特許 7486713 被覆工具

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-10

(45)【発行日】2024-05-20

(54)【発明の名称】被覆工具

(51)【国際特許分類】

   B23B 27/14 20060101AFI20240513BHJP

   C23C 16/34 20060101ALI20240513BHJP

   C23C 16/36 20060101ALI20240513BHJP

【ＦＩ】

B23B27/14 A

C23C16/34

C23C16/36

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2020211034

(22)【出願日】2020-12-21

(65)【公開番号】P2022097843

(43)【公開日】2022-07-01

【審査請求日】2023-08-02

(73)【特許権者】

【識別番号】000233066

【氏名又は名称】株式会社ＭＯＬＤＩＮＯ

(74)【代理人】

【識別番号】100208568

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 孔一

(74)【代理人】

【識別番号】100204526

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 靖

(74)【代理人】

【識別番号】100139240

【弁理士】

【氏名又は名称】影山 秀一

(72)【発明者】

【氏名】今井 真之

【審査官】増山 慎也

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／０７０１９５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－１０９２５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１５７３７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０９８１３０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１１－５０６１１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｂ ２７／１４

Ｂ２３Ｂ ５１／００

Ｂ２３Ｃ ５／１６

Ｃ２３Ｃ １６／３４、３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基材と該基材の表面に硬質皮膜を有する被覆工具であって、前記硬質皮膜は化学蒸着膜であり、前記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、Ｔｉの何れかまたは両方を含有する窒化物または炭窒化物のＡ層と、前記Ａ層の上に配置されるＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物とＡｌＴｉ窒化物または炭窒化物の積層皮膜からなるＢ層と、
前記Ｂ層のＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物とＡｌＴｉ窒化物または炭窒化物の間にＡｌＴｉＣｒ窒化物または炭窒化物
を有することを特徴とする被覆工具。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば、プレス加工用や鋳造用の金型、インサート等の切削工具に用いられる工具であって、化学蒸着膜のＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物とＡｌＴｉ窒化物または炭窒化物との積層皮膜を工具の表面に有する被覆工具に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、金型や切削工具等の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工具が用いられている。工具の中でも切削工具は加工負荷が大きい使用環境下で使用されている。
各種の硬質皮膜のなかでもＡｌＴｉ窒化物および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等の被覆工具に広く用いられている。

【0003】

ところで、実際に市場で販売されている被覆工具に適用されているＡｌＴｉ窒化物ついては物理蒸着法および化学蒸着法が適用されている。一方、ＡｌＣｒ窒化物については、実際に市場で販売されている被覆工具に適用されているのは物理蒸着法であり、化学蒸着法は用いられていないのが現状である。現在、化学蒸着法によるＡｌＣｒ窒化物を被覆工具に適用し、上市することは検討され始めている。例えば、本願出願人は柱状組織を微細化した化学蒸着膜のＡｌＣｒ窒化物を提案している（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開番号ＷＯ２０１９／０９８１３０号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

化学蒸着膜のＡｌＣｒ窒化物についてはまだ単層皮膜しか検討されていない。基本組成系であるＡｌＣｒ窒化物とＡｌＴｉ窒化物の積層皮膜が化学蒸着膜で達成できれば、適用領域の拡大や耐久性の改善等が期待される。化学蒸着法では、ＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物とＡｌＴｉ窒化物または炭窒化物の成膜に反応性が高いＮＨ_３ガスを用いるため、これらの積層皮膜を安定して形成することが難しく密着性も乏しい。
本発明は、化学蒸着膜であるＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物とＡｌＴｉ窒化物または炭窒化物の積層皮膜を設けた密着性に優れる被覆工具を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一実施形態に係る工具は、基材と該基材の表面に硬質皮膜を有する被覆工具であって、前記硬質皮膜は化学蒸着膜であり、前記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、Ｔｉの何れかまたは両方を含有する窒化物または炭窒化物のＡ層と、前記Ａ層の上に配置されるＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物とＡｌＴｉ窒化物または炭窒化物との積層皮膜からなるＢ層と、を有する。

【0007】

また、Ｂ層のＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物とＡｌＴｉ窒化物または炭窒化物の間にＡｌＴｉＣｒ窒化物または炭窒化物を有することが好ましい。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、化学蒸着膜であるＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物とＡｌＴｉ窒化物または炭窒化物の積層皮膜を設けた硬質皮膜の密着性に優れる被覆工具を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施例の硬質皮膜の断面観察写真の一例である。

【図2】実施例の硬質皮膜の被覆に用いたＣＶＤ装置の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明に係る硬質皮膜は化学蒸着膜である。一般的に、切削工具に適用される硬質皮膜は、物理蒸着法であるアークイオンプレーティング法あるいは化学蒸着法で被覆されている。物理蒸着法と化学蒸着法とでは被覆方法が異なるため、仮に同一組成であったとしても、硬質皮膜に含まれる不可避不純物や組織、皮膜特性が異なり得ることが知られている。すなわち、アークイオンプレーティング法ではターゲット成分を溶融するため、硬質皮膜に数マイクロメートルのターゲット成分からなるドロップレットが不可避的に含まれるが、化学蒸着法で被覆した硬質皮膜はドロップレットを含有しない。また、アークイオンプレーティング法ではイオン化したターゲット成分を基材に印加するバイアス電圧で引き寄せて被覆するため、硬質皮膜に圧縮応力が付与されるが、化学蒸着法は物理蒸着法よりも高温で被覆するため、化学蒸着法で被覆した硬質皮膜には引張応力が付与され易い。更に、一般的に化学蒸着法で被覆した硬質皮膜は、物理蒸着法で被覆した硬質皮膜よりも、基材との密着性が優れる傾向にあり、厚膜化も可能である。

【0011】

Ａ層は基材の表面に対して膜厚方向に成長した柱状粒子（柱状組織）の集合から構成されるＡｌと、Ｃｒ、Ｔｉの何れかまたは両方を含有する窒化物または炭窒化物である。柱状粒子のＡ層を設けることで積層皮膜が安定して形成され易くなる。
Ａ層は、ＡｌＴｉ、ＡｌＣｒ、ＡｌＣｒＴｉの窒化物または炭窒化物から選択して適用することができる。Ａ層とＢ層を同一組成系とすることで密着性が高まる。Ａ層は耐熱性により優れる窒化物であることが好ましい。Ａ層の平均膜厚は１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。

【0012】

Ａ層は金属元素の含有比率でＡｌの含有比率が最も多いことが好ましい。Ａｌの含有比率を高くすることで耐熱性が向上して被覆工具の耐久性が向上する。Ａ層は、金属元素の含有比率でＡｌの含有比率が５０原子％以上であることが好ましい。一方、Ａｌの含有比率が高くなり過ぎると、脆弱なｈｃｐ構造のＡｌＮが多くなり耐久性が低下する。そのためＡ層は、金属元素の含有比率でＡｌの含有比率が９０原子％以下とすることが好ましい。Ａ層はＣｒ、Ｔｉを合計で１０原子％以上５０原子％以下含有することが好ましい。

【0013】

Ｂ層はＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物とＡｌＴｉ窒化物または炭窒化物との積層皮膜である。基本組成系の膜種が積層することで被覆工具の耐久性が高まる。ＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物とＡｌＴｉ窒化物または炭窒化物との間にＡｌＴｉＣｒ窒化物または炭窒化物を設けることで積層皮膜の密着性が高まり好ましい。Ｂ層は耐熱性により優れる窒化物であることが好ましい。
なお、Ａ層に含有される窒化物、炭窒化物とＢ層に含有される窒化物、炭窒化物は物質名では重複するものがあるが、両層の界面を境に両層の組成は異なる。

【0014】

Ｂ層のＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物は、金属元素の含有比率でＡｌの含有比率が最も多いことが好ましい。Ａｌの含有比率を高くすることで耐熱性が向上して被覆工具の耐久性が向上する。Ｂ層のＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物は、金属元素の含有比率でＡｌの含有比率が５０原子％以上であることが好ましい。一方、Ａｌの含有比率が高くなり過ぎると、脆弱なｈｃｐ構造のＡｌＮが多くなり耐久性が低下する。そのためＢ層のＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物は、金属元素の含有比率でＡｌの含有比率が９０原子％以下とすることが好ましい。Ｂ層のＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物はＣｒを１０原子％以上５０原子％以下含有することが好ましい。

【0015】

Ｂ層のＡｌＴｉ窒化物または炭窒化物は、金属元素の含有比率でＡｌの含有比率が最も多いことが好ましい。Ａｌの含有比率を高くすることで耐熱性が向上して被覆工具の耐久性が向上する。Ｂ層のＡｌＴｉ窒化物または炭窒化物は、金属元素の含有比率でＡｌの含有比率が５０原子％以上であることが好ましい。一方、Ａｌの含有比率が高くなり過ぎると、脆弱なｈｃｐ構造のＡｌＮが多くなり耐久性が低下する。そのためＢ層のＡｌＴｉ窒化物または炭窒化物は、金属元素の含有比率でＡｌの含有比率が９０原子％以下とすることが好ましい。Ｂ層のＡｌＴｉ窒化物または炭窒化物はＴｉを１０原子％以上５０原子％以下含有することが好ましい。

【0016】

Ｂ層の個々の皮膜の平均膜厚は０．１μｍ以上３．０μｍ以下であることが好ましい。Ｂ層の総膜厚は１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。Ｂ層の組織は、柱状組織または粒状組織でもよい。Ｂ層の組織は柱状組織である方が耐久性により優れ好ましい。

【0017】

本発明の被覆工具は、基材とＡ層との間に、平均膜厚が０．２～１．０μｍの下地皮膜を設けてもよい。また、Ｂ層の上に別途硬質皮膜を設けてもよい。

【実施例】

【0018】

≪基材≫
基材として、ＷＣ基超硬合金（１０質量％のＣｏ、０．６質量％のＣｒ_３Ｃ_２、残部ＷＣおよび不可避的不純物）製のミーリング用インサートを用意した。

【0019】

≪硬質皮膜≫
まず、下地皮膜としてＴｉ窒化物を形成した。基材２０を、図２に示すヒータ３を有するＣＶＤ炉１内のチャンバー２の設置板４にセットし、Ｈ_２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℃および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、Ｈ_２ガス、Ｎ_２ガス、ＴｉＣｌ_４ガスからなる混合ガスを予熱室６１に導入し、パイプ７の第１のノズル穴８３ａ、８３ｂ（８３ｂは図示していない）から反応容器５内に導入して約０．５μｍ厚のＴｉ窒化物を形成した。

【0020】

次いで、Ａ層としてＡｌＴｉＣｒ窒化物を被覆した。
Ｈ₂ガスを流しながらＣＶＤ炉１内の圧力を４ＫＰａに下げた後、図２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。

【0021】

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ガスとＴｉＣｌ_４ガスを混合した混合ガスａ２を予熱室６1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。また、ガス経路９１にＨ₂ガスとＮ₂ガスおよび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から炉内に導入して、約３μｍ厚のＡｌＴｉＣｒ窒化物を被覆した。

【0022】

次いで、積層皮膜のＡｌＣｒ窒化物を被覆した。
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。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６1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。また、ガス経路９１にＨ₂ガスとＮ₂ガスおよび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から炉内に導入して、約０．５μｍ厚のＡｌＣｒ窒化物を被覆した。

【0023】

次いで、ＡｌＣｒＴｉ窒化物を被覆した。
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。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ガスとＴｉＣｌ_４ガスを混合した混合ガスａ２を予熱室６1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。また、ガス経路９１にＨ₂ガスとＮ₂ガスおよび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から炉内に導入して、約０．２μｍ厚のＡｌＣｒＴｉ窒化物を被覆した。

【0024】

次いで、ＡｌＴｉ窒化物を被覆した。
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ガスとＴｉＣｌ_４ガスを混合した混合ガスａ２を予熱室６1に導入して予熱した。そして、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。また、ガス経路９１にＨ₂ガスとＮ₂ガスおよび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から炉内に導入して、約０．５μｍ厚のＡｌＴｉ窒化物を被覆した。
その後、ＡｌＣｒ窒化物、ＡｌＣｒＴｉ窒化物、ＡｌＴｉ窒化物の被覆を数回繰り返して積層皮膜を被覆した。

【0025】

図１に本発明例の硬質皮膜の断面観察写真を示す。柱状組織であるＡ層の上にＢ層である積層皮膜が形成されていることが確認できる。
密着性の改善により基本組成系であるＡｌＣｒ窒化物とＡｌＴｉ窒化物の積層皮膜を化学蒸着膜で形成できたことで、被覆工具への適用が見込まれる。

【符号の説明】

【0026】

１ ＣＶＤ炉
２ チャンバー
３ ヒータ
４ 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
６１ 予熱室
６２ 塩化Ｃｒガス発生室
６３ 混合室
７ パイプ
８１ ガス経路
８２ ガス経路
８３ａ 第１のノズル穴
９１ ガス経路
９１ａ 第２のノズル穴
９２ｂ 第２のノズル穴
１０ 排気パイプ
１１ 接続流路
２０ 基材

【図1】

【図2】