JP2006225703A - Hard film, stacked type hard film and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、チップやドリル、エンドミルなどの切削工具や、鍛造金型や打ち抜きパンチなどの冶工具などに形成する硬質皮膜およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a hard coating formed on a cutting tool such as a tip, a drill, or an end mill, or a jig such as a forging die or a punch, and a method for manufacturing the same.
従来、切削工具では、耐摩耗性を高めるために高速度鋼や超硬合金、サーメットなどの基材に、TiNやTiCN、TiAlNなどの硬質皮膜を形成している。特にTiAlNは耐磨耗性が高いため、高速切削用工具や焼入れ鋼などの高硬度材切削用工具で好適に用いられている。さらに近年の被切削材の高硬度化や切削速度の高速化に伴い、より優れた耐磨耗性を有する硬質皮膜の開発が求められている。そこで本発明者らは、TiAlNの代わりにTiCrAlNを用いることで、AlNの結晶構造を高硬度な立方晶構造に保ちながらAl濃度を高めることで、皮膜の硬度と耐酸化性を高められることを見出した(特許文献1)。
近年、高速度工具鋼(SKD11など)の加工を、放電加工で行なうよりも、切削工具を用いて高速で切削する傾向が高まっており、より優れた耐酸化性を有する硬質皮膜の開発が求められている。 In recent years, the tendency to cut high-speed tool steel (such as SKD11) at a high speed using a cutting tool is higher than that by electric discharge machining, and the development of a hard coating with better oxidation resistance is required. It has been.
本発明は、これらの問題に着目してなされたものであり、硬度と耐酸化性に優れた硬質皮膜およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made paying attention to these problems, and is to provide a hard film excellent in hardness and oxidation resistance and a method for producing the same.
前記課題を解決し得た本発明の硬質皮膜は、
(1)
[(Nb1-d ,Tad)aAl1-a](C1-XNX)からなる硬質皮膜であって、
0.4≦a≦0.6、
0≦d≦1、
0.4≦X≦1、
(式中、a、dおよびXは互いに独立して、原子比を示す)であるか、
(2)
[(Nb1-d ,Tad)a(Al1-a-b-c ,Sib ,Bc)1-a](C1-XNX)からなる硬質皮膜であって、
0.4≦a≦0.6、
0<b+c≦0.15、
0≦d≦1、
0.4≦X≦1、
(式中、a、b、c、dおよびXは互いに独立して、原子比を示す:なおbおよびcは、一方が0であってもよいが、両方が0になることはない)
であることを特徴とする。
The hard coating of the present invention that has solved the above problems is
(1)
[(Nb 1-d , Ta d ) a Al 1-a ] (C 1-X N X )
0.4 ≦ a ≦ 0.6,
0 ≦ d ≦ 1,
0.4 ≦ X ≦ 1,
(Wherein a, d and X independently represent an atomic ratio),
(2)
A hard coating composed of [(Nb 1-d , Ta d ) a (Al 1-abc , Si b , B c ) 1-a ] (C 1-X N X ),
0.4 ≦ a ≦ 0.6,
0 <b + c ≦ 0.15,
0 ≦ d ≦ 1,
0.4 ≦ X ≦ 1,
(In the formula, a, b, c, d and X each independently represent an atomic ratio: b and c may be either 0, but neither is 0)
It is characterized by being.
また本発明の硬質皮膜は、積層型であってもよく、
上記(1)の組成を満足するA層または上記(2)の組成を満足するB層と、
[(Nb1-D ,TaD)A(Al1-A-B-C ,SiB ,BC )1-A](C1-XNX)
0.2≦A≦0.5、
0.15<B+C≦0.5、
0≦D≦1、
0.4≦X≦1
(式中、A、B、C、DおよびXは互いに独立して、原子比を示す:なおBおよびCは、一方が0であってもよいが、両方が0になることはない)
からなるC層が交互に積層されたものである。A層またはB層の厚みは5nm以上であり、C層の厚みは1nm以上であることが好ましい。
The hard coating of the present invention may be a laminated type,
A layer satisfying the composition of the above (1) or B layer satisfying the composition of the above (2);
[(Nb 1 -D , Ta D ) A (Al 1 -ABC , Si B , B C ) 1 -A ] (C 1 -X N X )
0.2 ≦ A ≦ 0.5,
0.15 <B + C ≦ 0.5,
0 ≦ D ≦ 1,
0.4 ≦ X ≦ 1
(In the formula, A, B, C, D and X each independently represent an atomic ratio: B and C may be one of B and C, but not both of them)
C layers consisting of are laminated alternately. The thickness of the A layer or the B layer is preferably 5 nm or more, and the thickness of the C layer is preferably 1 nm or more.
上記硬質皮膜は、硬度と耐酸化性の両方に優れている。 The hard coating is excellent in both hardness and oxidation resistance.
本発明には、[(Nb1-d ,Tad)aAl1-a]からなり、0.4≦a≦0.6、0≦d≦1(式中、aおよびdは互いに独立して、原子比を示す)であるターゲットまたは、[(Nb1-d ,Tad)a(Al1-a-b-c ,Sib ,Bc)1-a]からなり、0.4≦a≦0.6、0<b+c≦0.15、0≦d≦1(式中、a、b、cおよびdは互いに独立して、原子比を示す:なおbおよびcは、一方が0であってもよいが、両方が0になることはない)であるターゲットを用い、
N含有ガスまたはCとNを含有する混合ガス中、カソード放電型アークイオンプレーティング法で皮膜することによって得られる硬質皮膜や、
[(Nb1-d ,Tad)aAl1-a]からなり、0.4≦a≦0.6、0≦d≦1
(式中、aおよびdは互いに独立して、原子比を示す)であるターゲット、または[(Nb1-d ,Tad)a(Al1-a-b-c ,Sib ,Bc)1-a]からなり、0.4≦a≦0.6、0<b+c≦0.15、0≦d≦1(式中、a、b、cおよびdは互いに独立して、原子比を示す:なおbおよびcは、一方が0であってもよいが、両方が0になることはない)であるターゲットを用い、
N含有ガスまたはCとNを含有する混合ガス中、カソード放電型アークイオンプレーティング法で皮膜を形成する工程と、
[(Nb1-D ,TaD )A(Al1-A-B-C ,SiB ,BC )1-A]からなり、0.2≦A≦0.5、0.15<B+C≦0.5、0≦D≦1
(式中、A、B、CおよびDは互いに独立して、原子比を示す:なおBおよびCは、一方が0であってもよいが、両方が0になることはない)であるターゲットを用い、
N含有ガスまたはCとNを含有する混合ガス中、スパッタリング法で皮膜を形成する工程とを繰り返すことによって得られる積層型硬質皮膜も含まれる。
The present invention comprises [(Nb 1-d , Ta d ) a Al 1-a ], 0.4 ≦ a ≦ 0.6, 0 ≦ d ≦ 1 (wherein a and d are independent of each other). Or ([indicating atomic ratio)] or [(Nb 1 -d , Ta d ) a (Al 1 -abc , Si b , B c ) 1 -a ], and 0.4 ≦ a ≦ 0. 6, 0 <b + c ≦ 0.15, 0 ≦ d ≦ 1 (wherein, a, b, c and d independently represent an atomic ratio: b and c may be either 0 or 0 Good, but both cannot be 0)
In a N-containing gas or a mixed gas containing C and N, a hard film obtained by coating with a cathode discharge arc ion plating method,
[(Nb 1-d , Ta d ) a Al 1-a ], 0.4 ≦ a ≦ 0.6, 0 ≦ d ≦ 1
(Wherein, a and d independently represent an atomic ratio) or [(Nb 1 -d , Ta d ) a (Al 1 -abc , Si b , B c ) 1 -a ] 0.4 ≦ a ≦ 0.6, 0 <b + c ≦ 0.15, 0 ≦ d ≦ 1 (wherein a, b, c and d independently represent an atomic ratio: And c may be zero, but neither may be zero)
Forming a film by a cathode discharge arc ion plating method in an N-containing gas or a mixed gas containing C and N;
[(Nb 1-D , Ta D ) A (Al 1-ABC , Si B , B C ) 1-A ], 0.2 ≦ A ≦ 0.5, 0.15 <B + C ≦ 0.5, 0 ≦ D ≦ 1
(Wherein, A, B, C and D are independently of each other and indicate an atomic ratio: B and C may be one, but not both) Use
A multilayer hard film obtained by repeating a process of forming a film by a sputtering method in an N-containing gas or a mixed gas containing C and N is also included.
上記積層型硬質皮膜は、例えば、
アーク蒸発源とスパッタ蒸発源の両方を備えた成膜装置を用い、両蒸発源を同時に放電させ、被処理体をアーク蒸発源の前方に移動させてカソード放電型アークイオンプレーティング法にてA層またはB層を形成させる工程と、被処理体をスパッタ蒸発源の前方に移動させてスパッタリング法にてC層を形成する工程とを繰り返して行なうことによって製造できる。
The laminated hard coating is, for example,
Using a film forming apparatus equipped with both an arc evaporation source and a sputtering evaporation source, both evaporation sources are discharged at the same time, and the object to be processed is moved in front of the arc evaporation source. It can be manufactured by repeatedly performing the step of forming the layer or the B layer and the step of moving the workpiece to the front of the sputtering evaporation source and forming the C layer by the sputtering method.
本発明の硬質皮膜は、Al窒化物またはAl炭窒化物系硬質皮膜のAlを適量のNbおよび/またはTaで置換しているため、硬度および耐酸化性が極めて優れている。 The hard coating of the present invention is extremely excellent in hardness and oxidation resistance because Al in the Al nitride or Al carbonitride-based hard coating is replaced with an appropriate amount of Nb and / or Ta.
本発明者らは、TiAlNやTiAlCN(以下、TiAl系硬質皮膜と総称する場合がある)よりも硬度と耐酸化性に優れた硬質皮膜を探索すべく、種々の硬質皮膜を形成し、結晶構造や硬度、耐酸化性、切削工具での耐久性を評価した。その結果Tiに代えて、Nbおよび/またはTaをAlと組み合わせた窒化物または炭窒化物[NbAlCN、TaAlCN、NbTaAlCN;および前記(CN)部分が(N)である化合物(以下、Nb・TaAl系硬質皮膜と称する場合がある)]が、硬度および耐酸化性(酸化開始温度)の点で極めて優れていることを見出し、本発明に至った。 In order to search for a hard film having higher hardness and oxidation resistance than TiAlN and TiAlCN (hereinafter sometimes collectively referred to as TiAl-based hard film), the present inventors have formed various hard films and have a crystal structure. And the hardness, oxidation resistance, and durability with cutting tools were evaluated. As a result, instead of Ti, nitride or carbonitride in which Nb and / or Ta is combined with Al [NbAlCN, TaAlCN, NbTaAlCN; and a compound in which the (CN) portion is (N) (hereinafter referred to as Nb / TaAl system) Has been found to be extremely excellent in terms of hardness and oxidation resistance (oxidation start temperature), leading to the present invention.
より詳細に説明すると、TiAl系硬質皮膜が高い耐酸化性を示すのは、Alが高温酸化雰囲気下で優先的に酸化され、保護性の高いAl酸化皮膜が最表面に形成されるためである。しかしTiAl系硬質皮膜では、ある一定の温度以上になると、Al酸化皮膜よりも保護性の低いTi酸化物が優先的に形成され、耐酸化性が急激に低下してしまう。そこで本発明者らは、Tiを含まない前記Nb・TaAl系硬質皮膜では、TiAl系硬質皮膜よりも耐酸化性が優れていると考えた。その結果、Ta酸化物やNb酸化物は比較的高温(1000℃程度)まで非晶質であり、粒界を有しないことからTi酸化物よりも保護性が高く、Nb・TaAl系硬質皮膜はTiAl系硬質皮膜よりも耐酸化性において優れていた。 More specifically, the reason why the TiAl-based hard coating exhibits high oxidation resistance is that Al is preferentially oxidized in a high-temperature oxidizing atmosphere, and a highly protective Al oxide coating is formed on the outermost surface. . However, in the TiAl-based hard film, when the temperature exceeds a certain temperature, Ti oxide having a lower protection than the Al oxide film is preferentially formed, and the oxidation resistance is drastically lowered. Therefore, the present inventors considered that the Nb · TaAl hard coating containing no Ti has better oxidation resistance than the TiAl hard coating. As a result, Ta oxide and Nb oxide are amorphous up to a relatively high temperature (about 1000 ° C.) and have no grain boundary. Therefore, the protective property is higher than that of Ti oxide. It was superior in oxidation resistance than TiAl hard coating.
硬度については、TiAl系硬質皮膜は、TiN(格子定数:4.24Å)の格子中に、準安定状態の立方晶AlN(格子定数:4.12)が固溶しているために硬度が高いと考えられる。それに対してTaNやNbNでは、格子定数が4.339Åと4.389Åであり、立方晶AlNに対する格子定数の差がTiAl系硬質皮膜よりも大きく、格子間の歪を大きくすることができ、硬度を高めることができる。 Regarding the hardness, the TiAl-based hard film has high hardness because cubic AlN (lattice constant: 4.12) in a metastable state is dissolved in the lattice of TiN (lattice constant: 4.24Å). it is conceivable that. On the other hand, in TaN and NbN, the lattice constants are 4.339 and 4.389, and the difference in lattice constant with respect to cubic AlN is larger than that of the TiAl-based hard film, and the strain between the lattices can be increased. Can be increased.
上記Nb・TaAl系硬質皮膜は、[(Nb1-d ,Tad)aAl1-a](C1-XNX)と表記できる。なお式中、“a”、“d”および“X”は互いに独立して、原子比を示す。前記“a”は0.4以上、0.6以下である。“a”の値が小さすぎると、Alの割合が高くなりすぎて皮膜が比較的軟質な六方晶構造(ウルツ鉱型とも称する)になり、硬度が低下する。好ましい“a”の値は、0.4以上、好ましくは0.45以上、さらに好ましくは0.5以上である。“a”の値が大きくなる程、硬度は向上する。しかし“a”の値が大きくなりすぎると、Alと、Nbおよび/またはTaとの併用による歪の蓄積量が低下するため硬度が低下してしまう。従って“a”の値は、0.6以下、好ましくは0.55以下とする。前記“d”の値は1であってもよい(すなわち、TaAl系硬質皮膜)し、0であってもよい(すなわち、NbAl系硬質皮膜)。さらにはTaとNbを含有する硬質皮膜であってもよい。 The Nb · TaAl hard coating can be expressed as [(Nb 1-d , Ta d ) a Al 1-a ] (C 1-X N X ). In the formula, “a”, “d” and “X” independently represent an atomic ratio. The “a” is 0.4 or more and 0.6 or less. If the value of “a” is too small, the proportion of Al becomes too high, and the film has a relatively soft hexagonal crystal structure (also called wurtzite type), and the hardness decreases. A preferable value of “a” is 0.4 or more, preferably 0.45 or more, and more preferably 0.5 or more. The hardness increases as the value of “a” increases. However, if the value of “a” becomes too large, the amount of strain accumulated due to the combined use of Al and Nb and / or Ta decreases, so the hardness decreases. Therefore, the value of “a” is 0.6 or less, preferably 0.55 or less. The value of “d” may be 1 (that is, a TaAl hard film) or may be 0 (that is, an NbAl hard film). Further, it may be a hard film containing Ta and Nb.
前記“X”の値は1であってもよい(すなわち硬質皮膜が窒化物である)が、Xの値が小さくなるほど(すなわちC量が増大するほど)皮膜の硬度が向上する。しかしXの値を小さくし過ぎると、不安定なAlC化合物が形成されやすくなる。従ってXの値は0.4以上、好ましくは0.6以上、さらに好ましくは0.7以上とする。 The value of “X” may be 1 (that is, the hard film is a nitride), but the hardness of the film improves as the value of X decreases (that is, the amount of C increases). However, if the value of X is too small, an unstable AlC compound is likely to be formed. Therefore, the value of X is 0.4 or more, preferably 0.6 or more, more preferably 0.7 or more.
前記Nb・TaAl系硬質皮膜には、さらにSiおよび/またはBが追加されていてもよく、この追加させた硬質皮膜(以下、Si・B追加型Nb・TaAl系硬質皮膜と称する場合がある)は、[(Nb1-d ,Tad)a(Al1-a-b-c ,Sib ,Bc)1-a](C1-XNX)と表記できる。なお[(Nb1-d ,Tad)a(Al1-a-b-c ,Sib ,Bc)1-a](C1-XNX)は、Bが炭窒化物を形成する場合のみならず、BがNbおよび/またはTa、Al、Siなどと硼化物を形成する場合をもあわせた総合的な意味を有するものである。また式中、“a”、“b”、“c”、“d”および“X”は互いに独立して、原子比を示す。Siおよび/またはBを追加することで、結晶粒界にSi−N結合やB−N結合が形成されて結晶粒の成長が抑制され、Nb・TaAl系硬質皮膜の結晶粒を微細化でき、硬度をさらに向上できた。また詳細は明らかではないが、耐酸化性も高めることができる。SiやBの追加量(b+c)は、0超、好ましくは0.01以上、さらに好ましくは0.03以上、特に好ましくは0.05以上である。なおSiやBは両方を追加してもよく、片方だけを追加してもよく、従って“b”および“c”のうち片方は0であってもよい。ただし、SiはBよりも耐酸化性の点で優れているため、耐酸化性を重視する場合には、SiおよびBの両方、またはSiだけを追加することが推奨される。一方、Bは、潤滑作用のあるB−N結合を形成するため、潤滑性向上も重視する場合には、SiおよびBの両方、またはBだけを追加することが推奨される。“b+c”の値が大きくなる程、硬度および耐酸化性は向上する。しかし“b+c”の値が大きくなりすぎると、皮膜が立方晶構造を取り難くなり、六方晶型に転移したり、非晶質化して、硬度が低下する。好ましい“b+c”の値は0.15以下である。 Si and / or B may be further added to the Nb · TaAl-based hard coating, and this added hard coating (hereinafter sometimes referred to as a Si · B-added Nb · TaAl-based hard coating). can expressed as [(Nb 1-d, Ta d) a (Al 1-abc, Si b, B c) 1-a] (C 1-X N X). Note that [(Nb 1 -d , Ta d ) a (Al 1 -abc , Si b , B c ) 1 -a ] (C 1 -X N X ) is not limited to the case where B forms carbonitride. , B has a comprehensive meaning in combination with the case of forming a boride with Nb and / or Ta, Al, Si or the like. In the formula, “a”, “b”, “c”, “d” and “X” independently represent an atomic ratio. By adding Si and / or B, Si—N bonds and BN bonds are formed at the crystal grain boundaries, and the growth of crystal grains can be suppressed, and the crystal grains of the Nb / TaAl hard coating can be refined. The hardness could be further improved. Further, although details are not clear, oxidation resistance can be improved. The additional amount (b + c) of Si or B is more than 0, preferably 0.01 or more, more preferably 0.03 or more, and particularly preferably 0.05 or more. Both Si and B may be added, or only one of them may be added. Therefore, one of “b” and “c” may be zero. However, since Si is superior to B in terms of oxidation resistance, it is recommended to add both Si and B or only Si when importance is attached to oxidation resistance. On the other hand, since B forms a BN bond having a lubricating action, it is recommended to add both Si and B, or just B, when importance is also placed on improving lubricity. As the value of “b + c” increases, the hardness and oxidation resistance improve. However, if the value of “b + c” becomes too large, the film becomes difficult to take a cubic structure, and it changes to a hexagonal type or becomes amorphous, resulting in a decrease in hardness. A preferable value of “b + c” is 0.15 or less.
なお、本発明の硬質皮膜は、所望の硬度と耐酸化性を満足できる限り、立方晶と六方晶とが混在する結晶構造であってもよいが、好ましくは実質的に立方晶であるNaCl型の結晶構造を示す。立方晶の割合が高くなる程、皮膜の硬度は高くなる。 The hard coating of the present invention may have a crystal structure in which cubic and hexagonal crystals are mixed as long as desired hardness and oxidation resistance can be satisfied, but is preferably a substantially cubic NaCl type. The crystal structure of is shown. The higher the proportion of cubic crystals, the higher the hardness of the film.
上記単層構造の硬質皮膜(Nb・TaAl系硬質皮膜およびSi・B追加型Nb・TaAl系硬質皮膜)は、その片面または両面に、より耐酸化性の高い硬質皮膜を形成することで耐酸化性をさらに向上させることができる。しかし形成させる硬質皮膜によっては、膜間での密着性が十分となり、剥離が生じることがある。そこで本発明者らは、前記Nb・TaAl系硬質皮膜の組成を満たす層(本明細書中では、A層とも称する)または前記Si・B追加型Nb・TaAl系硬質皮膜の組成を満たす層(本明細書中では、B層とも称する)と、上述のSi・B追加型Nb・TaAl系硬質皮膜よりもNbおよびTaの比率を減少させた硬質皮膜やSiおよび/またはBの比率を高めた硬質皮膜(本明細書中では、C層とも称する)とを、交互に積層させて形成することで耐酸化性がさらに優れた硬質皮膜(以下、積層型硬質皮膜と称する場合がある)が得られることを見出した。積層型硬質皮膜のC層の組成は、A層やB層の組成と近似しているため、上記剥離などの問題も起こり難いと考えられる。 The above-mentioned hard coatings with a single layer structure (Nb / TaAl hard coating and Si / B additional type Nb / TaAl hard coating) are resistant to oxidation by forming a hard coating with higher oxidation resistance on one or both sides. The property can be further improved. However, depending on the hard film to be formed, the adhesion between the films is sufficient, and peeling may occur. Therefore, the inventors of the present invention have a layer satisfying the composition of the Nb · TaAl hard coating (also referred to as A layer in this specification) or a layer satisfying the composition of the Si · B additional type Nb · TaAl hard coating ( In this specification, it is also referred to as B layer), and the ratio of Nb and Ta and the ratio of Si and / or B are increased compared to the above-described Si / B additional type Nb / TaAl hard coating. By forming the hard film (also referred to as C layer in this specification) by alternately laminating it, a hard film (hereinafter sometimes referred to as a laminated hard film) with even better oxidation resistance is obtained. I found out that Since the composition of the C layer of the laminated hard coating is close to the composition of the A layer and the B layer, problems such as the above-described peeling are unlikely to occur.
上記C層は[(Nb1-D ,TaD)A(Al1-A-B-C ,SiB ,BC)1-A](C1-XNX)と表記できる。なお式中、A、B、C、DおよびXは互いに独立して、原子比を示す。C層には、十分な耐酸化性を有し、かつ積層型硬質皮膜の硬度を低下させ過ぎないものが求められる。そのため“A”、“B”、“C”、“D”および“X”の値は、A層やB層の特性に応じて適宜選択すればよい。一般には、前記“A”は0.2以上(好ましくは0.25以上、さらに好ましくは0.3以上)であり、0.5以下(好ましくは0.45以下)とすることが好ましい。前記“B”および“C”の値は、一方が0であってもよいが、両方が0になることはなく、“B+C”の値が0.15以上(好ましくは0.2以上、さらに好ましくは0.25以上)であり、0.5以下(好ましくは0.4以下、さらに好ましくは0.3以下)とすることが好ましい。前記“X”の値は、0.4以上(好ましくは0.6以上、さらに好ましくは0.7以上)であり、1以下とすることが好ましい。 The C layer can be expressed as [(Nb 1 -D , Ta D ) A (Al 1 -ABC , Si B , B C ) 1-A ] (C 1 -X N X ). In the formula, A, B, C, D and X independently represent an atomic ratio. The C layer is required to have sufficient oxidation resistance and not excessively reduce the hardness of the laminated hard film. Therefore, the values of “A”, “B”, “C”, “D”, and “X” may be appropriately selected according to the characteristics of the A layer and the B layer. In general, the “A” is 0.2 or more (preferably 0.25 or more, more preferably 0.3 or more), and is preferably 0.5 or less (preferably 0.45 or less). One of the values of “B” and “C” may be 0, but both of them are not 0, and the value of “B + C” is 0.15 or more (preferably 0.2 or more, Preferably it is 0.25 or more) and is 0.5 or less (preferably 0.4 or less, more preferably 0.3 or less). The value of “X” is 0.4 or more (preferably 0.6 or more, more preferably 0.7 or more), and preferably 1 or less.
なお、C層は、上述の硬質皮膜やA層の皮膜ほど硬度を必要としないため、所望の硬度と耐酸化性を満足できる限り、立方晶と六方晶とが混在する結晶構造であってもよく、非晶質からなるものであってもよい。 In addition, since the C layer does not require hardness as much as the above-described hard coating and the coating of the A layer, as long as the desired hardness and oxidation resistance can be satisfied, the C layer may have a crystal structure in which cubic crystals and hexagonal crystals are mixed. It may be made of amorphous material.
なお、非晶質とは、結晶粒径が1nm以下のものを指し、具体的には、上記X線回折にて2θ=37.78°付近、43.9°付近、63.8°付近、32°〜33°付近、48°〜50°付近、57°〜58°付近に明確なピークを示さないものを意味する。 In addition, the amorphous refers to those having a crystal grain size of 1 nm or less. Specifically, in the above X-ray diffraction, 2θ = 37.78 °, 43.9 °, 63.8 °, Meaning those that do not show clear peaks at around 32 ° to 33 °, around 48 ° to 50 °, and around 57 ° to 58 °.
前記積層型硬質皮膜の厚みは、A層やB層の特性(例えば硬度)を重視する場合にはAまたはB層を厚くし、C層の特性(例えば耐酸化性)を重視する場合にはC層を厚くすればよい。中でもC層をAまたはB層の厚さの1/2以下程度とすることで、積層型硬質皮膜の強度と耐酸化性をさらに向上させることができる。またAまたはB層の厚さは5nm以上、(好ましくは10nm以上、さらに好ましくは25nm以上)、C層の厚さは1nm以上(好ましくは2nm以上、さらに好ましくは3nm以上)とすることでも、積層型硬質皮膜の強度と耐酸化性をさらに向上させることができる。しかしA層やBおよび/またはC層が厚くなりすぎると、積層体とする効果が得られない。そのため、AまたはB層は100nm以下(好ましくは50nm以下)、C層は10nm以下(好ましくは5nm以下)とする必要がある。 The thickness of the laminated hard film is thicker when the characteristics of the A layer and the B layer (for example, hardness) are emphasized, and when the characteristics of the C layer (for example, oxidation resistance) are emphasized. What is necessary is just to thicken C layer. In particular, the strength and oxidation resistance of the laminated hard coating can be further improved by setting the C layer to about ½ or less of the thickness of the A or B layer. The thickness of the A or B layer is 5 nm or more (preferably 10 nm or more, more preferably 25 nm or more), and the thickness of the C layer is 1 nm or more (preferably 2 nm or more, more preferably 3 nm or more). The strength and oxidation resistance of the laminated hard coating can be further improved. However, if the A layer, B and / or C layer is too thick, the effect of forming a laminate cannot be obtained. Therefore, the A or B layer needs to be 100 nm or less (preferably 50 nm or less), and the C layer needs to be 10 nm or less (preferably 5 nm or less).
前記硬質皮膜(積層型硬質皮膜を含む)は、硬度や耐酸化性に極めて優れているため、高速度工具鋼(SKH51やSKD11、SKD61など)や超硬合金などの鉄系基材の表面に形成することで、硬度や耐酸化性に優れた切削工具や冶工具を得ることができる。 Since the hard coating (including laminated hard coating) is extremely excellent in hardness and oxidation resistance, it is applied to the surface of an iron-based substrate such as high-speed tool steel (SKH51, SKD11, SKD61, etc.) or cemented carbide. By forming, a cutting tool and a jig having excellent hardness and oxidation resistance can be obtained.
上記硬質皮膜(積層型硬質皮膜を含む)は、物理気相成長法(PVD法)や化学気相成長法(CVD法)など公知の方法を用いて製造できる。密着性などの観点から、PVD法を用いて製造することが好ましい。具体的には、スパッタリング法や真空蒸着法、イオンプレーティング法などが挙げられる。中でも、本発明の硬質皮膜(積層型硬質皮膜を含む)の成膜で用いるターゲットはAlと同時にNbやTaも含んでおり、AlとNbやTaとでは融点が大きく異なるため、電子ビーム蒸発やホローカソード蒸発法による成膜方法ではターゲット中の各元素の蒸発量を制御することが困難である。そのためターゲット中の元素の蒸発(気化)速度が融点に大きく依存しないスパッタリング法やイオンプレーティング法を採用することが好ましい。さらに成膜速度が速いなどの観点から、イオンプレーティング法(特に、アークイオンプレーティング法)を採用することが好ましい。 The hard coating (including the laminated hard coating) can be produced using a known method such as physical vapor deposition (PVD method) or chemical vapor deposition (CVD method). From the standpoint of adhesion and the like, it is preferable to manufacture using a PVD method. Specifically, a sputtering method, a vacuum deposition method, an ion plating method, and the like can be given. Among them, the target used in the film formation of the hard film (including the laminated hard film) of the present invention includes Nb and Ta simultaneously with Al, and the melting point of Al and Nb or Ta is greatly different. In the film formation method by the hollow cathode evaporation method, it is difficult to control the evaporation amount of each element in the target. Therefore, it is preferable to employ a sputtering method or an ion plating method in which the evaporation (vaporization) rate of elements in the target does not greatly depend on the melting point. Furthermore, it is preferable to employ an ion plating method (particularly, an arc ion plating method) from the viewpoint of a high film formation rate.
例えば単層構造の硬質皮膜では、[(Nb1-d ,Tad)aAl1-a]からなり、0.4≦a≦0.6、0≦d≦1(式中、a、cおよびdは互いに独立して、原子比を示す)であるターゲット、または[(Nb1-d ,Tad)a(Al1-a-b-c ,Sib ,Bc)1-a]からなり、0.4≦a≦0.6、0<b+c≦0.15、0≦d≦1(式中、a、b、cおよびdは互いに独立して、原子比を示す:なおbおよびcは、一方が0であってもよいが、両方が0になることはない)であるターゲットを用い、
N含有ガスまたはCとNを含有する混合ガス中、カソード放電型アークイオンプレーティング法を用いて製造することができる。
For example, a hard film having a single layer structure consists of [(Nb 1-d , Ta d ) a Al 1-a ], and 0.4 ≦ a ≦ 0.6, 0 ≦ d ≦ 1 (where a, c And d are each independently a target) or [(Nb 1 -d , Ta d ) a (Al 1 -abc , Si b , B c ) 1 -a ]. 4 ≦ a ≦ 0.6, 0 <b + c ≦ 0.15, 0 ≦ d ≦ 1 (wherein, a, b, c and d independently represent an atomic ratio: Can be 0, but both cannot be 0)
It can be produced using a cathode discharge arc ion plating method in an N-containing gas or a mixed gas containing C and N.
しかし積層型硬質皮膜のC層を形成するターゲットでは、A層やB層を形成するターゲットよりも、Siおよび/またはBの含有量が多いため、ターゲットの強度が弱い。そのためC層をカソード放電型アークイオンプレーティング法で成膜すると、アーク放電時にターゲットが破損する可能性がある。さらにC層は比較的薄く形成する必要があり、カソード放電型アークイオンプレーティング法では成膜速度が極めて速いため、厚さを制御することが困難である。上記のような理由から、C層の形成にはスパッタリング法を用いることが好ましい。具体的には[(Nb1-D,TaD)A(Al1-A-B-C,SiB,BC)1-A]からなり、0.5≦A≦0.8、0.15≦B+C≦0.5、0≦D≦1(式中、A、BおよびCは互いに独立して、原子比を示す:なおBおよびCは、一方が0であってもよいが、両方が0になることはない)であるターゲットを用い、
N含有ガスまたはCとNを含有する混合ガス中、カソード放電型アークイオンプレーティング法を用いてC層を成膜することが好ましい。
However, since the target for forming the C layer of the laminated hard coating has a higher Si and / or B content than the target for forming the A layer or the B layer, the strength of the target is weak. Therefore, if the C layer is formed by the cathode discharge arc ion plating method, the target may be damaged during arc discharge. Furthermore, the C layer needs to be formed relatively thin, and it is difficult to control the thickness because the deposition rate is extremely high in the cathode discharge arc ion plating method. For the above reasons, it is preferable to use a sputtering method for forming the C layer. Specifically, it consists of [(Nb 1 -D , Ta D ) A (Al 1 -ABC, Si B , B C ) 1-A ], and 0.5 ≦ A ≦ 0.8, 0.15 ≦ B + C ≦ 0.5, 0 ≦ D ≦ 1 (in the formula, A, B and C independently represent an atomic ratio: B and C may be either 0, but both are 0) Use a target that is
In the N-containing gas or the mixed gas containing C and N, it is preferable to form the C layer using a cathode discharge arc ion plating method.
上記積層型硬質皮膜を製造する装置としては、特願2004−035474号公報に記載の装置などを用いることができる。具体的には、アーク蒸発源とスパッタ蒸発源の両方を備えた成膜装置を用い、両蒸発源を同時に放電させ、被処理体をアーク蒸発源の前方に移動させてカソード放電型アークイオンプレーティング法にてAまたはB層を形成させ、被処理体をスパッタ蒸発源の前方に移動させてスパッタリング法にてC層を形成させ、該操作を繰り返して行ない、AまたはB層とC層とを積層させて積層型硬質皮膜を形成することが好ましい。 As an apparatus for producing the laminated hard film, an apparatus described in Japanese Patent Application No. 2004-035474 can be used. Specifically, using a film forming apparatus equipped with both an arc evaporation source and a sputtering evaporation source, both evaporation sources are discharged at the same time, and the object to be processed is moved in front of the arc evaporation source to produce a cathode discharge arc ion plate. The A or B layer is formed by the coating method, the object to be processed is moved in front of the sputtering evaporation source, the C layer is formed by the sputtering method, and this operation is repeated. Is preferably laminated to form a laminated hard coating.
なお前記混合ガスでのNの含有量は、所望する硬質皮膜の組成や成膜条件などに応じて、混合ガス中のNやCの量を適宜コントロールすることで調節することができる。その際成膜ガスに適宜Arを添加してもよい。 The N content in the mixed gas can be adjusted by appropriately controlling the amounts of N and C in the mixed gas according to the desired composition of the hard film, film forming conditions, and the like. At that time, Ar may be appropriately added to the film forming gas.
カソード放電型アークイオンプレーティング法については、特開2003−7160号公報に記載の方法を参考にして行なうことができる。 The cathode discharge arc ion plating method can be performed with reference to the method described in JP-A-2003-7160.
なお成膜時の被処理体の温度は、被処理体の種類に応じて適宜選択すればよいが、高すぎれば硬質皮膜の残留応力が低減する場合があり、硬質皮膜に過大な残留応力が作用し、被処理体との密着性が損なわれる場合がある。そのため300℃以上、好ましくは400℃以上に設定することが推奨される。また被処理体の温度が高すぎれば、残留応力は低減するものの、同時に圧縮応力も小さくなり、被処理体の抗折力増加作用が損なわれる場合がある上に、高温に曝されることで被処理体が変形することがある。そのため、被処理体の温度は800℃以下、好ましくは700℃以下とすることが推奨される。また被処理体として、高速度工具鋼(SKH51、SKD11、SKD61など)などの基板を用いた場合、製造時の基板温度を基板材料の焼き戻し温度以下に設定し、基板の機械的特性を維持することも好ましい。焼き戻し温度は、基板材料によって適宜選択することができるが、一般に、基材としてSKH51を用いた場合には550〜570℃、SKD61を用いた場合には550〜680℃、SKD11を用いた場合には500〜530℃でよい。その場合、製造時の基板の温度はこれら焼き戻し温度よりも低く設定することが好ましく、具体的には、焼き戻し温度に対して50℃以下に設定することが好ましい。 The temperature of the object to be processed at the time of film formation may be appropriately selected according to the type of object to be processed, but if it is too high, the residual stress of the hard film may be reduced, and excessive residual stress is applied to the hard film. It may act, and adhesiveness with a to-be-processed object may be impaired. Therefore, it is recommended that the temperature is set to 300 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher. If the temperature of the object to be treated is too high, the residual stress will be reduced, but at the same time the compressive stress will be reduced, and the effect of increasing the bending strength of the object to be treated may be impaired. The object to be processed may be deformed. Therefore, it is recommended that the temperature of the object to be processed is 800 ° C. or lower, preferably 700 ° C. or lower. When a substrate such as high-speed tool steel (SKH51, SKD11, SKD61, etc.) is used as the object to be processed, the substrate temperature at the time of manufacture is set below the tempering temperature of the substrate material, and the mechanical characteristics of the substrate are maintained. It is also preferable to do. The tempering temperature can be appropriately selected depending on the substrate material. In general, when SKH51 is used as the base material, 550 to 570 ° C., when SKD61 is used, 550 to 680 ° C. and SKD11 are used. The temperature may be 500 to 530 ° C. In that case, the temperature of the substrate at the time of manufacture is preferably set lower than these tempering temperatures, and specifically, it is preferably set to 50 ° C. or less with respect to the tempering temperature.
なお、成膜時に被処理体に負の電位を印加することで、より効率よく硬質皮膜を形成することができる。バイアス電圧の大きさは、高ければプラズマ化した成膜ガスや金属イオンのエネルギーも高くなり、得られる立方晶の結晶構造を示す硬質皮膜が得られ易くなるため、負の値で、絶対値で10V以上、特に30V以上とすることが好ましい。しかしバイアス電圧が高まると、プラズマ化した成膜ガスによって膜がエッチングされ、成膜速度が極端に小さくなる場合がある。そのため負の値で、絶対値で200V以下、特に150V以下とすることが好ましい。なお、Alの割合が比較的少ない場合には、バイアス電圧が多少低くても前述の引き込み効果が有効に作用し、立方晶の結晶構造を示す硬質皮膜が得られ易くなる。 Note that a hard coating can be more efficiently formed by applying a negative potential to the object to be processed at the time of film formation. The higher the bias voltage, the higher the energy of the plasma-forming film forming gas and metal ions, and the hard film showing the resulting cubic crystal structure can be easily obtained. It is preferable to set it to 10V or more, especially 30V or more. However, when the bias voltage is increased, the film is etched by the plasma forming film forming gas, and the film forming speed may be extremely reduced. Therefore, it is preferable that the negative value is 200 V or less, particularly 150 V or less in absolute value. When the proportion of Al is relatively small, even if the bias voltage is somewhat low, the above-described pulling effect works effectively, and a hard coating film having a cubic crystal structure is easily obtained.
以下の実験例で得られた硬質皮膜の物性は、下記の方法に従って求めた。 The physical properties of the hard coating obtained in the following experimental examples were determined according to the following method.
[硬質皮膜の組成]
EPMAにより測定した。その際、硬質皮膜中の金属元素および窒素以外の不純物元素量が、酸素および炭素の各々が5at%以下のレベルであることを確認した。
[Composition of hard coating]
Measured by EPMA. At that time, it was confirmed that the amount of impurity elements other than metal elements and nitrogen in the hard coating was 5 at% or less for each of oxygen and carbon.
[結晶構造の解析]
EPMAにより測定した。その際、硬質皮膜中の金属元素および窒素以外の不純物元素量が、酸素および炭素の各々が5at%以下のレベルであることを確認した。
[Analysis of crystal structure]
Measured by EPMA. At that time, it was confirmed that the amount of impurity elements other than metal elements and nitrogen in the hard coating was 5 at% or less for each of oxygen and carbon.
[結晶構造の解析条件]
結晶構造の評価は、硬質皮膜を、リガク電機社製のX線回折装置を用いて、θ−2θ法にてX線解析する。その際、立方晶ではCuKα線源を用いて行い、(111)面に
ついては2θ=37.78°付近の、(200)面については2θ=43.9°付近の、(220)面については2θ=63.8°付近のピーク強度を測定する。六方晶のX線回折は、CuのKα線を用い、(100)面については2θ=32°〜33°付近の、(102)面については2θ=48°〜50°付近の、(110)面については2θ=57°〜58°付近のピーク強度を測定する。それらの値を用いて下記式(1)
[Crystal structure analysis conditions]
The crystal structure is evaluated by X-ray analysis of the hard coating by the θ-2θ method using an X-ray diffractometer manufactured by Rigaku Electric Co., Ltd. At that time, for a cubic crystal, a CuKα radiation source is used. For the (111) plane, around 2θ = 37.78 °, for the (200) plane, near 2θ = 43.9 °, for the (220) plane. The peak intensity around 2θ = 63.8 ° is measured. X-ray diffraction of hexagonal crystal uses Cu Kα ray, (110) near (2) = 32 ° to 33 ° for the (100) plane, and around 2θ = 48 ° to 50 ° for the (102) plane. For the surface, the peak intensity around 2θ = 57 ° to 58 ° is measured. Using these values, the following formula (1)
(式中、IB(111)、IB(200)およびIB(220)は立方晶の各面のピーク強度を示す。IH(100)、IH(102)およびIH(110)は六方晶の各面のピーク強度を示す)。
に導入して算出した値(表中、「式(1)の値」)が0.8以上のものをNaCl型(表中、Bと表示)であると認定し、0のものを六方晶構造のものからなる(表中、Hと表示)とし、0より大きく、0.8未満のものを混合型(表中、B+Hと表示)とした。なお、2θ=37.78°付近、43.9°付近、63.8°付近、32°〜33°付近、48°〜50°付近、57°〜58°付近に明確なピークを示さないものは非晶質(表中、aと表示)とした。
(In the formula, IB (111), IB (200) and IB (220) indicate the peak intensity of each face of the cubic crystal. IH (100), IH (102) and IH (110) are the faces of the hexagonal crystal. Of the peak intensity).
The value calculated by introducing into (in the table, “value of the formula (1)”) of 0.8 or more is recognized as the NaCl type (shown as B in the table), and the value of 0 is hexagonal. It was made of a structure (indicated as H in the table), and a mixed type (indicated as B + H in the table) was greater than 0 and less than 0.8. In addition, 2θ = 37.78 ° vicinity, 43.9 ° vicinity, 63.8 ° vicinity, 32 ° to 33 °, 48 ° to 50 °, 57 ° to 58 ° with no clear peak Was amorphous (shown as a in the table).
[硬度の測定]
マイクロビッカース硬度測定器を用い、荷重0.25N、保持時間15秒で測定した。
[Measurement of hardness]
Using a micro Vickers hardness tester, the load was 0.25 N and the holding time was 15 seconds.
[酸化開始温度の測定]
白金サンプルを用い、熱天秤により人工乾燥空気中で室温から5℃/minの昇温速度で加熱したときの白金サンプルの重量に変化が生じた温度を酸化開始温度とした。
[Measurement of oxidation start temperature]
Using the platinum sample, the temperature at which the weight of the platinum sample changed when heated from room temperature to 5 ° C./min in artificial dry air using a thermobalance was defined as the oxidation start temperature.
[磨耗幅の観察]
超硬合金製エンドミル(直径10mm、2枚刃)の表面に、本発明の硬質皮膜を形成させたものを用い、SKD11焼き入れ鋼(HRC60)を、下記する切削条件で10m切削した後、硬質皮膜が被覆されたエンドミルの刃先を光学顕微鏡で観察して行なった。
切削条件
切削速度:150m/分
刃送り速度:0.04mm/刃
輪切り込み:4.5mm
径方向切り込み:0.2mm
その他:ダウンカット、ドライカット、エアーブローのみ
[Observation of wear width]
Using a cemented carbide end mill (diameter 10 mm, 2 blades) with the hard coating of the present invention formed on it, SKD11 hardened steel (HRC60) was cut for 10 m under the following cutting conditions and then hard. The cutting edge of the end mill coated with the film was observed with an optical microscope.
Cutting conditions Cutting speed: 150 m / minute Blade feed rate: 0.04 mm / Blade cutting: 4.5 mm
Radial notch: 0.2mm
Other: Down cut, dry cut, air blow only
[被処理体の種類]
各実験例では、(I)超硬合金製チップ(結晶構造および硬度測定用)、(II)超硬合金製ボールエンドミル(直径10mm、二枚刃)(磨耗幅測定用)および(III)白金箔(30×5×0.1mmt)(酸化開始時間測定用)の3種類の被処理体を使用した。
[Type of object to be processed]
In each experimental example, (I) cemented carbide tip (for crystal structure and hardness measurement), (II) cemented carbide ball end mill (diameter 10 mm, two blades) (for wear width measurement) and (III) white Three types of workpieces of gold foil (30 × 5 × 0.1 mmt) (for oxidation start time measurement) were used.
[硬質皮膜の形成に用いた装置]
本実験例では、特願2004−035474号公報に記載の図1に概略を示した装置を用いて硬質皮膜を形成した。図中1はスッパタ蒸発源を示し、2はアーク蒸発源を示し、3は被処理体を取り付けるための回転可能なテーブルを示している。また、テーブル上の被処理体には、バイアス電源が接続されており、被処理体に負の電位を印加できる構造となっている(図示せず)。
[Apparatus used to form hard coating]
In this experimental example, a hard film was formed using the apparatus schematically shown in FIG. 1 described in Japanese Patent Application No. 2004-035474. In the figure,
(実験例1)
[硬質皮膜の形成]
アーク蒸発源1に用いたターゲットは、表1の「ターゲットの組成比(原子比)」に記載の組成からなるもの作製して用いた。
(Experimental example 1)
[Hard film formation]
The target used for the
図1に示す装置を用い、テーブル2上に被処理体を取り付け、装置内を真空状態にした後、ヒーター(図示せず)にて被処理体を500℃に加熱した。そして装置内に、表1の「成膜ガスの組成比(原子比)」のCおよびNの組成からなる単一または混合ガスを、装置内の圧力が2.7Paとなるように供給した。被処理体がアース電圧に対して負の電位となるように、被処理体に接続したバイアス電源(図示せず)にて、20〜100Vの電圧を印加し、アーク放電を開始して被処理体の表面に厚さ3μmの硬質皮膜を形成した。なお、本実験例では、スパッタリング法で用いるスッパタ蒸発源1は使用していない。
Using the apparatus shown in FIG. 1, the object to be processed was mounted on the table 2, the inside of the apparatus was evacuated, and the object to be processed was heated to 500 ° C. with a heater (not shown). And the single or mixed gas which consists of a composition of C and N of "the composition ratio (atomic ratio) of film-forming gas" of Table 1 was supplied in the apparatus so that the pressure in an apparatus might be 2.7 Pa. A bias power supply (not shown) connected to the object to be processed is applied with a voltage of 20 to 100 V so that the object to be processed has a negative potential with respect to the ground voltage, and arc discharge is started to be processed. A hard film having a thickness of 3 μm was formed on the surface of the body. In the present experimental example, the
[硬質皮膜の物性]
得られた硬質皮膜の結晶構造と、硬度、酸化開始温度および磨耗幅の測定の結果を表1に記載した。なお、比較として、従来のTiAlNからなる硬質皮膜(比較例1)およびCrAlNからなる硬質皮膜(比較例2)の物性の結果も示した。
[Physical properties of hard coating]
Table 1 shows the crystal structure of the obtained hard film and the results of measurement of hardness, oxidation start temperature, and wear width. For comparison, the results of the physical properties of a conventional hard film made of TiAlN (Comparative Example 1) and a hard film made of CrAlN (Comparative Example 2) are also shown.
本発明の硬質皮膜(実施例1〜5)では、硬度、耐酸化性(酸化開始温度から評価)および磨耗幅において、従来の硬質皮膜(比較例1および2)よりも優れていた。さらに本発明で限定した範囲以外のもの(比較例3〜6)では、硬度、耐酸化性(酸化開始温度から評価)および磨耗幅のいずれかの点で、従来の硬質皮膜や本発明の硬質皮膜よりも劣っていた。 The hard coatings (Examples 1 to 5) of the present invention were superior to the conventional hard coatings (Comparative Examples 1 and 2) in hardness, oxidation resistance (evaluated from the oxidation start temperature) and wear width. Further, in cases other than the range limited in the present invention (Comparative Examples 3 to 6), the conventional hard film or the hard film of the present invention is any one of hardness, oxidation resistance (evaluated from the oxidation start temperature) and wear width. It was inferior to the film.
(実験例2)
[硬質皮膜の形成]
アーク蒸発源1に用いたターゲットを表2の「ターゲットの組成比(原子比)」に記載の組成からなるもの作製して用い、成膜ガスを表2の「成膜ガスの組成比(原子比)」のCおよびNの組成からなる単一または混合ガスを用いた以外は、実験例1と同様にして実験を行なった。
(Experimental example 2)
[Hard film formation]
The target used for the
[硬質皮膜の物性]
得られた硬質皮膜の結晶構造と、硬度、酸化開始温度および磨耗幅の測定の結果を表2に記載した。なお、比較として、従来のTiAlNからなる硬質皮膜(比較例1)およびCrAlNからなる硬質皮膜(比較例2)の物性の結果も示した。
[Physical properties of hard coating]
Table 2 shows the crystal structure of the obtained hard film and the results of measurement of hardness, oxidation start temperature, and wear width. For comparison, the results of the physical properties of a conventional hard film made of TiAlN (Comparative Example 1) and a hard film made of CrAlN (Comparative Example 2) are also shown.
本発明の硬質皮膜(実施例6〜18)では、硬度、耐酸化性(酸化開始温度から評価)および磨耗幅において、従来の硬質皮膜(比較例1および2)よりも優れていた。さらに硬質皮膜にSiやBを追加させることで、SiやBを追加していない硬質皮膜(実施例1)と比べ、硬度、耐酸化性および磨耗幅をさらに向上させることができた(実施例6〜8)。本発明で限定した範囲以外のもの(比較例7〜11)では、硬度、耐酸化性(酸化開始温度から評価)および磨耗幅のいずれかの点で、従来の硬質皮膜や本発明の硬質皮膜よりも劣っていた。 The hard film (Examples 6 to 18) of the present invention was superior to the conventional hard film (Comparative Examples 1 and 2) in hardness, oxidation resistance (evaluated from the oxidation start temperature) and wear width. Furthermore, by adding Si or B to the hard coating, it was possible to further improve the hardness, oxidation resistance, and wear width as compared to the hard coating without adding Si or B (Example 1) (Example) 6-8). In the cases other than the range limited in the present invention (Comparative Examples 7 to 11), the conventional hard film or the hard film of the present invention is any one of hardness, oxidation resistance (evaluated from the oxidation start temperature) and wear width. Was inferior.
(実験例3)
[硬質皮膜の形成]
アーク蒸発源2のターゲットに、表3の「ターゲットの組成比(原子比)」の上段(A層またはB層)に記載の組成からなるものを作製して用い、スパッタ蒸発源1のターゲットには、「ターゲットの組成比(原子比)」の下段(C層)に記載の組成からなるもの作製して用いた。
(Experimental example 3)
[Hard film formation]
For the target of the
図1に示す装置を用い、テーブル3上に被処理体を取り付け、装置内を真空状態にした後、ヒーター(図示せず)にて被処理体を500℃に加熱した。そして装置内に、表3の「成膜ガスの組成比(原子比)」のCおよびNの組成からなる単一または混合ガス(混合比で1:1となるようにArを含む)を、装置内の圧力が2.7Paとなるように供給した。被処理体がアース電圧に対して負の電位となるように、被処理体に接続したバイアス電源(図示せず)にて、被処理体に20〜100Vの電圧を印加し、アーク放電およびスパッタ放電を開始し、テーブルを回転させながら、AまたはB層とC層の膜厚が、表3に記載の「厚み」となるように成膜し、上記操作を表3に記載の「積層回数」繰り返して被処理体上にAまたはB層とC層とを積層させた。 Using the apparatus shown in FIG. 1, the object to be processed was mounted on the table 3, the inside of the apparatus was evacuated, and the object to be processed was heated to 500 ° C. with a heater (not shown). Then, in the apparatus, a single or mixed gas (including Ar so that the mixing ratio is 1: 1) composed of the composition of C and N in the “composition ratio (atomic ratio) of film forming gas” in Table 3; It supplied so that the pressure in an apparatus might be 2.7 Pa. A voltage of 20 to 100 V is applied to the object to be processed by a bias power source (not shown) connected to the object so that the object has a negative potential with respect to the ground voltage, and arc discharge and sputtering are performed. While discharging was started and the table was rotated, the film was formed so that the film thicknesses of the A or B layer and the C layer were the “thickness” shown in Table 3. The A or B layer and the C layer were laminated on the object to be processed repeatedly.
[硬質皮膜の物性]
得られた硬質皮膜の結晶構造と、硬度、酸化開始温度および磨耗幅の測定の結果を表3に記載した。なお、比較として、従来のTiAlNからなる硬質皮膜(比較例1)およびCrAlNからなる硬質皮膜(比較例2)、ならびに単層からなる本発明の硬質皮膜(実施例19〜21)の物性の結果も示した。
[Physical properties of hard coating]
Table 3 shows the crystal structure of the obtained hard film and the results of measurement of hardness, oxidation start temperature, and wear width. For comparison, the results of the physical properties of the conventional hard coating made of TiAlN (Comparative Example 1) and the hard coating made of CrAlN (Comparative Example 2) and the hard coating of the present invention consisting of a single layer (Examples 19 to 21). Also shown.
本発明の積層型硬質皮膜(実施例22〜32)は、従来の硬質皮膜(比較例1および2)よりも硬度、耐酸化性および磨耗幅において優れていた。さらに本発明で限定した範囲以外のもの(比較例12〜14)では、硬度や磨耗幅において、本発明の積層型硬質皮膜よりも劣っており、特に磨耗幅は従来の硬質皮膜(比較例1および2)よりも劣っていた。また積層型とすることで、単層の硬質皮膜(実施例19や20)と比べて、硬度をあまり低下させることなく耐酸化性(酸化開始温度)を向上させることができた(実施例22〜28)。 The laminated hard coatings (Examples 22 to 32) of the present invention were superior in hardness, oxidation resistance and wear width to the conventional hard coatings (Comparative Examples 1 and 2). Further, in the cases other than the range limited in the present invention (Comparative Examples 12 to 14), the hardness and wear width are inferior to those of the laminated hard film of the present invention. In particular, the wear width is the conventional hard film (Comparative Example 1). And inferior to 2). Further, by using the laminated type, the oxidation resistance (oxidation start temperature) could be improved without significantly reducing the hardness as compared with the single-layer hard coating (Examples 19 and 20) (Example 22). ~ 28).
1.スッパタ蒸発源
2.アーク蒸発源
3.テーブル
4.磁力線
1. 1.
Claims (7)
0.4≦a≦0.6、
0≦d≦1、
0.4≦X≦1、
(式中、a、dおよびXは互いに独立して、原子比を示す)
であることを特徴とする硬質皮膜。 [(Nb 1-d , Ta d ) a Al 1-a ] (C 1-X N X )
0.4 ≦ a ≦ 0.6,
0 ≦ d ≦ 1,
0.4 ≦ X ≦ 1,
(Wherein a, d and X independently represent an atomic ratio)
Hard coating characterized by being
0.4≦a≦0.6、
0<b+c≦0.15、
0≦d≦1、
0.4≦X≦1、
(式中、a、b、c、dおよびXは互いに独立して、原子比を示す:なおbおよびcは、一方が0であってもよいが、両方が0になることはない)
であることを特徴とする硬質皮膜。 A hard coating composed of [(Nb 1-d , Ta d ) a (Al 1-abc , Si b , B c ) 1-a ] (C 1-X N X ),
0.4 ≦ a ≦ 0.6,
0 <b + c ≦ 0.15,
0 ≦ d ≦ 1,
0.4 ≦ X ≦ 1,
(In the formula, a, b, c, d and X each independently represent an atomic ratio: b and c may be either 0, but neither is 0)
Hard coating characterized by being
[(Nb1-D ,TaD)A(Al1-A-B-C ,SiB ,BC)1-A](C1-XNX)
0.2≦A≦0.5、
0.15<B+C≦0.5、
0≦D≦1、
0.4≦X≦1
(式中、A、B、C、DおよびXは互いに独立して、原子比を示す:なおBおよびCは、一方が0であってもよいが、両方が0になることはない)
からなるC層が交互に積層された積層型硬質皮膜。 A layer satisfying the composition according to claim 1 or B layer satisfying the composition according to claim 2,
[(Nb 1 -D , Ta D ) A (Al 1 -ABC , Si B , B C ) 1 -A ] (C 1 -X N X )
0.2 ≦ A ≦ 0.5,
0.15 <B + C ≦ 0.5,
0 ≦ D ≦ 1,
0.4 ≦ X ≦ 1
(In the formula, A, B, C, D and X each independently represent an atomic ratio: B and C may be one of B and C, but not both of them)
Laminated hard coating in which C layers consisting of
(式中、aおよびdは互いに独立して、原子比を示す)であるターゲット、または
[(Nb1-d ,Tad)a(Al1-a-b-c ,Sib ,Bc)1-a]からなり、0.4≦a≦0.6、0<b+c≦0.15、0≦d≦1
(式中、a、b、cおよびdは互いに独立して、原子比を示す:なおbおよびcは、一方が0であってもよいが、両方が0になることはない)であるターゲットを用い、
N含有ガスまたはCとNを含有する混合ガス中、カソード放電型アークイオンプレーティング法で成膜することによって得られる硬質皮膜。 [(Nb 1-d , Ta d ) a Al 1-a ], 0.4 ≦ a ≦ 0.6, 0 ≦ d ≦ 1
(Wherein, a and d independently represent an atomic ratio) or [(Nb 1 -d , Ta d ) a (Al 1 -abc , Si b , B c ) 1 -a ] 0.4 ≦ a ≦ 0.6, 0 <b + c ≦ 0.15, 0 ≦ d ≦ 1
(Wherein, a, b, c and d independently represent an atomic ratio; one of b and c may be 0, but neither is 0) Use
A hard film obtained by forming a film in an N-containing gas or a mixed gas containing C and N by a cathode discharge arc ion plating method.
(式中、aおよびdは互いに独立して、原子比を示す)であるターゲットまたは、
[(Nb1-d ,Tad)a(Al1-a-b-c ,Sib ,Bc)1-a]からなり、0.4≦a≦0.6、0<b+c≦0.15、0≦d≦1
(式中、a、b、cおよびdは互いに独立して、原子比を示す:なおbおよびcは、一方が0であってもよいが、両方が0になることはない)であるターゲットを用い、
N含有ガスまたはCとNを含有する混合ガス中、カソード放電型アークイオンプレーティング法で皮膜を形成する工程と、
[(Nb1-D ,TaD)A(Al1-A-B-C ,SiB ,BC)1-A]からなり、0.2≦A≦0.5、0.15<B+C≦0.5、0≦D≦1
(式中、A、B、CおよびDは互いに独立して、原子比を示す:なおBおよびCは、一方が0であってもよいが、両方が0になることはない)であるターゲットを用い、
N含有ガスまたはCとNを含有する混合ガス中、スパッタリング法で皮膜を形成する工程とを繰り返すことによって得られる積層型硬質皮膜。 [(Nb 1-d , Ta d ) a Al 1-a ], 0.4 ≦ a ≦ 0.6, 0 ≦ d ≦ 1
A target in which a and d independently represent each other an atomic ratio, or
[(Nb 1-d , Ta d ) a (Al 1-abc , Si b , B c ) 1-a ], 0.4 ≦ a ≦ 0.6, 0 <b + c ≦ 0.15, 0 ≦ d ≦ 1
(Wherein, a, b, c and d independently represent an atomic ratio; one of b and c may be 0, but neither is 0) Use
Forming a film by a cathode discharge arc ion plating method in an N-containing gas or a mixed gas containing C and N;
[(Nb 1-D , Ta D ) A (Al 1-ABC , Si B , B C ) 1-A ], 0.2 ≦ A ≦ 0.5, 0.15 <B + C ≦ 0.5, 0 ≦ D ≦ 1
(Wherein, A, B, C and D are independently of each other and indicate an atomic ratio: B and C may be one, but not both) Use
A laminated hard coating obtained by repeating a step of forming a coating by sputtering in an N-containing gas or a mixed gas containing C and N.
Using a film forming apparatus equipped with both an arc evaporation source and a sputtering evaporation source, both evaporation sources are discharged at the same time, and the object to be processed is moved in front of the arc evaporation source. 5. The method according to claim 3, wherein the step of forming the layer or the B layer and the step of moving the workpiece to the front of the sputtering evaporation source and forming the C layer by a sputtering method are performed repeatedly. A method for producing a laminated hard coating.
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