JP2019131861A - Hard film, hard film-coated tool, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、優れた潤滑性を発揮する(AlCrB)N硬質皮膜、硬質皮膜被覆工具及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an (AlCrB) N hard film, a hard film-coated tool, and a method for producing the same, which exhibit excellent lubricity.
被削材を高送りや高速で切削加工する工具や、過酷な成形条件に用いる金型等を長寿命化するために種々の硬質皮膜が提案がされている。 Various hard coatings have been proposed in order to extend the life of tools for cutting work materials at high feed rates and high speeds, dies used for severe molding conditions, and the like.
特開2005−330539号公報(特許文献1)は、基材の表面に、組成式:(Al1−xCrx)(N1−yBy)zにおいて0.35≦x≦0.65、0.03≦y≦0.3及び0.8≦z≦1.2を満たす硬質膜を被覆した耐摩耗性被覆部材を開示している。 Japanese Patent Laying-Open No. 2005-330539 (Patent Document 1) discloses that 0.35 ≦ x ≦ 0.65 in the composition formula: (Al 1-x Cr x ) (N 1-y B y ) z on the surface of a substrate. , 0.03 ≦ y ≦ 0.3 and 0.8 ≦ z ≦ 1.2 are disclosed.
特許第3640310号(特許文献2)は、(AlxCr1−x−ySiy)(N1−α−β−γBαCβOγ)、但し、x、y、α、β及びγは夫々原子比率を示し、0.45<x<0.75、0<y<0.20、0≦α<0.12、0≦β<0.20、0<γ<0.25からなる組成の硬質皮膜を開示している。 Patent No. 3640310 (Patent Document 2), (Al x Cr 1-x -y Si y) (N 1-α-β-γ B α C β O γ), where, x, y, α, β and γ represents an atomic ratio, and 0.45 <x <0.75, 0 <y <0.20, 0 ≦ α <0.12, 0 ≦ β <0.20, and 0 <γ <0.25. A hard film having the composition is disclosed.
特許第5331210号(特許文献3)は、AlαCrbXcαdN[但し、Xは結合状態がSP2又はSP3の混成軌道のBNで、10分子以上からなる直径が1〜1000nmの範囲内の塊であり、アモルファス状態のBN、又はcBN、hBNの少なくとも一方の結晶を含むもので、αは周期律表のIVa族、Va族、VIa族(Crを除く)、B、C、Si、Yの中の一種類以上の元素であり、a、b、c、dはそれぞれ原子比で、0.35≦a≦0.76、0.12≦b≦0.43、0.02≦c≦0.20、0≦d≦0.20の範囲内であり、かつAlに対するCrの原子比の割合(b/a)が0.25≦b/a≦0.67の範囲内でアルミニウムリッチであり、a+b+c+d=1である。]からなる硬質皮膜を開示している。 Patent No. 533310 (Patent Document 3) is Al α Cr b X c α d N [where X is a BN of a hybrid orbital in which the binding state is SP2 or SP3, and a diameter of 10 to 1000 nm is in the range of 1 to 1000 nm. Is an agglomerate containing amorphous BN, or at least one crystal of cBN and hBN, and α is IVa group, Va group, VIa group (excluding Cr), B, C, Si in the periodic table , Y are one or more elements, and a, b, c, and d are atomic ratios of 0.35 ≦ a ≦ 0.76, 0.12 ≦ b ≦ 0.43, 0.02 ≦, respectively. Aluminum within the range of c ≦ 0.20, 0 ≦ d ≦ 0.20, and the ratio of atomic ratio of Cr to Al (b / a) within the range of 0.25 ≦ b / a ≦ 0.67 Rich, a + b + c + d = 1. ] Is disclosed.
特許第5684829号(特許文献4)は、3.5Pa及び500℃のN2雰囲気中で陰極アーク蒸発(アークイオンプレーティング法)によりfcc構造のAlCrBN皮膜を形成(段落0014)している。 Japanese Patent No. 5684929 (Patent Document 4) forms an fcc-structured AlCrBN film (paragraph 0014) by cathodic arc evaporation (arc ion plating method) in an N 2 atmosphere at 3.5 Pa and 500 ° C.
上記従来技術に記載のとおり、AlCrNにBを添加することにより、高硬度の硬質皮膜が得られる。しかし、昨今の過酷な長寿命化の要求を満たす硬質皮膜を得るには、硬質皮膜の硬度向上による耐摩耗性の向上だけでなく、硬質皮膜の潤滑性の向上による耐チッピング性、耐摩耗性の向上が必要である。従って、上記要求を満たす新たな(AlCrB)N皮膜及び当該皮膜を被覆した切削工具が求められている。 As described in the above prior art, a hard film with high hardness can be obtained by adding B to AlCrN. However, in order to obtain a hard coating that satisfies the recent demands for long life, not only the wear resistance by improving the hardness of the hard coating but also the chipping resistance and wear resistance by improving the lubricity of the hard coating. Need to be improved. Therefore, a new (AlCrB) N coating satisfying the above requirements and a cutting tool coated with the coating are required.
従って、本発明の目的は、従来より優れた潤滑性を発揮し、もって長寿命で高性能な(AlCrB)N硬質皮膜、当該硬質皮膜を基体上に形成した硬質皮膜被覆工具及びその製造方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a (AlCrB) N hard coating that exhibits superior lubricity, has a long life, and has a long life, a hard coating tool that has the hard coating formed on a substrate, and a method for manufacturing the same. Is to provide.
本発明の硬質皮膜は、(AlxCr1−x−yBy)NaO1−a(ただし、x、1−x−y、y、a及び1−aはそれぞれAl、Cr、B、N及びOの原子比を表し、0.35≦x≦0.75、0.01≦y≦0.1、及び0.990≦a≦0.998を満たす数字である。)で表される組成を有し、X線回折パターンがfccの単一構造を有することを特徴とする。 The hard coating of the present invention has (Al x Cr 1-xy B y ) N a O 1-a (where x, 1-xy, y, a, and 1-a are Al, Cr, B, respectively). , N and O, and a numerical value satisfying 0.35 ≦ x ≦ 0.75, 0.01 ≦ y ≦ 0.1, and 0.990 ≦ a ≦ 0.998. The X-ray diffraction pattern has a single structure of fcc.
上記の硬質皮膜において、X線光電子分光分析法で特定されたB−N結合とB−O結合とのピーク強度比(B−N)/(B−O)が0.4〜1.0であるのが好ましい。 In the above hard coating, the peak intensity ratio (BN) / (BO) between the BN bond and the BO bond specified by the X-ray photoelectron spectroscopy is 0.4 to 1.0. Preferably there is.
本発明の硬質皮膜被覆工具は、前記硬質皮膜を基体上に形成したことを特徴とする。 The hard film-coated tool of the present invention is characterized in that the hard film is formed on a substrate.
本発明の硬質皮膜被覆工具の製造方法は、(AlxCr1−x−yBy)NaO1−a(ただし、x、1−x−y、y、a及び1−aはそれぞれAl、Cr、B、N及びOの原子比を表し、0.35≦x≦0.75、0.01≦y≦0.1、及び0.990≦a≦0.998を満たす数字である。)で表される組成を有し、X線回折パターンがfccの単一構造を有する硬質皮膜を基体上に有する硬質皮膜被覆工具をアークイオンプレーティング法により製造する方法であって、アーク放電式蒸発源(ターゲット)として酸素含有量が2000〜4000μg/gのAlCrB焼結体合金を用いて、全圧2.7〜3.3Paとした窒素ガス雰囲気中において、400〜550℃の温度に保持した前記基体上に前記硬質皮膜を形成することを特徴とする。 The manufacturing method of the hard film coated tool of the present invention is (Al x Cr 1-xy B y ) N a O 1-a (where x, 1-xy, y, a and 1-a are respectively Represents the atomic ratio of Al, Cr, B, N, and O, and is a number that satisfies 0.35 ≦ x ≦ 0.75, 0.01 ≦ y ≦ 0.1, and 0.990 ≦ a ≦ 0.998 )) And a hard film coated tool having a hard film having a single structure with an X-ray diffraction pattern of fcc on a substrate, which is produced by arc ion plating. Using an AlCrB sintered body alloy having an oxygen content of 2000 to 4000 μg / g as an evaporation source (target), in a nitrogen gas atmosphere with a total pressure of 2.7 to 3.3 Pa, the temperature is set to 400 to 550 ° C. The hard coating is formed on the held substrate. The features.
上記製造方法において、前記硬質皮膜においてX線光電子分光分析法で特定されたB−N結合とB−O結合とのピーク強度比(B−N)/(B−O)が0.4〜1.0であり、かつ前記基体に−160V〜−100Vのバイアス電圧を印加するのが好ましい。前記バイアス電圧として直流バイアス電圧又はパルスバイアス電圧が好ましい。 In the above production method, the peak intensity ratio (BN) / (BO) between the BN bond and the BO bond specified by X-ray photoelectron spectroscopy in the hard coating is 0.4 to 1. It is preferable that a bias voltage of −160 V to −100 V is applied to the substrate. The bias voltage is preferably a DC bias voltage or a pulse bias voltage.
上記製造方法において、前記ターゲットの金属元素及び半金属元素の組成がAlαCr1−α−βBβ(ただし、α、1−α−β、及びβはそれぞれAl、Cr及びBの原子比であり、0.4≦α≦0.8、及び0.04≦β≦0.17を満たす数字である。)で表されるのが好ましい。 In the above manufacturing method, the composition of the metal element and the metalloid element of the target is Al α Cr 1-α-β B β (where α, 1-α-β, and β are atomic ratios of Al, Cr, and B, respectively) And is a number satisfying 0.4 ≦ α ≦ 0.8 and 0.04 ≦ β ≦ 0.17).
本発明の(AlCrB)N硬質皮膜は、X線回折パターンがfccの単一構造を有し、かつ酸素含有量(1−a)が0.010〜0.002であることにより、従来の(AlCrB)N硬質皮膜に比べて優れた潤滑性を発揮し、もって長寿命で高性能である。 The (AlCrB) N hard coating of the present invention has a single structure with an X-ray diffraction pattern of fcc and an oxygen content (1-a) of 0.010 to 0.002, It exhibits excellent lubricity compared to AlCrB) N hard coating, and has a long life and high performance.
上記の(AlCrB)N硬質皮膜において、X線光電子分光分析法で特定されたB−N結合とB−O結合とのピーク強度比(B−N)/(B−O)が0.4〜1.0であれば、従来の(AlCrB)N硬質皮膜に比べてさらに優れた潤滑性を発揮し、もって長寿命で高性能な(AlCrB)N硬質皮膜となる。 In the (AlCrB) N hard coating, the peak intensity ratio (BN) / (BO) between the BN bond and the BO bond specified by the X-ray photoelectron spectroscopy is 0.4 to 0.4. If it is 1.0, it will exhibit further superior lubricity compared to the conventional (AlCrB) N hard coating, and it will be a long-life and high-performance (AlCrB) N hard coating.
本発明の硬質皮膜を有する硬質皮膜被覆工具は、従来の(AlCrB)N硬質皮膜被覆工具に比べて顕著に優れた潤滑性を発揮し、もって長寿命で高性能なので、インサート、エンドミル、又はドリル等の切削工具として極めて有用である。 The hard-coated tool having the hard coating of the present invention exhibits significantly superior lubricity compared to the conventional (AlCrB) N hard-coated tool, and has a long life and high performance, so that it can be used as an insert, end mill, or drill. It is extremely useful as a cutting tool.
本発明の実施形態を以下詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて適宜変更又は改良を加えても良い。また、1つの実施形態に関する説明は、特に断りがなければ他の実施形態にもそのまま適用できる。 Embodiments of the present invention will be described in detail below, but the present invention is not limited thereto, and may be changed or improved as appropriate based on ordinary knowledge of those skilled in the art without departing from the technical idea of the present invention. May be added. Further, the description relating to one embodiment can be applied to other embodiments as it is unless otherwise specified.
[1] 硬質皮膜被覆工具
本実施形態の硬質皮膜被覆工具は、基体上に、(AlxCr1−x−yBy)NaO1−a(ただし、x、1−x−y、y、a及び1−aはそれぞれAl、Cr、B、N及びOの原子比を表し、0.35≦x≦0.75、0.01≦y≦0.1、及び0.990≦a≦0.998を満たす数字である。)で表される組成を有する硬質皮膜が形成された硬質皮膜被覆工具である。前記硬質皮膜のX線回折パターンはfccの単一構造を有する。前記硬質皮膜においてX線光電子分光分析法で特定されたB−N結合とB−O結合とのピーク強度比(B−N)/(B−O)が0.4〜1.0であるのが好ましい。前記硬質皮膜はアークイオンプレーティング(AI)法により形成することができる。
[1] Hard film-coated tool The hard film-coated tool of the present embodiment has (Al x Cr 1-xy B y ) N a O 1-a (where x, 1-xy, y, a, and 1-a represent atomic ratios of Al, Cr, B, N, and O, respectively, and 0.35 ≦ x ≦ 0.75, 0.01 ≦ y ≦ 0.1, and 0.990 ≦ a ≦ 0.998 is a hard film-coated tool in which a hard film having a composition represented by: The X-ray diffraction pattern of the hard coating has a single structure of fcc. The peak intensity ratio (BN) / (BO) between the BN bond and the BO bond specified by X-ray photoelectron spectroscopy in the hard coating is 0.4 to 1.0. Is preferred. The hard coating can be formed by an arc ion plating (AI) method.
(A) 基体
基体は耐熱性に富み、物理蒸着法を適用できる材質である必要がある。基体の材質として、例えば超硬合金、サーメット、高速度鋼、工具鋼、又は立方晶窒化ホウ素(cBN)等のセラミックスが挙げられる。強度、硬度、耐摩耗性、靱性及び熱安定性等の観点から、超硬合金基体又はセラミックス基体が好ましい。超硬合金は、炭化タングステン粒子と、Co又はCoを主体とする合金の結合相とからなり、結合相の含有量は1〜13.5質量%が好ましく、3〜13質量%がより好ましい。結合相の含有量が1質量%未満では靭性が不十分であり、結合相が13.5質量%超では硬度(耐摩耗性)が不十分である。焼結後の基体の未加工面、研磨加工面及び刃先処理加工面のいずれの表面にも本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜を形成できる。
(A) Substrate The substrate needs to be made of a material that has high heat resistance and can be applied with physical vapor deposition. Examples of the material of the substrate include cemented carbide, cermet, high speed steel, tool steel, and ceramics such as cubic boron nitride (cBN). From the viewpoints of strength, hardness, wear resistance, toughness, thermal stability, etc., a cemented carbide substrate or a ceramic substrate is preferred. The cemented carbide is composed of tungsten carbide particles and a binder phase of Co or an alloy mainly composed of Co, and the content of the binder phase is preferably 1 to 13.5% by mass, and more preferably 3 to 13% by mass. When the binder phase content is less than 1% by mass, the toughness is insufficient, and when the binder phase exceeds 13.5% by mass, the hardness (abrasion resistance) is insufficient. The (AlCrB) N hard coating of this embodiment can be formed on any of the unprocessed surface, the polished surface, and the blade edge processed surface of the sintered substrate.
(B) 超硬合金基体の改質層
基体が超硬合金の場合、基体表面に後述のTiBターゲットから発生したイオンを照射し(以降、イオンボンバードともいう。)、平均厚さ1〜10nmのfcc構造を有する改質層を形成するのが好ましい。超硬合金は主成分の炭化タングステンがhcp構造を有するが、当該改質層は上記(AlCrB)N硬質皮膜と同じfcc構造を有し、両者の境界(界面)における結晶格子縞の好ましくは30%以上、より好ましくは50%以上、さらに好ましくは70%以上の部分が連続する。当該改質層を介して超硬合金基体と上記(AlCrB)N硬質皮膜とが強固に密着する。
(B) Modified layer of cemented carbide substrate When the substrate is a cemented carbide, the surface of the substrate is irradiated with ions generated from a TiB target described later (hereinafter also referred to as ion bombardment), and the average thickness is 1 to 10 nm. It is preferable to form a modified layer having an fcc structure. In the cemented carbide, the main component tungsten carbide has an hcp structure, but the modified layer has the same fcc structure as the (AlCrB) N hard coating, and preferably 30% of crystal lattice fringes at the boundary (interface) between them. As described above, a portion of 50% or more, more preferably 70% or more continues. The cemented carbide substrate and the (AlCrB) N hard coating are firmly adhered to each other through the modified layer.
上記改質層はfcc構造を有し、高密度の薄層状に形成されるので破壊の起点になりにくい。上記改質層の平均厚さが、1nm未満では硬質皮膜の基体への密着力向上効果が十分に得られず、10nm超では逆に密着力が悪化する。上記改質層の平均厚さは2〜9nmがさらに好ましい。 The modified layer has an fcc structure and is formed in a high-density thin layer, so that it is unlikely to become a starting point of destruction. If the average thickness of the modified layer is less than 1 nm, the effect of improving the adhesion of the hard coating to the substrate cannot be obtained sufficiently, and if it exceeds 10 nm, the adhesion is worsened. The average thickness of the modified layer is more preferably 2 to 9 nm.
(C) (AlCrB)N硬質皮膜
(1) 組成
AI法により基体上に形成される本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜は、Al、Cr、B、N及びOを必須元素とする。この硬質皮膜の組成は、一般式:(AlxCr1−x−yBy)NaO1−a(ただし、x、1−x−y、y、a及び1−aはそれぞれAl、Cr、B、N及びOの原子比を表し、0.35≦x≦0.75、0.01≦y≦0.1、及び0.990≦a≦0.998を満たす数字である。)により表される。本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜はfccの単一構造を有することを特徴とする。本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜は、X線光電子分光スペクトルにより特定されたB−N結合とB−O結合とのピーク強度比(B−N)/(B−O)が、0.4〜1.0であるのが好ましく、0.4〜0.9であるのがさらに好ましく、0.3〜0.9であるのが特に好ましい。
(C) (AlCrB) N hard coating (1) Composition The (AlCrB) N hard coating of this embodiment formed on the substrate by the AI method contains Al, Cr, B, N and O as essential elements. The composition of the hard film is represented by the general formula: (Al x Cr 1-xy B y ) N a O 1-a (where x, 1-xy, y, a and 1-a are Al, (It represents the atomic ratio of Cr, B, N and O, and is a number satisfying 0.35 ≦ x ≦ 0.75, 0.01 ≦ y ≦ 0.1, and 0.990 ≦ a ≦ 0.998.) It is represented by The (AlCrB) N hard coating of this embodiment has a single structure of fcc. In the (AlCrB) N hard coating of this embodiment, the peak intensity ratio (BN) / (BO) between the BN bond and the BO bond specified by the X-ray photoelectron spectroscopy spectrum is 0.00. It is preferably 4 to 1.0, more preferably 0.4 to 0.9, and particularly preferably 0.3 to 0.9.
本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜のAl、Cr及びBの各原子比x、1−x−y、yの総計を1として、Alの原子比xの範囲は0.35〜0.75である。xが0.35未満では硬質皮膜のAl含有量が少なすぎるため、耐酸化性が損なわれる。一方、xが0.75を超えると硬質皮膜中に軟質なhcp構造が形成されて耐摩耗性が損なわれる。xの下限は好ましくは0.4であり、xの上限は好ましくは0.74である。 The total of the atomic ratios x, 1-xy and y of Al, Cr and B of the (AlCrB) N hard coating of this embodiment is 1, and the range of the atomic ratio x of Al is 0.35 to 0.75. It is. If x is less than 0.35, the Al content of the hard coating is too small, so that the oxidation resistance is impaired. On the other hand, if x exceeds 0.75, a soft hcp structure is formed in the hard coating, and the wear resistance is impaired. The lower limit of x is preferably 0.4, and the upper limit of x is preferably 0.74.
本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜のAl、Cr及びBの各原子比x、1−x−y、yの総計を1として、Crの原子比1−x−yの範囲は0.64〜0.15である。1−x−yが0.15未満では硬質皮膜のAl含有量が多すぎるため、硬質皮膜中に軟質なhcp構造が形成されて耐摩耗性が損なわれる。一方、1−x−yが0.64を超えると硬質皮膜のAl含有量が過少になるため耐酸化性が損なわれる。1−x−yの下限は好ましくは0.17であり、1−x−yの上限は好ましくは0.58である。 The total of the atomic ratios x, 1-xy and y of Al, Cr and B of the (AlCrB) N hard coating of this embodiment is 1, and the range of the atomic ratio 1-xy of Cr is 0.64. ~ 0.15. If 1-xy is less than 0.15, the hard coating has too much Al content, so that a soft hcp structure is formed in the hard coating and wear resistance is impaired. On the other hand, if 1-xy exceeds 0.64, the Al content of the hard coating becomes too small, so that the oxidation resistance is impaired. The lower limit of 1-xy is preferably 0.17, and the upper limit of 1-xy is preferably 0.58.
本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜のAl、Cr及びBの各原子比x、1−x−y、yの総計を1として、Bの原子比yの範囲は0.01〜0.1である。yが0.01未満では添加効果が得られず、潤滑性が損なわれる。一方、yが0.1を超えると脆化するとともにfccの単一構造を保持できない。yの下限は好ましくは0.02であり、yの上限は好ましくは0.09である。 The total of the atomic ratios x, 1-xy and y of Al, Cr and B of the (AlCrB) N hard coating of this embodiment is 1, and the range of the atomic ratio y of B is 0.01 to 0.1. It is. If y is less than 0.01, the effect of addition cannot be obtained and the lubricity is impaired. On the other hand, if y exceeds 0.1, it becomes brittle and cannot maintain a single structure of fcc. The lower limit of y is preferably 0.02, and the upper limit of y is preferably 0.09.
金属成分AlCr及び半金属成分Bの各原子比の合計pと、窒素及び酸素の各原子比の合計qとの総計を1として、pの範囲は0.4〜0.6(qの範囲は0.6〜0.4)である。すなわち、本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜は、(AlxCr1−x−yBy)p(NaO1−a)q[ただし、x、1−x−y、y、a、1−a、p及びqは、それぞれAl、Cr、B、N、O、AlCrB及びNOの原子比を表し、0.35≦x≦0.75、0.01≦y≦0.1、0.990≦a≦0.998、0.4≦p≦0.6、0.6≦q≦0.4を満たす数字である。]で表される組成を有する。
pが0.4未満では(AlCrB)N多結晶体の結晶粒界に不純物が取り込まれやすい。不純物は成膜装置の内部残留物に由来する。かかる場合、(AlCrB)N硬質皮膜の強度が低下し、外部衝撃によって容易に皮膜破壊を招く。一方、pが0.6を超えると、金属成分AlCr及び半金属成分Bの比率が過多となって結晶歪が大きくなり、基体との密着力が低下し、(AlCrB)N硬質皮膜が剥離しやすくなる。pの下限は好ましくは0.40であり、pの上限は好ましくは0.60である。
The total p of each atomic ratio of the metal component AlCr and the semimetal component B and the total q of each atomic ratio of nitrogen and oxygen is 1, and the range of p is 0.4 to 0.6 (the range of q is 0.6 to 0.4). That, (AlCrB) N hard coating of the present embodiment, (Al x Cr 1-x -y B y) p (N a O 1-a) q [ However, x, 1-x-y , y, a , 1-a, p and q represent atomic ratios of Al, Cr, B, N, O, AlCrB and NO, respectively, 0.35 ≦ x ≦ 0.75, 0.01 ≦ y ≦ 0.1, The numbers satisfy 0.990 ≦ a ≦ 0.998, 0.4 ≦ p ≦ 0.6, and 0.6 ≦ q ≦ 0.4. It has the composition represented by this.
If p is less than 0.4, impurities are likely to be taken into the crystal grain boundaries of the (AlCrB) N polycrystal. Impurities are derived from the internal residue of the film forming apparatus. In such a case, the strength of the (AlCrB) N hard film is reduced, and the film is easily broken by an external impact. On the other hand, if p exceeds 0.6, the ratio of the metal component AlCr and the semimetal component B becomes excessive, the crystal strain increases, the adhesion with the substrate decreases, and the (AlCrB) N hard coating peels off. It becomes easy. The lower limit of p is preferably 0.40, and the upper limit of p is preferably 0.60.
本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜に含まれる窒素(N)及び酸素(O)の各原子比の総計を1として、Nの原子比aの範囲は0.990〜0.998である。aが0.990未満では酸素含有量が過大になり、耐摩耗性が低下する。aが0.998を超えると酸素含有量が過小になり、潤滑性が低下する。aの下限は、0.981が好ましく、0.982がさらに好ましい。aの上限は、0.997が好ましく、0.996がさらに好ましい。窒素(N)及び酸素(O)含有量は後述のEPMA及びTEM−EDSを併用して分析することができる。 The total of the atomic ratios of nitrogen (N) and oxygen (O) contained in the (AlCrB) N hard coating of this embodiment is 1, and the range of the atomic ratio a of N is 0.990 to 0.998. If a is less than 0.990, the oxygen content becomes excessive, and the wear resistance decreases. When a exceeds 0.998, the oxygen content becomes too low and the lubricity is lowered. The lower limit of a is preferably 0.981, and more preferably 0.982. The upper limit of a is preferably 0.997, and more preferably 0.996. The nitrogen (N) and oxygen (O) contents can be analyzed by using EPMA and TEM-EDS described later in combination.
本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜はCを含有しても良い。その場合、高い耐摩耗性を保持するためにC含有量は、非金属元素のN、O及びCの総含有量(原子比)を1とした場合に0.1以下であるのが好ましく、0.05以下であるのがより好ましい。 The (AlCrB) N hard coating of this embodiment may contain C. In that case, in order to maintain high wear resistance, the C content is preferably 0.1 or less when the total content (atomic ratio) of N, O and C of nonmetallic elements is 1. More preferably, it is 0.05 or less.
(2) メカニズム
本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜を基体上に有する硬質皮膜被覆工具が従来の(AlCrB)N硬質皮膜被覆工具より顕著に良好な潤滑性を有し、もって長寿命で高性能になるメカニズムは必ずしも十分明らかになっていないが、以下のように考えられる。
後述の従来例1に例示するように、従来の(AlCrB)N硬質皮膜被覆工具は短寿命であり、昨今の過酷な長寿命化、高性能化の要求に十分応えることができなかった。
(2) Mechanism The hard-coated tool having the (AlCrB) N hard coating on the substrate of this embodiment has significantly better lubricity than the conventional (AlCrB) N hard-coated tool, and has a long life and high The mechanism of performance has not been fully clarified, but is considered as follows.
As illustrated in Conventional Example 1 to be described later, the conventional (AlCrB) N hard coating coated tool has a short life, and has not been able to sufficiently meet the recent demands for long life and high performance.
本発明者は、(AlCrB)N硬質皮膜の長寿命化、高性能化を鋭意検討した結果、(a)(AlCrB)N硬質皮膜の成膜に使用するターゲットとして2000〜4000μg/gの酸素含有量のAlCrB焼結体合金を用いること、(b)成膜時の窒素ガス雰囲気の全圧を2.7〜3.3Paにすることにより、成膜された(AlCrB)N硬質皮膜がfccの単一構造を有し、及び窒素含有量(原子比)を0.990〜0.998(酸素含有量(原子比)を0.010〜0.002)に調整できることを発見した。さらに、得られた(AlCrB)N硬質皮膜においてX線光電子分光分析法で特定された結合状態にB−N結合及びB−O結合が共存し、前記B−N結合と前記B−O結合とのピーク強度比(B−N)/(B−O)を0.4〜1.0に調整できることを発見した。そして、かかる本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜を工具基体上に形成してなる硬質皮膜被覆工具が顕著に優れた潤滑性を発揮し、もって長寿命で高性能な切削工具になることが分かった。 As a result of intensive studies on the long life and high performance of the (AlCrB) N hard coating, the present inventor has (a) oxygen content of 2000 to 4000 μg / g as a target used for forming the (AlCrB) N hard coating. (B) When the total pressure of the nitrogen gas atmosphere during film formation is set to 2.7 to 3.3 Pa, the (AlCrB) N hard film formed is fcc. It was discovered that it has a single structure and the nitrogen content (atomic ratio) can be adjusted to 0.990-0.998 (oxygen content (atomic ratio) 0.010-0.002). Further, in the obtained (AlCrB) N hard coating, BN bond and BO bond coexist in the bond state specified by X-ray photoelectron spectroscopy, and the BN bond and BO bond are It was discovered that the peak intensity ratio (BN) / (BO) can be adjusted to 0.4 to 1.0. And the hard film coated tool formed by forming the (AlCrB) N hard film of the present embodiment on the tool base exhibits a remarkable excellent lubricity, so that it becomes a long-life and high-performance cutting tool. I understood.
本発明者の詳細な検討から、本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜において上記B−O結合部分が主に優れた潤滑性を分担し、及び上記B−N結合部分が主に優れた耐摩耗性を分担し、もって潤滑性と耐摩耗性とが両立された結果、本実施形態の硬質皮膜被覆工具が長寿命でかつ高性能になったと考えられる。 From the detailed examination of the present inventors, in the (AlCrB) N hard coating of this embodiment, the B—O bond portion mainly shares excellent lubricity, and the B—N bond portion mainly has excellent resistance to resistance. It is considered that the hard coating tool of the present embodiment has a long life and high performance as a result of sharing the wear characteristics and thus achieving both lubricity and wear resistance.
(3) 膜厚
本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜の厚さは0.5〜8μmが好ましく、1〜5μmがより好ましい。この範囲の膜厚により、基体から(AlCrB)N硬質皮膜が剥離するのが抑制され、優れた潤滑性及び耐摩耗性が発揮される。厚さが0.5μm未満では(AlCrB)N硬質皮膜の被覆効果が十分に得られず、厚さが8μmを超えると残留応力が過大になり、(AlCrB)N硬質皮膜が基体から剥離しやすくなる。ここで、平坦ではない(AlCrB)N硬質皮膜の「厚さ」は「算術平均厚さ」を意味する。
(3) Film thickness 0.5-8 micrometers is preferable and, as for the thickness of the (AlCrB) N hard film of this embodiment, 1-5 micrometers is more preferable. With a film thickness in this range, the (AlCrB) N hard coating is prevented from peeling from the substrate, and excellent lubricity and wear resistance are exhibited. If the thickness is less than 0.5 μm, the coating effect of the (AlCrB) N hard film cannot be sufficiently obtained, and if the thickness exceeds 8 μm, the residual stress becomes excessive, and the (AlCrB) N hard film is easily peeled off from the substrate. Become. Here, the “thickness” of the non-flat (AlCrB) N hard coating means “arithmetic average thickness”.
(4) 結晶構造
本実施形態の硬質皮膜のX線回折パターンはfccの単一構造からなる。
X線回折ではfcc以外の微小相が存在していてもX線回折パターンに現れないため、硬質皮膜の微小相の検出が可能な透過型電子顕微鏡(TEM)による電子回折によれば、本実施形態の硬質皮膜は、fccを主構造とし、副構造としてその他の構造(hcp等)を有していても良い。実用性の点から、前記電子回折パターンはfccを主構造とし、hcpを副構造とするのが好ましく、fccの単一構造からなるのがさらに好ましい。
(4) Crystal structure The X-ray diffraction pattern of the hard coating of this embodiment has a single fcc structure.
In X-ray diffraction, even if a micro phase other than fcc is present, it does not appear in the X-ray diffraction pattern. Therefore, according to electron diffraction using a transmission electron microscope (TEM) capable of detecting a micro phase of a hard coating, The hard film of the form may have fcc as the main structure and other structures (hcp, etc.) as the substructure. From the viewpoint of practicality, the electron diffraction pattern preferably has fcc as the main structure and hcp as the substructure, and more preferably has a single structure of fcc.
(5) ピーク強度比(B−N)/(B−O)
X線光電子分光分析で特定されたB−N結合とB−O結合とのピーク強度比(B−N)/(B−O)は、0.4〜1.0であることが好ましく、0.5〜0.9であることがより好ましい。ピーク強度比(B−N)/(B−O)が上記範囲を満たすことで、耐摩耗性及び潤滑性を両立した長寿命の硬質皮膜が得られる。前記ピーク強度比が0.4未満ではB−N結合が相対的に低下するために耐摩耗性が低下する。一方、前記ピーク強度比が1.0を超えるとB−O結合が相対的に低下するため、潤滑性が低下する。
(5) Peak intensity ratio (BN) / (BO)
The peak intensity ratio (BN) / (BO) between the BN bond and the BO bond specified by X-ray photoelectron spectroscopy is preferably 0.4 to 1.0, and 0 More preferably, it is from 5 to 0.9. When the peak intensity ratio (B—N) / (B—O) satisfies the above range, a long-life hard coating having both wear resistance and lubricity can be obtained. When the peak intensity ratio is less than 0.4, the BN bond is relatively lowered, so that the wear resistance is lowered. On the other hand, when the peak intensity ratio exceeds 1.0, the B—O bond is relatively lowered, so that the lubricity is lowered.
[2] 成膜装置
(AlCrB)N硬質皮膜の形成にはAI装置を使用することができ、積層硬質皮膜の形成にはAI装置又はその他の物理蒸着装置(スパッタリング装置等)を使用することができる。AI装置は、例えば図1に示すように、減圧容器5と、絶縁物14を介して減圧容器5に取り付けられたアーク放電式蒸発源13,27と、各アーク放電式蒸発源13,27に取り付けられたターゲット10,18と、各アーク放電式蒸発源13,27に接続されたアーク放電用電源11,12と、軸受け部4を介して減圧容器5の内部まで貫通する回転自在の支柱6と、基体7を保持するために支柱6に支持された保持具8と、支柱6を回転させる駆動部1と、基体7にバイアス電圧を印加するバイアス電源3とを具備する。減圧容器5には、ガス導入部2及び排気口17が設けられている。アーク点火機構16,16は、アーク点火機構軸受部15,15を介して減圧容器5に取り付けられている。減圧容器5内に導入したガス(アルゴンガス、窒素ガス等)のイオン化のために、フィラメント型の電極20が絶縁物19,19を介して減圧容器5に取り付けられている。ターゲット10と基体7との間には、遮蔽板軸受け部21を介して減圧容器5に遮蔽板23が設けられている。遮蔽板23は遮蔽板駆動部22により例えば上下又は左右方向に移動し、遮蔽板23がターゲット10と基体7との間に存在しない状態にされた後に、本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜の形成が行われる。
[2] Film formation apparatus (AlCrB) N An AI apparatus can be used for forming a hard film, and an AI apparatus or other physical vapor deposition apparatus (such as a sputtering apparatus) can be used for forming a laminated hard film. it can. For example, as shown in FIG. 1, the AI apparatus includes a decompression vessel 5, arc discharge evaporation sources 13 and 27 attached to the decompression vessel 5 via an insulator 14, and arc discharge evaporation sources 13 and 27. Attached targets 10, 18, arc discharge power sources 11, 12 connected to the respective arc discharge evaporation sources 13, 27, and a rotatable support column 6 penetrating to the inside of the decompression vessel 5 through the bearing portion 4. A holder 8 supported by the column 6 for holding the substrate 7, a drive unit 1 that rotates the column 6, and a bias power source 3 that applies a bias voltage to the substrate 7. The decompression vessel 5 is provided with a gas introduction part 2 and an exhaust port 17. The arc ignition mechanisms 16 and 16 are attached to the decompression vessel 5 via arc ignition mechanism bearing portions 15 and 15. A filament type electrode 20 is attached to the decompression vessel 5 via insulators 19 and 19 for ionization of a gas (argon gas, nitrogen gas, etc.) introduced into the decompression vessel 5. Between the target 10 and the base body 7, a shielding plate 23 is provided in the decompression vessel 5 via a shielding plate bearing portion 21. The shielding plate 23 is moved, for example, vertically or horizontally by the shielding plate driving unit 22, and after the shielding plate 23 is not present between the target 10 and the base body 7, the (AlCrB) N hard coating of this embodiment is used. Is formed.
(A) (AlCrB)N硬質皮膜形成用ターゲット
(1) 焼結体合金の組成
本実施形態で使用する(AlCrB)N硬質皮膜形成用ターゲットは、例えばAl粉末及び所定組成のCrB合金粉末を用いて、下記のAlCrB焼結体合金の組成になるように配合及び混合し、得られた混合粉末を成形し、得られた成形体を焼結して得られたAlCrB焼結体合金のターゲットである。前記ターゲットの含有酸素量は例えばAl粉末及びCrB合金粉末の粒径を適宜選択して調整することができる。
(A) (AlCrB) N Hard Film Formation Target (1) Composition of Sintered Body Alloy The (AlCrB) N hard film formation target used in this embodiment uses, for example, Al powder and a CrB alloy powder having a predetermined composition. Then, the composition of the following AlCrB sintered body alloy is blended and mixed, the obtained mixed powder is molded, and the obtained molded body is sintered to obtain an AlCrB sintered body alloy target. is there. The amount of oxygen contained in the target can be adjusted, for example, by appropriately selecting the particle sizes of Al powder and CrB alloy powder.
AlCrB焼結体合金の組成は、不可避的不純物以外、AlαCr1−α−βBβ(ただし、α、1−α−β及びβはそれぞれAl、Cr及びBの原子比を表し、0.4≦α≦0.8、及び0.04≦β≦0.17を満たす数字である。)により表される組成を有するのが好ましい。α及びβをそれぞれ上記特定範囲内とすることで、本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜を成膜することができる。 The composition of the AlCrB sintered body alloy is Al α Cr 1-α-β B β (where α, 1-α-β and β represent atomic ratios of Al, Cr and B, respectively, except for inevitable impurities, 0 It is preferable to have a composition represented by the following formula: 4 ≦ α ≦ 0.8 and 0.04 ≦ β ≦ 0.17. By setting α and β within the specific ranges, the (AlCrB) N hard coating of this embodiment can be formed.
AlCrB焼結体合金のAl、Cr及びBの各原子比の総計を1として、Alの原子比αの範囲は0.4〜0.8であるのが好ましい。αが0.4未満では(AlCrB)N硬質皮膜のAl含有量が少なすぎるため、耐酸化性が損なわれる。一方、αが0.8を超えると(AlCrB)N硬質皮膜中に軟質なhcp構造が形成されて耐摩耗性が損なわれる。αの下限はより好ましくは0.45であり、αの上限はより好ましくは0.78である。 The total of the atomic ratios of Al, Cr and B of the AlCrB sintered body alloy is 1, and the range of the atomic ratio α of Al is preferably 0.4 to 0.8. If α is less than 0.4, the Al content of the (AlCrB) N hard coating is too small, so that the oxidation resistance is impaired. On the other hand, if α exceeds 0.8, a soft hcp structure is formed in the (AlCrB) N hard coating, and the wear resistance is impaired. The lower limit of α is more preferably 0.45, and the upper limit of α is more preferably 0.78.
AlCrB焼結体合金のAl、Cr及びBの各原子比の総計を1として、Crの原子比1−α−βの範囲は0.56〜0.03であるのが好ましい。1−α−βが0.03未満ではCrの添加効果が得られない。一方、1−α−βが0.56を超えるとAl含有量が過少になり耐酸化性が損なわれる。1−α−βの下限はより好ましくは0.10であり、1−α−βの上限はより好ましくは0.50である。 The total atomic ratio of Al, Cr and B of the AlCrB sintered alloy is 1, and the range of the atomic ratio 1-α-β of Cr is preferably 0.56 to 0.03. If 1-α-β is less than 0.03, the effect of adding Cr cannot be obtained. On the other hand, if 1-α-β exceeds 0.56, the Al content becomes too low and the oxidation resistance is impaired. The lower limit of 1-α-β is more preferably 0.10, and the upper limit of 1-α-β is more preferably 0.50.
AlCrB焼結体合金のAl、Cr及びBの各原子比の総計を1として、Bの原子比βの範囲は0.04〜0.17であるのが好ましい。βが0.04未満ではBの添加効果が得られない。一方、βが0.17を超えると(AlCrB)N硬質皮膜においてfccの単一構造を保持できない。βの下限はより好ましくは0.05であり、βの上限はより好ましくは0.16である。 The total atomic ratio of Al, Cr and B in the AlCrB sintered alloy is 1, and the range of the atomic ratio β of B is preferably 0.04 to 0.17. If β is less than 0.04, the effect of adding B cannot be obtained. On the other hand, if β exceeds 0.17, the single structure of fcc cannot be maintained in the (AlCrB) N hard coating. The lower limit of β is more preferably 0.05, and the upper limit of β is more preferably 0.16.
(2) 焼結体合金の酸素含有量
AlCrB焼結体合金の酸素含有量は2000〜4000μg/gである。酸素含有量が2000μg/g未満及び4000μg/g超ではいずれも、(AlCrB)N硬質皮膜の含有酸素量が0.002未満及び0.010超になり、本実施形態の硬質皮膜の有利な効果を奏しない。さらに上記ピーク強度比(B−N)/(B−O)の特定範囲を満たさない。AlCrB焼結体合金の酸素含有量の下限は、好ましくは2050μg/gであり、より好ましくは2100μg/gである。一方、AlCrB焼結体合金の酸素含有量の上限は、好ましくは3900μg/gであり、より好ましくは3800μg/gである。
(2) Oxygen content of sintered body alloy The oxygen content of the AlCrB sintered body alloy is 2000 to 4000 μg / g. When the oxygen content is less than 2000 μg / g and more than 4000 μg / g, the oxygen content of the (AlCrB) N hard coating is less than 0.002 and more than 0.010, and the advantageous effect of the hard coating of the present embodiment Do not play. Furthermore, it does not satisfy the specific range of the peak intensity ratio (BN) / (BO). The lower limit of the oxygen content of the AlCrB sintered body alloy is preferably 2050 μg / g, more preferably 2100 μg / g. On the other hand, the upper limit of the oxygen content of the AlCrB sintered body alloy is preferably 3900 μg / g, more preferably 3800 μg / g.
(B) 改質層形成用TiBターゲット
改質層形成用TiBターゲットは、不可避的不純物を除いて、TifB1−f(ただし、fはTiの原子比であり、0.5≦f≦0.9を満たす。)で表される組成を有するのが好ましい。Tiの原子比fが0.5未満ではfcc構造の改質層が得られず、またfが0.9超では脱炭層が形成されて、やはりfcc構造の改質層が得られない。Tiの原子比fの下限はより好まし範囲は0.7であり、Tiの原子比fの上限はより好ましくは0.88である。
(B) TiB target for modified layer formation TiB target for modified layer formation is Ti f B 1-f (where f is the atomic ratio of Ti, 0.5 ≦ f ≦ 0.9 is satisfied). If the atomic ratio f of Ti is less than 0.5, a modified layer having an fcc structure cannot be obtained. If f exceeds 0.9, a decarburized layer is formed, and a modified layer having an fcc structure cannot be obtained. The lower limit of the atomic ratio f of Ti is more preferably 0.7, and the upper limit of the atomic ratio f of Ti is more preferably 0.88.
(C) アーク放電式蒸発源及びアーク放電用電源
図1に示すように、アーク放電式蒸発源13,27はそれぞれ陰極物質の改質層形成用TiBターゲット10、及び(AlCrB)N硬質皮膜形成用ターゲット18を備える。例えば、アーク放電用電源11、12から、ターゲット10に直流アーク電流を通電し、ターゲット18にパルスアーク電流を通電する。図示していないが、アーク放電式蒸発源13、27に磁場発生手段(電磁石及び/又は永久磁石とヨークとを有する構造体)を設け、(AlCrB)N硬質皮膜を形成する基体7の近傍に数十G(例えば10〜50G)の空隙磁束密度の磁場分布を形成するのが好ましい。
(C) Arc Discharge Evaporation Source and Arc Discharge Power Source As shown in FIG. 1, arc discharge evaporation sources 13 and 27 are formed of a TiB target 10 for forming a modified layer of cathode material and (AlCrB) N hard coating, respectively. The target 18 is provided. For example, a DC arc current is supplied to the target 10 from the arc discharge power supplies 11 and 12, and a pulse arc current is supplied to the target 18. Although not shown, the arc discharge evaporation sources 13 and 27 are provided with a magnetic field generating means (a structure having an electromagnet and / or a permanent magnet and a yoke) in the vicinity of the base body 7 on which the (AlCrB) N hard film is formed. It is preferable to form a magnetic field distribution with a gap magnetic flux density of several tens of G (for example, 10 to 50 G).
(AlCrB)N硬質皮膜形成用ターゲットはドロップレットが発生しやすいAlを含む。ドロップレットは(AlCrB)N多結晶粒の成長の分断を引き起こすとともに、(AlCrB)N硬質皮膜の破壊の起点となる。そのため、150〜250Aの直流アーク電流を前記AlCrB焼結体合金ターゲット(蒸発源)に通電することにより、ドロップレットの過剰発生を抑えることができる。 The target for forming an (AlCrB) N hard coating contains Al that is liable to generate droplets. The droplets cause the division of the growth of (AlCrB) N polycrystalline grains and the starting point for the destruction of the (AlCrB) N hard coating. Therefore, excessive generation of droplets can be suppressed by supplying a direct current arc current of 150 to 250 A to the AlCrB sintered body alloy target (evaporation source).
(D) バイアス電源
図1に示すように、基体7にバイアス電源3から直流電圧又はパルスバイアス電圧を印加する。
(D) Bias power source As shown in FIG. 1, a DC voltage or a pulse bias voltage is applied to the substrate 7 from the bias power source 3.
[3] 成膜条件
本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜は、前記AlCrB焼結体合金ターゲットを用いたAI法により形成できる。本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜の成膜条件を工程ごとに以下詳述する。
[3] Film Formation Conditions The (AlCrB) N hard coating of the present embodiment can be formed by the AI method using the AlCrB sintered alloy target. The film forming conditions of the (AlCrB) N hard film of this embodiment will be described in detail below for each process.
(A) 基体のクリーニング工程
図1に示すAI装置の保持具8上に基体7をセットした後、減圧容器5内を1〜5×10−2Pa(例えば1.5×10−2Pa)に保持しながら、ヒーター(図示せず)により基体7を250〜650℃の温度に加熱する。図1では円柱体で示されているが、基体7はソリッドタイプのエンドミル又はインサート等の種々の形状を取り得る。その後、アルゴンガスを減圧容器5内に導入して0.5〜10Pa(例えば2Pa)のアルゴンガス雰囲気とする。この状態で基体7にバイアス電源3により−250〜−150Vの直流バイアス電圧又はパルスバイアス電圧を印加して基体7の表面をアルゴンイオンによりボンバードしてクリーニングする。
(A) Substrate cleaning step After the substrate 7 is set on the holder 8 of the AI apparatus shown in FIG. 1, the inside of the decompression vessel 5 is 1 to 5 × 10 −2 Pa (for example, 1.5 × 10 −2 Pa). The substrate 7 is heated to a temperature of 250 to 650 ° C. by a heater (not shown). Although shown in FIG. 1 as a cylinder, the substrate 7 can take various shapes such as a solid type end mill or insert. Thereafter, argon gas is introduced into the decompression vessel 5 to obtain an argon gas atmosphere of 0.5 to 10 Pa (for example, 2 Pa). In this state, a DC bias voltage or pulse bias voltage of −250 to −150 V is applied to the substrate 7 from the bias power source 3 to clean the surface of the substrate 7 by bombarding with argon ions.
基体温度が250℃未満ではアルゴンイオンによるエッチング効果がなく、また650℃超では成膜工程時に基体温度を所定条件に設定することが困難である。基体温度は基体に埋め込んだ熱電対により測定する(以降の工程でも同様)。減圧容器5内のアルゴンガスの圧力が0.5〜10Paの範囲外であると、アルゴンイオンによるボンバード処理が不安定となる。直流バイアス電圧又はパルスバイアス電圧が−250V未満では基体にアーキングの発生が起こり、−150V超ではボンバードのエッチングによるクリーニング効果が十分に得られない。 If the substrate temperature is less than 250 ° C., there is no etching effect by argon ions, and if it exceeds 650 ° C., it is difficult to set the substrate temperature to a predetermined condition during the film forming process. The substrate temperature is measured by a thermocouple embedded in the substrate (the same applies to the subsequent steps). When the pressure of the argon gas in the decompression vessel 5 is outside the range of 0.5 to 10 Pa, the bombardment process using argon ions becomes unstable. When the DC bias voltage or pulse bias voltage is less than −250 V, arcing occurs in the substrate, and when it exceeds −150 V, the cleaning effect by bombard etching cannot be sufficiently obtained.
(B) 改質層形成工程
改質層形成用TiBターゲットを用いたWC基超硬合金製の基体7へのイオンボンバードは、基体7のクリーニング後に、流量が30〜150sccmのアルゴンガス雰囲気中で行い、基体7の表面に改質層を形成する。アーク放電式蒸発源13に取り付けたTiBターゲットの表面にアーク放電用電源11から50〜100Aのアーク電流(直流電流)を通電する。基体7を450〜750℃の温度に加熱するとともに、バイアス電源3から基体7に−1000〜−600Vの直流バイアス電圧を印加する。TiBターゲットを用いたイオンボンバードにより、Tiイオン及びBイオンがWC基超硬合金製の基体7に照射される。
(B) Modified layer forming step The ion bombardment to the WC-based cemented carbide substrate 7 using the modified layer forming TiB target is performed in an argon gas atmosphere having a flow rate of 30 to 150 sccm after the substrate 7 is cleaned. Then, a modified layer is formed on the surface of the substrate 7. An arc current (DC current) of 50 to 100 A is supplied from the arc discharge power supply 11 to the surface of the TiB target attached to the arc discharge evaporation source 13. The substrate 7 is heated to a temperature of 450 to 750 ° C., and a DC bias voltage of −1000 to −600 V is applied from the bias power source 3 to the substrate 7. By ion bombardment using a TiB target, Ti ions and B ions are irradiated onto the WC-based cemented carbide substrate 7.
基体7の温度が450〜750℃の範囲外ではfcc構造の改質層が形成されないか、若しくは基体7の表面に脱炭層が形成されて性能が著しく低下する。減圧容器5内のアルゴンガスの流量が30sccm未満では基体7に入射するTiイオン等のエネルギーが強すぎて、基体7の表面に脱炭層が形成され、硬質皮膜の密着性を損なう。一方、アルゴンガスの流量が150sccm超では、Tiイオン等のエネルギーが弱まり、改質層が形成されない。 When the temperature of the substrate 7 is outside the range of 450 to 750 ° C., the modified layer having the fcc structure is not formed, or a decarburized layer is formed on the surface of the substrate 7 and the performance is significantly lowered. If the flow rate of the argon gas in the decompression vessel 5 is less than 30 sccm, the energy of Ti ions incident on the substrate 7 is too strong, and a decarburized layer is formed on the surface of the substrate 7 and the adhesion of the hard coating is impaired. On the other hand, when the flow rate of argon gas exceeds 150 sccm, the energy of Ti ions or the like is weakened, and the modified layer is not formed.
アーク電流が50A未満ではアーク放電が不安定になり、また100A超では基体7の表面にドロップレットが多数形成されて密着性を損なう。直流バイアス電圧が−1000V未満ではTiイオン等のエネルギーが強すぎて基体7の表面に脱炭層が形成され、また−600V超では基体表面に改質層が形成されない。 When the arc current is less than 50 A, the arc discharge becomes unstable, and when it exceeds 100 A, a large number of droplets are formed on the surface of the substrate 7 and the adhesion is impaired. When the DC bias voltage is less than −1000 V, energy such as Ti ions is too strong and a decarburized layer is formed on the surface of the substrate 7, and when it exceeds −600 V, a modified layer is not formed on the substrate surface.
(C) (AlCrB)N硬質皮膜の成膜工程
基体7の上、又は改質層を形成した場合は改質層の上に、(AlCrB)N硬質皮膜を形成する。この際、窒素ガスを使用し、アーク放電式蒸発源27に取り付けたターゲット18の表面にアーク放電用電源12からアーク電流を通電する。同時に、下記温度に制御した基体7にバイアス電源3から直流バイアス電圧又はユニポーラパルスバイアス電圧を印加する。
(C) (AlCrB) N Hard Film Formation Step (AlCrB) N hard film is formed on the substrate 7 or, if a modified layer is formed, on the modified layer. At this time, nitrogen gas is used, and an arc current is applied to the surface of the target 18 attached to the arc discharge evaporation source 27 from the arc discharge power source 12. At the same time, a DC bias voltage or a unipolar pulse bias voltage is applied from the bias power source 3 to the substrate 7 controlled to the following temperature.
(1) 基体温度
(AlCrB)N硬質皮膜の成膜時の基体温度を400〜550℃にする。基体温度が400℃未満では(AlCrB)Nが十分に結晶化しないため、(AlCrB)N硬質皮膜が十分な潤滑性及び耐摩耗性を有さず、また残留応力の増加により皮膜剥離の原因となる。一方、基体温度が550℃超では結晶粒の微細化が促進されて潤滑性及び耐摩耗性が損なわれる。基体温度は480〜540℃が好ましい。
(1) Substrate temperature The substrate temperature during deposition of the (AlCrB) N hard coating is set to 400 to 550 ° C. Since the (AlCrB) N does not crystallize sufficiently when the substrate temperature is less than 400 ° C., the (AlCrB) N hard film does not have sufficient lubricity and wear resistance, and the increase in residual stress may cause film peeling. Become. On the other hand, if the substrate temperature exceeds 550 ° C., the refinement of crystal grains is promoted and the lubricity and wear resistance are impaired. The substrate temperature is preferably 480 to 540 ° C.
(2) 窒素ガスの圧力
本実施形態の(AlCrB)N硬質皮膜を形成するための成膜ガスとして窒素ガスを使用する。窒素ガスの圧力(全圧)は2.7〜3.3Paにする。窒素ガスの圧力が2.7Pa未満では(AlCrB)N硬質皮膜の窒化(B−N結合の形成)が不十分になり、酸素含有量が過大になる他、窒化されないAlCrB合金相等の異相が存在する。一方、窒素ガスの圧力が3.3Pa超では、酸素含有量が過小になる。さらに、B−N結合のピーク強度がB−O結合のピーク強度より大きくなる。窒素ガスの圧力の下限は、2.8Paが好ましく、2.9Paがより好ましい。窒素ガスの圧力の上限は、3.2Paが好ましく、3.1Paがより好ましい。
(2) Pressure of nitrogen gas Nitrogen gas is used as a film forming gas for forming the (AlCrB) N hard film of this embodiment. The pressure (total pressure) of nitrogen gas is set to 2.7 to 3.3 Pa. If the pressure of the nitrogen gas is less than 2.7 Pa, the nitriding of the (AlCrB) N hard coating (formation of BN bonds) becomes insufficient, the oxygen content becomes excessive, and there are other phases such as an AlCrB alloy phase that is not nitrided. To do. On the other hand, when the pressure of nitrogen gas exceeds 3.3 Pa, the oxygen content becomes too small. Furthermore, the peak intensity of the BN bond becomes larger than the peak intensity of the BO bond. The lower limit of the nitrogen gas pressure is preferably 2.8 Pa, and more preferably 2.9 Pa. The upper limit of the pressure of nitrogen gas is preferably 3.2 Pa, and more preferably 3.1 Pa.
(3) 窒素ガスの流量
窒素ガスの流量は750〜900sccmにするのが好ましい。窒素ガスの流量が750sccm未満及び900sccm超ではいずれも上記窒素ガスの圧力(全圧)を2.7〜3.3Paに調整することが困難になる。窒素ガスの流量の下限は770sccmがより好ましく、窒素ガスの流量の上限は880sccmがより好ましい。
(3) Flow rate of nitrogen gas The flow rate of nitrogen gas is preferably 750 to 900 sccm. If the flow rate of nitrogen gas is less than 750 sccm and more than 900 sccm, it is difficult to adjust the pressure (total pressure) of the nitrogen gas to 2.7 to 3.3 Pa. The lower limit of the flow rate of nitrogen gas is more preferably 770 sccm, and the upper limit of the flow rate of nitrogen gas is more preferably 880 sccm.
(4) 基体に印加するバイアス電圧
(AlCrB)N硬質皮膜を形成するために、基体に直流バイアス電圧又はユニポーラパルスバイアス電圧を印加する。直流バイアス電圧は−160〜−100Vにするのが好ましい。直流バイアス電圧が−160V未満ではB含有量が著しく低下する。一方、直流バイアス電圧が−100V超では(AlCrB)N硬質皮膜が短寿命になる。直流バイアス電圧のより好ましい範囲は−150〜−110Vである。
(4) Bias voltage applied to the substrate In order to form the (AlCrB) N hard coating, a DC bias voltage or a unipolar pulse bias voltage is applied to the substrate. The DC bias voltage is preferably −160 to −100V. When the DC bias voltage is less than −160 V, the B content is significantly reduced. On the other hand, when the DC bias voltage exceeds -100V, the (AlCrB) N hard coating has a short life. A more preferable range of the DC bias voltage is −150 to −110V.
ユニポーラパルスバイアス電圧の場合、負バイアス電圧(ゼロから負側への立ち上がりの急峻な部分を除いた負のピーク値)は−160〜−100Vにするのが好ましい。負バイアス電圧をこの範囲とすることで長寿命の(AlCrB)N硬質皮膜を得られる。負バイアス電圧のより好ましい範囲は−150〜−110Vである。ユニポーラパルスバイアス電圧の周波数は好ましくは20〜50kHzであり、より好ましくは30〜40kHzである。 In the case of a unipolar pulse bias voltage, the negative bias voltage (a negative peak value excluding a portion with a steep rise from zero to the negative side) is preferably −160 to −100V. By setting the negative bias voltage within this range, a long-life (AlCrB) N hard coating can be obtained. A more preferable range of the negative bias voltage is −150 to −110V. The frequency of the unipolar pulse bias voltage is preferably 20 to 50 kHz, and more preferably 30 to 40 kHz.
(4) アーク電流
(AlCrB)N硬質皮膜の形成時にドロップレットを抑制するために、(AlCrB)N硬質皮膜形成用ターゲット(AlCrB焼結体合金ターゲット)18にアーク電流(直流電流)を通電するのが好ましい。アーク電流は150〜250Aにするのが好ましい。アーク電流が150A未満ではアーク放電が不安定になり、(AlCrB)N硬質皮膜の形成が困難になる。一方、アーク電流が250A超ではドロップレットが顕著に増加して耐摩耗性が悪化する。アーク電流は160〜240Aにするのがより好ましい。
(4) Arc current In order to suppress droplets during the formation of the (AlCrB) N hard coating, an arc current (DC current) is passed through the (AlCrB) N hard coating formation target (AlCrB sintered alloy target) 18. Is preferred. The arc current is preferably 150 to 250A. If the arc current is less than 150 A, the arc discharge becomes unstable and it becomes difficult to form an (AlCrB) N hard coating. On the other hand, when the arc current exceeds 250 A, the number of droplets increases remarkably and the wear resistance deteriorates. The arc current is more preferably 160 to 240A.
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は勿論それらに限定されない。以下の実施例及び比較例において、ターゲットの金属元素及び半金属元素の組成は特に断りがなければ蛍光X線法による測定値であり、含有酸素量はキャリアガス法(carrier gas hot extraction method)による測定値である。また、実施例では硬質皮膜の基体としてインサートを用いたが、勿論本発明はそれらに限定される訳ではなく、インサート以外の切削工具(エンドミル、ドリル等)又は金型等にも適用可能である。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is of course not limited thereto. In the following examples and comparative examples, the composition of the target metal element and metalloid element is measured by the fluorescent X-ray method unless otherwise specified, and the oxygen content is determined by the carrier gas hot extraction method. It is a measured value. In the embodiments, the insert is used as the base of the hard coating. However, the present invention is of course not limited thereto, and can be applied to cutting tools other than the insert (end mill, drill, etc.) or a die. .
実施例1
(1) 基体のクリーニング
8.0質量%のCoを含有し、残部がWC及び不可避的不純物からなる組成を有するWC基超硬合金製の仕上げミーリングインサート基体(図6に示す形状を有する三菱日立ツール株式会社製のZDFG300−SC)、及び物性測定用インサート基体(三菱日立ツール株式会社製のSNMN120408)を、図1に示すAI装置の保持具8上にセットし、真空排気と同時にヒーター(図示せず)で550℃まで加熱した。その後、アルゴンガスを500sccm(1atm及び25℃におけるcc/分)の流量で導入して減圧容器5内の圧力を2.0Paに調整するとともに、前記各基体(以後、基体7ともいう。)に−200Vの直流バイアス電圧を印加してアルゴンイオンのボンバードによるエッチングにより基体7のクリーニングを行った。
Example 1
(1) Substrate cleaning Finished milling insert substrate made of WC-based cemented carbide containing 8.0% by mass of Co and the balance of WC and unavoidable impurities (Mitsubishi Hitachi having the shape shown in FIG. 6) ZDFG300-SC manufactured by Tool Co., Ltd.) and an insert base for measuring physical properties (SNMN120408 manufactured by Mitsubishi Hitachi Tool Co., Ltd.) are set on the holder 8 of the AI apparatus shown in FIG. (Not shown). Thereafter, argon gas is introduced at a flow rate of 500 sccm (cc / min at 1 atm and 25 ° C.) to adjust the pressure in the vacuum vessel 5 to 2.0 Pa and to each of the substrates (hereinafter also referred to as the substrate 7). The substrate 7 was cleaned by etching with argon ion bombardment by applying a DC bias voltage of −200V.
(2) TiBターゲットを用いた改質層の形成
基体温度を550℃に保持したまま、アルゴンガスの流量を70sccmとし、Ti0.8B0.2(原子比)で表される組成のターゲット10をアーク放電用電源11が接続されたアーク放電式蒸発源13に配置した。バイアス電源3により基体7に−800Vの直流電圧を印加するとともに、ターゲット10の表面にアーク放電用電源11から75Aの直流アーク電流を流し、基体7の表面に平均厚さ4nmの改質層を形成した。前記改質層の平均厚さの測定は特許第5967329号に記載の方法で行った。
(2) Formation of a modified layer using a TiB target A target having a composition represented by Ti 0.8 B 0.2 (atomic ratio) while maintaining the substrate temperature at 550 ° C. and setting the flow rate of argon gas to 70 sccm. 10 is disposed in an arc discharge evaporation source 13 to which an arc discharge power source 11 is connected. A DC voltage of −800 V is applied to the substrate 7 by the bias power supply 3, a 75 A DC arc current is passed from the arc discharge power supply 11 to the surface of the target 10, and a modified layer having an average thickness of 4 nm is formed on the surface of the substrate 7. Formed. The average thickness of the modified layer was measured by the method described in Japanese Patent No. 5967329.
(3) (AlCrB)N硬質皮膜の形成
(Al)0.59(Cr)0.31(B)0.10(原子比)の金属元素及び半金属元素の組成、及び酸素含有量が2250μg/gのAlCrB焼結体合金からなるターゲット18を、図1のアーク放電用電源12が接続されたアーク放電式蒸発源27に配置した。基体7の温度を450℃に設定するとともに、窒素ガス雰囲気とした減圧容器5内の窒素ガスの全圧を3.0Paにし、及び窒素ガスの流量を800sccmに調整した。
(3) Formation of (AlCrB) N hard coating (Al) 0.59 (Cr) 0.31 (B) 0.10 (atomic ratio) composition of metal elements and metalloid elements, and oxygen content is 2250 μg / A target 18 made of an AlCrB sintered body alloy of g was placed in an arc discharge evaporation source 27 to which the arc discharge power source 12 of FIG. 1 was connected. The temperature of the substrate 7 was set to 450 ° C., the total pressure of nitrogen gas in the decompression vessel 5 in a nitrogen gas atmosphere was adjusted to 3.0 Pa, and the flow rate of nitrogen gas was adjusted to 800 sccm.
バイアス電源3により基体7に−120Vの直流電圧を印加するとともに、ターゲット18にアーク放電用電源12から200Aの直流アーク電流を流し、基体7の上に、(Al0.54Cr0.42B0.04)N0.994O0.006(原子比)の組成を有する厚さ3μmの本実施例の(AlCrB)N硬質皮膜を被覆した。こうして本実施例の硬質皮膜被覆工具(ミーリングインサート)を得た。成膜した硬質皮膜の組成は、硬質皮膜の厚さ方向の中心位置を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)により、加速電圧10kV、照射電流0.05A、及びビーム径0.5μmの条件で測定した。なお、EPMAの測定条件は他の例でも同じである。さらに、上記(AlCrB)N硬質皮膜に含有されるN及びO元素の分析値は、前記のEPMA分析とともに、透過型電子顕微鏡(日本電子株式会社製JEM−2100)に搭載のエネルギー分散型X線分光器(EDS、NORAN社製UTW型Si(Li)半導体検出器、ビーム径:約1μm)を使用したTEM−EDS分析を併用して決定した。 A DC power of −120 V is applied to the base 7 by the bias power source 3, and a DC arc current of 200 A is applied to the target 18 from the arc discharge power source 12, and (Al 0.54 Cr 0.42 B) is applied on the base 7. The (AlCrB) N hard coating of this example having a thickness of 3 μm and a composition of 0.04 ) N 0.994 O 0.006 (atomic ratio) was coated. Thus, a hard film coated tool (milling insert) of this example was obtained. The composition of the hard film formed was such that the center position in the thickness direction of the hard film was measured with an electron probe microanalyzer EPMA (JXA-8500F manufactured by JEOL Ltd.) at an acceleration voltage of 10 kV, an irradiation current of 0.05 A, and a beam diameter. The measurement was performed under the condition of 0.5 μm. The EPMA measurement conditions are the same in other examples. Further, the analysis values of the N and O elements contained in the (AlCrB) N hard film are energy dispersive X-rays mounted on a transmission electron microscope (JEM-2100 manufactured by JEOL Ltd.) together with the EPMA analysis. It was determined by using together with TEM-EDS analysis using a spectroscope (EDS, URAN type Si (Li) semiconductor detector manufactured by NORAN, beam diameter: about 1 μm).
図2は、上記(AlCrB)N硬質皮膜被覆ミーリングインサートの断面組織を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真(倍率:25,000倍)である。図2において、31はWC基超硬合金基体を示し、32は柱状結晶粒の多結晶組織からなる(AlCrB)N硬質皮膜を示す。なお、図2は低倍率なので、改質層は見えない。 FIG. 2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph (magnification: 25,000 times) showing a cross-sectional structure of the (AlCrB) N hard film-coated milling insert. In FIG. 2, 31 indicates a WC-based cemented carbide substrate, and 32 indicates an (AlCrB) N hard coating composed of a polycrystalline structure of columnar crystal grains. Since FIG. 2 is a low magnification, the modified layer is not visible.
(4) (AlCrB)N硬質皮膜におけるBの結合状態
X線光電子分光装置(PHI社製PHI−5000Versaprobe II)を用いて、アルゴンイオンにより上記断面組織の(AlCrB)N硬質皮膜を表面から厚さ方向の1/2の深さ(表面側)までエッチングした後、直径100μmの範囲にAlKα線(1486.7eV、25kV、モノクロ)を照射し、Bの結合状態を示す図3のX線光電子分光スペクトルを得た。図3において、横軸は結合エネルギー(eV)であり、縦軸はc/s(counts per second)である。図3中に検出されたB1sスペクトル、B1sスペクトルのピーク分離を行って得られたB−O結合及びB−N結合を示す。図3から、191eVにB−N結合のピーク強度が、及び193eVにB−O結合のピーク強度がそれぞれ観察され、前記B−N結合と前記B−O結合とのピーク強度比(B−N)/(B−O)は0.6であった。
(4) Bonded state of B in (AlCrB) N hard coating Using an X-ray photoelectron spectrometer (PHI-PHI-5000 Versaprobe II), the thickness of the (AlCrB) N hard coating having the above-mentioned cross-sectional structure is measured by argon ions 3 is etched to a depth half of the direction (surface side), and then irradiated with AlK alpha rays (1486.7 eV, 25 kV, monochrome) in a range of 100 μm in diameter, and the X-ray photoelectron of FIG. A spectroscopic spectrum was obtained. In FIG. 3, the horizontal axis represents binding energy (eV), and the vertical axis represents c / s (counts per second). FIG. 3 shows the detected B1s spectrum and the B—O bond and the B—N bond obtained by performing peak separation of the B1s spectrum. From FIG. 3, the peak intensity of the BN bond is observed at 191 eV, and the peak intensity of the BO bond is observed at 193 eV, and the peak intensity ratio between the BN bond and the BO bond (B—N ) / (BO) was 0.6.
(5) (AlCrB)N硬質皮膜のX線回折パターン
物性測定用インサート基体上の(AlCrB)N硬質皮膜の結晶構造を観察するために、X線回折装置(Panalytical社製のEMPYREAN)を使用し、当該(AlCrB)N硬質皮膜の表面に以下の条件でCuKα1線(波長λ:0.15405nm)を照射してX線回折パターン(図4)を得た。
管電圧:45kV
管電流:40mA
入射角ω:3°に固定
2θ:20〜90°
(5) X-ray diffraction pattern of (AlCrB) N hard coating In order to observe the crystal structure of (AlCrB) N hard coating on the insert substrate for measuring physical properties, an X-ray diffractometer (EMPYREAN manufactured by Panallytical) was used. The surface of the (AlCrB) N hard coating was irradiated with CuKα1 rays (wavelength λ: 0.15405 nm) under the following conditions to obtain an X-ray diffraction pattern (FIG. 4).
Tube voltage: 45kV
Tube current: 40 mA
Incident angle ω: fixed at 3 ° 2θ: 20-90 °
図4において、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、及び(222)面はいずれもfcc構造のX線回折ピークである。従って、実施例1の(AlCrB)N硬質皮膜はfccの単一構造であることが分かる。なお、図4において、指数付けされていないX線回折ピークはWC基超硬合金基体のX線回折ピークである。 In FIG. 4, the (111) plane, (200) plane, (220) plane, (311) plane, and (222) plane are all X-ray diffraction peaks of the fcc structure. Therefore, it can be seen that the (AlCrB) N hard coating of Example 1 has an fcc single structure. In FIG. 4, the X-ray diffraction peaks not indexed are X-ray diffraction peaks of the WC-based cemented carbide substrate.
(6) (AlCrB)N硬質皮膜のミクロ構造
物性測定用インサートの(AlCrB)N硬質皮膜の断面の厚さ方向の中央位置において、透過型電子顕微鏡(JEM−2100)により、200kVの加速電圧及び50cmのカメラ長の条件でナノビーム回折を行った。得られた回折像を図5に示す。図5において、fcc構造の(111)面、(200)面及び(220)面の回折パターンが観察されたことから、本実施例の(AlCrB)N硬質皮膜は電子回折パターンもfccの単一構造であることが分かった。
(6) Microstructure of (AlCrB) N hard coating At the center position in the thickness direction of the cross section of the (AlCrB) N hard coating of the physical property measurement insert, an accelerating voltage of 200 kV and a transmission electron microscope (JEM-2100) Nanobeam diffraction was performed under the condition of a camera length of 50 cm. The obtained diffraction image is shown in FIG. In FIG. 5, since the diffraction patterns of the (111), (200), and (220) planes of the fcc structure were observed, the (AlCrB) N hard film of this example has a single electron diffraction pattern of fcc. It turned out to be a structure.
(7) 工具寿命の測定
図6、図7に示すように、上記(AlCrB)N硬質皮膜被覆ミーリングインサート(以後、インサート30ともいう。)を、刃先交換式回転工具(三菱日立ツール株式会社製 ABPF30S32L150)40の工具本体36の先端部38に止めねじ37を用いて装着した。刃先交換式回転工具40の刃径は30mmとした。刃先交換式回転工具40を使用して下記の転削条件で切削加工を行い、単位時間ごとにサンプリングしたインサート30の逃げ面を光学顕微鏡(倍率:100倍)で観察し、逃げ面の摩耗幅又はチッピング幅が0.2mm以上になったときの加工時間を工具寿命と判定した。
(7) Measurement of tool life As shown in FIGS. 6 and 7, the above (AlCrB) N hard coating coated milling insert (hereinafter also referred to as insert 30) is replaced with a blade-exchangeable rotary tool (manufactured by Mitsubishi Hitachi Tool Co., Ltd.) The tool body 36 of the ABPF30S32L150) 40 was mounted using a set screw 37. The blade diameter of the blade-tip-exchange-type rotary tool 40 was 30 mm. Cutting is performed under the following rolling conditions using the blade-tip-replaceable rotary tool 40, the flank of the insert 30 sampled every unit time is observed with an optical microscope (magnification: 100 times), and the wear width of the flank Alternatively, the machining time when the chipping width was 0.2 mm or more was determined as the tool life.
切削加工条件
加工方法: 連続転削加工
被削材: 120mm×250mmのS50C角材(HB220)
使用インサート: ZDFG300−SC(ミーリング用)
切削工具: ABPF30S32L150
切削速度: 380m/分
1刃当たりの送り量: 0.3mm/刃
軸方向の切り込み量: 0.3mm
半径方向の切り込み量:0.1mm
切削液: なし(乾式加工)
Cutting conditions Machining method: Continuous rolling Work material: S50C square (120 mm x 250 mm) (HB220)
Inserts used: ZDFG300-SC (for milling)
Cutting tool: ABPF30S32L150
Cutting speed: 380 m / min Feed amount per blade: 0.3 mm / blade Axial cut amount: 0.3 mm
Radial cut depth: 0.1 mm
Cutting fluid: None (dry machining)
使用した(AlCrB)N硬質皮膜形成用AlCrB焼結体合金ターゲットの組成を表1に示し、使用した(AlCrB)N硬質皮膜の成膜条件を表2に示し、得られた(AlCrB)N硬質皮膜の組成を表3に示し、並びに前記皮膜のX線回折及び電子回折による結晶構造の測定結果、X線光電子分光分析法により特定されたB−O結合及びB−N結合のピーク強度比(B−N)/(B−O)、及び工具寿命を表4に示す。 The composition of the used AlCrB sintered body alloy target for forming the (AlCrB) N hard coating is shown in Table 1, the film forming conditions of the used (AlCrB) N hard coating are shown in Table 2, and the obtained (AlCrB) N hard The composition of the film is shown in Table 3, the measurement result of the crystal structure of the film by X-ray diffraction and electron diffraction, the peak intensity ratio of B—O bond and B—N bond identified by X-ray photoelectron spectroscopy ( Table 4 shows BN) / (BO) and tool life.
実施例2〜9
表1に示す各例のAlCrB焼結体ターゲットを使用し、及び表2に示す各例の(AlCrB)N硬質皮膜の成膜条件を使用した以外、実施例1と同様にして(AlCrB)N硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。実施例2、3では実施例1に対してAl(Cr)添加量を変化させた。実施例4及び5では実施例1に対してB添加量を変化させた。実施例6及び9では実施例1に対して窒素ガスの全圧を変化させた。実施例7では実施例5に対してバイアス電圧を変化させた。実施例8では実施例1に対して焼結体ターゲットの含有酸素量を変化させた。前記各例のAlCrB焼結体合金ターゲットの組成を表1に示し、前記各例の(AlCrB)N硬質皮膜の成膜条件を表2に示し、得られた前記各例の(AlCrB)N硬質皮膜の組成を表3に示し、並びに前記各例の(AlCrB)N硬質皮膜のX線回折及び電子回折による結晶構造の測定結果、前記各例のX線光電子分光分析法により特定されたB−O結合及びB−N結合のピーク強度比(B−N)/(B−O)、及び前記各例の工具寿命を表4に示す。
Examples 2-9
(AlCrB) N In the same manner as in Example 1, except that the AlCrB sintered body target of each example shown in Table 1 was used, and the film forming conditions of the (AlCrB) N hard film of each example shown in Table 2 were used. Hard film coated milling inserts and hard film coated tools were produced. In Examples 2 and 3, the addition amount of Al (Cr) was changed with respect to Example 1. In Examples 4 and 5, the B addition amount was changed from that in Example 1. In Examples 6 and 9, the total pressure of nitrogen gas was changed from that in Example 1. In Example 7, the bias voltage was changed from that in Example 5. In Example 8, the amount of oxygen contained in the sintered compact target was changed from that in Example 1. The composition of the AlCrB sintered body alloy target of each example is shown in Table 1, the film formation conditions of the (AlCrB) N hard film of each example are shown in Table 2, and the obtained (AlCrB) N hard The composition of the film is shown in Table 3, and the measurement results of the crystal structure by X-ray diffraction and electron diffraction of the (AlCrB) N hard film of each of the above examples, the B− specified by the X-ray photoelectron spectroscopy of each of the above examples Table 4 shows the peak intensity ratio (BN) / (BO) of the O bond and BN bond, and the tool life of each example.
比較例1
(AlCrB)N硬質皮膜の成膜時における減圧容器5内の窒素ガス雰囲気の全圧を2Paに、及び窒素ガスの流量を700sccmに調整した以外、実施例1と同様にして(AlCrB)N硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。
Comparative Example 1
(AlCrB) N hard as in Example 1, except that the total pressure of the nitrogen gas atmosphere in the decompression vessel 5 during the formation of the (AlCrB) N hard coating was adjusted to 2 Pa and the flow rate of the nitrogen gas to 700 sccm. Film coated milling inserts and hard film coated tools were produced.
比較例2
(AlCrB)N硬質皮膜の成膜時における減圧容器5内の窒素ガス雰囲気の全圧を3.5Paに、及び窒素ガスの流量を900sccmに調整した以外、実施例1と同様にして(AlCrB)N硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。
Comparative Example 2
(AlCrB) In the same manner as in Example 1 except that the total pressure of the nitrogen gas atmosphere in the decompression vessel 5 was adjusted to 3.5 Pa and the flow rate of the nitrogen gas to 900 sccm during the formation of the N hard coating (AlCrB) N hard coating coated milling inserts and hard coating coated tools were produced.
比較例3
過小な酸素含有量(420μg/g)のAlCrB焼結体合金ターゲット(表1)を使用した以外、実施例1と同様にして(AlCrB)N硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。
Comparative Example 3
A (AlCrB) N hard coating coated milling insert and a hard coating coated tool were produced in the same manner as in Example 1 except that an AlCrB sintered alloy target (Table 1) with an excessive oxygen content (420 μg / g) was used. .
比較例4
過大な酸素含有量(5390μg/g)のAlCrB焼結体合金ターゲット(表1)を使用した以外、実施例1と同様にして(AlCrB)N硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。
Comparative Example 4
A (AlCrB) N hard coating coated milling insert and a hard coating coated tool were produced in the same manner as in Example 1 except that an AlCrB sintered alloy target (Table 1) having an excessive oxygen content (5390 μg / g) was used. .
従来例1
<特許文献1(特開2005−330539)の表1中、試料番号4の第2層の成膜条件のトレース実験>
(AlCrB)N硬質皮膜の成膜時の窒素ガス流量:200sccm、窒素ガス全圧:1 Pa、アーク電流:200A、及び基体のバイアス電圧:−50V(表2)とした以外、実施例1と同様にして(AlCrB)N硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。
Conventional Example 1
<Trace Experiment on Film Formation Conditions of Sample No. 4 in Table 1 of Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-330539)>
Nitrogen gas flow rate during deposition of (AlCrB) N hard coating: 200 sccm, nitrogen gas total pressure: 1 Pa, arc current: 200 A, and substrate bias voltage: −50 V (Table 2) Similarly, an (AlCrB) N hard coating coated milling insert and a hard coating coated tool were produced.
実施例10
WC基超硬合金基体にTiBターゲットを用いた改質層を形成しない以外、実施例1と同様にして(AlCrB)N硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。使用したAlCrB焼結体合金ターゲットの組成を表1に示し、使用した(AlCrB)N硬質皮膜の成膜条件を表2に示し、得られた(AlCrB)N硬質皮膜の組成を表3に示し、並びに当該(AlCrB)N硬質皮膜のX線回折及び電子回折による結晶構造の測定結果、X線光電子分光分析法により特定されたB−O結合及びB−N結合のピーク強度比(B−N)/(B−O)、及び工具寿命を表4に示す。
Example 10
A (AlCrB) N hard coating coated milling insert and a hard coating coated tool were produced in the same manner as in Example 1 except that a modified layer using a TiB target was not formed on the WC-based cemented carbide substrate. Table 1 shows the composition of the AlCrB sintered alloy target used, Table 2 shows the film forming conditions of the (AlCrB) N hard coating used, and Table 3 shows the composition of the obtained (AlCrB) N hard coating. And the measurement result of the crystal structure of the (AlCrB) N hard coating by X-ray diffraction and electron diffraction, the peak intensity ratio of B—O bond and B—N bond identified by X-ray photoelectron spectroscopy (B—N ) / (BO) and tool life are shown in Table 4.
(2) AlCrB焼結体合金ターゲットへ印加する。
(3) 基体に印加する。
(2) Apply to the AlCrB sintered alloy target.
(3) Apply to the substrate.
(2) 主構造。
(3) X線光電子分光分析法で特定されたB−N結合のピーク強度とB−O結合のピーク強度との比率。
(4):測定していない。
(5):B−O結合が観察されず、算出できなかった。
(2) Main structure.
(3) Ratio of the peak intensity of the BN bond and the peak intensity of the BO bond specified by the X-ray photoelectron spectroscopy.
(4): Not measured.
(5): B—O bond was not observed and could not be calculated.
表4に示すとおり、得られた各例のX線光電子分光スペクトルから、実施例1〜10の各(AlCrB)N硬質皮膜ではいずれも、含有酸素量(1−a)が0.990〜0.998の範囲内にあった。さらに、実施例1〜8及び10の各(AlCrB)N硬質皮膜ではいずれも、B−O結合及びB−N結合が形成されているとともにB−N結合のピーク強度とB−O結合のピーク強度の比率(B−N/B−O)は0.4〜1.0の範囲内にあることが分かる。特に、実施例1の(AlCrB)N硬質皮膜の含有酸素量(1−a)は0.006であり、さらに前記ピーク強度比(B−N/B−O)は0.6であった。もって実施例1の(AlCrB)N硬質皮膜被覆インサートを装着した刃先交換式回転工具の工具寿命は400分であり、最も長寿命であった。TiBターゲットによる改質層を形成していない実施例10の(AlCrB)N硬質皮膜被覆インサートを装着した刃先交換式回転工具の工具寿命は310分であり、改質層を形成した実施例1〜9の各刃先交換式回転工具より短寿命であったが、各比較例及び従来例1の各刃先交換式回転工具より長寿命であった。 As shown in Table 4, from the X-ray photoelectron spectroscopy spectrum of each obtained example, in each of the (AlCrB) N hard coatings of Examples 1 to 10, the oxygen content (1-a) is 0.990 to 0 Within the range of .998. Furthermore, in each of the (AlCrB) N hard coatings of Examples 1 to 8 and 10, the B—O bond and the B—N bond are formed, and the peak intensity of the BN bond and the peak of the B—O bond are formed. It can be seen that the intensity ratio (BN / BO) is in the range of 0.4 to 1.0. In particular, the oxygen content (1-a) of the (AlCrB) N hard coating of Example 1 was 0.006, and the peak intensity ratio (BN / BO) was 0.6. Therefore, the tool life of the blade-tip-exchangeable rotary tool equipped with the (AlCrB) N hard coating-coated insert of Example 1 was 400 minutes, which was the longest. The tool life of the blade-tip-exchange-type rotary tool equipped with the (AlCrB) N hard coating-coated insert of Example 10 in which no modified layer was formed by the TiB target was 310 minutes, and Examples 1 to 1 in which the modified layer was formed The tool life was shorter than that of each of the 9 cutting edge exchange type rotary tools, but was longer than that of the respective cutting edge exchange type rotary tools of Comparative Examples and Conventional Example 1.
比較例1〜4及び従来例1の(AlCrB)N硬質皮膜被覆インサートを装着した刃先交換式回転工具はいずれも短寿命であった。比較例1の(AlCrB)N硬質皮膜では、含有酸素量(1−a)が0.012であり、さらに前記ピーク強度比(B−N/B−O)が0.3であったことにより良好な潤滑性及び耐摩耗性を両立できなかったと判断される。比較例2の(AlCrB)N硬質皮膜では、含有酸素量(1−a)は0.001であり、さらに前記ピーク強度比(B−N/B−O)が2.1であったことにより良好な潤滑性及び耐摩耗性を両立できなかったと判断される。比較例3の(AlCrB)N硬質皮膜では、含有酸素量(1−a)は0.001であり、さらにB−O結合が形成されていなかったことにより良好な潤滑性及び耐摩耗性を両立できなかったと判断される。比較例4の(AlCrB)N硬質皮膜では、含有酸素量(1−a)は0.016であり、さらに前記ピーク強度比(B−N/B−O)が0.1であったことにより良好な潤滑性及び耐摩耗性を両立できなかったと判断される。従来例1の(AlCrB)N硬質皮膜では窒素ガスの流量及び圧力が低いことから、含有酸素量(1−a)は0.013であり、さらにB−N結合が形成されていなかったことにより良好な潤滑性及び耐摩耗性を両立できなかったと判断される。 The blade-tip-exchangeable rotary tools equipped with the (AlCrB) N hard coating-coated inserts of Comparative Examples 1 to 4 and Conventional Example 1 all had a short life. In the (AlCrB) N hard coating of Comparative Example 1, the oxygen content (1-a) was 0.012, and the peak intensity ratio (BN / BO) was 0.3. It is judged that good lubricity and wear resistance were not compatible. In the (AlCrB) N hard film of Comparative Example 2, the oxygen content (1-a) was 0.001, and the peak intensity ratio (BN / BO) was 2.1. It is judged that good lubricity and wear resistance were not compatible. In the (AlCrB) N hard coating film of Comparative Example 3, the oxygen content (1-a) is 0.001, and further, since no B—O bond is formed, both good lubricity and wear resistance are achieved. It is judged that it was not possible. In the (AlCrB) N hard coating of Comparative Example 4, the oxygen content (1-a) was 0.016, and the peak intensity ratio (BN / BO) was 0.1. It is judged that good lubricity and wear resistance were not compatible. Since the flow rate and pressure of nitrogen gas are low in the (AlCrB) N hard coating film of Conventional Example 1, the oxygen content (1-a) is 0.013, and further no BN bond is formed. It is judged that good lubricity and wear resistance were not compatible.
1:駆動部
2:ガス導入部
3:バイアス電源
4:軸受け部
5:減圧容器
6:下部保持具(支柱)
7:基体
8:上部保持具
10、18:陰極物質(ターゲット)
11、12:アーク放電用電源
13、27:アーク放電式蒸発源
14:アーク放電式蒸発源固定用絶縁物
15:アーク点火機構軸受部
16:アーク点火機構
17:排気口
19:電極固定用絶縁物
20:電極
21:遮蔽板軸受け部
22:遮蔽板駆動部
23:遮蔽板
30:ミーリング用インサート
31:WC基超硬合金基体
32:(AlCrB)N硬質皮膜
35:インサートのすくい面
36:工具基体
37:インサート用止めねじ
38:工具本体の先端部
39:刃先交換式回転工具
46:工具本体
47:インサート用止めねじ
48:工具本体の先端部
1: Drive unit 2: Gas introduction unit 3: Bias power supply 4: Bearing unit 5: Depressurization vessel 6: Lower holder (support)
7: Substrate 8: Upper holder 10, 18: Cathode material (target)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11, 12: Arc discharge power supply 13, 27: Arc discharge evaporation source 14: Insulator for fixing arc discharge evaporation source 15: Arc ignition mechanism bearing 16: Arc ignition mechanism 17: Exhaust port 19: Insulation for fixing electrode Material 20: Electrode 21: Shield plate bearing portion 22: Shield plate drive portion 23: Shield plate 30: Insert for milling 31: WC base cemented carbide substrate 32: (AlCrB) N hard coating 35: Rake face of insert 36: Tool Substrate 37: Insert set screw 38: Tip end of tool body 39: Blade-replaceable rotary tool 46: Tool body 47: Insert set screw 48: Tip end of tool body
Claims (6)
X線回折パターンがfccの単一構造を有することを特徴とする硬質皮膜。 (Al x Cr 1-xy B y ) N a O 1-a (where x, 1-xy, y, a and 1-a are atomic ratios of Al, Cr, B, N and O, respectively) Is a number satisfying 0.35 ≦ x ≦ 0.75, 0.01 ≦ y ≦ 0.1, and 0.990 ≦ a ≦ 0.998.) There,
A hard film, wherein the X-ray diffraction pattern has a single structure of fcc.
アーク放電式蒸発源(ターゲット)として酸素含有量が2000〜4000μg/gのAlCrB焼結体合金を用いて、全圧2.7〜3.3Paとした窒素ガス雰囲気中において、400〜550℃の温度に保持した前記基体上に前記硬質皮膜を形成することを特徴とする硬質皮膜被覆工具の製造方法。 (Al x Cr 1-xy B y ) N a O 1-a (where x, 1-xy, y, a and 1-a are atomic ratios of Al, Cr, B, N and O, respectively) And a composition satisfying 0.35 ≦ x ≦ 0.75, 0.01 ≦ y ≦ 0.1, and 0.990 ≦ a ≦ 0.998) A method for producing a hard film-coated tool having a hard film having a single structure having a line diffraction pattern of fcc on a substrate by an arc ion plating method,
Using an AlCrB sintered alloy having an oxygen content of 2000 to 4000 μg / g as an arc discharge evaporation source (target), in a nitrogen gas atmosphere having a total pressure of 2.7 to 3.3 Pa, a temperature of 400 to 550 ° C. A method for producing a hard film-coated tool, wherein the hard film is formed on the substrate maintained at a temperature.
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