JP4758288B2 - Manufacturing method of hard coating - Google Patents

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Description

本発明は、チップ、ドリル、エンドミル等の切削工具の耐摩耗性を向上するための硬質皮膜を製造するための方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a hard coating for improving the wear resistance of a cutting tool such as a tip, a drill or an end mill.

従来より、超硬合金、サーメットまた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。   Conventionally, a hard coating such as TiN, TiCN, TiAlN or the like has been applied for the purpose of improving the wear resistance of a cutting tool based on cemented carbide, cermet or high-speed tool steel. .

特に、TiとAlの複合窒化皮膜(以下、TiAlNと記す)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。   In particular, since a composite nitride film of Ti and Al (hereinafter 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.

前記TiAlN皮膜は、Alを添加することによって膜の硬度が上昇し、耐摩耗特性が向上することが知られているが、特許文献1には、TiAlNを(Al,Ti1−x)Nと表現した場合のAlの組成比xが0.7以上で、ZnS型の軟質AlNが析出していることが示されている。また同特許には「Al量(x)が0.75を超える場合は、硬質皮膜がAlNに近似してくる結果、皮膜の軟質化を招き、十分な硬度が得られなくなり、フランク摩耗を容易に引き起こす」ことが記述されている。更に同特許の図3には、Al組成比と膜硬度の関係が示され、Al組成が0.6を超えた付近から硬度が低下しているが、これはAl組成比xが0.6〜0.7の間でZnS型のAlNが析出し始め、Alの組成比増加とともにZnS型AlNの析出が増加して、膜強度が低下することを示唆している。更に同特許には、耐酸化性について、Al組成比xが0.56以上で酸化開始温度が800℃以上となり、前記x値の増加に伴い酸化開始温度も上昇していく傾向が示されているが、硬度を考慮して規定しているAl組成比の上限:0.75においては850℃程度である。 The TiAlN film is known to increase the hardness of the film and improve the wear resistance when Al is added. However, Patent Document 1 discloses that TiAlN is (Al x , Ti 1-x ) N. It is shown that ZnS-type soft AlN is precipitated when the Al composition ratio x is 0.7 or more. The patent also states that “when the Al amount (x) exceeds 0.75, the hard film approximates to AlN, which leads to softening of the film, resulting in insufficient hardness and easy flank wear. To cause. " Further, FIG. 3 of the same patent shows the relationship between the Al composition ratio and the film hardness, and the hardness is reduced from the vicinity where the Al composition exceeds 0.6. This is because the Al composition ratio x is 0.6. It is suggested that ZnS-type AlN starts to be precipitated between ˜0.7, and that the precipitation of ZnS-type AlN increases as the Al composition ratio increases, suggesting that the film strength decreases. Furthermore, the same patent shows that with respect to oxidation resistance, when the Al composition ratio x is 0.56 or more and the oxidation start temperature is 800 ° C. or more, the oxidation start temperature tends to increase as the x value increases. However, the upper limit of the Al composition ratio defined in consideration of hardness is about 850 ° C. at 0.75.

即ちTiAlN膜では、Alの組成比を増加させて硬度を高めるにも限界があるため硬度と耐酸化性を同時に高めていくことができず、結果として耐摩耗性の向上にも限界がある。   That is, in the TiAlN film, there is a limit to increase the hardness by increasing the Al composition ratio. Therefore, the hardness and the oxidation resistance cannot be increased at the same time. As a result, there is a limit to improving the wear resistance.

しかしながら、近年では、切削工具の使用条件としてより高速化・高能率化が要求されており、この様な切削工具を実現するため、更に優れた耐摩耗性を発揮する切削工具用硬質皮膜が求められている。
特許第2644710号公報 特許請求の範囲等
However, in recent years, there has been a demand for higher speed and higher efficiency as the usage conditions of cutting tools, and in order to realize such cutting tools, a hard coating for cutting tools that exhibits even higher wear resistance is required. It has been.
Japanese Patent No. 2644710 Patent Claim etc.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、高速・高能率切削が可能な、TiAlNよりも耐摩耗性に優れた切削工具用硬質皮膜を得るための有用な製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and the purpose thereof is useful for obtaining a hard coating for a cutting tool that is capable of high-speed and high-efficiency cutting and is superior in wear resistance to TiAlN. It is to provide a manufacturing method.

本発明に係る切削工具用硬質皮膜の製造方法とは、下記の硬質皮膜を製造するための方法であって、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すると共に、前記被処理体に印加するバイアス電位をアース電位に対して−50V〜−300Vとして成膜することを要旨としている。   The method for producing a hard coating for a cutting tool according to the present invention is a method for producing the following hard coating, in an arc ion plating method in which evaporation and ionization of a metal constituting a target is 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 magnetic field line promotes the plasma formation of the film forming gas in the vicinity of the target object and applies it to the target object. The gist is to form a film with a bias potential of −50 V to −300 V with respect to the ground potential.

(Ti,Al,Cr)(C1−d)からなる硬質皮膜であって、
上記a,b,c,dが、
0.02≦a≦0.30、
0.55≦b≦0.765、
0.06≦c、
a+b+c=1、
0.5≦d≦1
(a,b,cはそれぞれTi,Al,Crの原子比を示し、dはNの原子比を示す。以下同じ)、
または
0.02≦a≦0.175、
0.765≦b、
4(b−0.75)≦c、
a+b+c=1、
0.5≦d≦1を満たし、且つ、結晶構造が岩塩構造型を主体とするものである。
A hard film made of (Ti a , Al b , Cr c ) (C 1-d N d ),
A, b, c, d above
0.02 ≦ a ≦ 0.30,
0.55 ≦ b ≦ 0.765,
0.06 ≦ c,
a + b + c = 1,
0.5 ≦ d ≦ 1
(A, b, and c represent the atomic ratio of Ti, Al, and Cr, respectively, d represents the atomic ratio of N, and so on)
Or 0.02 ≦ a ≦ 0.175,
0.765 ≦ b,
4 (b−0.75) ≦ c,
a + b + c = 1,
0.5 ≦ d ≦ 1 is satisfied, and the crystal structure is mainly composed of a rock salt structure type.

この場合に、成膜時の被処理体温度(以下、基板温度ということがある)は300℃以上で800℃以下とすると共に、成膜時の反応ガスの分圧または全圧を0.5Pa以上7Pa以下とすることが望ましい。   In this case, the temperature of the object to be processed (hereinafter sometimes referred to as substrate temperature) during film formation is set to 300 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, and the partial pressure or total pressure of the reaction gas during film formation is set to 0.5 Pa. It is desirable that the pressure be 7 Pa or less.

尚、本発明における上記反応ガスとは、窒素ガス、メタンガス、エチレン、アセチレン、アンモニア、水素、またはこれら2種以上を混合させた皮膜の成分組成に必要な元素を含むガスをいい、これら以外に用いられるArなどの様な希ガス等をアシストガスといい、これらをあわせて成膜ガスということとする。   In addition, the said reaction gas in this invention means nitrogen gas, methane gas, ethylene, acetylene, ammonia, hydrogen, or the gas containing the element required for the component composition of the film | membrane which mixed these 2 or more types other than these. A rare gas such as Ar used is called an assist gas, and these are collectively referred to as a film forming gas.

本発明方法では、従来のTiAlNにCrを添加し、かつこれらTi、Al、Crの成分組成を本発明の如く制御しつつ製造することによって、従来の切削工具用硬質皮膜よりも耐摩耗性に優れた硬質皮膜を得ることができた。こうした硬質皮膜の実現によって、高速切削や焼き入れ鋼など高硬度鋼の切削に用いることのできる長寿命の切削工具を供給できることとなった。   In the method of the present invention, by adding Cr to conventional TiAlN and manufacturing while controlling the component composition of these Ti, Al, and Cr as in the present invention, it is more wear resistant than conventional hard coatings for cutting tools. An excellent hard film could be obtained. By realizing such a hard coating, it has become possible to supply a long-life cutting tool that can be used for cutting high-hardness steel such as high-speed cutting and hardened steel.

本発明者らは、前述した様な状況の下で、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と耐酸化性を同時に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TiAlN膜に着目して研究を進めた結果、TiAlNにCrを添加することによって膜の硬度および耐酸化性が向上し、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、前記TiAlNとCrの定量的作用効果について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 intensive research aiming at realization of a hard coating for a cutting tool that exhibits superior wear resistance. As a result, it has been found that if the hardness and oxidation resistance of the film can be increased simultaneously as an index, the wear resistance is remarkably improved. And as a result of this research, we focused on the TiAlN film and found that adding Cr to TiAlN improves the hardness and oxidation resistance of the film, resulting in a dramatic improvement in wear resistance. As a result of further pursuing the quantitative effects of TiAlN and Cr, the present invention has been conceived.

即ち、本発明方法によって得られる硬質皮膜は、Ti、AlおよびCrの窒化物または炭窒化物
(Ti,Al,Cr)(C1−d)からなる皮膜であって、該窒化物または炭窒化物の組成が、
0.02≦a≦0.30、0.55≦b≦0.765、0.06≦c、
a+b+c=1、0.5≦d≦1
または
0.02≦a≦0.175、0.765≦b、4(b−0.75)≦c、
a+b+c=1、0.5≦d≦1
のものであるが、この様に皮膜中のTi、Al、Cr、CおよびN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 obtained by the method of the present invention is a film made of nitride, carbonitride (Ti a , Al b , Cr c ) (C 1-d N d ) of Ti, Al, and Cr, The composition of the nitride or carbonitride is
0.02 ≦ a ≦ 0.30, 0.55 ≦ b ≦ 0.765, 0.06 ≦ c,
a + b + c = 1, 0.5 ≦ d ≦ 1
Or 0.02 ≦ a ≦ 0.175, 0.765 ≦ b, 4 (b−0.75) ≦ c,
a + b + c = 1, 0.5 ≦ d ≦ 1
The reason why the composition of Ti, Al, Cr, C and N in the film is defined in this way will be described in detail below.

TiAlNは岩塩構造型の結晶であり、岩塩構造型のTiNのTiのサイトにAlが置換して入った岩塩構造型の複合窒化物である。岩塩構造型のAlNは高温高圧相であるため、高硬度物質であると予想される。したがって岩塩構造を維持しながらTiAlN中のAlの比率を高めればTiAlN膜の硬度を高めることができる。しかしながら岩塩構造型のAlNは常温常圧や高温低圧では非平衡相であることから、気相コーティングを行っても通常は軟質のZnS型AlNしか生成せず、岩塩構造型AlN単体を生成することができない。   TiAlN is a rock salt structure type crystal, and is a rock salt structure type composite nitride in which Al is substituted into the Ti site of the rock salt structure type TiN. Since the rock salt structure type AlN is a high-temperature and high-pressure phase, it is expected to be a high-hardness substance. Therefore, if the ratio of Al in TiAlN is increased while maintaining the rock salt structure, the hardness of the TiAlN film can be increased. However, since rock salt structure type AlN is a non-equilibrium phase at room temperature and normal pressure and high temperature and low pressure, it usually produces only soft ZnS type AlN even when vapor phase coating is performed, and it produces rock salt structure type AlN alone. I can't.

ところがTiNは、岩塩構造型でかつ岩塩構造型のAlNと格子定数が近いため、TiにAlを添加して窒化物を成膜すれば、TiNの構造にAlNが引き込まれて、常温常圧や高温低圧でも岩塩構造型のTiAlNを生成させることができるのである。しかし前述したように、TiAlNを(Al,Ti1−x)Nと表現した場合のAlの組成比xが0.6〜0.7を超えると、TiNによる引き込み効果が弱くなって軟質のZnS型AlNが析出する。 However, TiN is a rock salt structure type and has a lattice constant close to that of rock salt structure type AlN. Therefore, if Al is added to Ti to form a nitride film, AlN is drawn into the structure of TiN, so The rock salt structure type TiAlN can be produced even at high temperature and low pressure. However, as described above, when the Al composition ratio x exceeds 0.6 to 0.7 when TiAlN is expressed as (Al x , Ti 1-x ) N, the pulling effect by TiN is weakened and the softness is reduced. ZnS type AlN is deposited.

ところでCrNの格子定数は、TiNよりも更に岩塩構造型AlNに近いため、TiAlNのTiを一部Crに置換することで岩塩構造型AlNの比率をより一層高めることができる。この様にCr添加により膜中の岩塩構造型AlNの比率を高めることができれば、TiAlN膜よりも高硬度とすることが可能であると考えられる。   By the way, since the lattice constant of CrN is closer to that of rock salt structure type AlN than TiN, the ratio of rock salt structure type AlN can be further increased by partially replacing Ti in TiAlN with Cr. If the ratio of the rock salt structure type AlN in the film can be increased by adding Cr in this way, it is considered that the hardness can be made higher than that of the TiAlN film.

一方、AlNおよびCrNは、耐酸化性もTiNより優れているため、耐酸化性向上の観点からも、Tiの割合を減らしてAlとCrを添加することが好ましいのである。   On the other hand, since AlN and CrN are superior in oxidation resistance to TiN, it is preferable to add Al and Cr while reducing the Ti ratio from the viewpoint of improving oxidation resistance.

以下、本発明の(Ti,Al,Cr)(C1−d)皮膜を構成する金属元素Ti、AlおよびCrの原子比a、bおよびcを規定した理由について詳細に述べる。 The reason why the atomic ratios a, b, and c of the metal elements Ti, Al, and Cr constituting the (Ti a , Al b , Cr c ) (C 1-d N d ) film of the present invention will be described in detail below. .

まずAlについては、前記従来技術における皮膜;TiAlN(0.56≦Al≦0.75)と同等以上の硬度および耐酸化性を得るため、その原子比bの下限を0.55とする。またCrを添加することで、上述の通り、皮膜中の岩塩構造型AlNの割合を増加させて硬度を高め、かつ耐酸化性も向上させることができるが、この様な効果を有効に発揮させるには、Crの原子比cの下限を0.06とする必要がある。ただし、Alの原子比bが0.765を超える場合には、Crの原子比cを下記範囲内となるようにする。   First, for Al, the lower limit of the atomic ratio b is set to 0.55 in order to obtain a hardness and oxidation resistance equal to or higher than those of the above-described prior art; TiAlN (0.56 ≦ Al ≦ 0.75). Moreover, by adding Cr, as described above, the ratio of the rock salt structure type AlN in the film can be increased to increase the hardness and the oxidation resistance can be improved, but such an effect is effectively exhibited. For this, the lower limit of the atomic ratio c of Cr needs to be 0.06. However, when the atomic ratio b of Al exceeds 0.765, the atomic ratio c of Cr is set within the following range.

即ち、図1は、(Ti,Al,Cr)N膜における金属成分Ti、AlおよびCrの組成図を示したものであるが、この図1におけるc=4(b−0.75)のラインより左側、即ち、c<4(b−0.75)になると、Crを添加しても膜中のAlNの結晶構造は軟質のZnS型の割合が高くなることから、膜の硬度が急激に低下する。従って、Alの原子比bが0.765を超える場合に、前記TiAlN(0.56≦Al≦0.75)と同等以上の硬度を得るには、Crの割合をc≧4(b−0.75)とする必要がある。   That is, FIG. 1 shows a composition diagram of the metal components Ti, Al, and Cr in the (Ti, Al, Cr) N film. The line c = 4 (b−0.75) in FIG. On the left side, that is, when c <4 (b-0.75), even when Cr is added, the AlN crystal structure in the film has a higher proportion of soft ZnS type, so the hardness of the film rapidly increases. descend. Therefore, when the Al atomic ratio b exceeds 0.765, in order to obtain a hardness equal to or higher than the TiAlN (0.56 ≦ Al ≦ 0.75), the Cr ratio is set to c ≧ 4 (b−0). .75).

また、前記TiAlN(0.56≦Al≦0.75)と同等以上の硬度を得るには、Tiの原子比aを0.02以上とする必要がある。その理由として、上述の如くCrを添加することで岩塩構造型AlNの比率を高めることができるが、CrNはTiNよりも硬度の低い物質であるので、TiをCrで置換するとその分硬度の低下が懸念される。従って一定以上の硬度を得るには、ある程度のTiを含む必要があること、また格子定数がCrN(4.14Å)および岩塩構造型AlN(4.12Å)と若干異なるTiN(4.24Å)を混入させることによって、結晶の格子が歪んで硬くなることが挙げられる。   Further, in order to obtain a hardness equal to or higher than that of TiAlN (0.56 ≦ Al ≦ 0.75), the atomic ratio a of Ti needs to be 0.02 or more. The reason is that by adding Cr as described above, the ratio of the rock salt structure type AlN can be increased. However, since CrN is a substance having a lower hardness than TiN, if Ti is replaced with Cr, the hardness decreases accordingly. Is concerned. Therefore, in order to obtain a certain level of hardness, it is necessary to include a certain amount of Ti, and TiN (4.24 Å) whose lattice constant is slightly different from CrN (4.14 Å) and rock salt structure type AlN (4.12 Å). When mixed, the crystal lattice is distorted and hardened.

一方、Tiの原子比が高すぎると、耐酸化性が前記TiAlN(0.56≦Al≦0.75)よりも劣ることとなるため、Tiの原子比aを0.30以下とする。   On the other hand, if the atomic ratio of Ti is too high, the oxidation resistance is inferior to that of TiAlN (0.56 ≦ Al ≦ 0.75), so the atomic ratio a of Ti is set to 0.30 or less.

尚、Tiの原子比を0.20未満とすることで、耐酸化性が更に向上し、TiAlN(0.56≦Al≦0.75)膜が示す酸化開始温度の最高値850℃よりも更に高い酸化開始温度を示し、より優れた耐酸化性を確保することができる。従って、上記規定したa、bおよびcの範囲の中でも、
0.02≦a<0.20、0.55≦b≦0.765、0.06≦c
a+b+c=1
または
0.02≦a<0.20、0.765≦b、4(b−0.75)≦c
a+b+c=1とすることが好ましい。
In addition, by making the atomic ratio of Ti less than 0.20, the oxidation resistance is further improved and is further higher than the maximum value 850 ° C. of the oxidation start temperature exhibited by the TiAlN (0.56 ≦ Al ≦ 0.75) film. A high oxidation start temperature is exhibited, and better oxidation resistance can be ensured. Therefore, even within the ranges of a, b and c defined above,
0.02 ≦ a <0.20, 0.55 ≦ b ≦ 0.765, 0.06 ≦ c
a + b + c = 1
Or 0.02 ≦ a <0.20, 0.765 ≦ b, 4 (b−0.75) ≦ c
It is preferable that a + b + c = 1.

また、Alの原子比bを0.6以上にするとともに、Alの原子比上限を膜の結晶構造がほぼ岩塩構造単相となる領域に限定することで、耐酸化性だけでなく、TiAlN(0.56≦Al≦0.75)のうち、最も高硬度を示すTi0.4Al0.6Nよりも更に高い硬度を得ることができる。 In addition, the Al atomic ratio b is set to 0.6 or more, and the upper limit of the Al atomic ratio is limited to a region where the crystal structure of the film is almost a rock salt single phase, so that not only oxidation resistance but also TiAlN ( Among 0.56 ≦ Al ≦ 0.75), it is possible to obtain a higher hardness than Ti 0.4 Al 0.6 N, which shows the highest hardness.

従って、より好ましいa、bおよびcの範囲は、
0.02≦a<0.20、0.60≦b≦0.709、
a+b+c=1、
または
0.02≦a<0.20、0.709≦b、
11/6×(b−0.66)≦c、
a+b+c=1である。
Therefore, the more preferable range of a, b and c is
0.02 ≦ a <0.20, 0.60 ≦ b ≦ 0.709,
a + b + c = 1,
Or 0.02 ≦ a <0.20, 0.709 ≦ b,
11/6 × (b−0.66) ≦ c,
a + b + c = 1.

皮膜中にCを添加することにより、皮膜中にTiC等の高硬度の炭化物を析出させて、皮膜自身の硬度を高めることができる。しかしながら、過剰に添加すると化学的に不安定なアルミの炭化物を析出させてしまうこととなり、また耐酸化性も劣化し易くなる。従って、(Ti,Al,Cr)(C1−d)におけるdの値が0.5以上となるようにする。前記dの値は、望ましくはAlとCrの合計添加量(b+c)と同等であって、0.7以上とすることが好ましく、より好ましくは0.8以上であり、最も好ましくはd=1である。 By adding C to the film, a hard carbide such as TiC can be precipitated in the film to increase the hardness of the film itself. However, if excessively added, a chemically unstable aluminum carbide precipitates, and the oxidation resistance tends to deteriorate. Accordingly, the value of d in (Ti a , Al b , Cr c ) (C 1-d N d ) is set to 0.5 or more. The value of d is desirably equivalent to the total addition amount of Al and Cr (b + c), preferably 0.7 or more, more preferably 0.8 or more, and most preferably d = 1. It is.

尚、本発明の硬質皮膜の結晶構造は、実質的に岩塩構造型を主体とするものである。前述のようにZnS型構造が混入すると高強度を確保することができないからである。   The crystal structure of the hard coating of the present invention is substantially composed mainly of a rock salt structure type. This is because high strength cannot be secured when a ZnS structure is mixed as described above.

上記岩塩構造型を主体とする結晶構造とは、θ−2θ法によるX線回折における岩塩構造を示すピークのうち、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(222)面、(400)面のピーク強度をそれぞれ、IB(111)、IB(200)、IB(220)、IB(311)、IB(222)、IB(400)とし、ZnS型構造を示すピークのうち、(100)面、(102)面、(110)面のピーク強度をそれぞれ、IH(100)、IH(102)、IH(110)とした場合に、下記式(4)の値が0.8以上となるような結晶構造のことをいう。0.8未満になると膜の硬度が本発明で好ましいとする硬度よりも低くなるからである。   The crystal structure mainly composed of the rock salt structure type is a (111) plane, a (200) plane, a (220) plane, a (311) plane among peaks indicating a rock salt structure in X-ray diffraction by the θ-2θ method, The peak intensities of the (222) plane and (400) plane are IB (111), IB (200), IB (220), IB (311), IB (222), and IB (400), respectively, and a ZnS type structure is formed. Of the peaks shown, when the peak intensities of the (100) plane, (102) plane, and (110) plane are IH (100), IH (102), and IH (110), respectively, A crystal structure whose value is 0.8 or more. This is because when it is less than 0.8, the hardness of the film is lower than the hardness that is preferable in the present invention.

前記ZnS型構造のピーク強度は、X線回折装置にてCuのKα線を用い、(100)面は2θ=32°〜33°付近、(102)面は2θ=48°〜50°付近、また(110)面は2θ=57°〜58°付近に現れるピークの強度を測定して求める。尚、ZnS型の結晶はAlNが主体であるが、TiやCrが混入しているため、実測されるZnS型AlNのピーク位置は、JCPDSカードのZnS型AlNのピーク位置と若干ずれる。 As for the peak intensity of the ZnS type structure, Cu rays are used in an X-ray diffractometer, the (100) plane is around 2θ = 32 ° to 33 °, and the (102) plane is around 2θ = 48 ° to 50 °. The (110) plane is obtained by measuring the intensity of the peak appearing in the vicinity of 2θ = 57 ° to 58 °. Although the ZnS type crystal is mainly AlN, Ti and Cr are mixed, so that the measured peak position of ZnS type AlN is slightly shifted from the peak position of ZnS type AlN on the JCPDS card.

Figure 0004758288
Figure 0004758288

また本発明の皮膜の結晶構造をX線回折で測定した場合に、岩塩構造型の結晶構造における回折線強度が、I(220)≦I(111)および/またはI(220)≦I(200)を満たしていることが望ましい。これは、岩塩構造型の密に充填した面である(111)面や(200)面が皮膜表面に対して平行に配向することで、耐摩耗性が向上するからである。   When the crystal structure of the film of the present invention is measured by X-ray diffraction, the diffraction line intensity in the rock salt structure type crystal structure is I (220) ≦ I (111) and / or I (220) ≦ I (200 ) Is desirable. This is because the (111) plane and (200) plane, which are densely packed surfaces of the rock salt structure type, are oriented in parallel to the coating surface, thereby improving the wear resistance.

更に(200)面と(111)面の回折線強度比;I(200)/I(111)が0.1以上であることが好ましい。I(200)/I(111)は、成膜時に基板に印可するバイアス電圧や、ガス圧、成膜温度などの条件により、概ね0.1から5程度の範囲内で変化するが、本発明では、I(200)/I(111)が0.1以上を満足する場合に、皮膜の切削特性が良好となることを見出した。その理由について詳細は明らかでないが次の様に考えることができる。   Further, the diffraction line intensity ratio of (200) plane to (111) plane; I (200) / I (111) is preferably 0.1 or more. I (200) / I (111) varies within a range of about 0.1 to 5 depending on conditions such as a bias voltage applied to the substrate during film formation, gas pressure, and film formation temperature. Then, when I (200) / I (111) satisfied 0.1 or more, it discovered that the cutting characteristic of the film | membrane became favorable. The details are not clear, but can be considered as follows.

即ち、岩塩構造型の結晶構造では、基本的に金属元素(Ti、Al、Cr)が窒素または炭素と結合し、金属元素同士、窒素原子同士、または炭素原子同士の結合はほとんど存在せず、(111)面では、最隣接原子が金属元素同士、窒素原子同士、または炭素原子同士であるが、お互いに結合していないと考えられる。これに対して(200)面では、隣接している原子(最隣接原子)は金属元素と窒素あるいは金属元素と炭素の組み合わせで、(200)面内における金属元素と窒素原子または炭素原子とは結合している割合が高いことから安定していると考えられる。従って、面内の安定性の高い(200)面を、(111)面に対してある一定以上の割合で表面に対して配向させれば、硬度が増加して切削特性を向上させることができると考えられる。前記I(200)/I(111)の値は、好ましくは0.2以上である。   That is, in the crystal structure of the rock salt structure type, the metal element (Ti, Al, Cr) basically bonds with nitrogen or carbon, and there is almost no bond between metal elements, between nitrogen atoms, or between carbon atoms, In the (111) plane, the nearest neighbor atoms are metal elements, nitrogen atoms, or carbon atoms, but it is considered that they are not bonded to each other. On the other hand, in the (200) plane, adjacent atoms (nearest neighbor atoms) are a combination of a metal element and nitrogen or a metal element and carbon, and a metal element and a nitrogen atom or carbon atom in the (200) plane are It is considered stable because of the high proportion of bonding. Therefore, if the in-plane highly stable (200) plane is oriented with respect to the surface at a certain ratio with respect to the (111) plane, the hardness increases and the cutting characteristics can be improved. it is conceivable that. The value of I (200) / I (111) is preferably 0.2 or more.

(111)面の回折線の回折角度は、皮膜の成分組成、残留応力の状態、または基板の種類によって変化しうるものであり、本発明の硬質皮膜についてCuのKα線を用いたθ−2θ法によるX線回折を行った結果、回折角度はおおよそ37.0°〜38.0°の範囲内で変化し、皮膜中のTi量が増加すると該回折角度が小さくなる傾向が示された。この様に、皮膜中のTi量の増加により前記(111)面の回折角度が低角側となる、即ち(111)面間距離が大きくなるのは、前述の如く、TiNの格子定数(4.24Å)が岩塩構造型のAlNの格子定数(4.12Å)やCrNの格子定数(4.14Å)と比較して大きいことに起因していると考えられる。 (111) plane diffraction angle of the diffraction lines of the composition of the coating, which can vary depending on the type of the state of residual stress or substrate, for the hard film of the present invention using the K alpha line of Cu theta- As a result of X-ray diffraction by the 2θ method, the diffraction angle changed within a range of approximately 37.0 ° to 38.0 °, and the diffraction angle tended to decrease as the amount of Ti in the film increased. . Thus, as described above, the diffraction angle of the (111) plane becomes lower, that is, the distance between the (111) planes increases as the amount of Ti in the film increases. .24 cm) is considered to be caused by the fact that it is larger than the lattice constant (4.12 cm) of AlN of the rock salt structure type and the lattice constant of CrN (4.14 cm).

岩塩構造型の(111)面における回折角度は、下記ブラッグの式(5)に代入して算出することができる。尚、式(5)中の(111)面の面間距離は、岩塩構造型のTiN、AlN、およびCrNの標準格子定数(4.24Å、4.12Åおよび4.14Å)およびこれらの組成比から、混合則(low of mixture)を用いて得た下記式(6)にて求めることができる。
2×面間距離(Å)×sin(回折角度2θ/2)=使用X線の波長(Å) …(5)
[使用するX線の波長:CuのKα線 1.54056Å]
(111)面間距離(Å)=[2.4492×Ti量(at%)+2.379×Al量(at%) +2.394×Cr量(at%)]/100 …(6)
[尚、各元素量は金属元素のみで100%換算]
The diffraction angle in the (111) plane of the rock salt structure type can be calculated by substituting into the following Bragg equation (5). The distance between the (111) planes in the formula (5) is the standard lattice constants (4.24, 4.12, and 4.14) of the rock salt structure type TiN, AlN, and CrN, and their composition ratios. From the following equation (6) obtained by using a mixing rule (low of mixture).
2 x distance between planes (Å) x sin (diffraction angle 2θ / 2) = wavelength of X-ray used (Å) ... (5)
[Wavelength of X-ray used: Kα ray of Cu 1.54056Å]
(111) Distance between planes (Å) = [2.4492 × Ti amount (at%) + 2.379 × Al amount (at%) + 2.394 × Cr amount (at%)] / 100 (6)
[The amount of each element is 100% equivalent only for metal elements]

例えば、本発明の硬質皮膜;(Ti0.1Al0.72Cr0.18)N皮膜を超硬合金基板上に形成した場合、上記式(5)より求めた回折角度は37.6°であるが、成膜条件や残留応力の影響により37.2°〜37.7°の範囲内で変化する。この本発明の硬質皮膜の場合、形成ままの状態で皮膜に圧縮応力が作用していたことから、基板に平行な方向に位置する面の面間距離が、ポアソン効果により標準状態[上記式(6)から求められる面間距離]よりも広がり、θ−2θのX線回折法における(111)面の回折角度が標準状態[上記式(6)より求めた標準状態の面間距離を上記式(5)に代入して求めた回折角度]よりも低角度側に検出された。 For example, when the hard coating of the present invention; (Ti 0.1 Al 0.72 Cr 0.18 ) N coating is formed on a cemented carbide substrate, the diffraction angle obtained from the above formula (5) is 37.6 °. However, it varies within the range of 37.2 ° to 37.7 ° due to the influence of film forming conditions and residual stress. In the case of the hard coating of the present invention, since the compressive stress was acting on the coating as it was formed, the inter-surface distance of the surface located in the direction parallel to the substrate was reduced to the standard state [the above formula ( 6), the diffraction angle of the (111) plane in the X-ray diffraction method of θ-2θ is the standard state [the inter-surface distance in the standard state obtained from the above formula (6) The diffraction angle obtained by substituting for (5)] was detected at a lower angle side.

尚、CuのKα線を用いたθ−2θ法によるX線回折にて求められる(111)面の回折角度は、皮膜中の金属元素の組成から上記式(5)および式(6)を用いて算出される標準の回折角度に対し、±0.3°の範囲内にあることが望ましい。 Note that the diffraction angle of the (111) plane obtained by X-ray diffraction by the θ-2θ method using Cu K α- ray is obtained by the above formulas (5) and (6) from the composition of the metal elements in the film. It is desirable that it is within a range of ± 0.3 ° with respect to the standard diffraction angle calculated using the above.

また(111)面の回折線の半値幅[通常、FWHM(Full Width Half Maximum)、即ち、回折線最大強度の半分を示す部分の回折線の幅を示す]は、皮膜の結晶サイズ、皮膜中の不均一残留応力等の要因によって変化しうるものであり、前記半値幅が大きくなると皮膜の結晶が小さくなる傾向がある。本発明の要件を満足する硬質皮膜の場合、前記半値幅は概ね0.2°以上で1°以下であり、一例として示す前記(Ti0.1Al0.72Cr0.18)N皮膜の場合、成膜条件により0.3°〜0.8°の範囲内で変化した。 In addition, the half width of the diffraction line on the (111) plane [usually FWHM (Full Width Half Maximum), that is, the width of the diffraction line at the half of the diffraction line maximum intensity] indicates the crystal size of the film, However, when the full width at half maximum increases, the crystals of the film tend to be small. In the case of a hard coating that satisfies the requirements of the present invention, the half width is approximately 0.2 ° or more and 1 ° or less, and the (Ti 0.1 Al 0.72 Cr 0.18 ) N coating shown as an example. In this case, it changed within the range of 0.3 ° to 0.8 ° depending on the film forming conditions.

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層または2層以上の本発明で規定する(Ti,Cr,Al)(CN)膜の片面側または両面側に、岩塩構造型主体の結晶構造を有し、且つ前記硬質皮膜とは異なる成分組成の金属窒化物層、金属炭化物層および金属炭窒化物層よりなる群から選択される少なくとも1層が積層されていてもよい。   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. Further, depending on the application, it has a crystal structure mainly composed of a rock salt structure type on one side or both sides of the (Ti, Cr, Al) (CN) film defined in the present invention of one layer or two or more layers, and At least one layer selected from the group consisting of a metal nitride layer, a metal carbide layer, and a metal carbonitride layer having a composition different from that of the hard film may be laminated.

尚、ここでいう「岩塩構造型主体の結晶構造」も、前述の如く、θ−2θ法によるX線回折における岩塩構造を示すピークのうち、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(222)面、(400)面のピーク強度をそれぞれ、IB(111)、IB(200)、IB(220)、IB(311)、IB(222)、IB(400)とし、ZnS型構造を示すピークのうち、(100)面、(102)面、(110)面のピーク強度をそれぞれ、IH(100)、IH(102)、IH(110)とした場合に、上記式(4)の値が0.8以上となるような結晶構造のことをいうものとする。岩塩構造型であって前記硬質皮膜とは異なる成分組成の金属窒化物層、金属炭化物層または金属炭窒化物層として、例えばTiN、TiAlN、TiVAlN、TiCN、TiAlCN、TiNbAlCN、TiC等の皮膜が挙げられる。   In addition, as mentioned above, the “crystal structure mainly composed of a rock salt structure type” here also includes the (111) plane, the (200) plane, and the (220) of the peaks indicating the rock salt structure in the X-ray diffraction by the θ-2θ method. The peak intensities of the plane, (311) plane, (222) plane, and (400) plane are IB (111), IB (200), IB (220), IB (311), IB (222), and IB (400), respectively. ) And the peak intensity of the (100) plane, (102) plane, and (110) plane among the peaks showing the ZnS type structure are IH (100), IH (102), and IH (110), respectively. A crystal structure in which the value of the above formula (4) is 0.8 or more. Examples of the metal nitride layer, metal carbide layer, or metal carbonitride layer having a rock salt structure type and different composition from the hard film include films such as TiN, TiAlN, TiVAlN, TiCN, TiAlCN, TiNbAlCN, and TiC. It is done.

また本発明の切削工具用硬質皮膜には、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、合金としてはTi−Al等を用いることができる。この様な積層皮膜の形成は、特に、硬質皮膜との密着性が超硬合金母材よりも低い鉄系母材(HSS、SKH51、SKD等)を基板とする場合に有効であり、前記鉄系母材上に、本発明で規定する皮膜よりも比較的硬度の低い前記CrN、TiN、TiAlN等の皮膜、あるいはCr、Ti、Ti−Al等の金属中間層を形成し、その上に本発明の硬質皮膜を形成することで、基材への密着性が良好な硬質皮膜が得られるのである。   Further, the hard film for a cutting tool of the present invention is selected from the group consisting of 4A group, 5A group, 6A group, Al and Si on one or both sides of the hard film of the present invention having one or more layers. One or more metal layers or alloy layers containing at least one kind of metal may be laminated. Examples of the 4A group, 5A group, and 6A group metals include Cr, Ti, and Nb. Ti-Al or the like can be used as the alloy. The formation of such a laminated film is particularly effective when an iron-based base material (HSS, SKH51, SKD, etc.) whose adhesion to the hard film is lower than the cemented carbide base material is used as the substrate. A film of CrN, TiN, TiAlN or the like having a relatively lower hardness than the film specified in the present invention or a metal intermediate layer of Cr, Ti, Ti-Al, or the like is formed on the base material. By forming the hard film of the invention, a hard film having good adhesion to the substrate can be obtained.

上記(i)本発明の要件を満たし、かつ相互に異なる皮膜や、(ii)岩塩構造型であって前記硬質皮膜とは異なる成分組成の金属窒化物層、金属炭化物層または金属炭窒化物層、(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、複数層形成して本発明の硬質皮膜とする場合には、1層の厚みが0.005〜2μmの範囲内にあればよいが、本発明の硬質皮膜は、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からである。尚、より好ましい膜厚は1μm以上で15μm以下である。   (I) a film satisfying the requirements of the present invention and different from each other, and (ii) a metal nitride layer, a metal carbide layer or a metal carbonitride layer having a rock salt structure type and a composition different from that of the hard film , (Iii) When forming a plurality of metal layers or alloy layers containing at least one metal selected from the group consisting of Group 4A, Group 5A, Group 6A, Al and Si to form the hard coating of the present invention The thickness of one layer should be in the range of 0.005 to 2 μm. However, the hard coating of the present invention can be used as a total, whether it is a single layer or a plurality of layers. The film thickness is preferably in the range of 0.5 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 is broken or peeled off during cutting. A more preferable film thickness is 1 μm or more and 15 μm or less.

更に、Alの組成比が高くても結晶構造が実質的に岩塩構造型を主体とする本発明の硬質皮膜を作製するには、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アーク放電を行ってターゲットを構成する金属を蒸発させてイオン化し、被処理体上に本発明の硬質皮膜を形成する方法にて、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必要であり、このとき前記被処理体近傍における成膜ガスのプラズマ化を、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よう形成した磁力線によって促進しつつ成膜することを好ましい形態とする。   Furthermore, even when the Al composition ratio is high, it is very effective to form a film by the method defined in the present invention in order to produce the hard film of the present invention whose crystal structure is mainly composed of a rock salt structure type. It is. That is, arc discharge is performed in a film forming gas atmosphere to evaporate and ionize the metal constituting the target, and form the hard film of the present invention on the object to be processed. It is necessary to form the film while promoting the formation of the film. At this time, the film formation gas in the vicinity of the object to be processed is formed so as to diverge forward or parallel to the evaporation surface of the target. It is preferable that the film be formed while being accelerated by the lines of magnetic force.

尚、本発明の成膜方法は、本発明で規定する岩塩構造型を主体とする(Ti,Al,Cr)(CN)皮膜の成膜に有効であるのは勿論のこと、それ以外の皮膜を成膜するにあたっても大変有効な方法であることは言うまでもない。   The film forming method of the present invention is effective for forming a (Ti, Al, Cr) (CN) film mainly composed of a rock salt structure type defined in the present invention, and other films. Needless to say, this is also a very effective method for film formation.

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2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 apparatus includes a vacuum vessel 1 having an exhaust port 11 for evacuating and a gas supply port 12 for supplying a film forming gas, and an arc evaporation source 2 for evaporating and ionizing a target constituting a cathode by arc discharge. The support base 3 that supports the target object (cutting tool) W to be coated, and a negative bias voltage is applied to the target object W through the support base 3 between the support base 3 and the vacuum vessel 1. And a bias power source 4.

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°程度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 “substantially perpendicular to the evaporation surface” means that the angle is about 30 ° or less, including 0 ° with respect to the normal direction of the evaporation surface.

図3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4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2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。   FIG. 3 is an enlarged schematic cross-sectional view of an example of the main part of the arc evaporation source used for the implementation of the present invention. The magnet 8 as the magnetic field forming means is disposed 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. 4, the magnets may be disposed so as to surround the front (the object side) of the evaporation surface S of the target 6. In FIG. 2, the chamber is an anode. However, for example, a cylindrical dedicated anode surrounding the front of the target side surface may be provided.

尚、図5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。   Note that the arc evaporation source 102 of the conventional AIP apparatus shown in FIG. 5 includes an electromagnet 109 for concentrating arc discharge on the target 106, but 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4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5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、上記の様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3および図4に示す様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. 4, the electron e generated by the discharge moves so as to wrap around the lines of magnetic 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. 5, 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 FIGS. 3 and 4, the lines of magnetic force extend to the object to be processed W, so that the plasma density of the film forming gas in the vicinity of the object to be processed W is the conventional evaporation source. It is much higher than.

そして、この様な成膜ガスのプラズマ密度の違いが、生成される膜の結晶構造に影響を与えると考えられる。図6はこの様な影響を確認した一実施例であり、組成が(Ti0.1,Cr0.2,Al0.7)Nの膜を、従来の蒸発源と本発明の蒸発源をそれぞれ用いて成膜したときのTiCrAlN膜のX線回折結果を示したものである。図6中の「B1」は岩塩構造、「Hex」はZnS型構造を表し、( )は結晶面を表している。また、図6中における記号のないピークは、基板(超硬合金)のピークを示している。成膜条件は、両蒸発源ともにアーク電流100A、窒素ガス圧力2.66Pa、基板(被処理体)温度400℃とし、基板(被処理体)のバイアス電圧を50V〜300Vの範囲内で変化させている。尚、バイアスの電位は、アース電位に対してマイナスとなるように印加しており、例えばバイアス電圧100Vとは、アース電位に対してバイアス電位が−100Vであることを示す。 Such a difference in plasma density of the film forming gas is considered to affect the crystal structure of the generated film. FIG. 6 shows an example in which such an effect has been confirmed. A film having a composition of (Ti 0.1 , Cr 0.2 , Al 0.7 ) N is used for the conventional evaporation source and the evaporation source of the present invention. The X-ray-diffraction result of the TiCrAlN film | membrane when forming into a film using each is shown. In FIG. 6, “B1” represents a rock salt structure, “Hex” represents a ZnS type structure, and () represents a crystal plane. Moreover, the peak without a symbol in FIG. 6 has shown the peak of the board | substrate (the cemented carbide). The film formation conditions are as follows: both the evaporation source has an arc current of 100 A, a nitrogen gas pressure of 2.66 Pa, a substrate (object to be processed) temperature of 400 ° C., and the substrate (object to be processed) bias voltage is changed within a range of 50V to 300V. ing. The bias potential is applied so as to be negative with respect to the ground potential. For example, the bias voltage of 100 V indicates that the bias potential is -100 V with respect to the ground potential.

この図6(2)に示されるように、磁石がターゲットの背面に位置している従来のAIP装置の蒸発源では、バイアス電圧を300Vまで上げても、立方晶である岩塩構造型と六方晶であるZnS型との混合相しか生成できないが、図6(1)に示されるように、磁石がターゲット側面に位置している本発明のAIP装置の蒸発源を用いると、バイアス電圧をアース電位に対して70V以上とすることで岩塩構造型単相の膜が得られることがわかる。   As shown in FIG. 6 (2), in the evaporation source of the conventional AIP apparatus in which the magnet is located on the back surface of the target, even if the bias voltage is increased to 300V, the rock salt structure type and hexagonal crystal are cubic. However, when the evaporation source of the AIP apparatus of the present invention in which the magnet is located on the side surface of the target is used as shown in FIG. It can be seen that a rock salt structure type single-phase film can be obtained by adjusting the voltage to 70 V or higher.

もともと岩塩構造型AlNは、常温常圧では非平衡相であり生成しにくい物質であるが、本発明の蒸発源によって窒素のプラズマ化が促進されて、窒素が高エネルギーの粒子となっているため、非平衡相である岩塩構造型AlNが生成し易くなっているものと考えられる。   Originally, rock salt structure type AlN is a non-equilibrium phase at room temperature and normal pressure and is difficult to generate, but the evaporation source of the present invention promotes the conversion of nitrogen into plasma, and nitrogen becomes high energy particles. It is considered that the rock salt structure type AlN which is a non-equilibrium phase is easily generated.

前記バイアス電圧を上げることで、プラズマ化した成膜ガスや金属イオンのエネルギーが高くなり、膜の岩塩構造化が促進されることとなるため、バイアス電圧は50V以上とすることが好ましく、より好ましくは70V以上、さらに好ましくは100V以上である。しかしバイアス電圧が高すぎると、プラズマ化した成膜ガスによって膜がエッチングされ、成膜速度が極端に小さくなるためあまり実用的でない。従って、バイアス電圧は300V以下とすることが好ましく、より好ましくは260V以下で、さらに好ましくは200V以下である。バイアス電圧を印加する目的は、前述の如く入射する成膜ガスやターゲットからの金属原子のイオンにエネルギーを与え、皮膜の岩塩構造化を促進することにあるが、Al量の比較的少ない皮膜あるいはCr量の比較的多い皮膜の形成においては、バイアス電圧が多少低くても前述の引き込み効果が有効に作用し、岩塩構造化を容易に図ることができる。皮膜中のAl量が約65原子%以下、またはCr量が約25原子%を越える皮膜の形成では、バイアス電圧を70V以下としても岩塩構造型単層の皮膜を得ることができる。   Increasing the bias voltage increases the energy of the plasma-forming film forming gas and metal ions, and promotes the formation of a rock salt structure in the film. Therefore, the bias voltage is preferably 50 V or more, and more preferably. Is 70 V or higher, more preferably 100 V or higher. However, if the bias voltage is too high, the film is etched by the plasma-forming film forming gas, and the film forming speed becomes extremely small, which is not practical. Therefore, the bias voltage is preferably 300 V or less, more preferably 260 V or less, and even more preferably 200 V or less. The purpose of applying the bias voltage is to impart energy to the metal film ions and the ions of the metal atoms coming from the target as described above to promote the rock salt structuring of the film. In the formation of a film having a relatively large amount of Cr, even if the bias voltage is somewhat low, the above-described pulling effect is effective, and a rock salt structure can be easily achieved. In the formation of a film having an Al content of about 65 atomic% or less or a Cr content exceeding about 25 atomic%, a rock salt structure type single-layer film can be obtained even when the bias voltage is 70 V or less.

また本発明では、皮膜形成時の基板温度の範囲を300℃以上800℃以下とすることが好ましいとしているが、これは形成した皮膜の応力と関係している。図7は、一例として(Ti0.1Al0.7Cr0.2)N皮膜形成時の基板(被処理体)温度と形成した皮膜の残留応力の関係を示したものであり、アーク電流を100A、成膜時の基板のバイアス電圧を150V、窒素ガスの圧力を2.66Paとして実験を行っている。 In the present invention, it is preferable that the range of the substrate temperature during film formation is 300 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, which is related to the stress of the formed film. FIG. 7 shows, as an example, the relationship between the substrate (object to be processed) temperature during (Ti 0.1 Al 0.7 Cr 0.2 ) N film formation and the residual stress of the formed film, with an arc current of 100 A and during film formation. The experiment was conducted with a substrate bias voltage of 150 V and a nitrogen gas pressure of 2.66 Pa.

この図7より、基板温度が上昇すれば得られる硬質皮膜の残留応力は低減する傾向にあることが分かる。得られた硬質皮膜に過大な残留応力が作用していると、成膜ままの状態で剥離が生じ易く密着性に劣る。従って、基板温度は300℃以上とするのが好ましく、より好ましくは400℃以上である。一方、基板(被処理体)温度を高めれば上記残留応力は低減するが、残留応力が小さすぎる場合には圧縮応力が小さくなり、基板の抗折力増加作用が損なわれ、また高温による基板の熱的変質も生じることとなる。従って基板温度は800℃以下とすることが好ましい。より好ましくは700℃以下である。   FIG. 7 shows that the residual stress of the hard film obtained tends to decrease as the substrate temperature rises. When excessive residual stress is acting on the obtained hard film, peeling is likely to occur in a film-formed state, resulting in poor adhesion. Therefore, the substrate temperature is preferably 300 ° C. or higher, more preferably 400 ° C. or higher. On the other hand, if the temperature of the substrate (object to be processed) is increased, the residual stress is reduced. However, if the residual stress is too small, the compressive stress is reduced, and the effect of increasing the bending strength of the substrate is impaired. Thermal alteration will also occur. Therefore, the substrate temperature is preferably 800 ° C. or lower. More preferably, it is 700 degrees C or less.

基板が超硬合金母材の場合、前記基材温度は特に制限されるものではないが、基材がHSS(高速度工具鋼、SKH51等)あるいはSKD11、SKD61等の熱間工具鋼である場合には、成膜時の基板温度を基板材料の焼き戻し温度以下にして基板の機械的特性を維持するのがよい。焼き戻し温度は基板材料によって異なり、例えば前記SKH51で550〜570℃程度、前記SKD61で550〜680℃、前記SKD11の高温焼き戻しでは500〜530℃であり、成膜時の基板温度はこれらの焼き戻し温度以下とすることが好ましい。より好ましくはそれぞれの焼き戻し温度に対して50℃程度低い基板温度とするのがよい。   When the substrate is a cemented carbide base material, the base material temperature is not particularly limited, but the base material is HSS (high speed tool steel, SKH51, etc.) or hot tool steel such as SKD11, SKD61, etc. For this purpose, it is preferable to maintain the mechanical characteristics of the substrate by setting the substrate temperature at the time of film formation to a tempering temperature of the substrate material or less. The tempering temperature varies depending on the substrate material, for example, about 550 to 570 ° C. for the SKH51, 550 to 680 ° C. for the SKD61, and 500 to 530 ° C. for the high temperature tempering of the SKD11. The tempering temperature or lower is preferable. More preferably, the substrate temperature is about 50 ° C. lower than the respective tempering temperatures.

さらに本発明では、形成時の反応ガスの分圧または全圧を0.5Pa〜7Paの範囲とすることを好ましい成膜条件としている。ここで反応ガスの「分圧または全圧」と表示しているのは、本発明が、前述のように窒素ガスやメタンガスといった皮膜の成分組成に必要な元素を含むガスを反応ガス、それ以外のアルゴン等のような希ガスなどをアシストガスといい、これらを併せて成膜ガスとしており、成膜ガスとしてアシストガスを用いず反応ガスのみを用いる場合には、反応ガスの全圧を制御することが有効で、また反応ガス及びアシストガスの両方を用いる場合には反応ガスの分圧を制御することが有効だからである。この反応ガスの分圧または全圧が0.5Pa未満の場合は、アーク蒸発の場合発生するマクロパーティクル(ターゲットの溶融物)の発生が多く表面粗度が大きくなり、用途によっては不都合を生じるので好ましくないのである。一方、反応ガスの分圧または全圧が7Paを超える場合は、蒸発粒子の反応ガスとの衝突による散乱が多くなり、成膜速度が低下するため好ましくないのである。好ましくは1Pa以上で5Pa以下であり、より好ましくは1.5Pa以上で4Pa以下である。   Furthermore, in the present invention, it is preferable that the partial pressure or the total pressure of the reaction gas at the time of formation is in a range of 0.5 Pa to 7 Pa. Here, the “partial pressure or total pressure” of the reaction gas is indicated by the fact that the present invention refers to a gas containing an element necessary for the composition of the film, such as nitrogen gas or methane gas, as described above. A rare gas such as argon is called an assist gas, and these are combined to form a film-forming gas. When only the reaction gas is used as the film-forming gas, the total pressure of the reaction gas is controlled. This is because it is effective to control the partial pressure of the reaction gas when both the reaction gas and the assist gas are used. When the partial pressure or total pressure of this reaction gas is less than 0.5 Pa, the generation of macroparticles (melt of the target) generated in the case of arc evaporation increases and the surface roughness increases, which may cause inconveniences depending on the application. It is not preferable. On the other hand, when the partial pressure or total pressure of the reactive gas exceeds 7 Pa, scattering due to collision of the evaporated particles with the reactive gas increases, which is not preferable because the film formation rate is reduced. Preferably it is 1 Pa or more and 5 Pa or less, More preferably, it is 1.5 Pa or more and 4 Pa or less.

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もできる。   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.

本発明に係る硬質皮膜は、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切削工具用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 according to the present invention is effective to be produced by vapor phase coating methods such as ion plating and sputtering, in which the target is evaporated or ionized as described above and deposited on the object to be processed. When the characteristics of the target are not preferable, there is a problem that the stable discharge state cannot be maintained at the time of film formation, and the component composition of the obtained film is not uniform. Then, in obtaining the hard film for a cutting tool of the present invention that exhibits excellent wear resistance, the characteristics of the target used were also examined, and the following knowledge was 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%未満であると、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、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。上記ターゲットの相対密度は96%以上であることが好ましく、より好ましくは98%以上である。   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. When such a target is used for film formation, the alloy component is evaporated. It becomes non-uniform | heterogenous and the component composition of the film | membrane obtained will vary or a film thickness will become non-uniform | heterogenous. 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. The relative density of the target is preferably 96% or more, and more preferably 98% or more.

ターゲットの相対密度が95%以上であっても、ターゲット中に存在する空孔が大きい場合には、放電状態が不安定となり良好に皮膜が成膜されないため好ましくない。ターゲット中に半径0.5mm以上の空孔が存在すると、ターゲットを構成する合金成分の蒸発またはイオン化のためのアーク放電が中断して成膜を行うことができないことが知られている。本発明者らが検討したところ、空孔の半径が0.3mm以上になると放電中断には至らずとも放電状態が不安定となることが分かった。従って、安定した放電状態を保ち、良好にかつ効率よく成膜を行うには、ターゲット中に存在する空孔の半径を0.3mm未満、好ましくは0.2mm以下とするのがよいのである。   Even if the relative density of the target is 95% or more, if the vacancies present in the target are large, the discharge state becomes unstable and a film cannot be formed satisfactorily. It is known that when a hole having a radius of 0.5 mm or more exists in the target, the arc discharge for the evaporation or ionization of the alloy component constituting the target is interrupted and the film formation cannot be performed. As a result of studies by the present inventors, it has been found that when the radius of the hole is 0.3 mm or more, the discharge state becomes unstable even if the discharge is not interrupted. Therefore, in order to maintain a stable discharge state and perform film formation satisfactorily and efficiently, the radius of the vacancy existing in the target should be less than 0.3 mm, preferably 0.2 mm or less.

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の硬質皮膜を得るには、ターゲットとして、(Ti,Al,Cr)からなるものであって、
0.02≦x≦0.30、
0.55≦y≦0.765、
0.06≦z、
x+y+z=1
(x,y,zはそれぞれTi,Al,Crの原子比を示す。以下同じ)、
または
0.02≦x≦0.175、
0.765≦y、
4(y−0.75)≦z、
x+y+z=1
を満足するものを用いることが好ましいのである。
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 excellent present invention in wear resistance, as the target, be made of a (Ti x, Al y, Cr z),
0.02 ≦ x ≦ 0.30,
0.55 ≦ y ≦ 0.765,
0.06 ≦ z,
x + y + z = 1
(X, y, and z represent atomic ratios of Ti, Al, and Cr, respectively, the same applies below),
Or 0.02 ≦ x ≦ 0.175,
0.765 ≦ y,
4 (y−0.75) ≦ z,
x + y + z = 1
It is preferable to use one that satisfies the above.

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のである。従って、本発明のターゲットは、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 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 of the present invention preferably has a variation in composition distribution within 0.5 at%.

更に本発明者らは、ターゲットの製造に用いる原料あるいはターゲット製造時の雰囲気が原因で、ターゲット中に不可避的に混入する不純物(酸素、水素、塩素、銅およびマグネシウム)の含有量が、成膜時の放電状態等に及ぼす影響についても調べた。   Furthermore, the present inventors have determined that the content of impurities (oxygen, hydrogen, chlorine, copper, and magnesium) inevitably mixed in the target due to the raw material used for target production or the atmosphere during target production is film formation. The influence on the discharge state at the time was also investigated.

その結果、酸素、水素および塩素がターゲット中に多量に含まれていると、成膜時にターゲットからこれらのガスが突発的に発生し、放電状態が不安定となったり最悪の場合にはターゲットそのものが破損して良好に成膜されないことが分かった。従って、ターゲット中に含まれる酸素は0.3質量%以下、水素は0.05質量%以下、塩素は0.2質量%以下に抑えるのがよいのである。より好ましくは、酸素を0.2質量%以下、水素を0.02質量%以下、塩素を0.15質量%以下に抑える。   As a result, if a large amount of oxygen, hydrogen and chlorine is contained in the target, these gases are suddenly generated from the target during film formation, and the discharge state becomes unstable or in the worst case the target itself. It was found that the film was damaged and the film was not formed well. Therefore, oxygen contained in the target should be suppressed to 0.3% by mass or less, hydrogen to 0.05% by mass or less, and chlorine to 0.2% by mass or less. More preferably, oxygen is controlled to 0.2% by mass or less, hydrogen to 0.02% by mass or less, and chlorine to 0.15% by mass or less.

また、銅やマグネシウムは、本発明のターゲットを構成するTi,AlおよびCrよりも蒸気圧が高く気化しやすいので、多量に含まれる場合には、ターゲット製造時にガス化してターゲット内部に空孔が形成され、この様な欠陥が原因で成膜時の放電状態が不安定となるのである。従って、ターゲット中に含まれる銅の含有量は、0.05質量%以下に抑えることが好ましく、より好ましくは0.02質量%以下である。また、マグネシウムの含有量は、0.03質量%以下に抑えることが好ましく、より好ましくは0.02質量%以下である。   Also, since copper and magnesium have higher vapor pressures and are more easily vaporized than Ti, Al and Cr constituting the target of the present invention, when they are contained in a large amount, they are gasified at the time of target production and have voids inside the target. It is formed, and the discharge state at the time of film formation becomes unstable due to such defects. Therefore, the content of copper contained in the target is preferably suppressed to 0.05% by mass or less, and more preferably 0.02% by mass or less. Moreover, it is preferable to suppress content of magnesium to 0.03 mass% or less, More preferably, it is 0.02 mass% or less.

この様な不純物の含有量を本発明で規定する範囲にまで低減する方法として、例えば原料粉末の真空溶解や、清浄雰囲気で原料粉末の配合・混合を行うこと等が挙げられる。   Examples of a method for reducing the content of such impurities to the range specified in the present invention include, for example, vacuum melting of the raw material powder and blending and mixing of the raw material powder in a clean atmosphere.

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、Cr粉末およびAl粉末を、V型ミキサー等で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。   By the way, although this invention does not specify even about the manufacturing method of a target, for example, the raw material Ti powder, Cr powder, and Al powder which adjusted the amount ratio, the particle size, etc. appropriately are uniformly made with a V-type mixer etc. An effective method for obtaining the target of the present invention is to apply a cold isostatic pressing process (CIP process) or a hot isostatic pressing process (HIP process) to the mixed powder after mixing. . 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.

尚、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Cr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問題点がある。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問題点がある。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問題があり、本発明のターゲットを得ることは難しい。   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 Cr used in the present invention is a refractory metal, the relative density There is a problem that it is 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, it is difficult to obtain a high-density target. There is a problem. In addition, the latter method of melting and solidifying the alloyed powder has an advantage that a target having a relatively uniform composition can be obtained. However, there is a problem that cracks and shrinkage cavities are easily generated during solidification, and the target of the present invention is used. Difficult to get.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited by the following examples, but may be appropriately modified within a range that can meet the purpose described above and below. It is also possible to implement, and they are all included in the technical scope of the present invention.

[実施例1]
前記図2に示すAIP装置のカソードにTi、Cr、Alからなるターゲット合金を取り付け、さらに、支持台上に基板(被処理体)として超硬合金製チップ、超硬合金製スクエアエンドミル(直径10mm、2枚刃)および白金箔(0.1mm厚)を取り付けた。そして、チャンバー内を真空排気後、チャンバー内にあるヒーターで被処理体の温度を400℃に加熱し、3×10−3Pa以下の真空度とした後に、0.66PaのArガス雰囲気中で、基板(被処理体)に700Vのバイアス電圧を印可してArイオンによる前記基板のクリーニングを10分間行った。その後、窒素ガスを導入し、チャンバー内の圧力を2.66Pa、アーク電流を100Aとしてアーク放電を開始し、基板(被処理体)の表面に膜厚4μmの皮膜を形成した。尚、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150Vのバイアス電圧を基板(被処理体)に印加した。
[Example 1]
A target alloy made of Ti, Cr, Al is attached to the cathode of the AIP apparatus shown in FIG. 2, and a cemented carbide chip, a cemented carbide square end mill (diameter 10 mm) as a substrate (object to be processed) on a support base. 2 blades) and platinum foil (0.1 mm thickness) were attached. And after evacuating the inside of the chamber, the temperature of the object to be processed is heated to 400 ° C. with a heater in the chamber to obtain a vacuum degree of 3 × 10 −3 Pa or less, and then in an Ar gas atmosphere of 0.66 Pa. Then, a bias voltage of 700 V was applied to the substrate (object to be processed), and the substrate was cleaned with Ar ions for 10 minutes. Thereafter, nitrogen gas was introduced, arc discharge was started with the pressure in the chamber being 2.66 Pa and the arc current being 100 A, and a film having a thickness of 4 μm was formed on the surface of the substrate (object to be processed). During the film formation, a bias voltage of 150 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.

成膜終了後、膜中の金属成分組成、膜の結晶構造、ビッカース硬度および酸化開始温度を調べた。ビッカース硬度はマイクロビッカース硬度測定器を用い、荷重0.25N、保持時間を15秒として測定した。膜中のTi、Cr、Alの成分組成はEPMAにより測定した。尚、皮膜中の金属元素およびNを除くO、C等の不純物元素量は、前記EPMAによる定量分析で酸素が1at%以下、炭素が2at%以下のレベルであった。また、膜の結晶構造はX線回折により同定した。酸化開始温度は、白金サンプルを用いて、熱天秤により人工乾燥空気中で室温から5℃/minの昇温速度で加熱したときに重量変化が生じる温度を測定し、その温度を酸化開始温度とした。前記式(4)の値は、前述のようにX線回折装置にてCuのKα線を用いて各結晶面のピーク強度を測定して求めた。得られた膜の成分組成、結晶構造、ビッカース硬度、酸化開始温度および前記式(4)の値を表1に示す。 After the film formation, the metal component composition in the film, the crystal structure of the film, the Vickers hardness and the oxidation start temperature were examined. The Vickers hardness was measured using a micro Vickers hardness measuring instrument with a load of 0.25 N and a holding time of 15 seconds. The component composition of Ti, Cr, and Al in the film was measured by EPMA. The amount of impurity elements such as O and C excluding metal elements and N in the film was at a level of 1 at% or less for oxygen and 2 at% or less for carbon in the quantitative analysis by the EPMA. The crystal structure of the film was identified by X-ray diffraction. The oxidation start temperature is a temperature at which a weight change occurs when a platinum sample is heated in an artificial dry air with a thermobalance at a rate of temperature increase of 5 ° C./min. did. The value of the formula (4) was determined by measuring the peak intensity of each crystal plane using K alpha ray of Cu by X-ray diffraction apparatus as described above. Table 1 shows the component composition, crystal structure, Vickers hardness, oxidation start temperature, and value of the formula (4) of the obtained film.

Figure 0004758288
Figure 0004758288

表1より、No.21,22および23に示すTiAlN(0.56≦Al≦0.75)の皮膜硬度は2700〜3050で、酸化開始温度は800〜850℃であるが、皮膜硬度および酸化開始温度の両方を同時に高めることはできていない。これに対し、本発明の成分組成範囲を満たすNo.1〜17では、高いビッカース硬度および酸化開始温度を同時に達成することができた。   From Table 1, No. The film hardness of TiAlN (0.56 ≦ Al ≦ 0.75) shown in 21, 22 and 23 is 2700 to 3050 and the oxidation start temperature is 800 to 850 ° C. It cannot be raised. In contrast, No. 1 satisfying the component composition range of the present invention. In 1-17, high Vickers hardness and oxidation start temperature could be achieved simultaneously.

図8は、(Ti,Al,Cr)N膜における金属成分Ti、AlおよびCrの組成図にて本発明範囲とNo.1〜27の実施例を示したものであるが、この図8の●、▲および■に示されるように、本発明の範囲内にあるNo.1〜17は、TiAlN(0.56≦Al≦0.75)の示す高硬度および高酸化開始温度を同時に達成させることができた。特に、図8にて■で示す好ましい成分組成範囲内にあるNo.3〜5は、酸化開始温度がTiAlN(0.56≦Al≦0.75)とほぼ同程度でかつ非常に高い硬度を示し、No.15〜17は、硬度がTiAlN(0.56≦Al≦0.75)の最高レベルと同等でかつ高い酸化開始温度を示す結果となった。   FIG. 8 is a composition diagram of the metal components Ti, Al, and Cr in the (Ti, Al, Cr) N film, and the range of the present invention and Examples 1 to 27 are shown, but as shown by ●, ▲ and ■ in FIG. Nos. 1 to 17 were able to simultaneously achieve the high hardness and high oxidation start temperature indicated by TiAlN (0.56 ≦ Al ≦ 0.75). In particular, No. No. in the preferred component composition range indicated by ▪ in FIG. Nos. 3 to 5 have an oxidation start temperature almost equal to that of TiAlN (0.56 ≦ Al ≦ 0.75) and extremely high hardness. Nos. 15 to 17 resulted in a high oxidation start temperature with a hardness equivalent to the highest level of TiAlN (0.56 ≦ Al ≦ 0.75).

また、図8にて●で示すより好ましい成分組成範囲内にあるNo.6〜9、10〜14は、従来のTiAlN(0.56≦Al≦0.75)では実現し得なかった最高の硬度および最高の酸化開始温度を達成することができ、いずれにしても従来のTiAlN(0.56≦Al≦0.75)膜より高い耐摩耗性を発揮できることとなった。   In addition, No. in the more preferable component composition range indicated by ● in FIG. 6 to 9 and 10 to 14 can achieve the highest hardness and the highest oxidation start temperature that could not be realized by conventional TiAlN (0.56 ≦ Al ≦ 0.75). Thus, the wear resistance higher than that of the TiAlN (0.56 ≦ Al ≦ 0.75) film can be exhibited.

これに対し、図8にて○で示す本発明の規定成分組成を満たさないNo.18〜20、24〜27は、高いビッカース硬度および酸化開始温度を同時に示すものではなく、上記TiAlN(0.56≦Al≦0.75)と同程度かまたはそれ以下となったため、TiAlN(0.56≦Al≦0.75)よりも優れた耐摩耗性を期待することはできない。   On the other hand, No. which does not satisfy the prescribed component composition of the present invention indicated by ○ in FIG. 18 to 20 and 24 to 27 do not indicate high Vickers hardness and oxidation start temperature at the same time, and are similar to or lower than the above TiAlN (0.56 ≦ Al ≦ 0.75). Wear resistance superior to .56 ≦ Al ≦ 0.75) cannot be expected.

[実施例2]
前記実施例1で得られた硬質皮膜を被覆したエンドミルのうち、No.1,4,7,11,16,18,19,22,24および27について切削試験を行い、摩耗評価を行った。被削材としてSKD61焼き入れ鋼(HRC50)を用いた。切削条件は以下の通りである。摩耗評価は、上記各エンドミルを用いて被削材を20m切削後、刃先を光学顕微鏡で観察して摩耗幅を測定した。その結果を表2に示す。
切削条件
切削速度:200m/min
送り速度:0.07mm/刃
切り込み:5mm
ピックフィード:1mm
切削油:エアーブローのみ
切削方向:ダウンカット
[Example 2]
Of the end mills coated with the hard coating obtained in Example 1, No. A cutting test was conducted on 1, 4, 7, 11, 16, 18, 19, 22, 24 and 27 to evaluate wear. SKD61 hardened steel (HRC50) was used as the work material. Cutting conditions are as follows. In the wear evaluation, the work width was measured by observing the cutting edge with an optical microscope after cutting the work material by 20 m using each of the end mills. The results are shown in Table 2.
Cutting conditions Cutting speed: 200 m / min
Feeding speed: 0.07mm / blade Cutting depth: 5mm
Pick feed: 1mm
Cutting oil: Air blow only Cutting direction: Down cut

Figure 0004758288
Figure 0004758288

表2より、本発明の要件を満たす皮膜をコーティングしたNo.1,4,7,11および16のエンドミルは、本発明の要件を満足しない皮膜をコーティングしたNo.18,19,22,24および27のエンドミルと比較して摩耗幅が小さく、耐摩耗性に優れていることがわかる。   From Table 2, No. coated with a film satisfying the requirements of the present invention. The 1, 4, 7, 11 and 16 end mills are No. 1 coated with a coating which does not satisfy the requirements of the present invention. It can be seen that the wear width is small compared to the end mills of 18, 19, 22, 24 and 27 and the wear resistance is excellent.

[実施例3]
組成がTi:9at%、Cr:19at%、Al:72at%の合金ターゲットを用い、成膜時間を変化させて行ったことを除き、前記実施例1と同様にして超硬合金製スクエアエンドミル(直径10mm、2枚刃)上に表3に示す種々の膜厚のTiCrAlN膜を成膜した。この時、蒸発源には前記図4に示す蒸発源を用いた。また、成膜時のバイアス電圧は100Vとした。尚、得られた膜の金属成分をEPMAにて組成分析したところ、Ti:10at%、Cr:20at%、Al:70at%であった。成膜後のエンドミルの耐摩耗性を、前記実施例2と同様にして切削試験を行い評価した。その結果を表3に併記する。
[Example 3]
A cemented carbide square end mill (same as in Example 1 above) except that an alloy target having a composition of Ti: 9 at%, Cr: 19 at%, Al: 72 at% was used and the film formation time was changed. TiCrAlN films having various film thicknesses shown in Table 3 were formed on a 10 mm diameter and two blades). At this time, the evaporation source shown in FIG. 4 was used as the evaporation source. The bias voltage during film formation was 100V. The composition of the metal component of the obtained film was analyzed by EPMA. The results were Ti: 10 at%, Cr: 20 at%, and Al: 70 at%. The abrasion resistance of the end mill after film formation was evaluated by performing a cutting test in the same manner as in Example 2. The results are also shown in Table 3.

Figure 0004758288
Figure 0004758288

表3より、本発明で好ましいとする膜厚のNo.1〜5は、摩耗幅が小さく優れた耐摩耗性を示すのに対し、No.6は、膜厚が薄いため耐摩耗性に劣る結果となった。またNo.7は膜厚が厚すぎるため切削中に刃先が欠損した。   From Table 3, No. of the film thickness which is preferable in the present invention. Nos. 1 to 5 have a small wear width and excellent wear resistance. No. 6 was inferior in wear resistance because of its thin film thickness. No. In No. 7, the cutting edge was lost during cutting because the film thickness was too thick.

[実施例4]
組成がTi:13at%、Cr:15at%、Al:72at%の合金ターゲットを用い、支持台上に被処理体として超硬合金製チップ、超硬合金製スクエアエンドミル(直径10mm、2枚刃)および白金箔(0.1mm厚)を前記図2に示したAIP装置に取り付け、チャンバー内を真空状態にした。その後、チャンバー内にあるヒーターで被処理体温度を550℃に加熱し、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とし、アーク電流100Aでアーク放電を開始して、前記基板(被処理体)の表面に膜厚3μmの(TiAlCr)(CN)皮膜を形成した。成膜中は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150Vのバイアス電圧を基板(被処理体)に印加した。その他の成膜条件に関しては前記実施例1と同様である。
[Example 4]
Using an alloy target with a composition of Ti: 13 at%, Cr: 15 at%, Al: 72 at%, a cemented carbide chip as a workpiece on a support base, a cemented carbide square end mill (diameter 10 mm, 2 blades) And platinum foil (0.1 mm thickness) was attached to the AIP apparatus shown in the said FIG. 2, and the inside of a chamber was made into the vacuum state. Thereafter, the temperature of the object to be processed is heated to 550 ° C. with a heater in the chamber, 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 at an arc current of 100 A, A (TiAlCr) (CN) film having a thickness of 3 μm was formed on the surface of the substrate (object to be processed). During film formation, a bias voltage of 150 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. Other film forming conditions are the same as those in the first embodiment.

成膜終了後、膜中の金属成分組成、酸化開始温度および耐摩耗性について調べた。得られた皮膜中のTi、Al、Crの成分組成はEPMAにより測定した。金属元素およびC、Nを除く皮膜中の不純物元素量は、前記EPMAによる定量分析で酸素が1at%以下のレベルであった。酸化開始温度は前記実施例1の方法と同様にして測定した。また成膜後のエンドミルの耐摩耗性は、前記実施例2と同様にして切削試験を行い評価した。これらの結果を表4に併記する。   After completion of the film formation, the metal component composition, oxidation start temperature and wear resistance in the film were examined. The component composition of Ti, Al, and Cr in the obtained film was measured by EPMA. The amount of impurity elements in the film excluding metallic elements and C and N was oxygen at a level of 1 at% or less in the quantitative analysis by EPMA. The oxidation start temperature was measured in the same manner as in Example 1. The wear resistance of the end mill after film formation was evaluated by performing a cutting test in the same manner as in Example 2. These results are also shown in Table 4.

Figure 0004758288
Figure 0004758288

表4より本発明の要件を満たす皮膜をコーティングしたNo.1〜3のエンドミルは(TiAlCr)(CN)皮膜におけるCおよびNの比率が本発明の規定を外れているNo.4のエンドミルと比較して、酸化開始温度が高くかつ切削試験における摩耗幅が小さく、耐摩耗性に優れていることが分かる。   From Table 4, No. 1 coated with a film satisfying the requirements of the present invention. No. 1 to No. 3 in which the ratio of C and N in the (TiAlCr) (CN) coating is out of the scope of the present invention. 4 shows that the oxidation start temperature is high, the wear width in the cutting test is small, and the wear resistance is excellent compared with the end mill of No. 4.

[実施例5]
組成がTi:9at%、Cr:19at%、Al:72at%の合金ターゲットを用い、前記実施例1と同様に超硬合金製エンドミル(直径10mm、2枚刃)を基材(被処理体)として以下の皮膜を形成した。
[Example 5]
An alloy target having a composition of Ti: 9 at%, Cr: 19 at%, Al: 72 at% was used, and a cemented carbide end mill (diameter: 10 mm, 2 blades) was used as a base material (object to be processed) in the same manner as in Example 1 above. The following film was formed.

即ち、バイアス電圧、成膜温度等を変化させて、結晶配向の異なる(Ti、Al、Cr)N皮膜を形成した他、成膜ガスとして(窒素+メタン)ガスを用いて、CおよびNの比率の異なる(Ti、Al、Cr)(CN)皮膜を形成した。また、(Ti、Al、Cr)N皮膜とTi50Al50N皮膜の積層皮膜を形成した。表5に示す実験No.8は、超硬合金製エンドミル表面に(Ti、Cr、Al)(CN)皮膜を形成した後、更にTi50Al50N皮膜を形成したものであり、実験No.9は、超硬合金製エンドミル表面に、(Ti、Cr、Al)(CN)皮膜およびTi50Al50N皮膜の各10層を交互に積層させたものである。尚、総膜厚は約3μmであった。得られた皮膜の耐摩耗性は、前記実施例2と同様にして切削試験を行い、摩耗幅で評価した。 That is, (Ti, Al, Cr) N films having different crystal orientations were formed by changing the bias voltage, the film formation temperature, etc., and using (nitrogen + methane) gas as the film formation gas, (Ti, Al, Cr) (CN) films with different ratios were formed. Further, a laminated film of (Ti, Al, Cr) N film and Ti 50 Al 50 N film was formed. Experiment No. shown in Table 5 No. 8 was obtained by forming a (Ti, Cr, Al) (CN) film on the cemented carbide end mill surface and further forming a Ti 50 Al 50 N film. No. 9 is obtained by alternately laminating 10 layers of (Ti, Cr, Al) (CN) coating and Ti 50 Al 50 N coating on the surface of the cemented carbide end mill. The total film thickness was about 3 μm. The abrasion resistance of the obtained film was evaluated by a wear width by performing a cutting test in the same manner as in Example 2.

Figure 0004758288
Figure 0004758288

表5より、実験No.3、6および7では、摩耗試験における摩耗幅が大きいことから、結晶配向や(Ti、Al、Cr)(CN)皮膜におけるCおよびNの比率が、本発明の要件を満足するよう制御することで、より耐摩耗性に優れた硬質皮膜が得られることが分かる。   From Table 5, Experiment No. In 3, 6 and 7, since the wear width in the wear test is large, the crystal orientation and the ratio of C and N in the (Ti, Al, Cr) (CN) film should be controlled to satisfy the requirements of the present invention. Thus, it can be seen that a hard film having more excellent wear resistance can be obtained.

[実施例6]
組成がTi:10at%、Cr:18at%、Al:72at%の合金ターゲットを用い、前記図2に示したAIP装置を使用して、表6または表7に示す様にバイアス電圧、基板温度、窒素ガス圧を変化させて、超硬合金製スクエアエンドミル(直径10mm、2枚刃)または超硬合金製チップ上に膜厚約3μmの(Ti、Al、Cr)N皮膜を形成した。成膜時のアーク電流は150Aとし、その他の成膜条件は前記実施例1と同様とした。
[Example 6]
Using an alloy target having a composition of Ti: 10 at%, Cr: 18 at%, Al: 72 at%, and using the AIP apparatus shown in FIG. 2, the bias voltage, substrate temperature, By changing the nitrogen gas pressure, a (Ti, Al, Cr) N film having a film thickness of about 3 μm was formed on a cemented carbide square end mill (diameter 10 mm, two blades) or a cemented carbide chip. The arc current during film formation was 150 A, and other film formation conditions were the same as in Example 1.

成膜終了後、得られた皮膜の金属成分組成、結晶構造、結晶方位、岩塩構造型の(111)面の回折線の回折角度および半値幅、ビッカース硬度および耐摩耗性を調べた。結晶構造、結晶方位、岩塩構造型の(111)面の回折線の回折角度および半値幅はCuのKαを用いたθ−2θ法のX線回折で測定した。耐摩耗性は、前記実施例2と同様にして切削試験を行い摩耗幅で評価した。得られた皮膜の金属成分組成はEPMAで測定した。その結果、表7に示す通り、成膜条件によりTi:10〜12at%、Cr:10〜23at%、Al:66〜68at%の範囲内でわずかに成分組成が異なっていることが分かった。これらの結果を表6および表7に示す。皮膜中の金属元素および窒素以外の不純物元素量は、前記EPMAによる定量分析で酸素が1原子%以下、炭素が2原子%以下のレベルであった。また金属元素の合計量と窒素との比率は、いずれも原子比で0.9〜1.1の範囲内であった。   After completion of the film formation, the metal component composition, crystal structure, crystal orientation, diffraction angle and half-value width of the diffraction line of the (111) plane of the rock salt structure type, Vickers hardness and wear resistance were examined. Crystal structure, crystal orientation, diffraction angle and half width of diffraction line of (111) plane of rock salt structure type were measured by X-ray diffraction of θ-2θ method using Kα of Cu. Abrasion resistance was evaluated by a wear width by performing a cutting test in the same manner as in Example 2. The metal component composition of the obtained film was measured by EPMA. As a result, as shown in Table 7, it was found that the component composition was slightly different within the ranges of Ti: 10 to 12 at%, Cr: 10 to 23 at%, and Al: 66 to 68 at% depending on the film forming conditions. These results are shown in Tables 6 and 7. The amount of metallic elements and impurity elements other than nitrogen in the film was at a level of 1 atomic% or less for oxygen and 2 atomic% or less for carbon in the quantitative analysis by EPMA. Further, the ratio of the total amount of metal elements and nitrogen was in the range of 0.9 to 1.1 in terms of atomic ratio.

Figure 0004758288
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Figure 0004758288
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表6および表7より、本発明で好ましいとする基板電圧、反応ガス圧、基板温度に制御したNo.1〜6、9〜12、および15〜17は、No.7、8、13、14および18と比較して、硬度が高く、かつ摩耗幅が小さく優れた耐摩耗性を有することから、成膜条件を本発明の規定を満たすよう制御することによって、皮膜の結晶配向、回折線の角度および半値幅を本発明で好ましい範囲内とすることができ、結果として耐摩耗性に優れた皮膜が得られることが分かる。   From Tables 6 and 7, No. 1 controlled to the substrate voltage, reaction gas pressure, and substrate temperature, which are preferable in the present invention. 1-6, 9-12, and 15-17 are No.1. Compared with 7, 8, 13, 14, and 18, the film has a high hardness, a small wear width, and excellent wear resistance. It can be seen that the crystal orientation, the angle of the diffraction line, and the half-value width can be within the preferable ranges in the present invention, and as a result, a film having excellent wear resistance can be obtained.

[実施例7]
組成がTi:10at%、Cr:18at%、Al:72at%の合金ターゲットを用い、図2に示したAIP装置を用い(但し、この場合は蒸発源2を2つ設置)、皮膜の種類に応じてアーク電流を100〜150A、窒素(または窒素とメタンの混合)ガス圧を0Pa(金属膜)〜2.66Pa、膜種に応じて基板に印加するバイアス電圧を30〜150Vの範囲内で変化させ、基板温度を550℃にして、表8に示す種々の金属窒化物、炭化物、炭窒化物または金属膜の積層膜を超硬合金製スクエアエンドミル(直径10mm、2枚刃)上に形成した。その他の成膜条件に関しては前記実施例1と同様である。積層の仕方は、超硬合金製エンドミル上に、表8における皮膜1、次に表8における皮膜2の順に、交互に蒸発源を切り替えて表8に示す膜厚の皮膜を積層した。表8に示す積層数は[皮膜1+皮膜2]を1単位とした時の繰り返し数を示す。尚、総膜厚は約3μmであった。成膜後の皮膜の耐摩耗性は前記実施例2と同様にして切削試験を行い評価した。これらの結果を表8に示す。
[Example 7]
Using an alloy target having a composition of Ti: 10 at%, Cr: 18 at%, Al: 72 at%, using the AIP apparatus shown in FIG. 2 (however, in this case, two evaporation sources 2 are installed) The arc current is 100 to 150 A, the nitrogen (or mixed nitrogen and methane) gas pressure is 0 Pa (metal film) to 2.66 Pa, and the bias voltage applied to the substrate is 30 to 150 V depending on the film type. Varying, substrate temperature is set to 550 ° C., and various metal nitride, carbide, carbonitride or metal film laminated films shown in Table 8 are formed on a cemented carbide square end mill (diameter 10 mm, 2 blades). did. Other film forming conditions are the same as those in the first embodiment. The method of lamination was such that the film thicknesses shown in Table 8 were laminated on the cemented carbide end mill in the order of film 1 in Table 8 and then film 2 in Table 8 by alternately switching the evaporation source. The number of layers shown in Table 8 indicates the number of repetitions when [Coating 1 + Coating 2] is taken as 1 unit. The total film thickness was about 3 μm. The abrasion resistance of the film after film formation was evaluated by performing a cutting test in the same manner as in Example 2. These results are shown in Table 8.

Figure 0004758288
Figure 0004758288

表8の実験No.1〜12より、切削工具用硬質皮膜を複数層とする場合であっても、本発明の要件を満たす皮膜をコーティングしたものであれば、切削試験の摩耗幅は30μm以下と優れた耐摩耗性を示すことが分かる。   Experiment No. in Table 8 From 1 to 12, even when the hard film for a cutting tool is formed in a plurality of layers, if the film satisfying the requirements of the present invention is coated, the wear width of the cutting test is excellent at 30 μm or less. It can be seen that

[実施例8]
組成がTi:9at%、Cr:19at%、Al:72at%の合金ターゲットを用い、アーク電流を100A、基板(被処理体)温度を500℃とし、アース電位に対して基板(被処理体)側がマイナスとなるようバイアス電圧を50〜400Vの範囲内で変化させて30分間成膜を行ったことを除き、前記実施例1と同様にして超硬合金製チップまたは超硬合金製スクエアエンドミル(10mm直径、2枚刃)上に成膜を行った。得られた皮膜の結晶構造をX線回折により同定した。また成膜後の超硬合金製チップを破断し、その断面を走査型電子顕微鏡で観察して膜厚を測定した。更に前記実施例2と同様にして切削試験を実施した。これらの結果を表9に示す。尚、得られた皮膜の金属元素組成をEMPAで測定したところ、成膜時のバイアス電圧の相違によりTi:9〜11at%、Cr:19〜21at%、Al:68〜71at%の範囲内でわずかに成分組成が異なっていることが分かった。
[Example 8]
Using an alloy target having a composition of Ti: 9 at%, Cr: 19 at%, Al: 72 at%, the arc current is 100 A, the substrate (object to be processed) temperature is 500 ° C., and the substrate (object to be processed) with respect to the ground potential. A cemented carbide tip or a cemented carbide square end mill (similar to that of Example 1 above) except that the film was formed for 30 minutes while changing the bias voltage within a range of 50 to 400 V so that the negative side was negative. A film was formed on a 10 mm diameter, two blades). The crystal structure of the obtained film was identified by X-ray diffraction. Moreover, the chip | tip made from the cemented carbide after film-forming was fractured | ruptured, the cross section was observed with the scanning electron microscope, and the film thickness was measured. Further, a cutting test was performed in the same manner as in Example 2. These results are shown in Table 9. In addition, when the metal element composition of the obtained film was measured by EMPA, it was within the range of Ti: 9 to 11 at%, Cr: 19 to 21 at%, Al: 68 to 71 at% due to the difference in bias voltage during film formation. It was found that the component composition was slightly different.

Figure 0004758288
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表9より、No.2〜5は、本発明で好ましいとするバイアス電圧範囲内としたものであり、この様なバイアス電圧で成膜することによって最適な結晶構造または膜厚とすることができた。これに対し、No.1は本発明で好ましいとするバイアス電圧よりも低いため、結晶構造がB1+Hexの混合相となり、優れた耐摩耗性を期待することができない。また、No.6および7は、本発明で好ましいとするバイアス電圧よりも高く、膜厚が薄いかほとんど成膜されないため、優れた耐摩耗性を期待することができない。また、切削試験を行った結果についても、本発明で望ましいとするバイアス電圧で成膜した皮膜は、摩耗量が小さく切削性に優れていることが分かる。   From Table 9, No. Nos. 2 to 5 are within the bias voltage range preferable in the present invention, and an optimum crystal structure or film thickness can be obtained by forming a film with such a bias voltage. In contrast, no. Since 1 is lower than the bias voltage that is preferable in the present invention, the crystal structure becomes a mixed phase of B1 + Hex, and excellent wear resistance cannot be expected. No. Nos. 6 and 7 are higher than the bias voltage preferred in the present invention, and the film thickness is thin or hardly formed, so that excellent wear resistance cannot be expected. As for the result of the cutting test, it can be seen that the film formed with the bias voltage desired in the present invention has a small wear amount and excellent cutting performance.

[実施例9]
組成がTi:10at%、Cr:18at%、Al:72at%の合金ターゲット、Ti:50at%、Al:50at%の合金ターゲット、または純Ti金属、純Cr金属のターゲットを用い、前記図2に示したAIP装置を使用して、超硬合金チップ及び超硬合金製ボールエンドミル(直径10mm、センター半径5R、2枚刃)上に、膜厚約3μmのTiAlCrN、TiAlN、TiNまたはCrN膜を形成した。前記基板に印加するバイアス電圧は、TiAlCrN成膜時には150V、TiAlN、TiNまたはCrN成膜時には50Vとし、基板温度は550〜580℃の範囲とし、反応ガス(窒素)の圧力は2.66Pa、アーク電流は150Aとした。その他の成膜条件は前記実施例1と同様である。
[Example 9]
Using an alloy target having a composition of Ti: 10 at%, Cr: 18 at%, Al: 72 at%, an alloy target of Ti: 50 at%, Al: 50 at%, or a target of pure Ti metal or pure Cr metal, FIG. Using the AIP apparatus shown, a TiAlCrN, TiAlN, TiN or CrN film having a film thickness of about 3 μm is formed on a cemented carbide tip and a cemented carbide ball end mill (diameter 10 mm, center radius 5R, 2 blades). did. The bias voltage applied to the substrate is 150 V when forming a TiAlCrN film, 50 V when forming a TiAlN, TiN, or CrN film, the substrate temperature is in the range of 550 to 580 ° C., the pressure of the reactive gas (nitrogen) is 2.66 Pa, and the arc The current was 150A. Other film forming conditions are the same as those in Example 1.

成膜終了後、得られた皮膜の金属成分組成、ビッカース硬度および耐摩耗性を調べた。耐摩耗性は、下記の条件で切削試験を実施し、ボールエンドミルの先端部の摩耗幅および境界部の摩耗幅で評価した。EPMAにより成分組成を測定した結果、合金ターゲットを用い成膜したTiCrAlN膜およびTiAlN膜の成分組成は、ターゲットの成分組成と多少異なり、それぞれターゲットよりもAl量のわずかに少ない(Ti0.1Cr0.22Al0.68)Nおよび(Ti0.54Al0.46)Nの組成の皮膜が得られた。また、皮膜中の金属元素と窒素原子との比率は、いずれの皮膜も原子比で0.9〜1.1の範囲内であった。
切削試験条件
被削材:S55C(ブリネル硬度220)
切削速度:100m/分
送り速度:0.05mm/刃
深さ切り込み:4.5mm
ピックフィード:0.5mm
その他:ダウンカット、エアブロー
切削長:30m
After the film formation was completed, the metal component composition, Vickers hardness, and wear resistance of the obtained film were examined. The wear resistance was evaluated based on the wear width at the tip of the ball end mill and the wear width at the boundary by performing a cutting test under the following conditions. As a result of measuring the component composition by EPMA, the component composition of the TiCrAlN film and the TiAlN film formed using the alloy target is slightly different from the component composition of the target, and each has a slightly smaller amount of Al (Ti 0.1 Cr) than the target. Films with compositions of 0.22 Al 0.68 ) N and (Ti 0.54 Al 0.46 ) N were obtained. Moreover, the ratio of the metal element and nitrogen atom in the film was within a range of 0.9 to 1.1 in terms of atomic ratio in any film.
Cutting test conditions Work material: S55C (Brinell hardness 220)
Cutting speed: 100 m / min Feed rate: 0.05 mm / blade Depth cut: 4.5 mm
Pick feed: 0.5mm
Others: Down cut, air blow Cutting length: 30m

Figure 0004758288
Figure 0004758288

表10より、本発明の要件を満たす皮膜は、前記切削試験における先端部摩耗量および境界部摩耗量が従来知られているTiAlN、TiN、CrNの皮膜と比較して小さく、被切削材;S55C(HB220)に対して優れた切削特性を示すことが分かる。   From Table 10, the film satisfying the requirements of the present invention is smaller in the tip wear amount and the boundary wear amount in the cutting test than the conventionally known TiAlN, TiN, and CrN films, and the material to be cut; S55C It can be seen that excellent cutting characteristics are exhibited with respect to (HB220).

[実施例10]
ターゲットの相対密度や不純物含有量が成膜時の放電状態に及ぼす影響について調べた。
[Example 10]
The influence of the relative density and impurity content of the target on the discharge state during film formation was investigated.

それぞれ100メッシュ以下のTi粉末、Cr粉末およびAl粉末を所定量混合し、温度:900℃かつ圧力:8×10Paの条件でHIP処理を行って、表11に示す各成分組成のターゲットを作製した。上記ターゲットの成分組成はICP−MSにて測定した。また得られたターゲットの放電特性を調べるため、外径254mm、厚さ5mmに成形したターゲットをスパッタリング装置に装着し、反応性スパッタリング法により膜厚3μmの皮膜を被処理体である超硬合金製チップ上に成膜した。成膜は反応ガスとしてNガスを用い、出力500Wで行った。 Predetermined amounts of Ti powder, Cr powder and Al powder of 100 mesh or less were mixed, and HIP treatment was performed under the conditions of temperature: 900 ° C. and pressure: 8 × 10 7 Pa, and targets of each component composition shown in Table 11 were obtained. Produced. The component composition of the target was measured by ICP-MS. In addition, in order to investigate the discharge characteristics of the obtained target, a target formed to have an outer diameter of 254 mm and a thickness of 5 mm is mounted on a sputtering apparatus, and a film having a film thickness of 3 μm is manufactured by a cemented carbide alloy to be processed by reactive sputtering A film was formed on the chip. The film formation was performed at an output of 500 W using N 2 gas as a reaction gas.

得られた硬質皮膜の成分組成はXPSで測定し、耐摩耗性は下記の条件で切削試験を行って評価した。また成膜時の放電状態については、表面における放電状況を目視で観察したり、放電電圧のモニターを観察して行った。これらの結果を表11に示す。   The component composition of the obtained hard film was measured by XPS, and the wear resistance was evaluated by conducting a cutting test under the following conditions. The discharge state during film formation was performed by visually observing the discharge state on the surface or observing the discharge voltage monitor. These results are shown in Table 11.

切削試験条件
被削材:SKD61(HRC50)
エンドミル:超硬合金製 4枚刃
切削速度:200m/min
切り込み:1mm
送り速度:0.05mm/刃
切削長:20m
評価基準
◎:すくい面摩耗深さが25μm未満
○:すくい面摩耗深さが25〜50μm
△:すくい面摩耗深さが50μm以上
放電状態
・安定 :放電電圧の瞬間的な上昇や放電の場所的な偏りが認められな
いもの
・やや不安定:放電電圧の瞬間的な上昇や放電の場所的な偏りが多少認めら
れるもの
・不安定 :放電電圧の瞬間的な上昇や放電の場所的な偏りがかなり認め
られるもの
・放電中断 :放電が停止するもの
Cutting test conditions Work material: SKD61 (HRC50)
End mill: Cemented carbide 4 blades Cutting speed: 200m / min
Cutting depth: 1mm
Feed rate: 0.05mm / blade Cutting length: 20m
Evaluation criteria A: Rake face wear depth is less than 25 μm B: Rake face wear depth is 25-50 μm
Δ: Rake face wear depth of 50 μm or more Discharge state • Stable: No instantaneous rise in discharge voltage or local bias in discharge
・ Slightly unstable: Some momentary increase in discharge voltage and / or local bias in discharge
・ Unstable: Instantaneous rise in discharge voltage and local bias in discharge are recognized.
・ Discharge interruption: Discharge stops

Figure 0004758288
Figure 0004758288

表11より、No.1〜7は、本発明で規定する相対密度を満足するものであることから放電状態は良好で、その結果、ターゲットと成分組成が同一で、良好な耐摩耗性を発揮する皮膜が得られていることが分かる。これに対し、No.8〜10は、ターゲットの相対密度が本発明の要件を満足するものではないため、放電状態が不安定であったり継続不可能となり、その結果、得られる皮膜の成分組成がターゲットの成分組成と大きくずれ、耐摩耗性の好ましくない皮膜が得られる結果となった。   From Table 11, No. Nos. 1 to 7 satisfy the relative density specified in the present invention, so that the discharge state is good. As a result, a film having the same composition as the target and exhibiting good wear resistance is obtained. I understand that. In contrast, no. 8-10, since the relative density of the target does not satisfy the requirements of the present invention, the discharge state is unstable or cannot be continued. As a result, the component composition of the resulting film is the same as the component composition of the target. The result was that the film was greatly deviated and an unfavorable wear resistance film was obtained.

[実施例11]
100メッシュ以下のTi粉末、100メッシュ以下のCr粉末、および240メッシュ以下のAl粉末を所定量混合し、温度:500〜900℃、圧力:8×10Paの条件でHIP処理して表12に示す各成分組成のターゲットを作製した。得られたターゲットを削り出すか、あるいは銅製バッキングプレートのろう付けを行って、底面に外径104mm、厚さ2mmの固定つばが設けられたターゲットを作製し、アーク放電方式イオンプレーティング装置に該ターゲットを装着して、膜厚3μmの皮膜を被処理体である超硬合金製チップ上に成膜した。成膜は、反応ガスとしてNガスまたはN/CHガスを用い、被処理体の温度を500℃、アーク電流を100A、かつ被処理体のバイアス電圧を150Vにして行った。
[Example 11]
A predetermined amount of Ti powder of 100 mesh or less, Cr powder of 100 mesh or less, and Al powder of 240 mesh or less were mixed and subjected to HIP treatment under conditions of temperature: 500 to 900 ° C. and pressure: 8 × 10 7 Pa. Table 12 The target of each component composition shown in FIG. The obtained target is cut out or a copper backing plate is brazed to produce a target having a fixed collar having an outer diameter of 104 mm and a thickness of 2 mm on the bottom surface. A target was mounted, and a film having a thickness of 3 μm was formed on a cemented carbide chip as the object to be processed. The film formation was performed using N 2 gas or N 2 / CH 4 gas as a reaction gas, the temperature of the object to be processed being 500 ° C., the arc current being 100 A, and the bias voltage of the object to be processed being 150 V.

ターゲットの成分組成はICP−MSにて測定した。得られた皮膜の耐摩耗性は、前記実施例6と同様の切削試験方法で評価した。また、得られた皮膜の成分組成をXPSにより測定したところ、いずれの皮膜の成分組成もターゲットの成分組成の±2at%の範囲内にありターゲットの成分組成とほぼ一致していた。ターゲット中の欠陥(空孔)の有無ならびに空孔サイズの測定は、超音波探傷法により行った。また成膜時の放電状態は、前記実施例6と同様の方法で評価した。これらの結果を表12に示す。   The component composition of the target was measured by ICP-MS. The abrasion resistance of the obtained film was evaluated by the same cutting test method as in Example 6. Moreover, when the component composition of the obtained film | membrane was measured by XPS, the component composition of any film | membrane was in the range of +/- 2at% of the component composition of a target, and was substantially corresponded with the component composition of a target. The presence / absence of defects (holes) in the target and the measurement of the hole size were measured by an ultrasonic flaw detection method. The discharge state during film formation was evaluated by the same method as in Example 6. These results are shown in Table 12.

Figure 0004758288
Figure 0004758288

表12より、No.1〜10は、ターゲットの相対密度およびターゲット中に存在する空孔の大きさが本発明で規定する要件を満足していることから、成膜時の放電状態が安定で、良好な耐摩耗性を有する皮膜が得られていることが分かる。   From Table 12, no. 1 to 10, since the relative density of the target and the size of the holes present in the target satisfy the requirements defined in the present invention, the discharge state during the film formation is stable, and good wear resistance It turns out that the film | membrane which has is obtained.

これに対しNo.5および7は、ターゲット中に存在する空孔の大きさが本発明の規定を満足するものではなく、No.9および10は、ターゲットの相対密度が本発明の規定を満たさず、またNo.6および8は、本発明で規定するターゲットの相対密度およびターゲット中に存在する空孔の大きさのどちらも満足していないため、成膜時に放電状態が不安定もしくは中断してしまい、成膜不可能となるか、皮膜が得られた場合であっても耐摩耗性に劣るものとなってしまった。   In contrast, no. In Nos. 5 and 7, the size of the holes present in the target does not satisfy the definition of the present invention. Nos. 9 and 10 indicate that the relative density of the target does not satisfy the provisions of the present invention. Nos. 6 and 8 satisfy neither the relative density of the target defined in the present invention nor the size of the vacancies existing in the target, so that the discharge state becomes unstable or interrupted during the film formation. It became impossible or even when the film was obtained, the abrasion resistance was poor.

[実施例12]
次にターゲット中の不純物(酸素、水素、塩素、銅およびマグネシウム)の含有量が成膜時の放電状態に与える影響について調べた。
[Example 12]
Next, the influence of the content of impurities (oxygen, hydrogen, chlorine, copper and magnesium) in the target on the discharge state during film formation was investigated.

表13に示す各成分組成のターゲットを前記実施例7と同様の方法で作製した。得られたターゲットの相対密度はいずれも99%以上で、0.3mm以上の空孔や連続した欠陥はいずれにも存在しなかった。得られたターゲットを用い、反応ガスとしてNガスのみを使用する以外は前記実施例7と同様の条件で成膜を行った。ターゲット中の不純物の含有量は原子吸光法で測定した。また成膜時の放電状態は、前記実施例6と同様にして評価した。これらの結果を表13に示す。 Targets having respective component compositions shown in Table 13 were produced in the same manner as in Example 7. The relative density of the obtained targets was 99% or more, and there were no vacancies of 0.3 mm or more or continuous defects. Using the obtained target, a film was formed under the same conditions as in Example 7 except that only N 2 gas was used as the reaction gas. The content of impurities in the target was measured by atomic absorption method. The discharge state during film formation was evaluated in the same manner as in Example 6. These results are shown in Table 13.

Figure 0004758288
Figure 0004758288

表13より、No.1,3〜9,16および17は、酸素、水素、塩素、銅およびマグネシウムのすべての不純物の含有量が本発明の要件を満足するものであることから、放電状態が良好となっていることが分かる。これに対し、No.2,10および11では酸素含有量、No.12では水素含有量、No.13では塩素含有量、No.14では銅含有量、No.15ではマグネシウム含有量、No.18では酸素およびマグネシウムの含有量、No.19では、塩素、銅およびマグネシウムの含有量が本発明で好ましいとする規定範囲を超えている。この結果より、成膜時の放電状態を良好にして効率よく本発明の切削工具用硬質皮膜を得るには、ターゲット中の不純物(酸素、水素、塩素、銅およびマグネシウム)の含有量を本発明の規定範囲内とすることが好ましいことが分かる。   From Table 13, No. 1,3-9,16 and 17 have good discharge conditions because the contents of all impurities of oxygen, hydrogen, chlorine, copper and magnesium satisfy the requirements of the present invention. I understand. In contrast, no. 2, 10 and 11, the oxygen content, No. No. 12, hydrogen content, no. In No. 13, the chlorine content, no. In No. 14, the copper content, no. 15, the magnesium content, No. 18 contains oxygen and magnesium contents. In No. 19, the contents of chlorine, copper and magnesium exceed the specified range preferred in the present invention. From this result, in order to obtain a hard film for a cutting tool of the present invention efficiently by improving the discharge state during film formation, the content of impurities (oxygen, hydrogen, chlorine, copper and magnesium) in the target is determined according to the present invention. It can be seen that it is preferable to be within the specified range.

(Ti,Al,Cr)N膜における金属成分Ti、AlおよびCrの組成図にて本発明範囲を示したものである。The range of the present invention is shown in the composition diagram of the metal components Ti, Al and Cr in the (Ti, Al, Cr) N film. 本発明の実施に使用するアークイオンプレーティング(AIP)装置の一例を示した概略図である。It is the schematic which showed an example of the arc ion plating (AIP) 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拡大した断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which expanded 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別のアーク式蒸発源要部を拡大した断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which expanded another arc type evaporation source principal part with which it uses for implementation of this invention. 従来の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。It is the cross-sectional schematic which expanded an example of the arc type evaporation source principal part with which implementation of the conventional this invention was carried out. 成膜した(Ti0.1Al0.7Cr0.2)N膜のX線回折結果を示したものであり、(1)は本発明者らの蒸発源、(2)は従来の蒸発源を用いて成膜した結果を示す。The X-ray diffraction result of the (Ti 0.1 Al 0.7 Cr 0.2 ) N film formed is shown, (1) is the evaporation source of the present inventors, and (2) is the film formation using a conventional evaporation source. The results are shown. 一例として(Ti0.1Al0.7Cr0.2)N皮膜を成膜した場合の基板(被処理体)温度と皮膜の残留応力との関係を示したグラフである。As an example, it is a graph showing the relationship between the substrate (object to be processed) temperature and the residual stress of the film when a (Ti 0.1 Al 0.7 Cr 0.2 ) N film is formed. (Ti,Al,Cr)N膜における金属成分Ti、AlおよびCrの組成図にて本発明範囲と実施例を示したものである。The scope and examples of the present invention are shown in the composition diagrams of the metal components Ti, Al and Cr in the (Ti, Al, Cr) N film.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum vessel 2, 2A Arc type evaporation source 3 Support stand 4 Bias power supply 6 Target 7 Arc power supply 8 Magnet (magnetic field formation means)
9 Electromagnet (magnetic field forming means)
11 Exhaust port 12 Gas supply port W Processed object S Target evaporation surface

Claims (4)

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すると共に、前記被処理体に印加するバイアス電位をアース電位に対して−50V〜−300Vとして、下記の硬質皮膜を成膜することを特徴とする硬質皮膜の製造方法。
(Ti,Al,Cr)(C1−d)からなる硬質皮膜であって、
上記a,b,c,dが、
0.02≦a≦0.30、
0.6≦b≦0.765、
0.06≦c、
a+b+c=1、
0.5≦d≦1
(a,b,cはそれぞれTi,Al,Crの原子比を示し、dはNの原子比を示す。以下同じ)、
または
0.02≦a≦0.175、
0.765≦b、
4(b−0.75)≦c、
a+b+c=1、
0.5≦d≦1を満たし、且つ、結晶構造が岩塩構造型を主体とするものである。
In arc ion plating method for performing evaporation and ionization of the metal constituting the data Getto by arc discharge to form a magnetic lines of force traveling diverging or parallel to the front and substantially perpendicular to the evaporation surface of the target, the this magnetic field lines The film formation gas in the vicinity of the processing object is promoted into plasma, and the following hard film is formed by setting the bias potential applied to the object to be processed to −50 V to −300 V with respect to the ground potential. method of manufacturing a hard substance coating that.
A hard film made of (Ti a , Al b , Cr c ) (C 1-d N d ),
A, b, c, d above
0.02 ≦ a ≦ 0.30,
0.6 ≦ b ≦ 0.765,
0.06 ≦ c,
a + b + c = 1,
0.5 ≦ d ≦ 1
(A, b, and c represent the atomic ratio of Ti, Al, and Cr, respectively, d represents the atomic ratio of N, and so on)
Or 0.02 ≦ a ≦ 0.175,
0.765 ≦ b,
4 (b−0.75) ≦ c,
a + b + c = 1,
0.5 ≦ d ≦ 1 is satisfied, and the crystal structure is mainly composed of a rock salt structure type.
前記硬質皮膜は、硬質皮膜の最表面を構成するものである請求項1に記載の硬質皮膜の製造方法。The method for producing a hard film according to claim 1, wherein the hard film constitutes an outermost surface of the hard film. 前記硬質皮膜は、切削工具用である請求項1または2に記載の硬質皮膜の製造方法。The method for producing a hard coating according to claim 1, wherein the hard coating is for a cutting tool. 成膜時の前記被処理体温度を300℃以上800℃以下とすると共に、成膜時の反応ガスの分圧または全圧を0.5Pa以上7Pa以下とする請求項1〜3のいずれかに記載の硬質皮膜の製造方法。 Wherein with the workpiece temperature to 300 ° C. or higher 800 ° C. or less during the film formation, to any one of claims 1 to 3 for the partial pressure or total pressure of the reaction gas during the deposition and less than 0.5 Pa 7 Pa method for producing a hard substance coating according.
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