JP2008279562A - Surface-coated cutting tool - Google Patents

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Sachiko Koike
さち子 小池
Makoto Setoyama
誠 瀬戸山
Hideki Moriguchi
秀樹 森口
Yoshinori Miyanaga
美紀 宮永
Daiji Tabayashi
大二 田林
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Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface-coated cutting tool having a coating capable of reducing crater wear and applying sophisticated wear resistance. <P>SOLUTION: This surface-coated cutting tool has a base material and the coating formed on the base material. The coating includes one or more layers, and at least one of the layers is a hafnium-containing silicon layer including an amorphous first compound indicated by a chemical formula of Si<SB>1-X</SB>Hf<SB>X</SB>Z<SB>Y</SB>(wherein, X and Y indicate an atomic composition ratio, respectively, and 0< X ≤0.4 and 0.8≤ Y ≤1.2, and Z indicates at least one element selected from a group comprising boron, oxygen, carbon and nitrogen.). <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、基材と該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具に関する。   The present invention relates to a surface-coated cutting tool comprising a substrate and a coating formed on the substrate.

種々の被削材を切削加工するのに用いられる表面被覆切削工具は、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼等の硬質の基材に対してその表面の耐摩耗性を改善したり表面保護機能を改善したりすることを目的として、TiN、TiCN、TiAlN等の硬質被膜でその表面を被覆することが行なわれてきた。   Surface-coated cutting tools used to cut various work materials can improve the surface wear resistance of hard substrates such as WC-base cemented carbide, cermet, high-speed steel, etc. For the purpose of improving the protective function, the surface has been coated with a hard coating such as TiN, TiCN, TiAlN or the like.

また、機械強度、靭性、耐熱衝撃性に優れている点から窒化ケイ素の焼結体が切削工具の基材として広く利用されているが、被削材が多様化していることおよび加工効率を向上させるために高速の切削加工が求められることなどの理由から、以前に比し切削工具の寿命は非常に短くなっている。   In addition, sintered silicon nitride is widely used as a base material for cutting tools because of its excellent mechanical strength, toughness, and thermal shock resistance, but the work materials are diversified and the processing efficiency is improved. In view of the fact that high-speed cutting is required to achieve this, the life of the cutting tool is much shorter than before.

このため切削工具に要求される特性、とくに耐摩耗性はますます高度なものとなっており、以って表面被覆切削工具の被膜に対しても種々の高度な特性が要求されている。   For this reason, the characteristics required for the cutting tool, in particular, the wear resistance, are becoming increasingly sophisticated, and various advanced characteristics are also required for the coating of the surface-coated cutting tool.

従来、ベース素材の表面特性を被膜により改質する方法としては、SiNおよびHfNを含む混合物からなる被膜を設ける方法が提案されている(特許文献1および2)。しかしながら、これらの提案は、いずれも切削工具に関するものではなく、薄膜干渉フィルタ、サーマルプリンタヘッド、光磁気記録媒体に関するものである。そのため、ベース素材表面の硬質化、化学的耐性の付与、またはベース素材表面の平坦性を向上させるものであり、耐摩耗性については全く検討されていない。   Conventionally, as a method of modifying the surface characteristics of the base material with a coating, a method of providing a coating made of a mixture containing SiN and HfN has been proposed (Patent Documents 1 and 2). However, none of these proposals relate to a cutting tool, but to a thin film interference filter, a thermal printer head, and a magneto-optical recording medium. Therefore, it hardens the surface of the base material, imparts chemical resistance, or improves the flatness of the surface of the base material, and the wear resistance has not been studied at all.

また、ベース素材の表面特性を改質する被膜としてSiHfNを含む複合材料も提案されているが(特許文献3および4)、いずれも切削工具に関するものではなく、自動車用窓ガラスの被覆や、サーマルプリンタヘッドの被覆を目的としたものである。このため、鋼などの切削における高温条件下での耐摩耗性については全く評価されていない。   Also, composite materials containing SiHfN have been proposed as coatings for modifying the surface characteristics of the base material (Patent Documents 3 and 4), but none of them relate to cutting tools, and cover window glass for automobiles or thermal The purpose is to cover the printer head. For this reason, the wear resistance under high temperature conditions in cutting of steel or the like has not been evaluated at all.

一方、窒化ケイ素を用いて切削工具の耐摩耗性、耐熱衝撃性を改善する方法が提案されているが(特許文献5)、被膜ではなく基材自体の組成を改質するものであり、被膜の特性を検討したものではない。したがって、ケイ素系化合物を被膜として用いることにより切削工具の耐摩耗性等の諸特性を向上させる試みはほとんどなされていない。
特開平06−003523号公報 特開平06−256939号公報 特開平05−170489号公報 特開平07−180044号公報 特開平06−329470号公報
On the other hand, although a method for improving the wear resistance and thermal shock resistance of a cutting tool using silicon nitride has been proposed (Patent Document 5), the composition of the substrate itself is modified instead of the coating. It is not a study of the characteristics. Therefore, almost no attempt has been made to improve various characteristics such as wear resistance of a cutting tool by using a silicon-based compound as a coating.
Japanese Patent Laid-Open No. 06-003523 Japanese Patent Laid-Open No. 06-256939 Japanese Patent Laid-Open No. 05-170489 Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-180044 Japanese Patent Laid-Open No. 06-329470

本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、クレータ摩耗を低減するとともに高度な耐摩耗性を付与することができる被膜を備えた表面被覆切削工具を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide a surface-coated cutting tool provided with a coating that can reduce crater wear and can impart high wear resistance. To do.

本発明の表面被覆切削工具は、基材と該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、この被膜は、1以上の層を含み、この層のうち少なくとも1の層は、化学式Si1-XHfXY(ただし、X、Yはそれぞれ原子組成比を示し、0<X≦0.4であり、0.8≦Y≦1.2である。また、Zは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。)で示される非晶質の第1化合物を含むハフニウム含有シリコン層であることを特徴とする。 The surface-coated cutting tool of the present invention is a surface-coated cutting tool comprising a substrate and a coating formed on the substrate, the coating including one or more layers, and at least one of the layers. The layer has the chemical formula Si 1-X Hf X Z Y (where X and Y each represent an atomic composition ratio, 0 <X ≦ 0.4 and 0.8 ≦ Y ≦ 1.2. Z represents at least one element selected from the group consisting of boron, oxygen, carbon, and nitrogen.) And is a hafnium-containing silicon layer containing an amorphous first compound.

上記ハフニウム含有シリコン層は、その厚みが0.1μm以上10μm以下であることが好ましい。   The hafnium-containing silicon layer preferably has a thickness of 0.1 μm to 10 μm.

また、上記ハフニウム含有シリコン層は、上記第1化合物を含む第1層と、第2化合物を含む第2層とが各々1層以上積層されて形成されており、この第2化合物は、Si、Cr、Al、Ti、Hf、Ta、Nb、およびVからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とを含むことができる。   Further, the hafnium-containing silicon layer is formed by laminating one or more layers each including a first layer containing the first compound and a second layer containing a second compound, and the second compound contains Si, Containing at least one element selected from the group consisting of Cr, Al, Ti, Hf, Ta, Nb, and V and at least one element selected from the group consisting of boron, oxygen, carbon, and nitrogen Can do.

また、上記第1層は、その厚みが0.5nm以上200nm以下であり、上記第2層は、その厚みが0.5nm以上200nm以下であることが好ましい。   The first layer preferably has a thickness of 0.5 nm to 200 nm, and the second layer preferably has a thickness of 0.5 nm to 200 nm.

上記被膜は、上記ハフニウム含有シリコン層以外に、1層以上の硬質層を含んでいてもよく、その硬質層は、周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、または、該元素の少なくとも1種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物を含むことができる。   The coating may include one or more hard layers in addition to the hafnium-containing silicon layer, and the hard layers include groups IVa, Va, VIa, Al, and Si of the periodic table. Or at least one element selected from the group consisting of at least one element selected from the group consisting of boron, oxygen, carbon, and nitrogen. .

上記硬質層は、Cr、Al、Ti、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、または、該元素の少なくとも1種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物を含むことが好ましく、また、Cr、Al、Ti、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、または、該元素の少なくとも1種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物を含む2種以上の層が、各層の厚みを1nm以上100nm以下として周期的に繰り返して積層されたものであることが好ましい。   The hard layer is at least one element selected from the group consisting of Cr, Al, Ti, and Si, or at least one selected from the group consisting of boron, oxygen, carbon, and nitrogen. It is preferable to include a compound composed of one element, and at least one element selected from the group consisting of Cr, Al, Ti, and Si, or at least one element selected from boron, oxygen, Two or more types of layers containing a compound consisting of at least one element selected from the group consisting of carbon and nitrogen may be laminated with each layer having a thickness of 1 nm or more and 100 nm or less and periodically repeated. preferable.

また、本発明の表面被覆切削工具の基材は、超硬合金、サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体、高速度鋼、セラミックス、またはダイヤモンド焼結体を適用することができる。   Further, a cemented carbide, cermet, cubic boron nitride sintered body, high-speed steel, ceramics, or diamond sintered body can be applied to the base material of the surface-coated cutting tool of the present invention.

本発明の表面被覆切削工具は、特定のハフニウム含有シリコン層を含む被膜を基材上に設けることによって、クレータ摩耗を低減するとともに高度な耐摩耗性を付与することができるものである。   The surface-coated cutting tool of the present invention can provide high wear resistance while reducing crater wear by providing a coating containing a specific hafnium-containing silicon layer on a substrate.

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
<表面被覆切削工具>
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備えるものである。このような構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等として極めて有用に用いることができる。そして、本発明の表面被覆切削工具は、Ti合金加工用またはインコネル合金等の耐熱合金加工用のドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ等として特に有用に用いることができる。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
<Surface coated cutting tool>
The surface-coated cutting tool of the present invention comprises a substrate and a film formed on the substrate. The surface-coated cutting tool of the present invention having such a configuration is, for example, a drill, end mill, milling or turning cutting edge exchangeable cutting tip, metal saw, gear cutting tool, reamer, tap, or pin shaft milling of a crankshaft. It can be used extremely useful as a chip for an automobile. And, the surface-coated cutting tool of the present invention is a drill for heat-resistant alloy processing such as Ti alloy processing or Inconel alloy, end mill, milling or turning cutting edge replaceable cutting tip, metal saw, gear cutting tool, reamer, Particularly useful as a tap or the like.

<基材>
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、上記のような切削工具の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。このような基材としては、たとえば、超硬合金(たとえばWC基超硬合金、WCの他、Coを含み、あるいはさらにTi、Ta、Nb等の炭窒化物等を添加したものも含む)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、立方晶型窒化硼素焼結体、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、およびこれらの混合体など)、ダイヤモンド焼結体等を挙げることができる。基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。
<Base material>
As the base material of the surface-coated cutting tool of the present invention, a conventionally known material known as the base material of the cutting tool as described above can be used without any particular limitation. As such a base material, for example, a cemented carbide (for example, WC-based cemented carbide, including WC, including Co, or further including a carbonitride such as Ti, Ta, Nb, etc.), Cermet (mainly composed of TiC, TiN, TiCN, etc.), cubic boron nitride sintered body, high speed steel, ceramics (titanium carbide, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, and mixtures thereof) Body), a diamond sintered body, and the like. When a cemented carbide is used as the base material, the effect of the present invention is exhibited even if such a cemented carbide contains an abnormal phase called free carbon or η phase in the structure.

なお、これらの基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていても良く、このように表面が改質されていても、本発明の効果は示される。   In addition, these base materials may have a modified surface. For example, in the case of cemented carbide, a de-β layer may be formed on the surface, or in the case of cermet, a surface hardened layer may be formed. Even if the surface is modified in this way, the present invention The effect of is shown.

<被膜>
本発明の表面被覆切削工具の上記基材上に形成される被膜は、1以上の層を含むものである。そして、それらの層のうち少なくとも1の層は、以下で詳述する第1化合物を含むハフニウム含有シリコン層である。本発明における被膜は、このハフニウム含有シリコン層を含む限り、さらに他の層を含んでいても差し支えない。なお、本発明における被膜は、基材上の全面を被覆するもののみに限られるものではなく、部分的に被膜が形成された態様をも含む。
<Coating>
The coating film formed on the base material of the surface-coated cutting tool of the present invention includes one or more layers. And at least 1 layer is a hafnium containing silicon layer containing the 1st compound explained in full detail below among those layers. As long as the film in the present invention includes the hafnium-containing silicon layer, it may further include another layer. In addition, the film in this invention is not restricted only to what coat | covers the whole surface on a base material, The aspect in which the film was partially formed is also included.

本発明における被膜の合計厚み(2以上の層が形成される場合はその総膜厚)は、0.1μm以上10μm以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が7.0μm以下であり、その下限が0.5μm以上であることが好ましく、さらに好ましくは1.0μm以上である。被膜の合計厚みが0.1μm未満の場合、耐摩耗性等の諸特性の向上作用が十分に示されない場合があり、10μmを超えると残留応力(圧縮応力または圧縮残留応力という)が大きくなり基材との密着性が低下する場合がある。なお、被膜の合計厚みの測定方法としては、表面被覆切削工具を切断し、その断面をSEM(走査型電子顕微鏡)を用いて観察することにより求めることができる。以下、該被膜についてさらに詳細に説明する。   The total thickness of the coating film in the present invention (when two or more layers are formed, the total film thickness) is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less, more preferably the upper limit is 7.0 μm or less, The lower limit is preferably 0.5 μm or more, more preferably 1.0 μm or more. When the total thickness of the coating is less than 0.1 μm, the effect of improving various properties such as wear resistance may not be sufficiently exhibited. When the thickness exceeds 10 μm, the residual stress (referred to as compressive stress or compressive residual stress) increases. Adhesion with the material may be reduced. In addition, as a measuring method of the total thickness of a film, it can obtain | require by cut | disconnecting a surface coating cutting tool and observing the cross section using SEM (scanning electron microscope). Hereinafter, the coating will be described in more detail.

<ハフニウム含有シリコン層>
本発明におけるハフニウム含有シリコン層は、化学式Si1-XHfXY(ただし、X、Yはそれぞれ原子組成比を示し、0<X≦0.4であり、0.8≦Y≦1.2である。また、Zは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。)で示される非晶質の第1化合物を含むものである。このような第1化合物は、Hfを含まない構造の化合物に比し高い硬度を示す。明確な原因は不明であるが、応力が低くなり(圧縮応力が大きくなり)、結果として硬度が高くなるのではないかと考えられる。
<Hafnium-containing silicon layer>
The hafnium-containing silicon layer according to the present invention has a chemical formula Si 1-X Hf X Z Y (where X and Y represent atomic composition ratios, 0 <X ≦ 0.4, 0.8 ≦ Y ≦ 1. And Z represents an amorphous first compound represented by the following formula: at least one element selected from the group consisting of boron, oxygen, carbon, and nitrogen. Such a first compound exhibits higher hardness than a compound having a structure not containing Hf. Although a clear cause is unknown, it is thought that stress will become low (compressive stress will become large) and hardness will become high as a result.

本発明におけるハフニウム含有シリコン層は、不可避不純物を除き第1化合物のみによって構成することができる。   The hafnium-containing silicon layer in the present invention can be composed of only the first compound except for inevitable impurities.

なお、このようなハフニウム含有シリコン層は、第1化合物とともに、その第1化合物に起因する(第1化合物の形成時に同時に形成されたり、その形成後に経時的に形成される)副次的化合物を含んでいても差し支えない。そのような副次的化合物は第1化合物に対し少量含まれるものであり、たとえばSiと上記化学式中のZとからなる化合物や、Hfと上記化学式中のZとからなる化合物が挙げられる他、Si単体やHf単体も挙げることができる。   Such a hafnium-containing silicon layer includes a secondary compound (formed simultaneously with the formation of the first compound or formed over time after the formation of the first compound) together with the first compound. It can be included. Such a secondary compound is contained in a small amount with respect to the first compound, and examples thereof include a compound composed of Si and Z in the chemical formula, and a compound composed of Hf and Z in the chemical formula. Si simple substance and Hf simple substance can also be mentioned.

また、上記ハフニウム含有シリコン層は、第1化合物とともに、他の化合物を含んでいても差し支えない。そのような他の化合物としては、たとえば、Si、Cr、Al、Ti、Hf、Ta、Nb、およびVからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とを含む第2化合物等を挙げることができる。   The hafnium-containing silicon layer may contain other compounds in addition to the first compound. Examples of such other compounds include at least one element selected from the group consisting of Si, Cr, Al, Ti, Hf, Ta, Nb, and V, and boron, oxygen, carbon, and nitrogen. Examples thereof include a second compound containing at least one element selected from the group.

なお、本発明において「ハフニウム含有シリコン層」とは、上記のように第1化合物を含む層をいうものであり、少なくとも一層の第1化合物を含む層が含まれていればよいものである。たとえば、第1化合物以外に、上記のような他の化合物を含む場合や、上記第1化合物を含む第1層と第2化合物を含む第2層を積層してなる場合にも、ハフニウム含有シリコン層と称するものとする。また、上記第1化合物は、上記化学式においてSiまたはHfの一部が他の元素(たとえばZr、Cr、Ti、Mo、Al、W、Nb、V等)に置換されているものも含み得るものとし、このような場合であっても本発明の範囲を逸脱するものではない。   In the present invention, the “hafnium-containing silicon layer” refers to a layer containing the first compound as described above, and only needs to include at least one layer containing the first compound. For example, in addition to the first compound, the hafnium-containing silicon is also used when the above-described other compound is included or when the first layer including the first compound and the second layer including the second compound are stacked. It shall be called a layer. In addition, the first compound may include those in which a part of Si or Hf is substituted with another element (for example, Zr, Cr, Ti, Mo, Al, W, Nb, V, etc.) in the chemical formula Even in such a case, it does not depart from the scope of the present invention.

<第1化合物>
上記ハフニウム含有シリコン層に含まれる第1化合物は、化学式Si1-XHfXY(ただし、X、Yはそれぞれ原子組成比を示し、0<X≦0.4であり、0.8≦Y≦1.2である。また、Zは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。)で示される化合物である。上記化学式中、原子組成比Xは、好ましくは0<X≦0.25であり、その上限がより好ましくは0.12、さらに好ましくは0.1であり、その下限がより好ましくは0.005、さらに好ましくは0.01である。この原子組成比Xが0.4を超えると、硬度が低くなり、クレータ摩耗の低減効果が劣るとともに優れた耐摩耗性が示されなくなる。
<First compound>
The first compound contained in the hafnium-containing silicon layer has a chemical formula Si 1-X Hf X Z Y (where X and Y represent atomic composition ratios, 0 <X ≦ 0.4, 0.8 ≦ Y ≦ 1.2, and Z represents a compound represented by at least one element selected from the group consisting of boron, oxygen, carbon, and nitrogen. In the above chemical formula, the atomic composition ratio X is preferably 0 <X ≦ 0.25, and the upper limit thereof is more preferably 0.12, further preferably 0.1, and the lower limit thereof is more preferably 0.005. More preferably, it is 0.01. When the atomic composition ratio X exceeds 0.4, the hardness is lowered, the effect of reducing crater wear is inferior, and excellent wear resistance is not exhibited.

本発明における第1化合物は、切削工具に要求される諸特性のうち、逃げ面の摩耗とクレータ摩耗の双方を有効に低減することができるという特性を有する。これは、Hfを上記のような原子組成比で含むことにより残留応力が調節され、高硬度化し、これとSiによってもたらされる本来的な耐酸化性とが相乗的に作用することにより、逃げ面の摩耗およびクレータ摩耗を飛躍的に低減することができ、切削工具全体として極めて優れた耐摩耗性の付与を可能にしたものである。   The 1st compound in this invention has the characteristic that both wear of a flank and crater wear can be reduced effectively among the various characteristics requested | required of a cutting tool. This is because the residual stress is adjusted by including Hf at the atomic composition ratio as described above, the hardness is increased, and the original oxidation resistance provided by Si acts synergistically, thereby causing a flank. Wear and crater wear can be drastically reduced, and extremely excellent wear resistance can be imparted to the entire cutting tool.

なお、上記の化学式中、Zは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。すなわち、Zは、これらの元素が各単独で構成されていても良く、2以上の元素が組み合わされて構成されていてもよい。2以上の元素が組み合わされて構成される場合、各元素の原子組成比は特に限定されるものではないが、窒素が含まれる場合はこれらの構成元素に占める(すなわち上記化学式中のYに対する)窒素の原子組成比を50%以上とすることが好適である。   In the above chemical formula, Z represents at least one element selected from the group consisting of boron, oxygen, carbon, and nitrogen. That is, Z may be composed of these elements alone or in combination of two or more elements. When two or more elements are combined, the atomic composition ratio of each element is not particularly limited. However, when nitrogen is included, these elements occupy these constituent elements (that is, relative to Y in the above chemical formula). It is preferable that the atomic composition ratio of nitrogen is 50% or more.

また、原子組成比Yは、0.8≦Y≦1.2である限り特に限定されない。Yが0.8未満の場合、耐摩耗性が低下するため好ましくない。また、Yが1.2を超えると、やはり耐摩耗性が低下するため好ましくない。なお、上記のようにZが2種以上の元素で構成される場合は、原子組成比Yはそれらの元素の総数を示すものとする。   Further, the atomic composition ratio Y is not particularly limited as long as 0.8 ≦ Y ≦ 1.2. When Y is less than 0.8, the wear resistance is lowered, which is not preferable. On the other hand, if Y exceeds 1.2, the wear resistance is also lowered, which is not preferable. In addition, when Z is comprised with 2 or more types of elements as mentioned above, the atomic composition ratio Y shall show the total number of those elements.

<第1化合物の構造>
上記第1化合物は、非晶質である。第1化合物が非晶質状態の場合、該化合物を含むハフニウム含有シリコン層において、化合物同士の結晶粒界が存在しないので、亀裂が発生した場合にその伸展を抑制することができ、結果としてより優れた耐摩耗性を示すと考えられる。また、非晶質であることから、結晶の異常成長を抑制することができるので、得られる層の表面が平滑となり、優れた耐溶着性を示す。
<Structure of the first compound>
The first compound is amorphous. When the first compound is in an amorphous state, there is no crystal grain boundary between the compounds in the hafnium-containing silicon layer containing the compound, so that extension can be suppressed when cracks occur, and as a result It is considered to show excellent wear resistance. Moreover, since it is amorphous, abnormal crystal growth can be suppressed, and the surface of the resulting layer becomes smooth and exhibits excellent welding resistance.

<ハフニウム含有シリコン層の積層構造>
本発明における上記ハフニウム含有シリコン層は、互いに異なる組成の第1化合物を含む2種以上の層が各々1層以上積層された構造とすることができる(たとえば、SiHfNを含む層とSiHfNOを含む層の積層構造があげられる)。このような積層構造とする場合、各層の厚みや層数などは、後述する第1層と第2層の積層構造と同様にすることができる。上記ハフニウム含有シリコン層が互いに異なる組成の第1化合物を含む2種以上の層からなる第1化合物の積層構造を含む場合は、被膜に優れた耐摩耗性を付与することはもとより、層間の界面の存在により亀裂の伸展を更に抑制することができる。
<Laminated structure of hafnium-containing silicon layer>
The hafnium-containing silicon layer in the present invention may have a structure in which one or more layers each including a first compound having a different composition are laminated (for example, a layer containing SiHfN and a layer containing SiHfNO). Can be mentioned.) When it is set as such a laminated structure, the thickness of each layer, the number of layers, etc. can be made the same as the laminated structure of the 1st layer and 2nd layer which are mentioned later. In the case where the hafnium-containing silicon layer includes a laminated structure of a first compound composed of two or more layers containing a first compound having a different composition, not only the film has excellent wear resistance but also the interface between the layers. The presence of the can further suppress the extension of cracks.

また、本発明における上記ハフニウム含有シリコン層は、上記第1化合物を含む第1層と、第2化合物を含む第2層とが各々1層以上積層されて形成されているものとすることができ、この第2化合物は、上記のようにSi、Cr、Al、Ti、Hf、Ta、Nb、およびVからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とを含むものとすることができる。このような第1層は、その厚みが0.5nm以上200nm以下であることが好ましく、また同じく第2層も、その厚みが0.5nm以上200nm以下であることが好ましい。   In the present invention, the hafnium-containing silicon layer may be formed by laminating one or more first layers including the first compound and second layers including the second compound. The second compound is composed of at least one element selected from the group consisting of Si, Cr, Al, Ti, Hf, Ta, Nb, and V, as described above, and boron, oxygen, carbon, and nitrogen. And at least one element selected from the group. Such a first layer preferably has a thickness of 0.5 nm to 200 nm, and similarly, the second layer preferably has a thickness of 0.5 nm to 200 nm.

ここで、この第2化合物は、Si、Cr、Al、Ti、Hf、Ta、Nb、およびVからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素に対して、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を原子組成比で0.1以上2以下含むことが好ましい。原子組成比をこの範囲のものとすることにより、以下のような優れた効果が示される。なお、Si、Cr、Al、Ti、Hf、Ta、Nb、およびVのうち異なった元素が2種以上含まれる場合、その総数が上記範囲の原子組成比を満たす限り、各元素間の原子組成比は特に制限されない。同様にして、硼素、酸素、炭素、および窒素のうち異なった元素が2種以上含まれる場合も、各元素間の原子組成比は特に制限されない。   Here, the second compound is composed of boron, oxygen, carbon, and nitrogen with respect to at least one element selected from the group consisting of Si, Cr, Al, Ti, Hf, Ta, Nb, and V. It is preferable to contain at least one element selected from the group in an atomic composition ratio of 0.1 or more and 2 or less. By setting the atomic composition ratio within this range, the following excellent effects are exhibited. In addition, when two or more different elements among Si, Cr, Al, Ti, Hf, Ta, Nb, and V are included, the atomic composition between each element is sufficient as long as the total number satisfies the atomic composition ratio in the above range. The ratio is not particularly limited. Similarly, when two or more different elements of boron, oxygen, carbon, and nitrogen are included, the atomic composition ratio between the elements is not particularly limited.

上記のような積層構造を採用することにより、次のような優れた効果が示される。すなわち、上記第2化合物は耐酸化性に優れているため、クレータ摩耗の低減作用および耐摩耗性の向上作用に加え、ハフニウム含有シリコン層全体として優れた耐酸化性が示される。また、このように組成の異なる2層を積層させることにより、被膜の厚み方向に亀裂が進展することを極めて有効に抑制することができ、この亀裂の進展による被膜破壊に起因した摩耗現象を効果的に低減することができることから、結果的に耐摩耗性をさらに向上させることができる。   By adopting the laminated structure as described above, the following excellent effects are exhibited. That is, since the second compound is excellent in oxidation resistance, the hafnium-containing silicon layer as a whole exhibits excellent oxidation resistance in addition to the action of reducing crater wear and the action of improving wear resistance. In addition, by laminating two layers having different compositions in this way, it is possible to extremely effectively prevent cracks from progressing in the thickness direction of the film, and the wear phenomenon caused by the film breakage due to the progress of the cracks is effective. As a result, the wear resistance can be further improved.

前述のように第1層は、その厚みが0.5nm以上200nm以下であることが好ましく、また、第2層も、その厚みが0.5nm以上200nm以下であることが好ましい。各々の層がこの範囲の厚みを有することにより、切削時における耐摩耗性が特に優れたものとなるからである。そして、上記第1層および第2層の各厚みは、より好ましくはその上限が100nm、さらに好ましくは50nmであり、その下限はより好ましくは1nmである。0.5nm未満の厚みで各層を形成することは困難であり、その厚みが200nmを超えると上記のような優れた効果が示されない場合がある。そして、好ましくは上記第1層のみの加算合計厚みが0.2μm以上10μm以下となる場合であり、より好ましくは0.7μm以上5μm以下となる場合である。第1層のみの合計厚みをこれらの範囲とすることにより、上記の効果が最も効果的に発現する。なお、第1層のみの合計厚みがこのような範囲となる限り、第2層のみの合計厚みは特に限定されないが、1μm以上10μm以下の厚みとすれば通常は十分である。このように積層される第1層と第2層との各厚みは、概ね等しいものであってもよいし、異なるものであってもよい。   As described above, the first layer preferably has a thickness of 0.5 nm to 200 nm, and the second layer also preferably has a thickness of 0.5 nm to 200 nm. This is because each layer has a thickness in this range, so that the wear resistance during cutting is particularly excellent. And as for each thickness of the said 1st layer and the 2nd layer, More preferably, the upper limit is 100 nm, More preferably, it is 50 nm, The lower limit is more preferably 1 nm. It is difficult to form each layer with a thickness of less than 0.5 nm. When the thickness exceeds 200 nm, the above-described excellent effects may not be shown. And it is a case where the addition total thickness of only the first layer is preferably 0.2 μm or more and 10 μm or less, and more preferably 0.7 μm or more and 5 μm or less. By making the total thickness of only the first layer within these ranges, the above effect is most effectively exhibited. As long as the total thickness of only the first layer falls within such a range, the total thickness of only the second layer is not particularly limited, but a thickness of 1 μm or more and 10 μm or less is usually sufficient. The thicknesses of the first layer and the second layer stacked in this way may be approximately equal or different.

なお、ここでいう積層構造とは、上記第1層と第2層とが各々1層以上積層されて形成されていることを示すものであるが、より好ましくは上記第1層と第2層とが各々上下交互に複数積層されることが好適である。なお、このような積層構造において最下層および最上層は、第1層または第2層のいずれの層によって形成されていても差し支えない。また、積層数は特に限定されるものではないが、各層それぞれ1層以上8000層以下、より好ましくは20層以上5000層以下とすることができる。   The laminated structure here means that the first layer and the second layer are formed by laminating one or more layers, and more preferably, the first layer and the second layer. It is preferable that a plurality of layers are alternately stacked. In such a laminated structure, the lowermost layer and the uppermost layer may be formed of either the first layer or the second layer. In addition, the number of stacked layers is not particularly limited, but each layer may be 1 layer or more and 8000 layers or less, more preferably 20 layers or more and 5000 layers or less.

<ハフニウム含有シリコン層の厚み>
本発明におけるハフニウム含有シリコン層(上記積層構造を含む場合を除く)は、0.1μm以上10μm以下の厚みを有することが好ましい。より好ましくはその上限が8μm、さらに好ましくは6μmであり、特に好ましくは3μmである。また、その下限が0.3μmであることがより好ましい。
<Thickness of hafnium-containing silicon layer>
The hafnium-containing silicon layer (except for the case including the above laminated structure) in the present invention preferably has a thickness of 0.1 μm or more and 10 μm or less. More preferably, the upper limit is 8 μm, more preferably 6 μm, and particularly preferably 3 μm. The lower limit is more preferably 0.3 μm.

上記厚みが0.1μm未満の場合、クレータ摩耗を低減するとともに高度な耐摩耗性を付与するという本発明の効果が示されない場合があるとともに、10μmを超えると、該効果が低減される場合がある。上記厚みが0.3μm以上3μm以下の場合に、特に優れた上記効果が示される。   When the thickness is less than 0.1 μm, the effect of the present invention for reducing crater wear and imparting high wear resistance may not be shown. When the thickness exceeds 10 μm, the effect may be reduced. is there. In the case where the thickness is not less than 0.3 μm and not more than 3 μm, particularly excellent effects are exhibited.

ハフニウム含有層が互いに組成の異なる第1化合物を含む2種以上の層が各々1層以上積層された構造を有する場合は、上記積層構造を含まない場合の厚みと同じく、0.1μm以上10μm以下であることが好ましく、その上限が8μmであることがより好ましく、さらに好ましくは6μm、特に好ましくは3μmである。また、その下限が0.3μmであることがより好ましい。   In the case where the hafnium-containing layer has a structure in which two or more layers each containing a first compound having a different composition are laminated one or more layers, the thickness is 0.1 μm or more and 10 μm or less, as in the case of not including the laminated structure The upper limit is more preferably 8 μm, still more preferably 6 μm, and particularly preferably 3 μm. The lower limit is more preferably 0.3 μm.

また、ハフニウム含有層が上記第1層と第2層とが各々1層以上積層されて形成された積層構造を含む場合は、該層の厚みは0.3μm以上12μm以下であることが好ましい。より好ましくは、その上限が8μmであり、その下限が0.5μmである。   Further, when the hafnium-containing layer includes a laminated structure formed by laminating one or more of the first layer and the second layer, the thickness of the layer is preferably 0.3 μm or more and 12 μm or less. More preferably, the upper limit is 8 μm and the lower limit is 0.5 μm.

上記積層された構造および積層構造を含む場合において、ハフニウム含有層の厚みが上記範囲を外れる場合は、本発明の効果が示されなかったり、該効果が低下する傾向がある。   When the laminated structure and the laminated structure are included, if the thickness of the hafnium-containing layer is out of the above range, the effect of the present invention is not shown or the effect tends to decrease.

<ハフニウム含有シリコン層の形成方法>
本発明におけるハフニウム含有シリコン層の形成方法は、特に限定されるものではないが、得られる被膜の表面が平滑であり、組成の自由度が高い物理蒸着法(PVD法)によることが望ましい。具体的には、たとえばバランストマグネトロンスパッタリング法、アンバランストマグネトロンスパッタリング法、これらを各組み合わせた方法等を挙げることができる。なお、ハフニウム含有シリコン層が上記のような積層構造で形成されている場合であっても、これらの物理蒸着法の下、従来公知の手法により形成することができる。
<Method for forming hafnium-containing silicon layer>
The method for forming the hafnium-containing silicon layer in the present invention is not particularly limited, but it is desirable to use a physical vapor deposition method (PVD method) in which the surface of the obtained film is smooth and the degree of freedom of composition is high. Specific examples include a balanced magnetron sputtering method, an unbalanced magnetron sputtering method, and a combination of these methods. Note that even if the hafnium-containing silicon layer is formed in the laminated structure as described above, it can be formed by a conventionally known method under these physical vapor deposition methods.

そして、特に上記のようなハフニウム含有シリコン層を好適に形成する具体的な条件を挙げると以下のとおりとなる。すなわち、ハフニウム含有シリコン層の厚みが0.3μm未満の場合で、アンバランストマグネトロンスパッタリング法を採用する場合、基板(基材)温度を350〜650℃および該装置内の反応ガス圧を400mPa〜1000mPaに設定し、所望の第1化合物に対する組成を有するターゲットをセットするとともに、所望の第1化合物に対応する反応ガスとして、たとえば窒素、酸素、メタンのうちから1以上のガスを選択して、これを導入する(なお、反応ガスの導入に際しては、希ガス/反応ガスの比を1〜5に設定することが好ましい)。そして、基板(負)バイアス電圧を0V〜−90Vに維持したまま、放電電力を5kW〜9.5kWとする条件により、非晶質のハフニウム含有シリコン層を形成することができる。   In particular, specific conditions for suitably forming the above-described hafnium-containing silicon layer are as follows. That is, when the thickness of the hafnium-containing silicon layer is less than 0.3 μm and the unbalanced magnetron sputtering method is adopted, the substrate (base material) temperature is 350 to 650 ° C. and the reaction gas pressure in the apparatus is 400 mPa to Set to 1000 mPa, set a target having a composition for the desired first compound, and select, for example, one or more gases from nitrogen, oxygen, and methane as the reaction gas corresponding to the desired first compound, This is introduced (in addition, when introducing the reaction gas, the ratio of the rare gas / reaction gas is preferably set to 1 to 5). Then, an amorphous hafnium-containing silicon layer can be formed under the condition that the discharge power is 5 kW to 9.5 kW while the substrate (negative) bias voltage is maintained at 0 V to −90 V.

上記所望の第1化合物に対応する組成を有するターゲットとしては、第1化合物における金属組成(シリコンおよびハフニウムの組成)を与えるものであればよく、たとえば、シリコンおよびハフニウムの金属粉末を所望の最終組成と同一の組成で混合して焼結し作製したSi−Hf焼結ターゲットや、Siからなるターゲットのエロージョン部にHfからなるターゲットを、エロージョン領域の面積比が所望の第1化合物のXを満たす組成でインジウムにより貼り合わせた貼合ターゲット等を用いることができる。また、第1化合物に硼素を含む場合は、ターゲットに予め硼素元素を含有すればよく、その含有量は所望の第1化合物のYと同一にすればよい。   The target having a composition corresponding to the desired first compound may be any target that provides a metal composition (a composition of silicon and hafnium) in the first compound. For example, a metal powder of silicon and hafnium may have a desired final composition. The Si—Hf sintered target prepared by mixing and sintering with the same composition as above, and the target made of Hf in the erosion part of the Si target, the area ratio of the erosion region satisfies X of the desired first compound. A bonding target or the like bonded with indium in composition can be used. Further, when boron is contained in the first compound, the target may contain boron element in advance, and the content may be the same as Y of the desired first compound.

また、非晶質である第1化合物を含むハフニウム含有シリコン層の厚みが0.3μm以上の場合は、一定の厚みが形成される毎に上記バイアス電圧を−50V〜−550Vの範囲内で、200V以上(たとえば、−50Vから−350Vに変える)急激に変化させる操作を繰り返せばよい。具体的には、まず、−50V〜−90Vの基板バイアス電圧を付与し、被膜が0.25μm〜0.35μm形成されたところで、基板バイアス電圧を−350V〜−550Vへ急激に変えて、そのままの基板バイアス電圧を再び0.55μm〜0.65μmの被膜(合計厚み)が形成されるまで維持する。その後、−350V〜550Vから再度−50V〜−90Vへと基板バイアス電圧を急激に変え、さらに被膜が0.85μm〜0.95μm(合計厚み)形成されるまで基板バイアス電圧を−350V〜−550Vの範囲で特定値に維持する。このように、被膜が0.25μm〜0.35μm形成されるごとに基板バイアス電圧を急激に変化させることにより、非晶質の第1化合物を含む層を形成することができる。   Further, when the thickness of the hafnium-containing silicon layer containing the amorphous first compound is 0.3 μm or more, the bias voltage is set within a range of −50 V to −550 V every time a certain thickness is formed. What is necessary is just to repeat the operation which changes rapidly more than 200V (for example, changing from -50V to -350V). Specifically, first, a substrate bias voltage of −50 V to −90 V is applied, and when the film is formed to 0.25 μm to 0.35 μm, the substrate bias voltage is rapidly changed from −350 V to −550 V, The substrate bias voltage is maintained until a film (total thickness) of 0.55 μm to 0.65 μm is formed again. Thereafter, the substrate bias voltage is rapidly changed from −350 V to 550 V to −50 V to −90 V again, and the substrate bias voltage is −350 V to −550 V until a coating is further formed to 0.85 μm to 0.95 μm (total thickness). Maintain a specific value in the range. Thus, the layer containing the amorphous first compound can be formed by rapidly changing the substrate bias voltage every time the film is formed to 0.25 μm to 0.35 μm.

<硬質層>
本発明における被膜は、前記ハフニウム含有シリコン層以外に、さらに周期律表のIVa族元素(Ti、Zr、Hf等)、Va族元素(V、Nb、Ta等)、VIa族元素(Cr、Mo、W等)、Al、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、または、該元素の少なくとも1種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物によって構成される1以上の硬質層を含むことができる。
<Hard layer>
In addition to the hafnium-containing silicon layer, the coating film according to the present invention further includes IVa group elements (Ti, Zr, Hf, etc.), Va group elements (V, Nb, Ta, etc.), VIa group elements (Cr, Mo, etc.) in the periodic table. , W, etc.), Al, and Si, or at least one element selected from the group consisting of at least one element selected from the group consisting of boron, oxygen, carbon, and nitrogen 1 or more hard layers comprised by the compound which consists of can be included.

上記硬質層としては、特にCr、Al、Ti、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、または、該元素の少なくとも1種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物によって構成される1以上の被膜を含むことが好ましい。   The hard layer is particularly selected from the group consisting of at least one element selected from the group consisting of Cr, Al, Ti, and Si, or at least one of the elements, and boron, oxygen, carbon, and nitrogen. It is preferable to include one or more films composed of a compound composed of at least one element.

このような硬質層は、高硬度で耐摩耗性に優れるとともに、極めて優れた靭性を示すものが好ましい。特に、Cr、Al、Ti、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、または、該元素の少なくとも1種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物によって構成される1以上の被膜は、耐酸化性および耐熱性に優れていることから特に優れた耐摩耗性が示されるため極めて有効である。   Such a hard layer preferably has a high hardness and excellent wear resistance, and exhibits extremely excellent toughness. In particular, at least one element selected from the group consisting of Cr, Al, Ti, and Si, or at least one element selected from the group consisting of boron, oxygen, carbon, and nitrogen, and at least one of the elements One or more coating films composed of a compound composed of an element are extremely effective because they have particularly excellent wear resistance because they are excellent in oxidation resistance and heat resistance.

上記硬質層を構成する元素または化合物としては、具体的には、たとえば、Cr、Ti、Al、Si、V、Zr、Hf、TiAl、TiSi、AlCr、TiN、TiON、TiCN、TiCNO、TiBN、TiCBN、TiAlCN、AlN、AlCN、AlCrCN、AlON、CrN、CrCN、TiSiN、TiSiCN、Ti23、TiAlON、ZrN、ZrCN、AlZrN、TiAlN、TiAlSiN、TiAlCrSiN、AlCrN、AlCrSiN、TiZrN、TiAlMoN、TiAlNbN、TiSiN、TiSiCN、AlCrTaN、AlTiVN、TiB2、TiCrHfN、CrSiWN、TiAlCN、TiSiCN、AlZrON、AlCrCN、AlHfN、CrSiBON、TiAlWN、AlCrMoCN、TiAlBN、TiAlCrSiBCNO等を挙げることができる。 Specific examples of the elements or compounds constituting the hard layer include, for example, Cr, Ti, Al, Si, V, Zr, Hf, TiAl, TiSi, AlCr, TiN, TiON, TiCN, TiCNO, TiBN, and TiCBN. , TiAlCN, AlN, AlCN, AlCrCN , AlON, CrN, CrCN, TiSiN, TiSiCN, Ti 2 O 3, TiAlON, ZrN, ZrCN, AlZrN, TiAlN, TiAlSiN, TiAlCrSiN, AlCrN, AlCrSiN, TiZrN, TiAlMoN, TiAlNbN, TiSiN, TiSiCN, AlCrTaN, AlTiVN, TiB 2 , TiCrHfN, CrSiWN, TiAlCN, TiSiCN, AlZrON, AlCrCN, AlHfN, CrSiBON, TiAlW , Mention may be made of AlCrMoCN, TiAlBN, the TiAlCrSiBCNO like.

また、Cr、Al、Ti、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、または、該元素の少なくとも1種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物としては、Ti、Cr、Al、Si、TiAlN、TiAlNO、TiAlCNO、TiBN、TiCBN、TiSiN、TiSiNO、TiSiCNO、CrTiN、CrTiNO、CrTiCNO、SiAlN、SiAlNO、SiAlCNO、CrSiN、CrSiNO、CrSiCNO、SiAlN、SiAlNO、SiAlCNO、CrSiN、CrSiNO、CrSiCNO、TiAlSiN、TiAlSiNO、TiAlSiCNO、TiAlCrN、TiAlCrNO、TiAlCrCNO、TiCrSiN、TiCrSiNO、TiCrSiCNO、AlCrN、AlCrNO、AlCrSiNO、AlCrCNO、AlCrSiBNO等を挙げることができ、特にAlCrN、AlCrNO、AlCrSiNO、AlCrSiBNO、AlCrCNO等が好適である。   Also, at least one element selected from the group consisting of Cr, Al, Ti, and Si, or at least one element selected from the group consisting of boron, oxygen, carbon, and nitrogen, and at least one of the elements As the compound composed of elements, Ti, Cr, Al, Si, TiAlN, TiAlNO, TiAlCNO, TiBN, TiCBN, TiSiN, TiSiNO, TiSiCNO, CrTiN, CrTiNO, CrTiCNO, SiAlN, SiAlNO, SiAlCNO, CrSiN, CrSiNO, CrSiCNO, SiAlN, SiAlNO, SiAlCNO, CrSiN, CrSiNO, CrSiCNO, TiAlSiN, TiAlSiNO, TiAlSiCNO, TiAlCrN, TiAlCrNO, TiAlCrCNO, TiCrS N, TiCrSiNO, TiCrSiCNO, AlCrN, AlCrNO, AlCrSiNO, AlCrCNO, there may be mentioned AlCrSiBNO like, particularly AlCrN, AlCrNO, AlCrSiNO, AlCrSiBNO, AlCrCNO the like.

なお、上記の化学式において、各元素の原子組成比が特に記載されていないものは、必ずしも等比を意味するものではなく、従来公知の原子組成比がすべて含まれるものとする。たとえば単にTiNと記す場合、TiとNとの原子組成比は1:1が含まれる他、2:1、1:0.95、1:0.9等が含まれる(特に断りのない限り、以下において同じ)。   In the above chemical formula, those in which the atomic composition ratio of each element is not particularly described do not necessarily mean an equivalence ratio, and all conventionally known atomic composition ratios are included. For example, when simply describing TiN, the atomic composition ratio of Ti and N includes 1: 1, and includes 2: 1, 1: 0.95, 1: 0.9, etc. (unless otherwise noted, The same applies below).

<硬質層の構造>
上記硬質層を構成する元素および/または化合物は、結晶質であることが好ましい。硬質層を構成する元素および/または化合物が結晶質の場合、得られる被膜の硬度が高く、耐酸化性が良好になり、切削工具としての性能が向上する。
<Structure of hard layer>
The element and / or compound constituting the hard layer is preferably crystalline. When the element and / or compound constituting the hard layer is crystalline, the resulting coating film has high hardness, good oxidation resistance, and improved performance as a cutting tool.

<硬質層の積層構造>
上記硬質層としては、特に、上記Cr、Al、Ti、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、または、該元素の少なくとも1種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物によって構成される2種以上の層が、各層の厚みを1nm以上100nm以下として周期的に繰り返して積層されてなる被膜を1以上含むことが好ましい。なお、本発明における被膜は、多層構造を有する硬質層を2以上含むことができる。
<Laminated structure of hard layer>
As the hard layer, in particular, at least one element selected from the group consisting of Cr, Al, Ti, and Si, or a group consisting of boron, oxygen, carbon, and nitrogen with at least one element selected from the group It is preferable that two or more layers composed of a compound composed of at least one element selected from the above include one or more coatings that are laminated repeatedly with each layer having a thickness of 1 nm to 100 nm. In addition, the film in this invention can contain 2 or more of hard layers which have a multilayer structure.

上記硬質層の各層の厚みはより好ましくは5nm以上60nm以下である。このように上記各層を周期的に繰り返して積層させることにより、耐酸化性および耐熱性がさらに向上し、極めて優れた耐摩耗性が示される。ここで、周期的に繰り返して積層させるとは、たとえば2種の層を上下交互に積層させるなど、一定の周期性をもって積層させることをいう。なお、各層の厚みが1nm未満となる場合や100nmを超える場合には、積層による耐摩耗性の向上効果が示されない場合があるが、その場合であってもこれらの元素や化合物によってもたらされる固有の耐摩耗性の向上効果は示される。   The thickness of each layer of the hard layer is more preferably 5 nm or more and 60 nm or less. As described above, by periodically repeating the above layers, the oxidation resistance and heat resistance are further improved, and extremely excellent wear resistance is exhibited. Here, “repetitively laminating” means laminating with a certain periodicity, for example, alternately laminating two kinds of layers. In addition, when the thickness of each layer is less than 1 nm or exceeds 100 nm, the effect of improving the abrasion resistance due to lamination may not be shown, but even in that case, the inherent effects brought about by these elements and compounds The effect of improving the wear resistance is shown.

<硬質層の厚み>
また、上記硬質層は、0.3μm以上10μm以下の厚み(多層で形成される場合はその全体の厚み)を有することが好ましく、より好ましくはその上限が7μm以下、さらに好ましくは5μm以下、その下限が0.5μm以上、さらに好ましくは1μm以上である。その厚みが0.3μm未満の場合には、十分な耐摩耗性が示されなくなるとともに十分な靭性を示さなくなる場合があり、10μmを超えると耐欠損性が低下することがあるため好ましくない。
<Thickness of hard layer>
The hard layer preferably has a thickness of 0.3 μm or more and 10 μm or less (when formed in a multilayer, the total thickness thereof), more preferably the upper limit thereof is 7 μm or less, more preferably 5 μm or less, The lower limit is 0.5 μm or more, more preferably 1 μm or more. If the thickness is less than 0.3 μm, sufficient wear resistance may not be exhibited and sufficient toughness may not be exhibited. If the thickness exceeds 10 μm, the fracture resistance may decrease, which is not preferable.

<硬質層の形成位置>
上記硬質層の積層配置は特に限定されるものではなく、基材とハフニウム含有シリコン層との間や、ハフニウム含有シリコン層上に形成することができ、また、ハフニウム含有シリコン層の上下両側に形成することもできる。
<Hard layer formation position>
The layered arrangement of the hard layers is not particularly limited, and can be formed between the base material and the hafnium-containing silicon layer, or on the hafnium-containing silicon layer, and formed on both the upper and lower sides of the hafnium-containing silicon layer. You can also

<硬質層の形成方法>
本発明において上記硬質層は、物理蒸着法により形成されることが好ましく、圧縮残留応力を有していることが好ましい。物理蒸着法により硬質層を形成することにより、硬質層に圧縮残留応力を付与することができ、高い靭性を有する被膜とすることができる。また、上記のハフニウム含有シリコン層が物理蒸着法により形成される場合においてこれらの被膜と同じ成膜方法を採用することにより製造効率を向上させることができる。
<Method for forming hard layer>
In the present invention, the hard layer is preferably formed by physical vapor deposition, and preferably has compressive residual stress. By forming the hard layer by physical vapor deposition, compressive residual stress can be imparted to the hard layer, and a coating film having high toughness can be obtained. Further, when the above-mentioned hafnium-containing silicon layer is formed by physical vapor deposition, the production efficiency can be improved by adopting the same film formation method as these films.

上記硬質層の形成のための物理蒸着法は、従来公知の物理蒸着法、たとえば、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、アークイオンプレーティング法、イオンプレーティング法等、いずれも採用することができるが、生産性や密着力が高いという利点を有することから、アークイオンプレーティング法が好ましい。また、ターゲットとしては、所望の最終組成と同一の組成を有する焼結ターゲットをあげることができる。   As the physical vapor deposition method for forming the hard layer, a conventionally known physical vapor deposition method, for example, a sputtering method, a magnetron sputtering method, an arc ion plating method, an ion plating method, etc. can be employed. The arc ion plating method is preferred because it has the advantage of high productivity and high adhesion. Examples of the target include a sintered target having the same composition as a desired final composition.

<その他の層など>
本発明における被膜としては、上記のようなハフニウム含有シリコン層や硬質層以外の他の層をさらに1以上含むことができる。たとえばそのような他の層は、硬質層とハフニウム含有シリコン層との間に形成したり、ハフニウム含有シリコン層の上に形成したりすることができる。このような他の層を形成することにより、クレータ摩耗を低減するとともに高度な耐摩耗性を付与するという本発明の効果がさらに向上したり、あるいは潤滑性を付与したり、被削材との溶着を抑制したりすることができるという効果を達成することもできる。
<Other layers>
The coating film according to the present invention may further include one or more layers other than the above-described hafnium-containing silicon layer and hard layer. For example, such other layers can be formed between the hard layer and the hafnium-containing silicon layer, or can be formed on the hafnium-containing silicon layer. By forming such other layers, the effect of the present invention of reducing crater wear and imparting high wear resistance can be further improved, or lubricity can be imparted. The effect that welding can be suppressed can also be achieved.

このような他の層を構成する化合物としては、硬質層を形成する化合物として例示した以外の酸化物(たとえばAl23等)、窒化物、炭窒化物等を挙げることができる。なお、このような他の層の厚みは、0.05μm以上5μm以下が好ましく、より好ましくは0.1μm以上2μm以下である。 Examples of the compound constituting such another layer include oxides other than those exemplified as the compound forming the hard layer (for example, Al 2 O 3 ), nitrides, carbonitrides and the like. The thickness of such other layers is preferably 0.05 μm or more and 5 μm or less, and more preferably 0.1 μm or more and 2 μm or less.

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、以下の各被膜を構成する各層の化学組成(化合物の組成)は二次電子顕微鏡に付帯のエネルギー分散型ケイ光X線分光計(SEM−EDX)により確認し、各層の厚みは被膜の断面を二次電子顕微鏡(SEM)により観察することにより確認した。また、各層の構造はX線回折装置(XRD)および透過電子顕微鏡(TEM)で分析した。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these. In addition, the chemical composition (composition of the compound) of each layer constituting each of the following films is confirmed by an energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer (SEM-EDX) attached to the secondary electron microscope, and the thickness of each layer is determined by the thickness of the film. The cross section was confirmed by observing with a secondary electron microscope (SEM). The structure of each layer was analyzed with an X-ray diffractometer (XRD) and a transmission electron microscope (TEM).

<基材>
基材としては、グレードがP30(JIS B 4053−1998)の超硬合金であり、形状がSNGN120408(JIS B 4121−1998)である切削チップを準備し、これを洗浄した後使用した。
<Base material>
As a base material, a cutting tip having a grade of P30 (JIS B 4053-1998) and a shape of SNGN120408 (JIS B 4121-1998) was prepared, and used after cleaning.

<被膜の形成方法>
本実施例および比較例において各被膜は、第1化合物(Si1-XHfXY)を含むハフニウム含有シリコン層はアンバランストマグネトロンスパッタリング(UBMS)法により、それ以外の被膜(すなわち硬質層)は陰極式アークイオンプレーティング法により形成させた。ただし、ハフニウム含有シリコン層が第1化合物のみからなる積層構造を有する場合(実施例12)、および第1層および第2層とからなる積層構造を有する場合(実施例13〜18、24および25)はUBMS法により形成した。また、硬質層が2種以上の層を周期的に繰り返して積層した構造を有する場合(実施例20〜22、24、25および比較例4)はアークイオンプレーティング法により形成した。なお、成膜装置は従来公知の構成のものを特に制限なく使用することができるが、本実施例および比較例においては、UBMS法による成膜とアークイオンプレーティング法による成膜とを1の装置内で行なうことができる成膜装置を使用した。該装置を用いることにより、上記UBMS法と上記アークイオンプレーティング法を組み合わせて被膜を形成する場合、基材を装置外に取り出すことなく連続的に被膜を形成することができる。
<Method for forming film>
In each of the examples and comparative examples, each film is formed of a hafnium-containing silicon layer containing the first compound (Si 1-X Hf X Z Y ) by an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method. ) Was formed by a cathodic arc ion plating method. However, the case where the hafnium-containing silicon layer has a laminated structure composed only of the first compound (Example 12) and the case where the hafnium-containing silicon layer has a laminated structure composed of the first layer and the second layer (Examples 13 to 18, 24 and 25). ) Was formed by the UBMS method. Further, when the hard layer had a structure in which two or more kinds of layers were periodically laminated (Examples 20 to 22, 24, and 25 and Comparative Example 4), the hard layer was formed by an arc ion plating method. A conventionally known film-forming apparatus can be used without any particular limitation, but in this example and the comparative example, film formation by the UBMS method and film formation by the arc ion plating method are one. A film forming apparatus that can be performed in the apparatus was used. By using the apparatus, when a film is formed by combining the UBMS method and the arc ion plating method, the film can be formed continuously without taking the substrate out of the apparatus.

<ハフニウム含有シリコン層の形成方法>
第1化合物の組成が以下の表1に示したものとなるように各対応する元素を含んだ(表1の第1化合物の原子組成比と同一の原子組成比を有する)各ターゲットをセットした。該ターゲットは、上記の焼結ターゲット、貼合ターゲット等いずれも使用しうるが、本実施例ではSiとHf粉末を前記各原子組成比で混合し、焼結したSi−Hf焼結ターゲットを使用した。
<Method for forming hafnium-containing silicon layer>
Each target including each corresponding element (having the same atomic composition ratio as that of the first compound in Table 1) was set so that the composition of the first compound was as shown in Table 1 below. . As the target, any of the above-mentioned sintered target, bonding target, etc. can be used, but in this example, Si and Hf powder are mixed at the respective atomic composition ratios, and sintered Si-Hf sintered target is used. did.

そして、真空ポンプにより該装置内を1×10-4Pa以下に減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーターにより上記基材の温度を500℃以上に加熱し、およそ500℃で1時間保持した。 Then, the inside of the apparatus is reduced to 1 × 10 −4 Pa or less by a vacuum pump, and the temperature of the base material is heated to 500 ° C. or more by a heater installed in the apparatus, and kept at about 500 ° C. for 1 hour. did.

次に、アルゴンガスを導入して該装置内の圧力を500mPa〜650mPaに保持し、基板(基材)バイアス電圧を徐々に上げながら−600Vとし、基材の表面のクリーニングを30分間行なった。続いて、基板バイアス電圧を−350Vとし、ホロカソード型ガス活性化源を用いて基材表面のクリーニングをさらに60分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。なお、上記クリーニングは基材に対して行なうものであり、既に被膜を形成した基材の被膜表面に対してクリーニングは行なわない(以下において同じ)。   Next, argon gas was introduced to maintain the pressure in the apparatus at 500 mPa to 650 mPa, the substrate (base material) bias voltage was gradually increased to −600 V, and the surface of the base material was cleaned for 30 minutes. Subsequently, the substrate bias voltage was set to −350 V, and the substrate surface was further cleaned for 60 minutes using a holocathode gas activation source. Thereafter, argon gas was exhausted. The cleaning is performed on the base material, and the cleaning is not performed on the coating surface of the base material on which the coating has already been formed (the same applies hereinafter).

次いで、基板(基材)温度を500〜650℃および該装置内の反応ガス圧を400mPa〜1000mPaに設定し、表1に示した化学組成に対応する反応ガスとして、窒素、メタン、酸素のうちから1以上のガスを選択することによりこれを導入した。なお、反応ガスの導入に際しては、希ガス/反応ガスの比を1〜5に設定した。   Next, the substrate (base material) temperature is set to 500 to 650 ° C., the reaction gas pressure in the apparatus is set to 400 mPa to 1000 mPa, and the reaction gas corresponding to the chemical composition shown in Table 1 is selected from among nitrogen, methane, and oxygen. This was introduced by selecting one or more gases from When introducing the reaction gas, the ratio of rare gas / reaction gas was set to 1-5.

そして、形成するハフニウム含有シリコン層の厚みが0.3μm未満の場合は、基板バイアス電圧を−70Vに維持したまま、ターゲットにかかる放電電力を5kW〜9.5kWとして、基材(被膜を形成させたものも含む)上に第1化合物からなるハフニウム含有シリコン層を形成し、表1に記載された厚みとなったところでターゲットに供給する放電電力を停止した。   When the hafnium-containing silicon layer to be formed has a thickness of less than 0.3 μm, the discharge power applied to the target is set to 5 kW to 9.5 kW while the substrate bias voltage is maintained at −70 V, and the base material (the film is formed). A hafnium-containing silicon layer made of the first compound was formed on the substrate, and when the thickness shown in Table 1 was reached, the discharge power supplied to the target was stopped.

一方、形成するハフニウム含有シリコン層の厚みが0.3μmを超える場合は、該層全体を非晶質とするため(すなわち、第1化合物を非晶質で形成するため)に、次のように基板バイアス電圧を変化させる操作を行なった。すなわち、上記のようにして該層が0.3μm形成されたところで、基板バイアス電圧を−70Vから−350Vへ急激に変えて、さらに0.3μmの厚みが形成されるまで維持した。その後、−350Vから−70Vへと基板バイアス電圧を再度急激に変え、さらに該層が0.3μm形成されるまで基板バイアス電圧を−70Vに維持した。このように、該層が0.3μm形成されるごとに基板バイアス電圧を急激に変化する操作を繰り返すことによって、所望の厚みを有するハフニウム含有シリコン層を形成した。なお、ハフニウム含有シリコン層が表1記載の厚みとなったところでターゲットに供給する放電電力を停止した。   On the other hand, when the thickness of the hafnium-containing silicon layer to be formed exceeds 0.3 μm, in order to make the entire layer amorphous (that is, to form the first compound in an amorphous state), as follows: An operation for changing the substrate bias voltage was performed. That is, when the layer was formed to 0.3 μm as described above, the substrate bias voltage was rapidly changed from −70 V to −350 V and maintained until a thickness of 0.3 μm was further formed. Thereafter, the substrate bias voltage was rapidly changed again from -350 V to -70 V, and the substrate bias voltage was maintained at -70 V until the layer was formed to a thickness of 0.3 μm. Thus, the hafnium-containing silicon layer having a desired thickness was formed by repeating the operation of rapidly changing the substrate bias voltage every time the layer was formed to have a thickness of 0.3 μm. The discharge power supplied to the target was stopped when the hafnium-containing silicon layer reached the thickness shown in Table 1.

ここで、上記の基板バイアス電源およびターゲット供給用電源としては、直流パルス方式を用いた。基板バイアス電源では350kHzの周波数で正と負の電圧を供給し、1周期当りの正電圧を供給する時間は500nsとした。またターゲット供給用電源の周波数は50kHzで1周期当りの正負電圧の供給時間は各々半分ずつとした。   Here, a DC pulse method was used as the substrate bias power source and the target supply power source. The substrate bias power supply supplies positive and negative voltages at a frequency of 350 kHz, and the time for supplying the positive voltage per cycle is 500 ns. The frequency of the power supply for target supply was 50 kHz, and the supply time of positive and negative voltages per cycle was half each.

上記反応ガスには必ず希ガス(アルゴンが好ましいがこれのみに限定されない)を混在させた。ここで、反応ガスとしては、最終生成物(第1化合物)が窒化物の場合は窒素を選択し、窒酸化物の場合は、窒素と酸素と雰囲気ガス(反応ガス分圧制御用)としてアルゴンガスを選択した。また、炭窒酸化物の場合は、メタン(メタンのみに限られずアセチレン等の炭化水素ガスを特に限定なく使用することができる)、窒素、酸素と雰囲気ガス(反応ガス分圧制御用)としてアルゴンガスを選択した。化学組成に硼素が含まれる場合はターゲットに予め硼素元素を所望量含有させたものを用いた。   The reaction gas was always mixed with a rare gas (argon is preferable, but not limited thereto). Here, when the final product (first compound) is a nitride, nitrogen is selected as the reactive gas, and when it is a nitrogen oxide, nitrogen, oxygen, and atmospheric gas (for controlling the reactive gas partial pressure) are used as argon. Gas was selected. In the case of carbonitrous oxide, methane (a hydrocarbon gas such as acetylene can be used without limitation), nitrogen, oxygen, and atmospheric gas (for controlling the reaction gas partial pressure) are used. Gas was selected. When boron was included in the chemical composition, a target containing a desired amount of boron element in advance was used.

<硬質層の形成方法>
硬質層は上記のように陰極式アークイオンプレーティング法により形成した。成膜装置内の基板取り付け位置に基材(既に被膜を形成させたものも含む)をセットした。また、硬質層としてその化学組成が以下の表1に示したものとなるように、各対応する組成と同一の組成を有する各ターゲットを原料蒸発源(アーク式蒸発源)にセットした。
<Method for forming hard layer>
The hard layer was formed by the cathodic arc ion plating method as described above. A base material (including a film on which a film was already formed) was set at a substrate mounting position in the film forming apparatus. In addition, each target having the same composition as each corresponding composition was set as a raw material evaporation source (an arc evaporation source) so that the chemical composition of the hard layer was as shown in Table 1 below.

そして、真空ポンプにより該装置内を1×10-4Pa以下に減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーターにより上記基材の温度を650℃に加熱し、1時間保持した。 And while reducing the inside of this apparatus to 1x10 <-4> Pa or less with a vacuum pump, the temperature of the said base material was heated to 650 degreeC with the heater installed in this apparatus, and it hold | maintained for 1 hour.

次に、アルゴンガスを導入して該装置内の圧力を3.0Paに保持し、基板バイアス電圧を徐々に上げながら−1500Vとし、基材の表面のクリーニングを15分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。なお、クリーニングは上記UBMS法と同様に、基材に対してのみ行なった。   Next, argon gas was introduced to maintain the pressure in the apparatus at 3.0 Pa, the substrate bias voltage was gradually increased to −1500 V, and the surface of the substrate was cleaned for 15 minutes. Thereafter, argon gas was exhausted. The cleaning was performed only on the base material as in the UBMS method.

基板(基材)温度を550〜650℃および該装置内の反応ガス圧を4.0Paに設定し、表1に示した化学組成に対応する反応ガスとして、窒素、メタン、酸素のうちから1以上のガスを選択することによりこれを導入した。そして、基板バイアス電圧を−80Vに維持したまま、カソード電極に50〜120Aのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオン等を発生させ硬質層を形成した。   The substrate (base material) temperature is set to 550 to 650 ° C., the reaction gas pressure in the apparatus is set to 4.0 Pa, and the reaction gas corresponding to the chemical composition shown in Table 1 is selected from among nitrogen, methane, and oxygen. This was introduced by selecting the above gas. Then, while maintaining the substrate bias voltage at −80 V, an arc current of 50 to 120 A was supplied to the cathode electrode, and metal ions were generated from the arc evaporation source to form a hard layer.

そして、表1に記載した厚みとなったところでアーク式蒸発源に供給する電流を停止し、冷却後該装置内を大気に開放して、硬質層を形成させた。   Then, when the thickness shown in Table 1 was reached, the current supplied to the arc evaporation source was stopped, and after cooling, the inside of the apparatus was opened to the atmosphere to form a hard layer.

<積層構造を有するハフニウム含有シリコン層の形成方法>
実施例12は、ハフニウム含有シリコン層が、表1の第1化合物(SiHfN)と表2の第1化合物(SiHfNO)とが、厚み3nmと2nmで交互に積層された構造を有することを示す(構造の詳細は後述する)。この積層構造は、上記のとおりUBMS法により形成される。まず、所望の第1化合物と同一の組成を有するターゲット(表1および表2記載の第1化合物について共通)および基材をそれぞれ装置内にセットした。そして、このターゲットを蒸発させながら基材を回転させて、同時に反応ガスである窒素と窒素および酸素とを上記所望の厚みが形成される毎に交互に供給した。上記各層は、厚みが0.3μm未満であり、上記基板バイアス電圧を一定値に維持した場合のUBMS法の条件と同様の条件を採用することにより積層構造を形成することができた。
<Method for forming hafnium-containing silicon layer having a laminated structure>
Example 12 shows that the hafnium-containing silicon layer has a structure in which the first compound (SiHfN) in Table 1 and the first compound (SiHfNO) in Table 2 are alternately stacked at a thickness of 3 nm and 2 nm ( Details of the structure will be described later). This laminated structure is formed by the UBMS method as described above. First, a target having the same composition as the desired first compound (common to the first compounds described in Tables 1 and 2) and a substrate were set in the apparatus. Then, the substrate was rotated while evaporating the target, and simultaneously, nitrogen, nitrogen, and oxygen as reaction gases were alternately supplied every time the desired thickness was formed. Each of the layers had a thickness of less than 0.3 μm, and a laminated structure could be formed by adopting the same conditions as those of the UBMS method when the substrate bias voltage was maintained at a constant value.

一方、実施例13〜18、24および25は、ハフニウム含有シリコン層が、第1層と第2層とを表2に記載の厚みで交互に積層した構造を有することを示す。この積層構造も、上記のとおりUBMS法により形成され、その条件は上記と同様である。ただし、ターゲットとしては、第1層を形成するためのターゲット(組成は表1記載の第1化合物と同一の組成とした)と、第2層を形成するためのターゲット(組成は表2記載の第2化合物と同一の組成とした)の2種を用いた。   On the other hand, Examples 13-18, 24, and 25 show that the hafnium-containing silicon layer has a structure in which the first layer and the second layer are alternately stacked with the thicknesses shown in Table 2. This laminated structure is also formed by the UBMS method as described above, and the conditions are the same as described above. However, as a target, a target for forming the first layer (the composition is the same as the first compound shown in Table 1) and a target for forming the second layer (the composition is shown in Table 2) Two types having the same composition as the second compound were used.

<2種以上の層を周期的に積層した構造を有する硬質層の形成方法>
実施例20〜22、24、25および比較例4の硬質層1は、表1の組成の項に記載のとおり2種の化合物を交互に積層した構造を有することを示す。この構造は、上記のとおりアークイオンプレーティング法により形成される。すなわち、一方の化合物からなる層を形成するためのターゲットと他方の化合物からなる層を形成するためのターゲットとを装置内側壁に同じ高さでセットし、両ターゲットの中間点(装置のほぼ中心部)に基材をセットした。そして、これらの両ターゲットをともに蒸発させながら基材を回転させることにより、基材が一方のターゲットの正面に位置するときにはその化合物からなる層が形成され、他方のターゲットの正面に位置するときには該その他の化合物からなる層が形成されるようにした。このようにして周期的に積層した構造を形成することができるが、ターゲットを蒸発させる条件は上記条件と同様とした。
<Method for forming a hard layer having a structure in which two or more layers are periodically laminated>
The hard layer 1 of Examples 20-22, 24, 25 and Comparative Example 4 shows that it has the structure which laminated | stacked two types of compounds alternately as described in the term of the composition of Table 1. FIG. This structure is formed by the arc ion plating method as described above. That is, a target for forming a layer made of one compound and a target for forming a layer made of the other compound are set at the same height on the inner wall of the apparatus, and an intermediate point between both targets (approximately the center of the apparatus). Part). Then, by rotating the substrate while evaporating both these targets together, a layer made of the compound is formed when the substrate is located in front of one target, and when the substrate is located in front of the other target, A layer made of another compound was formed. In this manner, a periodically stacked structure can be formed, but the conditions for evaporating the target were the same as the above conditions.

以上のようにして、上記被膜の形成方法を適宜組み合わせて、表1および2に記載した構成の実施例1〜25と比較例1〜6の表面被覆切削工具を製造した。これらの実施例の表面被覆切削工具は、基材と該基材上に形成された被膜とを備えるものであって、この被膜は化学式Si1-XHfXY(ただし、X、Yはそれぞれ原子組成比を示し、0<X≦0.4であり、0.8≦Y≦1.2である。また、Zは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。)で示される非晶質の第1化合物を含むことを特徴とするハフニウム含有シリコン層を少なくとも含むものである。 As described above, the surface-coated cutting tools of Examples 1 to 25 and Comparative Examples 1 to 6 having the configurations described in Tables 1 and 2 were manufactured by appropriately combining the methods for forming the coating film. The surface-coated cutting tools of these examples comprise a substrate and a coating formed on the substrate, and this coating has the chemical formula Si 1-X Hf X Z Y (where X and Y are Each represents an atomic composition ratio, 0 <X ≦ 0.4, 0.8 ≦ Y ≦ 1.2, and Z is at least one selected from the group consisting of boron, oxygen, carbon, and nitrogen At least a hafnium-containing silicon layer characterized in that it contains an amorphous first compound represented by (1).

一方、比較例1〜6の表面被覆切削工具は、比較用のものであり、比較例1、5および6はハフニウム含有シリコン層を形成する化合物として、原子組成比Xが0<X≦0.4を満足しない化合物を用いて基材上に被膜を形成させたものである。また、比較例2〜4は、ハフニウム含有シリコン層を含まない被膜を形成させたものである。具体的には、比較例2ではTiAlNからなる被膜を形成した切削工具を製造し、比較例3ではTiAlNからなる硬質層上にAlCrNからなる硬質層を形成し、最上層にTiNからなる被膜を形成した切削工具製造した。また、比較例4では基材上にTiAlNとAlCrNとからなる層を周期的に積層した構造を有する硬質層を形成した切削工具を製造した。   On the other hand, the surface-coated cutting tools of Comparative Examples 1 to 6 are for comparison, and Comparative Examples 1, 5, and 6 are compounds that form a hafnium-containing silicon layer, and the atomic composition ratio X is 0 <X ≦ 0. A film is formed on a substrate using a compound that does not satisfy 4. Moreover, Comparative Examples 2-4 formed the film which does not contain a hafnium containing silicon layer. Specifically, in Comparative Example 2, a cutting tool in which a film made of TiAlN is formed is manufactured. In Comparative Example 3, a hard layer made of AlCrN is formed on a hard layer made of TiAlN, and a film made of TiN is formed on the uppermost layer. The formed cutting tool was manufactured. Moreover, in the comparative example 4, the cutting tool which formed the hard layer which has the structure which laminated | stacked the layer which consists of TiAlN and AlCrN periodically on the base material was manufactured.

Figure 2008279562
Figure 2008279562

表1中「Z」の項に記載されている数値は原子組成比を示す(それらの数値の合計は「Y」に記載された数値となる)。また、上記表1中「組成」の項に記載されている数値も原子組成比を示す。また、表1において、比較例1、5および6のハフニウム含有シリコン層は、原子組成比が本発明の第1化合物の範囲を満足するものではないが、便宜上「ハフニウム含有シリコン層」の項に記載したものである。また、比較例3はハフニウム含有シリコン層を有するものではないが、被膜の形成の順序を明確にするために、便宜上第1化合物の項にAlCrNを記載した。実施例1〜25の第1化合物、および表1の「ハフニウム含有シリコン層」の項に記載されている比較例1、5〜6で形成した化合物は非晶質であった。また、硬質層1および2を構成する化合物は結晶質であった。   The numerical value described in the section “Z” in Table 1 indicates the atomic composition ratio (the sum of those numerical values is the numerical value described in “Y”). The numerical values described in the “Composition” section of Table 1 also indicate the atomic composition ratio. Further, in Table 1, the hafnium-containing silicon layers of Comparative Examples 1, 5, and 6 do not satisfy the range of the first compound of the present invention in the atomic composition ratio, but are included in the section of “hafnium-containing silicon layer” for convenience. It is described. Further, although Comparative Example 3 does not have a hafnium-containing silicon layer, AlCrN is described in the section of the first compound for convenience in order to clarify the order of film formation. The first compounds of Examples 1 to 25 and the compounds formed in Comparative Examples 1 and 5 to 6 described in the “Hafnium-containing silicon layer” section of Table 1 were amorphous. Moreover, the compound which comprises the hard layers 1 and 2 was crystalline.

本実施例および比較例の各被膜は、表1の左欄側のものから順に基材上に形成させた。すなわち、基材表面に硬質層1を形成させ、次にハフニウム含有シリコン層、最上面に硬質層2を形成させた。なお、表1中の空欄(「−」)は層が形成されていないことを示すものであり、たとえば実施例1、2、23、および比較例1では、硬質層1を形成せずに、基材表面にハフニウム含有シリコン層を形成したことを示す。また、実施例23の(注)は、ハフニウム含有シリコン層上にTi0.5Al0.51.0からなる2.0μmの第一の硬質層2を形成し、その上面にTi1.01.0からなる0.5μmの第二の硬質層2を形成したことを示す。 Each coating film of this example and comparative example was formed on the base material in order from the left column side in Table 1. That is, the hard layer 1 was formed on the substrate surface, the hafnium-containing silicon layer was formed, and the hard layer 2 was formed on the uppermost surface. In addition, the blank ("-") in Table 1 indicates that no layer is formed. For example, in Examples 1, 2, 23, and Comparative Example 1, the hard layer 1 was not formed. It shows that a hafnium-containing silicon layer was formed on the substrate surface. In addition, in Example 23 (Note), a 2.0 μm first hard layer 2 made of Ti 0.5 Al 0.5 N 1.0 is formed on a hafnium-containing silicon layer, and an upper surface made of Ti 1.0 N 1.0 is formed with a thickness of 0. It shows that the 5 μm second hard layer 2 was formed.

なお、硬質層が2種以上の層を周期的に積層した構造を有する場合は、「組成」の項を「化合物A/化合物B」の形式で表記した(最下層が化合物Aを含む層であり、最上層が化合物Bを含む層となるように、各層を表1に記載した厚みで交互に積層した)。たとえば、実施例20では、最下層にTiAlNからなる層を5nm形成して、その上にAlCrNからなる層を5nm形成し、さらに5nmのTiAlNからなる層、5nmのAlCrNからなる層をこの順で形成する操作を繰り返し、最上層にAlCrNからなる層を形成して合計の厚みが2.0μmである硬質層1を形成したことを示す。   When the hard layer has a structure in which two or more kinds of layers are periodically laminated, the term “composition” is expressed in the form of “compound A / compound B” (the lowest layer is a layer containing compound A). And each layer was alternately laminated with the thickness described in Table 1 so that the uppermost layer was a layer containing Compound B). For example, in Example 20, a 5 nm layer of TiAlN is formed on the lowermost layer, a 5 nm layer of AlCrN is formed thereon, and a 5 nm layer of TiAlN and a 5 nm layer of AlCrN are formed in this order. It shows that the hard layer 1 having a total thickness of 2.0 μm was formed by repeating the forming operation to form a layer made of AlCrN as the uppermost layer.

また、表1中、ハフニウム含有シリコン層の「積層」の項の「有」とは、ハフニウム含有シリコン層が積層構造を有することを意味しており、それぞれ、表1の第1化合物と下記表2に記載された第1化合物または第2化合物を、各層を表2に記載された厚みで交互に積層することを示す。なお、表1中、積層の項が「有」の場合の「厚み」とはハフニウム含有シリコン層全体の厚みを示す。また、上記「有」の場合は第1化合物が第1層であり、下記表2記載の第2化合物が第2層である。たとえば、実施例13では、第1層と第2層の厚みがそれぞれ100nmであり、各層を交互に積層してハフニウム含有シリコン層全体の厚みを1.5μmとすることを示している。   In Table 1, “Present” in the section of “Lamination” of the hafnium-containing silicon layer means that the hafnium-containing silicon layer has a laminated structure. 2 shows that the first compound or the second compound described in 2 is alternately laminated with the thickness described in Table 2 in each layer. In Table 1, “thickness” when the term of lamination is “present” indicates the thickness of the entire hafnium-containing silicon layer. In the case of “Yes”, the first compound is the first layer, and the second compound described in Table 2 below is the second layer. For example, in Example 13, the thicknesses of the first layer and the second layer are each 100 nm, and the layers are alternately stacked, and the total thickness of the hafnium-containing silicon layer is 1.5 μm.

Figure 2008279562
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表2中、実施例12の「第1層の厚み」の項の「注」は、表1に記載の第1化合物を含む厚みが3nmであり、表2に記載の第1化合物を含む層の厚みが2nmであることを示す。なお、表2記載の第1化合物および第2化合物はすべて結晶質であった。   In Table 2, “Note” in the section “Thickness of the first layer” in Example 12 is a layer containing the first compound described in Table 2 having a thickness of 3 nm including the first compound described in Table 1. It shows that the thickness of is 2 nm. The first compound and the second compound shown in Table 2 were all crystalline.

ここで、各ハフニウム含有シリコン層の積層構造は、実施例12、13、14、18、24および25では、第1化合物を含む第1層を最下層として、第2化合物を含む第2層(実施例12に限っては表2に記載された第1化合物を含む層)が最上層となるように、各層を表2に記載した厚みで交互に積層した。また、実施例15〜17では、第2化合物を含む第2層を最下層とし、第1化合物を含む第1層が最上層となるようにして、上記と同様に各層を表2に記載した厚みで交互に積層した。   Here, in each of Examples 12, 13, 14, 18, 24, and 25, the stacked structure of each hafnium-containing silicon layer is the second layer containing the second compound (the first layer containing the first compound as the lowermost layer). Each layer was alternately laminated with the thickness described in Table 2 so that the layer containing the first compound described in Table 2 only in Example 12 was the uppermost layer. In Examples 15 to 17, each layer was listed in Table 2 in the same manner as described above, with the second layer containing the second compound being the bottom layer and the first layer containing the first compound being the top layer. It laminated | stacked alternately by thickness.

<切削試験>
実施例1〜25で製造された本発明の表面被覆切削工具および比較例1〜6で製造された表面被覆切削工具について、以下の切削条件により連続旋削試験を10分間実施することにより、逃げ面摩耗量とクレータ摩耗量とを測定した。逃げ面摩耗量が小さいもの程耐摩耗性に優れていることを示し、クレータ摩耗量が小さいもの程クレータ摩耗が低減されていることを示す。その結果を以下の表3に示す。
<Cutting test>
For the surface-coated cutting tool of the present invention manufactured in Examples 1 to 25 and the surface-coated cutting tool manufactured in Comparative Examples 1 to 6, a continuous turning test was carried out for 10 minutes under the following cutting conditions to obtain a flank surface. The amount of wear and the amount of crater wear were measured. The smaller the flank wear amount, the better the wear resistance, and the smaller the crater wear amount, the lower the crater wear. The results are shown in Table 3 below.

(切削条件)
被削材:SCM435
切削速度:300m/min
切込み:1.0mm
送り:0.2mm/rev.
乾式/湿式:乾式
(Cutting conditions)
Work material: SCM435
Cutting speed: 300 m / min
Cutting depth: 1.0mm
Feed: 0.2 mm / rev.
Dry / Wet: Dry

Figure 2008279562
Figure 2008279562

表3より明らかなように、本発明の実施例の表面被覆切削工具は、比較例の表面被覆切削工具に比し、クレータ摩耗の低減化および耐摩耗性の向上の両者において優れた結果を示していることは明らかである。したがって、本発明の表面被覆切削工具は優れた切削性能を有したものである。   As is apparent from Table 3, the surface-coated cutting tool of the example of the present invention showed superior results in both reducing crater wear and improving wear resistance compared to the surface-coated cutting tool of the comparative example. It is clear that Therefore, the surface-coated cutting tool of the present invention has excellent cutting performance.

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。   Although the embodiments and examples of the present invention have been described as described above, it is also planned from the beginning to appropriately combine the configurations of the above-described embodiments and examples.

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

Claims (8)

基材と該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、1以上の層を含み、
前記層のうち少なくとも1の層は、化学式Si1-XHfXY(ただし、X、Yはそれぞれ原子組成比を示し、0<X≦0.4であり、0.8≦Y≦1.2である。また、Zは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。)で示される非晶質の第1化合物を含むハフニウム含有シリコン層であることを特徴とする表面被覆切削工具。
A surface-coated cutting tool comprising a substrate and a coating formed on the substrate,
The coating comprises one or more layers;
At least one of the layers has the chemical formula Si 1-X Hf X Z Y (where X and Y each represent an atomic composition ratio, 0 <X ≦ 0.4, 0.8 ≦ Y ≦ 1 Z is a hafnium-containing silicon layer containing an amorphous first compound represented by the following: Z represents at least one element selected from the group consisting of boron, oxygen, carbon, and nitrogen. A surface-coated cutting tool characterized by that.
前記ハフニウム含有シリコン層は、その厚みが0.1μm以上10μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の表面被覆切削工具。   The surface-coated cutting tool according to claim 1, wherein the hafnium-containing silicon layer has a thickness of 0.1 μm to 10 μm. 前記ハフニウム含有シリコン層は、前記第1化合物を含む第1層と、第2化合物を含む第2層とが各々1層以上積層されて形成されており、
前記第2化合物は、Si、Cr、Al、Ti、Hf、Ta、Nb、およびVからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とを含むことを特徴とする請求項1または2に記載の表面被覆切削工具。
The hafnium-containing silicon layer is formed by laminating one or more layers each including a first layer containing the first compound and a second layer containing a second compound,
The second compound is at least one element selected from the group consisting of Si, Cr, Al, Ti, Hf, Ta, Nb, and V, and at least selected from the group consisting of boron, oxygen, carbon, and nitrogen. The surface-coated cutting tool according to claim 1 or 2, comprising one kind of element.
前記第1層は、その厚みが0.5nm以上200nm以下であり、
前記第2層は、その厚みが0.5nm以上200nm以下であることを特徴とする請求項3記載の表面被覆切削工具。
The first layer has a thickness of 0.5 nm or more and 200 nm or less,
The surface-coated cutting tool according to claim 3, wherein the second layer has a thickness of 0.5 nm to 200 nm.
前記被膜は、前記ハフニウム含有シリコン層以外に、1層以上の硬質層を含み、
前記硬質層は、周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、または、該元素の少なくとも1種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
The coating includes one or more hard layers in addition to the hafnium-containing silicon layer,
The hard layer includes at least one element selected from the group consisting of group IVa element, group Va element, group VIa element, Al, and Si in the periodic table, or at least one of the elements, boron, oxygen 5. The surface-coated cutting tool according to claim 1, comprising a compound comprising at least one element selected from the group consisting of carbon, nitrogen, and nitrogen.
前記硬質層は、Cr、Al、Ti、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、または、該元素の少なくとも1種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物を含むことを特徴とする請求項5記載の表面被覆切削工具。   The hard layer is at least one element selected from the group consisting of Cr, Al, Ti, and Si, or at least one selected from the group consisting of boron, oxygen, carbon, and nitrogen. The surface-coated cutting tool according to claim 5, comprising a compound composed of one kind of element. 前記硬質層は、Cr、Al、Ti、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、または、該元素の少なくとも1種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物を含む2種以上の層が、各層の厚みを1nm以上100nm以下として周期的に繰り返して積層されたものであることを特徴とする請求項5または6に記載の表面被覆切削工具。   The hard layer is at least one element selected from the group consisting of Cr, Al, Ti, and Si, or at least one selected from the group consisting of boron, oxygen, carbon, and nitrogen. The two or more types of layers containing the compound which consists of one type of element are what was laminated | stacked periodically repeating the thickness of each layer as 1 nm or more and 100 nm or less, The Claim 5 or 6 characterized by the above-mentioned. Surface coated cutting tool. 前記基材は、超硬合金、サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体、高速度鋼、セラミックス、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の表面被覆切削工具。   The base material is any one of cemented carbide, cermet, cubic boron nitride sintered body, high-speed steel, ceramics, or diamond sintered body. The surface-coated cutting tool described.
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