JP2006315173A - 切削工具用硬質皮膜およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】(Ti1−a−b−c−d,Ala,Crb,Sic,Bd)(C1−eNe)からなる硬質皮膜であって、Al,Cr,Si,Bのそれぞれの原子比a,b,c,dが、0.5≦a≦0.8、0.06≦b、0≦c≦0.1、0≦d≦0.1、0.01≦c+d≦0.1およびa+b+c+d<1を満たすようにし、かつNの原子比eが0.5≦e≦1を満たすようにする。
【選択図】なし
Description
上記a,b,c,d,eが、
0.5≦a≦0.8、
0.06≦b≦0.3、
0≦c≦0.1、
0≦d≦0.1、
0.01≦c+d≦0.1、
a+b+c+d<1、
0.5≦e≦1を満たし、
(a,b,c,dは、それぞれAl,Cr,Si,Bの原子比を示し、eはNの原子比を示す)
且つ、結晶構造が岩塩構造型を主体とするものであることを要旨とし、上記eの値が1の場合や前記cの値が0超の場合を好ましい形態とするものである。
I(220)≦I(111) …(1)
I(220)≦I(200) …(2)
I(200)/I(111)≧0.3 …(3)
0.5≦a≦0.8、0.06≦b≦0.3、0≦c≦0.1、0≦d≦0.1、0.01≦c+d≦0.1、a+b+c+d<1、0.5≦e≦1を満たすものであるが、この様に皮膜中のTi、Al、Cr、Si、B、CおよびNの組成を規定した理由について、以下詳細に説明する。
0.5≦x≦0.8、
0.06≦y、
0≦z≦0.1、
0≦w≦0.1、
0.01≦z+w≦0.1、
x+y+z+w<1
(x,y,z,wは、それぞれAl,Cr,Si,Bの原子比を示す)を満足するものを用いることが好ましいのである。
前記図1に示すAIP装置のカソードにTi、Cr、AlおよびSiからなるターゲット合金を取り付け、さらに、支持台上に被処理体として超硬合金製チップ、超硬合金製スクエアエンドミル(直径10mm、4枚刃)、又は白金箔(0.2mm厚み)を取り付け、チャンバー内を真空状態にした。その後、チャンバー内にあるヒーターで被処理体の温度を550℃に加熱し、3×10−3Pa以下の真空度とした後に、Arイオンによる前記基板のクリーニングを15分間行った。その後、窒素ガスまたは窒素とメタンの混合ガスを導入して、チャンバー内の圧力を2.66Pa、アーク電流を100Aとしてアーク放電を開始し、被処理体の表面に膜厚約3μmの皮膜を形成した。なお、成膜中にアース電位に対して被処理体がマイナス電位となるよう100〜200Vのバイアス電圧を被処理体に印加した。
前記実施例1で得られた硬質皮膜を被覆したエンドミルのうち、No.2,4,6,9,11,13,16および17について切削試験を行い、摩耗評価を行った。被削材としてSKD61焼き入れ鋼(HRC50)を用いた。切削条件は以下の通りである。摩耗評価は、上記各エンドミルを用いて被削材を30m切削後、刃先を光学顕微鏡で観察して摩耗幅を測定した。その結果を表2に示す。
切削条件
切削速度:200m/min
送り速度:0.05mm/刃
切り込み:5mm
ピックフィード:1mm
切削油:エアーブローのみ
切削方向:ダウンカット
Ti、Cr、AlおよびBを含む種々の合金ターゲットを用い、更に、支持台上に被処理体として超硬合金製チップ、超硬合金製スクエアエンドミル(直径10mm、4枚刃)を前記図1に示したAIP装置に取り付け、チャンバー内の圧力を2.66Paにしてアーク電流150Aでアーク放電を開始し、基板(被処理体)の表面に膜厚約3μmの表3に示す組成の(TiAlCrB)N皮膜を形成した。尚、成膜中にアース電位に対して基板(被処理体)がマイナス電位となるよう150Vのバイアス電圧を基板(被処理体)に印加した。その他の成膜条件に関しては前記実施例1と同様である。得られた皮膜中のTi、Al、Cr、Bの組成比はEPMAで測定した。また皮膜中の金属元素およびNを除くO等の不純物元素量はEPMAによる定量分析で酸素が1at%以下のレベルであった。
組成がTi:12at%、Cr:15at%、Al:70at%、Si:3at%の合金ターゲットを用い、前記図1に示したAIP装置を使用し、超硬合金製スクエアエンドミル(直径10mm、4枚刃)、超硬合金製チップおよび白金箔(0.1mm厚み)を基材(被処理体)として膜厚約3μmの皮膜を形成した。即ち、表4または表5に示す範囲でバイアス電圧、基板温度、窒素ガス圧を変化させて、(Ti,Cr,Al,Si)N皮膜を形成した。成膜時のアーク電流は150Aとし、その他の成膜条件は前記実施例1と同様とした。
前記実施例1で得られた硬質皮膜を被覆したエンドミルのうち、No.2,4,6,9,11,13について、本発明に係る皮膜と、Ti0.5Al0.5NまたはTi(C0.5N0.5)の皮膜とを、交互(被処理体−下層−上層−下層−上層…)に積層させたものを作成した。積層させた皮膜の種類および合計積層数は表3に示す通りである。尚、得られた積層皮膜の総膜厚はいずれも約3μmであった。この様にして得られた積層皮膜を用いて切削試験を行い、摩耗評価を行った。被削材としてSKD61焼き入れ鋼(HRC50)を用いた。切削条件は以下の通りである。摩耗評価は、上記各エンドミルを用いて被削材を30m切削後、刃先を光学顕微鏡で観察して摩耗幅を測定した。その結果を表6に示す。
切削条件
切削速度:200m/min
送り速度:0.05mm/刃
切り込み:5mm
ピックフィード:1mm
切削油:エアーブローのみ
切削方向:ダウンカット
組成がTi:12at%、Cr:15at%、Al:70at%、Si:3at%の合金ターゲットを用い、前記図1に示したAIP装置を用い、皮膜の種類に応じてアーク電流を100〜150A、窒素(または窒素とメタンの混合)ガス圧を0Pa(金属膜)〜2.66Pa、基板に印加するバイアス電圧を30〜150Vの範囲内で変化させ、基板温度を550℃にして、表7に示す種々の金属窒化物、炭化物、炭窒化物または金属膜の積層膜を超硬合金製スクエアエンドミル(直径10mm、4枚刃)上に形成した。その他の成膜条件に関しては前記実施例1と同様である。積層の仕方は、超硬合金製エンドミル上に、表7における皮膜1、次に表7における皮膜2の順に、表7に示す膜厚にて交互に積層した。表7に示す積層数は[皮膜1+皮膜2]を1単位とした時の繰り返し数を示す。成膜後の皮膜の耐摩耗性は前記実施例2と同様にして切削試験を行い評価した。これらの結果を表7に示す。尚、形成したTiAlCrSiN皮膜中の金属元素の組成比は、Ti:13at%、Al:68at%、Cr:16at%、Si:3at%であった。また、積層した皮膜の総膜厚はいずれも約3μmであった。
ターゲットの相対密度や不純物含有量が成膜時の放電状態に及ぼす影響について調べた。
被削材:SKD61(HRC50)
エンドミル:超硬合金製 4枚刃
切削速度:200m/min
切り込み:1mm
送り速度:0.05mm/刃
切削長:30m
評価基準
○:すくい面摩耗深さが20μm未満
×:すくい面摩耗深さが20μm以上
放電状態
・安定 :放電電圧の瞬間的な上昇や放電の場所的な偏りが認められ
ないもの
・やや不安定:放電電圧の瞬間的な上昇や放電の場所的な偏りが多少認め
られるもの
・不安定 :放電電圧の瞬間的な上昇や放電の場所的な偏りがかなり認
められるもの
・放電中断 :放電が停止するもの
100メッシュ以下のTi粉末、100メッシュ以下のCr粉末、240メッシュ以下のAl粉末、および100メッシュ以下のSi粉末を所定量混合し、温度:500〜900℃、圧力:8×107Paの条件でHIP処理して表9に示す各成分組成のターゲットを作製した。得られたターゲットを削り出すか、あるいは銅製バッキングプレートのろう付けを行って、底面に外径104mm、厚さ2mmの固定つばが設けられたターゲットを作製し、アーク放電方式イオンプレーティング装置に該ターゲットを装着して、膜厚約3μmの皮膜を被処理体である超硬合金製チップ上に成膜した。成膜は、反応ガスとしてN2ガスまたはN2/CH4ガスを用い、被処理体の温度を500℃、アーク電流を100A、かつ被処理体のバイアス電位を−150Vにして行った。
次にターゲット中の不純物(酸素、水素、塩素、銅およびマグネシウム)の含有量が成膜時の放電状態に与える影響について調べた。
2、2A アーク式蒸発源
3 支持台
4 バイアス電源
6 ターゲット
7 アーク電源
8 磁石(磁界形成手段)
9 電磁石(磁界形成手段)
11 排気口
12 ガス供給口
W 被処理体
S ターゲットの蒸発面
Claims (10)
- (Ti1−a−b−c−d,Ala,Crb,Sic,Bd)(C1−eNe)からなる硬質皮膜であって、
上記a,b,c,d,eが、
0.5≦a≦0.8、
0.06≦b≦0.3、
0≦c≦0.1、
0≦d≦0.1、
0.01≦c+d≦0.1、
a+b+c+d<1、
0.5≦e≦1を満たし、
(a,b,c,dは、それぞれAl,Cr,Si,Bの原子比を示し、eはNの原子比を示す。以下同じ)
且つ、結晶構造が岩塩構造型を主体とするものであることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。 - 前記eの値が1である請求項1に記載の切削工具用硬質皮膜。
- 前記cの値が0超である請求項1または2に記載の切削工具用硬質皮膜。
- θ−2θ法によるX線回折で測定される岩塩構造型の(111)面、(200)面および(220)面の回折線強度をそれぞれI(111)、I(200)およびI(220)とするとき、これらの値が下記式(1)および/または式(2)と、式(3)を満足する請求項1〜3のいずれかに記載の切削工具用硬質皮膜。
I(220)≦I(111) …(1)
I(220)≦I(200) …(2)
I(200)/I(111)≧0.3 …(3) - CuのKα線を用いたθ−2θ法によるX線回折で測定される岩塩構造型の(111)面の回折線の回折角度が36.5°〜37.5°の範囲内にある請求項1〜5のいずれかに記載の切削工具用硬質皮膜。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の要件を満たし、且つ相互に異なる硬質皮膜が2層以上形成されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の硬質皮膜の片面側または両面側に、岩塩構造型主体の結晶構造を有し、且つ前記硬質皮膜とは異なる成分組成である金属窒化物層、金属炭化物層および金属炭窒化物層よりなる群から選択される少なくとも1層が積層されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の硬質皮膜の片面側または両面側に、4A族、5A族、6A族、AlおよびSiよりなる群から選択される少なくとも1種の金属を含む金属層または合金層が1以上積層されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
- 請求項1〜8のいずれかに記載の切削工具用硬質皮膜の製造方法であって、ターゲットを構成する金属の蒸発およびイオン化をアーク放電にて行うアークイオンプレーティング法において、該ターゲットの蒸発面にほぼ直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線を形成し、この磁力線によって被処理体近傍における成膜ガスのプラズマ化を促進すると共に、前記被処理体に印加するバイアス電位がアース電位に対して−50V〜−400Vであるようにして成膜することを特徴とする切削工具用硬質皮膜の製造方法。
- 成膜時の前記被処理体温度を300℃以上800℃以下とすると共に、成膜時の反応ガスの分圧または全圧を0.5Pa以上7Pa以下とする請求項9に記載の切削工具用硬質皮膜の製造方法。
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