JP5660457B2 - Hard film coated mold - Google Patents

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Description

本発明は、金型基体上に、物理蒸着法により、硬質皮膜のAlCr酸窒化物の下層とAlCr酸化物の上層とを被覆して構成され、前記上層が平滑であり、前記の下層と上層との密着性、耐熱性及び摺動特性に優れた新規で高性能な硬質皮膜被覆金型に関する The present invention is configured by coating a lower layer of an AlCr oxynitride of a hard film and an upper layer of an AlCr oxide on a mold base by a physical vapor deposition method, the upper layer is smooth, and the lower layer and the upper layer The present invention relates to a new and high-performance hard film coated mold excellent in adhesiveness, heat resistance and sliding characteristics .

摺動部材や金型へはCrNやTiNなどのコーティングが用いられていたが、近年になってダイヤモンドライクカーボン(DLC)が普及してきている。平滑な表面が得易く、摩擦特性も優れることから摺動部材などへのコーティングとして有用だからである。しかし、炭素系皮膜では鉄系材料との摺動特性の向上を得難く、適用分野に制限があることから、かかるCrNやTiNなどに代わる摺動特性に優れたコーティング皮膜の研究開発が従来から行われている。  Coatings such as CrN and TiN have been used for sliding members and molds, but diamond-like carbon (DLC) has become widespread in recent years. This is because it is easy to obtain a smooth surface and is excellent in frictional properties, so that it is useful as a coating on a sliding member or the like. However, since it is difficult to improve the sliding properties with iron-based materials with carbon-based coatings, and there are limitations on the application fields, research and development of coating coatings with excellent sliding properties to replace such CrN and TiN have been conducted. Has been done.

特許文献1は、クロム含有量が5原子%より多い実質的に(Al,Cr)結晶体よりなる硬質層を形成した工作物などを開示している。この文献では、アルミニウムにクロムを加えるという非常に簡単な対策によって、従来高温のCVD法でしか得られない前記組成の結晶質硬質層を1000℃未満の成膜温度で得た。Patent Document 1 discloses a workpiece in which a hard layer substantially made of (Al, Cr) 2 O 3 crystal having a chromium content of more than 5 atomic% is formed. In this document, a crystalline hard layer having the above-mentioned composition that can be obtained only by a high-temperature CVD method has been obtained at a film forming temperature of less than 1000 ° C. by a very simple measure of adding chromium to aluminum.

特許文献2は、AlCrON硬質皮膜上にコランダム型構造の(Al0.5Cr0.5皮膜を被覆した多層構造の皮膜システムを開示している(表6のNo.93、95を参照)。Patent Document 2 discloses a multi-layer coating system in which a (Al 0.5 Cr 0.5 ) 2 O 3 coating having a corundum type structure is coated on an AlCrON hard coating (Nos. 93 and 95 in Table 6). See).

特許文献3にはAlCr酸窒化物の硬質皮膜を被覆した被覆金型に関する技術が開示されている。  Patent Document 3 discloses a technique related to a coating mold in which a hard coating of AlCr oxynitride is coated.

特許文献4にはAlCr酸化物を被覆したダイカスト用被覆金型に関する技術が開示されている。  Patent Document 4 discloses a technology related to a die casting coating die coated with an AlCr oxide.

特許第3323534号公報Japanese Patent No. 3323534 特表2010−506049号公報Special table 2010-506049 gazette 特許第4471580号公報Japanese Patent No. 4471580 特開2010−58135号公報JP 2010-58135 A

本発明者の検討によると、物理蒸着法による特許文献1のAlCr酸化物皮膜は等価X線回折強度比TC(110)は1.3未満であることから、膜の密着性に劣り、容易に膜の剥離を生ずることがわかった。即ち、特許文献1のAlCr酸化物皮膜を構成するAlCr酸化物結晶粒は脱落を生じやすく、金型用途では焼付きやかじりが発生し易いという問題がある。  According to the study of the present inventor, the AlCr oxide film of Patent Document 1 by physical vapor deposition has an equivalent X-ray diffraction intensity ratio TC (110) of less than 1.3. It was found that film peeling occurred. That is, the AlCr oxide crystal grains constituting the AlCr oxide film of Patent Document 1 are liable to fall off, and there is a problem that seizure and galling are likely to occur in mold applications.

特許文献2の段落61には、「AlCr(50/50)ターゲットをターンオンした後5分で、酸素の導入が開始される。当該酸素は10分以内に50sccmから1000sccmになるように設定されている。同時にTiAl(50/50)ターゲットはターンオフされ、窒素(N)は約100sccmに戻される。」と記載されている。更に、表7には具体的な成膜時の酸素(O)ガス流量及び窒素(N)ガス流量が開示されている。
しかし、本発明者によるトレース実験(後述の比較例9)によると、本発明に係るAlCr酸窒化物層(硬質層)の成膜は困難であった。
In paragraph 61 of Patent Document 2, the introduction of oxygen starts 5 minutes after turning on the AlCr (50/50) target. The oxygen is set to 50 sccm to 1000 sccm within 10 minutes. At the same time, the TiAl (50/50) target is turned off and nitrogen (N 2 ) is returned to about 100 sccm. ” Further, Table 7 discloses specific oxygen (O 2 ) gas flow rate and nitrogen (N 2 ) gas flow rate during film formation.
However, according to the tracing experiment (Comparative Example 9 described later) by the present inventor, it was difficult to form the AlCr oxynitride layer (hard layer) according to the present invention.

金型の使用状況としても、環境負荷を考慮した使用法も進められており、離型材の使用を削減することや、使用自体を無くす試みもある。そのため、焼き付き、かじりなどによる皮膜の損傷・剥離の発生も課題となっている。そのため、金型に用いられる皮膜には、耐摩耗性以外にも優れた密着性・耐焼付き性・かじり性が要求されるようになってきている。  As for the usage status of molds, usage methods that take environmental loads into consideration are also being promoted, and there are attempts to reduce the use of mold release materials and to eliminate the use itself. Therefore, the occurrence of damage or peeling of the film due to seizure, galling or the like is also a problem. Therefore, a film used for a mold is required to have excellent adhesion, seizure resistance, and galling resistance in addition to wear resistance.

特許文献3に開示されているのはAlとCrを必須構成元素とするAlCr酸窒化膜のみであって、更にその上にTC(110)が1.3以上のAlCr酸化膜をいわゆるエピタキシャル成長により被覆したものではない。  Patent Document 3 discloses only an AlCr oxynitride film containing Al and Cr as essential constituent elements, and an AlCr oxide film having a TC (110) of 1.3 or more is further coated thereon by so-called epitaxial growth. It was n’t.

特許文献4が開示しているのは、Cr酸化物とAlCr酸化物の積層構造にすることで、コランダム構造の酸化物を容易に形成せしめ、耐摩耗性と耐焼付き性を向上させることにとどまる。即ち、AlCr酸窒化物下層上にAlCr酸化物上層をいわゆるエピタキシャル成長により被覆したものではない。  Patent Document 4 discloses that a laminated structure of Cr oxide and AlCr oxide can easily form an oxide having a corundum structure and improve wear resistance and seizure resistance. . That is, the upper layer of AlCr oxide is not coated by so-called epitaxial growth on the lower layer of AlCr oxynitride.

本発明は上記従来の問題を解決することを目的とし、上層表面が平滑であり、耐摩耗性に優れ、摩擦係数が低く摺動特性に優れ、密着性に優れた新規で高性能な硬質皮膜被覆金型を提供するものである The present invention aims to solve the above-mentioned conventional problems, and is a new and high-performance hard coating having a smooth upper layer surface, excellent wear resistance, a low friction coefficient, excellent sliding characteristics, and excellent adhesion. A coated mold is provided .

本発明の硬質皮膜被覆金型は、基体上に硬質皮膜を物理蒸着法により形成したもので、
前記硬質皮膜は、下層と該下層の上に形成される上層とを有し、
前記上層は、一般式:(Al x Cr y ) c O d (ただし、x及びyはAl及びCrの原子比率を表わす数字であり、c及びdはAlCrとOの原子比率を表わす数字であり、x=0.1〜0.6、x+y=1、c=1.86〜2.14、及びd=2.79〜3.21の条件を満たす。)により表される組成、及びα型結晶構造を有し、等価X線回折強度比TC(110)が1.3以上の酸化物からなり、
前記下層は、金属元素としてAlとCrを必須とする酸窒化物からなり、酸素濃度が前記下層側から前記上層側にかけて増加するとともに窒素濃度が前記下層側から前記上層側にかけて減少する傾斜組成を有し、その平均組成が一般式:(Al s Cr t ) a (N v O w ) b (ただし、s及びtはAlとCrの原子比率を表わす数字であり、v及びwはNとOの原子比率を表わす数字であり、a及びbはAlCrとNOの原子比率を表わす数字であり、下記条件:
s=0.1〜0.6、
s+t=1、
v=0.1〜0.8、
v+w=1、
a=0.35〜0.6、
及びa+b=1を満たす。)により表され、
前記下層の結晶格子縞と前記上層の結晶格子縞とが両者の界面において少なくとも部分的に連続している硬質皮膜被覆金型である。
かかる特徴を有する本発明の硬質皮膜被覆金型は従来のものに比べて高性能である。
The hard coating coated mold of the present invention is a hard coating formed on a substrate by physical vapor deposition,
The hard coating has a lower layer and an upper layer formed on the lower layer,
The upper layer has the general formula: (Al x Cr y ) c O d (where x and y are numbers representing the atomic ratio of Al and Cr, and c and d are numbers representing the atomic ratio of AlCr and O) X = 0.1 to 0.6, x + y = 1, c = 1.86 to 2.14, and d = 2.79 to 3.21) and an α-type crystal structure, and an equivalent X-ray diffraction intensity ratio TC (110) is made of oxide with 1.3 or more,
The lower layer is made of an oxynitride essentially containing Al and Cr as metal elements, and has a gradient composition in which the oxygen concentration increases from the lower layer side to the upper layer side and the nitrogen concentration decreases from the lower layer side to the upper layer side. And the average composition is represented by the general formula: (Al s Cr t ) a (N v O w ) b (where s and t are numbers representing the atomic ratio of Al and Cr, and v and w are N and O A and b are numbers representing the atomic ratio of AlCr and NO, and the following conditions:
s = 0.1-0.6,
s + t = 1,
v = 0.1-0.8,
v + w = 1,
a = 0.35-0.6,
And a + b = 1. )
The lower layer crystal lattice fringe and the upper layer crystal lattice fringe are at least partially continuous at the interface between them .
The hard film-coated mold of the present invention having such characteristics has higher performance than the conventional one.

前記上層は等価X線回折強度比TC(110)が等価X線回折強度比TC(104)より大きいことが好ましい。更に、前記上層は、表面粗さRaが0.2μm以下であることが好ましい。 The upper layer than the size Ikoto preferably equivalent X-ray diffraction intensity ratio TC (110) is equivalent X-ray diffraction intensity ratio TC (104). Furthermore, the upper layer has a surface roughness Ra is preferably der Rukoto below 0.2 [mu] m.

前記層の厚さ(Tl)は0.1〜4μmで、前記上層の厚さ(Tu)は0.2〜8μmで、Tl≦Tuの関係を満たすのが好ましい。 Thick (Tl) is 0.1~4μm of the lower layer, the thickness of the upper layer (Tu) in 0.2~8Myuemu, preferably satisfy the relationship Tl ≦ Tu.

前記下層の前記傾斜組成において、酸素濃度の前記基体側から前記上層側にかけての平均勾配は10〜600原子%/μmであるのが好ましい。  In the gradient composition of the lower layer, the average gradient of oxygen concentration from the substrate side to the upper layer side is preferably 10 to 600 atomic% / μm.

前記下層の前記傾斜組成において、窒素濃度の前記基体側から前記上層側にかけての平均勾配は−650〜−10原子%/μmであるのが好ましい。  In the gradient composition of the lower layer, the average gradient of nitrogen concentration from the substrate side to the upper layer side is preferably −650 to −10 atomic% / μm.

物理蒸着法によるAlCr酸窒化物の下層上に物理蒸着法によるAlCr酸化物上層をエピタキシャル成長させるとともに、上層のAlCr酸化物結晶粒の結晶配向:TC(110)を1.3以上になるように制御したことにより、従来の物理蒸着法によるAlCr酸化物皮膜被覆金型に比べて格段に高性能な硬質皮膜被覆金型提供することができる。 The upper layer of AlCr oxide by physical vapor deposition was epitaxially grown on the lower layer of AlCr oxynitride by physical vapor deposition, and the crystal orientation of the upper AlCr oxide crystal grains: TC (110) was controlled to be 1.3 or higher. Thus, it is possible to provide a hard film-coated mold with significantly higher performance than the conventional AlCr oxide film-coated mold by physical vapor deposition.

本発明に使用し得るAIP装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the AIP apparatus which can be used for this invention. 実施例1における下層及び上層の成膜工程において、酸素ガス、窒素ガス及びArガスの流量変化を示すグラフである。6 is a graph showing changes in flow rates of oxygen gas, nitrogen gas, and Ar gas in the lower layer and upper layer film forming steps in Example 1. FIG. 実施例1の上層のX線回折パターンを示すグラフである。2 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of an upper layer of Example 1. FIG. 実施例1の下層における酸素濃度分布及び窒素濃度分布を示すグラフである。2 is a graph showing an oxygen concentration distribution and a nitrogen concentration distribution in a lower layer of Example 1. FIG. 実施例1の硬質皮膜被覆金型における下層と上層の界面領域を示す模式図である。2 is a schematic diagram showing an interface region between a lower layer and an upper layer in the hard film-coated mold of Example 1. FIG. 実施例1の上層表面を示す走査型電子顕微鏡写真である。2 is a scanning electron micrograph showing the upper layer surface of Example 1. FIG. 比較例6の上層表面を示す走査型電子顕微鏡写真である。6 is a scanning electron micrograph showing the upper layer surface of Comparative Example 6. 実施例6における下層及び上層の成膜工程において、酸素ガス、窒素ガス及びArガスの流量変化を示すグラフである。10 is a graph showing changes in flow rates of oxygen gas, nitrogen gas, and Ar gas in the lower layer and upper layer film forming steps in Example 6. FIG. 実施例12における下層び上層の成膜工程において、酸素ガス、窒素ガス及びArガスの流量変化を示すグラフである。14 is a graph showing changes in flow rates of oxygen gas, nitrogen gas, and Ar gas in the lower layer and upper layer film forming steps in Example 12. 実施例12の下層における酸素濃度分布及び窒素濃度分布を示すグラフである。10 is a graph showing an oxygen concentration distribution and a nitrogen concentration distribution in a lower layer of Example 12. 比較例7における下層及び上層の成膜工程において、酸素ガス及び窒素ガスの流量変化を示すグラフである。In the lower layer and the upper layer of the film forming process that put in Comparative Example 7 is a graph showing a change in flow rate of the oxygen gas and nitrogen gas. 比較例7の下層における酸素濃度分布及び窒素濃度分布を示すグラフである。10 is a graph showing an oxygen concentration distribution and a nitrogen concentration distribution in a lower layer of Comparative Example 7. 比較例9における下層及び上層の成膜工程において、酸素ガス及び窒素ガスの流量変化を示すグラフである。10 is a graph showing changes in flow rates of oxygen gas and nitrogen gas in the lower layer and upper layer film forming steps in Comparative Example 9. 実施例及び比較例の硬質皮膜被覆金型のTC(110)と金型寿命との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between TC (110) of the hard film coating metal mold | die of an Example and a comparative example, and a metal mold | die lifetime. 金型寿命の測定に使用した、本発明の硬質皮膜被覆金型の一実施例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one Example of the hard film coating metal mold | die of this invention used for the measurement of a metal mold | die lifetime.

[1]硬質皮膜被覆金型
(A)基体
本発明の硬質皮膜被覆金型の基体用材料として、超硬合金、立方晶窒化ホウ素(CBN)、高速度鋼、金型鋼、サーメット又はセラミックス等が好適であり,特に超硬合金が好適である。
[1] Hard coating coated mold (A) substrate As a substrate material for the hard coating coated mold of the present invention, cemented carbide, cubic boron nitride (CBN), high speed steel, mold steel, cermet, ceramics, etc. Cemented carbide is particularly preferable.

(B)下層
(1)平均組成
物理蒸着法により基体上に形成する下層は、金属元素としてAl及びCrを必須とする酸窒化物の硬質皮膜である。下層の平均組成は、一般式:(AlCr(N(ただし、s及びtはAlとCrの原子比率を表わす数字であり、v及びwはNとOの原子比率を表わす数字であり、a及びbはAlCrとNOの原子比率を表わす数字であり、それぞれ、
s=0.1〜0.6、
s+t=1、
v=0.1〜0.8、
v+w=1、
a=0.35〜0.6、
及びa+b=1の条件を満たす。)により表わされる。
平均組成として、下層の厚さ方向中央における組成を用いることができる。この組成により下層は(111)面に配向したfcc構造を有し、上層との密着性が高い。
(B) Lower layer (1) Average composition The lower layer formed on a base body by a physical vapor deposition method is a hard film of oxynitride in which Al and Cr are essential as metal elements. The average composition of the lower layer is represented by the general formula: (Al s Cr t ) a (N v O w ) b (where s and t are numbers representing the atomic ratio of Al and Cr, and v and w are N and O A number representing the atomic ratio, a and b are numbers representing the atomic ratio of AlCr and NO, respectively,
s = 0.1-0.6,
s + t = 1,
v = 0.1-0.8,
v + w = 1,
a = 0.35-0.6,
And a + b = 1. ).
As the average composition, the composition at the center in the thickness direction of the lower layer can be used. With this composition, the lower layer has an fcc structure oriented in the (111) plane and has high adhesion to the upper layer.

Alの原子比率sとCrの原子比率tの合計(s+t)は1である。sは0.1〜0.6であり、好ましくは0.15〜0.58であり、最も好ましくは0.2〜0.5である。tは0.9〜0.4であり、好ましくは0.85〜0.42であり、最も好ましくは0.8〜0.5である。sが0.1未満では下層におけるCrの含有量が過多であり、下層の硬度及び機械的強度が低く、基体及び上層との密着性が低い。またsが0.6超では下層におけるAlの含有量が過多であり、六方晶系結晶構造を有するため、やはり下層の硬度及び機械的強度が低く、基体及び上層との密着性が低い。  The sum (s + t) of the atomic ratio s of Al and the atomic ratio t of Cr is 1. s is 0.1 to 0.6, preferably 0.15 to 0.58, and most preferably 0.2 to 0.5. t is 0.9 to 0.4, preferably 0.85 to 0.42, and most preferably 0.8 to 0.5. When s is less than 0.1, the content of Cr in the lower layer is excessive, the hardness and mechanical strength of the lower layer are low, and the adhesion between the substrate and the upper layer is low. On the other hand, when s exceeds 0.6, the content of Al in the lower layer is excessive, and since it has a hexagonal crystal structure, the hardness and mechanical strength of the lower layer are also low, and the adhesion between the substrate and the upper layer is low.

窒素(N)の原子比率vと酸素(O)の原子比率wの合計(v+w)は1である。vは0.1〜0.8であり、好ましくは0.2〜0.7であり、最も好ましくは0.3〜0.6である。wは0.9〜0.2であり、好ましくは0.8〜0.3であり、最も好ましくは0.7〜0.4である。vが0.1〜0.8であると、下層を構成するfcc構造のAlCr酸窒化物は(111)面が表面に現れるように配向し、その結晶格子縞が上層のAlCr酸化物の結晶格子縞と少なくとも部分的に連続する(エピタキシャル成長する)ので、下層と上層の密着性が高い。vが0.1未満であると、下層は酸素過剰のため脆いだけでなく、上層との密着性に劣る。一方、vが0.8超であると、下層の格子定数が過大であり、上層のAlCr酸化物との整合性が悪く、上層との密着性に劣る。  The sum (v + w) of the atomic ratio v of nitrogen (N) and the atomic ratio w of oxygen (O) is 1. v is 0.1 to 0.8, preferably 0.2 to 0.7, and most preferably 0.3 to 0.6. w is 0.9 to 0.2, preferably 0.8 to 0.3, and most preferably 0.7 to 0.4. When v is 0.1 to 0.8, the fcc-structured AlCr oxynitride constituting the lower layer is oriented so that the (111) plane appears on the surface, and the crystal lattice pattern of the upper layer is the crystal lattice pattern of the AlCr oxide. Therefore, the adhesion between the lower layer and the upper layer is high. When v is less than 0.1, the lower layer is not only brittle due to excess oxygen, but also has poor adhesion to the upper layer. On the other hand, when v is more than 0.8, the lattice constant of the lower layer is excessive, the consistency with the upper layer AlCr oxide is poor, and the adhesion with the upper layer is poor.

AlCrの原子比率aは(s+t)/[(s+t)+(v+w)]に相当し、NOの原子比率bは(v+w)/[(s+t)+(v+w)]に相当する。a+bは1である。aは0.35〜0.6であり、好ましくは0.38〜0.57であり、最も好ましくは0.4〜0.55である。bは0.65〜0.4であり、好ましくは0.62〜0.43であり、最も好ましくは0.6〜0.45である。aが0.35未満であると下層における金属成分(Al,Cr)が少な過ぎ、硬さが不十分である。aが0.6超であると金属成分が多過ぎ、金属成分と非金属成分のバランスが均一な下層が得られず、機械的強度が劣る。  The atomic ratio a of AlCr corresponds to (s + t) / [(s + t) + (v + w)], and the atomic ratio b of NO corresponds to (v + w) / [(s + t) + (v + w)]. a + b is 1. a is 0.35 to 0.6, preferably 0.38 to 0.57, and most preferably 0.4 to 0.55. b is 0.65 to 0.4, preferably 0.62 to 0.43, and most preferably 0.6 to 0.45. When a is less than 0.35, the metal component (Al, Cr) in the lower layer is too small, and the hardness is insufficient. When a is more than 0.6, there are too many metal components, a lower layer with a uniform balance between the metal component and the nonmetal component cannot be obtained, and the mechanical strength is inferior.

(2)傾斜組成
下層と上層とは残留応力が異なり、また基体と下層との間で大きな応力差があると層間剥離が生じるおそれがある。これに対し、下層が、酸素濃度が基体側から上層側にかけて増加するとともに窒素濃度が基体側から上層側にかけて減少する傾斜組成を有することにより、残留応力の急激な変化を抑制し、層間剥離を抑制できることが分った。
(2) Gradient composition The lower layer and the upper layer have different residual stresses, and if there is a large stress difference between the substrate and the lower layer, delamination may occur. In contrast, the lower layer has a gradient composition in which the oxygen concentration increases from the substrate side to the upper layer side and the nitrogen concentration decreases from the substrate side to the upper layer side, thereby suppressing a sudden change in residual stress and delamination. It was found that it can be suppressed.

図4に示すように、下層における酸素濃度及び窒素濃度は実質的に直線的に変化するのが好ましい。この場合、下層の格子定数が直線的に変化するので、残留応力の急激な変化及び層間剥離がいっそう抑制される。勿論、下層における酸素濃度及び窒素濃度が下層側から上層側にかけて直線的に変化しなくても(例えば断続的に変化する領域があっても)、基体側から上層側にかけて酸素濃度が増加するとともに窒素濃度が減少していれば、残留応力の急激な変化が抑制され、層間剥離が抑制される。  As shown in FIG. 4, the oxygen concentration and nitrogen concentration in the lower layer preferably change substantially linearly. In this case, since the lattice constant of the lower layer changes linearly, sudden changes in residual stress and delamination are further suppressed. Of course, even if the oxygen concentration and nitrogen concentration in the lower layer do not change linearly from the lower layer side to the upper layer side (for example, even if there is a region that changes intermittently), the oxygen concentration increases from the substrate side to the upper layer side. If the nitrogen concentration is reduced, a sudden change in residual stress is suppressed, and delamination is suppressed.

下層の傾斜組成において、酸素濃度の平均勾配は膜厚に依存するが、一般に10〜600原子%/μmであり、20〜300原子%/μmが好ましく、30〜200原子%/μmがより好ましく、特に60〜150原子%/μmが最も好ましい。下層が厚くなるに従って酸素濃度の平均勾配が小さくなるので、酸素濃度の平均勾配が10原子%/μm未満では下層が厚すぎることになり、かえって硬質皮膜の耐チッピング性等が低下する。また酸素濃度の平均勾配が600原子%/μm超であると、酸素濃度変化が急激であり、傾斜組成の下層を設けた意味が失われる。  In the gradient composition of the lower layer, the average gradient of the oxygen concentration depends on the film thickness, but is generally 10 to 600 atomic% / μm, preferably 20 to 300 atomic% / μm, more preferably 30 to 200 atomic% / μm. In particular, 60 to 150 atomic% / μm is most preferable. Since the average gradient of oxygen concentration becomes smaller as the lower layer becomes thicker, if the average gradient of oxygen concentration is less than 10 atomic% / μm, the lower layer becomes too thick, and the chipping resistance of the hard coating is reduced. If the average gradient of the oxygen concentration is more than 600 atomic% / μm, the oxygen concentration change is abrupt, and the meaning of providing the lower layer of the gradient composition is lost.

窒素濃度の平均勾配は−650〜−10原子%/μmが好ましく、−330〜−22原子%/μmがより好ましく、−220〜−33原子%/μmが最も好ましく、−160〜−70原子%/μmが特に好ましい。窒素濃度の平均勾配における−の記号は、窒素濃度が基体側から上層側にかけて減少することを意味する。窒素濃度の平均勾配の絶対値が10原子%/μm未満では下層が厚すぎることになり、かえって硬質皮膜の耐チッピング性等が低下する。また窒素濃度の平均勾配の絶対値が650原子%/μm超であると、窒素濃度変化が急激であり、傾斜組成の下層を設けた意味が失われる。酸素濃度及び窒素濃度は、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いた局所領域の電子エネルギー損失分光法(EELS)により測定できる。  The average gradient of nitrogen concentration is preferably −650 to −10 atomic% / μm, more preferably −330 to −22 atomic% / μm, most preferably −220 to −33 atomic% / μm, and −160 to −70 atoms. % / Μm is particularly preferred. The symbol “−” in the average gradient of nitrogen concentration means that the nitrogen concentration decreases from the substrate side to the upper layer side. If the absolute value of the average gradient of the nitrogen concentration is less than 10 atomic% / μm, the lower layer will be too thick, and the chipping resistance of the hard coating will be lowered. Further, when the absolute value of the average gradient of nitrogen concentration is more than 650 atomic% / μm, the nitrogen concentration change is abrupt and the meaning of providing the lower layer of the gradient composition is lost. The oxygen concentration and the nitrogen concentration can be measured by electron energy loss spectroscopy (EELS) in a local region using a transmission electron microscope (TEM).

(3)厚さ
基体及び上層との高い密着性とともに高い耐衝撃性を有するために、下層の膜厚(Tl)は0.1〜4μmが好ましく、0.2〜3.5μmがより好ましく、0.3〜3μmが最も好ましく、0.4〜2.5μmが特に好ましい。
(3) Thickness In order to have high impact resistance as well as high adhesion to the substrate and the upper layer, the lower layer thickness (Tl) is preferably 0.1 to 4 μm, more preferably 0.2 to 3.5 μm, 0.3-3 μm is most preferable, and 0.4-2.5 μm is particularly preferable.

(C)上層
(1)組成
物理蒸着法により下層上に形成する上層は、金属元素としてAl及びCrを必須とする酸化物の硬質皮膜である。上層の組成は、一般式:(AlCr(ただし、x及びyはAl及びCrの原子比率を表わす数字であり、c及びdはAlCrとOの原子比率を表わす数字であり、x=0.1〜0.6、x+y=1、c=1.86〜2.14、及びd=2.79〜3.21の条件を満たす。)により表される。Alの原子比率xとCrの原子比率yの合計(x+y)は1である。xは0.1〜0.6であり、好ましくは0.15〜0.6であり、より好ましくは0.2〜0.6である。yは0.9〜0.4であり、好ましくは0.85〜0.4であり、より好ましくは0.8〜0.4である。0.1〜0.6のxにより上層はα型結晶構造を有する。xが0.1未満であるとCrが過多になり、上層の硬さ及び機械的強度が低く下層との密着性に劣るだけでなく、Crが過多になるため耐熱性も劣る。xが0.6を超えると低融点のAlが過多になり、成膜時に正常にイオン化されない原子数が増すので、未反応の金属や異常に反応した生成物がドロップレットとして上層中又は表面に存在し、層密度が低下し、密着性及び耐チッピング性が悪化する。
(C) Upper layer (1) Composition The upper layer formed on a lower layer by a physical vapor deposition method is a hard film | membrane of the oxide which essentially requires Al and Cr as a metal element. The composition of the upper layer has the general formula: (Al x Cr y ) c O d (where x and y are numbers representing the atomic ratio of Al and Cr, and c and d are numbers representing the atomic ratio of AlCr and O) And x = 0.1 to 0.6, x + y = 1, c = 1.86 to 2.14, and d = 2.79 to 3.21. The sum (x + y) of the atomic ratio x of Al and the atomic ratio y of Cr is 1. x is 0.1 to 0.6, preferably 0.15 to 0.6, and more preferably 0.2 to 0.6. y is 0.9 to 0.4, preferably 0.85 to 0.4, and more preferably 0.8 to 0.4. The upper layer has an α-type crystal structure with x of 0.1 to 0.6. When x is less than 0.1, Cr is excessive, and the hardness and mechanical strength of the upper layer are low and the adhesion to the lower layer is inferior, and the heat resistance is also inferior because Cr 2 O 3 is excessive. When x exceeds 0.6, the low melting point Al becomes excessive, and the number of atoms that are not normally ionized during film formation increases. Therefore, unreacted metals and abnormally reacted products are formed as droplets in the upper layer or on the surface. Present, the layer density decreases, and the adhesion and chipping resistance deteriorate.

上層は化学量論値である(AlCr)を基本組成とするが、物理蒸着法で形成される組成は必ずしも化学量論値にはならない。従って、c及びdは2及び3を中心とする範囲内の値であり、具体的にはcは1.86〜2.14であり、好ましくは1.9〜2.1であり、より好ましくは1.93〜2.06であり、最も好ましくは1.94〜2.06である。またdは2.79〜3.21であり、好ましくは2.85〜3.15であり、より好ましくは2.90〜3.10であり、最も好ましくは2.91〜3.09である。The upper layer has a basic composition of (AlCr) 2 O 3 which is a stoichiometric value, but the composition formed by physical vapor deposition does not necessarily have a stoichiometric value. Therefore, c and d are values within a range centered on 2 and 3, specifically, c is 1.86 to 2.14, preferably 1.9 to 2.1, more preferably Is 1.93 to 2.06, most preferably 1.94 to 2.06. D is 2.79 to 3.21, preferably 2.85 to 3.15, more preferably 2.90 to 3.10, and most preferably 2.91 to 3.09. .

(2) 結晶構造
酸化物の上層が、γ型、κ型又はδ型等のα型以外の結晶形態の場合、高温でα型に変態するとともに実用に耐えない収縮が発生する。また物理蒸着法により形成された硬質皮膜中には圧縮応力が残留するので、結晶形態の変態による収縮の影響が大きい。そのため、酸化物上層がα型以外の結晶形態の場合、下層から剥離したり、チッピングしたりする。これに対して、本発明の硬質皮膜被覆金型は、α型結晶構造を有する平滑表面の上層を有し、優れた耐溶着性及び耐欠損性を有するとともに下層との密着性に優れている。
(2) Crystal structure
In the case where the upper layer of the oxide has a crystal form other than α-type such as γ-type, κ-type, or δ-type, it transforms into α-type at a high temperature and shrinks that cannot be practically used. Further, since compressive stress remains in the hard film formed by physical vapor deposition, the influence of shrinkage due to transformation of the crystal form is great. Therefore, when the upper layer of the oxide has a crystal form other than the α type, it is peeled off or chipped from the lower layer. In contrast, the hard film-coated mold of the present invention has an upper layer of a smooth surface having an α-type crystal structure, and has excellent adhesion resistance and fracture resistance, as well as excellent adhesion to the lower layer. .

物理蒸着法により形成したAlCr酸化物は化学蒸着法により形成したAlCr酸化物より密度が低いので、密着力に劣るものであった。この問題を解決するため、本発明では、(a)AlCr酸化物上層の結晶構造を、立方晶(fcc)構造を有するAlCrNO下層中の結晶粒の(111)面と整合性が良い(110)面に配向した六方晶とするとともに、(b)(111)面に配向したAlCr酸窒化物下層上に、(110)面に配向したAlCr酸化物上層を形成することにより、AlCr酸化物上層をAlCr酸窒化物下層上にエピタキシャル成長させた。上層中に下層からエピタキシャル成長した部分が多いために、上層は下層に対して高い密着力を有し、金型寿命が長くなる。  Since the AlCr oxide formed by the physical vapor deposition method has a lower density than the AlCr oxide formed by the chemical vapor deposition method, the adhesion was inferior. In order to solve this problem, in the present invention, (a) the crystal structure of the AlCr oxide upper layer has good consistency with the (111) plane of the crystal grains in the AlCrNO lower layer having a cubic (fcc) structure (110) The upper layer of the AlCr oxide is formed by forming an upper layer of the AlCr oxide oriented in the (110) plane on the lower layer of the AlCr oxynitride oriented in the (b) (111) plane. Epitaxial growth was performed on the AlCr oxynitride lower layer. Since there are many portions epitaxially grown from the lower layer in the upper layer, the upper layer has high adhesion to the lower layer, and the mold life is prolonged.

AlCr酸化物である上層の(110)面の配向度は、α型AlCr酸化物結晶粒の等価X線回折強度比TC(110)により評価する。同様にAlCr酸化物である上層の(104)面の配向度は、α型AlCr酸化物結晶粒の等価X線回折強度比TC(104)により評価する。上層中のα型AlCr酸化物結晶粒の主たる結晶面は(012)面、(104)面、(110)面、(113)面、(202)面、(024)面及び(116)面であるので、全ての結晶面に対する(110)面、(104)面の割合を表す等価X線回折強度比TC(110)、TC(104)は下記式により表される。
TC(110)=[I(110)/I0(110)]/Σ[I(hkl)/8I0(hkl)]
TC(104)=[I(104)/I0(104)]/Σ[I(hkl)/8I0(hkl)]
ただし(hkl)は(012)、(104)、(110)、(113)、(202)、(024)及び(116)である。)
The degree of orientation of the (110) plane of the upper layer, which is an AlCr oxide , is evaluated by the equivalent X-ray diffraction intensity ratio TC (110) of α-type AlCr oxide crystal grains. Similarly the upper layer of the (104) plane orientation degree of a AlCr oxide is more evaluated α type AlCr oxide grains equivalent X-ray diffraction intensity ratio TC (104). The main crystal planes of α-type AlCr oxide crystal grains in the upper layer are (012) plane, (104) plane, (110) plane , (113) plane, (202) plane, (024) plane and (116) plane. Therefore, the equivalent X-ray diffraction intensity ratios TC (110) and TC (104) representing the ratio of the (110) plane and the (104) plane with respect to all crystal planes are expressed by the following equations.
TC (110) = [I (110) / I 0 (110)] / Σ [I (hkl) / 8I 0 (hkl)]
TC (104) = [I (104) / I 0 (104)] / Σ [I (hkl) / 8I 0 (hkl) ]
( However, (hkl) is (012), (104), (110) , (113) , (202), (024) and (116).)

I(hkl)は上層の(hkl)面からの実測X線回折強度であり、I(hkl)はASTMファイル番号381479に記載されているα型酸化クロムの標準X線回折強度である。I(hkl)は、等方的に配向したα型酸化クロム粉末粒子の(hkl)面からのX線回折強度を表す。TC(110)は実測X線回折ピークの相対強度を示し、TC(110)が大きいほど(110)面からのX線回折ピーク強度が強い。これは、(110)面が膜厚方向に対して平行に配向していることを示す。I (hkl) is an actually measured X-ray diffraction intensity from the (hkl) plane of the upper layer, and I 0 (hkl) is a standard X-ray diffraction intensity of α-type chromium oxide described in ASTM file number 382479. I 0 (hkl) represents the X-ray diffraction intensity from the (hkl) plane of the isotropically oriented α-type chromium oxide powder particles. TC (110) indicates the relative intensity of the actually measured X-ray diffraction peak. The larger the TC (110), the stronger the X-ray diffraction peak intensity from the (110) plane. This indicates that the (110) plane is oriented parallel to the film thickness direction.

本発明において、TC(110)は1.3以上である。TC(110)は1.4〜3.6が好ましく、1.5〜3.6がより好ましく、1.8〜3.6が更に好ましい。TC(110)が大きいことは、AlCr酸化物結晶粒が(110)面(基体表面に対して平行)に強く配向していること、即ち、AlCr酸化物結晶粒が[110]方向に優先的に成長し、縦長の微細結晶粒になったことを示す。このように成長したAlCr酸化物結晶粒からなる上層は密度が高く、AlCr酸化物結晶粒の耐溶着性、耐欠損性及び下層との密着性に優れている。かかる上層表面は成長したAlCr酸化物結晶粒の凹凸が従来より小さく抑制されるので、上層の平均表面粗さRaは0.2μm以下となり好ましい。TC(110)が1.8以上である場合、微細な結晶粒がより縦長に成長したので、密着性及びAlCr酸化物結晶粒の脱落抑制効果が非常に高い。しかしTC(110)が3.6を超えると、金型寿命はかえって短くなる傾向がある。 In the present invention, TC (110) is Ru der 1.3 or more. TC (110) is preferably 1.4 to 3.6, more preferably 1.5 to 3.6, and still more preferably 1.8 to 3.6. The large TC (110) means that the AlCr oxide crystal grains are strongly oriented in the (110) plane (parallel to the substrate surface), that is, the AlCr oxide crystal grains are preferential in the [110] direction. It has grown to become vertically long fine crystal grains. The upper layer made of the AlCr oxide crystal grains grown in this way has a high density and is excellent in the adhesion resistance, fracture resistance and adhesion to the lower layer of the AlCr oxide crystal grains. Since such upper surface irregularities of AlCr oxide crystal grains grown is suppressed smaller than conventional average surface roughness Ra of the upper layer is preferably Ri Do and 0.2μm or less. When TC (110) is 1.8 or more, fine crystal grains grow longer in length, so that the adhesion and the AlCr oxide crystal grain drop-off suppressing effect are very high. However, when TC (110) exceeds 3.6, the mold life tends to be shortened.

本発明において、上層はさらにTC(110)>TC(104)の関係を満たす。TC(110)>TC(104)であることにより、上層の結晶粒の脱落抑制効果がより顕著になる。 In the present invention , the upper layer further satisfies the relationship of TC (110)> TC (104). When TC (110) > TC (104), the effect of suppressing the drop-out of the upper crystal grains becomes more remarkable.

上層結晶粒の平滑化のメカニズムは以下の通りであると考えられる。一般に物理蒸着法により形成されたAlCr酸化物硬質皮膜では、AlCr酸化物結晶粒の表面は凹凸が大きいが、本発明ではAlCr酸化物結晶粒が基体に対して垂直(c軸方向)に成長するのではなく、平行に成長するから、AlCr酸化物結晶粒表面の凹凸が顕著に低減される。本発明はこの原理を利用したものである。即ち、本発明の硬質皮膜被覆金型では、α型のAlCr酸化物結晶粒の(110)面は基体(c面)に対して平行な[110]方向に成長しているので、AlCr酸化物結晶粒の表面は非常に平滑であり、またこの平滑化効果によりAlCr酸化物結晶粒の脱落が抑制される。なお、(104)面及び(116)面はc軸に対してそれぞれ38.3°及び42.3°傾いており、(110)面より平滑化効果が小さい。  The smoothing mechanism of the upper crystal grains is considered as follows. In general, in the AlCr oxide hard film formed by physical vapor deposition, the surface of the AlCr oxide crystal grains has large irregularities, but in the present invention, the AlCr oxide crystal grains grow perpendicular to the substrate (c-axis direction). Instead of growing in parallel, the unevenness of the AlCr oxide crystal grain surface is remarkably reduced. The present invention utilizes this principle. That is, in the hard coating coated mold of the present invention, the (110) plane of the α-type AlCr oxide crystal grains grows in the [110] direction parallel to the substrate (c plane). The surface of the crystal grain is very smooth, and the smoothing effect suppresses dropping of the AlCr oxide crystal grain. The (104) plane and (116) plane are inclined by 38.3 ° and 42.3 ° with respect to the c-axis, respectively, and the smoothing effect is smaller than that of the (110) plane.

(3) 厚さ
上層の特性を効果的に発揮するために、上層の膜厚(Tu)は0.2〜8μmが好ましく、0.2〜5μmがより好ましく、0.3〜3μmが最も好ましく、0.3〜2μmが特に好ましい。高性能化のために、上層と下層との膜厚比(Tu/Tl)は1以上が好ましく、1〜100がより好ましく、2〜50が最も好ましく、3〜10が特に好ましい。膜厚比(Tu/Tl)が1未満又は100超であると、下層と上層との密着力は低い。
(3) Thickness In order to effectively exhibit the characteristics of the upper layer, the film thickness (Tu) of the upper layer is preferably 0.2 to 8 μm, more preferably 0.2 to 5 μm, most preferably 0.3 to 3 μm, and particularly preferably 0.3 to 2 μm. preferable. For higher performance, the film thickness ratio (Tu / Tl ) between the upper layer and the lower layer is preferably 1 or more, more preferably 1 to 100, most preferably 2 to 50, and particularly preferably 3 to 10. When the film thickness ratio (Tu / Tl ) is less than 1 or more than 100, the adhesion between the lower layer and the upper layer is low.

(4)表面粗さ(Ra)
上層の表面粗さ(Ra)は、曲率半径5μmのダイヤモンド製触針を使用し、表面粗さ測定器(商品名:サーフコーダSE−30D、小坂研究所株式会社製)により、上層表面の任意の5本の線分(長さ5mm)に沿って表面粗さ(Ra)を測定し、平均することにより求める。
(4) Surface roughness (Ra)
The surface roughness (Ra) of the upper layer uses a diamond stylus with a radius of curvature of 5 μm, and the surface roughness measuring instrument (trade name: Surfcorder SE-30D, manufactured by Kosaka Laboratory Ltd.) The surface roughness (Ra) is measured along the five line segments (5 mm in length) and averaged.

(5)ドロップレットの表面占有面積率(%)
上層表面におけるドロップレットの占有面積率は、加速電圧15kV及び倍率3,000倍の条件で撮った上層表面の走査型電子顕微鏡(SEM)写真において、50μm×50μmの大きさの任意の5つの視野を画像処理し、ドロップレット(SEM写真上では輝度の高い粒状物)の表面占有面積率を求め、平均することにより求める。
(5) Surface area ratio of droplets (%)
The area occupied by the droplets on the upper layer surface is an arbitrary five field of view of 50 μm × 50 μm in the scanning electron microscope (SEM) photograph of the upper layer surface taken under the conditions of an acceleration voltage of 15 kV and a magnification of 3,000 times. Is image-processed, and the surface occupation area ratio of the droplet (a granular material having high luminance on the SEM photograph) is obtained and averaged.

(D)下層と上層との界面でのエピタキシャル成長の分析
下層と上層との界面を含む領域を透過型電子顕微鏡(TEM)により倍率200万倍もしくは400万倍で100nm×100nmの大きさの任意の10視野を観察し、得られた代表的な界面の模式図を図5に示す。図5から明らかなように、本発明の金型における下層と上層との界面領域の少なくとも一部で、下層の結晶格子縞と上層の結晶格子縞とが連続しており、エピタキシャル成長が認められた。
本発明者らの検討によれば、図5の界面のうちの10%以上、好ましくは30%以上、特に好ましくは50%以上がエピタキシャル成長した部分である場合に、本発明の有利な効果を奏することが分った。
(D) Analysis of epitaxial growth at the interface between the lower layer and the upper layer An area including the interface between the lower layer and the upper layer is arbitrarily measured in a size of 100 nm × 100 nm at a magnification of 2 million times or 4 million times with a transmission electron microscope (TEM). FIG. 5 shows a schematic diagram of a typical interface obtained by observing 10 fields of view. As is apparent from FIG. 5, the lower layer crystal lattice stripe and the upper layer crystal lattice stripe are continuous in at least a part of the interface region between the lower layer and the upper layer in the mold of the present invention, and epitaxial growth was observed.
According to the study by the present inventors, the advantageous effects of the present invention are exhibited when 10% or more, preferably 30% or more, particularly preferably 50% or more of the interface shown in FIG. I found out.

[2]成膜装置
物理蒸着法の成膜装置として、アークイオンプレーティング(AIP)装置、フィルター方式アークイオンプレーティング装置又はスパッタリング装置等が好適である。図1は本発明に使用し得るAIP装置1の一例を示す。このAIP装置1は、反応ガス供給パイプ16を具備する減圧容器30内に、回転自在の基体ホルダー11と、下層形成用のソース(ターゲット)12,13及びそのシャッター22,23と、上層形成用のソース(ターゲット)14,15及びそれらのシャッター24,25とを具備し、かつ減圧容器30外に基体にバイアス電圧を印加するためのバイアス電源17を具備する。なお上層の金属成分が下層と同じ場合にはソース14,15及びそれらのシャッター24,25を省略しても良い。
[2] Film Forming Apparatus As a film forming apparatus for physical vapor deposition, an arc ion plating (AIP) apparatus, a filter-type arc ion plating apparatus, a sputtering apparatus, or the like is suitable. FIG. 1 shows an example of an AIP apparatus 1 that can be used in the present invention. The AIP apparatus 1 includes a rotatable base holder 11, lower layer forming sources (targets) 12 and 13 and shutters 22 and 23 thereof, and an upper layer forming unit in a decompression vessel 30 having a reaction gas supply pipe 16. Source (targets) 14 and 15 and shutters 24 and 25 thereof, and a bias power source 17 for applying a bias voltage to the substrate outside the decompression vessel 30. If the upper metal component is the same as the lower layer, the sources 14 and 15 and their shutters 24 and 25 may be omitted.

[3]製造方法
(A)下層の形成
基体のクリーニング後、ソース12,13のシャッター22,23を開く。下層の成膜温度は550〜700℃が好ましく、570〜680℃がより好ましく、585〜650℃が最も好ましい。成膜温度が550℃未満では下層の残留応力が高くなり密着性が低下する。また成膜温度が700℃を超えると残留応力が大きく低下し、皮膜の硬度及び機械的強度が低下する。特に後述する実施例1に示す通り、下層の成膜温度と上層の成膜温度とが同じ場合には下層の成膜工程から上層への成膜工程を温度調整を要することなく連続して行えるので、実用性に富む。
[3] Manufacturing Method (A) Formation of Lower Layer After the substrate is cleaned, the shutters 22 and 23 of the sources 12 and 13 are opened. The film forming temperature of the lower layer is preferably 550 to 700 ° C, more preferably 570 to 680 ° C, and most preferably 585 to 650 ° C. If the film forming temperature is less than 550 ° C., the residual stress of the lower layer is increased and the adhesion is lowered. On the other hand, if the film forming temperature exceeds 700 ° C., the residual stress is greatly reduced, and the hardness and mechanical strength of the film are reduced. In particular, as shown in Example 1 described later, when the lower layer film formation temperature and the upper layer film formation temperature are the same, the film formation process from the lower layer film formation process to the upper layer can be performed continuously without requiring temperature adjustment. So it is practical.

(1)成膜雰囲気
下層の成膜雰囲気に窒素ガス及び酸素ガスの混合ガス(反応ガス)を用いる。混合ガスはArガスを含有しても良い。この場合、Arガスの割合は混合ガスの70体積%以下が好ましく、50体積%以下がより好ましい。成膜雰囲気の圧力は0.3〜7Paであり、0.3〜4Paが好ましく、0.3〜3Paがより好ましく、0.5〜2Paが最も好ましい。成膜雰囲気圧力が上記範囲外であると、下層の形成が困難になる。
(1) Film formation atmosphere A mixed gas (reaction gas) of nitrogen gas and oxygen gas is used for the film formation atmosphere of the lower layer. The mixed gas may contain Ar gas. In this case, the ratio of Ar gas is preferably 70% by volume or less of the mixed gas, and more preferably 50% by volume or less. The pressure of the film forming atmosphere is 0.3 to 7 Pa, preferably 0.3 to 4 Pa, more preferably 0.3 to 3 Pa, and most preferably 0.5 to 2 Pa. When the film forming atmosphere pressure is outside the above range, it is difficult to form a lower layer.

(2)反応ガスの流量変化
下層に、酸素濃度が下層側から上層側にかけて増加するとともに窒素濃度が下層側から上層側にかけて減少する傾斜組成を与えるために、下層の成膜時に供給する酸素ガスの流量を徐々に増大させるとともに、窒素ガスの流量を徐々に減少させる。図2は下層成膜用の酸素ガス及び窒素ガスの流量変化の一例を示す。点Tは下層の成膜開始時点を示し、点Tは下層の成膜終了時点を示す。
(2) Change in flow rate of reaction gas Oxygen gas supplied during film formation of the lower layer in order to give the lower layer a gradient composition in which the oxygen concentration increases from the lower layer side to the upper layer side and the nitrogen concentration decreases from the lower layer side to the upper layer side The flow rate of nitrogen gas is gradually increased and the flow rate of nitrogen gas is gradually decreased. FIG. 2 shows an example of changes in the flow rates of oxygen gas and nitrogen gas for lower layer deposition. Point T 1 indicates the time when the lower layer is formed, and point T 2 indicates the time when the lower layer is completed.

図2において、窒素ガスの流量変化のパターンは点B,C,Dで表され、酸素ガスの流量変化のパターンは点E,F,G,Hで表される。下層の成膜工程前半での酸化を抑制するために、成膜開始時点Eにおける酸素ガス流量は100 sccm以下が好ましく、50sccm以下がより好ましく、10sccm以下が最も好ましい。下層から上層へのエピタキシャル成長を得るためには、成膜終了時点Fでの酸素ガス流量が600sccm以下である必要があることが分った。酸素ガス流量が600sccm超であるとドロップレットの生成が多く、密着性及び平滑性に優れた硬質皮膜が得られない上、上層の形成が早過ぎ、下層から上層へのエピタキシャル成長が得られない。成膜終了時点Fでの酸素ガス流量は600sccm以下が好ましく、200〜500sccmがより好ましい。下層の成膜終了後に上層の成膜を開始してもよいが、実用上下層の成膜終了と同時に上層の成膜を開始するのが好ましい。下層の成膜終了時の酸素ガス流量は上層成膜中の酸素ガス流量に達しているのが好ましいが、両者は完全に一致していなくても良い。下層成膜終了時の酸素ガス流量と上層の成膜中の酸素ガス流量との差は300sccm以内が好ましく、50sccm以内がより好ましく、10sccm以内が最も好ましい。 In FIG. 2, the flow rate change pattern of nitrogen gas is represented by points B, C, and D, and the flow rate change pattern of oxygen gas is represented by points E, F, G, and H. In order to suppress oxidation in the first half of the lower layer deposition step, the oxygen gas flow rate at the start of deposition E is preferably 100 sccm or less, more preferably 50 sccm or less, and most preferably 10 sccm or less. It has been found that in order to obtain epitaxial growth from the lower layer to the upper layer, the oxygen gas flow rate at the film formation end point F needs to be 600 sccm or less. When the oxygen gas flow rate is over 600 sccm, a lot of droplets are generated, and a hard film excellent in adhesion and smoothness cannot be obtained. Further, the upper layer is formed too early, and epitaxial growth from the lower layer to the upper layer cannot be obtained. The oxygen gas flow rate at the film formation end point F is preferably 600 sccm or less, and more preferably 200 to 500 sccm. The upper layer may be formed after the lower layer is formed, but it is preferable to start the upper layer simultaneously with the practical upper and lower layers. Flow rate of the oxygen gas lower deposition end point is preferably reaches the flow rate of the oxygen gas in the upper layer of the film formation, both may not completely match. And the flow rate of the oxygen gas in the lower layer of the film-forming end point, the difference is preferably within 300sccm with the flow rate of the oxygen gas in the upper layer of the film formation, more preferably within 50 sccm, within most preferably 10 sccm.

また(a)窒化を促進するために、下層の成膜開始時点Tにおける窒素ガス流量を400sccm以上にするとともに、成膜工程前半での窒素ガス流量が酸素ガス流量より50sccm以上多い時間を1分間以上とし、かつ(b)下層の成膜開始から終了までの間に供給する酸素ガスの流量を600sccm以下まで増大させるとともに、窒素ガスの流量を減少させる必要があることが分った。下層の成膜開始時点Tにおける窒素ガス流量が400sccm未満であるか、前半の成膜工程における窒素ガス流量が酸素ガス流量より50sccm以上多くないと、窒化が不十分となり、所望の下層が得られない。また下層の成膜開始から終了までの間に供給する酸素ガスの流量が600sccm超では、ドロップレットの生成が顕著になる。また成膜工程前半での窒素ガス流量が酸素ガス流量より50sccm以上多い時間が1分間未満では窒化が不十分になる。この時間は2〜120分間にするのが好ましく、5〜100分間にするのがより好ましい。120分間を超えると工業生産性が大きく低下する。また下層の成膜開始から終了までの間に供給する窒素ガスの流量を減少させないと、下層に窒素濃度の傾斜を付与することができない。In order to facilitate (a) nitride, while the nitrogen gas flow rate in the lower layer film formation start time T 1 than 400 sccm, the flow rate of nitrogen gas in the film forming step the first half of 50sccm over more time than the oxygen gas flow rate 1 It has been found that it is necessary to increase the flow rate of oxygen gas to 600 sccm or less and decrease the flow rate of nitrogen gas during the period from the start to the end of (b) lower layer deposition. Nitrogen gas flow rate in the deposition starting point T 1 of the lower layer is less than 400 sccm, the nitrogen gas flow rate in the first half of the film-forming step is not more than 50sccm than the oxygen gas flow rate, it becomes insufficient nitride, a desired lower layer obtained I can't. In addition, when the flow rate of oxygen gas supplied from the start to the end of the lower layer deposition exceeds 600 sccm, the generation of droplets becomes significant. Further, nitriding becomes insufficient when the nitrogen gas flow rate in the first half of the film forming process is 50 sccm or more higher than the oxygen gas flow rate for less than 1 minute. This time is preferably 2 to 120 minutes, more preferably 5 to 100 minutes. If it exceeds 120 minutes, the industrial productivity is greatly reduced. Further, unless the flow rate of nitrogen gas supplied from the start to the end of the lower layer film formation is decreased, a gradient of the nitrogen concentration cannot be imparted to the lower layer.

下層における酸素濃度分布は正の勾配を有する(下層側から上層側にかけて増加する)ので、点Eから点Fの間で酸素ガスの流量変化は正の傾斜を有する。点Eから点Fまでの期間(T〜T)における酸素ガス流量の平均勾配は1〜200sccm/分が好ましく、3〜100sccm/分がより好ましく、4〜50sccm/分がさらに好ましく、4〜40sccm/分が最も好ましく、4〜30sccm/分が特に好ましい。酸素ガス流量は直線的に増加させるのが理想的であるが、段階的に増加させても良い。酸素ガス流量の平均勾配が1sccm/分未満では酸化が不十分であり、200sccm/分超ではエピタキシャル成長が得られない。Since the oxygen concentration distribution in the lower layer has a positive gradient (increases from the lower layer side to the upper layer side), the oxygen gas flow rate change between the points E and F has a positive gradient. The average gradient of the oxygen gas flow rate during the period from point E to point F (T 1 to T 2 ) is preferably 1 to 200 sccm / min, more preferably 3 to 100 sccm / min, further preferably 4 to 50 sccm / min. -40 sccm / min is most preferable, and 4-30 sccm / min is particularly preferable. The oxygen gas flow rate is ideally increased linearly, but may be increased stepwise. When the average gradient of the oxygen gas flow rate is less than 1 sccm / min, oxidation is insufficient, and when it exceeds 200 sccm / min, epitaxial growth cannot be obtained.

下層の成膜開始時点Bにおける窒素ガス流量は400sccm以上であり、好ましくは500〜1500sccmであり、更に好ましくは600〜1200sccmである。上層の成膜開始時点Dでは窒素ガス流量は0sccmであるが、下層の成膜終了時点Cでの窒素ガス流量を完全に0sccmとする必要はなく、400sccm以下が好ましく、100sccm以下がより好ましく、50sccm以下が最も好ましい。下層における窒素濃度分布は負の勾配を有する(下層側から上層側にかけて減少する)ので、点Bから点Cまでの期間(T〜T)で窒素ガスの流量変化は負の傾斜を有する。期間(T〜T)での窒素ガス流量の平均勾配は−200sccm/分〜−1sccm/分が好ましく、−100sccm/分〜−3sccm/分がより好ましく、−50sccm/分〜−5sccm/分が更に好ましく、−40sccm/分〜−5sccm/分が最も好ましく、−30sccm/分〜−5sccm/分が特に好ましい。窒素ガス流量は直線的に減少するのが理想的であるが、段階的に減少しても良い。窒素ガス流量の平均勾配が−200sccm/分未満では下層における窒素濃度勾配が急激すぎ、また−1sccm/分超では十分な傾斜組成が得られない。The nitrogen gas flow rate at the lower layer deposition start point B is 400 sccm or more, preferably 500 to 1500 sccm, and more preferably 600 to 1200 sccm. The nitrogen gas flow rate at the upper layer deposition start point D is 0 sccm, but the nitrogen gas flow rate at the lower layer deposition end point C need not be completely 0 sccm, preferably 400 sccm or less, more preferably 100 sccm or less, Most preferred is 50 sccm or less. Since the nitrogen concentration distribution in the lower layer has a negative gradient (decreases from the lower layer side to the upper layer side), the change in the flow rate of nitrogen gas has a negative gradient in the period from point B to point C (T 1 to T 2 ). . The average gradient of the nitrogen gas flow rate during the period (T 1 to T 2 ) is preferably −200 sccm / min to −1 sccm / min, more preferably −100 sccm / min to −3 sccm / min, and −50 sccm / min to −5 sccm / min. Min is more preferred, -40 sccm / min to -5 sccm / min is most preferred, and -30 sccm / min to -5 sccm / min is particularly preferred. Ideally, the nitrogen gas flow rate decreases linearly, but it may decrease stepwise. If the average gradient of the nitrogen gas flow rate is less than -200 sccm / min, the nitrogen concentration gradient in the lower layer is too steep, and if it exceeds -1 sccm / min, a sufficient gradient composition cannot be obtained.

図2では下層の成膜時間(T〜T)は30分間であるが、限定的でない。AlCr酸窒化物下層の形成を十分に行うために、及び工業生産性の観点から成膜時間(T〜T)は5〜180分間が好ましく、10〜60分間がより好ましい。In FIG. 2, the lower layer deposition time (T 1 to T 2 ) is 30 minutes, but is not limited. In order to sufficiently form the AlCr oxynitride lower layer, and from the viewpoint of industrial productivity, the film formation time (T 1 to T 2 ) is preferably 5 to 180 minutes, and more preferably 10 to 60 minutes.

(3)バイアス電圧
下層の成膜時に基体に印加するバイアス電圧は−150V〜−10Vが好ましい。−150V未満では残留応力が大きすぎ、−10V超では下層に下層が付かない。基体に入射するイオンのエネルギーを、例えば−50V〜−20Vとし、基体に入射するイオンエネルギーを低くすると、平滑な下層が得られる。パルスバイアス電圧を使用する場合、下層の密着性を大きくするため周波数は10〜80kHzが好ましい。パルスバイアス電圧は、バイアス電圧が正負に振幅するバイポーラパルスが好ましい。正バイアス値は5〜10Vの間で十分である。
(3) Bias voltage The bias voltage applied to the substrate during film formation of the lower layer is preferably -150V to -10V. If it is less than −150 V, the residual stress is too large, and if it exceeds −10 V, the lower layer is not attached to the lower layer. When the energy of ions incident on the substrate is, for example, −50 V to −20 V and the ion energy incident on the substrate is lowered, a smooth lower layer is obtained. When the pulse bias voltage is used, the frequency is preferably 10 to 80 kHz in order to increase the adhesion of the lower layer. The pulse bias voltage is preferably a bipolar pulse in which the bias voltage has positive and negative amplitudes. A positive bias value between 5 and 10V is sufficient.

(4)アーク電流
下層は低融点のAlを含むので、急激な蒸発や異常なイオン化によりドロップレットが生成されやすい。これを抑制するために、放電電流である成膜アーク電流(アーク蒸発源に印加する電流)を100〜150Aと低い範囲に保つのが好ましく、100〜140Aとするのがより好ましい。アーク電流が100A未満では安定した放電が維持されず、150A超では急激なAlの蒸発のために平滑な下層が得られない。
(4) Arc current Since the lower layer contains low melting point Al, droplets are likely to be generated by rapid evaporation or abnormal ionization. In order to suppress this, it is preferable to keep the film-forming arc current (current applied to the arc evaporation source), which is a discharge current, in a low range of 100 to 150 A, and more preferably 100 to 140 A. If the arc current is less than 100 A, stable discharge is not maintained, and if it exceeds 150 A, a smooth lower layer cannot be obtained due to rapid evaporation of Al.

(B) 上層の形成
下層の形成後に上層形成用ソース15,16のシャッター25,26を開き、上層を形成する。上層の金属成分が下層のものと同じ場合には、下層用ソース14をそのまま用いても良い
(B) Formation of upper layer After forming the lower layer, the shutters 25 and 26 of the upper layer forming sources 15 and 16 are opened to form the upper layer. When the upper layer metal component is the same as that of the lower layer, the lower layer source 14 may be used as it is .

(1) 成膜温度
上層の成膜温度は590〜700℃が好ましく、590〜680℃がより好ましく、595〜650℃が更に好ましい。成膜温度が590℃未満又は700℃超ではTC(110)を1.3以上にするのが困難である
(1) Film formation temperature The upper layer film formation temperature is preferably 590 to 700 ° C, more preferably 590 to 680 ° C, and still more preferably 595 to 650 ° C. If the film forming temperature is less than 590 ° C or more than 700 ° C, it is difficult to make TC (110) 1.3 or more .

(2)成膜雰囲気
上層成膜用の反応ガスとして酸素ガスを用いる。ドロップレットが基体に到達するのを防ぐために、成膜雰囲気中の酸素分圧は0.5〜5Paである必要があり、1〜3Paが好ましい。酸素分圧が0.5Pa未満又は5Pa超であると、1.3以上のTC(110)が得られない。成膜雰囲気がArガスを含有する場合、Arガスの含有量は成膜雰囲気の50体積%以下が好ましく、30体積%以下がより好ましい。後述する表18に示すように、成膜雰囲気の10〜40体積%をArガスで置換すると、ドロップレットの抑制効果が十分に得られる。
(2) Film formation atmosphere Oxygen gas is used as a reaction gas for upper layer film formation. In order to prevent the droplets from reaching the substrate, the oxygen partial pressure in the film formation atmosphere needs to be 0.5 to 5 Pa, preferably 1 to 3 Pa. When the oxygen partial pressure is less than 0.5 Pa or more than 5 Pa, a TC (110) of 1.3 or more cannot be obtained. When the film formation atmosphere contains Ar gas, the content of Ar gas is preferably 50% by volume or less of the film formation atmosphere, and more preferably 30% by volume or less. As shown in Table 18 described later, when 10 to 40% by volume of the film formation atmosphere is replaced with Ar gas, the effect of suppressing droplets can be sufficiently obtained.

(3)酸素ガス流量
上層成膜時の酸素ガス流量は一般に100〜600sccmである必要がある。酸素ガス流量が100sccm未満では上層を十分に形成できず、また600sccmを超えると上層が緻密化せず、また下層からのエピタキシャル成長も得られない。上層成膜時の酸素ガス流量は好ましくは200〜500sccmであり、より好ましくは150〜450sccmであり、最も好ましくは200〜400sccmである。図2において上層の成膜開始時点Gと上層の成膜終了時点Hとの時間は80分間であるが、限定的でない。酸化を十分に行うために、及び工業生産性の観点から上層の成膜時間は20〜150分間が好ましく、40〜100分間がより好ましい。
(3) Oxygen gas flow rate The oxygen gas flow rate during upper layer deposition generally needs to be 100 to 600 sccm. If the oxygen gas flow rate is less than 100 sccm, the upper layer cannot be sufficiently formed, and if it exceeds 600 sccm, the upper layer is not densified and epitaxial growth from the lower layer cannot be obtained. The oxygen gas flow rate during upper layer deposition is preferably 200 to 500 sccm, more preferably 150 to 450 sccm, and most preferably 200 to 400 sccm. In FIG. 2, the time between the upper layer deposition start point G and the upper layer deposition end point H is 80 minutes, but is not limited. In order to sufficiently oxidize and from the viewpoint of industrial productivity, the film formation time of the upper layer is preferably 20 to 150 minutes, more preferably 40 to 100 minutes.

(4)バイアス電圧
上層成膜時に基体に印加するバイアス電圧は−35V〜−10Vが好ましく、−30V〜−10Vがより好ましい。この範囲のバイアス電圧により上層の生成が促進され、α型酸化物層の結晶配向は(110)優位となり、TC(110)が高くなる。またパルスバイアス電圧を使用する場合、バイアス電圧を正負に振幅させたバイポーラパルスが好ましい。正バイアスは5〜10Vの間とするのが好ましい。パルスバイアスの周波数は10〜80kHzが好ましい。
(4) Bias voltage The bias voltage applied to the substrate at the time of forming the upper layer is preferably −35V to −10V, more preferably −30V to −10V. The generation of the upper layer is promoted by the bias voltage in this range, the crystal orientation of the α-type oxide layer becomes (110) dominant, and TC (110) becomes high. In addition, when using a pulse bias voltage, a bipolar pulse having a bias voltage with positive and negative amplitudes is preferable. The positive bias is preferably between 5 and 10V. The frequency of the pulse bias is preferably 10 to 80 kHz.

(5)アーク電流
上層は低融点のAlを含むので、Alの急激な蒸発や異常なイオン化によりドロップレットが生成されやすい。これを抑制するために、放電電流である成膜アーク電流(アーク蒸発源に印加する電流)を100〜150Aと低い範囲に保つのが好ましく、100〜140Aとするのがより好ましい。アーク電流が100A未満では成膜が不可能となる。また150A超では急激なAlの蒸発が促進されるため、平滑な上層を成膜できない。アーク電流値を前記特定範囲に設定することにより、平滑でドロップレットの少ない、優先的に(110)面に配向した[TC(110)が1.3以上]のAlCr酸化物結晶粒による耐溶着性及び耐欠損性に優れた上層が得られる。
(5) Arc current Since the upper layer contains Al having a low melting point, droplets are likely to be generated due to rapid evaporation or abnormal ionization of Al. In order to suppress this, it is preferable to keep the film-forming arc current (current applied to the arc evaporation source), which is a discharge current, in a low range of 100 to 150 A, and more preferably 100 to 140 A. If the arc current is less than 100 A, film formation is impossible. Further, if it exceeds 150 A, rapid evaporation of Al is promoted, so that a smooth upper layer cannot be formed. By setting the arc current value within the specific range, welding resistance is ensured by AlCr oxide grains that are smooth, have few droplets, and are preferentially oriented in the (110) plane [TC (110) is 1.3 or more]. An upper layer having excellent properties and fracture resistance can be obtained.

上記成膜条件により、α型Cr酸化物の生成よりα型Al酸化物の生成が促進されるので、上層を構成するα型結晶構造のAlCr酸化物は、α型Al酸化物にCrが固溶した固溶体である。α型結晶構造のAlCr酸化物結晶粒が(110)面に優先的に配向し、等価X線回折強度比TC(110)が顕著に高くなる。  The above film forming conditions promote the generation of α-type Al oxide rather than the formation of α-type Cr oxide. It is a melted solid solution. The AlCr oxide crystal grains having the α-type crystal structure are preferentially oriented in the (110) plane, and the equivalent X-ray diffraction intensity ratio TC (110) is significantly increased.

層の結晶粒の脱落を減少させ、密着性を更に高めるために、上層をブラシ、バフ又はブラスト等により平滑にしても良い。また上層の上に、周期律表IVa、Va、VIa族、Al及びSiからなる群から選ばれた少なくとも一種の金属元素と、C、N、B及びOから選択される少なくとも一種の非金属元素とを必須とする硬質保護膜を形成しても良い。 Reducing the falling grains of the upper layer, in order to further improve adhesion, an upper brush may be smoothed by buffing or blasting. Further, on the upper layer, at least one metal element selected from the group consisting of periodic table IVa, Va, VIa group, Al and Si, and at least one non-metal element selected from C, N, B and O A hard protective film that requires the above may be formed.

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。各実施例及び比較例において、各層の厚さは、走査型電子顕微鏡(SEM)の2万倍の断面写真における任意の5箇所の膜厚を測定し、平均することにより求めた。また下層の膜厚方向中心における組成を下層の平均組成とした。  The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited thereto. In each of the examples and comparative examples, the thickness of each layer was determined by measuring and averaging the film thicknesses at arbitrary five locations in a 20,000-fold cross-sectional photograph of a scanning electron microscope (SEM). The composition at the center of the lower layer in the film thickness direction was defined as the average composition of the lower layer.

実施例1
(1)下層の形成
6質量%のCo及び94質量%のWC及び不可避的不純物からなる切削金型用超硬合金製基体(CNMG120408)及び物性測定用の超硬合金製基体(SNGA120408及びSNMN120408)を図1に示す基本構造を有する大型AIP装置1内のホルダー12にセットした。真空排気と同時にヒーターで基体を加熱し、AlCrターゲット(Al:50原子%、Cr:50原子%)を使用し、成膜温度:600℃、バイアス電圧:−20V、パルスバイアス周波数:20kHz及びAlCrターゲットに印加する電流:120Aの条件で、図2に示すように窒素ガスの流量を30分間で700sccmから200sccmまで徐々に(実質的に直線的に)下げ、また酸素ガスの流量を30分間で0sccmから500sccmまで徐々に(実質的に直線的に)上げ、(Al0.48Cr0.520.45(N0.440.560.55(原子比率)の平均組成を有する厚さ0.5μmの硬質酸窒化物下層を形成した。下層の成膜開始時点Tから成膜終了時点Tまでの雰囲気圧力は3Paに制御した。
Example 1
(1) Formation of lower layer Cemented carbide substrate for cutting mold (CNMG120408) and cemented carbide substrate for measurement of physical properties (SNGA120408 and SNMN120408) comprising 6% by mass of Co, 94% by mass of WC and inevitable impurities Was set in a holder 12 in a large AIP apparatus 1 having the basic structure shown in FIG. The substrate is heated with a heater at the same time as evacuation, using an AlCr target (Al: 50 atomic%, Cr: 50 atomic%), film forming temperature: 600 ° C., bias voltage: −20 V, pulse bias frequency: 20 kHz, and AlCr As shown in FIG. 2, the current applied to the target is 120 A. As shown in FIG. 2, the flow rate of nitrogen gas is gradually decreased from 700 sccm to 200 sccm in 30 minutes (substantially linearly), and the flow rate of oxygen gas is increased in 30 minutes Gradually (substantially linearly) from 0 sccm to 500 sccm, the average composition of (Al 0.48 Cr 0.52 ) 0.45 (N 0.44 O 0.56 ) 0.55 (atomic ratio) A hard oxynitride lower layer having a thickness of 0.5 μm was formed. Atmospheric pressure from the start of film formation time T 1 of the lower layer to the deposition end point T 2 are controlled to 3 Pa.

(2)上層の形成
下層の形成から連続して上層用のAlCrターゲット(Al:25原子%、Cr:75原子%)を使用し、成膜温度:600℃、バイアス電圧:−20V、パルス周波数:20kHz及び前記AlCrターゲットに印加する電流:120A、酸素ガスの流量:300sccm、Arガスの流量:100sccmの条件に80分間保持することにより、(Al0.26Cr0.74(原子比率)の基本組成を有する厚さ1.5μmの硬質酸化物上層を形成した。上層成膜時の酸素ガスの分圧は2.0Paであった。
(2) Formation of upper layer Using an upper layer AlCr target (Al: 25 atomic%, Cr: 75 atomic%) continuously from the formation of the lower layer, film forming temperature: 600 ° C., bias voltage: −20 V, pulse frequency : 20 kHz and the current applied to the AlCr target: 120 A, the flow rate of oxygen gas: 300 sccm, the flow rate of Ar gas: 100 sccm for 80 minutes, thereby maintaining (Al 0.26 Cr 0.74 ) 2 O 3 ( A hard oxide upper layer having a basic composition (atomic ratio) and having a thickness of 1.5 μm was formed. The partial pressure of oxygen gas at the time of forming the upper layer was 2.0 Pa.

(3) 上層の結晶構造の分析
得られた硬質皮膜被覆金型の上層の結晶構造を同定するため、理学電気(株)製のX線回折装置(RU-200BH)を用いて下記の条件でX線回折測定を行った。
X線源:CuKα1線(波長λ:0.15405 nm)
管電圧:120 kV
管電流:40 mA
X線入射角:5°
X線入射スリット:0.4 mm
2θ:20〜60°
(3) Analysis of the crystal structure of the upper layer To identify the crystal structure of the upper layer of the hard coating coated mold obtained, an X-ray diffractometer (RU-200BH) manufactured by Rigaku Corporation was used under the following conditions. X-ray diffraction measurement was performed.
X-ray source: CuKα1 ray (wavelength λ: 0.15405 nm)
Tube voltage: 120 kV
Tube current: 40 mA
X-ray incident angle: 5 °
X-ray entrance slit: 0.4 mm
2θ: 20-60 °

図3は上層表面のX線回折パターンを示す。図3より、α型の回折ピークが認められた。図3に示す上層のX線回折パターンには、α型の(012)面、(104)面、(110)面、(113)面、(024)面及び(116)面のピークが観察されたが、(202)面は現れなかった。またα型酸化アルミニウム及びα型酸化クロムは、(124)面及び(030)面の標準X線回折強度Ioが大きいが、超硬合金製基体中のWCの(110)面及び(002)面と面間距離が近く、α型の酸化アルミニウムクロム(AlCr)2O3の(124)面及び(030)面のピークと重なることから、(116)面までを使用し、配向を定量的に評価した。 FIG. 3 shows the X-ray diffraction pattern of the upper layer surface. From FIG. 3, an α-type diffraction peak was observed. In the X-ray diffraction pattern of the upper layer shown in FIG. 3, α-type (012), (104), (110), (113), (024) and (116) peaks are observed. However, (202) face did not appear. In addition, α-type aluminum oxide and α-type chromium oxide have large standard X-ray diffraction intensity Io of (124) plane and (030) plane, but (110) plane and (002) plane of WC in a cemented carbide substrate. The distance between the surfaces is close and overlaps with the peaks of the (124) plane and (030) plane of α-type aluminum chrome oxide (AlCr) 2 O 3 , so the orientation is quantitatively determined using the (116) plane. evaluated.

α型酸化アルミニウムのASTMファイル番号100173に記載されている面間距離d、標準X線回折強度Io、及び2θを表1に示し、α型酸化クロムのASTMファイル番号381479に記載されている面間距離d、標準X線回折強度Io及び2θを表2に示す。表3に、実施例1のX線回折パターンから得られた面間距離d、X線回折強度1及び2θを示す。実施例1(図3)のX線回折パターンから得られた面間距離dはα型酸化アルミニウムよりα型酸化クロムに近いことが分る。従って、等価X線回折強度比を求めるのにα型酸化クロムの標準X線回折強度Ioを用いた。  The inter-surface distance d, standard X-ray diffraction intensity Io, and 2θ described in ASTM file number 100173 of α-type aluminum oxide are shown in Table 1, and the inter-surface distance described in ASTM file number 381479 of α-type chromium oxide Table 2 shows the distance d, the standard X-ray diffraction intensity Io, and 2θ. Table 3 shows the inter-plane distance d, the X-ray diffraction intensities 1 and 2θ obtained from the X-ray diffraction pattern of Example 1. It can be seen that the inter-plane distance d obtained from the X-ray diffraction pattern of Example 1 (FIG. 3) is closer to α-type chromium oxide than to α-type aluminum oxide. Therefore, the standard X-ray diffraction intensity Io of α-type chromium oxide was used to determine the equivalent X-ray diffraction intensity ratio.

下記の等価X線回折強度比TC(110)、TC(104)を用いて、上層の(110)面、(104)面の配向度を定量した
TC(110)=[I(110)/I0(110)/Σ[I(hkl)/8I0(hkl)]
TC(104)=[I(104)/I0(104)]/Σ[I(hkl)/8I0(hkl)]
ただし、(hkl)は(012)、(104)、(110)、(113)、(202)、(024)及び(116)であり、I0(hkl)はα型酸化クロムの標準X線回折強度である。)
Using the following equivalent X-ray diffraction intensity ratios TC (110) and TC (104), the degree of orientation of the upper (110) plane and (104) plane was quantified .
T C (110) = [I (110) / I 0 (110) / Σ [I (hkl) / 8I 0 (hkl)]
TC (104) = [I (104) / I 0 (104)] / Σ [I (hkl) / 8I 0 (hkl) ]
( However, (hkl) is (012), (104), (110) , ( 113), (202), (024) and (116), and I 0 (hkl) is the standard X of α-type chromium oxide) (Line diffraction intensity.)

(4)組成分析
電子プローブマイクロ分析装置(EPMA、日本電子株式会社製JXA−8500F)を用いて、加速電圧10kV、照射電流1.0uA及びプローブ径0.01μmの条件で、下層の厚さ方向中央部の組成を測定し、平均組成とした。下層の厚さが1μm以上の場合はプローブ径を0.5×2μmとした。下層の平均組成は、21.9原子%のAl、23.4原子%のCr、23.8原子%のN、及び30.9原子%のOであった。また上層の組成は、10.2原子%のAl、29.6原子%のCr及び60.2原子%のOであった。X線回折の結果、上層はα型の結晶構造を有することが分った。
(4) Composition analysis Using an electron probe microanalyzer (EPMA, JXA-8500F manufactured by JEOL Ltd.), under the conditions of an acceleration voltage of 10 kV, an irradiation current of 1.0 uA, and a probe diameter of 0.01 μm, the thickness direction of the lower layer The composition at the center was measured and taken as the average composition. When the thickness of the lower layer was 1 μm or more, the probe diameter was set to 0.5 × 2 μm. The average composition of the lower layer was 21.9 atomic% Al, 23.4 atomic% Cr, 23.8 atomic% N, and 30.9 atomic% O. The composition of the upper layer was 10.2 atomic% Al, 29.6 atomic% Cr and 60.2 atomic% O. As a result of X-ray diffraction, it was found that the upper layer had an α-type crystal structure.

(5)下層内の酸素濃度勾配及び窒素濃度勾配の測定
電子ビーム径が0.1nmの電子エネルギー損失分光器(EELS、Gatan社製のENFINA1000)を用いて、下層と下層との界面及び下層と上層との界面を含む厚さ方向領域における酸素及び窒素の濃度分布を測定した。測定結果を図4に示す。図4において、縦軸のスケールは、酸素濃度と窒素濃度との合計を100原子%としている。横軸は基体と下層の界面(0μm)からの厚さを表す。図中、▲は窒素濃度を示し、○は酸素濃度を示す。酸素濃度は下層側から上層側まで実質的に直線的に増加しており、窒素濃度は下層側から上層側まで実質的に直線的に減少していた。酸素濃度及び窒素濃度の平均濃度は、測定値のプロットから最小二乗法により求めた平均勾配を四捨五入して表す。
(5) Measurement of oxygen concentration gradient and nitrogen concentration gradient in the lower layer Using an electron energy loss spectrometer (EELS, ENFINA1000 manufactured by Gatan) with an electron beam diameter of 0.1 nm, the interface between the lower layer and the lower layer, and the lower layer The concentration distribution of oxygen and nitrogen in the thickness direction region including the interface with the upper layer was measured. The measurement results are shown in FIG. In FIG. 4, the scale on the vertical axis represents the total of the oxygen concentration and the nitrogen concentration as 100 atomic%. The horizontal axis represents the thickness from the interface between the substrate and the lower layer (0 μm). In the figure, ▲ indicates the nitrogen concentration, and ◯ indicates the oxygen concentration. The oxygen concentration increased substantially linearly from the lower layer side to the upper layer side, and the nitrogen concentration decreased substantially linearly from the lower layer side to the upper layer side. The average concentration of oxygen concentration and nitrogen concentration is expressed by rounding off the average gradient obtained from the measured value plot by the least square method.

(6)エピタキシャル成長の分析
下層と上層との界面を含む領域を透過型電子顕微鏡(TEM)により倍率400万倍で観察した結果、下層と上層との界面領域の少なくとも一部(100nm×100nmの大きさの任意の10視野における界面領域のうちの30%)について下層の結晶格子縞と上層の結晶格子縞とが連続しており、エピタキシャル成長が認められた。
(6) Analysis of epitaxial growth As a result of observing a region including the interface between the lower layer and the upper layer with a transmission electron microscope (TEM) at a magnification of 4 million times, at least a part of the interface region between the lower layer and the upper layer (100 nm × 100 nm in size) The lower layer crystal lattice fringe and the upper layer crystal lattice fringe were continuous for 30% of the interface region in any 10 fields of view, and epitaxial growth was observed.

(7)表面粗さRaの測定
曲率半径5μmのダイヤモンド製触針を使用し、表面粗さ測定器(商品名:サーフコーダSE−30D、小坂研究所株式会社製)により、上層表面の任意の5本の線分(長さ5mm)に沿って表面粗さ(Ra)を測定し、平均した。
(7) Measurement of surface roughness Ra Using a diamond stylus with a radius of curvature of 5 μm, a surface roughness measuring instrument (trade name: Surfcorder SE-30D, manufactured by Kosaka Laboratory Co., Ltd.) can be The surface roughness (Ra) was measured along five line segments (5 mm in length) and averaged.

(8)ドロップレットの表面占有面積率(%)の測定
図6は加速電圧15kVで撮った上層表面の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。このSEM写真の50μm×50μmの任意の領域を画像処理し、ドロップレット(SEM写真上では輝度の高い粒状物)の表面占有面積率を求めた。この計算を5枚のSEM写真(視野)について行い、得られた表面占有面積率を平均して、実施例1の硬質皮膜被覆金型の上層におけるドロップレットの表面占有面積率(%)とした。
図7は、図6と同様にして撮影した後述する比較例6のSEM写真である。
(8) Measurement of surface area ratio (%) of droplet FIG. 6 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the upper surface taken at an acceleration voltage of 15 kV. An arbitrary area of 50 μm × 50 μm of this SEM photograph was subjected to image processing, and the surface occupation area ratio of the droplet (a granular material having high brightness on the SEM photograph) was determined. This calculation was performed on five SEM photographs (field of view), and the obtained surface occupation area ratio was averaged to obtain the surface occupation area ratio (%) of the droplet in the upper layer of the hard film-coated mold of Example 1. .
FIG. 7 is an SEM photograph of Comparative Example 6 to be described later, taken in the same manner as FIG.

(9)金型寿命の測定
図15に、金型寿命の測定に用いた、本発明の硬質皮膜被覆金型の概略図を示す。図15において、打ち抜き加工用パンチ8は、上記超硬合金製の基体上に実施例1等の皮膜を被覆したものである。2はパンチ8を搭載した打ち抜き加工部材である。3は打ち抜き加工部材2を上下V方向に所定速度で高精度に移動可能にするために設けた一対のガイド3,3である。5は上型であり、中央に中空部5a(穴径0.15mm)を有し、この中空部5aをパンチ8の先端部8aが挿通可能に構成されている。6は下型であり、中央に中空部6a(穴径0.15mm)を有し、この中空部6aをパンチ8の先端部8aが挿通可能に構成されている。上型5と下型6との間に打ち抜き抜き加工に供するステンレス鋼製薄板2(SUS304製、板厚0.2mm)を挟み込んで固定した状態で、パンチ8により打ち抜き加工を行う。打ち抜き加工の1ショット毎に薄板2は図15の紙面垂直方向に所定長さが移動し、再び固定された状態で打ち抜き加工が行われる。このようにして打ち抜き加工が連続して行われ、パンチ8が折損又は変形して打ち抜き加工ができなくなったショット数までをカウントし、「打ち抜きパンチ寿命」とした。なお、薄板2の打ち抜き加工位置は、打ち抜いた部分の加工ひずみが、次に打ち抜き加工する部分に影響しないように離れた位置を選択するため、薄板2は図15の紙面垂直方向に連続して形成されたものを使用した。
(9) Measurement of mold life FIG. 15 shows a schematic diagram of the hard coating coated mold of the present invention used for measurement of the mold life. In FIG. 15, a punching punch 8 is obtained by coating a base made of the above-mentioned cemented carbide with the film of Example 1 or the like. Reference numeral 2 denotes a punching member on which the punch 8 is mounted. Reference numeral 3 denotes a pair of guides 3 and 3 provided to enable the punching member 2 to be moved with high accuracy at a predetermined speed in the vertical V direction. Reference numeral 5 denotes an upper mold, which has a hollow portion 5a (hole diameter: 0.15 mm) in the center, and is configured such that the tip portion 8a of the punch 8 can be inserted through the hollow portion 5a. Reference numeral 6 denotes a lower mold, which has a hollow portion 6a (hole diameter: 0.15 mm) in the center, and is configured such that the tip portion 8a of the punch 8 can be inserted through the hollow portion 6a. A punching process is performed with a punch 8 in a state in which a stainless steel thin plate 2 (made of SUS304, thickness 0.2 mm) to be used for the punching process is sandwiched between the upper mold 5 and the lower mold 6. The thin plate 2 is moved by a predetermined length in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 15 for each shot of punching, and punching is performed in a fixed state. In this way, the punching process was continuously performed, and the number of shots in which the punch 8 was broken or deformed and could not be punched was counted to obtain a “punch punch life”. The punching position of the thin plate 2 is selected so that the processing distortion of the punched portion does not affect the next punching portion, so that the thin plate 2 is continuously continuous in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. The formed one was used.

実施例2
上層におけるAl及びCrの含有量の影響を調べるために、上層の成膜にAlCrターゲット(Al:40原子%、Cr:60原子%)を使用した以外実施例1と同様にして、硬質皮膜被覆金型を作製した。
Example 2
In order to investigate the influence of the content of Al and Cr in the upper layer, a hard coating was applied in the same manner as in Example 1 except that an AlCr target (Al: 40 atomic%, Cr: 60 atomic%) was used for the upper film formation. A mold was produced.

実施例3
上層におけるAl及びCrの含有量の影響を調べるために、上層の成膜にAlCrターゲット(Al:60原子%、Cr:40原子%)を使用した以外実施例1と同様にして、硬質皮膜被覆金型を作製した。
Example 3
In order to investigate the influence of the Al and Cr contents in the upper layer, a hard coating was applied in the same manner as in Example 1 except that an AlCr target (Al: 60 atomic%, Cr: 40 atomic%) was used for the upper film formation. A mold was produced.

実施例4
実施例1と同様にして下層まで形成した後、実施例1と同じAlCrターゲットを使用し、成膜温度:600℃、バイアス電圧:−20 V、パルスバイアスの周波数:20 kHz、及びAlCrターゲットに印加する電流:120 Aの条件で、酸素ガスを225 sccm及びArガスを75 sccm流し、酸素ガスの分圧1.5 Paとして、(Al0.25Cr0.75)2O3(原子比率)の基本組成を有する上層を1.5 μmの厚さに形成した
Example 4
After forming the lower layer in the same manner as in Example 1, the same AlCr target as in Example 1 was used, and the film formation temperature: 600 ° C., bias voltage: −20 V, pulse bias frequency: 20 kHz, and AlCr target Applied current: 120 A, oxygen gas 225 sccm and Ar gas 75 sccm, oxygen gas partial pressure 1.5 Pa, (Al 0.25 Cr 0.75 ) 2 O 3 (atomic ratio) basic composition The upper layer was formed to a thickness of 1.5 μm .

実施例5
実施例1と同様にして下層まで形成した後、実施例1と同じAlCrターゲットを使用し、成膜温度:600℃、バイアス電圧:−20V、パルスバイアスの周波数:20kHz、及びAlCrターゲットに印加する電流:120Aの条件で、酸素ガスを120sccm及びArガスを40sccm流し、酸素ガスの分圧1.0Paとして、(Al0.240.76(原子比率)の基本組成を有する上層を15μmの厚さに形成した。
Example 5
After forming the lower layer in the same manner as in Example 1, the same AlCr target as in Example 1 is used, and the film forming temperature is 600 ° C., the bias voltage is −20 V, the pulse bias frequency is 20 kHz, and the AlCr target is applied. Current: 120 sccm of oxygen gas and 40 sccm of Ar gas under the condition of 120 A, and a basic composition of (Al 0.24 C 0.76 ) 2 O 3 (atomic ratio) with an oxygen gas partial pressure of 1.0 Pa. The upper layer was formed to a thickness of 15 μm.

実施例6
下層におけるN及びOの含有量の影響を調べるために、図8に示すように窒素ガス及び酸素ガスの流量を変化させた以外は実施例1と同様にして硬質皮膜被覆金型を作製した。図8から明らかなように、6.7sccm/分の酸素ガス流量勾配を得るために、酸素ガス流量を下層成膜開始時点Eで0sccmとし、下層成膜終了時点Fで200sccmとし、また−6.7sccm/分の窒素ガス流量勾配を得るために、窒素ガス流量を下層成膜開始時点Bで700sccmとし、下層成膜終了時点Cで500sccmとした。下層成膜の雰囲気圧力は3Paであった。
Example 6
In order to investigate the influence of the contents of N and O in the lower layer, a hard film-coated mold was produced in the same manner as in Example 1 except that the flow rates of nitrogen gas and oxygen gas were changed as shown in FIG. As is apparent from FIG. 8, in order to obtain an oxygen gas flow rate gradient of 6.7 sccm / min, the oxygen gas flow rate is set to 0 sccm at the lower layer deposition start time E, 200 sccm at the lower layer deposition end time F, and −6 In order to obtain a nitrogen gas flow rate gradient of 0.7 sccm / min, the nitrogen gas flow rate was set to 700 sccm at the lower layer deposition start point B and 500 sccm at the lower layer deposition end point C. The atmospheric pressure for forming the lower layer was 3 Pa.

実施例7
下層におけるN及びOの含有量の影響を調べるために、酸素ガス流量を下層成膜開始時点Eで0sccmとし、下層成膜終了時点Fで650sccmとし、また窒素ガス流量を下層成膜開始時点Bで700sccmとし、下層成膜終了時点Cで10sccmとした以外は、実施例6と同様にして硬質皮膜被覆金型を作製した。下層成膜の雰囲気圧力は3Paであった。
Example 7
In order to investigate the influence of the N and O contents in the lower layer, the oxygen gas flow rate is set to 0 sccm at the lower layer deposition start time E, 650 sccm at the lower layer deposition end time F, and the nitrogen gas flow rate is set to the lower layer deposition start time B. A hard film-coated mold was prepared in the same manner as in Example 6 except that 700 sccm was used and that 10 sccm was set at the end C of the lower layer formation. The atmospheric pressure for forming the lower layer was 3 Pa.

実施例6及び7における下層成膜時のガス流量を表4に示す。  Table 4 shows the gas flow rate during lower layer deposition in Examples 6 and 7.

実施例8、9
下層におけるAl及びCrの含有量の影響を調べるために、下層の成膜に用いるAlCrターゲットの組成を実施例8ではAl10Cr90(原子比率)に、実施例9ではAl60Cr40(原子比率)に変えた以外は実施例1と同様にして、硬質皮膜被覆金型を作製し、実施例1と同じ測定を行った。
Examples 8 and 9
In order to investigate the influence of the content of Al and Cr in the lower layer, the composition of the AlCr target used for the lower layer film formation was Al 10 Cr 90 (atomic ratio) in Example 8, and Al 60 Cr 40 (atomic in Example 9). A hard film-coated mold was prepared in the same manner as in Example 1 except that the ratio was changed, and the same measurement as in Example 1 was performed.

実施例10
実施例1と同様にして基体上に形成した下層に、実施例1と同じAlCrターゲットを使用し、成膜温度:600℃、バイアス電圧:−20V、パルスバイアスの周波数:20kHz、及びAlCrターゲットに印加する電流:120Aの条件で、30分間Arガスを一定量(800sccm)流すとともに、窒素ガスの流量を下層成膜開始時の700sccmから30分間で200sccmまで徐々に下げ、酸素ガスの流量を下層成膜開始時の0sccmから30分間で500sccmまで徐々に上げ、7Paの雰囲気圧力で(Al0.53Cr0.470.35(N0.430.570.65(原子比率)で表される組成を有する下層を0.5μmの厚さに形成した。その後、実施例1と同様にして(Al0.25Cr0.75(原子比率)の基本組成を有する上層を1.5μmの厚さに形成した。
Example 10
The same AlCr target as in Example 1 was used for the lower layer formed on the substrate in the same manner as in Example 1, film forming temperature: 600 ° C., bias voltage: −20 V, pulse bias frequency: 20 kHz, and AlCr target. Applied current: Ar flow of Ar gas at a constant amount (800 sccm) for 30 minutes under the condition of 120 A, and the nitrogen gas flow rate is gradually decreased from 700 sccm at the start of lower layer deposition to 200 sccm in 30 minutes, and the oxygen gas flow rate is lowered to the lower layer. Gradually increase from 0 sccm at the start of film formation to 500 sccm in 30 minutes, and (Al 0.53 Cr 0.47 ) 0.35 (N 0.43 O 0.57 ) 0.65 (atomic ratio) at an atmospheric pressure of 7 Pa The lower layer which has a composition represented by this was formed in the thickness of 0.5 micrometer. Thereafter, an upper layer having a basic composition of (Al 0.25 Cr 0.75 ) 2 O 3 (atomic ratio) was formed to a thickness of 1.5 μm in the same manner as in Example 1.

実施例11
実施例1と同様にして基体上に形成した下層に、実施例1と同じAlCrターゲットを使用し、成膜温度:600℃、バイアス電圧:−20V、パルスバイアスの周波数:20kHz、及びAlCrターゲットに印加する電流:120Aの条件で、窒素ガスの流量を下層成膜開始時の400sccmから30分間で100sccmまで徐々に下げ、酸素ガスの流量を下層成膜開始時の0sccmから30分間で200sccmまで徐々に上げ、2.0Paの雰囲気圧力で(Al0.50Cr0.500.60(N0.470.530.40(原子比率)で表される組成を有する下層を0.5μmの厚さに形成した。その後、実施例1と同様にして(Al0.25Cr0.75(原子比率)の基本組成を有する上層を1.5μmの厚さに形成した。
Example 11
The same AlCr target as in Example 1 was used for the lower layer formed on the substrate in the same manner as in Example 1, film forming temperature: 600 ° C., bias voltage: −20 V, pulse bias frequency: 20 kHz, and AlCr target. Applied current: 120 A, the flow rate of nitrogen gas is gradually decreased from 400 sccm at the start of lower layer deposition to 100 sccm in 30 minutes, and the flow rate of oxygen gas is gradually increased from 0 sccm at the start of lower layer deposition to 200 sccm in 30 minutes. The lower layer having a composition represented by (Al 0.50 Cr 0.50 ) 0.60 (N 0.47 O 0.53 ) 0.40 (atomic ratio) at an atmospheric pressure of 2.0 Pa is reduced to 0. A thickness of 5 μm was formed. Thereafter, an upper layer having a basic composition of (Al 0.25 Cr 0.75 ) 2 O 3 (atomic ratio) was formed to a thickness of 1.5 μm in the same manner as in Example 1.

実施例12
酸素ガス流量及び窒素ガス流量の供給パターンを図9に示すように変更した以外は実施例1と同様にして、下層を形成した。窒素ガス流量は、成膜開始時点Bでは1000sccm、点Cでは500sccmであり、点B及び点C間の窒素ガス流量の平均勾配は−8.3sccm/分であった。点Cから点Cの間では窒素ガス流量を一定(500sccm)にした。酸素ガス流量は、成膜開始時点Eでは0sccm、成膜終了時点Fでは500sccmであり、平均勾配は4.2sccm/分であった。さらに点Fで酸素ガス流量を500sccmから300sccmに低下させた。下層成膜の雰囲気圧力は4Paであった。図10は、実施例1と同様にEELSにより測定した酸素及び窒素の濃度分布を示す。図9の時点T(点C及び点Fに対応する)以前では酸素ガス流量は窒素ガス流量より少ないにも拘わらず、図10に示すように下層のほぼ中間より上の領域で酸素濃度が窒素濃度より高いことが分る。得られた下層の上に、実施例1と同様にして(Al0.25Cr0.75(原子比率)の基本組成を有する上層を1.8μmの厚さに形成した。
Example 12
A lower layer was formed in the same manner as in Example 1 except that the supply pattern of the oxygen gas flow rate and the nitrogen gas flow rate was changed as shown in FIG. The nitrogen gas flow rate was 1000 sccm at the film formation start time B 2 and 500 sccm at the point C 1 , and the average gradient of the nitrogen gas flow rate between the points B 2 and C 1 was −8.3 sccm / min. Between the point C 1 of the point C 2 to nitrogen gas flow rate constant (500 sccm). The oxygen gas flow rate was 0 sccm at the film formation start time E, 500 sccm at the film formation end time F, and the average gradient was 4.2 sccm / min. Further, at point F, the oxygen gas flow rate was reduced from 500 sccm to 300 sccm. The atmospheric pressure for forming the lower layer was 4 Pa. FIG. 10 shows oxygen and nitrogen concentration distributions measured by EELS in the same manner as in Example 1. Before the time point T 2 (corresponding to the points C 2 and F) in FIG. 9, the oxygen concentration is in a region substantially above the middle of the lower layer as shown in FIG. 10 even though the oxygen gas flow rate is lower than the nitrogen gas flow rate. Is higher than the nitrogen concentration. On the obtained lower layer, an upper layer having a basic composition of (Al 0.25 Cr 0.75 ) 2 O 3 (atomic ratio) was formed to a thickness of 1.8 μm in the same manner as in Example 1.

比較例1
AlCrターゲット(Al:4原子%、Cr:96原子%)を使用して、一般式:(AlCr(Nにおいてs=0.04及びt=0.96である下層を形成した以外は実施例1と同様にして、硬質皮膜被覆金型を作製した。
Comparative Example 1
Using an AlCr target (Al: 4 atomic%, Cr: 96 atomic%), s = 0.04 and t = 0.96 in the general formula: (Al s Cr t ) a (N v O w ) b A hard film coated mold was produced in the same manner as in Example 1 except that a certain lower layer was formed.

比較例2
AlCrターゲット(Al:70原子%、Cr:30原子%)を使用して、一般式:(AlCr(Nにおいてs=0.70及びt=0.30である下層を形成した以外は実施例1と同様にして、硬質皮膜被覆金型を作製した。
Comparative Example 2
Using an AlCr target (Al: 70 atomic%, Cr: 30 atomic%), s = 0.70 and t = 0.30 in the general formula: (Al s Cr t ) a (N v O w ) b A hard film coated mold was produced in the same manner as in Example 1 except that a certain lower layer was formed.

比較例3
下層の成膜工程においてArガス流量を一定(1000sccm)にするとともに、雰囲気圧力を8Paとした以外は実施例10と同様にして、硬質皮膜被覆金型を作製した。
Comparative Example 3
A hard film-coated mold was prepared in the same manner as in Example 10 except that the Ar gas flow rate was kept constant (1000 sccm) and the atmospheric pressure was set to 8 Pa in the lower layer deposition step.

比較例4
窒素ガスの流量を下層成膜開始時の200sccmから30分間で50sccmまで徐々に下げ、酸素ガスの流量を下層成膜開始時の0sccmから30分間で100sccmまで徐々に上げ、下層成膜の雰囲気圧力を1.0Paにした以外は実施例11と同様にして、硬質皮膜被覆金型を作製した。
Comparative Example 4
The nitrogen gas flow rate is gradually decreased from 200 sccm at the start of lower layer deposition to 50 sccm in 30 minutes, and the oxygen gas flow rate is gradually increased from 0 sccm at the start of lower layer deposition to 100 sccm in 30 minutes to lower the atmospheric pressure of the lower layer deposition. A hard coating mold was produced in the same manner as in Example 11 except that the pressure was changed to 1.0 Pa.

比較例5
下層の成膜工程において窒素ガスの流量を一定(0sccm)とし、酸素ガスの流量を成膜開始時点の0sccmから30分間で700sccmまで徐々に(実質的に直線的に)増加させた以外は実施例1と同様にして、硬質皮膜被覆金型を作製した。
Comparative Example 5
Implemented except that the flow rate of nitrogen gas is constant (0 sccm) and the oxygen gas flow rate is gradually increased from 0 sccm at the start of film formation to 700 sccm in 30 minutes in the lower layer deposition process. In the same manner as in Example 1, a hard film-coated mold was produced.

比較例6
下層の成膜工程において酸素ガスの流量を一定(0sccm)とし、窒素ガスの流量を成膜開始時点の900sccmから30分間で700sccmまで徐々に(実質的に直線的に)減少させた以外は実施例1と同様にして、硬質皮膜被覆金型を作製した。
Comparative Example 6
Implemented except that the flow rate of oxygen gas was kept constant (0 sccm) in the lower layer deposition process, and the nitrogen gas flow rate was gradually decreased from 900 sccm at the start of deposition to 700 sccm over 30 minutes (substantially linearly). In the same manner as in Example 1, a hard film-coated mold was produced.

比較例7
図1に示す基本構造を有する小型AIP装置1を用いて、図11に示すように下層の成膜工程において酸素ガス及び窒素ガスの流量をそれぞれ一定(500sccm)にし、圧力を4Paにした以外は実施例1と同様にして、硬質皮膜被覆金型を作製し、実施例1と同じ測定を行った。EELS法により下層と下層との界面及び下層と上層との界面を含む領域の厚さ方向の酸素及び窒素の濃度分布を測定した。結果を図12に示す。図12から明らかなように、下層における酸素濃度は下層側から上層側まで実質的に同じであった。これから、比較例7の下層の成膜条件では、酸素濃度及び窒素濃度の傾斜は形成されないことが分る。
Comparative Example 7
A small AIP apparatus 1 having the basic structure shown in FIG. 1 is used except that the flow rates of oxygen gas and nitrogen gas are constant (500 sccm) and the pressure is 4 Pa in the lower layer film forming step as shown in FIG. In the same manner as in Example 1, a hard film-coated mold was produced, and the same measurement as in Example 1 was performed. The concentration distribution of oxygen and nitrogen in the thickness direction of the region including the interface between the lower layer and the lower layer and the interface between the lower layer and the upper layer was measured by the EELS method. The results are shown in FIG. As is clear from FIG. 12, the oxygen concentration in the lower layer was substantially the same from the lower layer side to the upper layer side. From this, it can be seen that under the lower layer deposition conditions of Comparative Example 7, the gradients of oxygen concentration and nitrogen concentration are not formed.

比較例8
特表2010−506049号のトレース実験として、下層の成膜工程において酸素ガス及び窒素ガスの流量をそれぞれ一定(1000sccm)にし、圧力を8Paにした以外は比較例7と同様にして、硬質皮膜被覆金型を作製した。この金型に対して実施例1と同じ測定を行った結果、下層における酸素濃度及び窒素濃度の傾斜は観察されなかった。
Comparative Example 8
As a trace experiment of JP 2010-506049, a hard coating was applied in the same manner as in Comparative Example 7 except that the flow rates of oxygen gas and nitrogen gas were respectively constant (1000 sccm) and the pressure was 8 Pa in the lower layer film forming step. A mold was produced. As a result of performing the same measurement as in Example 1 on this mold, no gradient of oxygen concentration and nitrogen concentration in the lower layer was observed.

比較例9
図1に示す基本構造を有する小型AIP装置1を用いて、特表2010−506049号の段落61に記載された下層成膜条件(窒素ガス及び酸素ガスの供給パターン)のトレース実験として、図13に示すように窒素ガス流量を一定(100sccm)にし、酸素ガス流量を成膜開始時点の50sccmから1000sccmまでほぼ直線的に増加させ、成膜雰囲気圧力を10分間で4Paまで増加させた以外は実施例1と同様にして、硬質皮膜被覆金型を作製した。この金型に対して実施例1と同じ測定を行った結果、窒素ガス流量が過小のために窒化がほとんど起こらず、下層における酸素濃度及び窒素濃度の傾斜は観察されなかった。
Comparative Example 9
Using the small AIP apparatus 1 having the basic structure shown in FIG. 1, as a trace experiment of the lower layer film forming conditions (nitrogen gas and oxygen gas supply pattern) described in paragraph 61 of JP-T-2010-506049, FIG. As shown in FIG. 4, the nitrogen gas flow rate was kept constant (100 sccm), the oxygen gas flow rate was increased almost linearly from 50 sccm at the start of film formation to 1000 sccm, and the film formation atmosphere pressure was increased to 4 Pa in 10 minutes. In the same manner as in Example 1, a hard film-coated mold was produced. As a result of performing the same measurement as that of Example 1 on this mold, almost no nitriding occurred because the nitrogen gas flow rate was too low, and no gradient of oxygen concentration and nitrogen concentration in the lower layer was observed.

比較例10
実施例1と同じ基体上に、化学蒸着法によりTi(CN)下層、Ti(NO)下層及びα型Al2O3層を形成することにより、硬質皮膜被覆金型を作製し、実施例1と同じ測定を行った。
下層と上層との界面を含む領域を透過型電子顕微鏡(TEM)により倍率200万倍もしくは400万倍で観察した結果を図5の模式図に示す。図5から明らかなように、下層と上層との界面領域の少なくとも一部で、下層の結晶格子縞と上層の結晶格子縞とが連続しており、エピタキシャル成長が認められた。このTEM観察の代表的な5視野における前記界面に沿う所定長さのうちの少なくとも20%に相当する領域で、下層の結晶格子縞と上層の結晶格子縞とが連続しているのが観察された。
各実施例及び各比較例の下層及び上層の成膜方法、種類及び厚さ、並びにO及びNの連続的変化(Oの連続的増加及びNの連続的減少)の有無を表5に示す。下層の組成を表6に示す。下層の成膜条件及び傾斜組成を表7に示す。上層の成膜条件及び組成を表8に示す。上層の厚さ、結晶構造、等価X線回折強度比TC(110)、TC(104)、表面粗さRa及びドロップレットの表面占有面積率、並びに金型寿命を表9に示す。
Comparative Example 10
By forming a Ti (CN) lower layer, a Ti (NO) lower layer and an α-type Al 2 O 3 layer on the same substrate as in Example 1 by chemical vapor deposition, a hard film-coated mold was prepared. The same measurement was performed.
The schematic view of FIG. 5 shows the result of observing the region including the interface between the lower layer and the upper layer with a transmission electron microscope (TEM) at a magnification of 2 million times or 4 million times. As is clear from FIG. 5, at least part of the interface region between the lower layer and the upper layer, the lower layer crystal lattice fringe and the upper layer crystal lattice fringe were continuous, and epitaxial growth was observed. It was observed that the lower layer crystal lattice fringe and the upper layer crystal lattice fringe were continuous in a region corresponding to at least 20% of the predetermined length along the interface in five typical visual fields of this TEM observation.
Lower and upper film formation method of each of Examples and Comparative Examples, the type and thickness, as well as continuous variation of O and N of the presence or absence of (continuous increase and continuous decrease of N O) are shown in Table 5 . It shows the underlying composition in Table 6. It shows the film formation conditions and the graded composition of the lower layer in Table 7. It shows the deposition conditions and composition of the upper layer shown in Table 8. Of the upper layer thickness shows the crystal structure, the equivalent X-ray diffraction intensity ratio TC (110), TC (104 ), Table roughness Ra and the droplet surface area share ratio, as well as the mold life in Table 9.

実施例13〜16、比較例11
上層の成膜温度を表10に示すように変更した以外は実施例1と同様にして硬質皮膜被覆金型を作製し、上層の結晶構造及びTC(110)、並びに金型寿命を測定した。測定結果を成膜温度とともに表10に示す
Examples 13-16, Comparative Example 11
A hard film-coated mold was prepared in the same manner as in Example 1 except that the upper layer deposition temperature was changed as shown in Table 10, and the upper layer crystal structure, TC (110), and mold life were measured. The measurement results are shown in Table 10 together with the film formation temperature .

実施例17〜19、比較例12及び13
上層成膜時のバイアス電圧を表11に示すように変更した以外は実施例1と同様にして、硬質皮膜被覆金型を作製し、上層の結晶構造及びTC(110)、並びに金型寿命を測定した。測定結果をバイアス電圧とともに表11に示す。
Examples 17-19, Comparative Examples 12 and 13
Except for changing the bias voltage at the time of forming the upper layer as shown in Table 11, a hard coating coated mold was prepared in the same manner as in Example 1, and the upper layer crystal structure, TC (110), and mold life were increased. It was measured. The measurement results are shown in Table 11 together with the bias voltage.

実施例20及び21、比較例14及び15
上層成膜時の酸素ガスの分圧を表12に示すように変更した以外は実施例1と同様にして硬質皮膜被覆金型を作製し、上層の結晶構造及びTC(110)、並びに金型寿命を測定した。測定結果を雰囲気圧力とともに表12に示す。
Examples 20 and 21, Comparative Examples 14 and 15
A hard coating coated mold was prepared in the same manner as in Example 1 except that the partial pressure of oxygen gas at the time of forming the upper layer was changed as shown in Table 12, and the upper layer crystal structure, TC (110), and mold Lifespan was measured. The measurement results are shown in Table 12 together with the atmospheric pressure.

実施例22〜23
上層成膜用の酸素ガスの流量を表13に示すように変更した以外は実施例1と同様にして硬質皮膜被覆金型を作製し、上層の結晶構造及びTC(110)、並びに金型寿命を測定した。測定結果を酸素ガスの流量とともに表13に示す。表13から明らかなように、酸素ガスの流量が100〜500sccmの範囲で1.3以上のTC(110)及び長い金型寿命が得られた。特に酸素ガスの流量が200〜400sccmの範囲で金型寿命が長かったので、その原因を調べるために実施例1と同様にして上層の表面粗さを測定した。その結果、酸素ガスの流量が200sccm、300sccm及び400sccmの実施例1、23及び24では、上層の平均表面粗さRaは0.079μm及び0.082μmであり、酸素ガスの流量が500sccmの実施例25では、上層の平均表面粗さRaは0.145μmであった。上層の表面粗さの主な原因はドロップレットであるので、酸素ガスの流量が150〜450sccmの範囲、特に200〜400sccmの範囲でドロップレットの生成が少ないことが分った。
Examples 22-23
A hard coating coated mold was prepared in the same manner as in Example 1 except that the flow rate of the oxygen gas for forming the upper layer was changed as shown in Table 13, and the upper layer crystal structure, TC (110), and mold life were obtained. Was measured. The measurement results are shown in Table 13 together with the flow rate of oxygen gas. As apparent from Table 13, a TC (110) of 1.3 or more and a long mold life were obtained when the flow rate of oxygen gas was in the range of 100 to 500 sccm. In particular, since the mold life was long when the flow rate of oxygen gas was in the range of 200 to 400 sccm, the surface roughness of the upper layer was measured in the same manner as in Example 1 in order to investigate the cause. As a result, in Examples 1, 23, and 24 where the flow rate of oxygen gas is 200 sccm, 300 sccm, and 400 sccm, the average surface roughness Ra of the upper layer is 0.079 μm and 0.082 μm, and the flow rate of oxygen gas is 500 sccm. 25, the average surface roughness Ra of the upper layer was 0.145 μm. Since the main cause of the surface roughness of the upper layer is droplets, it has been found that the generation of droplets is small when the flow rate of oxygen gas is in the range of 150 to 450 sccm, particularly in the range of 200 to 400 sccm.

実施例26〜29
下層又は上層の成膜時間を変化させることにより下層の厚さ及び上層の厚さを変更した以外は実施例1と同様にして硬質皮膜被覆金型を作製し、上層の結晶構造及びTC(110)、並びに金型寿命を測定した。結果を表14に示す。
Examples 26-29
A hard film-coated mold was prepared in the same manner as in Example 1 except that the lower layer thickness and the upper layer thickness were changed by changing the lower layer or upper layer deposition time, and the upper layer crystal structure and TC (110 ) As well as the mold life. The results are shown in Table 14.

下層の厚さ(Tl)が0.2〜3.0μmで、上層の厚さ(Tu)が0.3〜6μmの実施例26〜29の硬質皮膜被覆金型はいずれも寿命が長かった。これから、Tlは0.1〜4μmが好ましく、またTuは0.2〜8μmが好ましいことが分かる。なお、実施例28及び29のTC(110)が2.55と3.58であり顕著に高い。このメカニズムは必ずしも明らかではないが、上層の厚みが4〜6μmの範囲において、TC(110)が上層膜厚の増加に伴って顕著に増大する傾向が認められた。  Each of the hard coating coated molds of Examples 26 to 29 having a lower layer thickness (Tl) of 0.2 to 3.0 μm and an upper layer thickness (Tu) of 0.3 to 6 μm had a long life. From this, it can be seen that Tl is preferably 0.1 to 4 μm, and Tu is preferably 0.2 to 8 μm. In addition, TC (110) of Examples 28 and 29 are 2.55 and 3.58, which are remarkably high. Although this mechanism is not necessarily clear, in the range of the upper layer thickness of 4 to 6 μm, TC (110) tended to increase significantly as the upper layer thickness increased.

実施例30及び31、比較例16及び17
上層成膜時のアーク電流を表15に示すように変更した以外は実施例1と同様にして、硬質皮膜被覆金型を作製し、上層の結晶構造及びTC(110)、並びに金型寿命を測定した。測定結果をアーク電流とともに表15に示す。表15より、上層成膜時のアーク電流が100〜150Aの場合に高性能であることが分る。
Examples 30 and 31, Comparative Examples 16 and 17
Except for changing the arc current at the time of forming the upper layer as shown in Table 15, a hard coating coated mold was prepared in the same manner as in Example 1, and the crystal structure of the upper layer, TC (110), and mold life were increased. It was measured. The measurement results are shown in Table 15 together with the arc current. From Table 15, it can be seen that high performance is obtained when the arc current during film formation of the upper layer is 100 to 150A.

実施例32〜34
表16に示すように、上層の成膜雰囲気を酸素ガスとArガスで構成した場合(実施例33及び34)、及び上層の成膜雰囲気を酸素ガスのみで構成した場合(実施例32)について、それぞれ、酸素ガスに対するArガスの置換比率以外は実施例1と同様にして、硬質皮膜被覆金型を作製し、上層の結晶構造及びTC(110)、並びに金型寿命を測定した。測定結果をArガスの置換比率とともに表16に示す。
表16より、上層成膜雰囲気中の酸素ガスのうちの10〜40体積%をArガスで置換した実施例33及び34の場合はドロップレットの生成が顕著に抑制されることが分る。また、上層成膜雰囲気を酸素ガスのみ(ただし、不可避的不純物は許容される。)で構成した実施例32の場合も比較例に比べてドロップレットの生成が少ないことが分る。
Examples 32-34
As shown in Table 16, when the upper layer deposition atmosphere is composed of oxygen gas and Ar gas (Examples 33 and 34), and when the upper layer deposition atmosphere is composed only of oxygen gas (Example 32). In the same manner as in Example 1 except for the substitution ratio of Ar gas to oxygen gas, a hard film-coated mold was prepared, and the upper layer crystal structure, TC (110), and mold life were measured. The measurement results are shown in Table 16 together with the Ar gas substitution ratio.
From Table 16, it can be seen that in Examples 33 and 34 in which 10 to 40% by volume of the oxygen gas in the upper layer film formation atmosphere is replaced with Ar gas, the generation of droplets is remarkably suppressed. In addition, it can be seen that the generation of droplets is less in the case of Example 32 where the upper layer film formation atmosphere is composed of only oxygen gas (however, inevitable impurities are allowed) as compared with the comparative example.

実施例1〜34及び比較例10,12,13,15及び17の硬質皮膜被覆金型のTC(110)と寿命との関係を図14に示す。図14中、●は実施例であり、▲は比較例である。実施例1〜34の硬質皮膜被覆金型の寿命はいずれも5000回を超えており、特にTC(110)が1.5以上の実施例1,2,6〜9,11,14,17,18,20,23,24,28,29,30,33,34は18000回以上の金型寿命を有していた。なお、実施例26では下層が0.2μmと薄いので、TC(110)が1.5以上であっても金型寿命は17000回未満であった。  FIG. 14 shows the relationship between the TC (110) of the hard film coated molds of Examples 1 to 34 and Comparative Examples 10, 12, 13, 15, and 17 and the lifetime. In FIG. 14, ● represents an example, and ▲ represents a comparative example. The lifetimes of the hard coating coated molds of Examples 1 to 34 are all over 5000 times, and in particular, Examples 1, 2, 6 to 9, 11, 14, 17, and TC (110) of 1.5 or more. 18, 20, 23, 24, 28, 29, 30, 33, 34 had a mold life of 18000 times or more. In Example 26, since the lower layer was as thin as 0.2 μm, the mold life was less than 17000 times even when TC (110) was 1.5 or more.

これに対して、比較例の金型寿命は短かった。本発明の金型がかかる長寿命を有するのは、(110)面に強く配向した上層が微細なAlCr酸化物結晶粒により形成されており、結晶粒の脱落が少なく、高い密着性を有し、耐チッピング性に優れているためであると考えられる。TC(110)が1.5〜3.58では、非常に長い金型寿命が得られた。  In contrast, the mold life of the comparative example was short. The mold of the present invention has such a long life because the upper layer strongly oriented in the (110) plane is formed of fine AlCr oxide crystal grains, and the crystal grains are less dropped and have high adhesion. This is considered to be because of excellent chipping resistance. When TC (110) was 1.5 to 3.58, a very long mold life was obtained.

上記実施例では、基体直上に下層及び上層を被覆した場合を記載したが、本発明はこれに限定されない。
実用性は上記実施例よりもやや低いと考えられるが、本発明には、基体と下層との間に、物理蒸着法により形成した別の硬質層を介在させることも好ましい。この別の硬質層を介在させることにより、本発明の硬質皮膜被覆金型を更に長寿命にすることができる。この別の介在層は、例えば周期律表のIVa、Va及びVIa族の元素、Al及びSiからなる群から選ばれた少なくとも一種の金属元素と、N、C及びBからなる群から選ばれた少なくとも一種の非金属元素とからなる硬質皮膜である。非金属元素としては、Nが必須であるのが好ましい。基体と下層との間に、物理蒸着法により形成した別の硬質層の具体例としては、TiAlN、TiAlNbN、TiSiN、TiAlCrN、TiAlWN、AlCrSiN、CrSiBN、TiAlCN、TiSiCN又はAlCrSiCN等が挙げられる。下層との密着性を良好にするために、Al又はCrを含有するのが好ましい。これらの基体と下層との間に、物理蒸着法により形成した別の硬質層はfcc構造を有し、(111)面に配向していることが好ましい基体と下層との間に、物理蒸着法により形成した別の硬質層の膜厚は0.5〜10μmが好ましく、0.5〜6μmがより好ましく、1〜5μmが最も好ましい。
In the above embodiment, the case where the lower layer and the upper layer are coated directly on the substrate is described, but the present invention is not limited to this.
Although the practicality is considered to be slightly lower than in the above examples, it is also preferable to interpose another hard layer formed by physical vapor deposition between the substrate and the lower layer in the present invention. By interposing this another hard layer, the hard coating coated mold of the present invention can have a longer life. This other intervening layer was selected from the group consisting of at least one metal element selected from the group consisting of elements IVa, Va and VIa of the periodic table, Al and Si, and N, C and B, for example. It is a hard film composed of at least one nonmetallic element. As a nonmetallic element, it is preferable that N is essential. Specific examples of another hard layer formed by physical vapor deposition between the substrate and the lower layer include TiAlN, TiAlNbN, TiSiN, TiAlCrN, TiAlWN, AlCrSiN, CrSiBN, TiAlCN, TiSiCN, and AlCrSiCN. In order to improve the adhesion with the lower layer, it is preferable to contain Al or Cr. Between these substrates and the lower layer, another hard layer formed by physical vapor deposition has an fcc structure, preferably oriented in the (111) plane. The thickness of another hard layer formed by physical vapor deposition between the substrate and the lower layer is preferably 0.5 to 10 μm, more preferably 0.5 to 6 μm, and most preferably 1 to 5 μm.

図15の本発明の硬質皮膜被覆金型10ではパンチ1の表面のみに本発明に係る下層及び上層を被覆した場合を記載したが、特に限定されない。例えば、図15の上型5及び下型6のキャビティ5a、6aの表面に本発明に係る下層及び上層を被覆したものでも良い。更に、図10の上型5及び下型6のキャビティ5a、6aの表面にのみ本発明に係る下層及び上層を被覆したものでも良い。  Although the case where the lower layer and the upper layer according to the present invention are coated only on the surface of the punch 1 is described in the hard coating coated mold 10 of the present invention in FIG. 15, it is not particularly limited. For example, the surface of the cavities 5a and 6a of the upper mold 5 and the lower mold 6 in FIG. 15 may be coated with the lower layer and the upper layer according to the present invention. Furthermore, the lower layer and the upper layer according to the present invention may be coated only on the surfaces of the cavities 5a and 6a of the upper mold 5 and the lower mold 6 in FIG.

産業上の利用分野Industrial application fields

本発明の硬質皮膜被覆金型が適用できる産業分野を例示すれば、鍛造金型などに代表される金属加工用金型、粉末冶金用成形金型、鋳造用金型又はプラスチック成形用金型などがあり、広く広義の金型に適用することができる。本発明の硬質皮膜被覆金型は従来よりも顕著に金型寿命が改善されたものであり、産業上極めて有用である。  Examples of industrial fields to which the hard coating coated mold of the present invention can be applied include metal working molds represented by forging molds, powder metallurgy molding molds, casting molds, plastic molding molds, etc. And can be widely applied to broadly defined molds. The hard film coated mold of the present invention has a significantly improved mold life compared to the conventional one, and is extremely useful in industry.

8 打ち抜きパンチ
2 打ち抜き加工用部材
3 ガイドピン
5 上型
5a 上型の中空部
6 下型
6a 下型の中空部
10 金型
8 Punch 2 Punching member 3 Guide pin 5 Upper mold 5a Upper mold hollow 6 Lower mold 6a Lower mold hollow 10 Mold

Claims (6)

基体上に硬質皮膜を物理蒸着法により形成した硬質皮膜被覆金型であって、
前記硬質皮膜は、下層と該下層の上に形成される上層とを有し、
前記上層は、一般式:(AlxCry)cOd(ただし、x及びyはAl及びCrの原子比率を表わす数字であり、c及びdはAlCrとOの原子比率を表わす数字であり、x=0.1〜0.6、x+y=1、c=1.86〜2.14、及びd=2.79〜3.21の条件を満たす。)により表される組成、及びα型結晶構造を有し、等価X線回折強度比TC(110)が1.3以上の酸化物からなり、
前記下層は、金属元素としてAlとCrを必須とする酸窒化物からなり、酸素濃度が前記下層側から前記上層側にかけて増加するとともに窒素濃度が前記下層側から前記上層側にかけて減少する傾斜組成を有し、その平均組成が一般式:(AlsCrt)a(NvOw)b(ただし、s及びtはAlとCrの原子比率を表わす数字であり、v及びwはNとOの原子比率を表わす数字であり、a及びbはAlCrとNOの原子比率を表わす数字であり、下記条件:
s=0.1〜0.6、
s+t=1、
v=0.1〜0.8、
v+w=1、
a=0.35〜0.6、
及びa+b=1を満たす。)により表され、
前記下層の結晶格子縞と前記上層の結晶格子縞とが両者の界面において少なくとも部分的に連続していることを特徴とする硬質皮膜被覆金型。
A hard film coating mold in which a hard film is formed on a substrate by physical vapor deposition,
The hard coating has a lower layer and an upper layer formed on the lower layer,
The upper layer has the general formula: (Al x Cr y ) c O d (where x and y are numbers representing the atomic ratio of Al and Cr, and c and d are numbers representing the atomic ratio of AlCr and O) X = 0.1 to 0.6, x + y = 1, c = 1.86 to 2.14, and d = 2.79 to 3.21) and an α-type crystal structure, and an equivalent X-ray diffraction intensity ratio TC (110) is made of oxide with 1.3 or more,
The lower layer is made of an oxynitride essentially containing Al and Cr as metal elements, and has a gradient composition in which the oxygen concentration increases from the lower layer side to the upper layer side and the nitrogen concentration decreases from the lower layer side to the upper layer side. And the average composition is represented by the general formula: (Al s Cr t ) a (N v O w ) b (where s and t are numbers representing the atomic ratio of Al and Cr, and v and w are N and O A and b are numbers representing the atomic ratio of AlCr and NO, and the following conditions:
s = 0.1-0.6,
s + t = 1,
v = 0.1-0.8,
v + w = 1,
a = 0.35-0.6,
And a + b = 1. )
The hard film-coated mold, wherein the lower layer crystal lattice fringes and the upper layer crystal lattice fringes are at least partially continuous at the interface between them.
請求項1に記載の硬質皮膜被覆金型において、前記上層は等価X線回折強度比TC(110) が等価X線回折強度比TC(104)より大きいことを特徴とする硬質皮膜被覆金型。   2. The hard film coated mold according to claim 1, wherein the upper layer has an equivalent X-ray diffraction intensity ratio TC (110) larger than an equivalent X-ray diffraction intensity ratio TC (104). 請求項1又は2に記載の硬質皮膜被覆金型において、前記上層は、表面粗さRaが0.2μm以下であることを特徴とする硬質皮膜被覆金型。   3. The hard film-coated mold according to claim 1, wherein the upper layer has a surface roughness Ra of 0.2 μm or less. 請求項1〜3のいずれかに記載の硬質皮膜被覆金型において、前記下層の厚さ(Tl)が0.1〜4μmであり、前記上層の厚さ(Tu)が0.2〜8μmであり、Tl≦Tuの関係を満たすことを特徴とする硬質皮膜被覆金型。 In hard-coated mold according to claim 1, the thickness of the lower layer (Tl) is 0.1~4Myuemu, the thickness of the upper layer (Tu) is 0.2~8μm, Tl ≦ Hard film coated mold characterized by satisfying the relationship of Tu. 請求項1〜4のいずれかに記載の硬質皮膜被覆金型において、前記下層の前記傾斜組成における酸素濃度の前記下層側から前記上層側にかけての平均勾配が10〜600原子%/μmであることを特徴とする硬質皮膜被覆金型。   5. The hard coating mold according to claim 1, wherein an average gradient of oxygen concentration in the gradient composition of the lower layer from the lower layer side to the upper layer side is 10 to 600 atomic% / μm. Hard film coated mold characterized by 請求項1〜5のいずれかに記載の硬質皮膜被覆金型において、前記下層の前記傾斜組成における窒素濃度の前記下層側から前記上層側にかけての平均勾配が−650〜−10原子%/μmであることを特徴とする硬質皮膜被覆金型。   6. The hard film coated mold according to claim 1, wherein an average gradient of nitrogen concentration in the gradient composition of the lower layer from the lower layer side to the upper layer side is −650 to −10 atomic% / μm. A hard film-coated mold characterized by being.
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