JP2020157377A - Coated tool - Google Patents

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有三 福永
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Abstract

To obtain a coated tool which is coated with a nitride or a carbonitride of Al and Cr having excellent durability.SOLUTION: In a coated tool, a hard film is a nitride or a carbonitride which contains 50 atomic% or more of Al, 10 atomic% or more of Cr, and 90 atomic% or more of the total content of Al and Cr as an average content ratio to the total amount of metal elements including a semimetal, a peak intensity thereof due to an fcc structure in X-ray diffraction shows the maximum intensity, and is configured from a collection of columnar particles grown in a film thickness direction. A value of a hard film X-ray diffraction intensity ratio TC (311) is 1.30 or more, and an intermediate film, which contains a nitride or a carbonitride of Ti, is provided between a base material and the hard film.SELECTED DRAWING: Figure 1A

Description

本発明は、例えば、プレス加工用や鋳造用の金型、インサート等の切削工具に用いられる工具であって、化学蒸着法で被覆したAlとCrを含有する窒化物または炭窒化物を含む硬質皮膜を工具の表面に有する被覆工具に関する。 The present invention is, for example, a tool used for cutting tools such as dies and inserts for press working and casting, and is hard including a nitride or carbonitride containing Al and Cr coated by a chemical vapor deposition method. The present invention relates to a covering tool having a coating on the surface of the tool.

従来、金型や切削工具等の工具の寿命を向上させるために、物理蒸着法または化学蒸着法により工具の表面に硬質皮膜を被覆した被覆工具が用いられている。工具の中でも切削工具は加工負荷が大きい使用環境下で使用される。各種の硬質皮膜のなかでもAlとTiの窒化物または炭窒化物からなる硬質皮膜およびAlとCrの窒化物または炭窒化物からなる硬質皮膜は耐摩耗性と耐熱性に優れる膜種であり被覆切削工具等に広く用いられている。 Conventionally, in order to improve the life of a tool such as a mold or a cutting tool, a coated tool in which the surface of the tool is coated with a hard film by a physical vapor deposition method or a chemical vapor deposition method has been used. Among the tools, cutting tools are used in a usage environment with a large machining load. Among various hard films, the hard film made of Al and Ti nitrides or carbonitrides and the hard film made of Al and Cr nitrides or carbonitrides are film types with excellent wear resistance and heat resistance and are coated. Widely used for cutting tools and the like.

被覆工具に使われている硬質皮膜についてみてみると、AlとTiの窒化物または炭窒化物からなる硬質皮膜の形成については、実際に市場で販売されている被覆切削工具に物理蒸着法および化学蒸着法が広く適用されている。一方、AlとCrの窒化物または炭窒化物からなる硬質皮膜の形成については、実際に市場で販売されている被覆切削工具に適用されているのは物理蒸着法であり、化学蒸着法は用られていないのが現状である。 Looking at the hard coating used in coating tools, the formation of a hard coating consisting of Al and Ti nitrides or carbonitrides is carried out by physical vapor deposition and chemical vapor deposition on coated cutting tools actually sold on the market. The vapor deposition method is widely applied. On the other hand, for the formation of a hard film composed of Al and Cr nitrides or carbonitrides, the physical vapor deposition method is actually applied to the coated cutting tools sold on the market, and the chemical vapor deposition method is used. The current situation is that it has not been done.

しかし、化学蒸着法による硬質皮膜の形成は研究はなされており、例えば、特許文献1は、NH、NとHからなるガス群Aと、CrCl、AlCl、Al(CH、NとHからなるガス群Bを硬質皮膜原料ガスとして別々に供給することで立方晶構造からなるAlとCrの窒化物からなる硬質皮膜を工具基材の表面に被覆することを開示している。 However, the formation of a hard film by a chemical vapor deposition method has been studied. For example, Patent Document 1 describes a gas group A composed of NH 3 , N 2 and H 2 , CrCl 3 , AlCl 3 , and Al (CH 3 ). 3. By separately supplying the gas group B consisting of N 2 and H 2 as the raw material gas for the hard film, the surface of the tool base material is coated with the hard film made of nitrides of Al and Cr having a cubic structure. It is disclosed.

特開2017−80883号公報JP-A-2017-80883

特許文献1に記載の被覆について、本発明者の検討によると、化学蒸着法でAlとCrの窒化物または炭窒化物からなる硬質皮膜を被覆する場合、アルカリガスであるNHガスと、ハロゲンガスであるCrClガスやAlClガスが過剰に反応して成膜が安定し難くなることがあり、さらには、特定の面配向をしていないため、被覆切削工具を含む被覆工具として用いた場合耐久性も十分でないときがあることを確認した。
したがって、本発明は、耐久性に優れるAlとCrの窒化物または炭窒化物を被覆した被覆工具を得ることを目的とする。
The coating described in Patent Document 1, according to the study of the present inventors, when coating hard film comprising a nitride or a carbonitride of Al and Cr in the chemical vapor deposition, and NH 3 gas is an alkaline gas, halogen Since CrCl 3 gas and AlCl 3 gas, which are gases, may react excessively and the film formation may become difficult to stabilize, and further, since they do not have a specific surface orientation, they are used as a coating tool including a coating cutting tool. It was confirmed that the durability may not be sufficient.
Therefore, an object of the present invention is to obtain a coating tool coated with Al and Cr nitrides or carbonitrides having excellent durability.

本発明の一実施形態に係る工具では、
基材表面の硬質皮膜は、半金属を含む金属元素の総量に対して、平均含有割合として、Alが50原子%以上、Crが10原子%以上、AlとCrの合計の含有比率が90原子%以上の窒化物または炭窒化物であり、
前記硬質皮膜は、X線回折においてfcc構造に起因するピーク強度が最大強度を示し、
前記基材の表面に対して膜厚方向に成長した柱状粒子の集合から構成され、
前記硬質皮膜は、X線回折強度比TC(311)の値が1.30以上であり、
前記基材と前記硬質皮膜の間にTiの窒化物または炭窒化物を含む中間皮膜を設ける。
In the tool according to the embodiment of the present invention,
The hard film on the surface of the base material has an average content ratio of 50 atomic% or more for Al, 10 atomic% or more for Cr, and 90 atoms for the total content of Al and Cr with respect to the total amount of metal elements including metalloids. % Or more nitride or carbonitride,
The hard film has the maximum peak intensity due to the fcc structure in X-ray diffraction.
It is composed of a collection of columnar particles grown in the film thickness direction with respect to the surface of the base material.
The hard film has an X-ray diffraction intensity ratio TC (311) of 1.30 or more.
An intermediate film containing Ti nitride or carbonitride is provided between the base material and the hard film.

さらに、前記実施形態に係る工具は、以下の各事項の一つ以上を満足することが好ましい。
(1)前記X線回折強度比TC(311)が2.00以上であること。
(2)前記X線回折強度比TC(311)が、X線回折強度比TC(hkl)(但し、(hkl)面は、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面および(420)面。)よりも大きいこと。
(3)前記X線回折強度比TC(420)およびTC(200)の値が1.00未満であること。
(4)前記硬質皮膜が、X線回折におけるfcc構造の総ピーク強度をTA、(422)面に起因するピーク強度をTBとした場合、TB/TAの値が0.050以上であること。
(5)前記柱状粒子の表面側における平均幅が0.1μm以上2.0μm以下であること。
(6)前記硬質皮膜は、透過型電子顕微鏡を用いたミクロ組織において、相対的にAlの含有比率が高い単層構造の部分と、相対的にAlの含有比率が低い積層構造の部分とを有する結晶粒子が分散していること。
Further, the tool according to the embodiment preferably satisfies one or more of the following items.
(1) The X-ray diffraction intensity ratio TC (311) is 2.00 or more.
(2) The X-ray diffraction intensity ratio TC (311) is the X-ray diffraction intensity ratio TC (hkl) (however, the (hkl) plane is the (111) plane, the (200) plane, the (220) plane, and (311). ), (222), (400), (331) and (420).)
(3) The values of the X-ray diffraction intensity ratios TC (420) and TC (200) are less than 1.00.
(4) When the total peak intensity of the fcc structure in the X-ray diffraction is TA and the peak intensity due to the (422) plane is TB, the TB / TA value of the hard film is 0.050 or more.
(5) The average width of the columnar particles on the surface side is 0.1 μm or more and 2.0 μm or less.
(6) The hard film has a single-layer structure portion having a relatively high Al content ratio and a laminated structure portion having a relatively low Al content ratio in a microstructure using a transmission electron microscope. The crystal particles to have are dispersed.

前記によれば、耐久性に優れるAlとCrの窒化物または炭窒化物を被覆した被覆工具を得ることができる。 According to the above, it is possible to obtain a coating tool coated with Al and Cr nitrides or carbonitrides having excellent durability.

実施例1の被覆切削工具のすくい面の断面を示す走査型電子顕微鏡(SEM)画像の図面代用写真(倍率10,000倍)である。It is a drawing substitute photograph (magnification 10,000 times) of the scanning electron microscope (SEM) image which shows the cross section of the rake face of the coating cutting tool of Example 1. FIG. 図1Aの図面代用写真に対する概略模式図である。It is a schematic schematic diagram with respect to the drawing substitute photograph of FIG. 1A. 実施例1の硬質皮膜の透過型電子顕微鏡(TEM)の画像の図面代用写真(倍率200,000倍)である。It is a drawing substitute photograph (magnification 200,000 times) of the image of the transmission electron microscope (TEM) of the hard film of Example 1. 図2Aの図面代用写真に対する概略模式図である。It is a schematic schematic diagram with respect to the drawing substitute photograph of FIG. 2A. 図2のA部を拡大したTEM画像の図面代用写真(倍率2,000,000倍)である。It is a drawing substitute photograph (magnification 2,000,000 times) of the TEM image which enlarged the part A of FIG. 図3Aの図面代用写真に対する概略模式図である。It is a schematic schematic diagram with respect to the drawing substitute photograph of FIG. 3A. 図3Aの図面代用写真のB部におけるナノビーム回折パターンを示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the nanobeam diffraction pattern in the part B of the drawing substitute photograph of FIG. 3A. 図3Aの図面代用写真のC部を拡大したTEM画像の図面代用写真(倍率4,000,000倍)である。It is a drawing substitute photograph (magnification 4,000,000 times) of the TEM image which enlarged part C of the drawing substitute photograph of FIG. 3A. 図5Aの図面代用写真に対する概略模式図である。It is a schematic schematic diagram with respect to the drawing substitute photograph of FIG. 5A. 図5Aの図面代用写真のD部におけるナノビーム回折パターンを示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the nanobeam diffraction pattern in the part D of the drawing substitute photograph of FIG. 5A. 図5Aの図面代用写真のE部におけるナノビーム回折パターンを示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the nanobeam diffraction pattern in part E of the drawing substitute photograph of FIG. 5A. 実施例1のX線回折測定結果を示す図である。It is a figure which shows the X-ray diffraction measurement result of Example 1. FIG. 実施例の硬質皮膜の被覆に用いた化学蒸着装置(CVD炉)の概略模式図である。It is a schematic schematic diagram of the chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) used for coating the hard film of an Example. 実施例の硬質皮膜の被覆に用いた化学蒸着装置(CVD炉)の要部を拡大した概略模式図である。It is a schematic schematic diagram which enlarged the main part of the chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) used for coating the hard film of an Example. 実施例の硬質皮膜の被覆に用いた化学蒸着装置(CVD炉)のガス噴出口の概略断面図である。It is the schematic sectional drawing of the gas outlet of the chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) used for coating the hard film of an Example. 比較例2の硬質皮膜の被覆に用いた化学蒸着装置(CVD炉)の概略模式図である。It is a schematic schematic diagram of the chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) used for coating the hard film of Comparative Example 2. 比較例2の硬質皮膜の被覆に用いた化学蒸着装置(CVD炉)のガス噴出口の概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a gas ejection port of a chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) used for coating the hard film of Comparative Example 2. 比較例3および4の硬質皮膜の被覆に用いた化学蒸着装置(CVD炉)の模式図である。It is a schematic diagram of the chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) used for coating the hard coating of Comparative Examples 3 and 4. 比較例3および4の硬質皮膜の被覆に用いた化学蒸着装置(CVD炉)のガス噴出口の概略断面図である。It is the schematic sectional drawing of the gas outlet of the chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) used for coating the hard film of Comparative Examples 3 and 4.

本発明者は、AlとCrを主体とする窒化物または炭窒化物について、(311)面の配向を制御することで、工具の中でも加工負荷が大きい被覆切削工具の被覆皮膜として用いたときに耐久性が向上することを発見し、この発見は前述の被覆工具におしなべて適用できると考えて、本発明に到達した。すなわち、AlとCrを主体とする窒化物または炭窒化物について、各結晶面のX線回折強度を求め、(311)面のX線回折強度に注目して整理したところ、(311)面のX線回折強度が他の面の回折強度に対して一定の関係があるとき、被覆工具の耐久性が向上するという驚くべき知見を得たのである。 The present inventor controls the orientation of the (311) plane of a nitride or carbonitride mainly composed of Al and Cr when used as a coating film for a coating cutting tool having a large machining load among tools. We arrived at the present invention by discovering that the durability is improved, and thinking that this finding can be applied to all of the above-mentioned covering tools. That is, for the nitrides or carbon nitrides mainly composed of Al and Cr, the X-ray diffraction intensities of each crystal plane were obtained, and the X-ray diffraction intensities of the (311) plane were focused on and arranged. We have obtained the surprising finding that the durability of the covering tool is improved when the X-ray diffraction intensity has a certain relationship with the diffraction intensity of the other surface.

また、アルカリガスであるNHガス、ハロゲンガスであるCrClガスやAlClガスの原料ガスを過剰に反応させないために、これら原料ガスの混合ガス中のNHガス量のNガスとHガスの合計量に対する割合を特定のものとすること、さらに、塩化CrガスはCVD炉内で生成することが必要であることも知見した。 Further, in order not to excessively react the raw materials gas of NH 3 gas which is an alkaline gas, CrCl 3 gas which is a halogen gas and AlCl 3 gas, N 2 gas and H of the amount of NH 3 gas in the mixed gas of these raw material gases are not excessively reacted. It was also found that the ratio to the total amount of the two gases should be specified, and that Cr chloride gas should be generated in the CVD furnace.

以下では、本発明の一実施形態の被覆工具を構成する硬質皮膜の成分組成、組織、結晶構造、特性、および、その製造方法および製造装置の詳細について説明をする。 Hereinafter, the component composition, structure, crystal structure, and characteristics of the hard film constituting the covering tool according to the embodiment of the present invention, and the details of the manufacturing method and the manufacturing apparatus thereof will be described.

<組成>
まず、本実施形態に係る硬質皮膜の組成について説明する。
本実施形態に係る硬質皮膜は、AlとCrをベースとする窒化物または炭窒化物である。AlとCrの窒化物または炭窒化物皮膜は耐摩耗性と耐熱性に優れる膜である。より好ましくは耐熱性に優れる前記窒化物の硬質皮膜である。硬質皮膜を炭窒化物とする場合でも、硬質皮膜の平均組成において、窒素と炭素の合計の含有比率(原子%)を100%とした場合、窒素の含有比率(原子%)が80%以上であることが好ましい。硬質皮膜が耐熱性に優れる窒化物が主体となれば、一部に炭窒化物等を含有しても被覆工具の耐久性は大幅に低下することはない。より好ましくは、窒素と炭素の合計の含有比率(原子%)を100%とした場合、窒素の含有比率(原子%)が90%以上である。なお、硬質皮膜に含まれる炭素は遊離炭素として含有される場合もある。
<Composition>
First, the composition of the hard film according to the present embodiment will be described.
The hard film according to this embodiment is a nitride or carbonitride based on Al and Cr. The Al and Cr nitride or carbonitride film is a film having excellent wear resistance and heat resistance. More preferably, it is a hard film of the nitride having excellent heat resistance. Even when the hard film is a carbonitride, when the total content ratio (atomic%) of nitrogen and carbon is 100% in the average composition of the hard film, the nitrogen content ratio (atomic%) is 80% or more. It is preferable to have. If the hard film is mainly composed of nitrides having excellent heat resistance, the durability of the covering tool will not be significantly reduced even if a part of the hard film contains nitrides or the like. More preferably, when the total content ratio (atomic%) of nitrogen and carbon is 100%, the nitrogen content ratio (atomic%) is 90% or more. The carbon contained in the hard film may be contained as free carbon.

<<アルミニウム Al>>
Alの平均含有比率が高いと硬質皮膜の耐熱性が高まるとともに工具表面に潤滑保護皮膜を形成し易くなり、被覆工具の耐久性が向上する。これらの効果を十分に再現するために、本実施形態に係る硬質皮膜は、半金属を含む金属元素(以下、金属元素と記載する。)の総量に対して、Alの平均含有比率が50原子%以上とする。更には、Alの含有比率を55原子%以上とすることが好ましい。更には、Alの含有比率を60原子%以上とすることがより好ましい。更には、Alの平均含有比率を70原子%以上とすることがより一層好ましい。但し、Alの含有比率が高くなりすぎると、脆弱なhcp(六方最密充填)構造のAlNが多くなり被覆工具の耐久性が低下する。そのため、Alの平均含有比率を90原子%以下とすることが好ましい。
<< Aluminum Al >>
When the average content ratio of Al is high, the heat resistance of the hard film is increased, and a lubrication protective film is easily formed on the tool surface, so that the durability of the coated tool is improved. In order to sufficiently reproduce these effects, the hard film according to the present embodiment has an average Al content of 50 atoms with respect to the total amount of metal elements including metalloids (hereinafter referred to as metal elements). % Or more. Furthermore, it is preferable that the Al content ratio is 55 atomic% or more. Furthermore, it is more preferable that the Al content ratio is 60 atomic% or more. Further, it is more preferable that the average content ratio of Al is 70 atomic% or more. However, if the Al content ratio becomes too high, the amount of AlN having a fragile hcp (hexagonal close-packed) structure increases, and the durability of the covering tool decreases. Therefore, it is preferable that the average content ratio of Al is 90 atomic% or less.

<<クロム Cr>>
Crの平均含有比率が少なすぎると脆弱なhcp構造のAlNが増加しすぎて被覆工具の耐久性が低下する。また、工具表面(切削工具の場合は刃先表面)に潤滑保護皮膜が形成され難くなり、溶着が発生し易くなる。そのため、Crの平均含有比率は10原子%以上とする。更には、Crの平均含有比率は15原子%以上とすることが好ましい。但し、Crの含有比率が高くなりすぎると相対的にAlの含有比率が低下して耐熱性が低下する。そのため、Crの含有比率は45原子%以下とすることが好ましい。
<< Chrome Cr >>
If the average content ratio of Cr is too small, AlN having a fragile hcp structure increases too much, and the durability of the covering tool decreases. In addition, it becomes difficult for a lubricating protective film to be formed on the tool surface (in the case of a cutting tool, the cutting edge surface), and welding is likely to occur. Therefore, the average content ratio of Cr is set to 10 atomic% or more. Further, the average content ratio of Cr is preferably 15 atomic% or more. However, if the Cr content is too high, the Al content is relatively low and the heat resistance is low. Therefore, the Cr content ratio is preferably 45 atomic% or less.

<<その他の元素>>
本実施形態に係る硬質皮膜は、硬質皮膜により高い耐熱性を付与するために、AlとCrの合計の平均含有比率を90原子%以上とすることが好ましい。更には、AlとCrの合計の平均含有比率を95原子%以上にすることが好ましい。本実施形態に係る硬質皮膜は、AlとCr以外の金属元素を含有してもよい。例えば、Ti、Si、Zr、B、Vを含有してもよい。これらの元素は、AlTi系の窒化物または炭窒化物やAlCr系の窒化物または炭窒化物に一般的に添加されている元素であり、少量の添加であれば被覆工具の耐久性を著しく低下させることはなく、工具の用途によっては耐久性の向上に資する。
<< Other elements >>
The hard film according to the present embodiment preferably has an average content ratio of Al and Cr of 90 atomic% or more in order to impart higher heat resistance to the hard film. Furthermore, it is preferable that the average content ratio of the total of Al and Cr is 95 atomic% or more. The hard film according to this embodiment may contain a metal element other than Al and Cr. For example, Ti, Si, Zr, B, V may be contained. These elements are elements generally added to AlTi-based nitrides or carbonitrides and AlCr-based nitrides or carbonitrides, and if added in a small amount, the durability of the covering tool is significantly reduced. Depending on the application of the tool, it contributes to the improvement of durability.

すなわち、AlとCrの合計の平均含有比率を90原子%以上とする窒化物または炭窒化物において、後述するX線回折強度比TC(311)を一定値以上にすれば、これらの金属元素を含有しても被覆工具の耐久性を著しく低下させることはなく、工具の用途によっては耐久性の向上に資する。但し、AlとCr以外の金属元素の平均含有比率が高くなりすぎると、AlとCrをベースとする窒化物または炭窒化物としての基本特性が低下して被覆工具の耐久性が低下する。そのため、他の金属元素を含有する場合は、平均含有比率を10原子%以下とすることが好ましい。本実施形態に係る硬質皮膜は、AlとCrの窒化物としてもよい。 That is, in a nitride or carbonitride having an average total content ratio of Al and Cr of 90 atomic% or more, if the X-ray diffraction intensity ratio TC (311) described later is set to a certain value or more, these metal elements can be removed. Even if it is contained, it does not significantly reduce the durability of the coated tool, and contributes to the improvement of durability depending on the application of the tool. However, if the average content ratio of metal elements other than Al and Cr becomes too high, the basic characteristics of Al and Cr-based nitrides or carbonitrides deteriorate, and the durability of the covering tool deteriorates. Therefore, when other metal elements are contained, the average content ratio is preferably 10 atomic% or less. The hard film according to this embodiment may be a nitride of Al and Cr.

<<不可避不純物>>
本実施形態に係る硬質皮膜は、不可避不純物として、酸素および塩素等の成膜ガスに含まれる成分を、硬質皮膜全体を100質量%としたときに1質量%以下含有し得る。本実施形態に係る硬質皮膜は全体として窒化物または炭窒化物であるならば、これら不純物に起因するに化合物を一部に含有してもよい。
<< Inevitable Impurities >>
The hard film according to the present embodiment may contain 1% by mass or less of components contained in the film-forming gas such as oxygen and chlorine as unavoidable impurities when the entire hard film is 100% by mass. If the hard film according to the present embodiment is a nitride or a carbonitride as a whole, a compound may be partially contained due to these impurities.

<結晶構造>
本実施形態に係る硬質皮膜は、X線回折においてfcc(面心立方格子)構造に起因するX線ピーク強度(ピーク強度)のいずれかが最大強度を示し、fcc構造が主体である。hcp構造が主体の硬質皮膜や非晶質の硬質皮膜は硬度が低く、脆弱でもあり被覆工具の耐久性が著しく低下する。fcc構造に起因するピーク強度が最大強度を示すことで、硬質皮膜の硬度と靭性が高まり、被覆工具の耐久性が向上する。
<Crystal structure>
In the hard film according to the present embodiment, one of the X-ray peak intensities (peak intensities) due to the fcc (face-centered cubic lattice) structure shows the maximum intensity in X-ray diffraction, and the fcc structure is the main component. Hard films mainly composed of hcp structures and amorphous hard films have low hardness and are fragile, and the durability of the covering tool is significantly reduced. When the peak strength due to the fcc structure shows the maximum strength, the hardness and toughness of the hard film are increased, and the durability of the covering tool is improved.

本実施形態に係る硬質皮膜は、fcc構造の単一構造であることが好ましいが、fcc構造に起因するピーク強度のいずれかが最大強度を示すのであれば、一部にhcp構造を含有してもよい。例えば、HRC30以下の軟鋼のミーリング加工においては、硬質皮膜に高い硬度が求められないため、hcp構造を含有してもよい。但し、hcp構造の含有比率が高くなりすぎると被覆工具の耐久性が低下する。そのため、hcp構造を含有する場合でも、fcc構造に起因する最大ピーク強度に対して、hcp構造に起因する最大ピーク強度を1/10以下にすることが好ましい。 The hard film according to the present embodiment preferably has a single structure having an fcc structure, but if any of the peak intensities due to the fcc structure shows the maximum strength, the hcp structure is partially contained. May be good. For example, in the milling process of mild steel of HRC30 or less, a hcp structure may be contained because a high hardness is not required for the hard film. However, if the content ratio of the hcp structure becomes too high, the durability of the covering tool decreases. Therefore, even when the hcp structure is contained, it is preferable that the maximum peak intensity due to the hcp structure is 1/10 or less of the maximum peak intensity due to the fcc structure.

本実施形態に係る硬質皮膜は、X線回折において、fcc構造の(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面および(422)面の少なくとも9面にピーク強度を有する。本発明者は、(311)面に起因するX線回折強度比が大きくなれば微粒な柱状粒子が増加することを知見した。 The hard film according to the present embodiment has a (111) plane, (200) plane, (220) plane, (311) plane, (222) plane, (400) plane, and (331) plane of the fcc structure in X-ray diffraction. It has peak intensities on at least nine faces, (420) and (422) faces. The present inventor has found that the number of fine columnar particles increases as the X-ray diffraction intensity ratio due to the (311) plane increases.

そのため、本実施形態では、(311)面に起因するX線回折強度比について、以下に述べるX線回折強度比TC(311)を1.30以上とする。そして、(311)面に起因するX線回折強度比TC(311)を前記他の面(窒化アルミニウムの標準X線回折強度には(422)面はないため、前記9面から(422)面を除いた8面)のX線回折強度比に対して高めることで、より一層、皮膜組織が微細となり、硬質皮膜の塑性変形が抑制され、更には皮膜摩耗が抑制され易くなって好ましいことも知見した。 Therefore, in the present embodiment, the X-ray diffraction intensity ratio TC (311) described below is set to 1.30 or more with respect to the X-ray diffraction intensity ratio caused by the (311) plane. Then, the X-ray diffraction intensity ratio TC (311) caused by the (311) plane is changed from the 9th plane to the (422) plane because there is no (422) plane in the standard X-ray diffraction intensity of aluminum nitride. By increasing the X-ray diffraction intensity ratio of 8 surfaces excluding the above, the film structure becomes finer, the plastic deformation of the hard film is suppressed, and the film wear is easily suppressed, which is also preferable. I found out.

本実施態様では、(311)面を含む前記各面のX線回折強度比TC(hkl)を以下の式(数1)で示されるX線回折強度比TC(hkl)を求め、X線回折強度比TC(311)を評価する。
(数1)
TC(hkl)={I(hkl)/I(hkl)}/[Σ{I(hkl)/I(hkl)}/8]
I(hkl):実測した窒化アルミクロムニウム、炭窒化アルミクロムニウム硬質皮膜の(hkl)面のX線回折強度。
(hkl):ICDD(International Center for Dffraction Data)ファイル番号00−025−1495に記載の窒化アルミニウムの(hkl)面の標準X線回折強度。
Σは、次の8面についての和を意味する。
(hkl)=(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面および(420)面。
In this embodiment, the X-ray diffraction intensity ratio TC (hkl) of each surface including the (311) surface is obtained by obtaining the X-ray diffraction intensity ratio TC (hkl) represented by the following formula (Equation 1), and X-ray diffraction is performed. The intensity ratio TC (311) is evaluated.
(Equation 1)
TC (hkl) = {I (hkl) / I O (hkl)} / [Σ {I (hkl) / I O (hkl)} / 8]
I (hkl): X-ray diffraction intensity of the (hkl) surface of the actually measured aluminum nitride chromenium nitride and aluminum nitriding aluminum chromenium hard film.
I O (hkl): Standard X-ray diffraction intensity of the (hkl) plane of aluminum nitride according to ICDD (International Center for Diffraction Data) file number 00-025-1495.
Σ means the sum of the following eight planes.
(Hkl) = (111) plane, (200) plane, (220) plane, (311) plane, (222) plane, (400) plane, (331) plane and (420) plane.

ここで、窒化アルミクロムニウム、炭窒化アルミクロムニウムの標準X線回折強度は同ファイルにないため、窒化アルミクロムニウム、炭窒化アルミクロムニウムのX線回折に類似している窒化アルミニウム標準X線回折強度を用いている。 Here, since the standard X-ray diffraction intensities of aluminum nitride and aluminum nitride are not in the same file, the standard X-ray diffraction of aluminum nitride is similar to the X-ray diffraction of aluminum nitride and aluminum nitride. The diffraction intensity is used.

ICDDファイル番号00−025−1495に記載の、fcc構造の窒化アルミニウムの各結晶面に対応する回折角2θおよび標準X線回折強度Iによれば、fcc構造の窒化アルミニウムは、(420)面のX線回折強度が高いことが確認できる。また、当該窒化アルミニウムの標準X線回折強度には(422)面はないので、X回折強度比TC(hkl)は上述した8面から求める。 According to the diffraction angle 2θ and the standard X-ray diffraction intensity IO corresponding to each crystal plane of the fcc structure aluminum nitride described in ICDD file No. 00-025-1495, the fcc structure aluminum nitride has a (420) plane. It can be confirmed that the X-ray diffraction intensity of is high. Further, since the standard X-ray diffraction intensity of the aluminum nitride does not have the (422) plane, the X-ray diffraction intensity ratio TC (hkl) is obtained from the above-mentioned eight planes.

AlとCrを主体とする窒化物または炭窒化物について、X線回折強度比TC(311)の値が1.30以上になるAlとCrを主体とする窒化物または炭窒化物とすることで、被覆工具の耐久性を高めることができる。更には、X線回折強度比TC(311)が1.80以上であることがより好ましい。更には、X線回折強度比TC(311)が2.00以上であることがより一層好ましい。X線回折強度比TC(311)の上限値は特段の制約はないが、本明細書に開示する方法により窒化物または炭窒化物を製造した場合、6.00程度が上限値になると推定され、上限値は、5.00がより好ましい。
更には、X線回折強度比TC(311)が他の結晶面のX線回折強度比TC(hkl)よりも大きいことがさらにより一層好ましい。
By making the nitride or carbonitride mainly composed of Al and Cr a nitride or carbonitride mainly composed of Al and Cr having an X-ray diffraction intensity ratio TC (311) value of 1.30 or more. , The durability of the covering tool can be improved. Furthermore, it is more preferable that the X-ray diffraction intensity ratio TC (311) is 1.80 or more. Furthermore, it is even more preferable that the X-ray diffraction intensity ratio TC (311) is 2.00 or more. The upper limit of the X-ray diffraction intensity ratio TC (311) is not particularly limited, but when a nitride or carbonitride is produced by the method disclosed in the present specification, it is estimated that the upper limit is about 6.00. The upper limit is more preferably 5.00.
Furthermore, it is even more preferable that the X-ray diffraction intensity ratio TC (311) is larger than the X-ray diffraction intensity ratio TC (hkl) of other crystal planes.

本実施形態に係る硬質皮膜は、X線回折強度比TC(420)とX線回折強度比TC(200)の値が1.00以下であることが好ましい。その理由は、標準X線回折強度においてピーク強度が高い(420)面と(200)面のX線回折強度比TC(hkl)の値が小さくなることで、X線回折強度比TC(311)の値が高くなり易く好ましいためである。更には、X線回折強度比TC(420)とX線回折強度比TC(200)の値が0.50以下であることがより好ましい。 The hard film according to the present embodiment preferably has an X-ray diffraction intensity ratio TC (420) and an X-ray diffraction intensity ratio TC (200) of 1.00 or less. The reason is that the value of the X-ray diffraction intensity ratio TC (hkl) between the (420) plane and the (200) plane, which have high peak intensities in the standard X-ray diffraction intensity, becomes smaller, so that the X-ray diffraction intensity ratio TC (311) This is because the value of is likely to be high, which is preferable. Further, it is more preferable that the values of the X-ray diffraction intensity ratio TC (420) and the X-ray diffraction intensity ratio TC (200) are 0.50 or less.

なお、窒化アルミクロムニウム、炭窒化アルミクロムニウム硬質皮膜のX線回折ピークは、窒化チタンアルミニウム硬質皮膜のX線回折ピークと類似しておりピーク位置が重なる。そのため、本発明に係る硬質皮膜と窒化チタンアルミニウム、炭窒化アルミクロムニウム硬質皮膜を積層、例えば、交互積層させる場合、得られたX線回折ピークを窒化アルミクロムニウム硬質皮膜のピークとしてX線解析強度比TC(hkl)を算出にすればよい。 The X-ray diffraction peaks of the aluminum nitride chromenium nitride and the aluminum chromenium nitride hard film are similar to the X-ray diffraction peaks of the titanium aluminum nitride hard film, and the peak positions overlap. Therefore, when the hard film according to the present invention and the titanium aluminum nitride and aluminum nitrocarbium nitride hard film are laminated, for example, alternately laminated, the obtained X-ray diffraction peak is used as the peak of the aluminum chromenium nitride hard film for X-ray analysis. The intensity ratio TC (hkl) may be calculated.

本実施形態に係る硬質皮膜は、X線回折において、fcc構造の総ピーク強度(前記8面のピーク強度の和に加えて(422)面のX線回折ピーク強度を加えたものの和)をTA、(422)面に起因するピーク強度をTBとした場合、TB/TAの値が0.050以上であることが好ましい。通常、(422)面のような高角側のピーク強度は相対的に弱くなるが、(422)面のピーク強度がより強くなることで、結晶性のより高い硬質皮膜となり被覆工具の耐久性が向上する。更に、TB/TAの値を0.070以上とすることでより耐久性が優れる傾向にありより好ましい。 In the X-ray diffraction, the hard film according to the present embodiment has the total peak intensity of the fcc structure (the sum of the peak intensities of the eight planes plus the X-ray diffraction peak intensities of the (422) plane) in TA. When the peak intensity caused by the (422) plane is TB, the TB / TA value is preferably 0.050 or more. Normally, the peak intensity on the high angle side such as the (422) surface is relatively weak, but the higher the peak intensity on the (422) surface, the hard film with higher crystallinity is formed and the durability of the covering tool is improved. improves. Further, setting the TB / TA value to 0.070 or more tends to improve the durability, which is more preferable.

なお、ICDDファイル番号00−025−1495には(422)面のピーク強度はないが、面間隔d値を計算することにより、X線回折図において(422)面ピーク強度を確認することができる。 Although ICDD file number 00-025-1495 does not have the peak intensity of the (422) plane, the peak intensity of the (422) plane can be confirmed in the X-ray diffraction diagram by calculating the plane spacing d value. ..

<柱状粒子>
本実施形態に係る硬質皮膜は、基材の表面に対して膜厚方向に成長した柱状粒子の集合(柱状組織)から構成される。AlとCrをベースとする窒化物または炭窒化物の硬質皮膜が基材の表面に対して膜厚方向に成長した柱状粒子となることで、被覆工具の耐久性が向上する。
<Columnar particles>
The hard film according to the present embodiment is composed of a collection of columnar particles (columnar structure) grown in the film thickness direction with respect to the surface of the base material. The durability of the covering tool is improved by forming the hard film of the nitride or carbonitride based on Al and Cr into columnar particles grown in the film thickness direction with respect to the surface of the base material.

前記柱状粒子の表面側における平均幅が0.1μm以上2.0μm以下であることが好ましい。表面側における平均幅が0.1μm以上とすることで被覆工具の耐久性がより高まる。また、表面側における平均幅が2.0μm以下とすることで、硬質皮膜の塑性変形が起こり難くなり、また、硬質皮膜から脱落する粒子径が小さくなるため工具摩耗が抑制され易くなる。 The average width of the columnar particles on the surface side is preferably 0.1 μm or more and 2.0 μm or less. By setting the average width on the surface side to 0.1 μm or more, the durability of the covering tool is further enhanced. Further, when the average width on the surface side is 2.0 μm or less, plastic deformation of the hard film is less likely to occur, and the particle size falling off from the hard film is reduced, so that tool wear is easily suppressed.

本実施形態における表面側とは、被加工材と接触する側にある硬質皮膜の表面近傍、例えば、CP(Cross−section Polisher)加工面の近傍をいう。硬質皮膜の柱状粒子の幅は、透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡による断面観察から測定することができる。測定箇所は、被加工材と接する側にある皮膜表面から深さが0.5μmの位置とした。連続する30個以上の柱状粒子の幅を観察すれば、粒子幅の平均値は収束する。そのため、連続する30個以上の柱状粒子から、硬質皮膜の柱状粒子の平均幅を求めればよい。 The surface side in the present embodiment means the vicinity of the surface of the hard film on the side in contact with the material to be processed, for example, the vicinity of the CP (Cross-section Policeher) processed surface. The width of the columnar particles of the hard film can be measured by observing the cross section with a transmission electron microscope or a scanning electron microscope. The measurement location was set at a depth of 0.5 μm from the surface of the film on the side in contact with the work material. By observing the widths of 30 or more consecutive columnar particles, the average value of the particle widths converges. Therefore, the average width of the columnar particles of the hard film may be obtained from 30 or more continuous columnar particles.

<ミクロ組織>
本実施形態に係る硬質皮膜のミクロ組織は特段限定されるものではない。すなわち、単層構造のみからなる結晶粒子を有してもよい。また、積層構造のみからなる結晶粒子を有してもよい。単層構造のみからなる結晶粒子と積層構造のみからなる結晶粒子と単層構造と積層構造が併存する結晶粒子とを有してもよい。特に、一つの粒子の中に、単層構造と積層構造が併存する結晶粒子が分散している場合が好ましい。
<Micro tissue>
The microstructure of the hard film according to this embodiment is not particularly limited. That is, it may have crystal particles having only a single layer structure. Further, it may have crystal particles having only a laminated structure. It may have crystal particles having only a single layer structure, crystal particles having only a laminated structure, and crystal particles having both a single layer structure and a laminated structure. In particular, it is preferable that crystal particles in which a single-layer structure and a laminated structure coexist are dispersed in one particle.

具体的には、例えば、図2A、図2Bに示すように、一つの結晶粒子において、相対的にAlの含有比率が高いAlとCrの窒化物または炭窒化物と、相対的にAlの含有比率が低いAlとCrの窒化物または炭窒化物とが交互に積層した積層構造からなる部分と、Alの含有比率が高いAlとCrの窒化物または炭窒化物の単層構造からなる部分とを有する結晶粒子がミクロ組織に分散している場合が好ましい(拡大図は、図3A、図3B、図5A、図5Bを参照)。 Specifically, for example, as shown in FIGS. 2A and 2B, one crystal particle contains Al and Cr nitrides or carbonitrides having a relatively high Al content ratio and a relatively Al content. A portion having a laminated structure in which Al and Cr nitrides or carbonitrides having a low ratio are alternately laminated, and a portion having a single-layer structure of Al and Cr nitrides or carbonitrides having a high Al content ratio. It is preferable that the crystal particles having the above are dispersed in the microstructure (see FIGS. 3A, 3B, 5A, and 5B for enlarged views).

単層構造の部分は、積層構造の部分に比べて相対的に結晶性が高いため、歪みが少ないと推定される。そのため、結晶粒子が単層構造の部分を有することで被覆具の耐久性が向上する。積層構造からなる部分は、単層構造からなる部分に比べて相対的にAlの含有比率が小さいため、結晶粒子の全体としてAlの含有量が増加しすぎて脆弱なhcp構造のAlNが増加することが抑制される。そして、このような粒子がミクロ組織に存在することにより、硬質皮膜の全体として耐摩耗性と耐熱性が高まり優れた耐久性を発揮することができる。 Since the single-layer structure portion has relatively higher crystallinity than the laminated structure portion, it is presumed that there is less distortion. Therefore, the durability of the covering tool is improved because the crystal particles have a single-layer structure portion. Since the Al content ratio of the laminated structure portion is relatively smaller than that of the single layer structure portion, the Al content of the crystal particles as a whole increases too much, and the AlN of the fragile hcp structure increases. Is suppressed. The presence of such particles in the microstructure enhances the wear resistance and heat resistance of the hard film as a whole, and can exhibit excellent durability.

結晶粒子の積層構造の部分において、相対的にAlの含有比率が高いAlとCrの窒化物または炭窒化物は、Alの含有比率が60原子%以上であることが好ましく、また、相対的にAlの含有比率が低いAlとCrの窒化物または炭窒化物は、Alの含有比率が55原子%以下であることが好ましい。 In the portion of the laminated structure of the crystal particles, the nitride or carbonitride of Al and Cr having a relatively high Al content ratio preferably has an Al content ratio of 60 atomic% or more, and is relatively The Al and Cr nitrides or carbonitrides having a low Al content preferably have an Al content of 55 atomic% or less.

結晶粒子の積層構造の部分において、相対的にAlの含有比率が高いAlとCrの窒化物または炭窒化物は、Alの含有比率が70原子%以上であることがより好ましく、更には80原子%以上であることがより一層好ましい。但し、Alの含有比率が高くなりすぎるとhcp構造のAlNが増加するため、Alの含有比率は95原子%以下であることが好ましい。更には、90原子%以下であることがより好ましい。 In the portion of the laminated structure of the crystal particles, the nitride or carbonitride of Al and Cr having a relatively high Al content is more preferably 70 atomic% or more, and more preferably 80 atoms. % Or more is even more preferable. However, if the Al content ratio becomes too high, AlN in the hcp structure increases, so the Al content ratio is preferably 95 atomic% or less. Further, it is more preferably 90 atomic% or less.

結晶粒子の積層構造の部分において、相対的にAlの含有比率が低いAlとCrの窒化物または炭窒化物は、Alの含有比率が50原子%以下であることがより好ましく、更には、40原子%以下であることがより一層好ましい。但し、Alの含有比率が低くなりすぎると、硬質皮膜の全体で耐熱性が低下するため、Alの含有比率は10原子%以上であることが好ましい。更には、20原子%以上がより好ましい。 The Al and Cr nitrides or carbonitrides having a relatively low Al content in the laminated structure of the crystal particles preferably have an Al content of 50 atomic% or less, and more preferably 40. It is even more preferably atomic% or less. However, if the Al content ratio is too low, the heat resistance of the entire hard film is lowered, so the Al content ratio is preferably 10 atomic% or more. Furthermore, 20 atomic% or more is more preferable.

結晶粒子の単層構造の部分は、Alの含有比率が60原子%以上であることが好ましい。更には、Alの含有比率が70原子%以上であることが好ましい。但し、Alの含有比率が高くなりすぎるとhcp構造のAlNが増加するため、結晶粒子の単層構造の部分は、Alの含有比率が90原子%以下であることがより好ましい。
本実施形態に係る硬質皮膜のミクロ組織は、積層構造または単層構造のみの結晶粒子で構成されてもよい。
The monolayer structure portion of the crystal particles preferably has an Al content of 60 atomic% or more. Furthermore, the Al content ratio is preferably 70 atomic% or more. However, if the Al content ratio becomes too high, the AlN of the hcp structure increases. Therefore, it is more preferable that the Al content ratio of the monolayer structure portion of the crystal particles is 90 atomic% or less.
The microstructure of the hard film according to the present embodiment may be composed of crystal particles having only a laminated structure or a single layer structure.

<平均膜厚>
本実施形態に係る硬質皮膜の平均膜厚(層厚)は、1.0μm以上15.0μm以下が好ましい。その理由は、膜厚が1.0μm未満であると薄いため十分な工具寿命を与えず、一方、膜厚が15.0μmを超えると厚くなりすぎて加工精度が低下してしまう虞があるためである。膜厚の下限は2.0μmがより好ましく、更には3.0μmが好ましく、更には5.0μmがより一層好ましい。膜厚の上限は12.0μmがより好ましく、更には10.0μmがより一層好ましい。
<Average film thickness>
The average film thickness (layer thickness) of the hard film according to the present embodiment is preferably 1.0 μm or more and 15.0 μm or less. The reason is that if the film thickness is less than 1.0 μm, the tool life is not sufficient because it is thin, while if the film thickness exceeds 15.0 μm, the film thickness becomes too thick and the machining accuracy may decrease. Is. The lower limit of the film thickness is more preferably 2.0 μm, further preferably 3.0 μm, and even more preferably 5.0 μm. The upper limit of the film thickness is more preferably 12.0 μm, and even more preferably 10.0 μm.

<中間皮膜と上層>
本実施形態の被覆工具は、工具の基材と硬質皮膜との間に、Tiの窒化物または炭窒化物を含む中間皮膜を設ける。このような中間皮膜を設けることで基材と硬質皮膜の密着性がより向上して過酷な使用環境下でも耐久性が向上する。ここで、本明細書において、Tiの窒化物、炭窒化物のように化合物を化学式で表さないときは、必ずしも化学量論的範囲のものに限定されないし、Ti窒化物または炭窒化物を含むとは、Ti窒化物、Ti炭窒化物を中間層として成膜する際に不可避的に成膜される層の存在を許容すると云うことである。
<Intermediate film and upper layer>
In the covering tool of the present embodiment, an intermediate film containing Ti nitride or carbonitride is provided between the base material of the tool and the hard film. By providing such an interlayer film, the adhesion between the base material and the hard film is further improved, and the durability is improved even in a harsh usage environment. Here, in the present specification, when a compound is not represented by a chemical formula like Ti nitride and carbonitride, it is not necessarily limited to those in the stoichiometric range, and Ti nitride or carbonitride is used. Including means that the presence of a layer that is inevitably formed when a Ti nitride or Ti carbonitride is formed as an intermediate layer is allowed.

また、本実施形態に係る硬質皮膜の上に、本実施形態に係る硬質皮膜と異なる成分比や異なる組成を有する上層を設けてもよい。上層は、例えば、窒化物、炭窒化物、炭化物やアルミナ等の酸化物で、結合層を介して設けるとよい。このうち、化学蒸着法で成膜する被覆層として一般的に用いられているアルミナは、被覆工具の耐熱性を向上させるので好ましい。 Further, an upper layer having a different component ratio and a different composition from the hard film according to the present embodiment may be provided on the hard film according to the present embodiment. The upper layer is, for example, an oxide such as nitride, carbonitride, carbide or alumina, and may be provided via a bonding layer. Of these, alumina, which is generally used as a coating layer to be deposited by a chemical vapor deposition method, is preferable because it improves the heat resistance of the coating tool.

例えば、一般的に鋳物の切削加工においてはアルミナを設けた被覆切削工具が用いられている。本発明の被覆工具も、切削工具として用いる場合は、必要に応じて上層としてアルミナを設ければ耐久性がより向上して好ましい。また、上層として、AlとTiの窒化物や、相対的にAlの含有比率が高いAlとCrの窒化物または炭窒化物と、相対的にAlの含有比率が低いAlとCrの窒化物または炭窒化物とが交互に積層した積層皮膜を設けてもよい。
また、本発明の被覆工具を金型に適用する場合には、潤滑性に優れるVの窒化物または炭窒化物等を上層に設けてもよい。
For example, in general, a coated cutting tool provided with alumina is used in the cutting process of a casting. When the covering tool of the present invention is also used as a cutting tool, it is preferable to provide alumina as an upper layer as needed because the durability is further improved. Further, as the upper layer, an Al and Ti nitride, an Al and Cr nitride or carbonitride having a relatively high Al content, and an Al and Cr nitride having a relatively low Al content, or A laminated film in which carbonitrides are alternately laminated may be provided.
Further, when the covering tool of the present invention is applied to a mold, V nitride or carbonitride having excellent lubricity may be provided on the upper layer.

<被覆後の処理>
本実施形態に係る硬質皮膜は化学蒸着によって成膜されるため引張応力を有しているから、被覆後にブラスト装置等による応力解放となる被覆後の処理を行うことが好ましい。この被覆後の処理を行うことで、被覆切削工具では耐チッピング性が改善し工具寿命に優れる硬質皮膜となる。
<Treatment after coating>
Since the hard film according to the present embodiment has tensile stress because it is formed by chemical vapor deposition, it is preferable to perform post-coating treatment such as stress release by a blasting device or the like after coating. By performing this post-coating treatment, the coating cutting tool has improved chipping resistance and becomes a hard film having excellent tool life.

<基材>
本実施形態では、基材(被覆工具の基材)は、特に制限されるものではなく、用途や目的等に応じて適宜選択することができる。例えば、超硬合金、冷間工具鋼、高速度工具鋼、プラスチック金型用鋼、熱間工具鋼等を適用することができる。
<Base material>
In the present embodiment, the base material (base material of the covering tool) is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the application, purpose, and the like. For example, cemented carbide, cold tool steel, high speed tool steel, plastic mold steel, hot tool steel and the like can be applied.

また、本発明の被覆工具を切削工具として用いる場合の工具基材は、インサート基材に限らず、例えば、ドリル、ドリ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、メタルソー、リーマ、タップ等の基材を挙げることができる。 When the covering tool of the present invention is used as a cutting tool, the tool base material is not limited to the insert base material, for example, a drill, a cutting edge exchangeable cutting tip for drilling, a cutting edge exchangeable cutting tip for milling, a metal saw, and a reamer. , Taps and other substrates can be mentioned.

<製造方法>
本実施形態に係る硬質皮膜は、例えば、内部温度を後述する750℃以上に昇温させた化学蒸着装置(CVD炉)内へ、以下に述べる混合ガスAと混合ガスBを別々に導入し、該装置内で混合することにより、該装置内にあらかじめ載置してあるインサート基材等の工具基体に被覆することができる。
<Manufacturing method>
In the hard film according to the present embodiment, for example, the mixed gas A and the mixed gas B described below are separately introduced into a chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) in which the internal temperature is raised to 750 ° C. or higher, which will be described later. By mixing in the apparatus, a tool substrate such as an insert substrate placed in advance in the apparatus can be coated.

<<混合ガスA>>
本実施形態において、混合ガスAは、混合ガスa1と混合ガスa2を含む。混合ガスa1は、HClガスとHガス(「塩化Crを生成するための混合ガス」または「混合ガスa1を得るための混合ガス」ともいう)と、この2のガスが金属Crと接触することにより生成する塩化Crガス(CrClで表現できる成分のみではなくCrとClとが化学的に結合したガスである)を含むガスで、代表的な組成は、体積比で塩化Cr/H=0.008以上0.140以下である。一方、混合ガスa2は、AlClガスとHガスとを含むガスで、代表的な組成は、体積比でAlCl/(H+N)=0.0006以上0.0300以下である。
なお、塩化Crガスの体積%およびAlClガスの体積%は、後述するように、これらガスを発生させるために導入するHClガス量から推定する。
<< Mixed Gas A >>
In the present embodiment, the mixed gas A includes a mixed gas a1 and a mixed gas a2. Mixed gas a1 is the HCl gas and H 2 gas (also referred to as "mixed gas for obtaining the mixed gas a1" or "mixed gas to produce chloride Cr"), of the gas the 2 contacts the metal Cr This is a gas containing Cr chloride gas (not only a component that can be expressed by CrCl 3 but also a gas in which Cr and Cl are chemically bonded), and a typical composition is Cr / H 2 chloride in terms of volume ratio. = 0.008 or more and 0.140 or less. On the other hand, the mixed gas a2 is a gas containing AlCl 3 gas and H 2 gas, and a typical composition is AlCl 3 / (H 2 + N 2 ) = 0.0006 or more and 0.0300 or less in terms of volume ratio.
The volume% of the volume%, and AlCl 3 gas chloride Cr gas, as described later, estimated from HCl gas amount to be introduced in order to generate these gases.

混合ガスa1において、塩化Crガスの生成のためのHClガスとHガスは加熱されて金属Crと接触されるが、この加熱は、製造装置の説明で後述するように、CVD炉の内部のガス予熱部で行うことが好ましい。また、塩化Crガスを有するようになった混合ガスa1に、この混合ガスa1の温度近くに加熱された混合ガスa2を混合して、混合ガスAを得ることが好ましい。このようにすることにより、AlClガスの影響を受けずに塩化Crガスの生成が容易になされるようになる。 In the mixed gas a1, although HCl gas and H 2 gas for the production of chloride Cr gas is contacted with the heated metal Cr, the heat, as described later in the description of the manufacturing apparatus, the inside of the CVD furnace It is preferably performed in the gas preheating section. Further, it is preferable to obtain the mixed gas A by mixing the mixed gas a1 having Cr chloride gas with the mixed gas a2 heated near the temperature of the mixed gas a1. By doing so, it becomes easy to generate Cr chloride gas without being affected by AlCl 3 gas.

前記ガス予熱部において塩化Crガスを生成させるときの温度は、炉内温度の最低設定温度である750℃程度の塩化Crガスが安定的に発生する温度とする。その理由は、この温度が低すぎると塩化Crガスの発生量が少なくなり、硬質皮膜の全体がAlリッチとなって、hcp構造のAlNが増加し易くなるためである。 The temperature at which the Cr chloride gas is generated in the gas preheating section is set to a temperature at which Cr chloride gas of about 750 ° C., which is the minimum set temperature of the furnace temperature, is stably generated. The reason is that if this temperature is too low, the amount of Cr chloride gas generated decreases, the entire hard film becomes Al-rich, and AlN in the hcp structure tends to increase.

また、混合ガスa2に含まれるAlClガスは、例えば、HガスとHClガスの混合ガスを、金属Alを充填して330℃に保温したAlClガス発生器に導入して生成することができ、混合ガスa1と混合して混合ガスAとするときに予熱される。混合ガスa2の温度は、混合ガスa1の温度との差があまりない方が、硬質皮膜が柱状粒子の集合体から構成された組織となるために好ましく、混合ガスa1の温度の近傍(例えば、±80℃)がよい。 Further, the AlCl 3 gas contained in the mixed gas a2 can be generated by introducing, for example, a mixed gas of H 2 gas and an HCl gas into an AlCl 3 gas generator filled with metal Al and kept at 330 ° C. It is preheated when it is mixed with the mixed gas a1 to form the mixed gas A. It is preferable that the temperature of the mixed gas a2 is not so different from the temperature of the mixed gas a1 because the hard film has a structure composed of aggregates of columnar particles, and is close to the temperature of the mixed gas a1 (for example,). ± 80 ° C) is good.

混合ガスa1に混合ガスa2を混合して得られた混合ガスAにおいて、Hガスの流量を最も大きくすることが好ましい。さらに、混合ガスa1および混合ガスa2にはNガスやArガスが含まれていてもよい。 In the mixed gas A obtained by mixing the mixed gas a2 with the mixed gas a1, it is preferable to maximize the flow rate of the H 2 gas. It may further contain N 2 gas and Ar gas in the gas mixture a1 and mixed gas a2.

<<混合ガスB>>
混合ガスBは、Hガス、NガスおよびNHガスを含む。この混合ガスBは、NガスとHガスの合計の体積%をb1、NHガスの体積%をb2とした場合、b2/b1の値が0.002以上0.020以下の組成比を有することが、本実施形態に係る硬質皮膜の組成を得るために好ましい。この組成比の範囲に混合ガスBの組成比があれば、アルカリガスであるNHガスと、ハロゲンガスであるCrClガスやAlClガスが過剰に反応することを抑制しやすい。
<< Mixed Gas B >>
The mixed gas B includes H 2 gas, N 2 gas and NH 3 gas. The composition ratio of this mixed gas B is 0.002 or more and 0.020 or less in the value of b2 / b1 when the total volume% of the N 2 gas and the H 2 gas is b1 and the volume% of the NH 3 gas is b2. Is preferable in order to obtain the composition of the hard film according to the present embodiment. If the composition ratio of the mixed gas B is within this composition ratio range, it is easy to prevent the NH 3 gas, which is an alkaline gas, from excessively reacting with the CrCl 3 gas or AlCl 3 gas, which are halogen gases.

この混合ガスBも予熱されるが、予熱による温度上昇は抑え、混合ガスAの温度よりも低く予熱して過剰な予熱を避ける。
後述する被覆装置では、予熱チャンバー内の混合ガスBのガス流路を、予熱チャンバーの高さと同じとすることで、混合ガスBが混合ガスAのように過度に予熱されるのを防いでいる。これにより、混合ガスBに含まれるNHと混合ガスAに含まれる塩化Crガス、AlClガスとの反応速度を抑え、硬質皮膜が柱状粒子の集合から構成される組織となる。
This mixed gas B is also preheated, but the temperature rise due to the preheating is suppressed, and the temperature rise is suppressed to be lower than the temperature of the mixed gas A to avoid excessive preheating.
In the coating device described later, the gas flow path of the mixed gas B in the preheating chamber is set to be the same as the height of the preheating chamber, so that the mixed gas B is prevented from being excessively preheated like the mixed gas A. .. As a result, the reaction rate of NH 3 contained in the mixed gas B and the Cr chloride gas and AlCl 3 gas contained in the mixed gas A is suppressed, and the hard film becomes a structure composed of aggregates of columnar particles.

混合ガスBのガス流路は、ガス予熱部を通るが、前述のとおり予熱温度は抑え、過剰の予熱は避ける。このように予熱するための一手段として、後述する本実施形態で使用されるCVD炉の予熱部のように、予熱ための熱源に混合ガスa1を得るための混合ガスの流路、混合ガスa2の流路、混合ガスBのガス流路の順に近づけ、さらに、混合ガスa1のガス流路の長さと混合ガスa2のガス流路の長さの合計を混合ガスBのガス流路よりも3倍以上、好ましくは、5倍以上で、8倍以下の範囲で長くすることが考えられる。 The gas flow path of the mixed gas B passes through the gas preheating section, but as described above, the preheating temperature is suppressed and excessive preheating is avoided. As one means for preheating in this way, a flow path of a mixed gas for obtaining a mixed gas a1 as a heat source for preheating, a mixed gas a2, as in the preheating part of the CVD furnace used in the present embodiment described later. The total length of the gas flow path of the mixed gas a1 and the length of the gas flow path of the mixed gas a2 is 3 more than that of the gas flow path of the mixed gas B. It is conceivable to increase the length in the range of 2 times or more, preferably 5 times or more, and 8 times or less.

この範囲は、装置容量に依存して適宜決定すればよく、10倍、更には20倍となることもある。一例として、混合ガスBの流路は、650mm以下が好ましく550mm以下が更に好ましい。これにより、NHガスとAlClガスや塩化Crガスとの過度な反応が抑制されて、硬質皮膜が柱状粒子の集合から構成される組織となる。 This range may be appropriately determined depending on the capacity of the device, and may be 10 times, or even 20 times. As an example, the flow path of the mixed gas B is preferably 650 mm or less, and more preferably 550 mm or less. As a result, the excessive reaction between NH 3 gas and AlCl 3 gas or Cr chloride gas is suppressed, and the hard film becomes a structure composed of aggregates of columnar particles.

なお、混合ガスa1を得るための混合ガスのガス流路、混合ガスa2のガス流路、混合ガスBのガス流路とは、各混合ガスを炉内へ導入してから予熱が終了するまでの流路をいう。すなわち、後述するように本実施形態で使用されるCVD炉の予熱部のように、成膜中に回転を伴う接続流路および予熱室(予熱チャンバー)内の流路をいう。 The gas flow path of the mixed gas for obtaining the mixed gas a1, the gas flow path of the mixed gas a2, and the gas flow path of the mixed gas B are from the introduction of each mixed gas into the furnace until the completion of preheating. Refers to the flow path of. That is, as described later, it refers to a connection flow path that rotates during film formation and a flow path in the preheating chamber (preheating chamber), such as the preheating part of the CVD furnace used in the present embodiment.

<<混合ガスAと混合ガスBの混合と炉内への導入>>
混合ガスAと混合ガスBをあらかじめ混合して、1つのノズル穴からCVD炉内(反応容器内)に導入すると、NHガスとAlClガスや塩化Crガスとの反応速度が速くなりすぎて、硬質皮膜において柱状粒子の集合から構成される組織が得られ難くなる。
<< Mixing of mixed gas A and mixed gas B and introduction into the furnace >>
When the mixed gas A and the mixed gas B are mixed in advance and introduced into the CVD furnace (inside the reaction vessel) from one nozzle hole, the reaction rate between the NH 3 gas and the AlCl 3 gas or Cr chloride gas becomes too fast. , It becomes difficult to obtain a structure composed of aggregates of columnar particles in a hard film.

そこで、混合ガスAと混合ガスBはCVD炉内(反応容器内)に導入する前に混合せず、混合ガスAのノズル穴と混合ガスBのノズル穴をそれぞれ別にして設けてCVD炉内(反応容器内)に独立に導入する。具体的には、例えば、後述する製造装置において説明するように、混合ガスBのノズル穴は、混合ガスAのノズル穴とは噴出方向を変え、さらに、混合ガスAのノズル穴よりも回転軸からの距離が外側に配置するなどして、NHガスとAlClガスや塩化Crガスとの反応速度が速くなりすぎないようにする。 Therefore, the mixed gas A and the mixed gas B are not mixed before being introduced into the CVD furnace (inside the reaction vessel), and the nozzle hole of the mixed gas A and the nozzle hole of the mixed gas B are separately provided in the CVD furnace. Introduce independently into (inside the reaction vessel). Specifically, for example, as described in the manufacturing apparatus described later, the nozzle hole of the mixed gas B has a different ejection direction from the nozzle hole of the mixed gas A, and further, the rotation axis is larger than the nozzle hole of the mixed gas A. The reaction rate between the NH 3 gas and the AlCl 3 gas or Cr chloride gas should not be too fast by arranging the distance from the outside.

<<反応圧力と成膜温度>>
成膜のための反応圧力は3kPa以上5kPa以下であることが好ましい。その理由は、反応圧力が低すぎると成膜速度が低下し、一方で、反応圧力が高すぎると、前記反応が促進されて、柱状粒子の集合から構成される組織が得られ難いためである。
<< Reaction pressure and film formation temperature >>
The reaction pressure for film formation is preferably 3 kPa or more and 5 kPa or less. The reason is that if the reaction pressure is too low, the film formation rate decreases, while if the reaction pressure is too high, the reaction is promoted and it is difficult to obtain a structure composed of aggregates of columnar particles. ..

また、CVD炉内(反応容器内)温度は750℃以上850℃以下が好ましい。その理由は、成膜温度が低すぎると、硬質皮膜中の塩素量が増加し耐摩耗性が低下し、一方で、成膜温度が高すぎると前記反応が促進され、柱状粒子の集合から構成される組織が得られ難いためである。炉内温度は、770℃以上820℃以下がより好ましい。 The temperature inside the CVD furnace (inside the reaction vessel) is preferably 750 ° C. or higher and 850 ° C. or lower. The reason is that if the film formation temperature is too low, the amount of chlorine in the hard film increases and the wear resistance decreases, while if the film formation temperature is too high, the reaction is promoted and the film is composed of aggregates of columnar particles. This is because it is difficult to obtain the organization to be used. The temperature inside the furnace is more preferably 770 ° C. or higher and 820 ° C. or lower.

なお、炭窒化物を被覆する場合には、炭素成分を与えるガス、すなわち、炭素数が2〜5(C2〜C5)の炭化水素ガス(例えばエタン)あるいは炭窒化水素ガス(例えばアセトニトリル)を混合ガスa2と一緒にCVD炉内に導入することが好ましい。反応性の高いエタンやアセトニトリルを導入することで、炭窒化物を安定して被覆することができる。炭化水素ガスの導入量は、混合ガスAと混合ガスBの和のガス量に対して0.4体積%以下で導入することが好ましい。 When coating the carbonitride, a gas that gives a carbon component, that is, a hydrocarbon gas having 2 to 5 (C2 to C5) carbon atoms (for example, ethane) or a hydrogen carbonitride gas (for example, acetonitrile) is mixed. It is preferable to introduce the gas a2 together with the gas a2 into the CVD furnace. By introducing highly reactive ethane or acetonitrile, the carbonitride can be stably coated. The amount of the hydrocarbon gas introduced is preferably 0.4% by volume or less with respect to the amount of the sum of the mixed gas A and the mixed gas B.

<被覆装置>
本発明の一実施形態に用いる化学蒸着装置(CVD炉)は、上述の製造方法を実施するために、炉内(反応容器内)温度は750℃以上850℃以下、炉内(反応容器内)圧力は3kPa以上5kPa以下にできるものであって、以下の特徴的な構成を有している。具体的な構成は、後述する実施例で述べ、ここでは装置として備えるべき事項を中心に説明する。
<Coating device>
In the chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) used in one embodiment of the present invention, the temperature inside the furnace (inside the reaction vessel) is 750 ° C. or higher and 850 ° C. or lower, and in the furnace (inside the reaction vessel) in order to carry out the above-mentioned manufacturing method. The pressure can be 3 kPa or more and 5 kPa or less, and has the following characteristic configuration. A specific configuration will be described in Examples described later, and here, items to be provided as an apparatus will be mainly described.

被覆装置は、混合ガスAの成分である塩化Crガスを生成するための混合ガスa1と混合ガスa2、および、混合ガスBの3種の混合ガスのそれぞれを独立に予熱し、CVD炉内(反応容器内)に導入する構成を備えている。 The coating device independently preheats each of the three types of mixed gas, the mixed gas a1 and the mixed gas a2 for generating the Cr chloride gas which is a component of the mixed gas A, and the mixed gas B, in the CVD furnace ( It has a configuration to be introduced into the reaction vessel).

すなわち、CVD炉内には、ガス予熱部と後述する反応容器にガスを導入するガス放出部を有している。ガス予熱部は、
(1)塩化Crガスを生成させるための混合ガスを金属Crに接触させて塩化Crガスを含む混合ガスa1を発生させる塩化Crガス発生部、
(2)混合ガスa2を予熱する第1予熱部、
(3)混合ガスBを予熱する第2予熱部、および、
(4)混合ガスa1と混合ガスa2とを混合し、混合ガスAとする混合部、
とを有している。
That is, the CVD furnace has a gas preheating unit and an outgassing unit for introducing gas into the reaction vessel described later. The gas preheating section
(1) A Cr chloride gas generating unit that generates a mixed gas a1 containing a Cr chloride gas by bringing a mixed gas for generating a Cr chloride gas into contact with a metal Cr.
(2) First preheating section for preheating the mixed gas a2,
(3) A second preheating section for preheating the mixed gas B, and
(4) A mixing section in which the mixed gas a1 and the mixed gas a2 are mixed to form a mixed gas A.
And have.

なお、予熱部の熱源は、予熱部用に独立して設けてもよいし、CVD炉の周壁またはその近傍に備えられている熱源(ヒータ)を利用してもよい。また、金属Crはフレーク状などの塩化Crガスが発生し易い形状とする。 The heat source of the preheating section may be provided independently for the preheating section, or a heat source (heater) provided on or near the peripheral wall of the CVD furnace may be used. Further, the metal Cr has a shape such as flakes in which Cr chloride gas is easily generated.

ここで、予熱部において、混合ガスの温度を前述のとおりとするための一手段として、CVD炉の熱源を利用する場合には、例えば、予熱源であるCVD炉のヒータに、混合ガスa1を生成するガス流路、混合ガスa2のガス流路、混合ガスBのガス流路の順で近づけるとともに、ガス流路の配置を工夫して、一例として、混合ガスa1を発生させるための流路の長さと混合ガスa2の流路の長さの合計の長さを混合ガスBの流路の長さの3倍以上、好ましくは、5倍以上で、8倍以下とすることが挙げられる。 Here, when the heat source of the CVD furnace is used as one means for adjusting the temperature of the mixed gas as described above in the preheating section, for example, the mixed gas a1 is added to the heater of the CVD furnace which is the preheating source. The gas flow path to be generated, the gas flow path of the mixed gas a2, and the gas flow path of the mixed gas B are brought closer to each other in this order, and the arrangement of the gas flow paths is devised to generate the mixed gas a1 as an example. The total length of the length of the flow path of the mixed gas a2 and the length of the flow path of the mixed gas a2 is 3 times or more, preferably 5 times or more, and 8 times or less the length of the flow path of the mixed gas B.

ここで、混合ガスa1を生成するガスの流路の長さ、混合ガスa2流路の長さ、混合ガスBの流路の長さとは、それぞれ、CVD炉のガス導入口からガス予熱部の出口までの長さをいう。すなわち、後述するように本実施例で使用されるCVD炉の予熱部のように、成膜中に回転を伴う接続流路および予熱室(予熱チャンバー)内の流路をいう。 Here, the length of the flow path of the gas that generates the mixed gas a1, the length of the flow path of the mixed gas a2, and the length of the flow path of the mixed gas B are, respectively, from the gas introduction port of the CVD furnace to the gas preheating section. The length to the exit. That is, as described later, it refers to a connection flow path that rotates during film formation and a flow path in the preheating chamber (preheating chamber), such as the preheating part of the CVD furnace used in this embodiment.

このような構成にすることによって、混合ガスa1は750℃以上に予熱し、一方、混合ガスa2は、混合ガスa1の近傍の温度、例えば、±80℃の範囲に予熱し、混合ガスa1と混合されて混合ガスAとすることができる。他方、混合ガスBの温度(TeB)は、混合ガスAの温度(TeA)よりも低い温度となる(TeA>TeB)。 With such a configuration, the mixed gas a1 is preheated to 750 ° C. or higher, while the mixed gas a2 is preheated to a temperature in the vicinity of the mixed gas a1, for example, ± 80 ° C., and is combined with the mixed gas a1. It can be mixed to obtain a mixed gas A. On the other hand, the temperature of the mixed gas B (TeB) is lower than the temperature of the mixed gas A (TeA) (TeA> TeB).

なお、混合ガスAについては、予熱部におけるガス流路が長いため、ほぼ炉内温度程度まで上昇している。一方、混合ガスBについては、予熱部におけるガス流路を短くしているため、温度上昇が抑制されているということができる。 As for the mixed gas A, since the gas flow path in the preheating section is long, the temperature has risen to about the temperature inside the furnace. On the other hand, with respect to the mixed gas B, since the gas flow path in the preheating portion is shortened, it can be said that the temperature rise is suppressed.

さらに、CVD炉内は、ガス放出部として、混合ガスAを反応容器に導入するためにノズル穴を設けた第1のパイプと、混合ガスBを反応容器に導入するためにノズル穴を設けた第2のパイプを有している。例えば、第2パイプは2本で、1本の第1のパイプの外側に対向するように配置され、これらパイプは第1のパイプの軸心を中心に、2〜5回転/分の速度で回転することが好ましい。 Further, in the CVD furnace, a first pipe provided with a nozzle hole for introducing the mixed gas A into the reaction vessel and a nozzle hole for introducing the mixed gas B into the reaction vessel are provided as gas discharge parts. It has a second pipe. For example, there are two second pipes, which are arranged so as to face the outside of one first pipe, and these pipes are centered on the axis of the first pipe at a speed of 2 to 5 revolutions / minute. It is preferable to rotate.

ここで、混合ガスAのノズル穴と混合ガスBのノズル穴が近すぎると、急激な反応が起こり、柱状粒子の集合から構成される組織が得られ難くなるとともに、硬質皮膜の膜厚分布が悪くなる。一方、混合ガスAのノズル穴と混合ガスBのノズル穴が離れすぎると、ガス供給が不十分となり膜厚分布が悪くなる。そこで、一例として、図9Cに示すように、混合ガスAのノズル穴と回転軸(第1のパイプの軸心)からの距離をH1、混合ガスBのノズル穴と回転軸(第1のパイプの軸心)からの距離をH2とした場合、H2/H1の下限は1.5であることが好ましく、上限は4が好ましく、より好ましくは3である。 Here, if the nozzle hole of the mixed gas A and the nozzle hole of the mixed gas B are too close to each other, a rapid reaction occurs, it becomes difficult to obtain a structure composed of aggregates of columnar particles, and the film thickness distribution of the hard film becomes difficult. become worse. On the other hand, if the nozzle hole of the mixed gas A and the nozzle hole of the mixed gas B are too far apart, the gas supply becomes insufficient and the film thickness distribution becomes poor. Therefore, as an example, as shown in FIG. 9C, the distance from the nozzle hole of the mixed gas A and the rotating shaft (the axis of the first pipe) is H1, the nozzle hole of the mixed gas B and the rotating shaft (the first pipe). When the distance from the axis) is H2, the lower limit of H2 / H1 is preferably 1.5, the upper limit is preferably 4, and more preferably 3.

さらに、混合ガスAのノズル穴からのガス噴出方向と混合ガスBのノズル穴からのガス噴出方向は30度から90度ずれて配置することが好ましい。 Further, it is preferable that the gas ejection direction of the mixed gas A from the nozzle hole and the gas ejection direction of the mixed gas B from the nozzle hole are arranged with a deviation of 30 degrees to 90 degrees.

以下、被覆切削工具に適用した実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples applied to a coated cutting tool, but the present invention is not limited thereto.

<被覆装置>
本実施例では、概略模式図として図9A、図9Bおよび図9Cに示す化学蒸着装置(CVD炉)1を用いた。この装置の概要を説明する。
CVD炉1は、円筒形のチャンバー2と、チャンバー2の周壁内部に設けられたヒータ3と、チャンバー2に多数のインサート基材(工具基材)20を設置する複数のインサート設置板4を有する反応容器5と、反応容器5の下部に設けられた接続流路11と予熱部である予熱チャンバー6を有する。
<Coating device>
In this embodiment, the chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) 1 shown in FIGS. 9A, 9B and 9C was used as a schematic schematic diagram. The outline of this device will be described.
The CVD furnace 1 has a cylindrical chamber 2, a heater 3 provided inside the peripheral wall of the chamber 2, and a plurality of insert installation plates 4 for installing a large number of insert base materials (tool base materials) 20 in the chamber 2. It has a reaction vessel 5, a connection flow path 11 provided in the lower part of the reaction vessel 5, and a preheating chamber 6 which is a preheating section.

予熱チャンバー6は、
円筒状であってその下部に、ガス流路82から導入された塩化Crガス発生用の混合ガスを接続流路11を経由して予熱チャンバー6の径方向に分散させ、塩化Crガス発生室62に導入する空間と、
この空間の直上に設けられ、予熱チャンバー6の外周にその円筒の外周が一致し中心部が円筒状の空間を有し、予熱チャンバー6と同心状の塩化Crガス発生室62と、
塩化Crガス発生室62の中心部の円筒状の空間に予熱チャンバー6と同心状に形成され、ガス流路81から導入された混合ガスa2を予熱する予熱室61(第1予熱部)と、
塩化Crガス発生室62と予熱室61の上部に位置し、後述する混合ガスa1と混合ガスa2とを混合して混合ガスAとする混合室63(混合部)と、
を有している。
The preheating chamber 6 is
A mixed gas for generating Cr chloride gas introduced from the gas flow path 82 is dispersed in the radial direction of the preheating chamber 6 via the connection flow path 11 in a cylindrical shape, and the Cr chloride gas generation chamber 62. Space to be introduced in
A Cr chloride gas generation chamber 62 that is provided directly above this space, has a cylindrical space at the center where the outer circumference of the cylinder coincides with the outer circumference of the preheating chamber 6, and is concentric with the preheating chamber 6.
A preheating chamber 61 (first preheating unit) formed concentrically with the preheating chamber 6 in the cylindrical space at the center of the Cr chloride gas generation chamber 62 and preheating the mixed gas a2 introduced from the gas flow path 81,
A mixing chamber 63 (mixing section) located above the Cr chloride gas generation chamber 62 and the preheating chamber 61 and mixing the mixed gas a1 and the mixed gas a2, which will be described later, to form a mixed gas A.
have.

また、予熱チャンバー6、すなわち、予熱室61の軸心部には、ガス流路91から導入された混合ガスBがその高さ方向に貫通する流路(第2予熱部)があり、この流路は予熱チャンバー6の上部でパイプ7の外側流路につながっており、これは、予熱部を通過する最短長さ(550mm)となっている。一方、混合室63で混合された混合ガスAの流路は、予熱チャンバー6の上部でパイプ7の2の中心流路につながるよう設けられている。 Further, in the preheating chamber 6, that is, the axial center portion of the preheating chamber 61, there is a flow path (second preheating section) through which the mixed gas B introduced from the gas flow path 91 penetrates in the height direction thereof. The path is connected to the outer flow path of the pipe 7 at the upper part of the preheating chamber 6, which has the shortest length (550 mm) of passing through the preheating portion. On the other hand, the flow path of the mixed gas A mixed in the mixing chamber 63 is provided so as to be connected to the central flow path of 2 of the pipe 7 at the upper part of the preheating chamber 6.

ガス流路82から導入された混合ガスは、予熱チャンバー6内の塩化Crガス発生装置62に導入され、炉内温度である750℃以上となって同発生室内の金属Crと反応して塩化Crガスを含む混合ガスa1となり、混合室63に導入される。 The mixed gas introduced from the gas flow path 82 is introduced into the Cr chloride gas generator 62 in the preheating chamber 6, reaches the furnace temperature of 750 ° C. or higher, reacts with the metal Cr in the generation chamber, and is Cr chloride. It becomes a mixed gas a1 containing a gas and is introduced into the mixing chamber 63.

そして、前記のとおり、混合ガスBはパイプ7の外側流路に導入され、ノズル穴91a、91bから反応容器5内に導入される。他方、ガス流路81、82から導入され予熱室61を貫通する反応ガスAは、パイプ7の中心流路に導入され、ノズル穴83a、83bから反応容器5内に導入される。 Then, as described above, the mixed gas B is introduced into the outer flow path of the pipe 7 and is introduced into the reaction vessel 5 from the nozzle holes 91a and 91b. On the other hand, the reaction gas A introduced from the gas flow paths 81 and 82 and penetrating the preheating chamber 61 is introduced into the central flow path of the pipe 7 and introduced into the reaction vessel 5 from the nozzle holes 83a and 83b.

ここで、ノズル穴83a、83bとノズル穴91a、91bの位置関係は図9Cのガス噴出口断面図に示すように、ノズル穴91a、91bは、ノズル穴83a、83bよりもパイプ7の回転軸O1よりも外側に配置されており、ノズル穴91a、91bと回転軸O1からの距離をH2、ノズル穴83a、83bと回転軸O1からの距離をH1としたとき、H2/H1は2となっており、ノズル穴91a、91bの噴出方向とノズル穴83a、83bの噴出方向は90度の角度をなしている。 Here, as shown in the gas ejection port cross-sectional view of FIG. 9C, the positional relationship between the nozzle holes 83a and 83b and the nozzle holes 91a and 91b is such that the nozzle holes 91a and 91b have a rotation axis of the pipe 7 rather than the nozzle holes 83a and 83b. It is arranged outside O1, and H2 / H1 is 2 when the distance between the nozzle holes 91a and 91b and the rotating shaft O1 is H2 and the distance between the nozzle holes 83a and 83b and the rotating shaft O1 is H1. The ejection directions of the nozzle holes 91a and 91b and the ejection directions of the nozzle holes 83a and 83b form an angle of 90 degrees.

図9Bの12に示す、接続流路11と予熱チャンバー6およびパイプ7は、2回転/分の速度で回転するように構成されているが、図9A、図9Bおよび図9Cでは、この回転に必要な構成の図示を省略している。 The connection flow path 11, the preheating chamber 6 and the pipe 7 shown in FIG. 9B 12 are configured to rotate at a speed of 2 rotations / minute, but in FIGS. 9A, 9B and 9C, this rotation occurs. The illustration of the required configuration is omitted.

図9Aおよび図9Bでは、具体的な構成の図示を省略しているが、混合ガスa1を得るガス流路の長さと混合ガスa2のガス流路の長さとの合計の長さは、図9Bに示す13aと13bと13cの合計である混合ガスBのガス流路の長さの約4倍となるように構成されている。 Although the specific configuration is not shown in FIGS. 9A and 9B, the total length of the length of the gas flow path for obtaining the mixed gas a1 and the length of the gas flow path of the mixed gas a2 is shown in FIG. 9B. It is configured to be about four times the length of the gas flow path of the mixed gas B, which is the total of 13a, 13b, and 13c shown in 1.

≪基材≫
基材として、WC基超硬合金(10質量%のCo、0.6質量%のCr、残部WCおよび不可避的不純物からなる)製のミーリング用インサート(三菱日立ツール製のWDNW14520)と、WC基超硬合金(7質量%のCo、0.6質量%のCr、2.2質量%のZrC、3.3質量%のTaC、0.2質量%のNbC、残部WCおよび不可避的不純物からなる)製の物性評価用インサート(ISO規格のSNMN120408)を用意した。
≪Base material≫
As the substrate, WC based cemented carbide (10 mass% of Co, 0.6 wt% of Cr 3 C 2, balance WC and inevitable impurities) manufactured by milling insert (manufactured by Mitsubishi Hitachi Tool WDNW14520) and , WC based cemented carbide (7 wt% of Co, 0.6 wt% of Cr 3 C 2, 2.2 wt% of ZrC, 3.3 wt% of TaC, 0.2 wt% NbC, balance WC An insert for evaluating physical properties (ISO standard SNMN120408) made of (consisting of unavoidable impurities) was prepared.

≪中間皮膜の被覆≫
実施例1〜7については、中間皮膜として窒化チタン皮膜を形成した。まず、基材を、図9Aに示すCVD炉1内にセットし、Hガスを流しながらCVD炉1内の温度を800℃に上昇させた。その後、800℃および12kPaで、予熱チャンバー6のガス導入口からガス流路81を経て、83.1体積%のHガス、15.0体積%のNガス、1.9体積%のTiClガスからなる混合ガスを予熱室62に導入し、パイプ7の第1のノズル穴83a、83bから67L/分の流量で反応容器5内に流して窒化チタン皮膜を形成した。
中間皮膜の成膜条件を表1に示す。
≪Coating of interlayer film≫
In Examples 1 to 7, a titanium nitride film was formed as an intermediate film. First, the substrate was set in a CVD furnace 1 shown in FIG. 9A, the temperature of the CVD furnace 1 is raised to 800 ° C. while introducing H 2 gas. Thereafter, at 800 ° C. and 12 kPa, from the gas inlet of the preheating chamber 6 through the gas passage 81, 83.1% by volume of H 2 gas, 15.0% by volume of N 2 gas, TiCl 1.9 vol% A mixed gas composed of four gases was introduced into the preheating chamber 62 and flowed into the reaction vessel 5 from the first nozzle holes 83a and 83b of the pipe 7 at a flow rate of 67 L / min to form a titanium nitride film.
Table 1 shows the film forming conditions of the interlayer film.

≪硬質皮膜の被覆≫
≪混合ガスa1を得る工程≫
ガスを流しながらCVD炉1内の圧力を4kPaに下げた後、図9Aに示す予熱チャンバー6のガス流路82に、400℃に保温したHガスとHClガスの混合ガスを導入した。
≪Covering of hard film≫
<< Process of obtaining mixed gas a1 >>
After reducing the pressure in the CVD furnace 1 to 4kPa while introducing H 2 gas, the gas flow path 82 of the preheating chamber 6 shown in FIG. 9A, and a mixed gas of H 2 gas and HCl gas was kept to 400 ° C. ..

800℃に予熱した予熱チャンバー6の塩化Crガス発生室62は、Cr金属フレーク(純度99.99%、サイズ2mm〜8mm)が充填されており、ガス流路82より導入したHガスとHClガスの混合ガスと反応し、Hガスと塩化Crガスの混合ガスである混合ガスa1を生成し、混合室63に導入した。 The Cr chloride gas generation chamber 62 of the preheating chamber 6 preheated to 800 ° C. is filled with Cr metal flakes (purity 99.99%, size 2 mm to 8 mm), and H 2 gas and HCl introduced from the gas flow path 82. reacting a mixed gas of the gas to produce a mixed gas a1 is a mixed gas of chloride Cr gas and H 2 gas was introduced into the mixing chamber 63.

≪混合ガスAを得て、ノズル穴から反応容器に導入する工程≫
予熱チャンバー6のガス導入口からガス流路81を経て、HガスとAlClガスを混合した混合ガスa2を予熱室62に導入して予熱した。
そして、混合ガスa1と混合ガスa2を混合室63で混合して予熱室の温度である800℃近傍の温度となっている混合ガスAを得た。そして、得られた混合ガスAを、パイプ7の第1のノズル穴83a、83bから反応容器炉内に導入した。混合ガスAの合計流量は48.75L/分であった。
<< Process of obtaining mixed gas A and introducing it into the reaction vessel from the nozzle hole >>
From the gas inlet of the preheating chamber 6 through the gas passage 81, and preheated by introducing a mixed gas a2 obtained by mixing H 2 gas and AlCl 3 gas into the preheating chamber 62.
Then, the mixed gas a1 and the mixed gas a2 were mixed in the mixing chamber 63 to obtain a mixed gas A having a temperature near 800 ° C., which is the temperature of the preheating chamber. Then, the obtained mixed gas A was introduced into the reaction vessel furnace through the first nozzle holes 83a and 83b of the pipe 7. The total flow rate of the mixed gas A was 48.75 L / min.

≪混合ガスBをノズル穴から反応容器に導入する工程≫
ガス流路91にHガスとNガスおよびNHガスからなる混合ガスBを導入し、パイプ7の第2のノズル穴91a、91bから炉内に導入した。混合ガスBの合計流量は30.25L/分であった。
<< Process of introducing mixed gas B into the reaction vessel from the nozzle hole >>
A mixed gas B composed of H 2 gas, N 2 gas and NH 3 gas was introduced into the gas flow path 91, and was introduced into the furnace through the second nozzle holes 91a and 91b of the pipe 7. The total flow rate of the mixed gas B was 30.25 L / min.

なお、ここで、NH/(AlCl+CrCl)の値が、0.18〜0.39にあると、NHガスと、ハロゲンガスであるCrClガスやAlClガスの過剰反応をより一層確実に抑えることができ、AlとCrをベースとする窒化物を有する硬質皮膜を安定的に成膜することができる。 Here, when the value of NH 3 / (AlCl 3 + CrCl 3 ) is in the range of 0.18 to 0.39, the excess reaction between the NH 3 gas and the halogen gas CrCl 3 gas or AlCl 3 gas is caused. It can be suppressed more reliably, and a hard film having a nitride based on Al and Cr can be stably formed.

こうして、実施例1〜7および比較例1は、表1に記載された中間皮膜の上に、表2に示す各混合ガス組成で化学蒸着法により、膜厚が約6μmのAlとCrの窒化物を被覆して被覆切削工具を製作した。ここで、比較例1は、本発明の一実施形態で好ましいとする混合ガス組成を満足していないものである。 In this way, in Examples 1 to 7 and Comparative Example 1, the nitrides of Al and Cr having a film thickness of about 6 μm were formed on the interlayer film shown in Table 1 by a chemical vapor deposition method with each mixed gas composition shown in Table 2. A coated cutting tool was manufactured by covering an object. Here, Comparative Example 1 does not satisfy the mixed gas composition preferred in one embodiment of the present invention.

なお、発生した塩化Crガス、AlClガスの量は、塩化Crガス発生室に導入するHClガス量の1/3を塩化Crガス量として混合ガスの組成を求めた。 As for the amount of Cr chloride gas and AlCl 3 gas generated, the composition of the mixed gas was determined by setting 1/3 of the amount of HCl gas introduced into the Cr chloride gas generation chamber as the amount of Cr chloride gas.

比較例2は、図10A、図10Bに示すCVD炉を用いて硬質皮膜を作製した。まず、このCVD炉の構成を簡単に説明する。図10A、図10Bにおいて、図9A、9Cと同じ符号の部材は、これら図と同じ部材を表している。このCVD炉では、ガス流路92から混合ガスを導入し、パイプ7に設けたノズル穴92aから、混合ガスが反応容器5内に導入される。なお、パイプ7は回転するが、回転に必要な構成の図示は省略している。 In Comparative Example 2, a hard film was prepared using the CVD furnaces shown in FIGS. 10A and 10B. First, the configuration of this CVD furnace will be briefly described. In FIGS. 10A and 10B, members having the same reference numerals as those in FIGS. 9A and 9C represent the same members as those in the drawings. In this CVD furnace, the mixed gas is introduced from the gas flow path 92, and the mixed gas is introduced into the reaction vessel 5 from the nozzle hole 92a provided in the pipe 7. Although the pipe 7 rotates, the configuration required for the rotation is not shown.

比較例2では、前記実施例と同様に基材の上に中間皮膜である窒化チタン皮膜を前記実施例1と同じ成膜条件により形成した(表1を参照)。その後、800℃でHガスを流しながらCVD炉1内の圧力を1kPaに下げた後、ガス流路92に、表2に示す組成のHガスとNガスとCrClガスとAlClガスおよびNHガスの混合ガスを導入し、パイプ7のノズル穴92aから反応容器5内に導入した。こうして、中間皮膜の上に、化学蒸着法により、膜厚が約6μmのAlとCrの窒化物の皮膜をインサート基材に被覆して、被覆切削工具を製作した。 In Comparative Example 2, a titanium nitride film, which is an intermediate film, was formed on the substrate in the same manner as in Example 1 under the same film forming conditions as in Example 1 (see Table 1). After that, the pressure in the CVD furnace 1 was lowered to 1 kPa while flowing H 2 gas at 800 ° C., and then H 2 gas, N 2 gas, CrCl 3 gas, and AlCl 3 having the compositions shown in Table 2 were introduced into the gas flow path 92. A mixed gas of gas and NH 3 gas was introduced and introduced into the reaction vessel 5 through the nozzle hole 92a of the pipe 7. In this way, a coated cutting tool was manufactured by coating the insert base material with a nitride film of Al and Cr having a film thickness of about 6 μm on the intermediate film by a chemical vapor deposition method.

比較例3は、図11A、図11Bに示すCVD炉を用いて硬質皮膜を作製した。まず、このCVD炉の構成を簡単に説明する。図11A、図11Bにおいて、図9A、9Cと同じ符号の部材は、これら図と同じ部材を表している。このCVD炉では、ガス流路84から導入される混合ガスはノズル7に設けられたノズル穴94aから、ガス流路93から導入される混合ガスはノズル7に設けられたノズル穴94aから、独立に反応容器5内に導入される。なお、パイプ7は回転するが、回転に必要な構成の図示は省略している。 In Comparative Example 3, a hard film was prepared using the CVD furnaces shown in FIGS. 11A and 11B. First, the configuration of this CVD furnace will be briefly described. In FIGS. 11A and 11B, the members having the same reference numerals as those in FIGS. 9A and 9C represent the same members as those in the drawings. In this CVD furnace, the mixed gas introduced from the gas flow path 84 is independent of the nozzle hole 94a provided in the nozzle 7, and the mixed gas introduced from the gas flow path 93 is independent of the nozzle hole 94a provided in the nozzle 7. Is introduced into the reaction vessel 5. Although the pipe 7 rotates, the configuration required for the rotation is not shown.

比較例3では、前記実施例と同様に基材の上に中間皮膜である窒化チタン皮膜を前記実施例1と同じ成膜条件により形成した(表1を参照)。その後、800℃でHガスを流しながらCVD炉1内の圧力を4kPaに下げた後、ガス流路84に、表2に示す組成のHガスとNガスとCrClガスとAlClガスの混合ガスAを導入し、パイプ7のノズル穴84aから反応容器5内に導入し、表2に示す組成のガス流路93にHガスとNガスおよびNHガスからなる混合ガスBを導入し、パイプ7のノズル穴93aから反応容器5内に導入した。こうして、中間皮膜の上に、化学蒸着法により、膜厚が約6μmのAlとCrの窒化物の皮膜をインサート基材に被覆して、被覆切削工具を製作した。 In Comparative Example 3, a titanium nitride film, which is an intermediate film, was formed on the substrate in the same manner as in Example 1 under the same film forming conditions as in Example 1 (see Table 1). Then, the pressure in the CVD furnace 1 was lowered to 4 kPa while flowing H 2 gas at 800 ° C., and then H 2 gas, N 2 gas, CrCl 3 gas, and AlCl 3 having the compositions shown in Table 2 were introduced into the gas flow path 84. The mixed gas A of the gas is introduced into the reaction vessel 5 through the nozzle hole 84a of the pipe 7, and the mixed gas composed of H 2 gas, N 2 gas and NH 3 gas is introduced into the gas flow path 93 having the composition shown in Table 2. B was introduced and introduced into the reaction vessel 5 through the nozzle hole 93a of the pipe 7. In this way, a coated cutting tool was manufactured by coating the insert base material with a nitride film of Al and Cr having a film thickness of about 6 μm on the intermediate film by a chemical vapor deposition method.

比較例4は、比較例3と同じCVD炉を用いて硬質皮膜を作製した。前記実施例と同様に基材の上に中間皮膜である窒化チタン皮膜を前記実施例1と同じ成膜条件により形成した(表1を参照)。その後、800℃でHガスを流しながらCVD炉1内の圧力を4kPaに下げた後、ガス流路84に、表2に示す組成のHガスとNガスとCrClガスおよびAlClガスの混合ガスAを導入し、パイプ7のノズル穴84aから炉内に導入し、ガス流路93に、表2に示す組成のHガスとNガスおよびNHガスからなる混合ガスBを導入し、パイプ7のノズル穴93aから炉内に導入した。こうして、中間皮膜の上に、化学蒸着法により、膜厚が約6μmのAlとCrの窒化物の皮膜をインサート基材に被覆して、被覆切削工具を製作した。 In Comparative Example 4, a hard film was prepared using the same CVD furnace as in Comparative Example 3. A titanium nitride film, which is an intermediate film, was formed on the substrate in the same manner as in Example 1 under the same film forming conditions as in Example 1 (see Table 1). After that, the pressure in the CVD furnace 1 was lowered to 4 kPa while flowing H 2 gas at 800 ° C., and then H 2 gas, N 2 gas, CrCl 3 gas and AlCl 3 having the compositions shown in Table 2 were introduced into the gas flow path 84. The mixed gas A of the gas is introduced into the furnace through the nozzle hole 84a of the pipe 7, and the mixed gas B composed of H 2 gas, N 2 gas and NH 3 gas having the composition shown in Table 2 is introduced into the gas flow path 93. Was introduced into the furnace through the nozzle hole 93a of the pipe 7. In this way, a coated cutting tool was manufactured by coating the insert base material with a nitride film of Al and Cr having a film thickness of about 6 μm on the intermediate film by a chemical vapor deposition method.

なお、実施例7については、上層を設けた。上層の成膜は、本実施例に係るAlとCrを主体とする窒化物膜を成膜後、結合層、酸化アルミニウム層の順に成膜する。 In addition, about Example 7, the upper layer was provided. The upper layer is formed by forming the nitride film mainly composed of Al and Cr according to this embodiment, and then forming the bonding layer and the aluminum oxide layer in this order.

すなわち、まず、Ti(CN)層およびTi(CNO)層からなる結合層を形成するために、1000℃および16kPaで、予熱チャンバー6のガス導入口からガス流路81を経て、63.5体積%のHガス、22.0体積%のNガス、3.2体積%のCHガス、および1.3体積%のTiClガスからなる混合ガスを予熱室62に導入し、パイプ7の第1のノズル穴83a、83bから反応容器炉内に流すとともに、ガス流路91に、10体積%のHガスを導入し、パイプ7の第2のノズル穴91a、91bから炉内に流して、厚さ0.5μmのTi(CN)層を形成した。連続して1000℃および16kPaで、51.3体積%のHガス、30.7体積%のNガス、3.0体積%のCHガス、1.2体積%のTiClガス、3.0体積%のCOガス、および0.8体積%のCOガスからなる混合ガスを予熱室62に導入し、パイプ7の第1のノズル穴83a、83bから反応容器炉内に流すとともに、ガス流路9に、10体積%のHガスを導入し、パイプ7の第2のノズル穴91a、91bから炉内に流して、厚さ0.5μmのTi(CNO)層を形成した。 That is, first, in order to form a bonding layer composed of a Ti (CN) layer and a Ti (CNO) layer, 63.5 volumes are passed from the gas inlet of the preheating chamber 6 through the gas flow path 81 at 1000 ° C. and 16 kPa. A mixed gas consisting of% H 2 gas, 22.0% by volume N 2 gas, 3.2% by volume CH 4 gas, and 1.3% by volume TiCl 4 gas was introduced into the preheating chamber 62, and the pipe 7 was introduced. first nozzle holes 83a of, with flow in the reaction vessel furnace from 83 b, the gas flow path 91, to introduce 10% by volume of H 2 gas, the second nozzle holes 91a of the pipe 7, into the furnace from 91b It was poured to form a Ti (CN) layer having a thickness of 0.5 μm. 51.3% by volume H 2 gas, 30.7% by volume N 2 gas, 3.0% by volume CH 4 gas, 1.2% by volume TiCl 4 gas, 3 at 1000 ° C. and 16 kPa continuously. A mixed gas consisting of 0.0% by volume CO gas and 0.8% by volume CO 2 gas was introduced into the preheating chamber 62 and flowed into the reaction vessel furnace through the first nozzle holes 83a and 83b of the pipe 7 and at the same time. 10% by volume of H 2 gas was introduced into the gas flow path 9 and flowed into the furnace through the second nozzle holes 91a and 91b of the pipe 7 to form a Ti (CNO) layer having a thickness of 0.5 μm.

さらに、1000℃および9kPaで、9.2体積%のAlClガスと、85.3体積%のHガスと、4.3体積%のCOガスと、0.2体積%のHSガスと、1.0体積%のHClガスとからなる混合ガスを予熱室62に導入し、パイプ7の第1のノズル穴83a、83bから反応容器炉内に流すとともに、ガス流路9に、10体積%のHガスを導入し、パイプ7の第2のノズル穴91a、91bから炉内に流して、厚さ1μmの酸化アルミニウム層を形成した。 Further, at 1000 ° C. and 9 kPa, 9.2% by volume of AlCl 3 gas, 85.3% by volume of H 2 gas, 4.3% by volume of CO 2 gas, and 0.2% by volume of H 2 S. A mixed gas composed of gas and 1.0% by volume HCl gas was introduced into the preheating chamber 62 and flowed into the reaction vessel furnace through the first nozzle holes 83a and 83b of the pipe 7, and also into the gas flow path 9. 10% by volume of H 2 gas was introduced and flowed into the furnace through the second nozzle holes 91a and 91b of the pipe 7 to form an aluminum oxide layer having a thickness of 1 μm.

比較例5は、アークイオンプレーティング装置を用いて被覆した。中間皮膜を設けず、Al70Cr30(数値は原子比率)の合金ターゲットを用いて、基材に印加する負圧のバイアス電圧を−100V、炉内に窒素ガスを導入して炉内圧力を3Pa、炉内温度を500℃として、で約3μmのAlとCrの窒化物を被覆して、被覆切削工具を製作した。 Comparative Example 5 was coated using an arc ion plating apparatus. Using an alloy target of Al 70 Cr 30 (numerical value is atomic ratio) without providing an interlayer film, the bias voltage of the negative pressure applied to the substrate is -100V, and nitrogen gas is introduced into the furnace to control the pressure inside the furnace. A coated cutting tool was manufactured by coating about 3 μm of Al and Cr nitrides at 3 Pa and a furnace temperature of 500 ° C.

次に、実施例1〜7および比較例1〜5について、硬質皮膜の組成、結晶構造の測定、切削性評価を下記のとおりに行った。 Next, with respect to Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5, the composition of the hard film, the measurement of the crystal structure, and the evaluation of machinability were carried out as follows.

≪硬質皮膜の組成≫
電子プローブマイクロ分析装置(EPMA、日本電子株式会社製JXA―8500F)を用いて、加速電圧10kV、照射電流0.05A、およびビーム径0.5μmの条件で、物性評価用インサート(SNMN120408)の断面における窒化アルミクロムニウム硬質皮膜の膜厚方向中心の任意の5箇所を測定して、得られた測定値の平均から硬質皮膜の組成を求めた。測定結果を表3に示す。
≪Composition of hard film≫
Cross section of insert for physical property evaluation (SNMN120408) using an electron probe microanalyzer (EPMA, JXA-8500F manufactured by JEOL Ltd.) under the conditions of an acceleration voltage of 10 kV, an irradiation current of 0.05 A, and a beam diameter of 0.5 μm. The composition of the hard film was determined from the average of the measured values obtained by measuring arbitrary 5 points at the center of the aluminum nitride hard film in the film thickness direction. The measurement results are shown in Table 3.

≪結晶構造の測定≫
X線回折装置(PANalytical社製のEMPYREAN)を用いて、管電圧45kVおよび管電流40mAでCuKα1線(波長λ:0.15405nm)を物性評価用インサート(SNMN120408)のすくい面の硬質皮膜の表面に照射して硬質皮膜の結晶構造を評価した。
≪Measurement of crystal structure≫
Using an X-ray diffractometer (EMPYREAN manufactured by PANalytical), CuKα1 line (wavelength λ: 0.15405 nm) was applied to the surface of the hard film on the rake face of the insert for physical property evaluation (SNMN120408) at a tube voltage of 45 kV and a tube current of 40 mA. The crystal structure of the hard film was evaluated by irradiation.

回折ピークの同定には、ICDDのX線回折データベースを利用した。fcc構造の窒化アルミクロムニウム硬質皮膜はICDDにデータがないため、fcc構造の窒化アルミニウムのICDDファイルを代用した。 The ICDD X-ray diffraction database was used to identify the diffraction peaks. Since there is no data in ICDD for the fcc structure aluminum nitride chromenium hard film, the ICDD file of fcc structure aluminum nitride was substituted.

得られたX線回折パターンから、以下の式(数2)により、X線回折強度比TC(hkl)を求めた。
(数2)
TC(hkl)={I(hkl)/I(hkl)}/[Σ{I(hkl)/I(hkl)}/8]
I(hkl):実測した窒化アルミクロムニウム硬質皮膜の(hkl)面のX線回折強度。
(hkl):ICDDファイル番号00−025−1495に記載の窒化アルミニウムの(hkl)面の標準X線回折強度。
Σは、次の8面についての和を意味する。
(hkl)=(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面および(420)面。
結果を表3に示す。
From the obtained X-ray diffraction pattern, the X-ray diffraction intensity ratio TC (hkl) was determined by the following formula (Equation 2).
(Number 2)
TC (hkl) = {I (hkl) / I O (hkl)} / [Σ {I (hkl) / I O (hkl)} / 8]
I (hkl): The measured X-ray diffraction intensity of the (hkl) surface of the aluminum nitride chromenium hard film.
I O (hkl): Standard X-ray diffraction intensity of the (hkl) plane of aluminum nitride according to ICDD file number 00-025-1495.
Σ means the sum of the following eight planes.
(Hkl) = (111) plane, (200) plane, (220) plane, (311) plane, (222) plane, (400) plane, (331) plane and (420) plane.
The results are shown in Table 3.

≪切削評価≫
被覆したミーリング用インサートを、刃先交換式回転工具(ASRT5063R−4)に止めねじで装着し、下記のミーリング条件で硬質皮膜の工具寿命を評価した。硬質皮膜の逃げ面摩耗幅は、倍率100倍の光学顕微鏡で観察することにより測定した。逃げ面の最大摩耗幅が0.350mmを超えたときの総切削長さに至る加工時間を工具寿命として5分単位で測定した。加工条件を以下に示す。試験結果を表3に示す。
≪Cutting evaluation≫
The coated milling insert was attached to a cutting edge replaceable rotary tool (ASRT5063R-4) with a set screw, and the tool life of the hard film was evaluated under the following milling conditions. The flank wear width of the hard film was measured by observing with an optical microscope at a magnification of 100 times. The machining time to reach the total cutting length when the maximum wear width of the flank exceeds 0.350 mm was measured in units of 5 minutes as the tool life. The processing conditions are shown below. The test results are shown in Table 3.

被削材: S55C(30HRC)
加工方法: ミーリング加工
インサート形状: WDNW140520
切削速度: 150m/分
回転数: 毎分758回転
一刃当たりの送り: 2.05mm/tooth
送り速度: 1554mm/分
軸方向の切り込み量: 1.0mm
径方向の切り込み量: 40mm
切削方法: 乾式切削
Work material: S55C (30HRC)
Processing method: Milling Insert shape: WDNW140520
Cutting speed: 150 m / min Rotation speed: 758 revolutions per minute Feed per blade: 2.05 mm / tooth
Feed rate: 1554 mm / min Axial depth of cut: 1.0 mm
Radial depth of cut: 40 mm
Cutting method: Dry cutting

図1A、図1Bに、それぞれ、実施例1に係る物性評価用インサート(SNMN120408)のすくい面におけるSEM画像写真(倍率:10,000倍)、その模式図を示す。図1A、図1Bから、実施例1は基材の表面に対して膜厚方向に成長した柱状粒子の集合から構成されていることがわかる。ミクロ組織について、詳細は後述する。 1A and 1B show SEM image photographs (magnification: 10,000 times) of the rake face of the physical property evaluation insert (SNMN120408) according to Example 1, respectively, and a schematic diagram thereof. From FIGS. 1A and 1B, it can be seen that Example 1 is composed of a set of columnar particles grown in the film thickness direction with respect to the surface of the base material. The details of the microstructure will be described later.

図8に実施例1のX線回折パターンを示す。このX線回折パターンでは、WC基超硬合金基材のWCの回折ピークとともに、fcc構造の窒化アルミクロムニウム硬質皮膜の回折ピークが観察される。図8のX線回折パターンから、実施例1の窒化アルミクロムニウム硬質皮膜はfcc構造の単一構造を有することがわかる。図8のX線回折パターンから求めたX線回折強度比TC(hkl)を表4示す。また、同様に表5、表6に実施例2、実施例3のX線回折強度比TC(hkl)をそれぞれ示す。なお、表4〜6において、X線回折強度比TC(422)は求めることができないため、「−」と表示した。 FIG. 8 shows the X-ray diffraction pattern of Example 1. In this X-ray diffraction pattern, the diffraction peak of the WC of the WC-based cemented carbide base material and the diffraction peak of the aluminum nitride hard film having an fcc structure are observed. From the X-ray diffraction pattern of FIG. 8, it can be seen that the aluminum nitride hard film of Example 1 has a single structure of fcc structure. Table 4 shows the X-ray diffraction intensity ratio TC (hkl) obtained from the X-ray diffraction pattern of FIG. Similarly, Tables 5 and 6 show the X-ray diffraction intensity ratio TC (hkl) of Examples 2 and 3, respectively. In addition, in Tables 4 to 6, since the X-ray diffraction intensity ratio TC (422) cannot be obtained, it is displayed as “−”.

表4〜表6にそれぞれ示すように、実施例1はX線回折強度比TC(311)が他のX線回折強度比に比べて最も大きい値になっていることを確認した。このことは、実施例1の工具寿命が他の実施例に比して長い理由であると推定される。一方、比較例1では、表7に示すように、X線回折強度比TC(311)が他のX線回折強度比に比べて最も大きい値とはなっていない。なお、表7において、X線回折強度比TC(422)は求めることができないため、「−」と表示した。 As shown in Tables 4 to 6, it was confirmed that the X-ray diffraction intensity ratio TC (311) in Example 1 was the largest value as compared with the other X-ray diffraction intensity ratios. It is presumed that this is the reason why the tool life of Example 1 is longer than that of other Examples. On the other hand, in Comparative Example 1, as shown in Table 7, the X-ray diffraction intensity ratio TC (311) is not the largest value as compared with other X-ray diffraction intensity ratios. In Table 7, since the X-ray diffraction intensity ratio TC (422) cannot be obtained, it is indicated as “−”.

実施例1〜7は、いずれも耐摩耗性および耐チッピング性が向上し優れた耐久性を示した。一方、比較例1〜5は、いずれも早期に皮膜剥離が発生した。耐久性が乏しい比較例はいずれも、X線回折強度比TC(311)の値が1未満であった。一方、耐久性が優れる実施例は何れも皮膜組織が微細な柱状粒子の集合から構成された組織であり、X線回折強度比TC(311)の値が1.30以上となっていた。実施例のなかでも、X線回折強度比TC(311)の値が2以上のものは特に耐久性が特に優れる傾向にあった。また、TB/TAの値が大きくなると耐久性に優れる傾向にあった。 In Examples 1 to 7, wear resistance and chipping resistance were improved and excellent durability was exhibited. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 5, film peeling occurred at an early stage. In all the comparative examples having poor durability, the value of the X-ray diffraction intensity ratio TC (311) was less than 1. On the other hand, in each of the examples having excellent durability, the film structure was a structure composed of a collection of fine columnar particles, and the value of the X-ray diffraction intensity ratio TC (311) was 1.30 or more. Among the examples, those having an X-ray diffraction intensity ratio TC (311) of 2 or more tended to have particularly excellent durability. Further, as the TB / TA value increases, the durability tends to be excellent.

次に、実施例1の硬質皮膜について説明を加える。図2A、図2Bに、それぞれ、実施例1に係る硬質皮膜のTEM画像写真(倍率:200,000倍)、その概略模式線図を示す。 Next, the hard film of Example 1 will be described. 2A and 2B show a TEM image photograph (magnification: 200,000 times) of the hard film according to Example 1, and a schematic schematic diagram thereof, respectively.

図2A、図2Bに示すように実施例1に係る硬質皮膜には、積層構造からなる部分と単層構造からなる部分を有する結晶粒子が確認された。 As shown in FIGS. 2A and 2B, crystal particles having a portion having a laminated structure and a portion having a single layer structure were confirmed in the hard film according to Example 1.

図3A、図3Bは、それぞれ、図1AのA部を拡大したTEM画像写真(倍率:2,000,000倍)、その概略模式線図である。図3Aおよび図3Bに示すように、実施例1に係る硬質皮膜は、より高倍率で観察したミクロ組織においても、積層構造からなる部分と単層構造からなる部分を有する結晶粒子を有していることが確認された。 3A and 3B are TEM image photographs (magnification: 2,000,000 times) of an enlarged portion A of FIG. 1A, respectively, and schematic schematic diagrams thereof. As shown in FIGS. 3A and 3B, the hard film according to Example 1 has crystal particles having a portion having a laminated structure and a portion having a single layer structure even in the microstructure observed at a higher magnification. It was confirmed that there was.

図4は図3AのB部(単層構造)のナノビーム回折パターンを示す。図4に示すように単層構造からなる部分はfcc構造から構成されていた。 FIG. 4 shows the nanobeam diffraction pattern of the B portion (single layer structure) of FIG. 3A. As shown in FIG. 4, the portion having a single-layer structure was composed of an fcc structure.

図5A、図5Bは、それぞれ、図3AのC部(積層構造)を拡大したTEM画像写真(倍率4,000,000倍)、その概略模式線図である。相対的に暗い相がAlの含有比率が高いAlとCrの窒化物であり、相対的に明るい相がAlの含有比率が低いAlとCrの窒化物であった。 5A and 5B are TEM image photographs (magnification of 4,000,000 times) of the C portion (laminated structure) of FIG. 3A, respectively, and schematic schematic diagrams thereof. The relatively dark phase was a nitride of Al and Cr having a high Al content, and the relatively bright phase was a nitride of Al and Cr having a low Al content.

図6に図5AのD部(積層構造)のナノビーム回折パターンを示す。また、図7に図5AのE部(積層構造)のナノビーム回折パターンを示す。図6および図7に示すように、積層構造の各層もfcc構造から構成されていることが確認された。 FIG. 6 shows the nanobeam diffraction pattern of the D portion (laminated structure) of FIG. 5A. Further, FIG. 7 shows the nanobeam diffraction pattern of the E portion (laminated structure) of FIG. 5A. As shown in FIGS. 6 and 7, it was confirmed that each layer of the laminated structure was also composed of the fcc structure.

単層構造からなる部分は、Alの含有比率が60原子%以上90原子%以下であった。一方、積層構造からなる部分において、相対的にAlの含有比率が高いAlとCrの窒化物の部分は、Alの含有比率が60原子%以上95原子%以下であり、相対的にAlの含有比率が低いAlとCrの窒化物の部分は、Alの含有比率が20原子%以上50原子%以下であった。積層構造からなる部分の全体としては、単層構造からなる部分よりもAlの含有比率が低くなっていた。 The portion having a single-layer structure had an Al content of 60 atomic% or more and 90 atomic% or less. On the other hand, in the portion having a laminated structure, the nitride portion of Al and Cr having a relatively high Al content has an Al content of 60 atomic% or more and 95 atomic% or less, and has a relatively Al content. In the nitride portion of Al and Cr having a low ratio, the Al content ratio was 20 atomic% or more and 50 atomic% or less. As a whole, the portion having a laminated structure had a lower Al content ratio than the portion having a single-layer structure.

本発明の実施例1に係る硬質皮膜のミクロ組織は、相対的にAlの含有比率が高い単層構造の部分と、相対的にAlの含有比率が低い積層部分を有する結晶粒子が組織中に分散していた。 In the microstructure of the hard film according to Example 1 of the present invention, crystal particles having a monolayer structure portion having a relatively high Al content ratio and a laminated portion having a relatively low Al content ratio are contained in the structure. It was dispersed.

前記開示した実施の形態はすべての点で例示にすぎず、制限的なものではない。本発明の範囲は前記した実施の形態ではなく請求の範囲によって示され、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 disclosed embodiments are merely exemplary in all respects and are not restrictive. The scope of the present invention is shown by the scope of claims rather than the embodiment described above, and is intended to include meaning equivalent to the scope of claims and all modifications within the scope.

本発明の被覆工具は優れた耐久性を有することから、切削工具やプレス加工や鍛造用金型等の金型にも用いることができる。また、ダイカスト鋳抜きピン、入子、各種機械を構成する摺動部品にも適用することができる。 Since the covering tool of the present invention has excellent durability, it can also be used for cutting tools and dies such as press working and forging dies. It can also be applied to die-cast cast pins, nesters, and sliding parts that make up various machines.

1:化学蒸着装置(CVD炉)
2:チャンバー
3:ヒータ
4:インサート設置板
5:反応容器
5a:反応容器の開口部
6:予熱チャンバー(予熱部)
61:予熱室
62:塩化Crガス発生室
63:混合室
7:パイプ(ガス放出部)
83a、83b、91a、91b、92a、93a:ノズル穴(ガス噴出口)
81:混合ガスa2のガス流路
82:混合ガスa1となる混合ガスのガス流路
84:混合ガスのガス流路
91:混合ガスBのガス流路
92:混合ガスのガス流路
93:混合ガスのガス流路
10:排気パイプ
11:接続流路
12:成膜中回転部
13a:予熱チャンバー内の混合ガスBのガス流路
13b:接続流路内の混合ガスBのガス流路(縦方向)
13c:接続流路内の混合ガスBのガス流路(回転軸方向)
20:インサート基材
30:硬質皮膜(AlCrN皮膜)
31:積層部分
32:単層部分
40:TEM観察時の樹脂
1: Chemical vapor deposition equipment (CVD furnace)
2: Chamber 3: Heater 4: Insert installation plate 5: Reaction vessel 5a: Reaction vessel opening 6: Preheating chamber (preheating part)
61: Preheating chamber 62: Cr chloride gas generation chamber 63: Mixing chamber 7: Pipe (gas release part)
83a, 83b, 91a, 91b, 92a, 93a: Nozzle hole (gas outlet)
81: Gas flow path of the mixed gas a2 82: Gas flow path of the mixed gas to be the mixed gas a1 84: Gas flow path of the mixed gas 91: Gas flow path of the mixed gas B 92: Gas flow path of the mixed gas 93: Mixing Gas flow path 10: Exhaust pipe 11: Connection flow path 12: Rotating part during film formation 13a: Gas flow path of mixed gas B in the preheating chamber 13b: Gas flow path of mixed gas B in the connection flow path (vertical) direction)
13c: Gas flow path of mixed gas B in the connection flow path (direction of rotation axis)
20: Insert base material 30: Hard film (AlCrN film)
31: Laminated part 32: Single layer part 40: Resin during TEM observation

Claims (7)

基材の表面に硬質皮膜を有する被覆工具であって、
前記硬質皮膜は、半金属を含む金属元素の総量に対して、平均含有割合として、Alが50原子%以上、Crが10原子%以上、AlとCrの合計の含有比率が90原子%以上の窒化物または炭窒化物であり、
前記硬質皮膜は、X線回折においてfcc構造に起因するピーク強度が最大強度を示し、
前記基材の表面に対して膜厚方向に成長した柱状粒子の集合から構成され、
前記硬質皮膜は、X線回折強度比TC(311)の値が1.30以上であり、
前記基材と前記硬質皮膜の間にTiの窒化物または炭窒化物を含む中間皮膜を設けることを特徴とする被覆工具。
A coating tool that has a hard film on the surface of the base material.
The hard film has an average content of 50 atomic% or more of Al, 10 atomic% or more of Cr, and 90 atomic% or more of the total content of Al and Cr with respect to the total amount of metal elements including metalloids. Nitride or carbonitride,
The hard film has the maximum peak intensity due to the fcc structure in X-ray diffraction.
It is composed of a collection of columnar particles grown in the film thickness direction with respect to the surface of the base material.
The hard film has an X-ray diffraction intensity ratio TC (311) of 1.30 or more.
A coating tool characterized in that an intermediate film containing Ti nitride or carbonitride is provided between the base material and the hard film.
前記X線回折強度比TC(311)が2.00以上であること特徴とする請求項1に記載の被覆工具。 The covering tool according to claim 1, wherein the X-ray diffraction intensity ratio TC (311) is 2.00 or more. 前記X線回折強度比TC(311)が、X線回折強度比TC(hkl)(但し、(hkl)面は、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面および(420)面。)よりも大きいことを特徴とする請求項1または2に記載の被覆工具。 The X-ray diffraction intensity ratio TC (311) is the X-ray diffraction intensity ratio TC (hkl) (however, the (hkl) plane is the (111) plane, the (200) plane, the (220) plane, the (311) plane, The covering tool according to claim 1 or 2, characterized in that it is larger than (222) plane, (400) plane, (331) plane, and (420) plane.). 前記X線回折強度比TC(420)およびTC(200)の値が1.00未満であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の被覆工具。 The covering tool according to any one of claims 1 to 3, wherein the values of the X-ray diffraction intensity ratios TC (420) and TC (200) are less than 1.00. 前記硬質皮膜は、X線回折におけるfcc構造の総ピーク強度をTA、(422)面に起因するピーク強度をTBとした場合、TB/TAの値が0.050以上であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の被覆工具。 The hard film is characterized in that the value of TB / TA is 0.050 or more when the total peak intensity of the fcc structure in X-ray diffraction is TA and the peak intensity due to the (422) plane is TB. The covering tool according to any one of claims 1 to 4. 前記柱状粒子の表面側における平均幅が0.1μm以上2.0μm以下であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の被覆工具。 The coating tool according to any one of claims 1 to 5, wherein the average width of the columnar particles on the surface side is 0.1 μm or more and 2.0 μm or less. 前記硬質皮膜は、透過型電子顕微鏡を用いたミクロ組織において、相対的にAlの含有比率が高い単層構造の部分と、相対的にAlの含有比率が低い積層構造の部分を有する結晶粒子が分散していることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の被覆工具。
In the microstructure using a transmission electron microscope, the hard film is composed of crystal particles having a monolayer structure having a relatively high Al content and a laminated structure having a relatively low Al content. The covering tool according to any one of claims 1 to 6, wherein the covering tool is dispersed.
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