JP3598074B2

JP3598074B2 - Hard coating tool

Info

Publication number: JP3598074B2
Application number: JP2001140909A
Authority: JP
Inventors: 剛史石川; 順彦島
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: JP2002337007A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、金属材料等の切削加工等に使用される被覆工具で、特に熱処理後の高硬度鋼の高速切削、乾式切削に適用される被覆工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属加工の高能率化を目的とした調質鋼の直切削においては、特開昭６２−５６５６５号公報、特開平２−１９４１５９号公報に代表されるＴｉＡｌＮ皮膜が開発され切削工具に適用されている。ＴｉＡｌＮ皮膜は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮに比べ耐酸化性が優れるため、刃先が高温に達する調質鋼の切削においては、切削工具の性能を著しく向上させるものである。
【０００３】
しかしながら、近年では加工コストを低減するために、従来熱処理前に荒加工を実施し、熱処理後に仕上げ加工をするのが一般的であったものを、熱処理後に全ての加工をする傾向が強くなってきている。そしてさらにこれら熱処理後の高硬度材を切削加工の高能率、高精度化のさせる為、切削速度の高速化及び環境問題及び加工コスト低減の観点から乾式での切削加工が重要視される傾向にある。こうような切削環境下においては、切粉は切削初期より赤熱化するため、皮膜の酸化性のみならず、皮膜の高温硬度が非常に重要なものとなる。つまり高温下での軟化が大きい皮膜では耐摩耗性が著しく悪くなる結果となる。
【０００４】
このような問題を解決する為には未だ具体的な提案はされていないのが現状であるが、比較的似た事例としては、特許第２７９３７７３号公報にみられるようにＴｉＡｌＮ系皮膜に単純にＳｉを添加し、耐酸化性を向上させる提案もなされているが、単純な添加では皮膜の高温硬度の劣化が発生し耐摩耗性の点で十分に満足される結果を得ていない。その他、特開平７−２３７０１０号公報、特開平１０−１３０６２０号公報に見られるようにＴｉＡｌＮ系に第３成分を添加する提案もなされているが、高温硬度を改善するには至っていないのが現状である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした事情に鑑み、熱処理後の高硬度鋼切削加工の乾式化、高速化に対応可能な、高温下においても皮膜硬度の劣化を抑制させた物理蒸着硬質皮膜被覆工具を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ＣｒＡｌを主金属成分とする硬質皮膜被覆工具において、硬質層中に異なる結晶構造を有するナノ結晶を介在させることにより、ナノ結晶の分散強化機構、格子歪により、高温下でも皮膜硬度劣化の極めて少ない硬質皮膜の開発に成功した。結果、高硬度鋼の乾式、高速切削加工において、切削寿命が極めて良好となることを確認し本発明に到達した。すなわち、基体表面にＣｒとＡｌを主成分とする金属成分と、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂから選択される少なくとも１種以上の元素とから構成される硬質層を１層以上被覆した硬質皮膜被覆工具において、該硬質層の少なくとも１層はＳｉを含有し、該硬質層は相対的にＳｉに富みアモルファスであるＣｒとＡｌとＳｉとＣ、Ｎ、Ｏ、Ｂから選択されるすくなくとも１種との化合物相と、相対的にＳｉに乏しい結晶質のＣｒとＡｌとＳｉとＣ、Ｎ、Ｏ、Ｂから選択されるすくなくとも１種との化合物相とから構成される硬質皮膜被覆工具である。
【０００７】
【作用】
本発明者らはＣｒＡｌＮ皮膜を例に、種々の添加成分の効果を鋭意研究した結果Ｓｉの添加と被覆条件の最適化により、ＣｒＡｌＮ高硬度材の乾式高速切削の寿命を大幅に向上できる知見を得るに至った。Ｓｉの単純添加は（ＣｒＡｌＳｉ）Ｎの固溶体を形成するが、これとは異なり、ＣｒＡｌＳｉＮ結晶質皮膜内部に相対的にＳｉに富む（ＣｒＡｌＳｉ）Ｎのアモルファス微細結晶粒を介在分散せしめ、ＣｒＡｌＳｉＮ皮膜の室温硬度がビッカースで２５００から３６００に著しく上昇させることに成功した。すなわち、セラミック系の硬質皮膜を分散強化せしめることが可能であるという驚くべき事実とその方法を見出した。尚、高温下での硬度はほぼ室温硬度に依存する傾向にある。
【０００８】
このアモルファスナノ結晶が格子歪を発生し分散強化機構により、ＣｒＡｌＳｉＮの硬度を大幅に上昇せしめたものと考えられる。この結果、Ｓｉの添加による皮膜硬度の大幅向上を実現するに至った。さらに詳細を鋭意調査した結果、切削中にＳｉが皮膜表面に内部拡散しＳｉの酸化物を形成し、この酸化物が摩擦係数を低減させ、切削温度の上昇を抑制させることも明らかになった。さらにアモルファス微細粒のマトリックスとの粒界は比較的整合し、格子欠陥が少なく、結晶粒界での酸素の拡散が発生しにくく、結果、耐酸化性に著しく優れた皮膜を形成することも明らかになった。
【０００９】
同時にＣｒＡｌＳｉ系硬質皮膜はＴｉＡｌＳｉ系硬質皮膜とは異なり、高温下で表面近傍に緻密で安定なＣｒ酸化物を形成し、この緻密酸化皮膜が表面から皮膜内部に向かう酸素の拡散を抑制することにより、極めて優れた耐酸素化性を発揮することが確認された。
【００１０】
しかしながら、この分散アモルファスナノ結晶は常に形成されるものではない。その被覆条件が極めて重要な要素となる。被覆時におけるイオンエネルギーが小さい場合、例えば印可バイアス電圧が比較的低い５０Ｖの場合はＳｉはｆｃｃ構造におけるＣｒＡｌＮの金属原子と置換し固溶体であるＣｒＡｌＳｉＮを形成し、硬度の上昇は僅かしか確認されなかった。またイオンエネルギーが大きい場合、ナノ結晶は結晶化し、明確な結晶粒界を形成し、硬度向上には格子歪の発生を伴い寄与するものの、耐酸化性の向上に十分な効果を発揮しない。アモルファスナノ結晶を形成するためには中程度のイオンエネルギーでかつ、被覆温度が５５０℃以上が必要である。高温によりＳｉの拡散速度が増え、均一な組成分布の固溶体からＳｉ凝集相を形成するものと考えられるが、被覆時のイオンエネルギーが結晶形態を左右している理由についてはさらに研究が必要である。従って、被覆印加バイアスは−１００Ｖ程度、反応圧は１〜５Ｐａ程度で形成されるイオンエネルギーにおいて、５５０℃以上の高温で被覆することが好ましいといえる。
【００１１】
硬度の上昇はＳｉの添加量にほぼ比例する傾向にあった。硬度上昇に伴い、皮膜に残留する圧縮応力が増大し、ＣｒＡｌを主成分とする硬質層の密着性は劣化する傾向にあるためＳｉの添加量はＣｒＡｌに対し好ましくは５０原子％以下に抑えたほうがより良いと考えられる。
【００１２】
本発明による（ＣｒＡｌＳｉ）Ｎ層は単層でも十分な切削性能を示すが、より密着性を向上せしめる観点から一般的な（ＴｉＡｌ）Ｎ系皮膜と組み合わせて被覆するほうが好ましい結果となる場合がある。
【００１３】
この場合ＴｉＡｌを主成分とする硬質皮膜においては、結晶成長の優先方位が切削性能に影響を及ぼす。Ｘ線回折における最強回折ピークが（２００）である場合は、皮膜硬度は軟らかいものの結晶が明瞭な柱状結晶を呈し、耐クレーター摩耗性に優れる結果となる。一方最強回折ピークが（１１１）の場合、皮膜は明瞭な柱状結晶ではなくなり柱状結晶が分断されたブロック状結晶を呈する。この場合個々のブロックが切削中に切粉とともに脱落する傾向にあり、摩耗の進行が幾分速くなるため、ＴｉＡｌ系皮膜は（２００）に配向する方が、より好ましい。
【００１４】
Ｃｒの一部を他成分で置換することにおいて、ＣｒＡｌを主成分とする硬質層の耐摩耗性もしくは耐酸化性をさらに向上させることが可能である。４ａ、５ａ、６ａ族成分での置換はＣｒＡｌ主成分硬質層の幾分の硬度上昇させる傾向にあり、Ｙでの置換は本成分が粒界に偏析し、粒界での酸素拡散を抑制し、結果耐酸化性を改善せしめる傾向にある。置換量は３０原子％を超えると、結晶が柱状に成長しなくなり、皮膜の靭性が劣化するため、３０原子％以下でなければならない。
【００１５】
以上のごとく、高温下での皮膜硬度を大幅に改善した結果、本発明による硬質皮膜被覆工具は、ミーリング切削加工に使用される工具に対しても効果的であるが、さらに従来アルミナ皮膜を有するＣＶＤ被覆工具が使用されていた旋盤加工分野へも適用が可能となった。旋削加工は比較的連続切削であるため特に切削温度が高くなる傾向にあり従来のＰＶＤ皮膜ではＣＶＤ皮膜に対し満足される耐摩耗性を達成することができなかった。。本発明においても皮膜の膜厚が薄いとＣＶＤ皮膜に対し耐クレーター摩耗性が劣る結果になるが、本発明皮膜を十分厚く被覆することにより、ＣＶＤ皮膜と同等以上の耐摩耗性を持たせることが可能であることを確認した。さらに、工具の耐欠損性においては、本発明はＰＶＤ法によるものであり、皮膜には圧縮の応力が残留し、クラックの発生が少なく、皮膜に引っ張りの残留応力が存在するＣＶＤ被覆工具に比べ１０倍以上の圧倒的に優れる耐欠損性を有する結果となった。
【００１６】
本発明の硬質皮膜被覆工具は、その被覆方法については、特に限定されるものではないが、被覆母材への熱影響、工具の疲労強度、皮膜の密着性等を考慮した場合、アーク放電方式イオンプレーティング物理蒸着法であることが望ましい。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００１７】
【実施例】
（実施例１）
アークイオンプレーティング装置を用い、金属成分の蒸発源である各種合金製ターゲット、ならびに反応ガスである窒素ガス、酸素ガス、メタンガスから目的の皮膜が得られるものを選択し、被覆基体温度５５０℃、反応ガス圧力１．０Ｐａ、基体印加バイアス電圧１２０Ｖの条件下にて、被覆基体である外径１０ｍｍの超硬合金製６枚刃エンドミル、ミーリング用インサートに各種の表１に示すＡ層を被覆した。また、Ｂ層の（２００）配向皮膜は被覆温度４５０℃、基体印加バイアス−１００Ｖ、反応ガス圧１．０Ｐａにおいて被覆し本発明例を作成した。（１１１）配向皮膜は基体印加バイアスを−１５０Ｖとした。比較例においてはＡ層欄に便宜上記載したＣｒＡｌＳｉ系皮膜も本発明例におけるＢ層と同一条件で被覆した。つまり比較例における（ＣｒＡｌＳｉ）Ｎ皮膜は被覆条件の違いにより単一固溶体を呈する皮膜である。皮膜の総厚さは３μとした。ＳｉはＣｒＡｌターゲットに必要量添加することにより皮膜に含有させた。尚、エンドミルに使用した超硬合金はＣｏ７ｗｔ％、ＷＣ平均粒径０．９ミクロンの微粒超硬合金である。インサートに使用した超硬合金はＪＩＳ−Ｐ２０グレード超硬合金である。硬質皮膜の膜厚は総厚３．５μに統一した。
【００１８】
【表１】

【００１９】
得られた硬質皮膜被覆エンドミルを用い切削試験を行った。工具寿命は本切削条件下ではクレーター摩耗もしくはアブレッシブ摩耗の進行が支配する。これらにより工具が切削不能となった時の切削長とした。切削諸元を次に示す。
【００２０】
６枚刃超硬エンドミルの切削条件は、側面切削ダウンカット、被削材ＳＫＤ１１（硬さＨＲＣ６５）、切り込みＡｄ１０ｍｍ×Ｒｄ０．１ｍｍ、切削速度２００ｍ／ｍｉｎ、送り０．０３ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、エアーブロー使用、とした。切削不能になった時を寿命と判定し、その結果を表１に併記する。
【００２１】
インサート切削条件は、工具形状ＳＥＥ４２ＴＮ、巾１００ｍｍ×長さ２５０ｍｍの面取り加工、被削材ＳＫＤ６１（硬さＨＲＣ４５）、切り込み１．５ｍｍ、切削速度２５０ｍ／ｍｉｎ、送り０．２５ｍｍ／刃、乾式切削とした。この場合も切削温度は高温となり皮膜の摩耗が工具寿命を支配し摩耗の進行からチップは欠損するかもしくは切削温度が上昇し熱クラックが発生しこれにより欠損するかいずれかである。欠損に至る切削長を表１に併記する。
【００２２】
表１より明らかなように、本発明例は著しい寿命改善が認められる。これらは比較例が全て、短寿命であったことより、耐酸化摩耗性、高温での耐アブレシブ摩耗性の改善によるところが大きいことが確認された。比較例１６、１７、１８、１９は本発明例と同一組成ではあるが、被覆条件により均一な（ＣｒＡｌＳｉ）Ｎ固溶体皮膜を形成した場合の事例である。比較例２０、２１同様に均一な（ＣｒＡｌＳｉ）Ｎ固溶体皮膜と（１１１）配向した（ＴｉＡｌ）Ｎとの複合化事例である。比較例２３、２４は一般的組み合わせの事例である。いずれにおいても、切削寿命は満足のいくものではないことは明らかである。
【００２３】
本発明例１〜８は各種組成においてアモルファスナノ結晶（ＣｒＡｌＳｉ）Ｎを介在させた単層皮膜の例、９から１５はＴｉＡｌＮ系皮膜との多層化の事例である。いずれにおいても長寿命が達成され、また多層にすることにより若干の切削寿命の向上が認められた。
【００２４】
（実施例２）
ＣｒＡｌＳｉ金属ターゲットのＣｒの一部を他成分で置換したターゲットを用い、またＴｉＡｌ金属ターゲットのＴｉの一部を他成分で置換したターゲットを用い、実施例１と同一条件にて本発明例を作成した。実施例１と同一なエンドミル切削評価を実施し、その結果を表２に併記する。
【００２５】
【表２】

【００２６】
表２の結果から明らかなように、ＣｒＡｌＳｉ系硬質皮膜及びＴｉＡｌ系皮膜に第３の成分を添加することにより、より一層の寿命向上が可能である。これは第３成分の固溶体強化により高温硬度がより向上することによるものと推察される。
【００２７】
（実施例３）
表３に示す各種皮膜を実施例１と同一条件でＰ３０グレードの旋削用インサートを試作した。皮膜の厚さは１２ミクロンとした。比較例に示したインサートは市販のＣＶＤ被覆超硬インサートであり母材はＰ３０グレードのものを用いた。切削速度１８０ｍ／ｍｉｎ送り０．３ｍｍ／ｒｅｖ切りこみ２ｍｍで旋盤による連続切削を実施し、平均逃げ面摩耗が０．３ｍｍになる切削時間を寿命と判定した。また４つ溝を設けた被削材で断続切削を同一条件で実施し、インサートが欠損するまでの衝撃回数を求めた。その結果を表３に併記する。用いた被削材はＳ５３Ｃである。
【００２８】
【表３】

【００２９】
表３から明らかなように、本発明例はＣＶＤ被覆インサートと同程度の耐摩耗性を有するに加え、圧倒的に優れる耐欠損性を有することが明らかである。これはＣＶＤ被覆皮膜が引っ張りの残留応力を有するのに反し、ＰＶＤ被覆皮膜が圧縮の残留応力を有し、クラックが発生し難いことに起因するものである。
【００３０】
【発明の効果】
以上の如く、本発明の硬質皮膜被覆工具は、従来のＰＶＤ被覆工具に比べ皮膜硬度が大幅に高く、皮膜の耐酸化性に優れ、高温硬度が高いことに起因し、耐アブレッシブ摩耗性に優れ、高硬度鋼の乾式高速切削加工において格段に長い工具寿命が得られ、切削加工における生産性の向上、コスト低減、環境改善に極めて有効である。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a coated tool used for cutting metal materials and the like, and more particularly to a coated tool applied to high-speed cutting and dry cutting of high-hardness steel after heat treatment.
[0002]
[Prior art]
In the direct cutting of tempered steel for the purpose of improving the efficiency of metal working, a TiAlN coating represented by JP-A-62-56565 and JP-A-2-194159 has been developed and applied to cutting tools. I have. Since the TiAlN film has better oxidation resistance than TiN and TiCN, the performance of a cutting tool is remarkably improved in cutting of tempered steel whose cutting edge reaches a high temperature.
[0003]
However, in recent years, in order to reduce the processing cost, it has been more common to perform rough processing before heat treatment and finish processing after heat treatment. ing. Furthermore, in order to increase the efficiency and precision of cutting of these hardened materials after heat treatment, dry cutting is becoming increasingly important from the viewpoint of high cutting speed, environmental problems and reduction of processing cost. is there. In such a cutting environment, the chips become red-hot from the beginning of cutting, so that not only the oxidizing property of the film but also the high-temperature hardness of the film is very important. In other words, a film having a large softening property at a high temperature results in remarkably deteriorated wear resistance.
[0004]
At present, no specific proposal has been made to solve such a problem. However, as a comparatively similar case, as shown in Japanese Patent No. 2779373, a TiAlN-based film is simply coated. It has been proposed to improve the oxidation resistance by adding Si, but the simple addition causes deterioration of the high-temperature hardness of the film and does not provide satisfactory results in terms of wear resistance. In addition, as disclosed in JP-A-7-237010 and JP-A-10-130620, it has been proposed to add a third component to a TiAlN-based alloy. It is.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In view of such circumstances, the present invention provides a physical vapor-deposited hard film-coated tool capable of coping with high-speed cutting and cutting of high-hardness steel after heat treatment and suppressing deterioration of film hardness even at high temperatures. Make it an issue.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have found that, in a hard film-coated tool containing CrAl as a main metal component, by interposing nanocrystals having different crystal structures in the hard layer, the dispersion strengthening mechanism of the nanocrystals, lattice strain, We have succeeded in developing a hard coating with extremely little deterioration in coating hardness. As a result, it was confirmed that the cutting life was extremely good in dry and high-speed cutting of high-hardness steel, and the present invention was reached. That is, a hard film coating in which at least one hard layer composed of a metal component mainly composed of Cr and Al and at least one or more elements selected from C, N, O, and B is coated on the substrate surface In the tool, at least one of the hard layers contains Si, and the hard layer is at least one selected from the group consisting of Cr, Al, Si and C, N, O, or B, which are relatively rich in amorphous silicon. Is a hard-film-coated tool comprising a compound phase of at least one of crystalline phases of Cr, Al, Si and C, N, O, and B, which are relatively poor in Si.
[0007]
[Action]
The present inventors have conducted intensive studies on the effects of various additive components using a CrAlN coating as an example, and as a result, have found that by adding Si and optimizing the coating conditions, the life of dry high-speed cutting of a CrAlN high-hardness material can be significantly improved. I got it. The simple addition of Si forms a solid solution of (CrAlSi) N, but unlike this, the amorphous fine crystal grains of (CrAlSi) N relatively rich in Si are interposed and dispersed inside the crystalline film of CrAlSiN, and the CrAlSiN film The room temperature hardness was successfully increased by Vickers from 2500 to 3600. That is, the present inventors have found the surprising fact that a ceramic hard film can be dispersed and strengthened, and a method thereof. In addition, the hardness under high temperature tends to substantially depend on the room temperature hardness.
[0008]
It is considered that the amorphous nanocrystals generated lattice strain, and significantly increased the hardness of CrAlSiN by the dispersion strengthening mechanism. As a result, the hardness of the film was significantly improved by the addition of Si. Further detailed investigations have revealed that during the cutting, Si diffuses inside the coating surface and forms an oxide of Si, which reduces the coefficient of friction and suppresses the rise in cutting temperature. . Furthermore, it is clear that the grain boundaries with the matrix of the amorphous fine grains are relatively consistent, there are few lattice defects, and oxygen diffusion at the crystal grain boundaries is unlikely to occur, and as a result, a film with extremely excellent oxidation resistance is formed. Became.
[0009]
At the same time, the CrAlSi-based hard coating, unlike the TiAlSi-based hard coating, forms a dense and stable Cr oxide near the surface at high temperatures, and this dense oxide coating suppresses the diffusion of oxygen from the surface to the inside of the coating. It was confirmed that they exhibited extremely excellent oxygenation resistance.
[0010]
However, the dispersed amorphous nanocrystals are not always formed. The coating conditions are a very important factor. When the ion energy at the time of coating is small, for example, when the applied bias voltage is relatively low at 50 V, Si substitutes for CrAlN metal atoms in the fcc structure to form a solid solution, CrAlSiN, and only a slight increase in hardness is confirmed. Was. When the ion energy is large, the nanocrystals crystallize and form clear crystal grain boundaries. Although the nanocrystals contribute to the improvement of hardness with the generation of lattice strain, they do not exert a sufficient effect on the improvement of oxidation resistance. In order to form amorphous nanocrystals, medium ion energy and a coating temperature of 550 ° C. or more are required. It is thought that the diffusion rate of Si increases due to the high temperature, and a Si aggregate phase is formed from a solid solution having a uniform composition distribution. However, further research is needed on the reason that the ion energy during coating affects the crystal morphology. . Therefore, it can be said that it is preferable to perform coating at a high temperature of 550 ° C. or more with ion energy formed at a coating application bias of about −100 V and a reaction pressure of about 1 to 5 Pa.
[0011]
The increase in hardness tended to be approximately proportional to the amount of Si added. As the hardness increases, the compressive stress remaining in the film increases, and the adhesion of the hard layer mainly composed of CrAl tends to deteriorate. Therefore, the amount of Si added is preferably suppressed to 50 atomic% or less based on CrAl. It is considered better.
[0012]
The (CrAlSi) N layer according to the present invention shows sufficient cutting performance even with a single layer, but from the viewpoint of further improving the adhesion, it may be preferable to coat in combination with a general (TiAl) N-based coating. .
[0013]
In this case, in the hard coating mainly composed of TiAl, the preferred orientation of crystal growth affects the cutting performance. When the strongest diffraction peak in X-ray diffraction is (200), although the film hardness is soft, the crystals exhibit clear columnar crystals, which results in excellent crater wear resistance. On the other hand, when the strongest diffraction peak is (111), the film is not a clear columnar crystal but a block crystal in which the columnar crystal is divided. In this case, the individual blocks tend to fall off together with the chips during cutting, and the wear progresses somewhat faster. Therefore, it is more preferable that the TiAl-based coating be oriented to (200).
[0014]
By substituting a part of Cr with another component, it is possible to further improve the wear resistance or oxidation resistance of the hard layer mainly composed of CrAl. Substitution with a 4a, 5a, or 6a group component tends to increase the hardness of the CrAl main component hard layer to some extent. Substitution with Y causes this component to segregate at the grain boundaries and suppress oxygen diffusion at the grain boundaries. As a result, the oxidation resistance tends to be improved. If the substitution amount exceeds 30 atomic%, the crystal does not grow in a columnar shape, and the toughness of the film deteriorates.
[0015]
As described above, as a result of significantly improving the coating hardness at high temperatures, the hard coating-coated tool according to the present invention is effective for tools used for milling cutting, but further has a conventional alumina coating. It can be applied to the lathe processing field where the CVD coated tool has been used. Since the turning process is a relatively continuous cutting process, the cutting temperature tends to be particularly high, and the conventional PVD film cannot achieve satisfactory wear resistance with respect to the CVD film. . Also in the present invention, if the thickness of the film is thin, the crater wear resistance is inferior to the CVD film, but by coating the present film sufficiently thick, it is necessary to provide abrasion resistance equal to or higher than that of the CVD film. Confirmed that it is possible. Further, with respect to the fracture resistance of the tool, the present invention is based on the PVD method, and the film has a compressive stress remaining in the film, less cracks are generated, and a CVD-coated tool having a tensile residual stress in the film is present. The result was over 10 times the overwhelmingly excellent fracture resistance.
[0016]
The hard film-coated tool of the present invention is not particularly limited in its coating method.However, in consideration of the thermal influence on the coated base material, the fatigue strength of the tool, the adhesion of the film, etc., the arc discharge method is used. It is desirable to use an ion plating physical vapor deposition method. Hereinafter, the present invention will be described based on examples.
[0017]
【Example】
(Example 1)
Using an arc ion plating apparatus, a target made of various alloys as a source of evaporation of metal components, and a target gas obtained from a reaction gas such as nitrogen gas, oxygen gas, and methane gas, were selected. Under the conditions of a reaction gas pressure of 1.0 Pa and a bias voltage of 120 V applied to the substrate, a 6-blade end mill and an insert for milling made of a cemented carbide having an outer diameter of 10 mm, which were coated substrates, were coated with various layers A shown in Table 1 by milling. . Further, the (200) oriented film of the layer B was coated at a coating temperature of 450 ° C., a bias of -100 V applied to the substrate, and a reaction gas pressure of 1.0 Pa to prepare an example of the present invention. For the (111) oriented film, the bias applied to the substrate was -150V. In the comparative example, the CrAlSi-based coating described for convenience in the layer A column was also coated under the same conditions as the layer B in the present invention. That is, the (CrAlSi) N film in the comparative example is a film that exhibits a single solid solution due to a difference in coating conditions. The total thickness of the film was 3μ. Si was added to the film by adding a necessary amount to the CrAl target. The cemented carbide used for the end mill is a fine-grained cemented carbide having 7 wt% Co and an average WC particle size of 0.9 μm. The cemented carbide used for the insert is a JIS-P20 grade cemented carbide. The thickness of the hard film was unified to a total thickness of 3.5 μm.
[0018]
[Table 1]

[0019]
A cutting test was performed using the obtained hard film-coated end mill. The tool life is controlled by the progress of crater wear or abrasive wear under these cutting conditions. The cutting length when the tool could not be cut was set as the cutting length. The cutting specifications are shown below.
[0020]
The cutting conditions of the 6-flute cemented carbide end mill are side cutting down cut, work material SKD11 (hardness HRC65), depth of cut Ad10 mm × Rd0.1 mm, cutting speed 200 m / min, feed 0.03 mm / tooth, use of air blow, And The time when cutting becomes impossible is determined as the life, and the result is also shown in Table 1.
[0021]
Insert cutting conditions include tool shape SEE42TN, width 100 mm x length 250 mm chamfering, work material SKD61 (hardness HRC45), cutting depth 1.5 mm, cutting speed 250 m / min, feed 0.25 mm / tooth, dry cutting. did. In this case as well, the cutting temperature becomes high, and the wear of the coating dominate the tool life and the chip is broken due to the progress of wear, or the cutting temperature rises and a thermal crack is generated and thereby broken. Table 1 also shows the cutting length leading to chipping.
[0022]
As is clear from Table 1, the present invention example shows remarkable life improvement. Since all of the comparative examples had short lifespans, it was confirmed that these were largely due to the improvement in oxidation wear resistance and abrasive wear resistance at high temperatures. Comparative Examples 16, 17, 18, and 19 are examples in which a uniform (CrAlSi) N solid solution coating was formed according to the coating conditions, although the composition was the same as that of the present invention. This is a composite example of a uniform (CrAlSi) N solid solution coating and (111) oriented (TiAl) N similarly to Comparative Examples 20 and 21. Comparative Examples 23 and 24 are examples of general combinations. In any case, the cutting life is obviously not satisfactory.
[0023]
Examples 1 to 8 of the present invention are examples of single-layer films in which amorphous nanocrystals (CrAlSi) N are interposed in various compositions, and examples 9 to 15 are examples of multilayering with a TiAlN-based film. In each case, a long life was achieved, and a slight improvement in the cutting life was recognized by forming a multilayer structure.
[0024]
(Example 2)
Example of the present invention was prepared under the same conditions as in Example 1 using a target in which a part of Cr of a CrAlSi metal target was replaced with another component, and a target in which a part of Ti of a TiAl metal target was replaced with another component. did. The same end mill cutting evaluation as in Example 1 was performed, and the results are also shown in Table 2.
[0025]
[Table 2]

[0026]
As is clear from the results in Table 2, the life can be further improved by adding the third component to the CrAlSi-based hard coating and the TiAl-based coating. This is presumably because the high-temperature hardness is further improved by solid solution strengthening of the third component.
[0027]
(Example 3)
Various coatings shown in Table 3 were prototyped for turning inserts of P30 grade under the same conditions as in Example 1. The thickness of the film was 12 microns. The insert shown in the comparative example was a commercially available CVD-coated carbide insert, and the base material used was P30 grade. Continuous cutting was performed with a lathe at a cutting speed of 180 m / min and a feed of 0.3 mm / rev with a cutting depth of 2 mm. The cutting time at which the average flank wear was 0.3 mm was determined as the life. Intermittent cutting was performed on a work material provided with four grooves under the same conditions, and the number of impacts until the insert was broken was determined. Table 3 also shows the results. The work material used is S53C.
[0028]
[Table 3]

[0029]
As is evident from Table 3, in addition to having the same level of abrasion resistance as the CVD-coated insert, the examples of the present invention have overwhelmingly excellent fracture resistance. This is attributable to the fact that the CVD coating film has a residual stress of tension, whereas the PVD coating film has a residual stress of compression, and cracks are unlikely to occur.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, the hard-coated tool of the present invention has significantly higher coating hardness than conventional PVD-coated tools, excellent oxidation resistance of the coating, and high abrasion resistance due to high high-temperature hardness. In dry high-speed cutting of high-hardness steel, a significantly longer tool life can be obtained, which is extremely effective in improving productivity in cutting, reducing costs, and improving the environment.

Claims

A hard-coated tool comprising a substrate surface coated with at least one hard layer composed of a metal component mainly composed of Cr and Al and at least one or more elements selected from C, N, O and B. At least one of the hard layers contains Si, and the hard layer is relatively rich in amorphous silicon and is a compound of at least one selected from the group consisting of Cr, Al, Si and C, N, O, or B; A hard phase-coated tool comprising a phase and at least one compound phase selected from crystalline Cr, Al, Si and C, N, O, B, which are relatively poor in Si. .

2. The hard-coated tool according to claim 1, wherein at least 30% by atom of Cr in the hard layer containing CrAl as a main component is one or more of metals belonging to Group 4a, 5a, and 6a excluding Cr, and Y. And a part of Ti in the hard layer mainly composed of TiAl is replaced with one or more elements of metals of group 4a, 5a and 6a excluding Ti and Y in the range of 30 atomic% or less. A hard film coated tool characterized by the following.

The hard-coated tool according to claim 1 or 2, wherein at least two hard layers mainly composed of CrAl and hard layers mainly composed of TiAl are laminated, and the hard layer mainly composed of TiAl is formed. A hard film-coated tool, wherein the strongest peak plane index in X-ray diffraction is (200).