JP2005271132A - Surface coated cutting tool - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface coated cutting tool, suitably used for a drill, an end mill, a knife edge replacement type tip for milling and lathe turning, a metal saw, a gear cutting tool, a reamer or a tap, and improved in stripping resistance and wear resistance more than before. <P>SOLUTION: This surface coated cutting tool is characterized in that an inner layer formed of a compound at least containing at least one element out of Al, Cr and V and one or more elements selected from nitrogen, carbon and oxygen is coated on a base material, further an outer layer formed of a carbonitride or acidic nitride containing at least one element out of Al, Cr and V is coated on the inner layer, and the outer layer has a larger carbon content than the inner layer. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ドリル、エンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具に関し、特にその表面に耐摩耗性被膜を形成した切削工具に関するものである。   The present invention relates to cutting tools such as drills, end mills, milling and turning cutting tips, metal saws, gear cutting tools, reamers, taps, etc., and more particularly to a cutting tool having a wear-resistant coating formed on its surface. is there.

近年の切削加工では、高速・高精度・高能率加工への追求に加え、環境対策としてドライ加工も志向されている。加えて、工業技術の進歩に伴い、航空機、宇宙開発、原子力発電などに使用される難削材や新素材を多く使用する産業の活動がますます活発化し、質的な多様化と量的な拡大が一層進むとみられ、これらの切削加工についても当然対応が求められている。これまで、このような課題に対して、表面被覆切削工具が数多く提案され、実用化されてきた。   In recent years, in addition to the pursuit of high-speed, high-precision, and high-efficiency machining, dry machining is also aimed at as an environmental measure. In addition, with the advancement of industrial technology, industrial activities that use a lot of difficult-to-cut materials and new materials used in aircraft, space development, nuclear power generation, etc. are becoming increasingly active, qualitative diversification and quantitative It is expected that the expansion will be further advanced, and naturally there is a demand for these cutting processes. To date, many surface-coated cutting tools have been proposed and put to practical use for such problems.

たとえば、特許文献1には、耐摩耗性および表面保護機能改善のため、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼などの切削工具や耐摩耗工具などの硬質基材の表面に、硬質被覆層として、(AlxTi1-x-ySiy)(Cz1-z)(ただし、0.05≦x≦0.75、0.01≦y≦0.1、0.6≦z≦1)のようなAlTiSi系の膜が被覆されてなる硬質皮膜被覆工具、硬質皮膜被覆部材が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a hard coating layer on the surface of a hard base material such as a cutting tool such as a WC-based cemented carbide, cermet, high-speed steel, or wear-resistant tool for improving wear resistance and surface protection function. (Al x Ti 1-xy Si y ) (C z N 1-z ) (where 0.05 ≦ x ≦ 0.75, 0.01 ≦ y ≦ 0.1, 0.6 ≦ z ≦ 1) ) And a hard film coated tool and a hard film coated member are disclosed.

また特許文献2には、Siを適量含有したTiを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物とTiとAlを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物を、TiSi系化合物などの微細組織構造が、Tiを主成分とする炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物中に、Si34およびSiが独立相として存在するようにそれぞれ一層以上交互に被覆すると、乾式の高速切削加工において、切削工具の性能が極めて良好となることが開示されている。特許文献2によれば、従来のTiAlN膜では切削加工において起こる表面酸化で形成されるアルミナ層は酸素の内向拡散に対し酸化保護膜として機能するものの、動的な切削加工においては、最表面のアルミナ層は、その直下のポーラスなTi酸化物層より容易に剥離してしまい酸化の進行に対して十分でないが、特許文献2に記載された発明のTiSi系被膜は膜自体の耐酸化性が極めて高いだけはでなく、最表面にSiを含む非常に緻密なTiとSiの複合酸化物が形成されるので、従来問題となっていたポーラスなTi酸化物層が形成されないので性能が向上すると示されている。 Further, Patent Document 2 discloses nitrides, carbonitrides, oxynitrides, oxycarbonitrides, and nitrides, carbonitrides, and acids containing Ti and Al as main components and containing Ti in an appropriate amount. Nitride, oxycarbonitride has a microstructure such as TiSi-based compounds, and Ti 3 as a main component is carbonitride, oxynitride, oxycarbonitride, and Si 3 N 4 and Si are independent phases. It is disclosed that when one or more layers are alternately coated so as to exist, the performance of the cutting tool is extremely good in dry high-speed cutting. According to Patent Document 2, although the alumina layer formed by surface oxidation that occurs in cutting in the conventional TiAlN film functions as an oxidation protective film against inward diffusion of oxygen, in dynamic cutting, the outermost surface The alumina layer peels off more easily than the porous Ti oxide layer directly below it, and is not sufficient for the progress of oxidation. However, the TiSi-based film of the invention described in Patent Document 2 has the oxidation resistance of the film itself. Not only is it extremely high, but a very dense composite oxide of Ti and Si containing Si is formed on the outermost surface, so the porous Ti oxide layer, which has been a problem in the past, is not formed. It is shown.

また、特許文献3には、AlCrVの炭窒化物、窒化物を用いることで、TiAlN膜と比較して高硬度で耐摩耗性に優れた切削工具用膜質を形成することができることが記載されている。
特許第2793773号 特許第3347687号 特開2003−34859号公報
Patent Document 3 describes that by using AlCrV carbonitride and nitride, it is possible to form a film quality for a cutting tool that is higher in hardness and superior in wear resistance than a TiAlN film. Yes.
Japanese Patent No. 2793773 Japanese Patent No. 3347687 JP 2003-34859 A

しかし、切削過程において高速・高能率加工や完全に潤滑油剤を使わないドライ加工を行うためには、上述の高温での被膜の安定性だけでは不十分である。すなわち、如何に特性の優れる膜を、剥離や欠損を発生させずに密着性よく長時間にわたって基材表面に維持させるかが問題である。   However, in order to perform high-speed, high-efficiency machining and dry machining that does not use a lubricant completely in the cutting process, the above-described coating stability at high temperatures is not sufficient. That is, it is a problem how to maintain a film having excellent characteristics on the surface of the base material for a long time with good adhesion without causing peeling or defects.

つまり、低炭素鋼やステンレス材料、ダクタイル鋳鉄などの刃先に被削材が溶着しやすい材料の切削では、被削材の溶着が原因となって膜剥離が起こり易く、膜剥離が原因の欠損も発生しやすい。このため、剥離を防ぐには、如何に被削材の溶着を防止するかが重要であり、同時に耐摩耗性に優れた膜質とするかが重要な課題となっている。   In other words, when cutting a material that is easily welded to the cutting edge, such as low-carbon steel, stainless steel, or ductile cast iron, film peeling is likely to occur due to the welding of the work material. Likely to happen. For this reason, in order to prevent peeling, it is important how to prevent the welding of the work material, and at the same time, it is an important issue to make the film quality excellent in wear resistance.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、ドリル、エンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどに好適に使用される表面被覆切削工具であって、従来よりも耐剥離性、耐摩耗性が向上された表面被覆切削工具を提供することである。   The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to provide a drill, end mill, milling and turning cutting edge replaceable tip, metal saw, gear cutting tool, reamer, tap, etc. The present invention provides a surface-coated cutting tool that is preferably used for a surface-coated cutting tool that has improved peel resistance and wear resistance as compared with conventional ones.

本発明者らは、上記課題に対して種々の工具表面被覆膜を検討した結果、基材上に、Alと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素と窒素、炭素、酸素から選ばれる1種以上の元素とを少なくとも含む化合物にて形成された内層が被覆され、さらに内層上にAlと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素とを含む炭窒化物もしくは酸炭窒化物にて形成された外層が被覆されてなり、外層が内層よりも大きな炭素含有量を有する表面被覆切削工具が、膜剥離の抑制が可能で優れた耐摩耗性を示すことを見出し、本発明に至った。すなわち、本発明は以下のとおりである。   As a result of studying various tool surface coating films for the above-mentioned problems, the present inventors selected Al, at least one of Cr and V, and nitrogen, carbon, and oxygen on the base material. A carbonitride or oxycarbonitride which is coated with an inner layer formed of a compound containing at least one element selected from the group consisting of Al and at least one of Cr and V on the inner layer. It is found that the outer layer formed by coating a surface-coated cutting tool having an outer layer having a larger carbon content than the inner layer is capable of suppressing film peeling and exhibits excellent wear resistance. It came. That is, the present invention is as follows.

本発明の表面被覆切削工具は、基材上に、Alと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素と窒素、炭素、酸素から選ばれる1種以上の元素とを少なくとも含む化合物にて形成された内層が被覆され、さらに内層上にAlと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素とを含む炭窒化物もしくは酸炭窒化物にて形成された外層が被覆されてなり、外層が内層よりも大きな炭素含有量を有することを特徴とする。   The surface-coated cutting tool of the present invention is formed on a substrate with a compound containing at least one element selected from Al, at least one of Cr and V, and one or more elements selected from nitrogen, carbon, and oxygen. And the outer layer formed of carbonitride or oxycarbonitride containing Al and at least one element of Cr and V is coated on the inner layer. It has a carbon content higher than that of the inner layer.

本発明の表面被覆切削工具において、外層の厚みは0.1〜2μmであるのが好ましい。   In the surface-coated cutting tool of the present invention, the thickness of the outer layer is preferably 0.1 to 2 μm.

また、外層を形成する炭窒化物もしくは酸炭窒化物の平均結晶粒径が0.2μm以下であるのが好ましい。   The average crystal grain size of carbonitride or oxycarbonitride forming the outer layer is preferably 0.2 μm or less.

本発明の表面被覆切削工具における内層は、(Al1-a-bCrab)(ここで、0≦a≦0.5、0≦b≦0.5、0≠a+b≦0.5)と窒素、炭素、酸素から選ばれる1種以上の元素とを少なくとも含む化合物にて形成されたものであるのが好ましい。ここにおいて、aの値が0<a<0.35、前記bの値が0<b<0.35を満たすことがより好ましい。またa,bの値が、20<a/b<100を満たすことがさらに好ましい。 The inner layer in the surface-coated cutting tool of the present invention is (Al 1-ab Cr a V b ) (where 0 ≦ a ≦ 0.5, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≠ a + b ≦ 0.5). It is preferably formed of a compound containing at least one element selected from nitrogen, carbon, and oxygen. Here, it is more preferable that the value of a satisfies 0 <a <0.35 and the value of b satisfies 0 <b <0.35. More preferably, the values of a and b satisfy 20 <a / b <100.

本発明の表面被覆切削工具における内層および/または外層は、原子%で20%以下のSiを含有することが好ましい。   The inner layer and / or the outer layer in the surface-coated cutting tool of the present invention preferably contains 20% or less of Si in atomic percent.

また本発明における内層は、Alと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素とを含む窒化物にて形成されたものであるのが好ましい。   The inner layer in the present invention is preferably formed of a nitride containing Al and at least one of Cr and V.

さらに本発明においては、Alと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素とを含む炭窒化物にて形成された層であって、内層と比較して炭素含有量の多い層にて、内層が分割されたものであるのが好ましい。   Furthermore, in the present invention, a layer formed of carbonitride containing Al and at least one element of Cr and V, and having a higher carbon content than the inner layer, It is preferable that the inner layer is divided.

本発明の表面被覆切削工具において、基材を被覆する層の総厚みが0.5〜8μmであることが好ましい。   In the surface-coated cutting tool of the present invention, the total thickness of the layer covering the substrate is preferably 0.5 to 8 μm.

本発明に従えば、ドリル、エンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどにおける耐剥離性、耐摩耗性の向上が図れるため、寿命の長い表面被覆切削工具を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to improve the peeling resistance and wear resistance of drills, end mills, milling and turning cutting tips, metal saws, gear cutting tools, reamers, taps, etc. A cutting tool can be provided.

本発明の表面被覆切削工具は、基材上に、Alと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素と窒素、炭素、酸素から選ばれる1種以上の元素とを少なくとも含む化合物にて形成された内層が被覆され、さらに内層上にAlと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素とを含む炭窒化物もしくは酸炭窒化物にて形成された外層が被覆されてなり、外層が内層よりも大きな炭素含有量を有することを特徴とする。ここで、内層は、基材表面を直接覆うように形成されてもよいし、他の層が介された状態で基材を覆うように形成されてもよい。同様に外層も、内層を直接覆うように形成されてもよいし、他の層が介された状態で内層を覆うように形成されてもよい。   The surface-coated cutting tool of the present invention is formed on a substrate with a compound containing at least one element selected from Al, at least one of Cr and V, and one or more elements selected from nitrogen, carbon, and oxygen. And the outer layer formed of carbonitride or oxycarbonitride containing Al and at least one element of Cr and V is coated on the inner layer. It has a carbon content higher than that of the inner layer. Here, the inner layer may be formed so as to directly cover the surface of the base material, or may be formed so as to cover the base material with another layer interposed therebetween. Similarly, the outer layer may be formed so as to directly cover the inner layer, or may be formed so as to cover the inner layer with another layer interposed therebetween.

本発明の表面被覆切削工具は、化学的安定性に優れ、金属材料の切削において優れた耐摩耗性を示すAlと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素と窒素、炭素、酸素から選ばれる1種以上の元素とを少なくとも含む化合物にて形成された内層にて基材を被覆したことを特徴の1つとする。また本発明の表面被覆切削工具は、金属材料に対して低い摩擦係数、潤滑性を有し、高い化学的安定性を示すほか、Alと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素と窒素、炭素、酸素から選ばれる1種以上の元素とを少なくとも含む化合物にて形成された内層と優れた密着力を有するAlと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素とを含む炭窒化物もしくは酸炭窒化物にて、前記内層を被覆して、外層を形成したこともその特徴とする。また、本発明の表面被覆切削工具は、前記組成の内層と前記組成の外層を備えた上で、外層が内層よりも炭素含有量が大きく、これにより特に優れた潤滑性を得ることができるため、非常に優れた膜の耐剥離性が得られるという効果が発揮されることもその特徴とする。これらの特徴を兼ね備えた本発明により、ドリル、エンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどにおける耐剥離性、耐摩耗性の向上が図れるため、寿命の長い表面被覆切削工具を提供することが可能となる。   The surface-coated cutting tool of the present invention is selected from Al having excellent chemical stability and excellent wear resistance in cutting metal materials, and at least one of Cr and V, and nitrogen, carbon, and oxygen. One of the characteristics is that the base material is coated with an inner layer formed of a compound containing at least one kind of element. Further, the surface-coated cutting tool of the present invention has a low coefficient of friction and lubricity with respect to a metal material, exhibits high chemical stability, Al, at least one of Cr and V, and nitrogen. Carbon nitride containing an inner layer formed of a compound containing at least one element selected from carbon, oxygen, Al having excellent adhesion, and at least one of Cr and V Alternatively, the outer layer is formed by coating the inner layer with oxycarbonitride. In addition, the surface-coated cutting tool of the present invention includes an inner layer having the above composition and an outer layer having the above composition, and the outer layer has a carbon content larger than that of the inner layer, and thereby can obtain particularly excellent lubricity. It is also characterized by the effect that a very excellent film peel resistance can be obtained. With this feature that combines these features, it is possible to improve the peel resistance and wear resistance of drills, end mills, milling and turning blade inserts, metal saws, cutting tools, reamers, taps, etc. It is possible to provide a long surface-coated cutting tool.

本発明の表面被覆切削工具は、上述したようにAlと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素と窒素、炭素、酸素から選ばれる1種以上の元素とを少なくとも含む化合物にて内層が形成される。この内層を形成する化合物は、上記以外の元素(たとえば後述するSi、B)を、本発明の効果を阻害しない範囲で含有していてもよい。本発明においては、内層がAlを含有することで、耐酸化特性が向上するとともに熱伝導率が高くなり、切削加工時の発熱を工具表面から逃がすことができるという効果を有する。   As described above, the surface-coated cutting tool of the present invention has an inner layer made of a compound containing at least one of Al, at least one of Cr and V, and one or more elements selected from nitrogen, carbon, and oxygen. It is formed. The compound forming the inner layer may contain elements other than those described above (for example, Si and B described later) within a range that does not impair the effects of the present invention. In the present invention, when the inner layer contains Al, the oxidation resistance is improved, the thermal conductivity is increased, and heat generated during cutting can be released from the tool surface.

本発明における内層を形成する窒化物、炭窒化物、酸窒化物または酸炭窒化物は、Alを除くCrとVの量が(Al1-a-bCrab)(ここで、0≦a≦0.5、0≦b≦0.5、0≠a+b≦0.5)にて規定される化合物の窒化物、炭窒化物、酸窒化物または酸炭窒化物であることが好ましい。すなわち、本発明の表面被覆切削工具における内層は、(Al1-a-bCrab)(ここで、0≦a≦0.5、0≦b≦0.5、0≠a+b≦0.5)を含む窒化物、炭窒化物、酸窒化物または酸炭窒化物にて形成されたものであることが好ましい。(Al1-a-bCrab)において、aおよびbの少なくともいずれかが0.5を越えると、内層の硬度が低下してしまい十分な耐摩耗性を発揮できなくなる虞があるためである。特に好ましい耐摩耗性が得られるのはa+b>0.3のときであり、a+bの値がこの範囲にあると外層との密着性が向上し、優れた膜の耐剥離性が得られるため、特に好ましい。さらに(Al1-a-bCrab)において、aの値が0<a<0.35、前記bの値が0<b<0.35であるのがより好ましい。CrとVが同時に含まれ、かつ、aおよびbの値が共に0.35未満であることによって優れた耐剥離性を期待できるためである。この理由は明らかではないが、Crは低温での潤滑性、Vは比較的高温域での潤滑性を向上でき、同時に存在することで幅広い切削条件で優れた耐剥離性を示すためと考えられる。また、さらに前記a,bの値は20<a/b<100の関係を有するものであることが特に好ましい。表面被覆切削工具において、内層を形成する窒化物、炭窒化物、酸窒化物または酸炭窒化物の組成は、X線光電子分光装置(XPS)やオージェ電子分光装置(AES)によって確認することができる。 In the nitride, carbonitride, oxynitride or oxycarbonitride forming the inner layer in the present invention, the amount of Cr and V excluding Al is (Al 1-ab Cr a V b ) (where 0 ≦ a Preferably, it is a nitride, carbonitride, oxynitride or oxycarbonitride of a compound defined by ≦ 0.5, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≠ a + b ≦ 0.5). That is, the inner layer in the surface-coated cutting tool of the present invention is (Al 1-ab Cr a V b ) (where 0 ≦ a ≦ 0.5, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≠ a + b ≦ 0.5). ) -Containing nitrides, carbonitrides, oxynitrides, or oxycarbonitrides. This is because in (Al 1-ab Cr a V b ), if at least one of a and b exceeds 0.5, the hardness of the inner layer is lowered and sufficient wear resistance may not be exhibited. . Particularly preferable wear resistance is obtained when a + b> 0.3, and when the value of a + b is within this range, adhesion with the outer layer is improved, and excellent film peeling resistance is obtained. Particularly preferred. Further, in (Al 1-ab Cr a V b ), it is more preferable that the value of a is 0 <a <0.35 and the value of b is 0 <b <0.35. This is because excellent peeling resistance can be expected when both Cr and V are contained at the same time and the values of a and b are both less than 0.35. The reason for this is not clear, but it is thought that Cr can improve lubricity at low temperatures, V can improve lubricity at relatively high temperatures, and exhibits excellent peeling resistance under a wide range of cutting conditions by being simultaneously present. . Further, it is particularly preferable that the values of a and b have a relationship of 20 <a / b <100. In the surface-coated cutting tool, the composition of the nitride, carbonitride, oxynitride or oxycarbonitride forming the inner layer can be confirmed by an X-ray photoelectron spectrometer (XPS) or an Auger electron spectrometer (AES). it can.

このようにAlを除くCrとVの量が(Al1-a-bCrab)(ここで、0≦a≦0.5、0≦b≦0.5、0≠a+b≦0.5)で表される好適な化合物の窒化物、炭窒化物、酸窒化物または酸炭窒化物で形成された内層を備える表面被覆切削工具は、後述するようにたとえばカソードアークイオンプレーティング法にて表面被覆切削工具を製造する場合には、たとえば基板バイアス電圧を−300〜−50Vの範囲内とする条件にて内層を形成することで実現することができる。また、中でも好適なa,bの値は20<a/b<100の関係を有する(Al1-a-bCrab)で表される好適な化合物の窒化物、炭窒化物、酸窒化物または酸炭窒化物にて形成された内層を備える表面被覆切削工具は、上記表面被覆切削工具を製造する際に基板バイアス電圧を−300〜−150Vの範囲内とすることで、実現することができる。 Thus, the amount of Cr and V excluding Al is (Al 1-ab Cr a V b ) (where 0 ≦ a ≦ 0.5, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≠ a + b ≦ 0.5). A surface-coated cutting tool having an inner layer formed of nitride, carbonitride, oxynitride or oxycarbonitride of a suitable compound represented by When manufacturing a coated cutting tool, it is realizable by forming an inner layer on the conditions which make a substrate bias voltage into the range of -300--50V, for example. Among them, preferred a, b values are nitrides, carbonitrides, oxynitrides of suitable compounds represented by (Al 1-ab Cr a V b ) having a relationship of 20 <a / b <100 Alternatively, a surface-coated cutting tool having an inner layer formed of oxycarbonitride can be realized by setting the substrate bias voltage within a range of −300 to −150 V when manufacturing the surface-coated cutting tool. it can.

また本発明における内層は、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素とを含む窒化物にて形成されたものであるのが好ましい。内層が前記化合物の窒化物にて形成された場合には、内層が前記化合物の炭窒化物にて形成された場合と比較して、膜の靭性が高く、耐欠損性に優れるというような利点があるからである。中でも、内層が(Al1-a-bCrab)(ここで、0≦a≦0.5、0≦b≦0.5、0≠a+b≦0.5)で表される好適な化合物の窒化物にて形成されたものであるのが好ましくより好ましく、a,bの値は20<a/b<100の関係を有する(Al1-a-bCrab)で表される好適な化合物の窒化物にて形成されてなるのが特に好ましい。 The inner layer in the present invention is preferably formed of a nitride containing at least one element of Cr and V. When the inner layer is formed of the compound nitride, the advantage is that the film has higher toughness and excellent fracture resistance compared to the case where the inner layer is formed of the compound carbonitride. Because there is. Among them, preferred compounds of which the inner layer is represented by (Al 1-ab Cr a V b ) (where 0 ≦ a ≦ 0.5, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≠ a + b ≦ 0.5) It is preferable that it is formed of nitride, and a suitable compound represented by (Al 1-ab Cr a V b ) in which the values of a and b have a relationship of 20 <a / b <100 It is particularly preferable that it is formed of the nitride.

本発明の表面被覆切削工具においては、上述した内層を被覆して、Alと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素とを含む炭窒化物もしくは酸炭窒化物にて外層が形成される。この外層を形成する炭窒化物もしくは酸炭窒化物は、上記以外の元素(たとえばSi、Ti、B)を、本発明の効果を阻害しない範囲で含有していてもよい。   In the surface-coated cutting tool of the present invention, the above-described inner layer is coated, and the outer layer is formed of carbonitride or oxycarbonitride containing Al and at least one element of Cr and V. . The carbonitride or oxycarbonitride that forms this outer layer may contain elements other than those described above (for example, Si, Ti, B) within a range that does not impair the effects of the present invention.

本発明における外層を形成する炭窒化物もしくは酸炭窒化物は、Alを除くCrとVの量が(Al1-c-dCrcd)(ここで、0≦c<1.0、0≦d<1.0、0.3<c+d<1.0)にて規定される化合物の炭窒化物もしくは酸炭窒化物であることが好ましい。すなわち、本発明の表面被覆切削工具における外層は、(Al1-c-dCrcd)(ここで、0≦c<1.0、0≦d<1.0、0.3<c+d<1.0)を含む炭窒化物もしくは酸炭窒化物にて形成されたものであることが好ましい。(Al1-c-dCrcd)において、c+dの値が0.3より大としたのは、0.3以下であると耐摩耗性が低下する虞があるためである。さらに(Al1-c-dCrcd)において、cの値が0<c<0.5、前記dの値が0<d<0.5であるのがより好ましい。CrとVが同時に含まれ、かつ、cおよびdの値が共に0.5以下であることによって優れた耐剥離性を期待できるためである。この理由は明らかではないが、Crは低温での潤滑性、Vは比較的高温域での潤滑性を向上でき、同時に存在することで幅広い切削条件で優れた耐剥離性を示すためと考えられる。また、さらに前記c,dの値は20<c/d<100の関係を有するものであることが特に好ましい。表面被覆切削工具において、外層を形成する炭窒化物もしくは酸炭窒化物の組成は、XPSによって確認することができる。 In the carbonitride or oxycarbonitride forming the outer layer in the present invention, the amount of Cr and V excluding Al is (Al 1 -cd Cr c V d ) (where 0 ≦ c <1.0, 0 ≦ A carbonitride or oxycarbonitride of a compound defined by d <1.0, 0.3 <c + d <1.0) is preferable. That is, the outer layer in the surface-coated cutting tool of the present invention is (Al 1-cd Cr c V d ) (where 0 ≦ c <1.0, 0 ≦ d <1.0, 0.3 <c + d <1 0.0) is preferably formed of carbonitrides or oxycarbonitrides. In (Al 1 -cd Cr c V d ), the value of c + d is set to be greater than 0.3 because wear resistance may be lowered when the value is 0.3 or less. Further, in (Al 1 -cd Cr c V d ), it is more preferable that the value of c is 0 <c <0.5, and the value of d is 0 <d <0.5. This is because excellent peeling resistance can be expected when both Cr and V are contained at the same time and the values of c and d are both 0.5 or less. The reason for this is not clear, but it is thought that Cr can improve lubricity at low temperatures, V can improve lubricity at relatively high temperatures, and exhibits excellent peeling resistance under a wide range of cutting conditions by being simultaneously present. . Further, it is particularly preferable that the values of c and d have a relationship of 20 <c / d <100. In the surface-coated cutting tool, the composition of carbonitride or oxycarbonitride forming the outer layer can be confirmed by XPS.

このようにAlを除くCrとVの量が(Al1-c-dCrcd)(ここで、0≦c<1.0、0≦d<1.0、0.3<c+d<1.0)で表される好適な化合物の炭窒化物もしくは酸炭窒化物で形成された外層を備える表面被覆切削工具は、後述するようにたとえばカソードアークイオンプレーティング法にて表面被覆切削工具を製造する場合には、たとえば基板バイアス電圧を−300〜−50Vの範囲内とする条件にて内層を形成することで実現することができる。また、中でも好適なc,dの値が20<c/d<100の関係を有する(Al1-c-dCrcd)で表される好適な化合物の炭窒化物もしくは酸炭窒化物にて形成された外層を備える表面被覆切削工具は、上記表面被覆切削工具を製造する際に基板バイアス電圧を−300〜−150Vの範囲内とすることで、実現することができる。 Thus, the amount of Cr and V excluding Al is (Al 1 -cd Cr c V d ) (where 0 ≦ c <1.0, 0 ≦ d <1.0, 0.3 <c + d <1. A surface-coated cutting tool having an outer layer formed of a carbonitride or oxycarbonitride of a suitable compound represented by 0) is produced by, for example, a cathode arc ion plating method as described later. In this case, for example, the inner layer can be formed under the condition that the substrate bias voltage is in the range of −300 to −50V. Further, among them, carbonitride or oxycarbonitride of a suitable compound represented by (Al 1 -cd Cr c V d ) having a relationship in which the values of c and d are preferably 20 <c / d <100 The surface-coated cutting tool including the formed outer layer can be realized by setting the substrate bias voltage within the range of −300 to −150 V when manufacturing the surface-coated cutting tool.

ここで、本発明の表面被覆切削工具においては、外層が内層よりも大きな炭素含有量を有することを特徴とする。ここで、外層と内層との炭素含有量の差は5%以上であるのが好ましく、10%以上であるのがより好ましい。外層と内層との炭素含有量の差が5%未満であると、外層が内層よりも大きな炭素含有量を有することによる上述した効果が十分に発揮されないためである。   Here, the surface-coated cutting tool of the present invention is characterized in that the outer layer has a larger carbon content than the inner layer. Here, the difference in carbon content between the outer layer and the inner layer is preferably 5% or more, and more preferably 10% or more. This is because if the difference in carbon content between the outer layer and the inner layer is less than 5%, the above-described effects due to the outer layer having a larger carbon content than the inner layer are not sufficiently exhibited.

なお、本発明の表面被覆切削工具においては、外層が内層よりも大きな炭素含有量を有しているならば、たとえば、内層から外層にかけて炭素含有量が連続的または段階的に増加するように実現されていてもよい。内層から外層にかけて連続的に炭素含有量が大きくなるような構成は、たとえば、後述するようにたとえばカソードアークイオンプレーティング法にて表面被覆切削工具を製造する場合には、メタンガス導入量を連続的に増加させていくことによって実現できる。また、内層から外層にかけて段階的に炭素含有量が大きくなるような構成は、たとえば、後述するようにたとえばカソードアークイオンプレーティング法にて表面被覆切削工具を製造する場合には、メタンガス導入量を段階的に増加させていくことによって実現できる。   In the surface-coated cutting tool of the present invention, if the outer layer has a larger carbon content than the inner layer, for example, the carbon content is realized to increase continuously or stepwise from the inner layer to the outer layer. May be. The structure in which the carbon content continuously increases from the inner layer to the outer layer is, for example, as described later, when the surface-coated cutting tool is manufactured by, for example, the cathode arc ion plating method, the methane gas introduction amount is continuously increased. It can be realized by increasing it. In addition, the configuration in which the carbon content gradually increases from the inner layer to the outer layer is, for example, as described later, when manufacturing a surface-coated cutting tool by, for example, the cathode arc ion plating method, This can be achieved by increasing it step by step.

なお、内層、外層のそれぞれの炭素含有量は、たとえば、AESを用いて測定することができる。   In addition, each carbon content of an inner layer and an outer layer can be measured using AES, for example.

また外層は、後述する本発明の表面被覆切削工具を製造する過程において、内層形成時よりもメタンガス導入量(流量、圧力など)を増やすことで、その炭素含有量が内層よりも大きくなるように形成できる。   In addition, in the process of manufacturing the surface-coated cutting tool of the present invention to be described later, the outer layer increases its methane gas introduction amount (flow rate, pressure, etc.) more than the inner layer formation so that the carbon content becomes larger than the inner layer. Can be formed.

本発明の表面被覆切削工具において、特に炭素含有量の多い外層の厚みは特に制限されるものではないが、0.1〜2μmであるのが好ましく、0.2〜1μmであるのがより好ましい。外層の厚みが0.1μmより薄い場合には、外層としての優れた効果を発揮できない虞があるためであり、また、外層の厚みが2μmを越えると、膜剥離を起こしやすくなる虞があるためである。外層の厚みは、表面被覆切削工具を切断し、その断面からAESを用いて測定できる。   In the surface-coated cutting tool of the present invention, the thickness of the outer layer having a high carbon content is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 2 μm, more preferably 0.2 to 1 μm. . This is because if the thickness of the outer layer is less than 0.1 μm, the excellent effect as the outer layer may not be exhibited, and if the thickness of the outer layer exceeds 2 μm, the film may be easily peeled off. It is. The thickness of the outer layer can be measured by cutting the surface-coated cutting tool and using AES from the cross section.

本発明の表面被覆切削工具における外層は、好ましくは平均結晶粒径が0.2μm以下、より好ましくは0.1μm以下の前記炭窒化物もしくは酸炭窒化物により形成されてなるのが好ましい。これによって、特に優れた潤滑性、および内層との密着強度を有する外層を実現することができる。また、耐摩耗性の観点からは、外層を形成する前記炭窒化物もしくは酸炭窒化物の平均結晶粒径は、1nm以上であるのが好ましく、3nm以上であるのがより好ましい。表面被覆切削工具の外層におけるAlと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素とを含む炭窒化物もしくは酸炭窒化物の平均結晶粒径は、たとえば、膜断面もしくは破面をSEMを用いて観察して測定することができる。   The outer layer in the surface-coated cutting tool of the present invention is preferably formed of the carbonitride or oxycarbonitride having an average crystal grain size of 0.2 μm or less, more preferably 0.1 μm or less. Thereby, an outer layer having particularly excellent lubricity and adhesion strength with the inner layer can be realized. Further, from the viewpoint of wear resistance, the average crystal grain size of the carbonitride or oxycarbonitride forming the outer layer is preferably 1 nm or more, and more preferably 3 nm or more. The average crystal grain size of carbonitride or oxycarbonitride containing Al and at least one element of Cr and V in the outer layer of the surface-coated cutting tool is, for example, a film cross section or a fracture surface using SEM Can be observed and measured.

このような好適な平均結晶粒径を有するAlと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素とを含む炭窒化物もしくは酸炭窒化物にて形成された外層を備える表面被覆切削工具は、後述するようにたとえばカソードアークイオンプレーティング法にて表面被覆切削工具を製造する場合には、基材バイアス電圧を−300〜−150Vの範囲とする条件にて外層を形成することが好ましい。   A surface-coated cutting tool comprising an outer layer formed of carbonitride or oxycarbonitride containing Al having such a suitable average crystal grain size and at least one element of Cr and V, As will be described later, when manufacturing a surface-coated cutting tool by, for example, the cathode arc ion plating method, it is preferable to form the outer layer under the condition that the substrate bias voltage is in the range of -300 to -150V.

本発明の表面被覆切削工具においては、耐酸化性や耐摩耗性、耐剥離性を向上させる観点から、内層および/または外層はSiを原子%で好ましくは20%以下、より好ましくは15%以下含んでいてもよい。内層および/または外層中にSiが存在すると、内層および/または外層の組織が微細化するとともに、内層および/または外層の硬度が向上されるためである。ただし、内層および/または外層が原子%で20%を越えてSiを含有すると、内層および/または外層が脆くなり逆に摩耗が促進されてしまう傾向にあるため、好ましくない。また、内層および/または外層がSiを含有する場合、組織の微細化効果を得るためには、Siは原子%で1%以上含有されてなるのが好ましく、5%以上含有されてなるのがより好ましい。ここで、表面被覆切削工具の内層および/または外層におけるSi含有量は、たとえばXPS、AESなどを用いて測定することができる。   In the surface-coated cutting tool of the present invention, from the viewpoint of improving oxidation resistance, wear resistance, and peel resistance, the inner layer and / or the outer layer are preferably 20% or less, more preferably 15% or less of Si in atomic%. May be included. When Si is present in the inner layer and / or the outer layer, the structure of the inner layer and / or the outer layer is refined and the hardness of the inner layer and / or the outer layer is improved. However, it is not preferable that the inner layer and / or the outer layer contain Si exceeding 20% by atomic% because the inner layer and / or the outer layer tend to become brittle and wear is accelerated. Further, when the inner layer and / or the outer layer contain Si, in order to obtain the effect of refining the structure, Si is preferably contained at 1% or more in atomic%, and is preferably contained at 5% or more. More preferred. Here, the Si content in the inner layer and / or the outer layer of the surface-coated cutting tool can be measured using XPS, AES, or the like, for example.

また内層および/または外層には、Bを原子%で好ましくは15%以下、より好ましくは10%以下含んでいてもよい。内層および/または外層にBが存在すると、高硬度な被膜が得られ、切削中の表面酸化によって形成されるBの酸化物が特にAlの酸化物を緻密化するという利点がある。さらに、Bの酸化物は低融点であるので切削時の潤滑油として作用し、優れた耐剥離性を示すという利点もある。ただし、内層および/または外層が原子%で15%を越えてBを含有すると、逆に耐摩耗性が低下する傾向にあるため、好ましくない。また、内層および/または外層がBを含有する場合、耐摩耗性と耐剥離性を向上させるためには、Bは原子%で1%以上含有されてなるのが好ましく、5%以上含有されてなるのがより好ましい。ここで、表面被覆切削工具の内層におけるB含有量は、たとえばXPS、AESなどを用いて測定することができる。   Further, the inner layer and / or the outer layer may contain B in atomic%, preferably 15% or less, more preferably 10% or less. When B exists in the inner layer and / or the outer layer, a high hardness film is obtained, and there is an advantage that the oxide of B formed by surface oxidation during cutting particularly densifies the oxide of Al. Further, since the oxide of B has a low melting point, it acts as a lubricating oil at the time of cutting, and has an advantage of exhibiting excellent peeling resistance. However, it is not preferable that the inner layer and / or the outer layer contain B in an atomic percent exceeding 15% because the wear resistance tends to decrease. Further, when the inner layer and / or the outer layer contains B, in order to improve wear resistance and peel resistance, it is preferable that B is contained at 1% or more in atomic%, and it is contained at 5% or more. More preferably. Here, the B content in the inner layer of the surface-coated cutting tool can be measured using, for example, XPS, AES, or the like.

本発明の表面被覆切削工具における内層は、Alと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素と窒素、炭素、酸素から選ばれる1種以上の元素とを少なくとも含む化合物にて形成され、内層よりも大きな炭素含有量を有する層(分割層)にて、分割するように形成されていてもよい。このような分割層により内層が多層に分割されることで、優れた剥離性を実現することができる。また、内層が分割層にて分割されていることによって、切削時に突発的に大応力が付加されたとき、結合力が若干低下した多層膜界面で膜破壊が起こるため、切削時の内層の破壊単位を多層化により小さくでき、突発的な膜の大破壊現象を抑制できることから、結果として安定長寿命の表面被覆切削工具を実現することができる。   The inner layer in the surface-coated cutting tool of the present invention is formed of a compound containing at least one element selected from Al, at least one of Cr and V, and one or more elements selected from nitrogen, carbon, and oxygen. It may be formed so as to be divided in a layer (divided layer) having a larger carbon content. An excellent peelability can be realized by dividing the inner layer into multiple layers by such a divided layer. In addition, because the inner layer is divided by the divided layers, when a large stress is suddenly applied during cutting, film breakage occurs at the multilayer film interface where the bond strength is slightly reduced. Since the unit can be reduced by multilayering, and the sudden large-breaking phenomenon of the film can be suppressed, as a result, a surface-coated cutting tool having a stable and long life can be realized.

分割層は、Alと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素とを含む炭窒化物にて形成され、内層よりも大きな炭素含有量を有するものであればよいが、Alを除くCrとVの量が(Al1-e-fCref)(ここで、0≦e≦0.5、0≦f≦0.5、0≠e+f≦0.5)にて規定される化合物の炭窒化物であることが好ましい。すなわち、本発明の表面被覆切削工具における分割層は、(Al1-e-fCref)(ここで、0≦e≦0.5、0≦f≦0.5、0≠e+f≦0.5)を含む炭窒化物にて形成されたものであることが好ましい。(Al1-e-fCref)において、eおよびfの少なくともいずれかが0.5を越えると、耐摩耗性が低下する虞があるためである。さらに(Al1-e-fCref)において、eの値が0<e<0.35、前記fの値が0<f<0.35であるのがより好ましい。CrとVが同時に含まれ、かつ、eおよびfの値が共に0.35未満であることによって優れた耐剥離性を期待できるためである。この理由は明らかではないが、Crは低温での潤滑性、Vは比較的高温域での潤滑性を向上でき、同時に存在することで幅広い切削条件で優れた耐剥離性を示すためと考えられる。また、さらに前記e,fの値は20<e/f<100の関係を有するものであることが特に好ましい。表面被覆切削工具において、分割層を形成する炭窒化物の組成は、AESなどによって確認することができる。 The divided layer may be formed of carbonitride containing Al and at least one of Cr and V, and may have a carbon content larger than that of the inner layer. V amount (Al 1-ef Cr e V f) ( where, 0 ≦ e ≦ 0.5,0 ≦ f ≦ 0.5,0 ≠ e + f ≦ 0.5) of the defined in the compound coal Nitride is preferred. That is, split layer in the surface-coated cutting tool of the present invention, (Al 1-ef Cr e V f) ( where, 0 ≦ e ≦ 0.5,0 ≦ f ≦ 0.5,0 ≠ e + f ≦ 0. 5) is preferably formed of carbonitride. In (Al 1-ef Cr e V f), when at least one of e and f is more than 0.5, because the abrasion resistance may deteriorate. In yet (Al 1-ef Cr e V f), the value of e is 0 <e <0.35, the value of the f is more preferably 0 <f <0.35. This is because excellent peeling resistance can be expected when both Cr and V are contained at the same time and the values of e and f are both less than 0.35. The reason for this is not clear, but it is thought that Cr can improve lubricity at low temperatures, V can improve lubricity at relatively high temperatures, and exhibits excellent peeling resistance under a wide range of cutting conditions by being simultaneously present. . Further, it is particularly preferable that the values of e and f have a relationship of 20 <e / f <100. In the surface-coated cutting tool, the composition of the carbonitride forming the divided layer can be confirmed by AES or the like.

このようにAlを除くCrとVの量が(Al1-e-fCref)(ここで、0≦e≦0.5、0≦f≦0.5、0≠e+f≦0.5)で表される好適な化合物の炭窒化物で形成された分割層を備える表面被覆切削工具は、後述するようにたとえばカソードアークイオンプレーティング法にて表面被覆切削工具を製造する場合には、たとえば基板バイアス電圧を−300〜−50Vの範囲内とする条件にて分割層を形成することで実現することができる。 The amount of Cr and V in this way except for Al are (Al 1-ef Cr e V f) ( where, 0 ≦ e ≦ 0.5,0 ≦ f ≦ 0.5,0 ≠ e + f ≦ 0.5) In the case of manufacturing a surface-coated cutting tool by a cathodic arc ion plating method, for example, as described later, a surface-coated cutting tool having a divided layer formed of carbonitride of a suitable compound represented by This can be realized by forming the dividing layer under the condition that the substrate bias voltage is in the range of −300 to −50V.

分割層は、内層よりも大きな炭素含有量を有することを特徴とする。ここで、分割層と内層との炭素含有量の差は5%以上であるのが好ましく、10%以上であるのがより好ましい。分割層と内層との炭素含有量の差が5%未満であると、分割層が内層よりも大きな炭素含有量を有することによる上述した効果が十分に発揮されないためである。   The dividing layer is characterized by having a larger carbon content than the inner layer. Here, the difference in carbon content between the divided layer and the inner layer is preferably 5% or more, and more preferably 10% or more. This is because if the difference in carbon content between the divided layer and the inner layer is less than 5%, the above-described effects due to the divided layer having a larger carbon content than the inner layer are not sufficiently exhibited.

なお、分割層の炭素含有量は、たとえば、AESを用いて測定することができる。   The carbon content of the divided layer can be measured using, for example, AES.

また、分割層は、後述する本発明の表面被覆切削工具を製造する過程において、メタンガス導入量(流量、圧力など)を増加させることで、その炭素含有量が内層よりも大きくなるように形成できる。   Further, in the process of manufacturing the surface-coated cutting tool of the present invention to be described later, the divided layer can be formed such that the carbon content is larger than that of the inner layer by increasing the methane gas introduction amount (flow rate, pressure, etc.). .

内層が前記分割層にて多層に分割されてなる場合、内層の分割数に特に制限はなく、分割された内層の各部分は、互いに均等な厚みを有していてもよく、不均等な厚みであってもよい。なお、不均等な厚みに分割すると、様々な破壊応力に対応可能となるという利点がある。内層の各部分の厚みは特に制限されるものではないが、分割された内層の各部分のいずれもが0.01〜0.5μmの範囲内にあり、かつ、内層の各部分の厚みの総計が、後述する内層の好適な厚みの範囲内にあるのが好ましい。内層の各部分のいずれかの厚みが0.01μm未満であると、耐摩耗性が不十分となる虞があるためであり、また内層の各部分のいずれかの厚みが0.5μmを越えると、内層を多層に分割することによる効果が低下する虞があるためである。前記内層の各部分の厚みも、上述した外層の場合と同様に、表面被覆切削工具を切断し、その断面をSEMを用いて観察したり、AESを用いて測定することができる。   When the inner layer is divided into multiple layers by the divided layer, the number of divisions of the inner layer is not particularly limited, and each portion of the divided inner layer may have an equal thickness or an uneven thickness. It may be. In addition, when it divides | segments into uneven thickness, there exists an advantage that it becomes possible to respond | correspond to various fracture stress. The thickness of each part of the inner layer is not particularly limited, but all the parts of the divided inner layer are in the range of 0.01 to 0.5 μm, and the total thickness of each part of the inner layer However, it is preferable that it exists in the range of the suitable thickness of the inner layer mentioned later. If the thickness of any part of the inner layer is less than 0.01 μm, the wear resistance may be insufficient, and if the thickness of any part of the inner layer exceeds 0.5 μm. This is because the effect of dividing the inner layer into multiple layers may be reduced. Similarly to the case of the outer layer described above, the thickness of each part of the inner layer can be measured by cutting the surface-coated cutting tool and observing the cross section using SEM or using AES.

また内層が前記分割層にて多層に分割されてなる場合、分割層の厚み(複数層形成される場合には、そのいずれもの厚み)は、1〜200nmであるのが好ましく、10〜100nmであるのがより好ましい。分割層の厚みが1nm未満であると、内層を多層に分割することによる効果が低下する虞があるためであり、また分割層の厚みが200nmを越えると、耐摩耗性が低下する虞があるためである。前記分割層の厚みも、上述した外層の場合と同様に、表面被覆切削工具を切断し、その断面をSEMを用いて観察して測定することができる。   When the inner layer is divided into multiple layers by the divided layer, the thickness of the divided layer (when multiple layers are formed, any thickness thereof) is preferably 1 to 200 nm, preferably 10 to 100 nm. More preferably. If the thickness of the divided layer is less than 1 nm, the effect of dividing the inner layer into multiple layers may be reduced, and if the thickness of the divided layer exceeds 200 nm, the wear resistance may be reduced. Because. Similarly to the case of the outer layer described above, the thickness of the divided layer can also be measured by cutting the surface-coated cutting tool and observing the cross section using an SEM.

さらに本発明の表面被覆切削工具においては、内層がAlと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素を含む炭窒化物、酸窒化物または酸炭窒化物にて形成される場合には、内層と基材との間にAlと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素を含む窒化物にて形成された層(最内層)が形成されていてもよい。このような最内層が基材と内層との間に介在されることによって、内層と基材との密着力が向上される。   Furthermore, in the surface-coated cutting tool of the present invention, when the inner layer is formed of Al, and carbonitride, oxynitride, or oxycarbonitride containing at least one of Cr and V, A layer (innermost layer) formed of nitride containing Al and at least one of Cr and V may be formed between the inner layer and the base material. By interposing such an innermost layer between the base material and the inner layer, the adhesion between the inner layer and the base material is improved.

最内層の厚みは特に制限されるものではないが、0.05〜1.0μmであるのが好ましく、0.1〜0.5μmであるのがより好ましい。最内層の厚みが0.05μm未満である場合には、前記密着力の向上の効果が充分に発揮されない虞があるためであり、また最内層の厚みが1.0μmを越える場合には、耐摩耗性が低下する虞があるためである。前記最内層の厚みは、上述した最外層の場合と同様に、表面被覆切削工具を切断し、その断面をSEMを用いて観察したり、AESを用いて分析することで測定することができる。   The thickness of the innermost layer is not particularly limited, but is preferably 0.05 to 1.0 μm, and more preferably 0.1 to 0.5 μm. This is because if the innermost layer thickness is less than 0.05 μm, the effect of improving the adhesion may not be sufficiently exhibited, and if the innermost layer thickness exceeds 1.0 μm, This is because the wearability may be reduced. As in the case of the outermost layer described above, the thickness of the innermost layer can be measured by cutting the surface-coated cutting tool and observing the cross section using SEM or analyzing it using AES.

本発明の表面被覆切削工具において、内層の残留応力は−6〜0GPaであるのが好ましく、−4〜−1GPaであるのがより好ましい。前記残留応力が−6GPa未満であると、表面被覆膜中の圧縮残留応力が大きくなりすぎ、基材との密着強度が低下する傾向にある。また、前記残留応力が0GPaを越えると、被膜には引張応力が残留することとなり、膜に亀裂が入りやすくなるとともにチッピング性、欠損性が低下してしまう虞がある。なお、前記残留応力は、たとえばX線残留応力測定装置を用いて、あるいは、Sin2ψ法によって測定することができる。 In the surface-coated cutting tool of the present invention, the residual stress of the inner layer is preferably −6 to 0 GPa, and more preferably −4 to −1 GPa. When the residual stress is less than −6 GPa, the compressive residual stress in the surface coating film becomes too large, and the adhesion strength with the base material tends to decrease. On the other hand, if the residual stress exceeds 0 GPa, tensile stress remains in the coating, and the film tends to crack, and the chipping property and chipping property may be reduced. The residual stress can be measured using, for example, an X-ray residual stress measuring apparatus or by the Sin 2 ψ method.

このような好適な残留応力を有する表面被覆切削工具は後述するようにたとえばカソードアークイオンプレーティング法にて表面被覆切削工具を製造する場合には、たとえば基板バイアス電圧を−250〜−100Vの範囲内とする条件にて内層を形成することで実現することができる。   The surface-coated cutting tool having such a suitable residual stress is, for example, a substrate bias voltage in the range of −250 to −100 V when the surface-coated cutting tool is produced by, for example, the cathode arc ion plating method as described later. This can be realized by forming the inner layer under the inner condition.

本発明の表面被覆切削工具において、内層の厚みは特に制限されるものではないが、0.4〜8μmであるのが好ましく、1〜6μmであるのがより好ましい。内層の厚みが0.4μm未満である場合には、耐摩耗性が不十分となってしまう虞があるためであり、また、内層の厚みが8μmを越えると、耐欠損性が低下する虞があるためである。内層の厚みは、上述した外層の場合と同様に、表面被覆切削工具を切断し、その断面をSEMを用いて観察して測定することができる。   In the surface-coated cutting tool of the present invention, the thickness of the inner layer is not particularly limited, but is preferably 0.4 to 8 μm, and more preferably 1 to 6 μm. This is because if the inner layer thickness is less than 0.4 μm, the wear resistance may be insufficient, and if the inner layer thickness exceeds 8 μm, the fracture resistance may decrease. Because there is. The thickness of the inner layer can be measured by cutting the surface-coated cutting tool and observing the cross section using an SEM, as in the case of the outer layer described above.

さらに、本発明の表面被覆切削工具は、基材を被覆する層(内層および外層、ならびに内層と外層との間に他の層が形成される場合にはその層も含む)の総厚みが0.5〜8μmであるのが好ましく、1.0〜6.0μmであるのがより好ましい。前記総厚みが0.5μm未満であると、充分な耐摩耗性の向上がみられない虞があり、また前記総厚みが8μmを越えると、基材を被覆する層中の残留応力が大きくなり、基材との密着強度が低下してしまう虞があるためである。前記総厚みについても、上述した内層や外層の厚みと同様に、表面被覆切削工具を切断し、その断面をSEMを用いて観察して測定することができる。   Further, in the surface-coated cutting tool of the present invention, the total thickness of the layers covering the substrate (including the inner layer and the outer layer, and other layers when the other layer is formed between the inner layer and the outer layer) is 0. The thickness is preferably 5 to 8 μm, and more preferably 1.0 to 6.0 μm. If the total thickness is less than 0.5 μm, sufficient wear resistance may not be improved. If the total thickness exceeds 8 μm, the residual stress in the layer covering the substrate increases. This is because the adhesion strength with the substrate may be reduced. The total thickness can also be measured by cutting the surface-coated cutting tool and observing the cross section using an SEM, similarly to the thicknesses of the inner layer and the outer layer described above.

本発明の表面被覆切削工具において用いられる基材としては、当分野において従来より広く用いられてきたものを適宜用いることができ、特に制限されるものではないが、高温でも高い硬度を有することから、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス(炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化珪素、炭化チタンおよびそれらの複合材料など)、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体からなる基材のいずれかであることが好ましい。中でも特に、WC基硬超合金、サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体を基材として用いるのが好適である。   As the base material used in the surface-coated cutting tool of the present invention, those that have been widely used in the art can be appropriately used, and are not particularly limited, but have high hardness even at high temperatures. , WC-based cemented carbide, cermet, high speed steel, ceramics (silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, silicon carbide, titanium carbide and their composite materials), cubic boron nitride sintered body, diamond It is preferably any one of base materials made of a sintered body. Among them, it is particularly preferable to use a WC-based hard superalloy, cermet, or cubic boron nitride sintered body as a base material.

本発明の表面被覆切削工具は、切削加工に用いられる従来公知の様々な切削工具に適用することができる。特に、本発明の被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップであることが好ましい。   The surface-coated cutting tool of the present invention can be applied to various conventionally known cutting tools used for cutting. In particular, the coated cutting tool of the present invention is preferably a drill, an end mill, a milling and turning cutting edge replaceable tip, a metal saw, a gear cutting tool, a reamer, or a tap.

本発明の表面被覆切削工具は、結晶性の高い化合物を形成することができる公知の成膜プロセスにて基材を、内層、外層(場合によってはさらに最内層など)によって被覆することで製造することができる。かかる成膜プロセスとしては、膜中に圧縮応力を与えることができるという理由から、物理的蒸着法が好ましい。物理的蒸着法としては、たとえば、イオンプレーティング法、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法などが挙げられるが、本発明の表面被覆切削工具を製造するに際しては、イオンプレーティング法を採用する場合には、アーク式イオンプレーティング法を用いるのが基材との密着力を確保しやすいという理由により好ましく、スパッタリング法を採用する場合には、マグネトロンスパッタリング法(バランスドおよびアンバランスドマグネトロンスパッタリング法)を用いるのが非導電性材料を被覆するのに優れているという理由により好ましい。これらの中でも、原料元素のイオン率が高いカソードアークイオンプレーティング法を用いるのが、特に好ましい。カソードアークイオンプレーティング法を用いると、内層を形成する前に、基材表面に対して金属のイオンボンバードメント処理が可能となるため、内層の密着性が格段に向上されるためである。   The surface-coated cutting tool of the present invention is manufactured by coating a base material with an inner layer and an outer layer (in some cases, an innermost layer or the like in some cases) by a known film forming process capable of forming a highly crystalline compound. be able to. As such a film forming process, a physical vapor deposition method is preferable because compressive stress can be applied to the film. Examples of the physical vapor deposition method include an ion plating method, a sputtering method, and an electron beam vapor deposition method. When the ion plating method is employed in manufacturing the surface-coated cutting tool of the present invention, The arc type ion plating method is preferable because it is easy to ensure adhesion with the substrate. When the sputtering method is adopted, the magnetron sputtering method (balanced and unbalanced magnetron sputtering method) is used. It is preferable to use it because it is excellent for coating a non-conductive material. Among these, it is particularly preferable to use the cathode arc ion plating method in which the ion ratio of the raw material elements is high. This is because, when the cathode arc ion plating method is used, a metal ion bombardment treatment can be performed on the surface of the base material before forming the inner layer, so that the adhesion of the inner layer is remarkably improved.

次に、実施例を用いて被覆切削工具の耐摩耗性が如何に改善されるかを具体的に説明する。実施例の組成はXPS(X線光電子分光装置)、AES(オージェ電子分光装置)により確認した。   Next, how the wear resistance of the coated cutting tool is improved will be described in detail using examples. The composition of the examples was confirmed by XPS (X-ray photoelectron spectrometer) and AES (Auger electron spectrometer).

<実施例1〜5、比較例1〜4>
基材として、グレードがJIS規格K10の超硬合金、チップ形状がJIS規格のSPGN120308のものを用い、カソードアークイオンプレーティング装置に装着した。
<Examples 1-5, Comparative Examples 1-4>
As the base material, a cemented carbide alloy with a grade of JIS standard K10 and a chip shape with SPGN120308 of a JIS standard were used and mounted on a cathode arc ion plating apparatus.

まず、真空ポンプによりチャンバー内を減圧するともに、装置内に設置されたヒーターにより基材を温度650℃に加熱し、チャンバー内の圧力が1.0×10-4Paとなるまで真空引きを行った。次に、アルゴンガスを導入してチャンバー内の圧力を3.0Paに保持し、基板バイアス電源の電圧を徐々に上げながら、−1500Vとし、基材の表面のクリーニングを15分間行った。その後、アルゴンガスを排気した。 First, the inside of the chamber is depressurized by a vacuum pump, and the substrate is heated to a temperature of 650 ° C. by a heater installed in the apparatus, and evacuation is performed until the pressure in the chamber reaches 1.0 × 10 −4 Pa. It was. Next, argon gas was introduced to maintain the pressure in the chamber at 3.0 Pa, and while gradually increasing the voltage of the substrate bias power source, the surface of the substrate was cleaned for 15 minutes while being set to −1500 V. Thereafter, argon gas was exhausted.

次いで、内層の化合物組成として、それぞれ表1に示す化合物となるように、金属蒸発源である合金製ターゲットをセットし、反応ガスとしてして窒素、メタン、酸素のうち、本発明の被膜が得られるガスを導入させながら、基板温度650℃、反応ガス圧2.0Pa、基板バイアス電圧を−150Vに維持したまま、カソード電極に100Aのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させ、被膜(内層)を形成した。内層がそれぞれ表1に示す所定の厚みとなったとき、蒸発源に供給する電流を停止した。   Next, an alloy target as a metal evaporation source is set so that the compound composition of the inner layer is the compound shown in Table 1, and the coating of the present invention is obtained among nitrogen, methane, and oxygen as reaction gases. While the gas is introduced, the substrate temperature is maintained at 650 ° C., the reaction gas pressure is 2.0 Pa, the substrate bias voltage is maintained at −150 V, and an arc current of 100 A is supplied to the cathode electrode to generate metal ions from the arc evaporation source. To form a coating (inner layer). When the inner layers reached the predetermined thicknesses shown in Table 1, the current supplied to the evaporation source was stopped.

引き続き、内層上に、外層としてAlと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素とを含む炭窒化物の膜を形成した。具体的には、金属蒸発源である合金製ターゲットをセットし、反応ガスとしてして窒素、メタン、酸素のうち、本発明の被膜が得られるガスを導入させながら、基板温度650℃、反応ガス圧2.0Pa、基板バイアス電圧を−300Vまで高めて、カソード電極に100Aのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させ、平均結晶粒径0.15μmのAlと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素とを含む炭窒化物からなる外層を形成した。外層が所定の厚みとなったとき、蒸発源に供給する電流を停止し、除冷した。   Subsequently, a carbonitride film containing Al and at least one element of Cr and V was formed as an outer layer on the inner layer. Specifically, an alloy target which is a metal evaporation source is set, and a substrate gas of 650 ° C. and a reaction gas is introduced as a reaction gas while introducing a gas from which nitrogen, methane, and oxygen can be obtained. The pressure was increased to 2.0 Pa, the substrate bias voltage was increased to −300 V, an arc current of 100 A was supplied to the cathode electrode, metal ions were generated from an arc evaporation source, Al having an average crystal grain size of 0.15 μm, Cr and An outer layer made of carbonitride containing at least one element of V was formed. When the outer layer had a predetermined thickness, the current supplied to the evaporation source was stopped and the cooling was performed.

なお、実施例3については、内層の形成前に、基材上に最内層としてAlと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素とを含む窒化物の膜を形成した。具体的には、金属蒸発源である合金製ターゲットをセットし、反応ガスとしてして窒素、酸素を導入させながら、基板温度650℃、反応ガス圧2.0Pa、基板バイアス電圧を−150Vに維持したまま、カソード電極に100Aのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させ、最内層を形成した。最内層が所定の厚みとなったとき、蒸発源に供給する電流を停止した。   In Example 3, before forming the inner layer, a nitride film including Al and at least one of Cr and V was formed as the innermost layer on the base material. Specifically, an alloy target as a metal evaporation source is set, and nitrogen and oxygen are introduced as reaction gases, and the substrate temperature is maintained at 650 ° C., the reaction gas pressure is 2.0 Pa, and the substrate bias voltage is maintained at −150 V. As it was, an arc current of 100 A was supplied to the cathode electrode, and metal ions were generated from the arc evaporation source to form the innermost layer. When the innermost layer reached a predetermined thickness, the current supplied to the evaporation source was stopped.

さらに、実施例5については、外層の形成に際し、基材バイアス電圧を−50Vとして、平均結晶粒径が0.4μmのAlと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素とを含む炭窒化物からなる外層とした。   Further, in Example 5, when forming the outer layer, carbonitriding containing Al having an average crystal grain size of 0.4 μm and at least one element of Cr and V at a substrate bias voltage of −50 V It was set as the outer layer which consists of things.

なお、比較例4は、コーティングを行わず、基材のままとした。   In Comparative Example 4, the coating was not performed and the substrate was left as it was.

前記の工程で製造した実施例1〜5、比較例1〜4について、以下に示す条件による乾式の旋削試験を行い、刃先の逃げ面摩耗幅が0.2mmを越える時間を測定した。切削条件は、被削材をTi−6Al−4V合金とし、切削速度60m/min、送り量0.2mm/rev、切り込み1mmとした。結果を表1に示す。   With respect to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4 manufactured in the above process, a dry turning test was performed under the following conditions, and a time when the flank wear width of the blade edge exceeded 0.2 mm was measured. The cutting conditions were such that the work material was a Ti-6Al-4V alloy, the cutting speed was 60 m / min, the feed amount was 0.2 mm / rev, and the cut was 1 mm. The results are shown in Table 1.

Figure 2005271132
Figure 2005271132

表1から明らかなように、本発明において、実施例1〜5の切削工具寿命は比較例1〜4と比較して大きく向上したことが確認された。   As is clear from Table 1, in the present invention, it was confirmed that the cutting tool life of Examples 1 to 5 was greatly improved as compared with Comparative Examples 1 to 4.

チタン合金の切削においては、比較例1、2と4とを比較して分かるように、従来のコーティング膜は耐摩耗性の向上に寄与していなかったが、本発明の表面被覆切削工具である実施例1〜5は、コーティング膜にTi成分を含んでおらず、外層として潤滑性に優れる膜質を用いているので、非常に優れた耐摩耗性を示し、チタン合金の切削において非常に優れた性能を示すことが分かる。   In the cutting of titanium alloy, as can be seen by comparing Comparative Examples 1, 2, and 4, the conventional coating film did not contribute to the improvement of wear resistance, but is a surface-coated cutting tool of the present invention. Examples 1 to 5 do not contain a Ti component in the coating film, and use a film quality excellent in lubricity as an outer layer. Therefore, the coating film has very excellent wear resistance and is excellent in cutting a titanium alloy. It can be seen that it shows performance.

<実施例6〜8>
表2に示すような組成の内層、外層を形成した以外は、上述した実施例1と同様にして、本発明の表面被覆切削工具を作成した。上述と同様に、実施例6〜8について切削試験を行った結果、表2に示す性能を得た。
<Examples 6 to 8>
A surface-coated cutting tool of the present invention was produced in the same manner as in Example 1 except that the inner layer and the outer layer having the compositions shown in Table 2 were formed. As described above, the performance shown in Table 2 was obtained as a result of performing the cutting test on Examples 6 to 8.

Figure 2005271132
Figure 2005271132

表2より、内層を形成する化合物(Al1-a-bCrab)において、a,bの値が20<a/b<100の範囲にある実施例6〜8は、特に優れた切削工具寿命を得ることができた。 From Table 2, Examples 6 to 8 in which the values of a and b are in the range of 20 <a / b <100 in the compound forming the inner layer (Al 1-ab Cr a V b ) are particularly excellent cutting tools. I was able to get a lifetime.

<実施例9>
実施例7と同じ組成の内層を形成するに際し、内層の形成工程と、外層と同様の分割層の形成工程を交互に行った以外は同様に行い、内層が0.05μmの厚みの分割層で15層に分割されてなる表面被覆切削工具を作製した。分割された内層の各部分は、いずれも均一な厚み0.2μmを有するようにした。こうして得られた実施例9について、上述と同様に切削試験を行った結果、表3に示す性能を得た。
<Example 9>
When the inner layer having the same composition as in Example 7 was formed, the inner layer was formed in the same manner except that the inner layer forming step and the dividing layer forming step similar to the outer layer were alternately performed. The inner layer was a divided layer having a thickness of 0.05 μm. A surface-coated cutting tool divided into 15 layers was produced. Each portion of the divided inner layer had a uniform thickness of 0.2 μm. About Example 9 obtained in this way, as a result of performing the cutting test similarly to the above-mentioned, the performance shown in Table 3 was obtained.

Figure 2005271132
Figure 2005271132

表3より、内層を分割層にて分割した実施例9は、非常に優れた切削工具寿命を有することが確認できた。   From Table 3, it was confirmed that Example 9 in which the inner layer was divided by the divided layer had a very excellent cutting tool life.

Claims (10)

基材上に、Alと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素と窒素、炭素、酸素から選ばれる1種以上の元素とを少なくとも含む化合物にて形成された内層が被覆され、さらに内層上にAlと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素とを含む炭窒化物もしくは酸炭窒化物にて形成された外層が被覆されてなり、外層が内層よりも大きな炭素含有量を有することを特徴とする表面被覆切削工具。   An inner layer formed of a compound containing at least one element selected from Al, Cr and V, and at least one element selected from nitrogen, carbon, and oxygen is coated on the substrate. An outer layer formed of carbonitride or oxycarbonitride containing Al and at least one of Cr and V is coated on the outer layer, and the outer layer has a larger carbon content than the inner layer. A surface-coated cutting tool characterized by that. 外層の厚みが0.1〜2μmである、請求項1に記載の表面被覆切削工具。   The surface-coated cutting tool according to claim 1, wherein the outer layer has a thickness of 0.1 to 2 μm. 外層を形成する炭窒化物もしくは酸炭窒化物の平均結晶粒径が0.2μm以下である、請求項1または2に記載の表面被覆切削工具。   The surface-coated cutting tool according to claim 1 or 2, wherein an average crystal grain size of carbonitride or oxycarbonitride forming the outer layer is 0.2 µm or less. 前記内層は、(Al1-a-bCrab)(ここで、0≦a≦0.5、0≦b≦0.5、0≠a+b≦0.5)と窒素、炭素、酸素から選ばれる1種以上の元素とを少なくとも含む化合物にて形成されたものである、請求項1〜3のいずれかに記載の表面被覆切削工具。 The inner layer is selected from (Al 1-ab Cr a V b ) (where 0 ≦ a ≦ 0.5, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≠ a + b ≦ 0.5), nitrogen, carbon, and oxygen. The surface-coated cutting tool according to any one of claims 1 to 3, wherein the surface-coated cutting tool is formed of a compound containing at least one kind of element. 前記aの値が0<a<0.35、前記bの値が0<b<0.35を満たすことを特徴とする請求項4に記載の表面被覆切削工具。   The surface-coated cutting tool according to claim 4, wherein the value of a satisfies 0 <a <0.35 and the value of b satisfies 0 <b <0.35. 前記a,bの値が、20<a/b<100を満たすことを特徴とする請求項4または5に記載の表面被覆切削工具。   The surface-coated cutting tool according to claim 4 or 5, wherein the values of a and b satisfy 20 <a / b <100. 内層および/または外層が原子%で20%以下のSiを含有することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の表面被覆切削工具。   The surface-coated cutting tool according to any one of claims 1 to 6, wherein the inner layer and / or the outer layer contains 20% or less of Si in atomic percent. 前記内層が、Alと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素とを含む窒化物にて形成されたものである、請求項1〜7のいずれかに記載の表面切削工具。   The surface cutting tool according to any one of claims 1 to 7, wherein the inner layer is formed of a nitride containing Al and at least one element of Cr and V. Alと、CrおよびVのうちの少なくともいずれかの元素とを含む炭窒化物にて形成され、内層よりも大きな炭素含有量を有する層にて、内層が分割されたものである請求項1〜8のいずれかに記載の表面被覆切削工具。   The inner layer is divided by a layer formed of carbonitride containing Al and at least one element of Cr and V, and having a larger carbon content than the inner layer. The surface-coated cutting tool according to claim 8. 基材を被覆する層の総厚みが0.5〜8μmであることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
The surface-coated cutting tool according to any one of claims 1 to 9, wherein the total thickness of the layer covering the substrate is 0.5 to 8 µm.
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