JP2008207286A - Wear-resistant member and cutting tool using it - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a long-life wear-resistant member having excellent wear-resistance, which restrains components of a base body from diffusing into its coating layer formed by a chemical vapor deposition method (CVD) to reduce the strength of the coating layer. <P>SOLUTION: The wear-resistant member comprises a base body and a coating layer formed on the base body. The base body contains a hard phase having, in major proportions, at least one of tungsten carbide, titanium carbide, titanium nitride, and titanium carbonitride and a binding phase containing at least one of Co and Ni. The coating layer is formed in contact with the base body and equipped with a first layer containing at least 25 atomic percentage of Al element and a second layer formed on the first layer by a chemical vapor deposition method. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、化学蒸着法にて形成された被覆層を有する耐摩耗性部材に関する。   The present invention relates to a wear-resistant member having a coating layer formed by a chemical vapor deposition method.

従来より、基体の表面に被覆層を形成した耐摩耗性部材が各種用途に用いられている。例えば、金属の切削加工に広く用いられている切削工具は、超硬合金やサーメット、セラミックス等の基体の表面に、TiC層、TiN層、TiCN層、Al2O3層およびTiAlN層等の被覆層を単層または複数層形成した工具が多用されている。中でも、一般鋼の旋削加工においては、付き回り性がよく層厚の均一性が高い化学蒸着法(CVD)によって形成される多層膜が好適に用いられている。例えば、特許文献1では、炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、平均層厚0.1〜5μmの粒状窒化チタン(TiN)層−平均層厚2〜15μmの縦長成長結晶組織の炭窒化チタン(l−TiCN)層−平均層厚0.5〜10μmの酸化アルミニウム(Al2O3)層−平均層厚2〜10μmの縦長成長結晶組織の炭化チタン(l−TiC)層で構成された硬質被覆層を具備する表面被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具が開示されている。このような構成により、l−TiCN層と破面組織が実質的に同じl−TiC層を構成層とすることで、優れた靭性を具備するので、優れた耐摩耗性を発揮することが記載されている。   Conventionally, wear-resistant members having a coating layer formed on the surface of a substrate have been used for various purposes. For example, a cutting tool widely used for metal cutting has a coating layer such as a TiC layer, a TiN layer, a TiCN layer, an Al2O3 layer, and a TiAlN layer on a surface of a substrate such as cemented carbide, cermet, or ceramic. A tool in which a layer or a plurality of layers are formed is frequently used. Among them, in the turning of general steel, a multilayer film formed by chemical vapor deposition (CVD) with good throwing power and high layer thickness uniformity is suitably used. For example, in Patent Document 1, on a surface of a tungsten carbide-based cemented carbide substrate, a granular titanium nitride (TiN) layer having an average layer thickness of 0.1 to 5 μm—titanium carbonitride having a vertically grown crystal structure having an average layer thickness of 2 to 15 μm. Hard coating layer composed of (l-TiCN) layer-aluminum oxide (Al2O3) layer having an average layer thickness of 0.5 to 10 [mu] m-titanium carbide (l-TiC) layer having an average growth thickness of 2 to 10 [mu] m A surface-coated tungsten carbide-based cemented carbide cutting tool is disclosed. With such a configuration, the l-TiC layer has substantially the same fracture surface structure as the l-TiC layer, so that it has excellent toughness and therefore exhibits excellent wear resistance. Has been.

また、特許文献2では、炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、平均層厚0.1〜2μmの粒状窒化チタン(TiN)層−平均層厚0.5〜3μmの縦長成長結晶組織の炭窒酸化チタン(l−TiCNO)層−平均層厚2〜20μmの縦長成長結晶組織の炭窒化チタン(l−TiCN)層−平均層厚0.05〜2μmの粒状結晶組織の炭窒酸化チタン(TiCNO)層−平均層厚0.2〜15μmの粒状結晶組織の酸化アルミニウム(Al2O3)層で構成された硬質被覆層を具備する表面被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具が開示されている。このような構成により、第1層であるTiN層によって超硬基体の構成成分の硬質被覆層中への拡散移動を阻止し、もって硬質被覆層の耐摩耗性低下を抑制できることが開示されている。また、TiN層の上層としてl−TiCNO層を形成し、その上にl−TiCN層を形成することでより微細な結晶組織をなすl−TICN層を形成でき、優れた耐摩耗性を発揮することが開示されている。   Further, in Patent Document 2, a granular titanium nitride (TiN) layer having an average layer thickness of 0.1 to 2 μm and a vertically grown crystal structure carbon having an average layer thickness of 0.5 to 3 μm is formed on the surface of the tungsten carbide base cemented carbide substrate. Titanium oxynitride (l-TiCNO) layer-titanium carbonitride (l-TiCN) layer with an average growth thickness of 2 to 20 μm and a granular carbon structure with an average layer thickness of 0.05 to 2 μm A cutting tool made of a surface-coated tungsten carbide-based cemented carbide comprising a hard coating layer composed of an aluminum oxide (Al2O3) layer having a granular crystal structure of (TiCNO) layer—average layer thickness of 0.2 to 15 μm is disclosed. With such a configuration, it is disclosed that the TiN layer, which is the first layer, can prevent the diffusion movement of the constituent components of the cemented carbide substrate into the hard coating layer, thereby suppressing the wear resistance deterioration of the hard coating layer. . Further, by forming an l-TiCNO layer as an upper layer of the TiN layer and forming an l-TiCN layer thereon, an l-TICN layer having a finer crystal structure can be formed, and excellent wear resistance is exhibited. It is disclosed.

また、特許文献3では、CoおよびNiを主体とする結合相形成成分を含む炭窒化チタン基サーメットの表面に、基体の結合相構成成分が硬質被覆層中に拡散して硬質被覆層の強度が低下することを抑制するために、窒化チタン(TiN)層を0.5μm〜5μm成膜することが記載されている。
特開2000−158207号公報 特開平11−172464号公報 特開平04−289003号公報
Further, in Patent Document 3, the binder phase constituent component of the substrate diffuses into the hard coating layer on the surface of the titanium carbonitride-based cermet containing the binder phase forming component mainly composed of Co and Ni, and the strength of the hard coating layer is increased. In order to suppress the decrease, it is described that a titanium nitride (TiN) layer is formed to a thickness of 0.5 μm to 5 μm.
JP 2000-158207 A JP-A-11-172464 Japanese Patent Laid-Open No. 04-289003

しかしながら、特許文献1および2に記載された被覆層は、1000度程度の高温状態で成膜する化学蒸着法によって成膜されるため、基体の成分が被覆層内に拡散し、被覆層の本来の強度が得られていなかった。   However, since the coating layers described in Patent Documents 1 and 2 are formed by a chemical vapor deposition method in which the film is formed at a high temperature of about 1000 ° C., the components of the substrate diffuse into the coating layer, and the original coating layer is formed. The strength of was not obtained.

特に、結合相量が多くなる微粒な硬質相からなる基体や、含有炭素量が多い基体ではより基体の成分が拡散しやすくなるため、このような基体に特許文献2および3に記載された被覆層を形成しても、基体の結合相成分や炭素が被覆層中に拡散することを抑制できず、被覆層の強度低下が顕著であった。その結果、化学蒸着法によって形成された被覆層が本来もつ耐摩耗性や耐欠損性を十分に発揮することができなかった。   In particular, a base material composed of a fine hard phase with a large amount of binder phase or a base material with a large amount of carbon contained makes the base material more easily diffused. Therefore, the coating described in Patent Documents 2 and 3 is applied to such a base material. Even if the layer was formed, it was not possible to suppress the binder phase component and carbon of the base from diffusing into the coating layer, and the strength of the coating layer was significantly reduced. As a result, the wear resistance and fracture resistance inherent in the coating layer formed by the chemical vapor deposition method could not be fully exhibited.

また、特許文献3に記載されたサーメット基切削工具においても、やはり、被覆層が高温状態で形成されるため、拡散防止層としてTiN層を形成しても、基体の成分の拡散を十分に抑制することができなかった。   Further, in the cermet-based cutting tool described in Patent Document 3, the coating layer is also formed at a high temperature, so that even if a TiN layer is formed as a diffusion preventing layer, diffusion of the components of the substrate is sufficiently suppressed. I couldn't.

さらには、特許文献3に記載されたサーメット基切削工具のようにNiを含む結合相を用いるサーメットからなる基体に、炭素を含有する層、特に、柱状組織からなるTiCN層を形成しようとした場合、基体の構成成分であるNiが被覆層中に拡散し、成膜時の反応ガスと反応して成膜不良を引き起こしてしまうという問題があった。そのため、Niを含む結合相を用いたサーメットからなる基体においては、被覆層として柱状組織からなるTiCN層をはじめ炭素を含有する層を異常成長させずに形成することが困難であった。したがって、サーメット基体からなる切削工具において、柱状組織からなるTiCN層をはじめ炭素を含有する層を被覆層として形成することによる耐摩耗性の向上を図ることが困難であった。   Further, when a layer containing carbon, particularly a TiCN layer made of a columnar structure, is to be formed on a substrate made of a cermet using a binder phase containing Ni as in the cermet-based cutting tool described in Patent Document 3. Further, there is a problem that Ni as a constituent component of the substrate diffuses into the coating layer and reacts with a reaction gas at the time of film formation to cause film formation failure. Therefore, in a substrate made of cermet using a binder phase containing Ni, it is difficult to form a carbon-containing layer such as a TiCN layer made of a columnar structure without abnormal growth as a coating layer. Therefore, it has been difficult to improve wear resistance by forming a carbon-containing layer including a TiCN layer made of a columnar structure as a coating layer in a cutting tool made of a cermet substrate.

従って、本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、化学蒸着法(CVD)によって形成された被覆層に基体の成分が拡散して被覆層の強度が低下することを抑え、優れた耐摩耗性を有する長寿命の耐摩耗性部材を提供することにある。   Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and the object thereof is to reduce the strength of the coating layer by diffusing the components of the substrate into the coating layer formed by chemical vapor deposition (CVD). It is an object of the present invention to provide a long-life wear-resistant member that suppresses the above and has excellent wear resistance.

そこで本発明者は、基体上に形成された被覆層として、基体と接する層としてAl元素を多く含有する第一の層を形成し、その上にCVD法によって少なくとも1層を形成することで、基体の結合相成分や炭素が被覆層内に拡散することをより効果的に抑制できることを知見した。   Therefore, the present inventor forms a first layer containing a large amount of Al element as a layer in contact with the substrate as a coating layer formed on the substrate, and forms at least one layer thereon by a CVD method. It has been found that the binder phase component and carbon of the substrate can be more effectively suppressed from diffusing into the coating layer.

すなわち、本発明の耐摩耗性部材は、基体と、該基体上に形成された層と、を有してなる耐摩耗性部材であって、前記基体は、炭化タングステン、炭化チタン、窒化チタンおよび炭窒化チタンの1種以上を主成分とする硬質相と、CoおよびNiの1種以上を含む結合相と、を含んでなり、前記層は、前記基体と接して形成されるとともに、Al元素を25原子%以上含む第一の層と、該第一の層上に化学蒸着法によって形成された第二の層とを備えた耐摩耗性部材である。   That is, the wear-resistant member of the present invention is a wear-resistant member comprising a base and a layer formed on the base, and the base includes tungsten carbide, titanium carbide, titanium nitride, and A hard phase mainly composed of one or more types of titanium carbonitride, and a binder phase containing one or more types of Co and Ni, wherein the layer is formed in contact with the substrate, and includes an Al element. Is a wear-resistant member comprising a first layer containing 25 atomic% or more and a second layer formed on the first layer by chemical vapor deposition.

ここで、前記第一の層が、AlN、AlON、(Ti,Al)N、(Al,M)N、(Ti,Al,M)N:(MはTiを除く4,5,6族金属元素、Siから選ばれる1種以上の元素)のいずれか1種とすることが望ましい。   Here, the first layer is made of AlN, AlON, (Ti, Al) N, (Al, M) N, (Ti, Al, M) N: (M is a Group 4, 5, 6 metal excluding Ti. It is desirable to use any one of element and one or more elements selected from Si.

また、前記第一の層の層厚が0.5〜2μmとすることが望ましい。   Moreover, it is desirable that the thickness of the first layer be 0.5 to 2 μm.

さらに、前記第一の層が、物理蒸着法によって形成された層であることが望ましい。   Furthermore, it is desirable that the first layer is a layer formed by physical vapor deposition.

また、前記基体の硬質相は、構成する粒子の平均粒径が1μm以下であることが望ましい。   The hard phase of the substrate preferably has an average particle diameter of 1 μm or less.

さらに、前記基体が、少なくともNiを含む結合相とチタン化合物を主成分とする硬質相とを具備するチタン基サーメットからなるとともに、第二の層が、炭素を含有する層を有してなることが望ましい。   Furthermore, the base is made of a titanium-based cermet having a binder phase containing at least Ni and a hard phase mainly composed of a titanium compound, and the second layer has a layer containing carbon. Is desirable.

また、前記第二の層のうち炭素を含有する層は、柱状組織からなるTICN層を有してなることが望ましい。   In addition, the carbon-containing layer of the second layer preferably includes a TICN layer having a columnar structure.

さらに、前記第二の層は、前記第一の層に隣接して形成されるTiN層を有してなることが望ましい。   Furthermore, the second layer preferably includes a TiN layer formed adjacent to the first layer.

また、上記の耐摩耗性部材を切削工具として用いることが望ましい。   Moreover, it is desirable to use the above wear-resistant member as a cutting tool.

本発明の耐摩耗性部材によれば、基体上に形成される被覆層として、基体と接して形成される第一の層がAl元素を25原子%以上含むよう構成することで、前記第一の層が、前記第一の層の上層である第二の層が形成される時に、前記基体が含有する成分、特に、炭素と結合相の成分が拡散することを抑制するバリア層の役目を果たすため、基体成分の拡散による成膜不良を抑えることができ、高強度、高硬度な被覆層を得ることができる。   According to the wear resistant member of the present invention, as the coating layer formed on the substrate, the first layer formed in contact with the substrate contains the Al element in an amount of 25 atomic% or more. When the second layer, which is the upper layer of the first layer, is formed, the role of a barrier layer that suppresses the diffusion of the components contained in the substrate, in particular, the components of carbon and the binder phase. Therefore, film formation defects due to diffusion of the base component can be suppressed, and a coating layer having high strength and high hardness can be obtained.

ここで、前記第一の層が、AlN、AlON、(Ti,Al)N、(Al,M)N、(Ti,Al,M)N:(MはTiを除く4,5,6族金属元素、Siから選ばれる1種以上の元素)のいずれか1種とすることが、第一の層の付着力、強度、硬度を切削加工を行ううえで十分なものとし、さらに、基体の結合相や炭素の拡散を抑制することが十分にできるため望ましい。   Here, the first layer is made of AlN, AlON, (Ti, Al) N, (Al, M) N, (Ti, Al, M) N: (M is a Group 4, 5, 6 metal excluding Ti. 1 or more elements selected from Si and Si) is sufficient for cutting the adhesive force, strength, and hardness of the first layer, and further bonds the substrate. It is desirable because it can sufficiently suppress the diffusion of phases and carbon.

また、前記第一の層の層厚が0.5〜2μmとすることが、基体の成分の拡散を十分に抑制することができ、かつ、膜の靭性の低下を抑制することができるため望ましい。   Moreover, it is desirable that the thickness of the first layer be 0.5 to 2 μm because diffusion of the components of the substrate can be sufficiently suppressed and a decrease in the toughness of the film can be suppressed. .

さらに、前記第一の層が、物理蒸着法によって形成された層であることが、第一の層を700度以下の低温で成膜するため、基体に接する層を基体の成分が拡散しにくい状態で形成することができる。そのため、基体に接する層を基体の成分が拡散していない層にすることができ、被覆層のうち基体に接する第一の層の上層として形成される第二の層中に基体の成分が拡散することを抑制する効果を向上させることができる。また、第一の層がCVD法にて成膜された層よりも微細な粒子によって構成されるため、基体の成分が第一の層中に入り込む隙間が小さくなり、基体の成分が被覆層内に拡散することを抑制する効果がより向上するため望ましい。   Furthermore, since the first layer is a layer formed by physical vapor deposition, the first layer is formed at a low temperature of 700 ° C. or less, and therefore, the components of the substrate are difficult to diffuse in the layer in contact with the substrate. It can be formed in a state. Therefore, the layer in contact with the substrate can be a layer in which the component of the substrate is not diffused, and the component of the substrate is diffused in the second layer formed as the upper layer of the coating layer in contact with the substrate. The effect which suppresses doing can be improved. In addition, since the first layer is composed of finer particles than the layer formed by the CVD method, the gap in which the base component enters the first layer is reduced, and the base component is contained in the coating layer. This is desirable because the effect of suppressing the diffusion to the surface is further improved.

また、前記基体の硬質相は、構成する粒子の平均粒径を1μm以下の微粒子にすると、拡散を十分に抑制することができるとともに、強靭な基体と被覆層とを併せ持つ耐摩耗性部材を得ることができる。   In addition, when the hard phase of the substrate is a fine particle having an average particle size of 1 μm or less, the diffusion can be sufficiently suppressed, and an abrasion-resistant member having both a strong substrate and a coating layer is obtained. be able to.

さらに、前記基体が、少なくともNiを結合相とチタン化合物を主成分とする硬質相とを具備するチタン基サーメットからなるとともに、前記第二の層が、炭素を含有する層を有してなるので、結合相のNiが炭素を含有する層内に拡散することを防ぎ被覆層の強度低下を抑制し、かつ、Niとの反応を抑えて、炭素を含有する層の異常成長を低減させることができる。   Furthermore, the substrate is made of a titanium-based cermet having at least Ni as a binder phase and a hard phase mainly composed of a titanium compound, and the second layer has a layer containing carbon. , Preventing Ni in the binder phase from diffusing into the layer containing carbon, suppressing a decrease in strength of the coating layer, and suppressing reaction with Ni, thereby reducing abnormal growth of the layer containing carbon. it can.

また、前記第二の層のうち炭素を含有する層は、柱状組織からなるTiCN層であることで、柱状組織からなるTiCN層のもつ高い靭性によって優れた耐摩耗性を発揮することができる。   In addition, the carbon-containing layer of the second layer is a TiCN layer having a columnar structure, so that excellent wear resistance can be exhibited by the high toughness of the TiCN layer having a columnar structure.

さらに、前記第二の層は、前記第一の層に隣接して形成されるTiN層を有してなることによって、基体の成分が拡散する効果がより向上するため望ましい。   Furthermore, the second layer is desirable because it has a TiN layer formed adjacent to the first layer, thereby further improving the effect of diffusing the components of the substrate.

また、上記の耐摩耗性部材を切削工具として用いることによって、長寿命で優れた切削性能を発揮する切削工具となる。   Further, by using the above wear-resistant member as a cutting tool, a cutting tool that exhibits a long life and excellent cutting performance is obtained.

本発明に係る耐摩耗性部材の実施形態の一例として旋削加工に用いるスローアウェイチップタイプの切削工具について、図1の(a)概略全体斜視図、(b)切刃を含む要部拡大断面図を基に説明する。   FIG. 1A is a schematic overall perspective view of a throwaway tip type cutting tool used for turning as an example of an embodiment of an abrasion resistant member according to the present invention, and FIG. Based on

図1によれば、スローアウェイチップ(以下、単にチップと略す。)1は、基体2と基体2上に形成された被覆層8とを有してなる耐摩耗性部材を用いてなり、主面がすくい面3と着座面4をなし、側面が逃げ面5をなす平板状である。そして、すくい面3と逃げ面5との交差稜線に切刃6が形成される。   According to FIG. 1, a throw-away tip (hereinafter simply abbreviated as “tip”) 1 uses an abrasion-resistant member having a base 2 and a coating layer 8 formed on the base 2. The surface is a flat plate shape in which the rake face 3 and the seating face 4 are formed, and the side face forms the flank 5. Then, a cutting edge 6 is formed at the intersecting ridge line between the rake face 3 and the flank face 5.

なお、基体2としては、コバルト(Co)およびニッケル(Ni)の1種以上の鉄属金属を主成分とする結合相にて炭化タングステン(WC)を主成分とする硬質相を結合させた超硬合金、または、少なくともNiを含む結合相にて炭化チタン、窒化チタンおよび炭窒化チタンの少なくとも一種を主成分とする硬質相を結合させたサーメットからなる。   The substrate 2 is a superstructure in which a hard phase mainly composed of tungsten carbide (WC) is bonded with a binder phase mainly composed of one or more iron group metals of cobalt (Co) and nickel (Ni). It consists of a hard alloy or a cermet in which a hard phase mainly composed of at least one of titanium carbide, titanium nitride and titanium carbonitride is bonded in a binder phase containing at least Ni.

次に、基体2の表面に形成する被覆層8は、化学蒸着法(CVD)によって形成される層を含む多層膜からなる。   Next, the coating layer 8 formed on the surface of the substrate 2 is composed of a multilayer film including a layer formed by chemical vapor deposition (CVD).

ここで、本発明によれば、被覆層8は、基体2と接する第一の層9、第一の層9の上に化学蒸着法にて形成される第二の層10から構成され、かつ、第一の層9にAl元素が25原子%以上存在することを特徴とするチップである。   Here, according to the present invention, the covering layer 8 is composed of a first layer 9 in contact with the substrate 2, a second layer 10 formed on the first layer 9 by chemical vapor deposition, and The chip is characterized in that 25 atomic% or more of Al element is present in the first layer 9.

Al元素は、炭素との親和性が低いため、炭化物や炭素が固溶した物質に対して反応しにくくなる。そこで、基体2に最も近い層である第一の層9に一定量以上のAl元素を含有させることにより、第二の層10を形成する際に基体2が高温状態になっても、炭化物や炭素が固溶した結合相を有した基体2の成分が第二の層10中に拡散してしまうことを抑制することができる。   Since Al element has low affinity with carbon, it does not easily react with carbides or substances in which carbon is dissolved. Therefore, even if the first layer 9 which is the layer closest to the substrate 2 contains a certain amount or more of Al element, even if the substrate 2 is in a high temperature state when the second layer 10 is formed, carbide or It is possible to prevent the component of the substrate 2 having a binder phase in which carbon is dissolved in the second layer 10 from diffusing.

すなわち、第一の層9にAl元素を25原子%以上含有させることにより、被覆層8中に基体2成分が拡散し、被覆層8に異常粒子や欠陥が発生することを低減させることができる。その結果、被覆層8の強度および硬度の低下を抑えることができる。   That is, by containing 25 atomic% or more of Al element in the first layer 9, it is possible to reduce the occurrence of abnormal particles and defects in the coating layer 8 due to diffusion of the base 2 components in the coating layer 8. . As a result, a decrease in strength and hardness of the coating layer 8 can be suppressed.

換言すれば、第一の層9中に含有されるAl元素の量が25原子%以上であることで、第一の層9と基体2成分との親和性を低減させ、基体2成分が被覆層8中に拡散することを抑制することができる。   In other words, when the amount of Al element contained in the first layer 9 is 25 atomic% or more, the affinity between the first layer 9 and the base 2 component is reduced, and the base 2 component is covered. Diffusion into the layer 8 can be suppressed.

また、第一の層9の硬度を維持しつつ、優れた耐摩耗性を発揮する点で、第一の層9に含有されるAl元素の量は75原子%以下、特に50原子%以下であることがより好ましい。   In addition, the amount of Al element contained in the first layer 9 is 75 atomic% or less, particularly 50 atomic% or less in that it exhibits excellent wear resistance while maintaining the hardness of the first layer 9. More preferably.

なお、本実施形態では、第一の層9が1層からなるものを例示したが、上記構成を満たす第一の層9として、複数の層からなる場合であってもよい。このように第一の層9が複数層からなる場合は、複数層全体におけるAl元素の原子%が上述した値を満たすようにすればよい。すなわち、CVD法によって形成される第二の層10と基体との間に形成される層に含まれるAl元素を25原子%以上とすることで、バリア層としての機能を発揮させることができる。   In the present embodiment, the first layer 9 is composed of one layer. However, the first layer 9 satisfying the above configuration may be composed of a plurality of layers. Thus, when the 1st layer 9 consists of multiple layers, what is necessary is just to make it the atomic% of Al element in the multiple layers whole satisfy | fill the value mentioned above. That is, when the Al element contained in the layer formed between the second layer 10 formed by the CVD method and the substrate is 25 atomic% or more, the function as a barrier layer can be exhibited.

ここで、第一の層9が、AlN、AlON、(Ti,Al)N、(Al,M)N、(Ti,Al,M)N:(MはTiを除く4,5,6族金属元素、Siから選ばれる1種以上の元素)のいずれか1種からなることが、第一の層の付着力、強度、硬度を向上させ、さらに、基体の結合相成分や炭素の拡散を抑制する効果を高めることができるため望ましい。特に、(Ti,Al)N、(Al,M)Nが、硬度、強度共に高く、また、1000度程度の高温になっても膜の特性が変化しないため、第一の層9の上層である第二の層10をCVD法によって形成する際の高温下においても、第一の層9の特性が変化しない。そのため、基体の成分の拡散を抑える効果をより一層高めることができる。したがって、本発明による耐摩耗性部材は、高速切削をはじめとするより厳しい切削条件下でも優れた耐摩耗性を発揮することができるため、切削工具として好適に用いることができる。   Here, the first layer 9 is made of AlN, AlON, (Ti, Al) N, (Al, M) N, (Ti, Al, M) N: (M is a Group 4, 5, 6 metal excluding Ti. 1 or more elements selected from Si and Si) improves the adhesion, strength and hardness of the first layer, and further suppresses the binder phase component and carbon diffusion of the substrate. This is desirable because it can enhance the effect. In particular, since (Ti, Al) N and (Al, M) N are both high in hardness and strength, and the film characteristics do not change even at a high temperature of about 1000 degrees, the upper layer of the first layer 9 Even at a high temperature when a certain second layer 10 is formed by the CVD method, the characteristics of the first layer 9 do not change. Therefore, the effect of suppressing the diffusion of the components of the substrate can be further enhanced. Therefore, the wear-resistant member according to the present invention can exhibit excellent wear resistance even under severer cutting conditions including high-speed cutting, and thus can be suitably used as a cutting tool.

また、第一の層9の層厚が0.5〜2μm、特に0.5〜1μmの範囲内とすることが、基体2の成分の拡散を抑制する効果が高まり、かつ、膜の靭性の低下を抑制することができるため望ましい。   Moreover, when the layer thickness of the first layer 9 is in the range of 0.5 to 2 μm, particularly 0.5 to 1 μm, the effect of suppressing the diffusion of the components of the substrate 2 is enhanced, and the toughness of the film is increased. This is desirable because the decrease can be suppressed.

さらに、第一の層9を化学蒸着法(CVD)に比べて成膜温度の低い物理蒸着法(PVD)によって形成することによって、基体2の成分が拡散しにくい状態で第一の層9を成膜でき、第一の層9を成膜する際に基体2の成分が第一の層9に拡散することがなく、第二の層10を成膜する際に基体2の成分の拡散を抑える効果が大きくなる。また、PVD法によって成膜すると、CVD法によって成膜した被覆層よりも微細な粒子によって構成することができるため、PVD法で形成された第一の層9において基体2の成分が入り込む隙間を小さくすることができ、基体2の成分が被覆層内に拡散することを抑制する効果がより向上するため望ましい。   Further, by forming the first layer 9 by physical vapor deposition (PVD), which has a lower film formation temperature than chemical vapor deposition (CVD), the first layer 9 is formed in a state in which the components of the substrate 2 are difficult to diffuse. The components of the base 2 are not diffused to the first layer 9 when the first layer 9 is formed, and the components of the base 2 are diffused when the second layer 10 is formed. The effect of suppressing increases. Further, when the film is formed by the PVD method, it can be constituted by finer particles than the coating layer formed by the CVD method, and therefore, a gap in which the components of the base 2 enter the first layer 9 formed by the PVD method. This is desirable because the effect of suppressing the diffusion of the components of the substrate 2 into the coating layer is further improved.

ここで、本発明に使用可能なPVD法は、イオンプレーティング法、スパッタリング法、メッキ、蒸着等がある。中でもイオンプレーティング法、スパッタリング法によって第一の層9を形成することが、基体2との密着力が高く、剥離しにくい第一の層9を形成することができるため望ましい。   Here, the PVD method usable in the present invention includes an ion plating method, a sputtering method, plating, vapor deposition, and the like. In particular, it is desirable to form the first layer 9 by an ion plating method or a sputtering method because the first layer 9 having high adhesion to the substrate 2 and difficult to peel off can be formed.

また、基体2の硬質相は、構成する粒子の平均粒径が1μm以下の微粒子であることによって、基体2中の結合相の厚みが増加し被覆層8と結合相との接触面積が増え、基体2中の結合相および炭素が被覆層内8に拡散しやすくなることを抑制することができる。くわえて、基体2の強度や硬度を向上させることができる。その結果、被覆層8への基体2成分の拡散を抑制することと強靭な基体2と被覆層8を具備することの両面併せもつ耐摩耗性部材を実現することができる。   Further, since the hard phase of the substrate 2 is a fine particle having an average particle size of 1 μm or less, the thickness of the binder phase in the substrate 2 increases, and the contact area between the coating layer 8 and the binder phase increases. It is possible to suppress the binder phase and carbon in the substrate 2 from being easily diffused into the coating layer 8. In addition, the strength and hardness of the substrate 2 can be improved. As a result, it is possible to realize a wear-resistant member that has both the suppression of diffusion of the base 2 component into the covering layer 8 and the provision of the strong base 2 and the covering layer 8.

さらに、基体2が少なくともNiを含む結合相と、チタン化合物を主成分とする硬質相とを具備するチタン基サーメットからなるとともに、第二の層10が、Niと反応して異常粒を発生しやすい炭素を含む層、例えば(炭化チタン)、炭窒化チタン(TiCN)、炭窒酸化チタン(TiCNO)等からなる層を形成する際にも、本発明を用いることによって、上述した一定量以上のAl元素を含む第一の層9が拡散防止層(バリア層)として優れた効果を発揮できるため、結合相のNiが第二の層内に拡散することを防ぎ、サーメット基体上に異常粒を含まない炭素を含有する第二の層10を得ることができる。そのため、サーメット基体のもつ高い耐摩耗性に加えて、炭素を含有する層の優れた硬度によってさらに耐摩耗性を向上させることができる。   Furthermore, the substrate 2 is composed of a titanium-based cermet having a binder phase containing at least Ni and a hard phase mainly composed of a titanium compound, and the second layer 10 reacts with Ni to generate abnormal grains. Even when forming a layer containing carbon easily, for example, a layer made of (titanium carbide), titanium carbonitride (TiCN), titanium carbonitride oxide (TiCNO), etc. Since the first layer 9 containing Al element can exhibit an excellent effect as a diffusion preventing layer (barrier layer), it prevents the Ni in the binder phase from diffusing into the second layer, and causes abnormal grains on the cermet substrate. The second layer 10 containing carbon that is not contained can be obtained. Therefore, in addition to the high wear resistance of the cermet substrate, the wear resistance can be further improved by the excellent hardness of the carbon-containing layer.

特に、第二の層10のうち前記炭素を含有する層に高い靭性を有する柱状組織からなるTiCN層を用いることによって、高い耐摩耗性に加えて強靭な硬質膜による耐欠損性の向上を図ることができる。   In particular, by using a TiCN layer composed of a columnar structure having high toughness for the carbon-containing layer of the second layer 10, in addition to high wear resistance, the fracture resistance is improved by a tough hard film. be able to.

なお、ここでいう柱状組織からなるTiCN層とは、柱状のTiCN粒子を含んでなる層である。特に、高いアスペクト比を有したTiCN粒子を有してなることが、靭性に優れる点でより好ましい。   The TiCN layer having a columnar structure referred to here is a layer containing columnar TiCN particles. In particular, it is more preferable to have TiCN particles having a high aspect ratio in terms of excellent toughness.

第二の層10は、第一の層9に隣接して形成される窒化チタン(TiN)層11を有してなることによって、TiN層11が第一の層9で抑えきれなかった基体2の成分の拡散を抑制し、かつ、被覆層8の付着力を向上させることができる。その結果、被覆層8の膜剥離を抑制することができるため望ましい。   The second layer 10 includes a titanium nitride (TiN) layer 11 formed adjacent to the first layer 9, so that the TiN layer 11 cannot be suppressed by the first layer 9. And the adhesion of the coating layer 8 can be improved. As a result, it is desirable because film peeling of the coating layer 8 can be suppressed.

なお、本実施形態では、被覆層8は、第一の層9と第二の層10とが隣接して形成されてなる形態を例示したが、これに限定されず、第一の層9と第二の層19との間に、他の層が形成されていても良い。すなわち、Al元素を上述のような比率で含まない層で、かつ、PVD法によって形成された層(中間層)が、第一の層9と第二の層10との間に形成されていてもよい。   In the present embodiment, the covering layer 8 is exemplified by a form in which the first layer 9 and the second layer 10 are formed adjacent to each other. However, the present invention is not limited to this. Another layer may be formed between the second layer 19 and the second layer 19. That is, a layer that does not contain Al element in the above ratio and is formed by the PVD method (intermediate layer) is formed between the first layer 9 and the second layer 10. Also good.

このような中間層としては、TiN層、TiCN層など様々な種類の層を用いることができる。特に、PVD法によって形成されたTiN層を、中間層として、第一の層9と第二の層10との間に介在させることが、基体2成分の第二の層10への拡散を低減するとともに、被覆層8の付着力を向上させるという効果を奏す点で望ましい。   As such an intermediate layer, various types of layers such as a TiN layer and a TiCN layer can be used. In particular, the TiN layer formed by the PVD method is interposed between the first layer 9 and the second layer 10 as an intermediate layer, thereby reducing the diffusion of the two components of the substrate into the second layer 10. In addition, it is desirable in that the effect of improving the adhesion of the coating layer 8 is achieved.

なお、第一の層9と隣接する層としてTiN層を形成する際、上述した本実施形態のように、CVD法で形成されたTiN層11を有した形態の方が、被覆層8の付着力が大きく、被覆層8の膜剥離を一層低減させることができるためより好ましい。   When the TiN layer is formed as a layer adjacent to the first layer 9, the form having the TiN layer 11 formed by the CVD method is applied to the covering layer 8 as in the above-described embodiment. This is more preferable because the adhesion force is large and film peeling of the coating layer 8 can be further reduced.

また、ここでは切削工具を例として説明したが、そのほかの用途として、耐摩材、切断用刃物としても優れた性能を発揮することができる。   Moreover, although the cutting tool was demonstrated here as an example, the performance which was excellent also as an abrasion-resistant material and a cutting blade can be exhibited as another use.

(製造方法)
本発明の表面被覆体の耐摩耗性部材の一実施例である上記切削工具を製造する方法の一例について説明する。
(Production method)
An example of a method for producing the cutting tool, which is an example of the wear-resistant member of the surface covering according to the present invention, will be described.

まず、上述した基体を焼成によって形成しうる金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等の無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末等を適宜添加、混合し、混合粉末を得る。得られた混合粉末を、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の工具形状に成形する。得られた成形体を真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成することによって、上述した硬質合金からなる基体2を作製する。   First, metal powder, carbon powder, and the like are appropriately added to and mixed with inorganic powders such as metal carbide, nitride, carbonitride, and oxide that can form the above-described substrate by firing to obtain a mixed powder. The obtained mixed powder is molded into a predetermined tool shape by a known molding method such as press molding, casting molding, extrusion molding, or cold isostatic pressing. The obtained molded body is fired in a vacuum or in a non-oxidizing atmosphere, so that the substrate 2 made of the hard alloy described above is produced.

そして、上記基体2の表面に、第一の層9を形成する。例えば第一の層9をPVD法、具体的には、アークイオンプレーティング法を用いて形成することができる。本発明によれば、アークイオンプレーティング法を用いた成膜条件として、例えば、第一の層9として(Ti、Al)N層を形成する場合、成膜時のガス圧力を2〜5Pa、バイアス電圧を20〜300V、成膜温度を500〜600℃に制御する。   Then, the first layer 9 is formed on the surface of the substrate 2. For example, the first layer 9 can be formed by a PVD method, specifically, an arc ion plating method. According to the present invention, as a film formation condition using the arc ion plating method, for example, when a (Ti, Al) N layer is formed as the first layer 9, the gas pressure during film formation is 2 to 5 Pa, The bias voltage is controlled to 20 to 300 V, and the film forming temperature is controlled to 500 to 600 ° C.

上述したように、第一の層9をPVD法によって形成することで、第一の層9の形成時の基体の温度をCVD法の場合に比べてより低い温度に維持することができるため、基体2成分の被覆層8への拡散を抑制する効果が高まる。   As described above, by forming the first layer 9 by the PVD method, it is possible to maintain the temperature of the substrate at the time of forming the first layer 9 at a lower temperature than in the case of the CVD method. The effect of suppressing the diffusion of the base 2 components into the coating layer 8 is enhanced.

ここで、本発明によれば、成膜時のバイアス電圧を初期1分間程度のみ15〜50Vとし、その後の成膜においてはバイアス電圧を150〜300Vへと変化させることによって、第一の層9の粒子がより微細な結晶構造となり、基体2の成分が被覆層8内に拡散することを抑制する効果が一層向上する。   Here, according to the present invention, the bias voltage at the time of film formation is set to 15 to 50 V only for an initial period of about 1 minute, and in the subsequent film formation, the bias voltage is changed to 150 to 300 V, whereby the first layer 9 These particles have a finer crystal structure, and the effect of suppressing the diffusion of the components of the substrate 2 into the coating layer 8 is further improved.

また、特に、成膜時に導入する反応ガスとして窒素と不活性ガスとの流量比率が、窒素:不活性ガス=2:1〜30:1、好ましくは2:1〜10:1となる窒素と不活性ガスの混合ガスをプラズマが発生した真空チャンバー内に導入することが、第一の層9中に安定して不活性ガスを含有せしめることができるため望ましい。また、不活性ガスを複数の種類使用する場合は、窒素の流量と複数の種類の不活性ガスの合計流量との比率を上記比率に調整する。   Further, in particular, nitrogen having a flow rate ratio of nitrogen to an inert gas of 2: 1 to 30: 1, preferably 2: 1 to 10: 1 as a reaction gas introduced during film formation It is desirable to introduce the mixed gas of the inert gas into the vacuum chamber in which the plasma is generated because the inert gas can be stably contained in the first layer 9. When a plurality of types of inert gases are used, the ratio between the flow rate of nitrogen and the total flow rate of the plurality of types of inert gases is adjusted to the above ratio.

また、使用するターゲットは、(Ti,Al1−x)からなる組成(x:0.5〜0.7)のチタンアルミ合金を用いる。 The target to be used is a titanium aluminum alloy having a composition (x: 0.5 to 0.7) made of (Ti x , Al 1-x ).

ここで、上記ターゲットの成分を(Al,M)、(Ti,Al,M)等の組成の合金(MはTiを除く周期律表における4,5,6族金属、Siから選ばれる一種以上の元素)に変更することによって、様々な種類の膜を成膜することができる。   Here, the component of the target is an alloy having a composition such as (Al, M), (Ti, Al, M), etc. (M is one or more selected from Group 4, 5, 6 metals and Si in the periodic table excluding Ti) By changing to (element), various types of films can be formed.

また、第一の層9としてAlN層を形成する際には、例えばターゲットにアルミニウムを使用し、成膜温度が300〜800℃、バイアス電圧が−5〜−100V、アーク電流値が150A、窒素雰囲気圧力が3〜12Paの成膜条件下で行う。   When forming the AlN layer as the first layer 9, for example, aluminum is used as a target, the film forming temperature is 300 to 800 ° C., the bias voltage is −5 to −100 V, the arc current value is 150 A, nitrogen It is performed under film forming conditions where the atmospheric pressure is 3 to 12 Pa.

一方、第一の層9をCVD法によって形成する場合、例えば、第一の層9としてAlN層をCVD法によって形成する際には、AlClガスを3〜20体積%、HClガスを0.5〜8.0体積%、Nガスを0.1〜60体積%、HSガスを0〜1体積%、残りがHガスからなる混合ガスを用い、900〜1100℃、5〜10kPaとすることが望ましい。 On the other hand, when the first layer 9 is formed by the CVD method, for example, when an AlN layer is formed as the first layer 9 by the CVD method, 3 to 20% by volume of AlCl 3 gas and 0.1% of HCl gas are added. 5 to 8.0% by volume, N 2 gas is 0.1 to 60% by volume, H 2 S gas is 0 to 1% by volume, and the balance is H 2 gas. 10 kPa is desirable.

また、第一の層9としてAlON層をCVD法によって形成する際には、AlClガスを1〜10体積%、HClガスを2〜15体積%、COガスを1〜10体積%、Nガスを3〜20体積%、残りをH2ガスよりなる混合ガスを用い、成膜温度が900℃〜1100℃、炉内圧力を5〜10kPaの成膜条件にて成膜する。 Further, when an AlON layer is formed as the first layer 9 by the CVD method, AlCl 3 gas is 1 to 10% by volume, HCl gas is 2 to 15% by volume, CO 2 gas is 1 to 10% by volume, N Using a mixed gas composed of 3 to 20% by volume of 2 gas and the remainder of H2 gas, a film is formed under film forming conditions of a film forming temperature of 900 ° C. to 1100 ° C. and a furnace pressure of 5 to 10 kPa.

次に、第一の層9が形成された基体上に、CVD法によって第二の層10を形成する。なお、ここでいう第二の層10とは、単層でも複数層であっても構わない。耐摩耗性部材の用途に応じて適宜選択することができる。切削工具に用いられる耐摩耗性部材においては、第二の層10が、異なる化学種からなる複数の層を有した複数層からなることが好ましい。これによって、耐摩耗性および耐欠損性の向上が図れる。   Next, the second layer 10 is formed on the substrate on which the first layer 9 is formed by the CVD method. The second layer 10 here may be a single layer or a plurality of layers. It can select suitably according to the use of an abrasion-resistant member. In the wear-resistant member used for a cutting tool, it is preferable that the second layer 10 includes a plurality of layers having a plurality of layers made of different chemical species. As a result, the wear resistance and fracture resistance can be improved.

まず、第二の層10としてTiN層を成膜する場合は、反応ガス組成として塩化チタン(TiCl)ガスを0.1〜10体積%、窒素(N)ガスを0〜60体積%、残りが水素(H)ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を800〜1000℃、10〜30kPaの条件で成膜する。 First, when forming a TiN layer as the second layer 10, the reaction gas composition is titanium chloride (TiCl 4 ) gas 0.1 to 10% by volume, nitrogen (N 2 ) gas 0 to 60% by volume, A mixed gas consisting of hydrogen (H 2 ) gas is prepared and introduced into the reaction chamber, and the inside of the chamber is formed under conditions of 800 to 1000 ° C. and 10 to 30 kPa.

次に、第二の層10として柱状組織からなるTiCN層を成膜するときには、反応ガス組成として、体積%で塩化チタン(TiCl)ガスを0.1〜10体積%、窒素(N)ガスを20〜60体積%、メタン(CH)ガスを0〜0.1体積%、アセトニトリル(CHCN)ガスを0.1〜0.4体積%、残りが水素(H)ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、成膜温度を780〜880℃、5〜25kPaにて成膜する。 Next, when a TiCN layer having a columnar structure is formed as the second layer 10, the reaction gas composition is 0.1 to 10% by volume of titanium chloride (TiCl 4 ) gas and nitrogen (N 2 ) in volume%. 20 to 60% by volume of gas, 0 to 0.1% by volume of methane (CH 4 ) gas, 0.1 to 0.4% by volume of acetonitrile (CH 3 CN) gas, and the remainder from hydrogen (H 2 ) gas The mixed gas is adjusted and introduced into the reaction chamber, and film formation is performed at a film formation temperature of 780 to 880 ° C. and 5 to 25 kPa.

次に、第二の層10としてTiCNO層を成膜するときには、塩化チタン(TiCl)ガスを0.1〜3体積%、メタン(CH)ガスを0.1〜10体積%、二酸化炭素(CO)ガスを0.01〜5体積%、窒素(N)ガスを0〜60体積%、残りが水素(H)ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を800〜1100℃、5〜30kPaとする。 Next, when forming a TiCNO layer as the second layer 10, titanium chloride (TiCl 4 ) gas is 0.1 to 3% by volume, methane (CH 4 ) gas is 0.1 to 10% by volume, carbon dioxide. (CO 2 ) gas is 0.01 to 5% by volume, nitrogen (N 2 ) gas is 0 to 60% by volume, and the remainder is hydrogen (H 2 ) gas, and is introduced into the reaction chamber. The inside of the chamber is set to 800 to 1100 ° C. and 5 to 30 kPa.

そして、第二の層10としてAl層を成膜するときには、塩化アルミニウム(AlCl)ガスを3〜20体積%、塩化水素(HCl)ガスを0.5〜3.5体積%、二酸化炭素(CO)ガスを0.01〜5体積%、硫化水素(HS)ガスを0〜0.01体積%、残りが水素(H)ガスからなる混合ガスを用い、900〜1100℃、5〜10kPaとすることが望ましい。 When forming an Al 2 O 3 layer as the second layer 10, aluminum chloride (AlCl 3 ) gas is 3 to 20% by volume, hydrogen chloride (HCl) gas is 0.5 to 3.5% by volume, Carbon dioxide (CO 2 ) gas is used in a mixed gas of 0.01 to 5% by volume, hydrogen sulfide (H 2 S) gas is 0 to 0.01% by volume, and the remainder is hydrogen (H 2 ) gas. It is desirable to set it as 1100 degreeC and 5-10kPa.

また、上述した第二の層のTiN層10(11)は、図1(b)に示すように、第一の層9に隣接して形成するのが好ましい。   Further, the second TiN layer 10 (11) described above is preferably formed adjacent to the first layer 9 as shown in FIG.

表3の割合で原料を混合および粉砕し、プレス成形により切削工具形状(CNMA120412)に成形した後、脱バインダ処理を施し、0.01Paの真空中、1500℃で1時間焼成して超硬合金の基体を作製した。さらに、作製した超硬合金基体にブラシ加工にてすくい面より刃先処理(Rホーニング)を施した。   The raw materials are mixed and pulverized in the proportions shown in Table 3, and formed into a cutting tool shape (CNMA120204) by press molding, then subjected to binder removal treatment, and fired at 1500 ° C. for 1 hour in a vacuum of 0.01 Pa. A substrate was prepared. Further, the prepared cemented carbide substrate was subjected to blade edge processing (R honing) from the rake face by brushing.

次に、上記超硬合金基体に対して、表3に示す構成の複数層からなる被覆層を形成し、試料No.01〜16の切削工具を作製した。なお、表3の各層の成膜条件は、CVD法における条件を表1に、PVD法おける条件を表2に示した。ここで、表1および2における各層のAl元素の含有比率(原子%)は、各層を構成する金属元素、非金属元素全てを含めた元素に対するAl元素の比率であり、測定は一般的なXPS(X線光電子分光分析)法によって測定した。

Figure 2008207286
Next, a coating layer composed of a plurality of layers having the structure shown in Table 3 was formed on the cemented carbide substrate. 01 to 16 cutting tools were produced. The film forming conditions for each layer in Table 3 are shown in Table 1 for the CVD method and Table 2 for the PVD method. Here, the content ratio (atomic%) of the Al element in each layer in Tables 1 and 2 is the ratio of the Al element to the elements including all of the metal elements and non-metal elements constituting each layer, and the measurement is performed using a general XPS. It was measured by (X-ray photoelectron spectroscopy) method.
Figure 2008207286

Figure 2008207286
Figure 2008207286

得られた工具について、基体の硬質相を構成する粒子の平均粒径をCIS−019D−2005に準じて行った。結果は表3に「WC粒径」として示した。   About the obtained tool, the average particle diameter of the particle | grains which comprise the hard phase of a base | substrate was performed according to CIS-019D-2005. The results are shown in Table 3 as “WC particle size”.

また、被覆層の断面を含む任意破断面5ヵ所において走査型電子顕微鏡(SEM)写真を3000倍の倍率で撮り、各写真における各層の層厚を測定し、測定した値の5ヶ所の層厚の平均を平均層厚として表3および5に示した。   In addition, a scanning electron microscope (SEM) photograph was taken at a magnification of 3000 times at five arbitrary fractured surfaces including the cross section of the coating layer, the layer thickness of each layer in each photograph was measured, and the measured layer thicknesses at five locations Tables 3 and 5 show the average of the average layer thickness.

さらに、上記断面を波長分散型X線マイクロアナライザー(WDS)によって第二の層全体に存在する基体の成分(W,Co,C)の量を任意に3点測定し、その平均値を算出した。結果は表3に示した。   Furthermore, the cross section was measured arbitrarily at three points by the wavelength dispersion type X-ray microanalyzer (WDS) for the amount of the component (W, Co, C) of the substrate existing in the entire second layer, and the average value was calculated. . The results are shown in Table 3.

またさらに、得られた工具のうち、第一の層が複数層で構成されるものについて、第一の層全体のAl元素の含有比率を測定した。結果を、表3に示した。なお、第一の層が単層で構成されるものについても、表1および表3に示す値と重複するが、併せて表3に示した。

Figure 2008207286
Furthermore, among the obtained tools, the content ratio of the Al element in the entire first layer was measured for those in which the first layer was composed of a plurality of layers. The results are shown in Table 3. In addition, although it overlaps with the value shown in Table 1 and Table 3 also about what a 1st layer is comprised by a single layer, it showed in Table 3 collectively.
Figure 2008207286

そして、この切削工具を用いて下記の条件により、連続切削試験および断続切削試験を行い、耐摩耗性および耐欠損性を評価した。結果は表4に示した。   Then, using this cutting tool, a continuous cutting test and an intermittent cutting test were performed under the following conditions to evaluate the wear resistance and fracture resistance. The results are shown in Table 4.

(連続切削条件)
被削材 :ダクタイル鋳鉄(FCD700スリーブ材)
工具形状:CNMG120408
切削速度:250m/分
送り速度:0.3mm/rev
切り込み:1.5mm
切削時間:30分
その他 :水溶性切削液使用
評価項目:顕微鏡にて切刃を観察し、逃げ面摩耗量・境界摩耗量を測定
(断続切削条件)
被削材 :ダクタイル鋳鉄(FCD7004本溝入スリーブ材)
工具形状:CNMG120412
切削速度:150m/分
送り速度:0.2mm/rev
切り込み:1mm
その他 :水溶性切削液使用
評価項目:欠損に至る衝撃回数
衝撃回数1000回時点で顕微鏡にて切刃の被覆層の剥離状態を観察

Figure 2008207286
(Continuous cutting conditions)
Work material: Ductile cast iron (FCD700 sleeve material)
Tool shape: CNMG120408
Cutting speed: 250 m / min Feeding speed: 0.3 mm / rev
Cutting depth: 1.5mm
Cutting time: 30 minutes Others: Use of water-soluble cutting fluid Evaluation item: Observe cutting edge with microscope and measure flank wear and boundary wear (intermittent cutting conditions)
Work material: Ductile cast iron (FCD7004 grooved sleeve material)
Tool shape: CNMG12041
Cutting speed: 150 m / min Feeding speed: 0.2 mm / rev
Cutting depth: 1mm
Other: Use of water-soluble cutting fluid Evaluation item: Number of impacts leading to breakage
Observe the peeling state of the coating layer of the cutting edge with a microscope when the number of impacts is 1000
Figure 2008207286

表1〜4より、第一の層としてAl元素を25原子%以上含有する層を形成していない試料No.13〜16では、被覆層中に基体の成分が拡散し、その結果被覆層の強度が低下し、耐摩耗性、耐欠損性共に低くなっている。   From Tables 1-4, sample No. in which a layer containing 25 atomic% or more of Al element is not formed as the first layer. In Nos. 13 to 16, the base component diffuses into the coating layer, and as a result, the strength of the coating layer decreases, and both wear resistance and fracture resistance are low.

これに対して、本発明の範囲内である試料No.1〜12では、被覆層内に基体の成分がほとんど拡散せず、耐摩耗性、耐欠損性共に優れた性能を発揮している。   On the other hand, sample No. which is within the scope of the present invention. In Nos. 1 to 12, the components of the substrate hardly diffused in the coating layer, and excellent performance in both wear resistance and fracture resistance is exhibited.

表5の割合で原料を混合および粉砕し、プレス成形により切削工具形状(CNMA120412)に成形した後、脱バインダ処理を施し、0.01Paの真空中、1500℃で1時間焼成してサーメットの基体を作製した。さらに、作製したサーメット基体にブラシ加工にてすくい面より刃先処理(ホーニングR)を施した。   The raw materials were mixed and pulverized in the proportions shown in Table 5 and formed into a cutting tool shape (CNMA120204) by press molding, then subjected to binder removal treatment, and fired at 1500 ° C. for 1 hour in a vacuum of 0.01 Pa for a cermet substrate Was made. Further, the prepared cermet substrate was subjected to blade edge processing (Honing R) from the rake face by brushing.

次に、上記サーメット基体に対して、表5に示す構成の複数層からなる被覆層を形成し、試料No.17〜32の切削工具を作製した。なお、表5の各層の成膜条件は、実施例1と同様に、表1および表2を用いた。   Next, a coating layer composed of a plurality of layers having the structure shown in Table 5 was formed on the cermet substrate. 17 to 32 cutting tools were produced. As in the case of Example 1, Table 1 and Table 2 were used as the film forming conditions for each layer in Table 5.

得られた工具について、実施例1と同様に、基体の硬質相の粒径の測定、および、被覆層の断面を含む任意破断面5ヵ所について走査型電子顕微鏡(SEM)写真を撮り、各写真において各層の層厚を測定した。   For the obtained tool, as in Example 1, measurement of the particle size of the hard phase of the substrate and scanning electron microscope (SEM) photographs were taken at five arbitrary fractured surfaces including the cross section of the coating layer. The thickness of each layer was measured.

また、上記断面を波長分散型X線マイクロアナライザー(WDS)によって第二の層全体に存在する基体の成分(Co,Ni)の量を測定した。結果は表5に示した。

Figure 2008207286
In addition, the amount of the component (Co, Ni) of the substrate present in the entire second layer was measured for the cross section with a wavelength dispersive X-ray microanalyzer (WDS). The results are shown in Table 5.
Figure 2008207286

そして、この切削工具を用いて下記の条件により、連続切削試験および断続切削試験を行い、耐摩耗性および耐欠損性を評価した。結果は表6に示した。   Then, using this cutting tool, a continuous cutting test and an intermittent cutting test were performed under the following conditions to evaluate the wear resistance and fracture resistance. The results are shown in Table 6.

(連続切削条件)
被削材 :ダクタイル鋳鉄(FCD700スリーブ材)
工具形状:CNMG120412
切削速度:300m/分
送り速度:0.2mm/rev
切り込み:1.5mm
切削時間:30分
その他 :乾式
評価項目:顕微鏡にて切刃を観察し、逃げ面摩耗量・境界摩耗量を測定
(断続切削条件)
被削材 :ダクタイル鋳鉄(FCD7004本溝入スリーブ材)
工具形状:CNMG120412
切削速度:200m/分
送り速度:0.2mm/rev
切り込み:1mm
その他 :乾式
評価項目:欠損に至る衝撃回数
衝撃回数1000回時点で顕微鏡にて切刃の被覆層の剥離状態を観察

Figure 2008207286
(Continuous cutting conditions)
Work material: Ductile cast iron (FCD700 sleeve material)
Tool shape: CNMG12041
Cutting speed: 300 m / min Feeding speed: 0.2 mm / rev
Cutting depth: 1.5mm
Cutting time: 30 minutes Others: Dry evaluation items: Observe the cutting edge with a microscope and measure the flank wear and boundary wear (intermittent cutting conditions)
Work material: Ductile cast iron (FCD7004 grooved sleeve material)
Tool shape: CNMG12041
Cutting speed: 200 m / min Feed speed: 0.2 mm / rev
Cutting depth: 1mm
Others: Dry evaluation items: Number of impacts that lead to defects
Observe the peeling state of the coating layer of the cutting edge with a microscope when the number of impacts is 1000
Figure 2008207286

表5,6より、第一の層としてAl元素を25原子%以上含有する層を形成していない試料No.29〜32では、被覆層中に基体の成分が拡散し、その結果、被覆層が異常成長を起こしてしまい、被覆層の強度が低下し、耐摩耗性、耐欠損性共に低くなっている。   From Tables 5 and 6, Sample No. in which a layer containing 25 atomic% or more of Al element is not formed as the first layer. In Nos. 29 to 32, the components of the substrate are diffused in the coating layer. As a result, the coating layer grows abnormally, the strength of the coating layer is lowered, and both the wear resistance and the fracture resistance are low.

これに対して、本発明の範囲内である試料No.13〜28では、被覆層内に基体の成分がほとんど拡散せず、被覆層に欠陥がほとんど見られないため、耐摩耗性、耐欠損性共に優れた性能を発揮している。   On the other hand, sample No. which is within the scope of the present invention. In Nos. 13 to 28, the components of the substrate hardly diffused in the coating layer, and almost no defects were observed in the coating layer. Therefore, excellent performance in both wear resistance and fracture resistance was exhibited.

本発明の耐摩耗性部材の一例であるスローアウェイチップについての(a)概略全体斜視図、(b)要部拡大断面図である。It is (a) general | schematic whole perspective view about the throw away tip which is an example of the abrasion-resistant member of this invention, (b) It is a principal part expanded sectional view.

符号の説明Explanation of symbols

1: スローアウェイチップ(チップ)
2: 基体
3: すくい面
4: 着座面
5: 逃げ面
6: 切刃
8: 被覆層
9: 第一の層
10: 第二の層
1: Throw away tip (chip)
2: Substrate 3: Rake face 4: Seating face 5: Flank face 6: Cutting edge 8: Coating layer 9: First layer 10: Second layer

Claims (9)

基体と、該基体上に形成された被覆層と、を有してなる耐摩耗性部材であって、
前記基体は、
炭化タングステン、炭化チタン、窒化チタンおよび炭窒化チタンの1種以上を主成分とする硬質相と、
CoおよびNiの1種以上を含む結合相と、を含んでなり、
前記被覆層は、
前記基体と接して形成されるとともに、Al元素を25原子%以上含む第一の層と、
該第一の層上に化学蒸着法によって形成された第二の層と、を備えた耐摩耗性部材。
A wear-resistant member comprising a substrate and a coating layer formed on the substrate,
The substrate is
A hard phase mainly composed of one or more of tungsten carbide, titanium carbide, titanium nitride, and titanium carbonitride;
A binder phase containing one or more of Co and Ni,
The coating layer is
A first layer formed in contact with the substrate and containing 25 atomic% or more of Al element;
And a second layer formed on the first layer by chemical vapor deposition.
前記第一の層が、AlN、AlON、(Ti,Al)N、(Al,M)N、(Ti,Al,M)N:(MはTiを除く4,5,6族金属元素、Siから選ばれる1種以上の元素)のいずれか1種からなる請求項1に記載の耐摩耗性部材。   The first layer is made of AlN, AlON, (Ti, Al) N, (Al, M) N, (Ti, Al, M) N: (M is a Group 4, 5, 6 metal element excluding Ti, Si The wear-resistant member according to claim 1, comprising at least one element selected from the group consisting of one or more elements selected from: 前記第一の層の層厚が0.5〜2μmであることを特徴とする請求項1または2に記載の耐摩耗性部材。 The wear-resistant member according to claim 1 or 2, wherein the first layer has a thickness of 0.5 to 2 µm. 前記第一の層が、物理蒸着法によって形成された層である請求項1乃至3のいずれかに記載の耐摩耗性部材。 The wear-resistant member according to any one of claims 1 to 3, wherein the first layer is a layer formed by physical vapor deposition. 前記基体の硬質相は、構成する粒子の平均粒径が1μm以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の耐摩耗性部材。 The wear resistant member according to any one of claims 1 to 4, wherein the hard phase of the substrate has an average particle size of 1 µm or less. 前記基体が、少なくともNiを含む結合相とチタン化合物を主成分とする硬質相とを具備するチタン基サーメットからなるとともに、前記第二の層が、炭素を含有する層を有してなることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の耐摩耗性部材。   The base is made of a titanium-based cermet having a binder phase containing at least Ni and a hard phase mainly composed of a titanium compound, and the second layer has a layer containing carbon. The wear-resistant member according to any one of claims 1 to 5. 前記第二の層のうち炭素を含有する層は、柱状組織からなるTiCN層を有してなる請求項6記載の耐摩耗性部材。   The wear-resistant member according to claim 6, wherein the carbon-containing layer of the second layer includes a TiCN layer having a columnar structure. 前記第二の層は、前記第一の層に隣接して形成されるTiN層を有してなる請求項1乃至7のいずれかに記載の耐摩耗性部材。   The wear-resistant member according to any one of claims 1 to 7, wherein the second layer has a TiN layer formed adjacent to the first layer. 請求項1乃至8のいずれかに記載の耐摩耗性部材を用いてなる切削工具。 A cutting tool using the wear-resistant member according to claim 1.
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