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硬質皮膜及びその製造方法 NEW 新技術説明会

国内特許コード P200017176
掲載日 2020年9月7日
出願番号 特願2010-151494
公開番号 特開2012-012676
登録番号 特許第5582565号
出願日 平成22年7月1日(2010.7.1)
公開日 平成24年1月19日(2012.1.19)
登録日 平成26年7月25日(2014.7.25)
発明者
  • 國次 真輔
出願人
  • 岡山県
発明の名称 硬質皮膜及びその製造方法 NEW 新技術説明会
発明の概要 【課題】硬度が高く、かつ摩擦係数が低い硬質皮膜及びその簡便な製造方法を提供すること。
【解決手段】下記式(1)
(W1-xAl)(N1-y (1)
[ただし、0.18≦x≦0.7であり、0.85≦y≦1であり、かつ、0.5≦z≦1.2である。]
で示される窒化物からなり、かつその結晶構造が立方晶のみからなる硬質皮膜とする。当該硬質皮膜は、スパッタリング法又はイオンプレーティング法により成膜することにより製造することができる。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要 硬質皮膜は、耐摩耗性や摺動性などを向上させるために使用されている。例えば、耐摩耗性や摺動性などが求められる、工具、金型又は摺動部品などの表面に硬質皮膜が形成されている。硬質皮膜としては、CrN、TiNなどの窒化物が従来から知られており、広く使用されてきた。また、近年、上記の用途において耐摩耗性や摺動性の一層の向上が求められており、より高い硬度を有する硬質皮膜が求められている。これに対して、TiNやCrNなどにAlを含有させたTiAlNやCrAlNなど種々の硬質皮膜が提案されている。また、このような硬質皮膜は、その結晶構造によって機械的性質が変化することも知られており、結晶構造を制御して硬度を向上させた例などが報告されている。

特許文献1には、基材表面に、(AlTi1-x)(N1-y)[但し0.56≦x≦0.75、0.6≦y≦1]で示される化学組成からなる、厚さ0.8-10μmの耐摩耗性皮膜が形成された耐摩耗性皮膜被覆部材が記載されている。また、当該皮膜の結晶構造は立方晶(NaCl型)であったとされている。しかしながら、このような耐摩耗性皮膜は硬度が不十分であった。

特許文献2には、基材の表面に0.3~30μmの単層または多層からなる硬質膜を被覆した部材において、該硬質膜の少なくとも1層は、0.3μm以上30μm以下の厚みでなるチタンとタングステンと窒素とからなる立方晶構造の複合窒化物であり、該複合窒化物は組成式(Ti1-x)Nにおいて、0.1≦x≦0.8及び0.6≦z≦1.0を満足する耐摩耗性被覆部材が記載されている。そして、WNに対してTiNを固溶させると結晶構造が六方晶から立方晶に変わり、かつ硬さが急増して耐摩耗性が向上し、耐剥離性も向上したとされている。しかしながら、このような硬質皮膜は硬度が不十分であった。

特許文献3には、母材表面に硬質皮膜を被覆してなる工具であって、その硬質皮膜は、金属成分のみの原子%が、Si:5~50%、実質的に残部がAl、Wの1種もしくは2種で構成される窒化物であるa層と、金属成分のみの原子%が、Al:40~60%、Si:10%を越えて20%以下、実質的に残部がTiで構成される窒化物であるb層とが、それぞれ一層以上交互に被覆されたものであり、かつb層が被覆母材表面直上にあることを特徴とする工具が記載されている。このような工具は、母材との密着性、皮膜の耐摩耗性および耐酸化性をバランス良く有するb層を母材表面直上に被覆し、その上に耐酸化性に優れるa層を被覆することで、潤滑剤の使用量の低減や高速加工が可能になったとされている。実施例には、エンドミルの表面に皮膜組成が(Ti0.33Al0.54Si0.13)Nであるb層及び皮膜組成が(Al0.400.37Si0.23)Nであるa層とを積層して得られた工具の例などが記載されている。しかしながら、このような多層構造の皮膜を形成するのは容易ではないし、得られる皮膜の硬度も不十分であった。

特許文献4には、基体と、この基体の表面を被覆する被覆層とからなる切削工具であって、前記被覆層が、Ti1-a-b-c-dAlSi(C1-x)(ただし、MはNb、Mo、Ta、Hf、Yから選ばれる少なくとも1種、0.45≦a≦0.55、0.01≦b≦0.1、0.01≦c≦0.05、0.01≦d≦0.1、0≦x≦1)からなることを特徴とする切削工具が記載されている。このような組成の被覆層を有することで切削工具の耐酸化性や耐摩耗性とともに耐欠損性も向上したとされている。また、Alの含有量が0.55よりも多いと被覆層の結晶構造が立方晶から六方晶に変化する傾向があり、硬度が低下するとの旨が記載されている。実施例には、Ti0.40Al0.500.04Si0.03Mo0.03Nからなる被覆層を有するインサート
が記載されている。しかしながら、このような被覆層は硬度が不十分であった。

非特許文献1には、Alと遷移金属との擬2元系窒化物における、Alの含有量と結晶構造との関係について記載されている。Alの添加により生じる結晶構造の変化は、擬ポテンシャル半径と結合軌道モデルの概念を用いて定義されたバンドパラメーター法により予測できるとの旨が記載されている。そして、当該方法を用いて、Alと遷移金属との擬2元系窒化物の結晶構造が立方晶から六方晶へ変化するときの、Alの含有量が予測されている。様々な遷移金属とAlとの擬2元系窒化物について当該予測がなされた結果、結晶構造が六方晶へ変化する際の、Alの含有量が最も多いと予測されたCrAlNが優れた機械的特性を有すると予測されている。構造予測された擬2元系窒化物のなかに、WAlNも含まれている。しかしながら、WAlNの硬度に関する具体的な記載は一切ない。
産業上の利用分野 本発明は、アルミニウム(Al)及びタングステン(W)を含有する窒化物又は窒酸化物からなる硬質皮膜に関する。また、そのような硬質皮膜の製造方法に関する。
特許請求の範囲 【請求項1】
下記式(1)
(W1-xAl)(N1-y (1)
[ただし、0.18≦x≦0.62であり、0.85≦y≦1であり、かつ、0.5≦z≦1.2である。]
で示される窒化物又は窒酸化物からなり、W、Al、N及びO以外の元素の含有量が総原子数に対して2原子%以下であり、かつその結晶構造が立方晶のみからなる硬質皮膜。

【請求項2】
厚さが0.01~20μmである請求項1に記載の硬質皮膜。

【請求項3】
請求項1又は2に記載の硬質皮膜を表面に有する硬質皮膜被覆部材。

【請求項4】
請求項1又は2に記載の硬質皮膜を表面に有する工具、金型又は摺動部品。

【請求項5】
スパッタリング法又はイオンプレーティング法により成膜することを特徴とする請求項1又は2に記載の硬質皮膜の製造方法。
画像

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thum_JPA 424012676_i_000002.jpg
出願権利状態 登録


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