JP6910598B2 - Cover cutting tool - Google Patents
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Description
本発明は、化学蒸着法で被覆したAlとCrを含有する窒化物からなる硬質皮膜を工具の表面に有する被覆切削工具に関する。 The present invention relates to a coated cutting tool having a hard film made of a nitride containing Al and Cr coated by a chemical vapor deposition method on the surface of the tool.
従来、切削工具の寿命を向上させるために、物理蒸着法または化学蒸着法により工具の表面に硬質皮膜を被覆した被覆切削工具が用いられている。各種の硬質皮膜のなかでもAlとTiの窒化物からなる硬質皮膜及びAlとCrの窒化物からなる硬質皮膜は、耐摩耗性と耐熱性に優れる膜種であり被覆切削工具に広く用いられている。
AlとTiの窒化物からなる硬質皮膜の形成については、実際に市場で販売されている被覆切削工具に物理蒸着法及び化学蒸着法が広く適用されている。一方、AlとCrの窒化物からなる硬質皮膜の形成については、実際に市場で販売されている被覆切削工具に適用されているのは物理蒸着法であり、化学蒸着法は適用されていないのが現状である。
Conventionally, in order to improve the life of a cutting tool, a coated cutting tool in which the surface of the tool is coated with a hard film by a physical vapor deposition method or a chemical vapor deposition method has been used. Among various hard films, the hard film made of nitrides of Al and Ti and the hard film made of nitrides of Al and Cr are film types with excellent wear resistance and heat resistance, and are widely used in coating cutting tools. There is.
For the formation of a hard film composed of Al and Ti nitrides, the physical vapor deposition method and the chemical vapor deposition method are widely applied to coating cutting tools actually sold on the market. On the other hand, regarding the formation of a hard film composed of Al and Cr nitrides, the physical vapor deposition method is actually applied to the coated cutting tools sold on the market, and the chemical vapor deposition method is not applied. Is the current situation.
例えば、特許文献1は、NH3、N2とH2からなるガス群Aと、CrCl3、AlCl3、Al(CH3)3、N2とH2からなるガス群Bを別々に供給することで立方晶構造からなるAlとCrの窒化物からなる硬質皮膜を工具基材の表面に被覆することを開示している。
For example,
特許文献1に記載の被覆について、本発明者の検討によると、化学蒸着法でAlとCrの窒化物からなる硬質皮膜を被覆する場合、アルカリガスであるNH3ガスと、ハロゲンガスであるCrCl3ガスやAlCl3ガスが過剰に反応して成膜が安定し難く、さらには、被覆切削工具としての耐久性も十分でないことを確認した。
The coating described in
本発明の一実施形態に係る切削工具は、
硬質皮膜が、半金属を含む金属元素の総量に対して、Alが60原子%以上、Crが10原子%以上を含み、AlとCrの合計の含有比率が90原子%以上の窒化物であり、
基材の表面に対して膜厚方向に成長した柱状粒子の集合から構成され、
fcc構造に起因する(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面及び(422)面にピーク強度を有し、
前記結晶面に起因するピーク強度の合計をTA、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面及び(422)面に起因するピーク強度の合計をTBとした場合、TB/TAの値が0.40以上である。
The cutting tool according to the embodiment of the present invention is
The hard film is a nitride containing 60 atomic% or more of Al and 10 atomic% or more of Cr with respect to the total amount of metal elements including metalloids, and the total content ratio of Al and Cr is 90 atomic% or more. ,
It is composed of a collection of columnar particles grown in the film thickness direction with respect to the surface of the base material.
On the (111) plane, (200) plane, (220) plane, (311) plane, (222) plane, (400) plane, (331) plane, (420) plane and (422) plane due to the fcc structure Has peak intensity and
The total peak intensity due to the crystal plane is the total peak intensity due to the TA, (311) plane, (222) plane, (400) plane, (331) plane, (420) plane and (422) plane. In the case of TB, the value of TB / TA is 0.40 or more.
さらに、上記実施形態に係る切削工具が、前記硬質皮膜は、透過型電子顕微鏡を用いたミクロ組織において、相対的にAlの含有比率が高い単相構造の部分と、相対的にAlの含有比率が低い積相構造の部分とを有する結晶粒子が分散していることが好ましい。 Further, in the cutting tool according to the above embodiment, the hard film has a single-phase structure having a relatively high Al content in a microstructure using a transmission electron microscope, and a relatively Al content. It is preferable that the crystal particles having a portion having a low product phase structure are dispersed.
前記によれば、耐久性に優れるAlとCrの窒化物を被覆した被覆切削工具を得ることができる。 According to the above, it is possible to obtain a coated cutting tool coated with nitrides of Al and Cr having excellent durability.
本発明者は、AlとCrを主体とする窒化物について、高角度側の結晶面に起因するX線回折ピーク強度を高めることで被覆切削工具の被覆皮膜として用いたときに耐久性が向上することを見出して、本発明に到達した。すなわち、AlとCrを主体とする窒化物について、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面及び(422)面に起因するX線回折ピーク強度の合計の相対強度に注目して整理したところ、これらのX線回折ピーク強度の合計の相対強度が一定以上であるとき、被覆切削工具の耐久性が向上するという驚くべき知見を得たのである。
また、この耐久性の向上と成膜の安定性ためには、アルカリガスであるNH3ガスと、ハロゲンガスであるCrCl3ガスやAlCl3ガスが過剰に反応させないこと、すなわち、混合ガス中のNH3ガス量のN2ガスとH2ガスの合計量に対する割合を特定のものとすること、さらに、塩化CrガスはCVD炉内で生成することが必要であることも知見した。
以下では、本発明の一実施形態の被覆切削工具を構成する硬質皮膜の成分組成、組織、結晶構造、特性、及び、製造装置の詳細について説明をする。
The present inventor improves the durability of a nitride mainly composed of Al and Cr when it is used as a coating film for a coating cutting tool by increasing the X-ray diffraction peak intensity caused by the crystal plane on the high angle side. We found that and arrived at the present invention. That is, for nitrides mainly composed of Al and Cr, the X-ray diffraction peak intensities due to the (311) plane, (222) plane, (400) plane, (331) plane, (420) plane, and (422) plane. When the relative intensities of the total of these X-ray diffraction peaks were arranged by paying attention to the relative intensities of the above, we obtained a surprising finding that the durability of the coated cutting tool is improved when the total relative intensities of these X-ray diffraction peak intensities are above a certain level. ..
Further, in order to improve the durability and stabilize the film formation, the NH 3 gas, which is an alkaline gas, and the CrCl 3 gas or AlCl 3 gas, which are halogen gases, should not be excessively reacted, that is, in the mixed gas. It was also found that the ratio of the amount of NH 3 gas to the total amount of N 2 gas and H 2 gas should be specified, and that Cr chloride gas should be generated in the CVD furnace.
Hereinafter, the component composition, structure, crystal structure, characteristics, and details of the manufacturing apparatus of the hard film constituting the coated cutting tool according to the embodiment of the present invention will be described.
<組成>
まず、本実施形態に係る硬質皮膜の組成について説明する。
本実施形態に係る硬質皮膜は、AlとCrをベースとする窒化物である。AlとCrの窒化物の皮膜は耐摩耗性と耐熱性に優れる膜である。
<Composition>
First, the composition of the hard film according to the present embodiment will be described.
The hard film according to this embodiment is a nitride based on Al and Cr. The Al and Cr nitride film is a film having excellent wear resistance and heat resistance.
<<アルミニウム Al>>
Alの含有比率が高いと硬質皮膜の耐熱性が高まるとともに工具刃先に潤滑保護皮膜を形成し易くなり、被覆切削工具の耐久性が向上する。これらの効果を十分に再現するために、本実施形態に係る硬質皮膜は、半金属を含む金属元素(以下、金属元素と記載する。)の総量に対して、Alの含有比率が60原子%以上とする。更には、Alの含有比率を70原子%以上とすることが好ましい。但し、Alの含有比率が高くなり過ぎると、脆弱なhcp構造のAlNが多くなり被覆切削工具の耐久性が低下する。そのため、Alの含有比率を90原子%以下とすることが好ましい。
<< Aluminum Al >>
When the Al content ratio is high, the heat resistance of the hard film is increased, and a lubrication protective film is easily formed on the tool cutting edge, so that the durability of the coated cutting tool is improved. In order to sufficiently reproduce these effects, the hard film according to the present embodiment has an Al content ratio of 60 atomic% with respect to the total amount of metal elements including metalloids (hereinafter referred to as metal elements). That's all. Furthermore, it is preferable that the Al content ratio is 70 atomic% or more. However, if the Al content ratio becomes too high, the amount of AlN having a fragile hcp structure increases, and the durability of the coated cutting tool decreases. Therefore, the Al content ratio is preferably 90 atomic% or less.
<<クロミウム Cr>>
Crの含有比率が少なすぎると脆弱なhcp構造のAlNが増加し過ぎて被覆切削工具の耐久性が低下する。また、工具刃先に潤滑保護皮膜が形成され難くなり、溶着が発生し易くなる。また、そのため、Crの含有比率は10原子%以上とする。更には、Crの含有比率は15原子%以上とすることが好ましい。但し、Crの含有比率が高くなり過ぎると相対的にAlの含有比率が低下して耐熱性が低下する。そのため、Crの含有比率は30原子%以下とすることが好ましい。
<< Chromium Cr >>
If the Cr content is too small, the AlN of the fragile hcp structure increases too much, and the durability of the coated cutting tool decreases. In addition, it becomes difficult for a lubrication protective film to be formed on the tool edge, and welding is likely to occur. Therefore, the Cr content ratio is set to 10 atomic% or more. Furthermore, the Cr content ratio is preferably 15 atomic% or more. However, if the Cr content ratio becomes too high, the Al content ratio relatively decreases and the heat resistance decreases. Therefore, the Cr content ratio is preferably 30 atomic% or less.
<<その他の元素>>
本実施形態に係る硬質皮膜は、硬質皮膜により高い耐熱性を付与するために、AlとCrの合計の含有比率を90原子%以上とする。更には、AlとCrの合計の含有比率を95原子%以上にすることが好ましい。本実施形態に係る硬質皮膜は、AlとCr以外の金属元素、例えば、Ti、Si、Zr、B、Vを含有してもよい。これらの元素は、AlTi系の窒化物やAlCr系の窒化物に一般的に添加されている元素であり、少量の添加であれば被覆切削工具の耐久性を著しく低下させることはない。すなわち、AlとCrの合計の含有比率を90原子%以上とする窒化物において、後述する(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面及び(422)面に起因するピーク強度の合計の相対強度が一定値以上であれば、これらの金属元素を含有しても被覆切削工具の耐久性を著しく低下させることはない。但し、AlとCr以外の金属元素の含有比率が高くなり過ぎると、AlとCrをベースとする窒化物としての基本特性が低下して被覆切削工具の耐久性が低下する。そのため、他の金属元素を含有する場合は、含有比率を10原子%以下とする。
<< Other elements >>
The hard film according to the present embodiment has a total content ratio of Al and Cr of 90 atomic% or more in order to impart higher heat resistance to the hard film. Furthermore, it is preferable that the total content ratio of Al and Cr is 95 atomic% or more. The hard film according to this embodiment may contain metal elements other than Al and Cr, for example, Ti, Si, Zr, B, and V. These elements are elements generally added to AlTi-based nitrides and AlCr-based nitrides, and if added in a small amount, the durability of the coated cutting tool is not significantly reduced. That is, in a nitride having a total content ratio of Al and Cr of 90 atomic% or more, the (311) plane, (222) plane, (400) plane, (331) plane, (420) plane and (422) plane described later will be described later. ) As long as the relative strength of the total peak strength caused by the surface is a certain value or more, the durability of the coated cutting tool is not significantly reduced even if these metal elements are contained. However, if the content ratio of the metal element other than Al and Cr becomes too high, the basic characteristics of the nitride based on Al and Cr deteriorate, and the durability of the coated cutting tool deteriorates. Therefore, when other metal elements are contained, the content ratio is set to 10 atomic% or less.
<<不可避不純物>>
本実施形態に係る硬質皮膜は、不可避不純物として、酸素、炭素及び塩素等の成膜ガスに含まれる成分を、硬質皮膜全体を100質量%としたときに1質量%以下まで含有し得る。本実施形態に係る硬質皮膜は全体として窒化物であるならば、これら不純物に起因するに酸化物、AlとCrをベースとする複合炭化物や複合炭窒化物等を一部に含有してもよい。
<< Inevitable Impurities >>
The hard film according to the present embodiment may contain components contained in the film-forming gas such as oxygen, carbon and chlorine as unavoidable impurities up to 1% by mass or less when the entire hard film is 100% by mass. If the hard film according to the present embodiment is a nitride as a whole, oxides, composite carbides based on Al and Cr, composite carbonitrides, and the like may be partially contained due to these impurities. ..
<結晶構造>
本実施形態に係る硬質皮膜は、fcc構造に起因する(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面及び(422)面にピーク強度を有する。
これらのfcc構造に起因するピーク強度を有するのであれば、一部にhcp構造に起因するピーク強度を有してもよい。但し、hcp構造に起因するピーク強度が大きくなり過ぎると被覆切削工具の耐久性が低下する。
そのため、hcp構造を含有する場合でも、fcc構造に起因するピークの最大ピーク強度に対して、hcp構造に起因するピークの最大ピーク強度を1/10以下にすることが好ましい。
<Crystal structure>
The hard coating according to the present embodiment has a (111) plane, a (200) plane, a (220) plane, a (311) plane, a (222) plane, a (400) plane, a (331) plane, and a (331) plane, which are caused by the fcc structure. It has peak intensities on the 420) and (422) planes.
If it has a peak intensity due to these fcc structures, it may have a peak intensity due to the hcp structure in part. However, if the peak strength due to the hcp structure becomes too large, the durability of the coated cutting tool decreases.
Therefore, even when the hcp structure is contained, it is preferable that the maximum peak intensity of the peak caused by the hcp structure is 1/10 or less of the maximum peak intensity of the peak caused by the fcc structure.
本実施形態に係る硬質皮膜は、X線回折において、fcc構造の(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面及び(422)面の少なくとも9面にピーク強度を有する。より高角度側の(422)面にピーク強度を有することで、被覆切削工具の耐久性が向上する。通常、アークイオンプレーティング法で被覆したAlとCrを主体とする窒化物は、低角度側の(111)面、(200)面、(220)面のピーク強度が相対的に高くなる傾向にある。本発明者は、成膜条件を工夫した化学蒸着法で被覆したAlとCrを主体とする窒化物においては、高角度側の(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面及び(422)面に起因するピーク強度の合計の相対強度を高めることで、被覆切削工具の耐久性が向上することを知見した。
前記化学蒸着法で被覆したAlとCrを主体とする窒化物について、fcc構造の(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面及び(422)面に起因するピーク強度の合計をTA、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面及び(422)面に起因するピーク強度の合計をTBとした場合、TB/TAの値が0.40以上となることで、被覆切削工具の耐久性を高めることができる。好ましくはTB/TAの値が0.50以上である。更に好ましくは、TB/TAの値が0.55以上である。低角度側の(111)面、(200)面、(220)面のピーク強度が低すぎても硬質皮膜の基礎特性が低下するため、TB/TAの値は0.70以下であることが好ましい。
The hard film according to the present embodiment has a (111) plane, a (200) plane, a (220) plane, a (311) plane, a (222) plane, a (400) plane, and a (331) plane having an fcc structure in X-ray diffraction. It has peak intensities on at least nine faces, (420) and (422) faces. By having the peak strength on the (422) surface on the higher angle side, the durability of the coated cutting tool is improved. Normally, a nitride mainly composed of Al and Cr coated by the arc ion plating method tends to have relatively high peak intensities on the (111) plane, (200) plane, and (220) plane on the low angle side. be. The present inventor has described the (311) plane, (222) plane, (400) plane, and (331) plane on the high angle side in a nitride mainly composed of Al and Cr coated by a chemical vapor deposition method in which the film forming conditions are devised. It was found that the durability of the coated cutting tool is improved by increasing the relative strength of the total of the peak intensities caused by the (420) and (422) surfaces.
Regarding the nitride mainly composed of Al and Cr coated by the chemical vapor deposition method, the (111) plane, (200) plane, (220) plane, (311) plane, (222) plane, and (400) plane of the fcc structure , (331) plane, (420) plane and (422) plane, total peak intensity due to TA, (311) plane, (222) plane, (400) plane, (331) plane, (420) plane and (422) When the total peak intensity due to the surface is TB, the durability of the coated cutting tool can be improved by setting the TB / TA value to 0.40 or more. Preferably, the TB / TA value is 0.50 or more. More preferably, the TB / TA value is 0.55 or more. Even if the peak intensities of the (111), (200), and (220) planes on the low angle side are too low, the basic characteristics of the hard film deteriorate, so the TB / TA value may be 0.70 or less. preferable.
ICDDファイルには、窒化アルミクロミウムの回折ピークはないため、ICDDファイル番号00−025−1495に記載の、fcc構造の窒化アルミニウムから各結晶面の回折ピーク強度を求める。また、ICDDファイル番号00−025−1495には(422)面のピーク強度はないが、面間隔d値を計算することにより、X線回折図において(422)面ピーク強度を確認できる。
なお、窒化アルミクロミウム硬質皮膜のX線回折ピークは、窒化チタンアルミニウム硬質皮膜のX線回折ピークと類似しておりピーク位置が重なる。そのため、本発明に係る硬質皮膜と窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を積層、例えば、交互積層させる場合、得られたX線回折ピークを窒化アルミクロミウム硬質皮膜のピークとしてTB/TAの値を算出にすればよい。
Since there is no diffraction peak of aluminum nitride in the ICDD file, the diffraction peak intensity of each crystal plane is obtained from the aluminum nitride having an fcc structure described in ICDD file No. 00-025-1495. Further, although the ICDD file number 00-025-1495 does not have the peak intensity of the (422) plane, the peak intensity of the (422) plane can be confirmed in the X-ray diffraction pattern by calculating the plane spacing d value.
The X-ray diffraction peak of the aluminum nitride hard film is similar to the X-ray diffraction peak of the titanium aluminum nitride hard film, and the peak positions overlap. Therefore, when the hard film according to the present invention and the titanium aluminum nitride hard film are laminated, for example, alternately laminated, the TB / TA value can be calculated by using the obtained X-ray diffraction peak as the peak of the aluminum nitride hard film. good.
<柱状粒子>
本実施形態に係る硬質皮膜は、基材の表面に対して膜厚方向に成長した柱状粒子の集合から構成される。AlとCrをベースとする窒化物からなる硬質皮膜が基材の表面に対して膜厚方向に成長した柱状粒子となることで、被覆切削工具の耐久性が向上する。
前記柱状粒子の表面側における平均幅が0.1μm以上2.0μm以下であることが好ましい。表面側における平均幅が0.1μm以上とすることで被覆切削工具の耐久性がより高まる。また、表面側における平均幅が2.0μm以下とすることで、硬質皮膜の塑性変形が起こり難くなり、また、硬質皮膜から脱落する粒子径が小さくなるため工具摩耗が抑制され易くなる。
<Columnar particles>
The hard film according to the present embodiment is composed of a set of columnar particles grown in the film thickness direction with respect to the surface of the base material. The durability of the coated cutting tool is improved by forming the hard film made of nitrides based on Al and Cr into columnar particles grown in the film thickness direction with respect to the surface of the base material.
The average width of the columnar particles on the surface side is preferably 0.1 μm or more and 2.0 μm or less. By setting the average width on the surface side to 0.1 μm or more, the durability of the coated cutting tool is further enhanced. Further, when the average width on the surface side is 2.0 μm or less, the hard film is less likely to be plastically deformed, and the particle size falling off from the hard film is reduced, so that tool wear is easily suppressed.
本実施形態における表面側とは、被削材と接触する側にある硬質皮膜の表面近傍、例えば、CP(Cross−section Polisher)加工面の近傍をいう。硬質皮膜の柱状粒子の幅は、透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡による断面観察から測定することができる。測定箇所は、被削材と接する側にある皮膜表面から深さが0.5μmの位置とした。連続する30個以上の柱状粒子の幅を観察すれば、粒子幅の平均値は収束する。そのため、連続する30個以上の柱状粒子から、硬質皮膜の柱状粒子の平均幅を求めればよい。 The surface side in the present embodiment means the vicinity of the surface of the hard film on the side in contact with the work material, for example, the vicinity of the CP (Cross-section Policer) processed surface. The width of the columnar particles of the hard film can be measured by observing the cross section with a transmission electron microscope or a scanning electron microscope. The measurement location was set at a depth of 0.5 μm from the film surface on the side in contact with the work material. By observing the widths of 30 or more consecutive columnar particles, the average value of the particle widths converges. Therefore, the average width of the columnar particles of the hard film may be obtained from 30 or more continuous columnar particles.
<ミクロ組織>
本実施形態に係る硬質皮膜のミクロ組織は特段限定されるものではないが、一つの粒子の中に、単相構造と積相構造が併存する結晶粒子が分散している場合がよい。具体的には、例えば、一つの結晶粒子において、相対的にAlの含有比率が高いAlとCrの窒化物と、相対的にAlの含有比率が低いAlとCrの窒化物とが交互に積層した積相構造からなる部分と、Alの含有比率が高いAlとCrの窒化物の単相構造からなる部分とを有する結晶粒子がミクロ組織に分散している場合(後述する実施例1に係る図9、図10を参照)がある。
単相構造の部分は、積相構造の部分に比べて、歪みが少ないと推定される。そのため、単相構造の部分を有することで被覆切削工具の耐久性が向上する。積相構造からなる部分は、単相構造からなる部分に比べて相対的にAlの含有比率が小さくなることで、結晶粒子の全体としてAlの含有量が増加しすぎて脆弱なhcp構造のAlNが増加することが抑制される。そして、このような粒子が存在することにより、硬質皮膜の全体として耐摩耗性と耐熱性が高まり優れた耐久性を発揮することができる。
本実施形態に係る硬質皮膜のミクロ組織は、単相構造のみからなる結晶粒子を有してもよい。また、積層構造のみからなる結晶粒子を有してもよい。単相構造のみからなる結晶粒子と積層構造のみからなる結晶粒子と単相構造と積相構造が併存する結晶粒子とを有してもよい。
<Micro tissue>
The microstructure of the hard film according to the present embodiment is not particularly limited, but it is preferable that crystal particles in which a single-phase structure and a product-phase structure coexist are dispersed in one particle. Specifically, for example, in one crystal particle, nitrides of Al and Cr having a relatively high content of Al and nitrides of Al and Cr having a relatively low content of Al are alternately laminated. A case where crystal particles having a portion having a product phase structure and a portion having a single-phase structure of a nitride of Al and Cr having a high Al content are dispersed in a microstructure (corresponding to Example 1 described later). (See FIGS. 9 and 10).
It is presumed that the single-phase structure portion has less distortion than the product-phase structure portion. Therefore, having a single-phase structure portion improves the durability of the coated cutting tool. The AlN content of the part having a product phase structure is relatively smaller than that of the part having a single phase structure, so that the Al content of the crystal particles as a whole increases too much and the AlN having a fragile hcp structure. Is suppressed from increasing. The presence of such particles enhances the wear resistance and heat resistance of the hard film as a whole, and can exhibit excellent durability.
The microstructure of the hard film according to this embodiment may have crystal particles having only a single-phase structure. Further, it may have crystal particles having only a laminated structure. It may have crystal particles having only a single-phase structure, crystal particles having only a laminated structure, and crystal particles having a single-phase structure and a product-phase structure coexisting.
積相構造の部分において、相対的にAlの含有比率が高いAlとCrの窒化物は、Alの含有比率が60原子%以上であることが好ましく、また、相対的にAlの含有比率が低いAlとCrの窒化物は、Alの含有比率が55原子%以下であることが好ましい。
積相構造の部分において、相対的にAlの含有比率が高いAlとCrの窒化物は、Alの含有比率が70原子%以上であることが好ましく、更には80%原子%以上であることが好ましい。但し、Alの含有比率が高くなり過ぎるとhcp構造のAlNが増加するため、Alの含有比率は95原子%以下であることが好ましい。更には、90原子%以下であることが好ましい。
積相構造の部分において、相対的にAlの含有比率が低いAlとCrの窒化物は、Alの含有比率が50原子%以下であることが好ましく、更には、40原子%以下であることが好ましい。但し、Alの含有比率が低くなり過ぎると、硬質皮膜の全体で耐熱性が低下するため、Alの含有比率は10原子%以上であることが好ましい。更には、20原子%以上が好ましい。
単相構造の部分は、Alの含有比率が60原子%以上であることが好ましい。更には、Alの含有比率が70原子%以上であることが好ましい。但し、Alの含有比率が高くなり過ぎるとhcp構造のAlNが増加するため、90原子%以下であることがより好ましい。
In the part of the product phase structure, the nitrides of Al and Cr having a relatively high Al content ratio preferably have an Al content ratio of 60 atomic% or more, and have a relatively low Al content ratio. The Al and Cr nitrides preferably have an Al content of 55 atomic% or less.
In the part of the product phase structure, the nitrides of Al and Cr having a relatively high Al content ratio preferably have an Al content ratio of 70 atomic% or more, and further preferably 80% atomic% or more. preferable. However, if the Al content ratio becomes too high, AlN in the hcp structure increases, so the Al content ratio is preferably 95 atomic% or less. Further, it is preferably 90 atomic% or less.
In the part of the product phase structure, the nitrides of Al and Cr having a relatively low Al content ratio preferably have an Al content ratio of 50 atomic% or less, and further preferably 40 atomic% or less. preferable. However, if the Al content ratio becomes too low, the heat resistance of the entire hard film decreases, so the Al content ratio is preferably 10 atomic% or more. Further, 20 atomic% or more is preferable.
The single-phase structure portion preferably has an Al content of 60 atomic% or more. Furthermore, the Al content ratio is preferably 70 atomic% or more. However, if the Al content ratio becomes too high, AlN in the hcp structure increases, so that it is more preferably 90 atomic% or less.
<平均層厚>
本実施形態に係る硬質皮膜の平均層厚は、1.0〜15.0μmが望ましい。その理由は、1.0μm未満であると薄いため十分な工具寿命を与えず、一方、15.0μmを超えると厚くなりすぎて切削精度が低下してしまう虞があるためである。膜厚の下限は2.0μmが好ましく、更には3.0μmが好ましく、更には5.0μmがより好ましい。膜厚の上限は12.0μmが好ましく、更には10.0μmが好ましい。
<Average layer thickness>
The average layer thickness of the hard film according to this embodiment is preferably 1.0 to 15.0 μm. The reason is that if it is less than 1.0 μm, it is thin and therefore does not give a sufficient tool life, while if it exceeds 15.0 μm, it becomes too thick and the cutting accuracy may be lowered. The lower limit of the film thickness is preferably 2.0 μm, more preferably 3.0 μm, and even more preferably 5.0 μm. The upper limit of the film thickness is preferably 12.0 μm, more preferably 10.0 μm.
<中間皮膜と上層>
本実施形態の被覆切削工具は、硬質皮膜の基材と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、例えば、窒化物、炭窒化物、炭化物のいずれかからなる中間皮膜を設けてもよい。中間皮膜としては、基材及び硬質皮膜との密着性に優れるAlとTiの窒化物であることが好ましい。
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上層を設けてもよい。上層は、例えば、窒化物、炭窒化物、炭化物やアルミナ等の酸化物で、結合層を介して設けるとよい。このうち、化学蒸着法で成膜する被覆層として一般的に用いられているアルミナは、被覆切削工具の耐熱性を向上させるので好ましい。例えば、一般的に鋳物の切削加工においてはアルミナを設けた被覆切削工具が用いられている。本発明の被覆切削工具も、必要に応じて上層としてアルミナを設ければ耐久性がより向上して好ましい。
<Intermediate film and upper layer>
In the coated cutting tool of the present embodiment, in order to further improve the adhesion of the hard film to the base material, for example, a nitride, a carbide, a nitride, etc. An interlayer film made of any of the carbides may be provided. The interlayer film is preferably a nitride of Al and Ti having excellent adhesion to the base material and the hard film.
Further, an upper layer having a different component ratio and a different composition from the hard film according to the present embodiment may be provided on the hard film according to the present embodiment. The upper layer is, for example, an oxide such as nitride, carbonitride, carbide or alumina, and may be provided via a bonding layer. Of these, alumina, which is generally used as a coating layer for forming a film by a chemical vapor deposition method, is preferable because it improves the heat resistance of the coating cutting tool. For example, in general, a coated cutting tool provided with alumina is used in the cutting process of a casting. It is preferable that the coated cutting tool of the present invention is also provided with alumina as an upper layer, if necessary, because the durability is further improved.
<被覆後の刃先処理>
本実施形態に係る硬質皮膜は化学蒸着によって成膜されるため引張応力を有しているから、被覆後にブラスト装置等による応力解放となる被覆後の刃先処理を行うことが好ましい。この被覆後の刃先処理を行うことで耐チッピング性が改善し工具寿命に優れる硬質皮膜となる。
<Cutting edge treatment after coating>
Since the hard film according to the present embodiment has tensile stress because it is formed by chemical vapor deposition, it is preferable to perform post-coating cutting edge treatment that releases stress by a blasting device or the like after coating. By performing this cutting edge treatment after coating, chipping resistance is improved and a hard film with excellent tool life is obtained.
<製造方法>
本実施形態に係る硬質皮膜は、例えば、内部温度を後述する750℃以上に昇温させた化学蒸着装置(CVD炉)内へ、以下に述べる混合ガスAと混合ガスBを別々に導入し、該装置内で混合することにより、該装置内にあらかじめ載置してあるインサート基材等の工具基体に被覆することができる。
<Manufacturing method>
In the hard film according to the present embodiment, for example, the mixed gas A and the mixed gas B described below are separately introduced into a chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) in which the internal temperature is raised to 750 ° C. or higher, which will be described later. By mixing in the device, it is possible to coat a tool base such as an insert base material previously placed in the device.
<<混合ガスA>>
本実施形態において、混合ガスAは、混合ガスa1と混合ガスa2を含む。混合ガスa1は、HClガスとH2ガス(「塩化Crを生成するための混合ガス」または「混合ガスa1を得るための混合ガス」ともいう)と、この2のガスが金属Crと接触することにより生成する塩化Crガス(CrCl3で表現できる成分のみではなくCrとClとが化学的に結合したガスである)を含むガスで、代表的な組成は、体積比で塩化Cr/H2=0.008〜0.140である。一方、混合ガスa2は、AlCl3ガスとH2ガスとを含むガスで、代表的な組成は、体積比でAlCl3/(H2+N2)=0.0006〜0.0300である。
なお、塩化Crガスの体積%及びAlCl3ガスの体積%は、後述するように、これらガスを発生させるために導入するHClガス量から推定した。
混合ガスa1において、塩化Crガスの生成のためのHClガスとH2ガスは加熱されて金属Crと接触されるが、この加熱は、製造装置の説明で後述するように、CVD炉の内部のガス予熱部で行うことが望ましい。また、塩化Crガスを有するようになった混合ガスa1に、この混合ガスa1の温度近くに加熱された混合ガスa2を混合して、混合ガスAを得ることが望ましい。このようにすることにより、AlCl3ガスの影響を受けずに塩化Crガスの生成が容易になされるようになる。
前記ガス予熱部において塩化Crガスを生成させるときの温度は、炉内温度の最低設定温度である750℃程度の塩化Crガスが安定的に発生する温度とする。その理由は、この温度が低すぎると塩化Crガスの発生量が少なくなり、硬質皮膜の全体がAlリッチとなって、hcp構造が増加し易くなるためである。
また、混合ガスa2に含まれるAlCl3ガスは、例えば、H2ガスとHClガスの混合ガスを、金属Alを充填して330℃に保温したAlCl3ガス発生器に導入して生成することができ、混合ガスa1と混合して混合ガスAとするときに予熱される。混合ガスa2の温度は、混合ガスa1の温度との差があまりない方が硬質皮膜が柱状粒子となるために好ましく、混合ガスa1の温度の近傍(例えば、±80℃)がよい。
混合ガスa1に混合ガスa2を混合して得られた混合ガスAにおいて、H2ガスの流量を最も大きくすることが望ましい。さらに、混合ガスa1及び混合ガスa2にはN2ガスやArガスが含まれていてもよい。
<< Mixed Gas A >>
In the present embodiment, the mixed gas A includes a mixed gas a1 and a mixed gas a2. Mixed gas a1 is the HCl gas and H 2 gas (also referred to as "mixed gas for obtaining the mixed gas a1" or "mixed gas to produce chloride Cr"), of the gas the 2 contacts the metal Cr This is a gas containing Cr chloride gas (not only a component that can be expressed by CrCl 3 but also a gas in which Cr and Cl are chemically bonded), and a typical composition is Cr / H 2 chloride in terms of volume ratio. = 0.008 to 0.140. On the other hand, the mixed gas a2 is a gas containing AlCl 3 gas and H 2 gas, and a typical composition is AlCl 3 / (H 2 + N 2 ) = 0.0006 to 0.0300 in terms of volume ratio.
The volume% of the volume%, and AlCl 3 gas chloride Cr gas, as described below, was estimated from HCl gas amount to be introduced in order to generate these gases.
In the mixed gas a1, although HCl gas and H 2 gas for the production of chloride Cr gas is contacted with the heated metal Cr, the heat, as described later in the description of the manufacturing apparatus, the inside of the CVD furnace It is desirable to do it in the gas preheating section. Further, it is desirable to obtain the mixed gas A by mixing the mixed gas a1 having Cr chloride gas with the mixed gas a2 heated to a temperature close to the temperature of the mixed gas a1. By doing so, it becomes easy to generate Cr chloride gas without being affected by AlCl 3 gas.
The temperature at which the Cr chloride gas is generated in the gas preheating section is set to a temperature at which Cr chloride gas of about 750 ° C., which is the minimum set temperature of the furnace temperature, is stably generated. The reason is that if this temperature is too low, the amount of Cr chloride gas generated decreases, the entire hard film becomes Al-rich, and the hcp structure tends to increase.
Further, the AlCl 3 gas contained in the mixed gas a2 can be generated by introducing, for example, a mixed gas of H 2 gas and an HCl gas into an AlCl 3 gas generator filled with metal Al and kept at 330 ° C. It is preheated when it is mixed with the mixed gas a1 to form the mixed gas A. The temperature of the mixed gas a2 is preferably not so different from the temperature of the mixed gas a1 because the hard film becomes columnar particles, and is preferably in the vicinity of the temperature of the mixed gas a1 (for example, ± 80 ° C.).
In the mixed gas A obtained by mixing the mixed gas a2 with the mixed gas a1, it is desirable to maximize the flow rate of the H 2 gas. It may further contain N 2 gas and Ar gas in the gas mixture a1 and mixed gas a2.
<<混合ガスB>>
混合ガスBは、H2ガス、N2ガス及び及びNH3ガスを含む。この混合ガスBは、N2ガスとH2ガスの合計の体積%をb1、NH3ガスの体積%をb2とした場合、b2/b1の値が0.002以上0.020以下の組成比を有することが、本実施形態に係る硬質皮膜の組成を得るために必要である。この組成比の範囲に混合ガスBの組成比があれば、アルカリガスであるNH3ガスと、ハロゲンガスであるCrCl3ガスやAlCl3ガスが過剰に反応することを抑制することができる。
この混合ガスBも予熱されるが、予熱による温度上昇は抑え、混合ガスAの温度よりも低く予熱して過剰な予熱を避ける。
予熱チャンバー内の混合ガスBを予熱するガス経路を、例えば、予熱チャンバーの高さと同じとすることで、混合ガスBが混合ガスAのように過度に予熱されるのを防いでいる。これにより、混合ガスBに含まれるNH3と混合ガスAに含まれる塩化Crガス、AlCl3ガスとの反応速度を抑え、硬質皮膜が柱状粒子となる。
<< Mixed Gas B >>
The mixed gas B includes H 2 gas, N 2 gas and NH 3 gas. The composition ratio of this mixed gas B is 0.002 or more and 0.020 or less in the value of b2 / b1 when the total volume% of the N 2 gas and the H 2 gas is b1 and the volume% of the NH 3 gas is b2. It is necessary to have the composition of the hard film according to the present embodiment. If the composition ratio of the mixed gas B is within the range of this composition ratio, it is possible to prevent the NH 3 gas, which is an alkaline gas, from excessively reacting with the CrCl 3 gas or AlCl 3 gas, which are halogen gases.
This mixed gas B is also preheated, but the temperature rise due to the preheating is suppressed, and the temperature rise is suppressed to be lower than the temperature of the mixed gas A to avoid excessive preheating.
By setting the gas path for preheating the mixed gas B in the preheating chamber to be the same as the height of the preheating chamber, for example, it is possible to prevent the mixed gas B from being excessively preheated like the mixed gas A. As a result, the reaction rate between NH 3 contained in the mixed gas B and the Cr chloride gas and AlCl 3 gas contained in the mixed gas A is suppressed, and the hard film becomes columnar particles.
混合ガスBを予熱するガス経路は、ガス予熱部を通るが、前述のとおり予熱温度は抑え、過剰の予熱は避ける。このように予熱するための一手段として、後述するように本実施形態で使用されるCVD炉の予熱部にように、予熱のための熱源に、塩化Crガス発生部(混合ガスa1を得るためのガスの経路が通過する)、第1予熱部(混合ガスa2を予熱するガス経路が通過する)、第2予熱部(混合ガスBを予熱するガス経路が通過する)の順に近づけ、さらに、混合ガスa1を得るためのガス経路(混合ガスa1のガス経路)の長さと混合ガスa2を予熱するガス経路(混合ガスa2のガス経路)の長さの合計を混合ガスBを予熱するガス経路(混合ガスBのガス経路)よりも3倍以上、好ましくは、5倍以上で、8倍以下の範囲で長くすることが考えられる。この範囲は、装置容量に依存して適宜決定すればよく、10倍、更には20倍となることもある。一例として、混合ガスBを予熱するガス経路は、650mm以下が好ましく550mm以下が更に好ましい。これにより、NH3ガスとAlCl3ガスや塩化Crガスとの過度な反応が抑制されて、硬質皮膜が柱状粒子の集合から構成される組織となる。
なお、混合ガスa1を得るための混合ガスのガス経路、混合ガスa2を予熱するガス経路、混合ガスBを予熱するガス経路とは、各混合ガスを炉内へ導入してから予熱が終了するまでの経路をいう。すなわち、後述するように本実施形態で使用されるCVD炉の予熱部のように、成膜中に回転を伴う接続経路及び予熱室(予熱チャンバー)内の経路をいう。
The gas path for preheating the mixed gas B passes through the gas preheating section, but as described above, the preheating temperature is suppressed and excessive preheating is avoided. As one means for preheating in this way, as described later, in order to obtain a Cr chloride gas generating portion (mixed gas a1) as a heat source for preheating, as in the preheating portion of the CVD furnace used in the present embodiment. The gas path passes through), the first preheating section (the gas path that preheats the mixed gas a2 passes), the second preheating section (the gas path that preheats the mixed gas B passes), and so on. The total length of the gas path for obtaining the mixed gas a1 (the gas path of the mixed gas a1) and the length of the gas path for preheating the mixed gas a2 (the gas path of the mixed gas a2) is the sum of the lengths of the gas path for preheating the mixed gas B. It is conceivable to make it longer than (gas path of mixed gas B) by 3 times or more, preferably 5 times or more, and 8 times or less. This range may be appropriately determined depending on the capacity of the device, and may be 10 times, or even 20 times. As an example, the gas path for preheating the mixed gas B is preferably 650 mm or less, more preferably 550 mm or less. As a result, the excessive reaction between the NH 3 gas and the AlCl 3 gas or Cr chloride gas is suppressed, and the hard film becomes a structure composed of aggregates of columnar particles.
The gas path of the mixed gas for obtaining the mixed gas a1, the gas path for preheating the mixed gas a2, and the gas path for preheating the mixed gas B are such that the preheating ends after each mixed gas is introduced into the furnace. The route to. That is, as described later, it refers to a connection path that involves rotation during film formation and a path in the preheating chamber (preheating chamber), such as the preheating portion of the CVD furnace used in the present embodiment.
<<混合ガスAと混合ガスBの混合と炉内への導入>>
また、混合ガスAと混合ガスBをあらかじめ混合して、1つのノズル穴からCVD炉内(反応容器内)に導入すると、NH3ガスとAlCl3ガスや塩化Crガスとの反応速度が速くなり過ぎて、硬質皮膜において柱状粒子の集合から構成される組織が得られ難くなる。そこで、混合ガスAと混合ガスBはCVD炉内(反応容器内)に導入する前に混合せず、混合ガスAのノズル穴と混合ガスBのノズル穴をそれぞれ別にして設けてCVD炉内(反応容器内)に独立に導入する。具体的には、例えば、後述する製造装置において説明するように、混合ガスBのノズル穴は混合ガスAのノズル穴とは噴出方向を変え、さらに、混合ガスAのノズル穴よりも回転軸からの距離が外側に配置するなどして、NH3ガスとAlCl3ガスや塩化Crガスとの反応速度が速くなり過ぎないようにする。
<< Mixing of mixed gas A and mixed gas B and introduction into the furnace >>
Further, when the mixed gas A and the mixed gas B are mixed in advance and introduced into the CVD furnace (inside the reaction vessel) from one nozzle hole , the reaction rate between the NH 3 gas and the AlCl 3 gas or Cr chloride gas becomes faster. Therefore, it becomes difficult to obtain a structure composed of aggregates of columnar particles in the hard film. Therefore, the mixed gas A and the mixed gas B are not mixed before being introduced into the CVD furnace (inside the reaction vessel), and the nozzle hole of the mixed gas A and the nozzle hole of the mixed gas B are separately provided in the CVD furnace. Introduce independently into (inside the reaction vessel). Specifically, for example, as described in the manufacturing apparatus described later, the nozzle hole of the mixed gas B changes the ejection direction from the nozzle hole of the mixed gas A, and further, from the rotation axis rather than the nozzle hole of the mixed gas A. The reaction rate between the NH 3 gas and the AlCl 3 gas or Cr chloride gas should not be too fast by arranging the distances on the outside.
<<反応圧力と成膜温度>>
成膜のための反応圧力は3〜5kPaであることが好ましい。その理由は、反応圧力が低すぎると成膜速度が低下し、一方で、反応圧力が高すぎると、反応が促進されて、柱状粒子の集合から構成される組織が得られ難いためである。
また、CVD炉内(反応容器内)温度は750〜850℃が好ましい。その理由は、成膜温度が低すぎると、硬質皮膜中の塩素量が増加し耐摩耗性が低下し、一方で、成膜温度が高すぎると反応が促進され、柱状粒子の集合から構成される組織が得られ難いためである。炉内温度は、770〜820℃がより好ましい。
<< Reaction pressure and film formation temperature >>
The reaction pressure for film formation is preferably 3 to 5 kPa. The reason is that if the reaction pressure is too low, the film formation rate decreases, while if the reaction pressure is too high, the reaction is promoted and it is difficult to obtain a structure composed of aggregates of columnar particles.
The temperature inside the CVD furnace (inside the reaction vessel) is preferably 750 to 850 ° C. The reason is that if the film formation temperature is too low, the amount of chlorine in the hard film increases and the wear resistance decreases, while if the film formation temperature is too high, the reaction is promoted and it is composed of aggregates of columnar particles. This is because it is difficult to obtain an organization. The temperature inside the furnace is more preferably 770 to 820 ° C.
<被覆装置>
本発明の一実施形態に用いる化学蒸着装置(CVD炉)は、上述の製造方法を実施するために、炉内(反応容器内)温度は750〜850℃、炉内(反応容器内)圧力は3〜5KPaにできるものであって、以下の特徴的な構成を有している。具体的な構成は、後述する実施例で述べ、ここでは装置として備えるべき事項を中心に説明する。
被覆装置は、混合ガスAの成分である塩化Crガスを生成するための混合ガスと混合ガスa2、及び、混合ガスBの3種の混合ガスそれぞれを独立に予熱し、CVD炉内(反応容器内)に導入する構成を備えている。
<Coating device>
In the chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) used in one embodiment of the present invention, in order to carry out the above-mentioned manufacturing method, the temperature in the furnace (inside the reaction vessel) is 750 to 850 ° C., and the pressure in the furnace (inside the reaction vessel) is It can be set to 3 to 5 KPa and has the following characteristic configuration. A specific configuration will be described in Examples described later, and here, items to be provided as an apparatus will be mainly described.
The coating device independently preheats each of the three types of mixed gas, the mixed gas, the mixed gas a2, and the mixed gas B for generating Cr chloride gas, which is a component of the mixed gas A, in the CVD furnace (reaction vessel). It has a configuration to be introduced in).
すなわち、CVD炉内には、ガス予熱部と後述する反応容器にガスを導入するガス放出部を有している。ガス予熱部は、
(1)塩化Crガスを生成させるための混合ガスを金属Crに接触させて塩化Crガスを含む混合ガスa1を発生させる塩化Crガス発生部、
(2)混合ガスa2を予熱する第1予熱部、
(3)混合ガスBを予熱する第2予熱部、及び、
(4)混合ガスa1と混合ガスa2とを混合し、混合ガスAとする混合部、
とを有している。
なお、予熱部の熱源は、周壁またはその近傍に予熱部用に独立して設けてもよいし、CVD炉の周壁またはその近傍に備えられている熱源(ヒータ)を利用してもよい。また、金属Crはフレーク状などの塩化Crガスが発生しやすい形状とする。
That is, the CVD furnace has a gas preheating unit and an outgassing unit for introducing gas into the reaction vessel described later. The gas preheating part
(1) A Cr chloride gas generating unit that generates a mixed gas a1 containing a Cr chloride gas by bringing a mixed gas for generating a Cr chloride gas into contact with a metal Cr.
(2) First preheating section for preheating the mixed gas a2,
(3) A second preheating section that preheats the mixed gas B, and
(4) A mixing section in which the mixed gas a1 and the mixed gas a2 are mixed to form a mixed gas A.
And have.
The heat source of the preheating unit may be independently provided for the peripheral wall or its vicinity for the preheating part, or a heat source (heater) provided in or near the peripheral wall of the CVD furnace may be used. Further, the metal Cr has a shape such as flakes in which Cr chloride gas is likely to be generated.
ここで、予熱部において、混合ガスの温度を前述のとおりとするための一手段として、CVD炉の熱源を利用する場合には、例えば、予熱源であるCVD炉のヒータに、塩化Crガス発生部(混合ガスa1を得るためのガスの経路が通過する)、第1予熱部(混合ガスa2のガス経路が通過する)、第2の予熱部(混合ガスBのガス経路が通過する)の順で近づけるとともに、ガス経路の配置を工夫して、一例として、混合ガスa1を得るためのガス経路(混合ガスa1のガス経路)の長さと混合ガスa2を予熱するガス経路(混合ガスa2のガス経路)の長さ合計の長さを混合ガスBを予熱するガス経路(混合ガスBのガス経路)の長さの3倍以上、好ましくは、5倍以上で、8倍以下とすることが挙げられる。
ここで、混合ガスa1を得るガスの経路の長さ、混合ガスa2を予熱する経路の長さ、混合ガスBを予熱するの経路の長さとは、それぞれ、CVD炉のガス導入口からガス予熱部の出口までの長さをいう。すなわち、後述するように実施例で使用されるCVD炉の予熱部のように、成膜中に回転を伴う接続経路及び予熱室(予熱チャンバー)内の経路をいう。
Here, when the heat source of the CVD furnace is used as one means for adjusting the temperature of the mixed gas as described above in the preheating section, for example, Cr chloride gas is generated in the heater of the CVD furnace which is the preheating source. Part (the gas path for obtaining the mixed gas a1 passes), the first preheating part (the gas path of the mixed gas a2 passes), and the second preheating part (the gas path of the mixed gas B passes). As an example, the length of the gas path for obtaining the mixed gas a1 (the gas path of the mixed gas a1) and the gas path for preheating the mixed gas a2 (mixed gas a2) are made by approaching them in order and devising the arrangement of the gas paths. The total length of the gas path) may be 3 times or more, preferably 5 times or more and 8 times or less the length of the gas path (gas path of the mixed gas B) for preheating the mixed gas B. Can be mentioned.
Here, the length of the gas path for obtaining the mixed gas a1 and the length of the path for preheating the mixed gas a2 and the length of the path for preheating the mixed gas B are gas preheating from the gas inlet of the CVD furnace, respectively. The length to the exit of the department. That is, as described later, it refers to a connection path that involves rotation during film formation and a path in the preheating chamber (preheating chamber), such as the preheating portion of the CVD furnace used in the examples.
このような構成にすることによって、混合ガスa1は750℃以上に予熱し、一方、ガス経路81から導入された混合ガスa2は、混合ガスa1の近傍の温度、例えば、±80℃の範囲に予熱し、混合室63で、混合ガスa1と混合されて混合ガスAとすることができる。他方、混合ガス経路91から導入された混合ガスBは、混合ガスAよりも低い温度となる。
なお、混合ガスAについては、予熱部におけるガス経路が長いため、ほぼ炉内温度程度まで上昇している。一方、混合ガスBについては、予熱部におけるガス経路を短くしているため、温度上昇が抑制されているということができる。
With such a configuration, the mixed gas a1 is preheated to 750 ° C. or higher, while the mixed gas a2 introduced from the
Since the gas path in the preheating section of the mixed gas A is long, the temperature of the mixed gas A has risen to about the temperature inside the furnace. On the other hand, with respect to the mixed gas B, since the gas path in the preheating portion is shortened, it can be said that the temperature rise is suppressed.
さらに、CVD炉内は、ガス放出部として、混合ガスAを反応容器に導入するためにノズル穴を設けた第1のパイプと、混合ガスBを反応容器に導入するためにノズル穴を設けた第2のパイプを有している。第2パイプは2本で、1本の第1のパイプの外側に対向するように配置され、これらパイプは第1のパイプの軸心を中心に、2〜5回転/分の速度で回転することが望ましい。
ここで、混合ガスAのノズル穴と混合ガスBのノズル穴が近すぎると、急激な反応が起こり、柱状粒子の集合から構成される組織が得られ難くなるとともに、硬質皮膜の膜厚分布が悪くなる。一方、混合ガスAのノズル穴と混合ガスBのノズル穴が離れすぎると、ガス供給が不十分となり膜厚分布が悪くなる。そこで、一例として、図8に示すように、混合ガスAのノズル穴と回転軸(第1のパイプの軸心)からの距離をH1、混合ガスBのノズル穴と回転軸(第1のパイプの軸心)からの距離をH2とした場合、H2/H1は1.5以上であることが好ましい。
さらに、混合ガスAのノズル穴からのガス噴出方向と混合ガスBのノズル穴からのガス噴出方向は30度から90度ずれて配置することが好ましい。
Further, in the CVD furnace, a first pipe provided with a nozzle hole for introducing the mixed gas A into the reaction vessel and a nozzle hole for introducing the mixed gas B into the reaction vessel are provided as gas discharge parts. It has a second pipe. There are two second pipes, which are arranged so as to face the outside of one first pipe, and these pipes rotate at a speed of 2 to 5 rotations / minute around the axis of the first pipe. Is desirable.
Here, if the nozzle hole of the mixed gas A and the nozzle hole of the mixed gas B are too close to each other, a rapid reaction occurs, it becomes difficult to obtain a structure composed of aggregates of columnar particles, and the film thickness distribution of the hard film becomes difficult. become worse. On the other hand, if the nozzle hole of the mixed gas A and the nozzle hole of the mixed gas B are too far apart, the gas supply becomes insufficient and the film thickness distribution becomes poor. Therefore, as an example, as shown in FIG. 8, the distance from the nozzle hole of the mixed gas A and the rotating shaft (the axis of the first pipe) is H1, the nozzle hole of the mixed gas B and the rotating shaft (the first pipe). When the distance from the axis) is H2, H2 / H1 is preferably 1.5 or more.
Further, it is preferable that the gas ejection direction of the mixed gas A from the nozzle hole and the gas ejection direction of the mixed gas B from the nozzle hole are arranged so as to deviate from 30 degrees to 90 degrees.
以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
<被覆装置>
本実施例では、概略模式図として図6、図7及び図8に示す化学蒸着装置(CVD炉)1を用いた。この装置の概要を説明する。
CVD炉1は、円筒形のチャンバー2と、チャンバー2の周壁内部に設けられたヒータ3と、チャンバー2に多数のインサート基材(工具基材)20を設置する複数のインサート設置板4を有する反応容器5と、反応容器5の下部に設けられた接続経路11と予熱部である予熱チャンバー6を有する。
予熱チャンバー6は、
円筒状であってその下部に、ガス経路82から導入された塩化Crガス発生用の混合ガスを接続経路11を経由して予熱チャンバー6の径方向に分散させ、塩化Crガス発生室62(塩化ガス発生部)に導入する空間と、
この空間の直上に設けられ、予熱チャンバー6の外周にその円筒の外周が一致し中心部が円筒状の空間を有し、予熱チャンバー6と同心状の塩化Crガス発生室62と、
塩化Crガス発生室62の中心部の円筒状の空間に予熱チャンバー6と同心状に形成され、ガス経路81から導入された混合ガスa2を予熱する予熱室61(第1予熱部)と、
塩化Crガス発生室62と予熱室61の上部に位置し、後述する混合ガスa1と混合ガスa2とを混合して混合ガスAとする混合室63(混合部)と、
を有している。
また、予熱チャンバー6、すなわち、予熱室61の軸心部には、ガス経路91から導入された混合ガスBがその高さ方向に貫通する経路(第2予熱部)があり、この経路は予熱チャンバー6の上部でパイプ7の中心経路につながっており、これは、予熱部を通過する最短長さ(550mm)となっている。一方、混合室63で混合された混合ガスAの経路は、予熱チャンバー6の上部でパイプ7の2の外側経路につながるよう設けられている。
<Coating device>
In this embodiment, the chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) 1 shown in FIGS. 6, 7 and 8 was used as a schematic schematic diagram. The outline of this device will be described.
The
The preheating
A mixed gas for generating Cr chloride gas introduced from the
A Cr chloride
A preheating chamber 61 (first preheating unit) that is formed concentrically with the preheating
A mixing chamber 63 (mixing section) located above the Cr chloride
have.
Further, in the preheating
ガス経路82から導入された混合ガスは、予熱チャンバー6内の塩化Crガス発生室62に導入され、炉内温度である750℃以上となって同発生室内の金属Crと反応して塩化Crガスを含む混合ガスa1となり、混合室63に導入される。
そして、前記のとおり、混合ガスBはパイプ7の外側経路に導入され、ノズル穴91a、91bから反応容器5内に導入される。他方、ガス経路81、82から導入され予熱室61を貫通する反応ガスAは、パイプ7の中心経路に導入され、ノズル穴83a、83bから反応容器5内に導入される。
ここで、ノズル穴83a、83bとノズル穴91a、91bの位置関係は図8のガス噴出口断面図に示すように、ノズル穴91a、91bは、ノズル穴83a、83bよりもパイプ7の回転軸O1よりも外側に配置されており、ノズル穴91a、91bと回転軸O1からの距離をH2、ノズル穴83a、83bと回転軸O1からの距離をH1としたとき、H2/H1は2となっており、ノズル穴91a、91bの噴出方向とノズル穴83a、83bの噴出方向は90度の角度をなしている。
図7の12に示す、接続経路11と予熱チャンバー6及びパイプ7は、2回転/分の速度で回転するように構成されているが、図6、図7及び図8では、この回転に必要な構成の図示を省略している。
The mixed gas introduced from the
Then, as described above, the mixed gas B is introduced into the outer path of the
Here, as shown in the gas ejection port cross-sectional view of FIG. 8, the positional relationship between the nozzle holes 83a and 83b and the nozzle holes 91a and 91b is such that the nozzle holes 91a and 91b have a rotation axis of the
The
図6及び図7では、具体的な構成の図示を省略しているが、混合ガスa1を得るガス経路の長さと混合ガスa2を予熱するガス経路の長さとの合計の長さは、図7に示す13aと13bと13cの合計である混合ガスBを予熱するガス経路の長さの約4倍となるように構成されている。 Although the specific configuration is not shown in FIGS. 6 and 7, the total length of the length of the gas path for obtaining the mixed gas a1 and the length of the gas path for preheating the mixed gas a2 is shown in FIG. It is configured to be about four times the length of the gas path for preheating the mixed gas B, which is the sum of 13a, 13b, and 13c shown in 1.
≪基材≫
基材として、WC基超硬合金(10質量%のCo、0.6質量%のCr3C2、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(三菱日立ツール製のWDNW14520)と、WC基超硬合金(7質量%のCo、0.6質量%のCr3C2、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(ISO規格のSNMN120408)を用意した。
≪Base material≫
As the substrate, WC based cemented carbide (10 mass% of Co, 0.6 wt% of Cr 3 C 2, balance WC and inevitable impurities) manufactured by milling insert (manufactured by Mitsubishi Hitachi Tool WDNW14520) and , WC based cemented carbide (7 wt% of Co, 0.6 wt% of Cr 3 C 2, 2.2 wt% of ZrC, 3.3 wt% of TaC, 0.2 wt% NbC, balance WC And an insert for physical property evaluation (ISO standard SNMN120408) made of (consisting of unavoidable impurities) was prepared.
≪中間皮膜の被覆≫
実施例1〜3及び比較例1については、中間皮膜として窒化チタン皮膜を形成した。まず、基材を、図6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800℃に上昇させた。その後、800℃及び12KPaで、予熱チャンバー6のガス導入口からガス経路81を経て、83.1体積%のH2ガス、15.0体積%のN2ガス、1.9体積%のTiCl4ガスからなる混合ガスを予熱室62に導入し、パイプ7の第1のノズル穴83a、83bから67L/分の流量で反応容器5内に流して表1に示す膜厚の窒化チタン皮膜を形成した。
≪Coating of interlayer film≫
In Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, a titanium nitride film was formed as an intermediate film. First, the substrate was set in a
≪硬質皮膜の被覆≫
≪混合ガスa1を得る工程≫
H2ガスを流しながらCVD炉1内の圧力を4KPaに下げた後、図6に示す予熱チャンバー6のガス経路82に、400℃に保温したH2ガスとHClガスの混合ガスを導入した。
800℃に予熱した予熱チャンバー6の塩化Crガス発生室62は、Cr金属フレーク(純度99.99%,サイズ2mm〜8mm)が充填されており、ガス経路82より導入したH2ガスとHClガスの混合ガスと反応し、H2ガスと塩化Crガスの混合ガスである混合ガスa1を生成し、混合室63に導入した。
≪Covering of hard film≫
<< Process of obtaining mixed gas a1 >>
After reducing the pressure in the
The Cr chloride
≪混合ガスAを得て、ノズル穴から反応容器に導入する工程≫
予熱チャンバー6のガス導入口からガス経路81を経て、H2ガスとAlCl3ガスを混合した混合ガスa2を予熱室62に導入して予熱した。
そして、混合ガスa1と混合ガスa2を混合室63で混合して予熱室の温度である800℃近傍の温度となっている混合ガスAを得た。そして、得られた混合ガスAを、パイプ7の第1のノズル穴83a、83bから反応容器炉内に導入した。混合ガスAの合計流量は48.75L/分であった。
<< Process of obtaining mixed gas A and introducing it into the reaction vessel through the nozzle hole >>
A mixed gas a2, which is a mixture of H 2 gas and AlCl 3 gas, was introduced into the preheating
Then, the mixed gas a1 and the mixed gas a2 were mixed in the mixing
≪混合ガスBをノズル穴から反応容器に導入する工程≫
ガス経路91にH2ガスとN2ガス及びNH3ガスからなる混合ガスBを導入し、パイプ7の第2のノズル穴91a、91bから炉内に導入した。混合ガスBの合計流量は30.25L/分であった。
なお、ここで、NH3/(AlCl3+CrCl3)の値が、0.18〜0.39にあると、NH3ガスと、ハロゲンガスであるCrCl3ガスやAlCl3ガスの過剰反応をより一層確実に抑えることができ、AlとCrをベースとする窒化物を有する硬質皮膜を安定的に成膜することができる。
<< Process of introducing mixed gas B into the reaction vessel from the nozzle hole >>
A mixed gas B composed of H 2 gas, N 2 gas and NH 3 gas was introduced into the
Here, when the value of NH 3 / (AlCl 3 + CrCl 3 ) is in the range of 0.18 to 0.39, the excess reaction between the NH 3 gas and the halogen gas CrCl 3 gas or AlCl 3 gas is caused. It can be suppressed more reliably, and a hard film having a nitride based on Al and Cr can be stably formed.
こうして、実施例1〜3及び比較例1は中間皮膜の上に、化学蒸着法により、膜厚が約4μmのAlとCrの窒化物を被覆して被覆切削工具を製作した。ここで、比較例1は、本発明の硬質皮膜を作製するために不可欠なNH3/(H2+N2)の値が所定の範囲を満足せず、さらに、NH3/(AlCl3+CrCl3)の値も望ましい範囲を外れている。
なお、発生した塩化Crガス、AlCl3ガスの量は、塩化Crガス発生室に導入するHClガス量の1/3を塩化Crガス量として混合ガスの組成を求めた。成膜条件を表2に示す。
In this way, in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, a coated cutting tool was produced by coating the interlayer film with Al and Cr nitrides having a film thickness of about 4 μm by a chemical vapor deposition method. Here, in Comparative Example 1, the value of NH 3 / (H 2 + N 2 ), which is indispensable for producing the hard film of the present invention, does not satisfy a predetermined range, and further, NH 3 / (AlCl 3 + CrCl 3). The value of) is also out of the desired range.
As for the amount of generated Cr chloride gas and AlCl 3 gas, the composition of the mixed gas was determined by using 1/3 of the amount of HCl gas introduced into the Cr chloride gas generation chamber as the amount of Cr chloride gas. The film forming conditions are shown in Table 2.
比較例2は、アークイオンプレーティング装置を用いて被覆した。中間皮膜を設けず、Al70Cr30(数値は原子比率)の合金ターゲットを用いて、基材に印加する負圧のバイアス電圧を−100V、炉内に窒素ガスを導入して炉内圧力を3Pa、炉内温度を500℃として、で約4μmのAlとCrの窒化物を被覆して、被覆切削工具を製作した。 Comparative Example 2 was coated using an arc ion plating apparatus. Using an alloy target of Al70Cr30 (numerical value is atomic ratio) without providing an interlayer film, the bias voltage of the negative pressure applied to the base material is -100V, nitrogen gas is introduced into the furnace, and the pressure inside the furnace is 3Pa. A coated cutting tool was manufactured by coating about 4 μm of Al and Cr nitrides at an internal temperature of 500 ° C.
次に、実施例1〜3及び比較例1〜2について、硬質皮膜の組成、結晶構造の測定、切削性評価を下記のとおりに行った。 Next, with respect to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, the composition of the hard film, the measurement of the crystal structure, and the evaluation of machinability were performed as follows.
≪硬質皮膜の組成≫
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10KV、照射電流0.05A、及びビーム径0.5μmの条件で、物性評価用インサート(SNMN120408)の断面における窒化アルミクロミウム硬質皮膜の膜厚方向中心の任意の5箇所を測定して、得られた測定値の平均から硬質皮膜の組成を求めた。測定結果を表3に示す。
≪Composition of hard film≫
Cross section of insert for physical property evaluation (SNMN120408) using an electron probe microanalyzer (EPMA, JXA-8500F manufactured by JEOL Ltd.) under the conditions of an acceleration voltage of 10 KV, an irradiation current of 0.05 A, and a beam diameter of 0.5 μm. The composition of the hard film was determined from the average of the measured values obtained by measuring arbitrary 5 points at the center of the aluminum nitride hard film in the film thickness direction. The measurement results are shown in Table 3.
≪結晶構造の測定≫
X線回折装置(PANalytical社製のEMPYREAN)を用いて、管電圧45kV及び管電流40mAでCuKα1線(波長λ:0.15405nm)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て硬質皮膜の結晶構造を評価した。
≪Measurement of crystal structure≫
Using an X-ray diffractometer (EMPYREAN manufactured by PANalytical), CuKα1 line (wavelength λ: 0.15405 nm) was applied to the surface of the hard film on the rake face of the insert for physical property evaluation (SNMN120408) at a tube voltage of 45 kV and a tube current of 40 mA. The crystal structure of the hard film was evaluated by irradiation.
回折ピークの同定には、ICDDのX線回折データベースを利用した。fcc構造の窒化アルミクロミウム硬質皮膜はICDDにデータがないため、fcc構造の窒化アルミニウムのICDDファイルを代用して求めた。結果を図1〜5に示す。 The ICDD X-ray diffraction database was used to identify the diffraction peaks. Since there is no data in ICDD for the fcc-structured aluminum nitride chromium hard film, the ICDD file of fcc-structured aluminum nitride was used as a substitute. The results are shown in Figures 1-5.
≪切削評価≫
被覆したミーリング用インサートを、刃先交換式回転工具(ASRT5063R−4)に止めねじで装着し、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0.350mmを超えたときの総切削長さとし、それに至る加工時間を工具寿命として5分単位で測定した。加工条件を以下に示す。試験結果を表3に示す。
被削材: S55C(30HRC)
加工方法: ミーリング加工
インサート形状: WDNW140520
切削速度: 150m/分
回転数:毎分758回転
一刃当たりの送り: 2.05mm/tooth
送り速度:1554mm/分
軸方向の切り込み量: 1.0mm
径方向の切り込み量: 40mm
切削方法: 乾式切削
≪Cutting evaluation≫
The coated milling insert was attached to a rotary tool with a replaceable cutting edge (ASRT5063R-4) with a set screw, and the tool life of the hard film was evaluated under the following milling conditions. The flank wear width of the hard film was measured by observing with an optical microscope at a magnification of 100 times. The tool life was defined as the total cutting length when the maximum wear width of the flank exceeded 0.350 mm, and the machining time up to that point was measured in units of 5 minutes as the tool life. The processing conditions are shown below. The test results are shown in Table 3.
Work material: S55C (30HRC)
Processing method: Milling Insert shape: WDNW140520
Cutting speed: 150 m / min Rotation speed: 758 rpm Feed per blade: 2.05 mm / tooth
Feed rate: 1554 mm / min Axial depth of cut: 1.0 mm
Radial depth of cut: 40 mm
Cutting method: Dry cutting
実施例1〜3、比較例2は基材の表面に対して膜厚方向に成長した柱状粒子の集合から構成されていたが、比較例1は粒状粒子から構成されていた。
ここで、実施例1について説明を加える。図9、図10は、それぞれ、実施例1に係る硬質皮膜のTEM写真(倍率:2,000,000倍)、その概略模式線図である。図9、図10に示すように、実施例1に係る硬質皮膜は、積相構造からなる部分と単相構造からなる部分を有する結晶粒子が確認され、積層構造からなる部分と単相構造からなる部分を有する結晶粒子を有していうことができる。
Examples 1 to 3 and Comparative Example 2 were composed of a set of columnar particles grown in the film thickness direction with respect to the surface of the base material, while Comparative Example 1 was composed of granular particles.
Here, the first embodiment will be described. 9 and 10 are TEM photographs (magnification: 2,000,000 times) of the hard film according to Example 1, respectively, and schematic schematic diagrams thereof. As shown in FIGS. 9 and 10, in the hard film according to Example 1, crystal particles having a portion having a product phase structure and a portion having a single phase structure were confirmed, and the hard film according to the first embodiment consisted of a portion having a laminated structure and a single phase structure. It can be said that it has crystal particles having a portion thereof.
実施例1〜3は安定した摩耗形態を示し工具寿命も長くなった。一方、比較例1〜2は工具寿命が短くなった。
図1〜3に実施例1〜3のX線回折パターンをみると、実施例1〜3は、(311)面以降の高角側のピーク強度(カウント値)が大きくなっていることが確認される。TB/TAの値を評価したところ、本実施1〜3はTB/TAの値が0.40以上であり、相対的に高角度側のピーク強度が大きいことが確認された。これにより、実施例1〜3は高角度側のピーク強度が大きく、より優れた耐久性を示したと推定される。図4に比較例1のX線回折パターンを、図5に比較例2のX線回折パターンを示す。比較例1、2は、TB/TAの値が0.2以下であり、相対的に高角度側のピーク強度(カウント値)が小さいことが確認され、十分な耐久性を示さなかったと推定される。
Examples 1 to 3 showed a stable wear mode and a long tool life. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, the tool life was shortened.
Looking at the X-ray diffraction patterns of Examples 1 to 3 in FIGS. 1 to 3, it was confirmed that in Examples 1 to 3, the peak intensity (count value) on the high angle side after the (311) plane was large. NS. When the value of TB / TA was evaluated, it was confirmed that the value of TB / TA was 0.40 or more in the
1:化学蒸着装置(CVD炉)
2:チャンバー
3:ヒータ
4:インサート設置板
5:反応容器
5a:反応容器の開口部
6:予熱チャンバー(予熱部)
61:予熱室
62:塩化Crガス発生室
63:混合室
7:パイプ(ガス放出部)
83a,83b,91a,91b,92a,93a:ノズル穴(ガス噴出口)
81:混合ガスa2のガス経路
82:混合ガスa1となる混合ガスのガス経路
84:混合ガスのガス経路
91:混合ガスBのガス経路
92:混合ガスのガス経路
93:混合ガスのガス経路
10:排気パイプ
11:接続経路
12:成膜中回転部
13a:予熱チャンバー内の混合ガスBのガス経路
13b:接続経路内の混合ガスBのガス経路(縦方向)
13c:接続経路内の混合ガスBのガス経路(回転軸方向)
20:インサート基材
31:積層部分
32:単相部分
1: Chemical vapor deposition equipment (CVD furnace)
2: Chamber 3: Heater 4: Insert installation plate 5:
61: Preheating chamber 62: Cr chloride gas generation chamber 63: Mixing chamber 7: Pipe (gas release part)
83a, 83b, 91a, 91b, 92a, 93a: Nozzle hole (gas outlet)
81: Gas path of mixed gas a2 82: Gas path of mixed gas to be mixed gas a1 84: Gas path of mixed gas 91: Gas path of mixed gas B 92: Gas path of mixed gas 93: Gas path of mixed gas 10 : Exhaust pipe 11: Connection path 12: Rotating part during
13c: Gas path of mixed gas B in the connection path (rotational axis direction)
20: Insert base material 31: Laminated part 32: Single-phase part
Claims (2)
前記硬質皮膜は、半金属を含む金属元素の総量に対して、Alが60原子%以上、Crが10原子%以上を含み、AlとCrの合計の含有比率が90原子%以上の窒化物であり、
前記硬質皮膜は、基材の表面に対して膜厚方向に成長した柱状粒子の集合から構成され、
前記硬質皮膜は、fcc構造に起因する(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面及び(422)面にピーク強度を有し、前記結晶面に起因するピーク強度の合計をTA、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面及び(422)面に起因するピーク強度の合計をTBとした場合、TB/TAの値が0.40以上であることを特徴とする被覆切削工具。 A coated cutting tool that has a hard film on the surface of the base material.
The hard film is a nitride containing 60 atomic% or more of Al and 10 atomic% or more of Cr with respect to the total amount of metal elements including metalloids, and the total content ratio of Al and Cr is 90 atomic% or more. can be,
The hard film is composed of a collection of columnar particles grown in the film thickness direction with respect to the surface of the base material.
The hard film has a (111) plane, a (200) plane, a (220) plane, a (311) plane, a (222) plane, a (400) plane, a (331) plane, and a (420) plane due to the fcc structure. The (422) plane has a peak intensity, and the total peak intensity due to the crystal plane is the TA, (311) plane, (222) plane, (400) plane, (331) plane, (420) plane and (420) plane. 422) A coated cutting tool characterized in that the value of TB / TA is 0.40 or more when the total peak intensity due to the surface is TB.
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