JP6848970B2 - 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
前記第二の原料ガスが、AlCl3ガス、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスの合計を100体積%として、0.5〜1.4体積%のAlCl3ガス、10.6〜30.6体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる組成の混合ガスA2と、0.6〜0.95体積%のNH3ガス、10.6〜30.6体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる組成の混合ガスB2とからなるとともに、前記混合ガスA2のH2ガスと前記混合ガスB2のH2ガスとの体積比H2 (A2)/H2 (B2)を0.3〜3とするのが好ましい。
本発明の硬質皮膜被覆工具は、基体に、fcc構造を主体とする窒化チタンアルミニウム皮膜からなる下層と、hcp構造の窒化アルミニウム皮膜からなる上層とを有する硬質皮膜を形成したもので、上層は柱状結晶組織を有し、前記柱状結晶の平均横断面径が0.05〜0.6μmであり、上層における(100)面のX線回折ピーク値Ia(100)と(002)面のX線回折ピーク値Ia(002)との比が、Ia(002)/Ia(100)≧6の関係を満たす。
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、立方晶窒化ホウ素を主成分とする窒化ホウ素焼結体(cBN)、又は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、cBN又はセラミックスが好ましい。前記基体の焼結したままの表面(未加工面)にも本発明の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)に本発明の硬質皮膜を形成するのが好ましい。
(1) 下層:窒化チタンアルミニウム皮膜
(a) 組成
下層の窒化チタンアルミニウム皮膜はTi、Al及びNを必須成分とする。窒化チタンアルミニウム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。上記組成範囲内では、上層のhcp構造の窒化アルミニウム皮膜との密着性が良い。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。窒化チタンアルミニウム皮膜は、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皮膜の組成はEPMAにより測定することができる。
下層の窒化チタンアルミニウム皮膜の結晶構造は、fcc構造を主構造(主体)とする。「fcc構造を主構造とする」とは、X線回折において窒化チタンアルミニウムのfcc構造の回折面の回折ピークが最強になることを言い、副構造として他の構造(hcp構造等)が存在していても良い。fcc構造が主構造であると、上層のhcp構造の窒化アルミニウム皮膜との密着性が良く、切削工具等として長寿命化する。高性能化の観点から、下層の窒化チタンアルミニウム皮膜は、X線回折法により解析したときに、fccの単一構造からなるのが好ましい。
下層の窒化チタンアルミニウム皮膜の組織は特に限定されず、粒状結晶組織でも良いが、柱状結晶組織が好ましい。中でも、fcc構造の高Al含有TiAlNがfcc構造の網目状高Ti含有TiAlNに囲まれた組織を有する柱状結晶組織であるのが好ましい。以下、fcc構造の高Al含有TiAlNがfcc構造の網目状高Ti含有TiAlNに囲まれた組織を有する柱状結晶組織を有する窒化チタンアルミニウム皮膜について、さらに詳細に説明する。
(i-1) 高Al含有TiAlNの組成
高Al含有TiAlNは、一般式:(Tix1Aly1)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、(Tix1Aly1)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:(Tix2Aly2)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、(Tix2Aly2)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。
図9(a) 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)C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)Dに囲まれている。図9(a) 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、実用に供されたときに、本発明の硬質皮膜が高温になってもfcc構造からhcp構造への相変態が抑制され、もって従来のTiAlN皮膜に比べて優れた耐摩耗性及び耐酸化性を発揮できるので好ましい。ここで、「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さらに好ましい。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。
下層の窒化チタンアルミニウム皮膜の膜厚は2〜15μmにするのが好ましく、3〜10μmにするのがさらに好ましい。膜厚が2μm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、皮膜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。
(a) 組成
上層の窒化アルミニウム皮膜はAl及びNを必須成分とする。窒化アルミニウム皮膜の必須成分組成は、Al及びNの合計量を100原子%として、45〜54原子%のAl、及び55〜46原子%のNであるのが好ましい。上記組成範囲内では、下層のfcc構造の窒化チタンアルミニウム皮膜との密着性が良い。より好ましい必須成分組成は46〜53原子%のAl、及び54〜47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。窒化アルミニウム皮膜は、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0.5原子%以下が好ましく、0.2原子%以下がより好ましい。窒化アルミニウム皮膜の組成はEPMAにより測定することができる。
上層の窒化アルミニウム皮膜の結晶構造はhcp構造である。「hcp構造である」とは、X線回折においてhcp構造の窒化アルミニウムの回折面の回折ピークのみが観察されることを言う。hcp構造の窒化アルミニウム皮膜は、潤滑性に優れ、被削材成分との耐溶着性が高い。窒化アルミニウム皮膜がhcp構造でないと、例えば切削加工中に被削材成分が工具刃先に溶着したり、溶着した成分が離脱したりする。このような溶着と離脱の繰り返しにより、硬質皮膜の剥離やチッピングが発生し、工具寿命が低下する。
図1(a) 及び図1(b) に示すように、上層の窒化アルミニウム皮膜は、膜厚方向に成長した柱状結晶組織を有する。柱状結晶の平均横断面径は0.05〜0.6μmである。窒化アルミニウム皮膜が柱状結晶組織を有していないと、例えば高温での切削加工の際に、硬質皮膜中にクラックが発生しやすく、耐チッピング性が低下する。平均横断面径が0.05μm未満であると、結晶粒界の割合が過度に高くなる。このような窒化アルミニウム皮膜を有する切削工具で切削加工を行うと、昇温した工具刃先部では結晶粒界が酸素侵入経路となって、酸化が顕著に促進され、硬質皮膜の内部にクラックが発生し、耐チッピング性が大きく低下する。平均横断面径が0.6μmより大きいと結晶粒内にクラックが発生しやすくなり、耐チッピング性が低下する。柱状結晶の平均横断面径の下限は0.1μmであるのが好ましい。柱状結晶の平均横断面径の上限は0.5μmであるのが好ましく、0.45μmであるのがさらに好ましい。
窒化アルミニウム皮膜の膜厚は0.2〜10μmにするのが好ましく、0.5〜4μmにするのがより好ましい。膜厚が0.2μm未満では皮膜の効果が十分に得られず、膜厚が10μm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。窒化アルミニウム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。
上層の窒化アルミニウム皮膜における(100)面のX線回折ピーク値Ia(100)と(002)面のX線回折ピーク値Ia(002)との比は、Ia(002)/Ia(100)≧6の関係を満たす。Ia(002)がIa(100)の6倍以上であると、窒化アルミニウム皮膜の結晶組織は(002)面に強く配向しており、C軸方向に成長した平均横断面径の小さい柱状結晶粒の多結晶体となる。このため本発明の窒化アルミニウム皮膜を有する硬質皮膜被覆部材(切削工具又は金型等)は、耐チッピング性に優れ、従来よりも長寿命になる。窒化アルミニウム皮膜の結晶構造の同定及びX線回折ピーク値の測定は、後述のX線回折装置及びX線回折条件を使用して行った。Ia(100)とIa(002)との比は、Ia(002)/Ia(100)=6〜80の関係を満たすのが好ましく、Ia(002)/Ia(100)=13〜70の関係を満たすのがさらに好ましい。
(i) 下層と上層との界面構造
下層と上層との界面で格子縞の30%以上が連続しているのが好ましい。格子縞は、TEMにより多結晶体を高倍率で観察したときに見られる縞模様である。隣接する層の結晶方位がともにTEMの入射ビームと平行な時にのみ、両者の結晶の格子像が同時に観察される。下層及び上層の格子縞が連続しているということは、上層が下層の上にエピタキシャル成長していることを意味する。本発明では、下層と上層の界面において格子縞の30%以上が連続している場合、格子縞が連続していると言う。
X線回折角2θが36〜39°の範囲における下層の(111)面及び上層の(101)面のX線回折ピークを合わせたX線回折ピーク合成値It(111)Ia(101)と、上層の(100)面のX線回折ピーク値Ia(100)との比は、It(111)Ia(101)/Ia(100)≧1.5の関係を満たすのが好ましい。It(111)Ia(101)/Ia(100)≧1.5の関係を満たすと、上層の(101)面の強度が十分に高くなる。fcc構造である窒化チタンアルミニウム皮膜の(111)面と、hcp構造である窒化アルミニウム皮膜の(101)面とは、格子定数が近く、回折角2θが36〜39°の範囲においてX線回折ピークが重なっている。そのため、下層の(111)面と上層の(101)面のX線回折ピークとを合わせた合成値It(111)Ia(101)が高いと、下層の(111)面と上層の(101)面との格子縞の連続性が高くなり、高い密着性が得られる。It(111)Ia(101)とIa(100)との比は、It(111)Ia(101)/Ia(100)=1.5〜40の関係を満たすのがさらに好ましく、It(111)Ia(101)/Ia(100)=10.5〜30の関係を満たすのが特に好ましい。
特に限定されないが、長寿命化の観点から、基体と下層との間に下地層として、TiN皮膜、Ti(CN)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く、TiN皮膜を化学蒸着法により設けるのがさらに好ましい。下地層の膜厚は0.05〜0.1μm程度であるのが好ましい。
特に限定されないが、上記上層の上に上部層として、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。上部層としては、例えばTiC、CrC、SiC、VC、ZrC、TiN、TiAlN、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(例えば2〜50層)の皮膜が挙げられる。
本発明の下層及び上層、及び下地層及び上部層は、熱化学蒸着装置又はプラズマ支援化学蒸着装置等の化学蒸着装置(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14に示すように、化学蒸着装置(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を覆う反応容器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,11a,12a,12a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。第一のパイプ11と第二のパイプ12は、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。
本発明の下層及び上層、及び下地層及び上部層の形成を、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。
下地層としてTiN皮膜を用いる場合、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ガス及びH2ガスからなる原料ガスをCVD炉内に流し、下地層のTiN皮膜を形成する。
下地層としてTi(CN)皮膜を用いる場合、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、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ガスからなる原料ガスをCVD炉内に流し、下地層のTi(CN)皮膜を形成する。
下地層としてTiZr(CN)皮膜を用いる場合、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、CH4ガス、N2ガス、H2ガス及びZrCl4ガス、又はTiCl4ガス、ZrCl4ガス、CH3CNガス、N2ガス及びH2ガスからなる原料ガスをCVD炉内に流し、下地層のTiZr(CN)皮膜を形成する。
(1) 第一の原料ガス
fcc構造を主体とする窒化チタンアルミニウム皮膜を形成するために、TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスA1と、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスB1とからなる第一の原料ガスを使用する。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A1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ガスからなり、混合ガスB1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、混合ガスA1のH2ガスと混合ガスB1のH2ガスとの体積比H2(A1)/H2 (B1)を1〜5とするのが好ましい。混合ガスA1、B1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A1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B1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ガスからなるとともに、体積比H2(A1)/H2 (B1)を1.0〜4.8とするのがより好ましい。
混合ガスA1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B1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ガスからなるとともに、体積比H2(A1)/H2 (B1)を1.1〜4.6とするのがさらに好ましい。
TiCl4ガスが0.02〜0.31体積%の範囲にあると、例えば後述の図14のCVD炉1を使用して成膜温度750〜830℃で成膜した場合に得られる窒化チタンアルミニウム皮膜は耐チッピング性に優れ、fcc構造の高Al含有TiAlNがfcc構造の網目状高Ti含有TiAlNに囲まれた組織を有する柱状結晶組織を有する。TiCl4ガスが0.02体積%未満であると混合ガスA1中のAl量が過多になり、hcp構造が析出して、窒化チタンアルミニウム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皮膜は前記柱状結晶組織を有さない。
混合ガスB1において、NH3ガスが0.4〜1.9体積%の範囲にあると、例えば後述の図14のCVD炉1を使用して成膜温度750〜830℃で成膜した場合に得られるfcc構造の高Al含有TiAlNがfcc構造の網目状高Ti含有TiAlNに囲まれた組織を有する柱状結晶組織を有する。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、前記柱状結晶組織が得られない。
混合ガスA1のH2ガスと混合ガスB1のH2ガスとの体積比H2(A1)/H2 (B1)が1未満及び5超のいずれでも、第一の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皮膜の膜厚分布が悪くなる。
反応性の高い混合ガスA1及びB1の混合により第一の原料ガスの反応速度を制御し、混合ガスA1及び混合ガスB1をCVD炉1内に非接触の状態で送入するのが好ましい。このように、第一の原料ガス中の非常に反応性が高いAlCl3ガスとNH3ガスを非接触の状態で送入することにより、被覆物に到達する前の反応を抑えることができるので、結晶組織が粗大になり過ぎるのを防止できる。このために、後述の第二の原料ガスの導入方法と同様に、例えば図14及び図15(a) 〜図15(c) に示すように、回転軸からの距離が異なる第一及び第二のパイプのノズル11a及び12aから別々に混合ガスA1及びB1をCVD炉1内に吹き出すのが好ましい。
窒化チタンアルミニウム皮膜の成膜温度は750〜900℃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900℃を超えると反応が促進されすぎて結晶粒が粗大化し、耐酸化性に劣る。窒化チタンアルミニウム皮膜の成膜温度は760〜890℃がさらに好ましい。成膜温度は、図14に示すCVD炉1における反応容器5の近接位置に熱電対(図示省略)を設け、成膜中の炉体温度を測定することにより求めた。
窒化チタンアルミニウム皮膜の成膜圧力は3〜6 kPaが好ましい。成膜圧力が3 kPa未満であると窒化チタンアルミニウム皮膜の組成のばらつきが大きくなる。一方、成膜圧力が6 kPaを超えると窒化チタンアルミニウム皮膜は結晶粒が粗大化し、耐酸化性に劣る。窒化チタンアルミニウム皮膜のさらに好ましい成膜圧力は3〜5 kPaである。
(1) 第二の原料ガス
窒化アルミニウム皮膜を形成する第二の原料ガスとして、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスA2と、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスB2とを使用する。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A2の組成は、0.5〜1.4体積%のAlCl3ガス、10.6〜30.6体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなり、混合ガスB2の組成は0.6〜0.95体積%のNH3ガス、10.6〜30.6体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなるとともに、混合ガスA2のH2ガスと混合ガスB2のH2ガスとの体積比H2(A2)/H2 (B2)を0.3〜3とするのが好ましい。混合ガスA2、B2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A2の組成は、0.6〜1.3体積%のAlCl3ガス、10.8〜30.0体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなり、混合ガスB2の組成は0.7〜0.95体積%のNH3ガス、10.8〜30.0体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなるとともに、混合ガスA2のH2ガスと混合ガスB2のH2ガスとの体積比H2(A2)/H2 (B2)を0.3〜3.0とするのがさらに好ましい。
AlCl3ガスが0.5体積%未満であると、反応速度が遅くなる。一方、AlCl3ガスが1.4体積%を超えると、AlN結晶粒が粗大化する。
NH3ガスが0.6体積%未満及び0.95体積%超のいずれでも、第二の原料ガスの反応速度が変わり、本発明の上層の特徴的なミクロ組織(柱状結晶組織)が得られない。
混合ガスA2のH2ガスと混合ガスB2のH2ガスとの体積比H2(A2)/H2 (B2)が0.3未満及び3超のいずれでも、第二の原料ガスの反応速度が変わり、下層上に形成される窒化アルミニウム皮膜の膜厚分布が悪くなる。
反応性の高い混合ガスA2及びB2の混合により第二の原料ガスの反応速度を制御し、混合ガスA2及び混合ガスB2をCVD炉1内に非接触の状態で送入するのが好ましい。このように、第二の原料ガス中の非常に反応性が高いAlCl3ガスとNH3ガスを非接触の状態で送入することにより、被覆物に到達する前の反応を抑えることができる。もって平均横断面径0.05〜0.6μmの柱状結晶組織を有する窒化アルミニウム皮膜を形成することができる。AlCl3ガス及びNH3ガスを混合した状態でCVD炉内に送入すると、窒化アルミニウム皮膜が粒状組織となり、耐チッピング性が低下する。また第二の原料ガス中のAlCl3及び/又はNH3の含有量が多いと、反応が過度に促進され、窒化アルミニウム皮膜の(002)面の配向が弱くなるため、耐チッピング性が低下する。
図15(a) は混合ガスA2及びB2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15(b) は混合ガスA2及び混合ガスB2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15(c) は混合ガスA2及び混合ガスB2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。
窒化アルミニウム皮膜の成膜温度は750〜850℃が好ましい。成膜温度が750℃未満では、窒化アルミニウム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850℃を超えると窒化アルミニウム皮膜の結晶粒が粗大化し、下層と上層との密着性や耐チッピング性が低下する。窒化アルミニウム皮膜のさらに好ましい成膜温度は770〜830℃である。
窒化アルミニウム皮膜の成膜圧力は3〜5 kPaが好ましい。成膜圧力が3 kPa未満であると均一な組織が得られない。一方、成膜圧力が5 kPaを超えると窒化アルミニウム皮膜の結晶粒が粗大化し、下層と上層との密着性や耐チッピング性が低下する。
下層の窒化チタンアルミニウム皮膜を形成後、混合ガスA1に含まれるTiCl4ガスの含有量を徐々に又は段階的に減少させ、上層の窒化アルミニウム皮膜を連続的に形成しても良い。混合ガスA1中のTiCl4ガスの含有量が0になったとき、上記混合ガスは上層用の混合ガスA2となり、上層の窒化アルミニウム皮膜が形成される。TiCl4ガスの含有量を徐々に又は段階的に減少させることにより、下層と上層の界面における格子縞の連続性を高めることができる。下層を形成後、混合ガスA1中のTiCl4ガスの含有量を毎分0.1〜0.5体積%の割合で減少させるのが好ましい。混合ガスA1に含まれるTiCl4ガスの含有量を徐々に又は段階的に減少させるとともに、混合ガスA1に含まれる他のガスや混合ガスB1に含まれるガスの含有量を、形成する上層の窒化アルミニウム皮膜の組成に合わせて適宜変更して良い。
特に限定されないが、公知の化学蒸着法により窒化アルミニウム皮膜の上に上部層を形成することができる。成膜温度は700〜850℃が好ましい。上部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、ZrCl3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。
基体上に形成した本発明の硬質皮膜は、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、及びシリカ等のセラミックスの少なくとも一種の粉末を投射材として用い、湿式及び/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
(i) 下地層
図11(a) 及び図11(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(JDMT150508R-C7)と、図12(a) 及び図12(b) に概略的に示す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14に示すCVD炉1(図15(a) に示す第一のパイプ集合体30を使用した。)内にセットし、H2ガスを流しながらCVD炉1内の温度を790℃に上昇させた。その後、790℃及び成膜圧力12 kPaで、83.5体積%のH2ガス、15.0体積%のN2ガス、及び1.5体積%のTiCl4ガスからなる原料ガスを67 L/分の流量で第二のパイプ12の第二のノズル12aから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0.1μmの窒化チタン皮膜からなる下地層を形成した。
H2ガスを流しながらCVD炉1内の温度を800℃に上げるとともに圧力を4 kPaに下げた後、2 rpmの速度で回転するパイプ集合体30を用いて、CVD炉1に、第一のパイプ11,11の第一のノズル11a,11aから0.15体積%のTiCl4ガス、0.45体積%のAlCl3ガス、7.50体積%のN2ガス、及び52.51体積%のH2ガスからなる混合ガスA1を導入し、第二のパイプ12の第二のノズル12aから30.76体積%のH2ガス、7.50体積%のN2ガス、1.13体積%のNH3ガスからなる混合ガスB1を導入した。混合ガスA1及びB1の合計流量は65 L/分であった。こうして、下地層上に、化学蒸着法により、組成がTi0.15Al0.34N0.51(原子比)で表される厚さ5μmの窒化チタンアルミニウム皮膜からなる下層を形成した。
2 rpmの速度で回転するパイプ集合体30を用いて、800℃及び4 kPaで、CVD炉1に、第一のパイプ11,11の第一のノズル11a,11aから0.9体積%のAlCl3ガス、21.2体積%のN2ガス、及び34.7体積%のH2ガスからなる混合ガスA2を導入し、第二のパイプ12の第二のノズル12aから21.2体積%のH2ガス、21.2体積%のN2ガス、0.8体積%のNH3ガスからなる混合ガスB2を導入した。混合ガスA2及びB2の合計流量は85 L/分であった。こうして、下層上に、化学蒸着法により、組成がAl0.51N0.49(原子比)で表される厚さ1.5μmの窒化アルミニウム皮膜からなる上層を形成し、本発明の硬質皮膜を有する硬質皮膜被覆工具を製作した。
得られた硬質皮膜被覆工具の下地層、下層及び上層の膜厚は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(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。
得られた硬質皮膜被覆工具の物性評価用インサートの破断面の結晶組織の観察は、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。
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、下層及び上層の組成を、それぞれ物性評価用インサートの断面における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、下層及び上層の組成を求めた。下層及び上層の組成を表4-3及び表6-3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)及び入射角ω:4°に固定の条件で物性評価用インサート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10に示す。このX線回折パターンでは、fcc構造の窒化チタンアルミニウム皮膜の回折ピークとともに、hcp構造の窒化アルミニウム皮膜の回折ピークが観察された。
FE-TEM(JEM-2010F)を用いて撮影した図9(a) の写真(倍率:4,000,000倍)には下層と上層との境界(界面)が示されている。図9(a) において、51は下層(fcc構造の窒化チタンアルミニウム皮膜)であり、52は上層(hcp構造の窒化アルミニウム皮膜)である。図9(b) は図9(a) の概略図である。図9(b) において、線L2は下層51と上層52との境界を示し、多数の細線は結晶格子縞を示す。図9(a) 及び図9(b) から、界面で80%の結晶格子縞が連続していることが分った。
図13に示すように、得られたミーリング用インサート60を、刃先交換式回転工具(AHU1025R4)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(m)とした。結果を表7に示す。
加工方法: ミーリング加工
インサート形状: JDMT150508R-C7
切削速度: 200 m/分
回転数: 2548 rpm
一刃当たりの送り: 0.1 mm/tooth
送り速度: 255 mm/分
軸方向の切り込み量: 4.0 mm
径方向の切り込み量: 20 mm
切削方法: 乾式切削
窒化チタンアルミニウム皮膜の成膜条件を表4-1及び表4-2に示すように変更し、窒化アルミニウム皮膜の成膜条件を表6-1及び表6-2に示すように変更した以外、実施例1と同様にして、硬質皮膜被覆工具を製作し、物性及び工具寿命を評価した。各実施例の下層(窒化チタンアルミニウム皮膜)の組成、結晶構造、結晶組織、膜厚、及び微細組織の測定結果を表4-3に示す。各実施例の上層(窒化アルミニウム皮膜)の組成、結晶構造、結晶組織、柱状結晶の平均横断面径、及び膜厚の測定結果を表6-3に示す。各実施例のIa(002)/Ia(100)、It(111)Ia(101)/Ia(100)、It(111)Ia(101)/It(200)、上層と下層との格子縞の連続性、及び工具寿命を表7に示す。
下層を形成する際に、パイプ集合体30の第一のパイプ11,11の第一のノズル11a,11aから混合ガスB1を、及び第二のパイプ12の第二のノズル12a,12aから混合ガスA1をそれぞれCVD炉1内に導入し、その後上層を形成する際に、第一のパイプ11,11の第一のノズル11a,11aから混合ガスB2を、及び第二のパイプ12の第二のノズル12a,12aから混合ガスA2をそれぞれCVD炉1内に導入した以外は、実施例1と同様にして硬質皮膜被覆工具を製作し、物性及び工具寿命を測定した。測定結果を表4-3、表6-3及び表7に示す。
実施例3と同様にして下層までを形成した後、上層を形成する際に、図16に示すCVD炉100を使用した以外は、実施例3と同様にして硬質皮膜被覆工具を製作し、物性及び工具寿命を測定した。CVD炉100は、パイプ集合体30の代わりに、図17に示すノズル101aを有するパイプ101を用いる以外は、図14のCVD炉1と同様である。測定結果を表4-3、表6-3及び表7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
11:第一のパイプ
11a:第一のノズル
12:第二のパイプ
12a:第二のノズル
13:排出パイプ
20:インサート基体
30:第一のパイプ集合体
40:第二のパイプ集合体
50:第三のパイプ集合体
51:下層
52:上層
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
L1:直線
L2:境界
Claims (17)
- fcc構造を主体とする窒化チタンアルミニウム皮膜からなる下層と、hcp構造の窒化アルミニウム皮膜からなる上層とを有する硬質皮膜であって、
前記上層は柱状結晶組織を有し、前記柱状結晶の平均横断面径が0.05〜0.6μmであり、前記上層における(100)面のX線回折ピーク値Ia(100)と(002)面のX線回折ピーク値Ia(002)との比が、Ia(002)/Ia(100)≧6の関係を満たすことを特徴とする硬質皮膜。 - 請求項1に記載の硬質皮膜において、X線回折角2θが36〜39°の範囲における前記下層の(111)面及び前記上層の(101)面のX線回折ピークを合わせたX線回折ピーク値It(111)Ia(101)と、前記Ia(100)との比が、It(111)Ia(101)/Ia(100)≧1.5の関係を満たすことを特徴とする硬質皮膜。
- 請求項1又は2に記載の硬質皮膜において、X線回折角2θが36〜39°の範囲における前記下層の(111)面及び前記上層の(101)面のX線回折ピークを合わせたX線回折ピーク値It(111)Ia(101)と、前記下層の(200)面のX線回折ピーク値It(200)との比が、It(111)Ia(101)/It(200)≧1.5の関係を満たすことを特徴とする硬質皮膜。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の硬質皮膜において、前記下層と前記上層との界面で格子縞の30%以上が連続していることを特徴とする硬質皮膜。
- 基体に、請求項1〜4のいずれかに記載の硬質皮膜を形成してなることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の硬質皮膜を化学蒸着法により製造する方法において、
(1) 前記下層を形成する第一の原料ガスとして、TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスA1と、N2ガス、NH3ガス及びH2ガスからなる混合ガスB1とを使用し、
(2) 前記上層を形成する第二の原料ガスとして、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスA2と、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスB2とを使用することを特徴とする方法。 - 請求項6に記載の硬質皮膜の製造方法において、
前記第一の原料ガスが、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、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ガスからなる組成の混合ガスA1と、0.4〜1.9体積%のNH3ガス、2〜26体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる組成の混合ガスB1とからなるとともに、前記混合ガスA1のH2ガスと前記混合ガスB1のH2ガスとの体積比H2 (A1)/H2 (B1)を1〜5とし、
前記第二の原料ガスが、AlCl3ガス、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスの合計を100体積%として、0.5〜1.4体積%のAlCl3ガス、10.6〜30.6体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる組成の混合ガスA2と、0.6〜0.95体積%のNH3ガス、10.6〜30.6体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる組成の混合ガスB2とからなるとともに、前記混合ガスA2のH2ガスと前記混合ガスB2のH2ガスとの体積比H2 (A2)/H2 (B2)を0.3〜3としたことを特徴とする方法。 - 請求項6又は7に記載の硬質皮膜の製造方法において、
回転軸Oを中心として回転する第一及び第二のパイプを具備する化学蒸着装置を使用し、
前記第一のパイプは第一のノズルを有し、
前記第二のパイプは第二のノズルを有し、
前記第一のノズルの噴出口と前記回転軸Oとの距離H1を前記第二のノズルの噴出口と前記回転軸O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A1,A2を順次噴出するとともに、前記第二のノズルから前記混合ガスB1,B2を順次噴出することを特徴とする方法。 - 請求項6又は7に記載の硬質皮膜の製造方法において、
回転軸Oを中心として回転する第一及び第二のパイプを具備する化学蒸着装置を使用し、
前記第一のパイプは第一のノズルを有し、
前記第二のパイプは第二のノズルを有し、
前記第一のノズルの噴出口と前記回転軸Oとの距離H1を前記第二のノズルの噴出口と前記回転軸O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B1,B2を順次噴出するとともに、前記第二のノズルから前記混合ガスA1,A2を順次噴出することを特徴とする方法。 - 請求項8又は9に記載の硬質皮膜の製造方法において、前記距離H1と前記距離H2との比(H1/H2)を1.5〜3の範囲内にすることを特徴とする方法。
- 請求項6〜10のいずれかに記載の硬質皮膜の製造方法において、前記下層を形成する際に、3〜6 kPaの成膜圧力及び750〜900℃の成膜温度を使用し、前記上層を形成する際に、3〜5 kPaの成膜圧力及び750〜850℃の成膜温度を使用することを特徴とする方法。
- 請求項5に記載の硬質皮膜被覆工具を製造する方法において、
(1) 基体を載置した化学蒸着装置に、TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスA1と、N2ガス、NH3ガス及びH2ガスからなる混合ガスB1とからなる第一の原料ガスを供給することにより、前記下層を形成し、次いで
(2) AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスA2と、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスB2とからなる第二の原料ガスを供給することにより、前記上層を形成することを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の硬質皮膜被覆工具の製造方法において、
前記第一の原料ガスが、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、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ガスからなる組成の混合ガスA1と、0.4〜1.9体積%のNH3ガス、2〜26体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる組成の混合ガスB1とからなるとともに、前記混合ガスA1のH2ガスと前記混合ガスB1のH2ガスとの体積比H2 (A1)/H2 (B1)を1〜5とし、
前記第二の原料ガスが、AlCl3ガス、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスの合計を100体積%として、0.5〜1.4体積%のAlCl3ガス、10.6〜30.6体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる組成の混合ガスA2と、0.6〜0.95体積%のNH3ガス、10.6〜30.6体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる組成の混合ガスB2とからなるとともに、前記混合ガスA2のH2ガスと前記混合ガスB2のH2ガスとの体積比H2 (A2)/H2 (B2)を0.3〜3としたことを特徴とする方法。 - 請求項12又は13に記載の硬質皮膜被覆工具の製造方法において、
回転軸Oを中心として回転する第一及び第二のパイプを具備する化学蒸着装置を使用し、
前記第一のパイプは第一のノズルを有し、
前記第二のパイプは第二のノズルを有し、
前記第一のノズルの噴出口と前記回転軸Oとの距離H1を前記第二のノズルの噴出口と前記回転軸O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A1,A2を順次噴出するとともに、前記第二のノズルから前記混合ガスB1,B2を順次噴出することを特徴とする方法。 - 請求項12又は13に記載の硬質皮膜被覆工具の製造方法において、
回転軸Oを中心として回転する第一及び第二のパイプを具備する化学蒸着装置を使用し、
前記第一のパイプは第一のノズルを有し、
前記第二のパイプは第二のノズルを有し、
前記第一のノズルの噴出口と前記回転軸Oとの距離H1を前記第二のノズルの噴出口と前記回転軸O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B1,B2を順次噴出するとともに、前記第二のノズルから前記混合ガスA1,A2を順次噴出することを特徴とする方法。 - 請求項14又は15に記載の硬質皮膜被覆工具の製造方法において、前記距離H1と前記距離H2との比(H1/H2)を1.5〜3の範囲内にすることを特徴とする方法。
- 請求項12〜16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、前記下層を形成する際に、3〜6 kPaの成膜圧力及び750〜900℃の成膜温度を使用し、前記上層を形成する際に、3〜5 kPaの成膜圧力及び750〜850℃の成膜温度を使用することを特徴とする方法。
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