JP2018111201A - 被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]
基材と、前記基材の表面に形成された被覆層とを含む被覆切削工具であって、
前記被覆層が、第1積層構造と第2積層構造とを含み、
前記第1積層構造が、組成の異なる2種の化合物層が交互に積層され、積層数が3以上である積層構造であり、
前記第1積層構造における前記2種の化合物層のうち一方の化合物層が、下記式(1):
(AlaM1-a)N…(1)
(式中、Mは、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を表し、aは、Al元素とMで表される金属元素との合計に対するAl元素の原子比を表し、0.58≦a≦0.80を満足する。)
で表される組成からなり、 前記第1積層構造における前記2種の化合物層のうち他方の化合物層が、下記式(2):
(AlbM1-b)N…(2)
(式中、Mは、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を表し、bは、Al元素とMで表される金属元素との合計に対するAl元素の原子比を表し、0.57≦b≦0.79を満足する。)
で表される組成からなり、
前記第1積層構造が、下記式(A)で表される条件を満足し、
0<|Rx−Ry|<5…(A)
(式中、Rxは、前記一方の化合物層における、金属元素全体に対する、1種の金属元素の割合(単位:原子%)を表し、Ryは、前記一方の化合物層に隣接する前記他方の化合物層における、金属元素全体に対する、前記1種の金属元素の割合(単位:原子%)を表し、前記1種の金属元素は、前記一方の化合物層における金属元素全体に対する割合と、前記他方の化合物層における金属元素全体に対する割合との差の絶対値が最も大きい元素を表す。)
前記第2積層構造が、組成の異なる2種の化合物層が交互に積層され、積層数が3以上である積層構造であり、
前記第2積層構造における前記2種の化合物層のうち一方の化合物層が、下記式(3):
(Al1-c-dTicLd)…(3)
(式中、Lは、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を表し、cは、Al元素とTi元素とLで表される金属元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、dは、Al元素とTi元素とLで表される金属元素との合計に対するLで表される金属元素の原子比を表し、0≦c≦1.00,0≦d≦0.50を満足する。)
で表される組成を有する元素の炭化物、窒化物、及び炭窒化物からなる群より選ばれる少なくとも1種の組成からなり、
前記第2積層構造における前記2種の化合物層のうち他方の化合物層が、下記式(4):
(Al1-e-fTieLf)…(4)
(式中、Lは、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を表し、eは、Al元素とTi元素とLで表される金属元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、fは、Al元素とTi元素とLで表される金属元素との合計に対するLで表される金属元素の原子比を表し、0≦e≦1.00、かつ0≦f≦0.50を満足する。)
で表される組成を有する元素の炭化物、窒化物、及び炭窒化物からなる群より選ばれる少なくとも1種の組成からなり、
前記第2積層構造が、下記式(B)で表される条件を満足し、
5≦|Rz−Rw|…(B)
(式中、Rzは、前記一方の化合物層における、金属元素全体に対する、1種の金属元素の割合(単位:原子%)を表し、Rwは、前記一方の化合物層に隣接する前記他方の化合物層における、金属元素全体に対する、前記1種の金属元素の割合(単位:原子%)を表し、前記1種の金属元素は、前記一方の化合物層における金属元素全体に対する割合と、前記他方の化合物層における金属元素全体に対する割合との差の絶対値が最も大きい元素を表す。)
前記第1積層構造を構成する前記一方の化合物層及び前記他方の化合物層、並びに前記第2積層構造を構成する前記一方の化合物層及び前記他方の化合物層の各層の平均厚さが、1nm以上300nm以下であり、
前記被覆層の平均厚さが、1.5μm以上15.0μm以下である、被覆切削工具。
[2]
前記|Rx−Ry|が、1原子%以上4原子%以下である、[1]の被覆切削工具。
[3]
前記|Rz−Rw|が、6原子%以上70原子%以下である、[1]又は[2]の被覆切削工具。
[4]
前記第1積層構造の平均厚さが、0.1μm以上10.0μm以下である、[1]〜[3]のいずれかの被覆切削工具。
[5]
前記第2積層構造の平均厚さが、0.1μm以上10.0μm以下である、[1]〜[4]のいずれかの被覆切削工具。
[6]
前記第1積層構造の平均結晶粒径が、10nm以上450nm以下である、[1]〜[5]のいずれかの被覆切削工具。
[7]
前記第2積層構造の平均結晶粒径が20nm以上500nm以下である、[1]〜[6]のいずれかの被覆切削工具。
[8]
前記被覆層は、前記第1積層構造及び前記第2積層構造よりも基材側に下部層を有し、
前記下部層が、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物の層であり、
前記下部層の平均厚さが、0.1μm以上3.5μm以下である、[1]〜[7]のいずれかの被覆切削工具。
[9]
前記被覆層が、前記第1積層構造及び前記第2積層構造よりも表面側に上部層を有し、
前記上部層が、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O、及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物の層であり、
前記上部層の平均厚さが、0.1μm以上3.5μm以下である、[1]〜[8]のいずれかの被覆切削工具。
[10]
前記基材が、超硬合金、サーメット、セラミックス、又は立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、[1]〜[9]のいずれかの被覆切削工具。
(AlaM1-a)N…(1)
(式中、Mは、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を表し、aは、Al元素とMで表される金属元素との合計に対するAl元素の原子比を表し、0.58≦a≦0.80を満足する。)
で表される組成からなり、
第1積層構造における2種の化合物層のうち他方の化合物層は、下記式(2):
(AlbM1-b)N…(2)
(式中、Mは、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を表し、bは、Al元素とMで表される金属元素との合計に対するAl元素の原子比を表し、0.57≦b≦0.79を満足する。)
で表される組成からなり、
第1積層構造は、下記式(A)で表される条件を満足し、
0<|Rx−Ry|<5…(A)
(式中、Rxは、一方の化合物層における、金属元素全体に対する1種の金属元素の割合(単位:原子%)を表し、Ryは、一方の化合物層に隣接する他方の化合物層における、金属元素全体に対する1種の金属元素の割合(単位:原子%)を表し、1種の金属元素は、一方の化合物層における金属元素全体に対する割合と、他方の化合物層における金属元素全体に対する割合との差の絶対値が最も大きい元素を表す。)
第2積層構造が、組成の異なる2種の化合物層が交互に積層され、積層数が3以上である積層構造であり、第2積層構造における2種の化合物層のうち一方の化合物層は、下記式(3):
(Al1-c-dTicLd)…(3)
(式中、Lは、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を表し、cは、Al元素とTi元素とLで表される金属元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、dは、Al元素とTi元素とLで表される金属元素との合計に対するLで表される金属元素の原子比を表し、0≦c≦1.00,0≦d≦0.50を満足する。)
で表される組成を有する元素の炭化物、窒化物、及び炭窒化物からなる群より選ばれる少なくとも1種の組成からなり、第2積層構造における2種の化合物層のうち他方の化合物層は、下記式(4):
(Al1-e-fTieLf)…(4)
(式中、Lは、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を表し、eは、Al元素とTi元素とLで表される金属元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、fは、Al元素とTi元素とLで表される金属元素との合計に対するLで表される金属元素の原子比を表し、0≦e≦1.00、かつ0≦f≦0.50を満足する。)
で表される組成を有する元素の炭化物、窒化物、及び炭窒化物からなる群より選ばれる少なくとも1種の組成からなり、
第2積層構造は、下記式(B)で表される条件を満足し、
5≦|Rz−Rw|…(B)
(式中、Rzは、一方の化合物層における、金属元素全体に対する1種の金属元素の割合(単位:原子%)を表し、Rwは、一方の化合物層に隣接する他方の化合物層における、金属元素全体に対する1種の金属元素の割合(単位:原子%)を表し、前記1種の金属元素は、前記一方の化合物層における金属元素全体に対する割合と、前記他方の化合物層における金属元素全体に対する割合との差の絶対値が最も大きい元素を表す。)
第1積層構造を構成する一方の化合物層及び他方の化合物層、並びに第2積層構造を構成する一方の化合物層及び他方の化合物層の各層の平均厚さは、1nm以上300nm以下であり、
前記被覆層の平均厚さは、1.5μm以上15.0μm以下である。
(1)被覆層全体の平均厚さが1.5μm以上であることにより、耐摩耗性が向上し、被覆層全体の平均厚さが15.0μm以下であることにより、被覆層の基材との密着性に優れ、その結果、耐欠損性が向上する。
(2)第1積層構造を構成する2種の化合物層が、特定の種類の元素から組み合わされることにより、耐摩耗性が向上する。
(3)第1積層構造を構成する2種の化合物層のAlの含有量がそれぞれ特定値以上であることにより、耐酸化性の低下が抑制されることに起因して、耐欠損性が向上する。また、第1積層構造を構成する2種の化合物層のAlの含有量がそれぞれ特定値以下であることにより、六方晶の存在比率が低減されることに起因して、耐摩耗性が向上する。
(4)式(A)中の|Rx−Ry|が特定範囲内である特定の金属元素が存在することにより、一方の化合物層と他方の化合物層との密着性を高く維持し、2種の化合物層の界面における結晶格子の不整合が小さくなる。これに起因して、第1積層構造の残留圧縮応力が高くなることが抑制され、その結果、耐欠損性が向上する。
(5)第2積層構造を構成する2種の化合物層が、特定の種類の元素から組み合わされることにより、耐摩耗性が向上する。
(6)第2積層構造を構成する2種の化合物層の特定の金属元素(Lで表される金属元素)の含有量が特定値以下であることにより、第2積層構造の平均結晶粒径を500nm以下に制御しやすくなり、被覆層の硬度を維持できることに起因して、耐摩耗性を向上できる。
(7)式(B)中の|Rz−Rw|が特定範囲内である特定の金属元素が存在することにより、一方の化合物層と他方の化合物層との被膜組織及び残留応力の相違により、第2積層構造の硬度を高く維持した状態で残留圧縮応力を低く制御できることに起因して、特に穴あけ加工及びフライス加工において、耐欠損性が向上する。
(8)第1積層構造を構成する一方の化合物層及び他方の化合物層並びに第2積層構造を構成する一方の化合物層及び他方の化合物層の各層の平均厚さが特定値以下であることにより、第1積層構造及び第2積層構造の硬度が向上することに起因して、耐欠損性が向上する。
0<|Rx−Ry|<5…(A)
5≦|Rz−Rw|…(B)
穴あけ加工用の基材として、89.4WC−10.0Co−0.6Cr3C2(以上、質量%)の組成を有する超硬合金製ドリル(先端角:140°、直径:10mm、直線切れ刃、油孔付き)を用意した。フライス加工用の基材としては、ISO規格SEMT13T3形状のインサートに加工し、89.4WC−10.0Co−0.6Cr3C2(以上、質量%)の組成を有する超硬合金を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表1及び表2に示す各層の組成になるよう金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの治具に固定した。
穴あけ加工用の基材として、89.4WC−10.0Co−0.6Cr3C2(以上、質量%)の組成を有する超硬合金製ドリル(先端角:140°、直径:10mm、直線切れ刃、油孔付き)を用意した。フライス加工用の基材としては、ISO規格SEMT13T3形状のインサートに加工し、89.4WC−10.0Co−0.6Cr3C2(以上、質量%)の組成を有する超硬合金を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表9及び表10に示す各層の組成になるよう金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの治具に固定した。
被削材:S55C、
被削材形状:150mm×200mm×50mmの直方体ブロック、
加工形態:止まり穴
切削速度:100m/min、
1回転当たりの送り量:0.25mm/rev、
クーラント:水溶性(内部給油方式)、
評価項目:チゼルエッジが欠損(チゼルエッジに欠けが生じる)したとき、マージン部に送りマークが生じたとき、又は逃げ面摩耗が0.3 mmに至ったときを工具寿命とし、工具寿命に至るまでの加工長さを測定した。なお、切削試験の工具寿命に至るまでの加工長さについて、80m以上を「A」、60m以上80m未満を「B」、60m未満を「C」として評価した。この評価では、「A」が最も優れ、その次に「B」が優れ、「C」が最も劣っていることを意味し、「A」又は「B」の評価を多く有するほど切削性能に優れていることを意味する。具体的には、加工長さが長いことは、耐欠損性及び耐摩耗性に優れていることを意味する。
被削材:SCM440、
被削材形状:100mm×200mm×60mmの直方体ブロック、
切削速度:160m/min、
送り:0.40mm/rev、
切り込み:2.0mm、
クーラント:無し、
評価項目:試料が欠損(試料の切れ刃部に欠けが生じる)したとき、又は逃げ面摩耗幅が0.3mmに至ったときを工具寿命とし、工具寿命に至るまでの加工長さを測定した。なお、切削試験の工具寿命に至るまでの加工長さについて、25m以上を「A」、20m以上25m未満を「B」、20m未満を「C」として評価した。この評価では、「A」が最も優れ、その次に「B」が優れ、「C」が最も劣っていることを意味し、「A」又は「B」の評価を多く有するほど切削性能に優れていることを意味する。具体的には、加工長さが長いことは、耐欠損性及び耐摩耗性に優れていることを意味する。
穴あけ加工用の基材として、89.4WC−10.0Co−0.6Cr3C2(以上、質量%)の組成を有する超硬合金製ドリル(先端角:140°、直径:10mm、直線切れ刃、油孔付き)を用意した。フライス加工用の基材としては、ISO規格SEMT13T3形状のインサートに加工し、89.4WC−10.0Co−0.6Cr3C2(以上、質量%)の組成を有する超硬合金を用意した。実施例1の発明品1〜10の被覆層に、下部層と上部層とを有する試料を作製した。
2 下部層
3 A1層
4 B1層
5 A2層
6 B2層
7 上部層
8 第1積層構造
9 第2積層構造
10 被覆層
11 被覆切削工具
Claims (10)
- 基材と、前記基材の表面に形成された被覆層とを含む被覆切削工具であって、
前記被覆層が、第1積層構造と第2積層構造とを含み、
前記第1積層構造が、組成の異なる2種の化合物層が交互に積層され、積層数が3以上である積層構造であり、
前記第1積層構造における前記2種の化合物層のうち一方の化合物層が、下記式(1):
(AlaM1-a)N…(1)
(式中、Mは、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を表し、aは、Al元素とMで表される金属元素との合計に対するAl元素の原子比を表し、0.58≦a≦0.80を満足する。)
で表される組成からなり、
前記第1積層構造における前記2種の化合物層のうち他方の化合物層が、下記式(2):
(AlbM1-b)N…(2)
(式中、Mは、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を表し、bは、Al元素とMで表される金属元素との合計に対するAl元素の原子比を表し、0.57≦b≦0.79を満足する。)
で表される組成からなり、
前記第1積層構造が、下記式(A)で表される条件を満足し、
0<|Rx−Ry|<5…(A)
(式中、Rxは、前記一方の化合物層における、金属元素全体に対する、1種の金属元素の割合(単位:原子%)を表し、Ryは、前記一方の化合物層に隣接する前記他方の化合物層における、金属元素全体に対する、前記1種の金属元素の割合(単位:原子%)を表し、前記1種の金属元素は、前記一方の化合物層における金属元素全体に対する割合と、前記他方の化合物層における金属元素全体に対する割合との差の絶対値が最も大きい元素を表す。)
前記第2積層構造が、組成の異なる2種の化合物層が交互に積層され、積層数が3以上である積層構造であり、
前記第2積層構造における前記2種の化合物層のうち一方の化合物層が、下記式(3):
(Al1-c-dTicLd)…(3)
(式中、Lは、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を表し、cは、Al元素とTi元素とLで表される金属元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、dは、Al元素とTi元素とLで表される金属元素との合計に対するLで表される金属元素の原子比を表し、0≦c≦1.00,0≦d≦0.50を満足する。)
で表される組成を有する元素の炭化物、窒化物、及び炭窒化物からなる群より選ばれる少なくとも1種の組成からなり、
前記第2積層構造における前記2種の化合物層のうち他方の化合物層が、下記式(4):
(Al1-e-fTieLf)…(4)
(式中、Lは、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を表し、eは、Al元素とTi元素とLで表される金属元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、fは、Al元素とTi元素とLで表される金属元素との合計に対するLで表される金属元素の原子比を表し、0≦e≦1.00、かつ0≦f≦0.50を満足する。)
で表される組成を有する元素の炭化物、窒化物、及び炭窒化物からなる群より選ばれる少なくとも1種の組成からなり、
前記第2積層構造が、下記式(B)で表される条件を満足し、
5≦|Rz−Rw|…(B)
(式中、Rzは、前記一方の化合物層における、金属元素全体に対する、1種の金属元素の割合(単位:原子%)を表し、Rwは、前記一方の化合物層に隣接する前記他方の化合物層における、金属元素全体に対する、前記1種の金属元素の割合(単位:原子%)を表し、前記1種の金属元素は、前記一方の化合物層における金属元素全体に対する割合と、前記他方の化合物層における金属元素全体に対する割合との差の絶対値が最も大きい元素を表す。)
前記第1積層構造を構成する前記一方の化合物層及び前記他方の化合物層、並びに前記第2積層構造を構成する前記一方の化合物層及び前記他方の化合物層の各層の平均厚さが、1nm以上300nm以下であり、
前記被覆層の平均厚さが、1.5μm以上15.0μm以下である、被覆切削工具。 - 前記|Rx−Ry|が、1原子%以上4原子%以下である、請求項1に記載の被覆切削工具。
- 前記|Rz−Rw|が、6原子%以上70原子%以下である、請求項1又は2に記載の被覆切削工具。
- 前記第1積層構造の平均厚さが、0.1μm以上10.0μm以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
- 前記第2積層構造の平均厚さが、0.1μm以上10.0μm以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
- 前記第1積層構造の平均結晶粒径が、10nm以上450nm以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
- 前記第2積層構造の平均結晶粒径が20nm以上500nm以下である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
- 前記被覆層は、前記第1積層構造及び前記第2積層構造よりも基材側に下部層を有し、
前記下部層が、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物の層であり、
前記下部層の平均厚さが、0.1μm以上3.5μm以下である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の被覆切削工具。 - 前記被覆層が、前記第1積層構造及び前記第2積層構造よりも表面側に上部層を有し、
前記上部層が、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O、及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物の層であり、
前記上部層の平均厚さが、0.1μm以上3.5μm以下である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の被覆切削工具。 - 前記基材が、超硬合金、サーメット、セラミックス、又は立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、請求項1〜9のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
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