JP2019171547A - Surface-coated cutting tool and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は表面被覆切削工具及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a surface-coated cutting tool and a manufacturing method thereof.
従来、基材と該基材を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具において、被膜としてTiCN層およびTiC層のうちいずれか一方、または両方を含むものが知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, in a surface-coated cutting tool including a base material and a coating film that covers the base material, a coating film that includes one or both of a TiCN layer and a TiC layer is known.
Geun-Woo, Park、他1名、「Structural and Mechanical Properties of Multilayered CVD TiC/TiCN Coatings with Variations of Multilayer Period」、Materials Science Forum、スイス、Trans Tech Publications、2007、vols.534-536、p.1233-1236(非特許文献1)には、切削工具用の被膜として、超硬合金上にCVD法(化学気相蒸着法)により形成されたTiCとTiCNとの積層構造を含む被膜が開示されている。 Geun-Woo, Park, 1 other, "Structural and Mechanical Properties of Multilayered CVD TiC / TiCN Coatings with Variations of Multilayer Period", Materials Science Forum, Switzerland, Trans Tech Publications, 2007, vols. 534-536, p.1233 -1236 (Non-Patent Document 1) discloses a film containing a laminated structure of TiC and TiCN formed on a cemented carbide by a CVD method (chemical vapor deposition method) as a film for a cutting tool. Yes.
Anongsack Paseuth、他4名、「Microstructure, mechanical properties, and cutting performance of TiCxN1-xcoatings with various x values fabricated by moderate temperature chemical vapor deposition」、Surface & Coatings Technology、スイス、Elesevier、2014、vol.260、p.139-147(非特許文献2)には、切削工具用の被膜として、超硬合金上にCVD法により形成されたTiCxN1−xからなる被膜が開示されている。 Anongsack Paseuth and 4 others, `` Microstructure, mechanical properties, and cutting performance of TiC x N 1-x coatings with various x values fabricated by moderate temperature chemical vapor deposition '', Surface & Coatings Technology, Switzerland, Elesevier, 2014, vol. 260, p.139-147 (Non-Patent Document 2) discloses a coating made of TiC x N 1-x formed on a cemented carbide by a CVD method as a coating for a cutting tool.
非特許文献1では、CVD法において、TiCN層及びTiC層の原料ガスとして、CH4を含むガスを用いている。CH4は約1000℃以上でないと熱分解しない。このため、CH4を用いるCVD法は、1000℃以上の高温条件下で行われている。この条件下では、被膜の形成中に、超硬合金からなる基材と被膜との間で相互拡散が起こりやすく、基材と被膜との界面に脆化層であるη層が形成されやすい。 In Non-Patent Document 1, a gas containing CH 4 is used as a source gas for the TiCN layer and the TiC layer in the CVD method. CH 4 does not thermally decompose unless it is about 1000 ° C. or higher. For this reason, the CVD method using CH 4 is performed under a high temperature condition of 1000 ° C. or higher. Under this condition, during the formation of the film, mutual diffusion is likely to occur between the base material made of cemented carbide and the film, and an η layer that is an embrittlement layer is likely to be formed at the interface between the base material and the film.
また、非特許文献1では、CVD法が1000℃以上の高温条件下で行われるため、基材に蒸着する原子が基材上で移動しやすいため、結晶成長の方向が一定になり難く、粒状結晶が成長しやすい。粒状結晶からなる被膜では、結晶界面が多いため破壊起点が増加し、脆性破壊により被膜が脱落しやすく、被膜の耐チッピング性が低下する。 Further, in Non-Patent Document 1, since the CVD method is performed under a high temperature condition of 1000 ° C. or higher, atoms deposited on the base material are likely to move on the base material, so that the crystal growth direction is difficult to be constant, and granular Crystals are easy to grow. In a film made of granular crystals, since there are many crystal interfaces, the starting point of fracture increases, the film tends to fall off due to brittle fracture, and the chipping resistance of the film decreases.
非特許文献2では、CVD法において、TiCxN1−x層の原料ガスとして、TiCl4、CH3CN、C2H4、N2及びH2を用い、840℃の温度条件下で成膜が行われている。この条件下では、TiCxN1−x層中のCの含有量が大きくなる傾向がある(例えば0.65<x<0.9)。TiCxN1−x層において、Cの含有量が大きくなると、硬度は向上するが、耐チッピング性が低下する。更に、TiCxN1−x層において、Cの含有量が大きくなると、酸化開始温度が低下する傾向があり、耐酸化性において改善の余地がある。 In Non-Patent Document 2, in the CVD method, TiCl 4 , CH 3 CN, C 2 H 4 , N 2, and H 2 are used as the source gas for the TiC x N 1-x layer, and are formed under a temperature condition of 840 ° C. The membrane is done. Under this condition, the content of C in the TiC x N 1-x layer tends to increase (for example, 0.65 <x <0.9). In the TiC x N 1-x layer, when the C content is increased, the hardness is improved, but the chipping resistance is lowered. Furthermore, in the TiC x N 1-x layer, when the C content increases, the oxidation start temperature tends to decrease, and there is room for improvement in oxidation resistance.
また、非特許文献2では、被膜がヤング率の高い(422)面に強配向しているため、被膜が破壊しやすく、耐チッピング性において改善の余地がある。 Further, in Non-Patent Document 2, since the coating is strongly oriented in the (422) plane having a high Young's modulus, the coating is easily broken and there is room for improvement in chipping resistance.
更に、非特許文献2では、成膜温度が低いため、原料ガス中のC2H4が凝集して炭化し、TiCxN1−x層内にフリーカーボンとして混入してしまう。フリーカーボンが膜中に含まれると膜が疎構造となり破壊起点が増加するため、被膜の耐チッピング性が低下する。 Further, in Non-Patent Document 2, since the film formation temperature is low, C 2 H 4 in the source gas aggregates and carbonizes, and is mixed as free carbon in the TiC x N 1-x layer. When free carbon is contained in the film, the film has a sparse structure and the fracture starting point increases, so that the chipping resistance of the film decreases.
そこで、本目的は、耐摩耗性及び耐チッピング性に優れた表面被覆切削工具及びその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a surface-coated cutting tool excellent in wear resistance and chipping resistance and a method for producing the same.
本発明の一態様に係る表面被覆切削工具は、
[1]基材と、前記基材を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、複数個の柱状結晶を有する第1硬質層を含み、
前記柱状結晶のそれぞれは、下記式(1)
TiCxNz−x (1)
(式(1)中、0.45≦x<0.70および0.80≦z≦1.20である)
で示される第1単位層と、下記式(2)
TiCyNA−y (2)
(式(2)中、0.70≦y≦1および0.80≦A≦1.20である)
で示される第2単位層とが交互に積層された多層構造を有し、
前記柱状結晶において、前記基材に最も近接する層は前記第1単位層である、表面被覆切削工具である。
The surface-coated cutting tool according to an aspect of the present invention is
[1] A surface-coated cutting tool comprising a base material and a coating film covering the base material,
The coating includes a first hard layer having a plurality of columnar crystals,
Each of the columnar crystals has the following formula (1):
TiC x N z-x (1)
(In Formula (1), it is 0.45 <= x <0.70 and 0.80 <= z <= 1.20)
A first unit layer represented by the following formula (2):
TiC y N A-y (2)
(In the formula (2), 0.70 ≦ y ≦ 1 and 0.80 ≦ A ≦ 1.20)
A second unit layer indicated by a multi-layer structure alternately stacked,
In the columnar crystal, the layer closest to the substrate is the first unit layer, which is a surface-coated cutting tool.
本発明の他の一態様に係る表面被覆切削工具の製造方法は、
[2]上記[1]に記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、
基材を準備する工程と、
前記基材上に被膜を形成する工程とを備え、
前記被膜を形成する工程は、第1単位層形成工程と第2単位層形成工程とを含み、
前記第1単位層形成工程及び前記第2単位層形成工程は、化学気相蒸着法により、反応温度800℃以上950℃以下、かつ、圧力0.05atm以上1.0atm以下の条件下で行われ、
前記第1単位層形成工程において、TiCl4、CH3CN、N2及びH2を含む第1原料ガスを用いて、下記式(1)
TiCxNz−x (1)
(式(1)中、0.45≦x<0.70および0.80≦z≦1.20である)
で示される第1単位層を形成し、
前記第2単位層形成工程において、TiCl4、C2H4及びH2を含む第2原料ガスを用いて、下記式(2)
TiCyNA−y (2)
(式(2)中、0.70≦y≦1および0.80≦A≦1.20である)
で示される第2単位層を形成し、
前記第1単位層形成工程及び前記第2単位層形成工程は、前記第1単位層形成工程から開始される、表面被覆切削工具の製造方法である。
A method for producing a surface-coated cutting tool according to another aspect of the present invention is as follows.
[2] A method for producing a surface-coated cutting tool according to [1] above,
Preparing a substrate;
Forming a film on the substrate,
The step of forming the coating includes a first unit layer forming step and a second unit layer forming step,
The first unit layer forming step and the second unit layer forming step are performed by a chemical vapor deposition method under conditions of a reaction temperature of 800 ° C. or more and 950 ° C. or less and a pressure of 0.05 atm or more and 1.0 atm or less. ,
In the first unit layer forming step, using the first source gas containing TiCl 4 , CH 3 CN, N 2 and H 2 , the following formula (1)
TiC x N z-x (1)
(In Formula (1), it is 0.45 <= x <0.70 and 0.80 <= z <= 1.20)
Forming a first unit layer represented by
In the second unit layer forming step, a second source gas containing TiCl 4 , C 2 H 4 and H 2 is used, and the following formula (2)
TiC y N A-y (2)
(In the formula (2), 0.70 ≦ y ≦ 1 and 0.80 ≦ A ≦ 1.20)
Forming a second unit layer represented by
The first unit layer forming step and the second unit layer forming step are a method for manufacturing a surface-coated cutting tool, which is started from the first unit layer forming step.
上記態様によれば、耐摩耗性及び耐チッピング性に優れた表面被覆切削工具及びその製造方法を提供することができる。 According to the said aspect, the surface-coated cutting tool excellent in abrasion resistance and chipping resistance, and its manufacturing method can be provided.
[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
[Description of Embodiment of the Present Invention]
First, embodiments of the present invention will be listed and described.
本発明の一態様に係る表面被覆切削工具は、
(1)基材と、前記基材を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、複数個の柱状結晶を有する第1硬質層を含み、
前記柱状結晶のそれぞれは、下記式(1)
TiCxNz−x (1)
(式(1)中、0.45≦x<0.70および0.80≦z≦1.20である)
で示される第1単位層と、下記式(2)
TiCyNA−y (2)
(式(2)中、0.70≦y≦1および0.80≦A≦1.20である)
で示される第2単位層とが交互に積層された多層構造を有し、
前記柱状結晶において、前記基材に最も近接する層は前記第1単位層である、表面被覆切削工具である。
The surface-coated cutting tool according to an aspect of the present invention is
(1) A surface-coated cutting tool comprising a base material and a coating film covering the base material,
The coating includes a first hard layer having a plurality of columnar crystals,
Each of the columnar crystals has the following formula (1):
TiC x N z-x (1)
(In Formula (1), it is 0.45 <= x <0.70 and 0.80 <= z <= 1.20)
A first unit layer represented by the following formula (2):
TiC y N A-y (2)
(In the formula (2), 0.70 ≦ y ≦ 1 and 0.80 ≦ A ≦ 1.20)
A second unit layer indicated by a multi-layer structure alternately stacked,
In the columnar crystal, the layer closest to the substrate is the first unit layer, which is a surface-coated cutting tool.
本発明によれば、耐摩耗性及び耐チッピング性に優れた表面被覆切削工具を提供することができる。 According to the present invention, a surface-coated cutting tool having excellent wear resistance and chipping resistance can be provided.
(2)前記多層構造の積層周期は、20nm以上4000nm以下であることが好ましい。これによると、多層構造における層間剥離を抑制することができ、耐摩耗性、耐熱性および耐チッピング性に優れた表面被覆切削工具を提供することができる。 (2) The lamination period of the multilayer structure is preferably 20 nm or more and 4000 nm or less. According to this, delamination in a multilayer structure can be suppressed, and a surface-coated cutting tool having excellent wear resistance, heat resistance, and chipping resistance can be provided.
(3)前記式(1)中のxと、前記式(2)中のyとが、y−x≧0.25の関係を満たすことが好ましい。これによると、表面被覆切削工具の耐摩耗性及び耐チッピング性をバランス良く向上することができる。 (3) It is preferable that x in the formula (1) and y in the formula (2) satisfy a relationship of y−x ≧ 0.25. According to this, the wear resistance and chipping resistance of the surface-coated cutting tool can be improved with good balance.
(4)前記第1硬質層は、1.0体積%以下の量のフリーカーボンを含むことが好ましい。これによると、表面被覆切削工具の耐摩耗性及び耐チッピング性を更に向上することができる。 (4) The first hard layer preferably contains 1.0% by volume or less of free carbon. According to this, the wear resistance and chipping resistance of the surface-coated cutting tool can be further improved.
本発明の他の一態様に係る表面被覆切削工具の製造方法は、
(5)上記(1)〜(4)のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、
基材を準備する工程と、
前記基材上に被膜を形成する工程とを備え、
前記被膜を形成する工程は、第1単位層形成工程と第2単位層形成工程とを含み、
前記第1単位層形成工程及び前記第2単位層形成工程は、化学気相蒸着法により、反応温度800℃以上950℃以下、かつ、圧力0.05atm以上1.0atm以下の条件下で行われ、
前記第1単位層形成工程において、TiCl4、CH3CN、N2及びH2を含む第1原料ガスを用いて、下記式(1)
TiCxNz−x (1)
(式(1)中、0.45≦x<0.70および0.80≦z≦1.20である)
で示される第1単位層を形成し、
前記第2単位層形成工程において、TiCl4、C2H4及びH2を含む第2原料ガスを用いて、下記式(2)
TiCyNA−y (2)
(式(2)中、0.70≦y≦1および0.80≦A≦1.20である)
で示される第2単位層を形成し、
前記第1単位層形成工程及び前記第2単位層形成工程は、前記第1単位層形成工程から開始される、表面被覆切削工具の製造方法である。
A method for producing a surface-coated cutting tool according to another aspect of the present invention is as follows.
(5) A method for producing a surface-coated cutting tool according to any one of (1) to (4) above,
Preparing a substrate;
Forming a film on the substrate,
The step of forming the coating includes a first unit layer forming step and a second unit layer forming step,
The first unit layer forming step and the second unit layer forming step are performed by a chemical vapor deposition method under conditions of a reaction temperature of 800 ° C. or more and 950 ° C. or less and a pressure of 0.05 atm or more and 1.0 atm or less. ,
In the first unit layer forming step, using the first source gas containing TiCl 4 , CH 3 CN, N 2 and H 2 , the following formula (1)
TiC x N z-x (1)
(In Formula (1), it is 0.45 <= x <0.70 and 0.80 <= z <= 1.20)
Forming a first unit layer represented by
In the second unit layer forming step, a second source gas containing TiCl 4 , C 2 H 4 and H 2 is used, and the following formula (2)
TiC y N A-y (2)
(In the formula (2), 0.70 ≦ y ≦ 1 and 0.80 ≦ A ≦ 1.20)
Forming a second unit layer represented by
The first unit layer forming step and the second unit layer forming step are a method for manufacturing a surface-coated cutting tool, which is started from the first unit layer forming step.
本発明によれば、耐摩耗性及び耐チッピング性に優れた表面被覆切削工具を提供することができる。 According to the present invention, a surface-coated cutting tool having excellent wear resistance and chipping resistance can be provided.
(6)前記第1単位層形成工程において、第1原料ガス中のH2ガスの含有量は60体積%以上98体積%以下、かつ、第2単位層形成工程において、第2原料ガス中のH2ガスの含有量は90体積%以上99体積%以下であることが好ましい。これによると、第1単位層及び第2単層中にフリーカーボンが混入することを抑制することができる。 (6) In the first unit layer forming step, the content of H 2 gas in the first source gas is 60% by volume or more and 98% by volume or less, and in the second unit layer forming step, The content of H 2 gas is preferably 90% by volume or more and 99% by volume or less. According to this, it can suppress that free carbon mixes in a 1st unit layer and a 2nd single layer.
[本発明の実施形態の詳細]
本発明の一実施形態にかかる表面被覆切削工具の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
[Details of the embodiment of the present invention]
A specific example of a surface-coated cutting tool according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to these illustrations, is shown by the claim, and intends that all the changes within the meaning and range equivalent to a claim are included.
本明細書において化合物を化学式で表わす場合、原子比を特に限定しない場合は従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるものではない。たとえば単に「TiCN」と記す場合、「Ti」と「C」と「N」の原子比は50:25:25の場合のみに限られず、また「TiC」と記す場合も「Ti」と「C」の原子比は50:50の場合のみに限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれるものとする。 In the present specification, when a compound is represented by a chemical formula, when the atomic ratio is not particularly limited, any conventionally known atomic ratio is included, and is not necessarily limited to a stoichiometric range. For example, when “TiCN” is simply written, the atomic ratio of “Ti”, “C”, and “N” is not limited to 50:25:25. Also, when “TiC” is written, “Ti” and “C” Is not limited to the case of 50:50, and any conventionally known atomic ratio is included.
<表面被覆切削工具>
本発明の一実施の形態に係る表面被覆切削工具について、図1〜図4を用いて説明する。図1は、本発明の一実施の形態に係る表面被覆切削工具の被膜の断面を示す図である。図2は、図1に示される表面被覆切削工具の被膜の断面を模式的に示す図である。図3は、図1中の柱状結晶を含む部分を拡大して示すSEM(走査電子顕微鏡)写真である。図4は、図3に示される柱状結晶を含む部分を模式的に示す図である。
<Surface coated cutting tool>
A surface-coated cutting tool according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a view showing a cross section of a coating of a surface-coated cutting tool according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross section of the coating of the surface-coated cutting tool shown in FIG. FIG. 3 is an SEM (scanning electron microscope) photograph showing an enlarged portion including the columnar crystal in FIG. FIG. 4 is a diagram schematically showing a portion including the columnar crystal shown in FIG.
図1に示されるように、本発明の一実施の形態に係る表面被覆切削工具10は、基材1と、前記基材1を被覆する被膜2とを備える。被膜2は、基材1の全面を被覆することが好ましいが、基材1の一部が被膜2で被覆されていなかったり、被膜2の構成が部分的に異なっていたとしても本実施形態の範囲を逸脱するものではない。 As shown in FIG. 1, a surface-coated cutting tool 10 according to an embodiment of the present invention includes a base material 1 and a coating 2 that covers the base material 1. The coating 2 preferably covers the entire surface of the substrate 1, but even if a part of the substrate 1 is not coated with the coating 2 or the configuration of the coating 2 is partially different, It does not depart from the scope.
本実施形態の表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具として好適に使用することができる。 The surface-coated cutting tool of the present embodiment includes a drill, an end mill, a cutting edge replaceable cutting tip for a drill, a cutting edge replaceable cutting tip for an end mill, a cutting edge replaceable cutting tip for milling, a cutting edge replaceable cutting tip for turning, a metal saw, It can be suitably used as a cutting tool such as a gear cutting tool, reamer, or tap.
<基材>
本実施形態の表面被覆切削工具10に用いられる基材1は、この種の基材として従来公知のものであればいずれも使用することができる。たとえば、超硬合金(たとえばWC基超硬合金、WCの他、Coを含み、あるいはTi、Ta、Nb等の炭窒化物を添加したものも含む)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど)、立方晶型窒化硼素焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。
<Base material>
As the base material 1 used for the surface-coated cutting tool 10 of the present embodiment, any conventionally known base material of this type can be used. For example, cemented carbide (for example, WC-based cemented carbide, including WC, including Co, or including carbonitrides such as Ti, Ta, Nb), cermet (TiC, TiN, TiCN, etc.) Component), high-speed steel, ceramics (titanium carbide, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, etc.), cubic boron nitride sintered body, or diamond sintered body preferable.
これらの各種基材の中でも、特にWC基超硬合金、サーメット(特にTiCN基サーメット)を選択することが好ましい。これは、これらの基材が特に高温における硬度と強度とのバランスに優れ、上記用途の表面被覆切削工具の基材として優れた特性を有するためである。 Among these various substrates, it is particularly preferable to select a WC-based cemented carbide or cermet (particularly TiCN-based cermet). This is because these substrates are particularly excellent in the balance between hardness and strength at high temperatures, and have excellent characteristics as substrates for surface-coated cutting tools for the above applications.
<被膜>
本実施形態の表面被覆切削工具10に含まれる被膜2は、少なくとも1層の第1硬質層3を含む限り、他の層を含んでいてもよい。他の層としては、たとえば下地層5(TiN、TiC、TiBN等)、中間層6(TiBNO、TiCNO等)、アルミナ層7、最表面層8(TiN、TiCN、TiC等)等を挙げることができる。
<Coating>
The coating 2 included in the surface-coated cutting tool 10 of the present embodiment may include other layers as long as it includes at least one first hard layer 3. Examples of the other layers include an underlayer 5 (TiN, TiC, TiBN, etc.), an intermediate layer 6 (TiBNO, TiCNO, etc.), an alumina layer 7 and an outermost surface layer 8 (TiN, TiCN, TiC, etc.). it can.
被膜2は、基材1を被覆することにより、耐摩耗性や耐チッピング性等の諸特性を向上させる作用を有するものである。 The coating 2 has an effect of improving various properties such as wear resistance and chipping resistance by coating the substrate 1.
被膜2は、合計で6〜30μm、好ましくは6〜25μmの厚みを有することが好適である。厚みが6μm未満では、耐摩耗性が不十分となる場合があり、30μmを超えると、断続加工において被膜と基材との間に大きな応力が加わった際に被膜の剥離または破壊が高頻度に発生する場合がある。 The coating 2 has a total thickness of 6 to 30 μm, preferably 6 to 25 μm. If the thickness is less than 6 μm, the wear resistance may be insufficient. If it exceeds 30 μm, peeling or breaking of the coating frequently occurs when a large stress is applied between the coating and the substrate in intermittent processing. May occur.
<第1硬質層>
本実施形態において、第1硬質層3は、複数個の柱状結晶4を有する。図4に示される通り、柱状結晶4のそれぞれは、1層の第1単位層4a及び1層の第2単位層4bとが交互に積層され、全体として1層以上の第1単位層4a及び1層以上の第2単位層4bを含む多層構造を有する。柱状結晶4において、基材1に最も近接する層は第1単位層4aである。
<First hard layer>
In the present embodiment, the first hard layer 3 has a plurality of columnar crystals 4. As shown in FIG. 4, each of the columnar crystals 4 is formed by alternately laminating one first unit layer 4a and one second unit layer 4b, and as a whole, one or more first unit layers 4a and 4 It has a multilayer structure including one or more second unit layers 4b. In the columnar crystal 4, the layer closest to the substrate 1 is the first unit layer 4 a.
上記第1単位層4aは、下記式(1)
TiCxNz−x (1)
(式(1)中、0.45≦x<0.70および0.80≦z≦1.20である)
で示される組成を有する。
The first unit layer 4a has the following formula (1)
TiC x N z-x (1)
(In Formula (1), it is 0.45 <= x <0.70 and 0.80 <= z <= 1.20)
It has the composition shown by these.
上記第2単位層4bは、下記式(2)
TiCyNA−y (2)
(式(2)中、0.70≦y≦1および0.80≦A≦1.20である)
で示される組成を有する。
The second unit layer 4b has the following formula (2)
TiC y N A-y (2)
(In the formula (2), 0.70 ≦ y ≦ 1 and 0.80 ≦ A ≦ 1.20)
It has the composition shown by these.
上記の第1硬質層3は、このような構成を有することにより、耐摩耗性と耐チッピング性とがバランス良く向上するという優れた効果を示す。この理由は、下記(i)〜(vi)の通りと推察される。 Said 1st hard layer 3 shows the outstanding effect that abrasion resistance and chipping resistance improve with sufficient balance by having such a structure. The reason is presumed to be as follows (i) to (vi).
(i)第1硬質層3は、複数個の柱状結晶4を含むため、粒状結晶から構成される場合よりも粒界が少なく、破壊起点が減少し、被膜の脱落や欠損が生じにくい。よって、第1硬質層3は優れた耐チッピング性を有する。 (I) Since the first hard layer 3 includes a plurality of columnar crystals 4, there are fewer grain boundaries than in the case where the first hard layer 3 is composed of granular crystals, the number of fracture starting points is reduced, and the coating is less likely to fall off or be lost. Therefore, the first hard layer 3 has excellent chipping resistance.
(ii)一般にTiCNからなる層において、炭素と窒素の合計に対する炭素の原子比が少ないほど、耐チッピング性及び耐熱性が向上するが、耐摩耗性は低下する傾向がある。一方、TiCNからなる層において、炭素と窒素の合計に対する炭素の原子比が大きいほど、耐摩耗性が向上するが、耐チッピング性及び耐熱性は低下する傾向がある。第1硬質層3は、炭素の含有量が比較的少ないTiCNからなる第1単位層4aと、炭素の含有量が比較的多いTiCN又はTiCからなる第2単位層4bとを交互に積層して含むため、耐摩耗性と耐チッピング性とがバランス良く向上し、耐熱性も向上する。 (Ii) Generally in a layer made of TiCN, the smaller the atomic ratio of carbon to the total of carbon and nitrogen, the better the chipping resistance and heat resistance, but the wear resistance tends to decrease. On the other hand, in the layer made of TiCN, the wear resistance improves as the atomic ratio of carbon to the total of carbon and nitrogen increases, but the chipping resistance and heat resistance tend to decrease. The first hard layer 3 is formed by alternately laminating first unit layers 4a made of TiCN having a relatively small carbon content and second unit layers 4b made of TiCN or TiC having a relatively large carbon content. Therefore, wear resistance and chipping resistance are improved in a well-balanced manner, and heat resistance is also improved.
(iii)第1硬質層3は、第1単位層4aと第2単位層4bとの多層構造となっているため、亀裂の粒内伝播(柱状結晶4の内部における亀裂の伝播)を抑制することができる。これにより、第1硬質層3の耐チッピング性が向上する。 (Iii) Since the first hard layer 3 has a multilayer structure of the first unit layer 4a and the second unit layer 4b, the intragranular propagation of cracks (propagation of cracks inside the columnar crystals 4) is suppressed. be able to. Thereby, the chipping resistance of the first hard layer 3 is improved.
(iv)第1単位層4aと第2単位層4bとは格子定数が異なるため、第1単位層4aおよび第2単位層4bの結晶格子内に歪が生じ、歪がない場合に比べて第1単位層4aおよび第2単位層4bの硬度が高くなる。これにより、第1硬質層3の耐摩耗性が向上する。 (Iv) Since the first unit layer 4a and the second unit layer 4b have different lattice constants, distortion occurs in the crystal lattices of the first unit layer 4a and the second unit layer 4b, compared with the case where there is no distortion. The hardness of the 1 unit layer 4a and the 2nd unit layer 4b becomes high. Thereby, the wear resistance of the first hard layer 3 is improved.
(v)第1硬質層3に含まれる柱状結晶4において、基材に最も近接する層は第1単位層4aである。これは、基材1上に柱状結晶4を例えばCVD法で形成する際に、第1単位層4aが初めに形成されたことを示す。第1単位層4aは、炭素の含有量が比較的少ないTiCNからなる層であり、配向性指数TC(hkl)においてTC(422)が最大である。したがって、第1単位層4a上に第2単位層4b及び第1単位層4aを交互に積層して形成される多層構造からなる柱状結晶4は(422)面に配向しており、柱状結晶4は基材表面に対して垂直方向(被膜2の厚さ方向)に均一に成長する。これにより、柱状結晶4中の強度のばらつきが小さくなり、第1硬質層3の耐摩耗性及び耐チッピング性が向上する。 (V) In the columnar crystal 4 included in the first hard layer 3, the layer closest to the substrate is the first unit layer 4a. This indicates that when the columnar crystal 4 is formed on the substrate 1 by, for example, the CVD method, the first unit layer 4a is formed first. The first unit layer 4a is a layer made of TiCN having a relatively low carbon content, and TC (422) is the maximum in the orientation index TC (hkl). Accordingly, the columnar crystal 4 having a multilayer structure formed by alternately stacking the second unit layer 4b and the first unit layer 4a on the first unit layer 4a is oriented in the (422) plane, and the columnar crystal 4 Grow uniformly in the direction perpendicular to the surface of the substrate (in the thickness direction of the coating 2). Thereby, the dispersion | variation in the intensity | strength in the columnar crystal 4 becomes small, and the abrasion resistance and chipping resistance of the 1st hard layer 3 improve.
(vi)第1硬質層3に含まれる柱状結晶4は、岩塩型結晶構造の最密充填面で高ヤング率である(111)面に近い(422)面に配向している。これにより、第1硬質層3の耐摩耗性が向上する。 (Vi) The columnar crystals 4 included in the first hard layer 3 are oriented in the (422) plane close to the (111) plane having a high Young's modulus in the close-packed plane of the rock salt type crystal structure. Thereby, the wear resistance of the first hard layer 3 is improved.
本実施の形態において、第1硬質層3は複数個の柱状結晶4のみにより構成されていてもよいし、柱状結晶4とともに粒状結晶等の他の結晶領域を含んでいてもよい。第1硬質層3が他の結晶領域を含む場合は、第1硬質層3に占める柱状結晶4の体積割合は、50体積%以上が好ましく、70体積%以上がより好ましく、100体積%が更に好ましい。柱状結晶4の体積割合が50%未満になると、上記の柱状結晶に由来する第1硬質層の耐摩耗性及び耐チッピング性の向上効果が得られなくなる場合がある。 In the present embodiment, the first hard layer 3 may be composed of only a plurality of columnar crystals 4 or may include other crystal regions such as granular crystals together with the columnar crystals 4. When the first hard layer 3 includes other crystal regions, the volume ratio of the columnar crystals 4 in the first hard layer 3 is preferably 50% by volume or more, more preferably 70% by volume or more, and further 100% by volume. preferable. When the volume ratio of the columnar crystals 4 is less than 50%, the effect of improving the wear resistance and chipping resistance of the first hard layer derived from the columnar crystals may not be obtained.
第1硬質層3中に柱状結晶が存在すること、及び、第1硬質層3中の柱状結晶4の体積割合は、被膜の断面をSEM(走査型電子顕微鏡)を用いて観察することにより確認することができる。具体的には、被膜の断面をArエッチングによりCP加工し、加工面を日立株式会社製電界放出型走査電子顕微鏡SU6600を用いて、拡大倍率10000倍で観察することにより、柱状結晶部分と非柱状結晶部分が存在することを確認できる。さらに、柱状結晶部分と非柱状結晶部分の面積比を算出し、柱状結晶部分の面積比を、第1硬質層中の柱状結晶の体積割合とすることができる。 The presence of columnar crystals in the first hard layer 3 and the volume ratio of the columnar crystals 4 in the first hard layer 3 are confirmed by observing the cross section of the coating using an SEM (scanning electron microscope). can do. Specifically, the cross section of the film is CP processed by Ar etching, and the processed surface is observed at a magnification of 10,000 times using a field emission scanning electron microscope SU6600 manufactured by Hitachi, Ltd. It can be confirmed that a crystal part exists. Furthermore, the area ratio of the columnar crystal portion and the non-columnar crystal portion can be calculated, and the area ratio of the columnar crystal portion can be set as the volume ratio of the columnar crystal in the first hard layer.
第1硬質層3に含まれる柱状結晶4は、基材表面に対してほぼ垂直方向(すなわち被膜の厚み方向)に成長したものであり、たとえば幅(径)が30nm以上500nm以下であり、長さが1000nm以上10000nm以下の形状を有する。なお、粒状結晶とは、柱状結晶のように一方向に結晶成長したものではなく、略球状や不定形の形状をした100nm以上1000nm以下の粒子サイズを有するものをいう。柱状結晶や粒状結晶の大きさは、X線解析(XRD)の測定結果に基づき、シェラーの式より算出することができる。 The columnar crystals 4 included in the first hard layer 3 are grown in a direction substantially perpendicular to the substrate surface (that is, the thickness direction of the film), and have a width (diameter) of 30 nm to 500 nm, for example. Has a shape of 1000 nm to 10,000 nm. Note that the granular crystal is not a crystal grown in one direction like a columnar crystal but has a substantially spherical or irregular shape and a particle size of 100 nm to 1000 nm. The size of the columnar crystal or granular crystal can be calculated from the Scherrer equation based on the measurement result of X-ray analysis (XRD).
柱状結晶4の平均粒径は、30nm以上80nm以下が好ましく、30nm以上60nm以下がより好ましい。柱状結晶の平均粒径が30nm未満であると、第1硬質層において粒界が増加し、耐チッピング性が低下する場合がある。一方、平均粒径が80nmを超えると、耐摩耗性が低下する場合がある。ここで粒状結晶の平均粒径とは、XRD(out−of−plane)で測定したTiCの(422)ピークの半価幅からシェラーの式(定数K=0.9)を用いて導出した値を意味する。なお柱状結晶の平均粒径とは、上記の柱状結晶の幅(径)と同義である。 The average particle size of the columnar crystals 4 is preferably 30 nm or more and 80 nm or less, and more preferably 30 nm or more and 60 nm or less. When the average grain size of the columnar crystals is less than 30 nm, the grain boundaries increase in the first hard layer, and chipping resistance may be lowered. On the other hand, if the average particle size exceeds 80 nm, the wear resistance may be reduced. Here, the average particle size of the granular crystals is a value derived from the half-value width of the (422) peak of TiC measured by XRD (out-of-plane) using Scherrer's formula (constant K = 0.9). Means. The average grain size of the columnar crystal is synonymous with the width (diameter) of the columnar crystal.
柱状結晶4のアスペクト比は、40以上が好ましい。アスペクト比が40未満であると、高温切削条件下での耐摩耗性が低下する傾向がある。アスペクト比の上限値は特に制限されないが、製造上の観点から400以下が好ましい。ここでアスペクト比とは、柱状結晶の幅(径)を柱状結晶の長さで除した値を意味する。 The aspect ratio of the columnar crystal 4 is preferably 40 or more. When the aspect ratio is less than 40, the wear resistance under high-temperature cutting conditions tends to decrease. The upper limit of the aspect ratio is not particularly limited, but is preferably 400 or less from the viewpoint of manufacturing. Here, the aspect ratio means a value obtained by dividing the width (diameter) of the columnar crystal by the length of the columnar crystal.
柱状結晶4の平均粒径及びアスペクト比の測定は、以下のように行うことができる。まず、被膜2の断面を鏡面加工して、柱状結晶4を有する第1硬質層3の粒界をエッチングする。そして、第1硬質層3の膜厚の1/2にあたる箇所で、基材と水平方向にある各結晶の幅を粒径とし、各結晶の粒径をSEMを用いて測定して平均値を求める。なお、測定箇所は20箇所とする。第1硬質層3の膜厚を、得られた平均値で除し、この算出値を柱状結晶のアスペクト比とする。 The average grain size and aspect ratio of the columnar crystal 4 can be measured as follows. First, the cross section of the coating 2 is mirror-finished, and the grain boundaries of the first hard layer 3 having the columnar crystals 4 are etched. Then, at a location corresponding to 1/2 of the film thickness of the first hard layer 3, the width of each crystal in the horizontal direction with respect to the base material is defined as the grain size, and the grain size of each crystal is measured using an SEM to obtain an average value. Ask. The number of measurement points is 20. The film thickness of the first hard layer 3 is divided by the obtained average value, and this calculated value is taken as the aspect ratio of the columnar crystal.
本実施の形態において、柱状結晶4のそれぞれは、下記式(1)
TiCxNz−x (1)
(式(1)中、0.45≦x<0.70および0.80≦z≦1.20である)
で示される第1単位層4aと、下記式(2)
TiCyNA−y (2)
(式(2)中、0.70≦y≦1および0.80≦A≦1.20である)
で示される第2単位層4bとが交互に積層された多層構造を有し、柱状結晶4において、基材1に最も近接する層は第1単位層4aである。
In the present embodiment, each of the columnar crystals 4 has the following formula (1):
TiC x N z-x (1)
(In Formula (1), it is 0.45 <= x <0.70 and 0.80 <= z <= 1.20)
The first unit layer 4a represented by the following formula (2)
TiC y N A-y (2)
(In the formula (2), 0.70 ≦ y ≦ 1 and 0.80 ≦ A ≦ 1.20)
The second unit layer 4b shown in FIG. 2 has a multilayer structure in which the second unit layers 4b are alternately stacked. In the columnar crystal 4, the layer closest to the substrate 1 is the first unit layer 4a.
第1単位層4aは、TiCxNz−x(ただし、0.45≦x<0.70および0.80≦z≦1.20である)という組成を有する。この組成は、炭素と窒素の合計に対する炭素の原子比が比較的少ないことを意味する。一般にTiCNからなる層において、炭素と窒素の合計に対する炭素の原子比が少ないほど、耐チッピング性及び耐熱性が向上する。したがって、第1単位層4aを含む柱状結晶4は、優れた耐チッピング性及び耐熱性を有する。 The first unit layer 4a has a composition of TiC x N z-x (where 0.45 ≦ x <0.70 and 0.80 ≦ z ≦ 1.20). This composition means that the atomic ratio of carbon to the sum of carbon and nitrogen is relatively low. In general, in a layer made of TiCN, the smaller the atomic ratio of carbon to the total of carbon and nitrogen, the better the chipping resistance and heat resistance. Therefore, the columnar crystal 4 including the first unit layer 4a has excellent chipping resistance and heat resistance.
TiCxNz−xにおいて、xが0.45未満の場合、十分な硬度が得られず、耐摩耗性が不十分となる。一方、xが0.70以上の場合、第1単位層4aと第2単位層4bとの組成が近くなるため、異なる組成の第1単位層と第2単位層とを積層することにより、耐摩耗性と耐チッピング性とをバランスよく向上させるという効果を得ることができない。xは、0.45≦x≦0.65の範囲が好ましく、0.50≦x≦0.60の範囲がより好ましい。なお、TiCxNz−xにおける「Ti」と「C」および「N」の合計との原子比は、「Ti」を1とする場合、「C」と「N」の合計は0.80〜1.10とすることが好ましい。 In TiC x N z-x , when x is less than 0.45, sufficient hardness cannot be obtained, and wear resistance becomes insufficient. On the other hand, when x is 0.70 or more, the compositions of the first unit layer 4a and the second unit layer 4b are close to each other. Therefore, by stacking the first unit layer and the second unit layer having different compositions, The effect of improving the wear resistance and chipping resistance in a balanced manner cannot be obtained. x is preferably in the range of 0.45 ≦ x ≦ 0.65, and more preferably in the range of 0.50 ≦ x ≦ 0.60. Note that the atomic ratio of “Ti” and the sum of “C” and “N” in TiC x N z-x is such that when “Ti” is 1, the sum of “C” and “N” is 0.80. It is preferable to be set to ˜1.10.
第2単位層4bは、TiCyNA−y(ただし、0.70≦y≦1および0.80≦A≦1.20である)という組成を有する。この組成は、TiCNからなる層において、炭素と窒素の合計に対する炭素の原子比が比較的多いこと、又は、Nを含まないTiCからなる層であることを意味する。TiCNからなる層において、炭素と窒素の合計に対する炭素の原子比が大きいほど、耐摩耗性が向上する。したがって、第2単位層4bを含む柱状結晶4は、優れた耐摩耗性を有する。 The second unit layer 4b has a composition of TiC y N A-y (where 0.70 ≦ y ≦ 1 and 0.80 ≦ A ≦ 1.20). This composition means that the layer made of TiCN has a relatively high atomic ratio of carbon to the total of carbon and nitrogen, or is a layer made of TiC not containing N. In a layer made of TiCN, the greater the atomic ratio of carbon to the total of carbon and nitrogen, the better the wear resistance. Therefore, the columnar crystal 4 including the second unit layer 4b has excellent wear resistance.
耐摩耗性と耐チッピング性をバランスよく向上させるという効果をより大きくする観点からは、第1単位層4aおよび第2単位層4bにおける炭素と窒素の濃度差を大きくする、すなわちy−xの絶対値を大きくすることが望ましい。yは、0.85≦y<1の範囲が好ましく、0.90≦y<1.00の範囲がより好ましい。なお、TiCyNA−yにおける「Ti」と「C」および「N」の合計との原子比は、「Ti」を1とする場合、「C」および「N」の合計は0.80〜1.20である。 From the viewpoint of increasing the effect of improving the wear resistance and chipping resistance in a balanced manner, the concentration difference between carbon and nitrogen in the first unit layer 4a and the second unit layer 4b is increased, that is, the absolute value of xy It is desirable to increase the value. y is preferably in the range of 0.85 ≦ y <1, and more preferably in the range of 0.90 ≦ y <1.00. Note that the atomic ratio of “Ti” and the sum of “C” and “N” in TiC y N A-y is “ 0 ” when “Ti” is 1, and the sum of “C” and “N” is 0.80. ~ 1.20.
第1単位層4aの組成TiCxNz−x(ただし、0.45≦x<0.70および0.80≦z≦1.20である)におけるxと、第2単位層4bの組成TiCyNA−y(ただし、0.70≦y≦1および0.80≦A≦1.20である)におけるyとは、y−x≧0.25の関係を満たすことが好ましい。これによると、柱状結晶4において、第1単位層に由来する優れた耐チッピング性と第2単位層に由来する優れた耐摩耗性とが、バランス良く向上するという効果を得ることができる。y−xの値は、0.30≦y−x≦0.50の範囲がより好ましく、0.35≦y−x≦0.50の範囲が更に好ましい。 X in the composition TiC x N z-x of the first unit layer 4a (where 0.45 ≦ x <0.70 and 0.80 ≦ z ≦ 1.20) and the composition TiC of the second unit layer 4b It is preferable that y in y N A-y (where 0.70 ≦ y ≦ 1 and 0.80 ≦ A ≦ 1.20) satisfy the relationship of y−x ≧ 0.25. According to this, in the columnar crystal 4, it is possible to obtain an effect that the excellent chipping resistance derived from the first unit layer and the excellent wear resistance derived from the second unit layer are improved in a balanced manner. The value of y−x is more preferably in the range of 0.30 ≦ y−x ≦ 0.50, and further preferably in the range of 0.35 ≦ y−x ≦ 0.50.
第1単位層4a及び第2単位層4bの組成(チタン、炭素、窒素の原子比)、並びに被膜中の他の層の組成は、被膜の断面をEPMA(電子プローブマイクロアナライザー)装置を用いて測定することにより確認することができる。 The composition of the first unit layer 4a and the second unit layer 4b (atomic ratio of titanium, carbon, and nitrogen) and the composition of the other layers in the coating were determined using an EPMA (Electron Probe Microanalyzer) apparatus. This can be confirmed by measuring.
第1硬質層3に含まれる柱状結晶4において、基材に最も近接する層が第1単位層4aである。これは、基材1上に柱状結晶4をCVD法で形成する際に、第1単位層4aが初めに形成されたことを示す。第1単位層4aは、炭素の含有量が比較的少ないTiCNからなる層であり、配向性指数TC(hkl)においてTC(422)が最大である。したがって、第1単位層4a上に第2単位層4b及び第1単位層4aを交互に積層して形成される多層構造からなる柱状結晶4は(422)面に配向しており、柱状結晶4は基材表面に対して垂直方向(被膜2の厚さ方向)に均一に成長する。これにより、柱状結晶4中の強度のばらつきが小さくなり、第1硬質層3の耐チッピング性及び耐摩耗性が向上する。 In the columnar crystal 4 included in the first hard layer 3, the layer closest to the substrate is the first unit layer 4a. This indicates that when the columnar crystal 4 is formed on the substrate 1 by the CVD method, the first unit layer 4a is first formed. The first unit layer 4a is a layer made of TiCN having a relatively low carbon content, and TC (422) is the maximum in the orientation index TC (hkl). Accordingly, the columnar crystal 4 having a multilayer structure formed by alternately stacking the second unit layer 4b and the first unit layer 4a on the first unit layer 4a is oriented in the (422) plane, and the columnar crystal 4 Grow uniformly in the direction perpendicular to the surface of the substrate (in the thickness direction of the coating 2). Thereby, the dispersion | variation in the intensity | strength in the columnar crystal 4 becomes small, and the chipping resistance and abrasion resistance of the 1st hard layer 3 improve.
また、柱状結晶4は、岩塩型結晶構造の最密充填面で高ヤング率である(111)面に近い(422)面に配向している。これにより、第1硬質層3の耐摩耗性が向上する。 The columnar crystals 4 are oriented in the (422) plane close to the (111) plane having a high Young's modulus at the close-packed plane of the rock salt type crystal structure. Thereby, the wear resistance of the first hard layer 3 is improved.
ここで、配向性指数TC(hkl)とは、下記の式(3)により規定されるものである。 Here, the orientation index TC (hkl) is defined by the following formula (3).
式(3)中、I(hkl)は(hkl)面のX線回折強度を示し、I0(hkl)はJCPDS標準(Joint Committee on Powder Diffraction Standards(粉末X線回折標準))による(hkl)面を構成するTiCとTiNのX線粉末回折強度の平均値を示す。なお(hkl)は、(111)、(200)、(220)、(311)、(331)、(420)、(422)、(511)の8面であり、式(3)の右辺の中括弧部分は、これら8面の平均値を示す。 In formula (3), I (hkl) represents the X-ray diffraction intensity of the (hkl) plane, and I 0 (hkl) is (CP1) according to JCPDS standard (Joint Committee on Powder Diffraction Standards (powder X-ray diffraction standard)). The average value of the X-ray powder diffraction intensity of TiC and TiN constituting the surface is shown. Note that (hkl) is the eight sides of (111), (200), (220), (311), (331), (420), (422), and (511), and is the right side of equation (3). The curly brackets indicate the average value of these eight surfaces.
そして、配向性指数TC(hkl)においてTC(422)が最大となるとは、上記全8面について式(3)により配向性指数TC(hkl)を求めると、TC(422)が最大値を示すことを意味し、これは柱状結晶が(422)面に強配向することを示している。このように(422)面が配向面となることにより、基材表面に対して柱状結晶が垂直方向に揃って成長することになる。これにより、柱状結晶中の強度のばらつきが小さくなり、第1硬質層の耐チッピング性及び耐摩耗性が向上する。 In the orientation index TC (hkl), TC (422) is the maximum. When the orientation index TC (hkl) is obtained by the equation (3) for all the eight surfaces, TC (422) shows the maximum value. This means that the columnar crystals are strongly oriented in the (422) plane. As described above, when the (422) plane becomes an orientation plane, columnar crystals grow in a vertical direction with respect to the substrate surface. Thereby, the dispersion | variation in the intensity | strength in a columnar crystal becomes small, and the chipping resistance and abrasion resistance of a 1st hard layer improve.
柱状結晶4の(422)面の配向性指数TC(422)は、1.5以上6.0以下が好ましく、3.0以上6.0以下がより好ましい。これによると、柱状結晶の均一性が良好となり、第1硬質層の耐チッピング性及び耐摩耗性が向上する。 The orientation index TC (422) of the (422) plane of the columnar crystal 4 is preferably 1.5 or more and 6.0 or less, and more preferably 3.0 or more and 6.0 or less. According to this, the uniformity of the columnar crystals is improved, and the chipping resistance and wear resistance of the first hard layer are improved.
第1単位層4aと第2単位層4bとが交互に積層された多層構造において、積層周期は20nm以上4000nm以下が好ましい。積層周期が20nm未満であると、膜厚が小さく均一な膜を形成することが難しい場合がある。一方、膜厚が4000nmを超えると、第1単位層4aと第2単位層4bとの硬度差(強度差)が過大になり、層間剥離が起こり、十分な耐チッピング性を得ることが難しい場合がある。ここで、積層周期とは、隣り合う1層の第1単位層4aと1層の第2単位層4bとの合計厚みを意味する。積層周期は、50nm以上500nm以下がより好ましく、50nm以上200nm以下が更に好ましい。 In the multilayer structure in which the first unit layers 4a and the second unit layers 4b are alternately stacked, the stacking period is preferably 20 nm or more and 4000 nm or less. If the lamination period is less than 20 nm, it may be difficult to form a uniform film with a small film thickness. On the other hand, if the film thickness exceeds 4000 nm, the hardness difference (strength difference) between the first unit layer 4a and the second unit layer 4b becomes excessive, delamination occurs, and it is difficult to obtain sufficient chipping resistance. There is. Here, the lamination period means the total thickness of one adjacent first unit layer 4a and one adjacent second unit layer 4b. The lamination period is more preferably 50 nm to 500 nm, and still more preferably 50 nm to 200 nm.
多層構造において、隣り合う1層の第1単位層4aと1層の第2単位層4bとの厚みの比は、1:1〜3:1の範囲であることが好ましい。これによると、第1硬質層の耐摩耗性及び耐チッピング性がバランス良く向上する。 In the multilayer structure, the ratio of the thicknesses of the adjacent first unit layer 4a and the adjacent second unit layer 4b is preferably in the range of 1: 1 to 3: 1. According to this, the wear resistance and chipping resistance of the first hard layer are improved in a well-balanced manner.
多層構造において、積層周期の繰返し数は10以上1000以下であることが好ましく、100以上500以下がより好ましい。これによると、第1単位層と第2単位層とを積層することにより、耐摩耗性と耐チッピング性とをバランスよく向上させるという効果を十分に得ることができる。なお、繰返し数とは、隣り合う1層の第1単位層と1層の第2単位層との組み合わせを1周期とした場合の、多層構造全体における周期数を意味する値である。 In the multilayer structure, the number of repetitions of the stacking cycle is preferably 10 or more and 1000 or less, and more preferably 100 or more and 500 or less. According to this, by laminating the first unit layer and the second unit layer, it is possible to sufficiently obtain the effect of improving the wear resistance and the chipping resistance in a balanced manner. The number of repetitions is a value that means the number of periods in the entire multilayer structure when the combination of one adjacent first unit layer and one second unit layer is one period.
1層の第1単位層4aの厚みは、10nm以上200nm以下であることが好ましく、20nm以上100nm以下であることがより好ましい。これによると、第1単位層による耐チッピング性及び耐熱性の向上効果を十分に得ることができる。 The thickness of one first unit layer 4a is preferably 10 nm or more and 200 nm or less, and more preferably 20 nm or more and 100 nm or less. According to this, the effect of improving the chipping resistance and heat resistance by the first unit layer can be sufficiently obtained.
1層の第2単位層4bの厚みは、10nm以上200nm以下であることが好ましく、20nm以上100nm以下であることがより好ましい。これによると、第2単位層による耐摩耗性の向上効果を十分に得ることができる。 The thickness of one second unit layer 4b is preferably 10 nm or more and 200 nm or less, and more preferably 20 nm or more and 100 nm or less. According to this, the effect of improving wear resistance by the second unit layer can be sufficiently obtained.
第1硬質層3の全体の厚みは、3μm以上15μm以下であることが好ましく、4μm以上10μm以下であることがより好ましい。厚みが3μm未満では、連続加工において十分に耐摩耗性を発揮できない場合があり、15μmを超えると、断続切削において耐チッピング性が安定しない場合がある。 The overall thickness of the first hard layer 3 is preferably 3 μm or more and 15 μm or less, and more preferably 4 μm or more and 10 μm or less. If the thickness is less than 3 μm, sufficient wear resistance may not be exhibited in continuous machining, and if it exceeds 15 μm, chipping resistance may not be stable in intermittent cutting.
柱状結晶において、第1単位層4aと第2単位層4bとが交互に積層して多層構造を形成していることは、図5に示されるように、被膜の断面を光学顕微鏡で観察し、コントラストの差を多層構造を示すものとして確認することができる。また、被膜の断面をSEM(走査型電子顕微鏡)、EPMA(電子線プローブマイクロアナライザー)又はTEM(透過型電子顕微鏡)を用いて観察することによっても確認することができる。 In the columnar crystal, the first unit layer 4a and the second unit layer 4b are alternately laminated to form a multilayer structure. As shown in FIG. 5, the cross section of the film is observed with an optical microscope. The difference in contrast can be confirmed as indicating a multilayer structure. Moreover, it can also confirm by observing the cross section of a film using SEM (scanning electron microscope), EPMA (electron beam probe microanalyzer), or TEM (transmission electron microscope).
積層周期、第1単位層の厚み、第2単位層の厚み、及び、第1硬質層の厚みは、被膜の断面をSEM(走査型電子顕微鏡)を用いて観察することにより測定することができる。具体的には、日立株式会社製電界放出型走査電子顕微鏡SU6600を用いて加速電圧10kVで観察を行い、拡大倍率5000倍で柱状結晶領域の長さを測定することで膜厚を規定できる。 The stacking period, the thickness of the first unit layer, the thickness of the second unit layer, and the thickness of the first hard layer can be measured by observing the cross section of the coating using an SEM (scanning electron microscope). . Specifically, the film thickness can be defined by observing at an acceleration voltage of 10 kV using a field emission scanning electron microscope SU6600 manufactured by Hitachi, Ltd. and measuring the length of the columnar crystal region at an enlargement magnification of 5000 times.
第1硬質層3中のフリーカーボンの量は、1.0体積%以下が好ましい。ここでフリーカーボンとは、TiCあるいはTiCN化合物として存在しておらず、C−C結合のアモルファスカーボンや遊離カーボンを意味する。第1硬質層中のフリーカーボンの量が1.0体積%を超えると、フリーカーボンを起点として亀裂が発生しやすく、第1硬質層の耐チッピング性が低下する場合がある。フリーカーボンの量は、0.1体積%以下がより好ましく、フリーカーボンを含まないことが最も好ましい。フリーカーボンの量はXPS(X線光電子分光法)装置を用いて測定することができる。具体的には、XPSのC−1sスペクトルの位置と強度比から算出することができる。(結合性カーボン(TiC)の結合エネルギーは281.3〜281.7eV、非結合性カーボン(フリーカーボン)は283.8〜284.7eV)。 The amount of free carbon in the first hard layer 3 is preferably 1.0% by volume or less. Here, free carbon does not exist as TiC or TiCN compound, but means C—C bonded amorphous carbon or free carbon. If the amount of free carbon in the first hard layer exceeds 1.0% by volume, cracks tend to occur starting from free carbon, and the chipping resistance of the first hard layer may be reduced. The amount of free carbon is more preferably 0.1% by volume or less, and most preferably free carbon is not included. The amount of free carbon can be measured using an XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) apparatus. Specifically, it can be calculated from the position and intensity ratio of the XPS C-1s spectrum. (The binding energy of binding carbon (TiC) is 281.3 to 281.7 eV, and that of non-binding carbon (free carbon) is 283.8 to 284.7 eV).
第1硬質層3は、ナノインデンター法で測定した硬度が26GPa以上35GPa以下が好ましく、28GPa以上34GPa以下がより好ましい。これによると、第1硬質層は十分な硬度を有する。なお、硬度の測定は、ISO14577に準拠した方法で行い、測定荷重は10mN(1g)とする。第1硬質層の硬度は、基材断面において、断面の法線方向から荷重をかけて測定する。測定箇所を基材方向から膜厚方向に沿って等間隔で10点設定し、該10点における硬度の平均値を第1硬質層の硬度とする。 The first hard layer 3 has a hardness measured by a nanoindenter method of preferably 26 GPa or more and 35 GPa or less, and more preferably 28 GPa or more and 34 GPa or less. According to this, the first hard layer has sufficient hardness. In addition, the measurement of hardness is performed by the method based on ISO14577, and a measurement load shall be 10 mN (1g). The hardness of the first hard layer is measured by applying a load from the normal direction of the cross section in the cross section of the base material. Ten measurement points are set at regular intervals from the substrate direction along the film thickness direction, and the average value of the hardness at the 10 points is defined as the hardness of the first hard layer.
<他の層>
本実施形態の被膜2は、第1硬質層3以外の他の層を含むことができる。このような他の層としては、例えば、下地層5、中間層6、アルミナ層7、最表面層8等を挙げることができるが、これらのみに限定されるものではない。
<Other layers>
The coating 2 of the present embodiment can include layers other than the first hard layer 3. Examples of such other layers include, but are not limited to, the underlayer 5, the intermediate layer 6, the alumina layer 7, the outermost surface layer 8, and the like.
下地層5は、基材と被膜との密着性を高めるために基材の直上に形成される。下地層5は、TiN、TiBN等からなり、平均厚みが0.1〜2.0μmであることが好ましい。 The underlayer 5 is formed immediately above the base material in order to improve the adhesion between the base material and the coating. The underlayer 5 is made of TiN, TiBN, or the like, and preferably has an average thickness of 0.1 to 2.0 μm.
中間層6は、第1硬質層3とアルミナ層7との密着性を高めるために両層の間に形成される。中間層6は、TiCNO、TiBNO等からなり、平均厚みが0.3〜3.0μmであることが好ましい。 The intermediate layer 6 is formed between both layers in order to improve the adhesion between the first hard layer 3 and the alumina layer 7. The intermediate layer 6 is made of TiCNO, TiBNO or the like, and preferably has an average thickness of 0.3 to 3.0 μm.
アルミナ層7は、耐酸化性に優れ、鋼の高速切削時に発生する熱による摩耗(酸化摩耗)や鋳物の切削時の耐溶着性に優れるため、第1硬質層3よりも表面側に形成される。アルミナ層7は、α型酸化アルミニウム等からなり、平均厚みが2〜15μmであることが好ましい。 The alumina layer 7 is excellent in oxidation resistance, and has excellent wear resistance due to heat (oxidation wear) generated during high-speed cutting of steel and welding resistance during cutting of castings. The The alumina layer 7 is made of α-type aluminum oxide or the like, and preferably has an average thickness of 2 to 15 μm.
最表面層8は、刃先が使用済か否かの識別性を示すために被膜の最表面に形成される。最表面層8は、TiN、TiCN、TiC等からなり、平均厚みが0.3〜2.0μmであることが好ましい。 The outermost surface layer 8 is formed on the outermost surface of the coating in order to show the discriminability of whether or not the cutting edge is used. The outermost surface layer 8 is made of TiN, TiCN, TiC or the like, and preferably has an average thickness of 0.3 to 2.0 μm.
<表面被覆切削工具の製造方法>
本発明の一実施の形態に係る表面被覆切削工具の製造方法は、基材を準備する工程と、基材上に被膜を形成する工程とを備える。
<Method for manufacturing surface-coated cutting tool>
The manufacturing method of the surface coating cutting tool which concerns on one embodiment of this invention comprises the process of preparing a base material, and the process of forming a film on a base material.
被膜を形成する工程は、第1単位層形成工程と第2単位層形成工程とを含む。第1単位層形成工程及び第2単位層形成工程は、化学気相蒸着法により反応温度800℃以上950℃以下、かつ、圧力0.05atm以上1.0atm以下の条件下で行われる。第1単位層形成工程において、TiCl4、CH3CN、N2及びH2を含む第1原料ガスを用いて、下記式(1)
TiCxNz−x (1)
(式(1)中、0.45≦x<0.70および0.80≦z≦1.20である)
で示される第1単位層を形成する。第2単位層形成工程において、TiCl4、C2H4及びH2を含む第2原料ガスを用いて、下記式(2)
TiCyNA−y (2)
(式(2)中、0.70≦y≦1および0.80≦A≦1.20である)
で示される第2単位層を形成する。第1単位層形成工程及び第2単位層形成工程は、第1単位層形成工程から開始される。上記で説明した第1硬質層は、このような方法により形成することができる。
The step of forming the coating includes a first unit layer forming step and a second unit layer forming step. The first unit layer forming step and the second unit layer forming step are performed by a chemical vapor deposition method under conditions of a reaction temperature of 800 ° C. or more and 950 ° C. or less and a pressure of 0.05 atm or more and 1.0 atm or less. In the first unit layer forming step, using the first source gas containing TiCl 4 , CH 3 CN, N 2 and H 2 , the following formula (1)
TiC x N z-x (1)
(In Formula (1), it is 0.45 <= x <0.70 and 0.80 <= z <= 1.20)
The first unit layer indicated by is formed. In the second unit layer forming step, a second source gas containing TiCl 4 , C 2 H 4 and H 2 is used, and the following formula (2)
TiC y N A-y (2)
(In the formula (2), 0.70 ≦ y ≦ 1 and 0.80 ≦ A ≦ 1.20)
To form a second unit layer. The first unit layer forming step and the second unit layer forming step are started from the first unit layer forming step. The first hard layer described above can be formed by such a method.
<基材を準備する工程>
基材としては、上記で説明した基材を準備する。
<Step of preparing a substrate>
As a base material, the base material demonstrated above is prepared.
<被膜を形成する工程>
次に、基材上に被膜を形成して、表面被覆切削工具を得る。本実施形態では、被膜のうち、第1単位層4aおよび第2単位層4bの形成は、化学気相蒸着装置の反応室内に、第1原料ガス及び第2原料ガスを交互に供給して行う。第1原料ガスにより第1単位層が形成され、第2原料ガスにより第2単位層が形成されるため、第1単位層形成工程と第2単位層形成工程とを交互に行うことで、第1単位層と第2単位層とが交互に積層した多層構造を含む第1硬質層を形成することができる。なお、基材の直上には、基材と被膜との密着性を高めるために下地層を形成することができる。
<Step of forming a film>
Next, a film is formed on the base material to obtain a surface-coated cutting tool. In the present embodiment, the first unit layer 4a and the second unit layer 4b in the coating are formed by alternately supplying the first source gas and the second source gas into the reaction chamber of the chemical vapor deposition apparatus. . Since the first unit layer is formed by the first source gas and the second unit layer is formed by the second source gas, the first unit layer forming step and the second unit layer forming step are alternately performed, A first hard layer including a multilayer structure in which one unit layer and second unit layer are alternately stacked can be formed. A base layer can be formed immediately above the base material in order to improve the adhesion between the base material and the coating.
被膜を形成する工程において、第1単位層形成工程及び第2単位層形成工程は、第1単位層形成工程から開始する。これにより、多層構造において基材に最も近接する層は第1単位層となる。上記で説明したように、第1単位層は配向性指数TC(hkl)においてTC(422)が最大である。したがって、第1単位層上に第2単位層及び第1単位層を交互に積層して形成される多層構造は(422)面に配向しており、ヤング率が低く、優れた耐摩耗性を有する。 In the step of forming a film, the first unit layer forming step and the second unit layer forming step start from the first unit layer forming step. As a result, the layer closest to the substrate in the multilayer structure is the first unit layer. As described above, the first unit layer has the largest TC (422) in the orientation index TC (hkl). Therefore, the multilayer structure formed by alternately laminating the second unit layer and the first unit layer on the first unit layer is oriented in the (422) plane, has a low Young's modulus, and excellent wear resistance. Have.
第1原料ガスは、TiCl4、CH3CN、N2及びH2を含む。第2原料ガスは、TiCl4、C2H4及びH2を含む。なお、第2原料ガスには窒素が含まれていないが、第2単位層には窒素が含まれる場合がある。この理由は、反応室内に供給するガスを第1原料ガスから第2原料ガスに変更する際に、第1原料ガス中の窒素が反応室内に残留しており、この窒素が第2原料ガスに混入するためと考えられる。 The first source gas contains TiCl 4 , CH 3 CN, N 2 and H 2 . The second source gas contains TiCl 4 , C 2 H 4 and H 2 . The second source gas does not contain nitrogen, but the second unit layer may contain nitrogen. The reason for this is that when the gas supplied into the reaction chamber is changed from the first source gas to the second source gas, nitrogen in the first source gas remains in the reaction chamber, and this nitrogen becomes the second source gas. It is thought to be mixed.
従来法(例えば非特許文献1)では、CVD法でTiCNやTiCからなる層を形成するために、原料ガスとしてCH4を含むガスが用いられていた。CH4は約1000℃以上でないと熱分解しないため、CH4を用いるCVD法は、1000℃以上の高温条件下で行われていた。 In a conventional method (for example, Non-Patent Document 1), a gas containing CH 4 is used as a source gas in order to form a layer made of TiCN or TiC by a CVD method. Since CH 4 does not thermally decompose unless it is about 1000 ° C. or higher, the CVD method using CH 4 has been performed under high temperature conditions of 1000 ° C. or higher.
この条件下では、得られたTiCNやTiCからなる層は、粒状結晶から構成され、粒界が多いために破壊起点が増加し、この破壊起点から亀裂が進展して被膜の脱落や欠損が生じる場合があった。また、被膜の形成中に、超硬合金からなる基材と被膜間で相互拡散が起こり、基材と被膜の界面に脆化層であるη層が形成される場合があった。 Under these conditions, the obtained layer of TiCN or TiC is composed of granular crystals, and because there are many grain boundaries, the starting point of fracture increases, and cracks develop from this starting point of breakage, resulting in dropouts and defects of the coating. There was a case. Further, during the formation of the coating film, mutual diffusion occurs between the substrate made of the cemented carbide and the coating film, and an η layer that is an embrittlement layer may be formed at the interface between the substrate and the coating film.
本実施の形態に係る製造方法では、原料ガスとしてCH4を用いず、800℃程度で分解するC2H4を用いるため、CVD法の反応温度を800℃以上950℃以下という低温にすることができる。この条件下では、第1単位層及び第2単位層は、柱状結晶を含み、粒界が減少するため、耐チッピング性が向上する。また、基材と被膜の界面にη層が形成されないため、基材と被膜との密着性が向上する。反応温度が800℃未満であると、原料ガス中の塩素が第1単位層及び第2単位層中に残留し、硬度が低下する場合がある。一方、反応温度が950℃を超えると、粒状結晶が形成されやすい。また、基材と被膜の界面にη層が形成される場合がある。反応温度は、成膜速度および結晶粒径の観点から、800℃以上900℃以下が好ましく、830℃以上900℃以下がより好ましい。 In the manufacturing method according to the present embodiment, C 2 H 4 that decomposes at about 800 ° C. is used as the source gas without using CH 4 , so that the reaction temperature of the CVD method is set to a low temperature of 800 ° C. or higher and 950 ° C. or lower. Can do. Under this condition, the first unit layer and the second unit layer contain columnar crystals and the grain boundaries are reduced, so that the chipping resistance is improved. Moreover, since the η layer is not formed at the interface between the substrate and the coating, the adhesion between the substrate and the coating is improved. If the reaction temperature is less than 800 ° C., chlorine in the raw material gas may remain in the first unit layer and the second unit layer, and the hardness may decrease. On the other hand, when the reaction temperature exceeds 950 ° C., granular crystals are likely to be formed. In addition, an η layer may be formed at the interface between the substrate and the coating. The reaction temperature is preferably 800 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, and more preferably 830 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, from the viewpoint of the film formation rate and the crystal grain size.
なお、原料ガスとしてCH4を用いない他の従来法(非特許文献2)もある。この技術では、CVD法でTiCNからなる層を形成するために、原料ガスとしてTiCl4、CH3CN、C2H4、N2及びH2を含むガスが用いられていた。この場合、反応温度を840〜900℃の低温にすることができるが、原料ガス中のC2H4が凝集して炭化し、TiCNからなる層内にフリーカーボンとして混入する可能性があった。フリーカーボンは破壊起点となるため、被膜の耐チッピング性が低下する可能性があった。 There is another conventional method (Non-Patent Document 2) that does not use CH 4 as a source gas. In this technique, a gas containing TiCl 4 , CH 3 CN, C 2 H 4 , N 2, and H 2 is used as a source gas in order to form a layer made of TiCN by a CVD method. In this case, although the reaction temperature can be lowered to 840 to 900 ° C., C 2 H 4 in the raw material gas may aggregate and carbonize, and may be mixed as free carbon in the layer made of TiCN. . Since free carbon is a starting point of fracture, the chipping resistance of the coating may be reduced.
本発明者らは、被膜へのフリーカーボンの混入を抑制する方法を検討した結果、第1単位層形成工程において、第1原料ガス中のH2ガスの含有量を60体積%以上98体積%以下、かつ、第2単位層形成工程において、第2原料ガス中のH2ガスの含有量を90体積%以上99体積%以下とすることが有効であることを見出した。ここで、H2ガスの流量とは、第1単位層形成工程及び第2単位層形成工程におけるH2ガスの流量であり、反応室内で第1単位層及び第2単位層を形成する際の温度及び圧力における値である。 As a result of investigating a method for suppressing free carbon from being mixed into the coating film, the present inventors have determined that the content of H 2 gas in the first source gas is 60% by volume or more and 98% by volume in the first unit layer forming step. In the second unit layer forming step, it has been found that it is effective to set the content of H 2 gas in the second source gas to 90% by volume or more and 99% by volume or less. Here, the flow rate of H 2 gas, the flow rate of H 2 gas in the first unit layer forming step and the second unit layer forming step, for forming the first unit layer and a second unit layer in a reaction chamber Values in temperature and pressure.
第1原料ガス中のH2ガスの含有量、及び、第2原料ガス中のH2ガスの含有量が前記の範囲であると、第1原料ガス及び第2原料ガスに含まれるC2H4がH2ガスにより拡散されるため、C2H4が凝集して炭化することを抑制でき、もって第1硬質層中にフリーカーボンが混入することを抑制することができる。第1単位層形成工程において、第1原料ガス中のH2ガスの含有量は80体積%以上98体積%以下がより好ましい。第2単位層形成工程において、第2原料ガス中のH2ガスの含有量は95体積%以上99体積%以下がより好ましい。 The content of H 2 gas of the first source gas, and, when the content of H 2 gas in the second raw material gas is in the range of the, C 2 H contained in the first material gas and second material gas Since 4 is diffused by H 2 gas, it is possible to suppress C 2 H 4 from agglomerating and carbonizing, thereby preventing free carbon from being mixed into the first hard layer. In the first unit layer forming step, the content of H 2 gas in the first source gas is more preferably 80% by volume to 98% by volume. In the second unit layer forming step, the content of H 2 gas in the second source gas is more preferably 95% by volume to 99% by volume.
第1単位層形成工程において、第1原料ガス全体の流量は、第1単位層の均一性の観点から、1分あたり、反応室の体積の10倍以上30倍以下が好ましく、10倍以上25倍以下が更に好ましい。また、第2単位層形成工程における第2原料ガス全体の流量は、第2単位層の均一性の観点から、1分あたり、反応室の体積の10倍以上30倍以下が好ましく、10倍以上25倍以下が更に好ましい。ここで、原料ガスの流量は、反応室内で第1単位層及び第2単位層を形成する際の温度及び圧力における値である。 In the first unit layer forming step, the flow rate of the entire first source gas is preferably 10 to 30 times the volume of the reaction chamber per minute, from the viewpoint of uniformity of the first unit layer, and preferably 10 to 25 times. Even less than double is more preferable. In addition, the flow rate of the entire second source gas in the second unit layer forming step is preferably 10 times or more and 30 times or less the volume of the reaction chamber per minute from the viewpoint of the uniformity of the second unit layer. 25 times or less is more preferable. Here, the flow rate of the source gas is a value in temperature and pressure when the first unit layer and the second unit layer are formed in the reaction chamber.
第1原料ガス中の、TiCl4、CH3CN、N2及びH2の含有量は、所望の第1単位層の組成に合わせて適宜変更することができる。例えば、第1原料ガスの組成は、TiCl4を0.5体積%以上2.5体積%以下、CH3CNを0.1体積%以上1.0体積%以下、N2を5体積%以上40体積%以下、H2を残部とすることができる。 The contents of TiCl 4 , CH 3 CN, N 2 and H 2 in the first source gas can be appropriately changed according to the desired composition of the first unit layer. For example, the composition of the first source gas is as follows: TiCl 4 is 0.5 volume% or more and 2.5 volume% or less, CH 3 CN is 0.1 volume% or more and 1.0 volume% or less, and N 2 is 5 volume% or more. 40% by volume or less, and H 2 can be the balance.
第2原料ガス中の、TiCl4、C2H4及びH2の含有量は、所望の第2単位層の組成に合わせて適宜変更することができる。例えば、第2原料ガスの組成は、TiCl4を0.5体積%以上4.0体積%以下、C2H4を0.5体積%以上5.0体積%以下、H2を残部とすることができる。 The contents of TiCl 4 , C 2 H 4 and H 2 in the second source gas can be appropriately changed according to the desired composition of the second unit layer. For example, the composition of the second source gas is such that TiCl 4 is 0.5 volume% to 4.0 volume%, C 2 H 4 is 0.5 volume% to 5.0 volume%, and H 2 is the balance. be able to.
第1単位層形成工程及び第2単位層形成工程において、反応室内の圧力は、0.05atm以上1.0atm以下である。これによると、反応温度800℃以上950℃以下において、柱状結晶を含む被膜を安定して形成することができる。圧力は、0.1atm以上0.5atm以下が好ましい。 In the first unit layer forming step and the second unit layer forming step, the pressure in the reaction chamber is 0.05 atm or more and 1.0 atm or less. According to this, at a reaction temperature of 800 ° C. or higher and 950 ° C. or lower, a film containing columnar crystals can be formed stably. The pressure is preferably from 0.1 atm to 0.5 atm.
本実施の形態における被膜が、第1単位層及び第2単位層以外の層を含む場合、これらの他の層は従来公知の化学気相蒸着法や物理的蒸着法により形成することができる。一つの化学気相蒸着装置内において、第1単位層及び第2単位層と連続的に形成できるという観点から、他の層は化学気相蒸着法により形成することが好ましい。 When the film in this Embodiment contains layers other than a 1st unit layer and a 2nd unit layer, these other layers can be formed by a conventionally well-known chemical vapor deposition method or a physical vapor deposition method. From the viewpoint that the first unit layer and the second unit layer can be formed continuously in one chemical vapor deposition apparatus, the other layers are preferably formed by chemical vapor deposition.
本実施の形態を実施例によりさらに具体的に説明する。ただし、これらの実施例により本実施の形態が限定されるものではない。 The present embodiment will be described more specifically with reference to examples. However, the present embodiment is not limited to these examples.
[試料1〜試料27]
<基材の準備>
基材の原料粉末として、TiCを0.5重量%、Cr3C2を0.5重量%、Coを10重量%、WCを89重量%含む混合粉末を準備した。該混合粉末を、所定の形状に成形した後、1300〜1500℃で1〜2時間焼結することにより、形状がCNMG120408N−GZ(住友電工ハードメタル社製)である超硬合金製の基材を得た。
[Sample 1 to Sample 27]
<Preparation of base material>
A mixed powder containing 0.5% by weight of TiC, 0.5% by weight of Cr 3 C 2 , 10% by weight of Co, and 89% by weight of WC was prepared as a raw material powder for the substrate. The mixed powder is formed into a predetermined shape, and then sintered at 1300-1500 ° C. for 1-2 hours to form a cemented carbide base material having a shape of CNMG120408N-GZ (manufactured by Sumitomo Electric Hardmetal Corp.). Got.
<被膜の形成>
各試料の基材上に化学気相蒸着法により、TiN層(下地層)、第1硬質層(第1単位層及び第2単位層の多層構造)、TiCNO層(中間層)、Al2O3層(アルミナ層)、TiN層(最表面層)をこの順で形成した。なお、試料2〜27では、第1硬質層の形成工程においては、第1単位層から成膜を開始し、その後、第2単位層及び第1単位層を交互に形成した。試料1では、第1硬質層の形成工程において、第1単位層のみを形成し、第2単位層を形成しなかった。下地層、中間層、アルミナ層、最表面層の原料ガス組成及び成膜条件(反応室内圧力、反応室内温度、流量)を表1に示す。第1単位層及び第2単位層の原料ガス組成、成膜条件(反応室内圧力、反応室内温度、流量、なお表2中、流量「x」とは、1分あたりの第1原料ガス全体の流量および第2原料ガス全体の流量が、反応室の体積のx倍であることを示す。)、及び積層周期を表2に示す。
<Formation of coating>
A TiN layer (underlying layer), a first hard layer (a multilayer structure of a first unit layer and a second unit layer), a TiCNO layer (intermediate layer), Al 2 O are formed on the base material of each sample by chemical vapor deposition. Three layers (alumina layer) and TiN layer (outermost surface layer) were formed in this order. In Samples 2 to 27, in the first hard layer forming step, film formation was started from the first unit layer, and then the second unit layer and the first unit layer were alternately formed. In Sample 1, in the formation process of the first hard layer, only the first unit layer was formed, and the second unit layer was not formed. Table 1 shows the raw material gas composition and film forming conditions (reaction chamber pressure, reaction chamber temperature, flow rate) of the underlayer, intermediate layer, alumina layer, and outermost layer. Source gas composition of first unit layer and second unit layer, film forming conditions (reaction chamber pressure, reaction chamber temperature, flow rate, in Table 2, the flow rate “x” is the total of the first source gas per minute. It shows that the flow rate and the flow rate of the entire second source gas are x times the volume of the reaction chamber.) And the stacking cycle are shown in Table 2.
各試料をSEM(走査電子顕微鏡)で観察したところ、試料2〜試料27では、多層構造が確認できた。 When each sample was observed with SEM (scanning electron microscope), in Samples 2 to 27, a multilayer structure could be confirmed.
各試料の第1単位層及び第2単位層の組成をEPMA装置を用いて測定した。なお、全ての試料において、第1単位層はTiCxNz−x(ただし、0.45≦x<0.70およびz=1.0である)で示され、第2単位層はTiCyN1−A(ただし、0.70≦y≦1およびA=1.0である)で示される。前記式における「x」、「y」および「y−x」の値を表3の「組成」の欄に示す。 The composition of the first unit layer and the second unit layer of each sample was measured using an EPMA apparatus. In all samples, the first unit layer is represented by TiC x N z-x (where 0.45 ≦ x <0.70 and z = 1.0), and the second unit layer is TiC y N 1-A (where 0.70 ≦ y ≦ 1 and A = 1.0). The values of “x”, “y” and “y−x” in the above formula are shown in the “Composition” column of Table 3.
各試料の第1硬質層中のフリーカーボン含有量をXPS装置を用いて測定した。結果を表3に示す。 The free carbon content in the first hard layer of each sample was measured using an XPS apparatus. The results are shown in Table 3.
各試料の膜厚をSEM(走査型電子顕微鏡)を用いて測定した。結果を表3に示す。
各試料の柱状結晶のX線回折強度をXRD(X線回折)装置を用いて測定し、(422)面の配向性指数TC(422)を算出した。結果を表3に示す。
The film thickness of each sample was measured using SEM (scanning electron microscope). The results are shown in Table 3.
The X-ray diffraction intensity of the columnar crystals of each sample was measured using an XRD (X-ray diffraction) apparatus, and the orientation index TC (422) of the (422) plane was calculated. The results are shown in Table 3.
各試料の柱状結晶のアスペクト比を以下の手順で測定した。まず、被膜の断面を鏡面加工して、柱状結晶を有する第1硬質層の粒界をエッチングした。そして、第1硬質層の膜厚の1/2にあたる箇所で、基材と水平方向にある各結晶の幅を粒径とし、各結晶の粒径をSEMを用いて測定して平均値を求めた。なお、測定箇所は20箇所とした。第1硬質層の膜厚を、得られた平均値で除し、この算出値を柱状結晶のアスペクト比とした。結果を表3に示す。 The aspect ratio of the columnar crystal of each sample was measured by the following procedure. First, the cross section of the coating was mirror-finished to etch the grain boundaries of the first hard layer having columnar crystals. Then, at a position corresponding to 1/2 of the film thickness of the first hard layer, the width of each crystal in the horizontal direction with respect to the base material is defined as the particle size, and the average value is obtained by measuring the particle size of each crystal using SEM. It was. In addition, the measurement location was 20 locations. The film thickness of the first hard layer was divided by the obtained average value, and this calculated value was taken as the aspect ratio of the columnar crystal. The results are shown in Table 3.
各試料の第1硬質層の硬度の測定は、ISO14577に準拠した方法で行い、測定荷重は10mN(1g)とした。第1硬質層の硬度は、基材断面において、断面の法線方向から荷重をかけて測定した。測定箇所を基材方向から膜厚方向に沿って等間隔で10点設定し、該10点における硬度の平均値を第1硬質層の硬度とした。 The hardness of the first hard layer of each sample was measured by a method based on ISO14577, and the measurement load was 10 mN (1 g). The hardness of the first hard layer was measured by applying a load from the normal direction of the cross section in the cross section of the base material. Ten measurement points were set at regular intervals from the substrate direction along the film thickness direction, and the average value of the hardness at the 10 points was defined as the hardness of the first hard layer.
<性能評価>
各試料の切削性能を以下のようにして評価した。
<Performance evaluation>
The cutting performance of each sample was evaluated as follows.
各試料の表面被覆切削工具について、以下の切削条件により刃先チッピングまたは逃げ面摩耗量(Vb)が0.30mmになるまでの切削時間(分)(ただし小数点以下は四捨五入した)を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察した。結果を表3に示す。 For the surface-coated cutting tool of each sample, the cutting edge (tips) until the cutting edge chipping or flank wear amount (Vb) reaches 0.30 mm (but rounded off after the decimal point) is measured and the cutting edge is measured under the following cutting conditions. The final damage form was observed. The results are shown in Table 3.
欠損または逃げ面摩耗量(Vb)が0.30mmになるまでの切削時間が長いもの程、耐摩耗性及び耐チッピング性に優れていることを示す。 The longer the cutting time until the chipping or flank wear amount (Vb) becomes 0.30 mm, the better the wear resistance and chipping resistance.
最終損傷形態において、「正常摩耗」とはチッピング、欠けなどを生じず、摩耗のみで構成される損傷形態(平滑な摩耗面を有する)を意味し、「刃先チッピング」とは切れ刃部に生じた大きな欠けを意味する。 In the final damage form, “normal wear” means a damage form (having a smooth wear surface) that does not cause chipping or chipping but only wear, and “tip chipping” occurs at the cutting edge. It means a big lack.
<切削条件>
被削材:FCD450−4溝材外径連続切削加工
周速:250m/min
送り速度:0.30mm/rev
切込み量:1.5mm
切削液:あり
<Cutting conditions>
Work material: FCD450-4 groove material outer diameter continuous cutting peripheral speed: 250 m / min
Feeding speed: 0.30mm / rev
Cutting depth: 1.5mm
Cutting fluid: Yes
試料2〜27は、本発明の一実施形態に係る表面被覆切削工具であり、比較例である試料1よりも耐摩耗性及び耐チッピング性が優れていた。 Samples 2 to 27 are surface-coated cutting tools according to an embodiment of the present invention, and were superior in wear resistance and chipping resistance to Sample 1 as a comparative example.
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせたり、様々に変形することも当初から予定している。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described as described above, it is also planned from the beginning that the configurations of the above-described embodiments and examples may be appropriately combined and variously modified.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the meanings described above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 基材
2 被膜
3 第1硬質層
4 柱状結晶
4a 第1単位層
4b 第2単位層
5 下地層
6 中間層
7 アルミナ層
8 最表面層
10 表面被覆切削工具
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base material 2 Coating 3 1st hard layer 4 Columnar crystal 4a 1st unit layer 4b 2nd unit layer 5 Underlayer 6 Intermediate layer 7 Alumina layer 8 Outermost surface layer 10 Surface coating cutting tool
Claims (6)
前記被膜は、複数個の柱状結晶を有する第1硬質層を含み、
前記柱状結晶のそれぞれは、下記式(1)
TiCxNz−x (1)
(式(1)中、0.45≦x<0.70および0.80≦z≦1.20である)
で示される第1単位層と、下記式(2)
TiCyN1−A (2)
(式(2)中、0.70≦y≦1および0.80≦A≦1.20である)
で示される第2単位層とが交互に積層された多層構造を有し、
前記柱状結晶において、前記基材に最も近接する層は前記第1単位層である、表面被覆切削工具。 A surface-coated cutting tool comprising a substrate and a coating that covers the substrate,
The coating includes a first hard layer having a plurality of columnar crystals,
Each of the columnar crystals has the following formula (1):
TiC x N z-x (1)
(In Formula (1), it is 0.45 <= x <0.70 and 0.80 <= z <= 1.20)
A first unit layer represented by the following formula (2):
TiC y N 1-A (2)
(In the formula (2), 0.70 ≦ y ≦ 1 and 0.80 ≦ A ≦ 1.20)
A second unit layer indicated by a multi-layer structure alternately stacked,
In the columnar crystal, the surface-coated cutting tool, wherein the layer closest to the base material is the first unit layer.
基材を準備する工程と、
前記基材上に被膜を形成する工程とを備え、
前記被膜を形成する工程は、第1単位層形成工程と第2単位層形成工程とを含み、
前記第1単位層形成工程及び前記第2単位層形成工程は、化学気相蒸着法により、反応温度800℃以上950℃以下、かつ、圧力0.05atm以上1.0atm以下の条件下で行われ、
前記第1単位層形成工程において、TiCl4、CH3CN、N2及びH2を含む第1原料ガスを用いて、下記式(1)
TiCxNz−x (1)
(式(1)中、0.45≦x<0.70および0.80≦z≦1.20である)
で示される第1単位層を形成し、
前記第2単位層形成工程において、TiCl4、C2H4及びH2を含む第2原料ガスを用いて、下記式(2)
TiCyNA−y (2)
(式(2)中、0.70≦y≦1および0.80≦A≦1.20である)
で示される第2単位層を形成し、
前記第1単位層形成工程及び前記第2単位層形成工程は、前記第1単位層形成工程から開始される、表面被覆切削工具の製造方法。 It is a manufacturing method of the surface covering cutting tool according to any one of claims 1 to 4,
Preparing a substrate;
Forming a film on the substrate,
The step of forming the coating includes a first unit layer forming step and a second unit layer forming step,
The first unit layer forming step and the second unit layer forming step are performed by a chemical vapor deposition method under conditions of a reaction temperature of 800 ° C. or higher and 950 ° C. or lower and a pressure of 0.05 atm or higher and 1.0 atm or lower. ,
In the first unit layer forming step, using the first source gas containing TiCl 4 , CH 3 CN, N 2 and H 2 , the following formula (1)
TiC x N z-x (1)
(In formula (1), 0.45 ≦ x <0.70 and 0.80 ≦ z ≦ 1.20)
Forming a first unit layer represented by
In the second unit layer forming step, a second source gas containing TiCl 4 , C 2 H 4, and H 2 is used, and the following formula (2)
TiC y N A-y (2)
(In the formula (2), 0.70 ≦ y ≦ 1 and 0.80 ≦ A ≦ 1.20)
Forming a second unit layer represented by
The said 1st unit layer formation process and the said 2nd unit layer formation process are the manufacturing methods of the surface coating cutting tool started from the said 1st unit layer formation process.
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