JP5190971B2 - 被膜、切削工具および被膜の製造方法 - Google Patents
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Description
(Al1−xZrx)2O3(1+y) …(1)
式(1)において、xは0.001≦x≦0.05を満たす実数であり、yは−0.1≦y≦0.2を満たす実数であって、酸化物層はγ−アルミナ型の結晶構造を有し、酸化物層のθ−2θ法によるX線回折パターンにおいて、酸化物層の(440)面に対応するピークの半価幅が0.1°以上0.5°以下である被膜である。
また、本発明は、基材と、基材上に形成された上記のいずれかの被膜と、を含む、切削工具である。
本発明の被膜は、後述する酸化物層を少なくとも1層含む。本発明の被膜が単層である場合には本発明の被膜は後述する酸化物層のみによって構成されることになるが、本発明の被膜が複数層である場合には後述する酸化物層を複数層含んでいてもよく、後述する酸化物層の他にたとえば後述する化合物層などの酸化物層以外の層を含んでいてもよい。
本発明の被膜は、酸化物層を1層以上含み、その酸化物層の組成は、以下の式(1)で表わされ、
(Al1−xZrx)2O3(1+y) …(1)
上記の式(1)において、xは0.001≦x≦0.05を満たす実数であり、yは−0.1≦y≦0.2を満たす実数であって、酸化物層はγ−アルミナ型の結晶構造を有することを特徴としている。
酸化物層の(440)面の配向性係数={I(440)/I0(440)}×[(1/5)×Σ{I(hkl)/I0(hkl)}]-1 …(2)
なお、上記の式(2)において、I(440)は酸化物層の(440)面のX線回折強度のピーク値の実際の測定値であり、I0(440)はγ−アルミナのJCPDS標準粉末のX線回折パターンデータにおける(440)面のX線回折強度のピーク値である。
なお、上記の式(3)において、I(111)は酸化物層の(111)面のX線回折強度のピーク値の実際の測定値であり、I0(111)はγ−アルミナのJCPDS標準粉末のX線回折パターンデータにおける(111)面のX線回折強度のピーク値である。
酸化物層の(311)面の配向性係数={I(311)/I0(311)}×[(1/5)×Σ{I(hkl)/I0(hkl)}]-1 …(5)
酸化物層の(222)面の配向性係数={I(222)/I0(222)}×[(1/5)×Σ{I(hkl)/I0(hkl)}]-1 …(6)
酸化物層の(400)面の配向性係数={I(400)/I0(400)}×[(1/5)×Σ{I(hkl)/I0(hkl)}]-1 …(7)
上記の式(4)〜(7)における説明は、上記の式(3)における説明と同様である。
本発明の被膜は、上記の酸化物層以外の層を少なくとも1層含んでいてもよい。上記の酸化物層以外の層としては、Ti、Al、Cr、ZrおよびSiからなる群から選択された少なくとも1種の金属の窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭酸化物または炭窒酸化物からなる化合物層(以下、「化合物層」と称する)が含まれ得る。
本発明の切削工具は、基材と、基材上に被覆された上記の本発明の被膜と、を含む構造を有している。本発明の切削工具としては、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップまたはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップなどを挙げることができる。
本発明の被膜は、たとえばPVD(Physical Vapor Deposition)法、熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、PCVD(Plasma Chemical Vapor Deposition)法または湿式法などによって形成することができる。なかでも、緻密かつ圧縮残留応力を有する被膜を低温で容易に形成できる観点からは、本発明の被膜の製造方法としてはPVD法を用いることが好ましい。
以下に、アーク式イオンプレーティング法の一例として、アーク式イオンプレーティング法により基材上に上記の化合物層としてのTiAlN層を形成する方法の一例について説明する。
以下に、アンバランストマグネトロンスパッタリング法の一例として、アンバランストマグネトロンスパッタリング法により基材上に上記の酸化物層を形成する方法の一例について説明する。
以下に、デュアルマグネトロンスパッタリング法の一例として、デュアルマグネトロンスパッタリング法により基材上に上記の酸化物層を形成する方法の一例を説明する。
組成がJIS規格P30であり、形状がJIS規格SNG432である超硬合金製切削チップを基材として用い、その基材上に、図1にその概略を示した装置を用いアーク式イオンプレーティング法およびデュアルマグネトロンスパッタリング法により表1の試料No.1〜8の欄にそれぞれ記載された構成の被膜を形成して切削工具を作製した。以下、試料No.1〜8の切削工具の被膜の形成方法について具体的に説明する。
X線の種類:Cu−kα線
図4に示すように、上記の酸化物層の(440)面に対応するピークが回折角2θが60°以上70°以下の範囲内で出現していた。そして、図5に示すように、上記の酸化物層の(440)面に対応するピークの高さhの半分の高さ1/2hのときのピークの幅Dを半価幅とした。
なお、上記の式(2)において、I(440)は酸化物層の(440)面のX線回折強度のピーク値の実際の測定値であり、I0(440)はγ−アルミナのJCPDS標準粉末のX線回折パターンデータにおける(440)面のX線回折強度のピーク値である。
なお、上記の式(3)において、I(111)は酸化物層の(111)面のX線回折強度のピーク値の実際の測定値であり、I0(111)はγ−アルミナのJCPDS標準粉末のX線回折パターンデータにおける(111)面のX線回折強度のピーク値である。
表1に示す試料No.9〜15の被膜については各蒸発源としてセットするターゲットと装置1内に導入されるガス(導入ガス)を下記のものとし、第3層の形成時に導入されるメタンと窒素の体積比を変更したこと以外は、試料No.2〜7と同様に形成して試料No.9〜15の切削工具を得た。
第1アーク蒸発源13:Tiターゲット
第2アーク蒸発源14:Ti(50原子%)−Al(50原子%)ターゲット
導入ガス:窒素/酸素(第1層)、酸素/アルゴン(第2層)、窒素/メタン(第3層)
(試料No.16〜21)
表1に示す試料No.16〜21の被膜については各蒸発源としてセットするターゲットと導入ガスを下記のものとしたこと以外は、試料No.2〜7と同様にして基材上に形成して試料No.16〜21の切削工具を得た。
第1アーク蒸発源13:Ti(95原子%)−Si(5原子%)ターゲット
第2アーク蒸発源14:Al(50原子%)−Cr(40原子%)−Si(10原子%)ターゲット
導入ガス:窒素/メタン(第1層)、酸素/アルゴン(第2層)、メタン(第3層)
(試料No.22)
従来の熱CVD法を用いて、表1に示す第1層、第2層および第3層が基材10の表面上に形成された試料No.22の切削工具を得た。
図1に示す第1アーク蒸発源13としてTi(50原子%)−Al(50原子%)ターゲットをセットし、第2アーク蒸発源14としてTiターゲットをセットした。また、第1デュアルマグネトロンスパッタ源11および第2デュアルマグネトロンスパッタ源12としては何もセットしなかった。
表1に示す試料No.1〜23の切削工具を用いて、図2の模式的拡大側面図に示すように切削工具2の角を被削材3に接触させた後に被削材3を回転させることによって、表2に示す切削条件で被削材3を連続切削(連続切削試験)および断続切削(断続切削試験)することにより、切削工具2の逃げ面4の摩耗幅を測定した。その結果を表3に示す。表3に示す逃げ面摩耗幅の値が小さいほど切削工具の被膜の耐摩耗性が優れていることを示す。
試料No.1〜23で用いた基材に代えて、基材の形状をSNGN120408(JIS−B−4121)とし、基材の材質をサーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体とする、表5に示す2種の基材を用意した。
表4に示す試料No.25の被膜については各蒸発源としてセットするターゲットを下記のものとし、アンバランストマグネトロンスパッタ源11としてセットされるAl−Zrターゲットの組成などの条件を変更して第1層〜第3層を形成したこと以外は、試料No.24と同様に形成して、基材10の材質がサーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体のそれぞれからなる2種類の試料No.25の切削工具を得た。
第1アーク蒸発源13:Cr(80原子%)−Si(20原子%)ターゲット
第2アーク蒸発源14:Ti(90原子%)−Si(10原子%)ターゲット
(試料No.26)
表4に示す試料No.26の被膜については各蒸発源としてセットするターゲットを下記のものとし、アンバランストマグネトロンスパッタ源11としてセットされるAl−Zrターゲットや導入ガスの組成などの条件を変更して第1層〜第3層を形成したこと以外は、試料No.24と同様に形成して、基材10の材質がサーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体のそれぞれからなる2種類の試料No.26の切削工具を得た。
第1アーク蒸発源13:Ti(70原子%)−Al(15原子%)−Si(15原子%)ターゲット
第2アーク蒸発源14:Tiターゲット
(試料No.27)
試料No.1〜23で用いた基材に代えて、基材の形状をSNGN120408(JIS−B−4121)とし、基材の材質をサーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体とする、表5に示す2種の基材を用意した。
表4に示す試料No.28の被膜については第2アーク蒸発源14としてセットするターゲットを下記のものとし、アンバランストマグネトロンスパッタ源11としてセットされるAl−Zrターゲットや導入ガスの組成などの条件を変更して第2層〜第3層を形成したこと以外は、試料No.27と同様にして基材上に形成して、基材10の材質がサーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体のそれぞれからなる2種類の試料No.28の切削工具を得た。
第2アーク蒸発源14:Ti(80原子%)−Si(20原子%)ターゲット
(試料No.29)
従来の熱CVD法を用いて、表4に示す第1層、第2層および第3層が基材10の表面上に形成された試料No.29の切削工具を得た。
図1に示す第1アーク蒸発源13としてTi(50原子%)−Al(50原子%)ターゲットをセットし、第2アーク蒸発源14としてTiターゲットをセットした。
表4に示す構成の被膜が形成された試料No.24〜30の切削工具を用いて、表5に示す切削条件で被削材の連続切削試験および溝のついた丸棒切削試験を行なうことにより、1分毎に切削工具の逃げ面摩耗幅を測定し、逃げ面摩耗幅が0.2mmを超えた時間を寿命として評価した。その結果を表6に示す。なお、表6に示す寿命の時間が長いほど耐摩耗性に優れた被膜であることを示している。また、基材がサーメットからなる試料No.24〜30の切削工具については連続切削試験を行い、基材がcBN焼結体からなる試料No.24〜30の切削工具については溝のついた丸棒切削試験を行なった。
Claims (17)
- 酸化物層を少なくとも1層含む被膜であって、
前記酸化物層の組成は、以下の式(1)で表わされ、
(Al1−xZrx)2O3(1+y) …(1)
前記式(1)において、xは0.001≦x≦0.05を満たす実数であり、yは−0.1≦y≦0.2を満たす実数であって、
前記酸化物層はγ−アルミナ型の結晶構造を有し、
前記酸化物層のθ−2θ法によるX線回折パターンにおいて、前記酸化物層の(440)面に対応するピークの半価幅が0.1°以上0.5°以下であることを特徴とする、被膜。 - 前記式(1)において、xは0.005≦x≦0.03を満たす実数であることを特徴とする、請求項1に記載の被膜。
- 前記酸化物層の層厚が0.05μm以上20μm以下であることを特徴とする、請求項1または2に記載の被膜。
- 前記酸化物層が0.1GPa以上10GPa以下の圧縮残留応力を有することを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載の被膜。
- 前記酸化物層の(440)面の配向性係数が1.5以上5以下であることを特徴とする、請求項1から4のいずれかに記載の被膜。
- 前記酸化物層の(440)面の配向性係数が2以上4.2以下であることを特徴とする、請求項5に記載の被膜。
- 前記酸化物層の(440)面以外の結晶面の配向性係数が0.3以下であることを特徴とする、請求項5または6に記載の被膜。
- Ti、Al、Cr、ZrおよびSiからなる群から選択された少なくとも1種の金属の窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭酸化物または炭窒酸化物からなる化合物層を少なくとも1層含む、請求項1から7のいずれかに記載の被膜。
- 前記被膜の膜厚が0.05μm以上25μm以下であることを特徴とする、請求項1から8のいずれかに記載の被膜。
- 基材と、前記基材上に形成された請求項1から9のいずれかに記載の被膜と、を含む、切削工具。
- 前記基材が、高速度鋼、超硬合金、サーメット、セラミックス焼結体、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素焼結体であることを特徴とする、請求項10に記載の切削工具。
- PVD法により、請求項1に記載の酸化物層を少なくとも1層形成する工程を含む、被膜の製造方法。
- PVD法により、Ti、Al、Cr、ZrおよびSiからなる群から選択された少なくとも1種の金属の窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭酸化物または炭窒酸化物からなる化合物層を少なくとも1層形成する工程を含む、請求項12に記載の被膜の製造方法。
- 前記PVD法は、アーク式イオンプレーティング法、アンバランストマグネトロンスパッタリング法およびデュアルマグネトロンスパッタリング法からなる群から選択された少なくとも1種であることを特徴とする、請求項12または13に記載の被膜の製造方法。
- 前記酸化物層が前記デュアルマグネトロンスパッタリング法により形成され、前記化合物層が前記アーク式イオンプレーティング法により形成されることを特徴とする、請求項14に記載の被膜の製造方法。
- 前記デュアルマグネトロンスパッタリング法に用いる1対のマグネトロン電極に、AlターゲットとZrターゲットとがそれぞれ取り付けられることを特徴とする、請求項15に記載の被膜の製造方法。
- 前記酸化物層が前記アンバランストマグネトロンスパッタリング法により形成され、前記化合物層が前記アーク式イオンプレーティング法により形成されることを特徴とする、請求項14に記載の被膜の製造方法。
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