JP2003305601A - Hard film-coated tool and its manufacturing method - Google Patents

Hard film-coated tool and its manufacturing method

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JP2003305601A JP2002109719A JP2002109719A JP2003305601A JP 2003305601 A JP2003305601 A JP 2003305601A JP 2002109719 A JP2002109719 A JP 2002109719A JP 2002109719 A JP2002109719 A JP 2002109719A JP 2003305601 A JP2003305601 A JP 2003305601A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hard film-coated tool exhibiting excellent wear resistance over a long period of time. <P>SOLUTION: This hard film-coated tool has at least a layer of a hard film formed on a metal base, having the following composition 1 or composition 2 and meeting the following requirements. Composition 1: (Ti<SB>1-a-b-c-d</SB>Al<SB>a</SB>Cr<SB>b</SB>Si<SB>c</SB>B<SB>d</SB>)(Cl<SB>-e</SB>N<SB>e</SB>) Requirements: 0.5≤a≤0.8, 0.06≤b, 0≤C≤0.1, 0≤d≤0.1, 0≤c+d≤0.1, a+b+c+d<1, 0.5≤e≤1 (where a, b, c and d are each atomic ratios of Al, Cr, Si and B, and e is the atomic ratio of N). Composition 2: (Ti<SB>a</SB>Al<SB>b</SB>V<SB>c</SB>)(C<SB>1-d</SB>N<SB>d</SB>) Requirements: 0.02≤a≤0.3, 0.5<b≤0.8, 0.05<c, 0.1≤b+c, a+b+c=1, 0.5≤d≤1 (where a, b and c are each atomic ratios of Ti, Al, and V, and d is the atomic ratio of N). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、基材に硬質皮膜の
形成された硬質皮膜被覆工具に関するものであり、詳細
には、優れた耐摩耗性を長期間に渡って発揮する硬質皮
膜被覆工具に関する。尚、本発明の硬質皮膜被覆工具
は、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼等を基材
としたエンドミル、ドリル、チップまたはホブ等の歯切
り工具や、打ち抜きパンチ、スリッターカッター、押し
出しダイス、鍛造ダイス等を含む塑性加工用治具として
広く適用できるが、以下では、代表的な用途例として切
削工具に用いた場合について説明する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hard film coated tool having a hard film formed on a base material, and more specifically, a hard film coated tool which exhibits excellent wear resistance over a long period of time. Regarding Incidentally, the hard coating tool of the present invention is a cemented carbide, an end mill having a base material such as cermet or high speed tool steel, a drill, a gear cutting tool such as a tip or a hob, a punch, a slitter cutter, an extrusion die, Although it can be widely applied as a jig for plastic working including a forging die and the like, a case where it is used for a cutting tool will be described below as a typical application example.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、超硬合金、サーメットまたは
高速度工具鋼等を基材とする切削工具の耐摩耗性を向上
させることを目的に、TiNやTiCN、TiAlN等
の硬質皮膜をコーティングすることが行われている。特
に、TiとAlの複合窒化皮膜(以下、TiAlNと記
す)が、優れた耐摩耗性を示すことから、前記チタンの
窒化物や炭化物、炭窒化物等からなる皮膜に代わって高
速切削用や焼き入れ鋼等の高硬度材切削用の切削工具に
適用されつつある。
2. Description of the Related Art Conventionally, a hard coating such as TiN, TiCN, or TiAlN is coated for the purpose of improving the wear resistance of a cutting tool based on cemented carbide, cermet or high speed tool steel. Is being done. In particular, since a composite nitride film of Ti and Al (hereinafter referred to as TiAlN) exhibits excellent wear resistance, it can be used for high-speed cutting instead of the film made of titanium nitride, carbide, carbonitride, etc. It is being applied to cutting tools for cutting hardened materials such as hardened steel.

【0003】例えば特許第3165658号には、高速
度工具鋼の刃を備えたホブを用いて歯形を形成する歯車
加工方法において、該ホブの表面に、 (Ti(1-x)Alx)(Ny(1-y))、 0.2≦x≦0.85、0.25≦y≦1.0なる組成
の硬質皮膜を形成したものを用いれば、切削油剤を用い
ずに切削速度80超〜400m/分でドライカットを行
えることが示されており、前記xが0.5付近、前記y
が1.0付近で最も摩耗が少なく、yが小さくなると耐
酸化性が劣化することが示されている。
For example, in Japanese Patent No. 3165658, in a gear machining method for forming a tooth profile by using a hob provided with a blade of high speed tool steel, (Ti (1-x) Al x ) ( N y C (1-y) ), 0.2 ≤ x ≤ 0.85, 0.25 ≤ y ≤ 1.0 If a hard coating is used, the cutting speed can be improved without using a cutting fluid. It has been shown that dry cutting can be performed at over 80 to 400 m / min.
It is shown that the abrasion resistance is the smallest in the vicinity of 1.0, and the oxidation resistance deteriorates when y becomes small.

【0004】しかしながら、前記TiAlCN膜は、よ
り高速での歯車加工といった過酷な使用環境で長期間用
いるには性能が不十分である。また高速度工具鋼等の鉄
系材料を基材とした場合には、上記TiAlCN膜に対
する密着性が超硬合金基材と比較して劣る傾向にあるこ
とから、上記TiAlCN膜の剥離を抑制するには、高
速度工具鋼等の鉄系材料からなる基材とTiAlCN膜
の密着性向上を図る必要がある。更に高速度工具鋼を基
材とする切削工具は、表面の硬質皮膜が摩耗すると、化
学エッチング処理を施して該硬質皮膜を除去したのち再
コーティング処理を行い、繰り返し使用される場合があ
るが、上記TiAlCN膜は耐食性が良好であるため、
除去し難いといった問題点を有する。
However, the TiAlCN film is insufficient in performance for long-term use in a severe operating environment such as gear machining at a higher speed. Further, when an iron-based material such as high-speed tool steel is used as the base material, the adhesion to the TiAlCN film tends to be inferior to that of the cemented carbide base material, and thus the peeling of the TiAlCN film is suppressed. Therefore, it is necessary to improve the adhesion between the base material made of an iron-based material such as high speed tool steel and the TiAlCN film. Further, a cutting tool having a high speed tool steel as a base material, when the hard coating on the surface is worn, a chemical etching treatment is performed to remove the hard coating and then a recoating treatment, which may be repeatedly used. Since the TiAlCN film has good corrosion resistance,
There is a problem that it is difficult to remove.

【0005】また特開平2000−1768号には、摺
動特性と耐摩耗性を兼備させるべく、4a、5a、6a
族およびAl、Si、B、Cから選択される一種以上の
元素とB、C、N、Oから選択される1種以上の元素か
ら構成される単層または2層以上の積層皮膜からなる下
地層の上に、MoS2あるいはMoS2を主体とする化合
物をスパッタリング法で形成することが示され、前記M
oS2を主体とする化合物には、4a、5a、6a族の
元素を0.5〜10at%含有させるのがよく、また前
記下地層としてTiNやTiCN、CrNを用いればよ
いことが示されている。
Further, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-1768, 4a, 5a, 6a are provided so as to have both sliding characteristics and wear resistance.
A single or two or more layered film composed of a group and one or more elements selected from Al, Si, B and C and one or more elements selected from B, C, N and O It is shown that MoS 2 or a compound mainly composed of MoS 2 is formed on the formation by a sputtering method.
It has been shown that the compound mainly composed of oS 2 should contain 0.5 to 10 at% of the elements of the 4a, 5a, and 6a groups, and that TiN, TiCN, or CrN should be used as the underlayer. There is.

【0006】上記技術では、固体潤滑皮膜としてMoS
2またはMoS2を主体とする化合物を用いているが、M
oS2は硬度の低い化合物であることから潤滑皮膜とし
ての寿命が短く、結果として工具等の寿命も短く長期間
の使用に耐えられない。また下地層であるTiNやTi
CN、CrNは、耐酸化性や硬度が低いため、良好な耐
摩耗性が要求されている切削工具等に適用するにあたっ
ては改善の余地を有する。
In the above technique, MoS is used as the solid lubricating coating.
2 or a compound mainly composed of MoS 2 is used.
Since oS 2 is a compound having a low hardness, it has a short life as a lubricating film, and as a result, the life of tools and the like is too short to withstand long-term use. In addition, TiN or Ti which is the underlayer
Since CN and CrN have low oxidation resistance and hardness, there is room for improvement when applied to cutting tools and the like that require good wear resistance.

【0007】ドイツ特許(DE)第19816491号
には、ドライ切削工具等に適用すべくTi、Zr、N
b、Cr、TiAlおよび/またはTiNbの1種以上
よりなる窒化物、炭化物、炭窒化物の単層膜上または多
層膜上に、金属元素(Me)を含むDLC(ダイヤモン
ドライクカーボン)膜を形成することが示されており、
前記金属元素(Me)としてW、Ti、Nb、Zrまた
はCrを用い、該金属成分が基材側から表面にかけて増
加するよう濃度勾配を設けるのがよいことが示されてい
る。
German Patent (DE) 19816491 describes Ti, Zr, N for use in dry cutting tools and the like.
Forming a DLC (diamond-like carbon) film containing a metal element (Me) on a single-layer film or a multi-layer film of a nitride, a carbide, or a carbonitride made of one or more of b, Cr, TiAl and / or TiNb. Has been shown to
It has been shown that it is preferable to use W, Ti, Nb, Zr or Cr as the metal element (Me) and to provide a concentration gradient so that the metal component increases from the base material side to the surface.

【0008】またドイツ特許(DE)第1952355
0号には、TiAlN、TiAlYNまたはTiAlC
rNの単層膜上または多層膜上にMoS2を形成後、機
械的に表面を研磨し、クレータ部のみにMoS2を残留
させることが示されている。しかしながら上述した通
り、MoS2は硬度が低く、かつ基材との密着性にも劣
るので優れた摺動特性を発揮し得ない。
German patent (DE) 1952355
No. 0 has TiAlN, TiAlYN or TiAlC
It has been shown that after MoS 2 is formed on a rN single-layer film or a multi-layer film, the surface is mechanically polished so that MoS 2 remains only in the crater portion. However, as described above, MoS 2 has a low hardness and is inferior in adhesiveness to the base material, and therefore cannot exhibit excellent sliding characteristics.

【0009】米国特許第5707748号には、硬質皮
膜層が基材上に設けられ、摩擦係数低減層として金属炭
化物とC(炭素)の混合層を該硬質皮膜層上に形成され
た工具が提案されており、硬質皮膜層と摩擦係数低減層
の粒径は平均1μm以下とし、摩擦係数低減層の厚みを
硬質皮膜層の厚み以下とすることが示されている。前記
硬質皮膜層として本質的にTi、Hf、Zrまたはこれ
らの合金の窒化物、炭化物、炭窒化物からなるものが示
されており、前記摩擦係数低減層としてはWまたはCr
を含むものが示され、W−Cの組み合わせの場合にはC
量を61原子%以上とすることがよい旨示されている。
US Pat. No. 5,707,748 proposes a tool in which a hard coating layer is provided on a base material, and a mixed layer of metal carbide and C (carbon) is formed as a friction coefficient reducing layer on the hard coating layer. It is disclosed that the average particle size of the hard coating layer and the friction coefficient reducing layer is 1 μm or less, and the thickness of the friction coefficient reducing layer is not more than the thickness of the hard coating layer. The hard coating layer is essentially composed of nitride, carbide, or carbonitride of Ti, Hf, Zr or their alloys, and the friction coefficient reducing layer is W or Cr.
Is included, and in the case of the W-C combination, C
It is suggested that the amount should be 61 atomic% or more.

【0010】しかしながら上記技術は、硬質皮膜につい
て十分に検討されているものでなく、加工の高速化・高
能率化といった要求に対し、工具の更なる耐摩耗性向上
を図るには硬質皮膜について更なる検討を要する。
However, the above technique has not been sufficiently studied for hard coatings, and in order to further improve the wear resistance of the tool, it is necessary to further improve the hard coatings in response to the demand for high-speed and high-efficiency machining. Will need to be examined.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような事
情に鑑みてなされたものであって、その目的は、高速・
高能率加工が可能であり、かつ公知のTiAlCN膜よ
りも優れた耐摩耗性を長期間に渡って発揮する硬質皮膜
被覆工具、使用皮膜を除去して繰り返し使用される工具
に好適な硬質皮膜被覆工具、および鉄基合金やアルミ基
合金、チタン基合金等といった溶着しやすい材料を対象
に、ドライまたはセミドライ加工を行う場合において、
長期間に渡り効率の良い切削を可能とした硬質皮膜被覆
工具、更にはこの様な硬質皮膜被覆工具を得るための有
用な製造方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such circumstances, and its purpose is to achieve high speed
A hard film coating tool capable of high-efficiency processing and exhibiting wear resistance superior to known TiAlCN films for a long period of time, and a hard film coating suitable for tools repeatedly used after removing the used film. When performing dry or semi-dry processing on tools and materials that are easily welded, such as iron-based alloys, aluminum-based alloys, and titanium-based alloys,
It is an object of the present invention to provide a hard film-coated tool that enables efficient cutting over a long period of time and a useful manufacturing method for obtaining such a hard film-coated tool.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明にかかる硬質皮膜
被覆工具は、金属基材上に、下記組成1または組成2の
要件を満たす硬質皮膜が少なくとも1層形成されている
ところに特徴を有するものであり、前記硬質皮膜の残留
圧縮応力は8GPa以下であることが好ましい。
The hard coating tool according to the present invention is characterized in that at least one hard coating satisfying the requirements of the following composition 1 or composition 2 is formed on a metal substrate. The residual compressive stress of the hard coating is preferably 8 GPa or less.

【0013】<組成1> (Ti1-a-b-c-d Ala Crb Sic d)(C
1-ee) 0.5≦a≦0.8、 0.06≦b、 0≦c≦0.1、 0≦d≦0.1、 0≦c+d≦0.1、 a+b+c+d<1、 0.5≦e≦1 (a,b,c,dはそれぞれAl,Cr,Si,Bの原
子比を示し、eはNの原子比を示す。以下同じ)
[0013] <Composition 1> (Ti 1-abcd Al a Cr b Si c B d) (C
1-e N e ) 0.5 ≦ a ≦ 0.8, 0.06 ≦ b, 0 ≦ c ≦ 0.1, 0 ≦ d ≦ 0.1, 0 ≦ c + d ≦ 0.1, a + b + c + d <1, 0.5 ≦ e ≦ 1 (a, b, c and d represent the atomic ratios of Al, Cr, Si and B, respectively, and e represents the atomic ratio of N. The same applies hereinafter.)

【0014】<組成2> (Tia Alb c)(C1-dd) 0.02≦a≦0.3、 0.5<b≦0.8、 0.05<c、 0.7≦b+c、 a+b+c=1、 0.5≦d≦1 (a,b,cはそれぞれTi,Al,Vの原子比を示
し、dはNの原子比を示す。以下同じ)
<Composition 2> (Ti a Al b V c ) (C 1-d N d ) 0.02 ≦ a ≦ 0.3, 0.5 <b ≦ 0.8, 0.05 <c, 0 .7 ≦ b + c, a + b + c = 1, 0.5 ≦ d ≦ 1 (a, b, and c represent atomic ratios of Ti, Al, and V, and d represents atomic ratio of N. The same applies hereinafter).

【0015】前記金属基材と前記硬質皮膜の間には、下
記組成を満たす第1中間膜が少なくとも1層形成されて
いることを好ましい形態とする。 (Ti1-xAlx)(C1-yy) 0≦x≦0.25、 0.5≦y≦1 (xはAlの原子比を示し、yはNの原子比を示す。以
下同じ)
It is preferable that at least one layer of a first intermediate film satisfying the following composition is formed between the metal substrate and the hard film. (Ti 1-x Al x ) (C 1-y N y ) 0 ≦ x ≦ 0.25, 0.5 ≦ y ≦ 1 (x represents the atomic ratio of Al and y represents the atomic ratio of N. same as below)

【0016】また前記金属基材の表面に、予め第2中間
膜としてTi及び/又はCrを含む金属層または合金層
が少なくとも1層形成されているものも本発明の好まし
い形態である。
It is also a preferred embodiment of the present invention that at least one metal layer or alloy layer containing Ti and / or Cr is previously formed as a second intermediate film on the surface of the metal base material.

【0017】更に本発明は、最表面皮膜として、被加工
材に対する摩耗係数が、当該硬質皮膜の被加工材に対す
る摩耗係数よりも小さい固体潤滑膜が形成されている硬
質皮膜被覆工具も含む。該固体潤滑膜としては、W、C
r、Ti、Moよりなる群から選択される少なくとも1
種を30原子%以下含有し、残部はCを主体であるもの
を用いるのがよい。
Further, the present invention also includes a hard coating tool in which a solid lubricating film having a wear coefficient for the material to be processed smaller than that of the hard coating for the material to be processed is formed as the outermost surface coating. As the solid lubricating film, W, C
at least 1 selected from the group consisting of r, Ti, and Mo
It is preferable to use the one containing 30% by atom or less of the seed and the balance being mainly C.

【0018】この様に固体潤滑膜を形成した硬質皮膜被
覆工具は、鉄基合金、アルミ基合金、チタン基合金また
は銅基合金を被加工材とする場合に有用であり、また、
ドライ切削用またはセミドライ切削用の工具として用い
れば、その特性を十分に発揮し得る。
The hard film-coated tool having the solid lubricating film thus formed is useful when an iron-based alloy, an aluminum-based alloy, a titanium-based alloy or a copper-based alloy is used as a workpiece, and
When used as a tool for dry cutting or semi-dry cutting, the characteristics can be sufficiently exhibited.

【0019】前記金属基材としては鉄系合金基材を用い
ることができ、好ましくは焼き戻しを500℃以上で行
った鉄系合金基材を用いる。また、前記固体潤滑材を形
成してドリル等の工具に適用するにあたっては、前記金
属基材として超硬合金基材を用いることが好適である。
An iron-based alloy base material can be used as the metal base material, and preferably an iron-based alloy base material tempered at 500 ° C. or higher is used. Further, when forming the solid lubricant and applying it to a tool such as a drill, it is preferable to use a cemented carbide base material as the metal base material.

【0020】本発明の硬質皮膜被覆工具は、特にホブ、
ドリル又はエンドミルといった切削工具に用いれば、従
来の切削工具と比較して優れた耐摩耗性を長期間に渡っ
て発揮するものであることが分かる。
The hard coating tool of the present invention is particularly suitable for hobs,
It can be seen that when used for a cutting tool such as a drill or an end mill, it exhibits superior wear resistance over a long period of time as compared with a conventional cutting tool.

【0021】基材が鉄系合金基材である硬質皮膜被覆工
具を製造するにあたっては、アークイオンプレーティン
グ法を採用し、基材温度を350℃〜520℃の範囲内
にして前記硬質皮膜を形成することが、工具の機械的特
性を確保する観点から推奨される。
In producing a hard film-coated tool whose base material is an iron-based alloy base material, an arc ion plating method is adopted, and the base material temperature is set within the range of 350 ° C to 520 ° C. Forming is recommended from the viewpoint of ensuring the mechanical properties of the tool.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】本発明ではより高速化・高能率化
の要求されている塑性加工用治具として、下記に規定す
る硬質皮膜を金属基材上に被覆したものを用いれば、優
れた耐摩耗性を長期間発揮することが分かった。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the present invention, as a jig for plastic working for which higher speed and higher efficiency are required, it is excellent if a hard coating defined on a metal base material is used. It was found that the wear resistance was exhibited for a long time.

【0023】また硬質皮膜と金属基材の密着性をより高
めるにあたっては、応力制御が重要であり、最適な応力
状態を確保するには、皮膜の製造方法を制御すればよい
ことや規定の中間膜を形成すればよいことがわかった。
また、工具を繰り返し使用すべく、使用皮膜の除去・再
コーティング処理を容易なものとするにあたっては、本
発明で規定する中間膜を設ければよいことがわかった。
Further, stress control is important in order to further improve the adhesion between the hard coating and the metal substrate, and in order to secure the optimum stress state, it suffices to control the manufacturing method of the coating and the intermediate point of the regulation. It was found that a film should be formed.
Further, it has been found that the intermediate film defined in the present invention may be provided in order to facilitate the removal and recoating of the used film so that the tool can be repeatedly used.

【0024】更に、本発明の硬質皮膜上に規定の固体潤
滑膜を形成すれば、過酷な使用環境下でも、従来のTi
AlCN膜より優れた耐摩耗性を長期間発揮できること
がわかり、本発明に想到した。
Further, by forming a specified solid lubricating film on the hard film of the present invention, the conventional Ti film can be used even in a severe environment.
It was found that the wear resistance superior to that of the AlCN film can be exhibited for a long time, and the present invention was conceived.

【0025】以下、本発明で工具を構成する皮膜や基
材、および皮膜形成(成膜)にあたって好ましい製造条
件を規定した理由について説明する。
Hereinafter, the coating and the base material constituting the tool in the present invention, and the reason for defining the preferable manufacturing conditions for forming the coating (film formation) will be described.

【0026】<硬質皮膜について>本発明者らは、従来
より公知である(Ti(1-x)Alx)(Ny(1-y))膜
(以下、TiAlCN膜と略す)のTiの一部をCrあ
るいはVで置換し、必要に応じてSi、Bを添加すれ
ば、前記TiAlCN膜に比べて高硬度となり、切削特
性が格段に優れることを見出し、既に出願している(特
願2001−287587号等:但し未公開)。
[0026] <Regarding hard film> The present inventors have, Ti of a conventionally known (Ti (1-x) Al x) (N y C (1-y)) film (hereinafter, abbreviated as TiAlCN film) It has been found that if a part of the above is replaced with Cr or V, and Si and B are added if necessary, the hardness becomes higher than that of the TiAlCN film, and the cutting characteristics are remarkably excellent, and the application has already been made. Japanese Patent Application No. 2001-287587, etc .: However, unpublished).

【0027】これらの皮膜の特徴は、Tiの一部をCr
あるいはVで置換することで、より高いAl濃度を維持
でき、高硬度相である立方晶岩塩型構造を実現できた点
にある。例えば前記TiAlCN膜の場合、含有するA
l量は60〜65原子%(金属成分に占める割合)が限
度であり、それを超えると構造が軟質な六方晶に転移す
ることが知られている。これに対し、本発明の皮膜はA
l量を60原子%以上、更には65原子%以上としても
立方晶岩塩型構造を維持することができ、その結果高硬
度の皮膜が得られるのである。以下に、本発明の工具に
被覆する硬質皮膜の組成を規定した理由を述べる。
The characteristics of these films are that a part of Ti is Cr
Alternatively, by substituting with V, it is possible to maintain a higher Al concentration and realize a cubic rock salt type structure having a high hardness phase. For example, in the case of the TiAlCN film, the content of A
It is known that the amount of 1 is limited to 60 to 65 atom% (ratio in the metal component), and if it exceeds the limit, the structure is transformed into a hexagonal crystal having a soft structure. On the other hand, the film of the present invention is A
Even if the amount of 1 is 60 atomic% or more, and further 65 atomic% or more, the cubic rock salt type structure can be maintained, and as a result, a film of high hardness can be obtained. The reasons for defining the composition of the hard coating to be coated on the tool of the present invention will be described below.

【0028】硬質皮膜の「組成1」について TiAlNは岩塩構造型の結晶であり、岩塩構造型のT
iNのTiサイトにAlが置換して入った岩塩構造型の
複合窒化物である。岩塩構造型のAlNは高温高圧相で
あるため、高硬度物質であると予想される。したがって
岩塩構造を維持しながらTiAlN中のAlの比率を高
めればTiAlN膜の硬度を高めることができる。しか
しながら岩塩構造型のAlNは、常温常圧や高温低圧で
は非平衡相であることから、気相コーティングを行って
も通常は軟質のZnS型AlNしか生成せず、岩塩構造
型AlN単体を生成することができない。
Regarding "composition 1" of the hard coating, TiAlN is a crystal of rock salt structure type and T of rock salt structure type.
It is a rock salt structure type composite nitride in which Ti site of iN is substituted with Al. Since rock salt structure type AlN is a high temperature and high pressure phase, it is expected to be a high hardness material. Therefore, if the ratio of Al in TiAlN is increased while maintaining the rock salt structure, the hardness of the TiAlN film can be increased. However, since rock salt structure type AlN is a non-equilibrium phase at room temperature and normal pressure and high temperature and low pressure, normally only soft ZnS type AlN is generated even if vapor phase coating is performed, and rock salt structure type AlN simple substance is generated. I can't.

【0029】ところがTiNは、岩塩構造型でかつ岩塩
構造型のAlNと格子定数が近いため、TiにAlを添
加して窒化物を成膜すれば、TiNの構造にAlNが引
き込まれ、常温常圧や高温低圧でも岩塩構造型のTiA
lNを生成させることができるのである。しかし前述し
たように、TiAlNを(Alx,Ti1-x)Nと表現し
た場合のAlの組成比xが0.6〜0.7を超えると、
TiNによる引き込み効果が弱くなって軟質のZnS型
AlNが析出する。
However, since TiN is a rock salt structure type and has a lattice constant close to that of rock salt structure type AlN, if Al is added to Ti to form a nitride film, AlN is drawn into the structure of TiN and is kept at room temperature. Rock salt structure type TiA under high pressure and high temperature and low pressure
It is possible to generate 1N. However, as described above, when the composition ratio x of Al when TiAlN is expressed as (Al x , Ti 1-x ) N exceeds 0.6 to 0.7,
The pulling effect of TiN is weakened and soft ZnS-type AlN precipitates.

【0030】ところでCrNの格子定数は、TiNより
も更に岩塩構造型AlNに近いため、TiAlNのTi
を一部Crに置換することで岩塩構造型AlNの比率を
より一層高めることができる。この様にCr添加により
膜中の岩塩構造型AlNの比率を高めることができれ
ば、TiAlN膜よりも高硬度とすることが可能であ
る。
By the way, since the lattice constant of CrN is closer to that of rock salt structure type AlN than that of TiN, the Ti of TiAlN is
By partially substituting Cr with Cr, the ratio of rock salt structure type AlN can be further increased. If the ratio of rock salt structure type AlN in the film can be increased by adding Cr in this way, the hardness can be made higher than that of the TiAlN film.

【0031】一方、TiAlNにSiを添加して硬度、
耐酸化性を高めることが特開平7−310174号公報
に開示されているが、該公報では、Alを原子比で0.
75以下、Siを原子比で0.1以下に規定しており、
Al及びSiが上記範囲を超えると皮膜が軟質な六方晶
構造に変化すると示されていることから、更に耐酸化性
を高めることは不可能であった。本発明者等は、TiA
lN膜にCrを添加し、更にSiを添加することによ
り、岩塩構造型を維持したまま耐酸化性を向上させ、か
つ硬度を増加させることができることを見出した。Si
の挙動に関して詳細な解析はなされていないが、前述の
TiAlNにおけるAlと同様の挙動、即ちTiN格子
中のTiの格子位置に置換されて入っていると推定され
る。
On the other hand, by adding Si to TiAlN, the hardness,
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-310174 discloses that oxidation resistance is improved. In this publication, Al is used in an atomic ratio of 0.
75 or less, and the atomic ratio of Si is specified to be 0.1 or less,
It has been shown that when Al and Si exceed the above range, the film changes to a soft hexagonal structure, so that it is impossible to further increase the oxidation resistance. The present inventors
It has been found that by adding Cr and further Si to the 1N film, it is possible to improve the oxidation resistance and increase the hardness while maintaining the rock salt structure type. Si
Although a detailed analysis has not been made on the behavior of the above, it is presumed that the behavior is similar to that of Al in TiAlN described above, that is, the TiN lattice is substituted with the Ti lattice position.

【0032】尚、AlN、CrNおよびSi−N化合物
は、耐酸化性もTiNより優れているため、耐酸化性向
上の観点からも、Tiの割合を減らしてAl、Crおよ
びSiを添加することが好ましい。
Since AlN, CrN and Si-N compounds also have better oxidation resistance than TiN, it is necessary to reduce the proportion of Ti and add Al, Cr and Si from the viewpoint of improving the oxidation resistance. Is preferred.

【0033】以下、本発明の(Ti1-a-b-c-d Ala
b Sic d)(C1-ee)皮膜を構成するTi,A
l,Cr,Si,B,CおよびNの原子比にかかるa、
b、c、dおよびeを規定した理由について詳細に述べ
る。
The (Ti 1-abcd Al a C of the present invention is described below.
r, B, c, Bd ) (C 1-e Ne ) Ti, A constituting the film
a depending on the atomic ratio of 1, Cr, Si, B, C and N,
The reason for defining b, c, d and e will be described in detail.

【0034】まずAlについては、耐酸化性および硬度
を確保するため、原子比aの下限を0.5とした。また
Alの原子比aの上限を0.8と定めたのは、これを超
えると軟質な六方晶が析出し、皮膜の硬度が低下するか
らである。
First, for Al, the lower limit of the atomic ratio a was set to 0.5 in order to secure oxidation resistance and hardness. The upper limit of the atomic ratio a of Al is set to 0.8 because if it exceeds this, soft hexagonal crystals are precipitated and the hardness of the film is reduced.

【0035】Crを添加することで、上述した様に岩塩
構造型を維持したままAl含有量を増加させることがで
きるのであり、この様な効果を発揮させるため、Crの
原子比bの下限を0.06とした。
By adding Cr, the Al content can be increased while maintaining the rock salt structure type as described above, and in order to exert such an effect, the lower limit of the atomic ratio b of Cr is set. It was set to 0.06.

【0036】Alの原子比aは0.55以上であること
が好ましく、より好ましくは0.60以上である。また
Crの原子比bの下限は0.08であることが好まし
い。図1は、(Ti,Al,Cr)N膜における金属成
分Ti、AlおよびCrの組成図を示したものである
が、この図1におけるCr原子比(b)=4(Al原子
比−0.75)のラインより左側、即ち、Cr原子比
(b)<4(Al原子比−0.75)になると、Crを
添加しても膜中のAlNの結晶構造は軟質のZnS型の
割合が高くなることから、膜の硬度は急激に低下する。
従って、Alの原子比aが0.765を超える場合に
は、Cr原子比(b)の割合をb≧4(Al原子比−
0.75)とするのが好ましい。またCrNはTiNと
比較して硬度が小さく、過度に添加すると硬度の低下を
招くことから、Crの原子比bの上限は0.35である
ことが好ましく、より好ましくは0.3である。
The atomic ratio a of Al is preferably 0.55 or more, more preferably 0.60 or more. The lower limit of the atomic ratio b of Cr is preferably 0.08. FIG. 1 is a composition diagram of the metal components Ti, Al and Cr in the (Ti, Al, Cr) N film. The Cr atomic ratio (b) = 4 (Al atomic ratio -0 in FIG. 1). .75) on the left side, that is, when the Cr atomic ratio (b) <4 (Al atomic ratio -0.75), the crystal structure of AlN in the film is a soft ZnS type ratio even if Cr is added. , The hardness of the film decreases sharply.
Therefore, when the atomic ratio a of Al exceeds 0.765, the ratio of the Cr atomic ratio (b) is b ≧ 4 (Al atomic ratio-
0.75) is preferable. CrN has a smaller hardness than TiN, and if added excessively, the hardness is lowered. Therefore, the upper limit of the atomic ratio b of Cr is preferably 0.35, and more preferably 0.3.

【0037】Siは、上述した様に耐酸化性を向上させ
る効果を有し、またBも同様の効果を有するので、耐酸
化性を向上させる観点からSiおよび/またはBを原子
比(c+d)で0.01以上添加することが好ましい。
更に好ましくは0.02以上である。一方、Siおよび
/またはBの割合が多すぎると、軟質な六方晶構造が析
出し耐摩耗性が損なわれるため、Siおよび/またはB
の原子比:c、dまたは(c+d)の上限を0.1とす
る。好ましくは0.07以下であり、より好ましくは
0.05以下である。
Si has the effect of improving the oxidation resistance as described above, and B has the same effect. Therefore, from the viewpoint of improving the oxidation resistance, Si and / or B have an atomic ratio (c + d). It is preferable to add 0.01 or more.
More preferably, it is 0.02 or more. On the other hand, if the proportion of Si and / or B is too large, a soft hexagonal crystal structure is deposited and the wear resistance is impaired.
The atomic ratio of: c, d or the upper limit of (c + d) is 0.1. It is preferably 0.07 or less, more preferably 0.05 or less.

【0038】尚、Si−N化合物は、高温酸化雰囲気中
でSi酸化物の保護被膜を形成し、皮膜を酸化から保護
する作用があるが、BN化合物は、それ自身耐酸化性に
優れるものの(酸化開始温度1000℃付近)、形成さ
れる酸化物は保護効果が小さく、Si添加と比較して効
果がやや劣る。従って、BよりもSiを添加する方が好
ましく、Siのみを添加することがより好ましい形態と
して推奨される。
The Si-N compound has a function of forming a protective coating of Si oxide in a high temperature oxidizing atmosphere and protecting the coating from oxidation. However, the BN compound itself has excellent oxidation resistance ( When the oxidation start temperature is around 1000 ° C.), the formed oxide has a small protective effect and is slightly inferior in effect to the addition of Si. Therefore, it is preferable to add Si rather than B, and it is recommended to add only Si as a more preferable form.

【0039】Ti量は、上記Al、Cr、SiおよびB
量によって決定されるが、TiNはCrNに比較して硬
度が高く、Tiを全く添加しない場合には皮膜の硬度低
下が生じることから、Tiの原子比(1−a−b−c−
d)の下限は0.02とすることが望ましく、より好ま
しくは0.03である。またAlの原子比を0.6以上
とする場合にTiを過度に添加すると、相対的にCr量
が少なくなり前記引き込み効果が小さくなることから、
この場合はTiの原子比を0.35以下とすることが望
ましく、より好ましくは0.3以下とする。
The amount of Ti depends on the above Al, Cr, Si and B.
Although it is determined by the amount, TiN has a higher hardness than CrN, and if Ti is not added at all, the hardness of the film decreases. Therefore, the atomic ratio of Ti (1-a-b-c-
The lower limit of d) is preferably 0.02, more preferably 0.03. Further, when the atomic ratio of Al is set to 0.6 or more, if Ti is excessively added, the amount of Cr becomes relatively small and the pulling effect becomes small,
In this case, the atomic ratio of Ti is preferably 0.35 or less, and more preferably 0.3 or less.

【0040】Si、Bを添加しない場合、即ち(c+
d)の値が0の場合には、Ti,Al、Crの原子比
を、前記図1にて実線で示すとおり、以下の範囲内とす
ることが推奨される。即ち、 0.02≦1−a−b≦0.30、 0.55≦a≦0.765、 0.06≦b、 または 0.02≦1−a−b≦0.175、 0.765≦a、 4(a−0.75)≦b、 とすることが有効である。
When Si and B are not added, that is, (c +
When the value of d) is 0, it is recommended that the atomic ratio of Ti, Al and Cr be within the following range as shown by the solid line in FIG. That is, 0.02 ≦ 1-ab−0.30, 0.55 ≦ a ≦ 0.765, 0.06 ≦ b, or 0.02 ≦ 1-ab−0.175, 0.765 It is effective to satisfy ≦ a and 4 (a−0.75) ≦ b.

【0041】またTiの原子比を0.20未満とするこ
とで、耐酸化性が更に向上し、更に高い酸化開始温度を
示し、より優れた耐酸化性を確保することができる。従
って、上記規定したa、bの範囲の中でも、 0.02≦1−a−b<0.20、 0.55≦a≦0.765、 0.06≦b または 0.02≦1−a−b<0.20、 0.765≦a、 4(a−0.75)≦b とすることが好ましい。
When the atomic ratio of Ti is less than 0.20, the oxidation resistance is further improved, a higher oxidation starting temperature is exhibited, and more excellent oxidation resistance can be secured. Therefore, within the range of a and b defined above, 0.02 ≦ 1-ab−0.20, 0.55 ≦ a ≦ 0.765, 0.06 ≦ b or 0.02 ≦ 1-a It is preferable that -b <0.20, 0.765≤a, and 4 (a-0.75) ≤b.

【0042】更に、Alの原子比bを0.6以上にする
とともに、Alの原子比上限を膜の結晶構造がほぼ岩塩
構造単相となる領域に限定することで、Si、Bが含有
されない場合であっても、耐酸化性だけでなく、TiA
lN(0.56≦Al≦0.75)のうち、最も高硬度
を示すTi0.4Al0.6Nよりも更に高い硬度を得ること
ができる。
Further, by setting the atomic ratio b of Al to be 0.6 or more and limiting the upper limit of the atomic ratio of Al to the region where the crystal structure of the film is almost a single phase of rock salt structure, Si and B are not contained. Even if not only oxidation resistance but also TiA
Among 1N (0.56 ≦ Al ≦ 0.75), it is possible to obtain a hardness higher than that of Ti 0.4 Al 0.6 N, which has the highest hardness.

【0043】従って、最も好ましいa、bの範囲は、前
記図1にて破線で示すとおり、 0.02≦1−a−b<0.20、 0.60≦a≦0.709、 または 0.02≦1−a−b<0.20、 0.709≦a、 11/6×(a−0.66)≦b、 である。
Therefore, the most preferable ranges of a and b are 0.02 ≦ 1-a−b <0.20, 0.60 ≦ a ≦ 0.709, or 0, as shown by the broken line in FIG. .02 ≦ 1-ab−0.20, 0.709 ≦ a, and 11/6 × (a−0.66) ≦ b.

【0044】上述の通りCrNはTiNと比較して硬度
が小さく、過度に添加すると硬度の低下を招くことか
ら、これらの好ましい範囲においても、Crの原子比b
の上限は0.35であることが好ましく、より好ましく
は0.3である。
As described above, CrN has a smaller hardness than TiN, and if added excessively, the hardness is lowered. Therefore, even in these preferable ranges, the atomic ratio b of Cr is b.
The upper limit of is preferably 0.35, more preferably 0.3.

【0045】ところで、皮膜中にCを添加することで、
TiCやSiC、あるいはB4C等の高硬度の炭化物を
析出させて、皮膜自身の硬度を高めることができる。従
ってC原子比(1−e)は、Ti、SiおよびBの原子
比の合計(1−a−b)と同量であることが望ましい。
しかしながら過剰に添加すると、化学的に不安定なAl
43やCr73等を析出させてしまうこととなり、耐酸
化性が劣化し易くなる。よって(Ti1-a-b-c-d Ala
Crb Sic d)(C1-ee)におけるeの値が0.
5以上となるようにする。前記eの値は、好ましくは
0.7以上、より好ましくは0.8以上であり、最も好
ましくはe=1である。
By the way, by adding C to the film,
It is possible to increase the hardness of the film itself by precipitating a high-hardness carbide such as TiC, SiC, or B 4 C. Therefore, it is desirable that the C atomic ratio (1-e) be the same as the total atomic ratio of Ti, Si, and B (1-a-b).
However, if added excessively, chemically unstable Al
4 C 3 and Cr 7 C 3 will be deposited, and the oxidation resistance will be likely to deteriorate. Therefore (Ti 1-abcd Al a
Cr b Si c B d) ( C 1-e N e) the value of e in is 0.
Make it 5 or more. The value of e is preferably 0.7 or more, more preferably 0.8 or more, and most preferably e = 1.

【0046】硬質皮膜の「組成2」について 次に硬質皮膜の「組成2」を規定した理由について述べ
る。
Regarding "Composition 2" of Hard Film Next, the reason for defining "composition 2" of hard film will be described.

【0047】Al、Vは、共に高硬度化の作用をもたら
す元素であり、この様な効果を発揮させるには、Alの
原子比bを0.5超とし、Vの原子比cを0.05超と
した上で、更に(Al+V)の合計原子比(b+c)が
0.7以上となるようにする必要がある。前記Alの原
子比bは好ましくは0.55以上で、より好ましくは
0.6以上であり、Vの原子比cは好ましくは0.06
以上で、より好ましくは0.1以上である。更に(Al
+V)の合計原子比(b+c)は、0.75以上とする
ことが好ましく、より好ましくは0.8以上である。
Both Al and V are elements that bring about the effect of increasing the hardness, and in order to exert such effects, the atomic ratio b of Al exceeds 0.5 and the atomic ratio c of V is 0. It is necessary that the total atomic ratio (b + c) of (Al + V) is 0.7 or more in addition to more than 05. The atomic ratio b of Al is preferably 0.55 or more, more preferably 0.6 or more, and the atomic ratio c of V is preferably 0.06.
Above, it is more preferably 0.1 or more. Furthermore (Al
The total atomic ratio (b + c) of + V is preferably 0.75 or more, and more preferably 0.8 or more.

【0048】またAlの原子比の上限を規定した理由に
ついては次の通りである。即ち、Alの原子比が大きく
なりすぎると、常温常圧で安定なZnS型のAlNが優
勢となり、皮膜の構造が高硬度を維持できる岩塩型から
軟質なZnS型に完全に転移してしまうことから、0.
8以下とする必要があり、好ましくは0.75以下であ
る。またVの原子比cについては、その上限を0.4と
することが好ましい。
The reason for defining the upper limit of the atomic ratio of Al is as follows. That is, if the atomic ratio of Al becomes too large, ZnS type AlN that is stable at room temperature and atmospheric pressure becomes dominant, and the structure of the coating will completely transform from the rock salt type that can maintain high hardness to the soft ZnS type. From 0.
It must be 8 or less, preferably 0.75 or less. The upper limit of the atomic ratio c of V is preferably 0.4.

【0049】Ti量に関しては、上述の通り(Al+
V)の原子比を0.7以上とする必要があることから、
Tiの原子比aは0.3以下とする必要があるが、前記
(b+c)が0.75以上の場合には、0.25以下と
するのがよく、更に好ましくは0.2以下である。一
方、Tiを全く添加しない場合には、前述の様な格子定
数の異なる結晶(TiNとVN,TiNとAlN)の固
溶による高硬度化を図ることができないので、Tiは原
子比で0.02以上必要であり、上記固溶硬化を最大限
に引き出すためには、0.05以上とすることが望まし
い。
Regarding the amount of Ti, as described above (Al +
Since it is necessary to set the atomic ratio of V) to 0.7 or more,
The atomic ratio a of Ti needs to be 0.3 or less, but when the (b + c) is 0.75 or more, it is preferably 0.25 or less, and more preferably 0.2 or less. . On the other hand, if Ti is not added at all, it is not possible to achieve high hardness by solid solution of crystals (TiN and VN, TiN and AlN) having different lattice constants as described above, and therefore Ti has an atomic ratio of 0. 02 or more is necessary, and 0.05 or more is desirable in order to maximize the solid solution hardening.

【0050】さらにC、Nの量に関しては次の通りであ
る。即ち、皮膜中にCを添加し、TiCやVC等の高硬
度の炭化物を析出させて皮膜の硬度を高める場合には、
Ti+Vの添加量と同量程度のCを存在させることが望
ましい。しかしながら、Cを過剰に添加すると、上述し
た通り水分と反応して容易に分解する不安定なアルミの
炭化物を過度に析出させることになるので、Cの原子比
(1−d)は0.5以下、即ち、Nの原子比dを0.5
以上とする必要がある。dは、0.7以上である場合が
好ましく、より好ましくは0.8以上であり、d=1の
場合を最も好ましい形態とする。
Further, the amounts of C and N are as follows. That is, when C is added to the film to precipitate high hardness carbides such as TiC and VC to increase the hardness of the film,
It is desirable that C be present in the same amount as the amount of Ti + V added. However, if C is excessively added, unstable aluminum carbide that easily decomposes by reacting with water as described above is excessively precipitated, so that the atomic ratio (1-d) of C is 0.5. Or less, that is, the atomic ratio d of N is 0.5
It is necessary to be above. d is preferably 0.7 or more, more preferably 0.8 or more, and d = 1 is the most preferable form.

【0051】本発明ではこれらの組成1または組成2を
満たす硬質皮膜が基材上に単層として形成される場合の
他、組成1または組成2の範囲を満たすものであって、
相互に異なる組成の硬質皮膜や結晶配向などの異なる硬
質皮膜が2層以上、基材上に形成されている工具も本発
明に含まれる。
In the present invention, in addition to the case where the hard coating film satisfying the above composition 1 or composition 2 is formed as a single layer on the substrate, it satisfies the range of composition 1 or composition 2.
The present invention also includes a tool in which two or more hard coatings having different compositions or different hard coatings having different crystal orientations are formed on the base material.

【0052】尚、前記硬質皮膜は、単層の場合であって
も上記複数層の場合であっても、トータルとしての膜厚
は、1〜5μm程度とすることが望ましい。薄すぎると
良好な耐摩耗性が発揮されず、一方、厚すぎると切削中
に膜の欠損や剥離が発生するからである。より好ましい
膜厚は3〜4μm程度である。
Whether the hard coating is a single layer or a plurality of layers, the total thickness is preferably about 1 to 5 μm. If it is too thin, good abrasion resistance will not be exhibited, while if it is too thick, the film will be broken or peeled during cutting. A more preferable film thickness is about 3 to 4 μm.

【0053】<第1中間膜について> 更に本発明では、前記硬質皮膜と金属基材間に、 (Ti1-xAlx)(C1-yy) 0≦x≦0.25、 0.5≦y≦1 (xはAlの原子比を示し、yはNの原子比を示す。)
で示される皮膜(以下、単に「第1中間膜」ということ
がある)が少なくとも1層形成されていることが、前記
硬質皮膜と基材の密着性を向上させる観点から好まし
い。
<Regarding the First Intermediate Film> Furthermore, in the present invention, (Ti 1-x Al x ) (C 1-y N y ) 0 ≦ x ≦ 0.25, 0 between the hard coating and the metal substrate. .5 ≦ y ≦ 1 (x represents the atomic ratio of Al and y represents the atomic ratio of N)
It is preferable that at least one layer of the film (hereinafter, simply referred to as “first intermediate film”) is formed from the viewpoint of improving the adhesion between the hard film and the substrate.

【0054】基材として一般に用いられる高速度工具鋼
または熱間工具鋼等の鉄系材料のヤング率が約200G
Pa程度であるのに対し、本発明で規定する硬質皮膜の
ヤング率は、従来のTiAlNに比較して約1.5倍程
度高い450GPa付近の値となる。この様にヤング率
の大きく異なる皮膜を基材上に形成した工具を用いて切
削を行うと、外部応力が負荷されたときの切削皮膜と基
材の弾性変形挙動が大きく異なることから、基材の方が
大きく変形して硬質皮膜が基材の変形に追随できず、皮
膜剥離が生じる場合がある。
The Young's modulus of iron-based materials such as high speed tool steel or hot work tool steel generally used as a base material is about 200 G.
Although the hardness is about Pa, the Young's modulus of the hard coating specified in the present invention is a value near 450 GPa, which is about 1.5 times higher than that of conventional TiAlN. When cutting is performed using a tool in which a film with a Young's modulus that greatly differs is formed on the base material, the elastic deformation behavior of the cutting film and the base material when external stress is applied is significantly different. In some cases, the hard coating cannot follow the deformation of the base material and the coating may peel off.

【0055】本発明では、基材と硬質皮膜のヤング率の
中間値を示す第1中間膜を設けることによって、外部応
力負荷時の硬質皮膜部分における応力緩和を図り、結果
として優れた密着性を得ることができたのである。該第
1中間膜がTiNである場合中間膜のヤング率は約30
0GPaであり、Alの増加によりヤング率は増加する
傾向を示すが、規定する上限量のAl原子比:0.25
の場合であってもヤング率は約350GPa程度であっ
て、硬質皮膜と比較して基材により近い値を示す。上記
第1中間膜のAl量上限を規定したのは、この様にAl
量の増加に伴いヤング率が増加し、Al原子比(x)が
0.25を超えると該中間膜のヤング率が大きくなり応
力緩和効果が望めないからである。尚、前記Al原子比
(x)の好ましい上限は0.2であり、より好ましくは
0.1である。
In the present invention, by providing the first intermediate film showing the intermediate value of Young's modulus of the base material and the hard coating, stress relaxation in the hard coating portion under external stress load is achieved, and as a result, excellent adhesion is obtained. I was able to get it. When the first interlayer film is TiN, the Young's modulus of the interlayer film is about 30.
It is 0 GPa, and Young's modulus tends to increase with increase in Al, but the upper limit amount of Al atomic ratio is 0.25.
In this case, the Young's modulus is about 350 GPa, which is closer to that of the base material than the hard coating. As described above, the upper limit of the amount of Al in the first interlayer film is defined.
This is because the Young's modulus increases with an increase in the amount, and when the Al atomic ratio (x) exceeds 0.25, the Young's modulus of the intermediate film increases and the stress relaxation effect cannot be expected. The upper limit of the Al atomic ratio (x) is preferably 0.2, and more preferably 0.1.

【0056】ところでTi−Alの窒化膜や炭窒化膜
は、Al含有量の増加とともに皮膜の電気抵抗や耐食性
が大きくなる傾向が認められることから、再コーティン
グを施して工具を繰り返し使用すべく、電気化学的な反
応を利用して使用皮膜の除去(以下、単に「除膜」とい
うことがある)を行う場合に、該皮膜が除去し難い傾向
がある。本発明の硬質皮膜は、Alを60原子%以上添
加することを望ましいとするものであり、耐食性が高い
ことから、Al量が少なく耐食性および電気伝導率の低
い従来のTiAlCN膜と比較して除膜が困難である。
By the way, since the Ti-Al nitride film and the carbonitride film tend to increase the electric resistance and the corrosion resistance of the film as the Al content increases, it is necessary to re-coat and repeatedly use the tool. When the used film is removed by utilizing an electrochemical reaction (hereinafter sometimes simply referred to as “film removal”), the film tends to be difficult to remove. The hard coating of the present invention is desirable to add 60 atomic% or more of Al. Since it has high corrosion resistance, it is removed as compared with the conventional TiAlCN film having a small amount of Al and low corrosion resistance and electric conductivity. Membrane is difficult.

【0057】本発明では、Al量が原子比で0.25以
下の第1中間膜を基材との間に設ければ、除膜工程で該
第1中間膜を優先的に溶解させることができ、基材から
の皮膜除去を容易に行えることがわかった。第1中間膜
のAl原子比(x)が0.25を超えると、皮膜の電気
抵抗が大きくなると共に、除膜工程で溶解し難いAl酸
化皮膜が形成され、処理が困難となるので好ましくな
い。
In the present invention, if the first intermediate film having an Al content of 0.25 or less in atomic ratio is provided between the base material and the substrate, the first intermediate film can be preferentially dissolved in the film removing step. It was found that it was possible to easily remove the film from the substrate. If the Al atomic ratio (x) of the first intermediate film exceeds 0.25, the electric resistance of the film increases, and an Al oxide film that is difficult to dissolve is formed in the film removing step, which makes treatment difficult, which is not preferable. .

【0058】また第1中間膜にC(炭素)を添加する
と、皮膜の耐食性を若干低下させるとともに、電気抵抗
も低下させることができ、前記除膜を効率よく行えるの
で好ましく、C量は、窒素との合計に占める割合が原子
比で0.5以下の範囲とするのがよい。
When C (carbon) is added to the first intermediate film, the corrosion resistance of the film can be slightly decreased and the electric resistance can be decreased, and the film removal can be efficiently performed. It is preferable that the ratio of atomic ratio in the total of is 0.5 or less.

【0059】第1中間膜の膜厚は0.1〜2μmの範囲
内とすることが望ましい。該膜厚が0.1μmより薄い
と応力緩和効果が望めず、一方、2μmを超えると、通
常3〜5μm程度である基材上の皮膜の大部分を該第1
中間膜が占めて、前記硬質皮膜の割合が少なくなり、良
好な耐摩耗性を確保することができないからである。
The thickness of the first intermediate film is preferably within the range of 0.1 to 2 μm. If the film thickness is less than 0.1 μm, the stress relaxation effect cannot be expected. On the other hand, if it exceeds 2 μm, most of the film on the substrate, which is usually about 3 to 5 μm, is not covered with the first film.
This is because the intermediate film occupies a small proportion of the hard film, and good wear resistance cannot be ensured.

【0060】<第2中間膜について>基材と硬質皮膜の
密着性を向上させることを目的に、前記金属基材の表面
に、予め第2中間膜として、Ti及び/又はCrを含む
金属層または合金層を少なくとも1層形成させ、該第2
中間膜上に、前記硬質皮膜や第1中間膜を形成し、構造
が、基材−第2中間膜−硬質皮膜、または基材−第2中
間膜−第1中間膜−硬質皮膜となるようにしてもよい。
<Second Intermediate Film> For the purpose of improving the adhesion between the base material and the hard coating, a metal layer containing Ti and / or Cr as a second intermediate film on the surface of the metal base material in advance. Alternatively, at least one alloy layer is formed and the second
The hard coating or the first intermediate coating is formed on the intermediate coating so that the structure is base material-second intermediate coating-hard coating or base material-second intermediate coating-first intermediate coating-hard coating. You may

【0061】上記第2中間膜は、窒素を含まずCrやT
iが窒化物等の化合物の状態で存在しないことから、第
2中間膜形成時に基材の主成分として挙げられるFeと
強固な金属結合(Fe−Ti化合物、Fe−Cr化合
物)を形成し、基材との密着性を良好にする。また第2
中間膜のCrやTiはいずれも窒素と反応しやすい元素
であるため、本発明で規定の硬質皮膜や前記第1中間膜
のような窒化膜や炭窒化膜との密着性も良好である。
The second intermediate film does not contain nitrogen and does not contain Cr or T.
Since i does not exist in the state of a compound such as a nitride, it forms a strong metal bond (Fe-Ti compound, Fe-Cr compound) with Fe, which is the main component of the base material when the second intermediate film is formed, Improves adhesion to the substrate. The second
Since Cr and Ti of the intermediate film are elements that easily react with nitrogen, the adhesion to the hard film specified in the present invention and the nitride film and carbonitride film such as the first intermediate film is also good.

【0062】第2中間膜の膜厚は0.01〜1μmの範
囲内とすることが望ましい。0.01μmより薄いと密
着性向上の効果が認められず、一方、1μmを超える
と、前記第1中間膜の場合と同様、基材上の皮膜の大部
分を該第2中間膜が占めて、前記硬質皮膜の割合が少な
くなり、良好な耐摩耗性を確保することができないから
である。
The thickness of the second intermediate film is preferably within the range of 0.01 to 1 μm. If the thickness is less than 0.01 μm, the effect of improving the adhesiveness is not recognized, while if it exceeds 1 μm, the second intermediate film occupies most of the film on the substrate as in the case of the first intermediate film. This is because the ratio of the hard coating is reduced and good wear resistance cannot be secured.

【0063】<硬質皮膜の残留圧縮応力について>上記
硬質皮膜部分の残留圧縮応力は8GPa以下であること
が望ましい。硬質皮膜の残留圧縮応力が8GPaを超え
て高すぎる場合には、工具を切削等に使用中、外部応力
が加わったときに、硬質皮膜の剥離が生じやすくなるか
らである。
<Residual compressive stress of hard coating> It is desirable that the residual compressive stress of the hard coating is 8 GPa or less. This is because if the residual compressive stress of the hard coating exceeds 8 GPa and is too high, peeling of the hard coating is likely to occur when external stress is applied while the tool is being used for cutting or the like.

【0064】尚、この残留圧縮応力は、X線回折を利用
して硬質皮膜の特定のピーク[例えば岩塩構造型(11
1)、(200)面]に着目してX線の試料表面に対す
る入射角ψを変化させ、ピーク位置のシフトを測定して
下記式(1)より導出することができる。 応力(GPa)=−E/2(1+ν)・cotθ0・π/180・δ(2θ)/δ(sin2ψ) …(1) [式(1)中、 E:硬質皮膜ヤング率(=450GPa) ν:硬質皮膜のポワソン比(=0.22) θ0:標準ブラッグ角 δ(2θ)/δ(sin2ψ):着目する回折線のψ角
のsin2ψと対する回折角度(2θ)をプロットした
グラフの傾き]
This residual compressive stress is determined by utilizing X-ray diffraction to obtain a specific peak of the hard coating [eg rock salt structure type (11
1), (200) plane], the incident angle ψ of the X-ray with respect to the sample surface is changed, the shift of the peak position is measured, and the shift can be derived from the following formula (1). Stress (GPa) = − E / 2 (1 + ν) ・ cotθ 0・ π / 180 ・ δ (2θ) / δ (sin 2 ψ)… (1) [In formula (1), E: Young's modulus of hard film (= 450 GPa) ν: Poisson's ratio of hard coating (= 0.22) θ 0 : Standard Bragg angle δ (2θ) / δ (sin 2 ψ): Diffraction angle of sin 2 ψ of ψ angle of focused diffraction line Slope of graph plotting (2θ)]

【0065】<固体潤滑膜について>本発明では最表面
皮膜として、被加工材に対する摩耗係数が、当該硬質皮
膜の被加工材に対する摩耗係数よりも小さい固体潤滑膜
を形成することで、工具の耐久性を従来のTiAlCN
膜と比較して格段に優れたものとすることができる。
<Solid Lubrication Film> In the present invention, the outermost surface film is formed by forming a solid lubrication film having a wear coefficient smaller than the wear coefficient of the hard coating on the work material, thereby improving the durability of the tool. Conventional TiAlCN
It can be remarkably superior to the membrane.

【0066】従来の硬質皮膜であるTiAlCN膜は、
鉄基合金、アルミ基合金、チタン基合金又は銅基合金等
の被加工材に対し、摩擦係数が0.5〜0.7程度であ
るのに対し、本発明の硬質皮膜はこれより若干低い0.
4〜0.6程度であるが、実際の切削環境においては、
被加工材あるいは被加工材の切り屑が工具に溶着しやす
い。従って、被加工材や切り屑の溶着を低減して工具の
長寿命化を図るには、摩擦係数の小さい固体潤滑膜を最
表面皮膜として形成することが望ましい。
The TiAlCN film, which is a conventional hard film, is
The friction coefficient is about 0.5 to 0.7 with respect to a work material such as an iron-based alloy, an aluminum-based alloy, a titanium-based alloy or a copper-based alloy, whereas the hard coating of the present invention is slightly lower than this. 0.
Although it is about 4 to 0.6, in the actual cutting environment,
The work material or the chips of the work material easily adhere to the tool. Therefore, it is desirable to form a solid lubricating film having a small friction coefficient as the outermost surface film in order to reduce the welding of the work material and the chips and prolong the life of the tool.

【0067】前記固体潤滑膜としては、W、Cr、T
i、Moよりなる群から選択される少なくとも1種を3
0原子%以下含有し、残部がCを主体とする皮膜を形成
することが推奨される。
As the solid lubricating film, W, Cr, T
i, 3 at least one selected from the group consisting of Mo
It is recommended to form a film containing 0 atomic% or less and the balance being mainly C.

【0068】従来使用されてきたMoS2皮膜、または
金属元素を添加したMoS2を主体とする皮膜は、各種
材料に対する摩擦係数が0.1〜0.2程度と低いもの
の、本発明の固体潤滑膜と比較して硬度が低いため(本
発明の固体潤滑膜の硬度:HV1500以上であるのに
対し、MoS2(主体)皮膜の硬度:HV1000程
度)、被加工材や切り屑との摺動により容易に該皮膜が
消失してしまいその効果が持続しない。これに対し、本
発明の固体潤滑膜は硬度もある程度高いことから、長期
間の使用において潤滑効果を維持することができる。
The conventional MoS 2 coating or the coating mainly composed of MoS 2 to which a metal element is added has a low friction coefficient of about 0.1 to 0.2 with respect to various materials, but the solid lubrication of the present invention. Since the hardness is lower than that of the film (the hardness of the solid lubricating film of the present invention is HV 1500 or more, whereas the hardness of the MoS 2 (main) film is about HV 1000), sliding with the work material or chips As a result, the film disappears easily and the effect does not continue. On the other hand, since the solid lubricating film of the present invention has a high hardness to some extent, it is possible to maintain the lubricating effect during long-term use.

【0069】尚、前記摩擦係数の測定方法としては、例
えば摺動往復型の摩耗摩擦試験機(ボールオンディスク
タイプ)を用い、ボール(超硬合金、HSSなど)上に
皮膜を形成し、ディスク材には対象となる被加工材を用
いればよい。このとき試験条件を例えば荷重:1.96
N、摺動速度:20mm/秒とし、50〜100m程度
の距離を摺動させた後の摩擦係数を測定することが推奨
される。
As a method of measuring the friction coefficient, for example, a sliding reciprocating abrasion friction tester (ball-on-disk type) is used, and a film is formed on a ball (cemented carbide, HSS, etc.) The material to be processed may be used as the material. At this time, the test condition is, for example, load: 1.96.
N, sliding speed: 20 mm / sec, and it is recommended to measure the friction coefficient after sliding for a distance of about 50 to 100 m.

【0070】固体潤滑膜中に含有させるW、Cr、T
i、Moの量は合計で30原子%を上限とする。これら
の元素が過剰に含有していると、摩擦係数が0.3以上
に上昇し、所望の潤滑効果が得られないからである。よ
り望ましくは合計で20原子%以下である。一方、上記
元素添加量の下限は、被加工材や切削条件に応じて適宜
設定すればよいが、被加工材が鉄系、チタン系または銅
系の場合には、切削時の抵抗が大きく、結果として固体
潤滑膜に多大な負荷がかかることから、該固体潤滑膜の
靭性を確保すべく、前記金属元素を合計で5原子%以上
添加することが望ましい。被加工材がAl系材料の場合
には、前記金属元素が合計で概ね20原子%以下であれ
ば性能は同程度である。
W, Cr, T contained in the solid lubricating film
The upper limit of the total amount of i and Mo is 30 atom%. This is because if these elements are excessively contained, the friction coefficient increases to 0.3 or more, and the desired lubricating effect cannot be obtained. More preferably, it is 20 atomic% or less in total. On the other hand, the lower limit of the element addition amount may be appropriately set according to the work material and cutting conditions, but when the work material is iron-based, titanium-based or copper-based, the resistance during cutting is large, As a result, a large load is applied to the solid lubricating film. Therefore, in order to secure the toughness of the solid lubricating film, it is desirable to add the metal element in a total amount of 5 atomic% or more. When the material to be processed is an Al-based material, the performance is similar if the total amount of the metal elements is approximately 20 atomic% or less.

【0071】また本発明の固体潤滑膜は残部がCを主体
とするものであり、具体的には、例えばダイヤモンドラ
イクカーボン(DLC)、水素を含まないta−C(テ
トラヘドラルアモルファスカーボン)、a−C:H(水
素化アモルファスカーボン)等が挙げられる。
The balance of the solid lubricating film of the present invention is mainly C. Specifically, for example, diamond-like carbon (DLC), hydrogen-free ta-C (tetrahedral amorphous carbon), Examples include aC: H (hydrogenated amorphous carbon) and the like.

【0072】固体潤滑膜の形成に用いる上記金属元素
は、原則として被加工材中に含まれない元素を選択する
のが、被加工材との親和性を低減させ、摩擦係数を低下
させる観点から望ましい。即ち、例えば被加工材がTi
基合金の場合には、Tiが添加されている固体潤滑膜を
設けた工具の使用を避け、固体潤滑膜にTi以外の元素
が添加された工具を用いるのがよい。また被加工材がC
rを含有する鉄系材料の場合には、前記金属元素として
W、Moを用いれば摩擦係数をより低下させることがで
きるので望ましい。
In principle, the metal element used for forming the solid lubricating film is selected from the elements not contained in the material to be processed, from the viewpoint of reducing the affinity with the material to be processed and reducing the friction coefficient. desirable. That is, for example, if the work material is Ti
In the case of a base alloy, it is preferable to avoid using a tool provided with a solid lubricating film to which Ti is added and use a tool to which an element other than Ti is added to the solid lubricating film. The work material is C
In the case of an iron-based material containing r, it is desirable to use W or Mo as the metal element because the friction coefficient can be further reduced.

【0073】前記固体潤滑膜の膜厚は0.5〜2μm程
度とすることが推奨される。薄すぎると所望の潤滑効果
が十分に発揮されず、一方、2μmを超えて厚すぎると
皮膜に占める固体潤滑膜の割合が大きくなり、前記硬質
皮膜の特性が十分に発揮されないからである。
It is recommended that the thickness of the solid lubricating film is about 0.5 to 2 μm. If it is too thin, the desired lubricating effect is not sufficiently exhibited, while if it exceeds 2 μm and is too thick, the proportion of the solid lubricating film in the coating becomes large, and the characteristics of the hard coating are not fully exhibited.

【0074】固体潤滑膜と硬質皮膜等の膜との密着性を
高めるにあたっては、これらの間にW、Cr、Ti、M
oよりなる群から選択される1種からなる金属膜、また
は2種以上からなる合金膜を設けたり、金属中間層から
固体潤滑膜にかけて連続的あるいは段階的にC量を増加
させた傾斜機能膜を設けても良い。
In order to improve the adhesion between the solid lubricating film and a film such as a hard film, W, Cr, Ti, M are added between them.
A functionally gradient film in which a metal film made of one type selected from the group consisting of o or an alloy film made of two or more types is provided, or the C content is continuously or stepwise increased from the metal intermediate layer to the solid lubricating film. May be provided.

【0075】この様に、本発明の切削皮膜を形成し、更
に固体潤滑膜を形成した構造の工具は、潤滑剤を用いた
ウエット環境での切削はもちろんのこと、近年の環境問
題を考慮したドライ切削加工、または潤滑剤を最小限に
抑えて行うセミドライ切削加工においても、これまで硬
質皮膜として用いられてきたTiAl(CN)膜やTi
Al(CN)膜に固体潤滑膜を被覆した場合と比較し
て、格段に優れた耐久性能を発揮する。
As described above, the tool of the present invention having the cutting film formed thereon and the solid lubricating film formed thereon is not limited to cutting in a wet environment using a lubricant, and in consideration of recent environmental problems. Even in dry cutting or semi-dry cutting with a minimum amount of lubricant, TiAl (CN) films and Ti that have been used as hard coatings until now.
Compared with the case where an Al (CN) film is coated with a solid lubricating film, it exhibits remarkably excellent durability performance.

【0076】<基材について>本発明の硬質皮膜被覆工
具を構成する基材は、金属基材であればよく、特に限定
されるものではないが、SKH51、SKD61、SK
D11等の鉄系合金基材が好ましく用いられる。
<Substrate> The substrate constituting the hard coating tool of the present invention is not particularly limited as long as it is a metallic substrate, but SKH51, SKD61, SK.
An iron-based alloy base material such as D11 is preferably used.

【0077】皮膜形成時に鉄系基材の温度を約480℃
程度にまで高めて成膜を行う場合、実際の操業では、基
材温度は480℃を中心として若干変動するので、基材
の機械的特性を維持する観点から、焼き戻しを500℃
以上で行った鉄系合金材料を基材に用いるのがよい。
When the film is formed, the temperature of the iron-based material is kept at about 480 ° C.
When film formation is performed at a high temperature, the base material temperature fluctuates slightly around 480 ° C. in actual operation, so tempering is performed at 500 ° C. from the viewpoint of maintaining the mechanical properties of the base material.
The iron-based alloy material obtained as described above is preferably used as the base material.

【0078】更に、金属基材として、硬質相が炭化タン
グステンや炭化チタン等であり、金属相がコバルト等で
ある超硬合金基材を用いることもできる。
Further, as the metal base material, a cemented carbide base material whose hard phase is tungsten carbide, titanium carbide or the like and whose metal phase is cobalt or the like can be used.

【0079】<用途について>本発明の硬質皮膜被覆工
具は、特にその用途を限定するものでなく、上述した通
りエンドミル、ドリル、チップまたはホブ等の歯切り工
具や打ち抜きパンチ、スリッターカッター、押し出しダ
イス、鍛造ダイス等を含む塑性加工用治具として使用す
ることができるが、特にエンドミル、ドリル、ホブ等の
歯切り工具として使用すれば、その効果がより顕著に表
れるので推奨される。上記歯切り工具は、より高速度で
長期間使用されるもので、他のチップ等の工具と比較し
て使用環境が非常に過酷であることから、従来の工具を
使用した場合よりも優れた耐久性能を示すのである。
<Applications> The hard film-coated tool of the present invention is not particularly limited in its application, and as described above, a gear cutting tool such as an end mill, a drill, a tip or a hob, a punching punch, a slitter cutter, an extrusion die. It can be used as a plastic working jig including a forging die and the like, but is particularly recommended when it is used as a gear cutting tool such as an end mill, a drill, a hob, etc., because the effect becomes more remarkable. The above gear cutting tool is used at a higher speed for a longer period of time, and because the usage environment is extremely severe compared to other tools such as chips, it is superior to the case where a conventional tool is used. It shows durability performance.

【0080】特に、本発明で規定する硬質皮膜と固体潤
滑膜を組み合わせた皮膜をドリルに形成される皮膜に適
用することが推奨される。エンドミルまたはチップを用
いた旋削加工では切り屑が排出されやすいのに対し、ド
リル加工では切り屑が切削穴に詰まり易く、この切り屑
の詰まりでドリルが欠損し易い。この傾向は、被削材が
切り屑の排出されにくい炭素鋼、アルミ基合金、銅基合
金、チタン基合金である場合や、穴の深さがドリルの直
径の2倍を越える場合に顕著である。本発明の硬質皮膜
や固体潤滑膜を組み合わせた皮膜を形成したドリルは、
この様な切り屑の詰まり易い被削材の切削であって、特
に加工穴深さ/工具直径が2倍を超える場合であっても
良好に切削を行うことができ、かつこの様な過酷な使用
環境下で長期間使用することができる。特に、前記加工
穴深さ/工具直径が3倍を超える場合に、本発明の皮膜
を形成したドリルの優れた特性が、従来の皮膜を形成し
たドリルと比較して顕著に表れる。
In particular, it is recommended to apply a coating obtained by combining the hard coating defined in the present invention and the solid lubricating coating to the coating formed on the drill. The chips are likely to be discharged in the turning process using the end mill or the tip, whereas the chips are likely to be clogged in the cutting hole in the drilling process, and the drill is likely to be damaged due to the clogging of the chips. This tendency is remarkable when the work material is carbon steel, aluminum-based alloy, copper-based alloy, titanium-based alloy in which chips are not easily discharged, or when the depth of the hole exceeds twice the diameter of the drill. is there. A drill formed with a film combining the hard film and the solid lubricating film of the present invention,
In cutting such a work material that is easily clogged with chips, it is possible to satisfactorily perform cutting even when the machining hole depth / tool diameter exceeds twice, and such severe cutting is performed. It can be used for a long time under the usage environment. In particular, when the processed hole depth / tool diameter exceeds 3 times, the excellent properties of the drill having the film of the present invention are remarkably exhibited as compared with the conventional drill having the film.

【0081】<本発明の皮膜の形成方法について>本発
明の硬質皮膜、第1中間膜、第2中間膜および固体潤滑
膜の形成方法としては、スパッタリング、アーク蒸着法
等が挙げられるが、前記硬質皮膜の形成にはアーク蒸着
法におけるカソード放電型アークイオンプレーティング
法が成膜レートが早く、生産性を高めることができるの
で推奨される。
<Regarding the method for forming the film of the present invention> Examples of the method for forming the hard film, the first intermediate film, the second intermediate film and the solid lubricating film of the present invention include sputtering and arc vapor deposition. The cathode discharge type arc ion plating method in the arc vapor deposition method is recommended for the formation of the hard coating because the film formation rate is high and the productivity can be improved.

【0082】上記のスパッタリング法やアーク蒸着法で
硬質皮膜を形成する場合には、成膜中に基材を加熱する
ことで、硬質皮膜と基材の反応を促進させることがで
き、密着性の向上、皮膜の緻密化および高硬度化を図る
ことができる。硬質皮膜形成時の基材温度は350〜5
20℃の範囲内とするのがよい。基材温度が低過ぎると
形成された硬質皮膜が緻密ではなく、密着性も好ましく
ないからである。一方、基材温度が高すぎると基材の焼
き戻し温度を超えるおそれが生じるので好ましくない。
硬質皮膜形成時のより好ましい基材温度は、基材の焼き
戻し温度にもよるが450〜500℃の温度範囲であ
る。
When the hard coating is formed by the above-mentioned sputtering method or arc vapor deposition method, the reaction between the hard coating and the substrate can be promoted by heating the base material during the film formation, and the adhesion can be improved. It is possible to improve, densify the film, and increase hardness. Substrate temperature during hard film formation is 350-5
It is preferable that the temperature is within the range of 20 ° C. This is because if the substrate temperature is too low, the hard coating formed is not dense and the adhesion is unfavorable. On the other hand, if the substrate temperature is too high, the tempering temperature of the substrate may be exceeded, which is not preferable.
A more preferable base material temperature at the time of forming the hard film depends on the tempering temperature of the base material, but is in the temperature range of 450 to 500 ° C.

【0083】また、本発明者らが硬質皮膜の特性を追究
した結果、硬質皮膜の熱膨張率は9〜10×10-6/℃
程度と、基材として用いるHSS等の鉄系合金の熱膨張
率:12×10-6/℃よりも小さいことが分かった。従
って、室温より高い温度で成膜を行った後、室温付近ま
で冷却する過程で生ずる材料の収縮が、硬質皮膜よりも
基材の方が大きく、結果として熱膨張率差による圧縮残
留応力が硬質皮膜に発生し、この圧縮残留応力が大きす
ぎる場合には、上述した通り硬質皮膜の剥離の原因とな
るのである。本発明では、成膜時の基材温度を520℃
以下にして温度を必要以上に高めすぎないようにするこ
とで、生ずる硬質皮膜の圧縮残留応力を小さくすること
ができた。
Further, as a result of pursuing the characteristics of the hard coating by the present inventors, the coefficient of thermal expansion of the hard coating is 9 to 10 × 10 −6 / ° C.
It was found that the degree of thermal expansion was less than 12 × 10 −6 / ° C. of the iron-based alloy such as HSS used as the base material. Therefore, after film formation at a temperature higher than room temperature, the shrinkage of the material that occurs in the process of cooling to near room temperature is larger in the base material than in the hard coating, and as a result the compressive residual stress due to the difference in thermal expansion coefficient is hard. If the compressive residual stress is generated in the film and is too large, it causes the peeling of the hard film as described above. In the present invention, the substrate temperature during film formation is 520 ° C.
The compressive residual stress of the hard coating that occurred can be reduced by setting the temperature below not too high.

【0084】C(炭素)及び金属元素を添加した固体潤
滑膜を形成する場合には、ターゲットとして(固体Cタ
ーゲット)+(金属ターゲット)を用い、アークイオン
プレーティング法ではなくスパッタリング法で形成する
ことが推奨される。その理由は、アークイオンプレーテ
ィング法では、固体Cターゲットの放電状態が不均一に
なる傾向があるため安定した成膜が困難であり、その結
果、膜厚や成分等が不均一となり得るからである。
When forming a solid lubricating film to which C (carbon) and a metal element are added, (solid C target) + (metal target) is used as a target, and the sputtering method is used instead of the arc ion plating method. Is recommended. The reason is that in the arc ion plating method, the solid C target tends to have a non-uniform discharge state, which makes it difficult to form a stable film, and as a result, the film thickness, components, etc. may become non-uniform. is there.

【0085】[0085]

【実施例】以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限
を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範
囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、そ
れらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples, and may be appropriately applied within a range compatible with the gist of the preceding and the following. Modifications can be made and implemented, and all of them are included in the technical scope of the present invention.

【0086】[実施例1]図2に示すカソード放電型の
アークイオンプレーティング装置を用い、Ti−Cr−
Alターゲット6、Ti−V−Alターゲット6、Ti
−Cr−Al−Siターゲット6、またはTi−Alタ
ーゲット6(従来の硬質皮膜形成用)を使用して、表1
に示す組成の窒化物皮膜あるいは炭窒化物皮膜(膜厚:
約3μm)を基板W上に形成し、得られた皮膜の硬度お
よび耐摩耗性を評価した。
Example 1 Using the cathode discharge type arc ion plating device shown in FIG. 2, Ti--Cr--
Al target 6, Ti-V-Al target 6, Ti
Using -Cr-Al-Si target 6 or Ti-Al target 6 (for conventional hard film formation), Table 1
Nitride film or carbonitride film (composition:
(About 3 μm) was formed on the substrate W, and the hardness and wear resistance of the obtained film were evaluated.

【0087】前記基板には、高速度工具鋼(JIS−S
KH51 焼き戻し温度:550℃)製のスクエアエン
ドミル(2枚刃 直径10mm)、および分析用として
同じく高速度工具鋼(JIS−SKH51 焼き戻し温
度:550℃ 硬度:HV850)製のチップを使用し
た。
A high speed tool steel (JIS-S
A square end mill (two blades, diameter 10 mm) made of KH51 tempering temperature: 550 ° C., and chips made of the same high speed tool steel (JIS-SKH51 tempering temperature: 550 ° C. hardness: HV850) for analysis were used.

【0088】成膜および特性の評価は次の様にして行っ
た。即ち、基板を装置に導入後、基板温度(成膜時の温
度をいう。尚、装置へ導入後の予熱工程やイオンによる
クリーニング工程においても基板の最高温度は520℃
以下である。以下の実施例でも同じ)を表1に示す温度
とし、真空度を4×10-3Pa以下とした後にArイオ
ンによるクリーニングを実施した(Ar圧力:2Pa、
基板電圧:400V)。そしてクリーニング終了後、装
置内が約3Paとなるよう窒素を導入し、アーク電流を
100〜150A、基板電圧をアース電位に対して−1
00〜−150Vにして成膜を行った。その後、サンプ
ルを取り出し、チップに被覆された皮膜の組成分析を行
った。またチップ上の皮膜を一部削り取って基材の硬度
を調べた。更に被覆されたエンドミルを用い、下記の切
削試験を行って、試験後の先端部分の摩耗量で皮膜の耐
摩耗性を評価した。これらの結果を表1に示す。
Film formation and evaluation of characteristics were performed as follows. That is, after the substrate is introduced into the apparatus, it is the substrate temperature (temperature during film formation. The maximum temperature of the substrate is 520 ° C. even in the preheating step and the ion cleaning step after the introduction into the apparatus.
It is the following. The same applies to the following examples), and the degree of vacuum is set to 4 × 10 −3 Pa or less, and then cleaning with Ar ions is performed (Ar pressure: 2 Pa,
Substrate voltage: 400V). After the cleaning is completed, nitrogen is introduced so that the inside of the apparatus becomes about 3 Pa, the arc current is 100 to 150 A, and the substrate voltage is -1 with respect to the ground potential.
The film was formed at a voltage of 00 to -150V. After that, the sample was taken out, and the composition of the film coated on the chip was analyzed. Also, the film on the chip was partially scraped off to examine the hardness of the base material. Further, the following cutting test was performed using a coated end mill, and the wear resistance of the coating was evaluated by the wear amount of the tip portion after the test. The results are shown in Table 1.

【0089】<エンドミル切削試験> 被加工材:SKD61(HRC40) 切削速度:100m/分 切り込み:0.5mm 刃送り:0.08mm/刃 切削長:30m その他:ドライカットエアブロー<End mill cutting test> Work Material: SKD61 (HRC40) Cutting speed: 100m / min Notch: 0.5 mm Blade feed: 0.08 mm / blade Cutting length: 30m Others: Dry cut air blow

【0090】[0090]

【表1】 [Table 1]

【0091】表1より、No.6〜9は形成された硬質
皮膜が本発明の要件を満足するものであるため、エンド
ミルの摩耗量が小さく耐摩耗性に優れていることがわか
る。
From Table 1, No. It can be seen that in Nos. 6 to 9, the hard film formed satisfies the requirements of the present invention, and thus the end mill has a small amount of wear and is excellent in wear resistance.

【0092】これに対し、No.1〜5で形成された皮
膜は、従来用いられてきた硬質皮膜または本発明の要件
を外れる皮膜であるため、エンドミルの摩耗量が大き
く、耐摩耗性に優れたものでないことがわかる。
On the other hand, in No. It can be seen that the coatings formed by 1 to 5 are hard coatings that have been used conventionally or coatings that do not meet the requirements of the present invention, so that the end mill wears a large amount and is not excellent in wear resistance.

【0093】[実施例2]実施例2では、基材と硬質皮
膜の間に、本発明で規定する第1中間膜や第2中間膜を
形成した場合の、基材と硬質皮膜の密着性および除膜し
易さについて調べた。
[Example 2] In Example 2, the adhesion between the base material and the hard coating when the first intermediate film and the second intermediate film defined in the present invention were formed between the base material and the hard coating. And the ease of film removal was investigated.

【0094】実施例1と同様のカソード放電型のアーク
イオンプレーティング装置を用いて皮膜の形成を行っ
た。尚、本実施例では、硬質皮膜の他に第1中間膜や第
2中間膜を形成するため図2に示していない複数の蒸発
源(ターゲット)を設置して成膜を行った。即ち、硬質
皮膜の形成には、Ti−Cr−Al(原子比10:1
8:72)ターゲットやTi−Alターゲット(従来の
硬質皮膜形成用)を使用し、第1中間膜の形成には、T
i−Alターゲット(硬質皮膜形成に用いたものと異な
る組成のターゲットも使用)やTiターゲットを使用
し、また第2中間膜(金属膜)の形成にはCr、Tiの
ターゲットを使用して、表2に示す組成の硬質皮膜や中
間膜を基材上に形成した。基板には、高速度工具鋼(J
IS−SKH51 焼き戻し温度:550℃)製のチッ
プを使用した。
A cathode discharge type arc ion plating apparatus similar to that in Example 1 was used to form a film. In this example, in order to form the first intermediate film and the second intermediate film in addition to the hard film, a plurality of evaporation sources (targets) not shown in FIG. 2 were installed to form the film. That is, to form a hard film, Ti-Cr-Al (atomic ratio 10: 1
8:72) A target or a Ti—Al target (for forming a conventional hard film) is used, and T is used for forming the first intermediate film.
An i-Al target (a target having a composition different from that used for forming the hard film is also used) or a Ti target is used, and a Cr or Ti target is used for forming the second intermediate film (metal film). Hard films and intermediate films having the compositions shown in Table 2 were formed on the substrate. High speed tool steel (J
Chips made from IS-SKH51 tempering temperature: 550 ° C.) were used.

【0095】成膜および特性の評価は次の様にして行っ
た。即ち、基板を装置に導入後、基板温度を480℃と
し、真空度を4×10-3Pa以下とした後にArイオン
によるクリーニングを実施した(Ar圧力:2Pa、基
板電圧:400V)。クリーニング終了後、装置内が約
3Paとなるよう窒素を導入し、アーク電流を100〜
150A、基板電圧をアース電位に対して−100〜−
150Vとし、膜厚約1μmの第1中間膜、膜厚約3μ
mの硬質皮膜を形成した。また第2中間膜として形成し
た金属膜の膜厚は0.1μm程度であった。
Film formation and evaluation of characteristics were performed as follows. That is, after introducing the substrate into the apparatus, the substrate temperature was set to 480 ° C., the degree of vacuum was set to 4 × 10 −3 Pa or less, and then cleaning was performed using Ar ions (Ar pressure: 2 Pa, substrate voltage: 400 V). After the cleaning is completed, nitrogen is introduced so that the inside of the apparatus becomes about 3 Pa, and the arc current is 100 to
150A, substrate voltage -100 to-
First intermediate film having a thickness of about 1 μm and a thickness of about 3 μ at 150 V
m hard coating was formed. The thickness of the metal film formed as the second intermediate film was about 0.1 μm.

【0096】この様にして皮膜を形成後のチップを用い
てスクラッチ試験を実施し、密着性を評価した。スクラ
ッチ試験では、ダイヤモンド圧子(半径200μmR)
を用い、サンプル表面に10N/mmの荷重増加速度で
荷重を増加させながら長さ10mm(最終荷重100
N)まで行い、スクラッチ痕を光学顕微鏡で観察して皮
膜剥離が生じた時点の荷重を剥離荷重と定義した。ま
た、皮膜の剥離処理性(除膜し易さ)を調べるため、下
記水溶液中で剥離処理を行い、皮膜が完全に剥離するま
での時間(剥離時間)で除膜し易さを評価した。
A scratch test was carried out using the chip thus formed with the coating film to evaluate the adhesion. In the scratch test, a diamond indenter (radius 200 μmR)
10 mm in length (final load 100) while increasing the load on the sample surface at a load increasing rate of 10 N / mm.
N), the scratch mark was observed with an optical microscope, and the load at the time when film peeling occurred was defined as the peeling load. Further, in order to examine the peeling property of the film (easiness of film removal), the film was subjected to a peeling treatment in the following aqueous solution, and the ease of film removal was evaluated by the time until the film was completely peeled (peeling time).

【0097】<剥離処理条件> 処理溶液:過酸化水素水(濃度20%、pH9) 処理溶液の液温:常温<Peeling condition> Treatment solution: Hydrogen peroxide water (concentration 20%, pH 9) Solution temperature: normal temperature

【0098】[0098]

【表2】 [Table 2]

【0099】表2より、本発明の硬質皮膜を形成させた
場合(No.2)には、従来の硬質皮膜を形成させた場
合(No.1)と比較して基材と硬質皮膜の密着性に優
れているが、No.3〜8に示すように、本発明で規定
する第1中間膜を基材と硬質皮膜の間に形成すること
で、基材と硬質皮膜の密着性を更に高めることができる
ほか、繰り返し利用のために行う除膜が容易となること
がわかる。尚、No.3〜6とNo.7、8を比較する
と、特に除膜し易さの観点からは、第1中間膜の組成を
本発明の規定範囲内とすることが好ましいことがわか
る。更にNo.9および10に示すように、第2中間膜
を形成することによって、より優れた密着性と除膜し易
さを兼備できることがわかる。
From Table 2, in the case where the hard coating of the present invention is formed (No. 2), the adhesion between the base material and the hard coating is better than in the case where the conventional hard coating is formed (No. 1). It has excellent properties, but no. As shown in 3 to 8, by forming the first interlayer film defined in the present invention between the base material and the hard coating, the adhesion between the base material and the hard coating can be further enhanced, and it can be used repeatedly. It can be seen that the removal of the film becomes easier. Incidentally, No. 3 to 6 and No. Comparing Nos. 7 and 8, it can be seen that it is preferable that the composition of the first interlayer film is within the specified range of the present invention from the viewpoint of easy film removal. Furthermore, No. As shown in FIGS. 9 and 10, it is understood that by forming the second intermediate film, both excellent adhesiveness and easy film removal can be achieved.

【0100】[実施例3]実施例3では、硬質皮膜の残
留応力が基材と硬質皮膜の密着性に与える影響について
調べた。
Example 3 In Example 3, the effect of the residual stress of the hard coating on the adhesion between the substrate and the hard coating was examined.

【0101】実施例1と同様にカソード放電型のアーク
イオンプレーティング装置を用い、Ti−Cr−Al
(10:18:72)ターゲットを使用し、表3に示す
ように基板温度を300〜600℃の範囲内で変化さ
せ、その他の条件を実施例1と同様にして、残留応力の
異なる硬質皮膜(膜厚はいずれも約3μm)を基板上に
形成した。基板には高速度工具鋼(JIS−SKH51
焼き戻し温度:550℃)製のチップを使用した。
As in Example 1, a cathode discharge type arc ion plating device was used, and Ti--Cr--Al was used.
(10:18:72) using a target, the substrate temperature was changed within the range of 300 to 600 ° C. as shown in Table 3, and the other conditions were the same as in Example 1, and hard coatings with different residual stresses. (Each film thickness is about 3 μm) was formed on the substrate. High speed tool steel (JIS-SKH51
Chips made at tempering temperature: 550 ° C. were used.

【0102】硬質皮膜を被覆したチップを用い、実施例
2と同様にしてスクラッチ試験を実施し、密着性を評価
した。またチップの皮膜を一部削り取って基材の硬度を
調べた。更に、形成された硬質皮膜の残留圧縮応力を上
述のX線回折法で測定した。測定には立方晶岩塩型構造
のTiCrAl窒化物の(111)面の回折線を使用
し、以下のパラメータを用いて硬質皮膜の残留圧縮応力
を算出した。これらの結果を表3に示す。
Using a chip coated with a hard coating, a scratch test was conducted in the same manner as in Example 2 to evaluate the adhesion. Further, the film of the chip was partially scraped off to examine the hardness of the base material. Furthermore, the residual compressive stress of the formed hard film was measured by the above-mentioned X-ray diffraction method. For the measurement, the diffraction line of the (111) plane of TiCrAl nitride having a cubic rock salt structure was used, and the residual compressive stress of the hard coating was calculated using the following parameters. The results are shown in Table 3.

【0103】<皮膜の残留応力算出のためのパラメータ
> 皮膜のヤング率:450GPa 皮膜のポワソン比:0.22 標準ブラッグ角:37.6°
<Parameters for calculating residual stress of coating>Young's modulus of coating: 450 GPa Poisson's ratio of coating: 0.22 Standard Bragg angle: 37.6 °

【0104】[0104]

【表3】 [Table 3]

【0105】表3のNo.2〜6に示す通り、基材温度
を本発明の規定範囲内として成膜を行えば、得られる硬
質皮膜の残留圧縮応力を8GPa以下に抑えることがで
き、基材と硬質皮膜の密着性に優れたものが得られるこ
とがわかる。これに対し、No.7、8は基材温度が基
材の焼き戻し温度を超えて高いため、残留圧縮応力が大
きく密着性に劣るだけでなく、基材の硬度も低下する結
果となった。
Table 3 No. As shown in 2 to 6, if the film formation is performed with the substrate temperature within the specified range of the present invention, the residual compressive stress of the obtained hard film can be suppressed to 8 GPa or less, and the adhesion between the substrate and the hard film can be improved. It turns out that an excellent product can be obtained. On the other hand, No. In Nos. 7 and 8, since the base material temperature was higher than the tempering temperature of the base material, not only the residual compressive stress was large and the adhesion was poor, but also the hardness of the base material was lowered.

【0106】[実施例4]実施例4では、本発明の硬質
皮膜や中間膜を被覆したドリルまたはホブを用いて切削
実験を行った。
[Example 4] In Example 4, a cutting experiment was conducted using a drill or hob coated with the hard film or the intermediate film of the present invention.

【0107】実施例1と同様のカソード放電型のアーク
イオンプレーティング装置を用いて皮膜の形成を行っ
た。尚、本実施例では、硬質皮膜の他に第1中間膜や第
2中間膜を形成するため、図2に示していない複数の蒸
発源(ターゲット)を設置して成膜を行った。即ち、硬
質皮膜の形成には、Ti−Cr−Al(原子比10:1
8:72)ターゲットやTi−Alターゲット(従来の
硬質皮膜形成用)を使用し、第1中間膜の形成には、T
i−Alターゲット(硬質皮膜形成に用いたものと異な
る組成のターゲットを使用)やTiターゲットを使用
し、また第2中間膜(金属膜)の形成にはTiのターゲ
ットを使用して、表4に示す単層または複数層の皮膜
(皮膜総厚さ:約3μm)を基板上に形成した。基板に
は、高速度工具鋼(JIS−SKH51 焼き戻し温
度:550℃)製のドリル(直径6mm、2枚刃)、高
速度工具鋼(JIS−SKH51)製のホブ(外径90
mm、刃長90mm、口数3)及び高速度工具鋼製のチ
ップを使用した。成膜時の基板温度は480℃で一定と
した。
A cathode discharge type arc ion plating apparatus similar to that in Example 1 was used to form a film. In addition, in the present example, in order to form the first intermediate film and the second intermediate film in addition to the hard film, a plurality of evaporation sources (targets) not shown in FIG. 2 were installed to form the film. That is, to form a hard film, Ti-Cr-Al (atomic ratio 10: 1
8:72) A target or a Ti—Al target (for forming a conventional hard film) is used, and T is used for forming the first intermediate film.
An i-Al target (using a target having a composition different from that used for hard film formation) or a Ti target was used, and a Ti target was used for forming the second intermediate film (metal film). The single-layer or multi-layer coating (total coating thickness: about 3 μm) shown in 1 was formed on the substrate. For the substrate, a high speed tool steel (JIS-SKH51 tempering temperature: 550 ° C.) drill (diameter 6 mm, 2 blades), a high speed tool steel (JIS-SKH51) hob (outer diameter 90
mm, blade length 90 mm, number of openings 3), and tips made of high speed tool steel were used. The substrate temperature during film formation was constant at 480 ° C.

【0108】皮膜の形成されたドリルを用い、下記の条
件で切削試験を行ってドリル寿命を調べた。また皮膜の
形成されたホブを用い、下記の条件で切削試験を行って
ホブクレータ摩耗の程度を調べ、耐摩耗性を評価した。
これらの結果を表4に示す。
Using a drill having a film formed thereon, a cutting test was conducted under the following conditions to examine the drill life. Further, using a hob having a film formed thereon, a cutting test was conducted under the following conditions to examine the degree of hob crater wear and to evaluate the wear resistance.
The results are shown in Table 4.

【0109】<ドリル切削試験条件> 被加工材:S55C(非熱処理材:HB220) 切削速度:60m/分 送り:0.1mm/回転 穴深さ:12mm その他:ドライカット、エアブローのみ<Drill cutting test conditions> Workpiece material: S55C (non-heat treated material: HB220) Cutting speed: 60m / min Feed: 0.1 mm / revolution Hole depth: 12 mm Others: Dry cut, air blow only

【0110】<ホブ切削条件> 被加工材:SCM415 切削速度:200m/分 軸方向送り:3mm/回転 ワーク加工数:400個 評価:クレータ面摩耗<Hob cutting conditions> Work Material: SCM415 Cutting speed: 200m / min Axial feed: 3 mm / rotation Number of workpieces processed: 400 Evaluation: Crater wear

【0111】[0111]

【表4】 [Table 4]

【0112】表4より、No.2〜4で形成した皮膜
は、本発明の要件を満足するものであるため、ドリルに
被覆した場合にドリル寿命が長く、かつホブクレータ摩
耗も小さく良好な耐摩耗性を発揮することがわかる。こ
れに対し、No.1は、本発明の要件を満たさない硬質
皮膜が形成されたものであるため、ドリルやホブに被覆
しても優れた耐摩耗性を発揮しないことがわかる。
From Table 4, No. It can be seen that the coatings formed by Nos. 2 to 4 satisfy the requirements of the present invention, and thus have a long drill life, small hob crater wear, and good wear resistance when coated on a drill. On the other hand, No. No. 1 has a hard coating formed that does not satisfy the requirements of the present invention, and therefore it is understood that even if it is coated on a drill or a hob, it does not exhibit excellent wear resistance.

【0113】[実施例5]実施例5では、固体潤滑膜を
硬質皮膜上に形成して切削試験を行った。
[Example 5] In Example 5, a solid lubricating film was formed on a hard film and a cutting test was conducted.

【0114】図3に示す装置を用い、Ti−Cr−Al
ターゲット、Ti−V−Alターゲット、Ti−Cr−
Al−Siターゲット、またはTi−Alターゲット
(従来皮膜形成用)を使用して、表5に示す組成の硬質
皮膜(窒化物膜または炭窒化物膜:いずれも膜厚約3μ
m)を基板上に形成した。基板には超硬合金製ドリル
(直径6mm、2枚刃)および超硬合金製チップ(鏡面
仕上げ)を使用した。
Using the apparatus shown in FIG. 3, Ti--Cr--Al
Target, Ti-V-Al target, Ti-Cr-
Using an Al-Si target or a Ti-Al target (for conventional film formation), a hard film (nitride film or carbonitride film: each having a composition shown in Table 5: a film thickness of about 3 μm
m) was formed on the substrate. A cemented carbide drill (diameter: 6 mm, two blades) and a cemented carbide tip (mirror finish) were used for the substrate.

【0115】尚、図3に示す装置は、硬質皮膜を形成す
るためのカソード放電型のアークイオンプレーティング
装置と、固体潤滑膜を形成するためのスパッタリング装
置からなり、上記硬質皮膜の形成には、カソード放電型
のアークイオンプレーティング装置を用いて成膜した。
The apparatus shown in FIG. 3 comprises a cathode discharge type arc ion plating apparatus for forming a hard film and a sputtering apparatus for forming a solid lubricating film. The film was formed using a cathode discharge type arc ion plating device.

【0116】硬質皮膜の形成は次の様にして行った。即
ち、基板を装置に導入後、基板温度を550℃とし、真
空度を4×10-3Pa以下とした後にArイオンによる
クリーニングを実施した(Ar圧力:2Pa、基板電
圧:400V)。クリーニング終了後、窒素を装置内が
約3Paとなるよう導入し、アーク電流を100A、基
板電圧をアース電位に対して−150Vとして成膜を行
った。
The hard coating was formed as follows. That is, after introducing the substrate into the apparatus, the substrate temperature was set to 550 ° C., the degree of vacuum was set to 4 × 10 −3 Pa or less, and then cleaning was performed using Ar ions (Ar pressure: 2 Pa, substrate voltage: 400 V). After the cleaning was completed, nitrogen was introduced so that the inside of the apparatus was about 3 Pa, the arc current was 100 A, and the substrate voltage was -150 V with respect to the earth potential to form a film.

【0117】次に、装置内で基板を200℃程度まで冷
却した後、同一チャンバー内に設けられた2つのスパッ
タリング蒸発源(金属蒸発源:WまたはCr、及び炭素
蒸発源)を用いて硬質皮膜上に固体潤滑膜を形成した。
Next, after cooling the substrate to about 200 ° C. in the apparatus, a hard coating is formed by using two sputtering evaporation sources (metal evaporation source: W or Cr and carbon evaporation source) provided in the same chamber. A solid lubricating film was formed on top.

【0118】固体潤滑膜の成膜は次の様にして行った。
まず金属蒸発源ターゲット21を用い、Arガス圧:
0.4Pa、電力:500W、基板バイアス:50Vの
条件で約0.5μmの金属層(CrまたはW)を硬質皮
膜W上に形成させた後、同じArガス圧にて固体炭素タ
ーゲット22を蒸発させ、金属蒸発源21と固体炭素源
22に加える電力を変化させることで、金属元素を含有
するDLC(ダイヤモンドライクカーボン)膜を形成し
た。上記DLC膜形成時の基板温度は約200℃とし、
基板バイアスはアース電位に対して−150Vとした。
The solid lubricating film was formed as follows.
First, using the metal evaporation source target 21, Ar gas pressure:
After forming a metal layer (Cr or W) of about 0.5 μm on the hard coating W under the conditions of 0.4 Pa, power: 500 W, and substrate bias: 50 V, the solid carbon target 22 is evaporated under the same Ar gas pressure. Then, by changing the electric power applied to the metal evaporation source 21 and the solid carbon source 22, a DLC (diamond-like carbon) film containing a metal element was formed. The substrate temperature at the time of forming the DLC film is about 200 ° C.,
The substrate bias was -150V with respect to the ground potential.

【0119】形成した硬質皮膜および固体潤滑膜の組成
はオージェ分光法で分析した。硬質皮膜および固体潤滑
膜の硬度は、ビッカース硬度計で測定した(荷重:0.
25N、保持時間:15秒)。またこれらの皮膜を形成
したドリルを用い、以下の条件で切削試験を実施した。
その結果を表5に示す。
The compositions of the formed hard film and solid lubricating film were analyzed by Auger spectroscopy. The hardness of the hard film and the solid lubricating film was measured with a Vickers hardness meter (load: 0.
25N, holding time: 15 seconds). Further, a cutting test was performed under the following conditions using a drill having these coatings formed thereon.
The results are shown in Table 5.

【0120】<ドリル切削試験> 被加工材:S50C(非熱処理材) 切削速度:60m/分 送り:0.1mm/回転 穴深さ:18mm(穴深さ/ドリル直径=3) その他:ドライカット、エアブローのみ 寿命評価:穴開け可能個数<Drill cutting test> Work Material: S50C (Non-heat treated material) Cutting speed: 60m / min Feed: 0.1 mm / revolution Hole depth: 18 mm (hole depth / drill diameter = 3) Others: Dry cut, air blow only Life evaluation: Number of holes that can be drilled

【0121】[0121]

【表5】 [Table 5]

【0122】表5より、従来の硬質皮膜のみの場合(N
o.1、2)よりも、本発明の硬質皮膜または固体潤滑
膜を形成した工具(No.3〜7)の方が寿命は長い
が、より切削工具の寿命を高めるにあたっては、No.
8〜11に示す様に、本発明の硬質皮膜に固体潤滑膜を
形成することが好ましいことがわかる。
From Table 5, in the case of only the conventional hard coating (N
o. The tool (No. 3 to 7) having the hard coating or the solid lubricating film of the present invention has a longer life than that of Nos. 1 and 2).
As shown in Nos. 8 to 11, it is preferable to form a solid lubricating film on the hard film of the present invention.

【0123】[実施例6]実施例6では、固体潤滑膜の
組成を変化させた場合に、得られる皮膜の硬度、摩擦係
数、切削試験結果に及ぼす影響を調べた。
[Example 6] In Example 6, the effect of changing the composition of the solid lubricating film on the hardness, friction coefficient and cutting test results of the resulting film was examined.

【0124】実施例5と同様の装置を用い、Ti−Cr
−Al(原子比10:20:70)ターゲットを使用し
て、硬質皮膜(膜厚約3μm)を、基板である超硬合金
製チップまたは超硬合金製ドリル上に形成し、その後、
実施例5と同様に2つのスパッタリング蒸発源(Crま
たはW)を用い、金属成分(Cr、W)と炭素の比率を
変化させた固体潤滑膜を硬質皮膜上に形成した。固体潤
滑膜の金属成分と炭素の比率は、それぞれのスパッタリ
ング蒸発源に加える電力を変化させて制御した。その他
の固体潤滑膜の成膜条件は実施例5と同様である。
Using a device similar to that of Example 5, Ti--Cr
Using an Al (atomic ratio 10:20:70) target, a hard coating (thickness of about 3 μm) is formed on a substrate made of a cemented carbide chip or a cemented carbide drill, and then,
As in Example 5, two sputtering evaporation sources (Cr or W) were used to form a solid lubricating film on the hard film in which the ratio of the metal component (Cr, W) and carbon was changed. The ratio of the metal component and carbon of the solid lubricating film was controlled by changing the electric power applied to each sputtering evaporation source. The other film forming conditions for the solid lubricating film are the same as in Example 5.

【0125】得られた硬質皮膜と固体潤滑膜の組成、お
よび硬質皮膜と固体潤滑膜の硬度を実施例5と同様にし
て測定した。また皮膜を形成したチップを用いて、対象
被加工材が鉄系合金である場合の、該鉄系合金に対する
複合皮膜(切削皮膜+固体潤滑膜)の摩擦係数を下記の
摺動試験で測定した。
The compositions of the obtained hard coating and solid lubricating coating and the hardness of the hard coating and solid lubricating coating were measured in the same manner as in Example 5. In addition, when the target work material is an iron-based alloy, the friction coefficient of the composite coating (cutting film + solid lubricating film) with respect to the iron-based alloy was measured by the following sliding test using the chip on which the film was formed. .

【0126】<摺動試験条件> 装置:往復摺動型ボールオンディスク試験装置 対象被加工材:S50Cボール(非熱処理材) 荷重:1.96N 摺動速度:2cm/秒 摺動距離:50m 評価:50m摺動時の摩擦係数<Sliding test conditions> Equipment: Reciprocating sliding ball-on-disk test equipment Target workpiece: S50C ball (non-heat treated material) Load: 1.96N Sliding speed: 2 cm / sec Sliding distance: 50m Evaluation: Friction coefficient when sliding 50 m

【0127】次に皮膜を形成したドリルを用いて、実施
例5と同等の条件で切削試験を行った。これらの結果を
表6に示す。
Then, a cutting test was conducted under the same conditions as in Example 5, using a drill having a film formed thereon. The results are shown in Table 6.

【0128】[0128]

【表6】 [Table 6]

【0129】表6にて、No.1〜3および8よりも、
No.4〜7、9および10の方が、固体潤滑膜の硬度
が高くかつ摩耗係数が小さく、結果として切削試験にお
ける寿命が長いことから明らかな通り、本発明で規定す
る固体潤滑膜を硬質皮膜上に設けることで、固体潤滑膜
の強度を確保して切削工具の長寿命化を図ることができ
ることがわかる。
In Table 6, No. 1 to 3 and 8
No. 4 to 7, 9 and 10 have a higher hardness and a smaller wear coefficient of the solid lubricating film, and as a result, a longer life in the cutting test, as is clear from the above, the solid lubricating film defined in the present invention is applied on the hard film. It can be seen that by providing the solid lubricant film, the strength of the solid lubricating film can be secured and the life of the cutting tool can be extended.

【0130】[実施例7]実施例7では、本発明で規定
する固体潤滑膜がドリルの寿命に与える影響について調
べた。
[Embodiment 7] In Embodiment 7, the effect of the solid lubricating film specified in the present invention on the life of the drill was examined.

【0131】実施例5と同様の装置を用い、Ti−Cr
−Al(原子比10:20:70)ターゲットを使用し
て、硬質皮膜(膜厚約3μm)を、基板である超硬合金
製チップおよび超硬合金製ドリル上に形成し、その後、
実施例5と同様に2つのスパッタリング蒸発源を用い、
金属成分(Cr、W)と炭素の比率を変化させた固体潤
滑膜を硬質皮膜上に形成した。
Using the same apparatus as in Example 5, Ti--Cr
Using an Al (atomic ratio 10:20:70) target, a hard coating (thickness of about 3 μm) is formed on a substrate made of a cemented carbide chip and a cemented carbide drill, and then,
Using two sputtering evaporation sources as in Example 5,
A solid lubricating film in which the ratio of metal components (Cr, W) and carbon was changed was formed on the hard film.

【0132】得られた皮膜の組成を実施例5と同様にし
て測定した。また、皮膜を形成したドリルを用い、表7
に示す様に穴深さを変化させ、その他の条件は実施例5
と同様にして切削試験を行った。これらの結果を表7に
示す。
The composition of the obtained film was measured in the same manner as in Example 5. In addition, Table 7
The hole depth is changed as shown in FIG.
A cutting test was conducted in the same manner as in. The results are shown in Table 7.

【0133】[0133]

【表7】 [Table 7]

【0134】表7より、本発明の硬質皮膜被覆工具を切
削に用いる場合には、固体潤滑膜を設けることが長寿命
化を図る観点から好ましく、特に穴深さ/ドリル直径が
2倍を超える穴を切削する場合に、本発明の固体潤滑膜
はその効果を十分に発揮することがわかる。
From Table 7, when the hard film-coated tool of the present invention is used for cutting, it is preferable to provide a solid lubricating film from the viewpoint of prolonging the service life, and in particular, the hole depth / drill diameter exceeds twice. It can be seen that the solid lubricating film of the present invention sufficiently exerts its effect when cutting holes.

【0135】[0135]

【発明の効果】本発明の如く硬質皮膜の組成を制御する
ことで、従来の切削工具等と比較して優れた耐摩耗性を
長期間に渡って発揮する工具を提供できることとなっ
た。また、規定の中間膜を設けることで基材と硬質皮膜
の密着性をより向上させた硬質皮膜被覆工具や、規定の
固体潤滑膜を設けることで、摺動特性に優れ、鉄基合金
やアルミ基合金、チタン基合金等といった溶着しやすい
材料を対象としたドライ加工またはセミドライ加工にお
いて長期間の切削を可能とした硬質皮膜被覆工具も併せ
て提供できることとなった。尚、本発明で規定の第1中
間膜を設けた硬質皮膜被覆工具は、皮膜部分を除去し易
いことから、使用皮膜を除去し再コーティング処理を施
して繰り返し使用する工具に好適である。
As described above, by controlling the composition of the hard coating as in the present invention, it is possible to provide a tool which exhibits excellent wear resistance over a long period of time as compared with conventional cutting tools and the like. In addition, a hard coating tool that improves the adhesion between the base material and the hard coating by providing a specified intermediate film, and a specified solid lubricating film provides excellent sliding characteristics, making it possible to use iron-based alloys and aluminum. It has also become possible to provide a hard film-coated tool that enables long-term cutting in dry processing or semi-dry processing for materials that easily weld such as base alloys and titanium base alloys. The hard film-coated tool provided with the first intermediate film specified in the present invention is easy to remove the film portion, and is therefore suitable for a tool that is repeatedly used after removing the used film and re-coating.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】(Ti,Al,Cr)N膜における金属成分T
i、AlおよびCrの組成図にて本発明範囲を示したも
のである。
FIG. 1 is a metal component T in a (Ti, Al, Cr) N film.
The composition of i, Al and Cr shows the scope of the present invention.

【図2】実施例1で使用した成膜装置を概略的に示した
図である。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a film forming apparatus used in Example 1.

【図3】実施例5で使用した成膜装置を概略的に示した
図である。
FIG. 3 is a diagram schematically showing a film forming apparatus used in Example 5.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 容器 2 アーク式蒸発源 3 支持台 4 バイアス電源 6 アーク蒸発源(ターゲット) 7 アーク電源 8 磁石(磁界形成手段) 11 排気口 12 ガス供給口 W 被処理体(基材、基板) 21 スパッタリング蒸発源(CrまたはWターゲッ
ト) 22 スパッタリング蒸発源(固体炭素ターゲット) 23 スパッタリング電源
1 Container 2 Arc-type Evaporation Source 3 Support 4 Bias Power Supply 6 Arc Evaporation Source (Target) 7 Arc Power Supply 8 Magnet (Magnetic Field Forming Means) 11 Exhaust Port 12 Gas Supply Port W Object (Substrate, Substrate) 21 Sputtering Evaporation Source (Cr or W target) 22 sputtering evaporation source (solid carbon target) 23 sputtering power source

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Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 金属基材上に、下記組成1または組成2
の要件を満たす硬質皮膜が少なくとも1層形成されてい
ることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。 <組成1> (Ti1-a-b-c-d Ala Crb Sic d)(C
1-e e) 0.5≦a≦0.8、 0.06≦b、 0≦c≦0.1、 0≦d≦0.1、 0≦c+d≦0.1、 a+b+c+d<1、 0.5≦e≦1 (a,b,c,dはそれぞれAl,Cr,Si,Bの原
子比を示し、eはNの原子比を示す) <組成2> (Tia Alb c)(C1-d d) 0.02≦a≦0.3、 0.5<b≦0.8、 0.05<c、 0.7≦b+c、 a+b+c=1、 0.5≦d≦1 (a,b,cはそれぞれTi,Al,Vの原子比を示
し、dはNの原子比を示す)
1. The following composition 1 or composition 2 on a metal substrate.
A hard film-coated tool characterized in that at least one hard film satisfying the requirements of (1) is formed. <Composition 1> (Ti 1-abcd Al a Cr b Si c B d) (C
1-e N e ) 0.5 ≦ a ≦ 0.8, 0.06 ≦ b, 0 ≦ c ≦ 0.1, 0 ≦ d ≦ 0.1, 0 ≦ c + d ≦ 0.1, a + b + c + d <1, 0.5 ≦ e ≦ 1 (a, b, c and d represent atomic ratios of Al, Cr, Si and B, and e represents atomic ratio of N) <Composition 2> (Ti a Al b V c ) (C 1-d N d ) 0.02 ≦ a ≦ 0.3, 0.5 <b ≦ 0.8, 0.05 <c, 0.7 ≦ b + c, a + b + c = 1, 0.5 ≦ d ≦ 1 (a, b and c represent atomic ratios of Ti, Al and V, respectively, and d represents atomic ratio of N)
【請求項2】 前記金属基材と前記硬質皮膜の間に、下
記組成を満たす第1中間膜が少なくとも1層形成されて
いる請求項1に記載の硬質皮膜被覆工具。 (Ti1-x Alx)(C1-y y) 0≦x≦0.25、 0.5≦y≦1 (xはAlの原子比を示し、yはNの原子比を示す)
2. The hard coating tool according to claim 1, wherein at least one layer of a first intermediate film satisfying the following composition is formed between the metal base material and the hard coating. (Ti 1-x Al x ) (C 1-y N y ) 0 ≦ x ≦ 0.25, 0.5 ≦ y ≦ 1 (x represents the atomic ratio of Al and y represents the atomic ratio of N)
【請求項3】 前記金属基材の表面に、予め第2中間膜
としてTi及び/又はCrを含む金属層または合金層が
少なくとも1層形成されている請求項1または2に記載
の硬質皮膜被覆工具。
3. The hard coating according to claim 1, wherein at least one metal layer or alloy layer containing Ti and / or Cr is formed as a second intermediate film on the surface of the metal substrate in advance. tool.
【請求項4】 前記硬質皮膜の残留圧縮応力が8GPa
以下である請求項1〜3のいずれかに記載の硬質皮膜被
覆工具。
4. The residual compressive stress of the hard coating is 8 GPa.
It is the following, The hard film coating tool in any one of Claims 1-3.
【請求項5】 最表面皮膜として、被加工材に対する摩
耗係数が、当該硬質皮膜の被加工材に対する摩耗係数よ
りも小さい固体潤滑膜が形成されている請求項1〜4の
いずれかに記載の硬質皮膜被覆工具。
5. The solid lubricating film according to claim 1, wherein the outermost surface coating is a solid lubricating film having a wear coefficient smaller than that of the hard coating with respect to the work material. Hard coating tool.
【請求項6】 前記固体潤滑膜が、W、Cr、Ti、M
oよりなる群から選択される少なくとも1種を30原子
%以下含有し、残部はCを主体とするものである請求項
5に記載の硬質皮膜被覆工具。
6. The solid lubricating film comprises W, Cr, Ti, M
The hard film-coated tool according to claim 5, which contains 30 atomic% or less of at least one selected from the group consisting of o and the balance mainly comprises C.
【請求項7】 前記被加工材が、鉄基合金、アルミ基合
金、チタン基合金又は銅基合金である請求項5または6
に記載の硬質皮膜被覆工具。
7. The material to be processed is an iron-based alloy, an aluminum-based alloy, a titanium-based alloy or a copper-based alloy.
The hard film coated tool according to.
【請求項8】 ドライ切削用またはセミドライ切削用と
して用いる請求項5〜7のいずれかに記載の硬質皮膜被
覆工具。
8. The hard coating tool according to claim 5, which is used for dry cutting or semi-dry cutting.
【請求項9】 前記金属基材が、鉄系合金基材である請
求項1〜8のいずれかに記載の硬質皮膜被覆工具。
9. The hard coating tool according to claim 1, wherein the metal substrate is an iron-based alloy substrate.
【請求項10】 前記鉄系合金基材が、500℃以上で
焼き戻しを行った鉄系合金基材である請求項9に記載の
硬質皮膜被覆工具。
10. The hard coating tool according to claim 9, wherein the iron-based alloy base material is an iron-based alloy base material that has been tempered at 500 ° C. or higher.
【請求項11】 前記金属基材が、超硬合金基材である
請求項5〜8のいずれかに記載の硬質皮膜被覆工具。
11. The hard coating tool according to claim 5, wherein the metal base material is a cemented carbide base material.
【請求項12】 ホブ、ドリル又はエンドミルである請
求項1〜11のいずれかに記載の硬質皮膜被覆工具。
12. The hard coating tool according to claim 1, which is a hob, a drill or an end mill.
【請求項13】 請求項9または10に記載の硬質皮膜
被覆工具を製造する方法であって、アークイオンプレー
ティング法を採用し、350℃〜520℃に保った鉄系
合金基材上に前記硬質皮膜を形成することを特徴とする
硬質皮膜被覆工具の製造方法。
13. A method for producing a hard coating tool according to claim 9 or 10, wherein the arc ion plating method is adopted and the iron-based alloy base material is maintained at 350 ° C. to 520 ° C. A method for producing a hard coating tool, which comprises forming a hard coating.
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