JP4456374B2 - Hard film, method for producing the same, and target for forming hard film - Google Patents

Hard film, method for producing the same, and target for forming hard film Download PDF

Info

Publication number
JP4456374B2
JP4456374B2 JP2004029446A JP2004029446A JP4456374B2 JP 4456374 B2 JP4456374 B2 JP 4456374B2 JP 2004029446 A JP2004029446 A JP 2004029446A JP 2004029446 A JP2004029446 A JP 2004029446A JP 4456374 B2 JP4456374 B2 JP 4456374B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
target
hard
hard film
present
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2004029446A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2004256914A (en
Inventor
兼司 山本
俊樹 佐藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kobe Steel Ltd filed Critical Kobe Steel Ltd
Priority to JP2004029446A priority Critical patent/JP4456374B2/en
Publication of JP2004256914A publication Critical patent/JP2004256914A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4456374B2 publication Critical patent/JP4456374B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Description

本発明は、硬質皮膜及びその製造方法並びに硬質皮膜形成用ターゲットに関する技術分野に属し、特には、チップ、ドリル、エンドミル等の切削工具や機械部品あるいは塑性加工用治具などの耐摩耗性を向上するための硬質皮膜及びその製造方法、並びに、このような硬質皮膜の製造において蒸発源として使用されるターゲットに関する技術分野に属するものである。   The present invention belongs to a technical field related to a hard coating, a method for producing the same, and a target for forming a hard coating, and in particular, improves wear resistance of cutting tools such as chips, drills, and end mills, mechanical parts, or jigs for plastic working. The present invention belongs to a technical field relating to a hard film for manufacturing the same, a method for producing the same, and a target used as an evaporation source in the production of such a hard film.

従来より、超硬合金、サーメット又は高速度工具鋼を基材とする切削工具の耐摩耗性を向上させることを目的に、TiNやTiCN、TiAlN等の硬質皮膜をコーティングすることが行われている。特に、TiとAlの複合窒化皮膜(以下、TiAlNともいう)が、優れた耐摩耗性を示すことから、前記チタンの窒化物や炭化物、炭窒化物等からなる皮膜に代わって高速切削用や焼き入れ鋼等の高硬度材切削用の切削工具に適用されつつある。更に、近年では、TiAlNのような2元素系のみならず、第3元素を添加して特性を改善する試みがなされている。例えば、特開平3−120354号公報、特開平10−18024号公報、特開平10−237628号公報、特開平10−305935号公報には、Vを添加したTiAlVN、または、(TiAlV)(CN)皮膜が、S50C等の低硬度材の切削にて優れた切削特性を示すことが開示されている。しかしながら、これらの皮膜は、焼き入れSKD材等の高硬度材に対して切削特性が良好であるとは言い難く、切削速度のより高速度化等の要求から、更に硬度が高く、耐摩耗性に優れた皮膜の実現が望まれている。また、特開2002−337006号公報には、4族、5族、6族の金属元素、Alの1種以上とSiを含み、非金属元素としてN、B、C、Oの1種以上を含む硬質皮膜が提案されているが、最適組成に関してはSi量50%未満との記載があるのみで、実際に上記の元素を組み合わせただけで従来のTiAlN被膜を凌ぐ切削性能が得られるわけではない。
特開平3−120354号公報 特開平10−18024号公報 特開平10−237628号公報 特開平10−305935号公報 特開2002−337006号公報
Conventionally, a hard film such as TiN, TiCN, or TiAlN has been coated for the purpose of improving the wear resistance of a cutting tool based on cemented carbide, cermet, or high-speed tool steel. . In particular, since a composite nitride film of Ti and Al (hereinafter also referred to as TiAlN) exhibits excellent wear resistance, it can be used for high-speed cutting in place of a film made of titanium nitride, carbide, carbonitride, or the like. It is being applied to cutting tools for cutting hard materials such as hardened steel. Furthermore, in recent years, attempts have been made to improve characteristics by adding not only two-element systems such as TiAlN but also third elements. For example, in JP-A-3-120354, JP-A-10-18024, JP-A-10-237628, and JP-A-10-305935, TiAlVN added with V or (TiAlV) (CN) It is disclosed that the film exhibits excellent cutting characteristics in cutting low hardness materials such as S50C. However, it is difficult to say that these coatings have good cutting characteristics with respect to high hardness materials such as quenched SKD materials. Due to demands for higher cutting speeds, these films have higher hardness and wear resistance. Realization of an excellent film is desired. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-337006 discloses one or more of Group 4, 5 and 6 metal elements, Al and Si, and includes one or more of N, B, C, and O as nonmetal elements. Although the hard coating containing it has been proposed, there is only a description that the Si amount is less than 50% regarding the optimum composition, and cutting performance that surpasses the conventional TiAlN coating can be obtained only by actually combining the above elements. Absent.
Japanese Patent Laid-Open No. 3-120354 Japanese Patent Laid-Open No. 10-18024 Japanese Patent Laid-Open No. 10-237628 Japanese Patent Laid-Open No. 10-305935 JP 2002-337006 A

本発明はこのような事情に着目してなされたものであって、その目的は、TiAlNまたは従来の(TiAlV)(CN)よりも高硬度であって耐摩耗性に優れた硬質皮膜、及び、このような硬質皮膜の製造方法、並びに、その製造のための硬質皮膜形成用ターゲットを提供しようとするものである。   The present invention has been made by paying attention to such circumstances, and the purpose thereof is a hard film having higher hardness and superior wear resistance than TiAlN or conventional (TiAlV) (CN), and An object of the present invention is to provide a method for producing such a hard film, and a target for forming a hard film for the production.

上記目的を達成することのできた本発明は、硬質皮膜及びその製造方法並びに硬質皮膜形成用ターゲットに係わり、これは請求項記載の硬質皮膜、請求項2〜3記載の硬質皮膜の製造方法、請求項4〜6記載の硬質皮膜形成用ターゲットであり、それは次のような構成としたものである。 The present invention which could achieve the above object relates to a hard film and a method for manufacturing the same, and the hard film forming target, this hard film of claim 1, wherein, a method of manufacturing the hard coating according to claim 2-3, wherein, It is the target for hard-film formation of Claims 4-6 , and it is set as the following structures.

即ち、請求項1記載の硬質皮膜は、(Tia , Alb ,Vc , Si d )(C1-e e )を含む硬質皮膜であって、
0.02≦a≦0.5、
0.4<b≦0.8、
0.05<c、
0.01≦d≦0.5、
a+b+c+=1、
0.5≦e≦1
(a,b,c,はそれぞれTi,Al,V,Siの原子比を示し、eはNの原子比を示すものである)であることを特徴とする硬質皮膜である〔第1発明〕。
That is, the hard film according to claim 1 is a hard film containing (Ti a , Al b , V c , Si d ) (C 1-e N e ),
0.02 ≦ a ≦ 0.5,
0.4 <b ≦ 0.8,
0.05 <c,
0.01 ≦ d ≦ 0.5,
a + b + c + d = 1,
0.5 ≦ e ≦ 1
(A, b, c, and d are atomic ratios of Ti, Al, V, and Si , respectively, and e is an atomic ratio of N). ].

請求項記載の硬質皮膜の製造方法は、請求項1記載の硬質皮膜の製造方法であって、成膜ガス雰囲気中で金属を蒸発させイオン化して、前記金属とともに成膜ガスのプラズマ化を促進しつつ成膜することを特徴とする硬質皮膜の製造方法である〔第発明〕。 The method for producing a hard film according to claim 2 is the method for producing a hard film according to claim 1 , wherein the metal is evaporated and ionized in a film forming gas atmosphere, and the film forming gas is converted into plasma with the metal. A method for producing a hard coating, characterized in that the film is formed while being promoted [ second invention].

請求項記載の硬質皮膜の製造方法は、ターゲットを構成する金属の蒸発およびイオン化をアーク放電にて行うアークイオンプレーティング法を用い、ここで、該ターゲットの蒸発面にほぼ直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線を形成し、この磁力線によって被処理体近傍における成膜ガスのプラズマ化を促進しつつ成膜する請求項記載の硬質皮膜の製造方法である〔第発明〕。 The method for producing a hard coating according to claim 3 uses an arc ion plating method in which evaporation and ionization of a metal constituting the target is performed by arc discharge, and the front is substantially orthogonal to the evaporation surface of the target. 3. The method for producing a hard coating according to claim 2 , wherein a magnetic field line that diverges or travels in parallel is formed, and the film is formed while accelerating the plasma formation of the film forming gas in the vicinity of the object to be processed by the magnetic field line [ third invention].

請求項記載の硬質皮膜形成用ターゲットは、(Tix ,Aly ,Vz Si w )を含むターゲットであって、
0.02≦x≦0.5、
0.4<y≦0.8、
0.05<z、
0.01≦w≦0.5
x+y+z+=1
(x,y,z,は、それぞれTi,Al,V,Siの原子比を示すものである)であると共に、相対密度が95%以上であることを特徴とする硬質皮膜形成用ターゲットである〔第発明〕。
Hard film-forming target according to claim 4 is a target containing (Ti x, Al y, V z, Si w),
0.02 ≦ x ≦ 0.5,
0.4 <y ≦ 0.8,
0.05 <z,
0.01 ≦ w ≦ 0.5
x + y + z + w = 1
(X, y, z, and w represent atomic ratios of Ti, Al, V, and Si , respectively) and a target for forming a hard film characterized by having a relative density of 95% or more. There is [ fourth invention].

請求項記載の硬質皮膜形成用ターゲットは、Siが化合物の形で存在する請求項4記載の硬質皮膜形成用ターゲットである〔第発明〕。 The hard film-forming target according to claim 5 is the hard film-forming target according to claim 4 , wherein Si is present in the form of a compound [ fifth invention].

請求項記載の硬質皮膜形成用ターゲットは、前記化合物がTi−Si化合物である請求項5記載の硬質皮膜形成用ターゲットである〔第発明〕。 The hard film forming target according to claim 6 is the hard film forming target according to claim 5, wherein the compound is a Ti-Si compound [ Sixth Invention].

本発明によれば、従来のTiAlN皮膜や(TiAlV)(CN)皮膜よりも高硬度であって耐摩耗性に優れた硬質皮膜が得られる。この硬質皮膜を切削工具のコーティング皮膜として用いると、より高速で高能率の切削が可能な切削工具が得られ、切削の高速度化や高能率化がはかれる。   According to the present invention, it is possible to obtain a hard coating having higher hardness and superior wear resistance than conventional TiAlN coatings and (TiAlV) (CN) coatings. When this hard film is used as a coating film for a cutting tool, a cutting tool capable of cutting at higher speed and higher efficiency can be obtained, and the cutting speed and efficiency can be improved.

本発明者らは、前述したような状況の下で、より優れた耐摩耗性を発揮する切削工具用硬質皮膜の実現を目指して鋭意研究を進めた。その結果、指標として皮膜の硬度を高めることができれば、耐摩耗性が著しく向上することを見出した。そして、その手段として(TiAlV)(CN)膜のAl、V濃度及びSiの添加作用に着目して研究を進めた結果、(TiAlV)(CN)に更にSiを添加することによって、膜の硬度が向上し、結果として耐摩耗性が飛躍的に向上することを突き止め、更に追求を重ねた結果、上記本発明に想到したのである。 Under the circumstances as described above, the present inventors have conducted earnest research aiming at realization of a hard film for a cutting tool that exhibits superior wear resistance. As a result, it was found that if the hardness of the film can be increased as an index, the wear resistance is remarkably improved. And as a result of this, as a result of researches focusing on the addition of Al, V concentration and Si in the (TiAlV) (CN) film, the hardness of the film was obtained by further adding Si to (TiAlV) (CN). As a result of ascertaining that the wear resistance is remarkably improved as a result, and further pursuing further, the present invention has been conceived.

即ち、本発明に係る硬質皮膜とは、(Tia , Alb ,Vc , Si d )(C1-e e )を含有する硬質皮膜であって、
0.02≦a≦0.5、
0.4<b≦0.8、
0.05<c、
0.01≦d≦0.5、
a+b+c+=1、
0.5≦e≦1
(a,b,c,はそれぞれTi,Al,V,Siの原子比を示し、eはNの原子比を示すものである)であることを特徴とするものであるが、このように皮膜の組成を規定した理由について、以下詳細に説明する。
That is, the hard film according to the present invention is a hard film containing (Ti a , Al b , V c , Si d ) (C 1-e N e ),
0.02 ≦ a ≦ 0.5,
0.4 <b ≦ 0.8,
0.05 <c,
0.01 ≦ d ≦ 0.5,
a + b + c + d = 1,
0.5 ≦ e ≦ 1
(A, b, c, and d represent the atomic ratio of Ti, Al, V, and Si , respectively, and e represents the atomic ratio of N). The reason for defining the composition of the film will be described in detail below.

Alの原子比の上限を規定した理由については、次の通りである。即ち、Alの原子比が大きくなりすぎると、イオン結合であるAl−Nの割合が増加し、皮膜の密着性が低下することから、0.8以下とする必要があり、好ましくは0.75以下である。また、Alの原子比は0.4以下では硬度上昇が認められないことから、下限を0.4とした。   The reason why the upper limit of the atomic ratio of Al is specified is as follows. That is, when the atomic ratio of Al becomes too large, the proportion of Al—N which is an ionic bond increases and the adhesion of the film decreases, so it is necessary to make it 0.8 or less, preferably 0.75. It is as follows. Further, since the increase in hardness is not observed when the atomic ratio of Al is 0.4 or less, the lower limit is set to 0.4.

Vに関しては、0.05未満では硬度上昇の効果が小さい。従って、Vの原子比(c)は0.05超とした。即ち、0.05<cとした。   Regarding V, if it is less than 0.05, the effect of increasing hardness is small. Therefore, the atomic ratio (c) of V is set to exceed 0.05. That is, 0.05 <c.

Siに関しては、Siの原子比0.01未満の場合は、添加の効果がほとんど認められない。Si:0.5超の場合は、皮膜の硬度が低下すると共に、皮膜の密着性が低下する。従って、原子比で、Siの上限値を0.5とし、Siの下限値を0.01とした。即ち、0.01≦d≦0.5とした。 Regarding the Si, if the atomic ratio of Si is less than 0.01, the effect of addition is not substantially observed. Si: For than 0.5, together with the hardness of the coating is decreased, the adhesion of the coating is reduced. Therefore, in terms of atomic ratio, the upper limit value of Si was set to 0.5, and the lower limit value of Si was set to 0.01. That is, 0.01 ≦ d ≦ 0.5.

Si量に関しては、好ましい領域は組成によって異なるが、Al量が0.6以上の皮膜では、過度のSi量添加は硬度低下を招くことから、Si量は0.01〜0.1が好ましい。Al量0.6未満ではSi量は0.1〜0.5が好ましく、より望ましくは0.2〜0.4である。   Regarding the amount of Si, a preferable region varies depending on the composition, but in a film having an Al amount of 0.6 or more, addition of an excessive amount of Si causes a decrease in hardness, so the Si amount is preferably 0.01 to 0.1. When the amount of Al is less than 0.6, the amount of Si is preferably 0.1 to 0.5, and more preferably 0.2 to 0.4.

Tiに関しては、上記Al、V、Si量により残Ti量として決定されるが、0.02未満では硬度が低下し、0.5を越えると高硬度化をもたらす元素であるAl、V、Siの量が少なくなることから、上限を0.5とした。 With respect to Ti, the amount of residual Ti is determined by the amount of Al, V, and Si, but the hardness is reduced when it is less than 0.02, and Al, V, and Si are elements that increase the hardness when it exceeds 0.5. Therefore, the upper limit was set to 0.5.

更にC、Nの量に関しては次の通りである。すなわち、皮膜中にCを添加し、TiCやVC、SiC等の高硬度の炭化物を析出させて皮膜の硬度を高める場合には、Ti+V+Siの添加量と同量程度のCを存在させることが望ましい。しかしながら、Cを過剰に添加すると、水分と反応して容易に分解する不安定なアルミの炭化物を過度に析出させることになるので、Cの原子比(1−e)は0.5未満、即ち、Nの原子比eを0.5以上とする必要がある。eは、0.7以上である場合が好ましく、より好ましくは0.8以上であり、更には、e=1の場合を最も好ましい形態とする。   Further, the amounts of C and N are as follows. That is, when C is added to the film to precipitate a hard carbide such as TiC, VC, or SiC to increase the hardness of the film, it is desirable that C be present in the same amount as Ti + V + Si. . However, excessive addition of C causes excessive precipitation of unstable aluminum carbides that react with moisture and easily decompose, so the C atomic ratio (1-e) is less than 0.5, The atomic ratio e of N must be 0.5 or more. e is preferably 0.7 or more, more preferably 0.8 or more, and most preferably e = 1.

本発明に係る硬質皮膜は、上記要件を満足する単層の皮膜の他、上記要件を満たし、且つ、相互に異なる皮膜を複数積層して用いることもできる。また、用途によっては、前記1層又は2層以上の本発明で規定する(TiAlVSi)(CN)膜の片面側または両面側に、TiN、TiAlN、TiCrAlN、TiCN、TiAlCN、TiCrAlCN、TiC等の皮膜を積層構造として用いることも可能である。 The hard film according to the present invention can be used by laminating a plurality of different films satisfying the above requirements in addition to a single layer film satisfying the above requirements. Also, in some applications, the specified one or more layers of the present invention on one side or both sides of (TiAlV Si) (CN) film, TiN, TiAlN, TiCrAlN, TiCN , TiAlCN, TiCrAlCN, the TiC etc. It is also possible to use a film as a laminated structure.

また、前記1層もしくは2層以上の本発明の硬質皮膜の片面側または両面側に、4A族、5A族、6A族、Al及びSiよりなる群から選択される少なくとも1種の金属を含む金属層または合金層が1以上積層されているものであってもよく、前記4A族、5A族、6A族の金属として、Cr、Ti、Nb等が挙げられ、合金としてTi−Al等を用いることができる。   Further, a metal containing at least one metal selected from the group consisting of Group 4A, Group 5A, Group 6A, Al and Si on one side or both sides of the hard coating of the present invention having one layer or two or more layers. One or more layers or alloy layers may be laminated. Examples of the 4A group, 5A group, and 6A group metals include Cr, Ti, Nb, and the like, and Ti—Al or the like is used as the alloy. Can do.

上記の (i)本発明の要件を満たし、且つ、相互に異なる皮膜や、(ii)硬質皮膜とは異なる成分組成の金属窒化物層、金属炭化物層又は金属炭窒化物層、(iii) 4A族、5A族、6A族、AlおよびSiよりなる群から選択される少なくとも1種の金属を含む金属層または合金層を、複数層形成した硬質皮膜とする場合には、1層の膜厚が0.005〜2μm の範囲内にあればよいが、本発明の硬質皮膜を用いる場合は、単層の場合であっても上記複数層の場合であっても、トータルとしての膜厚は、0.5μm以上で20μm以下の範囲内とすることが望ましい。0.5μm未満だと膜厚が薄すぎて耐摩耗性が好ましくなく、一方、上記膜厚が20μmを超えると切削中に膜の欠損や剥離が発生する傾向があって好ましくないからである。なお、より好ましい膜厚は、1μm以上で15μm以下である。   (I) a metal nitride layer, a metal carbide layer or a metal carbonitride layer satisfying the requirements of the present invention and having a different composition from that of the hard film, and (ii) a hard film, (iii) 4A When a metal layer or alloy layer containing at least one kind of metal selected from the group consisting of Group 5A, Group 6A, Al and Si is used as a hard film having a plurality of layers formed, the film thickness of one layer is However, when the hard coating of the present invention is used, the total film thickness is 0, regardless of whether it is a single layer or a plurality of layers. It is desirable that the thickness be in the range of 5 μm to 20 μm. If the thickness is less than 0.5 μm, the film thickness is too thin and wear resistance is not preferable. On the other hand, if the thickness exceeds 20 μm, the film tends to be broken or peeled off during cutting, which is not preferable. A more preferable film thickness is 1 μm or more and 15 μm or less.

本発明に係る硬質皮膜は、(Tia , Alb ,Vc , Si d )(C1-e e )を含むものであるが、これは、(Tia , Alb ,Vc , Si d )(C1-e e )を含んでなるものであり、(Tia , Alb ,Vc , Si d )(C1-e e )からのみなることを意味するものではない。(Tia , Alb ,Vc , Si d )(C1-e e )からのみなる場合もあるが、これには限定されず、前記成分以外の他成分を含むことができる。 Hard film according to the present invention are those containing (Ti a, Al b, V c, Si d) (C 1-e N e), which, (Ti a, Al b, V c, Si d) (C 1-e N e ) is included, and it does not mean that it consists only of (Ti a , Al b , V c , Si d ) (C 1-e N e ). (Ti a, Al b, V c, Si d) (C 1-e N e) in some cases made from only, not limited thereto, it can contain other components other than the components.

本発明に係る硬質皮膜を形成するに際して金属元素(Al、V、Ti、Si)と反応ガス(C、N)を十分に反応させ高硬度の皮膜を形成するためには、本発明で規定する様な方法で成膜することが大変有効である。即ち、成膜ガス雰囲気中で金属を蒸発させイオン化して、前記金属とともに成膜ガスのプラズマ化を促進しつつ成膜することが有効である。 In forming a hard film according to the present invention, in order to sufficiently react a metal element (Al, V, Ti, Si ) and a reactive gas (C, N) to form a high hardness film, the present invention defines. It is very effective to form a film by various methods. That is, it is effective to vaporize and ionize a metal in a film forming gas atmosphere and to form a film while promoting the plasma formation of the film forming gas together with the metal.

更に、ターゲットを構成する金属の蒸発およびイオン化をアーク放電にて行うアークイオンプレーティング法において、該ターゲットの蒸発面にほぼ直交して前方に発散ないしは平行に進行する磁力線を形成し、この磁力線によって被処理体近傍における成膜ガスのプラズマ化を促進しつつ成膜することを好ましい形態とする。   Furthermore, in the arc ion plating method in which the metal constituting the target is evaporated and ionized by arc discharge, a magnetic field line that diverges forward or travels substantially perpendicular to the evaporation surface of the target is formed. It is preferable to form a film while promoting the plasma formation of the film forming gas in the vicinity of the object to be processed.

アークイオンプレーティング(AIP)装置においては、従来のように磁場がターゲットの裏側に配置されたカソード蒸発源では本発明の皮膜を作製することが困難であり、磁石がターゲットの横または前方に配置されて、ターゲット蒸発面にほぼ直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線を形成し、この磁力線によって成膜ガスのプラズマ化を促進することが本発明の硬質皮膜を形成する上で大変有効なのである。   In an arc ion plating (AIP) apparatus, it is difficult to produce the coating of the present invention with a cathode evaporation source in which a magnetic field is arranged on the back side of a target as in the prior art, and a magnet is arranged on the side or front of the target. In order to form the hard coating of the present invention, it is very effective to form a magnetic field line that diverges in front of the target evaporating surface and travels in parallel with the target evaporation surface and promotes the formation of plasma of the deposition gas by this magnetic field line. That's it.

本発明を実施するための装置の一例として、図1にAIP装置を示しながら簡単に説明する。   As an example of an apparatus for carrying out the present invention, an AIP apparatus will be briefly described with reference to FIG.

このAIP(アークイオンプレーティング)装置は、真空排気する排気口11および成膜ガスを供給するガス供給口12とを有する真空容器1と、アーク放電によって陰極を構成するターゲットを蒸発させてイオン化するアーク式蒸発源2と、コーティング対象である被処理体(切削工具)Wを支持する支持台3と、この支持台3と前記真空容器1との間で支持台3を通して被処理体Wに負のバイアス電圧を印加するバイアス電源4とを備えている。   This AIP (arc ion plating) apparatus ionizes by evaporating a vacuum vessel 1 having an exhaust port 11 for evacuating and a gas supply port 12 for supplying a film forming gas, and a target constituting a cathode by arc discharge. The arc evaporation source 2, the support 3 that supports the object to be processed (cutting tool) W to be coated, and the object W to be processed through the support 3 between the support 3 and the vacuum vessel 1. And a bias power source 4 for applying a bias voltage of.

前記アーク式蒸発源2は、陰極を構成するターゲット6と、このターゲット6と陽極を構成する真空容器1との間に接続されたアーク電源7と、ターゲット6の蒸発面Sにほぼ直交して前方に発散ないし平行に進行し、被処理体Wの近傍まで伸びる磁力線を形成する磁界形成手段としての磁石(永久磁石)8とを備えている。被処理体Wの近傍付近における磁束密度としては、被処理体の中心部において磁束密度が10G(ガウス)以上、好ましくは30G以上とするのが良い。尚、蒸発面にほぼ直交するとは、蒸発面の法線方向に対して0°を含み、30°以下の角度をなすことを意味する。   The arc evaporation source 2 includes a target 6 constituting a cathode, an arc power source 7 connected between the target 6 and a vacuum vessel 1 constituting an anode, and an evaporation surface S of the target 6 substantially orthogonally. A magnet (permanent magnet) 8 is provided as magnetic field forming means that forms magnetic lines of force that diverge forward or parallel to the front and extend to the vicinity of the workpiece W. As the magnetic flux density in the vicinity of the object to be processed W, the magnetic flux density at the center of the object to be processed is 10 G (Gauss) or more, preferably 30 G or more. Note that being substantially orthogonal to the evaporation surface means that the angle includes 0 ° and 30 ° or less with respect to the normal direction of the evaporation surface.

図2は、本発明の実施に供するアーク式蒸発源要部の一例を拡大した断面概略図であるが、前記磁界形成手段としての磁石8は、ターゲット6の蒸発面Sを取り囲むように配置されている。磁界形成手段としては、前記磁石に限らず、コイルとコイル電源とを備えた電磁石でも良い。また、磁石の配置場所は図3に示すように、ターゲット6の蒸発面Sの前方(被処理体側)を取り囲むように設けても良い。尚、図1では、チャンバーをアノードとしたが、例えばターゲット側面前方を取り囲むような円筒形状の専用アノードを設けても良い。図3において、符号の9は電磁石(磁界形成手段)、Wは被処理体、2Aはアーク式蒸発源を示すものである。   FIG. 2 is an enlarged schematic cross-sectional view of an example of the main part of the arc evaporation source used for carrying out the present invention. The magnet 8 as the magnetic field forming means is arranged so as to surround the evaporation surface S of the target 6. ing. The magnetic field forming means is not limited to the magnet, but may be an electromagnet including a coil and a coil power source. Further, as shown in FIG. 3, the magnet may be disposed so as to surround the front (the object to be processed side) of the evaporation surface S of the target 6. In FIG. 1, the chamber is an anode. However, for example, a cylindrical dedicated anode surrounding the front of the target side surface may be provided. In FIG. 3, reference numeral 9 denotes an electromagnet (magnetic field forming means), W denotes a workpiece, and 2A denotes an arc evaporation source.

なお、図4に示す従来のAIP装置のアーク式蒸発源102にも、アーク放電をターゲット106上に集中させるための電磁石109を備えたものがあるが、電磁石109がターゲット106の裏側に位置しているため、磁力線がターゲット蒸発面近傍でターゲット表面と平行となり、磁力線が被処理体Wの近傍にまで伸びないようになっている。   4 includes an electromagnet 109 for concentrating arc discharge on the target 106, the electromagnet 109 is located on the back side of the target 106. Therefore, the magnetic field lines are parallel to the target surface in the vicinity of the target evaporation surface, and the magnetic field lines do not extend to the vicinity of the workpiece W.

本発明で使用するAIP装置のアーク式蒸発源と、従来のそれとの磁場構造の違いは、成膜ガスのプラズマの広がり方の違いにある。   The difference in the magnetic field structure between the arc evaporation source of the AIP apparatus used in the present invention and the conventional one is in the difference in how the plasma of the deposition gas spreads.

前記図3に示すように、放電で発生した電子eの一部が磁力線に巻き付くように運動を行い、この電子が成膜ガスを構成する窒素分子等と衝突することによって成膜ガスがプラズマ化する。前記図4における従来の蒸発源102では、磁力線がターゲット近傍に限られるため、上記のようにして生成された成膜ガスのプラズマの密度はターゲット近傍が最も高く、被処理体Wの近傍ではプラズマ密度がかなり低いものとなっている。これに対し、図2および図3に示すような本発明で使用する蒸発源では、磁力線が被処理体Wにまで伸びるため、被処理体W近傍における成膜ガスのプラズマ密度が従来の蒸発源に比べ格段に高いものとなっている。   As shown in FIG. 3, a part of the electrons e generated by the discharge moves so as to be wound around the magnetic lines of force, and the electrons collide with nitrogen molecules constituting the film forming gas, so that the film forming gas is plasma. Turn into. In the conventional evaporation source 102 in FIG. 4, since the magnetic field lines are limited to the vicinity of the target, the plasma density of the film forming gas generated as described above is highest in the vicinity of the target, and in the vicinity of the workpiece W, the plasma is high. The density is quite low. On the other hand, in the evaporation source used in the present invention as shown in FIG. 2 and FIG. 3, since the lines of magnetic force extend to the workpiece W, the plasma density of the film forming gas in the vicinity of the workpiece W has a conventional evaporation source. It is much higher than.

そして、このようなターゲット表面における磁力線配置、および、基板(被処理体)近傍のプラズマ密度の違いが、生成される膜の結晶構造、ひいては得られる特性に大きく影響を与えると考えられる   And, it is considered that the difference in the magnetic field lines on the surface of the target and the plasma density in the vicinity of the substrate (object to be processed) have a great influence on the crystal structure of the generated film, and thus the obtained characteristics.

本発明では、成膜方法としてAIP法について述べたが、金属元素とともに成膜ガスのプラズマ化が促進される成膜方法であれば、AIP法に限定されるものではなく、例えば、パルススパッタリング法や窒素のイオンビームアシストデポジション法で成膜することができる。   In the present invention, the AIP method has been described as the film forming method. However, the film forming method is not limited to the AIP method as long as the film forming method promotes the plasma formation of the film forming gas together with the metal element. Alternatively, the film can be formed by an ion beam assisted deposition method using nitrogen or nitrogen.

本発明の硬質皮膜は、上述の如くターゲットを蒸発またはイオン化させて、被処理体上に成膜するイオンプレーティング法やスパッタリング法等の気相コーティング法にて製造するのが有効であるが、該ターゲットの特性が好ましくない場合には、成膜時に安定した放電状態が保てず、得られる皮膜の成分組成が均一でない等の問題が生じる。そこで、優れた耐摩耗性を発揮する本発明の硬質皮膜を得るにあたり、使用するターゲットの特性についても検討したところ、下記の様な知見が得られた。   The hard coating of the present invention is effective to be produced by vapor phase coating methods such as ion plating method and sputtering method by evaporating or ionizing the target as described above and forming a film on the object to be processed. When the characteristics of the target are not preferable, problems such as a stable discharge state cannot be maintained during film formation and the composition of the obtained film is not uniform. Then, in obtaining the hard film of the present invention exhibiting excellent wear resistance, the characteristics of the target used were also examined, and the following findings were obtained.

まず、ターゲットの相対密度を95%以上とすることで、成膜時の放電状態が安定し、効率よく本発明の硬質皮膜が得られることが分かった。即ち、ターゲットの相対密度が95%未満になると、ターゲット中にミクロポア等の合金成分の粗な部分が生じるようになり、この様なターゲットを成膜に用いた場合に該合金成分の蒸発が不均一となって、得られる皮膜の成分組成がばらついたり膜厚が不均一となったりしてしまう。また、空孔部分は成膜時に、局所的かつ急速に消耗するので、減耗速度が速くなりターゲットの寿命が短くなる。空孔が多数存在する場合には、局所的な減耗が急速に進むのみならず、ターゲットの強度が劣化して割れが生じる原因ともなるのである。かかる知見に基づき、本発明に係る硬質皮膜形成用ターゲットは、本発明に係る硬質皮膜と同様の組成(成分)を有すると共に、相対密度が95%以上であることを特徴とすることとしている。   First, it was found that by setting the relative density of the target to 95% or more, the discharge state during film formation was stabilized and the hard coating of the present invention was efficiently obtained. That is, when the relative density of the target is less than 95%, a rough portion of an alloy component such as micropores is generated in the target, and when such a target is used for film formation, the evaporation of the alloy component is not performed. It becomes uniform and the composition of the resulting film varies and the film thickness becomes non-uniform. In addition, since the void portion is locally and rapidly consumed during film formation, the depletion rate is increased and the life of the target is shortened. When there are a large number of holes, not only the local wear proceeds rapidly, but also the strength of the target deteriorates and causes cracks. Based on such knowledge, the target for forming a hard film according to the present invention has the same composition (component) as the hard film according to the present invention and has a relative density of 95% or more.

AIP法等の気相コーティング法では、使用するターゲットの成分組成が、形成される皮膜の成分組成を決定付けることから、ターゲットの成分組成は、目的とする皮膜の成分組成と同一であることが好ましい。即ち、耐摩耗性に優れた本発明に係る硬質皮膜を得るには、硬質皮膜形成用ターゲットとして、(Tix ,Aly ,Vz Si w )を含むターゲットであって、
0.02≦x≦0.5、
0.4<y≦0.8、
0.05<z、
0.01≦w≦0.5
x+y+z+=1
(x,y,z,は、それぞれTi,Al,V,Siの原子比を示すものである)であるものを用いることが望ましい
In the vapor phase coating method such as the AIP method, the component composition of the target to be used determines the component composition of the film to be formed. Therefore, the component composition of the target may be the same as the component composition of the target film. preferable. In other words, to obtain a hard coating according to the present invention having excellent wear resistance, as the hard film forming target, a target containing (Ti x, Al y, V z, Si w),
0.02 ≦ x ≦ 0.5,
0.4 <y ≦ 0.8,
0.05 <z,
0.01 ≦ w ≦ 0.5
x + y + z + w = 1
(Where x, y, z, and w are the atomic ratios of Ti, Al, V, and Si , respectively) are preferably used .

上記ターゲットの成分組成を満足していても、ターゲットの成分組成分布がばらついていると、得られる硬質皮膜の成分組成分布も不均一となり、該皮膜の耐摩耗性が部分的に異なることとなってしまう。また、ターゲットの成分組成分布にばらつきがあると、ターゲットに局所的な電気伝導性や融点等の差異が生ずることとなり、これが放電状態を不安定にして良好に成膜されない。従って、上記ターゲットは、組成分布のばらつきが0.5at%以内にあることが好ましい。   Even if the component composition of the target is satisfied, if the component composition distribution of the target varies, the component composition distribution of the resulting hard coating also becomes non-uniform, and the wear resistance of the coating is partially different. End up. In addition, if there is a variation in the component composition distribution of the target, differences in local electrical conductivity, melting point, and the like occur in the target, which makes the discharge state unstable and does not form a film well. Therefore, the target preferably has a variation in composition distribution within 0.5 at%.

また、本発明のターゲットに含有されるSiであるが、ターゲット中に存在する形態としてはTi−Siなどの化合物の形で存在することが好ましい。この理由は次の通りである。即ち、Siが単体でTi、V、Alなどの導電性の高い部分に囲まれていると、スパッタリングあるいはアーク放電による成膜時にターゲットの放電状況が微視的に異なり、放電状態が不安定になることがある。Ti−Si化合物(例えば、Ti5 Si3 またはTiSi2 )は、十分な導電性を有していることから、上記のような問題が起きにくい。全Siに対して、Ti−Si化合物が形成されている割合は、その効果の点から、8割以上であることが好ましい。 Moreover, although it is Si contained in the target of this invention, it is preferable that it exists in the form of compounds, such as Ti-Si, as a form which exists in a target. The reason is as follows. That is, if Si is alone and surrounded by highly conductive parts such as Ti, V, and Al, the discharge state of the target is microscopically different during sputtering or arc discharge, and the discharge state becomes unstable. May be. Since the Ti—Si compound (for example, Ti 5 Si 3 or TiSi 2 ) has sufficient conductivity, the above-described problems are unlikely to occur. The total Si, the proportion of Ti-Si compound is formed, in terms of its effect, it is preferable that 80% or more.

このような、Ti−Si化合物の検出はX線回折で行うか、XPSでダイレクトに Ti-Si結合を検出することができるが、化合物を検出する手段としては、X線回折の方が好ましい。 Such, or the detection of Ti-Si compound is carried out in the X-ray diffraction, although it is possible to detect the Ti-Si binding directly with XPS, as a means of detecting compounds found the following X-ray diffraction preferable.

ところで、本発明は、ターゲットの製造方法についてまで特定するものではないが、例えば、量比や粒径等を適切に調整した原材料のTi粉末、V粉末およびAl粉末並びにSi粉末を、V型ミキサー等により均一に混合して混合粉末とした後、これに冷間静水圧加圧処理(CIP処理)あるいは熱間静水圧加圧処理(HIP処理)を施すことが、本発明のターゲットを得る有効な方法として挙げられる。これらの方法の他、熱間押出法や超高圧ホットプレス法等によっても本発明のターゲットを製造することができる。 Incidentally, the present invention is not intended to specify the method of manufacturing the target, for example, raw material Ti powder appropriately adjusting the ratio or particle diameters, V powder and Al powder and a Si Powder, V-type After uniformly mixing with a mixer or the like to obtain a mixed powder, it is subjected to cold isostatic pressing (CIP processing) or hot isostatic pressing (HIP) to obtain the target of the present invention. It is mentioned as an effective method. In addition to these methods, the target of the present invention can also be produced by a hot extrusion method, an ultra-high pressure hot press method, or the like.

なお、上記の様にして混合粉末を調製した後、ホットプレス処理(HP)にてターゲットを製造する方法も挙げられるが、この方法では、本発明で用いるVが高融点金属であるため相対密度の高いターゲットが得られ難いといった傾向がある。また、上記の様に混合粉末を用いて製造する方法の他、予め合金化させた粉末を用いて、CIP処理やHIP処理を行ったり、溶解・凝固させてターゲットを得る方法も挙げられる。しかし、前記合金化粉末を用いてCIP処理またはHIP処理を行う方法では、組成の均一なターゲットが得られるという利点があるものの、合金粉末が難焼結性であるため、高密度ターゲットが得られ難いといった傾向がある。また、後者の合金化粉末を溶解・凝固させる方法では、組成が比較的均一なターゲットが得られるという利点があるが、凝固時に割れや引け巣が発生し易いといった傾向があり、本発明のターゲットを得ることは難しい。Ti−Si化合物が形成されたターゲットは、ターゲット製造時に、Ti 5 Si 3 化合物の形で添加することにより得ることができる。 In addition, after preparing mixed powder as mentioned above, the method of manufacturing a target by hot press processing (HP) is also mentioned, but in this method, since V used in the present invention is a refractory metal, the relative density Tend to be difficult to obtain a high target. In addition to the method of manufacturing using a mixed powder as described above, a method of obtaining a target by performing a CIP process or a HIP process using a powder that has been alloyed in advance, or by dissolving and solidifying the powder is also included. However, the method of performing CIP treatment or HIP treatment using the alloyed powder has an advantage that a target having a uniform composition can be obtained. However, since the alloy powder is difficult to sinter, a high-density target can be obtained. It tends to be difficult. Further, the latter method of melting and solidifying the alloyed powder has an advantage that a target having a relatively uniform composition can be obtained, but there is a tendency that cracks and shrinkage cavities tend to occur during solidification, and the target of the present invention. Hard to get. The target on which the Ti—Si compound is formed can be obtained by adding Ti 5 Si 3 in the form of a compound when the target is manufactured.

本発明に係る硬質皮膜の製造方法において、「ターゲットの蒸発面にほぼ直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線」とは、「ターゲットの蒸発面の法線方向に対して0〜30°(0°を含む。30°を含む。)の角度をなして前方に発散ないし平行に進行する磁力線」のことである。   In the method for producing a hard coating according to the present invention, “the magnetic lines of force that diverge forward or proceed in parallel substantially perpendicular to the evaporation surface of the target” means “0-30 ° with respect to the normal direction of the evaporation surface of the target”. It includes magnetic field lines that diverge forward or travel in parallel at an angle of (including 0 ° and 30 °).

本発明の実施例および比較例を以下説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。   Examples of the present invention and comparative examples will be described below. In addition, this invention is not limited to this Example.

〔実施例1、比較例1〕
前記図1に示すAIP装置のカソード(即ち、ターゲット6)にTi、V、Al、Siからなる合金ターゲットを取り付け、更に、支持台3上に被処理体Wとして超硬合金製チップ、超硬合金製ボールエンドミル(R5mm、2枚刃)を取り付け、チャンバー(真空容器)1内を真空状態にした。その後、チャンバー1内にあるヒーターで被処理体の温度を500℃に加熱し、Arイオンによるクリーニング後、窒素ガスを導入してチャンバー内の圧力を2.66Paにしてアーク放電を開始し、前記被処理体の表面に膜厚約3μmの皮膜を形成した。なお、成膜中にアース電位に対して基板(被処理体)がマイナス電位となるよう30〜200Vのバイアス電圧を基板(被処理体)に印加した。
[Example 1, Comparative Example 1]
An alloy target made of Ti, V, Al, and Si is attached to the cathode (that is, target 6) of the AIP apparatus shown in FIG. 1, and a chip made of cemented carbide or cemented carbide is used as a workpiece W on the support base 3. An alloy ball end mill (R 5 mm, 2 blades) was attached, and the chamber (vacuum container) 1 was evacuated. Thereafter, the temperature of the object to be processed is heated to 500 ° C. with a heater in the chamber 1, and after cleaning with Ar ions, nitrogen gas is introduced to make the pressure in the chamber 2.66 Pa, and arc discharge is started. A film having a thickness of about 3 μm was formed on the surface of the object to be processed. Note that a bias voltage of 30 to 200 V was applied to the substrate (object to be processed) so that the substrate (object to be processed) had a negative potential with respect to the ground potential during film formation.

成膜終了後、膜中の金属成分組成、ビッカース硬度を調べた。膜中の成分組成はEPMAにより測定した。なお、皮膜中の金属元素(Ti、V、Al、Si)及び窒素以外の不純物元素量は、酸素が1at%(原子%)以下で、炭素が2at%以下のレベルであった。 After film formation, the metal component composition and Vickers hardness in the film were examined. The component composition in the film was measured by EPMA. In addition, the amount of impurity elements other than metal elements (Ti, V, Al, Si ) and nitrogen in the coating was 1 at% (atomic%) or less for oxygen and 2 at% or less for carbon.

また、耐摩耗性を評価すべく、硬質皮膜を形成したエンドミルを用い、以下の条件(切削条件A、切削条件B)で切削試験を行って刃中部分の摩耗幅を測定した。   Further, in order to evaluate the wear resistance, a wear test was carried out under the following conditions (cutting condition A, cutting condition B) using an end mill having a hard coating formed thereon to measure the wear width in the blade.

<切削条件A>
被削材:SKD61(HRC50)
切削速度:220m/分
刃送り:0.06mm/刃
軸切り込み:5mm
径方向切り込み:0.6mm
切削長:50m
その他:ダウンカット、ドライカット、エアブローのみ
<Cutting condition A>
Work material: SKD61 (HRC50)
Cutting speed: 220 m / min Blade feed: 0.06 mm / blade Axial cut: 5 mm
Radial notch: 0.6mm
Cutting length: 50m
Other: Down cut, dry cut, air blow only

<切削条件B>
被削材 :S55C(HB220)
切削速度 :100m/分(5300rpm)
刃送り :0.05mm/刃(530mm/分)
軸切り込み :3mm
径方向切り込み:0.5mm
その他:ダウンカット、ドライカット、エアブローのみ
<Cutting condition B>
Work material: S55C (HB220)
Cutting speed: 100 m / min (5300 rpm)
Blade feed: 0.05 mm / blade (530 mm / min)
Axial cut: 3 mm
Radial notch: 0.5mm
Other: Down cut, dry cut, air blow only

切削試験の評価は、各切削試験にて摩耗が最も進行する部位、即ち、切削条件Aの切削試験では境界部摩耗、切削条件Bの切削試験では先端部の摩耗で評価した。   The evaluation of the cutting test was performed based on the portion where the wear progressed most in each cutting test, that is, the boundary portion wear in the cutting test of cutting condition A, and the tip end wear in the cutting test of cutting condition B.

表1に、前記皮膜の組成の分析、ビッカース硬度の測定、切削試験の結果を示す。尚、摩耗幅Aは、切削条件Aの切削試験での境界部摩耗幅のことであり、摩耗幅Bは、切削条件Bの切削試験での先端部摩耗幅のことである。   Table 1 shows the results of analysis of the composition of the film, measurement of Vickers hardness, and cutting test. The wear width A is the boundary wear width in the cutting test under the cutting condition A, and the wear width B is the tip wear width in the cutting test under the cutting condition B.

皮膜は、表1からわかるように、(Tia , Alb ,Vc )(C1-e e )、または、(Tia , Alb ,Vc , Sid )(C1-e e )からなる硬質皮膜であって、原子比e=1のものである。 As can be seen from Table 1, the coating is (Ti a , Al b , V c ) (C 1 -e N e ) or (Ti a , Al b , V c , S d ) (C 1 -e N N). e ) a hard coating comprising an atomic ratio e = 1.

表1において、No.1〜4 、No.8〜9 、No.13 〜14、No.18 〜20、No.28 のものは、比較例に係る皮膜についての結果である。No.5〜7 、 No.10〜12、 No.15〜17、 No.22〜27のものは、本発明の実施例に係る皮膜についての結果である。   In Table 1, Nos. 1 to 4, Nos. 8 to 9, Nos. 13 to 14, Nos. 18 to 20, and Nos. 28 are the results for the film according to the comparative example. Nos. 5-7, Nos. 10-12, Nos. 15-17, Nos. 22-27 are the results for the films according to the examples of the present invention.

本発明の実施例に係る皮膜は、比較例に係る皮膜に比較して、硬度が高くて高硬度であると共に、摩耗幅Aおよび/または摩耗幅Bが小さくて耐摩耗性に優れていることがわかる。   The film according to the example of the present invention has high hardness and high hardness as compared with the film according to the comparative example, and the wear width A and / or wear width B is small and excellent in wear resistance. I understand.

〔実施例2、比較例2〕
前記図1に示すAIP装置のカソード(:ターゲット6)にTi、V、Al、Siからなる合金ターゲットを取り付け、更に、支持台3上に被処理体Wとして超硬合金製チップ、超硬合金製ボールエンドミル(R5mm、2枚刃)を取り付け、チャンバー(:真空容器)1内を真空状態にした。その後、チャンバー1内のヒーターで被処理体の温度を500℃に加熱し、窒素ガスあるいは窒素とメタンの混合ガスを導入してチャンバー内の圧力を2.66Paにしてアーク放電を開始し、前記被処理体の表面に膜厚3μmの皮膜を形成した。なお、成膜中にアース電位に対して基板(被処理体)がマイナス電位となるよう30〜200Vのバイアス電圧を基板(被処理体)に印加した。
[Example 2, Comparative Example 2]
An alloy target made of Ti, V, Al, and Si is attached to the cathode (: target 6) of the AIP apparatus shown in FIG. 1, and a cemented carbide chip or cemented carbide as a workpiece W on the support 3 A ball end mill (R5 mm, 2 blades) was attached, and the inside of the chamber (: vacuum container) 1 was evacuated. Thereafter, the temperature of the object to be processed is heated to 500 ° C. with a heater in the chamber 1, nitrogen gas or a mixed gas of nitrogen and methane is introduced, the pressure in the chamber is set to 2.66 Pa, and arc discharge is started. A film having a thickness of 3 μm was formed on the surface of the object to be processed. Note that a bias voltage of 30 to 200 V was applied to the substrate (object to be processed) so that the substrate (object to be processed) had a negative potential with respect to the ground potential during film formation.

成膜終了後、膜中の金属成分組成、ビッカース硬度を調べた。膜中の成分組成はEPMAにより測定した。なお、皮膜中の金属元素(Ti、V、Al、Si)並びに窒素および炭素以外の不純物元素量は、酸素が1at%以下のレベルであった。 After film formation, the metal component composition and Vickers hardness in the film were examined. The component composition in the film was measured by EPMA. The metal elements (Ti, V, Al, Si ) in the film and the amount of impurity elements other than nitrogen and carbon were at a level of 1 at% or less for oxygen.

また、耐摩耗性を評価すべく、硬質皮膜を形成したエンドミルを用い、実施例1と同じ条件(切削条件A、切削条件B)で切削試験を行って刃中部分の摩耗幅を測定した。   Further, in order to evaluate the wear resistance, an end mill having a hard film formed thereon was used to perform a cutting test under the same conditions (cutting conditions A and cutting conditions B) as in Example 1 to measure the wear width of the middle part of the blade.

前記皮膜の組成の分析、ビッカース硬度の測定、切削試験の結果を、表2に示す。   Table 2 shows the results of analysis of the composition of the film, measurement of Vickers hardness, and cutting test.

皮膜は、表2からわかるように、(Tia , Alb ,Vc )(C1-e e )、または、(Tia , Alb ,Vc , Sid )(C1-e e )からなる硬質皮膜であって、0.3≦e≦1でeを変化させて種々の原子比とし、これに応じて(1−e)の値も変化させたものである。 As can be seen from Table 2, the coating is (Ti a , Al b , V c ) (C 1 -e N e ) or (Ti a , Al b , V c , S d ) (C 1 -e N n). It is a hard film composed of e ), in which 0.3 ≦ e ≦ 1 and e is changed to various atomic ratios, and the value of (1-e) is also changed accordingly.

表2において、No.1〜3 、No.8、No.13 、No.18 のものは、比較例に係る皮膜についての結果である。No.4〜7 、No.9〜12、No.14 〜17のものは、本発明の実施例に係る皮膜についての結果である。   In Table 2, Nos. 1 to 3, No. 8, No. 13, and No. 18 are the results for the film according to the comparative example. The thing of No.4-7, No.9-12, No.14-17 is the result about the film | membrane which concerns on the Example of this invention.

本発明の実施例に係る皮膜は、比較例に係る皮膜に比較して、硬度が高くて高硬度であると共に、摩耗幅Aおよび/または摩耗幅Bが小さくて耐摩耗性に優れていることがわかる。また、本発明の実施例に係る皮膜の中、C、Nの影響に関しては、Cの原子比が大きくてNの原子比が小さいものほど、硬度が高く、概ね摩耗幅Aが小さくて耐摩耗性に優れている。   The film according to the example of the present invention has high hardness and high hardness as compared with the film according to the comparative example, and the wear width A and / or wear width B is small and excellent in wear resistance. I understand. In addition, regarding the influence of C and N among the films according to the examples of the present invention, the larger the atomic ratio of C and the smaller the atomic ratio of N, the higher the hardness and the smaller the wear width A and the wear resistance. Excellent in properties.

〔実施例3、比較例3〕
前記図1に示すAIP装置のカソード(:ターゲット6)にTi、V、Al、Siからなる合金ターゲットを取り付け、更に、支持台1上に被処理体Wとして超硬合金製チップ、超硬合金製ボールエンドミル(R5mm、2枚刃)を取り付け、チャンバー(真空容器)1内を真空状態にした。その後、チャンバー1内のヒーターで被処理体の温度を500℃に加熱し、窒素ガスを導入してチャンバー1内の圧力を2.66Paにしてアーク放電を開始し、前記被処理体の表面に膜厚3μmの皮膜を形成した。なお、成膜中にアース電位に対して基板(被処理体)がマイナス電位となるよう30〜200Vのバイアス電圧を基板(被処理体)に印加した。
[Example 3, Comparative Example 3]
An alloy target made of Ti, V, Al, and Si is attached to the cathode (: target 6) of the AIP apparatus shown in FIG. 1, and a cemented carbide chip or cemented carbide as the workpiece W on the support 1 A ball end mill (R 5 mm, 2 blades) was attached, and the chamber (vacuum container) 1 was evacuated. Thereafter, the temperature of the object to be processed is heated to 500 ° C. with a heater in the chamber 1, nitrogen gas is introduced, the pressure in the chamber 1 is set to 2.66 Pa, and arc discharge is started. A film having a thickness of 3 μm was formed. Note that a bias voltage of 30 to 200 V was applied to the substrate (object to be processed) so that the substrate (object to be processed) had a negative potential with respect to the ground potential during film formation.

成膜終了後、膜中の金属成分組成、ビッカース硬度を調べた。膜中の成分組成はEPMAにより測定した。なお、皮膜中の金属元素(Ti、V、Al、Si)および窒素以外の不純物元素量は、酸素が1at%以下で、炭素が2at%以下のレベルであった。 After film formation, the metal component composition and Vickers hardness in the film were examined. The component composition in the film was measured by EPMA. The amount of impurity elements other than metal elements (Ti, V, Al, Si ) and nitrogen in the film was at a level of 1 at% or less for oxygen and 2 at% or less for carbon.

また、耐摩耗性を評価すべく、硬質皮膜を形成したエンドミルを用い、実施例1と同じ条件(切削条件A、切削条件B)で切削試験を行って刃中部分の摩耗幅を測定した。   Further, in order to evaluate the wear resistance, an end mill having a hard film formed thereon was used to perform a cutting test under the same conditions (cutting conditions A and cutting conditions B) as in Example 1 to measure the wear width of the middle part of the blade.

前記皮膜の組成の分析、ビッカース硬度の測定、切削試験の結果を、表3に示す。   Table 3 shows the results of analysis of the composition of the film, measurement of Vickers hardness, and cutting test.

皮膜は、表3からわかるように、(Tia , Alb ,Vc )(C1-e e )、または、(Tia , Alb ,Vc , Sid )(C1-e e )からなる硬質皮膜であって、原子比eは全て1であり、その他の原子比を変化させて種々の原子比としたものである。 As can be seen from Table 3, the coating has (Ti a , Al b , V c ) (C 1 -e N e ) or (Ti a , Al b , V c , S d ) (C 1 -e N n). e ) , the atomic ratio e is all 1, and other atomic ratios are changed to have various atomic ratios.

表3において、No.1〜3 のものは、比較例に係る皮膜についての結果である。No.4、10のものは、本発明の実施例に係る皮膜についての結果である。 In Table 3, Nos . 1 to 3 are the results for the film according to the comparative example. Nos . 4 and 10 are the results for the films according to the examples of the present invention.

本発明の実施例に係る皮膜は、比較例に係る皮膜に比較して、硬度が高くて高硬度であると共に、摩耗幅Aおよび/または摩耗幅Bが小さくて耐摩耗性に優れていることがわかる The film according to the example of the present invention has high hardness and high hardness as compared with the film according to the comparative example, and the wear width A and / or wear width B is small and excellent in wear resistance. I understand .

〔実施例4〕
特にはターゲットの密度をパラメータとして変化させた。即ち、密度が種々異なる(Ti,V,Al,Si)よりなるターゲットを作製し、AIP方式あるいはUBMS方式により成膜を実施し、成膜後の皮膜の組成、硬度、及び、表面粗度を調査した。
Example 4
In particular, the density of the target was changed as a parameter. That is, a target composed of (Ti, V, Al, Si ) having various densities is prepared, and film formation is performed by the AIP method or UBMS method. The composition, hardness, and surface roughness of the film after the film formation are adjusted. investigated.

この結果を表4に示す。表4に示すものの中、No.3〜5 は、成膜の際にターゲットとして本発明の実施例に係るターゲットを用いた場合に得られた皮膜についての結果である。これ以外(即ち、No.1、2 )は、ターゲットとして比較例に係るターゲットを用いた場合に得られた皮膜についての結果である。 The results are shown in Table 4. Among those shown in Table 4, Nos . 3 to 5 are results on the films obtained when the targets according to the examples of the present invention were used as the targets during film formation. Other than this (namely, Nos . 1 and 2 ) are the results for the film obtained when the target according to the comparative example was used as the target.

皮膜は、表4からわかるように、(Tia , Alb ,Vc , Sid )(C1-e e )からなる硬質皮膜であって、ターゲットとしてSiが非化合物の状態で存在するターゲットを用いた場合に得られたもの〔No.1〜5 〕である。 As can be seen from Table 4, the film is a hard film made of (Ti a , Al b , V c , Si d ) (C 1-e N e ), and Si exists in a non-compound state as a target. It is obtained [No. 1 to 5] when a target is used.

No.1〜5 のものは、(Tia , Alb ,Vc , Sid )(C1-e e )からなる皮膜についての結果であり、この中でみると、ターゲットとしてターゲット密度の大きいものを使用して得られた皮膜の場合ほど、皮膜の硬度が高く、また、皮膜の表面粗度(Ra)値が小さくて皮膜表面が平滑である。 Nos. 1 to 5 are the results for a film made of (Ti a , Al b , V c , Si d ) (C 1-e N e ). The larger the film obtained by using a larger film, the higher the hardness of the film, and the smaller the surface roughness (Ra) value of the film, the smoother the film surface.

Figure 0004456374
Figure 0004456374

Figure 0004456374
Figure 0004456374

Figure 0004456374
Figure 0004456374

Figure 0004456374
Figure 0004456374

本発明に係る硬質皮膜は、従来のTiAlN皮膜や(TiAlV)(CN)皮膜よりも高硬度であって耐摩耗性に優れているので、切削工具や機械部品あるいは塑性加工用治具等のコーティング皮膜として好適に用いることができ、それらの耐摩耗性を向上することができる。   The hard coating according to the present invention has higher hardness and superior wear resistance than conventional TiAlN coatings and (TiAlV) (CN) coatings, so it can be used for coating cutting tools, machine parts, plastic working jigs, etc. It can be used suitably as a film, and their wear resistance can be improved.

本発明の実施に使用する装置例としてのアークイオンプレーティング(AIP)装置の一例の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of an example of the arc ion plating (AIP) apparatus as an example of an apparatus used for implementation of this invention. 本発明の実施に供するアーク式蒸発源要部の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the arc type evaporation source principal part with which this invention is implemented. 本発明の実施に供するアーク式蒸発源要部の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the arc type evaporation source principal part with which this invention is implemented. 従来のアークイオンプレーティング(AIP)装置のアーク式蒸発源の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the arc evaporation source of the conventional arc ion plating (AIP) apparatus.

1--真空容器、 2,2A--アーク式蒸発源、 3--支持台、 4--バイアス電源、 6--ターゲット、 7--アーク電源、 8--磁石(磁界形成手段)、 9--電磁石(磁界形成手段)、 11--排気口、 12--ガス供給口、 W--被処理体、 S--ターゲットの蒸発面。   1--Vacuum vessel, 2,2A--arc evaporation source, 3--support base, 4--bias power supply, 6--target, 7--arc power supply, 8--magnet (magnetic field forming means), 9 -Electromagnet (magnetic field forming means), 11-- exhaust port, 12-- gas supply port, W-- workpiece, S-- evaporation surface of target.

Claims (6)

(Tia , Alb ,Vc , Si d )(C1-e e )を含む硬質皮膜であって、
0.02≦a≦0.5、
0.4<b≦0.8、
0.05<c、
0.01≦d≦0.5、
a+b+c+=1、
0.5≦e≦1
(a,b,c,はそれぞれTi,Al,V,Siの原子比を示し、eはNの原子比を示すものである)であることを特徴とする硬質皮膜。
A (Ti a, Al b, V c, Si d) (C 1-e N e) hard coating comprising,
0.02 ≦ a ≦ 0.5,
0.4 <b ≦ 0.8,
0.05 <c,
0.01 ≦ d ≦ 0.5,
a + b + c + d = 1,
0.5 ≦ e ≦ 1
(A, b, c, and d are the atomic ratios of Ti, Al, V, and Si , respectively, and e is the atomic ratio of N).
請求項1記載の硬質皮膜の製造方法であって、成膜ガス雰囲気中で金属を蒸発させイオン化して、前記金属とともに成膜ガスのプラズマ化を促進しつつ成膜することを特徴とする硬質皮膜の製造方法。2. The method of manufacturing a hard film according to claim 1, wherein the metal is evaporated and ionized in a film forming gas atmosphere, and the film is formed while promoting the plasma formation of the film forming gas together with the metal. A method for producing a film. ターゲットを構成する金属の蒸発およびイオン化をアーク放電にて行うアークイオンプレーティング法を用い、ここで、該ターゲットの蒸発面にほぼ直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線を形成し、この磁力線によって被処理体近傍における成膜ガスのプラズマ化を促進しつつ成膜する請求項2記載の硬質皮膜の製造方法。Using an arc ion plating method in which evaporation and ionization of the metal constituting the target are performed by arc discharge, a magnetic field line that diverges forward or travels in a direction substantially perpendicular to the evaporation surface of the target is formed. The method for producing a hard coating according to claim 2, wherein the film is formed while accelerating the plasma formation of the film forming gas in the vicinity of the object to be processed by magnetic lines of force. (Ti(Ti x x ,Al, Al y y ,V, V z z ,Si, Si w w )を含むターゲットであって、) Including:
0.02≦x≦0.5、0.02 ≦ x ≦ 0.5,
0.4<y≦0.8、0.4 <y ≦ 0.8,
0.05<z、0.05 <z,
0.01≦w≦0.50.01 ≦ w ≦ 0.5
x+y+z+w=1x + y + z + w = 1
(x,y,z,wは、それぞれTi,Al,V,Siの原子比を示すものである)であると共に、相対密度が95%以上であることを特徴とする硬質皮膜形成用ターゲット。(X, y, z, and w are the atomic ratios of Ti, Al, V, and Si, respectively), and the relative density is 95% or more.
Siが化合物の形で存在する請求項4記載の硬質皮膜形成用ターゲット。The hard film-forming target according to claim 4, wherein Si is present in the form of a compound. 前記化合物がTi−Si化合物である請求項5記載の硬質皮膜形成用ターゲット。The hard film-forming target according to claim 5, wherein the compound is a Ti—Si compound.
JP2004029446A 2003-02-07 2004-02-05 Hard film, method for producing the same, and target for forming hard film Expired - Fee Related JP4456374B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004029446A JP4456374B2 (en) 2003-02-07 2004-02-05 Hard film, method for producing the same, and target for forming hard film

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003031299 2003-02-07
JP2004029446A JP4456374B2 (en) 2003-02-07 2004-02-05 Hard film, method for producing the same, and target for forming hard film

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004256914A JP2004256914A (en) 2004-09-16
JP4456374B2 true JP4456374B2 (en) 2010-04-28

Family

ID=33133781

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004029446A Expired - Fee Related JP4456374B2 (en) 2003-02-07 2004-02-05 Hard film, method for producing the same, and target for forming hard film

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4456374B2 (en)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5443403B2 (en) * 2004-09-30 2014-03-19 株式会社神戸製鋼所 Hard coating excellent in high temperature lubricity and wear resistance and target for forming the hard coating
JP4706246B2 (en) * 2004-12-07 2011-06-22 大同特殊鋼株式会社 Multi-component target material and manufacturing method thereof
CN100529157C (en) * 2005-02-08 2009-08-19 株式会社神户制钢所 Hard coating, target for forming hard coating, and method for forming hard coating
JP4676780B2 (en) * 2005-02-16 2011-04-27 株式会社神戸製鋼所 Hard coating, laminated hard coating and method for producing the same
JP4967505B2 (en) * 2006-07-28 2012-07-04 株式会社タンガロイ Covering member
JP5096715B2 (en) * 2006-09-21 2012-12-12 株式会社神戸製鋼所 Hard coating and hard coating tool
JP5514149B2 (en) * 2011-04-19 2014-06-04 株式会社神戸製鋼所 Hard coating, hard coating coating material, and mold for cold plastic working
WO2012173236A1 (en) * 2011-06-17 2012-12-20 株式会社神戸製鋼所 Member covered with hard coating film
JP5946337B2 (en) 2012-06-20 2016-07-06 株式会社神戸製鋼所 Arc type evaporation source
JP6211858B2 (en) * 2013-09-12 2017-10-11 株式会社神戸製鋼所 Manufacturing method of hard coating with excellent lubricity and wear resistance

Also Published As

Publication number Publication date
JP2004256914A (en) 2004-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4062583B2 (en) Hard coating for cutting tool, method for producing the same, and target for forming hard coating
JP4112836B2 (en) Target for forming hard coatings for cutting tools
JP4112834B2 (en) Target for forming hard coatings for cutting tools
JP4758288B2 (en) Manufacturing method of hard coating
KR100653001B1 (en) Hard film for cutting tools, cutting tool coated with hard film, process for forming hard film, and target used to form hard film
US6767658B2 (en) Hard wear resistant film, process for forming hard film, and target used to form hard film
JP4950499B2 (en) Hard coating and method for forming the same
US7211138B2 (en) Hard film, method of forming the same and target for hard film formation
JP5036338B2 (en) Surface-coated cutting tool with excellent fracture resistance due to hard coating layer
JP4062582B2 (en) Hard coating for cutting tool, method for producing the same, and target for forming hard coating
JP2009263717A (en) Hard film and target for forming hard film
JP4456374B2 (en) Hard film, method for producing the same, and target for forming hard film
JP5250706B2 (en) Hard film with excellent wear resistance
JP4253169B2 (en) Hard coating with excellent wear resistance, method for producing the same, cutting tool, and target for forming hard coating
JP4616213B2 (en) Hard coating for cutting tools
JP5651053B2 (en) Cutting edge exchangeable cutting tip, cutting method using the same, and manufacturing method of cutting edge exchangeable cutting tip
JP2017013145A (en) Surface-coated cutting tool for exhibiting excellent abrasion resistance in high-speed cutting work
JP4645944B2 (en) Carbide broach made of surface-coated cemented carbide with excellent wear resistance due to lubricated amorphous carbon coating
WO2020075356A1 (en) Cutting tool and manufacturing method therefor
JP2010095800A (en) Method of producing hard film
JP2009090396A (en) Surface-coated cutting tool having hard coated layer exhibiting excellent chipping resistance in heavy cutting
JP4346020B2 (en) Hard coating tool
EP4082699A1 (en) Coated cutting tool
JP2008049455A (en) Surface coated cutting tool having hard coating layer showing superior chipping resistance and wear resistance
JP2005022044A (en) Cutting tool made of surface coated cemented carbide with surface coating layer exhibiting excellent wear resistance in high-speed cutting

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20060925

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20090629

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090721

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090909

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20091117

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20091222

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20100202

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20100205

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130212

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4456374

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140212

Year of fee payment: 4

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees