JP2013116549A - Surface coated cutting tool with hard coating layer exhibiting superior chipping resistance - Google Patents

Surface coated cutting tool with hard coating layer exhibiting superior chipping resistance Download PDF

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翔 龍岡
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直之 岩崎
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface coated cutting tool with a hard coating layer exhibiting superior chipping resistance and defect resistance in high speed intermittent cutting.SOLUTION: A hard coating layer comprises a chemical vapor deposited lower layer and an upper layer, wherein (a) the lower layer is a Ti compound layer comprising one or two or more layers out of a carbide layer, a nitride layer, a carbonitride layer, a carbooxide layer, and a carbonitroxide layer of Ti and having a total average layer thickness of 3-20 μm, and (b) the upper layer is an aluminum oxide layer having an average layer thickness of 2-25 μm, and wherein the aluminum oxide layer constituting the upper layer has a columnar longitudinal growth oxidized aluminum crystal structure and particulate aluminum oxide is dispersed and distributed in the structure.

Description

本発明は、高熱発生を伴うとともに、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する各種の鋼や鋳鉄の高速断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を備えることにより、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する表面被覆切削工具(以下、被覆工具という)に関するものである。   In the present invention, high-speed intermittent cutting of various steels and cast irons with high heat generation and intermittent / impact loads acting on the cutting edge, the hard coating layer has excellent chipping resistance, which makes it possible to The present invention relates to a surface-coated cutting tool (hereinafter referred to as a coated tool) that exhibits excellent cutting performance over use.

従来、一般に、炭化タングステン(以下、WCで示す)基超硬合金または炭窒化チタン(以下、TiCNで示す)基サーメットで構成された工具基体(以下、これらを総称して工具基体という)の表面に、
(a)下部層が、いずれも化学蒸着形成された、Tiの炭化物(以下、TiCで示す)層、窒化物(以下、同じくTiNで示す)層、炭窒化物(以下、TiCNで示す)層、炭酸化物(以下、TiCOで示す)層および炭窒酸化物(以下、TiCNOで示す)層のうちの1層または2層以上からなるTi化合物層、
(b)上部層が、化学蒸着形成された酸化アルミニウム層、
以上(a)および(b)で構成された硬質被覆層を形成してなる被覆工具が知られており、この被覆工具は、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられていることが知られている。
ただ、前記被覆工具は、切れ刃に大きな負荷がかかる切削条件では、チッピング損等を発生しやすく、工具寿命が短命であるという問題があるため、これを解消するために、従来からいくつかの提案がなされている。
Conventionally, the surface of a tool substrate (hereinafter collectively referred to as a tool substrate) generally composed of tungsten carbide (hereinafter referred to as WC) -based cemented carbide or titanium carbonitride (hereinafter referred to as TiCN) -based cermet. In addition,
(A) Ti carbide (hereinafter referred to as TiC) layer, nitride (hereinafter also referred to as TiN) layer, carbonitride (hereinafter referred to as TiCN) layer formed by chemical vapor deposition of the lower layers. A Ti compound layer consisting of one or more of a carbon oxide (hereinafter referred to as TiCO) layer and a carbonitride oxide (hereinafter referred to as TiCNO) layer,
(B) the upper layer is an aluminum oxide layer formed by chemical vapor deposition;
A coated tool formed by forming a hard coating layer composed of (a) and (b) above is known, and this coated tool is known to be used for cutting various steels and cast irons. It has been.
However, the above-described coated tool has a problem that chipping loss or the like is likely to occur under a cutting condition in which a heavy load is applied to the cutting edge, and the tool life is short-lived. Proposals have been made.

例えば、特許文献1には、硬質被覆層をTi等の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、硼窒化物の1種以上からなる内層、および0.01〜0.5μmの粒度のアモルファスアルミナと結晶化アルミナで構成されるアルミナからなる外層からなる被覆層を有することによって、この被覆層は微粒で緻密であり、しかも生産性が大であることが開示されている。
また、特許文献2には、WC基超硬合金基体の表面に、Al層を含む硬質被覆層、例えば、TiC層、TiN層、TiCN層、TiO層、TiCO層、TiNO層およびTiCNO層からなるTi化合物層のうちの1種または2種以上と、Al層で構成した硬質被覆層を2〜20μmの平均層厚で化学蒸着および/または物理蒸着してなる表面被覆超硬合金製切削工具において、硬質被覆層を構成するAl層を、Alの主体がα型結晶構造を有し、かつ上側部と下側部(基体側)で異なる結晶組織を有し、上側部を柱状Al層、すなわち柱状結晶粒が縦方向に並列配置した結晶組織とし、下側部を粒状Al層、すなわち粒状結晶組織としたAl層で構成することによって、耐チッピング性にすぐれた被覆工具を提供することが開示されている。
さらに、特許文献3には、母材表面に硬質膜を被覆した硬質膜被覆部材において、硬質膜が非柱状晶組織のAl酸化物あるいは酸窒化物からなり、該硬質膜の膜厚が4乃至15μmであることによって、耐摩耗性、耐欠損性にすぐれた長寿命の被覆工具を提供することが開示されている。
For example, Patent Document 1 discloses that a hard coating layer includes an inner layer composed of one or more of carbides such as Ti, nitrides, carbonitrides, borides, and boronitrides, and amorphous particles having a particle size of 0.01 to 0.5 μm. It is disclosed that by having a coating layer composed of an outer layer composed of alumina and crystallized alumina, this coating layer is fine and dense, and has a high productivity.
Patent Document 2 discloses a hard coating layer containing an Al 2 O 3 layer on the surface of a WC-based cemented carbide substrate, for example, a TiC layer, a TiN layer, a TiCN layer, a TiO 2 layer, a TiCO layer, a TiNO layer, and Surface coating formed by chemical vapor deposition and / or physical vapor deposition of an average layer thickness of 2 to 20 μm with one or more of Ti compound layers composed of TiCNO layers and an Al 2 O 3 hard coating layer in cemented carbide cutting tools, the the Al 2 O 3 layer constituting the hard coating layer, mainly composed of Al 2 O 3 is has a α-type crystal structure, and differs in the upper portion and the lower side (substrate side) crystal have a tissue, columnar the Al 2 O 3 layer upper portion, i.e. the crystal structure columnar crystal grains are arranged in parallel in the vertical direction, Al 2 O where the underside particulate the Al 2 O 3 layer, i.e. a granular crystal structure by constructing a three-layer,耐Chi It is disclosed to provide a coated tool having excellent ping properties.
Furthermore, in Patent Document 3, in a hard film covering member in which a hard film is coated on the surface of a base material, the hard film is made of Al oxide or oxynitride having a non-columnar crystal structure, and the thickness of the hard film is 4 to 4. It is disclosed that a long-life coated tool having excellent wear resistance and fracture resistance is provided by being 15 μm.

特開昭59−28565号公報JP 59-28565 A 特開平10−76406号公報JP-A-10-76406 特開平1−83667号公報JP-A-1-83667

近年の切削加工における省力化および省エネ化の要求は強く、これに伴い、被覆工具は一段と過酷な条件下で使用されるようになってきているが、例えば、前記特許文献1乃至3に示される被覆工具においても、高熱発生を伴うとともに、より一段と切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工に用いられた場合には、上部層の靭性が十分ではないために、切削加工時の高負荷によって切れ刃にチッピング、欠損が発生しやすく、その結果、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。   In recent years, there is a strong demand for energy saving and energy saving in cutting, and along with this, coated tools have come to be used under severer conditions. For example, Patent Documents 1 to 3 show the above. Even when a coated tool is used for high-speed intermittent cutting with high heat generation and more intermittent and impact loads on the cutting edge, the toughness of the upper layer is not sufficient. The current situation is that chipping and chipping are likely to occur on the cutting edge due to the high load of time, and as a result, the service life is reached in a relatively short time.

そこで、本発明者らは、前述のような観点から、高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削加工に用いられた場合でも、硬質被覆層がすぐれた衝撃吸収性を備え、その結果、長期の使用に亘ってすぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮する被覆工具について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。   In view of the above, the inventors of the present invention have an excellent hard coating layer even when used in high-speed intermittent cutting with high heat generation and intermittent and impact loads acting on the cutting edge. As a result of earnest research on coated tools that have excellent shock absorption and, as a result, excellent chipping resistance and fracture resistance over long-term use, the following findings were obtained.

即ち、硬質被覆層として、前記従来の酸化アルミニウムからなる上部層を形成したものにおいては、酸化アルミニウムが基体に垂直方向に柱状をなして形成されている。そのため、高温硬さと耐摩耗性は向上するが、その反面、酸化アルミニウムの異方性が高くなるほど酸化アルミニウム層の靭性が低下する結果、十分な耐チッピング性、耐欠損性を発揮することができず、また、工具寿命も満足できるものであるとはいえなかった。
そこで、本発明者らは、硬質被覆層の上部層を構成する酸化アルミニウム層について鋭意研究したところ、酸化アルミニウム層の高温硬さと耐摩耗性を何ら損なうことなく、異方性を緩和し靭性を高めることによって、硬質被覆層の耐チッピング性、耐欠損性を向上させることができるという新規な知見を見出した。
That is, in the case where the conventional upper layer made of aluminum oxide is formed as the hard coating layer, the aluminum oxide is formed in a columnar shape in the direction perpendicular to the substrate. Therefore, high temperature hardness and wear resistance are improved, but on the other hand, as the anisotropy of aluminum oxide increases, the toughness of the aluminum oxide layer decreases, and as a result, sufficient chipping resistance and fracture resistance can be exhibited. In addition, the tool life was not satisfactory.
Therefore, the present inventors conducted extensive research on the aluminum oxide layer that constitutes the upper layer of the hard coating layer, and as a result, the anisotropy was reduced and the toughness was reduced without impairing the high temperature hardness and wear resistance of the aluminum oxide layer. The inventors discovered a novel finding that the chipping resistance and fracture resistance of the hard coating layer can be improved by increasing the resistance.

具体的には、上部層を構成する酸化アルミニウム層が、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織を有しており、その組織内に微粒酸化アルミニウムが分散分布していることにより、酸化アルミニウム層の異方性が緩和され、靭性が高められる。   Specifically, the aluminum oxide layer constituting the upper layer has a columnar vertically grown aluminum oxide crystal structure, and fine aluminum oxide is dispersed and distributed in the structure. Property is relaxed and toughness is increased.

そして、前述のような構成の酸化アルミニウム層は、例えば、以下の化学蒸着法によって成膜することができる。
工具基体表面に、反応ガス組成(容量%)を、AlCl:2〜3%、トリメチルアルミニウム(Al(CH)(以下、TMAで示す):0.75〜1.45%、CO:4〜6%、HCl:1〜3%、HS:0.1〜0.5%、H:残、として、反応雰囲気圧力を、6〜10kPaとして、反応雰囲気温度を、870〜1040℃として、化学蒸着法を行うことにより、微粒酸化アルミニウムが膜中に分散した柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織を得ることができる。
The aluminum oxide layer having the above-described configuration can be formed by, for example, the following chemical vapor deposition method.
On the surface of the tool base, the reaction gas composition (volume%) is AlCl 3 : 2-3%, trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ) (hereinafter referred to as TMA): 0.75 to 1.45%, CO 2 : 4 to 6%, HCl: 1 to 3%, H 2 S: 0.1 to 0.5%, H 2 : remaining, the reaction atmosphere pressure was 6 to 10 kPa, and the reaction atmosphere temperature was 870. By performing chemical vapor deposition at a temperature of -1040 ° C., a columnar vertically grown aluminum oxide crystal structure in which fine aluminum oxide is dispersed in the film can be obtained.

そして、特に、酸化アルミニウム層中の微粒酸化アルミニウムの断面の面密度が層方向に沿って周期0.5μm〜5μmで層厚方向に沿って周期的に変化する面密度分布形態を有する場合には、微粒酸化アルミニウムの面密度の低い領域が存在することにより、柱状縦長成長酸化アルミニウムの優れた高温硬さや耐摩耗性という特性を高く発揮し、かつ、微粒酸化アルミニウムの面密度の高い領域が存在することにより、微粒酸化アルミニウムによる優れた靭性や衝撃吸収性という特性を高く発揮し、この上記特性を高い水準で併せ持つことが出来る。したがって、特に、高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に断続的・衝撃的負荷が作用する鋼や鋳鉄の高速断続切削加工に用いた場合でも、硬質被覆層が耐チッピング性、耐欠損性にすぐれ、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮し得ることを見出した。   In particular, when the surface density of the cross section of the fine aluminum oxide layer in the aluminum oxide layer has a surface density distribution form that periodically changes along the layer thickness direction with a period of 0.5 μm to 5 μm along the layer direction. In addition, the presence of a low area density area of fine aluminum oxide provides excellent high temperature hardness and wear resistance characteristics of columnar vertically grown aluminum oxide, and there is an area where the surface area density of fine aluminum oxide is high. By doing so, the characteristics such as excellent toughness and shock absorption by the fine aluminum oxide can be exerted at a high level, and these characteristics can be combined at a high level. Therefore, the hard coating layer has excellent chipping resistance and fracture resistance, especially when it is used for high-speed intermittent cutting of steel or cast iron that generates high heat and has intermittent and impact loads on the cutting edge. It has been found that excellent cutting performance can be exhibited over a long period of use.

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「(1) 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が化学蒸着された下部層と上部層とからなるとともに、
(a)前記下部層は、Tiの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの1層または2層以上からなり、かつ、3〜20μmの合計平均層厚を有するTi化合物層、
(b)前記上部層は、2〜25μmの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
からなり、
前記(b)の上部層を構成する酸化アルミニウム層は、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織を有しており、その組織内に微粒酸化アルミニウムが分散分布しており、該微粒酸化アルミニウムが粒状酸化アルミニウム結晶相又はアモルファス酸化アルミニウム相若しくは粒状酸化アルミニウム結晶相とアモルファス酸化アルミニウム相との混合相であり、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の平均粒子幅Wは50〜2000nm以下、平均アスペクト比Aが5〜50であり、前記微粒酸化アルミニウムの平均粒径Rが、50nm超300nm以下であり、上部層を構成する酸化アルミニウム層に存在する微粒酸化アルミニウムの断面の面密度が5〜30%であることを特徴とする表面被覆切削工具。
(2) 前記微粒酸化アルミニウムの断面の面密度が層厚方向に沿って周期0.5μm〜5μmで周期的に変化する面密度分布形態を有していることを特徴とする(1)に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有する。
The present invention has been made based on the above findings,
“(1) In a surface-coated cutting tool in which a hard coating layer is provided on the surface of a tool base composed of tungsten carbide-based cemented carbide or titanium carbonitride-based cermet,
The hard coating layer is composed of a lower layer and an upper layer chemically vapor-deposited,
(A) The lower layer is composed of one or more of a Ti carbide layer, a nitride layer, a carbonitride layer, a carbonate layer, and a carbonitride layer, and a total of 3 to 20 μm. A Ti compound layer having an average layer thickness;
(B) the upper layer is an aluminum oxide layer having an average layer thickness of 2 to 25 μm;
Consists of
The aluminum oxide layer constituting the upper layer of (b) has a columnar vertically grown aluminum oxide crystal structure in which fine aluminum oxide is dispersed and distributed, and the fine aluminum oxide is granular aluminum oxide. It is a mixed phase of a crystalline phase or an amorphous aluminum oxide phase or a granular aluminum oxide crystal phase and an amorphous aluminum oxide phase. The average particle width W of columnar vertically grown aluminum oxide crystals is 50 to 2000 nm or less, and the average aspect ratio A is 5 to 50 The average particle diameter R of the fine aluminum oxide is more than 50 nm and 300 nm or less, and the surface density of the cross section of the fine aluminum oxide present in the aluminum oxide layer constituting the upper layer is 5 to 30%. A surface-coated cutting tool.
(2) The surface density distribution form in which the surface density of the cross section of the particulate aluminum oxide periodically changes along the layer thickness direction at a cycle of 0.5 μm to 5 μm is described in (1) Surface coated cutting tool. "
It has the characteristics.

本発明について、以下に詳細に説明する。   The present invention will be described in detail below.

下部層のTi化合物層:
Tiの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの1層または2層以上のTi化合物層からなる下部層は、通常の化学蒸着条件で形成することができ、それ自体が高温強度を有し、この存在によって硬質被覆層が高温強度を具備するようになるほか、工具基体と酸化アルミニウムからなる上部層のいずれにも強固に密着し、よって硬質被覆層の工具基体に対する密着性向上に寄与する作用をもつが、その合計平均層厚が3μm未満では、層厚が薄いため前記作用を十分に発揮させることができず、一方、その合計平均層厚が20μmを越えると、結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなることから、その合計平均層厚を3〜20μmと定めた。
Lower Ti compound layer:
The lower layer composed of one or two or more Ti compound layers of Ti carbide layer, nitride layer, carbonitride layer, carbonate layer and carbonitride layer is formed under normal chemical vapor deposition conditions. In addition to having high-temperature strength, the hard coating layer has high-temperature strength by itself, and also firmly adheres to both the tool base and the upper layer made of aluminum oxide, and thus hard. Although it has the effect of contributing to the adhesion of the coating layer to the tool substrate, if the total average layer thickness is less than 3 μm, the layer thickness is so thin that the above-mentioned effect cannot be fully exhibited. When the thickness exceeds 20 μm, the crystal grains are likely to be coarsened and chipping is likely to occur. Therefore, the total average layer thickness is determined to be 3 to 20 μm.

上部層の酸化アルミニウム層:
上部層を構成する酸化アルミニウム層が、高温硬さと耐熱性を備えることは既に良く知られているが、その平均層厚が2μm未満では、長期の使用に亘っての耐摩耗性を確保することができず、一方、その平均層厚が25μmを越えると酸化アルミニウム結晶粒が粗大化し易くなり、その結果、高温硬さ、高温強度の低下に加え、高速断続切削加工時の耐チッピング性、耐欠損性が低下するようになることから、その平均層厚を2〜25μmと定めた。
Upper aluminum oxide layer:
It is well known that the aluminum oxide layer constituting the upper layer has high-temperature hardness and heat resistance. However, if the average layer thickness is less than 2 μm, it should ensure wear resistance over a long period of use. On the other hand, when the average layer thickness exceeds 25 μm, the aluminum oxide crystal grains are likely to be coarsened. As a result, in addition to the decrease in high-temperature hardness and high-temperature strength, the chipping resistance, Since the deficiency is lowered, the average layer thickness is set to 2 to 25 μm.

更に本発明は、前記の構成に加えて、以下の条件を併せ持つとき、より一層、すぐれた効果を発揮する。
上部層の酸化アルミニウム層は、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織を有しており、その組織内に微粒酸化アルミニウムが分散分布している構成とする。このような構成にすることによって、耐衝撃性が向上し、すぐれた耐チッピング性を示すようになる。ところが、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の各結晶粒について、基体表面に平行な方向の粒子幅をwとし、その平均値を平均粒子幅Wとした場合、平均粒子幅Wが50nmよりも小さいと、長期の使用に亘っての耐摩耗性を確保できず、一方、2000nmを超えると、粒子の粗大化により耐チッピング性、耐欠損性が低下する。したがって、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の平均粒子幅Wは、50〜2000nmとすることが好ましい。また、柱状縦長成長酸化アルミニウムの各結晶粒について、基体表面に垂直な方向の粒子長さをlとし、前記粒子幅wとlとの比を各結晶粒のアスペクト比aとし、さらに、個々の結晶粒について求めたアスペクト比aの平均値を平均アスペクト比Aとした場合、平均アスペクト比Aが5より小さいと、柱状縦長成長酸化アルミニウムの特徴である高い耐摩耗性を確保できず、一方、50を超えると、かえって靭性が低下し、耐チッピング性、耐欠損性が低下する。したがって、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の平均アスペクト比Aは5〜50とすることが望ましい。ここで本発明では、柱状縦長成長酸化アルミニウムの1つの粒子を計測したとき、基体表面に平行な方向の定方向最大径を粒子幅wと呼び、一方、基体表面に垂直な方向の定方向接線径を粒子長さlと呼ぶ。
さらに、微粒酸化アルミニウムについて、個々の微粒酸化アルミニウムの粒径をrとし、その平均値を平均粒径Rとした場合、平均粒径Rが50nm以下であると、微粒酸化アルミニウムを分散分布させることによる、靭性向上効果が発揮されず、一方、300nmを超えると、かえって靭性が低下する。したがって、微粒酸化アルミニウムの平均粒径Rは、50nm超300nm以下とすることが好ましい。ここで本発明では、個々の微粒酸化アルミニウムの析出相の最も長い径である長軸径を微粒酸化アルミニウムの粒径rと呼ぶ。なお、本発明における微粒酸化アルミニウムとは、粒状酸化アルミニウム結晶相又はアモルファス酸化アルミニウム相若しくは粒状酸化アルミニウム結晶相とアモルファス酸化アルミニウム相との混合相を意味しており、これらを総称して微粒酸化アルミニウムと呼ぶ。
また、微粒酸化アルミニウムは、断面の面密度が5%より小さいと、微粒酸化アルミニウムを分散分布させることの効果が発揮されず、一方、30%を超えると、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の成長を阻害し、かえって耐摩耗性が低下する。したがって、微粒酸化アルミニウムの断面の面密度は、5〜30%であることが望ましい。さらに、微粒酸化アルミニウムは、前述のように、一様に分布させるのではなく、面密度が周期0.5〜5μmで層厚方向に沿って周期的に変化する面密度分布形態とすることによって、より一層、靱性が向上する。その理由は、微粒酸化アルミニウムは、面密度の低い領域では耐チッピング性が高い領域では高温硬さ、靭性などに寄与し、この面密度が変化することで、これらの性質を併せ持つすぐれた効果を発揮するが、面密度が周期0.5μmより小さいと、周期的な変化による面密度の低い領域と高い領域がそれぞれの効果を十分に発揮しえなくなり、一方、5μmを超えると、周期的な変化による面密度の低い領域と高い領域が存在することによる優れた高温硬さ、耐摩耗性、靭性、衝撃吸収性を併せ持つという相乗効果が十分に発揮されない。したがって、微粒酸化アルミニウムの断面の面密度が層厚方向に沿って周期0.5μm〜5μmで周期的に変化する面密度分布形態を有していると定めた。
Furthermore, in addition to the above-described configuration, the present invention exhibits a further excellent effect when it has the following conditions.
The upper aluminum oxide layer has a columnar vertically grown aluminum oxide crystal structure, and fine aluminum oxide is dispersed and distributed in the structure. By adopting such a configuration, impact resistance is improved, and excellent chipping resistance is exhibited. However, for each crystal grain of the columnar vertically grown aluminum oxide crystal, when the particle width in the direction parallel to the substrate surface is w and the average value is the average particle width W, the average particle width W is smaller than 50 nm, Wear resistance over a long period of use cannot be ensured. On the other hand, if it exceeds 2000 nm, chipping resistance and chipping resistance deteriorate due to coarsening of the particles. Accordingly, the average particle width W of the columnar vertically grown aluminum oxide crystal is preferably 50 to 2000 nm. Further, for each crystal grain of columnar vertically grown aluminum oxide, the grain length in the direction perpendicular to the substrate surface is l, the ratio between the grain width w and l is the aspect ratio a of each crystal grain, When the average aspect ratio A determined for the crystal grains is the average aspect ratio A, if the average aspect ratio A is less than 5, the high wear resistance characteristic of the columnar vertically grown aluminum oxide cannot be secured, On the other hand, when it exceeds 50, toughness is lowered, and chipping resistance and chipping resistance are lowered. Therefore, it is desirable that the average aspect ratio A of the columnar vertically grown aluminum oxide crystal is 5-50. Here, in the present invention, when one particle of columnar vertically grown aluminum oxide is measured, the constant direction maximum diameter in the direction parallel to the substrate surface is called the particle width w, while the constant direction tangent in the direction perpendicular to the substrate surface. The diameter is called the particle length l.
Furthermore, regarding the fine aluminum oxide, when the particle diameter of each fine aluminum oxide is r and the average value is the average particle diameter R, the fine aluminum oxide is dispersed and distributed when the average particle diameter R is 50 nm or less. The effect of improving toughness is not exhibited. On the other hand, if it exceeds 300 nm, the toughness is reduced. Therefore, the average particle diameter R of the fine aluminum oxide is preferably more than 50 nm and 300 nm or less. Here, in the present invention, the long axis diameter which is the longest diameter of the precipitated phase of each fine aluminum oxide is referred to as the particle diameter r of the fine aluminum oxide. The fine aluminum oxide in the present invention means a granular aluminum oxide crystal phase, an amorphous aluminum oxide phase, or a mixed phase of a granular aluminum oxide crystal phase and an amorphous aluminum oxide phase. Call it.
Further, if the surface density of the fine aluminum oxide is less than 5%, the effect of dispersing and distributing the fine aluminum oxide is not exhibited. On the other hand, if it exceeds 30%, the columnar vertically grown aluminum oxide crystal is not grown. This hinders the wear resistance. Therefore, the surface density of the cross section of the fine aluminum oxide is preferably 5 to 30%. Further, as described above, the fine aluminum oxide is not uniformly distributed, but is formed by a surface density distribution form in which the surface density periodically changes along the layer thickness direction with a period of 0.5 to 5 μm. The toughness is further improved. The reason for this is that fine aluminum oxide contributes to high-temperature hardness, toughness, etc. in areas where chipping resistance is high in areas where surface density is low, and by changing this surface density, it has the excellent effect of combining these properties. However, if the surface density is less than 0.5 μm, the low and high surface density regions due to periodic changes cannot fully exhibit their respective effects. On the other hand, if the surface density exceeds 5 μm, the periodicity The synergistic effect of having excellent high-temperature hardness, wear resistance, toughness, and shock absorption due to the presence of a low area density area and a high area area due to change is not sufficiently exhibited. Therefore, it was determined that the surface density of the cross section of the fine aluminum oxide has a surface density distribution form that periodically changes along the layer thickness direction with a period of 0.5 μm to 5 μm.

分散分布している微粒酸化アルミニウムの形成:
本発明の微粒酸化アルミニウムは、通常の化学蒸着条件で成膜した上部層の形成過程中に次の条件による化学蒸着法を行うことによって形成することができる。
微粒酸化アルミニウムの核となるTMAを反応ガス中に添加することによって、分散分布している微粒酸化アルミニウムが形成される。
反応ガス組成(容量%):
AlCl:2〜3%、
TMA:0.75〜1.45%、
CO:4〜6%、
HCl:1〜3%、
S:0.1〜0.5%、
:残、
反応雰囲気温度:870〜1040℃、
反応雰囲気圧力:6〜10kPa、
図1に、前記化学蒸着条件で形成された本発明の上部層を構成する酸化アルミニウム層に存在する微粒酸化アルミニウムの分布形態の概略模式図を示す。
また、微粒酸化アルミニウムは、TMAの添加量を周期的に変化させることによって、面密度が周期0.5〜5μmで層厚方向に沿って周期的に変化する面密度分布形態を有して形成される。図2にその概略模式図を示す。
図3により、更に詳細に説明する。
図3は、前記化学蒸着条件で形成された本発明の微粒酸化アルミニウムが周期的に変化する面密度分布をとる上部層における、層厚方向位置−面密度の相関の一例を表す面密度分布形態図を示す。
この面密度分布形態図は、以下の方法で求めることができる。
まず、上部層を、工具基体表面と平行に0.1μmの厚み幅領域に夫々区分し(図4において、工具基体表面に平行に引かれた複数の平行線で仕切られた区画が、0.1μmの厚み幅領域に相当する。)、区分された各厚み幅領域に存在する最大粒径が50nm超300nm以下の微粒酸化アルミニウムの占める面積を長さ合計10μmに亘って走査型電子顕微鏡(倍率50000倍)を用いて測定し、該0.1μmの厚み幅領域の面密度(%)を求め、各厚み幅領域で求められた面密度を層厚方向に沿ってグラフ化することにより、図3として示されるような層厚方向の面密度分布形態図を作成する。
図5は、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織層内における柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶粒子の成長状態を模式的に表した図である。
Formation of dispersed aluminum oxide particles:
The fine aluminum oxide of the present invention can be formed by performing chemical vapor deposition under the following conditions during the formation process of the upper layer formed under normal chemical vapor deposition conditions.
By adding TMA as a nucleus of fine aluminum oxide into the reaction gas, finely divided aluminum oxide having a distributed distribution is formed.
Reaction gas composition (volume%):
AlCl 3 : 2-3%,
TMA: 0.75 to 1.45%,
CO 2: 4~6%,
HCl: 1-3%
H 2 S: 0.1~0.5%,
H 2 : remaining,
Reaction atmosphere temperature: 870-1040 ° C.
Reaction atmosphere pressure: 6 to 10 kPa,
FIG. 1 shows a schematic diagram of a distribution form of fine aluminum oxide existing in an aluminum oxide layer constituting the upper layer of the present invention formed under the chemical vapor deposition conditions.
Also, the fine aluminum oxide is formed to have a surface density distribution form in which the surface density periodically changes along the layer thickness direction at a cycle of 0.5 to 5 μm by periodically changing the amount of TMA added. Is done. FIG. 2 shows a schematic diagram thereof.
This will be described in more detail with reference to FIG.
FIG. 3 is a surface density distribution form representing an example of a layer thickness direction position-surface density correlation in an upper layer having a surface density distribution in which the finely divided aluminum oxide of the present invention formed under the chemical vapor deposition conditions changes periodically. The figure is shown.
This surface density distribution pattern can be obtained by the following method.
First, the upper layer is divided into 0.1 μm thickness width regions in parallel with the tool base surface (in FIG. 4, the sections partitioned by a plurality of parallel lines drawn in parallel to the tool base surface are 0.00. This corresponds to a thickness width region of 1 μm.), And the area occupied by fine aluminum oxide having a maximum particle size of more than 50 nm and not more than 300 nm existing in each divided thickness width region covers a total of 10 μm in length by a scanning electron microscope (magnification 50,000 times), the surface density (%) of the thickness region of 0.1 μm is obtained, and the surface density obtained in each thickness region is graphed along the layer thickness direction. A surface density distribution pattern in the layer thickness direction as shown as 3 is created.
FIG. 5 is a diagram schematically showing the growth state of columnar vertically grown aluminum oxide crystal grains in the columnar vertically grown aluminum oxide crystal structure layer.

本発明で、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織内に微粒酸化アルミニウムが分散分布している構造は、微粒酸化アルミニウムの存在によって、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織に力が加わった際に、1つ1つの柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶にずれが生じるため、大きな靭性を生じることになる。その結果、耐チッピング性、耐欠損性向上という効果が発揮される。   In the present invention, the structure in which finely divided aluminum oxide is dispersed and distributed in the columnar vertically grown aluminum oxide crystal structure is one by one when force is applied to the columnar vertically grown aluminum oxide crystal structure due to the presence of finely divided aluminum oxide. Since a shift occurs in two columnar vertically grown aluminum oxide crystals, large toughness is generated. As a result, the effect of improving chipping resistance and chipping resistance is exhibited.

本発明の被覆工具は、硬質被覆層として、化学蒸着された下部層と上部層とからなり、(a)前記下部層は、Tiの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの1層または2層以上からなり、かつ、3〜20μmの合計平均層厚を有するTi化合物層、(b)前記上部層は、2〜25μmの平均層厚を有する酸化アルミニウム層であり、前記上部層を構成する酸化アルミニウム層は、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織を有しており、その組織内に微粒酸化アルミニウムが分散分布していることにより、硬質被覆層の靱性が向上するので、鋼や鋳鉄等の高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、耐チッピング性、耐欠損性にすぐれ、その結果、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮し、被覆工具の長寿命化が達成されるものである。   The coated tool of the present invention comprises a lower layer and an upper layer which are chemically vapor-deposited as a hard coating layer, and (a) the lower layer is a Ti carbide layer, nitride layer, carbonitride layer, carbonate layer. And a Ti compound layer having a total average layer thickness of 3 to 20 μm, and (b) the upper layer has an average layer thickness of 2 to 25 μm. The aluminum oxide layer constituting the upper layer has a columnar vertically grown aluminum oxide crystal structure, and the fine aluminum oxide is dispersed and distributed in the structure, whereby a hard coating layer is formed. This improves the toughness of steel, cast iron and other high heat generation, and even when used for high-speed intermittent cutting where intermittent and impactful high loads are applied to the cutting edge, chipping resistance and fracture resistance As a result, It exhibits excellent cutting performance over a long period of use, and a long life of the coated tool is achieved.

本発明の上部層を構成する酸化アルミニウム層に存在する微粒酸化アルミニウムの分布形態の概略模式図を示す。The schematic diagram of the distribution form of the particulate aluminum oxide which exists in the aluminum oxide layer which comprises the upper layer of this invention is shown. 周期的に変化する面密度分布形態をとる上部層中の微粒酸化アルミニウムの概略模式図を示す。The schematic diagram of the fine-grain aluminum oxide in the upper layer which takes the form of surface density distribution which changes periodically is shown. 上部層における層厚方向位置−面密度の相関の一例を表す面密度分布形態図を示す。The surface density distribution form figure showing an example of the correlation of the layer thickness direction position-surface density in an upper layer is shown. 図3の面密度分布形態図を求める方法を説明するための概略模式図を示す。The schematic model for demonstrating the method of calculating | requiring the surface density distribution form figure of FIG. 3 is shown. 柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織層内における柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶粒子の成長状態を模式的に表した図を示す。The figure which represented typically the growth state of the columnar vertically grown aluminum oxide crystal grain in the columnar vertically grown aluminum oxide crystal structure layer is shown.

つぎに、本発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。   Next, the coated tool of the present invention will be specifically described with reference to examples.

原料粉末として、いずれも1〜3μmの平均粒径を有するWC粉末、TiC粉末、ZrC粉末、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr32粉末、TiN粉末、およびCo粉末を用意し、これら原料粉末を、表1に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で24時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、98MPaの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を5Paの真空中、1370〜1470℃の範囲内の所定の温度に1時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にR:0.07mmのホーニング加工を施すことによりISO・CNMG120412に規定するインサート形状をもったWC基超硬合金製の工具基体A〜Eをそれぞれ製造した。 As raw material powders, WC powder, TiC powder, ZrC powder, VC powder, TaC powder, NbC powder, Cr 3 C 2 powder, TiN powder, and Co powder each having an average particle diameter of 1 to 3 μm are prepared. The raw material powder is blended in the blending composition shown in Table 1, added with wax, ball mill mixed in acetone for 24 hours, dried under reduced pressure, and press-molded into a green compact of a predetermined shape at a pressure of 98 MPa. The green compact is vacuum-sintered in a vacuum of 5 Pa at a predetermined temperature within a range of 1370 to 1470 ° C. for 1 hour. After sintering, the cutting edge is subjected to a honing process of R: 0.07 mm. Thus, tool bases A to E made of a WC-base cemented carbide having an insert shape specified in ISO · CNMG120212 were manufactured.

また、原料粉末として、いずれも0.5〜2μmの平均粒径を有するTiCN(質量比でTiC/TiN=50/50)粉末、Mo2C粉末、ZrC粉末、NbC粉末、TaC粉末、WC粉末、Co粉末、およびNi粉末を用意し、これら原料粉末を、表2に示される配合組成に配合し、ボールミルで24時間湿式混合し、乾燥した後、98MPaの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を1.3kPaの窒素雰囲気中、温度:1540℃に1時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にR:0.09mmのホーニング加工を施すことによりISO規格・CNMG120412のインサート形状をもったTiCN基サーメット製の工具基体a〜eを形成した。 In addition, as raw material powders, TiCN (mass ratio TiC / TiN = 50/50) powder, Mo 2 C powder, ZrC powder, NbC powder, TaC powder, WC powder, all having an average particle diameter of 0.5 to 2 μm. Co powder and Ni powder are prepared, and these raw material powders are blended in the blending composition shown in Table 2, wet mixed by a ball mill for 24 hours, dried, and pressed into a compact at a pressure of 98 MPa. The green compact was sintered in a nitrogen atmosphere of 1.3 kPa at a temperature of 1540 ° C. for 1 hour. After sintering, the cutting edge portion was subjected to a honing process of R: 0.09 mm. Tool bases a to e made of TiCN-based cermet having an insert shape of standard / CNMG12041 were formed.

つぎに、これらの工具基体A〜Eおよび工具基体a〜eの表面に、通常の化学蒸着装置を用い、
(a)硬質被覆層の下部層として、表3に示される条件かつ表6に示される目標層厚でTi化合物層を蒸着形成する。
(b)次いで、表4に示されるa〜jの条件かつ表6に示される目標層厚の上部層(酸化アルミニウム層)からなる硬質被覆層を蒸着形成し、本発明被覆工具1〜10を製造した。
(c)また、(a)に次いで、表4に示されるk〜oの条件かつ表6に示される目標層厚の上部層(酸化アルミニウム層)を成膜する際に、表4に示されるTMA容量%の最大値と最小値の間で添加量を周期的に変化させながら酸化アルミニウム層を蒸着形成することにより本発明被覆工具11〜15を製造した。
Next, a normal chemical vapor deposition apparatus is used on the surfaces of these tool bases A to E and tool bases a to e,
(A) As a lower layer of the hard coating layer, a Ti compound layer is formed by vapor deposition under the conditions shown in Table 3 and the target layer thickness shown in Table 6.
(B) Next, a hard coating layer composed of an upper layer (aluminum oxide layer) having the conditions a to j shown in Table 4 and the target layer thickness shown in Table 6 is formed by vapor deposition. Manufactured.
(C) Further, following (a), when an upper layer (aluminum oxide layer) having the target layer thickness shown in Table 6 under the conditions of k to o shown in Table 4 is formed, it is shown in Table 4. The coated tools 11 to 15 of the present invention were manufactured by vapor-depositing an aluminum oxide layer while periodically changing the addition amount between the maximum value and the minimum value of TMA volume%.

前記本発明被覆工具1〜10の上部層を構成する酸化アルミニウム層について、走査型電子顕微鏡(倍率50000倍)を用いて複数視野に亘って観察したところ、図1に示した膜構成模式図に示される柱状結晶の粒界および粒内に微粒酸化アルミニウムが存在する膜構造が確認された。
また、前記本発明被覆工具11〜15の上部層を構成する酸化アルミニウム層について、走査型電子顕微鏡(倍率50000倍)を用いて複数視野に亘って観察したところ、図2に示した膜構成模式図に示される柱状結晶の粒界および粒内に微粒分散相が存在する膜構造が確認された。
さらに、前記本発明被覆工具1〜15の上部層を構成する酸化アルミニウム層について、透過型電子顕微鏡(倍率200000倍)を用いて複数の視野に亘って観察し、微粒酸化アルミニウムについて電子線回折を行った結果、前記微粒酸化アルミニウムは、粒状酸化アルミニウム結晶相又はアモルファス酸化アルミニウム相若しくは粒状酸化アルミニウム結晶相とアモルファス酸化アルミニウム相の混合相であることが確認された。
When the aluminum oxide layer constituting the upper layer of the coated tools 1 to 10 of the present invention was observed over a plurality of fields using a scanning electron microscope (magnification 50000 times), the schematic diagram of the film configuration shown in FIG. The film structure in which fine grain aluminum oxide exists in the grain boundaries and grains of the columnar crystals shown was confirmed.
Moreover, when the aluminum oxide layer which comprises the upper layer of the said coated tool 11-15 of this invention was observed over multiple visual fields using the scanning electron microscope (50000 times magnification), the film | membrane structure model shown in FIG. The film structure in which the fine grain dispersed phase exists in the grain boundaries and grains of the columnar crystals shown in the figure was confirmed.
Furthermore, about the aluminum oxide layer which comprises the upper layer of the said coating tool 1-15 of this invention, it observes over a several visual field using a transmission electron microscope (magnification 200000 times), and electron-beam diffraction is performed about fine particle aluminum oxide. As a result, it was confirmed that the fine aluminum oxide was a granular aluminum oxide crystal phase or an amorphous aluminum oxide phase or a mixed phase of a granular aluminum oxide crystal phase and an amorphous aluminum oxide phase.

また、比較の目的で、工具基体A〜Eおよび工具基体a〜eの表面に、表3に示される条件かつ表7に示される目標層厚で本発明被覆工具1〜15と同様に、硬質被覆層の下部層としてのTi化合物層を蒸着形成した。次いで、硬質被覆層の上部層として、表3及び表5に示される条件かつ表7に示される目標層厚で酸化アルミニウム層からなる上部層を蒸着形成した。この時には、TMAを添加せず、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織を形成することにより、表7の比較被覆工具1〜15を作製した。   For comparison purposes, the surfaces of the tool bases A to E and the tool bases a to e are hard as in the present invention coated tools 1 to 15 under the conditions shown in Table 3 and the target layer thicknesses shown in Table 7. A Ti compound layer as a lower layer of the coating layer was formed by vapor deposition. Next, an upper layer made of an aluminum oxide layer was formed by vapor deposition as the upper layer of the hard coating layer under the conditions shown in Tables 3 and 5 and the target layer thicknesses shown in Table 7. At this time, comparative coated tools 1 to 15 shown in Table 7 were produced by forming columnar vertically grown aluminum oxide crystal structures without adding TMA.

また、本発明被覆工具1〜15および比較被覆工具1〜15の各構成層の層厚を、走査型電子顕微鏡(倍率5000倍)を用いて測定し、観察視野内の5点の層厚を測って平均して平均層厚を求めたところ、いずれも表6および表7に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。
また、本発明被覆工具1〜15および比較被覆工具1〜15については、同じく走査型電子顕微鏡(倍率5000倍)を用いて、上部層の酸化アルミニウム層を構成する柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の粒子幅w及び粒子長さlを、工具基体と水平方向に長さ合計10μmの範囲に存在する柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶について測定し、個々の結晶粒について求めた粒子幅wの平均値である平均粒子幅W及び個々の結晶粒について求めた粒子幅wと粒子長さlの比として定義されるアスペクト比aの平均値である平均アスペクト比Aを求めた。
また、本発明被覆工具1〜10については、同じく走査型電子顕微鏡(倍率50000倍)を用いて、上部層の酸化アルミニウム層に存在する微粒酸化アルミニウムの占める面積を工具基体と垂直方向は酸化アルミニウム膜厚分の厚さに亘って、工具基体と水平方向は長さ合計10μmに亘って測定し、断面の面密度(%)を求めた。
また、本発明被覆工具11〜15については、同じく走査型電子顕微鏡(倍率50000倍)を用いて、上部層を構成する酸化アルミニウム層を、工具基体表面と平行に0.1μmの厚み幅領域に夫々区分し、区分された各厚み幅領域に存在する微粒酸化アルミニウムの面積を長さ合計10μmに亘って測定し、該0.1μmの厚み幅領域に存在する微粒酸化アルミニウムの断面の面密度(%)を求めた。微粒酸化アルミニウムの断面の面密度が層厚方向に極大値、極小値を交互に取りながら、周期的に変化するため、層厚方向の極大値及び極小値をそれぞれ求め、層厚方向の極大値及び極小値について平均することで極大値及び極小値の平均値を求めた。
また、本発明被覆工具1〜15については、同じく走査型電子顕微鏡(倍率50000倍)を用いて、上部層の酸化アルミニウム層中に存在する微粒酸化アルミニウムの粒径rを工具基体と水平方向は長さ合計10μmに亘って測定し、個々の微粒酸化アルミニウムについて求めた粒径rの平均値である平均粒径Rを求めた。
Moreover, the layer thickness of each component layer of this invention coated tool 1-15 and comparative coated tool 1-15 is measured using a scanning electron microscope (5000 times magnification), and the layer thickness of five points in an observation visual field is obtained. When the average layer thickness was determined by measurement and averaged, the average layer thickness was substantially the same as the target layer thickness shown in Tables 6 and 7.
Moreover, about this invention coated tool 1-15 and comparative coated tool 1-15, the particle | grains of the columnar vertically grown aluminum oxide crystal which comprises the aluminum oxide layer of an upper layer using the scanning electron microscope (5000-times multiplication factor) similarly. The width w and the grain length l are measured for columnar vertically grown aluminum oxide crystals existing in the range of a total length of 10 μm in the horizontal direction with respect to the tool base, and the average is the average value of the grain widths w obtained for each crystal grain. The average aspect ratio A, which is the average value of the aspect ratio a defined as the ratio of the particle width W and the particle width w and the particle length 1 determined for each crystal grain, was determined.
For the coated tools 1 to 10 of the present invention, the area occupied by the fine aluminum oxide existing in the aluminum oxide layer of the upper layer is the aluminum oxide in the direction perpendicular to the tool base using the same scanning electron microscope (50000 times magnification). The tool base and the horizontal direction were measured over a total length of 10 μm over the thickness corresponding to the film thickness, and the surface density (%) of the cross section was obtained.
Moreover, about this invention coated tools 11-15, the scanning oxide microscope (50000 times magnification) is used, and the aluminum oxide layer which comprises an upper layer is made into a 0.1 micrometer thickness width area | region in parallel with the tool base | substrate surface. The area of fine aluminum oxide existing in each divided thickness width region was measured over a total length of 10 μm, and the surface density of the cross section of the fine aluminum oxide existing in the thickness width region of 0.1 μm ( %). Since the surface density of the cross-section of fine aluminum oxide changes periodically while taking the maximum value and the minimum value alternately in the layer thickness direction, the maximum value and the minimum value in the layer thickness direction are obtained respectively, and the maximum value in the layer thickness direction is obtained. And the average value of the maximum value and the minimum value was obtained by averaging the minimum values.
Further, for the inventive coated tools 1 to 15, similarly, using a scanning electron microscope (magnification 50000 times), the particle size r of the fine aluminum oxide present in the aluminum oxide layer of the upper layer is set in the horizontal direction with respect to the tool base. Measurement was made over a total length of 10 μm, and the average particle size R, which is the average value of the particle size r determined for each fine aluminum oxide particle, was determined.

つぎに、前記本発明被覆工具1〜15および比較被覆工具1〜15について、表8に示す条件で切削加工試験を実施し、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
表9に、この測定結果を示した。
Next, with respect to the inventive coated tools 1-15 and comparative coated tools 1-15, a cutting test was performed under the conditions shown in Table 8, and the flank wear width of the cutting edge was measured in any cutting test.
Table 9 shows the measurement results.

表6および表9に示される結果から、本発明の被覆工具は、硬質被覆層の上部層を構成する酸化アルミニウム層が、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織を有しており、その組織内に微粒酸化アルミニウムが分散分布していることにより、硬質被覆層の靱性が向上するため、鋼や鋳鉄等の高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合でも、耐チッピング性、耐欠損性にすぐれ、その結果、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することが明らかである。   From the results shown in Table 6 and Table 9, in the coated tool of the present invention, the aluminum oxide layer constituting the upper layer of the hard coating layer has a columnar vertically grown aluminum oxide crystal structure, and fine particles are included in the structure. Dispersion and distribution of aluminum oxide improves the toughness of the hard coating layer, resulting in high heat generation of steel, cast iron, etc., and high-speed intermittent cutting with intermittent and high impact loads on the cutting edge Even when it is used, it is clear that it has excellent chipping resistance and chipping resistance, and as a result, exhibits excellent cutting performance over a long period of use.

これに対して、硬質被覆層の上部層を構成する酸化アルミニウム層に微粒酸化アルミニウムが分散分布していない比較被覆工具1〜15については、高熱発生を伴い、しかも、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工に用いた場合、チッピング、欠損等の発生により短時間で寿命に至ることが明らかである。   On the other hand, the comparative coated tools 1 to 15 in which fine aluminum oxide is not distributed and distributed in the aluminum oxide layer constituting the upper layer of the hard coating layer are accompanied by high heat generation, and the cutting edge is intermittently impacted. When it is used for high-speed intermittent cutting in which a high load is applied, it is clear that the lifetime is reached in a short time due to the occurrence of chipping, chipping and the like.

前述のように、本発明の被覆工具は、例えば、鋼や鋳鉄等の高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に断続的・衝撃的高負荷が作用する高速断続切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮し、使用寿命の延命化を可能とする。   As described above, the coated tool of the present invention has excellent chipping resistance in high-speed intermittent cutting with high heat generation such as steel and cast iron and intermittent and impact high load acting on the cutting edge. Demonstrate chipping resistance and extend the service life.

Claims (2)

炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に硬質被覆層を設けた表面被覆切削工具において、
前記硬質被覆層が化学蒸着された下部層と上部層とからなるとともに、
(a)前記下部層は、Tiの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの1層または2層以上からなり、かつ、3〜20μmの合計平均層厚を有するTi化合物層、
(b)前記上部層は、2〜25μmの平均層厚を有する酸化アルミニウム層、
からなり、
前記(b)の上部層を構成する酸化アルミニウム層は、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶組織を有しており、その組織内に微粒酸化アルミニウムが分散分布しており、該微粒酸化アルミニウムが粒状酸化アルミニウム結晶相又はアモルファス酸化アルミニウム相若しくは粒状酸化アルミニウム結晶相とアモルファス酸化アルミニウム相との混合相であり、柱状縦長成長酸化アルミニウム結晶の平均粒子幅Wは50〜2000nm、平均アスペクト比Aは5〜50であり、前記微粒酸化アルミニウムの平均粒径Rが、50nm超300nm以下であり、上部層を構成する酸化アルミニウム層に存在する微粒酸化アルミニウムの断面の面密度が5〜30%であることを特徴とする表面被覆切削工具。
In a surface-coated cutting tool in which a hard coating layer is provided on the surface of a tool base composed of tungsten carbide-based cemented carbide or titanium carbonitride-based cermet,
The hard coating layer is composed of a lower layer and an upper layer chemically vapor-deposited,
(A) The lower layer is composed of one or more of a Ti carbide layer, a nitride layer, a carbonitride layer, a carbonate layer, and a carbonitride layer, and a total of 3 to 20 μm. A Ti compound layer having an average layer thickness;
(B) the upper layer is an aluminum oxide layer having an average layer thickness of 2 to 25 μm;
Consists of
The aluminum oxide layer constituting the upper layer of (b) has a columnar vertically grown aluminum oxide crystal structure in which fine aluminum oxide is dispersed and distributed, and the fine aluminum oxide is granular aluminum oxide. It is a mixed phase of a crystalline phase or an amorphous aluminum oxide phase or a granular aluminum oxide crystal phase and an amorphous aluminum oxide phase. The columnar vertically grown aluminum oxide crystal has an average particle width W of 50 to 2000 nm and an average aspect ratio A of 5 to 50. The average particle diameter R of the fine aluminum oxide is more than 50 nm and 300 nm or less, and the surface density of the cross section of the fine aluminum oxide present in the aluminum oxide layer constituting the upper layer is 5 to 30%. A surface-coated cutting tool.
前記微粒酸化アルミニウムの断面の面密度が層厚方向に沿って周期0.5μm〜5μmで周期的に変化する面密度分布形態を有していることを特徴とする請求項1に記載の表面被覆切削工具。   2. The surface coating according to claim 1, wherein the surface density of the fine aluminum oxide has a surface density distribution form in which the surface density of the cross section of the fine aluminum oxide periodically changes along the layer thickness direction at a cycle of 0.5 μm to 5 μm. Cutting tools.
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