JP7247452B2 - coated tool - Google Patents

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JP7247452B2 JP2019055815A JP2019055815A JP7247452B2 JP 7247452 B2 JP7247452 B2 JP 7247452B2 JP 2019055815 A JP2019055815 A JP 2019055815A JP 2019055815 A JP2019055815 A JP 2019055815A JP 7247452 B2 JP7247452 B2 JP 7247452B2
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Description

本発明は、例えば、プレス加工用や鋳造用の金型、インサート等の切削工具に用いられる工具であって、化学蒸着法で被覆したAlとCrを含有する窒化物または炭窒化物を含む硬質皮膜を工具の表面に有する被覆工具に関する。 The present invention provides, for example, a tool used for a cutting tool such as a mold for press working or casting, an insert, etc., which is a hard tool containing a nitride or carbonitride containing Al and Cr coated by a chemical vapor deposition method. It relates to a coated tool having a coating on the surface of the tool.

従来、金型や切削工具等の工具の寿命を向上させるために、物理蒸着法または化学蒸着法により工具の表面に硬質皮膜を被覆した被覆工具が用いられている。各種の硬質皮膜のなかでもAlとTiの窒化物または炭窒化物からなる硬質皮膜およびAlとCrの窒化物または炭窒化物からなる硬質皮膜は、耐摩耗性と耐熱性に優れる膜種であり被覆切削工具等に広く用いられている。
AlとTiの窒化物または炭窒化物からなる硬質皮膜の形成については、実際に市場で販売されている被覆切削工具に物理蒸着法および化学蒸着法が広く適用されている。一方、AlとCrの窒化物または炭窒化物からなる硬質皮膜の形成については、実際に市場で販売されている被覆切削工具に適用されているのは物理蒸着法であり、化学蒸着法は適用されていないのが現状である。
2. Description of the Related Art Conventionally, in order to extend the life of tools such as molds and cutting tools, coated tools are used in which the surfaces of the tools are coated with a hard film by a physical vapor deposition method or a chemical vapor deposition method. Among various hard coatings, hard coatings composed of nitrides or carbonitrides of Al and Ti and hard coatings composed of nitrides or carbonitrides of Al and Cr are excellent in wear resistance and heat resistance. Widely used for coated cutting tools.
Physical vapor deposition and chemical vapor deposition are widely applied to coated cutting tools that are actually on the market to form hard coatings made of nitrides or carbonitrides of Al and Ti. On the other hand, regarding the formation of hard coatings made of nitrides or carbonitrides of Al and Cr, physical vapor deposition is applied to coated cutting tools that are actually on the market, and chemical vapor deposition is applied. The current situation is that it is not.

しかし、化学蒸着法による硬質皮膜の形成は研究はなされており、例えば、特許文献1は、NH、NとHからなるガス群Aと、CrCl、AlCl、Al(CH、NとHからなるガス群Bを硬質皮膜原料ガスとして別々に供給することで立方晶構造からなるAlとCrの窒化物からなる硬質皮膜を工具基材の表面に被覆することを開示している。 However, research has been conducted on the formation of hard coatings by chemical vapor deposition. 3. Coating the surface of the tool substrate with a hard coating made of nitrides of Al and Cr having a cubic crystal structure by separately supplying gas group B consisting of N 2 and H 2 as hard coating raw material gases. disclosed.

特開2017-80883号公報JP 2017-80883 A

特許文献1に記載の被覆について、本発明者の検討によると、化学蒸着法でAlとCrの窒化物からなる硬質皮膜を被覆する場合、アルカリガスであるNHガスと、ハロゲンガスであるCrClガスやAlClガスが過剰に反応して成膜が安定し難く、さらには、被覆切削工具を含む被覆工具として用いた場合の耐久性も十分でないときがあることを確認した。
したがって、本発明は、耐久性に優れるAlとCrの窒化物または炭窒化物を被覆した被覆工具を得ることを目的とする。
Regarding the coating described in Patent Document 1, according to the study of the present inventor, when a hard coating made of nitrides of Al and Cr is coated by chemical vapor deposition, NH3 gas, which is an alkaline gas, and CrCl, which is a halogen gas, are used. It was confirmed that the 3 gas and AlCl 3 gas react excessively, making it difficult to form a stable film, and that the durability when used as a coated tool including a coated cutting tool is sometimes insufficient.
Accordingly, an object of the present invention is to obtain a coated tool coated with a nitride or carbonitride of Al and Cr having excellent durability.

本発明の一実施形態に係る工具は、
硬質皮膜は化学蒸着膜であり、半金属を含む金属元素の総量に対して、平均含有割合としてAlが50原子%以上、Crが10原子%以上、AlとCrの合計の含有比率が90原子%以上の窒化物または炭窒化物であり、
基材の表面に対して膜厚方向に成長した柱状粒子の集合から構成され、
fcc構造に起因する(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面および(422)面にピーク強度を有し、これら結晶面に起因するピーク強度の合計をTA、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面および(422)面に起因するピーク強度の合計をTBとした場合、TB/TAの値が0.40以上、0.70以下であり、
り、
前記基材と前記硬質皮膜の間にTiの窒化物または炭窒化物を含む中間皮膜を設けるものである。
A tool according to one embodiment of the present invention comprises:
The hard coating is a chemical vapor deposition film , and the average content ratio of Al is 50 atomic % or more, Cr is 10 atomic % or more, and the total content ratio of Al and Cr is 90 atoms with respect to the total amount of metal elements including semimetals. % or more of nitrides or carbonitrides,
Composed of an aggregate of columnar particles grown in the film thickness direction on the surface of the base material,
On the (111) plane, (200) plane, (220) plane, (311) plane, (222) plane, (400) plane, (331) plane, (420) plane and (422) plane resulting from the fcc structure TA, (311) plane , (222) plane, (400) plane, (331) plane, (420) plane and (422) plane. When the total peak intensity is TB, the value of TB / TA is 0.40 or more and 0.70 or less ,
the law of nature,
An intermediate coating containing Ti nitride or carbonitride is provided between the base material and the hard coating.

さらに、前記実施形態に係る工具において、前記硬質皮膜は、透過型電子顕微鏡を用いたミクロ組織において、相対的にAlの含有比率が高い単層構造の部分と、相対的にAlの含有比率が低い積層構造の部分とを有する結晶粒子が分散していることが好ましい。 Furthermore, in the tool according to the embodiment, the hard coating has a single-layer structure portion with a relatively high Al content and a portion with a relatively high Al content in the microstructure using a transmission electron microscope. It is preferable that the crystal grains having a portion of low lamination structure are dispersed.

前記によれば、耐久性に優れるAlとCrの窒化物または炭窒化物を被覆した被覆工具を得ることができる。 According to the above, it is possible to obtain a coated tool coated with nitrides or carbonitrides of Al and Cr with excellent durability.

実施例1のX線回折測定結果を示す図である。1 is a diagram showing the results of X-ray diffraction measurement of Example 1. FIG. 実施例2のX線回折測定結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the results of X-ray diffraction measurement of Example 2; 実施例3のX線回折測定結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the results of X-ray diffraction measurement of Example 3; 比較例1のX線回折測定結果を示す図である。3 is a diagram showing the results of X-ray diffraction measurement of Comparative Example 1. FIG. 比較例2のX線回折測定結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing X-ray diffraction measurement results of Comparative Example 2; 実施例の硬質皮膜の被覆に用いた化学蒸着装置(CVD炉)の概略模式図である。1 is a schematic diagram of a chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) used for coating hard coatings in Examples. FIG. 実施例の硬質皮膜の被覆に用いた化学蒸着装置(CVD炉)の要部を拡大した概略模式図である。FIG. 2 is an enlarged schematic schematic diagram of a main part of a chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) used for coating a hard coating in Examples. 実施例の硬質皮膜の被覆に用いた化学蒸着装置(CVD炉)のガス噴出口の概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a gas jetting port of a chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) used for coating hard coatings in Examples. 実施例1の硬質皮膜を拡大したTEM写真(倍率2,000,000倍)である。2 is an enlarged TEM photograph (magnification: 2,000,000 times) of the hard coating of Example 1. FIG. 図9の概略模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram of FIG. 9;

本発明者は、AlとCrを主体とする窒化物または炭窒化物について、高角度側の結晶面に起因するX線回折ピーク強度を高めることで、工具の中でも加工負荷が大きい被覆切削工具の被覆皮膜として用いたときに耐久性が向上することを見出し、この発見は前述の被覆工具におしなべて適用できると考えて、本発明に到達した。すなわち、AlとCrを主体とする窒化物または炭窒化物について、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面および(422)面に起因するX線回折ピーク強度の合計の相対強度に注目して整理したところ、これらのX線回折ピーク強度の合計の相対強度が一定以上であるとき、被覆工具の耐久性が向上するという驚くべき知見を得たのである。
また、この耐久性の向上と成膜の安定性のためには、アルカリガスであるNHガスと、ハロゲンガスであるCrClガスやAlClガスが過剰に反応させないこと、すなわち、これら原料ガスの混合ガス中のNHガス量のNガスとHガスの合計量に対する割合を特定のものとすること、さらに、塩化CrガスはCVD炉内で生成することが必要であることも知見した。
以下では、本発明の一実施形態の被覆工具を構成する硬質皮膜の成分組成、組織、結晶構造、特性、および、製造装置の詳細について説明をする。
なお、本明細書において、数値範囲を「~」を用いて表現する場合、その範囲は上限および下限の数値を含むものである。
The present inventors have found that by increasing the X-ray diffraction peak intensity due to the crystal plane on the high angle side for nitrides or carbonitrides mainly composed of Al and Cr, coated cutting tools with a large processing load among tools. We have found that durability is improved when used as a coating film, and have arrived at the present invention based on the idea that this finding can be applied to the aforementioned coated tools in general. That is, for nitrides or carbonitrides mainly composed of Al and Cr, X Focusing on the relative intensity of the sum of the X-ray diffraction peak intensities, we found that when the relative intensity of the sum of these X-ray diffraction peak intensities is above a certain level, the durability of the coated tool is improved. It was.
In addition, in order to improve the durability and stabilize the film formation, it is necessary not to allow the NH 3 gas, which is an alkali gas, and the CrCl 3 gas or AlCl 3 gas, which are halogen gases, to react excessively. It is also found that the ratio of the amount of NH 3 gas in the mixed gas of is specified to the total amount of N 2 gas and H 2 gas, and that the Cr chloride gas needs to be generated in the CVD furnace. bottom.
Hereinafter, the composition, structure, crystal structure, characteristics, and details of the manufacturing apparatus of the hard coating forming the coated tool of one embodiment of the present invention will be described.
In this specification, when a numerical range is expressed using "-", the range includes upper and lower limits.

<組成>
まず、本実施形態に係る硬質皮膜の組成について説明する。
本実施形態に係る硬質皮膜は、AlとCrをベースとする窒化物または炭窒化物である。AlとCrの窒化物または炭窒化物の皮膜は耐摩耗性と耐熱性に優れる膜である。炭窒化物とする場合であっても、硬質皮膜の平均組成において、窒素と炭素の合計の含有比率(原子%)を100%とした場合、窒素の含有比率(原子%)が80%以上であることが好ましい。硬質皮膜が耐熱性に優れる窒化物が主体となれば、一部に炭窒化物等を含有しても被覆工具の耐久性は大幅に低下することはない。より好ましくは、窒素と炭素の合計の含有比率(原子%)を100%とした場合、窒素の含有比率(原子%)が90%以上である。なお、硬質皮膜に含まれる炭素は遊離炭素として含有される場合もある。
<Composition>
First, the composition of the hard coating according to this embodiment will be described.
The hard coating according to this embodiment is a nitride or carbonitride based on Al and Cr. A nitride or carbonitride film of Al and Cr is a film excellent in wear resistance and heat resistance. Even in the case of carbonitride, if the total content ratio (atomic %) of nitrogen and carbon is 100% in the average composition of the hard coating, the nitrogen content ratio (atomic %) is 80% or more. Preferably. If the hard coating consists mainly of nitrides, which are excellent in heat resistance, the durability of the coated tool will not be significantly reduced even if carbonitrides and the like are partially contained. More preferably, when the total content ratio (atomic %) of nitrogen and carbon is 100%, the content ratio (atomic %) of nitrogen is 90% or more. In addition, the carbon contained in the hard coating may be contained as free carbon.

<<アルミニウム Al>>
Alの平均含有比率が高いと硬質皮膜の耐熱性が高まるとともに工具表面に潤滑保護皮膜を形成し易くなり、被覆工具の耐久性が向上する。これらの効果を十分に再現するために、本実施形態に係る硬質皮膜は、半金属を含む金属元素(以下、金属元素と記載する。)の総量に対して、Alの含有比率が50原子%以上とする。更には、Alの含有比率を55原子%以上とすることが好ましい。更には、Alの含有比率を60原子%以上とすることがより好ましい。更には、Alの含有比率を70原子%以上とすることがより一層好ましい。但し、Alの含有比率が高くなり過ぎると、脆弱なhcp構造のAlNが多くなり被覆工具の耐久性が低下する。そのため、Alの含有比率を90原子%以下とすることが好ましい。
<<Aluminum Al>>
When the average content of Al is high, the heat resistance of the hard coating increases, and it becomes easier to form a lubricating protective coating on the tool surface, improving the durability of the coated tool. In order to fully reproduce these effects, the hard coating according to the present embodiment has an Al content ratio of 50 atomic % with respect to the total amount of metal elements including semimetals (hereinafter referred to as metal elements). That's it. Furthermore, it is preferable to set the content ratio of Al to 55 atomic % or more. Furthermore, it is more preferable to set the content ratio of Al to 60 atomic % or more. Furthermore, it is even more preferable to set the content ratio of Al to 70 atomic % or more. However, if the content of Al is too high, AlN with a fragile hcp structure increases and the durability of the coated tool decreases. Therefore, it is preferable to set the Al content ratio to 90 atomic % or less.

<<クロミウム Cr>>
Crの平均含有比率が少なすぎると脆弱なhcp構造のAlNが増加し過ぎて被覆工具の耐久性が低下する。また、工具表面(切削工具の場合は刃先表面)に潤滑保護皮膜が形成され難くなり、溶着が発生し易くなる。また、そのため、Crの含有比率は10原子%以上とする。更には、Crの含有比率は15原子%以上とすることが好ましい。但し、Crの含有比率が高くなり過ぎると相対的にAlの含有比率が低下して耐熱性が低下する。そのため、Crの含有比率は45原子%以下とすることが好ましい。
<<Chromium Cr>>
If the average Cr content ratio is too low, AlN with a brittle hcp structure increases too much, and the durability of the coated tool decreases. In addition, it becomes difficult to form a lubricating protective film on the surface of the tool (the surface of the cutting edge in the case of a cutting tool), and adhesion is likely to occur. Also, for this reason, the content ratio of Cr is set to 10 atomic % or more. Furthermore, it is preferable that the content ratio of Cr is 15 atomic % or more. However, if the content ratio of Cr becomes too high, the content ratio of Al relatively decreases, resulting in a decrease in heat resistance. Therefore, the content ratio of Cr is preferably 45 atomic % or less.

<<その他の元素>>
本実施形態に係る硬質皮膜は、硬質皮膜により高い耐熱性を付与するために、AlとCrの合計の含有比率を90原子%以上とすることが好ましい。更には、AlとCrの合計の含有比率を95原子%以上にすることが好ましい。本実施形態に係る硬質皮膜は、AlとCr以外の金属元素、例えば、Ti、Si、Zr、B、Vを含有してもよい。これらの元素は、AlTi系の窒化物または炭窒化物やAlCr系の窒化物または炭窒化物に一般的に添加されている元素であり、少量の添加であれば被覆工具の耐久性を著しく低下させることはなく、工具の用途によっては耐久性の向上に資する。すなわち、AlとCrの合計の含有比率を90原子%以上とする窒化物において、後述する(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面および(422)面に起因するピーク強度の合計の相対強度が一定値以上であれば、これらの金属元素を含有しても被覆工具の耐久性を著しく低下させることはなく、工具の用途によっては耐久性の向上に資する。但し、AlとCr以外の金属元素の含有比率が高くなり過ぎると、AlとCrをベースとする窒化物または炭窒化物としての基本特性が低下して被覆工具の耐久性が低下する。そのため、他の金属元素を含有する場合は、含有比率を10原子%以下とすることが好ましい。
<<other elements>>
The hard coating according to the present embodiment preferably has a total content ratio of Al and Cr of 90 atomic % or more in order to impart higher heat resistance to the hard coating. Furthermore, it is preferable to set the total content ratio of Al and Cr to 95 atomic % or more. The hard coating according to this embodiment may contain metal elements other than Al and Cr, such as Ti, Si, Zr, B, and V. These elements are elements generally added to AlTi-based nitrides or carbonitrides and AlCr-based nitrides or carbonitrides, and if added in small amounts, the durability of the coated tool is significantly reduced. It contributes to the improvement of durability depending on the use of the tool. That is, in the nitride having a total content of Al and Cr of 90 atomic % or more, the (311) plane, (222) plane, (400) plane, (331) plane, (420) plane and (422) plane described later ) if the relative strength of the total peak strength due to the surface is a certain value or more, even if these metal elements are contained, the durability of the coated tool will not be significantly reduced, and depending on the use of the tool, the durability Contribute to improvement. However, if the content ratio of metal elements other than Al and Cr becomes too high, the basic properties of nitrides or carbonitrides based on Al and Cr are degraded, and the durability of the coated tool is degraded. Therefore, when other metal elements are contained, the content ratio is preferably 10 atomic % or less.

<<不可避不純物>>
本実施形態に係る硬質皮膜は、不可避不純物として、酸素、塩素等の成膜ガスに含まれる成分を、硬質皮膜全体を100質量%としたときに1質量%以下まで含有し得る。本実施形態に係る硬質皮膜は全体として窒化物または炭窒化物であるならば、これら不純物に起因する化合物を一部に含有してもよい。
<<Inevitable Impurities>>
The hard coating according to the present embodiment can contain, as unavoidable impurities, up to 1% by mass or less of components contained in the film forming gas such as oxygen and chlorine when the entire hard coating is taken as 100% by mass. If the hard coating according to the present embodiment is a nitride or carbonitride as a whole, it may partially contain compounds derived from these impurities.

<結晶構造>
本実施形態に係る硬質皮膜は、fcc(面心立方)構造に起因する(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面および(422)面にピーク強度を有する。
これらのfcc構造に起因するピーク強度を有するのであれば、一部にhcp構造に起因するピーク強度を有してもよい。但し、hcp構造に起因するピーク強度が大きくなり過ぎると被覆工具の耐久性が低下する。
そのため、hcp構造を含有する場合でも、fcc構造に起因するピークの最大ピーク強度に対して、hcp構造に起因するピークの最大ピーク強度を1/10以下にすることが好ましい。
<Crystal structure>
The hard coating according to the present embodiment has the (111) plane, (200) plane, (220) plane, (311) plane, (222) plane, (400) plane, ( It has peak intensities on the 331), (420) and (422) planes.
As long as it has the peak intensity due to these fcc structures, it may partially have the peak intensity due to the hcp structure. However, if the peak strength due to the hcp structure becomes too large, the durability of the coated tool will decrease.
Therefore, even when the hcp structure is contained, the maximum peak intensity of the peak due to the hcp structure is preferably 1/10 or less of the maximum peak intensity of the peak due to the fcc structure.

本実施形態に係る硬質皮膜は、X線回折において、fcc構造の(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面および(422)面の少なくとも9面にピーク強度を有する。より高角度側の(422)面にピーク強度を有することで、被覆工具の耐久性が向上する。通常、アークイオンプレーティング法で被覆したAlとCrを主体とする窒化物は、低角度側の(111)面、(200)面、(220)面のピーク強度が相対的に高くなる傾向にある。本発明者は、成膜条件を工夫した化学蒸着法で被覆したAlとCrを主体とする窒化物または炭窒化物においては、高角度側の(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面および(422)面に起因するピーク強度の合計の相対強度を高めることで、被覆工具の耐久性が向上することを知見した。
前記化学蒸着法で被覆したAlとCrを主体とする窒化物または炭窒化物について、fcc構造の(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面および(422)面に起因するピーク強度の合計をTA、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面および(422)面に起因するピーク強度の合計をTBとした場合、TB/TAの値が0.40以上となることで、被覆工具の耐久性を高めることができる。好ましくはTB/TAの値が0.50以上である。更に好ましくは、TB/TAの値が0.55以上である。低角度側の(111)面、(200)面、(220)面のピーク強度が低すぎても硬質皮膜の基礎特性が低下するため、TB/TAの値は0.70以下であることが好ましい。
In the X-ray diffraction, the hard coating according to the present embodiment has the fcc structure (111) plane, (200) plane, (220) plane, (311) plane, (222) plane, (400) plane, (331) plane It has peak intensities in at least nine planes, the (420) plane and the (422) plane. Having peak strength in the (422) plane on the higher angle side improves the durability of the coated tool. Usually, nitrides mainly composed of Al and Cr coated by arc ion plating tend to have relatively high peak intensities of (111) plane, (200) plane, and (220) plane on the low angle side. be. In nitrides or carbonitrides mainly composed of Al and Cr coated by chemical vapor deposition with devised film formation conditions, the present inventors found that the (311) plane, (222) plane, and (400) plane on the high angle side It has been found that the durability of the coated tool is improved by increasing the relative intensity of the sum of the peak intensities attributed to the plane, (331) plane, (420) plane and (422) plane.
(111) plane, (200) plane, (220) plane, (311) plane, (222) plane, (400) plane, (331) plane, (420) plane and the sum of peak intensities due to (422) plane TA, (311) plane, (222) plane, (400) plane, (331) plane, ( When TB is the sum of the peak intensities attributed to the 420) plane and the (422) plane, a TB/TA value of 0.40 or more can improve the durability of the coated tool. Preferably, the value of TB/TA is 0.50 or more. More preferably, the value of TB/TA is 0.55 or more. Even if the peak intensity of the (111) plane, (200) plane, and (220) plane on the low angle side is too low, the basic properties of the hard coating deteriorate, so the value of TB/TA should be 0.70 or less. preferable.

ICDDファイルには、窒化アルミクロミウム、炭窒化アルミクロミウムの回折ピークはないため、ICDDファイル番号00-025-1495に記載の、fcc構造の窒化アルミニウムから各結晶面の回折ピーク強度を求める。また、ICDDファイル番号00-025-1495には(422)面のピーク強度はないが、面間隔d値を計算することにより、X線回折図において(422)面ピーク強度を確認できる。
なお、窒化アルミクロミウム硬質皮膜、炭窒化アルミクロミウム硬質皮膜のX線回折ピークは、窒化チタンアルミニウム硬質皮膜のX線回折ピークと類似しておりピーク位置が重なる。そのため、本発明に係る硬質皮膜と窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を積層、例えば、交互積層させる場合、得られたX線回折ピークを窒化アルミクロミウム硬質皮膜、炭窒化アルミクロミウム硬質皮膜のピークとしてTB/TAの値を算出にすればよい。
Since there are no diffraction peaks for aluminum chromium nitride and aluminum chromium carbonitride in the ICDD file, the diffraction peak intensity of each crystal plane is obtained from fcc structure aluminum nitride described in ICDD file number 00-025-1495. Although ICDD file number 00-025-1495 has no peak intensity of the (422) plane, the peak intensity of the (422) plane can be confirmed in the X-ray diffraction diagram by calculating the interplanar spacing d value.
The X-ray diffraction peaks of the aluminum chromium nitride hard coating and the aluminum chromium carbonitride hard coating are similar to the X-ray diffraction peaks of the titanium aluminum nitride hard coating, and the peak positions overlap. Therefore, when the hard coating according to the present invention and the titanium aluminum nitride hard coating are laminated, for example, alternately laminated, the obtained X-ray diffraction peak is TB/TA as the peak of the aluminum chromium nitride hard coating and the aluminum chromium carbonitride hard coating. The value of is calculated.

<柱状粒子>
本実施形態に係る硬質皮膜は、基材の表面に対して膜厚方向に成長した柱状粒子の集合から構成される。AlとCrをベースとする窒化物または炭窒化物の硬質皮膜が基材の表面に対して膜厚方向に成長した柱状粒子となることで、被覆工具の耐久性が向上する。
前記柱状粒子の表面側における平均幅が0.1μm以上2.0μm以下であることが好ましい。表面側における平均幅が0.1μm以上とすることで被覆工具の耐久性がより高まる。また、表面側における平均幅が2.0μm以下とすることで、硬質皮膜の塑性変形が起こり難くなり、また、硬質皮膜から脱落する粒子径が小さくなるため工具摩耗が抑制され易くなる。
<Column particles>
The hard coating according to this embodiment is composed of an aggregate of columnar particles grown in the film thickness direction on the surface of the base material. The hard coating of nitride or carbonitride based on Al and Cr forms columnar particles grown in the film thickness direction on the surface of the base material, thereby improving the durability of the coated tool.
The average width of the columnar particles on the surface side is preferably 0.1 μm or more and 2.0 μm or less. When the average width on the surface side is 0.1 μm or more, the durability of the coated tool is further enhanced. Further, by setting the average width on the surface side to 2.0 μm or less, plastic deformation of the hard coating is less likely to occur, and the diameter of the particles falling off from the hard coating is reduced, making it easier to suppress tool wear.

本実施形態における表面側とは、被加工材と接触する側にある硬質皮膜の表面近傍、例えば、CP(Cross-section Polisher)加工面の近傍をいう。硬質皮膜の柱状粒子の幅は、透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡による断面観察から測定することができる。測定箇所は、被加工材と接する側にある皮膜表面から深さが0.5μmの位置とした。連続する30個以上の柱状粒子の幅を観察すれば、粒子幅の平均値は収束する。そのため、連続する30個以上の柱状粒子から、硬質皮膜の柱状粒子の平均幅を求めればよい。 In this embodiment, the surface side refers to the vicinity of the surface of the hard coating on the side in contact with the workpiece, for example, the vicinity of the CP (Cross-section Polisher) processing surface. The width of the columnar grains of the hard coating can be measured by cross-sectional observation with a transmission electron microscope or scanning electron microscope. The measurement point was set at a depth of 0.5 μm from the coating surface on the side in contact with the workpiece. Observing the width of 30 or more continuous columnar particles converges the average value of the particle width. Therefore, the average width of the columnar grains of the hard coating can be obtained from 30 or more continuous columnar grains.

<ミクロ組織>
本実施形態に係る硬質皮膜のミクロ組織は特段限定されるものではないが、一つの粒子の中に、単層構造と積層構造が併存する結晶粒子が分散している場合がよい。具体的には、例えば、一つの結晶粒子において、相対的にAlの含有比率が高いAlとCrの窒化物または炭窒化物と、相対的にAlの含有比率が低いAlとCrの窒化物または炭窒化物とが交互に積層した積層構造からなる部分と、Alの含有比率が高いAlとCrの窒化物または炭窒化物の単層構造からなる部分とを有する結晶粒子がミクロ組織に分散している場合(後述する実施例1に係る図9、図10を参照)がある。
単層構造の部分は、積層構造の部分に比べて、歪みが少ないと推定される。そのため、単層構造の部分を有することで被覆工具の耐久性が向上する。積層構造からなる部分は、単層構造からなる部分に比べて相対的にAlの含有比率が小さくなることで、結晶粒子の全体としてAlの含有量が増加しすぎて脆弱なhcp構造のAlNが増加することが抑制される。そして、このような粒子が存在することにより、硬質皮膜の全体として耐摩耗性と耐熱性が高まり優れた耐久性を発揮することができる。
本実施形態に係る硬質皮膜のミクロ組織は、単層構造のみからなる結晶粒子を有してもよい。また、積層構造のみからなる結晶粒子を有してもよい。単層構造のみからなる結晶粒子と積層構造のみからなる結晶粒子と単層構造と積層構造が併存する結晶粒子とを有してもよい。
<Microstructure>
Although the microstructure of the hard coating according to the present embodiment is not particularly limited, it is preferable that crystal grains in which a single layer structure and a laminated structure coexist are dispersed in one particle. Specifically, for example, in one crystal grain, a nitride or carbonitride of Al and Cr having a relatively high Al content and a nitride or carbonitride of Al and Cr having a relatively low Al content Crystal grains having a portion having a laminated structure in which carbonitrides are alternately laminated and a portion having a single-layer structure of a nitride or carbonitride of Al and Cr having a high Al content are dispersed in the microstructure. There is a case (see FIGS. 9 and 10 relating to Embodiment 1 described later).
It is presumed that the portion with the single layer structure has less strain than the portion with the laminated structure. Therefore, the durability of the coated tool is improved by having the part with the single layer structure. Since the Al content ratio of the portion having the laminated structure is relatively smaller than that of the portion having the single layer structure, the Al content of the crystal grain as a whole increases excessively, resulting in AlN having a fragile hcp structure. increase is suppressed. The presence of such particles makes it possible for the hard coating as a whole to exhibit improved wear resistance and heat resistance and excellent durability.
The microstructure of the hard coating according to this embodiment may have crystal grains consisting only of a single layer structure. Further, it may have crystal grains having only a laminated structure. It may have crystal grains having only a single layer structure, crystal grains having only a laminated structure, and crystal grains having both a single layer structure and a laminated structure.

積層構造の部分において、相対的にAlの含有比率が高いAlとCrの窒化物または炭窒化物は、Alの含有比率が60原子%以上であることが好ましく、また、相対的にAlの含有比率が低いAlとCrの窒化物または炭窒化物は、Alの含有比率が55原子%以下であることが好ましい。
積層構造の部分において、相対的にAlの含有比率が高いAlとCrの窒化物または炭窒化物は、Alの含有比率が70原子%以上であることが好ましく、更には80%原子%以上であることがより好ましい。但し、Alの含有比率が高くなり過ぎるとhcp構造のAlNが増加するため、Alの含有比率は95原子%以下であることが好ましい。更には、90原子%以下であることが好ましい。
積層構造の部分において、相対的にAlの含有比率が低いAlとCrの窒化物または炭窒化物は、Alの含有比率が50原子%以下であることがより好ましく、更には、40原子%以下であることがより一層好ましい。但し、Alの含有比率が低くなり過ぎると、硬質皮膜の全体で耐熱性が低下するため、Alの含有比率は10原子%以上であることが好ましい。更には、20原子%以上が好ましい。
単層構造の部分は、Alの含有比率が60原子%以上であることが好ましい。更には、Alの含有比率が70原子%以上であることがより好ましい。但し、Alの含有比率が高くなり過ぎるとhcp構造のAlNが増加するため、90原子%以下であることが好ましい。
In the portion of the laminated structure, the Al and Cr nitrides or carbonitrides having a relatively high Al content ratio preferably have an Al content ratio of 60 atomic % or more, and a relatively Al content The nitride or carbonitride of Al and Cr having a low ratio preferably has an Al content ratio of 55 atomic % or less.
In the laminated structure portion, the Al and Cr nitrides or carbonitrides having a relatively high Al content ratio preferably have an Al content ratio of 70 atomic % or more, and more preferably 80 atomic % or more. It is more preferable to have However, if the Al content ratio is too high, the amount of AlN having the hcp structure increases, so the Al content ratio is preferably 95 atomic % or less. Furthermore, it is preferably 90 atomic % or less.
In the laminated structure portion, the Al and Cr nitrides or carbonitrides having a relatively low Al content ratio preferably have an Al content ratio of 50 atomic % or less, further preferably 40 atomic % or less. is even more preferable. However, if the content of Al is too low, the heat resistance of the entire hard coating is lowered, so the content of Al is preferably 10 atomic % or more. Furthermore, 20 atomic % or more is preferable.
It is preferable that the single-layer structure portion has an Al content of 60 atomic % or more. Furthermore, it is more preferable that the content ratio of Al is 70 atomic % or more. However, if the content ratio of Al becomes too high, AlN having the hcp structure increases, so the content ratio is preferably 90 atomic % or less.

<平均層厚>
本実施形態に係る硬質皮膜の平均層厚(膜厚)は、1.0~15.0μmが望ましい。その理由は、1.0μm未満であると薄いため十分な工具寿命を与えず、一方、15.0μmを超えると厚くなりすぎて加工精度が低下してしまう虞があるためである。膜厚の下限は2.0μmが好ましく、更には3.0μmが好ましく、更には5.0μmがより好ましい。膜厚の上限は12.0μmが好ましく、更には10.0μmがより好ましい。
<Average layer thickness>
The average layer thickness (film thickness) of the hard coating according to this embodiment is desirably 1.0 to 15.0 μm. The reason for this is that if the thickness is less than 1.0 μm, it is too thin to provide a sufficient tool life, while if it exceeds 15.0 μm, it is too thick and there is a possibility that the machining accuracy will be lowered. The lower limit of the film thickness is preferably 2.0 μm, more preferably 3.0 μm, and more preferably 5.0 μm. The upper limit of the film thickness is preferably 12.0 µm, more preferably 10.0 µm.

<中間皮膜と上層>
本実施形態の被覆工具は、硬質皮膜の基材との密着性をより向上させるため、工具の基材と硬質皮膜との間に、Tiの窒化物または炭窒化物を含む中間皮膜を設ける。このような中間皮膜を設けることで基材と硬質皮膜の密着性がより向上して過酷な使用環境下でも耐久性が向上する。ここで、本明細書において、Tiの窒化物、炭窒化物のように化合物を化学式で表さないときは、必ずしも化学量論的範囲のものに限定されないし、Ti窒化物または炭窒化物を含むとは、Ti窒化物、Ti炭窒化物を中間層として成膜する際に不可避的に成膜される層の存在を許容すると云うことである。
また、本実施形態に係る硬質皮膜の上に、本実施形態に係る硬質皮膜と異なる成分比や異なる組成を有する上層を設けてもよい。上層は、例えば、窒化物、炭窒化物、炭化物やアルミナ等の酸化物で、結合層を介して設けるとよい。このうち、化学蒸着法で成膜する被覆層として一般的に用いられているアルミナは、被覆工具の耐熱性を向上させるので好ましい。例えば、一般的に鋳物の切削加工においてはアルミナを設けた被覆切削工具が用いられている。本発明の被覆工具も、必要に応じて上層としてアルミナを設ければ耐久性がより向上して好ましい。
金型に適用する場合には、潤滑性に優れるVの窒化物または炭窒化物等を上層に設けてもよい。
<Intermediate film and upper layer>
In the coated tool of the present embodiment, an intermediate coating containing Ti nitride or carbonitride is provided between the base material of the tool and the hard coating in order to further improve the adhesion of the hard coating to the base material. By providing such an intermediate film, the adhesion between the base material and the hard film is further improved, and the durability is improved even under severe use environments. Here, in this specification, when a compound is not represented by a chemical formula such as Ti nitride or carbonitride, it is not necessarily limited to a stoichiometric range, and Ti nitride or carbonitride To include means to allow the presence of a layer that is unavoidably formed when forming a film of Ti nitride or Ti carbonitride as an intermediate layer.
Further, an upper layer having a different component ratio or composition from the hard coating according to the present embodiment may be provided on the hard coating according to the present embodiment. The upper layer is, for example, a nitride, a carbonitride, a carbide, or an oxide such as alumina, and is preferably provided via a bonding layer. Among these, alumina, which is generally used as a coating layer formed by chemical vapor deposition, is preferable because it improves the heat resistance of coated tools. For example, a coated cutting tool provided with alumina is generally used in the cutting of castings. The coated tool of the present invention is also preferably provided with alumina as an upper layer, as required, to further improve durability.
When applied to a mold, a nitride or carbonitride of V having excellent lubricity may be provided as an upper layer.

<被覆後の処理>
本実施形態に係る硬質皮膜は化学蒸着によって成膜されるため引張応力を有しているから、被覆後にブラスト装置等による応力解放となる被覆後の処理を行うことが好ましい。この被覆後の処理を行うことで、切削では耐チッピング性が改善し工具寿命に優れる硬質皮膜となる。
<Treatment after coating>
Since the hard coating according to the present embodiment is formed by chemical vapor deposition and has tensile stress, it is preferable to perform a post-coating treatment for stress release by a blasting device or the like after coating. By performing this post-coating treatment, a hard coating with improved chipping resistance in cutting and excellent tool life can be obtained.

<基材>
本実施形態では、基材(被覆工具の基材)は、特に制限されるものではなく、用途や目的等に応じて適宜選択することができる。例えば、超硬合金、冷間工具鋼、高速度工具鋼、プラスチック金型用鋼、熱間工具鋼等を適用することができる。
また、本発明の被覆工具を切削工具として用いる場合の工具基材は、インサート基材に限らず、例えば、ドリル、ドリル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、リーマ、タップ等の基材を挙げることができる。
<Base material>
In this embodiment, the base material (the base material of the coated tool) is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the application, purpose, and the like. For example, cemented carbide, cold work tool steel, high speed tool steel, plastic mold steel, hot work tool steel, etc. can be applied.
When the coated tool of the present invention is used as a cutting tool, the tool base material is not limited to the insert base material. , taps and the like.

<製造方法>
本実施形態に係る硬質皮膜は、例えば、内部温度を後述する750℃以上に昇温させた化学蒸着装置(CVD炉)内へ、以下に述べる混合ガスAと混合ガスBを別々に導入し、該装置内で混合することにより、該装置内にあらかじめ載置してあるインサート基材等の工具基体に被覆することができる。
<Manufacturing method>
The hard coating according to the present embodiment can be produced, for example, by introducing a mixed gas A and a mixed gas B described below separately into a chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) whose internal temperature has been raised to 750° C. or higher, which will be described later. Mixing in the apparatus can coat a tool substrate, such as an insert substrate, that has been previously placed in the apparatus.

<<混合ガスA>>
本実施形態において、混合ガスAは、混合ガスa1と混合ガスa2を含む。混合ガスa1は、HClガスとHガス(「塩化Crを生成するための混合ガス」または「混合ガスa1を得るための混合ガス」ともいう)と、この2のガスが金属Crと接触することにより生成する塩化Crガス(CrClで表現できる成分のみではなくCrとClとが化学的に結合したガスである)を含むガスで、代表的な組成は、体積比で塩化Cr/H=0.008~0.140である。一方、混合ガスa2は、AlClガスとHガスとを含むガスで、代表的な組成は、体積比でAlCl/(H+N)=0.0006~0.0300である。
なお、塩化Crガスの体積%およびAlClガスの体積%は、後述するように、これらガスを発生させるために導入するHClガス量から推定する。
混合ガスa1において、塩化Crガスの生成のためのHClガスとHガスは加熱されて金属Crと接触されるが、この加熱は、製造装置の説明で後述するように、CVD炉の内部のガス予熱部で行うことが好ましい。また、塩化Crガスを有するようになった混合ガスa1に、この混合ガスa1の温度近くに加熱された混合ガスa2を混合して、混合ガスAを得ることが好ましい。このようにすることにより、AlClガスの影響を受けずに塩化Crガスの生成が容易になされるようになる。
混合ガスa1において、塩化Crガスの生成のためのHClガスとHガスは加熱されて金属Crと接触されるが、この加熱は、製造装置の説明で後述するように、CVD炉の内部のガス予熱部で行うことが好ましい。前記ガス予熱部において塩化Crガスを生成させるときの温度は、炉内温度の最低設定温度である750℃程度の塩化Crガスが安定的に発生する温度とする。その理由は、この温度が低すぎると塩化Crガスの発生量が少なくなり、硬質皮膜の全体がAlリッチとなって、hcp構造のAlNが増加し易くなるためである。
また、混合ガスa2に含まれるAlClガスは、例えば、HガスとHClガスの混合ガスを、金属Alを充填して330℃に保温したAlClガス発生器に導入して生成することができ、混合ガスa1と混合して混合ガスAとするときに予熱される。混合ガスa2の温度は、混合ガスa1の温度との差があまりない方が、硬質皮膜が柱状粒子となるために好ましく、混合ガスa1の温度の近傍(例えば、±80℃)がよい。
混合ガスa1に混合ガスa2を混合して得られた混合ガスAにおいて、Hガスの流量を最も大きくすることが望ましい。さらに、混合ガスa1および混合ガスa2にはNガスやArガスが含まれていてもよい。
<<mixed gas A>>
In this embodiment, mixed gas A includes mixed gas a1 and mixed gas a2. The mixed gas a1 is HCl gas and H2 gas (also referred to as "mixed gas for producing Cr chloride" or "mixed gas for obtaining mixed gas a1"), and these two gases are brought into contact with metal Cr. A gas containing Cr chloride gas (a gas in which Cr and Cl are chemically combined as well as a component that can be expressed as CrCl3 ) generated by = 0.008 to 0.140. On the other hand, the mixed gas a2 is a gas containing AlCl 3 gas and H 2 gas, and has a typical composition of AlCl 3 /(H 2 +N 2 )=0.0006 to 0.0300 by volume.
The volume % of Cr chloride gas and the volume % of AlCl 3 gas are estimated from the amount of HCl gas introduced to generate these gases, as will be described later.
In the mixed gas a1, HCl gas and H2 gas for generating Cr chloride gas are heated and brought into contact with metal Cr. It is preferable to carry out in the gas preheating section. Further, it is preferable to obtain a mixed gas A by mixing a mixed gas a1 containing Cr chloride gas with a mixed gas a2 heated to a temperature close to that of the mixed gas a1. By doing so, the Cr chloride gas can be easily generated without being affected by the AlCl 3 gas.
In the mixed gas a1, HCl gas and H2 gas for generating Cr chloride gas are heated and brought into contact with metal Cr. It is preferable to carry out in the gas preheating section. The temperature at which Cr chloride gas is generated in the gas preheating section is set to a temperature at which Cr chloride gas is stably generated at about 750° C., which is the minimum set temperature of the furnace temperature. The reason for this is that if this temperature is too low, the amount of Cr chloride gas generated is reduced, the entire hard coating becomes Al-rich, and AlN with the hcp structure tends to increase.
Further, the AlCl 3 gas contained in the mixed gas a2 can be generated, for example, by introducing a mixed gas of H 2 gas and HCl gas into an AlCl 3 gas generator filled with metal Al and kept at 330 ° C. It can be preheated when it is mixed with mixed gas a1 to form mixed gas A. It is preferable that the temperature of the mixed gas a2 is not much different from the temperature of the mixed gas a1, so that the hard coating becomes columnar particles.
In mixed gas A obtained by mixing mixed gas a1 with mixed gas a2, it is desirable to maximize the flow rate of H 2 gas. Furthermore, the mixed gas a1 and the mixed gas a2 may contain N 2 gas and Ar gas.

<<混合ガスB>>
混合ガスBは、Hガス、NガスおよびNHガスを含む。この混合ガスBは、NガスとHガスの合計の体積%をb1、NHガスの体積%をb2とした場合、b2/b1の値が0.002以上0.020以下の組成比を有することが、本実施形態に係る硬質皮膜の組成を得るために好ましい。この組成比の範囲に混合ガスBの組成比があれば、アルカリガスであるNHガスと、ハロゲンガスであるCrClガスやAlClガスが過剰に反応することを抑制しやすくなる。
この混合ガスBも予熱されるが、予熱による温度上昇は抑え、混合ガスAの温度よりも低く予熱して過剰な予熱を避ける。
後述する被覆装置では、予熱チャンバー内の混合ガスBを予熱するガス経路を、例えば、予熱チャンバーの高さと同じとすることで、混合ガスBが混合ガスAのように過度に予熱されるのを防いでいる。これにより、混合ガスBに含まれるNHと混合ガスAに含まれる塩化Crガス、AlClガスとの反応速度を抑え、硬質皮膜が柱状粒子となる。
<<mixed gas B>>
Mixed gas B includes H2 gas, N2 gas and NH3 gas. This mixed gas B has a composition ratio in which the value of b2/b1 is 0.002 or more and 0.020 or less, where b1 is the total volume percentage of N 2 gas and H 2 gas and b2 is the volume percentage of NH 3 gas. is preferable for obtaining the composition of the hard coating according to the present embodiment. If the composition ratio of the mixed gas B is within this composition ratio range, it becomes easier to suppress excessive reaction between the NH 3 gas, which is an alkali gas, and the CrCl 3 gas or AlCl 3 gas, which is a halogen gas.
This mixed gas B is also preheated, but the temperature rise due to preheating is suppressed and preheated to a temperature lower than that of the mixed gas A to avoid excessive preheating.
In the coating apparatus to be described later, the gas path for preheating the mixed gas B in the preheating chamber is set, for example, to the same height as the preheating chamber, thereby preventing the mixed gas B from being excessively preheated like the mixed gas A. prevent. As a result, the reaction rate between NH 3 contained in mixed gas B and Cr chloride gas and AlCl 3 gas contained in mixed gas A is suppressed, and the hard coating becomes columnar particles.

混合ガスBを予熱するガス経路は、ガス予熱部を通るが、前述のとおり予熱温度は抑え、過剰の予熱は避ける。このように予熱するための一手段として、後述する本実施形態で使用されるCVD炉の予熱部のように、予熱のための熱源に、塩化Crガス発生部(混合ガスa1を得るためのガスの経路が通過する)、第1予熱部(混合ガスa2を予熱するガス経路が通過する)、第2予熱部(混合ガスBを予熱するガス経路が通過する)の順に近づけ、さらに、混合ガスa1を得るためのガス経路(混合ガスa1のガス経路)の長さと混合ガスa2を予熱するガス経路(混合ガスa2のガス経路)の長さの合計を、混合ガスBを予熱するガス経路(混合ガスBのガス経路)よりも3倍以上、好ましくは、5倍以上で、8倍以下の範囲で長くすることが考えられる。この範囲は、装置容量に依存して適宜決定すればよく、10倍、更には20倍となることもある。一例として、混合ガスBを予熱するガス経路は、650mm以下が好ましく550mm以下が更に好ましい。これにより、NHガスとAlClガスや塩化Crガスとの過度な反応が抑制されて、硬質皮膜が柱状粒子の集合から構成される組織となる。
なお、混合ガスa1を得るための混合ガスのガス経路、混合ガスa2を予熱するガス経路、混合ガスBを予熱するガス経路とは、各混合ガスを炉内へ導入してから予熱が終了するまでの経路をいう。すなわち、後述するように本実施形態で使用されるCVD炉の予熱部のように、成膜中に回転を伴う接続経路および予熱室(予熱チャンバー)内の経路をいう。
The gas path for preheating the mixed gas B passes through the gas preheating section, but as described above, the preheating temperature is suppressed to avoid excessive preheating. As a means for preheating in this way, a Cr chloride gas generating part (a gas for obtaining mixed gas a1 passes), the first preheating section (the gas path for preheating the mixed gas a2 passes), the second preheating section (the gas path for preheating the mixed gas B passes), and further, the mixed gas The total length of the gas path for obtaining a1 (gas path for mixed gas a1) and the length of the gas path for preheating mixed gas a2 (gas path for mixed gas a2) is the gas path for preheating mixed gas B ( It is conceivable to lengthen the length in the range of 3 times or more, preferably 5 times or more, and 8 times or less than the gas path of the mixed gas B). This range may be appropriately determined depending on the device capacity, and may be 10 times, or even 20 times. As an example, the gas path for preheating the mixed gas B is preferably 650 mm or less, more preferably 550 mm or less. As a result, excessive reaction between NH 3 gas and AlCl 3 gas or Cr chloride gas is suppressed, and the hard coating has a structure composed of aggregates of columnar particles.
The gas path of the mixed gas for obtaining the mixed gas a1, the gas path for preheating the mixed gas a2, and the gas path for preheating the mixed gas B are completed after each mixed gas is introduced into the furnace. means the route to In other words, it refers to a connection path and a path in a preheating chamber (preheating chamber) that accompany rotation during film formation, such as the preheating section of the CVD furnace used in this embodiment, as will be described later.

<<混合ガスAと混合ガスBの混合と炉内への導入>>
混合ガスAと混合ガスBをあらかじめ混合して、1つのノズル穴からCVD炉内(反応容器内)に導入すると、NHガスとAlClガスや塩化Crガスとの反応速度が速くなり過ぎて、硬質皮膜において柱状粒子の集合から構成される組織が得られ難くなる。そこで、混合ガスAと混合ガスBはCVD炉内(反応容器内)に導入する前に混合せず、混合ガスAのノズル穴と混合ガスBのノズル穴をそれぞれ別にして設けてCVD炉内(反応容器内)に独立に導入する。具体的には、例えば、後述する製造装置において説明するように、混合ガスBのノズル穴は混合ガスAのノズル穴とは噴出方向を変え、さらに、混合ガスAのノズル穴よりも回転軸からの距離が外側に配置するなどして、NHガスとAlClガスや塩化Crガスとの反応速度が速くなりすぎないようにする。
<<Mixing of Mixed Gas A and Mixed Gas B and Introduction into Furnace>>
If mixed gas A and mixed gas B are mixed in advance and introduced into the CVD furnace (inside the reaction vessel) through one nozzle hole, the reaction rate between NH3 gas and AlCl3 gas or Cr chloride gas becomes too fast. , it becomes difficult to obtain a structure composed of aggregates of columnar particles in the hard coating. Therefore, the mixed gas A and the mixed gas B are not mixed before being introduced into the CVD furnace (into the reaction vessel). (inside the reaction vessel) independently. Specifically, for example, as will be described in the later-described manufacturing apparatus, the nozzle hole for the mixed gas B has a different ejection direction from the nozzle hole for the mixed gas A, and furthermore, the nozzle hole for the mixed gas A is more distant from the rotation axis than the nozzle hole for the mixed gas A. The distance between NH 3 gas and AlCl 3 gas or Cr chloride gas is prevented from becoming too fast.

<<反応圧力と成膜温度>>
成膜のための反応圧力は3~5kPaであることが好ましい。その理由は、反応圧力が低すぎると成膜速度が低下し、一方で、反応圧力が高すぎると、反応が促進されて、柱状粒子の集合から構成される組織が得られ難いためである。
また、CVD炉内(反応容器内)温度は750~850℃が好ましい。その理由は、成膜温度が低すぎると、硬質皮膜中の塩素量が増加し耐摩耗性が低下し、一方で、成膜温度が高すぎると反応が促進され、柱状粒子の集合から構成される組織が得られ難いためである。炉内温度は、770~820℃がより好ましい。
<<Reaction Pressure and Film Forming Temperature>>
The reaction pressure for film formation is preferably 3 to 5 kPa. The reason for this is that if the reaction pressure is too low, the film formation rate will decrease, while if the reaction pressure is too high, the reaction will be accelerated, making it difficult to obtain a structure composed of aggregates of columnar particles.
Also, the temperature in the CVD furnace (inside the reaction vessel) is preferably 750 to 850.degree. The reason for this is that if the deposition temperature is too low, the amount of chlorine in the hard coating will increase and wear resistance will decrease. This is because it is difficult to obtain a structure that The temperature in the furnace is more preferably 770-820°C.

なお、炭窒化物を被覆する場合には、炭素成分を与えるガス、すなわち、炭素数が2~5(C2~C5)の炭化水素ガス(例えばエタン)あるいは炭窒化水素ガス(例えばアセトニトリル)を混合ガスa2と一緒にCVD炉内へ導入することが好ましい。反応性の高いエタンやアセトニトリルを導入することで、炭窒化物を安定して被覆することができる。炭化水素ガスの導入量は混合ガスAと混合ガスBの和に対して0.4体積%以下で導入することが好ましい。 In the case of coating with carbonitride, a gas that provides a carbon component, that is, a hydrocarbon gas having 2 to 5 carbon atoms (C2 to C5) (eg, ethane) or a hydrogen carbonitride gas (eg, acetonitrile) is mixed. It is preferably introduced into the CVD furnace together with gas a2. By introducing highly reactive ethane or acetonitrile, the carbonitride can be stably coated. The introduction amount of the hydrocarbon gas is preferably 0.4% by volume or less with respect to the sum of the mixed gas A and the mixed gas B.

<被覆装置>
本発明の一実施形態に用いる化学蒸着装置(CVD炉)は、上述の製造方法を実施するために、炉内(反応容器内)温度は750~850℃、炉内(反応容器内)圧力は3~5KPaにできるものであって、以下の特徴的な構成を有している。具体的な構成は、後述する実施例で述べ、ここでは装置として備えるべき事項を中心に説明する。
被覆装置は、混合ガスAの成分である塩化Crガスを生成するための混合ガスと混合ガスa2、および、混合ガスBの3種の混合ガスそれぞれを独立に予熱し、CVD炉内(反応容器内)に導入する構成を備えている。
<Coating device>
In the chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) used in one embodiment of the present invention, in order to carry out the above-described manufacturing method, the temperature in the furnace (inside the reaction vessel) is 750 to 850 ° C., and the pressure in the furnace (inside the reaction vessel) is It can be made to 3 to 5 KPa and has the following characteristic configuration. A specific configuration will be described in an embodiment to be described later, and here, the items to be provided as the apparatus will be mainly described.
The coating apparatus independently preheats three types of mixed gases, ie, a mixed gas for generating Cr chloride gas, which is a component of mixed gas A, mixed gas a2, and mixed gas B, and heats them in a CVD furnace (reaction vessel inside).

すなわち、CVD炉内には、ガス予熱部と後述する反応容器にガスを導入するガス放出部を有している。ガス予熱部は、
(1)塩化Crガスを生成させるための混合ガスを金属Crに接触させて塩化Crガスを含む混合ガスa1を発生させる塩化Crガス発生部、
(2)混合ガスa2を予熱する第1予熱部、
(3)混合ガスBを予熱する第2予熱部、および、
(4)混合ガスa1と混合ガスa2とを混合し、混合ガスAとする混合部、
とを有している。
なお、予熱部の熱源は、予熱部用に独立して設けてもよいし、CVD炉の周壁またはその近傍に備えられている熱源(ヒータ)を利用してもよい。また、金属Crはフレーク状などの塩化Crガスが発生しやすい形状とする。
That is, the CVD furnace has a gas preheating section and a gas discharge section for introducing gas into the reaction vessel, which will be described later. The gas preheating part is
(1) a Cr chloride gas generating unit that brings a mixed gas for generating Cr chloride gas into contact with metal Cr to generate a mixed gas a1 containing Cr chloride gas;
(2) a first preheating unit that preheats the mixed gas a2;
(3) a second preheating section for preheating the mixed gas B, and
(4) a mixing unit for mixing mixed gas a1 and mixed gas a2 to obtain mixed gas A;
and
The heat source for the preheating section may be provided independently for the preheating section, or a heat source (heater) provided on or near the peripheral wall of the CVD furnace may be used. Also, the metal Cr is formed in a shape such as flakes that easily generates Cr chloride gas.

ここで、予熱部において、混合ガスの温度を前述のとおりとするための一手段として、CVD炉の熱源を利用する場合には、例えば、予熱源であるCVD炉のヒータに、塩化Crガス発生部(混合ガスa1を得るためのガスの経路が通過する)、第1予熱部(混合ガスa2のガス経路が通過する)、第2の予熱部(混合ガスBのガス経路が通過する)の順で近づけるとともに、ガス経路の配置を工夫して、一例として、混合ガスa1を得るためのガス経路(混合ガスa1のガス経路)の長さと混合ガスa2を予熱するガス経路(混合ガスa2のガス経路)の長さ合計の長さを、混合ガスBを予熱するガス経路(混合ガスBのガス経路)の長さの3倍以上、好ましくは、5倍以上で、8倍以下とすることが挙げられる。
ここで、混合ガスa1を得るガスの経路の長さ、混合ガスa2を予熱する経路の長さ、混合ガスBを予熱するの経路の長さとは、それぞれ、CVD炉のガス導入口からガス予熱部の出口までの長さをいう。すなわち、後述するように実施例で使用されるCVD炉の予熱部のように、成膜中に回転を伴う接続経路および予熱室(予熱チャンバー)内の経路をいう。
Here, when the heat source of the CVD furnace is used as a means for adjusting the temperature of the mixed gas as described above in the preheating section, for example, the heater of the CVD furnace, which is the preheating source, generates Cr chloride gas. part (through which the gas path for obtaining the mixed gas a1 passes), a first preheating part (through which the gas path of the mixed gas a2 passes), and a second preheating part (through which the gas path of the mixed gas B passes) As an example, the length of the gas path for obtaining the mixed gas a1 (the gas path of the mixed gas a1) and the length of the gas path for preheating the mixed gas a2 (the length of the mixed gas a2) are devised. The total length of the gas path) is 3 times or more, preferably 5 times or more and 8 times or less, the length of the gas path for preheating the mixed gas B (gas path of the mixed gas B). is mentioned.
Here, the length of the gas path for obtaining the mixed gas a1, the length of the path for preheating the mixed gas a2, and the length of the path for preheating the mixed gas B are respectively the gas preheating from the gas inlet of the CVD furnace. It means the length to the exit of the part. That is, it refers to a connection path and a path in a preheating chamber (preheating chamber) that are accompanied by rotation during film formation, such as the preheating section of the CVD furnace used in the examples, as will be described later.

このような構成にすることによって、混合ガスa1は750℃以上に予熱し、一方、ガス経路81から導入された混合ガスa2は、混合ガスa1の近傍の温度、例えば、±80℃の範囲に予熱し、混合室63で、混合ガスa1と混合されて混合ガスAとすることができる。他方、混合ガス経路91から導入された混合ガスBは、混合ガスAよりも低い温度となる。
なお、混合ガスAについては、予熱部におけるガス経路が長いため、ほぼ炉内温度程度まで上昇している。一方、混合ガスBについては、予熱部におけるガス経路を短くしているため、温度上昇が抑制されているということができる。
With such a configuration, the mixed gas a1 is preheated to 750° C. or higher, while the mixed gas a2 introduced from the gas path 81 is heated to a temperature in the vicinity of the mixed gas a1, for example, within a range of ±80° C. It can be preheated and mixed with the mixed gas a1 in the mixing chamber 63 to form the mixed gas A. On the other hand, the temperature of the mixed gas B introduced from the mixed gas path 91 is lower than that of the mixed gas A.
In addition, since the gas path in the preheating section is long, the mixed gas A rises to about the temperature in the furnace. On the other hand, it can be said that the temperature rise of the mixed gas B is suppressed because the gas path in the preheating section is shortened.

さらに、CVD炉内は、ガス放出部として、混合ガスAを反応容器に導入するためにノズル穴を設けた第1のパイプと、混合ガスBを反応容器に導入するためにノズル穴を設けた第2のパイプを有している。例えば、第2パイプは2本で、1本の第1のパイプの外側に対向するように配置され、これらパイプは第1のパイプの軸心を中心に、2~5回転/分の速度で回転することが望ましい。
ここで、混合ガスAのノズル穴と混合ガスBのノズル穴が近すぎると、急激な反応が起こり、柱状粒子の集合から構成される組織が得られ難くなるとともに、硬質皮膜の膜厚分布が悪くなる。一方、混合ガスAのノズル穴と混合ガスBのノズル穴が離れすぎると、ガス供給が不十分となり膜厚分布が悪くなる。そこで、一例として、図8に示すように、混合ガスAのノズル穴と回転軸(第1のパイプの軸心)からの距離をH1、混合ガスBのノズル穴と回転軸(第1のパイプの軸心)からの距離をH2とした場合、H2/H1は1.5以上であることが好ましい。
さらに、混合ガスAのノズル穴からのガス噴出方向と混合ガスBのノズル穴からのガス噴出方向は30度から90度ずれて配置することが好ましい。
Furthermore, in the CVD furnace, a first pipe provided with a nozzle hole for introducing the mixed gas A into the reaction vessel and a nozzle hole for introducing the mixed gas B into the reaction vessel were provided as gas discharge parts. It has a second pipe. For example, two second pipes are arranged so as to face the outside of one first pipe, and these pipes rotate about the axis of the first pipe at a speed of 2 to 5 revolutions/minute. It is desirable to rotate.
Here, if the nozzle hole for the mixed gas A and the nozzle hole for the mixed gas B are too close, a rapid reaction will occur, making it difficult to obtain a structure composed of aggregates of columnar particles, and the film thickness distribution of the hard coating will be affected. Deteriorate. On the other hand, if the nozzle hole for the mixed gas A and the nozzle hole for the mixed gas B are too far apart, the gas supply becomes insufficient and the film thickness distribution deteriorates. Therefore, as an example, as shown in FIG. 8, the distance between the nozzle hole of the mixed gas A and the rotation axis (the axis of the first pipe) is H1, and the nozzle hole of the mixed gas B and the rotation axis (the first pipe) When H2 is the distance from the center of the center), H2/H1 is preferably 1.5 or more.
Furthermore, it is preferable that the gas ejection direction from the nozzle hole of the mixed gas A and the gas ejection direction from the nozzle hole of the mixed gas B are deviated from each other by 30 to 90 degrees.

以下、被覆切削工具に適用した実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention will be described below with reference to examples applied to coated cutting tools, but the present invention is not limited to these examples.

<被覆装置>
本実施例では、概略模式図として図6、図7および図8に示す化学蒸着装置(CVD炉)1を用いた。この装置の概要を説明する。
CVD炉1は、円筒形のチャンバー2と、チャンバー2の周壁内部に設けられたヒータ3と、チャンバー2に多数のインサート基材(工具基材)20を設置する複数のインサート設置板4を有する反応容器5と、反応容器5の下部に設けられた接続経路11と予熱部である予熱チャンバー6を有する。
予熱チャンバー6は、
円筒状であってその下部に、ガス経路82から導入された塩化Crガス発生用の混合ガスを接続経路11を経由して予熱チャンバー6の径方向に分散させ、塩化Crガス発生室62(塩化ガス発生部)に導入する空間と、
この空間の直上に設けられ、予熱チャンバー6の外周にその円筒の外周が一致し中心部が円筒状の空間を有し、予熱チャンバー6と同心状の塩化Crガス発生室62と、
塩化Crガス発生室62の中心部の円筒状の空間に予熱チャンバー6と同心状に形成され、ガス経路81から導入された混合ガスa2を予熱する予熱室61(第1予熱部)と、
塩化Crガス発生室62と予熱室61の上部に位置し、後述する混合ガスa1と混合ガスa2とを混合して混合ガスAとする混合室63(混合部)と、
を有している。
また、予熱チャンバー6、すなわち、予熱室61の軸心部には、ガス経路91から導入された混合ガスBがその高さ方向に貫通する経路(第2予熱部)があり、この経路は予熱チャンバー6の上部でパイプ7の中心経路につながっており、これは、予熱部を通過する最短長さ(550mm)となっている。一方、混合室63で混合された混合ガスAの経路は、予熱チャンバー6の上部でパイプ7の2の外側経路につながるよう設けられている。
<Coating device>
In this example, a chemical vapor deposition apparatus (CVD furnace) 1 shown in FIGS. 6, 7 and 8 as schematic diagrams was used. An outline of this device will be described.
The CVD furnace 1 has a cylindrical chamber 2, a heater 3 provided inside the peripheral wall of the chamber 2, and a plurality of insert installation plates 4 for installing a large number of insert base materials (tool base materials) 20 in the chamber 2. It has a reaction vessel 5, a connection path 11 provided at the bottom of the reaction vessel 5, and a preheating chamber 6 as a preheating section.
The preheating chamber 6 is
A mixed gas for generating Cr chloride gas introduced from the gas passage 82 is dispersed in the lower part of the cylindrical preheating chamber 6 via the connecting passage 11 to form a Cr chloride gas generating chamber 62 (chloride gas generating chamber 62). a space to be introduced into the gas generation section);
A Cr chloride gas generation chamber 62 provided directly above this space, having a cylindrical space whose outer circumference coincides with the outer circumference of the preheating chamber 6 and whose central portion is cylindrical, and which is concentric with the preheating chamber 6;
a preheating chamber 61 (first preheating section) which is formed concentrically with the preheating chamber 6 in a cylindrical space at the center of the Cr chloride gas generating chamber 62 and preheats the mixed gas a2 introduced from the gas path 81;
a mixing chamber 63 (mixing section) located above the Cr chloride gas generating chamber 62 and the preheating chamber 61 and mixing a mixed gas a1 and a mixed gas a2 to be described later to form a mixed gas A;
have.
In addition, the axial center of the preheating chamber 6, that is, the preheating chamber 61, has a path (second preheating section) through which the mixed gas B introduced from the gas path 91 penetrates in the height direction. At the top of the chamber 6 it is connected to the central passage of the pipe 7, which has the shortest length (550 mm) passing through the preheating section. On the other hand, the path of the mixed gas A mixed in the mixing chamber 63 is provided to connect to the outer path 2 of the pipe 7 above the preheating chamber 6 .

ガス経路82から導入された混合ガスは、予熱チャンバー6内の塩化Crガス発生室62に導入され、炉内温度である750℃以上となって同発生室内の金属Crと反応して塩化Crガスを含む混合ガスa1となり、混合室63に導入される。
そして、前記のとおり、混合ガスBはパイプ7の外側経路に導入され、ノズル穴91a、91bから反応容器5内に導入される。他方、ガス経路81、82から導入され予熱室61を貫通する反応ガスAは、パイプ7の中心経路に導入され、ノズル穴83a、83bから反応容器5内に導入される。
ここで、ノズル穴83a、83bとノズル穴91a、91bの位置関係は図8のガス噴出口断面図に示すように、ノズル穴91a、91bは、ノズル穴83a、83bよりもパイプ7の回転軸O1よりも外側に配置されており、ノズル穴91a、91bと回転軸O1からの距離をH2、ノズル穴83a、83bと回転軸O1からの距離をH1としたとき、H2/H1は2となっており、ノズル穴91a、91bの噴出方向とノズル穴83a、83bの噴出方向は90度の角度をなしている。
図7の12に示す、接続経路11と予熱チャンバー6およびパイプ7は、2回転/分の速度で回転するように構成されているが、図6、図7および図8では、この回転に必要な構成の図示を省略している。
The mixed gas introduced from the gas path 82 is introduced into the Cr chloride gas generation chamber 62 in the preheating chamber 6, reaches the furnace temperature of 750° C. or higher, and reacts with metal Cr in the generation chamber to generate Cr chloride gas. and is introduced into the mixing chamber 63 .
Then, as described above, the mixed gas B is introduced into the outer path of the pipe 7 and into the reaction vessel 5 through the nozzle holes 91a and 91b. On the other hand, the reaction gas A introduced through the gas paths 81 and 82 and passing through the preheating chamber 61 is introduced into the central path of the pipe 7 and introduced into the reaction vessel 5 through nozzle holes 83a and 83b.
Here, the positional relationship between the nozzle holes 83a, 83b and the nozzle holes 91a, 91b is such that the nozzle holes 91a, 91b are closer to the rotation axis of the pipe 7 than the nozzle holes 83a, 83b, as shown in the cross-sectional view of the gas ejection port in FIG. When the distance between the nozzle holes 91a and 91b and the rotation axis O1 is H2, and the distance between the nozzle holes 83a and 83b and the rotation axis O1 is H1, H2/H1 is 2. The ejection direction of the nozzle holes 91a and 91b forms an angle of 90 degrees with the ejection direction of the nozzle holes 83a and 83b.
The connecting path 11 and preheating chamber 6 and pipe 7, shown at 12 in FIG. Illustration of such a configuration is omitted.

図6および図7では、具体的な構成の図示を省略しているが、混合ガスa1を得るガス経路の長さと混合ガスa2を予熱するガス経路の長さとの合計の長さは、図7に示す13aと13bと13cの合計である混合ガスBを予熱するガス経路の長さの約4倍となるように構成されている。 6 and 7, the illustration of the specific configuration is omitted, but the total length of the length of the gas path for obtaining the mixed gas a1 and the length of the gas path for preheating the mixed gas a2 is is about four times the length of the gas path for preheating the mixed gas B, which is the sum of 13a, 13b and 13c shown in FIG.

≪基材≫
基材として、WC基超硬合金(10質量%のCo、0.6質量%のCr、残部WCおよび不可避的不純物からなる)製のミーリング用インサート(三菱日立ツール製のWDNW14520)と、WC基超硬合金(7質量%のCo、0.6質量%のCr、2.2質量%のZrC、3.3質量%のTaC、0.2質量%のNbC、残部WCおよび不可避的不純物からなる)製の物性評価用インサート(ISO規格のSNMN120408)を用意した。
≪Base material≫
As a base material, a milling insert (WDNW14520 manufactured by Mitsubishi Hitachi Tool Engineering) made of a WC-based cemented carbide (10% by mass of Co, 0.6% by mass of Cr 3 C 2 , the balance being WC and unavoidable impurities); , WC-based cemented carbide (7 wt.% Co, 0.6 wt.% Cr3C2 , 2.2 wt.% ZrC, 3.3 wt .% TaC, 0.2 wt.% NbC, balance WC and inevitable impurities) for physical property evaluation (ISO standard SNMN120408) was prepared.

≪中間皮膜の被覆≫
実施例1~3および比較例1については、中間皮膜として窒化チタン皮膜を形成した。まず、基材を、図6に示すCVD炉1内にセットし、Hガスを流しながらCVD炉1内の温度を800℃に上昇させた。その後、800℃および12kPaで、予熱チャンバー6のガス導入口からガス経路81を経て、83.1体積%のHガス、15.0体積%のNガス、1.9体積%のTiClガスからなる混合ガスを予熱室62に導入し、パイプ7の第1のノズル穴83a、83bから67L/分の流量で反応容器5内に流して表1に示す膜厚の窒化チタン皮膜を形成した。
≪Covering of intermediate film≫
For Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, a titanium nitride film was formed as an intermediate film. First, the substrate was set in the CVD furnace 1 shown in FIG. 6, and the temperature inside the CVD furnace 1 was raised to 800° C. while H 2 gas was being supplied. Then, at 800 ° C and 12 kPa, from the gas inlet of the preheating chamber 6 through the gas path 81, 83.1 vol% H2 gas, 15.0 vol% N2 gas, 1.9 vol% TiCl4 A mixed gas composed of gases was introduced into the preheating chamber 62 and flowed into the reaction vessel 5 from the first nozzle holes 83a and 83b of the pipe 7 at a flow rate of 67 L/min to form a titanium nitride film having a film thickness shown in Table 1. bottom.

Figure 0007247452000001
Figure 0007247452000001

≪硬質皮膜の被覆≫
≪混合ガスa1を得る工程≫
2ガスを流しながらCVD炉1内の圧力を4KPaに下げた後、図6に示す予熱チャンバー6のガス経路82に、400℃に保温したH2ガスとHClガスの混合ガスを導入した。
800℃に予熱した予熱チャンバー6の塩化Crガス発生室62は、Cr金属フレーク(純度99.99%、サイズ2mm~8mm)が充填されており、ガス経路82より導入したH2ガスとHClガスの混合ガスと反応し、H2ガスと塩化Crガスの混合ガスである混合ガスa1を生成し、混合室63に導入した。
≪Covering of hard film≫
<<Step of obtaining mixed gas a1>>
After the pressure in the CVD furnace 1 was lowered to 4 KPa while flowing H 2 gas, a mixed gas of H 2 gas and HCl gas kept at 400° C. was introduced into the gas path 82 of the preheating chamber 6 shown in FIG.
The Cr chloride gas generation chamber 62 of the preheating chamber 6 preheated to 800° C. is filled with Cr metal flakes (purity 99.99%, size 2 mm to 8 mm), and H 2 gas and HCl gas introduced from the gas path 82 are filled. to generate a mixed gas a1 of H 2 gas and Cr chloride gas, which was introduced into the mixing chamber 63 .

≪混合ガスAを得て、ノズル穴から反応容器に導入する工程≫
予熱チャンバー6のガス導入口からガス経路81を経て、H2ガスとAlCl3ガスを混合した混合ガスa2を予熱室62に導入して予熱した。
そして、混合ガスa1と混合ガスa2を混合室63で混合して予熱室の温度である800℃近傍の温度となっている混合ガスAを得た。そして、得られた混合ガスAを、パイプ7の第1のノズル穴83a、83bから反応容器炉内に導入した。混合ガスAの合計流量は48.75L/分であった。
<<Step of obtaining mixed gas A and introducing it into a reaction vessel through a nozzle hole>>
A mixed gas a2, which is a mixture of H 2 gas and AlCl 3 gas, was introduced into the preheating chamber 62 from the gas inlet of the preheating chamber 6 through the gas path 81 and preheated.
Then, the mixed gas a1 and the mixed gas a2 are mixed in the mixing chamber 63 to obtain the mixed gas A having a temperature near 800° C., which is the temperature of the preheating chamber. Then, the obtained mixed gas A was introduced into the reaction vessel furnace through the first nozzle holes 83 a and 83 b of the pipe 7 . The total flow rate of mixed gas A was 48.75 L/min.

≪混合ガスBをノズル穴から反応容器に導入する工程≫
ガス経路91にH2ガスとN2ガスおよびNH3ガスからなる混合ガスBを導入し、パイプ7の第2のノズル穴91a、91bから炉内に導入した。混合ガスBの合計流量は30.25L/分であった。
なお、ここで、NH/(AlCl+CrCl)の値が、0.18~0.39にあると、NHガスと、ハロゲンガスであるCrClガスやAlClガスの過剰反応をより一層確実に抑えることができ、AlとCrをベースとする窒化物を有する硬質皮膜を安定的に成膜することができる。
<<The step of introducing the mixed gas B into the reaction vessel through the nozzle hole>>
A mixed gas B composed of H 2 gas, N 2 gas and NH 3 gas was introduced into the gas path 91 and introduced into the furnace through the second nozzle holes 91 a and 91 b of the pipe 7 . The total flow rate of mixed gas B was 30.25 L/min.
Here, when the value of NH 3 /(AlCl 3 +CrCl 3 ) is in the range of 0.18 to 0.39, excessive reaction between NH 3 gas and halogen gases such as CrCl 3 gas and AlCl 3 gas is more likely to occur. This can be suppressed more reliably, and a hard coating containing nitrides based on Al and Cr can be stably formed.

こうして、実施例1~3および比較例1は、表1に記載された中間皮膜の上に、表2に示す各混合ガス組成で化学蒸着法により、膜厚が約4μmのAlとCrの窒化物を被覆して被覆切削工具を製作した。ここで、比較例1は、本発明の硬質皮膜を作製するために不可欠なNH/(H+N)の値が好ましい範囲を満足せず、さらに、NH/(AlCl+CrCl)の値も同様に好ましい範囲を外れている。
なお、発生した塩化Crガス、AlClガスの量は、塩化Crガス発生室に導入するHClガス量の1/3を塩化Crガス量として混合ガスの組成を求めた。成膜条件を表2に示す。
Thus, in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, nitridation of Al and Cr having a film thickness of about 4 μm was performed on the intermediate film shown in Table 1 by chemical vapor deposition using each mixed gas composition shown in Table 2. A coated cutting tool was made by coating an object. Here, in Comparative Example 1, the value of NH 3 /(H 2 +N 2 ) essential for producing the hard coating of the present invention does not satisfy the preferred range, and furthermore, NH 3 /(AlCl 3 +CrCl 3 ) is also outside the preferred range.
The amount of Cr chloride gas and AlCl 3 gas generated was determined by setting the amount of Cr chloride gas to 1/3 of the amount of HCl gas to be introduced into the Cr chloride gas generation chamber to determine the composition of the mixed gas. Table 2 shows film formation conditions.

Figure 0007247452000002
Figure 0007247452000002

比較例2は、アークイオンプレーティング装置を用いて被覆した。中間皮膜を設けず、Al70Cr30(数値は原子比率)の合金ターゲットを用いて、基材に印加する負圧のバイアス電圧を-100V、炉内に窒素ガスを導入して炉内圧力を3Pa、炉内温度を500℃として、約4μmのAlとCrの窒化物を被覆して、被覆切削工具を製作した。 Comparative Example 2 was coated using an arc ion plating apparatus. An alloy target of Al 70 Cr 30 (numerical values are atomic ratios) was used without an intermediate film, a negative pressure bias voltage of −100 V was applied to the substrate, and nitrogen gas was introduced into the furnace to increase the furnace pressure. A coated cutting tool was manufactured by setting the pressure to 3 Pa and the temperature in the furnace to 500° C. and coating the nitride of Al and Cr to a thickness of about 4 μm.

次に、実施例1~3および比較例1~2について、硬質皮膜の組成、結晶構造の測定、切削性評価を下記のとおりに行った。 Next, for Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, the composition of the hard coating, measurement of the crystal structure, and machinability evaluation were performed as follows.

≪硬質皮膜の組成≫
電子プローブマイクロ分析装置(EPMA、日本電子株式会社製JXA―8500F)を用いて、加速電圧10KV、照射電流0.05A、およびビーム径0.5μmの条件で、物性評価用インサート(SNMN120408)の断面における窒化アルミクロミウム硬質皮膜の膜厚方向中心の任意の5箇所を測定して、得られた測定値の平均から硬質皮膜の組成を求めた。測定結果を表3に示す。
≪Composition of hard coating≫
Using an electron probe microanalyzer (EPMA, JXA-8500F manufactured by JEOL Ltd.), under the conditions of an acceleration voltage of 10 KV, an irradiation current of 0.05 A, and a beam diameter of 0.5 μm, a cross section of an insert (SNMN120408) for physical property evaluation The composition of the hard coating was obtained from the average of the measured values obtained by measuring five arbitrary points in the center of the thickness direction of the aluminum chromium nitride hard coating. Table 3 shows the measurement results.

≪結晶構造の測定≫
X線回折装置(PANalytical社製のEMPYREAN)を用いて、管電圧45kVおよび管電流40mAでCuKα1線(波長λ:0.15405nm)を物性評価用インサート(SNMN120408)のすくい面の硬質皮膜の表面に照射して硬質皮膜の結晶構造を評価した。
<<Measurement of crystal structure>>
Using an X-ray diffractometer (EMPYREAN manufactured by PANalytical), a CuKα1 ray (wavelength λ: 0.15405 nm) was applied to the surface of the hard coating on the rake face of the physical property evaluation insert (SNMN120408) at a tube voltage of 45 kV and a tube current of 40 mA. After irradiation, the crystal structure of the hard coating was evaluated.

回折ピークの同定には、ICDDのX線回折データベースを利用した。fcc構造の窒化アルミクロミウム硬質皮膜はICDDにデータがないため、fcc構造の窒化アルミニウムのICDDファイルを代用して求めた。結果を図1~5に示す。 The ICDD X-ray diffraction database was used to identify the diffraction peaks. Since there is no ICDD data for the fcc-structure aluminum chromium nitride hard coating, the ICDD file for the fcc-structure aluminum nitride hard film was used instead. The results are shown in Figures 1-5.

≪切削評価≫
被覆したミーリング用インサートを、刃先交換式回転工具(ASRT5063R-4)に止めねじで装着し、下記のミーリング条件で硬質皮膜の工具寿命を評価した。硬質皮膜の逃げ面摩耗幅は、倍率100倍の光学顕微鏡で観察することにより測定した。工具寿命は、逃げ面の最大摩耗幅が0.350mmを超えたときの総切削長さとし、それに至る加工時間を工具寿命として5分単位で測定した。加工条件を以下に示す。試験結果を表3に示す。
被削材: S55C(30HRC)
加工方法: ミーリング加工
インサート形状: WDNW140520
切削速度: 150m/分
回転数: 毎分758回転
一刃当たりの送り: 2.05mm/tooth
送り速度: 1554mm/分
軸方向の切り込み量: 1.0mm
径方向の切り込み量: 40mm
切削方法: 乾式切削
≪Cutting evaluation≫
The coated milling insert was attached to an indexable rotary tool (ASRT5063R-4) with a set screw, and the tool life of the hard coating was evaluated under the following milling conditions. The flank wear width of the hard coating was measured by observing with an optical microscope at a magnification of 100 times. The tool life was defined as the total cutting length when the maximum wear width of the flank exceeded 0.350 mm, and the machining time up to that point was measured in units of 5 minutes. Processing conditions are shown below. Table 3 shows the test results.
Work material: S55C (30HRC)
Machining method: Milling Insert shape: WDNW140520
Cutting speed: 150 m/min Rotation speed: 758 rpm Feed per tooth: 2.05 mm/tooth
Feed rate: 1554 mm/min Axial depth of cut: 1.0 mm
Radial depth of cut: 40mm
Cutting method: dry cutting

Figure 0007247452000003
Figure 0007247452000003

実施例1~3、比較例2は基材の表面に対して膜厚方向に成長した柱状粒子の集合から構成されていたが、比較例1は粒状粒子から構成されていた。
ここで、実施例1について説明を加える。図9、図10は、それぞれ、実施例1に係る硬質皮膜のTEM写真(倍率:2,000,000倍)、その概略模式図である。図9、図10に示すように、実施例1に係る硬質皮膜は、積層構造からなる部分と単層構造からなる部分を有する結晶粒子が確認され、積層構造からなる部分と単層構造からなる部分を有する結晶粒子を有しているということができる。
Examples 1 to 3 and Comparative Example 2 consisted of aggregates of columnar particles grown in the film thickness direction on the surface of the substrate, while Comparative Example 1 consisted of granular particles.
Here, description is added about Example 1. FIG. 9 and 10 are TEM photographs (magnification: 2,000,000 times) of the hard coating according to Example 1 and a schematic diagram thereof, respectively. As shown in FIGS. 9 and 10, in the hard coating according to Example 1, crystal grains having a part with a laminated structure and a part with a single layer structure were confirmed. It can be said to have a crystal grain with a portion.

実施例1~3は安定した摩耗形態を示し工具寿命も長くなった。一方、比較例1~2は工具寿命が短くなった。
図1~3に実施例1~3のX線回折パターンをみると、実施例1~3は、(311)面以降の高角側のピーク強度(カウント値)が大きくなっていることが確認される。TB/TAの値を評価したところ、実施例1~3はTB/TAの値が0.40以上であり、相対的に高角度側のピーク強度が大きいことが確認された。これにより、実施例1~3は高角度側のピーク強度が大きく、より優れた耐久性を示したと推定される。図4に比較例1のX線回折パターンを、図5に比較例2のX線回折パターンを示す。比較例1、2は、TB/TAの値が0.2以下であり、相対的に高角度側のピーク強度(カウント値)が小さいことが確認され、十分な耐久性を示さなかったと推定される。
Examples 1 to 3 exhibited stable wear patterns and extended tool life. On the other hand, Comparative Examples 1 and 2 had a shorter tool life.
Looking at the X-ray diffraction patterns of Examples 1 to 3 in FIGS. 1 to 3, it is confirmed that the peak intensity (count value) on the high angle side after the (311) plane is large in Examples 1 to 3. be. When the TB/TA value was evaluated, it was confirmed that Examples 1 to 3 had a TB/TA value of 0.40 or more, indicating relatively high peak intensity on the high angle side. From this, it is presumed that Examples 1 to 3 had a large peak strength on the high angle side and exhibited superior durability. The X-ray diffraction pattern of Comparative Example 1 is shown in FIG. 4, and the X-ray diffraction pattern of Comparative Example 2 is shown in FIG. In Comparative Examples 1 and 2, the TB/TA value was 0.2 or less, and it was confirmed that the peak intensity (count value) on the high angle side was relatively small, and it is presumed that sufficient durability was not exhibited. be.

本発明の被覆工具は優れた耐久性を有することから、切削工具やプレス加工や鍛造用金型等の金型にも用いることができる。また、ダイカスト鋳抜きピン、入子、各種機械を構成する摺動部品にも適用することができる。 Since the coated tool of the present invention has excellent durability, it can also be used as a cutting tool and a mold for press working or forging. It can also be applied to die-casting pins, inserts, and sliding parts that constitute various machines.

1:化学蒸着装置(CVD炉)
2:チャンバー
3:ヒータ
4:インサート設置板
5:反応容器
5a:反応容器の開口部
6:予熱チャンバー(予熱部)
61:予熱室
62:塩化Crガス発生室
63:混合室
7:パイプ(ガス放出部)
83a,83b,91a,91b,92a,93a:ノズル穴(ガス噴出口)
81:混合ガスa2のガス経路
82:混合ガスa1となる混合ガスのガス経路
84:混合ガスのガス経路
91:混合ガスBのガス経路
92:混合ガスのガス経路
93:混合ガスのガス経路
10:排気パイプ
11:接続経路
12:成膜中回転部
13a:予熱チャンバー内の混合ガスBのガス経路
13b:接続経路内の混合ガスBのガス経路(縦方向)
13c:接続経路内の混合ガスBのガス経路(回転軸方向)
20:インサート基材
31:積層部分
32:単層部分
1: Chemical vapor deposition equipment (CVD furnace)
2: Chamber 3: Heater 4: Insert installation plate 5: Reaction vessel 5a: Opening of reaction vessel 6: Preheating chamber (preheating section)
61: Preheating chamber 62: Cr chloride gas generation chamber 63: Mixing chamber 7: Pipe (gas discharge part)
83a, 83b, 91a, 91b, 92a, 93a: Nozzle hole (gas ejection port)
81: Gas path of mixed gas a2 82: Gas path of mixed gas to be mixed gas a1 84: Gas path of mixed gas 91: Gas path of mixed gas B 92: Gas path of mixed gas 93: Gas path of mixed gas : Exhaust pipe 11: Connection path 12: Rotating part during film formation 13a: Gas path of mixed gas B in preheating chamber 13b: Gas path of mixed gas B in connection path (longitudinal direction)
13c: Gas path of mixed gas B in connection path (rotational axis direction)
20: Insert base material 31: Laminated portion 32: Single layer portion

Claims (2)

基材の表面に硬質皮膜を有する被覆工具であって、
前記硬質皮膜は化学蒸着膜であり、半金属を含む金属元素の総量に対して、平均含有割合として、Alが50原子%以上、Crが10原子%以上、AlとCrの合計の含有比率が90原子%以上の窒化物または炭窒化物であり、
前記硬質皮膜は、前記基材の表面に対して膜厚方向に成長した柱状粒子の集合から構成され、
前記硬質皮膜は、fcc構造に起因する(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面および(422)面にピーク強度を有し、これら結晶面に起因するピーク強度の合計をTA、(311)面、(222)面、(400)面、(331)面、(420)面および(422)面に起因するピーク強度の合計をTBとした場合、TB/TAの値が0.40以上、0.70以下であり、
前記基材と前記硬質皮膜の間にTiの窒化物または炭窒化物を含む中間皮膜を設けることを特徴とする被覆工具。
A coated tool having a hard coating on the surface of a base material,
The hard coating is a chemical vapor deposition film , and the average content ratio of Al is 50 atomic % or more, Cr is 10 atomic % or more, and the total content ratio of Al and Cr is 90 atomic % or more of nitride or carbonitride,
The hard coating is composed of an aggregate of columnar particles grown in the film thickness direction on the surface of the base material,
The hard coating has (111) plane, (200) plane, (220) plane, (311) plane, (222) plane, (400) plane, (331) plane, (420) plane and The (422) plane has a peak intensity, and the total peak intensity due to these crystal planes is TA, (311) plane, (222) plane, (400) plane, (331) plane, (420) plane and ( 422) where TB is the total peak intensity attributed to the plane, the value of TB/TA is 0.40 or more and 0.70 or less ,
A coated tool characterized in that an intermediate coating containing Ti nitride or carbonitride is provided between the base material and the hard coating.
前記硬質皮膜は、透過型電子顕微鏡を用いたミクロ組織において、相対的にAlの含有比率が高い単層構造の部分と、相対的にAlの含有比率が低い積層構造の部分を有する結晶粒子が分散していることを特徴とする請求項1に記載の被覆工具。 The hard coating has crystal grains having a single-layer structure portion with a relatively high Al content ratio and a laminated structure portion with a relatively low Al content ratio in a microstructure using a transmission electron microscope. 2. The coated tool of claim 1, wherein the coated tool is dispersed.
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