JPWO2009037776A1 - Hard laminate coating, hard laminate coating tool, and method for forming coating - Google Patents
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Abstract
図1に示すように、エンドミル10の刃部14に設けられた硬質積層被膜20は、AlxCr1-x-yYy(BaCbOcN1-a-b-c)にて構成されている第1被膜22と、M(BdCeOfN1-d-e-f)にて構成されている第2被膜24とが、0.2nm〜100nmの範囲内の積層周期tで交互に多数積層されたもので、このような硬質積層被膜20によれば、被膜硬さが例えばHV0.025で3000〜3500程度の非常に硬いものとなり、SKD11(60HRC)等の硬質材料に対して切削加工を行なう場合でも優れた耐摩耗性(耐久性)が得られるようになる。As shown in FIG. 1, the hard laminated film 20 provided on the blade portion 14 of the end mill 10 includes a first film 22 made of AlxCr1-x-yYy (BaCbOcN1-abc) and M (BdCeOfN1-def). ), And a plurality of second coatings 24 are alternately laminated with a lamination period t in the range of 0.2 nm to 100 nm. According to such a hard laminated coating 20, the coating hardness is However, it becomes very hard, for example, about 3000 to 3500 at HV0.025, and excellent wear resistance (durability) can be obtained even when cutting a hard material such as SKD11 (60HRC).
Description
本発明は硬質積層被膜に係り、特に、組成が異なる2種類の被膜を交互に多数積層した耐摩耗性に優れた硬質積層被膜の改良に関するものである。 The present invention relates to a hard laminated film, and more particularly to improvement of a hard laminated film having excellent wear resistance in which a large number of two kinds of films having different compositions are alternately laminated.
高速度工具鋼や超硬合金等の工具母材などの所定の部材の表面に設ける耐摩耗性の硬質被膜として、組成が異なる2種類の第1被膜および第2被膜を交互に多数積層した種々の硬質積層被膜が提案されている。特許文献1、2に記載の硬質積層被膜はその一例で、元素の周期律表のIVa族、Va族、VIa族の金属元素、或いはAlなどの窒化物や炭化物等から成る2種類の被膜が数nm〜数百nm程度の積層周期で繰り返し積層されている。すなわち、第1被膜および第2被膜の薄膜化や多層化、金属元素の合金化等の種々の手段により、被膜硬さや耐摩耗性の向上が図られている。
しかしながら、このような硬質積層被膜においても、被膜硬さが例えばHV0.025で3000程度以上の非常に硬いものを得ることは難しく、焼入れ鋼等の硬質材料に対して切削加工を行なう硬質積層被膜被覆工具の場合、必ずしも十分に満足できる耐摩耗性(耐久性)が得られないなど、未だ改善の余地があった。 However, even in such a hard laminated film, it is difficult to obtain a very hard film having a film hardness of, for example, about 3,000 at HV 0.025, and a hard laminated film that cuts a hard material such as hardened steel. In the case of a coated tool, there is still room for improvement, such as a sufficiently satisfactory wear resistance (durability) cannot be obtained.
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、金属元素を含む2種類の被膜を交互に多数積層した硬質積層被膜において、被膜硬さを一層向上させ、硬質材料に対しても優れた耐摩耗性が得られるようにすることにある。 The present invention has been made against the background of the above circumstances, and the object of the present invention is to further improve the hardness of a hard laminated film in which a large number of two kinds of films containing metal elements are alternately laminated. An object is to obtain excellent wear resistance for the material.
かかる目的を達成するために、第1発明は、組成が異なる2種類の第1被膜および第2被膜が所定の部材の表面上に交互に多数積層された耐摩耗性に優れた硬質積層被膜であって、(a) 前記第1被膜は、(Alx Cr1-x-y Yy )(Ba Cb Oc N1-a-b-c )〔但し、x、y、a、b、cはそれぞれ原子比で、0.3≦x≦0.8、0<y≦0.10、0≦a≦0.2、0≦b≦0.3、0≦c≦0.1の範囲内〕にて構成され、前記Alx Cr1-x-y Yy をターゲットとしてPVD法により形成されている一方、(b) 前記第2被膜は、M(Bd Ce Of N1-d-e-f )〔但し、Mは元素の周期律表のIVa族、Va族、VIa族、Al、Si、およびYから選択される単一元素の金属または2種類以上の金属元素から成る合金、d、e、fはそれぞれ原子比で、0≦d≦0.2、0≦e≦0.3、0≦f≦0.1の範囲内〕にて構成され、前記MをターゲットとしてPVD法により形成されており、且つ、(c) その第1被膜の膜厚と第2被膜の膜厚を合わせた積層周期tは0.2nm〜100nmの範囲内であることを特徴とする。In order to achieve such an object, the first invention is a hard laminated film having excellent wear resistance in which a large number of two kinds of first and second films having different compositions are alternately laminated on the surface of a predetermined member. there are, (a) the first coating, (Al x Cr 1-xy Y y) (B a C b O c N 1-abc) [where, x, y, a, b , c respectively atomic ratios In the range of 0.3 ≦ x ≦ 0.8, 0 <y ≦ 0.10, 0 ≦ a ≦ 0.2, 0 ≦ b ≦ 0.3, 0 ≦ c ≦ 0.1] The second film is formed by PVD method using Al x Cr 1-xy Y y as a target, while (b) the second film is M (B d CeO f N 1-def ) [where M is In the periodic table of elements, a single element metal selected from groups IVa, Va, VIa, Al, Si, and Y or an alloy composed of two or more metal elements, d, e, and f are atomic ratios, respectively. And 0 ≦ d ≦ 0.2, 0 ≦ e ≦ 0.3, 0 ≦ f ≦ 0.1], and formed by PVD method using M as a target, and (c) The lamination period t, which is the sum of the thickness of the first coating and the thickness of the second coating, is in the range of 0.2 nm to 100 nm.
第2発明は、第1発明の硬質積層被膜において、前記第1被膜および前記第2被膜が前記積層周期tで繰り返し積層された前記硬質積層被膜の総膜厚Dは0.2μm〜10μmの範囲内であることを特徴とする。 According to a second invention, in the hard laminated film of the first invention, the total film thickness D of the hard laminated film in which the first film and the second film are repeatedly laminated at the lamination period t is in the range of 0.2 μm to 10 μm. It is characterized by being within.
第3発明は、第1発明または第2発明の硬質積層被膜において、前記第1被膜および前記第2被膜における前記BCONの成分組成は互いに等しいことを特徴とする。 A third invention is characterized in that in the hard laminated film of the first invention or the second invention, the component compositions of the BCON in the first film and the second film are equal to each other.
第4発明は、硬質積層被膜被覆工具に関するもので、第1発明〜第3発明の何れかの硬質積層被膜で表面が被覆されていることを特徴とする。 4th invention is related with the hard laminated film coating tool, The surface is coat | covered with the hard laminated film in any one of 1st invention-3rd invention, It is characterized by the above-mentioned.
第5発明は、第3発明に記載の硬質積層被膜をPVD法により所定の部材に形成する被膜形成方法であって、(a) 所定の処理容器内において、外周部に前記部材を保持して一中心線まわりに回転駆動される回転テーブルと、(b) その回転テーブルの周囲に互いに周方向に離間して配設された前記Alx Cr1-x-y Yy から成る第1ターゲットおよび前記Mから成る第2ターゲットと、(c) 前記BCONの成分組成に応じて定められた所定の反応ガスを前記処理容器内に供給する反応ガス供給装置と、を有する被膜形成装置を用いて、(d) 前記回転テーブルを前記一中心線まわりに一方向へ連続回転させることにより、前記部材が前記第1ターゲットおよび前記第2ターゲットの前を交互に周期的に通過させられる一方、前記反応ガスを前記処理容器内に供給するとともに、前記第1ターゲットおよび前記第2ターゲットからそれぞれ前記Alx Cr1-x-y Yy および前記Mを蒸発させることにより、そのAlx Cr1-x-y Yy およびMをそれぞれ前記反応ガスと反応させ、前記部材が第1ターゲット前を通過する際にはその部材の表面に前記第1被膜が形成され、第2ターゲット前を通過する際にはその部材の表面に前記第2被膜が形成されることにより、その部材の表面に第1被膜と第2被膜とを交互に連続的に積層することを特徴とする。5th invention is a film formation method which forms the hard laminated film as described in 3rd invention in a predetermined member by PVD method, Comprising: (a) Holding the said member in the outer peripheral part in a predetermined processing container A rotary table that is driven to rotate around one center line; and (b) a first target composed of the Al x Cr 1-xy Y y and spaced apart from each other in the circumferential direction around the rotary table and the M And (c) a reaction gas supply device that supplies a predetermined reaction gas determined in accordance with the component composition of the BCON into the processing container. ) By continuously rotating the rotary table in one direction around the one center line, the member can be periodically passed in front of the first target and the second target while the reaction gas is passed through the reaction gas. Inside the processing container Supplies, by evaporating each of the Al x Cr 1-xy Y y and the M from the first target and the second target, and the Al x Cr 1-xy Y each said reaction gas y and M When the member passes in front of the first target, the first film is formed on the surface of the member, and when the member passes in front of the second target, the second film is formed on the surface of the member. Thus, the first coating and the second coating are alternately and continuously laminated on the surface of the member.
第1発明の硬質積層被膜は、(Alx Cr1-x-y Yy )(Ba Cb Oc N1-a-b-c )にて構成されている第1被膜と、M(Bd Ce Of N1-d-e-f )にて構成されている第2被膜とが、0.2nm〜100nmの範囲内の積層周期tで交互に多数積層されたもので、このような硬質積層被膜によれば、被膜硬さが例えばHV0.025で3000〜3500程度の非常に硬いものが得られる。これにより、例えば焼入れ鋼等の硬質材料に対して切削加工を行なう硬質積層被膜被覆工具においても、優れた耐摩耗性(耐久性)が得られるようになる。Hard multilayer coating of the first invention, (Al x Cr 1-xy Y y) and the first coating are composed of (B a C b O c N 1-abc), M (B d C e O f N 1-def ) and a plurality of second coatings alternately laminated at a lamination period t in the range of 0.2 nm to 100 nm. According to such a hard laminated coating, A very hard material having a hardness of, for example, HV 0.025 and about 3000 to 3500 is obtained. As a result, excellent wear resistance (durability) can be obtained even in a hard laminated film-coated tool that performs cutting on a hard material such as hardened steel.
上記硬質積層被膜で被覆された第4発明の硬質積層被膜被覆工具や、BCONの成分組成が等しい硬質積層被膜を形成する第5発明の被膜形成方法においても、実質的に上記と同様の作用効果が得られる。第5発明では、回転テーブルによって部材を一中心線まわりに連続回転させることにより、第1被膜および第2被膜を交互に連続的に積層するため、短時間で効率良く硬質積層被膜を形成することができる。 In the hard laminated film coated tool of the fourth invention coated with the hard laminated film, and the film forming method of the fifth invention for forming a hard laminated film having the same BCON component composition, substantially the same functions and effects as described above. Is obtained. In the fifth aspect of the invention, the first coating and the second coating are alternately and continuously laminated by continuously rotating the member around one center line by the rotary table, so that the hard laminated coating can be efficiently formed in a short time. Can do.
第2発明では、硬質積層被膜の総膜厚Dが0.2μm〜10μmの範囲内であるため、被膜の剥離を抑制しつつ優れた耐摩耗性が得られる。また、第3発明では、第1被膜および第2被膜のBCONの成分組成が互いに等しいため、被膜毎に反応ガスを切り換える必要がなく、例えば第5発明の被膜形成方法を用いることにより短時間で効率良く硬質積層被膜を形成することができる。 In the 2nd invention, since the total film thickness D of a hard laminated film exists in the range of 0.2 micrometer-10 micrometers, the outstanding abrasion resistance is obtained, suppressing peeling of a film. In the third invention, since the BCON component compositions of the first film and the second film are equal to each other, there is no need to switch the reaction gas for each film. For example, by using the film forming method of the fifth invention, A hard laminated film can be formed efficiently.
10:エンドミル(硬質積層被膜被覆工具) 12:工具母材(所定の部材) 20:硬質積層被膜 22:第1被膜 24:第2被膜 30:アークイオンプレーティング装置(被膜形成装置) 32:第1回転テーブル(回転テーブル) 38:チャンバ(処理容器) 40:反応ガス供給装置 48:第1ターゲット 52:第2ターゲット O:一中心線 10: End mill (hard laminated coating coated tool) 12: Tool base material (predetermined member) 20: Hard laminated coating 22: First coating 24: Second coating 30: Arc ion plating apparatus (film forming apparatus) 32: First 1 rotation table (rotation table) 38: chamber (processing vessel) 40: reaction gas supply device 48: first target 52: second target O: one center line
本発明は、エンドミルやタップ、ドリルなどの回転切削工具の他、バイト等の非回転式の切削工具、或いは転造工具など、種々の加工工具の表面に設けられる硬質積層被膜に好適に適用されるが、半導体装置等の表面保護膜など加工工具以外の部材の表面に設けられる硬質積層被膜にも適用できる。工具母材など硬質積層被膜が設けられる部材の材質としては、超硬合金や高速度工具鋼が好適に用いられるが、他の金属材料であっても良い。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitably applied to hard laminated coatings provided on the surface of various processing tools such as rotating tools such as end mills, taps, and drills, non-rotating cutting tools such as cutting tools, and rolling tools. However, the present invention can also be applied to a hard laminated film provided on the surface of a member other than a processing tool such as a surface protective film of a semiconductor device or the like. As a material of a member provided with a hard laminated film such as a tool base material, cemented carbide or high-speed tool steel is preferably used, but other metal materials may be used.
本発明の硬質積層被膜を形成するPVD法(物理蒸着法)としては、アークイオンプレーティング法やスパッタリング法が好適に用いられる。第1被膜および第2被膜の膜厚は、ターゲットに対する投入電力量や回転テーブルの回転速度等により適宜設定することができる。 As the PVD method (physical vapor deposition method) for forming the hard laminated film of the present invention, an arc ion plating method or a sputtering method is preferably used. The film thicknesses of the first coating and the second coating can be appropriately set depending on the amount of input power to the target, the rotation speed of the rotary table, and the like.
第1被膜におけるAlx Cr1-x-y Yy の原子比x、yは、0.3≦x≦0.8、0<y≦0.10の範囲内で要求特性等に応じて適宜設定できる。第2被膜のMは、例えばTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、或いはAl、Si、Y等の中の1種類の元素から成る金属、或いは2種類以上の金属元素から成る合金で、合金としては例えばTiAl、TiSi、TiCr、TiY、TiZr、TiV、TiAlCr、TiAlY、AlCr、AlSi、CrV、CrNなどがある。これ等の合金の原子比は適宜設定され、2種類の金属元素の合金の場合は例えば0.5程度とされる。なお、第2被膜は第1被膜と組成が相違するものであり、MとしてはAlCrY以外の合金または金属が採用される。The atomic ratio x, y of Al x Cr 1-xy Y y in the first coating can be appropriately set in accordance with required characteristics and the like within the range of 0.3 ≦ x ≦ 0.8 and 0 <y ≦ 0.10. . M of the second coating is, for example, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, or a metal composed of one element in Al, Si, Y, or two or more metals An alloy composed of elements, such as TiAl, TiSi, TiCr, TiY, TiZr, TiV, TiAlCr, TiAlY, AlCr, AlSi, CrV, and CrN. The atomic ratio of these alloys is appropriately set, and in the case of an alloy of two kinds of metal elements, for example, about 0.5. The second film has a composition different from that of the first film, and M or an alloy or metal other than AlCrY is employed.
第1被膜および第2被膜におけるBCONは、全体を1として少なくともN(窒素)を0.4以上含み、B(硼素)については0.2以下、C(炭素)については0.3以下、O(酸素)については0.1以下で、それぞれ含有させることができ、N(窒素)だけでも良い。 BCON in the first coating and the second coating is 1 as a whole and contains at least N (nitrogen) of 0.4 or more, B (boron) is 0.2 or less, C (carbon) is 0.3 or less, O (Oxygen) can be contained at 0.1 or less, and only N (nitrogen) may be contained.
第3発明では、第1被膜および第2被膜におけるBCONの成分組成は同じ、すなわち原子比a=d、b=e、且つc=fであるが、第1発明や第2発明の実施に際しては必ずしも同じである必要はなく、別々に設定することもできる。また、BCONの他に不可避的な不純物元素や性質に影響しない他の元素を含んでも差し支えない。 In the third invention, the component compositions of BCON in the first film and the second film are the same, that is, the atomic ratios a = d, b = e, and c = f. They are not necessarily the same, and can be set separately. In addition to BCON, inevitable impurity elements and other elements that do not affect properties may be included.
第1被膜の膜厚と第2被膜の膜厚を合わせた積層周期tは、0.2nmよりも薄いと被膜本来の特性(硬さや耐熱性、耐酸化性、潤滑性など)が十分に得られなくなる恐れがあり、100nmよりも厚いと、薄膜化による被膜硬さの向上効果が十分に得られなくなる恐れがあるため、0.2nm〜100nmの範囲内で設定する必要があり、膜厚のばらつき(誤差)を考慮すると0.5nm〜50nmの範囲内をネライ値として形成することが望ましい。なお、各被膜の膜厚は、被膜毎に或いは部分的にばらつきがあるため、積層周期tは、その平均膜厚が上記範囲内となるようにすれば良い。 If the stacking period t, which is the sum of the thickness of the first coating and the thickness of the second coating, is less than 0.2 nm, the characteristics inherent to the coating (hardness, heat resistance, oxidation resistance, lubricity, etc.) are sufficiently obtained. If it is thicker than 100 nm, the effect of improving the film hardness by thinning may not be obtained sufficiently, so it is necessary to set the thickness within the range of 0.2 nm to 100 nm. In consideration of variations (errors), it is desirable to form a range of 0.5 nm to 50 nm as a nerai value. In addition, since the film thickness of each film varies for each film or partially, the stacking period t may be such that the average film thickness is within the above range.
第1被膜および第2被膜は、何れを先に部材(工具母材など)の表面上に形成しても良く、被膜の組成に応じて例えば密着性に優れた方を先に設けることが望ましいが、特に限定することなく形成することも可能である。また、第1被膜および第2被膜をペアとして積層されるが、合計の層数を奇数とすることも可能で、第1被膜を先に形成した場合に最上層も第1被膜であったり、第2被膜を先に形成した場合に最上層も第2被膜であったりしても良い。なお、本発明の硬質積層被膜と部材表面との間に、必要に応じて他の硬質被膜を介在させたり、最上層に別の被膜を設けたりすることも可能である。硬質積層被膜を第1被膜および第2被膜のみから構成する場合でも、工具母材の表面に接する最下層や最上層の被膜を積層被膜とは別の被膜と見做して、それ等の膜厚を前記積層周期tと無関係に大きくしたり小さくしたりすることも可能である。 Either the first coating or the second coating may be formed on the surface of the member (tool base material or the like) first, and it is desirable to provide the one having excellent adhesion according to the composition of the coating first. However, it can be formed without any particular limitation. In addition, the first film and the second film are laminated as a pair, but the total number of layers can be an odd number, and when the first film is formed first, the uppermost layer is also the first film, When the second film is formed first, the uppermost layer may also be the second film. In addition, it is also possible to interpose another hard film between the hard laminated film of this invention and the member surface, and to provide another film in the uppermost layer as needed. Even when the hard laminated film is composed of only the first film and the second film, the lowermost layer or the uppermost layer in contact with the surface of the tool base material is regarded as a film different from the laminated film, and these films are formed. It is also possible to increase or decrease the thickness regardless of the stacking period t.
硬質積層被膜の総膜厚Dは、被膜を設ける対象物(部材)や要求特性によっても異なるが、例えば回転切削工具など比較的大きな衝撃荷重を受ける場合には、被膜の剥離を抑制する上で10μm以下が望ましく、十分な耐摩耗性を確保する上で0.2μm以上が望ましい。摺動部材など衝撃荷重を殆ど受けない場合には、総膜厚Dを10μmより大きくしても差し支えなく、例えば20μm程度とすることも可能である。 The total film thickness D of the hard laminated film varies depending on the object (member) on which the film is provided and the required characteristics. For example, when receiving a relatively large impact load such as a rotary cutting tool, 10 μm or less is desirable, and 0.2 μm or more is desirable for ensuring sufficient wear resistance. In the case where the impact load such as a sliding member is hardly received, the total film thickness D can be larger than 10 μm, for example, about 20 μm.
第5発明では、一中心線まわりに回転させられる回転テーブルの外周部に部材を保持してその回転テーブルを一方向へ連続回転させることにより、その回転テーブルの周囲に位置固定に配設された第1ターゲットおよび第2ターゲットの前を部材が交互に周期的に通過させられ、第1被膜および第2被膜が交互に連続的に積層されるが、他の被膜形成方法を採用することもできる。例えば、ターゲットの近傍で回転テーブルを停止させながら間欠回転させるようにしても良いし、一定位置に保持されている部材に対して第1ターゲットおよび第2ターゲットを移動させるようにしても良いなど、種々の態様が可能である。また、第1被膜および第2被膜のBCONの成分組成が異なる場合など、第1被膜、第2被膜毎に反応ガスを切り換えたり蒸発させるターゲットを切り換えたりして、第1被膜および第2被膜を別々に断続的に積層することも可能である。 In the fifth aspect of the invention, the member is held on the outer peripheral portion of the rotary table that is rotated around one center line, and the rotary table is continuously rotated in one direction, so that the rotary table is disposed at a fixed position around the rotary table. The members are alternately and periodically passed in front of the first target and the second target, and the first film and the second film are alternately and continuously stacked. However, other film forming methods may be employed. . For example, the rotary table may be intermittently rotated while being stopped in the vicinity of the target, the first target and the second target may be moved with respect to a member held at a fixed position, etc. Various embodiments are possible. In addition, when the BCON component composition of the first coating and the second coating is different, the reaction gas is switched or the target to be evaporated is switched for each of the first coating and the second coating. It is also possible to laminate them separately and intermittently.
第5発明では、回転テーブルは一方向へ連続回転させられるようになっており、制御の容易さから一定速度で回転駆動することが望ましいが、第1ターゲットおよび第2ターゲットの配設位置に対応させて回転速度を周期的に増減させることもできる。 In the fifth aspect of the invention, the rotary table is continuously rotated in one direction, and it is desirable to drive the rotary table at a constant speed for ease of control, but it corresponds to the arrangement positions of the first target and the second target. Thus, the rotational speed can be periodically increased or decreased.
上記回転テーブルは、その外周部分に部材を直接一定の姿勢で保持するものでも良いが、前記一中心線とは異なる第2の中心線まわりに回転する第2の回転テーブルを有し、その第2の回転テーブルにより部材を保持してその第2の中心線まわりに連続回転させながら被膜を形成するようにすれば、部材の外周面に均一に被膜を形成することができる。例えば、その部材が回転切削工具の工具母材の場合、工具母材の軸心が第2の中心線と同心または平行となる姿勢で第2の回転テーブルに工具母材を取り付け、その第2の中心線まわりに工具母材を連続回転させながら被膜を形成することが望ましい。第2の回転テーブルは、例えば第2の中心線が前記一中心線と平行となる姿勢で配設されるが、一中心線と直交する姿勢で配設することもできるなど、種々の態様が可能である。 The rotary table may hold a member directly in a constant posture on the outer peripheral portion thereof, but has a second rotary table that rotates around a second center line different from the one center line. If the film is formed while the member is held by the rotary table 2 and continuously rotated around the second center line, the film can be uniformly formed on the outer peripheral surface of the member. For example, when the member is a tool base material of a rotary cutting tool, the tool base material is attached to the second rotary table in a posture in which the axis center of the tool base material is concentric or parallel to the second center line. It is desirable to form the coating while continuously rotating the tool base material around the center line. For example, the second rotary table is arranged in a posture in which the second center line is parallel to the one center line, but can be arranged in a posture orthogonal to the one center line. Is possible.
また、第1ターゲットおよび第2ターゲットは、例えば回転テーブルの一中心線に対して対称位置に1個ずつ配設されるが、対称位置からずれた位置に配設することもできるし、一中心線まわりに例えば90°間隔で交互に2個ずつ配設したり、3個以上ずつ配設したりすることもできるなど、種々の態様が可能である。 Further, the first target and the second target are disposed one by one at a symmetric position with respect to one center line of the rotary table, for example, but may be disposed at a position shifted from the symmetric position, or one center. Various modes are possible, for example, two lines can be alternately arranged around the line at intervals of 90 °, or three or more can be arranged.
以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は、本発明の硬質積層被膜被覆工具の一例であるエンドミル10を説明する図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図であり、超硬合金にて構成されている工具母材12にはシャンクおよび刃部14が一体に設けられている。刃部14には、切れ刃として外周刃16および底刃18が設けられており、軸心まわりに回転駆動されることによりそれ等の外周刃16および底刃18によって切削加工が行われるとともに、その刃部14の表面には硬質積層被膜20がコーティングされている。図1(a) の斜線部は硬質積層被膜20を表しており、図1の(b) は、硬質積層被膜20がコーティングされた刃部14の表面部分の断面図である。エンドミル10は回転切削工具で、工具母材12は硬質積層被膜20が設けられる所定の部材に相当する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a view for explaining an end mill 10 which is an example of a hard laminated coating-coated tool according to the present invention. FIG. 1 (a) is a front view seen from a direction perpendicular to the axis, and is made of cemented carbide. The
図1(b) から明らかなように、硬質積層被膜20は第1被膜22および第2被膜24を、工具母材12の表面上に交互に多数積層したものである。第1被膜22は、Alx Cr1-x-y Yy (Ba Cb Oc N1-a-b-c )〔但し、x、y、a、b、cはそれぞれ原子比で、0.3≦x≦0.8、0<y≦0.10、0≦a≦0.2、0≦b≦0.3、0≦c≦0.1の範囲内〕にて構成されており、第2被膜24は、M(Bd Ce Of N1-d-e-f )〔但し、Mは元素の周期律表のIVa族、Va族、VIa族、Al、Si、およびYから選択される単一元素の金属または2種類以上の金属元素から成る合金、d、e、fはそれぞれ原子比で、0≦d≦0.2、0≦e≦0.3、0≦f≦0.1の範囲内〕にて構成されている。また、第1被膜22の膜厚と第2被膜24の膜厚を合わせた積層周期tは0.2nm〜100nmの範囲内で、硬質積層被膜20の総膜厚Dは0.2μm〜10μmの範囲内である。なお、積層周期tを1層とする積層数は、積層周期tおよび総膜厚Dに応じて適宜定められるが、例えば10層〜1000層の範囲内が適当である。As is clear from FIG. 1 (b), the hard
上記第1被膜22におけるAlx Cr1-x-y Yy の原子比x、yは、0.3≦x≦0.8、0<y≦0.10の範囲内で要求特性等に応じて適宜設定される。第2被膜24のMは、例えばTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、或いはAl、Si、Y等の中の1種類の元素から成る金属、或いは2種類以上の金属元素から成る合金で、合金としては例えばTiAl、TiSi、TiCr、TiY、TiZr、TiV、TiAlCr、TiAlY、AlCr、AlSi、CrV、CrNなどが用いられる。これ等の合金の原子比は適宜設定され、2種類の金属元素の合金の場合は例えば0.5程度とされる。なお、第2被膜24は第1被膜22と組成が相違するものであり、MとしてはAlCrY以外の合金または金属が採用される。図3の実施例の試験品No1、No6、No11、No15、No24は、第2被膜24のMが単一元素から成る金属の場合で、それ以外の試験品No2〜No5、No7〜No10、No12〜No14、No16〜No23は、第2被膜24のMが2種類以上の金属元素から成る合金の場合である。The atomic ratio x, y of Al x Cr 1-xy Y y in the
両被膜22、24のBCONは、全体を1として少なくともN(窒素)を0.4以上含み、B(硼素)については0.2以下、C(炭素)については0.3以下、O(酸素)については0.1以下で、それぞれ含有させることができ、N(窒素)だけでも良い。また、第1被膜22および第2被膜24におけるBCONの成分組成は互いに同じ、すなわち原子比a=d、b=e、且つc=fであっても良いが、別々に設定することもできる。BCONの他に不可避的な不純物元素や性質に影響しない他の元素を含んでも差し支えない。図3の実施例の試験品No1〜No9、No21は、両被膜22、24のBCONの成分組成が互いに等しい場合である。
The BCON of both
図2は、上記硬質積層被膜20を形成する際に好適に用いられるアークイオンプレーティング装置30を説明する図で、(a) は概略構成図(模式図)で(b) におけるA−A断面に相当する図であり、(b) は平面図である。このアークイオンプレーティング装置30は、略水平な第1回転テーブル32、その第1回転テーブル32を略垂直な一中心線Oまわりに回転駆動する回転駆動装置33、第1回転テーブル32の外周部に複数(図2の(b) では4個)配設されるとともに多数のワークすなわち硬質積層被膜20を被覆する前の切れ刃16、18等が形成された工具母材12を保持する第2回転テーブル34、工具母材12に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源36、工具母材12などを内部に収容している処理容器としてのチャンバ38、チャンバ38内に所定の反応ガスを供給する反応ガス供給装置40、チャンバ38内の気体を真空ポンプなどで排出して減圧する排気装置42、第1アーク電源44、第2アーク電源46等を備えている。このアークイオンプレーティング装置30は被膜形成装置に相当する。なお、図2の(b) では、第2回転テーブル34に取り付けられる工具母材12が省略されている。
FIG. 2 is a diagram for explaining an arc
上記第2回転テーブル34は第1回転テーブル32と平行に配設されており、その第1回転テーブル32の一中心線Oと平行な自身の中心線(第2の中心線)まわりに回転させられるとともに、複数の工具母材12を、その軸心が第2の中心線と平行で刃部14が上向きとなる垂直な姿勢で保持するようになっている。したがって、複数の工具母材12は、第2回転テーブル34の中心線(第2の中心線)まわりに回転駆動されつつ、第1回転テーブル32により一中心線Oまわりに回転駆動されることになる。第1回転テーブル32の周囲には、一中心線Oに対して対称的な2位置に第1ターゲット48および第2ターゲット52がそれぞれ位置固定に配設されており、第1回転テーブル32の連続回転により、工具母材12は第2回転テーブル34と共にそれ等の第1ターゲット48および第2ターゲット52の前を交互に周期的に通過させられる。なお、複数の第2回転テーブル34は、例えば独自の回転駆動装置によって独立に回転駆動されるように構成されるが、歯車機構等により第1回転テーブル32の回転に連動して機械的に回転駆動されるようにすることもできる。
The
前記反応ガス供給装置40は、窒素ガス(N2 )や炭化水素ガス(CH4 、C2 H2 など)、酸素ガス(O2 )等のタンクを備えており、第1被膜22、第2被膜24の組成に応じて、例えば窒化物の場合は窒素ガスのみを供給し、炭窒化物の場合は窒素ガスおよび炭化水素ガスを前記原子比a〜fに応じて供給する。酸窒化物や硼窒化物など他の化合物を形成する場合も、同様にして所定の反応ガスを供給すれば良い。The reaction
前記第1ターゲット48は、第1被膜22の構成物質であるAlx Cr1-x-y Yy 合金にて構成されている一方、第2ターゲット52は、第2被膜24の構成物質である単一元素のM金属またはM合金にて構成されている。そして、前記第1アーク電源44は、上記第1ターゲット48をカソードとしてアノード50との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、第1ターゲット48からAlx Cr1-x-y Yy 合金を蒸発させるもので、蒸発したAlx Cr1-x-y Yy 合金は正(+)の金属イオンになって負(−)のバイアス電圧が印加されている工具母材12に付着する。その際、供給された反応ガスと反応して、前記Alx Cr1-x-y Yy (Ba Cb Oc N1-a-b-c )から成る第1被膜22が形成される。また、第2アーク電源46は、上記第2ターゲット52をカソードとしてアノード54との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、第2ターゲット52からM金属またはM合金を蒸発させるもので、蒸発したM金属またはM合金は正(+)の金属イオンになって負(−)のバイアス電圧が印加されている工具母材12に付着する。その際、供給された反応ガスと反応して、前記M(Bd Ce Of N1-d-e-f )から成る第2被膜24が形成される。The
このようなアークイオンプレーティング装置30を用いて工具母材12の刃部14の表面に硬質積層被膜20を形成する際には、予め排気装置42で排気しながらチャンバ38内が所定の圧力(例えば1.33Pa〜3.99Pa程度)に保持されるように反応ガス供給装置40から所定の反応ガスを供給するとともに、バイアス電源36により工具母材12に所定のバイアス電圧(例えば−50V〜−150V程度)を印加する。また、第2回転テーブル34を中心線まわりに回転駆動しつつ第1回転テーブル32を一中心線Oまわりに一方向へ一定速度で連続回転させることにより、工具母材12を第2回転テーブル34と共に第2の中心線まわりに回転させつつ、第1ターゲット48および第2ターゲット52の前を交互に周期的に通過させる。
When the hard
一方、例えば第1被膜22および第2被膜24におけるBCONの成分組成が互いに等しい場合、すなわち原子比a=d、b=e、且つc=fである場合(図3の実施例の試験品No1〜No9、No21)には、その成分組成に応じて上記反応ガス供給装置40から所定の反応ガスを供給するとともに、第1アーク電源44によりアーク電流を通電して第1ターゲット48を蒸発させると同時に、第2アーク電源46によりアーク電流を通電して第2ターゲット52を蒸発させる。これにより、それ等のターゲット48、52の蒸発金属がそれぞれ反応ガスと反応して第1被膜22、第2被膜24が形成され、工具母材12の表面に付着させられる。具体的には、工具母材12が第1ターゲット48の前を通過する際には、Alx Cr1-x-y Yy (Ba Cb Oc N1-a-b-c )から成る第1被膜22が工具母材12の表面に付着させられ、第2ターゲット52の前を通過する際には、M(Bd Ce Of N1-d-e-f )から成る第2被膜24が工具母材12の表面に付着させられるのである。これにより、工具母材12の表面に第1被膜22と第2被膜24とが交互に連続的に積層され、硬質積層被膜20が形成される。本実施例では、第1回転テーブル32の周囲に第1ターゲット48および第2ターゲット52が1個ずつ配設されているため、第1回転テーブル32の1回転で第1被膜22および第2被膜24が1周期分積層される。各アーク電源44、46のアーク電流の電流値は、第1被膜22、第2被膜24の膜厚に応じて定められ、第1回転テーブル32の回転速度は、第1被膜22および第2被膜24の膜厚を合わせた積層周期tに応じて定められる。このような硬質積層被膜20の形成は、コンピュータを含む制御装置によって自動的に行うことができる。On the other hand, for example, when the BCON component compositions in the
なお、第1アーク電源44および第2アーク電源46を同時にONとした場合、第1ターゲット48の近傍で被膜形成処理が開始された工具母材12については第1被膜22から先に形成され、第2ターゲット52の近傍で被膜形成処理が開始された工具母材12については第2被膜24から先に形成されるが、第2アーク電源46のOFF→ON切換を遅らせることにより、総ての工具母材12に対して第1被膜22から先に形成されるようにすることもできる。逆に、第1アーク電源44のOFF→ON切換を遅らせることにより、総ての工具母材12に対して第2被膜24から先に形成されるようにすることもできる。
When the first
また、第1被膜22および第2被膜24のBCONの成分組成が異なる場合(図3の実施例の試験品No10〜No20、No22〜No24)には、第1被膜22および第2被膜24を別々に形成する必要があり、反応ガス供給装置40から供給する反応ガスを切り換えたり、第1アーク電源44および第2アーク電源46をそれぞれON、OFFして第1ターゲット48と第2ターゲット52とを切り換えたりすることになる。
Further, when the BCON component composition of the
次に、工具母材12が超硬合金製で直径が10mm、6枚刃のスクエアエンドミルに上記硬質積層被膜20が設けられた本発明品と、被膜22、24の被膜組成や積層周期t等が異なる比較品とを用意し、以下の加工条件で切削加工を行って25m切削後の外周刃16の逃げ面摩耗幅(mm)を調べた結果を説明する。図3および図4は、その測定結果を示す図で、逃げ面摩耗幅(mm)は6枚の外周刃16の平均値である。また、これ等の図3、図4において、第1被膜、第2被膜の欄の「Al」等の元素記号の後の小数は原子比x、y、a〜fである。また、ここでの許容摩耗幅は0.150mmとする。なお、被膜硬さ(HV0.025)については必ずしも測定が容易でないため、一部の積層被膜についてのみ調べ、記載の無いものは測定を省略した。
(加工条件)
・被削材種:SKD11(60HRC)
・加工方法:側面切削(ダウンカット)
・切削速度:150m/min(4800min-1)
・送り速度:0.03mm/t(860mm/min)
・切り込み:aa=10mm、ar=0.5mm
・切削油剤:エアブロー
・使用機械:立型マシニングセンタNext, the present invention product in which the
(Processing conditions)
-Work material type: SKD11 (60HRC)
・ Processing method: Side cutting (down cut)
・ Cutting speed: 150 m / min (4800 min −1 )
・ Feeding speed: 0.03mm / t (860mm / min)
・ Incision: aa = 10 mm, ar = 0.5 mm
・ Cutting fluid: Air blow ・ Used machine: Vertical machining center
図3は、何れも本発明品で、逃げ面摩耗幅は何れも許容範囲(0.150mm)以内である。これに対し、図4は、第1被膜22および第2被膜24の原子比x、yやa〜f、或いは積層周期tが本発明(請求項1)の範囲から外れている比較例で、散点を付した欄が本発明と相違する項目であり、何れも逃げ面摩耗幅が許容範囲(0.150mm)を超えていて、十分な耐摩耗性が得られない。
FIG. 3 is a product of the present invention, and the flank wear width is within an allowable range (0.150 mm). On the other hand, FIG. 4 is a comparative example in which the atomic ratio x, y or a to f of the
このように、本実施例のエンドミル10の硬質積層被膜20は、(Alx Cr1-x-y Yy )(Ba Cb Oc N1-a-b-c )にて構成されている第1被膜22と、M(Bd Ce Of N1-d-e-f )にて構成されている第2被膜24とが、0.2nm〜100nmの範囲内の積層周期tで交互に多数積層されたもので、このような硬質積層被膜20によれば、被膜硬さが例えばHV0.025で3000〜3500程度の非常に硬いものとなり、SKD11(60HRC)等の硬質材料に対して切削加工を行なう場合でも優れた耐摩耗性(耐久性)が得られる。Thus, hard multilayer coating 20 of the end mill 10 of this embodiment includes a
また、本実施例では、硬質積層被膜20の総膜厚Dが0.2μm〜10μmの範囲内とされているため、硬質積層被膜20の剥離を抑制しつつ優れた耐摩耗性が得られる。
Moreover, in this example, since the total film thickness D of the hard
また、図3の実施例のうち試験品No1〜No9、およびNo21は、第1被膜22および第2被膜24のBCONの成分組成が互いに等しいため、被膜毎に反応ガスを切り換える必要がなく、図2のアークイオンプレーティング装置30を用いることにより短時間で効率良く硬質積層被膜20を形成することができる。
Also, in the example of FIG. 3, the test products No1 to No9 and No21 have the same BCON component composition of the
また、図2のアークイオンプレーティング装置30によれば、第1回転テーブル32を一方向へ一定速度で連続回転させながら、第1被膜22および第2被膜24を交互に連続的に積層できるため、短時間で効率良く硬質積層被膜20を形成することができる。
Further, according to the arc
また、第2回転テーブル34により工具母材12を軸心と平行な中心線まわりに回転駆動しつつ、第1回転テーブル32により第1ターゲット48および第2ターゲット52の前を通過させるため、工具母材12の外周表面に均質に硬質積層被膜20が形成されるようになり、優れた被膜性能が安定して得られる。
Further, since the
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更,改良を加えた態様で実施することができる。 As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail based on drawing, these are one embodiment to the last, and this invention is implemented in the aspect which added the various change and improvement based on the knowledge of those skilled in the art. be able to.
本発明の硬質積層被膜は、(Alx Cr1-x-y Yy )(Ba Cb Oc N1-a-b-c )にて構成されている第1被膜と、M(Bd Ce Of N1-d-e-f )にて構成されている第2被膜とが、0.2nm〜100nmの範囲内の積層周期tで交互に多数積層されたもので、被膜硬さが例えばHV0.025で3000〜3500程度と非常に硬くなって優れた耐摩耗性(耐久性)が得られるようになり、焼入れ鋼等の硬質材料に対して切削加工を行なう回転切削工具等の硬質積層被膜として好適に用いられる。Hard multilayer coating of the present invention, (Al x Cr 1-xy Y y) and the first coating are composed of (B a C b O c N 1-abc), M (B d C e O f N 1-def ) is formed by alternately laminating a large number of the second coatings having a stacking period t in the range of 0.2 nm to 100 nm, and the coating hardness is 3000 to 3500 at HV0.025, for example. It becomes extremely hard and excellent wear resistance (durability) can be obtained, and it is suitably used as a hard laminated coating for a rotary cutting tool or the like for cutting hard materials such as hardened steel.
【0002】
[0005]
かかる目的を達成するために、第1発明は、組成が異なる2種類の第1被膜および第2被膜が所定の部材の表面上に交互に多数積層された耐摩耗性に優れた硬質積層被膜であって、(a)前記第1被膜は、(AlxCr1−x−yYy)(BaCbOcN1−a−b−c)〔但し、x、y、a、b、cはそれぞれ原子比で、0.3≦x≦0.8、0<y≦0.10、0≦a≦0.2、0≦b≦0.3、0≦c≦0.1の範囲内〕にて構成され、前記AlxCr1−x−yYyをターゲットとしてPVD法により形成されている一方、(b)前記第2被膜は、M(BdCeOfN1−d−e−f)〔但し、Mは元素の周期律表のIVa族、Va族、VIa族、Al、Si、およびYから選択される単一元素の金属または2種類以上の金属元素から成るAlCrY以外の合金、d、e、fはそれぞれ原子比で、0≦d≦0.2、0≦e≦0.3、0≦f≦0.1の範囲内〕にて構成され、前記MをターゲットとしてPVD法により形成されており、且つ、(c)その第1被膜の膜厚と第2被膜の膜厚を合わせた積層周期tは0.2nm〜100nmの範囲内であることを特徴とする。
第2発明は、組成が異なる2種類の第1被膜および第2被膜が所定の部材の表面上に交互に多数積層された耐摩耗性に優れた硬質積層被膜であって、(a)前記第1被膜は、(AlxCr1−x−yYy)(BaCbOcN1−a−b−c)〔但し、x、y、a、b、cはそれぞれ原子比で、0.3≦x≦0.8、0<y≦0.10、0≦a≦0.2、0≦b≦0.3、0≦c≦0.1の範囲内〕にて構成され、前記AlxCr1−x−yYyをターゲットとしてPVD法により形成されている一方、(b)前記第2被膜は、M(BdCeOfN1−d−e−f)〔但し、Mは元素の周期律表のIVa族、Va族、VIa族、Al、およびSiから選択される単一元素の金属または2種類以上の金属元素から成る合金、d、e、fはそれぞれ原子比で、0≦d≦0.2、0≦e≦0.3、0≦f≦0.1の範囲内〕にて構成され、前記MをターゲットとしてPVD法により形成されており、且つ、(c)その第1被膜の膜厚と第2被膜の膜厚を合わせた積層周期tは0.2nm〜100nmの範囲内であることを特徴とする。
[0006]
第3発明は、第1発明または第2発明の硬質積層被膜において、前記第1被膜および前記第2被膜が前記積層周期tで繰り返し積層された前記硬質積層被膜の総膜厚Dは0.2μm〜10μmの範囲内であることを特徴とする。
[0007]
第4発明は、第1発明〜第3発明の何れかの硬質積層被膜において、前記第1被膜および前記第2被膜における前記BCONの成分組成は互いに等しいことを特徴とする。
[0008]
第5発明は、硬質積層被膜被覆工具に関するもので、第1発明〜第4発明の何れかの硬質積層被膜で表面が被覆されていることを特徴とする。
[0009]
第6発明は、第4発明に記載の硬質積層被膜をPVD法により所定の部材に形成する被膜形成方法であって、(a)所定の処理容器内において、外周部に前記部材を保持して一中心線まわりに回転駆動される回転テーブルと、(b)その回転テーブルの周囲に互いに周方向に離間して配設された前記AlxCr1−x−yYyから成る第1ターゲットおよび前記Mから成る第2ターゲットと、(c)前記BCONの成分組成に応じて定められた所定の反応ガスを前記処理容器内に供給する反応ガス供給装置と、を有する被膜形成装置を用いて、(d)前記回転テーブルを前記一中心線まわりに一方向へ連続回転させることにより、前記部材が前記第1ターゲットおよび前記第2ターゲットの前を交互に周期的に通過させられる一方、前記反応ガスを前記処理容器内に供給するとともに、前記第1ターゲットおよび前記第2ターゲットからそれぞれ前記AlxCr1−x−yYyお[0002]
[0005]
In order to achieve such an object, the first invention is a hard laminated film having excellent wear resistance in which a large number of two kinds of first and second films having different compositions are alternately laminated on the surface of a predetermined member. there, (a) the first coating, (Al x Cr 1-x -y Y y) (B a C b O c N 1-a-b-c) [where, x, y, a, b , C are atomic ratios of 0.3 ≦ x ≦ 0.8, 0 <y ≦ 0.10, 0 ≦ a ≦ 0.2, 0 ≦ b ≦ 0.3, 0 ≦ c ≦ 0.1 And (b) the second film is formed of M (B d C e OfN 1 ) while being formed by the PVD method using the Al x Cr 1-xy Y y as a target. -d-e-f) [where, M is a group IVa of the periodic table of the elements, Va group, VIa group, Al, Si, and single elemental metal or 2 species selected from Y Alloys other than AlCrY composed of the above metal elements, d, e, and f are atomic ratios within the range of 0 ≦ d ≦ 0.2, 0 ≦ e ≦ 0.3, and 0 ≦ f ≦ 0.1. And is formed by the PVD method using M as a target, and (c) the stacking period t of the thickness of the first coating and the thickness of the second coating is in the range of 0.2 nm to 100 nm. It is characterized by being within.
The second invention is a hard laminated film excellent in wear resistance, in which a large number of two kinds of first films and second films having different compositions are alternately laminated on the surface of a predetermined member. 1 coating, (Al x Cr 1-x -y Y y) (B a C b O c N 1-a-b-c) [where, x, y, a, b, c are respectively atomic ratios, 0.3 ≦ x ≦ 0.8, 0 <y ≦ 0.10, 0 ≦ a ≦ 0.2, 0 ≦ b ≦ 0.3, 0 ≦ c ≦ 0.1] While the Al x Cr 1-xy Y y is used as a target and formed by the PVD method, (b) the second coating is M (B d C e OfN 1-d-ef ) [ Where M is a single element metal selected from groups IVa, Va, VIa, Al, and Si of the periodic table of elements or an alloy composed of two or more metal elements, d e and f are atomic ratios of 0 ≦ d ≦ 0.2, 0 ≦ e ≦ 0.3, and 0 ≦ f ≦ 0.1, respectively, and are formed by PVD using M as a target. And (c) the stacking period t, which is the sum of the thickness of the first coating and the thickness of the second coating, is in the range of 0.2 nm to 100 nm.
[0006]
According to a third invention, in the hard laminated film of the first invention or the second invention, the total film thickness D of the hard laminated film in which the first film and the second film are repeatedly laminated at the lamination period t is 0.2 μm. It is in the range of 10 μm.
[0007]
A fourth invention is characterized in that in the hard laminated coating of any one of the first to third inventions, the component compositions of the BCON in the first coating and the second coating are equal to each other.
[0008]
5th invention is related with the hard laminated film coating tool, The surface is coat | covered with the hard laminated film in any one of 1st invention-4th invention, It is characterized by the above-mentioned.
[0009]
A sixth invention is a film forming method for forming the hard laminated film according to the fourth invention on a predetermined member by a PVD method, and (a) holding the member on the outer periphery in a predetermined processing container. A rotary table that is driven to rotate around one center line, and (b) a first target composed of the Al x Cr 1-xy Y y disposed around the rotary table and spaced apart from each other in the circumferential direction; Using a film forming apparatus comprising: a second target composed of M; and (c) a reaction gas supply device that supplies a predetermined reaction gas determined according to the component composition of the BCON into the processing container. (D) By continuously rotating the rotary table in one direction around the one center line, the member can be alternately passed periodically in front of the first target and the second target, The response gas is supplied into the processing chamber, each contact the Al x Cr 1-x-y Y y from the first target and the second target
【0003】
よび前記Mを蒸発させることにより、そのAlxCr1−x−yYyおよびMをそれぞれ前記反応ガスと反応させ、前記部材が第1ターゲット前を通過する際にはその部材の表面に前記第1被膜が形成され、第2ターゲット前を通過する際にはその部材の表面に前記第2被膜が形成されることにより、その部材の表面に第1被膜と第2被膜とを交互に連続的に積層することを特徴とする。
発明の効果
[0010]
第1発明および第2発明の硬質積層被膜は、(AlxCr1−x−yYy)(BaCbOcN1−a−b−c)にて構成されている第1被膜と、M(BdCeOfN1−d−e−f)にて構成されている第2被膜とが、0.2nm〜100nmの範囲内の積層周期tで交互に多数積層されたもので、このような硬質積層被膜によれば、被膜硬さが例えばHV0.025で3000〜3500程度の非常に硬いものが得られる。これにより、例えば焼入れ鋼等の硬質材料に対して切削加工を行なう硬質積層被膜被覆工具においても、優れた耐摩耗性(耐久性)が得られるようになる。
[0011]
上記硬質積層被膜で被覆された第5発明の硬質積層被膜被覆工具や、BCONの成分組成が等しい硬質積層被膜を形成する第6発明の被膜形成方法においても、実質的に上記と同様の作用効果が得られる。第6発明では、回転テーブルによって部材を一中心線まわりに連続回転させることにより、第1被膜および第2被膜を交互に連続的に積層するため、短時間で効率良く硬質積層被膜を形成することができる。
[0012]
第3発明では、硬質積層被膜の総膜厚Dが0.2μm〜10μmの範囲内であるため、被膜の剥離を抑制しつつ優れた耐摩耗性が得られる。また、第4発明では、第1被膜および第2被膜のBCONの成分組成が互いに等しいため、被膜毎に反応ガスを切り換える必要がなく、例えば第6発明の被膜形成方法を用いることにより短時間で効率良く硬質積層被膜を形成することができる。
図面の簡単な説明
[0013]
[図1]本発明が適用されたエンドミルを示す図で、(a)は軸心と直角方向から見た正面図、(b)は硬質積層被膜が設けられた刃部の表面部分の断面図である。
[図2]図1の硬質積層被膜をPVD法によって好適に形成できるアークイオンプレーティング装置の一例を説明する図で、(a)は概略構成図、(b)は回転テーブルおよびタ[0003]
And by evaporating M, the Al x Cr 1-xy Y y and M react with the reaction gas, respectively, and when the member passes in front of the first target, When the first coating is formed and passes in front of the second target, the second coating is formed on the surface of the member, whereby the first coating and the second coating are alternately continuously formed on the surface of the member. It is characterized by laminating.
Effects of the Invention [0010]
Hard multilayer coating of the first invention and the second invention, (Al x Cr 1-x -y Y y) (B a C b O c N 1-a-b-c) first coating are composed of If a second coating is configured by M (B d C e O f N 1-d-e-f) were numerous stacked alternately in lamination period t in the range of 0.2nm~100nm Therefore, according to such a hard laminated film, a very hard film having a film hardness of, for example, HV 0.025 and about 3000 to 3500 can be obtained. As a result, excellent wear resistance (durability) can be obtained even in a hard laminated film-coated tool that performs cutting on a hard material such as hardened steel.
[0011]
In the hard laminated film-coated tool of the fifth invention coated with the hard laminated film and the film forming method of the sixth invention for forming a hard laminated film having the same BCON component composition, substantially the same effects as described above. Is obtained. In the sixth aspect of the invention, the first coating and the second coating are alternately and continuously laminated by continuously rotating the member around one center line by the rotary table, so that the hard laminated coating can be efficiently formed in a short time. Can do.
[0012]
In 3rd invention, since the total film thickness D of a hard laminated film exists in the range of 0.2 micrometer-10 micrometers, the outstanding abrasion resistance is obtained, suppressing peeling of a film. In the fourth invention, since the BCON component compositions of the first film and the second film are equal to each other, there is no need to switch the reaction gas for each film. For example, by using the film forming method of the sixth invention, A hard laminated film can be formed efficiently.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS [0013]
FIG. 1 is a view showing an end mill to which the present invention is applied, where (a) is a front view seen from a direction perpendicular to the shaft center, and (b) is a cross-sectional view of a surface portion of a blade portion provided with a hard laminated coating. It is.
FIG. 2 is a diagram for explaining an example of an arc ion plating apparatus that can suitably form the hard laminated coating of FIG. 1 by the PVD method, wherein (a) is a schematic configuration diagram, and (b) is a rotary table and a table.
【0005】
等の合金の原子比は適宜設定され、2種類の金属元素の合金の場合は例えば0.5程度とされる。なお、第2被膜は第1被膜と組成が相違するものであり、MとしてはAlCrY以外の合金または金属が採用される。
[0018]
第1被膜および第2被膜におけるBCONは、全体を1として少なくともN(窒素)を0.4以上含み、B(硼素)については0.2以下、C(炭素)については0.3以下、O(酸素)については0.1以下で、それぞれ含有させることができ、N(窒素)だけでも良い。
[0019]
第4発明では、第1被膜および第2被膜におけるBCONの成分組成は同じ、すなわち原子比a=d、b=e、且つc=fであるが、第1発明〜第3発明の実施に際しては必ずしも同じである必要はなく、別々に設定することもできる。また、BCONの他に不可避的な不純物元素や性質に影響しない他の元素を含んでも差し支えない。
[0020]
第1被膜の膜厚と第2被膜の膜厚を合わせた積層周期tは、0.2nmよりも薄いと被膜本来の特性(硬さや耐熱性、耐酸化性、潤滑性など)が十分に得られなくなる恐れがあり、100nmよりも厚いと、薄膜化による被膜硬さの向上効果が十分に得られなくなる恐れがあるため、0.2nm〜100nmの範囲内で設定する必要があり、膜厚のばらつき(誤差)を考慮すると0.5nm〜50nmの範囲内をネライ値として形成することが望ましい。なお、各被膜の膜厚は、被膜毎に或いは部分的にばらつきがあるため、積層周期tは、その平均膜厚が上記範囲内となるようにすれば良い。
[0021]
第1被膜および第2被膜は、何れを先に部材(工具母材など)の表面上に形成しても良く、被膜の組成に応じて例えば密着性に優れた方を先に設けることが望ましいが、特に限定することなく形成することも可能である。また、第1被膜および第2被膜をペアとして積層されるが、合計の層数を奇数とすることも可能で、第1被膜を先に形成した場合に最上層も第1被膜であったり、第2被膜を先に形成した場合に最上層も第2被膜であったりしても良い。なお、本発明の硬質積層被膜と部材表面との間に、必要に応じて他の硬質被膜を介在させたり、最上層に別の被膜を設けたりすることも可能である。硬質積層被膜を第1被膜および第2被膜のみから構成する場合でも、工具母材の表面に接する最下層や最上層の被膜を積層被膜とは別の被膜と見做して、それ等の膜厚を前記積層周期tと無関係に大きくしたり小さくしたりすることも可能である。[0005]
The atomic ratio of such an alloy is appropriately set, and in the case of an alloy of two kinds of metal elements, for example, about 0.5. The second film has a composition different from that of the first film, and M or an alloy or metal other than AlCrY is employed.
[0018]
BCON in the first coating and the second coating is 1 as a whole and contains at least N (nitrogen) of 0.4 or more, B (boron) is 0.2 or less, C (carbon) is 0.3 or less, O (Oxygen) can be contained at 0.1 or less, and only N (nitrogen) may be contained.
[0019]
In the fourth invention, the component compositions of BCON in the first film and the second film are the same, that is, the atomic ratios a = d, b = e, and c = f. They are not necessarily the same, and can be set separately. In addition to BCON, inevitable impurity elements and other elements that do not affect properties may be included.
[0020]
If the stacking period t, which is the sum of the thickness of the first coating and the thickness of the second coating, is less than 0.2 nm, the characteristics inherent to the coating (hardness, heat resistance, oxidation resistance, lubricity, etc.) are sufficiently obtained. If it is thicker than 100 nm, the effect of improving the film hardness by thinning may not be obtained sufficiently, so it is necessary to set the thickness within the range of 0.2 nm to 100 nm. In consideration of variations (errors), it is desirable to form a range of 0.5 nm to 50 nm as a nerai value. In addition, since the film thickness of each film varies for each film or partially, the stacking period t may be such that the average film thickness is within the above range.
[0021]
Either the first coating or the second coating may be formed on the surface of the member (tool base material or the like) first, and it is desirable to provide the one having excellent adhesion according to the composition of the coating first. However, it can be formed without any particular limitation. In addition, the first film and the second film are laminated as a pair, but the total number of layers can be an odd number, and when the first film is formed first, the uppermost layer is also the first film, When the second film is formed first, the uppermost layer may also be the second film. In addition, it is also possible to interpose another hard film between the hard laminated film of this invention and the member surface, and to provide another film in the uppermost layer as needed. Even when the hard laminated film is composed of only the first film and the second film, the lowermost layer or the uppermost layer in contact with the surface of the tool base material is regarded as a film different from the laminated film, and these films are formed. It is also possible to increase or decrease the thickness regardless of the stacking period t.
【0006】
[0022]
硬質積層被膜の総膜厚Dは、被膜を設ける対象物(部材)や要求特性によっても異なるが、例えば回転切削工具など比較的大きな衝撃荷重を受ける場合には、被膜の剥離を抑制する上で10μm以下が望ましく、十分な耐摩耗性を確保する上で0.2μm以上が望ましい。摺動部材など衝撃荷重を殆ど受けない場合には、総膜厚Dを10μmより大きくしても差し支えなく、例えば20μm程度とすることも可能である。
[0023]
第6発明では、一中心線まわりに回転させられる回転テーブルの外周部に部材を保持してその回転テーブルを一方向へ連続回転させることにより、その回転テーブルの周囲に位置固定に配設された第1ターゲットおよび第2ターゲットの前を部材が交互に周期的に通過させられ、第1被膜および第2被膜が交互に連続的に積層されるが、他の被膜形成方法を採用することもできる。例えば、ターゲットの近傍で回転テーブルを停止させながら間欠回転させるようにしても良いし、一定位置に保持されている部材に対して第1ターゲットおよび第2ターゲットを移動させるようにしても良いなど、種々の態様が可能である。また、第1被膜および第2被膜のBCONの成分組成が異なる場合など、第1被膜、第2被膜毎に反応ガスを切り換えたり蒸発させるターゲットを切り換えたりして、第1被膜および第2被膜を別々に断続的に積層することも可能である。
[0024]
第6発明では、回転テーブルは一方向へ連続回転させられるようになっており、制御の容易さから一定速度で回転駆動することが望ましいが、第1ターゲットおよび第2ターゲットの配設位置に対応させて回転速度を周期的に増減させることもできる。
[0025]
上記回転テーブルは、その外周部分に部材を直接一定の姿勢で保持するものでも良いが、前記一中心線とは異なる第2の中心線まわりに回転する第2の回転テーブルを有し、その第2の回転テーブルにより部材を保持してその第2の中心線まわりに連続回転させながら被膜を形成するようにすれば、部材の外周面に均一に被膜を形成することができる。例えば、その部材が回転切削工具の工具母材の場合、工具母材の軸心が第2の中心線と同心または平行となる姿勢で第2の回転テーブルに工具母材を取り付け、その第2の中心線まわりに工具母材を連続回転させながら被膜を形成することが望ましい。第2の回転テーブルは、例えば第2の中心線が前記一中心線と平行となる姿勢で配設されるが、一中心線と直交する姿勢で配設することもできる[0006]
[0022]
The total film thickness D of the hard laminated film varies depending on the object (member) on which the film is provided and the required characteristics. For example, when receiving a relatively large impact load such as a rotary cutting tool, 10 μm or less is desirable, and 0.2 μm or more is desirable for ensuring sufficient wear resistance. In the case where the impact load such as a sliding member is hardly received, the total film thickness D can be larger than 10 μm, for example, about 20 μm.
[0023]
In the sixth aspect of the invention, the member is held on the outer peripheral portion of the rotary table that is rotated around one center line, and the rotary table is continuously rotated in one direction, so that the rotary table is disposed at a fixed position around the rotary table. The members are alternately and periodically passed in front of the first target and the second target, and the first film and the second film are alternately and continuously stacked. However, other film forming methods may be employed. . For example, the rotary table may be intermittently rotated while being stopped in the vicinity of the target, the first target and the second target may be moved with respect to a member held at a fixed position, etc. Various embodiments are possible. In addition, when the BCON component composition of the first coating and the second coating is different, the reaction gas is switched or the target to be evaporated is switched for each of the first coating and the second coating. It is also possible to laminate them separately and intermittently.
[0024]
In the sixth aspect of the invention, the rotary table is continuously rotated in one direction, and it is desirable to drive the rotary table at a constant speed for ease of control. However, it corresponds to the positions of the first target and the second target. Thus, the rotational speed can be periodically increased or decreased.
[0025]
The rotary table may hold a member directly in a constant posture on the outer peripheral portion thereof, but has a second rotary table that rotates around a second center line different from the one center line. If the film is formed while the member is held by the rotary table 2 and continuously rotated around the second center line, the film can be uniformly formed on the outer peripheral surface of the member. For example, when the member is a tool base material of a rotary cutting tool, the tool base material is attached to the second rotary table in a posture in which the axis center of the tool base material is concentric or parallel to the second center line. It is desirable to form the coating while continuously rotating the tool base material around the center line. For example, the second rotation table is disposed in a posture in which the second center line is parallel to the one center line, but may be disposed in a posture orthogonal to the one center line.
【0012】
。なお、被膜硬さ(HV0.025)については必ずしも測定が容易でないため、一部の積層被膜についてのみ調べ、記載の無いものは測定を省略した。
(加工条件)
・被削材種:SKD11(60HRC)
・加工方法:側面切削(ダウンカット)
・切削速度:150m/min(4800min−1)
・送り速度:0.03mm/t(860mm/min)
・切り込み:aa=10mm、ar=0.5mm
・切削油剤:エアブロー
・使用機械:立型マシニングセンタ
[0040]
図3は、何れも本発明品で、逃げ面摩耗幅は何れも許容範囲(0.150mm)以内である。これに対し、図4は、第1被膜22および第2被膜24の原子比x、yやa〜f、或いは積層周期tが本発明(請求項1、2)の範囲から外れている比較例で、散点を付した欄が本発明と相違する項目であり、何れも逃げ面摩耗幅が許容範囲(0.150mm)を超えていて、十分な耐摩耗性が得られない。なお、図3の試験品No18およびNo22は、第2被膜24がYを含んでいるため、請求項1の発明品ではあるが請求項2の発明品ではない。
[0041]
このように、本実施例のエンドミル10の硬質積層被膜20は、(AlxCr1−x−yYy)(BaCbOcN1−a−b−c)にて構成されている第1被膜22と、M(BdCeOfN1−d−e−f)にて構成されている第2被膜24とが、0.2nm〜100nmの範囲内の積層周期tで交互に多数積層されたもので、このような硬質積層被膜20によれば、被膜硬さが例えばHV0.025で3000〜3500程度の非常に硬いものとなり、SKD11(60HRC)等の硬質材料に対して切削加工を行なう場合でも優れた耐摩耗性(耐久性)が得られる。
[0042]
また、本実施例では、硬質積層被膜20の総膜厚Dが0.2μm〜10μmの範囲内とされているため、硬質積層被膜20の剥離を抑制しつつ優れた耐摩耗性が得られる。
[0043]
また、図3の実施例のうち試験品No1〜No9、およびNo21は、第1被膜22および第2被膜24のBCONの成分組成が互いに等しいため、被膜毎に反応ガスを切り換える必要がなく、図2のアークイオンプレーティング装置30を用いることにより短時間で効率良く硬質積層被膜20を形成することができる。[0012]
. In addition, since it is not always easy to measure the film hardness (HV 0.025), only a part of the laminated film was examined, and the measurement was omitted for those not described.
(Processing conditions)
-Work material type: SKD11 (60HRC)
・ Processing method: Side cutting (down cut)
Cutting speed: 150 m / min (4800 min −1 )
・ Feeding speed: 0.03mm / t (860mm / min)
・ Incision: aa = 10 mm, ar = 0.5 mm
・ Cutting fluid: Air blow ・ Used machine: Vertical machining center [0040]
FIG. 3 is a product of the present invention, and the flank wear width is within an allowable range (0.150 mm). On the other hand, FIG. 4 shows a comparative example in which the atomic ratios x, y and a to f of the
[0041]
Thus, hard multilayer coating 20 of the end mill 10 of this embodiment, are composed of (Al x Cr 1-x- y Y y) (B a C b O c N 1-a-b-c) in am with first coat 22, M (B d C e O f N 1-d-e-f) and the
[0042]
Moreover, in this example, since the total film thickness D of the hard
[0043]
Also, in the example of FIG. 3, the test products No1 to No9 and No21 have the same BCON component composition of the
Claims (5)
前記第1被膜は、(Alx Cr1-x-y Yy )(Ba Cb Oc N1-a-b-c )〔但し、x、y、a、b、cはそれぞれ原子比で、0.3≦x≦0.8、0<y≦0.10、0≦a≦0.2、0≦b≦0.3、0≦c≦0.1の範囲内〕にて構成され、前記Alx Cr1-x-y Yy をターゲットとしてPVD法により形成されている一方、
前記第2被膜は、M(Bd Ce Of N1-d-e-f )〔但し、Mは元素の周期律表のIVa族、Va族、VIa族、Al、Si、およびYから選択される単一元素の金属または2種類以上の金属元素から成る合金、d、e、fはそれぞれ原子比で、0≦d≦0.2、0≦e≦0.3、0≦f≦0.1の範囲内〕にて構成され、前記MをターゲットとしてPVD法により形成されており、
且つ、該第1被膜の膜厚と該第2被膜の膜厚を合わせた積層周期tは0.2nm〜100nmの範囲内である
ことを特徴とする硬質積層被膜。Two types of first and second coatings having different compositions are hard laminated coatings excellent in wear resistance, in which a number of layers are alternately laminated on the surface of a predetermined member,
The first coating, (Al x Cr 1-xy Y y) (B a C b O c N 1-abc) [where, x, y, a, b , c are respectively atomic ratios, 0.3 ≦ x ≦ 0.8, 0 <y ≦ 0.10, 0 ≦ a ≦ 0.2, 0 ≦ b ≦ 0.3, 0 ≦ c ≦ 0.1], and the Al x Cr While formed by PVD method using 1-xy Y y as a target,
The second coating is, M (B d C e O f N 1-def) [where single M is a Group IVa of the Periodic Table of the Elements, Va group, VIa group, selected Al, Si, and from Y One element metal or an alloy composed of two or more metal elements, d, e, and f are atomic ratios of 0 ≦ d ≦ 0.2, 0 ≦ e ≦ 0.3, and 0 ≦ f ≦ 0.1, respectively. In the range], and is formed by PVD method using M as a target,
In addition, a hard laminated film characterized in that a lamination period t in which the film thickness of the first film and the film thickness of the second film are combined is in the range of 0.2 nm to 100 nm.
ことを特徴とする請求項1に記載の硬質積層被膜。2. The total film thickness D of the hard laminated film in which the first film and the second film are repeatedly laminated at the lamination period t is in a range of 0.2 μm to 10 μm. Hard laminated film.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の硬質積層被膜。The hard laminated film according to claim 1 or 2, wherein the BCON component compositions in the first film and the second film are equal to each other.
所定の処理容器内において、外周部に前記部材を保持して一中心線まわりに回転駆動される回転テーブルと、
該回転テーブルの周囲に互いに周方向に離間して配設された前記Alx Cr1-x-y Yy から成る第1ターゲットおよび前記Mから成る第2ターゲットと、
前記BCONの成分組成に応じて定められた所定の反応ガスを前記処理容器内に供給する反応ガス供給装置と、
を有する被膜形成装置を用いて、前記回転テーブルを前記一中心線まわりに一方向へ連続回転させることにより、前記部材が前記第1ターゲットおよび前記第2ターゲットの前を交互に周期的に通過させられる一方、前記反応ガスを前記処理容器内に供給するとともに、前記第1ターゲットおよび前記第2ターゲットからそれぞれ前記Alx Cr1-x-y Yy および前記Mを蒸発させることにより、該Alx Cr1-x-y Yy および該Mをそれぞれ前記反応ガスと反応させ、前記部材が該第1ターゲット前を通過する際には該部材の表面に前記第1被膜が形成され、該第2ターゲット前を通過する際には該部材の表面に前記第2被膜が形成されることにより、該部材の表面に該第1被膜と該第2被膜とを交互に連続的に積層する
ことを特徴とする被膜形成方法。A film forming method for forming the hard laminated film according to claim 3 on a predetermined member by a PVD method,
In a predetermined processing container, a rotary table that holds the member on the outer periphery and is driven to rotate around one center line;
A first target composed of the Al x Cr 1-xy Y y and a second target composed of the M, which are spaced apart from each other in the circumferential direction around the rotary table;
A reaction gas supply device for supplying a predetermined reaction gas determined according to the component composition of the BCON into the processing container;
And continuously rotating the rotary table in one direction around the one center line so that the member alternately and periodically passes in front of the first target and the second target. On the other hand, while supplying the reaction gas into the processing vessel, the Al x Cr 1-xy Y y and the M are evaporated from the first target and the second target, respectively, thereby the Al x Cr 1 -xy Y y and M react with the reaction gas, respectively, and when the member passes in front of the first target, the first film is formed on the surface of the member and passes in front of the second target. And forming the second coating on the surface of the member, whereby the first coating and the second coating are alternately and continuously laminated on the surface of the member. Forming method.
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