JP6708216B2 - 窒化チタンアルミニウム硬質皮膜、硬質皮膜被覆工具、及びそれらの製造方法 - Google Patents
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Description
(1) 原料ガスとして、TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスAと、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスBとを使用し、
(2) 回転軸から異なる距離に配置された第一及び第二のノズルを回転させ、
(3) 前記第一及び第二のノズルから前記混合ガスA及び前記混合ガスBを別々に吹き出すことを特徴とする。
(1) 原料ガスとして、TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスAと、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスBとを使用し、
(2) 回転軸から異なる距離に配置された第一及び第二のノズルを回転させ、
(3) 前記第一及び第二のノズルの周囲に工具基体を配置し、
(4) 前記第一及び第二のノズルから前記混合ガスA及び前記混合ガスBを別々に吹き出すことを特徴とする。
本発明の硬質皮膜被覆工具は、工具基体上に化学蒸着法により柱状結晶組織を有する窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を形成したもので、窒化チタンアルミニウム硬質皮膜は(Tix1, Aly1)N(ただし、x1及びy1はそれぞれ原子比でx1=0.005〜0.1、及びy1=0.995〜0.9を満たす数字である。)で表される組成を有するfcc構造の高Al含有TiAlNと、(Tix2, Aly2)N(ただし、x2及びy2はそれぞれ原子比でx2=0.5〜0.9、及びy2=0.5〜0.1を満たす数字である。)で表される組成を有するfcc構造の網目状高Ti含有TiAlNとを有するとともに、高Al含有TiAlNが網目状高Ti含有TiAlNに囲まれている構造を有する。
基体は化学蒸着法を適用できる高耐熱性の材質である必要があり、例えばWC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、工具鋼又は立方晶窒化ホウ素を主成分とする窒化ホウ素焼結体(cBN)、サイアロンのようなセラミックス等が挙げられる。強度、硬度、耐摩耗性、靱性及び熱安定性の観点から、WC基超硬合金、サーメット及びセラミックスが好ましい。例えばWC基超硬合金の場合、焼結したままの未加工面にも本発明の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を形成できるが、寸法精度を高めるために加工面(研磨加工面又は刃先処理加工面等)に窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を形成するのが好ましい。
(1) 組成
化学蒸着法により形成する本発明の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜は柱状結晶組織を有するとともに、Ti、Al及びNを必須成分とする。本発明の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の必須成分組成は、Ti、Al及びNの合計量を100原子%として、4〜22原子%のTi、48〜23原子%のAl、及び48〜55原子%のNであるのが好ましい。上記組成範囲外では所望のミクロ組織が得られない。より好ましい必須成分組成は8〜18原子%のTi、42〜29原子%のAl、及び50〜53原子%のNである。Nの30原子%以下をC又はBで置換しても良い。本発明の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜は、不可避的不純物としてClを含有しても良いが、Cl含有量は1.5原子%以下が好ましく、0.8原子%以下がより好ましい。窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の組成はEPMAにより測定することができる。
高Al含有TiAlNは、一般式:(Tix1, Aly1)N(ただし、x1及びy1はそれぞれ原子比でx1=0.005〜0.1、及びy1=0.995〜0.9を満たす数字である。)で表される組成を有する。Tiの割合x1が0.005未満ではAl含有量が過多になり、hcp構造が析出するために硬度が低下し、高温での耐摩耗性に劣る。x1が0.1超では窒化チタンアルミニウム硬質皮膜が微細な粒状結晶組織になり、耐酸化性が低下する。高性能化の観点から、(Tix1, Aly1)とNとの原子比は0.3/0.7〜0.7/0.3が好ましく、0.4/0.6〜0.6/0.4がより好ましい。
高Ti含有TiAlNは、一般式:(Tix2, Aly2)N(ただし、x2及びy2はそれぞれ原子比でx2=0.5〜0.9、及びy2=0.5〜0.1を満たす数字である。)で表される組成を有する。Tiの割合x2が0.5未満ではAl含有量が過多になり、hcp構造が析出するために硬度が低下し、耐摩耗性が低下する。x2が0.9超では、Al含有量が過少になり、耐酸化性が大きく低下する。高性能化の観点から、(Tix2, Aly2)とNとの原子比は0.3/0.7〜0.7/0.3が好ましく、0.4/0.6〜0.6/0.4がより好ましい。
(a) 構造
図3から明らかなように、fcc構造からなる高Al含有TiAlN(薄い灰色の部分)は、fcc構造からなる網目状高Ti含有TiAlN(濃い灰色又は黒色の部分)に囲まれている。図3において、高Al含有TiAlNと高Ti含有TiAlNの濃度差が少ない箇所が部分的に観察されるが、高Al含有TiAlNの少なくとも50%が周りの高Ti含有TiAlNに接触していれば本発明の効果が得られる。従って、「高Al含有TiAlNが網目状高Ti含有TiAlNに囲まれている」とは、高Al含有TiAlNの少なくとも50%が周りの網目状高Ti含有TiAlNに接触していることを意味する。高Al含有TiAlNの少なくとも60%が周りの網目状高Ti含有TiAlNに接触しているのが好ましい。なお、「網目状」とは、顕微鏡写真で観察したときに高Ti含有TiAlNが網目状に分布していることを意味する。
「平均横断面径」は、基体表面に垂直な断面のTEM写真において、窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の柱状結晶粒の高Al含有TiAlN部分の最大直径の平均を意味する。また、「平均縦断面径」は、基体表面に垂直な断面のTEM写真において、前記高Al含有TiAlN部分の最大直径に直交する方向の最大長さの平均を意味する。具体的には、高Al含有TiAlNの「平均横断面径」は、図3のTEM写真(倍率:200,000倍)において、網目状高Ti含有TiAlNに囲まれた5つの高Al含有TiAlN部分を任意に選択し、各選択部分において最大直径を測定し、得られた5つの測定値を算術平均することにより求めた。また、高Al含有TiAlNの「平均縦断面径」は、前記の図3のTEM写真における5つの選択部分において、前記最大直径に直交する方向の最大長さを測定し、得られた5つの測定値を算術平均することにより求めた。
本発明の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜は柱状結晶組織を有する。柱状結晶の「平均横断面径」は、基体表面に垂直な面における柱状結晶の断面の平均径を意味する。高硬度で優れた耐摩耗性を有するために、柱状結晶の平均横断面径は0.1〜1.2μmであるのが好ましく、0.2〜1.0μmであるのがより好ましい。平均横断面径が0.1μm未満では窒化チタンアルミニウム結晶粒の結晶粒界比率が高く、高温での耐酸化性が大幅に低下する。一方、平均横断面径が1.2μmより大きいと結晶粒内にクラックが発生して、皮膜の破壊を招く。具体的に、平均横断面径は、図1のSEM写真の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の膜厚方向中間部において、任意の10個の柱状結晶粒の横断面径を測定し、得られた測定値を算術平均することにより求めた。
基体からの剥離を抑制するとともに優れた耐摩耗性及び耐酸化性を発揮するために、本発明の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の膜厚は1〜15μmにするのが好ましく、2〜12μmにするのがより好ましい。膜厚が1μm未満では皮膜の効果が十分に得られず、膜厚が15μmを超えると皮膜が厚くなり過ぎて皮膜内部にクラックが発生するおそれがある。窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の膜厚は成膜時間により適宜制御することができる。なお、硬質皮膜及びそれを構成する各層は完全に平坦ではないので、単に「膜厚」と呼ぶ場合でも「平均厚さ」を意味する。
ナノインデンテーション(押込み)法により測定した本発明の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の硬さは33 GPa以上が好ましい。硬さが33 GPa未満では、窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の耐摩耗性は不十分である。工業生産上、35〜42 GPaの硬さを実現することができる。
特に限定されないが、本発明の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の下層として、Ti(CN)皮膜、TiN皮膜又はTiZr(CN)皮膜を化学蒸着法により設けるのが好ましい。Ti(CN)皮膜は耐摩耗性に優れる反面、高温での耐熱性に劣るが、その上に本発明の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を形成すると、耐熱性の問題が解消される。
特に限定されないが、本発明の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の上層として、Ti、Al、Cr、B及びZrからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素と、C、N及びOからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素とを必須とする単層又は多層の硬質皮膜を化学蒸着法により設けても良い。上層としては、例えばTiC、CrC、SiC、VC、ZrC、TiN、AlN、CrN、Si3N4、VN、ZrN、Ti(CN)、(TiSi)N、(TiB)N、TiZrN、TiAl(CN)、TiSi(CN)、TiCr(CN)、TiZr(CN)、Ti(CNO)、TiAl(CNO)、Ti(CO)、及びTiB2等の単層又は積層の皮膜が挙げられる。
本発明の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜は、熱化学蒸着装置又はプラズマ支援化学蒸着装置(CVD炉)を用いた化学蒸着法により形成することができる。図11に示すように、CVD炉1は、チャンバー2と、チャンバー2の壁内に設けられたヒータ3と、チャンバー2内で回転する複数の棚(治具)4,4と、棚4,4を覆い、複数の排出孔5aを有する反応容器5と、棚4,4の中央開口部4aを垂直に貫通する第一及び第二のパイプ11,12と、各パイプ11,12に設けられた複数のノズル11a,12a,12bとを具備する。多数のインサート基体20が載置された棚4,4は、チャンバー2内で回転する。第一及び第二のパイプ11,12は、両端部が保持部材(図示省略)により一体的に固定されてパイプ集合体を構成し、一体的に回転し得るようにチャンバー2の底部を貫通し、回転自在に外部の配管(図示せず)に接続されている。チャンバー2の底部には、キャリアガス及び未反応ガスを排出するためのパイプ13を有する。
本発明の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の製造方法を、熱化学蒸着法を用いる場合を例にとって、以下詳細に説明するが、勿論本発明はそれに限定されず、他の化学蒸着法にも適用できる。
基体をセットしたCVD炉内にH2ガス、N2ガス及び/又はArガスを流し、成膜温度まで昇温した後、TiCl4ガス、N2ガス、CH3CNガス(又はCH3CNガスとC2H6ガス)、及びH2ガスからなる原料ガスをCVD炉内に流し、下層の炭窒化チタン皮膜を形成する。
下層の一例として柱状結晶組織を有するl-Ti(CN)皮膜を形成する原料ガス組成は、合計を100体積%として、0.8〜3体積%のTiCl4ガス、10〜30体積%のN2ガス、0.1〜1.2体積%のCH3CNガス、及び残部H2ガスからなるのが好ましい。TiCl4ガス、N2ガス、CH3CNガス及びH2ガスの含有量が上記範囲外であると、得られる炭窒化チタン皮膜中の炭素濃度が高過ぎたり、柱状結晶粒が粗大化して上層の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜との密着力が低下する。
(1) 窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の原料ガス
窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を形成する原料ガスとして、TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスAと、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスBとを使用する。TiCl4ガス、AlCl3ガス、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスの合計を100体積%として、混合ガスAの組成は0.02〜0.31体積%のTiCl4ガス、0.15〜0.8体積%のAlCl3ガス、3〜40体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなるのが好ましく、混合ガスBの組成は0.4〜1.9体積%のNH3ガス、2〜26体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなるとともに前記混合ガスAのH2ガスと前記混合ガスBのH2ガスとの体積比H2(A)/H2(B)を1〜5とするのが好ましい。体積比H2(A)/H2(B)が1未満及び5超のいずれでも、原料ガスの反応速度が変わり、CVD炉内に載置された基体上に形成される窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の膜厚分布が悪くなる。混合ガスA、Bにおいて、キャリアガスであるH2ガスの一部をArガスで代替しても良い。混合ガスAの組成は0.02〜0.31体積%のTiCl4ガス、0.15〜0.8体積%のAlCl3ガス、4.9〜21.8体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなり、混合ガスBの組成は0.7〜1.9体積%のNH3ガス、3〜16.5体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなるのがより好ましい。混合ガスAの組成は0.1〜0.2体積%のTiCl4ガス、0.3〜0.5体積%のAlCl3ガス、4.9〜21.8体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなり、混合ガスBの組成は0.8〜1.3体積%のNH3ガス、3〜16.5体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなるのがさらに好ましい。体積比H2(A)/H2(B)を1.5〜4.8とするのがより好ましい。
TiCl4ガスが0.02体積%未満であると混合ガスA中のAl量が過多となり、hcp構造が析出して、得られる窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の硬さが低下する。一方、TiCl4ガスが0.31体積%を超えると、窒化チタンアルミニウム硬質皮膜は本発明のミクロ構造を有さない。
混合ガスBにおいて、NH3ガスが0.4体積%未満及び1.9体積%超のいずれでも、反応速度が変わり、本発明の特徴的なミクロ組織が得られない。
反応性の高い混合ガスA及びBの混合により反応速度を制御し、fcc構造の高Al含有TiAlNがfcc構造の網目状高Ti含有TiAlNに囲まれたミクロ組織を形成するために、混合ガスA及びBをCVD炉1内に非接触の状態で送入しなければならない。このために、図11及び図12(a)〜図12(c) に示すように、例えば合計3本のパイプ11,11,12を固定したパイプ集合体30を具備するCVD炉1を用いる。
図12(a) は混合ガスA及びBをCVD炉1内に非接触の状態で導入する第一のパイプ集合体30の一例を示す。このパイプ集合体30は2本の第一のパイプ11,11及び1本の第二のパイプ12からなり、第一及び第二のパイプ11,11,12の両端部は保持部材(図示省略)により一体的に固定されている。
図12(b) は混合ガスA及びBをCVD炉1内に非接触の状態で導入する第二のパイプ集合体40の一例を示す。このパイプ集合体40は1本の第一のパイプ11及び1本の第二のパイプ12からなり、第一及び第二のパイプ11,12の両端部は保持部材(図示省略)により一体的に固定されている。第一のパイプ11は1列のノズル(第一のノズル)11aを有し、第二のパイプ12も縦方向1列のノズル(第二のノズル)12aを有する。
図12(c) は混合ガスA及びBをCVD炉1内に非接触の状態で導入する第三のパイプ集合体50の一例を示す。このパイプ集合体50は4本の第一のパイプ11,11,11,11及び1本の第二のパイプ12からなり、第一及び第二のパイプ11,11,11,11,12の両端部は保持部材(図示省略)により一体的に固定されている。各第一のパイプ11は縦方向1列のノズル(第一のノズル)11aを有し、第二のパイプ12は直交する直径方向(180°)に配置された縦方向二対の列のノズル(第二のノズル)12a,12a,12a,12aを有する。全ての第一のパイプ11,11,11,11のノズル(第一のノズル)11a,11a,11a,11aは外方を向いている。
窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の成膜温度は750〜830℃が好ましい。成膜温度が750℃未満では、窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の塩素含有量が多くなり、皮膜硬さが低下する。一方、成膜温度が830℃を超えると反応が促進されすぎて粒状結晶組織となり、耐酸化性に劣る。
窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の反応圧力は3〜6 kPaが好ましい。反応圧力が3 kPa未満であると上記の特徴的なミクロ組織が得られない。一方、反応圧力が6 kPaを超えると窒化チタンアルミニウム硬質皮膜は粒状結晶組織となり、耐酸化性に劣る。
特に限定されないが、公知の化学蒸着法により窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の上層を形成することができる。成膜温度は700〜830℃で良い。上層を形成するのに用いる原料ガスの例は下記の通りである。
1. TiC皮膜 TiCl4ガス、CH4ガス及びH2ガス。
2. CrC皮膜 CrCl3ガス、CH4ガス及びH2ガス。
3. SiC皮膜 SiCl4ガス、CH4ガス及びH2ガス。
4. VC皮膜 VClガス、CH4ガス及びH2ガス。
5. ZrC皮膜 ZrCl4ガス、CH4ガス及びH2ガス。
6. TiN皮膜 TiCl4ガス、N2ガス及びH2ガス。
7. AlN皮膜 AlCl3ガス、NH 3 ガス及びH2ガス。
8. CrN皮膜 CrCl3ガス、NH 3 ガス及びH2ガス。
9. Si3N4皮膜 SiCl4ガス、NH 3 ガス及びH2ガス。
10. VN皮膜 VCl3ガス、NH 3 ガス及びH2ガス。
11. ZrN皮膜 ZrCl4ガス、N2ガス及びH2ガス。
12. Ti(CN)皮膜 TiCl4ガス、CH4ガス、N2ガス及びH2ガス、又はTiCl4ガス、CH3CNガス、N2ガス及びH2ガス。
13. (TiSi)N皮膜 TiCl4ガス、SiCl4ガス、N2ガス及びNH3ガス。
14. (TiB)N皮膜 TiCl4ガス、N2ガス及びBCl3ガス。
15. TiZr(CN)皮膜 TiCl4ガス、ZrCl4ガス、N2ガス、CH4ガス及びH2ガス、又はTiCl4ガス、ZrCl4ガス、N2ガス、CH3CNガス及びH2ガス。
16. TiAl(CN)皮膜 TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス、CH4ガス、NH3ガス及びH2ガス、又はTiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス、CH3CNガス及びH2ガス。
17. TiSi(CN)皮膜 TiCl4ガス、SiCl4ガス、N2ガス、CH4ガス、NH3ガス及びH2ガス、又はTiCl4ガス、SiCl4ガス、N2ガス、CH3CNガス及びH2ガス。
18. TiCr(CN)皮膜 TiCl4ガス、CrCl3ガス、N2ガス、CH4ガス、NH3ガス及びH2ガス、又はTiCl4ガス、CrCl3ガス、N2ガス、CH3CNガス及びH2ガス。
19. TiV(CN)皮膜 TiCl4ガス、VCl3ガス、N2ガス、CH4ガス、NH3ガス及びH2ガス、又はTiCl4ガス、VCl3ガス、N2ガス、CH3CNガス及びH2ガス。
20. TiZr(CN)皮膜 TiCl4ガス、ZrCl 4 ガス、N2ガス、CH4ガス、NH3ガス及びH2ガス、又はTiCl4ガス、ZrCl4ガス、N2ガス、CH3CNガス及びH2ガス。
21. Ti(CNO)皮膜 TiCl4ガス、N2ガス、CH4ガス、COガス及びH2ガス、又はTiCl4ガス、N2ガス、CH3CNガス、COガス及びH2ガス。
22. TiAl(CNO)皮膜 TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス、CH4ガス、COガス及びH2ガス、又はTiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス、CH3CNガス、COガス及びH2ガス。
23. Ti(CO)皮膜 TiCl4ガス、N2ガス、CH4ガス、COガス、CO2ガス及びH2ガス。
24. TiB2皮膜 TiCl4ガス、BCl3ガス、H2ガス。
基体上に形成した窒化チタンアルミニウム硬質皮膜は、ブラシ、バフ又はブラスト等による処理により平滑化され、耐チッピング性に優れた表面状態になる。特にアルミナ、ジルコニア、シリカ等のセラミックスの粉末を投射材として用い、湿式又は乾式のブラスト法により硬質皮膜の刃先を処理すると、硬質皮膜の表面が平滑化されるとともに硬質皮膜の引張残留応力が低下し、耐チッピング性が向上する。
(1) 硬質皮膜の形成
図9(a) 及び図9(b) に概略的に示すWC基超硬合金(11.5質量%のCo、2.0質量%のTaC、0.7質量%のCrC、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基体(WDNW140520-B)と、WC基超硬合金(7質量%のCo、0.6質量%のCrC、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基体(SNMN120408)とを図11に示すCVD炉1内にセットし、H2ガスを流しながらCVD炉1内の温度を850℃に上昇させた。その後、850℃及び8 kPaで、83.1体積%のH2ガス、15.0体積%のN2ガス、1.5体積%のTiCl4ガス、及び0.4体積%のCH3CNガスからなる原料ガスを6700 m L/分の流量でCVD炉1に流した。こうして、化学蒸着法により、各基体上に厚さ3μmの炭窒化チタン皮膜を形成した。
得られた硬質皮膜被覆工具の炭窒化チタン皮膜及び窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の膜厚を以下の手順で測定した。まず、皮膜面に対して5°の角度で斜めに研磨することによりラップ面(前記硬質皮膜の厚み方向の断面)を露出させ、ラップ面の任意5箇所を1,000倍の光学顕微鏡で観察することにより各層の膜厚を測定し、算術平均した。結果を表2に示す。
結晶構造を測定するため、X線回折装置(PANalytical社製のEMPYREAN)により、管電圧45 kV及び管電流40 mAでCuKα1線(波長λ:0.15405 nm)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た。2θが20〜80°の範囲で得られたX線回折パターンを図8に示す。このX線回折パターンでは、WC基超硬合金基体のWCの回折ピークとともに、Ti(CN)皮膜の回折ピーク、fcc構造の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の回折ピークが観察された。図8のX線回折パターンから、本発明の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜はfccの単一構造を有することが分かる。
硬質皮膜被覆工具の破断面(窒化チタンアルミニウム硬質皮膜等)のミクロ組織の観察は、SEM(株式会社日立製作所製S-4200)、及び電界放射型透過電子顕微鏡(FE-TEM、日本電子株式会社製JEM-2010F型)を用いて行った。マッピング分析は、JEM-2010F型に付属のエネルギー分光型X線分光器(EDS、NORAN社製 UTW型Si(Li)半導体検出器)を用いて行った。
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10 kV、照射電流0.05 A、及びビーム径0.5μmの条件で、窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の組成を、物性評価用インサート(SNMN120408)の断面における窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の膜厚方向中心の任意の5箇所で測定した。得られた測定値を算術平均することにより、窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の組成を求めた。結果を表2に示す。
Si単結晶を標準試料とする超微小押し込み硬さ試験機(株式会社エリオニクス製ENT-1100)を用いて、4900 mNの最大負荷、49 mN/秒の負荷速度、及び1秒の保持時間の条件でナノインデンテーション(押込み)法により、硬質皮膜の表面の硬さを5回測定し、得られた測定値を算術平均した。結果を表2に示す。
得られたミーリング用インサート60を、図10に示す刃先交換式回転工具(ASRT5063R-4)70の工具本体71の先端部72に止めねじ73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0.350 mmを超えたときの総切削長さとした。結果を表4に示す。
加工方法: ミーリング加工
インサート形状: WDNT140520-B
切削速度: 175 m/分
回転数: 885 rpm
一刃当たりの送り: 1.50 mm/tooth
送り速度:5310 mm/分
軸方向の切り込み量: 1.0 mm
径方向の切り込み量: 40 mm
切削方法: 乾式切削
窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の成膜条件を表1-1、表1-2に示すように変更した以外、実施例1と同様にして、各硬質皮膜被覆工具(ミーリング用インサート)を製作し、物性及び工具寿命を評価した。各例の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の組成、結晶構造、結晶組織、柱状結晶の平均横断面径、膜厚及び硬さの測定結果を表2に示す。各例の高Al含有TiAlNの組成、結晶構造、Dav及びDaw、並びに各例の高Ti含有TiAlNの組成及び結晶構造の測定結果を表3に示す。各例の高Al含有TiAlN等のミクロ組織の観察結果及び工具寿命を表4に示す。表2〜表4より、実施例2〜18の各窒化チタンアルミニウム硬質皮膜は、実施例1と同様に、fcc構造の高Al含有TiAlNがfcc構造の網目状高Ti含有TiAlNに囲まれた柱状結晶組織を有し、かつ良好な工具寿命を有することが分かる。
実施例1と同じWC基超硬合金製のミーリング用インサート基体をCVD炉1内にセットし、800℃及び16kPaで0.37体積%のTiCl4ガス、54.34体積%のN2ガス及び45.29体積%のH2ガスからなる混合ガスを55.2 L/分の流量でCVD炉に流し、前記インサート基体に平均厚さ0.2μmの窒化チタン皮膜を形成した。
実施例1と同様にして炭窒化チタン皮膜を形成した後、図13に示す混合ガスA、B吹き出し用ノズル11a,12a(中心角θ:180°、H1=H2)を使用し、第一のノズル11aから40.00体積%のH2ガス、25.00体積%のN2ガス、0.35体積%のTiCl4ガス及び1.00体積%のAlCl3ガスからなる混合ガスAを、第二のノズル12aから11.65体積%のH2ガス、20.00体積%のN2ガス及び2.00体積%のNH3ガスからなる混合ガスBを、58.00 L/分の流量でCVD炉1に流し、表1に示す成膜条件(850℃及び6 kPa)にした以外は実施例1と同様にして、化学蒸着法により厚さ5μmの窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を形成した。得られた硬質皮膜被覆工具(ミーリング用インサート)の物性及び工具寿命を実施例1と同様に評価した。結果を表2〜表4に示す。
実施例1と同様にして炭窒化チタン皮膜を形成した後、図13に示す混合ガスA、B吹き出し用ノズル11a,12a(中心角θ:180°、H1=H2)を使用し、第一のノズル11aから65.93体積%のH2ガス、18.84体積%のArガス、0.16体積%のTiCl4ガス及び0.94体積%のAlCl3ガスからなる混合ガスAを、第二のノズル12aから9.42体積%のN2ガス及び4.71体積%のNH3ガスからなる混合ガスBを、63.71 L/分の流量でCVD炉1に流し、表1に示す成膜条件(800℃及び1 kPa)にした以外は実施例1と同様にして、化学蒸着法により厚さ5μmの窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を形成した。得られた硬質皮膜被覆工具(ミーリング用インサート)の物性及び工具寿命を実施例1と同様に評価した。評価結果を表2〜表4に示す。
図13に示す混合ガスA、B吹き出し用ノズル11a,12a(中心角θ:180°、H1=H2)を使用し、表1に示す原料ガス組成及び成膜条件(800℃及び1 kPa)にした以外は実施例1と同様にして、窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を形成した。得られた硬質皮膜被覆工具(ミーリング用インサート)の物性及び工具寿命を実施例1と同様に評価した。結果を表2〜4に示す。
2:チャンバー
3:ヒータ
4:棚
4a:棚の中央開口部
5:反応容器
6:第一の結晶相(薄い灰色部分)
7:薄い膜状(網目状)の第二の結晶相(濃い灰色又は黒色部分)
11:第一のパイプ
11a:第一のパイプのノズル
12:第二のパイプ
12a:第二のパイプのノズル
13:排出パイプ
20:インサート基体
30、40、50、80:第一及び第二のパイプの集合体
60:ミーリング用インサート
70:刃先交換式回転工具
71:工具本体
72:先端部
73:止めねじ
Claims (18)
- 柱状結晶組織を有する窒化チタンアルミニウム硬質皮膜であって、(Tix1, Aly1)N(ただし、x1及びy1はそれぞれ原子比でx1=0.005〜0.1、及びy1=0.995〜0.9を満たす数字である。)で表される組成を有するfcc構造の高Al含有TiAlNと、(Tix2, Aly2)N(ただし、x2及びy2はそれぞれ原子比でx2=0.5〜0.9、及びy2=0.5〜0.1を満たす数字である。)で表される組成を有するfcc構造の網目状高Ti含有TiAlNとを有するとともに、前記高Al含有TiAlNが前記網目状高Ti含有TiAlNに囲まれていることを特徴とする窒化チタンアルミニウム硬質皮膜。
- 請求項1に記載の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜において、前記高Al含有TiAlNが2〜50 nmの平均縦断面径及び10〜300 nmの平均横断面径を有することを特徴とする窒化チタンアルミニウム硬質皮膜。
- 請求項1又は2に記載の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜において、前記柱状結晶の平均横断面径は0.1〜1.2μmであることを特徴とする窒化チタンアルミニウム硬質皮膜。
- 基体上に柱状結晶組織を有する窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を形成してなる硬質皮膜被覆工具であって、(Tix1, Aly1)N(ただし、x1及びy1はそれぞれ原子比でx1=0.005〜0.1、及びy1=0.995〜0.9を満たす数字である。)で表される組成を有するfcc構造の高Al含有TiAlNと、(Tix2, Aly2)N(ただし、x2及びy2はそれぞれ原子比でx2=0.5〜0.9、及びy2=0.5〜0.1を満たす数字である。)で表される組成を有するfcc構造の網目状高Ti含有TiAlNとを有するとともに、前記高Al含有TiAlNが前記網目状高Ti含有TiAlNに囲まれていることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
- 請求項4に記載の硬質皮膜被覆工具において、前記高Al含有TiAlNが2〜50 nmの平均縦断面径及び10〜300 nmの平均横断面径を有することを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
- 請求項4又は5に記載の硬質皮膜被覆工具において、前記柱状結晶の平均横断面径が0.1〜1.2μmであることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
- 化学蒸着法により窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を形成する方法において、
(1) 原料ガスとして、TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスAと、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスBとを使用し、
(2) 回転軸から異なる距離に配置された第一及び第二のノズルを回転させ、
(3) 前記第一及び第二のノズルから前記混合ガスA及び前記混合ガスBを別々に吹き出すことを特徴とする方法。 - 請求項7に記載の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の製造方法において、前記混合ガスA及びBの合計を100体積%として、前記混合ガスAの組成を0.02〜0.31体積%のTiCl4ガス、0.15〜0.8体積%のAlCl3ガス、3〜40体積%のN2ガス及び残部H2ガスとし、前記混合ガスBの組成を0.4〜1.9体積%のNH3ガス、2〜26体積%のN2ガス、及び残部H2ガスとするとともに、前記混合ガスAのH2ガスと前記混合ガスBのH2ガスとの体積比H2(A)/H2(B)を1〜5としたことを特徴とする方法。
- 請求項7又は8に記載の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の製造方法において、前記第一のノズルの噴出口と前記回転軸との距離H1を前記第二のノズルの噴出口と前記回転軸との距離H2より長くし、前記第一のノズルから前記混合ガスAを噴出し、前記第二のノズルから前記混合ガスBを噴出することを特徴とする方法。
- 請求項7又は8に記載の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の製造方法において、前記第一のノズルの噴出口と前記回転軸との距離H1を前記第二のノズルの噴出口と前記回転軸との距離H2より長くし、前記第一のノズルから前記混合ガスBを噴出し、前記第二のノズルから前記混合ガスAを噴出することを特徴とする方法。
- 請求項9又は10に記載の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の製造方法において、前記第一のノズルの噴出口と前記回転軸との距離H1と前記第二のノズルの噴出口と前記回転軸との距離H2との比(H1/H2)が1.5〜3の範囲内であることを特徴とする方法。
- 請求項7〜11のいずれかに記載の窒化チタンアルミニウム硬質皮膜の製造方法において、反応圧力が3〜6 kPaであり、反応温度が750〜830℃であることを特徴とする方法。
- 窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を有する硬質皮膜被覆工具を化学蒸着法により製造する方法において、
(1) 原料ガスとして、TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスAと、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスBとを使用し、
(2) 回転軸から異なる距離に配置された第一及び第二のノズルを回転させ、
(3) 前記第一及び第二のノズルの周囲に工具基体を配置し、
(4) 前記第一及び第二のノズルから前記混合ガスA及び前記混合ガスBを別々に吹き出すことを特徴とする。 - 請求項13に記載の硬質皮膜被覆工具の製造方法において、前記混合ガスA及びBの合計を100体積%として、前記混合ガスAの組成を0.02〜0.31体積%のTiCl4ガス、0.15〜0.8体積%のAlCl3ガス、3〜40体積%のN2ガス及び残部H2ガスとし、前記混合ガスBの組成を0.4〜1.9体積%のNH3ガス、2〜26体積%のN2ガス、及び残部H2ガスとするとともに、前記混合ガスAのH2ガスと前記混合ガスBのH2ガスとの体積比H2(A)/H2(B)を1〜5としたことを特徴とする方法。
- 請求項13又は14に記載の硬質皮膜被覆工具の製造方法において、前記第一のノズルの噴出口と前記回転軸との距離H1を前記第二のノズルの噴出口と前記回転軸との距離H2より長くし、前記第一のノズルから前記混合ガスAを噴出し、前記第二のノズルから前記混合ガスBを噴出することを特徴とする方法。
- 請求項13又は14に記載の硬質皮膜被覆工具の製造方法において、前記第一のノズルの噴出口と前記回転軸との距離H1を前記第二のノズルの噴出口と前記回転軸との距離H2より長くし、前記第一のノズルから前記混合ガスBを噴出し、前記第二のノズルから前記混合ガスAを噴出することを特徴とする方法。
- 請求項15又は16に記載の硬質皮膜被覆工具の製造方法において、前記第一のノズルの噴出口と前記回転軸との距離H1と前記第二のノズルの噴出口と前記回転軸との距離H2との比(H1/H2)が1.5〜3の範囲内であることを特徴とする方法。
- 請求項13〜17のいずれかに記載の硬質皮膜被覆工具の製造方法において、反応圧力が3〜6 kPaであり、反応温度が750〜830℃であることを特徴とする方法。
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