JP5331210B2 - Hard coating and hard coating tool - Google Patents
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Description
本発明は硬質被膜に係り、特に、耐摩耗性および耐熱性に優れた硬質被膜に関するものである。 The present invention relates to a hard coating, and more particularly to a hard coating excellent in wear resistance and heat resistance.
高速度工具鋼や超硬合金等の工具母材などの所定の部材の表面に硬質被膜を設けることが広く行われている。そして、例えば高硬度被削材の高速加工においては、被膜の耐熱性(高温での耐酸化性)が大変重要で、工具寿命に大きく影響する。このような耐熱性に優れた硬質被膜としては、例えばTiAlN系やAlCrN系の被膜が従来から知られている(例えば特許文献1〜5参照)。また、特許文献6には、cBN(立方晶窒化硼素)やhBN(六方晶窒化硼素)を含む硬質被膜が提案されている。
It is widely performed to provide a hard coating on the surface of a predetermined member such as a tool base material such as high-speed tool steel or cemented carbide. For example, in high-speed machining of a high-hardness work material, the heat resistance of the coating (oxidation resistance at high temperatures) is very important and greatly affects the tool life. As such hard coatings excellent in heat resistance, for example, TiAlN-based and AlCrN-based coatings are conventionally known (see, for example,
しかしながら、切削加工の更なる高速化や高能率化で切れ刃が一層高温となる過酷な加工条件で使用される場合があり、硬質被膜に関しても更なる耐熱性の向上が求められている。また、環境問題から切削油剤の使用量の低減が求められているが、切削油剤の使用量を低減すると工具が高温になり易く、この点からも硬質被膜の耐熱性の向上が要求される。 However, the cutting edge may be used under severe processing conditions where the cutting edge becomes even higher due to higher speed and higher efficiency of cutting, and further improvement in heat resistance is required for hard coatings. Moreover, although reduction of the usage-amount of cutting fluid is calculated | required from the environmental problem, if the usage-amount of cutting fluid is reduced, a tool will become high temperature easily and the improvement of the heat resistance of a hard film is requested | required also from this point.
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、一層優れた耐熱性が得られる硬質被膜を提供することにある。 The present invention has been made against the background described above, and an object of the present invention is to provide a hard coating film that can obtain more excellent heat resistance.
かかる目的を達成するために、第1発明は、所定の部材の表面上に設けられる耐摩耗性および耐熱性に優れた硬質被膜であって、(a) Ala Crb Xc αd N〔但し、Xは結合状態がSP2またはSP3の混成軌道のBNで、10分子以上から成る直径が1nm〜1000nmの範囲内の塊であり、アモルファス状態のBN、またはcBN、hBNの少なくとも一方の結晶を含むもので、αは元素の周期表のIVa族、Va族、VIa族(Crを除く)、B、C、Si、Yの中の1種類以上の元素であり、a、b、c、dはそれぞれ原子比で、0.35≦a≦0.76、0.12≦b≦0.43、0.02≦c≦0.20、0≦d≦0.20の範囲内であり、且つAlに対するCrの原子比の割合b/aは0.25≦b/a≦0.67の範囲内でアルミニウムリッチであり、a+b+c+d=1である〕から成り、最表面に設けられる第1被膜を備えているとともに、(b) 総膜厚Ttotal は0.5〜15μmの範囲内で、前記第1被膜の膜厚T1、または第1被膜と同じ被膜成分を有する他の被膜部分を備えている場合はその他の被膜部分を含めた膜厚が、総膜厚Ttotal の20%以上であることを特徴とする。In order to achieve this object, the first invention is a hard coating having excellent wear resistance and heat resistance provided on the surface of a predetermined member, comprising: (a) Al a Cr b X c α d N [ However, X is a BN having a hybrid orbital with SP2 or SP3 in the bound state, and is a mass having a diameter of 1 nm to 1000 nm consisting of 10 or more molecules, and is an amorphous BN, or at least one crystal of cBN or hBN. Α is one or more elements of groups IVa, Va, VIa (excluding Cr), B, C, Si, Y of the periodic table of elements, and a, b, c, d Are atomic ratios of 0.35 ≦ a ≦ 0.76, 0.12 ≦ b ≦ 0.43, 0.02 ≦ c ≦ 0.20, 0 ≦ d ≦ 0.20, and The ratio b / a of the atomic ratio of Cr to Al is within the range of 0.25 ≦ b / a ≦ 0.67. And is provided with a first film provided on the outermost surface, and (b) the total film thickness Ttotal is in the range of 0.5 to 15 μm, and the first film The film thickness including the other film portion when the other film portion having the same film component as the first film or the first film is 20% or more of the total film thickness Ttotal To do.
第2発明は、第1発明の硬質被膜において、(a) 前記第1被膜が前記所定の部材の表面上に直接設けられ、その第1被膜のみにて構成されており、(b) その第1被膜の膜厚T1が総膜厚Ttotal であることを特徴とする。 The second invention is the hard coating of the first invention, wherein (a) the first coating is provided directly on the surface of the predetermined member and is constituted only by the first coating; (b) the first coating One film thickness T1 is a total film thickness Ttotal.
第3発明は、第1発明の硬質被膜において、前記所定の部材と前記第1被膜との間であってその所定の部材の表面上には、Tie Alf Crg βh N〔但し、βは元素の周期表のIVa族、Va族、VIa族(Ti、Crを除く)、B、C、Si、Yの中の1種類以上の元素であり、e、f、g、hはそれぞれ原子比で、0≦e≦0.64、0.32≦f≦0.81、0≦g≦0.40、0≦h≦0.20の範囲内であり、且つeとgは同時に0にはならず、e+f+g+h=1である〕から成る第2被膜が設けられていることを特徴とする。According to a third invention, in the hard coating of the first invention, Ti e Al f Cr g β h N [provided that the surface of the predetermined member is between the predetermined member and the first coating; β is one or more elements in groups IVa, Va, VIa (excluding Ti and Cr), B, C, Si, and Y of the periodic table of elements, and e, f, g, and h are respectively The atomic ratio is within the range of 0 ≦ e ≦ 0.64, 0.32 ≦ f ≦ 0.81, 0 ≦ g ≦ 0.40, 0 ≦ h ≦ 0.20, and e and g are 0 at the same time. And e + f + g + h = 1] is provided.
第4発明は、第3発明の硬質被膜において、(a) 前記第1被膜は前記第2被膜の上に直接設けられ、それ等の第1被膜および第2被膜のみにて構成されており、(b) 前記第1被膜の膜厚T1が総膜厚Ttotal の20%以上であることを特徴とする。 4th invention is the hard film of 3rd invention, (a) The said 1st film is directly provided on the said 2nd film, and is comprised only by those 1st films and 2nd films, (b) The film thickness T1 of the first film is 20% or more of the total film thickness Ttotal.
第5発明は、第3発明の硬質被膜において、前記第1被膜と前記第2被膜との間には、それ等の第1被膜および第2被膜と同じ被膜成分の被膜が交互に積層された交互層または第1被膜および第2被膜が混ざった被膜成分の混合層にて構成されている中間層が設けられていることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the hard coating according to the third aspect of the present invention, coatings having the same coating component as those of the first coating and the second coating are alternately laminated between the first coating and the second coating. The present invention is characterized in that an intermediate layer composed of alternating layers or a mixed layer of coating components in which the first coating and the second coating are mixed is provided.
第6発明は硬質被膜被覆工具に関するもので、第1発明〜第5発明の何れかの硬質被膜で工具母材の表面が被覆されていることを特徴とする。 The sixth invention relates to a hard coating coated tool, characterized in that the surface of the tool base material is coated with the hard coating of any one of the first to fifth inventions.
第1発明の硬質被膜によれば、Alに対するCrの原子比の割合b/aが0.25≦b/a≦0.67の範囲内のアルミニウムリッチのAlCrN系の被膜に、所定の結合状態のBNから成るXが0.02〜0.20の原子比で添加されたAla Crb Xc αd Nの第1被膜が、少なくとも最表面に設けられるとともに、その第1被膜の膜厚T1、または第1被膜と同じ被膜成分を有する他の被膜部分を備えている場合はその他の被膜部分を含めた膜厚が、総膜厚Ttotal の20%以上であるため、優れた耐熱性(高温での耐酸化性)が得られるようになる。すなわち、上記Xに含まれるアモルファス状態のBN、或いはcBN、hBNの結晶は、何れも高温での酸化に強いとともに、このようなアモルファス状態のBN、cBN、hBNの存在で被膜内への酸素の拡散を遅らせることができる。また、cBNは非常に高硬度(一般に6000〜7500HV程度)であるため耐摩耗性が向上し、優れた耐久性が得られるとともに、hBNやアモルファス状態のBNは潤滑性に優れているため耐溶着性が向上する。これにより、例えば切込み量が大きい高負荷切削等の高能率加工や、高硬度材に対する高速切削加工など切れ刃が高温になる過酷な条件下での切削加工が可能になり、或いはそのような切削加工での工具寿命が向上するとともに、切削油剤の使用量を低減することが可能となる。According to the hard coating of the first aspect of the present invention, an aluminum-rich AlCrN-based coating in which the ratio of the atomic ratio of Cr to Al (b / a) is in the range of 0.25 ≦ b / a ≦ 0.67 has a predetermined bonding state. A first film of Al a Cr b X c α d N added with an atomic ratio of 0.02 to 0.20 consisting of BN is provided on at least the outermost surface, and the film thickness of the first film When T1 or other film portions having the same film component as the first film are provided, the film thickness including the other film portions is 20% or more of the total film thickness Ttotal. (Oxidation resistance at high temperature) can be obtained. That is, the amorphous BN or cBN, hBN crystals contained in the X are all resistant to oxidation at high temperatures, and the presence of such amorphous BN, cBN, hBN causes oxygen to enter the film. Diffusion can be delayed. In addition, cBN has extremely high hardness (generally around 6000-7500 HV), so it has improved wear resistance and excellent durability, and hBN and amorphous BN have excellent lubricity and are therefore resistant to welding. Improves. This enables high-efficiency machining such as high-load cutting with a large depth of cut and cutting under severe conditions where the cutting edge is at a high temperature, such as high-speed cutting for hard materials, or such cutting. The tool life in machining is improved, and the amount of cutting fluid used can be reduced.
また、αが0.20以下の原子比で添加される場合は、一層優れた耐熱性が得られるようになる。これにより、例えば高速切削穴明け加工など刃先が局部的(ドリルのコーナーなど)に長い時間高温に晒される条件下において、優れた耐摩耗性、耐熱性が得られるようになり、耐久性(工具寿命)が向上する。すなわち、切れ刃に略均等に負荷が作用するエンドミル等においては、αの添加による明確な耐久性向上効果は認められなかったが、ドリルによる高速穴明け加工では、α添加無しの場合に比較して耐久性が更に向上した。 Further, when α is added at an atomic ratio of 0.20 or less, more excellent heat resistance can be obtained. This makes it possible to obtain excellent wear resistance and heat resistance under conditions in which the cutting edge is exposed to high temperatures for a long time (such as drill corners) for a long period of time, such as high-speed drilling. (Lifetime) is improved. In other words, in end mills, etc., where the load acts on the cutting edge almost evenly, a clear durability improvement effect due to the addition of α was not observed, but in high-speed drilling with a drill, compared to the case without α addition. Durability is further improved.
第3発明は、所定の部材の表面上に強靱で付着力に優れたTie Alf Crg βh Nの第2被膜が設けられる場合で、硬質被膜の付着力が向上するとともに、第1被膜の被膜成分を有する部分の膜厚は総膜厚Ttotal の20%以上であるため、その第1被膜の被膜成分による耐熱性の向上効果が適切に得られる。これにより、例えば50HRC以上の高硬度被削材にドライ加工(エアブロー)で高速切削加工を行う場合でも被膜剥離が抑制され、優れた耐摩耗性および耐熱性が適切に得られるようになる。また、この第2被膜についても、βが0.20以下の原子比で添加されることにより、一層優れた耐熱性が得られるようになる。例えば、TiAl化合物において、Tiの酸化がAlの酸化より速いため耐酸化性が悪い場合があるが、βを添加することでTi酸化物の酸素空孔濃度が減少し、その成長速度が小さくなることが期待できる。その結果均一なAl酸化物層が出来やすくなり、耐酸化性を得ることが可能となる。The third aspect of the present invention, the second coating of a given Ti e Al f Cr g β h N having excellent adhesion with strong on the surface of the member is provided, thereby improving the adhesion of the hard coating, first Since the film thickness of the portion having the film component of the film is 20% or more of the total film thickness Ttotal, the effect of improving the heat resistance by the film component of the first film is appropriately obtained. Thereby, for example, even when a high-hardness work material of 50 HRC or higher is subjected to high-speed cutting by dry processing (air blow), film peeling is suppressed, and excellent wear resistance and heat resistance can be appropriately obtained. In addition, even when the second coating is added at an atomic ratio of β of 0.20 or less, further excellent heat resistance can be obtained. For example, in a TiAl compound, oxidation resistance may be poor because oxidation of Ti is faster than oxidation of Al, but adding β decreases the oxygen vacancy concentration of the Ti oxide and decreases its growth rate. I can expect that. As a result, a uniform Al oxide layer can be easily formed and oxidation resistance can be obtained.
第5発明は、第1被膜と第2被膜との間に、それ等の第1被膜および第2被膜と同じ被膜成分の被膜が交互に積層された交互層または第1被膜および第2被膜が混ざった被膜成分の混合層にて構成されている中間層が設けられている場合で、第1被膜の密着性が更に向上するとともに被膜全体の靱性が向上する。これにより、難削材(硬くてねばい材料)の加工に対しても表層剥離が抑制され、長時間安定した加工性能が得られるようになって工具寿命が向上する。 According to a fifth aspect of the present invention, an alternating layer or a first coating and a second coating in which coatings of the same coating component as those of the first coating and the second coating are alternately laminated between the first coating and the second coating. In the case where an intermediate layer composed of a mixed layer of mixed coating components is provided, the adhesion of the first coating is further improved and the toughness of the entire coating is improved. As a result, even when difficult-to-cut materials (hard and sticky materials) are processed, surface layer peeling is suppressed, and long-term stable processing performance can be obtained, thereby improving the tool life.
第6発明は硬質被膜被覆工具に関するもので、第1発明〜第5発明の何れかの硬質被膜で工具母材の表面が被覆されている場合であり、実質的に第1発明〜第5発明の硬質被膜と同様の作用効果が得られる。 The sixth invention relates to a hard coating coated tool, which is a case where the surface of the tool base material is coated with the hard coating of any of the first invention to the fifth invention, and is substantially the first invention to the fifth invention. The same effect as that of the hard coating can be obtained.
本発明は、エンドミルやタップ、ドリルなどの回転切削工具の他、バイト等の非回転式の切削工具、或いは転造工具など、種々の加工工具の表面に設けられる硬質被膜に好適に適用されるが、半導体装置等の表面保護膜など加工工具以外の部材の表面に設けられる硬質被膜にも適用できる。硬質被膜被覆工具の工具母材としては、超硬合金や高速度工具鋼、合金工具鋼、サーメット、セラミックス、多結晶ダイヤモンド(PCD)、単結晶ダイヤモンド、多結晶CBN、単結晶CBNが好適に用いられるが、他の工具材料を採用することもできる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitably applied to hard coatings provided on the surfaces of various processing tools such as end mills, taps, and rotary cutting tools such as drills, non-rotating cutting tools such as cutting tools, and rolling tools. However, the present invention can also be applied to a hard coating provided on the surface of a member other than a processing tool such as a surface protective film of a semiconductor device or the like. As the tool base material of the hard coating coated tool, cemented carbide, high speed tool steel, alloy tool steel, cermet, ceramics, polycrystalline diamond (PCD), single crystal diamond, polycrystalline CBN, single crystal CBN are preferably used. However, other tool materials can be employed.
硬質被膜の形成手段としては、アークイオンプレーティング法やスパッタリング法、PLD(Puls LASER Deposition )法等のPVD法(物理蒸着法)が好適に用いられる。硬質被膜を構成するAl、Cr、Ti、α、β等については、それ等の単独の金属や合金等をターゲットとして用いて成膜処理を行うこともできるが、Ala Crb 、Ala Crb αd 、Tie Alf 、Tie Alf Crg 、Tie Alf βh 、Tie Alf Crg βh の合金等をターゲットとして用いて成膜処理を行うこともできる。結合状態がSP2またはSP3の混成軌道のBNで、10分子以上から成る直径が1nm〜1000nmの範囲内の塊であり、且つアモルファス状態のBN、またはcBN、hBNの少なくとも一方の結晶を含むXについては、cBNをターゲットとして用いて成膜処理を行うことによって得られる。Xは、アモルファス状態のBN中にcBNおよびhBNの両方の結晶を含んでいるものが望ましいが、アモルファス状態のBN中にcBN、hBNの何れか一方を含むだけでも良いし、アモルファス状態のBNだけでcBN、hBNの結晶を何れも含まないものでも良いなど、成膜条件によって種々の結合状態が得られる。N(窒素)については、反応ガスの供給で添加することができる。α、βの選択肢であるC(炭素)については、反応ガス(炭化水素ガスなど)の供給、或いは固体ターゲット(Cターゲット、C含有ターゲット)により添加できる。As a means for forming the hard coating, a PVD method (physical vapor deposition method) such as an arc ion plating method, a sputtering method, or a PLD (Puls LASER Deposition) method is preferably used. Al, Cr, Ti, α, β, etc. constituting the hard coating can be formed using a single metal or alloy as a target, but Al a Cr b , Al a Cr b α d, Ti e Al f , Ti e Al f Cr g, a Ti e Al f β h, Ti e Al f Cr g β h of alloy can be performed a film forming process by using as a target. Regarding X containing hybrid orbital BN of SP2 or SP3, which is a lump with a diameter of 10 nm or more in the range of 1 nm to 1000 nm and containing BN in an amorphous state, or at least one crystal of cBN and hBN Is obtained by performing a film forming process using cBN as a target. X preferably contains both cBN and hBN crystals in amorphous BN, but may contain either cBN or hBN in amorphous BN, or only amorphous BN. In this case, various bonding states can be obtained depending on the film forming conditions, for example, it may not contain any of cBN and hBN crystals. N (nitrogen) can be added by supplying the reaction gas. C (carbon), which is an option for α and β, can be added by supplying a reaction gas (hydrocarbon gas or the like) or by a solid target (C target, C-containing target).
硬質被膜被覆工具は、例えば高速や高負荷での乾式切削加工、高硬度被削材に対する高速切削加工など切れ刃が高温となる加工条件で使用する場合に好適に用いられ、優れた耐久性(工具寿命)が得られるようになるが、耐摩耗性や耐熱性がそれ程要求されない加工条件下、例えば切削油剤を用いた切削加工等で使用することも勿論可能である。 Hard-coated tools are suitable for use in cutting conditions where the cutting edge is at a high temperature, such as dry cutting at high speed and high load, and high-speed cutting on high-hardness workpieces, and have excellent durability ( (Tool life) can be obtained, but it is of course possible to use it under machining conditions that do not require so much wear resistance and heat resistance, for example, cutting using a cutting fluid.
第1被膜のαおよび第2被膜のβは、何れもその原子比d、hが0を含んでおり、任意に添加されるもので、第1被膜はAla Crb Xc N〔但し、a+b+c=1〕であっても良いし、第2被膜はTie Alf Crg N〔但し、e+f+g=1〕であっても良い。α或いはβを添加する場合、原子比a〜dは、a+b+c+d=1の関係となるように定められ、原子比e〜hは、e+f+g+h=1の関係となるように定められる。αおよびβを共に添加する場合、α=βであっても良いし、α≠βであっても良い。Α of the first film and β of the second film both have an atomic ratio d, h of 0, and are optionally added. The first film is made of Al a Cr b X c N [however, a + b + c = 1] may be a second coating Ti e Al f Cr g N [however, may be e + f + g = 1]. When α or β is added, the atomic ratios a to d are determined to have a relationship of a + b + c + d = 1, and the atomic ratios e to h are determined to have a relationship of e + f + g + h = 1. When both α and β are added, α = β may be satisfied, or α ≠ β may be satisfied.
第2被膜のTiおよびCrの原子比e、gは0を含んでいるが、それ等の原子比eおよびgが同時に0となることはなく、少なくともTiおよびCrの何れか一方を含んで構成される。TiおよびCrの両方を所定の原子比で含有していても良い。言い換えれば、第2被膜としてはTiAlCrβNの他、TiAlβN、或いはAlCrβNを用いることができる。 The atomic ratios e and g of Ti and Cr in the second coating include 0, but the atomic ratios e and g do not become 0 at the same time, and include at least one of Ti and Cr. Is done. Both Ti and Cr may be contained in a predetermined atomic ratio. In other words, in addition to TiAlCrβN, TiAlβN or AlCrβN can be used as the second coating.
硬質被膜の総膜厚Ttotal は0.5μm〜15μmの範囲内であるが、0.5μm未満の場合は硬質被膜としての性能が十分に得られず、15μmを超えると切削工具の刃先が丸くなるなどして工具性能が損なわれる可能性がある。また、この総膜厚Ttotal に対して第1被膜および第1被膜と同じ被膜成分を有する他の被膜部分を含めた膜厚が20%未満であると、その第1被膜の被膜成分による耐熱性の向上効果が十分に得られないため、20%以上に設定される。第1被膜と同じ被膜成分を有する他の被膜部分とは、例えば第1被膜と同じ被膜成分の被膜と他の被膜とが交互に積層された交互層、或いは第1被膜の被膜成分と他の被膜成分とが混ざった混合層などを含む趣旨で、交互層の場合は第1被膜と同じ被膜成分の被膜部分の合計膜厚を含み、混合層の場合はその全膜厚を含む。なお、最表面に位置する第1被膜の膜厚T1だけで総膜厚Ttotal の20%以上となるようにすることが一層望ましい。 The total film thickness Ttotal of the hard coating is in the range of 0.5 μm to 15 μm, but if it is less than 0.5 μm, sufficient performance as a hard coating cannot be obtained, and if it exceeds 15 μm, the cutting edge of the cutting tool becomes round. For example, the tool performance may be impaired. Further, if the film thickness including the first film and other film parts having the same film component as the first film is less than 20% with respect to the total film thickness Ttotal, the heat resistance due to the film component of the first film Since the improvement effect is not sufficiently obtained, it is set to 20% or more. The other film portion having the same film component as the first film is, for example, an alternating layer in which a film of the same film component as the first film and another film are alternately laminated, or a film component of the first film and other In order to include a mixed layer mixed with a film component, the alternate layer includes the total film thickness of the film portion of the same film component as the first film, and the mixed layer includes the total film thickness. It is more desirable that only the film thickness T1 of the first coating located on the outermost surface is 20% or more of the total film thickness Ttotal.
第3発明では所定の部材と第1被膜との間に第2被膜が設けられ、第5発明では、その第2被膜と第1被膜との間に更に中間層が設けられるが、第1発明の実施に際しては、少なくとも第1被膜が最表面に位置するように設けられれば良く、第2発明のように第1被膜のみで硬質被膜を構成することもできるし、第2被膜とは成分が異なる他の下地層が所定の部材と第1被膜との間に設けられても良い。また、所定の部材と第1被膜との間に、上記第2被膜や中間層とは異なる2種類以上の被膜を設けることも可能で、硬質被膜の総膜厚Ttotal に対して第1被膜およびその第1被膜と同じ被膜成分を有する部分の合計膜厚が20%以上であることを条件として種々の態様が可能である。第3発明の実施に際しては、第2被膜および第1被膜と同じ被膜成分の被膜を交互に積層した多層構造の硬質被膜を採用することもできる。その場合は、第1被膜と同じ被膜成分の被膜の合計膜厚に第1被膜の膜厚T1を加算した膜厚が総膜厚Ttotal の20%以上になるようにすれば良い。 In the third invention, a second film is provided between the predetermined member and the first film, and in the fifth invention, an intermediate layer is further provided between the second film and the first film. In the implementation of the above, it is sufficient that at least the first coating is provided on the outermost surface, and the hard coating can be constituted by only the first coating as in the second invention. Another different underlayer may be provided between the predetermined member and the first coating. It is also possible to provide two or more types of coatings different from the second coating and the intermediate layer between the predetermined member and the first coating, and the first coating and the total thickness Ttotal of the hard coating Various modes are possible on condition that the total film thickness of the portion having the same film component as that of the first film is 20% or more. In carrying out the third invention, a hard coating having a multilayer structure in which coatings of the same coating component as the second coating and the first coating are alternately laminated can be employed. In this case, the total film thickness of the film having the same film component as that of the first film may be set so that the film thickness T1 of the first film is 20% or more of the total film thickness Ttotal.
第5発明の中間層は、第1被膜および第2被膜と同じ被膜成分の被膜が交互に積層された交互層または第1被膜および第2被膜が混ざった被膜成分の混合層にて構成されているが、交互層は少なくとも第1被膜および第2被膜と同じ被膜成分の被膜が1周期積層されれば良いとともに、両者の膜厚は同じであっても異なっていても良いなど、積層周期数や個々の膜厚等は適宜設定される。混合層は、第1被膜および第2被膜の成分を総て含んでいるもので、第1被膜および第2被膜の成膜処理で使用するターゲットおよび反応ガス等を総て用いることによって形成できる。この中間層の膜厚は、中間層のうち第1被膜の被膜成分を有する部分の膜厚(混合層の場合は全膜厚で、交互層の場合は第1被膜と同じ被膜成分の被膜の合計膜厚)と第1被膜の膜厚T1とを合わせた膜厚が総膜厚Ttotal の20%以上となるように適宜設定されるが、最表面の第1被膜の膜厚T1だけで総膜厚Ttotal の20%以上になるようにしても良い。上記混合層または他の被膜を介在させながら第1被膜および第2被膜と同じ被膜成分の被膜を交互に1周期以上積層した多層構造の交互層を中間層として採用することもできる。 The intermediate layer of the fifth invention is composed of an alternating layer in which coatings of the same coating component as the first coating and the second coating are alternately laminated or a mixed layer of coating components in which the first coating and the second coating are mixed. However, the alternating layers only need to have at least one cycle of coatings of the same coating component as the first coating and the second coating, and the thickness of both layers may be the same or different. And individual film thicknesses are set as appropriate. The mixed layer contains all the components of the first film and the second film, and can be formed by using all of the target, reaction gas, and the like used in the film formation process of the first film and the second film. The thickness of this intermediate layer is the thickness of the portion of the intermediate layer that has the coating component of the first coating (the total thickness in the case of the mixed layer, and the coating component having the same coating component as that of the first coating in the case of the alternating layer). The total film thickness) and the film thickness T1 of the first coating are appropriately set so as to be 20% or more of the total film thickness Ttotal. You may make it become 20% or more of film thickness Ttotal. An alternating layer having a multilayer structure in which coatings of the same coating component as that of the first coating and the second coating are alternately laminated for one period or more with the mixed layer or another coating interposed may be employed as the intermediate layer.
以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は、本発明が適用された硬質被膜被覆工具の一例であるボールエンドミル10を説明する図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図、(b) は先端側((a) の図の右方向)から見た拡大底面図であり、超硬合金或いは高速度工具鋼にて構成されている工具母材12にはシャンクに連続して刃部14が一体に設けられている。刃部14には、切れ刃として一対の外周刃16およびボール刃18が軸心に対して対称的に設けられており、軸心まわりに回転駆動されることによりそれ等の外周刃16およびボール刃18によって切削加工が行われるとともに、その刃部14の表面には硬質被膜20がコーティングされている。図1(a) の斜線部は硬質被膜20を表しており、図1の(c) は、硬質被膜20がコーティングされた刃部14の表面近傍の断面図である。ボールエンドミル10は回転切削工具で、工具母材12は硬質被膜20が設けられる所定の部材に相当する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1A and 1B are views for explaining a
図1(c) から明らかなように、硬質被膜20は、工具母材12の表面上に直接設けられた第1被膜22のみから成る単層の被膜である。この第1被膜22は、Ala Crb Xc αd N〔但し、Xは結合状態がSP2またはSP3の混成軌道のBNで、10分子以上から成る直径が1nm〜1000nmの範囲内の塊であり、アモルファス状態のBN、またはcBN、hBNの少なくとも一方の結晶を含むもので、αは元素の周期表のIVa族、Va族、VIa族(Crを除く)、B、C、Si、Yの中の1種類以上の元素であり、a、b、c、dはそれぞれ原子比で、0.35≦a≦0.76、0.12≦b≦0.43、0.02≦c≦0.20、0≦d≦0.20の範囲内であり、且つAlに対するCrの原子比の割合b/aは0.25≦b/a≦0.67の範囲内でアルミニウムリッチであり、a+b+c+d=1である〕にて構成されており、本実施例ではアモルファス状態のBN中にcBNおよびhBNの結晶を共に含むXを有する。このような第1被膜22は、例えばアークイオンプレーティング装置を用いて、所定のターゲットおよび反応ガスにより成膜することができる。この第1被膜22の膜厚T1、すなわち硬質被膜20の総膜厚Ttotal は、0.5〜15μmの範囲内である。図7に示す試験品No01〜No17の硬質被膜は、本実施例の硬質被膜20の具体例である。As is clear from FIG. 1 (c), the
ここで、結合状態がSP2またはSP3の混成軌道のBNで、10分子以上から成る直径が1nm〜1000nmの範囲内の塊であり、且つアモルファス状態のBN、またはcBN、hBNの少なくとも一方の結晶を含むXについては、cBNをターゲットとして用いて成膜処理を行うことによって得られる。図2は、本実施例の第1被膜22の被膜構造の概念図で、上記Xの要件を満足する所定の結合状態のBNがAlCrN膜(αの原子比d=0の場合)の中に略均一に分散した状態で存在しており、BとNとが別々に存在している単なるAlCrBNとは相違する。また、図3は、本発明品であるAlCr(BN)N膜および従来品であるAlCrN膜をそれぞれ超硬合金上に成膜し、XRD(X-ray Diffraction ; X線回折)による測定結果を比較して示した図で、本発明品〔AlCr(BN)N膜〕では所定の角度位置でcBNおよびhBNの結晶によるピークが発生し、このピークの有無からcBNやhBNを含むBNを有するか否かを判断できる。図3は、アモルファス状態のBN中にcBNおよびhBNの結晶が共に存在する場合であるが、アモルファス状態のBN中にcBN、hBNの何れか一方のみを含む場合や、アモルファス状態のBNだけでcBN、hBNの結晶を何れも含まない場合など、成膜条件によって種々の結合状態が可能である。
Here, a bonded orbital BN of SP2 or SP3 is a lump having a diameter of 10 nm or more in the range of 1 nm to 1000 nm, and an amorphous BN, or at least one of cBN and hBN crystals. Containing X can be obtained by performing a film forming process using cBN as a target. FIG. 2 is a conceptual diagram of the film structure of the
このような本実施例のボールエンドミル10の硬質被膜20は、Alに対するCrの原子比の割合b/aが0.25≦b/a≦0.67の範囲内のアルミニウムリッチのAlCrN系の被膜に、所定の結合状態のBNから成るXが0.02〜0.20の原子比で添加されたAla Crb Xc αd Nの第1被膜22によって構成されているため、優れた耐熱性(高温での耐酸化性)が得られるようになる。すなわち、アモルファス状態のBNやcBN、hBNの結晶は何れも高温での酸化に強いとともに、このようなアモルファス状態のBN、cBN、hBNの存在で硬質被膜20内への酸素の拡散を遅らせることができるのである。また、cBNは非常に高硬度であるため耐摩耗性が向上し、優れた耐久性が得られるとともに、hBNやアモルファス状態のBNは潤滑性に優れているため耐溶着性が向上する。これにより、例えば切込み量が大きい高負荷切削等の高能率加工や、高硬度材に対する高速切削加工など切れ刃が高温になる過酷な条件下での切削加工が可能になり、或いはそのような切削加工での工具寿命が向上するとともに、切削油剤の使用量を低減することが可能となる。The
また、αが0.20以下の原子比で添加される場合(例えば図7の試験品No08〜No11、No16、No17)は、一層優れた耐熱性が得られるようになる。これにより、例えば高速切削穴明け加工など刃先が局部的(ドリルのコーナーなど)に長い時間高温に晒される条件下において、優れた耐摩耗性、耐熱性が得られるようになり、耐久性(工具寿命)が向上する。なお、本実施例のボールエンドミル10のようにボール刃18に略均等に負荷が作用する場合は、αの添加による明確な耐久性向上効果は認められなかった。
Further, when α is added at an atomic ratio of 0.20 or less (for example, test products No. 08 to No. 11, No. 16, No. 17 in FIG. 7), further excellent heat resistance can be obtained. This makes it possible to obtain excellent wear resistance and heat resistance under conditions in which the cutting edge is exposed to high temperatures for a long time (such as drill corners) for a long period of time, such as high-speed drilling. (Lifetime) is improved. In addition, when a load acts on the
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実施例において前記実施例1と実質的に共通する部分には同一の符号を付して詳しい説明を省略する。 Next, another embodiment of the present invention will be described. In the following embodiments, parts that are substantially the same as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図4の(a) の硬質被膜30は、前記工具母材12と第1被膜22との間に第2被膜32が介在させられている。この第2被膜32は、Tie Alf Crg βh N〔但し、βは元素の周期表のIVa族、Va族、VIa族(Ti、Crを除く)、B、C、Si、Yの中の1種類以上の元素であり、e、f、g、hはそれぞれ原子比で、0≦e≦0.64、0.32≦f≦0.81、0≦g≦0.40、0≦h≦0.20の範囲内であり、且つeとgは同時に0にはならず、e+f+g+h=1である〕にて構成されており、第1被膜22と同様にアークイオンプレーティング装置を用いて、所定のターゲットおよび反応ガスにより成膜されている。この場合の硬質被膜30の総膜厚Ttotal は、前記硬質被膜20と同じく0.5〜15μmの範囲内であり、第1被膜22の膜厚T1は総膜厚Ttotal の20%以上で、残りが第2被膜32の膜厚となる。図9および図10に示す試験品No27〜53の硬質被膜は、本実施例の硬質被膜30の具体例である。In the
このような本実施例の硬質被膜30においては、工具母材12と第1被膜22との間に強靱で付着力に優れたTie Alf Crg βh Nから成る第2被膜32が設けられているため、硬質被膜30の付着力が向上するとともに、第1被膜22の膜厚T1は総膜厚Ttotal の20%以上であるため、その第1被膜22による耐熱性の向上効果が適切に得られる。これにより、例えば50HRC以上の高硬度被削材にドライ加工(エアブロー)で高速切削加工を行う場合でも被膜剥離が抑制され、優れた耐摩耗性および耐熱性が適切に得られるようになる。また、この第2被膜32についても、βが0.20以下の原子比で添加されることにより、一層優れた耐熱性が得られるようになる。In such a
図4の(b) の硬質被膜34は、上記第1被膜22と第2被膜32との間にそれ等と被膜成分が等しい一対の被膜23、33が交互に1周期以上(実施例は複数周期)積層された多層構造の被膜で、実質的に最表面が第1被膜22になるように第2被膜32および第1被膜22を交互に工具母材12上に積層したものである。この硬質被膜34の総膜厚Ttotal は0.5〜15μmの範囲内で、第1被膜22の被膜成分と等しい複数の被膜23の合計膜厚に第1被膜22の膜厚T1を加えた膜厚が総膜厚Ttotal の20%以上となるように各膜厚が定められる。図では、被膜22、23、32、33の各膜厚が互いに略同じであるが、第1被膜22の膜厚T1を他の被膜23、32、33の膜厚よりも大きくするなど適宜設定できる。
4 (b), a pair of
このような本実施例の硬質被膜34においても、工具母材12上に第2被膜32が設けられているため、前記硬質被膜30と同様の作用効果が得られる。また、この硬質被膜34は、第1被膜22と第2被膜32との間にそれ等と被膜成分が等しい一対の被膜23、33が交互に1周期以上積層された多層構造であるため、第1被膜22の密着性が更に向上するとともに硬質被膜34全体の靱性が向上する。第1被膜22の被膜成分と等しい複数の被膜23の合計膜厚に第1被膜22の膜厚T1を加えた膜厚が総膜厚Ttotal の20%以上であるため、その第1被膜22の被膜成分による耐熱性の向上効果が適切に得られる。第1被膜22および第2被膜32と被膜成分が等しい一対の被膜23、33が交互に1周期以上積層された多層構造の被膜部分は中間層(この実施例では交互層)に相当する。
Also in the
図5の(a) の硬質被膜40は、前記実施例2の硬質被膜30の第1被膜22と第2被膜32との間に更に中間層42を設けた場合である。この中間層42は、第1被膜22および第2被膜32と同じ被膜成分の被膜が交互に積層された交互層または第1被膜22および第2被膜32が混ざった被膜成分の混合層で、本実施例では中間層42として混合層が設けられている。この混合層は、第1被膜22および第2被膜32の成分を総て含んでいるもので、第1被膜22および第2被膜32の成膜処理で使用するターゲットおよび反応ガス等を総て用いることによって形成されており、第2被膜32の成膜処理に続いて連続して中間層42を形成し、更に第1被膜22を連続して形成することができる。この硬質被膜40の総膜厚Ttotal は0.5〜15μmの範囲内で、第1被膜22と中間層(混合層の場合)42とを合わせた膜厚T2は総膜厚Ttotal の20%以上で、残りが第2被膜32の膜厚である。中間層42の膜厚は、膜厚T2が総膜厚Ttotal の20%以上となるように適宜設定されるが、最表面の第1被膜22の膜厚T1だけで総膜厚Ttotal の20%以上になるようにしても良い。
The
図9および図10に示す各試験品の中、「膜厚(μm)」の項目の「中間層」の項目に数値(膜厚)が記載されている試験品No27、No29、No32、No35、No39、No43、No45、No48、No50の硬質被膜は、本実施例の硬質被膜40の具体例である。
Among the test products shown in FIGS. 9 and 10, test products No. 27, No. 29, No. 32, No. 35 whose numerical values (film thicknesses) are described in the “intermediate layer” item of the “film thickness (μm)” item, The hard coating of No39, No43, No45, No48, No50 is a specific example of the
このような本実施例の硬質被膜40においては、第1被膜22と第2被膜32との間に、それ等の第1被膜22および第2被膜32と同じ被膜成分の被膜が交互に積層された交互層または第1被膜22および第2被膜32が混ざった被膜成分の混合層から成る中間層42が設けられているため、第1被膜22の密着性が更に向上するとともに硬質被膜40全体の靱性が向上する。また、その中間層(混合層の場合)42と第1被膜22とを合わせた膜厚T2は総膜厚Ttotal の20%以上であるため、その第1被膜22の被膜成分による耐熱性の向上効果が適切に得られる。中間層42が交互層の場合は、第1被膜22と同じ被膜成分の被膜部分の合計膜厚に第1被膜22の膜厚T1を加えた膜厚が総膜厚Ttotal の20%以上とされれば良い。これにより、難削材(硬くてねばい材料)の加工に対しても表層剥離が抑制され、長時間安定した加工性能が得られるようになって工具寿命が向上する。
In the
図5の(b) の硬質被膜44は、第1被膜22と第2被膜32との間にそれ等と被膜成分が等しい一対の被膜23、33を上記中間層42を挟むようにして交互に1周期以上(実施例は複数周期)積層した多層構造の被膜で、実質的に最表面が第1被膜22になるように中間層42を介在させながら第2被膜32と第1被膜22とを交互に工具母材12上に積層したものである。この硬質被膜44の総膜厚Ttotal は0.5〜15μmの範囲内で、第1被膜22の被膜成分と等しい複数の被膜23および混合層から成る中間層42の合計膜厚に第1被膜22の膜厚T1を加えた膜厚が総膜厚Ttotal の20%以上となるように各膜厚が定められる。図では、被膜22、23、32、33、42の各膜厚が互いに略同じであるが、第1被膜22の膜厚T1を他の被膜23、32、33、42の膜厚よりも大きくするなど適宜設定できる。本実施例でも、一対の被膜23、33の間に中間層42が設けられるため、前記硬質被膜40と同様の作用効果が得られるのに加えて、それ等の被膜23、33が中間層42を挟んで交互に1周期以上積層された多層構造であるため、密着性および靱性が一層向上する。このように第1被膜22および第2被膜32と同じ被膜成分の一対の被膜23、33を、中間層42を挟むようにして交互に1周期以上積層した多層構造の被膜も交互層の一態様である。
The
次に、工具母材が溶製ハイス(高速度工具鋼)で直径が10mmの2枚刃のスクエアエンドミルについて、図7に示すように第1被膜22の単層から成る前記実施例1の硬質被膜20が設けられた本発明品を含む複数種類の試験品No01〜No26を用意し、被膜硬さ(HV0.025)を測定するとともに、耐熱性試験および耐久性試験を行った結果を説明する。被膜硬さは3000未満をNG(不合格)とする。耐熱性試験は、試験品を大気圧・空気雰囲気中で1000℃に1時間晒した際の酸化層厚さを測定した。硬質被膜が総て酸化した全酸化は勿論、酸化層厚さが0.7μm以上の場合はNGとする。また、耐久性試験は、図6に示す試験条件で炭素鋼(JISで規定のS50C)に対して側面切削加工を行い、切れ刃の逃げ面摩耗幅が0.2mmになるまでの切削距離を求め、その切削距離が10m未満の場合をNGとする。
Next, for a two-blade square end mill whose tool base material is molten high-speed (high-speed tool steel) and whose diameter is 10 mm, the hardness of the first embodiment consisting of a single layer of the
図7の試験品No01〜No17は本発明品で、試験品No19〜No21は、BNを含んでいないAlCrN系の硬質被膜の従来品、試験品No18、No22〜No26は、被膜組成の原子比やCr/Al比(=b/a)、総膜厚Ttotal が本発明の要件を満たしていない比較品(NG品)である。図7の「硬質被膜」および「総膜厚」の項目で網掛け(散点)を付した欄は本発明の要件から外れている項目であり、「被膜硬さ」、「酸化層厚さ」、および「切削距離」の項目で網掛け(散点)を付した欄はNGを表している。なお、図7の「硬質被膜」の欄の被膜組成は、原子比を%で記載したものである。「第1割合」は、第1被膜の被膜成分を有する部分の割合で、ここでは第1被膜の被膜成分が本願発明の要件を満たすか否かに関係無く求めた値(総て100%)である。また、N(窒素)について記載していないが、総ての試験品の硬質被膜はN(窒素)を含有する窒化物である。 The test products No01 to No17 in FIG. 7 are the products of the present invention, the test products No19 to No21 are the conventional AlCrN-based hard coatings that do not contain BN, and the test products No18 and No22 to No26 are the atomic ratios of the coating composition. This is a comparative product (NG product) in which the Cr / Al ratio (= b / a) and the total film thickness Ttotal do not satisfy the requirements of the present invention. In FIG. 7, the “hard coating” and “total film thickness” items that are shaded (scattered dots) are items that are outside the requirements of the present invention, and are “film hardness” and “oxide layer thickness”. ”And“ cutting distance ”items with shaded dots indicate NG. Note that the coating composition in the column of “Hard Coating” in FIG. 7 describes the atomic ratio in%. The “first ratio” is the ratio of the portion having the coating component of the first coating, and here is a value (all 100%) obtained regardless of whether the coating component of the first coating satisfies the requirements of the present invention. It is. Moreover, although N (nitrogen) is not described, the hard coating of all the test products is a nitride containing N (nitrogen).
図7の試験結果から明らかなように、本発明品(試験品No01〜No17)は、被膜硬さが何れも3000以上であり、従来品(試験品No19〜No21)や比較品(試験品No18、No26)に比較して優れた被膜硬さが得られる。耐熱性試験による酸化層厚さは、本発明品(試験品No01〜No17)は何れも0.6μm以下で合格要件(0.7μm未満)を満たしているが、特に、αを含有している試験品No08〜No11、No16、No17は酸化層厚さが0.3μm未満で、一層優れた耐熱性が得られる。また、耐久性試験による逃げ面摩耗幅が0.2mmの切削距離は、本発明品(試験品No01〜No17)は何れも10m以上で合格要件を満たしているのに対し、従来品(試験品No19〜No21)および比較品(試験品No18、No22、No24〜No26)は何れも10m未満で、本発明品によれば優れた耐久性が得られる。なお、総膜厚Ttotal が19.0μmの試験品No23の比較品は、被膜剥離により被膜硬さの測定や耐熱性試験、耐久性試験を適切に行うことができなかった。 As is apparent from the test results in FIG. 7, the products of the present invention (test products No01 to No17) have a coating hardness of 3000 or more, and the conventional products (test products No19 to No21) and comparative products (test product No18). , No. 26) excellent film hardness can be obtained. The oxide layer thickness according to the heat resistance test is 0.6 μm or less for all of the products of the present invention (test products No01 to No17), which satisfy the pass requirement (less than 0.7 μm), but particularly contains α. Test products No. 08 to No. 11, No. 16, and No. 17 have an oxide layer thickness of less than 0.3 μm, and more excellent heat resistance is obtained. The cutting distance with a flank wear width of 0.2 mm according to the durability test is 10 m or more for all of the products of the present invention (test products No01 to No17), while satisfying the pass requirement. No. 19 to No. 21) and comparative products (test products No. 18, No. 22, No. 24 to No. 26) are all less than 10 m, and excellent durability can be obtained according to the product of the present invention. Note that the comparative product No. 23 of the test product No. 23 having a total film thickness Ttotal of 19.0 μm could not appropriately perform the coating hardness measurement, the heat resistance test, and the durability test by peeling the coating.
図9および図10は、工具母材が超硬合金製で直径が6mm(先端R=3mm)の2枚刃のボールエンドミルについて、第1被膜22および第2被膜32から成る前記実施例2の硬質被膜30、或いはそれ等の第1被膜22と第2被膜32との間に混合層の中間層42が設けられた前記実施例4の硬質被膜40が設けられた本発明品を含む複数種類の試験品No27〜No58を用意し、被膜硬さ(HV0.025)を測定するとともに、耐熱性試験および耐久性試験を行った結果を説明する図である。被膜硬さは3000未満をNG(不合格)とする。耐熱性試験は、前記図7の場合と同じで、試験品を大気圧・空気雰囲気中で1000℃に1時間晒した際の酸化層厚さを測定した。硬質被膜が総て酸化した全酸化は勿論、酸化層厚さが0.7μm以上の場合はNGとする。また、耐久性試験は、図8に示す試験条件で高硬度の合金工具鋼〔JISで規定のSKD61(50HRC)〕に対してエアブローによる乾式切削加工(ピック加工)を行い、切れ刃の逃げ面摩耗幅が0.1mmになるまでの切削距離を求め、その切削距離が850m未満の場合をNGとする。
FIGS. 9 and 10 show a two-blade ball end mill having a diameter of 6 mm (tip R = 3 mm) made of cemented carbide and a
図9の試験品No27〜No53は本発明品で、その中の試験品No28、No30、No31、No33、No34、No36〜No38、No40〜No42、No44、No46、No47、No49、No51〜No53は中間層42を備えていない硬質被膜30の具体例で、試験品No27、No29、No32、No35、No39、No43、No45、No48、No50は中間層42を有する硬質被膜40の具体例である。また、試験品No54、No55は、第1被膜がBNを含んでいないAlCrN系の硬質被膜から成る従来品で、試験品No56〜No58は総膜厚Ttotal やその総膜厚Ttotal に対する第1被膜および中間層の合計膜厚T2の割合が本発明の要件を満たしていない比較品(NG品)である。図9の「第1被膜」および図10の「膜厚」、「第1+中間の割合」の項目で網掛け(散点)を付した欄は本発明の要件から外れている項目であり、図10の「被膜硬さ」、「酸化層厚さ」、および「切削距離」の項目で網掛け(散点)を付した欄はNGを表している。「第1+中間の割合」は、総膜厚Ttotal に対する第1被膜および中間層の合計膜厚T2の割合で、ここでは第1被膜の被膜成分が本願発明の要件を満たすか否かに関係無く求めた値である。なお、図9の「硬質被膜」の欄の被膜組成は、原子比を%で記載したものである。また、N(窒素)について記載していないが、総ての試験品の硬質被膜はN(窒素)を含有する窒化物である。
The test products No. 27 to No. 53 in FIG. 9 are the products of the present invention, and the test products No. 28, No. 30, No. 31, No. 33, No. 34, No. 36 to No. 38, No. 40 to No. 42, No. 44, No. 46, No. 47, No. 49 and No. 51 to No. 53 are intermediate. Specific examples of the
図10の試験結果から明らかなように、本発明品(試験品No27〜No53)は、被膜硬さが何れも3000以上であり、従来品(試験品No55)や比較品(試験品No57)に比較して優れた被膜硬さが得られる。耐熱性試験による酸化層厚さは、本発明品(試験品No27〜No53)は何れも0.4μm以下で合格要件(0.7μm未満)を十分に満たしているが、特に、第1被膜がαを含有している試験品No42〜No47、No49〜No53は酸化層厚さが0.3μm未満で、一層優れた耐熱性が得られる。また、耐久性試験による逃げ面摩耗幅が0.1mmの切削距離は、本発明品(試験品No27〜No53)は何れも850m以上で合格要件を満たしているのに対し、従来品(試験品No54、No55)および比較品(試験品No56、No57)は何れも850m未満で、本発明品によれば優れた耐久性が得られる。なお、この試験結果からは、中間層42の有無による顕著な差異は認められなかった。また、総膜厚Ttotal が18.5μmの試験品No58の比較品は、被膜剥離により被膜硬さの測定や耐熱性試験、耐久性試験を適切に行うことができなかった。
As is clear from the test results in FIG. 10, the products of the present invention (test products No. 27 to No. 53) have a coating hardness of 3000 or more, and are conventional products (test product No. 55) and comparative products (test product No. 57). In comparison, excellent film hardness can be obtained. The oxide layer thickness according to the heat resistance test is 0.4 μm or less for all of the products of the present invention (test products No. 27 to No. 53), which sufficiently satisfy the pass requirement (less than 0.7 μm). The test products No. 42 to No. 47 and No. 49 to No. 53 containing α have an oxide layer thickness of less than 0.3 μm, so that even better heat resistance can be obtained. The cutting distance with a flank wear width of 0.1 mm according to the durability test is 850 m or more for all of the products of the present invention (test products No. 27 to No. 53), while satisfying the pass requirement. No. 54, No. 55) and comparative products (test products No. 56, No. 57) are both less than 850 m, and according to the product of the present invention, excellent durability can be obtained. In addition, from this test result, the remarkable difference by the presence or absence of the intermediate |
図12は、工具母材が超硬合金製で直径が6mmの超硬ドリルについて、前記図7および図9、図10の試験品No16、No20、No27、No43、No49、No51、No53と同じ硬質被膜が設けられた7本の試験品を用意し、図11に示す試験条件で炭素鋼(JISで規定のS50C)に対してミスト給油による高速切削穴明け加工を行い、耐久性試験を行った結果を説明する図である。耐久性試験は、切れ刃の逃げ面摩耗幅が0.2mmになるまでの加工穴数を求め、その加工穴数が4000穴未満の場合をNGとする。図12の試験品No20は、第1被膜がBNを含んでいない従来品で、他の試験品No16、No27、No43、No49、No51、No53は本発明品である。図12の「加工穴数」の項目で網掛け(散点)を付した欄はNGを表している。 FIG. 12 shows a hard drill whose tool base material is made of cemented carbide and has a diameter of 6 mm, which is the same hardness as the test products No. 16, No. 20, No. 27, No. 43, No. 49, No. 51 and No. 53 in FIGS. Seven test products provided with a coating were prepared, and a high-speed cutting drilling process was performed on carbon steel (S50C specified by JIS) with mist lubrication under the test conditions shown in FIG. It is a figure explaining a result. In the durability test, the number of processed holes until the flank wear width of the cutting edge becomes 0.2 mm is obtained, and the case where the number of processed holes is less than 4000 is determined as NG. The test product No. 20 in FIG. 12 is a conventional product in which the first coating does not contain BN, and the other test products No. 16, No. 27, No. 43, No. 49, No. 51 and No. 53 are the products of the present invention. In FIG. 12, the column with shading (scattered dots) in the “number of holes to be processed” item represents NG.
図12の試験結果から明らかなように、本発明品(試験品No16、No27、No43、No49、No51、No53)は、何れも5000穴以上の穴明け加工が可能であったのに対し、試験品No20の従来品は2110穴で、本発明品によれば耐久性が大幅に向上する。特に、第1被膜がαを含有している試験品No16、No43、No49、No51、No53は加工穴数が5980以上であるのに対し、第1被膜がαを含有していない試験品No27は5200穴であり、第1被膜にαが添加されることにより加工穴数が大幅に増加した。 As is clear from the test results in FIG. 12, the products of the present invention (test products No. 16, No. 27, No. 43, No. 49, No. 51, No. 53) were all capable of drilling more than 5000 holes. The conventional product No. 20 has 2110 holes, and according to the product of the present invention, the durability is greatly improved. In particular, test products No. 16, No. 43, No. 49, No. 51 and No. 53 in which the first coating contains α have a number of processed holes of 5980 or more, whereas the test product No. 27 in which the first coating does not contain α. The number of processed holes was significantly increased by adding α to the first coating.
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更,改良を加えた態様で実施することができる。 As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail based on drawing, these are one embodiment to the last, and this invention is implemented in the aspect which added the various change and improvement based on the knowledge of those skilled in the art. be able to.
10:ボールエンドミル(硬質被膜被覆工具) 12:工具母材(所定の部材) 20、30、34、40、44:硬質被膜 22:第1被膜 23:第1被膜と同じ被膜成分の被膜 32:第2被膜 34:第2被膜と同じ被膜成分の被膜 42:中間層 Ttotal :総膜厚 T1:第1被膜の膜厚 T2:第1被膜+中間層の膜厚 10: Ball end mill (hard coating coated tool) 12: Tool base material (predetermined member) 20, 30, 34, 40, 44: Hard coating 22: First coating 23: Coating having the same coating component as the first coating 32: Second coating 34: Coating having the same coating component as the second coating 42: Intermediate layer Ttotal: Total film thickness T1: Film thickness of first coating T2: Film thickness of first coating + intermediate layer
Claims (6)
Ala Crb Xc αd N〔但し、Xは結合状態がSP2またはSP3の混成軌道のBNで、10分子以上から成る直径が1nm〜1000nmの範囲内の塊であり、アモルファス状態のBN、またはcBN、hBNの少なくとも一方の結晶を含むもので、αは元素の周期表のIVa族、Va族、VIa族(Crを除く)、B、C、Si、Yの中の1種類以上の元素であり、a、b、c、dはそれぞれ原子比で、0.35≦a≦0.76、0.12≦b≦0.43、0.02≦c≦0.20、0≦d≦0.20の範囲内であり、且つAlに対するCrの原子比の割合b/aは0.25≦b/a≦0.67の範囲内でアルミニウムリッチであり、a+b+c+d=1である〕から成り、最表面に設けられる第1被膜を備えているとともに、
総膜厚Ttotal は0.5〜15μmの範囲内で、前記第1被膜の膜厚T1、または該第1被膜と同じ被膜成分を有する他の被膜部分を備えている場合は該他の被膜部分を含めた膜厚が、総膜厚Ttotal の20%以上である
ことを特徴とする硬質被膜。A hard coating with excellent wear resistance and heat resistance provided on the surface of a predetermined member,
Al a Cr b X c α d N [wherein X is a BN of a hybrid orbital of SP2 or SP3, and is a lump with a diameter of 10 nm or more in the range of 1 nm to 1000 nm, BN in an amorphous state, Or a crystal containing at least one of cBN and hBN, where α is one or more elements of groups IVa, Va, VIa (excluding Cr), B, C, Si, Y of the periodic table of elements A, b, c, and d are atomic ratios of 0.35 ≦ a ≦ 0.76, 0.12 ≦ b ≦ 0.43, 0.02 ≦ c ≦ 0.20, and 0 ≦ d ≦, respectively. The ratio b / a of the atomic ratio of Cr to Al within the range of 0.20 is aluminum-rich within the range of 0.25 ≦ b / a ≦ 0.67, and a + b + c + d = 1. And having a first coating provided on the outermost surface,
The total film thickness Ttotal is within the range of 0.5 to 15 μm, and when the film thickness T1 of the first film or other film part having the same film component as the first film is provided, the other film part The hard film characterized by having a film thickness including 20% or more of the total film thickness Ttotal.
該第1被膜の膜厚T1が総膜厚Ttotal である
ことを特徴とする請求項1に記載の硬質被膜。The first coating is provided directly on the surface of the predetermined member, and is composed only of the first coating,
The hard coating according to claim 1, wherein the first coating has a total thickness T1.
ことを特徴とする請求項1に記載の硬質被膜。Between the predetermined member and the first coating and on the surface of the predetermined member, Ti e Al f Cr g β h N [where β is a group IVa, Va of the periodic table of elements, One or more elements of group VIa (excluding Ti and Cr), B, C, Si, and Y, and e, f, g, and h are atomic ratios, respectively 0 ≦ e ≦ 0.64, 0 .32 ≦ f ≦ 0.81, 0 ≦ g ≦ 0.40, 0 ≦ h ≦ 0.20, and e and g are not 0 simultaneously, and e + f + g + h = 1. The hard film according to claim 1, wherein a second film is provided.
前記第1被膜の膜厚T1が総膜厚Ttotal の20%以上である
ことを特徴とする請求項3に記載の硬質被膜。The first coating is provided directly on the second coating, and is composed of only the first coating and the second coating,
The hard coating film according to claim 3, wherein a film thickness T1 of the first coating film is 20% or more of a total film thickness Ttotal.
ことを特徴とする請求項3に記載の硬質被膜。Between the first film and the second film, alternating layers in which films of the same film component as the first film and the second film are alternately laminated, or the first film and the second film are mixed. The hard film according to claim 3, wherein an intermediate layer composed of a mixed layer of the film components is provided.
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