JP2005344148A - Wear-resistant film, and surface-coated cutting tool using the same - Google Patents

Wear-resistant film, and surface-coated cutting tool using the same Download PDF

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Makoto Setoyama
誠 瀬戸山
Hideki Moriguchi
秀樹 森口
Haruyo Fukui
治世 福井
Naoya Omori
直也 大森
Shinya Imamura
晋也 今村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a film capable of enhancing the wear resistance and heat resistance of a cutting tool or the like, in particular, wear resistance, slidability and chipping resistance at a high temperature, and a tool with the film coated thereon. <P>SOLUTION: The wear-resistant film consists of metal elements selected from the group consisting of Cr, Al and Si, and one or more elements of C, N or O, and has at least one layer consisting of a compound containing ≥ 0.001 atm.% and <5 atm.% Ar atoms. Projections of ≥1 μm diameter and ≥1 μm height are present at a density of below 10 in number on the average in the range of 100 μm×100 μm on the surface of the wear-resistant film. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、切削工具、耐摩工具、機械部品、摺動部品、電気・電子部品などに用いる耐摩耗性被膜およびこれを用いた表面被覆切削工具に関する。   The present invention relates to a wear-resistant coating used for cutting tools, wear-resistant tools, machine parts, sliding parts, electrical / electronic parts, and the like, and a surface-coated cutting tool using the same.

最近の切削工具の動向として、地球環境保全の観点からゼロエミッション加工となるドライ加工が志向されていること、耐熱合金やPbレス合金など被削材が多様化していること、加工能率を一層向上させるため切削速度や送り速度がより高速になってきていること、などから、工具刃先温度はますます高温になる傾向であり、工具材料に要求される特性は厳しくなる一方である。   Recent trends in cutting tools include zero-emission processing from the viewpoint of global environmental protection, the diversification of work materials such as heat-resistant alloys and Pb-less alloys, and further improvement in machining efficiency. Therefore, the cutting edge temperature tends to become higher due to the fact that the cutting speed and the feeding speed are higher, and the characteristics required for the tool material are becoming stricter.

特に工具材料の要求特性として、高温での被膜の安定性(耐酸化特性や被膜の密着性)はもちろんのこと、切削工具寿命に関係する耐摩耗性、すなわち被膜の高温における硬度の向上や潤滑油剤に変わる被膜の潤滑特性が一段と重要となっている。   In particular, the required characteristics of the tool material include not only the stability of the coating at high temperatures (oxidation resistance and coating adhesion), but also the wear resistance related to the life of the cutting tool, that is, the improvement in hardness and lubrication of the coating at high temperatures. The lubrication characteristics of coatings that change to oils are becoming more important.

従来、工具、金型および摺動部品などにおいては、耐摩耗性、耐熱性および潤滑性を向上させるために、基材表面にPVD法やCVD法により、TiCN、TiAlN、TiSiNおよびAlなどからなる化合物の層を1層または複数層形成して、上記工具等の表面に被覆することが一般化している。 Conventionally, in tools, molds, sliding parts and the like, TiCN, TiAlN, TiSiN, and Al 2 O 3 are applied to the surface of a substrate by PVD or CVD in order to improve wear resistance, heat resistance, and lubricity. It has become common to form one or a plurality of layers of a compound comprising such as above and coat the surface of the tool or the like.

上記のうち、耐摩耗性被膜としては、TiNおよびTiCNが主として用いられているが、これらを用いた耐摩耗性被膜は耐酸化性に劣るため、摺動面が高温にさらされる環境においては耐摩耗性被膜の酸化摩耗が進み問題である。   Of these, TiN and TiCN are mainly used as wear-resistant coatings, but wear-resistant coatings using these are inferior in oxidation resistance, so that they are resistant in environments where sliding surfaces are exposed to high temperatures. Oxidative wear of the wearable coating is a problem.

この問題を解決するために、より耐酸化性に優れたTiAlNやTiSiN材料からなる被膜が開発され、これにより高温での環境における使用や寿命の延長が可能となった。しかし、当該被膜は、被膜中にTiを含んでいるので、切削等の際にTI成分が酸化し、1000℃付近での使用には問題である。   In order to solve this problem, a coating made of a TiAlN or TiSiN material having better oxidation resistance has been developed, which makes it possible to use it in an environment at a high temperature and extend its life. However, since the coating contains Ti in the coating, the TI component is oxidized at the time of cutting or the like, which is problematic for use near 1000 ° C.

また、Alを用いた被膜は、一般的に広く用いられ耐熱性にも優れているが、被膜の形成の際に1000℃以上の温度にする必要があり、この環境に適用可能な基材が限定されてしまう。 In addition, a film using Al 2 O 3 is generally widely used and excellent in heat resistance, but it is necessary to set the temperature to 1000 ° C. or higher when forming the film, and can be applied to this environment. A base material will be limited.

これらの問題を解決するために、下記特許文献1には、AlCrN材料を用いた複合被膜が開示され、また、下記特許文献2には、AlCrSiN材料からなる被膜が開示されている。これらの被膜は、高硬度であり、また優れた耐摩耗性と1000℃以上での耐酸化性を有することから高温環境の酸化摩耗の抑制に有効である。   In order to solve these problems, the following Patent Document 1 discloses a composite coating using an AlCrN material, and the following Patent Document 2 discloses a coating made of an AlCrSiN material. These coatings have high hardness and excellent wear resistance and oxidation resistance at 1000 ° C. or higher, so that they are effective in suppressing oxidative wear in a high temperature environment.

しかしながら、下記特許文献1および2に記載の被膜においては、耐溶着性および耐欠損性に問題がある。特に、切削工具においては、近年の高速/高能率加工の要求により、工具刃先はより高温となり、被削材との摺動環境は厳しいため、切り粉の溶着は激しくなり、また刃先にかかる負担も大きくなることから刃先の欠損も大きな問題となっている。
特開平10−25566号公報 特開2003−321764号公報
However, the coatings described in Patent Documents 1 and 2 below have problems in welding resistance and fracture resistance. Especially in cutting tools, due to recent demands for high-speed / high-efficiency machining, the tool blade edge becomes hotter and the sliding environment with the work material is severe, so that the welding of the chips becomes severe and the load on the blade edge As a result, the cutting edge is a big problem.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-25566 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-321764

本発明は上記従来の技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、切削工具等の耐摩耗性、耐熱性、特に、高温における耐摩耗性、摺動性、耐欠損性を向上させる被膜およびこの被膜を被覆した工具を提供することである。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems of the prior art, and its purpose is wear resistance and heat resistance of cutting tools and the like, in particular, wear resistance at high temperatures, slidability and chipping resistance. And a tool coated with the coating.

本発明は、Cr、AlおよびSiからなる群より選択される金属元素と、C、NまたはOのいずれか1つ以上の元素とからなり、さらに、0.001原子%以上5原子%未満のAr原子を含む化合物から構成される層を一層以上含む耐摩耗性被膜であって、該耐摩耗性被膜の表面に、直径1μm以上であり、高さが1μm以上である突起が、前記耐摩耗性被膜の表面における100μm×100μmの範囲内に平均10個未満で存在することを特徴とする耐摩耗性被膜を提供する。   The present invention comprises a metal element selected from the group consisting of Cr, Al and Si, and one or more elements of C, N or O, and further 0.001 atomic% or more and less than 5 atomic% A wear-resistant coating comprising one or more layers composed of a compound containing Ar atoms, wherein a projection having a diameter of 1 μm or more and a height of 1 μm or more is formed on the surface of the wear-resistant coating. Provided is an abrasion-resistant coating film characterized by being present in an average of less than 10 pieces within a range of 100 μm × 100 μm on the surface of the conductive coating film.

好ましくは、前記化合物から構成される層のうち、Ar原子を除く元素の組成が、(Cr1−x−yAlSi)(C1−u−v)(ただし、0.2≦x≦0.75、0≦y≦0.2、x+y≦0.75、0≦u≦0.5、0≦v≦0.2、u+v≦0.6)である。 Preferably, among the constructed layer from said compound, the composition of elements except for Ar atoms, (Cr 1-x-y Al x Si y) (C u N 1-u-v O v) ( where 0 0.2 ≦ x ≦ 0.75, 0 ≦ y ≦ 0.2, x + y ≦ 0.75, 0 ≦ u ≦ 0.5, 0 ≦ v ≦ 0.2, u + v ≦ 0.6).

好ましくは、前記化合物から構成される層の結晶構造が、NaCl型結晶構造である。   Preferably, the crystal structure of the layer composed of the compound is a NaCl-type crystal structure.

好ましくは、前記化合物から構成される層の結晶構造が、NaCl型結晶構造と非晶質構造とを含む。   Preferably, the crystal structure of the layer composed of the compound includes a NaCl-type crystal structure and an amorphous structure.

好ましくは、前記化合物から構成される層において、一層あたりの層厚が0.1μm以上10μm以下である。   Preferably, in the layer composed of the compound, the layer thickness per layer is 0.1 μm or more and 10 μm or less.

好ましくは、前記化合物から構成される層の全層厚において、該全層厚の1/10以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、最大押し込み深さをhmaxとし、荷重除荷後の押し込み深さをhfとした場合、(hmax−hf)/hmaxが0.2以上0.7以下である。   Preferably, according to a nanoindentation method that is performed by applying a controlled indentation load so that the indentation depth is 1/10 or less of the total thickness of the layer composed of the compound. In the hardness test, when the maximum indentation depth is hmax and the indentation depth after unloading is hf, (hmax−hf) / hmax is 0.2 or more and 0.7 or less.

好ましくは、前記化合物から構成される層の全層厚において、該全層厚の1/10以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、該硬さが20GPa以上50GPa以下である。   Preferably, according to a nanoindentation method that is performed by applying a controlled indentation load so that the indentation depth is 1/10 or less of the total thickness of the layer composed of the compound. In the hardness test, the hardness is 20 GPa or more and 50 GPa or less.

好ましくは、残留圧縮応力が、−6GPa以上0GPa以下である。   Preferably, the residual compressive stress is -6 GPa or more and 0 GPa or less.

本発明はまた、基材表面上に、上記の耐摩耗性被膜を被覆したことを特徴とする表面被覆切削工具を提供する。   The present invention also provides a surface-coated cutting tool characterized in that the above-mentioned wear-resistant coating is coated on the surface of a substrate.

好ましくは、前記基材は、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンからなる基材のいずれかである。   Preferably, the base material is made of WC-based cemented carbide, cermet, high speed steel, ceramics, cubic boron nitride sintered body, diamond sintered body, silicon nitride sintered body, or aluminum oxide and titanium carbide. One of the substrates.

好ましくは、前記耐摩耗性被膜は、前記基材表面上に、物理的蒸着法を用いて形成される。   Preferably, the abrasion-resistant film is formed on the substrate surface using a physical vapor deposition method.

好ましくは、前記物理的蒸着法が、アンバランストマグネトロンスパッタ法であり、該方法は、前記基材に負のバイアス電圧を印加する工程を含む。   Preferably, the physical vapor deposition method is an unbalanced magnetron sputtering method, and the method includes a step of applying a negative bias voltage to the substrate.

本発明の耐摩耗性部材およびこれを用いた表面被覆切削工具によれば、優れた耐溶着性、耐摩耗性、耐熱性、耐剥離性および耐欠損性を有するため、長期にわたり良好な特性を維持することができる。   According to the wear-resistant member and the surface-coated cutting tool using the wear-resistant member of the present invention, it has excellent welding resistance, wear resistance, heat resistance, peeling resistance, and chipping resistance, and therefore has good characteristics over a long period of time. Can be maintained.

本発明の耐摩耗性被膜によれば、Cr、AlおよびSiからなる群より選択される金属元素と、C、NまたはOのいずれか1つ以上の元素とからなり、さらに、0.001原子%以上5原子%未満のAr原子を含む化合物から構成される層を一層以上含む耐摩耗性被膜であって、該耐摩耗性被膜の表面に、直径1μm以上であり、高さが1μm以上である突起が、前記耐摩耗性被膜の表面における100μm×100μmの範囲内に平均10個未満で存在することを特徴とする。   According to the wear-resistant coating film of the present invention, it comprises a metal element selected from the group consisting of Cr, Al, and Si, and one or more elements of C, N, or O, and further 0.001 atom. % Of an abrasion-resistant film comprising one or more layers composed of a compound containing Ar atoms of not less than 5% and less than 5 atomic%, and having a diameter of 1 μm or more and a height of 1 μm or more A certain number of protrusions are present in an average of less than 10 in the range of 100 μm × 100 μm on the surface of the wear-resistant coating.

上記従来の技術において述べたとおり、CrAlまたはCrAlSiの窒化物は、耐酸化性および耐摩耗性に優れた化合物であるが、高温環境において、摺動性に劣るため、相手材(切削加工等の対象とする材料)が被膜表面に溶着し、この溶着した相手材が脱落する際に被膜も同時に脱落するため、これが起点となって摩耗が進行する。また、切削工具の刃先においては、相手材である被削材の溶着が膜に留まらず基材の一部まで脱落させてしまうこともある。   As described in the above prior art, a nitride of CrAl or CrAlSi is a compound having excellent oxidation resistance and wear resistance. However, in a high temperature environment, it is inferior in slidability. The target material) is welded to the surface of the coating, and when the welded counterpart material is removed, the coating is also removed at the same time. In addition, at the cutting edge of the cutting tool, the welding of the work material, which is the counterpart material, may not fall on the film but may fall off to a part of the base material.

このような溶着に起因する被膜および/または基材の脱落を、上記本発明の耐摩耗性被膜により抑制することができる。本発明の耐摩耗性被膜によれば、被膜の表面において100μm×100μmの範囲内における、直径1μm以上であり高さ1μm以上の突起が平均10個未満であるので、上記の脱落を防止することができ、工具の寿命を延ばすことができる。これは、相手材の溶着が被膜表面の鋭い突起物に優先的に発生することから、被膜表面をより平滑にすることにより、このような溶着を抑制するものである。   The film and / or the substrate falling off due to such welding can be suppressed by the wear-resistant coating of the present invention. According to the wear-resistant coating film of the present invention, since the average number of protrusions having a diameter of 1 μm or more and a height of 1 μm or more within the range of 100 μm × 100 μm is less than 10 on the surface of the coating, the above-mentioned dropout is prevented. Can extend the life of the tool. This is because the welding of the counterpart material is preferentially generated on the sharp projections on the surface of the coating, so that the welding is suppressed by making the coating surface smoother.

本発明において、上記突起は可能な限り少ないことが好ましいが、被覆表面を完全に平滑にすることは製造コストの面から合理的でない場合もあるので、数個程度存在してもよい。一方、上記突起が平均10個以上であると、耐溶着性能は非常に低下するので好ましくない。より好ましくは、被膜の表面において100μm×100μmの範囲内における、直径1μm以上であり高さ1μm以上の突起が平均5個未満である。   In the present invention, it is preferable that the number of protrusions is as small as possible. However, since it may be unreasonable from the viewpoint of manufacturing cost to completely smooth the coated surface, there may be several protrusions. On the other hand, if the number of the protrusions is 10 or more on average, the welding resistance performance is extremely lowered, which is not preferable. More preferably, the average number of protrusions having a diameter of 1 μm or more and a height of 1 μm or more in the range of 100 μm × 100 μm on the surface of the coating is less than 5.

本発明において、耐摩耗性被膜を構成する、化合物から構成される層において、当該化合物は、Cr、AlおよびSiからなる群より選択される金属元素と、C、NまたはOのいずれか1つ以上の元素とからなる。このように、C、NまたはOのいずれか1つ以上の元素を含むことで、単純な窒化物にする場合に比べて、化合物の性能を向上させることができる。具体的には、C(炭素)を含むことにより、摩擦係数および摺動性を良好にすることができ、さらに、膜硬度および耐摩耗性も向上させることができる。また、酸素(O)を含むことにより、耐酸化性をさらに向上させ、化学的安定性が増大することから化学反応による相手材との溶着が低減され、耐溶着性が向上する。   In the present invention, in the layer composed of a compound constituting the abrasion-resistant film, the compound is a metal element selected from the group consisting of Cr, Al and Si, and any one of C, N or O It consists of the above elements. Thus, by including any one or more elements of C, N, or O, the performance of the compound can be improved as compared with the case of using a simple nitride. Specifically, by containing C (carbon), the coefficient of friction and slidability can be improved, and the film hardness and wear resistance can also be improved. Further, by containing oxygen (O), the oxidation resistance is further improved and the chemical stability is increased. Therefore, the welding with the counterpart material due to the chemical reaction is reduced, and the welding resistance is improved.

ここで、化合物から構成される層を一層以上含むとは、当該化合物の組成が異なる層が一層以上積層されて、耐摩耗性被膜の一部または全部を構成するという意味である。なお、一層のみの場合は、一種類の組成の化合物からなる層により耐摩耗性被膜の一部または全部とされることとなる。   Here, including one or more layers composed of a compound means that one or more layers having different compositions of the compound are laminated to constitute a part or all of the wear-resistant coating. In the case of only one layer, a part or the whole of the abrasion-resistant film is formed by a layer made of a compound having one kind of composition.

本発明の耐摩耗性被膜において、化合物から構成される層において、当該化合物中にAr原子を、一層あたりの化合物の層全体に対して、原子%で0.001%以上5%未満の範囲で含ませることが好ましい。Ar原子を含むことにより、被膜の靭性が大幅に向上し、被膜の欠損により脱落を防ぐことができるからである。特に、上記範囲内で存在する微量な突起に相手材が溶着した場合においても、被膜および/または基材の脱落を抑制することができ、耐溶着性との相乗効果により寿命を大幅に延ばすことができる。   In the wear-resistant coating film of the present invention, in a layer composed of a compound, Ar atoms in the compound are within a range of 0.001% or more and less than 5% in atomic percent with respect to the entire compound layer per layer. It is preferable to include. This is because the inclusion of Ar atoms significantly improves the toughness of the coating and prevents the film from dropping off due to the loss of the coating. In particular, even when the mating material is welded to a small amount of protrusions existing within the above range, the coating and / or the base material can be prevented from falling off, and the life can be greatly extended by a synergistic effect with the welding resistance. Can do.

上記Ar原子において、原子%で0.001%未満であると、十分な被膜の靭性を得ることができず被膜の欠損性の防止の効果を得ることができない虞がある。また、5原子%を超えると、膜硬度などの化合物の特性を劣化させてしまう虞がある。より好ましくは、原子%で0.01%以上、1%未満である。   If the above-mentioned Ar atom is less than 0.001% in atomic%, there is a possibility that sufficient film toughness cannot be obtained and the effect of preventing the film deficiency cannot be obtained. Moreover, when it exceeds 5 atomic%, there exists a possibility of deteriorating the characteristics of compounds, such as film hardness. More preferably, the atomic% is 0.01% or more and less than 1%.

また、本発明において、化合物から構成される層において、Arを除く原子組成は、(Cr1−x−yAlSi)(C1−u−v)(ただし、0.2≦x≦0.75、0≦y≦0.2、x+y≦0.75、0≦u≦0.5、0≦v≦0.2、u+v≦0.6)であることが好ましい。Alの組成が0.2未満、すなわちxが0.2未満であると、所望の耐熱性および硬度を得ることが難しい。一方、Alの組成が0.75を超える、すなわちxが0.75を超えると、硬度が低下するために、耐摩耗性が劣化するおそれがある。より好ましくは、0.55≦x≦0.75である。 In the present invention, in the layer composed of the compound, the atomic composition excluding Ar is (Cr 1-xy Al x Si y ) (C u N 1-uv O v ) (provided that 0. 2 ≦ x ≦ 0.75, 0 ≦ y ≦ 0.2, x + y ≦ 0.75, 0 ≦ u ≦ 0.5, 0 ≦ v ≦ 0.2, u + v ≦ 0.6). If the Al composition is less than 0.2, that is, x is less than 0.2, it is difficult to obtain desired heat resistance and hardness. On the other hand, when the Al composition exceeds 0.75, that is, when x exceeds 0.75, the hardness is lowered, so that the wear resistance may be deteriorated. More preferably, 0.55 ≦ x ≦ 0.75.

また上記化合物から構成される層において、シリコン(Si)を含有することにより、化合物からなる層の組織が緻密になり、かつ耐酸化性が向上するので好ましい。当該Siは、組成比で0以上0.2以下の範囲で含有することが好ましい。0.2を超えると化学的な安定性が失われ、高温において相手材と反応して化学的な摩耗を増大させる傾向が強くなってしまう虞があるので好ましくない。より好ましくは、0.05以上0.15以下である。   In addition, it is preferable to include silicon (Si) in the layer composed of the compound because the structure of the layer composed of the compound becomes dense and the oxidation resistance is improved. The Si is preferably contained in a range of 0 to 0.2 in terms of composition ratio. If it exceeds 0.2, the chemical stability is lost, and there is a risk that the tendency to react with the mating material at a high temperature to increase the chemical wear may be increased. More preferably, it is 0.05 or more and 0.15 or less.

また上記化合物から構成される層において、クロム(Cr)を含有することにより、耐熱性および摺動性が向上する点で好ましい。当該Crは、組成比で0.25以上の範囲で含有することが好ましい。0.25未満であると、被膜の硬度を確保することが難しく、耐摩耗性が劣化してしまう虞があるので好ましくない。   Moreover, it is preferable at the point which heat resistance and slidability improve by containing chromium (Cr) in the layer comprised from the said compound. The Cr is preferably contained in a composition ratio of 0.25 or more. If it is less than 0.25, it is difficult to ensure the hardness of the coating, and the wear resistance may be deteriorated.

また上記化合物から構成される層において、Cは、組成比で0以上0.5以下の範囲で含有することが好ましい。0.5を超えると、被膜の硬度が増大する一方で、靭性が失われ欠損しやすくなってしまう。より好ましくは、0以上0.3以下である。   Moreover, in the layer comprised from the said compound, it is preferable to contain C in the range of 0 or more and 0.5 or less by composition ratio. If it exceeds 0.5, the hardness of the coating increases, but the toughness is lost and the film tends to be lost. More preferably, it is 0 or more and 0.3 or less.

また上記化合物から構成される層において、Oは、組成比で0以上0.2以下の範囲で含有することが好ましい。0.2を超えると、被膜の硬度が低下し、耐摩耗性が劣化する虞がある。より好ましくは、0以上0.1以下である。   Moreover, in the layer comprised from the said compound, it is preferable to contain O in the range of 0 or more and 0.2 or less by composition ratio. When it exceeds 0.2, the hardness of the coating film is lowered and the wear resistance may be deteriorated. More preferably, it is 0 or more and 0.1 or less.

また上記化合物から構成される層において、Nは、組成比で0.4以上の範囲で含有することが好ましい。0.4未満であると、耐摩耗性および化学的安定性のバランスを欠き、結果として耐摩耗性部材の適用範囲が狭くなる虞がある。より好ましくは、0.5以上である。   Moreover, in the layer comprised from the said compound, it is preferable to contain N in the range of 0.4 or more by composition ratio. If it is less than 0.4, the balance between wear resistance and chemical stability is lacking, and as a result, the application range of the wear resistant member may be narrowed. More preferably, it is 0.5 or more.

本発明において、上述のように化合物から構成される層において、原子組成および形成条件を制御することより、結晶構造を制御することが可能である。ここで、被膜や工具等の刃先の靭性を確保する観点では、機械的特性に優れたNaCl型結晶構造にすることが好ましい。   In the present invention, the crystal structure can be controlled by controlling the atomic composition and formation conditions in the layer composed of the compound as described above. Here, from the viewpoint of ensuring the toughness of the cutting edge of a coating film or a tool, it is preferable to have a NaCl type crystal structure with excellent mechanical properties.

また、耐摩耗性と耐酸化性とを確保する観点では、化合物の結晶構造をNaCl型結晶構造と非晶質構造とが混在した構造であることが好ましい。特に、NaCl型の結晶化部分がCr,Alを主成分とする化合物のナノサイズの微細結晶であり、Siを主成分とする非晶質部分と混在するとさらに優れた効果を得ることができる。このような被膜の組織にすることにより、耐溶着性はさらに向上する。   Further, from the viewpoint of ensuring wear resistance and oxidation resistance, the crystal structure of the compound is preferably a structure in which a NaCl-type crystal structure and an amorphous structure are mixed. In particular, the NaCl-type crystallized portion is a nano-sized fine crystal of a compound mainly composed of Cr and Al, and a more excellent effect can be obtained when mixed with an amorphous portion mainly composed of Si. By using such a coating structure, the welding resistance is further improved.

本発明において、化合物から構成される層の1つあたりの層厚は、0.1μm以上10μm以下の範囲であることが好ましい。0.1μm未満では、所望の耐摩耗性を達成することが難しく、10μmを超えると被膜の耐剥離性が低下する。より好ましくは、0.5μm以上5μm以下である。   In this invention, it is preferable that the layer thickness per layer comprised from a compound is the range of 0.1 micrometer or more and 10 micrometers or less. If it is less than 0.1 μm, it is difficult to achieve the desired wear resistance, and if it exceeds 10 μm, the peel resistance of the coating is lowered. More preferably, it is 0.5 μm or more and 5 μm or less.

また、本発明において、化合物から構成される層の全体の層厚は、0.1μm以上20μm以下の範囲であることが好ましい。0.1μm未満では、所望の耐摩耗性が得られないおそれがあり、20μmを超えると、膜の靭性が低いため、膜が欠けやすくなるという問題が生じる虞があるためである。より好ましくは、0.7μm以上7μm以下である。   In the present invention, the total layer thickness of the layer composed of the compound is preferably in the range of 0.1 μm to 20 μm. If the thickness is less than 0.1 μm, the desired wear resistance may not be obtained. If the thickness exceeds 20 μm, the toughness of the film is low, which may cause a problem that the film tends to be chipped. More preferably, it is 0.7 μm or more and 7 μm or less.

本発明の耐摩耗性被膜において、上述の化合物から構成される層の他に、該化合物の層と基材との密着力を向上させる観点から、該化合物の層と基材との間に中間層を設けることが好ましい。当該中間層は、TiN、TiCrNおよびTiAlNなどから構成されることが好ましい。また、当該中間層の層厚は0.1μm以上5μm以下の範囲であることが好ましい。0.1μm未満であると、効果が得られないおそれがある。また、5μmを超えると、膜全体における中間層の比率が大きくなるため、膜全体としての耐摩耗性や溶着性が劣化するという問題が生じる虞があるためである。   In the wear resistant coating of the present invention, in addition to the layer composed of the above-mentioned compound, from the viewpoint of improving the adhesion between the compound layer and the substrate, an intermediate is provided between the compound layer and the substrate. It is preferable to provide a layer. The intermediate layer is preferably composed of TiN, TiCrN, TiAlN, or the like. Moreover, it is preferable that the layer thickness of the said intermediate | middle layer is the range of 0.1 micrometer or more and 5 micrometers or less. If the thickness is less than 0.1 μm, the effect may not be obtained. Further, if the thickness exceeds 5 μm, the ratio of the intermediate layer in the entire film increases, which may cause a problem that the wear resistance and weldability of the entire film deteriorate.

本発明の耐摩耗性被膜において、化合物の層から構成される一層以上の層の外側または内側に表面層を設けてもよい。上記中間層が存在する場合、化合物の層の内側にある表面層は、中間層と化合物の層との間に設けられることになる。当該表面層を設けることにより、耐摩耗性をさらに向上させることができる。   In the wear resistant coating of the present invention, a surface layer may be provided on the outer side or the inner side of one or more layers composed of the compound layers. When the intermediate layer is present, the surface layer inside the compound layer is provided between the intermediate layer and the compound layer. By providing the surface layer, the wear resistance can be further improved.

当該表面層は、TiAlN、TiAlCN、TiSiN、TiSiCNおよびTiCNなどから構成されることが好ましい。当該表面層の層厚は、0.1μm以上5μm以下の範囲であることが好ましい。0.1μm未満であると、効果が十分に得られない虞があるためである。また、5μmを超えると、膜全体における中間層の比率が大きくなるため、膜全体としての耐摩耗性や溶着性が劣化するという問題が生じる虞があるためである。   The surface layer is preferably composed of TiAlN, TiAlCN, TiSiN, TiSiCN and TiCN. The layer thickness of the surface layer is preferably in the range of 0.1 μm to 5 μm. This is because if the thickness is less than 0.1 μm, the effect may not be sufficiently obtained. On the other hand, if the thickness exceeds 5 μm, the ratio of the intermediate layer in the entire film increases, and thus there is a possibility that the wear resistance and weldability of the entire film deteriorate.

さらに、本発明の耐摩耗性被膜において、低温での湿潤性を向上させる観点から、当該被膜の最外表面に、最外表面層をさらに設けてもよい。当該最外表面層はTiCNまたはCrNなどから構成されてもよいし、化合物の層と上記表面層とを交互に繰り返して配置してもよい。このようにすることにより、耐摩耗性と耐溶着性とのバランスを向上させることができ、耐摩耗性被膜の靭性を向上させることができる。   Furthermore, in the wear resistant coating of the present invention, an outermost surface layer may be further provided on the outermost surface of the coating from the viewpoint of improving wettability at low temperatures. The outermost surface layer may be composed of TiCN or CrN, or a compound layer and the surface layer may be alternately and repeatedly disposed. By doing in this way, the balance of abrasion resistance and welding resistance can be improved, and the toughness of an abrasion-resistant film can be improved.

本発明の耐摩耗性被膜は、その被膜の膜厚の1/10以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、最大押し込み深さをhmax、荷重除荷後の押し込み深さ(圧痕深さ)をhfとした場合、(hmax−hf)/hmaxが0.2以上0.7以下の数値を示すものとすることが好ましい。0.2未満であると所望の耐摩耗性を得ることが難しく、0.7を超えると靭性に劣るため好ましくない。   The wear-resistant coating of the present invention has a maximum hardness in a hardness test by a nanoindentation method performed by applying a controlled indentation load so that the indentation depth is 1/10 or less of the thickness of the coating. When the indentation depth is hmax and the indentation depth (indentation depth) after unloading is hf, (hmax−hf) / hmax may be a numerical value of 0.2 to 0.7. preferable. If it is less than 0.2, it is difficult to obtain desired wear resistance, and if it exceeds 0.7, the toughness is inferior, which is not preferable.

また、本発明の耐摩耗性被膜において、ナノインデンターによる被膜の厚さ方向の硬度が20GPa以上50Gpa以下の範囲で変化させることが好ましい。20Gpa未満であると耐摩耗性に問題があり、50Gpaを超えると、靭性が悪くなり衝撃に対して欠損性が劣化する虞があるので好ましくない。   In the wear resistant coating of the present invention, it is preferable that the hardness in the thickness direction of the coating by the nanoindenter is changed in the range of 20 GPa to 50 GPa. If it is less than 20 Gpa, there is a problem in wear resistance, and if it exceeds 50 Gpa, the toughness is deteriorated and the deficiency may be deteriorated with respect to impact.

ここで、ナノインデンテーション法は文献「トライボロジスト,第47巻,第3号,(2002)p177〜183」に詳しく説明されているように、硬さ試験の一種であるが、従来のヌープ硬度測定やビッカース硬度測定といった押し込み後の圧痕形状から硬度を求める手法は異なり、圧子の押し込み時の荷重と深さの関係から硬さやヤング率を求める方法である。   Here, the nanoindentation method is a kind of hardness test as described in detail in the document “Tribologist, Vol. 47, No. 3, (2002) p177-183”. The method for obtaining the hardness from the indented shape after indentation such as measurement and Vickers hardness measurement is different, and is a method for obtaining the hardness and Young's modulus from the relationship between the load and the depth when the indenter is pushed in.

また、本発明の耐摩耗性被膜において、残留圧縮応力は、−6GPa以上0GPa以下の範囲であることが好ましい。−6Gpa未満となると、耐剥離性が低下するため好ましくない。また0Gpaを超えると、膜の応力は引っ張りとなって、膜に亀裂が入って切削時にその亀裂が基材に進展して欠損性が損なわれたり、幕の靭性が劣化するため好ましくない。この内部圧縮応力については、X線を用いた方法(侵入深さ一定法)により測定可能である。   In the wear resistant coating of the present invention, the residual compressive stress is preferably in the range of −6 GPa to 0 GPa. If it is less than −6 Gpa, the peel resistance is lowered, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 0 Gpa, the film stress becomes tensile, and the film cracks and the crack propagates to the base material at the time of cutting, so that the deficiency is impaired or the curtain toughness is deteriorated. This internal compressive stress can be measured by a method using X-rays (a constant penetration depth method).

本発明の耐摩耗性被膜は、基材の表面に被覆して切削工具等として用いることができる。当該基材には、その用途によって最適なものを選択することができるが、切削工具に用いる場合は、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス(炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど)、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、酸化アルミニウムと炭化チタンからなる基材のいずれかであることが好ましい。中でも特に、WC基超硬合金、サーメット、立方晶型窒化ホウ素焼結体を基材として用いるのが好適である。これらの基材を用いることにより、切削工具としての寿命を大幅に延長することができる。   The wear-resistant coating of the present invention can be used as a cutting tool or the like by coating the surface of a substrate. As the base material, an optimum material can be selected depending on the application, but when used for a cutting tool, WC-based cemented carbide, cermet, high-speed steel, ceramics (silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, Aluminum oxide, etc.), cubic boron nitride sintered body, diamond sintered body, silicon nitride sintered body, or a base material made of aluminum oxide and titanium carbide is preferable. Among them, it is particularly preferable to use a WC-based cemented carbide, cermet, or cubic boron nitride sintered body as a base material. By using these base materials, the life as a cutting tool can be greatly extended.

本発明の耐摩耗性被膜の形成方法は、特に限定されるものではないが、物理的蒸着法、特に、基材にバイアス電圧を印加するイオンプレーティング法が好ましく、さらに好ましくは、スパッタ法、アンバランストマグネトロンスパッタ法が好ましい。特に、アンバランストマグネトロンスパッタ法において負のバイアス電圧を印加する手法が好ましい。これらの方法により、基材の特性を損ねることなく、また耐摩耗性部材として要求される特性である、密着性や靭性を得ることができる。特に、アンバランストマグネトロンスパッタ法の場合、その形成時に形成条件やターゲットのクリーニング処理を制御することにより、鋭利な突起の少ない耐摩耗性被膜を形成することができる。   The method for forming the abrasion-resistant film of the present invention is not particularly limited, but is preferably a physical vapor deposition method, particularly an ion plating method in which a bias voltage is applied to the substrate, and more preferably a sputtering method, An unbalanced magnetron sputtering method is preferred. In particular, a method of applying a negative bias voltage in the unbalanced magnetron sputtering method is preferable. By these methods, it is possible to obtain adhesion and toughness which are characteristics required as a wear-resistant member without impairing the characteristics of the substrate. In particular, in the case of the unbalanced magnetron sputtering method, it is possible to form a wear-resistant film with few sharp protrusions by controlling the forming conditions and the target cleaning process during the formation.

本発明の耐摩耗性被膜を製造するための装置の一例について図1を用いて説明する。図1は、本発明に用いることができる成膜装置の模式図である。図1において、チャンバ1内に、基材ホルダ4と、アーク式蒸発源6,8と、アンバランスト型スパッタ蒸発源7とを備える。当該アーク式蒸発源6,8およびスパッタ蒸発源7には、それぞれアーク電源9,11およびスパッタ電源10が接続されている。   An example of an apparatus for producing the abrasion-resistant film of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic view of a film forming apparatus that can be used in the present invention. In FIG. 1, a chamber 1 includes a substrate holder 4, arc evaporation sources 6 and 8, and an unbalanced sputter evaporation source 7. Arc power sources 9 and 11 and a sputter power source 10 are connected to the arc evaporation sources 6 and 8 and the sputter evaporation source 7, respectively.

チャンバ1は、図示されない真空ポンプと連結されており、チャンバ1に設けられた排気口3を通してチャンバ1内の圧力を変化させることが可能である。チャンバ1内の基材5は、基材ホルダ4に保持されている。基材ホルダ4には、基材バイアス用の直流電源12の負の電極と電気的に接続されている。   The chamber 1 is connected to a vacuum pump (not shown), and the pressure in the chamber 1 can be changed through an exhaust port 3 provided in the chamber 1. A base material 5 in the chamber 1 is held by a base material holder 4. The substrate holder 4 is electrically connected to the negative electrode of the DC power source 12 for substrate bias.

チャンバ1にガスを供給するためのガス導入口2が設けられ、当該ガス導入口2には図示していないマスフローコントローラを介して様々なガスを導入することができる。当該ガスの例としては、アルゴン等の不活性ガス、反応性ガスとして窒素ガス、酸素ガス、また、メタン、アセチレン、ベンゼンなどの炭化水素ガス、一酸化炭素、二酸化炭素、窒化酸素などが挙げられる。   A gas introduction port 2 for supplying gas to the chamber 1 is provided, and various gases can be introduced into the gas introduction port 2 via a mass flow controller (not shown). Examples of the gas include an inert gas such as argon, a reactive gas such as nitrogen gas, oxygen gas, hydrocarbon gas such as methane, acetylene, and benzene, carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen nitride, and the like. .

以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれに限定されることを意図しない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not intending to be limited to this.

(実施例1)
1.表面被覆切削工具の作製
(Example 1)
1. Production of surface-coated cutting tools

まず、基材としてSDKN42形状のISO P30超硬合金製工具を準備した。次いで、上述の成膜装置を用いて本発明の耐摩耗性被膜を上記基材表面に被覆した。   First, an ISO P30 cemented carbide tool having an SDKN42 shape was prepared as a base material. Next, the surface of the base material was coated with the abrasion-resistant film of the present invention using the above-described film forming apparatus.

具体的に、まず、蒸発源6に50原子%Ti−50原子%Alターゲットを設置し、蒸発源7に65原子%Al−35原子%Crターゲットを設置し、蒸発源8にTiターゲットを設置し、基材5を基材ホルダ4に保持して、蒸発源6に正対するようにセットした後、真空ポンプによりチャンバ1内を減圧するとともに、ヒータ13により基材5を温度550℃に加熱し、チャンバ1内の圧力が2.0×10−4Paとなるまで真空引きを行った。 Specifically, first, a 50 atom% Ti-50 atom% Al target is installed in the evaporation source 6, a 65 atom% Al-35 atom% Cr target is installed in the evaporation source 7, and a Ti target is installed in the evaporation source 8. The base material 5 is held by the base material holder 4 and set so as to face the evaporation source 6, and the inside of the chamber 1 is depressurized by a vacuum pump, and the base material 5 is heated to a temperature of 550 ° C. by the heater 13. Then, vacuuming was performed until the pressure in the chamber 1 became 2.0 × 10 −4 Pa.

次に、ガス導入口2からArガスを導入してチャンバ内の圧力を6.0Paに保持し、基材バイアス電源12の電圧を−1000Vとし、基材5の表面のクリーニングを30分間行った。その後、Arガスを排気した。   Next, Ar gas was introduced from the gas inlet 2 to maintain the pressure in the chamber at 6.0 Pa, the voltage of the substrate bias power supply 12 was set to −1000 V, and the surface of the substrate 5 was cleaned for 30 minutes. . Thereafter, Ar gas was exhausted.

次に、基材バイアス電源12の電圧を−1000Vに維持したまま、チャンバ1内にガス導入口2を通して100sccmのアルゴンと窒素との混合ガスを導入した。アーク電源11から100Aのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源8を放電させて、金属イオンを10分間発生させた。これにより、金属イオンが基材5の表面を金属イオンクリーニングし、基材5の表面の強固な汚れや酸化膜を除去した。   Next, a mixed gas of 100 sccm of argon and nitrogen was introduced into the chamber 1 through the gas inlet 2 while maintaining the voltage of the substrate bias power supply 12 at −1000 V. An arc current of 100 A was supplied from the arc power source 11 to discharge the arc evaporation source 8 to generate metal ions for 10 minutes. As a result, the metal ions cleaned the surface of the base material 5 to remove strong dirt and oxide film on the surface of the base material 5.

その後、同様に蒸発源6を80Aで放電させながら、チャンバ1内の圧力が4.0Paになるようにガス導入口2から窒素ガスを導入し、基材バイアス電源12の電圧を−200Vとし、基材5の表面にTiAlN層を形成した。TiAlN層が所定の厚みに(2.5μm)に達するまでこの状態を維持した。これにより、中間層としてのTiAlN膜を形成した。   Thereafter, similarly, while discharging the evaporation source 6 at 80 A, nitrogen gas is introduced from the gas inlet 2 so that the pressure in the chamber 1 becomes 4.0 Pa, and the voltage of the substrate bias power source 12 is set to −200 V, A TiAlN layer was formed on the surface of the substrate 5. This state was maintained until the TiAlN layer reached a predetermined thickness (2.5 μm). Thereby, a TiAlN film as an intermediate layer was formed.

中間層の形成が終了すると、この状態のままアーク式蒸発源6の放電を停止し、次にスパッタ蒸発源7に500Wの電力を供給し、放電を発生させた。バイアス電圧を−100Vとした。蒸発源7を構成するAl,Crの蒸気が前方方向に蒸発して基材5の表面に厚さ1.1μmの(Al0.65Cr0.35)Nの組成を有する化合物からなる層を形成した。 When the formation of the intermediate layer was completed, the discharge of the arc evaporation source 6 was stopped in this state, and then 500 W of power was supplied to the sputter evaporation source 7 to generate a discharge. The bias voltage was −100V. A layer made of a compound having a composition of (Al 0.65 Cr 0.35 ) N having a thickness of 1.1 μm is formed on the surface of the base material 5 by vaporization of Al and Cr constituting the evaporation source 7 in the forward direction. Formed.

さらに、蒸発源7を停止し、次に、アーク式蒸発源8にアーク電流80Aを供給してアーク放電を発生させ、基材を蒸発源8に正対させ、導入口2から窒素ガスに加えてメタンガスを同量導入し、バイアス電圧を−100Vとし、膜厚0.1μmのTiCN層を最外表面層として得た。   Further, the evaporation source 7 is stopped, and then an arc current 80A is supplied to the arc evaporation source 8 to generate an arc discharge so that the base material faces the evaporation source 8 and is added to the nitrogen gas from the inlet 2 Then, the same amount of methane gas was introduced, the bias voltage was set to −100 V, and a 0.1 μm thick TiCN layer was obtained as the outermost surface layer.

2.特性評価   2. Characterization

このようにして得た表面被覆切削工具について以下の特性を測定した。まず、表面被覆切削工具の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)により表面の形態を観察した。1000倍の倍率で、上記表面における100μm×100μmの範囲内の直径1μm以上、高さが1μm以上の突起数を数えた。当該100μm×100μmの範囲を任意の5箇所を測定し、得られた突起数の数を平均すると、3.2個であった。   The following characteristics were measured for the surface-coated cutting tool thus obtained. First, the surface form of the surface-coated cutting tool was observed with a scanning electron microscope (SEM). At a magnification of 1000 times, the number of protrusions having a diameter of 1 μm or more and a height of 1 μm or more within the range of 100 μm × 100 μm on the surface was counted. It was 3.2 when the arbitrary 5 places were measured in the said 100 micrometer x 100 micrometer range, and the number of the protrusions obtained was averaged.

得られた表面被覆切削工具の耐摩耗性被膜中の化合物からなる層におけるAr含有量を、ラザフォード後方散乱測定(RBS)法を用いて測定した。RBSの結果、CrAlN化合物層中のAr量は0.02原子%であった。   The Ar content in the layer made of the compound in the wear-resistant coating of the obtained surface-coated cutting tool was measured using Rutherford backscattering measurement (RBS) method. As a result of RBS, the amount of Ar in the CrAlN compound layer was 0.02 atomic%.

また、得られた表面被覆切削工具の耐摩耗性被膜に対して、ナノインデンテーション法を用いて、最大押し込み深さが0.3μmになるように硬さ試験を行った。最大押し込み深さをhmax,荷重除苛後の押し込み深さ(圧痕深さ)をhfとして、(hmax−hf)/hmaxは0.5であった。また、硬さは35GPaであった。   Moreover, the hardness test was done so that the maximum indentation depth might be set to 0.3 micrometer using the nano indentation method with respect to the abrasion-resistant film of the obtained surface coating cutting tool. Assuming that the maximum indentation depth is hmax and the indentation depth (indentation depth) after load removal is hf, (hmax−hf) / hmax was 0.5. The hardness was 35 GPa.

また、耐摩耗性被膜において、化合物から構成される層の結晶構造を、X線回折によって評価した結果、NaCl型結晶構造であった。   Moreover, as a result of evaluating the crystal structure of the layer composed of the compound in the wear-resistant coating film by X-ray diffraction, it was a NaCl type crystal structure.

これらの結果について、組成、膜厚およびArの量については表1および2に示し、ナノインデンテーション法による試験、残留応力、突起の平均個数については表3に示した。   Regarding these results, compositions, film thicknesses and amounts of Ar are shown in Tables 1 and 2, and tests by the nanoindentation method, residual stress, and average number of protrusions are shown in Table 3.

(実施例2〜14)   (Examples 2 to 14)

耐摩耗性被膜の各層の組成比を、各蒸発源に設置するターゲット材料の組成比および層形成時に導入するガスの種類と流量比とを調整して、表1に示す実施例2〜12および表2に示す実施例13,14の組成比にした以外は、実施例1と同様に表面被覆切削工具を作製した。実施例14においては、化合物からなる層1および2を交互に15回積層した。なお、Arの含有量は、化合物の層の形成時におけるArの分圧および基材温度、形成時のバイアス電圧を変化させることで調整した。また、表面突起の数は、化合物の層の形成時の成膜圧力とバイアス電圧、金属イオンクリーニングの条件と時間とで調整した。結果を表1〜3に示す。

Figure 2005344148
Figure 2005344148
Figure 2005344148
By adjusting the composition ratio of each layer of the wear-resistant coating, the composition ratio of the target material installed in each evaporation source, and the type and flow rate ratio of the gas introduced at the time of layer formation, Examples 2 to 12 shown in Table 1 and A surface-coated cutting tool was produced in the same manner as in Example 1 except that the composition ratios of Examples 13 and 14 shown in Table 2 were used. In Example 14, layers 1 and 2 made of a compound were alternately laminated 15 times. The Ar content was adjusted by changing the Ar partial pressure and substrate temperature during formation of the compound layer, and the bias voltage during formation. The number of surface protrusions was adjusted by the film formation pressure and bias voltage at the time of forming the compound layer, and the condition and time of metal ion cleaning. The results are shown in Tables 1-3.
Figure 2005344148
Figure 2005344148
Figure 2005344148

(比較例1〜3)   (Comparative Examples 1-3)

被膜の組成を変更した以外は実施例1と同様に切削工具を作製したものを比較例1とし、化合物を形成する際に基材温度を950℃とし、Ar含有量を0.007原子%未満とした以外は実施例1と同様に切削工具を作製したものを比較例2とし、直径1μm以上、高さ1μm以上の突起の数が10以上とした以外は実施例1と同様に切削工具を作製したものを比較例3とし、これら比較例1〜3についての結果を表1および3に示す。   Except that the composition of the coating was changed, a cutting tool was prepared in the same manner as in Example 1 as Comparative Example 1, and when forming the compound, the substrate temperature was 950 ° C., and the Ar content was less than 0.007 atomic%. A cutting tool was prepared in the same manner as in Example 1 except that it was made Comparative Example 2, and the cutting tool was made in the same manner as in Example 1 except that the number of protrusions having a diameter of 1 μm or more and a height of 1 μm or more was 10 or more. The produced sample is referred to as Comparative Example 3, and the results for Comparative Examples 1 to 3 are shown in Tables 1 and 3.

3.切削試験   3. Cutting test

上記実施例1〜14および比較例1〜3の切削工具について、表3に示す加工条件で切削試験を行い、逃げ面摩耗幅の評価を行った。逃げ面摩耗幅が小さい程、切削工具の寿命が延長される効果があるので、表3の結果より、本発明の表面被覆切削工具は、比較例の切削工具と比べて摩耗が小さく寿命が長いことがわかる。   About the cutting tool of the said Examples 1-14 and Comparative Examples 1-3, the cutting test was done on the processing conditions shown in Table 3, and flank wear width was evaluated. The smaller the flank wear width, the longer the life of the cutting tool. Therefore, from the results shown in Table 3, the surface-coated cutting tool of the present invention has a smaller wear and a longer life than the cutting tool of the comparative example. I understand that.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明の耐摩耗性被膜の成膜に用いる装置の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the apparatus used for film-forming of the abrasion-resistant film of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 チャンバ、2 ガス導入口、3 排気口、4 基材ホルダ、5 基材、6 アーク式蒸発源、7 アンバランスト型スパッタ蒸発源、8 アーク式蒸発源またはアンバランスト型スパッタ蒸発源、9 アーク電源、10 スパッタ電源、11 アーク電源またはスパッタ電源、12 基材バイアス電源、13 基材加熱ヒータ。   1 chamber, 2 gas inlet, 3 exhaust port, 4 substrate holder, 5 substrate, 6 arc evaporation source, 7 unbalanced sputter evaporation source, 8 arc evaporation source or unbalanced sputter evaporation source, 9 Arc power source, 10 Sputter power source, 11 Arc power source or Sputter power source, 12 Base material bias power source, 13 Base material heater.

Claims (12)

Cr、AlおよびSiからなる群より選択される金属元素と、C、NまたはOのいずれか1つ以上の元素とからなり、さらに、0.001原子%以上5原子%未満のAr原子を含む化合物から構成される層を一層以上含む耐摩耗性被膜であって、該耐摩耗性被膜の表面に、直径1μm以上であり、高さが1μm以上である突起が、前記耐摩耗性被膜の表面における100μm×100μmの範囲内に平均10個未満で存在することを特徴とする、耐摩耗性被膜。   It consists of a metal element selected from the group consisting of Cr, Al and Si and one or more elements of C, N or O, and further contains 0.001 atomic% or more and less than 5 atomic% of Ar atoms. A wear-resistant coating comprising one or more layers composed of a compound, wherein a protrusion having a diameter of 1 μm or more and a height of 1 μm or more is formed on the surface of the wear-resistant coating. A wear-resistant coating film characterized by being present in an average of less than 10 pieces within a range of 100 μm × 100 μm. 前記化合物から構成される層のうち、Ar原子を除く元素の組成が、(Cr1−x−yAlSi)(C1−u−v)(ただし、0.2≦x≦0.75、0≦y≦0.2、x+y≦0.75、0≦u≦0.5、0≦v≦0.2、u+v≦0.6)であることを特徴とする、請求項1に記載の耐摩耗性被膜。 Of composed layer from said compound, the composition of elements except for Ar atoms, (Cr 1-x-y Al x Si y) (C u N 1-u-v O v) ( except, 0.2 ≦ x ≦ 0.75, 0 ≦ y ≦ 0.2, x + y ≦ 0.75, 0 ≦ u ≦ 0.5, 0 ≦ v ≦ 0.2, u + v ≦ 0.6), The wear-resistant coating film according to claim 1. 前記化合物から構成される層の結晶構造が、NaCl型結晶構造であることを特徴とする、請求項1または2に記載の耐摩耗性被膜。   The wear-resistant film according to claim 1 or 2, wherein the crystal structure of the layer composed of the compound is a NaCl-type crystal structure. 前記化合物から構成される層の結晶構造が、NaCl型結晶構造と非晶質構造とを含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の耐摩耗性被膜。   The wear-resistant coating film according to claim 1 or 2, wherein the crystal structure of the layer composed of the compound includes a NaCl-type crystal structure and an amorphous structure. 前記化合物から構成される層において、一層あたりの層厚が0.1μm以上10μm以下であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の耐摩耗性被膜。   5. The wear-resistant coating film according to claim 1, wherein the layer composed of the compound has a layer thickness of 0.1 μm or more and 10 μm or less per layer. 前記化合物から構成される層の全層厚において、該全層厚の1/10以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、最大押し込み深さをhmaxとし、荷重除荷後の押し込み深さをhfとした場合、(hmax−hf)/hmaxが0.2以上0.7以下であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の耐摩耗性被膜。   Hardness test by the nanoindentation method that is carried out by applying an indentation load controlled so that the indentation depth is 1/10 or less of the total layer thickness of the layer composed of the compound. The maximum indentation depth is hmax and the indentation depth after load unloading is hf, wherein (hmax−hf) / hmax is 0.2 or more and 0.7 or less. The abrasion-resistant film according to any one of 1 to 5. 前記化合物から構成される層の全層厚において、該全層厚の1/10以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、該硬さが20GPa以上50GPa以下であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の耐摩耗性被膜。   Hardness test by the nanoindentation method that is carried out by applying an indentation load controlled so that the indentation depth is 1/10 or less of the total layer thickness of the layer composed of the compound. The wear-resistant coating film according to claim 1, wherein the hardness is 20 GPa or more and 50 GPa or less. 残留圧縮応力が、−6GPa以上0GPa以下であることを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載の耐摩耗性被膜。   Residual compressive stress is -6 GPa or more and 0 GPa or less, The abrasion-resistant film in any one of Claims 1-7 characterized by the above-mentioned. 基材表面上に、請求項1〜8のいずれかに記載の耐摩耗性被膜を被覆したことを特徴とする、表面被覆切削工具。   A surface-coated cutting tool, wherein the wear-resistant coating according to any one of claims 1 to 8 is coated on a surface of a substrate. 前記基材は、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンからなる基材のいずれかであることを特徴とする、請求項9に記載の表面被覆切削工具。   The base material is a WC base cemented carbide, cermet, high speed steel, ceramics, cubic boron nitride sintered body, diamond sintered body, silicon nitride sintered body, or a base material made of aluminum oxide and titanium carbide. The surface-coated cutting tool according to claim 9, wherein the surface-coated cutting tool is any one. 前記耐摩耗性被膜は、前記基材表面上に、物理的蒸着法を用いて形成されることを特徴とする、請求項9または10に記載の表面被覆切削工具。   The surface-coated cutting tool according to claim 9 or 10, wherein the wear-resistant coating is formed on the surface of the base material using a physical vapor deposition method. 前記物理的蒸着法が、アンバランストマグネトロンスパッタ法であり、該方法は、前記基材に負のバイアス電圧を印加する工程を含むことを特徴とする、請求項11に記載の表面被覆切削工具。   The surface-coated cutting tool according to claim 11, wherein the physical vapor deposition method is an unbalanced magnetron sputtering method, and the method includes a step of applying a negative bias voltage to the substrate. .
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