JP2018003046A - 硬質皮膜、硬質皮膜被覆工具および硬質皮膜の成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】硬質皮膜の硬度を維持しつつ、硬質皮膜の耐磨耗性が向上する硬質皮膜、当該硬質皮膜を被覆した工具および当該硬質皮膜の成膜方法を提供する。【解決手段】Ａｌ１−ｙＣｒｙ（０．０５≦ｙ≦０．２０）から成るターゲットを内部に備えるカソードアーク方式イオンプレーティング装置を用いた硬質皮膜の成膜方法において、カソードアーク方式イオンプレーティング装置内に設置する基板に対して印加するバイアス電圧を−１００Ｖ〜−１７０Ｖの範囲とし、基板の温度を３３０℃〜３７０℃の範囲とする。【選択図】なし

Description

本発明は、ドリル等の切削工具やブローチ等の歯切工具の表面に被覆される硬質皮膜、当該硬質皮膜が被覆された硬質皮膜被覆工具および当該皮膜を工具の表面に成膜する硬質皮膜の成膜方法に関する。

これまでドリル等の切削工具やブローチをはじめとする歯切工具の表面には、切刃の耐摩耗性を向上させるために、種々の硬質皮膜が被覆された状態で供されてきた。中でも、ＡｌとＣｒとを含有する、いわゆるＡｌＣｒ系の硬質皮膜は工具表面への優れた密着性と長寿命を確保できる観点から様々な工具表面を被覆する硬質皮膜として多用されてきた。

例えば、特許文献１では、従来のＴｉＡｌＮ硬質皮膜よりも耐磨耗性に優れた硬質皮膜としてＴｉ_ａＡｌ_ｂＣｒ_ｃ（Ｃ_１−ｄＮ_ｄ）からなる硬質皮膜（０．５５≦ｂ≦０．７６５、０．０６≦ｃ）は、近年の工具の高速化および高能率化に適合させるための成膜方法が開示されている。具体的には、成膜装置を用いた成膜時において基板に対して印加するバイアス電圧を−５０Ｖ〜−３００Ｖの範囲としたり、または基板の温度を３００℃〜８００℃の範囲として硬質皮膜を成膜する方法が説明されている。

特開２００３−７１６１０号公報

しかし、特許文献１に開示されているＴｉＡｌＣｒＮ硬質皮膜はＡｌの比率が高い場合、具体的にはＡｌの比率が７５％以上では硬質皮膜の結晶構造が立方晶から六方晶に構造変化する。結晶構造が六方晶に構造変化すると、硬質皮膜の硬さが極端に失われて、硬質皮膜の耐磨耗性が著しく低下するという問題があった。

そこで、本発明においてはＡｌの比率が７５％以上のＡｌとＣｒとの窒化物皮膜であっても、結晶構造を立方晶とすることで硬質皮膜の硬度を維持しつつ、硬質皮膜の耐磨耗性が向上する硬質皮膜、当該硬質皮膜を被覆した工具および当該硬質皮膜の成膜方法を提供することを課題とする。

前述した課題を解決するために、本発明の硬質皮膜の成膜方法は、Ａｌ_１−ｙＣｒ_ｙ（０．０５≦ｙ≦０．２０）から成るターゲットを内部に備えるカソードアーク方式イオンプレーティング装置を用いた硬質皮膜の成膜方法において、カソードアーク方式イオンプレーティング装置内に設置する基板に対して印加するバイアス電圧を−１００Ｖ〜−１７０Ｖの範囲とし、基板の温度を３３０℃〜３７０℃の範囲として硬質皮膜を成膜する硬質皮膜の成膜方法とした。

また、本発明の硬質皮膜は、Ａｌ_１−ｘＣｒ_ｘＮ（０．０５≦ｘ≦０．２５：ｘはＣｒの原子比率を示す。）から成る組成の硬質皮膜であって、硬質皮膜の表面をＸ線回折（２θ）した際における３０°≦２θ≦９０°の測定範囲において、Ｃｕ―Ｋα線の最も高いピークが２θ＝３７．８°±１°の範囲に存在し、かつピークの半値幅が１°未満である硬質皮膜とした。前述の硬質皮膜は、Ｃｒの一部を、０．０５以下のＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、もしくはＮｂで置き換えた組成とすることもできる。また、硬質皮膜の厚さを０．１μｍ〜２０μｍの範囲とすることもできる。

本発明の硬質皮膜被覆工具は、前述の硬質皮膜が超硬合金製または高速度工具鋼製の工具の表面に被覆されている硬質皮膜被覆工具とする。

本発明の硬質皮膜の成膜方法により、成膜された硬質皮膜の結晶構造を立方晶とすることができる。そのため、硬質皮膜の硬度を維持しつつ、硬質皮膜の耐磨耗性を向上することができるという効果を奏する。

次に、本発明の硬質皮膜の成膜方法に関する実施形態の一例について説明する。まず、本発明の成膜方法に用いる成膜装置は、内部にターゲットが設置されており、当該ターゲット表面にアークを発生することで、当該ターゲットを構成する金属原子のイオンを発生させることでバイアス電圧が印加された基板表面に成膜を行うアークイオンプレーティング装置とする。

また、当該ターゲットはＡｌ_１−ｙＣｒ_ｙ（ｙはＣｒの原子比率を示す、０．０５≦ｙ≦０．２０）から成るターゲットとする。そのような成膜装置内に基板を設置して後、当該基板に対してアルゴンガス等の不活性ガスによるイオンボンバード（表面清浄）を行う。その後、当該基板に対してバイアス電圧を−１００Ｖ〜−１７０Ｖの範囲で印加する。また、基板の温度は３３０℃〜３７０℃の範囲とする。本発明の成膜方法において、基板に基板に対するバイアス電圧および基板の温度を限定した理由は、以下の通りである。

まず、硬質皮膜の結晶構造に関して、立方晶の構造を得るためには局所的な高圧状態を作り出す必要があると本発明者は考えた。すなわち、成膜対象である基板への成膜物質のエネルギーを比較的に高くする必要があると考えた。そのエネルギーを高める方法として、基板のバイアス電圧を絶対値が大きい負の電圧にする方法が最も簡便であると考えた。基板の電圧が所定値以上（絶対値が小さい）になると、成膜時のエネルギーが不足するので結晶構造は六方晶となりやすい。また、所定値以下（絶対値が大きい）であると、スパッタリング効果が大きくなり、成膜速度が低下する。以上の理由から、当該基板に対するバイアス電圧は、−１００Ｖ〜−１７０Ｖの範囲に限定した。

次に、結晶構造が立方晶のＡｌＣｒＮ硬質皮膜は、成膜後の熱処理によって結晶構造が六方晶に変化することが試験結果から把握されている。また、基板温度が３３０℃未満であると、成膜前の脱ガス工程が不十分になり、硬質皮膜の基板に対する密着性が低下する。このことから、成膜時の基板温度は３３０℃〜３７０℃の範囲とした。

なお、成膜対象がドリルやエンドミル等の切削工具である場合には、当該基板である切削工具の母材を成膜装置内に設置することができる。また、前述のターゲットのＣｒの比率が０．０５〜０．２０の範囲内である場合には、当該ターゲットを用いて成膜される硬質皮膜のＣｒ量は、０．０７〜０．２４の範囲内となる。

本発明の実施形態について、実施例を用いて詳細に説明する。カソードアーク方式イオンプレーティング装置内に設置したステンレス製の治具上に、高速度工具鋼からなる縦６ｍｍ、横６ｍｍ、高さ４０ｍｍの直方体のブロックを基板として、６ｍｍ×４０ｍｍの面が外側に向くように固定した。この治具を毎分５回転で自転させながら、同装置に設置した電熱ヒーターにより基板温度を３７０℃として１時間加熱した。

その後、基板温度を維持したまま約０．２ＰａのＡｒプラズマ中で基板をクリーニングした。このときの基板に印加したバイアス電圧は−２００Ｖとした。次に、約７Ｐａの窒素雰囲気中で各原子比率がＡｌ_０．８Ｃｒ_０．２の成分を持つターゲットに負の電荷を印加した状態で、電圧２４Ｖ、電流１００Ａのアーク放電を発生させた。

このアーク放電によりターゲットを構成する金属を蒸発させると同時にアーク放電によるイオン化を行い、反応ガス（窒素ガス）と反応させて基板上に堆積するアークイオンプレーティングを実施した。このときの基板に印加したバイアス電圧は−１５０Ｖ、基板温度を３７０℃とした。このような成膜方法による１時間の成膜で約１μｍの厚さのＡｌＣｒＮ硬質皮膜を得た。

得られたＡｌＣｒＮ硬質皮膜は、Ｘ線回折により分析した結果、膜金属成分がＡｌ_０．７６Ｃｒ_０．２４であった。また、Ｘ線回折において３０°≦２θ≦９０°の範囲でＣｕ−Ｋα線の最も高い回折ピークが２θ＝３７．８°±１°であり、その半値幅は１°未満であり、硬質皮膜の結晶構造は立方晶薄膜であった。

実施例１と同様にイオンプレーティングによりＡｌＣｒＮ薄膜を得た。ただし、ターゲット成分はＡｌ_０．８５Ｃｒ_０．１５、基板に印加したバイアス電圧は−１７０Ｖ、基板の温度は３３０℃とした。得られたＡｌＣｒＮ膜は膜金属成分がＡｌ_０．８３Ｃｒ_０．１７であり、Ｘ線回折において、３０°≦２θ≦９０°の範囲でＣｕ−Ｋα線の最も高い回折ピークが２θ＝３７．８°±１°であり、その半値幅が１°未満の立方晶薄膜であった。

実施例１と同様にイオンプレーティングによりＡｌＣｒＮ薄膜を得た。ただし、ターゲット成分はＡｌ_０．9Ｃｒ_０．１、基板に印加したバイアス電圧は−１２０Ｖ、基板の温度は３５０℃とした。得られたＡｌＣｒＮ膜は膜金属成分がＡｌ_０．８８Ｃｒ_０．１２であり、Ｘ線回折において、３０°≦２θ≦９０°の範囲でＣｕ−Ｋα線の最も高い回折ピークが２θ＝３７．８°±１°であり、その半値幅が１°未満の立方晶薄膜であった。

実施例１と同様にイオンプレーティングによりＡｌＣｒＮ薄膜を得た。ただし、ターゲット成分はＡｌ_０．９５Ｃｒ_０．０５、基板に印加したバイアス電圧は−１５０Ｖ、基板の温度は３５０℃とした。得られたＡｌＣｒＮ膜は膜金属成分がＡｌ_０．９３Ｃｒ_０．０７であり、Ｘ線回折において、３０°≦２θ≦９０°の範囲でＣｕ−Ｋα線の最も高い回折ピークが２θ＝３７．８°±１°であり、その半値幅が１°未満の立方晶薄膜であった。

実施例１と同様にイオンプレーティングによりＡｌＣｒＴｉＮ薄膜を得た。ただし、ターゲット成分はＡｌ_０．８Ｃｒ_０．１５Ｔｉ_０．０５、基板に印加したバイアス電圧は−１００Ｖ、基板温度は３７０℃とした。得られたＡｌＣｒＴｉＮ膜は膜金属成分がＡｌ_０．７８Ｃｒ_０．１７Ｔｉ_０．０５であり、Ｘ線回折において３０°≦２θ≦９０°の範囲でＣｕ−Ｋα線の最も高い回折ピークは、２θ＝３７．８°±１°であり、その半値幅は１°未満の立方晶薄膜であった。

実施例５と同様にイオンプレーティングによりＡｌＣｒＴｉＮ薄膜を得た。ただし、ターゲット成分はＡｌ_０．８Ｃｒ_０．１５Ｔｉ_０．０５、基板に印加したバイアス電圧は−１２０Ｖ、基板温度は３３０℃とした。得られたＡｌＣｒＴｉＮ膜は膜金属成分がＡｌ_０．７7Ｃｒ_０．１8Ｔｉ_０．０５であり、Ｘ線回折において３０°≦２θ≦９０°の範囲でＣｕ−Ｋα線の最も高い回折ピークは、２θ＝３７．８°±１°であり、その半値幅は１°未満の立方晶薄膜であった。

実施例５と同様にイオンプレーティングによりＡｌＣｒＴｉＮ薄膜を得た。ただし、ターゲット成分はＡｌ_０．８Ｃｒ_０．１５Ｔｉ_０．０５、基板に印加したバイアス電圧は−１５０Ｖ、基板温度は３５０℃とした。得られたＡｌＣｒＴｉＮ膜は膜金属成分がＡｌ_０．７６Ｃｒ_０．１８Ｔｉ_０．０６であり、Ｘ線回折において３０°≦２θ≦９０°の範囲でＣｕ−Ｋα線の最も高い回折ピークは、２θ＝３７．８°±１°であり、その半値幅は１°未満の立方晶薄膜であった。

実施例５と同様にイオンプレーティングによりＡｌＣｒＶＮ薄膜を得た。ただし、ターゲット成分はＡｌ_０．８Ｃｒ_０．１５Ｖ_０．０５、基板に印加したバイアス電圧は−１５０Ｖ、基板温度は３５０℃とした。得られたＡｌＣｒＴｉＮ膜は膜金属成分がＡｌ_０．７６Ｃｒ_０．１８Ｖ_０．０６であり、Ｘ線回折において３０°≦２θ≦９０°の範囲でＣｕ−Ｋα線の最も高い回折ピークは、２θ＝３７．８°±１°であり、その半値幅は１°未満の立方晶薄膜であった。

実施例５と同様にイオンプレーティングによりＡｌＣｒＺｒＮ薄膜を得た。ただし、ターゲット成分はＡｌ_０．８Ｃｒ_０．１５Ｚｒ_０．０５、基板に印加したバイアス電圧は−１５０Ｖ、基板温度は３５０℃とした。得られたＡｌＣｒＴｉＮ膜は膜金属成分がＡｌ_０．７６Ｃｒ_０．１９Ｚｒ_０．０５であり、Ｘ線回折において３０°≦２θ≦９０°の範囲でＣｕ−Ｋα線の最も高い回折ピークは、２θ＝３７．８°±１°であり、その半値幅は１°未満の立方晶薄膜であった。

実施例５と同様にイオンプレーティングによりＡｌＣｒＮｂＮ薄膜を得た。ただし、ターゲット成分はＡｌ_０．８Ｃｒ_０．１５Ｎｂ_０．０５、基板に印加したバイアス電圧は−１５０Ｖ、基板温度は３５０℃とした。得られたＡｌＣｒＮｂＮ膜は膜金属成分がＡｌ_０．７７Ｃｒ_０．１９Ｎｂ_０．０４であり、Ｘ線回折において３０°≦２θ≦９０°の範囲でＣｕ−Ｋα線の最も高い回折ピークは、２θ＝３７．８°±１°であり、その半値幅は１°未満の立方晶薄膜であった。

本発明の実施の形態に関する実施例は以上の通りであるが、本実施の形態とは異なる例（比較例）としての試験も行ったので、その試験条件および試験結果を以下に説明する。まず、比較例１として実施例１と同様にイオンプレーティングによりＡｌＣｒＮ薄膜を得た。ただし、ターゲット成分はＡｌ_０．７Ｃｒ_０．３、基板に印加したバイアス電圧は−５０Ｖ、基板温度は４５０℃とした。得られたＡｌＣｒＮ膜は膜金属成分がＡｌ_０．６８Ｃｒ_０．３２であり、Ｘ線回折において、３０°≦２θ≦９０°の範囲でＣｕ−Ｋα線の最も高い回折ピークが２θ＝３７．８°±１°であり、その半値幅が１°未満の立方晶薄膜であった。以上の結果より、比較例１は従来例であり、Ａｌ_０．７以下であれば基板バイアスが低く、温度が高くても立方晶薄膜となることを確認した。

次に、比較例２として比較例１と同様にイオンプレーティングによりＡｌＣｒＮ薄膜を得た。ただし、ターゲット成分はＡｌ_０．８Ｃｒ_０．２、基板に印加したバイアス電圧は−５０Ｖ、基板温度は３５０℃とした。得られたＡｌＣｒＮ膜は膜金属成分がＡｌ_０．７９Ｃｒ_０．２１であったが、Ｘ線回折において、３０°≦２θ≦９０°の範囲でＣｕ−Ｋα線の最も高い回折ピークは２θ=３３°の六方晶薄膜であった。比較例１よりもＡｌ比率が高い場合、基板バイアスが低いと六方晶薄膜となることを示す例である。

次に、比較例３として比較例１と同様にイオンプレーティングによりＡｌＣｒＮ薄膜を得た。ただし、ターゲット成分はＡｌ_０．８５Ｃｒ_０．１５、基板に印加したバイアス電圧は−１５０Ｖ、基板温度は４５０℃とした。得られたＡｌＣｒＮ膜は膜金属成分がＡｌ_０．８２Ｃｒ_０．１２であったが、Ｘ線回折において、３０°≦２θ≦９０°の範囲でＣｕ−Ｋα線の最も高い回折ピークは２θ≒３３°の六方晶薄膜であった。比較例１よりもＡｌ比率が高い場合、基板温度が高いと六方晶薄膜となることを示す例である。

次に、比較例４として比較例１と同様にイオンプレーティングによりＡｌＣｒＮ薄膜を得た。ただし、ターゲット成分はＡｌ_０．９Ｃｒ_０．１、基板に印加したバイアス電圧は−３０Ｖ、基板温度は４００℃とした。得られたＡｌＣｒＮ膜は膜金属成分がＡｌ_０．８９Ｃｒ_０．１１であったが、Ｘ線回折において、３０°≦２θ≦９０°の範囲でＣｕ−Ｋα線の最も高い回折ピークは２θ≒３３°の六方晶薄膜であった。比較例１よりもＡｌ比率が高い場合、基板バイアスが低く、基板温度が高いと六方晶薄膜となることを示す例である。

次に、比較例５として実施例４と同様にイオンプレーティングによりＡｌＣｒＮ薄膜を得た。ただし、ターゲット成分はＡｌ_０．９９Ｃｒ_０．０１とした。得られたＡｌＣｒＮ膜は膜金属成分がＡｌ_０．９９Ｃｒ_０．０１であったが、Ｘ線回折において、３０°≦２θ≦９０°の範囲でＣｕ−Ｋα線の最も高い回折ピークは２θ≒３３°の六方晶薄膜であった。実施例４よりもＡｌ比率が高いと六方晶薄膜となることを示す例である。

次に、比較例６として実施例７と同様にイオンプレーティングによりＡｌＣｒＴｉＮ薄膜を得た。ただし、基板温度は４５０℃とした。得られたＡｌＣｒＮＴｉ膜は膜金属成分がＡｌ_０．７６Ｃｒ_０．１８Ｔｉ_０．０６であったが、Ｘ線回折において、３０°≦２θ≦９０°の範囲でＣｕ−Ｋα線の最も高い回折ピークは２θ≒３３°の六方晶薄膜であった。実施例７で基板温度が高いと六方晶薄膜となることを示す例である。以上の本実施例１〜１０および比較例１〜６において使用したターゲットの組成、基板に印加したバイアス電圧（基板バイアス）、基板の温度（基板温度）、成膜された硬質皮膜の成分（皮膜成分）および当該硬質皮膜の結晶構造をまとめて表１に示す。

Claims (5)

1. Ａｌ_１−ｙＣｒ_ｙ（０．０５≦ｙ≦０．２０：ｙはＣｒの原子比率を示す。）から成るター
   ゲットを内部に備えるカソードアーク方式イオンプレーティング装置を用いた硬質皮膜の
   成膜方法であって、前記カソードアーク方式イオンプレーティング装置内に設置する基板
   に対して印加するバイアス電圧を−１００Ｖ〜−１７０Ｖの範囲とし、前記基板の温度を
   ３３０℃〜３７０℃の範囲として前記硬質皮膜を成膜することを特徴とする硬質皮膜の成
   膜方法。
2. Ａｌ_１−ｘＣｒ_ｘＮ（０．０５≦ｘ≦０．２５：ｘはＣｒの原子比率を示す。）から成る組成の硬質皮膜であって、前記硬質皮膜の表面をＸ線回折（２θ）した際における３０°≦２θ≦９０°の測定範囲において、Ｃｕ―Ｋα線の最も高いピークが２θ＝３７．８°±１°の範囲に存在し、かつ前記ピークの半値幅が１°未満であることを特徴とする硬質皮膜。
3. 前記Ｃｒの一部を、原子比率０．０５以下のＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、もしくはＮｂで置き換えた組成であることを特徴とする請求項２に記載の硬質皮膜。
4. 厚さが０．１μｍ〜２０μｍの範囲であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の硬質皮膜。
5. 請求項２ないし４のいずれか１項に記載の硬質皮膜が、超硬合金製または高速度工具鋼製の工具の表面に被覆されていることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。