JP7240045B2 - AlCr oxidation-resistant wear-resistant coating and its coating - Google Patents

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Description

本発明は、基材の表面の少なくとも一部又は全部に積層された酸窒化アルミニウムクロム膜を含むAlCr耐酸化耐摩耗性被膜及び当該AlCr耐酸化耐摩耗性被膜を基材表面の少なくとも一部又は全部に被覆した工具等の被覆物に関する。 The present invention provides an AlCr oxidation wear-resistant coating comprising an aluminum chromium oxynitride film laminated on at least part or all of the surface of a base material, and applying the AlCr oxidation wear-resistant coating to at least part or all of the surface of the base material. It relates to coated articles such as fully coated tools.

生産現場において、金属や非金属からなる被加工物の加工に用いられるドリルやエンドミルなどの切削工具,パンチやダイ、プレス等の金型工具又は刃物等の工具の材料には超硬合金や高速度工具鋼が用いられている。それらの材料からなる基材の耐久性を一層に高めるために、基材の表面の少なくとも一部又は全部に被膜を積層した被覆部を備えた工具として用いることが殆どである。
前記被膜の中でも、窒化チタン(TiN)や窒化チタンアルミニウム(TiAlN)、窒化クロム(CrN)、窒化アルミニウムクロム(AlCrN)、炭窒化チタン(TiCN)等の非酸化物被膜は、緻密で、密着も良く安定した性能を発揮することから様々な加工を行う工具に用いられている。また、様々な添加元素を加えることで耐摩耗性や耐衝撃性、耐凝着性、潤滑性等の加工目的に応じた性能が付与されて用いられてきた。
Cemented carbide and high-strength materials are used for cutting tools such as drills and end mills, mold tools such as punches, dies, and presses, and cutting tools used for processing metal and non-metal workpieces at production sites. Speed tool steel is used. In order to further increase the durability of the base material made of these materials, it is mostly used as a tool provided with a coated portion in which a coating is laminated on at least part or all of the surface of the base material.
Among the above coatings, non-oxide coatings such as titanium nitride (TiN), titanium aluminum nitride (TiAlN), chromium nitride (CrN), aluminum chromium nitride (AlCrN), and titanium carbonitride (TiCN) are dense and adhere well. Due to its good and stable performance, it is used for tools that perform various processing. Also, by adding various additive elements, performances such as wear resistance, impact resistance, adhesion resistance, lubricity, etc., have been imparted according to the purpose of processing and have been used.

近年では金属や非金属を問わず材料の高強度化が目覚ましく、それに伴って被加工物も難削化している。難削材の加工では切削工具の刃先温度が1000℃近くに達することもあり、非酸化物被膜では耐熱性や耐酸化性の問題から十分な性能が得られないケースも増えてきた。 In recent years, there has been a remarkable increase in the strength of materials, regardless of whether they are metals or non-metals. When machining difficult-to-cut materials, the cutting edge temperature of cutting tools can reach nearly 1000°C, and there are increasing cases where sufficient performance cannot be obtained with non-oxide coatings due to problems with heat resistance and oxidation resistance.

上述した非酸化物被膜の性能を補うために、非酸化物被膜の上に酸化膜を被覆する試みが様々に行われている。特に、酸化アルミニウムに関して、特表2001-522725号公報(特許文献1)ではγ型酸化アルミニウム被膜が使用され、特開平07-216549号公報(特許文献2)ではα型酸化アルミニウム被膜が使用され、それらの有効性が示されている。
しかし、α型酸化アルミニウムはコランダム型(hcp)の結晶構造を持ち、硬度と熱安
定性は高いが結晶粒が粗大化し易く、切削時にクラックが進展し易い欠点を有する。また、γ型酸化アルミニウムはスピネル型(fcc)の結晶構造を持ち、微細な結晶粒を持つが
、α型に比べて硬度が低く熱安定性も劣る欠点がある。
Various attempts have been made to coat an oxide film over the non-oxide film in order to supplement the performance of the non-oxide film described above. In particular, with respect to aluminum oxide, JP-A-2001-522725 (Patent Document 1) uses a γ-type aluminum oxide coating, and JP-A-07-216549 (Patent Document 2) uses an α-type aluminum oxide coating. Their effectiveness has been demonstrated.
However, α-type aluminum oxide has a corundum-type (hcp) crystal structure, and although it has high hardness and thermal stability, it has the drawback that crystal grains tend to coarsen and cracks tend to develop during cutting. In addition, γ-type aluminum oxide has a spinel-type (fcc) crystal structure and has fine crystal grains, but has the drawback of being lower in hardness and inferior in thermal stability than α-type.

これらのα型酸化アルミニウムとγ型酸化アルミニウムの欠点を補う必要がある。特許第4921984号(特許文献3)では、γ型酸化アルミニウムを多層構造で配置することによって、亀裂の進展に起因する耐摩耗性の低下を低減する試みが為されている。しかし、γ型酸化アルミニウムだけではあくまで不安定な酸化物であり、γ型酸化アルミニウム多層構造であっても多層構造自体の不安定性は免れない。
また、特許第5074772号(特許文献4)では、α型酸化アルミニウムとγ型酸化アルミニウムを多層構造にすることによりα型酸化アルミニウムの結晶粒粗大化を抑制し、耐摩耗性や耐欠損性を向上させる試みが為されている。しかしながら、上述したようにγ型酸化アルミニウム多層構造はあくまで不安定な酸化物であり、多層構造体にしても不安定性は免れない。
It is necessary to compensate for the drawbacks of these α-type aluminum oxide and γ-type aluminum oxide. In Japanese Patent No. 4921984 (Patent Document 3), an attempt is made to reduce deterioration in wear resistance due to crack growth by arranging γ-type aluminum oxide in a multi-layered structure. However, γ-type aluminum oxide alone is an unstable oxide, and even a γ-type aluminum oxide multilayer structure is inevitably unstable.
In addition, in Japanese Patent No. 5074772 (Patent Document 4), a multi-layer structure of α-type aluminum oxide and γ-type aluminum oxide is used to suppress coarsening of crystal grains of α-type aluminum oxide, thereby improving wear resistance and chipping resistance. Attempts are being made to improve it. However, as described above, the γ-type aluminum oxide multilayer structure is an unstable oxide, and even a multilayer structure cannot avoid instability.

更に、特表2019-522721号(特許文献5)では、酸窒化アルミニウムの酸窒化物層と窒化アルミニウムの窒化物層を2段積層した0.1μm~1μm厚の交番層を多数回積層した多層構造を形成することで耐摩耗性を向上させる試みがなされている。しかし、その多層構造は、酸窒化物層と窒化物層が交互に積層された多層構造であり、異なる化合
物層である酸窒化物層と窒化物層が界面結合した多層構造を形成することになる。つまり、界面結合は異なる化合物である酸窒化物と窒化物の間で行われるから、同じ化合物同士の結合力と比較して、結合力がかなり弱いという欠点がある。換言すれば、酸窒化物層と窒化物層の反復多層構造であるため十分な耐摩耗性や耐酸化性が得られない欠点がある。
また、交番層の層厚は0.1μm~1μmとかなり厚いから、交番層を構成する酸窒化物層と窒化物層の層厚も厚くなる。従って、隣接する異物質である酸窒化物層と窒化物層の間の結合は接触面だけでの結合になり、結合力が厚い層の内部にまで到達せず、酸窒化物層と窒化物層の間の結合力が一層に弱い弱点がある。しかも、かなり厚い交番層を多数回積層するために、その回数分だけ全体としての密着性が低減する欠点を有する。
このように、酸化物と窒化物、酸窒化物と窒化物及び酸窒化物と酸化物のような異なる化合物層を多数回積層した場合には、各層間の密着力が低下することが懸念され、全体として十分な耐摩耗性を得られない。即ち、使用回数の増大に連れて、層が剥落して摩耗することになる。
Furthermore, in Japanese Patent Application Publication No. 2019-522721 (Patent Document 5), a multilayer structure in which an oxynitride layer of aluminum oxynitride and a nitride layer of aluminum nitride are laminated in two stages, and alternating layers with a thickness of 0.1 μm to 1 μm are laminated many times. Attempts have been made to improve wear resistance by forming However, the multilayer structure is a multilayer structure in which an oxynitride layer and a nitride layer are alternately laminated, and the oxynitride layer and the nitride layer, which are different compound layers, are interfacially bonded to form a multilayer structure. Become. In other words, since the interfacial bonding is performed between oxynitride and nitride, which are different compounds, there is a drawback that the bonding strength is considerably weaker than the bonding strength between the same compounds. In other words, since it has a repeated multi-layered structure of oxynitride layers and nitride layers, there is a drawback that sufficient wear resistance and oxidation resistance cannot be obtained.
In addition, since the alternating layers are as thick as 0.1 μm to 1 μm, the thicknesses of the oxynitride layer and the nitride layer forming the alternating layers are also increased. Therefore, the bonding between the oxynitride layer and the nitride layer, which are adjacent foreign substances, is only at the contact surface, and the bonding force does not reach the inside of the thick layer, and the oxynitride layer and the nitride layer are bonded together. There is a weak point that the bonding force between layers is weaker. In addition, since the alternating layers of considerable thickness are laminated many times, there is a drawback that the adhesion as a whole is reduced by the number of times.
Thus, when different compound layers such as oxide and nitride, oxynitride and nitride, or oxynitride and oxide are stacked many times, there is a concern that the adhesion between the layers may decrease. , as a whole, sufficient wear resistance cannot be obtained. That is, as the number of uses increases, the layer will flake off and wear out.

特表2001-522725号公報Japanese Patent Publication No. 2001-522725 特開平07-216549号公報JP-A-07-216549 特許第4921984号Patent No. 4921984 特許第5074772号Patent No. 5074772 特表2019-522721号公報Japanese Patent Publication No. 2019-522721

本発明は上記従来例が有する欠点を改善するために為されたものである。第1に、本発明は、耐酸化性を有する酸化アルミニウムと耐摩耗性を有する窒化クロムを混晶状態で結晶化した酸窒化アルミニウムクロム被膜からなるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜を実現する。窒化クロムが酸化アルミニウムの弱点を補強し、酸化アルミニウムが窒化クロムの弱点を補強する相互関係にある。従って、酸化アルミニウムとして、α型でもγ型でもその用途に応じて使用することができる。但し、単体ではα型の方が高い安定性を有するから、α型酸化アルミニウムを使用することが好ましい。
第2に、この酸窒化アルミニウムクロム被膜(以下、酸窒化被膜と云う)を、ナノオーダーの薄層厚の酸窒化アルミニウムクロム単位層(以下、酸窒化単位層と云う)が多数積層した超多層構造で構成する。多数の酸窒化単位層は組成比が少し異なる酸窒化アルミニウムクロム単位層であるから、同種化合物の酸窒化単位層を多数積層した超多層構造を有する。従って、隣接する単位層同士は同種化合物層であるから、異種化合物層同士よりも層間の結合力は格段に強い。また、単位層厚が薄くなると、接触面同士は原子間力で結合し且つその原子間力は単位層内部にまで作用する。従って、隣接する単位層同士が原子間力で強力に結合し、極めて強力に一体結合した超多層構造が実現する。その結果、従来技術より一層に高い耐酸化性及び耐摩耗性を有するAlCr耐酸化耐摩耗性被膜を実現できる。
従って、当該AlCr耐酸化耐摩耗性被膜を備えた切削工具・金型を実現するものである。
また、このような被膜は基材上の全面を被覆するものだけでなく、部分的に被膜が形成
されていない部分や一部の積層形態が異なるようなものも含む。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been devised to overcome the drawbacks of the above-mentioned conventional examples. First, the present invention realizes an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating composed of an aluminum chromium oxynitride coating in which oxidation-resistant aluminum oxide and wear-resistant chromium nitride are crystallized in a mixed crystal state. Chromium nitride reinforces the weak points of aluminum oxide, and aluminum oxide reinforces the weak points of chromium nitride. Therefore, as the aluminum oxide, either α-type or γ-type can be used depending on the application. However, it is preferable to use α-type aluminum oxide because α-type aluminum oxide alone has higher stability.
Secondly, this aluminum chromium oxynitride film (hereinafter referred to as oxynitride film) is a super multilayer in which a large number of nano-order thin aluminum chromium oxynitride unit layers (hereinafter referred to as oxynitride unit layers) are laminated. Configure with structure. Since the multiple oxynitride unit layers are aluminum chromium oxynitride unit layers with slightly different composition ratios, it has a super multilayer structure in which multiple oxynitride unit layers of the same kind of compound are laminated. Therefore, since adjacent unit layers are compound layers of the same kind, the bonding strength between the layers is much stronger than that between different compound layers. Further, when the unit layer thickness is reduced, the contact surfaces are connected by atomic force, and the atomic force acts even inside the unit layer. Therefore, adjacent unit layers are strongly bonded together by atomic force, realizing a super-multilayer structure in which extremely strong integral bonding is achieved. As a result, an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating having higher oxidation resistance and wear resistance than those of the prior art can be realized.
Therefore, a cutting tool/die provided with the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating is realized.
In addition, such coatings include not only coatings covering the entire surface of the base material, but also coatings that are partially uncoated or partially different in lamination form.

本発明の第1の形態は、基材の表面の少なくとも一部又は全部を被覆して保護するアルミニウムとクロムの酸窒化物で構成された被膜であり、当該被膜の組成式AlaCrbMcOdNeにおいて、組成比a、b、c、d、eは原子比率であり、0.2≦a≦0.45、0.02≦b≦0.2、0≦c≦0.2、0.15≦d≦0.5、0.1≦e≦0.4且つa+b+c+d+e=1を満足しており、MはSi、Hf、Bのいずれか1種類以上の添加元素であり且つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合
を含み、前記組成比a、 b、 c、 d、 eの組合せが異なる少なくとも2種類以上の酸窒化
単位層を周期的又は略周期的に積層した酸窒化超多層被膜により前記被膜を構成して、前記被膜が耐酸化性且つ耐摩耗性を有することを特徴とするAlCr耐酸化耐摩耗性被膜である。
A first embodiment of the present invention is a coating composed of oxynitrides of aluminum and chromium that covers and protects at least a part or all of the surface of a substrate, and in the composition formula AlaCrbMcOdNe of the coating, the composition ratio a, b, c, d and e are atomic ratios, 0.2≤a≤0.45, 0.02≤b≤0.2, 0≤c≤0.2, 0.15≤d≤0.5, 0.1≤e≤0.4 and a+b+c +d + e = 1 is satisfied, M is an additive element of one or more of Si, Hf, and B, and the additive element M is added or not added, and the composition ratio The coating is composed of an oxynitride super multilayer coating in which at least two or more types of oxynitride unit layers with different combinations of a, b, c, d, and e are laminated periodically or substantially periodically, and the coating is oxidation resistant. It is an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating characterized by having high strength and wear resistance.

本発明の第2の形態は、前記第1形態において、前記酸窒化単位層の単位層厚が0.5 nm~50nmであるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜である。 A second form of the present invention is the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating in the first form, wherein the unit layer thickness of the oxynitride unit layer is 0.5 nm to 50 nm.

本発明の第3の形態は、前記第1又は第2形態において、前記酸窒化単位層の結晶構造がα型酸化アルミニウムを有するAlCr耐酸化耐摩耗性被膜である。 A third aspect of the present invention is the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating according to the first or second aspect, wherein the crystal structure of the oxynitride unit layer is α-type aluminum oxide.

本発明の第4の形態は、前記第1~第3形態のいずれかにおいて、前記酸窒化超多層被膜の膜厚が0.2μm~10μmであるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜である。 A fourth form of the present invention is the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating according to any one of the first to third forms, wherein the oxynitride super-multilayer coating has a thickness of 0.2 μm to 10 μm.

本発明の第5の形態は、前記第1~第4形態のいずれかにおいて、前記基材と前記酸窒化超多層被膜の間に酸窒化傾斜層を設け、当該酸窒化傾斜層は組成式AlaCrbMcOdNeを有し、組成比a、b、c、d、eは原子比率であり、0.2≦a≦0.45、0.02≦b≦0.2、0≦c≦0.2、0
≦d≦0.5、0.1≦e≦0.4且つa+b+c+d+e=1を満足しており、MはSi、Hf、Bのいずれか1種類以上の添加元素であり且つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合を含み、
前記酸窒化傾斜層の特徴は、前記基材と前記酸窒化超多層被膜の間において、前記組成比a、b、c、d、eが前記組成比の範囲内において傾斜的に変化することであり、前記酸窒化
傾斜層には、前記組成比a、b、c、d、eが連続的に変化しながら傾斜する酸窒化傾斜連続
被膜の場合、また前記組成比a、 b、 c、 d、 eの組合せが傾斜的に変化する2種類以上
の酸窒化傾斜単位層を積層した酸窒化傾斜多層被膜の場合が少なくとも含まれることを特徴とするAlCr耐酸化耐摩耗性被膜である。
A fifth form of the present invention is any one of the first to fourth forms, wherein an oxynitride gradient layer is provided between the base material and the oxynitride super multilayer coating, and the oxynitride gradient layer has a composition formula of AlaCrbMcOdNe and the composition ratios a, b, c, d, and e are atomic ratios, 0.2 ≤ a ≤ 0.45, 0.02 ≤ b ≤ 0.2, 0 ≤ c ≤ 0.2, 0
≤ d ≤ 0.5, 0.1 ≤ e ≤ 0.4 and a + b + c + d + e = 1 are satisfied, M is an additive element of one or more types of Si, Hf, B and M, with or without addition,
The oxynitride gradient layer is characterized in that the composition ratios a, b, c, d, and e between the base material and the oxynitride super multilayer coating gradually change within the range of the composition ratio. In the case of the oxynitride gradient continuous film in which the composition ratios a, b, c, d, and e are graded while continuously changing, the composition ratios a, b, c, and d are used in the oxynitride gradient layer. The AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating is characterized by including at least the case of an oxynitride-graded multilayer coating in which two or more types of oxynitride-graded unit layers are laminated in which the combination of , e changes in a graded manner.

本発明の第6の形態は、前記第1~第4形態のいずれかにおいて、前記基材と前記酸窒化超多層被膜の間に中間層を設け、当該中間層は組成式AlfCrgMhNiで表される窒化物被膜であり、組成比f、 g、 h、 iは原子比率であり、0.25≦f≦0.6、0.1≦g≦0.37、 0≦h≦0.2、 0.15≦i≦0.57且つf+g+h+i=1を満足しており、MはSi、Hf、Bのいずれか1種類以上
の添加元素であり且つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合を含むAlCr耐
酸化耐摩耗性被膜である。また、選定される基材との親和性によっては既知の被膜技術である窒化チタン被膜(TiN)・窒化チタンアルミ被膜(TiAlN)・窒化クロム皮膜(CrN)等を中
間層として構成しても良い。
A sixth aspect of the present invention is any one of the first to fourth aspects, wherein an intermediate layer is provided between the substrate and the oxynitride super multilayer coating, and the intermediate layer is represented by the composition formula AlfCrgMhNi. Nitride film, composition ratio f, g, h, i is atomic ratio, 0.25≦f≦0.6, 0.1≦g≦0.37, 0≦h≦0.2, 0.15≦i≦0.57 and f+g+h Satisfying +i=1, M is an additive element of one or more of Si, Hf, and B, and AlCr oxidation wear resistance including the case where the additive element M is added and the case where it is not added It is a coating. In addition, depending on the compatibility with the selected base material, known coating techniques such as titanium nitride coating (TiN), titanium aluminum nitride coating (TiAlN), chromium nitride coating (CrN), etc. may be used as intermediate layers. .

本発明の第7の形態は、前記第6形態において、前記中間層は、前記組成比f, g, h, iの組合せが異なる少なくとも2種類以上の窒化単位層を周期的又は略周期的に積層した窒化超多層被膜から構成されるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜である。また、選定される基材との親和性によっては既知の被膜技術である窒化チタン被膜(TiN)・窒化チタンアルミ被膜(TiAlN)・窒化クロム皮膜(CrN)等を窒化超多層被膜とし中間層として構成しても良い。 According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect, the intermediate layer includes at least two types of nitrided unit layers having different combinations of the composition ratios f, g, h, and i periodically or substantially periodically. This is an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating composed of laminated nitrided super multilayer coatings. In addition, depending on the affinity with the selected base material, titanium nitride coating (TiN), titanium aluminum nitride coating (TiAlN), chromium nitride coating (CrN), etc., which are known coating technologies, can be used as a nitride super multilayer coating as an intermediate layer. may be configured.

本発明の第8の形態は、前記第6形態において、前記中間層は、第1中間層と第2中間層が積層されて構成され、第1中間層は前記窒化物被膜で構成され、第2中間層は、前記組成比f、 g、 h、 iの組合せが異なる少なくとも2種類以上の窒化単位層を周期的又は
略周期的に積層した窒化超多層被膜から構成されるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜である。また、選定される基材との親和性によっては既知の被膜技術である窒化チタン被膜(TiN)・窒
化チタンアルミ被膜(TiAlN)・窒化クロム皮膜(CrN)等を第1中間層および第2中間層として構成しても良い。
According to an eighth aspect of the present invention, in the sixth aspect, the intermediate layer is configured by laminating a first intermediate layer and a second intermediate layer, the first intermediate layer is configured by the nitride film, and the 2 The intermediate layer is an AlCr oxidation and wear resistant AlCr oxidation wear resistant coating composed of a nitrided super multilayer coating in which at least two types of nitrided unit layers having different combinations of the composition ratios f, g, h, and i are laminated periodically or substantially periodically. It is a sexual membrane. In addition, depending on the affinity with the selected base material, known coating techniques such as titanium nitride coating (TiN), titanium nitride aluminum coating (TiAlN), chromium nitride coating (CrN), etc. may be used for the first intermediate layer and the second intermediate layer. It may be configured as a layer.

本発明の第9の形態は、前記第6~第8形態のいずれかにおいて、前記基材と前記中間
層の間に窒化傾斜層を設け、当該窒化傾斜層は組成式AlfCrgMhNiを有し、組成比f、 g、 h、 iは原子比率であり、0.25≦f≦0.6、0.1≦g≦0.37、 0≦h≦0.2、 0.15≦i≦0.57且
つf+g+h+i=1を満足しており、MはSi,Hf,Bのいずれか1種類以上の添加元素であり且つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合を含み、前記窒化傾斜層の特徴は、前
記基材と前記中間層の間において、前記組成比f、 g、 h、 iが前記組成比の範囲内にお
いて傾斜的に変化するAlCr耐酸化耐摩耗性被膜である。また、選定される基材との親和性によっては既知の被膜技術である窒化チタン被膜(TiN)・窒化チタンアルミ被膜(TiAlN)・窒化クロム皮膜(CrN)等を窒化傾斜層とし中間層として構成しても良い。
A ninth form of the present invention is any one of the sixth to eighth forms, wherein a nitrided gradient layer is provided between the base material and the intermediate layer, the nitrided gradient layer has a composition formula AlfCrgMhNi, and has a composition The ratios f, g, h, and i are atomic ratios, satisfying 0.25≤f≤0.6, 0.1≤g≤0.37, 0≤h≤0.2, 0.15≤i≤0.57 and f+g+h+i=1. and M is an additive element of one or more of Si, Hf, and B, and the additive element M may or may not be added. It is an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating in which the composition ratios f, g, h, and i between the intermediate layers change gradually within the range of the composition ratios. In addition, depending on the affinity with the selected base material, titanium nitride coating (TiN), titanium aluminum nitride coating (TiAlN), chromium nitride coating (CrN), etc., which are known coating technologies, may be used as a nitride gradient layer as an intermediate layer. You can

本発明の第10の形態は、前記第9形態において、前記窒化傾斜層は、前記組成比f、 g、 h、 iが連続的に変化しながら傾斜する窒化傾斜連続被膜であるか、又は前記組成比f、 g、 h、 iの組合せが傾斜的に変化する2種類以上の窒化傾斜単位層を積層した窒化傾斜多層被膜であるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜である。また、選定される基材との親和性によっては既知の被膜技術である窒化チタン被膜(TiN)・窒化チタンアルミ被膜(TiAlN)・窒化クロム皮膜(CrN)等を窒化傾斜傾斜連続被膜および窒化傾斜多層被膜とし中間層として構
成しても良い。
A tenth form of the present invention is the ninth form, wherein the nitrided graded layer is a nitrided graded continuous coating in which the composition ratios f, g, h, and i are graded while continuously changing, or The AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating is a nitrided-gradient multi-layer coating in which two or more types of nitrided-gradient unit layers with composition ratios f, g, h, and i varying in combination are laminated. In addition, depending on the compatibility with the selected base material, known coating technologies such as titanium nitride coating (TiN), titanium nitride aluminum coating (TiAlN), chromium nitride coating (CrN), etc. A multi-layer coating may be used as an intermediate layer.

本発明の第11の形態は、前記第6~第10形態のいずれかにおいて、前記中間層と前記酸窒化超多層被膜の間に酸窒化傾斜層を設け、当該酸窒化傾斜層は組成式AlaCrbMcOdNeを有し、組成比a、b、c、d、eは原子比率であり、0.2≦a≦0.45、0.02≦b≦0.2、0≦c≦0.2、0≦d≦0.5、0.1≦e≦0.4且つa+b+c+d+e=1を満足しており、MはSi、Hf、Bのいずれか
1種類以上の添加元素であり且つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合を
含み、前記酸窒化傾斜層の特徴は、前記中間層と前記酸窒化超多層被膜の間において、前記組成比a、b、c、d、eが前記組成比の範囲内において傾斜的に変化するAlCr耐酸化耐摩
耗性被膜である。
An eleventh form of the present invention is any one of the sixth to tenth forms, wherein an oxynitride gradient layer is provided between the intermediate layer and the oxynitride super multilayer coating, and the oxynitride gradient layer has a composition formula of AlaCrbMcOdNe and the composition ratios a, b, c, d, and e are atomic ratios, 0.2 ≤ a ≤ 0.45, 0.02 ≤ b ≤ 0.2, 0 ≤ c ≤ 0.2, 0 ≤ d ≤ 0.5, 0.1 ≤ e ≤ 0.4 and satisfies a+b+c+d+e=1, M is an additive element of one or more of Si, Hf, and B, and the additive element M is added or not added wherein the composition ratios a, b, c, d, and e between the intermediate layer and the oxynitride super multilayer coating change gradually within the range of the composition ratios. AlCr oxidation resistant wear resistant coating.

本発明の第12の形態は、前記第11形態において、前記酸窒化傾斜層は、前記組成比a、b、c、d、eが連続的に変化しながら傾斜する酸窒化傾斜連続被膜であるか、又は前記
組成比a、 b、 c、 d、 eの組合せが傾斜的に変化する2種類以上の酸窒化傾斜単位層を
積層した酸窒化傾斜多層被膜であるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜である。
A twelfth form of the present invention is the eleventh form, wherein the oxynitride gradient layer is a continuous oxynitride gradient coating in which the composition ratios a, b, c, d, and e are graded while continuously changing. Or an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating, which is an oxynitride-graded multilayer coating in which two or more types of oxynitride-graded unit layers are laminated in which the combination of the composition ratios a, b, c, d, and e changes in a graded manner. be.

本発明の第13の形態は、前記第1~第12形態のいずれかのAlCr耐酸化耐摩耗性被膜を前記基材の表面の少なくとも一部又は全部に被覆したことを特徴とする被覆物である。 A thirteenth form of the present invention is a coating characterized in that the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating according to any one of the first to twelfth forms is coated on at least part or all of the surface of the substrate. be.

本発明の第14の形態は、前記第13形態において、前記基材が硬質基材からなる被覆物であり、当該被覆物が高硬度工具として用いられる被覆物である。 A fourteenth form of the present invention is, in the thirteenth form, a coating in which the base material is a hard base material, and the coating is used as a high-hardness tool.

本発明の第15の形態は、前記第14形態において、前記硬質基材がWC超硬合金,サーメット、セラミックス、高速度工具鋼、ダイス鋼から選択された硬質基材であり、前記高硬度工具が切削チップ、ドリル、エンドミル、パンチ、金型、冷間金型、熱間金型又は切削具として用いられる被覆物である。 A fifteenth form of the present invention is the fourteenth form, wherein the hard base material is selected from WC cemented carbide, cermet, ceramics, high-speed tool steel, and die steel, and the high-hardness tool are cutting tips, drills, end mills, punches, dies, cold dies, hot dies or coatings used as cutting tools.

本発明の第1の形態によれば、基材の表面の少なくとも一部又は全部を被覆して保護するアルミニウムとクロムの酸窒化物で構成された被膜が提供される。このアルミニウムとクロムの酸窒化物とは、耐酸化性を有する酸化アルミニウムと耐摩耗性を有する窒化クロムが混晶状態にある結晶のことである。混晶状態にあるため、AlCr耐酸化耐摩耗性被膜が形成されるのである。酸化アルミニウムが窒化クロムの弱点を補強し、窒化クロムが酸化アルミニウムの弱点を補強する相互関係にある。酸化アルミニウムとしてα型、γ型又はα型とγ型の混合型がその用途に応じて選択される。
当該被膜の組成式AlaCrbMcOdNeにおいて、組成比a、b、c、d、eは原子比率であり、0.2≦a≦0.45、0.02≦b≦0.2、0≦c≦0.2、0.15≦d≦0.5、0.1≦e≦0.4且つa+b+c+d+e=1を満足しており、MはSi、Hf、Bのいずれか1種類以上の添加元素であり且つ当該添加元素Mは
添加される場合と添加されない場合を含む。cの組成比が「0」を含んだ0≦c≦0.2であることが添加されない場合を含むことを示している。この時、添加元素Mは酸窒化アルミニ
ウムクロムに添加されることによって、結晶粒の粗大化を抑制する効果が発揮すると考えられる。すなわち結晶粒が微細化することで、結晶内に圧縮応力が加わり耐摩耗性が向上する。ただし、これは副次的な効果であって、本発明ではあくまでも上述の酸化アルミニウムと窒化クロムが混晶状態にある結晶によって耐酸化耐摩耗性を発現するものであり、前述のように添加元素Mの添加によって限定されるものではない。
SUMMARY OF THE INVENTION According to a first aspect of the present invention, there is provided a coating composed of aluminum and chromium oxynitrides that covers and protects at least a portion or all of the surface of a substrate. This oxynitride of aluminum and chromium is a crystal in which aluminum oxide having oxidation resistance and chromium nitride having wear resistance are in a mixed crystal state. Since it is in a mixed crystal state, an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating is formed. There is a mutual relationship that aluminum oxide reinforces the weaknesses of chromium nitride and chromium nitride reinforces the weaknesses of aluminum oxide. As the aluminum oxide, α-type, γ-type, or a mixed type of α-type and γ-type is selected according to its use.
In the composition formula AlaCrbMcOdNe of the coating, the composition ratios a, b, c, d, and e are atomic ratios, and 0.2 ≤ a ≤ 0.45, 0.02 ≤ b ≤ 0.2, 0 ≤ c ≤ 0.2, 0.15 ≤ d ≤ 0.5, 0.1 ≤ e ≤ 0.4 and a + b + c + d + e = 1 are satisfied, M is an additive element of one or more of Si, Hf, and B, and the additive element M is added and not added. It indicates that the composition ratio of c is 0≦c≦0.2 including “0”, including the case where it is not added. At this time, it is considered that the addition of the additive element M to the aluminum chromium oxynitride exerts the effect of suppressing the coarsening of the crystal grains. That is, as the crystal grains become finer, compressive stress is applied to the crystals, thereby improving wear resistance. However, this is a secondary effect, and in the present invention, the above-mentioned mixed crystals of aluminum oxide and chromium nitride exhibit oxidation wear resistance, and as described above, the additive element It is not limited by the addition of M.

第1形態の最大の特徴は、前記組成比a、 b、 c、 d、 eの組合せが異なる少なくとも
2種類以上の酸窒化単位層を周期的又は略周期的に積層した酸窒化超多層被膜により前記被膜を構成することである。従って、上下に隣接する単位層同士は組成比が異なったアルミニウムクロム酸窒化物であるから同種化合物単位層である。同種化合物同士は、単位層間の接触面で原子間力により結合し、同種化合物同士であるからその原子間力は単位層内部にまで深く作用する。この結合力は異種化合物同士よりも遥かに強いことは明らかである。 即ち、隣接する単位層同士が原子間力で強力に結合し、極めて強力に一体結合した
超多層構造が実現される。その結果、従来技術より一層に高い耐酸化性及び耐摩耗性を有するAlCr耐酸化耐摩耗性被膜を実現できる。
The most important feature of the first form is the oxynitride super multilayer coating in which at least two or more types of oxynitride unit layers with different combinations of the composition ratios a, b, c, d, and e are laminated periodically or substantially periodically. It is to constitute the coating. Accordingly, the vertically adjacent unit layers are made of aluminum chromium oxynitride with different composition ratios, and thus are unit layers of the same kind of compound. Homogeneous compounds are bonded by atomic force at the contact surface between the unit layers, and since they are the same kind of compounds, the atomic force acts deeply into the unit layer. It is clear that this binding force is much stronger than that between heterogeneous compounds. In other words, adjacent unit layers are strongly bonded to each other by atomic force, and a super multilayer structure in which extremely strong integral bonding is achieved is realized. As a result, an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating having higher oxidation resistance and wear resistance than those of the prior art can be realized.

更に、第1の形態では、当該被膜の製造装置に使用されるターゲットのアルミニウムとクロムの比率を変化させることで、簡便に前記組成比a、b、c、d、eの組合せが異なる2
種類以上の酸窒化単位層を周期的又は略周期的に積層した超多層被膜を容易に形成することができる。その結果、従来の膜よりも耐酸化性・耐摩耗性を向上させることを特徴としている。
具体的には、2種類以上のアルミニウムとクロムの合金ターゲットを用いて同時放電することで超多層構造化を実現できる。周期的な積層の組合せに関しては、酸窒化単位層をA層、B層、C層、D層とすると、A層B層A層B層…のような繰り返しだけでなく、A層B層C層A層B層C層…のような繰り返しや、A層B層C層D層…のような繰り返しも含む。また、略周期的な積層の組合せに関しては,A層B層A層A層B層…のような場合、A層B層C層A層B層A層…
のような場合等が含まれる。本発明においては、略周期的であっても70%以上の周期性を有することが本発明の上記効果の発現に重要と考える。このような酸窒化超多層被膜により、従来よりも高度の耐酸化性と耐摩耗性を有した被膜を実現することができる。
上記被膜の組成比a、 b、 c、 d、 eの組合せにおいて、より安定した酸窒化アルミニ
ウムクロム皮膜を実現するための組成比a、 b、 c、 d、 eは0.27≦a≦0.35、0.07≦b≦0.15、0≦c≦0.2、0.29≦d≦0.35、0.23≦e≦0.35の範囲内にあることが必要である。
Furthermore, in the first embodiment, by changing the ratio of aluminum and chromium in the target used in the film manufacturing apparatus, the combination of the composition ratios a, b, c, d, and e can be easily changed.
It is possible to easily form a super multilayer coating in which more than one type of oxynitride unit layers are stacked periodically or substantially periodically. As a result, it is characterized by improved oxidation resistance and wear resistance compared to conventional films.
Specifically, a super multilayer structure can be realized by simultaneous discharge using two or more kinds of alloy targets of aluminum and chromium. Regarding the combination of periodic lamination, if the oxynitride unit layers are A layer, B layer, C layer, and D layer, not only repeating such as A layer B layer A layer B layer, etc., but also A layer B layer C Repetition such as layer A layer B layer C layer . . . and repetition such as A layer B layer C layer D layer . Also, regarding the combination of almost periodic lamination, in the case of A layer B layer A layer A layer B layer . . .
Such cases are included. In the present invention, it is important to have a periodicity of 70% or more even if it is substantially periodic, in order to achieve the above effects of the present invention. With such an oxynitride super multilayer coating, it is possible to realize a coating having a higher degree of oxidation resistance and wear resistance than conventional ones.
In the combination of the composition ratios a, b, c, d, and e of the above coating, the composition ratios a, b, c, d, and e for realizing a more stable aluminum chromium oxynitride coating are 0.27 ≤ a ≤ 0.35, 0.07. It must be in the range of ≤b≤0.15, 0≤c≤0.2, 0.29≤d≤0.35, 0.23≤e≤0.35.

本発明の第2の形態によれば、前記第1形態において、前記酸窒化単位層の単位層厚が0.5 nm~50nmであるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜が好適である。酸窒化単位層の単位層厚がナノオーダーであるから、上下に隣接する同種物質である酸窒化単位層同士の界面接合力が界面に作用するだけでなく、単位層内部にまで深く原子間力により結合し、AlCr酸窒化超多層被膜の構造安定性が飛躍的に高まることになる。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating is preferable, wherein the unit layer thickness of the oxynitride unit layer is 0.5 nm to 50 nm. Since the unit layer thickness of the oxynitride unit layer is nano-order, the interfacial bonding force between the vertically adjacent oxynitride unit layers, which are of the same material, not only acts on the interface, but also the atomic force deep inside the unit layer. , and the structural stability of the AlCr oxynitride super multilayer coating is dramatically enhanced.

本発明の第3の形態によれば、前記第1又は第2形態において、前記酸窒化単位層の結晶構造がα型酸化アルミニウムを有するAlCr耐酸化耐摩耗性被膜を実現できる。上述したように、α型酸化アルミニウムはコランダム型(hcp)の結晶構造を持ち、硬度と熱安定
性が高い特徴を有する。本形態では、このα型酸化アルミニウムが窒化クロムと混晶状態にあるため、両物質が束縛状態にあって分離することが無い。従って、相互に弱点補強し合いながら酸窒化アルミニウムクロムを構成するから、安定したAlCr耐酸化耐摩耗性被膜
を実現できる。
According to the third aspect of the present invention, in the first or second aspect, it is possible to realize an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating in which the crystal structure of the oxynitride unit layer is α-type aluminum oxide. As described above, α-type aluminum oxide has a corundum-type (hcp) crystal structure and is characterized by high hardness and thermal stability. In this embodiment, since this α-type aluminum oxide is in a mixed crystal state with chromium nitride, both substances are in a bound state and do not separate. Therefore, since aluminum chromium oxynitride is formed while mutually reinforcing weak points, a stable AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating can be realized.

本発明の第4の形態によれば、前記第1~第3形態のいずれかにおいて、前記酸窒化超多層被膜の膜厚が0.2μm~10μmであるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜を実現することができる
。基材に被覆される酸窒化超多層被膜の膜厚が0.2μm~10μmであるから、耐酸化性と耐
摩耗性を強力に発現できる。従って、多数回の使用に耐えるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜の長寿命性を実現できる。
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, an AlCr oxidation and wear resistant coating is realized, wherein the oxynitride super multilayer coating has a thickness of 0.2 μm to 10 μm. can be done. Since the film thickness of the oxynitride super multilayer coating applied to the substrate is 0.2 μm to 10 μm, it is possible to strongly exhibit oxidation resistance and wear resistance. Therefore, it is possible to realize a long-life AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating that can withstand multiple uses.

本発明の第5の形態によれば、前記第1~第4形態のいずれかにおいて、前記基材と前記酸窒化超多層被膜の間に酸窒化傾斜層を設けることができ、当該酸窒化傾斜層の組成式及び組成比の条件は前記酸窒化超多層被膜とほぼ同一である。即ち、酸窒化傾斜層は組成式AlaCrbMcOdNeを有し、組成比a、b、c、d、eは原子比率であり、0.2≦a≦0.45、0.02≦b≦0.2、0≦c≦0.2、0≦d≦0.5、0.1≦e≦0.4且つa+b+c+d+e=1を満足しており、MはSi、Hf、Bのいずれか1種類以上の添加元素であり且つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合を含み、特にdに関しては0at%から前記酸窒化多層被膜の組成比範囲50at%まで(0≦d≦0.5)を含むこととする。この時、添加元素Mは酸窒化アルミニウムクロムに添加されることによって、結晶粒の粗大化を抑制する効果が発揮すると考えられる。すなわち結晶粒が微細化することで、結晶内に圧縮応力が加わり耐摩耗性が向上する。ただし、これは副次的な効果であって、本発明ではあくまでも上述の酸化アルミニウムと窒化クロムが混晶状態にある結晶によって耐酸化耐摩耗性を発現するものであり、前述のように添加元素Mの添加によって限定されるものではない。
特に、前記酸窒化傾斜層の特徴は、前記基材と前記酸窒化超多層被膜の間において、前記組成比a、b、c、d、eが前記組成比の範囲内において傾斜的に変化することを特徴とす
る。傾斜的に変化する酸窒化傾斜層には、前記組成比a、b、c、d、eが連続的に変化しな
がら傾斜する酸窒化傾斜連続被膜が含まれる。また、前記組成比a、 b、 c、 d、 eの組
合せが傾斜的に変化する2種類以上の酸窒化傾斜単位層を積層した酸窒化傾斜多層被膜も含まれる。
酸窒化傾斜層が無い場合には、基材の表面に酸窒化超多層被膜が直接積層される。このとき基材表面と酸窒化超多層被膜の下面が強固に結合すればよいが、酸窒化超多層被膜の下面の化学的親和性が基材表面に対し弱い場合もある。このようなときに、酸窒化傾斜層を間に挟み、酸窒化傾斜層の下面の組成を基材表面と強固に結合するように前記組成比を調整し、酸窒化傾斜層の上面の組成を酸窒化超多層被膜の下面と強固に結合するように前記組成比を調整することができる。そして酸窒化傾斜層の下面と上面の間の組成を連続的又は多層的に傾斜変化させれば、基材と酸窒化傾斜層と酸窒化超多層被膜が三層で密結合したAlCr耐酸化耐摩耗性被膜を実現することが可能になる。
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, an oxynitride gradient layer may be provided between the substrate and the oxynitride super multilayer coating, and the oxynitride gradient The composition formula and composition ratio conditions of the layers are almost the same as those of the oxynitride super multilayer coating. That is, the oxynitride graded layer has the composition formula AlaCrbMcOdNe, the composition ratios a, b, c, d, and e are atomic ratios, and 0.2≦a≦0.45, 0.02≦b≦0.2, 0≦c≦0.2, 0 ≤ d ≤ 0.5, 0.1 ≤ e ≤ 0.4 and a + b + c + d + e = 1 are satisfied, M is an additive element of one or more types of Si, Hf, B and M includes cases where it is added and cases where it is not added, and particularly regarding d, it is assumed to include the composition ratio range of 0 at% to 50 at% of the oxynitride multilayer coating (0≤d≤0.5). At this time, it is considered that the addition of the additive element M to the aluminum chromium oxynitride exerts the effect of suppressing the coarsening of the crystal grains. That is, as the crystal grains become finer, compressive stress is applied to the crystals, thereby improving wear resistance. However, this is a secondary effect, and in the present invention, the above-mentioned mixed crystals of aluminum oxide and chromium nitride exhibit oxidation wear resistance, and as described above, the additive element It is not limited by the addition of M.
In particular, the oxynitride graded layer is characterized in that the composition ratios a, b, c, d, and e between the base material and the oxynitride super multilayer coating gradually change within the range of the composition ratio. It is characterized by The graded oxynitride graded layer includes an oxynitride graded continuous coating in which the composition ratios a, b, c, d, and e are graded while continuously changing. It also includes an oxynitride graded multilayer coating in which two or more types of oxynitride graded unit layers are laminated in which the combination of the composition ratios a, b, c, d, and e changes in a graded manner.
In the absence of the oxynitride gradient layer, the oxynitride super multilayer coating is directly laminated on the surface of the substrate. At this time, the substrate surface and the bottom surface of the oxynitride super multilayer coating should be firmly bonded, but the chemical affinity of the bottom surface of the oxynitride super multilayer coating may be weak with respect to the substrate surface. In such a case, an oxynitride graded layer is sandwiched between them, and the composition ratio is adjusted so that the composition of the lower surface of the oxynitride graded layer is strongly bonded to the substrate surface, and the composition of the upper surface of the oxynitride graded layer is adjusted. The composition ratio can be adjusted so as to firmly bond with the lower surface of the oxynitride super multilayer coating. Then, if the composition between the lower surface and the upper surface of the oxynitride gradient layer is changed continuously or in multiple layers, AlCr oxidation-resistant AlCr oxidation-resistant films in which the base material, the oxynitride gradient layer, and the oxynitride super-multilayer coating are closely bonded in three layers can be obtained. It becomes possible to realize an abradable coating.

本発明の第6の形態によれば、前記第1~第4形態のいずれかにおいて、前記基材と前記酸窒化超多層被膜の間に中間層を設け、当該中間層は組成比f、 g、 h、 iを有した組
成式AlfCrgMhNiで表される窒化物被膜で構成される。
本形態で中間層を設ける理由は、本発明に係る酸窒化アルミニウムクロムは各種基材と密着力が比較的良いが、より一層に密着性を高めるために、基材と酸窒化アルミニウムクロムの間に窒化アルミニウムクロム被膜を中間層として導入する。その理由は、窒化アルミニウムクロムは酸窒化アルミニムクロムと組成比がかけ離れておらず、化学的親和性があることにより層間での密着性が向上すること、また製造装置において酸窒化アルミニウムクロムを成膜するターゲットと同じターゲットを使用出来るため生産性が高いことが挙げられる。
中間層の組成比に関しては、層間の密着性の観点から,酸窒化超多層被膜の組成比とかけ離れていない範囲にあることが好ましい。従って、中間層を構成する窒化物被膜の前記組成式AlfCrgMhNiにおいて、組成比f、 g、 h、 iは原子比率であり、0.25≦f≦0.6、0.1≦g≦0.37、 0≦h≦0.2、 0.15≦i≦0.57且つf+g+h+i=1を満足しており、MはSi、Hf、Bの
いずれか1種類以上の添加元素であり且つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合を含んでいる。この時、添加元素Mは窒化アルミニウムクロムの中に固溶されること
によって、結晶粒の粗大化を抑制する効果、すなわち結晶粒が微細化すると考えられ、これによって結晶内に圧縮応力が加わり耐摩耗性が向上する。ただし、これは副次的な効果であって、本発明ではあくまでも上述の酸化アルミニウムと窒化クロムが混晶状態にある結晶によって耐酸化耐摩耗性を発現するものであり、前述のように添加元素Mの添加によ
って限定されるものではない。また、本発明である酸窒化アルミニウムクロムの性能を十分に発揮するために中間層を設けるのであって、選定される基材との親和性によっては既知の被膜技術である窒化チタン被膜(TiN)・窒化チタンアルミ被膜(TiAlN)・窒化クロム皮膜(CrN)等を中間層として構成しても良い。更にこの窒化物被膜は成膜時の基盤バイアス
を変化させ、結晶構造を連続的に変化させることで基材と界面との密着力向上を実現しても良い。
According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, an intermediate layer is provided between the substrate and the oxynitride super multilayer coating, and the intermediate layer has a composition ratio of f, g , h, and i.
The reason why the intermediate layer is provided in this embodiment is that the aluminum chromium oxynitride according to the present invention has relatively good adhesion to various substrates, but in order to further improve the adhesion, a is introduced with an aluminum chromium nitride coating as an intermediate layer. The reason for this is that the composition ratio of aluminum chromium nitride is not far from that of aluminum chromium oxynitride, and that chemical affinity improves the adhesion between layers, and that aluminum chromium oxynitride is produced in manufacturing equipment. The productivity is high because the same target as the film-forming target can be used.
From the viewpoint of adhesion between layers, the composition ratio of the intermediate layer is preferably within a range not far from the composition ratio of the oxynitride super multilayer coating. Therefore, in the composition formula AlfCrgMhNi of the nitride film forming the intermediate layer, the composition ratios f, g, h, and i are atomic ratios, and 0.25≦f≦0.6, 0.1≦g≦0.37, 0≦h≦0.2, 0.15 ≤ i ≤ 0.57 and f + g + h + i = 1 are satisfied, M is an additive element of one or more types of Si, Hf, B, and the additive element M is added Includes cases where it is not added. At this time, the additive element M is considered to have the effect of suppressing the coarsening of the crystal grains by being dissolved in the aluminum chromium nitride. Improves abrasion resistance. However, this is a secondary effect, and in the present invention, the above-mentioned mixed crystals of aluminum oxide and chromium nitride exhibit oxidation wear resistance, and as described above, the additive element It is not limited by the addition of M. In addition, an intermediate layer is provided in order to fully exhibit the performance of the aluminum chromium oxynitride of the present invention. - Titanium nitride aluminum film (TiAlN), chromium nitride film (CrN) or the like may be used as an intermediate layer. Furthermore, this nitride film may improve the adhesion between the substrate and the interface by changing the substrate bias during film formation and continuously changing the crystal structure.

本発明の第7の形態によれば、前記第6形態において、前記中間層は、前記組成比f、g、h、iの組合せが異なる少なくとも2種類以上の窒化単位層を周期的又は略周期的に積層した窒化超多層被膜から構成されるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜を提供できる。
上下に隣接する窒化単位層同士は組成比が異なったアルミニウムクロム窒化物であるから同種化合物単位層である。同種化合物同士は、単位層間の接触面で原子間力により結合し、その原子間力は単位層内部にまで作用するから、隣接する窒化単位層同士が原子間力で強力に結合する。従って、極めて強力に一体結合した超多層構造の中間層を実現できる。
また、本発明被膜の製造装置に使用されるターゲットのアルミニウムとクロムの比率を変化させることで、簡単に組成比f、g、h、iの組合せが異なる2種類以上の窒化単位層を周期的又は略周期的に積層した超多層被膜を形成することができる。
具体的には、2種類以上のアルミニウムとクロムの合金ターゲットを用いて同時放電することで超多層構造化を実現できる。周期的な積層の組合せに関しては、窒化単位層をE層、F層、G層、H層とすると、E層F層E層F層…のような繰り返しだけでなく、E層F層G層E層F層G層…のような繰り返しや、E層F層G層H層…のような繰り返しも含む。また、略周期的な積層の組合せに関しては,E層F層E層E層F層…であったり、E層F層G層E層F層E層…のような場合が含まれる。略周期的であっても70%以上の周期性を有することが本発明の上記効果の発現に必要と考えられる。このような中間層の窒化超多層被膜により、従来よりも高度の耐酸化性と耐摩耗性を有した被膜を実現することができる。また、本発明である酸窒化アルミニウムクロムの性能を十分に発揮するために中間層を設けるのであって、選定される基材との親和性によっては既知の被膜技術である窒化チタン被膜(TiN)・窒化チタンアルミ被膜(TiAlN)・窒化クロム皮膜(CrN)等で窒化超
多層被膜を構成し、中間層としても良い。更にこの窒化超多層被膜は成膜時の基盤バイアスを変化させ、結晶構造を連続的に変化させることで基材と界面との密着力向上を実現しても良い。
According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect, the intermediate layer comprises at least two types of nitrided unit layers having different combinations of the composition ratios f, g, h, and i periodically or substantially periodically. It is possible to provide an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating composed of nitrided super-multilayer coatings that are stacked in layers.
Nitride unit layers that are vertically adjacent to each other are aluminum chromium nitrides with different composition ratios, so they are unit layers of the same kind of compound. Compounds of the same kind are bonded by atomic force at the contact surfaces between the unit layers, and the atomic force acts even inside the unit layers, so that adjacent nitrided unit layers are strongly bonded by the atomic force. Therefore, an intermediate layer of a super-multilayer structure with extremely strong integral bonding can be realized.
In addition, by changing the ratio of aluminum and chromium in the target used in the apparatus for producing the coating of the present invention, it is possible to easily produce two or more nitriding unit layers with different combinations of composition ratios f, g, h, and i periodically. Alternatively, it is possible to form a super-multilayer coating layered in a substantially periodic manner.
Specifically, a super-multilayered structure can be realized by simultaneous discharge using two or more types of alloy targets of aluminum and chromium. Regarding the combination of periodic lamination, if the nitrided unit layers are E, F, G, and H layers, not only the E layer, F layer, E layer, F layer, etc., but also E layer, F layer, G layer. Repetition such as E layer F layer G layer . . . and repetition such as E layer F layer G layer H layer . In addition, the combination of approximately periodic lamination includes cases such as E layer F layer E layer E layer F layer . . . or E layer F layer G layer E layer F layer E layer . Even if it is substantially periodic, it is considered necessary to have a periodicity of 70% or more in order to exhibit the above effects of the present invention. Such a nitrided super-multilayer coating as an intermediate layer can realize a coating having a higher degree of oxidation resistance and wear resistance than conventional ones. In addition, an intermediate layer is provided in order to fully exhibit the performance of the aluminum chromium oxynitride of the present invention.・A nitride super multi-layer coating may be formed with a titanium nitride aluminum coating (TiAlN), a chromium nitride coating (CrN), etc., and used as an intermediate layer. Furthermore, this nitride super-multilayer coating may improve the adhesion between the substrate and the interface by changing the substrate bias during film formation and continuously changing the crystal structure.

本発明の第8の形態によれば、前記第6形態において、前記中間層は、第1中間層と第2中間層が積層されて構成され、第1中間層は前記窒化物被膜で構成され、第2中間層は、前記組成比f、g、h、iの組合せが異なる少なくとも2種類以上の窒化単位層を周期的又は略周期的に積層した窒化超多層被膜から構成されるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜が提供できる。また、本発明である酸窒化アルミニウムクロムの性能を十分に発揮するために中間層を設けるのであって、選定される基材との親和性によっては既知の被膜技術である窒化チタン被膜(TiN)・窒化チタンアルミ被膜(TiAlN)・窒化クロム皮膜(CrN)等で第1中間層お
よび第2中間層を構成し、中間層としても良い。
上述したように、第6形態では中間層は窒化物被膜から構成され、第7形態では中間層は窒化超多層被膜で構成されている。この第8形態では、中間層を第1中間層と第2中間層に分割し、第1中間層を窒化物被膜で構成し、第2中間層を窒化超多層被膜で構成して
いる。窒化物被膜は窒化物の連続被膜とすることもできる。このように2段積層構成にすることにより、各種条件に適合するように中間層の多様性を広げることができる。更にこの第1中間層および第2中間層は各々、またはどちらかの成膜時の基盤バイアスを変化させ、結晶構造を連続的に変化させることで基材と界面との密着力向上を実現しても良い。
According to an eighth aspect of the present invention, in the sixth aspect, the intermediate layer is configured by laminating a first intermediate layer and a second intermediate layer, and the first intermediate layer is configured by the nitride film. , the second intermediate layer is an AlCr oxidation-resistant AlCr oxidation-resistant coating composed of a nitrided super multilayer coating in which at least two or more types of nitrided unit layers having different combinations of the composition ratios f, g, h, and i are laminated periodically or substantially periodically A wear resistant coating can be provided. In addition, an intermediate layer is provided in order to fully exhibit the performance of the aluminum chromium oxynitride of the present invention. The first intermediate layer and the second intermediate layer may be composed of a titanium aluminum nitride film (TiAlN), a chromium nitride film (CrN), or the like, and used as the intermediate layer.
As described above, in the sixth embodiment, the intermediate layer is composed of a nitride coating, and in the seventh embodiment, the intermediate layer is composed of a nitride super multilayer coating. In this eighth embodiment, the intermediate layer is divided into a first intermediate layer and a second intermediate layer, the first intermediate layer is composed of a nitride coating, and the second intermediate layer is composed of a nitride super multilayer coating. The nitride coating can also be a continuous coating of nitride. By adopting a two-stage lamination structure in this way, it is possible to widen the variety of intermediate layers so as to meet various conditions. Further, by changing the substrate bias at the time of film formation of each or either of the first intermediate layer and the second intermediate layer, and continuously changing the crystal structure, the adhesion between the substrate and the interface is improved. can be

本発明の第9の形態によれば、前記第6~第8形態のいずれかにおいて、前記基材と前記中間層の間に窒化傾斜層を設けることができ、当該窒化傾斜層の組成式及び組成比の条件は前記中間層の窒化物被膜と同一である。即ち、窒化傾斜層は組成式AlfCrgMhNiを有し、組成比f、g、h、iは原子比率であり、0.25≦f≦0.6、0.1≦g≦0.37、 0≦h≦0.2、 0.15≦i≦0.57且つf+g+h+i=1を満足しており、MはSi、Hf、Bのいずれか1種類以上の添加元素であり且つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合を含む。この時、添加元
素Mは窒化アルミニウムクロムの中に固溶されることによって、結晶粒の粗大化を抑制す
る効果、すなわち結晶粒が微細化すると考えられ、これによって結晶内に圧縮応力が加わり耐摩耗性が向上すると考えられる。ただし、これは副次的な効果であって、本発明ではあくまでも上述の酸化アルミニウムと窒化クロムが混晶状態にある結晶によって耐酸化耐摩耗性を発現するものであり、前述のように添加元素Mの添加によって限定されるもので
はない。
特に、前記窒化傾斜層の特徴は、前記基材と前記中間層の間において、前記組成比f、g、h、iが前記組成比の範囲内において傾斜的に変化することを特徴とする。傾斜的に変化する窒化傾斜層には、前記組成比f、g、h、iが連続的に変化しながら傾斜する窒化傾斜連続被膜が含まれ、また前記組成比f、g、h、iの組合せが傾斜的に変化する2種類以上の窒化傾斜単位層を積層した窒化傾斜多層被膜が少なくとも含まれる。また、本発明である酸窒化アルミニウムクロムの性能を十分に発揮するために中間層を設けるのであって、選定される基材との親和性によっては既知の被膜技術である窒化チタン被膜(TiN)・窒化チタ
ンアルミ被膜(TiAlN)・窒化クロム皮膜(CrN)等で窒化傾斜層を構成し、中間層としても良い。
窒化傾斜層が無い場合には、基材の表面に中間層が直接積層される。このとき基材表面と中間層の下面が強固に結合すればよいが、その下面が基材表面と化学的親和性が弱い場合もある。このようなときに、窒化傾斜層を間に挟み、窒化傾斜層の下面の組成を基材表面と強固に結合するように前記組成比を調整し、窒化傾斜層の上面の組成を中間層の下面と強固に結合するように前記組成比を調整する。そして窒化傾斜層の下面と上面の間の組成を連続的又は多層的に傾斜変化させれば、基材と窒化傾斜層と中間層が三層で密結合したAlCr耐酸化耐摩耗性被膜を実現することができる。
According to the ninth aspect of the present invention, in any one of the sixth to eighth aspects, a nitrided gradient layer may be provided between the base material and the intermediate layer, and the composition formula of the nitrided gradient layer and The conditions for the composition ratio are the same as those for the nitride film of the intermediate layer. That is, the graded nitriding layer has the composition formula AlfCrgMhNi, the composition ratios f, g, h, and i are atomic ratios, and 0.25≦f≦0.6, 0.1≦g≦0.37, 0≦h≦0.2, 0.15≦i≦. 0.57 and f + g + h + i = 1 are satisfied, M is an additive element of one or more of Si, Hf, and B, and the additive element M is added and not added. include. At this time, the additive element M is considered to have the effect of suppressing the coarsening of the crystal grains by being dissolved in the aluminum chromium nitride. It is thought that the abrasion resistance is improved. However, this is a secondary effect, and in the present invention, the above-mentioned mixed crystals of aluminum oxide and chromium nitride exhibit oxidation wear resistance, and as described above, the additive element It is not limited by the addition of M.
In particular, the nitrided gradient layer is characterized in that the composition ratios f, g, h, and i between the base material and the intermediate layer change gradiently within the range of the composition ratios. The nitrided graded layer that changes in a gradient includes a nitrided graded continuous film in which the composition ratios f, g, h, and i are graded while continuously changing, and the composition ratios f, g, h, and i It includes at least a nitrided gradient multilayer coating in which two or more types of nitrided gradient unit layers whose combination changes in a gradient are laminated. In addition, an intermediate layer is provided in order to fully exhibit the performance of the aluminum chromium oxynitride of the present invention.・A titanium nitride aluminum film (TiAlN), a chromium nitride film (CrN), etc. may be used as an intermediate layer to form a nitride gradient layer.
In the absence of the nitrided graded layer, the intermediate layer is laminated directly to the surface of the substrate. At this time, the surface of the base material and the lower surface of the intermediate layer should be strongly bonded, but the lower surface may have a weak chemical affinity with the surface of the base material. In such a case, a nitrided graded layer is sandwiched between them, and the composition ratio is adjusted so that the composition of the lower surface of the nitrided graded layer is strongly bonded to the substrate surface, and the composition of the upper surface of the nitrided graded layer is adjusted to that of the intermediate layer. The composition ratio is adjusted so as to firmly bond with the lower surface. By changing the composition between the lower surface and the upper surface of the nitrided gradient layer continuously or in multiple layers, an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating in which the base material, the nitrided gradient layer, and the intermediate layer are closely bonded in three layers can be realized. can do.

本発明の第10の形態によれば、前記第9形態において、前記窒化傾斜層は、前記組成比f、 g、 h、 iが連続的に変化しながら傾斜する窒化傾斜連続被膜であるか、又は前記
組成比f、 g、 h、 iの組合せが傾斜的に変化する2種類以上の窒化傾斜単位層を積層し
た窒化傾斜多層被膜であるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜が提供できる。また、本発明である酸窒化アルミニウムクロムの性能を十分に発揮するために中間層を設けるのであって、選定される基材との親和性によっては既知の被膜技術である窒化チタン被膜(TiN)・窒化チタ
ンアルミ被膜(TiAlN)・窒化クロム皮膜(CrN)等で窒化傾斜層を構成し、中間層としても良い。
前記窒化傾斜連続被膜は、組成比が連続的に傾斜変化しながら堆積した窒化物被膜であり、多層性を有していない。他方、窒化傾斜多層被膜は窒化傾斜単位層が多層に積層された窒化物被膜であり、単一の窒化傾斜単位層内の組成比が積層されて行くに従って傾斜的に変化する窒化物被膜である。
According to the tenth form of the present invention, in the ninth form, the nitrided gradient layer is a nitrided gradient continuous coating in which the composition ratios f, g, h, i are graded while continuously changing, Alternatively, it is possible to provide an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating which is a nitrided-graded multi-layer coating in which two or more types of nitrided-graded unit layers in which the combination of the composition ratios f, g, h, and i changes in a graded manner are laminated. In addition, an intermediate layer is provided in order to fully exhibit the performance of the aluminum chromium oxynitride of the present invention.・A titanium nitride aluminum film (TiAlN), a chromium nitride film (CrN), etc. may be used as an intermediate layer to form a nitride gradient layer.
The nitride gradient continuous coating is a nitride coating deposited while the composition ratio is continuously graded, and does not have multi-layered properties. On the other hand, the graded nitrided multilayer coating is a nitrided coating in which nitrided graded unit layers are stacked in multiple layers, and the composition ratio within a single nitrided graded unit layer changes in a graded manner as it is stacked. .

本発明の第11の形態によれば、前記第6~第10形態のいずれかにおいて、前記中間層と前記酸窒化超多層被膜の間に酸窒化傾斜層を設け、当該酸窒化傾斜層は組成式AlaCrbMcOdNeを有し、組成比a、b、c、d、eは原子比率であり、0.2≦a≦0.45、0.02≦b≦0.2、0
≦c≦0.2、0≦d≦0.5、0.1≦e≦0.4且つa+b+c+d+e=1を満足しており、MはSi、Hf、Bのい
ずれか1種類以上の添加元素であり且つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない
場合を含み、特にdに関しては0at%から前記酸窒化多層被膜の組成比範囲50at%まで(0≦d
≦0.5)を含むこととする。この時、添加元素Mは酸窒化アルミニウムクロムに添加される
ことによって、結晶粒の粗大化を抑制する効果が発揮すると考えられる。すなわち結晶粒が微細化することで、結晶内に圧縮応力が加わり耐摩耗性が向上する。ただし、これは副次的な効果であって、本発明ではあくまでも上述の酸化アルミニウムと窒化クロムが混晶状態にある結晶によって耐酸化耐摩耗性を発現するものであり、前述のように添加元素M
の添加によって限定されるものではない。前記酸窒化傾斜層の特徴は、前記中間層と前記酸窒化超多層被膜の間において、前記組成比a、b、c、d、eが前記組成比の範囲内におい
て傾斜的に変化するAlCr耐酸化耐摩耗性被膜が提供できる。
傾斜的に変化する前記酸窒化傾斜層には、前記組成比a、b、c、d、eが連続的に変化し
ながら傾斜する酸窒化傾斜連続被膜が含まれる。また、前記組成比a、 b、 c、 d、 eの
組合せが傾斜的に変化する2種類以上の酸窒化傾斜単位層を積層した酸窒化傾斜多層被膜も含まれる。それ以外の酸窒化傾斜層も含まれる。
酸窒化傾斜層が無い場合には、中間層の表面に酸窒化超多層被膜が直接積層される。このとき中間層表面と酸窒化超多層被膜の下面が強固に結合すればよいが、酸窒化超多層被膜の下面の化学的親和性が中間層表面に対し弱い場合もある。このようなときに、酸窒化傾斜層を間に挟み、酸窒化傾斜層の下面の組成を中間層表面と強固に結合するように前記組成比を調整し、酸窒化傾斜層の上面の組成を酸窒化超多層被膜の下面と強固に結合するように前記組成比を調整することができる。そして酸窒化傾斜層の下面と上面の間の組成を連続的又は多層的に傾斜変化させれば、中間層と酸窒化傾斜層と酸窒化超多層被膜が三層で密結合したAlCr耐酸化耐摩耗性被膜を実現することが可能になる。
According to the eleventh form of the present invention, in any one of the sixth to tenth forms, an oxynitride gradient layer is provided between the intermediate layer and the oxynitride super multilayer coating, and the oxynitride gradient layer has a composition It has the formula AlaCrbMcOdNe, the composition ratios a, b, c, d, e are atomic ratios, 0.2≤a≤0.45, 0.02≤b≤0.2, 0
≦c≦0.2, 0≦d≦0.5, 0.1≦e≦0.4 and a+b+c+d+e=1, and M is at least one additive element selected from Si, Hf, and B and the additive element M includes cases where it is added and cases where it is not added, and particularly regarding d, the composition ratio range of the oxynitride multilayer coating is from 0 at% to 50 at% (0 ≤ d
≤ 0.5). At this time, it is considered that the addition of the additive element M to the aluminum chromium oxynitride exerts the effect of suppressing the coarsening of the crystal grains. That is, as the crystal grains become finer, compressive stress is applied to the crystals, thereby improving wear resistance. However, this is a secondary effect, and in the present invention, the above-mentioned mixed crystals of aluminum oxide and chromium nitride exhibit oxidation wear resistance, and as described above, the additive element M.
is not limited by the addition of The feature of the oxynitride gradient layer is that between the intermediate layer and the oxynitride super multilayer coating, the composition ratios a, b, c, d, and e change gradiently within the range of the composition ratio. It is possible to provide a chemical wear-resistant coating.
The oxynitride graded layer that changes in a graded manner includes an oxynitride graded continuous film that grades while the composition ratios a, b, c, d, and e change continuously. It also includes an oxynitride graded multilayer coating in which two or more types of oxynitride graded unit layers whose combination of the composition ratios a, b, c, d, and e change in a graded manner are laminated. Other oxynitride graded layers are also included.
In the absence of the oxynitride graded layer, the oxynitride super multilayer coating is laminated directly on the surface of the intermediate layer. At this time, the surface of the intermediate layer and the lower surface of the oxynitride super multilayer coating should be firmly bonded, but the chemical affinity of the lower surface of the oxynitride super multilayer coating may be weak with respect to the surface of the intermediate layer. In such a case, an oxynitride graded layer is sandwiched between them, and the composition ratio is adjusted so that the composition of the lower surface of the oxynitride graded layer is strongly bonded to the intermediate layer surface, and the composition of the upper surface of the oxynitride graded layer is adjusted. The composition ratio can be adjusted so as to firmly bond with the lower surface of the oxynitride super multilayer coating. Then, if the composition between the lower surface and the upper surface of the oxynitride graded layer is varied continuously or in multiple layers, the intermediate layer, the oxynitride graded layer, and the oxynitride super-multilayer coating are closely bonded in three layers to form an AlCr oxidation resistant layer. It becomes possible to realize an abradable coating.

本発明の第12の形態によれば、前記第11形態において、前記酸窒化傾斜層は、前記組成比a、b、c、d、eが連続的に変化しながら傾斜する酸窒化傾斜連続被膜であるか、又
は前記組成比a、 b、 c、 d、 eの組合せが傾斜的に変化する2種類以上の酸窒化傾斜単
位層を積層した酸窒化傾斜多層被膜であるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜が提供できる。
前記酸窒化傾斜連続被膜は、組成比が連続的に傾斜変化しながら堆積した酸窒化物被膜であり、多層性を有していない。他方、酸窒化傾斜多層被膜は酸窒化傾斜単位層が多層に積層された酸窒化物被膜であり、単一の酸窒化傾斜単位層内の組成比が積層されて行くに従って傾斜的に変化する酸窒化物被膜である。
According to the twelfth form of the present invention, in the eleventh form, the oxynitride gradient layer is an oxynitride gradient continuous film in which the composition ratios a, b, c, d, and e are graded while continuously changing. or AlCr oxidation wear resistance, which is an oxynitride gradient multilayer coating in which two or more types of oxynitride gradient unit layers are laminated in which the combination of the composition ratios a, b, c, d, and e changes gradiently A coating can be provided.
The oxynitride continuous gradient coating is an oxynitride coating deposited while the composition ratio is continuously graded, and does not have multi-layered properties. On the other hand, the oxynitride graded multilayer coating is an oxynitride coating in which oxynitride graded unit layers are stacked in multiple layers. It is a nitride film.

本発明の第13の形態によれば、前記第1~第12形態のいずれかのAlCr耐酸化耐摩耗性被膜を前記基材の表面の少なくとも一部又は全部に被覆した被覆物が提供できる。
基材の表面の少なくとも一部とは、面状基材であれば片面だけや、片面や両面の一部だけでもよく、ブロック状基材であればその外表面の一部だけでも良い。基材の表面の全部とは全表面のことである。被覆物とは、基材と被膜からなる全体物を云う。
According to the thirteenth mode of the present invention, there is provided a coating in which at least part or all of the surface of the substrate is coated with the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating of any one of the first to twelfth modes.
At least part of the surface of the base material may be only one side, or part of one side or both sides of the planar base material, or may be only part of the outer surface of the block-shaped base material. The entire surface of the substrate means the entire surface. A coating refers to the whole thing consisting of a base material and a coating.

本発明の第14の形態によれば、前記第13形態において、前記基材が硬質基材からなる被覆物であり、当該被覆物が高硬度工具として用いられる被覆物が提供できる。
基材には軟質基材や硬質基材や超硬質基材が含まれるが、その中でも本形態には硬質基材と超硬質基材が本形態に包含される。これらの硬質基材に被膜を形成した被覆物の中で、本形態は高硬度工具として用いられる被覆物を対象とする。
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the thirteenth aspect, there can be provided a coating in which the base material is a hard base material, and the coating is used as a high-hardness tool.
The base material includes a soft base material, a hard base material, and an ultra-hard base material. Among them, the present embodiment includes a hard base material and an ultra-hard base material. Among these coatings obtained by forming coatings on hard substrates, the present embodiment is intended for coatings used as high-hardness tools.

本発明の第15の形態は、前記第14形態において、前記硬質基材がWC超硬合金,サーメット、セラミックス、高速度工具鋼、ダイス鋼から選択された硬質基材であり、前記高硬度工具が切削チップ、ドリル、エンドミル、パンチ、金型、冷間金型、熱間金型又は切削具として用いられる被覆物が提供できる。
本形態では、前記硬質基材がWC超硬合金,サーメット、セラミックス、高速度工具鋼又
はダイス鋼に限定され、且つ前記高硬度工具が切削チップ、ドリル、エンドミル、パンチ、金型、冷間金型、熱間金型又は切削具に限定されることを特徴とする。
A fifteenth form of the present invention is the fourteenth form, wherein the hard base material is selected from WC cemented carbide, cermet, ceramics, high-speed tool steel, and die steel, and the high-hardness tool can provide a coating for use as cutting tips, drills, end mills, punches, dies, cold dies, hot dies or cutting tools.
In this embodiment, the hard base material is limited to WC cemented carbide, cermet, ceramics, high-speed tool steel or die steel, and the high-hardness tools are cutting tips, drills, end mills, punches, dies, cold metal It is characterized by being limited to molds, hot dies or cutting tools.

図1は、本発明に係る被覆物1の第1実施形態であり、酸窒化超多層被膜11からなるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10を基材2に被覆した被覆物1の2段構成図である。FIG. 1 is a first embodiment of a coating 1 according to the present invention, which is a two-stage configuration diagram of a coating 1 in which a substrate 2 is coated with an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 composed of an oxynitride super multilayer coating 11. is. 図2は、本発明に係る被覆物1の第2実施形態であり、酸窒化超多層被膜11と酸窒化傾斜層12からなるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10を基材2に被覆した被覆物1の3段構成図である。FIG. 2 shows a second embodiment of a coating 1 according to the present invention, in which a substrate 2 is coated with an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 comprising an oxynitride super multilayer coating 11 and an oxynitride gradient layer 12. 1 is a three-stage configuration diagram of FIG. 図3は、本発明に係る被覆物1の第3実施形態であり、酸窒化超多層被膜11と中間層13からなるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10を基材2に被覆した被覆物1の3段構成図である。FIG. 3 shows a third embodiment of the coating 1 according to the present invention. It is a three-stage block diagram. 図4は、本発明に係る被覆物1の第4実施形態であり、酸窒化超多層被膜11と中間層13と窒化傾斜層14からなるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10を基材2に被覆した被覆物1の4段構成図である。FIG. 4 shows a fourth embodiment of a coating 1 according to the present invention, in which a substrate 2 is coated with an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 comprising an oxynitride super multilayer coating 11, an intermediate layer 13, and a nitrided gradient layer 14. FIG. 2 is a four-stage configuration diagram of the coated article 1. FIG. 図5は、本発明に係る被覆物1の第5実施形態であり、酸窒化超多層被膜11と酸窒化傾斜層12と中間層13からなるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10を基材2に被覆した被覆物1の4段構成図である。FIG. 5 shows a fifth embodiment of a coating 1 according to the present invention, in which an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 comprising an oxynitride super multilayer coating 11, an oxynitride gradient layer 12, and an intermediate layer 13 is applied to a substrate 2. FIG. 4 is a four-stage diagram of a coated coating 1; 図6は、本発明に係る被覆物1の第6実施形態であり、酸窒化超多層被膜11と酸窒化傾斜層12と中間層13と窒化傾斜層14からなるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10を基材2に被覆した被覆物1の5段構成図である。FIG. 6 shows a sixth embodiment of a coating 1 according to the present invention, an AlCr oxidation wear resistant coating 10 comprising an oxynitride super multilayer coating 11, an oxynitride graded layer 12, an intermediate layer 13 and a nitride graded layer 14. is a five-stage configuration diagram of a coating 1 in which a base material 2 is coated with. 図7は、本発明において、酸窒化超多層被膜11を構成する2種類以上の酸窒化単位層の積層が周期的な場合(7A)と略周期的な場合(7B)・(7C)を示す酸窒化超多層被膜11の構成図である。FIG. 7 shows the cases (7A) and (7B) and (7C) where the lamination of two or more types of oxynitride unit layers constituting the oxynitride super multilayer coating 11 is periodic in the present invention. 1 is a configuration diagram of an oxynitride super multilayer coating 11. FIG. 図8は、本発明において、中間層13が窒化物被膜13xの場合(8A)と、窒化超多層被膜13yの場合(8B)と、窒化物被膜13xと窒化超多層被膜13yの積層被膜の場合(8C)を示す中間層13の構成図である。FIG. 8 shows the case where the intermediate layer 13 is the nitride film 13x in the present invention (8A), the case of the nitride super multilayer film 13y (8B), and the case of the laminated film of the nitride film 13x and the nitride super multilayer film 13y. 8C is a configuration diagram of the intermediate layer 13 showing (8C). FIG. 図9は、本発明において、酸窒化傾斜層12が酸窒化傾斜連続被膜12xの場合(9A)と酸窒化傾斜多層被膜12yの場合(9B)、並びに窒化傾斜層14が窒化傾斜連続被膜14xの場合(9C)と窒化傾斜多層被膜14yの場合(9D)を示す傾斜層12・14の構成図である。9A and 9B show the case where the oxynitride graded layer 12 is the oxynitride graded continuous film 12x and the oxynitride graded multilayer coating 12y (9B), and the nitride graded layer 14 is the nitridation graded continuous film 14x in the present invention. FIG. 9C is a configuration diagram of the graded layers 12 and 14 showing the case (9C) and the case (9D) of the nitrided graded multilayer coating 14y. 図10は、本発明に係るAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10を基材2に成膜するための成膜装置構成模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram of a film forming apparatus for forming the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 according to the present invention on the substrate 2. As shown in FIG. 図11は、本発明に係るAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10の製造実験例に使用したターゲット組成比一覧及び実験例で成膜した被膜一覧を表1・2にまとめた一覧図である。FIG. 11 is a list of target composition ratios used in production experimental examples of the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 according to the present invention and a list of coating films formed in the experimental examples in Tables 1 and 2. FIG. 図12は、本発明に係るAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10の製造実験例で得られた被膜をX線光電子分光分析装置で分析した膜組成比分析図である。FIG. 12 is a film composition ratio analysis diagram obtained by analyzing the film obtained in the production experimental example of the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant film 10 according to the present invention with an X-ray photoelectron spectrometer. 図13は、本発明の製造実験例で得られた本発明被膜中のアルミニウムの結合エネルギー図である。FIG. 13 is a binding energy diagram of aluminum in the film of the present invention obtained in a production experiment example of the present invention. 図14は、本発明の製造実験例で得られた本発明被膜中のクロムの結合エネルギー図である。FIG. 14 is a binding energy diagram of chromium in the film of the present invention obtained in a production experimental example of the present invention. 図15は、本発明被膜に対しX線回折装置により得られた酸化アルミニウムのX線回折位置図である。FIG. 15 is an X-ray diffraction position diagram of aluminum oxide obtained by an X-ray diffraction apparatus for the coating of the present invention. 図16は、本発明被膜に対し高分解能分析走査電子顕微鏡により得られた断面観察図である。FIG. 16 is a cross-sectional view obtained by high resolution analytical scanning electron microscopy of the coating of the present invention. 図17は、本発明被膜に対するX線光電子分光分析のエッチングレートから算出する超多層一層当たりの層厚関連図である。FIG. 17 is a layer thickness relationship diagram per super multilayer calculated from the etching rate of the film of the present invention in X-ray photoelectron spectroscopic analysis. 図18は、本発明被膜を有した切削チップで被工作物を切削する場合の切削説明図である。FIG. 18 is an illustration of cutting when a workpiece is cut with a cutting tip having the coating of the present invention. 図19は、本発明被膜を有した切削チップによる切削試験の実施写真図及びそのクレータ摩耗の説明図である。FIG. 19 is a photographic view of a cutting test using a cutting tip having the coating of the present invention and an explanatory view of crater wear. 図20は、本発明被膜を有した切削チップによる切削試験に関するクレータ摩耗量と切削距離の相関を示す切削試験評価図である。FIG. 20 is a cutting test evaluation diagram showing the correlation between the amount of crater wear and the cutting distance in the cutting test using cutting inserts having the coating of the present invention. 図21は、切削距離277mと切削距離492mでのクレータ摩耗観察写真図である。FIG. 21 is a photograph of crater wear observed at a cutting distance of 277 m and a cutting distance of 492 m.

以下に、本発明に係るAlCr耐酸化耐摩耗性被膜及びその被覆物の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。 Embodiments of the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating and coating thereof according to the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

図1は、本発明に係る被覆物1の第1実施形態であり、酸窒化超多層被膜11からなるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10を基材2に被覆した被覆物1の2段構成図である。
図(1A)において、基材2は硬質基材から構成され、具体的にはWC超硬基材、サーメット、セラミック、高速度工具鋼、ダイス鋼などの硬質材料からなる硬質基材を所定形状に形成したものである。外層被膜層として、本発明被膜であるアルミニウムAlとクロムCrの酸窒化物を超多層状に積層した酸窒化超多層被膜11からなるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10が形成されている。換言すれば、酸化アルミニウムと窒化クロムが混晶状態で被膜を形成し、酸化アルミニウムの耐酸化性と窒化クロムの耐摩耗性が同時的に発現するため、強力なAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10が構成される。
酸窒化超多層被膜11の組成式AlaCrbMcOdNeにおいて、組成比a、b、c、d、eは原子比
率であり、0.2≦a≦0.45、0.02≦b≦0.2、0≦c≦0.2、0.15≦d≦0.5、0.1≦e≦0.4且つa+b+c+d+e=1を満足しており、MはSi、Hf、Bのいずれか1種類以上の添加元素であり且つ当
該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合を含んでいる。添加される場合がAlCrMONであり、添加されない場合がAlCrONである。添加元素Mは酸窒化アルミニウムクロムに
添加されることによって、結晶粒の粗大化を抑制する効果が発揮すると考えられる。すなわち結晶粒が微細化することで、結晶内に圧縮応力が加わり耐摩耗性が向上する。ただし、これは副次的な効果であって、本発明ではあくまでも上述の酸化アルミニウムと窒化クロムが混晶状態にある結晶によって耐酸化耐摩耗性を発現するものであり、前述のように添加元素Mの添加によって限定されるものではない。
特に、超多層被膜とは、前記組成比a、 b、 c、 d、 eの組合せが異なる少なくとも2
種類以上の酸窒化単位層(後述する図7の11a等)を周期的又は略周期的に積層した被膜のことであり、本発明ではこの被膜を酸窒化超多層被膜11と称する。この酸窒化超多層被膜11は強力な耐酸化性且つ耐摩耗性を有しており、本発明では、この特性を有した被膜をAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10と称する。
図(1B)では、基材2の全表面にAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10が形成されている。図(1C)及び図(1D)では、基材2の一部表面にAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10が形成されている場合が図示されている。このように、本発明では、基材2の表面の少なくとも一部又は全部にAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10を適材適所に被覆形成する場合を含む。
上述した基材2と酸窒化超多層被膜11の特徴、及び当該酸窒化超多層被膜11を少なくとも配置したAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10の特徴は、図1~図7を通して共通している。
FIG. 1 is a first embodiment of a coating 1 according to the present invention, which is a two-stage configuration diagram of a coating 1 in which a substrate 2 is coated with an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 composed of an oxynitride super multilayer coating 11. is.
In FIG. 1A, the base material 2 is composed of a hard base material. It is formed in As an outer coating layer, an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 is formed, which is an oxynitride super-multilayer coating 11 in which oxynitrides of aluminum Al and chromium Cr, which are coatings of the present invention, are laminated in a super-multilayer shape. In other words, aluminum oxide and chromium nitride form a coating in a mixed crystal state, and the oxidation resistance of aluminum oxide and the wear resistance of chromium nitride are exhibited at the same time. is configured.
In the composition formula AlaCrbMcOdNe of the oxynitride super multilayer coating 11, the composition ratios a, b, c, d, and e are atomic ratios, and 0.2≤a≤0.45, 0.02≤b≤0.2, 0≤c≤0.2, 0.15≤d. ≤ 0.5, 0.1 ≤ e ≤ 0.4 and a + b + c + d + e = 1, M is an additive element of one or more of Si, Hf, and B, and the additive element M is Includes cases where it is added and cases where it is not. AlCrMON is added and AlCrON is not added. It is considered that the addition of the additive element M to aluminum chromium oxynitride exerts an effect of suppressing coarsening of crystal grains. That is, as the crystal grains become finer, compressive stress is applied to the crystals, thereby improving wear resistance. However, this is a secondary effect, and in the present invention, the above-mentioned mixed crystals of aluminum oxide and chromium nitride exhibit oxidation wear resistance, and as described above, the additive element It is not limited by the addition of M.
In particular, the super multilayer coating is at least two different combinations of the composition ratios a, b, c, d, and e.
It is a film in which more than one type of oxynitride unit layer (such as 11a in FIG. 7 to be described later) is stacked periodically or substantially periodically. This oxynitride super multilayer coating 11 has strong oxidation resistance and wear resistance, and in the present invention, a coating having these properties is called an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 .
In FIG. 1B, an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 is formed on the entire surface of the substrate 2 . 1C and 1D show the case where the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 is formed on a part of the surface of the substrate 2 . As described above, the present invention includes the case where the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 is formed on at least a part or the entire surface of the base material 2 at the right place.
The features of the substrate 2 and the oxynitride super-multilayer coating 11 described above, and the features of the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 in which at least the oxynitride super-multilayer coating 11 is arranged, are common throughout FIGS.

図7で後述するが、前記酸窒化単位層の単位層厚は0.5 nm~50nmの範囲に調整される。各単位層は同種化合物であり、しかも単位層厚がナノオーダーであるから、上下に隣接する単位層と単位層の相互の結合力は面間及び層内部にまで及び、その結合力は極めて大きく、強力な耐酸化性と耐摩耗性を有する安定した酸窒化超多層被膜11が形成される。
また、上述したように、本発明の被膜では、酸化アルミニウムと窒化クロムが混晶状態で被膜を構成するから、酸化アルミニウムと窒化クロムが相互の弱点を補強し合う関係性
を有する。従って、酸化アルミニウムとしてα型酸化アルミニウムやγ型酸化アルミニウムを用途に応じて使用することができる。その中でも、特に硬度と熱安定性が高いα型酸化アルミニウムを使用することが望ましい。
更に、本発明に係る酸窒化超多層被膜11の膜厚は、高硬度工具としての実用性を確保するために0.2μm~10μmの範囲に調整することが望ましい。
As will be described later with reference to FIG. 7, the unit layer thickness of the oxynitride unit layer is adjusted in the range of 0.5 nm to 50 nm. Each unit layer is made of the same kind of compound, and the thickness of the unit layer is nano-order. Therefore, the bonding force between the vertically adjacent unit layers extends between the surfaces and inside the layers, and the bonding force is extremely large. , a stable oxynitride super multilayer coating 11 having strong oxidation resistance and wear resistance is formed.
Further, as described above, in the coating of the present invention, aluminum oxide and chromium nitride constitute the coating in a mixed crystal state, so aluminum oxide and chromium nitride have a relationship of reinforcing each other's weak points. Therefore, α-type aluminum oxide or γ-type aluminum oxide can be used as aluminum oxide depending on the application. Among them, it is desirable to use α-type aluminum oxide, which has particularly high hardness and thermal stability.
Furthermore, the film thickness of the oxynitride super multilayer coating 11 according to the present invention is desirably adjusted within the range of 0.2 μm to 10 μm in order to ensure practicality as a high-hardness tool.

図2は、本発明に係る被覆物1の第2実施形態であり、酸窒化超多層被膜11と酸窒化傾斜層12からなるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10を基材2に被覆した被覆物1の3段構成図である。
基材2及び酸窒化超多層被膜11については図1で説明したので、以下では主として酸窒化傾斜層12について説明する。この第2実施形態の特徴は、基材2と酸窒化超多層被膜11の間に酸窒化傾斜層12が設けられていることである。最外層である外層被膜層としての酸窒化超多層被膜11と酸窒化傾斜層12が2段積層状態でAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10を構成している。
当該酸窒化傾斜層12の組成式及び組成比の条件は前記酸窒化超多層被膜11とほぼ同一である。即ち、酸窒化傾斜層12は組成式AlaCrbMcOdNeを有し、組成比a、b、c、d、e
は原子比率であり、0.2≦a≦0.45、0.02≦b≦0.2、0≦c≦0.2、0≦d≦0.5、0.1≦e≦0.4
且つa+b+c+d+e=1を満足しており、特にdに関しては0at%から前記酸窒化多層被膜の組成比範囲50at%まで(0≦d≦0.5)を含むこととする。MはSi、Hf、Bのいずれか1種類以上の添加元素であり且つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合を含む。添加される
場合がAlCrMONであり、添加されない場合がAlCrONである。添加元素Mは酸窒化アルミニウムクロムに添加されることによって、結晶粒の粗大化を抑制する効果が発揮すると考えられる。すなわち結晶粒が微細化することで、結晶内に圧縮応力が加わり耐摩耗性が向上する。ただし、これは副次的な効果であって、本発明ではあくまでも上述の酸化アルミニウムと窒化クロムが混晶状態にある結晶によって耐酸化耐摩耗性を発現するものであり、前述のように添加元素Mの添加によって限定されるものではない。
特に、当該酸窒化傾斜層12の特徴は、基材2と酸窒化超多層被膜11の間において、前記組成比a、b、c、d、eが前記組成比の範囲内において傾斜的に変化することを特徴と
する。図9で後述するが、傾斜的に変化する酸窒化傾斜層12には、前記組成比a、b、c
、d、eが連続的に変化しながら傾斜する酸窒化傾斜連続被膜12xが含まれる。また、前記組成比a、 b、 c、 d、 eの組合せが傾斜的に変化する2種類以上の酸窒化傾斜単位層
(図9の12a等)を積層した酸窒化傾斜多層被膜12yも含まれる。
酸窒化傾斜層12が無い場合には、基材2の表面に酸窒化超多層被膜11が直接積層される。このとき基材2の上面と酸窒化超多層被膜11の下面が強固に結合すればよいが、酸窒化超多層被膜11の下面の化学的親和性が基材下面に対し弱い場合もある。このようなときに、酸窒化傾斜層12を間に挟み、酸窒化傾斜層12の下面の組成を基材上面と強固に結合するように前記組成比を調整し、酸窒化傾斜層12の上面の組成を酸窒化超多層被膜11の下面と強固に結合するように前記組成比を調整することができる。そして酸窒化傾斜層12の下面と上面の間の組成を連続的又は多層的に傾斜変化させれば、基材2と酸窒化傾斜層12と酸窒化超多層被膜11が三層で密結合したAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10を実現することが可能になる。
FIG. 2 shows a second embodiment of a coating 1 according to the present invention, in which a substrate 2 is coated with an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 comprising an oxynitride super multilayer coating 11 and an oxynitride gradient layer 12. 1 is a three-stage configuration diagram of FIG.
Since the substrate 2 and the oxynitride super multilayer coating 11 have been described with reference to FIG. 1, the oxynitride gradient layer 12 will be mainly described below. A feature of the second embodiment is that an oxynitride gradient layer 12 is provided between the base material 2 and the oxynitride super multilayer coating 11 . The oxynitride super multilayer coating 11 and the oxynitride gradient layer 12 as the outermost coating layer constitute the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 in a two-stage lamination state.
The composition formula and composition ratio conditions of the oxynitride gradient layer 12 are substantially the same as those of the oxynitride super multilayer coating 11 . That is, the oxynitride graded layer 12 has the composition formula AlaCrbMcOdNe, and the composition ratios a, b, c, d, e
is the atomic ratio, 0.2 ≤ a ≤ 0.45, 0.02 ≤ b ≤ 0.2, 0 ≤ c ≤ 0.2, 0 ≤ d ≤ 0.5, 0.1 ≤ e ≤ 0.4
In addition, a+b+c+d+e=1 is satisfied, and particularly regarding d, the composition ratio range of 0at% to 50at% of the oxynitride multilayer coating (0≤d≤0.5) is included. M is one or more additive elements selected from Si, Hf, and B, and the additive element M may or may not be added. AlCrMON is added and AlCrON is not added. It is considered that the addition of the additive element M to aluminum chromium oxynitride exerts an effect of suppressing coarsening of crystal grains. That is, as the crystal grains become finer, compressive stress is applied to the crystals, thereby improving wear resistance. However, this is a secondary effect, and in the present invention, the above-mentioned mixed crystals of aluminum oxide and chromium nitride exhibit oxidation wear resistance, and as described above, the additive element It is not limited by the addition of M.
In particular, the oxynitride gradient layer 12 is characterized in that the composition ratios a, b, c, d, and e between the base material 2 and the oxynitride super multilayer coating 11 change gradually within the range of the composition ratio. characterized by As will be described later with reference to FIG.
, d, and e are continuously changed and the oxynitride gradient continuous film 12x is included. Also included is an oxynitride graded multilayer coating 12y in which two or more types of oxynitride graded unit layers (12a in FIG. 9, etc.) are laminated in which the combination of the composition ratios a, b, c, d, and e changes in a graded manner. .
In the absence of the oxynitride gradient layer 12 , the oxynitride super multilayer coating 11 is directly laminated on the surface of the substrate 2 . At this time, the upper surface of the substrate 2 and the lower surface of the oxynitride super multilayer coating 11 should be firmly bonded, but the chemical affinity of the lower surface of the oxynitride super multilayer coating 11 may be weaker than the substrate lower surface. In such a case, the oxynitride graded layer 12 is interposed therebetween, and the composition ratio is adjusted so that the composition of the lower surface of the oxynitride graded layer 12 and the upper surface of the substrate are firmly bonded, and the upper surface of the oxynitride graded layer 12 is adjusted. The composition ratio can be adjusted so that the composition of is strongly bonded to the lower surface of the oxynitride super multilayer coating 11 . By changing the composition between the bottom surface and the top surface of the oxynitride gradient layer 12 continuously or in multiple layers, the base material 2, the oxynitride gradient layer 12, and the oxynitride super-multilayer coating 11 are tightly bonded in three layers. It becomes possible to realize an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 .

図3は、本発明に係る被覆物1の第3実施形態であり、酸窒化超多層被膜11と中間層13からなるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10を基材2に被覆した被覆物1の3段構成図である。
この第3実施形態の特徴は、基材2と酸窒化超多層被膜11の間に中間層13を介装した点である。基材2と酸窒化超多層被膜11については既に図1で説明しているから、茲では主として中間層13について詳述する。
第3実施形態で中間層13を設ける理由は、本発明に係る酸窒化アルミニウムクロムは各種基材と密着力が比較的良いが、より一層に密着性を高めるために、基材2と酸窒化超
多層被膜11(即ち、酸窒化アルミニウムクロム)の間に窒化アルミニウムクロム被膜を中間層13として導入する。つまり、窒化アルミニウムクロムは酸窒化アルミニウムクロムと組成比がかけ離れておらず、化学的親和性があることにより層間での密着性が向上すること、また製造装置において酸窒化アルミニウムクロムを成膜するターゲットと同じターゲットを使用出来るため生産性が高いことが挙げられる。また、本発明である酸窒化アルミニウムクロムの性能を十分に発揮するために中間層を設けるのであって、選択される基材との親和性によっては既知の被膜技術である窒化チタン被膜(TiN)、窒化チタンアル
ミ被膜(TiAlN)、窒化クロム皮膜(CrN)等を中間層13として構成しても良い。
FIG. 3 shows a third embodiment of the coating 1 according to the present invention. It is a three-stage block diagram.
A feature of the third embodiment is that an intermediate layer 13 is interposed between the substrate 2 and the oxynitride super multilayer coating 11 . Since the substrate 2 and the oxynitride super multilayer coating 11 have already been described with reference to FIG. 1, the intermediate layer 13 will be mainly described in detail.
The reason why the intermediate layer 13 is provided in the third embodiment is that the aluminum chromium oxynitride according to the present invention has relatively good adhesion to various substrates. An aluminum chromium nitride coating is introduced as an intermediate layer 13 between the super multilayer coatings 11 (ie aluminum chromium oxynitride). In other words, the composition ratio of aluminum chromium nitride is not far from that of aluminum chromium oxynitride, and due to its chemical affinity, the adhesion between layers is improved. The productivity is high because the same target can be used. In addition, an intermediate layer is provided in order to fully exhibit the performance of the aluminum chromium oxynitride of the present invention. , a titanium aluminum nitride film (TiAlN), a chromium nitride film (CrN), or the like may be used as the intermediate layer 13 .

前記中間層13は3種類の実施態様を有している。第1は窒化物被膜であり、第2は窒化超多層被膜であり、第3は窒化物被膜と窒化超多層被膜の積層被膜である。これらは後述する図8に示されている。
第1の窒化物被膜は、層間の密着性の観点から,酸窒化超多層被膜11の組成比とかけ離れていない範囲にあることが好ましい。従って、当該窒化物被膜の組成式はAlfCrgMhNiであり、組成比f、 g、 h、 iは原子比率であり、0.25≦f≦0.6、0.1≦g≦0.37、 0≦h≦0.2、 0.15≦i≦0.57且つf+g+h+i=1を満足しており、MはSi、Hf、Bのいずれか1種類以上の
添加元素であり、且つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合を含んでいる
。添加される場合がAlCrMNであり、添加されない場合がAlCrNである。添加元素Mは窒化アルミニウムクロムの中に固溶されることによって、結晶粒の粗大化を抑制する効果、すなわち結晶粒が微細化すると考えられ、これによって結晶内に圧縮応力が加わり耐摩耗性が向上すると考えられる。ただし、これは副次的な効果であって、本発明ではあくまでも上述の酸化アルミニウムと窒化クロムが混晶状態にある結晶によって耐酸化耐摩耗性を発現するものであり、前述のように添加元素Mの添加によって限定されるものではない。
第2の窒化超多層被膜は、前記組成比f、g、h、iの組合せが異なる少なくとも2種類以上の窒化単位層を周期的又は略周期的に積層した窒化超多層被膜から構成されている。上下に隣接する窒化単位層同士は組成比が異なったアルミニウムクロム窒化物であるから同種化合物単位層である。同種化合物同士は、単位層間の接触面で原子間力により結合し、その原子間力は単位層内部にまで作用するから、隣接する窒化単位層同士が原子間力で強力に結合する。従って、極めて強力に一体結合した超多層構造の中間層13を実現できる。
第3の積層被膜では、中間層13が第1中間層と第2中間層に分割され、第1中間層は前記窒化物被膜で構成され、第2中間層は窒化超多層被膜から構成されている。
また、これら第1~第3の全ての中間層において、選択される基材との親和性によっては既知の被膜技術である窒化チタン被膜(TiN)、窒化チタンアルミ被膜(TiAlN)、窒化クロム皮膜(CrN)等を中間層13として構成しても良く、更に成膜時の基盤バイアスを変化さ
せ、結晶構造を連続的に変化させることで基材と界面との密着力向上を実現しても良い。
The intermediate layer 13 has three modes. The first is a nitride coating, the second is a nitride super multilayer coating, and the third is a stack of nitride coating and nitride super multilayer coating. These are shown in FIG. 8, which will be described later.
From the viewpoint of adhesion between layers, the composition ratio of the first nitride coating is preferably in a range not far from the composition ratio of the oxynitride super multilayer coating 11 . Therefore, the composition formula of the nitride film is AlfCrgMhNi, and the composition ratios f, g, h, and i are atomic ratios, and 0.25 ≤ f ≤ 0.6, 0.1 ≤ g ≤ 0.37, 0 ≤ h ≤ 0.2, 0.15 ≤ i. ≤ 0.57 and f + g + h + i = 1 are satisfied, M is an additive element of one or more of Si, Hf, and B, and the additive element M is added or not added Includes case. AlCrMN is added and AlCrN is not added. It is thought that the additive element M is dissolved in aluminum chromium nitride, and has the effect of suppressing the coarsening of crystal grains, that is, the grains become finer. expected to improve. However, this is a secondary effect, and in the present invention, the above-mentioned mixed crystals of aluminum oxide and chromium nitride exhibit oxidation wear resistance, and as described above, the additive element It is not limited by the addition of M.
The second super multilayer nitride coating comprises a super multilayer nitride coating in which at least two types of nitride unit layers having different combinations of the composition ratios f, g, h, and i are laminated periodically or substantially periodically. . Nitride unit layers that are vertically adjacent to each other are aluminum chromium nitrides with different composition ratios, so they are unit layers of the same kind of compound. Homogeneous compounds are bonded by atomic force at the contact surfaces between the unit layers, and the atomic force acts even inside the unit layers, so that the adjacent nitrided unit layers are strongly bonded by the atomic force. Therefore, an intermediate layer 13 having a super-multilayered structure that is integrally bonded extremely strongly can be realized.
In the third multilayer coating, the intermediate layer 13 is divided into a first intermediate layer and a second intermediate layer, the first intermediate layer is composed of the nitride coating, and the second intermediate layer is composed of the nitride super multilayer coating. there is
In addition, in all of these first to third intermediate layers, depending on the compatibility with the selected substrate, known coating techniques such as titanium nitride coating (TiN), titanium aluminum nitride coating (TiAlN), and chromium nitride coating may be used. (CrN) or the like may be used as the intermediate layer 13, and the adhesion between the substrate and the interface may be improved by changing the substrate bias during film formation and continuously changing the crystal structure. good.

図4は、本発明に係る被覆物1の第4実施形態であり、酸窒化超多層被膜11と中間層13と窒化傾斜層14からなるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10を基材2に被覆した被覆物1の4段構成図である。
第4実施形態の特徴は、基材2と中間層13の間に窒化傾斜層14を介装したことである。基材2と酸窒化超多層被膜11と中間層13については図3で既に説明したから、茲では窒化傾斜層14について詳述する。
窒化傾斜層14が無い場合には、基材2の上面に中間層13が直接積層される。このとき基材2の上面と中間層13の下面が強固に結合すればよいが、その下面が基材上面と化学的親和性が弱い場合もある。このようなときに、窒化傾斜層14を間に挟み、窒化傾斜層14の下面の組成を基材上面と強固に結合するように組成比を調整し、窒化傾斜層14の上面の組成を中間層13の下面と強固に結合するように組成比を調整する。そして窒化傾斜層14の下面と上面の間の組成を連続的又は多層的に傾斜変化させれば、基材2と窒化傾斜層14と中間層13を三層で密結合させることができる。
当該窒化傾斜層14の組成式及び組成比の条件は、前記中間層13と密接合させるために、前記中間層13の窒化物被膜と同一である。即ち、窒化傾斜層14は組成式AlfCrgMhNiを有し、組成比f、g、h、iは原子比率であり、0.25≦f≦0.6、0.1≦g≦0.37、 0≦h≦0.2、 0.15≦i≦0.57且つf+g+h+i=1を満足しており、MはSi、Hf、Bのいずれか1種類以上の添加元素であり且つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合を含む。添加され
る場合がAlCrMNであり、添加されない場合がAlCrNである。添加元素Mは窒化アルミニウムクロムの中に固溶されることによって、結晶粒の粗大化を抑制する効果、すなわち結晶粒が微細化すると考えられ、これによって結晶内に圧縮応力が加わり耐摩耗性が向上すると考えられる。ただし、これは副次的な効果であって、本発明ではあくまでも上述の酸化アルミニウムと窒化クロムが混晶状態にある結晶によって耐酸化耐摩耗性を発現するものであり、前述のように添加元素Mの添加によって限定されるものではない。
特に、当該窒化傾斜層14の特徴は、前記基材2と前記中間層13の間において、前記組成比f、 g、 h、 iが前記組成比の範囲内において傾斜的に変化することである。また
、本発明である酸窒化アルミニウムクロムの性能を十分に発揮するために中間層を設けるのであって、基材との親和性によっては既知の被膜技術である窒化チタン被膜(TiN)、窒
化チタンアルミ被膜(TiAlN)、窒化クロム皮膜(CrN)等の組成を傾斜的に変化させ窒化傾斜層14として構成しても良い。
FIG. 4 shows a fourth embodiment of a coating 1 according to the present invention, in which a substrate 2 is coated with an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 comprising an oxynitride super multilayer coating 11, an intermediate layer 13, and a nitrided gradient layer 14. FIG. 2 is a four-stage configuration diagram of the coated article 1. FIG.
A feature of the fourth embodiment is that a nitride gradient layer 14 is interposed between the substrate 2 and the intermediate layer 13 . Since the base material 2, the oxynitride super multilayer coating 11 and the intermediate layer 13 have already been described with reference to FIG. 3, the nitriding gradient layer 14 will now be described in detail.
In the absence of the nitrided graded layer 14, the intermediate layer 13 is laminated directly on the upper surface of the substrate 2. FIG. At this time, the upper surface of the substrate 2 and the lower surface of the intermediate layer 13 should be strongly bonded, but the lower surface may have weak chemical affinity with the upper surface of the substrate. In such a case, the nitrided graded layer 14 is sandwiched between them, the composition ratio of the lower surface of the nitrided graded layer 14 is adjusted so as to be firmly bonded to the upper surface of the base material, and the composition of the upper surface of the nitrided graded layer 14 is adjusted to an intermediate composition. The composition ratio is adjusted so as to firmly bond with the lower surface of layer 13 . If the composition between the bottom surface and the top surface of the nitrided gradient layer 14 is varied continuously or in multiple layers, the substrate 2, the nitrided gradient layer 14, and the intermediate layer 13 can be tightly bonded in three layers.
The compositional formula and composition ratio of the nitrided graded layer 14 are the same as those of the nitride film of the intermediate layer 13 in order to achieve close bonding with the intermediate layer 13 . That is, the graded nitriding layer 14 has the composition formula AlfCrgMhNi, and the composition ratios f, g, h, and i are atomic ratios, 0.25≤f≤0.6, 0.1≤g≤0.37, 0≤h≤0.2, 0.15≤i. ≤ 0.57 and f + g + h + i = 1 are satisfied, M is an additive element of one or more of Si, Hf, and B, and the additive element M is added or not added including. AlCrMN is added and AlCrN is not added. It is thought that the additive element M is dissolved in aluminum chromium nitride, and has the effect of suppressing the coarsening of crystal grains, that is, the grains become finer. expected to improve. However, this is a secondary effect, and in the present invention, the above-mentioned mixed crystals of aluminum oxide and chromium nitride exhibit oxidation wear resistance, and as described above, the additive element It is not limited by the addition of M.
In particular, a feature of the nitrided gradient layer 14 is that the composition ratios f, g, h, and i between the base material 2 and the intermediate layer 13 change gradiently within the range of the composition ratios. . In addition, an intermediate layer is provided in order to fully exhibit the performance of the aluminum chromium oxynitride of the present invention. The nitrided gradient layer 14 may be formed by changing the composition of an aluminum film (TiAlN), a chromium nitride film (CrN), or the like in a gradient manner.

茲で、窒化傾斜層14については、図9で後述するが、2種類の実施態様がある。第1は、窒化傾斜層14は、前記組成比f、 g、 h、 iが連続的に変化しながら傾斜する窒化
傾斜連続被膜14xである。第2は、窒化傾斜層14は、前記組成比f、 g、 h、 iの組
合せが傾斜的に変化する2種類以上の窒化傾斜単位層(14a等)を積層した窒化傾斜多層被膜14yである。前記窒化傾斜連続被膜14xは、組成比が連続的に傾斜変化しながら堆積した窒化物被膜であり、多層性を有していない。他方、窒化傾斜多層被膜14yは窒化傾斜単位層が多層に積層された窒化物被膜であり、単一の窒化傾斜単位層内の組成比が積層されて行くに従って傾斜的に変化する窒化物被膜である。また、本発明である酸窒化アルミニウムクロムの性能を十分に発揮するために中間層を設けるのであって、基材との親和性によっては既知の被膜技術である窒化チタン被膜(TiN)、窒化チタンアルミ被膜(TiAlN)、窒化クロム皮膜(CrN)等で14xおよび14yを構成しても良い。
As for the nitrided graded layer 14, which will be described later with reference to FIG. 9, there are two types of embodiments. First, the nitrided graded layer 14 is a nitrided graded continuous film 14x in which the composition ratios f, g, h, and i are graded while continuously changing. Second, the nitrided gradient layer 14 is a nitrided gradient multi-layer film 14y in which two or more types of nitrided gradient unit layers (14a, etc.) whose combination of the composition ratios f, g, h, and i change gradiently are laminated. . The nitride gradient continuous film 14x is a nitride film deposited while the composition ratio is continuously graded, and does not have multi-layered properties. On the other hand, the graded nitrided multi-layer coating 14y is a nitrided coating in which the graded nitrided unit layers are stacked in multiple layers, and the composition ratio within a single graded nitrided unit layer changes in a graded manner as it is stacked. be. In addition, an intermediate layer is provided in order to fully exhibit the performance of the aluminum chromium oxynitride of the present invention. 14x and 14y may be composed of an aluminum coating (TiAlN), a chromium nitride coating (CrN), or the like.

図5は、本発明に係る被覆物1の第5実施形態であり、酸窒化超多層被膜11と酸窒化傾斜層12と中間層13からなるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10を基材2に被覆した被覆物1の4段構成図である。
既に、図3において、酸窒化超多層被膜11と中間層13と基材2の3段構成を説明した。第5実施形態の特徴は、前記酸窒化超多層被膜11と前記中間層13の間に図2で説明した酸窒化傾斜層12を介装させることである。
前述したように、酸窒化傾斜層12の組成は、酸窒化超多層被膜11の組成とほぼ同一である。即ち、当該酸窒化傾斜層12は組成式AlaCrbMcOdNeを有し、組成比a、b、c、d、eは原子比率であり、0.2≦a≦0.45、0.02≦b≦0.2、0≦c≦0.2、0≦d≦0.5、0.1≦e≦0.4且つa+b+c+d+e=1を満足しており、特にdに関しては0at%から前記酸窒化多層被膜の組成比範囲50at%まで(0≦d≦0.5)を含むこととする。MはSi、Hf、Bのいずれか1種類以上の添加元素であり且つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合を含んでいる。添加
される場合がAlCrMONであり、添加されない場合がAlCrONである。添加元素Mは酸窒化アルミニウムクロムに添加されることによって、結晶粒の粗大化を抑制する効果が発揮すると考えられる。すなわち結晶粒が微細化することで、結晶内に圧縮応力が加わり耐摩耗性が向上する。ただし、これは副次的な効果であって、本発明ではあくまでも上述の酸化アルミニウムと窒化クロムが混晶状態にある結晶によって耐酸化耐摩耗性を発現するものであり、前述のように添加元素Mの添加によって限定されるものではない。特に、当該酸窒化
傾斜層12の特徴は、前記中間層13と前記酸窒化超多層被膜11の間において、前記組成比a、b、c、d、eが前記組成比の範囲内において傾斜的に変化することである。
酸窒化傾斜層12が無い場合には、中間層13の上面に酸窒化超多層被膜11が直接積層される。このとき中間層13の上面と酸窒化超多層被膜11の下面が強固に結合すればよいが、酸窒化超多層被膜11の下面の化学的親和性が中間層上面に対し弱い場合もある。このようなときに、酸窒化傾斜層12を間に挟み、酸窒化傾斜層12の下面の組成を中間層上面と強固に結合するように前記組成比を調整し、酸窒化傾斜層12の上面の組成を酸窒化超多層被膜11の下面と強
固に結合するように前記組成比を調整することができる。そして酸窒化傾斜層12の下面と上面の間の組成を連続的又は多層的に傾斜変化させれば、中間層13と酸窒化傾斜層12と酸窒化超多層被膜11が三層で密結合したAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10を実現することが可能になる。また、本発明である酸窒化アルミニウムクロムの性能を十分に発揮するために中間層を設けるのであって、基材との親和性によっては既知の被膜技術である窒化チタン被膜(TiN)、窒化チタンアルミ被膜(TiAlN)、窒化クロム皮膜(CrN)等で中間層1
3を構成しても良い。
FIG. 5 shows a fifth embodiment of a coating 1 according to the present invention, in which an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 comprising an oxynitride super multilayer coating 11, an oxynitride gradient layer 12, and an intermediate layer 13 is applied to a substrate 2. FIG. 4 is a four-stage diagram of a coated coating 1;
The three-stage configuration of the oxynitride super multilayer coating 11, the intermediate layer 13, and the base material 2 has already been described with reference to FIG. A feature of the fifth embodiment is that the oxynitride gradient layer 12 explained in FIG.
As described above, the composition of the oxynitride graded layer 12 is substantially the same as the composition of the oxynitride super multilayer coating 11 . That is, the oxynitride graded layer 12 has a composition formula of AlaCrbMcOdNe, and composition ratios a, b, c, d, and e are atomic ratios, and 0.2≦a≦0.45, 0.02≦b≦0.2, and 0≦c≦0.2. , 0 ≤ d ≤ 0.5, 0.1 ≤ e ≤ 0.4 and a+b+c+d+e=1 are satisfied, especially regarding d, from 0 at% to 50 at% of the composition ratio range of the oxynitride multilayer coating ( 0≤d≤0.5). M is an additive element of one or more of Si, Hf, and B, and the additive element M may or may not be added. AlCrMON is added and AlCrON is not added. It is considered that the addition of the additive element M to aluminum chromium oxynitride exerts an effect of suppressing coarsening of crystal grains. That is, as the crystal grains become finer, compressive stress is applied to the crystals, thereby improving wear resistance. However, this is a secondary effect, and in the present invention, the above-mentioned mixed crystals of aluminum oxide and chromium nitride exhibit oxidation wear resistance, and as described above, the additive element It is not limited by the addition of M. In particular, the oxynitride graded layer 12 is characterized in that the composition ratios a, b, c, d, and e are graded within the composition ratio range between the intermediate layer 13 and the oxynitride super multilayer coating 11. is to change to
If the oxynitride graded layer 12 is absent, the oxynitride super multilayer coating 11 is directly laminated on the upper surface of the intermediate layer 13 . At this time, the upper surface of the intermediate layer 13 and the lower surface of the oxynitride super multilayer coating 11 should be firmly bonded, but the chemical affinity of the lower surface of the oxynitride super multilayer coating 11 may be weak with respect to the upper surface of the intermediate layer. In such a case, the oxynitride graded layer 12 is interposed therebetween, and the composition ratio is adjusted so that the composition of the lower surface of the oxynitride graded layer 12 is firmly combined with the upper surface of the intermediate layer. The composition ratio can be adjusted so that the composition of is strongly bonded to the lower surface of the oxynitride super multilayer coating 11 . By changing the composition between the bottom surface and the top surface of the oxynitride gradient layer 12 continuously or in multiple layers, the intermediate layer 13, the oxynitride gradient layer 12, and the oxynitride super-multilayer coating 11 are tightly coupled in three layers. It becomes possible to realize an AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 . In addition, an intermediate layer is provided in order to fully exhibit the performance of the aluminum chromium oxynitride of the present invention. Intermediate layer 1 with aluminum coating (TiAlN), chromium nitride coating (CrN), etc.
3 may be configured.

当該酸窒化傾斜層12の構成には、図9で後述するように、2種類の実施態様がある。第1に、前記組成比a、b、c、d、eが連続的に変化しながら傾斜する酸窒化傾斜連続被膜
12xである。第2に、前記組成比a、 b、 c、 d、 eの組合せが傾斜的に変化する2種
類以上の酸窒化傾斜単位層を積層した酸窒化傾斜多層被膜12yである。
前記酸窒化傾斜連続被膜12xは、組成比が連続的に傾斜変化しながら堆積した酸窒化物被膜であり、多層性を有していない。他方、酸窒化傾斜多層被膜12yは酸窒化傾斜単位層が多層に積層された酸窒化物被膜であり、単一の酸窒化傾斜単位層内の組成比が積層されて行くに従って傾斜的に変化する酸窒化物被膜
である。
As will be described later with reference to FIG. 9, there are two modes for the configuration of the oxynitride graded layer 12 . The first is the oxynitride gradient continuous film 12x in which the composition ratios a, b, c, d, and e are graded while continuously changing. The second is a graded oxynitride multilayer film 12y in which two or more types of oxynitride graded unit layers are laminated in which the combination of the composition ratios a, b, c, d, and e changes in a graded manner.
The continuous gradient oxynitride film 12x is an oxynitride film deposited while the composition ratio is continuously changed in gradient, and does not have multi-layered properties. On the other hand, the oxynitride graded multilayer coating 12y is an oxynitride coating in which oxynitride graded unit layers are stacked in multiple layers, and the composition ratio in a single oxynitride graded unit layer changes in a graded manner as it is stacked. It is an oxynitride film.

図6は、本発明に係る被覆物1の第6実施形態であり、酸窒化超多層被膜11と酸窒化傾斜層12と中間層13と窒化傾斜層14からなるAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10を基材2に被覆した被覆物1の5段構成図である。
既に、本発明の第4実施形態である図4で詳述したように、酸窒化超多層被膜11と中間層13と窒化傾斜層14と基材2からなる4段構成の被覆物1が存在する。この4段構成の被覆物1の中で、酸窒化超多層被膜11と中間層13の間に酸窒化傾斜層12を介装するだけで当該第6実施形態になる。
当該酸窒化傾斜層12については、図5で説明したが、茲では第6実施形態として再記する。まず、酸窒化傾斜層12の組成は、酸窒化超多層被膜11の組成と同一である。即ち、当該酸窒化傾斜層12は組成式AlaCrbMcOdNeを有し、組成比a、b、c、d、eは原子比
率であり、0.2≦a≦0.45、0.02≦b≦0.2、0≦c≦0.2、0≦d≦0.5、0.1≦e≦0.4且つa+b+c+d+e=1を満足しており、dに関しては0at%から前記酸窒化多層被膜の組成比範囲50at%まで(0≦d≦0.5)を含むこととする。MはSi、Hf、Bのいずれか1種類以上の添加元素であり且
つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合を含んでいる。添加される場合がAlCrMONであり、添加されない場合がAlCrONである。添加元素Mは窒化アルミニウムクロム
の中に固溶されることによって、結晶粒の粗大化を抑制する効果、すなわち結晶粒が微細化すると考えられ、これによって結晶内に圧縮応力が加わり耐摩耗性が向上すると考えられる。ただし、これは副次的な効果であって、本発明ではあくまでも上述の酸化アルミニウムと窒化クロムが混晶状態にある結晶によって耐酸化耐摩耗性を発現するものであり、前述のように添加元素Mの添加によって限定されるものではない。特に、当該酸窒化傾斜
層12の特徴は、前記中間層13と前記酸窒化超多層被膜11の間において、前記組成比a、b、c、d、eが前記組成比の範囲内において傾斜的に変化することである。また、本発
明である酸窒化アルミニウムクロムの性能を十分に発揮するために中間層を設けるのであって、基材との親和性によっては既知の被膜技術である窒化チタン被膜(TiN)、窒化チタ
ンアルミ被膜(TiAlN)、窒化クロム皮膜(CrN)等で中間層13を構成しても良い。
FIG. 6 shows a sixth embodiment of a coating 1 according to the present invention, an AlCr oxidation wear resistant coating 10 comprising an oxynitride super multilayer coating 11, an oxynitride graded layer 12, an intermediate layer 13 and a nitride graded layer 14. is a five-stage configuration diagram of a coating 1 in which a base material 2 is coated with.
As already described in detail with reference to FIG. 4, which is the fourth embodiment of the present invention, there is already a coating 1 having a four-stage configuration consisting of an oxynitride super multilayer coating 11, an intermediate layer 13, a nitrided gradient layer 14, and a substrate 2. do. The sixth embodiment can be realized only by inserting the oxynitride gradient layer 12 between the oxynitride super multilayer coating 11 and the intermediate layer 13 in the coating 1 having the four-stage structure.
Although the oxynitride gradient layer 12 has been described with reference to FIG. 5, it will be described again as the sixth embodiment. First, the composition of the oxynitride graded layer 12 is the same as the composition of the oxynitride super multilayer coating 11 . That is, the oxynitride graded layer 12 has a composition formula of AlaCrbMcOdNe, and composition ratios a, b, c, d, and e are atomic ratios, and 0.2≦a≦0.45, 0.02≦b≦0.2, and 0≦c≦0.2. , 0 ≤ d ≤ 0.5, 0.1 ≤ e ≤ 0.4 and a+b+c+d+e=1. ≤ d ≤ 0.5). M is an additive element of one or more of Si, Hf, and B, and the additive element M may or may not be added. AlCrMON is added and AlCrON is not added. It is thought that the additive element M is dissolved in aluminum chromium nitride, and has the effect of suppressing the coarsening of crystal grains, that is, the grains become finer. expected to improve. However, this is a secondary effect, and in the present invention, the above-mentioned mixed crystals of aluminum oxide and chromium nitride exhibit oxidation wear resistance, and as described above, the additive element It is not limited by the addition of M. In particular, the oxynitride graded layer 12 is characterized in that the composition ratios a, b, c, d, and e are graded within the composition ratio range between the intermediate layer 13 and the oxynitride super multilayer coating 11. is to change to In addition, an intermediate layer is provided in order to fully exhibit the performance of the aluminum chromium oxynitride of the present invention. The intermediate layer 13 may be composed of an aluminum coating (TiAlN), a chromium nitride coating (CrN), or the like.

当該酸窒化傾斜層12の構成には、図9で後述するように、2種類の実施態様がある。第1に、前記組成比a、b、c、d、eが連続的に変化しながら傾斜する酸窒化傾斜連続被膜
12xである。第2に、前記組成比a、 b、 c、 d、 eの組合せが傾斜的に変化する2種
類以上の酸窒化傾斜単位層(12a等)を積層した酸窒化傾斜多層被膜12yである。
前記酸窒化傾斜連続被膜12xは、組成比が連続的に傾斜変化しながら堆積した酸窒化物被膜であり、多層性を有していない。他方、酸窒化傾斜多層被膜12yは酸窒化傾斜単位層が多層に積層された酸窒化物被膜であり、単一の酸窒化傾斜単位層内の組成比が積層されて行くに従って傾斜的に変化する酸窒化物被膜である。
As will be described later with reference to FIG. 9, there are two modes for the configuration of the oxynitride graded layer 12 . The first is the oxynitride gradient continuous film 12x in which the composition ratios a, b, c, d, and e are graded while continuously changing. The second is a graded oxynitride multi-layer coating 12y in which two or more types of graded oxynitride unit layers (12a, etc.) whose combination of the composition ratios a, b, c, d, and e change in a graded manner are laminated.
The continuous gradient oxynitride film 12x is an oxynitride film deposited while the composition ratio is continuously changed in gradient, and does not have multi-layered properties. On the other hand, the oxynitride graded multilayer coating 12y is an oxynitride coating in which oxynitride graded unit layers are stacked in multiple layers, and the composition ratio in a single oxynitride graded unit layer changes in a graded manner as it is stacked. It is an oxynitride film.

図7は、本発明において、酸窒化超多層被膜11を構成する2種類以上の酸窒化単位層の積層が周期的な場合(7A)と略周期的な場合(7B)・(7C)を示す酸窒化超多層被膜11の構成図である。
図(7A)では、酸窒化超多層被膜11を構成する2種類の酸窒化単位層の積層が周期的な場合が示されている。図中、2種類の酸窒化単位層11a、11bが11a、11b、11a、11b・・・11a、11bと完全に周期的に積層されている。3種類や4種類の酸窒化単位層でも同様に周期化できる。
図(7B)では、酸窒化超多層被膜11を構成する3種類の酸窒化単位層の積層が略周期的な場合が示されている。図中、3種類の酸窒化単位層11a、11b、11cが11a、11b、11a、11b、11c、11a、11b・・・11a、11bのように積層され、途中に酸窒化単位層11cが入って周期性が不完全になる。従って、略周期的な積層が示されている。
図(7C)では、酸窒化超多層被膜11を構成する3種類の酸窒化単位層の積層が略周期的な場合が示されている。図中、3種類の酸窒化単位層11a、11b、11cが11a、11b、11c、11a、11b、11a、11b、11c・・・11a、11b、11cのように積層され、途中で酸窒化単位層11cが欠落して周期性が不完全になる。従って、略周期的な積層が示されている。
本発明では、酸窒化単位層が略周期的に積層されていても、70%以上の周期性があれば本発明の技術的効果を奏することができる。
FIG. 7 shows the cases (7A) and (7B) and (7C) where the lamination of two or more types of oxynitride unit layers constituting the oxynitride super multilayer coating 11 is periodic in the present invention. 1 is a configuration diagram of an oxynitride super multilayer coating 11. FIG.
FIG. 7A shows a case where two types of oxynitride unit layers forming the oxynitride super multilayer coating 11 are stacked periodically. In the figure, two kinds of oxynitride unit layers 11a and 11b are completely and periodically laminated as 11a, 11b, 11a, 11b, . . . 11a, 11b. Periodization can be similarly performed with three or four types of oxynitride unit layers.
FIG. 7B shows a case where three types of oxynitride unit layers forming the oxynitride super multilayer coating 11 are stacked in a substantially periodic manner. In the figure, three kinds of oxynitride unit layers 11a, 11b, 11c are laminated like 11a, 11b, 11a, 11b, 11c, 11a, 11b, . imperfect periodicity. Therefore, a substantially periodic stacking is shown.
FIG. 7C shows a case where the lamination of three types of oxynitride unit layers constituting the oxynitride super multilayer coating 11 is substantially periodic. In the drawing, three types of oxynitride unit layers 11a, 11b, 11c are laminated in the manner of 11a, 11b, 11c, 11a, 11b, 11a, 11b, 11c, . The layer 11c is missing and the periodicity is imperfect. Therefore, a substantially periodic stacking is shown.
In the present invention, even if the oxynitride unit layers are laminated substantially periodically, the technical effects of the present invention can be obtained as long as the periodicity is 70% or more.

図8は、本発明において、中間層13が窒化物被膜13xの場合(8A)と、窒化超多層被膜13yの場合(8B)と、窒化物被膜13xと窒化超多層被膜13yの積層被膜の場合(8C)を示す中間層13の構成図である。
図(8A)では、中間層13の全体が窒化物被膜13xで構成され、多層性を有していない。
図(8B)では、中間層13の全体が窒化超多層被膜13yで構成されている。当該窒化超多層被膜13yとして、窒化単位層の積層が周期的な場合と70%以上の周期性を有する略周期的な場合がある。特に、図(8B)では、2種類の窒化単位層の積層が周期的な場合が示されている。図中、と完全に周期的に積層されている。3種類以上の窒化単位層でも同様に周期化できる。
また、図示はされていないが、略周期的な場合も存在する。例えば、窒化単位層が13a、13b、13c、13a、13b・・・13a、13bのように一部不規則になる場合もある。しかし、全体として70%以上の周期性があれば、本発明の技術的効果を奏することができる。
図(8C)では、中間層13が第1中間層と第2中間層に2分され、第1中間層は多層性の無い図8Aの窒化物被膜13xで構成され、第2中間層は周期的又は略周期的な図8Bの窒化超多層被膜13yから構成されている。また、本発明である酸窒化アルミニウムクロムの性能を十分に発揮するために中間層を設けるのであって、基材との親和性によっては既知の被膜技術である窒化チタン被膜(TiN)、窒化チタンアルミ被膜(TiAlN)、窒化クロム皮膜(CrN)等で13xおよび13yを構成しても良い。
FIG. 8 shows the case where the intermediate layer 13 is the nitride film 13x in the present invention (8A), the case of the nitride super multilayer film 13y (8B), and the case of the laminated film of the nitride film 13x and the nitride super multilayer film 13y. 8C is a configuration diagram of the intermediate layer 13 showing (8C). FIG.
In FIG. 8A, the entire intermediate layer 13 is composed of the nitride film 13x and does not have multilayer properties.
In FIG. 8B, the entire intermediate layer 13 is composed of the nitride super multilayer coating 13y. As the nitrided super multi-layer coating 13y, there are cases where the stacking of nitrided unit layers is periodic and cases where the nitrided unit layer is substantially periodic with a periodicity of 70% or more. In particular, FIG. (8B) shows the case where the lamination of two types of nitriding unit layers is periodic. In the figure, and are completely cyclically stacked. Three or more types of nitriding unit layers can be similarly periodicized.
Moreover, although not shown, there is also a substantially periodic case. For example, the nitride unit layer may be partially irregular such as 13a, 13b, 13c, 13a, 13b, . . . 13a, 13b. However, if there is a periodicity of 70% or more as a whole, the technical effects of the present invention can be obtained.
In FIG. 8C, the intermediate layer 13 is divided into a first intermediate layer and a second intermediate layer, the first intermediate layer is composed of the nitride film 13x of FIG. The nitride super multi-layer coating 13y of FIG. 8B is formed periodically or substantially periodically. In addition, an intermediate layer is provided in order to fully exhibit the performance of the aluminum chromium oxynitride of the present invention. 13x and 13y may be composed of an aluminum coating (TiAlN), a chromium nitride coating (CrN), or the like.

図9は、本発明において、酸窒化傾斜層12が酸窒化傾斜連続被膜12xの場合(9A)と酸窒化傾斜多層被膜12yの場合(9B)、並びに窒化傾斜層14が窒化傾斜連続被膜14xの場合(9C)と窒化傾斜多層被膜14yの場合(9D)を示す傾斜層12・14の構成図である。
図9Aでは、酸窒化傾斜層12が多層性を有さない酸窒化傾斜連続被膜12xの場合が示されている。酸窒化物としてその組成比が底面から上面に至るまで連続的に傾斜しながら変化している。
図9Bでは、酸窒化傾斜層12が多層性を有した酸窒化傾斜多層被膜12yの場合が示されている。酸窒化傾斜多層被膜12yは、その下面から上面に至るまで酸窒化傾斜単位層が12a、12b・・・12nのように積層されている。単一の酸窒化傾斜単位層の内部の組成比は同一であり、下面から上面に至るまで酸窒化傾斜単位層毎に次第に組成比が傾斜的に変化するのである。
図9Cでは、窒化傾斜層14が多層性を有さない窒化傾斜連続被膜14xの場合が示されている。窒化物としてその組成比が底面から上面に至るまで連続的に傾斜しながら変化している。
図9Dでは、窒化傾斜層14が多層性を有した窒化傾斜多層被膜14yの場合が示されている。窒化傾斜多層被膜14yは、その下面から上面に至るまで窒化傾斜単位層が14a、14b・・・14nのように積層されている。単一の窒化傾斜単位層の内部の組成比は同一であり、下面から上面に至るまで窒化傾斜単位層毎に次第に組成比が傾斜的に変化するのである。
9A and 9B show the case where the oxynitride graded layer 12 is the oxynitride graded continuous film 12x and the oxynitride graded multilayer coating 12y (9B), and the nitride graded layer 14 is the nitridation graded continuous film 14x in the present invention. FIG. 9C is a configuration diagram of the graded layers 12 and 14 showing the case (9C) and the case (9D) of the nitrided graded multilayer coating 14y.
FIG. 9A shows the case where the oxynitride graded layer 12 is an oxynitride graded continuous film 12x that does not have multilayer properties. As an oxynitride, the composition ratio changes while continuously sloping from the bottom surface to the top surface.
FIG. 9B shows the case where the oxynitride graded layer 12 is an oxynitride graded multilayer film 12y having multiple layers. The oxynitride graded multilayer coating 12y has oxynitride graded unit layers 12a, 12b, . . . 12n stacked from the bottom to the top. The composition ratio inside a single oxynitride graded unit layer is the same, and the composition ratio gradually changes in a graded manner from the bottom surface to the top surface of each oxynitride graded unit layer.
FIG. 9C shows the case where the nitrided graded layer 14 is a nitrided graded continuous film 14x without multi-layers. As a nitride, the composition ratio changes while continuously sloping from the bottom surface to the top surface.
FIG. 9D shows the case where the nitrided graded layer 14 is a nitrided graded multilayer film 14y having multiple layers. The nitrided graded multilayer film 14y has nitrided graded unit layers 14a, 14b, . . . The composition ratio inside a single nitrided graded unit layer is the same, and the composition ratio gradually changes in a graded manner for each nitrided graded unit layer from the lower surface to the upper surface.

<製造方法>
本発明品は成膜方法において制限を受けるものではない。しかし、本発明品を成膜する方法としては物理蒸着法による成膜が望ましい。物理蒸着法は緻密で結晶性のある膜を形成することが可能な手法で、成膜中の温度も600℃程度以下であるから、鉄系の焼鈍や焼き戻し等の基材の劣化を抑制出来るため、比較的幅広い材料に適用することが可能である。その他の利点として、本発明に係る酸窒化アルミニウムクロムを構成するためのアルミニウムクロム合金ターゲットが一般的に出回っており入手性が良いこと、更にアルミニウムクロム合金ターゲットに各種元素を添加することで比較的容易に酸窒化アルミニウムクロム皮膜に添加元素を含有出来ることが挙げられる。
<Manufacturing method>
The product of the present invention is not subject to any restrictions in the film forming method. However, as a method for forming the film of the present invention, the film formation by the physical vapor deposition method is desirable. The physical vapor deposition method is a method that can form a dense and crystalline film, and the temperature during film formation is about 600 ° C or less, so deterioration of the base material such as iron-based annealing and tempering is suppressed. Therefore, it can be applied to a relatively wide range of materials. As other advantages, aluminum-chromium alloy targets for forming the aluminum chromium oxynitride according to the present invention are generally available and are readily available. It is mentioned that the additive element can be easily contained in the aluminum chromium oxynitride film.

物理蒸着法にはスパッタリング法やアークイオンプレーティング法などが存在する。アークイオンプレーティング法はスパッタリング法に比べてイオン化率が高いため成膜速度が速く、生産性も高い。一方でスパッタリング法は平滑な表面が得られ、加工品の仕上げ面精度が良くなる利点があるが、成膜速度が遅く生産性では劣る。本発明品ではどちらの手法を用いることも可能である。
本発明品をアークイオンプレーティング法やその他成膜方法によって形成する場合、既知である具体的条件は特に限定なく使用出来るものである。
Physical vapor deposition includes a sputtering method, an arc ion plating method, and the like. Since the arc ion plating method has a higher ionization rate than the sputtering method, the film formation speed is high and the productivity is also high. On the other hand, the sputtering method has the advantage of obtaining a smooth surface and improving the accuracy of the finished surface of the processed product, but the deposition rate is slow and the productivity is inferior. Either method can be used in the product of the present invention.
When the product of the present invention is formed by the arc ion plating method or other film forming methods, known specific conditions can be used without particular limitation.

特に本発明では、耐酸化性且つ耐摩耗性が発現できる酸窒化アルミニウムクロム皮膜を成膜するため、物理蒸着法の中でも、アークイオンプレーティング法によって成膜されることが好ましい。従って、上記被膜はアークイオンプレーティング法、又はフィルタードアークイオンプレーティング法で成膜することを特徴とする。
茲で、アークイオンプレーティング法(即ち、AIP 法)とは、真空雰囲気において、カソード(陰極)であるターゲット(皮膜形成材料)とアノード(陽極)との間で真空アーク放電を発生させ、ターゲット表面から材料 を蒸発させてイオン化し、負のバイアス電
圧を印加したワー ク(被コーティング物)表面にイオンを堆積させることにより、皮膜
を形成する薄膜コーティング方法である。
また、フィルタードアークイオンプレーティング法(即ち、FAIP 法)とは、上記AIP法で生成した真空アークプラズマ中からドロップレットを除去し、クリーンにしたプラズマ
で成膜を行う方法である。 一般に、フィルタードアーク蒸着法(FAD:Filtered Arc Deposition)又はフィルタードアークイオンプレーティング法(上記FAIP 法)等と呼ばれる。
Particularly in the present invention, in order to form an aluminum chromium oxynitride film capable of exhibiting oxidation resistance and wear resistance, it is preferable to form the film by the arc ion plating method among the physical vapor deposition methods. Therefore, the film is characterized by being formed by the arc ion plating method or the filtered arc ion plating method.
In the arc ion plating method (that is, the AIP method), in a vacuum atmosphere, a vacuum arc discharge is generated between a target (film forming material) that is a cathode (cathode) and an anode (anode), and the target This is a thin-film coating method in which a film is formed by evaporating and ionizing materials from the surface and depositing ions on the surface of a workpiece (object to be coated) to which a negative bias voltage is applied.
The filtered arc ion plating method (that is, the FAIP method) is a method in which droplets are removed from the vacuum arc plasma generated by the AIP method, and film formation is performed using the cleaned plasma. Generally, it is called Filtered Arc Deposition (FAD) or Filtered Arc Ion Plating (FAIP).

以下、本発明品である被膜の実施例と成膜装置について詳細に説明する。
<被膜構成:図3の基材+中間層+酸窒化超多層被膜>
本発明品の実施例として製造される被膜は、上述した図3の被膜、即ち基材2+中間層13+酸窒化超多層被膜11(外層被膜層)である。
勿論、図4のように中間層13の下側に窒化傾斜層14を設けても良く、また図5のように中間層13の上側に酸窒化傾斜層12を設けても良く、更に図6のように中間層13の下側に窒化傾斜層14を設け且つ上側に酸窒化傾斜層12を設けても良い。また、中間層13に関しては必ずしも必要では無く、図1のように基材2+酸窒化超多層被膜11でも良いし、図2のように基材2+酸窒化傾斜層12+酸窒化超多層被膜11でも良いことは当然である。
後述の実施例においては、本発明出願人の既存被膜との比較の為、基材2+中間層13+酸窒化超多層被膜11(外層被膜層)を用いる。
Examples of coating films according to the present invention and a film forming apparatus will be described in detail below.
<Coating structure: base material + intermediate layer + oxynitride super multilayer coating in Fig. 3>
The coating produced as an example of the product of the present invention is the coating of FIG. 3 described above, that is, the substrate 2+intermediate layer 13+oxynitride super multilayer coating 11 (outer layer coating layer).
Of course, the nitrided graded layer 14 may be provided below the intermediate layer 13 as shown in FIG. 4, and the oxynitride graded layer 12 may be provided above the intermediate layer 13 as shown in FIG. The nitrided graded layer 14 may be provided on the lower side of the intermediate layer 13 and the oxynitride graded layer 12 may be provided on the upper side as shown in FIG. In addition, the intermediate layer 13 is not necessarily required, and may be the substrate 2 + the oxynitride super multilayer coating 11 as shown in FIG. Of course it's good.
In the examples described later, the substrate 2 + intermediate layer 13 + oxynitride super multilayer coating 11 (outer coating layer) is used for comparison with the existing coating of the applicant of the present invention.

<成膜装置:アークイオンプレーティング装置>
図10は、本発明に係るAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10を基材2に成膜するための成膜装置構成模式図である。
本発明品を成膜するために使用した成膜装置は既知のアークイオンプレーティング装置20である。真空チャンバ21には真空排気システム22が接続されている。当該真空排気システム22には、粗排気用のロータリーポンプRP、高排気用のターボ分子ポンプTMPとクライオポンプCPが接続されている。成膜可能な到達真空(約5.0×10-3Pa)以下まで排気し、保持できるようになっている。
真空チャンバ21には、加熱用ヒーター23、成膜前のボンバードトリートメント(基
材表面のクリーニング)用のフィラメント放電システム24、電圧を印加してアルミニウ
ムクロムターゲットからイオンを引き出すためアーク放電用電源25a~25dに接続されたA~Dのカソードシステム25が設けられている。A~Dのカソードシステム25の夫々には、上下方向にターゲットを3個ずつ設置が可能である。
そして、基材2を取付けて回転させる回転基盤機構26が搭載されている。当該回転基盤機構26には、矢印a方向に回転する大テーブル26aの上に連動して矢印c方向に回転する6本の軸26cがセットされている。各軸26cには回転する小円盤26bが搭載されており、その小円盤26bにスプロケットを搭載して矢印b方向に回転させることが出来る。更に、当該回転基盤機構26にはバイアス電源26dが接続されており、負のバイアス電圧を印加することが出来るようになっている。また、真空チャンバ21の内部に反応用ガス(窒素、酸素、アルゴン)を導入するガス導入用システム27が配置されている。当該ガス導入用システム27はガス配管、ガス用ストップバルブ、ガスボンベを含み、ガス導入用ポートも接続されている。従って、必要に応じたガス種を流量調整しつつ導入することで被膜の窒素量、酸素量の調整を行うことが出来るようになっている。
<Deposition equipment: Arc ion plating equipment>
FIG. 10 is a schematic diagram of a film forming apparatus for forming the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 according to the present invention on the substrate 2. As shown in FIG.
A known arc ion plating apparatus 20 is used as a film forming apparatus for forming the film of the present invention. An evacuation system 22 is connected to the vacuum chamber 21 . A rotary pump RP for rough evacuation, a turbo-molecular pump TMP for high evacuation, and a cryopump CP are connected to the evacuation system 22 . It can be evacuated to a film-forming ultimate vacuum (approximately 5.0×10 -3 Pa) or less and maintained.
The vacuum chamber 21 includes a heater 23 for heating, a filament discharge system 24 for bombardment treatment (cleaning of the substrate surface) before film formation, and an arc discharge power source 25a to extract ions from the aluminum chromium target by applying voltage. A cathode system 25 AD connected to 25d is provided. Each of the cathode systems 25 A to D can be provided with three targets in the vertical direction.
A rotating base mechanism 26 for mounting and rotating the base material 2 is mounted. In the rotation base mechanism 26, six shafts 26c rotating in the direction of arrow c are set on a large table 26a rotating in the direction of arrow a. A rotating small disk 26b is mounted on each shaft 26c, and a sprocket can be mounted on the small disk 26b to rotate in the direction of arrow b. Further, a bias power supply 26d is connected to the rotating base mechanism 26 so that a negative bias voltage can be applied. Further, a gas introduction system 27 for introducing reaction gases (nitrogen, oxygen, argon) is arranged inside the vacuum chamber 21 . The gas introduction system 27 includes a gas pipe, a gas stop valve, and a gas cylinder, and is also connected to a gas introduction port. Therefore, the amount of nitrogen and the amount of oxygen in the film can be adjusted by introducing the gas species according to need while adjusting the flow rate.

成膜の前段階である脱ガス処理を兼ねて、加熱用ヒーター23を用いて450℃の加熱を120分間行った。次にボンバード工程としてアルゴンガスをチャンバ内圧力2.6Paになるように導入した。その後フィラメント放電システム24に40V、回転基盤機構26に400~500Vの負の電圧を印加してプラズマを発生させ、基材表面のクリーニングを行った。 Heating at 450° C. was performed for 120 minutes using the heater 23 for heating, also serving as a degassing process that is a pre-stage of film formation. Next, as a bombardment process, argon gas was introduced so that the pressure inside the chamber was 2.6 Pa. Thereafter, a negative voltage of 40 V was applied to the filament discharge system 24 and a negative voltage of 400 to 500 V was applied to the rotating base mechanism 26 to generate plasma and clean the substrate surface.

図11は、本発明に係るAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10の製造実験例に使用したターゲット組成比一覧及び実験例で成膜した被膜一覧を表1・2にまとめた一覧図である。
表1は、本発明品である酸窒化アルミニウムクロム皮膜を形成するために用いた5種類
の組成比を有したアルミニウムクロム合金ターゲットを示している。この中から組成比の違うターゲットを2種類組合せて、図3に示すような基材2+中間層13+酸窒化超多層被膜11(外層被膜層)の構造を有する被膜を形成した。尚、基材2には一般的に普及しているSKH51材(高速度工具鋼)の12mm×12mm×5mmの正方形切削チップを用いた。
FIG. 11 is a list of target composition ratios used in production experimental examples of the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 10 according to the present invention and a list of coating films formed in the experimental examples in Tables 1 and 2. FIG.
Table 1 shows aluminum chromium alloy targets having five different composition ratios used for forming the aluminum chromium oxynitride film of the present invention. By combining two types of targets having different composition ratios among these targets, a coating having a structure of substrate 2+intermediate layer 13+oxynitride super multilayer coating 11 (outer coating layer) as shown in FIG. 3 was formed. For the substrate 2, a square cutting tip of 12 mm×12 mm×5 mm made of SKH51 material (high-speed tool steel), which is widely used, was used.

<中間層13の成膜:窒化超多層被膜13y>
ボンバードによる基材表面のクリーニング後、表1に示すターゲットの組合せを用いて
基材2への成膜を行った。 まず反応ガスとして窒素をチャンバ内圧力5.0Paになるよ
うに導入し、ターゲットを取り付けたA~Dのカソードシステムに150V、回転基盤機構26に50Vの負の電圧を印加した。これにより、アーク放電によってイオンを引き出して、基材2に中間層13となる窒化アルミニウムクロム多層膜(即ち、窒化超多層被膜13y)を堆積させる。
<酸窒化超多層被膜11の成膜>
その後、反応ガスとして窒素と酸素の混合ガスをチャンバ内圧力3.9Paになるように導入し、ターゲットを取り付けたA~Dのカソードシステムに150V、回転基盤機構26に75Vの電圧を印加した。これにより、中間層13の上に外層被膜層となる酸窒化アルミニウムクロム超多層膜(即ち、酸窒化超多層被膜11)を堆積させる。この時、基盤回転機構26を用いて基盤、即ち大テーブル26aと小円盤26bを回転させながら、2種類のターゲットを同時にアーク放電させることにより、本発明品が有する特徴である傾斜層を伴った超多層膜を成膜することが出来る。この時、基盤回転機構26の回転数を調整することで、超多層膜1層1層の厚みを調整することが可能である。尚、今回の成膜ではどの条件も大テーブル26aと小円盤26bの回転数、即ち基盤回転数を2rpmと設定した。
<Film Formation of Intermediate Layer 13: Nitride Super Multilayer Coating 13y>
After cleaning the surface of the base material by bombardment, a film was formed on the base material 2 using a combination of targets shown in Table 1. First, nitrogen was introduced as a reaction gas so that the pressure inside the chamber was 5.0 Pa, and a negative voltage of 150 V was applied to the cathode system A to D to which the targets were attached, and a negative voltage of 50 V was applied to the rotating base mechanism 26 . As a result, ions are drawn out by arc discharge to deposit an aluminum chromium nitride multilayer film (that is, a nitride super multilayer film 13y) as the intermediate layer 13 on the substrate 2 .
<Deposition of Oxynitride Super Multilayer Coating 11>
After that, a mixed gas of nitrogen and oxygen was introduced as a reaction gas so that the pressure inside the chamber was 3.9 Pa, and a voltage of 150 V was applied to the cathode system A to D to which the targets were attached, and a voltage of 75 V was applied to the rotating base mechanism 26 . As a result, an aluminum chromium oxynitride super multilayer film (that is, a super multilayer oxynitride film 11) is deposited on the intermediate layer 13 as an outer film layer. At this time, the substrate rotating mechanism 26 is used to rotate the substrate, that is, the large table 26a and the small disk 26b, and the two types of targets are simultaneously arc-discharged, thereby forming a sloped layer, which is a feature of the product of the present invention. A super multilayer film can be formed. At this time, by adjusting the number of revolutions of the substrate rotation mechanism 26, it is possible to adjust the thickness of each layer of the super multilayer film. In this film formation, the number of rotations of the large table 26a and the small disc 26b, that is, the number of rotations of the substrate, was set to 2 rpm under all conditions.

このようにして、図11の表2に示される実施例1~5と比較例1~3の被膜が成膜された。実施例1~5では、酸窒化AlCr層が酸窒化AlCr超多層、即ち本発明の酸窒化超多層被膜11である。 比較例1では酸窒化AlCr層が酸窒化AlCr単層、比較例2では酸窒化AlCr層が酸窒化AlCrSi単層であり、共に本発明とは異なる。比較例3は比較検討用に製作し
た酸窒化AlCr層の無い中間層13だけであり、即ち窒化アルミニウムクロム超多層被膜(即ち、窒化超多層被膜13y)である。これらの実施例1~5及び比較例1~3は前述の製造方法によって成膜されたものであり、組成比の異なるターゲットを使用していること以外はすべて同等の条件で成膜されているものである。
In this manner, films of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 shown in Table 2 of FIG. 11 were formed. In Examples 1 to 5, the AlCr oxynitride layer is an AlCr oxynitride super multilayer, that is, the oxynitride super multilayer coating 11 of the present invention. In Comparative Example 1, the AlCr oxynitride layer is a single AlCr oxynitride layer, and in Comparative Example 2, the AlCr oxynitride layer is a single AlCrSi oxynitride layer, both of which are different from the present invention. Comparative Example 3 has only the intermediate layer 13 without the AlCr oxynitride layer, which is produced for comparative study, that is, the aluminum chromium nitride super multilayer coating (that is, the nitride super multilayer coating 13y). These Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 were formed by the above-described manufacturing method, and were formed under the same conditions except for using targets with different composition ratios. It is a thing.

以下の図12、図13、図14は、本発明品である酸窒化アルミニウムクロム皮膜を高性能X線光電子分光分析装置(アルバック・ファイ製PHI5000Versa P
robe)によって組成分析したデータの一例を示したものである。
<酸窒化アルミニウムクロム皮膜>
図12は、本発明に係るAlCr耐酸化耐摩耗性被膜10の製造実験例で得られた被膜をX線光電子分光分析装置で分析した膜組成比分析図である。縦軸は組成比(原子比)で横軸はエッチング時間である。
X線光電子分光法は試料表面にX線を照射することで試料表面から放出される光電子の運動エネルギーを計測し、試料表面から数nm領域での元素情報を得ることが出来る手法である。そのため本発明における数nm~数十nmオーダーの超多層構造を分析するのに適正であると判断した。またこの手法では、分析対象の原子周辺の電子結合状態によって起こる結合エネルギー(binding energy)の変化を観察することで化学結合状態を判別することも可能である。
12, 13, and 14 below show the aluminum chromium oxynitride film, which is the product of the present invention, analyzed with a high-performance X-ray photoelectron spectrometer (PHI5000Versa P manufactured by ULVAC-Phi).
robe) shows an example of compositional analysis data.
<Aluminum chromium oxynitride film>
FIG. 12 is a film composition ratio analysis diagram obtained by analyzing the film obtained in the production experimental example of the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant film 10 according to the present invention with an X-ray photoelectron spectrometer. The vertical axis is the composition ratio (atomic ratio) and the horizontal axis is the etching time.
X-ray photoelectron spectroscopy is a technique that measures the kinetic energy of photoelectrons emitted from the sample surface by irradiating the sample surface with X-rays, and can obtain elemental information in a region of several nanometers from the sample surface. Therefore, it was determined that it is suitable for analyzing the super multilayer structure of the order of several nanometers to several tens of nanometers in the present invention. In this method, it is also possible to determine the chemical bonding state by observing the change in binding energy caused by the electronic bonding state around the atom to be analyzed.

図12-Aのドット線、破線、一点鎖線、実線で示される各ラインはAl、Cr、O、Nの各
元素に対応しており、被膜表面からエッチング処理をしながら超多層被膜の超多層構造について分析を行った。グラフが右に進むほど超多層被膜内部の元素組成比率を示している
。グラフ上の各ラインが形成する山谷部分のpoint1~6に着目すると、Al:25~33at%、Cr:7~17at%、O:19~45at%、N:15~35at%の範囲で各元素比率が変化
している。即ち、グラフ上に引かれた上下方向の点線が超多層被膜の1層目・2層目・3層目・・に対応しており、各ラインが形成している山谷部分の各々のpointが超多層被膜
の1層1層を示している。超多層構造の各層毎の組成比が図12の中に表として示されている。この測定データ及び後述のFE-SEMによる断面観察から、本発明品が超多層構造を持つ超多層被膜であることが特定された。同時に、上記表に示されるように、超多層被膜1層ごとの各元素組成比を特定することが出来た。
図12-BはAlの比率が最大となるターゲットの組合せ(実施例4、Al:Cr=9:1とAl:Cr=8:2の組合せ)で成膜した本発明品の膜組成比分析図である。グラフの構成は図12-Aと
同様となっており、グラフ上の各ラインが形成する山谷部分のpoint1~4に着目すると
、Al:37~43at%、Cr:2~5at%、O:24~42at%、N:14~28at%の範囲で各元素比率が変化している。成膜に使用したターゲットのAlとCrの比率に着目しても、高性能X線光電子分光分析装置の測定による5%程度の測定誤差があるものの、その比率が膜組成のAlとCrの比率と同程度を示していることが分かる。図12-Aの結果と併せて、本発明品のAlCr耐酸化耐摩耗性被膜を構成し得る元素組成比率の範囲がAl:20~45at%
、Cr:2~20at%、O:15~50at%、N:10~40at%の範囲であることを特定する
ことが出来た。
The dots, dashed lines, dashed-dotted lines, and solid lines in Fig. 12-A correspond to the elements Al, Cr, O, and N, and the super-multilayer coating is formed while etching from the coating surface. A structural analysis was performed. As the graph progresses to the right, it shows the elemental composition ratio inside the super multilayer coating. Focusing on points 1 to 6 of the peaks and valleys formed by each line on the graph, each element in the range of Al: 25 to 33 at%, Cr: 7 to 17 at%, O: 19 to 45 at%, N: 15 to 35 at% the ratio is changing. That is, the vertical dotted lines drawn on the graph correspond to the 1st, 2nd, 3rd layers, etc. of the super multilayer coating, and each point of the ridges and valleys formed by each line is It shows one layer of super multi-layer coating. The composition ratio of each layer of the super multilayer structure is shown as a table in FIG. From this measurement data and cross-sectional observation by FE-SEM, which will be described later, it was identified that the product of the present invention is a super multilayer coating having a super multilayer structure. At the same time, as shown in the above table, it was possible to specify the composition ratio of each element for each layer of the super multilayer coating.
FIG. 12-B is an analysis of the film composition ratio of the product of the present invention formed by a combination of targets with the maximum Al ratio (Example 4, a combination of Al:Cr=9:1 and Al:Cr=8:2). It is a diagram. The structure of the graph is the same as that of FIG. 12-A. Focusing on points 1 to 4 of the ridges and valleys formed by each line on the graph, Al: 37 to 43 at%, Cr: 2 to 5 at%, O: 24 ∼42at%, N: 14~28at%, the ratio of each element is changed. Focusing on the ratio of Al and Cr in the target used for film formation, although there is a measurement error of about 5% due to measurement with a high-performance X-ray photoelectron spectrometer, the ratio is the ratio of Al and Cr in the film composition. It can be seen that it shows the same degree as Together with the results of FIG. 12-A, the range of element composition ratios that can constitute the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating of the present invention is Al: 20 to 45 at%.
, Cr: 2 to 20 at%, O: 15 to 50 at%, and N: 10 to 40 at%.

図13は、本発明の製造実験例で得られた本発明被膜中のアルミニウム結合エネルギー図である。
図13には、本発明品中のアルミニウムの結合エネルギー状態が示されている。図13に示されるピーク位置の結合エネルギーは119(eV)である。既知のデータベースによ
るとアルミニウムが118.2(eV)、酸化アルミニウムが119(eV)を示すことから、本発明品では酸化アルミニウムが形成されていることが分かる。
FIG. 13 is an aluminum binding energy diagram in the film of the present invention obtained in a production experimental example of the present invention.
FIG. 13 shows the binding energy state of aluminum in the product of the present invention. The binding energy at the peak position shown in FIG. 13 is 119 (eV). According to a known database, aluminum shows 118.2 (eV) and aluminum oxide shows 119 (eV), so it can be seen that aluminum oxide is formed in the product of the present invention.

図14は、本発明の製造実験例で得られた本発明被膜中のクロム結合エネルギー図である。
図14において、ピーク位置の結合エネルギーは575(eV)付近である。 他方、既知
のデータベースによるとクロムが574(eV)、酸化クロム及び窒化クロムが575(eV)付近を示すことから、本発明品では酸化クロム又は窒化クロムが形成されていることが分かる。先述したように、酸化アルミニウムが形成されているため、酸素はアルミニウムと優先的に結合していると考えられ、クロムに関しては窒化クロムが優先的に形成されていると考えられる。これらのことから、本発明品では酸化アルミニウムと窒化クロムの混晶が形成されていることが分かる。被膜が酸化アルミニウムと窒化クロムの混晶状態にあることで、α型の酸化アルミニウムの欠点とされる結晶粒の粗大化が抑制され、耐酸化性及び耐摩耗性の向上に寄与していると考えられる。
FIG. 14 is a chromium binding energy diagram in the film of the present invention obtained in a production experiment example of the present invention.
In FIG. 14, the binding energy at the peak position is around 575 (eV). On the other hand, according to a known database, chromium shows around 574 (eV), and chromium oxide and chromium nitride show around 575 (eV). As mentioned above, since aluminum oxide is formed, oxygen is believed to preferentially bond with aluminum, and chromium is believed to preferentially form chromium nitride. From these facts, it can be seen that a mixed crystal of aluminum oxide and chromium nitride is formed in the product of the present invention. Since the coating is in a mixed crystal state of aluminum oxide and chromium nitride, coarsening of crystal grains, which is a drawback of α-type aluminum oxide, is suppressed, contributing to the improvement of oxidation resistance and wear resistance. Conceivable.

上記X線光電子分光分析の結果から、本発明品である酸窒化アルミニウムクロムの組成比は組成式AlaCrbMcOdNe(a、b、c、d、eは原子比率とし0.2≦a≦0.45、0.02≦b≦0.2、0≦c≦0.2、0.15≦d≦0.5、0.1≦e≦0.4かつa+b+c+d+e=1)を満足している。また、図12の表から分かるように、より好ましくはa、 b、 c、 d、 eが0.27≦a≦0.35、0.07≦b≦0.15、0≦c≦0.2、0.29≦d≦0.35、0.23≦e≦0.35の範囲内にあることが望まれる。即ち、これらの組成範囲が本発明の特徴でもある。MはSi,Hf,Bのいずれか1種類以上の添加元
素である。
From the results of the above X-ray photoelectron spectroscopic analysis, the composition ratio of the aluminum chromium oxynitride of the present invention is the composition formula AlaCrbMcOdNe (a, b, c, d, e are atomic ratios 0.2 ≤ a ≤ 0.45, 0.02 ≤ b ≤ 0.2, 0≤c≤0.2, 0.15≤d≤0.5, 0.1≤e≤0.4 and a+b+c+d+e=1). Further, as can be seen from the table of FIG. 12, more preferably, a, b, c, d, and e are 0.27≦a≦0.35, 0.07≦b≦0.15, 0≦c≦0.2, 0.29≦d≦0.35, 0.23≦ It is desirable to be in the range of e≦0.35. That is, these composition ranges are also features of the present invention. M is one or more additive elements selected from Si, Hf, and B.

図15は、本発明被膜に対しX線回折装置により得られた酸化アルミニウムのX線回折位置図である。
図15には、本発明品をX線回折装置(ブルカー・エイエックスエス製のD2
PHASER)で分析した結果が示されている。X線回折は、材料にX線を照射して原子の周り
にある電子によって散乱され干渉した結果起こる回折現象である。従って、この回折現象を分析することにより、材料の構成元素を特定し、その結晶構造を解析することが可能な手法である。図15において、X軸が回折角度2θであり、Y軸が回折強度となっている
。既知のデータベースから、α型の酸化アルミニウムでは、2θ=43.35°付近の位置に
結晶面(113)、2θ=57.5°付近の位置に結晶面(116)のピークが存在することが分かっている。図15-Aにおいて本発明品の酸化アルミニウム被膜は2θ=43.5°を示している
ことから、α型酸化アルミニウムの結晶構造を有していることが分かる。図15-BはAl
の比率が最大となるターゲットの組合せで成膜した実施例4におけるX線回折位置図である。この結果からは2θ=43.35°の近傍位置(43.5°)だけでなく、2θ=57.5°の近傍
位置((58.3°)にピークが存在することから、膜中のAl量を増加させることでα型の酸化
アルミニウムの結晶構造比率も増加しα型の結晶構造が強く発現したことが分かる。後述の切削試験結果を見るとAl量を増加させた実施例3および4の切削性能は向上しており、Al量を増やすことによってα型の酸化アルミニウムの結晶構造が強く発現すると同時に、酸化アルミニウムと窒化クロムとの混晶状態によってα型の酸化アルミニウムの欠点を補いつつ安定した性能が実現することが出来た。これ以上のアルミニウム比率の増加は更にα型の酸化アルミニウムの結晶構造を強く発現し得るが、膜中のα型の酸化アルミニウム比率の増加に伴う窒化クロムの比率の減少により、α型の酸化アルミニウムの欠点(結晶
粒が粗大化し易く、切削時にクラックが進展し易い)も強く発現すると考えられる。この
ことからも酸窒化アルミニウムクロムの組成比は組成式AlaCrbMcOdNe(a、b、c、d、eは
原子比率)においてa、 b、 c、 d、 eが0.2≦a≦0.45、0.02≦b≦0.2、0≦c≦0.2、0.15≦d≦0.5、0.1≦e≦0.4かつa+b+c+d+e=1の範囲にあることが望まれ、より安定した性能を発現させるために0.27≦a≦0.35、0.07≦b≦0.15、0≦c≦0.2、0.29≦d≦0.35、0.23≦e
≦0.35の範囲内にあることが好ましい。
FIG. 15 is an X-ray diffraction position diagram of aluminum oxide obtained by an X-ray diffraction apparatus for the coating of the present invention.
In FIG. 15, the product of the present invention is shown in an X-ray diffractometer (D2 manufactured by Bruker AXS).
PHASER) analysis results are shown. X-ray diffraction is a diffraction phenomenon that occurs as a result of irradiating a material with X-rays and scattering and interfering with the electrons surrounding the atoms. Therefore, by analyzing this diffraction phenomenon, it is possible to specify the constituent elements of the material and analyze the crystal structure. In FIG. 15, the X-axis is the diffraction angle 2θ, and the Y-axis is the diffraction intensity. From a known database, it is known that α-type aluminum oxide has a crystal plane (113) peak at a position near 2θ=43.35° and a crystal plane (116) peak at a position near 2θ=57.5°. In FIG. 15-A, the aluminum oxide film of the product of the present invention shows 2θ=43.5°, indicating that it has the crystal structure of α-type aluminum oxide. Figure 15-B is Al
FIG. 10 is an X-ray diffraction position diagram in Example 4 in which a film was formed using a combination of targets that maximize the ratio of . From this result, there are peaks not only at the position (43.5°) near 2θ = 43.35° but also at the position ((58.3°) near 2θ = 57.5°). It can be seen that the crystal structure ratio of aluminum oxide of type 2 also increased, and the crystal structure of α type was strongly expressed.The results of the cutting test described later show that the cutting performance of Examples 3 and 4, in which the amount of Al was increased, was improved. By increasing the amount of Al, the crystal structure of α-type aluminum oxide is strongly expressed, and at the same time, the mixed crystal state of aluminum oxide and chromium nitride compensates for the drawbacks of α-type aluminum oxide and realizes stable performance. If the aluminum ratio is increased further, the crystal structure of α-type aluminum oxide can be strongly expressed, but due to the decrease in the ratio of chromium nitride accompanying the increase in the ratio of α-type aluminum oxide in the film, α It is thought that the drawbacks of the type aluminum oxide (the crystal grains tend to coarsen and cracks tend to develop during cutting) are also strongly expressed.For this reason, the composition ratio of aluminum chromium oxynitride is the composition formula AlaCrbMcOdNe (a, b, c where a, b, c, d, and e are 0.2≤a≤0.45, 0.02≤b≤0.2, 0≤c≤0.2, 0.15≤d≤0.5, 0.1≤e≤0.4 and a It is desirable to be in the range of +b + c + d + e = 1, and in order to develop more stable performance, 0.27 ≤ a ≤ 0.35, 0.07 ≤ b ≤ 0.15, 0 ≤ c ≤ 0.2, 0.29 ≤ d ≤ 0.35, 0.23≤e
It is preferably in the range ≦0.35.

図16は、本発明被膜に対し高分解能分析走査電子顕微鏡により得られた断面観察図である。
<酸窒化アルミニウムクロム超多層被膜>
図16は、酸窒化超多層被膜11を有する本発明品を被覆した試験片を切断し、その被膜断面を高分解能分析走査電子顕微鏡(日本電子製、JSM-7001F)で観
察したものである。観察結果から超多層構造が形成されていることが確認出来る。また、1層の厚みが数nm~10nm程度であることが分かる。このような超多層被膜を構成することで被膜に圧縮応力が導入され、耐摩耗性が向上する。
他方、過度な圧縮応力の導入は逆に被膜が割れてしまうチッピング現象を引き起こすことが良く知られている。しかし、図12で示されたように、各層の元素比率は連続的に傾斜して変化しており、一種の傾斜層のような役割をしていると考えられる。このことが通常の多層膜とは異なる適度な圧縮応力の導入に寄与し、耐摩耗性を向上させつつチッピングを抑制していると考えられる。本発明では、このような組成比が連続的に変化する傾斜層に関して、アルミニウム、クロム、酸素、窒素の各元素の組成比を独立して変化させることが可能である。例えば放電に用いるアルミニウムクロムターゲットの組成比を変化させたターゲットを複数設置し同時放電させてもよく、また、ターゲットに印加する電圧を制御することによってアルミニウムとクロムの変化量を制御しても良いし,酸素および窒素のチャンバ内への導入流量や圧力を変化させることで変化量を制御することもできる。
図16から分かるように、上記超多層膜の1層1層の厚みは0.5nm~50nm程度であるこ
とが望ましい。この範囲から逸脱している場合、適切な圧縮応力が導入されず,耐摩耗性が得られない可能性がある。また、1層1層の厚みは上記範囲内であれば同じ厚みを有していても良いし、異なる厚みを有していても良い。また、前記の観察結果から、1層1層の厚みは5nm~20nm程度であることがより好ましい。
FIG. 16 is a cross-sectional view obtained by high resolution analytical scanning electron microscopy of the coating of the present invention.
<Aluminum chromium oxynitride super multilayer coating>
FIG. 16 shows a cross-section of a cut specimen coated with the super multilayer oxynitride coating 11 of the present invention and observed with a high-resolution analytical scanning electron microscope (JSM-7001F, manufactured by JEOL Ltd.). From the observation results, it can be confirmed that a super multilayer structure is formed. Also, it can be seen that the thickness of one layer is about several nm to 10 nm. Compressive stress is introduced into the coating by constructing such a super multilayer coating, and wear resistance is improved.
On the other hand, it is well known that the introduction of excessive compressive stress causes a chipping phenomenon in which the film cracks. However, as shown in FIG. 12, the element ratio of each layer is continuously graded and changed, and it is considered to play a role of a kind of graded layer. It is believed that this contributes to the introduction of an appropriate compressive stress that is different from that of a normal multilayer film, thereby improving wear resistance and suppressing chipping. In the present invention, it is possible to independently change the composition ratio of each element of aluminum, chromium, oxygen, and nitrogen with respect to such a graded layer in which the composition ratio changes continuously. For example, a plurality of targets with different composition ratios of the aluminum-chromium target used for discharge may be placed and discharged simultaneously, and the amount of change in aluminum and chromium may be controlled by controlling the voltage applied to the targets. However, the amount of change can be controlled by changing the flow rate and pressure of oxygen and nitrogen introduced into the chamber.
As can be seen from FIG. 16, the thickness of each layer of the super multilayer film is preferably about 0.5 nm to 50 nm. If it deviates from this range, adequate compressive stress may not be introduced and wear resistance may not be obtained. In addition, the thickness of each layer may be the same as long as it is within the above range, or may be different. Further, from the above observation results, it is more preferable that the thickness of each layer is about 5 nm to 20 nm.

図17は、本発明被膜に対するX線光電子分光分析のエッチングレートから算出する超多層一層当たりの厚み関連図である。
図17の右図はFE-SEM像であり、WC基材の上に酸化膜と膜表面が形成されていることが分かる。FE-SEMとは電界放出型走査電子顕微鏡であり、対象試料に電子線を照射した際に放出される二次電子等を用いて微小な物質を観察する顕微鏡で、主に試料表面の微細構造の観察に用いられる。このFE-SEM像の分析から酸化膜の膜厚は約278nmである。
被膜を1min刻みでエッチングしながら、超硬基材のWが検出されるまでXPS測定を
行う。ここで、XPSとは、X線照射により放出される光電子の運動エネルギー分布を測定し、試料表面(数nm程度の深さ)に存在する元素の種類・存在量・化学結合状態に関する知見を得る手法である。約85minでWが検出され始めたので、85minで基材に到達したと考える。従って、膜厚278nmをエッチング時間85minで割ると、エッチング率は
3nm/minとなる。図17の左図により、1層エッチングするのに約4min掛かっているか
ら、超多層1層当りの膜厚は4min×3nm/minから約12nmであることが分かった。
従って、図16から超多層1層の層厚が約10nmであり、図17から約12nmであるから、両測定の結果はほぼ一致していることが分かる。
FIG. 17 is a diagram of the thickness per super multilayer calculated from the etching rate of the film of the present invention in X-ray photoelectron spectroscopy.
The right figure of FIG. 17 is an FE-SEM image, and it can be seen that an oxide film and a film surface are formed on the WC substrate. FE-SEM is a field-emission scanning electron microscope, and it is a microscope that observes minute substances using secondary electrons emitted when the target sample is irradiated with an electron beam. used for observation of Analysis of this FE-SEM image indicates that the thickness of the oxide film is about 278 nm.
The XPS measurement is performed while etching the film at 1 minute intervals until W is detected in the cemented carbide substrate. Here, XPS measures the kinetic energy distribution of photoelectrons emitted by X-ray irradiation, and obtains knowledge about the types, abundances, and chemical bonding states of elements present on the sample surface (depth of several nanometers). method. Since W started to be detected at about 85 min, it is assumed that it reached the substrate at 85 min. Therefore, dividing the film thickness of 278 nm by the etching time of 85 min gives an etching rate of 3 nm/min. From the left diagram of FIG. 17, it took about 4 minutes to etch one layer, so it was found that the film thickness per super multilayer layer was about 12 nm from 4 min.times.3 nm/min.
Therefore, the layer thickness of one supermultilayer layer is approximately 10 nm from FIG. 16, and approximately 12 nm from FIG.

<中間層:窒化アルミニウムクロム超多層被膜>
本発明品である酸窒化アルミニウムクロム超多層被膜(酸窒化超多層被膜11)は基材2の上に直接成膜しても密着力の低下等は見られず,良好な性能を示しているため,必ずしも中間層13を必要とはしない。しかし、酸窒化アルミニウムクロム層が比較的厚い単層の場合には基材(非酸化層)との密着性が良くない場合もある。そこで、本発明品の性能を更に安定化させるために、基材2と本発明品である酸窒化アルミニウムクロム超多層被膜(酸窒化超多層被膜11)の間に窒化アルミニウムクロム超多層被膜を中間層13として導入する。
窒化アルミニウムクロムを中間層13として選定する理由として、窒化アルミニウムクロム自体は既知の被膜としてこれまでにも利用されており本件出願人の製品としても基材2との密着等で安定した性能を発揮していること、更には酸窒化アルミニムクロムと組成比がかけ離れておらず化学的親和性があるため層間での密着性が向上するであろうこと、製造工程において酸窒化アルミニウムクロムを成膜するターゲットと同じものを使用出来るため生産性が高いことが挙げられる。
また、この中間層13は膜の内部応力を制御し耐摩耗性を高めるために基盤バイアスを傾斜させることも可能である。更に化学的親和性の観点から、密着率を更に向上させるために中間層13と酸窒化超多層被膜11(外層被膜層)の間に前記組成比a、 b、 c、 d
、 eを連続的に変化させた酸窒化アルミニウムクロム傾斜層(酸窒化傾斜層12)を導入したり、基材2と中間層13の間に前記組成比f, g, h, iを連続的に変化させた窒化アルミニウムクロム傾斜層(窒化傾斜層14)を導入することも可能である。また、各々の傾斜層12、14を超多層構造にすることも可能である。これらの傾斜層12、14を含めて広義の中間層とすることもできる。即ち、中間層13―酸窒化傾斜層12―酸窒化超多層被膜11及び基材2―窒化傾斜層14―中間層13のどちらか一方、又は両方を含むことが出来る。
<Intermediate Layer: Aluminum Chromium Nitride Super Multilayer Coating>
The aluminum chromium oxynitride super multilayer coating (super multilayer oxynitride coating 11), which is the product of the present invention, shows good performance without any decrease in adhesion even when directly formed on the substrate 2. Therefore, the intermediate layer 13 is not necessarily required. However, when the aluminum chromium oxynitride layer is a relatively thick single layer, the adhesion to the substrate (non-oxidized layer) may not be good. Therefore, in order to further stabilize the performance of the product of the present invention, an aluminum chromium nitride super multi-layer coating is interposed between the substrate 2 and the aluminum chromium oxynitride super multi-layer coating (super multi-layer coating 11) of the present invention. Introduced as layer 13 .
The reason for selecting the aluminum chromium nitride as the intermediate layer 13 is that the aluminum chromium nitride itself has been used as a known coating so far, and the product of the present applicant exhibits stable performance in adhesion to the base material 2, etc. In addition, the composition ratio is not far from aluminum chromium oxynitride and there is chemical affinity, so the adhesion between layers will be improved. The productivity is high because the same target can be used.
Also, this intermediate layer 13 can have a sloped base bias to control the internal stress of the film and increase wear resistance. Furthermore, from the viewpoint of chemical affinity, the above composition ratios a, b, c, d are provided between the intermediate layer 13 and the oxynitride super multilayer coating 11 (outer coating layer) in order to further improve the adhesion rate.
, e is continuously changed by introducing an aluminum chromium oxynitride gradient layer (oxynitride gradient layer 12), or by continuously changing the composition ratio f, g, h, i between the base material 2 and the intermediate layer 13. It is also possible to introduce an aluminum chromium nitride graded layer (nitride graded layer 14) with a graded It is also possible for each graded layer 12, 14 to have a super-multilayer structure. Including these gradient layers 12 and 14 can also be defined as an intermediate layer in a broad sense. That is, either or both of intermediate layer 13--oxynitride graded layer 12--oxynitride super multilayer coating 11 and substrate 2--nitride graded layer 14--intermediate layer 13 can be included.

組成比が連続的に変化する傾斜層に関しては、アルミニウム、クロム、酸素、窒素の各元素を独立で変化させることが可能である。例えば、放電に用いるアルミニウムクロムターゲットの組成比を変化させたターゲットを複数設置して同時放電させても良く、ターゲットに印加する電圧を制御することによってアルミニウムとクロムの変化量を制御しても良いし、酸素および窒素のチャンバ内への導入流量や圧力を変化させることで変化量を制御しても良い。
中間層13の組成比に関しては、前述のように層間の密着性の観点から、酸窒化アルミニウムクロムとの組成比がかけ離れていない範囲にあることが好ましい。従って、中間層13の組成式AlfCrgMhNiにおいて、組成比f、 g、 h、 iは原子比率であり、0.25≦f≦0.6、0.1≦g≦0.37、 0≦h≦0.2、0.15≦i≦0.57且つf+g+h+i=1であることが望ましい。Mは
Si,Hf,Bのいずれか1種類以上の添加元素である。また、本発明である酸窒化アルミニウムクロムの性能を十分に発揮するために中間層を設けるのであって、基材との親和性によっては既知の被膜技術である窒化チタン被膜(TiN)、窒化チタンアルミ被膜(TiAlN)、窒化クロム皮膜(CrN)等で中間層13を構成しても良い。
As for the graded layer whose composition ratio changes continuously, it is possible to change each element of aluminum, chromium, oxygen, and nitrogen independently. For example, a plurality of targets in which the composition ratio of the aluminum-chromium target used for discharge is changed may be installed and discharged simultaneously, and the amount of change in aluminum and chromium may be controlled by controlling the voltage applied to the target. However, the amount of change may be controlled by changing the flow rate and pressure of oxygen and nitrogen introduced into the chamber.
Regarding the composition ratio of the intermediate layer 13, it is preferable that the composition ratio of the intermediate layer 13 is within a range not far from the aluminum chromium oxynitride from the viewpoint of the adhesion between the layers as described above. Therefore, in the composition formula AlfCrgMhNi of the intermediate layer 13, the composition ratios f, g, h, and i are atomic ratios, and It is desirable that f+g+h+i=1. M is
At least one additive element selected from Si, Hf, and B. In addition, an intermediate layer is provided in order to fully exhibit the performance of the aluminum chromium oxynitride of the present invention. The intermediate layer 13 may be composed of an aluminum coating (TiAlN), a chromium nitride coating (CrN), or the like.

図18は、本発明被膜を有した切削チップで被工作物を切削する場合の切削説明図である。
被工作物40を矢印r方向に自転させた状態で、切削チップ30の切削面であるすくい面31を切り込み深さtの状態で押し当てながら切削方向33に切削距離fだけ前進させる。このとき切削チップ30の逃げ面32は被工作物40の外周面とある角度で離隔した状態に設定される。
従って、切削チップ30の切削面であるすくい面31は、多重回の切削により摩耗する傾向にある。後述するように、このすくい面31の摩耗をクレータ摩耗と称する。本発明における耐摩耗性とは当該クレータ摩耗に対する耐性のことである。
FIG. 18 is an illustration of cutting when a workpiece is cut with a cutting tip having the coating of the present invention.
With the workpiece 40 rotated in the direction of arrow r, it is advanced in the cutting direction 33 by the cutting distance f while pressing against the rake face 31, which is the cutting surface of the cutting tip 30, at the cutting depth t. At this time, the flank 32 of the cutting tip 30 is set to be separated from the outer peripheral surface of the workpiece 40 at a certain angle.
Therefore, the rake face 31, which is the cutting surface of the cutting tip 30, tends to wear due to multiple cutting operations. As will be described later, this wear of the rake face 31 is called crater wear. Wear resistance in the present invention means resistance to crater wear.

図19は、本発明被膜を有した切削チップによる切削試験の実施写真図及びそのクレータ摩耗の説明図である。
<切削試験の内容>
茲で、切削条件は次の通りである。即ち、被削材:SCM440H(HRC25に調質)、切削速度:30m/min、送り速度:0.15mm/rev、切り込み(半径方向):1mmである。
上記条件でNC旋盤(高松機械工業製XC-100)を用いて切削試験を実施した。
この切削試験は切削速度を30m/minと遅くして切り込み量を1mmと大きく取る重切削条件になっている。この切削試験の評価方法として切削チップのすくい面に発生するクレータ摩耗と呼ばれる摩耗形態を観察するのが一般的である。図19により切削試験の様子とクレータ摩耗の概要説明を示す。
写真には、切削チップの取付け場所と、切削チップすくい面を押し当てて削っていくことが示されている。平坦な切削チップすくい面が、摩耗によって表面が窪み、切削チップすくい面が窪んでクレータ摩耗が発生していることが図示されている。
FIG. 19 is a photographic view of a cutting test using a cutting tip having the coating of the present invention and an explanatory view of crater wear.
<Details of cutting test>
The cutting conditions are as follows. Work material: SCM440H (refined to HRC25), cutting speed: 30 m/min, feed rate: 0.15 mm/rev, depth of cut (radial direction): 1 mm.
A cutting test was performed using an NC lathe (XC-100 manufactured by Takamatsu Kikai Kogyo Co., Ltd.) under the above conditions.
In this cutting test, the cutting speed is slowed to 30m/min and the depth of cut is set to 1mm, which is a heavy cutting condition. As an evaluation method for this cutting test, it is common to observe the wear mode called crater wear that occurs on the rake face of the cutting tip. FIG. 19 shows the outline of the cutting test and crater wear.
The photo shows where the cutting tip is attached and how the rake face of the cutting tip is pressed against it to grind. The figure shows that the flat cutting tip rake face is dented due to wear, and the cutting tip rake face is dented to cause crater wear.

図20は、本発明被膜を有した切削チップによる切削試験に関するクレータ摩耗量と切削距離の間の切削試験評価図である。
図11に示された実施例1~5及び比較例1~3によって製作された被膜を有した切削チップにより上記条件で切削試験を行った結果を示す。図中、No.1は比較例1、No.2は比較例2、No.8は比較例3である。No.3は実施例1、No.4は実施例2、No.5は実施例3、No.6は実施例4、No.7は実施例5である。
No.8の比較例3である既知の窒化アルミニウムクロム皮膜については、切削距離492m
でクレータ摩耗が90mm発生している。また、No.1の比較例1とNo.2の比較例2では、クレータ摩耗が35~45mm発生している。ところが、本発明品であるNo.3~No.6の実施例1~4では、クレータ摩耗が25mm以下に抑えられている。特に、No.5およびNo.6の実施例3、4では、クレータ摩耗が全く発生していないことが明白である。更に、No.
7の実施例5では本発明品である、酸窒化超多層被膜層11を0.2μmという極薄膜状態に成膜したものである。ただし、全体の膜厚に関しては、実施例1~4と同等になるように中間層13の膜厚の割合を増やし、膜厚による寿命の差が出ないように考慮してある。このような実施例5の場合であっても、距離277mでクレータ摩耗が15μm、距離492mでクレ
ータ摩耗が46μmと、極薄膜の状態であってもNo.8の比較例3である既知の窒化アルミニウムクロム皮膜よりもクレータ摩耗が抑えられていることが分かる。これらの実験事実から、本発明品が耐摩耗性に関して劇的な効果を発揮していることが分かる。
第1に、外層被膜層である酸窒化アルミニウムクロム層を形成することで耐酸化性/耐摩耗性が劇的に向上していることが分かる。
第2に、No.1~2の単層の酸窒化アルミニウムクロム皮膜とNo.3~6の超多層酸窒化
アルミニウムクロム皮膜を比較すると、切削距離492m時点でのクレータ摩耗量で優位な差が出ており、超多層化することによって耐摩耗性が格段に向上していることが確認出来る。
第3に、No. 5、6に関しては切削距離492mでクレータ摩耗が全く発生しておらず、No. 7と比較して著しく性能の向上が見られた。No. 3~No. 6にかけてアルミニウム量が増加しており、被膜中のα型酸化アルミニウムの比率が増えることで性能が向上することが確認出来た。
尚、本実施例では正方形切削チップを用いたが、菱形形状やその他の形状のもの、更にはチップブレーカーを有するもの、切削工具の表面が研磨されたもの、更には切削工具以外の金型工具等も本実施例と同じような効果を得ることが出来る。基材にはSKH51を用い
たが、WC超硬合金、サーメット、セラミックス、高速度工具鋼、ダイス鋼等の硬質基材を用いても本実施例と同じような効果を得ることが出来る。
FIG. 20 is a cutting test evaluation chart between the amount of crater wear and the cutting distance regarding the cutting test with the cutting insert having the coating of the present invention.
The results of a cutting test performed under the above conditions using cutting inserts having coatings produced in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 shown in FIG. 11 are shown. In the figure, No. 1 is Comparative Example 1, No. 2 is Comparative Example 2, and No. 8 is Comparative Example 3. No. 3 is Example 1, No. 4 is Example 2, No. 5 is Example 3, No. 6 is Example 4, and No. 7 is Example 5.
For the known aluminum chromium nitride coating, Comparative Example 3 of No. 8, the cutting distance was 492 m.
90mm of crater wear occurs at Further, in Comparative Example 1 of No. 1 and Comparative Example 2 of No. 2, crater wear of 35 to 45 mm occurred. However, in Examples 1 to 4 of Nos. 3 to 6, which are products of the present invention, the crater wear is suppressed to 25 mm or less. In particular, in Examples 3 and 4 of No. 5 and No. 6, it is clear that no crater wear occurred at all. Furthermore, No.
In Example 5 of 7, the oxynitride super multi-layer coating layer 11, which is the product of the present invention, is formed in an extremely thin film state of 0.2 μm. However, with respect to the overall film thickness, the ratio of the film thickness of the intermediate layer 13 was increased so as to be equivalent to those of Examples 1 to 4, and consideration was given so that the difference in life due to the film thickness does not occur. Even in the case of Example 5, the crater wear was 15 μm at a distance of 277 m, and the crater wear was 46 μm at a distance of 492 m. It can be seen that the crater wear is suppressed more than the aluminum chromium coating. From these experimental facts, it can be seen that the product of the present invention exhibits a dramatic effect on wear resistance.
First, it can be seen that the formation of the aluminum chromium oxynitride layer, which is the outer coating layer, dramatically improves the oxidation resistance/wear resistance.
Secondly, when comparing No.1-2 single-layer aluminum chromium oxynitride coatings with No.3-6 super multi-layer aluminum chromium oxynitride coatings, there is a significant difference in the amount of crater wear at a cutting distance of 492m. It can be confirmed that the abrasion resistance is remarkably improved by making it super multilayered.
Thirdly, No. 5 and 6 did not show any crater wear at a cutting distance of 492 m, showing a marked improvement in performance compared to No. 7. The amount of aluminum increased from No. 3 to No. 6, and it was confirmed that the performance was improved by increasing the ratio of α-type aluminum oxide in the coating.
In addition, although square cutting inserts were used in this embodiment, diamond-shaped or other shapes, cutting tools with chip breakers, cutting tools with polished surfaces, and die tools other than cutting tools are also available. etc. can also obtain the same effect as the present embodiment. Although SKH51 was used as the base material, effects similar to those of this embodiment can be obtained by using hard base materials such as WC cemented carbide, cermet, ceramics, high-speed tool steel, and die steel.

図21は、切削距離277mと切削距離492mでのクレータ摩耗観察図である。クレータ摩耗を観察するだけでも、外層被膜層として本発明の酸窒化AlCr超多層被膜を有することの効果が確認できる。
中間層だけのNo.8では、どんな切削距離でもクレータ摩耗が現れている。外層被膜層
として酸窒化AlCr単層被膜のNo.1・2では、切削距離277mでクレータ摩耗は極少で
あるが、切削距離492mではクレータ摩耗が大きく現れてしまう。
実施例1・2であるNo.3~4では、切削距離492mでクレータ摩耗がやや現れてい
る。しかし、実施例3・4であるNo.5・6では、切削距離277mと492mの両方で
クレータ摩耗が全く出現していない。このように実施例の中でも効果に差があるのは、AlとCrの組成比に依存していると考えられる。Alの組成比が増加するとα型酸化アルミニウムの結晶構造が強く発現し、窒化クロムとの混晶を形成することでα型酸化アルミニウムの欠点を補い、性能が向上することを確認出来た。
しかし、外層被膜層として酸窒化AlCr超多層被膜を有することは、従来被膜と比較しても格段の効果が確認できることが分かった。
FIG. 21 is an observation diagram of crater wear at a cutting distance of 277 m and a cutting distance of 492 m. The effect of having the AlCr oxynitride super multilayer coating of the present invention as the outer coating layer can be confirmed only by observing the crater wear.
Crater wear appears at any cutting distance in No. 8, which has only an intermediate layer. In Nos. 1 and 2, which are AlCr oxynitride single-layer coatings as outer coating layers, crater wear is extremely small at a cutting distance of 277 m, but crater wear appears large at a cutting distance of 492 m.
In Nos. 3 and 4 of Examples 1 and 2, crater wear appears slightly at a cutting distance of 492 m. However, in Nos. 5 and 6 of Examples 3 and 4, no crater wear appeared at both cutting distances of 277 m and 492 m. It is considered that the difference in effect among the examples depends on the composition ratio of Al and Cr. It was confirmed that when the composition ratio of Al increases, the crystal structure of α-type aluminum oxide is strongly expressed, and by forming a mixed crystal with chromium nitride, the defects of α-type aluminum oxide are compensated for, and the performance is improved.
However, it was found that having an oxynitride AlCr super multi-layer coating as the outer coating layer has a remarkable effect compared with the conventional coating.

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更、別の実施例などをその技術的範囲内に包含することは云うまでもない。即ち、本発明の範囲は上記した説明に制限されるものでは無く、特許請求の範囲によって示された範囲内の全ての技術的事項が含まれることは明らかである。 The present invention is not limited to the above embodiments, but includes various modifications, design changes, other embodiments, etc. within the technical scope of the present invention without departing from the technical idea of the present invention. Not even. That is, the scope of the present invention is not limited to the above description, but clearly includes all technical matters within the scope indicated by the claims.

本発明に係るAlCr耐酸化耐摩耗性被膜及びその被覆物は、金属や非金属からなる被加工物の加工に用いられるドリルやエンドミルなどの切削工具、パンチやダイ、プレス等の金型工具又は刃物等の工具として使用されるものである。 即ち、本発明に係るAlCr耐酸
化耐摩耗性被膜をWC超硬合金、サーメット、セラミックス、高速度工具鋼、ダイス鋼などからなる基材の表面に被膜形成すると、その被覆物が各種切削工具や金型工具等の工具として広く活用できる利点がある。
The AlCr oxidation-resistant wear-resistant coating and its coating according to the present invention are used for cutting tools such as drills and end mills, mold tools such as punches, dies, presses, etc., which are used for machining workpieces made of metals and non-metals. It is used as a tool such as a knife. That is, when the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating according to the present invention is formed on the surface of a substrate made of WC cemented carbide, cermet, ceramics, high-speed tool steel, die steel, etc., the coating can be used for various cutting tools and There is an advantage that it can be widely used as a tool such as a mold tool.

1 被覆物
2 基材
10 AlCr耐酸化耐摩耗性被膜
11 酸窒化超多層被膜
11a 酸窒化単位層
11b 酸窒化単位層
11c 酸窒化単位層
12 酸窒化傾斜層
12a 酸窒化傾斜単位層
12b 酸窒化傾斜単位層
12m 酸窒化傾斜単位層
12n 酸窒化傾斜単位層
12x 酸窒化傾斜連続被膜
12y 酸窒化傾斜多層被膜
13 中間層
13a 窒化単位層
13b 窒化単位層
13x 窒化物被膜
13y 窒化超多層被膜
14 窒化傾斜層
14a 窒化傾斜単位層
14b 窒化傾斜単位層
14c 窒化傾斜単位層
14d 窒化傾斜単位層
14m 窒化傾斜単位層
14n 窒化傾斜単位層
14x 窒化傾斜連続被膜
14y 窒化傾斜多層被膜
20 アークイオンプレーティング装置
21 真空チャンバ
22 真空排気システム
23 加熱用ヒーター
24 フィラメント放電システム
25 カソードシステム
25a アーク放電用電源a
25b アーク放電用電源b
25c アーク放電用電源c
25d アーク放電用電源d
26 回転基盤機構
26a 大テーブル
26b 小円盤
26c 軸
26d 基盤バイアス電源
27 ガス導入用システム
30 切削チップ
31 すくい面
32 逃げ面
33 切削方向
40 被工作物
RP 粗排気用のロータリーポンプ
TMP 高排気用のターボ分子ポンプ
CP クライオポンプ
f 切削距離
t 切り込み深さ
1 Coating 2 Substrate 10 AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating 11 Oxynitride super multilayer coating 11a Oxynitride unit layer 11b Oxynitride unit layer 11c Oxynitride unit layer 12 Oxynitride gradient layer 12a Oxynitride gradient unit layer 12b Oxynitride gradient Unit layer 12m Oxynitride graded unit layer 12n Oxynitride graded unit layer 12x Oxynitride graded continuous coating 12y Oxynitride graded multilayer coating 13 Intermediate layer 13a Nitride unit layer 13b Nitride unit layer 13x Nitride coating 13y Nitride super multilayer coating 14 Nitride graded layer 14a nitrided graded unit layer 14b nitrided graded unit layer 14c nitrided graded unit layer 14d nitrided graded unit layer 14m nitrided graded unit layer 14n nitrided graded unit layer 14x nitrided graded continuous coating 14y nitrided graded multilayer coating 20 arc ion plating apparatus 21 vacuum chamber 22 Evacuation system 23 Heater 24 Filament discharge system 25 Cathode system 25a Arc discharge power source a
25b Arc discharge power supply b
25c Arc discharge power supply c
25d Arc discharge power supply d
26 Rotating base mechanism 26a Large table 26b Small disc 26c Shaft 26d Base bias power source 27 Gas introduction system 30 Cutting tip 31 Rake face 32 Flank face 33 Cutting direction 40 Work piece RP Rotary pump for rough exhaust TMP Turbo for high exhaust Molecular pump CP Cryopump f Cutting distance t Cutting depth

Claims (14)

基材の表面の少なくとも一部又は全部を被覆して保護するアルミニウムとクロムの酸窒化物で構成された被膜であり、当該被膜の組成式AlaCrbMcOdNeにおいて、組成比a、b、c
、d、eは原子比率であり、0.2≦a≦0.45、0.02≦b≦0.2、0≦c≦0.2、0.15≦d≦0.5、0.1≦e≦0.4且つa+b+c+d+e=1を満足しており、MはSi、Hf、Bのいずれか1種類以上の添加元
素であり且つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合を含み、前記組成比a、b、c、d、eの組合せが異なる少なくとも2種類以上の酸窒化単位層を周期的又は略周期的に積層した酸窒化超多層被膜により前記被膜を構成し、前記被膜は耐酸化性を有する酸化アルミニウムと耐摩耗性を有する窒化クロムが混晶状態にあるから、前記被膜は耐酸化性且つ耐摩耗性を有しており、
前記基材と前記酸窒化超多層被膜の間に中間層を設け、当該中間層は組成式AlfCrgMhNiで表される窒化物被膜であり、組成比f、g、h、iは原子比率であり、0.25≦f≦0.6、0.1
≦g≦0.37、 0≦h≦0.2、 0.15≦i≦0.57且つf+g+h+i=1を満足しており、MはSi、Hf、Bのいずれか1種類以上の添加元素であり且つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合を含むことを特徴とするAlCr耐酸化耐摩耗性被膜。
A coating composed of oxynitrides of aluminum and chromium that covers and protects at least part or all of the surface of a substrate, and in the composition formula AlaCrbMcOdNe of the coating, the composition ratios a, b, and c
, d and e are atomic ratios, 0.2≤a≤0.45, 0.02≤b≤0.2, 0≤c≤0.2, 0.15≤d≤0.5, 0.1≤e≤0.4 and a+b+c+d+e= 1 is satisfied, M is an additive element of one or more of Si, Hf, and B, and the additive element M includes cases where it is added and cases where it is not added, and the composition ratios a, b, and c The coating is composed of an oxynitride super multilayer coating in which at least two or more types of oxynitride unit layers with different combinations of , d, and e are laminated periodically or substantially periodically, and the coating comprises aluminum oxide having oxidation resistance. Since the wear-resistant chromium nitride is in a mixed crystal state, the coating has oxidation resistance and wear resistance,
An intermediate layer is provided between the base material and the oxynitride super multilayer coating, the intermediate layer is a nitride coating represented by the composition formula AlfCrgMhNi, the composition ratios f, g, h, and i are atomic ratios, 0.25≤f≤0.6, 0.1
≤ g ≤ 0.37, 0 ≤ h ≤ 0.2, 0.15 ≤ i ≤ 0.57 and f + g + h + i = 1, and M is at least one additive element selected from Si, Hf, and B. An AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating characterized in that the additive element M may or may not be added.
前記中間層は、前記組成比f、g、h、iの組合せが異なる少なくとも2種類以上の窒化単位層を周期的又は略周期的に積層した窒化超多層被膜から構成される請求項に記載のAlCr耐酸化耐摩耗性被膜。 2. The intermediate layer according to claim 1 , wherein the intermediate layer is composed of a nitride super multilayer coating in which at least two or more types of nitride unit layers having different combinations of the composition ratios f, g, h, and i are stacked periodically or substantially periodically. AlCr oxidation resistant wear resistant coating. 前記中間層は、第1中間層と第2中間層が積層されて構成され、第1中間層は前記窒化物被膜で構成され、第2中間層は、前記組成比f、g、h、iの組合せが異なる少なくとも2種類以上の窒化単位層を周期的又は略周期的に積層した窒化超多層被膜から構成される請求項に記載のAlCr耐酸化耐摩耗性被膜。 The intermediate layer is configured by laminating a first intermediate layer and a second intermediate layer, the first intermediate layer is configured by the nitride film, and the second intermediate layer has the composition ratio f, g, h, i 2. The AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating according to claim 1 , comprising a nitrided super multilayer coating in which at least two or more types of nitrided unit layers having different combinations of are laminated periodically or substantially periodically. 前記基材と前記中間層の間に窒化傾斜層を設け、当該窒化傾斜層は組成式AlαCrβMγNδを有し、組成比α、β、γ、δは原子比率であり、0.25≦α≦0.6、0.1≦β≦0.37、 0≦γ≦0.2、 0.15≦δ≦0.57且つα+β+γ+δ=1を満足しており、MはSi, Hf,Bのい
ずれか1種類以上の添加元素であり且つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合を含み、前記窒化傾斜層の特徴は、前記基材と前記中間層の間において、前記組成比α、β、γ、δが前記組成比の範囲内において傾斜的に変化する請求項のいずれか1項に記載のAlCr耐酸化耐摩耗性被膜。
A nitrided gradient layer is provided between the base material and the intermediate layer, and the nitrided gradient layer has a composition formula of AlαCrβMγNδ , where the composition ratios α, β, γ, and δ are atomic ratios, and 0.25≦ α ≦0.6, 0.1 ≤ β ≤ 0.37, 0 ≤ γ ≤ 0.2, 0.15 ≤ δ ≤ 0.57 and α + β + γ + δ = 1 , M is an additive element of one or more of Si, Hf, B, and the additive element M is The characteristics of the nitrided gradient layer, including the case where it is added and the case where it is not added, are that the composition ratios α, β, γ, and δ between the base material and the intermediate layer are graded within the range of the composition ratios. The AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating according to any one of claims 1 to 3 , which changes to
前記窒化傾斜層は、前記組成比α、β、γ、δが連続的に変化しながら傾斜する窒化傾斜連続被膜であるか、又は前記組成比α、β、γ、δの組合せが傾斜的に変化する2種類以上の窒化傾斜単位層を積層した窒化傾斜多層被膜である請求項に記載のAlCr耐酸化耐摩耗性被膜。 The nitrided graded layer is a nitrided graded continuous coating in which the composition ratios α, β, γ, and δ are graded while continuously changing, or the composition ratios α, β, γ, and 5. The AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating according to claim 4 , which is a nitrided-graded multi-layered coating in which two or more types of nitrided-graded unit layers are laminated. 前記中間層と前記酸窒化超多層被膜の間に酸窒化傾斜層を設け、当該酸窒化傾斜層は組成式AlvCrwMxOyNzを有し、組成比v、w、x、y、zは原子比率であり、0.2≦≦0.45
、0.02≦≦0.2、0≦≦0.2、0≦≦0.5、0.1≦≦0.4且つv+w+x+y+z=1を満足しており、MはSi、Hf、Bのいずれか1種類以上の添加元素であり且つ当該添加元素M
は添加される場合と添加されない場合を含み、前記酸窒化傾斜層の特徴は、前記中間層と前記酸窒化超多層被膜の間において、前記組成比v、w、x、y、zが前記組成比の範囲内において傾斜的に変化する請求項のいずれか1項に記載のAlCr耐酸化耐摩耗性被膜。
providing an oxynitride graded layer between the intermediate layer and the oxynitride super multilayer coating, the oxynitride graded layer having a composition formula AlvCrwMxOyNz, wherein the composition ratios v, w, x, y, and z are atomic ratios; 0.2≤v≤0.45
, 0.02 ≤ w ≤ 0.2, 0 ≤ x ≤ 0.2, 0 ≤ y ≤ 0.5, 0.1 ≤ z ≤ 0.4 and v + w + x + y + z = 1 , and M is at least one additive element selected from Si, Hf, and B and the additive element M
The feature of the oxynitride gradient layer is that between the intermediate layer and the oxynitride super multilayer coating, the composition ratios v, w, x, y, and z are the composition The AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating according to any one of claims 1 to 3 , wherein the ratio varies in a gradient manner.
前記酸窒化傾斜層は、前記組成比v、w、x、y、zが連続的に変化しながら傾斜する酸窒化傾斜連続被膜であるか、又は前記組成比v、w、x、y、zの組合せが傾斜的に変化する2種類以上の酸窒化傾斜単位層を積層した酸窒化傾斜多層被膜である請求項に記載のAlCr耐酸化耐摩耗性被膜。 The oxynitride graded layer is an oxynitride graded continuous coating in which the composition ratios v, w, x, y, z are graded while continuously changing, or the composition ratios v, w, x, y, z 7. The AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating according to claim 6 , which is an oxynitride-graded multilayer coating in which two or more types of oxynitride-graded unit layers in which the combination of is changed in a graded manner. 前記基材と前記中間層の間に窒化傾斜層を設け、当該窒化傾斜層は組成式AlαCrβMγNδを有し、組成比α、β、γ、δは原子比率であり、0.25≦α≦0.6、0.1≦β≦0.37、 0≦γ≦0.2、 0.15≦δ≦0.57且つα+β+γ+δ=1を満足しており、MはSi, Hf,Bのいずれか1種類以上の添加元素であり且つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合を含み、前記窒化傾斜層の特徴は、前記基材と前記中間層の間において、前記組成比α、β、γ、δが前記組成比の範囲内において傾斜的に変化することであり、
前記中間層と前記酸窒化超多層被膜の間に酸窒化傾斜層を設け、当該酸窒化傾斜層は組成式AlvCrwMxOyNzを有し、組成比v、w、x、y、zは原子比率であり、0.2≦≦0.45
、0.02≦≦0.2、0≦≦0.2、0≦≦0.5、0.1≦≦0.4且つv+w+x+y+z=1
を満足しており、MはSi、Hf、Bのいずれか1種類以上の添加元素であり且つ当該添加元素Mは添加される場合と添加されない場合を含み、前記酸窒化傾斜層の特徴は、前記中間層
と前記酸窒化超多層被膜の間において、前記組成比v、w、x、y、zが前記組成比の範囲内において傾斜的に変化する請求項のいずれか1項に記載のAlCr耐酸化耐摩耗性被膜。
A nitrided gradient layer is provided between the base material and the intermediate layer, and the nitrided gradient layer has a composition formula of AlαCrβMγNδ , where the composition ratios α, β, γ, and δ are atomic ratios, and 0.25≦ α ≦0.6, 0.1. ≤ β ≤ 0.37, 0 ≤ γ ≤ 0.2, 0.15 ≤ δ ≤ 0.57 and α + β + γ + δ = 1 , M is an additive element of one or more of Si, Hf, B, and the additive element M is The characteristics of the nitrided gradient layer, including the case where it is added and the case where it is not added, are that the composition ratios α, β, γ, and δ between the base material and the intermediate layer are graded within the range of the composition ratios. is to change to
providing an oxynitride gradient layer between the intermediate layer and the oxynitride super multilayer coating, the oxynitride gradient layer having a composition formula AlvCrwMxOyNz, wherein the composition ratios v, w, x, y, and z are atomic ratios; 0.2≤v≤0.45
, 0.02 ≤ w ≤ 0.2, 0 ≤ x ≤ 0.2, 0 ≤ y ≤ 0.5, 0.1 ≤ z ≤ 0.4 and v + w + x + y + z = 1
is satisfied, M is an additive element of one or more of Si, Hf, and B, and the additive element M may or may not be added, and the oxynitride gradient layer is characterized by: 4. The composition according to any one of claims 1 to 3 , wherein the composition ratios v, w, x, y, and z between the intermediate layer and the oxynitride super multilayer coating gradually change within the range of the composition ratio. AlCr oxidation and wear resistant coating as described.
前記窒化傾斜層は、前記組成比α、β、γ、δが連続的に変化しながら傾斜する窒化傾斜連続被膜であるか、又は前記組成比α、β、γ、δの組合せが傾斜的に変化する2種類以上の窒化傾斜単位層を積層した窒化傾斜多層被膜であり、
前記酸窒化傾斜層は、前記組成比v、w、x、y、zが連続的に変化しながら傾斜する酸窒化傾斜連続被膜であるか、又は前記組成比v、w、x、y、zの組合せが傾斜的に変化する2種類以上の酸窒化傾斜単位層を積層した酸窒化傾斜多層被膜である請求項に記載のAlCr耐酸化耐摩耗性被膜。
The nitrided graded layer is a nitrided graded continuous coating in which the composition ratios α, β, γ, and δ are graded while continuously changing, or the composition ratios α, β, γ, and A nitrided gradient multilayer coating in which two or more different types of nitrided gradient unit layers are laminated,
The oxynitride graded layer is an oxynitride graded continuous coating in which the composition ratios v, w, x, y, z are graded while continuously changing, or the composition ratios v, w, x, y, z 9. The AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating according to claim 8 , which is an oxynitride-graded multilayer coating in which two or more kinds of oxynitride-graded unit layers whose combination is changed in a graded manner are laminated.
前記酸窒化単位層の単位層厚が0.5 nm~50nmである請求項1~のいずれか1項に記載のAlCr耐酸化耐摩耗性被膜。 The AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating according to any one of claims 1 to 3 , wherein the unit layer thickness of said oxynitride unit layer is 0.5 nm to 50 nm. 前記酸窒化単位層の結晶構造がα型の酸化アルミニウムを有する請求項1~のいずれか1項に記載のAlCr耐酸化耐摩耗性被膜。 The AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating according to any one of claims 1 to 3, wherein the crystal structure of the oxynitride unit layer has α-type aluminum oxide. 前記酸窒化超多層被膜の膜厚が0.2μm~10μmである請求項1~のいずれか1項に記
載のAlCr耐酸化耐摩耗性被膜。
The AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating according to any one of claims 1 to 3 , wherein the oxynitride super multilayer coating has a thickness of 0.2 µm to 10 µm.
請求項1~のいずれか1項に記載されたAlCr耐酸化耐摩耗性被膜を前記基材の表面の少なくとも一部又は全部に被覆したことを特徴とする被覆物。 A coating comprising the AlCr oxidation-resistant and wear-resistant coating according to any one of claims 1 to 3 coated on at least part or all of the surface of the substrate. 前記基材が硬質基材からなる被覆物であり、当該被覆物が高硬度工具として用いられ、前記硬質基材がWC超硬合金,サーメット、セラミックス、高速度工具鋼、ダイス鋼のいずれかであり、前記高硬度工具が切削チップ、ドリル、エンドミル、パンチ、金型、冷間金型、熱間金型、切削具のいずれかである請求項13に記載の被覆物。
The substrate is a coating made of a hard substrate, the coating is used as a high-hardness tool, and the hard substrate is any one of WC cemented carbide, cermet, ceramics, high-speed tool steel, and die steel. 14. The coated article according to claim 13 , wherein said high hardness tool is a cutting tip, drill, end mill, punch, die, cold die, hot die or cutting tool.
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