JP6520682B2 - Hard coated tool and method of manufacturing the same - Google Patents

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Description

本発明は、耐熱性及び耐剥離性に優れた窒化チタンアルミニウム皮膜を有する硬質皮膜被覆工具、及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a hard-coated tool having a titanium aluminum nitride film excellent in heat resistance and peel resistance, and a method of manufacturing the same.

従来から軟鋼等の切削加工に、TiAlN、TiC、TiN、Ti(CN)等の硬質皮膜を単層又は複層に被覆した切削工具が用いられている。しかし、益々過酷になる切削加工条件では、皮膜が酸化し、寿命が短くなる問題がある。また、乾式加工から湿式加工に変えることにより刃先を冷却し、工具寿命を長くしようとする試みもあるが、加熱冷却のサイクルによりヒートクラックが発生し、そこを起点とする剥離により寿命が延びにくい。このような問題を解決するために、耐熱性及び耐剥離性に優れた硬質皮膜を有する切削工具が望まれている。   BACKGROUND ART A cutting tool in which a hard coating such as TiAlN, TiC, TiN, Ti (CN) or the like is coated in a single layer or a plurality of layers has conventionally been used for cutting of mild steel or the like. However, under increasingly severe cutting conditions, there is a problem that the film is oxidized and the life is shortened. There are also attempts to cool the cutting edge by changing from dry processing to wet processing to extend the tool life, but heat cracking occurs due to heating and cooling cycles, and the life is difficult to extend due to peeling from that point . In order to solve such a problem, a cutting tool having a hard coating excellent in heat resistance and peeling resistance is desired.

特許3560303号(特許文献1)は、TiC、TiN、TiCN等の内層膜とα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜との間に、TiCN/TiCNO等の結合層を形成することにより、内層膜と結合層、結合層と酸化膜間の両界面において、格子縞を連続させることにより密着性を改善した被覆切削工具を開示している。しかし、特許文献1に記載の成膜条件により前記結合層の直上に窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を設けた場合、結合層と窒化チタンアルミニウム硬質皮膜との境界(界面)で格子縞が不連続になり、もって昨今の厳しい切削工具の要求性能を満たさない。   Japanese Patent No. 3560303 (Patent Document 1) discloses an inner layer film by forming a bonding layer such as TiCN / TiCNO between an inner layer film such as TiC, TiN, TiCN, etc. and an oxide film mainly composed of α-type aluminum oxide. A coated cutting tool is disclosed in which adhesion is improved by connecting plaids continuously at both interfaces between the bonding layer and the bonding layer and the oxide film. However, when a titanium aluminum nitride hard coating is provided immediately above the bonding layer under the film forming conditions described in Patent Document 1, the lattice stripes become discontinuous at the boundary (interface) between the bonding layer and the titanium aluminum nitride hard coating, Therefore, it does not meet the demanding performance requirements of recent cutting tools.

特開2001-341008号(特許文献2)は、原料ガスとしてチタンハライドガス、アルミニウムハライドガス及びNH3ガスを用い、WC基超硬合金基体の表面に、700〜900℃で熱CVD法により0.01〜2質量%の塩素を含むfcc構造の窒化チタンアルミニウム皮膜を形成した被覆切削工具を開示している。しかし、特許文献2の実施例に記載の成膜条件により、超硬合金基体の表面にTiN皮膜及び窒化チタンアルミニウム皮膜を形成すると、TiN皮膜と窒化チタンアルミニウム皮膜との界面で結晶格子縞が不連続になり、工具性能が低下する。 JP-A-2001-341008 (PTD 2) uses titanium halide gas, aluminum halide gas and NH 3 gas as a source gas, and heats the surface of a WC-based cemented carbide substrate by a thermal CVD method at 700 to 900 ° C. Disclosed is a coated cutting tool having a titanium aluminum nitride film of fcc structure containing ̃2% by mass of chlorine. However, when a TiN film and a titanium aluminum nitride film are formed on the surface of the cemented carbide substrate under the film forming conditions described in the example of Patent Document 2, the crystal lattice is discontinuous at the interface between the TiN film and the titanium aluminum nitride film. Tool performance is reduced.

特開2014-129562号(特許文献3)は、図10に示すCVD装置100を使用して多層構造の窒化チタンアルミニウム皮膜を被覆した工具を開示している。CVD装置100は、複数の基体102を載置する複数の棚103と、棚103をカバーする反応容器104と、反応容器104を囲む調温装置105と、2つの導入口106、107を有する導入管108と、排気管109とを具備する。窒化チタンアルミニウム皮膜はWC基超硬合金基体の表面にTiAlN、AlN又はTiNの硬質粒子からなる第一単位層と第二単位層とが交互に積層された構造を有する。これは、(1) 第一及び第二の原料ガス(混合ガス)が導入管108の中心から等距離の位置に設けられたノズルから炉内に正反対の方向(180°)に噴出され、かつ(2) 第二の原料ガス中のNH3ガスの含有量が0.09 mol/minと非常に少ないので、原料ガスの反応速度が非常に遅いためである。しかし、特許文献3の実施例に記載の成膜条件により、WC基超硬合金基体の表面に窒化チタン皮膜及び窒化チタンアルミニウム皮膜を形成すると、後述の比較例1のとおり、本発明に係る結合層は形成されず、得られた切削工具は短寿命になる。 Japanese Patent Laid-Open No. 2014-129562 (Patent Document 3) discloses a tool coated with a titanium aluminum nitride film having a multilayer structure using the CVD apparatus 100 shown in FIG. The CVD apparatus 100 has a plurality of shelves 103 for mounting a plurality of substrates 102, a reaction container 104 for covering the shelves 103, a temperature control device 105 surrounding the reaction container 104, and an introduction having two inlets 106 and 107. A pipe 108 and an exhaust pipe 109 are provided. The titanium aluminum nitride film has a structure in which first unit layers and second unit layers made of hard particles of TiAlN, AlN or TiN are alternately laminated on the surface of a WC base cemented carbide substrate. This is because (1) the first and second source gases (mixed gas) are ejected from the nozzles provided at the same distance from the center of the introduction pipe 108 in the opposite direction (180 °) into the furnace and (2) The reaction rate of the source gas is very slow because the content of the NH 3 gas in the second source gas is as very small as 0.09 mol / min. However, when a titanium nitride film and a titanium aluminum nitride film are formed on the surface of the WC-based cemented carbide substrate under the film forming conditions described in the example of Patent Document 3, the bonding according to the present invention is performed as in Comparative Example 1 described later. No layer is formed and the resulting cutting tool has a short life.

特許3560303号Patent 3560303 特開2001-341008号公報JP 2001-341008 A 特開2014-129562号公報JP 2014-129562 A

従って、本発明の目的は、単窒化チタン等の下層とTiリッチな窒化チタンアルミニウム皮膜からなる結合層との界面で格子縞の30%以上が連続しているとともに、結合層とAlリッチな窒化チタンアルミニウム皮膜との界面で格子縞の30%以上が連続していることにより、耐熱性及び耐剥離性に優れた窒化チタンアルミニウム皮膜を有する硬質皮膜被覆工具、及びその製造方法を提供することである。   Therefore, it is an object of the present invention that at least 30% or more of the lattice is continuous at the interface between the lower layer such as titanium mononitride etc. and the bonding layer consisting of Ti-rich titanium aluminum nitride film and the bonding layer and Al-rich titanium nitride It is to provide a hard-coated tool having a titanium aluminum nitride film excellent in heat resistance and peeling resistance by having 30% or more of a plaid continuous at the interface with an aluminum film, and a method of manufacturing the same.

本発明の硬質皮膜被覆工具は、工具基体に、化学蒸着法により炭窒化チタン、窒化チタン及び炭窒化チタンジルコニウムのいずれか一種の単層皮膜又は二種以上の多層皮膜からなるfcc構造の下層と、Tix1Aly1N(ただし、x1及びy1はそれぞれ原子比でx1=0.45〜0.05、y1=0.55〜0.95、及びx1+y1=1を満たす数字である。)で表される組成を有するfcc構造の窒化チタンアルミニウム皮膜とを有する硬質皮膜を形成してなり、前記下層と前記窒化チタンアルミニウム皮膜との間に結合層を有し、前記結合層がTix2Aly2N(ただし、x2及びy2はそれぞれ原子比でx2=0.55〜0.80、y2=0.45〜0.20、及びx2+y2=1を満たす数字である。)で表される組成及びfcc構造を有し、前記下層と前記結合層との界面で30%以上の格子縞が連続しているとともに、前記結合層と前記窒化チタンアルミニウム皮膜との界面で30%以上の格子縞が連続していることを特徴とする。 The hard-coated tool according to the present invention comprises a tool substrate having a lower layer of fcc structure comprising a single layer film of titanium carbonitride, titanium nitride and titanium zirconium carbonitride by chemical vapor deposition or any one or more multilayer films. , Ti x 1 Al y 1 N (wherein x 1 and y 1 are numbers satisfying atomic ratios x 1 = 0.45 to 0.05, y 1 = 0.55 to 0.95, and x 1 + y 1 = 1), respectively. A hard film having a titanium aluminum nitride film is formed, and a bonding layer is provided between the lower layer and the titanium aluminum nitride film, and the bonding layer is formed of Ti x 2 Al y 2 N (where x 2 and y 2 are each It has a composition and an fcc structure represented by the atomic ratio x 2 = 0.55 to 0.80, y 2 = 0.45 to 0.20, and x 2 + y 2 = 1), and 30% at the interface between the lower layer and the bonding layer While the above plaid is continuous, the bonding layer and the nitrogen Wherein the interface at least 30% of the plaid titanium aluminum coating is continuous.

前記結合層の層厚は2〜50 nmであるのが好ましい。   The layer thickness of the bonding layer is preferably 2 to 50 nm.

上記硬質皮膜被覆工具を製造する本発明の方法は、
(1) 工具基体を載置した化学蒸着装置に、(a) TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスA1と、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスB1とからなる第一の原料ガスを供給した後、(b) TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスA2と、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスB2とからなる第二の原料ガスを供給することにより、前記結合層を形成し、次いで
(2) TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスA3と、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスB3とからなる第三の原料ガスを供給することにより、前記窒化チタンアルミニウム皮膜を形成することを特徴とする。
The method of the present invention for producing the above hard-coated tool comprises
(1) chemical vapor deposition apparatus mounted with the tool substrate, mixed consisting of (a) TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, a mixed gas A 1 consisting of N 2 gas and H 2 gas, N 2 gas and H 2 gas after supplying a first material gas consisting of the gas B 1 Tokyo, (b) TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, a mixed gas a 2 consisting of N 2 gas and H 2 gas, NH 3 gas, N 2 gas and by supplying the second material gas comprising a mixed gas B 2 Metropolitan consisting H 2 gas, to form the bond layer, then
(2) TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, a mixed gas A 3 consisting of N 2 gas and H 2 gas, the third material consisting of NH 3 gas, consisting of N 2 gas and H 2 gas mixed gas B 3 Metropolitan The titanium aluminum nitride film is formed by supplying a gas.

前記第一の原料ガスは、TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスの合計を100体積%として、0.18〜0.77体積%のTiCl4ガス、0.06〜0.35体積%のAlCl3ガス、4〜15体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる混合ガスA1と、4〜15体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる混合ガスB1とからなるのが好ましい。 The first source gas is 0.18 to 0.77% by volume of TiCl 4 gas, 0.06 to 0.35% by volume of AlCl 3 gas, wherein the total of TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, N 2 gas and H 2 gas is 100% by volume. , 4-15% by volume of N 2 gas, and the mixed gas a 1 the balance being H 2 gas, that consists of 4 to 15% by volume of N 2 gas, and the mixed gas B 1 Metropolitan balance consisting H 2 gas preferable.

前記第二の原料ガスは、TiCl4ガス、AlCl3ガス、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスの合計を100体積%として、0.18〜0.77体積%のTiCl4ガス、0.06〜0.35体積%のAlCl3ガス、4〜15体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる混合ガスA2と、0.85~1.5体積%のNH3ガス、4〜15体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる混合ガスB2とからなるのが好ましい。 The second source gas includes 0.18 to 0.77% by volume of TiCl 4 gas, 0.06 to 0.35% by volume, where the total of TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, NH 3 gas, N 2 gas and H 2 gas is 100% by volume. AlCl 3 gas, 4-15% by volume of N 2 gas, and the mixed gas a 2 the balance being H 2 gas, 0.85 to 1.5% by volume of NH 3 gas, 4-15% by volume of N 2 gas, and the balance preferably, a mixed gas B 2 Metropolitan consisting H 2 gas.

前記第三の原料ガスは、TiCl4ガス、AlCl3ガス、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスの合計を100体積%として、0.02〜0.31体積%のTiCl4ガス、0.15〜0.8体積%のAlCl3ガス、4.9〜21.8体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる混合ガスA3と、0.7~1.9体積%のNH3ガス、3〜16.5体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる混合ガスB3とからなるのが好ましい。 The third source gas is composed of TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, NH 3 gas, N 2 gas and H 2 gas in total of 100% by volume, 0.02 to 0.31% by volume of TiCl 4 gas, 0.15 to 0.8% by volume AlCl 3 gas, 4.9 to 21.8% by volume of N 2 gas, and the mixed gas a 3 the balance being H 2 gas, 0.7 to 1.9% by volume of NH 3 gas, 3 to 16.5% by volume of N 2 gas, and the balance preferably, a mixed gas B 3 Metropolitan consisting H 2 gas.

本発明の方法では、回転軸Oを中心として回転する第一及び第二のパイプを具備する化学蒸着装置を使用し、前記第一のパイプは第一のノズルを有し、前記第二のパイプは第二のノズルを有し、前記第一のノズルの噴出口と前記回転軸Oとの距離H1を前記第二のノズルの噴出口と前記回転軸Oとの距離H2より長くし、前記第一のノズルから前記混合ガスA1,A2,A3を順次噴出するとともに、前記第二のパイプから前記混合ガスB1,B2,B3を順次噴出するのが好ましい。 The method of the present invention uses a chemical vapor deposition apparatus comprising first and second pipes rotating about an axis of rotation O, said first pipe having a first nozzle, said second pipe has a second nozzle, the distance H 1 between the rotation axis O between the gas jetting port of the first nozzle longer than the distance of H 2 and the rotary shaft O and spout of said second nozzle, It is preferable that the mixed gases A 1 , A 2 and A 3 are sequentially ejected from the first nozzle, and the mixed gases B 1 , B 2 and B 3 are sequentially ejected from the second pipe.

前記距離H1と前記距離H2との比(H1/H2)を1.5〜3の範囲内にするのが好ましい。 Preferably the ratio of the distance H 1 between the distance H 2 of (H 1 / H 2) in the range of 1.5 to 3.

本発明の方法を、3〜6 kPaの反応圧力及び750〜830℃の反応温度で行うのが好ましい。   The process according to the invention is preferably carried out at a reaction pressure of 3 to 6 kPa and a reaction temperature of 750 to 830 ° C.

本発明の硬質皮膜被覆工具は、fcc構造の下層と、Tiリッチな窒化チタンアルミニウム皮膜からなる結合層と、この結合層を介して形成されたAlリッチな窒化チタンアルミニウム皮膜とを備えた硬質皮膜を有し、前記下層と前記結合層との界面で格子縞の30%以上が連続しているとともに、前記結合層と前記窒化チタンアルミニウム皮膜との界面で格子縞の30%以上が連続しているので、優れた耐熱性及び耐剥離性を有し、工具寿命が長い。   The hard-coated tool according to the present invention comprises a lower layer of fcc structure, a bonding layer comprising a Ti-rich titanium aluminum nitride film, and an Al-rich titanium aluminum nitride film formed through the bonding layer. And 30% or more of the lattice is continuous at the interface between the lower layer and the bonding layer, and 30% or more of the lattice is continuous at the interface between the bonding layer and the titanium aluminum nitride film. Has excellent heat resistance and peeling resistance, and has a long tool life.

実施例1の硬質皮膜被覆工具の断面を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真(倍率10,000倍)である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph (10,000 magnification) which shows the cross section of the hard-film coated tool of Example 1. FIG. 実施例1の硬質皮膜被覆工具の断面を示す透過型電子顕微鏡(TEM)写真(倍率4,000,000倍)である。1 is a transmission electron microscope (TEM) photograph (magnification 4,000,000) showing the cross section of the hard-coated tool of Example 1. FIG. 図2のTEM写真の概略図である。It is the schematic of the TEM photograph of FIG. 結合層の平均厚さを求める方法を示す概略図である。FIG. 5 is a schematic view showing a method of determining an average thickness of a bonding layer. 実施例1の結合層のナノビーム回析像(NAD)を示す写真である。2 is a photograph showing a nanobeam diffraction image (NAD) of the bonding layer of Example 1. FIG. 本発明の硬質皮膜の形成に使用し得る化学蒸着装置(CVD炉)の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) which can be used for formation of the hard film of this invention. 第一及び第二のパイプを具備する一体的なパイプ集合体の一例を示す横断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of an integral pipe assembly including the first and second pipes. 第一及び第二のパイプを具備する一体的なパイプ集合体の別の例を示す横断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of another example of an integral pipe assembly comprising first and second pipes. 第一及び第二のパイプを具備する一体的なパイプ集合体のさらに別の例を示す横断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing still another example of an integral pipe assembly including the first and second pipes. ミーリング用インサートの平面形状を示す概略図である。It is the schematic which shows the planar shape of the insert for milling. 図7のインサートを装着する刃先交換式回転工具を示す概略図であるIt is the schematic which shows the blade-tip-exchange-type rotary tool which mounts the insert of FIG. 特開2014-129562号に記載の装置と同じ方向に原料ガス噴出ノズルを有する一体的なパイプ集合体を示す横断面図である。It is a cross-sectional view which shows the integral pipe assembly which has a source gas jet nozzle in the same direction as the apparatus of Unexamined-Japanese-Patent No. 2014-129562. 特開2014-129562号に記載のCVD装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the CVD apparatus of Unexamined-Japanese-Patent No. 2014-129562.

[1] 硬質皮膜被覆工具
本発明の硬質皮膜被覆工具は、工具基体に、化学蒸着法により炭窒化チタン、窒化チタン及び炭窒化チタンジルコニウムのいずれか一種の単層皮膜又は二種以上の多層皮膜からなるfcc構造の下層と、Tix1Aly1N(ただし、x1及びy1はそれぞれ原子比でx1=0.45〜0.05、y1=0.55〜0.95、及びx1+y1=1を満たす数字である。)で表される組成を有するfcc構造の窒化チタンアルミニウム皮膜とを有する硬質皮膜を形成してなり、前記下層と前記窒化チタンアルミニウム皮膜との間に結合層を有し、前記結合層はTix2Aly2N(ただし、x2及びy2はそれぞれ原子比でx2=0.55〜0.80、y2=0.45〜0.20、及びx2+y2=1を満たす数字である。)で表される組成及びfcc構造を有し、前記下層と前記結合層との界面で格子縞の30%以上が連続しているとともに、前記結合層と前記窒化チタンアルミニウム皮膜との界面で格子縞の30%以上が連続している。
[1] Hard-Coated Tool The hard-coated tool of the present invention is a tool substrate comprising a single-layer coating of titanium carbonitride, titanium nitride and titanium zirconium carbonitride by chemical vapor deposition, or a multilayer coating of two or more kinds And a lower layer of the fcc structure, and Ti x 1 Al y 1 N (where x 1 and y 1 are numbers satisfying atomic ratios of x 1 = 0.45 to 0.05, y 1 = 0.55 to 0.95, and x 1 + y 1 = 1). Forming a hard film having a titanium aluminum nitride film having an fcc structure having the following composition, and having a bonding layer between the lower layer and the titanium aluminum nitride film, and the bonding layer is made of Ti x 2 Al y 2 N ( Provided that x2 and y2 are numbers satisfying the atomic ratio x2 = 0.55 to 0.80, y2 = 0.45 to 0.20, and x2 + y2 = 1.) and the fcc structure, and the bond to the lower layer More than 30% of the plaid is continuous at the interface with the layer, At the interface between the bonding layer and the titanium aluminum nitride film, 30% or more of the lattice is continuous.

図1は硬質皮膜の層構成を示す。WC基超硬合金基体21の上に、下層22、結合層(図1では見えない)、及び窒化チタンアルミニウム皮膜23が順次形成されている。   FIG. 1 shows the layer structure of the hard film. A lower layer 22, a bonding layer (not visible in FIG. 1), and a titanium aluminum nitride film 23 are sequentially formed on the WC-based cemented carbide substrate 21.

(A) 基体
基体は化学蒸着法を適用できる高耐熱性の材質である必要があり、例えばWC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、工具鋼又は立方晶窒化ホウ素を主成分とする窒化ホウ素焼結体(cBN)、サイアロンのようなセラミックス等が挙げられる。強度、硬度、耐摩耗性、靱性及び熱安定性の観点から、WC基超硬合金、サーメット又はセラミックスが好ましい。例えばWC基超硬合金の場合、焼結したままの未加工面にも本発明の窒化チタンアルミニウム皮膜を形成できるが、工具の寸法精度を高めるために加工面(研磨加工面及び/又は刃先処理加工面)に形成するのが好ましい。
(A) Substrate The substrate needs to be a high heat resistant material to which a chemical vapor deposition method can be applied. For example, WC base cemented carbide, cermet, high speed steel, tool steel or boron nitride mainly composed of cubic boron nitride A sintered body (cBN), ceramics such as sialon, etc. may be mentioned. From the viewpoints of strength, hardness, wear resistance, toughness and thermal stability, WC-based cemented carbides, cermets or ceramics are preferred. For example, in the case of WC base cemented carbide, it is possible to form the titanium aluminum nitride film of the present invention on the as-sintered unmachined surface, but to increase the dimensional accuracy of the tool It is preferable to form on the processing surface).

(B) 下層
柱状結晶組織を有するTi(CN)、TiN又はTiZr(CN)の皮膜はTiリッチな窒化チタンアルミニウム皮膜からなる結合層との密着性に優れている。柱状結晶組織を有するTi(CN)、TiN又はTiZr(CN)の皮膜は耐摩耗性に優れているが、高温で酸化しやすく耐熱性が低い。そこで、柱状結晶組織を有するTi(CN)、TiN又はTiZr(CN)の皮膜の直上に前記結合層を介してAlリッチな窒化チタンアルミニウム皮膜を形成することにより、耐熱性に優れ、工具寿命が長い硬質皮膜被覆工具が得られる。なお、各層は完全に平坦である訳ではないので、単に「層厚さ」と呼ぶ場合でも、「平均の層厚さ」を意味する。下層の組成は、電子プローブマイクロ分析装置(EPMA、日本電子株式会社製JXA-8500F)により、加速電圧10 kV、照射電流0.05 A、及びビーム径0.5μmの条件で測定した。
(B) Lower Layer A film of Ti (CN), TiN or TiZr (CN) having a columnar crystal structure is excellent in adhesion to a bonding layer made of a Ti-rich titanium aluminum nitride film. A film of Ti (CN), TiN or TiZr (CN) having a columnar crystal structure is excellent in wear resistance, but easily oxidized at high temperatures and low in heat resistance. Therefore, by forming an Al-rich titanium aluminum nitride film directly on the Ti (CN), TiN or TiZr (CN) film having a columnar crystal structure via the bonding layer, the heat resistance is excellent and the tool life is excellent. A long hard-coated tool is obtained. In addition, since each layer is not necessarily completely flat, even when simply called "layer thickness", it means "average layer thickness". The composition of the lower layer was measured by an electron probe microanalyzer (EPMA, JXA-8500F manufactured by JEOL Ltd.) under the conditions of an acceleration voltage of 10 kV, an irradiation current of 0.05 A, and a beam diameter of 0.5 μm.

化学蒸着法により柱状結晶組織を有するTi(CN)、TiN又はTiZrCNの皮膜を形成する温度は750〜950℃と、本発明に係る結合層及び窒化チタンアルミニウム皮膜の形成温度と非常に近いため、工業生産性が高い。   The temperature at which a film of Ti (CN), TiN or TiZrCN having a columnar crystal structure is formed by a chemical vapor deposition method is very close to the formation temperature of the bonding layer and titanium aluminum nitride film according to the present invention. Industrial productivity is high.

(C) 結合層
(1) 組成
化学蒸着法により下層直上に形成される結合層は、Ti及びAlを必須成分とするTiリッチな窒化物からなる。結合層はTix2Aly2N(ただし、x2及びy2はそれぞれ原子比でx2=0.55〜0.80、y2=0.45〜0.20、及びx2+y2=1を満たす数字である。)で表される組成を有する。上記組成範囲外では下層と結合層との界面、及び/又は結合層と窒化チタンアルミニウム皮膜との界面で格子縞が連続しないため、耐剥離性が低下する。x2は、0.58〜0.75が好ましく、0.60〜0.70がより好ましい。y2は、0.4〜0.25が好ましく、0.38〜0.30がより好ましい。Nの30原子%以下をC又はBで置換しても良い。結合層の組成は後述のとおり、エネルギー分散型X線分光器により測定した。
(C) Bonding layer
(1) Composition The bonding layer formed directly on the lower layer by chemical vapor deposition is composed of Ti-rich nitride containing Ti and Al as essential components. The bonding layer has a composition represented by Ti x 2 Al y 2 N (where x 2 and y 2 are numbers satisfying atomic ratios of x 2 = 0.55 to 0.80, y 2 = 0.45 to 0.20, and x 2 + y 2 = 1). If the composition range is out of the above composition range, since the checkered pattern is not continuous at the interface between the lower layer and the bonding layer and / or at the interface between the bonding layer and the titanium aluminum nitride film, the peel resistance is lowered. 0.58-0.75 are preferable and, as for x2, 0.60-0.70 are more preferable. 0.4-0.25 are preferable and 0.38-0.30 are more preferable. 30 atomic% or less of N may be substituted by C or B. The composition of the bonding layer was measured by an energy dispersive X-ray spectrometer as described later.

(2) 層厚
結合層の層厚は2〜50 nmが好ましい。層厚が2 nm未満であると、結合層が薄すぎ、結合層の効果が十分に得られない。一方、層厚が50 nmを超えると、結合層が厚すぎるため、結晶方位が分散し、下層と結合層との界面、及び結合層と窒化チタンアルミニウム皮膜との界面で格子縞の連続性が得られず、耐剥離性が不十分である。結合層のより好ましい層厚は4〜40 nmである。
(2) Layer thickness The layer thickness of the bonding layer is preferably 2 to 50 nm. If the layer thickness is less than 2 nm, the bonding layer is too thin and the effect of the bonding layer can not be obtained sufficiently. On the other hand, if the layer thickness is more than 50 nm, the bonding layer is too thick, so the crystal orientation is dispersed, and the continuity of the lattice is obtained at the interface between the lower layer and the bonding layer and at the interface between the bonding layer and the titanium aluminum nitride film. And peel resistance is insufficient. The more preferred layer thickness of the bonding layer is 4 to 40 nm.

(3) 組織
図2及び図3から、下層22と結合層25との界面、及び結合層25と窒化チタンアルミニウム皮膜23との界面で格子縞の30%以上が連続していることが分かり、また図4から結合層の結晶構造はfccの単一構造であることが分かる。前記の2つの界面において格子縞の30%以上が連続するために、結合層は、fcc構造を主構造にするのが好ましく、fccの単一構造を有するのがより好ましい。結合層にhcp構造が多く含まれると、下層から窒化チタンアルミニウム皮膜に至る格子縞の連続性が低くなり、耐剥離性が低下する。
(3) Structure From FIGS. 2 and 3, it can be seen that 30% or more of the lattice is continuous at the interface between the lower layer 22 and the bonding layer 25 and at the interface between the bonding layer 25 and the titanium aluminum nitride film 23 It can be seen from FIG. 4 that the crystal structure of the bonding layer is a single fcc structure. In order for 30% or more of the lattice to be continuous at the two interfaces, the bonding layer preferably has an fcc structure as a main structure, and more preferably an fcc single structure. When a large amount of hcp structure is contained in the bonding layer, the continuity of the lattice from the lower layer to the titanium aluminum nitride film is lowered, and the peel resistance is lowered.

(D) 格子縞
格子縞は、TEMにより多結晶体を高倍率で観察したときに見られる縞模様である。隣接する層の結晶方位がともにTEMの入射ビームと平行な時にのみ、両者の結晶の格子像が同時に観察される。下層、結合層及び窒化チタンアルミニウム皮膜の格子縞が連続しているということは、これらの層がエピタキシャルの関係にあることを意味する。本発明では、上記の2つの界面において、格子縞の30%以上が連続している場合、格子縞が連続していると言う。本発明の硬質皮膜被覆工具では、格子縞が連続する比率が高いほど、耐剥離性が高くなる傾向が認められた。従って、高い工具性能を有するために、格子縞が連続する比率は30%以上が必要であり、50%以上が好ましく、70%以上がより好ましい。
(D) Plaid Plaid is a striped pattern which is observed when a polycrystal is observed at a high magnification by TEM. The lattice images of both crystals are simultaneously observed only when the crystal orientations of adjacent layers are both parallel to the TEM incident beam. The continuity of the lower layer, the bonding layer and the lattice of the titanium aluminum nitride film means that these layers are in an epitaxial relationship. In the present invention, when 30% or more of the plaid is continuous at the above two interfaces, it is said that the plaid is continuous. In the hard-coated tool according to the present invention, the higher the ratio of continuous plaids, the higher the peel resistance tends to be. Therefore, in order to have high tool performance, the ratio in which the lattice pattern is continuous needs to be 30% or more, preferably 50% or more, and more preferably 70% or more.

(E) 窒化チタンアルミニウム皮膜
(1) 組成
結合層の直上層として、Tix1Aly1N(ただし、x1及びy1はそれぞれ原子比でx1=0.45〜0.05、y1=0.55〜0.95、及びx1+y1=1を満たす数字である。)で表されるAlリッチな窒化チタンアルミニウム皮膜を形成する。窒化チタンアルミニウム皮膜はTi及びAlを必須元素とする窒化物からなる。上記組成範囲外では結合層と窒化チタンアルミニウム皮膜との界面で格子縞が連続しないため、耐剥離性が低下する。
x1は、0.4〜0.1が好ましく、0.35〜0.15がより好ましい。y1は、0.6〜0.9が好ましく、0.65〜0.85がより好ましい。窒化チタンアルミニウム皮膜は、不可避的不純物としてClを含有しても良いが、Cl含有量は1.5原子%以下が好ましく、0.8原子%以下がより好ましい。窒化チタンアルミニウム皮膜の組成は下層と同様にEPMAにより測定した。
(E) Titanium nitride aluminum film
(1) Composition As a direct upper layer of the bonding layer, it is represented by Tix1Aly1N (however, x1 and y1 are numbers satisfying x1 = 0.25 to 0.05, y1 = 0.55 to 0.95, and x1 + y1 = 1 in atomic ratio, respectively). An Al-rich titanium aluminum nitride film is formed. The titanium aluminum nitride film is made of nitride containing Ti and Al as essential elements. If the composition range is out of the above range, the checkered pattern is not continuous at the interface between the bonding layer and the titanium aluminum nitride film, and the peel resistance is reduced.
0.4-0.1 are preferable and, as for x1, 0.35-0.15 are more preferable. 0.6-0.9 are preferable and 0.65-0.85 are more preferable. The titanium aluminum nitride film may contain Cl as an unavoidable impurity, but the Cl content is preferably 1.5 atomic% or less, and more preferably 0.8 atomic% or less. The composition of the titanium aluminum nitride film was measured by EPMA similarly to the lower layer.

(2) 膜厚
優れた耐熱性と耐剥離性を有するために、窒化チタンアルミニウム皮膜の膜厚は1〜15μmが好ましく、2〜12μmがより好ましい。膜厚が1μm未満では皮膜の効果が十分に得られない。膜厚が15μmを超えると皮膜が厚くなり過ぎて皮膜内部にクラックが発生し剥離しやすくなる。窒化チタンアルミニウム皮膜の膜厚は成膜時間により適宜制御することができる。
(2) Film Thickness In order to have excellent heat resistance and peel resistance, the film thickness of the titanium aluminum nitride film is preferably 1 to 15 μm, and more preferably 2 to 12 μm. If the film thickness is less than 1 μm, the effect of the film can not be sufficiently obtained. When the film thickness exceeds 15 μm, the film becomes too thick, and a crack is generated inside the film to make it easy to peel off. The film thickness of the titanium aluminum nitride film can be appropriately controlled by the film forming time.

(F) 窒化チタンアルミニウム皮膜の上層
限定的でないが、窒化チタンアルミニウム皮膜の上に、Ti、Al、Cr、B及びZrからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素と、C、N及びOからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素とを必須とする単層又は多層の硬質皮膜を化学蒸着法により形成しても良い。上層としては、例えばTiC、CrC、SiC、VC、ZrC、TiN、AlN、CrN、Si3N4、VN、ZrN、Ti(CN)、(TiSi)N、(TiB)N、TiZrN、TiAl(CN)、TiSi(CN)、TiCr(CN)、TiZr(CN)、Ti(CNO)、TiAl(CNO)、Ti(CO)、及びTiB2等の単層又は積層の皮膜が挙げられる。
(F) Upper layer of titanium aluminum nitride film Although not limited thereto, at least one element selected from the group consisting of Ti, Al, Cr, B and Zr on titanium aluminum nitride film, C, N and O A single layer or multilayer hard film essentially comprising at least one element selected from the group consisting of The top layer, for example TiC, CrC, SiC, VC, ZrC, TiN, AlN, CrN, Si 3 N 4, VN, ZrN, Ti (CN), (TiSi) N, (TiB) N, TiZrN, TiAl (CN And Ti / Si (CN), TiCr (CN), TiZr (CN), Ti (CNO), TiAl (CNO), Ti (CO), Ti (CO), and TiB 2 etc.

[2] 化学蒸着装置
本発明の硬質皮膜被覆工具は、熱化学蒸着装置又はプラズマ支援化学蒸着装置(CVD炉)を用いた化学蒸着法により形成することができる。図5に示すように、CVD炉1は、チャンバー2と、チャンバー2の壁内に設けられたヒータ3と、チャンバー2内で回転する複数の棚(治具)4,4と、棚4,4を覆う反応容器5と、棚4,4の中央開口部4aを垂直に貫通する第一及び第二のパイプ11,12と、各パイプ11,12に設けられた複数のノズル11a,12aとを具備する。多数のインサート基体20が載置された棚4,4は、チャンバー2内で回転する。第一及び第二のパイプ11、12は、両端部が保持部材(図示省略)により一体的に固定されてパイプ集合体を構成し、一体的に回転し得るようにチャンバー2の底部を貫通し、回転自在に外部の配管(図示せず)に接続されている。チャンバー2の底部にはキャリアガス及び未反応ガスを排出するためのパイプ13を有する。
[2] Chemical Vapor Deposition Apparatus The hard-coated tool of the present invention can be formed by a chemical vapor deposition method using a thermal chemical vapor deposition apparatus or a plasma enhanced chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace). As shown in FIG. 5, the CVD furnace 1 includes a chamber 2, a heater 3 provided in the wall of the chamber 2, a plurality of shelves (jigs) 4, 4 rotating in the chamber 2, a shelf 4, 4, the first and second pipes 11 and 12 vertically penetrating the central opening 4a of the shelves 4 and 4, and the plurality of nozzles 11a and 12a provided in each of the pipes 11 and 12 Equipped with The shelves 4 4 on which a large number of insert bases 20 are mounted rotate in the chamber 2. The first and second pipes 11, 12 are integrally fixed at both ends by holding members (not shown) to form a pipe assembly, and penetrate the bottom of the chamber 2 so as to be able to rotate integrally. , It is rotatably connected to external piping (not shown). At the bottom of the chamber 2, there is a pipe 13 for discharging the carrier gas and the unreacted gas.

[3] 製造方法
本発明の硬質皮膜被覆工具を、熱化学蒸着法を用いる場合を例にとって、以下詳細に説明するが、勿論本発明はそれに限定されず、他の化学蒸着法にも適用できる。
[3] Manufacturing Method The hard-coated tool according to the present invention will be described in detail below taking the case of using thermal chemical vapor deposition as an example, but the present invention is of course not limited thereto and can be applied to other chemical vapor depositions. .

(A) 下層の形成
(1) 炭窒化チタン皮膜
基体をセットしたCVD炉内にH2ガス、N2ガス及び/又はArガスを流し、成膜温度まで昇温した後、TiCl4ガス、N2ガス、CH3CNガス(又はCH3CNガスとC2H6ガス)、及びH2ガスからなる原料ガスをCVD炉内に流し、下層の炭窒化チタン皮膜を形成する。
(A) Formation of lower layer
(1) Carboxy titanium nitride film After flowing H 2 gas, N 2 gas and / or Ar gas into the CVD furnace in which the substrate is set and raising the temperature to the film forming temperature, TiCl 4 gas, N 2 gas, CH 3 CN A raw material gas composed of gas (or CH 3 CN gas and C 2 H 6 gas) and H 2 gas is flowed into a CVD furnace to form a lower titanium carbonitride film.

(2) 窒化チタン皮膜
基体をセットしたCVD炉内にH2ガス、N2ガス及び/又はArガスを流し、成膜温度まで昇温した後、TiCl4ガス、N2ガス、及びH2ガスからなる原料ガスをCVD炉内に流し、下層の窒化チタン皮膜を形成する。
(2) Titanium nitride film After flowing H 2 gas, N 2 gas and / or Ar gas into the CVD furnace in which the base is set and raising the temperature to the film forming temperature, TiCl 4 gas, N 2 gas and H 2 gas The source gas comprising the above is flowed into a CVD furnace to form a titanium nitride film as a lower layer.

(3) 炭窒化チタンジルコニウム皮膜
基体をセットしたCVD炉内にH2ガス、N2ガス及び/又はArガスを流し、成膜温度まで昇温した後、TiCl4ガス、ZrCl4ガス、N2ガス、CH3CNガス(又はCH3CNガスとC2H6ガス)、及びH2ガスからなる原料ガスをCVD炉内に流し、下層の炭窒化チタンジルコニウム皮膜を形成する。
(3) Titanium zirconium carbonitride film The H 2 gas, N 2 gas and / or Ar gas is flowed into the CVD furnace in which the base is set, and the temperature is raised to the film forming temperature, then TiCl 4 gas, ZrCl 4 gas, N 2 A raw material gas composed of gas, CH 3 CN gas (or CH 3 CN gas and C 2 H 6 gas), and H 2 gas is flowed into a CVD furnace to form a titanium zirconium carbonitride film of the lower layer.

(B) 結合層の形成
結合層は、CVD炉に第一の原料ガスを供給した後、第二の原料ガスを供給することにより形成する。第一の原料ガスは、TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスA1と、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスB1とからなり、第二の原料ガスは、TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスA2と、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスB2とからなる。第一及び第二の原料ガスにおいて、キャリアガスであるH2ガスの一部又は全部をArガスで置換しても良い。
(B) Formation of Bonding Layer The bonding layer is formed by supplying the second source gas after supplying the first source gas to the CVD furnace. The first source gas, TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, a mixed gas A 1 consisting of N 2 gas and H 2 gas, consists of a Metropolitan mixed gas consisting of N 2 gas and H 2 gas B, the second material gas is composed of TiCl 4 gas, and AlCl 3 gas, a mixed gas a 2 consisting of N 2 gas and H 2 gas, NH 3 gas, consisting of N 2 gas and H 2 gas mixed gas B 2 Prefecture. In the first and second source gases, part or all of the carrier gas H 2 gas may be replaced with Ar gas.

(1) 第一の原料ガス
(a) 混合ガスA1
混合ガスA1の組成は、第一の原料ガス中のTiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスの合計を100体積%として、0.18〜0.77体積%のTiCl4ガス、0.06〜0.35体積%のAlCl3ガス、4〜15体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなるのが好ましい。
(1) First source gas
(a) Mixed gas A 1
The composition of the gas mixture A 1, TiCl 4 gas in the first raw material gas, AlCl 3 gas, as 100% by volume total of N 2 gas and H 2 gas, 0.18 to 0.77% by volume of TiCl 4 gas, 0.06 Preferably, it consists of 0.35% by volume of AlCl 3 gas, 4 to 15% by volume of N 2 gas, and the balance H 2 gas.

TiCl4ガスが0.18体積%未満であると、混合ガスA1中のAlが多すぎ、hcp構造が含まれるため、格子縞が連続しない部分が多くなる。一方、TiCl4ガスが0.77体積%を超えると、結合層中のTi含有率が過多になり、耐酸化性に劣る。TiCl4ガスの含有量の下限は0.2体積%がより好ましく、0.25体積%が最も好ましい。また、TiCl4ガスの含有量の上限は0.45体積%がより好ましく、0.38体積%が最も好ましい。 If the TiCl 4 gas is less than 0.18% by volume, the amount of Al in the mixed gas A 1 is too large, and the hcp structure is included, so that the portion in which the lattice does not continue increases. On the other hand, when the TiCl 4 gas exceeds 0.77% by volume, the Ti content in the bonding layer becomes excessive and the oxidation resistance is poor. The lower limit of the content of TiCl 4 gas is more preferably 0.2% by volume, and most preferably 0.25% by volume. The upper limit of the content of TiCl 4 gas is more preferably 0.45% by volume, and most preferably 0.38% by volume.

AlCl3ガスが0.06体積%未満であると、結合層中のTi含有率が多くなりすぎ、耐酸化性に劣る。一方、AlCl3ガスが0.35体積%を超えると、結合層中のAlが多すぎ、hcp構造が生成されて、格子縞が下層と連続しない。AlCl3ガスの含有量の下限は0.07体積%がより好ましく、0.08体積%が最も好ましい。また、AlCl3ガスの含有量の上限は0.3体積%がより好ましく、0.2体積%が最も好ましい。 If the content of AlCl 3 gas is less than 0.06% by volume, the Ti content in the bonding layer is too high, and the oxidation resistance is poor. On the other hand, when the AlCl 3 gas exceeds 0.35% by volume, the amount of Al in the bonding layer is too large, hcp structure is generated, and the lattice does not continue to the lower layer. The lower limit of the content of AlCl 3 gas is more preferably 0.07% by volume, and most preferably 0.08% by volume. The upper limit of the content of AlCl 3 gas is more preferably 0.3% by volume, and most preferably 0.2% by volume.

N2ガスが4体積%未満又は15体積%超であると、基体上に形成される結合層の膜厚分布が悪くなる。N2ガスは4.8〜14体積%がより好ましい。 When the N 2 gas content is less than 4% by volume or more than 15% by volume, the film thickness distribution of the bonding layer formed on the substrate is deteriorated. N 2 gas is more preferably 4.8 to 14% by volume.

(b) 混合ガスB1
混合ガスB1の組成は、第一の原料ガス中のTiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスの合計を100体積%として、4〜15体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなるのが好ましい。N2ガスが4体積%未満又は15体積%超であると、基体上に形成される結合層の膜厚分布が悪くなる。N2ガスは4.8〜14体積%がより好ましい。
(b) Mixed gas B 1
The composition of the mixed gas B 1 is 4 to 15% by volume of N 2 gas with the balance being 100% by volume of the total of TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, N 2 gas and H 2 gas in the first source gas It is preferably made of H 2 gas. When the N 2 gas content is less than 4% by volume or more than 15% by volume, the film thickness distribution of the bonding layer formed on the substrate is deteriorated. N 2 gas is more preferably 4.8 to 14% by volume.

(2) 第二の原料ガス
第二の原料ガスは、TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスA2と、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスB2とからなる。第二の原料ガスは、混合ガスB2がNH3ガスを含有する点で、第一の原料ガスと異なる。
(2) a second source gas second source gas, TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, a mixed gas A 2 consisting of N 2 gas and H 2 gas from the NH 3 gas, N 2 gas and H 2 gas a mixed gas B 2 Metropolitan made. The second source gas is different from the first source gas in that the mixed gas B 2 contains an NH 3 gas.

(a) 混合ガスA2
混合ガスA2の組成は、第二の原料ガス中のTiCl4ガス、AlCl3ガス、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスの合計を100体積%として、0.18〜0.77体積%のTiCl4ガス、0.06〜0.35体積%のAlCl3、4〜15体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなるのが好ましい。
(a) Mixed gas A 2
Composition of the mixed gas A 2 is, TiCl 4 gas in the second source gas, AlCl 3 gas, NH 3 gas, a total of N 2 gas and H 2 gas as 100 volume%, TiCl 4 of 0.18 to 0.77 vol% Preferably, the gas comprises 0.06 to 0.35% by volume of AlCl 3 , 4 to 15% by volume of N 2 gas, and the balance H 2 gas.

TiCl4ガスが0.18体積%未満であると、混合ガスA1中のAlが多すぎ、hcp構造が含まれるため、格子縞が連続しない部分が多くなる。一方、TiCl4ガスが0.77体積%を超えると、結合層中のTi含有率が過多になり、耐酸化性に劣る。TiCl4ガスの含有量の下限は0.2体積%がより好ましく、0.25体積%が最も好ましい。また、TiCl4ガスの含有量の上限は0.45体積%がより好ましく、0.38体積%が最も好ましい。 If the TiCl 4 gas is less than 0.18% by volume, the amount of Al in the mixed gas A 1 is too large, and the hcp structure is included, so that the portion in which the lattice does not continue increases. On the other hand, when the TiCl 4 gas exceeds 0.77% by volume, the Ti content in the bonding layer becomes excessive and the oxidation resistance is poor. The lower limit of the content of TiCl 4 gas is more preferably 0.2% by volume, and most preferably 0.25% by volume. The upper limit of the content of TiCl 4 gas is more preferably 0.45% by volume, and most preferably 0.38% by volume.

AlCl3ガスが0.06体積%未満であると、結合層中のTi含有率が多くなりすぎ、耐酸化性に劣る。一方、AlCl3ガスが0.35体積%を超えると、結合層中のAlが多すぎ、hcp構造が生成されて、格子縞が連続しない。AlCl3ガスの含有量の下限は0.07体積%がより好ましく、0.08体積%が最も好ましい。また、AlCl3ガスの含有量の上限は0.3体積%がより好ましく、0.2体積%が最も好ましい。 If the content of AlCl 3 gas is less than 0.06% by volume, the Ti content in the bonding layer is too high, and the oxidation resistance is poor. On the other hand, when the AlCl 3 gas exceeds 0.35% by volume, the amount of Al in the bonding layer is too large, hcp structure is generated, and the lattice does not continue. The lower limit of the content of AlCl 3 gas is more preferably 0.07% by volume, and most preferably 0.08% by volume. The upper limit of the content of AlCl 3 gas is more preferably 0.3% by volume, and most preferably 0.2% by volume.

N2ガスが4体積%未満又は15体積%超であると、基体上に形成される結合層の膜厚分布が悪くなる。N2ガスは4.8〜14体積%がより好ましい。 When the N 2 gas content is less than 4% by volume or more than 15% by volume, the film thickness distribution of the bonding layer formed on the substrate is deteriorated. N 2 gas is more preferably 4.8 to 14% by volume.

(b) 混合ガスB2
混合ガスB2の組成は、第二の原料ガス中のTiCl4ガス、AlCl3ガス、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスの合計を100体積%として、0.85~1.5体積%のNH3ガス、4〜15体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなるのが好ましい。
(b) Mixed gas B 2
The composition of the mixed gas B 2, TiCl 4 gas in the second source gas, AlCl 3 gas, NH 3 gas, as a total of 100% by volume of N 2 gas and H 2 gas, NH 3 from 0.85 to 1.5 vol% Preferably, the gas comprises 4 to 15% by volume of N 2 gas and the balance H 2 gas.

NH3ガスが0.85体積%未満であると、反応速度が遅すぎる。一方、NH3ガスが1.5体積%超であると、下層と結合層との格子縞は連続しない。NH3ガスの含有量の下限は0.9体積%がより好ましく、1体積%が最も好ましい。また、NH3ガスの含有量の上限は1.4体積%がより好ましく、1.2体積%が最も好ましい。 If the NH 3 gas content is less than 0.85% by volume, the reaction rate is too slow. On the other hand, when the NH 3 gas is more than 1.5% by volume, the checkered pattern between the lower layer and the bonding layer is not continuous. The lower limit of the content of NH 3 gas is more preferably 0.9% by volume, and most preferably 1% by volume. The upper limit of the content of NH 3 gas is more preferably 1.4% by volume, and most preferably 1.2% by volume.

N2ガスが4体積%未満又は15体積%超であると、基体上に形成される結合層の膜厚分布が悪くなる。N2ガスは4.8〜14体積%がより好ましい。 When the N 2 gas content is less than 4% by volume or more than 15% by volume, the film thickness distribution of the bonding layer formed on the substrate is deteriorated. N 2 gas is more preferably 4.8 to 14% by volume.

(C) 下層と結合層との界面で連続的な格子縞を得る条件
結合層の成膜初期に結合層の核が急速に生成されると、結晶方位が分散し、下層と結合層との格子縞が連続しない。本発明では、下層の形成後に、反応性の高いNH3ガスを含有しない第一の原料ガスを使用するので、TiCl4ガス及びAlCl3ガスとN2ガスとの反応速度は非常に遅く、下層(TiCN層)の結晶方位と同方向に結合層の核がゆっくり生成する。結合層の核が急激に生成すると、様々な方向に成長するため、直上に形成する窒化チタンアルミニウム皮膜との耐剥離性が低下する。
(C) A condition for obtaining a continuous lattice at the interface between the lower layer and the bonding layer When nuclei of the bonding layer are rapidly generated at the initial stage of film formation of the bonding layer, crystal orientations are dispersed, and the lattice between the lower layer and the bonding layer Is not continuous. In the present invention, since the first raw material gas containing no highly reactive NH 3 gas is used after the formation of the lower layer, the reaction rate of TiCl 4 gas and AlCl 3 gas with N 2 gas is very slow, and the lower layer The nucleus of the bonding layer is generated slowly in the same direction as the crystal orientation of the (TiCN layer). When the nuclei of the bonding layer are rapidly generated, the nuclei grow in various directions, so that the peeling resistance with the titanium aluminum nitride film formed directly thereon is reduced.

下層と結合層との界面で格子縞が連続するために、第一の原料ガス中のTiCl4ガスとAlCl3ガスとの体積比(TiCl4/AlCl3)を1.0〜5.5に制御するのが好ましい。TiCl4/AlCl3比が1.0未満では、結合層のTi含有量が過少であると部分的にhcp構造になり、下層と格子縞が連続しない。一方、TiCl4/AlCl3比が5.5超では、結合層のAl含有量が過少になり、下層と結合層との密着性が不十分である。TiCl4/AlCl3比は1.5〜4.0がより好ましい。 It is preferable to control the volume ratio of TiCl 4 gas to AlCl 3 gas (TiCl 4 / AlCl 3 ) in the first raw material gas to 1.0 to 5.5, in order for the lattice to be continuous at the interface between the lower layer and the bonding layer. . If the TiCl 4 / AlCl 3 ratio is less than 1.0, if the Ti content of the bonding layer is too low, the hcp structure is partially formed, and the lower layer and the lattice do not continue. On the other hand, when the TiCl 4 / AlCl 3 ratio is more than 5.5, the Al content of the bonding layer is too small, and the adhesion between the lower layer and the bonding layer is insufficient. The TiCl 4 / AlCl 3 ratio is more preferably 1.5 to 4.0.

(D) 結合層と窒化チタンアルミニウム皮膜との界面で連続的な格子縞を得る条件
結合層と窒化チタンアルミニウム皮膜との界面で連続的な格子縞を得るために、後述の図6(a)〜図6(c) のいずれかの一体的なパイプ集合体を使用し、第一のノズル11aの噴出口と回転軸Oとの距離H1を第二のノズル12aの噴出口と回転軸Oとの距離H2より長くし、H1/H2=1.5〜3にすることが好ましい。
(D) Conditions for obtaining a continuous lattice at the interface between the bonding layer and the titanium aluminum nitride film In order to obtain a continuous lattice at the interface between the bonding layer and the titanium aluminum nitride film, see FIG. 6 of either using an integral pipe assembly, the distance H 1 between the rotation axis O and spout of the first nozzle 11a of the rotary shaft O and spout of the second nozzle 12a (c) distance longer than H 2, it is preferable that the H1 / H2 = 1.5~3.

(E) 窒化チタンアルミニウム皮膜の形成
窒化チタンアルミニウム皮膜を形成する第三の原料ガスは、TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスA3と、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスB3とからなる。第三の原料ガスにおいて、キャリアガスであるH2ガスの一部又は全部をArガスで置換しても良い。
(E) a third source gas for forming the formed titanium aluminum nitride film of titanium aluminum nitride coating, a TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, N 2 gas mixture A 3 consisting of gas and H 2 gas, NH 3 gas, a mixed gas B 3 Metropolitan consisting N 2 gas and H 2 gas. In the third source gas, part or all of the carrier gas H 2 gas may be replaced with Ar gas.

(1) 混合ガスA3
混合ガスA3の組成は、第三の原料ガス中のTiCl4ガス、AlCl3ガス、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスの合計を100体積%として、0.02〜0.31体積%のTiCl4ガス、0.15〜0.8体積%のAlCl3ガス、4.9〜21.8体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなるのが好ましい。TiCl4ガスの含有量の下限は0.08体積%がより好ましく、上限は0.25体積%がより好ましい。AlCl3ガスの含有量の下限は0.2体積%がより好ましく、上限は0.6体積%がより好ましい。N2ガスの含有量の下限は6体積%がより好ましく、上限は10体積%がより好ましい。
(1) Mixed gas A 3
Composition of the mixed gas A 3 is, TiCl 4 gas of the third source gas, AlCl 3 gas, NH 3 gas, a total of N 2 gas and H 2 gas as 100 volume%, TiCl 4 of 0.02 to 0.31 vol% Preferably, the gas consists of 0.15 to 0.8% by volume of AlCl 3 gas, 4.9 to 21.8% by volume of N 2 gas, and the balance H 2 gas. The lower limit of the content of TiCl 4 gas is more preferably 0.08% by volume, and the upper limit is more preferably 0.25% by volume. The lower limit of the content of AlCl 3 gas is more preferably 0.2% by volume, and the upper limit is more preferably 0.6% by volume. The lower limit of the content of N 2 gas is more preferably 6% by volume, and the upper limit is more preferably 10% by volume.

(2) 混合ガスB3
混合ガスB3の組成は、第三の原料ガス中のTiCl4ガス、AlCl3ガス、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスの合計を100体積%として、0.7~1.9体積%のNH3ガス、3〜16.5体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなるのが好ましい。NH3ガスが0.7体積%未満であると、反応速度が遅すぎる。一方、NH3ガスが1.9体積%超であると、結合層と窒化チタンアルミニウム皮膜との格子縞が連続しない。NH3ガスの含有量の下限は0.8体積%がより好ましく、上限は1.3体積%がより好ましい。また、N2ガスの含有量の下限は6体積%がより好ましく、上限は10体積%がより好ましい。
(2) Mixed gas B 3
Composition of the mixed gas B 3 is, TiCl 4 gas of the third source gas, AlCl 3 gas, NH 3 gas, a total of N 2 gas and H 2 gas as 100 vol%, NH 3 of 0.7 to 1.9 vol% Preferably, the gas comprises 3 to 16.5% by volume of N 2 gas and the balance H 2 gas. If the NH 3 gas content is less than 0.7% by volume, the reaction rate is too slow. On the other hand, when the NH 3 gas is more than 1.9% by volume, the checkered pattern of the bonding layer and the titanium aluminum nitride film is not continuous. The lower limit of the content of NH 3 gas is more preferably 0.8% by volume, and the upper limit is more preferably 1.3% by volume. The lower limit of the N 2 gas content is more preferably 6% by volume, and the upper limit is more preferably 10% by volume.

(F) 原料ガスの導入方法
反応速度を制御しつつ結合層及び窒化チタンアルミニウムを成膜するために、反応性の高い混合ガスA(A1,A2,A3)及び混合ガスB(B1,B2,B3)をCVD炉1に非接触の状態で送入しなければならない。そのために、混合ガスAを第一のパイプ11の第一のノズル11aから噴出し、混合ガスBを第二のパイプ12の第二のノズル12aから噴出する。
(F) Method of introducing raw material gas In order to form a bonding layer and titanium aluminum nitride while controlling the reaction rate, mixed gas A (A 1 , A 2 , A 3 ) having high reactivity and mixed gas B (B) 1 , B 2 , B 3 ) must be fed into the CVD furnace 1 in a noncontact state. Therefore, the mixed gas A is jetted from the first nozzle 11 a of the first pipe 11, and the mixed gas B is jetted from the second nozzle 12 a of the second pipe 12.

各ノズルから噴出される混合ガスA及びBの流れを阻害しないように、図5及び図6(a)〜図6(c) に例示するように、混合ガスA,Bを噴出する第一及び第二のノズルの一方を中心側に配置し、他方を外周側に配置し、第一及び第二のノズルから別々に混合ガスA及び混合ガスBを吹き出す必要がある。   As illustrated in FIGS. 5 and 6 (a) to 6 (c), the first and second mixed gases A and B are injected so as not to obstruct the flow of the mixed gases A and B ejected from the respective nozzles. It is necessary to dispose one of the second nozzles at the center side and the other at the outer peripheral side, and separately blow out the mixed gas A and the mixed gas B from the first and second nozzles.

連続した格子縞のミクロ組織を得るために、混合ガスA,Bを導入するノズル11a,12aは2〜4回転/分の速度で回転するのが好ましい。第一及び第二のノズル11a,12aの回転方向は限定的でない。   In order to obtain a continuous plaid microstructure, the nozzles 11a and 12a for introducing the mixed gases A and B preferably rotate at a speed of 2 to 4 revolutions / minute. The rotational direction of the first and second nozzles 11a and 12a is not limited.

図6(a)〜図6(c) は混合ガスA、Bを噴き出すノズル構造の好ましい例を示す。パイプ集合体30の回転軸Oに関して、第一のノズル11aは外周側に位置し、第二のノズル12aは中心側に位置する。連続した格子縞のミクロ組織を形成するために、混合ガスBを噴出するノズルの噴出口と被覆物までの距離を、混合ガスAを噴出するノズルの噴出口と被覆物までの距離より短くするのが好ましい。混合ガスA中のTiCl4ガス及びAlCl3ガスは、混合ガスB中のNH3ガスと非常に反応性が高く、CVD炉内に導入されると急激に反応する。反応速度が高いと、被覆物に到達する前から反応が起こりやすい。従って、図9に示すように混合ガスA及びBを噴出するノズル口が回転軸から等距離にあると、混合ガスAが被覆物に到達するまでに反応が起こり、連続した格子縞のミクロ組織が得られない。これに対して、混合ガスB用ノズルの噴出口と被覆物との距離を混合ガスA用ノズルの噴出口と被覆物との距離より短くすると、混合ガスAが被覆物まで到達するまでの反応が低減され、連続した格子縞のミクロ組織が得られるようになる。逆に、混合ガスA用ノズルの噴出口と被覆物との距離を混合ガスB用ノズルの噴出口と被覆物との距離より短くすると、TiCl4ガス及びAlCl3ガスを化学蒸着雰囲気中に均一に分散することが困難であり、均一な窒化チタンアルミニウム硬質皮膜が形成されにくい。 6 (a) to 6 (c) show preferred examples of the nozzle structure for spouting the mixed gases A and B. FIG. With respect to the rotation axis O of the pipe assembly 30, the first nozzle 11a is located on the outer peripheral side, and the second nozzle 12a is located on the central side. In order to form a continuous checkered microstructure, the distance between the nozzle of the nozzle that jets the mixed gas B and the coating is shorter than the distance between the nozzle of the nozzle that jets the mixed gas A and the coating Is preferred. The TiCl 4 gas and the AlCl 3 gas in the mixed gas A are very reactive with the NH 3 gas in the mixed gas B, and react rapidly when introduced into the CVD furnace. If the reaction rate is high, the reaction is likely to occur before reaching the coating. Therefore, as shown in FIG. 9, when the nozzle openings for spouting the mixed gases A and B are equidistant from the rotation axis, a reaction occurs before the mixed gas A reaches the coating, and the continuous checkered microstructure I can not get it. On the other hand, when the distance between the spout of the mixed gas B nozzle and the covering is shorter than the distance between the spout of the mixed gas A nozzle and the covering, the reaction until the mixed gas A reaches the covering Is reduced to obtain a continuous checkered microstructure. Conversely, if the distance between the jet of the mixed gas A nozzle and the coating is shorter than the distance between the jet of the mixed gas B nozzle and the coating, the TiCl 4 gas and the AlCl 3 gas are uniformly distributed in the chemical vapor deposition atmosphere. And it is difficult to form a uniform titanium aluminum nitride hard coating.

連続した格子縞のミクロ組織を得るために、外周側の第一のノズル11aが混合ガスAを噴出し、内周側の第二のノズル12aが混合ガスBを噴出するのが好ましい。この場合、第一のノズル11aの噴出口と回転軸Oとの距離H1と第二のノズル12aの噴出口と回転軸Oとの距離H2との比(H1/H2)は1.5〜3の範囲内であるのが好ましい。 In order to obtain a continuous checkered microstructure, it is preferable that the first nozzle 11a on the outer peripheral side ejects the mixed gas A and the second nozzle 12a on the inner peripheral side ejects the mixed gas B. In this case, the ratio (H 1 / H 2 ) between the distance H 1 between the jet nozzle of the first nozzle 11 a and the rotation axis O and the distance H 2 between the jet nozzle of the second nozzle 12 a and the rotation axis O is 1.5 It is preferable to be in the range of -3.

(1) 第一のパイプ集合体
図6(a) は混合ガスA及び混合ガスBをCVD炉1内に非接触の状態で導入する第一のパイプ集合体30の一例を示す。このパイプ集合体30は2本の第一のパイプ11,11及び1本の第二のパイプ12からなり、第一及び第二のパイプ11,11,12の両端部は保持部材(図示省略)により一体的に固定されている。
(1) First Pipe Assembly FIG. 6 (a) shows an example of a first pipe assembly 30 for introducing the mixed gas A and the mixed gas B into the CVD furnace 1 in a non-contact state. The pipe assembly 30 comprises two first pipes 11 and 11 and one second pipe 12, and both end portions of the first and second pipes 11 and 12 are holding members (not shown). Fixed integrally.

第一のパイプ11は半径R1を有し、第二のパイプ12は半径R2を有する。第一のパイプ11の中心軸O1は、回転軸Oを中心とした第一の直径D1の円周C1上に位置する。従って、2本の第一のパイプ11,11は回転軸Oから等距離である。第一のパイプ11,11の中心軸O1,O1の回転軸Oに対する中心角θは90〜180°であるのが好ましい。また、第二のパイプ12の中心軸O2は回転軸Oと一致しており、第二のパイプ12の外周は、回転軸Oを中心とした第二の直径D2(=2R2)の円周C2と一致している。 The first pipe 11 has a radius R 1 and the second pipe 12 has a radius R 2 . The central axis O 1 of the first pipe 11 is located on the circumference C 1 of the first diameter D 1 centered on the rotation axis O. Thus, the two first pipes 11, 11 are equidistant from the rotation axis O. The central angle θ with respect to the rotation axis O of the center axis O 1, O 1 of the first pipe 11, 11 preferably is 90 to 180 °. The center axis O 2 of the second pipe 12 is coincident with the rotation axis O, the outer circumference of the second pipe 12, the second diameter D 2 around the rotation axis O of the (= 2R 2) It is consistent with the circumference C 2.

第一のパイプ11,11のノズル(第一のノズル)11a,11aは外方に正反対の方向(180°の方向)に向いている。図示の例では各第一のパイプ11は縦方向1列のノズル(第一のノズル)11aを有するが、これに限定されず、第一のノズル11aは複数列でも良い。また、第二のパイプ12は直径方向(180°の方向)に配置された縦方向2列のノズル(第二のノズル)12a,12aを有する。勿論、第二のノズル12aは2列に限定されず、1列でも良い。第一の直径D1が第二の直径D2より大きいので[D1≧2(R1+R2)]、パイプ集合体30が回転軸Oを中心にして回転すると、第一のノズル11a,11aは外周側に位置し、第二のノズル12a,12aは内周側に位置する。 The nozzles (first nozzles) 11a, 11a of the first pipes 11, 11 face outward and in the opposite direction (direction of 180 °). In the example of illustration, although each 1st pipe 11 has nozzle (1st nozzle) 11a of 1 row of vertical directions, it is not limited to this, 1st nozzle 11a may be multiple rows. Further, the second pipe 12 has two longitudinal rows of nozzles (second nozzles) 12a and 12a disposed in the diametrical direction (the direction of 180 °). Of course, the second nozzles 12a are not limited to two rows, but may be one row. Since the first diameter D 1 is larger than the second diameter D 2 [D 1 2 2 (R 1 + R 2 )], when the pipe assembly 30 rotates around the rotation axis O, the first nozzle 11 a, 11a is located on the outer peripheral side, and the second nozzles 12a and 12a are located on the inner peripheral side.

第二のパイプ12が1列の第二のノズル12aを有し、かつ第一のパイプ11,11の中心軸O1,O1が180°未満の場合、第二のノズル12aは第一のノズル11a,11aから遠い方向(中心角θの反対側)に向いているのが好ましい。この場合、第一のノズル11aの噴出方向と第二のノズル12aの噴出方向とは直交しているのが好ましい。 If the second pipe 12 has one row of the second nozzle 12a and the central axes O 1 and O 1 of the first pipes 11 and 11 are less than 180 °, the second nozzle 12a is the first It is preferable to face in the direction away from the nozzles 11a and 11a (opposite the central angle θ). In this case, it is preferable that the jetting direction of the first nozzle 11a and the jetting direction of the second nozzle 12a are orthogonal to each other.

第一のパイプ11,11の中心軸O1,O1が第二のパイプ12の中心軸O2と一直線上にあり、かつ第二のパイプ12が2列の第二のノズル12a,12aを有する場合、第一のノズル11a,11aは正反対の方向(180°の方向)を向き、かつ第二のノズル12aは第一のノズル11a,11aと直交する方向で正反対の方向を向いている(90°の中心角である)のが好ましい。 The central axes O 1 , O 1 of the first pipes 11, 11 are in line with the central axis O 2 of the second pipe 12, and the second pipes 12 have two rows of second nozzles 12 a, 12 a In the case of having, the first nozzles 11a and 11a face in the direction opposite to each other (the direction of 180.degree.), And the second nozzle 12a faces in the direction perpendicular to the first nozzles 11a and 11a in the direction opposite to each other ( 90 ° central angle) is preferred.

(2) 第二のパイプ集合体
図6(b) は混合ガスA及び混合ガスBをCVD炉1内に非接触の状態で導入する第二のパイプ集合体40の一例を示す。このパイプ集合体40は1本の第一のパイプ11及び1本の第二のパイプ12からなり、第一及び第二のパイプ11,12の両端部は保持部材(図示省略)により一体的に固定されている。第一のパイプ11は1列の(第一のノズル)11aを有し、第二のパイプ12も縦方向1列の(第二のノズル)12aを有する。
(2) Second Pipe Assembly FIG. 6 (b) shows an example of a second pipe assembly 40 for introducing the mixed gas A and the mixed gas B into the CVD furnace 1 in a non-contact state. The pipe assembly 40 comprises a first pipe 11 and a second pipe 12, and both ends of the first and second pipes 11 and 12 are integrally formed by holding members (not shown). It is fixed. The first pipe 11 has one row (first nozzle) 11a, and the second pipe 12 also has one longitudinal row (second nozzle) 12a.

第二のパイプ12の中心軸O2はパイプ集合体40の回転軸Oと一致しており、第一のパイプ11は第二のパイプ12に近接する位置に配置されている。第一のパイプ11は半径R1を有し、第二のパイプ12は半径R2を有する。第一のパイプ11の中心軸O1は、回転軸Oを中心とした第一の直径D1の円周C1上に位置し、第二のパイプ12の中心軸O2は回転軸Oと一致しており、その外周は回転軸Oを中心とした第二の直径D2(=2R2)の円周C2と一致している。第一の直径D1が第二の直径D2より大きいので[D1≧2(R1+R2)]、パイプ集合体40が回転軸Oを中心として回転すると、第一のノズル11aは外周側に位置し、第二のノズル12aは内周側に位置する。 Central axis O 2 of the second pipe 12 is coincident with the rotation axis O of the pipe assembly 40, the first pipe 11 is disposed at a position close to the second pipe 12. The first pipe 11 has a radius R 1 and the second pipe 12 has a radius R 2 . The central axis O 1 of the first pipe 11 is located on the circumference C 1 of the first diameter D 1 centered on the rotational axis O, and the central axis O 2 of the second pipe 12 is with the rotational axis O They coincide, and their outer circumference coincides with the circumference C 2 of the second diameter D 2 (= 2R 2 ) about the rotation axis O. Since the first diameter D 1 is larger than the second diameter D 2 [D 1 2 2 (R 1 + R 2 )], when the pipe assembly 40 is rotated about the rotation axis O, the first nozzle 11 a has an outer periphery Located on the side, the second nozzle 12a is located on the inner circumferential side.

図示の例では第一のパイプ11のノズル(第一のノズル)11aと第二のパイプ12の第二のノズル12aとは正反対の方向(180°の方向)を向いているが、勿論限定的でなく、第一のノズル11aと第二のノズル12aとの中心角は90〜180°の範囲内であれば良い。   In the illustrated example, the nozzle (first nozzle) 11a of the first pipe 11 and the second nozzle 12a of the second pipe 12 face in the direction opposite to each other (in the direction of 180 °). Instead, the central angle between the first nozzle 11a and the second nozzle 12a may be in the range of 90 to 180 degrees.

(3) 第三のパイプ集合体
図6(c) は混合ガスA及び混合ガスBをCVD炉1内に非接触の状態で導入する第三のパイプ集合体50の一例を示す。このパイプ集合体50は4本の第一のパイプ11,11,11,11及び1本の第二のパイプ12からなり、第一及び第二のパイプ11,11,11,11,12の両端部は保持部材(図示省略)により一体的に固定されている。各第一のパイプ11は縦方向1列の(第一のノズル)11aを有し、第二のパイプ12は直交する直径方向(180°)に配置された縦方向二対の列のノズル(第二のノズル)12a,12a,12a,12aを有する。全ての第一のパイプ11,11,11,11のノズル(第一のノズル)11a,11a,11a,11aは外方を向いている。
(3) Third Pipe Assembly FIG. 6 (c) shows an example of a third pipe assembly 50 for introducing the mixed gas A and the mixed gas B into the CVD furnace 1 in a noncontacting manner. The pipe assembly 50 comprises four first pipes 11, 11, 11, 11 and one second pipe 12, and both ends of the first and second pipes 11, 11, 11, 12, 12 The portion is integrally fixed by a holding member (not shown). Each first pipe 11 has one longitudinal row (first nozzle) 11a, and the second pipe 12 has two pairs of longitudinal rows of nozzles arranged in orthogonal diametrical directions (180 °) Second nozzle) 12a, 12a, 12a, 12a. The nozzles (first nozzles) 11a, 11a, 11a, 11a of all the first pipes 11, 11, 11, 11 face outward.

第一のパイプ11は半径R1を有し、第二のパイプ12は半径R2を有する。第一のパイプ11の中心軸O1は、回転軸Oを中心とした第一の直径D1の円周C1上に位置する。従って、4本の第一のパイプ11,11,11,11は回転軸Oから等距離である。また、第二のパイプ12の中心軸O2は回転軸Oと一致しており、その外周は回転軸Oを中心とした第二の直径D2(=2R2)の円周C2と一致している。第一の直径D1が第二の直径D2より大きいので[D1≧2(R1+R2)]、パイプ集合体50が回転軸Oを中心として回転すると、第一のノズル11a,11a,11a,11aは外周側に位置し、第二のノズル12a,12a,12a,12aは内周側に位置する。図示の例では隣接する第一のパイプ11,11の中心軸O1,O1の回転軸Oに関する中心角θは90°であるが、これに限定されず、60〜120°であれば良い。 The first pipe 11 has a radius R 1 and the second pipe 12 has a radius R 2 . The central axis O 1 of the first pipe 11 is located on the circumference C 1 of the first diameter D 1 centered on the rotation axis O. Thus, the four first pipes 11, 11, 11, 11 are equidistant from the rotation axis O. The center axis O 2 of the second pipe 12 is coincident with the rotation axis O, the circumference and the circumference C 2 of the second diameter D 2 around the rotation axis O (= 2R 2) one I do. Since the first diameter D 1 is larger than the second diameter D 2 [D 1 2 2 (R 1 + R 2 )], when the pipe assembly 50 rotates about the rotation axis O, the first nozzles 11 a and 11 a , 11a and 11a are located on the outer peripheral side, and the second nozzles 12a, 12a, 12a and 12a are located on the inner peripheral side. In the illustrated example, the central angle θ with respect to the rotational axis O of the central axes O 1 and O 1 of the adjacent first pipes 11 and 11 is 90 °, but is not limited thereto, and may be 60 to 120 °. .

(G) 成膜条件
(1) 成膜温度
結合層及び窒化チタンアルミニウム皮膜の成膜温度は750〜830℃が好ましく、780〜820℃がより好ましい。成膜温度が750℃未満では、hcp構造の窒化チタンアルミニウム皮膜が多くなり、耐剥離性に劣る。一方、成膜温度が830℃を超えると、反応が促進されすぎて層厚制御が難しい。
(G) Deposition conditions
(1) Film forming temperature The film forming temperature of the bonding layer and the titanium aluminum nitride film is preferably 750 to 830 ° C., and more preferably 780 to 820 ° C. When the film formation temperature is less than 750 ° C., the titanium aluminum nitride film having the hcp structure is large and the peel resistance is poor. On the other hand, if the film formation temperature exceeds 830 ° C., the reaction is promoted too much and layer thickness control is difficult.

(2) 反応圧力
結合層及び窒化チタンアルミニウム皮膜の反応圧力は3〜6 kPaが好ましい。上記範囲外の反応圧力では下層と結合層との界面で格子縞が連続しない。
(2) Reaction pressure The reaction pressure of the bonding layer and the titanium aluminum nitride film is preferably 3 to 6 kPa. If the reaction pressure is outside the above range, the lattice does not continue at the interface between the lower layer and the bonding layer.

(3) 成膜時間
750℃〜850℃の温度でノズルの回転速度を2〜4 rpmとした場合、結合層の成膜時間は、第一の原料ガスの場合は100〜300秒が好ましく、150〜210秒がより好ましい。第二の原料ガスの場合は15〜180秒が好ましく、30〜60秒がより好ましい。
(3) Deposition time
When the rotational speed of the nozzle is set to 2 to 4 rpm at a temperature of 750 ° C. to 850 ° C., the film forming time of the bonding layer is preferably 100 to 300 seconds in the case of the first source gas, and 150 to 210 seconds is more preferable. preferable. In the case of the second source gas, 15 to 180 seconds are preferable, and 30 to 60 seconds are more preferable.

(H) 後工程
(1) 上層の形成
特に限定されないが、公知の化学蒸着法により窒化チタンアルミニウム皮膜の上層を形成することができる。成膜温度は700〜1050℃で良い。上層を形成するのに用いる原料ガスの例は下記の通りである。
1. TiC皮膜 TiCl4ガス、CH4ガス及びH2ガス。
2. CrC皮膜 CrCl3ガス、CH4ガス及びH2ガス。
3. SiC皮膜 SiCl4ガス、CH4ガス及びH2ガス。
4. VC皮膜 VClガス、CH4ガス及びH2ガス。
5. ZrC皮膜 ZrCl4ガス、CH4ガス及びHガス。
6. TiN皮膜 TiCl4ガス、N2ガス及びH2ガス。
7. AlN皮膜 AlCl3ガス、NH4ガス及びH2ガス。
8. CrN皮膜 CrCl3ガス、NH4ガス及びH2ガス。
9. Si3N4皮膜 SiCl4ガス、NH4ガス及びH2ガス。
10. VN皮膜 VCl3ガス、NH4ガス及びH2ガス。
11. ZrN皮膜 ZrCl4ガス、N2ガス及びH2ガス。
12. Ti(CN)皮膜 TiCl4ガス、CH4ガス、N2ガス及びH2ガス、又はTiCl4ガス、CH3CNガス、N2ガス及びH2ガス。
13. (TiSi)N皮膜 TiCl4ガス、SiCl4ガス、N2ガス及びNH3ガス。
14. (TiB)N皮膜 TiCl4ガス、N2ガス及びBCl3ガス。
15. TiZr(CN)皮膜 TiCl4ガス、ZrCl4ガス、N2ガス、CH4ガス及びH2ガス、又はTiCl4ガス、ZrCl4ガス、N2ガス、CH3CNガス及びH2ガス。
16. TiAl(CN)皮膜 TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス、CH4ガス、NH3ガス及びH2ガス、又はTiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス、CH3CNガス及びH2ガス。
17. TiSi(CN)皮膜 TiCl4ガス、SiCl4ガス、N2ガス、CH4ガス、NH3ガス及びH2ガス、又はTiCl4ガス、SiCl4ガス、N2ガス、CH3CNガス及びH2ガス。
18. TiCr(CN)皮膜 TiCl4ガス、CrCl3ガス、N2ガス、CH4ガス、NH3ガス及びH2ガス、又はTiCl4ガス、CrCl3ガス、N2ガス、CH3CNガス及びH2ガス。
19. TiV(CN)皮膜 TiCl4ガス、VCl3ガス、N2ガス、CH4ガス、NH3ガス及びH2ガス、又はTiCl4ガス、VCl3ガス、N2ガス、CH3CNガス及びH2ガス。
20. TiZr(CN)皮膜 TiCl4ガス、ZrCl3ガス、N2ガス、CH4ガス、NH3ガス及びH2ガス、又はTiCl4ガス、ZrCl4ガス、N2ガス、CH3CNガス及びH2ガス。
21. Ti(CNO)皮膜 TiCl4ガス、N2ガス、CH4ガス、COガス及びH2ガス、又はTiCl4ガス、N2ガス、CH3CNガス、COガス及びH2ガス。
22. TiAl(CNO)皮膜 TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス、CH4ガス、COガス及びH2ガス、又はTiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス、CH3CNガス、COガス及びH2ガス。
23. Ti(CO)皮膜 TiCl4ガス、N2ガス、CH4ガス、COガス、CO2ガス及びH2ガス。
24. TiB2皮膜 TiCl4ガス、BCl3ガス、H2ガス。
(H) Post-process
(1) Formation of Upper Layer Although not particularly limited, the upper layer of the titanium aluminum nitride film can be formed by a known chemical vapor deposition method. The film forming temperature may be 700 to 1050.degree. Examples of source gases used to form the upper layer are as follows.
1. TiC coating TiCl 4 gas, CH 4 gas and H 2 gas.
2. CrC coating CrCl 3 gas, CH 4 gas and H 2 gas.
3. SiC coating SiCl 4 gas, CH 4 gas and H 2 gas.
4. VC film VCl gas, CH 4 gas and H 2 gas.
5. ZrC film ZrCl 4 gas, CH 4 gas and H gas.
6. TiN film TiCl 4 gas, N 2 gas and H 2 gas.
7. AlN film AlCl 3 gas, NH 4 gas and H 2 gas.
8. CrN coating CrCl 3 gas, NH 4 gas and H 2 gas.
9. Si 3 N 4 coating SiCl 4 gas, NH 4 gas and H 2 gas.
10. VN coating VCl 3 gas, NH 4 gas and H 2 gas.
11. ZrN film ZrCl 4 gas, N 2 gas and H 2 gas.
12. Ti (CN) film TiCl 4 gas, CH 4 gas, N 2 gas and H 2 gas, or TiCl 4 gas, CH 3 CN gas, N 2 gas and H 2 gas.
13. (TiSi) N coating TiCl 4 gas, SiCl 4 gas, N 2 gas and NH 3 gas.
14. (TiB) N film TiCl 4 gas, N 2 gas and BCl 3 gas.
15. TiZr (CN) film TiCl 4 gas, ZrCl 4 gas, N 2 gas, CH 4 gas and H 2 gas, or TiCl 4 gas, ZrCl 4 gas, N 2 gas, CH 3 CN gas and H 2 gas.
16. TiAl (CN) film TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, N 2 gas, CH 4 gas, NH 3 gas and H 2 gas, or TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, N 2 gas, CH 3 CN gas and H 2 gas.
17. TiSi (CN) film TiCl 4 gas, SiCl 4 gas, N 2 gas, N 2 gas, CH 4 gas, NH 3 gas and H 2 gas, or TiCl 4 gas, SiCl 4 gas, N 2 gas, CH 3 CN gas and H 2 2 gas.
18. TiCr (CN) film TiCl 4 gas, CrCl 3 gas, N 2 gas, CH 4 gas, NH 3 gas and H 2 gas, or TiCl 4 gas, CrCl 3 gas, N 2 gas, CH 3 CN gas and H 2 gas.
19. TiV (CN) film TiCl 4 gas, VCl 3 gas, N 2 gas, CH 4 gas, NH 3 gas and H 2 gas, or TiCl 4 gas, VCl 3 gas, N 2 gas, CH 3 CN gas and H 2 gas.
20. TiZr (CN) coating TiCl 4 gas, ZrCl 3 gas, N 2 gas, N 2 gas, CH 4 gas, NH 3 gas and H 2 gas, or TiCl 4 gas, ZrCl 4 gas, N 2 gas, CH 3 CN gas and H 2 gas.
21. Ti (CNO) film TiCl 4 gas, N 2 gas, CH 4 gas, CO gas and H 2 gas, or TiCl 4 gas, N 2 gas, CH 3 CN gas, CO gas and H 2 gas.
22. TiAl (CNO) film TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, N 2 gas, CH 4 gas, CO gas and H 2 gas, or TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, N 2 gas, CH 3 CN gas, CO gas And H 2 gas.
23. Ti (CO) coating TiCl 4 gas, N 2 gas, CH 4 gas, CO gas, CO 2 gas and H 2 gas.
24. TiB 2 film TiCl 4 gas, BCl 3 gas, H 2 gas.

(2) 硬質皮膜被覆後の刃先処理
基体上に形成した窒化チタンアルミニウム皮膜は、ブラシ、バフ又はブラスト等による処理により平滑化され、耐チッピング性に優れた表面状態になる。特にアルミナ、ジルコニア、シリカ等のセラミックスの粉末を投射材として用い、湿式又は乾式のブラスト法により硬質皮膜の刃先を処理すると、硬質皮膜の表面が平滑化されるとともに硬質皮膜の引張残留応力が低下し、耐チッピング性が向上する。
(2) Cutting Edge Treatment after Coating with Hard Film The titanium aluminum nitride film formed on the substrate is smoothed by treatment with a brush, buff or blast, and becomes a surface state excellent in chipping resistance. In particular, when powder of ceramics such as alumina, zirconia and silica is used as a shot material and the cutting edge of the hard film is treated by a wet or dry blast method, the surface of the hard film is smoothed and the tensile residual stress of the hard film is lowered. And the chipping resistance is improved.

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は勿論それらに限定されるものではない。以下の実施例及び比較例において、流量(L/分)は1気圧及び25℃の条件における流量である。また、各層の厚さは平均値である。   The invention will be explained in more detail by means of the following examples, but of course the invention is not limited thereto. In the following examples and comparative examples, the flow rate (L / min) is the flow rate under the conditions of 1 atm and 25 ° C. Moreover, the thickness of each layer is an average value.

実施例1
(1) 硬質皮膜の形成
図7に概略的に示すWC基超硬合金(11.5質量%のCo、2.0質量%のTaC、0.7質量%のCrC、残部WC及び不可避的不純物からなる。)製のミーリング用インサート基体(SEE42TN-C9)8と、WC基超硬合金(7質量%のCo、0.6質量%のCrC、2.2質量%のZrC、3.3質量%のTaC、0.2質量%のNbC、残部WC及び不可避的不純物からなる。)製の物性評価用インサート基体(SNMN120408)とを、図5に示すCVD炉1内にセットし、H2ガスを流しながらCVD炉1内の温度を850℃に上昇させた。その後、850℃及び8 kPaで、83.1体積%のH2ガス、15.0体積%のN2ガス、1.5体積%のTiCl4ガス、及び0.4体積%のCH3CNガスからなる原料ガスを6700 mL/分の流量でCVD炉1に流した。こうして、化学蒸着法により、各基体上に柱状結晶組織を有し、Ti0.61C0.39N(原子比)で表される組成を有する厚さ3μmの炭窒化チタンTi(CN)層を形成した。
Example 1
(1) Formation of Hard Film A WC-based cemented carbide (composed of 11.5% by mass of Co, 2.0% by mass of TaC, 0.7% by mass of CrC, balance WC and unavoidable impurities) schematically shown in FIG. Insert base for milling (SEE42TN-C9) 8 and WC base cemented carbide (7% by mass Co, 0.6% by mass CrC, 2.2% by mass ZrC, 3.3% by mass TaC, 0.2% by mass NbC, balance WC and inevitable impurities.) made of a property-evaluation insert base (SNMN120408), set in CVD furnace 1 shown in FIG. 5, increasing the temperature of the CVD furnace 1 to 850 ° C. while introducing H 2 gas I did. Then, at 700 ° C. and 8 kPa, 6700 mL of a raw material gas consisting of 83.1% by volume of H 2 gas, 15.0% by volume of N 2 gas, 1.5% by volume of TiCl 4 gas, and 0.4% by volume of CH 3 CN gas It flowed into the CVD furnace 1 with the flow rate of the minute. Thus, a titanium carbonitride Ti (CN) layer having a columnar crystal structure and a composition represented by Ti 0.61 C 0.39 N (atomic ratio) was formed on each substrate by chemical vapor deposition.

(2) 結合層の形成
(a) 第一の原料ガスの導入
CVD炉1内の温度を800℃に下げるとともに圧力を4 kPaに下げ、2 rpmの速度で回転する図6(a) に示すパイプ集合体30を用いて、CVD炉1に混合ガスA1及び混合ガスB1からなる第一の原料ガスを導入した。具体的には、第一のパイプ11,11の第一のノズル11a,11aから0.31体積%のTiCl4ガス、0.15体積%のAlCl3ガス、53.19体積%のH2ガス、及び7.60体積%のN2ガスからなる混合ガスA1を導入し、第二のパイプ12,12の第二のノズル12a,12aから31.15体積%のH2ガス、及び7.60体積%のN2ガスからなる混合ガスB1を導入した。混合ガスA1及びB1の合計流量は65.80 L/分であった。成膜時間は180秒間であった。
(2) Formation of bonding layer
(a) Introduction of the first source gas
Using the pipe assembly 30 shown in FIG. 6 (a) rotating at a speed of 2 rpm while lowering the temperature in the CVD furnace 1 to 800 ° C. and reducing the pressure to 4 kPa, the mixed gas A 1 and the mixed gas A 1 and first material gas comprising a mixed gas B 1 were introduced. Specifically, 0.31% by volume of TiCl 4 gas, 0.15% by volume of AlCl 3 gas, 53.19% by volume of H 2 gas, and 7.60% by volume of the first nozzles 11a and 11a of the first pipes 11, 11 Mixed gas A 1 containing N 2 gas is introduced, and mixed gas B containing 31.15% by volume of H 2 gas and 7.60% by volume of N 2 gas from the second nozzles 12 a of the second pipe 12 12. 1 was introduced. The total flow rate of the mixed gas A 1 and B 1 was 65.80 L / min. The film formation time was 180 seconds.

(b) 第二の原料ガスの導入
次いで、CVD炉1内の温度及び圧力を800℃及び4 kPaに保持したまま、2 rpmの速度で回転する図6(a) に示すパイプ集合体30を用いて、CVD炉1に混合ガスA2及び混合ガスB2からなる第二の原料ガスを導入した。具体的には、第一のパイプ11,11の第一のノズル11a,11aから0.31体積%のTiCl4ガス、0.15体積%のAlCl3ガス、52.59体積%のH2ガス、及び7.51体積%のN2ガスからなる混合ガスA2を導入し、第二のパイプ12,12の第二のノズル12a,12aから30.80体積%のH2ガス、7.51体積%のN2ガス、及び1.13体積%のNH3からなる混合ガスB2を導入した。混合ガスA2及びB2の合計流量は66.55 L/分であった。成膜時間は30秒間であった。こうして、炭窒化チタン層上に化学蒸着法により、Ti0.65Al0.35N(原子比)で表される組成を有する厚さ5 nmの結合層を形成した。
(b) Introduction of second source gas Subsequently, while maintaining the temperature and pressure in the CVD furnace 1 at 800 ° C. and 4 kPa, the pipe assembly 30 shown in FIG. The second raw material gas composed of the mixed gas A 2 and the mixed gas B 2 was introduced into the CVD furnace 1 by using. Specifically, 0.31% by volume of TiCl 4 gas, 0.15% by volume of AlCl 3 gas, 52.59% by volume of H 2 gas, and 7.51% by volume of the first nozzles 11a and 11a of the first pipes 11, 11 introducing a mixed gas a 2 consisting of N 2 gas, the second nozzle 12a of the second pipe 12, 12, 30.80% by volume of H 2 gas from 12a, the 7.51% by volume of N 2 gas, and 1.13 vol% and introducing a mixed gas B 2 consisting of NH 3. The total flow rate of the mixed gas A 2 and B 2 was 66.55 L / min. The film formation time was 30 seconds. Thus, a 5 nm-thick bonding layer having a composition represented by Ti 0.65 Al 0.35 N (atomic ratio) was formed on the titanium carbonitride layer by chemical vapor deposition.

(3) 窒化チタンアルミニウム皮膜の形成
結合層の形成後、CVD炉1内の温度及び圧力を800℃及び4 kPaに保持したまま、2 rpmの速度で回転する図6(a) に示すパイプ集合体30を用いて、CVD炉1に第三の原料ガスを導入した。具体的には、第一のパイプ11,11の第一のノズル11a,11aから0.15体積%のTiCl4ガス、0.45体積%のAlCl3ガス、52.51体積%のH2ガス、及び7.50体積%のN2ガスからなる混合ガスA3を導入し、第二のパイプ12,12の第二のノズル12a,12aから1.13体積%のNH3ガス、30.76体積%のH2ガス、及び7.50体積%のN2ガスからなる混合ガスB3を導入した。混合ガスA3及びB3の合計流量は66.65 L/分であった。成膜時間を調整して、結合層上に化学蒸着法により、Ti0.31Al0.69N(原子比)で表される組成を有する厚さ3μmの窒化チタンアルミニウム皮膜を形成した硬質皮膜被覆工具を得た。
(3) Formation of titanium aluminum nitride film After formation of the bonding layer, the pipe assembly shown in FIG. 6 (a) rotates at a speed of 2 rpm while maintaining the temperature and pressure in the CVD furnace 1 at 800 ° C. and 4 kPa. The third source gas was introduced into the CVD furnace 1 using the body 30. Specifically, from the first nozzles 11a and 11a of the first pipes 11, 11, 0.15 volume% of TiCl 4 gas, 0.45 volume% of AlCl 3 gas, 52.51 volume% of H 2 gas, and 7.50 volume% introducing a mixed gas a 3 consisting of N 2 gas, the second nozzle 12a of the second pipe 12, 12, 1.13% by volume of NH 3 gas 12a, 30.76 vol% of H 2 gas, and of 7.50 vol% and introducing a mixed gas B 3 consisting of N 2 gas. The total flow rate of the mixed gas A 3 and B 3 was 66.65 L / min. The film forming time is adjusted to obtain a hard coated tool in which a titanium aluminum nitride film having a thickness of 3 μm having a composition represented by Ti 0.31 Al 0.69 N (atomic ratio) is formed on the bonding layer by chemical vapor deposition. The

(4) 硬質皮膜被覆工具の断面組織
得られた硬質皮膜被覆工具の物性評価用インサート(SNMN120408)のすくい面の破断面をSEM(株式会社日立作製所製S-4200)により撮影した写真(倍率:10,000倍)を図1に示す。図1において、21はWC基超硬合金基体であり、22は下層(柱状結晶組織を有する炭窒化チタン皮膜)であり、23は窒化チタンアルミニウム皮膜である。炭窒化チタン皮膜22と窒化チタンアルミニウム皮膜23との間に存在する結合層は低倍率のため見えない。
(4) Cross-sectional structure of the hard-coated tool The photograph of the cut surface of the rake surface of the obtained insert for evaluating the physical properties of the hard-coated tool (SNMN 120408) taken by SEM (S-4200 manufactured by Hitachi, Ltd.) : 10,000 times) is shown in FIG. In FIG. 1, 21 is a WC base cemented carbide substrate, 22 is a lower layer (a titanium carbonitride film having a columnar crystal structure), and 23 is a titanium aluminum nitride film. The bonding layer present between the titanium carbonitride coating 22 and the titanium aluminum nitride coating 23 is not visible due to the low magnification.

(5) 下層と結合層、及び結合層と窒化チタンアルミニウム皮膜との界面組織
下層と結合層、及び結合層と窒化チタンアルミニウム皮膜との境界(界面)を、電界放射型透過電子顕微鏡(FE-TEM、株式会社日立作製所製JEM-2010F)を用いて撮影した写真(倍率:4000,000倍)を図2に示す。図2において、22は下層(柱状結晶組織を有する炭窒化チタン皮膜)であり、23は窒化チタンアルミニウム皮膜であり、25は結合層である。図3(a)は図2の概略図である。図3において、線L1は下層(TiCN)22と結合層25との境界を示し、線L2は結合層25と窒化チタンアルミニウム皮膜23との境界を示し、多数の細線は結晶格子縞を示す。図2及び図3(a)から、下層22と結合層25との界面で87%の結晶格子縞が連続しており、結合層25と窒化チタンアルミニウム皮膜23との界面で70%の結晶格子縞が連続していることが分った。
(5) Interfacial structure between the lower layer and the bonding layer, and the interface between the bonding layer and the titanium aluminum nitride film The boundary (interface) between the lower layer and the bonding layer, and the bonding layer and the titanium aluminum nitride film can be A photograph (magnification: 4000,000 times) taken using a TEM, JEM-2010F manufactured by Hitachi, Ltd., is shown in FIG. In FIG. 2, 22 is a lower layer (a titanium carbonitride film having a columnar crystal structure), 23 is a titanium aluminum nitride film, and 25 is a bonding layer. FIG. 3 (a) is a schematic view of FIG. In FIG. 3, the line L1 indicates the boundary between the lower layer (TiCN) 22 and the bonding layer 25, the line L2 indicates the boundary between the bonding layer 25 and the titanium aluminum nitride film 23, and many thin lines indicate crystal lattice stripes. From FIGS. 2 and 3 (a), 87% of the crystal lattice is continuous at the interface between the lower layer 22 and the bonding layer 25, and 70% of the crystal lattice is at the interface between the bonding layer 25 and the titanium aluminum nitride film 23. It was found to be continuous.

図3(b) に相当する図3(c) において、線L1及び線L2により囲まれた結合層25の面積Sを改質層25の長さLで割ると、1つの視野における結合層25の平均厚さD1が求められる。同じ方法で異なる5つの視野における結合層25の平均厚さD1、D2、D3、D4、D5を求め、これらを算術平均した値を結合層25の平均厚さDaとした。この方法により求めた結合層25の平均厚さDaは5 nmであった。 In FIG. 3 (c), which corresponds to FIG. 3 (b), when dividing the area S of the line L 1 and the bonding layer 25 surrounded by the line L 2 in the length L of the modified layer 25, coupled in one field of view The average thickness D 1 of the layer 25 is determined. The average thicknesses D 1 , D 2 , D 3 , D 4 and D 5 of the bonding layer 25 in five different fields of view are determined in the same manner, and the value obtained by arithmetically averaging them is taken as the average thickness Da of the bonding layer 25. The average thickness Da of the bonding layer 25 determined by this method was 5 nm.

JEM-2010Fを用いて、図3の結合層25のほぼ厚さ方向中央位置において、200 kVの加速電圧及び50 cmのカメラ長の条件でナノビーム回折を行った。得られた結合層25のナノビーム回折像(NAD)を示す。図4から、結合層25はfcc構造であることが分かった。   Using JEM-2010F, nanobeam diffraction was performed at about the center in the thickness direction of the bonding layer 25 of FIG. 3 under conditions of an acceleration voltage of 200 kV and a camera length of 50 cm. The nanobeam diffraction image (NAD) of the obtained coupling layer 25 is shown. It was found from FIG. 4 that the bonding layer 25 had an fcc structure.

(6) 結合層の組成の測定
FE-TEM(JEM-2010F)に搭載のエネルギー分散型X線分光器(EDS、NORAN社製UTW型Si(Li)半導体検出器、ビーム径:約1 nm)を用いて、物性評価用インサート(SNMN120408)の硬質皮膜断面における結合層の層厚方向中心の任意の5箇所で組成を分析し、算術平均した。
(6) Measurement of composition of bonding layer
An insert for evaluating physical properties using an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS, UTW type Si (Li) semiconductor detector manufactured by NORAN, beam diameter: about 1 nm) mounted on FE-TEM (JEM-2010F) The composition was analyzed at five arbitrary centers in the layer thickness direction center of the bonding layer in the hard coating cross section of SNMN 120408) and arithmetically averaged.

(7) 工具寿命の測定
得られたミーリング用インサート8を、図8に示す刃先交換式回転工具(A45E-4160R)9の先端部にクサビねじ(図示せず)で装着し、下記の転削条件で切削加工を行い、倍率100倍の光学顕微鏡単位時間ごとにサンプリングしたインサート8の逃げ面を観察し、逃げ面の最大摩耗幅が0.25 mm以上になったときの総切削長さ(m)を工具寿命と判定した。
(7) Measurement of tool life The obtained milling insert 8 is attached to the tip of the indexable rotary tool (A45E-4160R) 9 shown in FIG. 8 with a wedge screw (not shown), and the following milling is performed The cutting is performed under the conditions, and the flank of the insert 8 sampled every unit time of the optical microscope with a magnification of 100 times is observed, and the total cutting length (m) when the maximum wear width of the flank becomes 0.25 mm or more Was determined as the tool life.

切削加工条件
被削材: 硬さ32 HRCのSCM440
加工方法: ミーリング加工
インサート形状: SEE42TN-C9
切削速度: 200 m/分
回転数: 398 rpm
一刃当たりの送り: 0.15 mm/tooth
送り速度:477.6 mm/分
軸方向の切り込み量: 1.0 mm
径方向の切り込み量: 100 mm
切削方法: 湿式切削
Cutting conditions Work material: Hardness 32 HRC SCM440
Machining method: Milling Insert shape: SEE42TN-C9
Cutting speed: 200 m / min Speed: 398 rpm
Feed per blade: 0.15 mm / tooth
Feeding speed: 477.6 mm / min Cutting amount in axial direction: 1.0 mm
Radial cut amount: 100 mm
Cutting method: wet cutting

実施例2〜15
結合層及び窒化チタンアルミニウム皮膜の成膜条件を表1及び表2に示すように変更した以外、実施例1と同様にして、硬質皮膜被覆工具(ミーリング用インサート)を製作し、評価した。
Examples 2 to 15
A hard-coated tool (insert for milling) was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the film formation conditions for the bonding layer and the titanium aluminum nitride film were changed as shown in Tables 1 and 2.

実施例16
実施例1と同じWC基超硬合金製のミーリング用インサート基体(SEE42TN-C9)び物性評価用インサート基体(SNMN120408)をCVD炉1内にセットし、H2ガスを流しながらCVD炉1内の温度を900℃に上昇させた後、900℃及び12 kPaで、82.0体積%のH2ガス、18.5体積%のN2ガス、及び1.5体積%のTiCl4ガスからなる原料ガスを4500 ml/分の流量でCVD炉1に流し、化学蒸着法により厚さ3μmの窒化チタン皮膜を形成した。得られた窒化チタン皮膜の直上に、以降は実施例1と同様にして結合層及び窒化チタンアルミニウム皮膜を形成した硬質皮膜被覆工具を製作し、実施例1と同様の評価を行った。
Example 16
The same insert base for milling (SEE42TN-C9) and insert base for evaluation of physical properties (SNMN 120408) made of WC-based cemented carbide as in Example 1 are set in the CVD furnace 1, and the inside of the CVD furnace 1 is flushed with H 2 gas. After raising the temperature to 900 ° C., the raw material gas consisting of 82.0% by volume of H 2 gas, 18.5% by volume of N 2 gas, and 1.5% by volume of TiCl 4 gas at 900 ° C. and 12 kPa is 4500 ml / min It flowed into CVD furnace 1 with the flow volume of, and formed the titanium nitride film 3 micrometers in thickness by a chemical vapor deposition method. A hard-coated tool in which a bonding layer and a titanium aluminum nitride film were formed on the titanium nitride film obtained as in Example 1 was manufactured immediately after the obtained titanium nitride film, and the same evaluation as in Example 1 was performed.

実施例17
実施例1と同じWC基超硬合金製のミーリング用インサート基体(SEE42TN-C9)及び物性評価用インサート基体をCVD炉1内にセットし、H2ガスを流しながらCVD炉1内の温度を900℃に上昇させた。その後、900℃及び8 kPaで、78.0体積%のH2ガス、18.5体積%のN2ガス、1.5体積%のTiCl4ガス、0.5体積%のCH3CNガス、及び1.5体積%のZrCl4ガスからなる原料ガスを7000 ml/分の流量でCVD炉1に流し、化学蒸着法によりTi0.96Zr0.04(CN)(原子比)で表される組成を有する厚さ3μmのTiZr(CN)皮膜を形成した。得られた炭窒化チタンジルコン皮膜の直上に、以降は実施例1と同様にして結合層及び窒化チタンアルミニウム皮膜を形成した硬質皮膜被覆工具を製作し、実施例1と同様の評価を行った。
Example 17
The same insert base for milling (SEE42TN-C9) made of WC base cemented carbide and the insert base for evaluating physical properties as in Example 1 are set in the CVD furnace 1, and the temperature in the CVD furnace 1 is 900 while flowing H 2 gas. Raised to ° C. Then, at 900 ° C. and 8 kPa, 78.0% by volume of H 2 gas, 18.5% by volume of N 2 gas, 1.5% by volume of TiCl 4 gas, 0.5% by volume of CH 3 CN gas, and 1.5% by volume of ZrCl 4 gas The raw material gas consisting of is flowed into the CVD furnace 1 at a flow rate of 7000 ml / min, and a 3 .mu.m-thick TiZr (CN) film having a composition represented by Ti 0.96 Zr 0.04 (CN) (atomic ratio) by chemical vapor deposition. It formed. A hard coating coated tool in which a bonding layer and a titanium aluminum nitride coating were formed on the titanium carbonitride zircon coating obtained as in Example 1 thereafter was manufactured, and the same evaluation as in Example 1 was performed.

比較例1
実施例1と同様にして炭窒化チタン皮膜を形成した後、結合層を形成することなく、図9に示す第一及び第二のノズル11a,12a(中心角:180°、H1=H2)を用いて、表3に示す混合ガスA3及びB3をそれぞれ第一のノズル11a及び第二のノズル12aから噴出させ、表4に示す成膜条件で化学蒸着法によりTi0.08Al0.92N(原子比)で表される組成を有する厚さ3μmの窒化チタンアルミニウム皮膜を形成した。得られた硬質皮膜被覆工具(ミーリング用インサート)について実施例1と同様の評価を行った。
Comparative Example 1
After forming a titanium carbonitride film in the same manner as in Example 1, the first and second nozzles 11a and 12a (central angle: 180 °, H 1 = H 2 shown in FIG. 9) are formed without forming a bonding layer. ) using a mixed gas a 3 and B 3 are shown in Table 3 is ejected from the first nozzle 11a and a second nozzle 12a, respectively, Ti 0.08 Al 0.92 by chemical vapor deposition at a deposition conditions shown in Table 4 N A titanium aluminum nitride film having a thickness of 3 μm having a composition represented by (atomic ratio) was formed. Evaluation similar to Example 1 was performed about the obtained hard-film coated tool (insert for milling).

実施例1〜17及び比較例1について、第一の原料ガスによる結合層の成膜条件を表1-1に示し、第一の原料ガスの組成を表1-2に示し、第二の原料ガスによる結合層の成膜条件を表2-1に示し、第二の原料ガスの組成を表2-2に示し、第三の原料ガスの組成を表3に示し、第三の原料ガスによる窒化チタンアルミニウム皮膜の成膜条件を表4に示し、得られた結合層の組成、結晶構造及び格子縞の連続性を表5に示し、得られた窒化チタンアルミニウム皮膜の組成を表6に示し、得られた硬質皮膜の結晶構造、剥離の有無及び工具寿命を表7に示す。   For Examples 1 to 17 and Comparative Example 1, the film forming conditions of the bonding layer with the first source gas are shown in Table 1-1, the composition of the first source gas is shown in Table 1-2, and the second source The film formation conditions of the bonding layer by the gas are shown in Table 2-1, the composition of the second source gas is shown in Table 2-2, the composition of the third source gas is shown in Table 3, and the third source gas The film forming conditions of the titanium aluminum nitride film are shown in Table 4, the composition of the obtained bonding layer, the crystal structure and the continuity of the lattice are shown in Table 5, and the composition of the obtained titanium aluminum nitride film is shown in Table 6. The crystal structure, the presence or absence of peeling, and the tool life of the obtained hard film are shown in Table 7.

注:(1) 該当条件が無い。
Note: (1) There is no applicable condition.

注:(1) 該当条件が無い。
Note: (1) There is no applicable condition.

注:(1) 該当条件が無い。
Note: (1) There is no applicable condition.

注:(1) 該当条件が無い。
Note: (1) There is no applicable condition.

注:(1) 結合層と下層との界面での格子縞の連続性。
(2) 結合層と窒化チタンアルミニウム皮膜との界面での格子縞の連続性。
(3) 測定せず。
Note: (1) Continuity of plaid at the interface between the bonding layer and the lower layer.
(2) Continuity of the lattice at the interface between the bonding layer and the titanium aluminum nitride film.
(3) Not measured.

注:(1) 窒化チタンアルミニウム皮膜。
Note: (1) Titanium aluminum nitride film.

表5及び表7から明らかなように、下層と結合層との界面、及び結合層と窒化チタンアルミニウム皮膜との界面のミクロ組織のTEM観察を行った実施例1、8及び15の各硬質皮膜被覆工具では、結晶格子縞の30%超が両界面で連続しており、工具は長寿命であった。これに対して、比較例1の硬質皮膜被覆工具では結合層は形成されず、工具は短寿命であった。   As is apparent from Tables 5 and 7, the hard films of Examples 1, 8 and 15 in which the microstructures of the interface between the lower layer and the bonding layer and the interface between the bonding layer and the titanium aluminum nitride film were subjected to TEM observation In the coated tool, more than 30% of the crystal lattice was continuous at both interfaces, and the tool had a long life. On the other hand, in the hard-coated tool of Comparative Example 1, the bonding layer was not formed, and the tool had a short life.

1:CVD炉
2:チャンバー
3:ヒータ
4:棚
4a:棚の中央開口部
5:反応容器
8:ミーリング用インサート
9:刃先交換式回転工具
11:第一のパイプ
11a:第一のパイプのノズル
12:第二のパイプ
12a:第二のパイプのノズル
13:排出パイプ
20:ミーリング用インサート基体
21:WC基超硬合金基体
22:下層(TiCN皮膜)
23:窒化チタンアルミニウム皮膜
25:結合層
30、40、50、80:パイプ集合体
C1:第一の直径の円周
C2:第二の直径の円周
D1:第一の直径
D2:第二の直径
O:回転軸
O1:第一のパイプの中心軸
O2:第二のパイプの中心軸
R1:第一のパイプの半径
R2:第二のパイプの半径
θ:中心角
1: CVD furnace
2: Chamber
3: Heater
4: Shelf
4a: Central opening of the shelf
5: Reaction vessel
8: Insert for milling
9: Indexable rotary tool
11: The first pipe
11a: 1st pipe nozzle
12: The second pipe
12a: The nozzle of the second pipe
13: Discharge pipe
20: Insert base for milling
21: WC base cemented carbide substrate
22: Lower layer (TiCN film)
23: Titanium aluminum nitride film
25: Bonding layer
30, 40, 50, 80: pipe assembly
C 1 : circumference of the first diameter
C 2 : The circumference of the second diameter
D 1 : First diameter
D 2 : second diameter
O: Rotation axis
O 1 : central axis of the first pipe
O 2 : Central axis of second pipe
R 1 : radius of the first pipe
R 2 : radius of second pipe θ: central angle

Claims (7)

工具基体に、化学蒸着法により炭窒化チタン、窒化チタン及び炭窒化チタンジルコニウムのいずれか一種の単層皮膜又は二種以上の多層皮膜からなるfcc構造の下層と、Tix1Aly1N(ただし、x1及びy1はそれぞれ原子比でx1=0.45〜0.05、y1=0.55〜0.95、及びx1+y1=1を満たす数字である。)で表される組成を有するfcc構造の窒化チタンアルミニウム皮膜とを有する硬質皮膜を形成してなる被覆工具であって、
前記下層と前記窒化チタンアルミニウム皮膜との間に結合層を有し、
前記結合層がTix2Aly2N(ただし、x2及びy2はそれぞれ原子比でx2=0.55〜0.80、y2=0.45〜0.20、及びx2+y2=1を満たす数字である。)で表される組成及びfcc構造を有し、
前記下層と前記結合層との界面で30%以上の格子縞が連続しているとともに、及び前記結合層と前記窒化チタンアルミニウム皮膜との界面で30%以上の格子縞が連続していることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
A tool substrate, a lower layer of an fcc structure composed of any one kind of single layer film of titanium carbonitride, titanium nitride and titanium zirconium carbonitride by chemical vapor deposition, and Ti x 1 Al y 1 N (wherein a hard film having an fcc structure titanium aluminum nitride film having a composition represented by x1 and y1 in atomic ratio satisfying x1 = 0.25 to 0.05, y1 = 0.55 to 0.95, and x1 + y1 = 1) A coated tool formed by
Having a bonding layer between the lower layer and the titanium aluminum nitride film,
The composition and fcc represented by Ti x 2 Al y 2 N (where x 2 and y 2 are numbers satisfying atomic ratios x 2 = 0.55 to 0.80, y 2 = 0.45 to 0.20, and x 2 + y 2 = 1 respectively). Has a structure,
30% or more of a lattice is continuous at the interface between the lower layer and the bonding layer, and 30% or more of the lattice is continuous at an interface between the bonding layer and the titanium aluminum nitride film Hard-coated tools.
請求項1に記載の硬質皮膜被覆工具において、前記結合層の層厚が2〜50 nmであることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。 The hard-coated tool according to claim 1, wherein the layer thickness of the bonding layer is 2 to 50 nm. 請求項1又は2に記載の硬質皮膜被覆工具を製造する方法において、
(1) 工具基体を載置した化学蒸着装置に、(a) TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスA1と、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスB1とからなる第一の原料ガスを供給した後、(b) TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスA2と、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスB2とからなる第二の原料ガスを供給することにより、前記結合層を形成し、次いで
(2) TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスA3と、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスからなる混合ガスB3とからなる第三の原料ガスを供給することにより、前記窒化チタンアルミニウム皮膜を形成することを特徴とする方法。
In the method of manufacturing the hard-coated tool according to claim 1 or 2,
(1) chemical vapor deposition apparatus mounted with the tool substrate, mixed consisting of (a) TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, a mixed gas A 1 consisting of N 2 gas and H 2 gas, N 2 gas and H 2 gas after supplying a first material gas consisting of the gas B 1 Tokyo, (b) TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, a mixed gas a 2 consisting of N 2 gas and H 2 gas, NH 3 gas, N 2 gas and by supplying the second material gas comprising a mixed gas B 2 Metropolitan consisting H 2 gas, to form the bond layer, then
(2) TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, a mixed gas A 3 consisting of N 2 gas and H 2 gas, the third material consisting of NH 3 gas, consisting of N 2 gas and H 2 gas mixed gas B 3 Metropolitan Forming the titanium aluminum nitride film by supplying a gas.
請求項3に記載の硬質皮膜被覆工具の製造方法において、
前記第一の原料ガスが、TiCl4ガス、AlCl3ガス、N2ガス及びH2ガスの合計を100体積%として、0.18〜0.77体積%のTiCl4ガス、0.06〜0.35体積%のAlCl3ガス、4〜15体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる混合ガスA1と、4〜15体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる混合ガスB1とからなり、
前記第二の原料ガスが、TiCl4ガス、AlCl3ガス、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスの合計を100体積%として、0.18〜0.77体積%のTiCl4ガス、0.06〜0.35体積%のAlCl3ガス、4〜15体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる混合ガスA2と、0.85~1.5体積%のNH3ガス、4〜15体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる混合ガスB2とからなり、
前記第三の原料ガスが、TiCl4ガス、AlCl3ガス、NH3ガス、N2ガス及びH2ガスの合計を100体積%として、0.02〜0.31体積%のTiCl4ガス、0.15〜0.8体積%のAlCl3ガス、4.9〜21.8体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる混合ガスA3と、0.7~1.9体積%のNH3ガス、3〜16.5体積%のN2ガス、及び残部H2ガスからなる混合ガスB3とからなることを特徴とする方法。
In the method of manufacturing a hard-coated tool according to claim 3,
The first source gas is a total of 100% by volume of TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, N 2 gas and H 2 gas, 0.18 to 0.77% by volume of TiCl 4 gas, 0.06 to 0.35% by volume of AlCl 3 gas , 4-15% by volume of N 2 gas, and the mixed gas a 1 the balance being H 2 gas, consisting 4-15% by volume of N 2 gas, and the mixed gas B 1 Metropolitan balance consisting H 2 gas,
The second source gas is a mixture of TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, NH 3 gas, N 2 gas and H 2 gas as 100% by volume, 0.18 to 0.77% by volume of TiCl 4 gas, 0.06 to 0.35% by volume AlCl 3 gas, 4-15% by volume of N 2 gas, and the mixed gas a 2 the balance being H 2 gas, 0.85 to 1.5% by volume of NH 3 gas, 4-15% by volume of N 2 gas, and the balance It consists of mixed gas B 2 consisting of H 2 gas,
The third source gas is composed of TiCl 4 gas, AlCl 3 gas, NH 3 gas, N 2 gas and H 2 gas in a total volume of 100% by volume, 0.02 to 0.31% by volume of TiCl 4 gas, 0.15 to 0.8% by volume AlCl 3 gas, 4.9 to 21.8% by volume of N 2 gas, and the mixed gas a 3 the balance being H 2 gas, 0.7 to 1.9% by volume of NH 3 gas, 3 to 16.5% by volume of N 2 gas, and the balance A method comprising: mixing gas B 3 comprising H 2 gas.
請求項3又は4に記載の硬質皮膜被覆工具の製造方法において、
回転軸Oを中心として回転する第一及び第二のパイプを具備する化学蒸着装置を使用し、
前記第一のパイプは第一のノズルを有し、
前記第二のパイプは第二のノズルを有し、
前記第一のノズルの噴出口と前記回転軸Oとの距離H1を前記第二のノズルの噴出口と前記回転軸Oとの距離H2より長くし、
前記第一のノズルから前記混合ガスA1,A2,A3を順次噴出するとともに、前記第二のパイプから前記混合ガスB1,B2,B3を順次噴出することを特徴とする方法。
In the method for manufacturing a hard-coated tool according to claim 3 or 4,
Using a chemical vapor deposition apparatus comprising first and second pipes rotating about an axis of rotation O,
The first pipe has a first nozzle,
The second pipe has a second nozzle,
The distance H 1 between the rotation axis O between the gas jetting port of the first nozzle longer than the distance of H 2 and the rotary shaft O and spout of said second nozzle,
A method, wherein the mixed gases A 1 , A 2 and A 3 are sequentially ejected from the first nozzle, and the mixed gases B 1 , B 2 and B 3 are sequentially ejected from the second pipe. .
請求項5に記載の硬質皮膜被覆工具の製造方法において、前記距離H1と前記距離H2との比(H1/H2)を1.5〜3の範囲内にすることを特徴とする方法。 The method of manufacturing a hard film-coated tool according to claim 5, wherein the the ratio of the distance H 1 and the distance H 2 of (H 1 / H 2) in the range of 1.5 to 3. 請求項項3〜6のいずれかに記載の硬質皮膜被覆工具の製造方法において、3〜6 kPaの反応圧力及び750〜830℃の反応温度を使用することを特徴とする方法。 A method according to any one of claims 3 to 6, characterized in that a reaction pressure of 3 to 6 kPa and a reaction temperature of 750 to 830 ° C are used.
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