JP4634247B2 - Surface coated cutting tool - Google Patents
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Description
本発明は、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型チップ、エンドミル用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具に関し、特にその表面（最外層）に耐摩耗性等の特性を向上させる被膜を形成した表面被覆切削工具に関する。 The present invention relates to drills, end mills, drill tip replacement tips, end mill tip replacement tips, milling tip replacement tips, turning tip replacement tips, metal saws, gear cutting tools, reamers, taps, etc. More particularly, the present invention relates to a surface-coated cutting tool in which a coating for improving characteristics such as wear resistance is formed on the surface (outermost layer).
従来、切削用の工具としては、超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ合金もしくはこれにＴｉ（チタン）やＴａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）等の炭窒化物を添加した合金）が用いられてきた。しかし、近年の切削の高速化に伴い、超硬合金、サーメット、あるいはアルミナ系や窒化珪素系のセラミックスを基材として、その表面にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法やＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法で元素周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属やＡｌ（アルミニウム）などの炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ窒化物、酸化物からなる被膜を３〜２０μｍの厚さに被覆した硬質合金工具の使用割合が増大している。 Conventionally, cemented carbides (WC-Co alloys or alloys obtained by adding carbonitrides such as Ti (titanium), Ta (tantalum), Nb (niobium), etc.) have been used as cutting tools. However, with the recent increase in cutting speed, cemented carbide, cermet, or alumina-based or silicon nitride-based ceramics is used as a base material, and the surface is subjected to CVD (Chemical Vapor Deposition) or PVD (Physical Vapor Deposition). Hard alloy tool with a coating of carbide, nitride, carbonitride, boronitride, oxide such as IVa, Va, VIa group metals and Al (aluminum) of the periodic table of elements coated to a thickness of 3-20 μm The usage rate of is increasing.
特に、ＰＶＤ法による被覆は、基材強度の劣化を招かずに耐摩耗性を高め得るということから、ドリル、エンドミル、フライスまたは旋削加工用刃先交換型（スローアウェイ）チップなどの強度の要求される切削工具に多用されている。 In particular, the coating by the PVD method can increase the wear resistance without causing deterioration of the base material strength, so that the strength of drills, end mills, milling cutters or turning edge insert type (throw away) inserts for turning is required. It is often used for cutting tools.
近年、切削加工能率を一層向上させるため、切削速度がより高速になってきており、そのことに伴い工具には一層の耐摩耗性が要求されるようになってきている。しかし、高い耐摩耗性を要求すると靭性が低下するということから、高い耐摩耗性および高い靭性の双方を両立させることが要求されている。 In recent years, in order to further improve the cutting efficiency, the cutting speed has been increased, and accordingly, the tool is required to have higher wear resistance. However, when high wear resistance is required, the toughness is lowered, so that it is required to achieve both high wear resistance and high toughness.
この要求に応える試みとして、このような切削工具の基材表面に形成された被膜において、圧縮応力等の内部応力を連続的または段階的に変化させる手法が提案されている（特許文献１）。このような提案により、耐摩耗性および靭性の両立という要求に対してはある程度の効果を挙げつつある。 As an attempt to meet this requirement, a technique has been proposed in which internal stress such as compressive stress is changed continuously or stepwise in the coating formed on the surface of the base material of such a cutting tool (Patent Document 1). With such a proposal, a certain degree of effect is being given to the requirement of achieving both wear resistance and toughness.
しかしながら、上記のような提案にかかる切削工具は、その被膜の圧縮応力が被膜表面側から基材表面側にかけて一律に増加乃至減少する態様のものであるため、靭性を顕著に向上させるには圧縮応力を基材表面側から被膜表面側にかけて増加させる必要があり、耐摩耗性を顕著に向上させるには圧縮応力を被膜表面側から基材表面側にかけて増加させる必要があった。 However, the cutting tool according to the above proposal has a mode in which the compressive stress of the coating uniformly increases or decreases from the coating surface side to the base material surface side. It was necessary to increase the stress from the substrate surface side to the coating surface side, and to significantly improve the wear resistance, it was necessary to increase the compressive stress from the coating surface side to the substrate surface side.
すなわち、被膜表面において最大の圧縮応力を有する態様においては上記靭性に優れるものの、基材表面側に向けて連続的または段階的に圧縮応力が一律に減少するため耐摩耗性には劣っていた。逆に、基材表面側において最大の圧縮応力を有する態様においては耐摩耗性に優れるものの、被膜表面側に向けて連続的または段階的に圧縮応力が一律に減少するため靭性には劣っていた。 That is, in the aspect having the maximum compressive stress on the surface of the coating, the toughness is excellent, but the compressive stress decreases uniformly or stepwise toward the substrate surface side, so that the wear resistance is inferior. On the contrary, in the aspect having the maximum compressive stress on the substrate surface side, although it is excellent in abrasion resistance, the compressive stress is uniformly reduced stepwise toward the coating surface side, so that the toughness is inferior. .
特に被膜表面において最大の圧縮応力を有する態様の切削工具は、その大きな圧縮応力故に被膜形成後（コーティング終了後）または衝撃応力が負荷されたときに被膜が自己破壊し、微小な膜剥離（以下、膜チッピングと記す）が生じやすく、切削工具としての外観品質や高精度加工時の切削性能に悪影響を与えていた。 In particular, the cutting tool having the maximum compressive stress on the surface of the coating film has a large compressive stress, so that the coating film self-destructs after film formation (after coating is completed) or when impact stress is applied, and minute film peeling (hereinafter referred to as “film peeling”) , Which is referred to as film chipping), which adversely affects the appearance quality as a cutting tool and the cutting performance during high-precision machining.
この種の切削工具において靭性と耐摩耗性の両立は、最も基本的な特性の一つであるためこれら両者をさらに高度に両立させた切削工具の提供が望まれていた。
本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、切削工具の靭性と耐摩耗性とを高度に両立させるとともに膜チッピングを抑制した表面被覆切削工具を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described situation, and an object of the present invention is to provide a surface-coated cutting tool that achieves both high toughness and wear resistance of the cutting tool and suppresses film chipping. It is to provide.
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねたところ、基材上に最外層として形成される被膜の表面部における圧縮応力を高めるとともに、その被膜の内部において圧縮応力の強度分布に極小点および極大点を形成すれば、表面の高度な靭性を維持したままその極小点近傍において耐摩耗性が向上するとともに衝撃等の応力を緩和することができ膜チッピングに対する耐性も同時に向上し、さらに極大点近傍においてより高度な靭性が得られるのではないかという知見を得た。本発明は、これらの知見に基づきさらに研究を重ねることにより完成されたものである。 The present inventor has made extensive studies to solve the above problems, and as a result, the compressive stress in the surface portion of the coating formed as the outermost layer on the substrate is increased and the strength distribution of the compressive stress in the coating is increased. By forming minimum points and maximum points on the surface, wear resistance is improved in the vicinity of the minimum point while maintaining high toughness of the surface, and stress such as impact can be relieved, and resistance to film chipping is improved at the same time. Furthermore, the inventors have obtained the knowledge that higher toughness can be obtained in the vicinity of the maximum point. The present invention has been completed by further research based on these findings.
すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、該被膜は、該基材上の最外層となるものであり、かつ圧縮応力を有しており、該圧縮応力は、上記被膜の厚み方向に強度分布を有するように変化しており、該強度分布は、上記被膜の表面の圧縮応力が上記被膜の表面から、上記被膜の表面と上記被膜の底面との間に位置する第１の中間点まで連続的に減少し、該第１の中間点において極小点を有するとともに、該第１の中間点から、該第１の中間点と上記被膜の底面との間に位置する第２の中間点まで連続的に増加し、該第２の中間点において極大点を有し、さらに該第２の中間点と上記被膜の底面との間に上記同様の極小点を１以上有することを特徴としている。 That is, the surface-coated cutting tool of the present invention is a surface-coated cutting tool comprising a substrate and a coating formed on the substrate, and the coating is an outermost layer on the substrate. And has a compressive stress, and the compressive stress is changed so as to have a strength distribution in the thickness direction of the coating, and the strength distribution indicates that the compressive stress on the surface of the coating is the surface of the coating To a first intermediate point located between the surface of the coating and the bottom surface of the coating, and having a minimum point at the first intermediate point, and from the first intermediate point, Continuously increasing to a second intermediate point located between the first intermediate point and the bottom surface of the coating, having a local maximum at the second intermediate point; and It is characterized by having one or more similar minimum points between the bottom surface of the coating.
また、上記強度分布は、さらに上記第２の中間点と上記被膜の底面との間に上記同様の極大点を１以上有するものとすることができる。また、上記強度分布は、さらに上記第２の中間点と上記被膜の底面との間において上記同様の極小点と極大点とをそれぞれ１以上この順で交互に繰り返して有するものとすることができる。 The intensity distribution may further have one or more similar maximum points between the second intermediate point and the bottom surface of the coating. The intensity distribution may further have one or more of the same minimum and maximum points alternately in this order between the second intermediate point and the bottom surface of the coating. .
また、上記極小点はすべて、実質的に同一の数値となる圧縮応力を有し、かつ上記極大点はすべて、実質的に同一の数値となる圧縮応力を有していても良く、あるいは上記極小点、極大点がすべて異なる圧縮応力値を有していても良い。 Further, all the minimum points may have a compressive stress having substantially the same numerical value, and all the maximum points may have a compressive stress having substantially the same numerical value. The points and local maximum points may all have different compressive stress values.
ここで、上記圧縮応力は、−１５ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の範囲の応力とすることができる。また上記第１の中間点は、上記被膜の表面から、上記被膜の厚みの０．１％以上４０％以下の距離を有して位置するものとすることができる。また上記第２の中間点は、上記被膜の表面から、上記被膜の厚みの０．２％以上８０％以下の距離を有して位置するものとすることができる。 Here, the said compressive stress can be made into the stress of the range of -15GPa or more and 0GPa or less. The first intermediate point may be located at a distance of 0.1% to 40% of the thickness of the coating from the surface of the coating. The second intermediate point may be located at a distance of 0.2% to 80% of the thickness of the coating from the surface of the coating.
また上記圧縮応力は、上記被膜の表面において最大となることができ、また上記圧縮応力は、上記第１の中間点において上記被膜の表面の圧縮応力の１０〜８０％の値を有するものとすることができる。 The compressive stress can be maximized on the surface of the coating, and the compressive stress has a value of 10 to 80% of the compressive stress on the surface of the coating at the first intermediate point. be able to.
また上記圧縮応力は、上記第１の中間点において上記被膜の表面の圧縮応力の２０〜６０％の値を有するものとすることができる。 The compressive stress may have a value of 20 to 60% of the compressive stress on the surface of the coating at the first intermediate point.
また上記圧縮応力は、上記被膜の表面の圧縮応力が上記被膜の表面から上記第１の中間点の方向に向かって一定の距離の間維持された後、上記第１の中間点まで連続的に減少するものとすることができる。 The compressive stress is continuously increased to the first intermediate point after the compressive stress on the surface of the coating is maintained for a certain distance from the surface of the coating toward the first intermediate point. It can be reduced.
本発明の表面被覆切削工具は、上記のような構成を有することにより、靭性と耐摩耗性とを高度に両立させるとともに膜チッピングに対する耐性をも向上させた特性を有するものである。 The surface-coated cutting tool of the present invention has the above-described configuration, so that the toughness and the wear resistance are both highly compatible and the resistance to film chipping is also improved.
特に、上記被膜の表面において被膜内部よりも大きな圧縮応力を有することにより切削初期に生じる工具の欠損等を有効に防止し、切削工具としての靭性が向上するとともに、被膜内部の表面に近い部分に圧縮応力の強度分布の極小点を形成させたことによりその部分が被膜の自己破壊や衝撃等の応力を緩和する作用を奏することによって被膜の底面方向への亀裂の進展を抑制し、膜チッピングに対する耐性が飛躍的に向上しかつ耐摩耗性も同時に向上したものとなる。 In particular, by having a compressive stress larger than the inside of the coating on the surface of the coating, it is possible to effectively prevent the chipping of the tool that occurs at the beginning of cutting, improve toughness as a cutting tool, and close to the portion near the surface inside the coating By forming the minimum point of the strength distribution of compressive stress, the part acts to relieve stress such as self-destruction and impact of the film, thereby suppressing the progress of cracks toward the bottom surface of the film, and against film chipping The resistance is dramatically improved and the wear resistance is improved at the same time.
また、上記極小点とともに極大点を設けたことにより、その極大点近傍においてさらに高度な靭性を得ることができるようになった。そしてさらに、このような極小点及び極大点を複数形成することにより、耐摩耗性および靭性がさらに向上するとともに、膜チッピングに対する耐性もさらに向上したものとなる。 Further, by providing a local maximum point together with the local minimum point, it becomes possible to obtain a higher degree of toughness in the vicinity of the local maximum point. Furthermore, by forming a plurality of such minimum points and maximum points, the wear resistance and toughness are further improved, and the resistance to film chipping is further improved.
このように本発明は、これらの効果が相乗的に作用することにより靭性と耐摩耗性とを高度に両立させるとともに膜チッピングに対する耐性を向上させることに成功したものである。 As described above, the present invention succeeds in improving the resistance against film chipping as well as making the toughness and the wear resistance highly compatible by synergistically acting these effects.
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明では、図面を用いて説明しているが、本願の図面において同一の参照符号を付したものは、同一部分または相当部分を示している。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail. In the following description of the embodiments, the description is made with reference to the drawings. In the drawings of the present application, the same reference numerals denote the same or corresponding parts.
＜表面被覆切削工具＞
図１に示したように、本発明の表面被覆切削工具１は、基材２と、該基材上に形成された被膜３とを備えた構成を有している。なお、図１では、被膜３が基材２表面に直接接するように形成されているが、被膜３が最外層となる限り被膜３と基材２との間には後述するように任意の中間層が形成されていても差し支えない。本願において基材上に形成された被膜という場合は、このように任意の中間層が形成された場合も含むものとする。
<Surface coated cutting tool>
As shown in FIG. 1, the surface-coated cutting tool 1 of the present invention has a configuration including a
このような本発明の表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型チップ、エンドミル用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具として好適に用いることができ、とりわけ重切削用または断続切削用の用途に好適であるとともに、フライス加工用の用途に特に適したものとなっており、これらの用途で靭性および耐摩耗性に優れたものとなる。さらに、膜チッピングに対する耐性にも優れることから被削材の仕上げ面粗さが向上し、被削材の仕上げ面光沢にも優れることから粗仕上同時加工が可能である。 Such a surface-coated cutting tool according to the present invention includes a drill, an end mill, a drill tip replacement tip, an end mill tip replacement tip, a milling tip replacement tip, a turning tip replacement tip, a metal saw, and a gear cutter. It can be suitably used as a cutting tool for tools, reamers, taps, etc., and is particularly suitable for heavy cutting or intermittent cutting applications, and particularly suitable for milling applications. Excellent toughness and wear resistance depending on the application. Furthermore, since it has excellent resistance to film chipping, the finish surface roughness of the work material is improved, and since the finish surface gloss of the work material is also excellent, simultaneous rough finishing is possible.
＜基材＞
本発明の表面被覆切削工具に用いられる基材は、この種の用途の基材として従来公知のものであればいずれのものも使用することができる。たとえば、超硬合金（たとえばＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはさらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含む）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、立方晶型窒化硼素焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。
<Base material>
As the base material used in the surface-coated cutting tool of the present invention, any base material can be used as long as it is a conventionally known base material for this kind of use. For example, cemented carbide (for example, WC-based cemented carbide, including WC, including Co, or further including carbonitride such as Ti, Ta, Nb), cermet (TiC, TiN, TiCN, etc.) Main component), high-speed steel, ceramics (titanium carbide, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, etc.), cubic boron nitride sintered body, or diamond sintered body Is preferred.
これらの各種基材の中でも、特にＷＣ基超硬合金、サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体を選択することが好ましい。これは、これらの基材が特に高温硬度と強度とのバランスに優れ、上記用途の表面被覆切削工具の基材として優れた特性を有するためである。 Among these various substrates, it is particularly preferable to select a WC-based cemented carbide, cermet, and cubic boron nitride sintered body. This is because these substrates are particularly excellent in the balance between high-temperature hardness and strength, and have excellent characteristics as a substrate for a surface-coated cutting tool for the above applications.
＜被膜＞
本発明の被膜は、上記の基材上に形成されるものであって最外層となるものである。このように形成されている限り、必ずしも上記基材を全面に亘って被覆している必要はなく、上記基材の表面に該被膜が形成されていない部分や後述の圧縮応力の強度分布を満たさない部分が含まれていても差し支えない。なお、被膜を一旦形成した後において、任意の後加工によりその被膜の表面の一部が除去される場合に、それが除去された後に新たに最表面に露出した層についても本発明の圧縮応力の強度分布を満たす被膜となる場合には本発明に含まれる。また、後述のように基材と被膜との間に中間層が形成されている場合において、その被膜が任意の後加工により除去されて中間層が最外層として露出する場合にも、その露出部分の該中間層が本発明の圧縮応力の強度分布を満たす被膜となる場合には本発明に含まれる（この場合、該中間層が複数の層で形成されている場合には、その複数の層のうち最外層（最表面となる層）が本発明の対象の被膜となる）。
<Coating>
The coating film of the present invention is formed on the above-mentioned base material and is the outermost layer. As long as it is formed in this way, it is not always necessary to cover the entire surface of the substrate, and the portion where the coating is not formed on the surface of the substrate or the strength distribution of the compressive stress described later is satisfied. It does not matter even if there is no part. In addition, when a part of the surface of the film is removed by arbitrary post-processing after the film is once formed, the compressive stress of the present invention is also applied to a layer newly exposed on the outermost surface after the film is removed. In the case of a film satisfying the intensity distribution, it is included in the present invention. Further, when an intermediate layer is formed between the base material and the coating as will be described later, the exposed portion is also removed when the coating is removed by any post-processing and the intermediate layer is exposed as the outermost layer. Of the present invention is included in the present invention (in this case, when the intermediate layer is formed of a plurality of layers, the plurality of layers Among these, the outermost layer (the layer that is the outermost surface) is the coating film of the present invention).
このような被膜は、工具の耐摩耗性、耐酸化性、靭性、使用済み刃先部の識別のための色付性等の諸特性を向上させる作用を付与するために形成されるものであり、その組成は特に限定されるものではなく従来公知のものを採用することができる。たとえば、元素周期律表のＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、Ｖａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、ＶＩａ族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｂ（ホウ素）、Ｓｉ（シリコン）およびＧｅ（ゲルマニウム）からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素の炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物またはこれらの固溶体により構成されるものをその組成として例示することができる。 Such a coating is formed in order to impart an effect of improving various properties such as wear resistance, oxidation resistance, toughness of the tool, and coloring property for identifying the used blade edge part, The composition is not particularly limited, and a conventionally known one can be adopted. For example, group IVa elements (Ti, Zr, Hf, etc.), group Va elements (V, Nb, Ta, etc.), group VIa elements (Cr, Mo, W, etc.), Al (aluminum), B ( Boron), Si (silicon) and Ge (germanium) at least one element selected from the group consisting of carbides, nitrides, oxides, carbonitrides, carbonates, nitrogen oxides, carbonitride oxides or these What is comprised with a solid solution can be illustrated as the composition.
特に、Ｔｉ、Ａｌ、（Ｔｉ1-xＡｌx）、（Ａｌ1-xＶx）、（Ｔｉ1-xＳｉx）、（Ａｌ1-xＣｒx）、（Ｔｉ1-x-yＡｌxＳｉy）または（Ａｌ1-x-yＣｒxＶy）の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物(式中ｘ、ｙは１以下の任意の数)等（これらにさらにＢ、Ｃｒ等を含むものも含む）をその好適な組成として例示することができる。 In particular, Ti, Al, (Ti 1-x Al x ), (Al 1-x V x ), (Ti 1-x Si x ), (Al 1-x Cr x ), (Ti 1-xy Al x Si) y ) or (Al 1-xy Cr x V y ) nitride, carbonitride, nitrogen oxide or carbonitride oxide (wherein x and y are any number of 1 or less), etc. Examples of suitable compositions thereof include those containing Cr and the like.
より好ましくは、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＣｒＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＣｒＶＮ、ＴｉＢＮ、ＴｉＡｌＢＮ、ＴｉＳｉＢＮ、ＴｉＢＣＮ、ＴｉＡｌＢＣＮ、ＴｉＳｉＢＣＮ、ＡｌＮ、ＡｌＣＮ、ＡｌＶＮ、ＡｌＶＣＮ等を挙げることができる。なお、これらの組成中、各原子比は上記一般式の例に倣うものとする。 More preferably, TiCN, TiN, TiSiN, TiSiCN, TiAlN, TiAlCrN, TiAlSiN, TiAlSiCrN, AlCrN, AlCrCN, AlCrVN, TiBN, TiAlBN, TiSiBN, TiBCN, TiAlBCN, TiSiBCN, AlN, AlCN, AlVN, etc. it can. In these compositions, each atomic ratio follows the example of the above general formula.
また、このような被膜は、単層として形成されるものとする。ここで単層とは、その積層数は１層であっても複数層であってもよいが、各層を構成する構成元素の種類が同一である構造をいうものとする。このため、構成元素の種類が同一のものである限り、原子比の異なるものが複数積層されていてもここでいう単層に含まれるものとする。 Moreover, such a film shall be formed as a single layer. Here, the single layer may be a single layer or a plurality of layers, but it means a structure in which the types of constituent elements constituting each layer are the same. Therefore, as long as the types of constituent elements are the same, even if a plurality of elements having different atomic ratios are stacked, they are included in the single layer referred to here.
本発明の被膜としては、特に被膜全体を通して構成元素の種類が同一であり、その原子比も同一のもので構成されていることが好ましいが、一層の厚みが０．１μｍ未満であって各層を構成する（たとえばＡ、Ｂという２層が繰り返して積層される場合はそのＡ、Ｂ両者間で）構成元素の種類が同一でない超多層の膜構造の場合についても本発明の単層に含まれるものとする。 As the coating of the present invention, it is preferable that the constituent elements are the same throughout the coating, and the atomic ratio is preferably the same, but the thickness of one layer is less than 0.1 μm and each layer is A single layer of the present invention also includes a case of a super multi-layer film structure in which the types of constituent elements are not the same (for example, when two layers of A and B are repeatedly laminated). Shall.
＜被膜の厚み＞
本発明の被膜の厚みは、特に限定されるものではないが、０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。その厚みが０．１μｍ未満では、被膜の形成による諸特性の向上効果が十分に得られなくなることがあり、１０μｍを超えると被膜自体が容易に剥離することがあるからである。
<Thickness of coating>
The thickness of the coating of the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less. If the thickness is less than 0.1 μm, the effect of improving various properties due to the formation of the film may not be sufficiently obtained, and if it exceeds 10 μm, the film itself may be easily peeled off.
＜被膜の形成方法＞
本発明の被膜の形成方法は、特に限定されるものではないが、物理的蒸着法（ＰＶＤ法）により形成することが好ましい。このように物理的蒸着法を採用することより、強度分布が形成されるように被膜の圧縮応力を容易に変化させることができるからである。
<Method for forming film>
Although the formation method of the film of this invention is not specifically limited, It is preferable to form by the physical vapor deposition method (PVD method). This is because by adopting the physical vapor deposition method in this way, the compressive stress of the coating can be easily changed so as to form an intensity distribution.
すなわち、被膜の圧縮応力は、本発明者の研究によると、物理的蒸着法により被膜を形成する時の温度、反応ガス圧、基板バイアス電圧等の影響を受けることが判明しており、その中でも特に被膜を形成する時の基板バイアス電圧の影響が最も大きいことが判明している。 That is, according to the present inventors' research, it has been found that the compressive stress of the film is affected by the temperature, reaction gas pressure, substrate bias voltage, etc. when the film is formed by physical vapor deposition. In particular, it has been found that the influence of the substrate bias voltage when forming a film is the largest.
これは、たとえば基材に対して大きな基板バイアス電圧をかけると、被膜を構成する元素がイオン状態で基材に対して高エネルギーで供給され、このためこれら両者が衝突するときの衝撃が大きくなり、その結果として形成される被膜の圧縮応力が大きくなるものと考えられる。また、逆に基板バイアス電圧が小さい場合は、そのような基材とイオン状態の元素との衝突による衝撃も小さく、以って圧縮応力も小さくなるものと推測される。 This is because, for example, when a large substrate bias voltage is applied to the base material, the elements constituting the coating are supplied in high energy to the base material in an ionic state, so that the impact when both of these collide increases. As a result, it is considered that the compressive stress of the film formed is increased. On the other hand, when the substrate bias voltage is small, it is presumed that the impact due to the collision between the base material and the ion element is small, and the compressive stress is also small.
したがって、被膜の圧縮応力が、被膜の厚み方向に対して強度分布を有するようにするためには、基材上に被膜を形成する際に、物理的蒸着法を採用し、その基板バイアス電圧を調節することにより、実行することができる。また、後述のように機械的衝撃や熱的衝撃、あるいは熱によるアニール現象を用いて調整することもできる。 Therefore, in order for the compressive stress of the coating to have a strength distribution with respect to the thickness direction of the coating, a physical vapor deposition method is adopted when the coating is formed on the substrate, and the substrate bias voltage is set. It can be done by adjusting. Further, as will be described later, it is also possible to adjust by using a mechanical shock, a thermal shock, or an annealing phenomenon due to heat.
このように本発明の被膜の形成方法としては、物理的蒸着法を採用することが好ましいが、他の形成方法として知られる化学的蒸着法を除外するものではない。 As described above, it is preferable to employ a physical vapor deposition method as a method for forming a film of the present invention, but this does not exclude chemical vapor deposition methods known as other formation methods.
このような物理的蒸着法としては、基板バイアス電圧の調節が可能なスパッタリング法、イオンプレーティング法等、従来公知の方法を挙げることができる。特に、それらの各種方法の中でもイオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタリング法を採用することが好ましい。 Examples of such physical vapor deposition include conventionally known methods such as sputtering and ion plating that can adjust the substrate bias voltage. In particular, among these various methods, it is preferable to employ an ion plating method or a magnetron sputtering method.
ここで、イオンプレーティング法とは、金属を陰極とし、真空チャンバーを陽極として、金属を蒸発、イオン化させると同時に基材に負の電圧（基板バイアス電圧）をかけることによりイオンを引き出し、基材表面に金属イオンを堆積する方法をいう。なお、この方法において、真空中に窒素を入れ、金属と反応させれば該金属の窒化化合物が形成されることになる。たとえば金属としてチタンを用い、窒素と反応させれば窒化チタン（ＴｉＮ）が形成される。 Here, the ion plating method uses a metal as a cathode and a vacuum chamber as an anode, evaporates and ionizes the metal, and at the same time applies a negative voltage (substrate bias voltage) to the substrate to extract ions. A method of depositing metal ions on the surface. In this method, if nitrogen is put in a vacuum and reacted with a metal, a nitride compound of the metal is formed. For example, if titanium is used as a metal and reacted with nitrogen, titanium nitride (TiN) is formed.
このようなイオンプレーティング法にも種々のものがあるが、特に、原料元素のイオン率が高いカソードアークイオンプレーティング法を採用することが特に好ましい。 There are various types of such ion plating methods, and it is particularly preferable to employ the cathode arc ion plating method in which the ion ratio of the raw material elements is high.
このカソードアークイオンプレーティング法を用いると、被膜を形成する前に基材表面に対して金属のイオンボンバードメント処理が可能となるため、被膜の密着性が飛躍的に向上するという効果を得ることもできる。このため、密着性という意味からもカソードアークイオンプレーティング法は好ましいプロセスである。 When this cathode arc ion plating method is used, it is possible to perform metal ion bombardment treatment on the surface of the substrate before forming the coating, so that the adhesion of the coating is remarkably improved. You can also. For this reason, the cathode arc ion plating method is a preferable process from the viewpoint of adhesion.
一方、マグネトロンスパッタリング法とは、真空チャンバー内を高真空にした後、Ａｒガスを導入してターゲットに高電圧を印加しグロー放電を生じさせ、このグロー放電によりイオン化したＡｒをターゲットに向けて加速照射させターゲットをスパッタすることにより、飛び出してイオン化されたターゲット原子は、ターゲット−基板間の基板バイアス電圧によって加速され基材上に堆積されることによって成膜される方法をいう。このようなマグネトロンスパッタリング法には、バランスドマグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法等がある。 On the other hand, in the magnetron sputtering method, after making the inside of a vacuum chamber high vacuum, Ar gas is introduced and a high voltage is applied to the target to generate glow discharge, and Ar ionized by this glow discharge is accelerated toward the target. By irradiating and sputtering the target, the target atoms that jump out and are ionized are accelerated by a substrate bias voltage between the target and the substrate and deposited on a substrate to form a film. Such a magnetron sputtering method includes a balanced magnetron sputtering method, an unbalanced magnetron sputtering method, and the like.
なお、上記では、被膜の圧縮応力の強度分布の形成方法として、物理的蒸着法による基板バイアス電圧を制御する方法を挙げているが、本発明においてはこのような方法のみに限定されるものではない。たとえば、被膜形成後に、ブラスト等機械的衝撃により圧縮応力を加える方法、ヒーター、レーザー等の熱源を用いて圧縮応力を緩和する方法、これらの方法を組み合せる方法等を挙げることができる。 In the above, a method for controlling the substrate bias voltage by a physical vapor deposition method is mentioned as a method for forming the strength distribution of the compressive stress of the film. However, the present invention is not limited to such a method. Absent. For example, a method of applying a compressive stress by mechanical impact such as blasting after forming a film, a method of relaxing the compressive stress using a heat source such as a heater or a laser, a method of combining these methods, and the like can be mentioned.
＜被膜の圧縮応力＞
本発明の被膜は、圧縮応力を有している。そして、該圧縮応力は−１５ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の範囲の応力であることが好ましい。より好ましくは、その下限を−１０ＧＰａ、さらに好ましくは−８ＧＰａである。また、その上限は、より好ましくは−０．５ＧＰａであり、さらに好ましくは−１ＧＰａである。
<Compressive stress of coating>
The coating of the present invention has a compressive stress. The compressive stress is preferably a stress in the range of −15 GPa to 0 GPa. More preferably, the lower limit is −10 GPa, more preferably −8 GPa. Further, the upper limit is more preferably -0.5 GPa, still more preferably -1 GPa.
被膜の圧縮応力が−１５ＧＰａ未満となると、切削工具の形状（刃先が極めて小さい鋭角であるものや複雑な形状をしたもの等）により、特に刃先稜線部で被膜が剥離する場合がある。また、被膜の圧縮応力が０ＧＰａを越えると、被膜の応力は引張状態となるので、被膜に亀裂を生じ、これが原因となって工具自体が欠損する場合がある。 When the compressive stress of the coating is less than −15 GPa, the coating may be peeled off particularly at the edge portion of the cutting edge depending on the shape of the cutting tool (the cutting edge has an extremely small acute angle or a complicated shape). Further, when the compressive stress of the coating exceeds 0 GPa, the coating stress becomes a tensile state, so that the coating is cracked, which may cause the tool itself to be lost.
ここで、本発明でいう圧縮応力とは、被膜に存する内部応力（固有ひずみ）の一種であって、「−」（マイナス）の数値（単位：ＧＰａ）で表されるものである。このため、圧縮応力（内部応力）が大きいという表現は、上記数値の絶対値が大きくなることを示し、また、圧縮応力（内部応力）が小さいという表現は、上記数値の絶対値が小さくなることを示す。 Here, the compression stress referred to in the present invention is a kind of internal stress (intrinsic strain) existing in the film, and is represented by a numerical value (unit: GPa) of “−” (minus). Therefore, the expression that the compressive stress (internal stress) is large indicates that the absolute value of the numerical value is large, and the expression that the compressive stress (internal stress) is small is that the absolute value of the numerical value is small. Indicates.
また、このような本発明の圧縮応力は、ｓｉｎ2ψ法という方法で測定されるものである。Ｘ線を用いたｓｉｎ2ψ法は、多結晶材料の残留応力の測定方法として広く用いられている。この測定方法は、「Ｘ線応力測定法」（日本材料学会、１９８１年株式会社養賢堂発行）の５４〜６６頁に詳細に説明されているが、本発明ではまず並傾法と側傾法とを組み合せてＸ線の侵入深さを固定し、測定する応力方向と測定位置に立てた試料表面法線を含む面内で種々のψ方向に対する回折角度２θを測定して２θ−ｓｉｎ2ψ線図を作成し、その勾配からその深さ（被膜の表面からの距離）までの平均圧縮応力を求めることができる。そして、同様にして異なる深さまでの平均圧縮応力を順次測定し、数学的手法を行なうことにより、被膜の厚み方向の圧縮応力の強度分布を求めることができる。 Moreover, such a compressive stress of the present invention is measured by a method called the sin 2 ψ method. The sin 2 ψ method using X-rays is widely used as a method for measuring the residual stress of a polycrystalline material. This measurement method is described in detail on pages 54 to 66 of “X-ray stress measurement method” (Japan Society for Materials Science, published by Yokendo Co., Ltd. in 1981). The X-ray penetration depth is fixed in combination with the method, and the diffraction angle 2θ with respect to various ψ directions is measured in the plane including the stress direction to be measured and the sample surface normal set at the measurement position to obtain 2θ−sin 2. A ψ diagram can be created, and the average compressive stress from the gradient to the depth (distance from the surface of the coating) can be determined. Similarly, by sequentially measuring the average compressive stress to different depths and performing a mathematical method, the strength distribution of the compressive stress in the thickness direction of the coating can be obtained.
より具体的には、Ｘ線源からのＸ線を試料に所定角度で入射させ、試料で回折したＸ線をＸ線検出器で検出し、該検出値に基づいて内部応力を測定するＸ線応力測定方法において、試料の任意箇所の試料表面に対して任意の設定角度でＸ線源よりＸ線を入射させ、試料上のＸ線照射点を通り試料表面で入射Ｘ線と直角なω軸と、試料台と平行でω軸を回転させた時に入射Ｘ線と一致するχ軸を中心に試料を回転させるときに、試料表面と入射Ｘ線とのなす角が一定となるように試料を回転させながら、回折面の法線と試料面の法線とのなす角度ψを変化させて回折線を測定することによって、試料内部の圧縮応力を求めることができる。 More specifically, X-rays that cause X-rays from an X-ray source to enter a sample at a predetermined angle, detect X-rays diffracted by the sample with an X-ray detector, and measure internal stress based on the detected values. In the stress measurement method, an X-ray is incident from an X-ray source at an arbitrary set angle on the sample surface at an arbitrary position of the sample, passes through the X-ray irradiation point on the sample, and the ω axis is perpendicular to the incident X-ray on the sample surface. When rotating the sample around the χ axis that coincides with the incident X-ray when the ω axis is rotated in parallel with the sample stage, the sample is placed so that the angle formed by the sample surface and the incident X-ray is constant. The compressive stress inside the sample can be obtained by measuring the diffraction line while changing the angle ψ between the normal line of the diffraction surface and the normal line of the sample surface while rotating.
なお、このような被膜の厚み方向の強度分布を求めるＸ線源としては、Ｘ線源の質（高輝度、高平行性、波長可変性等）の点で、シンクロトロン放射光（ＳＲ）を用いることが好ましい。 As an X-ray source for obtaining the intensity distribution in the thickness direction of such a film, synchrotron radiation (SR) is used in terms of the quality of the X-ray source (high brightness, high parallelism, wavelength variability, etc.). It is preferable to use it.
なおまた、上記のように圧縮応力を２θ−ｓｉｎ2ψ線図から求めるためには、被膜のヤング率とポアソン比が必要となる。しかし、該ヤング率はダイナミック硬度計等を用いて測定することができ、ポアソン比は材料によって大きく変化しないため０．２前後の値を用いればよい。本発明では、特に正確な圧縮応力値が特に重要となるわけではなく、圧縮応力の強度分布が重要である。このため、２θ−ｓｉｎ2ψ線図から圧縮応力を求めるに際して、ヤング率を用いることなく格子定数および格子面間隔を求めることにより圧縮応力の強度分布の代用とすることもできる。 In addition, in order to obtain the compressive stress from the 2θ-sin 2 ψ diagram as described above, the Young's modulus and Poisson's ratio of the coating are required. However, the Young's modulus can be measured using a dynamic hardness meter or the like, and since the Poisson's ratio does not vary greatly depending on the material, a value of around 0.2 may be used. In the present invention, the accurate compressive stress value is not particularly important, and the strength distribution of the compressive stress is important. For this reason, when the compressive stress is obtained from the 2θ-sin 2 ψ diagram, the strength distribution of the compressive stress can be substituted by obtaining the lattice constant and the lattice spacing without using the Young's modulus.
＜強度分布＞
本発明の被膜の上記圧縮応力は、上記被膜の厚み方向に強度分布を有するように変化している。ここで被膜の厚み方向とは、被膜の表面から被膜の底面（該被膜は基材上の最外層となるためその最外層の最も基材側の面）に向かう方向であって、被膜の表面に対して垂直となる方向である。図１の被膜３の部分の拡大断面図である図２を用いてより具体的に説明すれば、被膜の厚み方向とは、被膜の表面４から被膜の底面６に向かう矢印７で示される方向である。なお、矢印７は、便宜上、被膜の表面４から被膜の底面６に向かう方向で示されているが、被膜の表面に対して垂直となる方向である限りこの上下方向を限定する必要はなく、被膜の底面６から被膜の表面４に向かうものであってもよい。
<Intensity distribution>
The compressive stress of the coating of the present invention changes so as to have a strength distribution in the thickness direction of the coating. Here, the thickness direction of the coating is a direction from the surface of the coating toward the bottom surface of the coating (the coating is the outermost layer on the base material, and therefore the outermost layer on the outermost layer side). Is perpendicular to the direction. More specifically, referring to FIG. 2 which is an enlarged cross-sectional view of the portion of the film 3 in FIG. 1, the thickness direction of the film is the direction indicated by the arrow 7 from the
また、上記強度分布とは、圧縮応力の大きさが上記被膜の厚み方向に向かって分布を形成して変化することを示すものである。したがって、該圧縮応力が被膜の厚み方向に強度分布を有するとは、換言すれば圧縮応力の大きさが被膜の表面と平行の方向ではなく、被膜の表面と垂直の方向に変化することを意味するものである。 The strength distribution indicates that the magnitude of the compressive stress changes by forming a distribution in the thickness direction of the coating. Therefore, the compressive stress has a strength distribution in the thickness direction of the film, in other words, the magnitude of the compressive stress changes not in the direction parallel to the surface of the film but in the direction perpendicular to the surface of the film. To do.
そして上記強度分布は、上記被膜の表面の圧縮応力が上記被膜の表面から、上記被膜の表面と上記被膜の底面との間に位置する第１の中間点まで連続的に減少し、その第１の中間点において極小点を有するとともに、その第１の中間点から、その第１の中間点と上記被膜の底面との間に位置する第２の中間点まで連続的に増加し、その第２の中間点において極大点を有し、さらにその第２の中間点と上記被膜の底面との間に上記同様の極小点を１以上有することを特徴としている。 In the intensity distribution, the compressive stress on the surface of the coating continuously decreases from the surface of the coating to a first intermediate point located between the surface of the coating and the bottom surface of the coating. Having a minimum point at the intermediate point, and continuously increasing from the first intermediate point to a second intermediate point located between the first intermediate point and the bottom surface of the coating. It has a maximum point at the intermediate point, and further has one or more similar minimum points between the second intermediate point and the bottom surface of the film.
ここで、同様の極小点とは、上記第１の中間点における極小点と同様の強度分布上の挙動を示す点であり、たとえば上記第２の中間点から上記被膜の底面に向かって圧縮応力が連続的に減少し、この点においてその圧縮応力の減少の度合いが変化することとなるような点を意味している。このように、上記第２の中間点と上記被膜の底面との間に極小点を１以上有することにより、被膜表面で発生した亀裂の被膜内部への進展をより効果的に抑制することができ、膜チッピングに対する耐性がさらに向上するとともにより優れた耐摩耗性が示されることになる。 Here, the same minimum point is a point showing behavior on the intensity distribution similar to the minimum point at the first intermediate point, for example, compressive stress from the second intermediate point toward the bottom surface of the film. Means a point that continuously decreases and the degree of reduction of the compressive stress changes at this point. Thus, by having one or more minimum points between the second intermediate point and the bottom surface of the coating, it is possible to more effectively suppress the progress of cracks generated on the coating surface into the coating. As a result, the resistance to film chipping is further improved, and more excellent wear resistance is exhibited.
一方、上記強度分布は、さらに上記第２の中間点と上記被膜の底面との間に上記同様の極大点を１以上有するものとすることができる。 On the other hand, the intensity distribution may further have one or more similar maximum points between the second intermediate point and the bottom surface of the coating.
ここで、同様の極大点とは、上記第２の中間点における極大点と同様の強度分布上の挙動を示す点であり、たとえば上記第２の中間点と上記被膜の底面との間に位置する極小点からさらに上記被膜の底面に向かって圧縮応力が連続的に増加し、この点においてその圧縮応力の増加の度合いが変化することとなるような点を意味している。このように、上記第２の中間点と上記被膜の底面との間に極大点を１以上有することにより、一層優れた靭性が示されるとともに膜チッピングに対する耐性もさらに向上することになる。 Here, the same maximum point is a point that exhibits the same behavior on the intensity distribution as the maximum point at the second intermediate point, and is located, for example, between the second intermediate point and the bottom surface of the film. This means that the compressive stress continuously increases from the minimum point to the bottom surface of the coating, and the degree of increase of the compressive stress changes at this point. As described above, by having one or more maximum points between the second intermediate point and the bottom surface of the coating film, more excellent toughness is exhibited and resistance to film chipping is further improved.
そして上記強度分布は、さらに上記第２の中間点と上記被膜の底面との間において上記同様の極小点と極大点とをそれぞれ１以上この順で交互に繰り返して有するものとすることができる。この場合、その繰り返し回数および繰り返し間隔は特に限定されるものではないが、各極小点（第１の中間点における極小点を含む）および各極大点（第２の中間点における極大点を含む）が実質的に等間隔で存在する場合には、上記被膜の厚みとの関係において、各極小点間の距離および各極大点間の距離が上記被膜の厚みの０．１％〜７０％の範囲、好ましくはその上限が６０％、さらに好ましくは５０％、その下限が０．１５％、さらに好ましくは０．２％の範囲となるように、その繰り返し回数を決定することができる。 The intensity distribution may further include one or more of the same minimum point and maximum point as described above alternately in this order between the second intermediate point and the bottom surface of the coating. In this case, the number of repetitions and the repetition interval are not particularly limited, but each local minimum point (including the local minimum point at the first intermediate point) and each local maximum point (including the local maximum point at the second intermediate point). Are present at substantially equal intervals, the distance between the minimum points and the distance between the maximum points are in the range of 0.1% to 70% of the thickness of the film in relation to the thickness of the film. The number of repetitions can be determined so that the upper limit is preferably 60%, more preferably 50%, and the lower limit is 0.15%, more preferably 0.2%.
上記距離が、０．１％未満となる場合には、繰り返し間隔が短くなりすぎ、被膜の応力状態が不安定となって却って膜チッピングを起こしやすくなることがあり、また７０％を超えると極小点または極大点を複数個形成した効果が小さくなることがある。 When the distance is less than 0.1%, the repetition interval becomes too short, and the stress state of the film becomes unstable, which tends to cause film chipping. When the distance exceeds 70%, the distance is extremely small. The effect of forming a plurality of points or local maximum points may be reduced.
このように極小点と極大点とが複数存在するようにこの順で交互に繰り返して存在することにより、被膜表面で発生した亀裂の亀裂進展エネルギーが吸収される場が増加するため、亀裂の被膜内部への進展をより一層効果的に抑制することができ、膜チッピングに対する耐性がさらに向上するとともにさらに優れた耐摩耗性および靭性が示されることになる。 The presence of multiple local minimum points and local maximum points in this order alternately repeats in this order, increasing the field where the crack propagation energy of the cracks generated on the coating surface is absorbed. The progress toward the inside can be further effectively suppressed, and the resistance to film chipping is further improved, and further excellent wear resistance and toughness are exhibited.
上記で述べた種々の強度分布の特徴を、図２および本発明の強度分布の一例を示す図３を用いてより詳しく説明する。図３は、被膜の厚み方向として、被膜の表面からの距離を横軸とし、圧縮応力を縦軸として強度分布をグラフ化したものである。 The characteristics of the various intensity distributions described above will be described in more detail with reference to FIG. 2 and FIG. 3 showing an example of the intensity distribution of the present invention. FIG. 3 is a graph showing the strength distribution in the thickness direction of the film, with the distance from the surface of the film as the horizontal axis and the compressive stress as the vertical axis.
まず、図２に示したように、上記の第１の中間点５とは、上記被膜の表面４と上記被膜の底面６との間に位置するものであるが、上記被膜の表面４からの垂直方向の距離で示せば、必ずしも被膜の厚み（被膜の表面４から被膜の底面６までの垂直方向の距離）の１/２になる必要はない。通常、このような第１の中間点５は、被膜の底面６よりは被膜の表面４に近いところに位置するものである。
First, as shown in FIG. 2, the first
好ましくはこのような第１の中間点５は、上記被膜の表面４から、上記被膜の厚み（上記被膜の表面４から上記被膜の底面６までの垂直方向の距離）の０．１％以上４０％以下の距離を有して位置することが好ましく、より好ましくはその下限を０．３％、さらに好ましくは０．５％、その上限を３５％、さらに好ましくは３０％とすることが好適である。０．１％未満の場合には、衝撃力の高い断続切削等の過酷な重切削に用いた場合、圧縮応力の付与が不完全となり欠損の抑制効果が見られなくなる場合がある。また、４０％を超えると、被膜内部において圧縮応力を低減した効果が低下し、膜チッピングに対する耐性の向上作用が示されなくなる場合がある。
Preferably, the first
このような強度分布において、上記圧縮応力は上記被膜の表面４において最大となる（換言すればその絶対値が最大となる）ものとすることができる。これにより、特に優れた靭性を得ることができる。
In such an intensity distribution, the compressive stress can be maximized on the
なお、上記のような第１の中間点において、上記圧縮応力は上記被膜の表面における圧縮応力の１０〜８０％の値を有していることが好ましい。より好ましくは、その上限が７０％、さらに好ましくは６０％、その下限が１５％、さらに好ましくは２０％である。被膜の表面４側から見て２つ目以降の極小点においても、上記範囲の圧縮応力を有することが好ましい。
Note that, at the first intermediate point as described above, the compressive stress preferably has a value of 10 to 80% of the compressive stress on the surface of the coating. More preferably, the upper limit is 70%, more preferably 60%, and the lower limit is 15%, more preferably 20%. It is preferable that the second and subsequent minimum points as seen from the
この値が１０％未満となる場合、十分な靭性が得られなくなることがあり、また８０％を超えると衝撃吸収（応力の緩和）が不完全となり膜チッピングの抑制効果が見られなくなる場合がある。 If this value is less than 10%, sufficient toughness may not be obtained, and if it exceeds 80%, impact absorption (relaxation of stress) may be incomplete and the effect of suppressing film chipping may not be seen. .
一方、上記の極小点は、被膜の表面４から被膜の底面６に向かって複数存在し、位置的には被膜の表面４側から見てその一つ目の極小点が上記の第１の中間点に現れた後、第２の中間点９と被膜の底面６との間における任意の１以上の点（たとえば図２における第３の中間点１０）において観察されるものである。このような極小点は、圧縮応力が被膜の底面６に向かって連続的に減少していきこの点においてその減少の度合いが変化するという強度分布上の挙動を示す点である。ここで、減少の度合いが変化するとは、被膜の底面６に向かって減少傾向にあった圧縮応力がこの極小点を境として連続的に増加することを示している。
On the other hand, there are a plurality of the above-mentioned minimum points from the
なお、図２においては、２つ目以降の極小点が現れる点として第３の中間点１０が１点記載されているだけであるが、これは便宜的なものであってこのように１点のみに限られるものではない。
In FIG. 2, only one third
また、図３においては、上記の極小点は、被膜の厚み方向に幅を持たない点で存在する態様となっているが、本発明の態様としてはこのような態様のみに限らず、被膜の厚み方向に厚み（幅）をもって存在する場合も含むものとする。ここで、極小点がある厚みをもって存在するとは、極小点の圧縮応力がその厚み（好ましくは被膜の厚みの１／２以下）において、実質的に一定の値を有することをいう。このように、極小点がある厚みをもって存在することにより、耐摩耗性をさらに向上させることができる。 In addition, in FIG. 3, the above-mentioned minimum point is an aspect that exists in that it does not have a width in the thickness direction of the film, but the aspect of the present invention is not limited to such an aspect, The case where it exists with thickness (width) in the thickness direction is also included. Here, the existence of a minimum point with a certain thickness means that the compressive stress of the minimum point has a substantially constant value in the thickness (preferably 1/2 or less of the thickness of the coating). As described above, the presence of the minimum point with a certain thickness can further improve the wear resistance.
したがって、本願でいう極小点とは、数学の関数用語である極小点と同意またはそれより広義の意味を有するものである。 Therefore, the minimum point in the present application has the same meaning as or a broader meaning than the minimum point which is a mathematical function term.
一方、図２に示したように、上記の第２の中間点９とは、上記第１の中間点５と上記被膜の底面６との間に位置するものであるが、必ずしも上記第１の中間点５から被膜の底面６までの垂直方向の距離の１/２になる必要はない。
On the other hand, as shown in FIG. 2, the second
好ましくはこのような第２の中間点９は、上記被膜の表面から、上記被膜の厚み（上記被膜の表面４から上記被膜の底面６までの垂直方向の距離）の０．２％以上８０％以下の距離を有して位置することが好ましく、より好ましくはその下限を０．５％、さらに好ましくは１％、その上限を７５％、さらに好ましくは７０％とすることが好適である。０．２％未満の場合には、圧縮応力の低減が不十分となり、膜チッピングに対する耐性と耐摩耗性の向上作用が示されなくなる場合がある。また、８０％を超えると、被膜内部において大きな圧縮応力を付与した効果が低下し、靭性の向上作用が示されなくなる場合がある。
Preferably, the second
なお、上記のような第２の中間点において、上記圧縮応力は上記被膜の表面における圧縮応力の５０〜２００％の値を有していることが好ましい。より好ましくは、その上限が１８０％、さらに好ましくは１５０％、その下限が６０％、さらに好ましくは７０％である。極大点が２つ以上ある場合においても、各極大点は上記範囲の圧縮応力を有することが好ましい。 In the second intermediate point as described above, the compressive stress preferably has a value of 50 to 200% of the compressive stress on the surface of the coating. More preferably, the upper limit is 180%, more preferably 150%, and the lower limit is 60%, more preferably 70%. Even when there are two or more local maximum points, each local maximum point preferably has a compressive stress in the above range.
この値が５０％未満となる場合、圧縮応力の付与が不十分となり、十分な靭性が得られなくなることがあり、また２００％を超えると圧縮応力の付与が大きくなり過ぎ、膜チッピングに対する耐性が低下する場合がある。 When this value is less than 50%, the application of compressive stress is insufficient, and sufficient toughness may not be obtained. When the value exceeds 200%, the application of compressive stress becomes too large, and the resistance to film chipping is high. May decrease.
さらに上記の極大点は、被膜の表面４から被膜の底面６に向かって１以上存在し、位置的には被膜の表面４側から見てその１つ目の極大点が上記の第２の中間点９に現れた後、２つ目以降の極大点がある場合には第２の中間点９と被膜の底面６との間における任意の１以上の点（たとえば図２における第４の中間点１１）において観察されるものである。このような極大点は、圧縮応力が被膜の底面６に向かって連続的に増加していきこの点においてその増加の度合いが変化するという強度分布上の挙動を示す点である。ここで、増加の度合いが変化するとは、被膜の底面６に向かって増加傾向にあった圧縮応力がこの極大点を境として連続的に減少することを示している。
Further, there is one or more local maximum points from the
なお、図２においては、２つ目以降の極大点が現れる点として第４の中間点１１が１点記載されているだけであるが、これは便宜的なものであってこのように１点のみに限られるものではない。
In FIG. 2, only one fourth
なお、図３においては、上記の極大点は、被膜の厚み方向に幅を持たない点で存在する態様となっているが、本発明の態様としてはこのような態様のみに限らず、被膜の厚み方向に厚み（幅）をもって存在する場合も含むものとする。ここで、極大点がある厚みをもって存在するとは、極大点の圧縮応力がその厚み（好ましくは被膜の厚みの１／２以下）において、実質的に一定の値を有することをいう。このように、極大点がある厚みをもって存在することにより、靭性をさらに向上させることができる。 In addition, in FIG. 3, although said local maximum has become an aspect which exists in the point which does not have a width | variety in the thickness direction of a film, as an aspect of this invention, it is not restricted only to such an aspect, The case where it exists with thickness (width) in the thickness direction is also included. Here, the existence of a maximum point with a certain thickness means that the compressive stress at the maximum point has a substantially constant value in the thickness (preferably 1/2 or less of the thickness of the coating). Thus, the toughness can be further improved by the presence of the maximum point with a certain thickness.
したがって、本願でいう極大点とは、数学の関数用語である極大点と同意またはそれより広義の意味を有するものである。 Therefore, the maximum point in the present application has the same meaning as the maximum point which is a mathematical function term, or has a broader meaning.
そして、このような極小点と極大点とは、図３に示されているように上記被膜の表面４と上記被膜の底面６との間においてそれぞれ１以上この順で交互に繰り返して存在することが好ましく、また各極小点と極大点とは互いに等間隔または不等間隔で存在し、それぞれの圧縮応力は互いに各極小点間／各極大点間で実質的に同一の数値を有するものとして存在することが好ましい。
Further, as shown in FIG. 3, one or more such minimum points and maximum points are alternately repeated in this order between the
なお、図３においては、被膜の表面（すなわち被膜の表面からの距離が０μｍの地点）から圧縮応力が連続的に減少する態様となっているが、本発明の態様としてはこのような態様のみに限らず、たとえば図４に示したように被膜の表面の圧縮応力が被膜の底面方向に向かって一定の距離（好ましくは０．５μｍ以下）の範囲内で維持される場合も含むものとする。すなわち、上記圧縮応力は、上記被膜の表面において内部よりも大きな圧縮応力（換言すれば絶対値がその内部の絶対値よりも大きくなる圧縮応力）を有するとともに、その圧縮応力が上記被膜の表面から上記第１の中間点の方向に向かって一定の距離（好ましくは０．５μｍ以下）の間維持された後、該圧縮応力が上記第１の中間点まで連続的に減少する態様が含まれる。 In FIG. 3, the compressive stress continuously decreases from the surface of the coating (that is, the point where the distance from the coating surface is 0 μm). However, this embodiment is the only aspect of the present invention. For example, as shown in FIG. 4, the case where the compressive stress on the surface of the coating is maintained within a certain distance (preferably 0.5 μm or less) toward the bottom of the coating is included. That is, the compressive stress has a compressive stress larger than the inside (in other words, a compressive stress whose absolute value is larger than the absolute value of the inside) on the surface of the coating, and the compressive stress is A mode in which the compressive stress continuously decreases to the first intermediate point after being maintained for a certain distance (preferably 0.5 μm or less) toward the first intermediate point is included.
このように被膜表面の圧縮応力が、その被膜の表面から被膜の底面方向に向かって一定の距離の範囲内で維持されると、特に優れた靭性を有することとなるため好ましい。 In this way, it is preferable that the compressive stress on the surface of the coating is maintained within a certain distance from the surface of the coating toward the bottom of the coating because it has particularly excellent toughness.
なお、本願において圧縮応力が連続的に減少するとは、図３に示したように下に凸の状態で減少したり上に凸の状態で減少する場合だけではなく、直線的に減少する場合も含まれる。さらに、一部分において増加したり、減少の度合い（傾き）が途中で変化しているような場合あるいは段階的（階段状に減少）となっている場合であっても、全体として減少していれば、本願でいう連続的に減少する場合に含まれるものとする。 In the present application, the compressive stress continuously decreases in the case where it decreases not only in a downwardly convex state or in an upwardly convex state as shown in FIG. included. Furthermore, even if it increases in part or the degree of decrease (slope) changes in the middle, or even if it is gradual (decreasing stepwise), if it decreases as a whole In this application, it is included when continuously decreasing.
また、本願において圧縮応力が連続的に増加するとは、図３に示したように下に凸の状態で増加する場合だけではなく、上に凸の状態で増加する場合や直線的に増加する場合も含まれる。さらに、一部分において減少したり、増加の度合い（傾き）が途中で変化しているような場合あるいは段階的（階段状に増加）となっている場合であっても、全体として増加していれば、本願でいう連続的に増加する場合に含まれるものとする。 In addition, in the present application, the compressive stress continuously increases not only when increasing in a convex state as shown in FIG. 3 but also when increasing in a convex state or when increasing linearly. Is also included. Furthermore, even if it decreases in part or the degree of increase (slope) changes in the middle, or even if it is gradual (increases in steps), if it increases as a whole In this application, it is included when continuously increasing.
なお、上記の強度分布において、被膜の底面６側に最も近接して存在する点は、極小点であっても極大点であっても差し支えない。したがって、被膜の底面６における圧縮応力の増加／減少状態は、増加途中の状態であっても、減少途中の状態であっても差し支えなく、また極小点または極大点が位置することになっても差し支えない。
In the above intensity distribution, the point closest to the
このように本発明においては、その強度分布が上記被膜の表面の圧縮応力が上記被膜の表面から、上記被膜の表面と上記被膜の底面との間に位置する第１の中間点まで連続的に減少し、その第１の中間点において極小点を有したものとなっている。このように被膜の表面において内部よりも大きな圧縮応力を有することにより、被膜表面で発生するクラックの発生を可能な限り抑制し、かつその極小点近傍において被膜表面部の大きな圧縮応力による被膜の自己破壊を防止し、被膜表面に負荷される衝撃等の応力を緩和することで、靭性と膜チッピングに対する耐性に優れるとともに耐摩耗性にも優れるという卓越した効果が示される。 Thus, in the present invention, the strength distribution is such that the compressive stress on the surface of the coating is continuously from the surface of the coating to the first intermediate point located between the surface of the coating and the bottom of the coating. It decreases and has a minimum point at the first intermediate point. By having a compressive stress larger than the inside at the surface of the coating in this way, the generation of cracks occurring on the surface of the coating is suppressed as much as possible, and the self of the coating due to the large compressive stress on the surface of the coating near its minimum point. By preventing breakage and relieving stress such as impact applied to the surface of the coating, an excellent effect of being excellent in toughness and resistance to film chipping as well as excellent in abrasion resistance is shown.
また本発明においては、上記第１の中間点から上記第２の中間点まで圧縮応力が連続的に増加し、その第２の中間点において極大点を有することにより、さらに高度な靭性が提供される。そしてさらに本発明では、上記第２の中間点と上記被膜の底面との間において極小点と極大点とが複数存在するようにこの順で交互に繰り返して存在することにより、被膜表面で発生した亀裂の被膜内部への進展をより一層効果的に抑制することができ、膜チッピングに対する耐性がさらに向上するとともにさらに優れた耐摩耗性および靭性が示されることになる。 In the present invention, the compressive stress continuously increases from the first intermediate point to the second intermediate point, and has a maximum point at the second intermediate point, thereby providing higher toughness. The Further, in the present invention, it is generated on the surface of the film by being alternately and repeatedly present in this order so that there are a plurality of minimum points and maximum points between the second intermediate point and the bottom surface of the film. The progress of cracks to the inside of the coating can be further effectively suppressed, and the resistance to film chipping is further improved and further excellent wear resistance and toughness are exhibited.
このようにして、本発明の表面被覆切削工具は、靭性と耐摩耗性および膜チッピングに対する耐性とを両立させることに成功したという極めて優れた効果を示すものである。 In this way, the surface-coated cutting tool of the present invention exhibits an extremely excellent effect of successfully achieving both toughness, wear resistance, and resistance to film chipping.
このような優れた効果は、上記のような極小点および極大点を有さず、被膜の表面から被膜の底面に向かって圧縮応力が連続的または段階的に一律に減少乃至増加することを特徴とする従来の表面被覆切削工具（特許文献１）においては示すことができない格別の効果である。 Such an excellent effect is characterized in that the compressive stress continuously or stepwise decreases or increases uniformly from the surface of the coating to the bottom of the coating without having the above-mentioned minimum and maximum points. This is an exceptional effect that cannot be shown in the conventional surface-coated cutting tool (Patent Document 1).
＜その他＞
本発明の表面被覆切削工具においては、図５に示すように上記基材２と上記被膜３との間に任意の中間層８を形成することができる。このような中間層８は、通常耐摩耗性を向上させたり、基材と被膜との密着性を向上させたりする特性を有するものであり、１層または複数層として形成することができる。なお、この場合、上記被膜の底面６は、被膜３と中間層８とが接する面となる。
<Others>
In the surface-coated cutting tool of the present invention, an arbitrary intermediate layer 8 can be formed between the
このような中間層は、たとえばＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＶＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＣｒＮ、ＡｌＣｒＶＮ等により構成することができる。なお、これらの組成中、各原子比は上記被膜の組成として例示した一般式の例に倣うものとする。 Such an intermediate layer can be made of, for example, TiN, TiCN, TiSiN, TiAlN, AlCrN, AlVN, TiAlCrN, TiAlSiN, TiAlSiCrN, AlCrVN, or the like. In these compositions, each atomic ratio follows the example of the general formula exemplified as the composition of the film.
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、実施例中の被膜の化合物組成はＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析装置）によって確認した。また圧縮応力および厚み（または被膜表面からの距離）は、上述のｓｉｎ2ψ法により測定した。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these. In addition, the compound composition of the film in an Example was confirmed by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy analyzer). The compressive stress and thickness (or distance from the coating surface) were measured by the above-described sin 2 ψ method.
ｓｉｎ2ψ法による測定において、使用したＸ線のエネルギーは１０ｋｅＶであり、回折ピークはＴｉ0.5Ａｌ0.5Ｎ（実施例１〜６）およびＡｌ0.6Ｔｉ0.2Ｓｉ0.1Ｃｒ0.1Ｎ（実施例７〜１０）の（２００）面とした。そして、測定した回折ピーク位置をガウス関数のフィッティングにより決定し、２θ−ｓｉｎ2ψ線図の傾きを求め、ヤング率としてはダイナミック硬度計（ＭＴＳ社製ナノインデンター）を用いて求めた値を採用し、ポアソン比にはＴｉＮ（０．１９）の値を用いて応力値とした。 In the measurement by the sin 2 ψ method, the energy of the X-ray used was 10 keV, and the diffraction peaks were Ti 0.5 Al 0.5 N (Examples 1 to 6) and Al 0.6 Ti 0.2 Si 0.1 Cr 0.1 N (Examples 7 to 10). ) Of (200). Then, the measured diffraction peak position is determined by fitting a Gaussian function, the slope of the 2θ-sin 2 ψ diagram is obtained, and the value obtained using a dynamic hardness meter (a nano indenter manufactured by MTS) is used as the Young's modulus. The stress value was determined using the value of TiN (0.19) for the Poisson's ratio.
なお、以下では被膜をカソードアークイオンプレーティング法により形成しているが、例えばバランスドまたはアンバランスドスパッタリング法によっても成膜することは可能である。また、以下では特定の被膜組成のものを形成しているが、これ以外の組成のものでも同様の効果を得ることができる。 In the following, the film is formed by the cathode arc ion plating method, but it can also be formed by, for example, a balanced or unbalanced sputtering method. Moreover, although the thing of a specific film composition is formed below, the thing of a composition other than this can acquire the same effect.
＜実施例１〜６＞
＜表面被覆切削工具の作製＞
まず、表面被覆切削工具の基材として、以下の表１に示す材質と工具形状（後述の各特性の評価方法により異なる）を有する切削用刃先交換型チップを用意し、これをカソードアークイオンプレーティング装置に装着した。
<Examples 1-6>
<Production of surface-coated cutting tool>
First, as a base material for a surface-coated cutting tool, a cutting edge replaceable tip having a material and a tool shape shown in Table 1 below (depending on the evaluation method of each characteristic described later) is prepared, and this is used as a cathode arc ion plate. It was attached to the ting device.
続いて、真空ポンプにより該装置のチャンバー内を減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーターにより上記基材の温度を４５０℃に加熱し、チャンバー内の圧力が１．０×１０-4Ｐａとなるまで真空引きを行なった。 Subsequently, the inside of the chamber of the apparatus is depressurized by a vacuum pump, and the temperature of the base material is heated to 450 ° C. by a heater installed in the apparatus, so that the pressure in the chamber is 1.0 × 10 −4 Pa. A vacuum was drawn until
次に、アルゴンガスを導入してチャンバー内の圧力を３．０Ｐａに保持し、上記基材の基板バイアス電源の電圧を徐々に上げながら−１５００Ｖとし、基材の表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。 Next, argon gas was introduced to maintain the pressure in the chamber at 3.0 Pa, the substrate bias power supply voltage of the substrate was gradually increased to −1500 V, and the surface of the substrate was cleaned for 15 minutes. . Thereafter, argon gas was exhausted.
次いで、上記基材上に直接接するように形成される被膜としてＴｉ0.5Ａｌ0.5Ｎが３μｍの厚みで形成されるように、金属蒸発源である合金製ターゲットをセットするとともに、反応ガスとして窒素ガスを導入させながら、基材（基板）温度４５０℃、反応ガス圧４．０Ｐａとし、基板バイアス電圧を以下の表２のように変化させることにより、６０分間カソード電極に１００Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させることにより、以下の表３に示す圧縮応力の強度分布を有する実施例１〜６の本発明の表面被覆切削工具を作製した。 Next, an alloy target, which is a metal evaporation source, is set so that Ti 0.5 Al 0.5 N is formed with a thickness of 3 μm as a film formed to be in direct contact with the substrate, and nitrogen gas is used as a reaction gas The substrate current (substrate) temperature was 450 ° C., the reaction gas pressure was 4.0 Pa, and the substrate bias voltage was changed as shown in Table 2 below, thereby supplying an arc current of 100 A to the cathode electrode for 60 minutes. By generating metal ions from an arc evaporation source, the surface-coated cutting tools of Examples 1 to 6 having the compressive stress intensity distribution shown in Table 3 below were produced.
なお、上記の表における「第１サイクル」および「第２サイクル」は、６０分間の間これらの各サイクルに記載されている時間毎にこれらの両サイクルを交互に繰り返すことによって（「第１サイクル」から開始するが、必ずしも「第２サイクル」で終了する必要はない）基板バイアス電圧を印加することを示している。すなわち、各サイクルに記載されている時間は、合金製ターゲットにより金属イオンの蒸発をさせる経過時間を示している。また、各記載されている電圧の数値は、上記の経過時間に対応する基板のバイアス電圧を示しており、たとえば「−１５０Ｖ〜−５０Ｖ」というような範囲をもって記載しているのは、その経過時間において基板バイアス電圧を−１５０Ｖから徐々に−５０Ｖまで一定速度で減少させたことを示しており、この場合被膜の圧縮応力は徐々に減少することとなる。一方、「−５０Ｖ〜−１５０Ｖ」というような範囲をもって記載されている場合は、その経過時間において基板バイアス電圧を−５０Ｖから徐々に−１５０Ｖまで一定速度で増加させたことを示しており、この場合被膜の圧縮応力は徐々に増加することとなる。そして、電圧の変化が減少から増加に転じる点（すなわち「第１サイクル」から「第２サイクル」に切り替わる点など）、ならびに電圧の変化が増加から減少に転じる点（すなわち「第２サイクル」から「第１サイクル」に切り替わる点など）において、それぞれ圧縮応力の極小点ならびに極大点が形成されることになる。 Note that the “first cycle” and the “second cycle” in the above table are obtained by alternately repeating these two cycles at the time indicated in each of these cycles for 60 minutes (“the first cycle”). ”, But does not necessarily end in the“ second cycle ”). That is, the time described in each cycle indicates the elapsed time during which metal ions are evaporated by the alloy target. The numerical value of each voltage described indicates the bias voltage of the substrate corresponding to the above-mentioned elapsed time. For example, it is described in a range such as “−150 V to −50 V”. This shows that the substrate bias voltage was gradually decreased from −150 V to −50 V over time at a constant rate, and in this case, the compressive stress of the coating gradually decreased. On the other hand, when it is described with a range such as “−50V to −150V”, it indicates that the substrate bias voltage is gradually increased from −50V to −150V at a constant speed during the elapsed time. In this case, the compressive stress of the coating gradually increases. From the point at which the voltage change starts to increase (ie, from the “first cycle” to the “second cycle”) and the point at which the voltage change goes from increase to the decrease (ie, “second cycle”). At the point of switching to the “first cycle” and the like, a minimum point and a maximum point of the compressive stress are respectively formed.
このように基板バイアス電圧を経過時間との関係で変化させることにより、被膜中の圧縮応力の強度分布において極大点ならびに極小点や、連続的に増加したりあるいは減少したりする状態を形成することができる。 In this way, by changing the substrate bias voltage in relation to the elapsed time, the maximum and minimum points in the strength distribution of the compressive stress in the coating, and the state where it continuously increases or decreases are formed. Can do.
なお、上記表において表面の圧縮応力および底面の圧縮応力の欄に記載されている数値は、それぞれ被膜の表面および被膜の底面において示される圧縮応力を示している。また、第１の中間点および第２の中間点の欄に記載されている数値は、被膜の厚み方向の距離として被膜の表面から、該第１の中間点および該第２の中間点までの距離をそれぞれ示している（「％」表示の数値は被膜の厚みに対するものであり、「μｍ」表示との両者で示している）。また、極小点および極大点の欄に記載されている数値は、各極小点および各極大点における圧縮応力をそれぞれ示している（なお、数値に範囲を伴っているが、この数値範囲内において実質的に同一の数値の圧縮応力を有していることとする）。また、極小点の数／距離および極大点の数／距離は、それぞれ被膜の表面から被膜の底面までの間に存在する極小点および極大点それぞれの個数と、各極小点間および各極大点間の距離を示している。 In the table above, the numerical values described in the column of the compressive stress on the surface and the compressive stress on the bottom surface indicate the compressive stress indicated on the surface of the coating film and the bottom surface of the coating film, respectively. The numerical values described in the first intermediate point and second intermediate point columns are the distance from the surface of the coating to the first intermediate point and the second intermediate point as the distance in the thickness direction of the coating. Each distance is shown (numerical values in “%” are relative to the thickness of the coating, both shown as “μm”). In addition, the numerical values described in the minimum point and maximum point columns respectively indicate the compressive stress at each minimum point and each maximum point. Have the same numerical compressive stress). The number / distance of local minimum points and the number / distance of local maximum points are respectively the number of local minimum points and local maximum points existing between the surface of the film and the bottom surface of the film, and between each local minimum point and each local maximum point. Shows the distance.
このようにして、実施例１〜６の本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備え、該被膜は、該基材上の最外層となるものであり、かつ圧縮応力を有しており、該圧縮応力は、上記被膜の厚み方向に強度分布を有するように変化しており、該強度分布は、上記被膜の表面の圧縮応力が上記被膜の表面から、上記被膜の表面と上記被膜の底面との間に位置する第１の中間点まで連続的に減少し、該第１の中間点において極小点を有するとともに、該第１の中間点から、該第１の中間点と上記被膜の底面との間に位置する第２の中間点まで連続的に増加し、該第２の中間点において極大点を有し、さらに該第２の中間点と上記被膜の底面との間に上記同様の極小点および極大点をそれぞれ１以上有している。そして、これらの極小点および極大点は、それぞれこの順で交互に繰り返して存在するものとなっており、各実施例における極小点はすべて実質的に同一の数値となる圧縮応力を有し、かつ各実施例における極大点はすべて実質的に同一の数値となる圧縮応力を有し、各極小点と各極大点とは実質的に等間隔で存在している。 Thus, the surface-coated cutting tool of the present invention of Examples 1 to 6 includes the base material and the coating film formed on the base material, and the coating film becomes the outermost layer on the base material. And has a compressive stress, and the compressive stress changes so as to have a strength distribution in the thickness direction of the coating, and the strength distribution is determined by the compressive stress on the surface of the coating. Continuously decreasing from the surface of the coating to a first intermediate point located between the surface of the coating and the bottom of the coating, having a minimum point at the first intermediate point, and the first intermediate point To a second intermediate point located between the first intermediate point and the bottom surface of the coating, having a maximum point at the second intermediate point, and further, the second intermediate point Between the point and the bottom surface of the coating, each has one or more minimum points and maximum points similar to the above. These local minimum points and local maximum points are alternately present in this order, and each local minimum point in each example has a compressive stress having substantially the same numerical value, and All local maximum points in each embodiment have compressive stresses having substantially the same numerical value, and each local minimum point and each local maximum point exist at substantially equal intervals.
なお、比較のため、合金製ターゲットにより金属イオンの蒸発を開始してから６０分間かけて基板バイアス電圧を−２０Ｖ〜−１５０Ｖまで一律に上昇させることを除き、上記と同様にして表面被覆切削工具を作製した（比較例１）。 For comparison, the surface-coated cutting tool is similar to the above except that the substrate bias voltage is uniformly increased from −20 V to −150 V over 60 minutes after the start of evaporation of metal ions by the alloy target. (Comparative Example 1).
この比較例１の表面被覆切削工具は、被膜の圧縮応力の強度分布が極小点および極大点を有さず、被膜の底面から被膜の表面にかけて一律に増加するものであった。 In the surface-coated cutting tool of Comparative Example 1, the strength distribution of the compressive stress of the coating did not have a minimum point and a maximum point, and increased uniformly from the bottom surface of the coating to the surface of the coating.
＜実施例７〜１０＞
＜表面被覆切削工具の作製＞
まず、表面被覆切削工具の基材としては、実施例１〜６において用いたものと同じものを用いた。そして、この基材をカソードアークイオンプレーティング装置に装着した。
<Examples 7 to 10>
<Production of surface-coated cutting tool>
First, as the base material of the surface-coated cutting tool, the same one as used in Examples 1 to 6 was used. And this base material was mounted | worn with the cathode arc ion plating apparatus.
続いて、真空ポンプにより該装置のチャンバー内を減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーターにより上記基材の温度を４５０℃に加熱し、チャンバー内の圧力が１．０×１０-4Ｐａとなるまで真空引きを行なった。 Subsequently, the inside of the chamber of the apparatus is depressurized by a vacuum pump, and the temperature of the base material is heated to 450 ° C. by a heater installed in the apparatus, so that the pressure in the chamber is 1.0 × 10 −4 Pa. A vacuum was drawn until
次に、アルゴンガスを導入してチャンバー内の圧力を３．０Ｐａに保持し、上記基材の基板バイアス電源の電圧を徐々に上げながら−１５００Ｖとし、基材の表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。 Next, argon gas was introduced to maintain the pressure in the chamber at 3.0 Pa, the substrate bias power supply voltage of the substrate was gradually increased to −1500 V, and the surface of the substrate was cleaned for 15 minutes. . Thereafter, argon gas was exhausted.
次いで、上記基材上に直接接するように形成される被膜としてＡｌ0.6Ｔｉ0.2Ｓｉ0.1Ｃｒ0.1Ｎが３μｍの厚みで形成されるように、金属蒸発源である合金製ターゲットをセットするとともに、反応ガスとして窒素を導入させながら、基材（基板）温度４５０℃、反応ガス圧４．０Ｐａとし、基板バイアス電圧を以下の表４のように変化させることにより、６０分間カソード電極に１００Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させることにより、以下の表５に示す圧縮応力の強度分布を有する実施例７〜１０の本発明の表面被覆切削工具を作製した。 Next, an alloy target, which is a metal evaporation source, is set so that Al 0.6 Ti 0.2 Si 0.1 Cr 0.1 N is formed with a thickness of 3 μm as a film formed so as to be in direct contact with the substrate. While introducing nitrogen as a gas, the substrate (substrate) temperature was 450 ° C., the reaction gas pressure was 4.0 Pa, and the substrate bias voltage was changed as shown in Table 4 below, whereby an arc current of 100 A was applied to the cathode electrode for 60 minutes. The surface-coated cutting tools of Examples 7 to 10 having the compressive stress intensity distribution shown in Table 5 below were produced by generating metal ions from an arc evaporation source.
なお、上記の表において記載されている「第１サイクル」および「第２サイクル」は、表２の場合と同様、６０分間の間これらの両サイクルに記載されている時間毎にこれらの両サイクルを交互に繰り返すことによって（「第１サイクル」から開始する）基板バイアス電圧を印加することを示している。また、各欄に記載されている時間および電圧の数値も、表２の場合と同様、上記の経過時間に対応する基板のバイアス電圧を示している。 In addition, “first cycle” and “second cycle” described in the above table are the same as those in Table 2, and both these cycles are performed for each time described in both these cycles for 60 minutes. Are applied alternately (starting from the “first cycle”) to apply the substrate bias voltage. Similarly to the case of Table 2, the numerical values of the time and voltage described in each column also indicate the substrate bias voltage corresponding to the elapsed time.
なお、上記表において表面の圧縮応力および底面の圧縮応力の欄に記載されている数値は、表３の場合と同様にそれぞれ被膜の表面および被膜の底面において示される圧縮応力を示している。また、第１の中間点および第２の中間点の欄に記載されている数値も、表３の場合と同様に被膜の厚み方向の距離として被膜の表面から各中間点までの距離をそれぞれ示している（「％」表示の数値は被膜の厚みに対するものであり、「μｍ」表示との両者で示している）。極小点および極大点の欄に記載されている数値も、表３の場合と同様、その点における圧縮応力をそれぞれ示している（なお、数値に範囲を伴っているが、この数値範囲内において実質的に同一の数値の圧縮応力を有していることとする）。また、極小点の数／距離および極大点の数／距離は、表３の場合と同様、それぞれ被膜の表面から被膜の底面までの間に存在する極小点および極大点それぞれの個数と、各極小点間および各極大点間の距離を示している。 In the above table, the numerical values described in the column of the compressive stress on the surface and the compressive stress on the bottom surface indicate the compressive stress shown on the surface of the coating and the bottom surface of the coating, respectively, as in Table 3. The numerical values described in the first intermediate point and second intermediate point columns also indicate the distance from the surface of the film to each intermediate point as the distance in the thickness direction of the film, as in Table 3. (The numerical value of “%” is relative to the thickness of the film, and is indicated by both of “μm”). Similarly to the case of Table 3, the numerical values described in the minimum point and maximum point columns also indicate the compressive stress at that point (note that the numerical value is accompanied by a range, but within this numerical range, Have the same numerical compressive stress). The number / distance of local minimum points and the number / distance of local maximum points are the same as in Table 3, and the number of local minimum points and local maximum points existing between the surface of the film and the bottom surface of the film, and the local minimum points. The distance between points and between each local maximum point is shown.
このようにして、実施例７〜１０の本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備え、該被膜は、該基材上の最外層となるものであり、かつ圧縮応力を有しており、該圧縮応力は、上記被膜の厚み方向に強度分布を有するように変化しており、該強度分布は、上記被膜の表面の圧縮応力が上記被膜の表面から、上記被膜の表面と上記被膜の底面との間に位置する第１の中間点まで連続的に減少し、該第１の中間点において極小点を有するとともに、該第１の中間点から、該第１の中間点と上記被膜の底面との間に位置する第２の中間点まで連続的に増加し、該第２の中間点において極大点を有し、さらに該第２の中間点と上記被膜の底面との間に上記同様の極小点および極大点をそれぞれ１以上有している。そして、これらの極小点および極大点は、それぞれこの順で交互に繰り返して存在するものとなっており、各実施例における極小点はすべて実質的に同一の数値となる圧縮応力を有し、かつ各実施例における極大点はすべて実質的に同一の数値となる圧縮応力を有し、各極小点と各極大点とは実質的に等間隔で存在している。 Thus, the surface-coated cutting tool of Examples 7 to 10 of the present invention includes the base material and the coating film formed on the base material, and the coating film becomes the outermost layer on the base material. And has a compressive stress, and the compressive stress changes so as to have a strength distribution in the thickness direction of the coating, and the strength distribution is determined by the compressive stress on the surface of the coating. Continuously decreasing from the surface of the coating to a first intermediate point located between the surface of the coating and the bottom of the coating, having a minimum point at the first intermediate point, and the first intermediate point To a second intermediate point located between the first intermediate point and the bottom surface of the coating, having a maximum point at the second intermediate point, and further, the second intermediate point Between the point and the bottom surface of the coating, each has one or more minimum points and maximum points similar to those described above. These local minimum points and local maximum points are alternately present in this order, and each local minimum point in each example has a compressive stress having substantially the same numerical value, and All local maximum points in each embodiment have a compressive stress having substantially the same numerical value, and each local minimum point and each local maximum point exist at substantially equal intervals.
なお、比較のため、合金製ターゲットにより金属イオンの蒸発を開始してから６０分間基板バイアス電圧を−７５Ｖで維持したことを除き、上記と同様にして表面被覆切削工具を作製した（比較例２）。 For comparison, a surface-coated cutting tool was produced in the same manner as described above except that the substrate bias voltage was maintained at −75 V for 60 minutes after the evaporation of metal ions was started by the alloy target (Comparative Example 2). ).
この比較例２の表面被覆切削工具は、被膜の圧縮応力の強度分布がなく、被膜の底面から被膜の表面にかけてその圧縮応力が一定であった。 The surface-coated cutting tool of Comparative Example 2 had no strength distribution of the compressive stress of the coating, and the compressive stress was constant from the bottom of the coating to the surface of the coating.
＜表面被覆切削工具の耐摩耗性の評価＞
上記で作製した実施例１〜１０および比較例１〜２の表面被覆切削工具のそれぞれについて、上記の表１に示す条件による湿式（水溶性エマルジョン）の連続切削試験および断続切削試験を行なった。そして、刃先の逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍを超える時間を切削時間として測定した。
<Evaluation of wear resistance of surface coated cutting tools>
Each of the surface-coated cutting tools of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 and 2 produced above was subjected to a wet (water-soluble emulsion) continuous cutting test and an intermittent cutting test under the conditions shown in Table 1 above. Then, the time when the flank wear width of the blade edge exceeded 0.2 mm was measured as the cutting time.
表面被覆切削工具の耐摩耗性の評価結果として上記で測定した切削時間を下記表６および表７に示す。切削時間が長いもの程耐摩耗性が優れていることを示している。また、連続切削試験においては、被削材の仕上げ面の光沢の有無についても観察し、その観察結果を同じく表６および表７に示す。この場合、「光沢あり」とは被削材の仕上げ面が光沢を有することを示し、「白濁」とは被削材の仕上げ面が光沢を有さず白濁したことを示す。 Tables 6 and 7 below show the cutting times measured above as the evaluation results of the wear resistance of the surface-coated cutting tool. The longer the cutting time, the better the wear resistance. In the continuous cutting test, the presence or absence of gloss on the finished surface of the work material was also observed, and the observation results are also shown in Tables 6 and 7. In this case, “glossy” means that the finished surface of the work material is glossy, and “white turbidity” means that the finished surface of the work material is not glossy and becomes cloudy.
表６および表７から明らかなように、連続切削試験においても断続切削試験においても実施例１〜１０の本発明に係る表面被覆切削工具は、比較例１〜２の表面被覆切削工具に比し、さらに耐摩耗性が向上するとともに仕上げ面に光沢を得ることができることから膜チッピングに対する耐性にも優れ、かつ表面被覆切削工具の寿命がさらに向上していることを確認した。 As is clear from Tables 6 and 7, the surface-coated cutting tool according to the present invention of Examples 1 to 10 in both the continuous cutting test and the intermittent cutting test is compared with the surface-coated cutting tool of Comparative Examples 1 and 2. Further, it was confirmed that the wear resistance was further improved and the finished surface was glossy, so that it was excellent in resistance to film chipping and the life of the surface-coated cutting tool was further improved.
＜表面被覆切削工具の靭性の評価＞
上記で作製した実施例１〜１０および比較例１〜２の表面被覆切削工具のそれぞれについて、以下に示す条件で靭性の評価試験を行なった。
<Evaluation of toughness of surface-coated cutting tools>
For each of the surface-coated cutting tools of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 and 2 produced above, a toughness evaluation test was performed under the following conditions.
すなわち、切削条件は、上記の表１に示したようにＳ５０Ｃの素材に５０の貫通穴を設けたブロック（長さ３００ｍｍ×幅１５０ｍｍ）を被削材として用い、切削速度１８０ｍ／ｍｉｎ、切り込み２．０ｍｍ、切削長３００ｍｍ毎に送り量を０．１０ｍｍ／刃から０．０５ｍｍ／刃ずつ上げる条件で、乾式フライス切削を行なった。 That is, the cutting conditions were as shown in Table 1 above, using a block (length 300 mm × width 150 mm) provided with 50 through holes in the S50C material as the work material, cutting speed 180 m / min, cutting 2 Dry milling was performed under the condition that the feed amount was increased from 0.10 mm / blade to 0.05 mm / blade every 0.0 mm and the cutting length of 300 mm.
表面被覆切削工具の靭性の評価結果として上記で測定した最大送りを下記表６および表７に示す。最大送り量が大きくなる程靭性が優れていることを示している。 Tables 6 and 7 below show the maximum feed measured above as the toughness evaluation result of the surface-coated cutting tool. The larger the maximum feed amount, the better the toughness.
表６および表７から明らかなように、実施例１〜１０の本発明に係る表面被覆切削工具は、比較例１〜２の表面被覆切削工具に比し、さらに靭性が向上していることを確認した。 As is apparent from Tables 6 and 7, the surface-coated cutting tool according to the present invention of Examples 1 to 10 has improved toughness as compared with the surface-coated cutting tool of Comparative Examples 1 and 2. confirmed.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
１ 表面被覆切削工具、２ 基材、３ 被膜、４ 被膜の表面、５ 第１の中間点、６ 被膜の底面、７ 矢印、８ 中間層、９ 第２の中間点、１０ 第３の中間点、１１ 第４の中間点。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Surface coating cutting tool, 2 base material, 3 coating, 4 coating surface, 5 1st intermediate point, 6 coating bottom surface, 7 arrow, 8 intermediate layer, 9 2nd intermediate point, 10 3rd
Claims (7)
前記被膜は、前記基材上の最外層となるものであり、かつ圧縮応力を有しており、
前記圧縮応力は、前記被膜の厚み方向に強度分布を有するように変化しており、
前記強度分布は、前記被膜の表面の圧縮応力が前記被膜の表面から、前記被膜の表面と前記被膜の底面との間に位置する第１の中間点まで連続的に減少し、前記第１の中間点において極小点を有するとともに、前記第１の中間点から、前記第１の中間点と前記被膜の底面との間に位置する第２の中間点まで連続的に増加し、前記第２の中間点において極大点を有し、さらに前記第２の中間点と前記被膜の底面との間に前記同様の極小点を１以上有し、
前記第１の中間点は、前記被膜の表面から、前記被膜の厚みの０．１％以上４０％以下の距離を有して位置し、
前記第２の中間点は、前記被膜の表面から、前記被膜の厚みの０．２％以上８０％以下の距離を有して位置し、
前記圧縮応力は、前記第１の中間点において前記被膜の表面の圧縮応力の１０〜８０％の値を有することを特徴とする、表面被覆切削工具。 A surface-coated cutting tool comprising a substrate and a coating formed on the substrate,
The coating is the outermost layer on the substrate and has a compressive stress,
The compressive stress has changed to have a strength distribution in the thickness direction of the coating,
The strength distribution is such that the compressive stress on the surface of the coating continuously decreases from the surface of the coating to a first intermediate point located between the surface of the coating and the bottom surface of the coating, The intermediate point has a minimum point, and continuously increases from the first intermediate point to a second intermediate point located between the first intermediate point and the bottom surface of the coating, has a maximum point at the midpoint, possess the same minimum point 1 or more between the further second intermediate point and the bottom surface of said coating,
The first intermediate point is located at a distance of 0.1% to 40% of the thickness of the coating from the surface of the coating,
The second intermediate point is located at a distance of 0.2% to 80% of the thickness of the coating from the surface of the coating;
The surface-coated cutting tool , wherein the compressive stress has a value of 10 to 80% of the compressive stress of the surface of the coating at the first intermediate point .
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