JP2014144506A - Cutting tool - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は基体の表面に被覆層が成膜されている切削工具に関する。 The present invention relates to a cutting tool having a coating layer formed on the surface of a substrate.
現在、切削工具や耐摩部材、摺動部材といった耐摩耗性や摺動性、耐欠損性を必要とする部材では、超硬合金やサーメット等の焼結合金、ダイヤモンドやｃＢＮ（立方晶窒化硼素）の高硬度焼結体、アルミナや窒化珪素等のセラミックスからなる基体の表面に被覆層を成膜して、耐摩耗性、摺動性または耐欠損性を向上させる手法が使われている。 Currently, for members that require wear resistance, slidability, and fracture resistance, such as cutting tools, wear-resistant members, and sliding members, sintered alloys such as cemented carbide and cermet, diamond, and cBN (cubic boron nitride) A method of improving the wear resistance, slidability or fracture resistance by forming a coating layer on the surface of a high hardness sintered body or a substrate made of a ceramic such as alumina or silicon nitride is used.
また、イオンプレーティング法やスパッタリング法を用いて成膜されるＴｉやＡｌを主成分とする窒化物からなる被覆層が盛んに研究されており、工具寿命を延命させるための改良が続けられている。これら表面被覆工具は、切削速度の高速化を初めとする切削環境の変化、被削材の多様化に対応するため、被覆材料元素以外にも様々な工夫が施されてきている。 In addition, a coating layer made of a nitride mainly composed of Ti or Al formed by using an ion plating method or a sputtering method has been actively researched, and improvements for extending the tool life have been continued. Yes. These surface-coated tools have been devised in addition to the covering material elements in order to cope with changes in the cutting environment such as an increase in cutting speed and diversification of work materials.
例えば、特許文献１や特許文献２では、イオンプレーティング法にて基体の表面にＴｉＡｌＮ等を被覆した表面被覆工具において、成膜中に印加する負のバイアスの絶対値を成膜初期よりも成膜後期で高めることによって、Ｔｉの比率を平坦部よりも切刃で多くした被覆膜（被覆層）が開示されている。 For example, in Patent Document 1 and Patent Document 2, in the surface coating tool in which the surface of the substrate is coated with TiAlN or the like by the ion plating method, the absolute value of the negative bias applied during film formation is set higher than the initial film formation. A coating film (coating layer) is disclosed in which the Ti ratio is increased by the cutting edge rather than the flat part by increasing the film late.
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載された切刃におけるＴｉの比率を高くしたＴｉＡｌＮ膜の構成でも、切刃におけるチッピングを十分に抑制することができず、チッピングから急激に摩耗が進行し、すくい面においては硬度が低下してクレータ摩耗が進行する結果、工具寿命が延びない場合があった。 However, even with the configuration of the TiAlN film in which the Ti ratio in the cutting blade described in Patent Document 1 and Patent Document 2 is increased, chipping in the cutting blade cannot be sufficiently suppressed, and wear rapidly proceeds from chipping. On the rake face, the tool life may not be extended as a result of the hardness decreasing and crater wear.
本発明は上記課題を解決するためのものであり、その目的は、切刃およびすくい面のそれぞれに最適な切削性能を発揮できる被覆層を備えた切削工具を提供することにある。 The present invention is to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a cutting tool provided with a coating layer that can exhibit optimum cutting performance on each of the cutting edge and the rake face.
本発明の切削工具は、基体の表面に、ＮｂａＭ１−ａ（Ｃ１−ｘＮｘ）（ただし、ＭはＴｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｓｉ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．０１≦ａ≦０．４、０≦ｘ≦１）からなる被覆層を被覆してなるとともに、すくい面と逃げ面との交差稜線に切刃を有しており、前記切刃よりも前記すくい面のほうが前記被覆層中のＮｂ含有比率が高いものである。 In the cutting tool of the present invention, Nb a M 1-a (C 1-x N x ) (where M is Ti, Al, Cr, W, Mo, Ta, Hf, Si, Zr and Y At least one selected from the group consisting of 0.01 ≦ a ≦ 0.4 and 0 ≦ x ≦ 1), and has a cutting edge at the intersecting ridge line between the rake face and the flank face The rake face has a higher Nb content ratio in the coating layer than the cutting edge.
本発明の切削工具によれば、切刃よりもすくい面のほうが被覆層中のＮｂ含有比率が高い構成となっており、これによって、切屑の接触によって高温となるすくい面における被覆層の耐酸化性を高めることができる。そのため、すくい面のクレータ摩耗の進行を抑制できる。また、切刃においては、Ｎｂ含有比率がすくい面に比べて低いので、被覆層の靭
性が向上する。そのため、切刃における耐チッピング性が向上する。その結果、工具寿命を延びる。
According to the cutting tool of the present invention, the rake face has a higher Nb content ratio in the coating layer than the cutting edge, whereby the oxidation resistance of the coating layer on the rake face that becomes high temperature due to chip contact. Can increase the sex. Therefore, the progress of crater wear on the rake face can be suppressed. In the cutting edge, the Nb content ratio is lower than that of the rake face, so that the toughness of the coating layer is improved. Therefore, chipping resistance at the cutting edge is improved. As a result, the tool life is extended.
本発明の切削工具についての好適な実施態様である図１（（ａ）概略斜視図、（ｂ）（ａ）のＸ−Ｘ断面図）を用いて説明する。 It demonstrates using FIG. 1 ((a) schematic perspective view, XX sectional drawing of (b) (a)) which is a suitable embodiment about the cutting tool of this invention.
図１によれば、切削工具１は、基体２の表面に被覆層６を具備している。また、切削工具１は、主面にすくい面３を、側面に逃げ面４を、すくい面３と逃げ面４との交差稜線に切刃５を有している。 According to FIG. 1, the cutting tool 1 includes a coating layer 6 on the surface of the base 2. Further, the cutting tool 1 has a rake face 3 on a main surface, a flank face 4 on a side face, and a cutting edge 5 on an intersecting ridge line between the rake face 3 and the flank face 4.
被覆層６は、ＮｂａＭ１−ａ（Ｃ１−ｘＮｘ）（ただし、ＭはＴｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｓｉ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．０１≦ａ≦０．４、０≦ｘ≦１）からなる。 The coating layer 6 is Nb a M 1-a (C 1-x N x ) (where M is at least one selected from Ti, Al, Cr, W, Mo, Ta, Hf, Si, Zr and Y, 0.01 ≦ a ≦ 0.4, 0 ≦ x ≦ 1).
本実施態様によれば、切刃５よりもすくい面３のほうが被覆層６中のＮｂ含有比率が高く、特に、切刃５からすくい面３に向かって被覆層６中のＮｂ含有比率が高くなっている。これによって、切屑の接触によって高温となるすくい面３における被覆層６の耐酸化性を高めることができる。そのため、すくい面３のクレータ摩耗の進行を抑制できる。また、切刃５においては、Ｎｂ含有比率がすくい面３に比べて低いので、被覆層６の靭性が向上する。そのため、切刃５における耐チッピング性が向上する。その結果、工具寿命が延びる。 According to this embodiment, the rake face 3 has a higher Nb content ratio in the coating layer 6 than the cutting edge 5, and in particular, the Nb content ratio in the coating layer 6 increases from the cutting edge 5 toward the rake face 3. It has become. Thereby, the oxidation resistance of the coating layer 6 in the rake face 3 which becomes high temperature by the contact of chips can be improved. Therefore, the progress of crater wear on the rake face 3 can be suppressed. Moreover, in the cutting edge 5, since the Nb content ratio is lower than that of the rake face 3, the toughness of the coating layer 6 is improved. Therefore, chipping resistance in the cutting blade 5 is improved. As a result, the tool life is extended.
また、すくい面３よりも逃げ面４のほうが被覆層６中のＮｂ含有比率が高い。これによって、逃げ面４に発生しやすい境界摩耗の進行を抑制することができる。 Further, the flank 4 has a higher Nb content ratio in the coating layer 6 than the rake face 3. As a result, it is possible to suppress the progress of boundary wear that tends to occur on the flank 4.
ここで、被覆層６の具体的な組成は、ＮｂａＭ１−ａ（Ｃ１−ｘＮｘ）（ただし、ＭはＴｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｓｉ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種、０．０１≦ａ≦０．４、０≦ｘ≦１）からなる被覆層６において、ａ（Ｎｂ含有比率)が０．０１よりも小さいと被覆層６の耐酸化性および潤滑性が低下する。ａ（Ｎｂ含
有比率)が０．４よりも大きいと被覆層６の耐摩耗性が低下する。ａ（Ｎｂ含有比率）の
特に望ましい範囲は０．０１≦ａ≦０．１５である。なお、本実施態様におけるａの特に望ましい範囲は、すくい面３の被覆層６中で０．０１２〜０．１５、切刃５の被覆層６中で０．０１〜０．１０、逃げ面４の被覆層６中で０．０１５〜０．２である。
Here, the specific composition of the coating layer 6 is Nb a M 1-a (C 1-x N x ) (where M is Ti, Al, Cr, W, Mo, Ta, Hf, Si, Zr and In the coating layer 6 composed of at least one selected from Y, 0.01 ≦ a ≦ 0.4, 0 ≦ x ≦ 1), if a (Nb content ratio) is smaller than 0.01, the acid resistance of the coating layer 6 The chemical properties and lubricity are reduced. When a (Nb content ratio) is larger than 0.4, the wear resistance of the coating layer 6 is lowered. A particularly desirable range of a (Nb content ratio) is 0.01 ≦ a ≦ 0.15. In this embodiment, a particularly desirable range of a is 0.012 to 0.15 in the coating layer 6 of the rake face 3, 0.01 to 0.10 in the coating layer 6 of the cutting edge 5, and the flank 4 It is 0.015-0.2 in the coating layer 6 of this.
なお、ＭはＴｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｙから選ばれる１種以上であるが、中でもＴｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、ＭｏおよびＷの１種以上を含有すると硬度に優れて、耐摩耗性に優れる。中でも、ＭがＴｉ、Ａｌ、ＳｉまたはＭｏを含有すると高温での耐酸化性に優れるために、例えば、高速切削におけるクレータ摩耗の進行を抑制できる。 M is at least one selected from Ti, Al, Cr, W, Mo, Ta, Hf, Si, Zr, and Y. Among them, at least one of Ti, Al, Cr, Si, Mo, and W is selected. When contained, it has excellent hardness and wear resistance. Among these, when M contains Ti, Al, Si, or Mo, the oxidation resistance at high temperature is excellent, and therefore, for example, the progress of crater wear in high-speed cutting can be suppressed.
また、本実施態様における被覆層６のより具体的な組成を例示すると、ＮｂａＴｉｂＡｌｃＳｉｄＷｅ（Ｃ１−ｘＮｘ）（０．０１≦ａ≦０．４、０．１≦ｂ≦０．８、０≦ｃ≦０．６５、０≦ｄ≦０．４、０≦ｅ≦０．２５、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、０≦ｘ≦１）である。被覆層６がこの組成範囲になることによって、被覆層６は酸化開始温度が高く
なって耐酸化性が高くかつ内在する内部応力を低減することができて耐欠損性が高い。しかも、被覆層６は硬度および基体２との密着性も高いものである。そのため、被覆層６は難削材の加工や乾式切削、高速切削等のきつい切削条件における耐摩耗性および耐欠損性に優れたものとなる。なお、上記組成において、被覆層６中の含有比率が１原子％未満でＣｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｓｉ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種を含有していてもよい。
Further, To illustrate a more specific composition of the coating layer 6 in this embodiment, Nb a Ti b Al c Si d W e (C 1-x N x) (0.01 ≦ a ≦ 0.4,0. 1 ≦ b ≦ 0.8, 0 ≦ c ≦ 0.65, 0 ≦ d ≦ 0.4, 0 ≦ e ≦ 0.25, a + b + c + d + e = 1, 0 ≦ x ≦ 1). When the coating layer 6 is in this composition range, the coating layer 6 has a high oxidation start temperature, high oxidation resistance, and can reduce internal stress, and has high fracture resistance. Moreover, the coating layer 6 has high hardness and high adhesion to the substrate 2. Therefore, the coating layer 6 has excellent wear resistance and fracture resistance under difficult cutting conditions such as machining difficult-to-cut materials, dry cutting, and high-speed cutting. In addition, in the said composition, the content rate in the coating layer 6 may contain at least 1 sort (s) chosen from Cr, Mo, Ta, Hf, Si, Zr, and Y in less than 1 atomic%.
すなわち、ｂ（Ｔｉ含有比率）が０．１以上であると、被覆層６の結晶構造が立方晶から六方晶へ変化して硬度が低下することなく、耐摩耗性が高い。ｂ（Ｔｉ含有比率）が０．８以下であると、被覆層６の耐酸化性および耐熱性が高い。ｂの特に望ましい範囲は０．１３≦ｂ≦０．５である。また、ｃ（Ａｌ組成比）が０．６５以下であると被覆層６の結晶構造が立方晶から六方晶に変化せず硬度が低下することがない。ｃの特に望ましい範囲は０．４５≦ｃ≦０．５５である。さらに、ｄ（Ｓｉ含有比率)が０．４以下であると
被覆層６の耐酸化性および硬度が低下することなく耐摩耗性が高い。ｄの特に望ましい範囲は０．０２≦ｄ≦０．３である。ｅ（Ｗ含有比率)が０．２５以下であると被覆層６の
耐酸化性および硬度が低下することなく耐摩耗性が高い。ｅの特に望ましい範囲は０．０１≦ｅ≦０．２２である。
That is, when b (Ti content ratio) is 0.1 or more, the crystal structure of the coating layer 6 is changed from cubic to hexagonal, and the hardness is not lowered and the wear resistance is high. When b (Ti content ratio) is 0.8 or less, the coating layer 6 has high oxidation resistance and heat resistance. A particularly desirable range of b is 0.13 ≦ b ≦ 0.5. Further, when c (Al composition ratio) is 0.65 or less, the crystal structure of the coating layer 6 does not change from cubic to hexagonal and the hardness does not decrease. A particularly desirable range for c is 0.45 ≦ c ≦ 0.55. Furthermore, when d (Si content ratio) is 0.4 or less, the oxidation resistance and hardness of the coating layer 6 are not lowered and the wear resistance is high. A particularly desirable range of d is 0.02 ≦ d ≦ 0.3. When e (W content ratio) is 0.25 or less, the oxidation resistance and hardness of the coating layer 6 are not lowered and the wear resistance is high. A particularly desirable range of e is 0.01 ≦ e ≦ 0.22.
また、被覆層６の非金属成分であるＣ、Ｎは切削工具に必要な硬度および靭性に影響を及ぼすものであり、本実施態様では、ｘ（Ｎ含有比率）は０≦ｘ≦１、特に、０．８≦ｘ≦１である。ここで、本発明によれば、上記被覆層６の組成は、エネルギー分散型Ｘ線分光分析法（ＥＤＸ）またはＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて測定できる。 Further, C and N which are non-metallic components of the coating layer 6 affect the hardness and toughness required for the cutting tool. In this embodiment, x (N content ratio) is 0 ≦ x ≦ 1, particularly 0.8 ≦ x ≦ 1. Here, according to the present invention, the composition of the coating layer 6 can be measured by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) or X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
ここで、本実施態様においては、切削工具１は、逃げ面４のほうが切刃５よりも被覆層６中のＮｂ含有比率が高く、本実施態様では、切刃５から逃げ面４に向かって被覆層６中のＮｂ含有比率が高くなっている。これによって、切刃５における耐欠損性を向上できるとともに、逃げ面４における耐摩耗性が高くなる。 Here, in this embodiment, in the cutting tool 1, the flank 4 has a higher Nb content ratio in the coating layer 6 than the cutting edge 5, and in this embodiment, the cutting blade 5 faces the flank 4. The Nb content ratio in the coating layer 6 is high. As a result, the fracture resistance of the cutting edge 5 can be improved, and the wear resistance of the flank 4 is increased.
また、本実施態様においては、図２の被覆層６の一例についての要部拡大図に示すように、被覆層６が異なる組成の２層が交互に積層された多層積層体の構成となっている。そして、本実施態様においては、Ｎｂを含む第１被覆層６ａとＮｂを含まない第２被覆層６ｂとが交互に積層されている。これによって、被覆層６内にクラックが進展することを抑制することができ、かつ被覆層６全体が高硬度化して、耐摩耗性が向上する。なお、本発明においては、このように組成の異なる２種類以上の多層構成からなる被覆層６の組成は、被覆層６の全体組成で表わし、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）等によって分析可能である。また、上記多層構成の被覆層６を形成するには、例えば、成膜装置のチャンバの内壁側面に、組成の異なるターゲットを一定の間隔をあけて配置した状態で、成膜する試料を回転させながら成膜することによって作製することができる。 Moreover, in this embodiment, as shown in the enlarged view of the main part of one example of the coating layer 6 in FIG. 2, the coating layer 6 has a multilayer laminate structure in which two layers having different compositions are alternately stacked. Yes. And in this embodiment, the 1st coating layer 6a containing Nb and the 2nd coating layer 6b which does not contain Nb are laminated | stacked alternately. As a result, it is possible to suppress cracks from progressing in the coating layer 6 and to increase the hardness of the entire coating layer 6 and improve the wear resistance. In the present invention, the composition of the coating layer 6 composed of two or more kinds of multilayer structures having different compositions as described above is represented by the overall composition of the coating layer 6 and can be analyzed by an electron beam microanalyzer (EPMA) or the like. . In order to form the multi-layer coating layer 6, for example, a sample to be deposited is rotated on a side surface of the inner wall of the chamber of the deposition apparatus, with targets having different compositions arranged at regular intervals. However, it can be produced by forming a film.
また、本発明において、下記被覆層の組成や厚みを特定する際の切刃５の範囲は、すくい面３と逃げ面４との交差稜線から５００μｍ幅の領域と定義する。したがって、すくい面３の範囲は、切削工具１の主面等のすくい面３の中央から切刃５の終端である交差稜線から５００μｍの位置までに亘る領域、逃げ面４の範囲は、切削工具１の側面等の逃げ面４の中央から切刃５の終端である交差稜線から５００μｍの位置までに亘る領域である。 In the present invention, the range of the cutting edge 5 when specifying the composition and thickness of the coating layer below is defined as a region having a width of 500 μm from the intersecting ridge line of the rake face 3 and the flank face 4. Therefore, the range of the rake face 3 is a region extending from the center of the rake face 3 such as the main surface of the cutting tool 1 to the position of 500 μm from the cross ridge line which is the end of the cutting edge 5, and the range of the flank face 4 is the cutting tool. 1 is a region extending from the center of the flank 4 such as the side surface of 1 to the position of 500 μm from the intersecting ridge line that is the end of the cutting edge 5.
なお、本実施態様において、切刃５における被覆層６の組成は、上記組成式ＮｂａＴｉｂＡｌｃＳｉｄＷｅ（Ｃ１−ｘＮｘ）において、０．０１≦ａ≦０．３、０．１５≦ｂ≦０．８、０≦ｃ≦０．６３、０≦ｄ≦０．３５、０≦ｅ≦０．２５、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、０≦ｘ≦１）である。逃げ面４における被覆層６の組成は、上記組成式ＮｂａＴｉｂＡｌｃＳｉｄＷｅ（Ｃ１−ｘＮｘ）において、０．０１５≦ａ≦０．４、０．１３≦ｂ
≦０．７８、０≦ｃ≦０．６５、０≦ｄ≦０．３、０≦ｅ≦０．２５、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、０≦ｘ≦１）である。すくい面５における被覆層６の組成は、上記組成式ＮｂａＴｉｂＡｌｃＳｉｄＷｅ（Ｃ１−ｘＮｘ）において、０．０１２≦ａ≦０．３５、０．１４≦ｂ≦０．７９、０≦ｃ≦０．６２、０≦ｄ≦０．４０、０≦ｅ≦０．２５、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、０≦ｘ≦１）である。
In the present embodiment, the composition of the coating layer 6 in the cutting edge 5, in the above composition formula Nb a Ti b Al c Si d W e (C 1-x N x), 0.01 ≦ a ≦ 0.3 0.15 ≦ b ≦ 0.8, 0 ≦ c ≦ 0.63, 0 ≦ d ≦ 0.35, 0 ≦ e ≦ 0.25, a + b + c + d + e = 1, 0 ≦ x ≦ 1). The composition of the coating layer 6 in the flank face 4, in the above composition formula Nb a Ti b Al c Si d W e (C 1-x N x), 0.015 ≦ a ≦ 0.4,0.13 ≦ b
≦ 0.78, 0 ≦ c ≦ 0.65, 0 ≦ d ≦ 0.3, 0 ≦ e ≦ 0.25, a + b + c + d + e = 1, 0 ≦ x ≦ 1). The composition of the coating layer 6 on the rake face 5, in the above composition formula Nb a Ti b Al c Si d W e (C 1-x N x), 0.012 ≦ a ≦ 0.35,0.14 ≦ b ≦ 0.79, 0 ≦ c ≦ 0.62, 0 ≦ d ≦ 0.40, 0 ≦ e ≦ 0.25, a + b + c + d + e = 1, 0 ≦ x ≦ 1).
さらに、本実施態様では、すくい面３における被覆層６の厚みｔｒと切刃５における被覆層６の厚みｔｃとの比（ｔｃ／ｔｒ）が１．１〜３である。これによって、切刃５における耐チッピング性と逃げ面４における耐摩耗性とのバランスを保って、工具寿命を長くすることができる。 Furthermore, in this embodiment, the ratio (tc / tr) between the thickness tr of the coating layer 6 on the rake face 3 and the thickness tc of the coating layer 6 on the cutting edge 5 is 1.1 to 3. As a result, the tool life can be extended while maintaining a balance between the chipping resistance of the cutting edge 5 and the wear resistance of the flank 4.
なお、本実施態様では、被覆層６の逃げ面４における厚みｔｆが、すくい面３における厚みｔｒよりも厚い。これによって、逃げ面４の耐摩耗性が向上し、工具寿命を延ばすことができる。本実施態様では、逃げ面４における被覆層６の厚みｔｆとすくい面３における被覆層６の厚みｔｒとの比（ｔｆ／ｔｒ）が１．１〜３である。 In the present embodiment, the thickness tf of the flank 4 of the coating layer 6 is thicker than the thickness tr of the rake face 3. Thereby, the wear resistance of the flank 4 is improved, and the tool life can be extended. In this embodiment, the ratio (tf / tr) between the thickness tf of the coating layer 6 on the flank 4 and the thickness tr of the coating layer 6 on the rake surface 3 is 1.1 to 3.
また、本実施態様では、被覆層６の表面および内部には、図１（ｂ）に示すように、ドロップレット７と呼ばれる粒状物質が存在する。そして、本実施態様では、逃げ面４の表面に存在するドロプレット７の平均組成はすくい面３の表面に存在するドロップレット７の平均組成に比べてＮｂの含有比率が高い構成となっている。 Moreover, in this embodiment, the granular material called the droplet 7 exists in the surface and the inside of the coating layer 6, as shown in FIG.1 (b). In the present embodiment, the average composition of the droplets 7 existing on the surface of the flank 4 has a higher Nb content ratio than the average composition of the droplets 7 existing on the surface of the rake face 3.
この構成によれば、切削時にすくい面３上を切屑が通過してもドロップレット７の存在によって切屑がすくい面にベタ当たりすることなく、被覆層６の表面がさほど高温になることがない。しかも、逃げ面４のほうがすくい面３に比べてドロップレット７中のＮｂの含有比率が高いので、ミリング切削において、すくい面３のドロプレット７の耐衝撃性が高く、切削工具１の耐欠損性がより向上する。 According to this configuration, even if chips pass over the rake face 3 during cutting, the presence of the droplets 7 prevents the chips from sticking to the rake face, and the surface of the coating layer 6 does not become so hot. Moreover, since the flank 4 has a higher Nb content in the droplet 7 than the rake face 3, the droplet 7 on the rake face 3 has high impact resistance and the chipping resistance of the cutting tool 1 in milling. Will be improved.
なお、本実施態様では、被覆層６のすくい面３の表面に形成されるドロップレット７のＮｂ含有比率ＮｂＤＲは逃げ面４の表面に形成されるドロップレット７のＮｂ含有比率ＮｂＤFに対して０．７≦ＮｂＤＲ／ＮｂＤＦ＜１．００である。これによって、すくい面
３および逃げ面４における耐摩耗性をともに最適化できる。
In this embodiment, the Nb content ratio Nb DR of the droplet 7 formed on the surface of the rake face 3 of the coating layer 6 is smaller than the Nb content ratio Nb DF of the droplet 7 formed on the surface of the flank face 4. 0.7 ≦ Nb DR / Nb DF <1.00. Thereby, both the wear resistance on the rake face 3 and the flank face 4 can be optimized.
また、存在するドロップレット７の数は、すくい面３における１０μｍ×１０μｍ四方で直径が０．２μｍ以上のドロップレット７が１５〜５０個、望ましくは１８〜３０個であることが切屑の通過による発熱の緩和の点で望ましい。また、すくい面３におけるドロップレット７の数が逃げ面４に存在するドロップレット７の数よりも多いことが、すくい面３が切屑の通過によって高温になることを緩和するとともに、逃げ面４の表面を滑らかにして仕上げ面品位を向上する点で望ましい。 Further, the number of droplets 7 present is 15 to 50, preferably 18 to 30 droplets 7 having a diameter of 0.2 μm or more in a 10 μm × 10 μm square on the rake face 3 due to the passage of chips. It is desirable in terms of alleviating heat generation. Further, the fact that the number of droplets 7 on the rake face 3 is larger than the number of droplets 7 present on the flank face 4 reduces the rake face 3 from becoming hot due to the passage of chips, and It is desirable in terms of improving the finished surface quality by smoothing the surface.
また、被覆層６のすくい面３の表面に形成されるドロップレット７のＡｌ含有比率ＡｌＤＲは逃げ面４の表面に形成されるドロップレット７のＡｌ含有比率ＡｌＤFに対して１
．００≦ＡｌＤＲ／ＡｌＤＦ≦１．１０であることが、すくい面３および逃げ面４における耐摩耗性を最適化できる点で望ましい。比率ＡｌＤＲ／ＡｌＤＦの特に望ましい範囲は１．００≦ＡｌＤＲ／ＡｌＤＦ≦１．０２である。さらに、被覆層６のすくい面３の表面に形成されるドロップレット７のＴｉ含有比率ＴｉＤＲは逃げ面４の表面に形成されるドロップレット７のＴｉ含有比率ＴｉＤFに対して０．９１≦ＴｉＤＲ／ＴｉＤＦ≦１．０
５であることが、すくい面３および逃げ面４における耐チッピング性をともに最適化できる点で望ましい。比率ＴｉＤＲ／ＴｉＤＦの特に望ましい範囲は０．９４≦ＴｉＤＲ／ＴｉＤＦ≦０．９７である。
The Al content ratio Al DR of the droplet 7 formed on the surface of the rake face 3 of the coating layer 6 is 1 with respect to the Al content ratio Al DF of the droplet 7 formed on the surface of the flank 4.
. It is desirable that 00 ≦ Al DR / Al DF ≦ 1.10 because the wear resistance on the rake face 3 and the flank face 4 can be optimized. A particularly desirable range of the ratio Al DR / Al DF is 1.00 ≦ Al DR / Al DF ≦ 1.02. Further, the Ti content ratio Ti DR of the droplet 7 formed on the surface of the rake face 3 of the coating layer 6 is 0.91 ≦ the Ti content ratio Ti DF of the droplet 7 formed on the surface of the flank 4. Ti DR / Ti DF ≦ 1.0
5 is desirable in that both chipping resistance on the rake face 3 and the flank face 4 can be optimized. A particularly desirable range of the ratio Ti DR / Ti DF is 0.94 ≦ Ti DR / Ti DF ≦ 0.97.
なお、基体２としては、炭化タングステンや炭窒化チタンを主成分とする硬質相とコバルト、ニッケル等の鉄族金属を主成分とする結合相とからなる超硬合金やサーメットの硬質合金、窒化ケイ素や酸化アルミニウムを主成分とするセラミックス、多結晶ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素からなる硬質相とセラミックスや鉄族金属等の結合相とを超高圧下で焼成する超高圧焼結体等の硬質材料が好適に使用される。 The substrate 2 may be a cemented carbide or cermet hard alloy composed of a hard phase mainly composed of tungsten carbide or titanium carbonitride and a binder phase mainly composed of an iron group metal such as cobalt or nickel, or silicon nitride. Hard materials such as ultra-high pressure sintered bodies that fire ceramics and aluminum oxide as a main component, hard phases composed of polycrystalline diamond and cubic boron nitride and binder phases such as ceramics and iron group metals under ultra-high pressure Preferably used.
（製造方法）
次に、本発明の切削工具の製造方法について説明する。
(Production method)
Next, the manufacturing method of the cutting tool of this invention is demonstrated.
まず、工具形状の基体を従来公知の方法を用いて作製する。次に、基体の表面に、被覆層を成膜する。被覆層の成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。成膜方法の一例についての詳細について説明すると、被覆層をアークイオンプレーティング法で作製する場合には、金属ニオブ（Ｎｂ）、および所定の金属Ｍ（ただし、ＭはＴｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｓｉ、ＺｒおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上）をそれぞれ独立に含有する金属ターゲット、複合化した合金ターゲットまたは焼結体ターゲットをチャンバの側壁面位置にセットする。 First, a tool-shaped substrate is produced using a conventionally known method. Next, a coating layer is formed on the surface of the substrate. A physical vapor deposition (PVD) method such as an ion plating method or a sputtering method can be suitably applied as the coating layer forming method. The details of an example of the film forming method will be described. When the coating layer is manufactured by the arc ion plating method, the metal niobium (Nb) and the predetermined metal M (where M is Ti, Al, Cr, W). , Mo, Ta, Hf, Si, Zr and Y), each of which independently contains a metal target, a composite alloy target, or a sintered body target is set at the side wall surface position of the chamber.
このとき、ターゲットの周囲には、ターゲットの裏面の中央側に位置するようにセンター磁石が設置されている。本発明によれば、この磁石の磁力の強さを制御することによって、上記実施態様の切削工具を作製することができる。すなわち、Ｎｂを含有するターゲットに併設されるセンター磁石の磁力を強くし、Ｎｂを含有しないターゲットのセンター磁石の磁力を弱くする。これによって、各ターゲットから発生する金属イオンの拡散状態を変えて、チャンバ内に存在する金属イオンの分布状態を変化させる。その結果、基体の表面に成膜される被覆層中の各金属の比率、およびドロップレットの存在状態を変化させることができる。 At this time, a center magnet is installed around the target so as to be positioned on the center side of the back surface of the target. According to this invention, the cutting tool of the said embodiment can be produced by controlling the strength of the magnetic force of this magnet. That is, the magnetic force of the center magnet attached to the target containing Nb is increased, and the magnetic force of the center magnet of the target not containing Nb is reduced. Thereby, the diffusion state of the metal ions generated from each target is changed, and the distribution state of the metal ions existing in the chamber is changed. As a result, the ratio of each metal in the coating layer formed on the surface of the substrate and the presence state of the droplets can be changed.
成膜条件としては、これらのターゲットを用いて、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ４）／アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスと反応させるイオンプレーティング法またはスパッタリング法によって被覆層を成膜する。このとき、基体のセット位置は逃げ面がチャンバの側面とほぼ平行に、かつすくい面がチャンバの上面とほぼ平行な向きにセットする。この時、センター磁石には２〜８Ｔの磁力を印加して成膜するが、Ｎｂを含有するターゲットに併設されるセンター磁石に印加する磁力を、Ｎｂを含有しないターゲットに併設されるセンター磁石に印加する磁力よりも高くして成膜する。 Film formation conditions include using these targets to evaporate and ionize the metal source by arc discharge, glow discharge, or the like, and simultaneously use nitrogen (N 2 ) gas as a nitrogen source or methane (CH 4 ) / acetylene as a carbon source ( A coating layer is formed by an ion plating method or a sputtering method that reacts with a C 2 H 2 ) gas. At this time, the base is set so that the flank face is substantially parallel to the side face of the chamber and the scoop face is substantially parallel to the upper face of the chamber. At this time, the magnetic force of 2 to 8 T is applied to the center magnet to form a film, but the magnetic force applied to the center magnet attached to the target containing Nb is applied to the center magnet attached to the target not containing Nb. The film is formed with a higher magnetic force to be applied.
なお、上記被覆層を成膜する際には、被覆層の結晶構造を考慮して高硬度な被覆層を作製できるとともに基体との密着性を高めるために、本実施態様では、３５〜２００Ｖのバイアス電圧を印加する。 In forming the coating layer, a high hardness coating layer can be produced in consideration of the crystal structure of the coating layer, and in order to improve the adhesion to the substrate, in this embodiment, the coating layer has a voltage of 35 to 200 V. Apply a bias voltage.
平均粒径０．８μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末を主成分として、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、平均粒径１．０μｍの炭化バナジウム（ＶＣ）粉末を０．１質量％、平均粒径１．０μｍの炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）粉末を０．３質量％の割合で添加し混合して、プレス成形により京セラ製切削工具ＢＤＭＴ１１Ｔ３０８ＴＲ−ＪＴ形状のスローアウェイチップ形状に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１４５０℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。また、各試料のすくい面表面をブラスト加工、ブラシ加工等によって研磨加工した。さらに、作製した超硬合金にブラシ加工にて刃先処理（ホーニング）を施した。 Mainly composed of tungsten carbide (WC) powder having an average particle diameter of 0.8 μm, 10% by mass of metallic cobalt (Co) powder having an average particle diameter of 1.2 μm, and vanadium carbide (VC) powder having an average particle diameter of 1.0 μm. Chromium carbide (Cr 3 C 2 ) powder of 0.1% by mass and average particle size of 1.0 μm is added and mixed at a rate of 0.3% by mass, and a KYOCERA cutting tool BDMT11T308TR-JT-shaped throw is formed by press molding. After forming into an away chip shape, a binder removal treatment was performed and fired at 1450 ° C. for 1 hour in a vacuum of 0.01 Pa to produce a cemented carbide. Further, the rake face surface of each sample was polished by blasting, brushing or the like. Further, the prepared cemented carbide was subjected to blade edge processing (honing) by brushing.
このようにして作製した基体に対して、主ターゲットである第１ターゲット、Ｎｂを含有する第２ターゲットに対して表１に示す磁力のセンター磁石をセットして、表１に示すバイアス電圧を印加し、アーク電流１５０Ａをそれぞれ流し、成膜温度５４０℃として表２〜３に示す組成の被覆層を成膜した。なお、被覆層の組成は下記方法にて全体組成を測定した。 The magnetic magnet center magnet shown in Table 1 is set on the first target that is the main target and the second target containing Nb, and the bias voltage shown in Table 1 is applied to the substrate thus prepared. Then, each of the arc currents 150A was applied to form a coating layer having a composition shown in Tables 2 and 3 at a film formation temperature of 540 ° C. In addition, the composition of the coating layer measured the whole composition with the following method.
得られた試料に対して、被覆層の表面から、切刃、すくい面及び逃げ面の被覆層の各位置の任意３箇所およびすくい面および逃げ面表面上に形成されたドロップレットを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察し、各位置での組成を分析した。３か所の平均組成を被覆層の組成として表記した。また、１視野における１０μｍ×１０μｍの任意領域における直径０．２μｍ以上のドロップレットの個数を測定し、測定箇所１０箇所における平均個数を算出した。さらに、ドロップレット各１０個の組成をエネルギー分散分光分析（ＥＤＳ）（アメテック社製ＥＤＡＸ）によって測定し、これらの平均値を被覆層のすくい面、逃げ面および各表面上のドロップレットの組成として算出した。表中、すくい面に形成されたドロップレットについてＮｂ，Ａｌ，Ｔｉの平均含有量（原子％）をそれぞれＮｂＤＲ、ＡｌＤＲ、ＴｉＤＲ、逃げ面に形成されたドロップレットについてＮｂ，Ａｌ，Ｔｉの平均含有量（原子％）をそれぞれＮｂＤＦ、ＡｌＤＦ、ＴｉＤＦと表記した。さらに、各試料の被覆層を含む断面についてＳＥＭ観察を行い、切刃、すくい面および逃げ面の各位置における被覆層の厚みを測定した。結果は表２〜３に示した。 From the surface of the coating layer, scanning electrons, the droplets formed on the rake surface, the rake face, and the flank face at any three positions of the cutting layer, the rake face, and the flank face are scanned with respect to the obtained sample. It observed with the microscope (SEM) and the composition in each position was analyzed. The average composition at three locations was expressed as the composition of the coating layer. In addition, the number of droplets having a diameter of 0.2 μm or more in an arbitrary region of 10 μm × 10 μm in one visual field was measured, and the average number at 10 measurement points was calculated. Furthermore, the composition of each 10 droplets was measured by energy dispersive spectroscopy (EDS) (EDEX manufactured by Ametech Co., Ltd.), and the average value of these was determined as the rake face, flank face and droplet composition on each surface. Calculated. In the table, the average content (atomic%) of Nb, Al, Ti for the droplets formed on the rake face is Nb DR , Al DR , Ti DR , respectively, and Nb, Al, Ti for the droplets formed on the flank face The average contents (atomic%) of Nb DF , Al DF , and Ti DF were respectively expressed. Furthermore, SEM observation was performed about the cross section containing the coating layer of each sample, and the thickness of the coating layer in each position of a cutting edge, a rake face, and a flank was measured. The results are shown in Tables 2-3.
次に、得られたスローアウェイチップを用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表４に示した。
切削方法：ミリング加工
被削材 ：金型鋼（ＳＫＤ１１）
切削速度：１５０ｍ／分
送り ：０．１２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２．０ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：２００個加工後の切削工具を観察して切刃状態を確認した。また、工具寿命まで加工できた加工数を確認し、そのときの摩耗形態を確認した。
Next, a cutting test was performed using the obtained throw-away tip under the following cutting conditions. The results are shown in Table 4.
Cutting method: Milling work material: Mold steel (SKD11)
Cutting speed: 150 m / min Feed: 0.12 mm / rev
Cutting depth: 2.0mm
Cutting state: Dry evaluation method: 200 cutting tools were observed and the cutting edge state was confirmed. In addition, the number of processes that could be processed until the tool life was confirmed, and the wear form at that time was confirmed.
表１〜４に示す結果より、切刃とすくい面との被覆層のＮｂ含有比率が同じ試料Ｎｏ．９、および、切刃よりもすくい面において被覆層のＮｂ含有比率が低い試料Ｎｏ．８では、切刃においてチッピングが発生しやすく、かつ、すくい面におけるクレータ摩耗が進行して早期に寿命となった。 From the results shown in Tables 1 to 4, Sample Nos. With the same Nb content in the coating layer between the cutting edge and the rake face were used. 9 and Sample No. No. 2 in which the Nb content of the coating layer is lower on the rake face than the cutting edge. In No. 8, chipping was likely to occur at the cutting edge, and crater wear on the rake face progressed, resulting in an early life.
これに対して、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１〜７では、いずれも切刃におけるチ
ッピングの発生が少なく、かつすくい面におけるクレータ摩耗の進行が遅くて耐摩耗性に優れる良好な切削性能を発揮した。
On the other hand, sample No. which is within the scope of the present invention. Nos. 1 to 7 exhibited good cutting performance with little occurrence of chipping at the cutting edge, slow progress of crater wear on the rake face, and excellent wear resistance.
１ 切削工具
２ 基体
３ すくい面
４ 逃げ面
５ 切刃
６ 被覆層
７ ドロップレット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cutting tool 2 Base | substrate 3 Rake face 4 Relief face 5 Cutting edge 6 Coating layer 7 Droplet
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- 2013-01-29 JP JP2013014440A patent/JP2014144506A/en active Pending
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