WO2023022230A1 - 被覆工具 - Google Patents

被覆工具 Download PDF

Info

Publication number
WO2023022230A1
WO2023022230A1 PCT/JP2022/031386 JP2022031386W WO2023022230A1 WO 2023022230 A1 WO2023022230 A1 WO 2023022230A1 JP 2022031386 W JP2022031386 W JP 2022031386W WO 2023022230 A1 WO2023022230 A1 WO 2023022230A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
hard coating
atomic
less
tool
plane
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/031386
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
智也 佐々木
Original Assignee
株式会社Moldino
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社Moldino filed Critical 株式会社Moldino
Priority to CN202280056623.3A priority Critical patent/CN117836078A/zh
Priority to EP22857086.7A priority patent/EP4389329A1/en
Priority to KR1020247004988A priority patent/KR20240028537A/ko
Priority to JP2023542461A priority patent/JPWO2023022230A1/ja
Publication of WO2023022230A1 publication Critical patent/WO2023022230A1/ja

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
    • B23C5/00—Milling-cutters
    • B23C5/16—Milling-cutters characterised by physical features other than shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641—Nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325—Electric arc evaporation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering

Definitions

  • the present invention relates to coated tools applied to tools such as molds and cutting tools.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2021-134034 filed in Japan on August 19, 2021, the content of which is incorporated herein.
  • AlCr nitride is a type of film with excellent wear resistance and heat resistance, and is widely used as coated molds and coated cutting tools.
  • coated tools coated with an Al-rich AlCr nitride containing more than 70 atomic % of Al by an arc ion plating method have begun to be proposed (Patent Documents 1 to 3).
  • the impact of droplets on tool performance tends to increase.
  • the inventors of the present invention have confirmed that the Al-rich AlCr nitride coated by the arc ion plating method tends to have a large number of droplets and that there is room for improvement in tool durability.
  • Droplets can be reduced by using a sputtering method for forming the hard coating.
  • the wear resistance may be inferior to that of the hard coating formed by using the arc ion plating method.
  • the present invention provides an Al-rich AlCr nitride or carbonitride that achieves durability equal to or greater than that obtained by using an arc ion plating method while reducing droplets by applying a sputtering method. It is an object to provide a coated tool provided.
  • a coated tool of one aspect of the present invention is a coated tool having a base material and a hard coating on the base material,
  • the hard coating contains 65 atomic % or more and 90 atomic % or less of Al and 10 atomic % or more and 35 atomic % or less of Cr with respect to the total amount of metal (including semimetal) elements.
  • a nitride or carbonitride containing argon (Ar) in an amount of 0.50 atomic % or less with respect to the total amount of metal elements (including semi-metals) and non-metal elements, and having a face-centered cubic lattice structure have
  • the hard coating exhibits the maximum intensity Ia in the ⁇ -angle range of 80° to 90°, and the ⁇ -angle is 0° to 70°.
  • a coated tool whose strength in the range of ° is 35% or less of the above Ia.
  • the strength in the ⁇ angle range of 0° to 70° is 30% or less of Ia.
  • the hard coating preferably exhibits the maximum intensity in the (111) plane of the face-centered cubic lattice structure.
  • a highly durable coated tool provided with an Al-rich AlCr nitride or carbonitride sputter coating can be obtained.
  • FIG. 4 is an example of the X-ray intensity distribution of the ⁇ -axis of the positive pole figure for the (111) plane in the AlCr nitride of Example 1.
  • FIG. 4 is an example of the X-ray intensity distribution of the ⁇ -axis of the positive pole figure for the (200) plane in the AlCr nitride of Example 1.
  • FIG. 3 is an example of the X-ray intensity distribution of the ⁇ -axis of the positive pole figure for the (111) plane in the AlCr nitride of Comparative Example 1.
  • FIG. 3 is an example of the X-ray intensity distribution of the ⁇ -axis of the positive pole figure for the (200) plane in the AlCr nitride of Comparative Example 1.
  • FIG. 1 is an example of XRD measurement results of Example 1.
  • FIG. 1 is an example of XRD measurement results of Example 1.
  • the coated tool of the present embodiment is a coated tool having an Al-rich nitride or carbonitride mainly composed of Al and Cr on the surface of the base material.
  • the coated tool of this embodiment can be applied to molds and cutting tools. In particular, it is preferable to apply it to a small-diameter end mill having a tool diameter of 5 mm or less, more preferably 3 mm or less.
  • the base material is not particularly limited. Cold work tool steel, hot work tool steel, high speed steel, cemented carbide, etc. may be appropriately applied depending on the application.
  • the substrate may be subjected to nitriding treatment, bombardment treatment, or the like in advance.
  • the hard coating according to the present embodiment is a nitride or carbonitride, and contains 65 atomic % or more and 90 atomic % or less of Al with respect to the total amount of metal (including semi-metals; the same shall apply hereinafter) elements. and contains 10 atomic % or more and 35 atomic % or less of Cr.
  • Nitrides or carbonitrides mainly composed of Al and Cr are film types that have an excellent balance between wear resistance and heat resistance, and have excellent adhesion to the substrate. The heat resistance of the film is further improved. It is preferable that the hard coating according to the present embodiment is a nitride having excellent heat resistance.
  • an oxidation protective film is easily formed on the tool surface, and the film texture becomes finer, so that wear of the hard film due to adhesion is easily suppressed.
  • the hard coating according to the present embodiment has an Al content ratio of 65 atomic % or more when the total metal elements are 100 atomic %.
  • the content of Al is preferably 70 atomic % or more.
  • it is preferable that the content ratio of Al is 75 atomic % or more.
  • the content ratio of Al is set to 90 atomic % or less when the total metal elements are 100 atomic %.
  • the content of Al is preferably 85 atomic % or less.
  • the content of Al is preferably 78 atomic % or less.
  • the hard coating according to the present embodiment has a Cr content ratio of 10 atomic % or more when the total metal elements are 100 atomic %. As a result, a uniform and dense protective oxide film is easily formed on the surface of the tool during processing, and damage to the tool is easily suppressed. Furthermore, it is preferable to set the content ratio of Cr to 15 atomic % or more. On the other hand, if the content ratio of Cr contained in the hard coating is too large, it is difficult to obtain the above-described effect of increasing the content ratio of Al. Therefore, the hard coating according to the present embodiment has a Cr content ratio of 35 atomic % or less when the total metal elements are 100 atomic %. Furthermore, the content ratio of Cr is preferably 30 atomic % or less. Furthermore, the content ratio of Cr is preferably 25 atomic % or less. Furthermore, the content ratio of Cr is preferably 20 atomic % or more.
  • the total content ratio of Al and Cr is 90 atomic % or more when the total metal elements are 100 atomic %.
  • the hard coating according to this embodiment may be a nitride or carbonitride of Al and Cr.
  • the content ratio of the metal elements in the hard coating according to the present embodiment can be measured using an electron probe microanalyzer (EPMA) for the mirror-finished hard coating. In this case, for example, after the surface of the hard coating has been mirror-finished, it can be determined from the average of 5-point analysis of an analysis range with a diameter of about 1 ⁇ m.
  • EPMA electron probe microanalyzer
  • the hard coating according to this embodiment may contain metal elements other than Al and Cr.
  • the hard coating according to the present embodiment is selected from elements of groups 4a, 5a, and 6a of the periodic table, Si, B, Y, Yb, and Cu for the purpose of improving wear resistance, heat resistance, etc. It can also contain one or more elements. These elements are generally contained in order to improve the coating properties of the coated tool, and can be added within a range that does not significantly reduce the durability of the coated tool. However, if the content ratio of metal elements other than Al and Cr becomes too large, the durability of the coated tool may deteriorate. Therefore, when the hard coating according to the present embodiment contains metal elements other than Al and Cr, the total content ratio is 10 atomic % or less when the total metal elements are 100 atomic %. preferable. Furthermore, it is preferably 5 atomic % or less.
  • the hard coating according to this embodiment contains 0.50 atomic % or less of argon (Ar) with respect to the total amount of metallic elements and non-metallic elements.
  • the hard coating according to this embodiment is a sputtered film and is a sputtered hard coating.
  • the occurrence frequency of droplets, which are defects in the hard coating, can be reduced by applying the sputtering method.
  • argon ions are used to sputter the target components, so the hard coating coated by the sputtering method contains not a little argon. In particular, argon tends to concentrate at grain boundaries, and the argon content tends to increase as the grain size becomes finer.
  • the hard coating according to the present embodiment contains 0.50 atomic % or less of argon with respect to the total amount of metallic elements and non-metallic elements. Furthermore, it is preferable to set the argon content to 0.40 atomic percent or less.
  • the hard coating according to the present embodiment can contain rare gases other than argon by sputtering using a mixed gas containing other rare gases than argon.
  • the lower limit of the argon content ratio is not particularly limited, but argon is added in order to stabilize the sputtering method and ensure the basic coating properties as a hard coating applied to coated tools.
  • argon content ratio 0.05 atomic percent or more.
  • argon 0.10 atomic % or more it is preferable to make argon 0.10 atomic % or more.
  • the content ratio of nitrogen and argon in the hard coating according to the present embodiment is measured using an electron probe microanalyzer (EPMA) for the mirror-finished hard coating in the same manner as the measurement of the content ratio of the metal elements described above. can be done. As in the measurement of the content ratio of the metal element described above, it can be obtained from the average of 5-point analysis of the analysis range with a diameter of about 1 ⁇ m after mirror finishing.
  • the hard coating according to the present embodiment may contain trace amounts of argon, oxygen, and carbon in addition to nitrogen as nonmetallic elements.
  • the hard coating according to the present embodiment has a face-centered cubic lattice structure, and in the X-ray intensity distribution of the ⁇ -axis of the positive pole figure for the (111) plane of the face-centered cubic lattice structure, the ⁇ angle is in the range of 80° to 90°. shows the maximum intensity Ia, and the intensity in the ⁇ angle range of 0° to 70° is 35% or less of the maximum intensity Ia.
  • the strength in the range of the ⁇ angle of 0° to 70° is relatively low with respect to the maximum strength of the ⁇ angle of 80° to 90°, and the ⁇ angle of 80° in the direction substantially perpendicular to the plane direction of the base material.
  • the (111) planes are present at ⁇ 90°. It is thought that the orientation of the (111) planes in a direction substantially perpendicular to the planar direction of the base material makes the entire hard coating more dense and improves the durability. It is preferable to exhibit the maximum intensity Ia in the range of ⁇ angles of 85° to 90°.
  • the intensity of the (111) plane with an ⁇ angle in the range of 0° to 70° is preferably 30% or less, more preferably 25% or less of the maximum intensity Ia.
  • the (111) plane of the face-centered cubic lattice structure preferably exhibits the maximum intensity in the intensity profile of the X-ray diffraction or electron diffraction pattern.
  • the (111) planes of the face-centered cubic lattice structure exhibiting the maximum strength are oriented in substantially the same direction, thereby increasing the wear resistance of the hard coating and improving the durability of the coated tool.
  • the peak intensity of the (111) plane is preferably four times or more the peak intensity of the (200) plane. According to these configurations, the wear resistance of the hard coating is further improved, and the durability of the coated tool is further improved.
  • the upper limit of the peak intensity ratio of the (111) plane and the peak intensity of the (200) plane is preferably 8 or less.
  • the coated tool of the present embodiment may optionally be provided with an intermediate coating between the base material of the tool and the hard coating.
  • a layer of metal, nitride, carbonitride or carbide may be provided between the base material of the tool and the hard coating.
  • a hard coating having a different component ratio or composition from the hard coating according to this embodiment may be separately formed.
  • the hard coating according to this embodiment and a separate hard coating having a different composition ratio or composition from the hard coating according to this embodiment may be mutually laminated.
  • the number of droplets having an equivalent circle diameter of 1 ⁇ m or more is 5 or less per 100 ⁇ m 2 in cross-sectional observation.
  • the term "droplets” used herein means deposits on the hard coating caused by molten particles of about 1 to several tens of ⁇ m ejected from the cathode.
  • “Droplets” in this specification are deposits on the hard coating caused by metal particles of about 1 to several tens of ⁇ m that are suddenly scattered from the target in the sputtering method.
  • Droplets can be a major physical defect in hard coatings applied by physical vapor deposition.
  • coarse droplets having an equivalent circle diameter of 1 ⁇ m or more can become fracture starting points inside the hard coating, reducing the frequency of occurrence can increase the toughness of the hard coating.
  • the number of droplets having an equivalent circle diameter of 1 ⁇ m or more is 5 or less per 100 ⁇ m 2 in observation of the cross section of the hard coating. More preferably, it is 3 or less per 100 ⁇ m 2 . More preferably, it is 1 or less per 100 ⁇ m 2 .
  • the number of droplets having an equivalent circle diameter of 1 ⁇ m or more is 5 or less per 100 ⁇ m 2 . More preferably, the number of droplets on the surface of the hard coating is 3 or less per 100 ⁇ m 2 . More preferably, the number of droplets on the surface of the hard coating is 1 or less per 100 ⁇ m 2 .
  • the hard coating is mirror-finished, then processed by the focused ion beam method, and the mirror-finished surface is examined using a transmission electron microscope at 5,000 to 10,000. Observe multiple fields of view at magnification.
  • the number of droplets on the surface of the hard coating can be obtained by observing the surface of the hard coating using a scanning electron microscope (SEM) or the like.
  • ⁇ Manufacturing method> In the coating of the hard coating according to the present embodiment, three or more AlCr-based alloy targets are used, power is sequentially applied to the targets, and when the target to which power is applied is switched, the target to which the power application ends It is preferable to apply a sputtering method in which power is simultaneously applied to both the target and the target to which power application is started. In such a sputtering method, a high ionization rate of the target is maintained during the coating, and a micro-level dense hard coating can be obtained. Then, the furnace temperature of the sputtering apparatus is 350° C.
  • the bias voltage of the negative pressure applied to the substrate is ⁇ 200 V to ⁇ 70 V
  • the furnace pressure is 0.1 Pa to 0.1 Pa by introducing Ar gas and N 2 gas. 0.4 Pa is preferable.
  • carbonitride When carbonitride is to be coated, a small amount of carbon may be added to the target, or part of the reaction gas may be replaced with methane gas.
  • the maximum power density of the power pulse is preferably 0.1 kW/cm 2 or more. Furthermore, it is preferable to set it to 0.3 kW/cm 2 or more. In addition, in this composition system, if the energy of film-forming ions becomes too high, the hcp structure is likely to be formed. Therefore, the maximum power density of the power pulse is preferably 0.7 kW/cm 2 or less. Furthermore, it is preferable to set it to 0.6 kW/cm 2 or less.
  • the duration of the power pulse applied to each target is preferably 30 milliseconds or less. Moreover, the time during which electric power is simultaneously applied to both the alloy target to which the application of electric power is terminated and the alloy target to which application of electric power is started is preferably 20 microseconds or more and 100 microseconds or less.
  • the base material has a composition of WC (bal.)-Co (8.0% by mass)-VC (0.3% by mass)-Cr 3 C 2 (0.5% by mass) and a hardness of 94.0 HRA (Rockwell hardness A two-flute ball end mill made of cemented carbide was prepared.
  • Example 1 and Comparative Example 3 a sputtering apparatus capable of mounting six sputtering evaporation sources was used.
  • these vapor deposition sources six Al75Cr25 alloy targets (numerical values are atomic ratios, the same shall apply hereinafter) were placed in the apparatus as vapor deposition sources for coating the hard film.
  • Comparative Example 2 used a sputtering apparatus capable of mounting six sputtering evaporation sources.
  • six Al80Cr20 alloy targets were installed in the apparatus as vapor deposition sources for coating the hard film.
  • a tool as a substrate was fixed to a sample holder in a sputtering apparatus, and a bias power supply was connected to the tool.
  • the bias power supply has a structure that applies a negative bias voltage to the tool independently of the target.
  • the tool rotates at two revolutions per minute and revolves through the fixture and sample holder.
  • the distance between the tool and target surface was 100 mm.
  • Ar and N 2 were used as the introduction gas, and were introduced from a gas supply port provided in the sputtering apparatus.
  • ⁇ Bombard treatment> First, before coating the tool with the hard coating, the tool was bombarded by the following procedure. Heating was performed for 30 minutes while the temperature in the furnace reached 400° C. by the heater in the sputtering apparatus. After that, the inside of the furnace of the sputtering apparatus was evacuated, and the pressure inside the furnace was set to 5.0 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa or less. Then, Ar gas was introduced into the furnace of the sputtering apparatus, and the pressure inside the furnace was adjusted to 0.8 Pa. Then, a DC bias voltage of -170 V was applied to the tool, and the tool was cleaned (bombarded) with Ar ions for 20 minutes or longer.
  • Example 1 ⁇ Covering of hard film>
  • the furnace temperature was set to 400° C.
  • Ar gas (0.2 Pa) and N 2 gas (0.1 Pa) were introduced into the furnace of the sputtering apparatus, and the furnace pressure was reduced to 0.3 Pa. made it A DC bias voltage was applied to the substrate, and the power applied to the targets overlapped for 50 microseconds, and the discharge time per cycle of the power applied to each target was 1 millisecond.
  • electric power was continuously applied to the six Al75Cr25 alloy targets, and about 3 A hard coating of .0 ⁇ m was applied.
  • the furnace temperature was set to 400 ° C.
  • Ar gas (0.2 Pa) and N gas (0.1 Pa) were introduced into the furnace of the sputtering apparatus, and the furnace pressure was set to 0.3 Pa. bottom.
  • a DC bias voltage was applied to the substrate, and the power applied to the targets overlapped for 50 microseconds, and the discharge time per cycle of the power applied to each target was 1 millisecond.
  • electric power was continuously applied to the six Al80Cr20 alloy targets, and about 3 A hard coating of .0 ⁇ m was applied.
  • the furnace temperature was set to 400 ° C.
  • Ar gas (0.2 Pa) and N gas (0.1 Pa) were introduced into the furnace of the sputtering apparatus, and the furnace pressure was set to 0.3 Pa. bottom.
  • a DC bias voltage was applied to the substrate, and the power applied to the targets overlapped for 50 microseconds, and the discharge time per cycle of the power applied to each target was 1 millisecond.
  • a negative bias voltage of ⁇ 120 V and a maximum power of 0.8 kW/cm 2 applied to the substrate power was continuously applied to the six Al75Cr25 alloy targets, and about 3 A hard coating of .0 ⁇ m was applied.
  • Comparative Example 1 used an arc ion plating apparatus.
  • An Al60Cr40 alloy target was placed in the apparatus as a vapor deposition source.
  • the tool was cleaned (bombarded) with Ar ions.
  • the furnace pressure of the arc ion plating apparatus is evacuated to 5.0 ⁇ 10 -3 Pa or less, the furnace temperature is 500 ° C., and N gas is introduced so that the furnace pressure is 3.2 Pa. bottom.
  • a DC bias voltage of -100 V was applied to the tool, and a current of 150 A was supplied to the Al60Cr40 alloy target to form a hard coating of about 3.0 ⁇ m on the surface of the tool.
  • Comparative Example 1 is a composition generally used in the market.
  • the film composition of the hard film was measured by a wavelength dispersive electron probe microanalyzer (WDS-EPMA) attached to an electron probe microanalyzer (manufactured by JEOL Ltd. JXA-8500F).
  • WDS-EPMA wavelength dispersive electron probe microanalyzer
  • JXA-8500F electron probe microanalyzer
  • a ball end mill for physical property evaluation is mirror-finished, and the acceleration voltage is 10 kV, the irradiation current is 5 ⁇ 10 -8 A, and the acquisition time is 10 seconds. and the content ratio of Ar in the sum of the metal component and the non-metal component.
  • the film hardness and elastic modulus of the hard film were analyzed using a nanoindentation tester (ENT-2100 manufactured by Elionix Co., Ltd.). The analysis was performed by mirror-polishing the cross-section of the film with the test piece tilted 5 degrees with respect to the outermost surface of the film, and then selecting a region where the maximum indentation depth was less than approximately 1/10 of the film thickness in the polished surface of the film. Measurement was performed at 15 points under the condition of an indentation load of 9.807 mN, and the average value of the 5 points excluding the 5 points on the large value side and the 5 points on the small value side was obtained. Table 1 shows the coating composition and physical property evaluation results.
  • Example 1 and Comparative Example 1 had a face-centered cubic lattice structure (fcc structure), while Comparative Examples 2 and 3 had a close-packed hexagonal lattice structure (hcp structure).
  • Example 1 For Example 1 and Comparative Example 1, which had the fcc structure, the X-ray intensity distribution was evaluated by a positive pole figure.
  • the measurement conditions of the X-ray intensity distribution by positive pole figure were as follows. When the normal to the sample surface is on the plane determined by the incident beam and diffraction beam, the ⁇ angle is 90°. When the ⁇ angle is 90°, it becomes the central point on the positive pole diagram.
  • Sedge ball CuK ⁇ ray output: 45 kV, 200 mA Beam: Parallel method
  • Optics In-plane Detector: D/teX Ultra250
  • Solar slit opening angle 0.5deg Incident slit width: 1.0 mm
  • Light receiving slit width 1.0 mm
  • Scanning method Concentric circle ⁇ Scanning range: 0° to 360°/3.0° step 2 ⁇ Fixed angle: The diffraction intensity of the (111) plane is highest between 36.0° and 39.0° angle.
  • the diffraction angle of the (200) plane is the angle at which the diffraction intensity is the highest between 42.0° and 45.0°.
  • the crystal plane was specified from CrN.
  • ⁇ scanning range 0 to 90°/3.0° steps
  • FIG. 1 shows an example of the X-ray intensity distribution of the ⁇ -axis of the pole figure for the (111) plane of the first embodiment.
  • FIG. 2 shows an example of the X-ray intensity distribution of the ⁇ -axis of the pole figure for the (200) plane of Example 1.
  • FIG. 3 shows an example of the X-ray intensity distribution of the ⁇ -axis of the pole figure for the (111) plane of Comparative Example 1.
  • FIG. 4 shows an example of the X-ray intensity distribution of the ⁇ -axis of the pole figure for the (200) plane of Comparative Example 1.
  • the (111) plane of Example 1 has the maximum peak intensity at the ⁇ angle of 90°, the peak intensity is low in the range of the ⁇ angle of 0° to 70°, and the narrow range of the ⁇ angle of 80° to 90°. It can be seen that it is strongly oriented to Table 2 shows the peak intensity values read from the figure.
  • the (111) plane of Example 1 has an intensity in the range of ⁇ angles of 0° to 70° that is 22% of the maximum intensity Ia, and the (111) plane is strongly oriented at an ⁇ angle of 80° to 90°. was confirmed. That is, the (111) plane of Example 1 had a strength of 35% or less and 30% or less of the maximum strength Ia in the ⁇ angle range of 0° to 70°.
  • FIG. 5 shows an example of XRD measurement results for AlCrN of Example 1. It was confirmed that the peak intensity of (111) of the face-centered cubic lattice structure of AlCrN of Example 1 exhibited the maximum intensity. In the case of AlCrN of Example 1, no peak intensity of hcp-structured AlN was confirmed by XRD.
  • three peaks indicated by crystal planes (111), (200), and (220) are diffraction peaks due to AlCrN having a face-centered cubic structure. The other four peaks whose crystal planes are not shown are all diffraction peaks due to WC of the base material.
  • the hard coating has a face-centered cubic lattice structure in which the (111) plane is strongly oriented at an ⁇ angle of 80° to 90°. It was confirmed that the film hardness and the elastic modulus were higher than those of Comparative Example 1 despite the Al-rich composition. Furthermore, according to the coated tool of Example 1, droplets are reduced by applying the sputtering method.
  • Dry processing Tool 2-flute carbide ball end mill Model number: EPDBE2010-6, ball radius 0.5 mm
  • Cutting method Bottom cutting Work material: STAVAX (52HRC) (Bohler-Uddeholm Co., Ltd.) Notch: axial direction, 0.03 mm, radial direction, 0.03 mm
  • Cutting speed 67.8m/min
  • Feed per blade 0.0135mm/blade
  • Cutting distance 15m Evaluation method: After cutting, observe with a scanning electron microscope at a magnification of 1000 times, measure the width of the tool and the work material rubbed on the tool flank, and the part with the largest scratch width is the flank. Maximum wear width.
  • Example 1 has a smaller maximum flank wear width and is more durable than AlCrN used in the conventional arc ion plating method.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本発明の被覆工具は、基材と、基材の上に硬質皮膜を有する被覆工具である。硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ａｌを６５原子％以上９０原子％以下で含有しており、Ｃｒを１０原子％以上３５原子％以下で含有しており、アルゴン（Ａｒ）を０．５０原子％以下で含有している窒化物または炭窒化物であって面心立方格子構造を有する。硬質皮膜は面心立方格子構造の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角８０°～９０°の範囲に最大強度Ｉａを示し、α角０°～７０°の範囲の強度は最大強度Ｉａの３５％以下である。

Description

被覆工具
　本発明は、金型や切削工具等の工具に適用する被覆工具に関する。
　本願は、２０２１年０８月１９日に、日本に出願された特願２０２１－１３４０３４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　ＡｌＣｒ窒化物は耐摩耗性と耐熱性に優れる膜種であり被覆金型や被覆切削工具として広く適用されている。近年、アークイオンプレーティング法でＡｌの含有比率が７０原子％を超えるＡｌリッチなＡｌＣｒ窒化物を被覆した被覆工具が提案され始めている（特許文献１～３）。
特開２０１６－０３２８６１号公報 特開２０１８－０５９１４６号公報 特開２０２０－０４０１７５号公報
　工具径が２ｍｍ以下のような小径工具においては工具性能に与えるドロップレットの影響が大きくなり易い。本発明者は、アークイオンプレーティング法で被覆したＡｌリッチなＡｌＣｒ窒化物はドロップレットが多くなり易く、工具の耐久性に改善の余地があることを確認した。
　ドロップレットは、硬質皮膜の成膜にスパッタリング法を用いることで低減できる。しかし、単にスパッタリング法を用いて硬質皮膜を成膜した場合、アークイオンプレーティング法を用いて形成された硬質皮膜よりも耐摩耗性に劣る場合があった。
　本発明は上記の事情に鑑み、スパッタリング法の適用によりドロップレットを低減しつつ、アークイオンプレーティング法を用いた場合と同等以上の耐久性を実現したＡｌリッチなＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物を設けた被覆工具を提供することを目的とする。
　本発明の一態様の被覆工具は、基材と、前記基材の上に硬質皮膜を有する被覆工具であって、
　前記硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ａｌを６５原子％以上９０原子％以下で含有しており、Ｃｒを１０原子％以上３５原子％以下で含有しており、金属元素（半金属を含む）と非金属元素の総量に対して、アルゴン（Ａｒ）を０．５０原子％以下で含有している窒化物または炭窒化物であって面心立方格子構造を有し、
　前記硬質皮膜は面心立方格子構造の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角８０°～９０°の範囲に最大強度Ｉａを示し、α角０°～７０°の範囲の強度は前記Ｉａの３５％以下である被覆工具である。
　前記α角０°～７０°の範囲の強度は、前記Ｉａの３０％以下であることが好ましい。
　前記硬質皮膜は、Ｘ線回折または透過電子顕微鏡の制限視野回折パターンの強度プロファイルにおいて、面心立方格子構造の（１１１）面が最大強度を示すことが好ましい。
　本発明によれば、ＡｌリッチのＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物のスパッタ皮膜を設けた耐久性に優れる被覆工具を得ることができる。
本実施例１のＡｌＣｒ窒化物における（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布の一例である。 本実施例１のＡｌＣｒ窒化物における（２００）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布の一例である。 比較例１のＡｌＣｒ窒化物における（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布の一例である。 比較例１のＡｌＣｒ窒化物における（２００）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布の一例である。 本実施例１のＸＲＤ測定結果の一例である。
　本発明者は、スパッタリング法のＡｌリッチなＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物について、面心立方格子構造の結晶の配向を制御することで、耐久性が向上する傾向にあることを知見した。以下、本発明の実施形態の詳細について説明をする。
　本実施形態の被覆工具は、基材の表面にＡｌリッチのＡｌとＣｒを主体とする窒化物または炭窒化物を有する被覆工具である。本実施形態の被覆工具は、金型や切削工具に適用することができる。特に、工具径が５ｍｍ以下、更には３ｍｍ以下の小径エンドミルに適用することが好ましい。
　本実施例において、基材は特段限定されるものではない。冷間工具鋼、熱間工具鋼、高速度鋼、超硬合金等を用途に応じて適宜適用すればよい。基材は予め窒化処理やボンバード処理等をしても良い。
　本実施形態に係る硬質皮膜は、窒化物または炭窒化物であり、金属（半金属を含む。以下同様。）元素の総量に対して、Ａｌを６５原子％以上９０原子％以下で含有しており、Ｃｒを１０原子％以上３５原子％以下で含有している。ＡｌとＣｒを主体とする窒化物または炭窒化物は耐摩耗性と耐熱性のバランスに優れる膜種であり、基材との密着性にも優れ、特にＡｌの含有比率を大きくすることで硬質皮膜の耐熱性がより向上する。本実施形態に係る硬質皮膜は、耐熱性により優れる窒化物であることが好ましい。また、Ａｌの含有比率を大きくすることで、工具表面に酸化保護皮膜が形成され易くなるとともに、皮膜組織が微細になるため、溶着による硬質皮膜の摩耗が抑制され易くなる。
　上述したＡｌの添加効果を十分に発揮するには、本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素全体を１００原子％とした場合、Ａｌの含有比率を６５原子％以上とする。更にはＡｌの含有比率は７０原子％以上であることが好ましい。更にはＡｌの含有比率は７５原子％以上であることが好ましい。一方、Ａｌの含有比率が大きくなり過ぎると硬質皮膜の結晶構造が変化して脆弱となる。そのため、本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素全体を１００原子％とした場合、Ａｌの含有比率を９０原子％以下とする。更にはＡｌの含有比率は８５原子％以下であることが好ましい。更にはＡｌの含有比率は７８原子％以下であることが好ましい。
　本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素全体を１００原子％とした場合、Ｃｒの含有比率を１０原子％以上とする。これにより、加工中の工具表面に均一で緻密な酸化保護皮膜が形成され易くなり、工具損傷が抑制され易くなる。更にはＣｒの含有比率を１５原子％以上とすることが好ましい。一方、硬質皮膜に含有されるＣｒの含有比率が大きくなり過ぎると、上述したＡｌの含有比率を大きくする効果が得られ難い。そのため、本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素全体を１００原子％とした場合、Ｃｒの含有比率を３５原子％以下とする。更にはＣｒの含有比率は３０原子％以下であることが好ましい。更にはＣｒの含有比率は２５原子％以下であることが好ましい。更にはＣｒの含有比率は２０原子％以上であることが好ましい。
　本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素全体を１００原子％とした場合、ＡｌとＣｒの含有比率の合計を９０原子％以上とすることが好ましい。また、本実施形態に係る硬質皮膜は、ＡｌとＣｒの窒化物または炭窒化物であってもよい。
　本実施形態に係る硬質皮膜の金属元素の含有比率は、鏡面加工した硬質皮膜について、電子プローブマイクロアナライザー装置（ＥＰＭＡ）を用いて測定することができる。この場合、例えば、硬質皮膜表面の鏡面加工後、直径が約１μｍの分析範囲を５点分析した平均から求めることができる。
　本実施形態に係る硬質皮膜には、ＡｌとＣｒ以外の金属元素を含有しても良い。例えば、本実施形態に係る硬質皮膜は、耐摩耗性や耐熱性等の向上を目的として、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の元素およびＳｉ、Ｂ、Ｙ、Ｙｂ、Ｃｕから選択される１種または２種以上の元素を含有することもできる。これらの元素は被覆工具の皮膜特性を向上させるために一般的に含有されるものであり、被覆工具の耐久性を著しく低下させない範囲で添加可能である。但し、ＡｌとＣｒ以外の金属元素の含有比率が大きくなり過ぎると、被覆工具の耐久性が低下する場合がある。そのため、本実施形態に係る硬質皮膜が、ＡｌとＣｒ以外の金属元素を含有する場合、その合計の含有比率は、金属元素全体を１００原子％とした場合に、１０原子％以下であることが好ましい。更には、５原子％以下であることが好ましい。
　本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素と非金属元素の総量に対して、アルゴン（Ａｒ）を０．５０原子％以下で含有する。本実施形態に係る硬質皮膜は、スパッタ膜であり、スパッタ硬質皮膜である。硬質皮膜の欠陥となるドロップレットは、スパッタリング法を適用することで発生頻度を低減させることができる。一方、スパッタリング法ではアルゴンイオンを用いてターゲット成分をスパッタリングするため、スパッタリング法で被覆した硬質皮膜はアルゴンを少なからず含有する。とりわけ、アルゴンは結晶粒界に濃化し易く、結晶粒径が微粒になるとアルゴンの含有比率が大きくなる傾向になる。但し、アルゴンの含有比率が大きくなると、結晶粒界において粒子同士の結合力が低下する。本実施形態に係る硬質皮膜のように、Ａｌの含有比率が大きい硬質皮膜においては、過多に含まれるアルゴンは欠陥となりうるため、その含有比率を一定以下にすることが有効である。具体的には、本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素と非金属元素の総量に対して、アルゴンを０．５０原子％以下で含有する。更には、アルゴンを０．４０原子％以下とすることが好ましい。
　なお、本実施形態に係る硬質皮膜は、アルゴン以外に他の希ガスを含有した混合ガスを用いてスパッタリングすれば、アルゴン以外の希ガスも含有しうる。
　スパッタリング法において、硬質皮膜に含まれるアルゴンの含有比率を限りなく０原子％に近づけようとすると、アルゴンの流量が小さくなり過ぎてスパッタリングが安定しない。また、仮にアルゴンの含有比率が０原子％に近づくとしても、靭性、耐熱性、耐摩耗性といった切削工具に適用する硬質皮膜としての基本的な特性が損なわれうる。本実施形態に係る硬質皮膜は、アルゴンの含有比率の下限は特段限定されないが、スパッタリング法を安定させて、被覆工具に適用する硬質皮膜としての基本的な皮膜特性を確保するために、アルゴンを、金属元素と非金属元素の総量に対して、０．０２原子％以上で含有させることが好ましい。更には、アルゴン含有比率を０．０５原子％以上とすることが好ましい。更には、アルゴンを０．１０原子％以上とすることが好ましい。
　本実施形態に係る硬質皮膜の窒素およびアルゴンの含有比率は、上述した金属元素の含有比率の測定と同様に、鏡面加工した硬質皮膜について、電子プローブマイクロアナライザー装置（ＥＰＭＡ）を用いて測定することができる。上述した金属元素の含有比率の測定と同様に、鏡面加工後、直径が約１μｍの分析範囲を５点分析した平均から求めることができる。
　本実施形態に係る硬質皮膜は、非金属元素としては窒素以外に微量のアルゴン、酸素、炭素が含まれうる。
　＜結晶構造＞
　本実施形態に係る硬質皮膜は面心立方格子構造を有しおり、面心立方格子構造の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角８０°～９０°の範囲に最大強度Ｉａを示し、α角０°～７０°の範囲の強度は最大強度Ｉａの３５％以下である。これにより、α角８０°～９０°の最大強度に対してα角０°～７０°の範囲の強度が相対的に低くなり、基材平面方向に対してほぼ垂直な方向のα角８０°～９０°に（１１１）面の多くが存在していることになる。（１１１）面が基材平面方向に対してほぼ垂直な方向に配向することで硬質皮膜の全体がより緻密となって耐久性が向上すると考えられる。α角８５°～９０°の範囲に最大強度Ｉａを示すことが好ましい。（１１１）面のα角０°～７０°の範囲の強度は最大強度Ｉａの３０％以下、更には２５％以下であることが好ましい。
　本実施形態に係る硬質皮膜は、Ｘ線回折または電子線回折パターンの強度プロファイルにおいて、面心立方格子構造の（１１１）面が最大強度を示すことが好ましい。最大強度を示す面心立方格子構造の（１１１）面がほぼ同じ方向に配向することで、硬質皮膜の耐摩耗性が高まり、被覆工具の耐久性が向上すると考えられる。
　Ｘ線回折において（１１１）面のピーク強度は（２００）面のピーク強度の４倍以上であることが好ましい。これらの構成によれば、硬質皮膜の耐摩耗性がさらに向上し、被覆工具の耐久性がより向上する。（１１１）面のピーク強度と（２００）面のピーク強度比の上限は８以下が好ましい。
　＜中間皮膜、上層＞
　本実施形態の被覆工具は、硬質皮膜の密着性をより向上させるため、必要に応じて、工具の基材と硬質皮膜との間に別途中間皮膜を設けてもよい。例えば、金属、窒化物、炭窒化物、炭化物のいずれかからなる層を工具の基材と硬質皮膜との間に設けてもよい。
　また、本実施形態に係る硬質皮膜の上に、本実施形態に係る硬質皮膜と異なる成分比や異なる組成を有する硬質皮膜を別途形成させてもよい。さらには、本実施形態に係る硬質皮膜と、別途本実施形態に係る硬質皮膜と異なる組成比や異なる組成を有する硬質皮膜とを相互積層させてもよい。
　＜ドロップレット＞
　本実施形態に係る硬質皮膜は、断面観察において円相当径が１μｍ以上のドロップレットが１００μｍ２当たり５個以下であることが好ましい。本明細書における「ドロップレット」は、アークイオンプレーティング法では、カソードから飛び出す１～数十μｍ程度の溶融粒子に起因する硬質皮膜上の付着物である。本明細書における「ドロップレット」は、スパッタリング法では、ターゲットから突発的に飛散する１～数十μｍ程度の金属粒子に起因する硬質皮膜上の付着物である。
　物理蒸着法で被覆する硬質皮膜では、ドロップレットが主な物理的な欠陥となりうる。とりわけ、円相当径が１μｍ以上の粗大なドロップレットは硬質皮膜の内部で破壊の起点となりうるため、その発生頻度を低減することで、硬質皮膜の靭性を高めることができる。本実施形態においては、硬質皮膜の断面観察において、円相当径が１μｍ以上のドロップレットを１００μｍ２当たり５個以下にすることが好ましい。より好ましくは、１００μｍ２当たり３個以下である。更に好ましくは、１００μｍ２当たり１個以下である。更には、円相当径が５μｍ以上のドロップレットを含有しないことが好ましい。
　また、硬質皮膜の表面についても、円相当径が１μｍ以上のドロップレットが、１００μｍ２当たり５個以下であることが好ましい。より好ましくは、硬質皮膜の表面のドロップレットは１００μｍ２当たり３個以下である。更に好ましくは、硬質皮膜の表面のドロップレットは１００μｍ２当たり１個以下である。
　硬質皮膜の断面観察においてドロップレットを評価するには、硬質皮膜を鏡面加工した後、収束イオンビーム法で加工し、透過型電子顕微鏡を用いて鏡面加工された面を５，０００～１０，０００倍で複数の視野を観察する。また、硬質皮膜の表面のドロップレットの個数は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等を用いて硬質皮膜の表面を観察することで求めることができる。
　＜製造方法＞
　本実施形態に係る硬質皮膜の被覆では、３個以上のＡｌＣｒ系合金ターゲットを用いて、ターゲットに順次電力を印加して、電力が印加されるターゲットが切り替わる際に、電力の印加が終了するターゲットと電力の印加を開始するターゲットの両方のターゲットに同時に電力が印加されている時間を設けるスパッタリング法を適用することが好ましい。このようなスパッタリング法はターゲットのイオン化率が高い状態が被覆中に維持されて、ミクロレベルで緻密な硬質皮膜が得られるとともに、不可避的に含有されるアルゴンや酸素が少ない傾向にある。そして、スパッタリング装置の炉内温度を３５０℃～５００℃、基材に印加する負圧のバイアス電圧を－２００Ｖ～－７０Ｖ、ＡｒガスおよびＮ２ガスを導入して炉内圧力を０．１Ｐａ～０．４Ｐａとすることが好ましい。なお、炭窒化物を被覆する場合には、ターゲットに微量の炭素を添加するか、反応ガスの一部をメタンガスに置換すればよい。
　電力パルスの最大電力密度は、０．１ｋＷ／ｃｍ２以上とすることが好ましい。更には０．３ｋＷ／ｃｍ２以上とすることが好ましい。また、本組成系においては成膜イオンのエネルギーが高くなり過ぎるとｈｃｐ構造を形成し易くなる。そのため、電力パルスの最大電力密度は、０．７ｋＷ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。更には０．６ｋＷ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。個々のターゲットに印加する電力パルスの時間は、３０ミリ秒以下とすることが好ましい。また、電力の印加が終了する合金ターゲットと電力の印加を開始する合金ターゲットの両方の合金ターゲットに同時に電力が印加されている時間は２０マイクロ秒以上１００マイクロ秒以下とすることが好ましい。
　＜基材＞
　基材として、組成がＷＣ（ｂａｌ．）－Ｃｏ（８．０質量％）－ＶＣ（０．３質量％）－Ｃｒ３Ｃ２（０．５質量％）、硬度９４．０ＨＲＡ（ロックウェル硬さ、ＪＩＳ　Ｇ　０２０２に準じて測定した値）からなる超硬合金製の２枚刃ボールエンドミルを準備した。
　本実施例１と比較例３は、スパッタ蒸発源を６機搭載できるスパッタリング装置を使用した。これらの蒸着源のうち、硬質皮膜を被覆するためにＡｌ７５Ｃｒ２５合金ターゲット（数値は原子比、以下同様。）６個を蒸着源として装置内に設置した。
　比較例２は、スパッタ蒸発源を６機搭載できるスパッタリング装置を使用した。これらの蒸着源のうち、硬質皮膜を被覆するためにＡｌ８０Ｃｒ２０合金ターゲット６個を蒸着源として装置内に設置した。
　基材である工具をスパッタリング装置内のサンプルホルダーに固定し、工具にバイアス電源を接続した。なお、バイアス電源は、ターゲットとは独立して工具に負のバイアス電圧を印加する構造となっている。工具は、毎分２回転で自転しかつ、固定治具とサンプルホルダーを介して公転する。工具とターゲット表面との間の距離は１００ｍｍとした。
　導入ガスは、Ａｒ、およびＮ２を用い、スパッタリング装置に設けられたガス供給ポートから導入した。
　＜ボンバード処理＞
　まず工具に硬質皮膜を被覆する前に、以下の手順で工具にボンバード処理を行った。スパッタリング装置内のヒーターにより炉内温度が４００℃になった状態で３０分間の加熱を行った。その後、スパッタリング装置の炉内を真空排気し、炉内圧力を５．０×１０－３Ｐａ以下とした。そして、Ａｒガスをスパッタリング装置の炉内に導入し、炉内圧力を０．８Ｐａに調整した。そして、工具に－１７０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、Ａｒイオンによる工具のクリーニング（ボンバード処理）を２０分以上実施した。
　＜硬質皮膜の被覆＞
　本実施例１の被覆では、炉内温度を４００℃にして、スパッタリング装置の炉内にＡｒガス（０．２Ｐａ）およびＮ２ガス（０．１Ｐａ）を導入して炉内圧力を０．３Ｐａにした。基材に直流バイアス電圧を印加して、ターゲットに印加する電力がオーバーラップする時間は５０マイクロ秒とし、各ターゲットに印加される電力の１周期当りの放電時間を１ミリ秒とした。そして、基材に印加する負圧のバイアス電圧を－１２０Ｖ、最大電力を０．４ｋＷ／ｃｍ２として、６個のＡｌ７５Ｃｒ２５合金ターゲットに連続的に電力を印加して、基材の表面に約３．０μｍの硬質皮膜を被覆した。
　比較例２の被覆では、炉内温度を４００℃にして、スパッタリング装置の炉内にＡｒガス（０．２Ｐａ）およびＮ２ガス（０．１Ｐａ）を導入して炉内圧力を０．３Ｐａにした。基材に直流バイアス電圧を印加して、ターゲットに印加する電力がオーバーラップする時間は５０マイクロ秒とし、各ターゲットに印加される電力の１周期当りの放電時間を１ミリ秒とした。そして、基材に印加する負圧のバイアス電圧を－１２０Ｖ、最大電力を０．８ｋＷ／ｃｍ２として、６個のＡｌ８０Ｃｒ２０合金ターゲットに連続的に電力を印加して、基材の表面に約３．０μｍの硬質皮膜を被覆した。
　比較例３の被覆では、炉内温度を４００℃にして、スパッタリング装置の炉内にＡｒガス（０．２Ｐａ）およびＮ２ガス（０．１Ｐａ）を導入して炉内圧力を０．３Ｐａにした。基材に直流バイアス電圧を印加して、ターゲットに印加する電力がオーバーラップする時間は５０マイクロ秒とし、各ターゲットに印加される電力の１周期当りの放電時間を１ミリ秒とした。そして、基材に印加する負圧のバイアス電圧を－１２０Ｖ、最大電力を０．８ｋＷ／ｃｍ２として、６個のＡｌ７５Ｃｒ２５合金ターゲットに連続的に電力を印加して、基材の表面に約３．０μｍの硬質皮膜を被覆した。
　比較例１はアークイオンプレーティング装置を使用した。Ａｌ６０Ｃｒ４０合金ターゲットを蒸着源として装置内に設置した。まず、Ａｒイオンによる工具のクリーニング（ボンバード処理）を実施した。次いで、アークイオンプレーティング装置の炉内圧力を５．０×１０－３Ｐａ以下に真空排気して、炉内温度を５００℃とし、炉内圧力が３．２ＰａになるようにＮ２ガスを導入した。次いで、工具に－１００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、Ａｌ６０Ｃｒ４０合金ターゲットに１５０Ａの電流を供給して、工具の表面に約３．０μｍの硬質皮膜を被覆した。比較例１は市場で一般的に使用されている組成である。
　硬質皮膜の皮膜組成は、電子プローブマイクロアナライザー装置（株式会社日本電子製　ＪＸＡ－８５００Ｆ）に付属する波長分散型電子プローブ微小分析（ＷＤＳ－ＥＰＭＡ）で測定した。物性評価用のボールエンドミルを鏡面加工して、加速電圧１０ｋＶ、照射電流５×１０－８Ａ、取り込み時間１０秒とし、分析領域が直径１μｍの範囲を５点測定してその平均値から硬質皮膜の金属含有比率および金属成分と非金属成分の合計におけるＡｒの含有比率を求めた。
　Ｘ線回折装置（株式会社ＰａＮａｌｙｔｉｃａｌ製　ＥＭＰＹＲＥＡ）を用い、管電圧４５ｋＶ、管電流４０ｍＡ、Ｘ線源Ｃｕｋα（λ＝０．１５４０５ｎｍ）、２θが２０～８０度の測定条件で結晶構造の確認を行った。
　硬質皮膜の皮膜硬さおよび弾性係数は、ナノインデンテーションテスター（株式会社エリオニクス社製ＥＮＴ－２１００）を用いて分析した。分析は、皮膜の最表面に対し試験片を５度傾けた皮膜断面を鏡面研磨後、皮膜の研磨面内で最大押し込み深さが膜厚の略１／１０未満となる領域を選定した。押し込み荷重９．８０７ｍＮの測定条件で１５点測定し、値の大きい側の５点と値の小さい側の５点を除いた５点の平均値から求めた。
　皮膜組成および物性評価の結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　Ｘ線回折の結果、本実施例１と比較例１は面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）であったが、比較例２と比較例３は稠密六方格子構造（ｈｃｐ構造）となった。
　ｆｃｃ構造であった本実施例１と比較例１について正極点図によるＸ線強度分布を評価した。正極点図によるＸ線強度分布の測定条件は以下の通りとした。なお、試料面法線が入射線と回折線で決まる平面上にあるとき、α角を９０°とする。α角が９０°のとき、正極点図上では中心の点となる。
菅球：ＣｕＫα線
出力：４５ｋＶ、２００ｍＡ
ビーム：平行法
光学系：インプレーン
検出器：Ｄ／ｔｅＸ　Ｕｌｔｒａ２５０
ソーラースリット開き角度：０．５ｄｅｇ
入射スリット幅：１．０ｍｍ
受光スリット幅：１．０ｍｍ
走査方法：同心円
β走査範囲：０°～３６０°／３．０°ステップ
２θ固定角度：（１１１）面の回折角度は３６．０°～３９．０°までの間で回折強度が最も高くなる角度とする。（２００）面の回折角度は４２．０°～４５．０°までの間で回折強度が最も高くなる角度とする。なお、結晶面はＣｒＮから特定した。
α走査範囲：０～９０°／３．０°ステップ
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図１に本実施例１の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布の一例を示す。図２に本実施例１の（２００）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布の一例を示す。
　図３に比較例１の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布の一例を示す。図４に比較例１の（２００）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布の一例を示す。
　図１から本実施例１の（１１１）面はα角９０°に最大ピーク強度を有し、α角０°～７０°の範囲はピーク強度が低く、α角８０°～９０°の狭い範囲に強く配向していることが分かる。表２に図から読み取ったピーク強度値を示す。本実施例１の（１１１）面は、α角９０°で最大強度Ｉａ(＝１２７６)を示し、α角０°～７０°の範囲の最大強度は２８７であった。本実施例１の（１１１）面は、α角０°～７０°の範囲の強度は最大強度Ｉａの２２％であり、（１１１）面がα角８０°～９０°に強く配向していることが確認された。すなわち、本実施例１の（１１１）面は、α角０°～７０°の範囲の強度が、最大強度Ｉａの３５％以下、かつ３０％以下であった。
　図５に本実施例１のＡｌＣｒＮにおけるＸＲＤの測定結果の一例を示す。本実施例１のＡｌＣｒＮは面心立方格子構造の（１１１）のピーク強度が最大強度を示すことが確認された。また、本実施例１のＡｌＣｒＮはＸＲＤではｈｃｐ構造のＡｌＮのピーク強度は確認されなかった。なお、図５において、結晶面（１１１）、（２００）、（２２０）が表示された３本のピークが、面心立方構造のＡｌＣｒＮに起因する回折ピークである。結晶面が表示されていない他の４本のピークは、いずれも基材のＷＣに起因する回折ピークである。
　表１に示したように、本実施例１の被覆工具は、硬質皮膜を面心立方格子構造で（１１１）面がα角８０°～９０°に強く配向している構成としたことで、Ａｌリッチの組成でありながら比較例１よりも皮膜硬度および弾性係数が高くなっていることが確認された。さらに、本実施例１の被覆工具によれば、スパッタリング法の適用によりドロップレットが低減されているため、比較例１の被覆工具と比較して、ドロップレット起因の皮膜破壊を抑制できる。
　　（条件）乾式加工
　工具：２枚刃超硬ボールエンドミル
　型番：ＥＰＤＢＥ２０１０－６、ボール半径０．５ｍｍ
　切削方法：底面切削
　被削材：ＳＴＡＶＡＸ（５２ＨＲＣ）（ボーラー・ウッデホルム株式会社製）
　切り込み：軸方向、０．０３ｍｍ、径方向、０．０３ｍｍ
　切削速度：６７．８ｍ／ｍｉｎ
　一刃送り量：０．０１３５ｍｍ／刃
　切削距離：１５ｍ
　評価方法：切削加工後、走査型電子顕微鏡を用いて倍率１０００倍で観察し、工具逃げ面において工具と被削材が擦過した幅を測定し、そのうちの擦過幅が最も大きかった部分を逃げ面最大摩耗幅とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　本実施例１は逃げ面最大摩耗幅が小さく、従来のアークイオンプレーティング法で用いれているＡｌＣｒＮよりも耐久性に優れることが確認された。

Claims (3)

  1. 　基材と、前記基材の上に硬質皮膜を有する被覆工具であって、
    　前記硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ａｌを６５原子％以上９０原子％以下で含有しており、Ｃｒを１０原子％以上３５原子％以下で含有しており、金属元素（半金属を含む）と非金属元素の総量に対して、アルゴン（Ａｒ）を０．５０原子％以下で含有している窒化物または炭窒化物であって面心立方格子構造を有し、
    　前記硬質皮膜は面心立方格子構造の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角８０°～９０°の範囲に最大強度Ｉａを示し、α角０°～７０°の範囲の強度は前記最大強度Ｉａの３５％以下であることを特徴とする被覆工具。
  2. 　前記α角０°～７０°の範囲の強度は、前記最大強度Ｉａの３０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の被覆工具。
  3. 　前記硬質皮膜は、Ｘ線回折または透過電子顕微鏡の制限視野回折パターンの強度プロファイルにおいて、面心立方格子構造の（１１１）面が最大強度を示すことを特徴とする請求項１または２に記載の被覆工具。
PCT/JP2022/031386 2021-08-19 2022-08-19 被覆工具 WO2023022230A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202280056623.3A CN117836078A (zh) 2021-08-19 2022-08-19 包覆工具
EP22857086.7A EP4389329A1 (en) 2021-08-19 2022-08-19 Coated tool
KR1020247004988A KR20240028537A (ko) 2021-08-19 2022-08-19 피복 공구
JP2023542461A JPWO2023022230A1 (ja) 2021-08-19 2022-08-19

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021134034 2021-08-19
JP2021-134034 2021-08-19

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023022230A1 true WO2023022230A1 (ja) 2023-02-23

Family

ID=85239869

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2022/031386 WO2023022230A1 (ja) 2021-08-19 2022-08-19 被覆工具

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP4389329A1 (ja)
JP (1) JPWO2023022230A1 (ja)
KR (1) KR20240028537A (ja)
CN (1) CN117836078A (ja)
WO (1) WO2023022230A1 (ja)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009061514A (ja) * 2007-09-04 2009-03-26 Mitsubishi Materials Corp 硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具
JP2009203485A (ja) * 2008-02-26 2009-09-10 Tungaloy Corp 被覆部材
JP2010094764A (ja) * 2008-10-15 2010-04-30 Mitsubishi Materials Corp 硬質被覆層がすぐれた耐欠損性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具
JP2010094761A (ja) * 2008-10-15 2010-04-30 Mitsubishi Materials Corp 硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具
JP2016032861A (ja) 2014-07-29 2016-03-10 日立金属株式会社 被覆工具
JP2016107397A (ja) * 2014-11-28 2016-06-20 三菱マテリアル株式会社 表面被覆切削工具
JP2018059146A (ja) 2016-10-04 2018-04-12 株式会社神戸製鋼所 硬質皮膜、硬質皮膜被覆部材及び硬質皮膜の製造方法
JP2020040175A (ja) 2018-09-11 2020-03-19 株式会社タンガロイ 被覆切削工具
JP2021134034A (ja) 2020-02-26 2021-09-13 株式会社三井Ｅ＆Ｓマシナリー 誘導加熱装置およびその制御方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009061514A (ja) * 2007-09-04 2009-03-26 Mitsubishi Materials Corp 硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具
JP2009203485A (ja) * 2008-02-26 2009-09-10 Tungaloy Corp 被覆部材
JP2010094764A (ja) * 2008-10-15 2010-04-30 Mitsubishi Materials Corp 硬質被覆層がすぐれた耐欠損性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具
JP2010094761A (ja) * 2008-10-15 2010-04-30 Mitsubishi Materials Corp 硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具
JP2016032861A (ja) 2014-07-29 2016-03-10 日立金属株式会社 被覆工具
JP2016107397A (ja) * 2014-11-28 2016-06-20 三菱マテリアル株式会社 表面被覆切削工具
JP2018059146A (ja) 2016-10-04 2018-04-12 株式会社神戸製鋼所 硬質皮膜、硬質皮膜被覆部材及び硬質皮膜の製造方法
JP2020040175A (ja) 2018-09-11 2020-03-19 株式会社タンガロイ 被覆切削工具
JP2021134034A (ja) 2020-02-26 2021-09-13 株式会社三井Ｅ＆Ｓマシナリー 誘導加熱装置およびその制御方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20240028537A (ko) 2024-03-05
CN117836078A (zh) 2024-04-05
EP4389329A1 (en) 2024-06-26
JPWO2023022230A1 (ja) 2023-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3437774B1 (en) Coated cutting tool
WO2022172954A1 (ja) 被覆工具
US10974323B2 (en) Coated cutting tool
JP6555796B2 (ja) 被覆切削工具
JP2023179643A (ja) 被覆工具
JP2012228735A (ja) 耐摩耗性に優れる被覆工具およびその製造方法
WO2022202729A1 (ja) 被覆切削工具
WO2023022230A1 (ja) 被覆工具
WO2019035219A1 (ja) 被覆切削工具
WO2020194899A1 (ja) 被覆切削工具
WO2024048304A1 (ja) 被覆工具
US20240352572A1 (en) Coated tool
WO2024004873A1 (ja) 被覆切削工具
WO2023181927A1 (ja) 被覆部材
JP2024027836A (ja) 被覆工具
JP2024075109A (ja) 被覆切削工具
JP2024047170A (ja) 被覆切削工具
JP2024132010A (ja) 被覆切削工具
WO2020039735A1 (ja) 切削工具
JP2021112805A (ja) 被覆切削工具

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22857086

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18682945

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20247004988

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020247004988

Country of ref document: KR

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2023542461

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202280056623.3

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2022857086

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022857086

Country of ref document: EP

Effective date: 20240319