JP2008229780A - Hard film and tool coated with hard film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は硬質被膜に係り、特に、耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性に優れているとともに高い付着強度が得られ、工具や耐摩耗性部品等に好適に用いられる硬質被膜に関するものである。 The present invention relates to a hard coating, and more particularly to a hard coating that is excellent in heat resistance, wear resistance, and welding resistance, and that has high adhesion strength and is suitably used for tools, wear-resistant parts, and the like. is there.
ドリルやエンドミル、フライス、バイト等の切削工具、盛上げタップ、転造工具、プレス金型等の非切削工具などの種々の加工工具、或いは耐摩耗性が要求される摩擦部品など、種々の部材において、基材の表面に硬質被膜をコーティングすることにより、耐摩耗性や耐久性を向上させることが提案されている。特許文献1には、硬質被膜としてDLC(Diamond Like Carbon ;ダイヤモンド状カーボン)が設けられた工具が記載されている。DLCは緻密なアモルファス構造で、結晶学的にはダイヤモンドと異なるが、TiAlN、CrN等の化合物被膜に比較して高い硬度を有する。また、特許文献2および3には、硬質被膜として窒化炭素を用いることや、その窒化炭素膜の製造方法について記載されている。窒化炭素は、摩擦係数が小さいとともに面が平滑で硬度も高く、優れた耐摩耗性や耐溶着性、耐熱性が得られる。
しかしながら、上記DLCは、耐熱性および耐摩耗性の点で必ずしも十分に満足できるものではなく、例えば潤滑油剤を全く使わないエアブローによるドライ加工や、最少量の潤滑油剤を使用するミスト噴霧により切削加工を行うセミドライ加工では、十分な耐久性が得られないとともに、C(炭素)の未結合手が被削材と結合して溶着を生じ易く、特に鉄系材料に対して不向きであった。Cの未結合手にH(水素)を添加することで、被削材との結合を防ぐことが提案されているが、靱性の低下等の別の問題が発生する。一方、窒化炭素は、上記DLCの問題点であるCの未接合手にN(窒素)を結合した構造で、優れた耐溶着性が得られるが、DLCに比較して付着強度が弱くて剥離し易く、切削工具等においては必ずしも十分な耐久性が得られないという問題があった。 However, the above DLC is not always satisfactory in terms of heat resistance and wear resistance. For example, dry processing by air blow that does not use any lubricant, or mist spraying that uses a minimum amount of lubricant does not cut the DLC. In the semi-dry processing in which the dampening is performed, sufficient durability cannot be obtained, and the unbonded hands of C (carbon) are easily bonded to the work material to cause welding, which is particularly unsuitable for iron-based materials. Although it has been proposed to add H (hydrogen) to the C dangling bonds to prevent bonding with the work material, other problems such as a reduction in toughness occur. Carbon nitride, on the other hand, has a structure in which N (nitrogen) is bonded to the unbonded hands of C, which is a problem of the DLC, and provides excellent welding resistance. There is a problem that sufficient durability cannot always be obtained in a cutting tool or the like.
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性に優れているとともに、高い付着強度が得られ、切削工具等においても優れた耐久性が得られる高寿命の硬質被膜を提供することにある。 The present invention has been made against the background of the above circumstances, and the object thereof is excellent in heat resistance, wear resistance, and welding resistance, and high adhesion strength is obtained. Another object of the present invention is to provide a long-life hard coating that can provide excellent durability.
かかる目的を達成するために、第1発明は、所定の基材の表面に設けられる硬質被膜であって、(a) 前記基材の表面に設けられるDLC層と、(b) 窒素含有量が3〜40at%(原子%)の範囲内の窒化炭素にて構成されているとともに、外表面を構成するように最上層に設けられる窒化炭素層と、を有し、且つ、(c) 全体の膜厚が0.01〜3μmの範囲内であることを特徴とする。 In order to achieve this object, the first invention is a hard coating provided on the surface of a predetermined substrate, and (a) a DLC layer provided on the surface of the substrate, and (b) a nitrogen content. And a carbon nitride layer provided on the uppermost layer so as to constitute the outer surface, and (c) The film thickness is in the range of 0.01 to 3 μm.
第2発明は、第1発明の硬質被膜において、前記DLC層の上に直接前記窒化炭素層が設けられた2層構造を成しており、全体の膜厚が0.01〜2μmの範囲内であることを特徴とする。 The second invention has a two-layer structure in which the carbon nitride layer is provided directly on the DLC layer in the hard coating of the first invention, and the total film thickness is within a range of 0.01 to 2 μm. It is characterized by being.
第3発明は、第1発明または第2発明の硬質被膜において、前記DLC層のナノインデンテーション硬さは40〜50GPaの範囲内で、前記窒化炭素層のナノインデンテーション硬さは15〜55GPaの範囲内であることを特徴とする。 3rd invention is the hard film of 1st invention or 2nd invention, The nanoindentation hardness of the said DLC layer is in the range of 40-50 GPa, The nanoindentation hardness of the said carbon nitride layer is 15-55 GPa It is within the range.
第4発明は、第1発明〜第3発明の何れかの硬質被膜において、前記窒化炭素層は、単結合および2重結合の窒化炭素を共に含んでいることを特徴とする。 According to a fourth invention, in the hard coating film according to any one of the first to third inventions, the carbon nitride layer contains both single bond and double bond carbon nitride.
第5発明は、第1発明〜第4発明の何れかの硬質被膜において、前記DLC層および前記窒化炭素層の厚さは、何れも0.005〜1μmの範囲内であることを特徴とする。 According to a fifth invention, in any one of the hard coating films according to the first to fourth inventions, the thicknesses of the DLC layer and the carbon nitride layer are both in the range of 0.005 to 1 μm. .
第6発明は、基材の表面に硬質被膜が設けられている硬質被膜被覆工具であって、その硬質被膜は、第1発明〜第5発明の何れかの硬質被膜であることを特徴とする。 A sixth invention is a hard film-coated tool in which a hard film is provided on the surface of a substrate, and the hard film is any one of the hard films according to the first to fifth inventions. .
第1発明の硬質被膜においては、基材の表面にDLC層が設けられるとともに、窒素含有量が3〜40at%の窒化炭素層が外表面を構成するように最上層に設けられており、且つ、全体の膜厚が0.01〜3μmの範囲内とされているため、最上層の窒化炭素層により優れた耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性が得られる一方、基材の表面にはDLC層が設けられているため、高い付着強度が得られて剥離等が抑制され、切削工具等の硬質被膜として用いる場合でも優れたに耐久性が得られる。これにより、例えば第6発明のように硬質被膜被覆工具の硬質被膜として好適に用いられ、溶着が生じ易い環境下(真空中など)での加工の耐溶着性が向上するとともに、鉄系材料に対する加工が可能になり、優れた工具寿命が得られる一方、アルミニウム合金等の非鉄系材料に対してはドライ加工やセミドライ加工が可能となる。 In the hard coating of the first invention, a DLC layer is provided on the surface of the base material, and a carbon nitride layer having a nitrogen content of 3 to 40 at% is provided in the uppermost layer so as to constitute the outer surface, and Since the entire film thickness is in the range of 0.01 to 3 μm, the uppermost carbon nitride layer provides excellent heat resistance, wear resistance, and welding resistance, while the surface of the substrate is Since a DLC layer is provided, high adhesion strength is obtained, peeling and the like are suppressed, and even when used as a hard film such as a cutting tool, durability is excellent. As a result, for example, as in the sixth invention, it is suitably used as a hard film of a hard film-coated tool, and the welding resistance of processing in an environment (such as in a vacuum) in which welding is likely to occur is improved, and for iron-based materials. While machining is possible and an excellent tool life is obtained, dry machining and semi-dry machining are possible for non-ferrous materials such as aluminum alloys.
また、上記DLC層および窒化炭素層は、何れも成膜条件を変更することにより容易に硬さ調整を行うことができるため、硬質被膜を設ける対象物や目的等に応じて硬さや靱性などの被膜特性を適宜設定できる。第3発明のように、DLC層のナノインデンテーション硬さを40〜50GPaの範囲内とし、窒化炭素層のナノインデンテーション硬さを15〜55GPaの範囲内とすれば、優れた耐摩耗性が得られ、切削工具の硬質被膜に好適に適用される。 In addition, since both the DLC layer and the carbon nitride layer can be easily adjusted in hardness by changing the film formation conditions, the hardness, toughness, etc. according to the object or purpose of providing the hard coating The film characteristics can be set as appropriate. If the nanoindentation hardness of the DLC layer is in the range of 40 to 50 GPa and the nanoindentation hardness of the carbon nitride layer is in the range of 15 to 55 GPa as in the third invention, excellent wear resistance can be obtained. It is obtained and is suitably applied to a hard film of a cutting tool.
第2発明の硬質被膜は、DLC層の上に直接窒化炭素層が設けられた2層構造を成しているとともに、全体の膜厚が0.01〜2μmの範囲内とされているため、剥離等が抑制されて優れた耐久性が得られるとともに、構造が簡単で安価に構成される。 Since the hard film of the second invention has a two-layer structure in which a carbon nitride layer is provided directly on the DLC layer, and the entire film thickness is in the range of 0.01 to 2 μm, While exfoliation etc. are suppressed and the outstanding durability is acquired, a structure is simple and it is comprised at low cost.
第4発明では、単結合および2重結合の窒化炭素を共に含んで窒化炭素層が構成されているため、成膜条件を変更してそれ等の割合を変更することにより、窒化炭素層の硬さを調整することができる。すなわち、単結合の窒化炭素は2重結合の窒化炭素よりも高硬度であるため、その単結合の窒化炭素の割合が高くなるように成膜条件を設定すれば、窒化炭素層全体の硬さを高くすることができる一方、2重結合の窒化炭素の割合を高くすれば靱性を向上させることができる。なお、窒化炭素には3重結合が存在するが、結合の終端を担うのみであり機械的な性質には関係しない。 In the fourth invention, since the carbon nitride layer is configured to include both single bond and double bond carbon nitride, the carbon nitride layer is hardened by changing the film formation conditions and changing their ratio. Can be adjusted. That is, single bond carbon nitride is harder than double bond carbon nitride, so if the film formation conditions are set so that the proportion of the single bond carbon nitride is higher, the hardness of the entire carbon nitride layer On the other hand, toughness can be improved by increasing the proportion of double-bonded carbon nitride. Carbon nitride has a triple bond, but it only serves as a terminal end of the bond and is not related to mechanical properties.
第5発明では、DLC層および窒化炭素層の厚さが、何れも0.005〜1μmの範囲内であるため、DLC層の存在で窒化炭素層の付着強度を向上させつつ、その窒化炭素層により優れた耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性が得られる。 In the fifth invention, since the thickness of each of the DLC layer and the carbon nitride layer is within the range of 0.005 to 1 μm, the carbon nitride layer is improved while improving the adhesion strength of the carbon nitride layer in the presence of the DLC layer. As a result, excellent heat resistance, wear resistance, and welding resistance can be obtained.
第6発明の硬質被膜被覆工具は、上記第1発明〜第5発明の何れかの硬質被膜で被覆されているため、実質的に第1発明〜第5発明と同様の作用効果が得られる。 Since the hard film-coated tool of the sixth invention is coated with the hard film of any of the first to fifth inventions, substantially the same effects as the first to fifth inventions can be obtained.
本発明は、ドリルやフライス等の回転切削工具、バイト等の非回転の切削工具、或いは盛上げタップ、転造工具、プレス金型等の非切削工具など、種々の硬質被膜被覆工具に好適に適用されるが、このような加工工具以外でも軸受部材など耐摩耗性や耐久性が要求される種々の部材の硬質被膜に適用され得る。 The present invention is suitably applied to various hard coating coated tools such as a rotary cutting tool such as a drill or a mill, a non-rotating cutting tool such as a bite, or a non-cutting tool such as a raised tap, a rolling tool, or a press die. However, it can be applied to hard coatings of various members that require wear resistance and durability, such as bearing members, other than such processing tools.
DLC層および窒化炭素層は、何れもアークイオンプレーティング法やイオンビーム支援蒸着法、スパッタリング法等のPVD法によって好適に成膜できるが、他の成膜法を採用することもできる。 The DLC layer and the carbon nitride layer can be suitably formed by PVD methods such as arc ion plating, ion beam assisted deposition, and sputtering, but other film formation methods can also be employed.
窒化炭素層の窒素含有量は、成膜条件を変更することによって調整することが可能で、例えばアークイオンプレーティング法では窒素ガス流量の制御で調整でき、イオンビーム支援蒸着法の場合はプラズマ濃度を制御することによって調整できる。この窒素含有量が3at%未満では、窒素をC(炭素)の未結合手に結合して耐溶着性を向上させる効果が十分に得られない一方、40at%を越えると、単結合の窒化炭素が多くなって脆くなるため、3〜40at%の範囲内で設定することが望ましく、特に5〜35at%の範囲内が適当である。 The nitrogen content of the carbon nitride layer can be adjusted by changing the film formation conditions.For example, in the arc ion plating method, it can be adjusted by controlling the nitrogen gas flow rate. In the case of the ion beam assisted deposition method, the plasma concentration can be adjusted. Can be adjusted by controlling. If the nitrogen content is less than 3 at%, the effect of improving the welding resistance by binding nitrogen to C (carbon) dangling bonds cannot be sufficiently obtained. On the other hand, if the nitrogen content exceeds 40 at%, single bond carbon nitride is not obtained. Therefore, it is desirable to set within a range of 3 to 40 at%, and particularly within a range of 5 to 35 at%.
全体の膜厚は、0.01μm未満であると硬質被膜としての機能が十分に得られない一方、3μmを越えると剥離したり欠けたりし易くなるため、0.01〜3μmの範囲内で設定することが望ましい。第2発明のようにDLC層の上に直接窒化炭素層を設ける2層構造の場合には、0.01〜2μmの範囲内が適当である。 If the total film thickness is less than 0.01 μm, the function as a hard film cannot be obtained sufficiently, but if it exceeds 3 μm, it tends to peel or chip, so it is set within the range of 0.01 to 3 μm. It is desirable to do. In the case of a two-layer structure in which a carbon nitride layer is provided directly on the DLC layer as in the second invention, a range of 0.01 to 2 μm is appropriate.
第2発明ではDLC層と窒化炭素層の2層構造であるが、それ等を繰り返し積層して多層構造としたり、DLC層から所定の窒素含有量の窒化炭素層に達するまで、窒素含有量が連続的に増大する傾斜層を設けたりするなど、種々の態様が可能である。すなわち、第1発明の実施に際しては、少なくとも基材との界面にDLC層を設け、最上層に窒化炭素層を設けるようにすれば良く、それ等の間に付着強度向上等を目的として別の層(1または複数)を介在させることも可能である。 In the second invention, the two-layer structure of the DLC layer and the carbon nitride layer is used. However, the nitrogen content is increased until the multilayer structure is formed by repeatedly stacking them, or until the carbon nitride layer having a predetermined nitrogen content is reached from the DLC layer. Various modes are possible, such as providing a graded layer that increases continuously. That is, in carrying out the first invention, it is sufficient to provide a DLC layer at least at the interface with the base material and a carbon nitride layer as the uppermost layer. It is also possible to intervene the layer (s).
第3発明では、DLC層のナノインデンテーション硬さが40〜50GPaの範囲内で、窒化炭素層のナノインデンテーション硬さが15〜55GPaの範囲内であり、切削工具の硬質被膜に好適に適用されるが、それ等の硬さは、硬質被膜を設ける対象物や目的等に応じて適宜変更できる。 In the third invention, the nanoindentation hardness of the DLC layer is in the range of 40 to 50 GPa, and the nanoindentation hardness of the carbon nitride layer is in the range of 15 to 55 GPa, which is suitable for a hard coating of a cutting tool. However, the hardness thereof can be appropriately changed according to the object to be provided with the hard coating, the purpose, and the like.
第4発明では、単結合(sp3結合)および2重結合(sp2結合)の窒化炭素を共に含んで窒化炭素層が構成されているが、他に3重結合の窒化炭素を含んでいても差し支えない。このような窒化炭素層は、規則的な結晶構造を持たないアモルファスである。なお、他の発明の実施に際しては、単結合および3重結合から成る窒化炭素層、或いは2重結合および3重結合から成る窒化炭素層など、他の構造の窒化炭素層を採用することもできる。 In the fourth invention, the carbon nitride layer is configured to include both single bond (sp3 bond) and double bond (sp2 bond) carbon nitride, but it may also include triple bond carbon nitride. Absent. Such a carbon nitride layer is amorphous having no regular crystal structure. In carrying out other inventions, a carbon nitride layer having another structure such as a carbon nitride layer composed of a single bond and a triple bond, or a carbon nitride layer composed of a double bond and a triple bond may be employed. .
第5発明では、DLC層および窒化炭素層の厚さが何れも0.005〜1μmの範囲内であるが、他の発明の実施に際しては、DLC層や窒化炭素層の厚さが0.005μm未満であったり1μmを越えていたりしても良い。 In the fifth invention, the thicknesses of the DLC layer and the carbon nitride layer are both in the range of 0.005 to 1 μm. However, when the other inventions are implemented, the thickness of the DLC layer and the carbon nitride layer is 0.005 μm. Or less than 1 μm.
第6発明の硬質被膜被覆工具の基材としては、超硬合金や高速度工具鋼が好適に用いられるが、サーメット、セラミックス、多結晶ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド、多結晶CBN、単結晶CBNなど、種々の工具材料を採用できる。 As the base material for the hard film-coated tool of the sixth invention, cemented carbide or high-speed tool steel is preferably used. Cermet, ceramics, polycrystalline diamond, single crystal diamond, polycrystalline CBN, single crystal CBN, etc. Various tool materials can be employed.
以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は、本発明の硬質被膜被覆工具の一例であるドリル10を示す図で、(a) は軸心Oと直角な方向から見た正面図、(b) は切れ刃12が設けられた先端側から見た拡大底面図である。このドリル10は、2枚刃のツイストドリルで、シャンク14およびボデー16を軸方向に一体に備えており、ボデー16には軸心Oの右まわりにねじれた一対の溝18が形成されている。ボデー16の先端には、溝18に対応して一対の切れ刃12が設けられており、シャンク14側から見て軸心Oの右まわりに回転駆動されることにより切れ刃12によって穴を切削加工するとともに、切屑が溝18を通ってシャンク14側へ排出される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a view showing a
図1の(c) は、ボデー16における表面付近の拡大断面図で、超硬合金製の工具基材22の表面には硬質被膜24がコーティングされている。硬質被膜24は、工具基材22の表面に設けられたDLC層26と、そのDLC層26の上に設けられたCN(窒化炭素)層28とから成る2層構造で、そのCN層28によって外表面が構成されている。CN層28は、窒素含有量が3〜40at%の範囲内で、単結合(sp3)および2重結合(sp2)のCNを共に含んで構成されており、そのナノインデンテーション硬さは15〜55GPaの範囲内である。上記DLC層26のナノインデンテーション硬さは40〜50GPaの範囲内である。また、硬質被膜24の全体の膜厚Dは0.01〜2μmの範囲内で、DLC層26単独の膜厚D1およびCN層28単独の膜厚D2は、何れも0.005〜1μmの範囲内である。なお、図1(a) において斜線を付した領域は、硬質被膜24のコーティング範囲を表している。
FIG. 1C is an enlarged sectional view of the vicinity of the surface of the
図2の(a) は、上記CN層28の結合構造の模式図で、Cは炭素原子、Nは窒素原子を表しており、(b) に示す単結合(sp3)および(c) に示す2重結合(sp2)がランダムに分布しているアモルファス構造である。また、図3は、CN層28のラマンスペクトルの一例で、「D−peak」は単結合のCNによるもので、「G−peak」は2重結合のCNによるものであり、両ピークを有することにより、単結合および2重結合の両方を含んでいることが分かる。そして、それ等の結合の割合によって硬さ等の被膜特性を制御することが可能で、例えば高硬度の単結合の割合が大きくなるようにすればCN層28の硬度が高くなり、2重結合の割合が大きくなるようにすればCN層28の靱性が向上する。
2A is a schematic diagram of the bonding structure of the
また、上記CN(単結合+2重結合)、DLC、およびTiNの3種類の硬質被膜で被覆したテストピースを用意し、図4に示すピンオンディスク式試験装置を用いて以下の試験条件で摩擦摩耗試験を行ったところ、図5および図6に示す結果が得られた。この場合のCNは、図8の本発明品におけるNo11のCN層28と略同じで、窒素含有量は約20at%、ナノインデンテーション硬さは約29GPaであり、テストピースの基材(超硬合金)上に直接コーティングしたものである。
(試験条件)
・相手材:SUS304(ステンレス鋼)
・荷重:0.5N
・線速度:25mm/s
・時間:500秒
・試験環境:大気
・室温:25℃
・湿度:60%
In addition, a test piece coated with three types of hard coatings of CN (single bond + double bond), DLC, and TiN was prepared, and friction was performed under the following test conditions using the pin-on-disk test apparatus shown in FIG. When the abrasion test was performed, the results shown in FIGS. 5 and 6 were obtained. The CN in this case is substantially the same as the No. 11
(Test conditions)
-Partner material: SUS304 (stainless steel)
・ Load: 0.5N
・ Linear speed: 25mm / s
-Time: 500 seconds-Test environment: Air-Room temperature: 25 ° C
・ Humidity: 60%
図5は、上記試験から摩擦係数を求めた結果で、CNは約0.09、DLCは約0.08、TiNは約0.27であり、CNはDLCと同様に摩擦係数が極めて小さい。DLCとCNの値が極めて近いため、図5ではそれ等のグラフが略重なっている。また、図6は、CNおよびDLCのテストピースの先端の摩耗痕を示す写真で、(a) はCNに生じた摩耗痕、(b) はDLCに生じた摩耗痕である。それぞれに相手材の溶着が観察された。CNに対するFeの溶着量とDLCに対するFeの溶着量との比は約3:10程度で、CNはDLCに比べて鉄に対して格段に優れた耐溶着性を有する。 FIG. 5 is a result of obtaining the friction coefficient from the above test. CN is about 0.09, DLC is about 0.08, TiN is about 0.27, and CN has a very small friction coefficient like DLC. Since the values of DLC and CN are very close, these graphs are substantially overlapped in FIG. FIG. 6 is a photograph showing wear marks at the tips of CN and DLC test pieces, where (a) shows wear marks generated on CN and (b) shows wear marks generated on DLC. Welding of the counterpart material was observed in each. The ratio of the amount of Fe deposited on CN and the amount of Fe deposited on DLC is about 3:10, and CN has much better welding resistance to iron than DLC.
一方、前記DLC層26およびCN層28は、アークイオンプレーティング法やイオンビーム支援蒸着法、スパッタリング法等のPVD法によって好適に成膜される。図7は、アークイオンプレーティング装置30を説明する概略構成図(模式図)で、多数のワークすなわち硬質被膜24を被覆する前の切れ刃12、溝18等が形成された工具基材22を保持しているワーク保持具32、そのワーク保持具32を略垂直な回転中心まわりに回転駆動する回転装置34、工具基材22に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源36、工具基材22などを内部に収容している処理容器としてのチャンバ38、チャンバ38内に所定の反応ガスを供給する反応ガス供給装置40、チャンバ38内の気体を真空ポンプなどで排出して減圧する排気装置42、第1アーク電源44、第2アーク電源46等を備えている。ワーク保持具32は、上記回転中心を中心とする円筒形状或いは多角柱形状を成しており、先端が略水平に外側へ突き出す姿勢で多数の工具基材22を放射状に保持している。また、反応ガス供給装置40は、アルゴンガス(Ar)および窒素ガス(N2 )のタンクを備えており、DLC層26を形成する時にはアルゴンガスのみを供給し、CN層28を形成する時にはアルゴンガスおよび窒素ガスを所定の割合で供給する。
On the other hand, the DLC layer 26 and the
第1アーク電源44および第2アーク電源46は、何れも炭素(C)から成る第1蒸発源48、第2蒸発源52をカソードとして、アノード50、54との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、それ等の蒸発源48、52から炭素を蒸発させるもので、蒸発した炭素は正イオンになって負(−)のバイアス電圧が印加されている工具基材22に付着させられる。これにより、アルゴンガスのみを供給した時にはDLC層26が形成され、アルゴンガスおよび窒素ガスの両方を供給した時にはCN層28が形成される。その場合に、所定の硬さや組成のDLC層26、CN層28が得られるように、それぞれアーク電流やバイアス電圧等の成膜条件が定められる。また、膜厚については、成膜時間で調整できる。
The first
CN層28を形成する際には、単結合(sp3)および2重結合(sp2)を共に含むように成膜条件が定められ、処理温度は20〜250℃の範囲内で例えば150℃程度、バイアス電圧は15〜300Vの範囲内で例えば100V程度に設定される。また、窒素ガスの供給流量は、CN層28内の窒素含有量が3〜40at%の範囲内となるように定められる。
When the
図8は、上記のように構成された本発明品(No7〜No18)と比較品(No1〜No6)とを用いて、以下の加工条件で穴明け加工を行い、耐久性を調べた結果を説明する図である。比較品において網掛けを付した欄は、本発明(請求項1および2)の要件から外れている項目である。なお、DLC層26のナノインデンテーション硬さは、本発明品、比較品共に40〜50GPaの範囲内とされている。
(加工条件)
・工具形状:φ8超硬ツイストドリル
・被削材:A5052(アルミニウム合金)
・切削速度:80m/min
・送り速度:0.14mm/rev
・加工深さ:24mm貫通穴
・切削油:ミスト
・ステップ量:ノンステップ
FIG. 8 shows the results of examining the durability by drilling under the following processing conditions using the products of the present invention (No. 7 to No. 18) and comparative products (No. 1 to No. 6) configured as described above. It is a figure explaining. The shaded columns in the comparative products are items that are out of the requirements of the present invention (claims 1 and 2). The nanoindentation hardness of the DLC layer 26 is in the range of 40 to 50 GPa for both the product of the present invention and the comparative product.
(Processing conditions)
・ Tool shape: φ8 carbide twist drill ・ Work material: A5052 (aluminum alloy)
・ Cutting speed: 80 m / min
・ Feeding speed: 0.14mm / rev
・ Processing depth: 24mm through hole ・ Cutting oil: Mist ・ Step amount: Non-step
図8の試験結果から明らかなように、DLC層26のみを設けた比較品のNo1、No2では、1000穴加工時の切れ刃12の逃げ面摩耗幅がそれぞれ0.32mm、0.35mmであるのに対し、本発明品は何れも合格判定基準である0.2mmよりも小さい。また、DLC層26の上にCN層28を設けた比較品No3〜No6については、CN層28の窒素含有量が47at%の比較品No3の場合、そのCN層28の被膜硬さ(ナノインデンテーション硬さ)が高くなり過ぎて脆くなり、欠けや剥離等により摩耗が促進される一方、窒素含有量が1at%の比較品No6では、被膜硬さ(ナノインデンテーション硬さ)が低くて摩耗が促進される。硬質被膜24全体の膜厚Dが3μmの比較品No4では、剥離等により摩耗が促進され、その膜厚Dが0.005μmの比較品No5では、硬質被膜24による耐摩耗性の向上効果が十分に得られない。
As is clear from the test results of FIG. 8, in the comparative products No. 1 and No. 2 in which only the DLC layer 26 is provided, the flank wear widths of the
また、図9の硬質被膜60は、上記DLC層26およびCN層28を繰り返し交互に積層するとともに最上層をCN層28とし、且つ、全体の膜厚Dを0.01〜3μmの範囲内としたものである。これについても、図10に示すように本発明品(No5〜No11)と比較品(No1〜No4)とを用意し、前記図8の場合と同じ加工条件で耐久性試験を行った。比較品において網掛けを付した欄は、本発明(請求項1)の要件から外れている項目である。なお、DLC層26のナノインデンテーション硬さは、本発明品、比較品共に40〜50GPaの範囲内とされている。
Further, the
図10の試験結果から明らかなように、本発明品は何れも切れ刃12の逃げ面摩耗幅が合格判定基準である0.2mmよりも小さい。前記2層構造の硬質被膜24に比較して、多層とした場合に、試料No7のように全体の膜厚Dを3μmとしても、剥離が抑制されて良好な耐摩耗性が得られるのは、個々の膜厚D1、D2が薄く、剥離やクラックの進行が上層部の一部の層の剥離等でくい止められるためと考えられる。しかしながら、比較品No1のように全体の膜厚Dを4μmまで厚くすると、剥離により摩耗が促進されるため、多層膜においても全体の膜厚Dは3μm以下とする必要がある。膜厚Dが0.006μmの比較品No2では、硬質被膜60による耐摩耗性の向上効果が十分に得られない。また、CN層28の窒素含有量が44at%の比較品No3の場合、そのCN層28の被膜硬さ(ナノインデンテーション硬さ)が高くなり過ぎて脆くなり、欠けや剥離等により摩耗が促進される一方、窒素含有量が1at%の比較品No4では、被膜硬さ(ナノインデンテーション硬さ)が低くて摩耗が促進される。
As is apparent from the test results of FIG. 10, in all of the products of the present invention, the flank wear width of the
このように、本実施例のドリル10の硬質被膜24、60は、工具基材22の表面にDLC層26が設けられるとともに、窒素含有量が3〜40at%のCN層28が外表面を構成するように最上層に設けられており、且つ、全体の膜厚Dが0.01〜3μmの範囲内とされているため、最上層のCN層28により優れた耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性が得られる。また、工具基材22の表面にはDLC層26が設けられているため、高い付着強度が得られて剥離等が抑制され、優れたに耐久性が得られる。これにより、溶着が生じ易い環境下(真空中など)での加工の耐溶着性が向上するとともに、鉄系材料に対する加工が可能になり、優れた工具寿命が得られる一方、アルミニウム合金等の非鉄系材料に対してはドライ加工やセミドライ加工(ミスト加工)が可能となる。
As described above, in the
また、DLC層26およびCN層28は、何れも成膜条件を変更することにより容易に硬さ調整を行うことが可能で、本実施例ではDLC層26のナノインデンテーション硬さが40〜50GPaの範囲内とされ、CN層28のナノインデンテーション硬さが15〜55GPaの範囲内とされているため、優れた耐摩耗性が得られ、ドリル10の耐久性が向上する。
Further, both the DLC layer 26 and the
また、本実施例では単結合および2重結合のCNを共に含んでCN層28が構成されているため、成膜条件を変更してそれ等の割合を変更することにより、CN層28の硬さを調整することができる。すなわち、単結合のCNは2重結合のCNよりも高硬度であるため、その単結合のCNの割合が高くなるようにバイアス電圧やアーク電流等の成膜条件を設定すれば、CN層28全体の硬さを高くすることができる一方、2重結合のCNの割合が高くなるようにすれば靱性を向上させることができる。
Further, in this embodiment, the
また、本実施例ではDLC層26およびCN層28の厚さが、何れも0.005〜1μmの範囲内であるため、DLC層26の存在で付着強度を向上させつつ、CN層28により優れた耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性が得られる。
Further, in this embodiment, since the thickness of the DLC layer 26 and the
また、図1の実施例の硬質被膜24は、DLC層26の上に直接CN層28が設けられた2層構造を成しているとともに、全体の膜厚Dが0.01〜2μmの範囲内とされているため、剥離等が抑制されて優れた耐久性が得られるとともに、構造が簡単で安価に構成される。
1 has a two-layer structure in which the
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更,改良を加えた態様で実施することができる。 As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail based on drawing, these are one embodiment to the last, and this invention is implemented in the aspect which added the various change and improvement based on the knowledge of those skilled in the art. be able to.
10:ドリル(硬質被膜被覆工具) 22:工具基材(基材) 24、60:硬質被膜 26:DLC層 28:CN層(窒化炭素層) 10: Drill (hard coating coated tool) 22: Tool base material (base material) 24, 60: Hard coating 26: DLC layer 28: CN layer (carbon nitride layer)
Claims (6)
前記基材の表面に設けられるDLC層と、
窒素含有量が3〜40at%の範囲内の窒化炭素にて構成されているとともに、外表面を構成するように最上層に設けられる窒化炭素層と、
を有し、且つ、全体の膜厚が0.01〜3μmの範囲内である
ことを特徴とする硬質被膜。 It is a hard coating provided on the surface of a predetermined substrate,
A DLC layer provided on the surface of the substrate;
A carbon nitride layer composed of carbon nitride having a nitrogen content in the range of 3 to 40 at%, and a carbon nitride layer provided on the uppermost layer so as to constitute the outer surface;
And a total film thickness within a range of 0.01 to 3 μm.
ことを特徴とする請求項1に記載の硬質被膜。 The two-layer structure in which the carbon nitride layer is provided directly on the DLC layer is formed, and the total film thickness is in the range of 0.01 to 2 μm. Hard coating.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の硬質被膜。 The nanoindentation hardness of the DLC layer is in the range of 40 to 50 GPa, and the nanoindentation hardness of the carbon nitride layer is in the range of 15 to 55 GPa. Hard coating.
ことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の硬質被膜。 The hard film according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon nitride layer includes both single bond and double bond carbon nitride.
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の硬質被膜。 5. The hard coating film according to claim 1, wherein the DLC layer and the carbon nitride layer each have a thickness in the range of 0.005 to 1 μm.
前記硬質被膜は、請求項1〜5の何れか1項に記載の硬質被膜である
ことを特徴とする硬質被膜被覆工具。 A hard film coated tool in which a hard film is provided on the surface of a substrate,
The hard film-coated tool according to any one of claims 1 to 5, wherein the hard film is the hard film according to any one of claims 1 to 5.
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