JP2019112678A

JP2019112678A - 化学蒸着装置

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Publication number: JP2019112678A
Application number: JP2017247530A
Authority: JP
Inventors: 福永　有三; Yuzo Fukunaga; 有三福永; 真之今井; Masayuki Imai
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2017-12-25
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2037-12-25
Also published as: JP7021535B2

Abstract

【課題】成膜を安定的に行うことができ、十分な耐久性を有する皮膜を得る化学蒸着装置の提供。【解決手段】ガス予熱部は、混合ガスａ１を発生させるハロゲンガス発生部、混合ガスａ２を予熱する第１予熱部、第２予熱部、及び、混合ガスａ１と混合ガスａ２とを混合する混合部、を有し、第２予熱部のガス経路は、ガス予熱部を通過する最短長さで、ハロゲン化金属ガス発生部に至るガス経路の長さと第１予熱部のガス経路の長さの合計長は、第２予熱部のガス経路の長さよりも３倍以上、かつ、ハロゲン化金属ガス発生部、第１予熱部、第２予熱部の順で周壁のヒータに近接し、ガス放出部は、混合ガスＡを反応容器に導入するためにノズル穴を設けた第１のパイプと、混合ガスＢを反応容器に導入するためにノズル穴を設けた第２のパイプを有し、第１のパイプは第２のパイプの外側に同心円状に設けられている化学蒸着装置。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、ハロゲン化金属を含むガスを用いて、硬質皮膜を切削工具や金型の表面に被覆することに適した化学蒸着装置に関する。

切削工具や金型の寿命を向上させるために、物理蒸着法、化学蒸着法により工具の表面に、例えば、ＡｌとＴｉの窒化物、ＡｌとＣｒの窒化物の硬質皮膜を被覆することが知られている。

例えば、特許文献１は、ＮＨ_３、Ｎ_２とＨ_２からなるガス群Ａと、ＣｒＣｌ_３、ＡｌＣｌ_３、Ａｌ（ＣＨ_３）_３、Ｎ_２とＨ_２からなるガス群Ｂを別々に供給することで立方晶構造からなるＡｌとＣｒの窒化物からなる硬質皮膜を工具基材の表面に被覆することを開示している。

特開２０１７−８０８８３号公報

前述のように、切削工具への硬質皮膜の被覆は、物理蒸着法、化学蒸着法によりなされているが、硬質皮膜の膜種（組成）によっては、市販されている被覆切削工具の皮膜は、物理蒸着法によってのみなされたものであり、化学蒸着法によってなされたものは未見である。

本発明者は、例えば、特許文献１に記載されているハロゲンガスとアルカリガスを用いる化学蒸着について鋭意検討したところ、ハロゲンガスとアルカリガスとが過剰に反応して成膜が安定し難いことを確認した。

本発明者は、硬質皮膜の原料ガスとしてハロゲンガスとアルカリガスを用いた２種の金属の窒化物皮膜を安定的に切削工具や金型に被覆するための条件を鋭意検討したところ、以下の（１）〜（５）の新規な知見を得た。

（１）ハロゲンガスに、生成温度の異なる２種のハロゲン化金属（「高温ハロゲン化金属」と「低温ハロゲン化金属」）が含まれているとき、少なくとも高温ハロゲン化金属を化学蒸着装置内で発生させることが好ましい（低温ハロゲン化金属は化学蒸着装置外で発生させてもよい）こと。

（２）高温ハロゲン化金属の発生に影響を与えないために、高温ハロゲン化金属の発生時には低温ハロゲン化金属が存在しないことが好ましいこと。

（３）高温ハロゲン化金属と低温ハロゲン化金属とを混合したハロゲンガスとするとき、両者の温度差は小さい方が好ましいこと。

（４）アルカリガスは加熱を抑制し、ハロゲンガスよりも低温であることが好ましいこと。

（５）ハロゲンガスとアルカリガスとを、それぞれ、別系統で化学蒸着装置の反応容器内に供給し被覆を行うことが好ましいこと。

本発明は、前記知見に基づくものであり、以下の形態を含むものである。
「１ガス予熱部と反応容器にガスを導入するガス放出部を含む化学蒸着装置であって、
前記ガス予熱部は、
（１）ハロゲン化金属ガスを生成させるための混合ガスを当該金属に接触させてハロゲン化金属ガス含む混合ガスａ１を発生させるハロゲンガス発生部、
（２）混合ガスａ２を予熱する第１予熱部、
（３）混合ガスＢを予熱する第２予熱部、及び、
（４）前記混合ガスａ１と前記混合ガスａ２とを混合し、混合ガスＡとする混合部、
を有し、
前記第２予熱部のガス経路は、前記ガス予熱部を通過する最短長さで設けられており、
前記ハロゲン化金属ガス発生部に至るガス経路の長さと前記第１予熱部のガス経路の長さの合計長は、前記第２予熱部のガス経路の長さよりも３倍以上長く、かつ、前記ハロゲン化金属ガス発生部、前記第１予熱部、前記第２予熱部の順で炉の周壁に設けたヒータ側に近接して設けられており、
前記ガス放出部は、
前記混合ガスＡを前記反応容器に導入するためにノズル穴を設けた第１のパイプと、前記混合ガスＢを前記反応容器に導入するためにノズル穴を設けた第２のパイプを有し、前記第１のパイプは前記第２のパイプの外側に同心円状に設けられていることを特徴とする化学蒸着装置。
２前記第１のパイプに設けられたノズル穴から前記混合ガスＡのガス噴出方向と前記第２のパイプに設けられたノズル穴から前記混合ガスＢのガス噴出方向が３０〜９０度ずれて配置され、前記混合ガスＡのノズル穴と前記第１のパイプの軸心からの距離をＨ１、前記混合ガスＢのノズル穴と前記第１のパイプの軸心からの距離をＨ２とした場合、Ｈ２／Ｈ１は１．５以上とすることを特徴とする前記１に記載の化学蒸着装置。」

本発明によれば、ハロゲンガスとアルカリガスを用いた成膜を安定的に行うことができ、十分な耐久性を有する切削用皮膜や金型用皮膜を被覆する化学蒸着装置を得ることができるという、優れた効果を発揮する。

実施例の硬質皮膜の被覆に用いた化学蒸着装置（ＣＶＤ炉）の概略模式図である。実施例の硬質皮膜の被覆に用いた化学蒸着装置（ＣＶＤ炉）の要部を拡大した概略模式図である。実施例の硬質皮膜の被覆に用いた化学蒸着装置（ＣＶＤ炉）のガス噴出口の概略断面図である。比較例１及び２の硬質皮膜の被覆に用いた化学蒸着装置（ＣＶＤ炉）の模式図である。比較例１及び２の硬質皮膜の被覆に用いた化学蒸着装置（ＣＶＤ炉）のガス噴出口の概略断面図である。

次に、本発明の化学蒸着装置について、より詳しく説明する。
以下、高温ハロゲン化金属を含むハロゲンガスを「混合ガスａ１」、低温ハロゲン化金属を含むハロゲンガスを「混合ガスａ２」、混合ガスａ１と混合ガスａ２の混合ガスを「混合ガスＡ」、アルカリガスを含む混合ガスを「混合ガスＢ」と、それぞれ、いうことがある。

本発明の化学蒸着装置は、ガス予熱部と反応容器内にガスを導入するガス放出部とを有している。この化学蒸着装置は、複数の金属の窒化物皮膜を被覆できるように反応容器内の温度、圧力を調整できる。
ガス予熱部は、
（１）高温ハロゲン化金属を含むハロゲンガスを生成させるための混合ガスを、当該金属に接触させて、高温ハロゲン化金属を含む混合ガスａ１を発生させるハロゲン化金属ガス発生部、
（２）混合ガスａ２を予熱する第１予熱部、
（３）混合ガスＢを予熱する第２予熱部、
（４）混合ガスａ１と混合ガスａ２とを混合し、混合ガスＡとする混合部、
を有している。
なお、予熱部の熱源は、周壁またはその近傍に予熱部用に独立して設けてもよいし、化学蒸着装置の周壁またはその近傍に備えられている熱源（ヒータ）を利用してもよい。また、ハロゲン化金属の発生に使用する金属は、フレーク状などのハロゲン化金属が発生しやすい形状とする。

ここで予熱部において、各混合ガスの温度を前述のとおりとするために、化学蒸着装置の周壁またはその近傍に設けられている熱源（ヒータ）に、ハロゲン化金属ガス発生部、第１予熱部、第２予熱部の順に近づけると共に、ガス経路の配置を工夫して、混合ガスａ１を得るためのガス流路の長さ（「ハロゲン化金属ガス発生部に至るガス経路の長さ」ともいう）と混合ガスａ２のガス経路の長さ（「第１予熱部のガス経路の長さ」ともいう）の合計の長さを混合ガスＢのガス経路の長さ（「第２予熱部のガス経路の長さ」ともいう）の３倍以上、好ましくは、５倍以上で、８倍以下とし、さらには、混合ガスＢのガス経路の長さをガス予熱部を最短長さで通過する長さとする。
ここで、混合ガスａ１を生成するガス経路の長さ、混合ガスａ２のガス経路の長さ、混合ガスＢのガス経路の長さとは、それぞれ、化学蒸着装置のガス導入口からガス予熱部の出口までの長さをいう。後述するように実施例で使用される化学蒸着装置の予熱部では、成膜中に回転を伴う接続経路及び予熱室（予熱チャンバー）内の経路をいう。

このような構成にすることによって、高温ハロゲン化金属を十分に含んだ混合ガスａ１を得ることができる温度に混合ガスが予熱され、一方、混合ガスａ２は、混合ガスａ１の近傍の温度、例えば、混合ガスａ１予熱温度±８０℃の範囲に予熱され、混合ガスａ１と混合されて混合ガスＡとすることができる。他方、混合ガスＢは、混合ガスＡよりも低い温度となる。
なお、混合ガスＡについては、予熱部におけるガス経路が長いため、化学蒸着装置に備えられている熱源を利用するときは、ほぼ反応容器の温度まで上昇している。一方、混合ガスＢについては、予熱部におけるガス経路を最短としているため、温度上昇が抑制されているということができる。

さらに、化学蒸着装置の反応容器内は、ガス放出部として、混合ガスＡを反応容器に導入するためにノズル穴を設けた第１のパイプと、混合ガスＢを反応容器に導入するためにノズル穴を設けた第２のパイプを有している。第２パイプは２本で、１本の第１のパイプの外側に対向するように配置され、これらパイプは第１のパイプの軸心を中心に、例えば、２〜５回転／分の速度で回転することが望ましい。
ここで、混合ガスＡのノズル穴と混合ガスＢのノズル穴が近すぎると、急激な反応が起こり、例えば、柱状粒子の集合から構成される組織が得られ難くなるとともに、硬質皮膜の膜厚分布が悪くなり、一方、混合ガスＡのノズル穴と混合ガスＢのノズル穴が離れすぎると、ガス供給が不十分となり膜厚分布が悪くなる、という成膜が不安定なものとなる。そこで、これを防ぐために、一例として、混合ガスＡのノズル穴からのガス噴出方向と混合ガスＢのノズル穴からのガス噴出方向は３０度から９０度ずれて配置し、混合ガスＡのノズル穴と回転軸（第１のパイプの軸心）からの距離をＨ１、混合ガスＢのノズル穴と回転軸（第１のパイプの軸心）からの距離をＨ２とした場合、Ｈ２／Ｈ１は１．５以上とすることが挙げられる。

以下、実施例として、高温ハロゲン化金属が塩化Ｃｒ（ＣｒＣｌ_３で表現できる成分のみではなくＣｒとＣｌとが化学的に結合したもの全てをいう）、及び、低温ハロゲン化金属がＡｌＣｒ_３を用いて、ＡｌＣｒＮ皮膜を工具基体に被覆する例を挙げて、本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、例えば、他に、高温ハロゲン化金属をＴｉＣｌ_４、低温ハロゲン化金属をＡｌＣｌ_３として、ＡｌＴｉＮ皮膜の被覆にも適用可能であるし、ハロゲンは塩素に限定されない。また、形成される皮膜は窒化物皮膜に限らず、例えば、炭窒化物であってもよい。さらに、被覆対象は工具基体に限らず金型であってもよい。

本実施例では、概略模式図として図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃに示す化学蒸着装置（ＣＶＤ炉）１を用いた。まず、この装置の概要を説明する。
ＣＶＤ炉１は、円筒形のチャンバー２と、チャンバー２の周壁内部に設けられたヒータ３と、チャンバー２に多数のインサート基材（工具基材）２０を設置する複数のインサート設置板４を有する反応容器５と、反応容器５の下部に設けられた接続経路１１と予熱部である予熱チャンバー６を有する。
予熱チャンバー６は、
円筒状であってその下部に、ガス経路８２から導入された塩化Ｃｒガス発生用の混合ガスを接続経路１１を経由して予熱チャンバー６の径方向に分散させ、塩化Ｃｒガス発生室６２に導入する空間と、
この空間の直上に設けられ、予熱チャンバー６の外周にその円筒の外周が一致し中心部が円筒状の空間を形成する内周を有する、予熱チャンバー６と同心状の塩化Ｃｒガス発生室６２と、
塩化Ｃｒガス発生室６２の中心部の円筒状の空間に予熱チャンバー６と同心状に形成され、ガス経路８１から導入された混合ガスａ２を予熱する予熱室６１（第１予熱部）と、
塩化Ｃｒガス発生室６２と予熱室６１の上部に位置し、混合ガスａ１と混合ガスａ２とを混合して混合ガスＡとする混合室６３（混合部）と、
を有している。
また、予熱チャンバー６、すなわち、予熱室６１の軸心部には、ガス経路９１から導入された混合ガスＢがその高さ方向に貫通する経路（第２予熱部）があり、この経路は予熱チャンバー６の上部でパイプ７の中心経路につながっており、これは、予熱チャンバー６を通過する最短長さ（５５０ｍｍ）となっている。一方、混合室６３で混合された混合ガスＡの経路は、予熱チャンバー６の上部でパイプ７の２の外側経路につながるよう設けられている。

ガス経路８２から導入された混合ガスは、予熱チャンバー６内の塩化Ｃｒガス発生室６２に導入され、反応容器内の温度（炉内温度）である７５０℃近傍となって同発生室内の金属Ｃｒと反応して塩化Ｃｒガスを含む混合ガスａ１となり、混合室６３に導入される。
そして、前記のとおり、混合ガスＢはパイプ７の外側経路に導入され、ノズル穴９１ａ、９１ｂから反応容器５内に導入される。他方、ガス経路８１、８２から導入され予熱室６１を貫通する反応ガスＡは、パイプ７の中心経路に導入され、ノズル穴８３ａ、８３ｂから反応容器５内に導入される。
ここで、ノズル穴８３ａ、８３ｂとノズル穴９１ａ、９１ｂの位置関係は図１Ｃのガス噴出口断面図に示すように、ノズル穴９１ａ、９１ｂは、ノズル穴８３ａ、８３ｂよりもパイプ７の回転軸Ｏ１よりも外側に配置されており、ノズル穴９１ａ、９１ｂと回転軸Ｏ１からの距離をＨ２、ノズル穴８３ａ、８３ｂと回転軸Ｏ１からの距離をＨ１としたとき、Ｈ２／Ｈ１は２となっており、ノズル穴９１ａ、９１ｂの噴出方向とノズル穴８３ａ、８３ｂの噴出方向は９０度の角度をなしている。
図１Ｂの１２に示す、接続経路１１と予熱チャンバー６及びパイプ７は、２回転／分の速度で回転するように構成されているが、図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃでは、この回転に必要な構成の図示を省略している。

図１Ａ及び図１Ｂでは、具体的な構成の図示を省略しているが、混合ガスａ１を得るためのガス経路の長さと混合ガスａ２のガス経路の長さとの合計の長さは、図１Ｂに示す１３ａと１３ｂと１３ｃの合計である混合ガスＢのガス経路の長さの約４倍となるように構成されている。

次に、ＡｌＣｒＮ被膜の被覆について詳述する。

≪工具基材≫
工具基材（基材）として、ＷＣ基超硬合金（１０質量％のＣｏ、０．６質量％のＣｒ_３Ｃ_２、残部ＷＣ及び不可避的不純物からなる）製のミーリング用インサート（三菱日立ツール製のＷＤＮＷ１４５２０）と、ＷＣ基超硬合金（７質量％のＣｏ、０．６質量％のＣｒ_３Ｃ_２、２．２質量％のＺｒＣ、３．３質量％のＴａＣ、０．２質量％のＮｂＣ、残部ＷＣ及び不可避的不純物からなる）製の物性評価用インサート（ＩＳＯ規格のＳＮＭＮ１２０４０８）を用意し、共に、反応容器内５のインサート設置板４に載置した。

≪中間皮膜の被覆≫
実施例１〜５及び７〜８については、中間皮膜として窒化チタン皮膜を形成した。まず、基材を、図１Ａに示すＣＶＤ炉１内にセットし、Ｈ_２ガスを流しながらＣＶＤ炉１内の温度を８００℃に上昇させた。その後、８００℃及び１２ＫＰａで、予熱チャンバー６のガス導入口からガス経路８１を経て、８３．１体積％のＨ_２ガス、１５．０体積％のＮ_２ガス、１．９体積％のＴｉＣｌ_４ガスからなる混合ガスを予熱室６２に導入し、パイプ７の第１のノズル穴８３ａ、８３ｂから６７Ｌ／分の流量で反応容器５内に流して窒化チタン皮膜を形成した。
実施例６については、中間皮膜として窒化チタンアルミニウム皮膜を形成した。まず、基材を、図１Ａに示すＣＶＤ炉１内にセットし、Ｈ_２ガスを流しながらＣＶＤ炉１内の温度を８００℃に上昇させた。その後、８００℃及び４ＫＰａで、予熱チャンバー６のガス導入口からガス経路８１を経て、０．１５体積％のＴｉＣｌ_４ガス、０．４５体積％のＡｌＣｌ_３ガス、７．５０体積％のＮ_２ガス、及び５２．５１体積％のＨ_２ガスからなる混合ガスを予熱室６２に導入し、パイプ７の第１のノズル穴８３ａ、８３ｂから反応容器炉５内に流すとともに、ガス経路９１に３０．７６体積％のＨ_２ガス、７．５０体積％のＮ_２ガス、１．１３体積％のＮＨ_３ガスからなる混合ガスを導入し、パイプ７の第２のノズル穴９１ａ、９１ｂから６７Ｌ／分の流量で反応容器５内に流して、窒化チタンアルミニウム皮膜を形成した。
中間皮膜の被覆条件を表１に示す。

≪硬質皮膜の被覆≫
≪混合ガスａ１を得る工程≫
Ｈ₂ガスを流しながらＣＶＤ炉１内の圧力を４ＫＰａに下げた後、図１Ａに示す予熱チャンバー６のガス経路８２に、４００℃に保温したＨ₂ガスとＨＣｌガスの混合ガスを導入した。
８００℃に予熱した予熱チャンバー６の塩化Ｃｒガス発生室６２は、Ｃｒ金属フレーク（純度９９．９９％、サイズ２ｍｍ〜８ｍｍ）が充填されており、ガス経路８２より導入したＨ₂ガスとＨＣｌガスの混合ガスと反応し、Ｈ₂ガスと塩化Ｃｒガスの混合ガスである混合ガスａ１を生成し、混合室６３に導入した。

≪混合ガスＡを得て、ノズル穴から反応容器に導入する工程≫
予熱チャンバー６のガス導入口からガス経路８１を経て、Ｈ₂ガスとＡｌＣｌ₃ガスを混合した混合ガスａ２を予熱室６２で予熱し後、混合室６３へ導入した。
そして、混合ガスａ１と混合ガスａ２を混合室６３で混合して予熱室の温度である８００℃近傍の温度となっている混合ガスＡを得た。そして、得られた混合ガスＡを、パイプ７の第１のノズル穴８３ａ、８３ｂから反応容器炉内に導入した。混合ガスＡの合計流量は４８．７５Ｌ／分であった。

≪混合ガスＢをノズル穴から反応容器に導入する工程≫
ガス経路９１にＨ₂ガスとＮ₂ガス及びＮＨ₃ガスからなる混合ガスＢを導入し、パイプ７の第２のノズル穴９１ａ、９１ｂから炉内に導入した。混合ガスＢの合計流量は３０．２５Ｌ／分であった。
なお、ここで、ＮＨ_３／（Ｈ_２＋Ｎ_２）の値が０．００２以上０．０２０以下にあると、ＡｌとＣｒをベースとする窒化物を有する硬質皮膜をより安定的に成膜することができる。

こうして、実施例１〜８は、表２に記載された中間皮膜の上に、表３に示す各混合ガス組成で化学蒸着法により、膜厚が約６μｍのＡｌとＣｒの窒化物を被覆して被覆切削工具を製作した。
なお、発生した塩化Ｃｒガス、ＡｌＣｌ_３ガスの量は、塩化Ｃｒガス発生室に導入するＨＣｌガス量の１／３を塩化Ｃｒガス量として混合ガスの組成を求めた。

なお、実施例８については、上層を設けた。上層の成膜は、本実施態様に係るＡｌとＣｒを主体とする窒化物膜を成膜後、結合層、酸化アルミニウム層の順に成膜する。すなわち、まず、Ｔｉ（ＣＮ）層及びＴｉ（ＣＮＯ）層からなる結合層を形成するために、１０００℃及び１６ｋＰａで、予熱チャンバー６のガス導入口からガス経路８１を経て、６３．５体積％のＨ_２ガス、２２．０体積％のＮ_２ガス、３．２体積％のＣＨ_４ガス、及び１．３体積％のＴｉＣｌ_４ガスからなる混合ガスを予熱室６２に導入し、パイプ７の第１のノズル穴８３ａ、８３ｂから反応容器炉内に流すとともに、ガス経路９１に、１０体積％のＨ_２ガスを導入し、パイプ７の第２のノズル穴９１ａ、９１ｂから炉内に流して、厚さ０．５μｍのＴｉ（ＣＮ）層を形成した。連続して１０００℃及び１６ｋＰａで、５１．３体積％のＨ_２ガス、３０．７体積％のＮ_２ガス、３．０体積％のＣＨ_４ガス、１．２体積％のＴｉＣｌ_４ガス、３．０体積％のＣＯガス、及び０．８体積％のＣＯ_２ガスからなる混合ガスを予熱室６２に導入し、パイプ７の第１のノズル穴８３ａ、８３ｂから反応容器炉内に流すとともに、ガス経路９に、１０体積％のＨ_２ガスを導入し、パイプ７の第２のノズル穴９１ａ、９１ｂから炉内に流して、厚さ０．５μｍのＴｉ（ＣＮＯ）層を形成した。

さらに、１０００℃及び９ｋＰａで、９．２体積％のＡｌＣｌ_３ガスと、８５．３体積％のＨ_２ガスと、４．３体積％のＣＯ_２ガスと、０．２体積％のＨ_２Ｓガスと、１．０体積％のＨＣｌガスとからなる混合ガスを予熱室６２に導入し、パイプ７の第１のノズル穴８３ａ、８３ｂから反応容器炉内に流すとともに、ガス経路９に、１０体積％のＨ_２ガスを導入し、パイプ７の第２のノズル穴９１ａ、９１ｂから炉内に流して、厚さ１μｍの酸化アルミニウム層を形成した。

これに対して、比較の目的で、比較例１〜２をそれぞれ以下のようにした。

比較例１は、図２Ａ、図２Ｂに示すＣＶＤ炉を用いて硬質皮膜を作製した。まず、このＣＶＤ炉の構成を簡単に説明する。図２Ａ、図２Ｂにおいて、図１Ａ、１Ｃと同じ符号の部材は、これら図と同じ部材を表している。このＣＶＤ炉では、ガス経路８４から導入される混合ガスはノズル７に設けられたノズル穴８４ａから、ガス経路９３から導入される混合ガスはノズル７に設けられたノズル穴９３ａから、独立に反応容器５内に導入される。なお、パイプ７は回転するが、回転に必要な構成の図示は省略している。すなわち、比較例１で用いたＣＶＤ炉は、本発明でいう予熱部を有していない。
比較例１では、基材の上に中間皮膜である窒化チタン皮膜を実施例１と同じ成膜条件により形成した。その後、８００℃でＨ_２ガスを流しながらＣＶＤ炉１内の圧力を４ＫＰａに下げた後、ガス経路８４に、表２に示す組成のＨ₂ガスとＮ₂ガスと塩化ＣｒガスとＡｌＣｌ₃ガスの混合ガスＡを導入し、パイプ７のノズル穴８４ａから反応容器５内に導入し、表３に示す組成のガス経路９３にＨ₂ガスとＮ₂ガス及びＮＨ₃ガスからなる混合ガスＢを導入し、パイプ７のノズル穴９３ａから反応容器５内に導入した。こうして、中間皮膜の上に、化学蒸着法により、膜厚が約６μｍのＡｌとＣｒの窒化物の皮膜をインサート基材に被覆して、被覆切削工具を製作した。

比較例２は、比較例１と同じＣＶＤ炉を用いて硬質皮膜を作製した。基材の上に中間皮膜である窒化チタン皮膜を実施例１と同じ成膜条件により形成した。その後、８００℃でＨ₂ガスを流しながらＣＶＤ炉１内の圧力を４ＫＰａに下げた後、ガス経路８４に、表２に示す組成のＨ₂ガスとＮ₂ガスと塩化Ｃｒガス及びＡｌＣｌ₃ガスの混合ガスＡを導入し、パイプ７のノズル穴８４ａから炉内に導入し、ガス経路９３に、表３に示す組成のＨ₂ガスとＮ₂ガス及びＮＨ₃ガスからなる混合ガスＢを導入し、パイプ７のノズル穴９３ａから炉内に導入した。こうして、中間皮膜の上に、化学蒸着法により、膜厚が約６μｍのＡｌとＣｒの窒化物の皮膜をインサート基材に被覆して、被覆切削工具を製作した。

次に、実施例１〜８及び比較例１〜２について、硬質皮膜の組成、切削性評価を下記のとおりに行った。

≪硬質皮膜の組成≫
電子プローブマイクロ分析装置（ＥＰＭＡ、日本電子株式会社製ＪＸＡ―８５００Ｆ）を用いて、加速電圧１０ＫＶ、照射電流０．０５Ａ、及びビーム径０．５μｍの条件で、物性評価用インサート（ＳＮＭＮ１２０４０８）の断面における窒化アルミクロムニウム硬質皮膜の膜厚方向中心の任意の５箇所を測定して、得られた測定値の平均から硬質皮膜の組成を求めた。測定結果を表３に示す。

≪結晶構造の測定≫
Ｘ線回折装置（ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ社製のＥＭＰＹＲＥＡＮ）を用いて、管電圧４５ｋＶ及び管電流４０ｍＡでＣｕＫα１線（波長λ：０．１５４０５ｎｍ）を物性評価用インサート（ＳＮＭＮ１２０４０８）のすくい面の硬質皮膜の表面に照射して硬質皮膜の結晶構造を評価した。結果を表３に示す。

≪切削評価≫
被覆したミーリング用インサートを、刃先交換式回転工具（ＡＳＲＴ５０６３Ｒ−４）に止めねじで装着し、下記のミーリング条件で硬質皮膜の工具寿命を評価した。硬質皮膜の逃げ面摩耗幅は、倍率１００倍の光学顕微鏡で観察することにより測定した。工具寿命は、逃げ面の最大摩耗幅が０．３５０ｍｍを超えたときの総切削長さとし、それに至る加工時間を工具寿命として５分単位で測定した。加工条件を以下に示す。試験結果を表３に示す。
被削材：Ｓ５５Ｃ（３０ＨＲＣ）
加工方法：ミーリング加工
インサート形状：ＷＤＮＷ１４０５２０
切削速度：１５０ｍ／分
回転数：毎分７５８回転
一刃当たりの送り：２．０５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
送り速度：１５５４ｍｍ／分
軸方向の切り込み量：１．０ｍｍ
径方向の切り込み量：４０ｍｍ
切削方法：乾式切削

実施例１〜８は、いずれも、ＡｌＣｒＮ皮膜であって、安定した皮膜の被覆ができたため耐摩耗性及び耐チッピング性が向上し優れた耐久性を示した。一方、比較例１〜２は、ＡｌＣｒＮ皮膜であるものの安定した皮膜の被覆ができずいずれも早期に皮膜剥離が発生した。

前述のとおり、この発明の化学蒸着装置は、ハロゲンガスとアルカリガスを用いた成膜を安定的に行うことができ、十分な耐久性を有する切削用皮膜や金型用皮膜を被覆することができるものであるから、切削工具、金型等の高性能化、切削加工及び成形加工の省力化、省エネ化、さらには低コスト化が十分に期待できる。

１：化学蒸着装置（ＣＶＤ炉）
２：チャンバー
３：ヒータ
４：インサート設置板
５：反応容器
５ａ：反応容器の開口部
６：予熱チャンバー（予熱部）
６１：予熱室
６２：塩化Ｃｒガス発生室（ハロゲン化金属ガス発生部）
６３：混合室（混合部）
７：パイプ（ガス放出部）
８３ａ、８３ｂ、９１ａ、９１ｂ、９２ａ、９３ａ：ノズル穴（ガス噴出口）
８１：混合ガスａ２のガス経路
８２：混合ガスａ１となる混合ガスのガス経路
８４：混合ガスのガス経路
９１：混合ガスＢのガス経路
９２：混合ガスのガス経路
９３：混合ガスのガス経路
１０：排気パイプ
１１：接続経路
１２：成膜中回転部
１３ａ：予熱チャンバー内の混合ガスＢのガス経路
１３ｂ：接続経路内の混合ガスＢのガス経路（縦方向）
１３ｃ：接続経路内の混合ガスＢのガス経路（回転軸方向）
２０：インサート基材

Claims

ガス予熱部と反応容器にガスを導入するガス放出部を含む化学蒸着装置であって、
前記ガス予熱部は、
（１）ハロゲン化金属ガスを生成させるための混合ガスを当該金属に接触させてハロゲン化金属ガス含む混合ガスａ１を発生させるハロゲンガス発生部、
（２）混合ガスａ２を予熱する第１予熱部、
（３）混合ガスＢを予熱する第２予熱部、及び、
（４）前記混合ガスａ１と前記混合ガスａ２とを混合し、混合ガスＡとする混合部、
を有し、
前記第２予熱部のガス経路は、前記ガス予熱部を通過する最短長さで設けられており、
前記ハロゲン化金属ガス発生部に至るガス経路の長さと前記第１予熱部のガス経路の長さの合計長は、前記第２予熱部のガス経路の長さよりも３倍以上長く、かつ、前記ハロゲン化金属ガス発生部、前記第１予熱部、前記第２予熱部の順で炉の周壁に設けたヒータ側に近接して設けられており、
前記ガス放出部は、
前記混合ガスＡを前記反応容器に導入するためにノズル穴を設けた第１のパイプと、前記混合ガスＢを前記反応容器に導入するためにノズル穴を設けた第２のパイプを有し、前記第１のパイプは前記第２のパイプの外側に同心円状に設けられていることを特徴とする化学蒸着装置。
前記第１のパイプに設けられたノズル穴から前記混合ガスＡのガス噴出方向と前記第２のパイプに設けられたノズル穴から前記混合ガスＢのガス噴出方向が３０〜９０度ずれて配置され、前記混合ガスＡのノズル穴と前記第１のパイプの軸心からの距離をＨ１、前記混合ガスＢのノズル穴と前記第１のパイプの軸心からの距離をＨ２とした場合、Ｈ２／Ｈ１は１．５以上とすることを特徴とする請求項１に記載の化学蒸着装置。