JP2013052478A - Tool coated with hard film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は硬質被膜被覆工具に係り、特に、高い耐熱性や高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等に優れた硬質被膜被覆工具に関するものである。 The present invention relates to a hard-coated tool, and more particularly to a hard-coated tool excellent in high heat resistance, chemical stability at high temperatures, wear resistance, welding resistance, and the like.
高速度工具鋼や超硬合金等の工具母材の表面を硬質被膜で被覆した硬質被膜被覆工具が広く知られている。特許文献1に記載の工具はその一例で、硬質被膜としてTiBNを設けることが提案されている。
2. Description of the Related Art Hard coating coated tools in which the surface of a tool base material such as high speed tool steel or cemented carbide is coated with a hard coating are widely known. The tool described in
ところで、近年、環境保護の観点から湿式切削から乾式切削へと切り換えられつつあるが、工具への負担が大きくなり、特に高速切削では刃先温度が数百℃以上にもなるため、従来の硬質被膜では必ずしも十分な工具寿命が得られず、耐熱性や高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等が一層優れた硬質被膜被覆工具が求められている。 By the way, in recent years, from the viewpoint of environmental protection, it has been switched from wet cutting to dry cutting, but the burden on the tool becomes large, and the cutting edge temperature becomes several hundred degrees Celsius or more especially in high-speed cutting. However, a sufficient tool life cannot always be obtained, and there is a demand for a hard-coated tool that is more excellent in heat resistance, chemical stability at high temperatures, wear resistance, welding resistance, and the like.
これに対し、本願出願人は先に出願した特願2010−056087号において、CrAlNの窒化物相とBN相とが三次元的に混じり合う複合膜(CrAlN/BNナノコンポジット被膜)を硬質被膜として用いることを提案した。このCrAlN/BNナノコンポジット被膜は、CrAlN微結晶の周囲をアモルファス構造のBN相が取り囲むナノコンポジット構造を有し、転位の発生・移動が阻止されるだけでなく、粒界滑りも発生しにくいため、塑性硬さ(plastic hardness) が35GPa程度以上の超高硬度が得られる。また、非常に高い耐熱性、化学的安定性より耐溶着性に優れるなどの特性に加え、大気中の加熱によって塑性硬さが成膜直後よりも高くなるという自己硬化性を持つといった特異な特性も有する。しかしながら、このようなCrAlN/BNナノコンポジット被膜を高速度工具鋼や超硬合金等の工具母材の表面に直接設けた場合、密着性が悪くて必ずしも期待通りの性能が得られないという問題があった。 On the other hand, the applicant of the present application described in Japanese Patent Application No. 2010-056087 filed earlier is a composite film (CrAlN / BN nanocomposite film) in which a nitride phase and a BN phase of CrAlN are mixed three-dimensionally as a hard film. Proposed to use. This CrAlN / BN nanocomposite coating has a nanocomposite structure that surrounds CrAlN microcrystals with an amorphous BN phase, which not only prevents dislocation generation and migration, but also prevents intergranular slippage. An ultra-high hardness having a plastic hardness of about 35 GPa or more can be obtained. In addition to the extremely high heat resistance and characteristics such as better welding resistance than chemical stability, it has unique characteristics such as self-curing property that the plastic hardness is higher than that immediately after film formation by heating in air. Also have. However, when such a CrAlN / BN nanocomposite coating is directly provided on the surface of a tool base material such as high-speed tool steel or cemented carbide, there is a problem that the expected performance cannot always be obtained due to poor adhesion. there were.
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、上記CrAlN/BNナノコンポジット被膜が高い付着強度で工具母材に設けられ、そのCrAlN/BNナノコンポジット被膜が有する優れた耐熱性、高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等の性能が適切に得られるようにすることにある。 The present invention has been made in the background of the above circumstances. The object of the present invention is that the CrAlN / BN nanocomposite coating is provided on the tool base material with high adhesion strength, and the CrAlN / BN nanocomposite coating has. An object is to appropriately obtain excellent heat resistance, chemical stability at high temperature, wear resistance, welding resistance, and the like.
かかる目的を達成するために、第1発明は、硬質被膜で表面が被覆されている硬質被膜被覆工具において、(a) Ala Tib Crc 〔但し、a、b、cはそれぞれ原子比で、0.3≦a≦0.7、0≦b≦0.5、0≦c≦0.7、且つa+b+c=1〕の窒化物または炭窒化物から成るI層と、(b) CrAlNから成る窒化物相とBN相とが三次元的に混じり合う複合膜であるII層と、を有し、(c) 工具母材の表面上に前記I層が設けられるとともに、そのI層および前記II層が交互に4層以上積層されて前記硬質被膜が構成されている一方、(d) 前記工具母材の表面上に設けられる前記I層の層厚は10nm〜500nmの範囲内で、その他のI層および前記II層の層厚は何れも1nm〜50nmの範囲内であり、被膜全体の総膜厚は0.1μm〜20μmの範囲内であることを特徴とする。 In order to achieve this object, the first invention provides a hard coating tool whose surface is coated with a hard coating, in which (a) Al a Ti b Cr c [where a, b, c are atomic ratios, respectively] 0.3 ≦ a ≦ 0.7, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.7, and a + b + c = 1], or an I layer comprising (b) CrAlN II layer which is a composite film in which a nitride phase and a BN phase are three-dimensionally mixed, and (c) the I layer is provided on the surface of the tool base material, and the I layer and the While the hard coating is formed by alternately laminating four or more II layers, (d) the layer thickness of the I layer provided on the surface of the tool base material is in the range of 10 nm to 500 nm, and others The thickness of each of the I layer and the II layer is in the range of 1 nm to 50 nm, and the total film thickness of the entire coating is 0.1 μm. Characterized in that it is in the range of 20 [mu] m.
第2発明は、硬質被膜で表面が被覆されている硬質被膜被覆工具において、(a) Ala Tib Crc 〔但し、a、b、cはそれぞれ原子比で、0.3≦a≦0.7、0≦b≦0.5、0≦c≦0.7、且つa+b+c=1〕の窒化物または炭窒化物から成るI層と、(b) CrAlNから成る窒化物相とBN相とが三次元的に混じり合う複合膜であるII層と、を有し、(c) 工具母材の表面上に前記I層が設けられるとともに前記II層が最表層となるように、それ等のI層およびII層が交互に4層以上積層されて前記硬質被膜が構成されている一方、(d) 前記工具母材の表面上に設けられる前記I層の層厚は10nm〜500nmの範囲内で、その他のI層および前記最表層を除く前記II層の層厚は何れも1nm〜50nmの範囲内であり、被膜全体の総膜厚は0.1μm〜20μmの範囲内であることを特徴とする。 The second invention is a hard film coated tool whose surface is coated with a hard film. (A) Al a Ti b Cr c [where a, b, c are atomic ratios, 0.3 ≦ a ≦ 0 0.7, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.7, and a + b + c = 1], an I layer composed of nitride or carbonitride, and (b) a nitride phase composed of CrAlN and a BN phase; And (c) the I layer is provided on the surface of the tool base material, and the II layer is the outermost layer. While the hard film is formed by alternately laminating four or more I layers and II layers, (d) the layer thickness of the I layer provided on the surface of the tool base material is within a range of 10 nm to 500 nm. The layer thickness of the II layer excluding the other I layer and the outermost layer is within the range of 1 nm to 50 nm, The thickness is being in the range of 0.1Myuemu~20myuemu.
第3発明は、第1発明または第2発明の硬質被膜被覆工具において、前記I層のうち少なくとも前記工具母材の表面上に設けられたものはアークイオンプレーティング法で形成されていることを特徴とする。 According to a third invention, in the hard film coated tool of the first or second invention, at least one of the I layers provided on the surface of the tool base material is formed by an arc ion plating method. Features.
第4発明は、第1発明〜第3発明の何れかの硬質被膜被覆工具において、前記II層はスパッタリング法で形成されていることを特徴とする。 According to a fourth invention, in the hard film-coated tool according to any one of the first to third inventions, the II layer is formed by a sputtering method.
第5発明は、第1発明〜第4発明の何れかの硬質被膜被覆工具において、前記II層における前記BN相の含有率は8 vol(体積)%〜28 vol%の範囲内であることを特徴とする。 5th invention WHEREIN: In the hard film coating tool in any one of 1st invention-4th invention, the content rate of the said BN phase in the said II layer is in the range of 8 vol (volume)%-28 vol%. Features.
第6発明は、第1発明〜第5発明の何れかの硬質被膜被覆工具において、前記I層と前記II層との間には、前記BN相の含有率が連続的に増加または減少する遷移層が設けられていることを特徴とする。 A sixth invention is the hard coating tool according to any one of the first to fifth inventions, wherein the BN phase content continuously increases or decreases between the I layer and the II layer. A layer is provided.
第7発明は、第1発明〜第6発明の何れかの硬質被膜被覆工具において、前記工具母材の表面上に設けられた前記I層はアークイオンプレーティング法で形成され、その他のI層および前記II層は総てスパッタリング法で形成されていることを特徴とする。 A seventh invention is the hard coating coated tool according to any one of the first to sixth inventions, wherein the I layer provided on the surface of the tool base material is formed by an arc ion plating method, and the other I layers The II layer is formed by sputtering.
第8発明は、第1発明〜第6発明の何れかの硬質被膜被覆工具において、前記工具母材の表面上に設けられたものを含めて前記I層は総てアークイオンプレーティング法で形成され、前記II層は総てスパッタリング法で形成されていることを特徴とする。 The eighth invention is the hard coating coated tool according to any one of the first to sixth inventions, wherein all the I layers including those provided on the surface of the tool base material are formed by an arc ion plating method. In addition, all the II layers are formed by a sputtering method.
第1発明の硬質被膜被覆工具によれば、Ala Tib Crc の窒化物または炭窒化物から成るI層が工具母材の表面上に設けられるとともに、そのI層およびCrAlNの窒化物相とBN相とが三次元的に混じり合う複合膜(CrAlN/BNナノコンポジット被膜)から成るII層が交互に4層以上積層されて硬質被膜が構成されているため、その硬質被膜を高い付着強度で工具母材上に設けることができる。特に、工具母材の表面上に設けられるI層の層厚は10nm〜500nmの範囲内であるため、所定の被膜硬さを確保しつつ付着強度を適切に向上させることができる。 According to the hard coat coated tool of the first invention, the I layer made of Al a Ti b Cr c nitride or carbonitride is provided on the surface of the tool base material, and the I layer and the CrAlN nitride phase Since the hard film is composed of four or more layers, which are composed of a composite film (CrAlN / BN nanocomposite film) in which the BN phase and BN phase are mixed three-dimensionally, the hard film has high adhesion strength. Can be provided on the tool base material. In particular, since the layer thickness of the I layer provided on the surface of the tool base material is in the range of 10 nm to 500 nm, it is possible to appropriately improve the adhesion strength while ensuring a predetermined film hardness.
また、上記工具母材の表面上のI層を除く他のI層およびII層の層厚は何れも1nm〜50nmの範囲内で、被膜全体の総膜厚は0.1μm〜20μmの範囲内であるため、II層を構成しているCrAlN/BNナノコンポジット被膜が有する優れた耐熱性や高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等の性能が適切に得られるようになり、乾式加工や高能率加工等の高負荷時の工具寿命が向上するとともに、溶着が抑制されることで加工面粗さが向上する。特に、交互に積層されるI層およびII層の各層厚が1nm〜50nmの範囲内の極めて薄いナノレイヤー構造を成しているため、それ等の密着性が更に向上して40GPa程度以上の超高硬度の被膜硬さが得られるようになり、耐摩耗性等の耐久性が一層向上する。 Further, the layer thicknesses of the other I layer and II layer excluding the I layer on the surface of the tool base material are all in the range of 1 nm to 50 nm, and the total film thickness of the entire coating is in the range of 0.1 μm to 20 μm. Therefore, the excellent heat resistance, chemical stability at high temperature, wear resistance, welding resistance, etc., possessed by the CrAlN / BN nanocomposite coating constituting the II layer can be obtained appropriately. In addition, the tool life at high loads such as dry machining and high-efficiency machining is improved, and the surface roughness is improved by suppressing welding. In particular, since the layer thicknesses of the alternately stacked I layer and II layer have an extremely thin nanolayer structure in the range of 1 nm to 50 nm, their adhesion is further improved and the thickness exceeds about 40 GPa or more. High hardness of the coating can be obtained, and durability such as wear resistance is further improved.
第2発明の硬質被膜被覆工具は、硬質被膜の最表層がII層にて構成されているとともに、その最表層の層厚について特に規定が無いことを除いて、第1発明と同様に構成されているため、実質的に第1発明と同様の作用効果が得られる。また、硬質被膜の最表層がII層にて構成されているとともに、その最表層のII層については50nmを超えた厚さで形成することができるため、II層を構成しているCrAlN/BNナノコンポジット被膜が有する優れた耐熱性や高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等の性能が一層適切に得られるようになる。 The hard coat coated tool of the second invention is constructed in the same manner as the first invention except that the outermost layer of the hard coat is composed of the II layer and the layer thickness of the outermost layer is not particularly specified. Therefore, substantially the same effect as the first invention can be obtained. In addition, the outermost layer of the hard coating is composed of the II layer, and since the outermost layer II can be formed with a thickness exceeding 50 nm, the CrAlN / BN constituting the II layer Performances such as excellent heat resistance, chemical stability at high temperatures, wear resistance, and welding resistance of the nanocomposite film can be obtained more appropriately.
第3発明では、上記I層のうち少なくとも工具母材の表面上に設けられたものはアークイオンプレーティング法で形成されているため、一層高い付着強度が得られる。すなわち、アークイオンプレーティング法はスパッタリング法に比較してイオン化率が高いため、三次元形状の工具の刃先等に対してI層を均一な膜質で設けることができ、高い付着強度で成膜できるのである。 In the third invention, since at least the I layer provided on the surface of the tool base material is formed by the arc ion plating method, higher adhesion strength can be obtained. That is, since the ionization rate of the arc ion plating method is higher than that of the sputtering method, the I layer can be provided with a uniform film quality on the cutting edge of a three-dimensional tool and the film can be formed with high adhesion strength. It is.
第4発明では前記II層がスパッタリング法で形成されているため、そのII層を構成しているCrAlN/BNナノコンポジット被膜を適切に設けることが可能で、耐熱性や高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等の性能が適切に得られる。 In the fourth invention, since the II layer is formed by a sputtering method, it is possible to appropriately provide a CrAlN / BN nanocomposite film constituting the II layer, heat resistance and chemical stability at high temperature. Performances such as wear resistance and welding resistance can be appropriately obtained.
第5発明では、II層におけるBN相の含有率が8 vol%〜28 vol%の範囲内であるため、そのII層を構成しているCrAlN/BNナノコンポジット被膜が有する耐熱性や高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等の性能が適切に得られる。 In the fifth invention, since the content of the BN phase in the II layer is in the range of 8 vol% to 28 vol%, the heat resistance and high temperature of the CrAlN / BN nanocomposite coating constituting the II layer are high. Performances such as chemical stability, wear resistance, and welding resistance can be appropriately obtained.
第6発明では、I層とII層との間にBN相の含有率が連続的に増加または減少する遷移層が設けられているため、I層とII層との間の密着性が一層高められ、硬質被膜の付着強度が更に向上する。 In the sixth invention, since the transition layer in which the content of the BN phase continuously increases or decreases is provided between the I layer and the II layer, the adhesion between the I layer and the II layer is further enhanced. As a result, the adhesion strength of the hard coating is further improved.
第7発明では、工具母材の表面上に設けられたI層はアークイオンプレーティング法で形成され、その他のI層およびII層は総てスパッタリング法で形成されているため、多層構造の硬質被膜を簡便に設けることができる。 In the seventh invention, the I layer provided on the surface of the tool base material is formed by the arc ion plating method, and the other I and II layers are all formed by the sputtering method. A film can be easily provided.
第8発明では、工具母材の表面上に設けられたものを含めてI層は総てアークイオンプレーティング法で形成され、II層は総てスパッタリング法で形成されているため、アークイオンプレーティング法で形成されるI層の存在で各層の密着性が向上し、硬質被膜の付着強度が一層向上する。なお、このようにアークイオンプレーティング法およびスパッタリング法でI層およびII層を交互に形成する場合でも、例えばアークイオンプレーティング蒸発源とスパッタリング蒸発源を共に備えた複合成膜装置を用いることにより簡便に成膜できる。 In the eighth invention, all of the I layers including those provided on the surface of the tool base material are formed by the arc ion plating method, and all the II layers are formed by the sputtering method. The presence of the I layer formed by the Ting method improves the adhesion of each layer and further improves the adhesion strength of the hard coating. Even when the I layer and the II layer are alternately formed by the arc ion plating method and the sputtering method as described above, for example, by using a composite film forming apparatus including both an arc ion plating evaporation source and a sputtering evaporation source. A film can be easily formed.
本発明は、エンドミルやタップ、ドリルなどの回転切削工具の他、バイト等の非回転式の切削工具、或いは転造工具など、種々の加工工具の表面に設けられる硬質被膜に好適に適用される。硬質被膜被覆工具の工具母材としては、超硬合金や高速度工具鋼、工具鋼、ダイス鋼、サーメット、セラミックス、多結晶ダイヤモンド(PCD)、単結晶ダイヤモンド、多結晶CBN、単結晶CBNが好適に用いられるが、他の工具材料を採用することもできる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitably applied to hard coatings provided on the surfaces of various processing tools such as end mills, taps, and rotary cutting tools such as drills, non-rotating cutting tools such as cutting tools, and rolling tools. . Suitable tool base materials for hard coating coated tools include cemented carbide, high speed tool steel, tool steel, die steel, cermet, ceramics, polycrystalline diamond (PCD), single crystal diamond, polycrystalline CBN, and single crystal CBN. However, other tool materials can be employed.
硬質被膜の形成手段としては、アークイオンプレーティング法やスパッタリング法、PLD(Puls LASER Deposition )法等のPVD法(物理蒸着法)が好適に用いられる。硬質被膜を構成するAla Tib Crc やCrAlの合金については、例えば同じ組成の金属ターゲットを用意すれば良く、II層を構成するBN相については、例えばBN焼結体等のBを含有するターゲットを用意すれば良い。C(炭素)の供給については、反応ガス(炭化水素ガスなど)或いは固体ターゲット(Cターゲット、C含有ターゲット)の何れの方法でも良い。N(窒素)については、反応ガスの供給で添加することができる。 As a means for forming the hard coating, a PVD method (physical vapor deposition method) such as an arc ion plating method, a sputtering method, or a PLD (Puls LASER Deposition) method is preferably used. For Al a Ti b Cr c and CrAl alloys constituting the hard coating, for example, a metal target having the same composition may be prepared, and for the BN phase constituting the II layer, for example, B such as a BN sintered body is contained. What is necessary is just to prepare the target to do. About supply of C (carbon), any method of reaction gas (hydrocarbon gas etc.) or a solid target (C target, C containing target) may be sufficient. N (nitrogen) can be added by supplying the reaction gas.
本発明の硬質被膜被覆工具は、例えば高速や高負荷での乾式切削加工など高温となる加工条件で使用する場合に好適に用いられ、優れた耐久性(工具寿命)が得られるようになるが、耐溶着性や耐摩耗性、耐熱性がそれ程要求されない加工条件下、例えば切削油剤を用いた切削加工等で使用することも勿論可能である。 The hard-coated tool of the present invention is suitably used when used under high-temperature processing conditions such as dry cutting at high speeds and high loads, and excellent durability (tool life) can be obtained. Of course, it is also possible to use it under the processing conditions where welding resistance, wear resistance and heat resistance are not so required, for example, in cutting using a cutting fluid.
I層を構成しているAla Tib Crc の窒化物または炭窒化物は、少なくともAlを0.3〜0.7の原子比で含んでおり、TiおよびCrの何れか一方は0すなわち含有していなくても良い。すなわち、AlTiCrだけでなく、CrAlやTiAlを採用することもできる。また、CおよびNの両方を含む炭窒化物(Ala Tib Crc CN)でも、Nのみを含む窒化物(Ala Tib Crc N)でも良い。上記AlおよびCrは、CrAlNの窒化物相を有するCrAlN/BNナノコンポジット被膜との密着性向上に寄与し、Tiは被膜の強度アップに寄与する。 The nitride or carbonitride of Al a Ti b Cr c constituting the I layer contains at least Al in an atomic ratio of 0.3 to 0.7, and one of Ti and Cr is 0, It does not need to contain. That is, not only AlTiCr but also CrAl or TiAl can be employed. Further, it may be a carbonitride containing both C and N (Al a Ti b Cr c CN) or a nitride containing only N (Al a Ti b Cr c N). The Al and Cr contribute to the improvement of adhesion with the CrAlN / BN nanocomposite coating having a CrAlN nitride phase, and Ti contributes to the strength enhancement of the coating.
II層を構成しているCrAlN/BNナノコンポジット被膜、すなわちCrAlNから成る窒化物相とBN相とが三次元的に混じり合う複合膜は、CrAlN微結晶の周囲をアモルファス構造のBN相が取り囲むナノコンポジット構造を有し、転位の発生・移動が阻止されるだけでなく、粒界滑りも発生しにくいため、塑性硬さが35GPa程度以上の超高硬度が得られる。また、非常に高い耐熱性、化学的安定性より耐溶着性に優れるなどの特性に加え、大気中の加熱によって塑性硬さが成膜直後よりも高くなるという自己硬化性を持つといった特異な特性も有する。 The CrAlN / BN nanocomposite coating that constitutes the II layer, that is, a composite film in which a nitride phase composed of CrAlN and a BN phase are three-dimensionally mixed, is a nanostructure in which an amorphous BN phase surrounds a CrAlN microcrystal. Since it has a composite structure and not only prevents dislocation generation and movement, but also does not easily cause grain boundary sliding, an ultra-high hardness with a plastic hardness of about 35 GPa or more can be obtained. In addition to the extremely high heat resistance and characteristics such as better welding resistance than chemical stability, it has unique characteristics such as self-curing property that the plastic hardness is higher than that immediately after film formation by heating in air. Also have.
上記CrAlN/BNナノコンポジット被膜は、酸素やその他の不純物元素の金属が入っている場合も含む。特に、酸素はターゲット材などに通常1mass%未満含まれる他、真空成膜装置に残留するガスにも含まれることから、膜中には酸化物の形で無視できない程度に含まれる。また、CrおよびAl以外にMo、W、Ti、Zrなどの遷移金属元素やSiなどが不純物として含まれていても良い。 The CrAlN / BN nanocomposite film includes a case where oxygen or other impurity element metal is contained. In particular, oxygen is usually contained in the target material or the like in an amount of less than 1 mass%, and is also contained in the gas remaining in the vacuum film forming apparatus. In addition to Cr and Al, transition metal elements such as Mo, W, Ti, and Zr, Si, and the like may be included as impurities.
CrAlN/BNナノコンポジット被膜を構成しているCrAlNのCrとAlとの原子比の割合は、3:7〜7:3程度の範囲内が望ましい。これ等のCrとAlとの原子比の割合が5:5であるとした場合、Crの代わりにCrとV、Mo、Nb、Ta等(Bの酸化物生成自由エネルギー線図の上にあるもの)とをCr>V等の原子比の割合としたものを用いても、同様の自己硬化性が得られるものと推測される。すなわち、CrAlNは、Crd Ale N〔但し、d、eはそれぞれ原子比で、0.3≦d≦0.7、0.3≦e≦0.7、d+e=1〕が望ましく、且つ、Crの原子比dの1/2より小さい割合でV、Mo、Nb、Ta等のBの酸化物生成自由エネルギー線図の上にある金属MeをCrの代わりに含有する態様も含む。 The ratio of the atomic ratio of Cr to Al in CrAlN constituting the CrAlN / BN nanocomposite coating is desirably in the range of about 3: 7 to 7: 3. Assuming that the ratio of the atomic ratio of Cr and Al is 5: 5, instead of Cr, Cr and V, Mo, Nb, Ta, etc. (on the oxide generation free energy diagram of B) It is presumed that the same self-curing property can be obtained even when a material having a ratio of atomic ratio such as Cr> V is used. That is, CrAlN is preferably Cr d Al e N (where d and e are atomic ratios of 0.3 ≦ d ≦ 0.7, 0.3 ≦ e ≦ 0.7, d + e = 1), and Also included is an embodiment in which the metal Me on the oxide formation free energy diagram of B, such as V, Mo, Nb, and Ta, is contained instead of Cr at a ratio smaller than 1/2 of the atomic ratio d of Cr.
CrAlN/BNナノコンポジット被膜は、BN相の含有率が28 vol%を超えると塑性硬さが低下し、8vol %未満になると熱処理によって塑性硬さが低下するようになるため、8 vol%〜28 vol%の範囲内が適当である。 In the CrAlN / BN nanocomposite coating, the plastic hardness decreases when the BN phase content exceeds 28 vol%, and the plastic hardness decreases by heat treatment when the content is less than 8 vol%. The vol% range is appropriate.
硬質被膜の総膜厚は0.1μm〜20μmの範囲内であるが、0.1μm未満の場合は硬質被膜としての性能が十分に得られず、20μmを超えると切削工具の刃先が丸くなるなどして工具性能が損なわれる可能性がある。この総膜厚は、工具母材の表面から硬質被膜の最表面までの膜厚で、I層とII層との間に遷移層を有する場合はその遷移層を含む膜厚である。 The total film thickness of the hard coating is in the range of 0.1 μm to 20 μm, but if it is less than 0.1 μm, sufficient performance as a hard coating cannot be obtained, and if it exceeds 20 μm, the cutting edge of the cutting tool is rounded, etc. As a result, the tool performance may be impaired. This total film thickness is a film thickness from the surface of the tool base material to the outermost surface of the hard coating, and when the transition layer is provided between the I layer and the II layer, the total film thickness includes the transition layer.
工具母材の表面上のI層を除くI層および総てのII層、或いは最表層を除くII層は、それぞれ1nm〜50nmの層厚で交互に積層されるナノレイヤー構造を成しているが、両者の層厚は略同じ(均等)であっても良いし互いに異なっていても良い。例えば、ターゲットの使用出力および数量を変えることにより、I層とII層の層厚比が1:1、1:2、1:3、3:1、2:1等となるように成膜できる。また、ターゲット出力を変化させることにより、最下層から最表層にかけて各層の層厚が厚くなるように、或いは薄くなるように成膜することもできる。それ等の層厚が50nmを超えると被膜硬さの向上効果が十分に得られず、1nm未満では個々の被膜の性能が適切に得られないとともに膜厚制御が難しいため、1nm〜50nmの範囲内が適当である。これ等のI層およびII層は、交互に少なくとも4層以上積層されるが、10層以上或いは50層以上設けることが望ましい。 The I layer except the I layer on the surface of the tool base material and all the II layers, or the II layer excluding the outermost layer have a nanolayer structure in which the layers are alternately stacked with a layer thickness of 1 nm to 50 nm. However, both layer thicknesses may be substantially the same (equal) or different from each other. For example, film formation can be performed such that the layer thickness ratio of the I layer and the II layer is 1: 1, 1: 2, 1: 3, 3: 1, 2: 1, etc. by changing the use output and quantity of the target. . Further, by changing the target output, it is possible to form a film so that the thickness of each layer increases or decreases from the lowermost layer to the outermost layer. If the layer thickness exceeds 50 nm, the effect of improving the film hardness cannot be obtained sufficiently, and if it is less than 1 nm, the performance of each film cannot be obtained properly and the film thickness is difficult to control, so the range is from 1 nm to 50 nm. The inside is appropriate. These I layer and II layer are alternately laminated at least 4 layers or more, but it is desirable to provide 10 layers or more or 50 layers or more.
第2発明でII層にて構成される最表層の層厚については、所定の被膜性能が得られるように1nm〜50nmの範囲内に制限されることなく、他の層と別個に独立に定めることができるが、ナノレイヤー構造による被膜硬さの向上効果を損なうことがないように、例えば1nm〜200nmの範囲内、或いは1nm〜100nm程度の範囲内が望ましい。第2発明では最表層がII層にて構成されるが、第1発明の実施に際しては、I層およびII層が何れも極めて薄いため、I層およびII層のどちらが最表層となっても良い。 The thickness of the outermost layer composed of the II layer in the second invention is not limited to the range of 1 nm to 50 nm so as to obtain a predetermined film performance, and is determined independently from the other layers. However, in order not to impair the effect of improving the film hardness by the nanolayer structure, for example, it is preferably in the range of 1 nm to 200 nm, or in the range of about 1 nm to 100 nm. In the second invention, the outermost layer is composed of the II layer. However, since the I layer and the II layer are both extremely thin when implementing the first invention, either the I layer or the II layer may be the outermost layer. .
工具母材の表面上に設けられるI層の層厚は、500nmを超えると被膜硬さが低下し、10nm未満では付着強度の向上効果が十分に得られなくなるため、10nm〜500nmの範囲内が適当である。 When the thickness of the I layer provided on the surface of the tool base material exceeds 500 nm, the film hardness decreases, and when the thickness is less than 10 nm, the effect of improving the adhesion strength cannot be sufficiently obtained. Is appropriate.
第6発明では、I層とII層との間にBN相の含有率が連続的に増加または減少する遷移層が設けられるが、単にI相およびII相が混ざり合っているだけの混合層を設けることもできる。I層とII層との間には、単にI層とII層とを切り換えるだけでも混合層が形成されるが、両方の層を所定時間だけ重複して同時に成膜することにより、所定厚さの混合層を設けることもできる。上記遷移層は、I層からII層への遷移部分ではBN相を徐々に増加させ、II層からI層への遷移部分ではBN相を徐々に減少させる。このような遷移層は、B含有ターゲットの出力を連続的に変化させることによって形成することができる。この遷移層の層厚は適宜設定されるが、例えば上下に位置するI層およびII層のうち薄い方の層厚と同じかそれより薄くすることが望ましい。 In the sixth invention, a transition layer in which the content of the BN phase continuously increases or decreases is provided between the I layer and the II layer, but a mixed layer in which only the I phase and the II phase are mixed is provided. It can also be provided. Between the I layer and the II layer, a mixed layer is formed simply by switching between the I layer and the II layer. However, by forming both layers simultaneously for a predetermined time, a predetermined thickness is obtained. It is also possible to provide a mixed layer. The transition layer gradually increases the BN phase at the transition portion from the I layer to the II layer, and gradually decreases the BN phase at the transition portion from the II layer to the I layer. Such a transition layer can be formed by continuously changing the output of the B-containing target. The thickness of the transition layer is set as appropriate. For example, it is desirable that the thickness of the transition layer is equal to or thinner than the thinner one of the upper and lower I layers and II layers.
以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は、本発明が適用された硬質被膜被覆工具の一例であるボールエンドミル10を説明する図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図、(b) は先端側((a) の図の右方向)から見た拡大底面図であり、超硬合金にて構成されている工具母材12にはシャンクに連続して刃部14が一体に設けられている。刃部14には、切れ刃として一対の外周刃16およびボール刃18が軸心に対して対称的に設けられているとともに、その刃部14の表面には硬質被膜20がコーティングされており、軸心まわりに回転駆動されることによりそれ等の外周刃16およびボール刃18によって切削加工が行われる。図1の(a) 、(b) における斜線部は硬質被膜20を表しており、図1の(c) は、硬質被膜20がコーティングされた刃部14の表面近傍の断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1A and 1B are views for explaining a
図1(c) から明らかなように、硬質被膜20はI層22およびII層26を交互に4層以上積層した積層構造で、本実施例では50層以上積層した多層構造を成している。I層22は、Ala Tib Crc 〔但し、a、b、cはそれぞれ原子比で、0.3≦a≦0.7、0≦b≦0.5、0≦c≦0.7、且つa+b+c=1〕の窒化物または炭窒化物にて構成されており、工具母材12の表面上にはこのI層22が設けられる。II層26は、CrAlNから成る窒化物相とBN相とが三次元的に混じり合う複合膜であるCrAlN/BNナノコンポジット被膜で、CrAlNはCrd Ale N〔但し、d、eはそれぞれ原子比で、0.3≦d≦0.7、0.3≦e≦0.7、d+e=1〕であり、本実施例では硬質被膜20の最表層がこのII層26にて構成されている。I層22およびII層26は互いに接するように交互に積層されており、それ等の境界部分には両者の成分が混ざり合った混合層が形成される。
As is clear from FIG. 1 (c), the
工具母材12の表面上に設けられる最下層のI層22の層厚T1は、10nm〜500nmの範囲内で適当に定められ、その他のI層22の層厚T2、および総てのII層26の層厚T3は、何れも1nm〜50nmの範囲内で適当に定められる。また、層厚T2およびT3は互いに略等しいとともに、硬質被膜20の全体の総膜厚Ttotal は0.1μm〜20μmの範囲内とされている。
The layer thickness T1 of the
このような硬質被膜20は、例えば図2に概略構成を示すアークイオンプレーティング蒸発源とスパッタリング蒸発源を共に備えた複合成膜装置40を用いて形成することができる。このアークイオンプレーティング蒸発源とスパッタリング蒸発源を共に備えた複合成膜装置40は、アークイオンプレーティング蒸発源42およびスパッタリング蒸発源44を共に備えているもので、共通のチャンバー46内に配置されたワーク48に対してアークイオンプレーティング法およびスパッタリング法の両方でコーティング処理を行うことができる。ワーク48は、硬質被膜20をコーティングする前の状態の工具母材12で、3つの第1回転テーブル50にそれぞれ配置されて自転させられるとともに、第2回転テーブル52によってチャンバー46内を公転させられ、アークイオンプレーティング蒸発源42およびスパッタリング蒸発源44の前方を通過させられる。図2では、アークイオンプレーティング蒸発源42およびスパッタリング蒸発源44がチャンバー46の周囲に90°間隔で交互に計4つ配設されているが、それ等の蒸発源42、44を1つずつ備えたものでも良い。
Such a
上記アークイオンプレーティング蒸発源42は、前記I層22をアークイオンプレーティング法によって形成するためのもので、Ala Tib Crc の金属ターゲット54を備えている。スパッタリング蒸発源44は、前記II層26をスパッタリング法によって形成するためのもので、Crd Ale の金属ターゲット56およびBN焼結体ターゲット等のB含有ターゲット58を備えている。また、窒化物や炭窒化物のN(窒素)については、反応ガス(窒素ガス)の供給で添加することができ、炭窒化物のC(炭素)については、反応ガス(炭化水素ガスなど)或いは固体ターゲット(Cターゲット、C含有ターゲット)の何れかの方法で添加することができる。なお、スパッタガスとしてはアルゴンガスが用いられ、ワーク48にはバイアス電源により所定のバイアス電圧が印加されるようになっている。
The arc ion plating
そして、本実施例では総てのI層22がアークイオンプレーティング蒸発源42を用いてアークイオンプレーティング法によって形成され、総てのII層26がスパッタリング蒸発源44を用いてスパッタリング法によって形成される。但し、I層22については、Ala Tib Crc の金属ターゲット54をスパッタリング蒸発源44にも配置することにより、そのスパッタリング蒸発源44を用いてスパッタリング法により形成することもできる。例えば工具母材12の表面上に接して設けられる最下層のI層22については、優れた密着性が得られるようにアークイオンプレーティング蒸発源42を用いてアークイオンプレーティング法によって形成し、それより上のI層22についてはスパッタリング蒸発源44を用いてスパッタリング法によって形成するようにしても良い。I層22は、Ala Tib Crc の窒化物または炭窒化物で、II層26を構成しているCrd Ale の窒化物相と同じ成分(AlやCr)を含有しているため、II層26との親和性が高く、スパッタリング法で形成しても十分な密着性を確保できる。なお、I層22のAla Tib Crc がII層26のCrd Ale と同じ成分、すなわち原子比a=e、c=dでb=0の場合には、共通の金属ターゲット56を用いてI層22を形成することができる。
In this embodiment, all the I layers 22 are formed by the arc ion plating method using the arc ion plating
また、本実施例の硬質被膜20は、I層22とII層26とが互いに接するように積層されているが、図3の(a) に示す硬質被膜30のように、I層22とII層26との間に遷移層24、28が設けられても良い。遷移層24、28は、II層26と同じCrAlN/BNナノコンポジット被膜で、そのBN相の含有率が連続的に変化しているものであり、I層22の上に積層される第1遷移層24は、BN相の含有率が0 vol%から連続的に増加させられ、II層26との境界である表面部分ではII層26と同じ含有率とされる。また、II層26の上に積層される第2遷移層28は、BN相の含有率がII層26と同じ含有率から連続的に減少させられ、I層22との境界である表面部分では0 vol%とされる。このような遷移層24、28は、前記II層26と同様にスパッタリング蒸発源44を用いてスパッタリング法により形成することが可能で、BN焼結体ターゲット等のB含有ターゲット58の出力を変化させることによって形成できる。これ等の遷移層24、28の層厚は、I層22やII層26と略同じかそれより小さい厚さで、本実施例ではI層22、II層26の層厚T2、T3と略同じ厚さとされている。そして、この遷移層24、28を含む硬質被膜30の全体の総膜厚Ttotal は、前記硬質被膜20と同じく0.1μm〜20μmの範囲内である。
The
図3の(b) の硬質被膜32は、最下層のI層22とその上のII層26との間にだけ第1遷移層24を設けた場合である。また、図3の(c) に示す硬質被膜34は、前記硬質被膜20に比較して、最表層を構成しているII層26の層厚T4を、所定の被膜性能が得られるように他のII層26の層厚T3よりも厚くした場合で、1nm〜200nmの範囲内で適宜定められる。何れの硬質被膜32、34も、全体の総膜厚Ttotal は0.1μm〜20μmの範囲内である。なお、硬質被膜30、32に関して、遷移層24、28の代わりに混合層が設けられても良い。その混合層の厚さは、I層22やII層26の層厚T2、T3と同じであっても良いが、それ等より薄くても差し支えない。
3B is a case where the
次に、上記II層26を構成しているCrAlN/BNナノコンポジット被膜の被膜性能について調べた結果を説明する。ここでは、高速度鋼製の基板上に、スパッタリング法により加熱温度350℃でCrAlN/BNナノコンポジット被膜を3.5μmの目標膜厚で直接設けた試料を用いた。CrAlN/BNナノコンポジット被膜のCrd Ale N相のCrおよびAlの原子比d、eは共に0.5で、BN相の含有率は、BN焼結体ターゲット等のB含有ターゲット58の出力を変化させることによって適宜変更できる。このBN相の含有率については、例えば波長分散型EPMA(Electron Probe MicroAnalyser)を用いて測定できる。
Next, the results of examining the film performance of the CrAlN / BN nanocomposite film constituting the
図4は、BN相の含有率が18 vol%のCrAlN/BNナノコンポジット被膜について、自己硬化性および耐熱性(耐酸化性)を評価するためのもので、塑性硬さHplが各種雰囲気(大気、窒素、アルゴン)下における熱処理温度Taの相違でどのように変化したかを示すグラフであり、各温度で1時間加熱した後に室温にて塑性硬さHplを測定した。塑性硬さHplについては、超マイクロインデンターを用い、膜中への圧子の侵入深さが膜厚の概ね10分の1以下となるように最高荷重を選択し、除荷曲線の接線から圧子の侵入深さを求め、接触面積に換算することにより塑性硬さHplを計算する公知のオリバー(Oliver)の方法を用いた。図4から明らかなように、窒素、アルゴンの場合は、加熱温度が800℃まで成膜直後の塑性硬さHplが略維持されるのに対し、大気の場合には、成膜直後40GPa程度であった塑性硬さHplが600℃を境にして急激に上昇し、700℃および800℃では50GPaを超え、900℃では一挙に20GPa未満に低下している。このことから、CrAlN/BNナノコンポジット被膜は、非酸化性雰囲気下では自己硬化性を殆ど有しないが、酸化性雰囲気下では自己硬化性を示すことが分かる。 FIG. 4 is for evaluating self-curing property and heat resistance (oxidation resistance) of a CrAlN / BN nanocomposite film having a BN phase content of 18 vol%, and has a plastic hardness Hpl of various atmospheres (atmospheres). , Nitrogen, argon) is a graph showing how the heat treatment temperature Ta changed under different conditions, and after heating at each temperature for 1 hour, the plastic hardness Hpl was measured at room temperature. For the plastic hardness Hpl, use an ultra micro indenter, select the maximum load so that the penetration depth of the indenter into the film is approximately 1/10 or less of the film thickness, and select the indenter from the tangent line of the unloading curve. A known Oliver method was used to calculate the plastic hardness Hpl by obtaining the penetration depth and converting it to the contact area. As is apparent from FIG. 4, in the case of nitrogen and argon, the plastic hardness Hpl immediately after film formation is substantially maintained up to a heating temperature of 800 ° C., whereas in the case of air, the plastic hardness Hpl is about 40 GPa immediately after film formation. The plastic hardness Hpl that has been present increases rapidly at 600 ° C., exceeds 50 GPa at 700 ° C. and 800 ° C., and decreases to less than 20 GPa at 900 ° C. at once. This shows that the CrAlN / BN nanocomposite coating has almost no self-curing property in a non-oxidizing atmosphere, but exhibits a self-curing property in an oxidizing atmosphere.
図5は、図4と同じくBN相の含有率が18 vol%のCrAlN/BNナノコンポジット被膜を用いて、実効ヤング率E* が各種雰囲気(大気、窒素、アルゴン)下における熱処理温度Taの相違でどのように変化したかを示すグラフである。実効ヤング率E* はE/(1−n2 )で、膜のポアソン比(n)が不明なため(1−n2 )でヤング率Eを除した値を用いた。図5の結果から、窒素、アルゴンの場合は、800℃まで成膜直後の実効ヤング率E* が略維持されるのに対し、大気の場合には、成膜直後350GPa程度であった実効ヤング率E* が600℃を境にして急激に上昇し、700℃では480GPa程度、800℃では440GPa程度となり、900℃で一挙に260GPa程度まで低下していることが分かる。 5, using a CrAlN / BN nanocomposite coating content of 18 vol% of the same BN phase and 4, the effective Young's modulus E * various atmosphere (air, nitrogen, argon) difference in heat treatment temperature Ta under It is a graph which shows how it changed by. The effective Young's modulus E * is E / (1-n 2 ), and since the Poisson's ratio (n) of the film is unknown, the value obtained by dividing the Young's modulus E by (1-n 2 ) was used. From the results shown in FIG. 5, in the case of nitrogen and argon, the effective Young's modulus E * immediately after film formation is substantially maintained up to 800 ° C., whereas in the atmosphere, the effective Young's modulus was about 350 GPa immediately after film formation. It can be seen that the rate E * rises sharply at the boundary of 600 ° C., reaches about 480 GPa at 700 ° C., about 440 GPa at 800 ° C., and decreases to about 260 GPa at 900 ° C. at once.
図6は、上記のようにBN相の含有率が18 vol%のCrAlN/BNナノコンポジット被膜について、GDS(Glow Discharge Spectronmeter;グロー放電発光表面分析装置)による元素分析の結果を熱処理前と熱処理後とで比較して示した図である。熱処理後の試料は、大気中において熱処理温度Ta=800℃で1時間加熱した後に室温まで戻したものである。この図6から明らかなように、熱処理後には熱処理前に比較して、0.2μm以下の表層部分で酸素(O)が増大している。このことから、図4、図5を併せて考えると、ある程度表層が酸化されることによって被膜硬さ(塑性硬さHpl)や実効ヤング率E* が向上していると考えられる。 FIG. 6 shows the results of elemental analysis by GDS (Glow Discharge Spectrometer) for the CrAlN / BN nanocomposite coating with a BN phase content of 18 vol% as described above before and after heat treatment. It is the figure shown by comparing with. The sample after the heat treatment is a sample heated in the atmosphere at a heat treatment temperature Ta = 800 ° C. for 1 hour and then returned to room temperature. As is apparent from FIG. 6, oxygen (O) increases in the surface layer portion of 0.2 μm or less after the heat treatment as compared with before the heat treatment. Therefore, considering FIGS. 4 and 5 together, it is considered that the film hardness (plastic hardness Hpl) and the effective Young's modulus E * are improved by oxidizing the surface layer to some extent.
図7は、CrAlN/BNナノコンポジット被膜について、そのBN相の含有率と塑性硬さHplとの関係を調べた結果を示す図である。この場合の塑性硬さHplは熱処理後の値で、BN相の含有率が28 vol%を超えると30GPa以下まで低下するため、28 vol%以下が望ましい。また、図8は、CrAlN/BNナノコンポジット被膜について、そのBN相の含有率が異なる複数種類の被膜について熱処理温度Taに対する塑性硬さの変化率を調べた結果を示す図で、成膜直後(熱処理前)の塑性硬さHplを100%として求めたものである。何れも大気中での加熱による熱処理で、BN相の含有率が0 vol%の場合は塑性硬さHplが単調に低下するのに対し、BN相を含む場合は維持または若干上昇する傾向を示す。図示は省略したが、BN相の含有率が7 vol%の時には、塑性硬さHplの上昇傾向が小さく、8 vol%以上になると塑性硬さHplが顕著に上昇する。これ等の図7および図8の結果から、BN相の含有率は8 vol%〜28 vol%の範囲内が望ましい。 FIG. 7 is a diagram showing the results of examining the relationship between the BN phase content and the plastic hardness Hpl of the CrAlN / BN nanocomposite coating. In this case, the plastic hardness Hpl is a value after the heat treatment, and when the content of the BN phase exceeds 28 vol%, it decreases to 30 GPa or less, so 28 vol% or less is desirable. FIG. 8 is a graph showing the results of examining the rate of change in plastic hardness with respect to the heat treatment temperature Ta for a plurality of types of coatings having different BN phase contents for a CrAlN / BN nanocomposite coating, immediately after film formation ( It is obtained by setting the plastic hardness Hpl before heat treatment to 100%. In any case, the heat treatment by heating in the atmosphere shows that when the BN phase content is 0 vol%, the plastic hardness Hpl decreases monotonously, whereas when it contains the BN phase, it tends to be maintained or slightly increased. . Although illustration is omitted, when the BN phase content is 7 vol%, the increasing tendency of the plastic hardness Hpl is small, and when it is 8 vol% or more, the plastic hardness Hpl increases remarkably. From these results shown in FIGS. 7 and 8, the content of the BN phase is preferably in the range of 8 vol% to 28 vol%.
一方、図9は、前記図1のボールエンドミル10のように前記I層22およびII層26(T2=T3)を互いに接するように交互に50層以上積層した硬質被膜20が設けられた本発明の硬質被膜被覆工具を含む複数種類の試験品について、被膜硬さ(塑性硬さHpl)を調べた結果を、各試験品の被膜構造と共に示した図である。図9において、比較品の試料No5〜No7は、積層構造の硬質被膜であるが、I層22およびII層26の層厚T2、T3が50nmを超えている。比較品の試料No8は、工具母材12の表面上の最下層のI層22の層厚T1が500nmを超えている点が本発明品と相違し、試料No9は層厚T1が10nmに満たない点が本発明品と相違する。試料No10はCrAlN/BNナノコンポジット被膜から成るII層26のみの単層の硬質被膜で、試料No11は、I層22がAlを含有していない点が本発明品と相違する。従来品の試料No12、No13は、何れもCrAlN/BNナノコンポジット被膜から成るII層26を備えていない点が本発明品と相違する。また、「全体の膜厚」は工具母材12の表面から被膜表面までの前記総膜厚Ttotal で、「母材直上のI層の層厚」は前記層厚T1である。「層数」はI層22およびII層26の積層数で、I層22およびII層26を共に有する場合、偶数の時はII層26が最表層となり、奇数の時はI層22が最表層となる。「被膜硬さ」は前記塑性硬さHplで、成膜時の値であり、前記超マイクロインデンターを用いて測定した。なお、I層22やII層26の層厚T2、T3は、「全体の膜厚」から「母材直上のI層の層厚」を引き算し、(「層数」−1)で割り算することによって求められる。
On the other hand, FIG. 9 shows the present invention provided with a
図9から明らかなように、本発明品(試料No1〜No4)は何れも40GPa以上の超高硬度の被膜硬さが得られた。これに対し、I層22やII層26の層厚T2、T3が50nmを超える比較品(試料No5〜No7)の被膜硬さは34〜36GPaで、本発明品に比べて5GPa以上低い。「母材直上のI層の層厚」すなわち前記層厚T1が800nmの比較品(試料No8)についても、被膜硬さは38GPaで、本発明品よりも低い。層厚T1が5nmの比較品(試料No9)は、被膜硬さが43GPaで、本発明品と同程度の被膜硬さが得られるが、図12のスクラッチ試験から明らかなように十分な付着強度が得られない。その他の比較品や従来品(試料No10〜13)は、何れも被膜硬さが40GPa未満で、本発明品に比べて低い。
As is clear from FIG. 9, all of the products of the present invention (samples No. 1 to No. 4) had an ultra-high hardness of 40 GPa or more. On the other hand, the film hardness of the comparative products (samples Nos. 5 to 7) in which the layer thicknesses T2 and T3 of the
図10は、図9の試験品(試料No1、No2、No5、およびNo12)をそれぞれ2本ずつ用いて耐久性試験を行った際の試験条件を説明する図で、図11はその試験結果を示す図である。図10の(a) は試験条件で、使用工具は工具母材12が超硬合金で2枚刃、R=0.5mmのボールエンドミル、被削材はJISの規格によるSKD61(40HRC)〔合金工具鋼〕、切削速度は126m/min、送り速度は1刃当り0.016mm、切削方法はポケット加工、軸方向切込み寸法ap=0.05mm、ピックフィードpf=0.1mm、切削油剤はエアブローで、ボール刃18の逃げ面摩耗幅が0.05mmに達するまでの切削加工時間を調べた。ポケット加工を行う際のポケットサイズは、図10の(b) に示す通りで、縦幅17.6mm、横幅17.6mmの正方形の加工部に対して、ピックフィードpf=0.1mmのうず巻き線に沿って切削加工を行うとともに、テーパ角度3°で最終加工深さ1mmまで掘り下げる。
FIG. 10 is a diagram illustrating test conditions when a durability test is performed using two test products (samples No. 1, No. 2, No. 5, and No. 12) of FIG. 9, and FIG. 11 shows the test results. FIG. (A) in FIG. 10 shows the test conditions. The tool used is a cemented carbide
図11の試験結果から明らかなように、本発明品(試料No1、No2)は何れも200分以上切削加工を行うことが可能で、60分程度の従来品(試料No12)に比べて耐久性(耐摩耗性)が大幅に向上する。また、I層22やII層26の層厚T2、T3が50nmを超える比較品(試料No5)は150分程度で、50nm以下のナノレイヤー構造の本発明品の方が40%以上優れた耐久性が得られる。
As is apparent from the test results in FIG. 11, the products of the present invention (samples No. 1 and No. 2) can be cut for 200 minutes or more, and are more durable than the conventional product (sample No. 12) of about 60 minutes. (Abrasion resistance) is greatly improved. In addition, the comparative product (sample No. 5) in which the layer thicknesses T2 and T3 of the
図12は、図9の試験品のうち本発明品(試料No2)、および比較品(試料No9およびNo10)の計3種類の試験品を用いて、硬質被膜の付着強度に関するスクラッチ試験を行った結果を説明する図である。このスクラッチ試験では、ダイヤモンドコーンを試験品に押し付けて引っ掻く際に、その押付荷重(N)を増加させることにより、被膜が破壊したり剥離したりする際に発生するアコースティックエミッション(AE)を検出し、その検出信号が急激に立ち上がった時の荷重を付着力として測定した。試験条件は、(a) に示すように荷重速度が400N/min、スクラッチ速度が10mm/minで、押付荷重を連続的に増加させる連続荷重タイプである。図12の(b) は試験結果で、本発明品(試料No2)の付着力は98Nであったのに対し、前記層厚T1が5nmの比較品(試料No9)は79Nで、本発明品に比較して20N程度低くなる。また、工具母材12の表面上にII層26を直接設けた比較品(試料No10)は10Nで、付着力が極めて悪い。
FIG. 12 shows a scratch test on the adhesion strength of the hard coating, using a total of three types of test products of the present invention (sample No. 2) and comparative products (sample No. 9 and No. 10) among the test products of FIG. It is a figure explaining a result. In this scratch test, when the diamond cone is pressed against the specimen and scratched, the pressing load (N) is increased to detect acoustic emission (AE) that occurs when the coating breaks or peels off. The load when the detection signal suddenly rose was measured as the adhesive force. As shown in (a), the test conditions are a continuous load type in which the pressing load is continuously increased at a load speed of 400 N / min and a scratch speed of 10 mm / min. (B) in FIG. 12 shows the test results. The adhesive strength of the product of the present invention (sample No. 2) was 98 N, while the comparative product (sample No. 9) having a layer thickness T1 of 5 nm was 79 N. It is about 20N lower than Further, the comparative product (sample No. 10) in which the
以上の各試験結果からも明らかなように、前記実施例のボールエンドミル10を含めて、試料No1〜No4の本発明品によれば、Ala Tib Crc の窒化物または炭窒化物から成るI層22が工具母材12の表面上に設けられるとともに、そのI層22およびCrAlNとBN相とが三次元的に混じり合う複合膜(CrAlN/BNナノコンポジット被膜)から成るII層26が交互に4層以上積層されて硬質被膜20等が構成されているため、その硬質被膜20等を高い付着強度で工具母材12上に設けることができる。特に、工具母材12の表面上に設けられるI層22の層厚T1は10nm〜500nmの範囲内であるため、所定の被膜硬さを確保しつつ付着強度を適切に向上させることができる。
As is clear from the above test results, according to the present invention samples No. 1 to No. 4 including the
また、上記工具母材12の表面上のI層22を除く他のI層22およびII層26の層厚T2、T3は何れも1nm〜50nmの範囲内で、被膜全体の総膜厚Ttotal は0.1μm〜20μmの範囲内であるため、II層26を構成しているCrAlN/BNナノコンポジット被膜が有する優れた耐熱性や高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等の性能が適切に得られるようになり、乾式加工や高能率加工等の高負荷時の工具寿命が向上するとともに、溶着が抑制されることで加工面粗さが向上する。特に、交互に積層されるI層22およびII層26の各層厚T2、T3が1nm〜50nmの範囲内の極めて薄いナノレイヤー構造を成しているため、それ等の密着性が更に向上して40GPa程度以上の超高硬度の被膜硬さが得られるようになり、耐摩耗性等の耐久性が一層向上する。
Further, the layer thicknesses T2 and T3 of the
図2の(c) に示す硬質被膜34のように、最表層がII層26にて構成されているとともに、その最表層の層厚T4が、所定の被膜性能が得られるように他のII層26の層厚T3よりも厚く、1nm〜200nmの範囲内の所定厚さを有する場合、前記硬質被膜20と同様の効果が得られるのに加えて、最表層のII層26を構成しているCrAlN/BNナノコンポジット被膜が有する優れた耐熱性や高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等の性能が一層適切に得られるようになる。
Like the
また、前記I層22のうち少なくとも工具母材12の表面上に設けられる最下層のI層22をアークイオンプレーティング法で形成すれば、一層高い付着強度が得られる。すなわち、アークイオンプレーティング法はスパッタリング法に比較してイオン化率が高いため、三次元形状の工具の刃先等に対してI層22を均一な膜質で設けることができ、高い付着強度で成膜できるのである。
Further, if the
また、前記II層26はスパッタリング法で形成されているため、そのII層26を構成しているCrAlN/BNナノコンポジット被膜を適切に設けることが可能で、耐熱性や高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等の性能が適切に得られる。
Further, since the
また、II層26におけるBN相の含有率を8 vol%〜28 vol%の範囲内とすれば、そのII層26を構成しているCrAlN/BNナノコンポジット被膜が有する耐熱性や高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等の性能が適切に得られ、耐久性が一層向上する。
Further, if the content of the BN phase in the
また、図3の(a) 、(b) に示す硬質被膜30、32のように、I層22とII層26との間にBN相の含有率が連続的に増加または減少する遷移層24、28が設けられる場合は、I層22とII層26との間の密着性が一層高められ、付着強度が更に向上する。
Further, like the
また、工具母材12の表面上に設けられたI層22についてはアークイオンプレーティング法で形成し、その他のI層22およびII層26については総てスパッタリング法で形成する場合、多層構造の硬質被膜20等を簡便に設けることができる。
Further, when the
また、工具母材12の表面上に設けられる最下層のI層22を含めて総てのI層22をアークイオンプレーティング法で形成し、II層26は総てスパッタリング法で形成する場合には、アークイオンプレーティング法で形成されるI層22の存在で各層の密着性が向上し、硬質被膜20等の付着強度が一層向上する。このようにアークイオンプレーティング法およびスパッタリング法でI層22およびII層26を交互に形成する場合でも、前記アークイオンプレーティング蒸発源とスパッタリング蒸発源を共に備えた複合成膜装置40を用いることにより簡便に成膜できる。
Further, when all the I layers 22 including the
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更,改良を加えた態様で実施することができる。 As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail based on drawing, these are one embodiment to the last, and this invention is implemented in the aspect which added the various change and improvement based on the knowledge of those skilled in the art. be able to.
10:ボールエンドミル(硬質被膜被覆工具) 12:工具母材 20、30、32、34:硬質被膜 22:I層 24:第1遷移層 26:II層 28:第2遷移層 Ttotal :総膜厚 T1:母材直上のI層の層厚 T2:母材直上以外のI層の層厚 T3:II層の層厚 T4:最表層のII層の層厚
10: Ball end mill (hard coating coated tool) 12:
Claims (8)
Ala Tib Crc 〔但し、a、b、cはそれぞれ原子比で、0.3≦a≦0.7、0≦b≦0.5、0≦c≦0.7、且つa+b+c=1〕の窒化物または炭窒化物から成るI層と、
CrAlNから成る窒化物相とBN相とが三次元的に混じり合う複合膜であるII層と、
を有し、工具母材の表面上に前記I層が設けられるとともに、該I層および前記II層が交互に4層以上積層されて前記硬質被膜が構成されている一方、
前記工具母材の表面上に設けられる前記I層の層厚は10nm〜500nmの範囲内で、その他の該I層および前記II層の層厚は何れも1nm〜50nmの範囲内であり、被膜全体の総膜厚は0.1μm〜20μmの範囲内である
ことを特徴とする硬質被膜被覆工具。 In hard coating coated tools whose surface is coated with a hard coating,
Al a Ti b Cr c [where a, b, c are atomic ratios, 0.3 ≦ a ≦ 0.7, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.7, and a + b + c = 1, respectively. An I layer comprising a nitride or carbonitride of
II layer, which is a composite film in which a nitride phase composed of CrAlN and a BN phase are three-dimensionally mixed,
While the I layer is provided on the surface of the tool base material, the I layer and the II layer are alternately laminated to form the hard coating,
The layer thickness of the I layer provided on the surface of the tool base material is in the range of 10 nm to 500 nm, and the layer thicknesses of the other I layer and II layer are both in the range of 1 nm to 50 nm. The hard coating tool characterized by having a total film thickness in the range of 0.1 μm to 20 μm.
Ala Tib Crc 〔但し、a、b、cはそれぞれ原子比で、0.3≦a≦0.7、0≦b≦0.5、0≦c≦0.7、且つa+b+c=1〕の窒化物または炭窒化物から成るI層と、
CrAlNから成る窒化物相とBN相とが三次元的に混じり合う複合膜であるII層と、
を有し、工具母材の表面上に前記I層が設けられるとともに前記II層が最表層となるように、該I層および該II層が交互に4層以上積層されて前記硬質被膜が構成されている一方、
前記工具母材の表面上に設けられる前記I層の層厚は10nm〜500nmの範囲内で、その他の該I層および前記最表層を除く前記II層の層厚は何れも1nm〜50nmの範囲内であり、被膜全体の総膜厚は0.1μm〜20μmの範囲内である
ことを特徴とする硬質被膜被覆工具。 In hard coating coated tools whose surface is coated with a hard coating,
Al a Ti b Cr c [where a, b, c are atomic ratios, 0.3 ≦ a ≦ 0.7, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.7, and a + b + c = 1, respectively. An I layer comprising a nitride or carbonitride of
II layer, which is a composite film in which a nitride phase composed of CrAlN and a BN phase are three-dimensionally mixed,
The hard coating is configured by alternately laminating four or more layers of the I layer and the II layer so that the I layer is provided on the surface of the tool base material and the II layer is the outermost layer. While being
The thickness of the I layer provided on the surface of the tool base material is in the range of 10 nm to 500 nm, and the thickness of the II layer excluding the other I layer and the outermost layer is in the range of 1 nm to 50 nm. The hard film-coated tool, wherein the total film thickness of the entire film is in the range of 0.1 μm to 20 μm.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の硬質被膜被覆工具。 The hard coating coated tool according to claim 1 or 2, wherein at least one of the I layers provided on the surface of the tool base material is formed by an arc ion plating method.
ことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の硬質被膜被覆工具。 The hard coating tool according to any one of claims 1 to 3, wherein the II layer is formed by a sputtering method.
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の硬質被膜被覆工具。 The hard film-coated tool according to any one of claims 1 to 4, wherein the content of the BN phase in the II layer is in the range of 8 vol% to 28 vol%.
ことを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の硬質被膜被覆工具。 The transition layer in which the content of the BN phase continuously increases or decreases is provided between the I layer and the II layer. The hard coating tool described.
ことを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の硬質被膜被覆工具。 The I layer provided on the surface of the tool base material is formed by an arc ion plating method, and the other I layer and the II layer are all formed by a sputtering method. The hard film coating tool according to any one of 1 to 6.
ことを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の硬質被膜被覆工具。 The I layer including all those provided on the surface of the tool base material is formed by an arc ion plating method, and the II layer is formed by a sputtering method. The hard film coating tool according to any one of 1 to 6.
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