JP2008213059A - Hard coating - Google Patents

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Takashi Ishikawa
剛史 石川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To impart excellent performance of carbide, etc. by making a carbide phase exist in a nitride phase of a hard coating containing Si, and improving brittleness and lubricity of a nitride coating without sacrificing a characteristic having excellent wear resistance in high hardness. <P>SOLUTION: This hard coating has 2 to 50% of Si and 50 to 98% of a M component in atomic%. The M component has one kind or more selected among Ti, Cr, Zr, Nb, W, Mo and V. In the hard coating, the carbide phase exists in the nitride phase. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本願発明は、窒化物相内に炭化物相を存在させた窒化物皮膜の性能改善に関する。   The present invention relates to an improvement in the performance of a nitride film in which a carbide phase is present in the nitride phase.

窒化物と炭化物を用いた硬質皮膜は、特許文献1から3に開示されている。   Hard coatings using nitrides and carbides are disclosed in Patent Documents 1 to 3.

特開2004−34186号公報JP 2004-34186 A 特開2000−308906号公報JP 2000-308906 A 特開2001−293601号公報JP 2001-293601 A

本願発明の目的は、Siを含有した硬質皮膜の窒化物相内に炭化物相を存在させ、高硬度で耐摩耗性に優れる特性を犠牲にすることなく、窒化物皮膜の脆性及び潤滑性を改善する。   The object of the present invention is to improve the brittleness and lubricity of the nitride film without sacrificing the characteristics of high hardness and excellent wear resistance by making the carbide phase present in the nitride phase of the hard film containing Si. To do.

本願発明は、硬質皮膜は、原子%で、Siが2から50%、M成分が50から98%、但しM成分は、Ti、Cr、Zr、Nb、W、Mo、V、から選択される1種以上を有し、該硬質皮膜は窒化物相内に炭化物相が存在することを特徴とする硬質皮膜である。上記の構成を採用することによって、Siを含有した硬質皮膜の窒化物相内に炭化物相を存在させ、高硬度で耐摩耗性に優れる特性を犠牲にすることなく、窒化物皮膜の脆性及び潤滑性を改善することができる。   In the present invention, the hard coating is atomic%, Si is 2 to 50%, M component is 50 to 98%, and M component is selected from Ti, Cr, Zr, Nb, W, Mo, and V. The hard film has one or more types and is characterized in that a carbide phase is present in the nitride phase. By adopting the above configuration, the carbide phase is present in the nitride phase of the hard film containing Si, and the brittleness and lubrication of the nitride film are not sacrificed without sacrificing the characteristics of high hardness and excellent wear resistance. Can improve sex.

本願発明は、Siを含有した硬質皮膜の窒化物相内に炭化物相を存在させ、高硬度で耐摩耗性に優れる特性を犠牲にすることなく、窒化物皮膜の脆性及び潤滑性を改善することができた。   The present invention improves the brittleness and lubricity of a nitride film without sacrificing the characteristics of high hardness and excellent wear resistance by having a carbide phase present in the nitride phase of a hard film containing Si. I was able to.

本願発明は、Si含有皮膜の高硬度で耐摩耗性に優れる特性を犠牲にすることなく、脆性及び潤滑性を改善した硬質皮膜である。例えば、工具の寿命延長を可能にする硬質皮膜に関し、検討を行った。切削現象を注意深く観察した結果、工具寿命を支配している要因が、Si含有硬質皮膜の脆い特性に起因する硬質皮膜のマイクロチッピング及び、Si含有硬質皮膜への被削材成分の強固な付着である凝着現象であることが分かった。そこで、Si含有皮膜の硬度を向上させて耐摩耗性を改善するよりも、むしろ凝着現象を解決する手段を検討した。Si含有硬質皮膜の残留圧縮応力を緩和して、同時に潤滑性を改善することによって、上記の課題を解決することが出来ると考えた。
本願発明の硬質皮膜における残留圧縮応力の緩和機構は、SiとM成分から選択される1種以上からなる窒化物相内に炭化物相が存在することにより得られる。これにより、硬度が多少低下する傾向にあるものの、残留圧縮応力が大幅に低減され、高硬度でありがながら耐チッピング性を格段に改善することが出来る。また、例えば切削工具において、潤滑性は、鉄系被削材との親和性、耐凝着性、摺動特性が潤滑性に影響を及ぼすが、この潤滑性が改善される機構は、炭化物が鉄系被削材との親和性を下げ、自己潤滑作用を有することによって得られる。窒化物相と炭化物相の存在形態としては、各相が粒状となって存在し、窒化物相の粒界に炭化物相が存在する場合もある。
本願発明の硬質皮膜は、Si含有量が、原子%で、2%未満の場合、硬度が低く、耐摩耗性に乏しい。一方、50%を超える場合、非晶質の体積比が増加し、皮膜硬度が著しく低下する。従って、皮膜硬度、潤滑性のバランスからSiの含有量は2から50%、より好ましい含有量は、10から25%である。また、M成分が50から98%、但しM成分は、Ti、Cr、Zr、Nb、W、Mo、V、から選択される1種以上、を含有することが必要である。これらを含有する場合、Si含有硬質皮膜の硬度が高くなり、耐摩耗性に優れる。特に、金属成分がTi、Crから選択される1種以上を75から90%の範囲で含有するときは、硬度が高く、潤滑性に優れる。更にZr、Nb、W、Mo、V、を含む場合は、Ti、Crから選択される1種以上を添加することにより、高硬度化、潤滑性が向上するため好ましい。添加量は、1から20%が最適である。
本願発明の硬質皮膜は、窒化物相内に炭化物相を存在させることが重要である。窒化物相は皮膜の硬度が向上し、耐摩耗性に有効である。炭化物相が存在することは潤滑性改善に有効である。これらにより、高硬度と潤滑性の相反する特性を同時に向上させることができ、Si含有皮膜の脆性と潤滑特性を同時に改善することを可能にした。本願発明においては特に潤滑性の改善が重要である。窒化物皮膜は、皮膜の硬度上昇に伴い、潤滑特性は低下する傾向を有する。これは自己潤滑特性が低下するためであると考えられる。しかし本願発明は、SiとM成分の窒化物相内に炭化物相を存在させることにより、高硬度と潤滑性の相反する特性を同時に向上させることができた。これは、Si含有した窒化物相内に炭化物相が存在することにより、Siを含有した窒化物粒子の微細化に加え、その粒界に自己潤滑特性が発揮されるためである。このようにすることにより、高硬度と潤滑性を同時に改善することが出来た。
The present invention is a hard coating with improved brittleness and lubricity without sacrificing the high hardness and excellent wear resistance of the Si-containing coating. For example, investigations were made on hard coatings that can extend tool life. As a result of careful observation of the cutting phenomenon, the factors governing the tool life are microchipping of the hard coating due to the brittle properties of the Si-containing hard coating and the strong adhesion of the work material component to the Si-containing hard coating. It turned out to be an adhesion phenomenon. Thus, rather than improving the wear resistance by increasing the hardness of the Si-containing coating, a means for solving the adhesion phenomenon was examined. It was thought that the above-mentioned problems could be solved by relieving the residual compressive stress of the Si-containing hard film and simultaneously improving the lubricity.
The relaxation mechanism of the residual compressive stress in the hard coating of the present invention is obtained by the presence of a carbide phase in a nitride phase composed of one or more selected from Si and M components. Thereby, although the hardness tends to decrease somewhat, the residual compressive stress is greatly reduced, and the chipping resistance can be remarkably improved while the hardness is high. For example, in a cutting tool, the lubricity is affected by the affinity with iron-based work materials, adhesion resistance, and sliding characteristics. It is obtained by reducing the affinity with the iron-based work material and having a self-lubricating action. As the existence form of the nitride phase and the carbide phase, each phase exists in a granular form, and the carbide phase may exist at the grain boundary of the nitride phase.
The hard coating of the present invention has a low hardness and poor wear resistance when the Si content is atomic% and less than 2%. On the other hand, when it exceeds 50%, the volume ratio of amorphous increases, and the film hardness decreases remarkably. Accordingly, the Si content is 2 to 50%, more preferably 10 to 25%, from the balance of film hardness and lubricity. Further, the M component is 50 to 98%, but the M component needs to contain one or more selected from Ti, Cr, Zr, Nb, W, Mo, and V. When these are contained, the hardness of the Si-containing hard coating is increased and the wear resistance is excellent. In particular, when the metal component contains one or more selected from Ti and Cr in the range of 75 to 90%, the hardness is high and the lubricity is excellent. Further, when Zr, Nb, W, Mo, V is included, it is preferable to add at least one selected from Ti and Cr because the hardness and lubricity are improved. The addition amount is optimally 1 to 20%.
In the hard coating of the present invention, it is important that a carbide phase is present in the nitride phase. The nitride phase improves the hardness of the film and is effective for wear resistance. The presence of the carbide phase is effective for improving the lubricity. As a result, the contradictory properties of high hardness and lubricity can be improved at the same time, and the brittleness and lubrication properties of the Si-containing coating can be improved at the same time. In the present invention, improvement of lubricity is particularly important. The nitride film has a tendency that the lubrication characteristic decreases as the hardness of the film increases. This is considered to be due to a decrease in self-lubricating characteristics. However, according to the present invention, the presence of a carbide phase in the nitride phase of Si and M components can simultaneously improve the contradictory properties of high hardness and lubricity. This is because the presence of the carbide phase in the Si-containing nitride phase exhibits self-lubricating properties at the grain boundaries in addition to the refinement of Si-containing nitride particles. By doing so, high hardness and lubricity could be improved at the same time.

本願発明の硬質皮膜の被覆方法は、基材にスパッタリング法による被覆方法が好ましい。スパッタリング法は、ターゲット中の化合物が金属成分と非金属成分に分離し難く、安定してこれら2種以上の化合物を皮膜内部に存在するように制御し易い。従って、本願発明の硬質皮膜は、ターゲット中の化合物の殆どが、皮膜内でも窒化物、炭化物として存在する。炭素は殆ど炭化物として存在しており、僅かにフリー炭素が存在する皮膜であることが好ましい。スパッタリング蒸発源に印加する電力値が高過ぎると、ターゲット中の化合物が、金属成分と非金属成分に解離する場合があり、また低過ぎるとターゲット中の金属が優先的にスパッタされ、化合物が皮膜内に検出されない場合がある。そこで、電力値は、スパッタリング蒸発源1基当たり2から6kWが好ましい。本願発明の構成を満足させるために、被覆時のバイアス電圧、基材温度、反応ガスの導入方法を適正に選択して、スパッタガスとしてArとKrの複合添加を用いることが有効である。スパッタリング法により、硬質皮膜の硬度を高めながら同時に潤滑性を容易に付与することが出来る。またターゲットに化合物が存在すると、皮膜内にこれらの化合物を均一に含有させることが出来、組成の異なる積層膜にはならず、皮膜に平行方向のせん断応力が作用した場合も高強度であり、耐摩耗性に優れる。
本願発明の重要な構成である、窒化物相内に炭化物相が存在するためには、ターゲットとして金属以外に窒化物、炭化物を含有させることが有効である。ターゲットは、分割方式、埋め込み方式により、金属ターゲットに窒化物、炭化物の塊等を埋め込み、又は貼り付けて使用することが好ましい。
本願発明の被覆方法は、スパッタリング法以外に、プラズマ化学蒸着法、アークイオンプレーティング(以下、AIPと記す。)法、フィルター方式AIP法と併用して被覆することができる。スパッタリング法では、スパッタリング電源として直流電源、もしくは高周波電源、もしくはパルス電源を用いることができる。またバイアス電源としても、直流電源、高周波電源又はパルス電源を使用することができる。プラズマ化学蒸着法は、硬質皮膜の構成元素をガスとして添加し、プラズマ中でイオン化する手法であるが、本手法においても、イオン化を促進する手段として、バイアス電源としては、高周波電源又はパルス電源が好ましい。ガスをイオン化するためにホロカソード電極を基体近傍に配置することにより、導入するガスのイオン化が促進され、皮膜の結晶粒径を比較的容易に制御することができ好ましい。フィルター方式AIP法は、アーク蒸発源に設置された金属ターゲット表面と、平面基体の場合における基体表面とのなす角が40度以上、90度以下が好ましい。磁場とバイアス電源により誘導される距離はできるだけ長いことが好ましい。またその時の磁場強度はできるだけ強いことが、マクロパーティクルの低減に有効であり、本願発明の硬質皮膜の形成に好都合である。但し、通常のAIP法による単独の方法においては、ターゲット構成元素成分が瞬時に蒸発し、基材に被覆されるため、皮膜内に2種以上の化合物が存在し難い。従って、必ずしも皮膜内に2種以上の化合物を存在するように構成できない。これはターゲット内に添加した化合物が、1度、金属成分と非金属成分に解離し易いためと考えられる。これら2種以上の化合物を皮膜内に存在させるためには、従来の成膜方法とは異なった成膜方法が必要である。
The method for coating the hard coating of the present invention is preferably a coating method by sputtering on the substrate. The sputtering method is difficult to separate the compound in the target into a metal component and a non-metal component, and is easily controlled so that these two or more compounds are stably present in the film. Therefore, in the hard coating of the present invention, most of the compounds in the target exist as nitrides and carbides even in the coating. Carbon is mostly present as a carbide, and is preferably a film in which slightly free carbon is present. If the power value applied to the sputtering evaporation source is too high, the compound in the target may dissociate into a metal component and a non-metallic component, and if it is too low, the metal in the target is preferentially sputtered and the compound is coated. May not be detected within. Therefore, the power value is preferably 2 to 6 kW per sputtering evaporation source. In order to satisfy the configuration of the present invention, it is effective to use a combined addition of Ar and Kr as a sputtering gas by appropriately selecting a bias voltage at the time of coating, a substrate temperature, and a method for introducing a reactive gas. By the sputtering method, it is possible to easily impart lubricity while increasing the hardness of the hard coating. Moreover, when the compound exists in the target, these compounds can be uniformly contained in the film, and it does not become a laminated film having a different composition, and even when a shear stress in a parallel direction acts on the film, it has high strength. Excellent wear resistance.
In order for the carbide phase to be present in the nitride phase, which is an important configuration of the present invention, it is effective to contain nitride and carbide in addition to the metal as a target. The target is preferably used by embedding or sticking a nitride, a carbide lump or the like on a metal target by a division method or an embedding method.
The coating method of the present invention can be used in combination with a plasma chemical vapor deposition method, an arc ion plating (hereinafter referred to as AIP) method, and a filter system AIP method in addition to the sputtering method. In the sputtering method, a DC power source, a high frequency power source, or a pulse power source can be used as a sputtering power source. As the bias power source, a DC power source, a high frequency power source, or a pulse power source can be used. The plasma chemical vapor deposition method is a method of adding a constituent element of a hard coating as a gas and ionizing it in plasma. In this method, a high frequency power source or a pulse power source is used as a bias power source as means for promoting ionization. preferable. By disposing the holocathode electrode in the vicinity of the substrate for ionizing the gas, ionization of the introduced gas is promoted, and the crystal grain size of the film can be controlled relatively easily. In the filter type AIP method, the angle formed between the surface of the metal target installed in the arc evaporation source and the surface of the substrate in the case of a flat substrate is preferably 40 ° or more and 90 ° or less. The distance induced by the magnetic field and the bias power source is preferably as long as possible. In addition, it is effective for reducing the macro particles to make the magnetic field strength as strong as possible, which is convenient for forming the hard coating of the present invention. However, in a single method based on the normal AIP method, the target constituent element component evaporates instantaneously and is coated on the substrate, so that it is difficult for two or more kinds of compounds to be present in the film. Therefore, it cannot necessarily be constituted so that two or more kinds of compounds exist in the film. This is considered because the compound added in the target is easily dissociated into a metal component and a non-metal component once. In order for these two or more compounds to be present in the film, a film formation method different from the conventional film formation method is required.

本願発明の硬質皮膜は、窒化物相内に炭化物相を有し、皮膜断面をX線光電子分光分析し、ピークフィッティングによるエリア面積比から算出した存在比率(%)は、窒化物相が50から99%、炭化物相が1から50%であることが好ましい。この場合、特に優れた高硬度と潤滑性が得られる。窒化物相が50%未満、及び炭化物相が50%を超えると硬度低下して耐摩耗性が低下する傾向になる。同時に密着強度も低下する。炭化物相は1%であっても、潤滑性改善効果を示す。
炭化物相は、Si、Ti、Cr、Zr、Nb、W、V、から選択される炭化物であることが好ましい。この炭化物相は、高硬度で耐摩耗性と潤滑性に優れた硬質皮膜が得られる。特に炭化物がSi炭化物である場合、Siを主体とした窒化物粒子が微細化され、高硬度で潤滑特性に優れた硬質皮膜が得られる。これら炭化物の結晶構造を有する場合と、非晶質構造を有する場合とがある。
本願発明の硬質皮膜を被覆した被覆切削工具は、工具の耐久性を格段に向上させることから好ましい。本願発明の硬質皮膜を切削工具に被覆することにより、工具寿命が格段に長くなり、好ましい。切削工具としては、例えばエンドミル、ドリル、リーマ、タップ、ブローチ、ホブ、カッター、マイクロドリル、ルーター、ミーリングインサート、ターニングインサート等が挙げられる。切削工具の基材としては、Co含有量3から12重量%からなる超硬合金又はサーメット、又は高速度鋼、又は立法晶窒化硼素焼結体の何れかが好ましい。本願発明の硬質皮膜はこれらの基材との組合せによって密着強度に優れ、切削工具の寿命延長に効果が有る。超硬合金のCo含有量が3重量%未満では、突発的なチッピングや切れ刃の欠損が生じる場合がある。一方、Co含有量が12重量%を超えると、被覆効果が少ない。
The hard coating of the present invention has a carbide phase in the nitride phase, X-ray photoelectron spectroscopic analysis of the coating cross section, and the abundance ratio (%) calculated from the area ratio by peak fitting is from 50 for the nitride phase. 99% and the carbide phase is preferably 1 to 50%. In this case, particularly excellent high hardness and lubricity can be obtained. If the nitride phase is less than 50% and the carbide phase exceeds 50%, the hardness tends to decrease and the wear resistance tends to decrease. At the same time, the adhesion strength also decreases. Even if the carbide phase is 1%, the effect of improving lubricity is exhibited.
The carbide phase is preferably a carbide selected from Si, Ti, Cr, Zr, Nb, W, V. This carbide phase provides a hard film with high hardness and excellent wear resistance and lubricity. In particular, when the carbide is Si carbide, nitride particles mainly composed of Si are refined, and a hard film having high hardness and excellent lubrication characteristics can be obtained. There are cases of having a crystal structure of these carbides and cases of having an amorphous structure.
The coated cutting tool coated with the hard coating of the present invention is preferable because the durability of the tool is remarkably improved. By coating the cutting tool with the hard coating of the present invention, the tool life is remarkably increased, which is preferable. Examples of the cutting tool include an end mill, a drill, a reamer, a tap, a broach, a hob, a cutter, a micro drill, a router, a milling insert, and a turning insert. The base material of the cutting tool is preferably a cemented carbide or cermet having a Co content of 3 to 12% by weight, high-speed steel, or a cubic boron nitride sintered body. The hard coating of the present invention has excellent adhesion strength when combined with these base materials, and is effective in extending the life of the cutting tool. When the Co content of the cemented carbide is less than 3% by weight, sudden chipping or chipping of the cutting edge may occur. On the other hand, when the Co content exceeds 12% by weight, the coating effect is small.

本願発明の硬質皮膜の表面に存在するマクロパーティクルの面積率は、5%以下であることが好ましい。マクロパーティクルの存在は、耐凝着性を低下させる。物理蒸着法の中でもスパッタリング法により、マクロパーティクルの存在比率を1%以下とすることが耐凝着性の改善に有効であり、好ましい。また、被覆処理後、皮膜表面に付着したマクロパーティクルを機械的に除去することにより、皮膜表面に存在するマクロパーティクルの面積率を低下させることができる。ここでいうマクロパーティクルは、皮膜表面に対して凸形状を有する数百nmから数μm程度の付着粒子であり、その核は金属成分が主体である。マクロパーティクルの面積率は、ボールエンドミルのチゼルエッジの逃げ面近傍を走査型電子顕微鏡により倍率3kから10k倍で撮影し、凸形状のマクロパーティクルの面積を画像解析処理により定量し、その面積率を算出した。本願発明の硬質皮膜の特性を更に引き出すために、基材と硬質皮膜間に、Al、Cr、Ti、Si、Nb、Wから選択される2種以上の金属成分を含有する窒化物を主体とした中間層を被覆することが好ましい。中間層は硬質皮膜との密着強度が高く、耐剥離性が改善され、その結果、耐摩耗効果を発揮することができる。中間層の結晶構造は面心立方構造であることが好ましく、(111)もしくは(200)面に強く配向することが好ましい。強度比であるI(200)/I(111)が0.6から5であることが更に好ましい。好適な中間層の成分は、AlCr系窒化物、AlCrSi系窒化物、AlCrNbSi系窒化物である。本願発明の硬質皮膜にAlを一定量以上添加すると、六方晶の存在比率が増加する傾向にあり、その結果Si添加量が制限されるため、Alを含む場合は、10%以下、またはAlを含有しないことが好ましい。本願発明の硬質皮膜の結晶構造は立方晶の結晶構造を主体とし、非晶質相を含んでも良い。X線回折において(200)に最も強い強度を示し、(200)のX線回折強度を(111)のX線回折強度で割った強度比であるI(200)/I(111)が、2から8の範囲が最適であり、高硬度高靭性で潤滑性に優れる。本願発明の硬質皮膜は、窒化物相内に炭化物相を有するものであるが、この他に窒化物の非金属成分の原子比率で、50%未満の範囲で、硼素、炭素、酸素、硫黄から選択される成分を含有しても良い。特に、これら硼素、炭素、酸素、硫黄から選択される1種以上を含有することにより、耐摩耗性と潤滑性のバランスから好ましい。本願発明の硬質皮膜は、Ar及び/又はKrを5原子%未満含有することが好ましい。Ar及び/又はKrを含有させることにより、被覆時のボンバードメント効果が向上し、皮膜表面がより平滑になり、更に耐凝着性を改善することができ、好ましい。Ar及び/又はKrが結晶粒界に存在することにより、残留圧縮応力が低減し、チッピングが減少する。Ar及び/又はKrの含有量が5原子%を超えて多く含有すると、皮膜硬度が大幅に低下し、耐摩耗性が低下する。更に、高温環境下で皮膜外へ抜け出し、酸素の拡散を助長し、耐酸化性が低下する。Ar及び/又はKrは、0.01から0.8原子%が好ましい含有量である。Ar及び/又はKrの存在、及び定量は、電子プローブマイクロアナライザー分析、及びオージェ電子分光分析により分析することができる。   The area ratio of the macro particles present on the surface of the hard coating of the present invention is preferably 5% or less. The presence of macro particles reduces adhesion resistance. Among physical vapor deposition methods, it is effective and effective for improving the adhesion resistance to reduce the abundance ratio of macro particles to 1% or less by sputtering. Moreover, the area ratio of the macroparticle which exists in the membrane | film | coat surface can be reduced by removing mechanically the macroparticle adhering to the membrane | film | coat surface after a coating process. Here, the macro particles are attached particles having a convex shape with respect to the surface of the coating and having a size of several hundred nm to several μm, and the core is mainly composed of a metal component. The area ratio of the macro particles is calculated by photographing the vicinity of the flank of the chisel edge of the ball end mill at a magnification of 3k to 10k with a scanning electron microscope, quantifying the area of the convex macro particles by image analysis processing, and calculating the area ratio. did. In order to further draw out the characteristics of the hard coating of the present invention, the main component is a nitride containing two or more metal components selected from Al, Cr, Ti, Si, Nb, and W between the base material and the hard coating. It is preferable to coat the intermediate layer. The intermediate layer has high adhesion strength with the hard film, and the peel resistance is improved. As a result, the wear resistance effect can be exhibited. The crystal structure of the intermediate layer is preferably a face-centered cubic structure, and is preferably strongly oriented in the (111) or (200) plane. More preferably, the intensity ratio I (200) / I (111) is 0.6 to 5. Suitable intermediate layer components are AlCr-based nitride, AlCrSi-based nitride, and AlCrNbSi-based nitride. When a certain amount or more of Al is added to the hard coating of the present invention, the abundance ratio of hexagonal crystals tends to increase, and as a result, the amount of Si added is limited. Therefore, when Al is included, 10% or less, or Al It is preferable not to contain. The crystal structure of the hard coating of the present invention is mainly a cubic crystal structure and may contain an amorphous phase. I (200) / I (111), which is the intensity ratio obtained by dividing the X-ray diffraction intensity of (200) by the X-ray diffraction intensity of (111) is 2 To 8 is optimal, and has high hardness and high toughness and excellent lubricity. The hard film of the present invention has a carbide phase in the nitride phase, but in addition, the atomic ratio of the non-metal component of the nitride is less than 50%, and from boron, carbon, oxygen, and sulfur. It may contain selected components. In particular, the inclusion of one or more selected from boron, carbon, oxygen, and sulfur is preferable from the balance of wear resistance and lubricity. The hard coating of the present invention preferably contains less than 5 atomic% of Ar and / or Kr. By containing Ar and / or Kr, the bombardment effect at the time of coating is improved, the coating surface becomes smoother, and the adhesion resistance can be further improved, which is preferable. The presence of Ar and / or Kr at the grain boundaries reduces the residual compressive stress and reduces chipping. When the content of Ar and / or Kr is more than 5 atomic%, the film hardness is significantly lowered and the wear resistance is lowered. Furthermore, it escapes out of the film in a high temperature environment, promotes oxygen diffusion, and decreases oxidation resistance. Ar and / or Kr has a preferable content of 0.01 to 0.8 atomic%. The presence and quantification of Ar and / or Kr can be analyzed by electron probe microanalyzer analysis and Auger electron spectroscopy analysis.

本願発明の硬質皮膜内に存在する化合物の定性分析、及び存在比率の測定は、X線光電子分光分析により行うことが出来る。窒化物、炭化物の存在比率は、X線光電子分光分析によって得られるチャートより、Si2pのピークフィッティングによるエリア面積比から算出した。X線光電子分光分析は、X線光電子分光分析装置(PHI社製、Quantum2000型)を用いた。測定条件は、例えば以下による条件が好ましい。X線源はAlKαを用い、分析領域を直径0.1mmの円内部を分析した。分析前に分析領域を十分にアセトンで超音波洗浄を行い、更に分析部の皮膜表面に付着した汚染物質等を除去するために、分析領域よりも広い範囲を、10分間Arイオンガンを用いてエッチングし、分析領域内のスペクトルを測定した。このときのArイオンガンによるエッチングレートはSiO2換算で6.5nm/分、ピーク分離については、ピークフィッティング法により行い、各ピークの定性は、Physical Electronics、Handbook of X−ray Photoelectron Spectroscopyに記載の値を用いることが好ましい。化合物のピーク値は皮膜内の化学結合の状態により、多少のずれは生じる場合がある。皮膜全体の組成の定量分析には、電子プローブマイクロアナライザー(日本電子(株)製JXA−8900R、以下、EPMAと記す。)を用いて加速電圧15kV、試料電流0.2μA、計数時間10秒測定を5回実施し、その平均値とした。
本願発明の硬質皮膜における皮膜硬度の測定は、ナノインデンテーション装置を用いた。被覆した試験片を5度傾けて鏡面研磨し、硬質皮膜の露出面内で膜厚が2μm前後の最大になる領域を選定した。押込み荷重49mN、最大荷重保持時間1秒、荷重負荷後の除去速度0.49mN/秒の測定条件で10点測定し、その平均値を求めた。この測定方法における皮膜硬度は、圧子の微細形状、測定時の温度、湿度、試料の表面状態に左右させ易く、得られる数値は必ずしもビッカース硬度と一致しない。そこで、単結晶Siを同時に測定し、そのときの単結晶Siの皮膜硬度が15GPaであった。本測定結果をもとに相対比較することが出来る。本願発明の硬質皮膜の硬度は、35から65GPaが好ましい。35GPa未満となると耐摩耗性が低下する傾向にあり、65GPaを超える場合は、基材との密着強度に乏しくなる傾向にある。より好ましい皮膜硬度は、40から65GPaである。以下、本願発明を実施例に基づいて説明するが、本願発明は下記実施例に限定されるものではなく、使用分野により適宜変更することができる。
The qualitative analysis of the compound present in the hard coating of the present invention and the measurement of the abundance ratio can be performed by X-ray photoelectron spectroscopy. The abundance ratio of nitride and carbide was calculated from the area area ratio by Si2p peak fitting from a chart obtained by X-ray photoelectron spectroscopy. For the X-ray photoelectron spectroscopic analysis, an X-ray photoelectron spectroscopic analyzer (manufactured by PHI, Quantum 2000 type) was used. For example, the following measurement conditions are preferable. AlKα was used as the X-ray source, and the analysis area was analyzed inside a circle having a diameter of 0.1 mm. Before the analysis, the analysis area is sufficiently ultrasonically cleaned with acetone, and in addition, in order to remove contaminants attached to the surface of the coating in the analysis section, a wider area than the analysis area is etched using an Ar ion gun for 10 minutes. The spectrum in the analysis region was measured. At this time, the etching rate by Ar ion gun is 6.5 nm / min in terms of SiO 2, and peak separation is performed by the peak fitting method. The qualitative characteristics of each peak are the values described in Physical Electronics, Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy. It is preferable to use it. The peak value of the compound may vary slightly depending on the state of chemical bonding in the film. For quantitative analysis of the composition of the entire film, an electron probe microanalyzer (JXA-8900R manufactured by JEOL Ltd., hereinafter referred to as EPMA) is used to measure an acceleration voltage of 15 kV, a sample current of 0.2 μA, and a counting time of 10 seconds. Was carried out five times, and the average value was taken.
The measurement of the film hardness in the hard film of the present invention used a nanoindentation apparatus. The coated specimen was tilted 5 degrees and mirror-polished to select a region where the film thickness reached a maximum of about 2 μm within the exposed surface of the hard film. Ten points were measured under the measurement conditions of an indentation load of 49 mN, a maximum load holding time of 1 second, and a removal speed after loading of 0.49 mN / second, and the average value was obtained. The film hardness in this measuring method is easily influenced by the fine shape of the indenter, the temperature and humidity at the time of measurement, and the surface state of the sample, and the obtained numerical values do not necessarily match the Vickers hardness. Therefore, single crystal Si was measured at the same time, and the film hardness of the single crystal Si at that time was 15 GPa. Relative comparison can be made based on this measurement result. The hardness of the hard coating of the present invention is preferably 35 to 65 GPa. If it is less than 35 GPa, the wear resistance tends to be reduced, and if it exceeds 65 GPa, the adhesion strength with the substrate tends to be poor. A more preferable film hardness is 40 to 65 GPa. Hereinafter, although this invention is demonstrated based on an Example, this invention is not limited to the following Example, It can change suitably by the field of use.

(実施例1)
本願発明の硬質皮膜を以下の方法で被覆した。基材としてCo含有量が、8重量%の超微粒超硬合金製の2枚刃ボールエンドミル、及び硬質皮膜の特性評価用として、Co含有量が、8重量%の超微粒超硬合金製SNMN432形状の試験片を準備した。脱脂洗浄を十分に実施し、スパッタリング装置の容器内の冶具にボールエンドミル、及び試験片を配置した。冶具は1回転/分で自公転する。基材の温度が500℃となるよう加熱及び排気を行い、その後Ar、Krを容器内に導入し、容器内に設けられたカソード電極とアノード電極の間で放電することにより、Ar、Krのイオン化を行った。同時に基体にパルス状のバイアス電圧を印加した。このパルス状のバイアス電圧は、負バイアス電圧が500V、90%、正バイアス電圧が20V、10%、周期は20kHzとした。イオン化されたAr、Krは基材に衝突し、基材のクリーニング及び活性化処理を行う。その後、Ar、Kr、N2を流量比で3:2:1の比率で容器内に導入し、全体の圧力を0.1Pa、負バイアス電圧を100Vに設定した。スパッタリング蒸発源は、容器内に番号1から番号4までの4基配置され、夫々非平衡磁場を有している。本願発明の硬質皮膜は、番号3、4の2基のスパッタリング蒸発源に4kWの電力を夫々供給して膜厚2μm被覆した。その後、基材温度が200℃以下で真空容器から取り出した。使用したターゲットは縦500mm、横100mmの長方形であり、四隅及び中心に固定穴を有し、スパッタリング蒸発源に固定される。放電領域の面積は略25000mm2であるが、四隅及び中心部はスパッタ放電が発生しない。そこで、ターゲット表面の放電領域内を3領域から4領域に分け、各領域に埋め込んで使用する材料と面積比率とを定めた。
本発明例1から17、21、24、27から34は、領域1から領域3の面積比率を夫々、領域1は90%、領域2は7%、領域3は3%として被覆を行った。また、領域3の面積比率は、全ての実施例において3%とした。Si含有量の影響を評価するために各Si含有量の異なる本発明例18から20、22、23、比較例35、36を作成した。複合ターゲットに含有するSiの面積比率を変更するため、領域2の面積比率を変更した。夫々、本発明例18は0.5%、本発明例19は1%、本発明例20は3%、本発明例22は15%、本発明例23は30%、比較例35はSi含有無し、比較例36は51%とした。 Alの含有量が工具寿命に及ぼす影響を評価するため、領域1にTi、領域2にSi、領域3にB4C、領域4にAlを所定の面積比率で均一に埋め込んで使用し、本発明例25、26、比較例37、38、を作成した。Alの面積比率を変更するため、領域4の面積比率を変更した。夫々、本発明例25は3%、本発明例26は3%、比較例37は10%、比較例38は15%、とした。ここで、Siを含有する領域2の面積比率は、7%とした。 中間層の影響を調査するために、本発明例27から34は中間層の上層側に本発明例1の皮膜を被覆した。真空容器内に4基配置したスパッタリング蒸発源のうち、残り2基の番号1、2に中間層被覆用ターゲットを設置し、夫々8kWの電力を夫々供給し、1μmの中間層を形成した。番号1、2の形状は番号3、4と同一形状である。番号1、2に中間層被覆用ターゲットには、領域5から領域7を設定した。本発明例27から30は、領域5を70%、領域6を30%とし、本発明例31から34は、領域5を65%、領域6を30%、領域7を5%の面積比率で使用した。上記の方法で得られた試験片を用い、EPMAによる皮膜組成分析を行った。スパッタリング蒸発源のターゲット材料と、皮膜組成を表1に示す。
(Example 1)
The hard film of the present invention was coated by the following method. A 2-flute ball end mill made of ultrafine cemented carbide with a Co content of 8% by weight as a base material, and SNMN432 made of ultrafine cemented carbide with an Co content of 8% by weight for evaluating the characteristics of a hard coating. A test piece having a shape was prepared. Degreasing and cleaning were sufficiently performed, and a ball end mill and a test piece were placed on a jig in the container of the sputtering apparatus. The jig revolves at 1 revolution / minute. The substrate is heated and evacuated so that the temperature of the substrate becomes 500 ° C., and then Ar and Kr are introduced into the container and discharged between the cathode electrode and the anode electrode provided in the container. Ionization was performed. At the same time, a pulsed bias voltage was applied to the substrate. The pulsed bias voltage was set such that the negative bias voltage was 500 V and 90%, the positive bias voltage was 20 V and 10%, and the cycle was 20 kHz. The ionized Ar and Kr collide with the substrate, and the substrate is cleaned and activated. Thereafter, Ar, Kr, and N2 were introduced into the container at a flow rate ratio of 3: 2: 1, and the overall pressure was set to 0.1 Pa and the negative bias voltage was set to 100V. Four sputtering evaporation sources, number 1 to number 4, are arranged in the container and each has a non-equilibrium magnetic field. The hard coating of the present invention was coated with a film thickness of 2 μm by supplying 4 kW of power to the two sputtering evaporation sources numbered 3 and 4 respectively. Thereafter, the substrate was removed from the vacuum container at a substrate temperature of 200 ° C. or lower. The target used is a rectangle having a length of 500 mm and a width of 100 mm, and has fixing holes at the four corners and the center, and is fixed to the sputtering evaporation source. The area of the discharge region is approximately 25000 mm 2, but no sputter discharge occurs at the four corners and the center. Therefore, the discharge region on the target surface was divided into three regions to four regions, and the material to be used by embedding in each region and the area ratio were determined.
In Examples 1 to 17, 21, 24, 27 to 34, the area ratio of the region 1 to the region 3 was 90%, the region 2 was 7%, and the region 3 was 3%. The area ratio of the region 3 was 3% in all the examples. In order to evaluate the influence of the Si content, Invention Examples 18 to 20, 22, 23 and Comparative Examples 35 and 36 having different Si contents were prepared. In order to change the area ratio of Si contained in the composite target, the area ratio of the region 2 was changed. Inventive Example 18 is 0.5%, Inventive Example 19 is 1%, Inventive Example 20 is 3%, Inventive Example 22 is 15%, Inventive Example 23 is 30%, and Comparative Example 35 contains Si. None, Comparative Example 36 was 51%. In order to evaluate the influence of the Al content on the tool life, Ti in region 1, Si in region 2, B4C in region 3, and Al in region 4 are uniformly embedded at a predetermined area ratio. 25 and 26 and Comparative Examples 37 and 38 were prepared. In order to change the area ratio of Al, the area ratio of the region 4 was changed. Inventive Example 25 was 3%, Inventive Example 26 was 3%, Comparative Example 37 was 10%, and Comparative Example 38 was 15%. Here, the area ratio of the region 2 containing Si was 7%. In order to investigate the influence of the intermediate layer, Examples 27 to 34 of the present invention coated the film of Example 1 of the present invention on the upper layer side of the intermediate layer. Among the sputtering evaporation sources arranged in four in the vacuum vessel, intermediate layer coating targets were placed on the remaining two numbers 1 and 2, respectively, and 8 kW of power was supplied to form a 1 μm intermediate layer. The shapes of numbers 1 and 2 are the same as the shapes of numbers 3 and 4. Regions 5 to 7 were set as targets 1 and 2 for the intermediate layer coating target. Inventive Examples 27 to 30 have the area 5 as 70% and the Area 6 as 30%, and the Inventive Examples 31 to 34 as the area ratio of 65% for the area 5, 30% for the area 6, and 5% for the area 7. used. Using the test piece obtained by the above method, the film composition was analyzed by EPMA. Table 1 shows the target material of the sputtering evaporation source and the coating composition.

次に、得られた試験片を用い、X線光電子分光分析による化合物の定性分析、及び存在比率測定、皮膜硬度、走査型電子顕微鏡によるマクロパーティクルの面積率の測定を行った。定性分析の結果、本発明例1から34、比較例35から38には、窒化物、炭化物の存在が確認された。X線光電子分光分析によるSi2pのピークフィッティングによって、エリア面積比から算出した化合物の存在比率は、例えば本発明例1の場合、窒化物をN(70)、炭化物をC(30)で表した。評価結果を表2に示す。   Next, using the obtained test piece, qualitative analysis of the compound by X-ray photoelectron spectroscopic analysis, abundance ratio measurement, film hardness, and macroparticle area ratio measurement by a scanning electron microscope were performed. As a result of qualitative analysis, it was confirmed that nitrides and carbides were present in Invention Examples 1 to 34 and Comparative Examples 35 to 38. The compound abundance ratio calculated from the area area ratio by Si2p peak fitting by X-ray photoelectron spectroscopic analysis is represented by N (70) for nitride and C (30) for carbide in the case of the present invention example 1, for example. The evaluation results are shown in Table 2.

一方、比較例として、Ti80Si20Bの合金ターゲットを用い、窒素、アセチレンを導入し、AIP法により、(Ti85Si15)(BCN)皮膜を2μm被覆した比較例39を作成した。Ti、TiSi化合物、B4C粉末を原料とし、ホットプレスによりターゲットを作製し、AIP法により、(Ti85Si15)(BCN)皮膜を2μm被覆した比較例40を作成した。Ti、SiC、B粉末を原料とし、ホットプレスによりターゲットを作製し、AIP法により、(Ti85Si15)(BCN)皮膜を2μm被覆した比較例41を作成した。AIP法でTi85Si15ターゲットを放電しながら、スパッタリング法によりB4Cターゲットを放電し、TiSiNとBCNが数から数十ナノメールの周期で積層し、平均組成が(Ti85Si15)(BCN)からなる皮膜を2μm被覆した比較例42を作成した。スパッタリング法でTi80Si20とTiB2をホットプレスによるターゲットを用い、窒素、アセチレンを導入し、(Ti85Si15)(BCN)皮膜を2μm被覆した比較例43を作成した。これらの評価結果を表3に示す。   On the other hand, as a comparative example, a Ti80Si20B alloy target was used, nitrogen and acetylene were introduced, and a comparative example 39 in which a (Ti85Si15) (BCN) film was coated by 2 μm was prepared by the AIP method. Using Ti, TiSi compound, and B4C powder as raw materials, a target was prepared by hot pressing, and Comparative Example 40 was formed by coating 2 μm of a (Ti85Si15) (BCN) film by AIP method. A target was prepared by hot pressing using Ti, SiC, and B powders as a raw material, and Comparative Example 41 was formed by coating the (Ti85Si15) (BCN) film with a thickness of 2 μm by the AIP method. While discharging the Ti85Si15 target by the AIP method, the B4C target is discharged by the sputtering method, and TiSiN and BCN are laminated with a period of several to several tens of nanomails, and a film having an average composition of (Ti85Si15) (BCN) is covered by 2 μm. Comparative Example 42 was prepared. A comparative example 43 in which Ti80Si20 and TiB2 were sputtered using a hot press target, nitrogen and acetylene were introduced, and a (Ti85Si15) (BCN) film was coated with 2 μm was prepared. These evaluation results are shown in Table 3.

表2、3より、X線光電子分光分析結果から、本発明例1から34、比較例35から38は、皮膜内部に窒化物、炭化物が存在していることが確認できた。比較例39から43は、何れも皮膜内に窒化物と硼化物以外の存在は確認されなかった。従って、炭化物を含有したターゲットを通常のAIP法で製造しても、皮膜内には化合物が存在する硬質皮膜とはならず、耐凝着性の改善には至らなかった。   From Tables 2 and 3, it was confirmed from the results of X-ray photoelectron spectroscopy that nitrides and carbides were present in the coatings of Invention Examples 1 to 34 and Comparative Examples 35 to 38. In Comparative Examples 39 to 43, the presence of any material other than nitride and boride was not confirmed in the film. Therefore, even if a target containing carbide is produced by a normal AIP method, a hard film in which a compound is present in the film is not obtained, and the adhesion resistance is not improved.

本発明例2をX線光電子分光分析により測定した結果を図1から図4に示す。図1はワイドスペクトルを示す。図2はC1sナロースペクトルを示し、炭化物の存在が確認された。また、フリー炭素に相当するピークも見られた。図3はN1sナロースペクトルを示し、窒化物の存在が確認された。図4はSi2pナロースペクトルの示す。図4から、本発明例2は、炭化物と窒化物の2種のピークが存在し、少なくともSiN、SiCが皮膜内部に存在することが確認できた。これより、本発明例2は、窒化物相内に炭化物相が存在していると考えられる。一方、Si(CN)として存在する場合は、1種のピークのみから構成されると考えられ、今回、これには該当しなかった。図4から、本発明例2の窒化物相、炭化物相の存在比率をSi2pのピークフィッティングによるエリア面積比から算出した。その結果、窒化物が略80%、炭化物が略20%の比率で存在していることが確認できた。図4から、皮膜内にKrの存在も確認できた。図5に本発明例2のX線回折結果を示す。立方晶B1構造の窒化物のみの化合物が定性分析され、炭化物は非晶質相として存在する可能性、もしくは、ピークの重なりにより検出できていない可能性もある。   The results of measuring Example 2 of the present invention by X-ray photoelectron spectroscopy are shown in FIGS. FIG. 1 shows a wide spectrum. FIG. 2 shows a C1s narrow spectrum, confirming the presence of carbides. A peak corresponding to free carbon was also observed. FIG. 3 shows the N1s narrow spectrum, confirming the presence of nitride. FIG. 4 shows the Si2p narrow spectrum. From FIG. 4, it was confirmed that Example 2 of the present invention had two types of peaks, carbide and nitride, and at least SiN and SiC were present in the film. From this, it is thought that the example 2 of this invention has the carbide phase in the nitride phase. On the other hand, when it is present as Si (CN), it is considered that it is composed of only one kind of peak, and this time, this was not the case. From FIG. 4, the abundance ratio of the nitride phase and the carbide phase of Example 2 of the present invention was calculated from the area area ratio by Si2p peak fitting. As a result, it was confirmed that nitride was present at a ratio of approximately 80% and carbide at a ratio of approximately 20%. From FIG. 4, the presence of Kr in the film could also be confirmed. FIG. 5 shows the X-ray diffraction results of Example 2 of the present invention. A nitride-only compound having a cubic B1 structure is qualitatively analyzed, and the carbide may exist as an amorphous phase or may not be detected due to peak overlap.

本発明例1と比較例39を用いボールオンディスク型の摩耗試験を実施した。試験はCSM社製のトライボメーターを用い、ディスクとして鏡面加工したSNMN432形状の微粒超硬合金に本発明例1と比較例39の皮膜を被覆し、ボールとして鏡面加工した直径6mmのSUJ2製を使用した。試験条件は、回転半径1.5mm、回転スピード毎秒3cm、荷重2N、摺動距離30m、試験温度25℃、試験湿度59%、大気中で行った。試験後の観察写真を図6から図11に示す。図6は本発明例1、図7は比較例39のディスク摩耗痕の光学顕微鏡写真を示す。図8は本発明例1、図9は比較例41のディスク摩耗痕のSEM−EDXによる鉄元素マッピング分析結果を示す。図10は本発明例1、図11は比較例39のボール摩耗痕の光学顕微鏡写真を示す。図6から図11より、本発明例1の硬質皮膜表面は、鉄の付着が殆ど確認されず、優れた耐凝着性を示した。一方、比較例39は鉄の凝着が激しかった。更に、ボールの摩耗体積、即ち硬質皮膜表面に付着、又は摩耗により損失したSUJ2量は、比較例41が13.0mm3に対し、本発明例1が4.3mm3であり、本発明例1は、鉄に対して親和性がより低かった。一方、硬質皮膜を被覆したディスクの摩耗深さは、比較例39が1.5μmに対し、本発明例1が0.9μmであり、耐摩耗性においても本発明例1が優れていた。この結果から、本願発明の硬質皮膜が鉄系材料に対し、優れた耐凝着性、並びに耐摩耗性を示すことが確認された。   A ball-on-disk wear test was performed using Example 1 of the present invention and Comparative Example 39. The test was carried out using a tribometer manufactured by CSM, coated with the SNMN432-shaped fine cemented carbide alloy as a disk and coated with the coating of Example 1 and Comparative Example 39, and used as a ball and made of SUJ2 having a diameter of 6 mm. did. The test conditions were a radius of rotation of 1.5 mm, a rotation speed of 3 cm per second, a load of 2 N, a sliding distance of 30 m, a test temperature of 25 ° C., a test humidity of 59%, and the atmosphere. Observation photographs after the test are shown in FIGS. FIG. 6 shows an optical micrograph of the disc wear scar of Example 1 of the present invention and FIG. 7 of Comparative Example 39. FIG. 8 shows the results of iron element mapping analysis by SEM-EDX of the disk wear scar of Example 1 of the present invention and FIG. 9 of Comparative Example 41. FIG. 10 shows an optical micrograph of the ball wear scar of Example 1 of the present invention and FIG. 11 of Comparative Example 39. From FIG. 6 to FIG. 11, the hard coating surface of Example 1 of the present invention showed almost no adhesion of iron and showed excellent adhesion resistance. On the other hand, in Comparative Example 39, iron adhesion was intense. Further, the wear volume of the ball, that is, the amount of SUJ2 attached to the hard coating surface or lost due to wear is 13.0 mm3 in Comparative Example 41, 4.3 mm3 in Invention Example 1, and Example 1 in the present invention is Affinity for iron was lower. On the other hand, the wear depth of the disk coated with the hard film was 0.9 μm in the present invention example 1 compared with 1.5 μm in the comparative example 39, and the present invention example 1 was also excellent in wear resistance. From this result, it was confirmed that the hard coating of the present invention showed excellent adhesion resistance and wear resistance to iron-based materials.

(実施例2)
本願発明の硬質皮膜を被覆したボールエンドミルにより、工具寿命を以下の方法で評価した。工具寿命の評価結果は、逃げ面摩耗幅が0.1mmに達した切削長、又は著しく不安定な加工状態、例えば火花発生、異音、加工面のむしれ、焼け等などの状態に達した切削長を切削寿命とした。また、10m未満の切削寿命は切り捨てて表記した。工具寿命の評価結果を表2、3に併記した。
(工具評価条件)
工具:2枚刃ボールエンドミル、直径10mm
切削方法:底面超高速仕上げ加工
被削材:HPM38、日立金属株式会社製、硬度、HRC52
切り込み:軸方向、0.4mm、ピックフィード、0.2mm
主軸回転数:10kmin−
テーブル送り:4m/min
切削油:無し、ドライ切削
(Example 2)
The tool life was evaluated by the following method using a ball end mill coated with the hard coating of the present invention. The tool life evaluation results reached a cutting length where the flank wear width reached 0.1 mm, or extremely unstable machining conditions such as sparks, abnormal noise, flaking of the machined surface, and burning. The cutting length was defined as the cutting life. Moreover, the cutting life of less than 10 m was rounded down. The evaluation results of the tool life are also shown in Tables 2 and 3.
(Tool evaluation conditions)
Tool: 2-flute ball end mill, diameter 10 mm
Cutting method: Ultra-high speed bottom finish machining Material: HPM38, Hitachi Metals, Hardness, HRC52
Cutting: axial direction, 0.4mm, pick feed, 0.2mm
Spindle speed: 10kmin- 1
Table feed: 4m / min
Cutting oil: None, dry cutting

本発明例1から17と比較例39から43の工具寿命を比較した。本発明例1から17が580から830mであったことに対して、比較例39から43の工具寿命が300から380mであり、本発明例1から17が1.5から2.1倍の工具寿命を示し、格段に長い工具寿命が得られた。本発明例1から17の摩耗状態は、被加工物の凝着が格段に少なく、均一摩耗により工具寿命に達した。また、本発明1から17は、被加工物の凝着が格段に低減されることから、加工物のバリがなく、また仕上げ面も光沢を有しており、被加工物の仕上げ品位も格段に向上した。潤滑特性が大幅に改善され、被削材の付着が抑制され、切れ刃のチッピングが減少し、安定して長い工具寿命を示すなど、工具の耐久性を格段に向上させた。仕上げ加工における加工精度も向上し、生産性向上並びにコスト低減に極めて有効となった。一方、比較例39から43の摩耗状態は、被加工物の皮膜表面への凝着が著しく、切れ刃のチッピングや異常摩耗により、工具寿命に達した。比較例39から43は、耐凝着性に乏しく、工具切れ刃に多量の鉄が付着しており、その結果、異常摩耗により摩耗進行を早め、工具寿命が短かった。また、同時に評価に供した(TiAl)N皮膜は、300mで工具寿命に達したことから、本願発明の効果が特に顕著であることが確認できた。   The tool life of Inventive Examples 1 to 17 and Comparative Examples 39 to 43 were compared. The tool life of Comparative Examples 39 to 43 is 300 to 380 m while that of Inventive Examples 1 to 17 is 580 to 830 m, and the Inventive Examples 1 to 17 are 1.5 to 2.1 times longer tools. The tool life was shown, and a much longer tool life was obtained. In the wear states of Examples 1 to 17 of the present invention, the adhesion of the workpiece was remarkably small, and the tool life was reached by uniform wear. In the present inventions 1 to 17, since the adhesion of the workpiece is remarkably reduced, there is no burr of the workpiece, the finished surface is glossy, and the finished quality of the workpiece is also marked. Improved. The lubrication characteristics have been greatly improved, the adhesion of the work material has been suppressed, chipping of the cutting edge has been reduced, and the tool life has been greatly improved. Machining accuracy in finishing has also improved, and it has become extremely effective in improving productivity and reducing costs. On the other hand, in the wear state of Comparative Examples 39 to 43, the adhesion of the workpiece to the coating surface was remarkable, and the tool life was reached due to chipping of the cutting edge and abnormal wear. Comparative Examples 39 to 43 had poor adhesion resistance, and a large amount of iron adhered to the tool cutting edge. As a result, the wear progressed faster due to abnormal wear, and the tool life was short. Moreover, since the (TiAl) N film | membrane used for evaluation reached the tool life at 300 m, it has confirmed that the effect of this invention was especially remarkable.

Si含有量の影響について比較した。本発明例18から23、比較例35、比較例36においてSi含有量のみが異なる試料を作製した。本発明例18から23は工具寿命が540から640mであり、長い工具寿命が得られた。特に、金属元素の原子比率でSi含有量が8から27原子%の皮膜を被覆した切削工具の工具寿命が長く、より好ましいSi含有量であった。比較例35は、Siを含有しない場合であるが、硬度が低く工具寿命の改善には至らなかった。比較例36は、Ti含有量が49原子%、Si含有量が51原子%の場合であるが、硬度が低いばかりではなく、トライボメーターによる耐凝着性の評価においても、鉄の凝着が激しく、耐凝着性が低下したことから、工具寿命の改善が確認できなかった。以上の結果から、本願発明の被覆切削工具は、Si含有皮膜の高硬度で耐摩耗性に優れる特性を犠牲にすることなく、その脆性及び、鉄系被削材との親和性、凝着性、摺動特性などの潤滑性を改善することができた。そして工具の耐久性を格段に向上させることが可能となり、安定して長い工具寿命を示した。更に、仕上げ加工における加工精度も向上し、生産性向上並びにコスト低減に極めて有効であることが確認できた。
次にAl含有量の影響について工具寿命を比較した。本発明例24から26、比較例37、38においてAl含有量が異なる試料を作製し、比較した。Al含有量が増加するに従い、硬度の低下、トライボメーターによる耐凝着性の評価においてもAl含有量が増加による耐凝着性が低下し、工具寿命も同様に低下した。特にAl含有量が金属元素の原子比率で10%、15%の比較例37、38は、工具寿命の改善が確認できなかった。Al含有量増加に伴い、皮膜の結晶構造が六方晶、もしくは六方晶と立方晶の混在した構造となり、硬度が低下したことが大きな要因であった。Alを添加することにより、硬度は低下する傾向にあるが、耐酸化性が改善されることから、Si含有量が金属元素の原子比率で15%の場合におけるAlの許容含有量は金属元素の原子比率で10原子%未満である。Si含有量が金属元素の原子比率で15%よりも多くなると、Alの許容含有量は減少する。従って、本願発明の硬質皮膜のAl含有量は金属元素の原子比率で10原子%未満であることが好ましい。
本願発明の好ましい形態である中間層を用いた場合の本発明例27から34の工具寿命を評価した。中間層を用いることにより、本発明例1に比較して、更に1.3から1.8倍に工具寿命が向上した。これは、本願発明の硬質皮膜がSiを多く含有しており、このSiと超硬合金基材中のCoとの反応性が高いこと、また結晶粒径が比較的小さいため、柱状組織を有する中間層を用いることにより、基材からのCo拡散抑制、及び密着性が向上し、工具寿命が向上した。特に、AlとCrの窒化物を主体にした中間層が最適である。AlとCrの窒化物にSi、Nb、Yを添加することにより、長い工具寿命が得られた。
The influence of Si content was compared. Samples differing only in the Si content from Invention Examples 18 to 23, Comparative Example 35, and Comparative Example 36 were produced. Inventive Examples 18 to 23 had a tool life of 540 to 640 m, and a long tool life was obtained. In particular, the tool life of a cutting tool coated with a film having an Si content of 8 to 27 atomic% in terms of the atomic ratio of the metal element was long, and the Si content was more preferable. In Comparative Example 35, Si was not contained, but the hardness was low and the tool life was not improved. Comparative Example 36 is a case where the Ti content is 49 atomic% and the Si content is 51 atomic%. Not only the hardness is low, but also in the evaluation of the adhesion resistance by a tribometer, iron adhesion is Since the adhesion resistance was severely reduced, the improvement of the tool life could not be confirmed. Based on the above results, the coated cutting tool of the present invention has the brittleness and affinity with iron-based work materials and adhesion without sacrificing the high hardness and excellent wear resistance of the Si-containing coating. It was possible to improve lubricity such as sliding characteristics. And it became possible to improve the durability of the tool remarkably and showed a long tool life stably. Furthermore, it was confirmed that the processing accuracy in finishing processing was improved and it was extremely effective for improving productivity and reducing costs.
Next, tool life was compared for the effect of Al content. Samples having different Al contents were prepared and compared in Invention Examples 24 to 26 and Comparative Examples 37 and 38. As the Al content increased, the decrease in hardness and the adhesion resistance by the tribometer also decreased the adhesion resistance due to the increase in the Al content, and the tool life also decreased. In particular, in Comparative Examples 37 and 38 in which the Al content was 10% and 15% in terms of the atomic ratio of the metal element, improvement in tool life could not be confirmed. As the Al content increased, the crystal structure of the film became hexagonal, or a mixture of hexagonal and cubic crystals, which was a major factor. By adding Al, the hardness tends to decrease, but the oxidation resistance is improved. Therefore, when the Si content is 15% in terms of the atomic ratio of the metal element, the allowable content of Al is that of the metal element. The atomic ratio is less than 10 atomic%. When the Si content is more than 15% in terms of the atomic ratio of the metal element, the allowable content of Al decreases. Accordingly, the Al content of the hard coating of the present invention is preferably less than 10 atomic% in terms of the atomic ratio of the metal element.
The tool life of Examples 27 to 34 of the present invention when using an intermediate layer which is a preferred form of the present invention was evaluated. By using the intermediate layer, the tool life was further improved by 1.3 to 1.8 times compared to Example 1 of the present invention. This is because the hard coating of the present invention contains a large amount of Si, and the reactivity between this Si and Co in the cemented carbide substrate is high, and the crystal grain size is relatively small, so it has a columnar structure. By using the intermediate layer, Co diffusion suppression from the base material and adhesion were improved, and the tool life was improved. In particular, an intermediate layer mainly composed of nitrides of Al and Cr is optimal. A long tool life was obtained by adding Si, Nb, Y to the nitrides of Al and Cr.

図1は、本発明例2のX線光電子分光分析結果を示す。FIG. 1 shows the results of X-ray photoelectron spectroscopy analysis of Example 2 of the present invention. 図2は、本発明例2のX線光電子分光分析結果を示す。FIG. 2 shows the results of X-ray photoelectron spectroscopy analysis of Example 2 of the present invention. 図3は、本発明例2のX線光電子分光分析結果を示す。FIG. 3 shows the result of X-ray photoelectron spectroscopy analysis of Example 2 of the present invention. 図4は、本発明例2のX線光電子分光分析結果を示す。FIG. 4 shows the result of X-ray photoelectron spectroscopy analysis of Example 2 of the present invention. 図5は、本発明例2のX線回折結果を示す。FIG. 5 shows the X-ray diffraction results of Example 2 of the present invention. 図6は、本発明例1のディスク摩耗痕の光学顕微鏡写真を示す。FIG. 6 shows an optical micrograph of the disc wear scar of Example 1 of the present invention. 図7は、比較例39のディスク摩耗痕の光学顕微鏡写真を示す。FIG. 7 shows an optical micrograph of the disc wear scar of Comparative Example 39. 図8は、本発明例1のディスク摩耗痕のSEM−EDX分析結果を示す。FIG. 8 shows the SEM-EDX analysis result of the disk wear scar of Example 1 of the present invention. 図9は、比較例39のディスク摩耗痕のSEM−EDX分析結果を示す。FIG. 9 shows the SEM-EDX analysis result of the disc wear scar of Comparative Example 39. 図10は、本発明例1のボールの摩耗痕の光学顕微鏡写真を示す。FIG. 10 shows an optical micrograph of the wear scar on the ball of Example 1 of the present invention. 図11は、比較例39のボールの摩耗痕の光学顕微鏡写真を示す。FIG. 11 shows an optical micrograph of the wear scar on the ball of Comparative Example 39.

Claims (1)

硬質皮膜は、原子%で、Siが2から50%、M成分が50から98%、但しM成分は、Ti、Cr、Zr、Nb、W、Mo、V、から選択される1種以上を有し、該硬質皮膜は窒化物相内に炭化物相が存在することを特徴とする硬質皮膜。 The hard coating is atomic%, Si is 2 to 50%, M component is 50 to 98%, where M component is at least one selected from Ti, Cr, Zr, Nb, W, Mo, V. The hard film is characterized in that a carbide phase exists in the nitride phase.
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