JP3252711B2 - Coated silicon nitride based tool - Google Patents

Coated silicon nitride based tool

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JP3252711B2
JP3252711B2 JP17234496A JP17234496A JP3252711B2 JP 3252711 B2 JP3252711 B2 JP 3252711B2 JP 17234496 A JP17234496 A JP 17234496A JP 17234496 A JP17234496 A JP 17234496A JP 3252711 B2 JP3252711 B2 JP 3252711B2
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silicon nitride
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coated silicon
titanium nitride
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、粒界ガラス相の
少なくとも一部が結晶化した窒化珪素系セラミックスか
らなる基体と、その基体の表面に形成された複数の被覆
層とを備えた被覆窒化珪素系工具に関し、耐摩耗工具や
切削工具の中で特に切削加工に使用される工具として最
適であり、被覆層の耐剥離性に優れ、特に鋳鉄切削時の
耐境界摩耗性に優れた被覆窒化珪素系工具に関するもの
である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a coated nitride comprising a substrate made of a silicon nitride ceramic in which at least a part of a grain boundary glass phase is crystallized, and a plurality of coating layers formed on the surface of the substrate. Silicon nitride-based tools are the most suitable as wear tools and cutting tools, especially as tools used for cutting, and have excellent coating layer exfoliation resistance, especially excellent wear resistance when cutting cast iron. It relates to a silicon-based tool.

【0002】[0002]

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】窒化
珪素、サイアロンをマトリックスとした工具は、従来の
アルミナ系セラミックスをマトリックスとする工具と比
較して、靱性に優れ、耐熱衝撃性にも優れ、また、被覆
超硬工具よりも耐熱性に優れることから、鋳鉄の高速切
削用工具として乾式、湿式を問わずに使用されるように
なってきた。ところが、窒化珪素は鉄に対する反応性が
高いため、耐摩耗性が不十分である。そこで、アルミナ
やチタンの炭化物、窒化物などのセラミックス層を被覆
した被覆窒化珪素系工具が提案された(特開昭56−1
6665号公報、特公昭61−19367号公報)。
2. Description of the Related Art Tools using silicon nitride and sialon as a matrix have excellent toughness and thermal shock resistance as compared with conventional tools using alumina ceramics as a matrix. Further, since they are superior in heat resistance to coated carbide tools, they have come to be used as tools for high-speed cutting of cast iron irrespective of dry type or wet type. However, since silicon nitride has high reactivity with iron, its wear resistance is insufficient. Therefore, a coated silicon nitride-based tool coated with a ceramic layer such as a carbide or nitride of alumina or titanium has been proposed (Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-1).
No. 6665, Japanese Patent Publication No. 61-19367).

【0003】しかしながら、これらの被覆窒化珪素系工
具は、被覆処理が施されていない工具と比較して工具寿
命の延長に成功したが、窒化珪素と被覆層との密着強度
が不十分であるため、被覆層の剥離が発生しやすく、工
具寿命のばらつきが大きくなるという問題点を有してい
た。また、鋳鉄の表面にはチル化した黒皮部が存在し、
このチル層との擦過によって工具の切り込み境界部に境
界摩耗が生じやすく、この境界摩耗の大きさが被覆処理
を施すことによって拡大するという問題点も生じてい
た。この境界摩耗が大きくなると、被削材の品質が低下
したり、極端な場合には、窒化珪素系工具自身が欠損す
るため、境界摩耗量を小さくすることが被覆窒化珪素系
工具の性能を向上する上で1つの課題となっていた。
[0003] However, these coated silicon nitride-based tools have succeeded in extending the tool life as compared with uncoated tools, but have insufficient adhesion strength between the silicon nitride and the coating layer. In addition, there has been a problem that the coating layer is apt to be peeled off and the variation in tool life becomes large. In addition, a chilled black scale exists on the surface of the cast iron,
The friction with the chill layer easily causes boundary wear at the cutting boundary of the tool, and there has been a problem that the size of the boundary wear is increased by performing the coating process. If the boundary wear increases, the quality of the work material decreases, or in extreme cases, the silicon nitride-based tool itself breaks, so reducing the boundary wear improves the performance of the coated silicon nitride-based tool. Has been one of the issues in doing so.

【0004】ここで、境界摩耗について図を参照して説
明する。図1は、工具の一例として工具チップのコーナ
ー部を拡大して模式的に示す斜視図(A)(C)と、
(A)のX−Y方向に沿った模式的な断面図(B)であ
る。図1の(A)と(B)を参照して、工具チップのコ
ーナー部は、すくい面1と逃げ面2と、すくい面1と逃
げ面2の境界に切れ刃稜線部Aとを備えている。図1の
(C)を参照して、その切れ刃稜線部において3で示す
ような領域で起こる摩耗のことを境界摩耗と称する。
Here, boundary wear will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an enlarged perspective view schematically showing a corner portion of a tool tip as an example of a tool, and FIG.
It is a typical sectional view (B) along the XY direction of (A). With reference to FIGS. 1A and 1B, the corner portion of the tool tip includes a rake face 1 and a flank 2 and a cutting edge ridge A at a boundary between the rake face 1 and the flank 2. I have. With reference to FIG. 1 (C), the abrasion that occurs in the region indicated by 3 at the cutting edge ridge is referred to as boundary wear.

【0005】上記のような境界摩耗の発生を抑制するた
め、工具の基体を構成する窒化珪素系セラミックスにお
いて粒界ガラス相を結晶化する試みがなされてきた。し
かしながら、粒界ガラス相を結晶化すると、被覆層の基
体に対する密着強度が低下し、耐摩耗性が低下するとい
う問題点があることも本発明者らの研究で明らかとなっ
た。
[0005] In order to suppress the occurrence of boundary wear as described above, attempts have been made to crystallize the grain boundary glass phase in the silicon nitride-based ceramics constituting the base of the tool. However, the present inventors have also found that, when the grain boundary glass phase is crystallized, there is a problem that the adhesion strength of the coating layer to the substrate is reduced and the wear resistance is reduced.

【0006】また、被覆層の結晶粒子径を制御すること
によって、耐摩耗性を向上させる提案もいくつかなされ
ている。たとえば、特公平8−19525号公報では、
窒化珪素などのセラミックスを基体として、1〜10μ
mの厚みの窒化チタンまたは炭窒化チタンを適温化学蒸
着法によって基体の表面を被覆するように形成し、さら
に高温蒸着法によって酸化アルミニウムおよび/または
窒化チタンを被覆した工具の製造法が提案されている。
しかしながら、この提案では、最も内側の被覆層を構成
する窒化チタン層または炭窒化チタン層の膜厚が厚すぎ
るため、それらの層を構成する結晶粒子の形状を十分に
制御することはできなかった。そのため、被覆層の剥離
や破壊が起こりやすく、十分な耐境界摩耗性を得ること
はできなかった。
Some proposals have been made to improve the wear resistance by controlling the crystal particle diameter of the coating layer. For example, in Japanese Patent Publication No. 8-19525,
1-10μ with ceramics such as silicon nitride as base
A method for producing a tool in which titanium nitride or titanium carbonitride having a thickness of m is formed so as to cover the surface of a substrate by a suitable temperature chemical vapor deposition method and further coated with aluminum oxide and / or titanium nitride by a high temperature vapor deposition method has been proposed. I have.
However, in this proposal, since the thickness of the titanium nitride layer or the titanium carbonitride layer constituting the innermost coating layer is too large, it was not possible to sufficiently control the shape of the crystal grains constituting those layers. . Therefore, peeling or destruction of the coating layer easily occurs, and sufficient boundary wear resistance cannot be obtained.

【0007】さらに、特開平5−208301号公報で
は、窒化珪素系セラミックス基体の表面に平均層厚0.
05〜0.3μmの窒化チタン層からなる下地層と、そ
の下地層の上に形成された平均層厚0.1〜0.4μm
の炭窒酸化チタン層からなる中間層と、さらにその中間
層の上に形成された平均層厚1.5〜4.0μmを有す
る平均結晶粒度3μm以下の酸化アルミニウム層からな
る最外層を被覆したことを特徴とした被覆窒化珪素系セ
ラミックス製切削工具が提案されている。しかしなが
ら、この提案では、酸化アルミニウム層の平均結晶粒径
を3μm以下とするために下地層、中間層の膜厚を規定
しているが、この構造や膜厚の規定だけでは、窒化珪素
系セラミックス基体、特に粒界ガラス相が結晶化した窒
化珪素系セラミックス基体に対する被覆層の密着強度が
不十分であった。さらに、被覆層を構成する各層の膜
質、特にチタン化合物系の被覆層の強度が十分でないた
め、耐境界摩耗性を十分に向上させることはできなかっ
た。
[0007] Further, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-208301, an average layer thickness of 0.
A base layer made of a titanium nitride layer having a thickness of 0.5 to 0.3 μm, and an average layer thickness of 0.1 to 0.4 μm formed on the base layer.
And an outermost layer formed of an aluminum oxide layer having an average grain size of 3 μm or less and an average layer thickness of 1.5 to 4.0 μm formed on the intermediate layer. A cutting tool made of coated silicon nitride-based ceramics characterized by this is proposed. However, in this proposal, the thicknesses of the underlayer and the intermediate layer are specified in order to make the average crystal grain size of the aluminum oxide layer 3 μm or less. The adhesion strength of the coating layer to a substrate, especially a silicon nitride-based ceramics substrate in which a grain boundary glass phase was crystallized, was insufficient. Furthermore, since the film quality of each layer constituting the coating layer, particularly the strength of the titanium compound-based coating layer, is insufficient, the boundary wear resistance cannot be sufficiently improved.

【0008】また、一方では、鋳鉄の高速切削における
耐摩耗性を向上させるために、鉄に対する化学的安定性
に優れたアルミナ膜が被覆層として必須と考えられてい
る。そこで、特公昭59−13475号公報では、窒化
珪素の母材にアルミナ膜を直接被覆することが提案され
た。しかしながら、この方法では、アルミナ膜が異常成
長し、耐摩耗性、耐剥離性が不十分であった。
On the other hand, it is considered that an alumina film having excellent chemical stability to iron is indispensable as a coating layer in order to improve wear resistance in high-speed cutting of cast iron. Therefore, Japanese Patent Publication No. 59-13475 proposes to directly coat a silicon nitride base material with an alumina film. However, in this method, the alumina film grows abnormally, and the wear resistance and the peeling resistance are insufficient.

【0009】これに対して、特公昭61−19367号
公報では、アルミナ膜の内側にTi、Zrなどの化合物
膜を被覆することにより、アルミナの異常粒成長を抑制
し、耐摩耗性、耐剥離性を向上させる技術が提案されて
いる。しかしながら、この提案においても、アルミナの
結晶粒の性状は十分に制御されたものではなく、耐摩耗
性、特に耐境界摩耗性を十分に向上させることはできな
かった。
On the other hand, Japanese Patent Publication No. 61-19367 discloses that an alumina film is coated with a compound film such as Ti, Zr or the like to suppress abnormal grain growth of alumina, and to provide abrasion resistance and peeling resistance. Techniques for improving the performance have been proposed. However, even in this proposal, the properties of the alumina crystal grains were not sufficiently controlled, and the wear resistance, particularly the boundary wear resistance, could not be sufficiently improved.

【0010】そこで、この発明の目的は、被覆層の基体
に対する密着強度を向上させるとともに、耐境界摩耗性
を向上させ、工具寿命を安定化させることが可能な被覆
窒化珪素系工具を提供することである。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a coated silicon nitride-based tool capable of improving the adhesion strength of a coating layer to a substrate, improving the boundary wear resistance, and stabilizing the tool life. It is.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、種々の研
究を行ない、被覆窒化珪素系工具の境界摩耗生成のメカ
ニズムについて検討した。その結果、従来の被覆窒化珪
素系工具では、チル化した黒皮により密着強度の弱い被
覆層が簡単に剥ぎ取られて、その剥ぎ取られた被覆層が
硬質摩耗粉となって、窒化珪素系セラミックスからなる
基体と黒皮との間に入り込み、窒化珪素系セラミックス
からなる基体をアブレイシブ摩耗し、被覆処理が施され
ていない工具よりも境界摩耗量が大きくなるのではない
か、と考えた。
Means for Solving the Problems The present inventors have conducted various studies and studied the mechanism of boundary wear generation of a coated silicon nitride based tool. As a result, in the conventional coated silicon nitride-based tool, the coating layer having low adhesion strength is easily peeled off by the chilled black scale, and the peeled coating layer becomes hard wear powder, and the silicon nitride-based tool is removed. It was thought that the material penetrated between the substrate made of ceramics and the black scale, abrasively abraded the substrate made of silicon nitride ceramics, and the amount of boundary wear would be larger than that of a tool not coated.

【0012】さらに、本発明者らは、上記の剥ぎ取り現
象が基体と被覆層の単純な密着強度のみではなく、被覆
層自身の強度にも依存していることを見出した。したが
って、本発明者らは、剥離しにくく、強度に優れた被覆
層を窒化珪素系セラミックスからなる基体の上に形成で
きれば、境界摩耗の粗大化は抑制できると考えた。
Further, the present inventors have found that the above-mentioned peeling phenomenon depends not only on the simple adhesion strength between the substrate and the coating layer but also on the strength of the coating layer itself. Therefore, the present inventors considered that if a coating layer that is difficult to peel off and has excellent strength can be formed on a substrate made of a silicon nitride-based ceramic, coarsening of boundary wear can be suppressed.

【0013】次に、粒界ガラス相の少なくとも一部が結
晶化した窒化珪素系セラミックスの上に被覆層を形成す
ると、粒界ガラス相が結晶化していない窒化珪素系セラ
ミックスの上に被覆層を形成する場合に比べて、密着強
度が低下する原因について本発明者らは検討した。その
結果、窒化珪素系セラミックスにおいて粒界ガラス相が
結晶化していない場合には、この粒界ガラス相に被覆層
を構成する結晶の核生成サイトが優先的に形成され、被
覆層の基体に対する密着強度を確保することができるの
に対して、粒界ガラス相が結晶化している場合には、上
記の核生成サイトが減少するため、密着力の低下が生じ
たものと考えられた。
Next, when a coating layer is formed on a silicon nitride ceramic in which at least a part of the grain boundary glass phase is crystallized, the coating layer is formed on the silicon nitride ceramic in which the grain boundary glass phase is not crystallized. The present inventors have studied the cause of the decrease in adhesion strength as compared with the case of forming. As a result, when the grain boundary glass phase is not crystallized in the silicon nitride-based ceramic, nucleation sites of crystals constituting the coating layer are preferentially formed in the grain boundary glass phase, and the adhesion of the coating layer to the substrate is reduced. When the grain boundary glass phase was crystallized while the strength could be ensured, it was considered that the nucleation sites were reduced and the adhesion was reduced.

【0014】そこで、本発明者らはさらに検討を続けた
結果、被覆層の成膜初期と後期において被覆層を構成す
る結晶粒の粒径と形状を微細に制御することによって、
粒界ガラス相の少なくとも一部が結晶化した窒化珪素系
セラミックスからなる基体の上でも耐剥離性、密着強度
に優れた被覆層を形成することができ、耐欠損性、耐摩
耗性、特に耐境界摩耗性に優れた被覆層を形成すること
ができることを見出したものである。
Therefore, the present inventors have further studied and found that the grain size and shape of the crystal grains constituting the coating layer are finely controlled in the initial stage and the later stage of the coating layer formation.
A coating layer having excellent peeling resistance and adhesion strength can be formed on a substrate made of a silicon nitride-based ceramic in which at least a part of the grain boundary glass phase is crystallized. It has been found that a coating layer having excellent boundary wear can be formed.

【0015】上記のような知見に基づいて、本発明に従
った被覆窒化珪素系工具は、粒界ガラス相の少なくとも
一部が結晶化した窒化珪素系セラミックスからなる基体
と、その基体の表面に形成された複数の被覆層とを備え
た被覆窒化珪素系工具において、基体に隣接する最も内
側の被覆層が平均結晶粒子幅5〜100nmの柱状晶を
含み、かつ0.1〜0.7μmの厚みを有する窒化チタ
ン層であることを特徴とする。
Based on the above findings, the coated silicon nitride-based tool according to the present invention provides a substrate made of a silicon nitride-based ceramic in which at least a part of a grain boundary glass phase is crystallized, A coated silicon nitride-based tool comprising a plurality of formed coating layers, wherein the innermost coating layer adjacent to the substrate includes columnar crystals having an average crystal grain width of 5 to 100 nm, and a thickness of 0.1 to 0.7 μm. It is a titanium nitride layer having a thickness.

【0016】また、上記の最も内側の被覆層として基体
に隣接する部分の窒化チタン層の少なくとも一部は、結
晶粒子径1〜30nmの粒状晶を含む。窒化チタン層の
厚みは0.3〜0.5μmの範囲内であるのが好まし
い。
The innermost coating layer may be a substrate
At least a portion of the titanium nitride layer adjacent to the
Includes granular crystals having a crystal grain size of 1 to 30 nm. Of titanium nitride layer
Preferably the thickness is in the range of 0.3-0.5μm
No.

【0017】さらに、被覆層は、すなわち1層のアルミ
ナ層を含み、そのアルミナ層が窒化チタン層の外側で直
接上に形成され、かつ平均結晶粒子径が50〜500n
mの結晶粒子を含むのが好ましい。
Further, the coating layer includes a single alumina layer, which is formed directly on the outside of the titanium nitride layer and has an average crystal grain size of 50 to 500 nm.
It is preferable to include m crystal grains.

【0018】また、被覆層の少なくとも一部の表面が、
その被覆層の少なくとも一部の鏡面状態の表面積に対し
て、1.01〜1.03の比率で拡大された表面積を有
するのが好ましい。この場合、被覆層の全体の膜厚が1
〜2μmであるのが好ましい。
Further , at least a part of the surface of the coating layer is
It is preferable that the coating layer has a surface area enlarged at a ratio of 1.01 to 1.03 with respect to a mirror surface area of at least a part of the coating layer . In this case, the overall thickness of the coating layer is 1
It is preferably about 2 μm.

【0019】結晶化した粒界ガラス相の少なくとも一部
はY2 SiO7 またはYAlO3 の少なくとも1種を含
むのが好ましい。
Preferably, at least a part of the crystallized grain boundary glass phase contains at least one of Y 2 SiO 7 and YAlO 3 .

【0020】工具の稼動部の少なくとも一部において
は、研削処理が施されていない基体の上に被覆層が形成
されていてもよい。
In at least a part of the working part of the tool , a coating layer may be formed on a substrate that has not been subjected to a grinding treatment.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】本発明の被覆窒化珪素系工具にお
いては、基体に隣接する最も内側の被覆層が、平均結晶
粒子幅5〜100nmの柱状晶を含み、かつ0.1〜
0.7μmの厚みを有する窒化チタン層である。最も内
側の被覆層である窒化チタン層を上記のように構成する
ことにより、鋳鉄の切削時において、チル化して硬度が
高くなっている鋳鉄の黒皮部によって被覆層が破壊する
のを防止することができ、また粒界ガラス相の少なくと
も一部が結晶化した窒化珪素系セラミックスからなる基
体との優れた密着性を確保することができる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the coated silicon nitride-based tool of the present invention, the innermost coating layer adjacent to the substrate contains columnar crystals having an average crystal grain width of 5 to 100 nm, and has a thickness of 0.1 to 0.1 nm.
It is a titanium nitride layer having a thickness of 0.7 μm. By configuring the titanium nitride layer, which is the innermost coating layer, as described above, at the time of cutting cast iron, it is possible to prevent the coating layer from being broken by the black skin portion of the cast iron, which is chilled and has a higher hardness. In addition, excellent adhesion to a substrate made of a silicon nitride ceramic in which at least a part of the grain boundary glass phase is crystallized can be ensured.

【0022】ここで、柱状晶の平均結晶粒子幅が5nm
よりも小さくすることは工業的に困難であり、100n
mよりも大きくすると、耐境界摩耗性が低下する。ま
た、窒化チタン層の厚みが0.1μmよりも薄いと、局
部的に被覆層によって基体の表面が覆われない部分が生
ずる。窒化チタン層の厚みを0.7μmよりも厚くして
も、耐境界摩耗性の低下の原因となる。このような理由
により、柱状晶の平均結晶粒子幅と窒化チタン層の厚み
を上記の範囲に限定した。
Here, the average crystal grain width of the columnar crystals is 5 nm.
It is industrially difficult to make it smaller than 100 n
When it is larger than m, the boundary wear resistance is reduced. If the thickness of the titanium nitride layer is smaller than 0.1 μm, a portion where the surface of the substrate is not locally covered by the coating layer occurs. Even if the thickness of the titanium nitride layer is larger than 0.7 μm, it causes a decrease in the boundary wear resistance. For these reasons, the average crystal grain width of the columnar crystals and the thickness of the titanium nitride layer were limited to the above ranges.

【0023】窒化珪素系セラミックスからなる基体の表
面のうち、稼動部の少なくとも一部において、研削処理
が施されずに基体の表面上に被覆層が形成される場合に
は、基体の表面に凹凸が生じやすいので、窒化チタン層
によって被覆されない部分が生成しやすい。このような
場合を考慮して、窒化チタン層の特に好ましい膜厚は
0.3〜0.5μmの範囲内である。
In the case where a coating layer is formed on the surface of the substrate without grinding treatment in at least a part of the operating portion of the surface of the substrate made of the silicon nitride ceramics, Therefore, a portion not covered by the titanium nitride layer is likely to be generated. In consideration of such a case, the particularly preferable thickness of the titanium nitride layer is in the range of 0.3 to 0.5 μm.

【0024】なお、上記のような構造を備えた窒化チタ
ン層を形成するためには、少なくとも被覆開始時の温度
(被覆層を形成するときの開始温度)を950℃よりも
低い温度、より好ましくは900℃よりも低い温度とす
ることが望ましい。
In order to form a titanium nitride layer having the above structure, at least the temperature at the start of coating (start temperature at the time of forming the coating layer) is preferably lower than 950 ° C., more preferably. Is desirably a temperature lower than 900 ° C.

【0025】さらに、最も内側の被覆層として基体に隣
接する部分の窒化チタン層の少なくとも一部が結晶粒子
径1〜30nmの粒状晶を含み、基体側から外表面に向
かって結晶粒子径1〜30nmの粒状晶から平均結晶粒
子幅5〜100nmの柱状晶へと変化する構造を有する
ことにより、特に優れた被覆層の密着強度、耐摩耗性、
耐境界摩耗性を示す。このように、窒化珪素系セラミッ
クスからなる基体に隣接する部分、すなわち基体との界
面部に粒状晶を生成するためには、たとえば、被覆層の
形成初期の炉内圧力を50Torr以下の低圧に設定
し、その後、炉内圧力を100Torr前後に変化させ
る必要がある。ここで、粒状晶の平均結晶粒子径が1n
mよりも小さくすることは工業的にあまり意味がなく、
30nmよりも大きくすると、耐境界摩耗性が低下す
る。このような理由により、基体に隣接する部分の結晶
粒子径の範囲を設定した。
Further, the innermost coating layer is adjacent to the substrate.
At least a part of the contacting portion of the titanium nitride layer includes a granular crystal having a crystal grain size of 1 to 30 nm, and a columnar shape having an average crystal grain width of 5 to 100 nm from the granular crystal having a crystal grain size of 1 to 30 nm from the substrate side to the outer surface. By having a structure that changes to a crystal, particularly excellent adhesion strength of the coating layer, abrasion resistance,
Shows boundary wear resistance. As described above, in order to generate a granular crystal at a portion adjacent to the substrate made of silicon nitride ceramics, that is, at an interface with the substrate, for example, the furnace pressure in the initial stage of forming the coating layer is set to a low pressure of 50 Torr or less. Then, it is necessary to change the furnace pressure to about 100 Torr. Here, the average crystal particle diameter of the granular crystals is 1n.
Making it smaller than m has little industrial significance.
If it is larger than 30 nm, the boundary wear resistance is reduced. For such a reason, the range of the crystal particle diameter of the portion adjacent to the base was set.

【0026】また、本発明の被覆窒化珪素系工具を構成
する被覆層が少なくとも1層のアルミナ層を含むのが好
ましい。このアルミナ層が窒化チタン層の外側で直接上
に形成されると、窒化チタンの結晶粒子が非常に細か
く、窒化チタン層の表面が平坦であるため、その窒化チ
タン層の表面上でアルミナの核生成が非常に緻密で均一
なものとなる。特にアルミナ層を構成するアルミナの平
均結晶粒径が50〜500nmの範囲内であれば、非常
に微細で凹凸の小さい表面性状となり、窒化チタン層に
対する密着強度が向上するとともに、アルミナ層の破壊
強度も向上するため、耐摩耗性、耐欠損性、特に耐境界
摩耗性が向上する。
Further, it is preferable that the coating layer constituting the coated silicon nitride-based tool of the present invention contains at least one alumina layer. When this alumina layer is formed directly on the outer side of the titanium nitride layer, the crystal grains of titanium nitride are very fine, and the surface of the titanium nitride layer is flat. The formation is very dense and uniform. In particular, when the average crystal grain size of alumina constituting the alumina layer is in the range of 50 to 500 nm, the surface becomes very fine and has a small surface roughness, the adhesion strength to the titanium nitride layer is improved, and the fracture strength of the alumina layer is improved. Therefore, wear resistance and chipping resistance, particularly boundary wear resistance, are improved.

【0027】なお、アルミナ層は、被覆層の最も内側に
位置する窒化チタン層の上に直接形成するのが最も好ま
しいが、微細な窒化チタン粒子による効果を減少させな
い程度であれば、好ましくは0.5μm以下の膜厚のチ
タン系化合物の層、さらに好ましくは0.3μm以下の
膜厚のチタン系化合物の層を窒化チタン層とアルミナ層
との間に形成してもよい。この場合、チタン系化合物と
しては、チタンの炭化物、炭窒化物、硼窒化物、炭酸化
物、炭窒酸化物などが挙げられる。
The alumina layer is most preferably formed directly on the titanium nitride layer located on the innermost side of the coating layer. However, it is preferably 0 if the effect of the fine titanium nitride particles is not reduced. A layer of a titanium-based compound having a thickness of 0.5 μm or less, more preferably, a layer of a titanium-based compound having a thickness of 0.3 μm or less may be formed between the titanium nitride layer and the alumina layer. In this case, examples of the titanium-based compound include titanium carbide, carbonitride, boronitride, carbonate, and carbonitride.

【0028】また、上記のアルミナ層を構成するアルミ
ナの結晶相としては、微細な膜質を示すκ−アルミナが
好ましいが、本発明の効果を達成する限りにおいては、
α−アルミナであってもよい。
As the crystal phase of alumina constituting the above-mentioned alumina layer, κ-alumina showing fine film quality is preferable, but as long as the effects of the present invention are achieved,
α-alumina may be used.

【0029】さらに、被覆層の最外層には、切屑の排出
性を向上させるために、低い摩擦係数を示す層、たとえ
ば窒化チタン(TiN)層を形成してもよい。
Further, a layer having a low coefficient of friction, for example, a titanium nitride (TiN) layer may be formed as the outermost layer of the coating layer in order to improve the chip discharge property.

【0030】さらに、本発明者らは被覆層の少なくとも
一部の表面が、その被覆層の少なくとも一部の鏡面状態
の表面積に対して、一定比率で拡大された表面積を有す
ることにより、被覆層の耐剥離性と耐欠損性を向上させ
ることができることを見出した。このような知見に基づ
いて、本発明に従った被覆窒化珪素系工具においては、
被覆層の少なくとも一部が、その被覆層の少なくとも一
部の鏡面状態の表面積に対して、1.01〜1.03の
範囲の比率で拡大された表面積を有する。このとき、上
記の被覆層の全体の膜厚は1〜2μmの範囲内であるの
が好ましい。上記の被覆層の少なくとも一部は、工具の
切れ刃稜線部、すくい面、または逃げ面の領域であるこ
とが好ましい。
Further, the present inventors have proposed that at least
A part of the surface has a surface area enlarged at a certain ratio with respect to a surface area of at least a part of a mirror state of the coating layer, so that peeling resistance and fracture resistance of the coating layer can be improved. Was found. Based on such knowledge, in the coated silicon nitride based tool according to the present invention,
At least a part of the coating layer has at least one of the coating layers.
It has an enlarged surface area at a ratio in the range of 1.01 to 1.03 with respect to the mirror surface area of the portion . At this time, it is preferable that the entire film thickness of the above-mentioned coating layer is in the range of 1 to 2 μm. It is preferable that at least a part of the coating layer is a cutting edge ridge portion, a rake face, or a flank area of the tool.

【0031】上記の拡大比率は具体的には一例として以
下のような方法で測定される。上記の拡大比率は増加表
面積比率として測定され、言い換えれば、被覆層の少な
くとも一部の表面が1〜3%の増加表面積比率として測
定される。この増加表面積比率の一例として、株式会社
エリオニクス製三次元粗さ形状測定器を用いて測定した
値が用いられる。倍率を5000倍に設定して被覆層の
表面を測定し、測定視野内の水平方向と垂直方向のサン
プリング数をそれぞれ280点、210点とする。ここ
で、測定視野の面積をSm、測定された部分の表面積を
Saとしたときに増加表面積比率ΔSは以下の式で表わ
される。
The above enlargement ratio is specifically measured by the following method as an example. The above enlargement ratio is measured as the increase surface area ratio, in other words, the less the covering layer
At least some of the surfaces are measured as an increased surface area ratio of 1-3%. As an example of the increased surface area ratio, a value measured using a three-dimensional roughness profile measuring device manufactured by Elionix Inc. is used. The magnification is set to 5000 times to measure the surface of the coating layer, and the sampling numbers in the horizontal and vertical directions in the measurement visual field are set to 280 points and 210 points, respectively. Here, assuming that the area of the measurement visual field is Sm and the surface area of the measured portion is Sa, the increase surface area ratio ΔS is expressed by the following equation.

【0032】ΔS=(Sa/Sm−1)×100(%) 上記の数式によって定量化された数値を増加表面積比率
とする。同様の原理で計測可能な装置であれば、その定
量化された数値を同じ指標で用いることもできる。この
場合、測定視野表面積Smは被覆層の鏡面状態の表面積
に相当し、測定された部分の表面積Saはその測定視野
面積Smに対応するものとして、被覆層の拡大された表
面積に相当する。
ΔS = (Sa / Sm−1) × 100 (%) The numerical value quantified by the above equation is defined as the increased surface area ratio. If the device can be measured by the same principle, the quantified numerical value can be used for the same index. In this case, the measured visual field surface area Sm corresponds to the specular surface area of the coating layer, and the measured surface area Sa corresponds to the measured visual field area Sm and corresponds to the enlarged surface area of the coating layer.

【0033】なお、上記の測定において、測定倍率は、
被覆層が形成される基体の表面のうねりを排除し、微細
な凹凸を測定するために、たとえば5000倍と設定さ
れる。
In the above measurement, the measurement magnification is
In order to eliminate undulations on the surface of the substrate on which the coating layer is formed and to measure fine irregularities, for example, it is set to 5000 times.

【0034】上記のような指標を用いると、従来から注
目されていた高さ方向の面粗さ、たとえばRa、Rma
xなどの面粗さの情報だけでなく、水平方向の面粗さの
情報も含めた三次元の面粗さに関する情報を得ることが
できる。さらに、従来の触針式の粗さ測定器では、粒子
径が50〜500nmの微細な結晶粒子を有する被覆層
の凹凸の凹部に触針を入れることができないため、微細
な凹凸を有する被覆層の表面性状を定量化することはで
きなかった。しかし、電子線を用いた本測定では、凹部
の間隔が500nm以下と非常に狭い部分でもその形状
を測定することが可能であるため、被覆層のような非常
に微細な凹部を有する材料の表面性状を評価するのに適
している。同程度の平均結晶粒径を有する被覆層同士で
も、この増加表面積比率が大きく異なる場合がある。本
発明者らは、このことに注目し、特に増加表面積比率が
1〜3%のときに優れた耐摩耗性、耐境界摩耗性を発揮
することを見出した。
Using the index as described above, the surface roughness in the height direction, which has been noticed conventionally, for example, Ra, Rma
It is possible to obtain not only information on surface roughness such as x but also information on three-dimensional surface roughness including information on surface roughness in the horizontal direction. Furthermore, with a conventional stylus-type roughness measuring instrument, a stylus cannot be inserted into a concave portion of an unevenness of a coating layer having fine crystal particles having a particle diameter of 50 to 500 nm, so that a coating layer having fine unevenness is formed. Could not be quantified. However, in this measurement using an electron beam, it is possible to measure the shape of even a very narrow portion where the interval between the concave portions is 500 nm or less, so that the surface of a material having a very fine concave portion such as a coating layer can be measured. Suitable for evaluating properties. Even if the coating layers have the same average crystal grain size, the ratio of the increased surface area may be significantly different. The present inventors have paid attention to this fact, and have found that particularly when the increased surface area ratio is 1 to 3%, excellent wear resistance and boundary wear resistance are exhibited.

【0035】被覆層の全体の膜厚が1μmよりも薄い
と、被覆層によってもたらされる効果が小さく、2μm
よりも厚いと増加表面積比率を1〜3%の範囲内に収め
ることが困難となる。そのため、被覆層の全体の膜厚を
上記の範囲内に限定した。
If the total thickness of the coating layer is smaller than 1 μm, the effect provided by the coating layer is small, and
If it is thicker, it becomes difficult to keep the increased surface area ratio within the range of 1 to 3%. Therefore, the total thickness of the coating layer is limited to the above range.

【0036】また、本発明の被覆窒化珪素系工具におい
て基体として用いられる窒化珪素系セラミックスには、
粒界ガラス相の少なくとも一部が結晶化したものが用い
られる。その結晶化粒界相の成分としてY2 SiO7
たはYAlO3 の少なくとも1種が含まれていると、そ
れ以外の結晶相が粒界に析出している場合と比較して、
被覆層の基体に対する密着強度が高くなり、耐境界摩耗
性にも優れる。
The silicon nitride ceramic used as a substrate in the coated silicon nitride tool of the present invention includes:
The one in which at least a part of the grain boundary glass phase is crystallized is used. When at least one of Y 2 SiO 7 or YAlO 3 is contained as a component of the crystallized grain boundary phase, compared with the case where other crystal phases are precipitated at the grain boundary,
The adhesion strength of the coating layer to the substrate is increased, and the boundary wear resistance is excellent.

【0037】なお、窒化珪素系セラミックスの機械加工
は困難であるので、研削コストが他の工具材料と比較し
て高価となりやすい。このため、基体として用いられる
窒化珪素系セラミックスの表面に研削加工を施さずに工
具として使用する試みがなされている。しかしながら、
窒化珪素は焼結中に針状に成長したβ−窒化珪素が表面
に自由成長しやすく、このような表面を有する焼結体に
研削加工を施さずに被覆層を形成すると、自由成長した
β−窒化珪素の先端に優先的に被覆層を構成する結晶の
核が生成し、異常に粒成長することが知られている。こ
のような現象を防ぐための提案もいくつかなされている
が、研削処理が施されていない窒化珪素系セラミックス
焼結体の表面には微細な凹部が存在しており、被覆層を
構成する結晶の核がこの凹部分で生成するのは依然とし
て不十分である。そのため、被覆層の基体に対する密着
強度が不十分となるので、耐剥離性の改善が望まれてい
た。
Since machining of silicon nitride ceramics is difficult, the grinding cost tends to be higher than other tool materials. For this reason, attempts have been made to use the silicon nitride-based ceramic as a tool without grinding the surface of the silicon nitride-based ceramic used as a substrate. However,
In silicon nitride, β-silicon nitride that grows in a needle shape during sintering easily grows freely on the surface. If a coating layer is formed on a sintered body having such a surface without grinding, the β-silicon nitride that has grown freely grows. -It is known that crystal nuclei constituting the coating layer are preferentially generated at the tip of silicon nitride, and abnormal grain growth occurs. Although some proposals have been made to prevent such a phenomenon, fine recesses are present on the surface of the silicon nitride-based ceramics sintered body that has not been subjected to the grinding treatment, and the crystal constituting the coating layer is formed. Nuclei are still insufficient to form in these recesses. For this reason, the adhesion strength of the coating layer to the substrate becomes insufficient, and thus improvement in peel resistance has been desired.

【0038】このような従来の問題点に対して、本発明
のような非常に微細な窒化チタン層を基体に隣接する最
も内側の層として形成すると、基体を構成する窒化珪素
系セラミックス焼結体の表面の凹部にも窒化チタン層の
核が生成し、被覆層の密着強度が飛躍的に向上すること
が判明した。このようにして、高性能で安価な被覆窒化
珪素系工具の製造が可能となった。このことの工業的な
価値は非常に大きいものである。
In order to solve such a conventional problem, when a very fine titanium nitride layer as in the present invention is formed as the innermost layer adjacent to the substrate, the silicon nitride ceramic sintered body constituting the substrate is formed. It has been found that nuclei of the titanium nitride layer are also generated in the concave portions on the surface of the above, and the adhesion strength of the coating layer is dramatically improved. Thus, a high-performance and inexpensive coated silicon nitride-based tool can be manufactured. The industrial value of this is enormous.

【0039】[0039]

【実施例】【Example】

(実施例1)アルミナで内張りしたボールミルを用い
て、α−窒化珪素粉末を93重量%、アルミナ粉末を2
重量%、イットリア粉末を5重量%の割合でエタノール
中で混合し、スプレードライヤーによって混合粉末に造
粒処理を施した。このように処理された粉末を金型を用
いて1ton/cm2 の圧力でプレスした。得られた成
形体を窒素ガス中、5気圧で温度1800℃において1
時間保持し、焼結した。さらに、その焼結体を窒素ガス
中において温度1400℃で4時間保持して熱処理し、
粒界ガラス相を結晶化処理した。
(Example 1) Using a ball mill lined with alumina, 93% by weight of α-silicon nitride powder and 2% of alumina powder were used.
5% by weight of yttria powder was mixed in ethanol at a ratio of 5% by weight, and the mixed powder was granulated by a spray drier. The powder thus treated was pressed with a mold at a pressure of 1 ton / cm 2 . The obtained molded body was placed in a nitrogen gas at 5 atm and a temperature of 1800 ° C. for 1 hour.
Hold for a time and sinter. Further, the sintered body is heat-treated while being held at a temperature of 1400 ° C. for 4 hours in a nitrogen gas,
The grain boundary glass phase was crystallized.

【0040】次に、得られた窒化珪素系セラミックス焼
結体の上下面を平面研削し、さらに外周研削後、図1の
(B)に示すようにすくい面1と逃げ面2が交差する切
れ刃稜線部において角度θが25°、Lが0.2mmと
なるように面取り加工を施した。このようにして、IS
O型番SNGN120408形状のチップを作製した。
Cu−Kα線によるX線回折を用いて、このチップの結
晶相を調べたところ、結晶化したガラス相としてYNS
iO2 、Y2 Si3 4 3 が観察された。
Next, the upper and lower surfaces of the obtained silicon nitride-based ceramics sintered body are ground, and after the outer periphery is ground, a cut where the rake face 1 and the flank 2 intersect as shown in FIG. Chamfering was performed so that the angle θ was 25 ° and L was 0.2 mm at the blade ridge line portion. Thus, IS
An O-shaped SNGN120408-shaped chip was produced.
When the crystal phase of this chip was examined using X-ray diffraction by Cu-Kα ray, YNS was determined as a crystallized glass phase.
iO 2 and Y 2 Si 3 N 4 O 3 were observed.

【0041】このようにして準備したチップとしての窒
化珪素系セラミックス焼結体の基体の表面に、通常の化
学蒸着装置を用いて、原料ガスとしてH2 、N2 、Ti
Cl 4 を用いて、100Torrの炉内圧力で窒化チタ
ン層を被覆するように形成した。なお、窒化チタン層の
形成温度(被覆温度)は表1に示すとおりである。さら
に上層として、原料ガスとしてH2 、CO2 、AlCl
3 、H2 Sを用いて、100Torrの炉内圧力にて温
度1000℃で膜厚1μmのアルミナ層を窒化チタン層
の上に被覆するように形成して表1に示すサンプルN
o.1−1〜1−8を準備した。
The nitrogen prepared as the chip thus prepared is
The surface of the silicon carbide ceramic sintered body
Using a chemical vapor deposition apparatus, HTwo, NTwo, Ti
Cl FourAt a furnace pressure of 100 Torr by using
It was formed so as to cover the coating layer. Note that the titanium nitride layer
The forming temperature (coating temperature) is as shown in Table 1. Further
H as the upper layerTwo, COTwo, AlCl
Three, HTwoS at a furnace pressure of 100 Torr
An alumina layer with a thickness of 1 μm at a temperature of 1000 ° C. and a titanium nitride layer
Sample N shown in Table 1
o. 1-1 to 1-8 were prepared.

【0042】透過電子顕微鏡を用いて倍率6〜70万倍
にて、これらのサンプルの断層を写真撮影し、窒化チタ
ン層の平均結晶粒子幅とアルミナ層の平均結晶粒子径を
測定した。平均結晶粒子幅または平均結晶粒子径は、い
くつかの結晶粒子のそれぞれの断面形状を横切る直線を
引き、直線と結晶粒子の断面外形線とが交差する2点間
の距離を結晶粒子幅または結晶粒子径とし、それらの平
均値として測定された。なお、窒化チタン層において柱
状粒子の結晶粒子幅は、窒化チタン層の厚み方向で粒子
のほぼ中心位置で直線を引き、その直線と粒子の外形線
とが交差する2点間の距離を用いた。
Tomographic images of these samples were photographed with a transmission electron microscope at a magnification of 60,000 to 700,000, and the average crystal grain width of the titanium nitride layer and the average crystal grain diameter of the alumina layer were measured. The average crystal grain width or average crystal grain diameter is obtained by drawing a straight line that crosses the cross-sectional shape of each of several crystal grains, and determining the distance between two points where the straight line and the cross-sectional outline of the crystal grain intersect. The particle diameter was measured and their average was measured. The crystal grain width of the columnar particles in the titanium nitride layer was determined by drawing a straight line at the approximate center of the particle in the thickness direction of the titanium nitride layer, and using the distance between two points where the straight line intersected the outer shape of the particle. .

【0043】次に、これらのサンプルの表面に垂直方向
からダイヤモンド製ビッカース圧子を押し当て、一定荷
重を加えながら引っ掻く方法で、被覆層に剥離が発生す
るときの荷重(剥離荷重)を求めるテストを行なった。
Next, a test was performed to determine the load (peeling load) when peeling occurred in the coating layer by a method in which a diamond Vickers indenter was pressed against the surface of these samples from the vertical direction and the sample was scratched while applying a constant load. Done.

【0044】また、黒皮のついた鋳鉄(FC25)を切
削速度500m/min.、送り0.3mm/re
v.、切込1.5mm、湿式にて10分間切削し、逃げ
面の平均摩耗量と境界摩耗量とを測定した。
A cast iron (FC25) with black scale was cut at a cutting speed of 500 m / min. , Feed 0.3mm / re
v. The wafer was cut for 10 minutes by a wet method with a cut of 1.5 mm, and the average amount of wear on the flank and the amount of boundary wear were measured.

【0045】以上の測定結果は、表1に示されている。
なお、表1中においてサンプルNo.を示す数字の右肩
部に*が付されているサンプルは本発明例であることを
示す。
The above measurement results are shown in Table 1.
In Table 1, the sample No. The sample in which * is added to the right shoulder of the numeral indicating that this is an example of the present invention.

【0046】表1からわかるように、窒化珪素系セラミ
ックス焼結体の表面に隣接する最も内側の層として窒化
チタン層が平均結晶粒子幅5〜100nmの柱状晶から
主に構成されている場合、アルミナ層の平均結晶粒子径
は50〜500nmと小さくでき、被覆層の密着強度、
耐摩耗性、耐剥離性に優れていることがわかる。また、
窒化チタン層の厚みが0.3〜0.5μmのとき、耐境
界摩耗性において特に優れた被覆窒化珪素系工具を得る
ことができることがわかる。
As can be seen from Table 1, when the titanium nitride layer as the innermost layer adjacent to the surface of the silicon nitride ceramic sintered body is mainly composed of columnar crystals having an average crystal grain width of 5 to 100 nm, The average crystal particle diameter of the alumina layer can be as small as 50 to 500 nm, the adhesion strength of the coating layer,
It turns out that it is excellent in abrasion resistance and peeling resistance. Also,
It can be seen that when the thickness of the titanium nitride layer is 0.3 to 0.5 μm, a coated silicon nitride-based tool having particularly excellent boundary wear resistance can be obtained.

【0047】(実施例2)実施例1で用いたものと同じ
窒化珪素系セラミックス焼結体からなる基体の表面上
に、隣接する最も内側の層として窒化チタン層を被覆す
るように形成するときに、形成工程の最初の10分間
(窒化チタン層の形成時間の全体の6分の1)のみ、炉
内圧力を20Torrとする以外は、サンプルNo.1
−4と同じ被覆層の形成条件で、表1に示すサンプルN
o.2−1を作製した。
(Example 2) When a titanium nitride layer is formed on the surface of a substrate made of the same silicon nitride-based ceramics sintered body as used in Example 1 so as to cover an adjacent innermost layer. During the first 10 minutes of the forming process (only one sixth of the time for forming the titanium nitride layer), the sample pressure was set to 20 Torr, except that the sample pressure was 20 Torr. 1
Sample N shown in Table 1 under the same coating layer formation conditions as
o. 2-1 was produced.

【0048】透過電子顕微鏡を用いて倍率6〜70万倍
にて、このサンプルの被覆層を観察したところ、窒化珪
素系セラミックスからなる基体と窒化チタン層との間の
界面近傍に結晶粒径1〜30μmの粒状晶が観察され
た。実施例1と同様にして、このサンプルの被覆層の密
着強度と耐摩耗性を評価するために測定した剥離荷重と
逃げ面平均摩耗量、境界摩耗量を表1中に示す。その結
果によれば、窒化珪素系セラミックスからなる基体と窒
化チタン層との界面近傍に粒状晶を有するサンプルN
o.2−1の方が、粒状晶を含まないサンプルNo.1
−4よりも密着強度、耐摩耗性に優れることがわかる。
When the coating layer of this sample was observed with a transmission electron microscope at a magnification of 60,000 to 700,000, the crystal grain size was found near the interface between the substrate made of silicon nitride ceramic and the titanium nitride layer. Granular crystals of 3030 μm were observed. In the same manner as in Example 1, the peeling load, the average flank wear, and the boundary wear measured in order to evaluate the adhesion strength and wear resistance of the coating layer of this sample are shown in Table 1. According to the results, the sample N having granular crystals near the interface between the substrate made of silicon nitride ceramics and the titanium nitride layer
o. Sample No. 2-1 does not include granular crystals. 1
It can be seen that the adhesive strength and abrasion resistance are superior to -4.

【0049】[0049]

【表1】 [Table 1]

【0050】(実施例3)表2に示すように、さまざま
な粒界結晶相を有する窒化珪素系セラミックス焼結体か
らなる基体(母材)(A〜E)を準備した。なお、Aは
実施例1で作製した基体と同一組成で粒界ガラス相の少
なくとも一部を結晶化する熱処理を施していないもの、
BはAを温度1700℃にて1000気圧の窒化ガス中
でHIP(熱間静水圧プレス)処理したものである。
Example 3 As shown in Table 2, substrates (base materials) (A to E) made of silicon nitride ceramic sintered bodies having various grain boundary crystal phases were prepared. A has the same composition as that of the substrate produced in Example 1 and has not been subjected to heat treatment for crystallizing at least a part of the grain boundary glass phase;
B is obtained by subjecting A to HIP (hot isostatic pressing) in a nitriding gas at a temperature of 1700 ° C. and 1000 atm.

【0051】これらの基体に、実施例1で作製したサン
プルNo.1−1およびNo.1−4と同一の被覆層を
形成し、実施例1と同様にして密着強度として剥離荷重
を、耐摩耗性の評価として逃げ面平均摩耗量と境界摩耗
量を測定した。これらの結果を表3中に示す。なお、表
3中において被覆層種別として「a」はサンプルNo.
1−1と同一の被覆層であることを示し、「b」はサン
プルNo.1−4と同一の被覆層であることを示す。ま
た、表3中のサンプルNo.を示す数字の右肩部に*が
付されているものは本発明例であることを示す。
The sample No. prepared in Example 1 was applied to these substrates. 1-1 and No. 1 The same coating layer as in 1-4 was formed, and the peeling load was measured as the adhesion strength in the same manner as in Example 1, and the average flank wear and boundary wear were measured as the evaluation of wear resistance. The results are shown in Table 3. In Table 3, “a” is the sample No. as the coating layer type.
1-1 shows that the coating layer is the same as that of Sample No. 1-1. It shows that it is the same coating layer as 1-4. Further, in Table 3, the sample No. The ones with asterisks on the right shoulder of the numbers indicating are examples of the present invention.

【0052】表1と表3を参照して、サンプルNo.3
−1とNo.1−1、No.3−3の比較により、本発
明と異なる構成を有する被覆層(a)を形成したサンプ
ルにおいては、粒界ガラス相を結晶化したサンプルの方
が粒界ガラス相を結晶化していないサンプルよりも密着
強度が低下していることがわかる。また、サンプルN
o.3−2とNo.1−4、No.3−4の比較によ
り、本発明の構成を有する被覆層(b)を形成したサン
プルにおいては、粒界ガラス相を結晶化したサンプルは
粒界ガラス相を結晶化していないサンプルと同等以上の
密着強度を有することがわかる。
Referring to Tables 1 and 3, sample no. 3
-1 and No. 1-1, No. 1; According to the comparison of 3-3, in the sample in which the coating layer (a) having a configuration different from that of the present invention was formed, the sample in which the grain boundary glass phase was crystallized was better than the sample in which the grain boundary glass phase was not crystallized. It can be seen that the adhesion strength has decreased. Sample N
o. 3-2 and no. 1-4, No. According to the comparison of 3-4, in the sample in which the coating layer (b) having the configuration of the present invention was formed, the sample in which the grain boundary glass phase was crystallized had the same or higher adhesion than the sample in which the grain boundary glass phase was not crystallized. It turns out that it has strength.

【0053】また、粒界相の結晶化処理を施したいずれ
のサンプルにおいても、本発明の構成を有する被覆層
(b)を備えたサンプルの方が、本発明と異なる構成を
有する被覆層(a)よりも優れた密着強度、切削性能す
なわち耐摩耗性を示すことがわかる。その中でも特に優
れた性能を示すものは、Y2 SiO7 、YAlO3 を粒
界結晶相として有するサンプルNo.3−6であった。
In each of the samples subjected to the crystallization treatment of the grain boundary phase, the sample provided with the coating layer (b) having the structure of the present invention has a coating layer ( It can be seen that the adhesive strength and the cutting performance, that is, the abrasion resistance, are superior to those of the case a). Among them, Sample No. 1 having Y 2 SiO 7 and YAlO 3 as the grain boundary crystal phase exhibits particularly excellent performance. 3-6.

【0054】[0054]

【表2】 [Table 2]

【0055】[0055]

【表3】 [Table 3]

【0056】(実施例4)実施例1で作製したサンプル
のすくい面を株式会社エリオニクス製三次元形状測定器
(型番ERA−8000)を用いて、倍率5000倍で
測定し、増加表面積比率を求めた。その結果を表4に示
す。なお、表4中においてサンプルNo.を示す数字の
右肩部に*が付されたものは本発明例を示す。
(Example 4) The rake face of the sample prepared in Example 1 was measured at a magnification of 5000 times using a three-dimensional shape measuring device manufactured by Elionix Inc. (model number ERA-8000), and the increased surface area ratio was determined. Was. Table 4 shows the results. In Table 4, sample No. The ones with an asterisk on the right shoulder of the number indicating the present invention indicate examples of the present invention.

【0057】表1と表4からわかるように、増加表面積
比率が1〜3%の範囲内にある本発明例のサンプルN
o.1−3、1−4、2−1が特に優れた耐境界摩耗性
を示すことがわかる。本発明例のサンプルNo.1−6
は、窒化チタン層の平均粒子幅とアルミナ層の平均粒子
径において非常に微細で好ましいものであったが、上記
の測定器を用いた巨視的な表面粗さの観察結果では、局
部的に粗大なアルミナ粒子が生成していたために、増加
表面積比率が大きくなり、境界摩耗量がやや大きな値に
なったものと考えられる。このように粗大な粒子を有す
るアルミナ層が生成した原因としては、その内側の層と
して窒化チタン層の厚みが0.1μmと薄すぎたため
に、局部的に窒化チタン層によって被覆されていない基
体の表面部分が生じ、その部分では直接、アルミナ層が
窒化珪素系セラミックスからなる基体を被覆しているた
め、アルミナの異常粒成長が生じたものと思われる。
As can be seen from Tables 1 and 4, the sample N of the present invention having an increased surface area ratio in the range of 1 to 3% was used.
o. It turns out that 1-3, 1-4, and 2-1 show especially excellent boundary wear resistance. Sample No. of the present invention example. 1-6
Was very fine and preferable in terms of the average particle width of the titanium nitride layer and the average particle diameter of the alumina layer. According to the macroscopic surface roughness observation using the above-described measuring device, the surface was locally coarse. It is considered that the increased surface area ratio was increased due to the generation of the fine alumina particles, and the boundary wear amount became a slightly large value. The reason for the formation of the alumina layer having such coarse particles is that the thickness of the titanium nitride layer as the inner layer was too thin as 0.1 μm, and that the base layer not locally covered by the titanium nitride layer was used. Since a surface portion is formed and the alumina layer directly covers the substrate made of the silicon nitride ceramics at that portion, it is considered that abnormal grain growth of alumina has occurred.

【0058】[0058]

【表4】 [Table 4]

【0059】(実施例5)実施例2で作製したサンプル
No.2−1とアルミナ層の膜厚のみが異なるサンプル
No.5−1、5−2、5−3を作製した。これらのサ
ンプルを用いて、実施例1と同様にして密着強度と切削
性能(耐摩耗性)を評価し、剥離強度と逃げ面平均摩耗
量、境界摩耗量の測定結果を表5に示す。表5には、実
施例4と同様にして測定した増加表面積比率の結果も示
す。
(Example 5) The sample no. Sample No. 2-1 differs only in the thickness of the alumina layer from Sample No. 2-1. 5-1, 5-2, and 5-3 were produced. Using these samples, the adhesion strength and the cutting performance (wear resistance) were evaluated in the same manner as in Example 1, and the measurement results of the peel strength, the flank average wear amount, and the boundary wear amount are shown in Table 5. Table 5 also shows the results of the increased surface area ratio measured in the same manner as in Example 4.

【0060】表5からわかるように、被覆層の全体の膜
厚が2μm以下のサンプルは増加表面積比率が3%以下
であり、境界摩耗量も小さいことがわかる。
As can be seen from Table 5, the samples having an overall coating layer thickness of 2 μm or less have an increased surface area ratio of 3% or less and a small amount of boundary wear.

【0061】[0061]

【表5】 [Table 5]

【0062】(実施例6)実施例3で作製した窒化珪素
系セラミックスからなる基体(C)と同じ組成の基体
に、全面研削(すくい面と逃げ面の研削)を行なったI
SO型番SNGN120408の形状のチップと、すく
い面のみの研削を行なったISO型番SNMN1204
08の形状のチップを作製した。なお、いずれのチップ
に対しても、図1の(B)に示すようにすくい面1と逃
げ面2の交差する切れ刃稜線部において角度θが25°
で長さLが0.2mmの面取り加工を施した。
(Example 6) A substrate having the same composition as the substrate (C) made of the silicon nitride-based ceramics produced in Example 3 was subjected to overall grinding (grip of the rake face and flank face).
A chip having the shape of SO model number SNGN120408 and an ISO model number SNMN1204 in which only the rake face is ground.
A chip having a shape of 08 was produced. In addition, as shown in FIG. 1B, the angle θ is 25 ° at the cutting edge ridge portion where the rake face 1 and the flank face 2 intersect as shown in FIG.
And the length L was 0.2 mm.

【0063】これらのチップの基体の表面に実施例1で
作製したサンプルNo.1−1と1−4と同一の構成を
有する被覆層を形成し、実施例1と同じ切削試験を行な
うことにより、切削性能(耐摩耗性)の評価を行なっ
た。
The sample No. prepared in Example 1 was placed on the surface of the substrate of these chips. A coating layer having the same configuration as that of 1-1 and 1-4 was formed, and the same cutting test as in Example 1 was performed to evaluate the cutting performance (wear resistance).

【0064】その結果を表6に示す。なお、表6中にお
いて、被覆層種別として「a」はサンプルNo.1−1
と同一の構成を有する被覆層であることを示し、「b」
はサンプルNo.1−4と同一の構成を有する被覆層で
あることを示す。また、サンプルNo.を示す数値の右
肩部に*が付されているものは、本発明例であることを
示す。さらに、未研削面の有無において「なし」はすく
い面と逃げ面を含む全面が研削されたことを示し、「あ
り」はすくい面のみが研削されたことを示す。
Table 6 shows the results. In Table 6, “a” is the sample No. as the coating layer type. 1-1
Indicates that the coating layer has the same configuration as “b”.
Is the sample No. It shows that the coating layer has the same configuration as 1-4. In addition, the sample No. A number with asterisks at the right shoulder of the numerical value indicating that this is an example of the present invention. Further, in the presence or absence of an unground surface, “none” indicates that the entire surface including the rake surface and the flank surface has been ground, and “present” indicates that only the rake surface has been ground.

【0065】表6からわかるように、すくい面のみ研削
加工したチップの基体の表面上に本発明と異なる構成を
有する被覆層(a)を形成したサンプルNo.6−3で
は、早期に被覆層の剥離が発生し、境界摩耗量が大きな
値を示した。また、すくい面のみ研削加工したチップの
基体の表面上に本発明の構成を有する被覆層(b)を形
成したサンプルNo.6−4では、全面研削したチップ
の基体の表面上に本発明の構成を有する被覆層(b)を
形成したサンプルNo.6−2とほぼ同等の切削性能
(耐摩耗性)を実現することができた。
As can be seen from Table 6, the sample No. in which the coating layer (a) having a configuration different from that of the present invention was formed on the surface of the chip base having only the rake face ground. In 6-3, peeling of the coating layer occurred early, and the amount of boundary wear showed a large value. Further, Sample No. 1 in which the coating layer (b) having the configuration of the present invention was formed on the surface of the chip base having only the rake face ground. In Sample No. 6-4, Sample No. 6 in which the coating layer (b) having the structure of the present invention was formed on the surface of the chip substrate that had been entirely ground. Cutting performance (abrasion resistance) almost equivalent to that of 6-2 was able to be realized.

【0066】[0066]

【表6】 [Table 6]

【0067】以上のように開示された発明の実施の形態
と実施例は、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、上述
の説明ではなく、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
を含むことが意図される。
The embodiments and examples of the invention disclosed above are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. 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.

【0068】[0068]

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、被覆
層が形成された窒化珪素系工具において被覆層の耐剥離
性と耐摩耗性、特に耐境界摩耗性を向上させることがで
きる。その結果、被覆窒化珪素系工具が用いられる、工
業レベルでの機械加工の製造現場での工具寿命を著しく
安定させることが可能になる。
As described above, according to the present invention, in a silicon nitride based tool having a coating layer formed thereon, the coating layer can have improved peeling resistance and wear resistance, particularly, boundary wear resistance. As a result, it becomes possible to remarkably stabilize the tool life at the manufacturing site of machining at the industrial level, in which the coated silicon nitride-based tool is used.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の工具の一例として工具チップのコーナ
ー部を拡大して模式的に示す斜視図(A)と、(A)に
おいてX−Y方向に沿った模式的な断面図(B)と、境
界摩耗が生ずる箇所を示す斜視図(C)である。
FIG. 1A is a perspective view schematically showing a corner portion of a tool tip as an example of a tool according to the present invention in an enlarged manner, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view taken along the X-Y direction in FIG. FIG. 4 is a perspective view (C) showing a portion where boundary wear occurs.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 すくい面 2 逃げ面 3 境界摩耗 A 切れ刃稜線部 1 Rake face 2 Flank face 3 Boundary wear A Cutting edge ridge

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23B 27/14 C23C 16/34 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) B23B 27/14 C23C 16/34

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 粒界ガラス相の少なくとも一部が結晶化
した窒化珪素系セラミックスからなる基体と、その基体
の表面に形成された複数の被覆層とを備えた被覆窒化珪
素系工具において、 前記基体に隣接する最も内側の前記被覆層が、平均結晶
粒子幅5〜100nmの柱状晶を含み、かつ0.1〜
0.7μmの厚みを有する窒化チタン層であり、前記基
体に隣接する部分の前記窒化チタン層の少なくとも一部
は、結晶粒子径1〜30nmの粒状晶を含むことを特徴
とする、被覆窒化珪素系工具。
1. A coated silicon nitride-based tool comprising: a base made of a silicon nitride-based ceramic in which at least a part of a grain boundary glass phase is crystallized; and a plurality of coating layers formed on a surface of the base. The innermost coating layer adjacent to the substrate contains columnar crystals having an average crystal grain width of 5 to 100 nm, and 0.1 to 0.1 nm.
A titanium nitride layer having a 0.7μm thickness, the group
At least a portion of the titanium nitride layer adjacent to the body
Is a coated silicon nitride-based tool, characterized by containing granular crystals having a crystal grain size of 1 to 30 nm .
【請求項2】 前記窒化チタン層の厚みが0.3〜0.
5μmであることを特徴とする、請求項1に記載の被覆
窒化珪素系工具。
2. The titanium nitride layer having a thickness of 0.3 to 0.1.
The coated silicon nitride-based tool according to claim 1, wherein the thickness is 5 µm.
【請求項3】 前記被覆層は、少なくとも1層のアルミ
ナ層を含み、そのアルミナ層が前記窒化チタン層の外側
で直接上に形成され、かつ平均結晶粒子径が50〜50
0nmの結晶粒子を含むことを特徴とする、請求項1ま
たは請求項2に記載の被覆窒化珪素系工具。
3. The coating layer includes at least one alumina layer, the alumina layer being formed directly on the outside of the titanium nitride layer, and having an average crystal grain size of 50 to 50.
2. The method according to claim 1 , further comprising a crystal grain of 0 nm.
A coated silicon nitride-based tool according to claim 2 .
【請求項4】 前記被覆層の少なくとも一部の表面が、
その被覆層の少なくとも一部の鏡面状態の表面積に対し
て1.01〜1.03の比率で拡大された表面積を有す
ることを特徴とする、請求項1から請求項3までのいず
れか1項に記載の被覆窒化珪素系工具。
4. The method according to claim 1, wherein at least a part of the surface of the coating layer is
4. The coating layer according to claim 1 , wherein the coating layer has a surface area enlarged at a ratio of 1.01 to 1.03 with respect to a mirror surface area of at least a part of the coating layer.
2. The coated silicon nitride-based tool according to claim 1.
【請求項5】 前記被覆層の全体の膜厚が1〜2μmで
あることを特徴とする、請求項4に記載の被覆窒化珪素
系工具。
5., wherein the thickness of the whole of the coating layer is 1 to 2 [mu] m, coated silicon nitride tool according to claim 4.
【請求項6】 前記結晶化した粒界ガラス相の少なくと
も一部が、Y2SiO7およびYAlO3からなる群より
選ばれた少なくとも1種を含むことを特徴とする、請求
項1から請求項5までのいずれか1項に記載の被覆窒化
珪素系工具。
6. At least a portion of the grain boundary glass phase that the crystallization, characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of Y 2 SiO 7 and YAlO 3, wherein
The coated silicon nitride-based tool according to any one of claims 1 to 5 .
【請求項7】 工具の稼動部の少なくとも一部において
は、研削処理が施されていない前記基体の上に前記被覆
層が形成されていることを特徴とする、請求項1から請
求項6までのいずれか1項に記載の被覆窒化珪素系工
具。
In 7. At least a part of the operation of the tool, wherein the coating layer on the substrate grinding process is not applied is formed, 請claim 1
Coated silicon nitride tool according to any one of up to Motomeko 6.
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