JP2011161590A - Surface coated cutting tool - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基材とその上に形成された被覆膜とを備える表面被覆切削工具に関する。 The present invention relates to a surface-coated cutting tool including a substrate and a coating film formed thereon.
最近の切削工具の動向として、地球環境保全の観点から切削油剤を用いないドライ加工が求められていること、被削材が多様化していること、加工能率を一層向上させるため切削速度がより高速になってきていることなどの理由から、工具刃先温度はますます高温になる傾向にあり、工具材料に要求される特性は厳しくなる一方である。特に工具材料の要求特性として、基材上に形成される被覆膜の高温での安定性(耐酸化特性や被覆膜の密着性)はもちろんのこと、切削工具寿命に関係する耐摩耗性の向上や耐欠損性の向上が一段と重要になっている。 Recent cutting tool trends include the need for dry machining without cutting fluids from the viewpoint of global environmental conservation, the diversification of work materials, and higher cutting speeds to further improve machining efficiency. For example, the tool edge temperature tends to be higher, and the characteristics required for the tool material are becoming stricter. In particular, as a required characteristic of tool materials, the coating film formed on the base material has high temperature stability (oxidation resistance and coating film adhesion) as well as wear resistance related to the cutting tool life. Improvement of crack resistance and fracture resistance is becoming more important.
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、高速度鋼等の硬質基材からなる切削工具や耐摩耗工具等の表面には、硬質被覆膜としてTiAlの窒化物を単層または複層形成することはよく知られているところである。しかしながら、最近の高速、ドライ加工では、TiAlの窒化物からなる被覆膜では十分な工具寿命が得られないのが現状である。 In order to improve wear resistance and surface protection function, TiAl nitride is used as a hard coating on the surface of cutting tools and wear-resistant tools made of hard base materials such as WC-based cemented carbide, cermet, and high-speed steel. It is well known to form a single layer or multiple layers. However, in recent high-speed and dry processing, a sufficient tool life cannot be obtained with a coating film made of TiAl nitride.
このような状況下、被覆膜の耐熱性を向上し、長い工具寿命を実現する方法として、特許文献1には、TiとAlとの複合窒化物において、さらにSiを添加した被覆膜が提案されている。このようにSiを含む被覆膜は、その表面にSiを含有する緻密な酸化保護膜が形成されることから、TiAlの窒化物からなる被覆膜よりも耐熱性が優れるという利点がある。しかし、その一方で特許文献1に開示される被覆膜は、その硬度および靭性の性能が十分ではないという問題があった。 Under such circumstances, as a method for improving the heat resistance of the coating film and realizing a long tool life, Patent Document 1 discloses a coating film in which Si is further added to a composite nitride of Ti and Al. Proposed. Thus, the coating film containing Si has an advantage that the heat resistance is superior to the coating film made of a nitride of TiAl because a dense oxidation protective film containing Si is formed on the surface thereof. On the other hand, however, the coating film disclosed in Patent Document 1 has a problem that its performance of hardness and toughness is not sufficient.
このような問題を解決する試みとして、特許文献2および特許文献3には、Tiの窒化物、炭窒化物、窒酸化物、または炭窒酸化物にSiを適量含有した層と、TiおよびAlを主成分とする窒化物、炭窒化物、窒酸化物、または炭窒酸化物からなる層とを交互に積層した被覆膜が開示されている。また、特許文献4には、AlTiSiNからなる層と、TiSiNからなる層とを交互に積層した被覆膜が開示されている。 As an attempt to solve such a problem, Patent Document 2 and Patent Document 3 include Ti nitride, carbonitride, nitrogen oxide, or a layer containing an appropriate amount of Si in carbon nitride oxide, and Ti and Al. There is disclosed a coating film in which nitrides, carbonitrides, nitride oxides, or layers composed of carbonitride oxides are alternately laminated. Patent Document 4 discloses a coating film in which layers made of AlTiSiN and layers made of TiSiN are alternately stacked.
しかしながら、上記特許文献2および特許文献3に開示されているTiSi系の被覆膜は、圧縮残留応力が極端に高いことにより、被覆膜自体が自己破壊しやすいため、基材または下層との密着性が十分ではないという問題があった。また、上記の特許文献4で開示されている被覆膜は、耐熱性、硬度、および靭性に優れる一方、かかる被覆膜で被覆した切削工具を用いて切削加工を行なうと、積層構造中の層間で剥離する傾向があり、十分な工具寿命が得られないという問題があった。 However, since the TiSi-based coating film disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3 has an extremely high compressive residual stress, the coating film itself is easily self-destructed. There was a problem that the adhesion was not sufficient. Further, the coating film disclosed in Patent Document 4 is excellent in heat resistance, hardness, and toughness. On the other hand, when cutting is performed using a cutting tool coated with such a coating film, There was a tendency to peel between layers, and there was a problem that sufficient tool life could not be obtained.
本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、耐熱性、硬度、および応力バランスに優れるというAlTiSiMNの特性と耐摩耗性と靭性に優れるというTiSiMeNの特性とを兼備し、耐摩耗性、耐欠損性、および密着性を兼ね備えた被覆膜を表面に有する表面被覆切削工具を提供することにある。なお、MおよびMeは、それぞれ独立してV、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、およびWからなる群より選ばれる1種以上の元素を示す。 The present invention has been made in view of the current situation as described above, and the object of the present invention is to make the characteristics of AlTiSiMN excellent in heat resistance, hardness, and stress balance, and in TiSiMeN excellent in wear resistance and toughness. An object of the present invention is to provide a surface-coated cutting tool having a coating film on the surface that has both properties and wear resistance, fracture resistance, and adhesion. M and Me each independently represent one or more elements selected from the group consisting of V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W.
本発明者らは、上記のような課題を解決するために、被覆膜の構成について種々の検討を重ねたところ、特許文献4に開示される被覆膜が層間で剥離しやすいのは、積層構造を構成する各層の層厚およびSi量がマッチングしていなかったことによるものであるという知見を得た。かかる知見に基づいて、AlTiSiNからなる層と、TiSiNからなる層との層厚および組成についてさらに鋭意検討を重ねることにより、ついに本発明を完成させたものである。 In order to solve the above problems, the present inventors have made various studies on the configuration of the coating film, and the coating film disclosed in Patent Document 4 is easily peeled between layers. It was found that the layer thickness and the Si amount of each layer constituting the laminated structure were not matched. Based on this knowledge, the present invention was finally completed by further earnestly studying the layer thickness and composition of the layer made of AlTiSiN and the layer made of TiSiN.
すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、基材とその上に形成された被覆膜とを備え、該被覆膜は、1μm以上15μm以下の膜厚であり、かつAlaTibSicMdN(ただし式中、0.35≦a≦0.7、0<c≦0.1、0<d≦0.3、a+b+c+d=1)からなるA層と、TieSifMegN(ただし式中fは、0<f≦0.1、0<g≦0.3、e+f+g=1)からなるB層とが交互に各2層以上積層された積層体を含み、上記式中のMおよびMeは、それぞれ独立してV、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、およびWからなる群より選ばれる1種以上の元素を示し、A層およびB層はそれぞれ、20nm以下の層厚であり、各A層は、実質的に同一の層厚であり、各B層は、実質的に同一の層厚であり、A層は、基材側から被覆膜の表面側にかけて連続的または段階的にAlの原子比が減少し、基材に最も近い側のA層を構成するAlの上記式中における原子比をa1とし、被覆膜の表面に最も近い側のA層を構成するAlの上記式中における原子比をa2とすると、以下の式(I)を満たすことを特徴とする。 That is, the surface-coated cutting tool of the present invention is provided with a coating film formed thereon with the substrate, the coating film is a film thickness of at least 15μm or less 1 [mu] m, and Al a Ti b Si c M d N (provided that Shikichu, 0.35 ≦ a ≦ 0.7,0 <c ≦ 0.1,0 <d ≦ 0.3, a + b + c + d = 1) and A layer consisting of, Ti e Si f Me g Including a laminate in which two or more B layers each consisting of N (where f is 0 <f ≦ 0.1, 0 <g ≦ 0.3, e + f + g = 1) are alternately laminated, M and Me therein are each independently one or more elements selected from the group consisting of V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W, and each of the A layer and the B layer has a thickness of 20 nm. Each layer A has substantially the same layer thickness, each layer B has substantially the same layer thickness, and each layer A has a base thickness The atomic ratio of Al decreases continuously or stepwise from the material side to the surface side of the coating film, and the atomic ratio in the above formula of Al constituting the A layer on the side closest to the substrate is defined as a 1. When the atomic ratio in the above formula of Al constituting the A layer closest to the surface of the covering film is a 2 , the following formula (I) is satisfied.
a1−a2≧0.005 ・・・(I)
そして、A層を構成するSiの原子比cと、B層を構成するSiの原子比fとは、以下の式(II)を満たすことが好ましい。
a 1 −a 2 ≧ 0.005 (I)
The atomic ratio c of Si constituting the A layer and the atomic ratio f of Si constituting the B layer preferably satisfy the following formula (II).
|c−f|≦0.05 ・・・(II)
A層およびB層は、2nm以上10nm以下の層厚であることが好ましい。被覆膜は、その表面側に最表面層を有し、該最表面層は、TieSifMegCN(ただし式中、0<f≦0.1、0<g≦0.3、e+f+g=1)からなることが好ましい。
| C−f | ≦ 0.05 (II)
The A layer and the B layer preferably have a layer thickness of 2 nm or more and 10 nm or less. Coating film has an outermost surface layer on the surface side, outermost surface layer, Ti e Si f Me g CN ( although Shikichu, 0 <f ≦ 0.1,0 <g ≦ 0.3, e + f + g = 1).
A層は、AlaTibSicMdN(ただし式中、0.5≦a≦0.6、0.03≦c≦0.08、0<d≦0.3、a+b+c+d=1)からなることが好ましい。B層は、TieSifMegN(ただし式中、0.03≦f≦0.08、0<g≦0.3、e+f+g=1)からなることが好ましい。被覆膜は、アークイオンプレーティング法により形成されることが好ましい。 A layer, Al a Ti b Si c M d N ( provided that Shikichu, 0.5 ≦ a ≦ 0.6,0.03 ≦ c ≦ 0.08,0 <d ≦ 0.3, a + b + c + d = 1) Preferably it consists of. Layer B, Ti e Si f Me g N ( provided that Shikichu, 0.03 ≦ f ≦ 0.08,0 <g ≦ 0.3, e + f + g = 1) is preferably made of. The coating film is preferably formed by an arc ion plating method.
本発明の表面被覆切削工具は、上記のような構成を有することにより、耐熱性、硬度、および応力バランスに優れるというAlTiSiMNの特性と耐摩耗性および靭性に優れるというTiSiMeNの特性とを兼備し、耐摩耗性、耐欠損性、および密着性を兼ね備えたものである。 The surface-coated cutting tool of the present invention has the characteristics as described above, and has the characteristics of AlTiSiMN, which is excellent in heat resistance, hardness, and stress balance, and the characteristics of TiSiMeN, which is excellent in wear resistance and toughness. It combines wear resistance, fracture resistance, and adhesion.
以下、本発明について、詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明では、図面を用いて説明しているが、本願の図面において同一の参照符号を付したものは、同一部分または相当部分を示している。なおまた、本発明において、層厚または膜厚は走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)または透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)により測定し、その組成はエネルギー分散型X線分析装置(EDS:Energy Dispersive x-ray Spectroscopy)により測定するものとする。 Hereinafter, the present invention will be described in detail. In the following description of the embodiments, the description is made with reference to the drawings. In the drawings of the present application, the same reference numerals denote the same or corresponding parts. In the present invention, the layer thickness or film thickness is measured by a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM), and the composition thereof is an energy dispersive X-ray analyzer. It shall be measured by (EDS: Energy Dispersive x-ray Spectroscopy).
<表面被覆切削工具>
本発明の表面被覆切削工具は、基材とその上に形成された被覆膜とを備えたものである。このような基本的構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等として極めて有用に用いることができる。
<Surface coated cutting tool>
The surface-coated cutting tool of the present invention comprises a substrate and a coating film formed thereon. The surface-coated cutting tool of the present invention having such a basic configuration is, for example, a drill, an end mill, a milling or turning cutting edge replaceable cutting tip, a metal saw, a cutting tool, a reamer, a tap, or a crankshaft pin. It can be used very effectively as a chip for milling.
<基材>
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、このような切削工具の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。たとえば、超硬合金(たとえばWC基超硬合金、WCの他、Coを含み、あるいはさらにTi、Ta、Nb等の炭窒化物等を添加したものも含む)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、およびこれらの混合体など)、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。このような基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。
<Base material>
As the base material of the surface-coated cutting tool of the present invention, a conventionally known material known as such a cutting tool base material can be used without particular limitation. For example, cemented carbide (for example, WC base cemented carbide, including WC, including Co, or further including carbonitride such as Ti, Ta, Nb, etc.), cermet (TiC, TiN, TiCN, etc.) High-speed steel, ceramics (titanium carbide, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, and mixtures thereof), cubic boron nitride sintered body, diamond sintered body Etc. can be mentioned as examples of such a substrate. When a cemented carbide is used as such a base material, the effect of the present invention is exhibited even if such a cemented carbide contains an abnormal phase called free carbon or η phase in the structure.
なお、これらの基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていてもよく、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。 In addition, these base materials may have a modified surface. For example, in the case of cemented carbide, a de-β layer may be formed on the surface, and in the case of cermet, a surface hardened layer may be formed, and even if the surface is modified in this way, The effect is shown.
<被覆膜>
本発明の被覆膜は、AlaTibSicMdN(ただし式中、0.35≦a≦0.7、0<c≦0.1、0<d≦0.3、a+b+c+d=1)からなるA層と、TieSifMegN(ただし式中、0<f≦0.1、0<g≦0.3、e+f+g=1)からなるB層とが交互に各2層以上積層された積層体を含み、上記式中のMおよびMeは、それぞれ独立してV、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、およびWからなる群より選ばれる1種以上の元素を示し、該A層および該B層はそれぞれ20nm以下の層厚であり、各A層は、実質的に同一の層厚であり、各B層は、実質的に同一の層厚であり、A層は、基材側から被覆膜の表面側にかけて連続的または段階的にAlの原子比が減少し、基材に最も近い側のA層を構成するAlの上記式中における原子比をa1とし、被覆膜の表面に最も近い側のA層を構成するAlの上記式中における原子比をa2とすると、以下の式(I)を満たすことを特徴としている。
<Coating film>
Coating of the present invention, Al a Ti b Si c M d N ( provided that Shikichu, 0.35 ≦ a ≦ 0.7,0 <c ≦ 0.1,0 <d ≦ 0.3, a + b + c + d = 1) a layer a consisting of, Ti e Si f Me g N ( provided that Shikichu, 0 <f ≦ 0.1,0 <g ≦ 0.3, e + f + g = 1) consisting of B layer and each 2 alternately In the above formula, M and Me are each independently one or more elements selected from the group consisting of V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W. The A layer and the B layer each have a layer thickness of 20 nm or less, each A layer has substantially the same layer thickness, and each B layer has substantially the same layer thickness, In the A layer, the atomic ratio of Al decreases continuously or stepwise from the base material side to the surface side of the coating film, and the top of the Al constituting the A layer closest to the base material. The atomic ratio in the formula as a 1, when the atomic ratio in the above formula of Al constituting the A layer closest to the surface of the coating film and a 2, satisfies the following formula (I) It is said.
a1−a2≧0.005 ・・・(I)
このような本発明の被覆膜は、基材上の全面を被覆する態様を含むとともに、部分的に被覆膜が形成されていない態様をも含み、さらにまた部分的に被覆膜の一部の積層態様が異なっているような態様をも含む。また、本発明の被覆膜は、その全体の膜厚が1μm以上15μm以下であることを特徴とする。1μm未満であると耐摩耗性に劣る場合があり、15μmを超えると基材との密着性および耐欠損性が低下する場合がある。このような被覆膜の特に好ましい膜厚は2μm以上8μm以下である。なお、上記の被覆膜は、A層、B層、および最表面層以外の他の任意の層を含んでいてもよい。
a 1 −a 2 ≧ 0.005 (I)
Such a coating film of the present invention includes an aspect in which the entire surface of the substrate is coated, and also includes an aspect in which the coating film is not partially formed. The aspect which the lamination | stacking aspect of a part differs is also included. Further, the coating film of the present invention is characterized in that the entire film thickness is 1 μm or more and 15 μm or less. If it is less than 1 μm, the abrasion resistance may be inferior, and if it exceeds 15 μm, the adhesion to the substrate and the fracture resistance may be reduced. A particularly preferable film thickness of such a coating film is 2 μm or more and 8 μm or less. In addition, said coating film may contain arbitrary layers other than A layer, B layer, and outermost surface layer.
以下、このような被覆膜についてさらに詳細に説明する。
<A層>
積層体を構成するA層は、AlaTibSicMdN(ただし式中、0.35≦a≦0.7、0<c≦0.1、0<d≦0.3、a+b+c+d=1)からなることを特徴とする。このようなA層は、耐熱性、硬度、および応力バランスに優れるため、高速、ドライ加工時の刃先の耐欠損性に効果的である。また、上記aは0.5≦a≦0.6であり、上記cは0.03≦c≦0.08であることがより好ましい。この場合耐熱性、硬度、および圧縮残留応力のバランスが良好なものとなる。上記式中、aが0.35未満であるか、またはdが0.3を超えると、耐酸化性および硬度を向上させる効果を十分に得ることができず、aが0.7を超えると、被覆膜の硬度が大きく低下して耐摩耗性が低下するため好ましくない。
Hereinafter, such a coating film will be described in more detail.
<A layer>
A layer constituting the laminate, Al a Ti b Si c M d N ( provided that Shikichu, 0.35 ≦ a ≦ 0.7,0 <c ≦ 0.1,0 <d ≦ 0.3, a + b + c + d = 1). Such an A layer is excellent in heat resistance, hardness, and stress balance, and therefore effective for high-speed, chipping resistance of the cutting edge during dry processing. The a is preferably 0.5 ≦ a ≦ 0.6, and the c is more preferably 0.03 ≦ c ≦ 0.08. In this case, the balance of heat resistance, hardness, and compressive residual stress is good. In the above formula, if a is less than 0.35 or d exceeds 0.3, the effect of improving the oxidation resistance and hardness cannot be sufficiently obtained, and if a exceeds 0.7 , Since the hardness of the coating film is greatly reduced and the wear resistance is lowered.
ここで、A層を構成するMは、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、およびWからなる群より選ばれる1種以上の元素であることを特徴とする。このような元素を30原子%以下の割合でA層に含むことにより、A層中で固溶強化が生じ、A層の硬度を高めることができる。 Here, M constituting the A layer is one or more elements selected from the group consisting of V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W. By including such an element in the A layer at a ratio of 30 atomic% or less, solid solution strengthening occurs in the A layer, and the hardness of the A layer can be increased.
なお、AlaTibSicMdNという表記において、「AlaTibSicMd」と、「N」との組成比は1:1の場合のみに限られるものではなく、組成比として可能である比を全て含み得るものであり、両者の比は特に限定されない。 Note that in the notation Al a Ti b Si c M d N, and "Al a Ti b Si c M d", the composition ratio between "N" 1: not limited only to the case of 1, the composition ratio All possible ratios can be included, and the ratio between the two is not particularly limited.
<B層>
上記のA層とともに積層体を構成するB層は、TieSifMegN(ただし式中、0<f≦0.1、e+f+g=1)であることを特徴とする。このようなB層は、耐摩耗性と靭性に優れるが、さらなる高速、ドライ加工へ対応するためにはそれ単体では限界があるため、本発明においては上記のA層と交互に積層されるものである。上記のfが0.1以下であることにより、B層の急激な圧縮応力の増加を抑制し、密着性の低下を抑制することができる。ここで、上記fは0.03≦f≦0.08であることがより好ましく、この場合耐摩耗性と靭性のバランスが一層良好なものとなる。上記式中、fが0.1を超えると、圧縮残留応力が大きくなり、層間剥離が生じやすくなるため好ましくない。
<B layer>
B layer constituting the laminate together with the above layer A, Ti e Si f Me g N ( provided that Shikichu, 0 <f ≦ 0.1, e + f + g = 1) , characterized in that a. Such a B layer is excellent in wear resistance and toughness, but in order to cope with further high speed and dry processing, there is a limit in itself, so in the present invention, it is laminated alternately with the above A layer. It is. When said f is 0.1 or less, the rapid increase of the compressive stress of B layer can be suppressed and the adhesive fall can be suppressed. Here, f is more preferably 0.03 ≦ f ≦ 0.08. In this case, the balance between wear resistance and toughness is further improved. In the above formula, if f exceeds 0.1, the compressive residual stress increases, and delamination tends to occur, which is not preferable.
ここで、B層を構成するMeは、上記のA層を構成するMと同様に、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、およびWからなる群より選ばれる1種以上の元素であることを特徴とする。このような元素を30原子%以下の割合でB層に含むことにより、B層中で固溶強化が生じ、B層の硬度を高めることができる。 Here, Me constituting the B layer is one or more elements selected from the group consisting of V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W, similarly to M constituting the A layer. It is characterized by being. By including such an element in the B layer at a ratio of 30 atomic% or less, solid solution strengthening occurs in the B layer, and the hardness of the B layer can be increased.
なお、TieSifMegNという表記において、「TieSifMeg」と「N」との組成比は1:1の場合のみに限られるものではなく、組成比として可能である比を全て含み得るものであり、両者の比は特に限定されない。 Note that in the notation Ti e Si f Me g N, the composition ratio between "Ti e Si f Me g" "N" 1: not limited only to the case of 1, it is possible as a composition ratio ratio The ratio of the two is not particularly limited.
<A層およびB層の層厚および積層体>
上記のようなA層およびB層はそれぞれ、20nm以下の層厚であることを特徴とする。このような層厚のA層およびB層を2層以上交互に積層させることにより、A層およびB層の密着が強固なものとなり、層間の剥離を抑制することができる。かかるA層およびB層は、層間で剥離しない程度に薄くすることにより密着性を向上できることから、可能な限り薄い層厚であることが好ましいが、製造設備の都合上、2nm以上10nm以下であることがより好ましい。これらの層厚が2nm未満の場合、成膜装置の基材をセットする回転テーブルの回転数が早すぎて、装置のスペック上成膜が困難となり、20nmを超えると層厚が厚すぎるため、A層およびB層の両層が有するそれぞれの特性を享受することができない。
<Layer thickness and laminated body of A layer and B layer>
Each of the A layer and the B layer as described above has a layer thickness of 20 nm or less. By alternately laminating two or more layers of the A layer and the B layer having such a layer thickness, the adhesion between the A layer and the B layer becomes strong, and delamination between the layers can be suppressed. The A layer and the B layer are preferably as thin as possible because the adhesiveness can be improved by making them thin enough not to peel off between the layers, but for convenience of manufacturing facilities, they are 2 nm or more and 10 nm or less. It is more preferable. When these layer thicknesses are less than 2 nm, the number of rotations of the rotary table for setting the base material of the film forming apparatus is too fast, making film formation difficult due to the specifications of the apparatus. The respective characteristics of both the A layer and the B layer cannot be enjoyed.
また、積層体を構成する各A層は、実質的に同一の層厚であることを特徴とする。ここで、「実質的に同一の層厚」とは、いずれか1層のA層の層厚と、他のA層の層厚とが同一である場合はもちろん、実質的に同一とみなせる程度の微差であってもよいことを意味する。また、A層と同様に、各B層も実質的に同一の層厚であることを特徴とする。なお、A層およびB層の層厚は、TEMにより測定した値を採用する。 Moreover, each A layer which comprises a laminated body is substantially the same layer thickness, It is characterized by the above-mentioned. Here, “substantially the same layer thickness” means that the layer thickness of any one of the A layers is the same as the layer thickness of the other A layers, and can be regarded as substantially the same. It means that the difference may be a slight difference. Further, similarly to the A layer, each B layer has substantially the same layer thickness. In addition, the value measured by TEM is employ | adopted for the layer thickness of A layer and B layer.
ここで、被覆膜105に含まれる積層体は、図1に示されるように基材110の直上に設けてもよいし、基材110上に中間層を形成した後に、該中間層上に設けてもよい。かかる積層体は、A層102およびB層103の両層が交互に積層される限り、どちらの層により積層を開始してもよいし、どちらの層により積層を終えてもよい。また、被覆膜105の最表面に最表面層104を形成してもよいし、最表面層104を形成しなくてもよい。最表面層104を形成する場合、図1に示すようにB層103上に最表面層104を形成してもよいし、図示はしていないがA層上に最表面層を形成してもよい。また、積層体上にバインダー層を形成してから最表面層104を形成してもよい。なお、図1における点線部分は積層が繰り返されていることを示すものであるが、本発明の積層態様の最少積層数はA層102、B層103がともに2層ずつである計4層の場合である。
Here, the laminate included in the
<Alの原子比の差>
本発明の被覆膜は、上記のA層と上記のB層とが交互に各2層以上積層されていることを基本とする。これは、耐熱性、硬度、および応力バランスに優れるA層と、耐摩耗性および靭性に優れるB層とを交互に積層させることにより、これらの両層が有するそれぞれの特性を享受することを期待したものである。しかし、これら両層を同一の組成で単純に積層させただけでは両層が有する特性を両立させることはできず、特に鉄系の被削材の高速加工およびドライ加工において、Alの原子比が多い被覆膜では拡散反応が起こり、クレーター摩耗(すくい面の摩耗)が発生しやすいものである。
<Difference in atomic ratio of Al>
The coating film of the present invention is based on the fact that two or more layers of the A layer and the B layer are alternately laminated. It is expected that the layers A and B, which are excellent in heat resistance, hardness, and stress balance, and the layer B, which is excellent in wear resistance and toughness, are alternately laminated, thereby enjoying the respective characteristics of both layers. It is what. However, by simply laminating these two layers with the same composition, it is not possible to achieve both of the characteristics of both layers. Especially in high-speed machining and dry machining of iron-based work materials, the atomic ratio of Al is In many coating films, a diffusion reaction occurs and crater wear (wear on the rake face) is likely to occur.
そこで、本発明者らが種々の検討を重ねた結果、上記のA層は、基材側から被覆膜の表面側にかけて連続的または段階的にAlの原子比が減少し、基材に最も近い側のA層を構成するAlの式中における原子比をa1とし、被覆膜の表面に最も近い側のA層を構成するAlの式中における原子比をa2とすると、以下の式(I)を満たすことにより、両層の特性がなんら損ねられることなく、クレーター摩耗を抑制することができることを見出した。 Therefore, as a result of various investigations by the present inventors, the above-mentioned A layer has the Al atomic ratio that decreases continuously or stepwise from the substrate side to the surface side of the coating film, and the most in the substrate. When the atomic ratio in the formula of Al constituting the A layer on the near side is a 1 and the atomic ratio in the formula of Al constituting the A layer on the side closest to the surface of the coating film is a 2 , It has been found that by satisfying the formula (I), crater wear can be suppressed without impairing the properties of both layers.
a1−a2≧0.005 ・・・(I)
なお、式(I)中のa1−a2のことを以下においては「Alの原子比の差」とも記す。
a 1 −a 2 ≧ 0.005 (I)
In the following, a 1 -a 2 in the formula (I) is also referred to as “difference in atomic ratio of Al”.
すなわち、基材に最も近い側のA層を構成するAlの原子比を多くすることにより靭性の向上を図る一方、被覆膜の表面に最も近い側のA層を構成するAlの原子比を少なくすることによりクレーター摩耗を抑制する。このような本発明の被覆膜は、耐摩耗性、および耐欠損性を兼ね備えたものであり、高速、ドライ加工における工具寿命を著しく改善することができる。 That is, while improving the toughness by increasing the atomic ratio of Al constituting the A layer closest to the substrate, the atomic ratio of Al constituting the A layer closest to the surface of the coating film is increased. Reduce crater wear by reducing the amount. Such a coating film of the present invention has both wear resistance and fracture resistance, and can significantly improve the tool life in high speed and dry processing.
Alの原子比の差(すなわちa1−a2)は、0.01以上0.1以下であることが好ましい。このようなAlの分布とすることにより、靭性と耐クレーター摩耗とをバランスよく両立することができる。Alの原子比の差が0.005未満であると、クレーター摩耗の改善効果を十分に得ることができず、0.1を超えると、Alの原子比の差が大きすぎることにより応力バランスが崩れ、被覆膜が剥離しやすくなる。A層にAlの原子比の差を生じせしめるための成膜条件は後述する。 The difference in the atomic ratio of Al (that is, a 1 −a 2 ) is preferably 0.01 or more and 0.1 or less. By making such Al distribution, toughness and crater wear resistance can be achieved in a well-balanced manner. If the difference in the atomic ratio of Al is less than 0.005, the effect of improving crater wear cannot be sufficiently obtained, and if it exceeds 0.1, the difference in the atomic ratio of Al is too large, resulting in a stress balance. It collapses and the coating film is easily peeled off. Film forming conditions for causing a difference in the atomic ratio of Al in the A layer will be described later.
ここで、基材に最も近い側のA層を構成するAlの原子比a1と、被覆膜の表面に最も近い側のA層を構成するAlの原子比a2とは、EDSで測定した値を採用するものとする。以下、図2(a)および(b)を参照して、Alの原子比の差の算出方法を説明する。図2(a)は、被覆膜に押し付けた鋼球を取り除く前の状態を示す模式的な断面図であり、(b)は、被覆膜に押し付けた鋼球を取り除いた後の状態を示す模式的な断面図である。 Here, the atomic ratio a 1 of Al constituting the A layer closest to the substrate and the atomic ratio a 2 of Al constituting the A layer closest to the surface of the coating film are measured by EDS. The selected value shall be adopted. Hereinafter, a method of calculating the difference in the atomic ratio of Al will be described with reference to FIGS. FIG. 2A is a schematic cross-sectional view showing a state before removing the steel ball pressed against the coating film, and FIG. 2B shows a state after removing the steel ball pressed against the coating film. It is a typical sectional view shown.
まず、図2(a)に示されるように、直径30mmの鋼球100を回転させながら基材110に接するまで被覆膜105に押し付けることにより、被覆膜105にカロテスト痕を形成する。このカロテスト痕をSEMにより5000倍の倍率で観察し、EDSを用いて被覆膜105の基材に最も近い側のA層106のTiとAlとSiとの原子比と、被覆膜105の表面に最も近い側のA層107のTiとAlとSiとの原子比とをそれぞれ測定する。そして、これらの測定値に基づいて、被覆膜中のAlの原子比の差を算出する。
First, as shown in FIG. 2A, a calotest mark is formed on the
<Siの原子比>
A層を構成するSiの原子比cと、B層を構成するSiの原子比fとはそれぞれ、各式中において0.1以下であることが好ましい。これにより耐熱性を向上しつつ圧縮応力の増加を抑えることができ、密着性の低下を防ぐことができる。Siの原子比であるcおよびfが0.1を超えると、圧縮応力が増加することにより層間の剥離が生じやすくなる。なお、上述のようにAlの原子比aが基材側から被覆膜の表面側にかけて減少することにより、Siの原子比cが基材側から被覆膜の表面側にかけて増加することになるが、ここでのSiの原子比cは、積層体の厚み方向の中間点に最近接するA層を構成するSiの原子比を採用するものとする。
<Atomic ratio of Si>
The atomic ratio c of Si constituting the A layer and the atomic ratio f of Si constituting the B layer are each preferably 0.1 or less in each formula. Thereby, it is possible to suppress an increase in compressive stress while improving heat resistance, and it is possible to prevent a decrease in adhesion. When c and f which are atomic ratios of Si exceed 0.1, delamination is likely to occur due to an increase in compressive stress. As described above, when the atomic ratio a of Al decreases from the substrate side to the surface side of the coating film, the atomic ratio c of Si increases from the substrate side to the surface side of the coating film. However, as the atomic ratio c of Si here, the atomic ratio of Si constituting the A layer closest to the intermediate point in the thickness direction of the stacked body is adopted.
また、A層を構成するSiの原子比cと、B層を構成するSiの原子比fとは、以下の式(II)を満たすことが好ましく、より好ましくは式(II)中の|c−f|が0.03以下である。 Further, the atomic ratio c of Si constituting the A layer and the atomic ratio f of Si constituting the B layer preferably satisfy the following formula (II), and more preferably | c in the formula (II): -F | is 0.03 or less.
|c−f|≦0.05 ・・・(II)
A層およびB層のSiの原子比をこのような範囲内に調整することにより、被覆膜の密着性を顕著に向上させることができる。式(II)を満たさない場合、組成の均一性が取れなくなるためか、各層の応力差が大きすぎるためか、その理由は定かではないが密着性が低下する場合がある。
| C−f | ≦ 0.05 (II)
By adjusting the atomic ratio of Si in the A layer and the B layer within such a range, the adhesion of the coating film can be remarkably improved. If the formula (II) is not satisfied, the uniformity of the composition cannot be obtained or the difference in stress between the layers is too large.
<最表面層>
本発明の表面被覆切削工具は、上記被覆膜の表面側(すなわち被覆膜の基材と接する側とは反対側)に最表面層を備えることが好ましく、このような最表面層は、TieSifMegCN(ただし式中、0<f≦0.1、0<g≦0.3、e+f+g=1)からなることが好ましい。このようにB層を構成する組成の炭窒化物からなる最表面層は、その層中に炭素が分散していることにより、窒化物に比して摩擦係数が低く、潤滑性が高いものとなる。このため、切削加工中の工具の刃先が高温になりにくくなり、被覆膜の酸化を抑制するとともに、被削材が刃先に溶着するのを防ぎ、加工面粗さを向上させることができる。このような最表面層は、その層厚が0.05μm以上4μm以下であることが好ましく、より好ましくは0.1μm以上2μm以下である。
<Outermost surface layer>
The surface-coated cutting tool of the present invention preferably includes an outermost surface layer on the surface side of the coating film (that is, the side opposite to the side in contact with the base material of the coating film). Ti e Si f Me g CN (although Shikichu, 0 <f ≦ 0.1,0 <g ≦ 0.3, e + f + g = 1) is preferably made of. Thus, the outermost surface layer made of carbonitride having the composition constituting the B layer has a low coefficient of friction and high lubricity as compared with the nitride because carbon is dispersed in the layer. Become. For this reason, it becomes difficult for the cutting edge of the tool during cutting to become high temperature, suppresses oxidation of the coating film, prevents the work material from being welded to the cutting edge, and improves the surface roughness. Such an outermost layer preferably has a layer thickness of 0.05 μm or more and 4 μm or less, more preferably 0.1 μm or more and 2 μm or less.
<製造方法>
本発明の被覆膜は、物理的蒸着法(PVD法)により形成されることが好ましい。これは、本発明の被覆膜を基材表面に成膜するためには結晶性の高い化合物を形成することができる成膜プロセスであることが不可欠であり、種々の成膜方法を検討した結果、物理的蒸着法を用いることが最適であることが見出されたからである。物理的蒸着法には、たとえばスパッタリング法、イオンプレーティング法などがあるが、特に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と、被覆膜を形成する前に基材表面に対して金属またはガスイオンボンバードメント処理が可能となるため、被覆膜と基材との密着性が格段に向上するので好ましい。
<Manufacturing method>
The coating film of the present invention is preferably formed by physical vapor deposition (PVD method). In order to form the coating film of the present invention on the substrate surface, it is indispensable to be a film forming process capable of forming a compound having high crystallinity, and various film forming methods were examined. As a result, it has been found that it is optimal to use physical vapor deposition. Physical vapor deposition methods include, for example, sputtering method, ion plating method, etc. Especially, when using cathode arc ion plating method with high ion ratio of raw material elements, before forming the coating film, On the other hand, since metal or gas ion bombardment treatment is possible, the adhesion between the coating film and the substrate is significantly improved, which is preferable.
したがって、本発明の被覆膜は、物理的蒸着法の一種であるカソードアークイオンプレーティング法を採用して形成することが好ましい。図3は、カソードアークイオンプレーティング法に用いられるアークイオンプレーティング装置200の概略図である。対向する蒸発源201、202において、蒸発源201にはA層用のAlTiSiMターゲットをセットし、蒸発源202にはB層用のTiSiMeターゲットをセットする。一方、蒸発源203にはターゲットをセットしない。また、回転テーブル204に基材210(切削工具)をセットする。
Therefore, the coating film of the present invention is preferably formed by employing a cathode arc ion plating method which is a kind of physical vapor deposition method. FIG. 3 is a schematic diagram of an arc
ここで、蒸発源201にセットされるターゲットの組成(AlとTiとSiとMとの比)によりA層を構成するAlaTibSicMdNのa、b、c、およびdを決定することができる。ただし、後述するが、Alの原子比aは、チャンバー内の圧力および温度、ならびに基材210に印加するバイアス電圧により増減させることができる。また、蒸発源202にセットされるターゲットの組成(TiとSiとMeとの比)によりB層を構成するTieSifMegNのe、f、およびgを決定することができる。
Here, a of Al a Ti b Si c M d N constituting the A layer by the composition of the target to be set in the evaporation source 201 (the ratio of Al and Ti, Si and M), b, c, and d Can be determined. However, as will be described later, the atomic ratio a of Al can be increased or decreased by the pressure and temperature in the chamber and the bias voltage applied to the
そして、装置内が真空となるように排気した後に、装置内をたとえば500℃に加熱した状態で回転テーブル204を5rpmで回転させながら、Arガスによるスパッタクリーニング(ボンバード)を行なう。その後、基材に−50Vのバイアス電圧を印加し、回転テーブル204を3rpmで回転させながら、常に一定のアーク電流により蒸発源201、202をアーク放電させることにより、各ターゲットをイオン化させる。同時に反応ガスである窒素をガス導入口205から導入し、基材210の表面にA層およびB層を交互に成膜する。
Then, after the apparatus is evacuated to a vacuum, sputter cleaning (bombarding) with Ar gas is performed while rotating the rotary table 204 at 5 rpm while the apparatus is heated to, for example, 500 ° C. Thereafter, a bias voltage of −50 V is applied to the substrate, and the
すなわち、蒸発源201の前を基材210が通過するときにAlaTibSicMdNからなるA層が成膜され、蒸発源202の前を基材210が通過するときにTieSifMegNからなるB層が成膜され、このように回転テーブル204が回転するのに従いA層とB層とを順次交互に積層させることができる。なお、成膜する間の蒸発源201のアーク電流、およびテーブルの回転数を調整することにより、A層およびB層の層厚を調整することができ、蒸発源201、202のアーク電流を一定とすることにより、A層およびB層をいずれも実質的に同一の層厚にすることができる。
That, Al a front when the
すなわち、蒸発源201、202のアーク電流を低くするほど、A層およびB層の層厚は薄く形成される。ただし、ターゲットの放電を安定させるためにはアーク電流は80A以上とする必要がある。アーク電流を80A未満にすると、アーク放電が不安定になり、A層およびB層の層厚を均一に形成しにくくなる。
That is, the lower the arc current of the
また、A層およびB層をそれぞれ実質的に同一の層厚で形成するためには、上記の蒸発源201、202のアーク電流は、被覆膜の成膜中は常に一定にする必要がある。すなわち、成膜中にアーク電流を増減させると、A層およびB層を実質的に同一の層厚にすることができない。
In order to form the A layer and the B layer with substantially the same layer thickness, the arc currents of the
また、アーク電流を150A程度とした場合、テーブルの回転数を3rpm以上15rpm以下にすることにより、20nm以下の層厚のA層およびB層を形成することができる。テーブルの回転数を3rpm未満にすると、A層およびB層の層厚が20nmを超える場合があり、15rpmを超えることは製造設備の制約上好ましくない。 When the arc current is about 150 A, the A layer and the B layer having a layer thickness of 20 nm or less can be formed by setting the number of rotations of the table to 3 rpm or more and 15 rpm or less. If the number of rotations of the table is less than 3 rpm, the layer thicknesses of the A layer and the B layer may exceed 20 nm, and exceeding 15 rpm is not preferable because of restrictions on manufacturing equipment.
また、上記の成膜中に基材のバイアス電圧を傾斜的または段階的に増加させることにより、基材へのイオン粒子の衝突エネルギーが徐々に高くなり、A層中のAlの一部がスパッタされて系外に放出されるため、被覆膜の基材側から表面側にかけて傾斜的または段階的にA層中のAlの原子比が減少する。一方、Al以外の原子は、スパッタにより系外に放出されないため、A層中のAlの原子比が減少するにつれて、A層中のTi、Si、およびMの原子比は基材側から被覆膜の表面側にかけて相対的に増加する。これに対し、B層はAlを含まないため、B層を構成する組成の原子比は変化せず、蒸発源202にセットされるターゲットの組成比に一致する。
In addition, by increasing the bias voltage of the base material stepwise or stepwise during the film formation, the collision energy of ion particles to the base material gradually increases, and a part of Al in the A layer is sputtered. Since it is released to the outside of the system, the atomic ratio of Al in the A layer decreases stepwise or stepwise from the substrate side to the surface side of the coating film. On the other hand, since atoms other than Al are not released out of the system by sputtering, as the atomic ratio of Al in the A layer decreases, the atomic ratios of Ti, Si, and M in the A layer are covered from the substrate side. It increases relatively toward the surface side of the film. On the other hand, since the B layer does not contain Al, the atomic ratio of the composition constituting the B layer does not change and matches the composition ratio of the target set in the
上記式(I)を満たすように被覆膜を成膜するためには、成膜初期と成膜終期とで、チャンバー内の圧力および温度、ならびに基材に印加するバイアス電圧などの条件に一定の差を持たせることが好ましく、特に、成膜初期と成膜終期とにおけるバイアス電圧の差を70V以上とすることが好ましい。すなわちたとえば、成膜初期のバイアス電圧が30Vであると、そこから傾斜的または段階的にバイアス電圧を増加させて成膜後期のバイアス電圧が100Vとなるようにバイアス電圧を調整することが好ましい。 In order to form a coating film so as to satisfy the above formula (I), the pressure and temperature in the chamber and the bias voltage applied to the substrate are constant at the initial and final film formation. The difference in bias voltage between the initial stage of film formation and the final stage of film formation is preferably 70 V or more. That is, for example, when the bias voltage at the initial stage of film formation is 30 V, it is preferable to adjust the bias voltage so that the bias voltage is increased gradually or stepwise from there to be 100 V at the latter stage of film formation.
上記のバイアス電圧と同様の観点から、チャンバー内の圧力は、成膜初期から成膜終期にかけて1.5Pa以上減圧することが好ましい。たとえば、成膜初期におけるチャンバー内の圧力が4Paであると、そこから傾斜的または段階的に減圧し、成膜終期におけるチャンバー内の圧力が2.5Paとなるようにチャンバー内の圧力を調整することが好ましい。 From the same viewpoint as the bias voltage, the pressure in the chamber is preferably reduced by 1.5 Pa or more from the initial stage of film formation to the end of film formation. For example, if the pressure in the chamber at the initial stage of film formation is 4 Pa, the pressure in the chamber is reduced gradually or stepwise, and the pressure in the chamber is adjusted so that the pressure in the chamber at the end of film formation becomes 2.5 Pa. It is preferable.
また、チャンバー内の温度は、成膜初期から成膜終期にかけて200℃以上昇温させることが好ましい。たとえば、成膜初期におけるチャンバー内の温度が500℃であると、そこから傾斜的または段階的に昇温し、成膜終期におけるチャンバー内の温度が700℃以上になるようにチャンバー内の温度を調整することが好ましい。 The temperature in the chamber is preferably raised by 200 ° C. or more from the initial stage of film formation to the end of film formation. For example, if the temperature in the chamber at the initial stage of film formation is 500 ° C., the temperature in the chamber is gradually or stepwise increased, and the temperature in the chamber is set so that the temperature in the chamber at the end of film formation becomes 700 ° C. or higher. It is preferable to adjust.
各層の層厚は、回転テーブル204の回転数、およびアーク電流値により制御することができる。なお、A層およびB層の各層厚が2nm未満では回転テーブルの回転数が非常に早くなり、装置スペック上成膜が困難となる。なお、アークイオンプレーティング装置200は、複数のヒータ206が備えられている。
The layer thickness of each layer can be controlled by the number of rotations of the
上記のようにA層およびB層を形成した後に、チャンバー内の窒素を排気してから、ガス導入口205から反応ガスである窒素とメタンとを導入する。同時に、基材210にバイアス電圧を印加し、回転テーブル204を回転させながら、アーク電流を印加して蒸発源202をアーク放電させることにより、TiSiMeターゲットをイオン化させて、TiSiMeCNからなる最表面層を形成する。このようにして形成される最表面層は、チャンバー内の温度を550℃以上の高温にした上で、成膜時のバイアス電圧を200V以上に印加して成膜することが好ましい。このような条件で成膜することにより、緻密な最表面層を形成することができる。最表面層を形成するときのバイアス電圧が、30V以上100V以下のような通常のアークイオンプレーティング法の成膜条件では、反応ガスであるメタンやアセチレンが十分に分解されずに部分的に炭素が析出し、耐熱性および強度が低下する場合があるため好ましくない。
After forming the A layer and the B layer as described above, nitrogen in the chamber is evacuated, and then nitrogen and methane as reaction gases are introduced from the
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.
図3のようなアークイオンプレーティング装置を用い、各層形成用のターゲットを蒸発源にセットし、基材温度450℃にて基材上に被覆膜を成膜した。 An arc ion plating apparatus as shown in FIG. 3 was used, a target for forming each layer was set in an evaporation source, and a coating film was formed on the substrate at a substrate temperature of 450 ° C.
基材としては、超硬合金製エンドミル(φ10mm、6枚刃)、超硬合金製ドリル(φ8mm)、P20相当超硬合金製フライス用スローアウェイチップ(形状:SEMT13T3AGSN−G)の3種類を準備し、それぞれに表1に示した実施例1〜21および比較例1〜16の被覆膜を成膜した。 Three types of base materials are available: cemented carbide end mill (φ10mm, 6 blades), cemented carbide drill (φ8mm), and P20 equivalent cemented carbide milling throw tip (shape: SEMT13T3AGSN-G). Then, the coating films of Examples 1 to 21 and Comparative Examples 1 to 16 shown in Table 1 were respectively formed.
被覆膜は、表1中の「組成」の欄に記載した「A層」および「B層」を積層させた上で、その最表面に表1中の「組成」の欄に記載した「最表面層」を形成することにより構成した。最表面層を形成しない場合は、表1中に「−」を示した。なお、A層は、基材側から表面側にかけてAlの原子%が減少しているが、表1中では、被覆膜を構成する積層体の厚み方向の中間点に最近接するA層の組成を示した。「層厚」の欄には、A層、B層、および最表面層のそれぞれの層厚を示し、「全体膜厚」の欄は、被覆膜の膜厚を示した。 The coating film was formed by laminating “A layer” and “B layer” described in the “Composition” column in Table 1, and describing them in the “Composition” column in Table 1 on the outermost surface. It was configured by forming an “outermost surface layer”. When the outermost surface layer was not formed, “-” is shown in Table 1. In addition, in the A layer, the atomic% of Al decreases from the base material side to the surface side, but in Table 1, the composition of the A layer closest to the middle point in the thickness direction of the laminate constituting the coating film. showed that. The “layer thickness” column shows the layer thicknesses of the A layer, the B layer, and the outermost surface layer, and the “total film thickness” column shows the film thickness of the coating film.
また、「Si比の差」の欄には、その積層体を構成するA層のSiの原子比cと、B層のSiの原子比fとの差を示し、「Al比の差」の欄には、その被覆膜の基材に最も近い側のA層を構成するAlの原子比a1と、表面側に最も近い側のA層を構成するAlの原子比a2との差を示した。 Further, the column of “Si ratio difference” indicates the difference between the Si atomic ratio c of the A layer and the Si atomic ratio f of the B layer constituting the laminate, and the “Al ratio difference” The column shows the difference between the atomic ratio a 1 of Al constituting the A layer closest to the substrate of the coating film and the atomic ratio a 2 of Al constituting the A layer closest to the surface side. showed that.
たとえば、実施例1は、図3のアークイオンプレーティング装置を用い、蒸発源201のターゲット材料にAl0.55Ti0.35Si0.05W0.05をセットし、蒸発源202のターゲット材料にTi0.93Si0.04W0.03をそれぞれセットして、被覆膜を形成した表面被覆切削工具に関するものである。なお、目的の組成からなる被膜を得るためにN2ガス、CH4ガス、およびArガスからなる群より選択される1種以上の反応ガスを導入してチャンバー内の圧力を調整した。
For example, Example 1 uses the arc ion plating apparatus of FIG. 3, sets Al 0.55 Ti 0.35 Si 0.05 W 0.05 as the target material of the
まず、図3のアークイオンプレーティング装置のチャンバー内の圧力が真空になるように排気した後に、チャンバー内の温度を570℃まで昇温した。そして、Arガスを導入してチャンバー内の圧力を3.0Paに保持し、DCバイアス電圧を徐々に上げながら−1000Vとし基材表面のクリーニング(ボンバード)を15分間行なった。その後アルゴンガスを排気した。これにより、Arイオンが基材表面をスパッタクリーニングし強固な汚れや酸化膜が除去された。 First, after evacuating so that the pressure in the chamber of the arc ion plating apparatus of FIG. 3 became a vacuum, the temperature in the chamber was raised to 570 ° C. Then, Ar gas was introduced to maintain the pressure in the chamber at 3.0 Pa, and the substrate surface was cleaned (bombarded) for 15 minutes while the DC bias voltage was gradually increased to −1000 V. Thereafter, the argon gas was exhausted. As a result, Ar ions sputter-cleaned the substrate surface, and strong dirt and oxide films were removed.
次に、A層およびB層を成膜した。チャンバー内の圧力が3PaになるようにN2ガスを導入し、基材DCバイアス電圧を−50Vとした。Al0.55Ti0.35Si0.05W0.05ターゲットをアーク電流150Aとしてイオン化し、Ti0.93Si0.04W0.03ターゲットをアーク電流130Aとしてイオン化し、それぞれN2ガスと反応させることにより、基材上に層厚が9nmのAl0.55Ti0.35Si0.05W0.05NからなるA層と、層厚が6nmのTi0.93Si0.04W0.03NからなるB層とを交互に成膜した。 Next, an A layer and a B layer were formed. N 2 gas was introduced so that the pressure in the chamber was 3 Pa, and the substrate DC bias voltage was set to −50V. The Al 0.55 Ti 0.35 Si 0.05 W 0.05 target is ionized with an arc current of 150 A, the Ti 0.93 Si 0.04 W 0.03 target is ionized with an arc current of 130 A, and each is reacted with N 2 gas, resulting in a layer thickness of 9 nm on the substrate. A 0.55 Ti 0.35 Si 0.05 W 0.05 N layer A and 6 nm thick Ti 0.93 Si 0.04 W 0.03 N layer B were alternately formed.
かかる成膜中に、基材DCバイアス電圧を−50Vから傾斜的に減少させて成膜終了時における基材DCバイアス電圧を−150Vにするとともに、チャンバー内の圧力を3Paから傾斜的に減少させて、成膜終了時におけるチャンバー内の圧力を1.5Paとなるように成膜した。なお、A層とB層の積層数はそれぞれ233層であった。 During the film formation, the substrate DC bias voltage is gradually decreased from −50 V to decrease the substrate DC bias voltage at the end of the film formation to −150 V, and the pressure in the chamber is gradually decreased from 3 Pa. Then, the film was formed such that the pressure in the chamber at the end of the film formation was 1.5 Pa. The number of layers A and B was 233 respectively.
そして、最後に最表面層を成膜した。チャンバー内の温度を650℃として、その圧力が3Paとなるように、N2ガスとメタンガスとを4:1の流量比で導入し、基材DCバイアス電圧を200Vとした。そして、Ti0.93Si0.04W0.03ターゲットをアーク電流130Aとしてイオン化し、N2ガスおよびメタンガスと反応させることにより、層厚が0.5μmのTi0.93Si0.04W0.03CNからなる最表面層を成膜し、本発明の表面被覆切削工具を作製した。 Finally, the outermost surface layer was formed. The temperature in the chamber was 650 ° C., N 2 gas and methane gas were introduced at a flow rate ratio of 4: 1 so that the pressure was 3 Pa, and the base material DC bias voltage was 200V. Then, the Ti 0.93 Si 0.04 W 0.03 target is ionized with an arc current of 130 A and reacted with N 2 gas and methane gas to form an outermost surface layer of Ti 0.93 Si 0.04 W 0.03 CN having a layer thickness of 0.5 μm. Thus, the surface-coated cutting tool of the present invention was produced.
このようにして作製した被覆層に対し、直径30mmの鋼球を回転させながら基材に接するまで被覆膜に押し付けることにより、カロテスト痕を形成した。このカロテスト痕をSEMにより5000倍で観察し、EDSを用いて被覆膜105の基材に最も近い側のA層106の原子比a1を測定したところ、Alの原子比a1は0.5538であった。一方、被覆膜105の表面側に最も近い側のA層107の原子比a2を測定したところ、Alの原子比a2は0.5463であった。これらのAlの原子比の値から、Alの原子比の差(a1−a2)として0.0075を算出した。
By pressing a steel ball having a diameter of 30 mm against the coating film while rotating it against the coating film, a carotest mark was formed. This Karotesuto marks were observed at 5000-fold by SEM, was measured atomic ratio a 1 of the
他の実施例および比較例の表面被覆切削工具もこれらのものと同様にして製造し、そのAlの原子比の差を測定した。なお、比較例16は、実施例1と同一のターゲット材料を使用したが、成膜中の蒸発源201、202のアーク電流を変更し、基材側から表面側にかけてA層の層厚が徐々に薄くなるようにA層を形成することにより、被覆膜の基材側ほどAlの含有量が多く、被覆膜の表面側ほどAlの含有量が少なくなるように、Alの含有量を制御した。
Surface-coated cutting tools of other examples and comparative examples were produced in the same manner as these, and the difference in the atomic ratio of Al was measured. In Comparative Example 16, the same target material as in Example 1 was used, but the arc current of the
このようにして得られた表面被覆切削工具(すなわち表面被覆エンドミル、表面被覆ドリル、表面被覆フライス加工用スローアウェイチップ)について次に示す切削条件にて評価を行なった。その切削評価の結果を表2に示す。 The surface-coated cutting tool thus obtained (namely, surface-coated end mill, surface-coated drill, and surface-coated milling throw-away tip) was evaluated under the following cutting conditions. The results of the cutting evaluation are shown in Table 2.
(1)エンドミル評価
表面被覆エンドミルを用いて行なった。すなわち、エンドミル切削条件は基材として上記の通り6枚刃、外径10mmの超硬合金製エンドミルを用い、被削材はSKD11(HRC61)とし、側面切削をダウンカットで切削速度=200m/min、送り量=0.025mm/刃、切込み量ap=10mm、ae=0.6mm、エアーブローで行なった。切削長50m時点での切れ刃外周の摩耗幅を測定した。摩耗幅が少ない程、耐摩耗性に優れていることを示している。
(1) End mill evaluation It performed using the surface coating end mill. That is, the end mill cutting conditions were as follows: a cemented carbide end mill with 6 blades and an outer diameter of 10 mm was used as the base material, the work material was SKD11 (HRC61), the side cutting was downcut, and the cutting speed was 200 m / min. , Feed amount = 0.025 mm / blade, cutting amount a p = 10 mm, a e = 0.6 mm, air blow. The wear width of the outer periphery of the cutting edge at the cutting length of 50 m was measured. The smaller the wear width, the better the wear resistance.
(2)ドリル評価
表面被覆ドリルを用いて行なった。すなわち、ドリル切削条件は基材として上記の通り外径8mmの超硬合金製ドリルを用い、被削材はS50Cとし、穴加工を切削速度=80m/min、送り量=0.25mm/rev、穴深さ30mmの貫通穴、切削油なしで行なった。切削長30m時点での先端マージン部の摩耗幅を測定した。摩耗幅が少ない程、耐摩耗性に優れていることを示している。
(2) Drill evaluation A surface-coated drill was used. That is, the drill cutting conditions are as follows. A hard metal drill having an outer diameter of 8 mm is used as the base material, the work material is S50C, the drilling speed is 80 m / min, the feed rate is 0.25 mm / rev, This was performed without a through hole having a hole depth of 30 mm and without cutting oil. The wear width of the tip margin at the cutting length of 30 m was measured. The smaller the wear width, the better the wear resistance.
(3)フライス評価
表面被覆フライス加工用スローアウェイチップを用いて行なった。フライス切削条件は基材として上記の通りP20相当超硬合金製スローアウェイチップ(形状:SEMT13T3AGSN−G)を用い、被削材はSCM435(幅300mm×長さ200mmのブロック材)とし、切削速度=300m/min、送り量=0.25mm/t、切込み量=1.5mm、切削油なしで行なった。切削時間15分時点での逃げ面の摩耗幅を測定した。摩耗幅が少ない程、耐摩耗性に優れていることを示している。
(3) Milling evaluation A throw-away tip for surface-coated milling was used. As described above, the milling conditions were P20 equivalent cemented carbide throwaway tip (shape: SEMT13T3AGSN-G) as the base material, the work material was SCM435 (block material of width 300 mm ×
表2より、実施例の表面被覆切削工具は、比較例の表面被覆切削工具と比較して工具寿命が著しく向上しており、高速、ドライ加工に十分対応できることがわかった。すなわち、本発明の表面被覆切削工具が、AlTiSiMNの特性とTiSiMeNの特性とを兼備し、耐摩耗性、耐欠損性、および密着性を兼ね備えたものであることが確認された。 From Table 2, it was found that the surface-coated cutting tool of the example has a significantly improved tool life as compared with the surface-coated cutting tool of the comparative example, and can sufficiently cope with high speed and dry processing. That is, it was confirmed that the surface-coated cutting tool of the present invention has the characteristics of AlTiSiMN and TiSiMeN, and has wear resistance, fracture resistance, and adhesion.
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described as described above, it is also planned from the beginning to appropriately combine the configurations of the above-described embodiments and examples.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
100 鋼球、106 基材に最も近い側のA層、107 表面に最も近い側のA層、110,210 基材、102 A層、103 B層、200 アークイオンプレーティング装置、201,202,203 蒸発源、204 回転テーブル、205 ガス導入口、206 ヒータ。 100 Steel balls, 106 A layer closest to the substrate, 107 A layer closest to the surface, 110, 210 Substrate, 102 A layer, 103 B layer, 200 Arc ion plating apparatus, 201, 202, 203 evaporation source, 204 rotary table, 205 gas inlet, 206 heater.
Claims (7)
前記被覆膜は、1μm以上15μm以下の膜厚であり、かつAlaTibSicMdN(ただし式中、0.35≦a≦0.7、0<c≦0.1、0<d≦0.3、a+b+c+d=1)からなるA層と、TieSifMegN(ただし式中、0<f≦0.1、0<g≦0.3、e+f+g=1)からなるB層とが交互に各2層以上積層された積層体を含み、
前記式中MおよびMeは、それぞれ独立してV、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、およびWからなる群より選ばれる1種以上の元素を示し、
前記A層および前記B層はそれぞれ、20nm以下の層厚であり、
前記各A層は、実質的に同一の層厚であり、
前記各B層は、実質的に同一の層厚であり、
前記A層は、基材側から被覆膜の表面側にかけて連続的または段階的にAlの原子比が減少し、
前記基材に最も近い側の前記A層を構成するAlの前記式中における原子比をa1とし、前記被覆膜の表面に最も近い側の前記A層を構成するAlの前記式中における原子比をa2とすると、以下の式(I)を満たす、表面被覆切削工具。
a1−a2≧0.005 ・・・(I) A substrate and a coating film formed thereon,
The coating film is less thickness 15μm or 1 [mu] m, and Al a Ti b Si c M d N ( provided that Shikichu, 0.35 ≦ a ≦ 0.7,0 <c ≦ 0.1,0 <a d ≦ 0.3, a + b + c + d = 1) consisting of A layer, Ti e Si f Me g N ( provided that where each of 0 <f ≦ 0.1,0 <g ≦ 0.3 , e + f + g = 1) And a layered product in which two or more layers are alternately laminated,
In the formula, M and Me each independently represent one or more elements selected from the group consisting of V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W;
Each of the A layer and the B layer has a layer thickness of 20 nm or less,
Each of the A layers has substantially the same layer thickness,
Each of the B layers has substantially the same layer thickness,
In the A layer, the atomic ratio of Al decreases continuously or stepwise from the substrate side to the surface side of the coating film,
The atomic ratio of Al constituting the A layer on the side closest to the base material in the above formula is a 1, and Al constituting the A layer on the side closest to the surface of the coating film in the above formula A surface-coated cutting tool that satisfies the following formula (I) when the atomic ratio is a 2 .
a 1 −a 2 ≧ 0.005 (I)
|c−f|≦0.05 ・・・(II) The surface-coated cutting tool according to claim 1, wherein an atomic ratio c of Si constituting the A layer and an atomic ratio f of Si constituting the B layer satisfy the following formula (II).
| C−f | ≦ 0.05 (II)
前記最表面層は、TieSifMegCN(ただし式中、0<f≦0.1、0<g≦0.3、e+f+g=1)からなる、請求項1〜3のいずれかに記載の表面被覆切削工具。 The coating film has an outermost surface layer on the surface side thereof,
The outermost surface layer, Ti e Si f Me g CN ( although Shikichu, 0 <f ≦ 0.1,0 <g ≦ 0.3, e + f + g = 1) consisting of, in any one of claims 1 to 3 The surface-coated cutting tool described.
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