专利名称：硬质皮膜被覆部件及冶金工具以及靶的制作方法
技术领域：
本发明涉及表面被覆了硬质皮膜的硬质皮膜被覆部件及使用该部件的冶金工具， 以及用于形成硬质皮膜的靶。
背景技术：
目前，在因切削工具等摩擦发热导致的高温下使用的冶金工具类中，为了提高耐热性、延长工具寿命而适用TiAlN等硬质皮膜。而且，为提高这些皮膜的耐氧化性，研究了添加Si、Y等。例如，在专利文献1中，公示有一种切削工具用硬质皮膜，其为由(Ti1Ikf Ala, Crb、Si。、Bd) (CVeNe)构成的硬质皮膜，其特征为，0. 5彡a彡0. 8,0. 06彡b、0彡c彡0. 1、 0 彡 d 彡 0. 1,0. 01 彡 c+d 彡 0. 1、a+b+c+d < 1、0· 5 < e < 1 (a、b、c、d 分别表示 Al、Cr、 Si、B的原子比，e表示N的原子比)。另外，例如，在专利文献2中，公示有一种耐氧化性优异的硬质皮膜，其特征为，由 (M)aCrbAleSidBeYfZ构成[其中，M为选自周期表第4A族元索、5A族元素、6A族元素(除Cr 外)的至少一种元素，Z表示N、CN、N0或CNO中的任一种]，a+b+c+d+e+f = 1，0 < a彡0. 3、 0. 05 ^ b ^ 0. 4、0. 4 ^ c ^ 0. 8,0 ^ d ^ 0. 2,0 ^ e ^ 0. 2、0. 01 ^ f ^ 0. l(a、b、c、d、e 及f分别表示Μ、Cr、Al、Si、B及Y的原子比)。专利文献1 特开2003-71611号公报专利文献2 特开2008-7835号公报但是，在这样的硬质皮膜中存在以下所示的问题。在现有的技术中，通过添加规定量的规定元素，提高硬质皮膜的耐氧化性，实现耐磨损性的提高。但是，近年来，随着切削工具等切削速度高速化，因该高速化导致摩擦发热增大， 由此存在使用的冶金工具类容易磨损的问题。因此，为了与这种的切削速度的高速化对应， 要求更高的耐氧化性即耐磨损性。
发明内容
本发明是鉴于所述问题而开发的，其目的在于提供一种耐磨损性优异的硬质皮膜被覆部件及使用此的冶金工具以及用于形成硬质皮膜的靶。本发明的硬质皮膜被覆部件(以下，适当称为部件)，在基材上具备硬质皮膜(以下，适当称为皮膜)，其特征为，所述硬质皮膜的组成由(TiaCrbAl。SidYeRf) (CyNz)构成，且所述R为选自Ho、Sm、Dy、La的一种以上的元素，在所述a、b、c、d、e、f、y、ζ为原子比时， 满足 0· 05 彡 a 彡 0· 3、0· 05 彡 b 彡 0· 3,0. 4 彡 c 彡 0. 65、0 彡 d 彡 0. 05、0 彡 e 彡 0. 05、 0. 005 彡 f 彡 0. 05、a+b+c+d+e+f = 1、0 彡 y 彡 0. 3,0. 7 彡 ζ 彡 l、y+z = 1。另外，对于所述R而言，例如，也可以是除去La，选自Ho、Sm、Dy三种的一种以上的元素，也可以是由La 和选自Ho、Sm、Dy三种的一种以上的元素构成的元素。
根据这种构成，皮膜含有规定量的Ti、N，由此，皮膜的硬度提高，另外，通过含有规定量的Al，以立方晶在稳定的TiN、CrN中固溶Al，成为准稳定的立方晶A1N，皮膜硬度提高。 而且，通过这些提高耐磨损性。另外，通过R(选自Ho、Sm、Dy、La的一种以上的元素，以下同样)和根据需要含有规定量的Si、Y，提高皮膜的耐氧化性，另外，通过含有规定量的Cr，皮膜的结晶结构保持于立方晶，提高皮膜的耐氧化性。而且，通过这些提高部件的耐磨损性。 另外，根据需要含有规定量的C，由此，皮膜成为碳氮氧化物的形态。另外，本发明的硬质皮膜被覆部件，其在基材上具备硬质皮膜，其特征为，所述硬质皮膜的组成由(TiaCrbAlcSidYeIifHfg) (CyNz)构成，且所述R为选自Ho、Sm、Dy、La的一种以上的元素，在所述3、13、(3、(1、6、€4、7、2为原子比时，满足0. 05彡a彡0. 3,0. 05彡b彡0. 3、 0. 4 彡 c 彡 0. 60、0 彡 d 彡 0. 05、0 彡 e 彡 0. 05,0. 005 彡 f 彡 0. 05、0 < g 彡 0. 35、 a+b+c+d+e+f+g = UO ^ y ^ 0. 3,0. 7彡ζ彡l、y+z = 1。另外，对于所述R而言，例如，也可以是除去La，选自Ho、Sm、Dy三种的一种以上的元素，也可以是由La和选自Ho、Sm、Dy三种的一种以上的元素构成的元素。根据这种构成，如上所述含有规定量的Ti、Cr、Al、R、N和根据需要含有的Si、Y， 由此，皮膜的硬度及皮膜的耐氧化性提高，而且，还含有规定量的Hf，由此，皮膜成为更高的硬度，部件的耐磨损性进一步提高。而且，由此，部件的耐磨损性进一步提高。另外，根据需要含有规定量的C，由此，皮膜成为碳氮氧化物的形态。本发明的冶金工具，其特征为，具有所述的硬质皮膜被覆部件。根据这种构成，通过具有所述部件，冶金工具的耐磨损性提高。本发明的靶，其用于通过电弧离子镀敷工艺形成皮膜，其特征为，以所述硬质皮膜中的组成比含有所述的硬质皮膜中含有的金属元素及稀土元素。根据这种构成，靶具有所述部件的皮膜的组成，由此，通过电弧离子镀敷蒸镀法能够容易且简单地形成所述组成的皮膜。本发明的硬质皮膜被覆部件耐磨损性优异，且能够作为切削工具及模型等冶金工具的部件合适地应用，它们的耐久性提高。另外，本发明的冶金工具耐磨损性优异，作为切削工具及模型等成形用冶金工具可以很好地应用，它们的耐久性提高。而且，本发明的靶通过使用该靶，利用电弧离子镀敷蒸镀法能够容易且简便地形成构成本发明的硬质皮膜被覆部件的硬质皮膜。
图1是是表示本发明的硬质皮膜被覆部件的截面图；图2是成膜装置的概略图。符号说明1、(IaUb)硬质皮膜被覆部件(部件)2、基材3、(3a,3b)硬质皮膜(皮膜)
具体实施例方式下面，参照附图，详细地说明本发明的硬质皮膜被覆部件。
(硬质皮膜被覆部件)<第一实施方式>如图1所示，本发明的硬质皮膜被覆部件(部件)l(la)为在基材2上具备硬质皮膜(皮膜)3 (3a)的部件。如下进行具体地说明。(基材)作为基材2，可以列举超硬合金、具有金属炭化物的铁基合金、金属陶瓷、高速工具钢等。但是，作为基材2不局限于这些，只要能够适用于切片、钻床、立铣等切削工具及冲压、锻造模型、成型用模型、冲孔冲头、切边等模型即冶金工具等部件，无论那一种都可以。(硬质皮膜)皮膜3a其组成由(TiaCrbAlcSidYeRf) (CyNz)构成，且上述R为选自Ho、Sm、Dy、La的一种以上的元素，在上述a、b、c、d、e、f、y、ζ为原子比时，满足0. 05 彡 a 彡 0. 30. 05 彡 b 彡 0. 30. 4 彡 c 彡 0. 650 彡 d 彡 0. 050 彡 e 彡 0. 050. 005 彡 f 彡 0. 05a+b+c+d+e+f = 10 ^ y ^ 0. 30. 7 ^ ζ ^ 1y+z = 1。这样，皮膜3a的基本组成为具有立方晶岩盐结构的(TiCrAl)N,含有晶格常数不同的TiN(0. 424nm), CrN (0.412nrn)及A1N(0. 414nm)，由此，通过晶格应变使皮膜硬度提高。而且，在该组成中还可以添加R(选自Ho、Sm、Dy、La的1种以上的元素)，即，在本发明中，首先，通过添加Ti能够使皮膜3a的整体硬度增加，通过再添加选自Ho、Sm、Dy、La的一种以上元素，实现耐氧化性的显著地提高。[Ti :a(0. 05 彡 a 彡 0. 3，a+b+c+d+e+f = 1)](a)为Ti的原子比。为了提高皮膜硬度，Ti需要添加0.05以上。但是，添加量超过0.3时耐氧化性降低，因此，将上限设定为0.3。更优选0. 1以上0.3以下。[Cr :b (0. 05 ^ b ^ 0. 3, a+b+c+d+e+f = 1)](b)是Cr的原子比。Cr是使皮膜3a的结晶结构保持立方晶、增加耐氧化性的必要元素，且需要为0. 05以上。但是，添加量超过0. 3时，有皮膜3a的整体硬度降低的倾向， 因此，将上限设定为0.3。更优选0. 1以上0.3以下。[Al c (0. 4 彡 c 彡 0. 65，a+b+c+d+e+f = 1)](c)是Al的原子比。AlN原来是六方晶的结晶结构的稳定的化合物，但是，通过立方晶固溶于稳定的TiIN、CrN中，从而成为准稳定的立方晶A1N，、皮膜硬度提高。因此，对于 Al而言，通过添加之，在最表面形成富Al的氧化物而使耐氧化性提高，因此，需要0. 4以上。 但是，添加量超过0. 65时皮膜3a的结晶结构变成六方晶，皮膜的硬度降低，因此将0. 65设定为上限。更优选0. 45以上0. 55以下。[Si :d(0 ^ d ^ 0. 05, a+b+e+d+e+f = 1)][Y :e(0 ^ e ^ 0. 05, a+b+c+d+e+f = 1)](d)是Si的原子比，(e)是Y的原子比。Si、Y两种都不添加也可以，但是，通过添加Si、Y中的任一种，具有进一步提高耐氧化性的效果。具体而言，优选[d+e>0.01]。另外，更优选添加Si,Y两种(具体而言，d > 0. 01，且e > 0. 01)。另外，在Si,Y都添加0. 05 以下时才显示效果。在添加量超过该量时，皮膜3a的结晶结构变化，皮膜硬度降低，因此， Si、Y都将0.05设定为上限。更优选Si、Y都为0.03以下。[R :f (0. 005 彡 f 彡 0. 05，a+b+c+d+e+f = 1)](f)是R的原子比。用于使耐氧化性提高的必要的R(选自Ho、Sm、Dy、La的一种以上)需要添加0.005以上。但是，添加量超过0.05时反而成为耐氧化性劣化的结果，因此，将0.05设定为上限。更优选0.01以上0.03以下。另外，在上述元素中，尤其是Ho、La 使耐氧化性提高的效果大，优选作为添加元素。在此，作为R，也可以单独添加例如Ho、Sm、Dy、La元素。另外，例如，也可以是La 和选自Ho、Sm、Dy中的一种以上的元素构成的，即La和Ho、Sm、Dy中的任一种以上的组合。 另外，也可以不添加La而添加选自Ho、Sm、Dy中的一种以上的元素。在提高上述皮膜的耐氧化性的元素中，对于Si、Y、Ho、Sm、Dy而言通过添加它们，使在表面形成的氧化皮膜致密化，由此提高耐氧化性，但是，对于La而言，通过添加它，通过抑制皮膜中的元素的扩散效果而使耐氧化性提高。因此，通过复合添加这些具有不同的耐氧化性提高机理的元素，能够进一步提高耐氧化性。[C :y(0 ^ y ^ 0. 3, y+z = 1)](y)是C的原子比。本发明的化合物不仅作为氮化物的形态，在成膜时导入含C的气体，也可以生成炭氮化物。该情况下，在添加的C超过0. 3时，耐氧化性、皮膜硬度降低， 因此，将0.3设定为上限。更优选0.2以下。[N ；ζ (0. 7 ^ ζ ^ 1, y+z = 1)](ζ)是N的原子比。N是用于使皮膜3a高硬度化而提高耐磨损性的必须的元素， 需要添加0.7以上。如上述，Ti、Cr、Al、R、N是必须的成分，Si、Y、C是任意成分，因此，关于皮膜3a组成的组合可以列举(TiCrAlR)N、(TiCrAlSiR)N、(TiCrAlYR)N、(TiCrAlSiYR)N、(TiCrAlR) (CN)、(TiCrAlSiR) (CN)、(TiCrAlYR) (CN)、(TiCrAlSiYR) (CN)等。<第二实施方式>如图1所示，本发明的硬质皮膜被覆部件(部件)l(lb)在基材2上具备硬质皮膜 (皮膜)3(3b)。以下，进行具体的说明。另外，对于基材2而言，与第一实施方式的基材2同样，因此，在此省略说明。(硬质皮膜)皮膜3b 的组成由(TiaCrbAlcSidYeRfHfg) (CyNz)构成，上述 R 是选自 Ho、Sm、Dy、La 的1种以上的元素，且在上述a、b、c、d、e、f、g、y、ζ是原子比时，满足0· 05 彡 a 彡 0· 3
0. 05 彡 b 彡 0. 30. 4 ^ c ^ 0. 60 彡 d彡 0.050 彡 e 彡 0. 050. 005 彡 f 彡 0. 050 < g ^ . 35a+b+c+d+e+f+g = 10 ^ y ^ 0. 30. 7 ^ ζ ^ 1y+z = 1。第二实施方式的部件Ib的皮膜北为在第一实施方式的部件Ia的皮膜3a的组成中含有Hf的膜。另外，与此对应，将Al量设定为0.6以下。对于其它的构成，除了设定 「a+b+c+d+e+f+g = 1」之外与第一实施方式的皮膜3a同样，因此，在此省略说明，仅对Hf及 Al的上限值进行说明。[Hf :g (0 < g 彡 0. 35、a+b+c+d+e+f+g = 1)][Al c (0. 4 彡 c 彡 0. 6、a+b+c+d+e+f+g = 1)](g)是Hf的原子比。在皮膜北中，通过添加晶格常数更大的Hf(HfN0. 452nm)，成为更高硬度的皮膜北。在期待这种效果的情况下，优选0.01以上的添加量，但是，在添加量超过0. 35时，皮膜北的结晶结构容易变化为六方晶，皮膜硬度降低。更优选0. 2以下，进一步优选0. 15以下。另外，在添加了 Hf的情况下，结晶结构容易变化为六方晶，因此，需要将Al量的上限设定为0.6。如上述，Ti、Cr、Al、R、Hf、N是必须的成分，Si、Y、C是任意的成分，关于皮膜北的组成的组合可以列举(TiCrAlRHf)N、(TiCrAlSiRHf)N、(TiCrAlYRHf)N、(TiCrAlSiYRHf)N, (TiCrAlRHf) (CN)、(TiCrAlSiRHf) (CN)、(TiCrAlYRHf) (CN)、(TiCrAlSiYRHf) (CN)等。在上述的部件l(la、lb)中，皮膜3(3a、3b)的形成优选通过电弧离子镀敷蒸镀法形成，但是，也可以用不平衡·磁控管 溅射蒸发法形成。作为使用了电弧离子镀敷蒸发法的成膜装置，例如可以采用以下的成膜装置。如图2所示，成膜装置10具备进行真空排气的排气口、具有供给成膜气体及稀有气体的气体供给口 15的容器11、与电弧式蒸发源12连接的电弧电源13、支承被处理体 (基材幻的基板台16上的支承台17、在该支承台17和上述容器11之间通过支承台17对被处理体施加负的偏电压的偏压电源14。另外，具备加热器18、放电用直流电源19、灯丝加热用交流电源20、灯丝21等。在进行用于得到本发明的部件的成膜时，自气体供给口 15 向容器11内供给的气体与成膜成分(皮膜的组成)一致使用氮气(N2)、甲烷(CH4)等成膜气体、它们和氩气等稀有气体的混合气体。而且，作为成膜方法的一例，首先，将基材2导入成膜装置10，排气到lX10’a以下后，将基材2加热到550°C。之后，实施采用了 Ar离子的溅射清洗，将氮气导入容器内直到4Pa，采用各种靶以150A的电流值实施电弧放电在基材2上形成氮化物。另外，在皮膜中含有C的情况下，以0. 1 0. 5Pa的范围导入甲烷。另外，成膜时的偏电压相对于接地电位设定为-100V。另外，作为一例，皮膜3的组成可以通过EDX(Energy DispersiveX-rayspectrometer 能量分散形X射线分析装置)的EDX分析进行测定。下面，对本发明的冶金工具进行说明。《冶金工具》冶金工具未图示，是其具有上述硬质皮膜被覆部件l(la、lb)。冶金工具具有部件 1，因此，耐磨损性优异，可以作为切削工具及模型等成形用冶金工具适当使用，提高它们的耐久性。作为切削工具，作为一例，可以列举切片、钻床、立铣等，作为模型，作为一例可以列举冲压模型、锻造模型、成型用模型等塑性加工模型、冲孔冲头、切边等剪切模型或压铸模型等。下面，对本发明的靶进行说明。《靶》靶未图示，是用于通过电弧离子镀敷工艺形成硬质皮膜，在此所说的硬质皮膜 3(3a、3b)的靶。而且，该靶以皮膜3(3a、3b)中的组成比含有上述皮膜3 (3a、3b)中含有的金属元素(包括半金属元素即Si)及稀土元素。即，以皮膜3a中的组成比含有上述第一实施方式的皮膜3a中含有的金属元素(Ti、Cr、Al、Si)及稀土元素(Y、Ho、Sm、Dy、La)，或以皮膜北中的组成比含有上述第二实施方式的皮膜北中含有的金属元素(Ti、Cr、Al、Si、 Hf)及稀土元素(Y、Ho、Sm、Dy、La)。关于靶的制造方法没有特别的限定，但是，例如，在将适当调整了量比及粒径等的原材料的Ti粉末、Cr粉未、Al粉末、Si粉宋、Y粉末、Hf粉末、元素R的粉末等用V型搅拌机等均一地混合制成混合粉末之后，对此实施冷静水压加压处理(CIP(Cold Isostatic Pressing)处理)或热静水压加压处理(HIP(Hotlsostatic Pressing)处理)的粉末冶金法作为获得本发明靶的有效方法进行列举。用上述HIP处理的方法(HlP法)成形的情况下，优选在烧结温度400 550°C、1(KK)气压的条件下进行HIP处理。除了这些方法之外，通过热挤出法及超高压热冲压法、热锻造法、等温锻造法等也可以制造本发明的靶。另外，如上述那样在调制了混合粉末之后，除了经由热冲压处理(HP) 制造靶的方法、或采用混合粉末制造的方法之外，也可以列举采用预先合金化的粉末，进行 CIP处理及HIP处理，使之溶解·凝固而获得靶的方法。[实施例]下面，说明本发明的实施例及比较例。另外，本发明不仅限于该实施例，也可以在适合本发明的宗旨的范围内施加变更来实施，那些都包括在本发明的技术范围内。采用通过图2所示的成膜装置即阴极放电型的电弧离子镀敷装置用粉末冶金法制作的各种靶，将镜面研磨的超硬合金(JIS-P种)基板、超硬合金制立铣刀(直径10mm、6 刃)及白金箔(30X5X0. Imm厚度)作为基材，在该基材上形成皮膜。每个靶的制作都采用HIP法、在烧结温度500°C、1000气压下实施固化·致密化。首先，将基材导入装置，排气到1 X IO-3Pa以下后，将基材加热到550°C。之后，实施采用了 Ar离子的溅射清洗，将氮气导入容器内直到4Pa，采用上述的各种靶以150A的电流值实施电弧放电在基材上形成氮化物。另外，在皮膜中含有C的情况下，也以0. 1 0. 5Pa 的范围导入甲烷。另外，成膜时的偏电压相对于接地电位设定为-100V。
在成膜结束后，进行皮膜中的金属成分组成的分析、皮膜的硬度及氧化开始温度的测定，并且，对耐磨损性进行评价。对于这些以下进行说明，并且，将结果示于表1-3。另外，表中的[_]是不含有的成分的符号，对于不满足本发明的构成的在数值等下带下划线表不。〈皮膜组成〉 对于成膜后的组成，通过EDX分析测定超硬合金基板的皮膜中的金属元素的成分组成。〈硬度〉 对于皮膜的硬度，测定了超硬合金基板的皮膜的维氏硬度(室温、载荷0.25n、保
持时间15秒)。〈氧化开始温度〉 对于氧化开始温度，使用热天秤，将在白金箔上形成了皮膜的各试样在干燥空气中加热(升温速度4°C /分)，通过测定氧化增量(氧化质量增加)决定各皮膜的氧化开始温度。另外，将观察到的急剧的氧化质量增加的温度定义为氧化开始温度。〈耐磨损性〉耐磨损性通过使用形成皮膜的超硬合金制立铣刀，在以下的条件下进行切削试验测定刃尖退让面的磨损量(模式宽度)进行评价。将磨损量为IOOym以下的设定为合格。[切削试验条件]被切削材料SKD11(HRC60)切削速度150m/分送刀量0.05mm/刃轴切入5mm径方向切入0. Imm切削长度100m其它下切、干式切割、气流表1:
权利要求
1.一种硬质皮膜被覆部件，其在基材上具备硬质皮膜，其特征在于，所述硬质皮膜的组成由(TiaCrbAleSidYeRf) (CyNz)构成，且所述R为选自Ho、Sm、Dy、La 中的一种以上的元素，在所述a、b、c、d、e、f、y、ζ为原子比时，满足 0. 05 ≥ a ≥ 0. 3 0. 05 ≥ b ≥ 0. 3 0. 4 ≥ c ≥ 0. 65 0≥d≥0. 05 0≥e≥0. 05 0. 005 ≥ f ≥ 0. 05 a+b+c+d+e+f = 1 0 ^ y ^ 0. 3 0. 7≥ζ≥1 y+z = 1。
2.如权利要求1所述的硬质皮膜被覆部件，其特征在于， 所述R为选自Ho、Sm、Dy中的一种以上的元素。
3.如权利要求1所述的硬质皮膜被覆部件，其特征在于， 所述R由La和选自Ho、Sm、Dy中的一种以上的元素构成。
4.一种硬质皮膜被覆部件，其在基材上具备硬质皮膜，其特征在于，所述硬质皮膜的组成由(TiaCrbAleSidYeRfHfg) (CyNz)构成，且所述R为选自Ho、Sm、Dy、 La中的一种以上的元素，在所述a、b、c、d、e、f、g、y、ζ为原子比时，满足 0 05 ≥ a ≥ 0 3 0. 05 ≥ b ≥ 0. 3 0. 4 ≥ c ≥ 0. 6 0≥d≥0. 05 0≥e≥0. 05 0. 005 ≥ f ≥ 0. 05 0 < g ≥ 0. 35 a+b+c+d+e+f+g = 1 0 ^ y ^ 0. 3 0. 7≥ζ≥1 y+z = 1。
5.如权利要求4所述的硬质皮膜被覆部件，其特征在于， 所述R为选自Ho、Sm、Dy中的一种以上的元素。
6.如权利要求4所述的硬质皮膜被覆部件，其特征在于， 所述R由La和选自Ho、Sm、Dy中的一种以上的元素构成。
7.一种冶金工具，其特征在于，具有权利要求1 6中任一项所述的硬质皮膜被覆部件。
8.—种靶，其用于通过电弧离子镀敷工艺形成硬质皮膜，其特征在于，以所述硬质皮膜中的组成比含有权利要求1 6中任一项所述的硬质皮膜中所含的金属元素及稀土元素。
全文摘要
本发明提供一种耐磨损性优异的硬质皮膜被覆部件及使用该部件的冶金工具，以及用于形成硬质皮膜的靶。所述硬质皮膜被覆部件(1)，其在基材(2)上具备硬质皮膜(3)，其特征为，硬质皮膜(3)的组成由(TiaCrbAlcSidYeRf)(CyNz)构成，且所述R为选自Ho、Sm、Dy、La的一种以上的元素，在所述a、b、c、d、e、f、y、z为原子比时，满足0.05≤a≤0.3、0.05≤b≤0.3、0.4≤c≤0.65、0≤d≤0.05、0≤e≤0.05、0.005≤f≤0.05、a+b+c+d+e+f＝1、0≤y≤0.3、0.7≤z≤1、y+z＝1。
文档编号C23C14/32GK102162083SQ20101062521
公开日2011年8月24日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年2月16日
发明者哲曼·福克斯-莱比诺比齐, 山本兼司 申请人:株式会社神户制钢所