JP5765627B2 - Coated tool having excellent durability and method for producing the same - Google Patents

Coated tool having excellent durability and method for producing the same Download PDF

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Description

本発明は、切削工具や鍛造、プレス加工等の塑性加工に使用される耐久性に優れる被覆工具およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a coated tool excellent in durability used for plastic working such as a cutting tool, forging, and press working, and a method for manufacturing the same.

従来、切削工具や金型の工具には、耐熱性や耐摩耗性を向上させ工具寿命を改善するために、基材表面をTi、Al、Cr等の窒化物、炭窒化物、酸化物等の硬質皮膜で被覆した被覆工具が適用されている。中でも、AlCr系の窒化物の硬質皮膜は、1,000℃以上でも高い耐熱性と耐摩耗性を併せ持ち、その成膜手法としては、イオンプレーティング法で成膜する手法(特許文献1、2)、アークイオンプレーティング法で成膜する手法(特許文献3、4)、およびスパッタリング法で成膜する手法(特許文献5、6)がそれぞれ提案されている。   Conventionally, in order to improve heat resistance and wear resistance and improve tool life for cutting tools and tools of molds, the surface of the substrate is nitrided such as Ti, Al, Cr, carbonitride, oxide, etc. A coated tool coated with a hard coating is applied. Among them, an AlCr-based nitride hard film has both high heat resistance and wear resistance even at a temperature of 1,000 ° C. or higher, and as a film formation method, a method of forming a film by an ion plating method (Patent Documents 1 and 2). ), A method of forming a film by an arc ion plating method (Patent Documents 3 and 4), and a method of forming a film by a sputtering method (Patent Documents 5 and 6), respectively.

特開平10−025566号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-025566 特開2003−321764号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-321764 特開2005−271132号公報JP-A-2005-271132 特開2006−26783号公報JP 2006-26783 A 特開2000−144378号公報JP 2000-144378 A 特開2005−344148号公報JP-A-2005-344148 特開2007−136597号公報JP 2007-136597 A

しかしながら近年では、切削工具や鍛造、プレス金型等の塑性加工用金型の使用環境は、被加工材の高硬度化、加工時間の高速化、潤滑剤を使用しない乾式化等への対応が併せて要求されているため、年々過酷となっている。そのため、高い耐熱性と耐摩耗性を示す従来のAlCr系窒化物の硬質皮膜を採用した被覆工具であっても、近年の苛酷な使用環境下では、基材と硬質皮膜の密着性が必ずしも十分ではない場合がある。
そこで、特許文献7のように中間皮膜を設けることは、密着性を確保するには有効である。しかし、工具の使用環境によっては、密着性を確保するための中間皮膜を設けたとしても、アークイオンプレーティング法で成膜した皮膜内部に存在するドロップレットや、スパッタリング法で成膜した皮膜内部に含有され易い空隙等の皮膜内部の欠陥が起点となって、破壊や損傷が突発的に発生する場合があるという課題があった。
However, in recent years, the working environment for plastic working dies such as cutting tools, forging, and press dies has been to cope with higher hardness of work materials, faster processing time, and dry processing without the use of lubricants. Because it is also required, it has become harsh year after year. For this reason, even with a coated tool that employs a conventional AlCr-based nitride hard coating that exhibits high heat resistance and wear resistance, the adhesion between the base material and the hard coating is not necessarily sufficient in recent severe operating environments. It may not be.
Therefore, providing an intermediate film as in Patent Document 7 is effective for ensuring adhesion. However, depending on the usage environment of the tool, even if an intermediate film for ensuring adhesion is provided, droplets existing inside the film formed by the arc ion plating method or inside the film formed by the sputtering method There is a problem that breakage and damage may occur suddenly due to defects in the coating such as voids that are easily contained in the film.

本発明は、切削工具や冷間、温熱間における鍛造、プレス加工といった金属の塑性加工に使用される工具において、皮膜密着性および皮膜内部の欠陥を減少させて、突発的な皮膜破壊や損傷をも総合的に改善した、耐久性に優れる被覆工具およびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention reduces cutting film adhesion and defects inside the film in cutting tools and tools used for plastic processing of metals such as cold and hot forging and press working, thereby preventing sudden film breakage and damage. It is another object of the present invention to provide a coated tool excellent in durability and a manufacturing method thereof.

本発明者は、硬質皮膜と基材との間に極薄な膜厚の中間皮膜を設けた上で、その中間皮膜の結晶粒子の幅を一定に制御することで、基材と硬質皮膜の密着力が格段に高まり、さらには、中間皮膜の直上で成長する硬質皮膜の柱状粒子が極めて緻密化されて、皮膜内部の欠陥が少なくなり、工具の耐久性が格段に向上することを見出した。   The present inventor provided an extremely thin intermediate film between the hard film and the base material, and then controlled the width of the crystal particles of the intermediate film to be constant, thereby It has been found that the adhesion is remarkably increased, and further, the columnar particles of the hard coating that grows directly above the intermediate coating is extremely densified, reducing the defects inside the coating and greatly improving the durability of the tool. .

すなわち本発明は、基材表面に皮膜を被覆した被覆工具であり、該皮膜は、硬度が30GPa以上であるAlCr系の窒化物または炭窒化物の硬質皮膜と、該硬質皮膜と基材との界面にある中間皮膜からなり、該中間皮膜は膜厚が2〜40nm、結晶粒子の平均幅が40nm以下のTiの金属、またはTiの窒化物、炭化物、炭窒化物の何れかからなる耐久性に優れる被覆工具である。中間皮膜は、Tiの窒化物であることが好ましい。
硬質皮膜は、Siを含有することが好ましい。さらに、前記硬質皮膜は、Tiを含有することが好ましい。
硬質皮膜の断面組織は基材表面に対して垂直方向に成長した柱状粒子の集合からなり、該柱状粒子の平均幅が0.3μm以下であることが好ましい。
That is, the present invention is a coated tool in which a coating is coated on the surface of a substrate, and the coating is composed of an AlCr-based nitride or carbonitride hard coating having a hardness of 30 GPa or more, and the hard coating and the substrate. It consists of an intermediate film at the interface, and the intermediate film has a film thickness of 2 to 40 nm and an average width of crystal grains of 40 nm or less, and is made of any one of Ti metal, Ti nitride, carbide, and carbonitride. It is an excellent coated tool. The intermediate coating is preferably a Ti nitride.
The hard coating preferably contains Si. Furthermore, the hard coating preferably contains Ti.
The cross-sectional structure of the hard film is composed of a collection of columnar particles grown in a direction perpendicular to the substrate surface, and the average width of the columnar particles is preferably 0.3 μm or less.

本発明の硬質皮膜は、中間皮膜直上の第1硬質皮膜と、該第1硬質皮膜直上の第2硬質皮膜からなり、該第1硬質皮膜は、金属成分の組成が(AlCrTi)[但し、原子%で、X+Y+Z=100、50<X<75、20≦Y<50、0<Z≦10]の窒化物または炭窒化物、該第2硬質皮膜は、金属成分の組成が(AlCrSi)[但し、原子%でU+V+W=100、50<U<75、20≦V<50、0<W≦10]の窒化物または炭窒化物であることが好ましい。さらに、第1硬質皮膜は、金属成分としてSiを10原子%以下含むことが好ましい。さらに、第2硬質皮膜は、金属成分としてTiを10原子%以下含むことが好ましい。
第2硬質皮膜の断面組織は基材表面に対して垂直方向に成長した柱状粒子の集合からなり、該柱状粒子の平均幅が0.3μm以下であることが好ましい。
The hard film of the present invention comprises a first hard film immediately above the intermediate film and a second hard film immediately above the first hard film, and the first hard film has a metal component composition of (Al X Cr Y Ti Z ) [However, in atomic%, X + Y + Z = 100, 50 <X <75, 20 ≦ Y <50, 0 <Z ≦ 10], the second hard film has a metal component composition. (Al U Cr V Si W) [ where, U + V + W = 100,50 <U <75,20 ≦ V <50,0 <W ≦ 10 in atomic%] is preferably a nitride or carbonitride. Furthermore, the first hard coating preferably contains 10 atomic% or less of Si as a metal component. Furthermore, it is preferable that a 2nd hard film contains 10 atomic% or less of Ti as a metal component.
The cross-sectional structure of the second hard coating is composed of a collection of columnar particles grown in a direction perpendicular to the substrate surface, and the average width of the columnar particles is preferably 0.3 μm or less.

硬質皮膜は表面からのX線回折で立方晶B1構造の結晶構造を示し、その面指数のうち(111)に最大強度を示し、(111)の回折強度をI(111)、(200)の回折強度をI(200)、(220)の回折強度をI(220)としたとき、I(111)>I(220)>I(200)を満たし、かつI(111)/I(220)>2.0を満足することが好ましい。さらに、立方晶B1構造の格子定数が0.414nmより大きいことがより好ましい。   The hard coating shows a crystal structure of cubic B1 structure by X-ray diffraction from the surface, and shows the maximum intensity at (111) of its plane index, and the diffraction intensity of (111) is I (111), (200) When the diffraction intensity is I (200) and the diffraction intensity of (220) is I (220), I (111)> I (220)> I (200) is satisfied and I (111) / I (220) It is preferable that> 2.0 is satisfied. Furthermore, it is more preferable that the lattice constant of the cubic B1 structure is larger than 0.414 nm.

上述した本発明の被覆工具は、基材直上に、カソードの最大出力を0.1〜0.2MWでTiターゲットを用いたスパッタリング法により、膜厚が2〜40nm、結晶粒子の平均幅が40nm以下のTiまたはTiの窒化物、炭化物、炭窒化物の何れかからなる中間皮膜を形成し、次いで、該中間皮膜の直上に、基材に印加する負圧のバイアス電圧を100〜140Vで、AlCr系ターゲットを用いたスパッタリング法により、AlCr系の窒化物または炭窒化物からなる硬質皮膜を被覆する耐久性に優れる被覆工具の製造方法で得ることができる。中間皮膜の被覆では、Tiの窒化物を形成することが好ましい。
さらに、硬質皮膜の被覆では、組成の異なる2種類のAlCr系ターゲットを用いて、中間皮膜直上の第1硬質皮膜と、該第1硬質皮膜直上の第2硬質皮膜を形成することが好ましい。そして、第2硬質皮膜の被覆では、金属成分としてSiを含んだAlCr系ターゲットを用いることが好ましい。
さらに、基材に印加する負圧のバイアス電圧を、120V〜140Vとすることが好ましい。
The above-mentioned coated tool of the present invention has a film thickness of 2 to 40 nm and an average width of crystal grains of 40 nm by sputtering using a Ti target with a maximum cathode output of 0.1 to 0.2 MW just above the substrate. nitrides of the following Ti or Ti, carbides, an intermediate film is formed consisting of any of carbonitrides, then immediately above the intermediate film, the bias voltage of the negative pressure applied to the substrate - 100 to - 140 V Thus, by a sputtering method using an AlCr target, it can be obtained by a manufacturing method of a coated tool excellent in durability for coating a hard film made of an AlCr nitride or carbonitride. In covering the intermediate film, it is preferable to form a nitride of Ti.
Furthermore, in the coating of the hard film, it is preferable to form the first hard film directly above the intermediate film and the second hard film directly above the first hard film using two types of AlCr-based targets having different compositions. In the coating of the second hard film, it is preferable to use an AlCr-based target containing Si as a metal component.
Further, the bias voltage of the negative pressure applied to the substrate, - 120V~ - is preferably a 140 V.

本発明により提供される被覆工具は、耐熱性と耐摩耗性に優れる緻密で微細なAlCr系皮膜の硬質皮膜が基材との密着性にも優れる。そして、該被覆工具は、切削工具や冷間、温熱間における鍛造、プレス加工といった金属の塑性加工に使用される場合の耐久性に優れ、極めて優れた工具寿命を実現できる。   In the coated tool provided by the present invention, a dense and fine AlCr-based hard film excellent in heat resistance and wear resistance is also excellent in adhesion to a substrate. The coated tool is excellent in durability when used for metal plastic processing such as cutting tools, cold forging and hot forging, and press working, and can realize an extremely excellent tool life.

試料番号2の透過型電子顕微鏡による硬質皮膜の断面写真の一例を示す。(図中の直線は、表面から0.5μmの位置にある柱状粒子の幅を測定するために引いたものである。)An example of the cross-sectional photograph of the hard film by the transmission electron microscope of the sample number 2 is shown. (The straight line in the figure is drawn in order to measure the width of the columnar particles at a position of 0.5 μm from the surface.) 試料番号1の透過型電子顕微鏡による中間皮膜の断面観察写真の一例を示す。(図中の番号は、組成分析した部分を示す。)An example of the cross-sectional observation photograph of the intermediate | middle film | membrane by the transmission electron microscope of the sample number 1 is shown. (The numbers in the figure indicate the parts subjected to composition analysis.) 試料番号1の中間皮膜の断面観察写真の模式図を示す。The schematic diagram of the cross-sectional observation photograph of the intermediate film of the sample number 1 is shown. 試料番号6の透過型電子顕微鏡による中間皮膜の断面観察写真の一例を示す。(図中の記号と番号は、組成分析した部分を示す。)An example of the cross-sectional observation photograph of the intermediate film by the transmission electron microscope of the sample number 6 is shown. (The symbols and numbers in the figure indicate the composition-analyzed part.) 試料番号6の中間皮膜の断面観察写真の模式図を示す。The schematic diagram of the cross-sectional observation photograph of the intermediate film of the sample number 6 is shown. 試料番号2のX線回折プロファイルを示す。The X-ray diffraction profile of sample number 2 is shown. 試料番号2の皮膜表面の走査電子顕微鏡観察写真と破断面のイオン励起2次電子像の一例を示す。An example of a scanning electron microscope observation photograph of the film surface of sample number 2 and an ion-excited secondary electron image of the fracture surface is shown. 試料番号7の皮膜表面の走査電子顕微鏡観察写真と破断面のイオン励起2次電子像の一例を示す。An example of a scanning electron microscope photograph of the film surface of sample number 7 and an ion-excited secondary electron image of the fracture surface is shown. 試料番号13の皮膜表面の走査電子顕微鏡観察写真と破断面のイオン励起2次電子像の一例を示すAn example of a scanning electron microscope photograph of the film surface of sample number 13 and an example of an ion-excited secondary electron image of the fracture surface 試料番号2の高周波グロー放電発光分析によるプロファイルを示す図である。It is a figure which shows the profile by the high frequency glow discharge emission analysis of the sample number 2. FIG. 試料番号7の高周波グロー放電発光分析によるプロファイルを示す図である。It is a figure which shows the profile by the high frequency glow discharge emission analysis of the sample number 7. FIG.

本発明者等は、苛酷な使用環境下においても皮膜剥離や欠損が発生せず、耐摩耗性と耐熱性に優れるAlCr系の窒化物または炭窒化物の皮膜特性が発揮されるように、基材と硬質皮膜の密着性を高めると同時に、硬質皮膜の内部に存在する欠陥をも低減させる手法について鋭意研究した。   The inventors of the present invention do not cause film peeling or chipping even under harsh usage environments, so that the film characteristics of AlCr nitride or carbonitride having excellent wear resistance and heat resistance can be exhibited. We have intensively studied methods for improving the adhesion between the material and the hard coating, as well as reducing defects existing inside the hard coating.

基材と硬質皮膜の密着性を改善するのに中間皮膜を設けることは有効である。本発明者等は、中間皮膜が硬質皮膜の組織形態に及ぼす影響を調査する中で、中間皮膜の直上で成長していく硬質皮膜の柱状組織は、中間皮膜の内部に存在する結晶粒子の粒子幅が大きくなるほど、粗大に成長する傾向にあることを見出した。つまり、中間皮膜にある結晶粒子の幅を均一に微細にしていくことで、その直上で成長する硬質皮膜の柱状組織が微細で緻密となり易く、密着性を確保した上で、硬質皮膜の全体で空隙等の欠陥が少なくなる。   It is effective to provide an intermediate film to improve the adhesion between the base material and the hard film. The inventors investigated the influence of the intermediate film on the structure of the hard film. The columnar structure of the hard film that grows immediately above the intermediate film is a crystal particle existing inside the intermediate film. It has been found that the larger the width, the larger the tendency to grow. In other words, by making the width of the crystal particles in the intermediate film uniformly fine, the columnar structure of the hard film that grows just above it is easy to become fine and dense, and after ensuring the adhesion, Defects such as voids are reduced.

そして、本発明者等は、中間皮膜を被覆する際にターゲットへ投入する最大出力を従来になく極めて高く設定することで、中間皮膜の結晶粒子の幅が極めて微細になることを見出した。そして、優れた密着性を確保した上で、硬質皮膜の内部欠陥も低減した、耐久性に極めて優れた被覆工具とすることができた。   The present inventors have found that the width of the crystal particles of the intermediate coating becomes extremely fine by setting the maximum output to be applied to the target when coating the intermediate coating to be extremely high compared to the prior art. And while ensuring the outstanding adhesiveness, it was able to be set as the coated tool which was extremely excellent in durability which also reduced the internal defect of the hard film.

まず、本発明における中間皮膜の構成について説明する。
TiまたはTiの窒化物、炭化物、炭窒化物の皮膜はいずれも鋼や超硬合金との親和性および密着性に極めて優れ、且つ、AlCr系皮膜との密着性にも優れる。そのため、これらを、基材とAlCr系の窒化物または炭窒化物との間に設ける中間皮膜として最適である。
本発明の中間皮膜は、TiまたはTiの窒化物、炭化物、炭窒化物のいずれであっても良いが、中でもTiの窒化物は耐熱性に優れ、窒素を含有する硬質皮膜との密着性にも優れているので好ましい。
First, the structure of the intermediate film in the present invention will be described.
Ti or Ti nitride, carbide, and carbonitride films are all excellent in affinity and adhesion to steel and cemented carbide, and also excellent in adhesion to AlCr-based films. Therefore, these are optimal as an intermediate film provided between the base material and the AlCr-based nitride or carbonitride.
The intermediate film of the present invention may be any of Ti or Ti nitride, carbide and carbonitride, but Ti nitride is particularly excellent in heat resistance and has excellent adhesion with a hard film containing nitrogen. Is also preferable.

本発明の中間皮膜は、その膜厚と結晶粒子の幅を制御することが最も重要となる。中間皮膜の膜厚を2〜40nmにすることで、基材と硬質皮膜の密着性を十分に確保することができる。薄すぎると、基材と硬質皮膜の密着性を十分に確保することができない。また、厚すぎると、その直上で成長する硬質皮膜の柱状粒子が粗大となり易く、密着性も低下する傾向にあり、過酷な使用環境下での工具の耐久性が十分ではなくなる。
中間皮膜の膜厚は3nm以上および/または30nm以下であることがより好ましく、さらに好ましくは、5nm以上および/20nm以下である。
本発明の中間皮膜の膜厚は、透過型電子顕微鏡による観察により評価することができる。さらに、マッピング等の組成分析を行うことで、基材と中間皮膜と硬質皮膜とのそれぞれの界面が明確となり、中間皮膜の膜厚をより正確に測定することができる。
In the intermediate coating of the present invention, it is most important to control the film thickness and the width of crystal grains. By setting the film thickness of the intermediate film to 2 to 40 nm, sufficient adhesion between the base material and the hard film can be ensured. If it is too thin, sufficient adhesion between the substrate and the hard coating cannot be ensured. On the other hand, when the thickness is too thick, the columnar particles of the hard coating that grows directly thereon are likely to be coarse and the adhesion tends to decrease, and the durability of the tool under a severe use environment becomes insufficient.
The film thickness of the intermediate coating is more preferably 3 nm or more and / or 30 nm or less, and further preferably 5 nm or more and / 20 nm or less.
The film thickness of the intermediate film of the present invention can be evaluated by observation with a transmission electron microscope. Furthermore, by performing composition analysis such as mapping, the interfaces of the base material, the intermediate film, and the hard film become clear, and the film thickness of the intermediate film can be measured more accurately.

中間皮膜の結晶粒子の平均幅を40nm以下にすることで、中間皮膜の直上から硬質皮膜が微細で極めて緻密に成長していくため、基材との密着性を改善できる。そして、硬質皮膜の全体で空隙が極めて少なくなるので耐久性が優れる皮膜となる。粗大になると、その大きな結晶粒子の平均幅に従って、硬質皮膜が成長していくので、硬質皮膜の柱状粒子幅が大きくなる。そして、柱状粒子間の隙間も大きくなることで空隙が発生し易くなり、密着性が低下し、耐久性も乏しい皮膜となる。中間皮膜の結晶粒子の平均幅は、20nm以下であると、硬質皮膜の全体がより緻密化し、密着性も向上するので耐久性が優れて好ましい。さらには、10nm以下であることが好ましい。さらには、5nm以下である。
中間皮膜の結晶粒子の平均幅の測定は、透過型電子顕微鏡を用いて、膜厚方向に対して垂直方向にある結晶粒子の幅から測定する。観測時の電子線の入射方向によって、結晶粒子の見え方が異なり、格子像の連続性およびコントラストの違いとして個々の結晶粒子を識別することができる。しかし、観察倍率が低いと、個々の結晶粒子を識別して結晶粒子の幅を正確に測定するのが困難となる。そのため、観察倍率は、格子像の連続性およびコントラストの差異を明確に確認できる倍率である、400万倍程度とする。そして、連続する50個以上の結晶粒子を測定することで、それらの測定値の平均値が収束していくことを確認したので、連続する50個の結晶粒子から中間皮膜の結晶粒子の平均幅を求めた。
By setting the average width of the crystal particles of the intermediate coating to 40 nm or less, the hard coating grows finely and extremely densely from directly above the intermediate coating, so that the adhesion with the substrate can be improved. And since a space | gap becomes very few in the whole hard film | membrane, it becomes a film | membrane which is excellent in durability. When it becomes coarse, the hard film grows in accordance with the average width of the large crystal grains, so that the columnar particle width of the hard film increases. And since the clearance gap between columnar particles becomes large, it will become easy to generate | occur | produce a space | gap, and it will become a membrane | film | coat in which adhesiveness falls and durability is scarce. The average width of the crystal particles of the intermediate film is preferably 20 nm or less, because the entire hard film becomes more dense and the adhesion is improved, which is excellent in durability. Furthermore, it is preferable that it is 10 nm or less. Furthermore, it is 5 nm or less.
The average width of the crystal particles of the intermediate film is measured from the width of the crystal particles in the direction perpendicular to the film thickness direction using a transmission electron microscope. Depending on the incident direction of the electron beam at the time of observation, the appearance of the crystal particles is different, and individual crystal particles can be identified as differences in the continuity and contrast of the lattice image. However, when the observation magnification is low, it is difficult to identify individual crystal particles and accurately measure the width of the crystal particles. Therefore, the observation magnification is set to about 4 million times, which is a magnification that can clearly confirm the difference in the continuity of the lattice image and the contrast. And by measuring 50 or more continuous crystal particles, it was confirmed that the average value of those measured values converged, so the average width of the crystal particles of the intermediate film from the 50 continuous crystal particles Asked.

続いて硬質皮膜について説明する。硬質皮膜は、耐熱性と耐摩耗性に優れる皮膜種であるAlCr系の窒化物または炭窒化物として、硬度を30GPa以上にすることで、いっそうの耐摩耗性が付与される。より好ましくは35GPa以上であり、さらに好ましくは40GPa以上である。
ここで、本発明において、AlCr系の窒化物または炭窒化物は、金属成分の内、AlとCrの合計が原子%で70原子%以上の皮膜をいう。高い耐熱性と耐摩耗性が両立できるように、金属成分の内、AlとCrの合計が原子%で80%以上であることが好ましい。また、耐熱性が優れるAl含有量がCr含有量よりも多いほうが好ましい。
本発明の硬質皮膜の膜厚は1〜10μmであることが好ましい。薄すぎると耐久性が低下する。厚すぎると破壊が発生し易くなる。そして、基材との密着強度、表面の平滑性も考慮すれば、2μm以上および/または5μm以下がより好ましい。
Next, the hard coating will be described. The hard coating is imparted with higher wear resistance by setting the hardness to 30 GPa or more as an AlCr-based nitride or carbonitride that is a film type having excellent heat resistance and wear resistance. More preferably, it is 35 GPa or more, More preferably, it is 40 GPa or more.
Here, in the present invention, the AlCr-based nitride or carbonitride refers to a film in which the total of Al and Cr in the metal component is 70 atomic% or more in atomic%. In order to achieve both high heat resistance and wear resistance, it is preferable that the total of Al and Cr in the metal components is 80% or more in atomic%. Moreover, it is more preferable that Al content which is excellent in heat resistance is larger than Cr content.
The film thickness of the hard coating of the present invention is preferably 1 to 10 μm. If it is too thin, durability will be reduced. If it is too thick, breakage tends to occur. And if adhesion strength with a base material and surface smoothness are considered, 2 micrometers or more and / or 5 micrometers or less are more preferred.

硬質皮膜は、金属成分としてSiを含むことで、硬質皮膜の結晶粒子が微細化して硬質皮膜の硬度が向上するため、工具の耐摩耗性が向上して好ましい。
硬質皮膜は、金属成分としてTiを含むことで、硬質皮膜の硬度が向上するため、工具の耐摩耗性が向上して好ましい。
The hard coating preferably contains Si as a metal component, so that the crystal grains of the hard coating are refined and the hardness of the hard coating is improved, so that the wear resistance of the tool is improved.
The hard coating preferably contains Ti as a metal component, so that the hardness of the hard coating is improved, and thus the wear resistance of the tool is improved.

硬質皮膜の、垂直方向に成長した柱状粒子の平均幅を0.3μm以下とすることで、硬質皮膜の全体がより緻密化となり、工具の使用中における皮膜表面からの粒子の脱落が抑制され好ましい。また、粒子が脱落した場合でも、個々の柱状粒子が微細であるため、突発的な皮膜の破壊には至らない。
硬質皮膜の柱状粒子の平均幅がこれよりも大きくなると、高負荷がかかる苛酷な使用環境下では、硬質皮膜の粒子の脱落が発生し易くなり、工具寿命が短くなる。
硬質皮膜の柱状粒子の幅は、透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡による断面観察から測定することができる。測定箇所は、皮膜表面から深さが0.5μmの位置とした。そして、連続する50個以上の柱状粒子の幅を観察することで、それらの幅の平均値が収束していくことを確認したので、連続する50個の柱状粒子から硬質皮膜の柱状粒子の平均幅を求めた。
By making the average width of the columnar particles grown in the vertical direction of the hard coating 0.3 μm or less, the entire hard coating becomes more dense, and it is preferable that particles fall off from the coating surface during use of the tool. . Further, even when the particles fall off, the individual columnar particles are fine, so that they do not suddenly break the coating.
When the average width of the columnar particles of the hard coating is larger than this, the hard coating particles are likely to fall off under a severe use environment where a high load is applied, and the tool life is shortened.
The width of the columnar particles of the hard coating can be measured from cross-sectional observation with a transmission electron microscope or a scanning electron microscope. The measurement location was a position having a depth of 0.5 μm from the coating surface. And by observing the width of 50 or more continuous columnar particles, it was confirmed that the average value of those widths converged, so the average of the columnar particles of the hard coating from the 50 columnar particles that were continuous The width was determined.

密着性および耐摩耗性と耐熱性を高い次元で満たすために、硬質皮膜のSiとTiの添加量を調整して、中間皮膜の直上の第1硬質皮膜と、第1硬質皮膜の直上の第2硬質皮膜とで組成を変更することが好ましい。
この時、中間皮膜の直上の第1硬質皮膜は、金属成分の組成が(AlCrTi)[但し、原子%で、X+Y+Z=100、50<X<75、20≦Y<50、0<Z≦10]の窒化物または炭窒化物であることが好ましい。
AlCr系の窒化物または炭窒化物として、一定以上の耐摩耗性と耐熱性を両立させるためには、Alの含有量を50<X<75、Crの含有量を20≦Y<50とする。
Alの含有量がこれよりも少ないと耐熱性が低下する傾向にあり、これよりも多くなると耐摩耗性が低下する傾向にある。より好ましくは原子%で、55以上および/または70以下である。
Crの含有量が20≦Y<50の範囲を外れると耐摩耗性が低下する傾向にある。
そして、中間皮膜の直上の第1硬質皮膜では、Tiを10原子%以下含有することで、Tiを含む中間皮膜との密着性がより向上する。さらに、Tiを含有することで耐摩耗性もより高まる。これよりも多くなると、耐熱性が低下し易くなる。
In order to satisfy adhesion and wear resistance and heat resistance at a high level, the amount of Si and Ti added to the hard coating is adjusted, and the first hard coating immediately above the intermediate coating and the first hard coating directly above the first hard coating are adjusted. It is preferable to change the composition with 2 hard coatings.
At this time, the composition of the metal component of the first hard coating immediately above the intermediate coating is (Al X Cr Y Ti Z ) [However, in atomic%, X + Y + Z = 100, 50 <X <75, 20 ≦ Y <50, Nitride or carbonitride of 0 <Z ≦ 10] is preferable.
As AlCr-based nitride or carbonitride, in order to achieve both a certain level of wear resistance and heat resistance, the Al content is set to 50 <X <75, and the Cr content is set to 20 ≦ Y <50. .
When the Al content is less than this, the heat resistance tends to be lowered, and when it is more than this, the wear resistance tends to be lowered. More preferably, the atomic% is 55 or more and / or 70 or less.
When the Cr content is out of the range of 20 ≦ Y <50, the wear resistance tends to decrease.
And in the 1st hard film immediately above an intermediate film, adhesiveness with the intermediate film containing Ti improves more by containing 10 atomic% or less of Ti. Furthermore, wear resistance is further increased by containing Ti. When it exceeds this, heat resistance will fall easily.

表面側の第2硬質皮膜は、金属成分の組成が(AlCrSi)[但し、原子%で、U+V+W=100、50<U<75、20≦V<50、0<W≦10]の窒化物または炭窒化物であることが好ましい。
AlCr系の窒化物または炭窒化物として、一定以上の耐摩耗性と耐熱性を両立させるために、第2硬質皮膜も、Alの含有量を50<X<75、Crの含有量を20≦Y<50とする。より好ましくは原子%で、55以上および/または70以下である。
そして、Siを10原子%以下含有することで、結晶粒子が微細化され硬質皮膜の硬度が向上するので、工具の耐摩耗性が向上する。そして、個々の結晶粒子が微細化されるので、結晶粒子の脱落による皮膜損傷が発生し難くなる。これよりも多くなると、硬質皮膜の靭性が低下する。表面側の硬質皮膜では、耐摩耗性と靭性が高いレベルで両立していることが好ましく、そのためには、Siの含有量は8原子%以下であることが好ましい。さらには、5原子%以下であることがより好ましい。
The second hard coating on the surface side has a composition of the metal component (Al U Cr V Si W ) [However, in atomic%, U + V + W = 100, 50 <U <75, 20 ≦ V <50, 0 <W ≦ 10 Nitride or carbonitride is preferred.
As the AlCr-based nitride or carbonitride, in order to achieve both a certain level of wear resistance and heat resistance, the second hard coating also has an Al content of 50 <X <75 and a Cr content of 20 ≦ Let Y <50. More preferably, the atomic% is 55 or more and / or 70 or less.
And by containing 10 atomic% or less of Si, crystal grains are refined and the hardness of the hard coating is improved, so that the wear resistance of the tool is improved. And since each crystal particle is refined | miniaturized, it becomes difficult to generate | occur | produce the membrane | film | coat damage by dropping of a crystal particle. If it is more than this, the toughness of the hard coating will decrease. The hard coating on the surface side preferably has both high wear resistance and toughness, and for that purpose, the Si content is preferably 8 atomic% or less. Further, it is more preferably 5 atomic% or less.

さらに、第1硬質皮膜は、耐摩耗性をより向上させるために、金属成分としてSiを10原子%以下含むことが好ましい。これよりも多くなると皮膜全体の靭性が低下する。
第2硬質皮膜は、耐摩耗性をより向上させるために、金属成分としてTiを10原子%以下含むことが好ましい。これよりも多くなると皮膜全体の耐熱性が低下する。より好ましくは5原子%以下である。
Further, the first hard coating preferably contains 10 atomic% or less of Si as a metal component in order to further improve the wear resistance. When it exceeds this, the toughness of the whole film will fall.
The second hard film preferably contains 10 atomic% or less of Ti as a metal component in order to further improve the wear resistance. When it exceeds this, the heat resistance of the whole film will fall. More preferably, it is 5 atomic% or less.

硬質皮膜を、第1硬質皮膜と第2硬質皮膜とで構成する場合でも、硬質皮膜の総膜厚は、1〜10μmであることが好ましい。この場合、第1硬質皮膜と第2硬質皮膜の膜厚の比は、第1硬質皮膜が5〜25%、第2硬質皮膜が75〜95%であることが好ましい。   Even when the hard film is composed of the first hard film and the second hard film, the total film thickness of the hard film is preferably 1 to 10 μm. In this case, the film thickness ratio between the first hard film and the second hard film is preferably 5 to 25% for the first hard film and 75 to 95% for the second hard film.

本発明の硬質皮膜は、Cukαを線源に用いたX線回折で、立方晶構造の36.0〜40.0に(111)面に対応するピーク、42.0〜46.0に(200)面に対応するピーク、62.0〜66.0に(220)面に対応するピークが観測され易い。
本発明者は、これらの配向強度が一定の関係にあるとき、硬質皮膜はより緻密で高硬度となり、工具の耐久性がより向上することを見出した。つまり、本発明の硬質皮膜の(111)の回折強度をI(111)、(200)の回折強度をI(200)、(220)の回折強度をI(220)としたとき、配向強度をI(111)>I(220)>I(200)とし、かつ、I(111)/I(220)>2.0とすることが好ましい。
これらの好ましい配向は、皮膜組成や成膜条件を調整することで得られる。特に、配向強度比の関係は成膜条件の影響を受けやすい傾向にある。
本発明例の中でも好ましい配向にするには、ターゲットへ投入する最大電力を制御して、中間皮膜の結晶粒子の平均幅を10nmより小さくすることが好ましい。より好ましくは5nm以下である。そして、硬質皮膜を第1硬質皮膜と第2硬質皮膜とで構成し、それぞれの成膜で、基材に印加する負圧のバイアス電圧を120Vより大きくすることで得られ易い。より好ましくは140Vである。
そして、上記の好ましい成膜条件であっても、第1硬質皮膜および第2硬質皮膜のAlの含有量をそれぞれ55原子%以上とし、さらに、それぞれの皮膜でTiおよび/またはSiを含有することが好ましい。
The hard film of the present invention has a peak corresponding to the (111) plane at 36.0 to 40.0 of the cubic structure by X-ray diffraction using Cukα as a radiation source (200 to 42.0 to 46.0). ) The peak corresponding to the plane, and the peak corresponding to the (220) plane at 62.0 to 66.0 are easily observed.
The inventor has found that when these orientation strengths are in a certain relationship, the hard coating becomes denser and harder, and the durability of the tool is further improved. That is, when the (111) diffraction intensity of the hard coating of the present invention is I (111), the diffraction intensity of (200) is I (200), and the diffraction intensity of (220) is I (220), the orientation intensity is It is preferable that I (111)> I (220)> I (200) and I (111) / I (220)> 2.0.
These preferable orientations can be obtained by adjusting the film composition and film forming conditions. In particular, the relationship of the orientation strength ratio tends to be easily influenced by the film forming conditions.
In order to obtain a preferred orientation among the examples of the present invention, it is preferable to control the maximum power input to the target so that the average width of the crystal grains of the intermediate coating is smaller than 10 nm. More preferably, it is 5 nm or less. Then, a hard coating composed of a first hard coating and the second hard film, each film formation, the bias voltage of the negative pressure applied to the substrate - easily obtained by greater than 120V. More preferably - it is 140V.
And even if it is said preferable film-forming conditions, content of Al of a 1st hard film and a 2nd hard film shall be 55 atomic% or more, respectively, and also Ti and / or Si should be contained in each film. Is preferred.

結晶構造が上記の関係を満たした上で、硬質皮膜の立方晶構造の(111)面から算出した格子定数が大きくなることで、皮膜内部の残留応力がより高くなり、硬度が上昇する。そして、立方晶構造の(111)面から算出した格子定数が0.414nmより大きい場合、硬質皮膜はより緻密で高硬度となり易く、優れた耐摩耗性を発揮する傾向にあり好ましい。   After the crystal structure satisfies the above relationship, the lattice constant calculated from the (111) plane of the cubic structure of the hard film increases, so that the residual stress inside the film becomes higher and the hardness increases. When the lattice constant calculated from the (111) plane of the cubic crystal structure is larger than 0.414 nm, the hard coating is more dense and easy to have high hardness, and tends to exhibit excellent wear resistance.

本発明の被覆工具を切削工具や金型として使用する場合、硬質皮膜の表面が平滑である方が使用時の抵抗が少なく好ましい。そして、本発明の硬質皮膜をスパッタリング法で成膜する場合、ドロップレットの発生が極めて少なく、平滑な皮膜を得ることができ、JIS−B−0601(2001)による表面粗さが、算術平均粗さRaで0.06μm以下、最大高さRzが1.0μm以下の好ましい表面状態とすることができる。   When the coated tool of the present invention is used as a cutting tool or a mold, it is preferable that the surface of the hard coating is smooth because the resistance during use is small. And when forming the hard film of this invention by sputtering method, generation | occurrence | production of a droplet is very few and a smooth film can be obtained and the surface roughness by JIS-B-0601 (2001) is arithmetic mean roughness. It is possible to obtain a preferable surface state with a thickness Ra of 0.06 μm or less and a maximum height Rz of 1.0 μm or less.

本発明の採用する硬質皮膜は、特定の中間皮膜を有するAlCr系の窒化物または炭窒化物であることでその特性を発揮できる。よって、例え硬質皮膜の一部が酸化物、硼化物、硫化物の形態をとったとしても、特定の中間皮膜を有するAlCr系の窒化物または炭窒化物の優れた特性が著しく阻害されることはなく、本発明の作用効果は発揮される。   The hard coating employed in the present invention can exhibit its characteristics by being an AlCr-based nitride or carbonitride having a specific intermediate coating. Therefore, even if a part of the hard film takes the form of oxide, boride, or sulfide, the excellent characteristics of the AlCr-based nitride or carbonitride having a specific intermediate film are significantly inhibited. There is no effect of the present invention.

本発明においては、中間皮膜の膜厚を極めて薄く制御にすることに加えて、その結晶粒子の平均幅も微細に制御する必要がある。ただし、従来の成膜方法では、結晶粒子の平均幅を微細にしようと膜厚を薄くした中間皮膜を設けたとしても、連続した結晶構造からなる結晶粒子が、大きく成長する場合があった。そこで、中間皮膜の被覆時には、ターゲットに投入する最大電力を従来になく高くすることで結晶粒子が微細化されることを見出した。具体的には、Tiターゲットを用いたスパッタリング法で、ターゲットへ投入する最大出力を0.1〜0.2MWとすることで、中間皮膜の結晶粒子の平均幅を40nm以下と極めて微細にすることができる。より好ましくは0.12MW以上である。
ターゲットへの投入電力を高くするためには、瞬間的に極めて高い電力を印加することができる、HPPMS(ハイパワーパルスマグネトロンスパッタ法)を使用することができる。
HPPMSを使用する場合、ターゲット表面での異常放電が発生し易くなる。そこで、平均出力を2kW程度として、20μs程度の極短時間の間でのみ高い電力を瞬間的に投入し、さらに、ターゲットへ投入する直流電流をパルス状に周期変化させることで異常放電を抑制することが好ましい。
In the present invention, in addition to controlling the film thickness of the intermediate film to be extremely thin, it is necessary to finely control the average width of the crystal grains. However, in the conventional film forming method, even if an intermediate film having a thin film thickness is provided in order to make the average width of the crystal particles fine, crystal particles having a continuous crystal structure may grow greatly. Thus, it has been found that the crystal particles can be refined by increasing the maximum power input to the target higher than ever before when the intermediate coating is applied. Specifically, the average width of the crystal grains of the intermediate film is made extremely fine as 40 nm or less by setting the maximum output to be applied to the target by a sputtering method using a Ti target to 0.1 to 0.2 MW. Can do. More preferably, it is 0.12 MW or more.
In order to increase the input power to the target, HPPMS (High Power Pulse Magnetron Sputtering), which can apply extremely high power instantaneously, can be used.
When HPPMS is used, abnormal discharge easily occurs on the target surface. Therefore, the average output is set to about 2 kW, high power is instantaneously supplied only for an extremely short time of about 20 μs, and the direct current supplied to the target is periodically changed in a pulse shape to suppress abnormal discharge. It is preferable.

ただし、ターゲットへ投入する最大電力の時間を極めて短くして、さらにパルス状に電力を投入すれば、成膜レートが極めて低く生産性が悪くなる。さらに、硬質皮膜の成膜にまで、極めて高い最大電力を投入するのは、装置への負荷が極めて大きくなる。本発明者は鋭意研究し、基材の直上にある中間皮膜の結晶粒子の平均幅を一定以下に制御すれば、その直上の硬質皮膜の柱状粒子が中間皮膜の結晶粒子の平均幅に従って微細化することを見出した。そのため、硬質皮膜の成膜に使用するターゲットには、瞬間的に極めて高い電力を投入せずに、通常の数kW程度の平均電力を投入するだけでもよい。
そして、硬質皮膜の被覆では、AlCr系ターゲットを用いたスパッタリング法により、基材に印加する負圧のバイアス電圧を100〜140Vとする手法を用いることで、硬質皮膜が微細で緻密となり、AlCr系の窒化物または炭窒化物の硬度を30GPa以上にすることができる。
さらに、硬質皮膜の被覆では、組成の異なる2種類のAlCr系ターゲットを用いて、中間皮膜直上の第1硬質皮膜と、該第1硬質皮膜直上の第2硬質皮膜を形成することで、単層の硬質皮膜よりも密着性および耐摩耗性と耐熱性をより高めることができるので好ましい。そして、第2硬質皮膜の被覆では、金属成分としてSiを含有したAlCr系ターゲットを用いることで、皮膜表面の組織が微細化して耐摩耗性が向上し、さらに粒子の脱落も抑制され易いので好ましい。
However, if the time of the maximum power input to the target is made extremely short and the power is further supplied in a pulse shape, the film formation rate is extremely low and the productivity is deteriorated. Furthermore, if an extremely high maximum power is applied to the formation of a hard coating, the load on the apparatus becomes extremely large. The present inventor has intensively studied, and if the average width of the crystal particles of the intermediate coating directly above the base material is controlled to a certain level or less, the columnar particles of the hard coating immediately above the size are reduced according to the average width of the crystal particles of the intermediate coating I found out. Therefore, the target used for forming the hard coating may be merely supplied with a normal average power of about several kW without instantaneously supplying extremely high power.
And in the coating of the hard film, by using a method in which the negative bias voltage applied to the base material is set to 100 to 140 V by a sputtering method using an AlCr target, the hard film becomes fine and dense. The hardness of the nitride or carbonitride can be 30 GPa or more.
Furthermore, in the coating of the hard film, a single layer is formed by forming the first hard film directly on the intermediate film and the second hard film directly on the first hard film using two types of AlCr-based targets having different compositions. It is preferable because the adhesion, wear resistance and heat resistance can be further enhanced than those of the hard coating. And in the coating of the second hard film, it is preferable to use an AlCr-based target containing Si as a metal component, because the structure of the film surface is refined and wear resistance is improved, and particle dropout is easily suppressed. .

本発明の硬質皮膜は、塑性加工用金型や切削工具としての使用を考慮すると、基材となる金属材質は、冷間ダイス鋼、高速度鋼、超硬合金が好ましい。そして、HPPMSの様に、成膜時のエネルギーが高い場合、基材の表面が内部に比して、炭素が濃化した領域を形成し易くなる。そして、中間皮膜の成分が基材の表面の炭素と化合物を形成する傾向にあり、密着力が高まり好ましい。   In consideration of the use of the hard coating of the present invention as a plastic working die or cutting tool, the metal material used as the base material is preferably cold die steel, high-speed steel, or cemented carbide. And when the energy at the time of film formation is high like HPPPMS, it becomes easy to form the area | region where the surface of the base material concentrated carbon compared with the inside. And the component of the intermediate film tends to form a compound with carbon on the surface of the substrate, which is preferable because the adhesion is increased.

基材に、WC結晶粒径が0.4μm、Co含有量が6質量%、V含有量が0.1質量%の超微粒超硬合金製を用いて、外径が5mmの2枚刃ボールエンドミルと、直径20mm、厚さ5mmの鏡面加工を施した試験片の2種類を用意した。これらの基材を、炭化水素系の溶剤中で超音波洗浄し、脱脂したものにつき、以下で説明する表面処理を施して、本発明および比較例となる試料番号1〜14を作製した。試験片は皮膜の特性評価に使用し、ボールエンドミルは切削試験に使用した。   A double-edged ball having an outer diameter of 5 mm, using a base material made of ultra-fine cemented carbide having a WC crystal grain size of 0.4 μm, a Co content of 6 mass%, and a V content of 0.1 mass%. Two types were prepared: an end mill and a test piece having a mirror finish of 20 mm in diameter and 5 mm in thickness. These substrates were ultrasonically cleaned and degreased in a hydrocarbon-based solvent and subjected to the surface treatment described below to prepare Sample Nos. 1 to 14 as the present invention and Comparative Examples. The test piece was used for evaluating the characteristics of the film, and the ball end mill was used for the cutting test.

成膜手段には、基材にバイアス電圧を印加するスパッタリング法を採用し、中間皮膜、第1硬質皮膜、第2硬質皮膜を同一チャンバー内で連続して成膜するために、成膜装置はスパッタ蒸発源を5機搭載した。そのうちの1機を中間皮膜用、2機を第1硬質皮膜用、2機を第2硬質皮膜用とした。
中間皮膜用のスパッタ電源(カソード1)は、Tiターゲットを設置した。
第1硬質皮膜用のスパッタ電源(カソード2、3)には、Al65Cr35ターゲット
を2機設置した(化学式は原子による比率、以下同様)。
第2硬質皮膜用のスパッタ電源(カソード4、5)には、Al55Cr43Si2ターゲットを2機設置した。
なお、スパッタターゲットのサイズは縦500mm、横88mmである。
The film forming means employs a sputtering method in which a bias voltage is applied to the substrate, and in order to continuously form the intermediate film, the first hard film, and the second hard film in the same chamber, Five sputter evaporation sources were installed. One of them was for the intermediate film, 2 for the first hard film, and 2 for the second hard film.
A Ti target was installed as a sputtering power source (cathode 1) for the intermediate coating.
Two Al65Cr35 targets were installed in the sputtering power source (cathodes 2 and 3) for the first hard coating (chemical formula is a ratio by atom, the same applies hereinafter).
Two Al55Cr43Si2 targets were installed in the sputtering power source (cathodes 4 and 5) for the second hard coating.
The size of the sputter target is 500 mm long and 88 mm wide.

スパッタ電源とバイアス電源には直流電源を用いた。そして、カソード1には、パルスモジュールを設置し、平均出力2kW、1周期あたりの放電時間20μsと一定とし、各試料により周波数、最大出力、放電時間を変化させて中間皮膜を成膜した。   A direct current power source was used for the sputtering power source and the bias power source. The cathode 1 was provided with a pulse module, an average output of 2 kW and a discharge time of 20 μs per cycle were constant, and an intermediate film was formed by changing the frequency, maximum output, and discharge time for each sample.

バイアス電源は、基材に接続され、独立して基材に負のバイアス電圧を印加する。基材は、毎分2回転で自転しかつ、固定冶具とサンプルホルダーを介して公転する。基材とターゲット表面間の距離は50mmとした。導入ガスは、Ar、Kr、Nを用い、ガス供給ポートから導入した。 The bias power source is connected to the substrate and independently applies a negative bias voltage to the substrate. The substrate rotates at two revolutions per minute and revolves through a fixing jig and a sample holder. The distance between the substrate and the target surface was 50 mm. Ar, Kr, and N 2 were used as the introduction gas and introduced from the gas supply port.

まず成膜装置内のヒーターにより基材温度が500℃になった状態で90分間の加熱を行い、真空容器(チャンバー)内の圧力が4×10−3Paに達した後、Arガスを真空容器内に導入し、炉内の圧力を0.2Paとした。そして、基材に−200Vの直流バイアス電圧を印加し、Arイオンによる基材のクリーニングを10分間実施した。 First, heating is performed for 90 minutes with the substrate temperature at 500 ° C. by the heater in the film forming apparatus. After the pressure in the vacuum container (chamber) reaches 4 × 10 −3 Pa, the Ar gas is evacuated. The pressure inside the furnace was 0.2 Pa. Then, a DC bias voltage of −200 V was applied to the substrate, and the substrate was cleaned with Ar ions for 10 minutes.

中間皮膜にTiの窒化物を被覆する試料番号1〜7、9〜12、14では、容器内の圧力を1×10−3Paに真空排気して、基材の温度を450℃の一定とし、一定流量のArガス295ml、Krガス200mlのもとで、容器内の圧力が580mPaになるようにNガスを導入した。
そして、バイアス電圧を−100V、アノード電圧を−90Vに設定し、カソード1にパルス状に電力を供給して、中間皮膜を被覆した。続いて、カソード2、3にそれぞれ4kWのスパッタ電力を供給して、第1硬質皮膜を被覆した。
続いて、カソード1の電力供給を停止させ、そして、カソード2の電力供給を継続した状態で、カソード4、5に夫々4kWのスパッタ電源を供給して、60分間保持し、第2硬質皮膜を被覆した。
なお、試料番号7では、パルスモジュラーを使用せずに通常のスパッタリング法で中間皮膜を被覆した。
In sample numbers 1-7, 9-12, and 14 in which the intermediate film is coated with Ti nitride, the pressure in the container is evacuated to 1 × 10 −3 Pa, and the temperature of the substrate is kept constant at 450 ° C. N 2 gas was introduced under a constant flow rate of Ar gas of 295 ml and Kr gas of 200 ml so that the pressure in the container was 580 mPa.
The bias voltage was set to -100 V, the anode voltage was set to -90 V, and power was supplied to the cathode 1 in a pulsed manner to coat the intermediate film. Subsequently, 4 kW of sputtering power was supplied to each of the cathodes 2 and 3 to coat the first hard coating.
Subsequently, with the power supply of the cathode 1 stopped, and with the power supply of the cathode 2 continued, a 4 kW sputtering power supply was supplied to the cathodes 4 and 5 respectively and held for 60 minutes, and the second hard coating was applied. Covered.
In Sample No. 7, an intermediate film was coated by a normal sputtering method without using a pulse modular.

中間皮膜にTi金属を被覆する試料番号8では、容器内の圧力を1×10−3Paに真空排気して、一定流量のKrガス200mlのもとで、容器内の圧力が580mPaになるようにArガスを導入した。そして、バイアス電圧を−100V、アノード電圧を−90Vに設定し、カソード1にパルス状に電力を供給して、中間皮膜を被覆した。
続いて、一定流量のArガス295ml、Krガス200mlに変更し、容器内の圧力が580mPaになるようにNガスを導入した。第1硬質皮膜と第2硬質皮膜の成膜条件は上記の窒化物を被覆する場合と同じである。
In sample number 8 where the intermediate film is coated with Ti metal, the pressure in the container is evacuated to 1 × 10 −3 Pa, and the pressure in the container becomes 580 mPa under a constant flow rate of 200 ml of Kr gas. Ar gas was introduced. The bias voltage was set to -100 V, the anode voltage was set to -90 V, and power was supplied to the cathode 1 in a pulsed manner to coat the intermediate film.
Subsequently, the flow rate was changed to 295 ml of Ar gas and 200 ml of Kr gas at a constant flow rate, and N 2 gas was introduced so that the pressure in the container was 580 mPa. The film forming conditions for the first hard film and the second hard film are the same as those for coating the nitride.

なお、試料番号13では、中間皮膜を成膜せずに基材の直上にそのまま硬質皮膜を被覆し、試料番号14では、硬質皮膜の成膜にカソード2、3のみを使用した。各皮膜の成膜条件の詳細を表1に示す。   In Sample No. 13, the intermediate coating was not formed, and the hard coating was coated directly on the substrate, and in Sample No. 14, only the cathodes 2 and 3 were used for forming the hard coating. Table 1 shows the details of the film forming conditions for each film.

各試料は200℃以下に冷却後、容器内から取り出し、試験片を用いて皮膜特性を評価した。皮膜組成は、電子プローブマイクロアナライザー(EPMA:日本電子(株)製JXA−8900R)を用いて分析した。分析は、皮膜の最表面に対し試験片を5度傾けた皮膜断面を鏡面研磨後、その研磨面にある中間皮膜、第1硬質皮膜、第2硬質皮膜の各層内では、できるだけ広範囲の平均値となるように、各層の分析領域を選定した。そして分析値は、加速電圧15kV、試料電流0.2μA、計数時間10秒とした測定を5回実施し、その平均値とした。表2に皮膜組成の分析結果を示す。   Each sample was cooled to 200 ° C. or lower, taken out from the container, and the film characteristics were evaluated using a test piece. The coating composition was analyzed using an electron probe microanalyzer (EPMA: JXA-8900R manufactured by JEOL Ltd.). The analysis was conducted by mirror-polishing the cross section of the film with the test piece tilted 5 degrees with respect to the outermost surface of the film, and then averaging the values as wide as possible within each layer of the intermediate film, the first hard film, and the second hard film on the polished surface. The analysis area of each layer was selected so that The analysis value was measured five times with an acceleration voltage of 15 kV, a sample current of 0.2 μA, and a counting time of 10 seconds, and the average value was obtained. Table 2 shows the analysis results of the coating composition.

株式会社エリオニクス製のナノインデンテーション装置を用い、硬質皮膜の硬度を測定した。皮膜の硬度を測定するために、試験片を5度傾けて、鏡面研磨後、皮膜の研磨面内で最大押し込み深さが各層厚の略1/10未満となる領域を選定した。このとき略1/5程度でも基材の影響はなかった。押込み荷重49mN、最大荷重保持時間1秒、荷重負荷後の除去速度0.49mN/秒の測定条件で10点測定し、その平均値を求めた。本測定方法における皮膜硬度は、圧子の微細形状、測定時の温度、湿度、試料の表面状態に左右され易く、得られる数値は必ずしもビッカース硬さと一致しない。そこで、標準試料として単結晶Siの硬度も同時に測定している。そのときの単結晶Siの皮膜硬さが12GPaであり、本測定結果をもとに相対比較することができる。測定場所は第2硬質皮膜である表層側の硬度を測定した。   The hardness of the hard coating was measured using a nanoindentation device manufactured by Elionix Co., Ltd. In order to measure the hardness of the film, the test piece was tilted by 5 degrees, and after mirror polishing, a region where the maximum indentation depth was less than about 1/10 of the thickness of each layer was selected within the polishing surface of the film. At this time, there was no influence of the base material even at about 1/5. Ten points were measured under the measurement conditions of an indentation load of 49 mN, a maximum load holding time of 1 second, and a removal speed after loading of 0.49 mN / second, and the average value was obtained. The film hardness in this measurement method is easily influenced by the fine shape of the indenter, the temperature, humidity at the time of measurement, and the surface condition of the sample, and the obtained numerical values do not necessarily match the Vickers hardness. Therefore, the hardness of single crystal Si is also measured simultaneously as a standard sample. The film hardness of the single crystal Si at that time is 12 GPa, and a relative comparison can be made based on this measurement result. The measurement place measured the hardness of the surface side which is a 2nd hard film.

中間皮膜の膜厚、結晶粒子幅、そして硬質皮膜の柱状粒子の幅を測定するために、各試料の皮膜断面を透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて観察した。膜厚は、組成分析も行って測定した。
まず、試料を切断し、エポキシ樹脂を用いてダミー基板を接着し、切断、Mo製補強リング接着、研磨、ディンプリング、Arイオンミーリングを行い断面TEM試料を作成した。最後にカーボン蒸着を施した。設備は日本電子株式会社製JEM−2010F型電界放射型透過電子顕微鏡を用い加速電圧を200kVとした。
図1に、試料番号2の硬質皮膜の柱状粒子の平均幅の測定事例を示す。硬質皮膜の柱状粒子の幅は、皮膜表面から深さ方向に0.5μmの位置に、基材表面に対して平行に直線を引いた時に接する柱状粒子の幅を測定した。50個の柱状粒子を測定して硬質皮膜の柱状粒子の平均幅とした。他の試料も同様の要領で測定した。
In order to measure the film thickness of the intermediate film, the crystal particle width, and the width of the columnar particles of the hard film, the film cross section of each sample was observed using a transmission electron microscope (TEM). The film thickness was also measured by conducting a composition analysis.
First, a sample was cut, a dummy substrate was bonded using an epoxy resin, cut, Mo reinforcing ring bonding, polishing, dimple ring, and Ar ion milling were performed to create a cross-sectional TEM sample. Finally, carbon deposition was performed. The equipment was a JEM-2010F field emission type transmission electron microscope manufactured by JEOL Ltd., and the acceleration voltage was 200 kV.
FIG. 1 shows a measurement example of the average width of the columnar particles of the hard film of sample number 2. The width of the columnar particles of the hard coating was measured by measuring the width of the columnar particles contacting when a straight line was drawn parallel to the substrate surface at a position of 0.5 μm in the depth direction from the coating surface. Fifty columnar particles were measured and used as the average width of the hard coating columnar particles. The other samples were measured in the same manner.

図2に、試料番号1の中間皮膜の観察写真の事例を示す。図3はその模式図を示す。格子像が連続して暗く見える結晶粒子と、結晶配向が異なり明るく見える結晶粒子が観察される。個々の結晶粒子の幅は、膜厚とは垂直方向にある結晶粒子の中心幅から測定した。そして、連続する50個の結晶粒子幅を測定して、中間皮膜の結晶粒子の平均幅とした。
図4に、試料番号6の中間皮膜の観察写真の事例を示す。図5にはその模式図を示す。
他の試料も同様の要領で測定した。
FIG. 2 shows an example of an observation photograph of the intermediate film of sample number 1. FIG. 3 shows a schematic diagram thereof. There are observed crystal grains in which the lattice images continuously appear dark and crystal grains in which the crystal orientation is different and appear bright. The width of each crystal grain was measured from the center width of the crystal grain in a direction perpendicular to the film thickness. Then, the width of 50 continuous crystal grains was measured and used as the average width of the crystal grains of the intermediate coating.
In FIG. 4, the example of the observation photograph of the intermediate film of the sample number 6 is shown. FIG. 5 shows a schematic diagram thereof.
The other samples were measured in the same manner.

硬質皮膜の表面からX線回折を行い、各試料の結晶構造を調べた。使用した設備は株式会社リガク社製X線回折装置であり、管電圧120kV、管電流40mA、X線源Cukα、X線入射角5度、X線入射スリット0.4mm、2θを20〜90度の条件で測定した。バックグラウンドを除去したX線回折プロファイルの結果から、立方晶B1構造の面指数のうち(111)、(200)、(220)の強度順位、(111)と(220)強度比、(111)から算出した格子定数を測定した。
図6に、本発明例である試料番号2のXRDプロファイルを示す。最も強い強度面は(200)、次いで(220)、(111)となっていることが確認される。
X-ray diffraction was performed from the surface of the hard coating, and the crystal structure of each sample was examined. The equipment used was an X-ray diffractometer manufactured by Rigaku Corporation, with a tube voltage of 120 kV, a tube current of 40 mA , an X-ray source Cukα, an X-ray incident angle of 5 degrees, an X-ray incident slit of 0.4 mm, and 2θ of 20 to 90. Measured under the condition of degree. From the results of the X-ray diffraction profile with the background removed, the intensity order of (111), (200), (220), (111) and (220) intensity ratio, (111) among the plane indices of the cubic B1 structure. The lattice constant calculated from the above was measured.
FIG. 6 shows an XRD profile of Sample No. 2, which is an example of the present invention. It is confirmed that the strongest strength surface is (200), and then (220) and (111).

切削試験はボールエンドミルを用い、以下の切削条件で実施した。
なお、同一条件で成膜したし試験片とボールエンドミルが同一の皮膜特性であることは確認済みである。
被削材:マルテンサイト系ステンレス鋼(HRC52)
工具回転数:20000回転/分
テーブル送り量:4000m/分
切り込み深さ:軸方向0.4mm、ピックフィード0.2
mm
加工方法:ドライ切削
寿命判定:最大摩耗幅が0.1mmに達するまでの切削長、但し10m未満切り捨て
The cutting test was conducted using a ball end mill under the following cutting conditions.
It has been confirmed that the film was formed under the same conditions and that the test piece and the ball end mill have the same film characteristics.
Work material: Martensitic stainless steel (HRC52)
Tool rotation speed: 20000 rotation / min Table feed amount: 4000 m / min Cutting depth: 0.4 mm in the axial direction, pick feed 0.2
mm
Machining method: Dry cutting Life judgment: Cutting length until maximum wear width reaches 0.1mm, but rounded down to less than 10m

表3に皮膜特性の測定結果および切削試験結果を示す。   Table 3 shows the measurement results of the film properties and the cutting test results.

本発明の中間皮膜の膜厚と結晶粒子の平均幅が適切に制御されている。そのため、硬質皮膜は、中間皮膜との界面から微細で、緻密化しており、密着性が優れ、硬度も高くなった。中でも、硬質皮膜の柱状粒子の平均幅、配向強度が好ましい状態の、試料番号1、2、8、11は工具寿命が特に優れた。
比較例である試料番号3は、中間皮膜の膜厚が厚く、密着性が不十分で工具寿命が短くなった。
比較例である試料番号7、8は、中間皮膜の結晶粒子幅が十分に微細化されず、その直上で成長する硬質皮膜が緻密化せず密着性も悪いため、工具寿命が短くなった。
比較例である試料番号12は、硬質皮膜の被覆時に印加する負圧のバイアス電圧が低いため、硬質皮膜の柱状粒子が粗大で緻密化せず、皮膜強度が低く工具寿命が短くなった。
比較例である試料番号13は、中間皮膜を設けないため基材との密着性が極めて悪い。さらに、硬質皮膜の柱状粒子が粗大で、緻密化せず、切削初期で皮膜剥離が発生した。
The film thickness of the intermediate film of the present invention and the average width of the crystal grains are appropriately controlled. Therefore, the hard coating was fine and dense from the interface with the intermediate coating, and had excellent adhesion and high hardness. Among them, Sample Nos. 1, 2, 8, and 11 in which the average width and orientation strength of the columnar particles of the hard coating are preferable have particularly excellent tool life.
In Sample No. 3, which is a comparative example, the film thickness of the intermediate film was large, the adhesion was insufficient, and the tool life was shortened.
In Sample Nos. 7 and 8 which are comparative examples, the crystal grain width of the intermediate coating was not sufficiently refined, and the hard coating grown immediately above was not densified and poor adhesion, resulting in a short tool life.
Sample No. 12, which is a comparative example, had a low negative pressure bias voltage applied during the coating of the hard coating, so the columnar particles of the hard coating were coarse and not densified, the coating strength was low, and the tool life was shortened.
Since sample number 13 which is a comparative example does not provide an intermediate film, it has very poor adhesion to the substrate. Further, the columnar particles of the hard film were coarse and not densified, and film peeling occurred at the initial stage of cutting.

硬質皮膜の表面と断面組織を比較するため、本発明例である試料番号2と、比較例である試料番号7、13を観察した。皮膜最表面を走査電子顕微鏡で観察し、破断面写真は収束イオンビーム(FIB)により皮膜の断面試料を作製し、イオン励起2次電子像(SIM)で観察した。図7〜9にそれぞれの試料の観察写真を示す。
試料番号2、7、13の組織形態を比較すると、中間皮膜の形態によって、その直上で成長する硬質皮膜の形態が変化していることが確認される。
本発明例である試料番号2では、硬質皮膜が緻密且つ微粒で、中間皮膜との界面および硬質皮膜中に空隙は見当たらない。一方、中間皮膜の結晶粒子幅が大きい試料番号7では、中間皮膜との界面から空隙が多く、硬質皮膜の柱状粒子が粗大化している。特に、中間皮膜が無い使用番号13では、空隙が多く柱状粒子の粗大化が著しい。
In order to compare the surface of the hard coating and the cross-sectional structure, sample number 2 as an example of the present invention and sample numbers 7 and 13 as comparative examples were observed. The outermost surface of the film was observed with a scanning electron microscope, and a cross-sectional photograph of the film was prepared with a focused ion beam (FIB) and observed with an ion-excited secondary electron image (SIM). 7 to 9 show observation photographs of the respective samples.
Comparing the tissue forms of Sample Nos. 2, 7, and 13, it is confirmed that the form of the hard film growing immediately above changes depending on the form of the intermediate film.
In Sample No. 2, which is an example of the present invention, the hard coating is dense and fine, and no voids are found in the interface with the intermediate coating and in the hard coating. On the other hand, in Sample No. 7 where the crystal grain width of the intermediate coating is large, there are many voids from the interface with the intermediate coating, and the columnar particles of the hard coating are coarsened. In particular, in use number 13 having no intermediate film, there are many voids and the columnar particles are significantly coarsened.

本発明例である試料番号2と、比較例である試料番号7について、高周波グロー放電発光分析によって、深さ方向の組成分析を行った。それぞれ、図10、11にその結果を示す。硬質皮膜の最表面(スパッタリング時間0秒)から基材側に向かって、第2硬質皮膜、第1硬質皮膜、中間皮膜、基材の分析を行った。
本発明例ではTiを主成分とする中間皮膜の直下、つまり基材表面側で母材中の炭素が外向拡散していることが確認される。一方、比較例ではTiを主成分とする中間皮膜を含むものの、炭素の外向拡散は確認できなかった。
本発明の製造方法で成膜した試料番号2では、中間皮膜を成膜する時のエネルギーが高いので、基材に含まれる炭素が外拡散により界面で炭化物を成形し易く、該基材の表面近傍に炭素が濃化した領域を形成できることがわかる。
Sample No. 2 as an example of the present invention and Sample No. 7 as a comparative example were subjected to composition analysis in the depth direction by high-frequency glow discharge emission analysis. Respectively, and the results are shown in Figure 10 and 11. From the outermost surface of the hard coating (sputtering time 0 seconds) toward the substrate, the second hard coating, the first hard coating, the intermediate coating, and the substrate were analyzed.
In the example of the present invention, it is confirmed that the carbon in the base material is diffused outward just below the intermediate film containing Ti as a main component, that is, on the substrate surface side. On the other hand, although the comparative example includes an intermediate film mainly composed of Ti, no outward diffusion of carbon was confirmed.
Sample No. 2 was deposited by the manufacturing method of the present invention, the energy at the time of forming the intermediate film is high, easy carbon contained in the base material by forming a carbide at the interface by the outer direction diffusion, of the substrate It can be seen that a carbon-enriched region can be formed near the surface.

試料番号15〜28の作製で、中間皮膜の成膜は、実施例1の試料番号1と同様の条件とした。硬質皮膜の成膜は、実施例1で使用したカソード2、3、4、5に設置するターゲットを各種変更して、各ターゲットへ投入する電力を調整することで作製した。皮膜特性の測定と切削試験は、実施例1と同一条件で評価した。表4に本発明例の試料番号15〜28の皮膜組成を示す。表5に皮膜特性の測定結果および切削試験結果を示す。   In preparation of Sample Nos. 15 to 28, the intermediate film was formed under the same conditions as Sample No. 1 in Example 1. The hard film was formed by changing various targets to be installed on the cathodes 2, 3, 4, and 5 used in Example 1 and adjusting the electric power supplied to each target. The measurement of the film properties and the cutting test were evaluated under the same conditions as in Example 1. Table 4 shows the film compositions of Sample Nos. 15 to 28 of the present invention. Table 5 shows the measurement results of the film properties and the cutting test results.

本発明例である試料番号15〜28は、中間皮膜の膜厚が5nm、結晶粒子の平均幅が5nmであった。そして、硬質皮膜も微細で緻密化しており、優れた切削性能を示した。
特に、硬質皮膜の柱状粒子の平均幅と、配向強度が好ましい条件を満たす試料番号15、17、18、19、22、23、24、27、28では切削距離が600m以上と極めて優れた工具寿命を示した。
Sample numbers 15 to 28, which are examples of the present invention, had an intermediate film thickness of 5 nm and an average width of crystal grains of 5 nm. The hard coating was also fine and dense, and showed excellent cutting performance.
In particular, in Sample Nos. 15, 17, 18, 19, 22, 23, 24, 27, and 28, which satisfy the preferable conditions of the average width and orientation strength of the hard coating columnar particles, the cutting distance is 600 m or more and the tool life is extremely excellent. showed that.

実金型での評価として、SKH51(硬さ64HRC)製カップ成形用冷間鍛造金型を作製して、本発明の実金型における寿命評価を行った。この金型は、直径30mm、高さ250mmの寸法で、その先端部にカップ成型のための作業面が加工されている。まず、焼鈍状態にて素材を金型形状に粗加工した。そして、これを真空中1180℃の加熱保持より窒素ガス冷却により焼入れ後、560℃で焼戻して、64HRCに調質した。
そして、最後に仕上げ加工(ダイヤモンドペーストによる磨き+ヤマシタワークス社製のエアロラップ装置AERO LAP YT−300によるエアロラップ処理)を行うことで最終形状に整えた金型の作業面に、実施例1で評価した本発明例である試料番号2と、比較例である試料番号7の皮膜を被覆した。
As evaluation with a real metal mold, a cold forging metal mold for cup molding made of SKH51 (hardness 64HRC) was produced, and the life evaluation in the real metal mold of the present invention was performed. The mold has a diameter of 30 mm and a height of 250 mm, and a working surface for cup molding is processed at the tip. First, the raw material was roughly processed into a mold shape in the annealed state. Then, this was quenched by nitrogen gas cooling from heating and holding at 1180 ° C. in a vacuum, tempered at 560 ° C., and tempered to 64 HRC.
Finally, finish processing (polishing with diamond paste + aero lapping treatment with Aero Lap YT-300 manufactured by Yamashita Towers Co., Ltd.) is performed on the work surface of the mold adjusted to the final shape in Example 1 The film of the sample number 2 which is the evaluated example of the present invention and the sample number 7 which is a comparative example was coated.

JISに規定される機械構造用炭素鋼S50Cを被加工材として、上記で作製したカップ成形用冷間鍛造金型により、これに冷間鍛造を行った。そして、製品に縦キズが発生したときのショット数で、金型の耐久性を評価した。   Cold forging was performed on the cold forging die for cup forming produced above using the carbon steel for mechanical structure S50C defined in JIS as a workpiece. The durability of the mold was evaluated based on the number of shots when vertical flaws occurred in the product.

本発明例である試料番号2の硬質皮膜を被覆した金型では、20000ショット以上安定して加工できた。これに対し、比較例である試料番号7の硬質皮膜を被覆した金型では、約3000ショットでカジリが発生し、本発明の硬質皮膜を被覆した被覆金型の耐久性が極めて優れることが確認された。   The mold coated with the hard film of Sample No. 2 as an example of the present invention could be stably processed for 20000 shots or more. On the other hand, in the mold coated with the hard film of Sample No. 7 as a comparative example, galling occurs after about 3000 shots, and it is confirmed that the durability of the coated mold coated with the hard film of the present invention is extremely excellent. It was done.

本発明の被覆工具は、皮膜が優れた密着性を示し、耐熱性と耐摩耗性も併せ持つ。そのため、切削工具ならびに冷間および温熱間における鍛造、プレス加工等の塑性加工用工具に使用することでその工具寿命を大幅に改善することができる。
そして、本発明皮膜の優れた耐摩耗性、耐酸化性、密着性を考慮すると、使用条件によっては、鉄系に限らず、Ni基合金、チタニウム、アルミニウム、ならびにそれらの合金の加工に使用される切削工具や塑性加工用金型、溶融金属に接して使用されるダイカストおよび鋳造に使用される金型、もしくは鋳抜きピンや、ダイカストの射出機に使用されるピストンリング等の鋳造用部材としても、転用が可能である。
In the coated tool of the present invention, the film exhibits excellent adhesion, and has both heat resistance and wear resistance. Therefore, the tool life can be significantly improved by using it for cutting tools and tools for plastic working such as forging and pressing in cold and warm conditions.
And considering the excellent wear resistance, oxidation resistance and adhesion of the coating of the present invention, depending on the conditions of use, it is used not only for iron-based but also for processing Ni-based alloys, titanium, aluminum, and alloys thereof. Cutting tools, plastic working dies, die castings used in contact with molten metal and dies used for casting, or casting pins, piston rings used for die casting machines, etc. Can also be diverted.

Claims (16)

基材表面に皮膜を被覆した被覆工具であり、該皮膜は、硬度が30GPa以上であるAlCr系の窒化物または炭窒化物の硬質皮膜と、該硬質皮膜と基材との界面にある中間皮膜からなり、該中間皮膜は、膜厚が2〜40nm、結晶粒子の平均幅が40nm以下のTiまたはTiの窒化物、炭化物、炭窒化物の何れかからなることを特徴とする耐久性に優れる被覆工具。 A coated tool having a coating on the surface of a substrate, the coating comprising an AlCr-based nitride or carbonitride hard coating having a hardness of 30 GPa or more, and an intermediate coating at the interface between the hard coating and the substrate The intermediate film is excellent in durability characterized by being composed of any one of Ti or Ti nitride, carbide, carbonitride having a film thickness of 2 to 40 nm and an average width of crystal grains of 40 nm or less. Coated tool. 中間皮膜は、Tiの窒化物であることを特徴とする請求項1に記載の耐久性に優れる被覆工具。 The coated tool excellent in durability according to claim 1, wherein the intermediate film is a nitride of Ti. 硬質皮膜は、金属成分としてSiを含むことを特徴とする請求項1または2に記載の耐久性に優れる被覆工具。 3. The coated tool with excellent durability according to claim 1 or 2, wherein the hard coating contains Si as a metal component. 硬質皮膜は、金属成分としてTiを含むことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の耐久性に優れる被覆工具。 4. The coated tool with excellent durability according to claim 1, wherein the hard coating contains Ti as a metal component. 硬質皮膜の断面組織は、基材表面に対して垂直方向に成長した柱状粒子の集合からなり、該柱状粒子の平均幅が0.3μm以下であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の耐久性に優れる被覆工具。 The cross-sectional structure of the hard film is composed of a collection of columnar particles grown in a direction perpendicular to the substrate surface, and the average width of the columnar particles is 0.3 µm or less. A coated tool having excellent durability as described in Crab. 硬質皮膜は、中間皮膜直上の第1硬質皮膜と、該第1硬質皮膜直上の第2硬質皮膜からなり、該第1硬質皮膜は、金属成分の組成が(AlCrTi)[但し、原子%で、X+Y+Z=100、50<X<75、20≦Y<50、0<Z≦10]の窒化物または炭窒化物、該第2硬質皮膜は、金属成分の組成が(AlCrSi)[但し、原子%でU+V+W=100、50<U<75、20≦V<50、0<W≦10]の窒化物または炭窒化物であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の耐久性に優れる被覆工具。 The hard film is composed of a first hard film immediately above the intermediate film and a second hard film immediately above the first hard film. The first hard film has a metal component composition of (Al X Cr Y Ti Z ) [However, The nitride or carbonitride of X + Y + Z = 100, 50 <X <75, 20 ≦ Y <50, 0 <Z ≦ 10] in atomic%, the second hard film has a metal component composition of (Al U Cr V Si W ) [wherein, U + V + W = 100 in atomic%, 50 <U <75, 20 ≦ V <50, 0 <W ≦ 10] nitride or carbonitride. The coated tool excellent in durability in any one of thru | or 5. 第1硬質皮膜は、金属成分としてSiを10原子%以下含むことを特徴とする請求項6に記載の耐久性に優れる被覆工具。 The coated tool with excellent durability according to claim 6, wherein the first hard film contains 10 atomic% or less of Si as a metal component. 第2硬質皮膜は、金属成分としてTiを10原子%以下含むことを特徴とする請求項6または7に記載の耐久性に優れる被覆工具。 The coated tool with excellent durability according to claim 6 or 7, wherein the second hard coating contains 10 atomic% or less of Ti as a metal component. 第2硬質皮膜の断面組織は、基材表面に対して垂直方向に成長した柱状粒子の集合からなり、該柱状粒子の平均幅が0.3μm以下であることを特徴とする請求項6ないし8のいずれかに記載の耐久性に優れる被覆工具。 The cross-sectional structure of the second hard film is composed of a collection of columnar particles grown in a direction perpendicular to the substrate surface, and the average width of the columnar particles is 0.3 µm or less. A coated tool having excellent durability according to any one of the above. 硬質皮膜は、表面からのX線回折で立方晶B1構造の結晶構造を示し、その面指数のうち(111)に最大強度を示し、(111)の回折強度をI(111)、(200)の回折強度をI(200)、(220)の回折強度をI(220)としたとき、I(111)>I(220)>I(200)を満たし、かつI(111)/I(220)>2.0を満足することを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の耐久性に優れる被覆工具。 The hard coating exhibits a crystal structure of cubic B1 structure by X-ray diffraction from the surface, shows the maximum intensity at (111) of its plane index, and the diffraction intensity of (111) is I (111), (200) When I (200) and (220) are I (220), I (111)> I (220)> I (200) is satisfied and I (111) / I (220) )> 2.0 is satisfied, The coated tool having excellent durability according to any one of claims 1 to 9. 立方晶B1構造の格子定数が0.414nmより大きいことを特徴とする請求項10に記載の耐久性に優れる被覆工具。 The coated tool excellent in durability according to claim 10, wherein the lattice constant of the cubic B1 structure is larger than 0.414 nm. 基材表面に皮膜を被覆する被覆工具の製造方法であって、基材直上に、カソードの最大出力を0.1〜0.2MWでTiターゲットを用いたスパッタリング法により、膜厚が2〜40nm、結晶粒子の平均幅が40nm以下のTiまたはTiの窒化物、炭化物、炭窒化物の何れかからなる中間皮膜を形成し、次いで、該中間皮膜の直上に、基材に印加する負圧のバイアス電圧を100〜140Vで、AlCr系ターゲットを用いたスパッタリング法により、AlCr系の窒化物または炭窒化物からなる硬質皮膜を被覆することを特徴とする耐久性に優れる被覆工具の製造方法。 A method of manufacturing a coated tool for coating a surface of a substrate with a film thickness of 2 to 40 nm directly above the substrate by sputtering using a Ti target with a maximum cathode output of 0.1 to 0.2 MW. An intermediate film made of Ti or Ti nitride, carbide or carbonitride with an average width of crystal grains of 40 nm or less is formed, and then a negative pressure applied to the substrate is directly above the intermediate film. a bias voltage - 100 - with 140 V, by a sputtering method using a AlCr based target, method for producing a coated tool having excellent durability, which comprises coating the hard film composed of a nitride or a carbonitride of AlCr based . 中間皮膜の被覆では、Tiの窒化物を形成すること特徴とする請求項12に記載の耐久性に優れる被覆工具の製造方法。 13. The method for manufacturing a coated tool with excellent durability according to claim 12, wherein the intermediate film is coated with a nitride of Ti. 硬質皮膜の被覆では、組成の異なる2種類のAlCr系ターゲットを用いて、中間皮膜直上の第1硬質皮膜と、該第1硬質皮膜直上の第2硬質皮膜を形成することを特徴とする請求項12または13に記載の耐久性に優れる被覆工具の製造方法。 The hard coating is characterized in that two types of AlCr-based targets having different compositions are used to form a first hard coating just above the intermediate coating and a second hard coating just above the first hard coating. A method for producing a coated tool having excellent durability according to 12 or 13. 第2硬質皮膜の被覆では、金属成分としてSiを含んだAlCr系ターゲットを用いることを特徴とする請求項14に記載の耐久性に優れる被覆工具の製造方法。 The method for manufacturing a coated tool with excellent durability according to claim 14, wherein an AlCr-based target containing Si as a metal component is used for coating the second hard film. 硬質皮膜の被覆では、基材に印加する負圧のバイアス電圧を120V〜140Vとすることを特徴とする請求項12ないし15のいずれかに記載の耐久性に優れる被覆工具の製造方法。 The coating of the hard film, the bias voltage of the negative pressure applied to the substrate - 120V~ - 140V and manufacturing method of the coated tool having excellent durability according to any one of claims 12 to 15, characterized in that.
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