JP2006082137A - Cutting tool and tool - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cutting tool high in adhesion of a base material and a covering layer formed on its surface, having excellent abrasion resistance and constituted by forming the covering layer on a surface of the base material with silicon nitride as a main component. <P>SOLUTION: This cutting tool constitutes its characteristic feature of having the cutting tool constituted by forming the covering layer on the surface of the base material with the silicon nitride being the main component in which α expressed by an expression:α=ä(X-Y)/X}×100 is 20 to 50%, and this tool constitutes its characteristic feature of having this cutting tool and a supporting body to support this cutting tool. However, X and Y in the expression are as follows: X: Feed speed (mm/rev) in chipping of a knife edge in a chipping resistance test of the base material. Y: Feed speed (mm/rev) in chipping of the knife edge in a chipping resistance test of the cutting tool constituted by forming the covering layer on the surface of the base material. However, a condition of the chipping resistance test is as follows: cutting material: FC200, cutting speed: 150m/min, cutting depth: 2.0mm, cutting method: dry type, knife edge treatment: 0.2mm×25 degrees. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、切削工具および工具に関し、さらに詳しくは、基材とその表面に形成される被覆層との密着性が高く、しかも優れた耐磨耗性を有する、窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具およびこの切削工具を有して成る工具に関する。   The present invention relates to a cutting tool and a tool. More specifically, the present invention relates to a silicon nitride-based substrate having high adhesion between a substrate and a coating layer formed on the surface thereof and excellent wear resistance. The present invention relates to a cutting tool in which a coating layer is formed on the surface of a material, and a tool having the cutting tool.

耐磨耗性材料、耐衝撃性材料などとして有用なセラミックスは、その特性により、切削工具に広く使用されている。このようなセラミックスの中でも、窒化珪素は、大きい強度と高い靭性とを有し、しかも熱膨張係数が小さいという特性を有していることから、切削工具用材料として特に有用である。   Ceramics useful as wear-resistant materials and impact-resistant materials are widely used in cutting tools due to their characteristics. Among such ceramics, silicon nitride is particularly useful as a cutting tool material because it has high strength and high toughness and a low thermal expansion coefficient.

ところが、前記窒化珪素から成る切削工具によって、例えば、タグタイル鋳鉄などの超硬材料を切削した場合、その切削工具の摩耗が著しいという問題があつた。この問題を解消するため、窒化珪素表面に、特定材料から成る被覆層を形成した切削工具が提案されている(特許文献1および2参照)。   However, when a hard material such as tag tile cast iron is cut with the cutting tool made of silicon nitride, there is a problem that the cutting tool is significantly worn. In order to solve this problem, there has been proposed a cutting tool in which a coating layer made of a specific material is formed on a silicon nitride surface (see Patent Documents 1 and 2).

特公平3−49681号公報Japanese Patent Publication No. 3-49682 特開平6−246511号公報JP-A-6-246511

前記特許文献1には、Siを主体とする基材表面に、Al及び/又はAlONの被覆層よりなる中間層を設け、この中間層上にTiC、TiN又はTiCNの被覆層よりなる外層を設けた切削用セラミック工具が開示されている。 In Patent Document 1, an intermediate layer made of a coating layer of Al 2 O 3 and / or AlON is provided on the surface of a base material mainly composed of Si 3 N 4 , and TiC, TiN or TiCN is coated on the intermediate layer. A cutting ceramic tool provided with an outer layer comprising layers is disclosed.

また、前記特許文献2には、酸化イットリウム、希土類酸化物および酸化シリコンを含有し、残りが分散相形成成分としての窒化けい素基セラミックス基体の表面に、Tiの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、および炭窒酸化物、並びに酸化アルミニウムのうち1種の単層または2種以上の複層からなる硬質被覆層を1〜20μmの平均層厚で形成してなる窒化けい素基セラミックス製切削工具が開示されている。   Further, Patent Document 2 includes yttrium oxide, rare earth oxide, and silicon oxide, and the remainder is formed on the surface of a silicon nitride-based ceramic substrate as a dispersed phase forming component, Ti carbide, nitride, carbonitride. Nitrid formed by forming a hard coating layer composed of one single layer or two or more layers of carbon oxide, nitride oxide, carbonitride oxide, and aluminum oxide with an average layer thickness of 1 to 20 μm A silicon-based ceramic cutting tool is disclosed.

前記特許文献1および2における被覆層は、耐磨耗性および耐衝撃性を向上させることを企図して設けられた層である。しかし、熱による残留応力に起因して生じる内部歪は回避し難く、この内部歪が多大であるときは、基材から被覆層が剥離するという不都合があった。   The coating layers in Patent Documents 1 and 2 are layers intended to improve wear resistance and impact resistance. However, it is difficult to avoid internal strain caused by residual stress due to heat, and when this internal strain is great, there is a disadvantage that the coating layer is peeled off from the base material.

すなわち、前記切削工具は、その製造時または使用時には高温となるので、基材と被覆層との間の熱膨張係数の差または被覆層間の熱膨張係数の差によって、特に高温状態から低温状態に移行する際に大きな残留応力が負荷されることがあり、この応力の負荷によって内部歪が生じるのである。   That is, since the cutting tool is heated at the time of manufacture or use, the cutting tool is particularly changed from a high temperature state to a low temperature state due to a difference in thermal expansion coefficient between the base material and the coating layer or a difference in thermal expansion coefficient between the coating layers. When migrating, a large residual stress may be applied, and internal stress is generated by the stress.

ところで、前記特許文献1および2においては、基材と被覆層との密着性に関し、被覆層を形成する前の基材の耐欠損性および基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具の耐欠損性については、なんら言及されていない。   By the way, in the said patent documents 1 and 2, regarding the adhesiveness of a base material and a coating layer, the chipping resistance of the base material before forming a coating layer, and the cutting tool formed by forming a coating layer on the surface of a base material No mention is made of the fracture resistance of.

前記特許文献1および2に記載の切削工具における問題を解消するために、基体表面に、基体側層、中間層および最外層を形成した窒化珪素工具が提案されている(特許文献3参照)。   In order to solve the problems in the cutting tools described in Patent Documents 1 and 2, a silicon nitride tool in which a substrate side layer, an intermediate layer, and an outermost layer are formed on the substrate surface has been proposed (see Patent Document 3).

特開平10−212183号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-212183

前記特許文献3には、窒化珪素を主成分とする基体の表面に被覆層を有する表面被覆窒化珪素工具において、記被覆は、前記基体の表面に設けられたAlONからなる基体側層と、該基体側層の表面に設けられた中間層と、該中間層の表面に設けられたTiNからなる最外層との3種の層を備えるとともに、該被覆層の厚みが2〜8μmであり、前記中間層は、AlON、TiC、TiN、及びTiCNの中から選択された1種以上の中間層からなる表面被覆窒化珪素工具が開示されている。   In Patent Document 3, in a surface-coated silicon nitride tool having a coating layer on the surface of a substrate mainly composed of silicon nitride, the coating is a substrate side layer made of AlON provided on the surface of the substrate; The three layers of the intermediate layer provided on the surface of the substrate side layer and the outermost layer made of TiN provided on the surface of the intermediate layer are provided, and the thickness of the coating layer is 2 to 8 μm, A surface-coated silicon nitride tool is disclosed in which the intermediate layer is composed of one or more intermediate layers selected from AlON, TiC, TiN, and TiCN.

前記表面被覆窒化珪素工具は、基体と被覆層との良好な密着性を維持しつつ、耐摩耗性の向上を企図した工具である。しかし、前記窒化珪素工具は、苛酷な切削加工条件下、熱的および化学的に安定した切削加工性能において、実用上、いまだ満足すべきレベルには達していないものであった。   The surface-coated silicon nitride tool is a tool intended to improve wear resistance while maintaining good adhesion between the substrate and the coating layer. However, the silicon nitride tool has not yet reached a satisfactory level in terms of practical and stable cutting performance under severe cutting conditions.

また、前記特許文献3においても、基体と被覆層との密着性に関し、被覆層を形成する前の基材の耐欠損性および基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具の耐欠損性については、なんら言及されていない。   Also in Patent Document 3, regarding the adhesion between the substrate and the coating layer, the fracture resistance of the base material before forming the coating layer and the fracture resistance of the cutting tool formed by forming the coating layer on the surface of the base material There is no mention of sex.

近年、熱的および化学的に苛酷な切削加工条件下、被削材の切削加工においては、ますますその省力化と能率化とが要求されるようになり、この要求については、前記のとおり、基材の表面に被覆層を形成すると共に、その形成される被覆層を厚くすることによって対処してきた。   In recent years, under the severely and chemically severe cutting conditions, in the cutting of work materials, the labor saving and efficiency have been increasingly demanded. As described above, This has been dealt with by forming a coating layer on the surface of the substrate and making the coating layer formed thicker.

しかしながら、基材が窒化珪素である場合には、その化学的親和性が乏しいことに起因して、基材である窒化珪素とその表面に形成される被覆層との密着性に劣るという問題があった。このため、窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具にあっては、刃先部における被覆層のチッピングや剥離を生じ易くなるという不都合を招いていた。   However, when the base material is silicon nitride, there is a problem that the adhesion between the silicon nitride as the base material and the coating layer formed on the surface thereof is poor due to the poor chemical affinity. there were. For this reason, in a cutting tool in which a coating layer is formed on the surface of a base material containing silicon nitride as a main component, inconvenience that chipping or peeling of the coating layer at the blade edge portion is likely to occur.

この発明は、このような従来の問題を解消し、基材とその表面に形成される被覆層との密着性が高く、しかも優れた耐磨耗性を有する、窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具およびこの切削工具を有して成る工具を提供することをその課題とする。   The present invention solves such a conventional problem, has high adhesion between the base material and the coating layer formed on the surface thereof, and has excellent wear resistance, and is based on silicon nitride as a main component. It is an object of the present invention to provide a cutting tool in which a coating layer is formed on the surface of a material and a tool having the cutting tool.

この発明の前記課題を解決するための第1の手段は、
下記式で表されるαが20〜50%である、窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成ることを特徴とする切削工具
である。
α=〔(X−Y)/X〕×100
ただし、前記式において、XおよびYは、下記のとおりである。
X:前記基材の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(mm/rev)。
Y:前記基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(mm/rev)。
ただし、前記耐欠損性試験の条件は、下記のとおりである。
被削材:FC200
切削速度:150m/min
切り込み深さ:2.0mm
切削方式:乾式
刃先処理:0.2mm×25度
The first means for solving the problems of the present invention is as follows:
A cutting tool characterized in that a coating layer is formed on the surface of a base material mainly composed of silicon nitride, in which α represented by the following formula is 20 to 50%.
α = [(X−Y) / X] × 100
However, in the said formula, X and Y are as follows.
X: Feed speed (mm / rev) at the time of chipping of the cutting edge in the chipping resistance test of the substrate.
Y: Feed rate (mm / rev) at the time of chipping of the cutting edge in a chipping resistance test of a cutting tool formed by forming a coating layer on the surface of the substrate.
However, the conditions for the fracture resistance test are as follows.
Work material: FC200
Cutting speed: 150 m / min
Cutting depth: 2.0mm
Cutting method: Dry type Cutting edge treatment: 0.2 mm x 25 degrees

この発明の前記第1の手段における好ましい態様としては、下記(1)〜(4)の切削工具を挙げることができる。
(1)前記基材が、許容可能量として、多くとも4体積%の焼結助剤を含有して成る切削工具。
(2)前記焼結助剤が、Mg、Al、Y、Ti、Zr、Hf、Sr、希土類元素の酸化物または窒化物およびこれら相互の固溶体から選ばれた少なくとも一種である切削工具。
(3)前記被覆層が、AlまたはTiの酸化物、窒化物、炭化物または硼化物およびこれら相互の固溶体から選ばれた少なくとも一種により形成された単一層または複数層である切削工具。
(4)前記被覆層が、化学蒸着法によって形成されて成る切削工具。
Preferred embodiments of the first means of the present invention include the following cutting tools (1) to (4).
(1) A cutting tool in which the base material contains at most 4% by volume of a sintering aid as an allowable amount.
(2) The cutting tool in which the sintering aid is at least one selected from Mg, Al, Y, Ti, Zr, Hf, Sr, rare earth element oxides or nitrides, and solid solutions thereof.
(3) The cutting tool, wherein the coating layer is a single layer or a plurality of layers formed of at least one selected from Al, Ti oxides, nitrides, carbides, borides, and solid solutions thereof.
(4) A cutting tool in which the coating layer is formed by a chemical vapor deposition method.

この発明の前記課題を解決するための第2の手段は、
前記第1の手段に係る切削工具と前記切削工具を支持する支持体とを有して成る工具
である。
The second means for solving the problems of the present invention is as follows:
A tool comprising the cutting tool according to the first means and a support for supporting the cutting tool.

この発明によれば、ある程度、耐欠損性が低下した、窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具が提供される。しかし、前記耐欠損性の低下の度合いは、刃先部における被覆層のチッピングや剥離を生じることがなく、実用上、切削性に支障のない範囲にとどめられている。   According to the present invention, there is provided a cutting tool having a coating layer formed on the surface of a base material mainly composed of silicon nitride, to which fracture resistance is reduced to some extent. However, the degree of decrease in the fracture resistance does not cause chipping or peeling of the coating layer at the cutting edge, and is practically limited to a range that does not hinder the machinability.

この発明の切削工具は、前記微小な耐欠損性の低下を実用上差し支えない程度に容認した上で、基材とその表面に形成される被覆層との密着性の向上を図った工具であって、熱的および化学的に苛酷な切削加工条件下、優れた耐磨耗性を有する切削工具となる。   The cutting tool according to the present invention is a tool that improves the adhesion between the base material and the coating layer formed on the surface thereof after accepting the above-described decrease in fracture resistance to a practical extent. Thus, the cutting tool has excellent wear resistance under severely and chemically severe cutting conditions.

また、この発明によれば、前記切削工具と支持体とを有して成る工具が提供される。よって、工具の設計および製造の分野に寄与するところはきわめて多大である。   Moreover, according to this invention, the tool which has the said cutting tool and a support body is provided. Thus, the contribution to the field of tool design and manufacture is enormous.

この発明の切削工具は、下記式で表されるαが20〜50%である、窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成る。
α=〔(X−Y)/X〕×100
The cutting tool of the present invention is formed by forming a coating layer on the surface of a base material mainly composed of silicon nitride, in which α expressed by the following formula is 20 to 50%.
α = [(X−Y) / X] × 100

ただし、前記式において、XおよびYは、下記のとおりである。
X:前記基材の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(mm/rev)。
Y:前記基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(mm/rev)。
However, in the said formula, X and Y are as follows.
X: Feed speed (mm / rev) at the time of chipping of the cutting edge in the chipping resistance test of the substrate.
Y: Feed rate (mm / rev) at the time of chipping of the cutting edge in a chipping resistance test of a cutting tool formed by forming a coating layer on the surface of the substrate.

ただし、前記耐欠損性試験の条件は、下記のとおりである。
被削材:FC200
切削速度:150m/min
切り込み深さ:2.0mm
切削方式:乾式
刃先処理:0.2mm×25度
However, the conditions for the fracture resistance test are as follows.
Work material: FC200
Cutting speed: 150 m / min
Cutting depth: 2.0mm
Cutting method: Dry type Cutting edge treatment: 0.2 mm x 25 degrees

この発明の切削工具を構成する基材は、窒化珪素を主成分とする。前記基材は、窒化珪素のみであってもよく、焼結助剤を含有していてもよい。   The base material constituting the cutting tool of the present invention contains silicon nitride as a main component. The base material may be silicon nitride alone or may contain a sintering aid.

前記窒化珪素を主成分とする基材の製造方法に制限はなくて公知の製造方法を広く採用することができ、一例を示せば、例えば、まず、窒化珪素を主成分とする原料粉末と所望により用いる焼結助剤との混合物を成形して成形体を得、次いで、この成形体を、窒素ガス中、1700〜1800℃で0.5〜5時間、加熱処理(この加熱処理を、「一次焼結処理」と称することがある。)し、さらに、窒素ガス中、1400〜1600℃で0.5〜3時間、加熱処理(この加熱処理を、「二次焼結処理」と称することがある。)することにより、製造することができる。   There is no limitation on the method for producing the base material containing silicon nitride as a main component, and a well-known manufacturing method can be widely adopted. For example, first, a raw material powder containing silicon nitride as a main component and desired The mixture with the sintering aid used is molded to obtain a molded body, and then the molded body is heated in nitrogen gas at 1700 to 1800 ° C. for 0.5 to 5 hours (this heat treatment is performed as “ Furthermore, it may be referred to as “primary sintering treatment”), and further heated in nitrogen gas at 1400 to 1600 ° C. for 0.5 to 3 hours (this heating treatment is referred to as “secondary sintering treatment”). Can be manufactured.

前記基材を製造するに当っては、焼結助剤を用いることなく、原料粉末を焼結処理することが望ましい。焼結助剤を用いて製造された基材中に含有される焼結助剤は、不純物として作用するからである。しかし、原料粉末を効率的に焼結し、高密度の基材を製造するためには、焼結助剤の使用はやむを得ない場合が少なくない。   In producing the substrate, it is desirable to sinter the raw material powder without using a sintering aid. This is because the sintering aid contained in the base material produced using the sintering aid acts as an impurity. However, in order to efficiently sinter raw material powder and produce a high-density substrate, the use of a sintering aid is unavoidable.

前記焼結助剤に制限はないが、例えば、Mg、Al、Y、Ti、Zr、Hf、Sr、希土類元素(Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLu)の酸化物または窒化物およびこれら相互の固溶体から選ばれた少なくとも一種を挙げることができる。これら焼結助剤の中でも、Al、MgO、Y、ZrO、Ybが好ましい。 Although the sintering aid is not limited, for example, Mg, Al, Y, Ti, Zr, Hf, Sr, rare earth elements (Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, There may be mentioned at least one selected from oxides or nitrides of Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu) and their solid solutions. Among these sintering aids, Al 2 O 3 , MgO, Y 2 O 3 , ZrO 2 and Yb 2 O 3 are preferable.

前記固溶体は、前記の異なる元素または化合物が相互に固溶した状態に成っている。前記焼結助剤は、前記元素、前記化合物または前記固溶体をそれぞれ単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。   The solid solution is in a state where the different elements or compounds are in solid solution with each other. As the sintering aid, the element, the compound or the solid solution may be used alone, or two or more kinds may be used in combination.

前記のとおり、焼結助剤を用いることなく、原料粉末を焼結処理して、前記基材を製造することが最良であるが、やむを得ず焼結助剤を用いて焼結処理し、前記基材を製造するときは、得られる基材中に含有される焼結助剤の量は、多くとも4体積%であることが許容される。   As described above, it is best to sinter the raw material powder without using a sintering aid to produce the base material. When producing the material, the amount of sintering aid contained in the resulting substrate is allowed to be at most 4% by volume.

このようにして製造された窒化珪素を主成分とする基材は、ISO規格に規定されるSNGN120408形状に研磨加工される。この発明の切削工具は、このようにして製造された窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成る工具である。   The base material mainly composed of silicon nitride thus manufactured is polished into the SNGN120408 shape defined in the ISO standard. The cutting tool of the present invention is a tool formed by forming a coating layer on the surface of a base material mainly composed of silicon nitride thus manufactured.

前記基材の表面に形成される被覆層にも制限はないが、例えば、AlまたはTiの酸化物、窒化物、炭化物または硼化物およびこれら相互の固溶体から選ばれた少なくとも一種により形成される層を挙げることができる。   The coating layer formed on the surface of the base material is not limited, but for example, a layer formed of at least one selected from Al or Ti oxides, nitrides, carbides or borides, and solid solutions thereof. Can be mentioned.

前記基材の表面に形成される被覆層は、前記AlまたはTiの酸化物、窒化物、炭化物または硼化物およびこれら相互の固溶体から選ばれた少なくとも一種により形成された単一層であってもよく、異なる化合物により形成された複数層であってもよい。   The coating layer formed on the surface of the substrate may be a single layer formed of at least one selected from the oxides, nitrides, carbides or borides of Al or Ti and their solid solutions. A plurality of layers formed of different compounds may be used.

前記基材の表面に形成される被覆層は、化学蒸着法(CVD法)によって形成してもよく、物理蒸着法(PVD法)によって形成してもよいが、前記基材と前記被覆層との相互拡散および反応により、密着性に優れた被覆層を形成することができるため、CVD法によることが好ましい。このCVD法としては、常用の方法を採用することができ、条件などに特別の制限はない。   The coating layer formed on the surface of the substrate may be formed by a chemical vapor deposition method (CVD method) or a physical vapor deposition method (PVD method). Since the coating layer having excellent adhesion can be formed by the mutual diffusion and reaction, it is preferable to use the CVD method. As this CVD method, a commonly used method can be adopted, and there are no special restrictions on conditions.

この発明の切削工具は、前記のとおり、窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成り、下記式で表されるαが20〜50%であることを特徴とする。
α=〔(X−Y)/X〕×100
As described above, the cutting tool of the present invention is formed by forming a coating layer on the surface of a base material mainly composed of silicon nitride, and α expressed by the following formula is 20 to 50%. .
α = [(X−Y) / X] × 100

ただし、前記式において、XおよびYは、下記のとおりである。
X:前記基材の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(mm/rev)。
Y:前記基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(mm/rev)。
However, in the said formula, X and Y are as follows.
X: Feed speed (mm / rev) at the time of chipping of the cutting edge in the chipping resistance test of the substrate.
Y: Feed rate (mm / rev) at the time of chipping of the cutting edge in a chipping resistance test of a cutting tool formed by forming a coating layer on the surface of the substrate.

ただし、前記耐欠損性試験の条件は、下記のとおりである。
被削材:FC200
切削速度:150m/min
切り込み深さ:2.0mm
切削方式:乾式
刃先処理:0.2mm×25度
However, the conditions for the fracture resistance test are as follows.
Work material: FC200
Cutting speed: 150 m / min
Cutting depth: 2.0mm
Cutting method: Dry type Cutting edge treatment: 0.2 mm x 25 degrees

前記耐欠損性試験の条件下、前記式で表されるαが20〜50%であるということは、ある程度、耐欠損性が低下した切削工具であることを意味する。しかし、この前記耐欠損性の低下の度合いは、刃先部における被覆層のチッピングや剥離を生じることがなく、実用上、切削性に支障のない範囲にとどめられている。   Under the condition of the fracture resistance test, α represented by the above formula is 20 to 50%, which means that the cutting tool has a certain degree of fracture resistance reduction. However, the degree of the decrease in the fracture resistance does not cause chipping or peeling of the coating layer at the blade edge portion, and is practically limited to a range that does not hinder the machinability.

窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具にあっては、熱的および化学的に苛酷な切削加工条件においても、優れた切削加工性を発揮することができるようにするためには、前記基材と前記被覆層との密着性をいかに強固にするかという点が、きわめて重要な要素となる。   A cutting tool in which a coating layer is formed on the surface of a base material containing silicon nitride as a main component can exhibit excellent machinability even under severely and thermally severe cutting conditions. In order to be able to do so, how to strengthen the adhesion between the base material and the coating layer is an extremely important factor.

ところが、前記の点について種々検討した結果、前記密着性を強固にすればするほど、被覆層を形成する前の基材の耐欠損性に対し、基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具の基材の耐欠損性が著しく低下するということが判明した。   However, as a result of various studies on the above points, the stronger the adhesion, the more the coating layer is formed on the surface of the base material against the fracture resistance of the base material before forming the coating layer. It has been found that the fracture resistance of the substrate of the cutting tool is significantly reduced.

前記耐欠損性の低下は、前記基材の表面に被覆層を形成した場合、前記基材と前記被覆層との熱膨張差がきわめて大きいため、切削工具の内部に残留応力が発生し、この応力に起因して生じるものである。   When the coating layer is formed on the surface of the base material, since the difference in thermal expansion between the base material and the coating layer is extremely large, residual stress is generated inside the cutting tool. It is caused by stress.

一方、前記基材と前記被覆層との密着性が不良であると、被覆層は容易に剥離するため、耐欠損性の低下は少なくなるが、基材の表面に被覆層を形成して、優れた耐磨耗性を有する切削工具を得るという目的は、達成することができないこととなる。   On the other hand, if the adhesion between the substrate and the coating layer is poor, the coating layer easily peels off, so that the decrease in fracture resistance is reduced, but the coating layer is formed on the surface of the substrate, The object of obtaining a cutting tool with excellent wear resistance cannot be achieved.

この発明の切削工具は、前記二律背反の事象に立脚して、許容し得る微小な耐欠損性の低下を容認した上で、基材とその表面に形成される被覆層との密着性の向上を図った工具であって、熱的および化学的に苛酷な切削加工条件下、優れた耐磨耗性と耐衝撃性とを有する切削工具とすることができたのである。   The cutting tool according to the present invention is based on the above-mentioned anti-twisting event, and accepts a slight decrease in fracture resistance that can be tolerated. The intended tool could be a cutting tool having excellent wear resistance and impact resistance under severely and chemically severe cutting conditions.

前記式で表されるαは20〜50%であることを要する。20%未満では、前記基材と前記被覆層との密着性に劣り、50%を越えると、実用上、使用することができなくなるからである。   Α represented by the above formula needs to be 20 to 50%. If it is less than 20%, the adhesion between the substrate and the coating layer is poor, and if it exceeds 50%, it cannot be used practically.

また、この発明の工具は、前記切削工具とこの切削工具を支持する支持体とを有して成る。
この発明の工具の一例を図1に示す。工具1は、基材2の表面に被覆層3が形成されて成る切削工具4が、支持体5に取り付けられて形成されている。図1においては、切削工具4における被覆層3を一部剥離して基材2を露出した状態にして工具1が示されている。6は逃げ面である。基材2および被覆層3については、前記のとおりである。
Moreover, the tool of this invention has the said cutting tool and the support body which supports this cutting tool.
An example of the tool of the present invention is shown in FIG. The tool 1 is formed by attaching a cutting tool 4 having a coating layer 3 formed on the surface of a substrate 2 to a support 5. In FIG. 1, the tool 1 is shown in a state in which a part of the coating layer 3 in the cutting tool 4 is partially peeled to expose the base material 2. 6 is a flank. The substrate 2 and the coating layer 3 are as described above.

この発明の工具は、切削工具4と支持体5とを有して成る限り、図1に示される形状に拘束されることはない。 As long as the tool of this invention has the cutting tool 4 and the support body 5, it is not restrained by the shape shown by FIG.

以下、実施例を挙げてこの発明をさらに具体的に説明するが、これら実施例によって、この発明はなんら限定されることはない。
(実施例1〜7および比較例1〜8)
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the examples.
(Examples 1-7 and Comparative Examples 1-8)

平均粒径0.5μmのα型窒化珪素(酸素量1.0%)粉末、それぞれ平均粒径1μmのAl、MgO、Y、ZrOまたはYb粉末を、表1に示す組成となるように秤量、採取し、エチルアルコールを溶媒として、ボールミルにより、24時間、湿式混合粉砕した。その後、パラフィンを2質量%添加し、1ton/cm(9806.65×10−1Pa)の圧力でプレス成形して、成形体を得た。 Α-type silicon nitride (oxygen amount 1.0%) powder having an average particle size of 0.5 μm, Al 2 O 3 , MgO, Y 2 O 3 , ZrO 2 or Yb 2 O 3 powder having an average particle size of 1 μm, respectively, 1 was weighed and collected so as to have the composition shown in FIG. 1, and wet mixed and pulverized for 24 hours using a ball mill using ethyl alcohol as a solvent. Thereafter, 2% by mass of paraffin was added and press-molded at a pressure of 1 ton / cm 2 (9806.65 × 10 −1 Pa) to obtain a molded body.

Figure 2006082137
Figure 2006082137

前記成形体を脱脂処理した後、窒素ガス雰囲気下、表2に示す焼成条件〔ただし、成形体1については、さらに、1600℃、2時間、1000気圧(1013.25×10Pa)の窒素ガス中で、熱間静水圧プレス(HIP)した。〕で焼成して、表2に示す理論密度比を有する緻密な焼結体を得た。この焼結体を、ISO規格のSNGN120408の形状に研磨加工して、基材を得た。 After degreasing the molded body, the firing conditions shown in Table 2 under a nitrogen gas atmosphere [however, for the molded body 1, nitrogen at 1600 ° C. for 2 hours and 1000 atm (1013.25 × 10 5 Pa) Hot isostatic pressing (HIP) was performed in gas. ] To obtain a dense sintered body having the theoretical density ratio shown in Table 2. This sintered body was polished into the ISO standard SNGN120408 shape to obtain a base material.

Figure 2006082137
Figure 2006082137

前記基材を、化学蒸着装置(CVD装置)にセットして、前記基材の表面に、下記条件により、被覆層(TiCN層、TiN層、Al層)を形成して、表3に示す切削工具を製造した。 The base material was set in a chemical vapor deposition apparatus (CVD apparatus), and a coating layer (TiCN layer, TiN layer, Al 2 O 3 layer) was formed on the surface of the base material according to the following conditions. The cutting tool shown in FIG.

〔TiCN層〕
温度:900℃
圧力:75hPa
:18L/min
:9.5L/min
TiCl:1.5ml/min
CHCN:0.28ml/min
[TiCN layer]
Temperature: 900 ° C
Pressure: 75hPa
H 2 : 18 L / min
N 2 : 9.5 L / min
TiCl 4 : 1.5 ml / min
CH 3 CN: 0.28 ml / min

〔TiN層〕
温度:900℃
圧力:600hPa
:13L/min
:10.5L/min
TiCl:1.1ml/min
[TiN layer]
Temperature: 900 ° C
Pressure: 600 hPa
H 2 : 13 L / min
N 2 : 10.5L / min
TiCl 4 : 1.1 ml / min

〔Al層〕
温度:1000℃
圧力:80hPa
:17L/min
CO:0.5L/min
HCl:0.9L/min
AlCl:1.2ml/min
S:60mL/min
[Al 2 O 3 layer]
Temperature: 1000 ° C
Pressure: 80hPa
H 2 : 17 L / min
CO 2 : 0.5 L / min
HCl: 0.9 L / min
AlCl 3 : 1.2 ml / min
H 2 S: 60 mL / min

ただし、比較例6〜8については、物理蒸着法(PVD法)により、下記条件で、被覆層(TiCN層、TiN層)を形成した。   However, about Comparative Examples 6-8, the coating layer (TiCN layer, TiN layer) was formed by the physical vapor deposition method (PVD method) on the following conditions.

〔TiCN層〕
温度:550℃
圧力:2.7Pa
:1000ml/min
CH:1000ml/min
アーク電流:150A
バイアス電圧:300V
[TiCN layer]
Temperature: 550 ° C
Pressure: 2.7Pa
N 2 : 1000 ml / min
CH 4 : 1000 ml / min
Arc current: 150A
Bias voltage: 300V

〔TiN層〕
温度:500℃
圧力:4.0Pa
:1000ml/min
アーク電流:150A
バイアス電圧:150V
[TiN layer]
Temperature: 500 ° C
Pressure: 4.0Pa
N 2 : 1000 ml / min
Arc current: 150A
Bias voltage: 150V

Figure 2006082137
Figure 2006082137

このようにして製造された切削工具を用いて、図1に示す工具を作製した。また、別途、前記被覆層を形成していない基材から成る切削工具を有する工具を作製した。これら二種の工具を用い、切削工具の耐欠損性試験を実施した。この耐欠損性試験の条件は、下記のとおりである。   The tool shown in FIG. 1 was produced using the cutting tool manufactured in this way. Separately, a tool having a cutting tool made of a base material on which the coating layer was not formed was produced. Using these two types of tools, a chipping resistance test of the cutting tools was performed. The conditions for this fracture resistance test are as follows.

被削材:FC200
切削速度:150m/min
切り込み深さ:2.0mm
送り速度:0.7〜1.3mm/rev
切削方式:乾式
刃先処理:0.2mm×25度
Work material: FC200
Cutting speed: 150 m / min
Cutting depth: 2.0mm
Feeding speed: 0.7-1.3mm / rev
Cutting method: Dry type Cutting edge treatment: 0.2 mm x 25 degrees

このときの下記式で表されるαを表4に示す。
α=〔(X−Y)/X〕×100
Table 4 shows α represented by the following formula.
α = [(X−Y) / X] × 100

ただし、前記式において、XおよびYは、下記のとおりである。
X:前記基材(被覆層を形成していない基材)の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(mm/rev)。
Y:前記切削工具4の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(mm/rev)。
However, in the said formula, X and Y are as follows.
X: Feed rate (mm / rev) at the time of chipping of the cutting edge in the chipping resistance test of the base material (base material on which the coating layer is not formed).
Y: Feed speed (mm / rev) at the time of chipping of the cutting edge in the chipping resistance test of the cutting tool 4.

また、前記二種の工具を用い、切削工具の耐摩耗性試験を実施した。この耐摩耗性試験の条件は、下記のとおりである。   Moreover, the wear resistance test of the cutting tool was implemented using the two types of tools. The conditions for this abrasion resistance test are as follows.

被削材:FC200
切削速度:100m/min
切り込み深さ:1.0mm
送り速度:0.1mm/rev
切削方式:乾式
刃先処理:0.2mm×25度
切削時間:60min
Work material: FC200
Cutting speed: 100 m / min
Cutting depth: 1.0mm
Feeding speed: 0.1mm / rev
Cutting method: Dry Cutting edge treatment: 0.2 mm x 25 degrees Cutting time: 60 min

このときの逃げ面の摩耗量を表4に示す。   Table 4 shows the wear amount of the flank.

Figure 2006082137
Figure 2006082137

表4に示す結果から、αが20〜50%にある切削工具は、基材とその表面に形成される被覆層との密着性が高く、優れた耐磨耗性を有する切削工具であることが分る。   From the results shown in Table 4, the cutting tool having α of 20 to 50% is a cutting tool having high adhesion between the base material and the coating layer formed on the surface thereof and having excellent wear resistance. I understand.

図1は、この発明の工具の一例を示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing an example of the tool of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 工具
2 基材
3 被覆層
4 切削工具
5 支持体
6 逃げ面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Tool 2 Base material 3 Covering layer 4 Cutting tool 5 Support body 6 Flank

Claims (6)

下記式で表されるαが20〜50%である、窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成ることを特徴とする切削工具。
α=〔(X−Y)/X〕×100
ただし、前記式において、XおよびYは、下記のとおりである。
X:前記基材の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(mm/rev)。
Y:前記基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(mm/rev)。
ただし、前記耐欠損性試験の条件は、下記のとおりである。
被削材:FC200
切削速度:150m/min
切り込み深さ:2.0mm
切削方式:乾式
刃先処理:0.2mm×25度
The cutting tool characterized by forming a coating layer on the surface of the base material which has silicon nitride as a main component and (alpha) represented by a following formula is 20 to 50%.
α = [(X−Y) / X] × 100
However, in the said formula, X and Y are as follows.
X: Feed speed (mm / rev) at the time of chipping of the cutting edge in the chipping resistance test of the substrate.
Y: Feed rate (mm / rev) at the time of chipping of the cutting edge in a chipping resistance test of a cutting tool formed by forming a coating layer on the surface of the substrate.
However, the conditions for the fracture resistance test are as follows.
Work material: FC200
Cutting speed: 150 m / min
Cutting depth: 2.0mm
Cutting method: Dry type Cutting edge treatment: 0.2 mm x 25 degrees
前記基材が、許容可能量として、多くとも4体積%の焼結助剤を含有して成る請求項1に記載の切削工具。   The cutting tool according to claim 1, wherein the base material contains an allowable amount of at most 4% by volume of a sintering aid. 前記焼結助剤が、Mg、Al、Y、Ti、Zr、Hf、Sr、希土類元素の酸化物または窒化物およびこれら相互の固溶体から選ばれた少なくとも一種である請求項2に記載の切削工具。   The cutting tool according to claim 2, wherein the sintering aid is at least one selected from Mg, Al, Y, Ti, Zr, Hf, Sr, rare earth element oxides or nitrides, and solid solutions thereof. . 前記被覆層が、AlまたはTiの酸化物、窒化物、炭化物または硼化物およびこれら相互の固溶体から選ばれた少なくとも一種により形成された単一層または複数層である請求項1〜3のいずれか一項に記載の切削工具。   4. The coating layer according to claim 1, wherein the coating layer is a single layer or a plurality of layers formed of at least one selected from oxides, nitrides, carbides and borides of Al or Ti, and solid solutions thereof. The cutting tool according to Item. 前記被覆層が、化学蒸着法によって形成されて成る請求項1〜4のいずれか一項に記載の切削工具。   The cutting tool according to any one of claims 1 to 4, wherein the coating layer is formed by a chemical vapor deposition method. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の切削工具と前記切削工具を支持する支持体とを有して成ることを特徴とする工具。
A tool comprising the cutting tool according to any one of claims 1 to 5 and a support for supporting the cutting tool.
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