TWI830364B

TWI830364B - 硬質被膜、硬質被膜被覆工具、及硬質被膜之製造方法

Info

Publication number: TWI830364B
Application number: TW111133896A
Authority: TW
Inventors: 足立佳亮; 儀間弘樹; 杉田博昭
Original assignee: 日商Ｏｓｇ股份有限公司
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2022-09-07
Publication date: 2024-01-21
Also published as: JPWO2023053340A1; CN118140006A; WO2023053340A1; KR20240035884A; TW202315957A

Abstract

本發明之硬質被膜32係由設於基材30表面之第1層34、與設於第1層34表面之第2層36所構成，第1層34係AlCrαN，第2層36係AlCrCN。又，將第1層34之膜厚T1與第2層36之膜厚T2相加之總膜厚T在0.5μm~9.0μm之範圍內，且相對於總膜厚T之第2層36之膜厚T2的比率(T2/T)在5%~50%之範圍內。又，在X射線繞射尖峰中具有歸屬於(111)面及(200)面之尖峰，並且(111)面之尖峰強度SP1與(200)面之尖峰強度SP2之強度比(SP1/SP2)在0.1~20之範圍內。藉由所述硬質被膜32即可得優異之耐久性。

Description

硬質被膜、硬質被膜被覆工具、及硬質被膜之製造方法

本發明係有關於用以被覆基材表面之硬質被膜、已被該硬質被膜被覆之硬質被膜被覆工具、及該硬質被膜之製造方法。

對於螺絲攻、鑽頭、端銑刀、銑刀、車刀等切削工具、成形螺絲攻、滾製工具、壓機模具等非切削工具等各種加工工具、或要求耐磨耗性之摩擦零件等各種構件方面，有人提出了一種藉由在基材表面塗覆硬質被膜，使耐磨耗性、抗黏結(adhesion)性、或耐久性等提升之方法。專利文獻1、2中記載之硬質被膜係其一例，提出了使用AlCrN或AlCrCN等來構成硬質被膜的技術。

先前技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特許第6383333號公報

專利文獻2：日本特許第5090251號公報

然而，在所述習知硬質被膜中，仍有因加工條件或使用條件等而在被膜產生崩裂(chipping)或剝離等，未必能得到可充分滿足之耐久性的情況，尚有改良的餘地。例如，使用已被AlCrN被覆之成形螺絲攻，對JIS中規定之SCM440(鉻鉬鋼)進行了攻螺絲加工(tapping processing)時，加工孔數不足1000孔，無法得到充分之耐久性。

本發明係以以上情事為背景而作成的發明，目的在於進一步提升 AlCrN系之硬質被膜之耐久性。

為了達成此目的，第1發明係一種硬質被膜，係設於基材表面以被覆該表面之硬質被膜，特徵在於：(a)前述硬質被膜係由設於前述基材表面之第1層、與設於該第1層表面之第2層所構成；(b)前述第1層係Al_aCr_b α _cN[惟，a、b、c以原子比計，a+b+c=1，0≦c≦0.40，b/a在0.25~1.0之範圍內，且任意添加成分α係選自於元素週期表之IVa族、Va族、VIa族(Cr除外)、及Y之1種以上的元素]；(c)前述第2層係Al_dCr_eC_fN[惟，d、e、f以原子比計，d+e+f=1，0.001≦f≦0.20，e/d在0.25~1.0之範圍內]；(d)將前述第1層之膜厚T1與前述第2層之膜厚T2相加之總膜厚T在0.5μm~9.0μm之範圍內，且相對於該總膜厚T之前述第2層之膜厚T2的比率(T2/T)在5%~50%之範圍內；(e)在由前述第1層及前述第2層所構成之前述硬質被膜的X射線繞射尖峰中，具有歸屬於(111)面及(200)面之尖峰，並且前述(111)面之尖峰強度SP1與前述(200)面之尖峰強度SP2之強度比(SP1/SP2)在0.1~20之範圍內。

另外，將上述原子比a~f乘以100倍後之值係at%(原子%)。

第2發明係一種硬質被膜被覆工具，係在基材表面設有硬質被膜之硬質被膜被覆工具，特徵在於：前述硬質被膜係如第1發明之硬質被膜。

第3發明係一種如第1發明之硬質被膜之製造方法，特徵在於：(a)前述第1層及前述第2層均藉由高功率脈衝磁控濺鍍法成膜；(b)前述第2層將AlCr合金作為靶材使用，並將氮氣及烴氣供給至腔室內來進行濺鍍，並且調整該烴氣之供給量而令前述C之原子比f為0.001以上且0.20以下。

上述高功率脈衝磁控濺鍍法係稱為HiPIMS(HIPIMS；High-Power Impulse Magnetron Sputtering之簡稱)法之成膜技術，以下，稱為HiPIMS法。

藉由第1發明之硬質被膜及第2發明之硬質被膜被覆工具可得優異之耐久性。又，若以電弧離子鍍法將AlCrN系之硬質被膜成膜，則被稱作微粒子(microparticle)之微小液滴會附著在被膜內部或被膜表面，成為被加工物之黏結或被膜之崩裂、剝離等的原因，硬質被膜之耐久性有可能會降低，但藉由第3發明之HiPIMS法即可減少微粒子，抗黏結性或耐崩裂性提升，耐久性更加提升。

10:成形螺絲攻(硬質被膜被覆工具)

12:柄

16:螺紋部

18:螺紋牙

20:突出部

22:離隙部

24:倒角部

26:全螺紋部

28:油溝

30:基材

32:硬質被膜

34:第1層

36:第2層

40:濺鍍裝置

42:腔室

44:偏壓電源

46:靶材

48:電源裝置

50:反應氣體

51:Ar氣體

52:排氣

O:軸線

SP1,SP2:尖峰強度

T:總膜厚

T1:第1層之膜厚

T2:第2層之膜厚

II-II:箭頭視角

圖1係說明適用本發明之成形螺絲攻之一例的正視圖。

圖2係圖1中II-II箭頭視角部分之放大截面圖。

圖3係說明設於圖1之成形螺絲攻之硬質被膜之被膜結構的截面圖。

圖4係說明依據HiPIMS法塗覆圖3之硬質被膜之濺鍍裝置之一例的圖。

圖5係說明調查使用圖4之濺鍍裝置塗覆第2層時之甲烷氣體(CH₄)之供給比率與碳含量之關係之結果的圖。

圖6係顯示針對本發明一實施例之硬質被膜藉由X射線繞射所得之強度分布之一例的圖。

本發明適合使用於各種加工工具即硬質被膜被覆工具中設於基材表面之硬質被膜，該各種加工工具係螺絲攻、鑽頭、端銑刀、銑刀、車刀等切削工具、成形螺絲攻(亦稱為滾製螺絲攻)、滾製工具、壓機模具等非切削工具等。加工工具以外，亦可適用於軸承構件等要求耐磨耗性或抗黏結性等各種構件之硬質被膜。亦可適用於刀頭(tip)可裝卸地安裝於本體之刀頭交換式工具之刀頭。

本發明之硬質被膜之製造方法，即塗覆方法方面，可使用電子束蒸鍍法、空心陰極法、磁控濺鍍法(MS法)或電弧離子鍍法(AIP法)等物理氣相沉積法(PVD法)。MS法係使用輝光放電使已加速之離子碰撞靶材，並藉由該動能將被膜材料從靶材擊出，而使該被擊出之材料附著於基材以成膜的手法。前述輝光放電係利用在稀有氣體環境中對配置有磁石及靶材之負極(陰極)施加電壓而行者。此時，相較於因熱衝撃導致微滴(droplet)生成之電子束蒸鍍法、空心陰極法或AIP法，可成膜較平滑之被膜。MS法中有對陰極施加直流電壓(DC)之DCMS法、與HiPIMS法，該HiPIMS法係在直流電壓電源與陰極間配置電容器及開關，以電容器之充放電對陰極施加高功率脈衝的方法。HiPIMS法由於將高功率供給至陰極，可生成較之DCMS法游離率更高之電漿。本發明之硬質被膜之製造方法方面，適合使用濺鍍法之一種即HiPIMS法，只要使用AlCr合金作為靶材，在Ar與N₂之混合氣體環境中成膜第1層即AlCrN後，在第2層之成膜時進一步導入烴氣來成膜AlCrCN即可。當設置包含任意添加成分α之AlCr α N來作為第1層時，宜使用AlCr α合金作為第1層成膜時之靶材。

AIP法係利用電弧放電將靶材從固體蒸發或游離化，而於基材成膜之手法。由於將非常高之能量供給至靶材，因此可得具高附著力、耐磨耗性之被膜，另一方面，藉由電弧放電之衝撃，被稱作微滴之數μm以上之微粒子會大量地附著於基板上或被膜表面上。為了減少微滴之噴濺亦有採過濾之手法，此時便適合作為本發明之硬質被膜之製造方法來使用。亦可採用該AIP法或前述HiPIMS法以外之塗覆技術。

實施例

以下，參照圖式詳細地說明本發明之實施例。另外，在以下實施例中，圖係為了說明而經適當地簡化或變形，未必正確地描繪出各部分之形狀、尺寸比或角度等。

圖1係顯示適用本發明之成形螺絲攻10的圖，係從與軸線O呈直角方向上所見之正視圖，圖2係顯示將圖1中II-II箭頭視角部分即螺紋部16之截面予以放大的圖。該成形螺絲攻10在軸線方向(與軸線O平行之方向)上連續且同心一體地具備有：安裝於未圖示之攻螺絲裝置之主軸的柄12、與用以將內螺紋進行成形加工(滾製加工)的螺紋部16。螺紋部16之截面係呈由往外側彎曲之邊所構成之多角形，本實施例中係略正六角形，並且在螺紋部16之外周面設有外螺紋，該外螺紋咬入被加工物(內螺紋素材)之預鑽孔之內壁表層部使其塑性變形，藉此成形加工內螺紋。

設於上述螺紋部16之外螺紋的螺紋牙18係呈對應於應形成之內螺紋之螺谷形狀的截面形狀，而沿著對應於該內螺紋之導程角的螺旋線設置，並且該螺紋牙18之往直徑方向外側突出的6個突出部20、與連接該突出部20而成為縮小直徑之離隙部(relief portion)22，係沿著螺釘之前進方向交互且在軸線O周圍以60°之等角度間隔設置。即，正六角形之各頂點部分分別為突出部20，多數個突出部20係與軸線O平行地連續設置，並且，在如此之軸線方向上連續之多數個突出部20之列係在軸線O周圍以等角度間隔設有6列。另外，圖2係在螺紋牙18之谷部沿著螺旋線裁切後的截面圖。

又，螺紋部16具備在軸線方向上直徑尺寸大致固定之全螺紋部26、與隨著朝向前端側逐漸縮小直徑之倒角部24。倒角部24中，外螺紋之外徑、有效直徑、及根徑(root diameter)互相以相等之固定變化梯度逐漸縮小直徑來變化。倒角部24中亦與圖2同樣地呈略正六角形，且在圓周方向上交互地具備有突出部20及離隙部22。又，在螺紋部16之外周面且在軸線O周圍之6列的突出部20之中間位置上，各自與軸線O平行地設有用以供給潤滑油劑之油溝28。油溝28亦可為1支，亦可省略。

所述成形螺絲攻10藉由從倒角部24側被擰入設於被加工物之預鑽孔內，而突出部20咬入該預鑽孔之內壁表層部使其塑性變形，藉此形成內螺紋。在利用所述成形螺絲攻10之攻螺絲加工中，需要較大之旋轉力矩，藉由與被加工物之間的摩擦，容易在螺紋部16產生磨耗或黏結，因加工條件之差異而有可能無法得到充分之工具壽命。

相對於此，在本實施例之成形螺絲攻10的螺紋部16上，如圖3所示，塗覆有硬質被膜32以被覆基材30表面。基材30係以超硬合金、高速工具鋼、或其他之工具材料構成，本實施例中係高速工具鋼。硬質被膜32係由設於基材30表面之第1層34、與設於該第1層34表面之第2層36所構成，被膜表面藉由該第2層36而構成。成形螺絲攻10係相當於硬質被膜被覆工具。

針對硬質被膜32具體地進行說明，上述第1層34係以Al_aCr_b α _cN[惟，a、b、c以原子比計，a+b+c=1，0≦c≦0.40，b/a在0.25~1.0之範圍內，且任意添加成分α係選自於元素週期表之IVa族、Va族、VIa族(Cr除外)、及Y之1種以上的元素]構成。第2層36係以Al_dCr_eC_fN[惟，d、e、f以原子比計，d+e+f=1，0.001≦f≦0.20，e/d在0.25~1.0之範圍內]構成。又，將第1層34之膜厚T1與第2層36之膜厚T2相加之總膜厚T在0.5μm~9.0μm之範圍內，且相對於總膜厚T之第2層之膜厚T2的比率(T2/T)在5%~50%之範圍內。又，該硬質被膜32在X射線繞射(以下，亦表示為XRD(X Ray Diffraction)。)中，具有歸屬於(111)面及(200)面之尖峰，並且(111)面之尖峰強度SP1與(200)面之尖峰強度SP2之強度比(SP1/SP2)在0.1~20之範圍內。

圖6係使用PANalytical製之X射線繞射裝置，在以下之測定條件下測定之強度分布的一例，係表1及表2所示之樣品No7的測定結果。θ係繞射角度，(111)面之尖峰係在2θ=37°~39°之角度範圍中顯現之尖峰，(200)面之尖峰係在2θ=43.5°~44.5°之角度範圍中顯現之尖峰。如圖6所示，尖峰強度SP1、SP2係以尖峰間之基底部分之強度為基準而測定的值，以圖6的情況而言(樣品No7)之強度比(SP1/SP2)係6.4(參照表2)。表2中之XRD即X射線繞射欄之「有無尖峰」係有無(111)面之尖峰，「尖峰之強度比」係上述強度比(SP1/SP2)。即，(200)面之尖峰與第1層34及第2層36之被膜結構無關而經常存在。另外，圖6中標有「*」標記之尖峰係源自超硬合金試片基材之尖峰。表2之X射線繞射(XRD)之結果係將與樣品No1~No40相同之硬質被膜32形成於超硬合金之試片基材後進行調查之結果。

[測定條件]

．管電壓：45kV

．管電流：40mA

．X射線源：CuKa(0.15060nm)

．發散狹縫：1/8°

．反散射狹縫：1°、25°~55°

表1及表2係說明硬質被膜32之被膜結構相異之複數個樣品No1~No40的表，樣品No1~No29係具備硬質被膜32之要件的本發明品，樣品No30~No40係未滿足硬質被膜32之任一項要件的比較品。在比較品即樣品No30~No40中，加註有圓形網點之項目意指超出硬質被膜32之要件。樣品No36之第2層36之膜厚T2之所以為0.0係因第2層36之碳含量為0.0at%，實質上係以AlCrN構成，故將第2層36一併視為第1層34之膜厚T1。另外，針對未滿足硬質被膜32之要件的比較品，亦表示為硬質被膜32而進行說明。

接著，說明上述硬質被膜32之製造方法，即塗覆方法。本實施例中藉由HiPIMS法於基材30上塗覆有硬質被膜32。圖4係說明可實施HiPIMS法之濺鍍裝置之一例的概念圖，該濺鍍裝置40具備腔室42、偏壓電源44、靶材46、及電源裝置48而構成。靶材46係使用可構成硬質被膜32之AlCr合金。當第1層34未具有任意添加成分α時，可使用由AlCr合金所構成之1種靶材46，當第1層34具有任意添加成分α時，可使用第1層34之成膜用AlCr α合金、與第2層36之成膜用AlCr合金的2種靶材46。該靶材46與磁石一同配置於負極(陰極)，並利用電源裝置48施加-電壓，藉此令經利用輝光放電而加速之離子(Ar⁺)碰撞靶材46，並藉由該動能使被膜材料即AlCr α、或AlCr從靶材46擊出，而附著於利用偏壓電源44施加有負偏壓之基材30。電源裝置48除了直流電壓電源以外，尚具有電容器及開關電路，藉由電容器之充放電，例如將尖峰電力密度為0.1kW/cm²以上之高功率脈衝施加至陰極。具體而言，例如以陰極投入電力為5~55kW、真空度為0.5~2.0Pa、脈衝波形之on time(供電時間)=20μs~4000μs、脈衝波形之off time(斷電時間)=150μs~12000μs之成膜條件成膜。藉此，可生成游離率高之電漿，利用高密度之電漿可塗覆硬質被膜32，該硬質被膜32具有微粒子少之高平滑性，且抗黏結性、耐磨耗性及耐熱性優異。

又，在成膜第1層34時，藉由將氮氣(N₂)導入腔室42內作為反應氣體，即可成膜AlCr α N之第1層34。在成膜第2層36時，藉由將氮氣(N₂)及甲烷氣體(CH₄)導入腔室42內作為反應氣體，即可成膜AlCrCN之第2層36。亦可使用其他烴氣來取代甲烷氣體。藉由調整甲烷氣體之供給量，即可令C之原子比f為0.001以上且0.20以下。圖5係調查相對於N₂+CH₄之合計流量的CH₄之供給比率[CH₄/(N₂+CH₄)與碳含量之關係的圖，隨著甲烷氣體之供給比率變大，第2層36中之碳含量亦逐漸增加。藉此，例如表2之樣品No3所示，可使第2層36中之碳含量增加至20at%。

碳含量例如可藉由SIMS法(二次離子質譜法)調查。表2所示之第2層36之碳含量(at%)係利用SIMS法所行之測定結果，測定裝置係PHIADEPT1010(ULVAC-PHI,Inc.製)，一次離子種係Cs+，一次加速電壓係5.0kV，檢測區域係24μm×24μm，用以定量之標準試樣係AlN。圖5係關於成膜第2層36時甲烷氣體之供給量相異的4種樣品No12、No22、No7、No36之碳含量的測定結果。樣品No12中，CH₄之供給比率[CH₄/(N₂+CH₄)]係21%，碳含量約9.0at%。樣品No22中，CH₄之供給比率[CH₄/(N₂+CH₄)]係10%，碳含量約4.0at%。樣品No7中，CH₄之供給比率[CH₄/(N₂+CH₄)]係3%，碳含量約0.9at%。樣品No36中，CH₄之供給比率[CH₄/(N₂+CH₄)]係0%，即在未導入CH₄的情況下，AlCrN被成膜作為第2層36，並且碳含量約0.01at%。

表3係顯示調查耐久性以及調查壽命原因之結果的表，係使用表1 及表2所示之樣品No1~No40，並在以下之加工條件下進行攻螺絲加工，調查至達到工具壽命為止的加工孔數作為耐久性。加工條件之「被加工物」SCM440係依JIS規格之鋼材記號表示鉻鉬鋼，HRC係洛氏硬度。又，「攻牙長度」之D係工具直徑，此時係6mm，2D=12mm。另外，樣品No1~No40之硬質被膜32包含未滿足硬質被膜32之要件的比較品，均使用HiPIMS法進行塗覆。

[加工條件]

．工具形狀：M6×1

．被加工物：SCM440(30HRC)

．加工速度：15m/min

．攻牙長度：2D

．切削油劑：水溶性切削油劑、20倍稀釋、外部給油

表3之「判定」欄之「○」意指合格，「×」意指不合格，此處將加工孔數為1000孔以上訂為合格。又，壽命原因欄之「通端螺紋塞規未通過」意指對於已形成之內螺紋，通端螺紋塞規(GP：GO thread plug gauge)已無法通過的情況，在硬質被膜32之磨耗下，內螺紋之有效直徑變小。由表3之結果可知，本發明品之樣品No1~No29均可進行1000孔以上之攻螺絲加工且合格。壽命原因均因硬質被膜32之磨耗導致通端螺紋塞規未通過。相對於此，未滿足硬質被膜32之要件的比較品即樣品No30~No40，因黏結或被膜之崩裂、被膜剝離等原因，加工孔數均小於1000孔，與本發明品相較，耐久性較差。

如此，藉由經塗覆硬質被膜32之本實施例之成形螺絲攻10，即可得優異之耐久性。又，若以AIP法將AlCrN系之硬質被膜成膜，則被稱作微粒子之微小液滴(例如直徑為1μm以上)會附著在被膜內部或被膜表面，成為被加工物之黏結或被膜之崩裂、剝離等的原因，耐久性有可能會降低，但因本實施例中使用HiPIMS法來塗覆硬質被膜32，故微粒子減少，抗黏結性或耐崩裂性提升，耐久性更加提升。

此外，本發明人等使用掃描式電子顯微鏡調查了存在於硬質被膜32表面之直徑為1μm以上之微粒子數量，結果與以AIP法塗覆AlCrN膜的情況相較，係1/10以下。

以上，雖然根據圖式詳細地說明了本發明之實施例，但該等僅係一實施形態，本發明可在根據本技術領域中具有通常知識者之知識，添加了各種變更、改良的態樣下實施。

表1係說明硬質被膜之被膜結構相異之複數個樣品No1~No40的表，且係顯示第1層之被膜組成的表。

[表1]

表2係顯示針對表1之複數個樣品No1~No40，第2層之被膜組成、膜厚、及X射線繞射(XRD)之結果的表。

[表2]

表3係說明使用表1及表2所示之複數個樣品No1~No40進行攻螺絲加工，調查耐久性及壽命原因之結果的表。

[表3]