JP5180221B2 - 硬質積層被膜、硬質積層被膜被覆工具、および被膜形成方法 - Google Patents
硬質積層被膜、硬質積層被膜被覆工具、および被膜形成方法 Download PDFInfo
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Description
【0001】
本発明は硬質積層被膜に係り、特に、組成が異なる2種類の被膜を交互に多数積層した耐摩耗性に優れた硬質積層被膜の改良に関するものである。
【背景技術】
【0002】
高速度工具鋼や超硬合金等の工具母材などの所定の部材の表面に設ける耐摩耗性の硬質被膜として、組成が異なる2種類の第1被膜および第2被膜を交互に多数積層した種々の硬質積層被膜が提案されている。特許文献1、2に記載の硬質積層被膜はその一例で、元素の周期律表のIVa族、Va族、VIa族の金属元素、或いはAlなどの窒化物や炭化物等から成る2種類の被膜が数nm〜数百nm程度の積層周期で繰り返し積層されている。すなわち、第1被膜および第2被膜の薄膜化や多層化、金属元素の合金化等の種々の手段により、被膜硬さや耐摩耗性の向上が図られている。
【特許文献1】
特開平7−205361号公報
【特許文献2】
特開2005−256081号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかしながら、このような硬質積層被膜においても、被膜硬さが例えばHV0.025で3000程度以上の非常に硬いものを得ることは難しく、焼入れ鋼等の硬質材料に対して切削加工を行なう硬質積層被膜被覆工具の場合、必ずしも十分に満足できる耐摩耗性(耐久性)が得られないなど、未だ改善の余地があった。
【0004】
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、金属元素を含む2種類の被膜を交互に多数積層した硬質積層被膜において、被膜硬さを一層向上させ、硬質材料に対しても優れた耐摩耗性が得られるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
かかる目的を達成するために、第1発明は、組成が異なる2種類の第1被膜および第2被膜が所定の部材の表面上に交互に多数積層された耐摩耗性に優れた硬質積層被膜であって、(a)前記第1被膜は、(AlxCr1−x−yYy)(BaCbOcN1−a−b−c)〔但し、x、y、a、b、cはそれぞれ原子比で、0.3≦x≦0.8、0<y≦0.10、0≦a≦0.2、0≦b≦0.3、0≦c≦0.1の範囲内〕にて構成され、前記AlxCr1−x−yYyをターゲットとしてPVD法により形成されている一方、(b)前記第2被膜は、M(BdCeOfN1−d−e−f)〔ここで、Mは元素の周期律表のIVa族、Va族、VIa族、Al、Si、およびYから選択される単一元素の金属または2種類以上の金属元素から成るAlCrY以外の合金、d、e、fはそれぞれ原子比で、0≦d≦0.2、0≦e≦0.3、0≦f≦0.1の範囲内、但しCrNを除く〕にて構成され、前記MをターゲットとしてPVD法により形成されており、且つ、(c)その第1被膜の膜厚と第2被膜の膜厚を合わせた積層周期tは0.2nm〜100nmの範囲内であることを特徴とする。
第2発明は、組成が異なる2種類の第1被膜および第2被膜が所定の部材の表面上に交互に多数積層された耐摩耗性に優れた硬質積層被膜であって、(a)前記第1被膜は、(AlxCr1−x−yYy)(BaCbOcN1−a−b−c)〔但し、x、y、a、b、cはそれぞれ原子比で、0.3≦x≦0.8、0<y≦0.10、0≦a≦0.2、0≦b≦0.3、0≦c≦0.1の範囲内〕にて構成され、前記AlxCr1−x−yYyをターゲットとしてPVD法により形成されている一方、(b)前記第2被膜は、M(BdCeOfN1−d−e−f)〔但し、Mは元素の周期律表のIVa族、Va族、Mo、W、Al、およびSiから選択される単一元素の金属または2種類以上の金属元素から成る合金、d、e、fはそれぞれ原子比で、0≦d≦0.2、0≦e≦0.3、0≦f≦0.1の範囲内〕にて構成され、前記MをターゲットとしてPVD法により形成されており、且つ、(c)その第1被膜の膜厚と第2被膜の膜厚を合わせた積層周期tは0.2nm〜100nmの範囲内であることを特徴とする。
第3発明は、第1発明または第2発明の硬質積層被膜において、前記第1被膜と前記第2被膜のうち、前記所定の部材又はその所定の部材と前記硬質積層被膜との間に介在する中間層に対して、密着性に優れた一方をその所定の部材又は前記中間層の表面に、他方より先に形成したものであることを特徴とする。
【0006】
第4発明は、第1発明〜第3発明の硬質積層被膜において、前記第1被膜および前記第2被膜が前記積層周期tで繰り返し積層された前記硬質積層被膜の総膜厚Dは0.2μm〜10μmの範囲内であることを特徴とする。
【0007】
第5発明は、第1発明〜第4発明の何れかの硬質積層被膜において、前記第1被膜および前記第2被膜における前記BCONの成分組成は互いに等しいことを特徴とする。
【0008】
第6発明は、硬質積層被膜被覆工具に関するもので、第1発明〜第5発明の何れかの硬質積層被膜で表面が被覆されていることを特徴とする。
【0009】
第7発明は、第5発明に記載の硬質積層被膜をPVD法により所定の部材に形成する被膜形成方法であって、(a)所定の処理容器内において、外周部に前記部材を保持して一中心線まわりに回転駆動される回転テーブルと、(b)その回転テーブルの周囲に互いに周方向に離間して配設された前記AlxCr1−x−yYyから成る第1ターゲットおよび前記Mから成る第2ターゲットと、(c)前記BCONの成分組成に応じて定められた所定の反応ガスを前記処理容器内に供給する反応ガス供給装置と、を有する被膜形成装置を用いて、(d)前記回転テーブルを前記一中心線まわりに一方向へ連続回転させることにより、前記部材が前記第1ターゲットおよび前記第2ターゲットの前を交互に周期的に通過させられる一方、前記反応ガスを前記処理容器内に供給するとともに、前記第1ターゲットおよび前記第2ターゲットからそれぞれ前記AlxCr1−x−yYyおよび前記Mを蒸発させることにより、そのAlxCr1−x−yYyおよびMをそれぞれ前記反応ガスと反応させ、前記部材が第1ターゲット前を通過する際にはその部材の表面に前記第1被膜が形成され、第2ターゲット前を通過する際にはその部材の表面に前記第2被膜が形成されることにより、その部材の表面に第1被膜と第2被膜とを交互に連続的に積層することを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
第1発明〜第3発明の硬質積層被膜は、(AlxCr1−x−yYy)(BaCbOcN1−a−b−c)にて構成されている第1被膜と、M(BdCeOfN1−d−e−f)にて構成され、但しCrNを除くものである第2被膜とが、0.2nm〜100nmの範囲内の積層周期tで交互に多数積層されたもので、このような硬質積層被膜によれば、被膜硬さが例えばHV0.025で3000〜3500程度の非常に硬いものが得られる。これにより、例えば焼入れ鋼等の硬質材料に対して切削加工を行う硬質積層被膜被覆工具においても、優れた耐摩耗性(耐久性)が得られるようになる。
【0011】
上記硬質積層被膜で被覆された第6発明の硬質積層被膜被覆工具や、BCONの成分組成が等しい硬質積層被膜を形成する第7発明の被膜形成方法においても、実質的に上記と同様の作用効果が得られる。第7発明では、回転テーブルによって部材を一中心線まわりに連続回転させることにより、第1被膜および第2被膜を交互に連続的に積層するため、短時間で効率良く硬質積層被膜を形成することができる。
【0012】
第4発明では、硬質積層被膜の総膜厚Dが0.2μm〜10μmの範囲内であるため、被膜の剥離を抑制しつつ優れた耐摩耗性が得られる。また、第5発明では、第1被膜および第2被膜のBCONの成分組成が互いに等しいため、被膜毎に反応ガスを切り替える必要がなく、例えば第7発明の被膜形成方法を用いることにより短時間で効率良く硬質積層被膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
[0013]
[図1]本発明が適用されたエンドミルを示す図で、(a)は軸心と直角方向から見た正面図、(b)は硬質積層被膜が設けられた刃部の表面部分の断面図である。
[図2]図1の硬質積層被膜をPVD法によって好適に形成できるアークイオンプレーティング装置の一例を説明する図で、(a)は概略構成図、(b)は回転テーブルおよびターゲットの位置関係を示す平面図である。
【図3】本発明の硬質積層被膜の具体例と、所定の加工条件で切削加工を行なって逃げ面摩耗幅(耐摩耗性)を調べた結果を示す図である。
【図4】本発明とは第1被膜および第2被膜の原子比や積層周期が異なる比較例について、図3の場合と同じ加工条件で切削加工を行なって逃げ面摩耗幅(耐摩耗性)を調べた結果を示す図である。
【符号の説明】
【0014】
10:エンドミル(硬質積層被膜被覆工具) 12:工具母材(所定の部材) 20:硬質積層被膜 22:第1被膜 24:第2被膜 30:アークイオンプレーティング装置(被膜形成装置) 32:第1回転テーブル(回転テーブル) 38:チャンバ(処理容器) 40:反応ガス供給装置 48:第1ターゲット 52:第2ターゲット O:一中心線
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
本発明は、エンドミルやタップ、ドリルなどの回転切削工具の他、バイト等の非回転式の切削工具、或いは転造工具など、種々の加工工具の表面に設けられる硬質積層被膜に好適に適用されるが、半導体装置等の表面保護膜など加工工具以外の部材の表面に設けられる硬質積層被膜にも適用できる。工具母材など硬質積層被膜が設けられる部材の材質としては、超硬合金や高速度工具鋼が好適に用いられるが、他の金属材料であっても良い。
【0016】
本発明の硬質積層被膜を形成するPVD法(物理蒸着法)としては、アークイオンプレーティング法やスパッタリング法が好適に用いられる。第1被膜および第2被膜の膜厚は、ターゲットに対する投入電力量や回転テーブルの回転速度等により適宜設定することができる。
【0017】
第1被膜におけるAlxCr1−x−yYyの原子比x、yは、0.3≦x≦0.8、0<y≦0.10の範囲内で要求特性に応じて適宜設定できる。第2被膜のMは、例えばTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、或いはAl、Si、Y等の中の1種類の元素から成る金属、或いは2種類以上の金属元素から成る合金で、合金としては例えばTiAl、TiSi、TiCr、TiY、TiZr、TiV、TiAlCr、TiAlY、AlCr、AlSi、CrVなどがある。これ等の合金の原子比は適宜設定され、2種類の金属元素の合金の場合は例えば0.5程度とされる。なお、第2被膜は第1被膜と組成が相違するものであり、MとしてはAlCrY以外の合金または金属が採用され、かつ、第2被膜はCrNを除くものである。
[0018]
第1被膜および第2被膜におけるBCONは、全体を1として少なくともN(窒素)を0.4以上含み、B(硼素)については0.2以下、C(炭素)については0.3以下、O(酸素)については0.1以下で、それぞれ含有させることができ、N(窒素)だけでも良い。
【0019】
第5発明では、第1被膜および第2被膜におけるBCONの成分組成は同じ、すなわち原子比a=d、b=e、且つc=fであるが、第1発明〜第4発明の実施に際しては必ずしも同じである必要はなく、別々に設定することもできる。また、BCONの他に不可避的な不純物元素や性質に影響しない他の元素を含んでも差し支えない。
[0020]
第1被膜の膜厚と第2被膜の膜厚を合わせた積層周期tは、0.2nmよりも薄いと被膜本来の特性(硬さや耐熱性、耐酸化性、潤滑性など)が十分に得られなくなる恐れがあり、100nmよりも厚いと、薄膜化による被膜硬さの向上効果が十分に得られなくなる恐れがあるため、0.2nm〜100nmの範囲内で設定する必要があり、膜厚のばらつき(誤差)を考慮すると0.5nm〜50nmの範囲内をネライ値として形成することが望ましい。なお、各被膜の膜厚は、被膜毎に或いは部分的にばらつきがあるため、積層周期tは、その平均膜厚が上記範囲内となるようにすれば良い。
[0021]
第1被膜および第2被膜は、何れを先に部材(工具母材など)の表面上に形成しても良く、被膜の組成に応じて例えば密着性に優れた方を先に設けることが望ましいが、特に限定することなく形成することも可能である。また、第1被膜および第2被膜をペアとして積層されるが、合計の層数を奇数とすることも可能で、第1被膜を先に形成した場合に最上層も第1被膜であったり、第2被膜を先に形成した場合に最上層も第2被膜であったりしても良い。なお、本発明の硬質積層被膜と部材表面との間に、必要に応じて他の硬質被膜を介在させたり、最上層に別の被膜を設けたりすることも可能である。硬質積層被膜を第1被膜および第2被膜のみから構成する場合でも、工具母材の表面に接する最下層や最上層の被膜を積層被膜とは別の被膜と見做して、それ等の膜厚を前記積層周期tと無関係に大きくしたり小さくしたりすることも可能である。
[0022]
硬質積層被膜の総膜厚Dは、被膜を設ける対象物(部材)や要求特性によっても異なるが、例えば回転切削工具など比較的大きな衝撃荷重を受ける場合には、被膜の剥離を抑制する上で10μm以下が望ましく、十分な耐摩耗性を確保する上で0.2μm以上が望ましい。摺動部材など衝撃荷重を殆ど受けない場合には、総膜厚Dを10μmより大きくしても差し支えなく、例えば20μm程度とすることも可能である。
【0023】
第7発明では、一中心線まわりに回転させられる回転テーブルの外周部に部材を保持してその回転テーブルを一方向へ連続回転させることにより、その回転テーブルの周囲に位置固定に配設された第1ターゲットおよび第2ターゲットの前を部材が交互に周期的に通過させられ、第1被膜および第2被膜が交互に連続的に積層されるが、他の被膜形成方法を採用することもできる。例えば、ターゲットの近傍で回転テーブルを停止させながら間欠回転させるようにしても良いし、一定位置に保持されている部材に対して第1ターゲットおよび第2ターゲットを移動させるようにしても良いなど、種々の態様が可能である。また、第1被膜および第2被膜のBCONの成分組成が異なる場合など、第1被膜、第2被膜毎に反応ガスを切り換えたり蒸発させるターゲットを切り換えたりして、第1被膜および第2被膜を別々に断続的に積層することも可能である。
【0024】
第7発明では、回転テーブルは一方向へ連続回転させられるようになっており、制御の容易さから一定速度で回転駆除することが望ましいが、第1ターゲットおよび第2ターゲットの配設位置に対応させて回転速度を周期的に増減させることもできる。
[0025]
上記回転テーブルは、その外周部分に部材を直接一定の姿勢で保持するものでも良いが、前記一中心線とは異なる第2の中心線まわりに回転する第2の回転テーブルを有し、その第2の回転テーブルにより部材を保持してその第2の中心線まわりに連続回転させながら被膜を形成するようにすれば、部材の外周面に均一に被膜を形成することができる。例えば、その部材が回転切削工具の工具母材の場合、工具母材の軸心が第2の中心線と同心または平行となる姿勢で第2の回転テーブルに工具母材を取り付け、その第2の中心線まわりに工具母材を連続回転させながら被膜を形成することが望ましい。第2の回転テーブルは、例えば第2の中心線が前記一中心線と平行となる姿勢で配設されるが、一中心線と直交する姿勢で配設することもできるなど、種々の態様が可能である。
【0026】
また、第1ターゲットおよび第2ターゲットは、例えば回転テーブルの一中心線に対して対称位置に1個ずつ配設されるが、対称位置からずれた位置に配設することもできるし、一中心線まわりに例えば90°間隔で交互に2個ずつ配設したり、3個以上ずつ配設したりすることもできるなど、種々の態様が可能である。
【実施例】
【0027】
以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は、本発明の硬質積層被膜被覆工具の一例であるエンドミル10を説明する図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図であり、超硬合金にて構成されている工具母材12にはシャンクおよび刃部14が一体に設けられている。刃部14には、切れ刃として外周刃16および底刃18が設けられており、軸心まわりに回転駆動されることによりそれ等の外周刃16および底刃18によって切削加工が行われるとともに、その刃部14の表面には硬質積層被膜20がコーティングされている。図1(a) の斜線部は硬質積層被膜20を表しており、図1の(b) は、硬質積層被膜20がコーティングされた刃部14の表面部分の断面図である。エンドミル10は回転切削工具で、工具母材12は硬質積層被膜20が設けられる所定の部材に相当する。
【0028】
図1(b)から明らかなように、硬質積層被膜20は第1被膜22および第2被膜24を、工具母材12の表面上に交互に多数積層したものである。第1被膜22は、AlxCr1−x−yYy(BaCbOcN1−a−b−c)〔但し、x、y、a、b、cはそれぞれ原子比で、0.3≦x≦0.8、0<y≦0.10、0≦a≦0.2、0≦b≦0.3、0≦c≦0.1の範囲内〕にて構成されており、第2被膜24は、M(BdCeOfN1−d−e−f)〔但し、Mは元素の周期律表のIVa族、Va族、VIa族、Al、SiおよびYから選択される単一元素の金属または2種類以上の金属元素から成る合金、d、e、fはそれぞれ原子比で、0≦d≦0.2、0≦e≦0.3、0≦f≦0.1の範囲内、但しCrNを除く〕にて構成されている。また第1被膜22の膜厚と第2被膜24の膜厚を合わせた積層周期tは0.2nm〜100nmの範囲内で、硬質積層被膜20の総膜厚Dは0.2μm〜10μmの範囲内である。なお、積層周期tを1層とする積層数は、積層周期tおよび総膜厚Dに応じて適宜定められるが、例えば10層〜1000層の範囲内が適当である。
【0029】
上記第1被膜22におけるAlxCr1−x−yYyの原子比x、yは、0.3≦x≦0.8、0<y≦0.10の範囲内で要求特性等に応じて適宜設定される。第2被膜24のMは、例えばTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、或いはAl、Si、Y等の中の1種類の元素から成る金属、或いは2種類以上の金属元素から成る合金で、合金としては例えばTiAl、TiSi、TiCr、TiY、TiZr、TiV、TiAlCr、TiAlY、AlCr、AlSi、CrVなどが用いられる。これ等の合金の原子比は適宜設定され、2種類の金属元素の合金の場合は例えば0.5程度とされる。なお、第2被膜24は第1被膜22と組成が相違するものであり、MとしてはAlCrY以外の合金または金属が採用され、かつ、第2被膜24はCrNを除くものである。図3の実施例の試験品No1、No6、No11、No15、No24は、第2被膜24のMが単一元素から成る金属の場合で、それ以外の試験品No2〜No5、No7〜No10、No12〜No14、No16〜No23は、第2被膜24のMが2種類以上の金属元素から成る合金の場合である。
【0030】
両被膜22、24のBCONは、全体を1として少なくともN(窒素)を0.4以上含み、B(硼素)については0.2以下、C(炭素)については0.3以下、O(酸素)については0.1以下で、それぞれ含有させることができ、N(窒素)だけでも良い。また、第1被膜22および第2被膜24におけるBCONの成分組成は互いに同じ、すなわち原子比a=d、b=e、且つc=fであっても良いが、別々に設定することもできる。BCONの他に不可避的な不純物元素や性質に影響しない他の元素を含んでも差し支えない。図3の実施例の試験品No1〜No9、No21は、両被膜22、24のBCONの成分組成が互いに等しい場合である。
【0031】
図2は、上記硬質積層被膜20を形成する際に好適に用いられるアークイオンプレーティング装置30を説明する図で、(a) は概略構成図(模式図)で(b) におけるA−A断面に相当する図であり、(b) は平面図である。このアークイオンプレーティング装置30は、略水平な第1回転テーブル32、その第1回転テーブル32を略垂直な一中心線Oまわりに回転駆動する回転駆動装置33、第1回転テーブル32の外周部に複数(図2の(b) では4個)配設されるとともに多数のワークすなわち硬質積層被膜20を被覆する前の切れ刃16、18等が形成された工具母材12を保持する第2回転テーブル34、工具母材12に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源36、工具母材12などを内部に収容している処理容器としてのチャンバ38、チャンバ38内に所定の反応ガスを供給する反応ガス供給装置40、チャンバ38内の気体を真空ポンプなどで排出して減圧する排気装置42、第1アーク電源44、第2アーク電源46等を備えている。このアークイオンプレーティング装置30は被膜形成装置に相当する。なお、図2の(b) では、第2回転テーブル34に取り付けられる工具母材12が省略されている。
【0032】
上記第2回転テーブル34は第1回転テーブル32と平行に配設されており、その第1回転テーブル32の一中心線Oと平行な自身の中心線(第2の中心線)まわりに回転させられるとともに、複数の工具母材12を、その軸心が第2の中心線と平行で刃部14が上向きとなる垂直な姿勢で保持するようになっている。したがって、複数の工具母材12は、第2回転テーブル34の中心線(第2の中心線)まわりに回転駆動されつつ、第1回転テーブル32により一中心線Oまわりに回転駆動されることになる。第1回転テーブル32の周囲には、一中心線Oに対して対称的な2位置に第1ターゲット48および第2ターゲット52がそれぞれ位置固定に配設されており、第1回転テーブル32の連続回転により、工具母材12は第2回転テーブル34と共にそれ等の第1ターゲット48および第2ターゲット52の前を交互に周期的に通過させられる。なお、複数の第2回転テーブル34は、例えば独自の回転駆動装置によって独立に回転駆動されるように構成されるが、歯車機構等により第1回転テーブル32の回転に連動して機械的に回転駆動されるようにすることもできる。
【0033】
前記反応ガス供給装置40は、窒素ガス(N2 )や炭化水素ガス(CH4 、C2 H2 など)、酸素ガス(O2 )等のタンクを備えており、第1被膜22、第2被膜24の組成に応じて、例えば窒化物の場合は窒素ガスのみを供給し、炭窒化物の場合は窒素ガスおよび炭化水素ガスを前記原子比a〜fに応じて供給する。酸窒化物や硼窒化物など他の化合物を形成する場合も、同様にして所定の反応ガスを供給すれば良い。
【0034】
前記第1ターゲット48は、第1被膜22の構成物質であるAlx Cr1-x-y Yy 合金にて構成されている一方、第2ターゲット52は、第2被膜24の構成物質である単一元素のM金属またはM合金にて構成されている。そして、前記第1アーク電源44は、上記第1ターゲット48をカソードとしてアノード50との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、第1ターゲット48からAlx Cr1-x-y Yy 合金を蒸発させるもので、蒸発したAlx Cr1-x-y Yy 合金は正(+)の金属イオンになって負(−)のバイアス電圧が印加されている工具母材12に付着する。その際、供給された反応ガスと反応して、前記Alx Cr1-x-y Yy (Ba Cb Oc N1-a-b-c )から成る第1被膜22が形成される。また、第2アーク電源46は、上記第2ターゲット52をカソードとしてアノード54との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、第2ターゲット52からM金属またはM合金を蒸発させるもので、蒸発したM金属またはM合金は正(+)の金属イオンになって負(−)のバイアス電圧が印加されている工具母材12に付着する。その際、供給された反応ガスと反応して、前記M(Bd Ce Of N1-d-e-f )から成る第2被膜24が形成される。
【0035】
このようなアークイオンプレーティング装置30を用いて工具母材12の刃部14の表面に硬質積層被膜20を形成する際には、予め排気装置42で排気しながらチャンバ38内が所定の圧力(例えば1.33Pa〜3.99Pa程度)に保持されるように反応ガス供給装置40から所定の反応ガスを供給するとともに、バイアス電源36により工具母材12に所定のバイアス電圧(例えば−50V〜−150V程度)を印加する。また、第2回転テーブル34を中心線まわりに回転駆動しつつ第1回転テーブル32を一中心線Oまわりに一方向へ一定速度で連続回転させることにより、工具母材12を第2回転テーブル34と共に第2の中心線まわりに回転させつつ、第1ターゲット48および第2ターゲット52の前を交互に周期的に通過させる。
【0036】
一方、例えば第1被膜22および第2被膜24におけるBCONの成分組成が互いに等しい場合、すなわち原子比a=d、b=e、且つc=fである場合(図3の実施例の試験品No1〜No9、No21)には、その成分組成に応じて上記反応ガス供給装置40から所定の反応ガスを供給するとともに、第1アーク電源44によりアーク電流を通電して第1ターゲット48を蒸発させると同時に、第2アーク電源46によりアーク電流を通電して第2ターゲット52を蒸発させる。これにより、それ等のターゲット48、52の蒸発金属がそれぞれ反応ガスと反応して第1被膜22、第2被膜24が形成され、工具母材12の表面に付着させられる。具体的には、工具母材12が第1ターゲット48の前を通過する際には、Alx Cr1-x-y Yy (Ba Cb Oc N1-a-b-c )から成る第1被膜22が工具母材12の表面に付着させられ、第2ターゲット52の前を通過する際には、M(Bd Ce Of N1-d-e-f )から成る第2被膜24が工具母材12の表面に付着させられるのである。これにより、工具母材12の表面に第1被膜22と第2被膜24とが交互に連続的に積層され、硬質積層被膜20が形成される。本実施例では、第1回転テーブル32の周囲に第1ターゲット48および第2ターゲット52が1個ずつ配設されているため、第1回転テーブル32の1回転で第1被膜22および第2被膜24が1周期分積層される。各アーク電源44、46のアーク電流の電流値は、第1被膜22、第2被膜24の膜厚に応じて定められ、第1回転テーブル32の回転速度は、第1被膜22および第2被膜24の膜厚を合わせた積層周期tに応じて定められる。このような硬質積層被膜20の形成は、コンピュータを含む制御装置によって自動的に行うことができる。
【0037】
なお、第1アーク電源44および第2アーク電源46を同時にONとした場合、第1ターゲット48の近傍で被膜形成処理が開始された工具母材12については第1被膜22から先に形成され、第2ターゲット52の近傍で被膜形成処理が開始された工具母材12については第2被膜24から先に形成されるが、第2アーク電源46のOFF→ON切換を遅らせることにより、総ての工具母材12に対して第1被膜22から先に形成されるようにすることもできる。逆に、第1アーク電源44のOFF→ON切換を遅らせることにより、総ての工具母材12に対して第2被膜24から先に形成されるようにすることもできる。
【0038】
また、第1被膜22および第2被膜24のBCONの成分組成が異なる場合(図3の実施例の試験品No10〜No20、No22〜No24)には、第1被膜22および第2被膜24を別々に形成する必要があり、反応ガス供給装置40から供給する反応ガスを切り換えたり、第1アーク電源44および第2アーク電源46をそれぞれON、OFFして第1ターゲット48と第2ターゲット52とを切り換えたりすることになる。
【0039】
次に、工具母材12が超硬合金製で直径が10mm、6枚刃のスクエアエンドミルに上記硬質積層被膜20が設けられた本発明品と、被膜22、24の被膜組成や積層周期t等が異なる比較品とを用意し、以下の加工条件で切削加工を行って25m切削後の外周刃16の逃げ面摩耗幅(mm)を調べた結果を説明する。図3および図4は、その測定結果を示す図で、逃げ面摩耗幅(mm)は6枚の外周刃16の平均値である。また、これ等の図3、図4において、第1被膜、第2被膜の欄の「Al」等の元素記号の後の小数は原子比x、y、a〜fである。また、ここでの許容摩耗幅は0.150mmとする。なお、被膜硬さ(HV0.025)については必ずしも測定が容易でないため、一部の積層被膜についてのみ調べ、記載の無いものは測定を省略した。
(加工条件)
・被削材種:SKD11(60HRC)
・加工方法:側面切削(ダウンカット)
・切削速度:150m/min(4800min−1)
・送り速度:0.03mm/t(860mm/min)
・切り込み:aa=10mm、ar=0.5mm
・切削油剤:エアブロー
・使用機械:立型マシニングセンタ
【0040】
図3は、No6を除き何れも本発明品で、逃げ面摩耗幅は何れも許容範囲(0.150mm)以内である。これに対し、図4は、第1被膜22および第2被膜24の原子比x、yやa〜f、或いは積層周期tが本発明(請求項1、2)の範囲から外れている比較例で、散点を付した欄が本発明と相違する項目であり、何れも逃げ面摩耗幅が許容範囲(0.150mm)を超えていて、十分な耐摩耗性が得られない。なお、図3の試験品No6は、第2被膜24がCrNであるため請求項1の発明品から除かれる。またNo3、5、7、8、11、14、20、23、24は、第2被膜24がCrを含んでいるため、No18およびNo22は、第2被膜24がYを含んでいるため、それぞれ請求項1の発明品ではあるが請求項2の発明品ではない。
[0041]
このように、本実施例のエンドミル10の硬質積層被膜20は、(AlxCr1−x−yYy)(BaCbOcN1−a−b−c)にて構成されている第1被膜22と、M(BdCeOfN1−d−e−f)にて構成されている第2被膜24とが、0.2nm〜100nmの範囲内の積層周期tで交互に多数積層されたもので、このような硬質積層被膜20によれば、被膜硬さが例えばHV0.025で3000〜3500程度の非常に硬いものとなり、SKD11(60HRC)等の硬質材料に対して切削加工を行なう場合でも優れた耐摩耗性(耐久性)が得られる。
[0042]
また、本実施例では、硬質積層被膜20の総膜厚Dが0.2μm〜10μmの範囲内とされているため、硬質積層被膜20の剥離を抑制しつつ優れた耐摩耗性が得られる。
[0043]
また、図3の実施例のうち試験品No1〜No9、およびNo21は、第1被膜22および第2被膜24のBCONの成分組成が互いに等しいため、被膜毎に反応ガスを切り換える必要がなく、図2のアークイオンプレーティング装置30を用いることにより短時間で効率良く硬質積層被膜20を形成することができる。
【0044】
また、図2のアークイオンプレーティング装置30によれば、第1回転テーブル32を一方向へ一定速度で連続回転させながら、第1被膜22および第2被膜24を交互に連続的に積層できるため、短時間で効率良く硬質積層被膜20を形成することができる。
【0045】
また、第2回転テーブル34により工具母材12を軸心と平行な中心線まわりに回転駆動しつつ、第1回転テーブル32により第1ターゲット48および第2ターゲット52の前を通過させるため、工具母材12の外周表面に均質に硬質積層被膜20が形成されるようになり、優れた被膜性能が安定して得られる。
【0046】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更,改良を加えた態様で実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【0047】
本発明の硬質積層被膜は、(Alx Cr1-x-y Yy )(Ba Cb Oc N1-a-b-c )にて構成されている第1被膜と、M(Bd Ce Of N1-d-e-f )にて構成されている第2被膜とが、0.2nm〜100nmの範囲内の積層周期tで交互に多数積層されたもので、被膜硬さが例えばHV0.025で3000〜3500程度と非常に硬くなって優れた耐摩耗性(耐久性)が得られるようになり、焼入れ鋼等の硬質材料に対して切削加工を行なう回転切削工具等の硬質積層被膜として好適に用いられる。
Claims (7)
- 組成が異なる2種類の第1被膜および第2被膜が所定の部材の表面上に交互に多数積層された耐摩耗性に優れた硬質積層被膜であって、
前記第1被膜は、(AlxCr1−x−yYy)(BaCbOcN1−a−b−c)〔但し、x、y、a、b、cはそれぞれ原子比で、0.3≦x≦0.8、0<y≦0.10、0≦a≦0.2、0≦b≦0.3、0≦c≦0.1の範囲内〕にて構成され、前記AlxCr1−x−yYyをターゲットとしてPVD法により形成されている一方、
前記第2被膜は、M(BdCeOfN1−d−e−f)〔ここで、Mは元素の周期律表のIVa族、Va族、VIa族、Al、Si、およびYから選択される単一元素の金属または2種類以上の金属元素から成るAlCrY以外の合金、d、e、fはそれぞれ原子比で、0≦d≦0.2、0≦e≦0.3、0≦f≦0.1の範囲内、但しCrNを除く〕にて構成され、前記MをターゲットとしてPVD法により形成されており、
且つ、該第1被膜の膜厚と該第2被膜の膜厚を合わせた積層周期tは0.2nm〜100nmの範囲内である
ことを特徴とする硬質積層被膜。 - 組成が異なる2種類の第1被膜および第2被膜が所定の部材の表面上に交互に多数積層された耐摩耗性に優れた硬質積層被膜であって、
前記第1被膜は、(AlxCr1−x−yYy)(BaCbOcN1−a−b−c)〔但し、x、y、a、b、cはそれぞれ原子比で、0.3≦x≦0.8、0<y≦0.10、0≦a≦0.2、0≦b≦0.3、0≦c≦0.1の範囲内〕にて構成され、前記AlxCr1−x−yYyをターゲットとしてPVD法により形成されている一方、
前記第2被膜は、M(BdCeOfN1−d−e−f)〔但し、Mは元素の周期律表のIVa族、Va族、Mo、W、AlおよびSiから選択される単一元素の金属または2種類以上の金属元素から成る合金、d、e、fはそれぞれ原子比で、0≦d≦0.2、0≦e≦0.3、0≦f≦0.1の範囲内〕にて構成され、前記MをターゲットとしてPVD法により形成されており、
且つ、該第1被膜の膜厚と該第2被膜の膜厚を合わせた積層周期tは0.2nm〜100nmの範囲内である
ことを特徴とする硬質積層被膜。 - 前記第1被膜と前記第2被膜のうち、前記所定の部材又は該所定の部材と前記硬質積層被膜との間に介在する中間層に対して、密着性に優れた一方を該所定の部材又は該中間層の表面に、他方より先に形成したものである
ことを特徴とする請求項1または2に記載の硬質積層被膜。 - 前記第1被膜および前記第2被膜が前記積層周期tで繰り返し積層された前記硬質積層被膜の総膜厚Dは0.2μm〜10μmの範囲内である
ことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の硬質積層被膜。 - 前記第1被膜および前記第2被膜における前記BCONの成分組成は互いに等しい
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の硬質積層被膜。 - 請求項1〜5の何れか1項に記載の硬質積層被膜で表面が被覆されていることを特徴とする硬質積層被膜被覆工具。
- 請求項5に記載の硬質積層被膜をPVD法により所定の部材に形成する被膜形成方法であって、
所定の処理容器内において、外周部に前記部材を保持して一中心線まわりに回転駆動される回転テーブルと、
該回転テーブルの周囲に互いに周方向に離間して配設された前記AlxCr1−x−yYyから成る第1ターゲットおよび前記Mから成る第2ターゲットと、
前記BCONの成分組成に応じて定められた所定の反応ガスを前記処理容器内に供給する反応ガス供給装置と、
を有する被膜形成装置を用いて、前記回転テーブルを前記一中心線まわりに一方向へ連続回転させることにより、前記部材が前記第1ターゲットおよび前記第2ターゲットの前を交互に周期的に通過させられる一方、前記反応ガスを前記処理容器内に供給するとともに、前記第1ターゲットおよび前記第2ターゲットからそれぞれ前記AlxCr1−x−yYyおよび前記Mを蒸発させることにより、該AlxCr1−x−yYyおよび該Mをそれぞれ前記反応ガスと反応させ、前記部材が該第1ターゲット前を通過する際には該部材の表面に前記第1被膜が形成され、該第2ターゲット前を通過する際には該部材の表面に前記第2被膜が形成されることにより、該部材の表面に該第1被膜と該第2被膜とを交互に連続的に積層する
ことを特徴とする被膜形成方法。
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