JP2016003368A - Hard coating, cutting tool and method for manufacturing hard coating - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hard coating capable of manufacturing a long life cutting tool, a cutting tool and a method for manufacturing the hard coating.SOLUTION: The hard coating comprises a plurality of crystal grains and an amorphous phase between the crystal grains. The crystal grains have a structure formed by alternately laminating a TiAlN layer having a fcc structure and a TiAlN layer having a fcc structure. The Al composition ratio x of the TiAlN layer satisfies the relationship of 0≤x<1, the Al composition ratio y of the TiAlN layer satisfies the relationship of 0<y≤1, and the Al composition ratio x and the Al composition ratio y satisfy the relationship of (y-x)≥0.2. The amorphous phase is a hard coating including carbide, nitride or carbon nitride of at least one of Ti and Al.

Description

本発明は、硬質被膜、切削工具および硬質被膜の製造方法に関する。   The present invention relates to a hard coating, a cutting tool, and a method for manufacturing a hard coating.

従来より、超硬合金からなる切削工具を用いて、鋼および鋳物などの切削加工が行われている。このような切削工具は、切削加工時において、その刃先が高温および高圧などの過酷な環境に曝されるため、刃先が摩耗したり、欠けたりするといった問題が生じる場合が多く、その切削性能には課題がある。   Conventionally, cutting of steel, castings, and the like has been performed using a cutting tool made of a cemented carbide. In such cutting tools, the cutting edge is exposed to a severe environment such as high temperature and high pressure at the time of cutting, so the problem that the cutting edge is worn or chipped often occurs. Has a challenge.

そこで、切削工具の切削性能の改善を目的として、超硬合金などの基材の表面を被覆する被膜の開発が進められている。なかでも、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)と窒素(N)との化合物(以下、「TiAlN」ともいう。)からなる被膜は、高い硬度を有することができるとともに、Alの含有割合を高めることによって耐酸化性を高めることができる。このような被膜によって切削工具を被覆することにより、切削工具の性能の改善が可能であることから、当該被膜のさらなる開発が期待されている。   Therefore, for the purpose of improving the cutting performance of the cutting tool, development of a coating that covers the surface of a base material such as cemented carbide is underway. In particular, a film made of a compound of titanium (Ti), aluminum (Al), and nitrogen (N) (hereinafter also referred to as “TiAlN”) can have high hardness and increase the content ratio of Al. Therefore, oxidation resistance can be improved. Since the performance of the cutting tool can be improved by coating the cutting tool with such a coating, further development of the coating is expected.

たとえば、特許文献1には、プラズマ励起を行わずにCVD(Chemical Vapor Deposition)により作成されたTi1-xAlxN硬質被膜を少なくとも1つ有する硬質被膜が開示されている。Ti1-xAlxN硬質被膜は、x>0.75〜x=0.93の化学量論係数および0.412nm〜0.405nmの格子定数afccを有する立方晶NaCl構造の単相の層として存在しているか、またはTi1-xAlxN硬質被膜は、その主要な相がx>0.75〜x=0.93の化学量論係数および0.412nm〜0.405nmの格子定数afccを有する立方晶NaCl構造を有するTi1-xAlxNからなっている。また、別の相として、Ti1-xAlxNがウルツ鉱構造および/またはNaCl構造のTiNxとして含有されている多相の層であり、Ti1-xAlxN硬質被膜の塩素含有率が0.05〜0.9原子%の範囲となっている。非特許文献1にも同様の技術が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a hard film having at least one Ti 1-x Al x N hard film formed by CVD (Chemical Vapor Deposition) without performing plasma excitation. Ti 1-x Al x N hard coating is a single phase of cubic NaCl structure with a stoichiometric coefficient of x> 0.75 to x = 0.93 and a lattice constant a fcc of 0.412 nm to 0.405 nm. Present as a layer, or Ti 1-x Al x N hard coating, the major phase of which is a stoichiometric coefficient of x> 0.75 to x = 0.93 and a lattice of 0.412 nm to 0.405 nm It consists of Ti 1-x Al x N having a cubic NaCl structure with a constant a fcc . As another phase, Ti 1-x Al x N is a multi-phase layer containing TiN x having a wurtzite structure and / or NaCl structure, and the Ti 1-x Al x N hard coating contains chlorine. The rate is in the range of 0.05 to 0.9 atomic%. Non-patent document 1 also discloses a similar technique.

また、たとえば、特許文献2には、少なくとも1の硬質材料複合層が開示されている。硬質材料複合層は、主相として立方晶TiAlCN及び六方晶AlNを含有し、立方晶TiAlCNが、≧0.1μmの結晶子サイズを有する微晶質fcc−Ti1-xAlxyz(ここで、x>0.75、y=0〜0.25であり、かつz=0.75〜1である)となっている。また、硬質材料複合層は、さらに粒界領域内に非晶質炭素を0.01%〜20%の質量割合で含有している。非特許文献2にも同様の技術が開示されている。 Further, for example, Patent Document 2 discloses at least one hard material composite layer. The hard material composite layer contains cubic TiAlCN and hexagonal AlN as the main phase, and the cubic TiAlCN has a microcrystalline fcc-Ti 1-x Al x C y N z having a crystallite size of ≧ 0.1 μm. (Where x> 0.75, y = 0 to 0.25, and z = 0.75 to 1). Further, the hard material composite layer further contains amorphous carbon in a mass ratio of 0.01% to 20% in the grain boundary region. Non-Patent Document 2 also discloses a similar technique.

特表2008−545063号公報Special table 2008-545063 gazette 特表2013−510946号公報Special table 2013-510946 gazette

I. Endler et al., “Novel aluminum−rich Ti1−xAlxN coatings by LPCVD”, Surface & Coatings Technology 203 (2008) 530−533I. Endler et al. "Novel aluminum-rich Ti1-xAlxN coatings by LPCVD", Surface & Coatings Technology 203 (2008) 530-533. I. Endler et al., “Aluminum−rich TiAlCN coatings by Low Pressure CVD”, Surface & Coatings Technology 205 (2010) 1307−1312I. Endler et al. “Aluminum-rich TiAlCN coatings by Low Pressure CVD”, Surface & Coatings Technology 205 (2010) 1307-1312.

しかしながら、特許文献1および非特許文献1に記載のTi1-xAlxN硬質被膜は、Ti1-xAlxN硬質被膜中のxが0.7よりも大きいため、立方晶としては不安定であり、切削加工時に発生する擦過熱により高温に加熱されるとウルツ鉱型構造に相変態し、硬度が低下するという問題があった。Ti1-xAlxN硬質被膜中のxが0.7よりも大きい場合には、結晶構造に大きな歪が生じるため、より安定なウルツ鉱型に相転移することによって被膜全体の内部エネルギーを安定化させるためである。 However, the Ti 1-x Al x N hard coatings described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 are not suitable as cubic crystals because x in the Ti 1-x Al x N hard coating is larger than 0.7. There is a problem that when it is stable and heated to high temperature by rubbing heat generated at the time of cutting, it transforms into a wurtzite structure and the hardness decreases. When x in the Ti 1-x Al x N hard coating is greater than 0.7, large distortion occurs in the crystal structure, so that the internal energy of the entire coating is reduced by phase transition to a more stable wurtzite type. This is for stabilization.

また、特許文献1および非特許文献1に記載のTi1-xAlxN硬質被膜においては、高温に加熱された後の冷却過程における熱落差によって、硬度の低い六方晶AlNが析出する。このように析出した六方晶AlNがTi1-xAlxN硬質被膜中の欠陥となり、被膜の耐摩耗性の向上を妨げ、切削工具の耐チッピング性および耐欠損性を低下させるため、十分な切削性能を得ることができない。 Further, in the Ti 1-x Al x N hard coating described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, hexagonal AlN having a low hardness precipitates due to a heat drop in the cooling process after being heated to a high temperature. The hexagonal AlN thus precipitated becomes a defect in the Ti 1-x Al x N hard coating, hinders the improvement of the wear resistance of the coating, and reduces the chipping resistance and fracture resistance of the cutting tool. Cutting performance cannot be obtained.

このような課題を解決するため、特許文献2および非特許文献2においては、非晶質炭素を添加して、結晶粒界に非晶質炭素を析出させることによって、立方晶TiAlCNからウルツ鉱型への相転移を抑制している。   In order to solve such a problem, in Patent Document 2 and Non-Patent Document 2, by adding amorphous carbon and depositing amorphous carbon at the grain boundary, the wurtzite type is formed from cubic TiAlCN. The phase transition to is suppressed.

しかしながら、非晶質炭素は切削加工時に酸化されるため、立方晶TiAlCNのウルツ鉱型への相転移が突発的に発生する。そのため、切削工具の被膜の硬度が突然低下し、突発的な欠損が発生する。   However, since amorphous carbon is oxidized during cutting, a phase transition of cubic TiAlCN to a wurtzite type occurs suddenly. For this reason, the hardness of the coating film of the cutting tool is suddenly reduced, and a sudden defect occurs.

したがって、未だ、長寿命の切削工具の実現には至っておらず、その開発が要望されている。   Therefore, a long-life cutting tool has not yet been realized, and its development is desired.

本発明の一態様に係る硬質被膜は、複数の結晶粒と、前記結晶粒の間の非晶質相とを含み、前記結晶粒は、それぞれ、fcc構造を有するTi1-xAlxN層と、fcc構造を有するTi1-yAlyN層とが交互に積層された構造を有しており、前記Ti1-xAlxN層のAl組成比xは0≦x<1の関係を満たし、前記Ti1-yAlyN層のAl組成比yは0<y≦1の関係を満たし、前記Al組成比xと前記Al組成比yとは(y−x)≧0.2の関係を満たし、前記非晶質相は、TiおよびAlの少なくとも一方の炭化物、窒化物または炭窒化物を含んでいる。 The hard coating according to an aspect of the present invention includes a plurality of crystal grains and an amorphous phase between the crystal grains, and each of the crystal grains includes a Ti 1-x Al x N layer having an fcc structure. And Ti 1-y Al y N layers having the fcc structure are alternately stacked, and the Al composition ratio x of the Ti 1-x Al x N layer is such that 0 ≦ x <1 The Al composition ratio y of the Ti 1-y Al y N layer satisfies the relationship 0 <y ≦ 1, and the Al composition ratio x and the Al composition ratio y are (y−x) ≧ 0.2 The amorphous phase contains at least one carbide, nitride or carbonitride of Ti and Al.

本発明の他の一態様に係る切削工具は、基材と、前記基材上に設けられた上記の硬質被膜とを備えている。   The cutting tool which concerns on the other one aspect | mode of this invention is equipped with the base material and said hard film provided on the said base material.

本発明のさらに他の一態様に係る硬質被膜の製造方法は、チタンのハロゲン化物ガスと、アルミニウムのハロゲン化物ガスと、テトラキスネオペンチルチタンガスと、アンモニアガスとを基材の表面に噴出する工程と、前記基材を冷却する工程とを含んでいる。   The method for producing a hard coating according to still another aspect of the present invention includes a step of jetting a titanium halide gas, an aluminum halide gas, a tetrakisneopentyl titanium gas, and an ammonia gas to the surface of the substrate. And a step of cooling the substrate.

上記によれば、長寿命の切削工具を作製することが可能な硬質被膜、切削工具および硬質被膜の製造方法を提供することができる。   According to the above, it is possible to provide a hard coating, a cutting tool, and a method for manufacturing a hard coating capable of producing a long-life cutting tool.

実施形態の切削工具の模式的な断面図である。It is a typical sectional view of the cutting tool of an embodiment. 硬質被膜の模式的な拡大断面図である。It is a typical expanded sectional view of a hard film. 結晶粒の1個の模式的な拡大断面図である。It is a typical expanded sectional view of one crystal grain. 実施形態の硬質被膜の作製に用いられるCVD装置の一例の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of an example of the CVD apparatus used for preparation of the hard film of embodiment. 図4に示すガス導入管の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the gas introduction pipe | tube shown in FIG. 第1ガス〜第4ガスの噴出方向を示す模式的な平面図である。It is a typical top view which shows the ejection direction of 1st gas-4th gas. 結晶粒の粒径の算出方法を図解する模式的な拡大平面図である。It is a typical enlarged plan view illustrating the calculation method of the grain size of a crystal grain.

[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
[Description of Embodiment of the Present Invention]
First, embodiments of the present invention will be listed and described.

(1)本発明の一態様に係る硬質被膜は、複数の結晶粒と、前記結晶粒の間の非晶質相とを含み、前記結晶粒は、それぞれ、fcc構造を有するTi1-xAlxN層と、fcc構造を有するTi1-yAlyN層とが交互に積層された構造を有しており、前記Ti1-xAlxN層のAl組成比xは0≦x<1の関係を満たし、前記Ti1-yAlyN層のAl組成比yは0<y≦1の関係を満たし、前記Al組成比xと前記Al組成比yとは(y−x)≧0.2の関係を満たし、前記非晶質相は、TiおよびAlの少なくとも一方の炭化物、窒化物または炭窒化物を含んでいる。これにより、硬質被膜の耐摩耗性が向上するため、当該硬質被膜を備えた切削工具の耐チッピング性および耐欠損性が向上し、ひいては長寿命の切削工具を実現することができる。 (1) A hard film according to an aspect of the present invention includes a plurality of crystal grains and an amorphous phase between the crystal grains, and each of the crystal grains has a Ti 1-x Al having an fcc structure. x N layers and Ti 1-y Al y N layers having an fcc structure are alternately stacked, and the Al composition ratio x of the Ti 1-x Al x N layers is 0 ≦ x < 1, the Al composition ratio y of the Ti 1-y Al y N layer satisfies the relationship of 0 <y ≦ 1, and the Al composition ratio x and the Al composition ratio y are (y−x) ≧ The relationship of 0.2 is satisfied, and the amorphous phase includes at least one of Ti and Al carbide, nitride, or carbonitride. Thereby, since the wear resistance of the hard coating is improved, the chipping resistance and chipping resistance of the cutting tool provided with the hard coating is improved, so that a long-life cutting tool can be realized.

(2)本発明の一態様に係る硬質被膜において、隣り合う前記Ti1-xAlxN層の1層当たりの厚さと前記Ti1-yAlyN層の1層当たりの厚さとの合計厚さは、1nm以上50nm以下であることが好ましい。隣り合う前記Ti1-xAlxN層の1層当たりの厚さと前記Ti1-yAlyN層の1層当たりの厚さとの合計厚さが1nm以上である場合には、硬質被膜の作製が容易となる。また、隣り合う隣り合う前記Ti1-xAlxN層の1層当たりの厚さと前記Ti1-yAlyN層の1層当たりの厚さとの合計厚さが50nm以下である場合には、前記Ti1-xAlxN層と前記Ti1-yAlyN層との界面の歪の緩和、およびAl組成比の高い前記Ti1-yAlyN層の相転移に起因する硬質被膜の耐摩耗性の低下を抑制することができる。また、この場合には、高硬度のfcc構造を有する結晶粒ではなく低硬度のhcp構造を有するTiAlN結晶粒の出現を抑制することができる。 (2) In the hard coating film according to one aspect of the present invention, the sum of the thickness per layer of the adjacent Ti 1-x Al x N layers and the thickness per layer of the Ti 1-y Al y N layers The thickness is preferably 1 nm or more and 50 nm or less. When the total thickness of the adjacent Ti 1-x Al x N layers and the thickness of the Ti 1-y Al y N layer is 1 nm or more, Manufacture is easy. When the total thickness of the adjacent Ti 1-x Al x N layers and the thickness of the Ti 1-y Al y N layer adjacent to each other is 50 nm or less , Due to the relaxation of the strain at the interface between the Ti 1-x Al x N layer and the Ti 1-y Al y N layer and the phase transition of the Ti 1-y Al y N layer having a high Al composition ratio A decrease in wear resistance of the coating can be suppressed. Further, in this case, it is possible to suppress the appearance of TiAlN crystal grains having a low-hardness hcp structure rather than crystal grains having a high-hardness fcc structure.

(3)本発明の一態様に係る硬質被膜においては、前記結晶粒の粒径が0.01μm以上1μm以下であることが好ましい。この場合には、結晶粒を高硬度にすることができるとともに、非晶質相を高潤滑性にすることができる。これにより、硬質被膜の耐摩耗性が向上するため、硬質被膜を備えた切削工具の耐チッピング性および耐欠損性が向上し、切削工具のさらなる長寿命化も図ることができる。   (3) In the hard film which concerns on 1 aspect of this invention, it is preferable that the particle size of the said crystal grain is 0.01 micrometer or more and 1 micrometer or less. In this case, the crystal grains can have high hardness and the amorphous phase can have high lubricity. Thereby, since the wear resistance of the hard coating is improved, the chipping resistance and chipping resistance of the cutting tool provided with the hard coating are improved, and the life of the cutting tool can be further extended.

(4)本発明の一態様に係る硬質被膜においては、前記非晶質相の厚さが100nm以下であることが好ましい。この場合には、硬質被膜が硬脆くなるのを抑制することができるとともに、硬質被膜に好適な潤滑性を付与することができるため、硬質被膜の耐摩耗性を向上することができる。これにより、硬質被膜を備えた切削工具の耐チッピング性および耐欠損性をさらに向上することができる。   (4) In the hard film which concerns on 1 aspect of this invention, it is preferable that the thickness of the said amorphous phase is 100 nm or less. In this case, the hard coating can be prevented from becoming hard and brittle, and suitable lubricity can be imparted to the hard coating, so that the wear resistance of the hard coating can be improved. Thereby, the chipping resistance and chipping resistance of the cutting tool provided with the hard coating can be further improved.

(5)本発明の一態様に係る硬質被膜においては、前記硬質被膜のナノインデンテーション法による押し込み硬さが30GPa以上であることが好ましい。この場合には、硬質被膜を備えた切削工具を用いて、耐熱合金などの難削材の切削加工を行う際に優れた性能を発揮することができる。   (5) In the hard film which concerns on 1 aspect of this invention, it is preferable that the indentation hardness by the nano indentation method of the said hard film is 30 GPa or more. In this case, excellent performance can be exhibited when cutting difficult-to-cut materials such as heat-resistant alloys using a cutting tool provided with a hard coating.

(6)本発明の一態様に係る切削工具は、基材と、前記基材上に設けられた上記のいずれかに記載の硬質被膜とを備えている。これにより、硬質被膜の耐摩耗性が向上するため、硬質被膜を備えた切削工具の耐チッピング性および耐欠損性が向上し、ひいては長寿命の切削工具を実現することができる。   (6) The cutting tool which concerns on 1 aspect of this invention is equipped with the base material and the hard film in any one of said provided provided on the said base material. Thereby, since the wear resistance of the hard coating is improved, the chipping resistance and chipping resistance of the cutting tool provided with the hard coating is improved, so that a long-life cutting tool can be realized.

(7)本発明の一態様に係る硬質被膜の製造方法は、チタンのハロゲン化物ガスと、アルミニウムのハロゲン化物ガスと、テトラキスネオペンチルチタンガスと、アンモニアガスとを基材の表面に噴出する工程と、前記基材を冷却する工程とを含んでいる。これにより、Ti炭化物、Ti窒化物またはTi炭窒化物からなる非晶質相を形成することができ、非晶質相は、切削加工時の擦化熱による酸化をさらに防止することができる。そのため、結晶粒のウルツ鉱型への突発的な相転移への抑制効果を高めることができるため、Ti[CH2C(CH334ガスを用いて非晶質相を形成した場合には、切削工具をさらに長寿命にすることができる。 (7) The method for producing a hard coating according to one embodiment of the present invention includes a step of jetting a titanium halide gas, an aluminum halide gas, a tetrakisneopentyl titanium gas, and an ammonia gas to the surface of the substrate. And a step of cooling the substrate. Thereby, an amorphous phase made of Ti carbide, Ti nitride or Ti carbonitride can be formed, and the amorphous phase can further prevent oxidation due to heat of rubbing during cutting. Therefore, since the effect of suppressing the sudden phase transition of crystal grains to the wurtzite type can be enhanced, an amorphous phase is formed using Ti [CH 2 C (CH 3 ) 3 ] 4 gas In addition, the cutting tool can have a longer life.

(8)本発明の一態様に係る硬質被膜の製造方法において、前記基材を冷却する工程は、前記基材を7℃/分以上の速度で400℃以下に冷却する工程を含み、前記硬質被膜の製造方法は、前記400℃以下に冷却する工程の後に、アンモニアガスの気流中またはアンモニアガスと水素ガスとの混合ガスの気流中で前記基材を600℃以上800℃以下の温度で30分以上300分以下加熱する工程をさらに含むことが好ましい。基材を7℃/分以上の速度で400℃以下に冷却した場合には、Ti1-xAlxN層とTi1-yAlyN層とが交互に積層された結晶粒をより安定して作製することができる。また、この場合には、結晶粒間の非晶質相に含まれる未反応物および欠陥を除去することができるため、硬質被膜の潤滑性が向上し、切削工具の耐チッピング性および耐欠損性をさらに向上することができる。 (8) In the method for producing a hard coating according to an aspect of the present invention, the step of cooling the base material includes the step of cooling the base material to 400 ° C. or less at a rate of 7 ° C./min or more, In the method for producing a film, after the step of cooling to 400 ° C. or lower, the substrate is heated at a temperature of 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower in a flow of ammonia gas or a mixed gas of ammonia gas and hydrogen gas. It is preferable to further include a step of heating for not less than 300 minutes and not more than 300 minutes. When the substrate is cooled to 400 ° C. or less at a rate of 7 ° C./min or more, the crystal grains in which Ti 1-x Al x N layers and Ti 1-y Al y N layers are alternately laminated are more stable. Can be produced. In this case, since unreacted substances and defects contained in the amorphous phase between crystal grains can be removed, the lubricity of the hard coating is improved, and the chipping resistance and chipping resistance of the cutting tool are improved. Can be further improved.

[本発明の実施形態の詳細]
以下、実施形態について説明する。なお、実施形態の説明に用いられる図面において、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。また、本明細書において、fcc構造は、面心立方構造の結晶構造を意味するものとする。また、hcp構造は、六方細密充填構造の結晶構造を意味するものとする。
[Details of the embodiment of the present invention]
Hereinafter, embodiments will be described. In the drawings used to describe the embodiments, the same reference numerals represent the same or corresponding parts. In this specification, the fcc structure means a crystal structure having a face-centered cubic structure. The hcp structure means a crystal structure of a hexagonal close packed structure.

<被膜>
図1に、実施形態の切削工具の模式的な断面図を示す。図1に示すように、実施形態の切削工具は、基材11と、基材11上に設けられた被膜50とを備えている。被膜50は、下地膜20と、下地膜20上に設けられた硬質被膜30とを備えている。
<Coating>
In FIG. 1, typical sectional drawing of the cutting tool of embodiment is shown. As shown in FIG. 1, the cutting tool of the embodiment includes a base material 11 and a coating 50 provided on the base material 11. The coating 50 includes a base film 20 and a hard film 30 provided on the base film 20.

図2に、硬質被膜30の模式的な拡大断面図を示す。図2に示すように、硬質被膜30は、複数の結晶粒21と、複数の結晶粒21の間の非晶質相22とを含んでいる。   In FIG. 2, the typical expanded sectional view of the hard film 30 is shown. As shown in FIG. 2, the hard coating 30 includes a plurality of crystal grains 21 and an amorphous phase 22 between the plurality of crystal grains 21.

<結晶粒>
図3に、結晶粒21の1個の模式的な拡大断面図を示す。図3に示すように、結晶粒21は、fcc構造を有するTi1-xAlxN層21aと、fcc構造を有するTi1-yAlyN層21bとが交互に積層された構造を有している。ここで、Ti1-xAlxN層21aのAl組成比xは、0≦x<1の関係を満たしている。また、Ti1-yAlyN層21bのAl組成比yは、0<y≦1の関係を満たしている。さらに、Ti1-xAlxN層21aのAl組成比xとTi1-yAlyN層21bのAl組成比yとは、(y−x)≧0.2の関係を満たしている。
<Crystal grains>
FIG. 3 shows a schematic enlarged cross-sectional view of one crystal grain 21. As shown in FIG. 3, the crystal grain 21 has a structure in which Ti 1-x Al x N layers 21a having an fcc structure and Ti 1-y Al y N layers 21b having an fcc structure are alternately stacked. doing. Here, the Al composition ratio x of the Ti 1-x Al x N layer 21a satisfies the relationship of 0 ≦ x <1. Further, Ti 1-y Al y N layer 21b of the Al composition ratio y satisfies the relationship of 0 <y ≦ 1. Further, the Al composition ratio x of the Ti 1-x Al x N layer 21a and the Al composition ratio y of the Ti 1-y Al y N layer 21b satisfy the relationship of (y−x) ≧ 0.2.

なお、Ti1-xAlxN層21aのAl組成比xは、上記の関係を満たす限り、結晶粒21を構成する他の少なくとも1層のTi1-xAlxN層21aのAl組成比xと異なっていてもよく、同じであってもよい。また、Ti1-yAlyN層21bのAl組成比yも、上記の関係を満たす限り、結晶粒21を構成する他の少なくとも1層のTi1-yAlyN層21bのAl組成比yと異なっていてもよく、同じであってもよい。 Incidentally, Ti 1-x Al x N-layer 21a Al composition ratio x as long as satisfying the above relationship, Al composition ratios of Ti 1-x Al x N layer 21a of the other of the at least one layer constituting the crystal grains 21 It may be different from x or may be the same. Further, Ti 1-y Al y Al composition ratio of the N layer 21b y also, as long as satisfying the above relationship, Al composition ratios of Ti 1-y Al y N layer 21b of another of the at least one layer constituting the crystal grains 21 It may be different from y or the same.

また、結晶粒21のTi1-xAlxN層21aおよびTi1-yAlyN層21bがそれぞれfcc構造を有していることについては、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いた観察により確認することができる。 Further, for the Ti 1-x Al x N layer 21a and Ti 1-y Al y N layer 21b of the crystal grains 21 has a fcc structure, respectively, by observation using a transmission electron microscope (TEM) Can be confirmed.

また、結晶粒21のTi1-xAlxN層21aおよびTi1-yAlyN層21bの組成(構成元素の種類および構成元素の構成比率)については、エネルギー分散型X線分析(EDX)または3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡分析により求めることができる。 The composition (type of constituent elements and constituent ratio of constituent elements) of the Ti 1-x Al x N layer 21a and the Ti 1-y Al y N layer 21b of the crystal grains 21 is energy dispersive X-ray analysis (EDX). Or three-dimensional atom probe field ion microscope analysis.

<非晶質相>
非晶質相22は、TiおよびAlの少なくとも一方の炭化物、窒化物または炭窒化物を含んでいる。
<Amorphous phase>
The amorphous phase 22 contains at least one of Ti, Al carbide, nitride, or carbonitride.

すなわち、非晶質相22は、Tiの炭化物(TiC)、Tiの窒化物(TiN)、Tiの炭窒化物(TiCN)、Alの炭化物(AlC)、Alの窒化物(AlN)、Alの炭窒化物(AlCN)、TiおよびAlの炭化物(TiAlC)、TiおよびAlの窒化物(TiAlN)およびTiおよびAlの炭窒化物(TiAlCN)からなる群から選択された少なくとも1つの金属化合物を含んでいる。   That is, the amorphous phase 22 includes Ti carbide (TiC), Ti nitride (TiN), Ti carbonitride (TiCN), Al carbide (AlC), Al nitride (AlN), Al At least one metal compound selected from the group consisting of carbonitride (AlCN), Ti and Al carbide (TiAlC), Ti and Al nitride (TiAlN) and Ti and Al carbonitride (TiAlCN) It is out.

なお、非晶質相22の存在は、それぞれ、TEMを用いた観察により確認することができる。   The presence of the amorphous phase 22 can be confirmed by observation using a TEM.

<基材>
基材11としては、たとえば、炭化タングステン(WC)基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化ホウ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が、特にこれらに限定されるものではない。
<Base material>
As the substrate 11, for example, tungsten carbide (WC) based cemented carbide, cermet, high speed steel, ceramics, cubic boron nitride sintered body or diamond sintered body can be used. It is not limited.

<下地膜>
下地膜20としては、基材11と硬質被膜30との接合強度を高くすることが可能な膜を用いることができ、たとえば、窒化チタン(TiN)膜、炭窒化チタン(TiCN)膜またはTiN膜とTiCN膜との積層膜などを用いることができる。
<Under film>
As the base film 20, a film capable of increasing the bonding strength between the base material 11 and the hard film 30 can be used, for example, a titanium nitride (TiN) film, a titanium carbonitride (TiCN) film, or a TiN film. A laminated film of TiCN film and TiCN film can be used.

<切削工具>
実施形態の切削工具としては、たとえば、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマまたはタップなどを挙げることができる。
<Cutting tools>
As the cutting tool of the embodiment, for example, a drill, an end mill, a cutting edge replacement type cutting tip for a drill, a cutting edge replacement type cutting tip for an end mill, a cutting edge replacement type cutting tip for milling, a cutting edge replacement type cutting tip for turning, a metal saw, A gear cutting tool, a reamer, a tap, etc. can be mentioned.

<CVD装置>
図4に、実施形態の硬質被膜30の作製に用いられるCVD装置の一例の模式的な断面図を示す。図4に示すように、CVD装置10は、基材11を保持するための基材セット治具12の複数と、基材セット治具12を被覆する耐熱合金鋼製の反応容器13とを備えている。また、反応容器13の周囲には、反応容器13内の温度を制御するための調温装置14が設けられている。反応容器13にはガス導入口15を有するガス導入管16が設けられている。ガス導入管16は、基材セット治具12が配置される反応容器13の内部の空間を鉛直方向に延在するように設けられている。また、ガス導入管16の内部を流れるガスを基材セット治具12に保持された基材11の表面に噴出するための複数の貫通孔17がガス導入管16に形成されている。さらに、反応容器13には、反応容器13の内部のガスを外部に排気するためのガス排気管18が設けられており、反応容器13の内部のガスは、ガス排気管18の内部を通過して、ガス排気口19から反応容器13の外部に排出される。
<CVD equipment>
FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of an example of a CVD apparatus used for producing the hard coating 30 of the embodiment. As shown in FIG. 4, the CVD apparatus 10 includes a plurality of base material setting jigs 12 for holding the base material 11 and a reaction vessel 13 made of heat-resistant alloy steel that covers the base material setting jig 12. ing. A temperature control device 14 for controlling the temperature in the reaction vessel 13 is provided around the reaction vessel 13. The reaction vessel 13 is provided with a gas introduction pipe 16 having a gas introduction port 15. The gas introduction pipe 16 is provided so as to extend in the vertical direction in the space inside the reaction vessel 13 in which the base material setting jig 12 is disposed. In addition, a plurality of through holes 17 are formed in the gas introduction pipe 16 for jetting the gas flowing inside the gas introduction pipe 16 to the surface of the base material 11 held by the base material setting jig 12. Further, the reaction vessel 13 is provided with a gas exhaust pipe 18 for exhausting the gas inside the reaction vessel 13 to the outside, and the gas inside the reaction vessel 13 passes through the gas exhaust pipe 18. Then, the gas is discharged from the gas outlet 19 to the outside of the reaction vessel 13.

図5に、図4に示すガス導入管16の模式的な断面図を示す。なお、図5は、ガス導入管16の軸方向に垂直な断面であって、貫通孔17が位置する部分の断面を示している。図5に示すように、ガス導入管16の軸方向に沿って4つの管路16a〜16dが設けられており、それぞれの管路16a〜16dの外周の一部を構成するように貫通孔17が設けられている。   FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the gas introduction pipe 16 shown in FIG. FIG. 5 shows a cross section perpendicular to the axial direction of the gas introduction pipe 16 and where the through hole 17 is located. As shown in FIG. 5, four pipe lines 16 a to 16 d are provided along the axial direction of the gas introduction pipe 16, and the through-hole 17 is configured to constitute a part of the outer periphery of each of the pipe lines 16 a to 16 d. Is provided.

図4に示すCVD装置10においては、ガス導入管16のガス導入口15側から導入された異なる種類の複数のガスは、4つの管路16a〜16dのそれぞれ異なる管路を通って、鉛直上方に流れるとともに、各貫通孔17から反応容器13の内部の基材セット治具12に保持された基材11の表面に噴出される。   In the CVD apparatus 10 shown in FIG. 4, a plurality of different types of gases introduced from the gas introduction port 15 side of the gas introduction pipe 16 pass through different pipe lines of the four pipe lines 16 a to 16 d and vertically upward. And is ejected from the through holes 17 onto the surface of the base material 11 held by the base material setting jig 12 inside the reaction vessel 13.

図6に、ガス導入管16のガス導入口15側から導入される異なる種類の複数のガス(第1ガス〜第4ガス)の噴出方向を示す模式的な平面図を示す。第1ガスは貫通孔17から矢印P1の方向に噴出し、第2ガスは貫通孔17から矢印P2の方向に噴出し、第3ガスは貫通孔17から矢印P3の方向に噴出し、第4ガスは貫通孔17から矢印P4の方向に噴出している。本実施形態においては、第1ガスと第2ガス、第2ガスと第4ガス、第4ガスと第3ガス、第3ガスと第1ガスはそれぞれ軸Wに関して互いに90°の位相を有している状態で貫通孔17から噴出される。また、ガス導入管16は、ガス導入管16の軸を中心軸として回転しながらガスを貫通孔17から噴出するため、異なる種類の複数のガスのすべてが各基材11の表面に到達することになる。   FIG. 6 is a schematic plan view showing ejection directions of a plurality of different types of gases (first gas to fourth gas) introduced from the gas introduction port 15 side of the gas introduction pipe 16. The first gas is ejected from the through hole 17 in the direction of the arrow P1, the second gas is ejected from the through hole 17 in the direction of the arrow P2, the third gas is ejected from the through hole 17 in the direction of the arrow P3, and the fourth gas The gas is ejected from the through hole 17 in the direction of the arrow P4. In the present embodiment, the first gas and the second gas, the second gas and the fourth gas, the fourth gas and the third gas, and the third gas and the first gas have a phase of 90 ° with respect to the axis W, respectively. In the state where it is, it is ejected from the through hole 17. Further, since the gas introduction pipe 16 ejects the gas from the through hole 17 while rotating around the axis of the gas introduction pipe 16 as a central axis, all of the plurality of different types of gases reach the surface of each substrate 11. become.

<製造方法>
以下、図4〜図6に示すCVD装置を用いて、実施形態の硬質被膜30の製造方法の一例について説明する。実施形態の硬質被膜30の製造方法の一例は、噴出工程と冷却工程とを含み、硬質被膜30をCVD(Chemical Vapor Deposition)法により製造している。
<Manufacturing method>
Hereinafter, an example of the manufacturing method of the hard film 30 of embodiment is demonstrated using the CVD apparatus shown in FIGS. An example of the manufacturing method of the hard film 30 of the embodiment includes an ejection process and a cooling process, and the hard film 30 is manufactured by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method.

<噴出工程>
まず、本工程を実施するに先立って、CVD装置10の反応容器13の内部の基材セット治具12には、硬質被膜30の形成部位となる基材11の表面が反応容器13の内部に露出するように基材11が配置される。
<Ejection process>
First, prior to carrying out this process, the base material setting jig 12 inside the reaction vessel 13 of the CVD apparatus 10 has the surface of the base material 11 forming the hard coating 30 formed inside the reaction vessel 13. The base material 11 is arrange | positioned so that it may expose.

反応容器13の内部は、高温減圧環境に維持される。ここで、反応容器13の内部の温度は700℃以上900℃以下に維持されることが好ましい。また、反応容器13の内部の圧力は、0.1kPa以上13kPa以下に維持されることが好ましい。   The inside of the reaction vessel 13 is maintained in a high temperature and reduced pressure environment. Here, the temperature inside the reaction vessel 13 is preferably maintained at 700 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. Moreover, it is preferable that the pressure inside the reaction vessel 13 is maintained at 0.1 kPa or more and 13 kPa or less.

次に、ガス導入管16に、チタンのハロゲン化物ガスと、アルミニウムのハロゲン化物ガスと、チタンのアルキル化合物(テトラキスネオペンチルチタン(Ti[CH2C(CH334))ガスと、アンモニア(NH3)ガスとを導入して、ガス導入管16に設けられた複数の貫通孔17から基材11の表面に噴出させる。 Next, in the gas introduction pipe 16, a titanium halide gas, an aluminum halide gas, a titanium alkyl compound (tetrakisneopentyl titanium (Ti [CH 2 C (CH 3 ) 3 ] 4 )) gas, Ammonia (NH 3 ) gas is introduced and ejected from the plurality of through holes 17 provided in the gas introduction pipe 16 onto the surface of the substrate 11.

ここで、チタンのハロゲン化物ガスとしては、たとえば四塩化チタン(TiCl4)ガスなどを用いることができる。また、アルミニウムのハロゲン化物ガスとしては、たとえば三塩化アルミニウム(AlCl3)ガスなどを用いることができる。 Here, as the halide gas of titanium, for example, titanium tetrachloride (TiCl 4 ) gas or the like can be used. Further, as the aluminum halide gas, for example, aluminum trichloride (AlCl 3 ) gas or the like can be used.

たとえば、第1ガスをTiCl4ガスとし、第2ガスをAlCl3ガスとし、第3ガスをTi[CH2C(CH334ガスとし、第4ガスをNH3ガスとする。そして、本実施形態において、第1ガスを管路16a内に導入し、第2ガスを管路16b内に導入し、第3ガスを管路16c内に導入し、第4ガスを管路16d内に導入する。そして、ガス導入管16が不図示の駆動部によって回転することによって、第1ガス〜第4ガスの各ガスが反応容器13の内部に同時に噴出され、第1ガス〜第4ガスが順番に基材11の表面に到達し、基材11の表面上に膜がCVD法により形成されることになる。なお、第1ガス〜第4ガスの各ガスとともに、たとえば水素(H2)ガスおよびアルゴン(Ar)ガスなどのキャリアガスを導入してもよい。 For example, the first gas is TiCl 4 gas, the second gas is AlCl 3 gas, the third gas is Ti [CH 2 C (CH 3 ) 3 ] 4 gas, and the fourth gas is NH 3 gas. In this embodiment, the first gas is introduced into the pipeline 16a, the second gas is introduced into the pipeline 16b, the third gas is introduced into the pipeline 16c, and the fourth gas is introduced into the pipeline 16d. Introduce in. Then, when the gas introduction pipe 16 is rotated by a drive unit (not shown), the first gas to the fourth gas are simultaneously ejected into the reaction vessel 13, and the first gas to the fourth gas are in turn based on the order. The surface of the material 11 is reached, and a film is formed on the surface of the base material 11 by the CVD method. Incidentally, with each gas in the first gas through fourth gas, for example hydrogen (H 2) may be introduced carrier gas, such as gas and argon (Ar) gas.

第1ガス〜第4ガスの噴出速度は、各管路16a〜16d内に導入する各ガスの導入速度(L/分)、各管路16a〜16dに通じる貫通孔17の数、大きさ等を制御することにより容易に制御することができる。   The ejection speeds of the first gas to the fourth gas are the introduction speed (L / min) of each gas introduced into the pipe lines 16a to 16d, the number and size of the through holes 17 leading to the pipe lines 16a to 16d, etc. It can be easily controlled by controlling

<冷却工程>
次に、基材11を冷却する。ここで、基材11は、7℃/分以上の速度で400℃以下に冷却することが好ましい。この場合には、fcc構造を有するTi1-xAlxN層21aとfcc構造を有するTi1-yAlyN層22aとが交互に積層された構造を有する結晶粒21を安定して作製することができる。
<Cooling process>
Next, the base material 11 is cooled. Here, the substrate 11 is preferably cooled to 400 ° C. or lower at a rate of 7 ° C./min or higher. In this case, the crystal grains 21 having a structure in which the Ti 1-x Al x N layers 21a having the fcc structure and the Ti 1-y Al y N layers 22a having the fcc structure are alternately laminated are stably produced. can do.

また、基材11を7℃/分以上の速度で400℃以下に冷却した後に、NH3ガスの気流中またはNH3ガスとH2ガスとの混合ガスの気流中で基材11を600℃以上800℃以下の温度で30分以上300分以下加熱することが好ましい。この場合には、非晶質相22に含まれる未反応物および欠陥を除去することができるため硬質被膜30の潤滑性が向上し、実施形態の切削工具の耐チッピング性および耐欠損性をさらに向上することができる。 Further, after the base material 11 is cooled to 400 ° C. or less at a rate of 7 ° C./min or more, the base material 11 is kept at 600 ° C. in an NH 3 gas stream or a mixed gas stream of NH 3 gas and H 2 gas. It is preferable to heat at a temperature of 800 ° C. or lower for 30 minutes to 300 minutes. In this case, since unreacted substances and defects contained in the amorphous phase 22 can be removed, the lubricity of the hard coating 30 is improved, and the chipping resistance and chipping resistance of the cutting tool of the embodiment are further improved. Can be improved.

<作用効果>
実施形態の硬質被膜30は、複数の結晶粒21と、複数の結晶粒21の間の非晶質相22とを含み、結晶粒21は、それぞれ、fcc構造を有するTi1-xAlxN層21aと、fcc構造を有するTi1-yAlyN層21bとが交互に積層された構造を有しており、Ti1-xAlxN層21aのAl組成比xとTi1-yAlyN層21bのAl組成比yとは、0≦x<1、0<y≦1、および(y−x)≧0.2の関係を満たしており、非晶質相22は、TiおよびAlの少なくとも一方の炭化物、窒化物または炭窒化物を含んでいる。
<Effect>
The hard coating 30 of the embodiment includes a plurality of crystal grains 21 and an amorphous phase 22 between the plurality of crystal grains 21, and each of the crystal grains 21 has Ti 1-x Al x N having an fcc structure. The layer 21a and the Ti 1-y Al y N layer 21b having the fcc structure are alternately stacked, and the Al composition ratio x and Ti 1-y of the Ti 1-x Al x N layer 21a The Al composition ratio y of the Al y N layer 21b satisfies the relationship of 0 ≦ x <1, 0 <y ≦ 1, and (y−x) ≧ 0.2. And at least one of carbide, nitride or carbonitride of Al.

このような構成を有する硬質被膜30においては、同一結晶構造(fcc構造)で異なる組成のTiAlN結晶からなるTi1-xAlxN層21aとTi1-yAlyN層21bとの界面に組成の違いに起因する格子間隔の不整合歪が蓄積される。Ti1-xAlxN層21aとTi1-yAlyN層21bとの界面に生じたナノレベルの不整合の蓄積を形成することによって、硬質被膜30の硬度が著しく向上し、結果として耐摩耗性が向上する。 In the hard coating 30 having such a configuration, at the interface between the Ti 1-x Al x N layer 21a and the Ti 1-y Al y N layer 21b made of TiAlN crystals having the same crystal structure (fcc structure) and different compositions. Mismatched strain in the lattice spacing due to the difference in composition is accumulated. By forming the storage of interface resulting nano-level mismatch with Ti 1-x Al x N layer 21a and the Ti 1-y Al y N layer 21b, the hardness of the hard coating 30 is remarkably improved, as a result Abrasion resistance is improved.

また、Ti1-xAlxN層21aのAl組成比xと、Ti1-yAlyN層21bのAl組成比yとが(y−x)≧0.2の関係を満たすことによって、Ti1-xAlxN層21aとTi1-yAlyN層21bとの界面に形成される歪を大きくすることができるため、硬質被膜30の硬度をさらに高めることができる。これにより、硬質被膜30の耐摩耗性がさらに向上する。 Further, when the Al composition ratio x of the Ti 1-x Al x N layer 21a and the Al composition ratio y of the Ti 1-y Al y N layer 21b satisfy the relationship of (y−x) ≧ 0.2, Since the strain formed at the interface between the Ti 1-x Al x N layer 21a and the Ti 1-y Al y N layer 21b can be increased, the hardness of the hard coating 30 can be further increased. Thereby, the wear resistance of the hard coating 30 is further improved.

さらに、結晶粒21の間には、TiおよびAlの少なくとも一方の炭化物、窒化物または炭窒化物を含む非晶質相22が設けられている。非晶質相22は、硬質被膜30の潤滑性を向上させることにより、硬質被膜30の耐摩耗性を向上させることができる。また、非晶質相22は、従来の非晶質炭素よりも酸化されにくいため、結晶粒21のAl組成比の大きいTi1-yAlyN層21bのウルツ鉱型への突発的な相転移に起因する切削工具の突発的な欠損の発生を抑制することができる。 Further, an amorphous phase 22 containing at least one carbide, nitride, or carbonitride of Ti and Al is provided between the crystal grains 21. The amorphous phase 22 can improve the wear resistance of the hard coating 30 by improving the lubricity of the hard coating 30. In addition, since the amorphous phase 22 is less likely to be oxidized than conventional amorphous carbon, a sudden phase into the wurtzite type of the Ti 1-y Al y N layer 21b in which the Al composition ratio of the crystal grains 21 is large. It is possible to suppress the occurrence of sudden breakage of the cutting tool due to the transition.

以上の理由により、本実施形態においては、Ti1-xAlxN層21aとTi1-yAlyN層21bとが交互に積層されてなる結晶粒21および非晶質相22によって、高硬度かつ高潤滑性の硬質被膜30の耐摩耗性を向上することができる。これにより、硬質被膜30の耐摩耗性が向上するため、硬質被膜30を備えた切削工具の耐チッピング性および耐欠損性が向上し、ひいては長寿命の切削工具を実現することができる。また、従来の非晶質炭素よりも酸化されにくい非晶質相22によって、結晶粒21のAl組成比の大きいTi1-yAlyN層21bのウルツ鉱型への突発的な相転移に起因する突発的な欠損の発生を抑制することができるため、この作用も切削工具の長寿命化に寄与している。 For the above reason, in the present embodiment, the crystal grains 21 and the amorphous phase 22 in which the Ti 1-x Al x N layers 21a and the Ti 1-y Al y N layers 21b are alternately stacked The wear resistance of the hard coating 30 having high hardness and high lubricity can be improved. Thereby, since the wear resistance of the hard coating 30 is improved, the chipping resistance and chipping resistance of the cutting tool provided with the hard coating 30 are improved, and as a result, a long-life cutting tool can be realized. In addition, the amorphous phase 22 which is less likely to be oxidized than the conventional amorphous carbon causes a sudden phase transition to the wurtzite type of the Ti 1-y Al y N layer 21b having a large Al composition ratio of the crystal grains 21. Since this can suppress the occurrence of sudden defects, this action also contributes to extending the life of the cutting tool.

また、硬質被膜30の形成時に、チタンのハロゲン化物ガス、アルミニウムのハロゲン化物ガスおよびNH3ガスとともに、Ti[CH2C(CH334ガスを導入することによって、TiC、TiN、TiCN、TiAlC、TiAlNおよびTiAlCNからなる群から選択された少なくとも1つの金属化合物を含むを非晶質相22を形成することができる。これらのTi炭化物、Ti窒化物およびTi炭窒化物は切削加工時の擦化熱による酸化をさらに防止することができるため、Al組成比の大きいTi1-yAlyN層21bのウルツ鉱型への突発的な相転移への抑制効果を高めることができる。そのため、Ti[CH2C(CH334ガスを用いて非晶質相22を形成した場合には、切削工具をさらに長寿命にすることができる。 In addition, when the hard coating 30 is formed, Ti [CH 2 C (CH 3 ) 3 ] 4 gas is introduced together with titanium halide gas, aluminum halide gas, and NH 3 gas, whereby TiC, TiN, TiCN. The amorphous phase 22 containing at least one metal compound selected from the group consisting of TiAlC, TiAlN, and TiAlCN can be formed. These Ti carbides, since Ti nitride and Ti carbonitride capable of further preventing oxidation by Kosuka heat during cutting, wurtzite large Ti 1-y Al y N layer 21b of the Al composition ratio The effect of suppressing sudden phase transition to can be enhanced. Therefore, when the amorphous phase 22 is formed using Ti [CH 2 C (CH 3 ) 3 ] 4 gas, the cutting tool can have a longer life.

<その他の好ましい形態>
≪Ti1-xAlxN層とTi1-yAlyN層との合計厚さ≫
結晶粒21において、隣り合うTi1-xAlxN層21aの1層当たりの厚さt1とTi1-yAlyN層21bの1層当たりの厚さt2との合計厚さt3は、1nm以上50nm以下であることが好ましい。隣り合うTi1-xAlxN層21aの1層当たりの厚さt1とTi1-yAlyN層21bの1層当たりの厚さt2との合計厚さt3が1nm以上である場合には、硬質被膜30の作製が容易となる。また、隣り合うTi1-xAlxN層21aの1層当たりの厚さt1とTi1-yAlyN層21bの1層当たりの厚さt2との合計厚さt3が50nm以下である場合には、Ti1-xAlxN層21aとTi1-yAlyN層21bとの界面の歪の緩和、およびAl組成比の高いTi1-yAlyN層21bの相転移に起因する被膜30の耐摩耗性の低下を抑制することができる。また、この場合には、高硬度のfcc構造を有する結晶粒ではなく低硬度のhcp構造を有するTiAlN結晶粒の出現を抑制することができる。
<Other preferred forms>
≪Total thickness of Ti 1-x Al x N layer and Ti 1-y Al y N layer≫
In the crystal grains 21, the total thickness t3 of the Ti 1-x Al x N and the thickness of each layer 21a t1 and Ti 1-y Al y N and the thickness of each layer 21b t2 Adjacent It is preferably 1 nm or more and 50 nm or less. If the total thickness t3 of the Ti 1-x Al x N and the thickness of each layer 21a t1 and Ti 1-y Al y N and the thickness of each layer 21b t2 adjacent is 1nm or more Makes it easy to produce the hard coating 30. Further, the total thickness t3 of the Ti 1-x Al x N and the thickness of each layer 21a t1 and Ti 1-y Al y N and the thickness of each layer 21b t2 adjacent is at 50nm or less In this case, the strain at the interface between the Ti 1-x Al x N layer 21a and the Ti 1-y Al y N layer 21b is relaxed, and the phase transition of the Ti 1-y Al y N layer 21b having a high Al composition ratio is caused. The deterioration of the wear resistance of the resulting coating 30 can be suppressed. Further, in this case, it is possible to suppress the appearance of TiAlN crystal grains having a low-hardness hcp structure rather than crystal grains having a high-hardness fcc structure.

なお、結晶粒21において、隣り合うTi1-xAlxN層21aとTi1-yAlyN層21bとの少なくとも1組の合計厚さが1nm以上50nm以下であればよいが、隣り合うTi1-xAlxN層21aとTi1-yAlyN層21bとのすべての組の合計厚さが1nm以上50nm以下であることが耐摩耗性に優れた硬質被膜30を安定して作製する観点からは好ましい。 In addition, in the crystal grain 21, the total thickness of at least one pair of the adjacent Ti 1-x Al x N layer 21a and the Ti 1-y Al y N layer 21b may be 1 nm or more and 50 nm or less. Ti 1-x the Al x N layer 21a and the Ti 1-y Al y N layer hard coating 30 having excellent wear resistance that the total thickness of all of the set is 1nm or more 50nm or less and 21b stably It is preferable from the viewpoint of manufacturing.

また、Ti1-xAlxN層21aの1層当たりの厚さt1およびTi1-yAlyN層21bの1層当たりの厚さt2とは、それぞれ、基材11の表面上に硬質被膜30を形成し、基材11の表面上に形成された硬質被膜30の断面をSTEMを用いたSTEM高角度散乱暗視野法(HAADF−STEM:High-Angle Annular Dark-field Scanning Transmission Electron Microscopy)で観察することにより測定することができる。 Further, the thickness t1 per layer of the Ti 1-x Al x N layer 21a and the thickness t2 per layer of the Ti 1-y Al y N layer 21b are hard on the surface of the substrate 11, respectively. The coating 30 is formed, and the cross section of the hard coating 30 formed on the surface of the substrate 11 is STEM high angle scattering dark field method (HAADF-STEM: High-Angle Angular Dark-field Scanning Transmission Electron Microscopy). It can be measured by observing.

≪結晶粒の粒径≫
結晶粒21の粒径は、0.01μm以上1μm以下であることが好ましい。結晶粒21の粒径が0.01μm以上1μm以下である場合には、結晶粒21を高硬度にすることができるとともに、非晶質相22を高潤滑性にすることができる。これにより、硬質被膜30の耐摩耗性が向上するため、硬質被膜30を備えた実施形態の切削工具の耐チッピング性および耐欠損性が向上し、切削工具のさらなる長寿命化も図ることができる。
≪Crystal grain size≫
The grain size of the crystal grains 21 is preferably 0.01 μm or more and 1 μm or less. When the grain size of the crystal grains 21 is 0.01 μm or more and 1 μm or less, the crystal grains 21 can have high hardness and the amorphous phase 22 can have high lubricity. Thereby, since the wear resistance of the hard coating 30 is improved, the chipping resistance and chipping resistance of the cutting tool according to the embodiment provided with the hard coating 30 are improved, and the life of the cutting tool can be further extended. .

結晶粒21の粒径は、以下の方法(以下、この方法を「線分法」という)で算出される。まず、たとえば、図7の模式的拡大平面図に示すように、硬質被膜30を光学顕微鏡を用いて観察して得られた組織を紙面に印刷し、任意の線40を引き、線40全体の長さ(L)を調べる。次に、線40が横切る結晶粒21のそれぞれの長さ(LC1、LC2、LC3)を調べる。最後に、上記のように調べた長さ(L、LC1、LC2およびLC3)をそれぞれ実際の長さに換算し、線40が横切る結晶粒21のそれぞれの換算後の長さの合計(LC1+LC2+LC3)を線40が横切る結晶粒21の数(3個)で割ることによって、結晶粒21の粒径を算出することができる。   The grain size of the crystal grains 21 is calculated by the following method (hereinafter, this method is referred to as “line segment method”). First, for example, as shown in a schematic enlarged plan view of FIG. 7, the structure obtained by observing the hard coating 30 using an optical microscope is printed on a paper surface, an arbitrary line 40 is drawn, and the entire line 40 is drawn. Examine the length (L). Next, the lengths (LC1, LC2, LC3) of the crystal grains 21 crossed by the line 40 are examined. Finally, the lengths (L, LC1, LC2 and LC3) examined as described above are converted into actual lengths, and the total lengths after conversion of the crystal grains 21 crossed by the line 40 (LC1 + LC2 + LC3) Is divided by the number (three) of the crystal grains 21 crossed by the line 40, the grain size of the crystal grains 21 can be calculated.

≪非晶質相の厚さ≫
非晶質相22の厚さは、100nm以下であることが好ましい。非晶質相22の厚さが100nm以下である場合、硬質被膜30が硬脆くなるのを抑制することができるとともに、硬質被膜30に好適な潤滑性を付与することができるため硬質被膜30の耐摩耗性を向上することができる。これにより、硬質被膜30を備えた実施形態の切削工具の耐チッピング性および耐欠損性をさらに向上することができる。
≪Amorphous phase thickness≫
The thickness of the amorphous phase 22 is preferably 100 nm or less. When the thickness of the amorphous phase 22 is 100 nm or less, the hard coating 30 can be prevented from becoming hard and brittle, and suitable lubricity can be imparted to the hard coating 30. Abrasion resistance can be improved. Thereby, the chipping resistance and chipping resistance of the cutting tool of the embodiment provided with the hard coating 30 can be further improved.

非晶質相22の厚さも線分法で算出される。たとえば、まず、図7の模式的拡大平面図に示すように、硬質被膜30を光学顕微鏡を用いて観察して得られた組織を紙面に印刷し、任意の線40を引き、線40全体の長さ(L)を調べる。次に、線40が横切る非晶質相22のそれぞれの長さ(LA1、LA2)を調べる。最後に、上記のように調べた長さ(L、LA1およびLA2)をそれぞれ実際の長さに換算し、線40が横切る非晶質相22の数(2個)で割ることによって、非晶質相22の厚さを算出することができる。   The thickness of the amorphous phase 22 is also calculated by the line segment method. For example, first, as shown in the schematic enlarged plan view of FIG. 7, the structure obtained by observing the hard coating 30 using an optical microscope is printed on a paper surface, an arbitrary line 40 is drawn, and the entire line 40 is drawn. Examine the length (L). Next, the lengths (LA1, LA2) of the amorphous phase 22 crossed by the line 40 are examined. Finally, the lengths (L, LA1 and LA2) examined as described above are converted into actual lengths, respectively, and divided by the number (2) of the amorphous phases 22 crossed by the line 40 to obtain an amorphous material. The thickness of the mass phase 22 can be calculated.

≪押し込み硬さ≫
硬質被膜30のナノインデンテーション法による押し込み硬さは30GPa以上であることが好ましい。硬質被膜30のナノインデンテーション法による押し込み硬さが30GPa以上である場合には、硬質被膜30を備えた切削工具を用いて、耐熱合金などの難削材の切削加工を行う際に優れた性能を発揮することができる。
≪Indentation hardness≫
The indentation hardness of the hard coating 30 by the nanoindentation method is preferably 30 GPa or more. When the indentation hardness of the hard coating 30 by the nanoindentation method is 30 GPa or more, excellent performance when cutting difficult-to-cut materials such as heat-resistant alloys using a cutting tool provided with the hard coating 30 Can be demonstrated.

硬質被膜30のナノインデンテーション法による押し込み硬さは、ナノインデンテーション法が利用可能な超微小押し込み硬さ試験機(たとえば、(株)エリオニクス社製)を用いて硬質被膜30の厚さ方向に垂直に所定の荷重(たとえば25mN)で圧子を押し込んだときの圧子と硬質被膜30との接触面積で除することによって算出される。   The indentation hardness of the hard coating 30 by the nanoindentation method is measured in the thickness direction of the hard coating 30 using an ultra-fine indentation hardness tester (for example, manufactured by Elionix Co., Ltd.) that can use the nanoindentation method. It is calculated by dividing by the contact area between the indenter and the hard coating 30 when the indenter is pushed in at a predetermined load (for example, 25 mN) perpendicularly to.

<その他の構成>
硬質被膜30は、塩素(Cl)、酸素(O)および炭素(C)からなる群から選択された少なくとも1種の不純物を含んでいてもよく、含んでいなくてもよい。
<Other configurations>
The hard coating 30 may or may not contain at least one impurity selected from the group consisting of chlorine (Cl), oxygen (O), and carbon (C).

実施形態の切削工具の被膜50は、下地膜20および硬質被膜30以外の膜を含んでいてもよい。下地膜20および硬質被膜30以外の膜としては、たとえば、Ti、ZrおよびHfからなる群から選択された少なくとも1つと、N、O、C、B、CN、BN、COおよびNOからなる群から選択された少なくとも1つとの化合物からなる膜を含んでいてもよい。また、被膜50は、耐酸化膜として、α−Al23膜およびκ−Al23膜の少なくとも一方を含んでいてもよい。たとえば、被膜50は、最表面の最外膜として、硬質被膜30以外の他の膜を含んでいてもよい。また、被膜50は、下地膜20を含んでいなくてもよい。 The film 50 of the cutting tool of the embodiment may include a film other than the base film 20 and the hard film 30. As the film other than the base film 20 and the hard coating 30, for example, at least one selected from the group consisting of Ti, Zr and Hf and from the group consisting of N, O, C, B, CN, BN, CO and NO A film composed of at least one selected compound may be included. Further, the coating 50 may include at least one of an α-Al 2 O 3 film and a κ-Al 2 O 3 film as an oxidation resistant film. For example, the film 50 may include a film other than the hard film 30 as the outermost film on the outermost surface. Further, the coating 50 may not include the base film 20.

硬質被膜30の総厚T1は、1μm以上20μm以下であることが好ましい。硬質被膜30の総厚T1が1μm以上である場合には、硬質被膜30の特性が顕著に向上する傾向にある。硬質被膜30の総厚T1が20μm以下である場合には、硬質被膜30の特性の向上に大きな変化が見られる傾向にある。硬質被膜30の特性を向上させる観点からは、硬質被膜30の総厚T1は、2μm以上15μm以下であることがより好ましく、3μm以上10μm以下であることがさらに好ましい。   The total thickness T1 of the hard coating 30 is preferably 1 μm or more and 20 μm or less. When the total thickness T1 of the hard coating 30 is 1 μm or more, the characteristics of the hard coating 30 tend to be remarkably improved. When the total thickness T1 of the hard coating 30 is 20 μm or less, there is a tendency that a large change is seen in the improvement of the characteristics of the hard coating 30. From the viewpoint of improving the characteristics of the hard coating 30, the total thickness T1 of the hard coating 30 is more preferably 2 μm or more and 15 μm or less, and further preferably 3 μm or more and 10 μm or less.

被膜50の総厚T2は、3μm以上30μm以下であることが好ましい。被膜50の総厚T2が3μm以上である場合には、被膜50特性が好適に発揮される傾向にある。被膜50の総厚T2が30μm以下である場合には、切削加工時の被膜50の剥離を抑制することができる傾向にある。被膜50の特性を好適に発揮するとともに、切削中の被膜50の剥離を抑制する観点からは、被膜50の総厚T2は、5μm以上20μm以下であることがより好ましく、7μm以上15μm以下であることがさらに好ましい。   The total thickness T2 of the coating 50 is preferably 3 μm or more and 30 μm or less. When the total thickness T2 of the film 50 is 3 μm or more, the characteristics of the film 50 tend to be suitably exhibited. When the total thickness T2 of the coating 50 is 30 μm or less, peeling of the coating 50 during cutting tends to be suppressed. The total thickness T2 of the coating 50 is more preferably 5 μm or more and 20 μm or less, and preferably 7 μm or more and 15 μm or less from the viewpoint of suitably exhibiting the characteristics of the coating 50 and suppressing the peeling of the coating 50 during cutting. More preferably.

被膜50の圧縮残留応力の絶対値は、X線回折法による残留応力測定において、0.2GPa以下であることが好ましい。被膜50の圧縮残留応力の絶対値が0.2GPa以下である場合には、被膜50に適切な大きさの歪が維持されるため、被膜50が高硬度になる傾向にある。被膜50を高硬度にする観点からは、被膜50の圧縮残留応力の絶対値は、0.2GPa以上2GPa以下であることがより好ましく、0.2GPa以上2GPa以下であることがさらに好ましい。なお、被膜50の圧縮残留応力は、たとえば付加的な物理処理(ピーニング処理)等によって発現し得る。   The absolute value of the compressive residual stress of the coating 50 is preferably 0.2 GPa or less in the residual stress measurement by the X-ray diffraction method. When the absolute value of the compressive residual stress of the coating 50 is 0.2 GPa or less, since the strain of an appropriate size is maintained in the coating 50, the coating 50 tends to have high hardness. From the viewpoint of increasing the hardness of the coating 50, the absolute value of the compressive residual stress of the coating 50 is more preferably 0.2 GPa or more and 2 GPa or less, and further preferably 0.2 GPa or more and 2 GPa or less. In addition, the compressive residual stress of the film 50 can be expressed by, for example, an additional physical process (peening process).

ここで、「圧縮残留応力」とは、被膜50に存する内部応力(固有ひずみ)の一種であって、「−」(マイナス)の数値(単位:実施形態では「GPa」を使う)で表される応力をいう。このため、圧縮残留応力が大きいという概念は、上記数値の絶対値が大きくなることを示し、また、圧縮残留応力が小さいという概念は、上記数値の絶対値が小さくなることを示す。すなわち、圧縮残留応力の絶対値が2GPa以下であるとは、被膜50に関する好ましい圧縮残留応力が−2GPa以上0GPa未満であることを意味する。   Here, the “compressive residual stress” is a kind of internal stress (intrinsic strain) existing in the coating 50 and is represented by a numerical value “−” (minus) (unit: “GPa” is used in the embodiment). Stress. For this reason, the concept that the compressive residual stress is large indicates that the absolute value of the numerical value is large, and the concept that the compressive residual stress is small indicates that the absolute value of the numerical value is small. That is, the absolute value of the compressive residual stress being 2 GPa or less means that the preferable compressive residual stress relating to the coating 50 is −2 GPa or more and less than 0 GPa.

被膜50の圧縮残留応力は、X線応力測定装置を用いたsin2ψ法により測定することができる。このようなX線を用いたsin2ψ法は、多結晶材料の残留応力の測定方法として広く用いられているものであり、たとえば、「X線応力測定法」(日本材料学会、1981年株式会社養賢堂発行)の54〜67頁に詳細に説明されている方法を用いることができる。 The compressive residual stress of the film 50 can be measured by the sin 2 ψ method using an X-ray stress measuring device. The sin 2 ψ method using X-rays is widely used as a method for measuring the residual stress of a polycrystalline material. For example, “X-ray stress measurement method” (Japan Society of Materials, 1981 stock) The method described in detail on pages 54-67 of the company Yokendo) can be used.

以下の各試料における被膜の各膜の厚さは、STEMを用いたSTEM高角度散乱暗視野法で被膜の断面を観察することにより測定したものである。また、以下の各試料における被膜の各膜の組成は、3次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡分析により求めた。また、以下の各試料における被膜の各膜の結晶粒の結晶構造および非晶質相の存在は、TEMを用いた観察により確認した。以下の各試料における被膜の各膜の結晶粒の粒径および非晶質相の厚さはそれぞれ線分法で算出した。また、以下の各試料における被膜のナノインデンテーション法による押し込み硬さ(Hv)は、(株)エリオニクス社製の超微小押し込み硬さ試験機を用いて算出した。さらに、以下の各試料の被膜の圧縮残留応力の絶対値は、X線応力測定装置を用いたsin2ψ法により算出した。 The thickness of each film of the coating in each of the following samples was measured by observing the cross section of the coating by the STEM high angle scattering dark field method using STEM. In addition, the composition of each film of the following samples was determined by three-dimensional atom probe field ion microscope analysis. In addition, the crystal structure of the crystal grains and the presence of the amorphous phase in each film of the coatings in the following samples were confirmed by observation using a TEM. In each of the following samples, the crystal grain size and the amorphous phase thickness of each film of the coating were calculated by the line segment method. Moreover, the indentation hardness (Hv) by the nanoindentation method of the film in each of the following samples was calculated using an ultra-fine indentation hardness tester manufactured by Elionix Corporation. Furthermore, the absolute value of the compressive residual stress of the coating of each sample below was calculated by the sin 2 ψ method using an X-ray stress measurement apparatus.

<切削工具の作製>
≪基材の準備≫
まず、被膜を形成させる対象となる基材として、以下の表1に示す基材Kおよび基材Lを準備した。具体的には、まず、表1に記載の配合組成(質量%)からなる原料粉末を均一に混合した。表1中の「残り」とは、WCが配合組成(質量%)の残部を占めることを示している。次に、この混合粉末を所定の形状に加圧成形した後に、1300〜1500℃で1〜2時間焼結することにより、超硬合金からなる基材Kおよび基材Lを得た。
<Production of cutting tool>
≪Preparation of base material≫
First, the base material K and the base material L shown in the following Table 1 were prepared as the base materials to be coated. Specifically, first, raw material powders having the composition (% by mass) shown in Table 1 were uniformly mixed. “Remaining” in Table 1 indicates that WC occupies the remainder of the composition (mass%). Next, after pressing this mixed powder into a predetermined shape, sintering was performed at 1300 to 1500 ° C. for 1 to 2 hours to obtain a base material K and a base material L made of cemented carbide.

Figure 2016003368
Figure 2016003368

≪被膜の作製:試料No.1〜23≫
基材Kまたは基材Lの表面上に、表2の被膜の構成の欄に示される下地膜、硬質被膜および最外膜を形成することによって、基材Kまたは基材Lの表面上に被膜が形成された切削工具(試料No.1〜23)を作製した。なお、試料No.1〜8および10〜18の切削工具が実施例であり、試料No.9および19〜23の切削工具が比較例である。
<< Preparation of coating: Sample No. 1-23 >>
A film is formed on the surface of the base material K or the base material L by forming the base film, the hard film and the outermost film shown in the column of the structure of the film in Table 2 on the surface of the base material K or the base material L. A cutting tool (Sample Nos. 1 to 23) in which was formed was prepared. Sample No. Cutting tools of 1 to 8 and 10 to 18 are examples. Cutting tools 9 and 19-23 are comparative examples.

Figure 2016003368
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表2において、下地膜は基材の表面と直接接する膜であり、硬質被膜は下地膜上に形成された膜であり、最外膜は硬質被膜上に形成された膜であって外部に露出する膜である。また、表2の化合物の記載は、表2の下地膜、硬質被膜および最外膜を構成する化合物であり、化合物の右の括弧は膜の厚さを意味している。また、表2の1つの欄内に2つの化合物(たとえば、「TiN(0.5)−TiCN(2.5)」)が記載されている場合には、左側(「TiN(0.5)」)の化合物が基材の表面に近い側に位置する膜であることを意味し、右側(「TiCN(2.5)」)の化合物が基材の表面から遠い側に位置する膜であることを意味しており、括弧の中の数値はそれぞれの膜の厚さを意味している。また、表2の「−」で示される欄は、膜が存在しないことを意味する。   In Table 2, the base film is a film in direct contact with the surface of the substrate, the hard coating is a film formed on the base film, and the outermost film is a film formed on the hard coating and exposed to the outside. It is a film. Moreover, the description of the compound of Table 2 is a compound which comprises the base film, hard film, and outermost film of Table 2, and the right parenthesis of the compound means the thickness of the film. Further, when two compounds (for example, “TiN (0.5) -TiCN (2.5)”) are described in one column of Table 2, the left side (“TiN (0.5)” ") Means that the compound located on the side closer to the surface of the substrate, and the compound on the right side (" TiCN (2.5) ") is located on the side far from the surface of the substrate. The numerical value in parentheses means the thickness of each film. In addition, the column indicated by “-” in Table 2 means that no film is present.

たとえば、表2の試料No.1の切削工具は、基材Kの表面上に0.5μmの厚さのTiN膜および2.5μmの厚さのTiCN膜がこの順序に積層されて下地膜が形成され、その上に後述する形成条件aで形成された5.0μmの厚さの硬質被膜が形成され、硬質被膜上には最外膜が形成されていない被膜を有しているとともに、被膜の厚さが8.0μmである切削工具を意味している。   For example, sample no. In the cutting tool 1, a TiN film having a thickness of 0.5 μm and a TiCN film having a thickness of 2.5 μm are laminated in this order on the surface of the substrate K, and a base film is formed thereon, which will be described later. A hard film having a thickness of 5.0 μm formed under the formation condition a is formed, and has a film on which the outermost film is not formed on the hard film, and the thickness of the film is 8.0 μm. It means a certain cutting tool.

表2に示す下地膜および最外膜は、従来公知のCVD法によって形成された膜であり、その形成条件は表3に示す通りである。たとえば、表3の「TiN(下地膜)」の行には、下地膜としてのTiN膜の形成条件が示されている。表3のTiN膜(下地膜)の記載は、CVD装置の反応容器内(容器内の環境は6.7kPa、915℃)に基材を配置し、反応容器内に2体積%のTiCl4ガス、39.7体積%のN2ガスおよび残り58.3体積%のH2ガスからなる混合ガスを63.8L/分の流量で噴出することにより形成されたことを意味している。なお、各形成条件によって形成される各膜の厚さは、各反応ガスを噴出する時間によって制御している。 The base film and outermost film shown in Table 2 are films formed by a conventionally known CVD method, and the formation conditions are as shown in Table 3. For example, the row of “TiN (base film)” in Table 3 shows the conditions for forming a TiN film as the base film. The description of the TiN film (underlayer film) in Table 3 is that the substrate is placed in a reaction vessel of the CVD apparatus (the environment in the vessel is 6.7 kPa, 915 ° C.), and 2% by volume of TiCl 4 gas is contained in the reaction vessel. , 39.7% by volume of N 2 gas and the remaining 58.3% by volume of H 2 gas were ejected at a flow rate of 63.8 L / min. Note that the thickness of each film formed under each forming condition is controlled by the time during which each reactive gas is ejected.

Figure 2016003368
Figure 2016003368

また、表2に示される硬質被膜は、図4〜図6に示されるCVD装置10を用いて、表4に示す形成条件a〜jまたはmのいずれかの条件で作製された。たとえば、表4の形成条件a(1−A−I)の記載は、硬質被膜が、表5のNo.1の成膜温度(780℃)、炉内圧力(3kPa)、反応ガス組成(N2:10体積%、Ar:5体積%、AlCl3:1.5体積%、TiCl4:0.5体積%、Ti[CH2C(CH334:0.01体積%、NH3:4体積%、H2:残り)および全ガス量(55L/分)の条件で形成され、その後、表6のNo.Aの冷却速度で基材が冷却され、最後に、表7のIの加熱温度(800℃)、加熱時間(30分)および気流組成の条件で基材が加熱されることによって、表4に示す特性(Ti1-xAlxN層のAl組成比x(0.50)、Ti1-yAlyN層のAl組成比y(0.80)、y−x(0.3)、隣り合うTi1-xAlxN層の1層とTi1-yAlyN層の1層との合計厚さ(15nm)、結晶粒の粒径(100nm未満)、非晶質相の厚さ(20μm未満)、硬質被膜のHv(30.7GPa)および硬質被膜の相転移温度(970℃)を有する硬質被膜を作製した。 Moreover, the hard film shown in Table 2 was produced using the CVD apparatus 10 shown in FIGS. 4 to 6 under any one of the formation conditions a to j or m shown in Table 4. For example, the description of the formation condition a (1-A-I) in Table 4 indicates that the hard coating is No. 1 in Table 5. 1 film forming temperature (780 ° C.), furnace pressure (3 kPa), reaction gas composition (N 2 : 10 vol%, Ar: 5 vol%, AlCl 3 : 1.5 vol%, TiCl 4 : 0.5 vol) %, Ti [CH 2 C (CH 3 ) 3 ] 4 : 0.01% by volume, NH 3 : 4% by volume, H 2 : remaining) and the total gas amount (55 L / min), and then No. in Table 6 The substrate is cooled at a cooling rate of A. Finally, the substrate is heated at the conditions of heating temperature (800 ° C.), heating time (30 minutes) and air flow composition of I in Table 7, and Table 4 indicating characteristic (Ti 1-x Al x N layer of the Al composition ratio x (0.50), Ti 1- y Al y N layer of Al composition ratio y (0.80), y-x (0.3), Total thickness (15 nm) of one adjacent Ti 1-x Al x N layer and one Ti 1-y Al y N layer, grain size (less than 100 nm), thickness of amorphous phase A hard coating having a hard coating Hv (30.7 GPa) and a hard coating phase transition temperature (970 ° C.) was prepared (less than 20 μm).

以上のようにして、表2に示す試料No.1〜18においては、複数の結晶粒と、結晶粒の間の非晶質相とを含み、それぞれの結晶粒は、表4に示す組成のfcc構造を有するTi1-xAlxN層と、fcc構造を有するTi1-yAlyN層とが交互に1層ずつ積層された構造を有しており、結晶粒間にTiCNからなる非晶質相が形成された硬質被膜が形成された。 As described above, the sample numbers shown in Table 2 were obtained. 1 to 18 include a plurality of crystal grains and an amorphous phase between the crystal grains, and each crystal grain includes a Ti 1-x Al x N layer having an fcc structure having the composition shown in Table 4. , Ti 1-y Al y N layers having an fcc structure are alternately laminated one by one, and a hard film in which an amorphous phase made of TiCN is formed between crystal grains is formed. It was.

なお、表4の形成条件jは、複数のAl0.87Ti0.13N結晶粒とその間の非晶質炭素(a−C)とを含む単層を表5のNo.6に示す条件のCVD法により形成した後に、表6のNo.Cの冷却速度で基材が冷却され、表7のNo.IIIに示すように冷却後に加熱されずに形成された膜であることを意味している。 The formation condition j in Table 4 is that the single layer containing a plurality of Al 0.87 Ti 0.13 N crystal grains and amorphous carbon (a-C) between them is No. 5 in Table 5. After forming by the CVD method under the conditions shown in FIG. The substrate was cooled at a cooling rate of C. It means that the film is formed without being heated after cooling as shown in III.

また、表4の形成条件mも、Al0.5Ti0.5Nの多結晶膜の単層を表5のNo.7に示す条件のPVD法で形成した後に、表6のNo.Cの冷却速度で基材が冷却され、表7のNo.IIIに示すように冷却後に加熱されずに形成された膜であることを意味している。 The formation conditions shown in Table 4 m also a single layer of polycrystalline film of Al 0.5 Ti 0.5 N in Table 5 No. After forming by the PVD method under the conditions shown in FIG. The substrate was cooled at a cooling rate of C. It means that the film is formed without being heated after cooling as shown in III.

また、表2の硬質被膜の欄のa〜jおよびmの記載は、それぞれ、表4の形成条件の欄のa〜jおよびmの条件で形成された膜であることを意味しており、表2の硬質被膜の欄のa〜jおよびmの右側の括弧の中の数値は硬質被膜の総厚を意味している。   Moreover, the description of aj and m of the column of the hard film of Table 2 means that it is the film | membrane formed on the conditions of aj and m of the column of the formation conditions of Table 4, respectively, The numerical values in parentheses on the right side of a to j and m in the column of hard coating in Table 2 mean the total thickness of the hard coating.

また、表4の結晶粒の粒径は、硬質被膜の結晶粒の粒径を意味し、表4の非晶質相の厚さは、硬質被膜の非晶質相の厚さを意味している。   Moreover, the grain size of the crystal grains in Table 4 means the grain size of the crystal grains of the hard coating, and the thickness of the amorphous phase in Table 4 means the thickness of the amorphous phase of the hard coating. Yes.

また、表4に示す相転移温度は、被膜を加熱して結晶粒がウルツ鉱型に相転移したときの温度を意味している。なお、ウルツ鉱型への相転移は、TEMを用いて硬質被膜を観察することにより行った。   Moreover, the phase transition temperature shown in Table 4 means the temperature when the film is heated and the crystal grains undergo phase transition to the wurtzite type. The phase transition to the wurtzite type was performed by observing the hard film using TEM.

Figure 2016003368
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Figure 2016003368
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<切削性能>
上記のようにして作製した試料No.1〜23の切削工具を用いて、以下の切削試験1〜5を行い、各切削工具の切削性能を評価した。
<Cutting performance>
Sample No. produced as described above. Using the cutting tools 1 to 23, the following cutting tests 1 to 5 were performed to evaluate the cutting performance of each cutting tool.

<切削試験1:丸棒外周切削試験>
試料No.1〜4、9、19および23の切削工具について、以下の切削試験1の切削条件により逃げ面摩耗量(Vb)が0.20mmとなるまでの切削時間を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察した。その結果を表8に示す。表8の切削時間の欄の数値が大きいほど、被膜の耐摩耗性に優れ、切削工具が長寿命であることを示している。また、表8に示す最終損傷形態の記載が、正常摩耗、チッピングおよび欠損の順に耐摩耗性が優れていることを示す。なお、表8の最終損傷形態において、「正常摩耗」とはチッピングおよび欠けを生じず、摩耗のみで構成される損傷形態(平滑な摩耗面を有する)を意味し、「欠損」は切れ刃部に生じた大きな欠けを意味する。
<Cutting test 1: Round bar outer periphery cutting test>
Sample No. For the cutting tools 1 to 4, 9, 19 and 23, the cutting time until the flank wear amount (Vb) reaches 0.20 mm is measured according to the cutting conditions of the following cutting test 1 and the final damage form of the cutting edge is determined. Observed. The results are shown in Table 8. It shows that the larger the numerical value in the column of the cutting time in Table 8, the better the wear resistance of the coating and the longer the tool life. Moreover, description of the last damage form shown in Table 8 shows that abrasion resistance is excellent in order of normal wear, chipping, and a defect | deletion. In the final damage forms in Table 8, “normal wear” means a damage form (having a smooth wear surface) that does not cause chipping and chipping, and is composed only of wear, and “defect” means a cutting edge portion. It means a big chip that occurred.

<切削試験1の切削条件>
被削材:SUS316丸棒外周切削
周速:200m/min
送り速度:0.1mm/rev
切込み量:1.0mm
切削液:有り
<Cutting conditions of cutting test 1>
Work material: SUS316 round bar peripheral cutting Peripheral speed: 200 m / min
Feeding speed: 0.1mm / rev
Cutting depth: 1.0mm
Cutting fluid: Yes

Figure 2016003368
Figure 2016003368

表8に示すように、試料No.1〜4の切削工具は、それぞれ、試料No.9、19および23の切削工具と比べて、耐摩耗性に優れ、切削工具の長寿命を達成できることが確認された。これは、試料No.1〜4の被膜は、試料No.9、19および23の被膜と比べて耐摩耗性に優れていることを示している。   As shown in Table 8, Sample No. The cutting tools 1 to 4 are sample Nos. Compared with the cutting tools of 9, 19, and 23, it was confirmed that the wear resistance was excellent and a long life of the cutting tool could be achieved. This is the sample No. The coatings 1 to 4 are sample Nos. It shows that the film is superior in abrasion resistance as compared with the coating films of 9, 19, and 23.

<切削試験2:丸棒外周切削試験>
試料No.1、3、6、7、9、19、21および23の切削工具について、以下の切削試験2の切削条件により逃げ面摩耗量(Vb)が0.20mmとなるまでの切削時間を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察した。その結果を表9に示す。表9の切削時間の欄の数値が大きいほど、被膜の耐摩耗性が優れ、切削工具が長寿命であることを示している。なお、表9の最終損傷形態において、「チッピング」は、仕上げ面を生成する切れ刃部に生じた微小な欠けを意味している。表9のその他の表記は、表8と同様である。
<Cutting Test 2: Round Bar Perimeter Cutting Test>
Sample No. For the cutting tools 1, 3, 6, 7, 9, 19, 21, and 23, the cutting time until the flank wear amount (Vb) reaches 0.20 mm under the cutting conditions of the following cutting test 2 is measured. The final damage form of the cutting edge was observed. The results are shown in Table 9. The larger the numerical value in the column of the cutting time in Table 9, the better the wear resistance of the coating, and the longer the tool life. In the final damage form shown in Table 9, “chipping” means a minute chip generated in the cutting edge part that generates the finished surface. Other notations in Table 9 are the same as in Table 8.

<切削試験2の切削条件>
被削材:FCD700丸棒外周切削
周速:200m/min
送り速度:0.1mm/rev
切込み量:1.0mm
切削液:有り
<Cutting conditions of cutting test 2>
Work material: FCD700 round bar peripheral cutting Peripheral speed: 200 m / min
Feeding speed: 0.1mm / rev
Cutting depth: 1.0mm
Cutting fluid: Yes

Figure 2016003368
Figure 2016003368

表9に示すように、試料No.1、3、6および7の切削工具は、それぞれ、試料No.9、19、21および23の切削工具と比べて、耐摩耗性に優れ、切削工具の長寿命を達成できることが確認された。これは、試料No.1、3、6および7の被膜は、試料No.9、19、21および23の被膜と比べて耐摩耗性に優れていることを示している。   As shown in Table 9, sample no. The cutting tools 1, 3, 6 and 7 are respectively sample Nos. Compared to the cutting tools of 9, 19, 21 and 23, it was confirmed that the cutting tool was excellent in wear resistance and could achieve a long life of the cutting tool. This is the sample No. The coatings of 1, 3, 6 and 7 are sample No. Compared to the 9, 19, 21 and 23 coatings, it shows superior wear resistance.

<切削試験3:溝材耐チッピング性試験>
試料No.1、2、3、5、6、9、19、21および23の切削工具について、以下の切削試験3の切削条件により工具刃先部において欠損またはチッピングが発生するまでの切削時間(分)を測定した。その結果を表10に示す。表10に示す切削時間が長いものほど、耐疲労靭性に優れていることを示している。
<Cutting test 3: groove material chipping resistance test>
Sample No. For the cutting tools 1, 2, 3, 5, 6, 9, 19, 21, and 23, the cutting time (minutes) until a chipping or chipping occurs at the tool edge is measured according to the cutting conditions of the following cutting test 3. did. The results are shown in Table 10. The longer the cutting time shown in Table 10, the better the fatigue toughness.

<切削試験3の切削条件>
被削材:SCM435溝材
周速:200m/min
送り速度:0.2mm/s
切込み量:1.0mm
切削液:有り
<Cutting conditions of cutting test 3>
Work material: SCM435 groove peripheral speed: 200 m / min
Feeding speed: 0.2mm / s
Cutting depth: 1.0mm
Cutting fluid: Yes

Figure 2016003368
Figure 2016003368

表10に示すように、試料No.1、2、3、5および6の切削工具は、試料No.9、19、21および23の切削工具と比べて、耐疲労靱性に優れることが確認された。試料No.1、2、3、5および6の切削工具が高い耐疲労靱性を有するのは、これらの切削工具が有するTi1-xAlxN層とTi1-yAlyN層との交互積層構造を有する結晶粒と結晶粒間の非晶質相とからなる硬質被膜が高い弾性回復率を有するためと考えられる。 As shown in Table 10, sample no. The cutting tools of 1, 2, 3, 5 and 6 are sample Nos. It was confirmed that it was excellent in fatigue resistance toughness as compared with the cutting tools of 9, 19, 21 and 23. Sample No. Have a fatigue toughness high cutting tool 1, 2, 3, 5 and 6, alternate stacked structure of Ti 1-x Al x N layer and the Ti 1-y Al y N layer with these cutting tools This is probably because a hard coating composed of crystal grains having a crystallinity and an amorphous phase between crystal grains has a high elastic recovery rate.

<切削試験4:ブロック材耐チッピング性試験>
表11に示す試料No.10、11、14、15、16、20および22の切削工具について、以下の切削試験4の切削条件により欠損または逃げ面摩耗量(Vb)が0.20mmになるまでの切削距離を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察した。その結果を表11に示す。表11に示す切削距離の欄の数値が大きいほど、耐摩耗性に優れていることを示す。なお、表11の最終損傷形態の欄の表記は表8および表9と同様である。
<Cutting test 4: Blocking chipping resistance test>
Sample No. shown in Table 11 For the cutting tools 10, 11, 14, 15, 16, 20, and 22, while measuring the cutting distance until the defect or flank wear amount (Vb) becomes 0.20 mm under the cutting conditions of the following cutting test 4 The final damage form of the cutting edge was observed. The results are shown in Table 11. It shows that it is excellent in abrasion resistance, so that the numerical value of the column of the cutting distance shown in Table 11 is large. The notation in the column of final damage form in Table 11 is the same as in Table 8 and Table 9.

<切削試験4の切削条件>
被削材:FD450ブロック材
周速:150m/min
送り速度:0.3mm/s
切込み量:2.0mm
切削液:有り
カッタ:WGC4160R(住友電工ハードメタル社製)
チップ:SEET13T3AGSN−G1枚刃(住友電工ハードメタル社製)
<Cutting conditions of cutting test 4>
Work material: FD450 block material Peripheral speed: 150 m / min
Feeding speed: 0.3mm / s
Cutting depth: 2.0mm
Cutting fluid: Available Cutter: WGC4160R (manufactured by Sumitomo Electric Hardmetal Corp.)
Tip: SEET13T3AGSN-G1 blade (manufactured by Sumitomo Electric Hardmetal Corp.)

Figure 2016003368
Figure 2016003368

表11に示すように、試料No.10、11、14、15、16、20および22の切削工具の最終損傷形態はすべて欠損であったが、試料No.10、11、14、15および16の切削工具は、試料No.20および22の切削工具と比べて、切削距離が長く、耐摩耗性に優れていることが確認された。これは、試料No.10、11、14、15および16の被膜は、試料No.20および22の被膜と比べて、耐摩耗性に優れていることを示している。   As shown in Table 11, sample no. Although the final damage forms of the cutting tools 10, 11, 14, 15, 16, 20, and 22 were all missing, The cutting tools 10, 11, 14, 15 and 16 are sample Nos. Compared with 20 and 22 cutting tools, it was confirmed that the cutting distance was long and the wear resistance was excellent. This is the sample No. The coatings Nos. 10, 11, 14, 15 and 16 have sample nos. Compared to the 20 and 22 coatings, it shows superior wear resistance.

<切削試験5:ブロック材耐チッピング性試験>
表12に示す試料No.12、13、16、17、18、20および22の切削工具について、以下の切削試験5の切削条件により欠損または逃げ面摩耗量(Vb)が0.20mmになるまでの切削距離を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察した。その結果を表12に示す。表12に示す切削距離の欄の数値が大きいほど、耐摩耗性に優れていることを示す。なお、表12の最終損傷形態の欄の表記は表8および表9と同様である。
<Cutting test 5: Block material chipping resistance test>
Sample No. shown in Table 12 For the 12, 13, 16, 17, 18, 20, and 22 cutting tools, the cutting distance until the defect or flank wear amount (Vb) becomes 0.20 mm is measured according to the cutting conditions of the following cutting test 5. The final damage form of the cutting edge was observed. The results are shown in Table 12. It shows that it is excellent in abrasion resistance, so that the numerical value of the column of the cutting distance shown in Table 12 is large. The notation in the column of final damage form in Table 12 is the same as in Tables 8 and 9.

<切削試験5の切削条件>
被削材:SUS304ブロック材
周速:200m/min
送り速度:0.2mm/s
切込み量:1.5mm
切削液:なし
カッタ:WGC4160R(住友電工ハードメタル社製)
チップ:SEET13T3AGSN−G1枚刃(住友電工ハードメタル社製)
<Cutting conditions of cutting test 5>
Work material: SUS304 block material Peripheral speed: 200 m / min
Feeding speed: 0.2mm / s
Cutting depth: 1.5mm
Cutting fluid: None Cutter: WGC4160R (manufactured by Sumitomo Electric Hardmetal Corp.)
Tip: SEET13T3AGSN-G1 blade (manufactured by Sumitomo Electric Hardmetal Corp.)

Figure 2016003368
Figure 2016003368

表12に示すように、試料No.12、13、16、17、18、20および22の切削工具の最終損傷形態はすべて欠損であったが、試料No.12、13、16、17および18の切削工具は、試料No.20および22の切削工具と比べて、切削距離が長く被膜の耐摩耗性に優れていることが確認された。これは、試料No.12、13、16、17、18、20および22の被膜は、試料No.20および22の被膜と比べて耐摩耗性に優れていることを示している。   As shown in Table 12, sample no. Although the final damage forms of the cutting tools 12, 13, 16, 17, 18, 20, and 22 were all missing, The cutting tools of Nos. 12, 13, 16, 17 and 18 are sample Nos. Compared to the cutting tools 20 and 22, it was confirmed that the cutting distance was long and the wear resistance of the coating was excellent. This is the sample No. The coatings of Nos. 12, 13, 16, 17, 18, 20, and 22 are sample Nos. It shows that it is superior in wear resistance as compared with the coatings of 20 and 22.

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

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなく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。   The embodiments and examples disclosed herein are illustrative in all respects and should not be construed as being restrictive. The scope of the present invention is shown not by the embodiments and examples described above but by the scope of claims, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims and all modifications within the scope.

10 CVD装置
11 基材
12 基材セット治具
13 反応容器
14 調温装置
15 ガス導入口
16 ガス導入管
17 貫通孔
18 ガス排気管
19 ガス排気口
20 下地膜
21a Ti1-xAlxN層
21b Ti1-yAlyN層
22 非晶質相
30 硬質被膜
40 線
50 被膜
10 CVD device 11 substrate 12 substrate the jig 13 reaction vessel 14 temperature controller 15 gas inlet 16 gas introduction pipe 17 through hole 18 a gas exhaust pipe 19 gas outlet 20 underlying film 21a Ti 1-x Al x N layer 21b Ti 1-y Al y N layer 22 amorphous phase 30 hard coating 40 wire 50 coating

Claims (8)

複数の結晶粒と、
前記結晶粒の間の非晶質相と、を含み、
前記結晶粒は、それぞれ、fcc構造を有するTi1-xAlxN層と、fcc構造を有するTi1-yAlyN層とが交互に積層された構造を有しており、
前記Ti1-xAlxN層のAl組成比xは、0≦x<1の関係を満たし、
前記Ti1-yAlyN層のAl組成比yは、0<y≦1の関係を満たし、
前記Al組成比xと前記Al組成比yとは、(y−x)≧0.2の関係を満たし、
前記非晶質相は、TiおよびAlの少なくとも一方の炭化物、窒化物または炭窒化物を含む、硬質被膜。
A plurality of grains,
An amorphous phase between the crystal grains,
Each of the crystal grains has a structure in which Ti 1-x Al x N layers having an fcc structure and Ti 1-y Al y N layers having an fcc structure are alternately stacked.
The Al composition ratio x of the Ti 1-x Al x N layer satisfies the relationship of 0 ≦ x <1,
The Ti 1-y Al y N layer of Al composition ratio y satisfies 0 <y ≦ 1 relationship,
The Al composition ratio x and the Al composition ratio y satisfy the relationship of (y−x) ≧ 0.2,
The hard film, wherein the amorphous phase includes at least one carbide, nitride, or carbonitride of Ti and Al.
隣り合う前記Ti1-xAlxN層の1層当たりの厚さと前記Ti1-yAlyN層の1層当たりの厚さとの合計厚さは、1nm以上50nm以下である、請求項1に記載の硬質被膜。 The total thickness of the thickness per layer of the adjacent Ti 1-x Al x N layers and the thickness per layer of the Ti 1-y Al y N layers is 1 nm or more and 50 nm or less. Hard coating as described in 4. 前記結晶粒の粒径が0.01μm以上1μm以下である、請求項1または請求項2に記載の硬質被膜。   The hard coating film according to claim 1 or 2, wherein a grain size of the crystal grains is 0.01 µm or more and 1 µm or less. 前記非晶質相の厚さが100nm以下である、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の硬質被膜。   The hard film according to claim 1, wherein the amorphous phase has a thickness of 100 nm or less. 前記硬質被膜のナノインデンテーション法による押し込み硬さが30GPa以上である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の硬質被膜。   The hard film according to any one of claims 1 to 4, wherein an indentation hardness of the hard film by a nanoindentation method is 30 GPa or more. 基材と、
前記基材上に設けられた請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の硬質被膜とを備えた、切削工具。
A substrate;
The cutting tool provided with the hard film of any one of Claims 1-5 provided on the said base material.
チタンのハロゲン化物ガスと、アルミニウムのハロゲン化物ガスと、テトラキスネオペンチルチタンガスと、アンモニアガスとを基材の表面に噴出する工程と、
前記基材を冷却する工程とを含む、硬質被膜の製造方法。
A step of jetting titanium halide gas, aluminum halide gas, tetrakisneopentyl titanium gas, and ammonia gas to the surface of the substrate;
And a step of cooling the substrate.
前記基材を冷却する工程は、前記基材を7℃/分以上の速度で400℃以下に冷却する工程を含み、
前記硬質被膜の製造方法は、前記400℃以下に冷却する工程の後に、アンモニアガスの気流中またはアンモニアガスと水素ガスとの混合ガスの気流中で前記基材を600℃以上800℃以下の温度で30分以上300分以下加熱する工程をさらに含む、請求項7に記載の硬質被膜の製造方法。
The step of cooling the substrate includes the step of cooling the substrate to 400 ° C. or less at a rate of 7 ° C./min or more,
In the method for producing the hard coating, after the step of cooling to 400 ° C. or lower, the substrate is heated to a temperature of 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower in a flow of ammonia gas or a mixed gas of ammonia gas and hydrogen gas. The method for producing a hard coating film according to claim 7, further comprising a step of heating for 30 minutes to 300 minutes.
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