JP6206800B2 - Method for producing coating film - Google Patents

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Description

本発明は、被膜、切削工具および被膜の製造方法に関し、特に、耐酸化性および硬度に優れた被膜、その被膜を含む切削工具およびその被膜の製造方法に関する。   The present invention relates to a coating, a cutting tool, and a method for manufacturing the coating, and more particularly, to a coating excellent in oxidation resistance and hardness, a cutting tool including the coating, and a method for manufacturing the coating.

従来から、超硬合金などからなる切削工具を用いて、鋼、鋳物などの切削加工が行われている。このような切削工具は、切削加工時において、その刃先が高温、高圧などの過酷な環境に曝されるため、刃先が摩耗したり、欠けたりするといった問題が生じる傾向にある。このように、切削工具の切削性能には課題がある。   Conventionally, cutting of steel, castings, and the like has been performed using a cutting tool made of cemented carbide. In such a cutting tool, the cutting edge is exposed to a severe environment such as high temperature and high pressure during the cutting process, and thus the cutting edge tends to be worn or chipped. Thus, there is a problem in the cutting performance of the cutting tool.

そこで、切削工具の切削性能の改善を目的として、超硬合金などの基材の表面を被覆する被膜の開発が進められている。なかでも、チタンとアルミニウムとを含む窒化物(以下、「Ti1-xAlxN」ともいう。)からなる被膜は、高い硬度を有することができるとともに、Alの含有割合xを高めることによって耐酸化性を高めることができる。このような被膜によって切削工具を被覆することにより、切削工具の性能の顕著な改善が可能であるため、当該被膜のさらなる開発が期待されている。 Therefore, for the purpose of improving the cutting performance of the cutting tool, development of a coating that covers the surface of a base material such as cemented carbide is underway. In particular, a film made of a nitride containing titanium and aluminum (hereinafter also referred to as “Ti 1-x Al x N”) can have high hardness and increase the Al content ratio x. Oxidation resistance can be increased. By covering the cutting tool with such a coating, the performance of the cutting tool can be remarkably improved, and further development of the coating is expected.

たとえば、特開平7−205362号公報(特許文献1)には、TiN層およびAlN層を0.4nm〜50nmの周期で組成を連続的に変化させた多層構造の被膜が開示されている。該多層構造の周期中にはTi1-xAlxNが存在すると考えられている。しかし、この被膜はPVD(Physical Vapor Deposition)法により形成されているため、Ti1-xAlxNにおけるxを0.55よりも高く設計することはできなかった。このため、この被膜の耐酸化性には限界があり、さらなる改善が求められていた。 For example, JP-A-7-205362 (Patent Document 1) discloses a coating film having a multilayer structure in which the composition of a TiN layer and an AlN layer is continuously changed at a cycle of 0.4 nm to 50 nm. It is believed that Ti 1-x Al x N is present in the period of the multilayer structure. However, since this film is formed by a PVD (Physical Vapor Deposition) method, x in Ti 1-x Al x N cannot be designed to be higher than 0.55. For this reason, the oxidation resistance of this film has a limit, and further improvement has been demanded.

これに対し、特表2008−545063号公報(特許文献2)には、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によりTi1-xAlxNからなる被膜を作製する技術が開示されている。特許文献2には、Ti1-xAlxNにおけるxが0.75<x≦0.93であり、かつ面心立方構造(以下、「fcc型結晶構造」ともいう。)を有する被膜が開示されている。 On the other hand, Japanese Patent Publication No. 2008-545063 (Patent Document 2) discloses a technique for producing a film made of Ti 1-x Al x N by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Patent Document 2 discloses a film having a face-centered cubic structure (hereinafter also referred to as “fcc-type crystal structure”) in which x in Ti 1-x Al x N is 0.75 <x ≦ 0.93. It is disclosed.

特開平7−205362号公報JP-A-7-205362 特表2008−545063号公報Special table 2008-545063 gazette

しかしながら、特許文献2に開示される被膜では、fcc型結晶構造中に六方細密充填構造(以下、「hcp型結晶構造」ともいう。)を有するAlNが析出する場合がある。析出したhcp型結晶構造のAlN(以下、「hcp−AlN」ともいう。)は、被膜中に欠陥として存在することとなり、被膜の硬度、耐酸化性などを低下させる。   However, in the coating disclosed in Patent Document 2, AlN having a hexagonal close-packed structure (hereinafter also referred to as “hcp-type crystal structure”) may be deposited in the fcc-type crystal structure. The deposited hNp-type crystal structure AlN (hereinafter also referred to as “hcp-AlN”) exists as a defect in the film, and decreases the hardness and oxidation resistance of the film.

すなわち、従来の被膜では、Ti1-xAlxNが発揮し得る高い硬度と高い耐酸化性との両特性を十分に発揮させることが困難であり、それ故、Ti1-xAlxNが発揮し得る高い硬度と高い耐酸化性とを有する被膜は実現されておらず、また該被膜による切削工具の性能の改善は達成されていない。 That is, in the conventional film, Ti 1-x Al x N is that difficult to sufficiently exhibit the characteristics of both high hardness and high oxidation resistance can be exhibited, and therefore, Ti 1-x Al x N However, a coating having high hardness and high oxidation resistance that can be exhibited has not been realized, and the improvement of the performance of the cutting tool by the coating has not been achieved.

本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、Ti1-xAlxNが発揮し得る高い硬度と高い耐酸化性とを有することができる被膜を提供することにある。 The present invention has been made in view of the current situation as described above, and the object of the present invention is a coating film having high hardness and high oxidation resistance that Ti 1-x Al x N can exhibit. Is to provide.

本発明は、1または2以上の層により構成され、該層のうち少なくとも1層は、TiNからなる第1単位層と、Ti1-xAlxNからなる第2単位層とが交互に積層された多層構造を含み、第1単位層はfcc型結晶構造を有し、第2単位層はfcc型結晶構造を有し、Ti1-xAlxNにおけるxは、0.6以上0.9以下である、被膜である。 The present invention is composed of one or more layers, and at least one of the layers is formed by alternately laminating a first unit layer made of TiN and a second unit layer made of Ti 1-x Al x N. The first unit layer has an fcc-type crystal structure, the second unit layer has an fcc-type crystal structure, and x in Ti 1-x Al x N is 0.6 or more and 0.00. It is a film which is 9 or less.

また、本発明は、基材と、該基材を被覆する上記被膜と、を含む切削工具である。
また、本発明は、基材上に形成される、1または2以上の層により構成される被膜の製造方法であって、該層のうちの少なくとも1層を、CVD法を用いて形成するCVD工程を含み、CVD工程は、チタンおよびアルミニウムを含む第1ガスと、窒素を含む第2ガスとを、基材に向かって噴出する噴出工程と、噴出工程後の基材を、5分以上30分以下の期間、850℃以上1000℃以下の加熱条件でアニール処理するアニール工程と、アニール処理後の基材を、7℃/min以上の冷却速度で冷却する冷却工程と、を含む被膜の製造方法である。
Moreover, this invention is a cutting tool containing a base material and the said film which coat | covers this base material.
Moreover, this invention is a manufacturing method of the coating film comprised by the 1 or 2 or more layer formed on a base material, Comprising: CVD which forms at least 1 layer of this layer using CVD method The CVD process includes a step of jetting a first gas containing titanium and aluminum and a second gas containing nitrogen toward the base material, and the base material after the jetting process for 30 minutes or more. Production of a film comprising an annealing process for annealing under a heating condition of 850 ° C. or more and 1000 ° C. or less for a period of minutes or less, and a cooling process for cooling the annealed substrate at a cooling rate of 7 ° C./min or more. Is the method.

本発明において、Ti1-xAlxNからなる第2単位層におけるxを0.6以上0.9以下という高い数値に維持することができるとともに、第2単位層におけるhcp−AlNの析出を抑制することができる。このため、本発明によれば、Ti1-xAlxNが発揮し得る特性を最大限に発揮させることができ、もって、高い硬度と高い耐酸化性を有する被膜を提供することができる。 In the present invention, x in the second unit layer made of Ti 1-x Al x N can be maintained at a high value of 0.6 or more and 0.9 or less, and hcp-AlN is precipitated in the second unit layer. Can be suppressed. Therefore, according to the present invention, it is possible to maximize the characteristics that Ti 1-x Al x N can exhibit, and thus it is possible to provide a film having high hardness and high oxidation resistance.

本実施形態に係る被膜が基材上に設けられた図であって、該被膜が1つの層からなり、該1つの層が多層構造を含む層である場合に対応するTEM写真を示す図である。It is the figure where the film concerning this embodiment was provided on the substrate, and the film consists of one layer, and is a figure showing a TEM photograph corresponding to the case where the one layer is a layer including a multilayer structure. is there. 図1の要部を拡大したTEM写真を示す図である。It is a figure which shows the TEM photograph which expanded the principal part of FIG. 本実施形態の製造方法におけるCVD工程に用いられるCVD装置の概略的な断面図である。It is a schematic sectional drawing of the CVD apparatus used for the CVD process in the manufacturing method of this embodiment.

[本願発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施形態の概要について説明する。
[Description of Embodiment of Present Invention]
First, an outline of an embodiment of the present invention will be described.

本発明者らは、Ti1-xAlxNの高い硬度と、そのAlの含有割合xを高めることによる高い耐酸化性との両特性を十分に発揮できる被膜を実現すべく、各種検討を重ねた。 The inventors of the present invention have made various studies in order to realize a film that can sufficiently exhibit both the high hardness of Ti 1-x Al x N and the high oxidation resistance by increasing the Al content ratio x. Piled up.

具体的には、まず、本発明者らは、PVD法では実質的に含有割合xを0.55よりも高い数値に設計することが困難であることから、CVD法を用いて目的とするTi1-xAlxNからなる被膜の作製を試みた。そして、各種検討により、xが大きくなるにつれてhcp−AlNの析出の頻度が高まること、なかでも、xが0.7以上の場合にhcp−AlNの析出が顕著であることが分かった。 Specifically, first, the present inventors have difficulty in designing the content ratio x to a value higher than 0.55 by the PVD method. An attempt was made to produce a coating composed of 1-x Al x N. As a result of various studies, it has been found that the frequency of hcp-AlN precipitation increases as x increases, and in particular, the precipitation of hcp-AlN is significant when x is 0.7 or more.

このようなAlNの析出は、fcc型結晶構造のTi1-xAlxN(以下、「fcc−Ti1-xAlxN」ともいう。)におけるxが大きく、特に0.7以上になると、結晶構造に大きな歪みが生じることが原因と考えられる。すなわち、fcc−Ti1-xAlxNにおいて、その結晶構造をより安定な結晶構造とするための相転移がおこり、これによりfcc型結晶構造のTiN(以下、「fcc−TiN」ともいう。)とともにhcp−AlNが析出すると考えられる。析出したhcp−AlNは、前述のように被膜中の欠陥として存在することとなり、被膜の硬度、耐酸化性を低下させる要因となる。 Such precipitation of AlN occurs when x in Ti 1-x Al x N (hereinafter, also referred to as “fcc-Ti 1-x Al x N”) having an fcc-type crystal structure is large, particularly 0.7 or more. This is considered to be caused by a large distortion in the crystal structure. That is, in fcc-Ti 1-x Al x N, a phase transition occurs in order to make the crystal structure a more stable crystal structure, thereby causing TiN having an fcc-type crystal structure (hereinafter also referred to as “fcc-TiN”). ) And hcp-AlN are considered to precipitate. The deposited hcp-AlN exists as a defect in the film as described above, and causes a decrease in the hardness and oxidation resistance of the film.

そこで、本発明者らは、Ti1-xAlxNの相転移を抑制すべく鋭意検討を重ねた。そして、被膜中において、fcc−Ti1-xAlxNを単に1つの単一層として存在させるのではなく、fcc−Ti1-xAlxNからなる層を、その厚み方向においてfcc−TiNからなる層で挟み込む構造とにすることにより、上記の相転移を抑制できることを知見し、本発明に係る被膜、これを有する切削工具を完成させた。また、上記被膜は、CVD法において、従来とは全く異なった条件を採用した本発明に係る製造方法を用いることによって、初めて製造することができたものである。 Therefore, the present inventors have made extensive studies to suppress the phase transition of Ti 1-x Al x N. In the coating, fcc-Ti 1-x Al x N is not simply present as one single layer, but a layer composed of fcc-Ti 1-x Al x N is formed from fcc-TiN in the thickness direction. It was found that the above-described phase transition can be suppressed by adopting a structure sandwiched between layers, and the coating according to the present invention and a cutting tool having the coating were completed. In addition, the above-mentioned coating film can be produced for the first time by using the production method according to the present invention in which a completely different condition is employed in the CVD method.

(1)すなわち、本実施形態に係る被膜は、1または2以上の層により構成され、該層のうち少なくとも1層は、TiNからなる第1単位層と、Ti1-xAlxNからなる第2単位層とが交互に積層された多層構造を含み、第1単位層はfcc型結晶構造を有し、第2単位層はfcc型結晶構造を有し、Ti1-xAlxNにおけるxは、0.6以上0.9以下である、被膜である。 (1) That is, the coating film according to this embodiment is composed of one or more layers, and at least one of the layers is composed of a first unit layer made of TiN and Ti 1-x Al x N. The first unit layer has an fcc-type crystal structure, the second unit layer has an fcc-type crystal structure, and includes Ti 1-x Al x N. x is a film which is 0.6 or more and 0.9 or less.

本実施形態に係る被膜によれば、Ti1-xAlxNからなる第2単位層が、TiNからなる第1単位層と交互に積層されているため、第2単位層をその厚み方向において第1単位層によって挟み込むことができる。これにより、第2単位層において、Ti1-xAlxNのxを0.6以上0.9以下という高い数値に維持することができるとともに、第2単位層におけるhcp−AlNの析出を抑制することができる。したがって、本実施形態に係る被膜は、高い硬度と高い耐酸化性とを有することができる。 According to the coating according to the present embodiment, since the second unit layer made of Ti 1-x Al x N is alternately stacked with the first unit layer made of TiN, the second unit layer is arranged in the thickness direction. It can be sandwiched between the first unit layers. Thereby, in the second unit layer, x of Ti 1-x Al x N can be maintained at a high value of 0.6 or more and 0.9 or less, and the precipitation of hcp-AlN in the second unit layer is suppressed. can do. Therefore, the coating film according to the present embodiment can have high hardness and high oxidation resistance.

(2)本実施形態に係る被膜において好ましくは、第2単位層は、X線回折スペクトルにおいて、(111)面または(200)面由来のピークが最大強度を示す。(200)面由来のピークが最大強度を示す場合、第2単位層の表面は他の場合に比して特に平滑となり、これにより、被膜の耐溶着性が向上する。一方、(111)面由来のピークが最大強度を示す場合、第2単位層の表面は他の場合に比して特に安定な結晶面となり、これにより、被膜の硬度が向上する。   (2) In the film according to the present embodiment, preferably, in the X-ray diffraction spectrum of the second unit layer, a peak derived from the (111) plane or the (200) plane shows the maximum intensity. When the peak derived from the (200) plane shows the maximum intensity, the surface of the second unit layer is particularly smooth as compared to other cases, thereby improving the welding resistance of the coating. On the other hand, when the peak derived from the (111) plane shows the maximum intensity, the surface of the second unit layer becomes a particularly stable crystal plane as compared with other cases, thereby improving the hardness of the coating.

(3)本実施形態に係る被膜において好ましくは、多層構造において、第2単位層を挟んで隣り合う第1単位層間の距離が10nm以上40nm以下である。この場合、被膜は特に高い硬度を有することができ、さらに、高い靱性を有することができる。   (3) Preferably, in the coating film according to the present embodiment, in the multilayer structure, the distance between the first unit layers adjacent to each other with the second unit layer interposed therebetween is 10 nm or more and 40 nm or less. In this case, the coating can have a particularly high hardness and can also have a high toughness.

(4)本実施形態に係る被膜において好ましくは、第2単位層は、絶対値が2GPa以下である圧縮残留応力を有する。これにより、被膜は高い耐欠損性を有することができる。   (4) Preferably, in the coating according to this embodiment, the second unit layer has a compressive residual stress whose absolute value is 2 GPa or less. Thereby, the film can have high fracture resistance.

(5)本実施形態に係る切削工具は、基材と、基材を被覆する上記被膜と、を含む切削工具である。   (5) The cutting tool which concerns on this embodiment is a cutting tool containing a base material and the said film which coat | covers a base material.

本実施形態に係る切削工具によれば、上記の高い硬度と高い耐酸化性とを有する被膜によって基材が被覆されているため、切削加工時において、高い硬度と高い耐酸化性とを発揮することができ、もって切削性能に優れる。   According to the cutting tool according to the present embodiment, since the base material is covered with the coating having the high hardness and the high oxidation resistance, high hardness and high oxidation resistance are exhibited during the cutting process. Therefore, it has excellent cutting performance.

(6)本実施形態に係る切削工具において好ましくは、基材は、WC基超硬合金またはサーメットで構成される。これにより、より高い硬度と高い耐酸化性とを発揮することができる。   (6) In the cutting tool according to the present embodiment, preferably, the base material is composed of a WC-based cemented carbide or cermet. Thereby, higher hardness and high oxidation resistance can be exhibited.

(7)本実施形態に係る製造方法は、基材上に形成される、1または2以上の層により構成される被膜の製造方法であって、層のうちの少なくとも1層を、CVD法を用いて形成するCVD工程を含む。当該CVD工程は、チタンおよびアルミニウムを含む第1ガスと、窒素を含む第2ガスとを、基材の表面に向かって噴出する噴出工程と、噴出工程後の基材を、5分以上30分以下の期間、850℃以上1000℃以下の加熱条件でアニール処理するアニール工程と、アニール工程後の基材を、7℃/min以上の冷却速度で冷却する冷却工程と、を含む。   (7) The manufacturing method according to the present embodiment is a method for manufacturing a film formed of one or more layers formed on a substrate, and at least one of the layers is formed by a CVD method. Including a CVD process to be formed. In the CVD process, the first gas containing titanium and aluminum and the second gas containing nitrogen are jetted toward the surface of the base material, and the base material after the jetting process is processed for 5 minutes to 30 minutes. In the following period, the annealing process which anneals on the heating conditions of 850 degreeC or more and 1000 degrees C or less, and the cooling process which cools the base material after an annealing process at a cooling rate of 7 degrees C / min or more are included.

本実施形態に係る製造方法によれば、噴出工程後の基材を上記条件でアニール処理し、その後の基材を上記冷却速度で冷却することにより、噴出工程により形成されたチタン、アルミニウム、窒素を含む1つの層を第1単位層と第2単位層とに相転位(分離析出)させることができ、上記多層構造を有する層を形成させることができる。したがって、本実施形態によれば、上記の高い硬度と高い耐酸化性とを有する被膜を製造することができる。   According to the manufacturing method according to the present embodiment, the base material after the ejection process is annealed under the above conditions, and the subsequent base material is cooled at the cooling rate, thereby forming titanium, aluminum, and nitrogen formed by the ejection process. One layer containing can be phase transitioned (separated and separated) into the first unit layer and the second unit layer, and a layer having the multilayer structure can be formed. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to produce a film having the above-described high hardness and high oxidation resistance.

[本願発明の実施形態の詳細]
以下、図面に基づいて本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。また、本明細書において、硬質被膜を構成する各層の組成を「TiAlN」、「TiN」などの化学式を用いて表わす場合、原子比を特に限定しない場合は従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるものではない。たとえば、単に「TiN」と記す場合、「Ti」と「N」の原子比は50:50(1:1)の場合のみに限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれるものとする。
[Details of the embodiment of the present invention]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated. In addition, in this specification, when the composition of each layer constituting the hard coating is expressed using chemical formulas such as “TiAlN” and “TiN”, when the atomic ratio is not particularly limited, all conventionally known atomic ratios are included, It is not necessarily limited to the stoichiometric range. For example, when “TiN” is simply described, the atomic ratio of “Ti” to “N” is not limited to 50:50 (1: 1), and any conventionally known atomic ratio is included.

≪被膜≫
本実施形態に係る被膜は、1または2以上の層により構成され、層のうち少なくとも1層は、TiNからなる第1単位層と、Ti1-xAlxNからなる第2単位層とが交互に積層された多層構造を含む。また、後述するように、第1単位層はfcc型結晶構造を有し、第2単位層はfcc型結晶構造を含み、Ti1-xAlxNにおけるxは0.6以上0.9以下である。なお、「Ti1-xAlxN」の「Ti1-xAlx」と「N」との原子比は上記と同様に50:50(1:1)の場合のみに限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれるものとする。
≪Coating≫
The coating according to the present embodiment includes one or more layers, and at least one of the layers includes a first unit layer made of TiN and a second unit layer made of Ti 1-x Al x N. Includes a multi-layer structure stacked alternately. As will be described later, the first unit layer has an fcc-type crystal structure, the second unit layer includes an fcc-type crystal structure, and x in Ti 1-x Al x N is 0.6 or more and 0.9 or less. It is. The atomic ratio of "Ti 1-x Al x N" with "Ti 1-x Al x" and "N" as in the 50:50 (1: 1) is not limited only to the case of the conventionally known Any atomic ratio of

本実施形態の被膜によれば、多層構造を含む層(以下、「多層構造含有層」ともいう。)において、Ti1-xAlxNからなる第2単位層が、TiNからなる第1単位層と交互に積層されているため、第2単位層をその厚み方向において第1単位層によって挟み込むことができる。これにより、第2単位層において、Ti1-xAlxNのxを0.6以上0.9以下という高い数値に維持できているにもかかわらず、第2単位層におけるhcp−AlNの析出を抑制することができる。したがって、本実施形態に係る被膜によれば、Ti1-xAlxNの特性を最大限に発揮することができ、もって、高い硬度と高い耐酸化性とを有することができる。 According to the coating of the present embodiment, in the layer including a multilayer structure (hereinafter also referred to as “multilayer structure-containing layer”), the second unit layer made of Ti 1-x Al x N is the first unit made of TiN. Since the layers are alternately stacked, the second unit layer can be sandwiched between the first unit layers in the thickness direction. Thereby, in the second unit layer, although the x of Ti 1-x Al x N can be maintained at a high value of 0.6 or more and 0.9 or less, hcp-AlN is precipitated in the second unit layer. Can be suppressed. Therefore, according to the coating film according to the present embodiment, the characteristics of Ti 1-x Al x N can be exhibited to the maximum, and thus high hardness and high oxidation resistance can be obtained.

被膜全体の厚さは、好ましくは3μm以上30μm以下である。被膜全体の厚さが3μm以上であることにより、被膜全体の厚さが薄いことに起因する硬度の低下を防止することができる。また、被膜全体の厚さが30μm以下であることにより、被膜全体の厚さが厚いことに起因する被膜のチッピングを防止することができる。被膜全体の厚さは、より好ましくは5以上20μm以下であり、さらに好ましくは7μm以上15μm以下である。   The total thickness of the coating is preferably 3 μm or more and 30 μm or less. When the thickness of the entire coating is 3 μm or more, it is possible to prevent a decrease in hardness due to the thin thickness of the entire coating. Further, when the thickness of the entire coating is 30 μm or less, chipping of the coating due to the large thickness of the entire coating can be prevented. The thickness of the entire coating is more preferably 5 or more and 20 μm or less, and further preferably 7 μm or more and 15 μm or less.

このような被膜全体の厚さは、たとえば、被膜を任意の基材上に形成し、これを任意の位置で切断して、その断面を走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)または透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)で観察することにより測定することができる。なお、断面観察用のサンプルは、たとえば、集束イオンビーム装置(FIB:Focused Ion Beam system)、クロスセクションポリッシャー装置(CP:Cross section Polisher)などを用いて作製することができる。   The total thickness of such a coating is, for example, that a coating is formed on an arbitrary substrate, cut at an arbitrary position, and a cross section thereof is scanned by a scanning electron microscope (SEM) or a transmission type. It can measure by observing with an electron microscope (TEM: Transmission Electron Microscope). The sample for cross-sectional observation can be produced using, for example, a focused ion beam system (FIB), a cross section polisher (CP), or the like.

本実施形態に係る被膜は、上述の多層構造含有層を少なくとも1層含む限り、これ以外の他の層を含むことができ、他の層を含んでいたとしても、上述の顕著な効果を奏することができる。他の層としては、たとえば、多層構造含有層と基材との間に設けられる下地層、多層構造含有層上に設けられる表面保護層などを挙げることができる。   The coating according to the present embodiment can include other layers other than this as long as it includes at least one multilayer structure-containing layer described above, and exhibits the above-described remarkable effects even if other layers are included. be able to. Examples of the other layer include an underlayer provided between the multilayer structure-containing layer and the base material, and a surface protective layer provided on the multilayer structure-containing layer.

<多層構造含有層>
以下、上述の被膜に含まれる多層構造含有層について詳述する。
<Multilayer structure-containing layer>
Hereinafter, the multilayer structure-containing layer contained in the above-described coating will be described in detail.

図1は、本実施形態に係る被膜が基材上に設けられた図であって、該被膜が1つの層からなり、該1つの層が上記多層構造含有層である場合に対応するTEM写真を示す図である。また、図2は、図1の要部を拡大したTEM写真を示す図である。   FIG. 1 is a diagram in which a coating according to the present embodiment is provided on a substrate, and the TEM photograph corresponds to a case where the coating is composed of one layer, and the one layer is the multilayer structure-containing layer. FIG. Moreover, FIG. 2 is a figure which shows the TEM photograph which expanded the principal part of FIG.

図1および図2を参照し、基材11の表面を被覆する被膜10を構成する多層構造含有層は、第1単位層12(図2に示される多層構造中の淡色部分)および第2単位層13(図2に示される多層構造中の濃色の部分)が交互に積層された多層構造を含む。第1単位層12はfcc−TiNからなり、第2単位層13はfcc−Ti1-xAlxNからなり、Ti1-xAlxNにおけるxは0.6以上0.9以下である。 Referring to FIG. 1 and FIG. 2, the multilayer structure-containing layer constituting the film 10 covering the surface of the substrate 11 includes a first unit layer 12 (light colored portion in the multilayer structure shown in FIG. 2) and a second unit. It includes a multilayer structure in which the layers 13 (dark colored portions in the multilayer structure shown in FIG. 2) are alternately stacked. The first unit layer 12 is made of fcc-TiN, the second unit layer 13 is made of fcc-Ti 1-x Al x N, and x in Ti 1-x Al x N is 0.6 or more and 0.9 or less. .

被膜10を構成する多層構造含有層の組成は、たとえば、SEMまたはTEM付帯のエネルギー分散型X線分析(EDX:Energy Dispersive X-ray spectroscopy)装置により測定することができる。また、各層の結晶構造は、たとえば、X線回折(XRD:X-ray diffraction)装置により測定することができる。本実施形態では被膜10が1つの層からなる場合を例示しているが、被膜10が2以上の層からなる場合であっても、同様の方法により、被膜10を構成する各層の組成を測定することができる。なお、多層構造含有層は、酸素(O)、窒素(N)、炭素(C)などの不可避不純物を含んでいてもよい。   The composition of the multilayer structure-containing layer constituting the coating 10 can be measured by, for example, an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) apparatus attached to SEM or TEM. The crystal structure of each layer can be measured by, for example, an X-ray diffraction (XRD) apparatus. In this embodiment, the case where the film 10 is composed of one layer is illustrated, but even when the film 10 is composed of two or more layers, the composition of each layer constituting the film 10 is measured by the same method. can do. Note that the multilayer structure-containing layer may contain inevitable impurities such as oxygen (O), nitrogen (N), and carbon (C).

多層構造含有層全体の厚さdは、好ましくは1μm以上20μm以下である。多層構造含有層全体の厚さdが1μm以上であることにより、多層構造含有層の特性に由来する被膜10の顕著な特性の向上が可能となる。また、多層構造含有層全体の厚さdが20μmを超えた場合には、多層構造含有層の特性に由来する被膜10の特性の向上に大きな変化が見られないことから、経済的に有利でない。多層構造含有層全体の厚さdは、より好ましくは2μm以上15μm以下であり、さらに好ましくは5μm以上10μm以下である。   The thickness d of the entire multilayer structure-containing layer is preferably 1 μm or more and 20 μm or less. When the thickness d of the entire multilayer structure-containing layer is 1 μm or more, it is possible to significantly improve the characteristics of the coating 10 derived from the characteristics of the multilayer structure-containing layer. Further, when the thickness d of the entire multilayer structure-containing layer exceeds 20 μm, there is no significant change in the improvement of the characteristics of the coating film 10 derived from the characteristics of the multilayer structure-containing layer, which is not economically advantageous. . The thickness d of the entire multilayer structure-containing layer is more preferably 2 μm or more and 15 μm or less, and further preferably 5 μm or more and 10 μm or less.

図1および図2に示されるように、多層構造含有層は柱状晶領域を有しており、該柱状晶領域において、柱状結晶の長軸方向(図1および図2の各矢印が示す方向)に対し第1単位層12および第2単位層13が交互に積層された構成となっている。多層構造含有層はその全体が柱状晶領域のみから構成されてもよく、柱状晶領域の他、他の結晶領域を有していていもよい。ただし、多層構造の存在による被膜10の優位な特性を効果的に発揮するためには、多層構造を有する柱状晶領域は、好ましくは多層構造含有層の50体積%以上を占め、より好ましくは70体積%以上を占める。   As shown in FIGS. 1 and 2, the multilayer structure-containing layer has a columnar crystal region, and in the columnar crystal region, the major axis direction of the columnar crystal (the direction indicated by each arrow in FIGS. 1 and 2). In contrast, the first unit layer 12 and the second unit layer 13 are alternately laminated. The entire multilayer structure-containing layer may be composed only of columnar crystal regions, and may have other crystal regions in addition to the columnar crystal regions. However, in order to effectively exhibit the superior characteristics of the coating film 10 due to the presence of the multilayer structure, the columnar crystal region having the multilayer structure preferably occupies 50% by volume or more of the multilayer structure-containing layer, more preferably 70. Occupies volume% or more.

ここで、柱状晶領域とは、柱状結晶で構成される領域をいい、このような柱状結晶は基材11の面方向(図1中の左右方向)よりも、基材11の表面の法線方向(図1中の上下方向)に近似した方向、換言すれば、多層構造含有層の厚み方向に成長する。このような柱状結晶は、たとえば幅(径)が50〜500nmであり、成長方向に関する長さが1000〜10000nmの形状を有する。   Here, the columnar crystal region refers to a region composed of columnar crystals, and such columnar crystals are normal to the surface of the base material 11 rather than the surface direction of the base material 11 (the horizontal direction in FIG. 1). It grows in the direction approximate to the direction (vertical direction in FIG. 1), in other words, in the thickness direction of the multilayer structure-containing layer. Such a columnar crystal has, for example, a shape with a width (diameter) of 50 to 500 nm and a length with respect to the growth direction of 1000 to 10,000 nm.

上記柱状晶領域に構成される多層構造は、第2単位層13を第1単位層12で挟み込むように、第1単位層12および第2単位層13が周期的に繰り返して積層された多層構造である。ここで、周期的に繰り返して積層されるとは、第1単位層12と第2単位層13とが上下交互に積層する場合はもちろん、第1単位層12と、第2単位層13とに加えて他の第3単位層とが上中下と交互に繰り返して積層する場合も含む。第3単位層としては、たとえば、fcc型結晶構造のAlN(以下、「fcc−AlN」ともいう。)からなる層を挙げることができる。   The multilayer structure configured in the columnar crystal region is a multilayer structure in which the first unit layer 12 and the second unit layer 13 are periodically and repeatedly stacked so that the second unit layer 13 is sandwiched between the first unit layers 12. It is. Here, the term “repetitively laminated” means that the first unit layer 12 and the second unit layer 13 are laminated on the first unit layer 12 and the second unit layer 13 as well as the first unit layer 12 and the second unit layer 13 that are alternately laminated. In addition, it includes the case where other third unit layers are alternately and repeatedly laminated in the upper, middle and lower directions. Examples of the third unit layer include a layer made of AlN having an fcc crystal structure (hereinafter also referred to as “fcc-AlN”).

第1単位層12は、上述のようにfcc−TiNからなる。fcc−TiNは安定な結晶構造であり、また、高い熱安定性を有する。また、第2単位層13をその厚み方向において第1単位層12によって挟み込むことにより、第2単位層13におけるhcp−AlNの析出を抑制することができることから、多層構造の厚み方向の両端に位置する層は、第1単位層12であることが好ましい。これにより、全ての第2単位層13を第1単位層12によって挟み込むことができる。   The first unit layer 12 is made of fcc-TiN as described above. fcc-TiN has a stable crystal structure and has high thermal stability. In addition, since the second unit layer 13 is sandwiched between the first unit layers 12 in the thickness direction, the precipitation of hcp-AlN in the second unit layer 13 can be suppressed. The layer to be formed is preferably the first unit layer 12. Thereby, all the second unit layers 13 can be sandwiched between the first unit layers 12.

第2単位層13は、上述のようにfcc−Ti1-xAlxNからなり、Ti1-xAlxNのxは0.6以上0.9以下である。xがこのように高い数値であるfcc−Ti1-xAlxNは、たとえば、xが0.55以下のfcc−Ti1-xAlxNと比して特に高い耐酸化性を有する。ここで、Ti1-xAlxNのxが0.6以上0.9以下であるとは、Ti1-xAlxNにおけるAl含有割合の平均値が0.6以上0.9以下であることを意味する。したがって、たとえば、多層構造は、第2単位層13のうち第1単位層12と接する領域のTi1-xAlxNのxが0.6未満の場合もあり、また、たとえば第2単位層13のうち近隣する第1単位層12から最も離れた領域、すなわち第2単位層13の厚み方向に対する中間領域のTi1-xAlxNのxが0.9を超える場合もある。 As described above, the second unit layer 13 is made of fcc-Ti 1-x Al x N, and x of Ti 1-x Al x N is 0.6 or more and 0.9 or less. fcc-Ti 1-x Al x N in which x is such a high value has a particularly high oxidation resistance as compared with, for example, fcc-Ti 1-x Al x N in which x is 0.55 or less. Here, when x of Ti 1-x Al x N is 0.6 or more and 0.9 or less, the average value of Al content in Ti 1-x Al x N is 0.6 or more and 0.9 or less. It means that there is. Therefore, for example, in the multilayer structure, there is a case where x of Ti 1-x Al x N in a region in contact with the first unit layer 12 in the second unit layer 13 is less than 0.6, and for example, the second unit layer In some cases, x of Ti 1-x Al x N in a region farthest from the neighboring first unit layer 12 among 13, that is, an intermediate region in the thickness direction of the second unit layer 13 may exceed 0.9.

Ti1-xAlxNにおけるAl含有割合の平均値は、たとえば、次のようにして算出することができる。すなわち、まず、第2単位層13の厚み方向および面内方向に異なる任意の複数領域(たとえば、厚み方向において1nm、面内方向において0.5μm互いに離れた少なくとも5地点)に関し、EDXにより領域内の組成を分析する。これにより、第2単位層中の複数個所に位置する領域内の組成情報が得られる。そして、各組成情報から得られる複数のAlの含有割合を平均化することにより、Ti1-xAlxNにおけるAl含有割合の平均値xを算出することができる。 The average value of the Al content ratio in Ti 1-x Al x N can be calculated as follows, for example. That is, first, with respect to an arbitrary plurality of regions different in the thickness direction and in-plane direction of the second unit layer 13 (for example, at least 5 points separated from each other by 1 nm in the thickness direction and 0.5 μm in the in-plane direction) Analyze the composition. Thereby, composition information in regions located at a plurality of positions in the second unit layer is obtained. Then, by averaging the content of a plurality of Al obtained from the composition information, it is possible to calculate the average value x of the Al content in the Ti 1-x Al x N.

第2単位層13に関し、第2単位層13のX線回折スペクトルにおいて、(111)面または(200)面由来のピークが最大強度を示すことが好ましい。   Regarding the second unit layer 13, in the X-ray diffraction spectrum of the second unit layer 13, it is preferable that the peak derived from the (111) plane or the (200) plane shows the maximum intensity.

第2単位層13がTi1-xAlxNの(200)面を成長面として成長した場合、そのX線回折スペクトルにおいて(200)面由来のピークが最大強度となる。この場合、第2単位層13の表面は、(200)面を成長面とせずに成長した場合と比して特に平滑となる傾向にある。第2単位層13の表面が平滑であることにより、多層構造の各面、ひいては多層構造含有層自体が平滑となるため、多層構造含有層は高い耐溶着性を有することができる。 When the second unit layer 13 is grown with the (200) plane of Ti 1-x Al x N as the growth plane, the peak derived from the (200) plane has the maximum intensity in the X-ray diffraction spectrum. In this case, the surface of the second unit layer 13 tends to be particularly smooth compared to the case where the surface is grown without using the (200) plane as a growth surface. Since the surface of the second unit layer 13 is smooth, each surface of the multilayer structure, and thus the multilayer structure-containing layer itself, becomes smooth, so that the multilayer structure-containing layer can have high welding resistance.

一方、第2単位層13がTi1-xAlxNの(111)面を成長面として成長した場合、そのX線回折スペクトルにおいて(111)面由来のピークが最大強度となる。この場合、第2単位層13の表面は、(111)面を成長とせずに成長した場合と比して特に安定な結晶面となる傾向にある。第2単位層13の表面が安定な結晶面であることにより、多層構造の各面、ひいては多層構造含有層自体が安定となるため、多層構造含有層は高い耐摩耗性を有することができる。 On the other hand, when the second unit layer 13 is grown using the (111) plane of Ti 1-x Al x N as the growth plane, the peak derived from the (111) plane has the maximum intensity in the X-ray diffraction spectrum. In this case, the surface of the second unit layer 13 tends to be a particularly stable crystal plane as compared with a case where the (111) plane is not grown. Since the surface of the second unit layer 13 is a stable crystal plane, each surface of the multilayer structure, and thus the multilayer structure-containing layer itself, becomes stable, and thus the multilayer structure-containing layer can have high wear resistance.

したがって、本実施形態の被膜10に関し、第2単位層13のX線回折スペクトルにおいて、(200)面由来のピークが最大強度を示す場合、被膜10の耐溶着性を特に向上させることができ、(111)面由来のピークが最大強度を示す場合、被膜10の特に耐摩耗性を向上させることができる。   Therefore, regarding the coating 10 of the present embodiment, when the peak derived from the (200) plane shows the maximum intensity in the X-ray diffraction spectrum of the second unit layer 13, the welding resistance of the coating 10 can be particularly improved. When the peak derived from the (111) plane shows the maximum strength, particularly the wear resistance of the coating film 10 can be improved.

また、第2単位層13において、圧縮残留応力の絶対値は2GPa以下であることが好ましい。ここで、「圧縮残留応力」とは、被膜10に存する内部応力(固有ひずみ)の一種であって、「−」(マイナス)の数値(単位:本発明では「GPa」を使う)で表される応力をいう。このため、圧縮残留応力が大きいという概念は、上記数値の絶対値が大きくなることを示し、また、圧縮残留応力が小さいという概念は、上記数値の絶対値が小さくなることを示す。すなわち、圧縮残留応力の絶対値が2GPa以下であるとは、第2単位層13に関する好ましい圧縮残留応力が−2GPa以上0GPa未満であることを意味する。   In the second unit layer 13, the absolute value of the compressive residual stress is preferably 2 GPa or less. Here, the “compressive residual stress” is a kind of internal stress (intrinsic strain) existing in the coating 10, and is represented by a numerical value “−” (minus) (unit: “GPa” is used in the present invention). Stress. For this reason, the concept that the compressive residual stress is large indicates that the absolute value of the numerical value is large, and the concept that the compressive residual stress is small indicates that the absolute value of the numerical value is small. That is, the absolute value of the compressive residual stress being 2 GPa or less means that the preferable compressive residual stress related to the second unit layer 13 is −2 GPa or more and less than 0 GPa.

第2単位層13の圧縮残留応力の絶対値が2GPa以下であることにより、多層構造含有層内に適切な大きさの歪が維持され、これにより、被膜10の耐欠損性が向上する。第2単位層13の圧縮残留応力の絶対値はより好ましくは1GPa以下であり、さらに好ましくは0.2GPa以上0.8GPa以下であり、さらに好ましくは0.4GPa以上0.8GPa以下である。   When the absolute value of the compressive residual stress of the second unit layer 13 is 2 GPa or less, an appropriate magnitude of strain is maintained in the multilayer structure-containing layer, and thereby the fracture resistance of the coating 10 is improved. The absolute value of the compressive residual stress of the second unit layer 13 is more preferably 1 GPa or less, further preferably 0.2 GPa or more and 0.8 GPa or less, and further preferably 0.4 GPa or more and 0.8 GPa or less.

第2単位層13の圧縮残留応力の絶対値が2GPa以下に設定可能であるのは、第2単位層13を構成するTi1-xAlxNのxが0.6以上0.9以下であり、かつ第2単位層13が第1単位層12によって挟み込まれているためと考えられる。たとえば、xが0.6未満である場合、第2単位層13は引張残留応力を有し易い傾向にある。また、xが0.9を超える場合、第2単位層13が有する圧縮残留応力が大きくなる傾向にある。 The absolute value of the compressive residual stress of the second unit layer 13 can be set to 2 GPa or less when x of Ti 1-x Al x N constituting the second unit layer 13 is 0.6 or more and 0.9 or less. This is considered to be because the second unit layer 13 is sandwiched between the first unit layers 12. For example, when x is less than 0.6, the second unit layer 13 tends to have a tensile residual stress. When x exceeds 0.9, the compressive residual stress of the second unit layer 13 tends to increase.

このような圧縮残留応力は、X線応力測定装置を用いたsin2ψ法により測定することができる。具体的には、このような圧縮残留応力は被膜10中の圧縮残留応力を有する第2単位層13に含まれる任意の点の応力を該sin2ψ法により測定し、その平均値を求めることにより測定することができる。なお、上記任意の点は、1点、好ましくは2点、より好ましくは3〜5点、さらに好ましくは10点またはこれ以上であり、複数点で測定する場合の各点は第2単位層13の応力を代表できるように互いに面内方向において0.1mm以上の距離を離して選択することが好ましい。また、上下方向に多数存在する第2単位層13に関し、1層ではなく、2層の各圧縮残留応力を測定することが好ましく、3〜5層の各圧縮残留応力を測定することがより好ましく、10層またはこれ以上の各層の圧縮残留応力を測定することが好ましい。 Such compressive residual stress can be measured by the sin 2 ψ method using an X-ray stress measurement apparatus. Specifically, such compressive residual stress is obtained by measuring the stress at an arbitrary point included in the second unit layer 13 having the compressive residual stress in the coating 10 by the sin 2 ψ method, and obtaining an average value thereof. Can be measured. The above arbitrary point is 1 point, preferably 2 points, more preferably 3 to 5 points, still more preferably 10 points or more. Each point when measuring at a plurality of points is the second unit layer 13. It is preferable to select a distance of 0.1 mm or more in the in-plane direction so that the above stress can be represented. In addition, regarding the second unit layer 13 that exists in large numbers in the vertical direction, it is preferable to measure each compressive residual stress of two layers instead of one layer, and more preferably to measure each compressive residual stress of three to five layers. It is preferable to measure the compressive residual stress of each of 10 layers or more.

このようなX線を用いたsin2ψ法は、多結晶材料の残留応力の測定方法として広く用いられているものであり、たとえば、「X線応力測定法」(日本材料学会、1981年株式会社養賢堂発行)の54〜67頁に詳細に説明されている方法を用いれば良い。 The sin 2 ψ method using X-rays is widely used as a method for measuring the residual stress of a polycrystalline material. For example, “X-ray stress measurement method” (Japan Society of Materials, 1981 stock) The method described in detail on pages 54 to 67 of the company Yokendo) may be used.

また、上記圧縮残留応力は、ラマン分光法を用いた方法を利用することにより測定することも可能である。このようなラマン分光法は、狭い範囲、たとえばスポット径1μmといった局所的な測定ができるというメリットを有している。このようなラマン分光法を用いた残留応力の測定は、一般的なものであるが、たとえば、「薄膜の力学的特性評価技術」(サイぺック(現在リアライズ理工センターに社名変更)、1992年発行)の264〜271頁に記載の方法を採用することができる。   The compressive residual stress can also be measured by using a method using Raman spectroscopy. Such Raman spectroscopy has the merit that local measurement can be performed in a narrow range, for example, a spot diameter of 1 μm. The measurement of residual stress using such Raman spectroscopy is a common one. For example, “Thin film mechanical property evaluation technique” (Sipec (currently renamed Realize Science and Technology Center), 1992 (Published yearly), pages 264 to 271 can be employed.

第1単位層12、第2単位層13の各厚さは、好ましくは3nm以上30nm以下である。各層の厚さが30nm以下であることにより、各層が積層された多層構造は、各層が周期的に多数繰り返して積層された超多層構造となる。これにより、多層構造含有層における硬度および耐酸化性のより顕著な向上が可能となり、もって被膜10の硬度および耐酸化性のより顕著な向上が可能となる。また、各層の厚さが3nm以上であることにより、多層構造に由来する多層構造含有層の特性の顕著な向上が可能となる。第1単位層12、第2単位層13の各厚さは、より好ましくは5nm以上25nm以下であり、さらに好ましくは10nm以上20nm以下である。   Each thickness of the first unit layer 12 and the second unit layer 13 is preferably 3 nm or more and 30 nm or less. When the thickness of each layer is 30 nm or less, the multilayer structure in which the layers are stacked becomes a super multilayer structure in which the layers are periodically and repeatedly stacked. As a result, the hardness and oxidation resistance of the multilayer structure-containing layer can be remarkably improved, and thus the hardness and oxidation resistance of the coating film 10 can be remarkably improved. Moreover, when the thickness of each layer is 3 nm or more, the characteristics of the multilayer structure-containing layer derived from the multilayer structure can be remarkably improved. Each thickness of the 1st unit layer 12 and the 2nd unit layer 13 becomes like this. More preferably, they are 5 nm or more and 25 nm or less, More preferably, they are 10 nm or more and 20 nm or less.

また、多層構造がfcc−AlNなどの他の層を有する場合、他の層の厚みは、多層構造が不均一となることによって多層構造の特性が発揮されなくなることを抑制する点から、第1単位層12および第2単位層13と同様に、15nm以上30nm以下であることが好ましい。   In addition, when the multilayer structure has other layers such as fcc-AlN, the thickness of the other layers is the first from the viewpoint that the multilayer structure is not uniform and the characteristics of the multilayer structure are not exhibited. Similarly to the unit layer 12 and the second unit layer 13, it is preferably 15 nm or more and 30 nm or less.

各層の厚さは、上記の被膜全体の厚さと同様に、SEM、TEMなどにより測定することができる。また、各単位層は、同じ厚さであってもよく異なっていていもよい。すなわち、たとえば、複数の第1単位層12は、それぞれ同じ厚さであっても異なる厚さであってもよく、第1単位層12と第2単位層13とが同じ厚さであっても異なる厚さであってもよい。   The thickness of each layer can be measured by SEM, TEM, or the like, similar to the thickness of the entire coating. Moreover, each unit layer may be the same thickness or may be different. That is, for example, the plurality of first unit layers 12 may have the same thickness or different thicknesses, and the first unit layer 12 and the second unit layer 13 may have the same thickness. Different thicknesses may be used.

そして、第2単位層13を挟んで隣り合う第1単位層12間の距離は、好ましくは10nm以上40nm以下である。これにより、hcp−AlNの析出をより顕著に抑制することができるため、被膜はさらに高い硬度を有することができる。また、この場合、被膜は薄い複数の層からなる超多層構造を有することができるため、高い靱性を有することができる。ここで、第2単位層13を挟んで隣り合う第1単位層12間の距離とは、1つの第2単位層13を挟んで隣り合う2つの第1単位層12間の厚さ方向の距離であって、1つの第1単位層12の厚さ方向中間から他の1つの第1単位層12の厚さ方向の中間までの最短距離をいう。   And the distance between the 1st unit layers 12 adjacent on both sides of the 2nd unit layer 13 becomes like this. Preferably they are 10 nm or more and 40 nm or less. Thereby, since precipitation of hcp-AlN can be suppressed more remarkably, the coating film can have higher hardness. In this case, the coating can have a super multi-layer structure composed of a plurality of thin layers, and thus can have high toughness. Here, the distance between the first unit layers 12 adjacent to each other with the second unit layer 13 interposed therebetween is the distance in the thickness direction between the two first unit layers 12 adjacent to each other with the one second unit layer 13 interposed therebetween. And the shortest distance from the middle in the thickness direction of one first unit layer 12 to the middle in the thickness direction of the other first unit layer 12.

したがって、たとえば、第1単位層12と第2単位層13とが上下交互に積層された多層構造においては、上記距離は、1つの第1単位層12の厚さの半分に相当する距離と、該1つの第1単位層12上に隣接する第2単位層13の厚さに相当する距離と、該第2単位層13上に隣接する他の1つの第1単位層12の厚さの半分に相当する距離とを足した値となる。また、多層構造がさらに第3単位層を含む場合、たとえば、第1単位層12、第2単位層13、fcc−AlNからなる第3単位層とが上中下と交互に繰り返して積層されている場合、上記距離は、1つの第1単位層12の厚さの半分に相当する距離と、該1つの第1単位層12上に隣接する第2単位層13の厚さに相当する距離と、該第2単位層13上に隣接する第3単位層の厚さに相当する距離と、該第3単位層上に隣接する他の1つの第1単位層12の厚さの半分に相当する距離とを足した値となる。   Therefore, for example, in a multilayer structure in which the first unit layers 12 and the second unit layers 13 are alternately stacked, the distance is a distance corresponding to half the thickness of one first unit layer 12; A distance corresponding to the thickness of the second unit layer 13 adjacent on the first unit layer 12 and half the thickness of the other first unit layer 12 adjacent on the second unit layer 13 It is a value obtained by adding the distance corresponding to. Further, when the multilayer structure further includes a third unit layer, for example, the first unit layer 12, the second unit layer 13, and the third unit layer made of fcc-AlN are alternately and repeatedly stacked on the top, middle, and bottom. The distance is equivalent to half the thickness of one first unit layer 12, and the distance corresponding to the thickness of the second unit layer 13 adjacent on the first unit layer 12. This corresponds to a distance corresponding to the thickness of the third unit layer adjacent on the second unit layer 13 and half of the thickness of the other first unit layer 12 adjacent on the third unit layer. It is a value obtained by adding the distance.

<他の層>
本実施形態に係る被膜は、上述の多層構造含有層を少なくとも1層含む限り、これ以外の他の層を含むことができる。他の層は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)およびハフニウム(Hf)からなる群より選ばれる1種以上の元素と、窒素(N)、酸素(O)、炭素(C)、ホウ素(B)からなる群より選ばれる1種以上の元素との化合物からなる層であることが好ましい。この場合、他の層もまた、比較的高い硬度を有することができるため、被膜全体の硬度をさらに高めることができる。このような化合物としては、たとえば、TiN、TiB、TiBN、TiCO、TiBNO、TiCBN、TiCNO、ZrN、ZrCN、ZrN、ZrO2、HfC、HfN、HfCNなどを挙げることができる。なお、上記の化合物に対し、他の元素が微量にドープされたものであってもよい。
<Other layers>
The coating according to the present embodiment can include other layers as long as it includes at least one multilayer structure-containing layer described above. The other layer includes at least one element selected from the group consisting of titanium (Ti), zirconium (Zr), and hafnium (Hf), nitrogen (N), oxygen (O), carbon (C), boron (B It is preferably a layer made of a compound with one or more elements selected from the group consisting of: In this case, since the other layers can also have a relatively high hardness, the hardness of the entire coating can be further increased. Examples of such compounds include TiN, TiB, TiBN, TiCO, TiBNO, TiCBN, TiCNO, ZrN, ZrCN, ZrN, ZrO 2 , HfC, HfN, HfCN, and the like. Note that the above compound may be doped with a small amount of other elements.

また、他の層は、より好ましくはα−アルミナ(α−Al23)からなる層またはκ−アルミナ(κ−Al23)からなる層である。このようなアルミナからなる層は、高い耐酸化性を有するため、被膜の耐酸化性をさらに高めることができる。なかでも、アルミナからなる層を表面保護層とすることにより、被膜はより耐酸化性に優れることができる。 The other layer is more preferably a layer made of α-alumina (α-Al 2 O 3 ) or a layer made of κ-alumina (κ-Al 2 O 3 ). Such a layer made of alumina has high oxidation resistance, so that the oxidation resistance of the coating can be further improved. Especially, a coating film can be more excellent in oxidation resistance by making the layer which consists of alumina into a surface protective layer.

≪切削工具≫
本実施形態に係る切削工具は、基材と、該基材を被覆する上記被膜と、を含む切削工具である。本実施形態に係る切削工具は、高い硬度と高い耐酸化性とを有する上記被膜を有するため、その硬度および耐酸化性が飛躍的に向上したものであり、もって優れた切削性能を有することができる。
≪Cutting tool≫
The cutting tool which concerns on this embodiment is a cutting tool containing a base material and the said film which coat | covers this base material. Since the cutting tool according to the present embodiment has the above-described coating film having high hardness and high oxidation resistance, the hardness and oxidation resistance are drastically improved, and thus has excellent cutting performance. it can.

上記被膜による特性を効果的に発揮できる切削工具としては、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどを挙げることができる。   Cutting tools that can effectively demonstrate the characteristics of the above coatings include drills, end mills, cutting edge replacement cutting tips for drills, cutting edge replacement cutting tips for end mills, cutting edge replacement cutting tips for milling, and cutting edge replacement types for turning. A cutting tip, a metal saw, a gear cutting tool, a reamer, a tap, etc. can be mentioned.

切削工具の基材としては、このような切削工具の基材として従来公知のものを特に限定なく用いることができる。そのような基材としては、たとえば、炭化タングステン(WC)基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化ホウ素焼結体、ダイヤモンド焼結体などを挙げることができる。なかでも、硬度および靱性のバランスの観点から、基材は、WC基超硬合金またはサーメットであることが好ましい。   As the base material of the cutting tool, a conventionally known material can be used without particular limitation as the base material of such a cutting tool. Examples of such a substrate include tungsten carbide (WC) based cemented carbide, cermet, high speed steel, ceramics, cubic boron nitride sintered body, diamond sintered body, and the like. Especially, it is preferable that a base material is a WC group cemented carbide or a cermet from a viewpoint of balance of hardness and toughness.

切削工具の被膜は、必ずしも基材の表面の全てを被覆する必要はなく、表面の少なくとも一部、たとえばすくい面および逃げ面の少なくとも一部に形成されていればよい。これらの面の一部に形成されることにより、切削工具を用いて被加工物を加工する際に、その高い硬度および高い耐酸化性による有益な効果を発揮することができる。なお、本実施形態に係る切削工具が有する被膜の詳細は上述と同様なので、その説明は繰り返さない。   The coating of the cutting tool does not necessarily need to cover the entire surface of the base material, and may be formed on at least a part of the surface, for example, at least a part of the rake face and the flank face. By being formed on a part of these surfaces, when a workpiece is processed using a cutting tool, beneficial effects due to its high hardness and high oxidation resistance can be exhibited. In addition, since the detail of the film which the cutting tool which concerns on this embodiment has is the same as that of the above-mentioned, the description is not repeated.

≪製造方法≫
上記被膜は、本実施形態に係る製造方法によって製造することができる。すなわち、本実施形態に係る製造方法によって製造される被膜は、高い硬度と高い耐酸化性とを有することができる。また、当該被膜を切削工具用の基材に設けることにより、上記切削工具を製造することができる。
≪Manufacturing method≫
The said film can be manufactured with the manufacturing method which concerns on this embodiment. That is, the coating film manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment can have high hardness and high oxidation resistance. Moreover, the said cutting tool can be manufactured by providing the said film | membrane in the base material for cutting tools.

ここで、上述の被膜が、多層構造含有層以外の他の層を有する場合、これらの他の層は、従来公知のCVD法を好適に用いることができる。一方、上述の被膜が有する多層構造含有層は、従来公知のCVD法では製造することができず、以下の特異的なCVD工程によって初めて製造することができる層である。   Here, when the above-mentioned film has other layers other than the multilayer structure-containing layer, conventionally known CVD methods can be suitably used for these other layers. On the other hand, the multilayer structure-containing layer of the above-described film cannot be produced by a conventionally known CVD method, and can be produced for the first time by the following specific CVD process.

すなわち、本実施形態に係る製造方法は、基材上に形成される、1または2以上の層により構成される被膜の製造方法であって、該層のうちの少なくとも1層を、CVD法を用いて形成するCVD工程を含み、CVD工程は、チタンおよびアルミニウムを含む第1ガスと、窒素を含む第2ガスとを、基材に向かって噴出する噴出工程と、噴出工程後の基材を、5分以上30分以下の期間、850℃以上1000℃以下の加熱条件でアニール処理するアニール工程と、アニール工程後の基材を、7℃/min以上の冷却速度で冷却する冷却工程と、を含む被膜の製造方法である。以下、多層構造含有層を製造するための上記CVD工程について詳述する。   That is, the manufacturing method according to the present embodiment is a manufacturing method of a film formed of one or more layers formed on a substrate, and at least one of the layers is subjected to a CVD method. A CVD process formed using the CVD process, wherein the CVD process includes jetting a first gas containing titanium and aluminum and a second gas containing nitrogen toward the base material, and a base material after the jetting process. An annealing process for annealing treatment under a heating condition of 850 ° C. or more and 1000 ° C. or less for a period of 5 minutes to 30 minutes, and a cooling process for cooling the substrate after the annealing process at a cooling rate of 7 ° C./min or more, It is a manufacturing method of the film containing this. Hereinafter, the CVD process for producing the multilayer structure-containing layer will be described in detail.

<CVD工程>
上記CVD工程は、上述の被膜を構成する層のうちの少なくとも1層である多層構造含有層をCVD法により形成する工程である。このCVD工程においては、図3に示すCVD装置を用いることができる。
<CVD process>
The CVD step is a step of forming a multilayer structure-containing layer, which is at least one of the layers constituting the above-described film, by a CVD method. In this CVD process, the CVD apparatus shown in FIG. 3 can be used.

図3を参照し、CVD装置21内には、基材11を保持するための基材セット治具22を複数設置することができ、これらは耐熱合金鋼製の反応容器23でカバーされる。また、反応容器23の周囲には調温装置24が配置されており、この調温装置24により、反応容器23内の温度を制御することができる。   With reference to FIG. 3, a plurality of base material setting jigs 22 for holding the base material 11 can be installed in the CVD apparatus 21, and these are covered with a reaction vessel 23 made of heat resistant alloy steel. In addition, a temperature control device 24 is disposed around the reaction vessel 23, and the temperature inside the reaction vessel 23 can be controlled by the temperature control device 24.

反応容器23内には、2つの導入口25、26を有する導入管27が配置されている。導入管27は、基材セット治具22が配置される領域を貫通するように配置されており、基材セット治具22近傍の部分には複数の貫通孔が形成されている。導入管27において、導入口25、26から管内に導入された各ガスは、導入管27内において混合されることなく、それぞれ異なる貫通孔を経て、反応容器23内に導入される。この導入管27は、その軸を中心軸として回転することができる。また、CVD装置21には排気管28が配置されており、排気ガスは排気口29から外部へ排出することができる。なお、反応容器23内の治具類等は、通常黒鉛により構成される。後述する各工程に関し、図3を用いながら説明する。   An introduction pipe 27 having two introduction ports 25 and 26 is disposed in the reaction vessel 23. The introduction tube 27 is disposed so as to penetrate the region where the base material setting jig 22 is disposed, and a plurality of through holes are formed in the vicinity of the base material setting jig 22. In the introduction pipe 27, the respective gases introduced into the pipes from the introduction ports 25 and 26 are introduced into the reaction vessel 23 through different through holes without being mixed in the introduction pipe 27. The introduction pipe 27 can rotate with the axis as a central axis. Further, an exhaust pipe 28 is disposed in the CVD apparatus 21, and the exhaust gas can be discharged from the exhaust port 29 to the outside. Note that jigs and the like in the reaction vessel 23 are usually made of graphite. Each step to be described later will be described with reference to FIG.

<噴出工程>
本工程では、チタンおよびアルミニウムを含む第1ガスと、窒素を含む第2ガスとを、基材に向かって噴出する。なお、本工程を実施するに先だって、CVD装置21の反応容器23内の基材セット治具22には、被膜形成部位が反応容器23内に露出するように、基材11が配置される。また、反応容器23内は、高温減圧環境に維持される。
<Ejection process>
In this step, a first gas containing titanium and aluminum and a second gas containing nitrogen are ejected toward the substrate. Prior to carrying out this step, the base material 11 is arranged on the base material setting jig 22 in the reaction container 23 of the CVD apparatus 21 so that the film forming site is exposed in the reaction container 23. Further, the inside of the reaction vessel 23 is maintained in a high temperature and reduced pressure environment.

図3を参照し、本工程において、第1ガスが導入口25から導入管27内に導入され、第2ガスが導入口26から導入管27内に導入される。また、このときの導入管27は、不図示の駆動部により、図中回転矢印で示すようにその軸を中心として回転する。   Referring to FIG. 3, in this step, the first gas is introduced from the introduction port 25 into the introduction tube 27, and the second gas is introduced from the introduction port 26 into the introduction tube 27. Further, the introduction pipe 27 at this time is rotated around its axis as shown by a rotation arrow in the drawing by a drive unit (not shown).

導入管27の一端側(図中上側)には複数の貫通孔が開いているため、導入された第1ガスおよび第2ガスは、それぞれ異なる複数の貫通孔から反応容器23内に噴出される。また、導入管27が回転しているため、反応容器23内には、第1ガスと第2ガスとが混合された状態となる。したがって、本工程においては、基材セット治具22に設置された基材11の表面に、第1ガスと第2ガスとが混合された混合ガスが噴出されることになる。これにより、基材11の露出する表面に混合ガスが到達し、この混合ガスに含まれる元素を組成成分とした成長層として、TiAlN層が形成される。   Since a plurality of through holes are opened on one end side (upper side in the drawing) of the introduction pipe 27, the introduced first gas and second gas are jetted into the reaction vessel 23 from a plurality of different through holes, respectively. . Further, since the introduction pipe 27 is rotating, the first gas and the second gas are mixed in the reaction vessel 23. Therefore, in this step, a mixed gas in which the first gas and the second gas are mixed is ejected onto the surface of the base material 11 installed in the base material setting jig 22. As a result, the mixed gas reaches the exposed surface of the substrate 11, and a TiAlN layer is formed as a growth layer using the elements contained in the mixed gas as the composition component.

チタンおよびアルミニウムを含む第1ガスとしては、TiCl4ガス、AlCl3ガスを含むガスを挙げることができる。窒素を含む第2ガスとしては、NH3を含むガスを挙げることができる。また、第1ガスとともに導入口25からキャリアガスを導入してもよく、第2ガスとともに導入口26からキャリアガスを導入してもよい。なお、キャリアガスとしては、H2ガス、N2ガス、Arガスなどを挙げることができる。 Examples of the first gas containing titanium and aluminum include a gas containing TiCl 4 gas and AlCl 3 gas. An example of the second gas containing nitrogen is a gas containing NH 3 . Further, the carrier gas may be introduced from the introduction port 25 together with the first gas, or the carrier gas may be introduced from the introduction port 26 together with the second gas. Examples of the carrier gas include H 2 gas, N 2 gas, Ar gas, and the like.

また、本工程において、反応容器23内の温度は、好ましくは700℃以上900℃以下であり、反応容器23内の圧力は、好ましくは0.1kPa以上13kPa以下に維持される。これにより、TiAlN層の効率的な形成が可能となる。   In this step, the temperature in the reaction vessel 23 is preferably 700 ° C. or more and 900 ° C. or less, and the pressure in the reaction vessel 23 is preferably maintained at 0.1 kPa or more and 13 kPa or less. Thereby, the TiAlN layer can be efficiently formed.

また、本工程の実施時間を調整することにより、上記成長層の厚みを制御することができる。たとえば、噴出工程の実施時間を短くすることによって成長層の厚みを小さくすることができ、長くすることによって成長層の厚みを大きくすることができる。また、成長層の組成は、第1ガス中のチタンを含むガスとアルミニウムを含むガスとの混合割合を調整することによって制御することができる。たとえば、第1ガスにおけるTiCl4ガスの混合割合を大きくすることによって成長層中のTiの含有割合を高めることができ、逆に第1ガスにおけるAlCl3ガスの混合割合を大きくすることによって成長層中のAlの含有割合を高めることができる。 Moreover, the thickness of the growth layer can be controlled by adjusting the execution time of this step. For example, the thickness of the growth layer can be reduced by shortening the execution time of the ejection step, and the thickness of the growth layer can be increased by increasing the length. The composition of the growth layer can be controlled by adjusting the mixing ratio of the gas containing titanium and the gas containing aluminum in the first gas. For example, the content ratio of Ti in the growth layer can be increased by increasing the mixing ratio of TiCl 4 gas in the first gas, and conversely, the growth layer can be increased by increasing the mixing ratio of AlCl 3 gas in the first gas. The content ratio of Al can be increased.

また、本工程の第1ガス中のチタンを含むガスとアルミニウムを含むガスとのモル比率を調整することにより、第2単位層13の成長面を(200)面または(111)面のいずれかに設定することができる。具体的には、第1ガス中におけるAlCl3とTiCl4とのモル比率(AlCl3/TiCl4)を3.0未満に調整することにより、第2単位層13の成長面を(200)面にすることができる。このような第2単位層13は、前述のように、そのX線回折スペクトルにおいて(200)面由来のピークが最大強度となる。また、AlCl3とTiCl4とのモル比率(AlCl3/TiCl4)を3.0以上に調整することにより、第2単位層13の成長面を(111)面にすることができる。このような第2単位層13は、前述のように、そのX線回折スペクトルにおいて(111)面由来のピークが最大強度となる。 Further, by adjusting the molar ratio of the gas containing titanium and the gas containing aluminum in the first gas in this step, the growth surface of the second unit layer 13 is either the (200) plane or the (111) plane. Can be set to Specifically, by adjusting the molar ratio of AlCl 3 and TiCl 4 (AlCl 3 / TiCl 4 ) in the first gas to less than 3.0, the growth surface of the second unit layer 13 is the (200) surface. Can be. As described above, such a second unit layer 13 has a peak derived from the (200) plane in the X-ray diffraction spectrum having the maximum intensity. Further, by adjusting the molar ratio of AlCl 3 and TiCl 4 (AlCl 3 / TiCl 4 ) to 3.0 or more, the growth surface of the second unit layer 13 can be the (111) surface. As described above, such a second unit layer 13 has a peak derived from the (111) plane in the X-ray diffraction spectrum having the maximum intensity.

なお、噴出工程の実施時間および成長層中のTiとAlの含有割合は、後述するアニール工程、冷却工程を経て形成される多層構造含有層の構成にも影響する。たとえば、成長層の厚みが大きくなった場合、第1単位層および第2単位層による積層周期の数も増える傾向にある。また、成長層中のTiの含有割合が大きい場合、第1単位層の厚みが大きくなったり、第2単位層におけるTiの含有割合が大きくなる傾向にある。反対に、成長層中のAlの含有割合が大きい場合、第2単位層の厚みが大きくなったり、第2単位層におけるAlの含有割合が高くなる傾向にある。   The duration of the ejection process and the content ratio of Ti and Al in the growth layer also affect the configuration of the multilayer structure-containing layer formed through the annealing process and the cooling process described later. For example, when the thickness of the growth layer increases, the number of stacking periods of the first unit layer and the second unit layer also tends to increase. Further, when the Ti content ratio in the growth layer is large, the thickness of the first unit layer tends to increase, or the Ti content ratio in the second unit layer tends to increase. On the contrary, when the content ratio of Al in the growth layer is large, the thickness of the second unit layer tends to increase or the content ratio of Al in the second unit layer tends to increase.

<アニール工程>
本工程では、噴出工程後の基材を、5分以上30分以下の期間、850℃以上1000℃以下の加熱条件でアニール処理する。具体的には、本工程において、導入管27からの第1ガスおよび第2ガスの導入を行わず、キャリアガスのみを導入し続けながら、噴出工程後の基材11が反応容器23内に配置されたままの状態で、5分以上30分以下の期間、反応容器23内を850℃以上1000℃以下に加熱する。これにより、成長層が形成された基材11がアニール処理される。
<Annealing process>
In this step, the substrate after the ejection step is annealed under a heating condition of 850 ° C. to 1000 ° C. for a period of 5 minutes to 30 minutes. Specifically, in this process, the first gas and the second gas are not introduced from the introduction pipe 27, and the base material 11 after the ejection process is placed in the reaction vessel 23 while continuing to introduce only the carrier gas. In the state as it is, the inside of the reaction vessel 23 is heated to 850 ° C. or more and 1000 ° C. or less for a period of 5 minutes to 30 minutes. Thereby, the base material 11 on which the growth layer is formed is annealed.

<冷却工程>
本工程では、アニール工程後の基材を、7℃/min以上の冷却速度で冷却する。具体的には、アニール工程後の基材11が配置される反応容器23内を、基材11の温度が7℃/min以上の速度で低下するように冷却する。なお、噴出工程後の基材11を自然放置により冷却させた場合、その冷却速度は3℃/min〜4℃/min程度であり、5℃/minを超えることはない。
<Cooling process>
In this step, the substrate after the annealing step is cooled at a cooling rate of 7 ° C./min or more. Specifically, the inside of the reaction vessel 23 in which the base material 11 after the annealing step is disposed is cooled so that the temperature of the base material 11 decreases at a rate of 7 ° C./min or more. In addition, when the base material 11 after an ejection process is cooled by natural standing, the cooling rate is about 3 ° C./min to 4 ° C./min, and does not exceed 5 ° C./min.

上述のようなCVD工程を行うことによって、上述の多層構造含有層が形成される理由の詳細は不明であるが、種々の検討結果を踏まえ、本発明者らは、次のように推察する。   Although the details of the reason why the above-described multilayer structure-containing layer is formed by performing the CVD process as described above are not clear, the present inventors speculate as follows based on various examination results.

噴出工程によって形成された成長層はTiAlNからなるが、このAlの含有割合が高い場合、TiAlNの結晶構造は不安定である。このような不安定な結晶構造を有する成長層に対して引き続きアニール処理が行われることにより、TiAlNがスピノーダル分解することによって成長層内で相分離が発生する。   The growth layer formed by the ejection process is made of TiAlN, but when the Al content is high, the crystal structure of TiAlN is unstable. By subsequently performing an annealing process on the growth layer having such an unstable crystal structure, TiAlN undergoes spinodal decomposition, thereby causing phase separation in the growth layer.

上記相分離は、fcc−TiAlNからなる成長層が、fcc−AlNからなる層、fcc−TiAlNからなる層、fcc−TiNからなる層の3層構造となった後、アルミニウムおよびチタンの各元素が各々分散することにより、fcc−AlNからなる層とfcc−TiNからなる層が薄くなっていくとともにfcc−TiAlNからなる層が厚くなっていく。なお、3層構造の初期の段階では、fcc−TiAlNからなる層はfcc−AlNからなる層やfcc−TiNからなる層と比して極めて薄いと考えられる。   In the phase separation, after the growth layer made of fcc-TiAlN has a three-layer structure of a layer made of fcc-AlN, a layer made of fcc-TiAlN, and a layer made of fcc-TiN, each element of aluminum and titanium is By dispersing each layer, the layer made of fcc-AlN and the layer made of fcc-TiN become thinner and the layer made of fcc-TiAlN becomes thicker. At the initial stage of the three-layer structure, the layer made of fcc-TiAlN is considered to be extremely thin compared to the layer made of fcc-AlN or the layer made of fcc-TiN.

fcc−AlNからなる層とfcc−TiNからなる層はそれぞれ薄くなっていくが、アルミニウムの分散速度がチタンの分散速度よりも早いために、fcc−AlNからなる層が先に消滅する傾向にある。したがって、上述のようにアニール処理の温度および期間を適切に設定することにより、fcc−TiNからなる層は消滅することなく、fcc−Ti1-xAlxNからなる層とfcc−TiNからなる層が交互に積層された構造となり、かつAlが十分に分散していることにより、Ti1-xAlxNからなる層のxが0.6以上0.9以下という高い数値を有することができる。 The layers made of fcc-AlN and the layer made of fcc-TiN become thinner, but the layer of fcc-AlN tends to disappear first because the dispersion rate of aluminum is faster than the dispersion rate of titanium. . Therefore, by appropriately setting the annealing temperature and period as described above, the layer made of fcc-TiN does not disappear and the layer made of fcc-Ti 1-x Al x N and the layer made of fcc-TiN. Since the layers are alternately stacked and Al is sufficiently dispersed, x of the layer made of Ti 1-x Al x N may have a high numerical value of 0.6 to 0.9. it can.

しかし、相分離の過程において、fcc−Ti1-xAlxNからなる層とfcc−TiNからなる層が交互に積層された構造が形成されたとしても、その後、この被膜が自然放置のような遅い速度で冷却された場合、あるいはアニール処理時間が上記期間よりも長く設定された場合には、最終的に多層構造含有層を形成することはできない。これは、相分離の過程で存在するTiAlNからなる層が、より安定な結晶構造となるべく、hcp−AlNとfcc−TiNとに相分離してしまうためと考えられる。 However, even if a structure in which layers of fcc-Ti 1-x Al x N and layers of fcc-TiN are alternately formed is formed in the phase separation process, the film seems to be allowed to stand after that. When it is cooled at a slow speed or when the annealing time is set longer than the above period, the multilayer structure-containing layer cannot be finally formed. This is presumably because the layer made of TiAlN existing during the phase separation phase-separates into hcp-AlN and fcc-TiN so as to have a more stable crystal structure.

これに対し、本実施形態の製造方法においては、成長層は、適切なアニール処理後、直ちに7℃/min以上の高い冷却速度で冷却される。このため、相分離は上述の段階で停止し、結果的に、fcc−TiNからなる第1単位層と、fcc−Ti1-xAlxNからなる第2単位層とが交互に積層された多層構造を含む多層構造含有層が形成されるものと考えられる。 On the other hand, in the manufacturing method of the present embodiment, the growth layer is immediately cooled at a high cooling rate of 7 ° C./min or higher after an appropriate annealing treatment. Therefore, the phase separation is stopped at the above-described stage, and as a result, the first unit layer made of fcc-TiN and the second unit layer made of fcc-Ti 1-x Al x N are alternately stacked. It is considered that a multilayer structure-containing layer including a multilayer structure is formed.

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。なお、以下の説明において、各層の厚みは、前述のように被膜の断面をSEM観察またはTEM観察することにより測定したものであり、Ti1-xAlxNにおけるAlの含有割合xは、前述のようにEDXを用いて測定したものであり、圧縮残留応力は、前述のようにsin2ψ法により測定したものである。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. In the following description, the thickness of each layer is measured by SEM observation or TEM observation of the cross section of the coating as described above, and the Al content ratio x in Ti 1-x Al x N is the same as that described above. As described above, the compressive residual stress is measured by the sin 2 ψ method.

<基材>
まず、被膜を形成させる対象となる基材として、以下の表1に示す基材Lおよび基材Mを準備した。具体的には、まず、表1に記載の配合組成から成る原料粉末を均一に混合した。表1中の「残り」とは、WCが配合組成(質量%)の残部を占めることを示している。次に、この混合粉末を所定の形状に加圧成形した後、1300〜1500℃で1〜2時間焼結して、形状がCNMG120408NGUの超硬合金製の基材を得た。なお、この形状は住友電工ハードメタル社製のものであり、旋削用の刃先交換型切削チップの形状である。
<Base material>
First, the base material L and the base material M shown in Table 1 below were prepared as base materials to be coated. Specifically, first, raw material powders having the composition shown in Table 1 were uniformly mixed. “Remaining” in Table 1 indicates that WC occupies the remainder of the composition (mass%). Next, after pressing this mixed powder into a predetermined shape, it was sintered at 1300-1500 ° C. for 1-2 hours to obtain a cemented carbide base material having a shape of CNMG120408NGU. This shape is manufactured by Sumitomo Electric Hard Metal Co., Ltd., and is the shape of a cutting edge exchangeable cutting tip for turning.

<被膜>
作製した基材の表面に表2に示す構造の被膜(No.1〜21)を作製した。これにより、基材上に被膜が形成された切削工具(No.1〜21)を得た。
<Coating>
A coating (No. 1 to 21) having the structure shown in Table 2 was produced on the surface of the produced substrate. Thereby, the cutting tool (No. 1-21) by which the film was formed on the base material was obtained.

表2において、下地層は被膜の最内層であって基材の表面と直接接する層であり、中間層は下地層上に形成された層であり、表面層は中間層上に形成された層である。なお、1つの欄内に2層が記載されている場合、左側の層が下層であることを意味し、「−」のみで示される欄は、該当する層を有さないことを意味する。   In Table 2, the underlayer is the innermost layer of the coating and is a layer in direct contact with the surface of the substrate, the intermediate layer is a layer formed on the underlayer, and the surface layer is a layer formed on the intermediate layer. It is. In addition, when two layers are described in one column, it means that the left layer is a lower layer, and a column indicated only by “-” means that the corresponding layer is not included.

たとえば、表2のNo.15の切削工具は、基材Mの表面上に1.0μmの厚みのTiN層および3.0μmの厚みのTiCN層からなる下地層が形成され、その上に形成条件bで形成された2.5μmの厚みの中間層が形成され、さらにその上に0.5μmの厚みのTiBN層および1.0μmの厚みのAl23層からなる表面層が形成された構成であり、各層からなる被膜全体の厚みが8.0μmであることを示す。 For example, in No. 2 of Table 2, 15. The cutting tool of No. 15 was formed on the surface of the base material M on the surface of the substrate M formed of a TiN layer having a thickness of 1.0 μm and a TiCN layer having a thickness of 3.0 μm, and formed on the formation condition b. An intermediate layer having a thickness of 5 μm is formed, and a surface layer composed of a TiBN layer having a thickness of 0.5 μm and an Al 2 O 3 layer having a thickness of 1.0 μm is further formed thereon. The total thickness is 8.0 μm.

上記表2に示す下地層および表面層は、従来公知のCVD法によって形成された層であり、その形成条件は表3に示す通りである。たとえば、表3の「TiN(下地層)」の行には、下地層としてのTiN層の形成条件が示されている。表3を参照し、TiN層は、CVD装置の反応容器内(容器内の環境は6.7kPa、915℃)に基材を配置し、該反応容器内に2容量%のTiCl4ガス、39.7容量%のN2ガスおよび残り58.3容量%のH2ガスからなる混合ガスを63.8L/minの流量で噴出することにより形成された。なお、表3に示される他の層についても、これと同様の記載となっている。 The underlayer and the surface layer shown in Table 2 are layers formed by a conventionally known CVD method, and the formation conditions are as shown in Table 3. For example, the row of “TiN (underlayer)” in Table 3 shows the conditions for forming a TiN layer as the underlayer. Referring to Table 3, the TiN layer is formed by placing a substrate in a reaction vessel of a CVD apparatus (environment in the vessel is 6.7 kPa, 915 ° C.), 2 vol% TiCl 4 gas, 39 It was formed by ejecting a mixed gas composed of 0.7 volume% N 2 gas and the remaining 58.3 volume% H 2 gas at a flow rate of 63.8 L / min. The other layers shown in Table 3 have the same description.

一方、上記表2に示す中間層のうち、No.1〜15の被膜が有する中間層は前述の多層構造含有層に該当し、形成条件a〜gのいずれかによって形成されている。また、No.16〜18の被膜が有する中間層は前述の特許文献1に開示されるTi1-xAlxN層に該当し、形成条件xによって形成されている。また、No.19〜21の被膜が有する中間層は前述の特許文献2に開示されるTiN層およびAlN層を0.4nm〜50nmの周期で組成を連続的に変化させた多層構造からなる層に該当し、形成条件yによって形成されている。形成条件a〜gの詳細を表4および表5に示す。 On the other hand, among the intermediate layers shown in Table 2 above, No. The intermediate layer which the film | membrane of 1-15 has corresponds to the above-mentioned multilayer structure content layer, and is formed by any of the formation conditions ag. No. The intermediate layer of the films 16 to 18 corresponds to the Ti 1-x Al x N layer disclosed in Patent Document 1 described above, and is formed according to the formation condition x. No. The intermediate layer of the coatings 19 to 21 corresponds to a layer having a multilayer structure in which the composition of the TiN layer and the AlN layer disclosed in Patent Document 2 described above is continuously changed at a cycle of 0.4 nm to 50 nm. It is formed according to the formation condition y. Details of the formation conditions a to g are shown in Tables 4 and 5.

表4および5を参照しながら、形成条件aについて具体的に説明する。形成条件aにおいて、多層構造含有層である中間層は、次のようにして形成された。すなわち、まず、噴出工程として、基材が配置された図3に示すCVD装置の反応容器内に、AlCl3ガス、TiCl4ガスからなる第1ガスと、NH3ガスからなる第2ガスを異なる導入口より各々導入させた。このとき、AlCl3ガスおよびTiCl4ガスの各流量は0.065mol/minおよび0.025mol/minとなるように調整され、NH3ガスの流量は0.09mol/minとなるように調整された。 The formation condition a will be specifically described with reference to Tables 4 and 5. Under the formation condition a, the intermediate layer as the multilayer structure-containing layer was formed as follows. That is, first, as the ejection step, the first gas composed of AlCl 3 gas and TiCl 4 gas and the second gas composed of NH 3 gas are different in the reaction vessel of the CVD apparatus shown in FIG. Each was introduced from the inlet. At this time, the flow rates of AlCl 3 gas and TiCl 4 gas were adjusted to be 0.065 mol / min and 0.025 mol / min, respectively, and the flow rate of NH 3 gas was adjusted to be 0.09 mol / min. .

なお、第1ガスを導入する導入口からは、キャリアガスとしてH2ガス(流量:2.9mol/min)およびN2ガス(流量:1.0mol/min)が導入され、第2ガスを導入する導入口からは、キャリアガスとしてN2ガス(流量:0.9mol/min)が導入された。 From the introduction port for introducing the first gas, H 2 gas (flow rate: 2.9 mol / min) and N 2 gas (flow rate: 1.0 mol / min) are introduced as carrier gases, and the second gas is introduced. From the introduction port, N 2 gas (flow rate: 0.9 mol / min) was introduced as a carrier gas.

上記噴出工程において、反応容器内の圧力および温度は2.2kPa、800℃に維持され、また、第1ガスおよび第2ガスを導入する導入管はその軸を中心に回転していた。この噴出工程を2時間継続させた後、反応容器内への第1ガスおよび第2ガスの導入を停止した。   In the ejection step, the pressure and temperature in the reaction vessel were maintained at 2.2 kPa and 800 ° C., and the introduction pipe for introducing the first gas and the second gas was rotated about its axis. After this ejection process was continued for 2 hours, the introduction of the first gas and the second gas into the reaction vessel was stopped.

次に、アニール工程として、噴出工程後の反応容器内の温度を900℃に上昇させてからこの状態を10分間継続し、反応容器内の基材をアニール処理した。なお、このときの反応容器内の圧力は100kPaに維持されていた。   Next, as the annealing step, the temperature in the reaction vessel after the ejection step was raised to 900 ° C., and this state was continued for 10 minutes to anneal the base material in the reaction vessel. At this time, the pressure in the reaction vessel was maintained at 100 kPa.

次に、冷却工程として、アニール工程後の基材を含む反応容器内を強制的に冷却することにより、15℃/minの冷却速度で基材の温度を低下させ、形成された被膜を冷却させた。以上の工程を経ることにより、多層構造含有層である中間層が形成された。同様に、他の形成条件b〜gにおいても、表4および表5に記載される条件に従って多層構造含有層である中間層が形成された。   Next, as the cooling step, the inside of the reaction vessel including the substrate after the annealing step is forcibly cooled, thereby lowering the temperature of the substrate at a cooling rate of 15 ° C./min and cooling the formed film. It was. Through the above steps, an intermediate layer that is a multilayer structure-containing layer was formed. Similarly, in other formation conditions b to g, an intermediate layer that is a multilayer structure-containing layer was formed according to the conditions described in Tables 4 and 5.

また、形成条件xに関し、中間層は特許文献1に開示されるPVD法を利用して形成された。具体的には、まず、PVD法に用いられる蒸着装置の炉内の一方にTiターゲットを設置し、その向かい側にAlターゲットを設置し、各ターゲット間の中央のターンテーブル上に基材を配置した。そして、該ターンテーブルを50rpm/分で回転させながら、炉内にN2ガスを3000cc/minで導入し、真空アーク放電によりTiターゲットおよびAlターゲットを蒸発、イオン化させた。なお、このときの炉内の圧力および温度は、それぞれ1×10-2Torrおよび500℃となるように維持させた。この条件でのPVD処理を600分間行うことにより、9.0μmの厚みの中間層が形成され、同PVD処理を340分間行うことにより、5.0μmの厚みの中間層が形成された。 Regarding the formation condition x, the intermediate layer was formed using the PVD method disclosed in Patent Document 1. Specifically, first, a Ti target was installed in one of the furnaces of the vapor deposition apparatus used for the PVD method, an Al target was installed on the opposite side, and a base material was placed on a central turntable between the targets. . Then, while rotating the turntable at 50 rpm / min, N 2 gas was introduced into the furnace at 3000 cc / min, and the Ti target and the Al target were evaporated and ionized by vacuum arc discharge. At this time, the pressure and temperature in the furnace were maintained at 1 × 10 −2 Torr and 500 ° C., respectively. An intermediate layer having a thickness of 9.0 μm was formed by performing the PVD treatment under these conditions for 600 minutes, and an intermediate layer having a thickness of 5.0 μm was formed by performing the PVD treatment for 340 minutes.

また、形成条件yに関し、中間層は特許文献2に開示される従来のCVD法を用いて形成された。具体的には、まず、噴出工程として、基材が配置された図3に示すCVD装置の反応容器内に、AlCl3ガス、TiCl4ガスからなる第1ガスと、NH3ガスからなる第2ガスを異なる導入口より各々導入させた。このとき、AlCl3ガスおよびTiCl4ガスの各流量は0.0009mol/minおよび0.00015mol/minとなるように調整され、NH3ガスの流量は0.09mol/minとなるように調整された。なお、第1ガスを導入する導入口からは、キャリアガスとしてH2ガス(流量:2.9mol/min)およびN2ガス(流量:1.0mol/min)が導入され、第2ガスを導入する導入口からは、キャリアガスとしてN2ガス(流量:0.9mol/min)が導入された。 Regarding the formation condition y, the intermediate layer was formed using a conventional CVD method disclosed in Patent Document 2. Specifically, first, as an ejection process, a first gas composed of AlCl 3 gas and TiCl 4 gas and a second gas composed of NH 3 gas are placed in the reaction vessel of the CVD apparatus shown in FIG. Gases were introduced from different inlets. At this time, the flow rates of AlCl 3 gas and TiCl 4 gas were adjusted to be 0.0009 mol / min and 0.00015 mol / min, and the flow rate of NH 3 gas was adjusted to be 0.09 mol / min. . From the introduction port for introducing the first gas, H 2 gas (flow rate: 2.9 mol / min) and N 2 gas (flow rate: 1.0 mol / min) are introduced as carrier gases, and the second gas is introduced. From the introduction port, N 2 gas (flow rate: 0.9 mol / min) was introduced as a carrier gas.

上記噴出工程において、反応容器内の圧力および温度は1.0kPa、800℃に維持され、また、第1ガスおよび第2ガスを導入する導入管はその軸を中心に回転していた。この噴出工程を所定時間継続させた後、反応容器内への第1ガスおよび第2ガスの導入を停止した。   In the ejection step, the pressure and temperature in the reaction vessel were maintained at 1.0 kPa and 800 ° C., and the introduction pipe for introducing the first gas and the second gas was rotated about its axis. After the ejection process was continued for a predetermined time, the introduction of the first gas and the second gas into the reaction vessel was stopped.

そして、上記噴出工程後、形成条件a〜gとは異なり、噴出工程後の基材に対しアニール処理を実施することはなく、かつ基材を強制的に冷却させることなく自然放置によって冷却させた。なお、自然放置による基材の冷却速度は3.5℃/minであった。また、上記噴出工程を5時間継続させた場合には5μmの厚みの中間層が形成され、10時間継続させた場合には10μmの厚みの中間層が形成された。   And after the said ejection process, unlike formation conditions ag, it did not anneal with respect to the base material after an ejection process, and it was made to cool by natural standing, without forcedly cooling a base material . Note that the cooling rate of the base material by natural standing was 3.5 ° C./min. Further, when the ejection process was continued for 5 hours, an intermediate layer having a thickness of 5 μm was formed, and when the ejection process was continued for 10 hours, an intermediate layer having a thickness of 10 μm was formed.

表6に、各形成条件a〜g、xおよびyによって形成された中間層の詳しい構成を示す。表6を参照し、各形成条件a〜gにより形成された多層構造含有層において、各多層構造含有層におけるTiN層およびTi1-xAlxN層のそれぞれの厚みは表6に示すように同等であった。また、Ti1-xAlxN層におけるAlの含有割合xは表6に示すように0.6以上0.9以下であった。また、多層構造含有層に関し、積層構造内の層数は表6に示す通りであり、その層数は100以上であった。すなわち、この多層構造含有層が有する積層構造は超多層構造に分類される。なお、多層構造含有層が柱状晶領域を有すること、該柱状晶領域に多層構造が構成されていることについても、TEM観察により確認された。
また、形成条件xによって形成された中間層は、4nmの厚みのTiN層と4nmの厚みのAlN層とが交互に積層された積層構造からなる層(AlN/TiN層)であり、形成条件yよって形成された中間層は、Ti0.1Al0.9Nの組成を主とする単層からなる層(Ti0.1Al0.9N層)であった。
Table 6 shows a detailed configuration of the intermediate layer formed by each of the formation conditions a to g, x, and y. Referring to Table 6, in the multilayer structure-containing layers formed according to the respective formation conditions a to g, the thicknesses of the TiN layer and the Ti 1-x Al x N layer in each multilayer structure-containing layer are as shown in Table 6. It was equivalent. Further, the Al content ratio x in the Ti 1-x Al x N layer was 0.6 or more and 0.9 or less as shown in Table 6. Regarding the multilayer structure-containing layer, the number of layers in the laminated structure is as shown in Table 6, and the number of layers was 100 or more. That is, the multilayer structure of the multilayer structure-containing layer is classified as a super multilayer structure. In addition, it was confirmed by TEM observation that the multilayer structure-containing layer has a columnar crystal region, and that the multilayer structure is formed in the columnar crystal region.
The intermediate layer formed under the formation condition x is a layer (AlN / TiN layer) having a laminated structure in which a 4 nm thick TiN layer and a 4 nm thick AlN layer are alternately laminated. Thus formed intermediate layer was a layer formed of a single layer comprising mainly composition of Ti 0.1 Al 0.9 N (Ti 0.1 Al 0.9 N layer).

<多層構造含有層の特性>
多層構造含有層の特性として、形成条件a〜gで形成された中間層に含まれるTi1-xAlxN層のX線回折スペクトルを観察し、その最大強度を示すピークがいずれの面に由来するのかを確認し、さらに、X線を用いたsin2ψ法によりTi1-xAlxN層の圧縮残留応力を測定した。その結果を表7に示す。なお、試料No.1〜15の各被膜の中間層に含まれるTi1-xAlxN層について上記の特性を確認したところ、上記特性は形成条件毎に一致したため、表7においては試料No毎ではなく、形成条件毎の結果を示す。
<Characteristics of multilayer structure-containing layer>
As a characteristic of the multilayer structure-containing layer, an X-ray diffraction spectrum of the Ti 1-x Al x N layer contained in the intermediate layer formed under the formation conditions a to g is observed, and a peak indicating the maximum intensity is present on any surface. It was confirmed whether it originated or not, and the compressive residual stress of the Ti 1-x Al x N layer was measured by the sin 2 ψ method using X-rays. The results are shown in Table 7. Sample No. When the above characteristics were confirmed for the Ti 1-x Al x N layer contained in the intermediate layer of each coating of 1 to 15, the above characteristics were consistent for each formation condition. The result for each condition is shown.

表7を参照し、形成条件a〜eに従って形成された中間層に含まれるTi1-xAlxN層は、X線回折スペクトルにおいて(200)面由来のピークが最大強度を示し、形成条件fおよびgに従って形成された中間層に含まれるTi1-xAlxN層は、X線回折スペクトルにおいて(111)面由来のピークが最大強度を示すことが確認された。また、いずれの形成条件によって形成された中間層においても、Ti1-xAlxN層の圧縮残留応力の絶対値は2.0GPa以下であることが確認された。 With reference to Table 7, the Ti 1-x Al x N layer contained in the intermediate layer formed according to the formation conditions a to e has a peak derived from the (200) plane in the X-ray diffraction spectrum and shows the maximum intensity. In the Ti 1-x Al x N layer contained in the intermediate layer formed according to f and g, it was confirmed that the peak derived from the (111) plane showed the maximum intensity in the X-ray diffraction spectrum. Further, it was confirmed that the absolute value of the compressive residual stress of the Ti 1-x Al x N layer was 2.0 GPa or less in the intermediate layer formed under any formation condition.

<切削性能評価>
製造されたNo.1〜21の各切削工具を用いて、以下の切削試験1〜5の切削試験を行い、各切削工具の切削性能を評価した。
<Cutting performance evaluation>
No. manufactured Using the cutting tools 1 to 21, the following cutting tests 1 to 5 were performed, and the cutting performance of each cutting tool was evaluated.

<切削試験1>
以下の表8に示すNo.の切削工具について、以下の切削条件により逃げ面摩耗量(Vb)が0.20mmとなるまでの切削時間を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察した。その結果を表7に示す。切削時間が長いもの程、耐摩耗性に優れていることを示す。また、最終損傷形態が正常摩耗に近いもの程、耐溶着性に優れていることを示す。
<Cutting test 1>
No. shown in Table 8 below. With respect to the cutting tool, the cutting time until the flank wear amount (Vb) reached 0.20 mm was measured under the following cutting conditions, and the final damage form of the blade edge was observed. The results are shown in Table 7. The longer the cutting time, the better the wear resistance. Further, the closer the final damage form is to normal wear, the better the welding resistance.

<切削条件>
被削材:SUS316丸棒外周切削
周速:150m/min
送り速度:0.15mm/rev
切込み量:1.0mm
切削液:あり
<Cutting conditions>
Work material: SUS316 round bar peripheral cutting Peripheral speed: 150 m / min
Feeding speed: 0.15mm / rev
Cutting depth: 1.0mm
Cutting fluid: Yes

表8より明らかなように、No.1、3、7、9の各切削工具は、No.16、17、19の各切削工具に比し、耐摩耗性に優れていた。なお、表8の最終損傷形態において、「正常摩耗」とはチッピング、欠けなどを生じず、摩耗のみで構成される損傷形態(平滑な摩耗面を有する)を意味する。この結果から、多層構造含有層を含む被膜で被覆された切削工具(No.1、3、7、9)は、AlN/TiN層を含む被膜で被覆された切削工具(No.16、17)およびTi0.1Al0.9N層を含む被膜で被覆された切削工具(No.19)よりも耐摩耗性に優れており、もって切削性能に優れることが確認された。これは、多層構造含有層を含む被膜が、他の被膜と比して、高い硬度と高い耐酸化性とを有するためと考えられる。 As is apparent from Table 8, No. 4 Each of the cutting tools 1, 3, 7, and 9 is No. It was excellent in wear resistance as compared with 16, 17, and 19 cutting tools. In the final damage forms shown in Table 8, “normal wear” means a damage form (having a smooth wear surface) composed only of wear without causing chipping or chipping. From this result, the cutting tools (No. 1, 3, 7, 9) coated with the coating containing the multilayer structure-containing layer are the cutting tools (No. 16, 17) coated with the coating containing the AlN / TiN layer. Further, it was confirmed that the cutting tool (No. 19) coated with a coating containing a Ti 0.1 Al 0.9 N layer is superior in wear resistance and thus has excellent cutting performance. This is presumably because the coating including the multilayer structure-containing layer has high hardness and high oxidation resistance as compared with other coatings.

<切削試験2>
以下の表9に示すNo.の切削工具について、以下の切削条件により逃げ面摩耗量(Vb)が0.20mmとなるまでの切削時間を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察した。その結果を表9に示す。切削時間が長いもの程、耐摩耗性に優れていることを示す。また、最終損傷形態が正常摩耗に近いもの程、耐溶着性に優れていることを示す。
<Cutting test 2>
No. shown in Table 9 below. With respect to the cutting tool, the cutting time until the flank wear amount (Vb) reached 0.20 mm was measured under the following cutting conditions, and the final damage form of the blade edge was observed. The results are shown in Table 9. The longer the cutting time, the better the wear resistance. Further, the closer the final damage form is to normal wear, the better the welding resistance.

<切削条件>
被削材:SUS304丸棒外周切削
周速:200m/min
送り速度:0.15mm/rev
切込み量:1.0mm
切削液:あり
<Cutting conditions>
Work material: SUS304 round bar peripheral cutting Peripheral speed: 200 m / min
Feeding speed: 0.15mm / rev
Cutting depth: 1.0mm
Cutting fluid: Yes

表9より明らかなように、No.1、4、5、8の各切削工具は、No.17、19の各切削工具に比し、耐摩耗性および溶着性に優れていた。なお、表9の最終損傷形態において、「正常摩耗」とはチッピング、欠けなどを生じず、摩耗のみで構成される損傷形態(平滑な摩耗面を有する)を意味し、「欠損」とは切れ刃部に生じた大きな欠けを意味し、「チッピング」とは仕上げ面を生成する切れ刃部に生じた微小な欠けを意味する。この結果から、多層構造含有層を含む被膜で被覆された切削工具(No.1、4、5、8)は、AlN/TiN層を含む被膜で被覆された切削工具(No.17)およびTi0.1Al0.9N層を含む被膜で被覆された切削工具(No.19)よりも耐摩耗性および耐溶着性に優れており、もって切削性能に優れることが確認された。これは、多層構造含有層を含む被膜が、他の被膜と比して、高い硬度と高い耐酸化性とを有するためと考えられる。 As can be seen from Table 9, no. The cutting tools 1, 4, 5, and 8 are No. Compared to the cutting tools 17 and 19, it was excellent in wear resistance and weldability. In the final damage forms shown in Table 9, “normal wear” means a damage form (having a smooth wear surface) that does not cause chipping or chipping and has only wear, and “defect” is broken. The term “chipping” means a small chip generated at the cutting edge part that generates the finished surface. From this result, the cutting tool (No. 1, 4, 5, 8) coated with the coating containing the multilayer structure-containing layer is the cutting tool (No. 17) and Ti coated with the coating containing the AlN / TiN layer. It was confirmed that the cutting tool (No. 19) coated with a coating containing a 0.1 Al 0.9 N layer is superior in wear resistance and welding resistance, and thus has excellent cutting performance. This is presumably because the coating including the multilayer structure-containing layer has high hardness and high oxidation resistance as compared with other coatings.

<切削試験3>
以下の表10に示すNo.の切削工具について、以下の切削条件により工具刃先部において欠損またはチッピングが発生するまでの切削時間(分)を測定した。その結果を表10に示す。切削時間が長いものほど、耐疲労靭性に優れていることを示している。
<Cutting test 3>
No. shown in Table 10 below. With respect to the cutting tool, the cutting time (minutes) until the chipping or chipping occurred in the tool cutting edge was measured under the following cutting conditions. The results are shown in Table 10. The longer the cutting time, the better the fatigue toughness.

<切削条件>
被削材:SCM435溝材
周速:350m/min
送り速度:0.15mm/s
切込み量:1.0mm
切削液:あり
<Cutting conditions>
Work material: SCM435 groove material Peripheral speed: 350 m / min
Feed rate: 0.15 mm / s
Cutting depth: 1.0mm
Cutting fluid: Yes

表10より明らかなように、No.1、2、3、5、6の各切削工具は、No.17、19、20の各切削工具に比し、耐疲労靭性に優れていた。この結果から、多層構造含有層を含む被膜で被覆された切削工具(、No.1、2、3、5、6)は、AlN/TiN層を含む被膜で被覆された切削工具(No.17)およびTi0.1Al0.9N層を含む被膜で被覆された切削工具(No.19、20)よりも耐疲労靱性に優れており、もって切削性能に優れることが確認された。これは、多層構造含有層を含む被膜が、他の被膜と比して、高い硬度と高い耐酸化性とを有するためと考えられる。 As is clear from Table 10, No. Each of the cutting tools 1, 2, 3, 5, 6 is No. It was excellent in fatigue toughness as compared with the cutting tools of 17, 19, and 20. From this result, the cutting tool (No. 1, 2, 3, 5, 6) coated with the coating containing the multilayer structure-containing layer is the cutting tool (No. 17) coated with the coating containing the AlN / TiN layer. ) And a cutting tool (No. 19, 20) coated with a coating containing a Ti 0.1 Al 0.9 N layer, it was confirmed that the fatigue toughness was superior and therefore the cutting performance was excellent. This is presumably because the coating including the multilayer structure-containing layer has high hardness and high oxidation resistance as compared with other coatings.

<切削試験4>
以下の表11に記載したNo.の切削工具について、以下の切削条件により欠損または逃げ面摩耗量(Vb)が0.20mmになるまでのパス回数および切削距離を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察した。その結果を表11に示す。パス回数が多いもの程(すなわち切削距離が長いもの程)、耐摩耗性に優れていることを示す。また、最終損傷形態が正常摩耗に近いもの程、耐衝撃性に優れていることを示す。
<Cutting test 4>
No. described in Table 11 below. With respect to the cutting tool, the number of passes and the cutting distance until the defect or flank wear amount (Vb) became 0.20 mm were measured under the following cutting conditions, and the final damage form of the blade edge was observed. The results are shown in Table 11. A higher number of passes (that is, a longer cutting distance) indicates better wear resistance. Moreover, it shows that it is excellent in impact resistance, so that a final damage form is near normal wear.

なお、パス回数とは、下記被削材(形状:300mm×100mm×80mmのブロック状)の一側面(300mm×80mmの面)の一方端から他方端までを、切削工具(刃先交換型切削チップ)を1枚取付けたカッタにより転削する操作を繰り返し、その繰り返し回数をパス回数とした(パス回数に少数点以下の数値を伴うものは、一方端から他方端までの途中で上記の条件に達したことを示す)。切削距離とは、上記の条件に達するまでに切削加工された被削材の合計距離を意味し、パス回数と上記側面の長さ(300mm)との積に相当する。   The number of passes means a cutting tool (blade-replaceable cutting tip) from one end to the other end of one side surface (300 mm × 80 mm surface) of the following work material (shape: 300 mm × 100 mm × 80 mm block shape) ) Is repeated with the cutter attached with one sheet, and the number of repetitions is defined as the number of passes. (If the number of passes is accompanied by a numerical value less than a decimal point, the above conditions are met on the way from one end to the other end.) Indicating that this has been reached). The cutting distance means the total distance of the work material cut until reaching the above condition, and corresponds to the product of the number of passes and the length of the side surface (300 mm).

<切削条件>
被削材:FCD700ブロック材
周速:150m/min
送り速度:0.2mm/s
切込み量:2.0mm
切削液:なし
カッタ:WEX3032E(住友電工ハードメタル社製)
チップ:AXMT170508PEER−G1枚刃(住友電工ハードメタル社製)
<Cutting conditions>
Work material: FCD700 block material Peripheral speed: 150 m / min
Feeding speed: 0.2mm / s
Cutting depth: 2.0mm
Cutting fluid: None Cutter: WEX3032E (manufactured by Sumitomo Electric Hardmetal Corp.)
Tip: AXMT170508PEER-G1 blade (manufactured by Sumitomo Electric Hardmetal Corp.)

表11より明らかなように、No.10、11、13、15の各切削工具は、No.18、21の切削工具に比し、耐摩耗性に優れていた。なお、表11の最終損傷形態において、「正常摩耗」とはチッピング、欠けなどを生じず、摩耗のみで構成される損傷形態(平滑な摩耗面を有する)を意味する。この結果から、多層構造含有層を含む被膜で被覆された切削工具(No.10、11、13、15)は、AlN/TiN層を含む被膜で被覆された切削工具(No.18)およびTi0.1Al0.9N層を含む被膜で被覆された切削工具(No.21)よりも耐摩耗性に優れており、もって切削性能に優れることが確認された。これは、多層構造含有層を含む被膜が、他の被膜と比して、高い硬度と高い耐酸化性とを有するためと考えられる。 As is clear from Table 11, No. 1 was obtained. Each of the cutting tools 10, 11, 13, 15 is No. Compared to the 18 and 21 cutting tools, the wear resistance was excellent. In the final damage forms shown in Table 11, “normal wear” means a damage form (having a smooth wear surface) that is composed only of wear without causing chipping or chipping. From this result, the cutting tool (No. 10, 11, 13, 15) coated with the coating containing the multilayer structure-containing layer is the cutting tool (No. 18) and Ti coated with the coating containing the AlN / TiN layer. It was confirmed that the cutting tool (No. 21) coated with a coating containing a 0.1 Al 0.9 N layer is superior in wear resistance and thus has excellent cutting performance. This is presumably because the coating including the multilayer structure-containing layer has high hardness and high oxidation resistance as compared with other coatings.

<切削試験5>
以下の表12に記載したNo.の切削工具について、以下の切削条件により欠損または逃げ面摩耗量(Vb)が0.20mmになるまでのパス回数および切削距離を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察した。その結果を表12に示す。パス回数が多いもの程(すなわち切削距離が長いもの程)、耐摩耗性に優れていることを示す。また、最終損傷形態が正常摩耗に近いもの程、耐衝撃性に優れていることを示す。
<Cutting test 5>
No. described in Table 12 below. With respect to the cutting tool, the number of passes and the cutting distance until the defect or flank wear amount (Vb) became 0.20 mm were measured under the following cutting conditions, and the final damage form of the blade edge was observed. The results are shown in Table 12. A higher number of passes (that is, a longer cutting distance) indicates better wear resistance. Moreover, it shows that it is excellent in impact resistance, so that a final damage form is near normal wear.

<切削条件>
被削材:SUS304ブロック材
周速:200m/min
送り速度:0.2mm/s
切込み量:2.0mm
切削液:なし
カッタ:WEX3032E(住友電工ハードメタル社製)
チップ:AXMT170508PEER−G1枚刃(住友電工ハードメタル社製)
<Cutting conditions>
Work material: SUS304 block material Peripheral speed: 200 m / min
Feeding speed: 0.2mm / s
Cutting depth: 2.0mm
Cutting fluid: None Cutter: WEX3032E (manufactured by Sumitomo Electric Hardmetal Corp.)
Tip: AXMT170508PEER-G1 blade (manufactured by Sumitomo Electric Hardmetal Corp.)

表12より明らかなように、No.10、12、13、14の各切削工具は、No.18、21の切削工具に比し、耐摩耗性および耐衝撃性の両者に優れていた。なお、表12の最終損傷形態において、「正常摩耗」とはチッピング、欠けなどを生じず、摩耗のみで構成される損傷形態(平滑な摩耗面を有する)を意味し、「チッピング」とは切れ刃部に生じた小さな欠けを意味する。この結果から、多層構造含有層を含む被膜で被覆された切削工具(No.10、12、13、14)は、AlN/TiN層を含む被膜で被覆された切削工具(No.18)およびTi0.1Al0.9N層を含む被膜で被覆された切削工具(No.21)よりも耐摩耗性に優れており、もって切削性能に優れることが確認された。これは、多層構造含有層を含む被膜が、他の被膜と比して、高い硬度と高い耐酸化性とを有するためと考えられる。 As is clear from Table 12, Each of the cutting tools 10, 12, 13, and 14 is No. Compared to the 18 and 21 cutting tools, both wear resistance and impact resistance were excellent. In the final damage forms shown in Table 12, “normal wear” means a damage form (having a smooth wear surface) that does not cause chipping or chipping and has only a wear, and “chipping” is cut off. It means a small chip generated in the blade. From this result, the cutting tool (No. 10, 12, 13, 14) coated with the coating containing the multilayer structure-containing layer is the cutting tool (No. 18) and Ti coated with the coating containing the AlN / TiN layer. It was confirmed that the cutting tool (No. 21) coated with a coating containing a 0.1 Al 0.9 N layer is superior in wear resistance and thus has excellent cutting performance. This is presumably because the coating including the multilayer structure-containing layer has high hardness and high oxidation resistance as compared with other coatings.

以上の切削試験1〜5から明らかなように、本実施の形態に係る多層構造含有層を含む被膜を備えた各切削工具(No.1〜15)は、他の切削工具(No.16〜21)と比して、切削性能に優れていた。これは、多層構造含有層を含む被膜が、他のTiN/AlN層やTi0.1Al0.9N層と比して高い硬度を有し、かつ高い耐酸化性を有するためと考えられる。 As is clear from the above cutting tests 1 to 5, each cutting tool (No. 1 to 15) provided with the coating including the multilayer structure-containing layer according to the present embodiment is another cutting tool (No. 16 to 16). Compared with 21), the cutting performance was excellent. This is presumably because the coating including the multilayer structure-containing layer has higher hardness and higher oxidation resistance than other TiN / AlN layers and Ti 0.1 Al 0.9 N layers.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

10 多層構造含有層
11 基材
12 第1単位層
13 第3単位層
21 CVD装置
22 基材セット治具
23 反応容器
24 調温装置
25,26 導入口
27 導入管
28 排気管
29 排気口。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Multilayer structure containing layer 11 Base material 12 1st unit layer 13 3rd unit layer 21 CVD apparatus 22 Base material setting jig 23 Reaction container 24 Temperature control device 25,26 Inlet 27 Inlet pipe 28 Exhaust pipe 29 Exhaust opening.

Claims (3)

基材上に形成される、1または2以上の層により構成される被膜の製造方法であって、
前記層のうちの少なくとも1層を、CVD法を用いて形成するCVD工程を含み、
前記CVD工程は、チタンおよびアルミニウムを含む第1ガスと、窒素を含む第2ガスとを、前記基材に向かって噴出する噴出工程と、
前記噴出工程後の前記基材を、5分以上30分以下の期間、850℃以上1000℃以下の加熱条件でアニール処理するアニール工程と、
前記アニール工程後の前記基材を、7℃/min以上の冷却速度で冷却する冷却工程と、を含む被膜の製造方法。
A method for producing a film composed of one or more layers formed on a substrate,
Including a CVD step of forming at least one of the layers using a CVD method;
The CVD step is a jetting step of jetting a first gas containing titanium and aluminum and a second gas containing nitrogen toward the base material,
An annealing step of annealing the base material after the ejection step under a heating condition of 850 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower for a period of 5 minutes to 30 minutes;
A cooling step of cooling the base material after the annealing step at a cooling rate of 7 ° C./min or more.
前記CVD工程は、CVD装置を用いて行ない、The CVD process is performed using a CVD apparatus,
前記CVD装置は、反応容器および前記反応容器へガスを導入する導入管を備える、請求項1に記載の被膜の製造方法。The said CVD apparatus is a manufacturing method of the film of Claim 1 provided with the introduction pipe | tube which introduce | transduces gas into the reaction container and the said reaction container.
前記導入管は、第1導入口および第2導入口を備え、The introduction pipe includes a first introduction port and a second introduction port,
前記噴出工程は、前記第1ガスを前記第1導入口から前記導入管内に導入し、前記第2ガスを前記第2導入口から前記導入管内に導入し、かつ前記第1ガスおよび前記第2ガスを前記導入管内において混合することなく、前記反応容器へ導入する操作を含む、請求項2に記載の被膜の製造方法。In the ejection step, the first gas is introduced into the introduction pipe from the first introduction port, the second gas is introduced into the introduction pipe from the second introduction port, and the first gas and the second gas are introduced into the introduction pipe. The manufacturing method of the film of Claim 2 including operation which introduce | transduces gas into the said reaction container, without mixing in the said introduction pipe | tube.
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