JP4593994B2 - Surface coated cutting tool - Google Patents
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Description
本発明は、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型チップ、エンドミル用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工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（最外層）に耐摩耗性等の特性を向上させる被膜を形成した表面被覆切削工具に関する。 The present invention relates to drills, end mills, drill tip replacement tips, end mill tip replacement tips, milling tip replacement tips, turning tip replacement tips, metal saws, gear cutting tools, reamers, taps, etc. More particularly, the present invention relates to a surface-coated cutting tool in which a coating for improving characteristics such as wear resistance is formed on the surface (outermost layer).
従来、切削用の工具としては、超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ合金もしくはこれにＴｉ（チタン）やＴａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）等の炭窒化物を添加した合金）が用いられてきた。しかし、近年の切削の高速化に伴い、超硬合金、サーメット、あるいはアルミナ系や窒化珪素系のセラミックスを基材として、その表面にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法やＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法で元素周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属やＡｌ（アルミニウム）などの炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ窒化物、酸化物からなる被膜を３〜２０μｍの厚さに被覆した硬質合金工具の使用割合が増大している。 Conventionally, cemented carbides (WC-Co alloys or alloys obtained by adding carbonitrides such as Ti (titanium), Ta (tantalum), Nb (niobium), etc.) have been used as cutting tools. However, with the recent increase in cutting speed, cemented carbide, cermet, or alumina-based or silicon nitride-based ceramics is used as a base material, and the surface is subjected to CVD (Chemical Vapor Deposition) or PVD (Physical Vapor Deposition). Hard alloy tool with a coating of carbide, nitride, carbonitride, boronitride, oxide such as IVa, Va, VIa group metals and Al (aluminum) of the periodic table of elements coated to a thickness of 3-20 μm The usage rate of is increasing.
特に、ＰＶＤ法による被覆は、基材強度の劣化を招かずに耐摩耗性を高め得るということから、ドリル、エンドミル、フライスまたは旋削加工用刃先交換型（スローアウェイ）チップなどの強度の要求される切削工具に多用されている。 In particular, the coating by the PVD method can increase the wear resistance without causing deterioration of the base material strength, so that the strength of drills, end mills, milling cutters or turning edge insert type (throw away) inserts for turning is required. It is often used for cutting tools.
近年、切削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おり、そのことに伴い工具には一層の耐摩耗性が要求されるようになってきている。しかし、高い耐摩耗性を要求すると靭性が低下するということから、高い耐摩耗性および高い靭性の双方を両立させることが要求されている。 In recent years, in order to further improve the cutting efficiency, the cutting speed has been increased, and accordingly, the tool is required to have higher wear resistance. However, when high wear resistance is required, the toughness is lowered, so that it is required to achieve both high wear resistance and high toughness.
この要求に応える試みとして、このような切削工具の基材表面に形成された被膜において、圧縮応力等の内部応力を連続的または段階的に変化させる手法が提案されている（特許文献１）。このような提案により、耐摩耗性および靭性の両立という要求に対してはある程度の効果を挙げつつある。 As an attempt to meet this requirement, a technique has been proposed in which internal stress such as compressive stress is changed continuously or stepwise in the coating formed on the surface of the base material of such a cutting tool (Patent Document 1). With such a proposal, a certain degree of effect is being given to the requirement of achieving both wear resistance and toughness.
しかしながら、上記のような提案にかかる切削工具は、その被膜の圧縮応力が被膜表面側から基材表面側にかけて一律に増加乃至減少する態様のものであるため、靭性を顕著に向上させるには圧縮応力を基材表面側から被膜表面側にかけて増加させる必要があり、耐摩耗性を顕著に向上させるには圧縮応力を被膜表面側から基材表面側にかけて増加させる必要があった。 However, the cutting tool according to the above proposal has a mode in which the compressive stress of the coating uniformly increases or decreases from the coating surface side to the base material surface side. It was necessary to increase the stress from the substrate surface side to the coating surface side, and to significantly improve the wear resistance, it was necessary to increase the compressive stress from the coating surface side to the substrate surface side.
すなわち、被膜表面において最大の圧縮応力を有する態様においては上記靭性に優れるものの、基材表面側に向けて連続的または段階的に圧縮応力が一律に減少するため耐摩耗性には劣っていた。逆に、基材表面側において最大の圧縮応力を有する態様においては耐摩耗性に優れるものの、被膜表面側に向けて連続的または段階的に圧縮応力が一律に減少するため靭性には劣っていた。 That is, in the aspect having the maximum compressive stress on the surface of the coating, the toughness is excellent, but the compressive stress decreases uniformly or stepwise toward the substrate surface side, so that the wear resistance is inferior. On the contrary, in the aspect having the maximum compressive stress on the substrate surface side, although it is excellent in abrasion resistance, the compressive stress is uniformly reduced stepwise toward the coating surface side, so that the toughness is inferior. .
特に被膜表面において最大の圧縮応力を有する態様の切削工具は、その大きな圧縮応力故に被膜形成後（コーティング終了後）または衝撃応力が負荷されたときに被膜が自己破壊し、微小な膜剥離（以下、膜チッピングと記す）が生じやすく、切削工具としての外観品質や高精度加工時の切削性能に悪影響を与えていた。 In particular, the cutting tool having the maximum compressive stress on the surface of the coating film has a large compressive stress, so that the coating film self-destructs after film formation (after coating is completed) or when impact stress is applied, and minute film peeling (hereinafter referred to as “film peeling”). , Which is referred to as film chipping), which adversely affects the appearance quality as a cutting tool and the cutting performance during high-precision machining.
この種の切削工具において靭性と耐摩耗性の両立は、最も基本的な特性の一つであるためこれら両者をさらに高度に両立させた切削工具の提供が望まれていた。
本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、切削工具の靭性と耐摩耗性とを高度に両立させるとともに特に膜チッピングを抑制した表面被覆切削工具を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described situation, and the object of the present invention is to provide a surface-coated cutting tool in which the toughness and wear resistance of the cutting tool are both highly compatible and in particular, film chipping is suppressed. Is to provide.
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねたところ、基材上に最外層として形成される被膜の表面部における圧縮応力を小さくするとともに、その被膜の内部において圧縮応力を増大させ、その強度分布において極大点を形成するようにすれば、高度な耐摩耗性と膜チッピングに対する耐性を維持したままその極大点近傍において被膜表面に発生した亀裂の進展を抑制でき、靭性も同時に向上するのではないかという知見を得た。またさらに研究を進めることにより、上記極大点から被膜の底面にかけて一定の圧縮応力を維持することによりさらに靭性の向上を図ることができるのではないかという知見を得るに至った。本発明は、これらの知見に基づきさらに研究を重ねることにより完成されたものである。 The present inventor has made extensive studies to solve the above problems, and as a result, the compressive stress in the surface portion of the coating formed as the outermost layer on the substrate is reduced and the compressive stress is increased in the coating. If the maximum point is formed in the strength distribution, the development of cracks on the surface of the coating near the maximum point can be suppressed while maintaining high wear resistance and resistance to film chipping. The knowledge that it might improve is obtained. Furthermore, further research has led to the finding that toughness can be further improved by maintaining a certain compressive stress from the maximum point to the bottom of the coating. The present invention has been completed by further research based on these findings.
すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、該被膜は、該基材上の最外層となるものであり、かつ圧縮応力を有しており、該圧縮応力は、上記被膜の厚み方向に強度分布を有するように変化しており、該強度分布は、上記被膜の表面において最小の圧縮応力を有するとともに、上記被膜の表面から、上記被膜の表面と上記被膜の底面との間に位置する中間点まで該圧縮応力が連続的に増加し、該中間点において極大点を有するとともに、該中間点から上記被膜の底面まで圧縮応力が一定の値となることを特徴としている。 That is, the surface-coated cutting tool of the present invention is a surface-coated cutting tool comprising a substrate and a coating formed on the substrate, and the coating is an outermost layer on the substrate. And has a compressive stress, and the compressive stress changes so as to have a strength distribution in the thickness direction of the coating, and the strength distribution has a minimum compressive stress on the surface of the coating. The compressive stress continuously increases from the surface of the coating to an intermediate point located between the surface of the coating and the bottom surface of the coating, and has a maximum point at the intermediate point. The compressive stress is a constant value up to the bottom surface of the coating.
ここで、上記圧縮応力は、−１５ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の範囲の応力とすることができる。また上記中間点は、上記被膜の表面から、上記被膜の厚みの０．１％以上５０％以下の距離を有して位置するものとすることができる。 Here, the said compressive stress can be made into the stress of the range of -15GPa or more and 0GPa or less. The intermediate point may be located at a distance of 0.1% to 50% of the thickness of the coating from the surface of the coating.
また上記圧縮応力は、上記被膜の表面において上記被膜の中間点の圧縮応力の２５〜９５％の値を有するものとすることができる。 Moreover, the said compressive stress shall have a value of 25-95% of the compressive stress of the intermediate point of the said film in the surface of the said film.
また上記圧縮応力は、上記被膜の表面において上記被膜の中間点の圧縮応力の３５〜８５％の値を有するものとすることができる。 Moreover, the said compressive stress shall have a value of 35-85% of the compressive stress of the intermediate point of the said film in the surface of the said film.
また上記圧縮応力は、上記被膜の表面において最小の圧縮応力を有するとともに、その最小の圧縮応力が上記被膜の表面から上記中間点の方向に向かって一定の距離の間維持された後、該圧縮応力が上記中間点まで連続的に増加するものとすることができる。 The compressive stress has a minimum compressive stress on the surface of the coating, and after the minimum compressive stress is maintained for a certain distance from the surface of the coating toward the intermediate point, the compression stress is reduced. The stress can be continuously increased to the intermediate point.
本発明の表面被覆切削工具は、上記のような構成を有することにより、靭性と耐摩耗性とを高度に両立させるとともに特に膜チッピングに対する耐性を向上させた特性を有するものである。 The surface-coated cutting tool of the present invention has the above-described configuration, so that it has a characteristic that the toughness and the wear resistance are both highly compatible and particularly the resistance to film chipping is improved.
特に、上記被膜の表面において最小の圧縮応力を有することにより耐摩耗性および膜チッピングに対する耐性が向上するとともに、被膜内部の表面に近い部分に圧縮応力の強度分布の極大点を形成し、かつ該極大点から被膜の底面にかけて一定の圧縮応力を有することにより、靭性が飛躍的に向上したものとなる。 In particular, wear resistance and resistance to film chipping are improved by having the minimum compressive stress on the surface of the coating, and a maximum point of the strength distribution of compressive stress is formed in a portion close to the surface inside the coating, and By having a constant compressive stress from the maximum point to the bottom surface of the coating, the toughness is drastically improved.
このように本発明は、これらの効果が相乗的に作用することにより靭性と耐摩耗性とを高度に両立させるとともに特に膜チッピングに対する耐性を向上させることに成功したものである。 As described above, the present invention succeeds in achieving both high toughness and wear resistance and improving particularly the resistance to film chipping by synergistic action of these effects.
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明では、図面を用いて説明しているが、本願の図面において同一の参照符号を付したものは、同一部分または相当部分を示している。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail. In the following description of the embodiments, the description is made with reference to the drawings. In the drawings of the present application, the same reference numerals denote the same or corresponding parts.
＜表面被覆切削工具＞
図１に示したように、本発明の表面被覆切削工具１は、基材２と、該基材上に形成された被膜３とを備えた構成を有している。なお、図１では、被膜３が基材２表面に直接接するように形成されているが、被膜３が最外層となる限り被膜３と基材２との間には後述するように任意の中間層が形成されていても差し支えない。本願において基材上に形成された被膜という場合は、このように任意の中間層が形成された場合も含むものとする。
<Surface coated cutting tool>
As shown in FIG. 1, the surface-coated cutting tool 1 of the present invention has a configuration including a
このような本発明の表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型チップ、エンドミル用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工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として好適に用いることができ、とりわけ仕上げ切削用または精密切削用の用途に好適であるとともに、旋削加工用の用途に特に適したものとなっており、これらの用途で靭性および耐摩耗性に優れたものとなる。特に、膜チッピングに対する耐性に優れることから被削材の仕上げ面粗さが向上し、被削材の仕上げ面光沢にも優れることから粗仕上同時加工が可能である。 Such a surface-coated cutting tool according to the present invention includes a drill, an end mill, a drill tip replacement tip, an end mill tip replacement tip, a milling tip replacement tip, a turning tip replacement tip, a metal saw, and a gear cutter. It can be suitably used as a cutting tool for tools, reamers, taps, etc., and is particularly suitable for finish cutting or precision cutting applications, and particularly suitable for turning applications. Excellent toughness and wear resistance depending on the application. In particular, the finish surface roughness of the work material is improved due to its excellent resistance to film chipping, and the rough finish simultaneous processing is possible because it is also excellent in the finish surface gloss of the work material.
＜基材＞
本発明の表面被覆切削工具に用いられる基材は、この種の用途の基材として従来公知のものであればいずれのものも使用することができる。たとえば、超硬合金（たとえばＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはさらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含む）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、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、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。
<Base material>
As the base material used in the surface-coated cutting tool of the present invention, any base material can be used as long as it is a conventionally known base material for this type of application. For example, cemented carbide (for example, WC-based cemented carbide, including WC, including Co, or further including carbonitride such as Ti, Ta, Nb), cermet (TiC, TiN, TiCN, etc.) Main component), high speed steel, ceramics (titanium carbide, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, etc.), cubic boron nitride sintered body, or diamond sintered body Is preferred.
これらの各種基材の中でも、特にＷＣ基超硬合金、サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体を選択することが好ましい。これは、これらの基材が特に高温硬度と強度とのバランスに優れ、上記用途の表面被覆切削工具の基材として優れた特性を有するためである。 Among these various substrates, it is particularly preferable to select a WC-based cemented carbide, cermet, and cubic boron nitride sintered body. This is because these substrates are particularly excellent in the balance between high-temperature hardness and strength, and have excellent characteristics as a substrate for a surface-coated cutting tool for the above applications.
＜被膜＞
本発明の被膜は、上記の基材上に形成されるものであって最外層となるものである。このように形成されている限り、必ずしも上記基材を全面に亘って被覆している必要はなく、上記基材の表面に該被膜が形成されていない部分が含まれていても差し支えない。なお、被膜を一旦形成した後に、任意の後加工によりその被膜の表面の一部が除去される場合には、それが除去された後に新たに最表面に露出した層についても本発明の対象の被膜となる。また、後述のように基材と被膜との間に中間層が形成されている場合において、その被膜が任意の後加工により除去されて中間層が最外層として露出する場合には、その露出部分については該中間層が本発明の被膜となる（この場合、該中間層が複数の層で形成されている場合には、その複数の層のうち最外層（最表面となる層）が本発明の被膜となる）。
<Coating>
The coating film of the present invention is formed on the above-mentioned base material and is the outermost layer. As long as it is formed in this way, it is not always necessary to cover the entire surface of the base material, and the surface of the base material may include a portion where the coating film is not formed. In addition, when a part of the surface of the film is removed by arbitrary post-processing after the film is once formed, a layer newly exposed on the outermost surface after the removal is also included in the object of the present invention. It becomes a film. Further, when an intermediate layer is formed between the base material and the coating as will be described later, if the intermediate layer is exposed as an outermost layer by removing the coating by any post-processing, the exposed portion In this case, the intermediate layer is the coating of the present invention (in this case, when the intermediate layer is formed of a plurality of layers, the outermost layer (the layer that is the outermost surface) of the plurality of layers is the present invention). It becomes a film of).
このような被膜は、工具の耐摩耗性、耐酸化性、靭性、使用済み刃先部の識別のための色付性等の諸特性を向上させる作用を付与するために形成されるものであり、その組成は特に限定されるものではなく従来公知のものを採用することができる。たとえば、元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ（アルミニウム）、Ｂ（ホウ素）、Ｓｉ（シリコン）およびＧｅ（ゲルマニウム）からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素の炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物またはこれらの固溶体により構成されるものをその組成として例示することができる。 Such a coating is formed in order to impart an effect of improving various properties such as wear resistance, oxidation resistance, toughness of the tool, and coloring property for identifying the used blade edge part, The composition is not particularly limited, and a conventionally known one can be adopted. For example, at least one element selected from the group consisting of group IVa element, group Va element, group VIa element, Al (aluminum), B (boron), Si (silicon) and Ge (germanium) in the periodic table Examples of the composition include carbides, nitrides, oxides, carbonitrides, carbonates, nitrides, carbonitrides, or solid solutions thereof.
特に、Ｔｉ、Ａｌ、（Ｔｉ1-xＡｌx）、（Ａｌ1-xＶx）、（Ｔｉ1-xＳｉx）、（Ａｌ1-xＣｒx）、（Ｔｉ1-x-yＡｌxＳｉy）または（Ａｌ1-x-yＣｒxＶy）の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物(式中ｘ、ｙは１以下の任意の数)等（これらにさらにＢ、Ｃｒ等を含むものも含む）をその好適な組成として例示することができる。 In particular, Ti, Al, (Ti 1-x Al x ), (Al 1-x V x ), (Ti 1-x Si x ), (Al 1-x Cr x ), (Ti 1-xy Al x Si) y ) or (Al 1-xy Cr x V y ) nitride, carbonitride, nitrogen oxide or carbonitride oxide (wherein x and y are any number of 1 or less), etc. Examples of suitable compositions thereof include those containing Cr and the like.
より好ましくは、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＣｒＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＣｒＶＮ、ＴｉＢＮ、ＴｉＡｌＢＮ、ＴｉＳｉＢＮ、ＴｉＢＣＮ、ＴｉＡｌＢＣＮ、ＴｉＳｉＢＣＮ、ＡｌＮ、ＡｌＣＮ、ＡｌＶＮ、ＡｌＶＣＮ等を挙げることができる。なお、これらの組成中、各原子比は上記一般式の例に倣うものとする。 More preferably, TiCN, TiN, TiSiN, TiSiCN, TiAlN, TiAlCrN, TiAlSiN, TiAlSiCrN, AlCrN, AlCrCN, AlCrVN, TiBN, TiAlBN, TiSiBN, TiBCN, TiAlBCN, TiSiBCN, AlN, AlCN, AlVN, etc. it can. In these compositions, each atomic ratio follows the example of the above general formula.
また、このような被膜は、単層として形成されるものとする。ここで単層とは、その積層数は１層であっても複数層であってもよいが、各層を構成する構成元素の種類が同一である構造をいうものとする。このため、構成元素の種類が同一のものである限り、原子比の異なるものが複数積層されていてもここでいう単層に含まれるものとする。 Moreover, such a film shall be formed as a single layer. Here, the single layer may be a single layer or a plurality of layers, but it means a structure in which the types of constituent elements constituting each layer are the same. Therefore, as long as the types of constituent elements are the same, even if a plurality of elements having different atomic ratios are stacked, they are included in the single layer referred to here.
本発明の被膜としては、特に被膜全体を通して構成元素の種類が同一であり、その原子比も同一のもので構成されていることが好ましい。 The film of the present invention is preferably composed of the same constituent elements throughout the film, and the same atomic ratio.
＜被膜の厚み＞
本発明の被膜の厚みは、特に限定されるものではないが、０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。その厚みが０．１μｍ未満では、被膜の形成による諸特性の向上効果が十分に得られなくなることがあり、１０μｍを超えると被膜自体が容易に剥離することがあるからである。
<Thickness of coating>
The thickness of the coating of the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less. If the thickness is less than 0.1 μm, the effect of improving various properties due to the formation of the film may not be sufficiently obtained, and if it exceeds 10 μm, the film itself may be easily peeled off.
＜被膜の形成方法＞
本発明の被膜の形成方法は、特に限定されるものではないが、物理的蒸着法（ＰＶＤ法）により形成することが好ましい。このように物理的蒸着法を採用することより、強度分布が形成されるように被膜の圧縮応力を容易に変化させることができるからである。
<Method for forming film>
Although the formation method of the film of this invention is not specifically limited, It is preferable to form by the physical vapor deposition method (PVD method). This is because by adopting the physical vapor deposition method in this way, the compressive stress of the coating can be easily changed so as to form an intensity distribution.
すなわち、被膜の圧縮応力は、本発明者の研究によると、物理的蒸着法により被膜を形成する時の温度、反応ガス圧、基板バイアス電圧等の影響を受けることが判明しており、その中でも特に被膜を形成する時の基板バイアス電圧の影響が最も大きいことが判明している。 That is, according to the present inventors' research, it has been found that the compressive stress of the film is affected by the temperature, reaction gas pressure, substrate bias voltage, etc. when the film is formed by physical vapor deposition. In particular, it has been found that the influence of the substrate bias voltage when forming a film is the largest.
これは、たとえば基材に対して大きな基板バイアス電圧をかけると、被膜を構成する元素がイオン状態で基材に対して高エネルギーで供給され、このためこれら両者が衝突するときの衝撃が大きくなり、その結果として形成される被膜の圧縮応力が大きくなるものと考えられる。また、逆に基板バイアス電圧が小さい場合は、そのような基材とイオン状態の元素との衝突による衝撃も小さく、以って圧縮応力も小さくなるものと推測される。 This is because, for example, when a large substrate bias voltage is applied to the base material, the elements constituting the coating are supplied in high energy to the base material in an ionic state, so that the impact when both of these collide increases. As a result, it is considered that the compressive stress of the film formed is increased. On the other hand, when the substrate bias voltage is small, it is presumed that the impact due to the collision between the base material and the ion element is small, and the compressive stress is also small.
したがって、被膜の圧縮応力が、被膜の厚み方向に対して強度分布を有するようにするためには、基材上に被膜を形成する際に、物理的蒸着法を採用し、その基板バイアス電圧を調節することにより、実行することができる。 Therefore, in order for the compressive stress of the coating to have a strength distribution with respect to the thickness direction of the coating, a physical vapor deposition method is adopted when the coating is formed on the substrate, and the substrate bias voltage is set. It can be done by adjusting.
このように本発明の被膜の形成方法としては、物理的蒸着法を採用することが好ましいが、他の形成方法として知られる化学的蒸着法を除外するものではない。 As described above, it is preferable to employ a physical vapor deposition method as a method for forming a film of the present invention, but this does not exclude chemical vapor deposition methods known as other formation methods.
このような物理的蒸着法としては、基板バイアス電圧の調節が可能なスパッタリング法、イオンプレーティング法等、従来公知の方法を挙げることができる。特に、それらの各種方法の中でもイオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタリング法を採用することが好ましい。 Examples of such physical vapor deposition include conventionally known methods such as sputtering and ion plating that can adjust the substrate bias voltage. In particular, among these various methods, it is preferable to employ an ion plating method or a magnetron sputtering method.
ここで、イオンプレーティング法とは、金属を陰極とし、真空チャンバーを陽極として、金属を蒸発、イオン化させると同時に基材に負の電圧（基板バイアス電圧）をかけることによりイオンを引き出し、基材表面に金属イオンを堆積する方法をいう。なお、この方法において、真空中に窒素を入れ、金属と反応させれば該金属の窒化化合物が形成されることになる。たとえば金属としてチタンを用い、窒素と反応させれば窒化チタン（ＴｉＮ）が形成される。 Here, the ion plating method uses a metal as a cathode and a vacuum chamber as an anode, evaporates and ionizes the metal, and at the same time applies a negative voltage (substrate bias voltage) to the substrate to extract ions. A method of depositing metal ions on the surface. In this method, if nitrogen is put in a vacuum and reacted with a metal, a nitride compound of the metal is formed. For example, if titanium is used as a metal and reacted with nitrogen, titanium nitride (TiN) is formed.
このようなイオンプレーティング法にも種々のものがあるが、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法を採用することが特に好ましい。 There are various types of such ion plating methods, and it is particularly preferable to employ the cathode arc ion plating method in which the ion ratio of the raw material elements is high.
このカソードアークイオンプレーティング法を用いると、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、被膜の密着性が飛躍的に向上するという効果を得ることもできる。このため、密着性という意味からもカソードアークイオンプレーティング法は好ましいプロセスである。 When this cathode arc ion plating method is used, it is possible to perform metal ion bombardment treatment on the surface of the substrate before forming the coating, so that the adhesion of the coating is remarkably improved. You can also. For this reason, the cathode arc ion plating method is a preferable process from the viewpoint of adhesion.
一方、マグネトロンスパッタリング法とは、真空チャンバー内を高真空にした後、Ａｒガスを導入してターゲットに高電圧を印加しグロー放電を生じさせ、このグロー放電によりイオン化したＡｒをターゲットに向けて加速照射させターゲットをスパッタすることにより、飛び出してイオン化されたターゲット原子は、ターゲット−基板間の基板バイアス電圧によって加速され基材上に堆積されることによって成膜される方法をいう。このようなマグネトロンスパッタリング法には、バランスドマグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法等がある。 On the other hand, in the magnetron sputtering method, after making the inside of a vacuum chamber high vacuum, Ar gas is introduced and a high voltage is applied to the target to generate glow discharge, and Ar ionized by this glow discharge is accelerated toward the target. By irradiating and sputtering the target, the target atoms that jump out and are ionized are accelerated by a substrate bias voltage between the target and the substrate and deposited on a substrate to form a film. Such a magnetron sputtering method includes a balanced magnetron sputtering method, an unbalanced magnetron sputtering method, and the like.
なお、上記では、被膜の圧縮応力の強度分布の形成方法として、物理的蒸着法による基板バイアス電圧を制御する方法を挙げているが、本発明においてはこのような方法のみに限定されるものではない。たとえば、被膜形成後に、ブラスト等機械的衝撃により圧縮応力を加える方法、ヒーター、レーザー等の熱源を用いて圧縮応力を緩和する方法、これらの方法を組み合せる方法等を挙げることができる。 In the above, a method for controlling the substrate bias voltage by a physical vapor deposition method is mentioned as a method for forming the strength distribution of the compressive stress of the film. However, the present invention is not limited to such a method. Absent. For example, a method of applying a compressive stress by mechanical impact such as blasting after forming a film, a method of relaxing the compressive stress using a heat source such as a heater or a laser, a method of combining these methods, and the like can be mentioned.
＜被膜の圧縮応力＞
本発明の被膜は、圧縮応力を有している。そして、該圧縮応力は−１５ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の範囲の応力であることが好ましい。より好ましくは、その下限を−１０ＧＰａ、さらに好ましくは−８ＧＰａである。また、その上限は、より好ましくは−０．５ＧＰａであり、さらに好ましくは−１ＧＰａである。
<Compressive stress of coating>
The coating of the present invention has a compressive stress. The compressive stress is preferably a stress in the range of −15 GPa to 0 GPa. More preferably, the lower limit is −10 GPa, more preferably −8 GPa. Further, the upper limit is more preferably -0.5 GPa, still more preferably -1 GPa.
被膜の圧縮応力が−１５ＧＰａ未満となると、切削工具の形状（刃先が極めて小さい鋭角であるものや複雑な形状をしたもの等）により、特に刃先稜線部で被膜が剥離する場合がある。また、被膜の圧縮応力が０ＧＰａを越えると、被膜の応力は引張状態となるので、被膜に亀裂を生じ、これが原因となって工具自体が欠損する場合がある。 When the compressive stress of the coating is less than −15 GPa, the coating may be peeled off particularly at the edge portion of the cutting edge depending on the shape of the cutting tool (the cutting edge has an extremely small acute angle or a complicated shape). Further, when the compressive stress of the coating exceeds 0 GPa, the coating stress becomes a tensile state, so that the coating is cracked, which may cause the tool itself to be lost.
ここで、本発明でいう圧縮応力とは、被膜に存する内部応力（固有ひずみ）の一種であって、「−」（マイナス）の数値（単位：ＧＰａ）で表されるものである。このため、圧縮応力（内部応力）が大きいという表現は、上記数値の絶対値が大きくなることを示し、また、圧縮応力（内部応力）が小さいという表現は、上記数値の絶対値が小さくなることを示す。 Here, the compression stress referred to in the present invention is a kind of internal stress (intrinsic strain) existing in the film, and is represented by a numerical value (unit: GPa) of “−” (minus). Therefore, the expression that the compressive stress (internal stress) is large indicates that the absolute value of the numerical value is large, and the expression that the compressive stress (internal stress) is small is that the absolute value of the numerical value is small. Indicates.
また、このような本発明の圧縮応力は、ｓｉｎ2ψ法という方法で測定されるものである。Ｘ線を用いたｓｉｎ2ψ法は、多結晶材料の残留応力の測定方法として広く用いられている。この測定方法は、「Ｘ線応力測定法」（日本材料学会、１９８１年株式会社養賢堂発行）の５４〜６６頁に詳細に説明されているが、本発明ではまず並傾法と側傾法とを組み合せてＸ線の侵入深さを固定し、測定する応力方向と測定位置に立てた試料表面法線を含む面内で種々のψ方向に対する回折角度２θを測定して２θ−ｓｉｎ2ψ線図を作成し、その勾配からその深さ（被膜の表面からの距離）までの平均圧縮応力を求めることができる。そして、同様にして異なる深さまでの平均圧縮応力を順次測定することにより、被膜の厚み方向の圧縮応力の強度分布を求めることができる。 Moreover, such a compressive stress of the present invention is measured by a method called the sin 2 ψ method. X-ray sin 2 [psi method using is widely used as a method of measuring residual stress in a polycrystalline material. This measurement method is described in detail on pages 54 to 66 of "X-ray stress measurement method" (Japan Society for Materials Science, published by Yokendo Co., Ltd. in 1981). The X-ray penetration depth is fixed in combination with the method, and the diffraction angle 2θ with respect to various ψ directions is measured in the plane including the stress direction to be measured and the sample surface normal set at the measurement position to obtain 2θ−sin 2. A ψ diagram can be created, and the average compressive stress from the gradient to the depth (distance from the surface of the coating) can be determined. Similarly, by sequentially measuring the average compressive stress to different depths, the strength distribution of the compressive stress in the thickness direction of the coating can be obtained.
より具体的には、Ｘ線源からのＸ線を試料に所定角度で入射させ、試料で回折したＸ線をＸ線検出器で検出し、該検出値に基づいて内部応力を測定するＸ線応力測定方法において、試料の任意箇所の試料表面に対して任意の設定角度でＸ線源よりＸ線を入射させ、試料上のＸ線照射点を通り試料表面で入射Ｘ線と直角なω軸と、試料台と平行でω軸を回転させた時に入射Ｘ線と一致するχ軸を中心に試料を回転させるときに、試料表面と入射Ｘ線とのなす角が一定となるように試料を回転させながら、回折面の法線と試料面の法線とのなす角度ψを変化させて回折線を測定することによって、試料内部の圧縮応力を求めることができる。 More specifically, X-rays that cause X-rays from an X-ray source to enter a sample at a predetermined angle, detect X-rays diffracted by the sample with an X-ray detector, and measure internal stress based on the detected values. In the stress measurement method, an X-ray is incident from an X-ray source at an arbitrary setting angle on the sample surface at an arbitrary position of the sample, passes through the X-ray irradiation point on the sample, and the ω axis is perpendicular to the incident X-ray When rotating the sample around the χ axis that coincides with the incident X-ray when the ω axis is rotated in parallel with the sample stage, the sample is placed so that the angle formed by the sample surface and the incident X-ray is constant. The compressive stress inside the sample can be obtained by measuring the diffraction line while changing the angle ψ between the normal line of the diffraction surface and the normal line of the sample surface while rotating.
なお、このような被膜の厚み方向の強度分布を求めるＸ線源としては、Ｘ線源の質（高輝度、高平行性、波長可変性等）の点で、シンクロトロン放射光（ＳＲ）を用いることが好ましい。 As an X-ray source for obtaining the intensity distribution in the thickness direction of such a film, synchrotron radiation (SR) is used in terms of the quality of the X-ray source (high brightness, high parallelism, wavelength variability, etc.). It is preferable to use it.
なおまた、上記のように圧縮応力を２θ−ｓｉｎ2ψ線図から求めるためには、被膜のヤング率とポアソン比が必要となる。しかし、該ヤング率はダイナミック硬度計等を用いて測定することができ、ポアソン比は材料によって大きく変化しないため０．２前後の値を用いればよい。本発明では、特に正確な圧縮応力値が特に重要となるわけではなく、圧縮応力の強度分布が重要である。このため、２θ−ｓｉｎ2ψ線図から圧縮応力を求めるに際して、ヤング率を用いることなく格子定数および格子面間隔を求めることにより圧縮応力の強度分布の代用とすることもできる。 In addition, in order to obtain the compressive stress from the 2θ-sin 2 ψ diagram as described above, the Young's modulus and Poisson's ratio of the coating are required. However, the Young's modulus can be measured using a dynamic hardness meter or the like, and since the Poisson's ratio does not vary greatly depending on the material, a value of around 0.2 may be used. In the present invention, the accurate compressive stress value is not particularly important, and the strength distribution of the compressive stress is important. For this reason, when the compressive stress is obtained from the 2θ-sin 2 ψ diagram, the strength distribution of the compressive stress can be substituted by obtaining the lattice constant and the lattice spacing without using the Young's modulus.
＜強度分布＞
本発明の被膜の上記圧縮応力は、上記被膜の厚み方向に強度分布を有するように変化している。ここで被膜の厚み方向とは、被膜の表面から被膜の底面（該被膜は基材上の最外層となるためその最外層の最も基材側の面）に向かう方向であって、被膜の表面に対して垂直となる方向である。図１の被膜３の部分の拡大断面図である図２を用いてより具体的に説明すれば、被膜の厚み方向とは、被膜の表面４から被膜の底面６に向かう矢印７で示される方向である。なお、矢印７は、便宜上、被膜の表面４から被膜の底面６に向かう方向で示されているが、被膜の表面に対して垂直となる方向である限りこの上下方向を限定する必要はなく、被膜の底面６から被膜の表面４に向かうものであってもよい。
<Intensity distribution>
The compressive stress of the coating of the present invention changes so as to have a strength distribution in the thickness direction of the coating. Here, the thickness direction of the coating is a direction from the surface of the coating toward the bottom surface of the coating (the coating is the outermost layer on the base material, and therefore the outermost layer on the outermost layer side). Is perpendicular to the direction. More specifically, referring to FIG. 2 which is an enlarged cross-sectional view of the portion of the
また、上記強度分布とは、圧縮応力の大きさが上記被膜の厚み方向に向かって分布を形成して変化することを示すものである。したがって、該圧縮応力が被膜の厚み方向に強度分布を有するとは、換言すれば圧縮応力の大きさが被膜の表面と平行の方向ではなく、被膜の表面と垂直の方向に変化することを意味するものである。 The strength distribution indicates that the magnitude of the compressive stress changes by forming a distribution in the thickness direction of the coating. Therefore, the compressive stress has a strength distribution in the thickness direction of the film, in other words, the magnitude of the compressive stress changes not in the direction parallel to the surface of the film but in the direction perpendicular to the surface of the film. To do.
そして上記強度分布は、上記被膜の表面において最小の圧縮応力（換言すれば絶対値が最小となる圧縮応力）を有するとともに、上記被膜の表面から、上記被膜の表面と上記被膜の底面との間に位置する中間点まで圧縮応力が連続的に増加し、その中間点において極大点を有するとともに、その中間点から上記被膜の底面まで圧縮応力が一定の値となることを特徴としている。 The strength distribution has a minimum compressive stress on the surface of the coating (in other words, a compressive stress having a minimum absolute value), and extends from the surface of the coating to the surface of the coating and the bottom of the coating. The compressive stress continuously increases up to an intermediate point located at, has a maximum point at the intermediate point, and the compressive stress has a constant value from the intermediate point to the bottom surface of the film.
この特徴を、図２および本発明の強度分布の一例を示す図３を用いてより詳しく説明する。図３は、被膜の厚み方向として、被膜の表面からの距離を横軸とし、圧縮応力を縦軸として強度分布をグラフ化したものである。 This feature will be described in more detail with reference to FIG. 2 and FIG. 3 showing an example of the intensity distribution of the present invention. FIG. 3 is a graph showing the strength distribution in the thickness direction of the film, with the distance from the surface of the film as the horizontal axis and the compressive stress as the vertical axis.
まず、図２に示したように、上記の中間点５とは、上記被膜の表面４と上記被膜の底面６との間に位置するものであるが、上記被膜の表面４からの垂直方向の距離で示せば、必ずしも被膜の厚み（被膜の表面４から被膜の底面６までの垂直方向の距離）の１/２になる必要はない。通常、このような中間点５は、被膜の底面６よりは被膜の表面４に近いところに位置するものである。
First, as shown in FIG. 2, the
好ましくはこのような中間点５は、上記被膜の表面から、上記被膜の厚み（上記被膜の表面４から上記被膜の底面６までの垂直方向の距離）の０．１％以上５０％以下の距離を有して位置することが好ましく、より好ましくはその下限を０．３％、さらに好ましくは０．５％、その上限を４０％、さらに好ましくは３５％とすることが好適である。０．１％未満の場合には、仕上げ切削や精密切削等に用いた場合、圧縮応力の低減が不完全となり膜チッピングの抑制効果が低下し、仕上げ面粗さの向上効果が見られなくなる場合がある。また、５０％を超えると、被膜内部において圧縮応力を増加した効果が低下し、靭性の向上作用が示されなくなる場合がある。
Preferably, the
なお、このような上記圧縮応力は、上記被膜の表面において、上記被膜の中間点における圧縮応力の２５〜９５％の値を有していることが好ましい。より好ましくは、その上限が９０％、さらに好ましくは８５％、その下限が３０％、さらに好ましくは３５％である。 In addition, it is preferable that the said compressive stress has a value of 25-95% of the compressive stress in the intermediate point of the said film in the surface of the said film. More preferably, the upper limit is 90%, more preferably 85%, and the lower limit is 30%, more preferably 35%.
この値が２５％未満となる場合、十分な靭性が得られなくなることがあり、また９５％を超えると被膜表面において圧縮応力を低減した効果が低下し、膜チッピングの抑制効果が見られなくなる場合がある。 When this value is less than 25%, sufficient toughness may not be obtained, and when it exceeds 95%, the effect of reducing the compressive stress on the coating surface is reduced, and the effect of suppressing film chipping is not seen. There is.
一方、上記の極大点とは、位置的には上記の中間点（図３においては被膜の表面からの距離が約０．１μｍとなる地点）において観察されるものであり、被膜の表面において最小となる圧縮応力（図３においては約−１．８ＧＰａの値を有する圧縮応力）が、被膜の底面６に向かって連続的に増加していき、この極大点においてその増加の度合いが変化することを示すものである。ここで、増加の度合いが変化するとは、図３に示したようにこの極大点を境として圧縮応力が被膜の底面の方向に向かって一定の値となることを示している。したがって、この極大点とは、数学の関数用語である極大点と同意またはそれより広義の意味を有するものである。
On the other hand, the local maximum point is a position observed at the intermediate point (a point at which the distance from the surface of the coating is about 0.1 μm in FIG. 3), and is the minimum on the surface of the coating. The compressive stress (compressive stress having a value of about −1.8 GPa in FIG. 3) continuously increases toward the
なお、図３においては、被膜の表面（すなわち被膜の表面からの距離が０μｍの地点）においてのみ圧縮応力が最小となっているが、本発明の態様としては、このように被膜の表面からの距離が０μｍの地点のみにおいて最小の圧縮応力を有する場合のみに限らず、図４に示したように被膜の表面からこの最小の圧縮応力が被膜の底面方向に向かって一定の距離（好ましくは０．５μｍ以下）の範囲内で維持される場合も含むものとする。すなわち、上記圧縮応力は、上記被膜の表面において最小の圧縮応力を有するとともに、その最小の圧縮応力が上記被膜の表面から上記中間点の方向に向かって一定の距離（好ましくは０．５μｍ以下）の間維持された後、該圧縮応力が上記中間点まで連続的に増加する態様が含まれる。 In FIG. 3, the compressive stress is minimized only on the surface of the film (that is, the point where the distance from the surface of the film is 0 μm). Not only in the case where the distance has a minimum compressive stress only at a point where the distance is 0 μm, but as shown in FIG. .5 μm or less). That is, the compressive stress has a minimum compressive stress on the surface of the coating, and the minimum compressive stress is a certain distance (preferably 0.5 μm or less) from the surface of the coating toward the intermediate point. In the embodiment, the compression stress is continuously increased to the intermediate point after being maintained for a while.
このように被膜表面の最小の圧縮応力が、その被膜の表面から被膜の底面方向に向かって一定の距離の範囲内で維持されると、特に優れた膜チッピングの抑制効果および耐摩耗性を有することとなるため好ましい。 Thus, when the minimum compressive stress on the surface of the film is maintained within a certain distance from the surface of the film toward the bottom surface of the film, the film chipping has a particularly excellent effect of suppressing film chipping and wear resistance. This is preferable.
また、上記被膜の表面から上記中間点まで圧縮応力が連続的に増加するとは、図３に示したように上に凸の状態で増加する場合だけではなく、下に凸の状態で増加する場合や直線的に増加する場合も含まれる。さらに、一部分において減少したり、増加の度合い（傾き）が途中で変化しているような場合あるいは段階的（階段状に増加）となっている場合であっても、全体として上記被膜の表面から上記中間点に向けて増加していれば、ここでいう連続的に増加する場合に含まれるものとする。 In addition, when the compressive stress continuously increases from the surface of the coating to the intermediate point, it does not only increase in a convex state as shown in FIG. 3, but also increases in a convex state. It also includes the case of increasing linearly. Furthermore, even when the amount of decrease (inclination) is partially changed or when the degree of increase (inclination) is changed in the middle or when it is stepwise (increases stepwise), the entire surface of the coating film If it increases toward the intermediate point, it is included in the case of increasing continuously here.
また、上記中間点から上記被膜の底面まで圧縮応力が一定の値となるとは、圧縮応力が完全に一定の数値を有する場合だけではなく、実質的に一定とみなされる場合も含まれる。 In addition, the case where the compressive stress has a constant value from the intermediate point to the bottom surface of the coating includes not only the case where the compressive stress has a completely constant numerical value but also the case where the compressive stress is considered to be substantially constant.
このように本発明においては、その強度分布が上記被膜の表面において最小の圧縮応力を有するとともに、上記被膜の表面から、上記被膜の表面と上記被膜の底面との間に位置する中間点まで連続的に増加し、その中間点において極大点を有したものとなっている。このように被膜の表面において最小の圧縮応力を有することにより、被膜表面の耐摩耗性を可能な限り向上させるとともに膜チッピングに対する耐性を向上させ、かつその極大点近傍の大きな圧縮応力および上記中間点から上記被膜の底面までその圧縮応力が一定の値となることにより、極めて優れた靭性が提供される。 As described above, in the present invention, the strength distribution has the minimum compressive stress on the surface of the coating, and continues from the surface of the coating to an intermediate point located between the surface of the coating and the bottom of the coating. It has a maximum point at its midpoint. By having the minimum compressive stress on the surface of the film in this way, the wear resistance of the film surface is improved as much as possible and the resistance to film chipping is improved, and the large compressive stress near the maximum point and the above intermediate point The compressive stress becomes a constant value from the bottom of the coating to the bottom of the coating, thereby providing extremely excellent toughness.
このようにして、本発明の表面被覆切削工具は、靭性と耐摩耗性および膜チッピングに対する耐性とを両立させることに成功したという極めて優れた効果を示すものである。 In this way, the surface-coated cutting tool of the present invention exhibits an extremely excellent effect of successfully achieving both toughness, wear resistance, and resistance to film chipping.
このような優れた効果は、上記のような極大点を有さず、被膜の表面から被膜の底面に向かって圧縮応力が連続的または段階的に一律に減少乃至増加することを特徴とする従来の表面被覆切削工具（特許文献１）においては示すことができない格別の効果である。 Such an excellent effect does not have the maximum point as described above, and the compressive stress is reduced or increased continuously or stepwise from the surface of the coating toward the bottom of the coating. This is a special effect that cannot be shown in the surface-coated cutting tool (Patent Document 1).
＜その他＞
本発明の表面被覆切削工具においては、図５に示すように上記基材２と上記被膜３との間に任意の中間層８を形成することができる。このような中間層８は、通常耐摩耗性を向上させたり、基材と被膜との密着性を向上させたりする特性を有するものであり、１層または複数層として形成することができる。なお、この場合、上記被膜の底面６は、被膜３と中間層８とが接する面となる。
<Others>
In the surface-coated cutting tool of the present invention, an arbitrary
このような中間層は、たとえばＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＶＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＣｒＮ、ＡｌＣｒＶＮ等により構成することができる。なお、これらの組成中、各原子比は上記被膜の組成として例示した一般式の例に倣うものとする。 Such an intermediate layer can be made of, for example, TiN, TiCN, TiSiN, TiAlN, AlCrN, AlVN, TiAlCrN, TiAlSiN, TiAlSiCrN, AlCrVN, or the like. In these compositions, each atomic ratio follows the example of the general formula exemplified as the composition of the film.
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、実施例中の被膜の化合物組成はＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析装置）によって確認した。また圧縮応力および厚み（または被膜表面からの距離）は、上述のｓｉｎ2ψ法により測定した。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these. In addition, the compound composition of the film in an Example was confirmed by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy analyzer). The compressive stress and thickness (or distance from the coating surface) were measured by the above-described sin 2 ψ method.
ｓｉｎ2ψ法による測定において、使用したＸ線のエネルギーは１０ｋｅＶであり、回折ピークはＴｉ0.5Ａｌ0.5Ｎ（実施例１〜６）およびＡｌ0.7Ｃｒ0.3Ｎ（実施例７〜１０）の（２００）面とした。そして、測定した回折ピーク位置をガウス関数のフィッティングにより決定し、２θ−ｓｉｎ2ψ線図の傾きを求め、ヤング率としてはダイナミック硬度計（ＭＴＳ社製ナノインデンター）を用いて求めた値を採用し、ポアソン比にはＴｉＮ（０．１９）の値を用いて応力値とした。 In the measurement by the sin 2 ψ method, the energy of X-ray used was 10 keV, and the diffraction peaks were (200) of Ti 0.5 Al 0.5 N (Examples 1 to 6) and Al 0.7 Cr 0.3 N (Examples 7 to 10). ) Surface. Then, the measured diffraction peak position is determined by fitting a Gaussian function, the slope of the 2θ-sin 2 ψ diagram is obtained, and the value obtained using a dynamic hardness meter (a nano indenter manufactured by MTS) is used as the Young's modulus. The stress value was determined using the value of TiN (0.19) for the Poisson's ratio.
なお、以下では被膜をカソードアークイオンプレーティング法により形成しているが、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。また、以下では特定の被膜組成のものを形成しているが、これ以外の組成のものでも同様の効果を得ることができる。 In the following, the film is formed by the cathode arc ion plating method, but it can also be formed by, for example, a balanced or unbalanced sputtering method. Moreover, although the thing of a specific film composition is formed below, the thing of a composition other than this can acquire the same effect.
＜実施例１〜６＞
＜表面被覆切削工具の作製＞
まず、表面被覆切削工具の基材として、以下の表１に示す材質と工具形状（後述の各特性の評価方法により異なる）を有する切削用刃先交換型チップを用意し、これを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 1-6>
<Production of surface-coated cutting tool>
First, as a base material for a surface-coated cutting tool, a cutting edge replaceable tip having a material and a tool shape shown in Table 1 below (depending on the evaluation method of each characteristic described later) is prepared, and this is used as a cathode arc ion plate. It was attached to the ting device.
続いて、真空ポンプにより該装置のチャンバー内を減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーターにより上記基材の温度を４５０℃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なった。 Subsequently, the inside of the chamber of the apparatus is depressurized by a vacuum pump, and the temperature of the base material is heated to 450 ° C. by a heater installed in the apparatus, so that the pressure in the chamber is 1.0 × 10 −4 Pa. A vacuum was drawn until
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、上記基材の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分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。 Next, argon gas was introduced to maintain the pressure in the chamber at 3.0 Pa, the substrate bias power supply voltage of the substrate was gradually increased to −1500 V, and the surface of the substrate was cleaned for 15 minutes. . Thereafter, argon gas was exhausted.
次いで、上記基材上に直接接するように形成される被膜としてＴｉ0.5Ａｌ0.5Ｎが３μｍの厚みで形成されるように、金属蒸発源である合金製ターゲットをセットするとともに、反応ガスとして窒素ガスを導入させながら、基材（基板）温度４５０℃、反応ガス圧４．０Ｐａとし、基板バイアス電圧を以下の表２のように変化させることにより、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ることにより、以下の表３に示す圧縮応力の強度分布を有する実施例１〜６の本発明の表面被覆切削工具を作製した。 Next, an alloy target, which is a metal evaporation source, is set so that Ti 0.5 Al 0.5 N is formed with a thickness of 3 μm as a film formed to be in direct contact with the substrate, and nitrogen gas is used as a reaction gas. The substrate current (substrate) temperature was 450 ° C., the reaction gas pressure was 4.0 Pa, and the substrate bias voltage was changed as shown in Table 2 below to supply an arc current of 100 A to the cathode electrode. The surface-coated cutting tools of Examples 1 to 6 having the intensity distribution of compressive stress shown in Table 3 below were produced by generating metal ions from an evaporation source.
なお、上記の表において記載されている時間は、合金製ターゲットにより金属イオンの蒸発を開始してからの経過時間を示している。また、各欄に示されている電圧の数値は、上記の経過時間に対応する基板のバイアス電圧を示しており、たとえば「−１５０Ｖ」というように単一の数値が記載されている場合は、その経過時間を通して基板バイアス電圧が一定であったことを示している。この場合被膜における圧縮応力も一定の値を有することになる。一方、「−１５０Ｖ〜−５０Ｖ」というように範囲をもって記載されている場合は、その経過時間において基板バイアス電圧を−１５０Ｖから徐々に−５０Ｖまで一定速度で減少させたことを示しており、この場合被膜の圧縮応力は徐々に減少することとなるが、電圧の減少を開始したところにおいて圧縮応力の極大点が形成されることになる。 In addition, the time described in said table | surface has shown the elapsed time after starting evaporation of metal ion with an alloy target. Moreover, the numerical value of the voltage shown in each column indicates the bias voltage of the substrate corresponding to the elapsed time described above. For example, when a single numerical value such as “−150 V” is described, It shows that the substrate bias voltage was constant throughout the elapsed time. In this case, the compressive stress in the coating also has a constant value. On the other hand, when it is described with a range such as “−150 V to −50 V”, it indicates that the substrate bias voltage was gradually decreased from −150 V to −50 V at a constant speed during the elapsed time. In this case, the compressive stress of the coating gradually decreases, but the maximum point of the compressive stress is formed when the voltage starts to decrease.
このように基板バイアス電圧を経過時間との関係で変化させたり一定の数値とすることにより、被膜中の圧縮応力の強度分布において極大点や圧縮応力が一定の値となる部分を形成することができる。 Thus, by changing the substrate bias voltage in relation to the elapsed time or making it a constant numerical value, it is possible to form a portion where the maximum point or the compressive stress has a constant value in the compressive stress intensity distribution in the film. it can.
なお、上記表において表面の圧縮応力の欄に記載されている数値は、被膜の表面において示される最小の圧縮応力を示している。また、中間点の欄に記載されている数値は、被膜の厚み方向の距離として被膜の表面から中間点までの距離を示している（「％」表示の数値は被膜の厚みに対するものであり、「μｍ」表示との両者で示している）。また、極大点の欄に記載されている数値は、その極大点における圧縮応力を示しており、この圧縮応力は被膜の底面まで一定の値（同じ値）となる。 In addition, the numerical value described in the column of the surface compressive stress in the said table | surface has shown the minimum compressive stress shown in the surface of a film. In addition, the numerical value described in the middle point column indicates the distance from the surface of the coating to the intermediate point as the distance in the thickness direction of the coating (the numerical value of “%” is relative to the thickness of the coating, It is indicated by both “μm” display). Moreover, the numerical value described in the column of the maximum point shows the compressive stress at the maximum point, and this compressive stress becomes a constant value (the same value) up to the bottom surface of the coating.
このようにして、実施例１〜６の本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備え、該被膜は、該基材上の最外層となるものであり、かつ圧縮応力を有しており、該圧縮応力は、上記被膜の厚み方向に強度分布を有するように変化しており、該強度分布は、上記被膜の表面において最小の圧縮応力を有するとともに、上記被膜の表面から、上記被膜の表面と上記被膜の底面との間に位置する中間点まで該圧縮応力が連続的に増加し、該中間点において極大点を有するとともに、該中間点から上記被膜の底面まで圧縮応力が一定の値となるものである。 Thus, the surface-coated cutting tool of the present invention of Examples 1 to 6 includes the base material and the coating film formed on the base material, and the coating film becomes the outermost layer on the base material. And has a compressive stress, and the compressive stress changes so as to have a strength distribution in the thickness direction of the coating, and the strength distribution has a minimum compressive stress on the surface of the coating. And the compressive stress continuously increases from the surface of the coating to an intermediate point located between the surface of the coating and the bottom surface of the coating, and has a maximum point at the intermediate point. To a bottom surface of the coating film, the compressive stress becomes a constant value.
なお、比較のため、合金製ターゲットにより金属イオンの蒸発を開始してから６０分間基板バイアス電圧を−１５０Ｖで維持することを除き、上記と同様にして表面被覆切削工具を作製した（比較例１）。 For comparison, a surface-coated cutting tool was prepared in the same manner as described above except that the substrate bias voltage was maintained at −150 V for 60 minutes after the start of evaporation of metal ions by the alloy target (Comparative Example 1). ).
この比較例１の表面被覆切削工具は、被膜の圧縮応力の強度分布がなく、被膜の底面から被膜の表面にかけてその圧縮応力が一定であった。 The surface-coated cutting tool of Comparative Example 1 had no strength distribution of the compressive stress of the coating, and the compressive stress was constant from the bottom of the coating to the surface of the coating.
＜実施例７〜１０＞
＜表面被覆切削工具の作製＞
まず、表面被覆切削工具の基材としては、実施例１〜６において用いたものと同じものを用いた。そして、この基材を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 7 to 10>
<Production of surface-coated cutting tool>
First, as the base material of the surface-coated cutting tool, the same one as used in Examples 1 to 6 was used. And this base material was mounted | worn with the cathode arc ion plating apparatus.
続いて、真空ポンプにより該装置のチャンバー内を減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーターにより上記基材の温度を４５０℃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なった。 Subsequently, the inside of the chamber of the apparatus is depressurized by a vacuum pump, and the temperature of the base material is heated to 450 ° C. by a heater installed in the apparatus, so that the pressure in the chamber is 1.0 × 10 −4 Pa. A vacuum was drawn until
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、上記基材の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分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。 Next, argon gas was introduced to maintain the pressure in the chamber at 3.0 Pa, the substrate bias power supply voltage of the substrate was gradually increased to −1500 V, and the surface of the substrate was cleaned for 15 minutes. . Thereafter, argon gas was exhausted.
次いで、上記基材上に直接接するように形成される被膜としてＡｌ0.7Ｃｒ0.3Ｎが３μｍの厚みで形成されるように、金属蒸発源である合金製ターゲットをセットするとともに、反応ガスとして窒素を導入させながら、基材（基板）温度４５０℃、反応ガス圧４．０Ｐａとし、基板バイアス電圧を以下の表４のように変化させることにより、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ることにより、以下の表５に示す圧縮応力の強度分布を有する実施例７〜１０の本発明の表面被覆切削工具を作製した。 Next, an alloy target, which is a metal evaporation source, is set so that Al 0.7 Cr 0.3 N is formed with a thickness of 3 μm as a film formed so as to be in direct contact with the substrate, and nitrogen is used as a reaction gas. While introducing the substrate, the substrate (substrate) temperature was set to 450 ° C., the reaction gas pressure was set to 4.0 Pa, and the substrate bias voltage was changed as shown in Table 4 below to supply an arc current of 100 A to the cathode electrode. By generating metal ions from the evaporation source, the surface-coated cutting tools of the present invention of Examples 7 to 10 having the compressive stress intensity distribution shown in Table 5 below were produced.
なお、上記の表において記載されている時間は、表２の場合と同様、合金製ターゲットにより金属イオンの蒸発を開始してからの経過時間を示している。また、各欄に示されている電圧の数値も、表２の場合と同様、上記の経過時間に対応する基板のバイアス電圧を示している。 In addition, the time described in said table | surface has shown the elapsed time after starting evaporation of metal ion with an alloy target similarly to the case of Table 2. FIG. Similarly to the case of Table 2, the numerical value of the voltage shown in each column also indicates the substrate bias voltage corresponding to the elapsed time.
なお、上記表において表面の圧縮応力の欄に記載されている数値は、表３の場合と同様に被膜の表面において示される最小の圧縮応力を示している。また、中間点の欄に記載されている数値も、表３の場合と同様に被膜の厚み方向の距離として被膜の表面から中間点までの距離を示している（「％」表示の数値は被膜の厚みに対するものであり、「μｍ」表示との両者で示している）。極大点の欄に記載されている数値も、表３の場合と同様、その点における圧縮応力を示しており、この圧縮応力は被膜の底面まで一定の値（同じ値）となる。 In addition, the numerical value described in the column of the surface compressive stress in the said table | surface has shown the minimum compressive stress shown on the surface of a film similarly to the case of Table 3. FIG. Also, the numerical value described in the middle point column also shows the distance from the surface of the coating to the middle point as the distance in the thickness direction of the coating as in Table 3 (the numerical value indicated by “%” indicates the coating). And is indicated by both “μm” indications). The numerical value described in the maximum point column also indicates the compressive stress at that point, as in Table 3, and this compressive stress is a constant value (same value) up to the bottom surface of the coating.
このようにして、実施例７〜１０の本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備え、該被膜は、該基材上の最外層となるものであり、かつ圧縮応力を有しており、該圧縮応力は、上記被膜の厚み方向に強度分布を有するように変化しており、該強度分布は、上記被膜の表面において最小の圧縮応力を有するとともに、上記被膜の表面から、上記被膜の表面と上記被膜の底面との間に位置する中間点まで該圧縮応力が連続的に増加し、該中間点において極大点を有するとともに、該中間点から上記被膜の底面まで圧縮応力が一定の値となるものである。 Thus, the surface-coated cutting tool of Examples 7 to 10 of the present invention includes the base material and the coating film formed on the base material, and the coating film becomes the outermost layer on the base material. And has a compressive stress, and the compressive stress changes so as to have a strength distribution in the thickness direction of the coating, and the strength distribution has a minimum compressive stress on the surface of the coating. And the compressive stress continuously increases from the surface of the coating to an intermediate point located between the surface of the coating and the bottom surface of the coating, and has a maximum point at the intermediate point. To a bottom surface of the coating film, the compressive stress becomes a constant value.
なお、比較のため、合金製ターゲットにより金属イオンの蒸発を開始してから６０分間かけて基板バイアス電圧を−２００Ｖ〜−２０Ｖまで一律に減少させることを除き、上記と同様にして表面被覆切削工具を作製した（比較例２）。 For comparison, the surface-coated cutting tool is the same as described above except that the substrate bias voltage is uniformly reduced from −200 V to −20 V over 60 minutes after the evaporation of metal ions is started by the alloy target. (Comparative Example 2).
この比較例２の表面被覆切削工具は、被膜の圧縮応力の強度分布が極大点を有さず、被膜の底面から被膜の表面にかけて一律に減少するものであった。 In the surface-coated cutting tool of Comparative Example 2, the strength distribution of the compressive stress of the coating did not have a local maximum point, and decreased uniformly from the bottom of the coating to the surface of the coating.
＜表面被覆切削工具の耐摩耗性の評価＞
上記で作製した実施例１〜１０および比較例１〜２の表面被覆切削工具のそれぞれについて、上記の表１に示す条件による連続切削試験および断続切削試験を行なった。そして、刃先の逃げ面摩耗幅が０．１５ｍｍを超える時間を切削時間として測定した。
<Evaluation of wear resistance of surface coated cutting tools>
For each of the surface-coated cutting tools of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 and 2 prepared above, a continuous cutting test and an intermittent cutting test were performed according to the conditions shown in Table 1 above. The time when the flank wear width of the blade edge exceeded 0.15 mm was measured as the cutting time.
表面被覆切削工具の耐摩耗性の評価結果として上記で測定した切削時間を下記表６および表７に示す。切削時間が長いもの程耐摩耗性が優れていることを示している。また、連続切削試験においては、被削材の仕上げ面の光沢の有無についても観察し、その観察結果を同じく表６および表７に示す。この場合、「光沢あり」とは被削材の仕上げ面が光沢を有することを示し、「白濁」とは被削材の仕上げ面が光沢を有さず白濁したことを示す。 Tables 6 and 7 below show the cutting times measured above as the evaluation results of the wear resistance of the surface-coated cutting tool. The longer the cutting time, the better the wear resistance. In the continuous cutting test, the presence or absence of gloss on the finished surface of the work material was also observed, and the observation results are also shown in Tables 6 and 7. In this case, “glossy” means that the finished surface of the work material is glossy, and “white turbidity” means that the finished surface of the work material is not glossy and becomes cloudy.
表６および表７から明らかなように、連続切削試験においても断続切削試験においても実施例１〜１０の本発明に係る表面被覆切削工具は、比較例１〜２の表面被覆切削工具に比し、さらに耐摩耗性（連続切削試験参照）および靭性（断続切削試験参照）が向上するとともに仕上げ面に光沢を得ることができることから膜チッピングに対する耐性にも優れ、かつ表面被覆切削工具の寿命がさらに向上していることを確認した。 As is clear from Tables 6 and 7, the surface-coated cutting tool according to the present invention of Examples 1 to 10 in both the continuous cutting test and the intermittent cutting test is compared with the surface-coated cutting tool of Comparative Examples 1 and 2. In addition, the wear resistance (see continuous cutting test) and toughness (see intermittent cutting test) are improved, and the finished surface can be glossed, so it has excellent resistance to film chipping and the life of the surface-coated cutting tool is further increased. Confirmed that it has improved.
＜表面被覆切削工具の仕上げ面光沢の評価＞
上記で作製した実施例１〜１０および比較例１〜２の表面被覆切削工具のそれぞれについて、以下に示す条件で仕上げ面光沢の評価試験を行なった。
<Evaluation of surface gloss of surface coated cutting tools>
Each of the surface-coated cutting tools of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 and 2 prepared above was subjected to a finish surface gloss evaluation test under the following conditions.
すなわち、切削条件は、上記の表１に示したようにＳ４５Ｃを被削材として用い、切削速度２００ｍ／ｍｉｎ、送り量０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み０．５ｍｍとし、１０分間の湿式旋削試験を行なった。 That is, as shown in Table 1 above, the cutting conditions were as follows. S45C was used as a work material, the cutting speed was 200 m / min, the feed rate was 0.2 mm / rev, and the cutting was 0.5 mm. I did it.
このようにして各表面被覆切削工具の仕上げ面光沢の評価結果を下記表６および表７に示す。表６および表７から明らかなように、実施例１〜１０の本発明に係る表面被覆切削工具は、比較例１〜２の表面被覆切削工具に比し、さらに仕上げ面光沢が向上しており、膜チッピングに対する耐性に優れていることを確認した。 The evaluation results of the finished surface gloss of each surface-coated cutting tool are shown in Tables 6 and 7 below. As is apparent from Tables 6 and 7, the surface-coated cutting tools according to the present invention of Examples 1 to 10 have improved finished surface gloss as compared with the surface-coated cutting tools of Comparative Examples 1 and 2. It was confirmed that the film was excellent in resistance to chipping.
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.
１ 表面被覆切削工具、２ 基材、３ 被膜、４ 被膜の表面、５ 中間点、６ 被膜の底面、７ 矢印、８ 中間層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Surface coating cutting tool, 2 base material, 3 coating, 4 coating surface, 5 middle point, 6 coating bottom surface, 7 arrow, 8 intermediate layer.
Claims (4)
前記被膜は、前記基材上の最外層となるものであり、かつ圧縮応力を有しており、
前記圧縮応力は、前記被膜の厚み方向に強度分布を有するように変化しており、
前記強度分布は、前記被膜の表面において最小の圧縮応力を有するとともに、前記被膜の表面から、前記被膜の表面と前記被膜の底面との間に位置する中間点まで前記圧縮応力が連続的に増加し、前記中間点において極大点を有するとともに、前記中間点から前記被膜の底面まで圧縮応力が一定の値となり、
前記中間点は、前記被膜の表面から、前記被膜の厚みの０．１％以上５０％以下の距離を有して位置し、
前記圧縮応力は、前記被膜の表面において前記被膜の中間点の圧縮応力の２５〜９５％の値を有することを特徴とする、表面被覆切削工具。 A surface-coated cutting tool comprising a substrate and a coating formed on the substrate,
The coating is the outermost layer on the substrate and has a compressive stress,
The compressive stress has changed to have a strength distribution in the thickness direction of the coating,
The strength distribution has a minimum compressive stress on the surface of the coating, and the compressive stress continuously increases from the surface of the coating to an intermediate point located between the surface of the coating and the bottom of the coating. and, which has a local maximum point at the intermediate point, Ri Do and the constant value compressive stress from the midpoint to the bottom surface of said coating,
The intermediate point is located at a distance of 0.1% to 50% of the thickness of the coating from the surface of the coating,
The surface-coated cutting tool characterized in that the compressive stress has a value of 25 to 95% of the compressive stress at the midpoint of the coating on the surface of the coating.
Priority Applications (7)
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