JP4268558B2 - Coated cutting tool - Google Patents
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Description
本発明は、ドリル、エンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具に関し、特にその表面に耐チッピング性を向上させた被膜を形成した切削工具に関するものである。 The present invention relates to cutting tools such as drills, end mills, milling and turning cutting edge-replaceable tips, metal saws, gear cutting tools, reamers, taps, etc., and in particular, cutting in which a coating with improved chipping resistance is formed on the surface thereof. It relates to tools.
最近の切削工具の動向として、地球環境保全の観点から切削油剤を用いないドライ加工が求められていること、被削材が多様化していること、加工能率を一層向上させるため切削速度がより高速になってきていることなどから、工具刃先温度はますます高温になる傾向であり、その結果工具寿命は短くなるので、工具材料に要求される特性は厳しくなる一方である。 Recent cutting tool trends include the need for dry machining without cutting fluids from the viewpoint of global environmental conservation, the diversification of work materials, and higher cutting speeds to further improve machining efficiency. Therefore, the tool edge temperature tends to be higher and the tool life is shortened. As a result, the characteristics required for the tool material are becoming stricter.
下記特許文献1には、耐摩耗性および表面保護機能改善のため、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼等の切削工具や耐摩耗工具等の硬質基材の表面には、硬質被覆層として、(AlxTi1−x−ySiy)(CzN1−z)ただし、0.05≦x≦0.75、0.01≦y≦0.1、0.6≦z≦1のようなAlTiSi系の膜が被覆されている。
In
しかし、当該特許文献1に記載される切削工具は、高硬度で耐酸化性に優れるが、一方でもろさやチッピングしやすいという点で問題であった。
However, the cutting tool described in
これに対し、例えば、下記特許文献2によれば、Siを適量含有したTiを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物とTiとAlを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物を、TiSi系化合物等の微細組織構造が、Tiを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物中に、Si3N4およびSiが独立相として存在するようにそれぞれ一層以上交互に被覆すると乾式の高速切削加工において、切削工具の性能が極めて良好となることが開示されている。 On the other hand, for example, according to Patent Document 2 below, a nitride, carbonitride, oxynitride, oxycarbonitride, and nitriding mainly composed of Ti and Al containing Ti in an appropriate amount are included. In a nitride, carbonitride, oxynitride, oxycarbonitride having a fine structure such as TiSi-based compound, carbonitride, oxynitride, oxycarbonitride, It is disclosed that the performance of a cutting tool is extremely good in dry high-speed cutting when coating one or more layers alternately so that Si 3 N 4 and Si exist as independent phases.
この特許文献2によれば、従来のTiAlN膜では切削加工において起こる表面酸化で形成されるアルミナ層は酸素の内向拡散に対し酸化保護膜として機能するものの、動的な切削加工においては、最表面のアルミナ層は、その直下のポーラスなTi酸化物層より容易に剥離してしまい酸化の進行に対して十分でないが、該発明のTiSi系被膜は膜自体の耐酸化性が極めて高いだけではなく、最表面にSiを含む非常に緻密なTiとSiの複合酸化物が形成されるので、従来問題となっていたポーラスなTi酸化物層が形成されないので性能が向上すると示されている。さらに、TiAl系膜の直上にTiSi系被膜を被覆することが重要であると、被覆の順序も規定されている。 According to this patent document 2, in the conventional TiAlN film, the alumina layer formed by the surface oxidation that occurs in the cutting process functions as an oxidation protective film against the inward diffusion of oxygen, but in the dynamic cutting process, The alumina layer of the present invention peels off more easily than the porous Ti oxide layer directly below it and is not sufficient for the progress of oxidation. However, the TiSi coating of the present invention not only has extremely high oxidation resistance of the film itself. It is shown that a very dense composite oxide of Ti and Si containing Si is formed on the outermost surface, so that the porous Ti oxide layer, which has been a problem in the past, is not formed, so that the performance is improved. Furthermore, if it is important to coat the TiSi film directly on the TiAl film, the order of coating is also defined.
また、下記特許文献3によれば、TiAlN膜よりも耐摩耗性に優れた被膜として、(Alb[Cr1−αVα]c)(C1−dNd)からなる被膜、または、(MaAlb[Cr1−αVα]c)(C1−dNd)(MはTi、Nb、W、Ta、Moからなる)が開示されている。これらは、金属成分のうち、Alを高含有にさせながら、CrおよびVを添加することで、常温常圧で準安定相である立方晶のAlNを形成し、高硬度と耐酸化特性を向上させている。 Further, according to Patent Document 3 below, as a film having better wear resistance than a TiAlN film, a film made of (Al b [Cr 1−α V α ] c ) (C 1−d N d ), or (M a Al b [Cr 1-α V α ] c ) (C 1-d N d ) (M is composed of Ti, Nb, W, Ta, Mo) is disclosed. By adding Cr and V while increasing the content of Al among the metal components, cubic AlN, which is a metastable phase at normal temperature and pressure, is formed, improving high hardness and oxidation resistance. I am letting.
しかし、切削過程において高速・高能率加工や完全に潤滑油剤を使わないドライ加工を行うためには、高硬度と上述の高温での被膜の安定性だけでは不十分である。すなわち、いかに特性の優れる膜を剥離や欠損を発生させずに密着性よく長時間にわたって基材表面に維持させるかが問題である。 However, in order to perform high-speed, high-efficiency machining and dry machining that does not use a lubricant completely in the cutting process, high hardness and the above-described coating stability at high temperatures are not sufficient. That is, it is a problem how to maintain a film having excellent characteristics on the surface of the base material for a long period of time without causing peeling or defects.
一般的な切削工具の摩耗について理解を容易にするために、図1を用いてこれを説明する。図1(a)に切削工具の典型的刃先の断面模式図を示す。図1(a)において、当該切削工具の刃先は、基材の表面に被覆膜が形成された構成になっている。刃先はすくい面と逃げ面によって構成され、多くの場合、その角度は鋭角または直角である。このような工具刃先に被膜を形成すると、膜厚は図に示されるように、すくい面膜厚a、逃げ面膜厚bに比べ、刃先先端部cが最も厚くなる。 In order to facilitate understanding of the wear of a general cutting tool, this will be described with reference to FIG. FIG. 1A shows a schematic cross-sectional view of a typical cutting edge of a cutting tool. In FIG. 1A, the cutting edge of the cutting tool has a configuration in which a coating film is formed on the surface of a base material. The cutting edge is constituted by a rake face and a flank face, and in many cases the angle is an acute angle or a right angle. When a film is formed on such a tool blade edge, as shown in the figure, the film tip end portion c is the thickest as compared with the rake face film thickness a and the flank face film thickness b.
次に、刃先での理想的な摩耗進行を図1(b)〜図1(d)で説明する。工具としての理想的な摩耗は、まず、図1(b)のように被膜が除々に摩耗し、やがて図1(c)の様に基材に達したのち、ついには図1(d)の様に膜と基材が共に露出して摩耗することである。 Next, ideal progress of wear at the cutting edge will be described with reference to FIGS. Ideal wear as a tool is as follows. First, the coating gradually wears as shown in FIG. 1 (b), and eventually reaches the substrate as shown in FIG. 1 (c). Thus, the film and the substrate are both exposed and worn.
しかし、本発明者らが詳細に工具摩耗部を調査した結果、刃先先端の摩耗は上述のようには進行せず、切削初期に図1(e)のように刃先先端部分が既に基材まで無くなっており(基材が完全に露出)、その形態からチッピング(または欠損)していることがわかった。また、その部分の基材表面はすでに酸化しており、上記特許文献のようにいくら膜の耐酸化性や高硬度で耐摩耗性が良くとも、切削初期に母材が露出してしまっては工具寿命を著しく向上させることは難しいと考えられる。
本発明は、上記従来の技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、高速やドライ加工といった過酷な条件での切削工具において、被膜の耐酸化性を向上させることができ、切削初期に起こる刃先のチッピング(または欠損)、すなわち母材の露出を抑制させ、工具寿命を向上させることができる、被覆切削工具を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and its purpose is to improve the oxidation resistance of a coating in a cutting tool under severe conditions such as high speed and dry processing. An object of the present invention is to provide a coated cutting tool capable of suppressing chipping (or chipping) of a cutting edge that occurs in the early stage of cutting, that is, exposure of a base material and improving tool life.
本発明は、基材の表面に、Ti1−xAlx(ただし、0.2≦x≦0.7)の窒化物または炭窒化物のいずれか1種以上の耐摩耗性被膜が被覆され、該耐摩耗性被膜の表面に、Al1−a−bCraVb(ただし、0≦a≦0.4、0≦b≦0.4、a+b≦0.4)の窒化物または炭窒化物のいずれか1種以上の耐チッピング性被膜が被覆された、被覆切削工具であって、前記耐摩耗性被膜の膜厚が、前記耐チッピング性被膜の膜厚よりも厚いことを特徴とする被覆切削工具を提供する。 In the present invention, the surface of the base material is coated with at least one wear-resistant film of nitride or carbonitride of Ti 1-x Al x (where 0.2 ≦ x ≦ 0.7). A nitride or charcoal of Al 1-ab Cr a V b (where 0 ≦ a ≦ 0.4, 0 ≦ b ≦ 0.4, a + b ≦ 0.4) is formed on the surface of the wear-resistant coating. A coated cutting tool coated with at least one chipping-resistant coating of nitride, wherein the wear-resistant coating is thicker than the chipping-resistant coating. A coated cutting tool is provided.
好ましくは、前記耐チッピング性被膜は、Al1−a−bCraVb(ただし、0≦a≦0.4、0<b≦0.4、a+b≦0.4)の窒化物または炭窒化物のいずれか1種以上である。 Preferably, the chipping-resistant film is a nitride or charcoal of Al 1-ab Cr a V b (where 0 ≦ a ≦ 0.4, 0 <b ≦ 0.4, a + b ≦ 0.4). Any one or more of nitrides.
好ましくは、前記耐摩耗性被膜および/または耐チッピング性被膜に、Siおよび/またはBが原子%で0.01%以上10%以下の範囲で含有されている。 Preferably, Si and / or B is contained in the wear-resistant film and / or chipping-resistant film in the range of 0.01% to 10% by atomic%.
好ましくは、前記耐摩耗性被膜の膜厚が、2μm以上10μm以下の範囲である。 Preferably, the film thickness of the abrasion-resistant coating is in the range of 2 μm to 10 μm.
好ましくは、前記耐摩耗性被膜の膜厚が、前記耐チッピング性被膜の膜厚の1.5倍以上である。 Preferably, the film thickness of the wear resistant film is 1.5 times or more of the film thickness of the chipping resistant film.
好ましくは、耐酸化性被膜および耐チッピング性被膜の結晶構造は、立方晶である。 Preferably, the crystal structure of the oxidation resistant coating and the chipping resistant coating is cubic.
好ましくは、前記基材が、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または、酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体のいずれかである。 Preferably, the substrate is a WC-based cemented carbide, cermet, high-speed steel, ceramics, cubic boron nitride sintered body, diamond sintered body, silicon nitride sintered body, or aluminum oxide and titanium carbide. Any of the mixtures consisting of
好ましくは、本発明の被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、またはタップのいずれかに用いられる。 Preferably, the coated cutting tool of the present invention is used for any of a drill, an end mill, a milling and turning cutting edge replaceable tip, a metal saw, a gear cutting tool, a reamer, or a tap.
好ましくは、本発明の被覆切削工具は物理的蒸着法により被覆される。 Preferably, the coated cutting tool of the present invention is coated by physical vapor deposition.
好ましくは、本発明の被覆切削工具は、アーク式イオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタ法により被覆される。 Preferably, the coated cutting tool of the present invention is coated by an arc ion plating method or a magnetron sputtering method.
本発明の被覆切削工具によれば、Tiを被膜に含まないAlを主成分とする(Al1−a−bCraVb)(ここで、0≦a≦0.4、0≦b≦0.4、a+b≦0.4)の窒化物または炭窒化物のいずれか1種類以上の耐チッピング性被膜が工具最表面層に形成されているので、仮に最表面層がチッピングしても上述の図1(f)のように、基材直上の耐摩耗層は欠損することなく膜が摩耗し、これまで問題となっていた耐摩耗性被膜のチッピングを抑制することができるので、長寿命化を図ることができる。また、耐摩耗性被膜の膜厚を前記耐チッピング性被膜の膜厚よりも厚くすることにより、耐摩耗層のチッピングを抑制することができたものである。 According to the coated cutting tool of the present invention, the main component is Al that does not contain Ti in the coating (Al 1-a-b Cr a V b ) (where 0 ≦ a ≦ 0.4, 0 ≦ b ≦). 0.4, a + b ≦ 0.4) Any one or more of chipping-resistant coatings of nitride and carbonitride are formed on the outermost surface layer of the tool. As shown in FIG. 1 (f), the wear-resistant layer immediately above the base material is not damaged, and the film wears, and the chipping of the wear-resistant film, which has been a problem until now, can be suppressed. Can be achieved. Further, the chipping of the wear-resistant layer can be suppressed by making the film thickness of the wear-resistant film thicker than the film thickness of the chipping-resistant film.
本発明の被覆切削工具は、基材の表面に、Ti1−xAlx(ただし、0.2≦x≦0.7)の窒化物または炭窒化物のいずれか1種以上の耐摩耗性被膜が被覆され、該耐摩耗性被膜の表面に、Al1−a−bCraVb(ただし、0≦a≦0.4、0≦b≦0.4、a+b≦0.4)の窒化物または炭窒化物のいずれか1種以上の耐チッピング性被膜が被覆され、前記耐摩耗性被膜の膜厚が、前記耐チッピング性被膜の膜厚よりも厚いことを特徴とする。 The coated cutting tool of the present invention has at least one type of wear resistance of nitride or carbonitride of Ti 1-x Al x (where 0.2 ≦ x ≦ 0.7) on the surface of the base material. A coating is applied, and Al 1-ab Cr a V b (where 0 ≦ a ≦ 0.4, 0 ≦ b ≦ 0.4, a + b ≦ 0.4) is formed on the surface of the wear-resistant coating. One or more types of chipping resistant coatings of nitride or carbonitride are coated, and the thickness of the wear resistant coating is larger than the thickness of the chipping resistant coating.
特に、本発明の被覆切削工具は、(i)耐摩耗性被膜としてTiを必須成分とする(Ti1−xAlx)(0.2≦x≦0.7)の窒化物または炭窒化物のいずれか1種類以上を、基材表面を直接的に覆うように形成し、さらに(ii)当該耐摩耗性被膜の表面を覆うように、Tiを含まない(Al1−a−bCraVb)(ここで、0≦a≦0.4、0≦b≦0.4、a+b≦0.4)の窒化物または炭窒化物のいずれか1種類以上の耐チッピング性被膜を被覆し、かつ、(iii)前記耐摩耗性被膜の膜厚を前記耐チッピング性被膜の膜厚よりも厚くすること、の(i)〜(iii)の要件が相乗的に作用することで、耐チッピング性が良好になり、結果として被覆切削工具の寿命が向上されるものである。 In particular, the coated cutting tool of the present invention is (i) a nitride or carbonitride of (Ti 1-x Al x ) (0.2 ≦ x ≦ 0.7) containing Ti as an essential component as a wear-resistant coating. Any one or more of the above are formed so as to directly cover the surface of the substrate, and (ii) Ti is not included so as to cover the surface of the wear-resistant coating (Al 1-a-b Cr a V b ) (where 0 ≦ a ≦ 0.4, 0 ≦ b ≦ 0.4, a + b ≦ 0.4) and one or more types of chipping resistant coatings of nitride or carbonitride are coated. And (iii) the requirements of (i) to (iii) of making the film thickness of the abrasion-resistant film thicker than the film thickness of the chipping-resistant film act synergistically, As a result, the life of the coated cutting tool is improved.
本発明の被覆切削工具において、耐摩耗性被膜は、Tiを含むことにより、基材との密着力が向上することから、基材に直接被覆する被膜としては構成元素としてTiは必要である。また、耐摩耗性被膜において、Alを含有することで耐酸化特性が向上することから、Al量xを0.2≦x≦0.7の範囲にしている。耐酸化性被膜中にAlが存在すると、被膜の耐酸化性が向上するので好ましいが、xが0.7を超えると結晶構造が六方晶となって被膜の硬度が低下するので逆に摩耗は促進される。一方、Al量が0.2未満では、耐酸化特性及び高硬度化が図れないという問題がある。より好ましくは、0.3≦x≦0.6とすることができる。 In the coated cutting tool of the present invention, since the wear-resistant coating contains Ti, the adhesion with the substrate is improved. Therefore, the coating directly covering the substrate requires Ti as a constituent element. Further, since the oxidation resistance is improved by containing Al in the wear-resistant coating, the Al amount x is set in the range of 0.2 ≦ x ≦ 0.7. The presence of Al in the oxidation resistant coating is preferable because the oxidation resistance of the coating is improved. However, if x exceeds 0.7, the crystal structure becomes hexagonal and the hardness of the coating is reduced, so that wear is reversed. Promoted. On the other hand, if the Al content is less than 0.2, there is a problem that the oxidation resistance and the hardness cannot be increased. More preferably, 0.3 ≦ x ≦ 0.6.
この耐摩耗性被膜の上には、耐チッピング性被膜として(Al1−a−bCraVb)(ここで、0≦a≦0.4、0≦b≦0.4、a+b≦0.4)の窒化物または炭窒化物のいずれか1種類以上が被覆されている。ここで、金属成分としてTiを含まず、Alを主成分とすることが特徴である。Alを含有することで耐酸化特性が向上するとともに、熱伝導率が高くなり、切削加工時の発熱を工具表面から逃がすことができるので好ましい。また、表面での潤滑性能に起因すると考えられるが、Tiを含む被膜に比べて被削材に対する耐溶着性能が向上するので、溶着物ごと被膜が剥離することも抑制できるとともに、切削抵抗も減少し、切りくず排出性も向上できる。ここで、(Al1−a−bCraVb)において、Alを除く、CrとVの量を、0≦a≦0.4、0≦b≦0.4、0≠a+b≦0.4の範囲としている。aおよびbを0≦a≦0.4、0≦b≦0.4(ただし0≠a+b≦0.4)と規定しているのは、aおよびbが0.4を超えると、耐チッピング性被膜の硬度が低下し、耐摩耗性に問題が出るためである。耐チッピング性膜中にVがあると、切削時の高温環境で被膜表面が酸化されるが、その際、Vの酸化物は低融点であるので切削時の潤滑剤として作用し被削材の凝着を抑える効果が期待できることから好ましい。また、当該耐チッピング性膜中にCrが含有すると、Crの酸化物が緻密であり、酸素の内向拡散を抑制するという効果を奏する。さらに好ましくは、0≦a≦0.4、0<b≦0.4、a+b≦0.4である。ここで、0<bとした理由は、Vを必須の成分として膜中に存在させることで、確実に被削材の凝着を抑えるようにするためである。 On this wear-resistant film, as a chipping-resistant film, (Al 1-a-b Cr a V b ) (where 0 ≦ a ≦ 0.4, 0 ≦ b ≦ 0.4, a + b ≦ 0 .4) Any one or more of nitride and carbonitride are coated. Here, it is characterized by not containing Ti as a metal component but mainly containing Al. The inclusion of Al is preferable because the oxidation resistance is improved, the thermal conductivity is increased, and heat generated during cutting can be released from the tool surface. In addition, it is thought that it is caused by the lubrication performance on the surface, but the welding resistance to the work material is improved compared to the coating film containing Ti, so that it is possible to suppress the peeling of the coating film along with the welded material, and the cutting resistance is also reduced. In addition, chip discharge can be improved. Here, in (Al 1-a-b Cr a V b ), the amounts of Cr and V excluding Al are set to 0 ≦ a ≦ 0.4, 0 ≦ b ≦ 0.4, and 0 ≠ a + b ≦ 0. The range is 4. a and b are defined as 0 ≦ a ≦ 0.4 and 0 ≦ b ≦ 0.4 (where 0 ≠ a + b ≦ 0.4). When a and b exceed 0.4, chipping resistance This is because the hardness of the adhesive coating is lowered and there is a problem in wear resistance. If V is present in the chipping-resistant film, the surface of the coating is oxidized in a high temperature environment at the time of cutting. At this time, since the oxide of V has a low melting point, it acts as a lubricant at the time of cutting and acts as a work material. This is preferable because an effect of suppressing adhesion can be expected. Further, when Cr is contained in the chipping-resistant film, the Cr oxide is dense, and there is an effect of suppressing inward diffusion of oxygen. More preferably, 0 ≦ a ≦ 0.4, 0 <b ≦ 0.4, and a + b ≦ 0.4. Here, the reason for setting 0 <b is that V is present in the film as an essential component so as to reliably suppress adhesion of the work material.
また、CrとVを添加することにより、常温常圧で準安定相である立方晶のAl化合物が形成できる点で好ましい。例えば、窒化物であるAlNを例にとると、通常は六方晶であるが準安定相である立方晶となった場合の推定格子定数は4.12Åに対して、常温常圧で立方晶が安定相であるCrNおよびVNの格子定数は4.14Åであり、非常に立方晶のAlNと近いため、その引き込み効果によりAlNは立方晶化して、高硬度化する。従って、被膜の結晶構造は立方晶であることが好ましい。被膜の結晶性についてはX線回折法により測定可能である。 Further, the addition of Cr and V is preferable in that a cubic Al compound that is a metastable phase at normal temperature and pressure can be formed. For example, in the case of AlN that is a nitride, the estimated lattice constant in the case of a cubic crystal that is usually a hexagonal crystal but a metastable phase is 4.12%, whereas the cubic crystal is normal temperature and pressure. The lattice constant of CrN and VN, which are stable phases, is 4.14 Å, which is very close to cubic AlN. Therefore, AlN becomes cubic due to the pulling effect, thereby increasing the hardness. Therefore, the crystal structure of the film is preferably cubic. The crystallinity of the coating can be measured by an X-ray diffraction method.
本発明において、前記耐摩耗性被膜の膜厚が前記耐チッピング性被膜の膜厚よりも厚いことを特徴とする。耐摩耗性被膜の膜厚が薄く、チッピング性被膜の膜厚が厚い場合には、切削初期に図1(f)に示した刃先で膜にチッピングが発生した場合に下層の耐摩耗性被膜も同時にチッピングするので好ましくない。特に、チッピング抑制の観点では、前記耐摩耗性被膜の膜厚が前記耐チッピング性被膜の膜厚の1.5倍以上であることが好ましい。耐摩耗性被膜の膜厚が、耐チッピング性被膜の膜厚の1.5倍未満であると、上述のとおり、上層の耐チッピング性被膜においてチッピングが発生した場合に、下層の耐摩耗性被膜も同時にチッピングするからである。より好ましくは、2倍以上である。 In the present invention, the thickness of the wear-resistant film is larger than the film thickness of the chipping-resistant film. When the wear-resistant film is thin and the chipping film is thick, if the film is chipped at the cutting edge shown in FIG. Since chipping is performed simultaneously, it is not preferable. In particular, from the viewpoint of suppressing chipping, the film thickness of the abrasion-resistant film is preferably 1.5 times or more than the film thickness of the chipping-resistant film. When the thickness of the wear resistant coating is less than 1.5 times the thickness of the chipping resistant coating, as described above, when chipping occurs in the upper chipping resistant coating, the lower wear resistant coating Is also chipping at the same time. More preferably, it is twice or more.
本発明において、上述の耐摩耗性被膜および耐チッピング性被膜は、それぞれ複数の層により構成されていてもよい。すなわち、耐摩耗性被膜を構成する上述の成分(Ti1−xAlx)(0.2≦x≦0.7)の窒化物または炭窒化物のいずれか1種類以上において、この成分の範囲内で異なる配合を有する膜が複数層形成されて全体として耐摩耗性被膜とすることができる。また、耐チッピング性被膜においても、成分(Al1−a−bCraVb)(ここで、0≦a≦0.4、0≦b≦0.4、a+b≦0.4)の窒化物または炭窒化物のいずれか1種類以上において、この成分の範囲内で異なる配合を有する膜が複数層形成されて全体として耐チッピング性被膜とすることができる。 In the present invention, the above-mentioned wear-resistant coating and chipping-resistant coating may each be composed of a plurality of layers. That is, the range of this component in any one or more of the above-mentioned components (Ti 1-x Al x ) (0.2 ≦ x ≦ 0.7) and carbonitrides constituting the abrasion-resistant film A plurality of films having different blends can be formed to form a wear-resistant film as a whole. Also in the chipping-resistant coating, the nitriding of the component (Al 1-a-b Cr a V b ) (where 0 ≦ a ≦ 0.4, 0 ≦ b ≦ 0.4, a + b ≦ 0.4) In any one or more of the above materials and carbonitrides, a plurality of films having different compositions within the range of this component can be formed to form a chipping resistant coating as a whole.
また、本発明において、前記耐摩耗性被膜および/または耐チッピング性被膜にSiを含有させてもよい。Siを含有することで被膜硬度が向上するからである。具体的には、被膜中にSiが存在すると、被膜の組織が500nm〜250nmの柱状から100nm以下の針状へ微細化するととともに、被膜の硬度が向上する。当該Siの含有量は、被膜全体に対して、原子%で0.01%以上10%以下の範囲内である。Siの含有量が0.01%未満であると、被膜は硬くなるが、膜自身が脆くなり、膜内部で亀裂や剥離が生じて逆に摩耗は促進される虞がある。また、Siの含有量が10%を超えると、ターゲットを焼成している最中に割れが生じてしまいコーティングに使用可能な材料強度が得られないという問題が生じる。より好ましくは、0.03%以上6%以内である。 In the present invention, Si may be contained in the wear-resistant film and / or chipping-resistant film. It is because film hardness improves by containing Si. Specifically, when Si is present in the film, the film structure is refined from a columnar shape of 500 nm to 250 nm to a needle shape of 100 nm or less, and the hardness of the film is improved. The Si content is in the range of 0.01% or more and 10% or less in atomic percent with respect to the entire coating. If the Si content is less than 0.01%, the film becomes hard, but the film itself becomes brittle, cracking or peeling occurs inside the film, and wear may be accelerated. On the other hand, if the Si content exceeds 10%, a problem arises that cracking occurs during firing of the target, and the material strength that can be used for coating cannot be obtained. More preferably, it is 0.03% or more and 6% or less.
本発明において、前記耐摩耗性被膜および/または耐チッピング性被膜中にBが原子%で10%未満含まれていてもよい。Bが当該耐摩耗性被膜および/または耐チッピング性被膜中に含まれると、メカニズムはわかっていないがさらに高硬度な被膜が得られることから好ましい。また、切削中の表面酸化によって形成されるBの酸化物が特にAlの酸化物を緻密化することからも好ましい。さらに、Bの酸化物は低融点であるので切削時の潤滑剤として作用し、刃先の凝着や構成刃先の生成を抑える効果を示す。 In the present invention, B may be contained in the wear-resistant coating and / or chipping-resistant coating in an atomic percent of less than 10%. When B is contained in the wear-resistant coating and / or chipping-resistant coating, the mechanism is not known, but a coating with higher hardness is preferable. Further, the oxide of B formed by surface oxidation during cutting is particularly preferable because it densifies the oxide of Al. Further, since the oxide of B has a low melting point, it acts as a lubricant during cutting, and exhibits the effect of suppressing the adhesion of the cutting edge and the generation of the constituent cutting edge.
本発明において、前記耐摩耗性被膜の膜厚が、2μm以上10μm以下であるであることを特徴とする。当該膜厚が2μm未満では耐摩耗性の向上が見られず、逆に10μmを越えると表面被腹膜中の残留応力が大きくなり基材との密着強度が低下するので好ましくない。さらに、耐摩耗性の観点から、前記耐摩耗性被膜の膜厚が、2.5μm以上6μm以下であることが好ましい。膜厚の測定法としては、工具を切断し、その断面をSEM(走査型電子顕微鏡)を用いて観察して求めることができる。 In the present invention, the thickness of the wear-resistant coating film is 2 μm or more and 10 μm or less. If the film thickness is less than 2 μm, improvement in wear resistance is not observed. Conversely, if the film thickness exceeds 10 μm, the residual stress in the surface peritoneum increases and the adhesion strength with the substrate decreases, which is not preferable. Furthermore, from the viewpoint of wear resistance, the film thickness of the wear-resistant film is preferably 2.5 μm or more and 6 μm or less. As a method for measuring the film thickness, it can be obtained by cutting a tool and observing the cross section with an SEM (scanning electron microscope).
本発明において、前記耐摩耗性被膜の圧縮残留応力が−6GPa以上0GPa以下であることが好ましい。0GPaを超えると、被膜には引っ張り応力が残留することとなり、膜に亀裂が入りやすくなるとともにチッピング性が低下するので問題である。また、−6GPa未満であると、当該被腹膜中の残留応力が大きくなり基材との密着強度が低下するので好ましくない。より好ましくは、−4GPa以上−2GPa以下である。圧縮残留応力については、同一組成の被膜に対して、成膜温度、成膜圧力、基板バイアス電圧の調整で制御することができ、たとえば一例を挙げるならば、基板バイアス電圧が高いほど圧縮残留応力が高くなる(バイアス電圧を200Vまで)。このような圧縮残留応力は、X線を用いた2θ−sin2ψの方法により測定することができる。ここで、θは、回折角を表し、ψは、試料面法線と格子面法線が作る角を表し、2θ−sin2ψは線図の勾配から応力を求めることができる。詳細については、(社)表面技術協会編 PVD・CVD被膜の基礎と応用 第156〜158頁を参照のこと。 In this invention, it is preferable that the compressive residual stress of the said abrasion-resistant film is -6 GPa or more and 0 GPa or less. If it exceeds 0 GPa, a tensile stress remains in the coating, which causes a problem that the film tends to crack and the chipping property is lowered. On the other hand, if it is less than -6 GPa, the residual stress in the peritoneum is increased, and the adhesion strength with the substrate is lowered, which is not preferable. More preferably, it is -4 GPa or more and -2 GPa or less. The compressive residual stress can be controlled by adjusting the film formation temperature, the film formation pressure, and the substrate bias voltage for a film having the same composition. For example, as the substrate bias voltage increases, the compressive residual stress increases. Becomes higher (bias voltage up to 200V). Such compressive residual stress can be measured by the 2θ-sin 2 ψ method using X-rays. Here, θ represents the diffraction angle, ψ represents the angle formed by the sample surface normal and the lattice surface normal, and 2θ−sin 2 ψ can determine the stress from the gradient of the diagram. For details, see pages 156 to 158 of PVD / CVD coating basics and applications edited by Surface Technology Association.
本発明における基材は、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス(炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど)、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、酸化アルミニウムと炭化チタンからなる基材のいずれかを用いることができる。特に、被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどであることが好ましい。 The substrate in the present invention includes WC-based cemented carbide, cermet, high speed steel, ceramics (silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, etc.), cubic boron nitride sintered body, diamond sintered body, nitrided Any of a silicon sintered body and a base material made of aluminum oxide and titanium carbide can be used. In particular, the coated cutting tool is preferably a drill, an end mill, a milling and turning cutting edge replaceable tip, a metal saw, a gear cutting tool, a reamer, a tap, or the like.
本発明における耐摩耗性被膜を基材表面に被覆するためには、結晶性の高い化合物を形成することができる成膜プロセスで作製されることが不可欠である。そこで、種々の成膜方法を検討した結果、物理的蒸着法を用いることが好ましいことを本発明者らは見出した。物理的蒸着法には、バランスドおよびアンバランスドマグネトロンスパッタリング法、イオンプレーティング法などがあるが、特に、原料元素のイオン率が高いカソードアークイオンプレーティングが一番適している。このカソードアークイオンプレーティングを用いると、耐摩耗性被膜を形成する前に、基材表面に対して金属のイオンボンバードメント処理が可能となるため、被膜の密着性が格段によくなるので、密着性という意味からも好ましいプロセスである。 In order to coat the surface of the substrate with the wear-resistant coating in the present invention, it is indispensable to produce it by a film forming process capable of forming a compound having high crystallinity. Thus, as a result of examining various film forming methods, the present inventors have found that it is preferable to use a physical vapor deposition method. Physical vapor deposition methods include balanced and unbalanced magnetron sputtering methods, ion plating methods, and the like. Cathode arc ion plating with a high ion ratio of raw material elements is particularly suitable. When this cathode arc ion plating is used, metal ion bombardment treatment can be performed on the surface of the substrate before forming the wear-resistant coating, so the adhesion of the coating is greatly improved. This is also a preferable process.
次に、実施例を用いて本発明の被覆切削工具についてより詳細に説明する。実施例中の組成は、X線光電子分光装置(XPS)(PHI Quantera SXM、アルバックファイ社製)よって確認し、硬度はナノインデンター(MTS社製Nano Indenter XP)により確認した。なお、被腹膜の形成は以下のカソードアークイオンプレーティング法以外の、例えばバランスドまたはアンバランスドスパッタリング法によっても成膜することは可能である。 Next, the coated cutting tool of the present invention will be described in more detail using examples. The composition in the examples was confirmed by an X-ray photoelectron spectrometer (XPS) (PHI Quantera SXM, ULVAC-PHI), and the hardness was confirmed by a nanoindenter (Nano Indenter XP, manufactured by MTS). The peritoneum can also be formed by a balanced or unbalanced sputtering method other than the cathode arc ion plating method described below.
(実施例1〜23、比較例1,2)
(1)被覆切削工具の作製
基材として、グレードがJIS規格P30の超硬合金、チップ形状はJIS規格のSPGN120308のものを用意し、カソードアークイオンプレーティング装置に装着した。
(Examples 1 to 23, Comparative Examples 1 and 2)
(1) Production of coated cutting tool A cemented carbide alloy with a grade of JIS standard P30 and a chip shape of SPGN120308 with a JIS standard were prepared as a base material and attached to a cathode arc ion plating apparatus.
まず、真空ポンプによりチャンバー内を減圧するとともに、装置内に設置されたヒーターにより基材を温度650℃に加熱し、チャンバー内の圧力が1.0×10−4Paとなるまで真空引きを行った。次に、アルゴンガスを導入してチャンバー内の圧力を3.0Paに保持し、基板バイアス電源の電圧を徐々に上げながら、−1500Vとし、基材の表面のクリーニングを15分間行った。その後、アルゴンガスを排気した。 First, the inside of the chamber is depressurized by a vacuum pump, and the substrate is heated to a temperature of 650 ° C. by a heater installed in the apparatus, and evacuation is performed until the pressure in the chamber reaches 1.0 × 10 −4 Pa. It was. Next, argon gas was introduced to maintain the pressure in the chamber at 3.0 Pa, and while gradually increasing the voltage of the substrate bias power source, the surface of the substrate was cleaned for 15 minutes while being set to −1500 V. Thereafter, argon gas was exhausted.
次いで、耐摩耗性被膜成分の金属蒸発源である合金製ターゲット、および反応ガスとして窒素、メタン、酸素のうち、本発明の被膜が得られるガスを導入させながら、基板温度650℃、反応ガス圧2.0Pa、基板バイアス電圧を−70Vに維持したまま、カソード電極に100Aのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させ被膜を形成した。そして、所定の膜厚となったところで蒸発源に供給する電流をストップさせた。 Next, while introducing an alloy target that is a metal evaporation source of the wear-resistant coating component and a gas for obtaining the coating of the present invention among nitrogen, methane, and oxygen as a reactive gas, the substrate temperature is 650 ° C., the reactive gas pressure is While maintaining 2.0 Pa and the substrate bias voltage at -70 V, an arc current of 100 A was supplied to the cathode electrode, and metal ions were generated from the arc evaporation source to form a coating. Then, the current supplied to the evaporation source was stopped when the predetermined film thickness was reached.
引き続き、連続して耐チッピング性被膜の成膜を行った。被膜成分の金属蒸発源である合金製ターゲット、および反応ガスとして窒素、メタン、酸素のうち、本発明の被膜が得られるガスを導入させながら、基板温度650℃、反応ガス圧2.0Pa、基板バイアス電圧を−200Vに維持したまま、カソード電極に100Aのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させ被膜を形成した。そして、所定の膜厚となったところで蒸発源に供給する電流をストップさせた。ここで、成膜条件は一定としているが、同一の組成の被膜であっても、基板温度、反応ガス圧、基板バイアス電圧を制御することで、被膜硬度、残留応力値を制御することが可能である。 Subsequently, a chipping-resistant film was continuously formed. While introducing an alloy target which is a metal evaporation source of the coating component and a gas for obtaining the coating of the present invention out of nitrogen, methane and oxygen as the reaction gas, the substrate temperature is 650 ° C., the reaction gas pressure is 2.0 Pa, the substrate While maintaining the bias voltage at −200 V, an arc current of 100 A was supplied to the cathode electrode, and metal ions were generated from the arc evaporation source to form a coating. Then, the current supplied to the evaporation source was stopped when the predetermined film thickness was reached. Here, the film formation conditions are constant, but even with a film having the same composition, the film hardness and residual stress value can be controlled by controlling the substrate temperature, reaction gas pressure, and substrate bias voltage. It is.
また、通常はこのまま除冷するが、コーティング終了と同時にHeガスなどを導入し、チャンバー内に充満させて、基材の急冷を行ってもよい。完全にメカニズムを理解した訳ではないが、この急冷処理により被膜中の結晶粒が微細化され柱状組織から針状組織に微細になることで、膜の弾性回復量が大きくなり、さらに耐チッピング性が向上するためである。 Usually, the cooling is performed as it is. However, the substrate may be rapidly cooled by introducing He gas or the like at the same time as the completion of the coating to fill the chamber. Although the mechanism is not completely understood, the rapid cooling treatment refines the crystal grains in the film and makes them finer from a columnar structure to a needle-like structure, increasing the amount of elastic recovery of the film, and chipping resistance. It is for improving.
(2)被覆切削工具寿命評価
上述の工程で製造したサンプルである実施例1〜23の被覆切削工具、比較例1,2の切削工具それぞれについて、実際に表3に示す条件による乾式の連続旋削試験および断続旋削試験を行い、刃先の逃げ面摩耗幅を測定した。寿命評価結果を表1と2に示す。ただし、表2の結果は、耐チッピング被膜中にSiまたはB原子を含むものとしている。
(2) Coated cutting tool life evaluation For each of the coated cutting tools of Examples 1 to 23 and the cutting tools of Comparative Examples 1 and 2 which are samples manufactured in the above-described steps, dry continuous turning is actually performed under the conditions shown in Table 3. The test and the intermittent turning test were performed, and the flank wear width of the cutting edge was measured. The life evaluation results are shown in Tables 1 and 2. However, the results in Table 2 assume that the chipping resistant coating contains Si or B atoms.
表1と2から明らかなように、本発明において、切削工具寿命が大きく向上したことが確認された。 As is clear from Tables 1 and 2, it was confirmed that the cutting tool life was greatly improved in the present invention.
(実施例24〜26、比較例3,4)
実施例1と全く同じ方法により、外径8mmのドリル(JISK10超硬合金)にそれぞれにコーティングを行い、実施例1,6,20、および比較例1,2と同じ被膜をコーティングし、それぞれ得られたサンプルを実施例24〜26、および比較例3,4の被覆切削工具とした。次に、これらのサンプルを用いて、実際にSCM440(HRC30)の穴開け加工を行いその寿命評価を行なった。切削条件は、切削速度90m/min、送り量0.2mm/rev、切削油剤は用いず(エアーブローを使用)、深さ24mmの止まり穴加工を行った。なお、寿命の判定は、被加工材の寸法精度が規定の範囲をはずれた時点とした。その寿命評価結果を表4に示す。
(Examples 24-26, Comparative Examples 3 and 4)
In exactly the same manner as in Example 1, each of the 8 mm outer diameter drills (JISK10 cemented carbide) was coated, and the same coatings as in Examples 1, 6, 20 and Comparative Examples 1 and 2 were coated. The obtained samples were used as the coated cutting tools of Examples 24-26 and Comparative Examples 3 and 4. Next, using these samples, drilling of SCM440 (HRC30) was actually performed to evaluate the life. Cutting conditions were a cutting speed of 90 m / min, a feed amount of 0.2 mm / rev, no cutting fluid (using air blow), and a blind hole with a depth of 24 mm. Note that the life was determined when the dimensional accuracy of the workpiece was outside the specified range. The life evaluation results are shown in Table 4.
その結果、本発明のドリルの寿命が大きく向上していることが確認された。 As a result, it was confirmed that the life of the drill of the present invention was greatly improved.
(実施例27〜29、比較例5,6)
実施例1と全く同じ方法により、外径8mmの6枚刃エンドミル(JISK10超硬合金)にそれぞれに、実施例1,6,20および比較品1,2の被膜をコーティングして、それぞれに対応する実施例27〜29の被覆切削工具および比較例5,6の被覆切削工具を得た。次に、これらの被覆切削工具を用いて、実際にSKD11(HRC60)のエンドミル側面削り加工を行いその寿命評価を行なった。切削条件は、切削速度200m/min、送り0.03mm/刃、切り込み量Ad=12mm、Rd=0.2mm、切削油剤は用いず(エアーブローを使用)側面切削を行った。なお、寿命の判定は、被加工材の寸法精度が規定の範囲をはずれた時点とした。その寿命評価結果を上述の表4に示す。
(Examples 27 to 29, Comparative Examples 5 and 6)
By coating the 6-flute end mill (JISK10 cemented carbide) with an outer diameter of 8 mm by coating the coatings of Examples 1, 6 and 20 and
その結果、本発明のエンドミルの寿命が大きく向上していることが確認された。 As a result, it was confirmed that the life of the end mill of the present invention was greatly improved.
(実施例30〜32、比較例7,8)
まず、超硬合金製ポットおよびボールを用いて、重量で40%のTiNと10%のAlからなる結合材粉末と50%の平均粒径2.5μmのcBN粉末を混ぜ合わせ、超硬製容器に充填し、圧力5Gpa、温度1400℃で60分焼結した。このcBN焼結体を加工し、ISO規格SNGA120408の形状の切削用チップを得た。
(Examples 30 to 32, Comparative Examples 7 and 8)
First, using a cemented carbide pot and balls, a binder powder composed of 40% TiN and 10% Al by weight and 50% cBN powder having an average particle diameter of 2.5 μm are mixed together to form a cemented carbide container. And sintered at a pressure of 5 Gpa and a temperature of 1400 ° C. for 60 minutes. This cBN sintered body was processed to obtain a cutting tip having a shape of ISO standard SNGA120408.
そのチップに、実施例1と全く同じ方法により、実施例1、6、20および比較品1、2の被覆膜を被覆し、それぞれ実施例30〜32、および比較例7,8の被覆切削工具を得た。当該被覆切削工具を用い、焼入鋼の1種であるSUJ2の丸棒(HRC62)の外周切削を行った。切削速度120m/min、切り込み0.2mm、送り0.1mm/rev、乾式で40分間の条件で切削を行い、逃げ面摩耗量を調べた。その結果を表3に示すが、本発明の切削チップの寿命が大きく向上していることが確認された。
The chips were coated with the coating films of Examples 1, 6, 20 and
(実施例33、比較例9,10)
グレードがJIS規格S20の超硬合金、チップ形状はJIS規格のCNMG120408の基材を用意し、実施例1の工程と同一の工程で製造した切削工具である実施例20において用いた被覆膜と比較例1,2において用いた被覆膜を上記基材にコーティングし、それぞれ対応する切削工具を実施例33の被覆切削工具、および比較例9,10の切削工具とした。当該それぞれの切削工具について、実際に以下に示す条件による湿式(水溶性エマルジョン)の連続旋削試験を行い、刃先の逃げ面摩耗幅が0.2mmを超える時間を測定した。切削条件は、被削材とTi合金Ti−6Al−4V(HB=310)とし、切削速度80m/min、送り量0.2mm/rev、切り込み1mmとした。その結果、実施例33の切削工具は30分間の切削が可能であったのに対して、比較例9の切削工具は4分で、比較例10の切削工具は1分で刃先がチッピングしたため加工を中断した。このことから、本発明の切削チップの寿命が大きく向上していることが確認された。
(Example 33, Comparative Examples 9 and 10)
Cemented carbide with grade JIS standard S20, chip shape with JIS standard CNMG120408 base material prepared, and the coating film used in Example 20 which is a cutting tool manufactured in the same process as Example 1 The coating films used in Comparative Examples 1 and 2 were coated on the substrate, and the corresponding cutting tools were the coated cutting tool of Example 33 and the cutting tools of Comparative Examples 9 and 10, respectively. Each cutting tool was actually subjected to a wet (water-soluble emulsion) continuous turning test under the following conditions, and the time when the flank wear width of the cutting edge exceeded 0.2 mm was measured. Cutting conditions were a work material and a Ti alloy Ti-6Al-4V (HB = 310), a cutting speed of 80 m / min, a feed amount of 0.2 mm / rev, and a cutting depth of 1 mm. As a result, the cutting tool of Example 33 was capable of cutting for 30 minutes, whereas the cutting tool of Comparative Example 9 was cut in 4 minutes and the cutting tool of Comparative Example 10 was chipped in 1 minute. Interrupted. From this, it was confirmed that the life of the cutting tip of the present invention has been greatly improved.
今回開示された実施の形態および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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. 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.
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