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JP2914142B2 - Gradient composition film, method for producing the same, and tool - Google Patents
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JP2914142B2 - Gradient composition film, method for producing the same, and tool - Google Patents

Gradient composition film, method for producing the same, and tool

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JP2914142B2
JP2914142B2 JP32702193A JP32702193A JP2914142B2 JP 2914142 B2 JP2914142 B2 JP 2914142B2 JP 32702193 A JP32702193 A JP 32702193A JP 32702193 A JP32702193 A JP 32702193A JP 2914142 B2 JP2914142 B2 JP 2914142B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性および表面保
護機能向上のため、切削工具等の硬質基材表面に形成さ
れる膜に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a film formed on a hard base material such as a cutting tool for improving abrasion resistance and surface protection function.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、切削工具や耐摩耗工具におい
て、耐摩耗性および表面保護機能の改善のため、WC基
超硬合金、サーメット、セラミックス、高速度鋼等から
なる硬質基材の表面には、PVDやCVDによってTi
(チタン)、Hf(ハフニウム)、Zr(ジルコニウ
ム)の炭化物、窒化物もしくは炭窒化物またはAlの酸
化物を単層または複層形成することがよく知られてい
る。
2. Description of the Related Art Conventionally, in cutting tools and wear-resistant tools, in order to improve the wear resistance and surface protection function, the surface of a hard base material made of WC-based cemented carbide, cermet, ceramics, high-speed steel, etc. is used. Is TiD by PVD or CVD
It is well known to form a single layer or multiple layers of carbide, nitride or carbonitride of Al (titanium), Hf (hafnium) or Zr (zirconium) or Al oxide.

【0003】一方、金属とセラミックスの間では、物理
的および化学的特性が大きく異なるため、両者の十分な
密着力が得られないという現状がある。そこで、鉄と
鋼、第77年(1991)、第5号では、金属材料と馴
染みがよく、かつ種々の機能を有する被覆膜として、金
属−セラミックス複合被膜、すなわち金属成分とセラミ
ックス成分を適当に選んで組合わせることにより、両者
の特性を併せ持った多機能な被膜を形成できるのではな
いかと提案している。さらに、長崎県工業技術センター
研究報告、No.5(1990)、p75−80に示さ
れるように、被膜の基材に対する密着強度を改善する目
的で、TiNおよびTiCについて、被膜作製時の各雰
囲気ガスの圧力を連続的に変化させることにより、Ti
/TiNおよびTi/TiN/TiC傾斜組成膜を作製
し、その特性を検討している。
On the other hand, the physical and chemical properties of metals and ceramics are significantly different, and there is a current situation in which sufficient adhesion between them cannot be obtained. Therefore, in iron and steel, No. 77 (1991), No. 5, a metal-ceramic composite coating film, that is, a metal component and a ceramic component are suitably used as a coating film having a good compatibility with a metal material and having various functions. It is proposed that a multifunctional film having both characteristics can be formed by selecting and combining them. Furthermore, Nagasaki Prefecture Industrial Technology Center Research Report, No. 5 (1990), pp. 75-80, for the purpose of improving the adhesion strength of the coating to the substrate, by continuously changing the pressure of each atmosphere gas at the time of preparing the coating for TiN and TiC, Ti
/ TiN and Ti / TiN / TiC graded composition films have been fabricated and their properties have been studied.

【0004】しかし、上記の従来の方法による硬質被覆
層では、いずれも被覆層自体は硬度が高く耐摩耗性を有
しているものの、基材との密着強度に課題があった。ま
た、逆に密着強度を重視する組成とした場合、硬度が低
下するという問題があった。さらに、100μm以上の
厚みを有する被覆層を基材につける場合、膜の内部応力
に起因した層の剥離が発生するという問題があった。こ
れらの被覆層を工具等に用いる場合、断続切削等の衝撃
的な力の作用に対して膜の靱性が低いため、使用中に膜
の剥離、欠けが起こるという問題も生じている。このよ
うに、従来の材料では、被膜に要求される種々の特性、
具体的には基材表面で要求される密着性、靱性、被膜表
面で要求される硬度および耐摩耗性を同時に付加するこ
とは難しい。
[0004] However, in the above-mentioned conventional hard coating layers, although the coating layers themselves have high hardness and abrasion resistance, there is a problem in adhesion strength to a substrate. On the other hand, when a composition that emphasizes adhesion strength is used, there is a problem that hardness is reduced. Furthermore, when a coating layer having a thickness of 100 μm or more is applied to a substrate, there is a problem that peeling of the layer occurs due to internal stress of the film. When these coating layers are used for a tool or the like, there is also a problem that the film is peeled or chipped during use because the film has low toughness against the action of an impact force such as intermittent cutting. Thus, in the conventional material, various characteristics required for the coating,
Specifically, it is difficult to simultaneously add adhesion and toughness required on the surface of the base material, hardness and abrasion resistance required on the surface of the coating film.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、切削
工具や耐摩耗性工具のため、耐摩耗性や硬度が高めら
れ、かつ大幅に靱性および基材との密着力が向上した被
膜を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a coating having improved wear resistance and hardness, and significantly improved toughness and adhesion to a substrate, because of a cutting tool or a wear-resistant tool. To provide.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明の傾斜組成膜は、
金属およびセラミックスの少なくともいずれかからなる
基材上に別途形成され、かつ基材の表面を覆って、基材
よりも高い硬度または耐摩耗性を付与するための膜であ
る。本発明の膜は、鉄、コバルトおよびニッケルからな
る群から選択される少なくとも1つの金属元素M1と、
周期律表のIVa、VaおよびVIa族金属元素からな
る群から選択される少なくとも1つの金属元素M2と、
炭素および窒素からなる群から選択される少なくとも1
つの元素Xとからなる。また本発明の膜は、金属元素M
2と元素Xとの化合物と、金属元素M1とからなる複合
材料を主成分とする。本発明の膜において、金属元素M
1の含有量は、基材に接触する部分から表面にいくに従
ってほぼ一定の割合で減少または増加している。
Means for Solving the Problems The gradient composition film of the present invention comprises:
This is a film that is separately formed on a substrate made of at least one of a metal and a ceramic , and covers the surface of the substrate to provide higher hardness or wear resistance than the substrate. The film of the present invention includes at least one metal element M1 selected from the group consisting of iron, cobalt, and nickel;
At least one metal element M2 selected from the group consisting of group IVa, Va and VIa metal elements of the periodic table;
At least one selected from the group consisting of carbon and nitrogen
And two elements X. Further, the film of the present invention has a metal element M
The main component is a composite material composed of a compound of 2 and element X and a metal element M1. In the film of the present invention, the metal element M
The content of 1 decreases or increases at a substantially constant rate from the portion in contact with the substrate to the surface.

【0007】また、本発明に従って上記膜を備える工具
を提供することができる。本発明の工具は、金属および
セラミックスの少なくともいずれかからなる基材と、基
上に別途形成されかつ基材の表面を覆って基材よりも
高い硬度または耐摩耗性を付与する膜とを備える。この
膜は、上述した本発明の膜の特性を備える。この工具に
おいて、基材は、たとえば、WC基超硬合金、サーメッ
ト、セラミックス、高速度鋼、またはそれらの組合わせ
から形成することができる。
Further, according to the present invention, it is possible to provide a tool provided with the above-mentioned membrane. The tool of the present invention includes a substrate made of at least one of a metal and a ceramic, and a film separately formed on the substrate and covering the surface of the substrate and giving higher hardness or wear resistance than the substrate. Prepare. This film has the characteristics of the film of the present invention described above. In this tool, the substrate can be formed, for example, from a WC based cemented carbide, cermet, ceramics, high speed steel, or a combination thereof.

【0008】本発明において、金属元素M2は、Ti、
Hf、Zr、Cr、V、Nb、W、Mo、Ta等を含
む。
In the present invention, the metal element M2 is Ti,
Hf, Zr, Cr, V, Nb, W, Mo, Ta and the like are included.

【0009】図1を参照して、本発明に従い、基材10
上に傾斜組成膜20を形成したとする。基材10は、た
とえばWC基超硬合金、サーメット、セラミックス、高
速度鋼を用いることが好ましい。基材10上に形成され
る膜20の厚みDは、100〜1000μmである。膜
20は、上述したように、金属元素M1およびM2なら
びに元素Xからなり、たとえば、M1と化合物M2Xの
複合材料(以降M1−M2Xと表わす)で構成すること
ができる。この膜において、M1の含有量は、膜が基材
に接触する部分(基材との境界にあたる部分)20aか
ら膜の表面20bにいくに従って減少または増加してい
る。
Referring to FIG. 1, in accordance with the present invention, a substrate 10
It is assumed that the gradient composition film 20 is formed thereon. It is preferable to use, for example, WC-based cemented carbide, cermet, ceramics, and high-speed steel for base material 10. The thickness D of the film 20 formed on the base material 10 is 100 to 1000 μm. As described above, the film 20 is made of the metal elements M1 and M2 and the element X, and can be made of, for example, a composite material of M1 and the compound M2X (hereinafter, referred to as M1-M2X). In this film, the content of M1 decreases or increases from the portion 20a where the film comes into contact with the substrate (the portion corresponding to the boundary with the substrate) 20a to the surface 20b of the film.

【0010】M1含有量が膜の厚み方向において減少す
る場合、たとえば、図2に示すように減少させることが
できる。この図では、M1含有量が一定の割合で減少し
ている。なお、このような直線的な減少から多少ずれて
いるものも本発明の範囲内である。基材が超硬合金等の
金属からなる場合このようなM1の減少が好ましい。
When the M1 content decreases in the thickness direction of the film, it can be reduced, for example, as shown in FIG. In this figure, the M1 content decreases at a constant rate. Note that any deviation from such a linear decrease is also within the scope of the present invention. When the substrate is made of a metal such as a cemented carbide, such a decrease in M1 is preferable.

【0011】M1含有量が膜の厚み方向において増加す
る場合、たとえば図3に示すように増加させることがで
きる。この図では、M1含有量が一定の割合で増加して
いる。このような直線的増加から多少ずれいるものも本
発明の範囲内である。基材がセラミックスからなる場
合、このようにM1を増加させていくことができる。
When the M1 content increases in the thickness direction of the film, it can be increased, for example, as shown in FIG. In this figure, the M1 content increases at a constant rate. Any deviation from such a linear increase is also within the scope of the present invention. When the substrate is made of ceramics, M1 can be increased in this way.

【0012】以上に示したようなM1含有量の傾斜に関
し、膜が基材に接触する部分のM1含有量と、膜表面の
M1含有量との差は、20atm%以上である
[0012] For M1 content inclined as shown above, and M1 content of part film is in contact with the substrate, the difference between M1 content of the membrane surface, is not less than 20 atm%.

【0013】本発明に従って、金属およびセラミックス
の少なくともいずれかからなる基材の表面に、基材より
も高い硬度または耐摩耗性を付与する膜を堆積するため
の方法が提供される。この方法では、炭素および窒素か
らなる群から選択される少なくとも1つの元素Xの源を
含むガスが導入された真空容器内に、鉄、コバルトおよ
びニッケルからなる群から選択される少なくとも1つの
金属元素M1のための第1の蒸発源と、周期律表のIV
a、VaおよびVIa族金属元素からなる群から選択さ
れる少なくとも1つの金属元素M2のための第2の蒸発
源とを配置する。第1の蒸発源と第2の蒸発源とを結ぶ
直線にほぼ平行な直線に沿って基材を移動させながら、
陰極アーク放電を用いたPVDが行なわれる。このPV
Dにより、基材上に、M2とXとの化合物と、M1とか
らなる複合材料を主成分とし、かつM1の含有量が成膜
初期から成膜終期にかけてほぼ一定の割合で減少または
増加する膜を形成させる。
According to the present invention, there is provided a method for depositing a film which imparts higher hardness or wear resistance than a substrate on a surface of a substrate comprising at least one of a metal and a ceramic. In this method, at least one metal element selected from the group consisting of iron, cobalt and nickel is placed in a vacuum vessel into which a gas containing a source of at least one element X selected from the group consisting of carbon and nitrogen has been introduced. First evaporation source for M1 and IV of the periodic table
and a second evaporation source for at least one metal element M2 selected from the group consisting of a, Va and VIa group metal elements. While moving the substrate along a straight line substantially parallel to a straight line connecting the first evaporation source and the second evaporation source,
PVD using cathodic arc discharge is performed. This PV
Due to D, a composite material composed of a compound of M2 and X and M1 as a main component on the base material, and the content of M1 decreases or increases at a substantially constant rate from the initial stage to the final stage of film formation. A film is formed.

【0014】この方法において、たとえば、2個の蒸発
源を垂直または水平に設置し、その2個の蒸発源を含む
平面に平行な平面上において、基材を上下(鉛直方向)
または左右(水平方向)に移動させることができる。こ
の場合、傾斜組成の変化率(たとえば膜厚方向における
M1の減少率または増加率)は、基材の移動速度によっ
て調整することができる。
In this method, for example, two evaporation sources are installed vertically or horizontally, and the base material is vertically moved (vertically) on a plane parallel to a plane containing the two evaporation sources.
Alternatively, it can be moved left and right (horizontally). In this case, the rate of change of the gradient composition (for example, the rate of decrease or increase of M1 in the film thickness direction) can be adjusted by the moving speed of the substrate.

【0015】本発明の方法において、陰極アーク放電を
用いるPVDを採用したのは、融点や硬度が著しく高い
セラミックス被膜を500℃以下の温度で形成すること
が可能であり、基材の強度を容易に維持することができ
る点で傾斜組成膜の製法において好ましいからである。
In the method of the present invention, PVD using cathodic arc discharge is employed because a ceramic film having a remarkably high melting point and hardness can be formed at a temperature of 500 ° C. or less, and the strength of the substrate can be easily increased. This is because it is preferable in the production method of the gradient composition film because it can be maintained at a lower temperature.

【0016】[0016]

【作用】窒化物、炭化物の標準構成自由エネルギの関係
から、Fe、CoおよびNiは窒化物、炭化物、炭窒化
物を形成し難く、一方、周期律表IVa、Va、VIa
族金属元素は、窒化物、炭化物、炭窒化物を形成しやす
い。このような理由から、本発明に従って、周期律表の
IVa、Va、VIa族金属元素と、CおよびNの少な
くとも1種との組合わせからなる化合物と、Fe、C
o、Niまたはそれらの組合わせとからなる複合材料膜
を作製することができる。作製した膜は熱的にも安定で
ある。なお、本発明に従う膜は、未反応の金属元素M2
を若干含んでいてもよい。
According to the relationship between the standard constituent free energies of nitrides and carbides, Fe, Co and Ni are unlikely to form nitrides, carbides and carbonitrides, while the periodic tables IVa, Va and VIa
Group metal elements tend to form nitrides, carbides, and carbonitrides. For this reason, according to the present invention, a compound consisting of a combination of a metal element from Groups IVa, Va, and VIa of the periodic table with at least one of C and N, Fe, C
A composite material film made of o, Ni, or a combination thereof can be produced. The prepared film is thermally stable. It should be noted that the film according to the present invention is made of an unreacted metal element
May be slightly contained.

【0017】本発明の膜において、金属元素M1の含有
量は、基材表面から膜厚方向に向かって一定の割合で変
化する。基材と接触する部分のM1含有量と膜表面のM
1含有量との差は、20atm%以上である。このよう
なM1の傾斜組成を用いるとき、たとえば、基材表面お
よびそれに近い部分にセラミックスに比べて靱性が優れ
るFe、CoまたはNiのリッチな層が形成され、被膜
の基材に対する密着性および靱性が向上される。そし
て、被膜の表面にいくに従って、M2とCおよび/また
はNとの組合わせからなる化合物のリッチな層が形成さ
れ、被膜の硬度は高められる。このような構成を取るこ
とにより、均一な組成の膜では難しいとされてきた多機
能化、つまり、高い靱性と高い硬度とを兼ね備えること
が実現される。また、傾斜組成により膜中の内部応力の
制御が可能となる。膜と基材との界面での応力を緩和す
ることにより、膜の剥離を抑制することが可能となる。
In the film of the present invention, the content of the metal element M1 changes at a constant rate from the surface of the substrate toward the film thickness direction. M1 content of the part in contact with the substrate and M of the film surface
1 the difference between the content is more than 20 atm%. When such a gradient composition of M1 is used, for example, a rich layer of Fe, Co, or Ni having higher toughness than ceramics is formed on the surface of the base material and a portion close thereto, and the adhesion and toughness of the coating film to the base material are obtained. Is improved. Then, as the surface of the coating is reached, a rich layer of a compound comprising a combination of M2 and C and / or N is formed, and the hardness of the coating is increased. By adopting such a configuration, multi-functionalization that has been difficult with a film having a uniform composition, that is, achieving both high toughness and high hardness is realized. Further, the internal stress in the film can be controlled by the gradient composition. By relaxing the stress at the interface between the film and the substrate, it is possible to suppress the peeling of the film.

【0018】傾斜組成膜中のM1含有量を基材表面から
膜厚方向に向かってほぼ一定の割合で変化させているの
は、成膜途中において被膜中での組成変化が急激に起こ
った場合、その箇所で被膜に異常(たとえば亀裂など)
が発生し、成膜完了後そこから被膜が剥離してしまうこ
とを実験により突き止めたからである。本発明の方法で
は、膜中のM1含有量がほぼ一定の割合で変化するよ
う、基材の移動速度が制御される。
The reason why the M1 content in the gradient composition film is changed at a substantially constant rate from the substrate surface in the film thickness direction is that the composition change in the film occurs rapidly during the film formation. , Abnormalities in the coating at that location (eg cracks)
This was because it was found through experiments that the film was peeled off after the film formation was completed. In the method of the present invention, the moving speed of the substrate is controlled so that the M1 content in the film changes at a substantially constant rate.

【0019】また、M1含有量について、基材と接触す
る膜の部分と膜表面との差を20atm%以上にするこ
とにより、以下の実施例で示すように、均一組成の金属
−セラミックス複合膜に比べて靱性などの特性の顕著な
向上を図ることができる。
As for the M1 content, by making the difference between the portion of the film in contact with the substrate and the film surface at least 20 atm%, as shown in the following examples, a metal-ceramic composite film having a uniform composition is obtained. Compared with the above, characteristics such as toughness can be remarkably improved.

【0020】さらに、本発明を従来の高速度工具鋼およ
び超硬合金に代わる材料としてバルク的に使用するた
め、硬質部材表面に100μm〜1000μmの厚みで
膜を形成することができる。厚みを100μm以上とす
ることで、基材の特性の影響を排除して優れた性能を膜
に発揮させることができる。なお、厚みは、形成に要す
る時間やコストの面から1000μmまでが望ましい。
Furthermore, since the present invention is used in bulk as a material replacing conventional high-speed tool steel and cemented carbide, a film having a thickness of 100 μm to 1000 μm can be formed on the surface of a hard member. By setting the thickness to 100 μm or more, it is possible to eliminate the influence of the properties of the substrate and exhibit excellent performance on the film. The thickness is desirably up to 1000 μm in view of the time required for formation and cost.

【0021】本発明の材料の合成には、陰極アーク放電
を用いたイオンプレーティング法が用いられる。陰極ア
ーク放電により蒸発した材料には、原子またはイオンと
して放出されるものだけでなく、ナノメートルサイズの
クラスタとして放出されるものが多く含まれている。こ
のため、他のPVDやCVDに比べて超微粒子を分散さ
せた傾斜組成膜を容易に形成することができる。
In the synthesis of the material of the present invention, an ion plating method using cathodic arc discharge is used. The material evaporated by the cathodic arc discharge includes not only those emitted as atoms or ions, but also many emitted as nanometer-sized clusters. Therefore, a gradient composition film in which ultrafine particles are dispersed can be easily formed as compared with other PVD or CVD.

【0022】以上述べてきたような膜の特性のため、た
とえば、切削工具や耐摩工具に本発明の被膜を用いた場
合、工具の摩耗寿命を長くすることができる。
Due to the characteristics of the film as described above, for example, when the coating of the present invention is used for a cutting tool or a wear-resistant tool, the wear life of the tool can be extended.

【0023】[0023]

【実施例】以下に本発明の傾斜組成膜の効果について実
施例により具体的に説明する。
EXAMPLES The effects of the gradient composition film of the present invention will be specifically described below with reference to examples.

【0024】なお、以下の実施例において、表1、2お
よび3に示す傾斜組成膜中のM1含有量は、膜断面にお
けるエネルギ分散型X線分光(EDX)分析により測定
された。被膜において、M1以外の部分は、M2C、M
2N、またはM2CNであった。
In the following examples, the M1 content in the graded composition films shown in Tables 1, 2 and 3 was measured by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analysis on the film cross section. In the coating, portions other than M1 are M2C, M
2N, or M2CN.

【0025】実施例1 基材として、組成がJIS規格K10の平板状(20m
m×20mm×1mmt)の超硬合金を用意した。その
表面に、下記のように公知の陰極アーク放電を用いるイ
オンプレーティング法により、表1に記載する11種の
傾斜組成膜をそれぞれ形成した。
Example 1 As a substrate, a flat plate (20 m
mx 20 mm x 1 mmt) was prepared. Eleven types of graded composition films shown in Table 1 were formed on the surfaces by ion plating using a known cathodic arc discharge as described below.

【0026】膜の形成において、図4に示すように、成
膜装置1内に2個の蒸発源2および3を鉛直方向に配置
し、蒸発源を含む平面に平行な前方平面上を移動可能な
保持具4に基材5を装着した。基材の上下移動速度(水
平方向に蒸発源を設置した場合は基材を左右に移動させ
る)と陰極アーク放電電流(蒸発源材料の蒸発量を制御
する)の一方または両方を調整することにより、傾斜組
成の変化率が一定となるよう制御した。成膜装置1内の
真空度を10-5Torrとし、次いでAr(アルゴン)
ガスを導入して10-2Torrの雰囲気に保持しなが
ら、500℃まで加熱し、基材に−1000Vの電圧を
かけて洗浄を行なった後、Arガスを排気した。次に、
成膜装置1内にN2 ガスおよびCH4 ガスのいずれか1
種類または両方を基材の移動に併わせて所定の圧力とな
るよう時間制御を行ないながら導入した。陰極アーク放
電により、Fe、CoまたはNiおよび周期律表IV
a、Va、VIa族の金属元素を蒸発、イオン化させる
ことにより、移動する基材上にM1−M2C、M1−M
2NまたはM1−M2CNからなる膜が形成された。基
材がM1蒸発源に近い場合、M1の含有量は多くなり、
遠ざかるに従ってM1の含有量は減少していった。一
方、基材をM2蒸発源に近づけていくに従って、M2
C、M2NまたはM2CNの含有量は増加していった。
In forming a film, as shown in FIG. 4, two evaporation sources 2 and 3 are vertically arranged in a film forming apparatus 1 and can be moved on a front plane parallel to a plane including the evaporation sources. The base member 5 was mounted on the holder 4. By adjusting one or both of the vertical movement speed of the base material (moving the base material left and right when the evaporation source is installed in the horizontal direction) and the cathode arc discharge current (controlling the amount of evaporation of the evaporation source material) The rate of change of the gradient composition was controlled to be constant. The degree of vacuum in the film forming apparatus 1 was set to 10 −5 Torr, and then Ar (argon) was used.
The substrate was heated to 500 ° C. while maintaining the atmosphere at 10 −2 Torr by introducing a gas, and the substrate was cleaned by applying a voltage of −1000 V, and then the Ar gas was exhausted. next,
Either N 2 gas or CH 4 gas in the film forming apparatus 1
Either type or both were introduced while controlling the time so that a predetermined pressure was obtained in accordance with the movement of the substrate. By cathodic arc discharge, Fe, Co or Ni and Periodic Table IV
M1-M2C, M1-M on a moving substrate by evaporating and ionizing metal elements of a, Va, and VIa groups.
A film consisting of 2N or M1-M2CN was formed. When the substrate is close to the M1 evaporation source, the content of M1 increases,
The content of M1 decreased with increasing distance. On the other hand, as the substrate approaches the M2 evaporation source,
The content of C, M2N or M2CN was increasing.

【0027】また、比較のため表1に示す従来例(試料
12−14)のコーティング試料も用意した。試料12
−14は、通常のPVD成膜装置を使用し、陰極アーク
放電を用いたイオンプレーティング法により、基材の表
面に均一の組成を有する膜を形成したものである。
For comparison, coating samples of conventional examples (samples 12 to 14) shown in Table 1 were also prepared. Sample 12
No. -14 is a film obtained by using an ordinary PVD film forming apparatus and forming a film having a uniform composition on the surface of the substrate by an ion plating method using cathodic arc discharge.

【0028】得られた膜の機械的特性を表1に示す。硬
度については、荷重25gfによるヌープ硬度を測定し
た。膜の靱性については、荷重1kgfでのビッカース
圧子による圧痕からの亀裂による評価を行なった。表1
からわかるように、本発明による材料は従来の均一組成
膜と同等の硬度を有し、さらに靱性に対しては明らかに
従来より優れているといえる。
Table 1 shows the mechanical properties of the obtained film. As for hardness, Knoop hardness under a load of 25 gf was measured. The toughness of the film was evaluated by a crack from an indentation caused by a Vickers indenter under a load of 1 kgf. Table 1
As can be seen from the graph, the material according to the present invention has a hardness equivalent to that of the conventional homogeneous composition film, and it can be said that the toughness is clearly superior to the conventional one.

【0029】さらに、靱性について検討するため、試料
表面に圧痕(100gf、500gf、1kgf)を打
ち、その部分の表面を顕微鏡により観察した。測定結果
を表2に示す。表2からわかるように、均一組成膜で
は、圧痕により亀裂が入り膜の剥離が起こっている。一
方、傾斜組成膜では、ほとんど亀裂が発生しておらず、
膜の剥離は起こっていない。以上の結果から、表面被覆
層として傾斜組成膜を用いることにより基材に対する密
着力および被膜の靱性が大きく向上することがわかる。
Further, in order to examine the toughness, indentations (100 gf, 500 gf, 1 kgf) were made on the surface of the sample, and the surface of the portion was observed with a microscope. Table 2 shows the measurement results. As can be seen from Table 2, in the uniform composition film, cracks were formed by indentation and the film was peeled off. On the other hand, in the gradient composition film, almost no cracks occurred,
No peeling of the film has occurred. From the above results, it can be seen that the use of the gradient composition film as the surface coating layer greatly improves the adhesion to the substrate and the toughness of the coating.

【0030】[0030]

【表1】 [Table 1]

【0031】[0031]

【表2】 [Table 2]

【0032】実施例2 この実施例では、上記実施例と同様の基材を用い同様の
方法で、表3に示す試料1〜14を作製した。ここで、
試料12−14は比較のために作製した均一の組成を有
する膜であり、これらを除いたものが本発明の傾斜組成
膜である。
Example 2 In this example, samples 1 to 14 shown in Table 3 were prepared using the same base material as in the above example and in the same manner. here,
Samples 12-14 are films having a uniform composition prepared for comparison, and those excluding these are the gradient composition films of the present invention.

【0033】表3に傾斜組成膜の膜厚と残留応力の関係
を示す。残留応力は、被膜の形成前後の基材の反りによ
って求めた。表3より明らかなように、従来の均一組成
膜では、膜の内部応力に起因した剥離が発生するため、
50μm以上の厚い膜を形成することは困難であった。
しかし、本発明に従って、傾斜組成を有する膜を形成す
ることにより、膜中の内部応力の制御が可能となった。
膜の界面での応力を緩和することで、膜の剥離を抑制す
ることが可能となったため、硬質部材の表面に、100
μm〜1000μmの厚みの被膜を形成することが可能
となった。
Table 3 shows the relationship between the thickness of the gradient composition film and the residual stress. The residual stress was determined based on the warpage of the substrate before and after the formation of the coating. As is clear from Table 3, in the conventional uniform composition film, peeling occurs due to the internal stress of the film.
It was difficult to form a thick film of 50 μm or more.
However, by forming a film having a gradient composition according to the present invention, the internal stress in the film can be controlled.
By alleviating the stress at the interface of the film, it was possible to suppress the peeling of the film.
It has become possible to form a coating having a thickness of μm to 1000 μm.

【0034】[0034]

【表3】 [Table 3]

【0035】実施例3 表1中の試料2、4、8、9、14の膜を超硬合金(8
0%WC−10%TiC−5%Co)の表面にコーティ
ングして工具を製作し、これを用いてSCM435を切
削速度150m/min、送り0.6mm/rev、切
り込み2.0mmで切削した。その結果、本発明の試料
2、4、8、9の膜を施したものは30分切削可能であ
った。一方、従来品の試料14の膜を施したものは1分
で欠損した。このことから、硬質部材の表面に傾斜組成
膜を被膜することで、切削工具の延命化を図ることがで
きる。
Example 3 The films of samples 2, 4, 8, 9, and 14 in Table 1 were coated with cemented carbide (8
A tool was manufactured by coating the surface of 0% WC-10% TiC-5% Co), and the tool was used to cut SCM435 at a cutting speed of 150 m / min, a feed of 0.6 mm / rev, and a cutting depth of 2.0 mm. As a result, those coated with the films of Samples 2, 4, 8, and 9 of the present invention could be cut for 30 minutes. On the other hand, the sample 14 of the conventional product provided with the film lost in one minute. Thus, by coating the surface of the hard member with the gradient composition film, the life of the cutting tool can be extended.

【0036】[0036]

【発明の効果】本発明の傾斜組成膜は、切削工具や耐摩
耗工具の基材の強度を維持するとともに、従来より優れ
た密着性、耐摩耗性を同時に有する。したがって、特に
高速切削の用途において、本発明の膜は工具の寿命を著
しく延長させることが予想できる。
The gradient composition film of the present invention maintains the strength of the base material of the cutting tool or the wear-resistant tool, and at the same time has more excellent adhesion and wear resistance than before. Thus, especially in high speed cutting applications, the membranes of the present invention can be expected to significantly extend tool life.

【0037】また、傾斜組成により膜中の内部応力の制
御が可能となった。膜の界面での応力を緩和することに
より、剥離を抑制することができ、従来困難とされてき
た100μm〜1000μmの厚みの膜の形成が可能と
なった。
Further, the internal stress in the film can be controlled by the gradient composition. By alleviating the stress at the interface of the film, peeling can be suppressed, and a film having a thickness of 100 μm to 1000 μm, which has been conventionally difficult, can be formed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に従う膜の組成を説明するための断面図
である。
FIG. 1 is a sectional view illustrating the composition of a film according to the present invention.

【図2】本発明に従う膜のM1含有量について、変化の
一例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a change in the M1 content of a film according to the present invention.

【図3】本発明に従う膜のM1含有量について変化のも
う1つの例を示す図である。
FIG. 3 shows another example of the change in the M1 content of the membrane according to the invention.

【図4】本発明にかかる傾斜組成膜を形成するための装
置の一例を示す模式図である。
FIG. 4 is a schematic view showing an example of an apparatus for forming a gradient composition film according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 成膜装置 2、3 蒸発源 4 保持具(上下移動機構付) 5 基材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Film-forming apparatus 2, 3 Evaporation source 4 Holder (with a vertical movement mechanism) 5 Base material

フロントページの続き (72)発明者 野村 俊雄 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住 友電気工業株式会社 伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 平3−229856(JP,A) 特開 平1−287245(JP,A) 特開 平2−22453(JP,A) 特開 平2−122049(JP,A) 特開 平3−90574(JP,A) 特開 平3−197664(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C23C 14/00 - 14/58 B23B 27/14 B23P 15/28 Continuation of the front page (72) Inventor Toshio Nomura 1-1-1 Kunyokita, Itami-shi, Hyogo Sumitomo Electric Industries, Ltd. Itami Works (56) References JP-A-3-229856 (JP, A) JP-A-3-229856 JP-A-1-287245 (JP, A) JP-A-2-22453 (JP, A) JP-A-2-124949 (JP, A) JP-A-3-90574 (JP, A) JP-A-3-197664 (JP) , A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) C23C 14/00-14/58 B23B 27/14 B23P 15/28

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 金属およびセラミックスの少なくともい
ずれかからなる基材上に別途形成されかつ前記基材の表
面を覆って前記基材よりも高い硬度または耐摩耗性を付
与するための膜であって、 鉄、コバルトおよびニッケルからなる群から選択される
少なくとも1つの金属元素M1と、 周期律表のIVa、VaおよびVIa族金属元素からな
る群から選択される少なくとも1つの金属元素M2と、 炭素および窒素からなる群から選択される少なくとも1
つの元素Xとからなり、 金属元素M2と元素Xとの化合物と、金属元素M1とか
らなる複合材料を主成分とし、かつ100μm以上10
00μm以下の厚みを有し、 金属元素M1の含有量が、前記基材に接触する部分から
表面にいくに従ってほぼ一定の割合で減少または増加し
おり、かつ 前記基材と接触する部分における金属元素
M1の含有量と前記膜表面における金属元素M1の含有
量との差が、20atm%以上であることを特徴とす
る、傾斜組成膜。
1. A film which is separately formed on a base material made of at least one of a metal and ceramics and covers the surface of the base material to give higher hardness or wear resistance than the base material. At least one metal element M1 selected from the group consisting of iron, cobalt and nickel; at least one metal element M2 selected from the group consisting of group IVa, Va and VIa metal elements of the periodic table; At least one selected from the group consisting of nitrogen
One of consisting the element X, a compound of a metal element M2 and the element X, a composite material comprising a metal element M1 Metropolitan as a main component, and 100μm or more 10
The thickness of the metal element M1 is less than or equal to 00 μm, and the content of the metal element M1 decreases or increases at a substantially constant rate from the part contacting the base material to the surface , and the metal in the part contacting the base material element
Content of M1 and Content of Metal Element M1 on the Film Surface
A gradient composition film, wherein a difference from the amount is 20 atm% or more .
【請求項2】 金属およびセラミックスの少なくともい
ずれかからなる基材の表面に、前記基材よりも高い硬度
または耐摩耗性を付与する膜を堆積するための方法であ
って、 炭素および窒素からなる群から選択される少なくとも1
つの元素Xの源を含むガスが導入された真空容器内に、
鉄、コバルトおよびニッケルからなる群から選択される
少なくとも1つの金属元素M1のための第1の蒸発源
と、周期律表のIV、VaおよびVIa族金属元素から
なる群から選択される少なくとも1つの金属元素M2の
ための第2の蒸発源とを配置し、 前記第1の蒸発源と前記第2の蒸発源を結ぶ直線にほぼ
平行な直線に沿って前記基材を移動させながら陰極アー
ク放電を用いたPVDを行なうことにより、 前記基材上に、金属元素M2と元素Xとの化合物と、金
属元素M1とからなる複合材料を主成分とし、かつ前記
金属元素M1の含有量が、成膜初期から成膜終期にかけ
てほぼ一定の割合で減少または増加する膜を形成するこ
とを特徴とする、傾斜組成膜の製造方法。
2. A method for depositing a film imparting higher hardness or abrasion resistance than the base material on a surface of a base material made of at least one of a metal and a ceramic, the method comprising carbon and nitrogen. At least one selected from the group
In a vacuum vessel into which a gas containing a source of two elements X has been introduced,
A first evaporation source for at least one metal element M1 selected from the group consisting of iron, cobalt and nickel and at least one metal selected from the group consisting of group IV, Va and VIa metal elements of the periodic table; A second evaporation source for the metal element M2 is disposed, and the cathode arc discharge is performed while moving the substrate along a straight line substantially parallel to a straight line connecting the first evaporation source and the second evaporation source. By performing PVD using, a composite material composed of a compound of a metal element M2 and an element X and a metal element M1 as a main component, and the content of the metal element M1 is reduced on the base material. A method for producing a gradient composition film, comprising forming a film that decreases or increases at a substantially constant rate from the initial stage to the final stage.
【請求項3】 金属およびセラミックスの少なくともい
ずれかからなる基材と、 前記基材上に別途形成されかつ前記基材の表面を覆って
前記基材よりも高い硬度または耐摩耗性を付与する膜と
を備える工具であって、 前記膜が、 鉄、コバルトおよびニッケルからなる群から選択される
少なくとも1つの金属元素M1と、 周期律表のIV、VaおよびVIa族金属元素からなる
群から選択される少なくとも1つの金属元素M2と、 炭素および窒素からなる群から選択される少なくとも1
つの元素Xとからなり、 金属元素M2と元素Xとの化合物と、金属元素M1とか
らなる複合材料を主成分とし、かつ 100μm以上10
00μm以下の厚みを有し、 前記膜において、金属元素M1の含有量が、前記基材に
接触する部分から表面にいくに従ってほぼ一定の割合で
減少または増加しており、かつ 前記基材と接触する部分
における金属元素M1の含有量と前記膜表面における金
属元素M1の含有量との差が、20atm%以上である
ことを特徴とする、工具。
3. A base material made of at least one of a metal and a ceramic, and a film separately formed on the base material and covering the surface of the base material and giving higher hardness or wear resistance than the base material Wherein the film is selected from the group consisting of at least one metal element M1 selected from the group consisting of iron, cobalt and nickel, and the group consisting of metal elements IV, Va and VIa of the periodic table. At least one metal element M2, and at least one selected from the group consisting of carbon and nitrogen
One of consisting the element X, a compound of a metal element M2 and the element X, a composite material comprising a metal element M1 Metropolitan as a main component, and 100μm or more 10
Has a thickness of less than 00Myuemu, contact at the film, the content of the metal element M1 is, has decreased or increased a generally constant rate toward the surface from the portion in contact with said substrate, and said substrate Part to do
Content of metal element M1 in gold and gold on the film surface
A tool characterized in that the difference from the content of the element M1 is 20 atm% or more .
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