JP2008290163A - Coating film, cutting tool and coating film making method - Google Patents

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Makoto Setoyama
誠 瀬戸山
Hideki Moriguchi
秀樹 森口
Masayuki Kamei
雅之 亀井
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Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a coating film excellent in abrasion resistance and fusion resistance in high temperature environment, a cutting tool including the coating film, and a coating film making method. <P>SOLUTION: The coating film includes at least one oxide layer, wherein a composition of the oxide layer is expressed by formula (1) of (Al<SB>1-x</SB>Zr<SB>x</SB>)<SB>2</SB>O<SB>3(1+y)</SB>, where x is a real number satisfying 0.001≤x≤0.5 and y is a real number satisfying -0.1≤y≤0.2. The oxide layer is an amorphous coating. In addition, the cutting tool including the coating and the coating film making method are provided. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、被膜、切削工具および被膜の製造方法に関し、特に、高温環境下での耐磨耗性および耐溶着性に優れた被膜、その被膜を含む切削工具およびその被膜の製造方法に関する。   The present invention relates to a coating, a cutting tool, and a method for producing the coating, and more particularly, to a coating excellent in wear resistance and welding resistance in a high-temperature environment, a cutting tool including the coating, and a method for producing the coating.

従来、耐磨耗性や摺動性を向上させることを目的として、種々の基材上に種々の被膜が形成されている。たとえば切削工具などに用いられている被膜としては、たとえば特許文献1〜特許文献5に開示されているようなAl23からなる被膜(以下、「α−Al23被膜」と称する)がある。 Conventionally, various coatings have been formed on various substrates for the purpose of improving wear resistance and slidability. For example, as a coating used for a cutting tool or the like, for example, a coating made of Al 2 O 3 as disclosed in Patent Documents 1 to 5 (hereinafter referred to as “α-Al 2 O 3 coating”). There is.

Al23は耐磨耗性および耐熱性に優れた被膜材料であるが、α−Al23被膜を形成するために、CVD法を用いた場合には1000℃以上の高い基材温度が必要となり、PVD法であるアンバランストマグネトロンスパッタリング法を用いた場合には750℃以上の高い基材温度が必要となる。 Al 2 O 3 is a coating material excellent in wear resistance and heat resistance, but when a CVD method is used to form an α-Al 2 O 3 coating, a high substrate temperature of 1000 ° C. or higher. When an unbalanced magnetron sputtering method that is a PVD method is used, a high substrate temperature of 750 ° C. or higher is required.

しかしながら、α−Al23被膜の形成の際の高い基材温度が原因でα−Al23被膜が形成される基材が変質することによって、α−Al23被膜の形成後の切削工具の靭性などの特性が劣化してしまうという問題があった。 However, after the formation of the α-Al 2 O 3 film, the base material on which the α-Al 2 O 3 film is formed changes due to the high substrate temperature during the formation of the α-Al 2 O 3 film. There has been a problem that the characteristics such as toughness of the cutting tool deteriorate.

また、γ−Al23からなる被膜(以下、「γ−Al23被膜」と称する)および非晶質Al23からなる被膜(以下、「非晶質Al23被膜」と称する)は750℃未満の低い温度で形成可能であり、膜組織も平滑かつ微粒組織であって、耐溶着性においてもα−Al23被膜よりも優れている。 Further, a film made of γ-Al 2 O 3 (hereinafter referred to as “γ-Al 2 O 3 film”) and a film made of amorphous Al 2 O 3 (hereinafter referred to as “amorphous Al 2 O 3 film”). Can be formed at a low temperature of less than 750 ° C., the film structure is smooth and fine-grained, and is superior to the α-Al 2 O 3 coating in welding resistance.

しかしながら、γ−Al23被膜および非晶質Al23被膜は、α−Al23被膜と比較してより低硬度であるため耐磨耗性に劣るとともに、高温での使用環境ではα−Al23や他の結晶系への変態に伴う体積変化によって疎な脆い組織となって耐磨耗性が急速に劣化し、結果として高温環境下での使用ができなくなる。 However, the γ-Al 2 O 3 coating and the amorphous Al 2 O 3 coating have a lower hardness than the α-Al 2 O 3 coating, so that they are inferior in wear resistance and are used at high temperatures. Then, the volume change accompanying the transformation to α-Al 2 O 3 or other crystal system results in a sparse and brittle structure, and the wear resistance is rapidly deteriorated. As a result, it cannot be used in a high temperature environment.

近年の切削工具においては、高速で高能率の加工が要求されているとともに、環境的配慮から乾式加工に対する要求も高く、これらの要求はいずれも切削工具の刃先温度をより高温側にシフトさせる傾向にある。したがって、切削工具用の被膜としては高温環境下での耐磨耗性および耐溶着性を備えた被膜の開発が望まれている。
特開2000−246507号公報 特開2001−219303号公報 特開2001−219304号公報 特開2001−219305号公報 特開2001−219306号公報
In recent cutting tools, high-speed and high-efficiency machining is required, and there are also high demands for dry machining due to environmental considerations. These demands tend to shift the cutting edge temperature of cutting tools to higher temperatures. It is in. Therefore, as a coating for a cutting tool, development of a coating having wear resistance and welding resistance in a high temperature environment is desired.
JP 2000-246507 A JP 2001-219303 A JP 2001-219304 A JP 2001-219305 A JP 2001-219306 A

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、高温環境下での耐磨耗性および耐溶着性に優れた被膜、その被膜を含む切削工具およびその被膜の製造方法を提供することにある。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a coating having excellent wear resistance and welding resistance in a high temperature environment, a cutting tool including the coating, and a method for producing the coating.

本発明は、酸化物層を少なくとも1層含む被膜であって、酸化物層の組成は、以下の式(1)で表わされ、
(Al1−xZr3(1+y) …(1)
式(1)において、xは0.001≦x≦0.5を満たす実数であり、yは−0.1≦y≦0.2を満たす実数であって、酸化物層は非晶質である被膜である。なお、上記の式(1)において、Alはアルミニウムを示し、Zrはジルコニウムを示し、Oは酸素を示す。
The present invention is a film comprising at least one oxide layer, and the composition of the oxide layer is represented by the following formula (1):
(Al 1-x Zr x ) 2 O 3 (1 + y) (1)
In the formula (1), x is a real number that satisfies 0.001 ≦ x ≦ 0.5, y is a real number that satisfies −0.1 ≦ y ≦ 0.2, and the oxide layer is amorphous. It is a film. In the above formula (1), Al represents aluminum, Zr represents zirconium, and O represents oxygen.

ここで、本発明の被膜においては、上記の式(1)において、xは0.05≦x≦0.2を満たす実数であることが好ましい。   Here, in the film of the present invention, in the above formula (1), x is preferably a real number satisfying 0.05 ≦ x ≦ 0.2.

また、本発明の被膜においては、酸化物層の層厚が0.05μm以上20μm以下であることが好ましい。   Moreover, in the film of this invention, it is preferable that the layer thickness of an oxide layer is 0.05 micrometer or more and 20 micrometers or less.

また、本発明の被膜においては、酸化物層が0.1GPa以上10GPa以下の圧縮残留応力を有することが好ましい。   Moreover, in the film of this invention, it is preferable that an oxide layer has a compressive residual stress of 0.1 GPa or more and 10 GPa or less.

また、本発明の被膜において、酸化物層は、600℃の環境下において結晶化しないことが好ましい。   In the coating of the present invention, the oxide layer is preferably not crystallized under an environment of 600 ° C.

また、本発明の被膜は、Ti(チタン)、Al(アルミニウム)、Cr(クロム)およびSi(ケイ素)からなる群から選択された少なくとも1種の金属の窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭酸化物または炭窒酸化物からなる化合物層を少なくとも1層含んでいてもよい。   The coating of the present invention is a nitride, carbonitride, or nitride oxide of at least one metal selected from the group consisting of Ti (titanium), Al (aluminum), Cr (chromium), and Si (silicon). In addition, at least one compound layer made of carbonate or carbonitride may be included.

また、本発明の被膜の膜厚は0.05μm以上25μm以下であることが好ましい。
また、本発明は、基材と、基材上に形成された上記のいずれかに記載の被膜とを含む切削工具である。
Moreover, it is preferable that the film thickness of the film of this invention is 0.05 micrometer or more and 25 micrometers or less.
Moreover, this invention is a cutting tool containing a base material and the film in any one of said formed on the base material.

ここで、本発明の切削工具においては、基材として、高速度鋼、超硬合金、サーメット、セラミックス焼結体、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素焼結体を用いることができる。   Here, in the cutting tool of the present invention, high-speed steel, cemented carbide, cermet, ceramic sintered body, diamond sintered body, or cubic boron nitride sintered body can be used as the base material.

さらに、本発明は、PVD法により、上記の酸化物層を少なくとも1層形成する工程を含む被膜の製造方法である。   Furthermore, this invention is a manufacturing method of the film including the process of forming at least 1 layer of said oxide layer by PVD method.

また、本発明の被膜の製造方法は、PVD法により、Ti、Al、CrおよびSiからなる群から選択された少なくとも1種の金属の窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭酸化物または炭窒酸化物からなる化合物層を少なくとも1層形成する工程を含むことができる。   In addition, the method for producing a coating according to the present invention includes a nitride, carbonitride, nitride oxide, carbonate or carbon of at least one metal selected from the group consisting of Ti, Al, Cr and Si by the PVD method. A step of forming at least one compound layer made of a nitrided oxide can be included.

また、本発明の被膜の製造方法においては、PVD法として、アーク式イオンプレーティング法、アンバランストマグネトロンスパッタリング法およびデュアルマグネトロンスパッタリング法からなる群から選択された少なくとも1種を用いることができる。   In the method for producing a coating film of the present invention, at least one selected from the group consisting of an arc ion plating method, an unbalanced magnetron sputtering method, and a dual magnetron sputtering method can be used as the PVD method.

また、本発明の被膜の製造方法においては、酸化物層をデュアルマグネトロンスパッタリング法により形成し、化合物層をアーク式イオンプレーティング法により形成することができる。   In the method for producing a coating film of the present invention, the oxide layer can be formed by a dual magnetron sputtering method, and the compound layer can be formed by an arc ion plating method.

また、本発明の被膜の製造方法においては、デュアルマグネトロンスパッタリング法に用いる1対のマグネトロン電極に、AlターゲットとZrターゲットとをそれぞれ取り付けることができる。   In the method for producing a coating film of the present invention, an Al target and a Zr target can be attached to a pair of magnetron electrodes used in the dual magnetron sputtering method.

また、本発明の被膜の製造方法においては、酸化物層をアンバランストマグネトロンスパッタリング法により形成し、化合物層をアーク式イオンプレーティング法により形成することができる。   In the method for producing a coating film of the present invention, the oxide layer can be formed by an unbalanced magnetron sputtering method, and the compound layer can be formed by an arc type ion plating method.

本発明によれば、高温環境下での耐磨耗性および耐溶着性に優れた被膜、その被膜を含む切削工具およびその被膜の製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the coating tool excellent in the abrasion resistance and welding resistance in a high temperature environment, the cutting tool containing the coating film, and the manufacturing method of the coating film can be provided.

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。   Embodiments of the present invention will be described below. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.

(被膜)
本発明の被膜は、後述する酸化物層を少なくとも1層含む。本発明の被膜が単層である場合には本発明の被膜は後述する酸化物層のみによって構成されることになるが、本発明の被膜が複数層である場合には後述する酸化物層を複数層含んでいてもよく、後述する酸化物層の他にたとえば後述する化合物層などの酸化物層以外の層を含んでいてもよい。
(Coating)
The film of the present invention includes at least one oxide layer described later. When the coating film of the present invention is a single layer, the coating film of the present invention is constituted only by an oxide layer described later. However, when the coating film of the present invention is a plurality of layers, an oxide layer described later is provided. A plurality of layers may be included, and a layer other than an oxide layer such as a compound layer described later may be included in addition to the oxide layer described later.

また、本発明の被膜が複数層である場合における後述する酸化物層の形成位置については特に限定されない。したがって、後述する酸化物層は、本発明の被膜中において基材と接触する位置に形成されてもよく、最表面の位置に形成されてもよく、基材と接触する位置および最表面の位置のいずれでもない中間の位置に形成されてもよい。   Moreover, the formation position of the oxide layer described later when the coating film of the present invention is a plurality of layers is not particularly limited. Therefore, the oxide layer described later may be formed at a position in contact with the substrate in the coating of the present invention, or may be formed at the position of the outermost surface. It may be formed at an intermediate position that is neither of the above.

また、本発明の被膜の膜厚は、0.05μm以上25μm以下であることが好ましく、0.5μm以上10μm以下であることがより好ましい。本発明の被膜の膜厚が0.05μm未満である場合には被膜の耐磨耗性が十分でなく切削工具の寿命延長効果が発揮されないおそれがあり、25μmを超える場合には基材との密着性が変化して被膜の耐磨耗性が発揮できないおそれがある。   Further, the film thickness of the coating of the present invention is preferably 0.05 μm or more and 25 μm or less, and more preferably 0.5 μm or more and 10 μm or less. When the thickness of the coating of the present invention is less than 0.05 μm, the wear resistance of the coating is not sufficient, and the effect of extending the life of the cutting tool may not be exhibited. There is a possibility that the adhesiveness changes and the wear resistance of the coating cannot be exhibited.

(酸化物層)
本発明の被膜は、酸化物層を1層以上含み、その酸化物層の組成は、以下の式(1)で表わされ、
(Al1−xZr3(1+y) …(1)
上記の式(1)において、xは0.001≦x≦0.5を満たす実数であり、yは−0.1≦y≦0.2を満たす実数であって、酸化物層は非晶質であることを特徴としている。
(Oxide layer)
The film of the present invention includes one or more oxide layers, and the composition of the oxide layer is represented by the following formula (1):
(Al 1-x Zr x ) 2 O 3 (1 + y) (1)
In the above formula (1), x is a real number that satisfies 0.001 ≦ x ≦ 0.5, y is a real number that satisfies −0.1 ≦ y ≦ 0.2, and the oxide layer is amorphous. It is characterized by quality.

化学的安定性に優れた非晶質Al23被膜にZrを添加した酸化物層については、その硬度が高くなるとともに耐熱性および化学的安定性が向上するため、この酸化物層を用いた被膜の耐磨耗性、耐熱性および化学的安定性が向上する。また、この酸化物層中における金属全体の原子数(Al原子とZr原子の総数)を1としたときのZrの原子数の比xを0.001以上0.5以下とすることによってこの酸化物層を用いた被膜の高温下での耐磨耗性が向上する。すなわち、上記の式(1)においてxが0.001未満である場合にはZrの添加による酸化物層の硬度の向上を得ることが難しく、xが0.5を超える場合には酸化物層の硬度が著しく低下するとともに、ZrO2相を析出するおそれがあり、さらには非晶質とすることにより得られる後述の特性を得ることが難しくなる。 For oxide layers with Zr added to amorphous Al 2 O 3 coatings with excellent chemical stability, this oxide layer is used because its hardness increases and heat resistance and chemical stability improve. This improves the wear resistance, heat resistance and chemical stability of the coated film. Further, the oxidation ratio is set by setting the ratio x of the number of Zr atoms to 0.001 or more and 0.5 or less when the total number of atoms in the oxide layer (the total number of Al atoms and Zr atoms) is 1. Abrasion resistance under high temperature of the film using the physical layer is improved. That is, in the above formula (1), when x is less than 0.001, it is difficult to improve the hardness of the oxide layer by adding Zr, and when x exceeds 0.5, the oxide layer The hardness of the steel significantly decreases, and a ZrO 2 phase may be precipitated. Further, it becomes difficult to obtain the characteristics described later obtained by making the material amorphous.

また、この酸化物層を非晶質とすることによって酸化物層の表面が平滑となるため、この酸化物層が被膜の最表面に露出した場合には被膜の耐溶着性が優れる傾向にある。また、この非晶質の酸化物層は明瞭な粒状組織を有さず、粒の脱落による磨耗の異常な進行もないため、この酸化物層を含む被膜は安定した耐磨耗性を発揮する。また、この酸化物層を含む被膜を機械部材に用いた場合には優れた摺動特性を発揮する。なお、この非晶質の酸化物層は低温で形成することができるため、この酸化物層の形成の際に基材の硬度や靭性などの特性を劣化させない傾向にあることから、製法の観点からも有利である。   In addition, since the surface of the oxide layer becomes smooth by making the oxide layer amorphous, when the oxide layer is exposed on the outermost surface of the coating, the adhesion resistance of the coating tends to be excellent. . In addition, since this amorphous oxide layer does not have a clear granular structure and there is no abnormal progression of wear due to dropout of grains, the coating containing this oxide layer exhibits stable wear resistance. . Moreover, when the coating film containing this oxide layer is used for a mechanical member, excellent sliding characteristics are exhibited. Since this amorphous oxide layer can be formed at a low temperature, there is a tendency not to deteriorate properties such as hardness and toughness of the base material during the formation of this oxide layer. Is also advantageous.

さらに、上記の式(1)のyを−0.1以上0.2以下とすることによって酸化物層の硬度を高くすることができる。また、上記の式(1)において、yは−0.05以上0.1以下であることがより好ましい。なお、上記の式(1)において、Oの右下にある3(1+y)は、酸化物層中における金属全体の原子数(Al原子とZr原子の総数)を2としたときのOの原子数の比を表わしている。   Furthermore, the hardness of an oxide layer can be made high by making y of said Formula (1) into -0.1 or more and 0.2 or less. In the above formula (1), y is more preferably −0.05 or more and 0.1 or less. In the above formula (1), 3 (1 + y) at the lower right of O is an O atom when the total number of atoms in the oxide layer (the total number of Al atoms and Zr atoms) is 2. It represents the ratio of numbers.

また、上記の式(1)において、xは0.05以上0.2以下であることがさらに好ましい。この場合には酸化物層の硬度および耐熱性がさらに向上するため、この酸化物層を含む被膜の耐磨耗性および耐熱性がさらに向上する傾向にある。なお、技術常識を考慮すると、yの値が0.2を超える可能性は非常に低いものと考えられる。   In the above formula (1), x is more preferably 0.05 or more and 0.2 or less. In this case, since the hardness and heat resistance of the oxide layer are further improved, the wear resistance and heat resistance of the coating containing the oxide layer tend to be further improved. In view of technical common sense, the possibility that the value of y exceeds 0.2 is considered to be very low.

また、酸化物層の層厚は0.05μm以上20μm以下であることが好ましく、0.5μm以上5μm以下であることがより好ましい。酸化物層の層厚が0.05μm未満である場合には酸化物層の形成による耐磨耗性、耐熱性および化学的安定性の向上などの効果が十分でなく、切削工具の寿命を延長する効果を得ることが難しい。また、酸化物層の層厚が20μmを超える場合には酸化物層が剥離しやすくなる傾向にある。酸化物層の層厚が0.05μm以上20μm以下である場合、特に0.5μm以上5μm以下である場合には、たとえば高温環境下などのより厳しい環境下においても被膜が安定した耐磨耗性、耐熱性および化学的安定性を発揮する傾向にある。   The layer thickness of the oxide layer is preferably 0.05 μm or more and 20 μm or less, and more preferably 0.5 μm or more and 5 μm or less. When the thickness of the oxide layer is less than 0.05 μm, the effect of improving the wear resistance, heat resistance and chemical stability due to the formation of the oxide layer is not sufficient and the life of the cutting tool is extended. It is difficult to get the effect. Further, when the thickness of the oxide layer exceeds 20 μm, the oxide layer tends to be easily peeled off. When the thickness of the oxide layer is 0.05 μm or more and 20 μm or less, particularly when the thickness is 0.5 μm or more and 5 μm or less, the coating film has stable wear resistance even under severe conditions such as high temperature environments. , Tend to exhibit heat resistance and chemical stability.

また、酸化物層は0.1GPa以上10GPa以下の圧縮残留応力を有することが好ましく、0.5GPa以上5GPa以下の圧縮残留応力を有することがより好ましい。酸化物層の圧縮残留応力が0.1GPa以上10GPa以下、特に0.5GPa以上5GPa以下である場合には被膜の耐衝撃性を高め、被膜が形成される基材の靭性を高めることができる傾向にある。また、酸化物層の圧縮残留応力が0.1GPa未満である場合には酸化物層が圧縮残留応力を有することによる効果が認められず、10GPaよりも大きい場合には酸化物層が自らの圧縮残留応力によって剥離しやすくなる。   The oxide layer preferably has a compressive residual stress of 0.1 GPa or more and 10 GPa or less, and more preferably has a compressive residual stress of 0.5 GPa or more and 5 GPa or less. When the compressive residual stress of the oxide layer is 0.1 GPa or more and 10 GPa or less, particularly 0.5 GPa or more and 5 GPa or less, the impact resistance of the coating tends to be increased, and the toughness of the substrate on which the coating is formed tends to be increased. It is in. In addition, when the compressive residual stress of the oxide layer is less than 0.1 GPa, the effect of the oxide layer having the compressive residual stress is not recognized, and when the compressive residual stress is greater than 10 GPa, the oxide layer compresses itself. It becomes easy to peel off due to residual stress.

酸化物層の圧縮残留応力は、たとえば、基材上に酸化物層を形成する際に基材にバイアス電圧を印加することなどによって付与することができる。このバイアス電圧を適宜調節することによって、酸化物層の圧縮残留応力の大きさを適宜調節することができる。なお、基材に印加されるバイアス電圧としてはDC電圧でもよいが、20kHz以上、好ましくは40kHz以上の周波数で正負が入れ替わるバイアス電圧であってもよい。   The compressive residual stress of the oxide layer can be applied, for example, by applying a bias voltage to the substrate when forming the oxide layer on the substrate. By appropriately adjusting the bias voltage, the magnitude of the compressive residual stress of the oxide layer can be appropriately adjusted. The bias voltage applied to the substrate may be a DC voltage, but may be a bias voltage in which positive and negative are switched at a frequency of 20 kHz or higher, preferably 40 kHz or higher.

なお、酸化物層の圧縮残留応力は、薄板状の基板の表面上に酸化物層を形成し、酸化物層の圧縮残留応力により発生した基板の反りの曲率半径を測定することによって算出することができる。具体的には、酸化物層の圧縮残留応力は、「薄膜の力学的特性評価技術−トライポロジー・内部応力・密着性」(平成4年3月19日発行、発行所:株式会社 リアライズ社)の228頁の(9)式であるS=Es2/6(1−νs)Rに、測定された上記基板の曲率半径Rを代入してSを求めることによって算出することができる。なお、この式において、Esは上記基板のヤング率を示し、Dは上記基板の厚さを示し、νsは上記基板のポアソン比を示している。 The compressive residual stress of the oxide layer is calculated by forming an oxide layer on the surface of a thin plate-like substrate and measuring the radius of curvature of the substrate warpage caused by the compressive residual stress of the oxide layer. Can do. Specifically, the compressive residual stress of the oxide layer is that of "Thin Film Mechanical Properties Evaluation Technology-Tribology / Internal Stress / Adhesion" (issued March 19, 1992, publisher: Realize Inc.). 228 pp is the (9) formula S = E s D 2/6 (1-ν s) R, can be calculated by determining the S by substituting the radius of curvature R of the measured said substrate. Incidentally, in this equation, E s denotes the Young's modulus of the substrate, D is shown the thickness of the substrate, [nu s represents the Poisson's ratio of the substrate.

また、酸化物層は600℃の環境下において結晶化しないことが好ましい。非晶質Al23などの非晶質材料は、通常、600℃の環境下においては結晶化してしまい、この結晶化によって脆くなってしまう。しかしながら、非晶質Al23にZrを添加した本発明における酸化物層は、その結晶化温度をより高いものとすることができるため、たとえば切削工具による切削環境などの高温環境下であっても結晶化せずに脆くならない酸化物層とすることができる。したがって、酸化物層が600℃の環境下において結晶化しないことは高温環境下における被膜の耐磨耗性の向上に繋がる傾向にある。 Moreover, it is preferable that an oxide layer does not crystallize in an environment of 600 degreeC. Amorphous materials such as amorphous Al 2 O 3 usually crystallize in an environment of 600 ° C. and become brittle due to this crystallization. However, since the oxide layer in the present invention in which Zr is added to amorphous Al 2 O 3 can have a higher crystallization temperature, it can be used under a high temperature environment such as a cutting environment by a cutting tool. Even if it does not crystallize, it can be set as the oxide layer which does not become weak. Therefore, the fact that the oxide layer does not crystallize in an environment of 600 ° C. tends to lead to an improvement in the wear resistance of the coating in a high temperature environment.

(化合物層)
本発明の被膜は、上記の酸化物層以外の層を少なくとも1層含んでいてもよい。上記の酸化物層以外の層としては、Ti、Al、CrおよびSiからなる群から選択された少なくとも1種の金属の窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭酸化物または炭窒酸化物からなる化合物層(以下、「化合物層」と称する)が含まれ得る。
(Compound layer)
The coating of the present invention may contain at least one layer other than the above oxide layer. As the layer other than the oxide layer, at least one metal selected from the group consisting of Ti, Al, Cr and Si is composed of a nitride, carbonitride, nitride oxide, carbonate or carbonitride oxide. A compound layer (hereinafter referred to as “compound layer”).

ここで、炭窒化物とは炭素と窒素とを含む化合物のことであり、窒酸化物とは窒素と酸素とを含む化合物のことであり、炭酸化物とは炭素と酸素とを含む化合物のことであり、炭窒酸化物とは炭素と窒素と酸素とを含む化合物のことである。   Here, carbonitride is a compound containing carbon and nitrogen, nitrogen oxide is a compound containing nitrogen and oxygen, and carbon oxide is a compound containing carbon and oxygen. The carbonitride oxide is a compound containing carbon, nitrogen, and oxygen.

化合物層は、高硬度であって耐熱性および化学的安定性に優れていることから、上記の酸化物層と組み合わせることで、優れた耐磨耗性、耐熱性および化学的安定性を有する被膜を得ることができる場合がある。   Since the compound layer has high hardness and is excellent in heat resistance and chemical stability, it is a film having excellent wear resistance, heat resistance and chemical stability when combined with the above oxide layer. You may be able to get

化合物層としては、たとえばTiAlN層、TiSiN層、AlCrN層、TiAlSiN層、TiAlNO層、AlCrSiCN層、TiCN層、TiSiC層、CrSiN層、AlTiSiCO層またはTiSiCN層などを用いることができる。なお、本明細書において、たとえば「TiAlN層」のように、「層」の左側に記載されている元素の原子数の比が全く記載されていない場合には特に言及がない限りその原子数の比に限定がないことを意味している。すなわち、本明細書において、たとえば「TiAlN層」と記載されている場合には、原子数の比がTi:Al:N=0.5:0.5:1である層に限られず、TizAl1-zN(ただし、0<z<1)の式で表わされる従来から公知のあらゆる層のことを意味しており、これは「TiAlN層」以外の層の記載についても同様である。また、本発明における化合物層において、Ti、Al、SiまたはCrなどの金属元素と、N(窒素)、O(酸素)またはC(炭素)などの非金属元素と、は必ずしも化学量論的組成を構成している必要はない。 As the compound layer, for example, a TiAlN layer, a TiSiN layer, an AlCrN layer, a TiAlSiN layer, a TiAlNO layer, an AlCrSiCN layer, a TiCN layer, a TiSiC layer, a CrSiN layer, an AlTiSiCO layer, or a TiSiCN layer can be used. In the present specification, for example, when the ratio of the number of atoms of the elements described on the left side of the “layer” is not described at all, such as “TiAlN layer”, the number of atoms is not specified unless otherwise specified. It means that there is no limit to the ratio. That is, in this specification, for example, “TiAlN layer” is not limited to a layer in which the atomic ratio is Ti: Al: N = 0.5: 0.5: 1, and Ti z This means any conventionally known layer represented by the formula Al 1-z N (where 0 <z <1), and the same applies to the description of layers other than the “TiAlN layer”. In the compound layer according to the present invention, a metal element such as Ti, Al, Si, or Cr and a non-metal element such as N (nitrogen), O (oxygen), or C (carbon) are not necessarily in a stoichiometric composition. It is not necessary to configure.

ここで、TiAlN層は硬度が非常に高いために、本発明の被膜中にTiAlN層を含めた場合には耐磨耗性に優れる傾向にある。   Here, since the TiAlN layer has a very high hardness, when the TiAlN layer is included in the coating of the present invention, it tends to be excellent in wear resistance.

また、TiSiN層は、高硬度であって耐熱性に優れる上に、非常に微細な組織を有して酸素の透過を抑制するため、本発明の被膜中にTiSiN層を含めた場合には、被膜の耐磨耗性および耐熱性に優れるとともに被膜が形成される基材の酸化を抑制することができる。   In addition, since the TiSiN layer has high hardness and excellent heat resistance, and has a very fine structure and suppresses permeation of oxygen, when the TiSiN layer is included in the coating of the present invention, It is excellent in the abrasion resistance and heat resistance of a film, and can suppress the oxidation of the substrate on which the film is formed.

また、AlCrN層は、高硬度であって、Tiを含まないことからTiAlN層やTiSiN層よりも耐酸化性に優れ、さらに高い耐熱性を有することから、本発明の被膜中にAlCrN層を含めた場合には被膜の耐磨耗性、耐熱性および化学的安定性が向上する傾向にある。また、AlCrN層は、上記の酸化物層との密着性にも優れている。   Moreover, since the AlCrN layer has high hardness and does not contain Ti, it has better oxidation resistance than the TiAlN layer and TiSiN layer and has higher heat resistance, so the AlCrN layer is included in the coating of the present invention. In such a case, the wear resistance, heat resistance and chemical stability of the coating tend to be improved. In addition, the AlCrN layer is excellent in adhesion with the oxide layer.

また、TiAlSiN層は、上記のTiAlN層およびTiSiN層の双方の特性を併せもち、かつその特性がTiAlN層およびTiSiN層のそれぞれよりも優れているために、本発明の被膜中にTiAlSiN層を含めた場合には、被膜の耐磨耗性、耐熱性および化学的安定性がさらに優れる傾向にある。ここで、TiAlSiN層は、Ti1-a-bAlaSibN(0<a<1、0<b<1)の式で表わされる化合物層であり、Siの原子数の比を示すbは、0.01<b<0.3を満たすことが好ましい。なお、ここでも金属元素と非金属元素とは必ずしも化学量論的組成を構成している必要はない。 In addition, since the TiAlSiN layer has the characteristics of both the TiAlN layer and the TiSiN layer, and the characteristics are superior to those of the TiAlN layer and the TiSiN layer, the TiAlSiN layer is included in the coating of the present invention. In this case, the wear resistance, heat resistance and chemical stability of the coating tend to be further improved. Here, TiAlSiN layer is a compound layer of the formula of Ti 1-ab Al a Si b N (0 <a <1,0 <b <1), b showing the atomic ratio of Si, It is preferable to satisfy 0.01 <b <0.3. Here again, the metal element and the non-metal element do not necessarily constitute a stoichiometric composition.

また、化合物層の層厚は、0.05μm以上20μm以下であることが好ましく、特に0.5μm以上10μm以下であることがより好ましい。化合物層の層厚が0.05μm未満である場合には化合物層の形成による耐磨耗性、耐熱性および化学的安定性の向上などの効果が十分でなく、切削工具の寿命を延長する効果を得ることが難しい。また、化合物層の層厚が20μmを超える場合には化合物層が剥離しやすくなる傾向にある。化合物層の層厚が0.05μm以上20μm以下である場合、特に0.5μm以上10μm以下である場合には、たとえば高温環境下などのより厳しい環境下においても被膜が安定した耐磨耗性、耐熱性および化学的安定性を発揮する傾向にある。   The layer thickness of the compound layer is preferably 0.05 μm or more and 20 μm or less, and more preferably 0.5 μm or more and 10 μm or less. When the thickness of the compound layer is less than 0.05 μm, the effect of improving the wear resistance, heat resistance and chemical stability by the formation of the compound layer is not sufficient, and the effect of extending the life of the cutting tool Difficult to get. Further, when the thickness of the compound layer exceeds 20 μm, the compound layer tends to be easily peeled off. When the thickness of the compound layer is 0.05 μm or more and 20 μm or less, particularly when the thickness is 0.5 μm or more and 10 μm or less, the coating film has stable wear resistance even under a severe environment such as a high temperature environment, It tends to exhibit heat resistance and chemical stability.

また、本発明の被膜中に化合物層が2層以上含まれる場合には、各化合物層はそれぞれ同一の組成からなる層であってもよく、それぞれ互いに異なる組成からなる層であってもよく、少なくとも2層の同一の組成の層とそれとは異なる組成の層とが混在していてもよい。   Further, when two or more compound layers are included in the coating of the present invention, each compound layer may be a layer having the same composition, or may be a layer having a different composition from each other, There may be a mixture of at least two layers having the same composition and layers having different compositions.

(切削工具)
本発明の切削工具は、基材と、基材上に被覆された上記の本発明の被膜と、を含む構造を有している。本発明の切削工具としては、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などを挙げることができる。
(Cutting tools)
The cutting tool of the present invention has a structure including a base material and the above-described coating film of the present invention coated on the base material. Examples of the cutting tool of the present invention include drills, end mills, milling or turning cutting tips for turning, metal saws, gear cutting tools, reamers, taps or tips for crankshaft pin milling.

本発明の切削工具に含まれる基材としては、上記のような切削工具の基材として知られる従来から公知のものを特に限定なく用いることができ、たとえば高速度鋼、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などの炭窒化物を添加したものなど)、サーメット(TiC、TiN、TiCNなどを主成分とするものなど)、セラミックス(炭化チタン、炭化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど)焼結体、立方晶窒化硼素焼結体またはダイヤモンド焼結体などを用いることができる。   As the base material included in the cutting tool of the present invention, a conventionally known material known as the base material for the above-described cutting tool can be used without particular limitation, and for example, high speed steel, cemented carbide (for example, WC) Cemented carbide, WC, Co, or further carbonitride such as Ti, Ta, Nb etc.), Cermet (TiC, TiN, TiCN etc.) A sintered body (such as titanium carbide, silicon carbide, boron nitride, aluminum nitride, aluminum oxide), a cubic boron nitride sintered body, a diamond sintered body, or the like can be used.

本発明の切削工具に含まれる基材として超硬合金を用いる場合には、超硬合金の組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相が含まれていてもよい。   When a cemented carbide is used as a base material included in the cutting tool of the present invention, free carbon or an abnormal phase called η phase may be included in the structure of the cemented carbide.

また、本発明の切削工具に含まれる基材はその表面が改質されたものであってもよい。たとえば、本発明の切削工具に含まれる基材として超硬合金を用いる場合には、その表面に脱β層が形成されていてもよく、サーメットを用いる場合にはその表面に表面硬化層が形成されていてもよい。   Further, the base material included in the cutting tool of the present invention may have a modified surface. For example, when a cemented carbide is used as the base material included in the cutting tool of the present invention, a de-β layer may be formed on the surface, and when a cermet is used, a hardened surface layer is formed on the surface. May be.

(被膜の製造方法)
本発明の被膜は、たとえばPVD(Physical Vapor Deposition)法、熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、PCVD(Plasma Chemical Vapor Deposition)法または湿式法などによって形成することができる。なかでも、緻密かつ圧縮残留応力を有する被膜を低温で容易に形成できる観点からは、本発明の被膜の製造方法としてはPVD法を用いることが好ましい。
(Method for producing coating)
The coating of the present invention is formed by, for example, a PVD (Physical Vapor Deposition) method, a thermal CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, a PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition) method, or a wet method. Can do. Among these, from the viewpoint of easily forming a dense and compressive residual stress film at a low temperature, it is preferable to use the PVD method as the method for producing the film of the present invention.

ここで、PVD法としては、たとえば、アーク式イオンプレーティング法、アンバランストマグネトロンスパッタリング法およびデュアルマグネトロンスパッタリング法からなる群から選択された少なくとも1種を用いることができる。   Here, as the PVD method, for example, at least one selected from the group consisting of an arc ion plating method, an unbalanced magnetron sputtering method, and a dual magnetron sputtering method can be used.

(i)アーク式イオンプレーティング法
以下に、アーク式イオンプレーティング法の一例として、アーク式イオンプレーティング法により基材上に上記の化合物層としてのTiAlN層を形成する方法の一例について説明する。
(I) Arc type ion plating method As an example of the arc type ion plating method, an example of a method of forming the TiAlN layer as the above compound layer on the substrate by the arc type ion plating method will be described below. .

まず、装置内に基材を設置し、さらにこの基材と向かい合うようにしてアーク蒸発源としてTi−Al合金からなるターゲット(Ti−Alターゲット)を装置内にセットする。次に、この装置内に窒素を導入して、窒素からなるガス雰囲気を形成する。   First, a base material is installed in the apparatus, and a target (Ti-Al target) made of a Ti—Al alloy is set in the apparatus as an arc evaporation source so as to face the base material. Next, nitrogen is introduced into the apparatus to form a gas atmosphere composed of nitrogen.

そして、上記のTi−Alターゲットに電圧を印加した上でTi−Alターゲットからアーク放電を生じさせる。これにより、Ti−Alターゲットが溶融し、Ti−AlターゲットからTi原子およびAl原子が放出される。Ti−Alターゲットから放出されたTi原子およびAl原子の少なくとも一部は、アーク放電中の電子と衝突してイオンとなる。そして、Ti原子および/またはTiイオン並びにAl原子および/またはAlイオンはそれぞれ基材上に到達し、そこで窒素とともにTiAlN層を構成する。これにより、TiAlN層が基材上に形成される。ここで、アーク式イオンプレーティング法においては、Ti−Alターゲットの組成比と形成条件を適宜調節することによって、Ti、AlおよびNの原子比を適宜設定することが可能である。   And after applying a voltage to said Ti-Al target, arc discharge is produced from a Ti-Al target. Thereby, the Ti—Al target is melted, and Ti atoms and Al atoms are released from the Ti—Al target. At least a part of Ti atoms and Al atoms emitted from the Ti—Al target collide with electrons in the arc discharge to become ions. Then, Ti atoms and / or Ti ions and Al atoms and / or Al ions reach the substrate, respectively, and form a TiAlN layer together with nitrogen. Thereby, a TiAlN layer is formed on the substrate. Here, in the arc type ion plating method, the atomic ratio of Ti, Al, and N can be appropriately set by appropriately adjusting the composition ratio and formation conditions of the Ti—Al target.

このようなアーク式イオンプレーティング法においてはイオン化率が高く、堆積速度も大きいため、高硬度かつ緻密であって耐磨耗性に優れた、Ti、Al、CrおよびSiからなる群から選択された少なくとも1種の金属の窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭酸化物または炭窒酸化物からなる化合物層を低温で形成することができる傾向にある。   In such an arc type ion plating method, since the ionization rate is high and the deposition rate is high, it is selected from the group consisting of Ti, Al, Cr, and Si, which is high in hardness and dense and excellent in wear resistance. In addition, a compound layer composed of at least one metal nitride, carbonitride, nitride oxide, carbonate or carbonitride tends to be formed at a low temperature.

なお、上記においてはアーク式イオンプレーティング法を用いて化合物層を形成する場合について説明したが、本発明においてはアーク式イオンプレーティング法を用いて酸化物層並びに酸化物層および化合物層以外の層を形成してもよいことは言うまでもない。   In the above description, the case where the compound layer is formed using the arc type ion plating method has been described. However, in the present invention, the oxide layer, the oxide layer, and the compound layer other than the compound layer are used using the arc type ion plating method. It goes without saying that layers may be formed.

(ii)アンバランストマグネトロンスパッタリング法
以下に、アンバランストマグネトロンスパッタリング法の一例として、アンバランストマグネトロンスパッタリング法により基材上に上記の酸化物層を形成する方法の一例について説明する。
(Ii) Unbalanced Magnetron Sputtering Method Hereinafter, as an example of the unbalanced magnetron sputtering method, an example of a method for forming the oxide layer on the substrate by the unbalanced magnetron sputtering method will be described.

まず、磁石を備えた1つのマグネトロン電極が設置された装置内に、そのマグネトロン電極と向かい合うようにして基材をセットするとともに、上記のマグネトロン電極にAl−Zr合金からなるターゲット(Al−Zrターゲット)をセットする。   First, in the apparatus in which one magnetron electrode provided with a magnet is installed, a base material is set so as to face the magnetron electrode, and a target made of an Al—Zr alloy (Al—Zr target) is placed on the magnetron electrode. ) Is set.

次に、この装置内に、たとえば、アルゴン、キセノン、クリプトンまたはヘリウムなどの希ガスと酸素とを含むガスを導入する。そして、上記のマグネトロン電極にパルス状DC電圧を印加して上記の希ガスと酸素ガスのプラズマを発生させる。このプラズマの発生により生じた希ガスイオンがAl−Zrターゲットに衝突してAl原子およびZr原子がそれぞれAl−Zrターゲットから放出される。   Next, a gas containing oxygen and a rare gas such as argon, xenon, krypton, or helium is introduced into the apparatus. A pulsed DC voltage is applied to the magnetron electrode to generate the rare gas and oxygen gas plasma. The rare gas ions generated by the generation of this plasma collide with the Al—Zr target, and Al atoms and Zr atoms are released from the Al—Zr target, respectively.

ここで、アンバランストマグネトロンスパッタリング法においては、マグネトロン電極により発生する磁場は非平衡となっているため、マグネトロン電極により発生する磁場が平衡となっているバランストマグネトロンスパッタリング法と比べて、プラズマを基材近傍の範囲にまで広げることができる。   Here, in the unbalanced magnetron sputtering method, since the magnetic field generated by the magnetron electrode is unbalanced, the plasma is generated compared to the balanced magnetron sputtering method in which the magnetic field generated by the magnetron electrode is balanced. The range can be expanded to the vicinity of the substrate.

そして、Al原子および/またはAlイオン並びにZr原子および/またはZrイオンはそれぞれ基材上に到達し、そこで酸素とともに上記の酸化物層を形成する。これにより、酸化物層が基材上に形成される。ここで、Al−Zrターゲットの組成比とアンバランストマグネトロンスパッタリング法の条件を適宜調節することによって、Al、ZrおよびOをそれぞれ上記の式(1)で表わされる組成とすることが可能である。   Then, Al atoms and / or Al ions and Zr atoms and / or Zr ions respectively reach the substrate, and form the oxide layer together with oxygen there. Thereby, an oxide layer is formed on the substrate. Here, by appropriately adjusting the composition ratio of the Al—Zr target and the conditions of the unbalanced magnetron sputtering method, it is possible to make Al, Zr and O each have a composition represented by the above formula (1). .

このようなアンバランストマグネトロンスパッタリング法において、基材に負のバイアス電圧を印加した場合には、基材とAlイオンおよびZrイオンとの間に働く引力を利用して酸化物層を形成することができるため、低い基材温度で酸化物層を形成することができるとともに、高硬度で緻密な酸化物層を形成することができる。   In such an unbalanced magnetron sputtering method, when a negative bias voltage is applied to the substrate, an oxide layer is formed by using an attractive force acting between the substrate and Al ions and Zr ions. Therefore, the oxide layer can be formed at a low substrate temperature, and a dense oxide layer with high hardness can be formed.

なお、アンバランストマグネトロンスパッタリング法においては、ターゲットに印加する電圧の極性を10kHz以上1MHz以下の周波数で交互に変化させながら酸化物層を形成した場合には、より緻密な酸化物層を効率的に形成することができる点で好ましい。また、上記の周波数は、20kHz以上であることがより好ましく、40kHz以上であることがさらに好ましく、また、500kHz以下であることがより好ましい。   In the unbalanced magnetron sputtering method, when the oxide layer is formed while alternately changing the polarity of the voltage applied to the target at a frequency of 10 kHz or more and 1 MHz or less, a denser oxide layer is efficiently formed. It is preferable in that it can be formed. The frequency is more preferably 20 kHz or more, further preferably 40 kHz or more, and more preferably 500 kHz or less.

(iii)デュアルマグネトロンスパッタリング法
以下に、デュアルマグネトロンスパッタリング法の一例として、デュアルマグネトロンスパッタリング法により基材上に上記の酸化物層を形成する方法の一例を説明する。
(Iii) Dual Magnetron Sputtering Method Hereinafter, as an example of the dual magnetron sputtering method, an example of a method for forming the oxide layer on the substrate by the dual magnetron sputtering method will be described.

まず、装置内に設置された1対のマグネトロン電極の一方のマグネトロン電極にはAlからなるターゲット(Alターゲット)をセットし、他方のマグネトロン電極にはZrからなるターゲット(Zrターゲット)をセットする。ここで、マグネトロン電極はそれぞれ基材と向かい合うようにして設置されており、これらのマグネトロン電極は1台のバイポーラ電源に接続されている。なお、それぞれのマグネトロン電極には磁石が備えられている。   First, a target made of Al (Al target) is set on one magnetron electrode of a pair of magnetron electrodes installed in the apparatus, and a target made of Zr (Zr target) is set on the other magnetron electrode. Here, the magnetron electrodes are respectively installed so as to face the base material, and these magnetron electrodes are connected to one bipolar power source. Each magnetron electrode is provided with a magnet.

次に、この装置内に、たとえば、アルゴン、キセノン、クリプトンまたはヘリウムなどの希ガスと酸素とを含むガスを導入する。そして、上記の一対のマグネトロン電極間にパルス状DC電圧を印加して上記の希ガスと酸素ガスのプラズマを発生させる。このプラズマの発生により生じた希ガスイオンが上記のターゲットに衝突してAl原子およびZr原子がそれぞれターゲットから放出される。ここで、1対のマグネトロン電極は交互に陽極と陰極とが入れ替わるために、希ガスイオンのAlターゲットへの衝突とZrターゲットへの衝突とが交互に行なわれることになる。   Next, a gas containing oxygen and a rare gas such as argon, xenon, krypton, or helium is introduced into the apparatus. A pulsed DC voltage is applied between the pair of magnetron electrodes to generate the rare gas and oxygen gas plasma. The rare gas ions generated by the generation of the plasma collide with the target, and Al atoms and Zr atoms are emitted from the target, respectively. Here, since the anode and the cathode are alternately switched in the pair of magnetron electrodes, the collision of the rare gas ions with the Al target and the collision with the Zr target are alternately performed.

そして、希ガスイオンの衝突によってターゲットから放出したAl原子およびZr原子はそれぞれその少なくとも一部がイオンとなって基材上に到達し、そこで酸素とともに酸化物層を形成する。これにより、酸化物層が基材上に形成される。ここで、デュアルマグネトロンスパッタリング法の条件を適宜調節することによって、Al、ZrおよびOをそれぞれ上記の式(1)で表わされる組成とすることが可能である。   And at least a part of each of Al atoms and Zr atoms released from the target by collision of rare gas ions reaches the substrate as ions, and forms an oxide layer together with oxygen there. Thereby, an oxide layer is formed on the substrate. Here, by appropriately adjusting the conditions of the dual magnetron sputtering method, it is possible to make Al, Zr and O each have a composition represented by the above formula (1).

なお、デュアルマグネトロンスパッタリング法においては、Alターゲットの電圧および/または電力とZrターゲットの電圧および/または電力とをある程度独立に制御することができ、AlターゲットとZrターゲットについてそれぞれ最適な条件でのスパッタリングが可能となるため、AlとZrとが均一に分散した酸化物層の形成が可能となる。このようなAlとZrとが均一に分散した酸化物層は高温環境下においても非晶質構造を安定して保持することができる。   Note that in the dual magnetron sputtering method, the voltage and / or power of the Al target and the voltage and / or power of the Zr target can be controlled to some extent independently, and sputtering is performed under optimum conditions for the Al target and the Zr target. Therefore, an oxide layer in which Al and Zr are uniformly dispersed can be formed. Such an oxide layer in which Al and Zr are uniformly dispersed can stably maintain an amorphous structure even in a high temperature environment.

また、デュアルマグネトロンスパッタリング法においては、Alターゲットがセットされたマグネトロン電極とZrターゲットがセットされたマグネトロン電極との間に強い放電が生じるために、低い基材温度で、緻密かつ表面が平滑な酸化物層の形成が可能となる。   In the dual magnetron sputtering method, strong discharge occurs between the magnetron electrode on which the Al target is set and the magnetron electrode on which the Zr target is set. Therefore, the oxidation is smooth and smooth at a low substrate temperature. A physical layer can be formed.

ここで、Alターゲットがセットされたマグネトロン電極とZrターゲットがセットされたマグネトロン電極において、陽極と陰極とを交互に切り替える周波数は20kHz以上であることが好ましく、40kHz以上であることがより好ましい。また、この周波数は1MHz以下であることが好ましく、500kHz以下であることがより好ましい。   Here, in the magnetron electrode on which the Al target is set and the magnetron electrode on which the Zr target is set, the frequency for alternately switching between the anode and the cathode is preferably 20 kHz or more, and more preferably 40 kHz or more. The frequency is preferably 1 MHz or less, and more preferably 500 kHz or less.

上記の周波数が20kHz未満である場合にはターゲットの表面に形成された酸化物層により異常放電が発生し、基材上に酸化物層を安定して形成することができないことがある。また、上記の周波数が40kHz以上である場合にはターゲットの表面の汚れや傷に起因するような小さな異常放電までも抑制できる傾向にあり、より高品質の酸化物層を効率良く形成することができる傾向にある。   When the frequency is less than 20 kHz, abnormal discharge may occur due to the oxide layer formed on the surface of the target, and the oxide layer may not be stably formed on the substrate. In addition, when the above frequency is 40 kHz or more, there is a tendency to suppress even a small abnormal discharge caused by dirt or scratches on the surface of the target, and it is possible to efficiently form a higher quality oxide layer. It tends to be possible.

また、上記の周波数が1MHzよりも大きい場合には高周波対策などが必要となる観点から装置のコストが上昇する傾向ある。装置のコストの上昇を抑制する観点からは上記の周波数は500kHz以下であることが好ましい。   Further, when the above frequency is higher than 1 MHz, the cost of the apparatus tends to increase from the viewpoint that high frequency countermeasures are required. From the viewpoint of suppressing an increase in cost of the apparatus, the frequency is preferably 500 kHz or less.

また、デュアルマグネトロンスパッタリング法においては、1対のマグネトロン電極間に発生したプラズマを基材近傍の範囲にまで到達させることができる。これにより、基材近傍のプラズマ密度を向上させることができることから、より効率的な酸化物層の形成が可能となる。   Further, in the dual magnetron sputtering method, plasma generated between a pair of magnetron electrodes can reach a range near the substrate. Thereby, since the plasma density in the vicinity of the substrate can be improved, a more efficient oxide layer can be formed.

なお、アンバランストマグネトロンスパッタリング法およびデュアルマグネトロンスパッタリング法においては、基材に印加するパルス状DC電圧の極性を10kHz以上1MHz以下の周波数で交互に変化させながら酸化物層を形成した場合には、より低い基材温度でより緻密な酸化物層を効率的に形成することができる点で好ましい。   In the unbalanced magnetron sputtering method and the dual magnetron sputtering method, when the oxide layer is formed while alternately changing the polarity of the pulsed DC voltage applied to the substrate at a frequency of 10 kHz to 1 MHz, This is preferable in that a denser oxide layer can be efficiently formed at a lower substrate temperature.

また、上記において、アンバランストマグネトロンスパッタリング法およびデュアルマグネトロンスパッタリング法については酸化物層を形成する場合について説明したが、本発明においては、アンバランストマグネトロンスパッタリング法またはデュアルマグネトロンスパッタリング法によって上記の化合物層並びに化合物層および酸化物層以外の層を形成してもよいことは言うまでもない。   In the above description, the unbalanced magnetron sputtering method and the dual magnetron sputtering method have been described with respect to the case where an oxide layer is formed. In the present invention, the above-described compound is formed by the unbalanced magnetron sputtering method or the dual magnetron sputtering method. It goes without saying that layers other than the layer and the compound layer and the oxide layer may be formed.

また、上記においては、アーク式イオンプレーティング法、アンバランストマグネトロンスパッタリング法またはデュアルマグネトロンスパッタリング法を用いる場合のそれぞれの一例について説明したが、本発明の被膜の形成においては上記以外の方法を用いてもよいことは言うまでもない。   Moreover, in the above, each example in the case of using the arc type ion plating method, the unbalanced magnetron sputtering method or the dual magnetron sputtering method has been described, but in the formation of the film of the present invention, a method other than the above is used. Needless to say.

なお、本発明の被膜の製造方法においては、たとえば上記の酸化物層が2層以上含まれる場合には、それぞれの酸化物層の形成方法は同一であってもよく、同一でなくてもよい。また、本発明の被膜の製造方法において、たとえば上記の化合物層が2層以上含まれる場合も同様に、それぞれの化合物層の形成方法は同一であってもよく、同一でなくてもよい。   In the method for producing a coating film of the present invention, for example, when two or more oxide layers are included, the method for forming each oxide layer may or may not be the same. . Further, in the method for producing a coating film of the present invention, for example, when two or more compound layers are included, the method for forming each compound layer may or may not be the same.

(試料No.1〜8)
組成がJIS規格P30であり、形状がJIS規格SNG432である超硬合金製切削チップを基材として用い、その基材上に、図1にその概略を示した装置を用いアーク式イオンプレーティング法およびデュアルマグネトロンスパッタリング法により表1の試料No.1〜8の欄にそれぞれ記載された構成の被膜を形成して切削工具を作製した。以下、試料No.1〜8の切削工具の被膜の形成方法について具体的に説明する。
(Sample No. 1-8)
A cemented carbide cutting tip having a composition of JIS standard P30 and a shape of JIS standard SNG432 is used as a base material, and an arc ion plating method using the apparatus schematically shown in FIG. And Sample No. in Table 1 by the dual magnetron sputtering method. A coating tool having a structure described in each of columns 1 to 8 was formed to produce a cutting tool. Hereinafter, sample No. A method for forming the coating film of the cutting tools 1 to 8 will be specifically described.

まず、図1に示した装置1には、第1アーク蒸発源13および第2アーク蒸発源14という2つのアーク蒸発源がセットされているとともに、第1デュアルマグネトロンスパッタ源11および第2デュアルマグネトロンスパッタ源12という2つのデュアルマグネトロンスパッタ源がセットされている。そして、第1アーク蒸発源13、第2アーク蒸発源14、第1デュアルマグネトロンスパッタ源11および第2デュアルマグネトロンスパッタ源12の中心点を中心として回転する回転保持具8に上記の基材10をセットした。なお、装置1は、ヒータ16も備えている。   First, in the apparatus 1 shown in FIG. 1, two arc evaporation sources, a first arc evaporation source 13 and a second arc evaporation source 14, are set, and a first dual magnetron sputtering source 11 and a second dual magnetron are set. Two dual magnetron sputtering sources, called a sputtering source 12, are set. Then, the base material 10 is placed on the rotating holder 8 that rotates around the center points of the first arc evaporation source 13, the second arc evaporation source 14, the first dual magnetron sputtering source 11, and the second dual magnetron sputtering source 12. I set it. The device 1 also includes a heater 16.

ここで、第1アーク蒸発源13としてTiターゲットをセットし、第2アーク蒸発源14としてTi(80原子%)−Si(20原子%)ターゲットをセットした。また、第1デュアルマグネトロンスパッタ源11として、1対のマグネトロン電極の一方にはAlターゲットをセットし、他方にはZrターゲットをセットした。また、第2デュアルマグネトロンスパッタ源12として、1対のマグネトロン電極の一方にはAlターゲットをセットし、他方にZrターゲットをセットした。   Here, a Ti target was set as the first arc evaporation source 13, and a Ti (80 atomic%)-Si (20 atomic%) target was set as the second arc evaporation source 14. As the first dual magnetron sputtering source 11, an Al target was set on one of a pair of magnetron electrodes, and a Zr target was set on the other. Further, as the second dual magnetron sputtering source 12, an Al target was set on one of a pair of magnetron electrodes, and a Zr target was set on the other.

そして、装置1内の真空度を7×10-4Pa以下に真空引きした後にアルゴンをガス導入口15から導入し、その真空度を3Paに維持しながら基材10を650℃まで加熱し1時間保持した。 Then, after the vacuum in the apparatus 1 is evacuated to 7 × 10 −4 Pa or less, argon is introduced from the gas inlet 15 and the base material 10 is heated to 650 ° C. while maintaining the vacuum at 3 Pa. Held for hours.

その後、基材10に−1000Vの電圧をかけてアルゴン中でグロー放電を発生させることにより、アルゴンイオンによる基材10の表面のクリーニング処理を行なった。そして、上記クリーニング処理後に装置1からアルゴンを排気した。   Then, the surface of the base material 10 was cleaned by argon ions by applying a voltage of −1000 V to the base material 10 to generate glow discharge in argon. Then, argon was exhausted from the apparatus 1 after the cleaning process.

次に、窒素をガス導入口15から装置1内に導入した後、基材10に−200Vの電圧を印加した状態で第2アーク蒸発源14を100Aの放電電流で放電させることによって、アーク式イオンプレーティング法により基材10の表面上にTi0.8Si0.2N層(表1の試料No.1〜8の第1層)を形成した。そして、Ti0.8Si0.2N層の形成後は、装置1内のガスを排気した。 Next, after introducing nitrogen into the apparatus 1 from the gas inlet 15, the second arc evaporation source 14 is discharged with a discharge current of 100 A while applying a voltage of −200 V to the base material 10, thereby generating an arc type. A Ti 0.8 Si 0.2 N layer (the first layer of sample Nos. 1 to 8 in Table 1) was formed on the surface of the substrate 10 by ion plating. Then, after the formation of the Ti 0.8 Si 0.2 N layer, the gas in the apparatus 1 was exhausted.

続いて、アルゴンおよび酸素をガス導入口15から装置1内に導入し、真空度を1Paに維持しながら、第1デュアルマグネトロンスパッタ源11の1対のマグネトロン電極間および第2デュアルマグネトロンスパッタ源12の1対のマグネトロン電極間のそれぞれに陽極と陰極とを交互に切り替える周波数が40kHzである電圧を印加して放電させ、基材10に100kHzの周波数で+15Vから−200Vに切り替わるパルス状DC電圧を印加することによって、デュアルマグネトロンスパッタリング法により、(Al1-xZrx23(1+y)の式で表わされる酸化物層(表1の試料No.1〜8の第2層)を形成した。ここでは、基材10に印加するパルス状DC電圧の負の電圧値を調節することによって酸化物層に発生する圧縮残留応力を表1に示す値となるように調節した。そして、上記の酸化物層の形成後は、装置1内のガスを排気した。 Subsequently, argon and oxygen are introduced into the apparatus 1 from the gas inlet 15 and the degree of vacuum is maintained at 1 Pa, while the pair of magnetron electrodes of the first dual magnetron sputtering source 11 and the second dual magnetron sputtering source 12 are connected. A voltage having a frequency of 40 kHz alternately switching between the anode and the cathode is applied to each of the pair of magnetron electrodes and discharged, and a pulsed DC voltage that switches from +15 V to −200 V at a frequency of 100 kHz is applied to the substrate 10. When applied, an oxide layer represented by the formula of (Al 1-x Zr x ) 2 O 3 (1 + y) by the dual magnetron sputtering method (second layer of sample Nos. 1 to 8 in Table 1) Formed. Here, by adjusting the negative voltage value of the pulsed DC voltage applied to the substrate 10, the compressive residual stress generated in the oxide layer was adjusted to the value shown in Table 1. And after formation of said oxide layer, the gas in the apparatus 1 was exhausted.

次に、メタンおよび窒素をガス導入口15から装置1内に導入した後に、第1アーク蒸発源13を100Aの放電電流で放電させることによって、アーク式イオンプレーティング法により基材10の表面上にTiC0.20.8層(表1の試料No.1〜8の第3層)を形成した。 Next, after introducing methane and nitrogen into the apparatus 1 from the gas inlet 15, the first arc evaporation source 13 is discharged with a discharge current of 100 A, so that the surface of the substrate 10 is formed by the arc ion plating method. A TiC 0.2 N 0.8 layer (a third layer of sample Nos. 1 to 8 in Table 1) was formed.

これにより、表1に示す第1層、第2層および第3層が基材10の表面上に形成された試料No.1〜8の切削工具が得られた。   Thereby, the sample No. 1 in which the first layer, the second layer, and the third layer shown in Table 1 were formed on the surface of the substrate 10 was obtained. 1 to 8 cutting tools were obtained.

また、試料No.1〜8の切削工具の被膜の形成において、表1に示す第1層および第3層は試料No.1〜8についてすべて同一の条件で形成されたが、表1に示す第2層については試料No.1についてはZrターゲットをセットすることなく形成され、試料No.2〜8については形成条件、特に、AlターゲットおよびZrターゲットのそれぞれに印加される電力を適宜変更して形成された。たとえば、試料No.2の切削工具の酸化物層は、Alターゲットに印加される電力を3kW、Zrターゲットに印加される電力を500Wとし、基材温度が650℃の条件で形成された。   Sample No. In forming the coating film of the cutting tools 1 to 8, the first layer and the third layer shown in Table 1 are sample Nos. 1 to 8 were formed under the same conditions, but the second layer shown in Table 1 was sample No. No. 1 was formed without setting a Zr target. About 2-8, it formed by changing suitably the formation conditions, especially the electric power applied to each of an Al target and a Zr target. For example, sample No. The oxide layer of the cutting tool No. 2 was formed under conditions where the power applied to the Al target was 3 kW, the power applied to the Zr target was 500 W, and the substrate temperature was 650 ° C.

Figure 2008290163
Figure 2008290163

なお、表1における第2層の結晶構造の欄の「γ」はγ相の結晶構造であることを意味し、「amo」は非晶質であることを意味し、「amo+ZrO2」は非晶質相とともにZrO2相が出現したことを意味している。 In Table 1, “γ” in the column of the crystal structure of the second layer means a crystal structure of the γ phase, “amo” means amorphous, and “amo + ZrO 2 ” means non- It means that the ZrO 2 phase appeared together with the crystalline phase.

また、表1における第2層の結晶構造はX線回折装置を用いて、X線の入射角を所定の角度に固定した薄膜法によりX線回折パターンを得て同定した。   The crystal structure of the second layer in Table 1 was identified by using an X-ray diffractometer to obtain an X-ray diffraction pattern by a thin film method with an X-ray incident angle fixed at a predetermined angle.

また、表1における応力の欄の「−」は層に圧縮残留応力が生じていることを意味し、「−」の右に位置する数値は層の圧縮残留応力の大きさを表わしている。   Further, “−” in the stress column in Table 1 means that compressive residual stress is generated in the layer, and the numerical value located to the right of “−” indicates the magnitude of the compressive residual stress of the layer.

また、表1における試料No.1〜21の第2層の「x」および「y」の数値はそれぞれ、試料No.1〜21の第2層のぞれぞれと同条件で形成した単層の酸化物層についてラザフォード後方散乱法(RBS法)を用いて測定することにより求められた値である。   Sample No. 1 in Table 1 The numerical values of “x” and “y” of the second layer of Nos. 1 to 21 are the sample Nos. It is the value calculated | required by measuring using the Rutherford backscattering method (RBS method) about the oxide layer of the single layer formed on the same conditions as each of the 2nd layer of 1-21.

また、試料No.1(比較例)の酸化物層と同一の組成および同一の結晶構造を有する単層の酸化物層を測定用試料(以下、「第1測定用試料」という)として基材上に別途作製した。また、試料No.4(実施例)の酸化物層と同一の組成および同一の結晶構造を有する単層の酸化物層についても測定用試料(以下、「第2測定用試料」という)として基材上に別途作製した。そして、第1測定用試料および第2測定用試料の結晶性についてX線回折法により評価した。図2に第1測定用試料のX線回折パターンを示し、図3に第2測定用試料のX線回折パターンを示す。   Sample No. A single oxide layer having the same composition and the same crystal structure as the oxide layer 1 (Comparative Example) was separately prepared on a substrate as a measurement sample (hereinafter referred to as “first measurement sample”). . Sample No. A single oxide layer having the same composition and the same crystal structure as the oxide layer of Example 4 (Example) is also separately prepared on a substrate as a measurement sample (hereinafter referred to as “second measurement sample”). did. Then, the crystallinity of the first measurement sample and the second measurement sample was evaluated by an X-ray diffraction method. FIG. 2 shows an X-ray diffraction pattern of the first measurement sample, and FIG. 3 shows an X-ray diffraction pattern of the second measurement sample.

図2および図3のX線回折パターンを比較すればわかるように、Zrを含まない第1測定用試料にはγ−Al23構造を示すX線回折ピークが見られた。また、第2測定用試料にはX線回折ピークが見られないために第2測定用試料は非晶質であることが確認された。さらに、第2測定用試料を大気雰囲気において600℃で1時間熱処理を行なった後、再度、上記と同様にしてX線回折を行なったが、X線回折ピークは見られず、非晶質構造が維持されたことが確認された。 As can be seen by comparing the X-ray diffraction patterns of FIGS. 2 and 3, an X-ray diffraction peak showing a γ-Al 2 O 3 structure was observed in the first measurement sample not containing Zr. Further, since no X-ray diffraction peak was observed in the second measurement sample, it was confirmed that the second measurement sample was amorphous. Further, after the second measurement sample was heat-treated at 600 ° C. for 1 hour in an air atmosphere, X-ray diffraction was performed again in the same manner as described above, but no X-ray diffraction peak was observed, and an amorphous structure was observed. Was confirmed to be maintained.

(試料No.9〜15)
表1に示す試料No.9〜15の被膜については各蒸発源としてセットするターゲットと装置1内に導入されるガス(導入ガス)を下記のものとし、第3層の形成時に導入されるメタンと窒素の体積比を変更したこと以外は、試料No.2〜7と同様に形成して試料No.9〜15の切削工具を得た。
(Sample Nos. 9 to 15)
Sample No. shown in Table 1 For the films 9 to 15, the target set as each evaporation source and the gas (introduction gas) introduced into the apparatus 1 are as follows, and the volume ratio of methane and nitrogen introduced at the time of forming the third layer is changed. Except for the above, sample no. Samples Nos. 2 to 7 were formed in the same manner. 9-15 cutting tools were obtained.

なお、第1デュアルマグネトロンスパッタ源11および第2デュアルマグネトロンスパッタ源12としてはそれぞれ試料No.2〜7と同様にAlターゲットおよびZrターゲットがセットされ、試料No.9〜15の第2層についてはその層厚を適宜変更して形成を行なった。
第1アーク蒸発源13:Tiターゲット
第2アーク蒸発源14:Ti(50原子%)−Al(50原子%)ターゲット
導入ガス:窒素/酸素(第1層)、酸素/アルゴン(第2層)、窒素/メタン(第3層)
(試料No.16〜21)
表1に示す試料No.16〜21の被膜については各蒸発源としてセットするターゲットと導入ガスを下記のものとしたこと以外は、試料No.2〜7と同様にして基材上に形成して試料No.16〜21の切削工具を得た。
The first dual magnetron sputtering source 11 and the second dual magnetron sputtering source 12 are sample Nos. 2-7, an Al target and a Zr target were set, and sample No. The second layers 9 to 15 were formed by appropriately changing the layer thickness.
First arc evaporation source 13: Ti target Second arc evaporation source 14: Ti (50 atomic%)-Al (50 atomic%) Target introduction gas: nitrogen / oxygen (first layer), oxygen / argon (second layer) , Nitrogen / Methane (3rd layer)
(Sample Nos. 16-21)
Sample No. shown in Table 1 Samples Nos. 16 to 21 except that the target to be set as each evaporation source and the introduced gas were as follows. Sample No. 2 was formed on the substrate in the same manner as in Nos. 2-7. 16-21 cutting tools were obtained.

なお、第1デュアルマグネトロンスパッタ源11および第2デュアルマグネトロンスパッタ源12としてはそれぞれ試料No.2〜7と同様にAlターゲットおよびZrターゲットがセットされ、試料No.16〜21の第2層については基材10に印加するパルス状DC電圧を適宜変更することによって第2層の圧縮残留応力を適宜変更して形成を行なった。
第1アーク蒸発源13:Ti(95原子%)−Si(5原子%)ターゲット
第2アーク蒸発源14:Al(50原子%)−Cr(40原子%)−Si(10原子%)ターゲット
導入ガス:窒素/メタン(第1層)、酸素/アルゴン(第2層)、メタン(第3層)
(試料No.22)
従来の熱CVD法を用いて、表1に示す第1層、第2層および第3層が基材10の表面上に形成された試料No.22の切削工具を得た。
The first dual magnetron sputtering source 11 and the second dual magnetron sputtering source 12 are sample Nos. 2-7, an Al target and a Zr target were set, and sample No. The second layers 16 to 21 were formed by appropriately changing the compressive residual stress of the second layer by appropriately changing the pulsed DC voltage applied to the substrate 10.
First arc evaporation source 13: Ti (95 atom%)-Si (5 atom%) target Second arc evaporation source 14: Al (50 atom%)-Cr (40 atom%)-Si (10 atom%) target introduced Gas: nitrogen / methane (first layer), oxygen / argon (second layer), methane (third layer)
(Sample No. 22)
Sample No. 1 in which the first layer, the second layer, and the third layer shown in Table 1 were formed on the surface of the substrate 10 using a conventional thermal CVD method. 22 cutting tools were obtained.

(試料No.23)
図1に示す第1アーク蒸発源13としてTi(50原子%)−Al(50原子%)ターゲットをセットし、第2アーク蒸発源14としてTiターゲットをセットした。また、第1デュアルマグネトロンスパッタ源11および第2デュアルマグネトロンスパッタ源12としては何もセットしなかった。
(Sample No. 23)
A Ti (50 atomic%)-Al (50 atomic%) target was set as the first arc evaporation source 13 shown in FIG. 1, and a Ti target was set as the second arc evaporation source 14. In addition, nothing was set as the first dual magnetron sputtering source 11 and the second dual magnetron sputtering source 12.

そして、装置1内の真空度を7×10-4Pa以下に真空引きした後にアルゴンをガス導入口15から導入し、その真空度を3Paに維持しながら基材10を650℃まで加熱し1時間保持した。 Then, after the vacuum in the apparatus 1 is evacuated to 7 × 10 −4 Pa or less, argon is introduced from the gas inlet 15 and the base material 10 is heated to 650 ° C. while maintaining the vacuum at 3 Pa. Held for hours.

その後、基材10に−1000Vの電圧をかけてアルゴン中でグロー放電を発生させることにより、アルゴンイオンによる基材10の表面のクリーニング処理を行なった。そして、上記クリーニング処理後に装置1からアルゴンを排気した。   Then, the surface of the base material 10 was cleaned by argon ions by applying a voltage of −1000 V to the base material 10 to generate glow discharge in argon. Then, argon was exhausted from the apparatus 1 after the cleaning process.

次に、窒素をガス導入口15から装置1内に導入した後、基材10に−200Vの電圧を印加した状態で第2アーク蒸発源14を放電させることによって、アーク式イオンプレーティング法により基材10の表面上にTiN層(表1の試料No.23の第1層)を形成した。   Next, after nitrogen is introduced into the apparatus 1 from the gas inlet 15, the second arc evaporation source 14 is discharged in a state where a voltage of −200 V is applied to the base material 10, whereby an arc ion plating method is used. A TiN layer (first layer of sample No. 23 in Table 1) was formed on the surface of the substrate 10.

その後、基材10に−200Vの電圧を印加した状態で第1アーク蒸発源13を放電させることによって、アーク式イオンプレーティング法により基材10の表面上にTi0.5Al0.5N層(表1の試料No.23の第2層)を形成した。そして、Ti0.5Al0.5N層の形成後は、装置1内のガスを排気した。 Thereafter, the first arc evaporation source 13 is discharged in a state where a voltage of −200 V is applied to the base material 10, whereby a Ti 0.5 Al 0.5 N layer (Table 1) is formed on the surface of the base material 10 by an arc ion plating method. Sample No. 23 of the second layer) was formed. Then, after the Ti 0.5 Al 0.5 N layer was formed, the gas in the apparatus 1 was exhausted.

これにより、表1に示す第1層および第2層が基材10の表面上に形成された試料No.23の切削工具が得られた。   Thereby, the sample No. 1 in which the first layer and the second layer shown in Table 1 were formed on the surface of the substrate 10. 23 cutting tools were obtained.

(評価)
表1に示す試料No.1〜23の切削工具を用いて、図4の模式的拡大側面図に示すように切削工具2の角を被削材3に接触させた後に被削材3を回転させることによって、表2に示す切削条件で被削材3を連続切削(連続切削試験)および断続切削(断続切削試験)することにより、切削工具2の逃げ面4の磨耗幅を測定した。その結果を表3に示す。表3に示す逃げ面磨耗幅の値が小さいほど切削工具の被膜の耐磨耗性が優れていることを示す。
(Evaluation)
Sample No. shown in Table 1 By using the cutting tools 1 to 23 and rotating the work material 3 after bringing the corners of the cutting tool 2 into contact with the work material 3 as shown in the schematic enlarged side view of FIG. The wear width of the flank 4 of the cutting tool 2 was measured by subjecting the work material 3 to continuous cutting (continuous cutting test) and intermittent cutting (intermittent cutting test) under the cutting conditions shown. The results are shown in Table 3. The smaller the value of the flank wear width shown in Table 3, the better the wear resistance of the coating film of the cutting tool.

Figure 2008290163
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Figure 2008290163
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表3から明らかなように、上記の式(1)で表わされる組成を有し非晶質の酸化物層を第2層に有する試料No.2〜7および試料No.9〜21の切削工具の連続切削試験および断続切削試験における逃げ面磨耗幅は、その酸化物層を第2層に有しない試料No.1、8、22および23の切削工具の逃げ面磨耗幅よりも小さいため、切削環境が高温環境下であることを考慮すると、試料No.2〜7および試料No.9〜21の切削工具の被膜の高温環境下における耐磨耗性は優れていることがわかった。   As is apparent from Table 3, sample No. 1 having the composition represented by the above formula (1) and an amorphous oxide layer in the second layer. 2-7 and sample no. The flank wear width in the continuous cutting test and the intermittent cutting test of the cutting tools 9 to 21 is the same as in Sample No. having no oxide layer in the second layer. Since it is smaller than the flank wear width of the cutting tools 1, 8, 22 and 23, considering that the cutting environment is a high temperature environment, the sample No. 2-7 and sample no. It turned out that the abrasion resistance in the high temperature environment of the film of the cutting tool of 9-21 is excellent.

特に、試料No.22の切削工具は断続切削試験において欠損し、試料No.23の切削工具は連続切削試験において被膜の剥離が見られた。   In particular, sample no. The cutting tool No. 22 was defective in the intermittent cutting test. In the 23 cutting tools, peeling of the film was observed in the continuous cutting test.

また、上記の連続切削試験後および断続切削試験後に、試料No.2〜7および試料No.9〜21の切削工具の耐溶着性についても評価したところ、試料No.2〜7および試料No.9〜21の切削工具の最表面には被削材が付着していないことが確認されたため、試料No.2〜7および試料No.9〜21の切削工具の被膜は高温環境下における耐溶着性にも優れていることが確認された。   In addition, after the above continuous cutting test and the intermittent cutting test, the sample No. 2-7 and sample no. When the welding resistance of the cutting tools 9 to 21 was also evaluated, Sample No. 2-7 and sample no. Since it was confirmed that the work material did not adhere to the outermost surface of the cutting tools Nos. 9 to 21, Sample No. 2-7 and sample no. It was confirmed that the coatings of cutting tools 9 to 21 were excellent in welding resistance in a high temperature environment.

(試料No.24)
試料No.1〜23で用いた基材に代えて、基材の形状をSNGN120408(JIS−B−4121)とし、基材の材質をサーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体とする、表5に示す2種の基材を用意した。
(Sample No. 24)
Sample No. 2 types shown in Table 5 in which the shape of the base material is SNGN120408 (JIS-B-4121) and the base material is cermet and cubic boron nitride sintered body instead of the base material used in 1 to 23 A base material was prepared.

そして、サーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体を材質とするそれぞれの基材上に、図1に示す装置を用いアーク式イオンプレーティング法およびアンバランストマグネトロンスパッタリング法により表4の試料No.24の欄に記載された構成の被膜を形成して切削工具を作製した。以下、試料No.24の切削工具の被膜の形成方法について具体的に説明する。   Then, on each base material made of cermet and cubic boron nitride sintered body, sample Nos. In Table 4 were prepared by arc type ion plating method and unbalanced magnetron sputtering method using the apparatus shown in FIG. A coating tool having the structure described in the column 24 was formed to produce a cutting tool. Hereinafter, sample No. The method for forming the coating film of the 24 cutting tool will be specifically described.

まず、図1に示す第1アーク蒸発源13としてAl(70原子%)−Cr(30原子%)ターゲットをセットし、第2アーク蒸発源14としてTiターゲットをセットした。また、アンバランストマグネトロンスパッタ源11として、マグネトロン電極にAl−Zrターゲットをセットした。なお、Al−Zrターゲットの組成は、Alが82原子%で、Zrが18原子%であった。   First, an Al (70 atomic%)-Cr (30 atomic%) target was set as the first arc evaporation source 13 shown in FIG. 1, and a Ti target was set as the second arc evaporation source 14. Further, as an unbalanced magnetron sputtering source 11, an Al—Zr target was set on the magnetron electrode. The composition of the Al—Zr target was 82 atomic% for Al and 18 atomic% for Zr.

そして、装置1内の真空度を7×10-4Pa以下に真空引きした後にアルゴンをガス導入口15から導入し、その真空度を3Paに維持しながら基材10を650℃まで加熱し1時間保持した。 Then, after the vacuum in the apparatus 1 is evacuated to 7 × 10 −4 Pa or less, argon is introduced from the gas inlet 15 and the base material 10 is heated to 650 ° C. while maintaining the vacuum at 3 Pa. Held for hours.

その後、基材10に−1000Vの電圧をかけてアルゴン中でグロー放電を発生させることにより、アルゴンイオンによる基材10の表面のクリーニング処理を行なった。そして、上記クリーニング処理後に装置1からアルゴンを排気した。   Then, the surface of the base material 10 was cleaned by argon ions by applying a voltage of −1000 V to the base material 10 to generate glow discharge in argon. Then, argon was exhausted from the apparatus 1 after the cleaning process.

次に、窒素をガス導入口15から装置1内に導入した後、基材10に−200Vの電圧を印加した状態で第2アーク蒸発源14を100Aの放電電流で放電させることによって、アーク式イオンプレーティング法により基材10の表面上にTiN層(表4の試料No.24の第1層)を形成した。   Next, after introducing nitrogen into the apparatus 1 from the gas inlet 15, the second arc evaporation source 14 is discharged with a discharge current of 100 A while applying a voltage of −200 V to the base material 10, thereby generating an arc type. A TiN layer (the first layer of sample No. 24 in Table 4) was formed on the surface of the substrate 10 by an ion plating method.

続いて、基材10に−200Vの電圧を印加した状態で第1アーク蒸発源13を80Aの放電電流で放電させることによって、アーク式イオンプレーティング法により基材10の表面上にAl0.7Cr0.3N層(表4の試料No.24の第2層)を形成した。そして、Al0.7Cr0.3N層の形成後は装置1内からガスを排気した。 Subsequently, the first arc evaporation source 13 is discharged with a discharge current of 80 A while a voltage of −200 V is applied to the base material 10, so that Al 0.7 Cr is formed on the surface of the base material 10 by the arc ion plating method. A 0.3 N layer (second layer of sample No. 24 in Table 4) was formed. Then, after forming the Al 0.7 Cr 0.3 N layer, the gas was exhausted from the inside of the apparatus 1.

その後、アルゴンおよび酸素をガス導入口15から装置1内に導入し、真空度を0.8Paに維持しながら、アンバランストマグネトロンスパッタ源11であるAl−Zrターゲットに100kHzの周波数のパルス状DC電圧を印加することにより2kWの電力で放電させ、基材10に100kHzの周波数で+15Vから−200Vに切り替わるパルス状DC電圧を印加することによって、アンバランストマグネトロンスパッタリング法により、(Al1-xZrx23(1+y)の式で表わされる酸化物層(表4の試料No.24の第3層)を形成した。 Thereafter, argon and oxygen are introduced into the apparatus 1 from the gas inlet 15, and a pulsed DC having a frequency of 100 kHz is applied to the Al-Zr target as the unbalanced magnetron sputtering source 11 while maintaining the degree of vacuum at 0.8 Pa. By applying a voltage, the substrate 10 is discharged at a power of 2 kW, and a pulsed DC voltage that switches from +15 V to −200 V at a frequency of 100 kHz is applied to the substrate 10 by an unbalanced magnetron sputtering method (Al 1-x An oxide layer represented by the formula of Zr x ) 2 O 3 (1 + y) (third layer of sample No. 24 in Table 4) was formed.

これにより、表4に示す第1層、第2層および第3層が基材10の表面上に形成された、基材10の材質がサーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体のそれぞれからなる2種類の試料No.24の切削工具が得られた。   Thus, the first layer, the second layer, and the third layer shown in Table 4 were formed on the surface of the base material 10, and the base material 10 was made of cermet and cubic boron nitride sintered body 2 Sample No. 24 cutting tools were obtained.

Figure 2008290163
Figure 2008290163

なお、表4における第3層の結晶構造の欄の「amo」は非晶質であることを意味している。   In Table 4, “amo” in the column of the crystal structure of the third layer means that it is amorphous.

また、表4における第3層の結晶構造はX線回折装置を用いて、X線の入射角を所定の角度に固定した薄膜法によりX線回折パターンを得て同定した。   The crystal structure of the third layer in Table 4 was identified by using an X-ray diffractometer to obtain an X-ray diffraction pattern by a thin film method with an X-ray incident angle fixed at a predetermined angle.

また、表4における応力の欄の「−」は層に圧縮残留応力が生じていることを意味し、「−」の右に位置する数値は層の圧縮残留応力の大きさを表わしている。   Further, “−” in the stress column in Table 4 means that compressive residual stress is generated in the layer, and the numerical value located to the right of “−” indicates the magnitude of the compressive residual stress of the layer.

また、表4における試料No.24〜28の第3層の「x」の数値はそれぞれ、試料No.24〜28の第3層のぞれぞれと同条件で形成した単層の酸化物層についてラザフォード後方散乱法(RBS法)を用いて測定することにより求められた値である。さらに、表4には示されていないが、試料No.24〜28の第3層の「y」の数値はすべて−0.1≦y≦0.2の範囲内にあった。   In addition, Sample No. The numerical values of “x” in the third layer of 24-28 are respectively sample Nos. It is the value calculated | required by measuring using the Rutherford backscattering method (RBS method) about the single-layer oxide layer formed on the same conditions as each of the 3rd layer of 24-28. Further, although not shown in Table 4, the sample No. The numerical values of “y” of the third layer from 24 to 28 were all in the range of −0.1 ≦ y ≦ 0.2.

(試料No.25)
表4に示す試料No.25の被膜については各蒸発源としてセットするターゲットを下記のものとし、アンバランストマグネトロンスパッタ源11としてセットされるAl−Zrターゲットの組成などの条件を変更して第1層〜第3層を形成したこと以外は、試料No.24と同様に形成して、基材10の材質がサーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体のそれぞれからなる2種類の試料No.25の切削工具を得た。
第1アーク蒸発源13:Cr(80原子%)−Si(20原子%)ターゲット
第2アーク蒸発源14:Ti(90原子%)−Si(10原子%)ターゲット
(試料No.26)
表4に示す試料No.26の被膜については各蒸発源としてセットするターゲットを下記のものとし、アンバランストマグネトロンスパッタ源11としてセットされるAl−Zrターゲットや導入ガスの組成などの条件を変更して第1層〜第3層を形成したこと以外は、試料No.24と同様に形成して、基材10の材質がサーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体のそれぞれからなる2種類の試料No.26の切削工具を得た。
第1アーク蒸発源13:Ti(70原子%)−Al(15原子%)−Si(15原子%)ターゲット
第2アーク蒸発源14:Tiターゲット
(試料No.27)
試料No.1〜23で用いた基材に代えて、基材の形状をSNGN120408(JIS−B−4121)とし、基材の材質をサーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体とする、表5に示す2種の基材を用意した。
(Sample No. 25)
Sample No. shown in Table 4 For the 25 coatings, the target set as each evaporation source is as follows, and the conditions such as the composition of the Al-Zr target set as the unbalanced magnetron sputtering source 11 are changed to change the first to third layers. Except for the formation, sample no. In the same manner as in No. 24, two types of sample Nos. 1 and 2 were used in which the base material 10 was made of cermet and cubic boron nitride sintered body. 25 cutting tools were obtained.
First arc evaporation source 13: Cr (80 atom%)-Si (20 atom%) target Second arc evaporation source 14: Ti (90 atom%)-Si (10 atom%) target (Sample No. 26)
Sample No. shown in Table 4 For the 26 coatings, the targets to be set as the respective evaporation sources are as follows, and the conditions such as the composition of the Al—Zr target set as the unbalanced magnetron sputtering source 11 and the introduced gas are changed to the first layer to the second layer. Except that three layers were formed, Sample No. In the same manner as in No. 24, two types of sample Nos. 1 and 2 were used in which the base material 10 was made of cermet and cubic boron nitride sintered body. 26 cutting tools were obtained.
First arc evaporation source 13: Ti (70 atomic%)-Al (15 atomic%)-Si (15 atomic%) target Second arc evaporation source 14: Ti target (Sample No. 27)
Sample No. In place of the base material used in 1 to 23, the shape of the base material is SNGN120408 (JIS-B-4121), and the base material is cermet and cubic boron nitride sintered body as shown in Table 5 A base material was prepared.

そして、サーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体を材質とするそれぞれの基材上に、図1に示す装置を用いアーク式イオンプレーティング法およびアンバランストマグネトロンスパッタリング法により表4の試料No.27の欄に記載された構成の被膜を形成して切削工具を作製した。以下、試料No.27の切削工具の被膜の形成方法について具体的に説明する。   Then, on each base material made of cermet and cubic boron nitride sintered body, sample Nos. In Table 4 were prepared by arc type ion plating method and unbalanced magnetron sputtering method using the apparatus shown in FIG. A coating tool having the structure described in the column 27 was formed to produce a cutting tool. Hereinafter, sample No. A method for forming the coating film of the cutting tool 27 will be specifically described.

まず、図1に示す第2アーク蒸発源14としてAl(65原子%)−Ti(30原子%)−Si(5原子%)ターゲットをセットした。また、アンバランストマグネトロンスパッタ源11としてAl−Zrターゲットをセットした。   First, an Al (65 atomic%)-Ti (30 atomic%)-Si (5 atomic%) target was set as the second arc evaporation source 14 shown in FIG. In addition, an Al—Zr target was set as the unbalanced magnetron sputtering source 11.

そして、装置1内の真空度を7×10-4Pa以下に真空引きした後にアルゴンをガス導入口15から導入し、その真空度を3Paに維持しながら基材10を650℃まで加熱し1時間保持した。 Then, after the vacuum in the apparatus 1 is evacuated to 7 × 10 −4 Pa or less, argon is introduced from the gas inlet 15 and the base material 10 is heated to 650 ° C. while maintaining the vacuum at 3 Pa. Held for hours.

その後、基材10に−1000Vの電圧をかけてアルゴン中でグロー放電を発生させることにより、アルゴンイオンによる基材10の表面のクリーニング処理を行なった。そして、上記クリーニング処理後に装置1からアルゴンを排気した。   Then, the surface of the base material 10 was cleaned by argon ions by applying a voltage of −1000 V to the base material 10 to generate glow discharge in argon. Then, argon was exhausted from the apparatus 1 after the cleaning process.

次に、メタンおよび酸素をガス導入口15から装置1内に導入し、基材10に−200Vの電圧を印加した状態で第2アーク蒸発源14を100Aの放電電流で放電させることによって、アーク式イオンプレーティング法により基材10の表面上にAl0.65Ti0.3Si0.050.930.05層(表4の試料No.27の第2層)を形成した。なお、試料No.27および後述するNo.28においては第1層は形成されず、第2層が基材と接触する層として形成され、第3層が最表面に位置する層として形成された。 Next, methane and oxygen are introduced into the apparatus 1 from the gas inlet 15, and the second arc evaporation source 14 is discharged with a discharge current of 100 A while applying a voltage of −200 V to the base material 10, thereby generating an arc. An Al 0.65 Ti 0.3 Si 0.05 C 0.93 O 0.05 layer (the second layer of sample No. 27 in Table 4) was formed on the surface of the substrate 10 by the formula ion plating method. Sample No. 27 and No. described later. In 28, the 1st layer was not formed, the 2nd layer was formed as a layer which contacts a substrate, and the 3rd layer was formed as a layer located in the outermost surface.

その後、アルゴンおよび酸素をガス導入口15から装置1内に導入し、真空度を0.8Paに維持しながら、アンバランストマグネトロンスパッタ源11であるAl−Zrターゲットに100kHzの周波数のパルス状DC電圧を印加することにより2kWの電力で放電させ、基材10に100kHzの周波数で+15Vから−200Vに切り替わるパルス状DC電圧を印加することによって、アンバランストマグネトロンスパッタリング法によりAl、ZrおよびOからなる酸化物層(表4の試料No.27の第3層)を形成した。   Thereafter, argon and oxygen are introduced into the apparatus 1 from the gas inlet 15, and a pulsed DC having a frequency of 100 kHz is applied to the Al-Zr target as the unbalanced magnetron sputtering source 11 while maintaining the degree of vacuum at 0.8 Pa. By applying a voltage, 2 kW of electric power is discharged, and by applying a pulsed DC voltage that switches from +15 V to −200 V at a frequency of 100 kHz to the base material 10, Al, Zr, and O are obtained by unbalanced magnetron sputtering. An oxide layer (third layer of sample No. 27 in Table 4) was formed.

これにより、表4に示す第2層および第3層が基材10の表面上に形成され、基材10の材質がサーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体のそれぞれからなる2種類の試料No.27の切削工具が得られた。   As a result, the second layer and the third layer shown in Table 4 were formed on the surface of the base material 10, and the material of the base material 10 was made of two types of sample Nos. Made of cermet and cubic boron nitride sintered body. 27 cutting tools were obtained.

(試料No.28)
表4に示す試料No.28の被膜については第2アーク蒸発源14としてセットするターゲットを下記のものとし、アンバランストマグネトロンスパッタ源11としてセットされるAl−Zrターゲットや導入ガスの組成などの条件を変更して第2層〜第3層を形成したこと以外は、試料No.27と同様にして基材上に形成して、基材10の材質がサーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体のそれぞれからなる2種類の試料No.28の切削工具を得た。
第2アーク蒸発源14:Ti(80原子%)−Si(20原子%)ターゲット
(試料No.29)
従来の熱CVD法を用いて、表4に示す第1層、第2層および第3層が基材10の表面上に形成された試料No.29の切削工具を得た。
(Sample No. 28)
Sample No. shown in Table 4 For the coating 28, the target set as the second arc evaporation source 14 is as follows, and the conditions such as the composition of the Al—Zr target set as the unbalanced magnetron sputter source 11 and the introduced gas are changed to the second. Sample No. except that layers 3 to 3 were formed. In the same manner as in No. 27, two types of sample Nos. 2 were formed on the base material, and the base material 10 was made of cermet and cubic boron nitride sintered body. 28 cutting tools were obtained.
Second arc evaporation source 14: Ti (80 atomic%)-Si (20 atomic%) target (Sample No. 29)
Sample No. 1 in which the first layer, the second layer, and the third layer shown in Table 4 were formed on the surface of the substrate 10 using a conventional thermal CVD method. 29 cutting tools were obtained.

(試料No.30)
図1に示す第1アーク蒸発源13としてTi(50原子%)−Al(50原子%)ターゲットをセットし、第2アーク蒸発源14としてTiターゲットをセットした。
(Sample No. 30)
A Ti (50 atomic%)-Al (50 atomic%) target was set as the first arc evaporation source 13 shown in FIG. 1, and a Ti target was set as the second arc evaporation source 14.

そして、装置1内の真空度を7×10-4Pa以下に真空引きした後にアルゴンをガス導入口15から導入し、その真空度を3Paに維持しながら基材10を650℃まで加熱し1時間保持した。 Then, after the vacuum in the apparatus 1 is evacuated to 7 × 10 −4 Pa or less, argon is introduced from the gas inlet 15 and the base material 10 is heated to 650 ° C. while maintaining the vacuum at 3 Pa. Held for hours.

その後、基材10に−1000Vの電圧をかけてアルゴン中でグロー放電を発生させることにより、アルゴンイオンによる基材10の表面のクリーニング処理を行なった。そして、上記クリーニング処理後に装置1からアルゴンを排気した。   Then, the surface of the base material 10 was cleaned by argon ions by applying a voltage of −1000 V to the base material 10 to generate glow discharge in argon. Then, argon was exhausted from the apparatus 1 after the cleaning process.

次に、窒素をガス導入口15から装置1内に導入した後、基材10に−200Vの電圧を印加した状態で第2アーク蒸発源14を放電させることによって、アーク式イオンプレーティング法により基材10の表面上にTiN層(表4の試料No.30の第1層)を形成した。   Next, after nitrogen is introduced into the apparatus 1 from the gas inlet 15, the second arc evaporation source 14 is discharged in a state where a voltage of −200 V is applied to the base material 10, whereby an arc ion plating method is used. A TiN layer (first layer of sample No. 30 in Table 4) was formed on the surface of the substrate 10.

その後、基材10に−200Vの電圧を印加した状態で第1アーク蒸発源13を放電させることによって、アーク式イオンプレーティング法により基材10の表面上にTi0.5Al0.5N層(表4の試料No.30の第3層)を形成した。 Thereafter, the first arc evaporation source 13 is discharged in a state where a voltage of −200 V is applied to the base material 10, so that a Ti 0.5 Al 0.5 N layer (Table 4) is formed on the surface of the base material 10 by an arc ion plating method. Sample No. 30 of the third layer) was formed.

これにより、表4に示す第1層および第3層が基材10の表面上に形成され、基材10の材質がサーメットおよび立方晶窒化硼素焼結体のそれぞれからなる2種類の試料No.30の切削工具が得られた。   As a result, the first layer and the third layer shown in Table 4 were formed on the surface of the base material 10, and the material of the base material 10 was two types of sample Nos. Made of cermet and cubic boron nitride sintered body. 30 cutting tools were obtained.

(評価)
表4に示す構成の被膜が形成された試料No.24〜30の切削工具を用いて、表5に示す切削条件で被削材の連続切削試験および丸棒切削試験を行なうことにより、1分毎に切削工具の逃げ面磨耗幅を測定し、逃げ面磨耗幅が0.2mmを超えた時間を寿命として評価した。その結果を表6に示す。なお、表6に示す寿命の時間が長いほど耐磨耗性に優れた被膜であることを示している。また、基材がサーメットからなる試料No.24〜30の切削工具については連続切削試験を行ない、基材がcBN焼結体からなる試料No.24〜30の切削工具については丸棒切削試験を行なった。
(Evaluation)
Sample No. with a coating film having the structure shown in Table 4 was formed. Using a cutting tool of 24-30, the flank wear width of the cutting tool is measured every minute by performing a continuous cutting test and a round bar cutting test on the work material under the cutting conditions shown in Table 5, and the clearance The time when the surface wear width exceeded 0.2 mm was evaluated as the lifetime. The results are shown in Table 6. In addition, it has shown that it is a film excellent in abrasion resistance, so that the lifetime of the lifetime shown in Table 6 is long. In addition, Sample No. whose substrate is made of cermet. The cutting tools 24 to 30 were subjected to a continuous cutting test. A round bar cutting test was performed on 24 to 30 cutting tools.

Figure 2008290163
Figure 2008290163

Figure 2008290163
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表6から明らかなように、上記の式(1)で表わされる組成を有し非晶質である酸化物層を有する試料No.24〜28の切削工具の寿命はその酸化物層を有しない試料No.29〜30の切削工具の寿命よりも長かった。切削環境が高温環境であることを考慮すると、試料No.24〜28の切削工具の被膜の高温環境下における耐磨耗性は試料No.29〜30の被膜に比べて優れていることがわかった。特に、試料No.29の切削工具は丸棒切削試験において欠損が見られた。   As is apparent from Table 6, sample No. 1 having an amorphous oxide layer having the composition represented by the above formula (1). The life of the cutting tools 24 to 28 is the sample No. having no oxide layer. It was longer than the life of 29-30 cutting tools. Considering that the cutting environment is a high temperature environment, the sample No. The wear resistance of the coatings of cutting tools 24 to 28 in a high temperature environment was measured as Sample No. It was found to be superior to the 29-30 coating. In particular, sample no. 29 cutting tools were found to be defective in the round bar cutting test.

また、上記の連続切削試験後および丸棒切削試験後に、試料No.24〜28の切削工具の耐溶着性についても評価した。その結果、試料No.24〜28の切削工具の表面には被削材が付着していないことが確認されたため、試料No.24〜28の切削工具の被膜は高温環境下における耐溶着性にも優れていることが確認された。   In addition, after the above continuous cutting test and the round bar cutting test, the sample No. The welding resistance of 24-28 cutting tools was also evaluated. As a result, sample no. Since it was confirmed that the work material did not adhere to the surfaces of the cutting tools 24 to 28, sample No. It was confirmed that the coating films of 24-28 cutting tools were excellent in welding resistance in a high temperature environment.

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

本発明によれば、高温環境下での耐磨耗性および耐溶着性に優れた被膜、その被膜を含む切削工具およびその被膜の製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the coating tool excellent in the abrasion resistance and welding resistance in a high temperature environment, the cutting tool containing the coating film, and the manufacturing method of the coating film can be provided.

本発明の被膜を形成する装置の一例の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of an example of the apparatus which forms the film of this invention. 第1測定用試料のX線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the sample for 1st measurement. 第2測定用試料のX線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the 2nd measurement sample. 本発明の切削工具による被削材の切削を図解する模式的な拡大側面図である。It is a typical expanded side view illustrating the cutting of the work material by the cutting tool of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 装置、2 切削工具、3 被削材、4 逃げ面、8 回転保持具、10 基材、11 第1デュアルマグネトロンスパッタ源または第1アンバランストマグネトロンスパッタ源、12 第2デュアルマグネトロンスパッタ源、13 第1アーク蒸発源、14 第2アーク蒸発源、15 ガス導入口、16 ヒータ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 apparatus, 2 cutting tool, 3 work material, 4 flank, 8 rotation holder, 10 base material, 11 1st dual magnetron sputter source or 1st unbalanced magnetron sputter source, 12 2nd dual magnetron sputter source, 13 first arc evaporation source, 14 second arc evaporation source, 15 gas inlet, 16 heater.

Claims (15)

酸化物層を少なくとも1層含む被膜であって、
前記酸化物層の組成は、以下の式(1)で表わされ、
(Al1−xZr3(1+y) …(1)
前記式(1)において、xは0.001≦x≦0.5を満たす実数であり、yは−0.1≦y≦0.2を満たす実数であって、
前記酸化物層は非晶質であることを特徴とする、被膜。
A coating comprising at least one oxide layer,
The composition of the oxide layer is represented by the following formula (1):
(Al 1-x Zr x ) 2 O 3 (1 + y) (1)
In the formula (1), x is a real number that satisfies 0.001 ≦ x ≦ 0.5, y is a real number that satisfies −0.1 ≦ y ≦ 0.2, and
The coating film according to claim 1, wherein the oxide layer is amorphous.
前記式(1)において、xは0.05≦x≦0.2を満たす実数であることを特徴とする、請求項1に記載の被膜。   In the said Formula (1), x is a real number which satisfy | fills 0.05 <= x <= 0.2, The film of Claim 1 characterized by the above-mentioned. 前記酸化物層の層厚が0.05μm以上20μm以下であることを特徴とする、請求項1または2に記載の被膜。   The film according to claim 1 or 2, wherein the oxide layer has a thickness of 0.05 µm or more and 20 µm or less. 前記酸化物層が0.1GPa以上10GPa以下の圧縮残留応力を有することを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載の被膜。   The coating according to any one of claims 1 to 3, wherein the oxide layer has a compressive residual stress of 0.1 GPa or more and 10 GPa or less. 前記酸化物層は、600℃の環境下において結晶化しないことを特徴とする、請求項1から4のいずれかに記載の被膜。   The film according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxide layer does not crystallize in an environment of 600 ° C. Ti、Al、CrおよびSiからなる群から選択された少なくとも1種の金属の窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭酸化物または炭窒酸化物からなる化合物層を少なくとも1層含む、請求項1から5のいずれかに記載の被膜。   The composition includes at least one compound layer composed of a nitride, carbonitride, nitride oxide, carbonate or carbonitride of at least one metal selected from the group consisting of Ti, Al, Cr and Si. The film according to any one of 1 to 5. 前記被膜の膜厚が0.05μm以上25μm以下であることを特徴とする、請求項1から6のいずれかに記載の被膜。   The film according to claim 1, wherein the film has a thickness of 0.05 μm or more and 25 μm or less. 基材と、前記基材上に形成された請求項1から7のいずれかに記載の被膜と、を含む切削工具。   The cutting tool containing a base material and the coating film in any one of Claim 1 to 7 formed on the said base material. 前記基材が、高速度鋼、超硬合金、サーメット、セラミックス焼結体、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素焼結体であることを特徴とする、請求項8に記載の切削工具。   9. The cutting tool according to claim 8, wherein the base material is high speed steel, cemented carbide, cermet, ceramic sintered body, diamond sintered body, or cubic boron nitride sintered body. PVD法により、請求項1に記載の酸化物層を少なくとも1層形成する工程を含む、被膜の製造方法。   The manufacturing method of a film including the process of forming at least 1 layer of the oxide layer of Claim 1 by PVD method. PVD法により、Ti、Al、CrおよびSiからなる群から選択された少なくとも1種の金属の窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭酸化物または炭窒酸化物からなる化合物層を少なくとも1層形成する工程を含む、請求項10に記載の被膜の製造方法。   At least one compound layer made of nitride, carbonitride, nitride oxide, carbonate or carbonitride of at least one metal selected from the group consisting of Ti, Al, Cr and Si by the PVD method The manufacturing method of the film of Claim 10 including the process to form. 前記PVD法は、アーク式イオンプレーティング法、アンバランストマグネトロンスパッタリング法およびデュアルマグネトロンスパッタリング法からなる群から選択された少なくとも1種であることを特徴とする、請求項10または11に記載の被膜の製造方法。   The coating film according to claim 10 or 11, wherein the PVD method is at least one selected from the group consisting of an arc ion plating method, an unbalanced magnetron sputtering method, and a dual magnetron sputtering method. Manufacturing method. 前記酸化物層が前記デュアルマグネトロンスパッタリング法により形成され、前記化合物層が前記アーク式イオンプレーティング法により形成されることを特徴とする、請求項12に記載の被膜の製造方法。   The method for producing a coating film according to claim 12, wherein the oxide layer is formed by the dual magnetron sputtering method and the compound layer is formed by the arc ion plating method. 前記デュアルマグネトロンスパッタリング法に用いる1対のマグネトロン電極に、AlターゲットとZrターゲットとがそれぞれ取り付けられることを特徴とする、請求項13に記載の被膜の製造方法。   The method for producing a coating film according to claim 13, wherein an Al target and a Zr target are respectively attached to a pair of magnetron electrodes used in the dual magnetron sputtering method. 前記酸化物層が前記アンバランストマグネトロンスパッタリング法により形成され、前記化合物層が前記アーク式イオンプレーティング法により形成されることを特徴とする、請求項12に記載の被膜の製造方法。   The method for producing a coating film according to claim 12, wherein the oxide layer is formed by the unbalanced magnetron sputtering method, and the compound layer is formed by the arc type ion plating method.
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