JP2008254145A - Hard film and hard film coated tool - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hard film of a longer life span that is excellent in heat resistivity, anti-abrasion and welding resistivity as well as in adhesive strength. <P>SOLUTION: The hard film 24 provided on a body 16 of a drill 10 is arranged such that a compound layer 26 is overlaid on a surface of a tool based material 22 and a CN layer 28 containing 3 to 40 at% of Nitrogen is overlaid on the topmost surface of the material 22 and a compound/CN gradient layer 27 of an intermediary composition between those layers 26 and 28 is provided between them with the whole thickness D of the film 24 ranging from 0.05 to 20 μm. The provision of the CN layer 28 makes the film 24 excellent in heat resistivity, anti-abrasion and welding resistivity whereas that of the compound layer 26 enhances the adhesive strength of the film 24 so as to restrain peeling and the like from occurring and make it highly endurable. Moreover, the interposition of the compound/CN gradient layer 27 between them makes the CN layer 28 very firmly adhered on the compound layer 26 so as to enhance the adhesive strength of the hard film 24 as a whole, with the result that the anti-peeling property of the film 24 highly improves. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

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。
特開2005−22073号公報 特開2002−38269号公報 特開2006−69856号公報
Various tools such as cutting tools such as drills, end mills, milling tools, cutting tools, build-up taps, rolling tools, non-cutting tools such as press dies, or friction parts that require wear resistance It has been proposed to improve wear resistance and durability by coating a hard film on the surface of a substrate. Patent Document 1 describes a tool provided with DLC (Diamond Like Carbon) as a hard coating. DLC has a dense amorphous structure and is crystallographically different from diamond, but has a higher hardness than compound coatings such as TiAlN and CrN. Patent Documents 2 and 3 describe the use of carbon nitride as a hard coating and a method for producing the carbon nitride film. Carbon nitride has a low friction coefficient, a smooth surface and high hardness, and provides excellent wear resistance, welding resistance, and heat resistance.
JP 2005-22073 A JP 2002-38269 A JP 2006-69856 A

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 DLC is not always satisfactory in terms of heat resistance and wear resistance, and the C (carbon) dangling bonds are easily bonded to the work material to cause welding. It was unsuitable for. 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) 元素の周期表の IIIb族、IVa族、Va族、VIa族の金属およびSiの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体にて構成されており、前記基材の表面に設けられる化合物層と、(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、(c) その窒化炭素層および前記化合物層が混ざり合った中間的な組成で、その化合物層とその窒化炭素層との間にそれ等に接するように設けられた中間層と、を有し、且つ、(d) 全体の平均膜厚Dが0.05〜20μm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, comprising: (a) a group IIIb, IVa, Va, VIa group metal of the periodic table of elements and It is composed of any carbide, nitride, carbonitride, or mutual solid solution of Si, and a compound layer provided on the surface of the base material; and (b) a nitrogen content of 3 to 40 at% ( A carbon nitride layer provided on the uppermost layer so as to constitute the outer surface, and (c) an intermediate in which the carbon nitride layer and the compound layer are mixed. And an intermediate layer provided so as to be in contact with the compound layer and the carbon nitride layer between the compound layer and the carbon nitride layer, and (d) a total average film thickness D of 0.05 to It is in the range of 20 μm.

第2発明は、第1発明の硬質被膜において、前記中間層は、前記化合物層から前記窒化炭素層に向かうに従って、その化合物層に近い組成から窒化炭素層に近い組成となるように混合割合が連続的または段階的に変化させられていることを特徴とする。   The second invention is the hard coating of the first invention, wherein the intermediate layer has a mixing ratio from a composition close to the compound layer to a composition close to the carbon nitride layer as it goes from the compound layer to the carbon nitride layer. It is characterized by being changed continuously or stepwise.

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。   A third invention is characterized in that in the hard coating of the first invention or the second invention, the nanoindentation hardness of the carbon nitride layer is in a range of 15 to 55 GPa.

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、前記窒化炭素層の厚さは0.005〜3μmの範囲内であることを特徴とする。   A fifth invention is characterized in that, in the hard coating film of any one of the first invention to the fourth invention, the thickness of the carbon nitride layer is in the range of 0.005 to 3 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 of the first to fifth inventions. .

第1発明の硬質被膜においては、元素の周期表の IIIb族、IVa族、Va族、VIa族の金属およびSiの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体から成る化合物層が基材の表面に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、且つ、それ等の中間的な組成の中間層がその化合物層と窒化炭素層との間に設けられており、全体の平均膜厚Dが0.05〜20μm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、基材の表面には化合物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、ステンレス鋼、耐熱合金鋼などの鉄系材料に対する加工が可能になり、優れた工具寿命や加工の安定性が得られる一方、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への展開が期待できる。   In the hard coating of the first invention, a compound comprising a group IIIb, group IVa, group Va, group VIa of the periodic table of elements and a carbide, nitride, carbonitride of Si, or a mutual solid solution thereof. A layer is provided on the surface of the substrate, a carbon nitride layer having a nitrogen content of 3 to 40 at% is provided on the uppermost layer so as to constitute the outer surface, and an intermediate layer having an intermediate composition thereof is provided. Since it is provided between the compound layer and the carbon nitride layer, and the overall average film thickness D is in the range of 0.05 to 20 μm, the uppermost carbon nitride layer has better heat resistance and resistance. Abrasion and welding resistance can be obtained. On the other hand, a compound layer is provided on the surface of the base material, so that high adhesion strength is obtained and peeling is suppressed. Even when used as a hard coating for cutting tools, etc. Excellent durability is obtained. As a result, for example, it is suitably used as a hard coating of a hard coating coated tool as in the sixth invention, and the welding resistance of processing in an environment where welding is likely to occur (such as in a vacuum) is improved, and stainless steel, heat resistant While it is possible to process ferrous materials such as alloy steel and provide excellent tool life and stability, non-ferrous materials such as aluminum alloys can be expected to develop into dry and semi-dry processes. .

また、化合物層と窒化炭素層との間には、それ等の中間的な組成の中間層が設けられているため、その中間層を介して窒化炭素層が高い付着強度で化合物層に付着され、硬質被膜全体の付着強度が高くなって耐剥離性が一層向上する。   In addition, since an intermediate layer having an intermediate composition is provided between the compound layer and the carbon nitride layer, the carbon nitride layer is attached to the compound layer with high adhesion strength through the intermediate layer. Further, the adhesion strength of the entire hard coating is increased, and the peel resistance is further improved.

また、上記窒化炭素層は、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、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 the hardness of the carbon nitride layer can be easily adjusted by changing the film formation conditions, film properties such as hardness and toughness are appropriately set according to the object and purpose of providing the hard film. it can. If 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 is obtained, and the carbon nitride layer is suitably applied to a hard film of a cutting tool.

第2発明の中間層は、化合物層から窒化炭素層に向かうに従って、その化合物層に近い組成から窒化炭素層に近い組成となるように混合割合が連続的または段階的に変化させられているため、その中間層を介して窒化炭素層が一層高い付着強度で化合物層に付着され、耐剥離性が一層向上する。   In the intermediate layer according to the second aspect of the invention, the mixing ratio is changed continuously or stepwise from the compound layer to the carbon nitride layer as it goes from the compound layer to the carbon nitride layer. The carbon nitride layer is attached to the compound layer with higher adhesion strength through the intermediate layer, and the peel resistance is further improved.

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、窒化炭素層の厚さが0.005〜3μmの範囲内であるため、化合物層および中間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 the carbon nitride layer is in the range of 0.005 to 3 μm, the carbon nitride layer is more excellent while improving the adhesion strength of the carbon nitride layer in the presence of the compound layer and the intermediate layer. 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 rotary cutting tools such as drills and milling cutters, non-rotating cutting tools such as cutting tools, or non-cutting tools such as raised taps, rolling tools, and press dies. 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.

元素の周期表の IIIb族、IVa族、Va族、VIa族の金属は、例えばAl、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、Wなどで、化合物層は、それ等の金属およびSiの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体にて構成される。具体的には、TiAlN、TiCN、TiCrN、TiSiN、TiAlCrN、TiN、CrN、ZrN、AlN、AlCrN、CrSiNなどで、その化合物層の平均膜厚は、コーティングする部材や被膜の組成などによって異なるが、例えば0.1〜10μm程度の範囲内が適当である。   The group IIIb, IVa, Va, VIa group metals of the periodic table of elements are, for example, Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, etc. It is comprised by the carbide | carbonized_material, nitride, carbonitride, or these mutual solid solution of a metal and Si. Specifically, TiAlN, TiCN, TiCrN, TiSiN, TiAlCrN, TiN, CrN, ZrN, AlN, AlCrN, CrSiN, etc. The average film thickness of the compound layer varies depending on the member to be coated and the composition of the film, For example, a range of about 0.1 to 10 μm is appropriate.

上記化合物層は、例えばアークイオンプレーティング法やイオンビーム蒸着法、スパッタリング法、PLD(Pulse Laser Deposition) 法、IBAD(Ion Beam Assisted Deposition;イオンビーム支援蒸着)法等のPVD法によって好適に設けられるが、他の成膜法を採用することもできる。   The compound layer is suitably provided by a PVD method such as an arc ion plating method, an ion beam evaporation method, a sputtering method, a PLD (Pulse Laser Deposition) method, or an IBAD (Ion Beam Assisted Deposition) method. However, other film forming methods can be employed.

窒化炭素層は、アークイオンプレーティング法やスパッタリング法、IBAD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 carbon nitride layer can be suitably formed by a PVD method such as an arc ion plating method, a sputtering method, or an IBAD method, but other film forming methods can also be adopted.

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、IBAD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 forming conditions. For example, the arc ion plating method can be adjusted by controlling the nitrogen gas flow rate, and in the case of the IBAD method, the plasma concentration is controlled. Can be adjusted. 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%.

全体の平均膜厚Dは、0.05μm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、20μmを越えると剥離したり欠けたりし易くなるため、0.05〜20μmの範囲内で設定することが望ましい。   If the overall average film thickness D is less than 0.05 μm, the function as a hard film cannot be obtained sufficiently, but if it exceeds 20 μm, it tends to peel off or chip, so that it is in the range of 0.05 to 20 μm. It is desirable to set with.

第2発明の中間層は、化合物層に近い組成から窒化炭素層に近い組成となるようにそれ等の混合割合が連続的または段階的に変化させられているが、第1発明の実施に際しては、一定の混合割合(例えば50%ずつ)で組成が一定の中間層を採用することもできる。第2発明の中間層は、例えば化合物層と同じ組成から窒化炭素層と同じ組成となるまで滑らかに連続的に変化するように構成されるが、混合割合が2段階、或いは3段階以上の多段階で段階的に変化している複数の層によって中間層を構成することもできる。混合割合は、例えば化合物および窒化炭素を短い時間間隔で交互に形成するとともに、その成膜時間の割合を変化させることによって調整できる。両者を同時に成膜処理するとともに、その成膜条件を変更することによって混合割合を調整することもできるし、一方のみ連続的に形成して他方を断続的に形成するようにしても良いなど、種々の成膜手法を採用できる。   In the intermediate layer of the second invention, the mixing ratio thereof is changed continuously or stepwise so as to change from a composition close to the compound layer to a composition close to the carbon nitride layer. An intermediate layer having a constant composition at a constant mixing ratio (for example, 50% each) can also be employed. The intermediate layer of the second invention is configured so as to change smoothly and continuously from the same composition as the compound layer to the same composition as the carbon nitride layer, for example, but the mixing ratio is two or more than three. The intermediate layer can also be constituted by a plurality of layers that change in stages. The mixing ratio can be adjusted, for example, by alternately forming the compound and carbon nitride at short time intervals and changing the film forming time ratio. Both the film formation process can be performed simultaneously, and the mixing ratio can be adjusted by changing the film formation conditions, or only one of them can be formed continuously and the other can be formed intermittently. Various film forming methods can be employed.

第3発明では、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、硬質被膜を設ける対象物や目的等に応じて窒化炭素層の硬さは適宜変更できる。   In the third invention, the nanoindentation hardness of the carbon nitride layer is in the range of 15 to 55 GPa, and is suitably applied to the hard coating of the cutting tool, but nitriding according to the object or purpose of providing the hard coating. The hardness of the carbon layer can be changed as appropriate.

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、窒化炭素層の厚さが0.005〜3μmの範囲内であるが、他の発明の実施に際しては、窒化炭素層の厚さが0.005μm未満であったり3μmを越えていたりしても良い。中間層の膜厚は、その組成が連続的に変化しているか段階的に変化しているか、或いは一定の中間組成か等によっても異なるが、例えば0.1〜10μm程度の範囲内が適当である。   In the fifth invention, the thickness of the carbon nitride layer is in the range of 0.005 to 3 μm. However, in the practice of other inventions, the thickness of the carbon nitride layer is less than 0.005 μm or more than 3 μm. You may do it. The film thickness of the intermediate layer varies depending on whether the composition is changing continuously or stepwise, or whether it is a constant intermediate composition. is there.

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 of 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 drill 10 which is an example of a hard film coated tool of the present invention, where (a) is a front view seen from a direction perpendicular to the axis O, and (b) is provided with a cutting edge 12. It is an enlarged bottom view seen from the front end side. This drill 10 is a two-blade twist drill, and is integrally provided with a shank 14 and a body 16 in the axial direction. . A pair of cutting edges 12 are provided at the tip of the body 16 corresponding to the grooves 18, and holes are cut by the cutting edges 12 by being driven to rotate clockwise around the axis O as viewed from the shank 14 side. While processing, chips are discharged through the groove 18 to the shank 14 side.

図1の(c) は、ボデー16における表面付近の拡大断面図で、高速度工具鋼(ハイス)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化合物層26と、その化合物層26の上に直接設けられた化合物/CN(窒化炭素)傾斜層27と、その化合物/CN傾斜層27の上に直接設けられたCN層28とから成る3層構造で、そのCN層28によって外表面が構成されている。化合物層26は、元素の周期表の IIIb族、IVa族、Va族、VIa族の金属およびSiの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体で、具体的にはTiAlN、TiCN、TiCrN、TiSiN、TiAlCrN、TiN、CrN、ZrN、AlN、AlCrN、CrSiNなどである。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。そして、これ等の化合物層26とCN層28との間に設けられた化合物/CN傾斜層27は、化合物層26およびCN層28が混ざり合った中間的な組成の中間層で、本実施例では化合物層26からCN層28に向かうに従って化合物層26と同じ組成からCN層28と同じ組成に滑らかに連続的に変化するように、化合物とCNとの混合割合が直線的に連続的に変化させられている。また、この硬質被膜24の全体の膜厚Dは0.05〜20μmの範囲内で、CN層28単独の平均膜厚は、例えば0.005〜3μm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 cross-sectional view of the vicinity of the surface of the body 16, and a hard coating 24 is coated on the surface of a tool base material 22 made of high speed tool steel (His). The hard coating 24 includes a compound layer 26 provided on the surface of the tool base 22, a compound / CN (carbon nitride) gradient layer 27 provided directly on the compound layer 26, and a compound / CN gradient layer 27. In this case, the outer surface is constituted by the CN layer 28. The compound layer 26 is a group IIIb, IVa, Va, VIa group metal or Si carbide, nitride, carbonitride, or a mutual solid solution thereof, specifically TiAlN. TiCN, TiCrN, TiSiN, TiAlCrN, TiN, CrN, ZrN, AlN, AlCrN, CrSiN, and the like. The CN layer 28 is configured to include both single bond (sp3) and double bond (sp2) CN in a nitrogen content range of 3 to 40 at%, and its nanoindentation hardness is 15 to It is within the range of 55 GPa. The compound / CN gradient layer 27 provided between the compound layer 26 and the CN layer 28 is an intermediate layer having an intermediate composition in which the compound layer 26 and the CN layer 28 are mixed. Then, as it goes from the compound layer 26 to the CN layer 28, the mixing ratio of the compound and CN changes linearly and continuously so that the same composition as the compound layer 26 and the same composition as the CN layer 28 change smoothly and continuously. It has been made. Further, the entire film thickness D of the hard coating 24 is in the range of 0.05 to 20 μm, and the average film thickness of the CN layer 28 alone is, for example, in the range of 0.005 to 3 μm. In addition, the hatched area in FIG. 1A represents the coating range of the hard coating 24.

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 CN layer 28. C represents a carbon atom, N represents a nitrogen atom, and is represented by a single bond (sp3) shown in (b) and (c). It is an amorphous structure in which double bonds (sp2) are randomly distributed. FIG. 3 shows an example of the Raman spectrum of the CN layer 28, where “D-peak” is due to single-bonded CN and “G-peak” is due to double-bonded CN, and has both peaks. This indicates that both single bonds and double bonds are included. The film characteristics such as hardness can be controlled by the ratio of the bonds. For example, if the ratio of the single bond of high hardness is increased, the hardness of the CN layer 28 is increased and the double bond is increased. If the ratio is increased, the toughness of the CN layer 28 is improved.

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、窒素含有量が約20at%、ナノインデンテーション硬さが約29GPaで、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. In this case, the CN has a nitrogen content of about 20 at%, a nanoindentation hardness of about 29 GPa, and is directly coated on the test piece base (hard metal).
(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、前記化合物層26、化合物/CN傾斜層27、およびCN層28は、アークイオンプレーティング法やIBAD法(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)、窒素ガス(N2 )、および炭化水素ガス(CH4 、C2 2 など)のタンクを備えており、化合物層26および化合物/CN傾斜層27の化合物を形成する時には、その組成すなわち炭化物か窒化物か炭窒化物かに応じて、炭化物の場合は炭化水素ガスを供給し、窒化物の場合は窒素ガスを供給し、炭窒化物の場合は炭化水素ガスおよび窒素ガスの両方を供給する。CN層28および化合物/CN傾斜層27のCN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 compound layer 26, the compound / CN gradient layer 27, and the CN layer 28 are suitably formed by PVD methods such as arc ion plating, IBAD (ion beam assisted deposition), and sputtering. FIG. 7 is a schematic configuration diagram (schematic diagram) for explaining the arc ion plating apparatus 30. The tool base 22 on which a plurality of workpieces, that is, the cutting edges 12, grooves 18 and the like before coating the hard coating 24 is formed. A workpiece holder 32 that is held, a rotating device 34 that rotationally drives the workpiece holder 32 around a substantially vertical rotation center, a bias power source 36 that applies a negative bias voltage to the tool base 22, and a tool base 22 A chamber 38 serving as a processing container, a reaction gas supply device 40 for supplying a predetermined reaction gas into the chamber 38, an exhaust device 42 for discharging the gas in the chamber 38 with a vacuum pump or the like, and reducing the pressure. A first arc power supply 44, a second arc power supply 46, and the like are provided. The workpiece holder 32 has a cylindrical shape or a polygonal column shape centered on the rotation center, and holds a large number of tool bases 22 in a radial manner with the tip projecting outward substantially horizontally. The reactive gas supply device 40 includes a tank of argon gas (Ar), nitrogen gas (N 2 ), and hydrocarbon gas (CH 4 , C 2 H 2, etc.), and includes the compound layer 26 and the compound / CN. When the compound of the gradient layer 27 is formed, depending on the composition, that is, carbide, nitride, or carbonitride, hydrocarbon gas is supplied in the case of carbide, nitrogen gas is supplied in the case of nitride, and carbonitriding is performed. In the case of goods, both hydrocarbon gas and nitrogen gas are supplied. When the CN of the CN layer 28 and the compound / CN gradient layer 27 is formed, argon gas and nitrogen gas are supplied at a predetermined ratio.

第1アーク電源44は、前記化合物層26の構成物質である元素の周期表の IIIb族、IVa族、Va族、VIa族の金属およびSiの何れか、或いはそれ等の相互固溶体(合金)、具体的にはTiAl、TiCr、TiSi、TiAlCr、Ti、Cr、Zr、Al、AlCr、CrSiなどから成る第1蒸発源48をカソードとして、アノード50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、第1蒸発源48からそれ等の金属または合金を蒸発させるもので、蒸発した金属または合金は正(+)の金属イオンになって負(−)のバイアス電圧が印加されている工具基材22に付着する。そして、前記反応ガス供給装置40から供給される反応ガスに応じて、それ等の金属や合金の炭化物、窒化物、或いは炭窒化物から成る化合物層26が形成される。また、第2アーク電源46は、炭素(C)から成る第2蒸発源52をカソードとして、アノード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、第2蒸発源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。そして、前記反応ガス供給装置40からアルゴンガスおよび窒素ガスが供給されることにより、CN層28が形成される。その場合に、所定の硬さや組成のCNが得られるように、アーク電流やバイアス電圧等の成膜条件が定められる。膜厚については、例えば成膜時間で調整できる。なお、上記アーク電源44、46や蒸発源48、52等は、図7に示すように略対称的な2箇所に設けるだけでも良いが、例えば90°間隔で交互に計4箇所に設けることもできる。   The first arc power source 44 is a group IIIb, IVa group, Va group, VIa group metal and Si in the periodic table of elements that are constituents of the compound layer 26, or mutual solid solutions (alloys) thereof. Specifically, a first arc source 48 made of TiAl, TiCr, TiSi, TiAlCr, Ti, Cr, Zr, Al, AlCr, CrSi or the like is used as a cathode, and a predetermined arc current is passed between the anode 50 and an arc. By discharging, such metal or alloy is evaporated from the first evaporation source 48. The evaporated metal or alloy becomes a positive (+) metal ion and a negative (-) bias voltage is applied. It adheres to the tool substrate 22 that is present. Then, according to the reaction gas supplied from the reaction gas supply device 40, a compound layer 26 made of carbide, nitride, or carbonitride of such metal or alloy is formed. The second arc power source 46 uses the second evaporation source 52 made of carbon (C) as a cathode and applies a predetermined arc current to the anode 54 to cause arc discharge. The carbon is evaporated, and the evaporated carbon becomes positive ions and is attached to the tool base 22 to which a negative (−) bias voltage is applied. The CN layer 28 is formed by supplying argon gas and nitrogen gas from the reaction gas supply device 40. In that case, film-forming conditions such as arc current and bias voltage are determined so that CN having a predetermined hardness and composition can be obtained. The film thickness can be adjusted by the film formation time, for example. The arc power sources 44 and 46, the evaporation sources 48 and 52, etc. may be provided only at two substantially symmetrical positions as shown in FIG. 7, but may be provided alternately at a total of four places at intervals of 90 °, for example. it can.

上記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 CN layer 28 is formed, film formation conditions are determined so as to include both single bonds (sp3) and double bonds (sp2), and the processing temperature is in the range of 20 to 250 ° C., for example, about 150 ° C. The bias voltage is set to, for example, about 100 V within the range of 15 to 300 V. The supply flow rate of the nitrogen gas is determined so that the nitrogen content in the CN layer 28 is in the range of 3 to 40 at%.

一方、上記化合物層26の構成物質と同じ化合物とCN層28の構成物質であるCNとが混ざり合っているとともに、その混合割合が連続的に変化させられている化合物/CN傾斜層27は、例えばそれ等の化合物とCNとを短い時間間隔で交互に形成するとともに、その成膜時間の割合を連続的に変化させることによって形成できる。個々の成膜条件は、前記化合物層26、CN層28を形成する場合と同じで良い。   On the other hand, the compound / CN gradient layer 27 in which the same compound as the constituent material of the compound layer 26 and CN which is the constituent material of the CN layer 28 are mixed and the mixing ratio is continuously changed, For example, these compounds and CN can be alternately formed at short time intervals, and the film forming time ratio can be continuously changed. The individual film forming conditions may be the same as those for forming the compound layer 26 and the CN layer 28.

図8は、上記のように構成された本発明品(No10〜No20)と比較品(No1〜No9)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)の要件から外れている項目である。
(加工条件)
・工具形状:φ6ハイスツイストドリル
・被削材:SUS304(ステンレス鋼)
・切削速度:20m/min
・送り速度:0.16mm/rev
・加工深さ:24mm貫通穴
・切削油:水溶性
・ステップ量:ノンステップ
FIG. 8 shows the result of examining the durability by performing drilling under the following processing conditions using the products of the present invention (No. 10 to No. 20) and comparative products (No. 1 to No. 9) configured as described above. It is a figure explaining. In the comparative product, the shaded columns are items that are out of the requirements of the present invention (Claim 1).
(Processing conditions)
・ Tool shape: φ6 high twist drill ・ Work material: SUS304 (stainless steel)
・ Cutting speed: 20 m / min
・ Feeding speed: 0.16mm / rev
・ Processing depth: 24mm through hole ・ Cutting oil: Water-soluble ・ Step amount: Non-step

図8の試験結果から明らかなように、工具基材22上にDLC層のみを直接設けた比較品No1は、250穴加工時に溶着等により異音が発生し、加工不可になった。化合物層26の上に化合物/DLC傾斜層を介してDLC層を設けた比較品No2およびNo3、化合物層26を設けることなくCN層28のみを工具基材22上に直接設けた比較品No4は、1000穴加工時の切れ刃12の逃げ面摩耗幅がそれぞれ0.42mm、0.39mm、0.38mmであるのに対し、本発明品は何れも合格判定基準である0.3mmよりも小さい。また、本発明品と同様に化合物層26、化合物/CN傾斜層27、およびCN層28から成る3層構造の比較品No5〜No9については、CN層28の窒素含有量が40at%を越えている比較品No5、No8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、比較品No5では欠けや剥離等により200穴で欠損が生じ、比較品No8では摩耗が促進される一方、窒素含有量が3at%に満たない比較品No6の場合、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全体の平均膜厚Dが20μmを越えている比較品No7、No9の場合、剥離等により摩耗が促進され、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, the comparative product No1 in which only the DLC layer was directly provided on the tool base material 22 generated abnormal noise due to welding or the like at the time of 250 hole processing, and was unable to be processed. Comparative products No. 2 and No. 3 in which the DLC layer is provided on the compound layer 26 via the compound / DLC inclined layer, and the comparative product No. 4 in which only the CN layer 28 is provided directly on the tool substrate 22 without providing the compound layer 26 are The flank wear width of the cutting edge 12 when drilling 1000 holes is 0.42 mm, 0.39 mm, and 0.38 mm, respectively, whereas the present invention product is smaller than 0.3 mm, which is a pass criterion. . In addition, as for the comparative products No5 to No9 having a three-layer structure including the compound layer 26, the compound / CN inclined layer 27, and the CN layer 28 as in the present invention, the nitrogen content of the CN layer 28 exceeds 40 at%. In the case of the comparative products No5 and No8, the CN layer 28 has a coating hardness (nanoindentation hardness) that is too high and becomes brittle. In the comparative product No5, a defect occurs in the 200 holes due to chipping or peeling. In No. 8, wear is promoted, whereas in Comparative product No. 6 in which the nitrogen content is less than 3 at%, the film hardness (nanoindentation hardness) is low and wear is promoted. In the case of comparative products No. 7 and No. 9 in which the average film thickness D of the entire hard coating 24 exceeds 20 μm, wear is accelerated by peeling or the like, and the effect of improving the wear resistance by the hard coating 24 is not sufficiently obtained.

このように、本実施例のドリル10の硬質被膜24は、工具基材22の表面に化合物層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、且つ、それ等の中間的な組成の化合物/CN傾斜層27がその化合物層26とCN層28との間に設けられており、全体の平均膜厚Dが0.05〜20μm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の表面には化合物層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、優れた耐久性が得られる。更に、化合物層26とCN層28との間には、それ等の中間的な組成の化合物/CN傾斜層27が設けられているため、その化合物/CN傾斜層27を介してCN層28が高い付着強度で化合物層26に付着され、硬質被膜24全体の付着強度が高くなって耐剥離性が一層向上する。   As described above, the hard coating 24 of the drill 10 of the present embodiment is such that the compound layer 26 is provided on the surface of the tool base 22 and the CN layer 28 having a nitrogen content of 3 to 40 at% constitutes the outer surface. In addition, a compound / CN gradient layer 27 having an intermediate composition between them is provided between the compound layer 26 and the CN layer 28, and the average film thickness D is 0. Since the uppermost CN layer 28 is in the range of 05 to 20 μm, excellent heat resistance, wear resistance, and welding resistance can be obtained. Moreover, since the compound layer 26 is provided on the surface of the tool base 22, high adhesion strength is obtained, peeling and the like are suppressed, and excellent durability is obtained. Further, since the compound / CN gradient layer 27 having an intermediate composition is provided between the compound layer 26 and the CN layer 28, the CN layer 28 is interposed via the compound / CN gradient layer 27. It adheres to the compound layer 26 with high adhesion strength, and the adhesion strength of the entire hard coating 24 is increased to further improve the peel resistance.

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、ステンレス鋼、耐熱合金鋼などの鉄系材料に対する加工が可能になり、優れた工具寿命や加工の安定性が得られる一方、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への展開が期待できる。   This improves the welding resistance of processing in an environment where welding is likely to occur (such as in a vacuum) and enables processing of ferrous materials such as stainless steel and heat-resistant alloy steel, resulting in excellent tool life and processing. On the other hand, non-ferrous materials such as aluminum alloys can be expected to develop into dry processing and semi-dry processing.

また、CN層28は、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, the CN layer 28 can be easily adjusted in hardness by changing the film forming conditions. In this embodiment, the CN layer 28 has a nanoindentation hardness in the range of 15 to 55 GPa. Therefore, excellent wear resistance is obtained, and the durability of the drill 10 is improved.

また、本実施例では、化合物層26からCN層28に向かうに従って、その化合物層26に近い組成からCN層28に近い組成となるように、化合物とCNとの混合割合が連続的に変化している化合物/CN傾斜層27が中間層として設けられているため、その化合物/CN傾斜層27を介してCN層28が一層高い付着強度で化合物層26に付着され、耐剥離性が一層向上する。   Further, in this example, the mixing ratio of the compound and CN changes continuously from the compound layer 26 toward the CN layer 28 so that the composition close to the compound layer 26 becomes the composition close to the CN layer 28. Since the compound / CN gradient layer 27 is provided as an intermediate layer, the CN layer 28 is attached to the compound layer 26 with higher adhesion strength through the compound / CN gradient layer 27, and the peel resistance is further improved. To do.

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 CN layer 28 includes both single bond and double bond CNs. Therefore, by changing the film formation conditions and changing their ratio, the CN layer 28 is hardened. Can be adjusted. That is, the single bond CN is harder than the double bond CN. Therefore, if the film forming conditions such as the bias voltage and the arc current are set so that the ratio of the single bond CN is increased, the CN layer 28 While the overall hardness can be increased, toughness can be improved by increasing the proportion of CN of double bonds.

また、本実施例ではCN層28の厚さが0.005〜3μmの範囲内であるため、化合物層26および化合物/CN傾斜層27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。   In this embodiment, the CN layer 28 has a thickness in the range of 0.005 to 3 μm. Therefore, the presence of the compound layer 26 and the compound / CN gradient layer 27 improves the adhesion strength, and is superior to the CN layer 28. Heat resistance, wear resistance, and welding resistance can be obtained.

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.

本発明の硬質被膜が設けられたドリルを示す図で、(a) は正面図、(b) は先端側から見た拡大底面図、(c) はボデーの表面近傍の拡大断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows the drill provided with the hard film of this invention, (a) is a front view, (b) is an enlarged bottom view seen from the front end side, (c) is an expanded sectional view of the surface vicinity of a body. CN(窒化炭素)の構造を説明する模式図で、(a) は図1の硬質被膜のCN層と同様に単結合および2重結合を有する場合、(b) は単結合の場合、(c) は2重結合の場合である。1 is a schematic diagram for explaining the structure of CN (carbon nitride), in which (a) has a single bond and a double bond similarly to the CN layer of the hard coating in FIG. 1, (b) has a single bond, and (c ) Is for a double bond. 単結合および2重結合を有するCNのラマンスペクトルの一例である。It is an example of the Raman spectrum of CN which has a single bond and a double bond. 所定の硬質被膜が設けられたテストピースを用いて摩擦摩耗試験を行う際のピンオンディスク式摩擦試験装置を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining a pin-on-disk friction test apparatus when performing a frictional wear test using a test piece provided with a predetermined hard coating. 図4の装置を用いてCN、DLC、およびTiNの摩擦係数を測定した結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the result of having measured the friction coefficient of CN, DLC, and TiN using the apparatus of FIG. 図4の装置を用いて摩擦摩耗試験を行った後のCNおよびDLCの摩耗痕(溶着)を示す図である。It is a figure which shows the wear trace (welding) of CN and DLC after performing a friction abrasion test using the apparatus of FIG. 図1の硬質被膜を好適に成膜できるアークイオンプレーティング装置を説明する概略図である。It is the schematic explaining the arc ion plating apparatus which can form suitably the hard film of FIG. 耐久性試験を行う際に用いた本発明品および比較品の諸元と、耐久性試験の結果を説明する図である。It is a figure explaining the item of this invention used when performing a durability test, the specification of a comparative product, and the result of a durability test.

符号の説明Explanation of symbols

10:ドリル(硬質被膜被覆工具) 22:工具基材(基材) 24:硬質被膜 26:化合物層 27:化合物/CN傾斜層(中間層) 28:CN層(窒化炭素層) D:平均膜厚   10: Drill (hard film coated tool) 22: Tool substrate (base material) 24: Hard film 26: Compound layer 27: Compound / CN gradient layer (intermediate layer) 28: CN layer (carbon nitride layer) D: Average film Thickness

Claims (6)

所定の基材の表面に設けられる硬質被膜であって、
元素の周期表の IIIb族、IVa族、Va族、VIa族の金属およびSiの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体にて構成されており、前記基材の表面に設けられる化合物層と、
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、
該窒化炭素層および前記化合物層が混ざり合った中間的な組成で、該化合物層と該窒化炭素層との間にそれ等に接するように設けられた中間層と、
を有し、且つ、全体の平均膜厚Dが0.05〜20μmの範囲内である
ことを特徴とする硬質被膜。
A hard coating provided on the surface of a predetermined substrate,
It is composed of a group IIIb, IVa, Va, VIa group metal and Si carbide, nitride, carbonitride, or a mutual solid solution thereof, and the surface of the base material. A compound layer provided in
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;
An intermediate layer in which the carbon nitride layer and the compound layer are mixed, and an intermediate layer provided between and in contact with the compound layer and the carbon nitride layer;
And a total film thickness D in the range of 0.05 to 20 μm.
前記中間層は、前記化合物層から前記窒化炭素層に向かうに従って、該化合物層に近い組成から該窒化炭素層に近い組成となるように混合割合が連続的または段階的に変化させられている
ことを特徴とする請求項1に記載の硬質被膜。
The mixing ratio of the intermediate layer is changed continuously or stepwise so that the intermediate layer changes from a composition close to the compound layer to a composition close to the carbon nitride layer as it goes from the compound layer to the carbon nitride layer. The hard coating film according to claim 1.
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
ことを特徴とする請求項1または2に記載の硬質被膜。
The hard coating according to claim 1 or 2, wherein the nanoindentation hardness of the carbon nitride layer is in a range of 15 to 55 GPa.
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.
前記窒化炭素層の厚さは0.005〜3μmの範囲内である
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。
The thickness of the said carbon nitride layer exists in the range of 0.005-3 micrometers. The hard film in any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned.
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、
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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