティングによって、下地層４０を形成した。より具体的には、まず、コーティングチャンバー内を１×１０−５ｔｏｒｒまで減圧した後、母材としての基材３０をヒータで加温して５５０℃まで昇温させる。次に、ＴｉＡｌターゲットに５０〜１５０Ａの直流電源を印加してアーク放電させ、基材３０に対するバイアス電圧を３０Ｖに調整する。次に、この状態で、高純度窒素ガス（以下、単に窒素ガスともいう）を導入して、窒化チタンアルミからなる下地層４０を基材３０の表面に形成する。
【００２３】
こうして下地層４０を形成すると、最後に、第２の被膜処理によって、下地層４０の表面に表層５０を形成する（ステップＳ１３０）。本実施例では、上記ステップＳ１２０と同様に、イオンプレーティングによって、表層５０を形成した。具体的には、上記ステップＳ１２０に引き続いて、Ｔｉターゲットに５０〜１５０Ａの直流電源を印加してアーク放電させ、母材に対するバイアス電圧を３０〜１００Ｖに調整する。次に、この状態で、窒素ガスと、炭素原子を含むカーボンガスとを、その供給量を制御しながら導入して、炭窒化チタンからなる表層５０を下地層４０の表面に形成する。なお、下地層４０および表層５０の膜厚は、窒素ガスを供給し、アークイオン流を発生させた状態での保持時間によって、調節可能である。こうして、被覆焼結体２０は完成となる。なお、上記ステップＳ１１０は、請求項の第１の工程に該当する。また、上記ステップＳ１２０は、請求項の第２の工程に該当する。また、上記ステップＳ１３０は、請求項の第３の工程に該当する。
【００２４】
ステップＳ１３０における窒素ガスとカーボンガスの供給量の制御方法についての具体例を図３に示す。図３では、表層５０の成膜時間が１０分である場合の、窒素ガスとカーボンガスの流量をｍｏｌ／ｍｉｎの単位で表している。表示する流量は、窒素原子および炭素原子の物質量に換算した値である。図示するように、成膜開始時においては、窒素ガスの供給量は、約０．０８９ｍｏｌ／ｍｉｎである。窒素ガスの供給量は、成膜開始時から３分の間、同じ供給量に維持されている。この供給量は、成膜開始から３分の時点で、約０．０５３ｍｏｌ／ｍｉｎに変更される。つまり、窒素ガスの供給量は非連続的に減少する。
【００２５】
その後１分間、変更後の値が維持された後、窒素ガスの供給量は、約０．０６３ｍｏｌ／ｍｉｎに変更される。つまり、窒素ガスの供給量は一旦、非連続的に増加する。その後１分間、変更後の値が維持された後、窒素ガスの供給量は、約０．０４５ｍｏｌ／ｍｉｎに変更される。つまり、窒素ガスの供給量は、再度、非連続的に低下する。その後１分間、変更後の値が維持された後、窒素ガスの供給量は、約０．０５４ｍｏｌ／ｍｉｎに変更される。つまり、窒素ガスの供給量は、再度、一時的に増加する。その後１分間、変更後の値が維持された後、窒素ガスの供給量は、約０．０２７ｍｏｌ／ｍｉｎに変更される。つまり、窒素ガスの供給量は、再度、低下する。そして、変更後の値は、成膜終了時まで維持される。なお、本実施例における各種パラメータ（図３では、窒素ガスおよびカーボンガスの供給量）の制御の説明は、制御目標値を示している。パラメータの推移について、制御誤差によって生じる僅かな変動は、変動していないものとみなしてもよい。
【００２６】
かかる窒素ガスの供給量の制御は、供給量が、成膜開始時の値と比べて成膜終了時の値が小さくなっている。つまり、成膜時間全体で見れば、窒素ガスの供給量を成膜開始時から成膜終了時に向けて減少させる制御である。本実施例では、窒素ガスの供給量は、成膜開始時に最大となり、成膜終了時に最小となっている。成膜開始時と成膜終了時との間では、窒素ガスの供給量は、非直線的に制御されている。非直線的とは、成膜開始時から成膜終了時に亘るパラメータ（ここでは、窒素ガス供給量）の推移の形状が、１本の直線形状ではないことをいう。例えば、図３のカーボンガスの供給量の推移は、非直線的であるが、後述する図５に示す窒素ガスの供給量の推移は、直線的であり、非直線的ではない。また、窒素ガスの供給量の制御は、成膜時間全体の途中で、２回（成膜開始から４分後と６分後）、窒素ガスの供給量を一時的に増加させている。
【００２７】
一方、カーボンガスの供給量は、図３に示すように、成膜開始時においては、０ｍｏｌ／ｍｉｎである。つまり、カーボンガスは供給されない。そして、成膜開始時から１．５分を超えてから、カーボンガスの供給が開始される。カーボンガスの供給量は、供給開始後、増加率を変化させながら、９分に至るまで漸増して、最終的に、約０．０１３ｍｏｌ／ｍｉｎ（窒素ガスの半分の量）となっている。９分以降の供給量は、成膜終了時まで約０．０１３ｍｏｌ／ｍｉｎに維持されている。
【００２８】
ここで、図３の制御をより明確にするために、比較例としての窒素ガスおよびカーボンガスの供給量を制御方法について、簡単に説明する。比較例１としての制御例を図４に示す。図示するように、比較例１では、窒素ガスの供給量は、成膜時間の全体に亘って、約０．０２７ｍｏｌ／ｍｉｎに一定に維持されている。一方、カーボンガスの供給量は、成膜時間の全体に亘って、約０．０１３ｍｏｌ／ｍｉｎに一定に維持されている。
【００２９】
また、比較例２としての制御例を図５に示す。図示するように、比較例２では、窒素ガスの供給量は、成膜時間の全体に亘って、約０．０８９ｍｏｌ／ｍｉｎから約０．０２７ｍｏｌ／ｍｉｎまで直線的に減少している。一方、カーボンガスの供給量は、成膜時間の全体に亘って、０ｍｏｌ／ｍｉｎから約０．０１３ｍｏｌ／ｍｉｎまで直線的に増加している。
【００３０】
かかる本実施例および比較例１，２の窒素ガスおよびカーボンガスの供給量を、窒素原子に対する炭素原子の割合であるＣ／Ｎ比に換算して、図６に示す。図示するように、比較例１では、Ｃ／Ｎ比は成膜時間の全体に亘って、値０．５で直線的に一定推移している。かかる制御によって形成される表層の組成は、供給する窒素ガスおよびカーボンガスのＣ／Ｎ比の推移に対応した組成になる。つまり、表層の内側の表面から外側の表面にかけて、Ｃ／Ｎ比が値０．５で略均一な状態になる。
【００３１】
また、比較例２では、図６に示すように、Ｃ／Ｎ比は成膜時間の全体に亘って値０から値０．５まで増加している。このＣ／Ｎ比が示す増加曲線における増加率は、成膜時間の経過に伴って増加している。また、Ｃ／Ｎ比は、成膜時間の経過に伴って、常に増加している。かかる制御によって形成される表層の組成は、供給する窒素ガスおよびカーボンガスのＣ／Ｎ比の推移におよそ対応した組成になる。つまり、表層の内側の表面から外側の表面に向かって、Ｃ／Ｎ比が値０から値０．５まで常に増加する。
【００３２】
一方、本実施例の窒素ガスおよびカーボンガスの制御方法によれば、図６に示すように、Ｃ／Ｎ比は、成膜開始時から約１．５分後までは値０である。その後、Ｃ／Ｎ比は、全体傾向として増加していき、成膜開始時から９分後に最大値の値０．５に達する。その後、Ｃ／Ｎ比は、最大値のまま一定に推移する。また、かかる成膜行程のＣ／Ｎ比の変化は、上述した窒素ガスの供給量の制御に起因して、成膜開始時から４分後と６分後との２回、Ｃ／Ｎ比を減少させる変化を含んでいる。この例では、成膜開始時から４分後におけるＣ／Ｎ比の減少率は約１４％である。また、成膜開始時から６分後におけるＣ／Ｎ比の減少率は約１７％である。
【００３３】
このように、Ｃ／Ｎ比を成膜行程の開始時よりも終了時で大きくなるように制御する過程において、Ｃ／Ｎ比を一時的に減少させることで、下地層４０の結晶構造に所定の歪み特性を生じさせることができる。この特性については後述する。かかる特性を生じさせるためのＣ／Ｎ比の低下の程度は、例えば５％以上の範囲とすることができ、１０％以上の範囲とすることが好ましい。５％未満であると低下量が少ない為Ｃ／Ｎ比減少による膜組織への影響が無くなってしまう。Ｃ／Ｎ比を一時的に減少させる回数は、上述した２回に限らず、１回であってもよいし、３回以上であってもよい。Ｃ／Ｎ比を一時的に減少させることが、下地層４０の結晶構造に所定の歪み特性を生じさせるので、Ｃ／Ｎ比の減少回数は、多い方が望ましい。ただし、成膜時間が１０分程度であれば、当該回数を多くすると、Ｃ／Ｎ比が一旦減少してから減少前の値に復帰する前に、次の減少段階に移行する制御となるおそれがある。かかる制御は、実質的には、Ｃ／Ｎ比を連続的に減少させる制御と変わらない。そのため、Ｃ／Ｎ比の減少状態の保持時間および減少状態からの復帰後の保持時間を本実施例の成膜時間との関係でみると２回が望ましい。
【００３４】
かかる制御によって形成される表層５０の組成は、供給する窒素ガスおよびカーボンガスのＣ／Ｎ比の推移に対応した組成になる。つまり、表層５０のＣ／Ｎ比は、表層５０の内側（下地層４０側）の表面から外側の表面に向かう方向に沿って変化しており、当該外側の表面において、内側の表面よりも大きくなっている。さらに、Ｃ／Ｎ比の変化は、表層５０の外側の表面から内側の表面に向かって、少なくとも１回、減少する変化を含んでいる。本実施例では、表層５０のＣ／Ｎ比は、内側の表面で最小（値０）となり、外側の表面で最大となっている。以上の説明からも明らかなように、表層５０の材質は、炭窒化チタンであればよく、そのＣ／Ｎ比は、限定されない。また、部分的に、炭素成分を有しない領域があってもよい。かかる表層５０の組成の内側の表面から外側に向かう方向に沿った変化は、例えば、二次イオン質量分析計によって測定することができる。
【００３５】
Ａ−３．被覆焼結体２０の特性：
上述した方法によって製造した被覆焼結体２０の特性について説明する。Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折装置を用いて測定した粉末Ｘ線回折の測定結果を図７に示す。本実施例では、Ｘ線回折装置にはリガク製のＲＩＮＴ−ＴＴＲ３を用いた。図７の横軸は、ピーク位置の回折角２θである。縦軸は、回折強度である。測定対象は、被覆焼結体２０に加えて、比較例１〜３の被覆焼結体とした。比較例１の被覆焼結体２０ａは、上述した比較例１の制御方法で製造した被覆焼結体である。比較例２の被覆焼結体２０ｂは、上述した比較例２の制御方法で製造した被覆焼結体である。比較例３の被覆焼結体２０ｃは、被覆焼結体２０の表層５０に相当する被膜層を有していない被覆焼結体である。つまり、被覆焼結体２０ｃの被膜層は、窒化チタンアルミからなる１層構造である。被覆焼結体２０ｃの被膜層の厚みは、被覆焼結体２０の被膜層６０と同一の厚み、すなわち、１．５μｍである。以下、被覆焼結体２０ａ〜２０ｃを構成する基材を基材３０ａ〜３０ｃともいう。同様に、被覆焼結体２０ａ〜２０ｃを構成する下地層を下地層４０ａ〜４０ｃともいう。同様に、被覆焼結体２０ａ，２０ｂを構成する表層を表層５０ａ，５０ｂともいう。
【００３６】
図７において、「□」（図中のＷＣ）は、それぞれ、基材３０および基材３０ａ〜３０ｃの測定結果のピーク位置の回折角を示している。同様に、「○」（図中のＴｉＡｌＮ）は、下地層４０および下地層４０ａ〜４０ｃの測定結果のピーク位置の回折角を示している。同様に、「△」（図中のＴｉＣＮ）は、表層５０および５０ａ，５０ｂの測定結果のピーク位置の回折角を示している。また、図７では、測定結果に加えて、ＩＣＤＤ（International Centre for Diffraction Data）によって公開される粉末Ｘ線回折強度データベース（以下、ＰＤＦ（Powder Diffraction File）ともいう）におけるＴｉＡｌＮの（１１１）面および（２００）面のピーク位置の理論値の回折角を「●」で表示している。以下、ＴｉＡｌＮの（１１１）面における理論値を理論値Ｔ（１１１）ともいう。同様に、（２００）面における理論値を理論値Ｔ（２００）ともいう。なお、ＴｉＡｌＮは、上述の通り、下地層４０の材質である。
【００３７】
また、（１１１）面におけるピーク位置の回折角２θを回折角２θ（１１１）ともいう。同様に、（２００）面におけるピーク位置の回折角２θを回折角２θ（２００）ともいう。さらに、シフト量Ｓ（１１１）＝２θ（１１１）−Ｔ（１１１）、シフト量Ｓ（２００）＝２θ（２００）−Ｔ（２００）と定義する。これらの式からも明らかなように、シフト量Ｓ（１１１），Ｓ（２００）は、測定された（１１１）面および（２００）面のピーク位置の回折角についての、理論値に対するシフト量である。なお、当該シフト量がプラスの値の場合には、圧縮残留応力が作用し、マイナスの値の場合には、引張残留応力が作用することが知られている。かかる作用力は、同一のミラー面においては、シフト量の絶対値が大きくなるほど、大きくなる。
【００３８】
かかる図７に対応する下地層４０の測定データを図８に示す。図示するように、本実施例の下地層４０の回折角２θ（１１１）は、３７．４２度である。また、回折角２θ（２００）は、４３．６２度である。一方、ＰＤＦにおける理論値は、理論値Ｔ（１１１）が３７．１３５度であり、理論値Ｔ（２００）が４３．１４６度である。したがって、Ｓ（１１１）は、次式（１）によって、０．２８５度となる。同様に、Ｓ（２００）は、次式（２）によって、０．４７４度となる。
Ｓ（１１１）＝２θ（１１１）−Ｔ（１１１）
＝３７．４２−３７．１３５
＝０．２８５・・・（１）
Ｓ（２００）＝２θ（２００）−Ｔ（２００）
＝４３．６２−４３．１４６
＝０．４７４・・・（２）
【００３９】
シフト量Ｓ（１１１），Ｓ（２００）は、共にプラスの値であるから、下地層４０の（１１１）面および（２００）面には、いずれも圧縮残留応力が作用していることが分かる。ここで、差分値Ｄ＝Ｓ（２００）−Ｓ（１１１）と定義すると、下地層４０の差分値Ｄは、Ｄ＝０．１８９（＝０．４７４−０．２８５）となる。同様に、比較例１としての下地層４０ａの差分値Ｄａを算出すると、Ｄａ＝０．０８９となる。同様に、比較例２としての下地層４０ｂの差分値Ｄｂを算出すると、Ｄｂ＝−０．０３１となる。同様に、比較例３としての下地層４０ｃの差分値Ｄｃを算出すると、Ｄｃ＝−０．０３１となる。
【００４０】
以上の説明からも明らかなように、本実施例としての被覆焼結体２０を構成する下地層４０は、差分値Ｄ、すなわち、Ｓ（２００）−Ｓ（１１１）の値が、プラスの値であり、かつ、比較例１〜３と比べて大きい特性を有している。かかる特性は、（２００）面には、（１１１）面と比べて、所定以上の大きな圧縮残留応力が作用していることを示している。換言すれば、（２００）面の結晶構造は、（１１１）面の結晶構造よりも歪みが大きいことを示している。
【００４１】
また、上述した図７に示した測定結果から、実施例としての表層５０および比較例１，２としての表層５０ａ，５０ｂのピーク強度Ｉを抽出して図９に示す。なお、比較例３としての被覆焼結体２０ｃは、表層を有していないので、比較例３に対応する測定データは存在しない。（１１１）面におけるピーク強度Ｉをピーク強度Ｉ（２００）ともいい、（２００）面におけるピーク強度Ｉをピーク強度Ｉ（２００）ともいう。
【００４２】
図示するように、実施例としての表層５０のピーク強度Ｉ（１１１）は値２８６であり、ピーク強度Ｉ（２００）は、値４０２であった。ここで、ピーク強度比Ｒ＝Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）と定義すると、表層５０のピーク強度比Ｒは、値１．４９となる。同様に、比較例１，２としての表層５０ａ，５０ｂについて、ピーク強度比Ｒを算出すると、表層５０ａでは値０．７７、表層５０ｂでは値１．５９であった。
【００４３】
表層５０や表層５０ｂのように、ピーク強度比Ｒが大きいと言うことは、結晶が（２００）面に配向した柱状晶の形成を意味している。したがって、表層５０のピーク強度比Ｒを所定程度大きくすれば、硬度（ビッカース硬さ）が大きくなり、表層５０の耐摩耗性が向上する。かかる観点から、ピーク強度比Ｒは値１．０以上とすることが望ましい。
【００４４】
Ａ−４．効果：
上述した製造方法によって製造される被覆焼結体２０によれば、下地層４０についての（２００）面のシフト量Ｓが（１１１）面のシフト量Ｓよりも所定程度大きい、つまり、差分値Ｄが所定程度大きくなる。換言すれば、（２００）面に配向している結晶の配向面に選択的に圧縮残留応力を残すことで切削加工に有為な膜質を形成できる。このように、選択的に圧縮残留応力を残すことによって、圧縮残留応力の制御の自由度を高めることができる。したがって、圧縮残留応力を適度な値に好適に制御し、下地層４０の密着性と耐摩耗性とを両立させることが可能になる。
【００４５】
一方、図８に示したように、比較例１の下地層４０ａでは、（１１１）面，（２２２）面ともにシフト量Ｓが小さい（その結果、差分値Ｄａも小さい）ので、圧縮残留応力が過剰に小さくなり、耐摩耗性を好適に確保することができないおそれがある。また、比較例２，３の下地層４０ｂ，４０ｃでは、（１１１）面，（２２２）面ともにシフト量Ｓが大きい（その結果、差分値Ｄｂ，Ｄｃも小さい）ので、圧縮残留応力が過剰に大きくなる。特に、比較例３のように、窒化チタンアルミからなる単層の被膜層を形成すると、各ミラー面のシフト量Ｓが大きくなり、圧縮残留応力が大きくなりがちである。その結果、自身の圧縮残留応力によって自己破壊するおそれがある。つまり、密着性を好適に確保することができないおそれがある。
【００４６】
かかる被覆焼結体２０の効果は、下地層４０の差分値Ｄ、すなわち、Ｓ（２００）−Ｓ（１１１）の値を、比較例１よりも大きくすることで得ることができる。具体的には、下地層４０が、次式（３）を満たすことで、得ることができる。比較例１〜３よりも差分値Ｄが大きくなれば、所定程度の効果を得ることができるからである。次式（３）の特性は、上述した表層５０のＣ／Ｎ比の制御により得ることができる。具体的には、表層５０のＣ／Ｎ比が、表層５０の内側の表面から外側の表面に向かう方向に沿って変化しており、当該外側の表面において、内側の表面よりも大きくなっていることと、Ｃ／Ｎ比の変化が、表層５０の外側の表面から内側の表面に向かって、少なくとも１回、減少する変化を含んでいることとによって得ることができる。かかるＣ／Ｎ比の表層５０を形成することによって、下地層４０の（２００）面に偏って歪みを生じさせることができるからである。
Ｓ（２００）−Ｓ（１１１）≧０．１・・・（３）
【００４７】
なお、Ｓ（２００）とＳ（１１１）の和であるシフト総量ＳＳは、０．３５以上であることが望ましい。こうすれば、皮膜の硬さを向上させることが出来る十分な応力が膜に付加させることが可能だからである。また、シフト総量ＳＳは、０．８以下であることが望ましい。こうすれば内部応力からの自己破壊や膜の剥離を抑制出来るからである。
【００４８】
上述した実施例としての被覆焼結体２０および比較例１，２としての被覆焼結体２０ａ，２０ｂを切削インサートとして用いて、湿式高速連続旋削加工試験を行った結果を図１０に示す。本試験では、所定の切削条件で２回試験を行い、それぞれについて、切刃のＶＢ摩耗量を測定した。図１０では、この２回の試験の各々の結果を、Ｎ＝１，２として示している。切削条件は、以下の通りである。
切削材：ＳＣＭ４３５丸棒
切削速度ｖｃ：２００ｍ／ｍｉｎ
送り量ｆ：０．０１ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み量ａｐ：０．３ｍｍ
【００４９】
図１０に示すように、実施例としての被覆焼結体２０では、ＶＢ摩耗量が０．０３ｍｍまたは０．０２ｍｍであり、比較例１，２と比べて、耐摩耗性が大幅に向上していることが分かる。特に、比較例１と比べると、その効果は著しい。
【００５０】
また、試験条件を変えて、上述の湿式高速連続旋削加工試験を行った結果を図１１に示す。切削条件は、以下の通りである。
切削材：ＳＵＳ４４０Ｃ丸棒
切削速度ｖｃ：１００ｍ／ｍｉｎ
送り量ｆ：０．０１ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み量ａｐ：０．５ｍｍ
【００５１】
図１１に示すように、実施例としての被覆焼結体２０では、ＶＢ摩耗量が０．０８ｍｍまたは０．０８２ｍｍであり、比較例１，２と比べて、耐摩耗性が向上していることが分かる。特に、比較例１と比べると、その効果は著しい。
【００５２】
また、被覆焼結体２０について、密着性確認試験を行った。具体的には、ロックウェル試験機を用いて被膜層６０の表面に６０ｋｇｆで圧子を打ち込み、その圧痕周りの被膜層６０の剥離を観察した。その結果、圧痕周りの被膜層６０の剥離は、確認できなかった。つまり、被覆焼結体２０は、十分な被膜層６０の密着性を有していることが確認された。
【００５３】
以上の試験結果からも明らかなように、本実施例の被覆焼結体２０は、被膜層６０が適度な圧縮残留応力を有しており、所定以上の硬度を確保することができるとともに、所定以上の密着性を確保し、切削加工に必要十分な膜厚を確保することができる。その結果、従来の被覆切削工具の切削インサートと比較して、長寿命化することができる。
【００５４】
Ｂ．変形例：
Ｂ−１：変形例１：
上述の実施形態においては、表層５０の外側表面のＣ／Ｎ比は、値０．５としたが、外側のＣ／Ｎ比は、適宜設定すればよい。例えば、外側表面のＣ／Ｎ比は、値１．０であってもよい。
【００５５】
上述した第２の被膜処理（上記ステップＳ１３０）における供給ガスの制御の変形例について説明する。第１の変形例を図１２に示す。図示するように、図１２の制御方法が実施例（図３）と異なる点は、成膜時間の期間Ｔ１１〜Ｔ１７のうちの最終段階の期間Ｔ１７において、直前の期間Ｔ１６と比べて、窒素ガスの供給量が増加している点である。つまり、Ｃ／Ｎ比は、成膜の最終段階で、必ずしも最大になる必要はない。換言すれば、表層５０のＣ／Ｎ比は、外側の表面で、必ずしも最大になる必要はない。また、図１２に示す制御方法は、カーボンガスの供給量が直線的に増加している点が、実施例と異なる。これらのように制御しても、期間Ｔ１３，Ｔ１５の開始時には、供給ガスのＣ／Ｎ比が一旦減少するので、実施例と同様に、下地層４０の（２００）面に（１１１）面よりも大きな歪みを生じさせることができる。
【００５６】
第２の変形例を図１３に示す。図示するように、図１３の制御方法が実施例（図３）と異なる点は、実施例では、窒素ガスの供給量を非連続に変化させたのに対して、窒素ガスの供給量を連続的に変化させている点である。例えば、期間Ｔ２１，Ｔ２２では、直線的に減少した窒素ガスの供給量が、期間Ｔ２３では、直線的に増加している。このようにしても、期間Ｔ２３，Ｔ２５の開始時には、供給ガスのＣ／Ｎ比が一旦減少するので、実施例と同様に、下地層４０の（２００）面に（１１１）面よりも大きな歪みを生じさせることができる。
【００５７】
ただし、１回の成膜行程で複数の被覆焼結体２０を同時に製造する際には、実施例のように、窒素ガスの供給量を所定時間一定に維持することが望ましい。こうすれば、所定時間内の供給ガスのＣ／Ｎの変動が緩和されるので、複数の被覆焼結体２０間の組成のばらつきを抑制することができる。
【００５８】
かかる観点からは、次に示す第３の変形例のような制御も望ましい。第３の変形例を図１４に示す。この例では、窒素ガスを期間Ｔ３１〜Ｔ３７ごとに、窒素ガスの供給量を一定に維持している。しかも、カーボンガスの供給量も期間Ｔ３１〜Ｔ３７ごとに、一定に維持している。その結果、各期間における供給ガスのＣ／Ｎ比は一定となるので、複数の被覆焼結体２０間の組成のばらつきをさらに抑制することができる。
【００５９】
第４の変形例を図１５に示す。この例では、期間Ｔ４１〜Ｔ４７の成膜時間の全体に亘って、窒素ガスの供給量を一定に維持している。一方、カーボンガスの供給量は、成膜時間の全体として、増加している。また、カーボンガスの供給量は、期間Ｔ４１〜Ｔ４７の各々で、一定に維持され、各期間で非連続に変化している。かかるカーボンガスの供給量の変化において、期間Ｔ４４，Ｔ４６では、供給量が一時的に減少するように制御されている。このように制御しても、期間Ｔ４４，Ｔ４５の開始時には、供給ガスのＣ／Ｎ比が一旦減少するので、実施例と同様に、下地層４０の（２００）面に（１１１）面よりも大きな歪みを生じさせることができる。
【００６０】
第５の変形例を図１６に示す。図１５との違いは、窒素ガスの供給量を、成膜時間の経過に伴い直線的に減少させている点である。こうしても、図１５の制御と同様の効果が得られる。
【００６１】
第６の変形例を図１７に示す。この例では、窒素ガスの供給量については、実施例と同様の制御を行っている。一方、カーボンガスの供給量は、成膜時間の全体に亘って、一定に維持されている。このように制御しても、期間Ｔ５３，Ｔ５５の開始時には、供給ガスのＣ／Ｎ比が一旦減少するので、実施例と同様に、下地層４０の（２００）面に（１１１）面よりも大きな歪みを生じさせることができる。
【００６２】
ただし、下地層４０と表層５０との密着性の観点からは、成膜開始時には、カーボンガスの供給量を小さくすることが望ましく、値０とすることがより好ましい。下地層４０は、炭素成分を有していないので、表層５０の炭素成分を内側から外側に向かって徐々に増加させた方が、表層５０が下地層４０に密着しやすいからである。
【００６３】
Ｂ−２：変形例２：
上述の実施形態においては、被膜層６０が２層構造の被覆焼結体２０について示したが、被膜層は、３層以上の構造を有していてもよい。例えば、表層５０の表面に、さらに、第３の被膜層を備えていてもよい。この場合、第３の被膜層は、例えば、窒化チタンによって形成してもよい。かかる場合、第３の被膜層の内側の表面から外側の表面に向けて、Ｃ／Ｎ比が減少するように形成してもよい。つまり、第３の被膜層の内側の表面は、Ｃ／Ｎ比を表層５０と同一にして、外側の表面に向かって、Ｃ／Ｎ比を増加していき、外側の表面でＣ／Ｎ比が値０となるようにしてもよい。こうすれば、炭素成分を有する表層５０に対する第３の被膜層の密着性が向上する。また、基材３０と下地層４０との間に、別の被膜層が形成されていてもよい。つまり、被覆焼結体２０の被膜層の層数は、適宜設定すればよく、下地層４０の外側の表面に表層５０が形成されていればよい。
【００６４】
Ｂ−３：変形例３：
上述の実施形態においては、下地層４０および表層５０をイオンプレーティングによって形成する手法について示したが、蒸着方法は、イオンプレーティングに限らず、種々の物理蒸着法を用いることができる。例えば、スパッタリングや真空蒸着を用いてもよい。
【００６５】
Ｂ−４：変形例４：
上述の実施形態においては、切削インサートとしての被覆焼結体２０について示したが、被覆焼結体２０の用途は、切削インサートに限られるものではない。本発明の被覆焼結体２０は、自動車の摺動部品など、種々の耐摩耗性部材に適用することができる。
【００６６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態における構成要素のうち、独立クレームに記載された要素に対応する要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略、または、組み合わせが可能である。また、本発明はこうした実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、上述した被覆焼結体のほか、被覆焼結体の製造方法としても実現することができる。
【符号の説明】
【００６７】
２０…チップ
３０…基材
４０…下地層
５０…表層
６０…被膜層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結体に被膜層が形成された被覆焼結体に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削工具や自動車の摺動部品には、耐摩耗性部材が用いられる。こうした耐摩耗性部材として、基材の表面に耐摩耗性に優れた被膜層を形成したものが知られている。例えば、下記特許文献１では、基材の表面にイオンプレーティングによってＴｉＡｌＮの被膜層を形成する技術を開示している。
【０００３】
かかる被膜層は、被膜層の膜厚が大きくなるほど、耐摩耗性が向上する。被膜層の膜厚が大きくなるほど、圧縮残留応力が増加するからである。一方、圧縮残留応力が大きくなると、耐摩耗性が向上する反面、被膜層の密着性が低下する。このため、被膜層の膜厚を大きくして、耐摩耗性を向上させるには限界があった。そこで、下記特許文献２では、配向性の異なる被膜層を多層に形成し、被膜層を３層以上とする技術を開示している。かかる技術によれば、１層分の被膜層の膜厚が小さくなるので、１層分の圧縮残留応力を低減することができる。その結果、被膜層の密着性の低下を抑制しつつ、多層の被膜層全体の膜厚を確保することができる。
【０００４】
しかしながら、圧縮残留応力の大きさは、膜厚のみに依存するものではないので、その制御が難しかった。例えば、特許文献２のように、被膜層を３層以上とした場合であっても、圧縮残留応力が低減しないことや、逆に、圧縮残留応力が過剰に低減することがあった。このような場合、所望の密着性や耐摩耗性を得ることができなかった。かかる問題は、種々の耐摩耗性部材に広く共通する問題であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２０９３３３号公報
【特許文献２】特開平１０−７６４０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、耐摩耗性部材の被膜層の圧縮残留応力を好適に制御することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決することを目的とし、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］焼結体からなる基材と、該基材の外側に形成され、窒化チタンアルミからなる第１の被膜層と、該第１の被膜層よりも前記外側に形成され、炭窒化チタンからなる第２の被膜層とを備えた被覆焼結体であって、
Ｘ線回折によって測定される、前記第１の被膜層の（１１１）面と（２００）面とのピーク位置の回折角をそれぞれ２θ（１１１）、２θ（２００）とし、粉末Ｘ線回折強度データベースにおける、前記第１の被膜層の前記（１１１）面と前記（２００）面との前記ピーク位置の理論値の回折角をそれぞれＴ（１１１）、Ｔ（２００）とし、Ｓ（１１１）＝２θ（１１１）−Ｔ（１１１）、Ｓ（２００）＝２θ（２００）−Ｔ（２００）としたとき、
Ｓ（２００）−Ｓ（１１１）≧０．１
を満たすことを特徴とする被覆焼結体。
【０００９】
かかる構成の被覆焼結体によれば、第１の被膜層は、第１の被膜層の（１１１）面に比べて、（２００）面に大きな歪みを持たせることができるので、圧縮残留応力の制御の自由度を高めることができる。その結果、被膜層の密着性と耐摩耗性とを好適に確保することが可能となる。
【００１０】
［適用例２］適用例１記載の被覆焼結体であって、前記Ｘ線回折によって測定される、前記第２の被膜層の前記（１１１）面と前記（２００）面とのピーク位置の回折強度をそれぞれＩ（１１１）、Ｉ（２００）としたとき、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）≧１を満たすことを特徴とする被覆焼結体。
かかる構成の被覆焼結体によれば、第２の被膜層の硬度を高めることができる。
【００１１】
［適用例３］適用例１または適用例２記載の被覆焼結体であって、前記第１の被膜層の膜厚は、０．３μｍ以上かつ２．０μｍ以下であり、前記第２の被膜層の膜厚は、０．３μｍ以上かつ３．０μｍ以下であることを特徴とする被覆焼結体。
かかる構成の被覆焼結体によれば、第１の被膜層および第２の被膜層が適度な厚みを有するので、第１の被膜層および第２の被膜層の密着性を確保しつつ、好適な耐摩耗性を確保することができる。
【００１２】
［適用例４］前記被覆焼結体は、切削インサートであることを特徴とする適用例１ないし適用例３のいずれか記載の被覆焼結体。
かかる構成の被覆焼結体によれば、第１の被膜層および第２の被膜層の耐摩耗性と密着性とを好適に確保できる。したがって、被覆焼結体を切削インサートとして好適に利用することができる。
【００１３】
また、上述した適用例１の被覆焼結体は、適用例５の被覆焼結体としても特定することができる。
［適用例５］焼結体からなる基材と、該基材の外側に形成され、窒化チタンアルミからなる第１の被膜層と、該第１の被膜層よりも前記外側に形成され、炭窒化チタンからなる第２の被膜層とを備えた被覆焼結体であって、
前記第２の被膜層の組成は、前記第２の被膜層の内側から外側に向かう方向に沿って、窒素原子に対する炭素原子の比率が変化しており、
前記比率は、前記第２の被膜層の外側の表面において、前記第２の被膜層の内側の表面よりも大きく、
前記比率の変化は、前記第２の被膜層の外側の表面から前記第２の被膜層の内側の表面に向かって、少なくとも１回、減少する変化を含む
ことを特徴とする被覆焼結体。
【００１４】
また、本発明は、上述した被覆焼結体のほか、適用例６の被覆焼結体の製造方法としても実現することができる。
［適用例６］焼結体からなる基材を用意する第１の工程と、該基材の外側に窒化チタンアルミからなる第１の被膜層を形成する第２の工程と、該第１の被膜層よりも前記外側に炭窒化チタンからなる第２の被膜層を蒸着によって形成する第３の工程とを備えた被覆焼結体の製造方法であって、
前記第３の工程は、
窒素ガスと、炭素を含むカーボンガスとを供給して、前記蒸着を行う際に、前記窒素ガスの供給量に対する前記カーボンガスの供給量の比率を変化させ、
前記比率は、前記第３工程の開始時よりも終了時で大きく、
前記比率の変化は、前記開始時から前記終了時に至る途中で、少なくとも１回、前記比率を減少させる変化を含むことを特徴とする
被覆焼結体の製造方法。
【００１５】
かかる被覆焼結体の製造方法によれば、上述した適用例１または適用例５の被覆焼結体を好適に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の被覆焼結体の実施例としての被覆焼結体２０の概略断面形状を示す説明図である。
【図２】被覆焼結体２０の製造工程を示す工程図である。
【図３】被覆焼結体２０の製造工程における第２の被膜処理の制御内容を示す説明図である。
【図４】比較例１としての被覆焼結体２０ａの製造工程における第２の被膜処理の制御内容を示す説明図である。
【図５】比較例２としての被覆焼結体２０ｂの製造工程における第２の被膜処理の制御内容を示す説明図である。
【図６】第２の被膜処理における供給ガスのＣ／Ｎ比を示す説明図である。
【図７】Ｘ線回折による被覆焼結体２０の測定結果を示す説明図である。
【図８】Ｘ線回折による下地層４０の測定結果を示す図表である。
【図９】Ｘ線回折による表層５０の測定結果を示す図表である。
【図１０】被覆焼結体２０の摩耗量低減効果を示す図表である。
【図１１】被覆焼結体２０の摩耗量低減効果を示す図表である。
【図１２】第１の変形例としての被覆焼結体２０の製造工程における第２の被膜処理の制御内容を示す説明図である。
【図１３】第２の変形例としての被覆焼結体２０の製造工程における第２の被膜処理の制御内容を示す説明図である。
【図１４】第３の変形例としての被覆焼結体２０の製造工程における第２の被膜処理の制御内容を示す説明図である。
【図１５】第４の変形例としての被覆焼結体２０の製造工程における第２の被膜処理の制御内容を示す説明図である。
【図１６】第５の変形例としての被覆焼結体２０の製造工程における第２の被膜処理の制御内容を示す説明図である。
【図１７】第６の変形例としての被覆焼結体２０の製造工程における第２の被膜処理の制御内容を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
Ａ．実施例：
Ａ−１．被覆焼結体２０の概略構成：
本発明の実施形態について説明する。本発明の被覆焼結体の実施例としての被覆焼結体２０の概略断面構成を図１に示す。被覆焼結体２０は、焼結体の表面に被膜層を形成したスローアウェイチップ、すなわち、切削インサートである。この被覆焼結体２０は、切削工具の本体に着脱可能に装着される。被覆焼結体２０は、図１に示すように、略菱形の板状形状を有している。図１では、被覆焼結体２０の板状形状に沿った断面を示している。図示する被覆焼結体２０の形状は、ＩＳＯ規格で規定されたＤＣＧＴ１１Ｔ３の形状に該当する。ただし、被覆焼結体２０の形状は、適宜設定すればよく、例えば、略矩形の平板形状などであってもよい。
【００１８】
図１に示すように、被覆焼結体２０は、基材３０と被膜層６０とを備えている。基材３０は、焼結体によって形成されている。本実施例では、焼結体として、超硬合金を用いている。なお、焼結体は、サーメットなどであってもよい。基材３０の中央部には、貫通孔３５が形成されている。貫通孔３５は、被覆焼結体２０を切削工具の本体に装着する際にクランプネジを挿入して、被覆焼結体２０と本体とを固定するために形成されている。以下、図１における基材３０の内側の方向を単に内側ともいい、それと反対の方向、つまり、基材３０の外側の方向を単に外側ともいう。
【００１９】
被膜層６０は、被覆焼結体２０の耐摩耗性を向上させるために、基材３０の表面に形成される。被膜層６０は、下地層４０と表層５０とを備えている。つまり、被膜層６０は、本実施例では、２層構造を有している。基材３０の外側の表面には、下地層４０が形成されている。下地層４０は、窒化チタンアルミからなる被膜層である。また、下地層４０の外側の表面には、表層５０が形成されている。表層５０は、炭窒化チタンからなる被膜層である。なお、下地層４０は、請求項の第１の被膜層に該当する。また、表層５０は、請求項の第２の被膜層に該当する。
【００２０】
図１において、下地層４０および表層５０の膜厚は、図示の便宜上、実際の厚みよりも大きく表示している。本実施例では、下地層４０の膜厚を０．５μｍとし、表層５０の膜厚を１．０μｍとした。なお、下地層４０および表層５０の膜厚は適宜設定すればよく、例えば、下地層４０の膜厚を１．０μｍとし、表層５０の膜厚を２．０μｍとしてもよい。ただし、下地層４０の膜厚は、０．３μｍ以上とすることが望ましい。こうすれば、所定程度の耐摩耗性を確保することができる。さらに、下地層４０の膜厚は、２．０μｍ以下とすることが望ましい。こうすれば、下地層４０の密着性が低下することを抑制し、チッピングの発生を抑制できる。また、表層５０の膜厚は、０．３μｍ以上とすることが望ましい。こうすれば、所定程度の耐摩耗性を確保することができる。さらに、表層５０の膜厚は、３．０μｍ以下とすることが望ましい。こうすれば、表層５０の密着性が低下することを抑制し、下地層４０との間でチッピングの発生を抑制できる。なお、表層５０は、下地層４０と比べて、その材質に起因して密着性に優れているので、表層５０の膜厚は、下地層４０の膜厚よりも大きくすることができる。
【００２１】
Ａ−２．被覆焼結体２０の製造方法：
上述した被覆焼結体２０の製造方法の具体例について説明する。被覆焼結体２０の製造工程を図２に示す。図示するように、被覆焼結体２０の製造においては、まず、基材３０を用意する（ステップＳ１１０）。具体的には、まず、原料粉末としてＷＣ（炭化タングステン）およびＣｏ（コバルト）粉末を所定量用意する。次に、原料粉末を湿式混合し、乾燥した後、プレス成形して圧粉体を得る。次に、この圧粉体を真空中で温度１４００℃に１時間保持して焼結し、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金製の焼結体を得る。そして、得られた焼結体をＤＣＧＴ１１Ｔ３の形状に研磨することで、基材３０を得る。
【００２２】
こうして基材３０を用意すると、次に、第１の被膜処理によって、基材３０の表面に下地層４０を形成する（ステップＳ１２０）。本実施例では、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）、具体的には、イオンプレーティングによって、下地層４０を形成した。より具体的には、まず、コーティングチャンバー内を１×１０−５ｔｏｒｒまで減圧した後、母材としての基材３０をヒータで加温して５５０℃まで昇温させる。次に、ＴｉＡｌターゲットに５０〜１５０Ａの直流電源を印加してアーク放電させ、基材３０に対するバイアス電圧を３０Ｖに調整する。次に、この状態で、高純度窒素ガス（以下、単に窒素ガスともいう）を導入して、窒化チタンアルミからなる下地層４０を基材３０の表面に形成する。
【００２３】
こうして下地層４０を形成すると、最後に、第２の被膜処理によって、下地層４０の表面に表層５０を形成する（ステップＳ１３０）。本実施例では、上記ステップＳ１２０と同様に、イオンプレーティングによって、表層５０を形成した。具体的には、上記ステップＳ１２０に引き続いて、Ｔｉターゲットに５０〜１５０Ａの直流電源を印加してアーク放電させ、母材に対するバイアス電圧を３０〜１００Ｖに調整する。次に、この状態で、窒素ガスと、炭素原子を含むカーボンガスとを、その供給量を制御しながら導入して、炭窒化チタンからなる表層５０を下地層４０の表面に形成する。なお、下地層４０および表層５０の膜厚は、窒素ガスを供給し、アークイオン流を発生させた状態での保持時間によって、調節可能である。こうして、被覆焼結体２０は完成となる。なお、上記ステップＳ１１０は、請求項の第１の工程に該当する。また、上記ステップＳ１２０は、請求項の第２の工程に該当する。また、上記ステップＳ１３０は、請求項の第３の工程に該当する。
【００２４】
ステップＳ１３０における窒素ガスとカーボンガスの供給量の制御方法についての具体例を図３に示す。図３では、表層５０の成膜時間が１０分である場合の、窒素ガスとカーボンガスの流量をｍｏｌ／ｍｉｎの単位で表している。表示する流量は、窒素原子および炭素原子の物質量に換算した値である。図示するように、成膜開始時においては、窒素ガスの供給量は、約０．０８９ｍｏｌ／ｍｉｎである。窒素ガスの供給量は、成膜開始時から３分の間、同じ供給量に維持されている。この供給量は、成膜開始から３分の時点で、約０．０５３ｍｏｌ／ｍｉｎに変更される。つまり、窒素ガスの供給量は非連続的に減少する。
【００２５】
その後１分間、変更後の値が維持された後、窒素ガスの供給量は、約０．０６３ｍｏｌ／ｍｉｎに変更される。つまり、窒素ガスの供給量は一旦、非連続的に増加する。その後１分間、変更後の値が維持された後、窒素ガスの供給量は、約０．０４５ｍｏｌ／ｍｉｎに変更される。つまり、窒素ガスの供給量は、再度、非連続的に低下する。その後１分間、変更後の値が維持された後、窒素ガスの供給量は、約０．０５４ｍｏｌ／ｍｉｎに変更される。つまり、窒素ガスの供給量は、再度、一時的に増加する。その後１分間、変更後の値が維持された後、窒素ガスの供給量は、約０．０２７ｍｏｌ／ｍｉｎに変更される。つまり、窒素ガスの供給量は、再度、低下する。そして、変更後の値は、成膜終了時まで維持される。なお、本実施例における各種パラメータ（図３では、窒素ガスおよびカーボンガスの供給量）の制御の説明は、制御目標値を示している。パラメータの推移について、制御誤差によって生じる僅かな変動は、変動していないものとみなしてもよい。
【００２６】
かかる窒素ガスの供給量の制御は、供給量が、成膜開始時の値と比べて成膜終了時の値が小さくなっている。つまり、成膜時間全体で見れば、窒素ガスの供給量を成膜開始時から成膜終了時に向けて減少させる制御である。本実施例では、窒素ガスの供給量は、成膜開始時に最大となり、成膜終了時に最小となっている。成膜開始時と成膜終了時との間では、窒素ガスの供給量は、非直線的に制御されている。非直線的とは、成膜開始時から成膜終了時に亘るパラメータ（ここでは、窒素ガス供給量）の推移の形状が、１本の直線形状ではないことをいう。例えば、図３のカーボンガスの供給量の推移は、非直線的であるが、後述する図５に示す窒素ガスの供給量の推移は、直線的であり、非直線的ではない。また、窒素ガスの供給量の制御は、成膜時間全体の途中で、２回（成膜開始から４分後と６分後）、窒素ガスの供給量を一時的に増加させている。
【００２７】
一方、カーボンガスの供給量は、図３に示すように、成膜開始時においては、０ｍｏｌ／ｍｉｎである。つまり、カーボンガスは供給されない。そして、成膜開始時から１．５分を超えてから、カーボンガスの供給が開始される。カーボンガスの供給量は、供給開始後、増加率を変化させながら、９分に至るまで漸増して、最終的に、約０．０１３ｍｏｌ／ｍｉｎ（窒素ガスの半分の量）となっている。９分以降の供給量は、成膜終了時まで約０．０１３ｍｏｌ／ｍｉｎに維持されている。
【００２８】
ここで、図３の制御をより明確にするために、比較例としての窒素ガスおよびカーボンガスの供給量を制御方法について、簡単に説明する。比較例１としての制御例を図４に示す。図示するように、比較例１では、窒素ガスの供給量は、成膜時間の全体に亘って、約０．０２７ｍｏｌ／ｍｉｎに一定に維持されている。一方、カーボンガスの供給量は、成膜時間の全体に亘って、約０．０１３ｍｏｌ／ｍｉｎに一定に維持されている。
【００２９】
また、比較例２としての制御例を図５に示す。図示するように、比較例２では、窒素ガスの供給量は、成膜時間の全体に亘って、約０．０８９ｍｏｌ／ｍｉｎから約０．０２７ｍｏｌ／ｍｉｎまで直線的に減少している。一方、カーボンガスの供給量は、成膜時間の全体に亘って、０ｍｏｌ／ｍｉｎから約０．０１３ｍｏｌ／ｍｉｎまで直線的に増加している。
【００３０】
かかる本実施例および比較例１，２の窒素ガスおよびカーボンガスの供給量を、窒素原子に対する炭素原子の割合であるＣ／Ｎ比に換算して、図６に示す。図示するように、比較例１では、Ｃ／Ｎ比は成膜時間の全体に亘って、値０．５で直線的に一定推移している。かかる制御によって形成される表層の組成は、供給する窒素ガスおよびカーボンガスのＣ／Ｎ比の推移に対応した組成になる。つまり、表層の内側の表面から外側の表面にかけて、Ｃ／Ｎ比が値０．５で略均一な状態になる。
【００３１】
また、比較例２では、図６に示すように、Ｃ／Ｎ比は成膜時間の全体に亘って値０から値０．５まで増加している。このＣ／Ｎ比が示す増加曲線における増加率は、成膜時間の経過に伴って増加している。また、Ｃ／Ｎ比は、成膜時間の経過に伴って、常に増加している。かかる制御によって形成される表層の組成は、供給する窒素ガスおよびカーボンガスのＣ／Ｎ比の推移におよそ対応した組成になる。つまり、表層の内側の表面から外側の表面に向かって、Ｃ／Ｎ比が値０から値０．５まで常に増加する。
【００３２】
一方、本実施例の窒素ガスおよびカーボンガスの制御方法によれば、図６に示すように、Ｃ／Ｎ比は、成膜開始時から約１．５分後までは値０である。その後、Ｃ／Ｎ比は、全体傾向として増加していき、成膜開始時から９分後に最大値の値０．５に達する。その後、Ｃ／Ｎ比は、最大値のまま一定に推移する。また、かかる成膜行程のＣ／Ｎ比の変化は、上述した窒素ガスの供給量の制御に起因して、成膜開始時から４分後と６分後との２回、Ｃ／Ｎ比を減少させる変化を含んでいる。この例では、成膜開始時から４分後におけるＣ／Ｎ比の減少率は約１４％である。また、成膜開始時から６分後におけるＣ／Ｎ比の減少率は約１７％である。
【００３３】
このように、Ｃ／Ｎ比を成膜行程の開始時よりも終了時で大きくなるように制御する過程において、Ｃ／Ｎ比を一時的に減少させることで、下地層４０の結晶構造に所定の歪み特性を生じさせることができる。この特性については後述する。かかる特性を生じさせるためのＣ／Ｎ比の低下の程度は、例えば５％以上の範囲とすることができ、１０％以上の範囲とすることが好ましい。５％未満であると低下量が少ない為Ｃ／Ｎ比減少による膜組織への影響が無くなってしまう。Ｃ／Ｎ比を一時的に減少させる回数は、上述した２回に限らず、１回であってもよいし、３回以上であってもよい。Ｃ／Ｎ比を一時的に減少させることが、下地層４０の結晶構造に所定の歪み特性を生じさせるので、Ｃ／Ｎ比の減少回数は、多い方が望ましい。ただし、成膜時間が１０分程度であれば、当該回数を多くすると、Ｃ／Ｎ比が一旦減少してから減少前の値に復帰する前に、次の減少段階に移行する制御となるおそれがある。かかる制御は、実質的には、Ｃ／Ｎ比を連続的に減少させる制御と変わらない。そのため、Ｃ／Ｎ比の減少状態の保持時間および減少状態からの復帰後の保持時間を本実施例の成膜時間との関係でみると２回が望ましい。
【００３４】
かかる制御によって形成される表層５０の組成は、供給する窒素ガスおよびカーボンガスのＣ／Ｎ比の推移に対応した組成になる。つまり、表層５０のＣ／Ｎ比は、表層５０の内側（下地層４０側）の表面から外側の表面に向かう方向に沿って変化しており、当該外側の表面において、内側の表面よりも大きくなっている。さらに、Ｃ／Ｎ比の変化は、表層５０の外側の表面から内側の表面に向かって、少なくとも１回、減少する変化を含んでいる。本実施例では、表層５０のＣ／Ｎ比は、内側の表面で最小（値０）となり、外側の表面で最大となっている。以上の説明からも明らかなように、表層５０の材質は、炭窒化チタンであればよく、そのＣ／Ｎ比は、限定されない。また、部分的に、炭素成分を有しない領域があってもよい。かかる表層５０の組成の内側の表面から外側に向かう方向に沿った変化は、例えば、二次イオン質量分析計によって測定することができる。
【００３５】
Ａ−３．被覆焼結体２０の特性：
上述した方法によって製造した被覆焼結体２０の特性について説明する。Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折装置を用いて測定した粉末Ｘ線回折の測定結果を図７に示す。本実施例では、Ｘ線回折装置にはリガク製のＲＩＮＴ−ＴＴＲ３を用いた。図７の横軸は、ピーク位置の回折角２θである。縦軸は、回折強度である。測定対象は、被覆焼結体２０に加えて、比較例１〜３の被覆焼結体とした。比較例１の被覆焼結体２０ａは、上述した比較例１の制御方法で製造した被覆焼結体である。比較例２の被覆焼結体２０ｂは、上述した比較例２の制御方法で製造した被覆焼結体である。比較例３の被覆焼結体２０ｃは、被覆焼結体２０の表層５０に相当する被膜層を有していない被覆焼結体である。つまり、被覆焼結体２０ｃの被膜層は、窒化チタンアルミからなる１層構造である。被覆焼結体２０ｃの被膜層の厚みは、被覆焼結体２０の被膜層６０と同一の厚み、すなわち、１．５μｍである。以下、被覆焼結体２０ａ〜２０ｃを構成する基材を基材３０ａ〜３０ｃともいう。同様に、被覆焼結体２０ａ〜２０ｃを構成する下地層を下地層４０ａ〜４０ｃともいう。同様に、被覆焼結体２０ａ，２０ｂを構成する表層を表層５０ａ，５０ｂともいう。
【００３６】
図７において、「□」（図中のＷＣ）は、それぞれ、基材３０および基材３０ａ〜３０ｃの測定結果のピーク位置の回折角を示している。同様に、「○」（図中のＴｉＡｌＮ）は、下地層４０および下地層４０ａ〜４０ｃの測定結果のピーク位置の回折角を示している。同様に、「△」（図中のＴｉＣＮ）は、表層５０および５０ａ，５０ｂの測定結果のピーク位置の回折角を示している。また、図７では、測定結果に加えて、ＩＣＤＤ（International Centre for Diffraction Data）によって公開される粉末Ｘ線回折強度データベース（以下、ＰＤＦ（Powder Diffraction File）ともいう）におけるＴｉＡｌＮの（１１１）面および（２００）面のピーク位置の理論値の回折角を「●」で表示している。以下、ＴｉＡｌＮの（１１１）面における理論値を理論値Ｔ（１１１）ともいう。同様に、（２００）面における理論値を理論値Ｔ（２００）ともいう。なお、ＴｉＡｌＮは、上述の通り、下地層４０の材質である。
【００３７】
また、（１１１）面におけるピーク位置の回折角２θを回折角２θ（１１１）ともいう。同様に、（２００）面におけるピーク位置の回折角２θを回折角２θ（２００）ともいう。さらに、シフト量Ｓ（１１１）＝２θ（１１１）−Ｔ（１１１）、シフト量Ｓ（２００）＝２θ（２００）−Ｔ（２００）と定義する。これらの式からも明らかなように、シフト量Ｓ（１１１），Ｓ（２００）は、測定された（１１１）面および（２００）面のピーク位置の回折角についての、理論値に対するシフト量である。なお、当該シフト量がプラスの値の場合には、圧縮残留応力が作用し、マイナスの値の場合には、引張残留応力が作用することが知られている。かかる作用力は、同一のミラー面においては、シフト量の絶対値が大きくなるほど、大きくなる。
【００３８】
かかる図７に対応する下地層４０の測定データを図８に示す。図示するように、本実施例の下地層４０の回折角２θ（１１１）は、３７．４２度である。また、回折角２θ（２００）は、４３．６２度である。一方、ＰＤＦにおける理論値は、理論値Ｔ（１１１）が３７．１３５度であり、理論値Ｔ（２００）が４３．１４６度である。したがって、Ｓ（１１１）は、次式（１）によって、０．２８５度となる。同様に、Ｓ（２００）は、次式（２）によって、０．４７４度となる。
Ｓ（１１１）＝２θ（１１１）−Ｔ（１１１）
＝３７．４２−３７．１３５
＝０．２８５・・・（１）
Ｓ（２００）＝２θ（２００）−Ｔ（２００）
＝４３．６２−４３．１４６
＝０．４７４・・・（２）
【００３９】
シフト量Ｓ（１１１），Ｓ（２００）は、共にプラスの値であるから、下地層４０の（１１１）面および（２００）面には、いずれも圧縮残留応力が作用していることが分かる。ここで、差分値Ｄ＝Ｓ（２００）−Ｓ（１１１）と定義すると、下地層４０の差分値Ｄは、Ｄ＝０．１８９（＝０．４７４−０．２８５）となる。同様に、比較例１としての下地層４０ａの差分値Ｄａを算出すると、Ｄａ＝０．０８９となる。同様に、比較例２としての下地層４０ｂの差分値Ｄｂを算出すると、Ｄｂ＝−０．０３１となる。同様に、比較例３としての下地層４０ｃの差分値Ｄｃを算出すると、Ｄｃ＝−０．０３１となる。
【００４０】
以上の説明からも明らかなように、本実施例としての被覆焼結体２０を構成する下地層４０は、差分値Ｄ、すなわち、Ｓ（２００）−Ｓ（１１１）の値が、プラスの値であり、かつ、比較例１〜３と比べて大きい特性を有している。かかる特性は、（２００）面には、（１１１）面と比べて、所定以上の大きな圧縮残留応力が作用していることを示している。換言すれば、（２００）面の結晶構造は、（１１１）面の結晶構造よりも歪みが大きいことを示している。
【００４１】
また、上述した図７に示した測定結果から、実施例としての表層５０および比較例１，２としての表層５０ａ，５０ｂのピーク強度Ｉを抽出して図９に示す。なお、比較例３としての被覆焼結体２０ｃは、表層を有していないので、比較例３に対応する測定データは存在しない。（１１１）面におけるピーク強度Ｉをピーク強度Ｉ（２００）ともいい、（２００）面におけるピーク強度Ｉをピーク強度Ｉ（２００）ともいう。
【００４２】
図示するように、実施例としての表層５０のピーク強度Ｉ（１１１）は値２８６であり、ピーク強度Ｉ（２００）は、値４０２であった。ここで、ピーク強度比Ｒ＝Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）と定義すると、表層５０のピーク強度比Ｒは、値１．４９となる。同様に、比較例１，２としての表層５０ａ，５０ｂについて、ピーク強度比Ｒを算出すると、表層５０ａでは値０．７７、表層５０ｂでは値１．５９であった。
【００４３】
表層５０や表層５０ｂのように、ピーク強度比Ｒが大きいと言うことは、結晶が（２００）面に配向した柱状晶の形成を意味している。したがって、表層５０のピーク強度比Ｒを所定程度大きくすれば、硬度（ビッカース硬さ）が大きくなり、表層５０の耐摩耗性が向上する。かかる観点から、ピーク強度比Ｒは値１．０以上とすることが望ましい。
【００４４】
Ａ−４．効果：
上述した製造方法によって製造される被覆焼結体２０によれば、下地層４０についての（２００）面のシフト量Ｓが（１１１）面のシフト量Ｓよりも所定程度大きい、つまり、差分値Ｄが所定程度大きくなる。換言すれば、（２００）面に配向している結晶の配向面に選択的に圧縮残留応力を残すことで切削加工に有為な膜質を形成できる。このように、選択的に圧縮残留応力を残すことによって、圧縮残留応力の制御の自由度を高めることができる。したがって、圧縮残留応力を適度な値に好適に制御し、下地層４０の密着性と耐摩耗性とを両立させることが可能になる。
【００４５】
一方、図８に示したように、比較例１の下地層４０ａでは、（１１１）面，（２２２）面ともにシフト量Ｓが小さい（その結果、差分値Ｄａも小さい）ので、圧縮残留応力が過剰に小さくなり、耐摩耗性を好適に確保することができないおそれがある。また、比較例２，３の下地層４０ｂ，４０ｃでは、（１１１）面，（２２２）面ともにシフト量Ｓが大きい（その結果、差分値Ｄｂ，Ｄｃも小さい）ので、圧縮残留応力が過剰に大きくなる。特に、比較例３のように、窒化チタンアルミからなる単層の被膜層を形成すると、各ミラー面のシフト量Ｓが大きくなり、圧縮残留応力が大きくなりがちである。その結果、自身の圧縮残留応力によって自己破壊するおそれがある。つまり、密着性を好適に確保することができないおそれがある。
【００４６】
かかる被覆焼結体２０の効果は、下地層４０の差分値Ｄ、すなわち、Ｓ（２００）−Ｓ（１１１）の値を、比較例１よりも大きくすることで得ることができる。具体的には、下地層４０が、次式（３）を満たすことで、得ることができる。比較例１〜３よりも差分値Ｄが大きくなれば、所定程度の効果を得ることができるからである。次式（３）の特性は、上述した表層５０のＣ／Ｎ比の制御により得ることができる。具体的には、表層５０のＣ／Ｎ比が、表層５０の内側の表面から外側の表面に向かう方向に沿って変化しており、当該外側の表面において、内側の表面よりも大きくなっていることと、Ｃ／Ｎ比の変化が、表層５０の外側の表面から内側の表面に向かって、少なくとも１回、減少する変化を含んでいることとによって得ることができる。かかるＣ／Ｎ比の表層５０を形成することによって、下地層４０の（２００）面に偏って歪みを生じさせることができるからである。
Ｓ（２００）−Ｓ（１１１）≧０．１・・・（３）
【００４７】
なお、Ｓ（２００）とＳ（１１１）の和であるシフト総量ＳＳは、０．３５以上であることが望ましい。こうすれば、皮膜の硬さを向上させることが出来る十分な応力が膜に付加させることが可能だからである。また、シフト総量ＳＳは、０．８以下であることが望ましい。こうすれば内部応力からの自己破壊や膜の剥離を抑制出来るからである。
【００４８】
上述した実施例としての被覆焼結体２０および比較例１，２としての被覆焼結体２０ａ，２０ｂを切削インサートとして用いて、湿式高速連続旋削加工試験を行った結果を図１０に示す。本試験では、所定の切削条件で２回試験を行い、それぞれについて、切刃のＶＢ摩耗量を測定した。図１０では、この２回の試験の各々の結果を、Ｎ＝１，２として示している。切削条件は、以下の通りである。
切削材：ＳＣＭ４３５丸棒
切削速度ｖｃ：２００ｍ／ｍｉｎ
送り量ｆ：０．０１ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み量ａｐ：０．３ｍｍ
【００４９】
図１０に示すように、実施例としての被覆焼結体２０では、ＶＢ摩耗量が０．０３ｍｍまたは０．０２ｍｍであり、比較例１，２と比べて、耐摩耗性が大幅に向上していることが分かる。特に、比較例１と比べると、その効果は著しい。
【００５０】
また、試験条件を変えて、上述の湿式高速連続旋削加工試験を行った結果を図１１に示す。切削条件は、以下の通りである。
切削材：ＳＵＳ４４０Ｃ丸棒
切削速度ｖｃ：１００ｍ／ｍｉｎ
送り量ｆ：０．０１ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み量ａｐ：０．５ｍｍ
【００５１】
図１１に示すように、実施例としての被覆焼結体２０では、ＶＢ摩耗量が０．０８ｍｍまたは０．０８２ｍｍであり、比較例１，２と比べて、耐摩耗性が向上していることが分かる。特に、比較例１と比べると、その効果は著しい。
【００５２】
また、被覆焼結体２０について、密着性確認試験を行った。具体的には、ロックウェル試験機を用いて被膜層６０の表面に６０ｋｇｆで圧子を打ち込み、その圧痕周りの被膜層６０の剥離を観察した。その結果、圧痕周りの被膜層６０の剥離は、確認できなかった。つまり、被覆焼結体２０は、十分な被膜層６０の密着性を有していることが確認された。
【００５３】
以上の試験結果からも明らかなように、本実施例の被覆焼結体２０は、被膜層６０が適度な圧縮残留応力を有しており、所定以上の硬度を確保することができるとともに、所定以上の密着性を確保し、切削加工に必要十分な膜厚を確保することができる。その結果、従来の被覆切削工具の切削インサートと比較して、長寿命化することができる。
【００５４】
Ｂ．変形例：
Ｂ−１：変形例１：
上述の実施形態においては、表層５０の外側表面のＣ／Ｎ比は、値０．５としたが、外側のＣ／Ｎ比は、適宜設定すればよい。例えば、外側表面のＣ／Ｎ比は、値１．０であってもよい。
【００５５】
上述した第２の被膜処理（上記ステップＳ１３０）における供給ガスの制御の変形例について説明する。第１の変形例を図１２に示す。図示するように、図１２の制御方法が実施例（図３）と異なる点は、成膜時間の期間Ｔ１１〜Ｔ１７のうちの最終段階の期間Ｔ１７において、直前の期間Ｔ１６と比べて、窒素ガスの供給量が増加している点である。つまり、Ｃ／Ｎ比は、成膜の最終段階で、必ずしも最大になる必要はない。換言すれば、表層５０のＣ／Ｎ比は、外側の表面で、必ずしも最大になる必要はない。また、図１２に示す制御方法は、カーボンガスの供給量が直線的に増加している点が、実施例と異なる。これらのように制御しても、期間Ｔ１３，Ｔ１５の開始時には、供給ガスのＣ／Ｎ比が一旦減少するので、実施例と同様に、下地層４０の（２００）面に（１１１）面よりも大きな歪みを生じさせることができる。
【００５６】
第２の変形例を図１３に示す。図示するように、図１３の制御方法が実施例（図３）と異なる点は、実施例では、窒素ガスの供給量を非連続に変化させたのに対して、窒素ガスの供給量を連続的に変化させている点である。例えば、期間Ｔ２１，Ｔ２２では、直線的に減少した窒素ガスの供給量が、期間Ｔ２３では、直線的に増加している。このようにしても、期間Ｔ２３，Ｔ２５の開始時には、供給ガスのＣ／Ｎ比が一旦減少するので、実施例と同様に、下地層４０の（２００）面に（１１１）面よりも大きな歪みを生じさせることができる。
【００５７】
ただし、１回の成膜行程で複数の被覆焼結体２０を同時に製造する際には、実施例のように、窒素ガスの供給量を所定時間一定に維持することが望ましい。こうすれば、所定時間内の供給ガスのＣ／Ｎの変動が緩和されるので、複数の被覆焼結体２０間の組成のばらつきを抑制することができる。
【００５８】
かかる観点からは、次に示す第３の変形例のような制御も望ましい。第３の変形例を図１４に示す。この例では、窒素ガスを期間Ｔ３１〜Ｔ３７ごとに、窒素ガスの供給量を一定に維持している。しかも、カーボンガスの供給量も期間Ｔ３１〜Ｔ３７ごとに、一定に維持している。その結果、各期間における供給ガスのＣ／Ｎ比は一定となるので、複数の被覆焼結体２０間の組成のばらつきをさらに抑制することができる。
【００５９】
第４の変形例を図１５に示す。この例では、期間Ｔ４１〜Ｔ４７の成膜時間の全体に亘って、窒素ガスの供給量を一定に維持している。一方、カーボンガスの供給量は、成膜時間の全体として、増加している。また、カーボンガスの供給量は、期間Ｔ４１〜Ｔ４７の各々で、一定に維持され、各期間で非連続に変化している。かかるカーボンガスの供給量の変化において、期間Ｔ４４，Ｔ４６では、供給量が一時的に減少するように制御されている。このように制御しても、期間Ｔ４４，Ｔ４５の開始時には、供給ガスのＣ／Ｎ比が一旦減少するので、実施例と同様に、下地層４０の（２００）面に（１１１）面よりも大きな歪みを生じさせることができる。
【００６０】
第５の変形例を図１６に示す。図１５との違いは、窒素ガスの供給量を、成膜時間の経過に伴い直線的に減少させている点である。こうしても、図１５の制御と同様の効果が得られる。
【００６１】
第６の変形例を図１７に示す。この例では、窒素ガスの供給量については、実施例と同様の制御を行っている。一方、カーボンガスの供給量は、成膜時間の全体に亘って、一定に維持されている。このように制御しても、期間Ｔ５３，Ｔ５５の開始時には、供給ガスのＣ／Ｎ比が一旦減少するので、実施例と同様に、下地層４０の（２００）面に（１１１）面よりも大きな歪みを生じさせることができる。
【００６２】
ただし、下地層４０と表層５０との密着性の観点からは、成膜開始時には、カーボンガスの供給量を小さくすることが望ましく、値０とすることがより好ましい。下地層４０は、炭素成分を有していないので、表層５０の炭素成分を内側から外側に向かって徐々に増加させた方が、表層５０が下地層４０に密着しやすいからである。
【００６３】
Ｂ−２：変形例２：
上述の実施形態においては、被膜層６０が２層構造の被覆焼結体２０について示したが、被膜層は、３層以上の構造を有していてもよい。例えば、表層５０の表面に、さらに、第３の被膜層を備えていてもよい。この場合、第３の被膜層は、例えば、窒化チタンによって形成してもよい。かかる場合、第３の被膜層の内側の表面から外側の表面に向けて、Ｃ／Ｎ比が減少するように形成してもよい。つまり、第３の被膜層の内側の表面は、Ｃ／Ｎ比を表層５０と同一にして、外側の表面に向かって、Ｃ／Ｎ比を増加していき、外側の表面でＣ／Ｎ比が値０となるようにしてもよい。こうすれば、炭素成分を有する表層５０に対する第３の被膜層の密着性が向上する。また、基材３０と下地層４０との間に、別の被膜層が形成されていてもよい。つまり、被覆焼結体２０の被膜層の層数は、適宜設定すればよく、下地層４０の外側の表面に表層５０が形成されていればよい。
【００６４】
Ｂ−３：変形例３：
上述の実施形態においては、下地層４０および表層５０をイオンプレーティングによって形成する手法について示したが、蒸着方法は、イオンプレーティングに限らず、種々の物理蒸着法を用いることができる。例えば、スパッタリングや真空蒸着を用いてもよい。
【００６５】
Ｂ−４：変形例４：
上述の実施形態においては、切削インサートとしての被覆焼結体２０について示したが、被覆焼結体２０の用途は、切削インサートに限られるものではない。本発明の被覆焼結体２０は、自動車の摺動部品など、種々の耐摩耗性部材に適用することができる。
【００６６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態における構成要素のうち、独立クレームに記載された要素に対応する要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略、または、組み合わせが可能である。また、本発明はこうした実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、上述した被覆焼結体のほか、被覆焼結体の製造方法としても実現することができる。
【符号の説明】
【００６７】
２０…チップ
３０…基材
４０…下地層
５０…表層
６０…被膜層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結体からなる基材と、該基材の外側に形成され、窒化チタンアルミからなる第１の被膜層と、該第１の被膜層よりも前記外側に形成され、炭窒化チタンからなる第２の被膜層とを備えた被覆焼結体であって、
Ｘ線回折によって測定される、前記第１の被膜層の（１１１）面と（２００）面とのピーク位置の回折角をそれぞれ２θ（１１１）、２θ（２００）とし、粉末Ｘ線回折強度データベースにおける、前記第１の被膜層の前記（１１１）面と前記（２００）面との前記ピーク位置の理論値の回折角をそれぞれＴ（１１１）、Ｔ（２００）とし、Ｓ（１１１）＝２θ（１１１）−Ｔ（１１１）、Ｓ（２００）＝２θ（２００）−Ｔ（２００）としたとき、
Ｓ（２００）−Ｓ（１１１）≧０．１
を満たすことを特徴とする被覆焼結体。
【請求項２】
請求項１記載の被覆焼結体であって、
前記Ｘ線回折によって測定される、前記第２の被膜層の前記（１１１）面と前記（２００）面とのピーク位置の回折強度をそれぞれＩ（１１１）、Ｉ（２００）としたとき、
Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）≧１
を満たすことを特徴とする被覆焼結体。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の被覆焼結体であって、
前記第１の被膜層の膜厚は、０．３μｍ以上かつ２．０μｍ以下であり、
前記第２の被膜層の膜厚は、０．３μｍ以上かつ３．０μｍ以下であることを特徴とする被覆焼結体。
【請求項４】
前記被覆焼結体は、切削インサートであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか記載の被覆焼結体。
【請求項５】
焼結体からなる基材と、該基材の外側に形成され、窒化チタンアルミからなる第１の被膜層と、該第１の被膜層よりも前記外側に形成され、炭窒化チタンからなる第２の被膜層とを備えた被覆焼結体であって、
前記第２の被膜層の組成は、前記第２の被膜層の内側から外側に向かう方向に沿って、窒素原子に対する炭素原子の比率が変化しており、
前記比率は、前記第２の被膜層の外側の表面において、前記第２の被膜層の内側の表面よりも大きく、
前記比率の変化は、前記第２の被膜層の外側の表面から前記第２の被膜層の内側の表面に向かって、少なくとも１回、減少する変化を含む
ことを特徴とする被覆焼結体。
【請求項６】
焼結体からなる基材を用意する第１の工程と、該基材の外側に窒化チタンアルミからなる第１の被膜層を形成する第２の工程と、該第１の被膜層よりも前記外側に炭窒化チタンからなる第２の被膜層を蒸着によって形成する第３の工程とを備えた被覆焼結体の製造方法であって、
前記第３の工程は、
窒素ガスと、炭素を含むカーボンガスとを供給して、前記蒸着を行う際に、前記窒素ガスの供給量に対する前記カーボンガスの供給量の比率を変化させ、
前記比率は、前記第３工程の開始時よりも終了時で大きく、
前記比率の変化は、前記開始時から前記終了時に至る途中で、少なくとも１回、前記比率を減少させる変化を含むことを特徴とする
被覆焼結体の製造方法。
【請求項１】
焼結体からなる基材と、該基材の外側に形成され、窒化チタンアルミからなる第１の被膜層と、該第１の被膜層よりも前記外側に形成され、炭窒化チタンからなる第２の被膜層とを備えた被覆焼結体であって、
Ｘ線回折によって測定される、前記第１の被膜層の（１１１）面と（２００）面とのピーク位置の回折角をそれぞれ２θ（１１１）、２θ（２００）とし、粉末Ｘ線回折強度データベースにおける、前記第１の被膜層の前記（１１１）面と前記（２００）面との前記ピーク位置の理論値の回折角をそれぞれＴ（１１１）、Ｔ（２００）とし、Ｓ（１１１）＝２θ（１１１）−Ｔ（１１１）、Ｓ（２００）＝２θ（２００）−Ｔ（２００）としたとき、
Ｓ（２００）−Ｓ（１１１）≧０．１
を満たすことを特徴とする被覆焼結体。
【請求項２】
請求項１記載の被覆焼結体であって、
前記Ｘ線回折によって測定される、前記第２の被膜層の前記（１１１）面と前記（２００）面とのピーク位置の回折強度をそれぞれＩ（１１１）、Ｉ（２００）としたとき、
Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）≧１
を満たすことを特徴とする被覆焼結体。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の被覆焼結体であって、
前記第１の被膜層の膜厚は、０．３μｍ以上かつ２．０μｍ以下であり、
前記第２の被膜層の膜厚は、０．３μｍ以上かつ３．０μｍ以下であることを特徴とする被覆焼結体。
【請求項４】
前記被覆焼結体は、切削インサートであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか記載の被覆焼結体。
【請求項５】
焼結体からなる基材と、該基材の外側に形成され、窒化チタンアルミからなる第１の被膜層と、該第１の被膜層よりも前記外側に形成され、炭窒化チタンからなる第２の被膜層とを備えた被覆焼結体であって、
前記第２の被膜層の組成は、前記第２の被膜層の内側から外側に向かう方向に沿って、窒素原子に対する炭素原子の比率が変化しており、
前記比率は、前記第２の被膜層の外側の表面において、前記第２の被膜層の内側の表面よりも大きく、
前記比率の変化は、前記第２の被膜層の外側の表面から前記第２の被膜層の内側の表面に向かって、少なくとも１回、減少する変化を含む
ことを特徴とする被覆焼結体。
【請求項６】
焼結体からなる基材を用意する第１の工程と、該基材の外側に窒化チタンアルミからなる第１の被膜層を形成する第２の工程と、該第１の被膜層よりも前記外側に炭窒化チタンからなる第２の被膜層を蒸着によって形成する第３の工程とを備えた被覆焼結体の製造方法であって、
前記第３の工程は、
窒素ガスと、炭素を含むカーボンガスとを供給して、前記蒸着を行う際に、前記窒素ガスの供給量に対する前記カーボンガスの供給量の比率を変化させ、
前記比率は、前記第３工程の開始時よりも終了時で大きく、
前記比率の変化は、前記開始時から前記終了時に至る途中で、少なくとも１回、前記比率を減少させる変化を含むことを特徴とする
被覆焼結体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−２０１９５５（Ｐ２０１２−２０１９５５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６９３２６（Ｐ２０１１−６９３２６）
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]